JP6723664B2 - 非角柱状の電気化学セル - Google Patents

Description

本発明は電気化学セルに関する。特に、本発明は、「ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）」設計を用いる非角柱状の電気化学セル、そのようなセルを製造する方法、およびそのようなセルを使用するための電極ストリップおよび電極ロールに関する。

再充電可能なバッテリーセルは、陽極、陰極、セパレータ、および電解質から形成されている。陽極および陰極は反応して電流を生成し、セパレータは層の間の望まれない接触を防止し、そして電解質は陽極と陰極との間のイオン移動を可能にする。

再充電可能なバッテリーセルの最も一般的なセルの形状は、巻回型である。陽極、セパレータ、および陰極を長い長方形のストリップにし、互いの上に配置することで、「電極ストリップ」が形成される。電極ストリップを螺旋状に巻回すると、電極ロール（「ゼリーロール」または「スイスロール（Ｓｗｉｓｓ ｒｏｌｌ）」とも呼ばれる）が形成される。角型セルは自然に達成され、そして他の角柱セルは、ゼリーロールを平らにすること、または成形されたコアをロールで包むことにより達成し得る。端子タブを陽極および陰極に加え、ロールから突出させることで、セルの端子を形成する。液体またはゲル状の電解質を加えるとセルが完成する。

本発明の態様によれば、非角柱状の電気化学セルを製造するための方法が提供される。細長く、実質的に平坦な電極ストリップが提供され、その電極ストリップは、その主要な表面上に陽極を、その主要な表面の別の表面上に陰極を、および陽極と陰極との間にセパレータを有し、電極ストリップは、ストリップの長さに沿ってその平面で先細りになっている。電極ストリップは、広い方の端部から狭い方の端部までの長さに沿って巻かれる。巻かれた電極ストリップは、巻かれた電極ストリップに実質的に対応する形状を有する非角柱状のシェル内に設けられる。

さらなる態様によれば、電気化学セルが提供される。電気化学セルは、電極ロールと、複数の外部の電気接点および電極ロールに実質的に対応する形状を有する非角柱状のシェルとを含む。電極ロールは電極ストリップを含み、電極ストリップが、電極ロールの内側に広い端部および電極ロールの外側に狭い端部を有するロール状へと形成されている。電極ストリップは、細長く、実質的に平坦であり、その主要な表面上に陽極を、その主要な表面の別の表面上に陰極を、および陽極と陰極との間にセパレータを有し、電極ストリップは、ストリップの長さに沿ってその平面で先細りになっている。電極ロールは、非角柱状のシェルの内側に配置され、陽極および陰極は、非角柱状のシェルのそれぞれの接点に接続されている。

さらなる態様によれば、非角柱状の電気化学セルを製造する方法が提供される。細長く、実質的に平坦な電極ストリップが提供され、その電極ストリップは、その主要な表面上に陽極を、その主要な表面の別の表面上に陰極を、および陽極と陰極との間にセパレータを有し、電極ストリップは、ストリップの長さに沿ってその平面で先細りになっている。電極ストリップは、広い方の端部から狭い方の端部までの長さに沿って巻かれる。

さらなる態様によれば、非角柱状の電気化学セルで使用するための電極ストリップが提供される。電極ストリップは、細長く、実質的に平坦であり、その主要な表面上に陽極を、その主要な表面の別の表面上に陰極を、および陽極と陰極との間にセパレータを有し、電極ストリップは、ストリップの長さに沿ってその平面で先細りになっている。

さらなる態様によれば、非角柱状の電気化学セルで使用するための電極ロールが提供される。電極ロールは上記態様の電極ストリップを含み、電極ストリップが、電極ロールの内側に広い端部および電極ロールの外側に狭い端部を有するロール状へと形成されている。

さらなる態様によれば、電気化学セルが提供される。電気化学セルは、上記態様の電極ロールと、複数の外部の電気接点および電極ロールに実質的に対応する形状を有する非角柱状のシェルとを含む。電極ロールは、非角柱状のシェルの内側に配置され、陽極および陰極は、非角柱状のシェルのそれぞれの接点に接続されている。

さらなる実施形態は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

楕円体が示される。 実施形態に係る電気化学セルが示される。 実施形態に係る例示的な電極ストリップが示される。 電極ストリップが、実施形態に係るシートからどのようにカットされるかが示される。 実施形態に係る電気化学セルの断面図である。 実施形態に係る電気化学セルの切取内部図である。

明確性のために、楕円体の以下の特性は、図１を参照して定義される。

角柱：底面に平行な全ての断面がその底面と合同になるような、他の面によって連結された２つの合同で平行な底面の形状。この定義は、平行な底面が多角形ではない、例えば円（円筒を形成する）、またはより複雑な曲線形状であるケースを含むことを留意すること。

非角柱状：角柱ではない形状。

楕円体：ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が楕円体の主軸と一直線に位置合わせされる、以下の方程式によって定義された３次元形状。楕円体のあらゆる断面は楕円である。

スフェロイド（回転楕円面としても知られている）：ａ、ｂ、およびｃのいずれか２つが等しい楕円。スフェロイドは、１つの軸に沿う円形の断面を有するだろう。球体は、ａ、ｂおよびｃの３つ全てが等しい特殊なケースである。

回転体：二次元形状を、その形状の平面内にある軸の周囲で回転させることにより得られる立体図形。

主軸：楕円体を規定する軸の１つ。各楕円体は、３の直交する主軸によって説明され得り、主軸の１つは楕円体の最大直径であり、他の主軸の１つは楕円体の最小直径である。スフェロイドの場合は、主軸の２つは長さが等しく、楕円体の均分円にある平面上に任意に配置されてもよい。球の場合は、主軸の全ては長さが等しく、軸の向きは任意である。ａ、ｂ、およびｃは、各半主軸（すなわち、各主軸の半分の長さ）の長さである。

用語「台形（ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）」は、本明細書では、１対の平行な辺を備えた四辺形を指すために使用される（しばしばイギリス英語で「台形（ｔｒａｐｅｚｉｕｍ）」と呼ばれる）。等脚台形（ｉｓｏｓｃｅｌｅｓ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）または対称台形（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）は、非平行な辺が同一の長さを有する台形であり、また、正台形（ｒｉｇｈｔ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）または半台形（ｓｅｍｉ−ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）は、非平行な辺の一方が平行な辺に対して直角な台形である。この開示の目的として、２対の平行な辺を備える形状（すなわち平行四辺形）は、台形とはみなされない。本明細書では、台形の「下底」は、平行な辺のうちより長い辺を指すために使用され、「上底」は、平行な辺のうちより短い辺を指すために使用される。

台形に関する前記されたものを除いて、一般的な幾何学的用語のいずれも、いずれかの適用可能な特別な場合を含むとみなされる（例えば、球は楕円体の１種、円は楕円の１種）。

例えば、ＧＢ２５１８１９６に開示されているようなバッテリー装置で使用される非角柱状のセルが、以下で提案されている。標準的なゼリーロールを非角柱状のケース内へと挿入することは可能であるが、これにより大きく、無駄な空間が結果として生じるだろう。したがって、非角柱状のケース内部により大きなセルを収めることを可能にする、新たな幾何学的形状が提案される。長方形のストリップの代わりに、ストリップの長さに沿って幅が減少するストリップが巻回され、厚い方の端部がゼリーロールの中央部を形成する。ゼリーロールが円形の断面の周囲に巻回される場合は、ゼリーロールが回転体（例えば、円錐、スフェロイド、または、回転の軸の周りに回転対称を有する他の形状）を形成するだろう。ゼリーロールが形成されたコアの周囲に巻回される場合は、他の形状（例えば楕円形の断面、またはより複雑な曲線）が達成され得る。円形の断面を有するゼリーロールは、ロールの軸に垂直な方向に圧縮することにより、楕円形の断面を有するゼリーロールへと作り変えられてもよい。

等脚台形の電極ストリップを用いる例示的なセルが、図２に示される。図から分かり得るように、ゼリーロールは、円筒状のゼリーロールによって達成されるよりも、楕円形のシェルの形状により一層近似するが、台形を巻くことによって形成される曲線は楕円ではないため、適合は完全ではない。非角柱状のゼリーロールを使用することは、円筒状のゼリーロールによって達成されるよりもはるかに高い充填率、例えば、バッテリーの内部空間の７５％から９０％の充填率を可能にする。

図３は、巻回前の電極ストリップのための可能な形状を示している。１は、等脚台形である。２は、下底の長方形に連結された等脚台形としてみなされ得る部分的な台形である。３は、直線で平行な２つの端部、および下底から上底に向かって凸状に湾曲した辺を有する形状である。そのような形状に適した曲線を選択するで、必要とされる形状が最後のゼリーロールによってより一層近似されることを可能にする。曲線が凸状であり（凹状の曲線は、台形の電極ストリップと比較すると、楕円形状から遠ざかるため）、そしてストリップの幅がその長さに沿って減少する場合に、楕円体への良好な近似が一般的に得られる。例えば、「卵形状の」ロールを作るために、または楕円体の１つの端部でよりクリアランスを得るために、非対称の電極ストリップ（（４）に示す非等脚台形（ｎｏｎ−ｉｓｏｓｃｅｌｅｓ ｔｒａｐｅｚｏｉｄ）等）は、バッテリーの他の構成要素がケーシング内へと挿入されることが可能なように使用されてもよい。部分的に凹状のストリップが、他の構成要素のための空間を提供するために、同様に使用されてもよい。一般的に、細い端部が広い端部の幅の半分以下である電極ストリップが、楕円形のシェルのための適切な適合を提供するであろう。

セルは、制御回路および外部の接触パッド（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｐａｄｓ）への接続部も一般的に含む。ゼリーロールの構成は、これらをケーシング内へと収めることを可能にするために調整されてもよい。例えば、ゼリーロールが、制御回路（図２のＣ）を挿入するのに十分な中央の隙間を残すような方法で巻かれてもよいし、または制御回路および接続部が、ゼリーロールがシェルに十分に適合しない領域に挿入されてもよい。ゼリーロールの中央に隙間を作り出すために、ロールをコアの周りに巻き、ロールを巻き終わってからコアを取り除いてもよい。

従来技術に係る電極ストリップは、通常、陰極、陽極、およびセパレータの各々の長いロールを形成し、ロールを必要な幅に切断し、次に各ロールからある一定の長さを切断し、そして電極ストリップを形成するためにそれらを共に配置することで製造される。この方法は、非長方形の電極ストリップを形成するために修正される必要がある。１つの可能性は、陰極／陽極／セパレータの長方形のストリップを必要な形状へと切り整えることである。しかしながら、これは結果として著しい無駄をもたらすだろう。別の可能性は、各ロールを、単一のセルに対して十分長いが、いくつかのセルの幅であるシートを提供する必要な長さに切断し、そしてこのシートから必要な形状を切り出すことである。これにより、無駄を減少させるために、ストリップを図４に示すようなモザイク状（ｔｅｓｓｅｌｌａｔｅｄ）にすることが可能である。図４に示される場合では、等脚台形状のストリップに対して、斜線で網掛けされた領域のみしか無駄にはならない。完全にはモザイク状にならない図３の（２）および（３）のようなストリップに対しては、各ストリップ間でいくらかの無駄が発生するだろう。

完全なセルを構築するために、ゼリーロールが非角柱状のシェルへと設けられる。例えば、ゼリーロールは、ゼリーロールの周りにシェルを形成すること、例えば、ゼリーロールの周りにシェルのセグメントをオーバーモールド（ｏｖｅｒｍｏｕｌｄｉｎｇ）することもしくは取り付けることによりシェルへと挿入されてもよいし、またはゼリーロールが、完成したシェルへと挿入されてもよい。シェルは、少なくとも２つの外部の電気接点を有しており、ゼリーロールの陽極および陰極は、それぞれの接点に接続されている。それから、電力が接点を介してセルから提供され得る。

制御装置は、例えば、電流制限、電圧監視、および緊急遮断のような様々な安全機能を提供するために使用されてもよく、または陽極と陰極とが接続される接点を変更する（例えば、ＧＢ２５１８１９６に記載されるように）ために使用されてもよい。陽極および陰極が制御装置に接続され、そして制御装置が、接点に直接接続されている陽極と陰極の代わりに、接点に接続される。

制御装置は、シェルへと、例えば、ゼリーロールとシェルとの間に残された空間へと挿入されてもよいし、ゼリーロールは、（例えば、そのような領域を残すためにサイズ決めされたスピンドルの周りでそれを回転させることによって）その中央の空の領域を用いて形成されてもよいし、制御装置は、図５に示すように空の領域に配置されてもよい。代替的に、ゼリーロールは、制御装置それ自体の周りに巻かれてもよい。制御装置は、プリント基板（ＰＣＢ）に搭載されてもよく、または接続された複数のＰＣＢを含んでもよい。

図５は、ゼリーロールが中央に配置された制御装置を有する電気化学セルの詳細な断面図を示している。ゼリーロールは、陽極（Ａ１）、陰極（Ａ２）、およびセパレータ（Ａ３）を含むように詳細に示されている。図５の下部分は、図５の上部の中央部の拡大図である。

陽極および陰極は、現行のバッテリーのように有線で制御装置に接続されてもよいし、または代替的に、陽極（Ａ１）および陰極（Ａ２）が図５に示されるような制御装置（Ｃ）の接点に直接接続されてもよい。これは、ゼリーロールが制御装置の周囲に巻かれた場合には、特に魅力的な解決策である。

図６は、シェル（Ｂ）の半分が取り除かれた、完成した電気化学セルの切取内部図を示している。ゼリーロール（Ａ）が、円筒状ロールによって達成される場合よりも、シェル（Ｂ）内部にはるかに良好に適合することが明らかであり得る。制御装置（Ｃ）と接点（Ｄ）との間の接続は示されていない。

本発明を、上述の好ましい実施形態の観点から説明してきたが、これらの実施形態は例示的なものに過ぎず、特許請求項の範囲はこれらの実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。当業者であれば、添付の特許請求の範囲内にあるものとして検討された修正および変更を、本開示に照らして実施することができるだろう。本明細書に開示または例証される各特徴は、単独であっても、または本明細書で開示または例証された他の特徴との任意の適切な組み合わせであっても、本発明に組み込まれてもよい。

Claims (18)

1. 非角柱状の電気化学セルを製造するための方法であって、該方法は：
   細長く、実質的に平坦な電極ストリップを提供する工程であって、電極ストリップが、その主要な表面上に陽極を、その主要な表面の別の表面上に陰極を、および陽極と陰極との間にセパレータを有し、電極ストリップが、ストリップの長さに沿ってその平面で先細りになっている、工程；
   電極ストリップを、その広い方の端部から、その狭い方の端部までの長さに沿って巻く工程；および
   巻かれた電極ストリップを、巻かれた電極ストリップに実質的に対応する形状を有する非角柱状のシェル内に設ける工程、
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 巻かれた電極ストリップが、７５％よりも大きな充填率でシェルを満たす、請求項１に記載の方法。
3. シェルが実質的に楕円体である、請求項１または２に記載の方法。
4. シェルが複数の外部の電気接点からなり、前記方法が、制御装置に陽極および陰極を接続する工程と、外部の電気接点の各々に制御装置を接続する工程とを含み、制御装置が、陽極および陰極とシェルの外部の電気接点との間の電気的接続を制御するように構成される、請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
5. コアの周りに電極ストリップを巻く工程と、ロールの軸に沿う空の領域を残すためにコアを除去する工程と、制御装置を空の領域に配置する工程とを含む、請求項４に記載の方法。
6. 制御装置の周りに電極ストリップを巻く工程を含む、請求項４に記載の方法。
7. 電極ストリップが、ロールの軸に垂直な実質的に楕円形の断面を有するゼリーロールを形成するために巻かれる、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
8. 電極ストリップが、ロールの軸に垂直な実質的に円形の断面を有するゼリーロールを形成するために巻かれる、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
9. 電極ストリップの平坦な断面形状が：
   台形；
   等脚台形；
   広い方の端部にある長方形の領域および、長方形と狭い方の端部との間の台形からなる形状；
   広い方の端部と狭い方の端部とを接続する凸状に湾曲した縁部を有する形状であって、曲線は、ストリップの長さに沿った任意の領域において、ストリップの幅が一定であるか、狭い端部に向かって減少しているような曲線、である形状、
   のいずれか１つである、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
10. 電極ストリップの狭い方の端部の幅が、電極ストリップの広い方の端部の幅の半分未満である、請求項１から９のいずれか１つに記載の方法。
11. 電気化学セルであって、該電気化学セルが：
    電極ストリップを含む電極ロールであって、電極ストリップが、細長く、実質的に平坦であり、その主要な表面上に陽極を、その主要な表面の別の表面上に陰極を、および陽極と陰極との間にセパレータを有し、電極ストリップが、ストリップの長さに沿ってその平面で先細りになっており、電極ストリップが、電極ロールの内側に広い端部および電極ロールの外側に狭い端部を有するロール状へと形成されている、電極ロール；
    複数の外部の電気接点および電極ロールに実質的に対応する形状を有する非角柱状のシェルであって、電極ロールがシェルの内部に配置される、非角柱状のシェル、
    を含むことを特徴とする、電気化学セル。
12. 電極ストリップの主要な表面が、
    台形であって、電極ストリップの広い方の端部および狭い方の端部が、台形の平行な辺である、台形；
    等脚台形であって、広い方の端部および狭い方の端部が、台形の平行な辺である、等脚台形；
    広い方の端部に近接する長方形の領域、および長方形の領域とより狭い端部との間の台形の領域からなるストリップであって、狭い方の端部と長方形の領域の縁部が、台形の平行な辺である、ストリップ；
    広い方の端部と狭い方の端部とを接続する凸状に湾曲した縁部を有するストリップであって、曲線は、ストリップの長さに沿った領域において、ストリップの幅が一定であるか、狭い端部に向かって減少するような曲線である、ストリップ、
    の全てまたはいずれか１つを含む、請求項１１に記載の電気化学セル。
13. 電極ロールが、電極ロールの軸に垂直なほぼ楕円形の断面を有する、請求項１１または１２に記載の電気化学セル。
14. 電極ロールが、電極ロールの軸に垂直なほぼ円形の断面を有する、請求項１１または１２に記載の電気化学セル。
15. 電極ロールが、電極ロールの軸において空の領域を有する、請求項１１から１４のいずれか１つに記載の電気化学セル。
16. 制御装置を含み、
    陽極および陰極が制御装置に接続されており、
    制御装置が接点の各々に接続されており、
    制御装置が陽極および陰極と接点との間の電気的接続を制御するように構成されている、
    請求項１１から１５のいずれか１つに記載の電気化学セル。
17. 制御装置が、電極ロールの軸において空の領域の内部に配置されている、請求項１６に記載の電気化学セル。
18. 電極ストリップの広い端部において、陽極および陰極の一部が制御装置の各々の接点に直接接続されている、請求項１７に記載の電気化学セル。

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