JP2013537690A

JP2013537690A - 電流リミッタを備える再充電可能なバッテリ

Info

Publication number: JP2013537690A
Application number: JP2013523352A
Authority: JP
Inventors: カイウェイニエ，; トゥン−シウシー，
Original assignee: フロントエッジテクノロジー，インコーポレイテッド
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-10-03
Also published as: WO2012019062A2; WO2012019062A3; EP2601696A2; US20120034502A1; WO2012019062A8

Abstract

再充電可能なバッテリは、基板上に複数のバッテリ構成要素膜を含むバッテリセルを備え、バッテリ構成要素膜が、電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む。電流リミッタは、（ｉ）バッテリセルを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）バッテリセルの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、バッテリセルを通って流れる電流を制限するためにバッテリセルに電気的に結合される。
【選択図】図５

Description

相互参照

[0001]本出願は、２０１０年８月４日に出願され、「過熱の低減を伴う再充電可能な薄膜バッテリ」と題された米国仮特許出願第６１／４００，９６２号の出願日の利益を主張する。

[0002]本発明の実施形態は、再充電可能なバッテリ及び関連方法に関するものである。

[0003]再充電可能なバッテリは、例えば携帯電話、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡ、リモートセンサ、及び小型トランスミッタなどのポータブル式電子装置、例えば補聴器、ペースメーカ、血圧モニタ、及び埋め込み可能な装置などの医療装置、並びに、例えばスマートカード、ＭＥＭＳ装置、ＰＣＭＣＩＡカード、及びＣＭＯＳ‐ＳＲＡＭメモリ装置などの他の用途のための携帯型電力供給装置として使用される。再充電可能なバッテリは、適切な期間に電子装置に電力を供給するための十分な電力容量を有するべきである。バッテリはまた、装置の総体積を減らすために最大のエネルギーを最小のバッテリ体積に詰め込むような高い体積エネルギー密度も有するべきである。再充電可能なバッテリは、直列又は並列に接続された１組のバッテリモジュール又はバッテリセルを含むことが多い。

[0004]現在のリチウムイオンバッテリは、従来の空気亜鉛バッテリよりも高いエネルギー密度を備える一方で、充電中や使用中に過熱することがあり、バッテリ内に生じる短絡によっても過熱することがある。例えば、再充電可能なバッテリは、貫通する外部導体によって又はバッテリセルの故障によって電気的に短絡されると過熱することがある。再充電可能なバッテリが、例えば携帯電話、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ用途及び医療装置などの、装置が人体に極めて接近して配置される用途のために使用される場合、再充電可能なバッテリが過熱することは望ましくない。例えば、携帯電話は、人間の耳に極めて接近して使用されることが多く、この位置では、携帯電話が過熱する場合、携帯電話は使い心地の悪いものになり得る。同様に、タブレットＰＣやラップトップコンピュータもまた、体に接近して又は人間の膝の上に時々保持され、これらの装置が過熱することは望ましくない。更に他の用途には、例えば補聴器、ペースメーカ、及び埋め込み型装置などの医療装置が含まれ、その医療装置では、その医療装置のバッテリの過熱を防ぐこともまた望まれる。

[0005]再充電可能なバッテリにおいて過熱又は電気的な短絡を防ぐことが望まれる一方で、バッテリは、十分な電力及びエネルギー蓄積容量も提供するべきである。しかしながら、電気的短絡や過熱を減らしたり防いだりする保護バリアは、バッテリの重量及び／又は体積を実質的に増加し得るので、これらは相反する目標であることが多い。このことは、バッテリのエネルギー密度を減らし、更には、バッテリの用途を制限し、バッテリの使用期間を減らす。しかしながら、環境の悪化に対して不十分な保護バリア又は他の防護策を提供することは、バッテリの安全性、耐用寿命及び充電容量を低減させる。

[0006]これらの及び他の不備を含む理由のために、また、様々な再充電可能なバッテリの開発にもかかわらず、バッテリ構造、安全性及びエネルギー密度の更なる改良が引き続き求められている。

[0007]再充電可能なバッテリは、基板上に複数のバッテリ構成要素膜を含むバッテリセルを備え、バッテリ構成要素膜は電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む。電流リミッタは、（ｉ）バッテリセルを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）バッテリセルの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、バッテリセルを通って流れる電流を制限するためにバッテリセルに電気的に結合される。

[0008]別の態様では、再充電可能なバッテリは、複数のバッテリセルを含むバッテリモジュールを備え、各バッテリセルが基板上に複数のバッテリ構成要素膜を含み、バッテリ構成要素膜が電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む。電流リミッタは、（ｉ）バッテリモジュールを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）バッテリモジュールの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、バッテリモジュールを通って流れる電流を制限するためにバッテリモジュールに電気的に結合される。

[0009]再充電可能なバッテリを製造する方法は、複数のバッテリ構成要素膜を含むバッテリセルを基板上に形成するステップであって、そのバッテリ構成要素膜が電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む、ステップと、（ｉ）バッテリセルを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）バッテリセルの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、バッテリセルを通って流れる電流を制限するためにバッテリセルに電気的に結合される電流リミッタを形成するステップとを含む。

[0010]本発明のこれらの特徴、態様、及び利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲、及び本発明の例を示す添付の図面に関してより良く理解されることになるであろう。しかしながら、特徴のそれぞれは、特定の図面との関連においてのみならず、本発明全般に使用されることができ、更に、本発明は、これらの特徴の任意の組み合わせを含むことが理解される。

基板上に単一のバッテリセルを有するバッテリモジュールを備える再充電可能なバッテリの例示的な実施形態の概略的な側断面図である。複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールを備える再充電可能なバッテリの実施形態の概略的な上面図である。陰極よりも大きな陽極と電流リミッタとを有する単一のバッテリセルを備える再充電可能なバッテリの実施形態の概略的な上面図である。図３内の詳細な部分３Ａの概略的な上面図であり、遮断線（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒｌｉｎｅ）を含む電流リミッタの別の実施形態を示す。図３内の詳細な部分３Ａの概略的な上面図であり、蛇行線を含む電流リミッタの別の実施形態を示す。（左側）バッテリセル、（中央）バッテリモジュールを被覆する熱導体層と共に複数のバッテリセルを含むバッテリモジュール、及び（右側）保護用ケーシングに囲まれた複数のバッテリセルを備えるバッテリの連続的に製造された構造を示す概略的な図である。（中央）電流リミッタを熱導体層上に有するそれらの熱導体層の間に挟まれた複数のバッテリセルを含むバッテリモジュールの断面図、並びに（左側及び右側）バッテリモジュールの上面図及び下面図をそれぞれ示す概略的な図である。それぞれが４つのバッテリセルを有する４つのバッテリモジュールの積層構造を囲む保護用ケーシングを備えるバッテリの写真である。約１２ｍＡ‐ｈｒの平均放電容量を示す３つの異なるバッテリモジュールについての電圧と放電容量を示すグラフである。２００回の充放電サイクル後でも９５％を超える放電容量保持率を示す３つの異なるバッテリモジュールについての放電容量とサイクル数のグラフである。容量の９０％が２００サイクル後でも１時間で再充電され得ることを示すバッテリモジュールの第１、第５３、第１０５及び第２０８の充放電サイクル後の充電容量と充電時間のグラフである。異なる総充放電サイクルでバッテリセルについて測定した際の放電容量又は充電時間とサイクル数のグラフである。異なるリチウム拡散係数を有するバッテリについて計算された電流密度又は放電容量パーセントと放電時間のグラフである。

[0024]１つ又は複数のバッテリセル２２を含むバッテリモジュール２０を備える再充電可能なバッテリ１５の例示的な実施形態が、図１〜図３に示される。各バッテリセル２２は、１０００ミクロンの厚さを有し、薄膜製造プロセスによって形成される薄膜バッテリとすることができる。一般的に、各バッテリセル２２は基板１６上に製造される。バッテリセル２２ａ〜ｃを支持する基板１６は、バッテリ構成要素膜３６を支持するための十分な機械的強度と、薄膜を成膜するための滑らかな面とを有する誘電材料とすることができる。適切な基板１６は、例えば、酸化アルミニウム又は二酸化ケイ素などのセラミック酸化物、チタン及びステンレス鋼などの金属、ケイ素などの半導体、あるいは重合体さえからも製造できる。１つの態様では、基板１６は、へき開可能な結晶構造の面をへき開することによって形成された結晶シートを含む。結晶へき開構造は、例えば、雲母又は石墨とすることができる。２０００年９月９日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，６３２，５６３号「薄膜バッテリ及び製造方法」であって、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれる米国特許に記載されるように、雲母は、約１００ミクロンより小さい厚さ、場合によっては約２５ミクロンより小さい厚さを有する薄い結晶シートに裂かれることができる。エネルギー密度や比エネルギーなどのバッテリ性能度合い（ｍｅａｓｕｒｅｓ）は、バッテリ１５の体積／重量に対するエネルギーの割合を増加する雲母の薄い板状基板１６上にバッテリを形成することによって向上される。

[0025]１つ以上のバッテリセル２２の端子２４、２６、又は１つ以上のバッテリセル２２の端子２４、２６に電気的に結合されたバッテリモジュール２０若しくはバッテリセル１５の電気接点２９、３０が保護ケーシング１８から外部に延び、バッテリによって電力を供給される外部電子装置又は再充電用の電源に接続されるように、バッテリセル２２、バッテリモジュール２０の全体、又はバッテリ２０の全体は、保護用ケーシング１８によって囲まれることができる。

[0026]１つの態様では、図２に示されるように、再充電可能なバッテリ１５は、基板１６上に形成された複数のバッテリセル２２ａ〜ｃを有するバッテリモジュール２０を備える。各バッテリセル２２ａ〜ｃは、１組のバッテリ構成要素膜３６を含む。バッテリセル２２ａ〜ｃは基板１６の前面上に示されるが、同様のバッテリセル２２が基板の反対の裏面上に形成されることもできる（図示しない）。従って、下記の実施形態のいずれにおいても、バッテリセル２２が基板１６の両面の一方又は両方に形成され得ることと、本特許請求の範囲が基板１６の片側上のみに形成されたバッテリセル２２を有する実施形態に限定されるべきではないこととが、理解されるべきである。

[0027]バッテリセル２２のバッテリ構成要素膜３６は、電気的エネルギーを受け取ること、蓄積すること、及び放電することが可能なバッテリ１５を形成するように協働する様々な配置や形状、サイズ、あるいは材料さえも有することができる。バッテリ構成要素膜３６は、少なくとも一対の電極２８間に電解質３８を含む。電極２８は、全て相互に交換可能な、陰極電流コレクタ４０、陰極４２、陽極４６、及び陽極電流コレクタ４８のうちの１つ又は複数を含むことができる。例えば、バッテリセル２２は、（ｉ）陰極４２及び陽極４６若しくは一対の電流コレクタ４０、４８、（ｉｉ）陰極４２、陽極４６、及び電流コレクタ４０、４８の全て、又は（ｉｉｉ）これらの電極２８の様々な組み合わせ（例えば、陰極４２及び陽極４６、並びに陰極電流コレクタ４０ではなく陽極電流コレクタ４８など）を含むことができる。本明細書に示されるバッテリセル２２の例示的な態様は、バッテリセル２２の特徴を明示するために及びこれらの製造プロセスを示すために提供される。しかしながら、例示的なバッテリ構造が、本発明の範囲を限定するように使用されるべきではないことと、当業者にとって明らかであろうような他のバッテリ構造が本発明の範囲内にあることとは、理解されるべきである。バッテリ構成要素膜３６は、典型的には、バッテリセルが従来のバッテリの厚さの約１／１００よりも小さくなることを可能にする１００ミクロンよりも小さい。バッテリ構成要素膜３６は、例えば、物理的／化学的気相成長（ＰＶＤ又はＣＶＤ）や酸化、窒化、電気めっきなどのプロセスによって形成される。

[0028]１つの態様では、図２に示されるように、バッテリ１５は、接着層５０に全て形成される複数のバッテリセル２２ａ〜ｃを含むバッテリモジュール２０を備える。接着層５０は、金属若しくは金属化合物（例えばアルミニウム、コバルト、チタン、他の金属、又はそれらの合金若しくはその合金の化合物など）、又は例えばリチウムコバルト酸化物などのセラミック酸化物を含むことができる。接着層５０は、約１００オングストロームから約１５００オングストロームまでの厚さに成膜され得る。各バッテリセル２２ａ〜ｃは、充放電プロセスの間に電子を集めるために接着層５０上に形成された陰極電流コレクタ４０ａ〜ｃを含む。陰極電流コレクタ４０ａ〜ｃは、典型的には導体であり、アルミニウム、銅、白金、銀又は金などの金属から構成され得る。電流コレクタ４０ａ〜ｃもまた、所望の電気伝導率を提供するために十分大きな厚さで設けられた接着層５０と同じ金属を含んでもよい。陰極電流コレクタ４０ａ〜ｃのための適切な厚さは約０．０５ミクロンから約２ミクロンまでである。１つの態様では、陰極電流コレクタ４０は、約０．２ミクロンの厚さの白金をそれぞれ含む。陰極電流コレクタ４０ａ〜ｃは、図３に示されるように、接着層５０の小さな領域を被覆する間隔のあいた不連続領域をそれぞれ含む特徴部５４ａ〜ｃのパターンとして形成できる。特徴部５４ａ〜ｃは、接着層５０の被覆領域５６ａ〜ｃの上にあり、特徴部５４ａ〜ｃに隣接する位置には、接着層５０の露出領域５８ａ〜ｃがある。接着層５０上に特徴部５４ａ〜ｃを形成した後、パターン化された特徴部５４ａ〜ｃの下の接着層５０の被覆領域５６ａ〜ｃと露出表面領域５８ａ〜ｄを含む接着層５０は、次いで、酸素含有環境に露出され、その特徴部によって被覆され保護された領域ではなくその特徴部を囲む露出領域５８ａ〜ｄを酸化するように加熱される。その結果として生じた構造は、有利なことには、陽極電流コレクタ４８ａ〜ｃの特徴部５４ａ〜ｃの下の接着層５０の露出されていない被覆領域５６ａ〜ｃのみならず、同じ基板１６上に形成された複数のバッテリセル２２ａ〜ｃを電気的に分離する非導電性領域を形成する酸素に露出され又は酸化された領域５８ａ〜ｄも含む。

[0029]各バッテリセル２２ａ〜ｃはまた、陰極電流コレクタ４０ａ〜ｃ上に形成された電気化学的に活性な物質を有する陰極４２ａ〜ｃも含む。１つの態様では、陰極４２ａ〜ｃは、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウム鉄酸化物などのリチウム金属酸化物から、あるいは例えばリチウムコバルトニッケル酸化物などの遷移金属の混合物を含むリチウム酸化物さえからも構成される。使用され得る他の種類の陰極４２ａ〜ｃには、非晶質の五酸化バナジウム、結晶質のＶ_２Ｏ_５又はＴｉＳ_２が含まれる。典型的には、各陰極４２ａ〜ｃは、少なくとも約５ミクロンの厚さ、場合によっては少なくとも約１０ミクロンもの厚さを有する。１つの例では、陰極４２ａ〜ｃは、１つの態様ではＬｉＣｏＯ_２という化学量論式を有する結晶質のリチウムコバルト酸化物をそれぞれ含む。

[0030]電解質３８ａ〜ｃは、各陰極４２ａ〜ｃの上に形成される。電解質３８ａ〜ｃは、例えば、ＬｉＰＯＮ膜としても知られている非晶質のリチウムリン酸窒化膜とすることができる。一実施形態では、ＬｉＰＯＮは、約２．９：３．３：０．４６のｘ：ｙ：ｚ比にある化学量論式ＬｉｘＰＯｙＮｚを有する。１つの態様では、電解質３８ａ〜ｃは、約０．１ミクロンから約５ミクロンまでの厚さを有する。この厚さは、十分に高いイオン伝導率を提供するために適切に大きく、電気抵抗を最小限にするようにイオン経路を減らすために及び圧力を低減するために適切に小さい。

[0031]陽極４６ａ〜ｃは、電解質３８ａ〜ｃのそれぞれの上に形成される。既に記載したように、陽極４６ａ〜ｃは、陰極４２ａ〜ｃと同じ材料とすることができる。適切な厚さは、約０．１ミクロンから約２０ミクロンまでである。１つの態様では、陽極４６ａ〜ｃは、陽極電流コレクタ４８ａ〜ｃとしても機能するように十分に導電性でもあるリチウムから製造されており、この態様では、陽極４６ａ〜ｃ及び陽極電流コレクタ４８ａ〜ｃは、同じ構造である。別の態様では、陽極電流コレクタ４８ａ〜ｃは、陽極４６ａ〜ｃ上に形成され、電子が陽極４６ａ〜ｃから放散され又は集められ得る導電性表面を提供するために陰極電流コレクタ４０ａ〜ｃと同じ材料を含む。例えば、１つの態様では、陽極電流コレクタ４８ａ〜ｃは、約０．０５ミクロンから約５ミクロンまでの厚さの、銀、金、白金などの非反応性金属を含む。

[0032]１つの態様では、バッテリセル２２ａ〜ｃの充電特性は、バッテリセルの構造によって向上される。例えば、図３に示される態様では、陽極４６及び陰極４２の相対的な表面積は、陰極４２の領域を図示されるような陽極４６よりも少し大きくすることによって制御される。陽極４６の端を越えて延びる陰極４２の空中（ａｅｒｉａｌ）部分を含むバッテリセル２２は、余分な陰極体積又は領域を十分に充電するために長い時間がかかることが分かっている。例えば、陰極４２が、バッテリセルの陽極４６の領域よりも約１％から約５％まで大きい領域を有すると、バッテリを十分に充電するために数十時間長くかかるという結果になり得る。更に、充電／放電サイクル試験のために使用される典型的な充電条件では、陽極４６の周囲を越えて延びる余分な陰極体積は、十分に再充電されることができない。その上更に、陰極４２の外側に延びる領域のエネルギー容量は、陽極４６の表面を越えて延びていない陰極４２部分より多く充電／放電サイクルの間に徐々に減少する。従って、図３に示される態様では、バッテリセル２２の構造は、陽極４６の表面積を陰極４２よりも少し大きくするように修正された。１つの態様では、陽極４６は、陰極４２の領域よりも少なくとも約２％大きい領域、場合によっては約２％よりも大きい領域を有する。例えば陰極４２が約０．２４ｃｍ^２から約３ｃｍ^２までの領域を有するとき、同じバッテリの対応する陽極４６は、約０．２８ｃｍ^２から約３．２ｃｍ^２までの領域を有する。

[0033]陽極４６及び陰極４２の寸法はまた、より優れたバッテリ充電特性のために変更されることもできる。例えば、陽極４６を陰極４２よりも約２ミクロンから約２０ミクロンまで厚く、あるいは約５ミクロンから約８ミクロンまでも厚くなるように製造することは、充電時間を削減することができる。表面積及び厚さの両方の修正は、複数の充放電サイクル後に充電容量のほとんどの減衰の原因となる充電／放電サイクル後の粗化を陽極４６から減らして最小限にする。

[0034]バッテリセル２２の充電時間を削減する更に別の方法は、陰極の厚さを２０ミクロンよりも少なくなるように減らすことである。１つの態様では、被覆厚さは、１８ミクロンより大きい、例えば１８．７から、１８ミクロンより小さい、例えば１７ミクロンまで減らされる。より小さな陰極厚さは、サイクル寿命を著しく改善するバッテリセル２２の総エネルギー密度を低減させる。

[0035]導電性ブリッジ５２はまた、陽極４６を端子２４に接続するために使用されることもできる。陽極４６がリチウムから製造されており、端子２４が、例えば白金などのリチウムと適合しない材料から製造される場合、導電性ブリッジ５２は、リチウム陽極４６と端子２４との間の望ましくない化学反応を防ぐ。１つの態様では、導電性ブリッジ５２は導電性金属、例えば銅から製造される。導電性ブリッジ５２は、陽極４６の下に成膜され得る。例えば陽極４６がリチウムを含むとき、リチウムをその環境に露出しないことが望ましく、このことは、リチウム陽極４６の成膜前に導電性ブリッジ５２を成膜することによって回避され得る。

[0036]一例として、再充電可能なバッテリ１５は、約１４×１４ｍｍのカットアウト（ｃｕｔｏｕｔ）寸法及び約１．９６ｃｍ^２の表面積を有する単一のバッテリセル２２から構成されたバッテリモジュール２０を備える。全体で約８８ミクロンの厚さを有するバッテリセルを提供するために、陰極厚さは約１８．７３ミクロンであり、陽極厚さは約５ミクロンである。セル容量は３．１４ｍＡ／ｈｒ＠４．２Ｖであり、セルエネルギー密度は約７１０Ｗｈ／Ｌである。別の例では、４つのバッテリセル２２から構成されたバッテリモジュール２０を備える再充電可能なバッテリ１５は、約１２．６ｍＡｈ＠４．２Ｖのモジュール容量、及び約５３９Ｗｈ／Ｌのモジュールエネルギー密度を有する。

[0037]別の例として、再充電可能なバッテリ１５は、約１３．８×１３．８ｍｍのカットアウト寸法、及び約１．９０ｃｍ^２の表面積を有する単一のバッテリセル２２から構成されたバッテリモジュール２０を備える。全体で約８９ミクロンの厚さを有するバッテリセルを提供するために陰極厚さは約１７ミクロンであり、陽極厚さは約８ミクロンである。バッテリセル容量は２．７６ｍＡ／ｈｒ＠４．２Ｖであり、セルエネルギー密度は約６３５Ｗｈ／Ｌである。別の例では、再充電可能なバッテリ１５は、約１１ｍ／Ａｈ＠４．２Ｖのモジュール容量、及び約５０７Ｗｈ／Ｌのエネルギー密度を提供するような４つのバッテリセル２２から構成されたバッテリモジュール２０を備える。

[0038]全てのバッテリ構成要素膜３６の成膜後に、保護用ケーシング１８は、環境要素に対する保護を提供するためにバッテリ構成要素膜３６の上に形成され得る。一例では、保護用ケーシング１８は、１つ又は複数の金属膜、エポキシバリア、又は互いに重ね合わされた複数の重合体層、金属層若しくはセラミック層を含む。１つの態様では、保護用ケーシング１８は、互いの上に成膜される重合体層及びセラミック層を含む。適切な重合体は、ポリフッ化ビニリデン又はポリウレタンを含み、適切なセラミックは、酸化アルミニウム又はダイヤモンド状炭素を含む。バッテリセル２２のバッテリセル２２を互いに又はバッテリモジュール２０の接点に接続するために使用される一対の端子２４、２６を形成するために、バッテリセル２２を囲む保護用ケーシング１８外に及びその保護用ケーシング１８を越えて延びる陰極電流コレクタ４０並びに陽極電流コレクタ４８部分は、更には外部環境に接続される。１つの態様では、バッテリ２０の周りの保護用ケーシング１８は、重合体層のみから製造され、約５ミクロンから約５０ミクロンまでの厚さ、場合によっては約１０ミクロンから約２０ミクロンまでの厚さに限定され得る。保護用ケーシング１８の厚さが減らされると、バッテリ２０のエネルギー密度が更に増加する。

[0039]再充電可能なバッテリ１５を形成するバッテリモジュール２０の個々のバッテリセル２２の過熱は、垂直に積層されたバッテリセル２２間に１つ又は複数の熱導体層６０を設けることによって削減され又は放散される。熱導体層６０は、個々のバッテリセル２２を環境から保護する異なる保護用ケーシング１８の間に配置されることができ、又は保護用ケーシング１８の一部として形成されることさえもできる。バッテリセル間に熱導体層６０を伴う複数のバッテリセル２２を有するバッテリモジュール２０を備える例示的なバッテリ１５を製造する連続的なステップは、図４に示される。図示されるように、複数のバッテリ構成要素膜３６を含むバッテリセル２２は、上記のように最初に製造される。複数のバッテリセル２２ａ〜ｄは、次いで、互いの上に垂直に積層され、バッテリモジュール２０に組み合わされる。バッテリセル２２ａ〜ｄは、それらの間に間隙を伴って又はバッテリセル２２ａ〜ｄ間に熱可塑性若しくは熱硬化性重合体などのシーラントを伴って互いに接合されることが可能である。一対の熱導体層６０ａ、ｂは、次いで、積層バッテリセルの上部及び下部露出表面６２ａ、ｂを被覆するようにバッテリセル２２ａ〜ｄの積層上に製造される。バッテリセルの端子２４、２６は、バッテリモジュール２０の電気接点２９、３０で終端するように、並列又は直列配置に互いに接続した（図示しない）。

[0040]１つの態様では、熱導体層６０ａ、ｂは、金属、金属化合物、又は金属合金の層をそれぞれ含む。例えば、熱導体層６０ａ、ｂは、アルミニウム、銅、スズ、銀又は鋼で製造され得る。熱導体層６０ａ、ｂは、例えば約５０ミクロンより小さい厚さ、場合によっては約５ミクロンよりも小さい厚さを有する金属箔の形態とすることができる。一例では、適切な箔は、アルミニウムから構成されるものであるが、あるいはアルミニウムから全て構成されたものさえある。熱導体層６０ａ、ｂは、バッテリセルが互いに積層された後に積層バッテリセル２２ａ〜ｄの上に積層されることができ、又はバッテリセル２２ａ〜ｄを互いに接合するために使用されるものと同じ積層プロセスにおいて、積層バッテリセル２２ａ〜ｄ上に積層され得る。例えば、１つのプロセスでは、シーラント６４ａ〜ｃの層は、図４に示されるようなバッテリセル２２ａ〜ｄのそれぞれの、上部表面の上に、又は露出側部周囲に沿って配置される。熱導体層６０ａ、ｂは、次いで、バッテリセル２２ａ〜ｄの積層の上部表面６２ａ、ｂの上に配置される。積層全体は、次いで、バッテリモジュール２０を形成するためにオートクレーブ内で積層される。

[0041]一対の熱導体層６０ａ、ｂ及び６０ｃ、ｄをそれぞれ有する１つ又は複数のバッテリモジュール２０ａ、ｂは、次いで、バッテリ１５を形成するために互いの上に積層される。この集合体全体は、バッテリモジュール間に配置された追加のシーラントと共に接合されることができ、あるいは、バッテリモジュールを共に保持するためにバッテリモジュール２０ａ、ｂの積層の周りに保護用ケーシング１８を単に形成することによって、接合できる。また、異なるバッテリモジュールの端子２４、２６は、直列又は並列に互いに接続され、外部環境に接続するために保護用ケーシング１８の外に延びる。

[0042]熱導体層６０は、局所的な熱を放散し、それによって、バッテリ１５に過熱を生じさせる局所的な高温部の形成を減らし、場合によっては防ぎさえもする。局所的な高温部は、バッテリセル２２、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５が電気的に短絡されるときに生じ得る。例えば、鋭利な金属物体がバッテリセル２２、バッテリモジュール２０、又はバッテリ１５の外部保護用ケーシング１８を貫通する場合、破断点に電気的短絡及び局所的な過熱を生じさせ得る。従って、個々のバッテリセル２２ａ〜ｄ又はバッテリモジュール２０ａ、ｂの外部保護用ケーシング１８、シーラント６４、及び端子２４、２６は全て、そのような電気的短絡又は他の電気的短絡から発生する過熱を防ぐための包括的な熱管理構造の一部とすることができる。熱導体層６０は、バッテリ１５に対する過熱又は他の損害を実質的に防ぐ。例えば、熱導体層６０ａ〜ｄはまた、鋭利な物体が偶発的にバッテリ１５を貫通して挿入されたときに、充電の熱を放散することもできる。例えば、鋭利な金属物体がバッテリモジュール２０（又はいくつかのバッテリモジュール２０を有するバッテリ１５）の表面に突き刺された実験では、熱導体層６０ａ〜ｄは、バッテリの過熱及び電気的短絡を防いだだけではなく、バッテリ１５の内部破壊の可能性もまた減らした。

[0043]更に別の態様では、各バッテリモジュール２０は、図３、図３Ａ１、図３Ａ２、及び図５に示されるように１つ又は複数の電流リミッタ６６又は６６ａ、ｂも含む。図３を参照すると、電流リミッタ６６は、バッテリセル２２の陽極４８と端子２４を電気的に結合するように配置できる。この態様では、電流リミッタ６６は、導電性ブリッジ５２に置き換えられることになる。電流リミッタ６６は、（ｉ）バッテリセル２２を通過する電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）バッテリの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、バッテリセル２２内又は外を流れる電流を制限し、場合によっては遮断さえもする。バッテリセル２２内を流れる電流を制限し又は遮断することによって、電流リミッタ６６は、そうでなければ電気的短絡により、又は異常充電若しくは放電の問題により発生することになるセルの局所的な過熱を防ぐことができる。例えば外部物体がバッテリセル２２の保護用ケーシング１８を貫通する場合、電流リミッタ６６は、電流の急増を検出して、セル２２に又はそのセルから流れる電流を制限し又は遮断することになる。セル２２から流れる電流は、電流閾値レベルを超える場合、電流リミッタ６６材料の抵抗の急増によって制限され得る。あるいは、電流リミッタ６６が、流動、融解又は蒸発によってバッテリセル２２に対する電気的接続を切断する場合、セル２２から流れる電流は遮断されることができる。１つの態様では、バッテリセル２２を通過する電流が２０ｍＡの電流を超える場合、又は３０ｍＡの電流を超えさえもする場合、電流リミッタ６６は、バッテリセル２２内に又はそのバッテリセルの外を流れる電流を制限し、場合によっては遮断しさえする。別の態様では、バッテリの温度が少なくとも約１００℃の温度を超える場合、場合によっては少なくとも約２００℃さえも超える場合、更には少なくとも約３００℃さえも超える場合、例えば約１００℃から約２００℃までの温度の場合、電流リミッタ６６は、バッテリセル２２内に又はそのバッテリセルの外を流れる電流を制限し、あるいは遮断しさえする。

[0044]電流リミッタ６６は、例えば、図３に示されるようなパッチ（ｐａｔｃｈ）、図３Ａ１に示されるような遮断線、又は図３Ａ２に示されるような区分された線として形作られた種々の形状を有することができる。これらの態様のいずれにおいても、電流リミッタ６６は、閾値電流又は閾値温度を超える場合に抵抗を増加させる材料、融解する材料、又は蒸発する材料で製造される。例えば、電流リミッタ６６は、２０ｍＡを超える電流を受けた場合に抵抗を少なくとも約１０オーム増加させる材料で製造できる。別の態様では、電流リミッタ６６は、少なくとも約１００℃、場合によっては少なくとも約２００℃、更には少なくとも約３００℃でさえある温度まで加熱された場合、抵抗を少なくとも約１０オーム増加させる。更に別の態様では、電流リミッタ６６は、約３００℃より少ない局所的な温度、場合によっては２００℃より少ない局所的な温度、更には約１５０℃より少ない局所的な温度で流動する材料又は融解する材料から製造される。電流リミッタ６６を製造するための適切な材料は、インジウム、スズ、ビスマス又はそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む。

[0045]電流リミッタ６６は、ＰＶＤ（スパッタリング）又はＣＶＤなどの従来の薄膜成膜プロセスを用いて、選択された材料を直接的に基板１６上に、バッテリ構成要素膜３６上に、熱導体層６０上に、又は保護用ケーシング１８上に成膜することによって形成されることができ、従来のリソグラフィ及びエッチングプロセスを用いて又は成膜プロセスの間にマスクを用いて形作られることができる。例えば、電流リミッタ６６は、所望のパッチ形状又は線形状に対応するパターンを有するマスクを通して材料をスパッタリングすることによって形成される。ある態様では、電流リミッタ６６は、線の長さを最大にするために蛇行形状などの渦巻き状とすることができる線として成形される。一例では、電流リミッタ６６は、例えば図３Ａ１に示されるように接続された囲い（ｂｏｘ）を形成するためにそれらの端で接続される複数の並列線とすることができ、又は図３Ａ２に示されるように弓状の蛇行線とすることができる。電流リミッタ６６はまた、螺旋形又は環状パターン、あるいは当業者に明らかとなるような他のパターンとして形成されることもできる。どの線形状においても、電流リミッタ６６は、約５０ミクロンより小さい線幅、場合によっては約２０ミクロンから約５ミクロンまでの線幅、及び少なくとも約５ｍｍの長さ、場合によっては約１０ｍｍから約５０ｍｍまでの長さを有する薄い線として形成できる。

[0046]図３における詳細な部分３Ａの概略的な上面図である図３Ａ１を参照すると、遮断線を含む電流リミッタ６６は、バッテリセル２２の陽極４８と端子２４との間に配置される。この態様では、電流リミッタ６６は、中央の端で互いに接合される２つ以上の並列線区分を有する遮断線を含み、陽極４８及び端子２４で終端する。電流リミッタ６６は、陽極４８及び端子２４の下又は上に成膜され得る。１つの態様では、陽極４８がリチウムから構成される場合には、電流リミッタ６６は陽極４８の下に成膜される。これは、電流リミッタ６６を陽極４８の上に成膜する場合に電流リミッタ６６の成膜のために必要とされることになる後続のプロセスステップの間にリチウムを環境に露出することを少なくするためである。図３Ａ２に示されるように蛇行線を含む電流リミッタ６６の別の実施形態は、陽極４８を端子２４に電気的に接続する渦巻き状の蛇行線を含む。

[0047]図５において、中央の概略図は、熱導体層６０ａ、ｂの間に挟まれた複数のバッテリセル２２ａ〜ｃを含むバッテリモジュール２０の断面図を示す。この態様では、１つ又は複数の電流リミッタ６６ａ、ｂは、熱導体層６０ａ、ｂの上面６８ａ又は下面６８ｂにそれぞれ、あるいは両面上に配置され得る。典型的には、単一の電流リミッタ６６ａ又は６６ｂは、熱導体層６０ａ、ｂの上面６８ａ又は下面６８ｂにそれぞれ形成される。電流リミッタ６６ａ、ｂのどちらか一方は、（ｉ）バッテリモジュール２０を通過する電流が既定の電流の大きさを超える場合、（ｉｉ）バッテリの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、バッテリモジュール２０内又は外を流れる電流を制限し、場合によっては遮断することができる。電流リミッタ６６ａ、ｂは、薄膜成膜及び／又はエッチングプロセスを用いて熱導体層６０ａ、ｂ上に直接形成できる。例えば、電流リミッタ６６ａ、ｂは、電流リミッタ６６ａ、ｂのパターン化された線に対応するパターンを有するマスクを通して材料をスパッタリングすることによって形成できる。これらの態様のいずれにおいても、電流リミッタ６６ａ、ｂは、例えば図５に示されるように接続された囲いの線を形成するためにそれらの端で接続される複数の並列線を用いて、電流リミッタ６６ａ、ｂの長さを最大にするように形成できる。電流リミッタ６６ａ、ｂはまた、螺旋形又は環状パターン、あるいは当業者に明らかであろう他のパターンとして形成されてもよい。

[0048]電流リミッタ６６ａ、ｂは、最初又は最後のバッテリセル２２ａ、ｃの端子２４、２６からそれぞれ、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５の電気接点２９、３０にそれぞれ延びる。この構成では、電流リミッタ６６ａ、ｂは、バッテリモジュール２０に入る又はそのバッテリモジュールから出る電流の電気的経路内にある。そのため、電流リミッタ６６ａ、ｂは、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５に対する電流が既定の値を超える場合、あるいは局所的な温度が既定のレベルを超える場合、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５と外部環境との間の電気的接続を切ることができる。既定の遮断電流又は温度の値は、電気回路を切断するヒューズとして本質的に機能する、電流リミッタ６６ａ、ｂの構造及び材料に依存する。電流リミッタ６６ａ、ｂの断面領域の厚さを制限すると、その電流リミッタの通電容量を減らし、その電流リミッタの抵抗を増やす。同様に、電流リミッタ６６ａ、ｂの長さが増加するとまた、それらの電流リミッタの抵抗が増える。そのように長さが長くて断面領域が小さいと、電流リミッタ６６ａ、ｂがそれによって許容された電流レベルを制限し又は損なわせることになる温度又は電流を減らすことになる。コンピュータモデリング及び実験的な測定は、バッテリモジュールが特定のバッテリ構成に対して最適な最大電流又は温度レベルに達するために下記のように電気的に短絡されたときに生じることになる温度変化を判断するために行われることができる。

[0049]１つの態様では、電流リミッタ６６ａ、ｂは、重合体層間に挟まれた金属箔を含む熱導体層６０上に形成される。この態様では、電流リミッタ６６ａ、ｂは、熱導体層６０ａ、ｂ上に重ね合わされた遮断線を含み、特定の温度又は電流に達したときに電気的接続を制限し又は切断するヒューズとして機能する。熱導体層６０ａ、ｂは、雲母基板１６上にそれぞれ形成されるいくつかのバッテリセル２２ａ、ｂを備えるバッテリモジュール２０の上部被覆及び下部被覆として使用される。金属箔は、熱導体層６０のみならずまた保護用ケーシング１８の一部として機能し、アルミニウム、銅、ステンレス鋼などの金属から製造され得る。金属箔は、バッテリモジュール２０が短絡することを防ぐために（化学的に気相成長されたポリ（ｐ−キシリレン）重合体である）パリレンなどの絶縁重合体材料を用いてコーティングされる。１つの態様では、１つ又は複数の電流リミッタ６６ａ、ｂは、パラリン（ｐａｒａｌｙｎｅ）をコーティングされた金属箔上に成膜され又は積層され、また、電流リミッタ６６ａ、ｂはそれぞれ、インジウム−スズ合金から構成されており、更に約１０ミクロンから約５０ミクロンまでの線幅と、１０ミクロンより少ない厚さとを有する遮断線を含む。このインジウム−スズ合金は、約１５０℃を超える局所的な温度に露出された場合、融解及び／又は高抵抗化を生ずる。例示的な製造プロセスでは、インジウム−スズ合金の固体片を含むターゲットが原料として使用される。成膜は、熱蒸発又はスパッタリングによって実行され得る。線幅、長さ及び形状は、成膜プロセスの間にバッテリモジュール２０上に配置された遮蔽マスクによって規定される。別の例では、遮断線を含む電流リミッタ６６ａ、ｂは、熱可塑性あるいは熱硬化性の重合体を用いてバッテリ１５又はバッテリモジュール２０の熱導体層６０ａ、ｂ若しくは保護用ケーシング１８上に既定の厚さ及び線形状を有する箔を積層することによって形成される。

[0050]バッテリモジュール２０から体積を減らして最小限にするために、電流リミッタ６６ａ、ｂは、適切な電気回路を熱導体層６０ａ、ｂに組み込むことによって熱導体層６０ａ、ｂに組み込まれることもできる。例えば、複数のバッテリセル２２ａ〜ｃを含むバッテリモジュール２０は、バッテリモジュール２０を被覆する熱導体層６０ａ、ｂ上に組み込まれた１つ又は複数の電流リミッタ６６ａ、ｂを有することができる。組み込むことによってとは、電流リミッタ６６が熱導体層６０の構造内にあることを意味し、場合によっては同じ構造を形成することをも意味する。例えば、電流リミッタ６６は、２つ以上の熱導体層６０ａ、ｂ間に挟まれた電流制限線とすることができる。

[0051]電流リミッタ６６ａ、ｂはまた、バッテリ１５全体の過熱又は電気的短絡を制御するために塗布されることもできる。この態様では、電流リミッタ６６、及び任意であるが熱導体層６０ａ、ｂは、バッテリモジュール２０だけではなくバッテリ１５全体の保護用ケーシング１８上に塗布される。保護用ケーシング１８はまた、熱導体層上に形成された電流リミッタ６６を伴う熱導体層６０を含むこともできる（図示しない）。この態様は、故障したバッテリ１５内又は外を流れる電流に起因する過熱を防ぐ。

[0052]電流リミッタ６６ａ、ｂはまた、他の接続されたバッテリ１５から故障したバッテリに又は他のバッテリモジュール２０から故障したモジュールに蓄積されたエネルギーの放出を防ぐために、故障したバッテリ１５若しくはバッテリモジュール２０内への電流を遮断し又は制限するためにも役立つ。この役割においては、電流リミッタ６６ａ、ｂは温度感知センサとして作動し、故障したバッテリ１５又はモジュール２０を他のバッテリに又は外部装置に接続するバッテリ回路から、故障したバッテリ１５又はバッテリモジュール２０を切り離すようになっている。電流リミッタ６６ａ、ｂは、各バッテリ１５又はバッテリモジュール２０を外部装置に接続し、既定の温度に達した場合にそれらの間を流れる電流を制限し又は遮断する温度感知センサとして作用するように既定の温度でその回路を切断する。既定の温度は、特定のバッテリ１５又はバッテリモジュール２０の一般の過熱の温度指標、あるいは故障したバッテリ状態の温度指標とすることができる。

[0053]有利なことには、各バッテリセル２２は、固体状態のバッテリであり、そのため、液体電解質をベースとする反応から余分なエネルギーを放出しない。しかしながら、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５の小さな領域の範囲内におけるバッテリセル２２の蓄積されたエネルギーが過剰に急速放出することは、少なくとも約１００℃を超え得るバッテリ温度、場合によっては少なくとも約２００℃を超え得るバッテリ温度、更には少なくとも約３００℃さえをも超え得るバッテリ温度をもたらす局所的な加熱を更に引き起こすことがある。そのような局所的な加熱の影響により、陽極４６などのバッテリ構成要素膜３６又は保護用ケーシング１８が周囲空気と望ましくない化学反応を引き起こすことがある。この問題は、小さな実装面積で高いエネルギー密度のバッテリのために悪化する。従って、一例では、温度感知センサとして機能する電流リミッタ６６ａ、ｂは、約３００℃より低い、場合によっては約２００℃より低い、更には約１５０℃よりも低い局所的な温度で流動し又は融解する材料から製造される。１つの態様では、電流リミッタ６６ａ、ｂは、約１００℃から約２００℃まで、例えば約１３０℃の温度で融解し又は流動することができる。適切な材料は、インジウム、スズ、ビスマス又はそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む。これらの材料は、約５０ミクロンより小さい線幅、場合によっては約２０ミクロンから約５ミクロンまでの線幅を有する薄い線の形態で、及び少なくとも約５ｍｍの長さ、場合によっては約１０ｍｍから約５０ｍｍまでの長さで、塗布できる。

[0054]バッテリモジュール２０内のバッテリセル２２ａ〜ｃの数は、結果として得られるバッテリ１５のエネルギー密度及び安全性の配慮にも影響を及ぼすことがある。例えば、バッテリモジュール２０内により多くの数のバッテリセル２２を積層することは、エネルギー密度を増加させるが、製造歩留まりを低くし、使用中、過熱のリスクも増加させる。従って、１つの態様では、バッテリモジュール２０ａ、ｂなどのそれぞれは、１０個より少ないバッテリセル２２、場合によっては４個よりも少ないバッテリセルを含む。

[0055]本明細書に記載された再充電可能なバッテリセル２２の実施形態は、バッテリセル２２ａ〜ｃ、バッテリモジュール２０ａ、ｂ又はバッテリ１５内の小さく限られた領域における過剰な熱蓄積の可能性を減らすことによって、より優れたユーザ安全性を提供する。そうすることで、バッテリセル２２ａ〜ｃ、モジュール１５、又はバッテリ１５内の十分な熱蓄積であって、潜在的にユーザを燃やし得る熱蓄積を生成する可能性は減らされる。本バッテリ１５はまた、従来のリチウムイオンバッテリよりも高いエネルギー蓄積容量及びより優れた体積エネルギー密度も提供する。例えば、従来のリチウムイオンバッテリセルは、２００Ｗ‐ｈｒ／ｌから３５０Ｗ‐ｈｒ／ｌまでの最大エネルギー密度レベル及び３０Ｗ‐ｈｒ／Ｌから１２０Ｗ‐ｈｒ／Ｌまでの比エネルギーレベルを有することが多い。しかしながら、本バッテリ１５は、３００Ｗ‐ｈｒ／Ｌを超える、あるいは５００Ｗ‐ｈｒ／Ｌさえをも超えるエネルギー密度レベルを有する。更に、バッテリ１５は、１２．５ｍＡ‐ｈｒの総蓄積充電を提供する。また、１２００回の充放電サイクル後のバッテリセル２２ａ〜ｃのレベルでの容量保持率は典型的には約５５％から約８５％までであり、最初の３００サイクルでは容量損失の大部分が生じ、３００サイクルから１２００サイクルまででは５％より少ない容量損失が生じる。

[0056]以下の実施例は、本バッテリの例示的な実施形態、製造方法、及び試験結果を示すが、本発明の範囲を限定するために使用されるべきではない。

[0057]４つのバッテリセル２２（図示しない）をそれぞれ有する４つのバッテリモジュール２０（図示しない）を備えるバッテリ１５の写真を図６に示す。バッテリ２０は、図示されるように、バッテリの上面上に熱導体層６０ａを含むバッテリを囲む保護用ケーシング１８を用いて、雲母シートを含む基板１６上に製造された。バッテリ１５は、１４ｍｍ×１４ｍｍの総空中（ａｅｒｉａｌ）寸法及び０．４６ｍｍの厚さを有し、５３９ワット‐ｈｒ／Ｌの体積エネルギー密度を与えられた。バッテリ２０は、１時間の充電における９０％の充電時間で充電された。また、２００回の充放電サイクル後の充電容量保持率は、約９６％であった。これらの結果は、先行技術のバッテリと比較して優れたエネルギー密度、充電性、及び充電容量保持率を表わす。

[0058]バッテリ１５における３つの異なるバッテリモジュール２０のそれぞれについての電圧と放電容量の関係を図７に示す。このグラフにより、バッテリ放電容量が約３０℃の試験温度で１２ｍＡ‐ｈｒを超えることが分かる。放電容量は、１６時間放電率（０．７５ｍＡ放電電流）を用いて測定された。この放電率は、携帯電話又は補聴器などの医療装置の典型的な１日の動作に相当する。最高放電容量は１２．５５ｍＡｈであった。バッテリモジュール２０のエネルギー密度は約５３９Ｗｈ／Ｌと見積もられた。

[0059]バッテリモジュール２０は、約３０℃の試験温度でそのバッテリモジュールの充電／放電サイクル寿命及び充電率についても試験された。サイクル試験条件は次の通りである。
（ｉ）充電電流が６ｍＡに降下するまで、４．２Ｖの定電圧で充電。電流制限なし。（ｉｉ）３．６Ｖに対して１２ｍＡの定電流で放電。
（ｉｉｉ）２００サイクルにわたるサイクル。及び
（ｉｖ）毎５０サイクル後に１６時間率で容量の測定。
３つの異なるバッテリモジュール２０の異なるサイクルについての放電容量とサイクル数の関係についての試験結果を図８に示す。最初のバッテリモジュール２０は２００サイクルを完了したが、２００サイクルの最後では４％だけ容量減衰がみられた。４．３Ｖ及び３０℃の試験温度で充電された場合、９０％を超える充電容量が、１時間で再充電できることも認められた。

[0060]種々のバッテリについての充電容量と充電時間のグラフを図９に示す。充電容量と時間は、第１、第５３、第１０５、及び第２０８の放電サイクル後に測定された。第１、第５３、及び第１０５の放電後の充電は、４．２Ｖで行われた。充電容量保持は、１６時間率及び３０℃で放電された２００サイクル後に９６％であった。見て分かるように、全てのバッテリが、この充電条件下で１時間以内に８０％まで及び２時間以内に９７％まで充電された。第２０８放電後の再充電は４．３Ｖで行われた。この充電電圧では、モジュールは、１時間で全容量の９０％及び８０分で１００％まで再充電された。この充電率は、１時間で９０％という望ましい目標を達成する。その上更に、高電圧充電工程は、バッテリサイクル寿命に影響を及ぼさない。

[0061]単一のバッテリセル２２のサイクル寿命もまた、図１０に示されるように試験された。低率容量保持率は、３００サイクル後で約５５％であり、１２００サイクル後で約５０％である。最良のバッテリセル２２は、１２００サイクルを超えて繰り返された。３００サイクル後の低率容量保持率は、約５５０％である。３００サイクルから１２００サイクルまでわずか約５％の容量損失であった。

[0062]この実施例では、短絡したバッテリ１５（又はモジュール２０若しくはバッテリセル２２）の温度分布及びプロファイルを単純化モデルに基づいて計算する工程が示される。計算結果は、短絡の間に過熱又は熱による故障を防ぐために必要とされた熱導体層６０及び電流リミッタ６６の材料の種類及び特性を決定するために使用され得る。そのモデルにより、外部の電気的短絡又は内部の電気的短絡が最悪の熱状況を引き起こすことがあるかどうかも明らかにすることができる。温度上昇は、最悪の故障態様のためにモジュールとバッテリの両方について実験的に判断できる。そのモデルはバッテリ１５に関連して記載されるが、そのモデルはバッテリモジュール２０に又はバッテリセル２２に同様に適用され得ることが理解されるべきである。

[0063]電気的短絡後にバッテリ１５に生じる温度プロファイルを計算するために、短絡が生じたときのバッテリ１５からのエネルギー放出量及び放出率が、最初に計算されることになる。ほとんどの熱は、電気的短絡の場所で、例えば外部の鋭利な金属物体によるバッテリ１５の保護用ケーシング１８の破断点で放出されることが考えられる。エネルギー放出プロファイル及び単純化された熱伝搬モデルを用いて、温度上昇は、異なるモジュール及びバッテリ構造について計算できる。

[0064]最初に、電気的短絡の間のエネルギー放出率が計算される。最初の電気的短絡段階の間、ＬｉｘＣｏＯ_２を含む陰極内のＬｉイオン濃度ｘは、短い時間に０．５（十分に充電された状態）から１（十分に放電された状態）まで変化することになる。エネルギー放出率は、陰極内の一定のＬｉ拡散係数Ｄ（ｃｍ^２／ｓ単位）を仮定する以下の１次元厳密解により計算される陰極内のＬｉイオン拡散率によって影響を及ぼされる。

ここで、Ｃ_放出は、放出容量の割合であり、ｌ（ｃｍ単位）はバッテリ１５の陰極４２の厚さであり、ｔ（ｓ単位）は短絡後の時間である。電流I（ｍＡ単位）及び電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ^２）は、以下のように上記数式の傾きから導出できる。

ここで、Ｃ_合計（ｍＡｈ単位）は合計容量であり、Ａ（ｃｍ^２単位）は合計有効面積である。異なったイオン拡散係数（Ｄ）と共に１５ミクロンの厚さを有する陰極４２についての放出容量及び電流密度プロファイルのプロットは、図１１に示されており、その図は、電気的に短絡されたバッテリの計算された放出容量（Ｃ_放出）及び電流密度（Ｊ）プロファイルのグラフを示す。このグラフにおいて、破線は、固体状態の電解質３８の内部抵抗に起因する短絡の始まりでの電流密度の上限（〜２１ｍＡ／ｃｍ^２）である。１５ミクロンの厚さを有する陰極４２の場合、合計容量の約０．７％は、短絡後の最初の１秒間に放出されることになる。短絡後の３０秒で、１Ｅ−０９ｃｍ^２／ｓの典型的なＬｉイオン拡散係数の場合、放出容量は約１３％であり、電流密度は６．５ｍＡ／ｃｍ^２に降下する。シミュレーションは、Ｌｉ濃度の関数として一定ではない拡散係数を含むように、及び、電解質３８の両端の電圧降下を含むように更に開発されることができる。

[0065]その後、バッテリ１５の温度プロファイルは、電気的短絡点近くの温度プロファイルを計算するために３次元熱放散シミュレーションモデル及び計算プログラムを用いてモデル化される。計算された放出容量プロファイル及び見積もられた電気的短絡のサイズ（典型的には１０ミクロン）は、シミュレーションに使用される。所与のシミュレーション時間反復デルタ（ｔ）について、要素体積の内／外への熱（ｑ）伝達は、以下のフーリエの法則によって温度勾配の負に比例する。

ここで、ｋは熱伝導率である。温度勾配は、シミュレーション処理においてデルタ（Ｔ）／デルタ（ｘ）、デルタ（Ｔ）／デルタ（ｙ）及びデルタ（Ｔ）／デルタ（ｚ）によって計算されることができる。単位体積ごとの内部熱の変化ΔＱは、温度の変化ΔＴに比例する。すなわち、

であり、ここで、Ｃｐは比熱であり、ρは材料の密度である。従って、電気的に短絡されたバッテリ１５の温度‐時間プロファイルをモデル化するために、温度の変化は、各シミュレーション要素についてその要素内又は外への純熱伝達に従って計算できる。

[0066]内部短絡点若しくは外部短絡点によって電気的に短絡されたバッテリセル２２、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５の温度プロファイルはまた、測定されることもできる。例えば、３つの異なる種類の短絡、すなわち、外部短絡、金属含有物に起因する内部短絡、及びバッテリセル２２、バッテリモジュール２０、又はバッテリ１５の保護用ケーシングを貫通する貫通釘によって誘発される内部短絡は、評価され得る。内部短絡は、金属含有物を導入することによって又は釘の貫通によってシミュレートできる。外部短絡は、バッテリセル２２、バッテリモジュール２０、又はバッテリ１５の正及び負の接点に接続する低抵抗ワイヤ（図示しない）を通じる。外部短絡試験は、ＵＬ−１６４２（ＵｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓＩｎｃ．：保険業者安全試験所）に記載されたガイドラインに従うことができる。異なる分離構造もまた、バッテリセル２２、バッテリモジュール２０、又はバッテリ１５の熱環境をシミュレートするために使用されることもできる。温度プロファイルは、時間に関してバッテリ１５又はバッテリモジュール２０の様々な位置で及び異なる電圧についての温度を記録するために、バッテリセル２２、モジュール２０、又はバッテリ１５の表面上の異なる位置にいくつかの熱電対を配置することによって決定できる。結果として生じた温度プロファイルは、バッテリ１５の電流リミッタ６６又は熱導体層６０の特性及び設計を決定するために使用され得る。

[0067]上記のモデル化は、バッテリセル２２、バッテリモジュール２０又はバッテリ１５内に電気的短絡がある場合のエネルギー放出‐時間プロファイル、及び、電気的短絡直後にバッテリ構造に生じる温度変化を提供する。電流リミッタ６６の厚さ、幅、長さ、電気抵抗、熱伝導率、及び融解温度を含む電流リミッタ６６の設計パラメータは、電気的短絡が生じるときに電流を制限し又は遮断するために選択される。例えば、計算が、モジュールが内部短絡を起こしたときを示す場合、バッテリの周囲のバッテリセル又はモジュールは、２０ｍＡのピーク電流を生じ得る。次いで、各モジュール上の電流リミッタの形状及び材料は、バッテリセル２２、モジュール２０又はバッテリ１５を通過する電流が既定の電流レベル、例えば少なくとも約２０ｍＡを超えるときに、あるいは電気的短絡点における局所的な温度が既定の温度レベル、例えば少なくとも約１５０℃を超えるときに、その電流リミッタが融解することになるように選択されるとよい。バッテリセル２２の数、それらのバッテリセルの電気的接続が直列か並列であること、バッテリ１５の出力電流、周囲温度、及び多くの他のパラメータに依存して、電流リミッタ６６の個々の特徴が、当業者にとって明らかなように変化することになることは理解されるべきである。

[0068]本明細書に記載されたバッテリ１５は、過熱からのより優れた安全性を提供しつつ、高比エネルギー容量、及び適切な体積エネルギー密度も更に提供する。特定の構造及びプロセスステップの順序が、本発明のバッテリの実施形態及び製造方法を図示するために使用されたが、他の構造又はプロセスステップの順序もまた、当業者にとって明らかなように使用されることもできることは理解されるべきである。例えば、構成要素膜の種類又はそれらの構成要素膜の構造は変更されることができるし、他の層は、異なるバッテリセル２２又はバッテリモジュール２０の上部上に、あるいは異なるバッテリセル２２又はバッテリモジュール２０の間に成膜されることもできる。従って、添付された特許請求の範囲の趣旨とその特許請求の範囲は、本明細書に含まれる好適な態様の記載に限定されるべきではない。

Claims

（ａ）基板上に複数のバッテリ構成要素膜を含むバッテリセルであって、前記バッテリ構成要素膜が電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む、バッテリセルと、
（ｂ）（ｉ）前記バッテリセルを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）前記バッテリセルの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、前記バッテリセルを通って流れる前記電流を制限するために前記バッテリセルに電気的に結合される電流リミッタと
を備える、再充電可能なバッテリ。
前記電流リミッタが遮断線を含む、請求項１に記載のバッテリ。
前記遮断線が蛇行線を含む、請求項２に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが、約３００℃よりも低い融解温度を有する材料を含む、請求項１に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが、２０ｍＡを超える電流を受ける場合、抵抗を少なくとも約１０オーム増加させる材料を含む、請求項１に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが、少なくとも約１００℃である温度まで加熱された場合、抵抗を少なくとも約１０オーム増加させる材料を含む、請求項１に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが、インジウム、スズ、ビスマス、又はそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のバッテリ。
複数の前記バッテリセルを含むバッテリモジュールを備え、
前記電流リミッタが、１つ又は複数の前記バッテリセルに若しくは前記バッテリモジュールに電気的に接続される、請求項１に記載のバッテリ。
前記バッテリモジュールが、熱導体層によってそれぞれ被覆された上面及び下面を含む、請求項８に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが前記熱導体層のうちの少なくとも１つの上にある、請求項９に記載のバッテリ。
前記熱導体層が金属、金属化合物又は金属合金を含む、請求項９に記載のバッテリ。
前記熱導体層が箔を含む、請求項１１に記載のバッテリ。
前記バッテリモジュールの周りに保護用ケーシングを更に備える、請求項８に記載のバッテリ。
複数のバッテリモジュールを備え、
前記電流リミッタが、１つ又は複数の前記バッテリセル若しくは前記バッテリモジュール又は当該バッテリに電気的に接続される、請求項１３に記載のバッテリ。
（ａ）複数のバッテリセルを含むバッテリモジュールであって、前記バッテリセルのそれぞれが基板上に複数のバッテリ構成要素膜を含み、前記バッテリ構成要素膜が電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む、バッテリモジュールと、
（ｂ）（ｉ）前記バッテリモジュールを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）前記バッテリモジュールの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、前記バッテリモジュールを通って流れる前記電流を制限するために前記バッテリモジュールに電気的に結合される電流リミッタと
を備える、再充電可能なバッテリ。
前記電流リミッタが、前記バッテリセルの端子を前記バッテリモジュールの電気接点に電気的に結合する遮断線を含む、請求項１５に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが、約３００℃よりも低い融解温度を有する材料を含む、請求項１５に記載のバッテリ。
前記電流リミッタが、インジウム、スズ、ビスマス、又はそれらの合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のバッテリ。
当該再充電可能なバッテリが複数の前記バッテリモジュールを備える、請求項１５に記載のバッテリ。
前記バッテリモジュールが、熱導体層によってそれぞれ被覆された上面及び下面を含み、前記電流リミッタが、前記熱導体層のうちの少なくとも１つの上に配置される、請求項１５に記載のバッテリ。
前記バッテリモジュールの周りに保護用ケーシングを更に備える、請求項１５に記載のバッテリ。
（ａ）複数のバッテリ構成要素膜を含むバッテリセルを基板上に形成するステップであって、前記バッテリ構成要素膜が電解質の周辺に少なくとも一対の電極を含む、ステップと、
（ｂ）（ｉ）前記バッテリセルを通って流れる電流が既定の電流を超える場合、（ｉｉ）前記バッテリセルの温度が既定の温度を超える場合、又は（ｉｉｉ）両方の場合、前記バッテリセルを通って流れる前記電流を制限するために前記バッテリセルに電気的に結合される電流リミッタを形成するステップと、
を含む、再充電可能なバッテリを製造する方法。
遮断線を含む電流リミッタを形成するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
約３００℃よりも低い融解温度を有する材料を含む電流リミッタを形成するステップを含む、請求項２２に記載のバッテリ。