JP5597240B2 - 給電システムおよびその給電素子 - Google Patents
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Description
本発明は、給電システムに関し、特に、電池内に簡易化したセパレータ層および電極層ならびに最小量のインターフェースを有するリチウム電池に関する。
電子機器業界では、機器を携帯型かつ無線の設計にすることが主流となっている。軽量化、薄型化、小型化の設計以外に、電子機器の可撓性も非常に重視されている。したがって、体積がより小さく、重量がより軽く、エネルギー密度がより高い給電システムが必然的に求められている。
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。
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は、現在流通しているリチウム電池システムのセルを示す。主構造は、セパレータ層をカソード電極とアノード電極とで挟持して作製されている。電気的に周辺機器に接続されているリチウム電池システム全体の外部電極は、カソード電極とアノード電極との両方の集電体に位置するタブに個別に溶接されている。
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。
しかしながら、リチウム電池１の電気性能および安全性能は、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と、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との両方の特性に著しく影響される。
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。
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。
さらに、アノード活物質は、充電時または放電時に膨張または収縮し、アノード活物質の両側に機械的ストレスをかけることがある。図１Ａを見ると、例えば、第２の活物質層１３がアノード活物質である場合、第２の活物質層１３は、セパレータ層１１と第２の集電体層１５との間に配置される。そのため、第２の活物質層１３は、充電時または放電時に、セパレータ層１１および第２の集電体層１５に機械的ストレスをかける。ある程度の時間が経過すると、体積の膨張と収縮が繰り返されることが原因となり、インターフェースの品質を同一に保つのは困難になる。
また、タブ１４１は、通常アルミニウム製である。アルミニウムには直接半田付けできないため、タブ１４１を超音波でニッケルシートと接合しなければならない。さらに、タブ１４１、１５１を、パッケージユニット１６の外部に延出させなければならない。タブ１４１、１５１の厚みは１００〜１５０ｕｍ（マイクロメートル）であり、接着剤を含めたパッケージユニット１６の厚みは６０〜１２０ｕｍである。
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。
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。
図１Ｂを見ると、積層型電池は、積層方向に積層された複数のユニットセル（リチウム電池１）を備えている。それぞれのリチウム電池１には、前述したように４つのインターフェースがあるため、インターフェースの合計数はそれに伴って増加する。アノード活物質は、充電時または放電時に膨張または収縮して機械的ストレスをかけることがあることから、積層型電池の信頼性は、インターフェースのうちの１つがうまく接触していないときに影響を受けることがある。
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。
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。
また、それぞれの電池１のリード線は、タブ１４１および１５１を電子機器２の電気入力端子２１および２２に電気的に接続する前に並列に接続しなければならない。リード線の数が増加すると、溶接の信頼性および歩留りは低下する。
本発明の目的は、次の給電素子およびそれに関連する給電システムを提供するである。集電体層は、基板に接して配置される。そのため、活物質層は、集電体層に接して迅速かつ正確に形成されて給電素子を形成することができる。本発明で言及する給電素子は、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る。
本発明の別の目的は、次の給電素子およびそれに関連する給電システムを提供することである。集電体層は、基板に組み込まれ、この基板に外部回路領域および内部回路領域を形成することができる。そのため、本給電素子は、電子機器に使用される素子の総数を減らせるように、外部電気素子に直接電気的に接続するか、または互いに接続することができる。
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。
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。
本発明のさらに別の目的は、次の給電素子およびそれに関連する給電システムを提供することである。パッケージ構造は、給電システム内のインターフェースの合計数を減らし、給電システムの内部抵抗を減らすとともに給電システムの電気性能も改善させるように、給電素子に組み入れることができる。
上記の内容を実現するため、本発明は、給電素子を開示する。本給電素子は、基板、第１の集電体層、第２の集電体層、第１の活物質層および第２の活物質層を備える。基板は、複数の孔を備える。第１および第２の集電体層は、基板の両面に配置され、基板の孔と一致した孔を有する。活物質層は、それぞれ集電体層の外面に配置される。そのため、基板は、セパレータとして機能し、第１の活物質層と第２の活物質層との間にイオン移動を達成する。電荷は、基板に接して配置された集電体層を通って出力される。
本発明は、積層するための複数の給電素子を備える給電システムを開示する。すべての給電素子に同じ基板を用いてもよい。そのため、基板に形成される内部回路領域は、並列接続または直列接続で互いに電気的に接続するために用いられる。給電素子のうちの１つのみが、電気を出力するために外部電子素子に接続するための外部回路領域を有する。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。本給電システムは、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、本給電システムの信頼性および電気性能は向上する。
本発明のさらに広い適応範囲は、以下に記載する詳細な説明文から明らかになるであろう。しかしながら、詳細説明および特定の例は、本発明の好適な実施形態を示すものだが例示するためだけに引用するものであることを理解されたい。
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。
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。
本発明は、以下に記載する詳細説明からより完全に理解されるが、以下の記載は説明のみを目的としており、本発明を限定するものではない。
本発明は、可撓性の回路基板または剛性の回路基板に組み込まれる給電素子、および低コストで電気容量が高く、熱安定性があり、繰り返し湾曲するなどの新たな機械的特性を備える給電システムを提供する。
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。
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。
図２は、本発明の給電素子の断面図である。本発明の給電素子３は、基板３１、第１の集電体層３２、第２の集電体層３３、第１の活物質層３４および第２の活物質層３５を備える。
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。
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。
この実施形態では、回路基板３１は、可撓性の回路基板または剛性の回路基板である。図２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は、それぞれ外部回路領域３１２に第１の端子３６および第２の端子３７を有する。基板３１は、多層からなる回路基板であってもよい。第１の端子３６および第２の端子３７の材料は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）またはこれらの金属のうちの少なくとも１つからなる合金である。
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。
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。
基板３１は、第１の活物質層３４と第２の活物質層３５との間の分離を維持するためのセパレータとして機能する。分離領域３１１は、第１の活物質層３４と第２の活物質層３５との間を電気的に絶縁し、両者の間でイオン移動を達成するために用いられる。第１の活物質層３４および第２の活物質層３５は、電気化学反応を起こして電気エネルギーを化学エネルギーに、または化学エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される。
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。
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。
本発明の給電素子３の構造を見ると、第１の集電体層３２および第２の集電体層３３は、基板に接して配置されている。そのため、この給電素子は、この構造では２つのインターフェースのみを有する。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である。
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。
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。
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を有し、以下の主機能を備えている。
分離領域３１１は、第１の活物質層３４と第２の活物質層３５との間を電気的に絶縁し、両者の間でイオン移動を達成するために用いられる。第１の活物質層３４および第２の活物質層３５は、電気化学反応を起こして電気エネルギーを化学エネルギーに、または化学エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される。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（図３Ａを参照されたい）。
外部回路領域３１２は、エッチングしたトレースを直接外部回路に接合することにより、新たに別のパッドを用いずに電気を直接出力するために用いられる（図３Ｂを参照）。また、従来の構造にあるタブは除去されている。
分離領域３１１は、内部にある他の電気素子に対してキャリアまたはマトリクスとして機能することができるため、外部回路および電気素子は、外部回路領域３１２を介して回路基板３１に組み込まれる。その上、基板３１は熱安定性が高い。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。
図４を見ると、第１のパッケージユニット４１は、第１の活物質層３４の外部かつ周囲に位置している。第２のパッケージユニット４２は、第２の活物質層３５の外部かつ周囲に位置している。第１のパッケージユニット４１および第２のパッケージユニット４２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。
給電素子３の可撓性を向上させるため、第１のパッケージユニット４１および第２のパッケージユニット４２をＰＩ、ＰＥＴ、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＮ、ＰＶＣ、アクリル酸またはエポキシで作製してもよい。さらに、第１のパッケージユニット４１および第２のパッケージユニット４２の材料は、耐酸性または耐アルカリ性を向上させて腐食を防止するために、極性の低い金属以外のものであってもよい。
また、給電素子３は、従来のパッケージ構造のようなパッケージ構造を有する（図１Ａおよび図３Ａを参照）。給電素子３は、第１の端子３６および第２の端子３７により電子機器２に接続されるため、この両端子は基板３１から延出している。そのため、構造は、タブ１４１、１５１を備える従来の構造よりも薄く、損傷を起こさないパッケージがより容易である。さらに、基板３１は、パッケージ領域の幅を小さくするためにプレスして形作ることができる（図６Ａを参照）。これにより、パッケージの性能を改善することができる。
本発明の給電システムを形成する際は、図５および図６Ａに示すように、複数の給電素子３が基板３１に接して形成される。それぞれの給電素子３は、内部回路領域３８を備える。内部回路領域３８は、この領域に接して第１のリード線５３および第２のリード線５４を備えている。
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。
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。
基板３１は、可撓性の回路基板であり、湾曲させてＺ型に積層することができる（図７Ａおよび図７Ｂを参照）。極性が同じである活物質層３４、３５は、互いに対面している。
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。
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。
給電素子３のうちの１つのみが、外部回路領域３１２を有し（図６Ａも参照）、異方導電性接着剤（ＡＣＡ）により、端子３６、３７から電気を出力するために外部電子素子に接続される。
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。
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。
以上のように本発明を説明したが、同じことを多くの方法で様々に行うことができることは明らかである。このような変形例が、本発明の精神および範囲を逸脱するものとみなされることはなく、当業者にとって明らかな修正はすべて、特許請求の範囲内に含まれるものとする。
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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