JP7007297B2 - 加圧式リチウム金属ポリマバッテリ - Google Patents
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Description
本発明は、ある温度で動作するリチウム金属ポリマバッテリに関し、より具体的には、バッテリの電気化学セルが加圧された状態を維持するための機械的システムを有しないリチウム金属ポリマバッテリに関する。
リチウム金属ポリマバッテリは、典型的には、電気自動車で使用するため、電話通信局、データセンタなどの配管網の停電が許されないアプリケーションへの連続性を確保するバックアップのために固定アプリケーションに使用するため、または、工業用または居住用の建物にピークシェービングの目的で代替電源を提供するために、20kWh以上の大型バッテリとして構築されている。
リチウム金属ポリマバッテリは、薄層から構成された１つ以上の基本的な電気化学セル積層体からなり、各積層体は、リチウムまたはリチウム合金の金属シート層で作られたアノードまたは負極と、金属集電体に広がったポリマ塩バインダ内の電気活性な活物質で作られたカソードまたは正極のフィルム層と、正極と負極を分離して電極間のイオン伝導性を与える、ポリマとリチウム塩との混合物の薄層を備える固体電解質と、を含む。より具体的には、正極は、電気化学活物質粒子と、電子導電性添加剤と、固体ポリマ電解質と、からなり、固体ポリマ電解質は、バインダとして機能し、電気化学活性粒子と隣接する固体電解質セパレータとの間の必要なイオン経路（ionic path）を提供する。
電気化学セル積層体の層を圧縮状態に維持することによって、リチウム金属ポリマバッテリの性能および耐用年数が大幅に改善されることは十分に確立されている。圧縮状態において、様々な界面でのイオン移動が改善され、リチウム金属シートの表面上の潜在的な樹枝状結晶成長が著しく低下する。隣接するセル間の強制的な接触が維持されるとき、電気化学セルのスタックの熱伝導特性も著しく改善される。改善された性能および耐用年数は、バッテリサイクル（充電－放電）を通して、積層体の対向する表面に圧縮力を加える一連のばね式要素を備える機械的圧力システムを用いて、積層体に加わる圧力を維持することによって達成されてきた。
リチウム金属ポリマバッテリの設計に機械的圧力システムを含める必要性は、このようなバッテリの構成を複数の積層体からなる角形レイアウトに制限し、複数の積層体を順にスタックして角形電気化学セルを形成し、複数の角形電気化学セルを順にスタックして、大型バッテリを形成する。さもなければ、リチウム金属ポリマバッテリは、単一の積層体で作ることができ、単一の積層体は、螺旋状に巻かれて円筒形バッテリを形成するか、またはフラットに巻かれてフラットな巻回（wound）角形バッテリを形成するが、機械的圧力システムは、もっとはるかに複雑であり、円筒形または半円筒形容器または筐体内に組み立てることが困難であるだろう。
リチウム金属ポリマ電気化学セルの充電サイクルおよび放電サイクルに周期的な体積変化が起こるので、機械的圧力システムは、ばね式機構を必要とする。電気化学セルの体積は、リチウム金属アノードと、カソード材料の格子構造との間でリチウムイオンが移動することに起因して、充電サイクルおよび放電サイクルそれぞれの間に膨張および収縮する。充電サイクルの間に、リチウムイオンは、カソード材料の格子構造の外に移動し、アノードのリチウム金属シートの表面にめっきされ、それによって、アノードの厚さを増加させ、その結果、アノードの体積を８％も増加させる。放電サイクルにおいて、アノードのリチウム金属シートの表面にめっきされたリチウムイオンがもとのカソードに移動し、もとのカソード材料の格子構造内に挿入され、それによってアノードの厚さを減少させ、アノードの体積を同じ８％減少させる。
リチウム金属ポリマバッテリは、この技術を極めて安全なものにする固体ポリマ電解質を使用する。しかしながら、最適なイオン伝導性、ひいては最適な性能を得るためには、電気化学セルを６０℃～８０℃の温度まで加熱しなければならない。したがって、リチウム金属ポリマバッテリは、バッテリを約４０℃の公称温度で維持し、動作時に電気化学セルの温度を６０℃～８０℃の間まで急上昇させるための加熱システムを含む。電気化学セルの温度の上昇によっても、セルの体積がさらに３％熱膨張する。
スタック構成内に多数の薄膜電気化学セルを備えるモジュールまたはバッテリにおいて、イオン移動および熱膨張に起因する体積変化が複合化され、それによって、全体的な体積変化が顕著であり、対応しなければならない。
一群の電気化学セルの充電サイクリングおよび放電サイクリングに起因する電気化学セルの体積におけるこれらの複合的な変化に対応するために、充電／放電サイクリングの間の体積膨張および体積減少を通して、電気化学セルのスタックに加わる均等に分配された圧力を維持しながら、これらの大きな体積変化を緩和するように、容器または筐体の壁に隣接するばね式要素を備える能動的な機械的圧力システムが、典型的に使用されている。大型バッテリ用途では、能動的な機械的圧力システムは、典型的には、複数の金属ばねからなり、複数の金属ばねは、金属プレートに対して圧力を加え、体積膨張および体積減少を通して、必要な圧縮力を生じさせることができ、また、隣接する電気化学セル間に配置されたばねインサートをセルのスタック内に含むことができ、セルのスタック内の圧縮力の分散を強化することができる。
上述したような能動的な機械的圧力システムは、嵩高く、当初の段階からリチウム金属ポリマバッテリのエネルギー密度（Ｗ／Ｋｇ）を減少させる重量ペナルティ（weight penalty）を示す。さらには、上述したように、機械的圧力システムは、リチウム金属ポリマバッテリの構成を角形レイアウトに制限し、さもなければ、リチウム金属ポリマバッテリは、円筒形構成またはフラットな巻回角形構成を有することができる。
したがって、バッテリの電気化学セルを加圧された状態に維持するための機械的圧力システムを有しない状態で設計され、組み立てられたリチウム金属ポリマバッテリが必要とされている。
本発明の目的は、従来技術に存在する不都合の少なくとも一部を改善することである。
１つの態様において、本発明は、剛性筐体と、少なくとも１つの電気化学セルと、を備えるリチウム金属ポリマバッテリであって、能動的な機械的圧力システムを有しない状態で組み立てられている、バッテリを提供する。
本発明の実施形態は、それぞれ上記の目的および／または態様の少なくとも１つを有するが、必ずしもそれらの全てを有する必要はない。上記の目的を達成しようと試みた結果として生じた本発明のいくつかの態様は、これらの目的を満足しない場合があり、および／または本明細書で特に記載しない他の目的を満たす場合があることを理解すべきである。
本発明の実施形態の追加の、および/または代替の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明、ならびに本発明の他の態様、およびさらなる特徴のより良い理解のために、添付図面と併せて使用される以下の説明が参照される。
図１は、順にスタックされている２つの基本的な二面（bi-face）リチウム金属ポリマ積層体１０および１０ａを概略的に図示している。各々の基本的な積層体１０は、中心金属集電体１８と、中心金属集電体１８の両面に広がったポリマ－塩バインダ中の電気化学活物質からなるカソードまたは正極の層１６と、カソードの各層１６上の固体ポリマ電解質の薄層１４と、固体ポリマ電解質の２つの層１４のうちの１層上に配置されたリチウムまたはリチウム合金の金属シートからなるアノードまたは負極１２と、を備える。基本的な二面リチウム金属ポリマ積層体１０および１０ａは、第１の積層体１０のリチウム金属アノード１２が第２の積層体１０ａの固体ポリマ電解質の層１４と接触するようにスタックされ、それによって、リチウム金属アノード１２の両面はイオン過程において活性である。固体ポリマ電解質の各層１４は、カソード層１６をリチウム金属アノード１２から分離し、負極１２と正極１６との間にイオン伝導性を与える。複数の基本的な二面リチウム金属ポリマ積層体１０および１０ａが、順にスタックされて電気化学セル２２を形成している。
従来、リチウム金属ポリマバッテリのカソード１６の電気化学活物質は、バナジウム酸化物（Ｖ２０５またはＶ３０８）からなった。積層体、電気化学セルおよびバッテリが製造され、組み立てられるとき、これらの電気化学活物質から、最初にリチウムイオンが失われ、リチウムイオン源はリチウム金属アノードである。したがって、基本的な二面リチウム金属ポリマ積層体１０は、初めて組み立てられたときに、初めは完全に充電されており、それ故に、前述したようにその最大体積にある。したがって、カソードの電気化学活物質としてのバナジウム酸化物を含む電気化学セルおよびバッテリは、それらの最大体積で剛性筐体内に組み立てられ、設置され、リチウムイオンがリチウム金属シートの表面からカソード材料の格子構造内に移動するにつれて、放電サイクルで電気化学セルの体積がその最小体積まで減少する。したがって、機械的圧力システムは、リチウム金属バッテリの最初の放電サイクルにおける電気化学セルの体積の減少を補償しながら、電気化学セルが加圧された状態を維持するのに極めて重要である。
しかしながら、Ｌｉイオンバッテリに一般的に含まれる他のカソードの電気化学活物質は、リチウム金属アノードと組み合わされて、ＬｉＭＰＯ４（Ｍ：Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびその組み合わせ）などのオリビン格子構造（olivine lattice structures）、ＬｉＭｎ２Ｏ４および変異体（variants）（ＬＭＯ）などのスピネル構造（spinel structures）、および層状構造のＬｉＣｏＯ２、ＮＣＡおよびＮＭＣを有するカソードの電気化学活物質などのリチウム金属ポリマバッテリを形成することができ、これらはリチウム化された（放電）状態に調製される。これらの材料は、バナジウムベースの材料より毒性が低く、より環境に優しく、より安全なカソード材料として浮上している。カソード材料としてオリビン型、スピネル型または層状型の活物質を含むリチウム金属ポリマバッテリは、優れた性能および耐用年数を得るために、依然として圧縮状態に維持される必要があり、それ故に依然として機械的圧力システムを必要とする。
上記のようなオリビン構造、スピネル構造または層状構造を備えるカソード材料は、それらの格子構造に挿入されたリチウムイオンで最初に充填され、その結果、組み立てられた電気化学セルおよびバッテリのリチウムイオンの最初の供給源である。したがって、リチウム金属アノードは、リチウムイオンの最初の供給源ではないので、リチウム金属アノードはより薄く作られることができ、このようなバッテリの最初のサイクルは、充電サイクルであり、充電サイクルは、リチウムイオンが材料の格子構造の外に移動して、アノードのリチウム金属シートの表面にめっきされ、それによってリチウム金属アノードの厚さを増加させ、その結果、リチウム金属アノードの体積を増加させる。
オリビン型構造、スピネル型構造または層状型構造の電気化学活物質を有するカソードを備えるリチウム金属ポリマバッテリは、依然として、電気化学セルを圧縮された状態に維持するため、および充電および放電の間の電気化学セルの体積変化を補償するためのばね式要素を備える、嵩高く、能動的な機械的圧力システムを有する剛性筐体内に組み立てられている。
しかしながら、オリビン型構造、スピネル型構造または層状型構造の電気化学活物質を有するカソードで作られた積層体および電気化学セルが放電状態にあり、その結果、前述したようにその最小体積にあるという事実をうまく利用することにより、バッテリのエネルギー密度（Ｗ／Ｋｇ）を低下させる重量ペナルティを示し、またリチウム金属ポリマバッテリの構成を角形レイアウトに制限する、この嵩高く能動的な機械的圧力システムを、リチウム金属ポリマバッテリから排除することができることが発見された。積層体および電気化学セルの体積は、積層体および電気化学セルが、剛性筐体を含むバッテリ内に組み立てられると、最初の充電サイクルで膨張するだろう。
図２は、複数の角形電気化学セル２２を備えるリチウム金属ポリマバッテリ２０を概略的に図示し、複数の角形電気化学セル２２は順にスタックされた状態で剛性筐体２４内に挿入され、適用要件に応じて直列または並列で共に電気的に接続されている。図示したように、バッテリは能動的な機械的圧力システムを特徴としていない。放電状態にあり、その結果、その最小体積にある角形電気化学セル２２のスタックは、剛性筐体内に直接挿入され、図示したように、一番上の角形電気化学セル２６および一番下の角形電気化学セル２８の広い面は、高剛性筐体２４の上部壁３０および下部壁３２に直接当接している。
最初は、角形電気化学セル２２のスタックに加わる機械的圧力は、ほとんどゼロである。角形電気化学セル２２のスタックは、剛性筐体２４内に挿入される前に、挿入しやすくするためにわずかに圧縮され得、それによって、角形電気化学セル２２のスタックに加わる圧縮力が解放されるときに、角形電気化学セル２２のスタックがその初期体積に戻り、わずかに膨張して高剛性筐体２４の上部壁３０および下部壁３２に当接し、角形電気化学セル２２のスタックに対する上部壁３０および下部壁３２の抵抗の機械的圧力は、ゼロを超えるだろう。
角形電気化学セル２２のスタックが剛性筐体２４内に挿入されると、剛性筐体２４は密封されて、リチウム金属ポリマバッテリ２０が完成する。バッテリ２０は、６０℃～８０℃の間のバッテリ２０の動作温度に達するように、最初に、加熱システム（図示せず）によって加熱される。最初の加熱段階の間に、角形電気化学セル２２のスタックは、角形電気化学セル２２のスタックの熱膨張に抵抗する上部壁３０および下部壁３２の機械的圧力が、約２０～１００ｐｓｉの初期動作圧力まで上昇するという効果を伴って、その体積が約３％増加する、最初の熱膨張を経る。角形電気化学セル２２のスタックの熱膨張によって引き起こされる初期機械的圧力は、初期機械的圧力の下で各電気化学セル２２の個々の積層体１０それぞれのポリマが軟化し、沈降するにつれて最終的に減少することに留意すべきである。
リチウム金属ポリマバッテリ２０の動作温度に達すると、新しいバッテリ２０を完全に充電するために第１の充電サイクルが開始される。充電サイクルの全体を通して、カソードの電気化学活物質の格子構造の内部に貯蔵されたリチウムイオンは、カソードの格子構造の外に移動して、アノードのリチウム金属シートの表面にめっきされ、それによってリチウム金属アノードの厚さを増加させ、その結果、各角形電気化学セル２２の各積層体１０の体積をさらに５％膨張させて、それにより、充電の間に、リチウムイオンがアノードのリチウム金属シートにめっきされることによって引き起こされる体積膨張に高剛性筐体２４が抵抗するにつれて、高剛性筐体２４の上部壁３０および下部壁３２によって角形電気化学セル２２のスタックにかかる機械的圧力がさらに上昇する。バッテリ２０が完全に充電されるとき、角形電気化学セル２２のスタックに加わる機械的圧力は、４００～８００ｐｓｉの最大動作圧力に達する。
４００ｐｓｉ付近の機械的圧力は、リチウム金属ポリマバッテリの性能および耐用年数を改善する、必要な圧縮状態に電気化学セル２２のスタックにおける各電気化学セル２２の各積層体１０を維持するのに十分過ぎるものである。前述したように、圧縮状態において、積層体１０の様々な界面でのイオン移動が改善され、リチウム金属シート１２の表面上の潜在的な樹枝状結晶成長が著しく低下する。
したがって、リチウム金属ポリマバッテリ２０の改善された性能および耐用年数は、電気化学セル２２のスタックに圧縮力を加える一連のばね式要素を備える、嵩高く、能動的な機械的圧力システムを使用しなくても達成される。代わりに、圧縮力は、充電サイクルを通した電気化学セル２２のスタックの体積膨張に対する、剛性筐体２４の壁３０および壁３２の抵抗によってもたらされる。
リチウム金属ポリマバッテリ２０の新しい設計は、従来の嵩高く、能動的な機械圧力システムを取り除くために、オリビン型構造、スピネル型構造または層状型構造の電気化学活物質を有するカソードで作られた積層体および電気化学セルが最初は放電状態にあり、その結果、その最小体積にある、という特性をうまく利用し、充電サイクルの間の電気化学セル２２のスタックの体積膨張をうまく利用して、電気化学セル２２のスタックの体積膨張に対する剛性筐体２４の壁３０および壁３２の機械的抵抗により必要な圧縮力を生じさせる。
理論的には、リチウム金属ポリマバッテリ２０の放電サイクルおよび充電サイクルの間に、電気化学セル２２のスタックに加えられる圧力は、放電サイクルの開始時の最大動作圧力から放電サイクルの終了時の初期動作圧力の間、および充電サイクルの開始時のほぼゼロの圧力から充電サイクルの終了時の最大動作圧力まで変動する。動作中、リチウム金属ポリマバッテリ２０は、ほとんど完全な放電状態にはなく、それによって、剛性筐体２４の壁によって電気化学セル２２のスタックに加えられた圧力は決してゼロではないが、代わりに、放電サイクルの開始時の最大動作圧力から放電サイクルの終了時のゼロではない最小圧力の間、および充電サイクルの開始時の最小圧力から充電サイクルの終了時の最大動作圧力まで変動し、それによって、電気化学セル２２は、充電サイクルおよび放電サイクルを通して圧縮力が加えられた状態にあり、電気化学セル２２の化学的構造（chemistry）は常に加圧された状態にある。
剛性筐体２４の上部壁３０および下部壁３２によって電気化学セル２２のスタックにかかる最大圧力を制御するために、硬質発泡体層または硬質ゴム層などの弾性材料の層が、上部壁３０と第１の角形電気化学セル２６との間、および下部壁３２と一番下の角形電気化学セル２８との間に配置され得る。弾性材料の層は、所定の最大圧力で降伏するように設計され、それによって、剛性筐体２４の構造的完全性および角形電気化学セル２２の完全性を維持するために最大機械的圧力が制限される。
嵩高く、能動的な機械的圧力システムを排除することにより、リチウム金属ポリマバッテリのエネルギー密度（Ｗ／Ｋｇ）を当初の段階から減少させた重量ペナルティが取り除かれ、リチウム金属ポリマバッテリ２０は、従来技術のリチウム金属ポリマバッテリよりも高いエネルギー密度を有する。
さらには、加圧された状態でリチウム金属ポリマバッテリを維持するための能動的な機械的圧力システムを有する必要性を排除することは、角形レイアウト以外、例えば円筒形構成またはフラットな巻回角形構成などの新しい構成のリチウム金属ポリマバッテリの可能性を開いた。
図３は、単一の基本的な積層体１０を備える円筒形リチウム金属ポリマバッテリ４０を概略的に図示し、単一の基本的な積層体１０は中心柱４４の周りに螺旋状のロールになるように複数回巻かれて円筒形電気化学セル４２を形成している。単一の基本的な積層体１０の長さは、円筒形電気化学セル４２の容量を規定する螺旋状のロール内の層数または巻き数を規定する。円筒形電気化学セル４２は、初めに巻かれて、次いで剛性キャニスタ４６内に挿入される。図示したように、バッテリは能動的な機械的圧力システムを特徴としていない。放電状態にあり、その結果、その最小体積にある円筒形電気化学セル４２は、剛性キャニスタ４６内に直接挿入され、螺旋状のロールの外面は、剛性キャニスタ４６の内部壁に直接当接している。
最初は、円筒形電気化学セル４２に加わる機械的圧力は、ほとんどゼロである。しかしながら、円筒形電気化学セル４２は、剛性キャニスタ４６内に挿入される前に、挿入しやすくするためにわずかに圧縮され得、それによって、円筒形電気化学セル４２に加わる圧縮力が解放されるときに、円筒形電気化学セル４２はその初期体積に戻り、わずかに膨張して剛性キャニスタ４６の内部壁に当接し、円筒形電気化学セル４２に対する内部壁の抵抗の機械的圧力は、ゼロではないだろう。
円筒形電気化学セル４２が剛性キャニスタ４６内に挿入されると、剛性キャニスタ４６は、リチウム金属アノード１２と電気的に接続され、負バッテリポール（negative battery poll）として機能する第１の金属プレート５０、および集電体１８と電気的に接続され、正バッテリポール（positive battery poll）として機能する第２の金属プレート５２と密封されている。円筒形リチウム金属ポリマバッテリ４０は、６０℃～８０℃の間のバッテリ４０の動作温度に達するために、最初に、加熱システム（図示せず）によって加熱される。最初の加熱段階の間に、円筒形電気化学セル４２は、その体積が約３％増加する最初の熱膨張を経るとともに、円筒形電気化学セル４２の熱膨張に抵抗する高剛性キャニスタ４６の内部壁の機械的圧力が初期動作圧力まで上昇するという結果になる。図２を参照して前述したように、円筒形電気化学セル４２の熱膨張によって引き起こされる初期機械的圧力は、積層体１０のポリマが初期機械的圧力下で軟化し、沈降するにつれて最終的に減少するだろう。
円筒形リチウム金属ポリマバッテリ４０の動作温度に達すると、新しいバッテリ４０を完全に充電するために第１の充電サイクルが開始される。充電サイクル全体を通して、カソードの電気化学活物質の格子構造の内部に貯蔵されたリチウムイオンは、カソードの格子構造の外に移動して、アノードのリチウム金属シートの表面にめっきされ、それによってリチウム金属アノードの厚さを増加させ、その結果、円筒形電気化学セル４２の巻き（rolled）積層体１０の体積をさらに５％膨張させ、それにより、充電の間に、リチウムイオンがアノードのリチウム金属シートにめっきされることによって引き起こされる体積膨張に剛性キャニスタが抵抗するにつれて、高剛性キャニスタ４６の内部壁によって円筒形電気化学セル４２にかかる機械的圧力がさらに上昇する。バッテリ４０が完全に充電されるとき、円筒形電気化学セル４２に加わる機械的圧力は、最大動作圧力に達する。
４００～８００ｐｓｉの間であり得る最大動作圧力は、リチウム金属ポリマバッテリの性能および耐用年数を改善する、必要な圧縮状態に円筒形電気化学セル４２の巻き積層体１０を維持するのに十分過ぎるものである。前述したように、圧縮状態において、積層体１０の様々な界面でのイオン移動が改善され、リチウム金属シート１２の表面上の潜在的な樹枝状結晶成長が著しく低下する。
リチウム金属ポリマバッテリ２０を参照して前述したように、剛性キャニスタ４６の内部壁によって円筒形電気化学セル４２にかかる最大圧力を制御するために、硬質発泡体層または硬質ゴム層などの弾性材料の層を剛性キャニスタ４６の内部壁と、円筒形電気化学セル４２との間に配置することができ、および／または中心柱４４として弾性コアを用いることができる。弾性材料の層は、所定の最大圧力で降伏するように設計され、それによって、剛性キャニスタ４６の構造的完全性および円筒形電気化学セル４２の完全性を維持するために最大機械的圧力が制限される。
オリビン構造、スピネル型構造または層状構造の電気化学活物質を有するカソードで作られた積層体および電気化学セルが、最初は放電状態にあり、その結果、その最小体積にあるという特性は、円筒形構成を有するリチウム金属ポリマバッテリを組み立てることを可能にする。これは、必要な圧縮力が、充電サイクルの間の円筒形電気化学セル４２の体積膨張に対する剛性キャニスタ４６の内部壁の機械的抵抗によって生じ、能動的な機械的圧力システムがもはや必要ないからである。
したがって、円筒形リチウム金属ポリマバッテリ４０の改善された性能および耐用年数は、一連のばね式要素を備える、嵩高く、能動的な機械的圧力システムを使用しなくても達成される。代わりに、圧縮力は、円筒形電気化学セル４２の体積膨張に対する、剛性キャニスタ４６の内壁の機械的抵抗によってもたらされる。
図４は、一対のフラットな巻回（wound）角形電気化学セル６２を備えるリチウム金属ポリマバッテリ６０を概略的に図示している。各々のフラットな巻回角形電気化学セル６２は、単一の基本的な積層体１０で作られ、単一の基本的な積層体１０はフラットなロールになるように複数回巻回されてフラットな巻回角形電気化学セル６２を形成している。単一の基本的な積層体１０の長さは、フラットな巻回角形電気化学セル６２の容量を規定するフラットなロール内の層数を規定する。フラットな巻回角形電気化学セル６２は、初めにフラットに巻かれて、次いで、順にスタックされる。スタックされたフラットな巻回角形電気化学セル６２は、剛性筐体６４内に挿入される。図示したように、バッテリ６０は、能動的な機械的圧力システムを特徴としていない。放電状態にあり、その結果、その最小体積にあるフラットな巻回角形電気化学セル６２は、剛性筐体６４に直接挿入され、スタックされたフラットな巻回角形電気化学セル６２の外面は、剛性筐体６４の内部壁に直接当接している。
リチウム金属ポリマバッテリ２０およびリチウム金属ポリマバッテリ４０を参照して前述したように、最初は、スタックされたフラットな巻回角形電気化学セル６２に加わる機械的圧力は、ほとんどゼロである。しかしながら、スタックされたフラットな巻回角形電気化学セル６２は、剛性筐体６４内に挿入される前に、挿入しやすくするためにわずかに圧縮され得、それによって、スタックされたフラットな巻回角形電気化学セル６２に加わる圧縮力が解放されるときに、フラットな巻回角形電気化学セル６２がその初期体積に戻り、わずかに膨張して剛性筐体６４の内部壁に当接し、フラットな巻回角形電気化学セル６２のスタックに対する内部壁の抵抗の機械的圧力は、ゼロを超えるだろう。
フラットな巻回角形電気化学セル６２のスタックが剛性筐体６４内に挿入されると、剛性筐体６４は密封される。フラットな巻回角形電気化学セル６２は、６０℃～８０℃の間の電気化学セル６２の動作温度に達するように、最初に、加熱システム（図示せず）によって加熱される。最初の加熱段階の間に、フラットな巻回角形電気化学セル６２は、フラットな巻回角形電気化学セル６２の熱膨張に抵抗する剛性筐体６４の上方および下方の内部壁の機械的圧力が、初期動作圧力まで上昇するという効果を伴って、その体積が約３％増加する最初の熱膨張を経る。図２および図３を参照して前述したように、フラットな巻回角形電気化学セル６２の熱膨張によって引き起こされる初期機械的圧力は、初期機械的圧力下で積層体１０のポリマが軟化し、沈降するにつれて最終的には減少するだろう。
フラットな巻回角形リチウム金属ポリマバッテリ６０の動作温度に達すると、新しいバッテリ６０を完全に充電するために第１の充電サイクルが開始される。充電サイクル全体を通して、カソードの電気化学活物質の格子構造の内部に貯蔵されたリチウムイオンは、カソードの格子構造の外に移動して、アノードのリチウム金属シートの表面にめっきされ、それによってリチウム金属アノードの厚さを増加させ、その結果、フラットな巻回角形電気化学セル６２の積層体１０の体積をさらに５％膨張させて、それにより、充電の間に、リチウムイオンがアノードのリチウム金属シートにめっきされることによって引き起こされる体積膨張に剛性筐体が抵抗するにつれて、剛性筐体６４の上部壁および下部壁によってフラットな巻回角形電気化学セル６２にかかる機械的圧力がさらに上昇する。バッテリ６０が完全に充電されるとき、フラットな巻回角形電気化学セル６２に加わる機械的圧力は、最大動作圧力に達する。
前述したように、４００～８００ｐｓｉの間であり得る最大動作圧力は、リチウム金属ポリマバッテリの性能および耐用年数を改善する、必要な圧縮状態にフラットな巻回角形電気化学セル６２の積層体１０を維持するのに十分過ぎるものである。前述したように、圧縮状態において、積層体１０の様々な界面でのイオン移動が改善され、リチウム金属シート１２の表面上の潜在的な樹枝状結晶成長が著しく低下する。
この場合も同様に、剛性筐体６４の上部壁および下部壁によってフラットな巻回角形電気化学セル６２にかかる最大圧力を制御するために、硬質発泡体層または硬質ゴム層などの弾性材料の層が剛性筐体６４の上部壁および下部壁と、フラットな巻回角形電気化学セル６２との間に配置され得る。弾性材料の層は、所定の最大圧力で降伏するように設計され、それによって、剛性筐体６４の構造的完全性およびフラットな巻回角形電気化学セル６２の完全性を維持するために最大機械的圧力が制限される。
オリビン構造、スピネル型構造または層状構造の電気化学活物質を有するカソードで作られた積層体および電気化学セルが、最初は放電状態にあり、その結果、その最小体積にあるという特性は、フラットな巻回角形構成を有するリチウム金属ポリマバッテリを組み立てることを可能にする。これは、必要な圧縮力が、充電サイクルの間のフラットな巻回角形電気化学セル６２の体積膨張に対する剛性筐体６４の上部壁および下部壁の機械的抵抗によって生じ、能動的な機械的圧力システムがもはや必要ないからである。
したがって、フラットな巻回角形リチウム金属ポリマバッテリ６０の改善された性能および耐用年数は、一連のばね式要素を備える、嵩高く、能動的な機械的圧力システムを使用しなくても達成される。代わりに、圧縮力は、フラットな巻回角形電気化学セル６２の体積膨張に対する、剛性筐体６４の上部壁および下部壁の機械的抵抗によってもたらされる。
本発明の上述の実施形態に対する修正および改良は、当業者には明らかになるであろう。前述の説明は、限定するものではなく例示的なものであることが意図されている。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図されている。
１０ 積層体
１０ａ 積層体
１２ リチウム金属アノード／負極
１４ 固体ポリマ電解質の層
１６ カソード層／正極
１８ 中心金属集電体
２０ リチウム金属ポリマバッテリ
２２ 角形電気化学セル
２４ 剛性筐体
２６ 一番上の角形電気化学セル
２８ 一番下の角形電気化学セル
３０ 上部壁
３２ 下部壁
４０ 円筒形リチウム金属ポリマバッテリ
４２ 円筒形電気化学セル
４４ 中心柱
４６ 剛性キャニスタ
５０ 第１の金属プレート
５２ 第２の金属プレート
６０ フラットな巻回角形リチウム金属ポリマバッテリ
６２ フラットな巻回角形電気化学セル
６４ 剛性筐体
１０ａ 積層体
１２ リチウム金属アノード／負極
１４ 固体ポリマ電解質の層
１６ カソード層／正極
１８ 中心金属集電体
２０ リチウム金属ポリマバッテリ
２２ 角形電気化学セル
２４ 剛性筐体
２６ 一番上の角形電気化学セル
２８ 一番下の角形電気化学セル
３０ 上部壁
３２ 下部壁
４０ 円筒形リチウム金属ポリマバッテリ
４２ 円筒形電気化学セル
４４ 中心柱
４６ 剛性キャニスタ
５０ 第１の金属プレート
５２ 第２の金属プレート
６０ フラットな巻回角形リチウム金属ポリマバッテリ
６２ フラットな巻回角形電気化学セル
６４ 剛性筐体
Claims (8)
- 第１の壁および前記第１の壁の反対側の第２の壁を有する剛性筐体と、
前記剛性筐体内で前記第１の壁と前記第２の壁との間にスタックされた複数の電気化学セルと、
を備えるリチウム金属ポリマバッテリであって、
前記複数の電気化学セルの各電気化学セルは、
リチウムまたはリチウム合金の金属シートで作られたアノードと、
リチウム化された状態においてオリビン型構造、スピネル型構造または層状型構造を備える活物質で作られたカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体ポリマ電解質と、を備え、
前記複数の電気化学セルは、前記複数の電気化学セルの第１の状態において第１の厚さを有し、それによって前記第１の壁および前記第２の壁は、第１の圧力を前記複数の電気化学セルにかけ、
前記複数の電気化学セルは、前記複数の電気化学セルの第２の状態において第２の厚さを有し、それによって前記第１の壁および前記第２の壁は、第２の圧力を前記複数の電気化学セルにかけ、
前記第２の厚さは、前記第１の厚さよりも大きく、
前記第２の圧力は、前記第１の圧力よりも大きく、
前記第１の圧力は、ゼロより大きく、
前記第２の圧力は、４００ｐｓｉ（２７５７．９０２８ｋＰａ）より大きく、
前記第１の状態は、放電状態であり、
前記第２の状態は、充電状態および前記複数の電気化学セルが熱膨張している加熱状態のうちの少なくとも１つであり、
前記バッテリは、能動的な機械的圧力システムがない、バッテリ。 - 前記電気化学セルが、フラットな巻回角形構成に組み立てられる、請求項１に記載のバッテリ。
- 前記第１の壁が前記剛性筐体の下部壁であり、前記第２の壁が前記剛性筐体の上部壁である、請求項１に記載のバッテリ。
- 前記第２の状態では、前記複数の電気化学セルの体積が、前記第１の状態よりも少なくとも３％高い、請求項１に記載のバッテリ。
- 前記第２の圧力が、４００ｐｓｉ（２７５７．９０２８ｋＰａ）から８００ｐｓｉ（５５１５．８０５６ｋＰａ）の間である、請求項１に記載のバッテリ。
- 前記第２の状態が、前記充電状態である、請求項１～５のいずれか１項に記載のバッテリ。
- 前記第２の状態が、前記充電状態および前記加熱状態である、請求項１～５のいずれか１項に記載のバッテリ。
- 前記複数の電気化学セルのうちの最も外側の電気化学セルは、前記第１の壁および前記第２の壁と接触している、請求項１に記載のバッテリ。
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