JP2024512685A - 保護層を備えた電池アセンブリ及び電池アセンブリの製造方法 - Google Patents

保護層を備えた電池アセンブリ及び電池アセンブリの製造方法 Download PDF

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Abstract

二次電池アセンブリは、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを含む。制約は、電極アセンブリの外面上に配設される。電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つは、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在し、かつＸ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する突出部を有する。電池筐体は、電極アセンブリ及び制約を封入する。筐体保護層は、突出部の少なくとも一部分の上、及び突出部と電池筐体との間に配設される。筐体保護層は、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定する。第２の曲率半径は、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体に損傷を引き起こす可能性を低減する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年３月３１日に出願された米国仮特許出願第６３／１６８，３９２号に対する優先権を主張し、これは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示の分野は、概して、電池技術などのエネルギー貯蔵技術に関する。より具体的には、本開示の分野は、電気化学電池の構成要素、例えば、リチウムベースの二次電池などの電池構成要素の保護層、システム、及び方法に関する。
リチウムベースの二次電池は、その比較的高いエネルギー密度、電力、及び貯蔵寿命のために、望ましいエネルギー源となっている。リチウム二次電池の例としては、リチウムイオン電池及びリチウムポリマー電池などの非水性電池が挙げられる。
電池、燃料セル、及び電気化学コンデンサなどの既知のエネルギー貯蔵デバイスは、典型的には、平面又はらせん状に巻かれた（すなわち、ゼリーロール）積層構造などの二次元積層構造を有し、各積層の表面積は、その幾何学的フットプリントにほぼ等しい（多孔率及び表面粗さを無視する）。
三次元二次電池は、層状二次電池と比較して、増加した容量及び長寿命を提供し得る。しかしながら、そのような三次元二次電池の製造は、製造及びコストの課題を提示する。
二次電池の製造プロセス中に、鋭利な縁部、角部、又は他の特徴によって損傷しやすい領域が作成され、電池の機能性、安全性、又は出力を損なう可能性がある。したがって、公知の技術分野の問題に対処しながら、三次元電池を製造することが望ましいであろう。
一実施形態では、二次電池アセンブリは、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリと、電極アセンブリの外面に配設された制約であって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されるＸ－Ｙ平面内に延在する突出部を含み、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、電極アセンブリ及び制約を封入する電池筐体と、突出部の少なくとも一部分の上、及び突出部と電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備える。
更に別の実施形態では、二次電池は、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリと、電極アセンブリが内部に含まれる容積を画定する制約であって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、突出部の少なくとも一部分の上、及び突出部と電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備え、電池筐体が、電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入し、電池筐体の少なくとも一部分が、筐体保護層と直接接触している。
更に別の実施形態では、二次電池とともに使用するための電池アセンブリを作製する方法は、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを作製することと、制約が電極アセンブリの外面の上に配設されるように、制約によって画定された容積内に電極アセンブリを配置することであって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する、配置することと、突出部の少なくとも一部分の上に筐体保護層を接着することであって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、接着することと、筐体保護層が制約と電池筐体との間に配設されるように、電池筐体内に電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入することと、を含む。
更に別の実施形態では、二次電池を製造する方法は、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを作製することと、制約が電極アセンブリの外面の上に配設されるように、制約によって画定された容積内に電極アセンブリを配置することであって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する、配置することと、少なくとも１つの突出部の少なくとも一部分の上に筐体保護層を接着することであって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、接着することと、筐体保護層が制約と電池筐体との間に配設されるように、電池筐体内に電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入することと、電池筐体を真空シールすることと、を含む。
本開示による保護層の着接前の、切断部分を有する電池アセンブリの１つの好適な実施形態の正面斜視図である。 図１の電極アセンブリの断面線Ｄ－Ｄから取られた断面図である。 本開示による制約内の電池アセンブリの拡大部分斜視図である。 本開示による制約の一実施形態の斜視図である。 本開示の実施形態による、筐体保護層を含む電池アセンブリの斜視図である。 筐体保護層が上部に着接される前の電池アセンブリの面の写真である。 本開示による筐体保護層の着接後の図４Ａの電池アセンブリの面の写真である。 筐体保護層が上部に着接される前の電池アセンブリの面の写真である。 本開示による筐体保護層の着接後の図４Ｃの電池アセンブリの面の写真である。 本開示による筐体保護層の着接前の電池アセンブリの概略プロファイル図である。 本開示による筐体保護層の着接後の図４Ｅの電池アセンブリの概略プロファイル図である。 電池筐体内に部分的に配置された電池アセンブリの斜視図である。 電池筐体の第２のカバーを含む図５の電池アセンブリの斜視図である。 電池筐体内にシールされた後の完成した電池のプロファイル図である。 筐体保護層のウェブの一部分の斜視図である。 本開示の電池アセンブリ上の筐体保護層の一実施形態の斜視図である。 本開示による筐体保護層を含む電池アセンブリを作製する方法の概略図である。
定義
本明細書で使用される「Ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」（すなわち、単数形）は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数の指示物を指す。例えば、一事例では、「電極」への言及は、単一の電極及び複数の同様の電極の両方を含む。
本明細書で使用される場合、「約」及び「およそ」は、記載される値のプラス又はマイナス１０％、５％、又は１％を指す。例えば、一事例では、約２５０μｍであれば、２２５μｍ～２７５μｍを含む。更なる例として、一事例では、約１，０００μｍであれば、９００μｍ～１，１００μｍを含む。別途示されない限り、本明細書及び請求項で使用される量（例えば、測定値など）などを表す全ての数は、全ての事例において「約」という用語によって修飾されているものと理解されるべきである。したがって、反対のことが示されない限り、以下の明細書及び添付の請求項に記載される数値パラメータは、近似値である。各数値パラメータは、少なくとも、報告された有意な桁の数に照らして、及び通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。
二次電池の文脈で本明細書で使用される「アノード」は、二次電池の負極を指す。
本明細書で使用される「アノード物質」又は「アノード活性」は、二次電池の負極として使用するのに適した材料を意味する。
二次電池の文脈で本明細書で使用される「カソード」は、二次電池の正極を指す。
本明細書で使用される「カソード物質」又は「カソード活性」は、二次電池の正極として使用するのに適した材料を意味する。
「変換化学活物質」又は「変換化学物質」は、二次電池の充放電サイクル中に化学反応を受ける物質を指す。
本明細書で使用される「対向電極」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、電極の反対側の二次電池の負極又は正極（アノード又はカソード）を指す場合がある。
充電状態と放電状態との間の二次電池のサイクルの文脈で本明細書で使用される「サイクル」は、充電状態又は放電状態のいずれかである第１の状態から、第１の状態の反対である第２の状態（すなわち、第１の状態が放電であった場合は充電状態、又は第１の状態が充電であった場合は放電状態）に電池を移行させるために、電池を充電及び／又は放電し、次いで、電池を第１の状態に戻してサイクルを完了することを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の二次電池の単一のサイクルは、充電サイクルでのように、電池を放電状態から充電状態に充電し、次いで、放電状態に戻るように放電して、サイクルを完了することを含むことができる。単一のサイクルはまた、放電サイクルでのように、電池を充電状態から放電状態に放電し、次いで、充電状態に戻るように充電して、サイクルを完了することを含むことができる。
本明細書で使用される「電気化学的活物質」は、アノード活物質又はカソード活物質を意味する。
本明細書で使用される「電極」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、二次電池の負極又は正極（アノード又はカソード）を指す場合がある。
本明細書で使用される「電極集電体層」は、アノード（例えば、負の）集電体層又はカソード（例えば、正の）集電体層を指す場合がある。
本明細書で使用される「電極物質」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、アノード物質又はカソード物質を指す場合がある。
本明細書で使用される「電極構造」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、電池での使用に適したアノード構造（例えば、負極構造）又はカソード構造（例えば、正極構造）を指す場合がある。
本明細書で使用される場合、「長手方向軸」、「横方向軸」、及び「垂直軸」は、相互に垂直な軸を指す（すなわち、各々は、互いに直交する）。例えば、本明細書で使用される「長手方向軸」、「横方向軸」、及び「垂直軸」は、三次元態様又は配向を画定するために使用されるデカルト座標系に類似している。このように、本明細書で開示される主題の要素の説明は、要素の三次元配向を説明するために使用される特定の軸に限定されない。代替的に述べると、軸は、開示の主題の三次元態様を参照するときに交換可能であり得る。「弱化領域」は、弱化領域の局所破断強度が非弱化領域の破断強度よりも低くなるように、例えば、スコアリング、切断、又は穿孔などの処理操作を受けたウェブの一部分を指す。
本開示の実施形態は、電池の機能性、安全性及び／又は出力を維持するために、構成要素への損傷の発生を低減するための、二次電池などの電池用構成要素の保護層に関する。
保護層の着接前の、電池アセンブリ１００の１つの好適な実施形態を、図１を参照して説明する。図１に示すように、電池アセンブリ１００は、隣接する電極サブユニット１０２の群を含む。各電極サブユニット１０２は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の寸法をそれぞれ有する。Ｘ、Ｙ、及びＺ軸は、デカルト座標系に類似して、各々、相互に垂直である。本明細書で使用されるとき、Ｚ軸の各電極サブユニット１０２の寸法は「高さ」と呼ばれ得、Ｘ軸の寸法は「長さ」と呼ばれ得、Ｙ軸の寸法は「幅」と呼ばれ得る。電極サブユニットは、１つ以上の単位セル２００（図２）に組み合わされ得る。各電極単位セル２００は、少なくとも１つのアノード活物質層１０４と、少なくとも１つのカソード活物質層１０６と、を備える。アノード活物質層１０４及びカソード活物質層１０６は、セパレータ層１０８によって互いに電気的に絶縁されている。本開示の好適な実施形態では、単一の電池アセンブリ１００内の１～２００個又はそれ以上のサブユニットなど、任意の数の電極サブユニット１０２が使用され得ることを理解されたい。
依然として図１を参照すると、電池アセンブリ１００は、電極タブ（又は集電体タブ）１２０を介して、それぞれ、各電極サブユニット１０２のアノード活性層１０４と、カソード活性層１０６と電気的に接触するバスバー１１０及び１１２と、を含む。したがって、図１に示されるバスバー１１０は、アノードバスバーと呼ばれ得、バスバー１１２は、カソードバスバーと呼ばれ得る。一実施形態では、制約と呼ばれ得るケーシング１１６は、電池アセンブリ１００のＸ－Ｙ表面のうちの一方又は両方の上に着接され得る。図１に示される実施形態では、ケーシング１１６は、電池アセンブリ１００が完全に組み立てられると、電解質溶液の分布又は流れを容易にするための穿孔１１８の群を含む。
一実施形態では、アノード活性層１０４及びカソード活性層１０６の各々は、例えば、その少なくとも１つの主表面上の電極集電体層（すなわち、アノード集電体層又はカソード集電体層）、及び電気化学的活物質層（すなわち、アノード活物質の層又はカソード活物質の層）を含む多層材料であり得、他の実施形態では、アノード活性層及びカソード活性層のうちの１つ以上は、適切な材料の単一の層であり得る。
図２を参照すると、電極サブユニット１０２と同じ又は類似し得る電極単位セル２００の個々の層が説明される。単位セル２００の各々について、いくつかの実施形態では、セパレータ層１０８は、二次電池のセパレータとしての使用に適したイオン透過性高分子織材料である。単位セル２００の一実施形態の断面図を図２に示す。この実施形態では、電極サブユニット２００は、中央のアノード集電体層２０６と、アノード活物質層１０４と、セパレータ１０８と、カソード活物質層１０６と、カソード集電体層２１０と、を積み重ね形成で備える。代替の実施形態では、カソード活物質層１０６及びアノード活物質層１０４の配置を入れ替えて、カソード活物質層１０６が中心に向かっており、アノード活物質層がカソード活物質層１０６の遠位にあるようにしてもよい。一実施形態では、単位セル２００Ａは、カソード集電体２１０と、カソード活物質層１０６と、セパレータ１０８と、アノード活物質層１０４と、アノード集電体２０６と、を含み、図２の図では、左から右に連続して積み重ねられている。代替の実施形態では、単位セル２００Ｂは、セパレータ１０８と、カソード活物質層１０６の第１の層と、カソード集電体２１０と、カソード活物質層１０６の第２の層と、セパレータ１０８と、アノード活物質層１０４の第１の層と、アノード集電体２０６と、アノード活物質層１０４の第２の層と、セパレータ１０８とを含み、図２の図では、左から右に連続して積み重ねされている。
一実施形態では、アノード集電体層２０６は、銅、銅合金、カーボン、ニッケル、ステンレス鋼、又はアノード集電体層として好適な任意の他の材料などの伝導性金属を含み得る。アノード活物質層１０４は、アノード集電体層２０６の第１の表面上の第１の層、及びアノード集電体層２０６の第２の対向する表面上の第２の層として形成され得る。別の実施形態では、アノード集電体層２０６及びアノード活物質層１０４は、混合され得る。第１の表面及び第２の対向する表面は、層の主表面、又は前面及び背面と呼ばれ得る。本明細書で使用される主表面は、Ｘ軸方向（図２には示されていない）の材料の長さ及びＺ軸方向の材料の高さによって形成される平面によって画定された表面を指す。
一実施形態では、アノード活物質層１０４は、各々、少なくとも約１０ｕｍの厚さを有し得る。例えば、一実施形態では、アノード活物質層１０４は、（各々）少なくとも約４０ｕｍのＹ軸方向の幅を有する。更なる例として、そのような一実施形態では、アノード活物質層１０４は、（各々）少なくとも約８０ｕｍの幅を有する。更なる例として、そのような一実施形態では、アノード活物質層１０４は、各々少なくとも約１２０ｕｍの幅を有する。しかしながら、典型的には、アノード活物質層１０４は、各々約６０ｕｍ未満、又は更には約３０ｕｍ未満の幅を有する。本明細書で使用される場合、「厚さ」及び「幅」という用語は、Ｙ軸方向の測定値を示すために交換可能に使用され得る。
一般に、負極活物質（例えば、アノード活物質）は、以下からなる群から選択され得る。（ａ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）と、（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金又は金属間化合物と、（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、又はＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物、複合物、又はリチウム含有複合物と、（ｄ）Ｓｎの塩及び水酸化物と、（ｅ）チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、アルミニウム酸リチウム、リチウム含有酸化チタン、リチウム遷移金属酸化物、ＺｎＣｏ２Ｏ４と、（ｆ）グラファイト及びカーボンの粒子と、（ｇ）リチウム金属と、（ｈ）それらの組み合わせ。
例示的なアノード活物質としては、グラファイト及び軟質若しくは硬質カーボン、又はグラフェン（例えば、単層若しくは多層カーボンナノチューブ）などのカーボン材料、又は金属、半金属、合金、酸化物、窒化物、及びリチウムをインターカレートさせることができるか又はリチウムと合金を形成することができる化合物の範囲のいずれかが挙げられる。アノード材料を構成することができる金属又は半金属の具体例としては、グラファイト、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ボロン、ガリウム、ケイ素、Ｓｉ／Ｃ複合材料、Ｓｉ／グラファイトブレンド、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、多孔質Ｓｉ、金属間Ｓｉ合金、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、ヒ素、ハフニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、グラファイト、カーボン、チタン酸リチウム、パラジウム、及びそれらの混合物が挙げられる。１つの例示的な実施形態では、アノード活物質は、アルミニウム、スズ、若しくはケイ素、又はそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、又はそれらの他の合金を含む。別の例示的な実施形態では、アノード活物質は、ケイ素、又はその合金若しくは酸化物を含む。
一実施形態では、アノード活物質は、リチウムイオン（又は他のキャリアイオン）が充放電プロセス中に負極活物質に取り込まれるか、又はアノード活物質から離れるときに、体積の膨張及び収縮に対応するための有意な空隙体積分率を提供するように微細構造化される。一般に、アノード活物質層１０４の各々の空隙体積分率は、少なくとも０．１である。しかしながら、典型的には、アノード活物質層の各々の空隙体積分率は、０．８以下である。例えば、一実施形態では、アノード活物質層１０４の各々の空隙体積分率は、約０．１５～約０．７５である。更なる例として、一実施形態では、アノード活物質層１０４の（各々の）空隙体積分率は、約０．２～約０．７である。更なる例として、一実施形態では、アノード活物質層１０４の各々の空隙体積分率は、約０．２５～約０．６である。
微細構造化アノード活物質の組成及びその形成方法に応じて、微細構造化アノード活物質は、マクロ多孔質、マイクロ多孔質、若しくはメソ多孔質材料層、又はそれらの組み合わせ、例えば、マイクロ多孔質及びメソ多孔質との組み合わせ、又はメソ多孔質とマクロ多孔質との組み合わせを含み得る。マイクロ多孔質材料は、典型的には、１０ｎｍ未満の細孔寸法、１０ｎｍ未満の壁寸法、１～５０マイクロメートルの細孔深さ、及び「スポンジ状」で不規則な外観、滑らかでない壁、及び分岐した細孔によって一般的に特徴付けられる細孔形態を特徴とする。メソ多孔質材料は、典型的には、１０～５０ｎｍの細孔寸法、１０～５０ｎｍの壁寸法、１～１００マイクロメートルの細孔深度、及び幾分よく画定された分岐細孔又は樹状細孔によって一般的に特徴付けられる細孔形態を特徴とする。マクロ多孔質材料は、典型的には、５０ｎｍを超える細孔寸法、５０ｎｍを超える壁寸法、１～５００マイクロメートルの細孔深さ、及び様々な、直線状、分岐状、又は樹枝状、及び滑らか若しくは粗い壁であり得る細孔形態を特徴とする。更に、空隙体積は、開放若しくは閉鎖空隙、又はそれらの組み合わせを含み得る。一実施形態では、空隙体積は、開放空隙を含み、すなわち、負極活物質は、リチウムイオン（又は他のキャリアイオン）がアノード活物質に入る、又はアノード活物質から離れることができる負極活物質の側面に開口部を有する空隙を含み、例えば、リチウムイオンは、カソード活物質を離れた後、空隙開口部を通ってアノード活物質に入り得る。別の実施形態では、空隙体積は、閉鎖空隙を含み、すなわち、アノード活物質は、アノード活物質によって封入される空隙を含む。一般に、開放空隙は、キャリアイオンにより大きな界面表面積を提供することができるが、閉鎖空隙は、固体電解質界面の影響を受けにくくなる傾向があり、一方、各々がキャリアイオンの進入時にアノード活物質の膨張のための余地を提供する。したがって、ある特定の実施形態では、アノード活物質は、開放空隙及び閉鎖空隙の組み合わせを含むことが好ましい。
一実施形態では、アノード活物質は、多孔質アルミニウム、スズ若しくはケイ素、又はその合金、酸化物、若しくは窒化物を含む。多孔質ケイ素層は、例えば、アノード酸化によって、エッチングによって（例えば、金、白金、銀、若しくは金／パラジウムなどの貴金属を単結晶ケイ素の表面に蒸着させ、表面をフッ化水素酸及び過酸化水素の混合物でエッチングすることによって）、又はパターン化された化学エッチングなどの当該技術分野で既知の他の方法によって形成され得る。更に、多孔質アノード活物質は、概して少なくとも約０．１、しかし０．８未満の多孔率を有し、約１～約１００マイクロメートルの厚さを有する。例えば、一実施形態では、アノード活物質は、多孔質ケイ素を含み、約５～約１００マイクロメートルの厚さを有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、アノード活物質は、多孔質ケイ素を含み、約１０～約８０マイクロメートルの厚さを有し、約０．１５～約０．７の多孔率を有する。更なる例として、そのような一実施形態では、アノード活物質は、多孔質ケイ素を含み、約２０～約５０マイクロメートルの厚さを有し、約０．２５～約０．６の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、アノード活物質は、多孔質ケイ素合金（例えば、ケイ化ニッケル）を含み、約５～約１００マイクロメートルの厚さを有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。
別の実施形態では、アノード活物質は、アルミニウム、スズ若しくはケイ素の繊維、又はスズ若しくはケイ素の合金を含む。個々の繊維は、約５ｎｍ～約１０，０００ｎｍの直径（厚さ寸法）、及び概してアノード活物質の厚さに対応する長さを有し得る。ケイ素の繊維（ナノワイヤ）は、例えば、化学蒸着又は蒸気液体固体（ＶＬＳ）成長及び固体液体固体（ＳＬＳ）成長などの当技術分野で知られている他の技法によって形成され得る。更に、アノード活物質は、概して少なくとも約０．１、しかし０．８未満の多孔率を有し、約１～約２００マイクロメートルの厚さを有する。例えば、一実施形態では、アノード活物質は、ケイ素ナノワイヤを含み、約５～約１００マイクロメートルの厚さを有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、アノード活物質は、ケイ素ナノワイヤを含み、約１０～約８０マイクロメートルの厚さを有し、約０．１５～約０．７の多孔率を有する。更なる例として、そのような一実施形態では、アノード活物質は、ケイ素ナノワイヤを含み、約２０～約５０マイクロメートルの厚さを有し、約０．２５～約０．６の多孔率を有する。更なる例として、一実施形態では、アノード活物質は、ケイ素合金（ケイ化ニッケルなど）のナノワイヤを含み、約５～約１００マイクロメートルの厚さを有し、約０．１５～約０．７５の多孔率を有する。
更に他の実施形態では、負極（すなわち、文脈に応じた電極若しくは対向電極）又はアノード活物質層１０４は、安定化リチウム金属粒子、例えば、炭酸リチウム安定化リチウム金属粉末、ケイ酸リチウム安定化リチウム金属粉末、又は安定化されたリチウム金属粉末若しくはインクの他の供給源からなる群から選択される粒子状リチウム材料でコーティングされる。粒子状リチウム材料は、約０．０５～５ｍｇ／ｃｍ２、例えば、約０．１～４ｍｇ／ｃｍ２、又は更には約０．５～３ｍｇ／ｃｍ２の負荷量で、リチウム粒子状材料を負極活物質層に噴霧、充填、又は他の方法で配設することによって、アノード活物質層１０４（例えば、負極）に着接され得る。リチウム粒子状材料の平均粒径（Ｄ５０）は、５～２００μｍ、例えば、約１０～１００μｍ、２０～８０μｍ、又は更には約３０～５０μｍであり得る。平均粒径（Ｄ５０）は、累積体積ベースの粒径分布曲線における５０％に対応する粒径として画定され得る。平均粒径（Ｄ５０）は、例えば、レーザー回折法を使用して測定され得る。
概して、アノード集電体２０６は、少なくとも約１０３シーメンス／ｃｍの電気伝導率を有する。例えば、そのような一実施形態では、アノード集電体は、少なくとも約１０４シーメンス／ｃｍの伝導率を有する。更なる例として、そのような一実施形態では、アノード集電体は、少なくとも約１０５シーメンス／ｃｍの伝導率を有する。アノード集電体２０６としての使用に適した例示的な電気伝導性材料としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、カーボン、コバルト、チタン、及びタングステン、並びにそれらの合金などの金属が挙げられる。
再び図２を参照すると、別の好適な実施形態では、単位セル２００は、１つ以上のカソード集電体層２１０と、１つ以上のカソード活物質層１０６と、を含む。カソード材料のカソード集電体層２１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、又はカソード集電体層２１０として使用するのに適した任意の他の材料を含み得る。カソード活物質層１０６は、カソード集電体層２１０の第１の表面上の第１の層、及びカソード集電体層２１０の第２の対向する表面上の第２の層として形成され得る。カソード活物質層１０６は、カソード集電体層２１０の一方又は両方の側部にコーティングされ得る。同様に、カソード活物質層１０６は、カソード集電体層２１０の一方又は両方の主表面上にコーティングされ得る。別の実施形態では、カソード集電体層２１０は、カソード活物質層１０６と混合され得る。
一実施形態では、カソード活物質層１０６は、各々少なくとも約２０ｕｍの厚さを有する。例えば、一実施形態では、カソード活物質層１０６は、各々少なくとも約４０ｕｍの厚さを有する。更なる例として、１つのそのような実施形態では、カソード活物質層１０６は、各々少なくとも約６０ｕｍの厚さを有する。更なる例として、１つのそのような実施形態では、カソード活物質層１０６は、各々少なくとも約１００ｕｍの厚さを有する。しかしながら、典型的には、カソード活物質層１０６は、各々約９０ｕｍ未満、又は更には約７０ｕｍ未満の厚さを有する。
一実施形態では、正極（例えば、カソード）材料は、インターカレーション型化学活物質、変換化学活物質、又はそれらの組み合わせを含み得るか、又はそれらであり得る。
本開示で有用な例示的な変換化学材料としては、Ｓ（又はリチウム化状態のＬｉ２Ｓ）、ＬｉＦ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅＦ２、ＦｅＯｄＦ３．２ｄ、ＦｅＦ３、ＣｏＦ３、ＣｏＦ２、ＣｕＦ２、及びＮｉＦ２など（式中、０≦ｄ≦０．５）が挙げられるがこれらに限定されない。
例示的なカソード活物質はまた、広範なインターカレーション型カソード活物質のうちのいずれかを含む。例えば、リチウムイオン電池の場合、カソード活物質は、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物から選択されるカソード活物質を含み得、リチウム遷移金属窒化物が選択的に使用され得る。これらの遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、及び遷移金属窒化物の遷移金属元素は、ｄシェル又はｆシェルを有する金属元素を含むことができる。そのような金属元素の具体的例は、Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド、アクチノイド、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕである。追加のカソード活物質としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４、Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＡｌｚ）Ｏ２、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｌｉ２ＭｎＯ４、Ｖ２Ｏ５、酸硫化モリブデン、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジン酸塩、硫黄、硫黄化合物、酸素（空気）、Ｌｉ（ＮｉｘＭｎｙＣｏｚ）Ｏ２、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
一般に、カソード集電体２１０は、少なくとも約１０３シーメンス／ｃｍの電気伝導率を有する。例えば、そのような一実施形態では、カソード集電体２１０は、少なくとも約１０４シーメンス／ｃｍの伝導率を有する。更なる例として、そのような一実施形態では、カソード集電体２１０は、少なくとも約１０５シーメンス／ｃｍの伝導率を有する。カソード集電体２１０として使用するのに適した例示的な電気伝導性材料としては、アルミニウム、ニッケル、コバルト、チタン、及びタングステンなどの金属、並びにそれらの合金が挙げられる。
再び図２を参照すると、一実施形態では、電気的に絶縁されたセパレータ層１０８は、アノード活物質層１０４の各構成単位をカソード活物質層１０６の各構成単位から電気的に絶縁するように適合される。電気絶縁セパレータ層１０８は、典型的には、非水性電解質で透過され得るマイクロ多孔質セパレータ材料を含み、例えば、一実施形態では、マイクロ多孔質セパレータ材料は、少なくとも５０Å、より典型的には約２，５００Åの範囲の直径、及び約２５％～約７５％の範囲、より典型的には約３５～５５％の範囲の多孔率を有する細孔を含む。
一実施形態では、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々少なくとも約４ｕｍの厚さを有する。例えば、一実施形態では、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々少なくとも約８ｕｍの厚さを有する。更なる例として、１つのそのような実施形態では、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々少なくとも約１２ｕｍの厚さを有する。更なる例として、１つのそのような実施形態では、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々少なくとも約１５ｕｍの厚さを有する。別の実施形態では、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々少なくとも約２５ｕｍの厚さを有する。別の実施形態では、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々少なくとも約５０ｕｍの厚さを有する。しかしながら、典型的には、電気絶縁セパレータ材料層１０８は、各々約１２ｕｍ未満、又は更には約１０ｕｍ未満の厚さを有する。
一般に、セパレータ層１０８用のセパレータ材料は、単位セルの正の活物質と負の活物質との間でキャリアイオンを伝導する能力を有する広範なセパレータ材料から選択され得る。例えば、セパレータ材料は、液体の非水性電解質で透過され得るマイクロ多孔質セパレータ材料を含み得る。代替的に、セパレータ材料は、単位セルの正極と負極との間でキャリアイオンを伝導することができるゲル又は固体電解質を含み得る。
一実施形態では、セパレータ材料は、ポリマーベースの電解質を含み得る。例示的なポリマー電解質としては、ＰＥＯベースのポリマー電解質、ポリマーセラミック複合電解質、ポリマーセラミック複合電解質、及びポリマーセラミック複合電解質が挙げられる。
別の実施形態では、セパレータ材料は、酸化物ベースの電解質を含み得る。例示的な酸化物ベースの電解質としては、チタン酸ランタンリチウム（Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５６ＴｉＯ３）、Ａｌドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ６．２４Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２４Ｏ１１．９８）、Ｔａドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ６．４Ｌａ３Ｚｒ１．４Ｔａ０．６Ｏ１２）、及びリン酸アルミニウムチタンリチウム（Ｌｉ１．４Ａｌ０．４Ｔｉ１．６（ＰＯ４）３）が挙げられる。
別の実施形態では、セパレータ材料は、固体電解質を含み得る。例示的な固体電解質としては、硫化スズリチウム（Ｌｉ１０ＳｎＰ２Ｓ１２）、硫化リンリチウム（β－Ｌｉ３ＰＳ４）及びヨウ化塩化リン硫黄リチウム（Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ０．９Ｉ０．１）などの硫化物系電解質が挙げられる。
一実施形態では、セパレータ材料は、粒子状材料及び結合剤を含み、少なくとも約２０体積％の多孔率（空隙分率）を有するマイクロ多孔質セパレータ材料を含む。マイクロ多孔質セパレータ材料の細孔は、少なくとも５０Åの直径を有し、典型的には、約２５０～２５００Åの範囲に入る。マイクロ多孔質セパレータ材料は、典型的には、約７５％未満の気孔率を有する。一実施形態では、マイクロ多孔質セパレータ材料は、少なくとも約２５体積％の多孔率（空隙分率）を有する。一実施形態では、マイクロ多孔質セパレータ材料は、約３５～５５％の多孔率を有する。
マイクロ多孔質セパレータ材料のための結合剤は、広範囲の無機材料又は高分子材料から選択され得る。例えば、一実施形態では、結合剤は、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミニウム酸塩、アルミノケイ酸塩、及び例えば水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物からなる群から選択される有機材料である。例えば、一実施形態では、結合剤は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、及びテトラフルオロプロペンなどを含むモノマーから誘導されるフルオロポリマーである。別の実施形態では、結合剤は、様々な分子量及び密度の範囲のうちのいずれかを有する、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はポリブテンなどのポリオレフィンである。別の実施形態では、結合剤は、エチレン－ジエンプロペンターポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール、ポリアセタール、及びポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。別の実施形態では、結合剤は、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、及びポリエチレンオキシドからなる群から選択される。別の実施形態では、結合剤は、アクリレート、スチレン、エポキシ、及びシリコーンからなる群から選択される。別の実施形態では、結合剤は、２つ以上の前述のポリマーのコポリマー又はブレンドである。
マイクロ多孔質セパレータ材料によって構成される粒子状材料はまた、広範囲の材料から選択され得る。一般に、そのような材料は、動作温度で比較的低い電子伝導率及びイオン伝導率を有し、マイクロ多孔質セパレータ材料に接触する電池電極又は集電体の動作電圧下で腐食しない。例えば、一実施形態では、粒子状材料は、１×１０－４Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオン（例えば、リチウム）に対する伝導率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子状材料は、１×１０－５Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンに対する伝導率を有する。更なる例として、一実施形態では、粒子状材料は、１×１０－６Ｓ／ｃｍ未満のキャリアイオンに対する伝導率を有する。例示的な粒子状材料としては、粒子状ポリエチレン、ポリプロピレン、ＴｉＯ２－ポリマー複合体、シリカエアロゲル、フュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカセロゲル、シリカソル、コロイド状シリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、又はそれらの組み合わせが挙げられる。例えば、一実施形態では、粒子状材料は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｇｅ３Ｎ４などの粒子状酸化物又は窒化物を含む。例えば、Ｐ．Ａｒｏｒａ ａｎｄ Ｊ．Ｚｈａｎｇ，“Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ”Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ２００４，１０４，４４１９－４４６２を参照されたい）。一実施形態では、粒子状材料は、約２０ｎｍ～２マイクロメートル、より典型的には２００ｎｍ～１．５マイクロメートルの平均粒径を有する。一実施形態では、粒子状材料は、約５００ｎｍ～１マイクロメートルの平均粒径を有する。
代替的な実施形態では、マイクロ多孔質セパレータ材料によって構成される粒子状材料は、電池の機能のためのイオン伝導率を提供するために、電解質の進入に望ましい空隙分率を維持しながら、例えば、焼結、結合、硬化などの技法によって結合され得る。
電池アセンブリ１００などの組み立てられたエネルギー貯蔵デバイスでは、マイクロ多孔質セパレータ材料は、二次電池電解質としての使用に適した非水性電解質で透過される。典型的には、非水性電解質は、有機溶媒及び／又は溶媒混合物中に溶解されたリチウム塩及び／又は塩の混合物を含む。例示的なリチウム塩としては、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌ、及びＬｉＢｒなどの無機リチウム塩、並びにＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＮＳＯ２ＣＦ３、ＬｉＮＳＯ２ＣＦ５、ＬｉＮＳＯ２Ｃ４Ｆ９、ＬｉＮＳＯ２Ｃ５Ｆ１１、ＬｉＮＳＯ２Ｃ６Ｆ１３、及びＬｉＮＳＯ２Ｃ７Ｆ１５などの有機リチウム塩が挙げられる。リチウム塩を溶解するための例示的な有機溶媒としては、環状エステル、鎖エステル、環状エーテル、及び鎖エーテルが挙げられる。環状エステルの具体例としては、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ－ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、２－メチル－γ－ブチロラクトン、アセチル－γ－ブチロラクトン、及びγ－ベレロラクトンが挙げられる。鎖エステルの具体例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、アルキルプロピオネート、ジアルキルマロネート、及びアルキルアセテートが挙げられる。環状エーテルの具体例としては、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、１，３－ジオキソラン、アルキル－１，３－ジオキソラン、及び１，４－ジオキソランが挙げられる。鎖エーテルの具体例としては、１，２－ジメトキシエタン、１，２－ジエトキシタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、及びテトラエチレングリコールジアルキルエーテルが挙げられる。
一実施形態では、マイクロ多孔質セパレータ層１０８は、リチウム塩及び高純度有機溶媒の混合物を含む非水性有機電解質で透過され得る。加えて、電解質は、ポリマー電解質又は固体電解質を使用するポリマーであり得る。
図１及び図２を更に参照すると、一実施形態では、バスバー１１０及び１１２は、それぞれの電極又は対向電極（例えば、場合によっては、アノード又はカソード）のバスバー開口部（図示せず）を通って配置され、アノード集電体２０６を互いに並列に（複数の電極サブユニットを含む電池内で）接続し、バスバーのうちの他方は、複数の単位セル２００を含む電池内で、カソード集電体２１０を互いに並列に接続する。一実施形態では、バスバー１１０、１１２は、溶接前に、それぞれ折り畳まれる集電体タブ１２０に溶接されるか、又は別様に電気的に結合される。一実施形態では、バスバー１１０は、銅バスバーであり、アノード集電体層２０６のアノードタブに溶接されており、バスバー１１２は、アルミニウムバスバーであり、カソード集電体層２１０のカソードタブに溶接されている。しかしながら、他の実施形態では、バスバー１１０、１１２は、電池アセンブリ１００が本明細書に記載されるように機能することを可能にするための任意の好適な伝導性材料であってもよい。溶接は、レーザー溶接機、摩擦溶接、超音波溶接、又はバスバー１１０及び１１２を電極タブ１２０に溶接するための任意の好適な溶接方法を使用して行われ得る。一実施形態では、バスバー１１０及び１１２の各々は、それぞれ、アノード及びカソードのための全ての電極タブ１２０と電気的に接触する。
本明細書で言及されるように、アノード群の構成単位は、少なくともアノード集電体２０６及びアノード活物質層１０４を含む。いくつかの実施形態では、アノード群の構成単位は、アノード集電体２０６及びアノード集電体２０６の各主表面上に配設されたアノード活物質層１０４を含む。アノード群構成単位の構成単位の長さは、エネルギー貯蔵デバイス及びその意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般に、アノード群の構成単位は、典型的には、約５ｍｍ～約５００ｍｍの範囲の長さを有する。例えば、そのような一実施形態では、アノード群の構成単位は、約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの長さを有する。更なる例として、１つのそのような実施形態では、アノード群の構成単位は、約２５ｍｍ～約１００ｍｍの長さを有する。
アノード群の構成単位の幅（Ｙ軸範囲）も、エネルギー貯蔵デバイス及びその意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般に、アノード群の各構成単位は、典型的には、約０．０１ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内の幅を有する。例えば、一実施形態では、アノード群の各構成単位の幅は、約０．０２５ｍｍ～約２ｍｍの範囲内にある。更なる例として、一実施形態では、アノード群の各構成単位の幅は、約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲内にある。
アノード群の構成単位の高さ（Ｚ軸範囲）も、エネルギー貯蔵デバイス及びその意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般に、アノード群の構成単位は、典型的には、約０．０５ｍｍ～約２５ｍｍの範囲内の高さを有する。例えば、一実施形態では、アノード群の各構成単位の高さは、約０．０５ｍｍ～約５ｍｍの範囲内にある。更なる例として、一実施形態では、アノード群の各構成単位の高さは、約０．１ｍｍ～約１ｍｍの範囲内にある。一実施形態によれば、アノード群の構成単位は、第１の高さを有する１つ以上の第１の電極構成単位、及び第１の高さ以外の第２の高さを有する１つ以上の第２の電極構成単位を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１の電極構成単位及び１つ以上の第２の電極構成単位の異なる高さは、長手方向軸及び／又は横方向軸のうちの１つ以上に沿って異なる高さを有する電極アセンブリの形状などの電極アセンブリの所定の形状を収容するように、かつ／又は二次電池の所定の性能特性を提供するように選択され得る。別の実施形態によれば、アノード群の構成単位は、第１の幅を有する１つ以上の第１の電極構成単位、及び第１の幅以外の第２の幅を有する１つ以上の第２の電極構成単位を含む。また別の実施形態では、１つ以上の第１の電極構成単位及び１つ以上の第２の電極構成単位の異なる幅は、異なる幅を有する電極アセンブリ形状などの電極アセンブリの所定の形状を収容するように、かつ／又は二次電池の所定の性能特性を提供するように選択され得る。更に別の実施形態によれば、アノード群の構成単位は、第１の長さを有する１つ以上の第１の電極構成単位、及び第１の長さ以外の第２の長さを有する１つ以上の第２の電極構成単位を含む。また別の実施形態では、１つ以上の第１の電極構成単位及び１つ以上の第２の電極構成単位の異なる長さは、異なる長さを有する電極アセンブリ形状などの電極アセンブリの所定の形状に対応するように、かつ／又は二次電池の所定の性能特性を提供するように選択され得る。
一般に、アノード群の構成単位は、その幅及びその高さの各々よりも実質的に大きい長さ（Ｘ軸範囲）を有する。例えば、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、アノード群の各構成単位について、それぞれ少なくとも５：１である（すなわち、長さ対幅の比は、それぞれ少なくとも５：１であり、長さ対高さの比は、それぞれ少なくとも５：１である）。更なる例として、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、少なくとも１５：１である。更なる例として、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、アノード群の各構成単位について、少なくとも２０：１である。
一実施形態では、アノード群の構成単位の高さ対幅の比は、それぞれ少なくとも０．４：１である。例えば、一実施形態では、高さ対幅の比は、アノード群の各構成単位について、それぞれ少なくとも２：１である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ少なくとも２０：１である。しかしながら、典型的には、高さ対幅の比は、概して、それぞれ１，０００：１未満である。例えば、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ５００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ、１００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ、１０：１未満である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、アノード群の各構成単位について、それぞれ約２：１～約１００：１の範囲である。
本明細書で言及されるように、カソード群の構成単位は、少なくともカソード集電体２１０と、カソード活物質層１０６と、を含む。カソード群の構成単位の長さは、エネルギー貯蔵デバイス及びその意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般に、カソード群の各構成単位は、典型的には、約５ｍｍ～約５００ｍｍの範囲の長さを有する。例えば、そのような一実施形態では、カソード群の各構成単位は、約１０ｍｍ～約２５０ｍｍの長さを有する。更なる例として、１つのそのような実施形態では、カソード群の各構成単位は、約２５ｍｍ～約１００ｍｍの長さを有する。
カソード群の構成単位の幅（Ｙ軸範囲）も、エネルギー貯蔵デバイス及びその意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般に、カソード群の構成単位は、典型的には、約０．０１ｍｍ～２．５ｍｍの範囲内の幅を有する。例えば、一実施形態では、カソード群の各構成単位の幅は、約０．０２５ｍｍ～約２ｍｍの範囲内にある。更なる例として、一実施形態では、カソード群の各構成単位の幅は、約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲内にある。
カソード群の構成単位の高さ（Ｚ軸範囲）も、エネルギー貯蔵デバイス及びその意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般に、カソード群の構成単位は、典型的には、約０．０５ｍｍ～約２５ｍｍの範囲内の高さを有する。例えば、一実施形態では、カソード群の各構成単位の高さは、約０．０５ｍｍ～約５ｍｍの範囲内にある。更なる例として、一実施形態では、カソード群の各構成単位の高さは、約０．１ｍｍ～約１ｍｍの範囲内にある。一実施形態によれば、カソード群の構成単位は、第１の高さを有する１つ以上の第１のカソード構成単位と、第１の高さ以外の第２の高さを有する１つ以上の第２のカソード構成単位と、を含む。更に別の実施形態では、１つ以上の第１のカソード構成単位及び１つ以上の第２のカソード構成単位の異なる高さは、長手方向軸及び／又は横方向軸のうちの１つ以上に沿った異なる高さを有する電極アセンブリの形状など、電極アセンブリの所定の形状を収容するように、かつ／又は二次電池の所定の性能特性を提供するように選択され得る。別の実施形態によれば、カソード群の構成単位は、第１の幅を有する１つ以上の第１の電極構成単位、及び第１の幅以外の第２の幅を有する１つ以上の第２の電極構成単位を含む。また別の実施形態では、１つ以上の第１の電極構成単位及び１つ以上の第２の電極構成単位の異なる幅は、異なる幅を有する電極アセンブリ形状などの電極アセンブリの所定の形状を収容するように、かつ／又は二次電池の所定の性能特性を提供するように選択され得る。更に別の実施形態によれば、カソード群の構成単位は、第１の長さを有する１つ以上の第１の電極構成単位、及び第１の長さ以外の第２の長さを有する１つ以上の第２の電極構成単位を含む。また別の実施形態では、１つ以上の第１の電極構成単位及び１つ以上の第２の電極構成単位の異なる長さは、異なる長さを有する電極アセンブリ形状などの電極アセンブリの所定の形状に対応するように、かつ／又は二次電池の所定の性能特性を提供するように選択され得る。
一般に、カソード群の各構成単位は、その幅よりも実質的に大きく、その高さよりも実質的に大きい長さ（Ｘ軸範囲）を有する。例えば、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、カソード群の各構成単位について、それぞれ少なくとも５：１である（すなわち、長さ対幅の比は、それぞれ少なくとも５：１であり、長さ対高さの比は、それぞれ少なくとも５：１である）。更なる例として、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、カソード群の各構成単位について、少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、カソード群の各構成単位について、少なくとも１５：１である。更なる例として、一実施形態では、長さ対幅及び高さの各々の比は、カソード群の各構成単位について、少なくとも２０：１である。
一実施形態では、カソード群の構成単位高さ対幅の比は、それぞれ少なくとも０．４：１である。例えば、一実施形態では、高さ対幅の比は、カソード群の各構成単位について、それぞれ少なくとも２：１である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、カソード群の各構成単位について、それぞれ少なくとも１０：１である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、カソード群の各構成単位について、それぞれ少なくとも２０：１である。しかしながら、典型的には、高さ対幅の比は、一般的に、アノード群の各構成単位について、それぞれ１，０００：１未満である。例えば、一実施形態では、高さ対幅の比は、カソード群の各構成単位について、それぞれ５００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ１００：１未満である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、それぞれ１０：１未満である。更なる例として、一実施形態では、高さ対幅の比は、カソード群の各構成単位について、それぞれ約２：１～約１００：１の範囲内にある。
一実施形態では、アノード集電体２０６はまた、負極活物質層１０４の電気伝導率よりも実質的に大きい電気伝導率を有する。負極活物質層１０４は、アノード活物質層１０４と同じ又は類似し得ることに留意されたい。例えば、一実施形態では、アノード集電体２０６の電気伝導率対アノード活物質層１０４の電気伝導率の比は、デバイスにエネルギーを貯蔵するための印加電流又はデバイスを放電するための印加負荷がある場合、少なくとも１００：１である。更なる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体２０６の電気伝導率対アノード活物質層１０４の電気伝導率の比は、デバイスにエネルギーを貯蔵するための印加電流又はデバイスを放電するための印加負荷がある場合、少なくとも５００：１である。更なる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体２０６の電気伝導率対負極活物質層１０４の電気伝導率の比は、デバイスにエネルギーを貯蔵するための印加電流又はデバイスを放電するための印加負荷がある場合、少なくとも１０００：１である。更なる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体２０６の電気伝導率対アノード活物質層１０４の電気伝導率の比は、デバイスにエネルギーを貯蔵するための印加電流又はデバイスを放電するための印加負荷がある場合、少なくとも５０００：１である。更なる例として、いくつかの実施形態では、アノード集電体２０６の電気伝導率対アノード活物質層１０４の電気伝導率の比は、デバイスにエネルギーを貯蔵するための印加電流又はデバイスを放電するための印加負荷がある場合、少なくとも１０，０００：１である。
一般に、カソード集電体層２１０は、アルミニウム、カーボン、クロム、金、ニッケル、ＮｉＰ、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、ケイ素及びニッケルの合金、チタン、又はそれらの組み合わせなどの金属を含み得る（“Ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｂａｓｅｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ”ｂｙ Ａ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ ａｎｄ Ｍ．Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５２（１１）Ａ２１０５－Ａ２１１３（２００５）を参照されたい）。更なる例として、一実施形態では、カソード集電体層２１０は、金又はその合金、例えば金ケイ化物を含む。更なる例として、一実施形態では、カソード集電体層２１０は、ニッケル又はその合金、例えばニッケルケイ化物を含む。
ここで、図３を参照する。図３は、筐体保護層又は上部に外側パッケージングが配置される前の電池アセンブリ３００（電池アセンブリ１００と同じ又は類似し得る）の拡大された部分詳細斜視図である。電池アセンブリ３００は、Ｙ軸方向に積み重ねられた配置で構成された電極サブユニット３０２（サブユニット１０２と同じ又は類似し得る）の群を含む電極アセンブリ３０１を含む。電極サブユニット３０２の各々は、少なくとも電極電流伝導体層と、電極活物質（例えば、アノード活物質層）を含む電極層と、セパレータ層と、対向電極活物質（例えば、カソード活物質層）を含む対向電極層と、対向電極集電体層と、を備える。
１つの好適な実施形態では、電極アセンブリ３０１は、制約３１６（いくつかの実施形態では、これは、ケーシング１１６と同じ又は類似し得る）によって画定された容積内に封入される。一実施形態では、制約３１６は、ＳＳ３１６、４４０Ｃ、又は４４０Ｃ硬質などのステンレス鋼を含む。他の実施形態では、制約は、アルミニウム（例えば、アルミニウム７０７５－Ｔ６、硬質Ｈ１８など）、チタン（例えば、６Ａｌ－４Ｖ）、ベリリウム、ベリリウム銅（硬質）、銅（Ｏ２フリー、硬質）、ニッケル、他の金属又は金属合金、複合材料、ポリマー、セラミック（例えば、アルミナ（例えば、焼結若しくはＣｏｏｒｓｔｅｋ ＡＤ９６）、ジルコニア（例えば、Ｃｏｏｒｓｔｅｋ ＹＺＴＰ）、イットリア安定化ジルコニア（例えば、ＥＮｒＧ Ｅ－Ｓｔｒａｔｅ（登録商標））、ガラス、強化ガラス、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）（例えば、Ａｐｔｉｖ１１０２）、カーボン入りＰＥＥＫ（例えば、Ｖｉｃｔｒｅｘ９０ＨＭＦ４０又はＸｙｃｏｍｐ１０００－０４）、カーボン入りポリフェニレン硫化物（ＰＰＳ）（例えば、Ｔｅｐｅｘ Ｄｙｎａｌｉｔｅ２０７）、３０％のガラス入りポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、（例えば、Ｖｉｃｔｒｅｘ９０ＨＭＦ４０又はＸｙｃｏｍｐ１０００－０４）、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））、Ｅ Ｇｌａｓｓ Ｓｔｄ Ｆａｂｒｉｃ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｅ Ｇｌａｓｓ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｋｅｖｌａｒ Ｓｔｄ Ｆａｂｒｉｃ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｋｅｖｌａｒ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｃａｒｂｏｎ Ｓｔｄ Ｆａｂｒｉｃ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｃａｒｂｏｎ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ、０度、Ｔｏｙｏｂｏ Ｚｙｌｏｎ（登録商標）ＨＭ Ｆｉｂｅｒ／Ｅｐｏｘｙ、Ｋｅｖｌａｒ４９ Ａｒａｍｉｄ Ｆｉｂｅｒ、Ｓ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒｓ、Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒｓ、Ｖｅｃｔｒａｎ ＵＭ ＬＣＰ Ｆｉｂｅｒｓ、ダイニーマ、ザイロン、又はその他の好適な材料を含む。
制約３１６は、Ｘ－Ｙ平面に沿って概ね整列された第１のカバー３２０（すなわち、第１の一次成長制約）と、第１のカバー３２０からＺ軸方向に分離され、同じくＸ－Ｙ平面に沿って概ね整列され、Ｚ軸方向に測定された厚さｔ１（図３Ａ）を有する、電池アセンブリ３００の反対側の第２のカバー（すなわち、第２の一次成長制約）（図３には示されていないが、第１のカバー３２０と実質的に同じであり、概して３２２で示されている）と、を備える。制約３１６の厚さ（ｔ１）は、例えば、制約３１６の構造の材料、電極アセンブリ３０１の全体寸法と、電極及び対向電極の組成と、を含む様々な要因に依存し得る。いくつかの実施形態では、例えば、制約３１６は、約１０～約１００マイクロメートルの範囲の厚さｔ１を有するシートを備える。例えば、そのような一実施形態では、制約３１６は、約３０μｍの厚さを有するステンレス鋼シート（例えば、ＳＳ３１６）を備える。更なる例として、別の実施形態では、制約３１６は、約４０μｍの厚さを有するアルミニウムシート（例えば、７０７５－Ｔ６）を備える。更なる例として、別の実施形態では、制約３１６は、約３０μｍの厚さを有するジルコニアシート（例えば、Ｃｏｏｒｓｔｅｋ ＹＺＴＰ）を備える。更なる例として、別の実施形態では、制約３１６は、約７５μｍの厚さを有するＥ Ｇｌａｓｓ ＵＤ／Ｅｐｏｘｙ ０度シートを備える。更なる例として、別のそのような実施形態では、制約３１６は、５０％超の充填密度で１２μｍの炭素繊維を含む。第１のカバー３２０及び第２のカバー３２２各々は、くぼみ、貫通切断部、又は孔などとして形成され得る１つ以上の特徴部３１５を備え得る。一実施形態では、特徴部３１５は、例えば、外部リチウム箔電極（図示せず）からの電池アセンブリ３００のリチウム化を促進する。そのような実施形態では、特徴部３１５は、前リチウム化を容易にするために、リチウムがそこを拡散することを可能にする。一実施形態では、Ｘ－Ｚ平面内に延在する第３のカバー３２４（すなわち、第１の二次成長制約）と、Ｙ軸方向に分離された対向する第３のカバーと、Ｘ－Ｚ平面内に延在する第４のカバー３２６（例えば、第２の二次成長制約）と、Ｙ軸方向に分離された対向する第４のカバーと、が存在する。示される実施形態では、第３のカバー３２４は、第１の角部３２８で折り畳まれた第１のカバー３２０の折り畳まれた部分によって画定され、第４のカバー３２６は、第２の角部３２９で折り畳まれた第２のカバー３２２の折り畳まれた部分によって画定される。第１及び第２の角部３２８及び３２９は、半径又は角度のある角部であり得る。一実施形態では、第１及び第２の角部３２８及び３２９は、９０度から１００度の角度である。他の実施形態では、第３及び第４のカバーは、単一のカバーであり得る。一実施形態では、第１の二次成長制約３２４又は第１の一次成長制約３２０は、単位セル群のサブセットの電極又は対向電極構造の表面（例えば、上面）に接続され、第２の一次成長制約３２２又は第２の二次成長制約３２６は、単位セル群のサブセットの電極又は対向電極構造の他の表面（例えば、下面）に接続される。
一実施形態では、ケーシング縁部間隙３３８は、Ｚ軸方向に画定された間隙距離を有する、第３の制約３２４と第４の制約３２６との間に画定される。一実施形態では、第３の制約３２４と第４の制約３２６との間のＺ軸方向のケーシング縁部間隙３３８の間隙距離は、電池アセンブリ３００のＺ軸厚さの５０％以下である。電池アセンブリ３００の反対側は、第３及び第４の制約３２４及び３２６と同様の制約を含み得ることに留意されたい。第３の制約は、Ｘ軸及びＺ軸に沿って画定されたフラップ縁部３３０を含み、第４の制約は、Ｘ軸及びＺ軸に沿って画定された第２のフラップ縁部３３２を含む。
第１のカバー３２０及び第２のカバー３２２の各々は、Ｙ軸と概ね整列した縁部に沿って形成された１つ以上のノッチ３３４又はランド３３６を備え得る。一実施形態では、ノッチ３３４又はランド３３６のサイズ、形状、間隔、及び量のうちの１つ以上は、製造条件又は制限に基づいて判定される。一実施形態では、ノッチ３３４又はランド３３６は、第１のカバー３２０及び第２のカバー３２２の製造プロセスで使用される材料ストックから、第１のカバー３２０又は第２のカバー３２２の機械加工、スタンピングプロセス、又は切り離しを容易にすることによって、製造可能性を容易にし得る。加えて、電池アセンブリ３００は、電極サブユニット３０２のうちの１つに電気的に結合されたバスバー３１０を含む。制約３１６に使用される材料厚さｔ１のために、制約は、電極構造３０１からＺ軸方向に突出する縁面３４０を備える。同様に、フラップ縁部３３０及び３３２のうちの１つ以上は、電池アセンブリ３００からＹ軸方向に突出する。加えて、バスバー３１０は、バスバー縁部３４２でＸ軸方向に電池の側面３４４から突出する。突出縁部は、場合によっては、電池の電池パッケージ７００（図７）を穿刺する可能性のある摩擦又は高応力を有する領域を生成し得る。これらの突出領域は、非突出部分よりも外側ケーシングを通って穿刺を引き起こす可能性が高いため、潜在的な穿刺点と呼ばれ得る。
穿刺点が筐体（例えば、外側ケーシング又はパウチ）の破裂又は穿刺を引き起こす可能性の低減又は排除を容易にするために、筐体保護層４５０が図４を参照して説明される。一実施形態では、筐体保護層（ＰＰＬ）４５０は、（Ｘ軸及びＹ軸に沿って移動したときに）電池アセンブリ４００の周囲の少なくとも一部分の周りに配設される。電池アセンブリ４００は、電池アセンブリ３００と同じ又は類似し得る。ＰＰＬ４５０は、高さＰＬＨ及び幅ＰＬＷを有する。電池アセンブリ４００の周囲への着接前に、ＰＰＬ４５０は、一般に、その幅ＰＬＷよりも有意に大きい長さ及び高さＰＬＨを有するウェブ又はテープを備え得る。実施形態では、ＰＰＬ４５０は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又は官能性誘導体若しくはコポリマー、又はそれらの組み合わせのうちの１つ以上などのポリマーを含み得る。一実施形態では、ＰＰＬ４５０に使用されるポリマーは、弾性材料である。一実施形態では、ＰＰＬ高さＰＬＨは、電池アセンブリ４００のＺ軸方向の高さＢＨに実質的に等しく、その結果、電池アセンブリ４００の高さ全体を覆うことができる。図８を追加的に参照すると、ＰＰＬ４５０は、電池アセンブリ４００への着接前に、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍ、２００μｍ、２２５μｍ、２５０μｍ、２７５μｍ、３００μｍ、３２５μｍ、３５０μｍ、３７５μｍ、４００μｍ、４２５μｍ、４５０μｍ、４７５μｍ、５００μｍなど、２５μｍ～５００μｍの範囲の厚さｔ２を有することに留意されたい。
図４を更に参照すると、電池アセンブリ４００は、４つの副面Ｆ１～４及び２つの主面Ｆ５、６を有する。図４では、主面Ｆ６は、電池アセンブリ４００の下側に位置していることに留意されたい。一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の副表面Ｆ１及びＦ２の実質的に全体を覆うような様式で、副表面Ｆ１及びＦ２のうちの少なくとも２つに着接される。このように、ＰＰＬ４５０は、フラップ縁部３３０及び３３２を覆う。図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、図４Ａは、ＰＰＬ４５０の着接前の表面Ｆ１の写真であり、図４Ｂは、ＰＰＬ４５０の着接後の同じ表面Ｆ１の写真である。この実施形態では、ＰＰＬ４５０は、ポリマーを含む透明層である。
図４Ｃ及び図４Ｄを参照すると、図４Ｃは、ＰＰＬ４５０の着接前の表面Ｆ２の写真であり、図４Ｄは、ＰＰＬ４５０の着接後の同じ表面Ｆ２の写真である。この実施形態では、ＰＰＬ４５０は、ポリマーを含む透明層である。この実施形態では、電池アセンブリ４００は、電極アセンブリ３０１と同じ又は類似し得る電極アセンブリ４０１と、バスバー１１０、１１２と同じ又は類似し得るバスバー４１０と、を含む。
ＰＰＬ４５０は、潜在的な穿刺点である突出部４１５のいずれかを覆うために、電池アセンブリ４００の面Ｆ１～６の１つ以上に着接され得る。図４Ｅ及び図４Ｆを参照すると、ＰＰＬ４５０が、穿刺点ＰＰ１－Ｘを有する突出部４１５を覆い、したがって、突出部４１５上の曲率半径を増加させることが示されている。各突出部４１５は、穿刺点ＰＰ１－ｘで曲率の第１の半径Ｒ１を有する。しかしながら、ＰＰＬ４５０は、曲率半径Ｒ１を重なる点で、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径Ｒ１よりも大きい第２の曲率半径Ｒ２を有する。したがって、図４Ｆに示されるように、突出部４１５の穿刺点をＰＰＬ４５０で覆うことによって、Ｘ－Ｙ平面の穿刺点にわたる第２の曲率半径Ｒ２は、第１の半径Ｒ１と比較して効果的に増加され得、したがって、筐体（例えば、筐体層５００、６００）に対する突出部の穿刺点によって及ぼされる圧力を低減し、したがって、筐体への穿刺の低減又は除去を容易にする。例えば、一連の穿刺点ＰＰ１～ＰＰＸは、バスバー１１０、１１２、集電体タブ１２０、制約３１６の縁部などの角部であり得る。
一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、最初に、高さＰＬＨ、厚さｔ２、及び長さＰＬＬを有する細長いウェブの形態である（図８）。ＰＰＬ４５０の電池アセンブリ４００の１つ以上の面Ｆ１～６への着接前に、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１～６の所望の部分を覆うために、任意の好適な手段によって所望の長さ及び／又は高さに切断され得る。例えば、一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、Ｙ軸方向の面Ｆ１の長さと実質的に同じ長さＰＬＬに切断される。切断後、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１に配置され、熱、圧力、及び時間のうちの１つ以上を使用して面Ｆ１に接着される。１つの好適な実施形態では、熱かしめ機器の使用は、ＰＰＬ４５０を面Ｆ１に沿って所望の位置に熱かしめするために利用される。一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１の長さの少なくとも８０％以上に熱かしめされる。しかしながら、他の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１の長さの１％～１００％などの任意の量に熱かしめされ得る。更に他の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１の長さに沿った１つ以上の別個の点で熱かしめされる。いくつかの実施形態では、ＰＰＬ４５０を含む材料に応じて、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１に熱かしめされ得るか、又は別様に任意の追加の接着剤を使用せずに接着され得る。しかしながら、他の実施形態では、接着剤層は、ＰＰＬ４５０を面Ｆ１に接着するために、面Ｆ１とＰＰＬ４５０との間で使用される。更に他の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１に隣接する少なくとも１つの接着剤層を有する多層材料である。同様の様式で、ＰＰＬ４５０は、切断され、同じ又は類似のプロセスを使用して、いずれか又は全ての面Ｆ１～６に接着され得る。また別の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１～４の長さの合計（例えば、電池アセンブリ４００の円周）に等しい長さに切断され、ＰＰＬ４５０は、次いで、円周の周りに巻かれる（例えば、面Ｆ１～４の各々、次いで、そのような面に接着される）。
一実施形態では、高さＰＬＨは、ＰＰＬ４５０が着接される電池アセンブリ４００の面の高さＢＨに実質的に等しい。しかしながら、他の実施形態では、高さＰＬＨは、それが着接される電池アセンブリ４００の面の高さＢＨよりも小さくてもよい。しかしながら、典型的には、高さＰＬＨは、そのような面上の任意の潜在的な穿刺点を覆うのに十分な高さであるべきである。更に別の実施形態では、電池アセンブリ４００に着接する前の高さＰＬＨは、それが着接される電池アセンブリ４００の面の高さＢＨよりも大きい。この実施形態では、ＰＰＬ４５０の遠位縁部８０１、８０２（図８）は、電池アセンブリ４００の追加の面を覆い、接触し得る。例えば、一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、上述したように面Ｆ１に接着され得るが、次いで、遠位縁部８０１、８０２は、それらがそれぞれ面Ｆ５及びＦ６の少なくとも一部分に接着されるように巻かれるか又は折り畳まれる（図９）。
ここで、図５～図７を参照する。ＰＰＬ４５０の着接に続いて、電池アセンブリ４００が電池パッケージ７００内に配置されて、完全な電池７６０を形成する。実施形態では、電池パッケージは、第１の筐体層５００及び第２の筐体層６００を備える。第１及び第２の筐体層の各々は、例えば、アルミニウム、又はポリマーなどの可撓性又は半可撓性の材料を含み得る。一実施形態では、第１及び第２の筐体層５００、６００のうちの１つ以上は、多層アルミニウムポリマー材料、又はプラスチックなどを含む。一実施形態では、第１及び第２の筐体層５００、６００のうちの１つ以上は、アルミニウムなどの金属基板上に積層されたポリマー材料を含む。
図５に示される実施形態では、電池アセンブリ４００は、制約３１６の主面Ｆ６が第１の筐体層５００と接触するように、第１の筐体層５００上に配置される。一実施形態では、電池アセンブリ４００は、第１の筐体層５００内に形成された凹部５０２内に配置される。凹部５０２は、電池アセンブリ４００の外面サイズ及び形状に一致するようなサイズ及び形状である。一実施形態では、第２の筐体層６００は、制約３１６の主面Ｆ５が第２の筐体層６００と接触するように、電池アセンブリ４００の上に配置される。第２の筐体層６００は、主面Ｆ５の全体及び凹部５０２を覆うように（例えば、配置方向Ｐ１における移動によって）位置付けられ得る。伝導性端子７０５及び７０７は、第１及び第２の筐体保護層５００、６００によって覆われないままである。第２の筐体保護層６００を適切に配置した後、第１及び第２の筐体保護層５００、６００は、シール縁部Ｓ１（図７の点線で示される）に沿ってシールされる。一実施形態では、第１及び第２の筐体保護層５００、６００の余分な材料は、シールの前に、又はその後にトリミングされ得る。第１及び第２の筐体保護層５００、６００は、溶接、ヒートシール、接着剤、又はそれらの組み合わせなどによってシール縁部Ｓ１に沿ってシールされ得る。別の実施形態では、第１及び第２の筐体保護層５００、６００は、シール縁部Ｓ１の３つの側面に沿ってシールされ、その中にポケットを作成し得る。そのような実施形態では、電池アセンブリ４００は、ポケット内に配置され得、シール縁部Ｓ１の最終縁部は、その後シールされる。一実施形態では、シール縁部Ｓ１は、熱プレスを使用してシールされ、熱プレスは、制御された温度及び圧力をシール縁部Ｓ１に着接し、第１及び第２の筐体層５００、６００をシール縁部Ｓ１に沿って一緒に接着又は融合させる。別の実施形態では、真空は、空気又は他の気体によって占有される任意の過剰な体積を排気するために、シールプロセス中に電池アセンブリ４００に適用される。シール縁部がホットプレスにさらされる時間は、制御され得、第１及び第２の筐体層５００、６００のために選択された材料に依存する。電池アセンブリ４００上でシールされると、シールされた第１及び第２の筐体層５００、６００は、電池パッケージ７００を形成する。シールすると、電池パッケージ７００は、所望の用途に応じて、液密及び／又は気密となる。端子７０５、７０７は露出したままであり、ユーザが端子を、給電されるデバイス又は電池充電器に接続することを可能にするために、電池パッケージ７００によって覆われていない。
本開示の方法（例えば、図１０に示される方法１０００）は、図１～図１０を参照して説明される。最初に、１００２において、作製された電極アセンブリを含む、電池アセンブリ４００などの電池アセンブリが提供される。１００４において、制約３１６などの制約が、本明細書で先に記載されているように、電極アセンブリ上に提供される。電極アセンブリ及び制約は、一緒に１つ以上の穿刺点を画定する。穿刺点が外側ケーシングの破裂又は穿刺を引き起こす可能性の低減又は排除を容易にするために、筐体保護層４５０が穿刺点の上に設けられる。一実施形態では、筐体保護層（ＰＰＬ）４５０は、（Ｘ軸及びＹ軸に沿って移動するように）電池アセンブリ４００の周囲の少なくとも一部分の上に配設／接着される。電池アセンブリ４００は、電池アセンブリ３００と同じ又は類似してもよい。電池アセンブリ４００の周囲への着接前に、ＰＰＬ４５０は、その幅ＰＬＷよりも有意に大きい長さ及び高さＰＬＨを有する、細長いウェブ又はテープの形態であり得る。
一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の副表面Ｆ１及びＦ２の実質的に全体を覆うような様式で、副表面Ｆ１及びＦ２のうちの少なくとも２つに着接される。ＰＰＬ４５０は、手動で、又は自動化された機械を使用して着接され得る。一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、制約のフラップ縁部３３０及び３３２を覆うように着接され得る。
実施形態では、ＰＰＬ４５０は、電池アセンブリ４００の面Ｆ１～６のうちの１つ以上に着接されて、任意の穿刺点を望ましくは覆ってもよい。例えば、図４Ｅ及び図４Ｆを参照すると、ＰＰＬ４５０は、それが覆うような方法で着接され、したがって、穿刺点ＰＰ１－Ｘ上の曲率半径を増加させることが示されている。図４Ｆに示されるように、穿刺点をＰＰＬ４５０で覆うことによって、穿刺点上の曲率半径を効果的に増加させ、したがって、穿刺点によって筐体（例えば、筐体層５００、６００）に及ぼされる圧力を低減し、したがって、筐体への穿刺の低減又は排除を容易にし得る。例えば、一連の穿刺点ＰＰ１～ＰＰＸは、バスバー１１０、１１２、集電体タブ１２０、制約３１６の縁部などの角部であり得る。
一実施形態では、方法１０００は、最初に、高さＰＬＨ、厚さｔ２、及び長さＰＬＬを有する細長いウェブの形態であるＰＰＬ４５０（図８）を使用することを含む。この実施形態では、ＰＰＬ４５０を電池アセンブリ４００の１つ以上の面Ｆ１～６に着接する前に、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１～６の所望の部分を覆うために、機械デバイス（例えば、ナイフ）、レーザー、又はウォータージェットなどを使用するなどの任意の好適な手段によって、所望の長さ及び／又は高さに１００６で切断され得る。例えば、一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、Ｙ軸方向の面Ｆ１の長さと実質的に同じ長さＰＬＬに切断される。切断後、１００８において、ＰＰＬ４５０は面Ｆ１に配置され、熱、圧力、及び時間のうちの１つ以上を使用して面Ｆ１に接着される。１つの好適な実施形態では、熱かしめ機器の使用は、ＰＰＬ４５０を面Ｆ１に沿って所望の位置に熱かしめするために利用される。一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１の長さの少なくとも８０％以上に熱かしめされる。しかしながら、他の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１の長さの１％～１００％などの任意の量に熱かしめされ得る。更に他の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１の長さに沿った１つ以上の別個の点で熱かしめされる。いくつかの実施形態では、ＰＰＬ４５０を含む材料に応じて、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１に熱かしめされ得るか、又は別様に任意の追加の接着剤を使用せずに接着され得る。しかしながら、他の実施形態では、接着剤層は、ＰＰＬ４５０を面Ｆ１に接着するために、面Ｆ１とＰＰＬ４５０との間で使用される。同様の様式で、ＰＰＬ４５０は、切断され、同じ又は類似のプロセスを使用して、いずれか又は全ての面Ｆ１～６に接着され得る。また別の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、面Ｆ１～４の長さの合計（例えば、電池アセンブリ４００の円周）に等しい長さに切断され、ＰＰＬ４５０は、次いで、円周の周りに（例えば、面Ｆ１～４の各々）巻かれ、次いで、そのような面に接着される。更に別の実施形態では、ＰＰＬ４５０は、伸縮可能な材料を含み、面Ｆ１～４の長さの合計（例えば、電池アセンブリ４００の円周）に等しい以下の長さに切断され、ＰＰＬ４５０は、次いで、円周（例えば、面Ｆ１～４の各々）の周りに伸縮して巻かれ、次いで、そのような面に接着される。
方法１０００の一実施形態では、高さＰＬＨは、ＰＰＬ４５０が着接される電池アセンブリ４００の面の高さＢＨに実質的に等しい。しかしながら、他の実施形態では、高さＰＬＨは、それが着接される電池アセンブリ４００の面の高さＢＨよりも小さくてもよい。しかしながら、典型的には、高さＰＬＨは、そのような面上の任意の潜在的な穿刺点を覆うのに十分な高さであるべきである。更に別の実施形態では、電池アセンブリ４００に着接する前の高さＰＬＨは、それが着接される電池アセンブリ４００の面の高さＢＨよりも大きい。この実施形態では、ＰＰＬ４５０の遠位縁部８０１、８０２（図８）は、電池アセンブリ４００の追加の面に接触するように巻かれ得る。例えば、一実施形態では、ＰＰＬ４５０は、上述したように面Ｆ１に接着されるが、次いで、遠位縁部８０１、８０２は、それらがそれぞれ面Ｆ５及びＦ６の少なくとも一部分に接着されるように巻かれるか又は折り畳まれる（図９）。
ＰＰＬ４５０の着接に続いて、１０１０において、電池アセンブリ４００は、電池パッケージ７００（例えば、電池筐体）内に配置され、完全な電池７６０を形成する。実施形態では、電池パッケージ７００は、第１の筐体層５００及び第２の筐体層６００を含む。第１及び第２の筐体層の各々は、例えば、アルミニウム、又はポリマーなどの可撓性又は半可撓性の材料を含み得る。一実施形態では、第１及び第２の筐体層５００、６００のうちの１つ以上は、多層アルミニウムポリマー材料、又はプラスチックなどを含む。
方法１０００の一実施形態では、電池アセンブリ４００は、制約３１６の主面Ｆ６が第１の筐体層５００と接触するように、第１の筐体層５００上に配置される。一実施形態では、電池アセンブリ４００は、第１の筐体層５００内に形成された凹部５０２内に配置される。凹部５０２は、電池アセンブリ４００の外面サイズ及び形状に一致するようなサイズ及び形状である。一実施形態では、第２の筐体層６００は、制約３１６の主面Ｆ５が第２の筐体層６００と接触するように、電池アセンブリ４００の上に配置される。第２の筐体層６００は、主面Ｆ５の全体及び凹部５０２を覆うように（例えば、配置方向Ｐ１における移動によって）位置付けられ得る。伝導性端子７０５及び７０７は、第１及び第２の筐体保護層５００、６００によって覆われないままである。第２の筐体保護層６００を適切に配置した後、第１及び第２の筐体保護層５００、６００は、シール縁部Ｓ１（図７の点線で示される）に沿ってシールされる。一実施形態では、第１及び第２の筐体保護層５００、６００の余分な材料は、シールの前に、又はその後にトリミングされ得る。
一実施形態では、第１及び第２の筐体保護層は、次いで、溶接、ヒートシール、接着剤、又はそれらの組み合わせなどによって、シール縁部Ｓ１に沿ってシールされる。別の実施形態では、第１及び第２の筐体保護層５００、６００は、シール縁部Ｓ１の３つの側面に沿ってシールされ、その中にポケットを作成する。そのような実施形態では、電池アセンブリ４００はポケット内に配置され、シール縁部Ｓ１の最終縁部はその後シールされる。電池アセンブリ４００上でシールされると、シールされた第１及び第２の筐体層５００、６００は、電池パッケージ７００を画定する。シールすると、電池パッケージ７００は、所望の用途に応じて、液密及び／又は気密となる。端子７０５、７０７は露出したままであり、ユーザが端子を、給電されるデバイス又は電池充電器に接続することを可能にするために、電池パッケージ７００によって覆われていない。
以下の実施形態は、本開示の態様を例示するために提供されるが、実施形態は限定することを意図するものではなく、他の態様及び／又は実施形態も提供され得る。
実施形態１．二次電池アセンブリであって、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリと、電極アセンブリの外面に配設された制約であって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されるＸ－Ｙ平面内に延在する突出部を含み、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、電極アセンブリ及び制約を封入する電池筐体と、突出部の少なくとも一部分の上、及び突出部と電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備える、二次電池アセンブリ。
実施形態２．電極アセンブリが、長方形のプリズム形状を備える、実施形態１に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態３．電極アセンブリが、制約によって画定された容積内に封入され、制約が、電極アセンブリの電極又は対向電極の少なくとも１つの表面と接触する第１の一次成長制約を含み、第１の一次成長制約が、突出部を画定する、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態４．制約が、第１の一次成長制約から離間配置された第２の一次成長制約を更に備え、第２の一次成長制約が、電極アセンブリの電極又は対向電極の異なる表面と接触している、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態５．制約が、電極アセンブリの電極又は対向電極の第２の表面と接触する第１の二次成長制約を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態６．制約が、第１の二次成長制約から離間配置され、かつ電極アセンブリの電極又は対向電極の第３の表面と接触している第２の二次成長制約を更に備える、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態７．第１のバスバー及び第２のバスバーを更に備え、第１のバスバー又は第２のバスバーの一部分が、突出部を画定する、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態８．筐体保護層が、第１のバスバー及び第２のバスバーのうちの少なくとも１つの上に配設されている、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態９．筐体保護層が、ポリマーを含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態１０．ポリマーが、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又はそれらの官能性誘導体若しくはコポリマーのうちの少なくとも１つを含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態１１．電極アセンブリが、６つの長方形の面を有する長方形のプリズム形状を備え、制約が、長方形の面のうちの少なくとも３つと接触する第１のカバーと、長方形の面のうちの少なくとも３つと接触する第１のカバーから離間した第２のカバーと、を備え、制約が、突出部を画定する、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態１２．第１のカバーが、第１のカバーの高さ寸法の全体を通って延在する貫通孔の群を備え、貫通孔の少なくとも一部分が、突出部を画定する、実施形態１１に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態１３．第２のカバーが、第２のカバーの高さ寸法の全体を通って延在する貫通孔の群を含み、第２のカバーの貫通孔の少なくとも一部分が、突出部を画定する、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態１４．筐体保護層が、長方形の面のうちの少なくとも２つを実質的に覆っている、任意の先行実施形態に記載の二次電池アセンブリ。
実施形態１５．二次電池であって、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリと、電極アセンブリが内部に含まれる容積を画定する制約であって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、突出部の少なくとも一部分の上、及び突出部と電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備え、電池筐体が、電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入し、電池筐体の少なくとも一部分が、筐体保護層と直接接触している、二次電池。
実施形態１６．筐体保護層が、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つに熱かしめされている、実施形態１５に記載の二次電池。
１７．実施形態筐体保護層が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又はそれらの官能性誘導体若しくはコポリマーのうちの少なくとも１つを含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態１８．電池筐体がアルミニウムを含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態１９．電極アセンブリが、少なくとも６つの長方形の面を有する長方形のプリズム形状であり、筐体保護が、後で、長方形の面のうちの少なくとも４つの上に配設される、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２０．筐体保護層が、２５μｍ～５００μｍの厚さを有する、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２１．筐体保護層のＺ軸方向に測定される高さが、電極アセンブリのＺ軸方向に測定される高さに実質的に等しい、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２２．筐体保護層が、筐体保護層のｘ軸方向に測定される長さの少なくとも８０％に沿って熱かしめされている、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２３．筐体保護層が、筐体保護層のＸ軸方向に測定される長さの少なくとも９５％に沿って熱かしめされている、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２４．電極アセンブリが、（ａ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）と、（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金又は金属間化合物と、（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、又はＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物、複合物、又はリチウム含有複合物と、（ｄ）Ｓｎの塩及び水酸化物と、（ｅ）チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、アルミニウム酸リチウム、リチウム含有酸化チタン、リチウム遷移金属酸化物、ＺｎＣｏ２Ｏ４と、（ｆ）グラファイト及びカーボンの粒子と、（ｇ）リチウム金属と、（ｈ）それらの組み合わせと、からなる群から選択されるアノード活物質を備える、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２５．電極アセンブリが、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）からなる群から選択されるアノード活物質を含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２６．電極アセンブリが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金及び金属間化合物からなる群から選択されるアノード活物質を含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２７．電極アセンブリが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、及びＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物からなる群から選択されるアノード活物質を含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２８．電極アセンブリが、Ｓｉの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物からなる群から選択されるアノード活物質を含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態２９．電極アセンブリが、ケイ素と、ケイ素の酸化物及び炭化物と、からなる群から選択されるアノード活物質を含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３０．電極アセンブリが、金属リチウムを含むアノード活物質を備える、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３１．電極アセンブリが、グラファイト及びカーボンからなる群から選択されるアノード活物質を含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３２．筐体内に、二次電池が、非水性有機電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３３．筐体内に、二次電池が、リチウム塩と有機溶媒との混合物を含む非水性電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３４．筐体内に、二次電池が、ポリマー電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３５．筐体内に、二次電池が固体電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３６．筐体内に、二次電池が、硫化物系電解質からなる群から選択される固体電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３７．筐体内に、二次電池が、硫化スズリチウム（Ｌｉ１０ＳｎＰ２Ｓ１２）、硫化リンリチウム（β－Ｌｉ３ＰＳ４）、及びヨウ化塩化リン硫黄リチウム（Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ０．９Ｉ０．１）からなる群から選択される固体電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３８．筐体内に、二次電池が、ポリマー系電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態３９．筐体内に、二次電池が、ＰＥＯ系ポリマー電解質、ポリマーセラミック複合電解質（固体）、ポリマーセラミック複合電解質、及びポリマーセラミック複合電解質からなる群から選択されるポリマー電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４０．筐体内に、二次電池が、酸化物系電解質からなる群から選択される固体電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４１．筐体内に二次電池が、チタン酸ランタンリチウム（Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５６ＴｉＯ３）、Ａｌドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ６．２４Ｌａ３Ｚｒ２Ａｌ０．２４Ｏ１１．９８）、Ｔａドープランタンジルコン酸リチウム（Ｌｉ６．４Ｌａ３Ｚｒ１．４Ｔａ０．６Ｏ１２）、及びリン酸アルミニウムチタンリチウム（Ｌｉ１．４Ａｌ０．４Ｔｉ１．６（ＰＯ４）３）からなる群から選択される固体電解質を更に含む、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４２．電極アセンブリの電極活物質及び対向電極材料のうちの１つが、インターカレーション化学正極及び変換化学正極からなる群から選択されるカソード活物質である、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４３．電極アセンブリの電極活物質及び対向電極物質のうちの１つが、インターカレーション化学正極物質を含むカソード活物質である、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４４．電極アセンブリの電極活物質及び対向電極物質のうちの１つが、変換化学正極活物質を含むカソード活物質である、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４５．電極アセンブリの電極活物質及び対向電極物質のうちの１つが、Ｓ（又はリチウム化状態のＬｉ２Ｓ）、ＬｉＦ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅＦ２、ＦｅＯｄＦ３．２ｄ、ＦｅＦ３、ＣｏＦ３、ＣｏＦ２、ＣｕＦ２、ＮｉＦ２（式中、０≦ｄ≦０．５）からなる群から選択されるカソード活物質である、任意の先行実施形態に記載の二次電池。
実施形態４６．二次電池とともに使用するための電池アセンブリを作製する方法であって、方法が、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを作製することと、制約が電極アセンブリの外面の上に配設されるように、制約によって画定された容積内に電極アセンブリを配置することであって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する、配置することと、突出部の少なくとも一部分の上に筐体保護層を接着することであって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、接着することと、筐体保護層が制約と電池筐体との間に配設されるように、電池筐体内に電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入することと、を含む、方法。
実施形態４７．接着することが、筐体保護層に熱を加えることを含む、実施形態４６に記載の方法。
実施形態４８．少なくとも１つの突出部の上に筐体保護層を接着することが、突出部の少なくとも１つの潜在的な穿刺点の上における半径を増加させることを含む、実施形態４７に記載の方法。
実施形態４９．少なくとも１つの突出部の上に筐体保護層を接着することが、電極アセンブリのうちの少なくとも４つの面の上に筐体保護層を延伸させることを含む、任意の先行実施形態に記載の方法。
実施形態５０．二次電池を製造する方法であって、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを作製することと、制約が電極アセンブリの外面の上に配設されるように、制約によって画定された容積内に電極アセンブリを配置することであって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する、配置することと、少なくとも１つの突出部の少なくとも一部分の上に筐体保護層を接着することであって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、接着することと、筐体保護層が制約と電池筐体との間に配設されるように、電池筐体内に電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入することと、電池筐体を真空シールすることと、を含む、方法。
実施形態５１．筐体保護層が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又はそれらの官能性誘導体若しくはコポリマーのうちの少なくとも１つを含み、接着することが、筐体保護層に熱を加えることを含む、実施形態５０に記載の方法。
実施形態５２．接着することが、筐体保護層のＸ軸方向に測定される長さの少なくとも８０％に沿って筐体保護層を熱かしめすることを含む、任意の先行実施形態に記載の方法。
実施形態５３．接着することが、筐体保護層に熱及び圧力を加えることを含む、任意の先行実施形態に記載の方法。
実施形態５４．二次電池であって、三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリであって、電極アセンブリが、単位セルの群、電極バスバー、及び対向電極バスバーを備え、単位セル群の構成単位が、電極構造、セパレータ構造、及び対向電極構造を備え、（ａ）電極構造が、電極活物質層、電極集電体を備え、（ｂ）対向電極集電体が、対向電極活物質層、対向電極集電体を備え、電極構造が、電極集電体を介して電極バスバーに平行に電気的に接続され、対向電極構造が、対向電極集電体を介して対向電極バスバーに平行に電気的に接続されている、電極アセンブリと、電極アセンブリが内部に含まれる容積を画定する制約であって、電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、Ｘ軸及びＹ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、突出部が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、突出部の少なくとも一部分の上、及び突出部と電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、筐体保護層が、Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、第２の曲率半径が、第１の曲率半径よりも大きく、それによって、突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備え、電池筐体が、電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入し、電池筐体の少なくとも一部分が、筐体保護層と直接接触している、二次電池。
実施形態５５．電極アセンブリが、長手方向に互いに分離された第１の長手方向端面及び第２の長手方向端面と、電極アセンブリ長手方向軸を囲み、かつ第１及び第２の長手方向端面を接続する側面と、を有し、単位セルの群が、長手方向に直列に積み重ねられている、実施形態５４に記載の電極アセンブリ。
実施形態５６．電極アセンブリが、プリズム形状を有する、任意の先行実施形態に記載の電極アセンブリ。
実施形態５７．制約が、（ｉ）長手方向に分離された第１及び第２の一次成長制約、並びに（ｉｉ）垂直方向に分離され、かつ第１及び第２の一次成長制約を接続する第１及び第２の二次成長制約を備え、（ｉｉｉ）第１の二次成長制約が、単位セル群のサブセットの電極又は対向電極構造の上端面に更に接続され、（ｉｖ）第２の二次成長制約が、単位セル群のサブセットの電極又は対向電極構造の下端面に更に接続される、任意の先行実施形態に記載の電極アセンブリ。
この書面による説明は、実施例を使用して、最良の態様を含む発明を開示し、かつ任意の当業者が、任意のデバイス又はシステムの製造及び使用並びに任意の組み込まれた方法の実行を含む発明を実践することも可能にする。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定義され、また、当業者に見出される他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが請求項の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、又はそれらが請求項の文字通りの言葉とは実質的に異ならない差を伴う均等な構造要素を含む場合、請求項の範囲内に入ることが意図されている。

Claims (32)

  1. 二次電池アセンブリであって、
    三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリと、
    前記電極アセンブリの外面に配設された制約であって、
    前記電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する突出部を含み、前記突出部が、前記Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、
    前記電極アセンブリ及び制約を封入する電池筐体と、
    前記突出部の少なくとも一部分の上、及び前記突出部と前記電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、前記筐体保護層が、前記Ｘ－Ｙ平面内の前記第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、前記第２の曲率半径が、前記第１の曲率半径よりも大きく、それによって、前記突出部が前記電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備える、二次電池アセンブリ。
  2. 前記電極アセンブリが、６つの長方形の面を有する長方形のプリズム形状を備え、前記突出部が、前記長方形の面のうちの１つに位置する、請求項１に記載の二次電池アセンブリ。
  3. 前記電極アセンブリが、前記制約によって画定された容積内に封入され、前記制約が、前記電極アセンブリの電極又は対向電極の少なくとも１つの表面と接触する第１の一次成長制約を含み、前記第１の一次成長制約が、前記突出部を画定する、請求項１に記載の二次電池アセンブリ。
  4. 前記制約が、前記第１の一次成長制約から離間配置された第２の一次成長制約を更に備え、前記第２の一次成長制約が、前記電極アセンブリの前記電極又は前記対向電極の異なる表面と接触している、請求項３に記載の二次電池アセンブリ。
  5. 前記制約が、前記電極アセンブリの前記電極又は前記対向電極の第２の表面と接触する第１の二次成長制約を更に含む、請求項３に記載の二次電池アセンブリ。
  6. 前記制約が、前記第１の二次成長制約から離間配置され、かつ前記電極アセンブリの前記電極又は前記対向電極の第３の表面と接触している第２の二次成長制約を更に備える、請求項５に記載の二次電池アセンブリ。
  7. 第１のバスバー及び第２のバスバーを更に備え、前記第１のバスバー又は前記第２のバスバーの一部分が、前記突出部を画定する、請求項１に記載の二次電池アセンブリ。
  8. 前記筐体保護層が、前記第１のバスバー及び前記第２のバスバーのうちの少なくとも１つの上に配設されている、請求項７に記載の二次電池アセンブリ。
  9. 前記筐体保護層が、ポリマーを含む、請求項１に記載の二次電池アセンブリ。
  10. 前記ポリマーが、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又はそれらの官能性誘導体若しくはコポリマーのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の二次電池アセンブリ。
  11. 前記電極アセンブリが、６つの長方形の面を有する長方形のプリズム形状を備え、
    前記制約が、前記長方形の面のうちの少なくとも３つと接触する第１のカバー、及び前記長方形の面のうちの少なくとも３つの他の面と接触する、前記第１のカバーから離間配置された第２のカバーを含み、前記制約が、前記突出部を画定する、請求項１に記載の二次電池アセンブリ。
  12. 前記第１のカバーが、前記第１のカバーの高さ寸法の全体を通って延在する貫通孔の群を備え、前記貫通孔の少なくとも一部分が、前記突出部を画定する、請求項１１に記載の二次電池アセンブリ。
  13. 前記第２のカバーが、前記第２のカバーの高さ寸法の全体を通って延在する貫通孔の群を含み、前記第２のカバーの前記貫通孔の少なくとも一部分が、前記突出部を画定する、請求項１２に記載の二次電池アセンブリ。
  14. 前記筐体保護層が、前記長方形の面のうちの少なくとも２つを実質的に覆っている、請求項１１に記載の二次電池アセンブリ。
  15. 二次電池であって、
    三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリと、
    前記電極アセンブリが内部に含まれる容積を画定する制約であって、
    前記電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、前記突出部が、前記Ｘ－Ｙ平面内の第１の曲率半径を有する、制約と、
    前記突出部の少なくとも一部分の上、及び前記突出部と電池筐体との間に配設された筐体保護層であって、前記筐体保護層が、前記Ｘ－Ｙ平面内の前記第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、前記第２の曲率半径が、前記第１の曲率半径よりも大きく、それによって、前記突出部が前記電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、筐体保護層と、を備え、
    前記電池筐体が、前記電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入し、前記電池筐体の少なくとも一部分が、前記筐体保護層と直接接触している、二次電池。
  16. 前記筐体保護層が、前記電極アセンブリ又は前記制約のうちの少なくとも１つに熱かしめされている、請求項１５に記載の二次電池。
  17. 前記筐体保護層が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又はそれらの官能性誘導体若しくはコポリマーのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の二次電池。
  18. 前記電池筐体がアルミニウムを含む、請求項１５に記載の二次電池。
  19. 前記電極アセンブリが、少なくとも６つの長方形の面を有する長方形のプリズム形状であり、筐体保護が、後で、前記長方形の面のうちの少なくとも４つの上に配設される、請求項１５に記載の二次電池。
  20. 前記筐体保護層が、２５μｍ～５００μｍの厚さを有する、請求項１５に記載の二次電池。
  21. 前記筐体保護層のＺ軸方向に測定される高さが、前記電極アセンブリのＺ軸方向に測定される高さに実質的に等しい、請求項１５に記載の二次電池。
  22. 前記筐体保護層が、前記筐体保護層のｘ軸方向に測定される長さの少なくとも８０％に沿って熱かしめされている、請求項１５に記載の二次電池。
  23. 前記筐体保護層が、前記筐体保護層の前記Ｘ軸方向に測定される前記長さの少なくとも９５％に沿って熱かしめされている、請求項２２に記載の二次電池。
  24. 前記電極アセンブリが、（ａ）ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びカドミウム（Ｃｄ）と、（ｂ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＣｄと他の元素との合金又は金属間化合物と、（ｃ）Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、又はＣｄの酸化物、炭化物、窒化物、硫化物、リン化物、セレン化物、及びテルル化物、並びにそれらの混合物、複合物、又はリチウム含有複合物と、（ｄ）Ｓｎの塩及び水酸化物と、（ｅ）チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム、アルミニウム酸リチウム、リチウム含有酸化チタン、リチウム遷移金属酸化物、ＺｎＣｏ２Ｏ４と、（ｆ）グラファイト及びカーボンの粒子と、（ｇ）リチウム金属と、（ｈ）それらの組み合わせと、からなる群から選択されるアノード活物質を備える、請求項１５に記載の二次電池。
  25. 二次電池とともに使用するための電池アセンブリを作製する方法であって、前記方法が、
    三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを作製することと、
    制約が前記電極アセンブリの外面の上に配設されるように、前記制約によって画定された容積内に前記電極アセンブリを配置することであって、
    前記電極アセンブリ又は制約のうちの少なくとも１つが、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、前記突出部が、前記Ｘ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する、配置することと、
    前記突出部の少なくとも一部分の上に筐体保護層を接着することであって、前記筐体保護層が、前記Ｘ－Ｙ平面内の前記第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、前記第２の曲率半径が、前記第１の曲率半径よりも大きく、それによって、前記突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、接着することと、
    前記筐体保護層が前記制約と前記電池筐体との間に配設されるように、前記電池筐体内に前記電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入することと、を含む、方法。
  26. 前記接着することが、前記筐体保護層に熱を加えることを含む、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記少なくとも１つの突出部の上に前記筐体保護層を前記接着することが、前記突出部の少なくとも１つの潜在的な穿刺点の上における半径を増加させることを含む、請求項２５に記載の方法。
  28. 前記少なくとも１つの突出部の上に前記筐体保護層を前記接着することが、前記電極アセンブリのうちの少なくとも４つの面の上に前記筐体保護層を延伸させることを含む、請求項２５に記載の方法。
  29. 二次電池を製造する方法であって、
    三次元デカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸にそれぞれ対応する相互に垂直な、横方向軸、長手方向軸、及び垂直軸を有する電極アセンブリを作製することと、
    制約が前記電極アセンブリの外面の上に配設されるように、前記制約によって画定された容積内に前記電極アセンブリを配置することであって、
    前記電極アセンブリ又は前記制約のうちの少なくとも１つが、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸によって画定されたＸ－Ｙ平面内に延在する少なくとも１つの突出部を画定し、前記突出部が、前記Ｘ－Ｙ平面内に第１の曲率半径を有する、配置することと、
    前記少なくとも１つの突出部の少なくとも一部分の上に筐体保護層を接着することであって、前記筐体保護層が、前記Ｘ－Ｙ平面内の前記第１の曲率半径に重なる第２の曲率半径を画定し、前記第２の曲率半径が、前記第１の曲率半径よりも大きく、それによって、前記突出部が電池筐体への損傷を引き起こす可能性を低減する、接着することと、
    前記筐体保護層が前記制約と前記電池筐体との間に配設されるように、前記電池筐体内に前記電極アセンブリ、制約、及び筐体保護層を封入することと、
    前記電池筐体を真空シールすることと、を含む、方法。
  30. 前記筐体保護層が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、エチレンメタクリル酸（ＥＭＡＡ）、又はそれらの官能性誘導体若しくはコポリマーのうちの少なくとも１つを含み、前記接着することが、前記筐体保護層に熱を加えることを含む、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記接着することが、前記筐体保護層のＸ軸方向に測定される長さの少なくとも８０％に沿って前記筐体保護層を熱かしめすることを含む、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記接着することが、前記筐体保護層に熱及び圧力を加えることを含む、請求項２９に記載の方法。
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