JP6861884B2 - 機械的に固定される壁貫通型集電装置 - Google Patents

機械的に固定される壁貫通型集電装置 Download PDF

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Description

背景
本発明は、積層又は巻回配置の電極プレートを含む電気化学セル及びセル内に配置される集電装置に関するものであり、集電装置は、セル内で電極プレートと電気的接続を形成し、セルパウチハウジングの開口を介して、セルから電流の転送を可能にする。
バッテリパックは、携帯用電子機器から再生可能電力システム及び環境に優しい自動車にわたる種々の技術に電力を提供する。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、バッテリパック及び電気モータを内燃機関とともに使用し、燃料効率を上昇させる。バッテリパックは、複数のバッテリモジュールから形成され、各バッテリモジュールは、いくつかの電気化学セルを含む。セルは、２次元又は３次元アレイに配置され、直列又は並列に電気的に接続される。同様に、バッテリパック内のバッテリモジュールは、直列又は並列に電気的に接続される。
異なるセルタイプが出現し、多種多様な設置状況の空間要求に対処しており、自動車において用いられる最も一般的なタイプは、円筒形セル、角柱形セル及びパウチセルである。セルタイプに関係なく、各セルは、セルハウジング及びセルハウジング内に配置される電極アセンブリを含み得る。電極アセンブリは、交互に積層又は巻回された一連の正電極プレート及び負電極プレートを含み、正電極プレート及び負電極プレートは、中間の分離プレートによって分離される。各セルは、第１の集電装置及び第２の集電装置も含むものとしてもよく、第１の集電装置は、正電極プレートに電気的に接続され、正電極プレートをセルハウジングの外側に配置された正セル端子に結合し、第２の集電装置は、負電極プレートに電気的に接続され、負電極プレートをセルハウジングの外側に配置された負セル端子に結合する。
パウチセルにおいては、第１及び第２の集電装置の各々は、典型的には、リードタブを含み、リードタブは、パウチファブリックの２つの積層された層間において、パウチファブリックの層を結合し、封止結合を形成する溶接線に沿って通り、パウチから出る。リードタブを用いて、パウチセルハウジングの内側から外側に電流を流し、外側では、リードタブは、端子のような外部構造に電気的に接続可能である。特別な封止テープを用いて、リードタブを封止結合で囲み、封止結合のところで、リードタブは、層間を通り、パウチから出る。封止テープは、非常に特別な材料特性を有する必要があるので、比較的高価である。例えば、封止テープは、パウチファブリック溶接動作の間に発生するような局所的な熱が印加されるときを除いてすべての条件において固体であり、粘着性及び柔軟性を有するままである必要がある。局所的な熱が印加されるとき、封止テープは、溶融し、材料間の開いたギャップ内に流入し、パウチ材料及びそれぞれのリードタブの両方に接着する必要がある。パウチセルハウジングの内側から外側に電流を流すための比較的単純かつ低コストの構造のための要求が存在し、外側において、電流を流すための構造は、外部構造、例えば端子又は他のセルに電気的に接続可能である。
概要
いくつかの態様において、電気化学セルは、セルハウジングと、セルハウジング内に配置される電極アセンブリと、集電装置と、を含む。セルハウジングは、フレキシブルシートから形成され、第１のハウジング部と、封止結合に沿って第１のハウジング部に結合される第２のハウジング部とを有することにより、パウチを形成する。第１のハウジング部は、ベースと、ベースの外周から突出してベースを囲む側壁とを含むことにより、開放型容器を形成する。電極アセンブリは、交互の正電極部及び負電極部を含む。正電極部及び負電極部は、少なくとも１つの分離プレートにより分離され、かつ、積層軸に沿って積層される。積層軸は、ベースに垂直な方向に延在する。集電装置は、正電極部及び負電極部の一方に電気的に接続され、セルハウジングの側壁に形成された開口を介してセルハウジングから出る。開口は、封止結合から離間する位置であって、積層軸に対向する位置に配置される。集電装置は、側壁と正電極部及び負電極部の一方との間に配置される集電プレートを含む。集電プレートは、正電極部及び負電極部の一方に電気的に接続され、側壁に平行に配向され、開口を被覆する。集電プレートは、当該プレートの側壁対向面から突出して開口を通って延在する突起を含む。集電装置は、開口を囲み、側壁と集電プレートとの間に配置される封止部を含む。さらに、集電装置は、側壁に平行に配向され、開口を被覆し、セルハウジングの外側に配置された端子プレートを含む。端子プレートは、開口を被覆し、突起を受け入れるポートを含み、ポートは、集電プレートとの電気的接続を形成するために、端子プレートのポートが集電プレートの突起に直接接触するように、かつ、側壁と集電プレートとの間で封止部が圧縮されるように、突起と係合するように構成される。
いくつかの態様において、バッテリパックは、複数の電気化学セルを含み、複数の電気化学セルの各々は、セルハウジングと、セルハウジング内に配置された電極アセンブリと、集電装置と、を含む。セルハウジングは、フレキシブルシートから形成され、第１のハウジング部と、封止結合に沿って第１のハウジング部に結合される第２のハウジング部とを有することにより、パウチを形成する。第１のハウジング部は、ベースと、ベースの外周から突出してベースを囲む側壁とを含むことにより、開放型容器を形成する。電極アセンブリは、交互の正電極部及び負電極部を含む。正電極部及び負電極部は、少なくとも１つの分離プレートにより分離され、かつ、積層軸に沿って積層される。積層軸は、ベースに垂直な方向に延在する。集電装置は、正電極部及び負電極部の一方に電気的に接続され、セルハウジングの側壁に形成された開口を介してセルハウジングから出る。開口は、封止結合から離間する位置であって、積層軸に対向する位置に配置される。集電装置は、側壁と正電極部及び負電極部の一方との間に配置される集電プレートを含む。集電プレートは、正電極部及び負電極部の一方に電気的に接続され、側壁に平行に配向され、開口を被覆する。集電プレートは、当該プレートの側壁対向面から突出して開口を通って延在する突起を含む。集電装置は、開口を囲み、側壁と集電プレートとの間に配置される封止部を含む。さらに、集電装置は、側壁に平行に配向され、開口を被覆し、セルハウジングの外側に配置された端子プレートを含む。端子プレートは、開口を被覆し、突起を受け入れるポートを含み、ポートは、集電プレートとの電気的接続を形成するために、端子プレートのポートが集電プレートの突起に直接接触するように、かつ、側壁と集電プレートとの間で封止部が圧縮されるように、突起と係合するように構成される。さらに、複数の電気化学セルのうちの１つの電気化学セルの集電装置の一部は、バッテリパック内の隣接する電気化学セルの集電装置の一部に直接接触して電気的接続を形成する。
電気化学セル及び／又はバッテリパックは、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むものとするとよい。突起は、封止部と、開口と、ポートとを通って延在し、突起がポート内に保持されるように、突起の終端に固定具が配置される。突起の外面には、ねじが切られており、集電装置は、突起の終端に配置されるナットを備え、ナットの雌ねじが、突起の外面に設けられたねじ山と係合し、ナットは、封止部に圧縮力が生成されるように突起と協働する。突起の外面は、圧入時に突起がポートと係合することを可能にする形状及び寸法を有する。第２の集電装置は、正電極部及び負電極部の他方に電気的に接続され、セルハウジングに形成された第２の開口を介してセルハウジングから出る。セルハウジングは、第１の端面、対向する第２の端面、及び、第１の端面と第２の端面との間に延在する４つの側面を含む直方体であり、第１の開口は、４つの側面のうちの１つに形成され、第２の開口は、４つの側面のうちの他の側面に形成される。第１の開口は、４つの側面のうちの１つに形成され、第２の開口は、４つの側面のうちの前記１つに対向する側面に形成される。第１の開口は、４つの側面のうちの１つに形成され、第２の開口は、４つの側面のうちの前記１つに隣接する側面に形成される。第１の開口は、４つの側面のうちの１つに形成され、第２の開口は、同一の側面に形成される。端子プレート及び集電プレートの各々は、第１の側面及び対向する第２の側面を備え、第１の側面及び第２の側面の各々は、略平面状であり、表面特徴を有さない。
パウチセルは、電極アセンブリを含み、電極アセンブリは、パウチタイプの金属積層フィルムセルハウジング内で電解質とともに封止され、発電／記憶装置を形成する。電極アセンブリは、「積層された」電極アセンブリであってもよく、「積層された」電極アセンブリは、交互に積層された一連の正電極プレート及び負電極プレートを含み、正電極プレート及び負電極プレートは、中間の分離プレートによって分離される。さらに、パウチセルは、集電装置を含み、集電装置は、電極プレートの対応する１つと電気的接続を形成し、電極アセンブリ内で生成される電流が、集電装置を通りセルから出て流れるのを可能にするとともに、気密封止パウチセルハウジングを維持することができる。
有利には、集電装置は、パウチセルを形成するのに用いられる封止結合から離間する位置に配置され、特に、パウチ側壁における開口を被覆する位置に配置され、開口は、電極アセンブリの積層軸に対向する（積層軸に平行な面内に存在する）。封止結合のところよりもむしろこの位置に開口を形成することによって、市販の封止材料を用いて、集電装置の周りの漏れを防止することができ、それによって、比較的高コストの封止テープの使用をなくし、セルを製造するコストが減少する。
さらに有利には、集電装置は、セルの内側に配置される第１の要素と、セルの外側に配置される第２の要素とを含むものとしてもよく、電気的接続を提供するとともに、開口の近傍で圧縮力を加える機械的接続によって、第１の要素が第２の要素に接続される。いくつかの実施形態においては、第２の要素と、開口を囲むハウジングとの間に封止部が設けられ、封止部を圧縮するように圧縮力が機能し、それによって、開口を介して空気及び水分がセルに入ることと、開口を介して電解質がセルから出ることとが防止される。第１の要素と第２の要素との間の機械的接続は、セルハウジングにおける開口の周りでの高信頼性で、堅牢で、圧力に対して脆弱でない封止を提供し、従って、パウチセルハウジングの部分間の封止結合に沿ってホットメルト封止が設けられるような、いくつかの従来のパウチセル封止技術と比較して、改善されたものである。
パウチセルのアレイを含むバッテリパックの部分分解斜視図である。 集電装置を含むパウチセルの斜視図である。 図２のパウチセルの概略断面図を、図２の線３−３に沿って示す。 正電極プレート、負電極プレート及び分離プレートを含む電極対の斜視図であり、分離プレートは、正電極プレート及び負電極プレートと交互にある。 電極プレート積層体の一部の断面図であり、正電極プレートの正の折り曲げられた部分が、重ねられた構成で、かつ、集電プレートと電気的に接触して配置されることを示し、明確にするために、負電極プレート及び分離プレートは省略される。 セルハウジングとともに組み立てられた集電装置の斜視図であり、ここではセルハウジングの側面の一部のみが示されており、明確にするために、電極アセンブリは省略される。 図６の集電装置の断面図を、図６の線７−７に沿って示す。 図６の集電装置の分解断面図を、図６の線７−７に沿って示す。 セルハウジングとともに組み立てられた代替実施形態の集電装置の斜視図であり、ここではセルハウジングの側面の一部のみが示されており、明確にするために、電極アセンブリは省略される。 図９の集電装置の断面図を、図９の線１０−１０に沿って示す。 図９の集電装置の分解断面図を、図９の線１０−１０に沿って示す。 パウチセルのアレイを含むバッテリパックの部分分解斜視図である。 代替実施形態の電極積層体の部分断面図である。 図２のセルの概略上面図であり、セルの４つの側面のうちの１つに形成された開口に、第１の集電装置が設けられ、４つの側面のうちの前記１つに対向する側面に形成された開口に、第２の集電装置が設けられる。 代替実施形態のセルの概略上面図であり、セルの４つの側面のうちの１つに形成された開口に、第１の集電装置が設けられ、４つの側面のうちの前記１つに隣接する側面に形成された開口に、第２の集電装置が設けられる。 他の代替実施形態のセルの概略上面図であり、セルの４つの側面のうちの１つに形成された開口に、第１の集電装置が設けられ、同一の側面に形成された開口に、第２の集電装置が設けられる。
詳細な説明
図１乃至図３を参照すると、電力を提供するのに用いられるバッテリパック１は、複数の電気化学セル２０を含み、複数の電気化学セル２０は、電気的に相互接続され、整理された方法でバッテリパック用ハウジング２内に格納される。バッテリパック用ハウジング２は、パック容器部３及び着脱可能なパック蓋４を含む。セル２０は、電極アセンブリ６０（図３及び図４）を含むリチウムイオン・パウチセルであり、電極アセンブリ６０は、セルハウジング２１内で電解質とともに封止され、発電／記憶装置を形成する。いくつかの実施形態においては、セル２０のグループは、共に結合されて、バッテリモジュール（図示せず）を形成していてもよく、バッテリモジュールは、次に、バッテリパック用ハウジング２内に格納される。しかしながら、図示の実施形態においては、セル２０は、モジュールに結合されず、その代わりにバッテリパック用ハウジング端子６、７に直接電気的に接続される。バッテリパック用ハウジング２内で、セル２０は、直列又は並列に電気的に接続される。
各セル２０は、パウチタイプのセルハウジング２１を含む。セルハウジング２１は、直方体形状を有する。図示の実施形態においては、セルハウジング２１は、立方体形状を有し、６つの直交面を含む。面は、第１の端面２２と、第１の端面２２に対向する第２の端面２３と、第１の側面２４と、第１の側面２４に隣接する第２の側面２５と、第２の側面２５に隣接し、第１の側面２４に対向する第３の側面２６と、第３の側面２６及び第１の側面２４に隣接する第４の側面２７と、を含み、第４の側面２７は、第２の側面２５に対向する。第１の側面２４、第２の側面２５、第３の側面２６及び第４の側面２７の各々は、第１の端面２２と第２の端面２３との間に延在し、６つの面は、電極アセンブリ６０によって占有される封止された内部空間を協働して定義する。
パウチタイプのセルハウジング２１は、金属積層ポリマーフィルムシートの２つのブランクのアセンブリである。各ブランクは、折り曲げられ、開放型ボックスの形状を形成する。第１のブランクは、比較的深いボックスに相当し、このボックスは、第１のセルハウジング部又は容器４２として機能し、電極アセンブリ６０を受け入れるように寸法形成される。容器４２は、セルハウジングの第２の端面２３に相当するベースと、セルハウジング側面２４、２５、２６、２７によって定義される閉鎖された部分に相当する側壁と、を有する。第２のブランクは、比較的浅いボックスに相当し、このボックスは、容器４２の開放端を閉鎖する第２のハウジング部又はカバー４４として機能する。カバー４４は、セルハウジングの第１の端面２２に相当し、側面２４、２５、２６、２７の各々に例えば溶接を介して結合される。特に、連続封止結合４０は、側面２４、２５、２６、２７とセルハウジングの第１の端面２２との間に交線に沿って形成され、封止された直方体パウチを形成し、このパウチの深さは、いくつかの従来のパウチタイプのセルハウジングの深さより大きい。例えば、いくつかの実施形態においては、深さは、２０ｍｍより大きい。図示の実施形態においては、セルハウジング２１は、立方体形状であり、長さ、幅及び高さの寸法は、９０ｍｍ以上である。
セルハウジング２１は、セルハウジング側面２４、２６に形成される開口２８、２９を含み、開口２８、２９は、集電装置７０、７１と協働し、セルハウジング２１から電流の転送を可能にする。第１の開口２８は、側面の１つ、例えば第１の側面２４に形成され、第２の開口２９は、対向する側面、例えば第３の側面２６に形成される。さらに、第１の開口２８及び第２の開口２９は、封止結合４０から離間する。例えば、図示の実施形態においては、第１の開口２８及び第２の開口２９は、それぞれの側面２４、２６の略中央にあり、一方、封止結合４０は、ハウジングの第１の端面２２に隣接する。この配置によって、第１及び第２の開口２８、２９は、セルハウジングの第２の端面２３によって定義される面に垂直な面にあり、それゆえ、電極アセンブリ６０の積層軸６６（後述する）に対向する。
図３及び図４を参照すると、電極アセンブリ６０は、セルハウジング２１内に配置され、交互に積層された一連の正電極プレート６１及び負電極プレート６２を含み、正電極プレート６１及び負電極プレート６２は、中間の分離プレート３０、３２によって分離される。分離プレート３０、３２は、各々透過性膜であり、正電極プレート６１及び負電極プレート６２の離間を保持するように機能し、電気的短絡を防止し、同時にまた、電解質内で供給されるイオン電荷担体であって、セル２０内の電流の通過の間、回路を閉鎖するために必要なイオン電荷担体の通過を可能にする。分離プレート３０、３２は、例えば、ポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン−３層膜のような電気絶縁材料から形成される。
積層された一連の電極プレート６１、６２及び分離プレート３０、３２は、本願明細書において、「プレート積層体」６４と称され、プレート積層体６４の積層軸６６は、プレート積層体６４の中央を通り積層方向に平行な方向に延在する。電極アセンブリ６０がセルハウジング２１内に配置されるとき、電極プレート６１、６２は、セルハウジングの第１及び第２の端面２２、２３に平行であり、積層軸６６は、セルハウジングの第１及び第２の端面２２、２３に垂直な方向に延在する。電極プレート６１、６２は、（例えば、数十ｍｍ又は数百ｍｍの桁数の厚さを有する）全体のセルの厚さと比較して非常に薄く（例えば、約０．０９５ｍｍから０．１４５ｍｍの桁数の厚さを有する）、それゆえ、図３においては概略的に示される。
積層する間に、電極アセンブリ６０を形成する正電極プレート６１、負電極プレート６２及び分離プレート３０、３２は、層構成又は積層構成で積層方向に配置される。積層構成においては、分離プレート３０、３２は、積層軸６６に沿って積層され、積層体６４のすべての分離プレート３０、３２の周辺エッジは、積層軸６６の方向に平行な方向に整列配置される。
さらに、正電極プレート６１及び負電極プレート６２は、積層軸に横方向（即ち、長さ方向）にそれぞれの分離プレート３０、３２に対して部分的にオフセットされる。特に、正電極プレート６１は、積層軸６６に沿って積層され、正電極プレート６１の周辺エッジは、積層軸６６の方向に平行な方向に互いに整列配置されるが、分離プレート３０、３２に対して長さ方向に平行な第１の方向に部分的にオフセットされる。図４においては、第１の方向は、矢印３４によって表される。それゆえ、正電極プレート６１の各々の一方のエッジ６１ａは、分離プレート３０、３２の対応するエッジ３０ａ、３２ａを越えて延在し、その結果、露出した導電材料の正の「クリアレーン」６３を生ずる。
負電極プレート６２は、積層軸６６に沿って積層され、負電極プレート６２の周辺エッジは、積層軸６６の方向に平行な方向に互いに整列配置されるが、分離プレート３０、３２に対して第２の方向に部分的にオフセットされ、第２の方向は、長さ方向に平行であり、第１の方向の反対である。図４においては、第２の方向は、矢印３５によって表される。それゆえ、負電極プレート６２の各々の一方のエッジ６２ｂは、分離プレート３０、３２の対応するエッジ３０ｂ、３２ｂを越えて延在し、その結果、露出した導電材料の負の「クリアレーン」６５を生ずる。
図５を参照すると、各正電極プレート６１のクリアレーン６３は、プレート積層体６４の側面に対して折り曲げられているものとしてもよい。同様に、各負電極プレート６２のクリアレーン６５は、プレート積層体６４の対向側面に対して折り曲げられているものとしてもよい（図示せず）。積層軸６６に沿った電極プレート６１、６２の相対的な間隔のため、折り曲げられたクリアレーン６３、６５は、重畳するルーバー構成を形成し、各クリアレーン６３、６５の部分が露出し、セルハウジング２１の側面（即ち、側面２４）に対向する。プレート積層体６４の所定の側面上の折り曲げられたクリアレーンは、協働して略平面状の導電面を形成し、この導電面を用いて、後述するように、集電装置７０、７１との電気的接続を形成することができる。
図２及び図６乃至図８を参照すると、各セル２０はまた、第１の集電装置７０及び第２の集電装置７１を含み、集電装置７０、７１は、プレート積層体６４のプレート６１、６２と溶接なしの電気的接続を形成する。第１の集電装置７０は、第１の開口２８に配置され、第２の集電装置７１は、第２の開口２９に配置される。第１の集電装置７０及び第２の集電装置７１は同一であり、それゆえ、第１の集電装置７０のみを詳述する。第１及び第２の集電装置７０、７１の両方に共通の要素は、共通の参照符号によって参照される。
第１の集電装置７０は、集電プレート７２及び端子プレート８２を含むツーピースの装置である。集電プレート７２は、薄い導電プレートであり、電極対向面７３と、電極対向面７３に対向する側面対向面７４と、電極対向面７３と側面対向面７４との間に延在する周辺エッジ面７５と、を含む。周辺エッジ面７５は、電極積層体６４の側面の矩形形状に相当する矩形形状を定義する。
電極対向面７３は、略平面状であり、表面特徴を有さない。側面対向面７４は、円筒形の突起７６を含む。図示の実施形態においては、突起７６は、円形の断面形状を有するが、この形状を有することに限定されるものではない。突起７６は、側面対向面７４の中央領域に位置し、セルハウジングの側面２４に向かって突出する。
集電プレート７２は、ハウジングの第１の側面２４と電極アセンブリ６０との間に配置される。特に、電極対向面７３は、正電極プレート６１の折り曲げられたクリアレーン６３に直接接触し、電気的接続を形成する。側面対向面７４がハウジングの第１の側面２４に平行で、第１の開口２８を被覆するように、集電プレート７２は配向される。さらに、突起７６は、第１の開口２８に整列配置され、第１の開口２８を通って延在する。集電プレート７２の側面対向面７４が、ハウジングの第１の側面２４の内面に当接し、同時に電極対向面７３が、正電極プレート６１の折り曲げられたクリアレーン６３と接触するように、セルハウジング２１及び電極アセンブリ６０は寸法形成される。
端子プレート８２は、薄い導電プレートであり、ハウジング対向面８３と、ハウジング対向面８３に対向する外向きの対向面８４と、ハウジング対向面８３と外向きの対向面８４との間に延在する周辺エッジ面８５と、を含む。図示の実施形態においては、周辺エッジ面８５は、略矩形形状を定義するが、略矩形形状に限定されるものではない。端子プレート８２は、中央に配置されたポート８６を有するように形成され、ポート８６は、ハウジング対向面８３と外向きの対向面８４との間に延在する。
端子プレート８２は、セルハウジング２１の外側に配置され、ハウジングの第１の側面２４の外面に当接する。特に、端子プレート８２は、第１の開口２８を被覆し、この状態では、ポート８６が第１の開口２８に整列配置されており、突起７６がポート８６を通って延在している。ポート８６は、圧入公差を以て、突起７６の形状及び寸法に対応するように形状付与及び寸法形成される。従って、ポート８６は、ポート８６が突起７６に直接接触しかつ集電プレート７２との電気的接続を形成するように、突起７６と係合するように構成される。さらに、突起７６とポート８６との間の機械的接続（例えば、圧入接続）は、集電装置７０を、開口２８内に組み立てられた構成で保持するように機能する。
開口２８の周りには封止部９０が設けられる。封止部９０は、封止材料のビードでもよく、開口２８の周りで気密封止を形成し、電解質がセルハウジング２１から開口２８を通って漏れるのを防止する。封止部９０は、端子プレートのハウジング対向面８３とハウジングの第１の側面２４との間に設けられている。図示の実施形態においては、封止部９０は、集電プレートの側面対向面７４に形成された環状溝７８内に存在する。溝７８の深さは、封止部９０の直径よりも小さいので、封止部は、溝７８内に存在する場合には、集電プレートの側面対向面７４に対して外向きに突出する。任意選択的に、保持リング９２を使用して、封止部９０を溝７８内に保持するものとしてもよい。
代替的には、封止部９０が集電プレートの側面対向面７４とハウジングの第１の側面２４との間に、又は、両方の位置に設けられるものとしてもよいことを理解されたい。
有利には、封止部９０が封止結合４０から遠い位置で用いられるので、必要な特別の材料特性が少ない。このために、封止部９０を設けるのに用いられる封止材料は、市販の材料でもよい。封止材料は、例えば、感圧接着剤、ガスケット材料、又は、Ｏリングのような事前形成された封止部でもよい。その結果、封止材料は、いくつかの従来のパウチセルにおいて用いられるいくつかの封止材料と比較して、低コストで封止結合内の封止を形成することができる。
突起７６とポート８６との間の機械的接続（例えば、圧入接続）は、集電装置７０の各要素を組み立てられた構成で保持して、各要素間の電気的接続を生成するための直接的な物理的接触を有する固定具として機能するだけではなく、側面２４と集電プレート７２との間の封止部９０を圧縮するようにも機能する。機械的接続によって生成される圧縮力は、圧縮力を提供する機械的接続を有していないいくつかの壁貫通型の集電装置と比較して、封止部９０の信頼性を有利にも改善する。
第２の集電装置７１は、第２の開口２９に配置される（図３）。第２の集電装置７１の集電プレート７２は、ハウジングの第３の側面２６と電極アセンブリ６０との間に配置され、側面対向面７４がハウジングの第３の側面２６に平行で、第２の開口２９を被覆するように配向されるとともに、突起７６が第２の開口２９を通って延在するように配向される。さらに、第２の集電装置７１の電極対向面７３は、負電極プレート６２の折り曲げられたクリアレーン６５に直接接触し、電気的接続を形成し、一方、側面対向面７４は、セルハウジングの第３の側面２６の内面に当接する。さらに、第２の集電装置７１の端子プレート８２は、セルハウジング２１の外側に配置され、ハウジングの第３の側面２６の外面に当接し、第２の開口２９を被覆する。ハウジング対向面８３がハウジングの第３の側面２６に平行で、第２の開口２９を介して集電プレート７２に対向するように、端子プレート８２は配向される。特に、端子プレート８２は、第２の開口２９を被覆し、この状態では、ポート８６が第２の開口２９に整列配置されており、突起７６がポート８６を通って延在している。その結果、集電プレート７２と端子プレート８２との間に直接的電気的接続が形成される。さらに、突起７６とポート８６との間には、第２の開口２９を囲む封止部９０に圧縮力を加える圧入式の機械的接続が形成される。
それゆえ、第１の集電装置７０及び第２の集電装置７１の両方において、直接的電気的接続は、集電プレート７２と端子プレート８２との間に、突起７６とポート８６との間の直接接触を介して形成される。特に、電気的接続は、溶接なしであり、直接的電気的接続は、開口２８、２９内で形成される。さらに、突起７６とポート８６との間の機械的接続は、側面２４と集電プレート７２との間で封止部９０を圧縮するように機能するので、端子プレート８２の対向面８３と、集電プレート７２の対向面７４との間に電気的接続が形成されることを保証するために外部の力を供給する必要がない。
図９乃至図１１を参照すると、代替実施形態の集電装置２７０は、図６乃至図８に関して上述した集電装置７０に類似し、共通の要素は、共通の参照符号を用いて参照される。集電装置２７０は、図６乃至図８に関して上述したような端子プレート８２と、代替実施形態の集電プレート２７２とを含む。集電プレート２７２は、側面対向面７４に形成された突起２７６を含む。突起２７６は、円形の断面形状を有し、雄ねじ２７８を含む。突起２７６は、側面対向面７４の中央領域に位置し、セルハウジングの側面２４に向かって突出する。突起２７６は、開口２８に対応する位置に設けられる。さらに、突起２７６は、開口２８を通って突出し、端子プレートのポート８６に直接接触し、ポート８６を介して端子プレート８２と電気的接続を形成するように構成される。
集電装置は、雌ねじ２８０を有するナット２７９をさらに含み、ナット２７９は、突起２７６の雄ねじと係合するように形状付与及び寸法形成される。ナット２７９は、端子プレート８２の外向きの対向面８４において突起２７６と係合するように配置され、集電プレート２７２の側面対向面７４を端子プレート８２の方向に引き込んで封止部９０に圧縮力を加えるために、十分に締め付けられる。
上述した実施形態のように、封止部９０は、開口２８、２９周辺の端子プレート８２のハウジング対向面８３に設けられ、気密封止を形成し、電解質がセルハウジング２１から漏れるのを防止する。従って、端子プレート８２と集電プレート２７２との間の電気的接続は、溶接なしの直接的電気的接続である。
集電プレートの突起７６、２７６と端子プレートのポート８６との間の機械的接続は、上述した例示的な実施形態に限定されるものではなく、他の固定具及び／又は他の種類の機械的接続を使用して達成されるものとしてもよい。例えば、機械的な結合方法及び／又は結合装置は、リベット、Ｅリング、Ｃリング等の使用を含むものとするとよい。すべての場合において、集電プレートの突起７６、２７６と端子プレートのポート８６との間の機械的接続は、封止部９０に若干の圧縮力が加えられるように形成される。
図１２を次に参照すると、いくつかの実施形態においては、隣接セル２０ａ、２０ｂの端子プレート８２ａ、８２ｂ間に直接接触及び電気的接続を提供するために、バッテリパックのセル２０に力Ｆを加えるものとしてもよい。いくつかの実施形態においては、力Ｆは、セルハウジング２０に対して外部で生成されるものとしてもよい。図１２は、バッテリパック１を示し、バッテリパック１は、バッテリパック用ハウジング２内の列Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及び行Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５に配置されるセル２０のアレイを含む。隣接セル２０ａ、２０ｂの端子プレート８２ａ、８２ｂ間の電気的接続は、１列のセル２０及び１行のセル２０を圧接することによって生成及び／又は保証される。具体的には、セル列に沿った圧縮力は、弾性部材１３を、列のセル２０とバッテリパック用ハウジング２の容器部３の側壁３ａとの間に設けることによって達成される。例えば、波形バネ１３のような弾性部材は、各列Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の一端又は両端に配置され、隣接セル２０ａ、２０ｂの端子プレート８２ａ、８２ｂ間の電気的接続を確実にすることができる。同様に、波形バネ１３は、各行Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５の一端又は両端に配置され、隣接セル２０ａ、２０ｂの端子プレート８２ａ、８２ｂ間の電気的接続を確実にすることができる。
いくつかの実施形態においては、第１の集電装置７０の集電プレート７２及び端子プレート８２は、第１の導電材料から形成される、又は、第１の導電材料でメッキされ、第１の導電材料は、正電極プレート６１を形成するのに用いられる材料に相当し、例えばアルミニウムである。さらに、第２の集電装置７１の集電プレート７２及び端子プレート８２は、第２の導電材料から形成され、又は、第２の導電材料でメッキされ、第２の導電材料は、負電極プレート６２を形成するのに用いられる材料に相当し、例えば銅である。
図１３を参照すると、第１の集電装置７０及び第２の集電装置７１の集電プレート７２は、対応する正電極プレート６１又は負電極プレート６２の折り曲げられた部分（例えば、クリアレーン６３、６５）に対して押圧されるものとして上述され、溶接なしの電気的接続を形成するが、他の接続構成を用いて、溶接なしの電気的接続を形成するものとしてもよい。例えば、第１の集電装置７０の集電プレート７２は、折り曲げられていない正電極プレート６１の周辺エッジ６１ａへの直接接触を介して電気的に接続されているものとしてもよい。同様に、第２の集電装置７１の集電プレート７２は、折り曲げられていない負電極プレート６２の周辺エッジ６２ｂへの直接接触を介して電気的に接続されているものとしてもよい。このように、第１及び第２の集電装置７０、７１は、電極プレート６１、６２のエッジ面との直接的電気的接続を、溶接なしの圧力接触を介して形成するものとしてもよい。
上述した実施形態は、集電プレート７２、２７２が突起７６、２７６を含み、端子プレート８２がポート８６を含むことを示しているが、いくつかの代替実施形態においては、集電プレート７２、２７２がポートを含むものとしてもよく、また、端子プレート８２が、ポート内に受け入れられる突起を含むものとしてもよいことを理解されたい。
図１４乃至図１６を参照すると、図示の実施形態においては、セルハウジング２１は、側面の１つに形成される第１の開口２８と、この１つの側面に対向する側面に形成される第２の開口２９と、を有するものとして記載される（図１４）。しかしながら、セルハウジング２１は、この構成に限定されるものではない。例えば、いくつかの実施形態においては、セルハウジング２１は、側面の１つに形成される第１の開口２８と、この１つの側面に隣接する側面に形成される第２の開口２９と、を含むものとするとよい（図１５）。他の実施形態においては、セルハウジング２１は、側面の１つに形成される第１の開口２８と、同一の側面に形成される第２の開口２９と、を含むものとするとよい（図１６）。さらに他の実施形態においては、セルハウジング２１は、２つの第１の開口２８及び２つの第２の開口２９を含むものとしてもよく、１つの第１の開口２８は、対向側面の各々に配置され、１つの第２の開口は、対向側面に隣接する側面の各々に配置される。
本願明細書においては、電極アセンブリ６０は、積層された一連のプレート６１、６２を含む「積層された」電極アセンブリとして記載されるが、電極アセンブリ６０は、この構成に限定されるものではない。例えば、いくつかの実施形態においては、電極アセンブリ６０は、巻回電極アセンブリ（例えば、ゼリーロールアセンブリ）、折り曲げられた電極アセンブリ（即ち、Ｚ折りアセンブリ）又は他の電極配置を含むものとしてもよい。
図示の実施形態においては、パウチタイプのセルハウジング２１は、金属積層ポリマーフィルムシートの２つのブランクのアセンブリであり、各ブランクは、折り曲げられ、開放型ボックスの形状を形成する。しかしながら、パウチタイプのセルハウジングは、この構成に限定されるものではない。例えば、いくつかの実施形態においては、パウチタイプのセルハウジングは、金属積層ポリマーフィルムのシートから形成されていてもよく、このシートが、電極アセンブリを受け入れる凹部を形成するために引き込まれ、閉じられたパウチを形成するために折り曲げられて、封止される。
セル２０は、立方体形状のセルハウジング２１を有するが、セルハウジング２１は、立方体形状に限定されるものではない。例えば、セルハウジング２１は、直方体形状でもよい（図４）。他の例においては、セルハウジング２１は、他の多角形の形状を有し、最密充填、例えば六角形に配置される側面を有する８面構造（図示せず）を可能にするものとしてもよい。
いくつかの実施形態においては、セル２０は、パウチタイプのセルハウジングを有さず、その代わりに代替タイプのセルハウジングを有する。１つの例においては、セル２０は、剛性のプラスチックハウジングを有しているものとしてもよい。他の例においては、セル２０は、金属角柱形ハウジングのような金属ハウジングを有しているものとしてもよい。この場合には、金属ハウジングは、電極アセンブリ及び集電装置７０、７１から電気的に絶縁されているものとしてもよい。
さらに、セル２０は、リチウムイオン・バッテリであることに限定されるものではない。例えば、セル２０は、アルミニウムイオン、アルカリ、ニッケル・カドミウム、ニッケル水素又は他のタイプのセルでもよい。
セルを含むバッテリシステムの選択的な例示的実施形態は、ある程度詳細に上述されている。本願明細書においては、これらの装置を明らかにするために必要とみなされる構造のみが記載されてきたことを理解されたい。他の従来の構造並びにバッテリシステムの付属的及び補助的な構成要素の構造は、周知であり、当業者によって理解されるとみなされる。さらに、バッテリシステム及びバッテリセルの実施例が上述されてきたが、バッテリシステム及び／又はバッテリセルは、上述した実施例に限定されるものではなく、種々の設計変更は、請求項にて特定される装置から逸脱しない範囲で実施されるものとするとよい。

Claims (20)

  1. セルハウジングと、前記セルハウジング内に配置された電極アセンブリと、集電装置とを含む電気化学セルであって、
    前記セルハウジングは、フレキシブルシートから形成され、前記セルハウジングは、第１のハウジング部と、封止結合に沿って前記第１のハウジング部に結合された第２のハウジング部とを有することにより、パウチを形成し、
    前記第１のハウジング部は、ベースと、前記ベースの外周から突出して前記ベースを囲む側壁とを備えることにより、開放型容器を形成し、
    前記電極アセンブリは、交互の正電極部及び負電極部を含み、前記正電極部及び前記負電極部は、少なくとも１つの分離プレートによって分離され、かつ、積層軸に沿って積層され、
    前記積層軸は、前記ベースに垂直な方向に延在し、
    前記集電装置は、前記正電極部及び前記負電極部の一方に電気的に接続され、前記セルハウジングの側壁に形成された開口を介して前記セルハウジングから出て、
    前記開口は、前記封止結合から離間する位置であって、前記積層軸に対向する位置に配置され、
    前記集電装置は、
    前記側壁と前記正電極部及び前記負電極部の前記一方との間に配置され、前記正電極部及び前記負電極部の前記一方に電気的に接続され、前記側壁に平行に配向され、前記開口を被覆する集電プレートであって、当該集電プレートの側壁対向面から突出して前記開口を通って延在する突起を含む集電プレートと、
    前記開口を囲み、前記側壁と前記集電プレートとの間に配置された封止部と、
    前記側壁に平行に配向され、前記開口を被覆し、前記セルハウジングの外側に配置された端子プレートであって、前記開口を被覆し、前記突起を受け入れるポートを含む端子プレートと、
    を含み、
    前記集電プレートとの電気的接続を形成するために、前記端子プレートの前記ポートが前記集電プレートの前記突起に直接接触するように、かつ、前記側壁と前記集電プレートとの間で前記封止部が圧縮されるように、前記ポートは、前記突起と係合するように構成される、
    電気化学セル。
  2. 前記突起は、前記封止部と、前記開口と、前記ポートとを通って延在し、
    前記突起が前記ポート内に保持されるように、前記突起の終端に固定具が配置される、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 前記突起の外面には、ねじが切られており、
    前記集電装置は、前記突起の終端に配置されるナットを備え、
    前記ナットの雌ねじが、前記突起の外面に設けられたねじ山と係合し、
    前記ナットは、前記封止部に圧縮力が生成されるように前記突起と協働する、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  4. 前記突起の外面は、圧入時に前記突起が前記ポートと係合することを可能にする形状及び寸法を有する、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  5. 前記正電極部及び前記負電極部の他方に電気的に接続され、前記セルハウジングに形成された第２の開口を介して前記セルハウジングから出る第２の集電装置をさらに備える、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  6. 前記セルハウジングは、第１の端面、対向する第２の端面、及び、前記第１の端面と前記第２の端面との間に延在する４つの側面を含む直方体であり、
    前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、前記４つの側面のうちの他の側面に形成される、
    請求項５に記載の電気化学セル。
  7. 前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、前記４つの側面のうちの前記１つに対向する側面に形成される、
    請求項６に記載の電気化学セル。
  8. 前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、前記４つの側面のうちの前記１つに隣接する側面に形成される、
    請求項６に記載の電気化学セル。
  9. 前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、同一の側面に形成される、
    請求項６に記載の電気化学セル。
  10. 前記端子プレート及び前記集電プレートの各々は、第１の側面及び対向する第２の側面を備え、前記第１の側面及び前記第２の側面の各々は、略平面状であり、表面特徴を有さない、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  11. 複数の電気化学セルを備えるバッテリパックであって、
    前記複数の電気化学セルの各々は、セルハウジングと、前記セルハウジング内に配置された電極アセンブリと、集電装置と、を含み、
    前記セルハウジングは、フレキシブルシートから形成され、前記セルハウジングは、第１のハウジング部と、封止結合に沿って前記第１のハウジング部に結合された第２のハウジング部とを有することにより、パウチを形成し、
    前記第１のハウジング部は、ベースと、前記ベースの外周から突出して前記ベースを囲む側壁とを備えることにより、開放型容器を形成し、
    前記電極アセンブリは、交互の正電極部及び負電極部を含み、前記正電極部及び前記負電極部は、少なくとも１つの分離プレートによって分離され、かつ、積層軸に沿って積層され、
    前記積層軸は、前記ベースに垂直な方向に延在し、
    前記集電装置は、前記正電極部及び前記負電極部の一方に電気的に接続され、前記セルハウジングの側壁に形成された開口を介して前記セルハウジングから出て、
    前記開口は、前記封止結合から離間する位置であって、前記積層軸に対向する位置に配置され、
    前記集電装置は、
    前記側壁と前記正電極部及び前記負電極部の前記一方との間に配置され、前記正電極部及び前記負電極部の前記一方に電気的に接続され、前記側壁に平行に配向され、前記開口を被覆する集電プレートであって、当該集電プレートの側壁対向面から突出して前記開口を通って延在する突起を含む集電プレートと、
    前記開口を囲み、前記側壁と前記集電プレートとの間に配置された封止部と、
    前記側壁に平行に配向され、前記開口を被覆し、前記セルハウジングの外側に配置された端子プレートであって、前記開口を被覆し、前記突起を受け入れるポートを含む端子プレートと、
    を含み、
    前記集電プレートとの電気的接続を形成するために、前記端子プレートの前記ポートが前記集電プレートの前記突起に直接接触するように、かつ、前記側壁と前記集電プレートとの間で前記封止部が圧縮されるように、前記ポートは、前記突起と係合するように構成され、
    前記複数の電気化学セルのうちの１つの電気化学セルの前記集電装置の一部は、隣接する電気化学セルの集電装置の一部に直接接触して電気的接続を形成する、
    バッテリパック。
  12. 前記突起は、前記封止部と、前記開口と、前記ポートとを通って延在し、
    前記突起が前記ポート内に保持されるように、前記突起の終端に固定具が配置される、
    請求項１１に記載のバッテリパック。
  13. 前記突起の外面には、ねじが切られており、
    前記集電装置は、前記突起の終端に配置されるナットを備え、
    前記ナットの雌ねじが、前記突起の外面に設けられたねじ山と係合し、
    前記ナットは、前記封止部に圧縮力が生成されるように前記突起と協働する、
    請求項１１に記載のバッテリパック。
  14. 前記突起の外面は、圧入時に前記突起が前記ポートと係合することを可能にする形状及び寸法を有する、
    請求項１１に記載のバッテリパック。
  15. 前記正電極部及び前記負電極部の他方に電気的に接続され、前記セルハウジングに形成された第２の開口を介して前記セルハウジングから出る第２の集電装置をさらに備える、
    請求項１１に記載のバッテリパック。
  16. 前記セルハウジングは、第１の端面、対向する第２の端面、及び、前記第１の端面と前記第２の端面との間に延在する４つの側面を含む直方体であり、
    前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、前記４つの側面のうちの他の側面に形成される、
    請求項１５に記載のバッテリパック。
  17. 前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、前記４つの側面のうちの前記１つに対向する側面に形成される、
    請求項１６に記載のバッテリパック。
  18. 前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、前記４つの側面のうちの前記１つに隣接する側面に形成される、
    請求項１６に記載のバッテリパック。
  19. 前記第１の開口は、前記４つの側面のうちの１つに形成され、前記第２の開口は、同一の側面に形成される、
    請求項１６に記載のバッテリパック。
  20. 前記端子プレート及び前記集電プレートの各々は、第１の側面及び対向する第２の側面を備え、前記第１の側面及び前記第２の側面の各々は、略平面状であり、表面特徴を有さない、
    請求項１１に記載のバッテリパック。
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