JPH09503333A - 一体型振動手段を有する再充電可能なバッテリ・セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 再充電バッテリ・セル（１０）は、一体型振動手段を有する。セルは、正電極（１４）と、負電極（１６）と、これら２つの電極間に配置された電解質（１８）とを有する。電解質は、交流電界を受けると振動する圧電材料（２０）を含む。１実施例において、電極のうち少なくとも１つは、交流電界を受けると振動手段として機能する圧電材料を含む。別の実施例では、交流電界を受けると振動手段として機能する圧電材料は、電流コレクタ（２２）の一部として、電極の少なくとも１つに取り付けられる。圧電材料は、セルを積層するために絶縁体として追加機能を果たす。

Description

【発明の詳細な説明】 一体型振動手段を有する再充電可能なバッテリ・セル 関連出願の相互参照 本出願は、George Thomasによって１９９２年１１月２５日に出願され、Motor ola Inc.に譲渡された米国特許同時係属出願である文書番号０７／９８１，４６ ３号"Battery Charging and Discharging System and Corresponding Method"に 関する。 技術分野 本発明は、一般に再充電可能なバッテリ・セルに関し、さらに詳しくは、圧電 振動手段を有するバッテリ・セルに関する。 背景 機械的励振による強制対流は、電気化学産業の効率向上のため広く利用される 。溶液ベースの薬剤では、これは撹拌として行われ、対流質量移動(convective mass transport)のレートを増加させる。電気化学メッキまたは 被着では、これはよりなめらかなメッキおよびより高いメッキ・レートとなる場 合が多い。最近では、機械的励振（または超音波振動）は電気化学セルにおける イオン拡散を促進し、充電／放電効率の向上，電気化学蓄積の高容量化ならびに セルのサイクル寿命の改善につながることが実証されている。Thomasの特許出願 （１９９２年１１月２５日に出願された米国特許出願文書番号０７／９８１，４ ６３号）において、機械的振動を与える手段は、バッテリ・ハウジングまたはバ ッテリ充電器内に内蔵され、かつバッテリ・セルに機械的に結合された超音波ト ランスデューサからなる。これら両方の説明では、振動素子と、この素子を起動 するための電源とは、個別バッテリ・セルの追加要素である。これは重量を追加 し、バッテリのエネルギ密度を低下させる。余分な部品のない装置を製造するこ とは極めて望ましく、当技術分野に大きく貢献する。 発明の概要 簡単には、本発明に従って、一体型振動手段を有する再充電可能なバッテリ・ セルが提供される。このセルは、正電極と、負電極と、これら２つの電極間に配 置される電解質とを有する。電解質は、交流電界を受けると振動手段として機能 する圧電材料からなる。 本発明の別の実施例では、一体型振動手段を有する再充 電可能なバッテリ・セルが提供される。圧電材料は、２つの電極間のセパレータ として機能し、また振動手段としても機能する。 本発明の別の実施例では、一体型振動手段を有する再充電可能なバッテリ・セ ルが提供される。電極の少なくとも１つは、交流電界を受けると振動手段として 機能する圧電材料を含む。 本発明のさらに別の実施例では、交流電界を受けると振動手段として機能する 圧電材料は、電極の少なくとも一方の電流コレクタの一部として取り付けられる 。圧電材料は、かかるセルを積層するため絶縁体としての追加機能を果たす。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるバッテリ・セルの概略図である。 第２図は、本発明の別の実施例におけるバッテリ・セルの概略図である。 第３図は、本発明の別の実施例におけるバッテリ・セルの概略図である。 第４図は、本発明の別の実施例におけるバッテリ・セルの概略図である。 第５図は、本発明のさらに別の実施例における積層バッテリ構造の概略図であ る。 好適な実施例の詳細な説明 従来のバッテリ・セルは、少なくとも３つの要素、すなわち、負電極，正電極 および電解質を有する。電極は、直接電気接触することを防ぐため互いに分離し て、短絡を防がなければならない。電極の構成は、セルの電圧および容量を決定 し、従ってセルのエネルギを決定する。高エネルギ密度バッテリでは、電極は複 合構造の場合が多く、活性材料，結合剤，電解質および電流コレクタによって構 成される。これらの構成要素のそれぞれは、電極の適正かつ効率的な機能におい て固有の役割を有する。電解質は、電極内への、また電極内でのイオン移動のた めの媒体となり、ここで電気化学反応が生じる。電解質の性質に応じて、セルは 絶縁セパレータとして機能する別の要素を含んでも含まなくてもよい。例えば、 電極が近接する液体電解質セルでは、セパレータが必要であり、電極を電解質で 浸潤させるために多孔質であり、それによりイオン運動またはイオン移動を可能 にする。固体電解質を有するセルでは、電解質はセパレータとしても機能する。 当業者であれば、ほとんどのセル構造では、電解質をセパレータおよび電極構造 の両方に収容する必要があることが理解される。 超音波振動は、電解質および電極内の質量（この場合イオン）移動のレートを 増加して、充電時間の短縮，電気化 学容量の高容量化およびこのメカニズムを利用するセルのサイクル寿命の改善が 得られる。振動手段がセルの一部であり、セパレータ，電解質，電極またはそれ らの組み合わせ内に収容されるとしたら、極めて効率的な充電システムが提供さ れるであろう。 本発明において、振動手段は圧電素子（例えば、水晶，セラミック，アルカリ 金属塩，有機ポリマなど）である。圧電材料は、電界を受けると、微細な機械的 歪みが生じて、圧電素子を歪ませるという固有の特性を有する。電界が無くなる と、圧電材料は元の形状に戻る。逆に、圧電素子が小さい機械的歪みを受けると 、電流を発生する。電界を高速にオン・オフすることにより、圧電素子を振動さ せることができる。交流（ＡＣ）電界がこの機能を果たす。これは、機械的／超 音波振動の手段としての利用を左右する原理である。ＡＣ電界の周波数を変える ことにより、広い周波数範囲で振動を与えることができる。さらに、圧電材料は 絶縁体であり、例えば、水晶フリット(quartz frits)のように、多孔質にできる 。これらの特性により、圧電材料はセパレータとして、電解質として、そして電 気化学セル内の積層間の絶縁層として利用するのに理想的である。また、ポリマ 製の圧電素子の機械的な柔軟性により、この素子は共形バッテリ構造(conformal battey construction)として適する。 本明細書の最後に、新規とみなされる本発明の特徴を定 める請求の範囲を記載するが、本発明は図面とともに以下の説明から理解を深め ることができよう。ただし、図面では同様な参照番号が用いられる。 第１図を参照して、バッテリ・セル１０は、正電極１４と、負電極１６と、正 電極と負電極との間に配置される電解質１８と、電極間の直接電気接触を防ぐセ パレータ１２とを有する。電解質１８は、正電極と負電極との間のイオン接続を 行い、セパレータ１２は、完全なあるいは部分的な圧電素子２０である。電解質 １８が液体の場合、この液体は圧電セパレータ１２の多孔質構造内に吸収され、 必要なイオン接続を行う。第２図において示されるように、電解質１８が固体の 場合、圧電素子２０は電解質内に埋設されるか、あるいは圧電素子は固体電解質 で、それによりセパレータの必要性を省き、二重の機能を持たせる。この場合も 、イオン接続は電極間で電解質によって行われる。 第３図を参照して、本発明の別の実施例では、振動手段は電極１４または１６ の一方または両方に収容される。電極１４が交流電界を受けると、この電極に収 容された圧電素子２０は振動手段として機能し、セル全体１０を振動させる。こ の構造は、液体および固体電解質セルの両方で利用できる。液体電解質システム では、電極対間の物理的な分離状態に応じて、セパレータを必要とすることがあ る。 バッテリ電極は、電気活性材料の他に、電流を移動させる手段を収容する。充 電処理中に、小さいＡＣ信号が直流 （ＤＣ）信号上に重畳され、基板としてセルに収容されるか、あるいは電極内に 収容される適切な電流コレクタ２２を介して、バッテリ・セル１０に印加される 。ＤＣ信号は、セルの通常の充電を行い、ＡＣ電界は圧電素子２０上に必要な小 さい変位または歪みを与えて、セル全体を振動させる。バッテリ・セルの電流コ レクタは、セルの振動および充電を行うための電流リードとして用いられる。複 合電極における電流コレクタは、必要な電流を印加できるように振動手段と直接 接触しなければならない。 第４図を参照して、本発明のさらに別の実施例において、振動手段として機能 する圧電材料２０は、電極１４または１６の少なくとも一方の電流コレクタ２２ の分散層，コーティング，ラミネートまたは混合あるいはその一部として接着， 混合，埋設あるいは接触される。これらの電流コレクタを利用するセルがある方 法、例えば、背中合わせで、積層されると、絶縁体である圧電材料はセル・アセ ンブリにおける絶縁層として機能する。この構成を第５図に示す。無線通信装置 などの電子用途では、多くの場合、セルを直列に配置して単一セル電圧の倍数を 供給するか、あるいは並列に配置して蓄積容量を増加するのが一般的である。こ の用途のために設計されたバッテリ・パッケージは、１つの層がセルの対置する 端子を分離するように、一対の絶縁層２０間に複数のセル１０を配置することに よって製造される。 上述の各例は、一体型振動手段を有するバッテリ・セルまたはセル・スタック をなす。これらのセルの充電中に、電気活性材料は正電極において酸化される。 この電極で解放された正イオンは、電解質を介して負電極に移動し、ここで必要 な電気化学反応が生じて、エネルギをセルに蓄積する。電解質を介する正イオン 移動のレートは、電解質のイオン伝導性に直接関連する。この移動レートおよび 電極構造内のイオン拡散レートは、与えられたセルの充電制限を決定する。イオ ンを移動できるレートは、好ましくは超音波周波数の機械的な振動によって変更 でき、必要な対流質量移動を行うことができる。上例のセル設計では、振動はセ ル内の圧電素子を介して行われる。充電中に、ＤＣ充電電流に重畳された交流信 号は、セル電流コレクタを介して圧電素子に同時に供給される。これは、圧電素 子に振動を生じさせ、その結果、セル全体が振動して、一方の電極から他方の電 極への電解質を介した、あるいは電極構造内の一次イオンの質量移動を向上させ る。本発明は、特定の１つのセル薬剤または設計に制限されない。本発明は、例 えば、酸化鉛，ニッケル・カドニウム，ニッケル金属水素，リチウムなどあらゆ る充電バッテリに適用できるが、最も好適な用途は固体状態電解質構造のセルで ある。これらのセルは、液体電解質構造のセルに比べてイオン伝導性が比較的低 いと思われる。固体状態セルにおけるすべての構成要素の固体性質のため、イオ ンの拡散はこの種のセルにお いて利用可能な唯一の質量移動の有効な手段であると考えられる。この結果、充 電処理中における電解質内および電極内のイオン移動は、拡散にのみ依存する。 従来、振動手段は充電器システム内、あるいはバッテリ・パックまたはハウジ ング内に、個別の構成要素として収容される。これは、バッテリ・パックおよび 充電器システムの重量増加となるだけでなく、電源から振動手段への追加電気リ ードを必要とする。本発明では、振動手段はセルの一体的な一部であり、よって セル全体の小型構造が得られる。セル充電用に必要なものを以外には追加電流リ ードは必要なく、また１つの品目が別の品目と置換されるので、追加重量はない 。この小型セル設計は、セルを超音波振動させて、高速な質量移動を行う効率的 な手段を提供し、規定容量に悪影響を及ぼさずに充電効率の向上および再充電時 間の短縮が得られる。このようにセルを高速に充電できるので、与えられた充電 レートで蓄積される有効蓄積容量は高くなる。さらに、電気化学処理の効率向上 は、セル・サイクル寿命の向上につながる。 本発明の好適な実施例について図説してきたが、本発明はそのように制限され ないことは明白である。請求の範囲に定められる本発明の精神および範囲から逸 脱せずに、さまざまな修正，変更，変形，代替，等価は当業者に想起される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｍ 10/04 7141−4Ｋ Ｈ０１Ｍ 10/04 Ｚ (72)発明者 アナニ，アナバ・アクパン アメリカ合衆国フロリダ州ローダーヒル、 ノース・ウエスト50ストリート7911

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．正電極； 負電極；および 前記正電極と前記負電極との間に配置され、圧電材料からなる電解質； によって構成されることを特徴とする再充電可能なバッテリ・セル。 ２．正電極； 負電極；および 前記正電極と前記負電極との間に配置された、圧電水晶，圧電セラミックおよ び圧電ポリマからなるグループから選択される圧電セパレータ； によって構成されることを特徴とする再充電可能なバッテリ・セル。 ３．前記圧電材料は多孔質であることを特徴とする請求項１記載の再充電可能な バッテリ・セル。 ４．交流電界が前記圧電材料に印加され、前記圧電材料を振動させることを特徴 とする請求項１記載の再充電可能なバッテリ。 ５．第１電極； 圧電材料からなる第２電極；および 前記電極間に配置された電解質； によって構成されることを特徴とする再充電可能なバッ テリ・セル。 ６．前記圧電材料は、水晶，セラミック，アルカリ金属塩および圧電有機ポリマ からなるグループから選択されることを特徴とする請求項５記載の再充電可能な バッテリ・セル。 ７．交流電界が前記圧電材料に印加され、前記圧電材料を振動させることを特徴 とする請求項５記載の再充電可能なバッテリ・セル。 ８．正電極； 負電極；および 前記正電極と前記負電極との間に配置された固体電解質材料であって、前記電 解質材料は、交流電界が印加されると、それ自身が振動する多孔質圧電材料から なる、固体電解質材料； によって構成されることを特徴とする再充電可能なバッテリ・セル。 ９．正電極； 負電極； 前記正電極と前記負電極との間に配置された電解質；および 前記正電極に取り付けられ、圧電材料からなる電流コレクタ； によって構成されることを特徴とする再充電可能なバッテリ・セル。 １０．正電極； 負電極； 前記正電極と前記負電極との間に配置された電解質；および 前記負電極に取り付けられ、圧電材料からなる電流コレクタ； によって構成されることを特徴とする再充電可能なバッテリ・セル。