JP6220849B2 - 大型電気化学エネルギー貯蔵装置ハウジングおよびモジュール - Google Patents

Description

本発明は、水系電池およびハイブリッドエネルギー貯蔵装置、特にかかる装置のハウジングを対象とする。

本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１２年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／６１１，４１６号（特許文献１）、および２０１２年１１月１日に出願された米国特許出願第１３／６６６，４５２号（特許文献２）の利益を主張するものである。

小規模再生可能エネルギーハーベスティングおよび発電技術（太陽電池パネル、風力タービン、マイクロスターリングエンジン、固体酸化物形燃料電池など）が普及してきており、それに比例して中規模二次（充電）エネルギー貯蔵能力の必要性が高まっている。これらの定置用途向けの電池は、一般的には、（用途に応じて）１〜５０ｋＷｈのエネルギーを貯蔵し、歴史的には鉛−酸（Ｐｂ酸）化学反応に基づく。複数列のディープサイクル鉛酸電池は、分散発電地点で組み立てられ、典型的な負荷サイクルに応じて１〜１０年持続することが知られている。これらの電池は、この用途に対応するのに十分機能するが、環境を汚染する鉛および酸の乱用（Ｐｂ酸技術は米国単独で毎年１００，０００トンを超えるＰｂを環境中に放出する原因であると推定される）、中間充電状態で保持された場合、または常法に従って深い放電レベルにサイクルされた場合の重大な性能劣化、性能を維持するのに日常的な整備が必要なこと、および必要な再利用プログラムの実施を含めて、その使用に付随したいくつかの問題がある。自動車産業によって使用されるＰｂ酸化学反応を切り替えようとする強い要望がある。残念ながら、代替の電池化学反応の経済性のために、これは現在極めて魅力に欠ける選択肢となっている。

電池技術における最近のあらゆる進歩にもかかわらず、Ｐｂ酸化学反応に代わる安価でクリーンな代替物はまだない。これは、主に、Ｐｂ酸電池が他の化学反応よりも著しく安価であり（＄２００／ｋＷｈ）、現在は（Ｐｂ酸電池よりも本質的にかなり高価である）輸送用途向けの高エネルギーシステムの開発に焦点が絞られているためである。

米国仮特許出願第６１／６１１，４１６号 米国特許出願第１３／６６６，４５２号 米国特許出願第１３／０４３，７８７号

一実施形態は、複数の非耐荷重ハウジングを備える組立品に関し、各ハウジングが複数の空洞を備える。各空洞は、ハウジング内に自由に積層された電気化学的貯蔵セルの積層体を備える。各電気化学的貯蔵セルは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極の間にあるセパレータとを備える。組立品は、組立品に加わる圧力が、自由に積層された電気化学的貯蔵セルによって支えられるように構成される。

別の一実施形態は、複数の非耐荷重ハウジングを備える組立品を製造する方法に関する。各ハウジングは、複数の空洞を備える。この方法は、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極の間のセパレータとを複数の空洞に自由に積層することを含む。組立品は、組立品に加わる圧力が、自由に積層された電気化学的貯蔵セルによって支えられるように構成される。

一実施形態による電気化学装置の分解組立図である。 一実施形態による電気化学装置のハウジング蓋の平面図である。 一実施形態による電気化学装置の積層体の斜視図である。 一実施形態による電気化学装置の詳細を示す切欠図である。 一実施形態による電気化学装置の一部の詳細を示す略図である。 一実施形態による電気化学装置の積層体の斜視図である。 図６に示した実施形態の詳細を示す斜視図である。 図６に示した実施形態の詳細を示す斜視図である。 図６に示した実施形態の詳細を示す断面図である。 図６に示した実施形態の追加の詳細を示す略図である。 図８Ａの一部の詳細図である。 図８Ａの別の一部の詳細図である。 一実施形態による電気化学装置の積層体の組立品の要素の上部の斜視図である。 一実施形態による電気化学装置の積層体の組立品の要素の底部の斜視図である。 一実施形態による装置のモジュールの斜視図である。 図１０のモジュールの切欠図である。 図１１に示した部品の詳細を示す斜視図である。 一実施形態によるモジュールの略図である。 一実施形態による蓋組立品の斜視図である。 図１４の蓋組立品のカバーを外した斜視図である。 図１４の蓋組立品の一部の上部および底部の詳細を示す斜視図である。 図１４の蓋組立品のコネクタ押し棒を通る断面の拡大図である。 図１４の蓋組立品のコネクタ押し棒を通る断面図である。 一実施形態によるモジュールとモジュールの接続のためのプラグコネクタを示す断面図である。 一実施形態によるパレット組立品の斜視図である。 図１９のパレット組立品の内部の詳細を示す切欠図である。 図１９のパレット組立品の詳細を示す図２０Ａの詳細図である。 一実施形態によるパレット組立品のネストトレイの斜視図である。 一実施形態によるモジュールのガードの斜視図である。 図２２Ａのガードの一部の詳細図である。 図２２Ａのガードの別の一部の詳細図である。 一実施形態による蓋組立品における電気接続を示す回路図である。 一実施形態によるモジュールパレット組立品における電気接続を示す回路図である。 一実施形態による電気化学装置の一部の側断面図である。 図２４Ａに示した実施形態の線Ｂ−Ｂ’に沿った上面断面図である。 一実施形態によるサンドイッチ形集電子の詳細の略図である。 柱状積層の電気化学セル積層体の分解組立図である。 一実施形態による電気化学的貯蔵装置の側断面図である。 図２６Ａに示した実施形態の電気化学的貯蔵装置の上部平面図である。 図２６Ａおよび２６Ｂの電気化学的貯蔵装置を囲むハウジングおよび蓋の分解組立図である。 図２６Ａに示した実施形態の電気化学的貯蔵装置の底部平面図である。

本発明の実施形態は、後述する一次および二次電池や、非対称／ハイブリッドエネルギー貯蔵システムなどの電気化学エネルギー貯蔵装置およびシステムに関する。後述する二次ハイブリッド水系エネルギー貯蔵装置は本発明の好ましい実施形態ではあるが、本発明は、（例えば、Ｌｉイオン電池などを含めて、電解質からイオンをインターカレートするアノードおよびカソードを有する）水系および非水系電解質を含む電池、あるいは（例えば、アルカリイオンのインターカレーションではなく、電極（二重層）表面の陽イオンの可逆的非ファラデ反応および／または擬似容量によって電荷を貯蔵するキャパシタまたは擬似キャパシタアノードおよびカソード電極を有する、スーパーキャパシタおよびウルトラキャパシタとしても知られる）電解コンデンサなどの任意の適切な電気化学エネルギー貯蔵システムに適用することもできる。

本発明の実施形態のハイブリッド電気化学エネルギー貯蔵装置およびシステムは、二重層コンデンサ、または活性電極（例えば、カソード）に連結された擬似キャパシタ電極（例えば、アノード）を含む。かかる装置は、非対称電気化学エネルギー貯蔵装置としても知られている。これらのシステムにおいて、キャパシタまたは擬似キャパシタ電極は、電極（二重層）の表面のアルカリ陽イオンの可逆的非ファラデ反応および／または擬似容量によって電荷を貯蔵するが、活性電極は、遷移金属酸化物において、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１１年３月９日に出願された米国特許出願第１３／０４３，７８７号（特許文献３）に記載のものなどの電池に類似したアルカリ陽イオンをインターカレートおよびデインターカレートする可逆的ファラデ反応を起こす。

別の一実施形態において、電気化学エネルギー貯蔵装置は、アノード電極とカソード電極の両方が、イオンをインターカレートする材料でできた電池を含む。例えば、電池は、グラファイトアノードと、層状酸化物（例えば、コバルト酸リチウム）、またはポリアニオン（例えば、リン酸鉄リチウム）、またはスピネル（例えば、酸化マンガン、例えば、リチウムもしくはナトリウムイオンをインターカレートするドープもしくは非ドープ立方晶スピネルλ−ＭｎＯ₂ 形材料）、またはＮａＭｎ₉ Ｏ₁₈トンネル構造斜方晶材料などの金属酸化物含有カソードとを含む、ナトリウムもしくはリチウムイオン電池とすることができる。さらに別の一実施形態において、アノード電極は材料の混合物でできており、その一つはファラデ反応においてイオン（例えば、ナトリウムまたはリチウム）をインターカレートし、もう一つは、アノード電極表面のアルカリ金属陽イオンの可逆的非ファラデ反応によって電荷を貯蔵する容量電極材料、またはアノード電極表面でアルカリ金属陽イオンと部分的電荷移動表面相互作用を起こす擬似容量電極材料である。かかる混合アノード材料の一例は、「ファラデ」グラファイトと「非ファラデ」活性無定形または多結晶炭素の混合物である。

実施形態は、製造可能な大規模電気化学エネルギー貯蔵装置の構成およびパッケージングを含む。特に、経済的に可能であり、高性能である電気化学エネルギー貯蔵装置セルを含む新しい方法を開発する必要がある。実施形態は、外壁と、外壁および底壁と好ましくは一体になった隔壁によって分離された空洞を含むように形成された一体形底壁と、ハウジングから分離可能なものであるかまたは例えば蝶番などによってハウジングに取り付けることができる蓋とを備える、個々の構成要素ユニットハウジングを含む。個々の構成要素ユニットハウジングは、４個の空洞からなる構成を含み、各空洞は、正方形の「２×２」形式で直列または並列に接続された電気化学エネルギー貯蔵装置を含む。別のユニットは、それよりも多いかまたは少ない空洞を含むことができ、１×２、１×３、１×４、２×３、２×４、３×４などの他の配置で並べることができる。実施形態は、積み重ねられたこれらのユニットの積層体であるモジュールも含む。ハウジングおよび蓋は、ポリプロピレンなどのポリマーで作製することができる。

以下の実施形態の設計考慮事項として、電気化学および電極材料が挙げられる。一実施形態において、電極（アノード、カソードまたはアノードとカソードの両方）は、自立形圧縮ペレットでできている。一実施形態において、電気化学エネルギー貯蔵装置は、ペレットをハウジング中に適切な順序で（例えば、集電子、カソード、セパレータ、アノード、集電子、アノード、セパレータ、カソード、および繰り返し）積層することによって製造される。電気化学エネルギー貯蔵装置中の各空洞は、並列接続されたこのような多数のセルを有し、例えば、０〜２．５Ｖの電気化学エネルギー貯蔵装置を形成することができる。一実施形態において、各積層体を次いで直列接続することができる。４個の空洞装置の場合、装置を０〜１０Ｖのシステムとすることができる。

ハウジング蓋は、組立て後にハウジングに加熱板封止することができる。蓋とハウジングの界面は、レーザ封止、接着剤封止、または圧縮力およびある種のポリマーガスケットを使用した封止とすることもできる。一実施形態において、ハウジングは、単一の圧力逃がし弁を有する。好ましくは、空洞は、電気化学エネルギー貯蔵装置中のどこでも発生するあらゆる過剰ガスを圧力逃がし弁によって放出することができるように、それらを連結する小さい通気路を有する。ユニットの個々の空洞内にある積層体間の電気接続を「ジャンパ」と記述することができ、それは、集電タブを直接一緒にスポット溶接することによって、または空洞間を通過する金属を介して、形成される。典型的には、ジャンパは、ステンレス鋼などの金属であるが、Ａｌ、および／またはＡｌ／ステンレス被覆金属構造体を使用することもできる。別の導電材料を使用することもできる。

以下の実施形態の一態様は、ハウジングのそれぞれの個々の空洞内にある電極積層体が、積層体を圧縮する傾向がある外部圧力または圧縮力によってはめ合っていることである。この圧力がなければ、電気化学エネルギー貯蔵装置の個々の積層体の電気的完全性が失われ、性能が標準以下になり得る。特に、各積層体に加わる圧力または圧縮力は、隣接する積層体要素をはめ合わせ、それによって隣接要素の間隙を減少させる。これは、アノードと、カソードと、その間隙にある電解質とのイオン交換を増加させ、アノードおよびカソードから隣接する集電子への電流の流れを増加させる傾向がある。一実施形態において、電気化学エネルギー貯蔵装置ユニット（すなわち、記憶装置積層体を含むハウジング）は、組立品中の積層された複数のユニットを通過し、２個の対向する硬質板に結合することができるタイバー用の穴をその中央に含む。硬質板の一方は、積層されたユニットの上部にあり、硬質板の他方は、積層されたユニットの底部にある。それによって、タイバーが張力状態に置かれたときに、積層されたユニットに圧縮力を加えることができる。さらに、圧力板は、タイバーに加えられた張力を電極積層体に直接伝達するように構成されている。場合によっては、半硬質体を使用して、電気化学エネルギー貯蔵装置積層体の上に「ばね力」を加えて、使用中に電極積層体が空気を取り入れる余地を残すこともできる。次いで、これらの電気化学エネルギー貯蔵装置の積層体を必要に応じて直列または並列に接続することができる。さらに、一実施形態において、電気化学エネルギー貯蔵装置の積層体を統合電子制御および電力線と一緒にパレット構造体に装着して、モジュールを形成することができる。次いで、これらのモジュールをより大きいシステムに積層統合することができる。ケースの外側から電極積層体への圧力移行を容易にするために、全面的に柔軟な電池蓋を使用することができる。

実施形態は、前述し、添付の図に示した別の特徴に加えて以下の特徴の一つ以上を含むことができる。
１）単一のタイロッドが、電気化学エネルギー貯蔵装置積層体ハウジングの中央を通り、積層体を一つに保持するのに使用される。
２）電気化学エネルギー貯蔵装置ユニット（すなわち、ハウジング）は、その中の電極積層体が、タイロッドによって積層体に付与された圧力の負荷に耐えるように構成されている。
３）軽度の弾性部材を、積層体上の長期正圧を維持する「ばね力」として使用することができる。
４）ハウジングは、統合電子制御および電力線と一緒にパレット上に組み立てることができる。
５）電気化学エネルギー貯蔵装置ハウジングの内側には、単一の圧力逃がし弁が存在してもよく、次いで、空洞内の電気化学エネルギー貯蔵装置を直列または並列に接続することができる。
６）開いたガス経路が空洞間に存在してもよい。
７）電気化学エネルギー貯蔵装置の空洞には、電極積層体の水分源として、「はね」ず、性能に影響を及ぼさないゲル状液体電解質（またはゲル状水）を充填することができる。

図１、２および４は、第１の実施形態による電気化学装置１００を示す。図に示したように、電気化学装置１００は、４個の空洞１０４を含むハウジング１０２を備える。前述したように、ハウジング１０２は、４個を超える、または４個より少ない空洞１０４を有することができる。各空洞は、ハウジング１０２の壁１０５によって画成される。図１、２および４に示した実施形態において、各空洞１０４は、２個の外壁１０５（電気化学装置１００の周辺に面を有する壁）および２個の内壁または隔壁１０５（電気化学装置１００の内部にある壁）が隣接する。別の構成において、空洞１０４は、２個を超えるまたは２個より少ない外壁および２個を超えるまたは２個より少ない内壁１０５を有することができる。例えば、３×３配置では、中心空洞１０４は、全体的に内壁または隔壁１０５と隣接し、（かどにはない）側面空洞１０４は、１個の外壁と３個の内壁に隣接し、角の空洞１０４は２個の内壁と２個の外壁に隣接する。１×３配置において、中央空洞１０４は、２個の内壁と２個の外壁１０５に隣接し、２個の末端空洞１０４は、１個の内壁１０５と３個の外壁１０５に隣接する。

好ましくは、各空洞１０４は、電気化学セル１１１の積層体１１０を含む。各電気化学セル１１１は、アノード１１２、カソード１１４、およびアノード１１２とカソード１１４の間にあるセパレータ１１６を備える。さらなる実施形態において、ハイブリッドまたは非対称電気化学セル１１１は、第２のセパレータによって分離された第２のアノードと第２のカソードを備えることができる。電気化学セル１１１は、電気化学セル１１１の積層体１１０において直列または柱状に電気的に接続することができる。柱状配置において、積層体１１０中の電気化学セル１１１は、図２５に示すように並列接続されている。

各電気化学セル１１１は、さらに、電気化学セル１１１が発生する電流を収集する２個の集電子１３０、１３２を備える。集電子１３０、１３２は、炭素（例えば、グラファイト）、金属などの任意の適切な導電性材料で作製することができる。例えば、米国特許出願第１３／０４３，７８７号（特許文献３）に記述され、図２５に示した柱状積層体１１０において、複数ペアの電気化学セル１１１は、「表と表(front-to-front)」および「裏と裏(back-to-back)」の配置である。カソード集電子１３０は、隣接する電気化学セル１１１のカソード１１４間に位置することができる。一例として、第１の電気化学セル１１１が積層体１１０の中央にある柱状積層体１１０を考える。第１のペアのセル１１１において、第１のカソード集電子１３０は、第１の電気化学セル１１１のカソード電極１１４が第１のカソード集電子１３０に電気的に接触し、第２の電気化学セル１１１のカソード電極１１４も第１のカソード集電子１３０に電気的に接触するように位置する。第２の電気化学セル１１１は、柱状積層体１１０における第１の電気化学セル１１１の第１の（カソード）側に隣接する。

第３の電気化学セル１１１は、柱状積層体１１０における第１の電気化学セル１１１の第２の（アノード）側に隣接する。第１の電気化学セル１１１のアノード電極１１２は、第１のアノード集電子１３２に電気的に接触し、第３の電気化学セル１１１のアノード電極１１２も第１のアノード集電子１３２に電気的に接触する。積層は、このようにして連続することができる。したがって、生成した柱状積層体１１０は、隣接アノード電極１１２と隣接カソード電極１１４が交互に表と表および裏と裏のペアで積層された複数の電気化学セル１１１を含むことができる。

好ましくは、アノード１１２、カソード１１４、セパレータ１１６および集電子１３０、１３２は、空洞１０４において自由に積層され、互いに貼り合わされていない。すなわち、従来の貼り合わせ電気化学セルに典型的に見られるように、接着剤または結合剤が積層体１１０において個々の部品（アノード１１２、カソード１１４、セパレータ１１６および集電子１３０、１３２）の間にない。その代わり、本発明の一実施形態は、長軸方向の圧力を複数の自由に積層された電気化学セルに加え、隣接するセル要素をはめ合わせて、アノード、カソード、および空洞を満たす電解質の間の電気化学反応を改善し、アノードとカソードに対応する集電子間の電気的接触を改善して、集電子への電流の流れを増加させる。

別の一実施形態を図２４Ａおよび２４Ｂに示す。この実施形態において、電気化学セルの積層体１１０は、前の実施形態と同様に、ハウジング１０２の空洞１０４内にある。前の実施形態とは対照的に、アノード電極１１２および／またはカソード電極１１４は、４、６、９個または任意の数の別個の部分などの２個以上の別個の部分からなることができる。図２４Ｂに示すように、カソード電極１１４は、４個の別個の部分を含む。一実施形態において、上から見たカソード集電子１３０の面積は、カソード電極部分１１４の面積よりも大きい。同様に、上から見たアノード集電子１３２の面積は、アノード電極部分１１２の面積よりも大きくすることができる。

この実施形態の一態様において、セパレータ１１６は、セパレータ１１６の周囲にフランジ１１６Ａを備える。フランジ１１６Ａは、アノード／カソード電極部分１１２、１１４を受けるように構成された１個以上の空洞を画成する。別の一態様において、電気化学的貯蔵セル１１１は、複数のカソードおよびアノード集電子１３０、１３２に作用可能に接続された複数の柔軟な導電性接触部（例えば、タブ）１１８を備える。柔軟な導電性接触部１１８は、カソードおよびアノード集電子１３０、１３２の片側に取り付けることができる。この実施形態において、ハウジング１０２内の隣接する空洞１０４における電気化学的貯蔵セル１１１の積層体１１０との電気接続は、柔軟な導電性接触部１１８を隣接する空洞１０４間の壁１０５に掛け、積層体１１０を接続することによって行うことができる。隣接する空洞１０４における積層体１１０は、所望のとおりに、直列、並列またはその組み合わせで電気的に接続することができる。以下でより詳細に考察する図２６Ａに示した実施形態において、隣接する積層体１１０からの柔軟な導電性接触部１１８は、溶接、ろう付けなどによって、連結される（１６６）。

一実施形態において、電気化学的貯蔵セル１１１の積層体１１０は柱状に積層されている。複数の導電性接触部（例えば、タブ）１１８は、複数のカソードおよびアノード集電子１３０、１３２に作用可能に接続される。前の実施形態と同様に、導電性接触部１１８は、図２５に示すように、カソードおよびアノード集電子１３０、１３２の片側に取り付けることができる。あるいは、図２４Ｃに示すように、導電性接触部１１８を同じタイプの２個の集電子１３０または１３２の間に配置してサンドイッチ構造体１３１とすることができる。

一実施形態において、セル１１１の積層体１１０における一つおきのセル１１１の導電性接触部１１８は、溶接、ろう付けなどによって、互いに取り付けられる。すなわち、連続したカソード電極１１４／カソード集電子１３０に接続された導電性接触部１１８が互いに接続され、連続したアノード電極１１２／アノード集電子１３２に接続された導電性接触部１１８が互いに接続される。このようにして、積層体１１０中の電気化学セル１１１を電気的に並列接続することができる。

図２６Ａおよび２６Ｂは、２×２パターンの４個の空洞１０４を含むハウジング内に２×２パターンで構成された４個の隣接する積層体１１０を含む電気化学装置１００の一実施形態を示す。図２６Ｂに示すように、隣接する積層体１１０は、電気的に直列接続されている。あるいは、隣接する積層体を電気的に並列接続することができる。前述したように、隣接する積層体１１０間の電気接続は、隣接する積層体１１０のセル１１１の柔軟な導電性接触部１１８を、ハウジング１０２の内壁１０５の上の位置（１６６）における溶接、ろう付けなどによって、連結することにより行うことができる。図２６Ｃは、図２６Ａおよび２６Ｂに示した積層体を囲む、ハウジング１０２および蓋１０６の（蓋をハウジングから外した）分解組立図である。

図２５に示した別の一実施形態において、柱状積層体１１０は、２個の電気バス１３４、１３６も備える。１個の電気バス１３４が柱状積層体１１０におけるアノード集電子１３２に電気的に接続され、１個の電気バス１３６が柱状積層体１１０におけるカソード集電子１３０に接続される。一実施形態において、カソードおよびアノード集電子１３０、１３２から電気バス１３４、１３６までの電気接続は、導電性接触部１１８を介する。このようにして、積層体１１０中の電気化学セル１１１を電気的に並列接続することができる。

電気化学装置１００は、空洞を実質的に満たして各電気化学セルを電解質に浸漬させる液体またはゲル電解質（図示せず）も空洞１０４内に含む。電気化学装置１００のハウジング１０２は、好ましくは、蓋１０６で密封されて、電気化学装置１００から電解質が失われるのを防止する。各空洞の上部と蓋との間の各空洞の上に共通ガス容積を設けて、空洞のすべてからのガス放出を可能にして、ガス容積に収集することができる。一実施形態において、蓋１０６は、ハウジング１０２を通って延在してそれを通してタイロッド２０６を受ける対応する穴１６１と一列に並んだ穴１６０を中央に有する。蓋１０６は、図６に示すように、ユニットが組立品において積層されたときに圧力板２０２からの圧力または圧縮力を組立品２００内の各ユニットを通して伝達するために、各空洞１０７の底面が対応する空洞内の電極積層体の上面に確実に接触するようにくぼんだ蓋空洞１０７を含むこともできる。以下でより詳細に考察するように、蓋空洞１０７は、好ましくは、１個のユニット装置から別のユニット装置に前述した圧力を伝達するように、電気化学装置１００の積層を容易にするように構成される。ハウジング１０２は、以下でより詳細に考察するように、外部負荷または別の電気化学装置１００に接続することができる端子１３３を保持する部品を備えることができる。

図４に示すように、空洞１０４は、空洞１０４を形成するハウジング１０２中の内壁１０５の穴１２０を介して流体的に互いに接続することができる。蓋１０６は、電気化学装置１００の運転中に過剰のガスが蓄積した場合に、ガスを放出するように構成された圧力逃がし弁１２４を備えることができる。空洞１０４のすべてが穴１２０を介して流体的に接続されているので、蓋１０６は、ハウジング１０２内のすべての空洞１０４に対して単一の圧力逃がし弁１２４しか持たなくてもよい。図４には、電気化学装置１００のハウジング１０２において第１の空洞１０４の電気化学的積層体１１０を第２の空洞１０４と電気的に接続する柔軟な電気コネクタ１１８（例えば、ステンレス鋼または別の金属）も示す。電気化学装置１００における空洞１０４のすべてを、図２６に示すように、同様に互いに接続することができる。柔軟な電気コネクタ１１８は、電気化学装置１００内の電気化学セル１１１の積層体１１０が直列もしくは並列またはその組み合わせであるように構成することができる。さらに、電気化学装置１００は、少なくとも１個の電解質ポート１６２を蓋１０６に備える。電解質は、電解質ポート１６２を介して電気化学装置１００に添加することができる。電解質ポート１６２は、電解質が電解質ポート１６２から漏出するのを防止するためにキャップ１６３で覆うことができる。

電気化学装置１００を製造する方法において、固体部品（例えば、アノード電極１１２、カソード電極１１４、セパレータ１１６、アノード集電子１３２およびカソード集電子１３０）をハウジング１０２内に積層した後に、蓋１０６をハウジング１０２上に封着する。次いで、装置１００を電解質ポート１６２を介して排気して、あらゆる望ましくないガスを除去する。排気後、電気化学装置１００の空洞１０４に電解質をある程度充填して、空洞１０４内の電解質上にガス空間または容積を残す。

図３および５〜９Ｂは、別の一実施形態による積層された複数（例えば、積層体）の電気化学装置ユニット１００を含む組立品２００を示す。図３に示すように、電気化学装置ユニット１００のハウジング１０２および蓋１０６は、電気化学装置ユニット１００が互いに安定に積層することができるように構成される。すなわち、蓋空洞１０７は、上方に積み重ねられた電気化学装置ユニット１００のハウジング１０２の空洞１０４の壁１０５の底面および底部を受ける大きさにされる。

図５に示すように、一実施形態において、電気化学ユニット１００は、１個以上の貫通電気コネクタ１４０を備えることができる。例えば、１個のコネクタ１４０は、図２６Ｂに示した各端子１３３、または図２５に示した各電力バス１３４、１３６に接続される。貫通電気コネクタ１４０は、垂直方向の（すなわち、積層方向に平行な縦軸を有する）導電性構造体、例えば、ハウジングに合わせて成形された標準電力コネクタの雄形部分であるが、別の方向およびまたは位置も、本発明から逸脱することなく使用可能である。あるいは、コネクタ１４０は、ハウジングに合わせて成形された標準電力コネクタの雌形部分を含むことができる。あるいは、コネクタ１４０は、ハウジングに合わせて成形されるか、またはハウジング内に設置された電気的要素を含むことができる。電気的要素は、電力コネクタの雄または雌形部分にかみ合い、場合に応じて、電気化学装置ユニット１００を別の電気化学装置ユニット１００または電力負荷に電気的に相互接続するように構成される。したがって、電気化学装置ユニット１００に収容された電気化学セル１１１の積層体１１０は、前述した１個以上の端子１３３を使用して、電気コネクタ１４０によって、別の電気的要素と電気的に接続することができる。一実施形態において、組立品２００における電気化学装置ユニット１００の各々の貫通コネクタ１４０は、組立品２００における隣接電気化学装置ユニット１００の貫通コネクタに電気的に接続されて、組立品２００全体を１ユニットとして充電または放電する。これらの接続は、直列または並列とすることができ、あるいは図６に示すように端子１３３に取り付けられた線１４１、コネクタ１４０などで作製することができる。

貫通コネクタ１４０／端子１３３は、ハウジング１０２内にあり、したがってハウジング１０２によって保護される。すなわち、ハウジング１０２は、垂直方向の貫通コネクタ１４０／端子１３３を包囲する「シュラウド」１４３を備える。「シュラウド」１４３は、組立品２００の取扱い中に、貫通コネクタ１４０／端子１３３、および下にある電気化学装置１００を保護する。それに対して、水平方向、すなわち突出した端子の使用は、組立品２００の取扱い中に、隣接する電気化学セル１００に穴があくリスクがあり得る。一実施形態において、貫通コネクタ１４０は、押止め(push retainer)１４２によって所定の位置に保持される。ハウジング１０２を保護し、さらに、押止め１４２を固定するために、平座金、止め座金などの座金１４４をハウジング１０２の一方側に備えることができ、シリコーンゴム封止部などの封止部１４６をハウジング１０２の他方側に備えることができる。

組立品２００は、図６に示すように、電気化学装置１００の積層体の上部および底部に圧力板２０２を備えることができる。一実施形態において、電気化学装置の積層体の上部および底部の圧力板２０２は同じものであり、そのため組立てが平易になり、コストを削減することができる。圧力板２０２は、圧力板２０２と以下でより詳細に考察する支持パレットおよび／またはモジュール蓋などの隣接する構造体との間に空間を与える自立形脚部２０４を有することができる。圧力板２０２は、以下でより詳細に考察する結合部材２０６を受けるように構成された貫通孔２０３（図９Ａ参照）、および電気化学装置１００が圧力板２０２上の中心にくるのを助けるように構成されたフランジ２０５を備えることもできる。圧力板２０２は、強化のため、また圧力板を整列させて圧負荷を所望の場所に加えるのを助けるためのリブ２０１を備えることもできる。

前述したように、電気化学セル１１１の部品は自由に積層される。しかし、本発明者らは、電気化学セル１１１の積層体１１０が圧力下にあるときに、電気化学装置１００がより堅牢であることを発見した。したがって、以下でより詳細に考察するように、電気化学装置１００の組立品２００は、セル１１１が圧力下にあるように電気化学セル１１１の積層体１１０が組み立てられるように構成される。好ましくは、積層体１１０は、圧縮荷重の大部分またはすべて（例えば、９０〜１００％などの少なくとも９０％、例えば９５〜９９％）を担う。すなわち、ハウジング１０２および蓋１０６は、ほとんどまたは全く圧縮荷重（例えば、１〜５％などの０〜１０％）を担わないことが好ましい。すなわち、ハウジング１０２および蓋１０６は、圧力板によって加わる圧力／荷重および上下に積層された電気化学装置ユニットの重量下で屈曲または可塑的に変形する柔軟な材料（例えば、ポリプロピレンなどのプラスチック）でできている。

１個以上の弾性要素２０８を、組立品２００における圧力板２０２と電気化学装置１００の間に設けることができる。弾性要素２０８（図６、７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ参照）は、底部圧力板２０２と電気化学装置１００の積層体の間、上部圧力板２０２と電気化学装置１００の積層体の間、または両方の圧力板２０２と電気化学装置１００の積層体の間に設けることができる。弾性要素２０８は、シリコーン、ゴムなどの弾力のある材料で作製することができる。

（図７Ｃに示したタイロッド、ケーブル、バネなどの）結合部材２０６は、蓋１０６の穴１６０、および電気化学装置１００のハウジング１０２の穴１６１を通して設けることができる。結合部材２０６は、圧力板２０２も通過する（図８Ａ〜８Ｃ）。結合部材２０６は、結合部材２０６に張力をかける結合部材２０６のねじ末端に設置されたナットなどの締め付け／固定部材２０７を用いて、圧力板に固定することができる。結合部材の張力を使用して、各圧力場を、対応する上部および底部電気化学ユニット１００または組立品または積層体２００とはめ合わせる。したがって、結合部材２０６の張力は、圧力板２０２に伝達され、圧力板２０２は圧力を組立品２００内の上部および底部電気化学装置ユニット１００に伝達し、上部および底部電気化学装置ユニット１００は、圧力を組立品２００内の残りの電気化学装置ユニット１００の各々に伝達する。より具体的には、ユニット１００を整列させ、インターロックし、圧力板に加えられた圧力を各空洞内の電極積層体に直接伝達するように、圧力板２０２、図２７に示したハウジング底面４２０、および蓋空洞１０７を構成して、結合部材２０６に張力をかけることによって組立品２００に含まれる電極積層体の各々に圧縮力が加わるようにする。締め付け／固定部材２０７を締め付け、それによって圧力板が圧力または締め付け力を組立品２００内の電気化学装置１００の積層体に加えるようにすることによって、圧力を組立品２００に加えることができる。１個以上の弾性要素２０８が積層体に含まれるときには、弾性要素２０８は、圧力に応じて変形し、圧負荷を座面、特に蓋空洞１０７およびハウジング底面４２０により均一に分布させる傾向があり、蓋空洞１０７および底部座面４２０の４個の耐荷重面の各々に圧力をより均一に分布させる傾向がある。別の一実施形態において、結合部材２０６は、一定の長さであり、圧力または締め付け力は、弾性要素（単数または複数）２０８の厚さで決まる。あるいは、結合部材２０６は、一定の長さであり、圧力または締め付け力は、対向する圧力板２０２の間にある１個以上の圧縮バネによって加えられる。取り外し可能なアイナット２１０を結合部材２０６の上部に取り付けて、取扱い組立品２００を持ち上げ、さもなければ取り扱うのを補助することができる。

図８Ａは、組立品２００を特徴づけるのに使用することができるいくつかの寸法を示す。距離２０８ｘは、弾性要素２０８の厚さ（非湾曲）である。距離２０７ｘは、湾曲していない弾性要素２０８の底部から底部圧力板２０２の上部まで測定される。距離２０６ｘは、上部と底部圧力板２０２の距離である。種々の実施形態において、加えられる圧力は、非湾曲の厚さと圧力が加えられた後の弾性部材要素２０８の厚さ、すなわち湾曲厚さの比に比例し得る。

図１０は、一実施形態による組立品２００のモジュール３００を示す。この実施形態において、組立品２００は、パレット３０２などの基部上に置かれる。モジュール３００は、３×４配置の１２個の組立品２００を含むことができる。ただし、モジュール３００は、１×２、１×３、１×４、２×３、２×４、３×５などの任意の数の組立品２００を含むこともできる。モジュール３００は、好ましくは、以下でより詳細に考察するモジュール蓋組立品３０６、および組立品２００を包囲し、保護するガード３０８を備える。

図１１は、蓋組立品を外したモジュール３００の一実施形態を示す。隣接する組立品２００は、図１２により詳細に示す１個以上の機械的積層体コネクタ３１０を用いて互いに機械的に締め付けることができる。一実施形態において、積層体コネクタ３１０は、隣接する圧力板２０２に取り付けられる。

図１３は、モジュール３００を通る断面を示す。モジュール３００は、パレット３０２の上にあるモジュール枠３０３を備える。枠３０３は、組立品２００を受けるように構成される。すなわち、モジュール枠３０３は、脚部２０４および圧力板２０２のリブ２０１を受ける溝を備え、それによって組立品２００をより安定に支持する。モジュール３００は、以下により詳細に記述するように、作動／押し棒３１２、およびモジュールを一つに機械的に結合するためのモジュール・モジュールコネクタ３１４も備える。作動／押し棒３１２およびモジュール・モジュールコネクタ３１４によって、隣接するモジュール３００は、機械的に接続されて、複数の電気化学的組立品２００を含む統合電気化学的貯蔵システムを形成する。

図１４〜１８は、一実施形態によるモジュール３００の蓋組立品３０６の詳細を示す。一実施形態において、蓋組立品３０６は、カバー３０７および蓋組立品枠３１６（図１５）を備える。蓋組立品枠３１６は、１個以上の空間保護器３１８、およびモジュール蓋組立品３０６の蓋組立品カバー３０７と物理接続して、蓋組立品カバー３０７を蓋組立品枠３１６の上に適切に設置するのを助ける接触器３２０を備える。図１５は、蓋組立品３０６の組立品枠３１６における作動棒３１２の配置も示す。

図１６は、蓋組立品３０６の上および底面図を示す。図１６に示すように、蓋組立品３０６は、個々の組立品２００の圧力板２０２をその中に受けるように構成されたくぼみ３１７を有する。図１６は、作動棒３１２、モジュール・モジュールコネクタ３１４、積層体コネクタ３１０、空間保護器３１８および接触器３２０の配置も示す。

図１７Ａ、１７Ｂおよび１８は、機械的モジュール・モジュールコネクタ３１４でモジュールを接続する方法の詳細を示す。機械的モジュール・モジュールコネクタ３１４は、雄形プラグ位置決め装置３２６および２本のコネクタピン３２２を備える。コネクタピン３２２は、コネクタブロック３２４の端部に取り付けられる。別の実施形態において、より多いまたはより少ないコネクタピン３２２を使用する。コネクタブロック３２４は、作動／押し棒３１２に作用可能に接続される。一実施形態において、全モジュール３００が所定の位置に整列した後、容器ドア（図示せず）のカムまたは突出部（図示せず）が最終作動／押し棒３１２に接触し、全コネクタ３１４が（図に示したように）左に動いて、１個のモジュール上のコネクタピン３２２が隣接するモジュール上の雌形受け口３２３に係合する。図１８は、雌形位置決めソケット３２８に近づく１個のモジュール上の雄形位置決めプラグ３２６を示す。これらの部品が完全に係合し、モジュール３００が端と端を接して位置すると、作動／押し棒３１２が作動して、コネクタブロック３２４およびコネクタピン３２２が雌形受け口３２３に押し込まれる。

図１９〜２１は、モジュール３００と一緒に使用されるパレット組立品３０２の一実施形態の詳細を示す。この実施形態において、パレット組立品３０２は、皿３２９、および皿３２９の上にあるネストトレイ３３０を備える。皿３２９およびネストトレイ３３０は、ポリエチレンなどの任意の適切な材料で作製することができる。ネストトレイは、圧力板２０２を受けるように構成されたくぼみ３１７を有し、皿３２９は、フォークリフトのフォークを受けるように構成されたフォークトンネル３３４（図２０Ａ）を有する。図２０Ａおよび２０Ｂに示すように、ネストトレイ３３０は、ネストトレイ３３０を強化し、モジュール３００を安定化する強化構造体３３２（例えば、スチールバー、ロッド、プラスチックフランジなど）も備える。強化構造体３３２は、横方向と縦方向の両方に設けて、ネストトレイ３３０を強化することができる。

図２２Ａ〜２２Ｃは、一実施形態によるモジュールのガード３０８を示す。一実施形態において、ガード３０８は、有孔１６ゲージスチールなどのスチールでできた有孔囲いである。ただし、ガード３０８は、任意の適切な材料で作製することもできる。ガード３０８は、部分ごとに組み立てることができる。一実施形態において、ガード３０８の隣接する部分がガードインターロックチャネル３０９を用いて互いに取り付けられる（図２２Ｃ）。ガード３０８は、ガードの一部をネストトレイ３３０のスロット３３６に挿入することによってネストトレイ３３０に取り付けることができる（図２２Ｂ）。

図２３Ａおよび２３Ｂは、各モジュール３００における内部（３３８）の組立品２００の電気接続、および外部（３４０）のモジュール３００間の電気接続を示す電気回路図である。電気接続はそれぞれ、一実施形態によるモジュール蓋組立品３０６および／またはパレット組立品３０２内に位置することができる。図２３Ａに示すように、モジュール蓋組立品３０６は、内部と外部の両方の電気接続３３８、３４０を含むことができる。この実施形態において、パレット組立品３０２上のモジュール３００は、組立品間に内部電気接続３３８しか含まない。別の実施形態において、パレット組立品３０２は内部および外部の電気接続３３８、３４０を含み、モジュール蓋組立品は内部電気接続３３８しか含まない。別の実施形態において、モジュール蓋組立品３０６とパレット組立品３０２の両方が、内部および外部の電気接続３３８、３４０を含む。

図２３Ｂに示した実施形態において、電気化学装置１００は、組立品２００において直列接続されている。理解しやすいように、１個の組立品２００および１個のコネクタ３４２しか示していない。一実施形態において、各コネクタ３４２Ａは、４個の組立品２００を直列接続することができる。モジュール３００は、１２個の組立品の場合には３個のコネクタ３４２Ａを含むことができる。モジュール蓋組立品３０６は、３個のはめ合わせコネクタ３４２Ｂを備え、その各々がそれぞれの組立品２００のコネクタ３４２Ａに電気的に接続することができる。この実施形態において、モジュール３００は、合計１２個の組立品２００を含むことができる。しかし、前述したように、モジュール３００は、１２個よりも多いまたは少ない組立品２００を含むことができ、より多いまたはより少ないコネクタ３４２を含むことができる。さらに、４つの電気接続を有するコネクタ３４２Ａ、３４２Ｂは、説明のためのものにすぎない。より多いまたはより少ない電気接続を有する別のコネクタ３４２を使用することもできる。コネクタ３４２Ａ、３４２Ｂとして、Anderson Power Products Blind MateシリーズのＢＭＨＳＧ−ＲおよびＰタイプコネクタまたは他の類似のコネクタが挙げられるが、それだけに限定されない。パレット組立品３０２は、各モジュール３００を全体として充電するため、もしくは個々の組立品２００を充電するため、もしくは個々の電気化学装置ユニット１００を充電するための充電制御／パワーエレクトロニクス、またはその組み合わせを含むことができる。

モジュール内の組立品２００は、モジュール３００の所望の用途に応じて、直列または並列でひとまとめに接続することができる。直列／並列接続は、モジュール蓋組立品３０６またはパレット組立品３０２内に位置することができる。直列／並列接続がモジュール蓋組立品３０６内に設けられる場合、一つの接続構成を有する第１のモジュール蓋組立品３０６を異なる接続構成を有する第２のモジュール蓋組立品３０６で単に置き換えるだけで、モジュール３００を容易に再構成することができる。一例において、図２３Ａおよび２３Ｂに示すように、組立品２００はパレット組立品３０２においてコネクタ３４２Ａを介して並列接続され、モジュール３００は蓋１０６を介して互いに直列接続される。

前述した説明では特定の好ましい実施形態について言及してきたが、本発明はそのように限定されないことを理解するべきである。当業者は、本願明細書で開示された実施形態に種々の改変を成すことができ、かかる改変が本発明の範囲内のものであることを認識するべきである。本願明細書で引用する刊行物、特許出願および特許のすべてが、その全体が本願明細書において参照により援用されている。

Claims (10)

1. 複数の非耐力ハウジングを備える組立品であって、
   各ハウジングは、複数の空洞を備え、
   各空洞は、自由に積層された電気化学的貯蔵セルの積層体を前記ハウジング内に備え、
   各電気化学的貯蔵セルは、
   アノード電極と、
   カソード電極と、
   前記アノード電極と前記カソード電極の間にあるセパレータと、を備え、
   前記組立品は、前記組立品に加わる圧力が、自由に積層された電気化学的貯蔵セルの前記アノード電極および前記カソード電極によって支えられるように構成され、
   前記組立品は、結合部材および少なくとも１個の圧力板をさらに備え、
   前記結合部材および前記圧力板が圧力を前記組立品に加えるように構成され、
   複数のハウジングが互いに入れ子になるように積層され、
   前記電気化学的貯蔵セルの積層体のアノード電極およびカソード電極が、前記組立品に加えられた荷重の少なくとも９０％を担う組立品。
2. 請求項１記載の組立品において、
   前記少なくとも１個の圧力板と前記ハウジングの間にある１個以上の柔軟な要素をさらに備える組立品。
3. 請求項１記載の組立品において、
   前記積層体が、積層組立品のモジュールにおける積層組立品の耐力構造体である組立品。
4. 請求項１記載の組立品において、
   各ハウジングが蓋を備え、各ハウジングおよび各蓋が柔軟な材料を含み、各ハウジングおよび各蓋が前記組立品に加えられた荷重の０〜１０％を担う組立品。
5. 複数の非耐力ハウジングを備える組立品であって、
   各ハウジングは、複数の空洞を備え、
   各空洞は、自由に積層された電気化学的貯蔵セルの積層体を前記ハウジング内に備え、
   各電気化学的貯蔵セルは、
   アノード電極と、
   カソード電極と、
   前記アノード電極と前記カソード電極の間にあるセパレータと、を備え、
   前記組立品は、前記組立品に加わる圧力が、自由に積層された電気化学的貯蔵セルの前記アノード電極および前記カソード電極によって支えられるように構成され、
   前記組立品は、前記積層体内の隣接する電気化学的貯蔵セル間に交互に配置された複数のカソード集電子とアノード集電子をさらに備え、
   上から見た前記カソード集電子および前記アノード集電子が、上から見た複数のカソード電極およびアノード電極よりも大きい面積を有する組立品。
6. 請求項５記載の組立品において、
   前記カソード電極がアルカリイオンインターカレーション材料を含み、前記アノード電極が擬似容量性または電気化学二重層容量性の材料を含む組立品。
7. 請求項５記載の組立品において、
   前記アノード電極が材料の混合物を含み、前記材料の一つがファラデ反応においてイオンをインターカレートし、もう一つが擬似容量性または電気化学二重層容量性の材料である組立品。
8. 請求項５記載の組立品において、
   前記電気化学的貯蔵セルは、前記アノード電極および前記カソード電極がイオンをインターカレートする電池セルを備える組立品。
9. 複数の非耐力ハウジングを備える組立品であって、
   各ハウジングは、複数の空洞を備え、
   各空洞は、自由に積層された電気化学的貯蔵セルの積層体を前記ハウジング内に備え、
   各電気化学的貯蔵セルは、
   アノード電極と、
   カソード電極と、
   前記アノード電極と前記カソード電極の間にあるセパレータと、を備え、
   前記組立品は、前記組立品に加わる圧力が、自由に積層された電気化学的貯蔵セルの前記アノード電極および前記カソード電極によって支えられるように構成され、
   前記組立品は、前記組立品を支持するパレットをさらに備え、
   前記パレットが、前記組立品を安定化し、前記組立品と前記パレット上の１個以上の追加の組立品の間を電気的に相互接続する部材を含む組立品。
10. 請求項９記載の組立品において、
    前記パレットが、充電制御／パワーエレクトロニクスをさらに備える組立品。

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