JP5696207B1 - 新規なリチウムイオン電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】既存の電池よりも容易にかつ安価なコストで構成できるリチウムイオン電池を提供する。【解決手段】リチウムイオン電池の、１つ又は複数の仕切を有する密閉されたケース１０８の内部に、正極集電体に電気的に接触するカソード、負極集電体に電気的に接触するアノード、前記アノードから前記カソードを隔離する隔離部、及び前記カソードと前記アノードと前記隔離部に接触する電解質、正極集電体に電気的に接触する正極コネクタタブ１０２、負極集電体に電気的に接触する負極コネクタタブ１０３を有する複数のセル１００が互いに平行に並んで収容され、ケース１０８の内部又はケースカバー１０９の外部でクロスオーバーコネクタ１０６を介したセル１００同士の間の接続が行われる。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明はリチウムイオン電池に関する。
リチウムイオンセルは、１９９１年に初めて市販された充電式リチウム電池の導入以来、広く普及しており、人気が高い。リチウムイオンセルは高エネルギー密度であるため、携帯電話や携帯型コンピュータなどの携帯型装置及び電気／ハイブリッド電気自動車での使用に理想的である。
リチウムイオンセルは、カソード、アノード、セパレータ、電解質の４つの主要要素からなる。セルの充電時、カソードは酸化されてアノードにリチウムイオンと電子を供給する。放電時、カソードは元の状態に還元され、それと同時にアノードは酸化されてリチウムイオンと電子を供給する。セパレータはカソードが直接アノードに接触して短絡を起こすのを防ぐ。同時に、セパレータは、イオン（current-carrying ion）をカソードからアノードに、またその逆に通過させる。電解質は、リチウムイオンがカソードとアノードの間を移動する経路を提供する。
通常、上記の要素は密閉されたケース内に収容される。ケースは、放電及び充電中、また短絡時にリチウムイオンセル内の異常な圧力上昇を防止する安全ベントを備える。リチウムイオンセルのケース構造には３つの主要な種類、つまり円筒型、角型(prismatic)、袋型がある。
リチウムイオンセルは通常、３〜４ボルトの電圧を生じる。より高電圧の電池を製造するには、個々のセルを外部で直列接続して所望の電圧の電池パックを形成する必要がある。リチウムイオンセルは、並列に接続することにより、電池パックが供給可能な電流量を増やすこともできる。
標準的なリチウムイオン電池パックは電池管理システムを備えている。電池管理システムの目的は、電池パック内での個々のセルの過充電及び過放電を防ぐことである。
既存の電池よりも容易にかつ安価なコストで構成できるリチウムイオン電池が必要とされている。
米国特許第６，２４５，６４６号
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既存のリチウムイオン電池の欠点を克服するために、ケースの内部で接続された複数のリチウムイオンセルを有する電池が提供される。
リチウムイオン電池は、互いに平行に並んだ複数のリチウムイオンセルを備えている。各リチウムイオンセルは、正極集電体に電子的又は電気的に接触するカソードと、負極集電体に電子的又は電気的に接触するアノードと、アノードからカソードを隔離する隔離部と、カソード、アノード及び隔離部に接触する電解質とを備えている。リチウムイオン電池はまた、単一の正極端子、単一の負極端子、及び１つ又は複数のクロスオーバーコネクタも備えている。正極端子は、１つ又は複数の正極集電体に直接接触するが、負極集電体には直接接触しない。負極端子は、１つ又は複数の負極集電体に直接接触するが、正極集電体には直接接触しない。クロスオーバーコネクタは、１つ又は複数の正極集電体及び１つ又は複数の負極集電体にそれぞれ電気的に接続している。
上記の要素はすべてケース内に収容されている。ケースは、ケースを包囲するカバーを有している。上述の正極端子はカバーの第１の開口部を通って延びており、負極端子は第２の開口部を通って延びている。ケースは仕切りを有している。この仕切りによってケースは少なくとも２つの区画に分けられている。各区画は１つ又は複数のリチウムイオンセルを収容している。
また、各カソードはリチウムカソード材料を含んでいる。各アノードはアノード材料を含んでいる。各隔離部は細孔性材料を含んでいる。電解質は液体、ゲル、又は高分子固体である。正極端子、負極端子、正極集電体、負極集電体はそれぞれ金属タブを備えている。クロスオーバーコネクタはそれぞれ金属バーを備えている。
本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細を以下の図面及び説明で示す。本発明のその他の特徴、目的、利点は、明細書及び請求項から明らかになるであろう。本明細書で引用されるすべての文書は参考として全文が本明細書により援用される。
１２セルのリチウムイオン電池の図であって、ケース内のリチウムイオンセルの内部を示している。 図１Ａに示す１２セルのリチウムイオン電池の図であって、ケース内のリチウムイオンセルの切断図を示し、セル同士の間の並列接続及び直列接続を示している。 １２セルのリチウムイオン電池の図であって、外側カバーを有する代替の実施形態を示している。 １２セルのリチウムイオン電池の図であって、別の実施形態の展開図を示している。 １２セルのリチウムイオン電池の図であって、部分的に組み立てられた図１Ｄに示す電池の図を示している。 １２セルを隣り合わせに並べた２４セルのリチウムイオン電池の図であって、セル同士の間の並列接続及び直列接続を示している。 図２Ａに示す２４セルのリチウムイオン電池の図であって、ケース内のセルと、セル同士の間の外部接続とを示している。 １２セルの上に１２セルが積層された２４セルのリチウムイオン電池の展開図であって、セル同士の間の並列接続及び直列接続を示している。 図３Ａに示すリチウムイオン電池の下側の１２セルの図であって、下側ケース内のセルと、セル同士の間の外部接続とを示している。 図３Ａに示すリチウムイオン電池の上側の１２セルの図であって、上側ケース内のセルと、セル同士の間の外部接続とを示している。 完全に組み立てられた図３Ａに示す２４セルのリチウムイオン電池の完成図である。 ４セルのリチウムイオン電池の構成の展開図であって、セル同士の間の直列接続を示している。 ８セルのリチウムイオン電池の構成の展開図であって、セル同士の間の並列接続及び直列接続を示している。
上述したように、既存の電池よりも製造が容易でコストが安いリチウムイオン電池が必要とされている。
その必要を満たすために、単一の密閉ケース内で互いに平行に並んだ複数のリチウムイオンセルを備えるリチウムイオン電池が提供される。リチウムイオンセルは、直列、並列又はその両方で互いに電気的に接続することができる。好ましくは、カバーでケースを密閉する前に、個々のリチウムイオンセルの間の接続をケースの内部で行うことができる。別の実施形態では、ケースの外部でリチウムイオンセルを直列、並列又はその両方で接続することができる。
好ましくは、電池内の各リチウムイオンセルは密閉容器に個々に収容されない。よって、密閉されたセルを個々に製造してからそれらを接続して電池を形成する必要はない。また、所望とする電池電圧は、最も早い設計段階で考慮される。たとえばケースのサイズは、所望の電圧及び電流容量を生じるのに必要なセルの数に応じて選択することができる。この方法は、典型的なリチウムイオン電池と比べて必要な材料が少なく、製造コストが低減される。
アノードは負極集電体にアノード材料を被覆することによって形成される。アノード材料はたとえば、リチウムチタン酸化物（ＬｉＴｉ４Ｏ９）、ケイ素、ケイ素／酸化ケイ素／炭素、又はこれらの材料の混合物とすることができる。別の適切なアノード材料は、Materials誌の６巻１５６〜１８３ページに記載されている。負極集電体は、銅、ニッケル、ニッケルめっき鋼、ステンレス鋼、又はチタンを含むことができる。好ましくは、負極集電体は銅から形成される。
アノードと同様、カソードは正極集電体にカソード材料を被覆することによって形成される。カソード材料はリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２；ＬＣＯ）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２；ＬＮＯ）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４；ＬＭＯ）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４；ＬＦＰ）、リチウム（ニッケル、マンガン、コバルト）酸化物（Ｌｉ（Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ）Ｏ２；ＮＭＣ）、又はこれらの材料の混合物とすることができるが、それらに限定されない。別の使用可能なカソード材料は、Chemical Reviews誌の１０４巻４２７１〜４３０１ページ及びMaterials誌の６巻１５６〜１８３ページに記載されている。好適な実施形態では、カソード材料はＬＦＰである。
正極集電体はニッケル、ステンレス鋼、又はアルミニウムから形成することができる。好適な実施形態では、正極集電体はアルミニウムから形成される。
セパレータの材料は、細孔ポリマー膜、不織布マット、又は無機複合膜とすることができる。細孔ポリマー膜の例としてはポリエチレン（ＰＥ）, ポリプロピレン（ＰＰ）、ＰＥ−ＰＰ混合物、高密度ポリエチレンと超高分子量ポリエチレンの混合物が挙げられるが、それらに限定されない。不織布マットはたとえば、セルロース、化学修飾セルロース、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、及びポリエステルから形成することができる。無機複合膜は、セラミック粒子などの超微細無機粒子を少量の結合材を用いてマトリクスに結合して形成される多孔性マットとすることができる。たとえば無機複合膜は、Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２をポリエチレンテレフタレート不織布の支持マトリクスに結合して形成することができる。別の適切なセパレータ材料は、J. Power Sources誌の１６４巻３５１〜３６４ページに記載されている。好適な実施形態では、セパレータ材料は細孔ポリマー膜である。
電解質は液体、ゲル、又は高分子固体とすることができる。たとえば液体電解質は、リチウム塩を有機溶剤中に溶解したものとすることができる。リチウム塩の例としてはＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４が挙げられる。使用可能な有機溶剤はエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、及びジエチルカーボネートが挙げられるが、それらに限定されない。これらの有機溶剤を組み合わせて２つ、３つ、４つ及び５つの要素からなる混合物を形成することができる。別の適切なリチウム塩及び有機溶剤は米国特許第６，２４５，４６４号に記載されている。
別の実施形態では、ポリオキシエチレン（ＰＯＥ）ベースの複合電解質を使用することができる。高分子量ＰＯＥを用いて、乾リチウムポリマーセルで使用される固体電解質を作製することができる。あるいは、低分子量ＰＯＥを湿リチウムイオンセル用の電解質に使用することができる。別の適切な電解質はChemical Reviews誌の１０４巻４３０３〜４４１７ページに記載されている。
各ユニットセルは、複数の平坦なアノード板と複数の平坦なカソード板とをセパレータ材料によって互いに隔離して構成することができる。この構成では、アノード板はすべて電気的に互いに接続され、カソード板も同様にすべて電気的に互いに接続される。板の数は所望とする電池の電流容量に基づいて選択することができる。
より高い通電容量を有する電池を構成するためには、各セルのサイズを過度に増大させることなく、アノードとカソードの有効表面積を増大させることが必要である。これは、いわゆる「ゼリーロール」形式でセルを製造することによって達成することができる。このような形式では、アノード、カソード及びセパレータ材料は連続ストリップとして形成される。セパレータ材料のストリップがアノード材料のストリップとカソード材料のストリップの間に来るようにストリップを積層した後、積層されたストリップを螺旋状に丸めてゼリーロールを形成する。好適な実施形態では、セパレータ材料の２つのストリップを１つのアノード及び１つのカソードと共に用いてゼリーロールを形成する。たとえば連続ストリップの積層は、セパレータ材料の第１のストリップ、アノード、セパレータ材料の第２のストリップ、及びカソードをこの順で含んでいる。積層したものを丸めると、セパレータ材料の第１のストリップがゼリーロールの外面を形成することになる。このようにして形成されたゼリーロールは、２つのセルの間の短絡を引き起こすことなく、別のゼリーロールに隣接して配置することができる。
ゼリーロールの実施形態において、アノードは、アノード材料で被覆された薄箔の負極集電体から構成され、カソードは、カソード材料で被覆された薄箔の正極集電体から形成される。
好ましくは、ゼリーロールセルは内部抵抗が非常に低い。また、ゼリーロールは、所望とする電池設計に応じて、円筒状又は扁平長円形状などの様々な形状の要因に適合させることができる。また、ゼリーロールのサイズは、特定のケースのサイズに合うように適合させることもできる。特定の実施形態において、ゼリーロールは２０ｃｍｘ３０ｃｍである。
各セルのアノード及びカソードを電池のその他の構成要素に電気的に接続するために、アノードとカソードのそれぞれにコネクタタブが設けられている。アノードは、負極集電体に取り付けられるニッケル製の負極コネクタタブを有している。カソードは、正極集電体に取り付けられるアルミニウム製の正極コネクタタブを有している。負極コネクタタブ及び正極コネクタタブは、抵抗溶接、超音波溶接、又はレーザー溶接によってそれぞれ集電体に取り付けることができる。たとえば、ワールドワイドウェブbatterypoweronline.comにあるBattery Power Products & Technology誌の２００９年１１月／１２月号を参照されたい。
上述したように、個々のリチウムイオンセルは、直列、並列又はその両方で電気的に互いに接続することができる。これを達成するために、負極コネクタタブと正極コネクタタブの両方に取り付けられてセルを直列に接続することができるクロスオーバーコネクタが設けられている。同じクロスオーバーコネクタを２つ以上の負極コネクタタブと２つ以上の正極コネクタタブに取り付けて並列接続と直列接続を同時に確立することができる。クロスオーバーコネクタは、ニッケル、銅、アルミニウムなどの導電性金属から形成することができる。ニッケルめっき銅、ニッケルめっきアルミニウム、ニッケル銅クラッド、ニッケルアルミニウムクラッドなどのめっき又はクラッド金属も使用することができる。好適な実施形態では、クロスオーバーコネクタはニッケルアルミニウムクラッドから形成される。
クロスオーバーコネクタは、抵抗溶接、超音波溶接、又はレーザー溶接などの溶接工程によって、負極コネクタタブと正極コネクタタブに取り付けることができる。いくつかの実施形態では、２つ以上の負極コネクタタブに溶接されるが、正極コネクタタブには溶接されない並列コネクタが設けられている。
リチウムイオン電池には、正極コネクタタブの１つ又は複数に直接接触する単一の正極端子と、負極コネクタタブの１つ又は複数に直接接触する単一の負極端子とがさらに含まれている。正極端子は正極コネクタタブに溶接され、負極端子は負極コネクタタブに溶接されている。正極端子及び負極端子は、電池が電力を供給する回路への接続点としての役割を果たす。
電池にはリチウムイオンセル、正極端子、負極端子、及びクロスオーバーコネクタを収容するとともに電解質を収容するケースが含まれている。ケースは金属製又はプラスチック製とすることができる。好適な実施形態では、ケースはプラスチック製である。
ケースは、複数の区画にケースを分ける内部仕切りを含む。内部仕切りは物理的にセルを互いに隔離することができる。内部仕切りはケース内に均等に間隔をおいて配置されることによって、均等な容積の区画を形成することができる。各区画は単一のゼリーロールセル又は並列接続されたゼリーロールセルの組を収容することができる。たとえば、４つの区画を形成する３つの内部仕切りを有したケース内に４つのゼリーロールセルを収容し、各区画に１つのゼリーロールがある状態とすることができる。あるいは、３つのゼリーロールからなるグループ４つを、４つの区画を形成する３つの内部仕切りを有したケース内に収容し、各区画に３つのゼリーロールがある状態とすることができる。内部仕切りはケースと同じ材料で形成することができる。
ケースは、電池の製造時にケースに封止されるケースカバーによって閉鎖される。ケースカバーは、電池の充放電中にケース内で過剰に圧力が増大するのを防ぐ安全口を有している。いくつかの実施形態では、ケースカバーは、正極コネクタタブ及び負極コネクタタブが突出するコネクタタブスロットを有することができる。これにより、密閉されたケースの外部で接続を行うことができる。たとえば、正極コネクタタブとクロスオーバーコネクタとの間又は負極コネクタタブとクロスオーバーコネクタとの間の接続を、ケースカバーの外面で行うことができる。
ケースの外部でセル同士の間を接続することを含んだ実施形態では、接続部を外界から保護する第２の外側カバーが含まれる。外側カバーは、外部負荷又は充電装置に対する接続点を提供する外側正極端子及び外側負極端子を有している。外側カバーの外側正極端子は、正極端子コネクタを介してケースカバーの外面で正極端子に接続することができる。同様に、外側カバーの外側負極端子は、負極端子コネクタを介してケースカバーの外面で負極端子に接続することができる。
所望の電圧及び電流容量を有する電池を、複数のリチウムイオンセルを用いて単一の密閉されたケース内に構成することができる。たとえば、３０Ａｈの電流容量を有する１２Ｖの電池を構成するためには、それぞれが３０Ａｈの電流容量を有する４つのリチウムイオンセルをケース内に配置して直列に接続する。あるいは、それぞれが１０Ａｈの容量を有する３つのリチウムイオンセルを並列に接続することによっても、同一の電圧及び電流容量を有する電池を得ることができる。並列に接続された４つのセルを直列に接続することにより１２Ｖで３０Ａｈの電池が形成される。
上述したように、集電体に取り付けられたコネクタタブは、クロスオーバーコネクタを介して互いに接続することができる。クロスオーバーコネクタは、複数の負極コネクタタブ同士の接続、又は複数の正極コネクタタブ同士の接続、又は負極コネクタタブを正極コネクタタブに接続するために使用することができる。たとえば、２つのセルを並列接続するためには、２つの負極コネクタタブを１つのクロスオーバーコネクタによって接続し、２つの正極コネクタタブを第２のクロスオーバーコネクタによって接続する。同様に、クロスオーバーコネクタを介して第１のセルの負極コネクタタブを第２のセルの正極コネクタタブに接続することによって、２つのセルを直列接続することができる。クロスオーバーコネクタは、抵抗溶接、超音波溶接、又はレーザー溶接によってコネクタタブに取り付けることができる。
規格化されたモジュールを使用することにより電池パックのコストを低減し、メンテナンスを簡易化することができる。たとえば、３０Ａｈの電流容量を有する３Ｖのリチウムイオンセルを使用して、以下の電圧／電流容量の組み合わせを有する電池を容易に構成することができる。（ｉ）１２Ｖ／３０Ａｈ（３０Ａｈのセル４個を直列に接続）、（ｉｉ）１２Ｖ／６０Ａｈ（３０Ａｈのセル４個を直列に接続したセット２つを並列に接続）、（ｉｉｉ）２４Ｖ／３０Ａｈ（３０Ａｈのセル８個を直列に接続）、（ｉｖ）１２Ｖ／９０Ａｈ（３０Ａｈのセル４個を直列に接続したセット３つを並列に接続）、（ｖ）３６Ｖ／３０Ａｈ（３０Ａｈのセル１２個を直列に接続）、（ｖｉ）４８Ｖ／３０Ａｈ（３０Ａｈのセル１６個を直列に接続）。
好ましくは、リチウムイオン電池は、一般的に使用される種類の電池と置き換えられるように構成することができる。たとえば、４つの直列セルを含む上述のリチウムイオン電池は１２Ｖ鉛蓄電池と置き換えることができ、８つの直列接続セルを含むリチウムイオン電池は２４Ｖ鉛畜電池と置き換えることができる。
一実施形態には電池管理システムが含まれる。電池管理システムは、充電中に電池内の個々のリチウムイオンセルの電圧を等しくする１つ又は複数のセル平衡装置を含むことができる。たとえば、セルが完全に充電されるように各セルの周囲の充電電流を選択的に分流（シャント）する電荷分流セル平衡法（charge-shunting cell balancing method）を使用することができる。また、能動電荷シャトル素子（active charge shuttling element）あるいは電圧変換器又は電流変換器によってあるセルから別のセルへエネルギーを移動させる能動セル平衡法を使用することができる。電荷シャトル素子は、選択されたセルから電荷を除去し、コンデンサに電荷を蓄え、次にそれを別のセルに移送する。エネルギー変換装置は、セル又はセル群から別のセル又はセル群にエネルギーを移動させる誘導器又は変圧器を有している。
いくつかの実施形態には電池管理システムが含まれない。好ましくは、これにより、このような電池の製造コストが大幅に低減される。
さらに詳述しなくとも、当業者であれば、上述の記載に基づき本発明を最大限に活用することができると考えられる。以下の具体例は単に例示であり、いかなる点でも以下の開示に限定するものではないと解釈すべきである。
実施例１ １２個のリチウムイオンセルを含むリチウムイオン電池
図１Ａは、１２セルのリチウムイオン電池の内部を示す。各セル（１００）は他のセル（１００）と略平行に並べられた角型のゼリーロールセルであり、角型ゼリーロールセル（１００）の内側に正極集電体と負極集電体を備えている。正極集電体と負極集電体は正極コネクタタブ（１０２）と負極コネクタタブ（１０１、１０３）に接続されている。図１Ｂに示される実施形態では、３つの正極コネクタタブ（１０２）と３つの負極コネクタタブ（１０１）に取り付けられたクロスオーバーコネクタ（１０６）を介してセル（１００）が互いに接続されている。３つのセル（１００）がクロスオーバーコネクタ（１０６）を介して並列に互いに接続され、３つの並列に接続されたセル（１００）からなる各群は、クロスオーバーコネクタ（１０６）を介し、３つの並列に接続されたセル（１００）からなる別の群に直列に接続されている。負極端子（１０４）は３つの負極コネクタタブ（１０３）に接続され、正極端子（１０５）は３つの正極コネクタタブ（１０２）に接続されている。セル（１００）は、１つ又は複数の安全口（１１０）を有するケースカバー（１０９）を備えたケース（１０８）に収容されている。図１Ｂに示される実施形態では、クロスオーバーコネクタ（１０６）を介したセル（１００）同士の間の接続はケースカバー（１０９）の外部で行われる。必要に応じ、使用中のセル電圧を標準化するセル平衡装置（１０７）を備えることができる。セル平衡装置（１０７）は、クロスオーバーコネクタ（１０６）と負極端子（１０４）との間、２つのクロスオーバーコネクタ（１０６）の間、又はクロスオーバーコネクタ（１０６）と正極端子（１０５）との間に接続されている。図１Ｃを参照すると、電池はケースカバー（１０９）に取り付けられる外側カバー（１１１）を備えることができる。外側カバー（１１１）はケースカバー（１０９）の外面の各種コネクタを保護する。外側カバーは、電池を外部負荷又は充電装置に接続するための外側負極端子（１１４）及び外側正極端子（１１５）を備えている。外側負極端子（１１４）は負極端子コネクタ（１１２）を介して負極端子（１０４）に接続される。同様に、外側正極端子（１１５）は正極端子コネクタ（１１３）を介して正極端子（１０５）に接続される。図１Ｄによると、ケース（１０８）は１つ又は複数の仕切り（１１７）によって複数の区画に分けることができる。仕切り（１１７）はセル（１００）又はセル群を物理的に相互に隔離し、各区画内に電解質を保持する。ケースカバー（１０９）はコネクタタブスロット（１１８）を有している。正極コネクタタブ（１０２）と負極コネクタタブ（１０１、１０３）は、セル（１００）同士の間の並列接続及び直列接続をケースカバー（１０９）の外部で行えるように、コネクタタブスロットを介してケースカバー（１０９）を貫通して延びている。図１Ｃに示されるように、外側カバー（１１１）は、ケースカバー（１０９）の表面の各種コネクタを保護する。図１Ｅは、コネクタタブスロット（１１８）を介してケースカバー（１０９）を貫通する正極コネクタタブ（１０２）及び負極コネクタタブ（１０１、１０３）を示している。ケースカバー（１０９）の表面には、クロスオーバーコネクタ（１０６）、負極端子（１０４）、正極端子（１０５）も示されている。コネクタタブスロット（１１８）を封止する封止プラグ（１１６）も設けられている。正極コネクタタブ（１０２）及び負極コネクタタブ（１０１、１０３）はコネクタタブスロット（１１８）に挿入される封止プラグ（１１６）を介してケースカバー（１０９）を貫通している。封止プラグ（１１６）は、電解質がケース（１０８）から漏れるのを防ぎ、正極コネクタタブ（１０２）及び負極コネクタタブ（１０１、１０３）と電解質との間の直接接触も防ぐ。
実施例２ ２４個のリチウムイオンセルを含むリチウムイオン電池
別の実施形態では、１２個のセル（１００）が隣り合わせに並べられた２４セルのリチウムイオン電池が図２に示されている。図２Ａは、２ｘ１２セルのリチウムイオン電池の内部を、セル（１００）同士の間の接続を含めて示している。上述の実施例１と同様、各セル（１００）は、正極コネクタタブ（１０２、２１２）に接続された正極集電体と、負極コネクタタブ（１０１、１０３、２１１）に接続された負極集電体とを備えた角型のゼリーロールセルである。セル（１００）は、３つの正極コネクタタブ（１０２、２１２）と３つの負極コネクタタブ（１０１、２１１）とに取り付けられたクロスオーバーコネクタ（１０６、２１３）を介して互いに接続されている。３つのセル（１００）がクロスオーバーコネクタ（１０６、２１３）を介して並列に互いに接続され、３つの並列に接続されたセル（１００）からなる各群は、クロスオーバーコネクタ（１０６、２１３）を介し、３つの並列に接続されたセル（１００）からなる別の群に直列に接続されている。負極端子（１０４）は３つの負極コネクタタブ（１０３）に接続され、正極端子（１０５）は３つの正極コネクタタブ（１０２）に接続されている。必要に応じ、使用中のセル電圧を標準化するセル平衡装置（１０７）を備えることができる。セル平衡装置（１０７）は２つのクロスオーバーコネクタ（１０６、２１３）の間に接続されている。図２Ｂによると、セル（１００）は安全口（１１０）を有するケースカバー（２１０）を備えたケース（２００）内に収容されている。
実施例３ ２４個のリチウムイオンセルを含むリチウムイオン電池の別の実施形態
図３は、１２個のセル（１００）の上に１２個のセル（１００）が配置された２４セルのリチウムイオン電池の別の実施形態を示す。図３Ａは、２ｘ１２セルのリチウムイオン電池の内部を、セル（１００）同士の間の接続を含めて示している。上記実施例１及び２に記載の電池と同様、各セル（１００）は、正極コネクタタブ（２１２）に接続された正極集電体と、負極コネクタタブ（２１１）に接続された負極集電体とを備えた角型のゼリーロールセルである。各層において、セル（１００）は、３つの正極コネクタタブ（２１２）及び３つの負極コネクタタブ（２１１）に取り付けられたクロスオーバーコネクタ（１０６）を介して互いに接続されている。クロスオーバーコネクタ（１０６）又は並列コネクタ（３０４）を介して３つのセル（１００）を互いに接続することができ、１つの層内の３つの並列接続セル（１００）からなる各群は、クロスオーバーコネクタ（１０６）を介して３つの並列に接続されたセル（１００）からなる別の群に直列に接続されている。上層のセルと下層のセルとの間の直列接続を確立するために、垂直クロスオーバーコネクタ（３００）が設けられている。負極端子（１０４）は３つの負極コネクタタブ（２１１）に接続され、正極端子（１０５）は３つの正極コネクタタブ（２１２）に接続されている。必要に応じ、使用中のセル電圧を標準化するセル平衡装置（１０７）を備えることができる。セル平衡装置（１０７）は、他のセル（１００）と並列に接続可能なセル（１００）の正極コネクタタブ（２１２）と負極コネクタタブ（２１１）との間に接続されている。図３Ｂでは、下側ケース（３０１）内の下側のセル（１００）の組がケースカバー（３０２）によって覆われている。垂直クロスオーバーコネクタ（３００）はケースカバー（３０２）から上方に向かって延びている。ケースカバー（３０２）は安全口（１１０）と位置合わせピン（３０５）とを備えている。位置合わせピン（３０５）を使用して、下側ケース（３０１）を図３Ｃに示される上側ケース（３０３）と位置合わせすることができる。位置合わせピン（３０５）は、上側ケース（３０３）の底部の対応する凹部に挿入されている。同図は、ケースカバー（３０２）によって覆われたセル（１００）を包囲する上側ケース（３０３）を示している。垂直クロスオーバーコネクタ（３００）は、下層の並列コネクタ（３０４）に接触することができるように上側ケース（３０３）のケースカバー（３０２）の上部から下方に向かって延びている。ケースカバー（３０２）は、安全口（１１０）と位置合わせピン（３０５）とをさらに備えている。位置合わせピン（３０５）は、追加のセル層を積層して適切に位置合わせするのに使用することができる。図３Ｄは完全に組み立てられた電池を示している。
実施例４ ４個の円筒型セルを直列の形態で有するリチウムイオン電池
図４に示される別の実施形態において、４セルのリチウムイオン電池は、ケース（４０８）内に隣り合わせに並んだ４個の円筒型セル（４００）を備えている。各円筒型セルは、正極コネクタタブ（４０６）に接続された正極集電体と、負極コネクタタブ（４０７）に接続された負極集電体とを備えている。正極コネクタタブ（４０６）及び負極コネクタタブ（４０７）は下側カバー（４０１）を貫通して延びている。必要に応じ、各セル（４００）の正極コネクタタブ（４０６）と負極コネクタタブ（４０７）を接続するセル平衡装置（４０２）を備えることができる。クロスオーバーコネクタ（４０３）は、あるセル（４００）の負極コネクタタブ（４０７）を、隣接するセルの正極コネクタタブ（４０６）に接続して直列接続を確立する。正極端子（４０９）は右端のセル（４００）の正極コネクタタブ（４０６）に接続され、負極端子（４０４）は左端の負極コネクタタブ（４０７）に接続されている。正極端子（４０９）と負極端子（４０４）は上側カバー（４０５）を貫通して延びている。円筒型セル（４００）は、ケース（４０８）内に複数の区画を形成する仕切り（４１０）によってケース（４０８）内で物理的に隔離されている。
実施例５ ８個の円筒型リチウムイオンセルを含むリチウムイオン電池
図５を参照すると、別の実施形態は、４つのセルからなる２つの群がケース（５００）内で隣り合わせに並んだ８個の円筒型セル（４００）を備えている。実施例４の電池と同様、各円筒型セルは、正極コネクタタブ（４０６）に接続された正極集電体と、負極コネクタタブ（４０７）に接続された負極集電体とを備えている。正極コネクタタブ（４０６）及び負極コネクタタブ（４０７）は下側カバー（５０１）を貫通して延びている。必要に応じ、各セル（４００）の正極コネクタタブ（４０６）と負極コネクタタブ（４０７）を接続するセル平衡装置（４０２）を備えることができる。クロスオーバーコネクタ（４０３）は、あるセル（４００）の負極コネクタタブ（４０７）を、隣接するセルの正極コネクタタブ（４０６）に接続して、直列接続を確立する。また、クロスオーバーコネクタ（４０３）に直角の並列コネクタ（５０２）は、４つのセルからなる２つの群を並列に接続している。正極端子（４０９）は２つの右端のセル（４００）を接続する並列コネクタ（５０２）に接続され、負極端子（４０４）は２つの左端のセル（４００）を接続する並列コネクタ（５０２）に接続されている。正極端子（４０９）及び負極端子（４０４）は上側カバー（５０３）を貫通して延びている。円筒型セル（４００）は、ケース（４０８）内に複数の区画を形成する仕切り（５０４）によってケース（５００）内で物理的に隔離されている。
実施例６ ４個のセルを直列の形態で有するリチウムイオン電池
リチウムイオン電池は、実施例４で先に記載したように、単一のケース内に配置された４個の角型ゼリーロールセルを備えるように構成されており、直列に接続されて１２Ｖで３Ａｈの電池を形成している。電圧平衡装置は含まれていない。個々のセルの電圧を測定し、その後、電池を放電及び充電した。２７回の放電／充電サイクルを行い、各サイクルの後に各セルの電圧を測定した。その結果を以下の表１に示す。
結果は意外なことに、電圧平衡装置を設けなくても各セルの電圧はわずか１０ｍＶしか変動しなかった。
その他の実施形態
本明細書に開示されるすべての特徴は任意の組み合わせで用いてもよい。本明細書に開示される各特徴は、同一の、等価の、又は類似の目的に供する別の特徴と置き換えることができる。よって、明示的に別段の定めをした場合を除き、開示される各特徴は、一般的な一連の等価の又は類似の特徴の一例にすぎない。上記明細書から、当業者であれば本発明の必須の特徴を容易に認識し、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な用途や状況に合わせて本発明を様々に変更及び変形することができるであろう。よって、その他の実施形態も以下の請求項の範囲に含まれる。

Claims (23)

  1. 互いに平行に並んだ複数のリチウムイオンセルであって、正極集電体に電気的に接触するカソード、負極集電体に電気的に接触するアノード、前記アノードから前記カソードを隔離する隔離部、及び前記カソードと前記アノードと前記隔離部に接触する電解質をそれぞれ有するリチウムイオンセルと、
    １つ又は複数の正極集電体に電気的に接触するが、負極集電体には電気的に接触しない単一の正極端子と、
    １つ又は複数の負極集電体に電気的に接触するが、正極集電体には電気的に接触しない単一の負極端子と、
    １つ又は複数の正極集電体及び１つ又は複数の負極集電体にそれぞれ電気的に接続している１つ又は複数のクロスオーバーコネクタと、
    前記リチウムイオンセル、前記正極端子、前記負極端子、及び前記クロスオーバーコネクタを収容するケースと、
    前記ケースを包囲するカバーと、
    前記カバーに取り付けられて、外側負極端子及び外側正極端子を有する外側カバーと
    を備えるリチウムイオン電池であって、
    各カソードはリチウムカソード材料を含んでおり、
    各アノードはアノード材料を含んでおり、
    各隔離部は細孔性材料を含んでおり、
    前記電解質は液体、ゲル又は高分子固体であり、
    前記正極集電体はそれぞれ正極コネクタタブに接続されており、
    前記負極集電体はそれぞれ負極コネクタタブに接続されており、
    前記クロスオーバーコネクタはそれぞれ金属バーを備えており、
    前記クロスオーバーコネクタはそれぞれ、１つ又は複数の正極コネクタタブを介して１つ又は複数の正極集電体に接続されるとともに１つ又は複数の負極コネクタタブを介して１つ又は複数の負極集電体に接続されており、
    前記カバーは第１の開口部及び第２の開口部を有しており、
    前記正極端子は前記第１の開口部を通って延びており、
    前記負極端子は前記第２の開口部を通って延びており、
    前記正極端子は、正極端子コネクタを介して前記外側正極端子に接続されており、
    前記負極端子は、負極端子コネクタを介して前記外側負極端子に接続されており、
    前記ケースは少なくとも２つの区画に前記ケースを分ける仕切りを備えており、各区画は１つ又は複数のリチウムイオンセルを収容している、リチウムイオン電池。
  2. 請求項１に記載のリチウムイオン電池において、
    前記単一の正極端子は、２つ以上の正極集電体に電気的に接触するが、負極集電体には電気的に接触せず、
    前記単一の負極端子は、２つ以上の負極集電体に電気的に接触するが、正極集電体には電気的に接触せず、
    前記１つ又は複数のクロスオーバーコネクタはそれぞれ、２つ以上の正極集電体及び２つ以上の負極集電体に電気的に接続している、リチウムイオン電池。
  3. 請求項２に記載のリチウムイオン電池において、
    各正極コネクタタブは、正極コネクタタブが接続されるクロスオーバーコネクタのうちの１つ又は前記正極端子に溶接されており、
    各負極コネクタタブは、負極コネクタタブが接続されるクロスオーバーコネクタのうちの１つ又は前記負極端子に溶接されている、リチウムイオン電池。
  4. 請求項３に記載のリチウムイオン電池において、
    各リチウムイオンセルは、上面、下面、第１の端面、第２の端面、前面、及び後面によって画定されるセル本体を有する角型のゼリーロールであり、
    前記正極コネクタタブは、前記第１の端面に近接しており、前記第１の端面に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びており、
    前記負極コネクタタブは、前記第２の端面に近接しており、前記第２の端面に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びている、リチウムイオン電池。
  5. 請求項４に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  6. 請求項５に記載のリチウムイオン電池において、
    前記リチウムカソード材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、又はそれらの組み合わせであり、
    前記アノード材料は、炭素、リチウムチタン酸化物、ケイ素、酸化ケイ素、又はそれらの組み合わせであり、
    前記隔離部は、細孔膜、紙、繊維、又は不織布ポリマーで形成されており、
    前記電解質は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、又はＬｉＣｌＯ４、又はそれらの組み合わせである、リチウムイオン電池。
  7. 請求項３に記載のリチウムイオン電池において、
    各リチウムイオンセルは、上面、下面、及び外面を含んだセル本体を有する円筒型のゼリーロールであり、前記上面と前記下面の間には中心軸が画定され、
    前記正極コネクタタブは、前記軸に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面の中心から延びており、
    前記負極コネクタタブは、前記外面に近接しており、前記軸に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びている、リチウムイオン電池。
  8. 請求項７に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  9. 請求項８に記載のリチウムイオン電池において、
    前記リチウムカソード材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、又はそれらの組み合わせであり、
    前記アノード材料は、炭素、リチウムチタン酸化物、ケイ素、酸化ケイ素、又はそれらの組み合わせであり、
    前記隔離部は、細孔膜、紙、繊維、又は不織布ポリマーで形成されている、リチウムイオン電池。
  10. 請求項１に記載のリチウムイオン電池において、
    各正極コネクタタブは、正極コネクタタブが接続されるクロスオーバーコネクタのうちの１つ又は前記正極端子に溶接されており、
    各負極コネクタタブは、負極コネクタタブが接続されるクロスオーバーコネクタのうちの１つ又は前記負極端子に溶接されている、リチウムイオン電池。
  11. 請求項１０に記載のリチウムイオン電池において、
    各リチウムイオンセルは、上面、下面、第１の端面、第２の端面、前面、及び後面によって画定されるセル本体を有する角型のゼリーロールであり、
    前記正極コネクタタブは、前記第１の端面に近接しており、前記第１の端面に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びており、
    前記負極コネクタタブは、前記第２の端面に近接しており、前記第２の端面に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びている、リチウムイオン電池。
  12. 請求項１１に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  13. 請求項１２に記載のリチウムイオン電池において、
    前記リチウムカソード材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウム（ニッケル、マンガン、コバルト）酸化物、又はそれらの組み合わせであり、
    前記アノード材料は、炭素、リチウムチタン酸化物、ケイ素、酸化ケイ素、又はそれらの組み合わせであり、
    前記隔離部は、細孔膜、紙、繊維、又は不織布ポリマーで形成されている、リチウムイオン電池。
  14. 請求項１０に記載のリチウムイオン電池において、
    各リチウムイオンセルは、上面、下面、及び外面を含んだセル本体を有する円筒型のゼリーロールであり、前記上面と前記下面の間には中心軸が画定され、
    前記正極コネクタタブは、前記軸に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面の中心から延びており、
    前記負極コネクタタブは、前記外面に近接しており、前記軸に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びている、リチウムイオン電池。
  15. 請求項１４に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  16. 請求項１５に記載のリチウムイオン電池において、
    前記リチウムカソード材料は、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウム（ニッケル、マンガン、コバルト）酸化物、又はそれらの組み合わせであり、
    前記アノード材料は、炭素、リチウムチタン酸化物、ケイ素、酸化ケイ素、又はそれらの組み合わせであり、
    前記隔離部は、細孔膜、紙、繊維、又は不織布ポリマーで形成されている、リチウムイオン電池。
  17. 請求項１に記載のリチウムイオン電池において、
    各リチウムイオンセルは、上面、下面、第１の端面、第２の端面、前面、及び後面によって画定されるセル本体を有する角型のゼリーロールであり、
    前記正極コネクタタブは、前記第１の端面に近接しており、前記第１の端面に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びており、
    前記負極コネクタタブは、前記第２の端面に近接しており、前記第２の端面に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びている、リチウムイオン電池。
  18. 請求項１７に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  19. 請求項１に記載のリチウムイオン電池において、
    各リチウムイオンセルは、上面、下面、及び外面を含んだセル本体を有する円筒型のゼリーロールであり、前記上面と前記下面の間には中心軸が画定され、
    前記正極コネクタタブは、前記軸に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面の中心から延びており、
    前記負極コネクタタブは、前記外面に近接しており、前記軸に平行な方向において前記セル本体から離れるように前記上面から延びている、リチウムイオン電池。
  20. 請求項１９に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  21. 請求項１に記載のリチウムイオン電池は複数の平衡装置をさらに備え、各平衡装置は、前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記正極端子を接続するか、前記クロスオーバーコネクタのうちの２つを接続するか、あるいは前記クロスオーバーコネクタのうちの１つと前記負極端子を接続しており、それにより、各リチウムイオンセルの前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記平衡装置の少なくとも１つに接続され、前記平衡装置は、各リチウムイオンセルに印加される充電電圧を所定範囲に制限することができる、リチウムイオン電池。
  22. 請求項２１に記載のリチウムイオン電池において、
    前記単一の正極端子は、２つ以上の正極コネクタタブに直接接触するが、負極コネクタタブには直接接触せず、
    前記単一の負極端子は、２つ以上の負極コネクタタブに直接接触するが、正極コネクタタブには直接接触せず、
    前記１つ又は複数のクロスオーバーコネクタはそれぞれ、２つ以上の正極集電体及び２つ以上の負極集電体に電気的に接続している、リチウムイオン電池。
  23. 請求項２１に記載のリチウムイオン電池において、
    各正極コネクタタブは、正極コネクタタブが接続されるクロスオーバーコネクタのうちの１つ又は前記正極端子に溶接されており、
    各負極コネクタタブは、負極コネクタタブが接続されるクロスオーバーコネクタのうちの１つ又は前記負極端子に溶接されている、リチウムイオン電池。
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