(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】2023-12-07
(45)【発行日】2023-12-15
(54)【発明の名称】電気化学セルの性能を増強する方法
(51)【国際特許分類】
H01M 10/44 20060101AFI20231208BHJP
【ＦＩ】
H01M10/44 P
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2021538312
(86)(22)【出願日】2020-01-06
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-21
(86)【国際出願番号】 EP2020050145
(87)【国際公開番号】W WO2020144142
(87)【国際公開日】2020-07-16
【審査請求日】2022-12-20
(31)【優先権主張番号】1900171.8
(32)【優先日】2019-01-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】507299817
【氏名又は名称】ユーシーエル ビジネス リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】ヒーナン，トーマス
(72)【発明者】
【氏名】シアリング，ポール
(72)【発明者】
【氏名】ブレット，ダニエル
(72)【発明者】
【氏名】タン，チュン
【審査官】高野 誠治
(56)【参考文献】
【文献】特開平０６－０８４５４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０１７８８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３１５５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－３０６４８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１１１１６１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１６－５２２９６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２６１００８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３６５６００（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１５９２９３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００４／０２００７３１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ １０／０５ －１０／０５８７
１０／３６ －１０／４８
Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２
７／３４ － ７／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の電極及び第２の電極並びに前記第１の電極と前記第２の電極との間の電解質を有する電気化学セルの性能を増強する方法であって、前記第１及び第２の電極は、電流経路を画定し、前記方法は、前記電気化学セルに加えて、前記電気化学セルを通る変化する磁場を生成する磁場生成器を提供することを含み、前記変化する磁場は、パルス化磁場である、方法。
【請求項2】
前記変化する磁場は、前記電流経路と垂直な成分を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記変化する磁場は、回転磁場である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記磁場は、前記電流経路に平行な軸の周りで回転する、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記変化する磁場は、振動磁場である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記電気化学セルは、バッテリーである、請求項１～５の何れか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記バッテリーは、陽イオンバッテリーであり、及び前記電流経路は、陽イオンの移動方向である、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記磁場は、永久磁石、又は一時磁石、又は電磁石によって提供される、請求項１～７の何れか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記電解質は、有機である、請求項１～８の何れか一項に記載の方法。
【請求項10】
電気化学セルの性能を増強するためのシステムであって、請求項１～９の何れか一項に記載の方法を実行するように構成されているシステム。
【請求項11】
電気化学セルを充電する方法であって、請求項１～９の何れか一項に記載の方法を実施しながら、電源から前記電気化学セルに電流又は電圧を提供するステップを含む方法。
【請求項12】
電気化学セルを放電する方法であって、請求項１～９の何れか一項に記載の方法を実施しながら、前記電気化学セルから電流又は電圧を抽出するステップを含む方法。
【請求項13】
電気化学セルの容量を増強する方法であって、請求項１～９の何れか一項に記載の方法を実施しながら、電気化学セルを形成するステップを含む方法。
【請求項14】
電気化学セルの容量を増強する方法であって、請求項１～９の何れか一項に記載の方法を実施しながら、電気化学セルを充電又は放電するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
発明の分野
本発明は、電気化学セルの性能に関し、特に、限定するものではないが、充電及び放電の速度並びに電気化学セルの容量を向上させることに関する。
本発明は、電気化学セルの性能に関し、特に、限定するものではないが、充電及び放電の速度並びに電気化学セルの容量を向上させることに関する。
【背景技術】
【0002】
背景
電気化学セルは、多くの電気システム、特に携帯電話及びラップトップなどの可搬型デバイス並びに更に気自動車にとって不可欠である。
電気化学セルは、多くの電気システム、特に携帯電話及びラップトップなどの可搬型デバイス並びに更に気自動車にとって不可欠である。
【0003】
電子機器／車両の可搬性は、セルの性能に依存する。一般的に、機器／車両が外部電源から独立して動作できる時間と、機器／車両が充電のために外部電源に接続していなければならない時間との比率を高めるために、容量が大きく、充電時間が短いセルを有することが望ましい。
【0004】
様々な種類及び構成の電気化学セルをサイズ、形状、電圧、電流及び他の要件に基づいて選択することができる。セルの一般的な形状の例としては、パウチセル、円筒形セル、スウェージロック（Swagelok）セル及びコインセルがある。セルをバッテリーに接続して、アプリケーションに適した電圧及び／又は電流を提供することもできる。
【0005】
セルがあまりに速く充電されると、多くの望ましくない動作状態が発生し得る。例えば、樹枝状結晶の形成、金属めっき及び電流ホットスポットなどがそうであり、これらは、それぞれ短絡及びセルの損傷を引き起こす可能性を潜在的に高め得る。
【0006】
過充電を回避しながら、セルを迅速に充電する一般的な方法は、セル内で所定の電圧に達するまで、第１の充電段階において一定の電流を供給し、次いで第２の充電段階において、セルの容量を確実に一杯にするために、電流が減衰する間、電圧を一定に保持することである。第１の充電段階は、セル内の充電を急速に増加させるが、第２の充電段階は、よりゆっくりしている。
【0007】
Ｃレートは、セルの充電又は放電のレートの尺度であり、電流を容量で割ったものであり、単位は、１時間当たりである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、上記の考慮事項に照らし合わせて考案されたものである。
【0009】
発明の概要
本発明は、第１の電極及び第２の電極並びに第１の電極と第２の電極との間の電解質を有する電気化学セルの性能を増強する方法を提供し、第１及び第２の電極は、電流経路を画定し、この方法は、セルを通る変化する磁場を提供することを含む。
本発明は、第１の電極及び第２の電極並びに第１の電極と第２の電極との間の電解質を有する電気化学セルの性能を増強する方法を提供し、第１及び第２の電極は、電流経路を画定し、この方法は、セルを通る変化する磁場を提供することを含む。
【0010】
変化する磁場は、電気化学セル内のイオン輸送を支援し、それによりバッテリーの性能が向上することを意味する。任意選択的に、セルは、電極間にセパレータを含み得る。イオン輸送は、電解質、及び／又は電極、及び／又はセパレータ内で改善され得る。セルを通る変化する磁場とは、セルにおける磁束の大きさ、及び／又は方向、及び／又は分布が時間の経過と共に変化することを意味する。
【0011】
上記の方法を使用して向上させることができるセルの特性の１つは、セルの充電速度である。セル内のイオン輸送は、充電中の律速過程であることが多いため、イオン輸送を支援することにより、セルの充電が加速する。上記の方法を使用して向上させることができるセルの別の特性は、放電速度であり、なぜなら、イオン輸送は、充電中と同様の方法で改善されるからである。上記の方法を使用して向上させることができるセルの別の特性は、セルの容量である。これは、セルの形成中又は動作中にセルに対して上記の方法を行うことによって達成することができる。
【0012】
変化する磁場は、回転磁場、及び／又は振動磁場、及び／又はパルス化磁場であり得る。
【0013】
変化する磁場は、電流経路と垂直な成分を有する方向を有し得る。変化する磁場は、電流経路と平行な成分を有する方向を有し得る。
【0014】
磁場の回転は、磁場の方向に垂直な成分を有する軸の周りのものであり得る。磁場の回転は、磁場の方向に平行な成分を有する軸の周りのものであり得る。
【0015】
磁場の回転は、電流経路の方向に垂直な成分を有する軸の周りのものであり得る。磁場の回転は、電流経路の方向に平行な成分を有する軸の周りのものであり得る。
【0016】
回転磁場は、スピンする永久磁石、若しくは一時磁石、若しくは電磁石によって提供され得るか、又は磁場を効果的に回転させるように順次活性化される電磁石のアレイによって提供され得る。
【0017】
電気化学セルは、バッテリーであり得る。バッテリーは、コインセル、円筒形セル、角柱セル又はパウチセルであり得る。
【0018】
バッテリーは、陽イオンバッテリーであり得、及び電流経路は、陽イオンの移動方向であり得る。バッテリーは、リチウムイオンバッテリーであり得る。代わりに、バッテリーは、陰イオンバッテリーであり得、及び電流経路は、陰イオンの移動方向であり得る。
【0019】
セルは、電気自動車、携帯電話、ラップトップコンピュータ、タブレット又は他の携帯型若しくは据え置き型の機器に電力を供給するためのものであり得る。セルは、燃料電池であり得る。
【0020】
電気化学セルは、２つ以上のセルのアレイの一部であり得る。
【0021】
磁場は、永久磁石、又は一時磁石、又は電磁石によって提供され得る。
【0022】
電解質は、固体、液体又はゲルであり得る。特に、電解質は、有機電解質を含む非水性であり得る。
【0023】
変化する磁場を生成するために磁場生成器が設けられ得る。磁場生成器は、セルの内部又はセルの外部にあり得る。
【0024】
別の態様では、本発明は、電気化学セルの性能を増強するための充電加速器を提供し、この機器は、上述した電気化学セルの性能を増強する方法を実行するように構成されている。
【0025】
別の態様では、本発明は、電気化学セルを充電する方法であって、上述した電気化学セルの性能を増強する方法を実施しながら、電源からセルに電流又は電圧を供給するステップを含む方法を提供する。本開示では、セルを充電することは、電流若しくは電圧によって課されるにせよ、又はイオンの自然発生的な運動によって課されるにせよ、セル内でイオンを移動させることを含む。
【0026】
別の態様では、本発明は、電気化学セルを放電する方法であって、上述した電気化学セルの性能を増強する方法を実施しながら、セルから電流又は電圧を抽出するステップを含む方法を提供する。
【0027】
別の態様では、本発明は、電気化学セルの容量を増加させる方法であって、上述した電気化学セルの性能を増強する方法を実施しながら、電気化学セル形成するステップを含むか、又は電気化学セルの動作中のものである方法を提供する。
【0028】
本発明は、記載した態様と好ましい特徴との組み合わせを含むが、そのような組み合わせが明らかに許容されないか又は明示的に回避されている場合を除く。
【0029】
図の概要
ここで、本発明の原理を示す実施形態及び実験について、添付の図面を参照しながら考察する。
ここで、本発明の原理を示す実施形態及び実験について、添付の図面を参照しながら考察する。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】セルの性能を増強する際に使用される装置の例示的な構成の側面図を示す。
【図2A】パウチセルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。断面側面図を示す。
【図2B】パウチセルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。上面図を示す。
【図3】パウチセルの経時的なセル容量を示し、この場合、パウチセルは、（ｉ）変化する磁場を用いて（破線）、及び（ｉｉ）不変の磁場を用いて（実線）、４．２Ｖに達するまで、３．４Ｖから４．２Ｖまで０．８４１Ａで充電され、その後、電流が減衰し且つ容量に達する間、一定の電圧に維持された。
【図4】パウチセルの経時的な電流及び電圧を示し、パウチセルは、（ｉ）回転磁場の存在下において（破線）、及び（ｉｉ）不変の磁場を用いて（実線）、４．２Ｖに達するまで、３．４Ｖから４．２Ｖまで０．８４１Ａで充電され、その後、電流が減衰し且つ容量に達する間、一定の電圧に維持された。
【図5】パウチセルの経時的なセル容量を示し、この場合、パウチセルは、（ｉ）回転磁場の存在下において（破線）、及び（ｉｉ）不変の磁場を用いて（実線）、４．２Ｖに達するまで、３．４Ｖから４．２Ｖまで０．８４１Ａで充電され、その後、電流が減衰し且つ容量に達する間、一定の電圧に維持された。
【図6】回転磁場を用いた及び不変の磁場を用いたサイクルにおける４００ｍＡｈパウチセルの充電速度を示す。
【図8】回転磁場を用いた及び不変の磁場を用いた４Ｃでの２００ｍＡｈパウチセルの充電速度を示す。
【図10A】スウェージロック型セルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。断面側面図を示す。
【図10B】スウェージロック型セルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。上面図を示す。
【図11】回転磁場を用いて及び不変の磁場を用いて、ＬＭＯ／グラファイトスウェージロックセルに対して行われた、１Ｃ、２Ｃ及び３Ｃでの充電の速度を示す。
【図13A】円筒型セルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。線Ａ－Ａに沿った断面図を示す。
【図13B】円筒型セルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。線Ｂ－Ｂに沿った断面側面図を示す。
【図13C】円筒型セルの性能を増強するために使用される例示的な構成の図を示す。上面図を示す。
【図14】回転磁場及び互いに９０度離れた２つの方向に向けられているセルを用いた並びに不変の磁場を用いたサイクルでの円筒形2190mAh LG18650の充電速度を示す。
【発明を実施するための形態】
【0031】
発明の詳細な説明
ここで、本発明の態様及び実施形態について、添付の図面を参照しながら考察する。更なる態様及び実施形態が当業者に明らかになるであろう。この本文で言及された全ての文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
ここで、本発明の態様及び実施形態について、添付の図面を参照しながら考察する。更なる態様及び実施形態が当業者に明らかになるであろう。この本文で言及された全ての文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0032】
図１に示した装置の構成を使用して、充電又は放電している間のセル１の性能を強化及び監視することができる。セル１は、回転磁場生成器２の上部に配置される。セル１は、端子４を介してポテンシオスタット及びコンピュータ３に接続されている。ポテンシオスタットは、セル１にわたる電位を制御し、セル１を充電又は放電することができる。コンピュータは、セル１の電流、及び／又は容量、及び／又は電圧を監視する。回転磁場生成器２は、セル１を通る回転磁場を提供する。
【0033】
この構成は、セルを試験するために使用することができるが、セル１の監視が必要でない場合、ポテンシオスタット、コンピュータ３及び端子４は、取り外され、且つ任意選択的にセルの充電又は放電のために電源又はドレインと置き換えられ得る。
【0034】
図１の構成では、セル１は、回転磁場生成器２の上部に配置されているが、本発明の他の実施形態では、セル１及び回転磁場生成器２は、回転磁場生成器２がセル１を通る磁場を生成できる限り、異なる向きにされ得る。
【0035】
磁場の回転は、生成される磁場の方向と実質的に平行な軸の周りのものであり得る。例えば、セル１内で生成される磁場の方向は、磁場生成器２とセル１との間の方向に実質的に平行であり得、磁場の回転は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、磁場生成器２とセル１との間の方向に平行な軸の周りのものであり得る。
【0036】
代わりに、磁場の回転は、生成される磁場の方向と実質的に垂直な軸の周りのものであり得る。例えば、セル１内で生成される磁場の方向は、磁場生成器２とセル１との間の方向に実質的に垂直であり得、磁場の回転は、磁場生成器２とセル１との間の方向に平行な軸の周りのものであり得る。
【0037】
図１の構成における回転磁場生成器２は、別の方法で変動する変化する磁場を生成する、変化する磁場生成器と置き換えられ得る。例えば、変化する磁場生成器は、回転、及び／又は振動、及び／又はパルス化する磁場を生成するために使用され得る。
【0038】
以下の装置及び方法の例は、幾つかの市販のバッテリーの充電に対する、変化する磁場の効果を示す。これらの例の全ては、変化する磁場の存在下でセルの充電時間が減ることを示す。セルは、様々な幾何形状及び化学的組成のものであり、以下でより詳細に説明される。
【0039】
本開示では、「磁場条件下」という用語は、変化する磁場の存在を指す。以下に説明する例では、変化する磁場の存在下でセルを充電した場合の結果は、変化する磁場がない状態でのセルの比較例と共に示される。実施例及び比較例で用いられる構成は、比較例で提供される磁場が方向及び大きさにおいて一定である一方、実施例で提供される磁場が変化している点のみが異なる。
【0040】
図２は、パウチセル１１の性能を増強するために使用される構成を示す。磁場生成器１２は、図２Ａで矢印によって示される方向と平行な方向を有する磁場を生成する。生成される磁場は、図２Ｂで矢印によって示される方向に回転する。磁場は、パウチセル１１を通過する。
【0041】
磁場は、セル内の磁束が時間の経過と共に変化することを確実にするために回転の軸からオフセットされている。
【0042】
磁場生成器１２は、電源１５によって給電される電磁石である。ポテンシオスタット１３は、パウチセル１１に接続され、セルにわたる電位を制御し、セルを充電又は放電するために使用することができる。
【0043】
パウチセル１１は、電解質によって互いに分離された第１の電極及び第２の電極から形成される。これらの電極は、実質的に平行であり、セルの長さ及び幅にわたって延びている。パウチセル１１は、図２に示すように、ポテンシオスタットに接続され得る電極のそれぞれのための接点を有する。
【0044】
パウチセル１１は、磁場の方向がセルの第１の電極、電解質及び第２の電極を通過するように向けられる。磁場の方向は、電極間の電流経路の方向と平行である。磁場の回転面は、電極の面と平行である。
【0045】
図３は、磁場が（ｉ）回転している（破線によって示される）、及び（ｉｉ）回転していない（実線によって示される）場合、磁場生成器１２によって生成された磁場の存在下で充電された場合のパウチセル１１の容量を示す。パウチセル１１は、２段階で充電された。第１の段階では、セルは、４．２Ｖに達するまで、３．４Ｖから４．２Ｖまで０．８４１Ａで充電された。次いで、第２の段階では、セルは、電流が減衰し容量に達する間、一定の電圧に保持された。
【0046】
一定の電流がセルに印加される第１の段階は、図４の電流のグラフの水平線部分によって見ることができる。最大容量に達する間、電圧が一定に保持され、電流が減衰する第２の段階は、電流が変化する場所で見ることができる。変化しない磁場及び変化する磁場について、それぞれｔ＝２２０秒及び３００秒までの直線の水平線は、充電の一定電流部分を表し、ｔから先は、充電の一定電圧部分を表す。
【0047】
磁場は、磁場生成器１２内の電磁石によって生成された。破線によって示されたサイクル中、電磁石は、１１６０ｒｐｍでスピンした。この結果は、セルを充電するのにかかる時間が回転磁場の存在によって６８％低減したことを示す。
【0048】
図４は、図３に関連して説明した条件でのパウチセル１１の充電中の電流及び電圧を示す。やはり、破線は、磁場が回転している場合の充電を示し、実線は、磁場が回転していない（一定である）場合の充電を示す。これらのグラフは、回転磁場の存在下で４．２Ｖの電圧に達するのにかかる時間が増加し、その結果、電流が印加される充電の第１の段階がより長い期間にわたって維持されることを示す。充電の第１の段階は、第２の段階よりも急速にセルによって保持される電荷を増加させるため、これは、セルを通る回転磁場が存在する場合、充電全体がより速くなることを意味する。
【0049】
図５は、磁場が（ｉ）回転している（破線によって示される）、及び（ｉｉ）回転していない（実線によって示される）場合、磁場生成器１２によって生成された磁場の存在下で充電された場合のパウチセル１１の容量を示す。パウチセル１１は、２段階で充電された。第１の段階では、セルは、４．２Ｖに達するまで、３．４Ｖから４．２Ｖまで０．８４１Ａで充電された。次いで、第２の段階では、セルは、電流が減衰し容量に達する間、一定の電圧に保持された。
【0050】
図５から分かるように、両方のサイクルにおいて、セルは、４．２Ｖまで充電されたが、磁場が回転しているサイクルでは、セルの容量は、５％増加した。磁場の回転によって充電速度も増加した。
【0051】
図６は、パウチセル２１を試験した結果を示す。パウチセル２１は、４００ｍＡｈの容量を有し、５ｃｍ×２ｃｍ×０．５ｃｍの寸法を有する。パウチセル２１は、部品情報：+PL-402248-2C, 3.7V 400mAh -PO 7006 20140726を介して市販されている。
【0052】
パウチセル２１の充電レートが９つの充電サイクルについて図６に示されている。サイクル１～３並びに７及び８は、１１７０ｒｐｍで回転する磁場の存在下でのものであり、サイクル９は、１０００ｒｐｍで回転する磁場の存在下でのものであった。サイクル４～６は、静止した磁場の存在下でのものであった。
【0053】
図６から分かるように、充電のレートは、磁場の回転により、一貫して約１５％増加した。
【0054】
図７は、１１７０ｒｐｍでの回転磁場、１０００ｒｐｍでの回転磁場及び静止磁場での、８つの充電サイクルにおけるパウチセル２１を充電するのにかかる時間を示す。図７から分かるように、セルを充電するのにかかる時間は、回転磁場の存在下で一貫して約１５％減少している。
【0055】
図８は、パウチセル３１を試験した結果を示す。パウチセル３１は、２００ｍＡｈの容量を有し、２．５ｃｍ×１．７ｃｍ×０．５ｃｍの寸法を有する。パウチセル３１は、部品情報：-PL-651628-2C, 3.7V 210mAh +PO 7994を介して市販されている。
【0056】
パウチセル３１の充電レートが２つの充電サイクルについて図８に示されている。第１のサイクルは、１１６０ｒｐｍで回転する磁場の存在下でのものであり、第２のサイクルは、静止磁場の存在下でのものであった。
【0057】
図８から分かるように、充電のレートは、磁場の回転により、劇的に増加した。
【0058】
図９は、１１６０ｒｐｍでの回転磁場及び静止磁場での、充電サイクルにおけるパウチセル３１を充電するのにかかる時間を示す。図９から分かるように、４Ｃでセルを充電するのにかかる時間は、回転磁場の存在下で５８％減少している。
【0059】
図１０は、スウェージロック型セル４１の性能を増強するために使用される構成を示す。磁場生成器４２は、図１０Ａで矢印によって示される方向と平行な方向を有する磁場を生成する。生成される磁場は、図１０Ｂで矢印によって示される方向に回転する。磁場は、スウェージロックセル４１を通過する。
【0060】
磁場は、セル内の磁束が時間の経過と共に変化することを確実にするために回転の軸からオフセットされている。
【0061】
磁場生成器４２は、電源４５によって給電される電磁石である。ポテンシオスタット４３は、スウェージロックセル４１に接続され、セルにわたる電位を制御し、セルを充電するために使用することができる。
【0062】
スウェージロックセル４１は、電解質及びセパレータ材料によって互いに分離された第１の電極及び第２の電極から形成される。これらの電極は、実質的に平行であり、セルの長さ及び幅にわたって延びている。スウェージロックセル４１は、図１０に示すように、ポテンシオスタットに接続され得る電極のそれぞれのための接点を有する。
【0063】
スウェージロックセル４１は、磁場の方向が電極間の電流経路の方向に垂直にセルを通過するように向けられる。磁場の回転面は、電極の面と垂直である。
【0064】
図１１は、スウェージロックセル５１を試験した結果を示す。スウェージロックセル５１は、５ｃｍ×２．５ｃｍの寸法を有する。スウェージロックセル５１は、ＬＭＯ／グラファイトスウェージロックセルとして市販されている。
【0065】
スウェージロックセル５１の充電のレートを１Ｃ、２Ｃ及び３Ｃでの充電サイクルについて図１１に示し、それぞれ回転磁場の存在下及び静止磁場の存在下でのものである。回転磁場は、１１００ｒｐｍの速度を有していた。
【0066】
図１１から分かるように、充電のレートは、磁場の回転により、一貫して増加した。
【0067】
図１２は、１Ｃ、２Ｃ及び３Ｃでの充電サイクルにおいてスウェージロックセル５１を充電するのにかかる時間を示し、それぞれ回転磁場の存在下及び静止磁場の存在下でのものである。図１２から分かるように、セル５１を充電するのにかかる時間は、回転磁場の存在下で一貫して減少している。
【0068】
図１３は、円筒形セル６１の性能を増強するために使用される構成を示す。磁場生成器６２は、図１３Ｂで矢印によって示される方向と平行な方向を有する磁場を生成する。生成される磁場は、図１３Ｃで矢印によって示される方向に回転する。磁場は、円筒形セル６１を通過する。
【0069】
円筒形セル６１は、電解質によって互いに分離された第１の電極及び第２の電極から形成される。電極は、らせん状に巻かれており、セルの長さにわたって延びている。円筒形セル６１は、図１３に示すように、ポテンシオスタットに接続され得る電極のそれぞれのための接点を有する。
【0070】
円筒形セル６１は、図１３では、磁場の方向が円筒形状の平坦な端部間の方向と垂直に円筒形状の断面を通過するように向けられている。磁場の回転面は、円筒形セルの端面の面と垂直である。
【0071】
以下で更に考察するように、他の実施形態では、代わりに、円筒形セルは、磁場の方向が円筒形セルの両端を通過するように向けられ得る。
【0072】
磁場は、セル内の磁束が時間の経過と共に変化することを確実にするために回転の軸からオフセットされる。
【0073】
磁場生成器６２は、電源６５によって給電される電磁石である。ポテンシオスタット６３は、円筒形セル６１に接続され、セルにわたる電位を制御し、セルを充電するために使用することができる。
【0074】
図１４は、円筒形セル７１を試験した結果を示す。円筒形セル７１は、６．５ｃｍ×１．８ｃｍの寸法を有する。円筒形セル５１は、円筒形2190 mAh LG 18650セルとして市販されている。
【0075】
円筒形セル７１の充電レートが６つの充電サイクルについて図１４に示されている。サイクル１及び２は、１１７０ｒｐｍで回転する磁場の存在下でのものであり、サイクル５は、１５００ｒｐｍで回転する磁場の存在下でのものであり、サイクル６は、１２００ｒｐｍで回転する磁場の存在下でのものであった。サイクル３及び４は、静止した磁場の存在下でのものであった。サイクル５及び６では、円筒形セルは、セルの平坦な端部が磁場生成器６２と向き合うように、図１３Ａに示される位置から９０度の向きに配置された。
【0076】
図１４から分かるように、充電のレートは、回転磁場の存在下で一般的により高くなった。
【0077】
【0078】
上記の例によって示される電気化学セル内部の充電速度の向上及び／又は容量の増加を結果的にもたらすイオン輸送の向上の原理は、陽イオンセルの例について以下で説明するような活性化エネルギーの減少によって説明することができる。
【0079】
液体電解質内部のイオン速度νは、抗力ＦＤによって克服されるまで増加する。イオンの運動を駆動する電場力ＦＥは、次式によって説明することができる。
ｚｉ イオンの電荷数
ｑ 電子の基本電荷（１．６×１０－１９Ｃ）
ｄＶ 電圧差
ｄｘ 空間差分
【数1】
ｚｉ イオンの電荷数
ｑ 電子の基本電荷（１．６×１０－１９Ｃ）
ｄＶ 電圧差
ｄｘ 空間差分
【0080】
抗力は、以下のようにストークスの法則から近似することができる。
ＦＤ＝６πμｒν 式２
μ 液体の粘度
ｒ イオンの半径
ν イオンの速度
ＦＤ＝６πμｒν 式２
μ 液体の粘度
ｒ イオンの半径
ν イオンの速度
【0081】
電気力と抗力とを等しくさせると、イオンの終端速度、即ち移動度ｕｉが決まる。
【数2】
【0082】
移動度は、次式を通して伝導率に影響を及ぼす。
σｉ＝（｜ｚｉ｜Ｆ）ｃｉｕｉ 式５
ｃｉ モル協調
σｉ＝（｜ｚｉ｜Ｆ）ｃｉｕｉ 式５
ｃｉ モル協調
【0083】
従って、
ＦＥ∝ｕｉ∝σｉ 式６
である。
ＦＥ∝ｕｉ∝σｉ 式６
である。
【0084】
ポリマー電解質では、オーム抵抗σは、次式によって記述することができる。
ΔＧａｃｔ 活性化エネルギー
Ｆ ファラデー定数
ｋ ボルツマン定数
Ｔ 温度
【数3】
ΔＧａｃｔ 活性化エネルギー
Ｆ ファラデー定数
ｋ ボルツマン定数
Ｔ 温度
【0085】
従って、
ＦＥ∝ｕｉ∝σｉ∝ｅｘｐ（－ΔＧａｃｔ） 式８
である。
ＦＥ∝ｕｉ∝σｉ∝ｅｘｐ（－ΔＧａｃｔ） 式８
である。
【0086】
マクスウェル－ファラデーの方程式は、時間変動する磁場δＢ／δｔが、空間的に変動する非保存性電場Ｅ（ｒ、ｔ）を常に伴うことを予測しており、これは、次式に記述される。
∇ 回転演算子（３次元ベクトル場の微小回転）
ｒ 位置
ｔ 時間
【数4】
∇ 回転演算子（３次元ベクトル場の微小回転）
ｒ 位置
ｔ 時間
【0087】
所与の地点における電場Ｅは、所与の電荷ｑについて、ベクトル電場力ＦＥとして定義される。
ＦＥ＝ｑＥ 式１０
ＦＥ＝ｑＥ 式１０
【0088】
従って、磁場は、以下のように活性化エネルギーに影響を与える。
Ｂ∝Ｅ∝ＦＥ∝ｕｉ∝σｉ∝ｅｘｐ（－ΔＧａｃｔ） 式１１
Ｂ∝Ｅ∝ＦＥ∝ｕｉ∝σｉ∝ｅｘｐ（－ΔＧａｃｔ） 式１１
【0089】
最後に、伝導率は、次式を介してセルの抵抗率ρｉ、従ってオームの電位損失ηｏｈｍｉｃに関係する。
【数5】
【0090】
従って、磁場の存在下では、陽イオンを伝導するポリマー膜は、陽子の輸送に関連したイオン移動度に関係する活性化エネルギーの正味の減少を通して、オームの電位損失の低減を経験することになる。
Ｂ∝ηｏｈｍｉｃ 式１３
Ｂ∝ηｏｈｍｉｃ 式１３
【0091】
磁場は、永久磁石又は電磁石を使用して生成することができる。
【0092】
永久磁石を使用すると、磁場の存在下では、陽イオンを伝導するポリマー膜は、活性化エネルギーの正味の減少を通して、オームの電位損失の低減を経験することになる。
Ｂ 磁気誘導
Ａ プランジャーの断面積
μ０ 空間の透磁率
【数6】
Ｂ 磁気誘導
Ａ プランジャーの断面積
μ０ 空間の透磁率
【0093】
電磁石を使用すると、磁場の存在下では、陽イオンを伝導するポリマー膜は、活性化エネルギーの正味の減少を通して、オームの電位損失の低減を経験することになる。
Ｃ 比例定数
Ａ プランジャーの断面積
ｎ ソレノイドの巻数
Ｉ 電流
ｌ ソレノイドの長さ
【数7】
Ｃ 比例定数
Ａ プランジャーの断面積
ｎ ソレノイドの巻数
Ｉ 電流
ｌ ソレノイドの長さ
【0094】
前述の説明、又は以降の特許請求の範囲、又は添付の図面に開示された特徴であって、特定の形態或いは必要に応じて開示した機能を実施するための手段の観点又は開示した結果を取得するための方法若しくはプロセスの観点で表現された特徴は、多様な形態で本発明を実現するために、別々に又はそのような特徴の組み合わせで利用することができる。
【0095】
本発明について、上述した例示的な実施形態と共に説明してきたが、本開示を考慮すると、多くの均等な修正形態及び変形形態が当業者に明らかになるであろう。従って、上述した本発明の例示的な実施形態は、例示的であり、限定するものではないとみなされる。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、記載した実施形態に対する様々な変更形態がなされ得る。
【0096】
疑義を回避するために、本明細書で提供される理論的な説明は、読者の理解を向上させる目的で提供されるものである。本発明者らは、これらの理論的な説明の何れかによって縛られることを望まない。
【0097】
本明細書で使用される章見出しは、構成上の目的のみのためのものであり、記載した主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0098】
以下に続く特許請求の範囲を含めて、本明細書全体を通して、特に断りがない限り、「含む（comprise）」及び「包含する」という語並びに「含む（comprises）」、「含んでいる」及び「包含している」などの変形は、記載された整数若しくはステップ又は整数若しくはステップの群を含むことを意味するが、他の整数若しくはステップ又は整数若しくはステップの群を除外することを意味していないと理解される。
【0099】
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「その」という単数形は、文脈上そうでないことが明らかに指示されていない限り、複数の指示対象物を含むことに留意する必要がある。本明細書では、範囲は、「約」１つの特定の値から及び／又は「約」別の特定の値までとして表現され得る。そのような範囲が表現された場合、別の実施形態は、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までを含む。同様に、値が近似値として表現される場合、「約」という先行詞を使用することにより、特定の値が別の実施形態を形成することが理解される。数値に関連した「約」という用語は、任意選択的であり、例えば±１０％を意味する。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15】