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特許7105924位置決め表面特徴部を備える基板を有するバイポーラセルを含むバッテリ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-14
(45)【発行日】2022-07-25
(54)【発明の名称】位置決め表面特徴部を備える基板を有するバイポーラセルを含むバッテリ
(51)【国際特許分類】
H01M 10/04 20060101AFI20220715BHJP
H01M 4/66 20060101ALI20220715BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20220715BHJP
H01M 10/0562 20100101ALI20220715BHJP
H01M 10/0585 20100101ALI20220715BHJP
H01M 50/184 20210101ALI20220715BHJP
【ＦＩ】
H01M10/04 Z
H01M4/66 A
H01M10/052
H01M10/0562
H01M10/0585
H01M50/184 A
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2020566653
(86)(22)【出願日】2019-05-17
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-09-30
(86)【国際出願番号】 EP2019062794
(87)【国際公開番号】W WO2019228825
(87)【国際公開日】2019-12-05
【審査請求日】2020-12-23
(31)【優先権主張番号】62/677,966
(32)【優先日】2018-05-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390023711
【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100135633
【弁理士】
【氏名又は名称】二宮 浩康
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】フローリアン シュミート
(72)【発明者】
【氏名】ラウラ バウアー
(72)【発明者】
【氏名】イェアク ティーレン
(72)【発明者】
【氏名】イェローメ ホーマン
(72)【発明者】
【氏名】スティーヴ スコット
(72)【発明者】
【氏名】ダン シュナイダー
(72)【発明者】
【氏名】ベアント シューマン
(72)【発明者】
【氏名】クリスティアン ディースナー
(72)【発明者】
【氏名】デイヴィッド ノートン
(72)【発明者】
【氏名】ゲイリー モスリー
(72)【発明者】
【氏名】ラルフ アンゲルバウアー
(72)【発明者】
【氏名】マーク コティック
(72)【発明者】
【氏名】アンネ ブーフクレーマー
【審査官】近藤 政克
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０８５２５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１６４６４２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１２／１２４１０８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００６／０６２２０４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００８－５４１３５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２５９３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１０－００３３８３１（ＫＲ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ １０／０４
Ｈ０１Ｍ ４／６６
Ｈ０１Ｍ １０／０５２
Ｈ０１Ｍ １０／０５６２
Ｈ０１Ｍ １０／０５８５
Ｈ０１Ｍ ５０／１８４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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配置された第一活物質層と、前記基板の第二表面に配置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、前記第一活物質層の材料とは異なる材料であり、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、
前記第二活物質層周縁部を含む前記第二活物質層を取り囲むように前記第二表面に配置されたフィルムである、固体電解質層と、
電気絶縁材料のシートを含む縁部絶縁デバイスであって、前記縁部絶縁デバイスが、外側周縁部および内側周縁部を含み、前記縁部絶縁デバイスが、所与のセルの基板周縁部と隣のセルの基板周縁部の間に配置されており、前記外側周縁部が、前記基板周縁部よりも前記基板の中心から離れて配置されている、縁部絶縁デバイスと
を含み、
一対の隣接セルのうちの片方のセルの前記第一表面が、前記バイポーラプレートに対して前記縁部絶縁デバイスを位置決めするように前記縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含むか、または
前記一対の隣接セルのうちの他方のセルの前記第二表面が、前記バイポーラプレートに対して前記縁部絶縁デバイスを位置決めするように前記縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含む、バッテリ。
【請求項2】
前記縁部絶縁デバイスの前記対応特徴部が、前記外側周縁部および前記内側周縁部から離隔された位置に配置された貫通穴を含み、前記基板表面特徴部が、前記貫通穴内に突き出た突出部を含む、請求項１記載のバッテリ。
【請求項3】
前記突出部が、端面、ならびに前記端面と、前記一対の隣接セルのうちの片方のセルの前記第一表面または前記一対の隣接セルのうちの他方のセルの前記第二表面との間に延在する側壁を含み、前記側壁が、直線状であり、前記一対の隣接セルのうちの片方のセルの前記第一表面または前記一対の隣接セルのうちの他方のセルの前記第二表面に垂直であり、
前記貫通穴が、前記縁部絶縁デバイスの対向した幅広の表面間に延在しており、
前記貫通穴の内側表面が、前記対向した幅広の表面に垂直である、請求項２記載のバッテリ。
【請求項4】
前記貫通穴および前記突出部が、前記突出部が嵌合公差で前記貫通穴に収容されるように寸法決めされている、請求項２記載のバッテリ。
【請求項5】
前記突出部が、端面、ならびに前記端面と、前記一対の隣接セルのうちの片方のセルの前記第一表面および前記一対の隣接セルのうちの他方のセルの前記第二表面のうちの１つとの間に延在する側壁を含み、前記側壁が、非直線プロファイルを有し、
前記貫通穴の内側表面が、前記側壁の前記非直線プロファイルを補完する非直線プロファイルを有し、かつ
前記突出部が、前記側壁と前記貫通穴の内側表面との間のスナップフィット係合により前記貫通穴と係合される、請求項２記載のバッテリ。
【請求項6】
前記縁部絶縁デバイスが、前記基板表面特徴部に面するデバイス表面を含み、前記デバイス表面には、くぼみが形成されており、かつ
前記基板表面特徴部が、前記くぼみと係合される突出部を含む、請求項１記載のバッテリ。
【請求項7】
前記一対の隣接セルのうちの片方のセルの前記第一表面または前記一対の隣接セルのうちの他方のセルの前記第二表面が、前記基板周縁部に平行に延在する線に沿って離隔された幾つかの前記基板表面特徴部を含む、請求項１記載のバッテリ。
【請求項8】
前記基板表面特徴部が、前記第一活物質層周縁部と離隔された関係で前記縁部絶縁デバイスの前記内側周縁部を保持するように、前記縁部絶縁デバイスの前記対応特徴部と係合される、請求項１記載のバッテリ。
【請求項9】
前記縁部絶縁デバイスの前記対応特徴部が、前記内側周縁部を含み、かつ前記基板表面特徴部が、前記第一活物質層周縁部よりも前記基板の中心からさらに離れた位置に、前記一対の隣接セルのうちの片方のセルの前記第一表面または前記一対の隣接セルのうちの他方のセルの前記第二表面に配置された突出部を含み、
それにより、
前記縁部絶縁デバイスの内側周縁部および前記突出部が協働して、前記縁部絶縁デバイスの内側周縁部と前記第一活物質層との間に離隔された関係を保持する、請求項１記載のバッテリ。
【請求項10】
前記基板がクラッドプレートであり、ここで、前記第一表面が、導電性の第一材料であり、前記第二表面が、前記第一表面に電気的に接続されており、かつ前記第一材料とは異なる導電性の第二材料である、請求項１記載のバッテリ。
【請求項11】
一緒になってバッテリを形成する積層配置された電気化学セル中に含まれるように構成された電気化学セルであって、前記電気化学セルが、基板と、前記基板の第一表面に配置された第一活物質層と、前記基板の第二表面に配置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、前記第一活物質層の材料とは異なる材料であり、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、
前記第二活物質層周縁部を含む前記第二活物質層を取り囲むように前記第二表面に配置されたフィルムである、固体電解質層と、
電気絶縁材料のシートを含む縁部絶縁デバイスであって、前記縁部絶縁デバイスが、外側周縁部および内側周縁部を含み、前記縁部絶縁デバイスが、前記第一表面に隣接して配置されており、前記外側周縁部が、前記基板周縁部よりも前記基板の中心から離れて配置されており、かつ前記内側周縁部が、前記第二活物質層周縁部よりも前記基板の中心の近くに配置されている、縁部絶縁デバイスと
を含み、
前記第一表面が、前記基板に対して前記縁部絶縁デバイスを位置決めするように前記縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含む、電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
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。
【0002】
個々のセルは、一般的に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。したがって、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。
【0003】
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、固体電解質層、および縁部絶縁デバイスを含む。バイポーラプレートは、基板と、基板の第一表面に配置された第一活物質層と、基板の第二表面に配置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、第一活物質層の材料とは異なる材料である。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、第二活物質層周縁部を含む第二活物質層をカプセル化するように第二表面に配置されている。縁部絶縁デバイスは、電気絶縁材料のシートを含む。縁部絶縁デバイスは、外側周縁部および内側周縁部を含む。縁部絶縁デバイスは、一対の隣接セルの基板の周縁部間に配置されており、外側周縁部は、基板周縁部よりも基板の中心から離れて配置されている。一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面が、バイポーラプレートに対して縁部絶縁デバイスを位置決めするように縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含むか、または一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面が、バイポーラプレートに対して縁部絶縁デバイスを位置決めするように縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含む。
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、基板の第一表面に配置された第一活物質層と、基板の第二表面に配置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、第一活物質層の材料とは異なる材料である。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、第二活物質層周縁部を含む第二活物質層をカプセル化するように第二表面に配置されている。縁部絶縁デバイスは、電気絶縁材料のシートを含む。縁部絶縁デバイスは、外側周縁部および内側周縁部を含む。縁部絶縁デバイスは、一対の隣接セルの基板の周縁部間に配置されており、外側周縁部は、基板周縁部よりも基板の中心から離れて配置されている。一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面が、バイポーラプレートに対して縁部絶縁デバイスを位置決めするように縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含むか、または一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面が、バイポーラプレートに対して縁部絶縁デバイスを位置決めするように縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含む。
【0004】
幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイスの対応特徴部は、外側周縁部および内側周縁部から離隔された位置に配置された貫通穴を含み、基板表面特徴部は、貫通穴内に突き出た突出部を含む。
【0005】
幾つかの実施形態では、突出部は、端面、ならびにこの端面と、一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面または一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面との間に延在する側壁を含む。この側壁は、直線状であり、一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面または一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面に垂直である。貫通穴は、縁部絶縁デバイスの対向した幅広の表面間に延在しており、貫通穴の内側表面は、対向した幅広の表面に垂直である。
【0006】
幾つかの実施形態では、貫通穴および突出部は、突出部が嵌合公差で貫通穴に収容されるように寸法決めされている。
【0007】
幾つかの実施形態では、突出部は、端面、ならびにこの端面と、一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面および一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面のうちの１つとの間に延在する側壁を含む。この側壁は、非直線プロファイルを有する。貫通穴の内側表面は、側壁の非直線プロファイルを補完する非直線プロファイルを有し、突出部は、側壁と貫通穴内側表面との間のスナップフィット係合により貫通穴と係合される。
【0008】
幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイスは、基板表面特徴部に面するデバイス表面を含む。デバイス表面には、くぼみが形成されており、基板表面特徴部は、このくぼみと係合される突出部を含む。
【0009】
幾つかの実施形態では、一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面または一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面は、基板周縁部に平行に延在する線に沿って離隔された幾つかの基板表面特徴部を含む。
【0010】
幾つかの実施形態では、この基板表面特徴部は、第一活物質層周縁部と離隔された関係で縁部絶縁デバイスの内側周縁部を保持するように、縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される。
【0011】
幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイスの対応特徴部は、内側周縁部を含む。さらに、基板表面特徴部は、第一活物質層周縁部よりも基板の中心からさらに離れた位置に、一対の隣接セルのうちの片方のセルの第一表面または一対の隣接セルのうちの他方のセルの第二表面に配置された突出部を含む。結果として、縁部絶縁デバイス内側周縁部および突出部が協働して、縁部絶縁デバイス内側周縁部と第一活物質層との間に離隔された関係を保持する。
【0012】
幾つかの実施形態では、基板はクラッドプレートであり、ここで、第一表面は、導電性の第一材料であり、第二表面は、第一表面に電気的に接続されており、かつ第一材料とは異なる導電性の第二材料である。
【0013】
幾つかの態様では、電気化学セルは、一緒になってバッテリを形成する積層配置された電気化学セル中に含まれるように構成されている。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、基板の第一表面に配置された第一活物質層と、基板の第二表面に配置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、第一活物質層の材料とは異なる材料である。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、第二活物質層周縁部を含む第二活物質層をカプセル化するように第二表面に配置されている。縁部絶縁デバイスは、電気絶縁材料のシートを含む。縁部絶縁デバイスは、外側周縁部および内側周縁部を含む。縁部絶縁デバイスは、第一表面に隣接して配置されており、外側周縁部は、基板周縁部よりも基板の中心から離れて配置されており、かつ内側周縁部は、第二活物質層周縁部よりも基板の中心の近くに配置されている。第一表面は、基板に対して縁部絶縁デバイスを位置決めするように縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合される基板表面特徴部を含む。
【0014】
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、セパレータにより分離された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（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、カソード活物質とアノード活物質との間で化学反応が起こるのを防止する。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。
【0015】
幾つかの実施形態では、各電気化学セルは、約３ｍＡｈ／ｃｍ２の被覆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。
【0016】
これらのセルは、直列接続される場合、それらの電極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。セル積層体の隣接セル間の短絡の発生を回避するために、隣接セル間に縁部絶縁デバイスを含めることにより、片方のセルのバイポーラプレートが隣接セルのバイポーラプレートと接続されることが防止される。より具体的には、縁部絶縁デバイスは、隣接セルのバイポーラプレートの周縁部間に配置されている。縁部絶縁デバイスは、電気絶縁材料から形成されており、隣接セルから各セルを電気的に絶縁するように機能する一方で、セルがサイクル時に、縁部絶縁デバイスまたはセル自体の損傷なく、依然として膨張または収縮することを可能にする。
【0017】
幾つかの態様では、縁部絶縁デバイスの縁部領域は、バイポーラプレートのアノード側およびカソード側のうちの一方に固定されていてもよい。縁部絶縁デバイスの絶縁機能部は、絶縁すべき要素間にこのデバイスを機械的に挿入することにより直接与えられる。縁部絶縁デバイスは、いかなる外部部品が、バイポーラプレート、電極、および電解質に機械的および電気的に接触することも防止する。縁部絶縁デバイスは、バイポーラプレートのアノード側およびカソード側のうちの片方にのみ固定されており、バイポーラプレートのアノード側およびカソード側のうちの他方から切り離されている。例えば、幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイスは、カソード側（例えば、カソード活物質層と同じ側のバイポーラプレート）に固定されており、隣接セルのどのコンポーネントにも固定されていない。他の実施形態では、縁部絶縁デバイスは、アノード活物質層上にある固体電解質の周縁部分に固定されているため、バイポーラプレートに直接固定されてはおらず、これらのバイポーラプレート間に、縁部絶縁デバイスが存在している。
【0018】
幾つかの態様では、縁部絶縁デバイスは、外側周縁部および内側周縁部を含む枠形状を有する。縁部絶縁デバイスは、セルの周縁上にあり、そのため、外側周縁部は、バイポーラプレート周縁部よりもバイポーラプレートの中心から離れて配置されている。縁部絶縁デバイスは、バイポーラプレートに対して縁部絶縁デバイスを位置決めするように縁部絶縁デバイスの対応特徴部と係合するバイポーラプレート表面特徴部を介して、バイポーラプレートに対して所望の位置に保持され得る。
【0019】
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。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】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5】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6】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。
【図7】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。
【図8】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。
【図9】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。
【図15】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。
【図24】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代替実施形態のバッテリの概略断面図である。
【0021】
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。
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。
【0022】
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、縁部絶縁デバイス６０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。
【0023】
縁部絶縁デバイス６０は、隣接セル３ａ，３ｂのバイポーラプレート１２の周縁部１５間に配置されており、片方のセル３ａのバイポーラプレート１５ａを隣接セル３ｂのバイポーラプレート１５ｂから電気的に絶縁するように機能する一方で、セル３がサイクル時に、縁部絶縁デバイス６０またはセル３自体の損傷なく、依然として膨張または収縮することを可能にする。縁部絶縁デバイス６０は、以下でさらに詳細に論じられるように、バイポーラプレート上に形成される表面特徴部と縁部絶縁デバイスとの間の協働により、バイポーラプレート周縁部１５に対して所望の位置に保持することが可能である。以下でさらに論じられるように、各セルは、縁部絶縁デバイス６０と隣接セル３ｂとの間の隙間ｇ１を封止するように構成された弾性封止デバイス８０をさらに含んでいてもよく、それにより、空気および水分がセル３に入ることがさらに防止される。さらに、幾つかの実施形態では、バッテリ１は、以下でさらに説明されるように、各縁部絶縁デバイスの外側周縁部６３を収容して支持する縁部支持枠９０を含んでいてもよい。
【0024】
図２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。図２に見られるように、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。
【0025】
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。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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
第一活物質層３０は、基板の第一表面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。
【0029】
第二活物質層４０は、基板の第二表面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。
【0030】
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、第二活物質層周縁部４１を含む第二活物質層４０をカプセル化するように第二表面２２に配置されている。結果として、固体電解質層５０は、第二活物質層４０が空気および水分に接触するのを防止するように構成されており、かつカソード材料との接触を防止する。さらに、固体電解質層５０は、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。幾つかの実施形態では、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。
【0031】
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。
【0032】
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、固体電解質材料にカプセル化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８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。
【0033】
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、セル積層体４の第二端部の最外セル３の固体電解質層５０に直接接触している。正の集電体の活物質層１１４は、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（例えば、リチウム金属アノード）と電気的接続を形成する。
【0034】
図２～図５を参照すると、縁部絶縁デバイス６０は、電気絶縁材料のシートから形成されており、外側周縁部６３と、外側周縁部６３に囲まれかつこれから離隔された内側周縁部６４とを含む。結果として、縁部絶縁デバイス６０は、セル３の積層方向に平行な方向で見たときに、枠形状を有する。
【0035】
縁部封止デバイス６０は、各セル３に設けられており、隣接セル３ａ，３ｂのバイポーラプレート基板２０の周縁部２３ａ，２３ｂ間に配置されている。各セル３において、外側周縁部６３は、基板周縁部２３から離隔されており、かつこれよりも基板２０の中心２４から離れて配置されている。内側周縁部６４は、基板周縁部２３および第二活物質層周縁部４１から離隔されており、かつこれらよりも基板２０の中心２４の近くに配置されている。さらに、内側周縁部６４は、第一活物質層周縁部３１よりも基板２０の中心２４から遠くに配置されており、それにより、内側周縁部６４は、第一活物質層周縁部３１から離隔されており、かつこれに面している。
【0036】
縁部絶縁デバイス６０は、各対の隣接セル３ａ，３ｂの基板２０ａ，２０ｂ間に配置されると同時に、片方のセル（例えば、セル３ａ）の第一表面２１ａまたは隣接セル（例えば、セル３ｂ）の固体電解質層５０ｂ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、セル３ａの第一表面２１ａおよび隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂのうちの他方に対して自由に移動することができる。
【0037】
例えば、幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイス６０は、片方のセル３ａの第一表面２１ａ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、隣接セル３ｂに対して自由に移動することができ、より具体的には、隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂに対して自由に移動することができる（図２）。縁部絶縁デバイス６０は、任意の適切な方法を使用して、例えば、これらの要素間に接着層を設けることにより、セル３ａの第一表面２１ａに固定されている。
【0038】
他の実施形態では、縁部絶縁デバイス６０は、隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂ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、セル３ａの第一表面２１ａに対して自由に移動することができる（図５）。縁部絶縁デバイス６０は、固体電解質層５０ｂの外側表面の機械的特性（例えば、接着性または粘着性）により隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂに固定されても、または他の方法により、例えば、これらの要素間に接着層を設けることにより隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂに固定されてもよい。
【0039】
縁部絶縁デバイス６０（この場合、６０ａ）は、片方のセルに固定されており、かつ他方のセルに対して移動することができるため、セル３ａ，３ｂは、例えば充電サイクルにより、積層軸線５に平行な方向に自由に膨張および収縮することができ、縁部絶縁デバイス６０およびセル３ａ，３ｂは、片方セルの別のセルに対する相対運動および隣接セル３ａ，３ｂに対する縁部絶縁デバイスの相対運動にもかかわらず、損傷を受けないままである。
【0040】
縁部絶縁デバイス６０は、バイポーラプレート１２の基板２０の周縁部２３に重なっており、外側周縁部６３は、セル３から外向きに配置されている。基板周縁部２３から外側周縁部６３までの距離は、いくらかの変形応力がかかっても異なるセルのバイポーラプレートが互いに接触かつ短絡形成できないほど十分に大きいので、短絡に関連する大電流および熱の生成が回避される。幾つかの実施形態では、基板周縁部２３から外側周縁部６３までの距離は、セルの厚さの３～２０倍以上であり得る。ここで使用される場合、「厚さ」という用語は、セルの積層方向に平行な方向の寸法に対応する。
【0041】
縁部絶縁デバイス６０は、バイポーラプレート１２の基板２０の周縁部２３に重なっており、内側周縁部６６は、セル３の内側に配置されている。基板周縁部２３から内側周縁部６３までの距離は、内側周縁部６３を第一活物質層周縁部３１のできるだけ近くに配置し、その一方で縁部絶縁デバイス６０と第一活物質層周縁部３１との間の接触を防止するのに十分である。縁部絶縁デバイス６０の内側周縁部６６と第一活物質層周縁部３１との間の間隔または隙間ｇ２は、基板の第一側２１に第一活物質層３０を形成する方法から生じる縁部許容値に依存し、この方法は、例えば、パッチプロセスであり得る。幾つかの実施形態では、第一活物質層周縁部３１から内側周縁部６４までの距離（隙間ｇ２）は、縁部許容値の約２倍になるように設定される。例えば、パッチプロセスの許容値が約０．１５ｍｍである場合、第一活物質層周縁部３１から内側周縁部６３までの距離は、約０．３ｍｍに設定される。
【0042】
通常、縁部絶縁デバイス６０は、セルの充電状態に関係なく、セル３の厚さよりも薄い厚さを有する。幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイス６０は、セル３の充電状態に関係なく、第一活物質層３０、固体電解質層５０、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する。これは、縁部絶縁デバイス６０がバイポーラプレート１２の第一表面２１に固定されている実施形態、および縁部絶縁デバイス６０が固体電解質層５０に固定されている実施形態に当てはまる。例えば、充電されたセルがバイポーラプレートなしで８０μｍの厚さを有し、放電されたセルが６５μｍの厚さを有する場合、縁部絶縁デバイス６０は、最も薄い厚さよりも、ここでは厚さ６５μｍよりも３～１０μｍ薄い厚さを有するべきである。したがって、縁部絶縁デバイス６０は、この例では６２μｍ未満、特に５５μｍ未満の厚さを有するべきである。縁部封止デバイスの厚さは、接着剤層または必要な他の固定アセンブリを含むと理解される。
【0043】
幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイス６０は、テープまたはストリップとして設けられている。テープは、まずセルの２つの平行な縁部に沿って、続いて横切る平行な縁部に沿って貼られ得る。この貼り付け方法では、セルの各隅でテープの厚さが２倍になる。他の実施形態では、セルのプロファイルが長方形である場合、縁部絶縁デバイスは、長方形の周辺縁部を収容するために、単純に９０°で折り畳まれている。これによっても、セルの隅で縁部封止デバイスの厚さが２倍になる。縁部絶縁デバイス６０の厚さの要件を決定する際に、セルの隅の厚さの寸法が考慮され、縁部絶縁デバイス６０の２倍の厚さの部分もまた、いずれの充電状態でもセルより薄くなくてはならない。
【0044】
セルがラミネートされている場合、セル積層体４の製造中に、縁部絶縁デバイス６０をセル３間の隙間に挿入することは困難であり得る。そのことから、幾つかの実施形態では、セル３を積層する前に、縁部絶縁デバイス６０は、バイポーラプレートに予め接着されるか、そうでなければこれと一緒に組み立てられる。
【0045】
縁部絶縁デバイス６０は、セルの周縁部を互いに電気的に絶縁するように機能する。この目的から、縁部絶縁デバイス６０を形成するために使用される材料は、膨らまない絶縁ポリマーフィルムであり得る。そのような材料としては、例えば、ポリアルキレンフィルム、または絶縁性が高く吸湿性ではない他の既知の封止材料が挙げられ得る。他の例示的な材料としては、フルオロアルキレンタイプのポリマー、ポリスチレンタイプのポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ポリアクリラート、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、またはそれらの組み合わせが挙げられる。
【0046】
図６～図８を参照すると、前述のように、縁部絶縁デバイス６０は、片方のセル（例えば、セル３ａ）の第一表面２１ａまたは隣接セル（例えば、セル３ｂ）の固体電解質層５０ｂ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、セル３ａの第一表面２１ａおよび隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂのうちの他方に対して自由に移動することができる。幾つかの実施形態では、隙間ｇ１は、縁部絶縁デバイス６０と、この縁部絶縁デバイス６０が相対して自由に移動する構造体との間に形成されている。例えば、縁部絶縁デバイス６０が、片方のセル３ａの第一表面２１ａ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、隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂに対して自由に移動することができる場合、隙間ｇ１は、縁部絶縁デバイス６０と固体電解質層５０ｂとの間に形成され得る。
【0047】
幾つかの実施形態では、各セルは、縁部絶縁デバイス６０に加えて、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する。縁部絶縁デバイス６０が、片方のセル３ａの第一表面２１ａ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、隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂに対して自由に移動することができる実施形態では、封止デバイス８０は、縁部絶縁デバイス６０と隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂとの間の隙間ｇ１に配置されている（図６）。より具体的には、封止デバイス８０は、縁部絶縁デバイス６０と固体電解質層５０ｂとの間に配置されており、かつこれらに直接物理的に接触している。この構成では、封止デバイス８０は、固体電解質層５０ｂの一部（例えば、その周縁部５１）および縁部絶縁デバイス６０を覆っており、固体電解質層５０ｂおよび縁部絶縁デバイス６０それぞれと封止を形成することができる。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５０ｂ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。
【0048】
縁部絶縁デバイス６０が、隣接セル３ｂの固体電解質層５０ｂ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、セル３ａの第一表面２１ａに対して自由に移動することができる実施形態では、封止デバイス８０は、縁部絶縁デバイス６０とセル３ａの第一表面２１ａとの間の隙間ｇ１（ａ）に配置されている（図７）。より具体的には、封止デバイス８０は、縁部絶縁デバイス６０およびセル３ａの第一表面２１ａそれぞれと封止を形成する。幾つかの実施形態では、第二封止デバイス８２が、縁部絶縁デバイス６０と隣接セル３ｂの第二表面２２ｂとの間の隙間ｇ１（ｂ）に配置され得る（図８）。第二封止体８２は、対向した側の縁部絶縁デバイス６０と、隣接セル３ｂの基板２０ｂの第二表面２２ｂとの両方に直接物理的に接触しており、これらと封止を形成する。有利なことに、この構成では、２つの封止デバイス８０，８２により隣接セル３ａ，３ｂを一緒に効果的に接着することができる。
【0049】
封止デバイス８０，８２は、縁部絶縁デバイス６０と隣接セル３ｂのバイポーラプレート１２ｂとの間の隙間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、または縁部絶縁デバイス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８０，８２は、セル３の周辺に延在し得るため、封止デバイス８０，８２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。
【0050】
封止デバイス８０，８２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８０，８２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。
【0051】
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８０，８２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８０，８２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８０，８２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。
【0052】
封止デバイス８０，８２の使用は、液体電解質またはゲルタイプの電解質を有するセル積層体においても有利である。幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイスの上側において、弾性もしくは独立気泡弾性フォームまたはラバータイプのポリマーフィルムの形態のさらなる封止を縁部絶縁デバイスに設けることが適切である。
【0053】
図９～図１３を参照すると、前述のように、縁部絶縁デバイス内側周縁部６４は、積層軸線５を横切る方向で第一活物質層周縁部３１から離隔されており、これらのコンポーネント間の衝突が回避されている。というのも、そのような衝突により、第一活物質層３０が損傷する可能性があるからである。幾つかの実施形態では、バイポーラプレート１２の基板２０は、基板２０に対して縁部絶縁デバイス６０を位置決めするように縁部絶縁デバイス６０と係合する表面特徴部を含み得て、それにより、縁部絶縁デバイス内側周縁部６４と第一活物質層周縁部３１との間の間隔の維持が確実になる。
【0054】
例えば、基板２０の第一表面２１は、第一表面２１に垂直な方向に第一表面２１から外向きに突き出た突出部２５を含み得る（図９）。突出部２５は、積層軸線５に平行な方向で見たときに、円形または楕円形のプロファイルを有し得る。さらに、突出部２５は、端面２６、ならびに端面２６と基板第一表面２１との間に延在する側壁２７を含み得る。突出部２５は、第一表面２１に沿って、基板周縁部２３と縁部絶縁デバイス６０の内側周縁部６４との間に配置されている。縁部絶縁デバイス６０は、突出部２５を収容するように形作られて寸法決めされた貫通穴６６（図１０および図１１）または凹所６８（図１２および図１３）などの対応特徴部を含み得る。貫通穴６６は、縁部絶縁デバイス６０の対向した幅広の表面間に延在しており、外側周縁部６３および内側周縁部６４から離隔された位置に配置されている。突出部２５と貫通穴６６とが係合すると、縁部絶縁デバイス６０は、縁部絶縁デバイス内側周縁部６４と第一活物質層周縁部３１との間の間隔が維持されるように、基板２０に対して位置決めおよび保持される。凹所６８を貫通穴６６と置き換える場合、凹所６８は、形状および機能が貫通穴６６に類似しているが、縁部絶縁デバイス６０の厚さの部分的にのみ延在すると理解される。
【0055】
幾つかの実施形態では、突出部２５は、嵌合公差で貫通穴６６または凹所６８内に収容され得る。あるいは、突出部２５は、圧入で貫通穴６６または凹所６８内に収容され得る。これらの実施形態では、突出部側壁２７は、直線状であり、基板第一表面２１に垂直である。貫通穴６６または凹所６８を通る縁部絶縁デバイスは、直線状であり得てかつ縁部絶縁デバイス６０の対向した幅広の表面に垂直であり得る内側表面６７を含むか（図１０）、あるいは突出部側壁２７と係合する表面特徴部６６ａを含み得る（図１１）。
【0056】
幾つかの実施形態では、突出部２５および／または貫通穴６６もしくは凹所６８は、それらの間に「スナップイン」または「クリックイン」式の機械的接続を形成するように形作られているおよび／または寸法決めされている。これらの実施形態では、突出部側壁２７は、非直線プロファイルを有し得て、貫通穴６６または凹所６８の内側表面６７は、突出部側壁２７の非直線プロファイルを補完する非直線プロファイルを有し得て、突出部２５は、突出部側壁２７と貫通穴内側表面６７との間のスナップフィット係合により貫通穴６６と係合される。図１２に図示される例では、突出部側壁２７および凹所内側表面６７は、基板第一表面２１に対してそれぞれ角度付けられた相補的な形状およびサイズを有する。さらに、凹所開口部は、突出部２５の最も幅の広い寸法よりも小さくなるように寸法決めされており、それにより、突出部２５は、スナップまたはクリックされて凹所内側表面６７と係合する。図１３に図示される例では、突出部側壁２７および凹所内側表面６７は、図１２のものと同様の様式で相補的な形状を有するが、空洞６８内で突出部２５がいくらか移動できるようにサイズ決めされている一方で、空洞６８内に突出部２５を保持するように依然として機能する。
【0057】
図１４を参照すると、各セル３の基板２０は、基板２０の周縁を取り囲むように基板周縁部２３に平行に延在する線に沿って離隔された幾つかの突出部２５を含み得る。
【0058】
図１５および図１６を参照すると、幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイス６０には、貫通穴６６および／または凹所６８がない。これらの実施形態では、バイポーラプレート１２の基板２０は、基板２０に対して縁部絶縁デバイス６０を位置決めするように縁部絶縁デバイス内側周縁部６４と係合する表面特徴部（例えば、突出部１２５）を含み得る。先の実施形態のように、幾つかの突出部１２５は、基板２０の周縁を取り囲むように基板周縁部２３に平行に延在する線に沿って離隔されるように配置されている。突出部１２５は、前述のように、縁部絶縁デバイス６０と第一活物質層３０との間の接触を防止するために、特に縁部絶縁デバイス６０を位置決めして、縁部絶縁デバイス６０の内側周縁部６４と第一活物質層周縁部３１との間の間隔を維持するために、縁部絶縁デバイス内側周縁部６４と第一活物質層周縁部３１との間に配置されている。
【0059】
図１７を参照すると、幾つかの実施形態では、縁部絶縁デバイス内側周縁部６４は、基板第一表面２１に形成された代替実施形態である表面特徴部２２５と協働している。例えば、代替実施形態である表面特徴部２２５は、前述のように、基板第一表面２１から突出しており、かつ縁部絶縁デバイス６０の内側周縁部６６と第一活物質層周縁部３１との間の間隔を維持するように配置された、枠状の縁であり得る。縁２２５は、縁部絶縁デバイス６０の周縁に沿って連続的に（図示されている）または非連続的に（図示せず）延在し得る。
【0060】
図１８を参照すると、基板２０は、特定の用途において必要な場合、縁部絶縁デバイス６０の対応する表面特徴部６６と係合する位置決め表面特徴部２５と、縁部絶縁デバイス６０の内側周縁部６４と係合する位置決め表面特徴部１２５との両方を含み得る。
【0061】
本明細書では、位置決め表面特徴部２５，１２５は、縁部絶縁デバイス６０が結合しているセル３（セル３ａ）の第一表面２１（すなわち、第一表面２１ａ）に形成されるものとして説明してきたが、位置決め表面特徴部２５，１２５は、代替的には、隣接セル３ｂの基板２０ｂ（すなわち、第二表面２２ｂ）に形成され得ると理解される。
【0062】
突出部２５，１２５は、基板表面の一体部分であっても、またはその上に形成されていてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、突出部２５，１２５は、スクリーン印刷プロセスにおいて基板表面に形成され得る。
【0063】
図１９を参照すると、幾つかの実施形態では、位置決め特徴部２５，６６は、独立気泡フォームラバーまたは弾性周辺ストリップ（図示せず）から形成され得る弾性アドオンパッド８６と組み合わされ得る。パッド８６は、セル３ａの基板２０ａおよび／または隣接セル３ｂの基板２０ｂと組み合わさって、縁部絶縁デバイス６０、したがってセル３の縁部を弾性的に固定して封止するように機能する。
【0064】
図２０を参照すると、幾つかの実施形態では、各縁部絶縁デバイス６０の外側周縁部６３を収容して支持し、かつ隣接セルの縁部絶縁デバイス外側周縁部６３に対して積層軸線５に平行な方向で離隔された関係で、各外側周縁部６３を維持し、かつ縁部封止デバイス６０の縁部の周縁に封止を形成する支持枠９０が設けられている。支持枠９０は、バッテリハウジング２の内側に配置されており、隙間ｇ３が支持枠９０と基板周縁部２３との間に存在するようにセル積層体４を取り囲む。
【0065】
支持枠９０は、縁部封止テープ（図示せず）または厚いフォーム部材９１（図２０）として実現され得る。フォーム部材９１は、空気および水分不透過性であり、セル積層体４の周辺に延在しており、またセル積層体４の両端を取り囲むことができ、それにより、セル３は、バッテリ１の環境から離れて封止される。
【0066】
支持枠９０は、セル積層体４の各縁部絶縁デバイス６０の外側周縁部６３を収容して支持する。幾つかの実施形態では、フォーム部材９１は弾性である。特に、フォーム部材９１は、例えば充電サイクルによる積層軸線５に平行な方向のセル積層体４の膨張および収縮を補償するのに十分なほど弾性である。支持枠９０は、隣接セル３の縁部絶縁デバイス６０の各外側周縁部６３間の離隔された関係を維持するように構成されている一方で、縁部絶縁デバイス６０の部分６９は拘束しないままである。縁部絶縁デバイス６０の非拘束部分６９は、セル３の外側に存在する、例えば、基板２０の周縁部２３を超えて支持枠９０に対して内側に存在する部分である。
【0067】
図２１を参照すると、縁部絶縁デバイス６３が、セルの厚さの約１００～１０００倍以上の距離で基板周縁部２３を超えて外向きに延在する実施形態では、フォーム部材９１は、弾性がより低いまたは非弾性の材料から形成され得て、接着剤、ポリマー、またはセラミックポリマーハイブリッド封止剤からなる絶縁材料を含み得る。さらに、縁部絶縁デバイス６０の非拘束部分６９は、バッテリ１を積層軸線５に平行な断面で見たときに、湾曲していてもよい。したがって、縁部絶縁デバイス６０は、１種の折り畳まれた波形を有し得る。曲線または波形を形成するために使用される過剰な材料が、支持枠９０に対する積層軸線５に平行な方向のセル３の膨張および収縮を補償するために使用され、したがって、フォーム部材９１が非弾性である場合に生成されるであろう引張応力の生成が回避され、縁部絶縁デバイス外側周縁部６３が積層軸線５に平行な方向に移動することが防止される。
【0068】
他の実施形態では、セル積層体４の片方のセル３の縁部絶縁デバイス６０の非拘束部分６９は、セル積層体４の別のセル３の縁部絶縁デバイス６０の非拘束部分６９の長さとは異なる長さを有し得る。本明細書で使用される場合、非拘束部分６９の長さとは、支持枠９０の内側表面と、対応する基板２０の周縁部２３との間の距離である。例えば、セル積層体４の中心（例えば、セル積層体の第一端部６と第二端部８との間の中間）に配置されたセル３の非拘束部分６９は、セル積層体４の第一端部６または第二端部８のいずれかに配置されたセル３の非拘束部分６９よりも短い長さを有し得る。様々な長さの非拘束部分６９を有する縁部絶縁デバイス６０を設けることにより、セル積層体４の中央よりもセル積層体４の端部６，８で比較的大きな変位を経験するセル積層体４は、セルの充電サイクルによる積層軸線５に平行な方向のセル積層体の膨張および収縮を容易に収容することができる。
【0069】
幾つかの実施形態では、各セル３の縁部絶縁デバイス６０の外側周縁部６３は、支持枠９０に固定されている。さらに、縁部絶縁デバイス６０の長さ（例えば、外側周縁部６３と内側周縁部６４との間の距離）は、支持枠９０および縁部絶縁デバイス６０が協働して、縁部絶縁デバイス内側周縁部６４と第一活物質層周縁部３１との間に所望の間隔を維持するように、設定されている。縁部絶縁デバイス６０は、支持枠９０に固定されているので、縁部絶縁デバイス６０は、第一活物質層３０との衝突が防止される。したがって、支持枠９０を用いるバッテリ１は、任意選択的に、図９および図１５に関して先に記載されている位置決め特徴部２５，１２５なしで形成され得る。
【0070】
図２２および図２３を参照すると、支持枠９０は、任意選択的に、剛性でありかつフォーム部材９１を取り囲む外側枠部材９２を含み得る。外側枠部材９２は、バッテリハウジング２によるフォーム部材９１の圧縮を防止するように機能する。幾つかの実施形態、例えば、フォーム部材９１が弾性材料から形成されている実施形態では、外側枠部材９２は、外側枠部材９２が積層軸線５に平行な方向に膨張することを可能にする特徴部を有し得る。そのような特徴部は、重なり合った２つの剛性外側枠半分９３，９４のアセンブリとしての外側枠部材９２を設けることを含み得る（図２３）。他の実施形態、例えば、フォーム部材９１が非弾性材料から形成されている実施形態では、外側枠部材９２は、剛性でありかつ積層軸線５に平行な方向に膨張することができない単一構造体であり得る（図２２）。
【0071】
図２４を参照すると、代替実施形態であるバッテリ２００は、図１に関して先に記載されているバッテリ１００に類似しており、共通の要素は、共通の参照番号を使用して参照される。バッテリ２００は、積層配置された電気化学セル２０３を封入している。セル２０３は、セル２０３が縁部絶縁デバイス６０を含まないことを除いて、先に記載のセル３と同一である。代わりに、絶縁テープ２６０が、各基板２０および各集電体１０２，１１２の周縁部２３に貼られており、これらの構造体の周縁全体に沿って延在している。
【0072】
例えば、幾つかの実施形態では、テープ２６０は、薄い柔軟な電気絶縁体であり、テープの片方の表面に接着剤が施与されている。例えば、テープ２６０は、接着剤が裏打ちされたポリアミドテープ、例えば、Kapton（商標）テープであり得る。Kapton（商標）は、E. I. du Pont de Nemours and Companyの登録商標である。接着表面は、テープ２６０を導電体（例えば、基板２０および集電体１０２，１１２）に固定するために使用される。テープ２６０は、導電体の片方の表面にのみ貼られ得るが、第一表面および第二表面２１，２２の周縁、ならびに示される導電体の切断表面または縁部表面を覆うように導電体の縁部に巻き付けると、より効果的である。さらに、テープ２６０は、導電体のみを覆い、固体電解質層５０または活物質層３０，４０は覆わないものとして図示されているが、固体電解質層５０または活物質層３０，４０も、必要に応じてテープ２６０で部分的に覆うことができると考えられる。
【0073】
本明細書では、縁部絶縁デバイス６０は、固体電解質５０を有するセルの一部として説明してきたが、縁部絶縁デバイス６０は、このタイプのセルに限定されることはない。例えば、縁部絶縁デバイス６０は、半固体セルにおいて、例えば、粘度のより高いかつ流動特性のより低いゲル電解質を有するセルにおいて、有利に使用することができる。縁部絶縁デバイス６０は、縁部封止デバイスの上側のさらなる液体封止弾性フィルムとともに、液体電解質を有するセルにおいて使用することもできる。弾性液体電解質封止層としては、シリコーンゲルおよびポリマーが適している。
【0074】
本明細書に記載の実施形態では、固体電解質層５０は、電気化学セル３のアノードを形成するものと説明される第二活物質層４０をカプセル化するように第二表面２２に配置されている。しかしながら、他の実施形態では、固体電解質層５０は、電気化学セル３のカソードを形成する第一活物質層３０をカプセル化するように構成され得る。
【0075】
図５に図示される実施形態では、固体電解質５０は、アノード活物質層４０上にあり、縁部絶縁デバイス６０は、固体電解質５０の周縁部分に直接固定されている。ただし、セル３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、固体電解質５０は、カソード活物質層３０上にあってもよく、縁部絶縁デバイス６０は、固体電解質５０の周縁部分に直接固定されていてもよい。いずれの場合も、カソード活物質層３０は、活物質層３０への応力を防止するために、したがって、例えば対応する基板からこれを取り外すことによる損傷を防止するために、縁部絶縁デバイス６０に接触していない。
【0076】
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。
【図1】
【図2】
【図2A】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】