JP6297541B2 - マルチセルリチウムイオン電池 - Google Patents
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Description
本発明は、全般的にはマルチセル電池に関し、特に、Ｌｉイオンマルチセル電池に関する。
従来のリチウムイオン（Ｌｉイオン）マルチセル電池では、過充電、充電不足及び他の難点を防ぎ、セルのバランスを取って、充電状態不釣り合い（ミスマッチ：ｍｉｓｍａｔｃｈ）を除去するための電池管理システムを必要とする。マルチセルの電圧数及びセル数が増加するにつれて、従来のマルチセル電池では、不釣り合いの可能性も増加する。これは、直列配置では、セルのうちのいくつかは、他のセルよりも高い電圧が充電されることがあるためである。マルチセル電池設計には、充電中のバランス及び充電を監視し、制御する要求を改良するニーズがある。
リチウムイオンセルにおいて、電極材料は、充電及び放電中にリチウムイオンがインターカレーション空間（インターカレーションスペース：ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｓｐａｃｅ）に挿入され、又はインターカレーション空間から放出されることにより、膨張又は収縮する傾向がある。セルが繰り返し充電及び放電されるにつれて、電極構造は弱められ、これにより集電体への付着力を減少させる。付着力の減少は、電池寿命を減少させることがある。マルチセル電池設計において、繰り返し充電及び放電の効果を改良することに対するニーズもある。
射出成形は比較的安価な製造方法を提供する。しかし、射出成形で使用される材料の多くは、水蒸気及び有機溶媒蒸気に対して透過性である。水分がリチウムイオン電池内に移動し、電解質蒸気がリチウムイオン電池外へ移動することにより、電池の性能及び寿命に影響を与えることがある。マルチセル電池設計において、実質的に水分バリアを組み込むことに対するニーズもある。
化学的適合性及び腐食の問題により、リチウムイオン電池のアノード（−）又はカソード（＋）電極に取り付けられたコネクタは、少数の金属種に限定される。マルチセル電池において、正電極を負電極に接続するためのコネクタ設計に対するニーズがある。
リチウムイオン（Ｌｉイオン）マルチセル電池の実施形態が開示される。本明細書の以下において開示される実施形態では、それぞれのセルの充電を個々に監視及び制御すること、並びに充電バランスを監視及び制御することに対する要求は改良される。開示される１以上の実施形態では、繰り返し充電及び放電の効果が改良される。１以上の実施形態では、マルチセル電池は、実質的に水分バリアを提供する構成材料を含む。
１以上の実施形態では、本教示のマルチセル電池は、いくつかのセル空洞を有する容器と、いくつかの電気化学アセンブリと、を含み、それぞれの電気化学アセンブリは覆われ、覆われた電気化学アセンブリの１つはセル空洞のそれぞれに配置され、電気化学アセンブリはそれぞれ、正電極及び負電極、並びに正電極と負電極との間のセパレータ材料を有する。この実施形態のマルチセル電池は、それぞれのセル空洞内に電解質も含み、電解質はリチウム塩及びレドックスシャトル（ｒｅｄｏｘ ｓｈｕｔｔｌｅ）を含み、電解質及び電極は、電池動作中に、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間で実質的に所定の電圧を提供するように選択され、レドックスシャトルは、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間の電圧が実質的に別の所定の電圧に達するときに、実質的にシャトル動作を提供するように選択され、容器に配置されるカバーは、容器に永久的に取り付けられて、カバーと容器との間の実質的密封を形成し、カバーはそれぞれのセル空洞の間の封止を形成する。
本教示のマルチセル電池の他の実施形態も開示される。
本教示を更に理解するために、他の更なる目的とともに、添付図面及び詳細な説明が参照され、添付された特許請求の範囲において、範囲が指摘される。
下記の詳細な説明は、現時点で最も熟考された本教示を実施するための形態である。本説明は限定的な意味で解釈されるべきではなく、単に本教示の全般的な原理を示す目的のためのものである。なぜなら、本教示の範囲は添付された特許請求の範囲によって、最も規定されるからである。
本明細書において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈に別段の明確な指示がない限り、複数形の言及を含む。
別段の指摘がある箇所を除き、明細書及び特許請求の範囲において使用される、成分の量、反応条件等を表す全ての数は、全ての例において、「約」という用語により修正されるものとして理解されるべきである。
本教示の理解を助けるため、下記の規定が提示される。
「レドックスシャトル」という句は、本明細書において使用されるとき、電気化学に可逆な部分を意味し、この部分はリチウムイオンセルの充電中に、セルの正電極において酸化されることができ、セルの負電極へと移動し、負電極において還元され、非酸化（又は低酸化）シャトル種を再形成し、正電極に戻る。
リチウムイオン（Ｌｉイオン）マルチセル電池の実施形態は、本明細書の以下で開示される。本明細書の以下で開示される実施形態において、それぞれのセルの充電を個々に監視及び制御すること、及び充電バランスを監視及び制御することに対する要求は、改良される。本明細書の以下で開示される１以上の実施形態において、繰り返し充電及び放電の効果は改良される。本明細書の以下で開示される１以上の実施形態において、マルチセル電池は水分バリアを実質的に提供する構成材料を含む。
１以上の実施形態では、本教示のマルチセル電池は、いくつかのセル空洞を有する容器と、いくつかの電気化学アセンブリと、を含み、それぞれの電気化学アセンブリは覆われ、覆われた電気化学アセンブリの１つはセル空洞のそれぞれに配置され、電気化学アセンブリはそれぞれ、正電極及び負電極、並びに正電極と負電極との間のセパレータ材料を有する。この実施形態のマルチセル電池は、それぞれのセル空洞内の電解質も含み、電解質はリチウム塩及びレドックスシャトルを含み、電解質及び電極は、電池動作中に、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間で実質的に所定の電圧を提供するように選択され、レドックスシャトルは、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間の電圧が実質的に別の所定の電圧に達するときに、実質的にシャトル動作を提供するように選択され、容器に配置されるカバーは、容器に永久的に取り付けられて、カバーと容器との間の実質的密封を形成し、カバーはそれぞれのセル空洞の間の封止を形成する。
本教示の実施形態においてレドックスシャトルを含むことにより、それぞれのセルを個々に監視し充電させるよりも、マルチセル電池をマルチセルアセンブリとして充電する（形成する）ことができる。電気化学シャトルの組込みは、複数の電気フィードスルー（マルチプルエレクトリカルフィードスルー：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈｓ）の形態で発明を複雑にする必要性も実質的に減少させるが、この電気フィードスルーは、電圧を監視し、それぞれの覆われた電気化学アセンブリに電流を導いて、充電「バランス」をもたらすためのものである。
レドックスシャトルの代表的な実施形態は、本教示はこれら実施形態のみに限定されないが、２０１０年１０月１２日に発行された、米国特許第７，８１１，７１０号、及び「リチウム電池の過充電防止のためのレドックスシャトル」という表題で２０１０年１２月１４日に発行された米国特許第７，８５１，０９２号に開示され、この両者は参照によって全体が全ての目的で本明細書に組み込まれる。
１つの例として、レドックスシャトルは、４以上の電気陰性置換基のある少なくとも１つの芳香環を有する芳香族化合物を含み、２以上の酸素原子が芳香環に結合し、水素原子は芳香環に結合していない。
１以上の実施形態では、いくつかのバーコネクタが、それぞれの電気化学アセンブリのそれぞれの正電極及びそれぞれの負電極に確実に取り付けられ、少なくとも１つのバーコネクタがそれぞれの正電極に取り付けられ、少なくとも１つの別のバーコネクタが、それぞれの負電極に取り付けられる。
本教示の方法の１以上の実施形態において、マルチセル電池のセルのバランスを取るために使用される電池管理システムの必要性は、いくつかの電気化学アセンブリを提供することにより不要になり、それぞれの電気化学アセンブリは、いくつかのセル空洞のうちの１つのセル空洞に配置され、電気化学アセンブリはそれぞれ、正電極及び負電極、並びに正電極と負電極との間のセパレータ材料を有し、それぞれのセル空洞内に電解質が提供され、電解質はリチウム塩及びレドックスシャトルを含み、電解質及び電極は、電池動作中に、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間で実質的に所定のセル電圧を提供するように選択される。レドックスシャトルは、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間の電圧が実質的に別の所定の電圧に達するときに、実質的にシャトル動作を提供するように選択される。電池電圧を所定のバランス電圧に所定の時間維持することによって、セルのバランスが取られる。１以上の例で、本明細書の以上において開示されたレドックスシャトルの実施形態は、本教示の方法の実施形態で使用される。
１以上の実施形態において、それぞれの覆われた電気化学アセンブリは実質的螺旋状巻回電気化学アセンブリ（「ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）」とも呼ばれる）である。図１Ａはゼリーロールアセンブリの図式表現を示す。図１Ａを参照すると、ゼリーロールアセンブリ１５は、正電極２０、１以上のセパレータ２５及び負電極３０を有する実質的螺旋状巻回電気化学アセンブリである。
図１Ａに示される構造は、例示目的のみのために示され、ゼリーロールアセンブリは、図１Ａに示されるもののバリエーション、例えば、これに限定されないが、巻回平包（フラットラップ：ｆｌａｔ ｗｒａｐ）ゼリーロールアセンブリであってもよいことに留意すべきである。本教示は、図１Ａに示される構造及び他の構成の電気化学アセンブリ、例えば、これに限定されないが、角柱状電気化学アセンブリ、パウチ型電気化学アセンブリ、Ｚ折積み重ね構成又は他の種類の電気化学アセンブリに限定されないことに留意すべきである。１つの例として、Ｚ折設計（例えば、２００５年３月３日に公開された米国特許出願公開第２００５００４８３６１号、及び２００６年３月２７日に公開された米国特許出願公開第２００６００８８７５９号参照、この両者は参照によって全体が全ての目的で本明細書に組み込まれる。）はコンプライアント（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）層を組み込んでもよく、ハウジング（例えばプラスチックハウジング）の抜け勾配に釣り合うテーパのついたサブアセンブリを作るように、断面厚みでテーパが付けられている。
１つの例として、実質的螺旋状巻回電気化学アセンブリは内側表面及び外側表面を有し、内側表面は中央空間を規定し、中央空間は実質的にコンプライアント材料で充填されており、コンプライアント材料は弾性を有する。図１Ａに示される電気化学アセンブリは外側表面３５及び内側表面４０を有し、内側表面４０は内側空間４５を規定する。別の例において、コンプライアント材料は可撓性かつ不活性のポリマである。一実施形態において、本教示はその実施形態のみに限定されないが、コンプライアント材料は可撓性かつ不活性のポリマである。１つの例として、可撓性かつ不活性のポリマはポリイソブチレンである。理論に束縛されることを望むものではないが、一説明として、コンプライアント材料は電池が電解質で充填され、続く使用の一般的な電気サイクルの後、ゼリーロールに圧縮圧力をかけるのに役立つ。この両者は一般に電極コーティングを膨張させ、又はわずかに剥離させる。製品の最適な寿命を提供するために、電極層にある程度の圧縮圧力を維持し、それらを一緒にしっかりと保持することが望ましい。
別の実施形態において、実質的螺旋状巻回電気化学アセンブリの外側表面３５は、実質的螺旋状巻回電気化学アセンブリの中心軸５０に対して（角度θ４７で）傾いており、この傾きがテーパを構成し、このテーパはそれぞれのセル空洞の壁のテーパと実質的に等しくなるように選択される。
ゼリーロールが主軸にわずかなテーパで巻き付けられた場合、テーパは押し付けられることがあり（代表的な実施形態では約５度であり、本教示はその代表的な実施形態についてのみ限定される）、最も広い部分は電池アセンブリの上部と一致し、最も狭い部分は電池アセンブリの下部と一致している。１つの例として、テーパはプラスチックケースに成形されたテーパと実質的に釣り合うように設計される。金型が開閉する方向で、射出成形部にテーパを付けることで、サイクル時間を速め、金型からの抜出しを容易にすることが一般的である。約５度のテーパ（「ドラフト（ｄｒａｆｔ）」とも呼ばれる）は一般的であるが、本教示はその一般的な例のみに限定されないことに留意すべきである。図１Ｂは主軸５５に巻き付けられたゼリーロールアセンブリ１５を示す。図１Ｃは、内側空間４５に配置されたコンプライアント材料６０を有するゼリーロールアセンブリ１５を示す。
１つの例として、可撓性かつ不活性のポリマはポリイソブチレンである。同様の、可撓性かつ不活性のポリマも本教示の範囲内であることに留意すべきである。
本明細書の以上において開示された本教示のマルチセル電池の実施形態において、いくつかのバーコネクタ（バスバーとも呼ばれる）は、少なくともいくつかの電気化学アセンブリの正電極及び負電極に確実に取り付けられる。少なくとも１つのバーコネクタはそれぞれの正電極に確実に取り付けられ、少なくとも他の１つのバーコネクタはそれぞれの負電極に確実に取り付けられる。１つの例として、正電極（カソード）は集電体としてアルミニウム箔を有し、負電極（アノード）は集電体として銅箔を有する。この例では、本教示はこの例のみに限定されないが、銅アノード箔に接続されたバスバーは、好ましくは銅製であり、これは銅がリチウムと合金化できず、電気抵抗が低い性質を持つからである。アルミニウムカソード箔に接続されたバスバーは、好ましくはアルミニウム製であり、これはアルミニウムが、リチウムイオン電池内部の環境の正電位における腐食に対する耐性があるからである。他の例では、リチウムイオン電池のアノード（−）又はカソード（＋）電極に取り付けられるバスバーは、化学的適合性の観点から、また腐食問題を回避するために選択される、少数の金属種に限定される。バスバーは、電気化学アセンブリに溶接され、溶接はレーザ溶接及び超音波溶接を含む、いくつかの溶接プロセスのうちの１つによって行われる。従来のバスバー溶接技術は、バスバーの電気化学アセンブリへの溶接に適用される。
１以上の実施形態において、電気化学アセンブリのうちの少なくともいくつかは直列に接続される。本教示の電池は少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタを含み、このジョイントコネクタは、１つの電気化学アセンブリの正電極を別の電気化学アセンブリの負電極に接続して、１つの電気化学アセンブリを別の電気化学アセンブリに直列に接続する。二種金属ジョイントコネクタの１つのセクションは、正電極と適合する（コンパティブル：ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）金属を含み、二種金属ジョイントコネクタの別のセクションは負電極と適合する別の金属を含む。２つのセクションは電気的に動作可能に互いに接続される。
１つの例として、二種金属ジョイントコネクタの外部露出した表面は、実質的に耐電解質材料で覆われている。「耐電解質材料」とは、本明細書において使用されるとき、実質的に腐食又は化学的変化のどちらかを引き起こす電位での電解質との接触を防ぐ材料である。正電極（カソード）が集電体としてアルミニウム箔を有し、負電極（アノード）が集電体のカバーを有する例では、本教示はこの例のみに限定されないが、耐電解質材料は、銅を腐食するか、アルミニウムをリチウムと合金化させる電位で、電解質との接触を防ぐ。
一実施形態において、耐電解質材料は耐電解質ポリマである。１つの例として、耐電解質ポリマはポリプロピレンである。別の例において、耐電解質材料はポリイソブチレンである。
図２Ａ及び図２Ｂは本教示の二種金属ジョイントコネクタ７５の実施形態を示す。図２Ａを参照すると、ここで示される実施形態において、第１金属材料（材料Ａとラベルする）の１つのセクション７０は第２金属材料（材料Ｂとラベルする）の別のセクション８０の隣に配置され、セクション８０と電気的に接続される。二種金属ジョイントコネクタ７５の少なくとも一部分は耐電解質材料８５によって覆われる。図２Ｂは、図２ＡでＤＤ’とラベルされた断面の断面図を示す。二種金属ジョイントコネクタ７５の耐電解質材料８５で覆われた部分を、例として、図２Ａ及び２Ｂに示すが、いくつかの他の構成は本教示の範囲内である。
本教示のマルチセル電池の実施形態を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａを参照すると、示された実施形態において、本教示のマルチセル電池は、いくつかのセル空洞１１０を有する容器１０５を含む。サイクルで生じる電極膨張による圧迫に抵抗するため、それぞれのセル空洞の壁を、１つの例として、構造的に補強してもよい。１つの例として、本教示はこの例のみに限定されないが、この囲いはポリマを含んでなる。１つの例として、本教示はこの例のみに限定されないが、このポリマはポリプロピレンである（他の実行可能なポリマとして、ポリエステル及びポリエチレンが挙げられる）。図３Ａに示される実施形態は、いくつかの覆われた電気化学アセンブリ１１５も有し、それぞれの覆われた電気化学アセンブリ１１５は空洞１１０のうちの１つに配置される。それぞれの電気化学アセンブリは正電極及び負電極、並びに１以上のセパレータ材料を有し、１つのセパレータ材料は正電極と負電極との間に配置される（図１Ａ参照）。１つの例として、本教示はこの例のみに限定されないが、覆われた電気化学アセンブリは実質的螺旋状巻回電気化学アセンブリである（「ゼリーロール」アセンブリとも呼ばれる）。１つの例として、ゼリーロールアセンブリはゼリーロールアセンブリの外側表面がテーパを有するように巻き付けられ、このテーパは製造中それぞれの空洞の壁に誘発されるテーパに相当するように選ばれる（図１Ｂ参照）。
バスバー１２０は、電気化学アセンブリのうちの少なくともいくつかにおいて、正電極及び負電極に確実に取り付けられる（示された実施形態においては、１つの正電極及び１つの負電極に）。二種金属ジョイントコネクタ１２５は、隣接した電気化学アセンブリの正電極と負電極との間で直列接続を提供する。端子ポスト１３０はバスバー１２０に確実に取り付けられる。１つの端子ポスト１３０は正電極に取り付けられ、別の端子ポスト１３０は、負電極に取り付けられた別のバスバー１２０に取り付けられる。正電極端子ポストは好ましくは、これに限定されないが、アルミニウム端子ポストである。負電極端子ポストは好ましくは、これに限定されないが、銅、真鍮、又は青銅端子ポストである。
カバー１３５は容器１０５の上に配置される。図３Ａに示される実施形態において、カバー１３５は２つの端子１５０を有し、端子１５０はポスト１３０を受け入れるように構成され、それぞれの端子はポスト１３０の１つの材料と適合する材料で構成される。図３Ａに示される実施形態において、カバー１３５はいくつかの充填口１４０を有し、それぞれの充填口１４０はそれぞれのセル空洞１１０に電解質を提供できるように配置される。充填口１４０を有しないカバー１３５の実施形態も本教示の範囲内であることに留意すべきである（例えば、それぞれの電気化学アセンブリに「パウチセル」構造を利用する電気化学アセンブリ１１５の実施形態では、カバー１３５に充填口がなくてもよい。）。図３Ａに示される実施形態において、カバー１３５はいくつかのストッパ１４５を有する。それぞれのストッパ１４５は充填口１４０のうちの１つを充填するように構成され、定位置で押圧されて、充填口１４０を密封させる。一実施形態において、ストッパ１４５は、１つの例として、ポリマアルミニウム積層物などの金属積層ポリマのいくつかの層を含む。１つの例として、ストッパ１４５は、充填口を密封するために熱板を通して定位置で押圧される。１つの代表的な実施形態において、ストッパ１４５は、リチウムイオンパウチセル電気化学アセンブリのパウチ材料で使用されるものと同様に、約５層のポリマアルミニウム積層物である。１つの例として、カバー１３５は内部金属層を有し、この内部金属層は、実質的に水分に対するバリアとして働く。代表的な実施形態において、この金属層はアルミニウム層である。
図３Ｂは組み立てられたマルチセル電池を示す。カバー１３５は容器１０５に永久的に取り付けられる。１つの代表的な実施形態において、カバー１３５は、カバー及び容器の両者が加熱板（カバー及び容器の材料の融点を超えて加熱される）に露出された後、密封するために一緒に押圧される溶接プロセスにより、永久的に取り付けられる。１つの例として、カバーはそれぞれのセル空洞の間で実質的に液密シールを確立するように構成される。図３に示される実施形態において、実質的密封及び低抵抗接続が、端子１５０とポスト１３０との間で確立される。１つの代表的な実施形態において、溶接、鑞付け又ははんだが、実質的密封及び低抵抗接続を確立するために使用される。レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接は、代表的な実施形態において使用され得る一般的な溶接プロセスである。
一実施形態において、容器は実質的に水分及び蒸気に対するバリアを提供する導電材料層を含む。１つの例として、導電材料層は容器の壁に埋め込まれる（１つの代表的な実施形態において、導電材料層はアルミニウム層であり、この層は厚さ５０マイクロメートルよりも厚い。）。別の例では、導電材料層は容器の外部表面に配置される（この例では、導電材料層は外部表面に堆積させてもよく、外部表面に配置された箔又は外部表面に配置された囲いであってもよい。）。更に別の例では、導電材料層は容器の内部表面に配置される。別の実施形態では、乾燥剤がそれぞれのセル空洞内に配置される。１つの例として、乾燥剤は水分がそれぞれのセル空洞に実質的に存在しないことを更に確実にするために使用される。
図４Ａは、容器１０５の壁に埋め込まれた導電材料１６０の層を示す容器の断面図を示す。図４Ｂは、容器１０５の外部表面に配置された導電材料１６５の層を示す容器１０５の断面図を示す。乾燥剤成分１７０が、それぞれのセル空洞１１０内に示される。図４Ｃは、容器１０５の内部表面に配置された導電材料１７５の層を示す容器の断面図を示す。図４Ｃに示される導電材料層の実施形態に相当するマルチセル電池の実施形態において、電気化学アセンブリは保護外側層（１５５、図３Ａ）を有して、外側電極箔と導電層との接触を防ぐ。
１以上の実施形態において、電気化学アセンブリの電極材料の一方又は両方は、所望の特性、例えば、これに限定されないが、高比容量（レートキャパビリティ：ｒａｔｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）、高エネルギー及び／又は所望のセル電圧を得るために選択される。例えば、有利な特性を有する構造及び材料は、２００９年８月２５日に発行された米国特許第７，５７９，１１２号、２００８年３月４日に発行された米国特許第７，３３８，７３４号、２０１１年５月１０日に発行された米国特許第７，９３９，２０１号、及び２０１１年１１月１５日に発行された米国特許第８，０５７，９３６号に記述され、これら全ては参照によって全体が全ての目的で本明細書に組み込まれる。１つの例として、それぞれの覆われた電気化学アセンブリの正電極は、組成物ＬｉｘＭ’ｙＭ”ａ（ＰＯ４）と所定の比表面積（１つの例として少なくとも約１５ｍ２／ｇ）を有するカンラン石化合物を含み、式中Ｍ’は少なくとも鉄であり、Ｍ”はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ及びＮｉから選択される第１列遷移金属であり、ｘは０以上であり、ａ及びｙは０より大きい。別の例では、それぞれの覆われた電気化学アセンブリの正電極は、所定の比表面積（１つの例として少なくとも約２０ｍ２／ｇ）を有するとともに、１種の遷移金属のみを含むリチウム遷移金属リン酸塩材料を含み、このリチウム遷移金属リン酸塩及びその比表面積は、電池のサイクル中に、少なくとも２つのカンラン石相が共存するように選択され、この２つの共存するカンラン石相は、リチウムリッチな遷移金属リン酸塩相とリチウムプアな遷移金属リン酸塩相とを含み、２相の間のモル体積の差のパーセンテージは、約６．４％よりも小さい。
本教示は以上の開示された実施形態のみに限定されないことに留意すべきである。酸化物ベースのカソードを含む実施形態も本教示の範囲内である。
図３Ａ及び３Ｂに示される実施形態において、適切な電極材料の選択により、それぞれのセルで所定の電圧を得ることができることに留意すべきである。隣接するそれぞれのセルの電気化学アセンブリを直列に接続し、いくつかの電気化学アセンブリ選択することにより、所定の電圧（例えば、この教示に限定されないが、１２ボルト）のマルチセル電池を得ることができる。それぞれのセルが所定の電圧差にさらされたときに、電流を効果的にセパレータに分流できるレドックスシャトルを選択できる。このようなレドックスシャトル及び電極材料の選択により、電池電圧を長期間所定のバランス電圧に維持することにより、セルのバランスを取ることができる本教示の直列接続マルチセル電池の実施形態を得ることができる。
本教示を記述し規定する目的のため、用語「実質的に」は、本明細書において、任意の定量的比較、値、測定、又は他の表現に起因し得る不確実性の固有の程度を表現するために利用されることに留意すべきである。用語「実質的に」は、本明細書において、定量的な表現が、論点の主題の基本機能に変化をもたらすことなく、一定の参照から変化し得る程度を表現するためにも利用される。
発明を様々な実施形態に関して記述したが、本教示は、添付された特許請求の範囲の趣旨及び範囲で、更に他の実施形態の多くの種類に及び得ることを理解すべきである。
Claims (28)
- 電池であって、
いくつかのセル空洞を有する容器と、
いくつかの電気化学アセンブリと、
前記いくつかのセル空洞のうちのそれぞれのセル空洞内の電解質と、
前記容器に配置されるカバーと、
を含み、
それぞれの前記電気化学アセンブリは、覆われ、前記いくつかの電気化学アセンブリの１つは、前記いくつかのセル空洞のそれぞれに配置され、
前記いくつかの電気化学アセンブリはそれぞれ、正電極及び負電極、並びに前記正電極と前記負電極との間のセパレータ材料を含み、
前記電解質は、リチウム塩及びレドックスシャトルを含み、
前記電解質及び電極は、電池動作中に、前記それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間で所定の電圧を提供するように選択され、
前記レドックスシャトルは、それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間の電圧が別の所定の電圧に達するときに、シャトル動作を提供するように選択され、
前記カバーは、前記容器に永久的に取り付けられて、前記カバーと前記容器との間の密封を形成し、
かつ前記カバーは、前記それぞれのセル空洞の間の封止を形成する、電池。 - 請求項１に記載の電池であって、
前記レドックスシャトルは、４以上の電気陰性置換基のある少なくとも１つの芳香環を有する芳香族化合物を含み、２以上の酸素原子が前記少なくとも１つの芳香環に結合し、水素原子は、前記少なくとも１つの芳香環に結合していない、電池。 - 請求項１に記載の電池であって、
前記それぞれの電気化学アセンブリのそれぞれの正電極及びそれぞれの負電極に確実に取り付けられる、いくつかのバーコネクタを更に含み、
少なくとも１つの前記バーコネクタは、前記それぞれの正電極に確実に取り付けられ、別の少なくとも１つの前記バーコネクタは、前記それぞれの負電極に確実に取り付けられる、電池。 - 請求項３に記載の電池であって、
前記それぞれの電気化学アセンブリは、螺旋状巻回電気化学アセンブリを含む、電池。 - 請求項４に記載の電池であって、
前記螺旋状巻回電気化学アセンブリは、内側表面及び外側表面を有し、前記内側表面は、中央空間を規定し、
前記中央空間は、コンプライアント材料で充填され、前記コンプライアント材料は、弾性挙動を有する、電池。 - 請求項５に記載の電池であって、
前記コンプライアント材料は、可撓性かつ不活性のポリマを含む、電池。 - 請求項６に記載の電池であって、
前記可撓性かつ不活性のポリマは、ポリイソブチレンを含む、電池。 - 請求項４に記載の電池であって、
前記螺旋状巻回電気化学アセンブリの外側表面は、前記螺旋状巻回電気化学アセンブリの中心軸に対して傾き、
傾きはテーパを構成し、前記テーパは、前記いくつかのセル空洞のうちのそれぞれのセル空洞の壁のテーパに、等しくなるように選択される、電池。 - 請求項３に記載の電池であって、
前記いくつかの電気化学アセンブリのうちの少なくともいくつかは、直列に接続され、
前記電池は、１つの前記電気化学アセンブリの前記正電極を、前記いくつかの電気化学アセンブリの別の１つの前記負電極に接続して、前記１つの電気化学アセンブリを前記いくつかの電気化学アセンブリの別の１つに直列に接続する少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタを含み、
前記少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタの１つのセクションは、前記正電極と適合する金属を含み、前記二種金属ジョイントコネクタの別のセクションは、前記負電極と適合する別の金属を含み、
前記１つのセクションは、電気的に前記別のセクションに動作可能に接続される、電池。 - 請求項９に記載の電池であって、
前記少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタの外部に露出された表面は、耐電解質材料で覆われている、電池。 - 請求項１０に記載の電池であって、
前記耐電解質材料は、耐電解質ポリマを含む、電池。 - 請求項１１に記載の電池であって、
前記耐電解質ポリマは、ポリプロピレンを含む、電池。 - 請求項１に記載の電池であって、
前記容器は、水分及び蒸気に対するバリアを提供する導電材料層を含む、電池。 - 請求項１３に記載の電池であって、
前記導電材料層は、前記容器の壁に埋め込まれる、電池。 - 請求項１３に記載の電池であって、
前記導電材料層は、前記容器の外部表面に配置される、電池。 - 請求項１３に記載の電池であって、
前記導電材料層は、前記容器の内部表面に配置される、電池。 - 請求項１３に記載の電池であって、
それぞれのセル空洞内に配置される乾燥剤成分を更に含む、電池。 - 請求項１に記載の電池であって、
前記カバーは、前記カバーの内部表面に配置される導電材料層を含み、
前記導電材料層は、水分バリアを提供する、電池。 - 請求項３に記載の電池であって、
前記それぞれの電気化学アセンブリは、螺旋状巻回電気化学アセンブリを含み、前記それぞれの螺旋状巻回電気化学アセンブリは、中空中心を有し、
前記中空中心は、コンプライアント材料で充填され、前記コンプライアント材料は弾性挙動を有し、
前記いくつかの電気化学アセンブリのうちの少なくともいくつかの電気化学アセンブリは、直列に接続され、
前記電池は、１つの電気化学アセンブリの前記正電極を、別の電気化学アセンブリの前記負電極に接続して、前記１つの電気化学アセンブリを前記別の電気化学アセンブリに直列に接続する少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタを含み、
前記少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタの１つのセクションは、前記正電極と適合する金属を含み、前記二種金属ジョイントコネクタの別のセクションは、前記負電極と適合する別の金属を含み、
前記１つのセクションは、電気的に前記別のセクションに動作可能に接続され、
前記少なくとも１つの二種金属ジョイントコネクタの外部に露出された表面は、耐電解質材料で覆われており、
前記容器は、水分及び蒸気に対するバリアを提供する導電材料層を含み、
前記カバーは、前記カバーの内部表面に配置される導電材料層を含み、
前記導電材料層は、水分バリアを提供する、電池。 - 請求項１９に記載の電池であって、
前記それぞれの電気化学アセンブリは、前記いくつかの電気化学アセンブリの別の１つと直列に接続される、電池。 - 請求項２０に記載の電池であって、
前記それぞれの電気化学アセンブリの前記正電極は、組成物ＬｉｘＭ’ｙＭ”ａ（ＰＯ４）（式中Ｍ’は少なくとも鉄であり、Ｍ”はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ及びＮｉから選択される第１列遷移金属であり、ｘは０以上であり、ａ及びｙは０より大きい）及び所定の比表面積を有するカンラン石化合物を含む、電池。 - 請求項２０に記載の電池であって、
前記それぞれの電気化学アセンブリの前記正電極は、所定の比表面積を有するとともに、１つの遷移金属のみを含むリチウム遷移金属リン酸塩材料を含み、前記リチウム遷移金属リン酸塩材料、及び前記比表面積は、電池のサイクル中に、少なくとも２つのカンラン石相が共存するように選択され、この２つの共存するカンラン石相は、リチウムリッチな遷移金属リン酸塩相とリチウムプアな遷移金属リン酸塩相とを含み、２相の間のモル体積の差のパーセンテージは、６．４％よりも小さい、電池。 - 請求項２２に記載の電池であって、
前記所定の比表面積は、少なくとも２０ｍ２／ｇである、電池。 - 請求項１に記載の電池であって、
それぞれの電気化学アセンブリの前記正電極は、組成物ＬｉｘＭ’ｙＭ”ａ（ＰＯ４）（式中Ｍ’は少なくとも鉄であり、Ｍ”はＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ及びＮｉから選択される第１列遷移金属であり、ｘは０以上であり、ａ及びｙは０より大きい）及び所定の比表面積を有するカンラン石化合物を含む、電池。 - 請求項１に記載の電池であって、
それぞれの電気化学アセンブリの前記正電極は、所定の比表面積を有するとともに、１つの遷移金属のみを含むリチウム遷移金属リン酸塩材料を含み、前記リチウム遷移金属リン酸塩材料、及び前記比表面積は、電池のサイクル中に、少なくとも２つのカンラン石相が共存するように選択され、この２つの共存するカンラン石相は、リチウムリッチな遷移金属リン酸塩相とリチウムプアな遷移金属リン酸塩相とを含み、２相の間のモル体積の差のパーセンテージは、６．４％よりも小さい、電池。 - 請求項２５に記載の電池であって、
前記所定の比表面積は、少なくとも２０ｍ２／ｇである、電池。 - マルチセル電池のセルのバランスを取るための電池管理システムの必要性を不要にする方法であって、
カバーにより密封された容器内のいくつかのセル空洞のうちの１つのセル空洞にそれぞれ配置される、いくつかの電気化学アセンブリを提供するステップと、
前記いくつかのセル空洞のうちのそれぞれのセル空洞内の電解質を提供するステップと、
を含み、
前記カバーにより前記いくつかのセル空洞はそれぞれのセル空洞の間が封止され、
前記いくつかの電気化学アセンブリのうちのそれぞれの電気化学アセンブリは、正電極及び負電極、並びに前記正電極と前記負電極との間のセパレータ材料を含み、
前記電解質は、リチウム塩及びレドックスシャトルを含有し、
前記電解質及び電極は、電池動作中に、前記それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間で所定の電圧を提供するように選択され、
前記レドックスシャトルは、前記それぞれのセル空洞内のそれぞれの電気化学アセンブリの両端間の電圧が別の所定の電圧に達するときに、シャトル動作を提供するように選択され、
セルは、電池電圧を更に別の所定の電圧で所定の時間維持することによりバランスが取られ、
前記更に別の所定の電圧は、前記別の所定の電圧に関係する、方法。 - 請求項２７に記載の方法であって、
前記レドックスシャトルは、４以上の電気陰性置換基のある少なくとも１つの芳香環を有する芳香族化合物を含み、２以上の酸素原子が前記芳香環に結合し、水素原子は、前記芳香環に結合していない、方法。
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