本発明の主題の他の態様、実施形態および特徴は、添付の図面を考慮して、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。添付の図面は模式的なものであり、縮尺どおりに描かれることを意図しない。明確化のために、当業者が本発明の主題を理解することを可能にするために例示を必要としない場合、すべての図において、すべての要素または構成要素にラベルが付されているわけではなく、または本発明の主題の各実施形態のすべての要素または構成要素が示されているわけではない。
[定義]
本明細書で使用される「1の(a、an)」および「その(the)」(すなわち、単数形)は、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、複数の指示対象を指す。例えば、ある例では、「電極」への言及は、単一の電極と複数の同様の電極の両方を含む。
本明細書で使用される「約(about)」および「およそ(approximately)」は、記載された値の±10%、±5%、または±1%を示す。例えば、一例では、約250μmは225μm~275μmを含む。さらなる例として、一例では、約1000μmは900μm~1100μmを含む。他に指示がない限り、明細書および特許請求の範囲で使用される量(例えば、測定値など)を表すすべての数字は、すべての場合において「約」という用語によって修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、反対に指示されない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは近似値である。報告された有効数字の数の点から、また通常の丸め技法を適用することによって、各数値パラメータは少なくとも解釈されるべきである。
ここで二次電池の状態において「充電状態(charged state)」とは、二次電池が定格容量の少なくとも75%に充電された状態を示す。例えば、定格容量の少なくとも80%、定格容量の少なくとも90%、定格容量の少なくとも95%、例えば定格容量の100%まで電池を充電し得る。
本明細書で使用される「Cレート(c-rate)」とは、二次電池が放電される速度の尺度を指し、電池が一時間でその公称定格容量を送る条件下で、放電電流を理論電流で割った比として定義される。例えば、1CのCレートは1時間で電池を放電する放電電流を示し、2Cのレートは1/2時間に電池を放電させる放電電流を示し、C/2のレートは、放電電流を示す2時間で電池を放電させることを示す。
ここで二次電池の状態において「放電状態(discharged state)」とは、二次電池が定格容量の25%未満に放電された状態をいう。例えば、電池は、定格容量の20%未満、例えば定格容量の10%未満まで、また定格容量の5%未満、例えば定格容量の0%まで放電し得る。
充電状態と放電状態との間の二次電池のサイクルに関して本明細書で使用される「サイクル(cycle)」とは、電池を充電および/または放電させて、充電状態または放電状態いずれかの第1状態から、その第1状態の逆の第2状態までのサイクル(すなわち、第1状態が放電された場合に充電状態、または第1状態が充電された場合に放電状態になるサイクル)で電池を動かす。次いで、電池を第1状態まで戻してサイクルが完了する。例えば、充電状態と放電状態との間の二次電池の1サイクルは、充電サイクルのように、放電状態から充電状態に充電した後、放電状態に放電してサイクルを完了することができる。単一サイクルは、放電サイクルのように、電池を充電状態から放電状態に放電させた後、充電状態に充電してサイクルを完了することも含むことができる。
本明細書において電極アセンブリに関して言及される「フェレ径(feret diameter)」は、2つの平面に垂直な方向で測定された電極アセンブリを制限する2つの平行な平面間の距離として定義される。例えば、縦方向における電極アセンブリのフェレ径は、縦方向に垂直な電極アセンブリを制限する2つの平行な平面間において縦方向で測定される距離である。別の例として、横方向における電極アセンブリのフェレ径は、横方向に垂直な電極アセンブリを制限する2つの平行な平面間において横方向で測定される距離である。さらに別の例として、垂直方向における電極アセンブリのフェレ径は、垂直方向に垂直な電極アセンブリを制限する2つの平行な平面間の垂直方向の距離である。
本明細書で使用する「縦軸(longitudinal axis)」、「横軸(transverse axis)」および「垂直軸(vertical axis)」は、互いに垂直な軸(すなわち、それぞれが互いに直交している軸)を指す。例えば、本明細書で使用する「縦軸」、「横軸」および「垂直軸」は、3次元のアスペクトまたは向きを定義するために使用される直交座標系に類似している。このように、本明細書における本発明の主題の要素の記載は、要素の3次元の向きを記載するために使用される特定の軸に限定されない。換言すると、軸は、本発明の主題の三次元態様を参照するときに置き換え可能であってよい。
本明細書で使用する「縦方向(longitudinal direction)」、「横方向(transverse direction)」および「垂直方向(vertical direction)」とは、互いに垂直な方向(すなわち、互いに直交する方向)を指す。例えば、本明細書で使用される「縦方向」、「横方向」および「垂直方向」は、三次元のアスペクトまたは向きを定義するために使用される直交座標系の縦軸、横軸および垂直軸にそれぞれ平行であってよい。
二次電池の充電状態と放電状態との間のサイクルに関して本明細書で使用される「反復サイクル(repeated cycling)」とは、放電状態から充電状態に、または充電状態から放電状態に1以上サイクルすることを指す。例えば、充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、放電状態から充電状態までの少なくとも2回のサイクル(例えば、放電状態から充電状態への充電、放電状態へと戻る放電、再度の充電状態への充電および最終的な放電状態への放電)を含むことができる。さらにもう1つの例として、充電状態と放電状態との少なくとも2回の反復サイクルは、充電状態から放電状態への放電、充電状態へ戻す充電、再度の放電状態への放電および最終的な充電状態への充電を含むことができる。さらなる例として、充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、放電状態から充電状態までの少なくとも5回サイクル、さらには少なくとも10回サイクルを含むことができる。さらなる例として、充電状態と放電状態との間の反復サイクルは、放電状態から充電状態に少なくとも25、50、100、300、500、さらには1000回サイクルすることを含むことができる。
本明細書で二次電池に関して使用される「定格容量(rated capacity)」とは、標準温度条件(25℃)下で測定されるような一定期間にわたって特定の電流を送る二次電池のキャパシティを指す。例えば、定格容量は、指定された時間の電流出力を決定することによって、または指定された電流について電流が出力され得る時間を決定することによって、および電流と時間との積をとることによってアンペア時間(Amp hour)単位で測定されてもよい。例えば、20アンペア時間の定格の電池において、電流が定格に対して2アンペアで指定されている場合、電池はその電流出力を10時間供するものと解され、逆に定格に対して10時間で指定される場合、電池は10時間の間に2アンペアを出力するものと解される。具体的には、二次電池の定格容量は、Cレートなどの特定の放電電流での定格容量として与えられてもよい。ここで、Cレートは、電池がその容量に対して放電する速度の測定値である。例えば、1CのCレートは、1時間で電池を放電する放電電流を示し、2Cは、1/2時間で電池を放電する放電電流を示し、C/2は、2時間で電池を放電する放電電流を示す。したがって、例えば、1CのCレートにおいて20アンペア時間で定格された電池は、1時間で20アンペアの放電電流を与えるが、2CのCレートにおいて20アンペア時間で定格された電池は、1/2時間で40アンペアの放電電流を与え、C/2のCレートにおいて20アンペア時間で定格された電池は、2時間にわたって10アンペアの放電電流を与える。
電極アセンブリの寸法の文脈において本明細書で使用される「最大幅(maximum width)」(WEA)は、縦方向において電極アセンブリの縦方向端面の対向する点から測定される電極アセンブリの最大幅に対応する。
電極アセンブリの寸法の文脈において本明細書で使用される「最大長さ(maximum length)」(LEA)は、横方向において電極アセンブリの横方向の側面の対向する点から測定される電極アセンブリの最大長さに対応する。
電極アセンブリの寸法の文脈において本明細書で使用される「最大高さ(maximum height)」(HEA)は、横方向において電極アセンブリの横方向の側面の対向する点から測定される電極アセンブリの最大高さに対応する。
一般的に、本開示はエネルギー貯蔵デバイス100(例えば、図2Aおよび/または図20に例示されるような、充電状態と放電状態とを繰り返す二次電池102)に関する。二次電池102は、電池エンクロージャ104、電極アセンブリ106、キャリアイオンおよび電池エンクロージャ内の非水性液体電解質を含む。二次電池102はまた、電極アセンブリ106の増大を抑制する電極制限部のセット108を含む。制限されている電極アセンブリ106の増大は、電極アセンブリ106の1以上の寸法の巨視的な増加であり得る。
さらに、一般的に、本開示の様々な態様は、電池、コンデンサ、燃料電池などのエネルギー貯蔵デバイス100に組み込まれる場合に、特に利点を供する三次元制限構造を含む。一実施形態では、制限構造は、二次電池102が充電状態と放電状態との間での反復サイクルされる場合に生じることがある電極アセンブリ106の増大、膨潤、および/または膨張の少なくとも1つに抵抗するように選択される構成および構造を有している。特に、放電状態から充電状態への移行において、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンのようなキャリアイオンが、電池の正極と負極との間を移動する。電極に到達すると、キャリアイオンが電極材料にインターカレートまたは合金化し、その電極のサイズおよび体積が増加し得る。逆に、充電状態から放電状態に移行するためにリバースさせると、イオンが脱インターカレートまたは脱合金化し、電極を収縮させ得る。この合金化および/またはインターカレーションならびに脱アロイ化および/または脱インターカレーションは、電極の著しい体積変化を引き起こす場合がある。したがって、充放電時の電極の繰り返しの膨張および収縮は、電極アセンブリ106に歪みを生じさせ、性能の低下および最終的には二次電池の不具合に至ることがある。
図2A~図2Cを参照すると、本開示の一実施形態による、電極アセンブリ106の繰り返しの膨張および/または収縮の影響を説明することができる。図2Aは、電極構造110の集合体および対向電極構造112の集合体(例えば、それぞれアノード構造およびカソード構造の集合体)を有する三次元電極アセンブリ106の実施形態を示す。この実施形態における三次元電極アセンブリ106は、相互に組み合わせられている(またはかみ合わせられている、interdigitated)電極構造110および対向電極構造112の交互のセットを供する。図2Aに示す実施形態において、三次元電極アセンブリ106は、Y軸に平行な縦軸AEAと、X軸に平行な横軸(図示せず)と、Z軸に平行な垂直軸(図示せず)とを有する。ここに示すX軸、Y軸およびZ軸は、軸が基準空間内で相互に垂直である基底集合を示すことのみを意図した任意の軸であり、本明細書の構造を特定の向きに限定することを決して意図していない。図2Aに示す実施形態において、電極アセンブリ106を有する二次電池102の充放電サイクルでは、キャリアイオンは、例えば、一般的にY軸に平行な方向に電極構造110および対向電極構造112の間を移動し、移動方向内に位置する1以上の電極構造110および対向電極構造112の電極材料にインターカレートすることができる。キャリアイオンの電極材料へのインターカレーションおよび/または合金化の効果は、図2B~2Cに示す実施形態でみることができる。特に、図2Bは、比較的非膨張状態の電極構造110を有する電極アセンブリ106の実施形態(例えば、充電状態と放電状態との間で二次電池106を反復サイクルする前)を示す。これと比較すると、図2Cは、所定のサイクル数の二次電池の反復サイクル後の電極構造110を有する電極アセンブリ106の実施形態を示す。この図に示すように、電極構造110の寸法は、電極材料へのキャリアイオンのインターカレーションおよび/または合金化のために、積層方向(例えば、Y方向)に著しく増加する可能性がある。電極構造110の寸法はまた、別の方向(例えば、Z方向(図2Cには示さず))に著しく増加する可能性がある。さらに、電極構造110のサイズの増大は、電極構造110における膨張を吸収するように、電極アセンブリ内の構造の変形(例えば、アセンブリにおける対向電極構造112およびセパレータ130の変形)をもたらす可能性がある。電極構造110の膨張は、図2Cの実施形態に示すように、最終的に、電極アセンブリ106の縦方向端部での(Z方向における頂面および底面などの他の方向でも)膨らみおよび/または反りをもたらす可能性がある。したがって、一実施形態による電極アセンブリ106は、充放電プロセス中のキャリアイオンのインターカレーションおよび脱インターカレーションに起因して、アセンブリ106の縦方向(Y軸)ならびに他の軸に沿って著しい膨張および収縮を呈する可能性がある。
このように、一実施形態では、図1に例示するように、縦方向(すなわち、Y軸に平行な方向)における電極アセンブリ106の増大、膨張および/または膨潤の少なくとも1つを緩和および/または低減するために、一次増大制限システム151が供される。例えば、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118における対向する膨張によって増大を制限するようになっている構造を含むことができる。一実施形態では、一次増大制限システム151は、縦方向に互いに分離される第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を有して成り、それらは第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を接続する少なくとも1つの一次接続部材162と連動して動作して、電極アセンブリ106の増大を共に抑制する。例えば、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156は、電極アセンブリ106の第1縦方向端面116および第2縦方向端面118を少なくとも部分的に覆ってもよく、一次増大制限部154、156を対向する互いに接続する接続部材162、164と連動して動作してもよく、充電および/または放電の反復サイクル中に生じる電極アセンブリ106のあらゆる増大を抑制してもよい。一次増大制限システム151の実施形態および動作のさらなる説明は、以下でより詳細に供される。
また、二次電池102における充放電プロセスを介する反復サイクルは、電極アセンブリ106の縦方向(例えば、図2AにおけるY軸)における増大および歪みを誘発する可能性があるだけでなく、横方向および垂直方向(例えば、それぞれ図2AにおけるX軸およびZ軸)などの、縦方向に直交する方向における増大および歪みを誘発する可能性がある。さらにある実施形態では、一方向における増大を抑制するための一次増大制限システム151の組み込みは、1以上の他の方向における増大および/または膨張をさらに悪化させる可能性がある。例えば、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制するために一次増大制限システム151を設けた場合、充放電サイクル中のキャリアイオンのインターカレーションならびにその結果生じる電極構造の膨張は、1以上の他の方向に歪みを誘発する可能性がある。特に一実施形態では、電極の増大/膨張および縦方向増大の制限の組合せによって生成される歪みは、電極アセンブリ106の垂直方向(例えば、図2Aに示すZ軸)または横方向(例えば、図2Aに示すX軸)における座屈または他の不具合をもたらす可能性がある。
したがって、本開示の一実施形態では、二次電池102は、一次増大制限システム151だけでなく、一次増大制限システム151と連動して動作し得る少なくとも1つの二次増大制限システム152も含み、電極アセンブリ106の複数の軸に沿って電極アセンブリ106の増大を抑制する。例えば一実施形態では、二次増大制限システム152は、一次増大制限システム151とインターロックするか、または相乗的に作動するようになっていてよく、それにより電極アセンブリ106の全体的な増大が抑制されて、電極アセンブリ106ならびに一次増大抑制システム151および二次増大抑制システム152をそれぞれ有する二次電池のパフォーマンスを改善し、不具合の発生率を低減する。一次増大制限システム151および二次増大制限システム152のそれぞれの相互関係の実施形態および電極アセンブリ106の増大を抑制するそれらの動作のさらなる説明は、以下でより詳細に供される。
電極アセンブリ106の増大を制限するとは、上述のように、電極アセンブリ106の1以上の寸法の全体的で巨視的な増加が抑制されていることを意味する。すなわち、電極アセンブリ106の全体的な増大は制限され得、それによって、電極アセンブリ106の1以上の電極の体積の変化がそれにもかかわらず、充放電サイクル中により小さい(例えば、微視的な)スケールで生じ得たとしても、(X、Y、およびZ軸に沿って)電極アセンブリ106の1以上の寸法の増加が制御される。電極体積の微視的変化は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を介して観察することができる。電極制限部のセット108は、微視的レベルでいくらかの個々の電極の増大を阻害することができるが、増大は少なくとも抑制され得るものの、若干の増大がまだ起こり得る。充放電の際の個々の電極の体積変化は、各々の個々の電極に対して微視的レベルの小さな変化であっても、それにもかかわらず、充電状態と放電状態との間のサイクルにおいて電極アセンブリ106全体に対する巨視的レベルでは比較的大きな体積変化をもたらす相加効果を有する可能性があり、それによって潜在的に電極アセンブリ106に歪みを生じさせる。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106のアノードに対応する電極構造110に使用される電極活物質は、二次電池102の充電中にキャリアイオンが電極活物質にインサーションされると膨張する物質を含んで成る。例えば、電極活物質は、二次電池の充電中にキャリアイオンをインターカレーションするか、またはキャリアイオンと合金化するなどによって、キャリアイオンを受け入れるアノード活物質を、電極の体積の増加を生じさせるのに十分な量含んで成ってよい。例えば一実施形態では、電極活物質は、二次電池102が放電状態から充電状態に充電される場合、電極活物質1モル当たり1モル以上のキャリアイオンを受け入れることができる材料を含んで成ってもよい。さらなる例として、電極活物質は、電極活物質1モル当たり1.5モル以上のキャリアイオン(例えば、電極活物質1モル当たり2.0モル以上のキャリアイオン)、電極活物質1モル当たり2.5モル以上のキャリアイオン(例えば、電極活物質1モル当たり3.5モル以上のキャリアイオン)を受け入れることができる材料を含んで成ってもよい。電極活物質によって受け入れられるキャリアイオンは、リチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウムおよびマグネシウムのうちの少なくとも1つであってもよい。このような体積変化を供するために膨張する電極活物質の例は、シリコン、アルミニウム、スズ、亜鉛、銀、アンチモン、ビスマス、金、白金、ゲルマニウム、パラジウムおよびそれらの合金の1以上を含む。
[電極アセンブリ]
図2Aを再び参照して、一実施形態では、組み合わせられた電極アセンブリ106は、電極構造110の集合体と、対向電極構造112の集合体と、電極構造110を対向電極構造から電気的に絶縁する電気絶縁性マイクロポーラス状セパレータ130とを含む。一実施形態では、電極構造110は、電極活物質層132と、電極活物質層132を支持する電極バックボーン134と、図7の実施形態に示すように、イオンを通過させるためのイオン的に多孔性の電流コレクタであってもよい電極電流コレクタ(または集電体、electrode current collector)136とを有して成る。例えば一実施形態では、電極構造110は、アノード活物質層、アノードバックボーンおよびアノード電流コレクタを有するアノード構造を有して成ることができる。同様に一実施形態では、対向電極構造112は、対向電極活物質層138と、対向電極電流コレクタ140と、例えば図7の実施形態に示すように、対向電極電流コレクタ140140および/または対向電極活物質層138の1以上を支持する対向電極バックボーン141とを有して成る。例えば、対向電極構造112は、一実施形態では、カソード活物質層と、カソード電流コレクタと、カソードバックボーンとを含んで成るカソード構造を有して成ることができる。電気絶縁性マイクロポーラス状セパレータ130は、充電プロセスおよび/または放電プロセス中にキャリアイオンを、電極アセンブリ106内の電極構造110と対向電極構造112との間を移動するように通過させる。さらに、電極構造110および対向電極構造112は、それぞれ、本明細書に記載されるある実施形態および構造に限定されず、本明細書に具体的に記載されるもの以外の他の構成、構造および/または材料が、電極構造110および対向電極構造112を形成するために設けられてもよいと解されるべきである。例えば、電極構造110および対向電極構造112は、電極バックボーン134および/または対向電極バックボーン141が実質的に存在しない形態(例えば、バックボーンを含む電極構造110および/または対向電極構造112の領域が、代替的に、電極活物質および/または対向電極活物質から構成されている形態)で供され得る。
図2Aに示す実施形態によれば、電極構造集合体110および対向電極構造集合体112の部材はそれぞれ、交互の順序で配列され、交互の配列の方向は、積層方向Dに対応する。この実施形態による電極アセンブリ106は、互いに直交する縦軸、横軸および垂直軸をさらに有して成り、縦軸AEAは、電極構造集合体および対向電極構造集合体の部材の積層方向Dに概ね一致または平行である。図2Aの実施例に示すように、縦軸AEAはY軸に対応して示され、横軸はX軸に対応するように示され、縦軸はZ軸に対応するように示される。
さらに、電極アセンブリ106は、縦方向で(すなわち、Y軸に沿って)測定された最大幅WEAと、側面によって境界付けられ、横方向で(すなわち、X軸に沿って)測定された最大長さLEAと、側面によって境界付けられ、垂直方向で(すなわち、Z軸に沿って)測定された最大高さHEAを有する。最大幅WEAは、電極アセンブリが縦方向に最も広い、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の対向する点から測定して、電極アセンブリ106の最大幅に対応すると解することができる。例えば、図2における電極アセンブリ106の実施形態を参照すると、最大幅WEAは、縦方向で測定した場合のアセンブリ106の幅に単に対応するものとして解することができる。しかしながら、図3Hに示す電極アセンブリ106の実施形態を参照すると、電極アセンブリ106がより狭くなっている対向する点301a、301bから測定される幅とは対照的に、最大幅WEAは、電極アセンブリが縦方向に最も広くなっている、2つの対向する点300a、300bから測定された電極アセンブリの幅に対応すると解することができる。同様に、最大長さLEAは、電極アセンブリが横方向に最も長くなっている、電極アセンブリ106の側面142の対向する点から測定される電極アセンブリの最大長さに対応すると解することができる。再び図2Aに示す実施形態を参照して、最大長さLEAは、単に電極アセンブリ106の長さとして理解することができるが、図3Hの実施形態に示すように、最大長さLEAは、電極アセンブリがより短くなっている対向する点303a、303bから測定した長さとは対照的に、電極アセンブリが横方向に最も長くなっている2つの対向する点302a、302bから測定した電極アセンブリの長さに対応する。同様の線に沿って、最大高さHEAは、電極アセンブリが垂直方向において最も高くなっている、電極アセンブリの側面143の対向する点から測定される電極アセンブリの最大高さに対応するものとして解することができる。すなわち、図2Aに示す実施形態において、最大高さHEAは単に電極アセンブリの高さである。図3Hの実施形態に具体的に示されていないが、電極アセンブリが縦方向および横方向の1以上に沿った点で異なる高さを有する場合、最大幅WEAおよび最大長さLEAについて同様に記載されるように、電極アセンブリの最大高さHEAは、電極アセンブリがより短くなっている対向する点から測定される高さとは対照的に、電極アセンブリが垂直方向において最も高くなっている、2つの対向する点から測定される電極アセンブリの高さに対応すると解することができる。電極アセンブリ106の最大長さLEA、最大幅WEAおよび最大高さHEAは、エネルギー貯蔵デバイス100およびその意図された用途に依存して変えてもよい。例えば一実施形態では、電極アセンブリ106は、従来の典型的な二次電池寸法の最大長さLEA、幅WEAおよび高さHEAを含んでもよい。さらなる例として、一実施形態では、電極アセンブリ106は、薄膜電池寸法の典型的な最大長さLEA、幅WEA、および高さHEAを含んでもよい。
いくらかの実施形態では、寸法LEA、WEAおよびHEAは、垂直軸(Z軸)に沿った最大高さHEAよりも長い、横軸(X軸)に沿った最大長さLEAおよび/または縦軸(Y軸)に沿った最大幅WEAを有する電極アセンブリ106を供するように選択される。例えば、図2Aに示す実施形態において、寸法LEA、WEAおよびHEAは、電極構造積層方向Dに直交する横軸(X軸)に沿った、ならびに電極構造積層方向Dと一致する縦軸(Y軸)に沿った最大寸法を有する電極アセンブリ106を供するように選択される。すなわち、最大長さLEAおよび/または最大幅WEAは、最大高さHEAよりも大きくてもよい。例えば一実施形態では、最大長さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも2:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大長さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも5:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大長さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも10:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大長さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも15:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大長さHEAに対する最大長さLEAの比は、少なくとも20:1であってもよい。異なる寸法比は、活物質の量を最大にするようにエネルギー貯蔵デバイス内の最適な構成を可能にすることができ、それによってエネルギー密度を増加させることができる。
いくらかの実施形態では、最大幅WEAは、最大高さHEAよりも大きい電極アセンブリ106の幅を供するように選択されてもよい。例えば一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも2:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも5:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも10:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも15:1であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大高さHEAに対する最大幅WEAの比は、少なくとも20:1であってもよい。
一実施形態によれば、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、最適構成を供する所定の範囲内にあるように選択されてもよい。例えば一実施形態では、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、1:5~5:1の範囲内にあってもよい。さらなる例として、一実施形態では、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、1:3~3:1の範囲であってもよい。さらに別の例として、一実施形態では、最大長さLEAに対する最大幅WEAの比は、1:2~2:1の範囲内にあってもよい。
図2Aに示す実施形態において、電極アセンブリ106は、第1縦方向端面116と、縦軸AEAに沿って第1縦方向端面116から分離された対向する第2縦方向端面118とを有する。電極アセンブリ106は、縦軸AEAを少なくとも部分的に囲み、第1縦方向端面116と第2縦方向端面118とを接続する側面142をさらに有して成る。一実施形態では、最大幅WEAは、第1縦方向端面116から第2縦方向端面118まで測定された、縦軸AEAに沿った寸法である。同様に、最大長さLEAは、側面142によって境界付けられ(または規定され、bounded)てもよく、一実施形態では、縦軸に直交する横軸に沿った側面142の対向する第1領域144および第2領域146から測定される寸法であってもよい。一実施形態では、最大高さHEAは、側面142によって境界付けられてもよく、縦軸に直交する垂直軸に沿って、側面142の対向する第1領域148および第2領域150から測定されてもよい。
明確にするために、図2Aに示す実施形態において、4つの電極構造110および4つの対向電極構造112のみが示されている。例えば、電極構造集合体110および対向電極構造集合体112の部材の交互シーケンスはそれぞれ、エネルギー貯蔵デバイス100およびその意図される用途に応じて、各々の集合体についてあらゆる数の部材を含んでもよく、電極構造集合体110および対向電極構造集合体112の部材の交互シーケンスは、例えば、図2Aに示すように、互いに組み合わせてもよい。さらなる例として、一実施形態では、電極構造110の集合体の各部材は、交互の配列が積層方向Dに沿って終端接続している場合を除いて、対向電極構造112の集合体の2つの部材の間に存在してもよい。さらに別の例として、対向電極構造112の集合体の各部材は、交互の配列が積層方向Dに沿って終端接続している場合を除いて、電極構造110の集合体の2つの部材の間に存在してもよい。さらなる実施例では、一実施形態では、より一般的に言えば、電極構造110の集合体および対向電極構造112の集合体はそれぞれN個の部材を有し、N-1個の電極構造部材110の各々は2つの対向電極構造部材112の間にあり、N-1個の対向電極構造部材112の各々は2つの電極構造部材110の間にあり、Nは少なくとも2である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも4である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも5である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも10である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも25である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも50である。さらなる例として、一実施形態では、Nは少なくとも100以上である。一実施形態では、電極集合体および/または対向電極集合体の部材は、仮想バックプレーン(例えば、電極アセンブリの表面と実質的に一致する平面)から、バックプレーンにおける部材の幾何学的フットプリント(すなわち、突出部(projection))の2倍より大きい表面積(空隙率を無視する面積)を有するように十分に延在している。ある実施形態では、仮想のバックプレーンにおけるその非幾何学的な占有面積に対する非薄層状(すなわち、3次元)電極および/または対向電極構造の表面積の比は、少なくとも約5、少なくとも約10、少なくとも約50、少なくとも約100、または少なくとも約500であってもよい。しかしながら、一般的には、この比は約2~約1000である。このような一実施形態では、電極集合体の部材は本質的に非層状である。さらなる例として、このような一実施形態では、対向電極集合体の部材は本質的に非層状である。さらなる例として、このような一実施形態では、電極集合体の部材および対向電極集合体の部材は、本質的に非層状である。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106の終端部に縦方向端部117、119を有する。一実施形態によれば、電極アセンブリ106における電極構造110および対向電極構造112の交互シーケンスはそれぞれ、縦方向に沿って対称的に終端する(例えば、縦方向における電極アセンブリ106の各々の端部117、119での電極構造110で、または縦方向における電極アセンブリ106の各々の端部117、119での対向電極構造112で終端する)。別の実施形態では、電極構造110および対向電極構造112の交互シーケンスは、縦方向に沿って非対称的に終端する(例えば、縦軸AEAの一方の端部117における電極構造110で、または縦軸AEAの一方の端部119における対向電極構造112で終端する)。さらに別の実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106の1以上の端部117、119における1以上の電極構造110および/または対向電極構造112の基礎構造(substructure)で終端してもよい。一例として、一実施形態によれば、電極構造110および対向電極構造112の交互シーケンスは、電極構造110および対向電極構造112の1以上の基礎構造で終端でき、電極バックボーン134、対向電極バックボーン141、電極電流コレクタ136、対向電極電流コレクタ140、電極活物質層132、対向電極活物質層138などを含んでおり、また、セパレータ130などの構造で終端してもよく、電極アセンブリ106の各々の縦方向端部117、119の構造が、同じ(対称)であっても、異なって(非対称)いてもよい。電極アセンブリ106の縦方向の終端部117、119は、電極アセンブリ106の全体にわたる増大を抑制するように、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156によって接触される第1縦方向端面116および第2縦方向端面118を含んで成ることができる。
さらに別の実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極構造110および/または対向電極構造112を荷重(または負荷、load)および/または電圧源(図示せず)に電気的に接続するために使用され得る1以上の電極タブ190および/または対向電極タブ192(例えば、図20参照)と接触し得る第1横方向端部145および第2横方向端部147(例えば、図2A参照)を有する。例えば、電極アセンブリ106は、各電極構造110が接続され、電極構造110の集合体の各部材から電流をプールする電極バス194(例えば、図2A参照)を有して成ることができる。同様に、電極アセンブリ106は、各対向電極構造112が接続され、対向電極構造112の集合体の各部材から電流をプールする対向電極バス196を有して成ることができる。電極バス194および/または対向電極バス196の各々は、方向Dにおいて測定された長さを有し、組み合わせられた一連の電極構造110、112の実質的に全長にわたって延在している。図20に示す実施形態では、電極タブ190および/または対向電極タブ192は、電極バス194および/または対向電極バス196と電気的に接続して実質的にそれらの全長にわたって延びる電極タブ延長部191、193を含む。代替的に、電極タブ190および/または対向電極タブ192は、電極バス194および/または対向電極バス196に直接的に接続してもよい。例えば、タブ延長部191、193を必要とすることなく、バス194、196の長さに沿って、その端部または中間位置に直接的に接続してもよい。電極バス194および/または対向電極バス196は、電極アセンブリ106の横方向において終端145、147の少なくとも一部を形成でき、荷重および/または電圧源(図示せず)への電気接続のために電極アセンブリをタブ190、192に接続することができる。さらに別の実施形態では、電極アセンブリ106は、垂直(Z)軸に沿って設けられた第1終端149および第2終端153を有して成る。例えば一実施形態によれば、図2Aに示すように、各々の電極構造110および/または対向電極構造112には、セパレータ材料の上部コーティングおよび下部コーティングが供される。ここで、コーティングは、垂直方向において電極アセンブリ106の終端149、153を形成する。セパレータ材料のコーティングから形成され得る終端149、153は、垂直方向における増大を抑制するように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160と接触して位置付けることができる垂直軸に沿った側面142の第1表面領域148および第2表面領域150を有して成ることができる。
一般的に、電極アセンブリ106は、平面、同一平面、または非平面である縦方向端面116、118を有して成ることができる。例えば一実施形態では、対向する縦方向端面116、118は凸状であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、対向する縦方向端面116、118は凹状であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、対向する縦方向端面116、118は、実質的に平面である。ある実施形態では、電極アセンブリ106は、平面上に突出部された場合にあらゆる範囲の二次元形状を有する対向する縦方向端面116、118を含んでもよい。例えば、縦方向端面116、118は、独立して滑らかな湾曲形状(例えば、円形、楕円形、双曲線または放物線)を有してもよく、独立して一連の線および頂点(例えば多角形)を含んでもよく、または独立して滑らかな湾曲形状ならびに1以上の線および頂点を含んでもよい。同様に、電極アセンブリ106の側面142は、滑らかな湾曲形状であってもよく(例えば、電極アセンブリ106は、円形、楕円形、双曲線または放物線断面形状を有してもよく)、または側面142は、頂点で接続された2以上の線を含んでもよい(例えば、電極アセンブリ106は多角形の断面を有してもよい)。例えば一実施形態では、電極アセンブリ106は、シリンダー形、楕円シリンダー形、放物線状シリンダー形または双曲線シリンダー形を有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106は、同じサイズおよび形状の対向する縦方向端面116および118ならびに側面142(すなわち、対向する縦方向端面116と118との間に延在する面)を有するプリズム形状を有してもよい。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106は、三角プリズムに対応する形状を有し、電極アセンブリ106は、2つの対向する三角形の縦方向端面116および118ならびに2つの縦方向端部の間に延在する3つの平行四辺形(例えば、矩形)から成る側面142を有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106は、矩形プリズムに対応する形状を有し、電極アセンブリ106は、2つの対向する矩形の縦方向端面116および118ならびに4つの平行四辺形(例えば、矩形)面を有して成る側面142を有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106は、五角形プリズム、六角形プリズムなどに対応する形状を有し、ここで電極アセンブリ106は、2つの五角形、六角形などそれぞれを有し、対向する縦方向端面116および118ならびに5つ、6つなどの平行四辺形(例えば、矩形)の面をそれぞれ有して成る側面を有する。
次に、図3A~3Hを参照して、いくらかの例示的な幾何学的形状が電極アセンブリ106について模式的に示されている。より具体的には、図3Aに示すように、電極アセンブリ106は、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1縦方向端面116および第2縦方向端面118ならびに縦軸AEAの周りにある縦方向端面116、118を接続する3つの矩形面を含む側面142を有する三角プリズム形状を有する。図3Bに示すように、電極アセンブリ106は、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1平行四辺形および第2平行四辺形の縦方向端面116および118ならびに2つの縦方向端面116、118を接続し、縦軸AEAを囲む4つの平行四辺形状面を含む側面142を有する平行六面体形状を有する。図3Cに示すように、電極アセンブリ106は、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1矩形縦方向端面116および第2矩形縦方向端面118ならびに2つの縦方向端面116、118を接続し、縦軸AEAを囲む4つの矩形状面を含む側面142を有する矩形プリズム形状を有する。図3Dに示すように、電極アセンブリ106は、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1五角形縦方向端面116および第2五角形縦方向端面118ならびに2つの縦方向端面116、118を接続し、縦軸AEAを囲む5つの矩形状面を含む側面142を有する五角形プリズム形状を有する。図3Eに示すように、電極アセンブリ106は、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1六角形縦方向端面116および第2六角形縦方向端面118ならびに2つの縦方向端面116、118を接続し、縦軸AEAを囲む6つの矩形状面を含む側面142を有する六角形プリズム形状を有する。図3Eにおいて、電極アセンブリは、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1正方形端面116および第2正方形端面118ならびに2つの縦方向端面116、118を接続し、縦軸AEAを囲む4つの台形面を含む側面142を有する四角錐台形状を有する。ここで台形面は、縦軸に沿った方向において、第1面116におけるより大きな寸法から第2面118におけるより小さな寸法まで(第2面のサイズは第1面のサイズより小さい)テーパー状となっている。図3Fに示すように、電極アセンブリは、縦軸AEAに沿って分離された対向する第1正方形端面116および第2正方形端面118ならびに2つの縦方向端面116、118を接続し、縦軸AEAを囲む5つの台形面を含む側面142を有する五角錐台形状を有する。ここで台形面は、縦軸に沿った方向において、第1面116におけるより大きな寸法から第2面118におけるより小さな寸法まで(第2面のサイズは第1面のサイズより小さい)テーパー状となっている。図3Hに示すように、縦軸において電極アセンブリ106の中央に向かう第1長さから、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119における第2長さまで減少する長さを有する電極構造110および対向電極構造112によって、電極アセンブリ106は、縦方向においてピラミッド形状を有する。
[電極制限部]
一実施形態では、例えば図1に示されるように、電極アセンブリ106の全体的な巨視的増大を抑制する電極制限部のセット108が供される。電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106の膨張および変形を低減し、それによって電極制限部のセット108を有するエネルギー貯蔵デバイス100の信頼性およびサイクル寿命を改善するように、1以上の寸法に沿って電極アセンブリ106の増大を抑制し得る。上述したように、いずれの特定の理論にも限定されるものではないが、二次電池102の充電中および/または放電中に、電極構造110および対向電極構造112の間を移動するキャリアイオンは、電極活物質へとインサートされる可能性があり、電極活物質および/または電極構造110の膨張をもたらす。この電極構造110の膨張は、電極および/または電極アセンブリ106を変形および膨潤させ、それによって電極アセンブリ106の構造的完全性を損ない、および/または電気的短絡または他の不具合の可能性を高める可能性がある。一例では、エネルギー貯蔵デバイス100のサイクル中の電極活物質層132の過度の膨潤および/または膨張および収縮により、電極活物質層のフラグメントが電極活物質層132から離脱および/または剥離することを引き起こし、それによってエネルギー貯蔵デバイス100の効率およびサイクル寿命を損なう可能性がある。さらに別の例では、電極活物質層132の過剰な膨潤および/または膨張および収縮により、電極活物質が電気絶縁性マイクロポーラス状セパレータ130を破壊し、それによって電極アセンブリ106の電気的短絡および他の不具合を引き起こす可能性がある。したがって、電極制限部のセット108は、貯蔵デバイス100の信頼性、効率および/またはサイクル寿命を改善するために、充電状態と放電状態との間のサイクルによって生じる膨張または増大を抑制する。
一実施形態によれば、電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106の縦軸(例えば、図1のY軸)に沿った増大および/または膨張を抑制する一次増大制限システム151を有して成る。別の実施形態では、電極制限部のセット108は、垂直軸(例えば、図1のZ軸)に沿った増大を抑制する二次増大抑制システム152を含んでもよい。さらに別の実施形態では、電極制限部のセット108は、横軸(例えば、図4CのX軸)に沿った増大を抑制する三次増大制限システム155を含んでもよい。一実施形態では、電極制限部のセット108は、1以上の方向において(例えば、縦軸および垂直軸(例えば、Y軸およびZ軸)に沿って、さらには縦軸、垂直軸および横軸(例えば、Y軸、Z軸およびX軸)の全てに沿って)増大を同時に抑制するように連動して動作する、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152ならびに三次増大制限システム155をそれぞれ有して成る。例えば、一次増大制限システム151は、充電状態と放電状態との間のサイクル中に電極アセンブリ106の積層方向Dに沿って生じる可能性のある増大を抑制し得、一方で二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の垂直方向の座屈または他の変形を防止するように、垂直軸に沿って生じる可能性のある増大を抑制し得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、一次増大制限システム151によって課された増大に対する制限によって悪化する垂直軸に沿った膨潤および/または膨張を低減することができる。三次増大制限システム155は、サイクルプロセス中に生じる可能性のある横軸に沿った膨潤および/または膨張をオプションとして低減することもできる。すなわち、一実施形態によれば、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152、ならびにオプションとしての三次増大制限システム155はそれぞれ、電極アセンブリ106の多次元増大を協働的に抑制するように共に動作し得る。
図4A~4Bを参照すると、電極アセンブリ106のための一次増大制限システム151および二次増大制限システム152を有する電極制限部のセット108の実施形態が示される。二次元断面図が垂直軸(Z軸)および縦軸(Y軸)で示されるように、図4Aは図1の電極アセンブリ106の縦軸(Y軸)に沿って得られた断面図を示す。二次元断面図が垂直軸(Z軸)および横軸(X軸)で示されるように、図4Bは横軸(X軸)に沿って得られた図1の電極アセンブリ106の断面図を示す。図4Aに示すように、一次増大制限システム151は、一般的に、縦方向(Y軸)に沿って互いに分離された第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156をそれぞれ有して成ることができる。例えば一実施形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156はそれぞれ、電極アセンブリ106の第1縦方向端面116を少なくとも部分的にまたは全体的にカバーする第1一次増大制限部154と、電極アセンブリ106の第2縦方向端面118を少なくとも部分的にまたは完全にカバーする第2一次増大制限部156とを有して成る。さらに別の形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156のうちの1以上は、一次増大制限部のうちの1以上が電極アセンブリ106の内側構造を有して成る場合など、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119の内側であってもよい。一次増大制限システム151は、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を接続し、縦方向に平行な主軸を有し得る少なくとも1つの一次接続部材162をさらに有して成ることができる。例えば、一次増大制限システム151は、実施形態に示すように、例えば垂直軸(Z軸)に沿って、縦軸に直交する軸に沿って互いに分離された第1一次接続部材162および第2一次接続部材164をそれぞれ有して成ることができる。第1一次接続部材162および第2一次接続部材164はそれぞれ、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を互いに接続し、電極アセンブリ106の縦軸に沿って増大を抑制するために、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を互いに張力をかけられている状態で維持するように機能することができる。
一実施形態によれば、一次増大制限システム151を含む電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106の縦方向(すなわち、電極積層方向D)における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。
さらに別の実施形態では、一次増大制限システム151を含む電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。
さらに別の実施形態では、一次増大制限システム151を含む電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらなる実施例として、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。
さらに別の実施形態では、一次増大制限システム151を含む電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の1サイクルあたりの電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらに別の例として、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらなる実施例として、一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。
充電状態とは、二次電池102が、その定格容量の少なくとも75%(例えば、定格容量の少なくとも80%)、さらには定格容量の少なくとも90%(例えば、定格容量の少なくとも95%)、さらには定格容量の100%まで充電されていることを意味する。放電状態とは、二次電池がその定格容量の25%未満(例えば、定格容量の20%未満)、さらにはその定格容量の10%未満(例えば、定格容量の5%未満)、さらには定格容量の0%まで放電されていることを意味する。さらに、二次電池102の実際の容量は、時間の経過とともに、電池が通過したサイクル数によって変化し得ることに留意されたい。すなわち、二次電池102は、最初にその定格容量に近い実際の測定容量を示し得るが、充電状態から放電状態に移行する際に測定した実際の容量が定格容量の80%以下に低下するといった、二次電池102の寿命が終わったと考えられる場合には、電池の実際のキャパシティは経時的に減少する。
さらに図4Aおよび図4Bに示すように、電極制限部のセット108は、一般的に縦方向に直交する第2方向に沿って(例えば図示の実施形態において、垂直軸(Z軸)に沿って)互いに分離された第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ有して成ることができる二次増大制限システム152をさらに有して成ることができる。例えば一実施形態では、第1二次増大制限部158は、電極アセンブリ106の側面142の第1領域148に沿って少なくとも部分的に延在し、第2二次増大制限部160は、第1領域148に対向する電極アセンブリ106の側面142の第2領域150に沿って少なくとも部分的に延在する。さらに別の形態では、第1二次増大制限部154および第2二次増大制限部156のうちの1以上が、例えば、二次増大制限部のうちの1以上が、電極アセンブリ106の内側構造を有して成る場合、電極アセンブリ106の側面142の内側にあってもよい。一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、第2方向に平行な主軸(例えば、垂直軸)を有し得る少なくとも1つの二次接続部材166によって接続される。二次接続部材166は、縦方向に直交する方向に沿って電極アセンブリ106の増大を抑制するように(例えば、垂直方向における(例えば、Z軸に沿った)増大を抑制するように)、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160を互いに張力をかけられている状態で接続して保持するように機能することができる。図4Aに示す実施形態において、少なくとも1つの二次接続部材166は、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156の少なくとも1つに対応することができる。しかしながら、二次接続部材166はこれに限定されず、代替的におよび/または付加的に、他の構造および/または構成を含むことができる。
一実施形態によれば、二次増大制限システム152を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の縦方向と直交する第2方向(例えば、垂直方向(Z軸))における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で20%未満とし得る。
一実施形態では、二次増大制限システム152を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。
一実施形態では、二次増大制限システム152を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。
一実施形態では、二次増大制限システム152を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池のサイクルあたりの電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の第2方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。
図4Cは、電極アセンブリの縦方向および第2方向に直交する第3方向(例えば、横方向(X)方向)における増大を抑制する三次増大抑制システム155をさらに含む電極制限部のセット108の一実施形態を示す。三次元増大制限システム155は、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152のそれぞれに加えて、三次元的に電極アセンブリ106の全体的な増大を抑制するために供されることができ、および/または、一次増大制限システム151または二次増大制限システム152のそれぞれの1つと組み合わせて、電極アセンブリ106の全体的な増大を二次元的に抑制するために供されてもよい。図4Cは、図1における電極アセンブリ106の横軸(X軸)に沿って得られる断面図を示し、得られる2D断面は、垂直軸(Z軸)および横軸(X軸)で示されている。図4Cに示すように、三次増大制限システム155は、一般的に、第3方向(例えば、横方向(X軸))に沿って互いに分離された第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159をそれぞれ備えることができる。例えば一実施形態では、第1三次増大制限部157は、電極アセンブリ106の側面142の第1領域144に沿って少なくとも部分的に延在し、第2三次増大制限部159は、第1領域144に横方向において第1領域144と対向する電極アセンブリ106の側面142の第2領域146に沿って少なくとも部分的に延在する。さらに別の形態では、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159のうちの1以上は、例えば、三次増大制限部の1以上が電極アセンブリ106の内側構造を有して成る場合、電極アセンブリ106の側面142の内側にあってもよい。一実施形態では、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159はそれぞれ、第3方向に平行な主軸を有し得る少なくとも1つの三次接続部材165によって接続される。三次接続部材165は、縦方向に直交する方向に沿って電極アセンブリ106の増大を抑制するように(例えば、横方向における(例えば、X軸に沿った)増大を抑制するように)、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159を互いに張力をかけられている状態で接続して保持するように機能することができる。図4Cに示す実施形態において、少なくとも1つの三次接続部材165は、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のうちの少なくとも1つに対応することができる。しかしながら、三次接続部材165はこれに限定されず、代替的におよび/または付加的に他の構造および/または構成を含むことができる。例えば、少なくとも1つの三次接続部材165は、一実施形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156(図示せず)の少なくとも1つに対応することができる。
一実施形態によれば、三次増大制限システム155を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の縦方向と直交する第3方向(例えば、横方向(X軸))における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を20%未満とし得る。
一実施形態によれば、三次増大制限システム155を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を10%未満とし得る。
一実施形態によれば、三次増大制限システム155を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を5%未満とし得る。
一実施形態によれば、三次増大制限システム155を含む制限のセットは、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池のサイクルあたりの電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した20サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した30サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した50サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した80サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した100サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した200サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した300サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した500サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した800サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した1000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を、充電状態と放電状態との間で1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した2000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した3000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した5000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した8000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。さらに別の例として、一実施形態では、三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の第3方向における増大を抑制することができ、それによって二次電池の連続した10000サイクルにわたる電極アセンブリの第3方向におけるフェレ径の増大を1%未満とし得る。
一実施形態によれば、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152、ならびにオプションとして三次増大制限システム155はそれぞれ、連動して動作するようになっており、それによって一次増大制限システム151の部分が二次増大制限システム152の一部として連動して働き、および/または二次増大制限システム152の部分が一次増大制限システム151の一部として連動して働き、ならびに一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152の部分がそれぞれ、三次増大制限システムの一部としても働いてもよく、その逆としてもよい。例えば、図4Aおよび図4Bに示す実施形態において、一次増大制限システム151の第1一次接続部材162および第2一次接続部材164はそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の少なくとも一部または全体の、縦方向に直交する第2方向における増大を抑制するように機能することができる。さらに別の実施形態では、上述したように、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156の1以上はそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ接続する1以上の二次接続部材166として機能することができる。逆に、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の少なくとも一部はそれぞれ、一次増大制限システム151の第1一次接続部材162および第2一次接続部材164としてそれぞれ機能することができ、一実施形態では、二次増大制限システム152の少なくとも1つの二次接続部材166は、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156の1以上として機能することができる。さらに別の実施形態では、一次増大制限システム151のそれぞれの第1一次接続部材162および第2一次接続部材164の少なくとも一部および/または二次増大制限システム152の少なくとも1つの二次接続部材166は、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159の少なくとも一部または全体の構造の縦方向に直交する横方向における増大を抑制するようにとして機能することができる。さらに別の実施形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156のそれぞれ、ならびに/または第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれのうちの1以上は、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159にそれぞれ接続するように、1以上の三次接続部材166として機能することができる。逆に、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159の少なくとも一部分はそれぞれ、一次増大制限システム151の第1一次接続部材162および第2一次接続部材164として機能することができ、ならびに/または二次増大制限システム152の少なくとも1つの二次接続部材166、および三次増大制限システム155の少なくとも一つの三次接続部材165は、一実施形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156のそれぞれのうちの1以上、ならびに/または第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれのうちの1以上として機能することができる。代替的におよび/または付加的に、一次増大制限部および/または二次増大制限部および/または三次増大制限部は、電極アセンブリ106の増大を抑制するように協働する他の構造を有して成ることができる。したがって、それぞれ一次増大制限システム151および二次増大制限システム152はそれぞれ、ならびにオプションとして三次増大制限システム155は、電極アセンブリ106の増大を抑制するように、構成要素および/または構造を共有することができる。
一実施形態では、電極制限部のセット108は、一次増大制限部および二次増大制限部ならびに電池エンクロージャ104の外側および/もしくは内側の構造である一次接続部材および二次接続部材などの構造を有して成ることができ、または電池エンクロージャ104自体の一部であってもよい。例えば、電極制限部のセット108は、電池エンクロージャ104ならびに他の構造要素を含む構造の組合せを有して成ることができる。そのような実施形態の1つでは、電池エンクロージャ104は、一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152の構成要素であってもよい。換言すれば、一実施形態では、電池エンクロージャ104は、単独で、または1以上の他の構造(電池エンクロージャ104の内側および/または外側の構造、例えば、一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152)と組み合わせて、電極積層方向Dにおける、および/または積層方向Dに直交する第2方向における電極アセンブリ106の増大を抑制する。例えば、一次増大制限部154、156および二次増大制限部158、156のうちの1以上は、電極アセンブリの内側にある構造を有して成ることができる。別の実施形態では、一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152は、電池エンクロージャ104を含まず、その代わりに、電池エンクロージャ104以外の(電池エンクロージャ104内側のおよび/または外側の)1以上の別個の構造は、電極積層方向Dにおける、および/または積層方向Dに直交する第2方向における電極アセンブリ106の増大を抑制する。電極アセンブリ106は、エネルギー貯蔵デバイス100または電極アセンブリ106を有する二次電池の反復サイクル中の電極アセンブリ106の増大および/または膨潤によって及ぼされる圧力よりも高い圧力において、電極制限部のセット108によって抑制されてよい。
例示的な一実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の一部としての電極構造110を有する二次電池の反復サイクルにおける電極構造110の積層方向Dにおいて生じる圧力を超える圧力を加えることによって、電極構造110の積層方向Dの増大を抑制する、電池エンクロージャ104内の1以上の別個の構造を含む。別の例示的な実施形態では、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の一部としての対向電極構造112を有する二次電池の反復サイクルにおける対向電極構造112の積層方向Dにおいて生じる圧力を超える圧力を加えることによって、対向電極構造112の積層方向Dの増大を抑制する、電池エンクロージャ104内の1以上の別個の構造を含む。二次増大制限システム152は、同様に、電極構造110および対向電極構造112のうちの少なくとも1つの積層方向Dと直行する第2方向(例えば、垂直軸(Z軸)に沿った方向)の増大を、電極構造110または対向電極構造112のそれぞれを有する二次電池の反復サイクルにおける電極構造110または対向電極構造112のそれぞれの第2方向において生じる圧力を超える圧力を第2方向において加えることによって抑制する、電池エンクロージャ104内の1以上の別個の構造を含む。
さらに別の実施形態では、一次増大制限システム151の第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156はそれぞれ、電極アセンブリ106の第1縦方向端面116および第2縦方向端面118に圧力加えることによって、(すなわち、縦方向に直交する方向にある電極アセンブリ106の他の表面(例えば、横軸および/または垂直軸に沿った電極アセンブリ106の側面142の対向する第1領域および第2領域)における第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156によって及ぼされる圧力を超える、縦方向における圧力を加えることによって)電極アセンブリ106の増大を抑制する。つまり、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156は、縦方向(Y軸)に直交する方向(例えば、横方向(X軸)および垂直方向(Z軸))に生じる圧力を超える縦方向の圧力を加え得る。例えば、そのような実施形態の1つでは、一次増大制限システム151は、積層方向Dに垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、一次増大制限システム151によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも3倍以上)超える、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118における(すなわち、積層方向Dにおける)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、一次増大制限システム151は、積層方向Dに垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、一次増大制限システム151によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも4倍以上)超える、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118における(すなわち、積層方向Dにおける)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、一次増大制限システム151は、積層方向Dに垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、一次増大制限システム151によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも5倍以上)超える、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118における(すなわち、積層方向Dにおける)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。
同様に、一実施形態では、一次増大制限システム151の第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極アセンブリ106の縦方向に直交する第2方向(例えば、垂直軸148、150に沿った第1対向表面領域および第2対向表面領域(すなわち、垂直方向))における側面142の第1対向領域および第2対向領域に、第2方向に直交する方向にある電極アセンブリ106の他の表面における第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれによって及ぼされる圧力を超える圧力を加えることによって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。つまり、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、垂直方向(Z軸)に直交する方向(例えば、横方向(X軸)および縦方向(Y軸))に生じる圧力を超える垂直方向の圧力を加え得る。例えば、そのような実施形態の1つでは、二次増大制限システム152は、垂直方向に垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、二次増大制限システム152によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも3倍以上)超える、第1対向表面領域148および第2対向表面領域150における(すなわち、垂直方向における)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、二次増大制限システム152は、垂直方向に垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、二次増大制限システム152によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも4倍以上)超える、第1対向表面領域148および第2対向表面領域150における(すなわち、垂直方向における)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、二次増大制限システム152は、垂直方向に垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、二次増大制限システム152によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも5倍以上)超える、第1対向表面領域148および第2対向表面領域150における(すなわち、垂直方向における)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。
さらに別の実施形態では、三次増大制限システム155の第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159はそれぞれ、電極アセンブリ106の縦方向および第2方向に直交する方向(例えば、横軸161、163にそれぞれ沿った第1対向表面領域および第2対向表面領域(すなわち、横方向))における側面142の第1対向領域および第2対向領域に、横方向に直交する方向にある電極アセンブリ106の他の表面における三次増大制限システム155によって及ぼされる圧力を超える圧力を加えることによって、電極アセンブリ106の増大を抑制する。つまり、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159はそれぞれ、横方向(X軸)に直交する方向(例えば、垂直方向(Z軸)および縦方向(Y軸))に生じる圧力を超える垂直方向の圧力を加え得る。例えば、そのような実施形態の1つでは、三次増大制限システム155は、横方向に垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、三次増大制限システム155によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも3倍以上)超える、第1対向表面領域144および第2対向表面領域146における(すなわち、横方向における)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、三次増大制限システム155は、横方向に垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、三次増大制限システム155によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも4倍以上)超える、第1対向表面領域144および第2対向表面領域146における(すなわち、横方向における)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、三次増大制限システム155は、横方向に垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、三次増大制限システム155によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも5倍以上)超える、第1対向表面領域144および第2対向表面領域146における(すなわち、横方向における)圧力で電極アセンブリ106の増大を抑制する。
一実施形態では、一次増大制限システム151、二次増大制限システム152およびオプションとして三次増大制限システム155を含み得る電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106に、その2以上の次元に沿って(例えば、縦方向および垂直方向に沿って、およびオプションとして横方向に沿って)圧力を加えるようになっている。電極制限部のセット108によって縦方向に沿って加えられる圧力は、縦方向に直交するあらゆる方向(例えば、Z方向およびX方向)における電極制限部のセット108によって加えられる圧力よりも高い。すなわち、電極制限部のセット108を構成する一次増大制限システム151、二次増大制限システム152およびオプションとして三次増大制限システム155によってそれぞれ加えられる圧力が合計されると、縦軸に沿って電極アセンブリ106にかかる圧力は、電極アセンブリ106の縦方向に直交する方向にかかる圧力を超える。例えば、そのような実施形態の1つでは、電極制限部のセット108は、積層方向Dに垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、電極制限部のセット108によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも3倍以上)超える、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118に(すなわち、積層方向Dに)圧力を加える。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、電極制限部のセット108は、積層方向Dに垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、電極制限部のセット108によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも4倍以上)超える、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118に(すなわち、積層方向Dに)圧力を加える。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、電極制限部のセット108は、積層方向Dに垂直な2つの方向のうちの少なくとも1つ、またはその両方において、電極制限部のセット108によって電極アセンブリ106において維持される圧力を(少なくとも5倍以上)超える、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118に(すなわち、積層方向Dに)圧力を加える。
一実施形態によれば、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118はそれぞれ、電極アセンブリ106全体の全表面積の所定量よりも小さい複合表面積(combined surface)を有する。例えば一実施形態では、電極アセンブリ106は、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118をそれぞれ有する直角プリズムの幾何学的形状に対応する幾何学的形状ならびに、電極アセンブリ106の残りの表面を構成端面116と端面118との間に延在し、X方向に対向する表面領域(すなわち、直角プリズムの側面)144、146ならびにZ方向における対向する表面領域148、150(直角プリズムの頂面および底面、ここで、X、YおよびZはX軸、Y軸およびZ軸にそれぞれ対応する方向の次元)を有する、電極アセンブリ106の残りの表面を構成する側面142を有してよい。したがって、全表面積は、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118のそれぞれの表面積に加えて、側面142によってカバーされた表面積(すなわち、XおよびZにおける対向する表面144、146、148および150の表面積)の合計である。本開示の一態様によれば、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118の表面積の合計は、電極アセンブリ106の全表面の表面積の33%未満である。例えば、そのような実施形態の1つでは、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118の表面積の合計は、電極アセンブリ106の全表面の表面積の25%未満である。さらなる例として、一実施形態では、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118の表面積の合計は、電極アセンブリの全表面の表面積の20%未満である。さらなる例として、一実施形態では、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118の表面積の合計は、電極アセンブリの全表面の表面積の15%未満である。さらなる例として、一実施形態では、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118の表面積の合計は、電極アセンブリの全表面の表面積の10%未満である。
さらに別の実施形態では、電極アセンブリ106は、積層方向(すなわち、縦方向)と直交する平面における電極アセンブリ106の突出部の表面積が、他の直交する平面への電極アセンブリ106の突出部の表面積よりも小さくなるようになっている。例えば、図2Aに示す電極アセンブリ106の実施形態(例えば、直角プリズム)を参照すると、電極アセンブリ106の積層方向に直交する平面(すなわち、X-Z平面)への突出部の表面積は、LEA×HEAに対応することが分かる。同様に、電極アセンブリ106のZ-Y平面への突出部は、WEA×HEAに対応し、電極アセンブリ106のX-Y平面への突出部はLEA×WEAに対応する。したがって、電極アセンブリ106は、積層方向が最も小さな表面積を有する突出部がある平面と交差するようになっている。したがって、図2Aに示す実施形態では、電極アセンブリ106は、積層方向がHEA×LEAに対応する最も小さな表面積の突出部があるX-Z平面と交差するように位置付けられている。すなわち、電極アセンブリは、最も小さな表面積(例えば、HEA×LEA)を有する突出部が積層方向と直交するように位置付けられている。
さらに別の実施形態では、二次電池102は、電極積層体を形成するように共に積み重ねられ、1以上の共有された電極制限部によって制限を受けることができる複数の電極アセンブリ106を有して成ることができる。例えば一実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152のうちの少なくとも1つの少なくとも一部分を、電極アセンブリ積層体を形成する複数の電極アセンブリ106によって共有することができる。さらなる例として、一実施形態では、電極アセンブリ積層体を形成する複数の電極アセンブリは、積層体を形成する複数の電極アセンブリ106が共用された二次増大制限システムによって垂直方向に制限されるように、積層体の頂部電極アセンブリ106に第1二次増大制限部158および積層体の底部電極アセンブリ106に第2二次増大制限部160を有する二次増大制限システム152によって垂直方向に制限されてよい。同様に、一次増大制限システム151の一部分も共有することができる。したがって、一実施形態では、上述の単一電極アセンブリと同様に、積層方向(すなわち、縦方向)と直交する平面における電極アセンブリ106の積層体の突出部の表面積は、電極アセンブリ106の積層体の他の直交する平面への突出部の表面積よりも小さい。すなわち、複数の電極アセンブリ106は、積層方向(すなわち、縦方向)が電極アセンブリ積層体の他のすべての突出部のうちで最も小さい電極アセンブリ106の積層体の突出部を有する平面と交差して直交するようになっていてもよい。
一実施形態によれば、電極アセンブリ106は、電極構造110の積層方向(すなわち縦方向)に直交する平面への電極構造110の突出部の表面積が、他の直交する平面への電極構造100の突出部の表面積よりも大きくなるように構成されていてよい。例えば、図2および図7に示す実施形態を参照すると、電極110は、横方向で測定された長さLES、縦方向で測定された幅WESおよび垂直方向で測定された高さHESをそれぞれ有すると解することができる。したがって、図2および図7に示すように、X-Z平面への突出部は表面積LES×HESを有し、Y-Z平面への突出部は表面積WES×HESを有し、X-Y平面への突出部は表面積LES×WESを有する。このうち、表面積が最も大きい突出部に対応する面は、積層方向と直交するように選択された面である。同様に、電極110は、電極活物質層132の積層方向と直交する面への突出部の表面積が、電極活物質層の他の直交方向への突出部の表面積よりも大きくなるように構成されていてもよい。例えば、図2および図7に示す実施形態では、電極活物質層は、横方向で測定された長さLA、縦方向で測定された幅WAおよび垂直方向で測定された高さHAを有していてよく、それらは突出部の表面積から計算することができる(LES、LA、WES、WA、HESおよびHAはまた、電極構造および/または電極活物質層132の寸法が1以上の軸に沿って変化する場合に、これらの寸法の最大値に対応していてよい)。一実施形態では、電極構造体110を、電極構造体100および/または電極活物質層132の最も高い突出部の表面積を有する平面が積層方向と直交するように位置付けることによって構成を達成することができ、それによって、電極活物質の最大表面積を有する電極構造110の表面は、キャリアイオンの移動方向を向き、したがってインターカレーションおよび/または合金化による充電状態と放電状態との間のサイクル中に最も大きな増大を経る。
一実施形態では、電極構造110および電極アセンブリ106は、電極構造110および/または電極活物質層132の最大の表面積の突出部ならびに電極アセンブリ106の最小の表面積の突出部が、積層方向に直交する平面内に共に存在するように構成されていてよい。例えば、図2および図7に示すような場合には、電極活物質層132のX-Z平面(LA×HA)における電極活物質層132の突出部が最も大きい場合、電極構造110および/または電極活物質層132は、電極アセンブリの最小の表面積の突出部(LEA×HEA)に関して、両方の突出部のための突出部平面が積層方向と直交するように位置付けられている。すなわち、電極構造110および/または電極活物質の最大の表面積の突出部を有する平面は、電極アセンブリ106の最小の表面積の突出部を有する平面に平行である(および/または同じ平面にある)。このように、一実施形態によれば、最大の体積増大を最も起こしやすい電極構造の表面(すなわち、電極活物質層の最大含有量を有する表面)および/または電極構造の交差する(例えば、二次電池の充放電時におけるキャリアイオンの進行方向と交差する(例えば、直交する)平面は、最も表面積の小さい電極アセンブリ106の表面に対向している。このような構成を供する利点は、この最大の増大方向に(例えば、縦軸にそって)制限するために使用される増大制限システムを、電極アセンブリ106の他の表面積と比較してそれ自体が比較的小さい表面積を有する増大制限部を用いて実施することができ、それによって電極アセンブリの増大を抑制するための制限システムを実施するのに必要な体積を減少させることができることである。
一実施形態では、制限システム108は、電極アセンブリ106と制限システム108とを合わせた体積の比較的小さい体積%を占める。すなわち、電極アセンブリ106は、その外側表面によって境界付けられる体積(すなわち、押しのけ体積(または変位体積、displacement volume))、すなわち第1縦方向端面116および第2縦方向端面118ならびに端面に接続する側面42によって囲まれた体積を有するものとして解することができる。電極アセンブリ106の外側の(すなわち、縦方向端面116、118および側面の外側の)制限システム108の部分(例えば、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156は電極アセンブリ106の縦方向端部117、119に位置付けられ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160は側面142の対向する端部にある)は、同様に、制限システムの部分の押しのけ体積(displacement volume)に相当する体積を占める。したがって、一実施形態では、一次増大制限システム151の外側部分(すなわち、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156ならびにその外側または外側部分である少なくとも1つの一次接続部材のいずれか)、ならびに二次増大制限システム152の外側部分(すなわち、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160ならびにその外側または外側部分である少なくとも1つの二次接続部材のいずれか)を含むことができる電極制限部のセット108の外側部分を含むことができる電極制限部のセット108の外側部分は、電極アセンブリ106と電極制限部のセット108の外側部分との合計体積の80%以下を占める。さらなる例として、一実施形態では、電極制限部のセットの外側部分は、電極アセンブリ106と電極制限部のセットの外側部分との合計体積の60%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、電極制限部のセット106の外側部分は、電極アセンブリ106と電極制限部のセットの外側部分との合計体積の40%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、電極制限部のセット106の外側部分は、電極アセンブリ106と電極制限部のセットの外側部分との合計体積の20%以下を占める。さらに別の実施形態では、一次増大制限システム151の外側部分(すなわち、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156ならびにその外側または外側部分である少なくとも1つの一次接続部材のいずれか)は、電極アセンブリ106と一次増大制限システム151の外側部分との合計体積の40%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151の外側部分は、電極アセンブリ106と一次増大制限システム151の外側部分との合計体積の30%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151の外側部分は、電極アセンブリ106と一次増大制限システム151の外側部分との合計体積の20%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、一次増大制限システム151の外側部分は、電極アセンブリ106と一次増大制限システム151の外側部分との合計体積の10%以下を占める。さらに別の実施形態では、二次増大制限システム152の外側部分(すなわち、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160ならびにその外側または外側部分である少なくとも1つの二次接続部材のいずれか)は、電極アセンブリ106と二次増大制限システム152の外側部分との合計体積の40%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152の外側部分は、電極アセンブリ106と二次増大制限システム152の外側部分との合計体積の30%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152の外側部分は、電極アセンブリ106と二次増大制限システム152の外側部分との合計体積の20%以下を占める。さらに別の例として、一実施形態では、二次増大制限システム152の外側部分は、電極アセンブリ106と二次増大制限システム152の外側部分との合計体積の10%以下を占める。
一実施形態によれば、電極制限部のセット108の部分によって占有される相対的に低い体積に対する論理的根拠は、図8Aおよび図8Bに示される力の模式図を参照することによって理解することができる。図8Aは、電極活物質層132の体積の増加に起因する、二次電池102のサイクル時の第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156に及ぼされる力を示す実施形態を示す。矢印198bは電極活物質層132の膨張に伴う力を示し、wは電極活物質層132の増大に起因する第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156に加えられる荷重を示し、pは電極活物質層132の体積の増加の結果としての第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156に加えられる圧力を示す。同様に、図8Bは、電極活物質層132の体積の増加に起因して、二次電池102のサイクル時に第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に及ぼされる力を示す実施形態を示す。矢印198aは電極活物質層132の膨張に伴う力を示し、wは電極活物質層132の増大に起因する第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に加えられる荷重を示し、Pは電極活物質層132の体積の増加の結果として、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に加えられる圧力を示す。電極活物質は二次電池のサイクル中、等方的に(すなわち全方向に)膨張し、したがって各方向の圧力Pは同じであるが、各方向にかかる荷重wは異なる。説明の便宜上、図8Aおよび図8Bに示す実施形態を参照して、第1一次増大制限部154または第2一次増大制限部156上のX-Z平面における荷重は、P×LES×HESに比例すると理解することができ、ここで、Pは一次増大制限部154、156における電極活物質132の膨張に起因して加えられる圧力であり、LESは電極構造110の横方向の長さであり、HESは電極構造110の垂直方向の高さである。同様に、第1二次増大制限部158または第2二次増大制限部160上のX-Y平面における荷重は、P×LES×WESに比例する。ここで、Pは二次増大制限部158、160上の電極活物質層132の膨張に起因する圧力であり、LESは電極構造110の横方向の長さであり、WESは電極構造110の縦方向の幅である。三次制限システムが供される場合、第1三次増大制限部157または第2三次増大制限部159におけるY-Z平面における荷重は、P×HES×WESに比例する。ここで、Pは三次増大制限部157、159上の電極活物質層132の膨張に起因する圧力であり、LESは電極構造110の横方向の長さであり、WESは電極構造110の縦方向の幅である。したがって、LESがWESおよびHESの両方よりも大きい場合、Y-Z平面の荷重が最も小さくなり、HES>WESの場合、X-Y平面の荷重がX-Z平面の荷重よりも小さくなり、これは、X-Z平面が、直交する平面の中で加えられる最も高い荷重を有することを意味する。
さらに、一実施形態によれば、X-Y平面に一次制限部を供することとは対照的に、X-Z平面における荷重が最大である場合に一次制限部がX-Z平面に供されると、X-Z平面における一次制限部は、一次制限部がX-Y平面にある場合に必要とされるよりもはるかに小さい体積を必要とし得る。これは、一次制限部がX-Z平面ではなくX-Y平面にある場合、必要とされる増大に対する剛性を持たせるために、制限部をはるかに厚くする必要があるためである。特に、以下でさらに詳細に記載するように、一次接続部材間の距離が増大するにつれて、座屈の撓みも増大し、応力もまた増加する。例えば、一次増大制限部154、156の曲げによる偏向の支配式は、σ=60wL4/Eh3で示される。ここで、wは電極膨張に起因する一次増大制限部154、156に印加される全分布荷重(total distributed load)であり、Lは一次接続部材158、160間の垂直方向の距離であり、Eは一次増大制限部154、156の弾性率、およびhは一次増大制限部154、156の厚さ(幅)である。電極活物質132の膨張に起因する一次増大制限部154、156に対する応力は、式σ=3wL2/4h2を使用して計算することができる。
ここで、wは電極活物質層132の膨張に起因する一次増大制限部154、156に印加される全分布荷重であり、Lは一次接続部材158、160間の垂直方向の距離であり、hは一次増大制限部154、156の厚さ(幅)である。したがって、一次増大制限部がX-Y平面にあって、一次接続部材がX-Z平面にある場合よりも離れている場合(例えば、縦方向の端部)、これは一次増大制限部をより厚くすることが要求され、したがってX-Z平面にある場合にはより大きな体積を占めることになる。
一実施形態によれば、第1縦方向端面116および第2縦方向端面118上への電極集合体および対向電極集合体の部材の突出部は、第1突出部領域2002aおよび第2突出部領域2002bを囲む。一般的に、第1突出部領域2002aおよび第2突出部領域2002bは、典型的には、第1縦方向端面122および第2縦方向端面124のそれぞれの表面積のかなりの部分を構成して成る。例えば一実施形態では、第1突出部領域および第2突出部領域の各々は、第1縦方向端面および第2縦方向端面のそれぞれの表面積の少なくとも50%を構成して成る。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、第1突出部領域および第2突出部領域の各々は、第1縦方向端面および第2縦方向端面のそれぞれの表面積の少なくとも75%を構成して成る。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、第1突出部領域および第2突出部領域の各々は、第1縦方向端面および第2縦方向端面のそれぞれの表面積の少なくとも90%を構成して成る。
ある実施形態では、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118は、かなりの圧縮荷重を受けることになる。例えば、いくらかの実施形態では、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも0.7kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。例えば一実施形態では、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも1.75kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも2.8kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも3.5kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも5.25kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも7kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも8.75kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)の圧縮荷重下にある。しかしながら、典型的には、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118の各々は、少なくとも10kPa(例えば、縦方向端面の各々の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)以下の圧縮荷重下にある。縦方向端面上の電極集合体および対向電極集合体の部材の突出部(すなわち、突出した表面領域)と一致する電極アセンブリの縦方向端面の領域は、上記の圧縮荷重(各々の突出した表面領域の全表面積にわたってそれぞれ平均化される値)下であり得る。上記の例示的な実施形態の各々において、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵デバイス100が、その定格容量の少なくとも約80%に充電される場合、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118は、このような圧縮荷重を受けることになる。
一実施形態によれば、二次増大制限システム152は、所定値の抑制力を適用することによって、増大の抑制を過度にゆがめる(またはスキューする、skew)ことなく、電極アセンブリ106の垂直方向(Z方向)における増大を抑制することができる。例えば一実施形態では、二次増大抑制システム152は、対向する垂直領域148、150に1000psiより大きい抑制力および0.2mm/m未満のスキューを適用することによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制し得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、対向する垂直領域148、150に5%未満の変位で10000psi未満か、10000psiに等しい抑制力および0.2mm/m未満のスキューを適用することによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制し得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、対向する垂直領域148、150に3%未満の変位で10000psi未満か、10000psiに等しい抑制力および0.2mm/m未満のスキューを適用することによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制し得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、対向する垂直領域148、150に1%未満の変位で10000psi未満か、10000psiに等しい抑制力および0.2mm/m未満のスキューを適用することによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制し得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、50回の電池サイクルの後で、対向する垂直領域148、150に、垂直方向において15%未満の変位で10000psi未満か、10000psiに等しい抑制力および0.2mm/m未満のスキューを適用することによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制し得る。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、150回の電池サイクルの後で、対向する垂直領域148、150に、垂直方向において5%未満の変位で10000psi未満か、10000psiに等しい抑制力および0.2mm/m未満のスキューを適用することによって、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制し得る。
ここで図5を参照すると、電極制限部のセット108を有する電極アセンブリ106の実施形態が、図1に示される線A-A’に沿った断面図で示されている。図5に示す実施形態において、一次増大制限システム151は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118にそれぞれ第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を有して成ることができ、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の側面142の対向する第1表面領域148および第2表面領域150に、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160を有して成ることができる。この実施形態によれば、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156は、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160を接続し、縦方向に直交する第2方向(例えば、垂直方向)における互いの張力を維持ための少なくとも1つの二次接続部材166として機能することができる。しかし、追加的および/または代替的に、二次増大抑制システム152は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118以外の領域に配置される少なくとも1つの二次接続部材166を有して成ることができる。また、少なくとも1つの二次接続部材166は、電極アセンブリの縦方向端部116、118の内側にある第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156の少なくとも1つとして機能すると理解することができ、増大を抑制するために、電極アセンブリ106の縦方向端部116、118における別の内側の一次増大制限部および/または一次増大制限部のいずれかと関連して作用すると理解することができる。図5に示す実施形態を参照すると、電極アセンブリ106の第1縦方向端面116および第2縦方向端面118からそれぞれ離れた縦軸に沿って(例えば、電極アセンブリ106の中央領域に向かって)離間した二次接続部材166を供することができる。二次接続部材166は、電極アセンブリの端面116、118からの内側位置において、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ接続することができ、その位置で二次増大制限部158と160との間の張力下であってよい。一実施形態では、電極アセンブリの端面116、118に供された1以上の二次接続部材166(例えば、縦方向端面116、118における一次増大制限部154、156としても機能する二次接続部材166)に加えて、端面116、118からの内側位置に二次増大制限部158、160を接続する二次接続部材166が供される。別の実施形態では、二次増大抑制システム152は、縦方向端面116、118における二次接続部材166の有無にかかわらず、縦方向端面116、118から間隔を置いて配置された内側位置で、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ接続する1以上の二次接続部材166を有して成る。一実施形態によれば、内側の二次接続部材166は、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156として機能すると理解することもできる。例えば一実施形態では、内側の二次接続部材166の少なくとも1つは、以下でさらに詳細に記載するように、電極構造110または対向電極構造112の少なくとも一部を有して成ることができる。
より具体的には、図5に示す実施形態に関して、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の側面142の上部領域148を覆う第1二次増大制限部158と、電極アセンブリ106の側面142の下部領域150を覆う対向する第2二次増大制限部160とを含んでよく、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160は、垂直方向(すなわち、Z軸に沿って)に互いに分離されている。さらに、二次増大制限システム152は、電極アセンブリ106の縦方向端面116、118から離間した、少なくとも1つの内側二次接続部材166をさらに含んでもよい。内側二次接続部材166は、Z軸に平行に整列されてよく、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ連結して、互いに増大制限部の張力を維持し、二次増大制限システム152の少なくとも一部を形成する。一実施形態では、少なくとも1つの内側二次接続部材166は、単独で、または電極アセンブリ106の縦方向端面116、118に位置付けられた二次接続部材166とともに、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102の充電および/または放電の繰り返し中に、垂直方向(すなわち、Z軸に沿った方向)における電極アセンブリ106の増大を低減させるために、垂直方向(すなわち、Z軸に沿った方向)において、第1二次増大制限部158と第2二次増大制限部160との間の張力下であってよい。さらに、図5に示す実施形態において、電極制限部のセット108は、電極アセンブリ106のそれぞれ上側側面領域148および下側側面領域150においてそれぞれ、第1一次接続部材162および二次接続部材164によってそれぞれ接続される、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119にそれぞれ第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を有する一次増大制限システム151をさらに有して成る。一実施形態では、二次内側接続部材166と、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156をそれぞれ位置付けることができる電極アセンブリ106の縦方向端部117、119との間の縦方向に存在する電極アセンブリ106のそれぞれの部分に制限圧をかけるように、二次内側接続部材166は、それ自体、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156のうちの1以上とそれぞれ協働するものとして解することができる。
一実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の1以上は、複数の制限部材を含む、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156のそれぞれを、ならびに/または第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれを含む。すなわち、一次増大制限部154、156および/または二次増大制限部158、160のそれぞれは、単一単位の(または単一の、single unitary)部材であってよく、または複数の部材を用いて1以上の増大制限部を構成してもよい。例えば一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極アセンブリの側面142の上部表面領域148および下部表面領域150に沿って延在する単一の制限部材を有して成ることができる。別の実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、側面の対向する表面領域148、150を横切って延在する複数の部材を有して成る。同様に、一次増大制限部154、156は、複数の部材から構成されてもよく、または各電極アセンブリの縦方向端部117、119にそれぞれ単一単位の部材を有して成ることができる。一次増大制限部154、156と二次増大制限部158、160との間の張力を維持するように、接続部材(例えば、162、164、165、166)が、電極アセンブリ106の増大制限部間に圧力を加える方法における対向する増大制限部材に対する増大制限部を有して成る1または複数の部材を接続するために供される。
一実施形態では、二次増大制限システム152の少なくとも1つの二次接続部材166は、第1二次増大制限システム158および第2二次増大制限システム160それぞれとの接触領域168、170を形成し、増大制限部の互いの張力を維持する。接触領域168、170は、少なくとも1つの二次接続部材166の端部172、174の表面が第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ接触する領域および/または密着する領域であり、例えば、少なくとも1つの二次接続部材166の端部の表面が、第1二次増大制限158および第2二次増大制限160にそれぞれ接着されるか、または接着されている。接触領域168、170は、各端部172、174にあってもよく、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の表面領域を横切って延在し、それらの間の良好な接触を供してもよい。接触領域168、170は、二次接続部材166と増大制限部158、560との間の縦方向(Y軸)での接触を供し、接触領域168、170はまた、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のお互いの張力に維持するための良好な接触および接続を供するように横方向へと延在してもよい。一実施形態では、接触領域168、170は、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域(例えば、全領域168の合計および全領域170の合計)と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との少なくとも1%である比を供する。例えば一実施形態では、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも2%である。さらなる例として、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも5%である。さらなる例として、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも10%である。さらなる例として、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも25%である。さらなる例として、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも50%である。一般的に、縦方向(Y軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、縦方向における電極アセンブリ106のWEA当たりの増大制限部158、160との比は、1以上の接続部材166が、典型的には、縦軸の全体にわたって延在する接触領域168、170を有さないので、100%よりも小さく、例えば90%より小さく、さらには75%よりも小さい。しかし、一実施形態では、増大制限部158、160を有する二次接続部材166の接触領域168、170は、横軸(X軸)のかなりの部分を横切って延在してもよく、横方向において電極アセンブリ106の全体LEAを横切って延在してもよい。例えば、横方向(X軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域(例えば、全領域168の合計および全領域170の合計)と、横方向における電極アセンブリ106のLEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも約50%であってもよい。さらなる例として、横方向(X軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、横方向における電極アセンブリ106のLEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも約75%であってもよい。さらなる例として、横方向(X軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、横方向における電極アセンブリ106のLEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも約90%であってもよい。さらなる例として、横方向(X軸)における1以上の二次接続部材166の総接触領域と、横方向における電極アセンブリ106のLEA当たりの増大制限部158、160との比は、少なくとも約95%であってもよい。
一実施形態によれば、1以上の二次接続部材166と第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160との間の接触領域168、170はそれぞれ、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102のサイクル中に、増大制限部158、160間の適当な保持力および張力を供するように十分に広い。例えば、接触領域168、170は、電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも2%(例えば、電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも10%、さらには電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも20%)を構成する各増大制限部158、160との接触領域を形成し得る。さらなる例として、接触領域168、170は、電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも35%(さらには電極アセンブリ106の側面142の表面積の少なくとも40%)を構成する各増大制限部158、160との接触領域を形成し得る。例えば、上側および下側の対向する表面領域148、150をそれぞれ有する電極アセンブリ106の場合、少なくとも1つの二次接続部材166は、上側および下側の対向する表面領域148、150のそれぞれの表面積の少なくとも5%(例えば、上側および下側の対向する表面領域148、150のそれぞれの表面積の少なくとも10%、さらには上側および下側の対向する表面領域148、150のそれぞれの表面積の少なくとも20%)に沿って増大制限部158、160との接触領域168、170を形成し得る。さらなる例として、上側および下側の対向する表面領域148、150をそれぞれ有する電極アセンブリ106の場合、少なくとも1つの二次接続部材166は、上側および下側の対向する表面領域148、150のそれぞれの表面積の少なくとも40%(例えば、上側および下側の対向する表面領域148、150のそれぞれの表面積の少なくとも50%)に沿って増大制限部158、160との接触領域168、170を形成し得る。少なくとも1つの接続部材166と、電極アセンブリ106の総表面積に対して最小の表面積を構成する増大制限部158、160との間に接触を形成することによって、増大制限部158、160間の適切な張力を供することができる。さらに一実施形態によれば、接触領域168、170は単一の二次接続部材166によって供されてもよく、または、接触の総領域は複数の二次接続部材166によって供される接触領域168、170の複数の領域の合計であってもよい(例えば、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119に位置付けられた1以上の二次接続部材166、および/または電極アセンブリ106の縦方向端部117、119から間隔を置いて配置された1以上の内側二次接続部材166)。
さらに一実施形態では、それぞれ、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152(およびオプションとして、三次増大制限システム)はそれぞれ、縦方向および縦方向と直交する第2方向(例えば垂直方向(Z軸))(およびオプションとして、第3方向(例えばX軸に沿った方向))の両方で電極アセンブリ106の増大を抑制することができ、電極アセンブリの体積増加%を抑制する。
ある実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152のうちの1以上はそれぞれ、その中に細孔を有する部材(例えば、多孔質材料で作られた部材)を含んで成る。例えば、電極アセンブリ106上の二次増大制限部158の上面図を示す図6Aを参照すると、二次増大制限部158は、二次増大制限部158によって少なくとも一部が覆われている電極アセンブリ106にアクセスするために、電解質がそれを通過することができる細孔176を有して成る。一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、その中に細孔176を有する。別の実施形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156の各々はそれぞれ、また第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれは、その中に細孔176を有する。さらに別の実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のうちの1つまたは一部のみが、その中に細孔を含む。さらに別の実施形態では、第1一次接続部材162および第2一次接続部材164のうちの1以上はそれぞれ、ならびに少なくとも1つの二次接続部材166は、その中に細孔を含む。細孔176を設けることは、例えば、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102は、電解質が異なる電極アセンブリ106(例えば、図20における実施形態に示す二次電池102)間を流れることができるように、電池エンクロージャ104内に共に積み重ねられた複数の電極アセンブリ106を含む。例えば一実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、少なくとも0.25の空隙率を有してもよい。さらなる例として、いくらかの実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、少なくとも0.375の空隙率を有することができる。さらなる例として、いくらかの実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、少なくとも0.5の空隙率を有することができる。さらなる例として、いくらかの実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、少なくとも0.625の空隙率を有することができる。さらなる例として、いくらかの実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の少なくとも一部を構成する多孔質部材は、少なくとも0.75の空隙率を有することができる。
一実施形態では、電極制限部のセット108は、一次増大制限システム151の構成要素の、二次増大制限システム152の構成要素への接着、結合および/またはグルーイングの少なくとも1つによって電極アセンブリ106の増大を抑制するように組み立てられ、固定されてもよい。例えば、一次増大制限システム151の構成要素は、二次増大制限システム152の構成要素にグルーイング、溶接、結合、または他の方法で接着して固定されてもよい。例えば、図4Aに示すように、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156はそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160としてもそれぞれ機能し得る第1一次接続部材162および第2一次接続部材164にそれぞれ接着することができる。逆に、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部150はそれぞれ、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119における増大制限部などの第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156の少なくとも1つとして機能する、少なくとも1つの二次接続部材166に接着することができる。図5を参照して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、縦方向端部117、119から離間した内側接続部材166である少なくとも1つの二次接続部材166に接着することができる。一実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の部分をそれぞれ互いに固定することによって、電極アセンブリ106の増大を協調的に抑制することができる。
図6A~6Dは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のうちの1以上をそれぞれ、1以上の二次接続部材166に固定するための実施形態を示す。また、図6A~図6Dは、電極アセンブリ106の側面142の上面領域148にわたって第1二次増大制限部158を有する電極アセンブリ106の実施形態の上面図を供する。また、縦軸(Y軸)に沿って離間した、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156がそれぞれ示されている。電極構造110および/または対向電極構造112の少なくとも一部に対応し得る二次接続部材166も示されている。図示された実施形態では、第1二次増大制限部158は、電解質およびキャリアイオンが電極構造110および対向電極構造112に到達することを可能にするための細孔176を有する。上述したように、ある実施形態では、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156はそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ接続する少なくとも1つの二次接続部材166として機能することができる。したがって、図示のバージョンでは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極アセンブリ106の周縁(periphery)で第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156に接続することができる。しかし、一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、内側二次接続部材166である二次接続部材166を介して接続することもできる。図示のバージョンでは、第1二次増大制限部158は、増大制限部158が下にある内側二次接続部材166に結合される接合領域(bonded regions)178を含んで成り、増大制限部158が下にある内側二次接続部材166に結合されない非接合領域180を含んで成り、非接合領域180の領域と交互に位置する接合領域178の列(column)の形態で、増大制限部158と下にある二次接続部材166との間の接触領域168を供する。一実施形態では、非接合領域180は、電解質およびキャリアイオンが通過できる開細孔(open pores)176をさらに含む。一実施形態によれば、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極構造110または対向電極構造112、または電極アセンブリ106の他の内側構造の少なくとも一部を含んで成る二次接続部材166に接着される。一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ、二次接続部材166を形成する対向電極構造112または他の内側構造の上端および下端に接着することができ、制限部が対向電極112または他の内側構造に接着される領域に対応する接着領域(adhered areas)178の列、および対向電極112または他の内側構造の間の非接着領域180の列を形成する。さらに、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、少なくとも1つの二次接続部材166を形成する対向電極構造112または他の構造に接着または接着されてよく、それによって、細孔176が少なくとも非接着領域180において開口しているよう保持され、また電解質およびキャリアイオンがそこを通過することができるように接合領域178における細孔176が相対的に開口した状態に保持されるよう接着されてよい。
さらに別の実施形態では、図6Bに示すように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極アセンブリ106の周縁で第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156にそれぞれ接続され、また内側二次接続部材166である二次接続部材166を介して接続され得る。図示のバージョンでは、第1二次増大制限部158は、増大制限部158が下にある内側二次接続部材166に結合される接合領域178を含んで成り、また増大制限部158が下にある二次接続部材166に結合されていない非接着領域180をさらに含んで成り、それによって非接着領域180の領域と交互に位置付けられる接合領域178の列(rows)の形態で、増大制限部158と下にある二次接続部材166との間の接触領域168を供する。この実施形態におけるこれらの接合領域178および非接合領域180はそれぞれ、図6Bに示されるように横方向(X軸)であり得る(図6Aに示される縦方向(Y軸)とは対照的に)二次接続部材166の寸法にわたって延在することができる。接合領域178および非接合領域180はそれぞれ、所定のパターンで縦方向および横方向の両方に延在することができる。一実施形態では、非接合領域180は、電解質およびキャリアイオンが通過できる開細孔176をさらに含む。第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ、一実施形態では、対向電極構造112または二次接続部材166を形成する他の内側構造の上端および下端に接着することができ、それによって、増大制限部が対向電極構造112または他の内側構造に接着する領域に対応する接着領域178、および対向電極構造112または他の内側構造の間の非接着領域180の領域を形成する。さらに、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、少なくとも1つの二次接続部材166を形成する対向電極構造112または他の構造に結合または接着され得、それによって細孔176が少なくとも非接合領域180において開口しているよう保持され、また電解質およびキャリアイオンがそこを通過することができるように接合領域178における細孔176が相対的に開口した状態に保持されるよう接着されてよい。
さらに別の実施形態では、図6Cを参照すると、第1二次増大抑制部材158および第2二次増大抑制部材160をそれぞれ少なくとも1つの二次接続部材166に接続するための代替構成が示されている。より具体的には、二次増大制限部158、160のそれぞれの接合領域178および非接合領域180は、縦方向(Y軸)において電極アセンブリ106の中心に向かって位置付けられる接着軸AGに対して対称であるように示されている。この実施形態に示すように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極構造110、対向電極構造112、または他の内側電極アセンブリ構造を含んで成る二次接続部材166の端部に取り付けられるが、接合領域および非接合領域の列は同じサイズではない。すなわち、増大制限部158、160を、交互または他の順序で内側二次接続部材166に選択的に結合することができ、それによって、非接合領域180の量が、例えば、それを通る電解質の通過のために十分な数の細孔176が開口するように接合領域178の量を超えるようにすることができる。すなわち、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、供される結合領域から非結合領域の面積に応じて、二次接続部材166を構成するすべての他の対向電極構造112または他の内側構造に接合されてよく、または1+n構造(例えば、対向電極構造112)の1つに接合されてもよい。
図6Dは、第1二次増大抑制部材158および第2二次増大抑制部材160をそれぞれ少なくとも1つの二次接続部材166に接続するための代替構成のさらに別の実施形態を示す。このバージョンでは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれの接合領域178および非接合領域180はそれぞれ、接着軸AGの周りの非対称パターンの列を形成する。すなわち、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極構造110または対向電極構造112または他の内側構造に対応する二次接続部材166に、非対称であるパターンで接着させることができる。例えば、ランダムまたは他の非対称的なパターンにしたがって内側構造への接着をスキップすることによって行うことができる。図示の実施形態のパターンでは、接合領域178および非接合領域180はそれぞれ、接着軸AGに関して対称ではない異なる幅を有する交互の列を形成する。さらに、接着軸AGは、本明細書では縦方向(Y軸)にあるように示されているが、接着軸AGは横方向(X軸)に沿っていてもよいし、または縦方向および横方向に沿って2つの接着軸があってもよく、これにより、接合領域178および非接合領域180のパターンを形成することができる。同様に、図6A~図6Dに関して記載された、および/または示された各パターンについて、縦方向(Y軸)に沿って示されたパターンを、代替的に横方向(X軸)に沿って形成してよく(もしくはその逆でもよく)、または両方向のパターンの組合せを形成してもよい。
一実施形態では、任意の二次接続部材166に沿った、および/または第1一次増大制限部154または第2一次増大制限部156それぞれの少なくとも1つに沿った、制限部に沿った接合領域および非接合領域の総面積に対する第1二次増大制限部158もしくは第2二次増大制限部160それぞれの接合領域178の面積は、少なくとも50%、例えば少なくとも75%、さらには少なくとも90%、例えば100%である。別の実施形態では、接合領域178の細孔176が開口した状態とするように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極構造110または対向電極構造112または電極アセンブリ106の他の内側構造に対応する二次接続部材166に接着させることができる。すなわち、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、増大制限部における細孔176が増大制限部を接続部材に接着するために使用されるあらゆる接着剤または他の手段によって閉塞されないように、二次接続部材166に接合することができる。一実施形態によれば、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、少なくとも1つの二次接続部材166に接続されて、増大制限部158、160の面積の少なくとも5%の細孔176を有する開口面積、さらには増大制限部158、160の面積の少なくとも10%の細孔176を有する開口面積、さらには増大制限部158、160の面積の少なくとも25%の細孔176を有する開口面積、例えば増大制限部158、160の面積の少なくとも50%の細孔176を有する開口面積を供する。
上述の実施形態は、細孔176をY軸に沿って列として整列させた細孔176で特徴付けることができるが、細孔176は、図6A~図6DにおけるX軸に沿った横列に向けられて特徴付け得ること、また同様に、接着剤または他の接着手段を水平またはX軸に沿って適用して、電極制限108の集合を組み立てることができることは、当業者であれば理解することができるであろう。さらに、接着剤または他の接合手段を適用して、メッシュ状の空気細孔176を形成することができる。さらに、上述したように、接着軸AGは、類似の対称および非対称の接着および/または接合パターンを供するために、水平に、またはX軸に沿って向けられてもよい。
さらに、細孔176および非接合領域180は、Y軸に沿った縦列およびX軸に沿った横列で(すなわち直線的に)整列されているとして上記で説明したが、細孔176および/または非接合領域180は、非直線状に配置されてもよい。例えば、ある実施形態では、細孔176は、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれの表面全体に、非組織化またはランダムな方法でそれぞれ分布されてもよい。したがって、一実施形態では、結果として生じる構造が、過剰に閉塞されていない適切な細孔176を有し、非閉塞細孔176を有する非接合領域180を含む限り、接着剤または他の接着手段をいかなる方法で適用することができる。
[二次制限システムのサブアーキテクチャ]
一実施形態によれば、上述したように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のうちの1以上を、電極アセンブリ106の内側構造の一部(例えば、電極構造110および/または対向電極構造112の一部)である二次接続部材166を介して共に接続することができる。一実施形態では、電極アセンブリ106内の構造を介して制限間を接続することによって、電極構造110の増大によって生じる歪みを適切に補償する緊密に制限された構造を実現することができる。例えば一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160はそれぞれ、電極構造110または対向電極構造112の一部である接続部材166を通る接続を介して互いに張力がかかるように位置付けられることによって、縦方向に直交する方向(例えば、垂直方向)の増大を制限し得る。さらに別の実施形態では、電極構造110(例えば、アノード構造)の増大は、二次接続部材166として機能する対向電極構造112(例えば、カソード)を介した二次増大制限部158、160の接続によって対抗することができる。
一般的に、ある実施形態では、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の構成要素は、電極アセンブリ106内の電極構造110および/または対向電極構造112にそれぞれ取り付けられてもよく、二次増大制限システム152の構成要素はまた、電極アセンブリ106内の電極構造110および/または対向電極構造112として具現化してよく、それによって効果的な制限を供するのみならず、電極アセンブリ106を有するエネルギー貯蔵デバイス110または二次電池102のサイズを過度に増加させることなく、電極アセンブリ106の体積をより効果的に利用することができる。例えば一実施形態では、一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152は、1以上の電極構造110に取り付けられてもよい。さらなる例として、一実施形態では、一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152は、1以上の対向電極構造112に取り付けられてもよい。さらなる例として、ある実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166は、電極構造110の集合体として具体化されてもよい。さらなる例として、ある実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166は、対向電極構造112の集合体として具体化されてもよい。
図7に参照して、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸はページの平面から出るように向けられており、上述したような積層方向Dの指定は、Y軸と平行である。より具体的には、図7は、図1における、一次増大制限システム151の一実施形態および二次増大制限システム152の一実施形態の両方を含む電極制限部のセット108のA-A’線に沿った断面を示す。一次増大制限システム151は、上述したような第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156と、上述したような第1一次接続部材162および第2一次接続部材164とを含む。二次増大制限システム152は、第1二次増大制限部158と、第2二次増大制限部160と、電極構造110の集合体および/または対向電極構造112の集合体として具体化される少なくとも1つの二次接続部材166とを含む。したがって、この実施形態では、少なくとも1つの二次接続部材166、電極構造110および/または対向電極構造112は、交換可能であると理解することができる。さらに、セパレータ130は、二次接続部材166の一部を形成することもできる。さらに、この実施形態では、第1一次接続部材162および第1二次増大制限部158は、上述のように交換可能である。さらに、この実施形態では、第2一次接続部材164および第2二次増大制限部160は、上述のように交換可能である。より具体的には、図7に示すものは、電極構造110または対向電極構造112に対応する二次接続部材166の、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160とのフラッシュ接続の一実施形態である。フラッシュ接続は、第1二次増大制限部158と二次接続部材166との間の接着剤層182、および第2二次増大制限部160と二次接続部材166との間の接着剤層182をさらに含んでもよい。接着剤層182は、第1二次増大制限部158を二次接続部材166に固定し、第2二次増大制限部160を二次接続部材166に固定する。
また、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156、第1一次接続部材162および第2一次接続部材164、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160、ならびに少なくとも1つの二次接続部材166のうちの1以上は、単一の部材を形成するために互いに接合することができる複数のセグメント1088または部品の形態で供されてもよい。例えば、図7に示す実施形態に示すように、第1二次増大制限部158が、主中間セグメント1088aと、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119に向かって位置付けられる第1端セグメントおよび第2端セグメント1088bとの形態で供される。ここで、主中間セグメント1088aは、セグメント1088を接続するように供される接続部分1089(例えば、セグメント1088を互いに接続するように接合することができる、セグメント1088に形成されたノッチ)によって、第1端セグメントおよび第2端セグメント1088bに接続される。図7に示すように、第2二次増大制限部160も同様に、制限部を形成するように共に接続することができる複数のセグメント1088の形態で供されてもよい。一実施形態では、二次増大制限部158、160、少なくとも1つの一次接続部材162、および/または少なくとも1つの二次接続部材166のうちの1以上が、複数のセグメント1088の形態で供されてもよく、複数のセグメント1088はノッチのような接続部分を介して共に接続されて完全な部材を形成する。一実施形態によれば、ノッチまたは他の接続部を介してセグメント1088を共に接続することによって、セグメントが接続された場合に、複数のセグメントから形成された部材のプリテンション(pre-tension)を供することができる。
一実施形態では、図7に示すものは、電極活物質層132、イオン性多孔質電極電流コレクタ136、ならびに電極活物質層132および電極電流コレクタ136を支持する電極バックボーン134を有する電極集合体110の部材である。同様に、一実施形態では、図7に示すものは、対向電極活物質層138、対向電極電流コレクタ140、ならびに対向電極活物質層138と対向電極活物質層138とを支持する対向電極バックボーン141を有する対向電極集合体112の部材である。
ある実施形態では、特定の理論(例えば、図7のような)に拘束される訳ではないが、電極集合体110の部材は、電極活物質層132、電極電流コレクタ136、ならびに電極活物質層132および電極電流コレクタ136を支持する電極バックボーン134を含む。同様に、ある実施形態では、対向電極集合体112の部材は、対向電極活物質層138、対向電極電流コレクタ140、ならびに対向電極活物質層138および対向電極電流コレクタ140を支持する対向電極バックボーン141を含む。
電極集合体110の部材は、電極バックボーン134に直接隣接する電極活物質層132、ならびに電極バックボーン134および電極活物質層132に直接隣接して効果的に取り囲む電極電流コレクタ136を含むように本明細書で図示され記載されているが、当業者であれば、電極集合体110の他の配置が考えられることが理解されるであろう。例えば一実施形態(図示せず)において、電極集合体110は、電極電流コレクタ136に直接隣接する電極活物質層132、および電極バックボーン134に直接隣接する電極電流コレクタ136を含んでもよい。換言すると、電極バックボーン134は電極電流コレクタ136によって効果的に取り囲まれてもよく、電極活物質層132はその側面に隣接して電極電流コレクタ136に直接隣接している。当業者には理解されるように、電極集合体110および/または対向電極集合体112の任意の適切な構成は、本明細書に記載される本発明の対象に適用可能であり得るが、電極活物質層132は、セパレータ130を介して対向電極活物質層138から分離されている。また、電極電流コレクタ136は、電極活物質層132とセパレータ130との間に位置するとイオン透過性である必要があり、対向電極電流コレクタ140は、対向電極活物質層138とセパレータ130との間に配置されていれば、イオン透過性である必要がある。
例示を容易にするために、電極集合体110の3つの部材および対向電極集合体112の4つの部材のみが示されている。しかしながら実際には、本明細書における本発明の対象を使用するエネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102は、上述したように、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102の用途に応じて、電極構造110および対向電極112の追加の部材を含んでもよい。さらに図7に示すものには、電極活物質層132と対向電極活物質層138とを電気的に絶縁するマイクロポーラス状セパレータ130が示されている。
上述したように、ある実施形態では、電極構造110の集合体の各部材は、電解質(図示せず)内のキャリアイオン(図示せず)が電極構造110にインサーションされると膨張し得、電極構造110からのキャリアイオンを放出すると収縮し得る。例えば一実施形態では、電極構造110はアノード活性であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、電極構造110はカソード活性であってもよい。
さらに、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ接続するために、制限部158、160は、適切な手段によって(例えば、図示するような接着によって、または代替的には溶接することによって(例えば電流コネクタ136、140に溶接することによって))少なくとも1つの接続部材166に取り付けることができる。例えば、第1二次増大制限部158および/または第2二次増大制限部160はそれぞれ、(例えば、電極134および/または対向電極のバックボーン141、電極136および/または対向電極の電流コレクタ140のそれぞれの少なくとも1つを接着、接合、結合、溶接などの少なくとも一種によって)電極構造110および/または対向電極構造112の少なくとも1つに対応する二次接続部材166に取り付けられてもよい。一実施形態によれば、第1二次増大制限部158および/または第2二次増大制限部160はそれぞれ、第1二次増大制限部158および/または第2二次増大制限部160を1以上の二次接続部材166の端部(例えば、電極集合体100および/または対向電極構造112の端部)に、電極構造110および/または対向電極構造112の1以上の端部を、第1二次増大制限部158および/または第2二次増大制限部160それぞれの少なくとも1つに接着するために接着剤または他の接着材料を使用しつつ、機械的に圧縮することによって二次接続部材166に取り付けることができる。
図8A~図8Bは、電極制限部のセット108によって電極アセンブリ106に及ぼされる力と、電極アセンブリ106を含む二次電池102の反復サイクル時に電極構造110によって加えられる力とを示す一実施形態による力の模式図である。図8A~図8Bを参照すると、二次電池102の充電および放電による反復サイクルは、電極構造110における増大(例えば、電極構造110の電極活物質層132へのイオン(例えば、Li)のインターカレーションおよび/または合金化に起因する、電極構造110の電極活物質層132における増大)を引き起こす。したがって、電極構造110は、電極構造110の体積の増大に起因して、垂直方向に対向する力198aおよび縦方向に対向する力198bを及ぼし得る。特に示されていないが、電極構造110は、体積変化に起因して横方向に対向する力を及ぼし得る。これらの力に対抗し、電極アセンブリ106の全体的な増大を抑制するために、一実施形態では、電極制限部のセット108は、電極構造110によって及ぼされる縦方向の力198bに対抗するように、縦方向に力200aを及ぼす電極アセンブリ106の長手方向端部117、119において、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156をそれぞれ有する一次増大制限システム151を含む。同様に、一実施形態では、電極制限部のセット108は、電極構造110によって及ぼされる垂直方向の力198aに対抗するように、垂直方向における力200bを及ぼす、電極アセンブリ106の垂直方向に沿った対向する表面に、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ有する二次増大制限システム152を含む。さらに、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152の1以上にそれぞれ、三次増大制限システム155(図示せず)を交互に、または加えて供することができ、それによって、電極アセンブリ106における電極構造110の体積変化によって及ぼされる横方向の力に対抗するように、横方向に反作用力を及ぼす。したがって、電極制限部のセット108は、充放電間のサイクル中に電極構造110の体積変化によって電極構造110によって及ぼされる力に少なくとも部分的に対抗することができ、それによって、電極アセンブリ106の全体の巨視的な増大を制御して制限することができる。
[電極構造の集合体]
再び図7を参照して、電極構造110の集合体の各部材はまた、第1二次増大制限部158に隣接する頂部1052、第2二次増大制限部160に隣接する底部1054、およびZ軸に平行な垂直軸AES(マークなし)を囲む側面(マークなし)含み、側面が頂部1052と底部1054とを接続している。電極構造110はさらに、長さLES、幅WESおよび高さHESを含む。長さLESは、側面によって境界が定められ、X軸に沿って測定される。幅WESは、側面によって境界が定められ、Y軸に沿って測定される。垂直軸AESに沿って測定される。高さHESは、頂部1052から底部1054までの垂直軸AESまたはZ軸に沿って測定される。
電極集合体110の部材の長さLESは、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体110の部材は、典型的には、約5mm~約500mmの範囲においてLESを有する。例えば、そのような実施形態の1つでは、電極集合体110の部材は、約10mm~約250mmのLESを有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極集合体110の部材は、約20mm~約100mmのLESを有する。
電極集合体110の部材のWESはまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体110の各部材は、典型的には約0.01mm~2.5mmの範囲のWESを有する。例えば一実施形態では、電極集合体110の各部材のWESは、約0.025mmから約2mmの範囲にある。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体110の各部材のWESは、約0.05mm~約1mmの範囲にある。
電極集合体110の部材のHESはまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体110の部材は、典型的には、約0.05mm~約10mmの範囲のHESを有する。例えば一実施形態では、電極集合体110の各部材のHESは、約0.05mm~約5mmの範囲にある。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体110の各部材のHESは、約0.1mm~約1mmの範囲にある。
別の実施形態では、電極構造110の集合体の各部材は、Z軸に平行な垂直軸AESBを有する電極構造バックボーン134を含んでもよい。電極構造バックボーン134はまた、垂直軸AESBの周りで電極構造バックボーン134を取り囲む電極活物質132の層を含んでもよい。代替的に、電極構造バックボーン134は、電極活物質層132の機械的安定性を供し、一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152のための接続点を供し得る。ある実施形態では、電極活物質層132は、電極活物質層132にキャリアイオンをインサーションすると膨張し、電極活物質層層132からキャリアイオンを抽出すると収縮する。例えば一実施形態では、電極活物質132の層はアノード活性であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、電極活物質層132は、カソード活性であってもよい。電極構造バックボーン134は、第1二次増大抑制部158に隣接する頂部1056、第2二次増大抑制部160に隣接する底部1058、および垂直軸AESBを囲み、頂部1056と底部1058とを接続する側面(マークなし)を含んでもよい。電極構造バックボーン134は、長さLESB、幅WESB、および高さHESBをさらに含む。長さLESBは、側面によって境界が定められ、X軸に沿って測定される。幅WESBは、側面によって境界が定められ、Y軸に沿って測定される。高さHESBは、頂部1056から底部1058までのZ軸に沿って測定される。
電極構造バックボーン134のLESBは、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極構造バックボーン134は、典型的には、約5mm~約500mmの範囲のLESBを有する。例えば、そのような実施形態の1つでは、電極構造バックボーン134は、約10mm~約250mmのLESBを有する。さらなる一例として、そのような実施形態の1つでは、電極構造バックボーン134は、約20mm~約100mmのLESBを有する。一実施形態によれば、電極構造バックボーン134は、少なくとも1つの接続部材166として機能する電極構造110の基礎構造であってもよい。
電極構造バックボーン134のWESBはまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、各電極構造バックボーン134は、典型的には、少なくとも1マイクロメータのWESBを有する。例えば一実施形態では、各電極構造バックボーン114のWESBは実質的に厚いが、一般的に500マイクロメートルを超える厚さを有さない。さらなる例として、一実施形態では、各電極構造バックボーン134のWESBは、約1~約50マイクロメートルの範囲内にある。
電極構造バックボーン134のHESBもまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極構造バックボーン134は、典型的には、少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルのHESBを有する。さらに一般的に、電極構造バックボーン134は、典型的には、約10000マイクロメートル以下、より典型的には約5000マイクロメートル以下のHESBを有する。例えば一実施形態では、各電極構造バックボーン134のHESBは、約0.05mm~約10mmの範囲にある。さらなる例として、一実施形態では、各電極構造バックボーン134のHESBは、約0.05mm~約5mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、各電極構造バックボーン134のHESBは、約0.1mm~約1mmの範囲内にある。
用途に応じて、電極構造バックボーン134は、導電性であっても絶縁性であってもよい。例えば一実施形態では、電極構造バックボーン134は、導電性であってもよく、電極活物質132のための電極電流コレクタ136を含んでもよい。そのような実施形態の1つでは、電極構造バックボーン134は、少なくとも約103ジーメンス/cmの導電率を有する電極電流コレクタ136を含む。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極構造バックボーン134は、少なくとも約104ジーメンス/cmの導電率を有する電極電流コレクタ136を含む。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極構造バックボーン134は、少なくとも約105ジーメンス/cmの導電率を有する電極電流コレクタ136を含む。他の実施形態では、電極構造バックボーン134は比較的非導電性である。例えば一実施形態では、電極構造バックボーン134は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、電極構造バックボーン134は、1シーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、電極構造バックボーン134は、10-1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。
ある実施形態では、電極構造バックボーン134は、例えば金属、半導体、有機物、セラミックスおよびガラスなどの、成形し得る任意の材料を含んでもよい。例えば、ある実施形態では、材料は、シリコンおよびゲルマニウムなどの半導体材料を含む。しかしながら、代替的に、炭素系有機材料、またはアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタン、およびタングステンなどの金属も、電極構造バックボーン134に組み込こんでもよい。例示的な一実施形態では、電極構造バックボーン134はシリコンを含んで成る。シリコンは、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、またはそれらの組合せであってもよい。
ある実施形態において、電極活物質層132は、少なくとも1マイクロメートルの厚さを有していてもよい。しかしながら、典型的には、電極活物質層132の厚さは200マイクロメートルを超えない。例えば一実施形態では、電極活物質層132は、約1~50マイクロメートルの厚さを有していてもよい。さらなる例として、一実施形態では、電極活物質層132は、約2~約75マイクロメートルの厚さを有していてもよい。さらなる例として、一実施形態において、電極活物質層132は、約10~約100マイクロメートルの厚さを有していてもよい。さらなる例として、一実施形態では、電極活物質層132は、約5~約50マイクロメートルの厚さを有していてもよい。
ある実施形態では、電極電流コレクタ136は、セパレータ130から電極活物質層132へのキャリアイオンの移動を容易にするために、キャリアイオンに対して十分なイオン透過性を有するイオン透過性の導体材料を含み、電流コレクタとして機能させることができる。電極電流コレクタ136は、電極活物質層132とセパレータ130との間に位置付けられて、電極電流コレクタ136から電極活物質層132の表面に沿って電流を流す(または分配する、distribution)ことによって、より均一なキャリアイオン輸送を促進することができる。これは順に、キャリアイオンのより均一なインサーションおよび抽出を促進し、それによって、サイクル中の電極活物質層132の応力を低減することができる。電極電流コレクタ136は、セパレータ130と対向する電極活物質層132の表面に電流を流すため、キャリアイオンに対する電極活物質層132の反応性が、キャリアイオン濃度が最も大きい箇所で最も高くなる。
電極電流コレクタ136は、イオン伝導性および導電性を双方有するイオン透過性導体材料を含む。換言すると、電極電流コレクタ136は、電気化学的積層体または電極アセンブリ106において、イオン透過性導体層の一方の側に最も隣接する電極活物質層132と、電極電流コレクタ136の他方の側に最も隣接するセパレータ層130との間のキャリアイオンの移動を容易にするキャリアイオンのための厚さ、電気伝導度、イオン導電性を有する。相対的な基準として、電極電流コレクタ136は、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも1000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも5000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも10000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも50000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも100000:1である。
一実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合(例えば、二次電池102が充電または放電している場合)、電極電流コレクタ136は、隣接するセパレータ層130のイオン伝導率に匹敵するイオン伝導率を有する。例えば一実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136は、セパレータ層130のイオン伝導率の少なくとも50%(すなわち、それぞれ0.5:1の比)である(キャリアイオンについての)イオン伝導率を有する。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1.25:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも2:1である。
一実施形態では、電極電流コレクタ136はまた、電極活物質層132の導電率よりも実質的に大きい導電率を有する。例えば一実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の導電率と電極活物質層132の導電率との比は、少なくとも100:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の導電率と電極活物質層132の導電率との比は、少なくとも500:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の導電率と電極活物質層132の導電率との比は、少なくとも1000:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の導電率と電極活物質層132の導電率との比は、少なくとも5000:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、電極電流コレクタ136の導電率と電極活物質層132の導電率との比は、少なくとも10000:1である。
ある実施形態における電極電流コレクタ層136の厚さ(すなわち、電極電流コレクタ層136がサンドイッチ状にされている間での、セパレータ130と、一実施形態では、アノード活物質層(例えば、電極活物質層132)との間の最短距離)は、層136の構成および電気化学的積層体の性能仕様に依存するであろう。一般的に、電極電流コレクタ層136がイオン透過性導体層である場合、それは少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、いくらかの実施形態では、約300~800オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。しかしながら、より典型的には、約0.1マイクロメートルよりも大きい厚さを有する。一般的に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有するであろう。したがって、例えば一実施形態では、電極電流コレクタ層136は、約0.1~約10マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。さらなる例として、いくらかの実施形態では、電極電流コレクタ層136は、約0.1~約5マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。さらなる例として、いくらかの実施形態では、電極電流コレクタ層136は、約0.5~約3マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。一般的に、電極電流コレクタ層136の厚さは、ほぼ均一であることが好ましい。例えば一実施形態では、電極電流コレクタ層136は、約25%未満の厚さの不均一性を有することが好ましい。ある実施形態では、厚さのばらつきはさらに小さい。例えば、いくらかの実施形態では、電極電流コレクタ層136は、約20%未満の厚さの不均一性を有する。さらなる例として、いくらかの実施形態では、電極電流コレクタ層136は、約15%未満の厚さの不均一性を有する。いくらかの実施形態では、イオン透過性導体層は、約10%未満の厚さの不均一性を有する。
一実施形態では、電極電流コレクタ層136は、イオン透過性および電気伝導性に寄与する導電性構成要素およびイオン伝導性構成要素を含むイオン透過性導体層である。典型的には、導電性構成要素は、メッシュもしくはパターン化された表面、フィルムの形態における連続的な導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)、または連続的な導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)を含んで成る複合材料を含むであろう。さらに、イオン導電性構成要素は、典型的には細孔(例えば、メッシュの隙間、パターン化された金属もしくは金属合金含有材料層の間の空間、金属フィルムの細孔、またはキャリアイオンのための十分な拡散性を有する固体イオン伝導体)を含んで成るであろう。ある実施形態において、イオン透過性導体層は、堆積された多孔質材料、イオン輸送材料、イオン反応性材料、複合材料、または物理的に多孔質の材料を含む。多孔質の場合、例えば、イオン透過性導体層は、少なくとも約0.25の空隙率を有してもよい。しかしながら、一般的には、空隙率は典型的には約0.95を超えないであろう。より典型的には、イオン透過性導電体層が多孔性である場合、空隙率は約0.25~約0.85の範囲であってもよい。いくらかの実施形態では、例えば、イオン透過性導体層が多孔質である場合、空隙率は、約0.35~約0.65の範囲であってもよい。
図7に示す実施形態では、電極電流コレクタ層136は、電極活物質層132の唯一のアノード電流コレクタである。換言すると、電極構造バックボーン134はアノード電流コレクタを含んでもよい。しかしながら、ある他の実施形態では、電極構造バックボーン134は、オプションとして、アノード電流コレクタを含まなくてもよい。
[対向電極構造の集合体]
再び図7を参照すると、対向電極構造112の集合体の各部材はまた、第1二次増大制限部158に隣接する頂部1068、第2二次増大制限部160に隣接する底部1070、およびZ軸に平行な垂直軸ACES(マークせず)を囲んでいる側面(マークせず)を含んでもよく、その側面は頂部1068と底部1070とを接続している。対向電極構造112は、長さLCES、幅WCES、および高さHCESをさらに含む。長さLCESは、側面によって境界が定められ、X軸に沿って測定される。幅WCESは、側面によって境界が定められ、Y軸に沿って測定される。高さHCESは、垂直軸ACESまたはZ軸に沿って、頂部1068から底部1070まで測定される。
対向電極集合体112の部材のLCESは、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体112の部材は、典型的には、約5mm~約500mmの範囲のLCESを有するであろう。例えば、そのような実施形態の1つでは、対向電極集合体112の部材は、約10mm~約250mmのLCESを有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、対向電極集合体112の部材は、約25mm~約100mmのLCESを有する。
対向電極集合体112の部材のWCESはまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体112の各部材は、典型的には、約0.01mm~2.5mmの範囲内のWCESを有するであろう。例えば一実施形態では、対向電極集合体112の各部材のWCESは、約0.025mm~約2mmの範囲にあるであろう。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体112の各部材のWCESは、約0.05mm~約1mmの範囲にあるであろう。
対向電極集合体112の部材のHCESはまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体112の部材は、典型的には、約0.05mm~約10mmの範囲内のHCESを有するであろう。例えば一実施形態では、対向電極集合体112の各部材のHCESは、約0.05mm~約5mmの範囲にある。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体112の各部材のHCESは、約0.1mm~約1mmの範囲内にあるであろう。
別の実施形態では、対向電極構造112の集合体の各部材は、Z軸に平行な垂直軸ACESBを有する対向電極構造バックボーン141を含んでもよい。対向電極構造バックボーン141はまた、垂直軸ACESBを中心にして対向電極構造バックボーン141を囲む対向電極活物質層138を含んでもよい。換言すると、対向電極構造バックボーン141は、対向電極活物質層138のための機械的安定性を供してもよく、また一次増大制限システム151および/または二次増大制限システム152のための取り付け点を供してもよい。ある実施形態では、対向電極活物質層138は、対向電極活物質層138へのキャリアイオンのインサーション時に膨張し、対向電極活物質層138からのキャリアイオンの抽出時に収縮する。例えば一実施形態では、対向電極活物質層138は、アノード活性であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、対向電極活物質層138は、カソード活性であってもよい。対向電極構造バックボーン141はまた、第1二次増大制限部158に隣接する頂部1072、第2二次増大制限部160に隣接する底部1704、ならびに垂直軸ACESBを囲み、頂部1072と底部1074とを接続する側面(マークせず)を含んでもよい。対向電極構造バックボーン141は、長さLCESB、幅WCESB、および高さHCESBをさらに含む。長さLCESBは、側面によって境界が定められ、X軸に沿って測定される。幅WCESBは、側面によって境界が定められ、Y軸に沿って測定される。高さHCESBは、頂部1072から底部1074までZ軸に沿って測定される。
対向電極構造バックボーン141のLCESBは、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極構造バックボーン141は、典型的には、約5mm~約500mmの範囲のLCESBを有するであろう。例えば、そのような実施形態の1つでは、対向電極構造バックボーン141は、約10mm~約250mmのLCESBを有するであろう。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、対向電極構造バックボーン141は、約20mm~約100mmのLCESBを有する。
対向電極構造バックボーン141のWCESBもまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、各対向電極構造バックボーン141は、典型的には、少なくとも1マイクロメートルのWCESBを有するであろう。例えば一実施形態では、各対向電極構造バックボーン141のWCESBは実質的に厚いが、一般的に500マイクロメートルを超える厚さを有さないであろう。さらなる例として、一実施形態では、各対向電極構造バックボーン141のWCESBは、約1~約50マイクロメートルの範囲にあるであろう。
対向電極構造バックボーン141のHCESBもまた、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極構造バックボーン141は、典型的には、少なくとも約50マイクロメートル、より典型的には少なくとも約100マイクロメートルのHCESBを有するであろう。さらに、一般的に、対向電極構造バックボーン141は、典型的には約10000マイクロメートル以下、より典型的には約5000マイクロメートル以下のHCESBを有するであろう。例えば一実施形態では、各対向電極構造バックボーン141のHCESBは、約0.05mm~約10mmの範囲にあるであろう。さらなる例として、一実施形態では、各対向電極構造バックボーン141のHCESBは、約0.05mm~約5mmの範囲にあるであろう。さらなる例として、一実施形態では、各対向電極構造バックボーン141のHCESBは、約0.1mm~約1mmの範囲内にあるであろう。
用途に応じて、対向電極構造バックボーン141は、導電性であっても絶縁性であってもよい。例えば一実施形態では、対向電極構造バックボーン141は導電性であってもよく、対向電極活物質138のための対向電極電流コレクタ140を含んでもよい。そのような実施形態の1つでは、対向電極構造バックボーン141は、少なくとも約103ジーメンス/cmの導電率を有する対向電極電流コレクタ140を含む。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、対向電極構造バックボーン141は、少なくとも約104ジーメンス/cmの導電率を有する対向電極電流コレクタ140を含む。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、対向電極構造バックボーン141は、少なくとも約105ジーメンス/cmの導電率を有する対向電極電流コレクタ140を含む。他の実施形態では、対向電極構造バックボーン141は比較的非導電性である。例えば一実施形態では、対向電極構造バックボーン141は、10ジーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、対向電極構造バックボーン141は、1シーメンス/cm未満の導電率を有する。さらなる例として、一実施形態では、対向電極構造バックボーン141は、10-1ジーメンス/cm未満の導電率を有する。
ある実施形態では、対向電極構造バックボーン141は、金属、半導体、有機物、セラミックス、およびガラスなどの成形され得る任意の材料を含んでもよい。例えば、ある実施形態では、材料は、シリコンおよびゲルマニウムなどの半導体材料を含む。しかしながら、代替的に、炭素系有機材料、またはアルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、チタンおよびタングステンなどの金属もまた、対向電極構造バックボーン141に組み込んでもよい。例示的な一実施形態では、対向電極構造バックボーン141はシリコンを含んで成る。シリコンは、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、またはそれらの組合せであってもよい。
ある実施形態では、対向電極活物質層138は、少なくとも1マイクロメートルの厚さを有していてもよい。しかし、典型的には、対向電極活物質層138の厚さは200マイクロメートルを超えないであろう。例えば一実施形態では、対向電極活物質層138は、約1~50マイクロメートルの厚さを有していてもよい。さらなる例として、一実施形態では、対向電極活物質層138は、約2~約75マイクロメートルの厚さを有していてもよい。さらなる例として、一実施形態では、対向電極活物質層138は、約10~約100マイクロメートルの厚さを有していてもよい。さらなる例として、一実施形態では、対向電極活物質層138は、約5~約50マイクロメートルの厚さを有していてもよい。
ある実施形態では、対向電極電流コレクタ140は、セパレータ130から対向電極活物質層138へのキャリアイオンの移動を容易にするために、キャリアイオンに対して十分なイオン透過性を有し、また電流コレクタとして機能させることができるような十分な導電性を有するイオン透過性導体材料を含む。対向電極電流コレクタ140は、対向電極活物質層138とセパレータ130との間に位置するか否かに関わらず、対向電極電流コレクタ140からの電流を電極活物質層138の表面に沿って流すことでより均一なキャリアイオンの輸送を容易にし得る。これは順に、キャリアイオンのより均一なインサーションおよび抽出を促進し、それによってサイクル中の対向電極活物質層138における応力を低減することができる。対向電極電流コレクタ140は、セパレータ130に対向する対向電極活物質層138の表面に電流を流すため、対向電極活物質層138のキャリアイオンに対する反応性は、キャリアイオン濃度が最大となる箇所で、最大となるであろう。
対向電極電流コレクタ140は、イオン伝導性および導電性を双方有するイオン透過性導体材料を含む。換言すると、対向電極電流コレクタ140は、電気化学的積層体または電極アセンブリ106において、イオン透過性導体層の一方の側に最も隣接する対向電極活物質層138と、対向電極電流コレクタ140の他方の側に最も隣接するセパレータ層130との間のキャリアイオンの移動を容易にするキャリアイオンのための厚さ、電気伝導度、イオン導電性を有する。相対的な基準として、対向電極電流コレクタ140は、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも1000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも5000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも10000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも50000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも100000:1である。
一実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合(例えば、二次電池102が充電または放電している場合)、対向電極電流コレクタ140は、隣接するセパレータ層130のイオン伝導率に匹敵するイオン伝導率を有する。例えば一実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140は、セパレータ層130のイオン伝導率の少なくとも50%(すなわち、それぞれ0.5:1の比)である(キャリアイオンについての)イオン伝導率を有する。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1.25:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層130の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも2:1である。
一実施形態では、対向電極電流コレクタ140はまた、対向電極活物質層138の導電率よりも実質的に大きい導電率を有する。例えば一実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の導電率と対向電極活物質層138の導電率との比は、少なくとも100:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の導電率と対向電極活物質層138の導電率との比は、少なくとも500:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の導電率と対向電極活物質層138の導電率との比は、少なくとも1000:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の導電率と対向電極活物質層138の導電率との比は、少なくとも5000:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイス100にエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、対向電極電流コレクタ140の導電率と対向電極活物質層138の導電率との比は、少なくとも10000:1である。
ある実施形態における対向電極電流コレクタ層140の厚さ(すなわち、対向電極電流コレクタ層140がサンドイッチ状にされている間で、セパレータ130と、一実施形態では、アノード活物質層(例えば、対向電極活物質層138)との間の最短距離)は、層140の構成および電気化学的積層体の性能仕様に依存するであろう。一般的に、対向電極電流コレクタ層140がイオン透過性導体層である場合、それは少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、いくらかの実施形態では、約300~800オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。しかしながら、より典型的には、約0.1マイクロメートルよりも大きい厚さを有する。一般的に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有するであろう。したがって、例えば一実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約0.1~約10マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。さらなる例として、いくらかの実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約0.1~約5マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。さらなる例として、いくらかの実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約0.5~約3マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。一般的に、対向電極電流コレクタ層140の厚さは、ほぼ均一であることが好ましい。例えば一実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約25%未満の厚さの不均一性を有することが好ましい。ある実施形態では、厚さのばらつきはさらに小さい。例えば、いくらかの実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約20%未満の厚さの不均一性を有する。さらなる例として、いくらかの実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約15%未満の厚さの不均一性を有する。いくらかの実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、約10%未満の厚さの不均一性を有する。
一実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、イオン透過性および電気伝導性に寄与する導電性構成要素およびイオン伝導性構成要素を含むイオン透過性導体層である。典型的には、導電性構成要素は、メッシュもしくはパターン化された表面、フィルムの形態における連続的な導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)、または連続的な導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)を含んで成る複合材料を含むであろう。さらに、イオン導電性構成要素は、典型的には細孔(例えば、メッシュの隙間、パターン化された金属もしくは金属合金含有材料層の間の空間、金属フィルムの細孔、またはキャリアイオンのための十分な拡散性を有する固体イオン伝導体)を含んで成るであろう。ある実施形態において、イオン透過性導体層は、堆積された多孔質材料、イオン輸送材料、イオン反応性材料、複合材料、または物理的に多孔質の材料を含む。多孔質の場合、例えば、イオン透過性導体層は、少なくとも約0.25の空隙率を有してもよい。しかしながら、一般的には、空隙率は典型的には約0.95を超えないであろう。より典型的には、イオン透過性導電体層が多孔性である場合、空隙率は約0.25~約0.85の範囲であってもよい。いくらかの実施形態では、例えば、イオン透過性導体層が多孔質である場合、空隙率は、約0.35~約0.65の範囲であってもよい。
図7に示す実施形態では、対向電極電流コレクタ層140は、対向電極活物質層138の唯一のカソード電流コレクタである。換言すると、対向電極構造バックボーン141はカソード電流コレクタを含んでもよい。しかしながら、ある他の実施形態では、対向電極構造バックボーン141は、オプションとして、カソード電流コレクタを含まなくてもよい。
一実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の各々は、それぞれ内側表面1060および1062と、Z軸に沿って分離された対向する外側表面1064および1066とを含んでもよく、それによって、第1二次増大制限部158の高さH158および第2二次増大制限部160の高さH160が規定される。本開示の態様によれば、第1二次増大制限部158および/または第2二次増大制限部160のいずれかの高さをそれぞれ増加させることにより、制限部の剛性を増すことができるが、これは体積の増加を必要とし、したがって電極アセンブリ106および制限部のセット108を含むエネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102のエネルギー密度の低下を引き起こす場合がある。したがって、制限部158、160の厚さは、制限部の材料特性、電極100の所定の膨張からの圧力を相殺するために必要な制限部強度、および他の要因にしたがって選択することができる。例えば一実施形態では、第1二次増大制限部高さH158および第2二次増大制限部高さH160はそれぞれ、高さHESの50%未満であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、第1二次増大制限部高さH158および第2二次増大制限部高さH160はそれぞれ、高さHESの25%未満であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、第1二次増大制限部高さH158および第2二次増大制限部高さH160はそれぞれ、高さHESの10%未満であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、第1二次増大制限部高さH158および第2二次増大制限部高さH160はそれぞれ、高さHESの5%未満であってもよい。いくらかの実施形態では、第1二次増大制限部高さH158および第2二次増大制限部高さH160は異なっていてもよく、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれに使用される材料もまた、異なっていてもよい。
ある実施形態では、内側表面1060および1062は、電極構造110の集合体および/または対向電極構造112の集合体を接着させることができる表面特徴を含むことができ、外側表面1064および1066は、複数の制限された電極アセンブリ106を積み重ねやすい(すなわち、図7内で暗示されるが、明確性のために示されてはいない)表面形状を有する。例えば一実施形態では、内側表面1060および1062、または外側表面1064および1066は平面であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、内側表面1060および1062、または外側表面1064および1066は、非平面であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、内側表面1060および1062、ならびに外側表面1064および1066は平面であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、内側表面1060および1062、ならびに外側表面1064および1066は、非平面であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、内側表面1060および1062、ならびに外側表面1064および1066は、実質的に平面であってもよい。
本明細書に記載されているように、電極構造110および/または対向電極112として実施される少なくとも1つの二次接続部材166を内側表面1060および1062に固定するためのモードは、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびそれらの意図された用途に応じて変えてもよい。図7に示す例示態様のように、電極構造110の集合体(すなわち、図示するような電極電流コレクタ136)の頂部1052および底部1054、ならびに対向電極構造112の集合体(すなわち、電極電流コレクタ140)の頂部1068および底部1070は、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に固定されてもよい。同様に、第1一次増大制限部154の頂部1076および底部1078、ならびに第2一次増大制限部156の頂部1080および底部1082は、接着剤層182を介して第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に固定されてもよい。
換言すると、図7に示す実施形態では、電極構造110の集合体の頂部1052および底部1054は、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062の両方に効果的に合致する高さHESを含み、また平らな実施形態において、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に接着剤層182を介して固定されてもよい。さらに、対向電極構造112の集合体の頂部1068および底部1070は、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部の内側表面1062の両方に効果的に合致する高さHCESを含み、また平らな実施形態において、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に接着剤層182を介して固定されてもよい。
さらに、別の例示的な実施形態では、電極バックボーン134の頂部1056および底部1058、ならびに対向電極バックボーン141の頂部1072および底部1074は、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に、接着剤層182(図示せず)を介して固定してもよい。同様に、第1一次増大制限部154の頂部1076および底部1078、ならびに第2一次増大制限部156の頂部1080および底面1082は、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大抑制部160の表面1062に、接着剤層182の層(この段落で記載した実施形態に関して図示せず)を介して固定されてもよい。換言すると、電極バックボーン134の頂部1056および底部1058は、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062の両方を効果的に満たす高さHESBを含み、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に、接着剤層182を介して固定されてもよい。さらに、対向電極バックボーン141の頂部1072および底部1074は、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062の両方に効果的に合致する高さHCESBを含み、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に接着剤層182を介して固定されてもよい。
したがって、一実施形態では、電極構造110および/もしくは対向電極構造112の集合体の少なくとも一部ならびに/またはセパレータ130は、1以上の二次接続部材166として機能して、二次増大制限システム152において互いに第1二次増大制限部158、第2二次増大制限部160をそれぞれ接続し、それによって、サイクル中の電極アセンブリ106の増大を抑制するコンパクトで空間効率の良い制限システムを供する。一実施形態によれば、充放電サイクルに伴って体積が膨脹する電極構造110および/もしくは対向電極構造112の任意の部分を除いて、電極構造110および/もしくは対向電極構造112ならびに/またはセパレータ130は、1以上の二次接続部材166として機能することができる。すなわち、電極アセンブリ106における体積変化の原因である、電極構造110および/または対向電極構造112の部分(例えば、電極活物質132)は、典型的には、電極制限部のセット108の一部として機能しないであろう。一実施形態では、一次増大制限システム151の一部として供される第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156はそれぞれ、縦方向における増大をさらに抑制し、また二次増大制限システム152の第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ接続するように、二次接続部材166としても機能することができ、それによって、電極の増大/膨張の抑制のための協同的な相乗抑制システム(すなわち、電極制限部のセット108)を供する。
[対向電極構造を介する接続]
図9A~図9Cを参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図9A~図9Cはそれぞれ、図1のA-A’線に沿った断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。ある実施形態では、図9A~図9Cに示すように、非固定の電極構造110は、それらの頂部と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部と第2二次増大制限部160との間に電極ギャップ1084を含んでもよい。換言すると、ある実施形態では、各電極構造110の頂部1052および底部1054はそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の間にギャップを有していてもよい。さらにある実施形態では、図9Cに示すように、電極構造110の頂部1052は、第1二次増大制限部158と接触していてもよいが、固定されていなくてもよく、電極構造110の底部1054は、第2二次増大抑制部160と接触していてもよいが、固定されていなくてもよく、または電極構造110の頂部1052は、第1二次増大抑制部158と接触していてもよいが、固定されていなくてもよく、電極構造110の底部1054は、第2二次増大制限部160(図示せず)にと接触していてもよいが、固定されていなくてもよい。
より具体的には、一実施形態では、図9Aに示すように、複数の対向電極バックボーン141は、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に固定されてもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極バックボーン112は、固定された対向電極バックボーン141に対して接着軸AGの周りに対称パターンを含んでもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極バックボーン141は、固定された対向電極バックボーン141に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
1つの例示的な実施形態では、第1対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの対向電極バックボーン141を含んでもよく、2つの固定された対向電極バックボーン141は、1つの電極構造110の側面に位置する。したがって、第1対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。別の例示的な実施形態では、第2対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの対向電極バックボーン141を含んでもよく、2つの固定された対向電極バックボーン141は、2以上の電極構造110および1以上の非固定の対向電極バックボーン141の側面に位置する。したがって、第2対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な対称的取付けパターンユニットが考慮されている。
1つの例示的な実施形態では、第1非対称取付けパターンまたはランダム取付けパターンは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2以上の対向電極バックボーン141を含んでもよく、2以上の固定された対向電極バックボーン141は、固定された対向電極バックボーン141A、固定された対向電極バックボーン141B、固定された対向電極バックボーン141C、および固定された対向電極バックボーン141Dとして個々に称されてもよい。固定された対向電極バックボーン141Aおよび固定された対向電極バックボーン141Bは(1+x)の電極構造110の側面に位置付けられ、固定された対向電極バックボーン141Bおよび固定された対向電極バックボーン141Cは(1+y)の電極構造110の側面に位置付けられ、固定された対向電極バックボーン141Cおよび固定された対向電極バックボーン141Dは(1+z)の電極構造110の側面に位置付けられ、ここで、固定された2つの対向電極バックボーン141A~141Dのいずれか2つの間の電極構造110の総量(すなわち、x、yまたはz)は、等しくなく(すなわち、x≠y≠z)、非固定の対向電極バックボーン141によってさらに分離されてもよい。換言すると、任意の数の対向電極バックボーン141が、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定されてもよく、それによって、いずれか2つの固定された対向電極バックボーン141の間に、非固定の対向電極バックボーン141によって分離された任意の等しくない数の電極構造110を含んでもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な非対称またはランダムな取付けパターンが考慮されている。
より具体的には、一実施形態では、図9Bに示すように、複数の対向電極電流コレクタ140は、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に固定されてもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された複数の対向電極電流コレクタ140は、固定された対向電極電流コレクタ140に対して接着軸AGの周りに対称パターンを含んでもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極電流コレクタ140は、固定された対向電極電流コレクタ140に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
1つの例示的な実施形態では、第1対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの対向電極電流コネクタ140を含んでもよく、2つの固定された対向電極電流コネクタ140は、1つの電極構造110の側面に位置する。したがって、第1対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。別の例示的な実施形態では、第2対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの対向電極電流コネクタ140を含んでもよく、2つの固定された対向電極電流コネクタ140は、2以上の電極構造110および1以上の非固定の対向電極電流コネクタ140の側面に位置する。したがって、第2対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な対称的取付けパターンユニットが考慮されている。
1つの例示的な実施形態では、第1非対称取付けパターンまたはランダム取付けパターンは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2以上の対向電極電流コネクタ140を含んでもよく、2以上の固定された対向電極電流コネクタ140は、固定された対向電極電流コネクタ140A、固定された対向電極電流コネクタ140B、固定された対向電極電流コネクタ140C、および固定された対向電極電流コネクタ140Dとして個々に称されてもよい。固定された対向電極電流コネクタ140Aおよび固定された対向電極電流コネクタ140Bは(1+x)の電極構造110の側面に位置付けられ、固定された対向電極電流コネクタ140Bおよび固定された対向電極電流コネクタ140Cは(1+y)の電極構造110の側面に位置付けられ、固定された対向電極電流コネクタ140Cおよび固定された対向電極電流コネクタ140Dは(1+z)の電極構造110の側面に位置付けられ、ここで、固定された2つの対向電極電流コネクタ140A~140Dのいずれか2つの間の電極構造110の総量(すなわち、x、yまたはz)は、等しくなく(すなわち、x≠y≠z)、非固定の対向電極電流コネクタ140によってさらに分離されてもよい。換言すると、任意の数の対向電極電流コネクタ140が、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定されてもよく、それによって、いずれか2つの固定された対向電極電流コネクタ140の間に、非固定の対向電極電流コネクタ140によって分離された任意の等しくない数の電極構造110を含んでもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な非対称またはランダムな取付けパターンが考慮されている。
図10を参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。上述のような積層方向Dの指定は、Y軸と平行である。より具体的には、図10は、上述のように、接着剤182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部166を有する、図1のA-A’線に沿った断面を示す。さらに、一実施形態では、接着剤182を介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極電流コレクタ140が示されている。より具体的には、複数の対向電極電流コレクタ140は、球根形状またはドッグボーン形状の断面を含んでもよい。換言すると、対向電極電流コレクタ140は、対向電極バックボーン141の頂部1072と底部1074との間の中間付近での電極電流コレクタ140の幅に対して、対向電極バックボーン141の頂部1072および底部1074付近で電極電流コレクタ140の幅を大きくしてもよい。すなわち、電流コレクタ140の頂部に向かう対向電極電流コレクタ140の球根状の断面は、対向電極電流コレクタ140の中央に向かってテーパー状であり、再び増加して対向電極電流コレクタ140の底部に向けて球根状の断面を供する。したがって、接着剤182の塗布は、上述のように、対向電極電流コレクタ140の球根部分またはドッグボーン部分を囲んでもよく、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ対向電極電流コレクタ140を固定してもよい。この実施形態では、球根形状またはドッグボーン形状の対向電極電流コレクタ140は、本明細書に記載の他の実施形態と比較して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160へのそれぞれの取り付け強度を高めることができる。図10にも、上述した対応する電極ギャップ1084とセパレータ130とを有する電極構造110が示されている。また、本実施形態において、複数の対向電極電流コレクタ140は、上述のように、対称パターンまたは非対称パターンで固定されていてもよい。さらにこの実施形態では、電極構造110は、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ接触していてもよいが、それらに固定されていなくてもよい。
接着剤182を介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ対向電極構造112を固定するための別のモードは、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062内にノッチを使用することを含む。図11A~図11Cを参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130および上述のような積層方向Dの指定は、Y軸と平行である。より具体的には、図11A~図11Cは、図1のA-A’線に沿ったそれぞれの断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定されてもよい。ある実施形態では、図11A~11Cを参照すると、非固定の電極構造110は、詳細に上記記載したように、それらの頂部と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部と第2二次増大制限部160との間に電極ギャップ1084を含んでもよい。
より具体的には、一実施形態では、図11Aに示すように、複数の対向電極バックボーン141を、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062にノッチ1060aおよび1062aならびに接着剤層182を介して固定してもよい。したがって、いくらかの実施形態では、ノッチ1060a、1062aを介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極バックボーン141は、上述のように、固定された対向電極バックボーン141に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、ノッチ1060a、1062aを介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極バックボーン141は、固定された対向電極バックボーン141に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
ある実施形態では、ノッチ1060a、1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ深さを有してもよい。例えば一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの25%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの50%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの75%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの90%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。換言すると、複数の対向電極バックボーン141の各部材は、第1二次増大制限部158の内側表面1060と第2二次増大制限部160の内側表面1062との両方に効果的に合流して延在する高さHCESBを含んでもよく、ノッチの実施形態において、接着剤182を介して、第1二次増大制限部158のノッチ1060aに、および第2二次増大制限部160のノッチ1062aに固定してもよい。
さらに、図11A~図11Cはまた、ノッチの実施形態において、複数の対向電極バックボーン141を固定するための異なる実施形態を示す。例えば、図11Aに示す一実施形態では、複数の対向電極バックボーン141は、対向電極バックボーン頂部1072および対向電極バックボーン底部1074を介して接着剤182で接着されてもよい。さらなる例として、図11Bに示される一実施形態では、複数の対向電極バックボーン141は、対向電極バックボーン141の側面を介して接着剤182で接着されてもよい。さらなる例として、図11Cに示される一実施形態では、複数の対向電極バックボーン141は、対向電極バックボーン141の頂部1072、底部1074、および側面を介して接着剤182で接着されてもよい。
さらに、対向電極構造112を第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ接着剤182を介して固定するための別のモードはまた、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062内にノッチ1060aおよび1062aを使用することを含む。図12A~図12Cを参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図12A~図12Cはそれぞれ、図1のA-A’線に沿った断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。ある実施形態では、図12A~図12Cに示すように、上記詳細に記載したように、非固定の電極構造110は、それらの頂部1052と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部1054と第2二次増大制限部160との間に電極ギャップ1084を含んでもよい。
より具体的には、一実施形態では、図12Aに示すように、複数の対向電極電流コレクタ140を、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062にノッチ1060aおよび1062aならびに接着剤層182を介して固定してもよい。したがって、いくらかの実施形態では、ノッチ1060a、1062aを介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極電流コレクタ140は、上述のように、固定された対向電極電流コレクタ140に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、ノッチ1060a、1062aを介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極電流コレクタ140は、固定された対向電極電流コレクタ140に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
ある実施形態では、ノッチ1060a、1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ深さを有してもよい。例えば一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの25%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの50%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの75%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの90%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。換言すると、複数の対向電極電流コレクタ140の各部材は、第1二次増大制限部158の内側表面1060と第2二次増大制限部160の内側表面1062との両方に効果的に合流して延在してよく(上述のような高さHCESBと類似する)、ノッチの実施形態において、接着剤182を介して、第1二次増大制限部158のノッチ1060aに、および第2二次増大制限部160のノッチ1062aに固定してもよい。
さらに、図12A~図12Cはまた、ノッチの実施形態において、複数の対向電極電流コレクタ140を固定するための異なる実施形態を示す。例えば、図12Aに示す一実施形態では、複数の対向電極電流コレクタ140は、対向電極電流コレクタ頂部1486および対向電極電流コレクタ底部1488を介して接着剤182で接着されてもよい。さらなる例として、図12Bに示される一実施形態では、複数の対向電極電流コレクタ140は、対向電極電流コレクタ140の側面を介して接着剤182で接着されてもよい。さらなる例として、図12Cに示される一実施形態では、複数の対向電極電流コレクタ140は、対向電極電流コレクタ140の頂部1486、底部1488、および側面を介して接着剤182で接着されてもよい。
ある実施形態では、複数の対向電極バックボーン141または複数の対向電極電流コレクタ140を、インターロック接続(interlocking connection)の態様による、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の各々におけるスロットを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定させてもよい。図13A~図13Cおよび図14を参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図13A~図13Cおよび図14はそれぞれ、図1のA-A’線に沿った断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。ある実施形態では、図13A~図13Cおよび図14に示すように、上記詳細に記載したように、非固定の電極構造110は、それらの頂部1052と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部1054と第2二次増大制限部160との間に電極ギャップ1084を含んでもよい。
より具体的には、図1に示す一実施形態では、図13Aに示すように、複数の対向電極バックボーン141を、スロット1060bおよび1062b、ならびに接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定してもよい。したがって、ある実施形態では、スロット1060bおよび1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極バックボーン141は、上述のように、固定された対向電極バックボーン141に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、スロット1060bおよび1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極バックボーン141は、接着された対向電極バックボーン141に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれにおけるスロット1060bおよび1062bは、インターロックされた態様における複数の対向電極バックボーン141を受けるように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ通って延在してもよい。換言すると、複数の対向電極バックボーン141は、上述のようなスロット1060bを介する第1二次増大制限部高さH158と、上述のようなスロット1062bを介する第2二次増大制限部高さH160との両方を完全に通って合流して延在する高さHCESBを含み、それによって、インターロックされた態様における、第1二次増大制限部158と第2二次増大制限部160との両方とをインターロックする。いくらかの実施形態では、接着剤182を使用して、複数の対向電極バックボーン141の側面とスロット1060b、1062bのそれぞれとの間のインターロック接続を固定または強化してもよい。
より具体的には、図13B~図13Cに示すように、スロット1060bおよび1062bは、アスペクト比によって特徴付けられてもよい。例えば、ある実施形態では、図13Bに示すように、スロット1060bは、対向電極バックボーン141の頂部1072と第1二次増大制限部158の外側表面1064との間の距離として定義される第1寸法S1、および上述のように、対向電極バックボーン141の2つの側面間の距離として定義される第2寸法S2を含んでもよい。したがって、例えば一実施形態では、S1は、上述した二次増大制限部高さH158およびH160と同じおよび/または類似の寸法であってもよく、これは、対向電極構造高さHCESに関連して選択された高さを有してもよい。例えば一実施形態では、S1は対向電極高さHCESの50%未満であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、S1は対向電極高さの25%未満であってもよい。さらに一実施形態では、S1は対向電極高さHCESの10%未満、例えば対向電極高さHCESの5%未満であってもよい。したがって、0.05mm~10mmの範囲の対向電極高さHCESの場合、S1は0.025mm~0.5mmの範囲の値を有することができる。さらに、一実施形態では、S2は少なくとも1マイクロメートルであってもよい。さらなる例として、一実施形態では、S2は一般的に500マイクロメートルを超えなくてもよい。さらなる例として、一実施形態では、S2は1~約50マイクロメートルの範囲内であってもよい。このように、例えば一実施形態では、アスペクト比S1:S2は、0.05~500の範囲であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、アスペクト比S1:S2は、0.5~100の範囲であってもよい。
また、図13Cに示すように、スロット1062bは、対向電極バックボーン141の底部1074と第2二次増大制限部160の外側表面1066との間の距離として規定される第1寸法S3、上述のように、対向電極バックボーン141の2つの側面間の距離として定義される第2寸法S4を含んでもよい。一実施形態では、S3は、上述した二次増大制限部高さH158およびH160と同じおよび/または類似の寸法であってもよく、これは、対向電極構造高さHCESに関連して選択された高さを有してもよい。例えば一実施形態では、S3は対向電極高さHCESの50%未満であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、S3は対向電極高さの25%未満であってもよい。さらに一実施形態では、S3は対向電極高さHCESの10%未満、例えば対向電極高さHCESの5%未満であってもよい。さらに、一実施形態では、S4は少なくとも1マイクロメートルであってもよい。さらなる例として、一実施形態では、S4は一般的に500マイクロメートルを超えなくてもよい。さらなる例として、一実施形態では、S4は1~約50マイクロメートルの範囲内であってもよい。このように、例えば一実施形態では、アスペクト比S3:S4は、0.05~500の範囲であってもよい。さらなる例として、一実施形態では、アスペクト比S3:S4は、0.5~100の範囲であってもよい。
図14を参照すると、別の実施形態では、複数の対向電極電流コネクタ140を、スロット1060bおよび1062b、ならびに接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定してもよい。したがって、ある実施形態では、スロット1060bおよび1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極電流コネクタ140は、上述のように、固定された対向電極電流コネクタ140に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、スロット1060bおよび1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の対向電極電流コネクタ140は、接着された対向電極電流コネクタ140に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれにおけるスロット1060bおよび1062bは、インターロックされた態様における複数の対向電極電流コネクタ140を受けるように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ通って延在してもよい。換言すると、複数の対向電極電流コネクタ140は、第1二次増大制限部158と第2二次増大制限部160(上述の高さHCESBに類似)との両方を完全に通って効果的に合流して延在してもよく、別のインターロックされた態様では接着剤182を介してスロット1060bおよび1062bに固定されてもよい。
[電極構造を介した接続]
以下に記載する代替実施形態では、電極構造110は、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ独立して固定されてもよい。図15A~15Bを参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図15A~図15Cはそれぞれ、図1のA-A’線に沿った断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。ある実施形態では、図15A~図15Cに示すように、上記詳細に記載したように、非固定の対向電極構造112は、それらの頂部1068と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部1070と第2二次増大制限部160との間に対向電極ギャップ1086を含んでもよい。換言すると、ある実施形態では、各対向電極構造112の頂部1068および底部1070は、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の間にギャップ1086をそれぞれ有してもよい。さらに、ある実施形態では、図15A~図15Bに示すように、対向電極構造112の頂部1068は、第1二次増大制限部158と接触していてもよいが、固定されていなくてもよい。対向電極構造112の底部1070は、第2二次増大抑制部160と接触していてもよいが、固定されていなくてもよい。または、対向電極構造112の頂部1068は、第1二次増大抑制部158および対向電極の底部1070と接触していてもよいが、固定されていなくてもよく、対向電極構造112の底部1070は、第2二次増大抑制部160と接触していてもよいが、固定されていなくてもよい(図示せず)。
より具体的には、一実施形態では、図15Aに示すように、複数の電極バックボーン134を、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に、接着剤層182を介して取り付けてもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極バックボーン134は、固定された電極バックボーン134に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極バックボーン134は、固定された電極バックボーン134に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
1つの例示的な実施形態では、第1対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの電極バックボーン134を含んでもよく、2つの固定された電極バックボーン134は、1つの対向電極構造112の側面に位置する。したがって、第1対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。別の例示的な実施形態では、第2対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの電極バックボーン134を含んでもよく、2つの固定された電極バックボーン134は、2以上の対向電極構造112および1以上の非固定の電極バックボーン134の側面に位置する。したがって、第2対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な対称的取付けパターンユニットが考慮されている。
1つの例示的な実施形態では、第1非対称取付けパターンまたはランダム取付けパターンは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2以上の電極バックボーン134を含んでもよく、2以上の固定された電極バックボーン134は、固定された電極バックボーン134A、固定された電極バックボーン134B、固定された電極バックボーン134C、および固定された電極バックボーン134Dとして個々に称されてもよい。固定された電極バックボーン134Aおよび固定された電極バックボーン134Bは(1+x)の対向電極構造112の側面に位置付けられ、固定された電極バックボーン134Bおよび固定された電極バックボーン134Cは(1+y)の対向電極構造112の側面に位置付けられ、固定された電極バックボーン134Cおよび固定された電極バックボーン134Dは(1+z)の対向電極構造112の側面に位置付けられ、ここで、固定された2つの電極バックボーン134A~134Dのいずれか2つの間の対向電極構造112の総量(すなわち、x、yまたはz)は、等しくなく(すなわち、x≠y≠z)、非固定の電極バックボーン134によってさらに分離されてもよい。換言すると、任意の数の電極バックボーン134が、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定されてもよく、それによって、いずれか2つの固定された電極バックボーン134の間に、非固定の電極バックボーン134によって分離された任意の等しくない数の対向電極構造112を含んでもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な非対称またはランダムな取付けパターンが考慮されている。
より具体的には、一実施形態では、図15Bに示すように、複数の電極電流コレクタ136は、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062に固定されてもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された複数の電極電流コレクタ136は、固定された電極電流コレクタ136に対して接着軸AGの周りに対称パターンを含んでもよい。ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極電流コレクタ136は、固定された電極電流コレクタ136に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
1つの例示的な実施形態では、第1対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの電極電流コネクタ136を含んでもよく、2つの固定された電極電流コネクタ136は、1つの対向電極構造112の側面に位置する。したがって、第1対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。別の例示的な実施形態では、第2対称的取付けパターンユニットは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2つの電極電流コネクタ136を含んでもよく、2つの固定された電極電流コネクタ136は、2以上の対向電極構造112および1以上の非固定の電極電流コネクタ136の側面に位置する。したがって、第2対称的取付けパターンユニットは、必要に応じて、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102およびその用途に応じて、積層方向Dに沿って繰り返してもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な対称的取付けパターンユニットが考慮されている。
1つの例示的な実施形態では、第1非対称取付けパターンまたはランダム取付けパターンは、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定された2以上の電極電流コネクタ136を含んでもよく、2以上の固定された電極電流コネクタ136は、固定された電極電流コネクタ136A、固定された電極電流コネクタ136B、固定された電極電流コネクタ136C、および固定された電極電流コネクタ136Dとして個々に称されてもよい。固定された電極電流コネクタ136Aおよび固定された電極電流コネクタ136Bは(1+x)の対向電極構造112の側面に位置付けられ、固定された電極電流コネクタ136Bおよび固定された電極電流コネクタ136Cは(1+y)の対向電極構造112の側面に位置付けられ、固定された電極電流コネクタ136Cおよび固定された電極電流コネクタ136Dは(1+z)の対向電極構造112の側面に位置付けられ、ここで、固定された2つの電極電流コネクタ136A~136Dのいずれか2つの間の対向電極構造112の総量(すなわち、x、yまたはz)は、等しくなく(すなわち、x≠y≠z)、非固定の電極電流コネクタ136によってさらに分離されてもよい。換言すると、任意の数の電極電流コネクタ136が、上述のように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定されてもよく、それによって、いずれか2つの固定された電極電流コネクタ136の間に、非固定の電極電流コネクタ136によって分離された任意の等しくない数の対向電極構造112を含んでもよい。当業者には理解されるように、他の例示的な非対称またはランダムな取付けパターンが考慮されている。
電極構造110を第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ接着剤182を介して固定するための別のモードは、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062内にノッチ1060aおよび1062aを使用することを含む。図16A~図16Cを参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図16A~図16Cはそれぞれ、図1のA-A’線に沿った断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。ある実施形態では、図16A~図16Cに示すように、上記詳細に記載したように、非固定の対向電極構造112は、それらの頂部1068と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部1070と第2二次増大制限部160との間に電極ギャップ1086を含んでもよい。
より具体的には、一実施形態では、図16Aに示すように、複数の電極電流コレクタ136を、第1二次増大制限部158の内側表面1060および第2二次増大制限部160の内側表面1062にノッチ1060aおよび1062aならびに接着剤層182を介して固定してもよい。したがって、いくらかの実施形態では、ノッチ1060a、1062aを介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極電流コレクタ136は、上述のように、固定された電極電流コレクタ136に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、ノッチ1060a、1062aを介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極電流コレクタ136は、固定された電極電流コレクタ136に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
ある実施形態では、ノッチ1060a、1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ深さを有してもよい。例えば一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの25%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの50%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの75%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。さらなる例として、一実施形態では、ノッチ1060aまたは1062aは、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160内にそれぞれ、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の高さの90%の深さを有していてもよい(すなわち、この実施形態における第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さは、上述のようにH158およびH160に類似し得る)。換言すると、複数の電極電流コレクタ136の各部材は、第1二次増大制限部158の内側表面1060と第2二次増大制限部160の内側表面1062との両方に効果的に合流して延在してよく(上述のような高さHCESBと類似する)、ノッチの実施形態において、接着剤182を介して、第1二次増大制限部158のノッチ1060aに、および第2二次増大制限部160のノッチ1062aに固定してもよい。
さらに、図16A~図16Cはまた、ノッチの実施形態において、複数の電極電流コレクタ136を固定するための異なる実施形態を示す。例えば、図16Aに示す一実施形態では、複数の電極電流コレクタ136は、電極電流コレクタ頂部1892および電極電流コレクタ底部1894を介して接着剤182で接着されてもよい。さらなる例として、図16Bに示される一実施形態では、複数の電極電流コレクタ136は、電極電流コレクタ136の側面を介して接着剤182で接着されてもよい。さらなる例として、図16Cに示される一実施形態では、複数の電極電流コレクタ136は、電極電流コレクタ136の頂部1892、底部1894、および側面を介して接着剤182で接着されてもよい。
ある実施形態では、複数の電極電流コレクタ136を、インターロック接続の態様による、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の各々におけるスロット1060b、1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定させてもよい。図17を参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図17は、図1のA-A’線に沿った断面を示す。ここで、各第1一次増大制限部154および各第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。ある実施形態では、図17に示すように、上記詳細に記載したように、非固定の対向電極構造112は、それらの頂部1068と第1二次増大制限部158との間、およびそれらの底部1070と第2二次増大制限部160との間に電極ギャップ1086を含んでもよい。
より具体的には、図1に示す一実施形態では、図17に示すように、複数の電極電流コレクタ136を、スロット1060bおよび1062b、ならびに接着剤層182を介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に固定してもよい。したがって、ある実施形態では、スロット1060bおよび1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極電流コレクタ136は、上述のように、固定された電極電流コレクタ136に対して接着軸AGの周りに対称的なパターンを含んでもよい。ある実施形態では、スロット1060bおよび1062bを介して、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160にそれぞれ固定された複数の電極電流コレクタ136は、接着された電極電流コレクタ136に対して接着軸AGの周りに非対称パターンまたはランダムパターンを含んでもよい。
ある実施形態では、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれにおけるスロット1060bおよび1062bは、インターロックされた態様における複数の電極電流コレクタ136を受けるように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をそれぞれ通って延在してもよい。換言すると、複数の電極電流コレクタ136は、第1二次増大制限部158と第2二次増大制限部160との両方に効果的に合流して延在してよく(上述のような高さHCESBと類似する)、インターロックされた態様における、接着剤182を介して、スロット1060bおよびスロット1062bに固定してもよい。
[一次増大制限部による接続]
別の実施形態では、制限された電極アセンブリ106は、二次接続部材166がそれぞれ第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を含む電極制限部のセット108を含んでもよく、さらに上述したように、縦方向(すなわち、Y軸に沿った方向)および/または積層方向D、ならびに縦方向(すなわち、Z軸に沿った方向)の両方において電極アセンブリ106の増大を同時に制限する。図18A~図18Bを参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図18A~図18Bはそれぞれ、図1における、一次増大制限システム151の一実施形態および二次増大制限システム152の一実施形態の両方を含む電極制限部のセット108のA-A’線に沿った断面を示す。一次増大制限システム151は、上述したような第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156と、上述したような第1一次接続部材162および第2一次接続部材164とを含む。二次増大制限システム152は、第1二次増大制限部158と、第2二次増大制限部160と、第1一次増大制限部154および/または第2一次増大制限部156として具体化される二次接続部材166とを含む。したがって、この実施形態では、二次接続部材166、第1一次増大制限部154および/または第2一次増大制限部156は、交換可能であると理解することができる。さらに、セパレータ130は、二次接続部材166の一部を形成することもできる。さらに、この実施形態では、第1一次接続部材162および第1二次増大制限部158は、上述のように交換可能である。さらに、この実施形態では、第2一次接続部材164および第2二次増大制限部160は、上述のように交換可能である。
第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156は、上述のように、接着剤層182を介して第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に取り付けられてもよい。換言すると、図18A~図18Bに示す実施態様において、電極制限部のセット108は、ハイブリッド化された実施形態における第1二次増大制限部158であり得る第1一次接続部材162と、ハイブリッド化された実施形態における第2二次増大制限部160であり得る第2一次接続部材164とを含む。このように、第1一次接続部材162および第2一次接続部材164のそれぞれは、縦方向における増大を抑制する場合に張力がかかり得、垂直方向における増大を抑制する場合に第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160(すなわち、圧縮部材)として機能し得る。
より具体的には、一実施形態では、図18Aに示すように、非固定の電極構造110および非固定の対向電極構造1128は、それらの各頂部(すなわち、1052および1068)の間の、対応する電極ギャップ1084および対応する対向電極ギャップ1086、ならびに第2二次増大制限部158、およびそれぞれの各底部(すなわち、1054および1070)の間と、第2二次増大制限部160とを含む。
より具体的には、一実施形態では、図18Bに示すように、電極制限部のセット108は、ハイブリッド化された第1二次増大制限部158 /第1一次接続部材162およびハイブリッド化された第2二次増大制限部160 /第2一次接続部材164の両方に隣接する第2セパレータ130aをさらに含む。
[結合された制限システム(Fused Constraint System)]
いくらかの実施形態では、電極制限部のセット108を共に結合してもよい。例えば一実施形態では、一次増大制限システム151を二次増大制限システム152と結合させることができる。さらなる例として、一実施形態では、二次増大制限システム152は、一次増大制限システム151と結合してもよい。換言すると、一次増大制限システム151(例えば、それぞれ第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156)の態様は、ユニボディタイプのシステムにおいて、二次増大制限システム152(例えば、それぞれ第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160)と併存してもよい。図19を参照すると、垂直軸(Z軸)、縦軸(Y軸)、および横軸(X軸)を有する参照用の直交座標系が示されている。X軸は、ページの平面から出てくるように向けられている。セパレータ130、および積層方向Dの指定は、上述のようにY軸と平行に配置されている。より具体的には、図19は、図1における、二次増大制限システム152の一実施形態と結合された一次増大制限システム151の一実施形態を含む結合された電極制限部108のA-A’線に沿った断面を示す。
図19にさらに示す一実施形態は、電極活物質層132および電極電流コレクタ136を有する電極集合体110の部材である。同様に、図19に示す一実施形態は、対向電極活物質層138と対向電極電流コレクタ140とを有する対向電極集合体112の部材である。例示を容易にするために、電極集合体110の2つの部材および対向電極集合体112の3つの部材のみが示されている。本明細書の本発明の趣旨を使用するエネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102は、エネルギー貯蔵デバイス100または二次電池102の用途に応じて、電極構造110および対向電極112の集合体の付加的な部材を含んでもよい。より具体的には、図19の結合された実施形態に示すように、二次接続部材166は、上述したように、それぞれ電極バックボーン134および/または対向電極バックボーン141として具体化されてもよいが、上述のように,第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160のそれぞれに、それぞれ結合されてもよい。同様に、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156は、それぞれ第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160に結合されてもよく、それによって、最終的に結合された、またはユニボディの制限部108を形成する。
[二次電池]
図20を参照すると、本開示の複数の電極制限部のセット108aを有する二次電池102の一実施形態の分解図が示されている。二次電池102は、電池エンクロージャ104と、電池エンクロージャ104内の電極アセンブリのセット106aとを含み、電極アセンブリ106のそれぞれは、第1縦方向端面116、対向する第2縦方向端面118(すなわち、図示の直交座標系のY軸に沿った縦方向端面116から分離した端面)を含む。各電極アセンブリ106は、各電極アセンブリ106内で互いに対して積層方向Dに積み重ねられた、電極構造110の集合体と、対向電極構造112の集合体とを含む。換言すると、電極構造110および対向電極構造112の集合体は、第1縦方向端面116と第2縦方向端面118との間で積層方向Dに形成される連続した、交互に連続された電極構造110および対向電極112において配置される(例えば、図2Aおよび図20に示されているように、積層方向Dは、図示の直交座標系のY軸と平行である)。 さらに、個々の電極アセンブリ106内の積層方向Dは、セット106a内の電極アセンブリ106の集合体の積層方向(すなわち、電極アセンブリの積層方向)に対して垂直である。換言すると、電極アセンブリ106は、個々の電極アセンブリ106内の積層方向Dに垂直なセット106a内の方向において、互いに対して配置される(例えば、電極アセンブリの積層方向が、図示の直交座標系のZ軸に対応する方向にあり、一方で、個々の電極アセンブリ106内の積層方向Dは、図示の直交座標系のY軸に対応する方向にある)。
図20に示された実施形態に示された電極アセンブリのセット106aは、同じ大きさを有する個々の電極アセンブリ106を含むが、1以上の個々の電極アセンブリ106は、セット106aにおける他の電極アセンブリ106よりも少なくとも1つのそれの寸法において異なるサイズを有してもよいか、代替的に有する。例えば一実施形態によれば、二次電池102に設けられたセット106aを形成するために共に積み重ねられた電極アセンブリ106は、各アセンブリ106の縦方向(すなわち、積層方向D)に異なる最大幅WEAを有してもよい。別の実施形態によれば、二次電池102に設けられた積み重ねられたセット106aを構成する電極アセンブリ106は、縦軸に直交する横軸に沿って異なる最大長さLEAを有してもよい。さらなる例として、一実施形態では、二次電池102における電極アセンブリ106aのセットを形成するために共に積み重ねられた各電極アセンブリ106は、電極アセンブリ106が共に積み重ねられて電極アセンブリのセット106aを形成する方向に沿って減少するLEA×WEAの領域を供するように選択される、縦軸に沿った最大幅WEAと横軸に沿った最大長さLEAとを有する。例えば、各電極アセンブリ106の最大幅WEAおよび最大長さLEAは、アセンブリ106が積み重ねられる第1方向において、それに隣接する電極アセンブリ106の幅よりも小さくなり、それに対向する第2方向において、それに隣接する電極アセンブリ106の長さよりも大きくなるように選択されてもよく、それによって、ピラミッド形状における電極アセンブリのセット106aを有する二次電池102を形成するように、電極アセンブリ106が共に積み重ねられる。あるいは、各電極アセンブリ106の最大長さLEAおよび最大幅WEAは、積層された電極アセンブリ106aのセットの異なる形状および/または構成を供するように選択することができる。1以上の電極アセンブリ106の最大垂直高さHEAは、セット106aにおける他のアセンブリ106とは異なるように、ならびに/または所定の形状および/もしくは構成を有する積層されたセット106aを供するように選択されてもよい。
タブ190、192は、電池エンクロージャ104から突出して、セット106aの電極アセンブリ106とエネルギー供給源または消費源(図示せず)との間の電気的接続を供する。より具体的には、この実施形態では、タブ190は、タブ延長部191に(例えば、導電性接着剤を使用して)電気的に接続され、タブ延長部191は、電極アセンブリ106のそれぞれによって構成される電極構造110に電気的に接続される。同様に、タブ192は、タブ延長部193に(例えば、導電性接着剤を使用して)電気的に接続され、各電極アセンブリ106によって構成される対向電極112に電気的に接続される。
図20に示す実施形態における各電極アセンブリ106は、縦方向(すなわち、積層方向D)の増大を抑制するための関連する一次増大抑制システム151を有する。代替的に、一実施形態では、セット106aを構成する複数の電極アセンブリ106は、一次増大制限システム151の少なくとも一部分を共有してもよい。図示の実施形態では、各一次増大制限システム151は、上述したように、それぞれ第1縦方向端面116および第2縦方向端面118に重なり得る第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156、ならびに、上述したように、側面142の重なり得る第1対向一次接続部材162および第2対向一次接続部材164を含む。第1対向一次接続部材162および第2対向一次接続部材164はそれぞれ、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156を互いに向かって引っ張るか、あるいは換言すると、電極アセンブリ106の縦方向における増大を抑制するのを補助し、一次増大制限部154、156は、対向する第1縦方向端面116および第2縦方向端面118にそれぞれ圧縮力または抑制力を加え得る。その結果、電池102の充電状態と放電状態との間の形成および/またはサイクル中に、電極アセンブリ106の縦方向の膨張が抑制される。さらに、一次増大制限システム151は、相互に互いに直交し、縦方向に直交する2つの方向(例えば、図示のように、直交座標系において、縦方向がY軸の方向に対応し、互いに直交し、縦方向に直交する2つの方向がX軸およびZ軸の方向にそれぞれ対応する)のいずれかにおいて、縦方向(すなわち、積層方向D)で電極アセンブリ106に、電極アセンブリ106に維持される圧力を超える圧力を及ぼす。
さらに、図20に示される実施形態における各電極アセンブリ106は、垂直方向における増大(すなわち、垂直方向(すなわち、直交座標系におけるZ軸に沿った方向)における電極アセンブリ106、電極110、および/または対向電極112の膨張)を抑制するための関連する二次増大抑制システム152を有する。あるいは、一実施形態では、セット106aを構成する複数の電極アセンブリ106が、二次増大抑制システム152の少なくとも一部分を共有する。各二次増大制限システム152は、対応する側面142にそれぞれ重なり得る第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160と、より詳細に上述した少なくとも1つの二次接続部材166とを含む。二次接続部材166は、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160をお互いに向かって引っ張るか、あるいは別法として、より詳細に上述したように、電極アセンブリ106の垂直方向における増大を抑制するのを補助し、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160がそれぞれ、側面142に圧縮力または抑制力を加え得る。その結果、電池102の充電状態と放電状態との間の形成および/またはサイクル中に、電極アセンブリ106の垂直方向への膨張が抑制される。さらに、二次増大制限システム152は、相互に互いに直交し、縦方向に直交する2つの方向(例えば、図示のように、直交座標系において、垂直方向がZ軸の方向に対応し、互いに直交し、縦方向に直交する2つの方向がX軸およびY軸の方向にそれぞれ対応する)のいずれかにおいて、垂直方向で(すなわち、直交座標系におけるZ軸に平行に)電極アセンブリ106に、電極アセンブリ106に維持される圧力を超える圧力を及ぼす。
さらに、図20に示す実施形態の各電極アセンブリ106、より詳細に上述したように、縦方向および垂直方向における増大を抑制するために、関連する一次増大制限システム151および関連する二次増大制限システム152を有する。さらに、ある実施形態によれば、電極タブ190および/または対向電極タブ192、ならびにタブ延長部191、193は、三次増大抑制システム155の一部として機能することができる。例えば、ある実施形態では、タブ延長部191、193は、第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159などの三次制限システム155の一部として作用するように、対向する横方向表面領域144、146に沿って延在してもよい。タブ延長部191、193は、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119において、一次増大制限部154、156に接続されて、それによって、一次増大制限部154、156が、横方向に沿って電極アセンブリ106を圧縮するようにタブ延長部191、193を互いに張力をかけて配置し、それぞれ第1三次増大制限部157および第2三次増大制限部159としてそれぞれ作用する、少なくとも1つの三次接続部材165として機能する。逆に、タブ190、192および/またはタブ膨張部191、193はそれぞれ、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156に対する第1一次接続部材162および第2一次接続部材164として機能し得る。さらに別の実施形態では、タブ190、192および/またはタブ膨張部191、193は、二次増大制限システム152の一部として(例えば、二次増大制限部158、160を接続する少なくとも一つの二次接続部材166の一部を形成することによって)機能し得る。したがって、タブ190、192および/またはタブ延長部191、193はそれぞれ、一次制限システム151および二次制限システム152の1以上の一部として機能するか、および/または三次増大制限システム155の一部を形成して、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152それぞれの1以上によって制限される方向に直交する方向に電極アセンブリ106を制限することのいずれかによって、電極アセンブリ106の全体の微視的な増大を制限することを補助し得る。
二次電池102の組立てを完了するために、電池エンクロージャ104は非水性電解質(図示せず)で満たされ、蓋104aは(折り目線FLに沿って)折り畳まれ、頂面104bにシールされる。完全に組み立てられると、シールされた二次電池102は、その外側表面(すなわち、変位量)によって囲まれた体積を占め、二次電池エンクロージャ104は、その内側の体積(すなわち、内側表面104c、104d、104e、104f、104gおよび蓋104aによって境界付けられた角プリズム状の体積)よりも小さい電池の変位量(蓋104aを含む)に対応する体積を占め、ならびにセット106aの各増大制限部151、152は、それぞれのその変位量に対応する体積を占める。したがって、電池エンクロージャ104および増大制限部151、152は、組み合わせて、電池エンクロージャ104の外側表面(すなわち、電池の変位容量)によって境界付けられる体積の75%未満を占める。例えば、そのような実施形態の1つでは、増大制限部151、152および電池エンクロージャ104は、組み合わせて、電池エンクロージャ104の外側表面によって境界付けられた体積の60%未満を占める。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、増大制限部151、152および電池エンクロージャ104は、組み合わせて、電池エンクロージャ104の外側表面によって境界付けられた体積の45%未満を占める。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、増大制限部151、152および電池エンクロージャ104は、組み合わせて、電池エンクロージャ104の外側表面によって境界付けられた体積の30%未満を占める。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、増大制限部151、152および電池エンクロージャ104は、組み合わせて、電池エンクロージャ104の外側表面によって境界付けられた体積の20%未満を占める。
図20の説明を容易にするために、二次電池102は、電極アセンブリ106の1つのセット106aのみを含み、セット106aは、6つの電極アセンブリ106のみを含む。実際には、二次電池102は、2以上の電極アセンブリ106aを含んでもよく、セット106aのそれぞれは、互いに対して横方向に(例えば、図20の直交座標系のXY平面内にある相対方向に)、または互いに対して垂直方向に(例えば、図20の直交座標系のZ軸に実質的に平行な方向に)配置される。さらに、これらの実施形態のそれぞれにおいて、電極アセンブリ106aのセットのそれぞれは、2以上の電極アセンブリ106を含んでもよい。例えば、ある実施形態では、二次電池102は、1セット、2セット、またはそれ以上の電極アセンブリ106aを含んで成ってもよく、各セット106aは、1以上の電極アセンブリ106(例えば、それぞれのセット106a内で、1、2、3、4、5、6、10、15、またはそれ以上の電極アセンブリ106)含んでいる。電池102が2以上のこのようなセット106aを含む場合、セット106aは、二次電池102に含まれる電極アセンブリ106aの他のセットに対して横方向または垂直方向に配置されてもよい。これらの様々な実施形態の各々において、各個別の電極アセンブリ106は、上述のように、それ自体の増大制限部(すなわち、電極アセンブリ106と制限部151、152との間の1対1の関係)を有してもよく、2以上の電極アセンブリ106は、上述のように、共通の制限部151、152(すなわち、2以上の電極アセンブリ106の制限部108のセット)を有してもよく、または2以上の電極アセンブリ106が、制限部151、152の構成要素を共有してもよい(すなわち、2以上の電極アセンブリ106は、例えば、上述の結合した実施形態におけるように、共通の圧縮部材(例えば、第2二次増大抑制部158)および/または引張部材166を有してもよい)。
[その他の電池の構成要素]
ある実施形態では、上述したような、図20に例示するように、一次増大制限システム151および二次増大制限システム152を含む電極制限部108のセットは、長さL1、幅W1および厚さt1を有するシート2000から生じ得る。より具体的には、一次増大制限システム151を形成するために、シート2000は、電極アセンブリ106の周りに巻き付けられ、電極アセンブリ106を囲むように縁部2001で折り畳まれてもよい。あるいは、一実施形態では、シート2000は、積層されて電極アセンブリのセット106aを形成する複数の電極アセンブリ106の周りに巻き付けられてもよい。シートの縁部は互いに重なり合い、互いに溶接、接着、または他の方法で固定されて、第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156および第1一次接続部材162、第1一次接続部材162および第2一次接続部材164を含む一次増大制限システム151を形成する。この実施形態では、一次増大制限システム151は、シート2000の変位量(すなわち、L1、W1およびt1の乗算積)に対応する体積を有する。一実施形態では、少なくとも1つの一次接続部材は、積層方向Dに引き伸ばされて部材に張力を与え、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部によって圧縮力が働くようにする。あるいは、少なくとも1つの二次接続部材を第2方向に引き伸ばして部材に張力をかけることができ、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部によって圧縮力が働く。別の実施形態では、接続部材を伸長させて張力をかける代わりに、一次増大制限システムおよび二次増大制限システムの1以上の接続部材および/または増大制限部または他の部分を、電極アセンブリにわたって、および/または電極アセンブリにおいて、組み立て前に前もって張力をかけてもよい。別の代替的な実施形態では、一次増大制限システムおよび二次増大制限システムの1以上の接続部材および/または増大制限部および/または他の部分は、電極アセンブリへの取り付け時および/または電極アセンブリにわたっての取り付け時において最初から張力下となっているのではなく、むしろ電池の形成が、電極アセンブリを膨張させ、接続部材および/または増大制限部(すなわち、自己緊張)のような一次増大制限システムおよび/または二次増大制限システムの部分に張力を誘発させる。
シート2000は、電極アセンブリ106に所望の力を加えることができる広範囲の適合性材料(または相溶性材料、compatible material)のいずれかを含んで成ってもよい。一般的に、一次増大制限システム151は、典型的には、電池電解質と適合する少なくとも10000psi(>70MPa)の極限引張強度を有し、電池102の浮遊電位または陽極電位で著しく腐食することがなく、45℃、さらには70℃まででも、顕著に反応しないかまたは機械的強度を失わない材料を含んで成る。例えば、一次増大制限システム151は、広範囲の金属、合金、セラミック、ガラス、プラスチック、またはそれらの組み合わせ(すなわち、複合材)のいずれかを含んで成ってもよい。1つの例示的な実施形態では、一次増大制限システム151は、ステンレス鋼(例えば、SS316、440Cまたは硬質440C)、アルミニウム(例えば、アルミニウム7075-T6、硬質H18)、チタン(例えば、6AI-4V)、ベリリウム、ベリリウム銅(硬質)、銅(O2フリー、硬質)、ニッケル、しかしながら一般的には、一次増大制限システム151が金属を含んで成る場合、腐食を制限し、電極構造110と対向電極112との間の電気的短絡を生じさせることを制限する方法で組み込まれることが一般的に好ましい。別の例示的な実施形態では、一次増大制限システム151は、アルミナ(例えば、焼結またはCoorstek AD96)、ジルコニア(例えば、Coorstek YZTP)、イットリア安定化ジルコニア(例えばENrG E-Strate(登録商標))などを含んで成る。別の例示的な実施形態では、一次増大制限システム151は、Schott D263強化ガラスのようなガラスを含んで成る。別の例示的な実施形態では、一次増大制限システム151は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(例えばAptiv 1102)、炭素を有するPEEK(例えばVictrex 90HMF40またはXycomp 1000-04)、炭素を有するポリフェニレンスルフィド(PPS)(例えばTepex Dynalite 207)、30%ガラスを有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(例えばVictrex 90HMF40またはXycomp 1000-04)、ポリイミド(例えばKapton(登録商標))などのプラスチックを含んで成る。別の例示的な実施形態では、一次増大制限システム151は、E Glass Std 繊維/エポキシ、0°、E Glass UD/エポキシ、0°、Keviar Std 繊維/エポキシ、0°、Keviar UD/エポキシ、0°、Carbon Std 繊維/エポキシ、0℃、Carbon UD/エポキシ、0°、Toyobo Zylon(登録商標)繊維/エポキシなどの複合材を含んで成る。別の例示的な実施形態では、一次増大抑制システム151は、Keviar49アラミド繊維、S Glass繊維、炭素繊維、Vectran UM LCP繊維、Dyneema、Zylonなどの繊維を含んで成る。
一次増大制限システム151の厚さ(t1)は、例えば、一次増大制限システム151の構成材料、電極アセンブリ106の全体的な寸法、および電池のアノードおよびカソードの組成を含む広範囲の要素に依存する。いくらかの実施形態では、例えば、一次増大制限システム151は、約10~約100マイクロメートルの範囲の厚さを有するシートを含んで成る。例えば、そのような実施形態の1つでは、一次増大制限システム151は、約30μmの厚さを有するステンレス鋼シート(例えば、SS316)を含んで成る。さらなる例として、別のそのような実施形態では、一次増大制限システム151は、約40μmの厚さを有するアルミニウムシート(例えば、7075-T6)を含んで成る。さらなる例として、別のそのような実施形態では、第1増大抑制システム151は、約30μmの厚さを有するジルコニアシート(例えば、Coorstek YZTP)を含んで成る。さらなる例として、別のそのような実施形態では、一次増大制限システム151は、約75μmの厚さを有するE Glass UD/エポキシ 0°シートを含んで成る。さらなる例として、別のそのような実施形態では、一次増大制限システム151は、50%よりも大きい充填密度で12μmの炭素繊維を含んで成る。
特定の理論に制限されるものではないが、本明細書に記載の接着方法は、接着、はんだ付け、結合、焼結、圧接、ろう付け、溶射接合、クランプまたはそれらの組合せを含んでもよい。接着剤は、導電性エポキシ、導電性エラストマー、導電性金属で充填された絶縁性有機接着剤の混合物(例えば、ニッケル充填エポキシ、カーボン充填エポキシ)などの導電性材料を有する材料を接合することを含んでもよい。導電性ペーストを用いて材料同士を接合し、接合強度を温度(焼結)、光(UV硬化、架橋)、化学硬化(触媒による架橋)によって調整することができる。接合プロセスは、ワイヤボンディング、リボンボンディング、超音波ボンディングを含んでもよい。溶接プロセスには、超音波溶接、抵抗溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接、誘導溶接、および冷間溶接を含んでもよい。これらの材料の接合は、プラズマ溶射、フレーム溶射、アーク溶射などの溶射コーティングなどのコーティングプロセスを使用して材料を共に接合することによっても行うことができる。例えば、ニッケルまたは銅のメッシュを、接着剤としてのニッケル溶射を用いてニッケルバス上に接合することができる。
電極110および対向電極112の集合体の部材は、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオンまたはアルミニウムイオンなどのキャリアイオンを吸収および放出することができる電気活物質を含む。いくらかの実施形態では、電極構造110の集合体の部材は、アノード活性な電気活物質(負極と呼ばれることもある)を含み、対向電極構造112の集合体の部材は、カソード活性な電気活物質正極(正極と呼ばれることもある)を含む。他の実施形態では、電極構造110の集合体の部材は、カソード活性な電気活物質を含み、対向電極構造112の集合体の部材は、アノード活性な電気活物質を含んで成る。この段落に記載された実施形態および実施例のそれぞれにおいて、負極活物質は、粒状凝集体電極またはモノリシック電極であってもよい。
例示的なアノード活性電気活物質には、グラファイトおよび軟質または硬質炭素などの炭素材料、またはリチウムと合金を形成することができるある範囲の金属、半金属、合金、酸化物および化合物のいずれかを含む。アノード材料を構成することができる金属または半金属の具体的な例は、スズ、鉛、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、ガリウム、シリコン、インジウム、ジルコニウム、ゲルマニウム、ビスマス、カドミウム、アンチモン、銀、亜鉛、砒素、ハフニウム、イットリウム、およびパラジウムを含む。1つの例示的な実施形態において、アノード活物質は、アルミニウム、スズもしくはシリコン、またはそれらの酸化物、それらの窒化物、それらのフッ化物、またはそれらの他の合金を含んで成る。別の例示的な実施形態において、アノード活物質は、シリコンまたはその合金を含んで成る。
例示的なカソード活物質には、広範囲のカソード活物質のいずれかが含まれる。例えば、リチウムイオン電池の場合、カソード活物質は、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、遷移金属窒化物、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属硫化物、およびリチウム遷移金属窒化物から選択されるカソード材料を含んで成ってもよい。これらの遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、および遷移金属窒化物の遷移金属元素は、d-シェルまたはf-シェルを有する金属元素を含むことができる。そのような元素の具体例は、Sc、Y、ランタノイド、アクチノイド、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pb、Pt、Cu、AGおよびAuである。付加的なカソード活物質は、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4、Li(NixCoyAl2)O2、LiFePO4、Li2MnO4、V2O5、オキシ硫化モリブデン、リン酸塩、ケイ酸塩、バナジウム酸塩およびそれらの組合せを含む。
一実施形態では、充電および放電プロセス中に、リチウムイオン(または他のキャリアイオン)が負極活物質に組み込まれるかまたは負極活物質から離れる場合の体積膨張および収縮に対応するために、有意な空隙率を供するようにアノード活物質を微細構造化する。一般的に、負極活物質の空隙率は少なくとも0.1である。しかし典型的には、負極活物質の空隙率は0.8以下である。例えば一実施形態では、負極活物質の空隙率は約0.15~約0.75である。さらなる例として、一実施形態では、負極活物質の空隙率は約0.2~約0.7である。さらなる例として、一実施形態では、負極活物質の空隙率は約0.25~約0.6である。
微細構造化負極活物質の組成およびその形成方法に応じて、微細構造化負極活物質は、マクロポーラス材料層、ミクロポーラス材料層、またはメソポーラス材料層、またはそれらの組合せ(例えば、ミクロポーラスおよびメソポーラス、またはメソポーラスおよびマクロポーラスの組合せ)を含んで成ってもよい。ミクロポーラス材料は、典型的には、10nm未満の細孔寸法、10nm未満の壁寸法、1~50マイクロメートルの細孔深さ、および一般的に「スポンジ状」および不規則な外観(平滑でない壁、および分枝した細孔)によって特徴付けられる細孔形態によって特徴付けられる。メソポーラス材料は、典型的には、10~50nmの細孔寸法、10~50nmの壁寸法、1~100マイクロメートルの細孔深さ、およびいくらか明確に定義されるか、または樹枝状の細孔である分岐した細孔によって特徴付けられる細孔形態によって特徴付けられる。マクロポーラス材料は、典型的には、50nmを超える細孔寸法、50nmを超える壁寸法、1~500マイクロメートルの細孔深さ、および様々な、直鎖状、分枝状、または樹枝状、滑らかなまたは粗い壁であり得る細孔形態によって特徴付けられる。さらに、空隙体積は、開いたまたは閉じた空隙、またはそれらの組合せを含んで成ってもよい。一実施形態では、空隙体積は開放空隙を含んで成る。すなわち、負極活物質は、リチウムイオン(または他のキャリアイオン)が負極に入るかまたは負極から出ることができる(例えば、リチウムイオンが正極活物質を脱離した後、空隙開口を介して負極活物質に入り得る)負極活物質の側面に開口を有する空隙含む。別の実施形態では、空隙体積は閉じた空隙を含む。すなわち、負極活物質は、負極活物質によって囲まれた空隙を含む。一般的に、開放空隙は、キャリアイオンの界面表面面積を大きくすることができるが、閉じた空隙は固体電解質界面の影響を受けにくく、一方、キャリアイオンが入ってくる場合には負極活物質を膨張させる余地をそれぞれ供する。したがって、ある実施形態では、負極活物質が開放空隙と閉じた空隙の組合せを含んで成ることが好ましい。
一実施形態では、負極活物質は、多孔質のアルミニウム、スズもしくはシリコンまたはそれらの合金を含んで成る。多孔質シリコン層は、例えば、アノード酸化、エッチングによって(例えば、金、白金、銀または金/パラジウムなどの貴金属を単結晶シリコンの表面上に堆積させ、その表面をフッ化水素酸および過酸化水素の混合物でエッチングすることによって)、またはパターン化された化学エッチングなどの当該技術分野で公知の他の方法によって形成してもよい。さらに、多孔質負極活物質は、一般的に、少なくとも約0.1、0.8未満の多孔率を有し、約1~約100マイクロメートルの厚さを有する。例えば一実施形態において、負極活物質は、約5~約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15~約0.75の多孔率を有する多孔質シリコンを含んで成る。さらなる例として、一実施形態において、負極活物質は、約10~約80マイクロメートルの厚さを有し、約0.15~約0.7の多孔率を有する多孔質シリコンを含んで成る。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、負極活物質は、約20~約50マイクロメートルの厚さを有し、約0.25~約0.6の多孔率を有する多孔質シリコンを含んで成る。さらなる例として、一実施形態では、負極活物質は、約5~約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15~約0.75の多孔率を有する多孔質シリコン合金(ニッケルケイ化物など)を含んで成る。
別の実施形態において、負極活物質は、アルミニウム、スズもしくはシリコン、またはそれらの合金の繊維を含んで成る。個々の繊維は、約5nm~約10000nmの直径(厚さ寸法)および一般的に負極活物質の厚さに対応する長さを有してもよい。シリコンの繊維(ナノワイヤ)は、例えば蒸気気相増大(VLS)増大および固液状固体(SLS)増大のような当技術分野で公知の化学気相増大または他の技術によって形成してもよい。さらに、負極活物質は、一般的に、少なくとも約0.1、0.8未満の気孔率を有し、約1~約200マイクロメートルの厚さを有する。例えば一実施形態では、負極活物質は、約5~約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15~約0.75の多孔率を有するシリコンナノワイヤを含んで成る。さらなる例として、一実施形態では、負極活物質は、約10~約80マイクロメートルの厚さを有し、約0.15~約0.7の多孔率を有するシリコンナノワイヤを含んで成る。さらなる例として、一実施形態では、負極活物質は、約20~約50マイクロメートルの厚さを有し、約0.25~約0.6の多孔率を有するシリコンナノワイヤを含んで成る。さらなる例として、一実施形態では、負極活物質は、約5~約100マイクロメートルの厚さを有し、約0.15~約0.75の多孔率を有するケイ素合金(例えば、ニッケルシリサイド)のナノワイヤを含んで成る。
一実施形態では、電極構造110の集合体の各部材は、底部、頂部、およびその底部から頂部まで延在する、また電極構造110および対向電極構造112の交互のシーケンスが進行する方向にほぼ垂直な方向に延在する縦軸(AE)を有する。さらに、電極構造110の各部材は、電極の縦軸(AE)に沿って測定された長さ(LE)、電極構造および対向電極構造の交互のシーケンスが進行する方向において測定される幅(WE)、ならびに長さ(LE)および幅(WE)の測定方向それぞれに垂直な方向に測定された高さ(HE)を有する。電極集合体の各部材はまた、その縦軸に垂直な平面内の電極の突出部の辺の長さの合計に対応する周縁(PE)を有する。
電極集合体の部材の長さ(LE)は、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体の部材は、典型的には、約5mm~約500mmの範囲の長さ(LE)を有する。例えば、そのような実施形態の1つでは、電極集合体の部材は、約10mm~約250mmの長さ(LE)を有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、電極集合体の部材は、約25mm~約100mmの長さ(LE)を有する。
電極集合体の部材の幅(WE)もまた、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体の各部材は、典型的には、約0.01mm~2.5mmの範囲内の幅(WE)を有する。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材の幅(WE)は、約0.025mm~約2mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材の幅(WE)は、約0.05mm~約1mmの範囲にある。
電極集合体の部材の高さ(HE)もまた、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体の部材は、典型的には、約0.05mm~約10mmの範囲内の高さ(HE)を有する。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材の高さ(HE)は、約0.05mm~約5mmの範囲にある。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材の高さ(HE)は、約0.1mm~約1mmの範囲内にある。一実施形態によれば、電極集合体の部材は、第1高さを有する1以上の第1電極部材と、第1高さ以外の第2高さを有する1以上の第2電極部材とを含む。例えば一実施形態では、1以上の第1電極部材は、電極部材が二次制限システムの一部分と垂直方向(Z軸)で接触できるように選択された高さを有してもよい。例えば、1以上の第1電極部材の高さは、第1電極部材が、例えば、少なくとも1つの第1電極部材またはその基礎構造が、二次接続部材166として機能する場合、垂直軸に沿って第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の両方の間で延在して接触するように十分であってよい。さらに、一実施形態によれば、1以上の第2電極部材は、1以上の第1電極部材よりも低い高さを有してもよく、それによって、例えば、1以上の第2電極部材は、第2二次増大制限部158、160の両方の間で十分に延在して接触するように十分していない。さらに別の実施形態では、1以上の第1電極部材および1以上の第2電極部材の異なる高さは、電極アセンブリ106の所定の形状に適合するように選択されてもよく、例えば、電極アセンブリの形状は、縦方向軸および/もしくは横方向軸の1以上に沿って異なる高さを有し、ならびに/または二次電池のための所定の性能特性を供する。
電極集合体の部材の周縁(PE)は、同様に、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、電極集合体の部材は、典型的には、約0.025mm~約25mmの範囲内の周縁(PE)を有する。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材の周縁(PE)は、約0.1mm~約15mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材の周縁(PE)は、約0.5mm~約10mmの範囲内にある。
一般的に、電極集合体の部材は、その幅(WE)およびその高さ(HE)のそれぞれよりも実質的に大きい長さ(LE)を有する。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材について、WEおよびHEのそれぞれに対するLEの比がそれぞれ少なくとも5:1である(すなわち、それぞれ、LEとWEとの比がそれぞれ少なくとも5:1であり、LEとHEとの比がそれぞれ少なくとも5:1である)。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、LEおよびWEのそれぞれに対するHEの比は、それぞれ少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、LEおよびWEのそれぞれに対するHEの比は、それぞれ少なくとも15:1である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、LEおよびWEのそれぞれに対するHEの比は、それぞれ少なくとも20:1である。
さらに、電極集合体の部材が、その周縁(PE)より実質的に大きい長さ(LE)を有することが一般的に好ましい。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材について、LEとPEとの比がそれぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、LEとPEとの比は、それぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、LEとPEとの比は、それぞれ少なくとも3.75:1である。
一実施形態では、電極集合体の部材の高さ(HE)と幅(WE)との比は、それぞれ少なくとも0.4:1である。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、HEとWEの比は、それぞれ少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、それぞれ少なくとも20:1である。しかしながら、典型的には、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、一般的に、それぞれ1000:1未満である。例えば一実施形態では、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、それぞれ500:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、それぞれ100:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、それぞれ10:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、電極集合体の各部材について、HEとWEとの比は、それぞれ約2:1~約100:1の範囲内にある。
一実施形態では、対向電極集合体の集合体の各部材は、底部、頂部、およびその底部から頂部まで延在する、また電極構造および対向電極構造の交互のシーケンスが進行する方向にほぼ垂直な方向に延在する縦軸(ACE)を有する。さらに、対向電極集合体の各部材は、電極の縦軸(ACE)に沿って測定された長さ(LCE)、電極構造および対向電極構造の交互のシーケンスが進行する方向において測定される幅(WCE)、ならびに長さ(LCE)および幅(WCE)の測定方向それぞれに垂直な方向に測定された高さ(HCE)を有する。対向電極集合体の各部材はまた、その縦軸に垂直な平面内の対向電極の突出部の辺の長さの合計に対応する周縁(PCE)を有する。
対向電極集合体の部材の長さ(LCE)は、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体の部材は、典型的には、約5mm~約500mmの範囲の長さ(LCE)を有する。例えば、そのような実施形態の1つでは、対向電極集合体の部材は、約10mm~約250mmの長さ(LCE)を有する。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、対向電極集合体の部材は、約25mm~約100mmの長さ(LCE)を有する。
対向電極集合体の部材の幅(WCE)もまた、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体の各部材は、典型的には、約0.01mm~2.5mmの範囲内の幅(WCE)を有する。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材の幅(WCE)は、約0.025mm~約2mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材の幅(WCE)は、約0.05mm~約1mmの範囲にある。
対向電極集合体の部材の高さ(HCE)もまた、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体の部材は、典型的には、約0.05mm~約10mmの範囲内の高さ(HCE)を有する。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材の高さ(HCE)は、約0.05mm~約5mmの範囲にある。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材の高さ(HCE)は、約0.1mm~約1mmの範囲内にある。一実施形態によれば、対向電極集合体の部材は、第1高さを有する1以上の第1対向電極部材と、第1高さ以外の第2高さを有する1以上の第2対向電極部材とを含む。例えば一実施形態では、1以上の第1対向電極部材は、対向電極部材が二次制限システムの一部分と垂直方向(Z軸)で接触できるように選択された高さを有してもよい。例えば、1以上の第1対向電極部材の高さは、第1対向電極部材が、例えば、少なくとも1つの第1対向電極部材またはその基礎構造が二次接続部材166として機能する場合、垂直軸に沿って第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の両方の間で延在して接触するように十分であってよい。さらに、一実施形態によれば、1以上の第2対向電極部材は、1以上の第1対向電極部材よりも低い高さを有してもよく、それによって、例えば、1以上の第2対向電極部材は、第2二次増大制限部158、160の両方の間で十分に延在して接触しない。さらに別の実施形態では、1以上の第1対向電極部材および1以上の第2対向電極部材の異なる高さは、電極アセンブリ106の所定の形状に適合するように選択されてもよく、例えば、電極アセンブリの形状は、縦方向軸および/もしくは横方向軸の1以上に沿って異なる高さを有し、ならびに/または二次電池のための所定の性能特性を供する。
対向電極集合体の部材の周縁(PCE)は、同様に、エネルギー貯蔵デバイスおよびその意図される用途に応じて変化する。しかしながら、一般的に、対向電極集合体の部材は、典型的には、約0.025mm~約25mmの範囲内の周縁(PCE)を有する。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材の周縁(PCE)は、約0.1mm~約15mmの範囲内にある。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材の周縁(PCE)は、約0.5mm~約10mmの範囲内にある。
一般的に、対向電極集合体の部材は、その幅(WCE)およびその高さ(HCE)のそれぞれよりも実質的に大きい長さ(LCE)を有する。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、WCEおよびHCEに対するLCEの比がそれぞれ少なくとも5:1である(すなわち、それぞれ、LCEとWCEとの比がそれぞれ少なくとも5:1であり、LCEとHCEとの比がそれぞれ少なくとも5:1である)。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、LCEおよびWCEのそれぞれに対するHCEの比は、それぞれ少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、LCEおよびWCEのそれぞれに対するHCEの比は、それぞれ少なくとも15:1である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、LCEおよびWCEのそれぞれに対するHCEの比は、それぞれ少なくとも20:1である。
さらに、対向電極集合体の部材が、その周縁(PCE)より実質的に大きい長さ(LCE)を有することが一般的に好ましい。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、LCEとPCEとの比がそれぞれ少なくとも1.25:1である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、LCEとPCEとの比は、それぞれ少なくとも2.5:1である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、LCEとPCEとの比は、それぞれ少なくとも3.75:1である。
一実施形態では、対向電極集合体の部材の高さ(HCE)と幅(WCE)との比は、それぞれ少なくとも0.4:1である。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、少なくとも2:1である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEの比は、それぞれ少なくとも10:1である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、それぞれ少なくとも20:1である。しかしながら、典型的には、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、一般的に、それぞれ1000:1未満である。例えば一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、それぞれ500:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、それぞれ100:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、それぞれ10:1未満である。さらなる例として、一実施形態では、対向電極集合体の各部材について、HCEとWCEとの比は、対向電極集合体の各部材について、それぞれ約2:1~約100:1の範囲内にある。
一実施形態では、負極集合体の各部材によって構成される負極電流導体層136は、そのような負極電流コレクタを含んで成る部材の長さLNEの少なくとも50%である長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、負極集合体の各部材によって構成される負極電流導体層136は、そのような負極電流コレクタを含んで成る部材の長さLNEの少なくとも60%である長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、負極集合体の各部材によって構成される負極電流導体層136は、そのような負極電流コレクタを含んで成る部材の長さLNEの少なくとも70%である長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、負極集合体の各部材によって構成される負極電流導体層136は、そのような負極電流コレクタを含んで成る部材の長さLNEの少なくとも80%である長さLNCを有する。さらなる例として、一実施形態では、負極集合体の各部材によって構成される負極電流導体層136は、そのような負極電流コレクタを含んで成る部材の長さLNEの少なくとも90%である長さLNCを有する。
一実施形態では、正極集合体の各部材に含まれる正極電流導体140は、そのような正極電流コレクタを含んで成る部材の長さLPEの少なくとも50%である長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、正極集合体の各部材に含まれる正極電流導体140は、そのような正極電流コレクタを含んで成る部材の長さLPEの少なくとも60%である長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、正極集合体の各部材に含まれる正極電流導体140は、そのような正極電流コレクタを含んで成る部材の長さLPEの少なくとも70%である長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、正極集合体の各部材に含まれる正極電流導体140は、そのような正極電流コレクタを含んで成る部材の長さLPEの少なくとも80%である長さLPCを有する。さらなる例として、一実施形態では、正極集合体の各部材に含まれる正極電流導体140は、そのような正極電流コレクタを含んで成る部材の長さLPEの少なくとも90%である長さLPCを有する。
一実施形態では、負極電流コレクタ層136は、イオン伝導性および導電性の双方を有するイオン透過性導体材料を含んで成る。換言すると、負極電流コレクタ層は、電気化学的積層体において、イオン透過性導体層の一方の側に最も隣接する活物質層と、負極電流コレクタ層の他方の側に最も隣接するセパレータ層との間のキャリアイオンの移動を容易にするキャリアイオンのための厚さ、電気伝導度、イオン導電性を有する。相対的な基準として、負極電流コレクタ層は、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも1000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも5000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも10000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも50000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも100000:1である。
一実施形態では、電流がデバイスにエネルギーを蓄積するために印加されるか、または荷重がデバイスを放電するために印加される場合(例えば、二次電池102が充電または放電している場合)、負極電流コレクタ層136は、イオン伝導性および導電性の双方を有するイオン透過性導体材料を含んで成り、負極電流コレクタ136は、隣接するセパレータ層のイオン伝導率に匹敵するイオン伝導率を有してもよい。例えば一実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイス100を放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136は、セパレータ層のイオン伝導率の少なくとも50%(すなわち、それぞれ0.5:1の比)である(キャリアイオンについての)イオン伝導率を有する。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1.25:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも1.5:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の(キャリアイオンについての)イオン伝導率とセパレータ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率との比は、少なくとも2:1である。
一実施形態では、負極電流コレクタ136はまた、負極活物質層の導電率よりも実質的に大きい導電率を有する。例えば一実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の導電率と負極活物質層の導電率との比は、少なくとも100:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の導電率と負極活物質層の導電率との比は、少なくとも500:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の導電率と負極活物質層の導電率との比は、少なくとも1000:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の導電率と負極活物質層の導電率との比は、少なくとも5000:1である。さらなる例として、いくらかの実施形態では、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、負極電流コレクタ136の導電率と負極活物質層の導電率との比は、少なくとも10000:1である。
ある実施形態における負極電流コレクタ136の厚さ(すなわち、負極電流コレクタ層136がサンドイッチ状にされている間での、セパレータと負極活物質層との間の最短距離)は、一実施形態では、層の構成および電気化学的積層体の性能仕様に依存するであろう。一般的に、負極電流コレクタ層がイオン透過性導体層である場合、それは少なくとも約300オングストロームの厚さを有する。例えば、いくらかの実施形態では、約300~800オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。しかしながら、より典型的には、約0.1マイクロメートルよりも大きい厚さを有する。一般的に、イオン透過性導体層は、約100マイクロメートル以下の厚さを有するであろう。したがって、例えば一実施形態では、負極電流コレクタ136は、約0.1~約10マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。さらなる例として、いくらかの実施形態では、負極電流コレクタ136は、約0.1~約5マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。さらなる例として、いくらかの実施形態では、負極電流コレクタ136は、約0.5~約3マイクロメートルの範囲の厚さを有するであろう。一般的に、負極電流コレクタ136の厚さは、ほぼ均一であることが好ましい。例えば一実施形態では、負極電流コレクタ136は、約25%未満の厚さの不均一性を有することが好ましい。ここで厚さの不均一性は、層の最大厚さから層の最小厚さを減算した値を層厚さの平均値で除算した値として定義される。ある実施形態では、厚さのばらつきはさらに小さい。例えば、いくらかの実施形態では、負極電流コレクタ136は、約20%未満の厚さの不均一性を有する。さらなる例として、いくらかの実施形態では、負極電流コレクタ136は、約15%未満の厚さの不均一性を有する。いくらかの実施形態では、負極電流コレクタ136は、約10%未満の厚さの不均一性を有する。
一実施形態では、負極電流コレクタ136は、イオン透過性および電気伝導性に寄与する導電性構成要素およびイオン伝導性構成要素を含んで成るイオン透過性導体層である。典型的には、導電性構成要素は、メッシュもしくはパターン化された表面、フィルムの形態における連続的な導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)、または連続的な導電性材料(例えば、連続金属または金属合金)を含んで成る複合材料を含んで成るであろう。さらに、イオン導電性構成要素は、典型的には細孔(例えば、メッシュの隙間、パターン化された金属もしくは金属合金含有材料層の間の空間、金属フィルムの細孔、またはキャリアイオンのための十分な拡散性を有する固体イオン伝導体)を含んで成るであろう。ある実施形態において、イオン透過性導体層は、堆積された多孔質材料、イオン輸送材料、イオン反応性材料、複合材料、または物理的に多孔質の材料を含んで成る。多孔質の場合、例えば、イオン透過性導体層は、少なくとも約0.25の空隙率を有してもよい。しかしながら、一般的には、空隙率は典型的には約0.95を超えないであろう。より典型的には、イオン透過性導電体層が多孔性である場合、空隙率は約0.25~約0.85の範囲であってもよい。いくらかの実施形態では、例えば、イオン透過性導体層が多孔質である場合、空隙率は、約0.35~約0.65の範囲であってもよい。
負極電流コレクタ136は、負極活物質層とセパレータとの間に位置付けられているため、負極電流コレクタからの電流を負極活物質層の表面に沿って流すことによって、より均一なキャリアイオン輸送を促進し得る。これは、順に、キャリアイオンのより均一なインサーションおよび抽出を容易にし、それによって、サイクル中の負極活物質の応力(stress)を低減し得る。負極電極電流コレクタ136は、負極活物質層のセパレータ側の表面に電流を流すため、負極活物質層のキャリアイオンに対する反応性が最も高くなり、キャリアイオン濃度が最も高くなる。さらに別の実施形態では、負極電流コレクタ136および負極活物質層の位置を逆にしてもよい。
一実施形態によれば、正極の各部材は、例えば、正極バックボーンと正極活物質層との間に配置され得る正極電流コレクタ140を有する。さらに、負極電流コレクタ136および正極電流コレクタ140のうちの1以上は、アルミニウム、炭素、クロム、金、ニッケル、NiP、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、シリコンとニッケルの合金、チタンまたはそれらの組合せなどの金属を含んで成ってもよい(A.H.WhiteHeadおよびM.Schreiber、Journal of the Electrochemical Society、152(11)A2105-A2113(2005)による、「リチウムベース電池の正極用電極電流コレクタ」を参照されたい)。さらなる例として、一実施形態では、正極電流コレクタ140は金または金シリサイドなどのそれらの合金を含んで成る。さらなる例として、一実施形態では、正極電流コレクタ140は、ニッケルまたはニッケルシリサイドなどのそれらの合金を含んで成る。
別の実施形態では、正極電流コレクタ層と正極活物質層との位置を逆にしてもよく、例えば、正極電流コレクタ層をセパレータ層と正極活物質層との間に位置付けてもよい。そのような実施形態では、最も隣接した正極活物質層のための正極電極電流コレクタ140は、上述のような負極電流コレクタ層に関連した、組成および構造を有するイオン透過性導体を含んで成る。すなわち、正極電流コレクタ層は、イオン伝導性および導電性の双方を有するイオン透過性導体材料の層を含んで成る。この実施形態において、正極電流コレクタ層は、電気化学的積層体において、正極電流コレクタ層の一方の側に最も隣接する正極活物質層と、正極電流コレクタ層の他方の側に最も隣接するセパレータ層との間のキャリアイオンの移動を容易にするキャリアイオンのための厚さ、電気伝導度、イオン導電性を有する。相対的な基準として、正極電流コレクタ層は、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、そのイオン伝導率より大きい導電率を有する。例えば、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、正極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも1000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、正極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも5000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、正極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも10000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、正極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも50000:1である。さらなる例として、そのような実施形態の1つでは、デバイスにエネルギーを蓄積するための印加電流、またはデバイスを放電するための印加された荷重がある場合、正極電流コレクタ層の(キャリアイオンについての)イオン伝導率と導電率との比は、一般的に、それぞれ少なくとも100000:1である。
電気絶縁セパレータ層130は、電極構造110の集合体の各部材を取り囲み、対向電極構造112の集合体の各部材から電気的に絶縁することができる。電気絶縁セパレータ層130は、典型的には、非水性電解質を浸透させることができるマイクロポーラス状セパレータ材料を含む。例えば一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料は、少なくとも50オングストローム、より典型的には約2500オングストロームの範囲の直径、および約25%~約75%、より典型的には約35%~55%の範囲の多孔率を有する。さらに、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極集合体および対向電極集合体の隣接する部材の間でキャリアイオンの伝導を可能にするための非水性電解質を浸透させ得る。ある実施形態では、例えば、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、充電または放電サイクル中のイオン交換のための,電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の最も近い部材(すなわち、「隣接するペア」)との間の電気絶縁性セパレータ材料の少なくとも70体積%が、マイクロポーラス状セパレータ材料である。換言すると、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の最も近い部材との間の電気絶縁材料の少なくとも70体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の部材の隣接するペアそれぞれの間の電気絶縁材料の少なくとも75体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の部材の隣接するペアそれぞれの間の電気絶縁材料の少なくとも80体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の部材の隣接するペアそれぞれの間の電気絶縁材料の少なくとも85体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の部材の隣接するペアそれぞれの間の電気絶縁材料の少なくとも90体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の部材の隣接するペアそれぞれの間の電気絶縁材料の少なくとも95体積%を構成する。さらなる例として、一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料の多孔率を無視して、マイクロポーラス状セパレータ材料は、電極構造110の集合体の部材と対向電極構造112の集合体の部材の隣接するペアそれぞれの間の電気絶縁材料の少なくとも99体積%を構成する。
一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料は、粒状材料およびバインダーを含んで成り、少なくとも約20体積%の多孔率(空隙率)を有する。マイクロポーラス状セパレータ材料の細孔は、少なくとも50オングストロームの直径を有し、典型的には約250~2500オングストロームの範囲内にある。マイクロポーラス状セパレータ材料は、典型的には、約75%未満の多孔率を有する。一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料は、少なくとも約25体積%の多孔率(空隙率)を有する。一実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料は、約35~55%の多孔率を有する。
マイクロポーラス状セパレータ材料用のバインダーは、広範囲の無機またはポリマー材料から選択されてもよい。例えば一実施形態では、バインダーは、ケイ酸塩、リン酸塩、アルミン酸塩、アルミノケイ酸塩、および水酸化物(例えば水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム)などからなる群から選択される有機材料である。例えば一実施形態では、バインダーは、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロペンなどを含むモノマーから誘導されたフルオロポリマーである。別の実施形態では、バインダーは、様々な分子量および密度の範囲のいずれかを有するポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリブテンなどのポリオレフィンである。別の実施形態では、バインダーは、エチレン-ジエン-プロペン-ターポリマー、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール、ポリアセタールおよびポリエチレングリコールジアクリレートからなる群から選択される。別の実施形態において、バインダーは、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ポリアクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸およびポリエチレンオキシドからなる群から選択される。別の実施形態では、バインダーは、アクリレート、スチレン、エポキシおよびシリコンからなる群から選択される。別の実施形態において、バインダーは、上記ポリマーの2以上のコポリマーまたはブレンドである。
マイクロポーラス状セパレータ材料に含まれる粒状材料は、広範囲の材料から選択してもよい。一般的に、このような材料は、動作温度において比較的低い電子伝導度およびイオン伝導度を有し、マイクロポーラス状セパレータ材料に接触する電池電極または電流コレクタの動作電圧下で腐食しない。例えば一実施形態では、粒状材料は、1×10-4S/cm未満のキャリアイオン(例えば、リチウム)の伝導率を有する。さらなる例として、一実施形態では、粒状材料は、1×10-5S/cm未満のキャリアイオンに対する伝導率を有する。さらなる例として、一実施形態では、粒状材料は、1×10-6S/cm未満のキャリアイオンに対する導電率を有する。例示的な粒状材料は、粒状ポリエチレン、ポリプロピレン、TiO2ポリマー複合材、シリカエーロゲル、ヒュームドシリカ、シリカゲル、シリカヒドロゲル、シリカキセロゲル、シリカゾル、コロイドシリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、カオリン、タルク、珪藻土、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、またはそれらの組合せを含む。例えば一実施形態では、粒状材料は、TiO2、SiO2、Al2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、ZrO2、BN、Si3N4、Ge3N4などの粒状酸化物または粒状窒化物を含んで成る(P.AroraおよびJ.Zhangの「Battery Separators」Chemical Reviews 2004、104、4419-4462を参照)。一実施形態では、粒状材料は、約20nm~2μm、より典型的には200nm~1.5μmの平均粒径を有する。一実施形態では、粒状材料は、約500nm~1μmの平均粒径を有する。
代替的な実施形態では、マイクロポーラス状セパレータ材料に含まれる粒状材料は、電池の機能のためのイオン伝導性を供するように電解質の進入に望ましい空隙率を維持させつつ、焼結、バインディング、硬化などの技術によって結合されてもよい。
マイクロポーラス状セパレータ材料は、例えば粒子が静電引力またはファンデルワールス力などの表面エネルギーによって合体された粒状セパレータ材料の電気泳動堆積、粒状セパレータ材料の(スピンコーティングまたはスプレーコーティングを含む)スラリー堆積、スクリーン印刷、ディップコーティング、および静電スプレー堆積によって堆積させてもよい。バインダーは、堆積プロセスに含まれてもよい。例えば、粒状材料は、溶媒蒸発により沈殿する溶解したバインダー材料でスラリー堆積させてもよく、溶解したバインダー材料の存在下で電気泳動的に堆積させてもよく、またはバインダーおよび絶縁粒子などで共電気泳動的に堆積させてもよい。代替的に、または付加的に、粒子を電極構造の中または上に堆積させた後にバインダーを添加してもよい。例えば、粒状材料を有機バインダー溶液中に分散させ、ディップコートまたはスプレーコートした後、バインダー材料を乾燥、溶融または接着力を供するように架橋してもよい。
組み立てられたエネルギー貯蔵デバイスでは、マイクロポーラス状セパレータ材料は、二次電池電解質としての使用に適した非水性電解質で浸透される。典型的には、非水性電解質は、有機溶媒に溶解されたリチウム塩を含む。例示的なリチウム塩には、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl、およびLiBrなどの無機リチウム塩、LiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3)3、LiNSO2CF3、LiNSO2CF5、LiNSO2C4F9、LiNSO2C5F11、LiNSO2C6F13およびLiNSO2C7F15などの有機リチウム塩が含まれる。リチウム塩を溶解するための例示的な有機溶媒は、環状エステル、鎖状エステル、環式エーテルおよび鎖状エーテルが含まれる。環状エステルの具体例としては、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、2-メチル-γ-ブチロラクトン、アセチル-γ-ブチロラクトンおよびγ-バレロラクトンが含まれる。鎖状エステルの具体例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、アルキルプロピオネート、ジアルキルマロネート、およびアルキルアセテートが含まれる。環状エーテルの具体例としては、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1、3-ジオキソラン、アルキル-1、3-ジオキソランおよび1、4-ジオキソランが含まれる。鎖状エーテルの具体例としては、1、2-ジメトキシエタン、1、2-ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテルおよびテトラエチレングリコールジアルキルエーテルが含まれる。
さらに一実施形態によれば、マイクロポーラス状セパレータ130ならびに他の電極構造110および/または対向電極構造112を含む二次電池102の構成要素は、二次電池102の充放電時に電極活物質132の膨張が生じる場合があっても、構成要素が機能することを可能にする構成および組成を含んで成る。すなわち、充放電時における電極活物質132の膨張に起因する構成要素の破損が許容範囲内になるように、構成要素が構成されてもよい。
[電極制限部のパラメータ]
一実施形態によれば、電極制限部のセット108の設計は、(i)電極活物質層132の膨張による電極制限部のセット108の構成要素に及ぼされる力、および(ii)電極活物質層132の膨張によって及ぼされる力に対抗するために必要とされる電極制限部のセット108の強度を含むパラメータに依存する。例えば一実施形態によれば、電極活物質の膨張によってシステムに及ぼされる力は、特定の方向に沿った断面電極面積に依存する。例えば、縦方向に作用する力は、電極の長さ(LE)に電極の高さ(HE)を乗じた値に比例する。垂直方向において、力は電極の長さ(LE)に電極の幅(WE)を乗じた値に比例し、横方向の力は電極の幅(WE)に電極の高さ(HE)を乗じた値に比例する。
一次増大制限部154、156の設計は、多数の変数に依存してもよい。一次増大制限部154、156は、電極活物質層132の縦方向の膨張による電極アセンブリ106の肉眼的増大を抑制する。図8Aに示す実施形態では、一次増大制限部154、156は、少なくとも1つの一次接続部材158(例えば、第1一次接続部材158および第2一次接続部材160)と協働して、電極活物質層132を有する電極構造110の増大を抑制するように作用する。増大の抑制において、少なくとも1つの接続部材158は、一次増大制限部154、156が互いに張力がかかるように配置され、それによって、それらが、電極活物質層132の増大によって及ぼされる力を打ち消すように圧縮力を及ぼす。一実施形態によれば、一次接続部材158の引張強度に応じて、一次増大制限部154、156に力が加えられると、一次増大制限部154、156は、(i)互いから離れて移動すること(縦方向に離れて移動すること)、(ii)厚みを圧縮すること、ならびに(iii)力に対処するために縦方向に沿って曲げおよび/または偏向することの少なくとも1つを実行することができる。一次増大制限部154、156の互いから離れる方向の範囲は、一次接続部材158、160の設計に依存してもよい。一次増大制限部154、156が圧縮できる量は、一次増大制限部の材料特性(例えば、一次増大制限部154、156を形成する材料の圧縮強度)の関数である。一実施形態によれば、一次増大制限部154、156が曲がることができる量は、(i)電極構造110の縦方向における増大によって加えられる力、(ii)一次増大制限部154、156の弾性率、(iii)一次接続部材158、160間の垂直方向の距離、および(iv)一次増大制限部154、156の厚さ(幅)に依存する。一実施形態では、一次増大制限部154、156の最大撓み(deflection)は、一次接続部材158、160の間の垂直方向における増大制限部154、156の中間点で生じ得る。撓みは、垂直方向に沿った一次接続部材158、160間の距離の4乗で増加し、制限材料の弾性率と共に線形的に減少し、一次増大制限部厚さ(幅)の3乗で減少する。一次増大制限部154、156の曲げによる撓みを支配する式は、δ=60wL4/Eh3と表すことができる。
ここで、wは電極膨張による一次増大制限部154、156に印加される全分布荷重であり、Lは一次接続部材158、160間の垂直方向の距離であり、Eは一次増大制限部154、156の弾性率、およびhは一次増大制限部154、156の厚さ(幅)である。
一実施形態では、電極活物質132の膨張による一次増大制限部154、156に対する応力は、式σ=3wL2/4h2を使用して計算することができる。
ここで、wは電極活物質層132の膨張による一次増大制限部154、156に印加される全分布荷重であり、Lは一次接続部材158、160間の垂直方向の距離であり、およびhは一次増大制限部154、156の厚さ(幅)である。一実施形態では、一次増大制限部154、156に対する最大応力は、一次増大制限部154、156を一次接続部材158、160に取り付ける点に生じる。一実施形態では、応力は一次接続部材158、160の間の距離の二乗で増加し、一次増大制限部154、156の厚さの二乗で減少する。
[一次接続部材の設計に影響を与える変数]
図8Aにおける実施形態に示されるように、第1一次接続部材158および第2一次接続部材160などの少なくとも1つの一次接続部材158の設計には、多くの変数が影響を及ぼし得る。一実施形態では、一次接続部材158、160は、互いに離れて移動する(離れて動く)一次増大制限部154、156において生じる可能性がある反作用力に対して十分な抵抗を供し得る。一実施形態では、一次接続部材158、160の引張応力を支配する式は、σ=PL/2tと示すことができる。
ここで、Pは一次増大制限部における電極活物質層132の増大による印加された圧力であり、Lは一次接続部材158、160間の垂直方向の距離であり、およびtは接続部材158、160の垂直方向の厚さである。
[二次増大制限部の設計に影響を与える変数]
図8Bにおける実施形態に示されるように、第1二次増大制限部158および第2二次増大制限部160の設計に、多数の変数が影響を及ぼし得る。一実施形態では、二次増大制限部158、160の設計に影響を及ぼす変数は、一次増大制限部154、156の設計に影響を及ぼす変数と同様であるが、直交方向に変換される変数である。例えば一実施形態では、二次増大制限部158、160の曲げによる撓みを支配する式は、δ=60wy4/Et3と示すことができる。
ここで、wは電極活物質層132の膨張による二次増大制限部158、160に印加される全分布荷重であり、yは二次接続部材166(例えば、二次接続部材166として作用する第1一次増大制限部154および第2一次増大制限部156)間の縦方向の距離であり、Eは二次増大制限部158、160の弾性率であり、ならびにtは二次増大制限部158、160の厚さである。別の実施形態では、二次増大制限部158、160に対する応力は、σ=3wy2/4t2と示すことができる。
ここで、wは電極活物質層132の膨張による二次増大制限部158、160に印加される全分布荷重であり、yは二次接続部材154、156間の縦方向の距離であり、およびtは二次増大制限部158、160の厚さである。
[二次接続部材の設計に影響する変数]
図8Bにおける実施形態に示されるように、第1二次接続部材154および第2二次接続部材156などの少なくとも1つの二次接続部材166の設計には、多くの変数が影響を及ぼし得る。一実施形態では、二次接続部材154、156の引張応力は、一次接続部材158、160の引張応力と同様に、σ=Py/2hと示すことができる。
ここで、Pは二次増大制限部158、160における電極活物質層132の膨張によって印加される圧力であり、yは接続部材154、156間の縦方向の距離であり、およびhは二次接続部材154、156の縦方向の厚みである。
一実施形態では、二次増大制限部158、160のための少なくとも1つの接続部材166は、電極アセンブリ106の縦方向端部117、119に配置されていないが、その代わりに、電極アセンブリ106内に最初に配置されてもよい。例えば、対向電極構造112の一部は、二次的増大制限部158、160を互いに接続する二次接続部材166として作用し得る。少なくとも1つの二次接続部材166が内側部材であり、電極活物質層132の膨張が二次接続部材166のいずれかの側で生じるような場合、内側二次接続部材166に対する引張応力は、式σ=Py/hを使用して計算することができる。
ここで、Pは内側の第1二次接続部材166および第2二次接続部材166(例えば、縦方向において互いから分離された対向電極構造112)の間にある二次増大制限部158、160の領域における電極活物質の膨張による印加された圧力であり、yは内側二次接続部材166間の縦方向の距離であり、およびhは縦方向における内側二次接続部材166の厚さである。この実施形態によれば、内側二次接続部材166(例えば、対向電極構造112)の厚さの半分の一方だけが、一方の側の電極活物質による膨張を抑制するのに寄与し、内側二次接続部材166の厚さの半分の他方が、他方の側の電極活物質による膨張の抑制に寄与する。
[実施例1]
本実施例は、制限部のセット108を有する電極アセンブリ106を製造する方法の一例を示す。図21は、本明細書における本方法の実施形態に関する。
本実施例では、ステップS1において、アノードおよびカソードのバックボーン134、141がそれぞれ作製される(または組み立てられる、fabricate)。次に、ステップS2に示すように、アノードバックボーン134上に、シリコン含有材料などのアノード活物質132を形成することによって、アノード110を作製する。ステップS3において、アノード電極電流コレクタ136およびカソード電極電流コレクタ140をそれぞれ作製する。ステップS4と同様に、制限部のセット108を作製する。ステップS5において、セパレータ130を形成するための材料が、アノード電極電流コレクタ136の側面に堆積される。ステップS6において、カソード活物質138は、アノード構造110とカソードバックボーン141との間に材料を堆積させることによって形成される。最後に、ステップS7において、電極アセンブリ106をタブに接続し、パッケージングし、電解質で充填し、密封する。一実施形態によれば、セパレータ130および/またはカソード活物質138がステップS5およびS6で堆積される前のステップS4における制限部のセット108の製造は、アノード構造110の制限部のセット108への改善された接着を供し得、セパレータ130および/またはカソード活物質138が電極アセンブリ106に供された後に制限部のセット108が形成された場合に、余分な残渣が残らないようにし得る。
以下の実施形態は、開示の態様を例示するために供されるが、実施形態は限定を意図するものではなく、他の態様および/または実施形態も供され得る。
[実施形態1]
充電状態と放電状態との間でサイクルする二次電池であって、当該二次電池は、電池エンクロージャ、電極アセンブリ、キャリアイオン、電池エンクロージャ内の非水性液体電解質および電極制限部のセットを含んで成る、二次電池。
上記二次電池において、電極アセンブリは、互いに直交する縦軸、横軸および垂直軸、縦方向において互いに分離された第1縦方向端面および第2縦方向端面、ならびに電極アセンブリの縦軸AEAを囲み、第1縦方向端面および第2縦方向端面を接続する側面を有し、当該側面は、縦軸の対向する両側に、縦軸に直交する第1方向に分離された第1領域および第2領域を有し、当該電極アセンブリは、縦方向で測定された最大幅WEAと、側面によって境界付けられ、横方向で測定された最大長さLEAと、側面によって境界付けられ、垂直方向で測定された最大高さHEAとを有し、HEAに対するLEAおよびWEAの比がそれぞれ少なくとも2:1である。
電極アセンブリは、電極構造の集合体、対向電極構造の集合体、ならびに電極集合体および対向電極集合体の部材を電気的に分離する電気絶縁性マイクロポーラス状セパレータ材料をさらに含んで成り、電極構造集合体および対向電極構造集合体の部材が、縦方向において交互の配列で配置される。
電極構造の集合体の各部材は電極活物質の層を含んで成り、対向電極構造の集合体の各部材は対向電極活物質の層を含んで成り、二次電池が放電状態から充電状態に充電される場合に、電極活物質は電極活物質1モル当たり1モル以上のキャリアイオンを受け入れるキャパシティを有する。
電極制限部のセットは、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部ならびに少なくとも1つの一次接続部材を含んで成る一次制限システムを含んで成り、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部は、縦方向に互いに分離され、少なくとも1つの一次接続部材は、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部を接続し、一次制限システムは、縦方向における電極アセンブリの増大を抑制し、それによって、二次電池の20回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加は20%未満となる。
電極制限部のセットは、第2方向に分離され、少なくとも1つの二次接続部材によって接続された第1二次増大制限部および第2二次増大制限部を含んで成る二次制限システムをさらに含んで成り、当該二次制限システムは、二次電池のサイクル時に、縦方向に直交する第2方向における電極アセンブリの増大を少なくとも部分的に抑制する。
充電状態は、二次電池の定格容量の少なくとも75%であり、放電状態は、二次電池の定格容量の25%未満である。
[実施形態2]
一次制限アレイが、二次電池の30回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が20%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1に記載の二次電池。
[実施形態3]
一次制限アレイが、二次電池の50回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が20%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1に記載の二次電池。
[実施形態4]
一次制限アレイが、二次電池の80回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が20%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1に記載の二次電池。
[実施形態5]
一次制限アレイが、二次電池の100回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が20%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1に記載の二次電池。
[実施形態6]
一次制限アレイが、二次電池の1000回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が20%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1に記載の二次電池。
[実施形態7]
一次制限アレイが、二次電池の10回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~6のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態8]
一次制限アレイが、二次電池の20回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~7のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態9]
一次制限アレイが、二次電池の30回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~8のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態10]
一次制限アレイが、二次電池の50回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~9のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態11]
一次制限アレイが、二次電池の80回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~10のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態12]
一次制限アレイが、二次電池の100回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~11のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態13]
一次制限アレイが、二次電池の5回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~12のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態14]
一次制限アレイが、二次電池の10回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~13のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態15]
一次制限アレイが、二次電池の20回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~14のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態16]
一次制限アレイが、二次電池の30回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~15のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態17]
一次制限アレイが、二次電池の50回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~16のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態18]
一次制限アレイが、二次電池の80回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~17のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態19]
一次制限アレイが、二次電池のサイクルごとの電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加が1%未満となるように、電極アセンブリの縦方向における増大を抑制する、実施形態1~18のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態20]
二次増大制限システムが、二次電池の反復されるサイクルにおいて、20回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増加が20%未満となるように、電極アセンブリの第2方向における増大を抑制する、実施形態1~19のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態21]
二次増大制限システムが、二次電池の10回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増加が10%未満となるように、電極アセンブリの第2方向における増大を抑制する、実施形態1~20のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態22]
二次増大制限システムが、二次電池の5回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増加が5%未満となるように、電極アセンブリの第2方向における増大を抑制する、実施形態1~21のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態23]
二次増大制限システムが、二次電池のサイクルごとの電極アセンブリの第2方向におけるフェレ径の増加が1%未満となるように、電極アセンブリの第2方向における増大を抑制する、実施形態1~22のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態24]
第1一次増大制限部が、電極アセンブリの第1縦方向端面を少なくとも部分的にカバーし、第2一次増大制限部は、電極アセンブリの第2縦方向端面を少なくとも部分的にカバーする、実施形態1~23のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態25]
積層方向に直交する面における電極アセンブリの突出部の表面積が、他の直交する面への電極アセンブリの突出部の表面積よりも小さい、実施形態1~24のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態26]
積層方向に直交する面における電極構造の突出部の表面積が、他の直交する面への電極構造の突出部の表面積よりも大きい、実施形態1~25のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態27]
充電状態と放電状態との間で二次電池をサイクルさせる前に、一次増大制限システムの少なくとも一部分が、縦方向において電極アセンブリの少なくとも一部分に圧縮力を加えるように予め張力を受けている、実施形態1~26のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態28]
一次制限システムが、第1方向において互いに分離され、第1一次増大制限部と第2一次増大制限部とを接続する第1一次接続部材および第2一次接続部材を有して成る、実施形態1~27のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態29]
第1一次接続部材が第1二次増大制限部であり、第2一次接続部材が第2二次増大制限部であり、第1一次増大制限部または第2一次増大制限部が第1二次接続部材である、実施形態1~28のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態30]
少なくとも1つの二次接続部材が、縦軸に沿って電極アセンブリの縦方向の第1端部および第2端部の内側にある部材を有して成る、実施形態1~29のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態31]
少なくとも1つの二次接続部材が、電極構造および対向電極構造の1以上の少なくとも一部分を含んで成る、実施形態1~30のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態32]
少なくとも1つの二次接続部材が、電極バックボーン構造および対向電極バックボーン構造の少なくとも1つの一部分を含んで成る、実施形態1~31のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態33]
少なくとも1つの二次接続部材が、電極電流コレクタおよび対向電極電流コレクタの1以上の一部分を含んで成る、実施形態1~32のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態34]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の少なくとも1つが、縦軸に沿って電極アセンブリの縦方向の第1端部および第2端部の内側にある、実施形態1~33のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態35]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の少なくとも1つが、電極構造および対向電極構造の1以上の少なくとも一部分を含んで成る、実施形態1~34のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態36]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の少なくとも1つが、電極バックボーン構造および対向電極バックボーン構造の少なくとも1つの一部分を含んで成る、実施形態1~35のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態37]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の少なくとも1つが、電極電流コレクタおよび対向電極電流コレクタの1以上の一部分を含んで成る、実施形態1~36のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態38]
二次電池が、第3方向に分離され、少なくとも1つの三次接続部材によって接続された第1三次増大制限部および第2三次増大制限部を含んで成る三次制限システムをさらに含んで成り、当該三次制限システムが、二次電池の放電状態から充電状態への充電において、第3方向における電極アセンブリの増大を抑制し、当該第3方向が、縦方向および第2方向と直交する、実施形態1~37のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態39]
電極活物質がアノード活性であり、対向電極活物質がカソード活性である、実施形態1~38のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態40]
電極構造の集合体の各部材がバックボーンを含んで成る、実施形態1~39のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態41]
対向電極構造の集合体の各部材がバックボーンを含んで成る、実施形態1~40のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態42]
二次制限システムが、1000psiを超える抑制力および0.2mm/m未満のスキューで、垂直方向における電極アセンブリの増大を抑制する、実施形態1~41のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態43]
二次増大制限部が、10000psi以下での5%未満の変位および0.2mm/m未満のスキューで、垂直方向における電極アセンブリの増大を抑制する、実施形態1~42のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態44]
二次増大制限部が、10000psi以下での3%未満の変位および0.2mm/m未満のスキューで、垂直方向における電極アセンブリの増大を抑制する、実施形態1~43のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態45]
二次増大制限部が、10000psi以下での1%未満の変位および0.2mm/m未満のスキューで、垂直方向における電極アセンブリの増大を抑制する、実施形態1~44のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態46]
二次増大制限部が、50回のバッテリーサイクル後に、10000psi以下での15%未満の変位および0.2mm/m未満のスキューで、垂直方向における電極アセンブリの増大を抑制する、実施形態1~45のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態47]
二次増大制限部が、150回のバッテリーサイクル後に、10000psi以下での5%未満の変位および0.2mm/m未満のスキューで、垂直方向における電極アセンブリの増大を抑制する、実施形態1~46のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態48]
対向電極構造の集合体の部材が、第1二次増大制限部に隣接する頂部、第2二次増大制限部に隣接する底部、垂直方向に平行で、垂直方向において頂部から底部まで延在する垂直軸ACES、垂直軸ACESを囲み、頂部と底部とを接続する側方電極面を含んで成り、側方電極面は、垂直軸の対向する側に、垂直軸に直交する第1方向に分離された対向する第1領域および第2領域、長さLCES、幅WCESならびに高さHCESを有し、長さLCESは、側方電極面によって境界付けられ、横方向で測定され、幅WCESは、側方電極面によって境界付けられ、縦方向で測定され、また高さHCESは、垂直軸ACESの方向において頂部から底部まで測定される、実施形態1~47のいずれかに記載の二次電池。
上記二次電池において、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部はそれぞれ、内側表面および対向する外側表面を含んで成り、それぞれの内側表面および外側表面は実質的に同一平面であり、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面と対向する外側表面との間の距離が、垂直方向において、それぞれの内側表面から外側表面まで測定されたそれぞれの高さを規定し、それぞれの内側表面は、電極構造の集合体の頂部および底部に固定される。
[実施形態49]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、対向電極構造の集合体の高さHCESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの25%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~48のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態50]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、対向電極構造の集合体の高さHCESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの50%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~49のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態51]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、対向電極構造の集合体の高さHCESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの75%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~50のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態52]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、対向電極構造の集合体の高さHCESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの90%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~51のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態53]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれがスロットを含んで成り、対向電極構造の集合体の高さが、スロットを通って延在して該スロット内に固定され、電極構造の集合体と第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれとの間のインターロック接続を形成する、実施形態1~52のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態54]
電極構造の集合体の部材が、第1二次増大制限部に隣接する頂部、第2二次増大制限部に隣接する底部、垂直方向に平行で、垂直方向において頂部から底部まで延在する垂直軸AES、垂直軸AESを囲み、頂部と底部とを接続する側方電極面を含んで成り、側方電極面は、垂直軸の対向する側に、垂直軸に直交する第1方向に分離された対向する第1領域および第2領域、長さLES、幅WESならびに高さHESを有し、長さLESは、側方電極面によって境界付けられ、横方向で測定され、幅WESは、側方電極面によって境界付けられ、縦方向で測定され、また高さHESは、垂直軸AESの方向において頂部から底部まで測定される、実施形態1~53のいずれかに記載の二次電池。
上記二次電池において、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部はそれぞれ、内側表面および対向する外側表面を含んで成り、それぞれの内側表面および外側表面は実質的に同一平面であり、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面と対向する外側表面との間の距離が、垂直方向において、それぞれの内側表面から外側表面まで測定されたそれぞれの高さを規定し、それぞれの内側表面は、電極構造の集合体の頂部および底部に固定される。
[実施形態55]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、電極構造の集合体の高さHESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの25%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~54のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態56]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、電極構造の集合体の高さHESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの50%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~55のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態57]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、電極構造の集合体の高さHESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの75%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~56のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態58]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面がノッチを含んで成り、電極構造の集合体の高さHESが、ノッチ内に延在して固定され、ノッチが第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の高さの90%の垂直方向に沿って規定される深さを有する、実施形態1~57のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態59]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれがスロットを含んで成り、電極構造の集合体の高さが、スロットを通って延在して該スロット内に固定され、電極構造の集合体と第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれとの間のインターロック接続を形成する、実施形態1~58のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態60]
電極制限部のセットが、第2方向に分離され、少なくとも1つの第1二次接続部材と結合された第1二次増大制限部および第2二次増大制限部を含んで成る結合された二次制限システムをさらに含んで成る、実施形態1~59のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態61]
対向電極構造の集合体の部材が、第1二次増大制限部に隣接する頂部、第2二次増大制限部に隣接する底部、垂直方向に平行で、垂直方向において頂部から底部まで延在する垂直軸ACES、垂直軸ACESを囲み、頂部と底部とを接続する側方電極面を含んで成り、側方電極面は、垂直軸の対向する両側に、垂直軸に直交する第1方向に分離された対向する第1領域および第2領域、長さLCES、幅WCESならびに高さHCESを有し、長さLCESは、側方電極面によって境界付けられ、横方向で測定され、幅WCESは、側方電極面によって境界付けられ、縦方向で測定され、また高さHCESは、垂直軸ACESの方向において頂部から底部まで測定される、実施形態1~60のいずれかに記載の二次電池。
上記二次電池において、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部はそれぞれ、内側表面および対向する外側表面を含んで成り、それぞれの内側表面および外側表面は実質的に同一平面であり、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面と対向する外側表面との間の距離が、垂直方向において、それぞれの内側表面から外側表面まで測定されたそれぞれの高さを規定し、それぞれの内側表面は、対向電極構造の集合体の頂部および底部に結合される。
[実施形態62]
電極構造の集合体の部材が、第1二次増大制限部に隣接する頂部、第2二次増大制限部に隣接する底部、垂直方向に平行で、垂直方向において頂部から底部まで延在する垂直軸AES、垂直軸AESを囲み、頂部と底部とを接続する側方電極面を含んで成り、側方電極面は、垂直軸の対向する両側に、垂直軸に直交する第1方向に分離された対向する第1領域および第2領域、長さLES、幅WESならびに高さHESを有し、長さLESは、側方電極面によって境界付けられ、横方向で測定され、幅WESは、側方電極面によって境界付けられ、縦方向で測定され、また高さHESは、垂直軸AESの方向において頂部から底部まで測定される、実施形態1~61のいずれかに記載の二次電池。
上記二次電池において、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部はそれぞれ、内側表面および対向する外側表面を含んで成り、それぞれの内側表面および外側表面は実質的に同一平面であり、第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれの内側表面と対向する外側表面との間の距離が、垂直方向において、それぞれの内側表面から外側表面まで測定されたそれぞれの高さを規定し、それぞれの内側表面は、電極構造の集合体の頂部および底部に結合される。
[実施形態63]
電極構造および対向電極構造の少なくとも1つが、第1二次増大制限部に隣接する頂部、第2二次増大制限部に隣接する底部、垂直方向に平行で、垂直方向において頂部から底部まで延在する垂直軸AES、垂直軸を囲み、頂部と底部とを接続する側方電極面を含んで成り、側方電極面は、側面によって境界付けられ、縦方向で測定される幅WESを有する、実施形態1~62のいずれかに記載の二次電池。
上記二次電池において、幅WESは、頂部に隣接する第1幅から、頂部と底部との間の垂直軸に沿った領域における第1幅よりも小さい第2幅までテーパー状となっている。
[実施形態64]
少なくとも1つの二次接続部材が、電極アセンブリの縦方向端部における前記第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の少なくとも1つに対応する、実施形態1~63のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態65]
電気絶縁性マイクロポーラス状セパレータ材料が、粒状材料およびバインダーを含んで成り、少なくとも20体積%の空隙率を有し、非水性液体電解質によって浸透される、実施形態1~64のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態66]
キャリアイオンが、リチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウムおよびマグネシウムから成る群から選択される、実施形態1~65のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態67]
非水性液体電解質が、有機溶媒に溶解されたリチウム塩を含んで成る、実施形態1~66のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態68]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれが、電極または対向電極の高さの50%未満の厚さを有して成る、実施形態1~67のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態69]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれが、電極または対向電極の高さの20%未満の厚さを有して成る、実施形態1~68のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態70]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部のそれぞれが、電極または対向電極の高さの10%未満の厚さを有して成る、実施形態1~69のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態71]
電極制限部のセットが、走査型電子顕微鏡(SEM)によって測定される、電極活物質へのキャリアイオンのインサーション時に、垂直方向における電極活物質層の膨張を抑制する、実施形態1~70のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態72]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも0.7kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~71のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態73]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも1.75kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~72のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態74]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも2.8kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~73のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態75]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも3.5kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~74のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態76]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも5.25kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~75のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態77]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも7kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~76のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態78]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1突出縦方向端部および第2突出縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも8.75kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~77のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態79]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれに、第1縦方向端部および第2縦方向端部のそれぞれの表面積にわたって平均された少なくとも10kPaの平均圧縮力をかける、実施形態1~78のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態80]
第1縦方向端面および第2縦方向端面の表面積が、電極アセンブリの表面積の25%未満である、実施形態1~79のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態81]
第1縦方向端面および第2縦方向端面の表面積が、電極アセンブリの表面積の20%未満である、実施形態1~80のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態82]
第1縦方向端面および第2縦方向端面の表面積が、電極アセンブリの表面積の15%未満である、実施形態1~81のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態83]
第1縦方向端面および第2縦方向端面の表面積が、電極アセンブリの表面積の10%未満である、実施形態1~82のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態84]
制限部およびエンクロージャが、電池エンクロージャによって囲まれた体積の60%未満の合計体積を有する、実施形態1~83のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態85]
制限部およびエンクロージャが、電池エンクロージャによって囲まれた体積の45%未満の合計体積を有する、実施形態1~84のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態86]
制限部およびエンクロージャが、電池エンクロージャによって囲まれた体積の30%未満の合計体積を有する、実施形態1~85のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態87]
制限部およびエンクロージャが、電池エンクロージャによって囲まれた体積の20%未満の合計体積を有する、実施形態1~86のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態88]
二次電池をその定格容量の少なくとも80%に充電する場合、第1縦方向端面および第2縦方向端面が、圧縮荷重を受ける、実施形態1~87のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態89]
二次電池が電極アセンブリのセットを含んで成り、当該セットが少なくとも二つの電極アセンブリを含んで成る、実施形態1~88のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態90]
電極アセンブリが、少なくとも5の電極構造と、少なくとも5の対向電極構造とを含んで成る、実施形態1~89のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態91]
電極アセンブリが、少なくとも10の電極構造と、少なくとも10の対向電極構造とを含んで成る、実施形態1~90のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態92]
電極アセンブリが、少なくとも50の電極構造と、少なくとも50の対向電極構造とを含んで成る、実施形態1~91のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態93]
電極アセンブリが、少なくとも100の電極構造と、少なくとも100の対向電極構造とを含んで成る、実施形態1~92のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態94]
電極アセンブリが、少なくとも500の電極構造と、少なくとも500の対向電極構造とを含んで成る、実施形態1~93のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態95]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、少なくとも10000psiの(70MPaよりも大きい)極限引張強度を有する材料を含んで成る、実施形態1~94のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態96]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、電池電解質と適合する材料を含んで成る、実施形態1~95のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態97]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、電池の浮遊電位またはアノード電位で著しく腐食しない材料を含んで成る、実施形態1~96のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態98]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、45℃で著しく反応しないか、または機械的強度を失わない材料を含んで成る、実施形態1~97のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態99]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、70℃で著しく反応しないか、または機械的強度を失わない材料を含んで成る、実施形態1~98のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態100]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、金属、金属合金、セラミック、ガラス、プラスチック、またはそれらの組合せを含んで成る、実施形態1~99のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態101]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、約10~約100マイクロメートルの範囲の厚さを有する材料のシートを含んで成る、実施形態1~100のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態102]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、約30~約75マイクロメートルの範囲の厚さを有する材料のシートを含んで成る、実施形態1~101のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態103]
一次制限システムおよび二次制限システムの少なくとも1つが、充填密度が50%よりも大きい炭素繊維を含んで成る、実施形態1~102のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態104]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端面および第2縦方向端面に、相互に垂直で、かつ積層方向に対して垂直である2つの方向のそれぞれにおいて電極アセンブリに維持された圧力の少なくとも3倍を超える圧力を加える、実施形態1~103のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態105]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端面および第2縦方向端面に、相互に垂直で、かつ積層方向に対して垂直である2つの方向のそれぞれにおいて電極アセンブリに維持された圧力の少なくとも3倍を超える圧力を加える、実施形態1~104のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態106]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端面および第2縦方向端面に、相互に垂直で、かつ積層方向に対して垂直である2つの方向のそれぞれにおいて電極アセンブリに維持された圧力の少なくとも4倍を超える圧力を加える、実施形態1~105のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態107]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、第1縦方向端面および第2縦方向端面に、相互に垂直で、かつ積層方向に対して垂直である2つの方向のそれぞれにおいて電極アセンブリに維持された圧力の少なくとも5倍を超える圧力を加える、実施形態1~106のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態108]
電極アセンブリの外側にある電極制限部のセットの部分が、電極アセンブリと電極制限部の外側部分との総合計体積の80%未満を占める、実施形態1~107のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態109]
電極アセンブリの外側にある一次制限システムの部分が、電極アセンブリと一次制限システムの外側部分との総合計体積の40%未満を占める、実施形態1~108のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態110]
電極アセンブリの外側にある二次制限システムの部分が、電極アセンブリと二次制限システムの外側部分との総合計体積の40%未満を占める、実施形態1~109のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態111]
第1縦方向端面における電極集合体および対向電極集合体の部材の突出部が、第1突出領域に外接し(または囲い、もしくは制限し、circumscribe)、第2縦方向端面における電極集合体および対向電極集合体の部材の突出部が、第2突出領域に外接し、第1突出領域および第2突出領域の各々が、第1縦方向端面および第2縦方向端面の表面積の少なくとも50%をそれぞれ構成して成る、実施形態1~110のいずれかに記載の二次電池。
[実施形態112]
第1一次増大制限部および第2一次増大制限部が、次式にしたがって、二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に撓む、実施形態1~111のいずれかに記載の二次電池。
δ=60wL4/Eh3
ここで、wは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に第1一次増大制限部および第2一次増大制限部に印加される全分布荷重であり、Lは第1一次接続部材と第2一次接続部材との間の垂直方向の距離であり、Eは第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の弾性率、ならびにhは第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の厚さである。
[実施形態113]
二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部における応力が、次式で示される、実施形態1~112のいずれかに記載の二次電池。
σ=3wL2/4h2
ここで、wは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に第1一次増大制限部および第2一次増大制限部に印加される全分布荷重であり、Lは第1一次接続部材と第2一次接続部材との間の垂直方向の距離であり、ならびにhは第1一次増大制限部および第2一次増大制限部の厚さである。
[実施形態114]
第1一次接続部材および第2一次接続部材における引張応力が、次式で示される、実施形態1~113のいずれかに記載の二次電池。
σ=PL/2t
ここで、Pは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に第1一次増大制限部および第2一次増大制限部に印加される圧力であり、Lは第1一次接続部材と第2一次接続部材との間の垂直方向の距離であり、ならびにtは第1一次接続部材および第2一次接続部材の厚さである。
[実施形態115]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部が、次式にしたがって、二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に撓む、実施形態1~114のいずれかに記載の二次電池。
δ=60wy4/Et3
ここで、wは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に第1二次増大制限部および第2二次増大制限部に印加される全分布荷重であり、yは第1二次接続部材と第2二次接続部材との間の縦方向の距離であり、Eは第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の弾性率、ならびにtは第1二次接続部材および第2二次接続部材の厚さである。
[実施形態116]
第1二次増大制限部および第2二次増大制限部における応力が、次式で示される、実施形態1~115のいずれかに記載の二次電池。
σ=3wy2/4t2
ここで、wは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に第1二次増大制限部および第2二次増大制限部に印加される全分布荷重であり、yは第1二次接続部材と第2二次接続部材との間の縦方向に沿った距離であり、ならびにtは第1二次増大制限部および第2二次増大制限部の厚さである。
[実施形態117]
第1二次接続部材および第2二次接続部材における引張応力が、次式で示される、実施形態1~116のいずれかに記載の二次電池。
σ=Py/2h
ここで、Pは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に第1二次増大制限部および第2二次増大制限部に印加される圧力であり、yは第1二次接続部材と第2二次接続部材との間の縦方向に沿った距離であり、ならびにhは第1一次接続部材および第2一次接続部材の縦方向における厚さである。
[実施形態118]
内側二次接続部材における引張応力が、次式で示される、実施形態1~117のいずれかに記載の二次電池。
σ=Py/h
ここで、Pは二次電池を充電状態と放電状態との間で反復サイクルさせる場合に、内側第1二次接続部材および内側第2二次接続部材の間にある領域における電極活物質の膨張に起因して第1二次増大制限部および第2二次増大制限部に印加される圧力であり、yは内側第1二次接続部材と内側第2二次接続部材との間の縦方向に沿った距離であり、ならびにhは内側第1二次接続部材および内側第2二次接続部材の縦方向における厚さである。
[実施形態119]
充電状態と放電状態との間でサイクルする二次電池であって、当該二次電池は、電池エンクロージャ、電極アセンブリ、キャリアイオン、電池エンクロージャ内の非水性液体電解質および電極制限部のセットを含んで成る、二次電池。
上記二次電池において、電極アセンブリは、互いに直交する縦軸、横軸および垂直軸、縦方向において互いに分離された第1縦方向端面および第2縦方向端面、ならびに電極アセンブリの縦軸AEAを囲み、第1縦方向端面および第2縦方向端面を接続する側面を有し、当該側面は、縦軸の対向する両側に、縦軸に直交する第1方向に分離された第1領域および第2領域を有し、当該電極アセンブリは、縦方向で測定された最大幅WEAと、側面によって境界付けられ、横方向で測定された最大長さLEAと、側面によって境界付けられ、垂直方向で測定された最大高さHEAとを有し、HEAに対するLEAおよびWEAの比がそれぞれ少なくとも2:1である。
電極アセンブリは、電極構造の集合体、対向電極構造の集合体、ならびに電極集合体および対向電極集合体の部材を電気的に分離する電気絶縁性マイクロポーラス状セパレータ材料をさらに含んで成り、電極構造集合体および対向電極構造集合体の部材が、縦方向において交互の配列で配置される。
電極構造の集合体の各部材は電極活物質の層を含んで成り、対向電極構造の集合体の各部材は対向電極活物質の層を含んで成り、二次電池が放電状態から充電状態に充電される場合に、電極活物質は電極活物質1モル当たり1モル以上のキャリアイオンを受け入れるキャパシティを有する。
電極制限部のセットは、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部ならびに少なくとも1つの一次接続部材を含んで成る一次制限システムを含んで成り、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部は、縦方向に互いに分離され、少なくとも1つの一次接続部材は、第1一次増大制限部および第2一次増大制限部を接続し、一次制限アレイは、二次電池の20回の連続サイクルにわたる電極アセンブリの縦方向におけるフェレ径の増加は20%未満となるように、縦方向における電極アセンブリの増大を抑制する。
充電状態は、二次電池の定格容量の少なくとも75%であり、放電状態は、二次電池の定格容量の25%未満である。
[関連出願の相互参照]
本出願は、2016年5月13日に出願された米国特許出願第62/335912号からの優先権の利益を主張し、2016年11月16日に出願された米国特許出願第62/422958号からの優先権の利益を主張するPCT出願であり、これらの両方はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[文献の援用]
以下に列挙された項目を含む、本明細書に記載された刊行物および特許は、個々の刊行物または特許が参照により具体的かつ個々に組み込まれているかのように、その全体がすべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。矛盾する場合には、本明細書中のあらゆる定義を含む本出願が支配する。
[均等物]
特定の実施形態について詳述したが、上記の明細書は例示であり、限定的なものではない。本明細書を検討して種々の変形例が、当業者に明らかになるであろう。実施形態の全範囲は、その均等物の全範囲、および明細書、そのような変形例と併せて、特許請求の範囲を参照することによって決定されるべきである。
他に示さない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される成分の量、反応条件などを表す全ての数字は、すべての場合において「約(about)」という用語によって修飾されるものとして解されるべきである。したがって、反対に示されない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲に記載された数値パラメータは、得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。