JP5597240B2 - 給電システムおよびその給電素子 - Google Patents
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Description
しかしながら、給電システムの寿命を延長し、エネルギー密度を高めるためには、一次給電システムでは現在流通している電子機器の要件を満たすことは明らかにできない。このような理由から、リチウム電池システム、燃料電池システム、太陽電池システムなどの二次給電システムが、充電能力があるために主流になっている。そのうち、リチウム電池システムが急速に普及しているため、リチウム電池システムを例に挙げる。
図1Aに示すように、リチウム電池1は、セパレータ層11、第1の活物質層12、第2の活物質層13、第1の集電体層14、第2の集電体層15およびパッケージユニット16を備えている。第1の活物質層12は、セパレータ層11の上に位置する。第1の集電体層14は、第1の活物質層12の上に位置する。第2の活物質層13は、セパレータ層11の下に位置する。第2の集電体層15は、第2の活物質層13の下に位置する。
パッケージユニット16は、2つのタブ141および151を除く上記の積層構造全体を密閉している。したがって、リチウム電池1は、電子機器2に電気を供給するため(図1Aに示す基板は、1つの実施形態にすぎず、電子機器2を限定するものではない)、リチウム電池1に貯蔵されている電気が電子機器2に輸送されるように、タブ141および151が、電子機器2の電気入力端子21および22に電気的に接続されている。
その後、電気は、このレイアウトで電子機器2の素子領域23に輸送される。ここでいう素子領域23は、回路レイアウトまたは表面実装素子、すなわち典型的には論理回路、能動素子および受動素子などを含むものであってもよい。
図1Aを見ると、リチウム電池1には4つのインターフェースがある。すなわち、セパレータ層11と第1の活物質層12との間のインターフェース、セパレータ層11と第2の活物質層13との間のインターフェース、第1の集電体層14と第1の活物質層12との間のインターフェース、および第2の集電体層15と第2の活物質層13との間のインターフェースである。
現在流通しているリチウム電池システムの場合、これらのインターフェースの特性は、リチウム電池システムの電気性能および安全性能を良好にするために、固体積層法または高圧巻線法(ジェリーロール)のいずれかで制御される。
残念ながら、固体積層法または高圧巻線法で作製されたリチウム電池システムは、可撓性が決定的に欠けており、その上湾曲させることは不可能である。積層型の電池または巻線型の電池を無理に湾曲させようとすれば、セパレータ層11と第1の活物質層12との間のインターフェース、およびセパレータ層11と第2の活物質層13とのインターフェースに深刻な損傷をもたらすことになる。
そのため、タブ141、151とパッケージユニット16との間にはギャップができて耐湿性および液体バリアが弱まることがあり、これによって外部の湿気が内部に浸透したり電解質が外部に漏れたりして回路を損傷することがある。
また、インターフェースの総数は、電解質の流動性および浸透性に影響を及ぼす。インターフェースの総数が増加すると、電解質を均一に浸透させるのにより多くの時間がかかる。さらに、電解質の分散は、長時間経過した後でも均一にならないことがあり、これによって電池の効率が低下する。
積層型またはジェリーロール型の給電システムは、簡易化したプロセスで製造することができる。また、外部電気素子に接続するために従来の電池に使用されているアルミニウムまたはニッケル製のタブは、除去することができる。そのため、基板を薄型化することができ、給電システムのパッケージ構造の信頼性は向上する。
なぜなら、本発明の精神および範囲内での様々な変更および修正は、本明細書の詳細説明から当業者に明らかになるためである。
給電ユニットは回路基板に組み込まれるため、キャリアまたは半田パッドは必要ない。また、回路基板は、セパレータとして用いられる。回路基板の熱安定性温度は、300℃以上である。そのため、SMTプロセス、さらにはICに対する金属同士の共晶プロセスを大量生産用に連続的に行うためのリフロー式半田付け方法が可能である。
基板31は、分離領域311およびこれに隣接する外部回路領域312を有する。基板31は、分離領域311に複数の孔313を有する。第1の集電体層32は、回路基板31の一方の面に配置され、基板31の孔313と一致する複数の孔321を有する。第2の集電体層33は、回路基板31のもう一方の面に配置され、基板31の孔313と一致する複数の孔331を有する。
第1の活物質層34および第2の活物質層35は、それぞれ第1の集電体層32および第2の集電体層33の外面に配置される。第1の活物質層34および第2の活物質層35は、第1の集電体層32、基板31および第2の集電体層33によって隔てられている。電解質は、第1の活物質層34および第2の活物質層35に含浸されている。電解質は、固体電解質、液体電解質、またはゲル電解質である。第1の集電体層32、基板31および第2の集電体層33は、孔313、321および331を有するため、電解質はより容易に中に含浸される。
しかしながら、製造プロセスを簡易化するためには、第1の端子36および第2の端子37の材料は、第1の集電体層32および第2の集電体層33と同じ材料であり、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、もしくはニッケル(Ni)、スズ(Sn)、銀(Ag)、金(Au)、またはこれらの金属のうちの少なくとも1つからなる合金などである。
また、第1の端子36および第2の端子37の材料は、第1の集電体層32および第2の集電体層33の材料とは異なるものであってもよい。第1の端子36および第2の端子37は、巻線、電気リード線を用いてそれぞれ第1の集電体層32および第2の集電体層33に接続されるか、または直接接続される。基板31の材料は、絶縁材料であり、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ガラス繊維、および液晶ポリマー、またはこれらを組み合わせたものを含む。
第1の集電体層32および第2の集電体層33は、第1の活物質層34および第2の活物質層35によって生成された電荷を第1の端子36および第2の端子37に出力するために用いられる。基板31は、イオン移動を達成するための孔313を有する。孔313は、スルーホール、蟻孔または多孔質材料で形成され、セラミック絶縁材料が充填されている。
セラミック絶縁材料は、ナノメートルおよびマイクロメートル規模のTiO2、Al2O3、SiO2の微粒子、またはアルキル化物を含む。孔313には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(PVDF−HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリル酸接着剤、エポキシ樹脂、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、およびポリイミド(PI)からなる群から選択される、高分子接着剤をさらに充填してもよい。
この構造のインターフェースの管理は、4つのインターフェースを有する従来の構造のインターフェース(図1Aを参照)の管理よりも制御が容易である。また、例えば、第2の活物質層35がカソード活物質である場合、第2の集電体層33および基板31が同じ面に配置されているために、第2の活物質層35は自由面を有する。アノード活物質である第2の活物質層35が充電時または放電時に膨張または収縮することがあっても、かけられたストレスは容易に解放される。そのため、給電素子3の信頼性、安定性および安全性能が改善される。
第1のリード線53および第2のリード線54は、隣接する給電素子3の第1の集電体層32および第2の集電体層33に、並列接続または直列接続で電気的に接続されている。図6Aを見ると、隣接する給電素子3と極性が同じである集電体層32、33は、リード線53、54により並列接続で接続されている。図6Bを見ると、隣接する給電素子3と極性が異なる集電体層32、33は、リード線53、54により直列接続で接続されている。
また、集電体層32、33は、同じ側に異なる極性を有していてもよい。図5に示すように、給電素子3は、同じ基板31を有する。給電素子3は、個別に基板31を有していてもよい。
すなわち、第1の活物質層34は、第1の活物質層34に面している。第2の活物質層35は、第2の活物質層35に面している。第1の集電体層32、基板31および第2の集電体層33は、孔313、321および331を有するため、電解質はより容易に給電システム全体に含浸される。
また、それぞれの給電素子3には、2つのインターフェース、すなわち、第1の集電体層32と第1の活物質層34との間のインターフェース、および第2の集電体層33と第2の活物質層35との間のインターフェースのみが備えられている。極性が同じである活物質層34、35は、隣接する給電素子3に対して互いに対面している。
そのため、給電システムのインターフェースの管理は極めて容易である。アノード活物質である第2の活物質層35が充電時または放電時に膨張または収縮することがある場合、第2の活物質層35は隣接する第2の活物質層35と接触するか押圧するだけである。かけられるストレスは容易に解放され、構造は維持される。そのため、給電システムの信頼性、安定性および安全性能が改善される。
図1Bに示すように、各リード線を接続するための従来の給電素子の複雑なプロセスは除去される。給電システムは、より高い歩留りかつより高速の生産率で生産することができ、給電システムの信頼性および電気性能は向上する。第1の端子36および第2の端子37は、図6Aに示すように、第1の集電体層32および第2の集電体層33の同じ側に形成されてもよい。一方、第1の端子36および第2の端子37は対面する面に位置する。
また、第1の端子36および第2の端子37は、図6Bに示すように、スルーホールにより同じ面に位置していてもよい。さらに、端子36と37からなる1対のみをパッケージする必要がある。図8と図1Bとを比較すると、本給電システムのパッケージは簡易化されている。本給電システムは、より高い歩留りで生産することができる。このほか、本給電システムは、ジェリーロール型の電池であってもよい。
Claims (20)
- 給電素子であって、
複数の孔を備える基板と、
前記基板の一方の面に配置され、前記基板の前記孔と一致する複数の孔を備える、第1の集電体層と、
前記基板の反対側の面に配置され、前記基板の前記孔と一致する複数の孔を備える、第2の集電体層と、
前記第1の集電体層に配置される第1の活物質層と、
前記第2の集電体層に配置される第2の活物質層と、を備え、
前記第1の集電体層および第2の集電体層は、電解質が含浸されており、
前記第1の活物質層および第2の活物質層は、互いに異なる極性を有し、前記第1の集電体層および第2の集電体層を挟むように配置し、
前記第1の集電体層および第2の集電体層を介して、前記第1の活物質層と第2の活物質層との間でイオン移動を達成することを特徴とする、
給電素子。 - 前記基板は、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ガラス繊維、および液晶ポリマーを含む材料で形成される、請求項1に記載の給電素子。
- 前記電解質は、固体電解質、液体電解質、またはゲル電解質である、請求項1に記載の給電素子。
- 前記基板はさらに、前記孔を有する領域に隣接する外部回路領域を備える、請求項1に記載の給電素子。
- 前記外部回路領域は、第1の端子および第2の端子を備え、該端子はそれぞれ前記第1の集電体層および前記第2の集電体層に電気的に接続される、請求項4に記載の給電素子。
- さらに、第1のパッケージユニットと第2のパッケージユニットとを備える給電素子において、前記第1のパッケージユニットは前記第1の活物質層の端部周囲に配置され、前記第2のパッケージユニットは前記第2の活物質層の端部周囲に配置される、請求項1に記載の給電素子。
- 前記第1のパッケージユニットおよび前記第2のパッケージユニットの材料は、ポリマー、金属、ガラス繊維、およびこれらを組み合わせたものである、請求項6に記載の給電素子。
- 前記基板の前記孔は、スルーホール、蟻孔または多孔質材料で形成される、請求項1に記載の給電素子。
- 前記基板の前記孔は、セラミック絶縁材料を充填される、請求項1に記載の給電素子。
- 前記セラミック絶縁材料は、ナノメートルおよびマイクロメートル規模のTiO2、Al2O3、SiO2の微粒子を含む、請求項9に記載の給電素子。
- 前記基板の前記孔はさらに、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(PVDFHFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリル酸接着剤、エポキシ樹脂、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、およびポリイミド(PI)からなる群から選択される、高分子接着剤を充填される、請求項10に記載の給電素子。
- 積層するための複数の給電素子を備える給電システムであって、前記給電素子は、
複数の孔を備える基板と、
前記基板の一方の面に配置され、前記基板の前記孔と一致する複数の孔を備える、第1の集電体層と、
前記基板の反対側の面に配置され、前記基板の前記孔と一致する複数の孔を備える、第2の集電体層と、
前記第1の集電体層に配置される第1の活物質層と、
前記第2の集電体層に配置される第2の活物質層と、を備え、
前記第1の集電体層および第2の集電体層は、電解質が含浸されており、
前記第1の活物質層および第2の活物質層は、互いに異なる極性を有し、前記第1の集電体層および第2の集電体層を挟むように配置し、
前記第1の集電体層および第2の集電体層を介して、前記第1の活物質層と第2の活物質層との間でイオン移動を達成することを特徴とする、
給電システム。 - さらに、前記第1の活物質層および前記第2の活物質層に含浸される電解質を備える、請求項12に記載の給電システム。
- 前記給電素子は、同じ基板を有する、請求項12に記載の給電システム。
- それぞれの給電素子は、前記隣接する給電素子の前記第1の集電体層および前記第2の集電体層に並列接続または直列接続で電気的に接続するための内部回路領域を備える、請求項12に記載の給電システム。
- 前記基板は、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ガラス繊維、および液晶ポリマーを含む材料で形成される、請求項12に記載の給電システム。
- 前記電解質は、固体電解質、液体電解質、またはゲル電解質である、請求項12に記載の給電システム。
- 前記基板はさらに、前記孔を有する領域に隣接する外部回路領域を備える、請求項12に記載の給電システム。
- 前記外部回路領域は、第1の端子および第2の端子を備え、該端子はそれぞれ前記第1の集電体層および前記第2の集電体層に電気的に接続される、請求項18に記載の給電システム。
- 前記基板の前記孔は、スルーホール、蟻孔または多孔質材料で形成される、請求項12に記載の給電システム。
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