JP7280287B2 - 固体ポリマー周縁部絶縁体を有するバイポーラセルを含むバッテリ - Google Patents

Description

背景技術
バッテリは、携帯用電子機器から再生可能電力システムおよび環境に優しい車両に至るまで、様々な科学技術のための電力を供給する。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、バッテリおよび電気モータと燃焼エンジンとを組み合わせて使用して、燃費を向上させる。電気自動車（ＥＶ）は、１つ以上のバッテリにより電力供給された電気モータにより、完全に動力が供給されている。これらのバッテリは、二次元または三次元アレイに配置され、かつ電気的に直列または並列に接続された幾つかの電気化学セルを含み得る。直列接続では、２つ以上のセルそれぞれの正極と負極とが互いに電気的に接続されて、セルの電圧が加算されて、より大きな電圧のセルのバッテリが得られる。例えば、ｎ個のセルが電気的に直列に接続されている場合、バッテリの電圧は、単一セルの電圧にｎを掛けたものになり、ｎは、正の整数である。

個々のセルは、ガス不透過性ハウジングに取り囲まれていることが一般的である。多くの場合、ハウジングは、セルの１つの電極に電気的に接続され得る。セルが互いに電気的に直列に接続されている用途では、例えば、片方のセルの正極と隣接セルの負極との間に接続を形成することによりセルの電圧が加算され、ハウジングは、短絡を防止するために、互いに絶縁される必要がある。しかしながら、バッテリにおいて、セルハウジングおよび対応する絶縁構造体を収容するために使用されるスペースと、これらに使用される材料とにより、バッテリ効率が低下し、製造の複雑性およびコストが増加する。

発明の概要
幾つかの態様では、バッテリは、積層配置された電気化学セルを含む。各電気化学セルは、バイポーラプレートおよび固体電解質層を含む。バイポーラプレートは、基板と、基板の第一表面に形成された第一活物質層と、基板の第二表面に形成された第二活物質層とを含む。第二表面は、第一表面と対向している。第一活物質層は、基板周縁部から離隔されており、かつこれよりも基板の中心の近くに配置された、第一活物質層周縁部を有する。第二活物質層は、第一活物質層を形成するために使用される材料とは異なる材料から形成されている。第二活物質層は、基板周縁部から離隔された第二活物質層周縁部を有する。固体電解質層は、イオン伝導性かつ電気絶縁性である。固体電解質層は、分離部分と、分離部分に隣接した縁部絶縁部分とを含む。分離部分は、所与のセルの第一活物質層と、セル積層方向での隣接セルの第二活物質層との間に配置されており、かつこれらの間のイオン伝導を促進する。縁部絶縁部分は、所与のセルの第一表面と、セル積層方向での隣接セルの第二活物質層との間に配置されている。分離部分および縁部絶縁部分が協働して、第一活物質層をカプセル化する。

幾つかの実施形態では、固体電解質層以外に、積層配置された電気化学セルは、各対の隣接バイポーラプレート間に電気絶縁構造体を含まない。

幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、分離部分よりも基板の中心から離れて配置されており、縁部絶縁部分は、分離部分の周縁を取り囲む。

幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、セルの充電状態に関係なく、分離部分の厚さよりも厚く、かつ第一活物質層、分離部分、および第二活物質層の厚さの合計よりも薄い厚さを有し、ここで厚さは、セルの積層方向に平行な方向の寸法に対応する。

幾つかの実施形態では、分離部分は、イオン伝導性塩を含む材料から形成されており、縁部絶縁部分は、イオン伝導性塩を含まない材料から形成されている。

幾つかの実施形態では、第一活物質層周縁部は、基板周縁部および第二活物質層周縁部の両方よりも基板の中心の近くに配置されている。

幾つかの実施形態では、固体電解質層の周縁部は、第二活物質層周縁部よりも基板の中心に近く、固体電解質層の周縁部は、第一活物質層周縁部よりも基板の中心から離れている。

幾つかの実施形態では、固体電解質層の周縁部は、第二活物質層周縁部および第一活物質層周縁部よりも基板の中心から離れている。

幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、第一表面に固定されている。

幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、分離部分を取り囲み、セルの積層方向に平行な方向で見たときに、枠形状を有する。

幾つかの実施形態では、バッテリは、積層配置されたセルを取り囲むバッテリハウジングを含み、バッテリハウジングは、汚染物質がバッテリハウジングの内部空間に入るのを防止するように構成されている。

幾つかの実施形態では、バッテリハウジングは、ポリマー層間に挟まれた金属箔のラミネートである可撓性材料から形成されている。

幾つかの実施形態では、第一活物質層は、第一表面と協働して、セルカソードを形成し、第二活物質層は、第二表面と協働して、セルアノードを形成する。

幾つかの実施形態では、固体電解質層は、ポリマーから形成されている。

幾つかの実施形態では、固体電解質層は、セラミックから形成されている。

幾つかの実施形態では、固体電解質層は、ポリマーとセラミックとの複合材から形成されている。

幾つかの実施形態では、固体電解質層は、所与のセルに固定されており、かつ隣接セルに対して自由に移動することができるか、または隣接セルに固定されており、かつ所与のセルに対して自由に移動することができる。

幾つかの態様では、バッテリは、積層配置された電気化学セルを含む。各電気化学セルは、バイポーラプレート、固体電解質層、および固体電解質材料である縁部絶縁デバイスを含む。バイポーラプレートは、基板と、基板の第一表面に形成された第一活物質層と、基板の第二表面に形成された第二活物質層とを含む。第二表面は、第一表面と対向している。第一活物質層は、基板周縁部から離隔されており、かつこれよりも基板の中心の近くに配置された、第一活物質層周縁部を有する。第二活物質層は、第一活物質層を形成するために使用される材料とは異なる材料から形成されている。第二活物質層は、基板周縁部から離隔された第二活物質層周縁部を有する。固体電解質層は、固体電解質材料から形成されており、片方のセルの第一活物質層と、片方のセルに隣接したセルの第二活物質層との間に配置されている。縁部絶縁デバイスは、固体電解質材料から形成されており、第一活物質層周縁部を取り囲み、かつ固体電解質層に隣接している。

幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイスは、積層配置された所与のセルの部分を、積層配置された隣接セルの部分から電気的に絶縁するように構成されている。

幾つかの態様では、各セルがガス不透過性ハウジングに取り囲まれている配置は、各セルがセル積層体の隣接セルと直接的な直列接続を形成するように積層された幾つかのハウジングなし単一電気化学セルにより置き換えられる。各セルは、平面形状を有し、対応する活物質層により形成されるほぼ同サイズの平面アノードおよび平面カソードを含む。アノードおよびカソードは、固体電解質層により分離されている（例えば、アノードおよびカソードは、コイルとして巻かれたり、Ｚ折り構成で折り畳まれたりはしない）。さらに、各セルは、片方のセルのカソードと、隣接セルの接続されたアノードとの間に、バイポーラプレートを有する。セル積層体では、直列配置の各カソードは、介在するハウジングなしで、次のアノードに直接電気的に接続されている。バイポーラプレートは、カソードおよびアノードの集電体に置き換えられ、また、アノード活物質とカソード活物質との間の化学反応を防止する。リチウムイオン電池の場合、バイポーラプレートは、例えば、アノードを形成する銅箔を片側に、カソードを形成するアルミニウム箔を反対側に含み得る。これらの箔は、隣接していても、または介在する導電性基板の最外層を形成していてもよい。

幾つかの実施形態では、各電気化学セルは、約３ｍＡｈ／ｃｍ^２のカバー率およびリチウム金属アノードを有し得る。セルの充電に際して、リチウム金属アノードは、アノード上に堆積されたリチウム金属層を生成することにより、層に垂直な方向に、例えば、約１３～１５マイクロメートル（μｍ）膨張する。したがって、セルは、充電と放電との間で、約１３～１５μｍ「呼吸」（例えば、膨張および収縮）する。

これらのセルは、直列接続される場合、それらの活物質層をバイポーラプレートと一緒に互いに非常に近くにして、配列される。例えば、これらの層の間隔は、単にセルの厚さの寸法に相当し得て、４０μｍ～１２０μｍの間であり得る。セル積層体の片方のセルおよび隣接セルのバイポーラプレートも同様に離隔されている。セルは、セル周縁部の絶縁をもたらし、かつデバイスまたはセル自体の損傷なくセル積層体のセルが膨張および収縮することを可能にする、構造を含む。

セル積層体は、セル積層体の隣接バイポーラセル間に直列電気接続を有し、セル積層体の各セルは、固体電解質層を含む。固体電解質層は、活物質層間に配置された分離部分と、分離部分に隣接しており、かつこれを取り囲む縁部絶縁部分とを含む。幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、第一活物質層、例えば、セルカソードに配置され、かつこれをカプセル化している。幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、これをカソードに配置することにより、セルと機械的に組み立てられる。幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分は、例えば接着剤を使用して、所与のセルのバイポーラプレートにのみ固定されており、隣接セルに対しては固定されていない。隣接セルには固定せずに、所与のセルにのみ固定することにより、各セルおよびセル積層体全体が、充電サイクル中に膨張および収縮することが可能になる。さらに、縁部絶縁部分が隣接したセル対の両方のセルに固定された場合に生じ得る、セルの膨張および収縮時に縁部絶縁部分および／またはセル自体が裂ける事態が回避される。

本開示の１つ以上の特徴部、態様、実装、および利点の詳細は、以下で、添付の図面、詳細な説明、および特許請求の範囲に記載されている。

バッテリハウジングと、このバッテリハウジング内に配置されたセル積層体とを含むバッテリの概略断面図である。 図１のセル積層体の周縁部分の断面図である。 図２で破線により特定されるセルの一部の拡大図である。 図２の線３－３に沿って見た図１のセル積層体の概略図である。 代替実施形態のセル積層体の周縁部分の断面図である。 図４の線５－５に沿って見た図４のセル積層体の概略図である。 別の代替実施形態のセル積層体の周縁部分の断面図である。

詳細な説明
図１を参照すると、バッテリ１は、積層配置された電気化学セル３を取り囲むバッテリハウジング２を含む電力生成および貯蔵デバイスである。バッテリハウジング２は、空気、水分、および／または他の汚染物質が、セル３を含む内部空間に入るのを防止するように構成されている。例えば、幾つかの実施形態では、バッテリハウジング２は、可撓性ラミネート材料から形成されており、この可撓性ラミネート材料は、ポリマー層間に挟まれた金属箔を含み、かつ密封ポーチの形態で用意される。

セル３は、リチウムイオン二次電池であり得るが、リチウムイオン電池の化学作用に限定されることはない。セル３は、セルハウジングがなく、概して平面で薄型の形状を有し、積層軸線５に沿って積層され、そのため、各セル３ａは、セル積層体４の隣接セル３ｂと直接的な直列接続を形成する。各セル３は、活物質層３０，４０が対向表面に設けられたバイポーラプレート１２と、隣接セル３ａ，３ｂ間のイオン交換を可能にする一方で、隣接セル３ａ，３ｂの活物質層３０，４０間の電気的接触を防止する固体電解質層５０とを含む。図１および他の図では、セル３を構成する材料層が薄いため、セル３のコンポーネントは、概略的に示され、縮尺通りではない。

図２および図２Ａを参照すると、セル積層体４の周縁の一部が示されている。この図および他の図では、セル積層体４の４つの完全なセル３のみが示されており、図示されているセル３の上方および／または下方の省略記号は、さらなるセルが、図示されているセルの片側または両側に存在することを示すために使用される。バイポーラプレート１２は、プレート状基板２０と、基板２０の第一表面２１に形成されてカソードを形成する第一活物質層３０と、基板２０の対向した第二表面２２に形成されてアノードを形成する第二活物質層４０とを含む。

基板２０は、導電体およびイオン絶縁体であり、第一表面２１を形成する第一金属箔を片側に有し、第二表面２２を形成する第二金属箔を反対側に有するクラッドプレートであり得る（図２Ａに示される）。セル３にリチウムイオン電池の化学作用が用いられる場合、基板２０は、例えば、カソード基板を形成するアルミニウム箔を片側に、アノード基板を形成する銅箔を反対側に含み得る。幾つかの実施形態では、これらの箔は隣接していてもよい。例えば、基板２０は、銅箔を用意し、片側にアルミニウムを蒸着またはめっきすることにより、あるいはアルミニウム箔を用意し、片側に銅を蒸着またはめっきすることにより、実現することが可能である。他の実施形態では、基板２０は、他の対の導電性材料から形成されたおよび／または他の適切な技術により形成されたクラッドプレートであり得る。

さらなる他の実施形態では、基板２０は、介在する導電性基板の対向した最外層を形成する金属箔を含み得る。

さらなる他の実施形態では、基板２０は、導電性材料から形成された固体プレート（例えば、非クラッドかつ単一材料から形成されたプレート）であり得る。例えば、幾つかの実施形態では、基板２０は、固体ニッケル箔または固体ステンレス鋼箔であり得る。

第一活物質層３０は、基板第一表面２１に形成されている。第一活物質層３０は、活物質から形成されている。本明細書で使用される場合、「活物質」という用語は、充電または放電の電気化学反応に関与する、セル内の電気化学的活物質を指す。第一活物質層３０は、基板２０の周縁部２３から離隔されており、かつこれよりも基板２０の中心２４の近くに配置された、第一活物質層周縁部３１を有する。第一表面２１がアルミニウムから形成される実施形態では、第一活物質層３０は、例えば、リチウム化金属酸化物から形成することができ、その際、リチウム化金属酸化物の金属部分は、コバルト、マンガン、ニッケル、またはこれら３つの複合体であり得る。

第二活物質層４０は、基板第二表面２２に形成されている。第二活物質層４０は、第一活物質層３０を形成するために使用される活物質とは異なる活物質から形成されている。第二活物質層４０は、基板周縁部２３から離隔された第二活物質層周縁部４１を有する。特に、第二活物質層周縁部４１は、アノードの縁部における縁部効果および電流集中を回避するために、積層軸線５に平行な軸線に沿って第一活物質層周縁部３１と整列されてはいない。この目的から、第二活物質層周縁部４１は、基板周縁部２３よりも基板２０の中心２４の近くに配置されており、基板周縁部２３と第一活物質層周縁部３１との間に配置されている。第二表面２２が銅から形成されている実施形態では、第二活物質層４０は、例えば、リチウム金属から形成され得る。

固体電解質層５０は、固体電解質、例えば、イオン伝導性かつ電気絶縁性の固体材料から形成され、フィルムとして形成され得る。固体電解質層５０は、分離部分５４と、分離部分５４の周縁に隣接した縁部絶縁部分５６とを含む。分離部分５４は、所与のセル３ａの第一活物質層３０（例えば、第一活物質層３０ａ）と、セル積層方向（例えば、積層軸線５に平行な方向）での隣接セル３ｂの第二活物質層４０（例えば、第二活物質層４０ｂ）との間に配置されており、かつこれらの間のイオン伝導を促進する、固体電解質材料層５０の部分である。

縁部絶縁部分５６は、第一活物質層３０から横方向で外向きに（基板２０の中心２４から離れて）配置されており、かつ固体電解質層周縁部５１を含む、固体電解質材料層５０の部分である。縁部絶縁部分５６は、分離部分５４を取り囲んでおり、したがって、積層軸線５に平行な方向で見たときに、枠形状を有する（図３）。セル積層方向で、縁部絶縁部分５６は、所与のセル３ａの第一表面２１と、隣接セル３ｂの第二活物質層４０，４ｂとの間に存在する。縁部絶縁部分５６は、分離部分５４よりも比較的厚い。しかしながら、縁部絶縁部分５６は、セル３の充電状態に関係なく、第一活物質層３０、分離部分５４、および第二活物質層４０の厚さの合計よりも薄い厚さを有し、ここで厚さは、積層軸線５に平行な方向の寸法に対応する。

分離部分５４および縁部絶縁部分５６が協働して、第一活物質層３０をカプセル化する。特に、固体電解質層５０は、周縁部３１を含む第一活物質層３０を取り囲み、固体電解質層５０の周縁部５１は、第一活物質層周縁部３１よりも基板２０の中心２４から離れており、かつ第二活物質層周縁部４１よりも基板２０の中心に近い。結果として、固体電解質層５０は、第一活物質層３０が空気および水分に接触するのを防止し、かつ所与のセル３ａの第一活物質層３０と隣接セル３ｂの第二活物質層４０との間のイオン伝導体として機能するように構成されている。さらに、その電気絶縁特性を理由に、固体電解質層５０は、隣接セル３ａ，３ｂの基板２０ａ，２０ｂ間の電気的短絡を防止する。固体電解質層５０以外に、積層配置された電気化学セルは、各対の隣接バイポーラプレート間に電気絶縁構造体を含まない。

図示される実施形態では、分離部分５４および縁部絶縁部分５６を含む固体電解質層５０（すなわち、隣接セル３ａ，３ｂの基板２０ａ，２０ｂ間に配置されている固体電解質層５０ａ）は、セル３ａの第一活物質層３０ａに配置されており、かつこれに固定されている。したがって、固体電解質層５０ａは、例えば接着剤または他の適切な方法を使用して、第一活物質層３０ａを介して、片方のセル３ａのバイポーラプレート１２ａの基板２０ａの第一表面２１ａに間接的に固定されている。他方で、固体電解質層５０ａは、隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂに接触しているものの、隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂに固定されてはいない。これは、隣接セル３ａ，３ｂの対のうちの片方のセル３ａにのみ固定されているので、固体電解質層５０ａは、それ自体または隣接セル３ａ，３ｂを損傷させることなく、充電サイクルによるセルの膨張および収縮に対応することができる。

他の実施形態では、分離部分５４および縁部絶縁部分５６を含む固体電解質層５０ａは、隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂに配置されており、かつこれに固定されている。したがって、固体電解質層５０ａは、例えば接着剤または他の適切な方法を使用して、第二活物質層４０ｂを介して、隣接セル３ｂの基板第二表面２２ｂに間接的に固定されている。他方で、固体電解質層５０ｂは、セル３ａの第一活物質層３０ａに接触しているものの、セル３ａの第一活物質層３０ａに固定されてはいない。これは、隣接セル３ａ，３ｂの対のうちの片方のセル３ｂにのみ固定されているので、固体電解質層５０ａは、それ自体または隣接セル３ａ，３ｂを損傷させることなく、充電サイクルによるセルの膨張および収縮に対応することができる。

固体電解質層５０は、隣接セル３ａ，３ｂのバイポーラプレート基板２０ａ，２０ｂが互いに接触して電気的短絡を形成することを防止するのに十分な長さ（例えば、積層軸線５を横切り、かつ第一表面２１に平行な方向の寸法）を有する縁部絶縁部分５６を含む。幾つかの実施形態では、縁部絶縁部分５６の長さは、セルの厚さの３～２０倍であり得る。

幾つかの実施形態では、分離部分５４および縁部絶縁部分５６の両方を含む固体電解質層５０は、例えば、活物質層３０，４０を形成するために使用されるポリマーに類似したポリマーと、活物質層３０，４０を形成するために使用される塩と同一の塩と、カリフォルニア州ヘイワードのSeeo, IncorporatedによりDryLyte（商標）の名称で販売されているような添加剤とを含む固体ポリマー電解質から形成され得る。他の実施形態では、固体ポリマー電解質層５０は、セラミックまたはセラミックとポリマー材料との混合物を含む他の材料から形成され得る。

さらなる他の実施形態では、分離部分５４は、イオン伝導性塩を含む基板材料から形成され得て、縁部絶縁部分５６は、同じ基板材料から形成され得て、かつイオン伝導性塩を含まない。

さらなる他の実施形態では、固体ポリマー層５０は、セラミック、セラミックとポリマーとの複合材、または特定用途に適切な他の材料から形成され得る。

再び図１を参照すると、バッテリ１は、セル積層体４の片方の端部（例えば、第一端部６）に配置された負の端部端子１００を含み、この負の端部端子１００は、セル積層体４の第一端部６で最外セル３に電気的に接続されている。さらに、バッテリ１は、セル積層体４の反対側の端部（例えば、第二端部８）に配置された正の端部端子１１０を含む。正の端部端子１１０は、セル積層体４の第二端部８で最外セル３に電気的に接続されている。

負の端部端子１００は、負の集電体１０２として機能する導電性シート（例えば、銅シート）と、負の集電体１０２のセル積層体側表面に形成された、負の集電体の活物質層１０４とを含む。負の集電体の活物質層１０４には、セル３のアノードを形成するために使用されるのと同じ活物質層が用いられる。リチウムイオン電池の化学作用を対象とする図示される実施形態では、負の集電体の活物質層１０４は、例えば、固体電解質材料内にコーティングされたリチウム金属であり得る。使用時には、負の端部端子１００は、セル積層体４の第一端部６に積層され、そのため、負の集電体の活物質層１０４は、セル積層体４の第一端部６の最外セルの第一活物質層３０に直接接触しており、第一活物質層３０と電気的接続を形成する。

正の端部端子１１０は、正の集電体１１２として機能する導電性シート（例えば、アルミニウムシート）と、正の集電体１１２のセル積層体側表面に形成された、正の集電体の活物質層１１４とを含む。正の集電体の活物質層１１４には、セル３のカソードを形成するために使用されるのと同じ活物質層が用いられる。リチウムイオン電池の化学作用を対象とする図示される実施形態では、正の集電体の活物質層１１４は、例えば、リチウム化金属酸化物であり得る。使用時には、正の端部端子１１０は、セル積層体４の第二端部８に積層され、そのため、正の集電体の活物質層１１４は、固体電解質層５０に接触しており、かつ固体電解質層５０を介して、セル積層体４の第二端部の最外セル３の第二活物質層４０と電気的接続を形成する。

図４および図５を参照すると、代替実施形態であるセル積層体１０４は、図２および図３に関して先に記載されているセル積層体４と類似しており、共通の参照番号は、共通の要素を参照するために使用される。図４および図５の代替実施形態であるセル積層体１０４は、固体電解質層１５０の構成の点で、図２および図３に関して先に記載されているセル積層体４とは異なる。先の実施形態のように、固体電解質層１５０は、分離部分５４および縁部絶縁部分１５６を含む。セル積層体１０４では、縁部絶縁部分１５６は、図２に示される縁部絶縁部分５６の長さよりも大きな長さを有する。特に、図４および図５の縁部絶縁部分１５６は、固体電解質層１５０の周縁部５１が、第一活物質層周縁部３１および第二活物質層周縁部４１の両方よりも基板２０の中心２４から離れているような長さを有する。結果として、固体電解質層１５０は、第一活物質層３０および第二活物質層４０が空気および水分に接触するのを防止し、かつ片方のセル３ａの第一活物質層３０と隣接セル３ｂの第二活物質層４０との間のイオン伝導体として機能するように構成されている。さらに、その電気絶縁特性を理由に、固体電解質層１５０は、隣接セル３ａ，３ｂの基板２０ａ，２０ｂ間の電気的短絡を防止する。固体電解質層１５０以外に、積層配置された電気化学セルは、各対の隣接バイポーラプレート間に電気絶縁構造体を含まない。

幾つかの実施形態では、分離部分５４および縁部絶縁部分１５６を含む固体電解質層１５０ａ（すなわち、隣接セル３ａ，３ｂの基板２０ａ，２０ｂ間に配置されている固体電解質層１５０）は、セル３ａの第一活物質層３０ａに配置されており、かつこれに固定されている。したがって、固体電解質層１５０ａは、例えば接着剤または他の適切な方法を使用して、第一活物質層３０ａを介して、片方のセル３ａのバイポーラプレート１２ａの基板第一表面２１ａに間接的に固定されている。他方で、固体電解質層１５０ａは、隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂおよび基板第二表面２２ｂに接触しているものの、隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂまたは基板第二表面２２ｂに固定されてはいない。これは、隣接セル３ａ，３ｂの対のうちの片方のセル３ａにのみ固定されているので、固体電解質層１５０ａは、それ自体または隣接セル３ａ，３ｂを損傷させることなく、充電サイクルによるセルの膨張および収縮に対応することができる。

他の実施形態では、分離部分５４および縁部絶縁部分１５６を含む固体電解質層１５０ａ（すなわち、隣接セル３ａ，３ｂの基板２０ａ，２０ｂ間に配置されている固体電解質層１５０）は、隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂおよび隣接セル３ｂの基板第二表面２２ｂに配置されており、かつこれらに固定されている。したがって、固体電解質層１５０ａは、例えば接着剤または他の適切な方法を使用して、隣接セル３ｂの基板第二表面２２ｂに直接的および間接的に固定されている。他方で、固体電解質層１５０ａは、セル３ａの第一活物質層３０ａに接触しているものの、セル３ａの第一活物質層３０ａに固定されてはいない。これは、隣接セル３ａ，３ｂの対のうちの片方のセル３ｂにのみ固定されているので、固体電解質層１５０ａは、それ自体または隣接セル３ａ，３ｂを損傷させることなく、充電サイクルによるセルの膨張および収縮に対応することができる。

図６を参照すると、前述のように、固体電解質層５０は、片方のセル（例えば、セル３ａ）の第一活物質層３０または隣接セル（例えば、セル３ｂ）の第二活物質層４０のいずれかに物理的に接触しており、かつこれに直接固定されている一方で、片方のセル３ａの第一活物質層３０および隣接セル３ｂの第二活物質層４０のうちの他方に対しては固定されていない。固体電解質層５０は、片方のセル３ａの第一活物質層３０および隣接セル３ｂの第二活物質層４０の両方には固定されていないので、空気または水分が、固体電解質層５０と、片方のセル３ａの第一活物質層３０または隣接セル３ｂの第二活物質層４０との間でセル３に入る可能性がある。そのことから、幾つかの実施形態では、各セルは、弾性封止デバイス８０を含む。封止デバイス８０は、セル３の周縁に水分不透過性の封止を形成し、片方のセル３ａの基板第一表面２１ａと隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂとの間の隙間ｇ１に配置されている。より具体的には、封止デバイス８０は、片方のセル３ａの基板第一表面２１ａと隣接セル３ｂの第二活物質層４０ｂとの間に配置されており、これらに直接物理的に接触しており、かつこれらと封止を形成する。幾つかの実施形態では、封止デバイス８０は、固体電解質層周縁部５１とも封止を形成するように配置されていてもよい。結果として、封止デバイス８０は、水分および他の汚染物質が固体電解質層５０および電気化学的活物質に接触することを防止するバリアを形成する。さらに、封止デバイス８０が弾性であることに基づいて、かつ封止デバイス８０が固体電解質層周縁部５１に隣接しているため、封止デバイス８０は、周縁部５１を圧縮して電解質層５０ｂがその基板２０ｂから剥がれることを防止する外向きの応力をかけることができる。

封止デバイス８０は、隙間ｇ１を閉じることにより、不透過性をもたらす。封止デバイス８０は、例えば、弾性材料のストリップの形態で設けられていても、または基板第一表面２１に印刷もしくは接着された独立気泡弾性フォームもしくはポリマーの形態で設けられていてもよい。封止デバイス８０は、セル３の周辺に延在し得るため、封止デバイス８０は、セル３の積層方向に平行な方向で見たときに、枠形状を有し得る。

封止デバイス８０は、充電サイクルに関連する膨張および収縮を含む、積層軸線５に平行な方向のセルの寸法変化を補償することを可能にする弾性特性を有する。膨張または収縮の量は、セルの厚さの１０パーセント以上までに相当し得るので、封止デバイス８０は、セルの寸法が変化しても封止を維持するのに十分なほど弾性である必要がある。

充電サイクルによるセルの膨張および収縮に対応するのに十分なほど弾性であることに加えて、封止デバイス８０を形成するために使用される材料はまた、水分を通してはならない。幾つかの実施形態では、封止デバイス８０は、独立気泡弾性フォームの気泡率がセル３の膨張および収縮をセルの厚さの１０パーセント以上まで補償するのに十分である独立気泡弾性フォームラバーであり得る。他の実施形態では、封止デバイス８０は、連続気泡フォームラバーを含むがこれに限定されることはない、特定用途の要件に対処する他の材料から形成することが可能である。

バッテリハウジング２は、密封ポーチの形態で用意される可撓性ラミネート材料から形成されてもよいが、バッテリハウジングは、この構成に限定されることはない。例えば、他の実施形態では、バッテリハウジング２は、剛性材料から形成された角柱形（例えば、長方形）のハウジングであり得る。

先に記載の実施形態は、例示的に示されたものであって、これらの実施形態は、様々な変形形態および代替形態にするのが容易であり得ると理解されたい。さらに、特許請求の範囲は、開示された特定の形態に限定されることを意図するのではなく、むしろ、本開示の趣旨および範囲に該当するすべての変形形態、等価物、および代替物を網羅することを意図すると理解されたい。

Claims (17)

1. 積層配置された電気化学セルを含むバッテリであって、各電気化学セルが、
   基板と、前記基板の第一表面に形成された第一活物質層と、前記基板の第二表面に形成された第二活物質層とを含むバイポーラプレートであって、前記第二表面が前記第一表面と対向しており、前記第一活物質層が、基板周縁部から離隔されており、かつこれよりも前記基板の中心の近くに配置された、第一活物質層周縁部を有し、前記第二活物質層が、前記第一活物質層を形成するために使用される材料とは異なる材料から形成されており、前記第二活物質層が、前記基板周縁部から離隔された第二活物質層周縁部を有する、バイポーラプレートと、
   イオン伝導性かつ電気絶縁性の固体電解質層であって、分離部分および前記分離部分に隣接した縁部絶縁部分を含む固体電解質層と
   を含み、
   前記分離部分が、所与のセルの前記第一活物質層と、セル積層方向での隣接セルの前記第二活物質層との間に配置されており、かつこれらの間のイオン伝導を促進し、
   前記縁部絶縁部分が、前記所与のセルの前記第一表面と、セル積層方向での前記隣接セルの前記第二活物質層との間に配置されており、
   前記分離部分が、イオン伝導性塩を含む材料から形成されており、前記縁部絶縁部分が、イオン伝導性塩を含まない材料から形成されており、
   前記分離部分および前記縁部絶縁部分が協働して、前記第一活物質層をカプセル化し、 前記固体電解質層以外に、前記積層配置された電気化学セルが、各対の隣接バイポーラプレート間に電気絶縁構造体を含まない、バッテリ。
2. 前記縁部絶縁部分が、前記分離部分よりも前記基板の中心から離れて配置されており、前記縁部絶縁部分が、前記分離部分の周縁を取り囲む、請求項１記載のバッテリ。
3. 前記縁部絶縁部分が、前記セルの充電状態に関係なく、前記分離部分の厚さよりも厚く、かつ前記第一活物質層、前記分離部分、および前記第二活物質層の厚さの合計よりも薄い厚さを有し、ここで前記縁部絶縁部分の厚さ、前記分離部分の厚さ、前記第一活物質層の厚さ、および前記第二活物質層の厚さが、前記セルの積層方向に平行な方向の寸法に対応する、請求項１記載のバッテリ。
4. 前記第一活物質層周縁部が、前記基板周縁部および前記第二活物質層周縁部の両方よりも前記基板の中心の近くに配置されている、請求項１記載のバッテリ。
5. 前記固体電解質層の周縁部が、前記第二活物質層周縁部よりも前記基板の中心に近く、前記固体電解質層の周縁部が、前記第一活物質層周縁部よりも前記基板の中心から離れている、請求項１記載のバッテリ。
6. 前記固体電解質層の周縁部が、前記第二活物質層周縁部および前記第一活物質層周縁部よりも前記基板の中心から離れている、請求項１記載のバッテリ。
7. 前記縁部絶縁部分が、前記第一表面に固定されている、請求項１記載のバッテリ。
8. 前記縁部絶縁部分が、前記分離部分を取り囲み、前記セルの積層方向に平行な方向で見たときに、枠形状を有する、請求項１記載のバッテリ。
9. 前記積層配置されたセルを取り囲むバッテリハウジングを含み、前記バッテリハウジングは、汚染物質が前記バッテリハウジングの内部空間に入るのを防止するように構成されている、請求項１記載のバッテリ。
10. 前記バッテリハウジングが、ポリマー層間に挟まれた金属箔のラミネートである可撓性材料から形成されている、請求項９記載のバッテリ。
11. 前記第一活物質層が、前記第一表面と協働して、セルカソードを形成し、前記第二活物質層が、前記第二表面と協働して、セルアノードを形成する、請求項１記載のバッテリ。
12. 前記固体電解質層が、ポリマーから形成されている、請求項１記載のバッテリ。
13. 前記固体電解質層が、セラミックから形成されている、請求項１記載のバッテリ。
14. 前記固体電解質層が、ポリマーとセラミックとの複合材から形成されている、請求項１記載のバッテリ。
15. 前記固体電解質層が、前記所与のセルに固定されており、かつ前記隣接セルに対して自由に移動することができるか、または前記隣接セルに固定されており、かつ前記所与のセルに対して自由に移動することができる、請求項１記載のバッテリ。
16. 前記第一活物質層周縁部を取り囲みかつ前記固体電解質層に隣接している、前記固体電解質材料から形成された前記固体電解質層の縁部絶縁部分を含む、請求項１記載のバッテリ。
17. 前記固体電解質層の縁部絶縁部分が、積層配置された所与のセルの部分を、積層配置された隣接セルの部分から電気的に絶縁するように構成されている、請求項１６記載のバッテリ。

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