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特表2023-504032内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-01
(54)【発明の名称】内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素
(51)【国際特許分類】
H01M 4/66 20060101AFI20230125BHJP
H01M 50/536 20210101ALI20230125BHJP
H01M 50/533 20210101ALI20230125BHJP
H01M 10/04 20060101ALI20230125BHJP
H01M 10/058 20100101ALI20230125BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20230125BHJP
H01G 11/68 20130101ALI20230125BHJP
H01G 11/70 20130101ALI20230125BHJP
H01G 11/84 20130101ALI20230125BHJP
H01G 11/74 20130101ALI20230125BHJP
H01M 50/54 20210101ALI20230125BHJP
H01M 50/583 20210101ALN20230125BHJP
【ＦＩ】
H01M4/66 A
H01M50/536
H01M50/533
H01M10/04 Z
H01M10/058
H01M10/052
H01G11/68
H01G11/70
H01G11/84
H01G11/74
H01M50/54
H01M50/583
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022530866
(86)(22)【出願日】2020-11-10
(85)【翻訳文提出日】2022-07-15
(86)【国際出願番号】 US2020059794
(87)【国際公開番号】W WO2021108119
(87)【国際公開日】2021-06-03
(31)【優先権主張番号】16/698,936
(32)【優先日】2019-11-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/732,139
(32)【優先日】2019-12-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521434964
【氏名又は名称】ソテリア バッテリー イノベーション グループ インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100091683
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄
(74)【代理人】
【識別番号】100179316
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 寛奈
(72)【発明者】
【氏名】モリン，ブライアン ジー．
(72)【発明者】
【氏名】フー，カール シー．
【テーマコード（参考）】
5E078
5H017
5H028
5H029
5H043
【Ｆターム（参考）】
5E078AA11
5E078AA13
5E078AA14
5E078AB01
5E078FA06
5E078FA12
5E078FA15
5E078FA23
5E078KA07
5E078LA07
5H017AA03
5H017CC20
5H017DD05
5H017DD06
5H017EE01
5H017EE05
5H017EE07
5H028AA05
5H028EE01
5H028EE06
5H029AJ12
5H029AK01
5H029AK03
5H029AL01
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL11
5H029AM03
5H029AM05
5H029AM07
5H043AA04
5H043BA19
5H043CA03
5H043CA04
5H043CA09
5H043EA15
5H043EA16
5H043GA03
5H043JA01E
5H043KA08E
5H043KA09E
5H043KA19E
(57)【要約】
アノード、カソード、アノード及びカソード間に存在する少なくとも１つのセパレータ、電解液、アノード及びカソードのうち少なくとも一方と接触した少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材、少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材に装着された少なくとも１つのタブ、を備えたエネルギー貯蔵デバイスであって、少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材は、上面及び底面を有するポリマー基体層を有し、第１の金属化層は、ポリマー基体の上層に位置され、第２の金属化層は、ポリマー基体の底層に装着され、集電材は、その中に溶接の窪みを呈し、それによって、第１及び第２の金属化層の少なくとも一部は互いに接触する、エネルギー貯蔵デバイス。
【選択図】図２４
【選択図】図２４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノード、カソード、前記アノード及び前記カソード間に存在する少なくとも１つのセパレータ、電解液、前記アノード及び前記カソードのうち少なくとも一方と接触した少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材、少なくとも１つの前記金属化された薄いフィルムの集電材に装着された少なくとも１つのタブ、を備えたエネルギー貯蔵デバイスであって、少なくとも１つの前記金属化された薄いフィルムの集電材は、上面及び底面を有するポリマー基体層を有し、第１の金属化層は、前記ポリマー基体の上層に位置され、第２の金属化層は、前記ポリマー基体の底層に装着され、前記集電材は、その中に溶接の窪みを呈し、それによって、前記第１及び前記第２の金属化層の少なくとも一部は互いに接触する、エネルギー貯蔵デバイス。
【請求項2】
前記溶接の窪みを介して前記集電材の前記金属化層に装着された、少なくとも１つの電気接続タブをさらに備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項3】
前記溶接の窪みは、前記アノード及び前記カソードのうち一方と関連する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項4】
前記タブは、前記溶接の窪みを介して前記アノードまたは前記カソードに電気接続される、請求項３に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項5】
前記溶接の上に補強が提供される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項6】
前記金属化フィルムは２５層まで含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項7】
複数のタブは２５まで存在する、請求項６に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項8】
前記金属層のうち少なくともいくつかは、隣接した集電材を通して押出され、他方の集電材の金属化された層と接触し、そうでなければ前記押出された金属層と向かい合って接触しない、請求項６に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項9】
複数の窪みが存在し、それらは密に集められたパターン、まばらに集められたパターン、ジグザグの部分的な格子状のパターン、または整合された部分的な格子状パターンを呈する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項10】
前記窪みの形状は直線状、角錐台状、丸みを帯びた角錐状、または球状である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項11】
アノード、カソード、前記アノード及び前記カソード間に存在する少なくとも１つのセパレータ、電解液、前記アノード及び前記カソードのうち少なくとも一方と接触した少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材、ならびに、少なくとも１つの前記金属化された薄いフィルムの集電材に装着された少なくとも１つのタブ、を備えたエネルギー貯蔵デバイスであって、少なくとも１つの前記金属化された薄いフィルムの集電材は、上面及び底面を有するポリマー基体層を有し、第１の金属化層は、前記ポリマー基体の上層に装着され、前記タブは、前記ポリマー基体の底層に配置され、前記集電材は、その中に溶接の窪みを呈し、それによって、前記第１の金属化層の少なくとも一部は前記タブと接触する、エネルギー貯蔵デバイス。
【請求項12】
アノード及びカソードを含んだエネルギー貯蔵デバイスと共に利用するための、集電材のタブシステムであって、前記集電材のタブシステムは、前記アノード及び前記かソートのうち少なくとも一方と接触し、上面及び底面を有するポリマー基体を含んだ、少なくとも１つの集電材であって、第１の金属化層は、前記ポリマー基体の上層に装着され、かつ第２の金属化層は、前記ポリマー基体の底層に装着された、少なくとも１つの集電材と、
前記ポリマー基体の上面、または前記ポリマー基体の底面に装着された、少なくとも１つのタブと、
前記集電材上に呈され、そのため前記タブは、前記第１の金属化層の少なくとも一部、または前記第２の金属化層の一部、のそれぞれに接触する、１つまたは複数の溶接の窪みと
を備え、
前記溶接の窪みは、前記ポリマー基体層を、前記第１の金属化層及び前記第２の金属化層が接触するように動かすよう構成される、集電材のタブシステム。
【請求項13】
前記ポリマー基体層は、各々個別の金属化フィルム間にポリマー基体を伴った、多層の金属化フィルム構造と、第２の金属化層である多層の金属化フィルム構造の最低部の金属化フィルムと、を含み、前記多層の金属化フィルム構造は、前記溶接の窪みを介して、前記溶接接合部分において前記多層の金属化フィルム構造と共に接続するために処理されるよう構成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記溶接の窪みは、前記溶接の窪みを囲んだ累進的な外形を生成して、前記多層の金属化フィルム構造を介して全溶接圧を適用させるのを促進するよう構成され、前記溶接の窪みの前記累進的な外形は、盛り上がった周縁部を前記溶接の窪みの上縁部に含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
リチウムイオンバッテリを生成する方法であって、ａ）イオン貯蔵材料のコーティングを伴う、少なくとも１つの金属化基体を有する電極を準備するステップと、
ｂ）対電極を準備するステップと、
ｃ）前記電極と前記対電極との間に挟まれたセパレータ構成要素を伴い、前記電極及び前記対電極を互いに対向させてレイヤリングするステップと、
ｄ）電気接点構成要素を含んだ包装材料を準備するステップであって、前記接点は前記包装材料内に存在する部分と、前記包装材料の外側に存在する部分とを含んだ、準備するステップと、
ｅ）前記電気接点を前記金属化基体と電気接続するステップと、
ｆ）イオンを内部に伴う、少なくとも１種類の液体電解質を、前記包装材料内に導入するステップと、
ｇ）前記包装材料を封止するステップと
を含み、
前記ステップｅ）における電気接続は、前記金属化基体の少なくとも１層の金属層が、前記金属化基体の前記ポリマー基体を通して押圧され、前記電気接点において１ｏｈｍ未満の抵抗の電気接続を作る方法を含む、リチウムイオンバッテリを生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、リチウムバッテリ物品における構造構成要素及び物理的特徴の改善に関する。本技術は、薄い金属化表面の複合体の集電材（例としてアルミニウム及び／または銅）、高い収縮率の材料、高温に曝すと非導電性となる材料、ならびにそれらの組み合わせ、の利用に関連して使用するための、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素に関する。このような改善は、短絡からの望ましくない高温効果を防止する、対象のリチウムバッテリ自体の内部ヒューズを表面的に提供することによって、目標のリチウムバッテリ内における特定の欠点（樹脂状結晶、予期せぬ電気サージなど）に耐える機能を与える。このような改善を含んだ、バッテリ物品及びその使用方法も、本開示に包含される。
【背景技術】
【0002】
例えば標準的なリチウムイオンバッテリは、短絡に関連した特定の現象を起こす傾向があり、高温の発生を受けて最終的に火災となる。バッテリ構成要素の構造的懸念が、このような問題の一因となることが判明している。
【0003】
リチウムバッテリは、多くの製品内で電源として、世界中に普及している。再充電可能な電力工具から、電子自動車、至る所にある携帯電話（及びタブレット、ハンドヘルドコンピュータなど）まで、（異なるイオンタイプの）リチウムバッテリは、信頼性、上述の再充電可能性、及び使用寿命の長さのため、主な電源として利用される。しかし、このような広範囲に利用される電源には、いくらかの問題があり、そのいくつかは重大さが増していることが判っている。特に、このようなリチウムバッテリ内の特定の欠点が、当初の製造の課題または経時的な劣化問題のいずれかにより、短絡事象中における火災の可能性を受けやすくするという、安全の課題が明らかになっている。基本的に、導電性材料を伴う内部欠陥は、このようなバッテリ構造内で望ましくない高温、及び最終的に火災を生じさせることが判っている。そのため、ハンドヘルドのコンピュータデバイス（評判の悪い１つの状況として、Ｓａｍｓｕｎｇ Ｇａｌａｘｙ Ｎｏｔｅ ７）から、飛行機全体（Ｂｏｅｉｎｇ ７８７）まで、リチウムバッテリを利用した特定の製品は、その中で、及び共に使用された、評判を落としたリチウムバッテリに対する解決策が提供されるまで、販売及び／または使用が禁止されている（さらに特定の領域において、Ｓａｍｓｕｎｇ Ｇａｌａｘｙ Ｎｏｔｅ ７については全ての飛行機から禁止されている）。電気自動車のＴｅｓｌａ ｌｉｎｅでさえ、リチウムバッテリ構成要素を伴う重大な問題を呈しており、このような高価な車両がバッテリの課題のために火の玉のように爆発するという、大ニュースをもたらしている。そのため、このようなバッテリの課題に関連した、広範なリコールまたは全面禁止が今日も続いており、このような問題を克服するための大きな必要性をもたらしている。
【0004】
これらの問題は、出来上がった個々のバッテリ構成要素の観点、またはこのような構成要素が個々のバッテリ自体として構築される観点、のいずれかの製造の課題により、主に存在する。より詳細に調べると、現在リチウムバッテリは、６つの主な要素、すなわちカソード材料と、上にカソード材料がコーティングされたカソード集電材（アルミニウムフォイルなど）と、アノード材料と、上にアノード材料がコーティングされたアノード集電材（銅フォイルなど）と、各アノード層とカソード層との間に位置され、一般的にプラスチック材料から作られたセパレータと、他の材料を浸すことによってイオンのための機構を提供して、アノード及びカソードの間で伝導する、導電性有機溶媒としての電解液と、から作られる。これらの材料は、一般的に従来技術の図１に示されるように、缶の中に巻かれるか、または積み重ねられる。パウチセル、角柱セル、コインセル、円筒形セル、巻き角柱セル、巻きパウチセル、その他を含む、バッテリ製作目的の構成、及びバッテリ製作目的で利用され得る構成が、他に多く存在する。これらのバッテリセルは、正確に作られ、かつ優しく取り扱ったとき、明らかに安全に関するいかなる事故もなく、数千の充電－放電サイクルのための様々な用途のためにエネルギーを提供することができる。しかし、上述したように、特定の事象、特に特定の欠陥が、内部の導電性材料間で内部短絡を起こす場合がある。内部短絡は、熱の発生及び内部の熱暴走をもたらし、このようなリチウムバッテリ内で最終的に火災を生じさせることで知られている。このような事象は、上述のように、バッテリ内の金属粒子の存在、集電材の材料におけるギザギザ部分、セパレータにおける薄いスポットまたは穴（含まれるか、または後続の処理で生じるかのいずれか）、バッテリ層の不整合（望ましくない導電性が生じる「開口部」を残す）、バッテリに侵入する外部の瓦礫（動いている車両に衝撃を与える路上の瓦礫など）、セル自体を破壊及び／または不安定化すること（例えば事故による）、狭い空間でセルを充電すること、などを含む内部の欠陥によってさらに生じ得る。一般的に言えば、これらのタイプの欠陥は、アノードとカソードとの間に、小さい電子導電経路を生成することが知られている。このような事象が生じたとき、セルが充填された場合、このような導電経路はセルの放電を生じさせ、それを通して最終的に過剰な熱を発生させ、それによってバッテリ構造を損ね、かつバッテリによって電力が供給される基礎となるデバイスを危険に曝すことがある。バッテリの電解液（一般的にバッテリの動作に必要）としての、可燃性有機溶媒の存在と組み合わされ、このような過剰な熱は、点火を生じさせることが判っており、最終的に非常に危険な状況を作り出す。このような問題は、一旦始まると少なくとも制御が困難で、消費者に著しい怪我をもたらす。このような潜在的に悲惨な状況は、このように可燃性有機電解質を損ねることなく、電気エネルギーを送達するバッテリの提供を介して、確実に回避するべきである。
【0005】
内部で過剰な熱が発生すると、プラスチックセパレータの収縮をさらに作り出して、プラスチックセパレータを離すか、外すか、またはバッテリ内の短絡領域を増加させ得る。このような状況において、バッテリ内のより大きく露出された短絡領域は、バッテリ内の継続した電流及び増加した加熱をもたらし、高温事象をもたらすことがあり、それは破裂、爆発、ならびに炎及び火災を含む、大きな損傷をセルに生じさせる。
【0006】
このような損傷は、火災及びさらに悪い状況が起きる可能性が急速に迫るため、特に問題であり、バッテリ及び潜在的に基礎となるデバイスに爆発が生じて、その結果ユーザにも重大な危険をもたらし得る。
【0007】
（多くの様々なタイプの）リチウムバッテリは、短絡に関連した問題の影響を受けやすい。一般的なバッテリは、高温露出を伴う増加した放電率を呈する傾向を有し、上述のように制御されない（暴走した）炎、時には火災をもたらす。これらの問題のため、特定の規制が発効されて、このようなバッテリ物品における実際の利用、貯蔵、さらには輸送までも規定している。短絡に関する、このような暴走事象を防止するための、適切なプロトコルを発効させる機能は、確かに非常に重要である。しかし、特に構成要素の製作が、数多くの供給元から、かつ世界中の多くの様々な地点から供給される場合、いかにしてこのような課題を実際に抑え込むか、という問題が残る。
【0008】
適切及び／または改善されたセパレータを、このようなリチウムバッテリの火災の可能性を軽減する助けとなる手段として提供する試みが、進められている。低い融解点及び／または縮小率のプラスチック膜は、このようなバッテリの火災発生について、より高い可能性を作り出すことが判っている。一般的な考えとして、実際の利用中に電解液の分解性能を低下させることなく、セパレータ材料上に特定のコーティングを施すことを含む。したがって、例えばセラミック粒子が、ポリプロピレン及び／またはポリエチレンフィルムコーティングとして、このようなフィルムの寸法的安定性を向上させるため（例えば融解点を上げるため）の手段として、利用されている。結合剤ポリマーも、プラスチック膜（フィルム）に対するセラミック粒子と接着剤との間における密着を向上させるための構成要素として含まれている。しかし実際、セラミック粒子コーティングを用いた、フィルム構造全体に与えられた温度上昇は、比較的低いことが判明しているので、このようなセパレータの課題の主要な要因は、実際のセパレータ材料自体となる。
【0009】
その結果、少なくともある程度、このような一般的なセラミックコーティングされたセパレータのベース層を構成するポリエチレン及びポリプロピレン多孔性フィルムよりも、かなり熱的に安定したセパレータ材料が、設計及び実施されている。これらの低い収縮率で寸法的に安定したセパレータは、少なくとも２００℃（２５０、３００℃まで、及びそれより高い）温度に曝された場合、５％未満の収縮率を呈し、それは露出したポリマーフィルム（１５０℃で大まかに４０％の収縮率）、及びセラミックコーティングされたフィルム（１８０℃で２０％より大きい収縮率）による高い収縮率よりもはるかに良好である（このような収縮率の測定の比較は、先行技術の図２に提供される）。このような低い収縮率の材料は、短絡したときの目標セルの内側における、熱劣化の機構を変化させ得る。一般的に言うと、このようなバッテリセル内において短絡が発生すると、常に熱が生成されることになる。セパレータが、このような短絡事象に関連して収縮しない場合、熱は発生され続けて、バッテリ内の別の材料が劣化するまで「増大する」ことになる。この現象は、産業界で標準的な釘刺し試験でシミュレーションされている。例えば、パラアミド繊維を含み、かつ５５０℃まで安定した収縮率を呈するセパレータを用いてさえ、対象の試験バッテリは、独特の内部効果を伴い短絡する傾向を示した。このようなセルは、このような処置の後で、より詳細に調査された。そこでセルは開放され、過剰な電解液は蒸発し、セルはエポキシで充填され、次にセルに残された釘に対して垂直に切開した。走査型電子顕微鏡の画像が、後方錯乱電子撮像（ＢＥＩ）を使用して撮られ、それは異なるバッテリ要素のマッピングを可能にし、このような釘刺し動作の影響を示す。これらは、先行技術の図３及び図３ａに示される。
【0010】
先行技術の図３において、銅層がアルミニウム層よりも、一様に釘に近付いていることに留意されたい。高い安定性のセパレータが、まだ電極間で完全なままであることにも、留意されたい。先行技術の図３ａは、より拡大率が大きい、１つのアルミニウム層における端部を示し、それは、クラックの入った灰色の層で終わるのを示す。これはＢＥＩを用いて調査され、実際の結果として、酸化アルミニウムである絶縁セラミックを示した。このような痕跡は、セパレータ自体が熱的に安定しているときに、アルミニウム集電材は酸化されて効果的に回路を遮断する（その結果、一旦絶縁の酸化アルミニウムが形成されると、いかなる短絡も止める）という、提案された結論に導いた。一旦回路が遮断されると、電流はフローを止め、もはや熱は生成されず、安定性の低いセパレータを使用して熱暴走に導くプロセスを、逆転させる。
【0011】
しかしこの可能な解決策は、セパレータのみを、単により低い収縮率の特徴のものと交換することに限定される。このような簡単な解決策が大きい価値があることが判っているが、広範囲で利用されている他の製造手順、及び特定の構成要素（セラミックコーティングされたセパレータタイプなど）も残っており、認められているバッテリ製品に取って代わることは困難となり得る。したがって、熱的に安定したセパレータの利用及び包含の明確な利益に関わらず、望ましくないバッテリの火災が、特にセラミックコーティングされたセパレータ製品がこのような目的のために安全であると考慮されたとき、やはり発生し得る。したがって、このような高く熱的に安定したセパレータ材料の利用に加えて、内部短絡による熱の発生機会を排除するか、または少なくとも軽減する、少なくとも別の、単一の内部バッテリセルの構造的機構が存在する。このような状況において、このようなバッテリセル内の短絡の発生は、事実上の内部ヒューズを作り出すことを通して、完成した内部回路が中断することによる有害な高温損傷はもたらさない。しかし現在まで、リチウムバッテリの技術分野内で、これらの問題を容易に解決することは提示されていない。本開示は、このような非常に望ましい解決策を提供し、複数の市場内で、リチウムバッテリセルを非常に安全で、信頼性があるものにする。
【0012】
別の特定の関心は、対象のリチウムイオンバッテリから外部ソースへの充電の実施を、適切に可能にする考察である。これは、一般的にタブの利用を介して実現される。このタブは、１つの集電材、または可能性として、ある方法でアノード及びカソード集電材の両方に接触及び添加され、外部ソースを用いて必要なコンダクタンス特性を適切に提供する。タブは、表面的にはこのような内部バッテリ構成要素との接点として機能し、バッテリセルのケースの外側へ延び、導電目的の接触ポイントを伴う。したがってタブは、所定の位置にとどまり、集電材から係合解除されず、内部的に移動することなく、または外部的に係合解除することなく、外部ソースへの変わらぬアクセスを可能にしなければならない。このような薄いフィルムの集電材に関して、リチウムイオンバッテリの技術分野内では開示されていないので、同様にこのようなタブ接続の課題に対する改善または最適化の試みも成されていない。確かに、標準タイプのタブは公知であり、標準的なバッテリセルの大きい集電材と接触するが、全体的な寸法的に安定した効果を提供し、構造的な弱体化によるバッテリの破損から防護しながら、これらは薄いフィルムの集電材（例えば内部ヒューズ）の効果を防護するためのいかなる考慮も提供しない。
【0013】
特に重要なことは、プラスチックなどの電気絶縁材料の、より厚い層に装着された、金属の薄い層から成るタブに溶接できる機能である。固体金属タブを固体金属フォイルに溶接することは、表面接続のみを必要とし、それは反対側のフォイルまたはタブの全体に電気接続させることを可能にする。しかし、集電材の２つの面が支持絶縁層によって電気絶縁された場合、一方の側への表面接続を成すことは効果がなく、他方の側を電気絶縁させる。したがって、このような効果に対して、現在のリチウムイオンバッテリの技術分野内または産業内では、検討または開示されていない。しかし本開示は、このようなパラダイムを克服し、これまでに関連の産業内で調査されていない、及び／または、理解された効果を提供する。
【0014】
したがって、薄い金属化表面の複合体の集電材（例としてアルミニウム及び／または銅）、高い収縮率の材料、高温に曝すと非導電性となる材料、ならびにそれらの組み合わせ、を利用できる内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、新しく改善されたバッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素に対する必要性が存在する。これに関し、本技術はこの要望を実質的に満たす。これに関して、本技術による内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素は、従来の概念及び先行技術の設計から大幅に離れており、そうすることによって、薄い金属化表面の複合体の集電材（例としてアルミニウム及び／または銅）、高い収縮率の材料、高温に曝すと非導電性となる材料、ならびにそれらの組み合わせ、を利用する目的のために主に開発された装置を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
公知のタイプのリチウムバッテリ接続部における本質的な前述の不利点を考慮して、本技術は、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、改善したバッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素を提供し、先行技術における上述の不利点及び欠点を克服する。したがって、以下でより詳細に説明する、本技術の全体的な目標は、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、新しく改善したバッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素、ならびに方法を提供することである。この方法は、これまでに言及された先行技術に対する全ての利点、ならびに、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素をもたらす多くの新たな特徴、を提供する。それは先行技術が、単体または任意の組み合わせのいずれかでも、予測、明らかな表現、提案、または暗示もしていない。
【0016】
本技術の１つの態様は、対象のデバイスにパワーを供給するための、リチウムバッテリセルの内部部分から外部へのコンダクタンスを可能にするために必要なタブリードを有するリチウムバッテリセルを含むことができる。それは、電極の薄い性質と、潜在的に電極材料の２つの側が互いに導電性ではない可能性があることと、のため重要な提供となり得る。本技術に提供されるのはタブであり、それは、上述の内部ヒューズの特徴と共に十分な安全性レベルを呈し、その一方で、同時に、利用中に所定の位置にとどまるための引張り強さ、ならびに、このような導電性効果のための、薄いフィルムの金属化集電材を用いた完全な保護範囲を示す。このようなタブには、必要な接触のために、アンペア数及び温度抵抗の驚くべきレベルを呈するレベルにおいて、効率的な溶接がさらに施され、外部デバイスに対する上述の十分なコンダクタンスを伴う、基本的な内部ヒューズの効果を実現する。このようなタブリード構成要素及び溶接した構造を用いて、リチウムバッテリの技術分野内のさらなる改善が、産業界に提供される。
【0017】
追加として、非常に薄い集電材構造を呈する、本技術の内部ヒューズの開発は、単一セル内における反復的な折り込みの可能性を、さらに可能にする。このような折り込みの可能性は、過剰な内部重量及び／またはバッテリ容量要件の必要なく、集電材の２つの側を接続する性能を提供する。その性能が無ければ、２層の導電層間にあるポリマー層によって電気絶縁され得る。表面上は、折り込まれた集電材は、内部ヒューズの特徴を保持し、その一方で同時にパワーの増加を可能にし、上述の過剰重量及び容積要件の必要なく、大きいサイズのバッテリ内の大きいパワー増加を潜在的に可能にして、目標の高いパワーレベルを伴う異なる目的のため、及び可能な限り高い安全性の利益のための新しいバッテリ物品を作り出す。
【課題を解決するための手段】
【0018】
１つの態様によると、本技術は、アノード、カソード、アノードとカソードとの間に存在する少なくとも１つのセパレータ、電解液、アノード及びカソードのうち少なくとも一方と接触した金属化された薄いフィルムの集電材、ならびに少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材に装着された少なくとも１つのタブ、を備えたエネルギー貯蔵デバイスを含むことができる。この少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材は、上面及び底面を有するポリマー基体層を有する。第１の金属化層は、ポリマー基体の上層に配置され、第２の金属化層は、ポリマー基体の底層に装着される。集電材は、その中に溶接の窪みを呈し、そのため第１及び第２の金属化層の少なくとも一部は、互いに接触する。
【0019】
別の態様によると、本技術は、アノード、カソード、アノードとカソードとの間に存在する少なくとも１つのセパレータ、電解液、アノード及びカソードのうち少なくとも一方と接触した金属化された薄いフィルムの集電材、ならびに少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材に装着された少なくとも１つのタブ、を備えたエネルギー貯蔵デバイスを含むことができる。少なくとも１つの金属化された薄いフィルムの集電材は、上面及び底面を有するポリマー基体層を有する。第１の金属化層は、ポリマー基体の上層に装着され、タブはポリマー基体の底層に配置される。集電材は、その中に溶接の窪みを呈し、それによって第１の金属化層の少なくとも一部は、タブと接触する。
【0020】
さらに別の態様によると、本技術は、アノード及びカソードを含んだエネルギー貯蔵デバイスと利用するための、集電材のタブシステムを含むことができる。集電材のタブシステムは、アノード及びカソードのうち少なくとも一方と接触した少なくとも１つの集電材、少なくとも１つのタブ、ならびに１つまたは複数の溶接の窪み、を含むことができる。集電材は、アノード及びカソードのうち少なくとも一方と接触させることができる。集電材は、上面及び底面を有するポリマー基体層を含むことができる。第１の金属化層は、ポリマー基体の上層に装着され、第２の金属化層は、ポリマー基体の底層に装着される場合もある。タブは、ポリマー基体の上面、またはポリマー基体の底面に装着させることができる。溶接の窪みは、集電材上に呈される場合があり、そのためタブは、第１の金属化層の少なくとも一部、または第２の金属化層の一部、のそれぞれに接触する。溶接の窪みは、ポリマー基体層を、第１の金属化層及び第２の金属化層が接触するように動かすよう、構成することができる。
【0021】
さらに別の態様によると、本技術は：ａ）イオン貯蔵材料のコーティングを伴う少なくとも１つの金属化基体を有する電極を準備するステップ；ｂ）対電極を準備するステップ；ｃ）電極及び対電極の間に挟まれたセパレータ構成要素を伴い、電極及び対電極を互いに対向させてレイヤリングするステップ；ｄ）電気接点構成要素を含んだ包装材料を準備するステップであって、この接点は包装材料の内側に存在する部分と、包装材料の外側に存在する部分とを含んだ、準備するステップ；ｅ）電気接点を金属化基体に電気接続するステップ；ｆ）イオンを内部に伴う少なくとも１種類の液体電解質を、包装材料内に導入するステップ；ならびにｇ）包装材料を封止するステップ、を含んだ、リチウムイオンバッテリを生成するためのプロセスを含むことができる。ステップｅ）における電気接続は、金属化基体の少なくとも１層の金属層が、金属化基体のポリマー基体を通して押圧され、電気接点と１ｏｈｍ未満の抵抗の電気接続を作るプロセスを含む。
【0022】
さらに別の態様によると、本技術は、リチウムイオンバッテリの集電材タブを生成する方法を含むことができる。この方法は、第１の金属化層を、集電材のポリマー基体における上層に装着するステップ、及び第２の金属化層を、ポリマー基体の底層に装着するステップ、を含むことができる。集電材をアノード及びカソードのうち少なくとも一方に接触させる。タブの一部を、第１の金属化層及び第２の金属化層のうち一方に溶接して、それによって溶接の窪みが形成され、タブを、第１の金属化層及び第２の金属化層のそれぞれに接触させる。
【0023】
本技術のいくつか、または全ての実施形態は、溶接の窪みを介して集電材の金属化層に装着された、少なくとも１つの電気接続タブを含むことができる。
【0024】
いくつか、または全ての実施形態において、溶接の窪みを、アノード及びカソードのうち一方に関連付けることができる。
【0025】
いくつか、または全ての実施形態において、タブは、溶接の窪みを介して、アノードまたはカソードに電気接続することができる。
【0026】
本技術のいくつか、または全ての実施形態は、溶接の上に設けられた補強部を含むことができる。
【0027】
いくつか、または全ての実施形態において、金属化フィルムは２５層まで含む。
【0028】
いくつか、または全ての実施形態において、タブは、２５までの複数のタブとすることができる。
【0029】
いくつか、または全ての実施形態において、金属層の少なくともいくつかは、隣接した集電材を通して押出され、他方の集電材の金属化層に接触する。そうでなければ他方の集電材は、押出された金属層と向かい合って接触しない。
【0030】
いくつか、または全ての実施形態において、溶接の窪みは複数の窪みとすることができ、それらは密に集められるか、まばらに集められるか、ジグザグで部分的な格子状か、または整合された部分的な格子状か、のパターンを呈する。
【0031】
いくつか、または全ての実施形態において、溶接の窪みは、直線状、角錐台状、丸みを帯びた角錐状、または球状の窪み形状を含む場合がある。
【0032】
いくつか、または全ての実施形態において、ポリマー基体層は、各個々の金属化フィルム間のポリマー基体を伴う、多層の金属化フィルム構造と、第２の金属化層である多層の金属化フィルム構造の、最も底部の金属化フィルムと、を含むことができる。多層の金属化フィルム構造は、溶接の窪みを通して、多層の金属化フィルム構造を、共に溶接接合部分において接続するよう操作されるよう構成することができる。
【0033】
いくつか、または全ての実施形態において、溶接の窪みは、溶接の窪みを囲んだ段階的な外形を生成して、多層の金属化フィルム構造を通して完全な溶接圧力を適用するのを容易にするよう、構成することができる。溶接の窪みにおける段階的な外形は、溶接の窪みの上縁部において、盛り上がった周縁部を含むことができる。
【0034】
以下の詳細な説明をより良好に理解するため、及び当技術分野に対する貢献をより良好に評価するために、本技術の特徴を概略で広範に説明する。
【0035】
本技術の多くの対象、特徴、及び利点は、添付の図面と共に、例示ではあるが、本技術の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むと、当業者には容易に明白となろう。この点において、本技術の実施形態を詳細に説明する前に、本技術は、構造の詳細と、以下の説明に記載されるか、または図面に例示される構成要素の配置と、に適用することに限定されないことを、理解されたい。本技術は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施及び実行できる。さらに、本明細書で利用する表現法及び専門用語は、説明を目的としており、限定と見なすべきではないことを理解されたい。
【0036】
したがって、当業者は、本開示が基づく概念が、他の構造の設計、ならびに本技術のいくつかの目的を実行するための方法及びシステムに基づき容易に利用され得ることを、理解するであろう。したがって、これらの同等の構造が、本技術の趣旨及び範囲を逸脱しない限り、特許請求の範囲に含むものと見なすことは重要である。
【0037】
本技術の別の目標は、容易かつ効率的に製造及び販売され得る、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、新しい改善されたバッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素を提供することである。
【0038】
本技術のさらに別の目標は、材料及び労力の両方に関して製造が低コストである、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、新しく改善されたバッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素を提供することである。したがってそれは、一般消費者に対して低い販売価格が可能であり、それによって内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素を、一般購買者に経済的に取得可能にする。
【0039】
本技術のさらに別の目標は、先行技術の装置及び方法にいくらかの利点を提供し、その一方で同時に、先行技術に一般に関連付けられたいくつかの不利点を克服する、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、新しいバッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素を提供することである。
【0040】
本技術のさらに別の目標は、薄い金属化表面の複合体の集電材（例としてアルミニウム及び／または銅）、高い収縮率の材料、高温に曝すと非導電性となる材料、ならびにそれらの組み合わせ、を利用するための、内部ヒューズを有するエネルギー貯蔵デバイスにおける、バッテリ接続部及び金属化フィルム構成要素を提供することである。
【0041】
これらは、本技術の他の目標と共に、本技術を特徴づける新たな様々な特徴を伴い、添付の特許請求の範囲における特異点と共に指摘され、本開示の一部を形成する。本技術、動作の利点、及び使用によって実現される特定の目標の、より良好な理解のために、添付の図面及び本技術の例示的な実施形態が存在する説明を、参照されたい。
【0042】
本技術は、以下の詳細な説明を考慮するとき、より良好に理解され、かつ上記に記載されたものとは別の目標が明白になる。このような説明は添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】１８６５０セルなど、先行技術の巻きセルの構造を示す図である。
【図2】本明細書に参照のセクション３．５として組み込まれている、ＮＡＳＡ／ＴＭ－２０１０－２１６０９９の「Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｅｐａｒａｔｏｒ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｆｏｒ ＮＡＳＡ’ｓ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」に従って測定された、いくつかのリチウムイオンバッテリにおけるセパレータの動的機械分析によって測定された温度の関数としての、先行技術における収縮率を示す図である。第１の生成セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ ＰＰ、Ｃｅｌｇａｒｄ ｔｒｉ－ｌａｙｅｒ）、第２の生成セパレータ（セラミックＰＥ）、及び第３の生成セパレータ（銀、金、銀ＡＲ）が含まれる。
【図3】先行技術において、釘刺し試験を受けたパウチセルの断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で示す図である。層は、ＢＥＩ（後方錯乱電子撮像）によってマッピングされた、アルミニウム及び銅である。この釘は、左側で垂直である。各場合において、アルミニウム層は釘から後退し、酸化アルミニウムの「皮膚」の後に絶縁体を残す。
【図3A】先行技術において、図３に示された画像からの層のうち１つをズームインして示す図である。酸化アルミニウム層の拡大を示し、セパレータが全く収縮しておらず、電極を最遠部まで分離したままであることも、明らかにしている。
【図4】本発明に使用される金属化フィルムを示す図である。導電性材料の薄い層は外側にあり、中央基体は熱暴走に要する温度下で熱的に不安定な層である。この基体は、融解層、収縮層、分解層、酸化層、または１００～５００℃の温度で熱的な不安定さを被る他の層、とすることができる。
【図5】先行技術における、一般的に１２～２０ミクロンの厚さである、厚いアルミニウム集電材を示す図である。
【図5A】本発明で使用される金属化フィルムを示す図である。各側に１ミクロンのアルミニウムを伴う、１４ミクロン厚の基体を示す。本発明の集電材の場合、短絡に関連付けられた高い電流を運ぶことはできず、一方で厚い現行の技術は短絡に関連付けられた高い電流を運ぶことが可能である。
【図6】比較例１の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。この比較例は、熱いはんだごてと接触した後も変化しない。
【図6A】比較例２の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。この比較例は、熱いはんだごてと接触した後も変化しない。
【図7】実施例１の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。実施例１は、金属化される基体のために本開示で説明されるような収縮率を呈する。
【図7A】実施例２の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。実施例２は、金属化される基体のために本開示で説明されるような収縮率を呈する。
【図7B】実施例３の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。実施例３は、金属化される基体のために本開示で説明されるような収縮率を呈する。
【図8】実施例４の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。実施例４は、金属化される基体のために本開示で説明したような収縮率を呈する。
【図8A】実施例５の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。実施例５は繊維を有し、それはリチウムイオン電解液中の熱で分解する。
【図8B】実施例６の画像を示す図であり、はんだごての熱い先端によって接触された後である。実施例６は、熱的に安定した基体の例であり、それは本発明のように機能するよう、薄い導電層を必要とする。
【図9】異なる拡大率の断面のＳＥＭであり、実施例９で説明するように開示されるよう、１つの集電材の１つの考えられる実施形態における、金属化表面を示す。金属は、２０ミクロン厚である元の基体よりも、明らかにかなり薄い。
【図9A】異なる拡大率の断面のＳＥＭであり、実施例９で説明するように開示されるよう、１つの集電材の１つの考えられる実施形態における、金属化表面を示す。金属は、２０ミクロン厚である元の基体よりも、明らかに大幅に薄い。
【図9B】異なる拡大率の断面のＳＥＭであり、実施例９で説明するように開示されるよう、１つの集電材の１つの考えられる実施形態における、金属化表面を示す。金属は、２０ミクロン厚である元の基体よりも、明らかに大幅に薄い。
【図10】短絡後の比較例３の光学顕微鏡写真であり、短絡周りの溶発領域を示すが、穴は無い。
【図10A】短絡後の比較例４の光学顕微鏡写真であり、短絡周りの溶発領域を示すが、穴は無い。
【図11】短絡後の実施例１４の領域における光学顕微鏡写真であり、短絡の高い電流密度によって生じた材料の明らかな穴を示す。
【図11A】短絡後の実施例１４の領域における光学顕微鏡写真であり、短絡の高い電流密度によって生じた材料の明らかな穴を示す。
【図12】以下に記載する実施例を利用して、集電材の通電容量を試験するための試験ストリップの、サイズ及び形状を示す図である。
【図13】１つの潜在的に好ましい実施形態として、溶接したタブを伴う単一層の集電材の、側面斜視図である。
【図14】別の潜在的に好ましい実施形態として、テープで留められたタブを伴う単一層の集電材の、側面斜視図である。
【図15】別の潜在的に好ましい実施形態として、ステープルで留められたタブを伴う単一層の集電材の、側面斜視図である。
【図16】別の潜在的に好ましい実施形態として、１箇所を丸めて折り込んだ単一層の集電材、及びテープで留められたタブの、側面斜視図である。
【図17】別の潜在的に好ましい実施形態として、２箇所を丸めて折り込んだ単一層の集電材、及びテープで留められたタブの、側面斜視図である。
【図18】別の潜在的に好ましい実施形態として、溶接した２つの平行なタブを伴う単一層の集電材の、側面斜視図である。
【図19】別の潜在的に好ましい実施形態として、１箇所で折り込んで溶接したタブを伴う単一層の集電材の、側面斜視図である。
【図20】別の潜在的に好ましい実施形態として、２箇所を丸めて折り込んだ単一層の集電材、及び溶接したタブの、側面斜視図である。
【図21】別の潜在的に好ましい実施形態として、各々が２箇所を丸めて折り込んだ、複数の単一層の集電材、及び溶接したタブの、側面斜視図である。
【図22】別の潜在的に好ましい実施形態として、各々が２箇所を丸めて折り込んだ、複数の単一層の集電材、及び反対側に溶接した２つのタブの、側面斜視図である。
【図23】別の潜在的に好ましい実施形態として、複数回Ｚ型に折り込んで締付けられたタブと接触した、複数の単一層の集電材の、側面斜視図である。
【図24】金属化フィルムの２つの分離した層を伴う、ポリマー基体を有する複合体の集電材、及び単一の溶接部の、正面斜視図である。
【図25】装着され、良好に接続されたタブを伴う、ポリマー基体及び金属化フィルムの２つの分離した層を有する、複合体の集電材の、側面図である。
【図27】装着され、溶接したタブを伴う、ポリマー基体及び金属化フィルムの２つの分離した層を有する複合体の集電材の、側面斜視図である。
【図28】装着され、溶接したタブを伴う、ポリマー基体及び金属化フィルムの多層を有する、複合体の集電材の側面斜視図である。
【図29】タブに溶接した多層の金属化フィルム集電材の、側面分解組立斜視図である。
【図30】金属化フィルム集電材及び溶接したタブ複合体を含んだ、硬質プラスチック筐体バッテリの、透視側面斜視図である。
【図31】溶接したタブを伴う、ゼリーロール複合体の集電材を有する、円筒形バッテリの側面透視図である。
【図32】金属化フィルム集電材及び溶接したタブ複合体を含んだ、パウチ筐体バッテリの側面斜視透視図である。
【図33】多層の金属化フィルム集電材及び溶接したタブを伴う、多層バッテリ複合体の正面斜視図である。
【図34】金属化フィルム集電材及び本明細書のタブに関連付けられた、代替の溶接構造の、異なる潜在的実施形態を示す図である。
【図35】密に集められた溶接格子構造の、可能な実施形態構成を示す図である。
【図35A】まばらに集められた溶接格子構造の、可能な実施形態構造を示す図である。
【図36】ジグザグの部分的な溶接格子構造の、可能な実施形態構造を示す図である。
【図37】整合された部分的な溶接格子構造の、可能な実施形態構造を示す図である。
【図38】集電材及び上側に溶接を有するタブのバッテリ複合体の、側部斜視図である。
【図39】集電材及びフィルム側の溶接を有するタブのバッテリ複合体の、側面斜視図である。
【図40】１箇所で折り込まれて溶接したタブ及び集電材の複合体の、側面斜視図である。
【図41】多層集電材及び複数タブの複合体の、部分的組立分解側面斜視図である。
【図42】電極と、分離したヒューズ構造を含んだ溶接したタブとの複合体の、側面斜視図である。
【図43】装着のためのテープを伴う集電材の一部／電極／タブの複合体の、側面斜視図である。
【図44】多層集電材及び電極、ならびに溶接したタブのための巻きテープ接続を有するバッテリ複合体の、側面斜視図である。
【図45】多層集電材及び電極、ならびに溶接したタブのための締付けたテープ接続を有するバッテリ複合体の、側面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0044】
同じ参照番号は、様々な図面を通して同じ部品を指す。
【0045】
本開示の明確な利点は、構造構成要素を通して、内部短絡が生じたときに導電経路を遮断する機構を提供し、目標のバッテリセル内で熱を発生させ得る電流フローを停止または大幅に軽減させる機能である。
【0046】
別の利点は、リチウムバッテリセル内に、防護構造フォーマットを提供し、さらにセル全体の製造、輸送、及び利用のための、有益な重量及びコスト改善を提供するための機能である。したがって、別の利点は、目標のバッテリセル内の内部ヒューズ構造を生成し、起動が必要となるまで保持することである。別の利点は、薄いフィルムベースの集電材の利用を介して、より低い重量のバッテリを提供することである。薄いフィルムベースの集電材は、短絡回路または同様の事象中の熱暴走を防止する。さらに別の利点は、短絡または同様の事象中に点火する、いかなる感知できる傾向もなく、バッテリ内の可燃性有機電力材料を利用できる機能である。別の明確な利点は、内部ヒューズ集電材と溶接、または特に上面及び下面の両方と同時に接触して、十分な導電性のタブを提供する機能である。さらに別の利点は、複数の電流コンダクタンスの内部構造における、一連の蓄積されたパワー生成を可能にして、過剰な重量または容量測定値を必要とせずに、頑丈なオンデマンドのバッテリ効果を提供するために、本明細書で開示する薄い集電材構成要素内で、折り込みを作り出す機能である。
【0047】
したがって、本発明の開示は、アノード、カソード、アノードとカソードとの間に存在する少なくとも１つのポリマーセパレータまたは生地セパレータ、電解液、及びアノード及びカソードのうち少なくとも一方と接触した少なくとも１つの集電材、を備えた、エネルギー貯蔵デバイスを包含する。アノードまたはカソードのいずれかは、集電材の少なくとも一部と、セパレータとの間に挟まれる。集電材は、ポリマー材料基体にコーティングされた導電性材料を備える。集電材は、エネルギー貯蔵デバイスの少なくとも２．０ボルトの動作電圧で曝された短絡の接触ポイントにおいて、導電を停止させる。１つの例として、接触ポイントにおいて、チップのサイズが１ｍｍ２以下で０．１アンペア／ｍｍ２の電流密度となる場合がある。当然ながら、より大きいセルについて、必要な電流密度の閾値は大きくなり、セルは、少なくとも０．３アンペア／ｍｍ２、例えば少なくとも０．６アンペア／ｍｍ２、またはさらに少なくとも１．０アンペア／ｍｍ２で、導電を停止させ得る。このようなコーティングされたポリマー材料基体は、以下でさらに詳細に説明するように、せいぜい２５ミクロンの全体厚さを呈することも望ましい。エネルギー貯蔵デバイス（リチウムイオンバッテリ、コンデンサなどいずれかのバッテリ）内に、このような有益な集電材構成要素を利用する方法も、本開示内に包含される。さらに、このような薄いフィルムの集電材のバッテリ物品には、この集電材の長さに沿って進んだ２～５０の溶接部（均一な離隔及びサイズ）の間を介して、ベースの薄いフィルムの集電材と接触した、少なくとも１つのタブも提供され得る。この少なくとも１つのタブは、薄いフィルムの上に載り、それによって少なくとも１つのタブは、薄いフィルムの集電材の覆われた表面と接触した、露出した上面または底面を有する。溶接部は、露出した上面から薄いフィルムの集電材の覆われた表面まで、タブが通過した導電性材料の配置を呈する。本明細書で、さらに包含されるのは、上述のような複数の集電材の利用であり、それは、折り込まれて、単一のバッテリ物品内で連続して接続された、分離したパワー生成領域を提供し得る。
【0048】
追加として、より大きい電流密度は、非常に短い期間間隔で、または非常に小さい先端のプローブで、支持され得る。このような状況において、５アンペア、１０アンペア、またはさらには１５アンペアなどの大きい電流が、非常に短い時間間隔（例えば１秒未満、代替として０．１秒未満、またはさらには１ミリ秒（０．００１秒）未満）で、接続され得る。本開示内で、より大きい電流を測定することが可能であり得る一方で、このような電量の送達時間はかなり短く、そのため送達される合計エネルギーは非常に小さく、目標のバッテリセル内で熱暴走を発生させるために十分な熱を生成するには、十分ではない。例えば、従来の構造のセル内における短絡は、４．２ボルト、３０秒で、１０アンペアを生成することが公知であり、その結果、このようなバッテリ内の小さい局所的領域に、１２００ジュールのエネルギーを送達する。この得られた測定値は、対象のバッテリにおける１グラムセクションの温度を約３００℃増加させることができる。この温度は、中に存在する従来のセパレータ材料を融解させるのに十分であるだけではなく、セル全体を熱暴走状態にも至らせるのに十分である（上述のように、これは中に存在する電極材料の前述の弱体化と、対象のバッテリだけではなく、それが中に存在するデバイス／器具、及び周りの環境の潜在的な破壊と、を生じさせ得る）。したがって、短絡持続期間の時間を減少させる機能、ならびに、このような短絡に関連付けられて得られた、送達されたエネルギーレベルを低いジュール測定値まで減少させる機能が可能であり、熱暴走（及びそれに関連付けられた潜在的な災害）が、完全に防止されなくても、回避され得る。例えば、集電材内で短絡が滞留する時間を、１ミリ秒以下に減少させると、それは次に、送達されたエネルギー量を０．０４ジュールまで低く（例えば対象のバッテリの１グラム局所領域内で過剰な３００℃以上をもたらす、上述の１２００ジュールとは反対に）減少させることができる。このような低いレベルは、バッテリの１グラム局所領域内で、０．０１℃の温度上昇しか発生させず、目標のセル内及びバッテリ全体の熱暴走を防ぐ。
【0049】
したがって本開示の別の大きな利点は、（内部の製造欠陥、樹枝状結晶、または対象のバッテリ内の内部短絡を起こす外部事象の影響を制御して競うために）プローブ先端を介して、目標の集電材の表面に適用される電流レベルの送達時間を、１秒未満まで、好ましくは０．０１秒未満まで、より好ましくは１ミリ秒未満まで、最も好ましくはおそらく１００マイクロ秒未満まで、特により大きい電流のために大幅に制限する集電材を、バッテリに提供することである。当然ながら、このような電流は、５．０Ｖ、４．５Ｖ、４．２Ｖ、または４．０Ｖもしくは３．８Ｖなどさらに小さく、しかし最低２．０Ｖで、セルの内部電圧に制限される。
【0050】
このような新たな集電材構成要素は、現在のバッテリ及びエネルギー貯蔵デバイスのリチウム（及びその他のタイプ）内で一般的に利用され、かつ見られるものに対して、実際に反直感的である。標準的な集電材には、製造プロセスに耐えるために必要な強度がもたらされると思われる厚さの、アルミニウム及び／または銅パネルなどの導電性金属構造が提供される。これらの金属の強度は、セルの電気的要件よりも、大幅に過剰な厚さを必要とする。例えば、セルの電気要件は、アルミニウムの５００ｎｍ程度の金属厚を決定する一方で、製造プロセスに耐えることができる最も薄い固体フォイルのアルミニウムは、概ね１０μｍである。しかし、このような意見は、特に現在エネルギー貯蔵デバイスで普及している厚いパネルが、実際に任意の電流を支持し、一般的な低いインピーダンスのセルが、短絡が生じたときに送達することができ、それによってこのような状況が生じた場合に暴走温度の大きな一因となるものと、誤解されてきたことが判っている。このような短絡は、例えばアノードとカソードとの間の樹脂状結晶の形成によって生じ得る。このような奇形部分（製造時もしくは製造中に生じるか、または長期の使用の結果による、潜在的な劣化のいずれか）は、電圧が予期せずアノードからカソードへ通るのを可能にし、それによって電流が増加し、その結果、生じた箇所における温度が上昇し得る。実際、欠陥を生じさせる短絡の、１つの潜在的な源はギザギザ部分であり、それは、（現在一般的である）複数製品の繰り返し製造プロセス中に、摩耗したブレードを用いて切開または切断されたときに、これらの厚い一般的な集電材の縁部に形成される。しかし、標準的な集電材の材料は、永続的な短絡を作り出す傾向を呈するのみであり、温度上昇を許容し、さらにこのような発生中に存在する電流がデバイスを通過し続け、拘束されない生成及び動きを可能にし、電流及びしたがって温度レベルの上昇を縮小させる手段は残らない、ということが繰り返し分析され、理解されてきた。この問題は、このような状況を止めるためのいかなる内部手段もなく、直接的に高温の暴走効果をもたらし、火災の発生及び最終的なデバイスの犠牲及び破壊の可能性が、一般的に差し迫る。追加として、標準的な集電材の電流経路（電荷方向）は、短絡事象の前後でほとんど変化せずに保たれ、カソードからアノードへ、次に特定方向の集電材に沿って水平な運動が予想されるのと同じ、潜在的な電荷の動きを、基本的に呈する。しかし短絡を伴い、この電流経路は、このような電荷の動きを防止すること、または少なくとも減少させるかもしくは遅らせることに機能しない。換言すると、バッテリ自体の全体で暴走式に迅速な放電を可能にする。このような迅速な放電に関連付けられた高い温度と共に、上述の最悪の課題（火災、爆発など）をもたらす。
【0051】
反対に、少なくともリチウムバッテリの一般的な構造及び構成に対して、やはり予期せず、かつ反直感的に、本開示の集電材を利用することで、非常に高い電流密度測定値（導電性要素の減少させた厚さのため）、及び短絡の際における電荷の動きの防止（例えば電荷方向なし）、をもたらす。換言すると、本明細書で開示する集電材構成要素に適合した、特定の構造的制限により、電流密度は、材料を完全なままに保つことができず、蒸発によって破損するような程度まで、増加する。
【0052】
導体のこの破損が生じるために必要なエネルギーの合計量は、上述のように低く、この事象から発生した非常に低い温度をもたらす。このような集電材構成要素における他の構造的問題、すなわちこのような導電性材料層と接触した、寸法的に安定したポリマー材料の実際の欠乏、と組み合わせると、導電性材料は、その充電ポイントにおいて即座に酸化し、例えば酸化アルミニウムまたは酸化銅を、両方とも非導電性材料にする。このような瞬間的な非導電性材料の生成により、短絡電荷は、その動きが可能な方向がないので、消散する。したがって、開示するような集電材を用いて、内部短絡の発生は電流の即座の停止をもたらし、このような短絡からもたらされた瞬時の高温効果を効果的に利用して、さらなる電荷の動きに対する障壁を生成する。したがって、（当然ながら短絡に関連した）エネルギー貯蔵デバイスの本体全体のさらなる電流の損失は、このような望ましくない事象を、短絡が完全に抑えられる程度まで、電流の暴走または高温効果がその後生じない程度まで、ならびに、おそらく最も重要であるが、集電材がその当初の実行可能性、及び防護目的を保つ程度まで、弱める。なぜなら存在する局所的な非導電性材料は、エネルギー貯蔵デバイス（バッテリなど）が意図するように動作するとき、電流フローのいかなる明らかな減少も生じないからである。さらに、非導電性材料が発生する比較的小さい領域は、いかなる補修、交換または他の是正措置も必要なく、集電材に、別の利用のための大きい表面積を残す。このような状況を保証する必要性は、当然ながら常に生じるのではないが、開示するように特定の予防及び補正もなく、このような高温による弱体化及び破壊事象の可能性は、一般的に許容できるよりも、実際大幅に高く残る。したがって、集電材全体は、短絡の条件下での不安定性のため、二次元電気ヒューズとなり、短絡に関連付けられた潜在的に災害を引き起こす高い電流を、短絡のポイントにおいて電流を通す集電材の機能を破壊する高い電流の瞬時の効果を使用して、防止する。
【0053】
このような利点は、提供され得る新たな集電材と関連して、類似の最終結果を伴い、いくつかの異なる代替を介して可能になる。これら任意の代替構成において、本明細書で説明するような集電材は、表面的には目標のエネルギー貯蔵デバイス（例えばリチウムバッテリ、コンデンサなど）内の内部ヒューズとして機能する。しかし、各例（代替）において、ポリマー層を含んだ集電材が存在する。このポリマー層は、その一方の側または両側が金属化され、少なくとも一方の金属化された側は、目標のエネルギー貯蔵デバイスにおけるアノードまたはカソードと接触する。１つの代替として、集電材の金属化（コーティングされた）ポリマー基体の合計厚は、２０ミクロン未満、潜在的に好ましくは１５ミクロン未満、及び潜在的により好ましくは１０ミクロン未満であり、これら全ては抵抗測定値が１ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ未満、潜在的に好ましくは０．１ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ未満、及び潜在的により好ましくは５０ミリｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ未満である。一般的な集電材は、これらの特徴を呈するが、補強ポリマー基材で作られたものよりもかなり重量があり、この現在開示される変形の本質的な安全性の利点がない。例えば、１０ミクロン厚の銅フォイルは、９０ｇ／ｍ２の重量となり得る。しかし、銅化フォイルは、セルが機能するために必要な適切な電気性能を送達しながら、５０ｇ／ｍ２だけ、さらには３０ｇ／ｍ２だけ、さらには２０ｇ／ｍ２未満の重量となり得る。しかしこの代替の構造において、非常に薄い構成要素は、金属コーティングを伴い、全ての抵抗レベルに関して、反応のための短絡も可能にし、このような短絡中の電流スパイクのよる過剰な高温を伴い、任意のさらなる電流の動きを直ちに防止する金属酸化物の局所領域を発生させる。
【0054】
このような新たな集電材の、別の考えられる代替は、温度依存の金属（または金属化）材料を提供することであり、それは短絡中に熱源によって収縮するか、または特定の材料箇所において非導電性材料（上記について異なる方法で示すように１つの例として、アルミニウム集電材から酸化アルミニウムなど）に、容易に劣化する。このように、集電材は、現在使用されている、高温に対して極めて熱的に安定したアルミニウムまたは銅の集電材とは全く反対に、熱に弱くなる。その結果、より低い固有の融解温度を伴う金属の合金は、低い短絡電流密度下で劣化し、本明細書で開示するリチウムベースのエネルギーデバイスにおける安全性の利点を向上させる。別の代替は、例えば銅またはアルミニウムの導電性材料層を、比較的低温において比較的高い収縮率を呈する繊維またはフィルムにコーティングすることによって、集電材を製造することである。これらの例は、溶解温度が２５０℃未満、またはさらに２００℃未満の熱可撓性フィルムを含むことができ、非限定の例として、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエチレン、またはポリプロピレンを含むことができる。このような効果を実現する、別の考えられる方法は、例えば上記のように銅またはアルミニウムの導電性材料層を、繊維またはフィルムにコーティングすることによって集電材を製造することであり、この繊維またはフィルムは、材料がセルの動作温度と比較して高温であるが、熱暴走を生じさせ得る温度と比較すると低い温度まで加熱されたときに、電解液の中で膨張または分解する。リチウムイオン電解液の中で膨張できる、このようなポリマーの例として、ポリフッ化ビニリデン及びポリアクリロニトリルが挙げられるが、当業者に公知である他のものが存在する。このような代替の内部電気ヒューズの生成プロセスを実現するための、さらに別の方法は、熱で酸化できる例えばアルミニウムなどの金属を、通常のリチウムバッテリに使用されるよりもかなり少ない合計金属厚で、基体上にコーティングすることである。例えば、現在使用されているような、非常に薄いアルミニウム集電材は、２０ミクロンの厚さとし得る。５ミクロン未満の合計コーティング厚は、回路を早く遮断する場合があり、２ミクロン未満、またはさらには１ミクロン未満の厚さは、回路をさらに早く遮断する場合がある。さらに導電経路の遮断を実現するための別の方法は、制限された導電性の集電材を提供することである。制限された導電性は、市販のヒューズで現在見られる劣化と同様、短絡周りの高い電流密度で劣化することになる。これは、５ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅよりも大きい、１０ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅ、潜在的に好ましくは２０ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅよりも大きい、または潜在的により好ましい５０ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅよりも大きいレベルの抵抗率を伴う、集電材を提供することによって、実現され得る。これらの測定値は、両側がコーティングされた材料の、一方の側または両側のものとすることができる。異なる抵抗率の集電材を使用することは、より低いパワー及びより高いエネルギーのために設計されたセルと比較して低い抵抗を使用し、ならびに／または、比較的高い抵抗を使用し得る、高いパワー用に設計されたバッテリのために別様に選択され得る。導電経路の遮断を実現するための、さらに別の方法は、アルミニウムよりもかなり低い温度で非導電性材料に酸化する集電材を提供することであり、それによって集電材が、セパレータが劣化する前に短絡領域において不活性化するのを可能にする。アルミニウムの特定の合金は、アルミニウム自体よりも早く酸化することになり、これらの合金は、導電経路をより早く、またはより低温で、劣化させる場合がある。考えられる代替として、任意のタイプの金属を、このような薄い層の容量に利用し得る。これは限定ではないが、金、銀、バナジウム、ルビジウム、イリジウム、インジウム、プラチナなどを含む導電性を呈する（基本的に非常に薄い層を伴い、このような金属使用に関連付けられたコストは、導電性を犠牲にすることなく大幅に低減され、さらには短絡または同様の事象中における熱暴走の可能性から防護するのを可能にし得る）。なお、異なる金属の層が利用されてもよく、または、内部に析出された金属の別個の領域、もしくは分離した層の構成要素として、利用されてもよい。確かに、このようにコーティングされた集電材の基体における一方の側は、反対側とは異なる金属種を含み、同様に、比較して異なる層厚を有し得る。
【0055】
セルの電気特性を改善するための１つの方法は、コーティングされた集電材が、導電性コーティングされた２つの側の含み、表面上は一方の側のコーティングから他方の側のコーティングへの導電性を可能にすることを、保証することである。このような効果は、例えばコーティングされないポリマーフィルムには可能ではない。しかし、このような２つの側における導電性のスループットは、１つの非限定例として、導電性繊維の特定のパーセンテージを含んだ不織布、または導電性材料を装填された不織布、もしくは導電性材料（カーボン繊維または金属繊維など）で作られた不織布、または上述のような、導電性材料（表面に金属コーティングを施した繊維など）でコーティングされた繊維を含有する不織布、によって実現することができることが判っている。上部から底部への導電性を呈する新たな薄い集電材の材料の、別のタイプは、フィルム製造中または製造後に、本質的な導電性材料（例えばポリアセチレン、ポリアニリン、もしくはポリビニルピロリドンなどの導電性ポリマーなど）の利用を介したもの、または導電性材料（グラファイト、グラフェン、金属粒子、もしくは繊維など）の装填を介したもの、などの導電性に作られたフィルムとし得る。追加として、別の可能な２つの側の薄い集電材の材料は、金属化プロセス中に金属（アルミニウムまたは銅）で側部をコーティングした、小さい穿孔穴を有するポリマー基体である。このような、一方の側から他方の側への導電性効果は、導電性コーティングほどの導電性は必要としない。
【0056】
したがって、表面上は同じ集電材の効果及び物理特性を生成する、このような代替構成は、ａ）コーティングされたポリマー基材の合計厚が、１ｏｈｍ／ｓｑｕｒｅ未満の抵抗を伴い２０ミクロン未満であること、ｂ）集電材は、ポリマー材料を含んだ基体にコーティングされた導電性材料を備え、このポリマー材料は２２５℃において少なくとも５％の熱収縮率を呈すること、ｃ）集電材の金属化されたポリマー材料はバッテリの電解液の中で膨張し、この膨張はポリマー材料が加熱されると増加すること、ｄ）集電材の導電性材料の合計厚は、ポリマー基体に適用されたときに５ミクロン未満であること、ｅ）集電材の導電性は１０ｍＯｈｍ／ｓｑｕｒｅ～１ｏｈｍ／ｓｑｕｒｅであること、及びｆ）集電材の金属化されたポリマー基体は、６０％までの気孔率を呈すること、を含む。セパレータが２２５℃で１時間後に５％未満の熱収縮率を呈することを伴う、エネルギー貯蔵デバイス内の、これら代替構成のうちいくつかの利用は、本開示の範囲内である。このタイプのエネルギー貯蔵デバイス（バッテリ、コンデンサなど）の全体的な利用（使用方法）も、本明細書に包含される。
【0057】
本発明の主な利点は、セルの向上した安全性であり、他の利点は、上記で示したように、このような集電材構成要素に関連した金属重量を減少させることで、減少したエネルギー貯蔵デバイスの全体重量を含む。さらに、薄い金属化コーティングされたポリマー層を利用すること、特にこのようなバッテリ物品内の集電材の、低い寸法的な安定性特徴は、完全に反直感的である。この産業内の現在の考え方は、より多くの実際の金属及び／または絶縁構成要素が、（特に潜在的な短絡事象に対する）所望の防護効果を実現するために必要とされる、という思想のままである。このような枠組の不正確さだけではなく、リチウムバッテリ内などの短絡問題に対する効果的な改善は、熱的に不安定なベース層を用いて集電材構成要素を増加及び結合させるのではなく、金属量を減少させることが、現在予期せず判っている。したがって、やはり予期せず、このような不安定なベース層を伴う薄い金属層が、短絡中の放電事象の抑制に努め効果的に止める機能を提供することだけが判っているのではない。全体的な効果は、より安全かつより確実な効果だけではなく、このような構成要素の部品の全体重量及び体積を、大幅に減少させることである。したがって、エネルギー貯蔵製品（バッテリなど）内の低下した重量及び体積要件を伴う、改善された特性の予期せぬ利益は、当初理解されていたよりも多くのものを、産業界に与える。
【0058】
さらなる説明として、２０ミクロン厚で２．７ｇ／ｃｍ３の密度のアルミニウムは、５４ｇ／ｍ２の重量となる。しかし、１０ミクロン厚のポリプロピレンフィルム（密度０．９ｇ／ｃｍ３）に、同じ金属を１ミクロンでコーティングすると、１１．７ｇ／ｍ２の重量となる。集電材の、この重量の減少は、目標のエネルギー貯蔵デバイス（例えばバッテリ）の全体重量を減少させることができ、移動性を向上させ、燃費または電気範囲を向上させ、一般的に移動電気用途の価値を強化する。
【0059】
追加として、フィルムの高い強度のために、上記の例をより薄く、例えば２０ミクロンと比較して１１ミクロンの合計厚さで作ることもでき、やはりセルの体積を減少させ、それによってエネルギー密度を効果的に増加させる。このように、合計厚が１５ミクロン未満、好ましくは１２ミクロン未満、より好ましくは１０ミクロン未満、最も好ましくは８ミクロン未満の集電材を、このような目的及び機能のために作り、利用することができる。アルミニウムにおける２．７×１０－８ｏｈｍ・ｍの体積抵抗率、銅における１．６８×１０－８ｏｈｍ・ｍの体積抵抗率で、薄いコーティングは、１ｏｈｍ／ｓｑｕｒｅ未満、０．５ｏｈｍ／ｓｑｕｒｅ未満、さらには０．１ｏｈｍ／ｓｑｕｒｅ未満、または０．０５ｏｈｍ／ｓｑｕｒｅ未満で作ることができる。これらの導電性コーティング厚は、５ミクロン未満、好ましくは３ミクロン未満、より好ましくは２ミクロン未満、潜在的に最も好ましくは１ミクロン未満である。市場で一般的な使用の標準材料が１０ミクロン以上の金属を含有するとき、より少ない金属を使用して好適な性能が得られることは、非常に反直感的である。実際、一般的な貯蔵デバイスに存在する金属のほとんどは、高速及び自動処理のための好適な機械的特性を与えるよう、含まれている。本発明の利点の１つは、より低い密度のポリマー材料を使用して機械的特性を提供し、金属の厚さを、セルの安全性が向上するレベルまで減少させることである。なぜなら集電材は、内部短絡により熱暴走、煙、及び火災をもたらす、危険なほど高い電流密度を支持できないからである。
【0060】
追加として、これらの導電層は多層で作ることができる。例えばアルミニウムの１層をベース層とし、薄い銅層によってコーティングしてもよい。このように、体積導電性はアルミニウムによってもたらすことができる。アルミニウムは軽量、安価であり、蒸気相析出技術によって容易に析出させることができる。銅は追加の導電性及び不動態化をアノードに提供することができ、その一方で大幅な追加コスト及び重量を加えない。この例は例示のためのみに与えられ、当業者は、多くの他の多層導電性構造を提供でき、それらの全ては本発明の優良な例である。
【0061】
これらの薄い金属コーティングは、一般的に通常のアルミニウムまたは銅の集電材よりも、高い抵抗をもたらすことになり、比較すると本発明の際立つ特徴を提供する。このような新たな集電材は、１０ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅより大きく、好ましくは２０ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅより大きく、より好ましくは５０ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅより大きく、潜在的に最も好ましくは１００ｍＯｈｍ／ｓｑｕａｒｅより大きく作ることができる。
【0062】
追加として、上述のように熱的に弱い集電材を用いて作られたセルは、セパレータが、２００℃の温度で１時間の露出後、好ましくは２５０℃で１時間の露出後、潜在的により好ましくは３００℃の温度で１時間の露出後に、５％未満で収縮することを含む、潜在的に高温で低い収縮率を呈する、高い熱的安定性を有する場合に、より安全に作ることができる。現存のセパレータは、１３８℃の融解温度のポリエチレンから、及び１６４℃の融解温度のポリプロピレンから作られる。これらの材料は、図２に示されるように１５０℃において５０％より大きい収縮率を示し、このような結果は、本明細書で説明するような薄い集電材に利用するには高すぎる。このような問題を改善するために、ＮＡＳＡ ＴＭー２０１０－２１６０９９ ｓｅｃｔｉｏｎ３．５で測定した、１５０℃で５０％未満、さらに３０％未満、または１０％未満で収縮する特定のセパレータの利用が必要であることが判っている。セラミックコーティングされたセパレータでさえ、比較的小さな温度で大きい収縮を示し、全体的に壊れるか、または１８０℃で２０％に収縮するか、のいずれかである。したがって同じ試験で測定したときに、試験中に壊れず、かつ（少なくとも）１８０℃に露出して２０％より大きく収縮しない、より好ましくは１０％より大きく収縮しないセパレータを利用することが望ましい。最も好ましい実施形態は、２００℃、２５０℃、またはさらには３００℃の温度で露出したときに、１０％未満で縮小するセパレータを利用する。
【0063】
これらの金属化基体のいずれについても、薄い厚さを有してセルのエネルギー密度の増加を促進させることは望ましい。艶出し、圧縮、ホットプレス、または合計厚を減少させるように表面から材料を除去することも含め、任意の手段を使用して、このような厚さを得ることができる。これらの厚さを減少させるプロセスは、金属化の前または後に行なうことができる。したがって、２５ミクロン未満、好ましくは２０ミクロン未満、より好ましくは１６ミクロン未満、潜在的に最も好ましくは１４ミクロン未満の、金属化基体の合計厚を有することが望ましい。市販のポリエステルフィルムは、せいぜい３ミクロン、さらに薄く１．２ミクロンの厚さを伴うことが判っている。これらのタイプは、好適な基体として役立ち、集電材の合計厚が１０ミクロン未満、好ましくは６ミクロン未満、より好ましくは４ミクロン未満となることを可能にする。このような（上述及び全体で説明したように適切な導電性を伴う）極薄集電材は、改善された安全性能、今まで調査されていない効果を伴う、より高いエネルギー密度を可能にし得る。
【0064】
これらの金属化基体のために軽い重量を有することも望ましい。これは、単なる例として、ポリオレフィンなど、またはポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリメチルペンテンを含んだ他の低密度ポリマーなど、低密度ポリマー材料を使用することによって実現することができる。基体に開放気孔構造、または低い基本重量の基体の利用を介しても、実現することができる。このように、基体材料に使用されたポリマー材料の密度は、１．４ｇ／ｃｍ３未満、好ましくは１．２ｇ／ｃｍ３未満、潜在的により好ましくは１．０ｇ／ｃｍ３未満とすることができる。さらに、基体材料の面密度は、２０ｇ／ｍ２未満、好ましくは１６ｇ／ｍ２未満、潜在的に最も好ましくは１４ｇ／ｍ２未満とすることができる。追加として、金属コーティングされたポリマー基体材料の面密度は、４０ｇ／ｍ２未満、好ましくは３０ｇ／ｍ２未満、より好ましくは２５ｇ／ｍ２未満、潜在的に最も好ましくは２０ｇ／ｍ２未満とすることができる。
【0065】
低い重量は、多孔性ポリマー基体を用いても実現することができる。しかし、低い強度及び大きい厚さをもたらし、関連の目標を実質的に無効にするので、これらの材料の気孔率は高くし過ぎてはならない。したがって、このようなベース材料は、約６０％未満、好ましくは５０％未満、潜在的により好ましくは４０％未満の、気孔率を呈する。固体材料が、このタイプの金属コーティングされた集電材に使用することができるので、気孔率に下限値は存在しない。
【0066】
材料が高速でバッテリの中に処理するのを可能にするために、高い強度が必要である。これは、延伸繊維、または一軸もしくは二軸の延伸フィルムのいずれかからの、細長いポリマーを使用することによって実現できる。
【0067】
以下で、添付の図面及びその説明に提示するように、バッテリ、コンデンサ、超コンデンサなどの、エネルギー貯蔵デバイスは、本開示に従って製造及び提供される。短絡後の感知できない電流の動きに関連付けられた特性を呈する、少なくとも１つの集電材は、カソード、アノードに接触するか、または両方に接触した２つの分離した集電材に接触する。セパレータ及び電解液は、全て標準的な（好適な）エネルギー貯蔵デバイス容器に存在し、封止される。カソード、アノード、容器、電解液、及びいくつかの状況において、セパレータ、構成要素は、ほとんどの部分で全て標準的なものである。しかし本明細書で利用される集電材は、開示のように、当技術分野で新しく、かつ調査されていないだけではなく、実際のエネルギー貯蔵デバイス構成要素のように反直感的である。これは、やはり以下でより詳細に説明する。
【0068】
上述のように、完全に防止できなくとも、バッテリセル（特にリチウムイオン再充電可能タイプだか、当然ながら他のタイプも可能）内の熱暴走の機会を減少させるために、中におけるいかなる短絡も、対象の集電材内または対象の集電材において、短い時間間隔内で、減少した滞留時間で基本的に存在させる手段を必要とし、最終的に僅少なジュールレベル（すなわち１０未満、好ましくは１未満、最も好ましくは０．０１未満）の、得られたエネルギーレベル結果を呈する。アノードからカソードへ、セパレータを介して、薄い導電性集電材を所定の位置に伴う電気経路、ならびに有機可燃性電極の存在する状況において、及び上記で示されたように、軽重量で薄い集電材は、特に集電材の表面における不安定な電荷が消散すると、及び電極構成要素の点火が差し迫るような感知される温度上昇がないこと、という観点で、望ましい効果を可能にすることが観察された。驚くべきことに、かつ特定の科学的説明または理論に縛られず、薄い集電材量の導電性質は、短絡電荷が薄い導電性の集電材に到達することのみを可能にし、集電材の表面における電荷自体との間で反応する短い持続時間の高いエネルギー事象を即座に作り出し、それによって、集電材の表面における特定のポイントに形成するよう、金属酸化物を作り出すと、信じられている。金属酸化物は、さらなる電気的活動に対して絶縁を提供し、適用された電流は瞬時に消散し、集電材自体の中で潜在的な変形を残すが、前述の金属酸化物の存在を伴い、特定の箇所における、さらなる電荷の活動から防護する。したがって、残った集電材は完全なままであり、前と同じ性能を提供することができ、それによってさらなる潜在的な短絡または同様の現象に対する防護をさらに提供する。先行技術のバッテリ製品における熱暴走の事象において、例として、アノード、カソード、集電材、及びセパレータは電気経路を備え、それは熱を生成してスパークをもたらし、短絡に対する反応でセルに点火する。イオンを搬送する可燃性電解液のさらなる存在は、予期せぬ電荷に関連付けられた高温効果を伴う事実上の危険を与える。基本的に、先行技術の集電材で生成された熱は、電解液材料内に最初の電気化学反応を生じさせ、最終的に電解液材料自体の制御不能な点火をもたらす。したがって、本明細書で開示する発明の集電材は、このような可燃性電解液を含んだバッテリセル内で利用されるとき、特に価値がある。例として、このような電解液は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びジメチルカーボネート、を含んだカーボネートなどの有機溶媒を、一般的に含む。これらの電解液は、通常は上記の材料の混合物として、おそらくは様々なタイプの添加物を含んだ他の溶媒材料を伴って存在する。これらの電解液は、例としてヘキサフルオロリン酸リチウムＬｉＰＦ６が挙げられる、リチウム塩成分も有する。このような電解液は、バッテリ産業界で好ましいが、言及したように、潜在的に危険な状況の一因となる。さらに、他のバッテリ構成要素に関連付けられた本発明の集電材は、これらの懸念を大幅に、驚くべきことに改善する。
【0069】
この集電材が、その有用性を呈する１つの方法は、以下の試験にある。電圧及び電流制限を伴う電流源は、電圧制限を対象のエネルギー貯蔵デバイスの動作電圧と類似したものに設定することができる。次に電流を調整することができ、集電材は２つの構成未満で試験された。第１に、公知の幅における集電材の短いストリップが、試料の全体幅に接触した２つの金属コネクタを介して接触される。電流源の電流制限は、電流を運ぶ材料の機能に制限が存在するかを確認するために上昇させることができ、それは幅によって除算された合計電流として測定でき、Ａ／ｃｍで表わして、本明細書では水平電流密度と呼ぶ。第２の構成は、電流源の接地を全幅の金属接点の１つに接触させ、次に概ね０．２５ｍｍ２のプローブ先端を、集電材のストリップに沿った位置に当てることである。電流が高すぎる場合、局所領域を焼いて電流は流れなくなる。電流が集電材にとって高すぎない場合、電流源の制限まで全電流は流れることになる。結果は、Ａ／ｍｍ２の電流の制限であり、本明細書では、垂直電流密度と呼ぶ。このように、両構成で高い電流に到達できる集電材は、先行技術と類似する。全幅に接触したときに水平電流を支持できるが、類似の垂直電流をポイント接点で支持しない集電材は、本明細書で説明する発明の例である。
【0070】
例えば、０．１Ａ／ｃｍ、０．５Ａ／ｃｍ、１Ａ／ｃｍ、２Ａ／ｃｍ、またはさらに５Ａ／ｃｍの水平電流密度を支持できることが、集電材にとって望ましい場合がある。上記のような水平電流密度を支持できる集電材にとって、０．１Ａ／ｍｍ２、０．５Ａ／ｍｍ２、１Ａ／ｍｍ２、２Ａ／ｍｍ２、またはさらに５Ａ／ｍｍ２の垂直電流密度を支持しないことが望ましい。
【0071】
上記で示したように、リチウムイオンバッテリ内には、一般的にタブ溶接が存在する。このタブ溶接は、内部構成要素、特に集電材を、共にタブリードに接続して、電荷を外部ソースに移動させる。この状況において、非常に薄いタイプの集電材を伴い、このようなタブリードは効果的に内部の金属化フィルム集電材に接触し、同様に外部ソースに所定の位置で十分に接触させ続けることは最重要である。追加として、バッテリセル自体の必要な動作、ならびに考えられる問題（樹状突起形成など）中の暴走電流を防止するための内部ヒューズ特徴を提供する機能、を可能にするための、上述及び予期せぬ良好な金属化された薄いフィルムの集電材の有効性のため、このようなタブは、いかなる程度のずれ、または同じ潜在的な暴走電荷の課題自体の抑制に対する無効性を呈してはならない。換言すると、内部ヒューズ効果の有効性は、タブの課題によって成されないか、または損なわれてはならない。驚くべきことに、このような必要とされる特徴は、このようなタブ構成用途を用いて許容されるものと、判断されている。
【0072】
そのレベルまで、金属化された薄いフィルムの集電材は、それらへのタブの効果的かつ強い溶接を実際に可能にし、フィルムの両側のコンダクタンスを実際に可能にする機能を伴うことが判った。タブ自体は、各個々の集電材よりも実際に厚く、互いに接触して設置されたときに、この溶接は、溶接部自体の形状及び深さに関連して、タブ材料を部分的に貫通する深さまで成され得る。しかし、驚くべき結果は、溶接が、薄い「ストリーム」または同様の形成において、タブを実際に貫通することによって、このような溶接材料を通して、タブへのコンダクタンスを可能にする、ということである。限定されるが効果的なこの方法で、導電経路は、溶接個所において、タブ（及び次にバッテリセルのケーシングを出て外部ソース）への、必要とされるコンダクタンスを可能にするだけではなく、各溶接個所においてこのような導電フローによって生成された、実際のアンペア数及び温度を制限するための手段を提供するために生成される。このような効果は、金属化フィルムの集電材から暴走導電性における上述の制御を可能にし、短絡（樹状突起形成など）が生じる。なぜなら電荷は実際の集電材の表面で停止することになり、暴走電荷のための他の経路が設けられないからである。したがって溶接は、１つの例として５つまで、互いに均等に離隔されて、集電材に沿って進むタブ構成要素の長さに沿って提供され、フォイル集電材からタブへ、バッテリのケーシングを通して外部ソースへの、効果的な導電性を可能にする。各々が限定されたアンペア数を呈するにも関わらず、溶接の限定された数は、同様に考えられる暴走電荷箇所の数も減少させるが、複数のこのようなレベルは、いくつかの状況において確かに増加するのを示す。しかし、高いパワーまたは高い電流のバッテリのために、タブごとの溶接数を増加させ、その用途においてバッテリを効果的にするために必要な高い電流量に適応させることができる。この場合、多くの溶接、潜在的にタブごとに、１０、２０、またはさらに５０もの数の溶接を要求することが可能である。非常に高いパワーまたは非常に高い電流セルの、稀な状況において、５０よりも多い溶接が必要とされ得る。溶接は、ベース強度を提供し、追加として利用中のタブの移動を防止する。安定性及び剛性は、バッテリ全体の適切な動作を保証するために必要とされる。限定された溶接は、これに関して特定のレベルの信頼性を提供する一方で、集電材フィルムに適用する際に、それらの上にプルテープを追加することも、潜在的な問題から防護する助けとなる。
【0073】
実際、金属化された薄いフィルムの集電材は、短絡中の暴走電荷を防止するために予期せず良好である。しかし、バッテリセルの外部の効果的な導電性を可能にするよう、タブリードが集電材と十分に接触する必要性は、標準的なタブ構成要素を用いて、金属化された薄い導電材フィルムを利用することを可能にする、構造的状態を要求する。上述のように、暴走電荷のための適切な低い電位を呈しながら、電流がバッテリ動作のために効果的に通過するよう、効果的な装着及び接触のための好適な溶接を伴う、集電材フィルム及びタブの両方の好適な寸法を判断する機能は、特に現在の当技術分野における、特定の許容された厚いモノリシックの集電材構成要素を考慮すると、困難であることが証明されている。この予期せぬ効果は、詳細には上述のように判断されたタブ接触及び引張強度の特徴を伴い、他の構成要素のための、減少した重量またはより大きい内部容量を、バッテリパワー生成性能を犠牲にすることなく提供し、同時に短絡事象中に暴走電荷に対する完全な防護を提供し得る、完全なリチウムイオンバッテリを与える。
【0074】
追加として、重要なことは、今まで調査されていない溶接作業を利用する機能、及びこのような金属製導体（やはりタブ）と、パワー生成セルを含んだ金属化フィルムの集電材内の電極との間の、効果的かつ信頼できる接続を提供する方法である。このような効果的な接続の必要性は、安全面をこのようなセル（本明細書で説明する薄いフィルムの集電材）に与えるためだけではなく、重量な導電性を電極から外部世界へ与える（換言すると、このようなパワー生成セル、すなわちバッテリ、コンデンサなどの、適切かつ効果的利用を可能にする）。上述の容器、ならびに限定ではないが、金属化されたプラスチックバッグ、金属缶、及び剛体／反剛体のプラスチック筐体の容器を用いて構成かつ構築され得る、このようなパワーセルは、やはり金属化された薄いフィルムの集電材を伴い、熱暴走に対して大きく改善された電位を呈する。このようなパワーセルと外部接点との間の適切な接続は、実際の機能目的にとって、特に薄いフィルム材料との、このような信頼できて安全な接続を提供する複雑さを伴い、不可欠なものである。
【0075】
この目的のため、さらには金属化された薄いフィルムの金属化された集電材、及び上記で可能な一般的なタブの説明及び開示に加えて、特定の溶接構成、及び実際の溶接ツールは、このような独特のパワーセル構造のための、有益かつ驚くべき効果的なタブと電極との接続を提供することが実現されている。特に重要なバッテリ（パワーセル）のタイプとして、限定ではないが、パウチ構造、円筒形構造、プリズム構造、及びゼリーロール構造が挙げられる。これらのタイプのセルは、特定の産業内で最も普及しており、同様に対象のデバイスの広い多用途性を可能にする。
【0076】
このような独特な溶接方法及び作業の力学は、金属化された薄いフィルムの集電材を、特定の構成、特にポリマー基体によって分離された少なくとも２層の金属化層を有する、少なくとも１層の金属化フィルムを伴うもの、に取り入れる。溶接は、溶接の窪みが、第１の金属化層からポリマー基体を介して第２の金属化層まで突出するような構造に与えられなければならない。このように、適切な溶接アンビルの利用は、集電材の対象領域内に、特定の三次元の窪みを作りだし、それによって上部（第１の）金属化層は、下部（第２の）金属化層と接触し、ポリマー基体は、溶接の窪みに対して反対かつ２層の金属化層の領域内で動き、得られた溶接構造は、ポリマー基体によって分離された、上部及び下部の金属化された層を、溶接領域の外側にとどめる。この溶接効果を伴い、集電材とタブ構造との間の、このような接続を作り出す機能は、対象のセル内における薄いフィルムの集電材自体の必要な安全利益を失うことなく、利用可能である。当然ながら、これは一方の側のみが金属化されたフィルムにも適用されてよく、電気接点は、タブまたは後続の金属化された薄いフィルムの集電材における金属化された側など、ポリマー基体の他の側における構成要素に対して望ましい。この場合、溶接は、溶接の窪みが金属化層からポリマー基体を介して電気接点が望ましい構成要素まで通して突出するよう、与えられなければならない。
【0077】
溶接内にタブ材料を含むことにより、溶接アンビルがタブを介して押圧するのを可能にし、集電材（やはりポリマー基体によって分離された少なくとも２層の金属化層における、薄いフィルム）を同じ方法で動かして、導電目的で複合体を形成するための、両構造間の接続性能のために、タブ及び集電材内に同時に窪みを作り出す。このようなタブの溶接取付装置は、このような薄いフィルムの集電材の上部または下部のいずれかに試みられてよく、それによってタブが上部及び下部の金属化層に同時に、いずれかの方法で、基本的に接続するのを可能にする。したがって、集電材に電極を（コーティングまたは他の方法で）さらに含み、このような改善された安全性の（薄いフィルムの集電材の）パワーセルの外部の導電性を、さらに提供するための、適切かつ効果的に全体のパワーセル構造（少なくとも電極／集電材）を目標のタブに接続させる機能が実現される。好適かつ効果的に導電性を集電材（両方の金属化フィルム層）から同時に外部のパワー伝達のためのタブに提供する機能は、全体的な機能性、及び今まで調査されていない安全なバッテリデバイスの適切な利用を可能にする。ベースの集電材における両方の金属化フィルム層のための、効果的な溶接作業がないと、このようなパワーの伝達は基本的に妨げられる。当然ながら、上記で示されたように、集電材は、各々の構造で、２つの金属化層を分離する単一のポリマー基体の多層構造とし得る（換言すると、要望通りの、上部及び底部の金属化フィルムを伴う薄いフィルムのポリマー基体の繰り返しユニット）。少なくとも１つのこのようなベース構造は、それらのエンドユースに依拠して、約１２～１５層、またはそれより多くの任意の層数が互いの上に存在し得る。このような複数の基本構造のパワーセルは、目標のパワーセルにおける機能のための、少なくとも１つのベース基体／上部及び底部の金属化フィルム構造との、同じ必要な溶接接続を要求する。共に溶接される金属化フィルムの層数は、単一のスタックにおいて１５、またはそれより多く、２５もしくはさらに５０とし得る。数が多くなり過ぎた場合、金属化フィルムが突出して下の層と接触するための距離は、非常に大きくなり得る。したがって、スタックにおける最大層数は、２５０未満、好ましくは１００未満、またはさらに好ましくは５０未満とし得る。
【0078】
２つ以上の溶接の窪みが、薄いフィルムの集電材（やはり上部及び底部の金属化フィルムを伴うポリマー基体、及び少なくとも１つの存在するこのような構造）とタブとの間の接続目的に利用され得る。このような溶接は、集電材（及びしたがってタブ）の小さい領域内に設けられるか、またはパターンにおける同じ三次元構造の繰り返された窪みとして、もしくは場合によっては、パターン化またはランダム構成の異なる三次元構造を伴い、設けられ得る。さらに、同じ三次元の溶接構造のランダム構成が、同様に利用され得る。このような溶接の窪みの重要性は、タブと集電材との間の適切かつ効果的な接続を与え、その一方で関連した薄いフィルムが必要な安全面を保持し（熱暴走の傾向を軽減させる）、その一方で電荷を移動させる適切な機能を保持することによって、パワーセル自体に対して外部の導電性を保持することである。このような溶接構造は、三次元構造を可能にし、それはタブ及び集電材の限定された領域が、ポリマー基体の特定の均一の変位と接触するのを可能にし、上部及び底部の金属化フィルム層が同様にタブに接触するのを可能にして、このような上部及び低部の金属化層接点と接触するよう操作される。複数の窪みは、要求に応じた向上した導電性、ならびにタブと集電材との間の、より確実な装着のための増加した表面積の接続を、同様に可能にする。このような三次元の溶接の窪みは、任意の数の溶接アンビル構造から作られてよく、限定ではないが、矩形（直線）三次元アンビル、球状（または半球状）、角錐台状（正方形の底部及び小さい正方形の上部）、丸みを帯びた角錐状（上部で湾曲した縁部を有する）、などを含む。このような構造は、上部（または底部。実際の溶接個所に依拠して、集電材の上部または底部のいずれか）の金属化層が、フィルムを壊すことなく下方に変形し、特定の領域を底部の金属化層に接触させることを可能にする窪みを与える。その一方でポリマー基体は変位するが、操作された金属化フィルム層との接触を保ち、このような溶接作業後の寸法的安定性のために、このような処理された領域に対して力を提供する。上述のように、このような溶接は、タブ／集電材の複合体内に単独で提供され得る。または２つの複合体の構成要素間における、接触する表面積を増加させるために、複数個所に、均一、ランダム、全体（特定の領域上）、またはまばら（領域内）に、適用され得る。さらに、目標のパワーセル内における集電材構造の安全面を与える能力は、導電性の目的で、タブとの適切かつ効果的な接続を可能にしながら、この状況において最重要である。このように薄いフィルムの集電材を、予期せず、タブとの溶接作業において得られた有効性と共に大きい効果で利用することができる。
【0079】
このような溶接作業は、超音波、（例えばアンビルと介した）熱の適用、または（やはりアンビルの利用を介して）圧力の適用を利用し得る。このような適用は、単一のアンビル、または複数のアンビルを同時に格子内で利用することを含み得る。この格子は、タブ、ならびに、集電材／電極本体の特定の領域及びその上に、（上述のように）同様に適用する。このような溶接性能は、過去に調査されていない、いくつかの他の有益な機会を可能にする。これらは、複数の集電材及び複数のタブによる構成の可能性を含み、全ては全体的または独立して、共に溶接される。単一のタブは、溶接を介して集電材の複数層に同様に接続され、多層構造（少なくとも２層、例えば２５層までの任意の層数）内の上部及び下部の金属化層の接続を可能にする。さらに、集電材及びタブのジグザグ構成は、必要に応じて、同様に安全性またはパワーの伝達を損ねることなく利用され得る。このような電極タブは、導電性及び／または接続目的のために、拡大した領域を有し、さらに大きい表面領域を溶接することを可能にし得る。追加として、タブ／電極の接続は、タブの狭い領域と組み合わされ、「内蔵の」セルのヒューズを提供する。このようなセルのヒューズは、安全面をより大きく向上させる機能を与え得る。追加の金属層は、集電フィルム層間に挿入され、同様に、このような（特に約２５層までの複数層を伴う）フィルムスタック間の溶接性能を支援し得る。
【0080】
さらに、タブ自体に関して、このような構成要素は、上述のように、電極に溶接され、その後（容器内の）他のセル構成要素に接続されるか、または目標のセルのケーシングに（可能であれば貫通して）装着され、それによって外部デバイスと接続するため（換言するとパワーを伝達するため）の外部電極として機能する。
【0081】
上記で示されたように、溶接作業及びプロセスは、目標の複合体のセル構造における上部（タブ側）または底部（集電フィルム側）で成され得る。この状況において、溶接はタブ側から（この表面上の動くホーン装置の利用を介して）、（上述のように）フィルム側で押圧された（動かない）アンビルを伴ってもよい。しかし反対側を、フィルム側の下方に動くホーンを伴うタブの中に押圧されたアンビルと共に、利用され得る（最終的に押圧するアンビルのための円滑な構造を提供する）。いずれの状況においても、望ましい溶接の窪みを接続及び接着目的に与える機能は、タブを介した安全、確実、及び効果的な外部への接続のために、薄い金属化された集電材に関して可能にされる。
【0082】
さらに、別の有益な溶接性能を提供する機能は、任意の薄いフィルムの集電材の状況内で、やはり今まで調査されていない溶接スタック構成に関連して実現されている。例えば、単一のタブが、少なくとも１層、及び限定ではないが、約２５層までの金属化フィルム層と共に利用され得る。反対に、おそらくは１層から約２５層の金属化フィルム層を伴う複数のタブは、１つの非限定の可能性として、金属化フィルム層のスタックの上部及び底部において、存在するタブと共に利用され得る。代替として、このような複数のタブを、金属化フィルム層（集電材）のスタック全体に、必要及び／または所望に応じて、均一またはまばらに、散在させてもよい。これは、安全な（低い熱暴走傾向の）セルを伴う、パワー生成及び伝達のいくつかの異なる効果及び可能性を考慮に入れる。
【0083】
追加として、薄いフィルムの集電材（またはその多層）の上及び周りに折り込むために十分な長さで、基本的に薄いフィルムの集電材だけではなく（事実上集電材周りの締付具のように作用する）タブ自体も溶接される、単一のタブが利用され得る。
【0084】
上述のように、複数の溶接の利用は、溶接によって生成される、複合体に対する全体強度のための十分な接続を提供することと、同様にタブを介した外部のパワーセルからの増加した導電性ポテンシャルと、を支援する。使用される溶接の数は、セルの最大電流を実現するように決められてよく、この最大電流を超過すると、溶接は機能しなくなり、タブへの接続を破壊する。要望による任意の数の、このような溶接は、やはり要望によって（アノードもしくはカソードの）一方の電極、または両方の電極に同時に、同一の数もしくは異なる数、のいずれかに適用され得る。
【0085】
このような溶接性能の観点で、集電材／電極とタブとの間のこのような接続が、溶接自体よりも補強されることを保証する可能性（及び、ときとして必要性）も存在する。換言すると、弱体化した溶接による、このような構成要素間が分離する可能性は、パワーセル全体の性能を損なう場合がある。パワー生成及び伝達の有益性をさらに補強かつ強化するために、安全（薄い集電材）構造、テープ、締付具、及びこれらの考えられる組み合わせ、を利用して、溶接自体を補完し得る。
【0086】
このようなリチウムイオンバッテリの薄いフィルムは、それらの独特な品質のために、特定の独特な処理を必要とし得る。しかし、当技術分野で公知である、多くの処理ステップも、利用され得る。一般的に、本発明のフィルムを伴うリチウムイオンバッテリを生成するプロセスは、以下のステップを含む：
ａ．イオン貯蔵材料のコーティングを伴う、少なくとも１つの金属化基体を有する電極を準備するステップ；
ｂ．対電極を準備するステップ；
ｃ．上記の電極と上記の対電極との間に挟まれたセパレータ構成要素を伴い、電極及び対電極を互いに対向させてレイヤリングするステップ；
ｄ．電気接点構成要素を含んだ包装材料を準備するステップであって、この接点は包装材料内に存在する部分と、包装材料の外側に存在する部分とを含んだ、準備するステップ；
ｅ．上記の電気接点を上記の金属化基体に電気接続するステップ；
ｆ．イオン内部に伴う少なくとも１種類の液体電解質を、上記の包装材料内に導入するステップ；及び
ｇ．上記の包装材料を封止するステップ。
ａ．イオン貯蔵材料のコーティングを伴う、少なくとも１つの金属化基体を有する電極を準備するステップ；
ｂ．対電極を準備するステップ；
ｃ．上記の電極と上記の対電極との間に挟まれたセパレータ構成要素を伴い、電極及び対電極を互いに対向させてレイヤリングするステップ；
ｄ．電気接点構成要素を含んだ包装材料を準備するステップであって、この接点は包装材料内に存在する部分と、包装材料の外側に存在する部分とを含んだ、準備するステップ；
ｅ．上記の電気接点を上記の金属化基体に電気接続するステップ；
ｆ．イオン内部に伴う少なくとも１種類の液体電解質を、上記の包装材料内に導入するステップ；及び
ｇ．上記の包装材料を封止するステップ。
【0087】
金属化基体は、本開示内で説明したような任意の基体とすることができる。
【0088】
イオン貯蔵材料は、例えば当技術分野で公知である、リチウムイオンバッテリのためのカソード材料またはアノード材料とすることができる。カソード材料は、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、リン酸鉄リチウムＬｉＦｅＰＯ４、マンガン酸リチウムＬｉＭｎ２Ｏ４、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２、もしくは上記の混合物、または当技術分野で公知の他のもの、を含み得る。アノード材料は、グラファイト、チタン酸リチウムＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、硬質炭素、錫、シリコン、もしくはこれらの混合物、または当技術分野で公知の他のもの、を含み得る。加えて、イオン貯蔵材料は、超コンデンサなど、他のエネルギー貯蔵デバイスに使用されるものを含む場合がある。このような超コンデンサにおいて、イオン貯蔵材料は、活性炭、活性炭繊維、炭化物抽出炭素、炭素エアロゲル、グラファイト、グラフェン、グラフェン、及び炭素ナノチューブ、を含む。
【0089】
コーティングプロセスは、当技術分野で一般的に知られている任意のコーティングプロセスとすることができる。ナイフオーバーロール及びスロットダイは、リチウムイオンバッテリのコーティングプロセスに一般的に使用されるが、電解めっきを含む他のものも同様に使用され得る。コーティングプロセスにおいて、イオン貯蔵材料は、ポリフッ化ビニリデンもしくはカルボキシメチルセルロースなどの結合剤、または他のフィルム形成ポリマーを含む他の材料と、一般的に混合される。混合物への他の添加物は、カーボンブラック及び他の導電性添加物を含む。
【0090】
対電極は、イオン貯蔵材料とは異なる電気化学ポテンシャルを有する、他の電極材料を含む。一般的に、イオン貯蔵材料がリチウムイオンアノード材料である場合、対電極はリチウムイオンカソード材料から作られることになる。イオン貯蔵材料がリチウムイオンカソード材料である場合、対電極はリチウムイオンアノード材料から作られることになる。イオン貯蔵材料が超コンデンサ材料である場合、対電極は、超コンデンサ材料か、またはいくつかの場合リチウムイオンアノード材料もしくはリチウムイオンカソード材料から作ることができる。各々の場合、対電極は、金属フォイルまたは本発明のような金属化フィルムとすることができる、集電材の材料にコーティングされたイオン貯蔵材料を含む。
【0091】
レイヤリングプロセスにおいて、本発明の電極は、互いに対向して多孔性セパレータが間にある電極材料を伴う対電極と共に、レイヤリングされる。当技術分野で一般に知られているように、電極は両側にコーティングが施され、電極のスタックは、本発明の電極及び対電極を交互に、かつ各層の間にセパレータを用いて形成される。代替として、当技術分野でも公知であるように、電極材料のストリップを上記のように積み重ね、次に円筒の中に巻き付けてもよい。
【0092】
包装材料は、円筒形セルのための缶などの硬質包装、平坦な硬質ケース、またはポリマーパウチを含み得る。各々の場合、ケースを貫通した電気接点を作る２つの手段が存在しなければならず、それらは異なる電圧で保持され、電流を伝導できる。いくつかの例において、ケース自体のある部分が一方の手段を形成し、その一方で、他方の手段はケースの異なる部分にあり、第１の部分から電気絶縁される。他の例において、ケースは非導電性であるが、２つの金属導体がケースを貫通して突出するのを可能にし、これはしばしばタブと呼ばれる。
【0093】
手段を接続して、金属化基体との電気接点を作ることは、溶接、テープ留め、締付け、ステープル留め、リベット留め、または他の機械的手段など、一般的に使用される方法を含む。金属化基体の金属は、高い電流フローを与える接合部分を可能にするために、非常に薄くすることができるので、向かい合った接点が一般的に要求され、ケースを貫通した電気接点を作る手段と、金属化基体との間に、大きい表面積をもたらす。十分な電流を運ぶために、この表面積は、１ｍｍ２（１０－１２ｍ２）よりも大きいことが望ましいが、３ｍｍ２よりも大きく、さらには５ｍｍ２以上、またはより好ましくは１０ｍｍ２とする必要がある場合がある。
【0094】
当然ながら、向かい合った接点に加えて、この溶接は、プラスチック層を通して薄い金属層を突出させて金属に接触させることによる接点を含み、それはその前にプラスチック層の他の側にあり、超音波溶接または他の溶接方法を介して作られた窪みの形態であってよい。
【0095】
液体電解質は、一般的に極性溶媒とリチウム塩との組み合わせ／混合物である。通常使用される極性溶媒は、上述のように、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートを含むが、イオン溶液または水を含んだ他の極性溶媒が使用され得る。この産業内で一般に利用されるリチウム塩は、限定ではないが、ＬｉＰＦ６、ＬｉＰＦ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４などを含む。電解液は、当技術分野で公知の添加物も含有し得る。多くの場合、電解液は可燃性である場合があり、その中で、本発明の金属化基体の集電材における安全性の特徴は有利であり、セル及びセルの外側の両方に火災及び損傷をもたらす、危険な熱暴走事象を防止することができる。
【0096】
以下の説明及び例は、本開示の潜在的な実施形態を表現するのみである。以下に続く特許請求の範囲の観点で、この開示の範囲、及びその広さは、当業者にはこの領域内であることが理解されるであろう。
【0097】
上述のように、本開示は大きな転換であり、リチウムバッテリ（及び他のエネルギー貯蔵デバイス）産業内で試みられた、以前の全ての理解及び改善策に対して反直感的である。反対に、本明細書で説明した新たなデバイスは、多くの有益な結果及び特性をもたらし、それらは今まで調査されておらず、言うまでもなくこの領域内では予想されなかった。しかし最初に比較として、先行のデバイスと、現在開示されて広く本明細書で網羅されるものと、の間に関わる際立った相違に留意することは重要である。
【0098】
［短絡事象例］
［比較例１］
リン酸鉄リチウムバッテリのカソードを、中国におけるＧＢＳｙｓｔｅｍ社から得た。アルミニウムタブは、市販の集電材の例として取り外し、厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次にアルミニウムフォイルを、熱いはんだごてに５秒間触れさせ、温度が５００～５２５°Ｆとなるよう、赤外線放射温度計を使用して測定した。はんだごてを集電材に触れさせたことによる影響はなかった。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図６に載せた。図５は、比較バッテリ内における、従来の集電材の表示を提供する。
［比較例１］
リン酸鉄リチウムバッテリのカソードを、中国におけるＧＢＳｙｓｔｅｍ社から得た。アルミニウムタブは、市販の集電材の例として取り外し、厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次にアルミニウムフォイルを、熱いはんだごてに５秒間触れさせ、温度が５００～５２５°Ｆとなるよう、赤外線放射温度計を使用して測定した。はんだごてを集電材に触れさせたことによる影響はなかった。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図６に載せた。図５は、比較バッテリ内における、従来の集電材の表示を提供する。
【0099】
［比較例２］
リン酸鉄リチウムバッテリのアノードを、中国におけるＧＢＳｙｓｔｅｍ社から得た。銅タブは、市販の集電材の例として取り外し、厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次に銅フォイルを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。はんだごてを集電材に触れさせたことによる影響はなかった。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図６に載せた。比較例１のように、図５は、このバッテリの内部構造の表示を提供する。集電材の厚さは、モノリシック金属構造であり、開示するような薄いタイプではないので、大きい。
リン酸鉄リチウムバッテリのアノードを、中国におけるＧＢＳｙｓｔｅｍ社から得た。銅タブは、市販の集電材の例として取り外し、厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次に銅フォイルを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。はんだごてを集電材に触れさせたことによる影響はなかった。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図６に載せた。比較例１のように、図５は、このバッテリの内部構造の表示を提供する。集電材の厚さは、モノリシック金属構造であり、開示するような薄いタイプではないので、大きい。
【実施例1】
【0100】
ポリプロピレンリチウムバッテリのセパレータ材料を、ＭＴＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から得た。この材料は、製品番号２５００として、Ｃｅｌｇａｒｄ社で製造された。厚さ、面密度、アノード抵抗を測定し、以下の表１に示す。次にセパレータを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。温度計を集電材に触れさせ、小さい穴を開けた。その径を測定し、表１に含ませた。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図７に載せた。
【実施例2】
【0101】
セラミックでコーティングしたポリエチレンリチウムバッテリのセパレータ材料を、ＭＴＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から得た。厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次にセパレータを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。はんだごてを集電材に触れさせ、小さい穴を開けた。その径を測定し、表１に含ませた。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図７ａに載せた。
【実施例3】
【0102】
セラミックでコーティングしたポリプロピレンリチウムバッテリのセパレータ材料を、ＭＴＩ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から得た。厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次にセパレータを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。はんだごてを集電材に触れさせ、小さい穴を開けた。その径を測定し、表１に含ませた。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図７ｂに載せた。
【実施例4】
【0103】
ヘリウムが充填されたパーティー用風船に使用するために設計された、アルミめっきされた２軸配向ポリエステルフィルムを、Ａｌｌ Ｆｏｉｌｓ Ｉｎｃ．社から得た。アルミニウムコーティングは、ヘリウムを長く保持し、パーティー用風船のために、より長く高くとどめる。厚さ、面密度、及び抵抗を測定し、以下の表１に示す。次にフィルムを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。はんだごてを集電材に触れさせ、小さい穴を開けた。その径を測定し、表１に含ませた。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。写真を撮り、図８に載せた。比較例１における、市販されているアルミニウム集電材と比較して、この材料は６５%薄く、８５％軽く、さらには熱から後退する。これは、内部短絡を伴うリチウムイオンセルにおいて、内部短絡を遮断する効果を有する。
【実施例5】
【0104】
市販のリチウムイオンバッテリセパレータ、Ｄｒｅａｍｗｅａｖｅｒ Ｓｉｌｖｅｒ ２５を得た。これは、セルロース及びポリアクリロニトリルナノファイバ、ならびにポリエステルマイクロファイバの、製紙プロセスにおける混合から作られ、薄い厚さに艶出しした。次にセパレータを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。はんだごてを集電材に触れさせ、穴は開けなかった。厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。先行技術の比較例３～５と比較すると、これらの材料が熱によって融解または収縮しない利点を有するため、リチウムイオンバッテリも内部短絡を伴わず、より大きい内部短絡を作り出すために後退することはない。これは図８ａで確認される。
【実施例6】
【0105】
市販のプロトタイプのリチウムイオンバッテリセパレータ、Ｄｒｅａｍｗｅａｖｅｒ Ｇｏｌｄ ２０を得た。これは、セルロース及びパラアラミドナノファイバ、ならびにポリエステルマイクロファイバの、製紙プロセスにおける混合から作られ、薄い厚さに艶出しした。次にセパレータを、実施例１と同じ方法で熱いはんだごてに触れさせた。図８ｂに示されるように、はんだごてを集電材に触れさせ、穴は開けなかった厚さ、面密度、及び抵抗を測定した。材料を１７５℃で３０分間オーブンに配置し、収縮を測定した。先行技術のセパレータと比較して、このセパレータの利点は、実施例２と同じである。
【0106】
【表1】
【0107】
比較例１～２は、現存の集電材の材料であり、非常に低い抵抗、高い面密度を示し、及び熱いはんだごての先端または１７５℃における任意の収縮のいずれかに対する露出に反応しない。
【0108】
実施例１～３は、無限抵抗を有する材料であり、１７５℃または熱いはんだ先端のいずれかに曝された際に、低い面密度と融解を有する。それらは、本発明による金属化のために、優れた基体である。
【0109】
実施例４は、アルミめっきポリマーフィルムの例であり、１７５℃または熱いはんだ先端に曝されたときに、適度の抵抗、低い面密度及び収縮を示す。それは、本発明による潜在的なカソード集電材複合体フィルムの例である。実際、及び別の例に示されるように、より高いパワーのバッテリのために、より高いレベルの金属コーティングを与えることが望ましい場合がある。
【0110】
実施例５～６は、無限抵抗を有する材料であり、低い面密度を有するが、１７５℃または熱いはんだ先端に曝されたときに、非常に低い収縮を有する。それらは、金属化コーティングが、短絡に関連付けられた高い電流条件下で劣化するよう、金属化コーティング厚が十分に薄い場合の、本発明によるポリマー基体の例である。追加として、セルロースナノファイバ及びポリエステルマイクロファイバは、現在使用されている金属集電材の融解温度よりもかなり低い温度で、酸化、収縮、及び排除される。
【0111】
追加として実施例５は、ファイバであるポリアクリロニトリルから作られ、従来のリチウムイオンカーボネートの電解液に曝されると膨張する。これも本発明によるポリマー基体の例でもあり、したがって膨張は、熱によって増加し、金属化コーティングにクラックを作り出し、導電経路を遮断して、バッテリ内の熱に露出する際に、集電材の均一な導電経路を除去または大幅に減少させることによって、セルの安全性を向上させる。
【実施例7】
【0112】
実施例５で利用した材料を、金属間キュービクル及びアルミニウムパレットを使用して、ＭＢｒａｕｎ Ｖａｃｕｕｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍの析出位置に設置した。チャンバは、３×１０－５ｍｂａｒまで減圧した。パワーは、アルミニウムが融解するまで増加され、次に析出速度を３Ａｎｇｓｔｒｏｍｓ／ｓに設定した。析出は、４つの試料を析出プレートで回転させて、１時間実施した。このプロセスは３回繰り返され、合計析出時間は４時間であった。試料は、重量、厚さ、及び抵抗（ＤＣ及び１ｋＨｚ、１インチ離した電極間で測定した１インチのストリップ）が測定され、それらは以下の表２に示す。先端抵抗も、プローブ先端を１インチ離して１ｋＨｚで、Ｈｉｏｋｉ ３５５５ Ｂａｔｔｅｒｙ ＨｉＴｅｓｔｅｒを使用して測定した。追加したアルミニウムの重量は、試料の面積で除算して、プロセス中に追加した重量によって計算した。これは、コーティングの平均厚を得るために、材料の密度によって除算される。
【実施例8】
【0113】
不織布ポリマー基体を、平坦な断面を有するポリエチレンテレフタレートマイクロファイバを取り入れ、かつＴａｐｐｉ Ｔ２０６のプロセスを使用して２０ｇ／ｍ２のハンドシートを作ることによって作った。次にこれらのハンドシートを、硬化した鋼製ロールを２５０°Ｆで使用して、１０ｍ／ｍｉｎ、２０００ｌｂｓ／ｉｎｃｈで艶出しした。この材料は、実施例７のプロセスに従って金属化し、同じ測定を行ない、表８に記録した。
【実施例9】
【0114】
実施例５による材料を、コーティングを５Ａｎｇｓｔｒｏｍｓ／秒で６０分間で設定した以外は、実施例７のプロセスに従って析出した。これらの試料をひっくり返して、同じ手順で裏側をコーティングした。これらの材料を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で表面及び断面の両方を撮像した。画像は図９、図９ａ、及び図９ｂに表示する。
【実施例10】
【0115】
材料は、両側の析出が２０分のみであること以外、実施例９の手順に従って準備した。
【実施例11】
【0116】
シートが艶出しされないこと以外は、実施例８のポリマー基体を準備した。アルミニウムの析出は、各側を５Ａｎｇｓｔｒｏｍｓ／秒で２０分間である。材料は艶出ししていないので、気孔率は非常に高く、薄いコーティング重量を伴い非常に高い抵抗値をもたらす。比較例１１から実施例８は、予期せず高い、艶出しの有益性を示す。
【0117】
【表2】
【実施例12】
【0118】
実施例９の、アルミニウムをコーティングしたポリマー基体は、Ｎ－メチル－２－ピロリドン溶液中の、９７％のＮＣＭカソード材料（ＢＡＳＦ社から得たＮＣＭ５２３）、１％のカーボンブラック、及び２％のＰＶＤＦ結合剤の混合物でコーティングした。コーティングの重量は７１ミクロンで１２．７ｍｇ／ｃｍ２であった。この材料は、２０３２コインセルに適合するよう切断し、銅フォイル集電材（６ｍｇ／ｃｍ２で、９６．７５％のグラファイト（ＢＴＲ）、０．７５％のカーボンブラック、１．５％のＳＢＲ、及び１％のＣＭＣ）にコーティングしたグラファイトアノードを組み合わせた。単一層のコインセルを、アノード、セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ２３２０）、及びＮＣＭコーティングした材料をセルの中に配置することで作り、電解液（ＥＣ：ＤＥＣ：ＤＭＣ＝４：４：２ｖｏｌ＋２重量％のＶＣにおける、６０μＬ、１．０ＭＬｉＰＦ６）に浸し、外殻を締付けることによってセルを封止した。適切な導電性を得るために、実施例９の、アルミニウムでコーティングしたポリマー基体の一部をカソード材料でコーティングせずに残し、上に折り込んでコインセルの外殻に接触させ、導電経路を完成させた。セルは、一定電流の０．１８ｍＡで４．２Ｖまで充電し、次に電流が０．０４ｍＡまで降下するまで一定電圧（４．２Ｖ）で充電することによって形成した。セルは、０．３７ｍＡで４．２Ｖと３．０Ｖとの間で３回循環させ、平均放電容量１．２ｍＡｈをもたらした。
【実施例13】
【0119】
セルを、使用したセパレータがＤｒｅａｍｗｅａｖｅｒ Ｓｉｌｖｅｒ２０であること以外は、手順に従って、かつ実施例１２の材料を使用して作った。セルは、一定電流の０．１８ｍＡで４．２Ｖまで充電し、次に電流が０．０４ｍＡまで降下するまで一定電圧（４．２Ｖ）で充電することによって形成した。セルは、０．３７ｍＡで４．２Ｖと３．０Ｖとの間で３回循環させ、平均放電容量０．８ｍＡｈをもたらした。したがって、この実施例及び前の実施例において、作動する再充電可能なリチウムイオンセルを、１ミクロン未満の厚さのアルミニウムを用いて作った。
【0120】
［比較例３］
概ね２ｃｍ×４ｃｍの、比較例１のアルミニウムタブを、試料の全幅に接触した金属コネクタを介して、電流源の接地に接続した。電圧制限を４．０Ｖに、及び電流制限を１．０Ａに設定した。電流源の高い電圧に接続されたプローブを、試料の全幅に接触した金属コネクタに初めに触れさせ、次に複数回アルミニウムタブに触れさせ、１．０Ａで短絡を発生させた。プローブの先端は、概ね０．２５ｍｍ２の面積であった。全幅にわたって接触したとき、電流は正常に流れた。初めにタブにプローブを触れさせると、スパークが発生し、非常に高い当初の電流密度を示した。集電材に生じた欠陥は、穴しかもたらさないときがあったが、別の場合では溶発が生じたが集電材はそのままであった。全ての事例において、１．０Ａの流れを伴い短絡したままであった。穴のない溶発の欠陥をマイクログラフに撮り、それを図１０に示す。電流源の制限を、５．０Ａ、３．０Ａ、０．６Ａ、０．３Ａ、及び０．１Ａに設定して実験を繰り返し、集電材の全幅に接触させたとき、及び概ね０．２５ｍｍ２の先端サイズの先端プローブを使用したとき、の両方において、全ての事例で、結果は試験電流制限において継続した電流であった。
概ね２ｃｍ×４ｃｍの、比較例１のアルミニウムタブを、試料の全幅に接触した金属コネクタを介して、電流源の接地に接続した。電圧制限を４．０Ｖに、及び電流制限を１．０Ａに設定した。電流源の高い電圧に接続されたプローブを、試料の全幅に接触した金属コネクタに初めに触れさせ、次に複数回アルミニウムタブに触れさせ、１．０Ａで短絡を発生させた。プローブの先端は、概ね０．２５ｍｍ２の面積であった。全幅にわたって接触したとき、電流は正常に流れた。初めにタブにプローブを触れさせると、スパークが発生し、非常に高い当初の電流密度を示した。集電材に生じた欠陥は、穴しかもたらさないときがあったが、別の場合では溶発が生じたが集電材はそのままであった。全ての事例において、１．０Ａの流れを伴い短絡したままであった。穴のない溶発の欠陥をマイクログラフに撮り、それを図１０に示す。電流源の制限を、５．０Ａ、３．０Ａ、０．６Ａ、０．３Ａ、及び０．１Ａに設定して実験を繰り返し、集電材の全幅に接触させたとき、及び概ね０．２５ｍｍ２の先端サイズの先端プローブを使用したとき、の両方において、全ての事例で、結果は試験電流制限において継続した電流であった。
【0121】
［比較例４］
同じ寸法の比較例２の銅タブを、比較例３と同じ方法で試験した。全幅にわたって接触したとき、電流は正常に流れた。初めにタブにプローブを触れさせると、スパークが発生し、非常に高い当初の電流密度を示した。集電材に生じた欠陥は、穴しかもたらさないときがあったが、別の場合では溶発が生じたが集電材はそのままであった。全ての事例において、０．８Ａの流れを伴い短絡したままであった。穴のない溶発の欠陥をマイクログラフに撮り、それを図１０ａに示す。電流源の制限を、５．０Ａ、３．０Ａ、０．６Ａ、０．３Ａ、及び０．１Ａに設定して実験を繰り返し、集電材の全幅に接触させたとき、及び概ね０．２５ｍｍ２の先端サイズの先端プローブを使用したとき、の両方において、全ての事例で、結果は試験電流制限において継続した電流であった。
同じ寸法の比較例２の銅タブを、比較例３と同じ方法で試験した。全幅にわたって接触したとき、電流は正常に流れた。初めにタブにプローブを触れさせると、スパークが発生し、非常に高い当初の電流密度を示した。集電材に生じた欠陥は、穴しかもたらさないときがあったが、別の場合では溶発が生じたが集電材はそのままであった。全ての事例において、０．８Ａの流れを伴い短絡したままであった。穴のない溶発の欠陥をマイクログラフに撮り、それを図１０ａに示す。電流源の制限を、５．０Ａ、３．０Ａ、０．６Ａ、０．３Ａ、及び０．１Ａに設定して実験を繰り返し、集電材の全幅に接触させたとき、及び概ね０．２５ｍｍ２の先端サイズの先端プローブを使用したとき、の両方において、全ての事例で、結果は試験電流制限において継続した電流であった。
【実施例14】
【0122】
同じ寸法の、図７の本発明のアルミニウムでコーティングしたポリマー基体材料を、比較例３～４と同じ方法を使用して試験した。全幅にわたって接触したとき、電流は正常に流れた。本発明の集電材に直接接触するプローブの、各々の場合において、スパークの発生はかなり少なく、最初のスパーク後に電流は流れを停止して、開回路を残した。全ての場合、生じた欠陥は穴であった。穴のいくつかの例におけるマイクロフラフを、図１１及び図１１ａに示す。電流源の制限を、５．０Ａ、３．０Ａ、０．６Ａ、０．３Ａ、及び０．１Ａに設定して実験を繰り返し、全ての場合で、コネクタの全幅を通して接触させたときに、結果は継続した電流の流れであり、プローブから直接本発明の集電材の例に接触させたとき、本発明の例を通して電流は流れなかった。
【0123】
示される主な発明は、比較例３～４及び実例１４のような短絡に曝されたとき、先行技術において結果は短絡が継続する一方で、本発明の材料では、結果は開回路で、電流は流れ続けない（すなわち、明らかな電流の移動はない）。したがって、先行技術の短絡は、熱を発生させる場合があり、それはセパレータを融解し、ＳＥＩ層を分解し、セルの熱暴走をもたらして、電解液に点火する。本発明の集電材の開回路は、熱を発生させず、そのため熱暴走及び煙、熱、及び炎を生じさせることなく、内部短絡を支持できるセルを提供する。
【0124】
［実施例１５及び１６、ならびに比較例５及び６］
２つの金属化フィルムを、１０ミクロンのポリエチレンテレフタレートフィルムの上に、ロールツーロールプロセスで生成した。このプロセスにおいて、フィルムのロールを真空金属化生成機械（その例は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社で入手可能なＴｏｐＭｅｔ４４５０）に配置して、チャンバを低圧に減圧した。ロールは、例えば５０ｍ／ｍｉｎの高速で融解したアルミニウムを含有した、加熱した船型容器に移した。加熱した船型容器の上で、含有する融解したアルミニウムは、アルミニウムガスの噴煙であり、それはフィルムに析出し、析出速度は、スピード及びアルミニウム温度によって制御される。概ね５００ｍの長さで７０ｃｍ幅のロールを、アルミニウムコーティングが３００ｎｍ以下になるまで複数回通過させて生成した。コーティングプロセスを、フィルムの他の側をコーティングするために繰り返し、生じた製品を本明細書で実施例１５として利用した（図４で表示した本発明の集電材を、本実施例で利用した）。このように実施例１６を、船型容器内の金属が銅であること以外、同じ方法で生成した（図５Ｂは、本発明の構造内で使用した集電材を表わす）。各フィルムの、基本重量、厚さ、及び導電性を測定し、以下の表３に記録した。コーティング重量は、１０ミクロンのポリエチレンテレフタレートフィルムの基本重量である１３．８ｇ／ｍ２を減算して計算した。「計算したコーティング厚」は、コーティング重量を材料密度（アルミニウムで２．７ｇ／ｃｍ３、銅で８．９６ｇ／ｃｍ３）で除算し、かつ各々の側が同じコーティングであると仮定して計算した。
２つの金属化フィルムを、１０ミクロンのポリエチレンテレフタレートフィルムの上に、ロールツーロールプロセスで生成した。このプロセスにおいて、フィルムのロールを真空金属化生成機械（その例は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社で入手可能なＴｏｐＭｅｔ４４５０）に配置して、チャンバを低圧に減圧した。ロールは、例えば５０ｍ／ｍｉｎの高速で融解したアルミニウムを含有した、加熱した船型容器に移した。加熱した船型容器の上で、含有する融解したアルミニウムは、アルミニウムガスの噴煙であり、それはフィルムに析出し、析出速度は、スピード及びアルミニウム温度によって制御される。概ね５００ｍの長さで７０ｃｍ幅のロールを、アルミニウムコーティングが３００ｎｍ以下になるまで複数回通過させて生成した。コーティングプロセスを、フィルムの他の側をコーティングするために繰り返し、生じた製品を本明細書で実施例１５として利用した（図４で表示した本発明の集電材を、本実施例で利用した）。このように実施例１６を、船型容器内の金属が銅であること以外、同じ方法で生成した（図５Ｂは、本発明の構造内で使用した集電材を表わす）。各フィルムの、基本重量、厚さ、及び導電性を測定し、以下の表３に記録した。コーティング重量は、１０ミクロンのポリエチレンテレフタレートフィルムの基本重量である１３．８ｇ／ｍ２を減算して計算した。「計算したコーティング厚」は、コーティング重量を材料密度（アルミニウムで２．７ｇ／ｃｍ３、銅で８．９６ｇ／ｃｍ３）で除算し、かつ各々の側が同じコーティングであると仮定して計算した。
【0125】
比較例５は、市販で入手した１７ミクロン厚のアルミニウムフォイルである。比較例６は、市販で入手した５０ミクロン厚の銅フォイルである。比較例７は、市販で入手した９ミクロン厚の銅フォイルである。
【0126】
【表3】
【0127】
実施例１５、実施例１６、比較例５、及び比較例６を、非常に高い電流密度を運ぶ機能のための、さらなる試験を行なった。半径０．５１ｍｍ（２４ＡＷＧゲージ）の研磨した銅ワイヤを、集電材フィルムまたはフォイルに接触させて保持する試験装置が作られた。 テストされたフィルムまたはフォイルを、テストされるフィルムまたはフォイルとの接触を保持する、接触面積が１ｃｍ２よりも大きいアルミニウム接点を用いて接地させた。プローブを、ハイパワー４００Ｗで、０．３３５ｏｈｍの抵抗器と直列に接続し、かつＶｏｌｔｅｑ社のＨＹ３０５０ＥＸ電源に接続して、制御電流に設定した。測定する集電材を、研磨したワイヤをゼロ入力電流で集電材の表面に接触させて、装備に配置した。電流を０．２アンペアのインクリメントを増加させ、各インクリメントのために３０秒保持し、その一方で抵抗器の両端で電圧を測定した。電圧がゼロまで低下したとき、電流はもはや流れないことを表わし、試料は機能しなくなったことを示した。実施例１５、実施例１６、比較例５、及び比較例６を試験した。実施例１５は、７Ａ（２つの測定値の平均）で機能しなくなった。実施例１６は、１０．２Ａ（２つの測定値の平均）で機能しなくなった。比較例５も比較例６も、２０Ａ未満で機能しなくなることはなかった。実施例１５及び実施例１６は、集電材に半径１ｍｍより大きい穴を示し、その一方で、比較例５または６のいずれも、フォイルにいかなる損傷も示さなかった。この試験例において、２０Ａよりも大きい、好ましくは１５Ａよりも大きい、またはより好ましくは１２Ａよりも大きい電流を運ぶことが可能な集電材を有することは、有利となろう。
【0128】
これら本発明の集電材を、セルの電極スタックを使用中の電気デバイス（セルの内側または外側のいずれか）に接続するタブとして使用してシミュレートする別の試験において、実施例１５及び１６、ならびに比較例５及び６は、ストリップに沿った電流容量試験を行なった。試験用の試料を準備するために、集電材を図１２に示される形状に切断した。それは、４センチメートル×１センチメートル（４ｃｍ×１ｃｍ）の材料のストリップから成り、このストリップの両端部は、側長４ｃｍの直角三角形に先端を切り取った。試験ピースの三角形の各々を、接触表面を１ｃｍより大きくしたアルミニウムピースを通して接触させた。一方の側部は、４００Ｗ、０．３３５ｏｈｍの抵抗器を通して接触させ、この回路はＶｏｌｔｅｑ社のＨＹ３０５０ＥＸ電源に接続した。電圧を抵抗器の両端で測定して電流を測定し、この電圧がゼロまで低下したときに、ピースは機能しなくなった。各試験のため、ゼロ電流で設定した電源に接続し、次に０．２Ａインクリメントに増加させ、試料が機能しなくなり、かつ電流の流れがゼロまで低下するまで、各新しい電圧で３０秒印加した。試験は、金属化集電材が、金属化集電材の一方の側または両側のいずれかに接触して測定できるよう、構成した。機能しなくなった電流を、以下の表４に示す。４ｃｍ×１ｃｍのストリップで試験した材料について、各々が一方の側または両側いずれかの接触を伴い、２０Ａ未満、好ましくは１５Ａ未満、またはより好ましくは１０Ａ未満で流れることができる電流量を制限することで内部ヒューズを提供することが有利となる。
【0129】
【表4】
【0130】
セルを、標準的なフォイルの集電材、ならびに実施例１５及び１６からの金属化されたＰＥＴフィルムの集電材を、電極材料でコーティングすることによって作った。ＮＭＣ５２３カソード材料を、ＢＡＳＦ ＮＭＣ５２３（９７％）、カーボンブラック（２％）、及びＰＶＤＦ（１％）を、ＮＭＰ溶媒中に使用して準備し、アルミニウム集電材（１５ミクロンのアルミニウム集電材）にコーティングして、実施例１５を、３．３ｍＡｈ／ｃｍ２のカソード積載密度に応じて、２２０ｇ／ｍ２の基本重量とした。アノード材料を、グラファイトＢＴＲ－９１８Ｓ（９４％）、カーボンブラック（５％）、及びＰＶＤＦ（１％）を、ＮＭＰ溶媒中に使用して準備し、銅集電材（１８ミクロンの銅集電材）に、４．０ｍＡｈ／ｃｍ２のアノード積載密度に応じて、１１８ｇ／ｍ２でコーティングした。４つの両面カソードを準備して、３つの両面アノード及び２つの片側アノードを準備した。これらを、Ｃｅｌｇａｒｄ２５００セパレータと共に積み重ねて、小さいパウチセルを形成した。これらは次に電解質で充填して、１Ａｈの設計容量で封止した。４つのタイプのセルを、フォイル材料の異なる組み合わせ、ならびにＣ／１０及びＣ／５（すなわち０．１Ａ及び０．２Ａ）で測定した容量で作った。これらのセルは、１００ｍＡで４．２Ｖまで充電して形成し、電流が１０ｍＡまで降下するまで４．２Ｖで保持した。完全に形成されたセルは、次に重量を測り、Ｃ／１０で放電し、次にＣ／１０で充電してＣ／５で放電して、容量を試験した。これらの結果を、以下の表５に示す。
【0131】
【表5】
【0132】
このように、上記で提供された実例は、望ましい厚さ、金属コーティング、及び電解液を含有したバッテリ内の熱暴走を防止するために必要な導電性効果、を呈する。それによって、より安全かつより信頼できるタイプを提供するだけではなく、以前のものよりも小さい内部重量の構成要素しか必要とせず、安全性を犠牲にせずに、実際それらを改善するものを提供する。
【0133】
上述のように、（リチウムバッテリ物品内の内部ヒューズとしての）薄い集電材を提供するだけではなく、生成した電圧が対象のバッテリセルの外部に伝えられるのを保証するタブ付き構造の、必要な有益性を提供する機能は、本開示内で与えられる。追加として、上記のような集電材の有益な薄い構造をさらに利用する機能は、対象のバッテリ物品自体の制約内における数多くの構成のうち、任意の数に対して適しており、全てが有益な内部ヒューズ構成要素を所定の位置に伴い、累積したパワーレベルを潜在的に生成する。これらは、図１２～図２２内でより詳細に説明する。
【0134】
図１３は、金属化フィルム層６１４及び下部の非金属層６１６を伴う、単一の薄いフィルムの電流タブ／集電材６００を示す。導電性タブ６１０（バッテリの外部パワー伝達構成要素に導くため）が同様に設けられ、集電材に対して垂直方向に整合され、溶接６１２によって集電材に接続される。図１４は、導電性目的のために、集電材６３４に接続するテープ６２４を伴うタブ６２２が存在する、類似の集電材６２０を示す。上記のように、タブ／集電材６２０は、金属化フィルム層６２６及び下部の非金属層６３２を有する。テープ構成要素６２２は、タブの外面６２８に設けられ、集電材の非金属層６２６に通じて、タブを固定したままにするためのせん断強度及び接着品質を、導電性目的の好適な方法で提供する。
【0135】
図１５は、タブ６４２を、（金属化フィルム層６４４及び下部の非金属層６５０を伴う）単一の薄い集電材６４８に接続するための異なる方法を示した、異なるタブ／集電材６４０を提供し、２つの構成要素を、導電性ステープル構成要素６４６の利用を介して接続する。
【0136】
同様に図１８は、上記と同じタイプの上面７５８及び下面７６２を伴う、平坦タブ／集電材７５０を含む。この例におけるタブ７５２、７５４は、集電材７６２の上面７５８及び下面７６０の両方と接触する、２つの平行構造として設けられる。このようなタブ７５２、７５４は、両面７５８、７６０に共に接続するための溶接７５６を含む。図１７は、所定の位置に１箇所で折り込まれたタブ７９４を伴う以外は、図１６と類似の構造７８０を示す。折り込んだ単一のタブ７９４は、溶接７８６を介して集電材７９２の両面７８８、７９０に接触し、集電材７８６から通じた、折り込まれたタブ７９４の２つの延伸した枝部７８２，７８４を伴う。
【0137】
このような平坦な集電材の構造は、小型のバッテリ構造を伴う典型的なバッテリ構造（例えば図１など）を可能にする。図１６は、（上記のように非金属層７０８を覆う）金属化フィルム面７１２に装着された単一のテープ式タブ７０２を伴う、１箇所の折り込み７１０タブ／集電材７００を示す。この方法で、１箇所の折り込み７１０の集電材７０４は、平坦構造から僅かにバッテリサイズが増加させる必要にもかかわらず、結果的にバッテリセル内のパワー生成を増加させる性能を与える。図１７は、同じ薄い構造の集電材７２４を利用した、２箇所で折り込まれた７３２タブ／集電材７２０を示す。このような２箇所の折り込み７３２は、集電材７２４の２つの側７２６、７２８に接触する機能をさらに提供する。これは、そうでなければ２つの導電層間に置かれたポリマーフィルムによって電気絶縁される。タブ７２２は、集電材７３０に、このような２箇所の折り込み７３２の導電性目的で付着する。図２０は、２箇所で折り込まれた８１０タブ／集電材８００に溶接８０４されたタブ８０２を示し、したがって上記の電気絶縁された層８０８、８１２を集電材８０６の一部として接続する同じ機能を呈するが、より安全な溶接８０４を所定の位置に伴い、パワー伝達の目的のために、より確実かつより潜在的に効果的である。図２１は、金属化フィルム層８５８、８６０、８６２、８６４、８６６及び下部の非金属層８４６、８４８、８５０、８５２、８５４を伴う、複数の（ここでは５つの）２箇所で丸めて折り込まれた８５６集電材８２６、８２８、８３０、８３２、８３４を有する、複合体のタブ／複数集電材構造８２０を示す。これは、上部の２箇所で丸めて折り込まれた集電材８２６とのコンダクタンスのために接続する溶接８２４を伴う、単一のタブ８２２を介して、導電性のための電気絶縁された層を接続するさらなる機能のために、連続して接続される。溶接したタブ８２２は、同様に向上した確実性を目的に、所定の位置にしっかりととどまる。第２の、反対側の、溶接した９０６タブ９０４は、複数の、複数個所で丸めて折り込まれた９３８集電材アレイ９０８、９１０、９１２、９１４、９１６を同様に所定の位置に伴い、図２２に提供される。このようなタブ／集電材構造９００は、上記で言及したように、２つの外側の集電材９０８、９１６と共に構成かつ接続された２つのタブ９０２、９０４を介して、対象のバッテリセルの体積当たりの重量を増加させることなく、パワー生成を増加させるのを可能にする。金属化フィルム層９４０、９４２、９４４、９４６、９４８には、上記のように、対向した非金属層９２８、９３０、９３２、９３４、９３６が設けられ、他の集電材の例を伴い表示される。最後に、さらに別の非限定例として、タブ／集電材構造９６０で、連続した平行で平坦な薄い集電材９６４、９６６、９６８、９７０（ここでは４つ）（上述のように）に締付けられた、複数回のＺ型折り込み９７２のタブ９６２であって、平坦で薄い集電材９６４、９６６、９６８、９７０（複数の内部ヒューズとして作用する）にもかかわらず、連続して累積パワーを生成するための異なる方法を提供するために、金属化フィルム層９７４、９７８、９８２、９８６及び下部の非金属層９７６、９８０、９８２、９８４を伴う、複数回のＺ型折り込み９７２のタブ９６２。
【0138】
【0139】
図２４は、薄いフィルムの集電材１０１０における単一溶接の複合体を示し、中間ポリマー基体１０１５及び上部金属化フィルム１０１２と、底部金属化フィルム１０１４と、示された溶接方向１０１８を伴う溶接の窪み１０２０と、上部１０１２及び底部金属化フィルム１０１４の接合部分１０２２と、を有する。ポリマー基体１０１５は、溶接の窪み１０２０から外側１０１６に処理され、上部１０１２と、底部１０１４金属化フィルムとの間の接合部分１０２２の接続を可能にする。溶接パラメータの注意深い制御が、一般的に低いパワー及び高い圧力を用いて、金属を破壊することまくポリマーを動かすために必要とされる。
【0140】
正確なパワー及び圧力を、正確な溶接節点、金属層厚、ポリマー厚、ならびに金属及びポリマー材料のタイプ、の構成に基づいて、実験的に判断しなければならない一方で、純粋な金属溶接よりも少ないパワー及び大きい圧力は、本開示におけるこの図及び他の図に示されるような所望の構成をもたらすことが、一般的に正しい。図２４は、単一の理想的な節点の外形を示す。実際、図３４、図３５、図３５ａ、図３６、及び図３７に示されるように、多くの節点が提示され、異なる断面及び節点構成で構成することができる。所望の効果は、節点の形状、ならびに超音波溶接の場合はパワー、周波数、及び圧力などの処理パラメータを変化させることによって、または、熱溶接の場合は温度及び圧力などの処理パラメータを変化させることによって、接合部分１０２２を最大にすることである。
【0141】
図２５は、頂部の金属化フィルム１０１２、ポリマー基体１０１５、及び底部の金属化フィルム１０１４を伴う、タブ１０３２及び薄いフィルムの集電材（図２４の１０１０）の、溶接した複合体１０３０を示す。図２４のように、上部に適用した溶接１０２０は、ポリマー基体１０１５を動かして、金属化フィルム１０１２、１０１４を接触させる。同様にタブ１０３２は、タブ１０３２と集電材（図２４の１０１０）との間の接続のために、溶接方向１０３４に関連して上部フィルム１０１２と接触し、底部フィルム１０１４から上部フィルム１０１２を介してタブ１０３２への導電性を可能にする。
【0142】
実際の構造定義における実際に可能な実施形態を示すために、図２６及び図２６ａは、金属化フィルム１０１２、ポリマー基体１０１５、及び底部フィルム１０１４の複合体の、溶接接合部分のマイクロ写真（それぞれ１００ミクロン以上、及び５０ミクロン以上の長さ）を示す。溶接方向１０１８は、金属化フィルム１０１２を底部フィルム１０１４へ、ポリマー基体１０１５を通して２つの材料１０１３間の接続を生成するような方法で、押圧する。この接続１０１３は、上部フィルム１０１２と底部フィルム１０１４との間の透過を可能にし、向上したバッテリ動作のための、金属化フィルム１０１２からタブ（例えば図２７の１０４２）への導電性を促進かつ最適化する。
【0143】
図２７は、図２４（１０１０）と同じ集電材、及び底部フィルム層１０１４に接続されたタブ１０４２を伴う、タブ／集電材の複合体１０４０を示す。集電材の上部フィルム１０１２に適用された上部溶接１０２０を伴い、ポリマー基体１０１５は、上部１０１２及び底部１０１４フィルムが接合するよう動かされ、それによって金属化フィルム１０１２、１０１４とタブ１０４２との間の導電性を可能にする。図２７ａ及び図２７ｂは、底部フィルムとタブとの間における溶接接合部分の接合部分の顕微鏡写真を示し、明確な描写を示す。図２７ｂは、溶接プロセス中における金属化フィルムからの金属デブリの存在を伴う、タブ及び底部フィルムの溶接した層の接合部分を、詳細に示す。
【0144】
図２８は、図２４（１０１０）の集電材と類似の上部の薄いフィルムの金属化フィルム集電材２０４２と、（各個別の層間にポリマー基体を伴う）多層の金属化フィルム構造２０４６の底部フィルム層に接続されたタブ２０４４と、を伴うタブ／集電材の複合体２０４０を示す。これらのような層は、押出しで、タブ２０４４自体の上部に多層構造２０４６を形成し得る。上層２０４２を含んだ層２０４６は、図２４（１０１０）と同じ薄いフィルム構造である。多層２０４２、２０４６は、溶接の窪み２０４８を介して、多層２０４２、２０４６を共に溶接接合部２０４９で接続するよう、処理される。追加として、複数の薄いフィルムの集電材層２０４２、２０４３を伴い、溶接の窪み２０４８は、溶接の窪み２０４８全体を囲んだ累進的な外形２０４７を発生させるような方法で提供され、複数の集電材層２０４２、２０４６を通しての全溶接圧を適用することを促進させ得る。このような外形２０４７を伴い、溶接の窪み２０４８の上縁部において盛り上がった周縁部２０４５が、さらに発生する。このように、得られた複合体２０４０は、外部のパワー伝達のためのバッテリ内におけるさらなる利用のために、全ての金属化フィルムにおける集電材層２０４２、２０４６間のタブ２０４４に対する導電性を可能にする。図２８ａ及び図２８ｂは、図２８と同じ複合体構造の顕微鏡写真を提供する。注目すべきは、上部集電材層２０４２、及びこのような薄いフィルム構造における下方の多層２０４６である。溶接接合部分２０４９は、このような複数の集電材層２０４２、２０４６を、タブ２０４４に接続する。盛り上がった周縁部２０４７を伴う、溶接を囲んだ視認できる外形２０４７も存在する。図２８ｂにおいて、溶接接合部２０４９は、ポリマー基体内のフィルム集電材部分の存在を示し、それは、上部の薄いフィルムの集電材層２０４２とタブ２０４４との間だけではなく、タブ２０４４を伴う複数の集電材層２０４６間の導電性も可能にする。上記のように、このような複合体２０４０は、タブ２０４４を介してセルから外部への、バッテリの伝達性能を可能にする。
【0145】
図２９は、タブ１０５４の異なる可能な複合体１０５０、上部の金属化フィルム１０５２、及び溶接１０５６によって互いに接続された金属化フィルムの集電材１０５８の多層を提供して、タブ１０５４を通した金属化フィルム１０５８、１０５２の導電性を可能にする。
【0146】
図３０、図３１、及び図３２は、溶接したタブを薄い集電材のパワーセルに利用した、別のタイプのバッテリデバイスを示す。図３０は、硬質プラスチック容器１０６２、パワーセル１０６６、及びデバイス（図示せず）への別の接続のために接続された外部タブ１０６４、を伴うバッテリ１０６０を示す。図３１は、容器１０７２、パワーセル（電極／集電材）１０７４、及び延長タブ１０７６を伴う、円筒形バッテリ１０７０を示す。図３２は、パウチ容器１０８２、パワーセル１０８４、及び外部デバイス（図示せず）との接続のために接続された外部タブ１０８６、を伴うパウチバッテリ１０８０を示す。
【0147】
図３３及び図３３ａは、複数のタブ１０９８、複数の電極／集電材層１０９６、上部タブ１０９４、及び上部電極集電材層１０９２を有し、全ては本明細書で説明したように共に溶接した、パワーセル複合体１０９０を示す。
【0148】
図３４、図３５、図３５ａ、図３６、及び図３７は、目標のタブ／パワーセル複合体内の、溶接アンビル構造、ならびに内部で利用して溶接の窪みの形状及び構造（三次元）を与えるパターン／構造の、異なる潜在的な実施形態に関する。図３４は、いくつかの可能なアンビル構造の実施形態１１００を示す。１つは三次元の矩形構造を有する直線状構造１１０２である。さらに示されるのは、角錐台状の三次元構造１１０８（方形縁部から小さい方形の上部へと狭くなる傾斜を伴う）、丸みを帯びた角錐構造１１０６、及び球状構造１１０４（リブ付きの周辺を伴う）、である。このような三次元のアンビル１１００は、複合体の集電材（図２４の１０１０）、ならびに／または集電材及びタブ（図２５の１０２０）内で、超音波、熱、または単に圧力で押圧されてよく、集電材フィルムとタブとの間の必要な接合部分を与える。図３５は、格子全体における角錐台構造１１１０の繰り返しの、１つの可能な実施形態を示し、溶接を同様のパターンで適用する。図３５ａは、同じ目的のために、まばらな角錐台アンビル１１２０の格子の、別の可能な実施形態を示す。図３６及び図３７は、目標の複合体に対するパターン化された適用のための、角錐台１１３０、１１４０の均一格子に関する（整合されたものと比較してジグザグ）。このような三次元アンビルは、本明細書で説明及び記載したように、接続及び導電性目的のための仕上げ溶接（図２４の１０２０）に関する底部フィルム（図２４の１０１４）と接触するよう、上部フィルム（図２４の１０１２）を下方に押圧することに関するポリマー基体（例えば図２４の１０１５）の処理を可能にする。
【0149】
図３８及び図３９は、上部溶接（図３８）及び底部溶接（図３９）の、異なる潜在的な実施形態を示す。図３８は、タブ１１５４、金属化フィルム１１５２、上部溶接方向１１５４、金属化フィルム１１５２をタブ１１５４に接続する仕上げ溶接１１５６、を伴う溶接した複合体１１５０を示す。図３９は、タブ１１６４、金属化フィルム１１６２、底部溶接方向１１６４、金属化フィルム１１６２をタブ１１６４に接続する仕上げ溶接１１６６、を伴う溶接した複合体１１６０を示す。
【0150】
図４０は、１箇所の屈曲部１１７５を有する１箇所折り込んだタブ１１７４、集電材／電極１１７２、タブ１１７４と集電材／電極１１７２との間の複数の溶接１１７６、及びタブ自体を装着するための端部溶接１１７８、を伴う溶接した複合体１１７０の、可能な実施形態を示す。図４１は、ジグザグな金属化フィルムの集電材１１８２と、集電材１１８２及びタブ１１８４を共に装着するための複数の溶接１１８６を伴う、ジグザグのタブ１１８４との、溶接した複合体１１８０の可能な実施形態を示す。この構成において、各集電材１１８２の各金属面は、タブ１１８４の少なくとも１つと、向かい合って接触する。図４２は、ヒューズ領域１１９８に接続された電極／集電材１１９２を伴う、溶接した複合体１１９０の可能な実施形態を示す。ヒューズ領域１１９８は、ヒューズ領域１１９８において限定された溶接領域１１９６内でタブ１１９４に溶接される。これらの実施形態は、薄いフィルムの集電材を伴う溶接技術に関して利用可能な、いくつかの汎用性を示す。
【0151】
図４３、図４４、及び図４５は、パワーセル複合体内の溶接作業を補足するための補強に関した、可能な実施形態の表示を提供する。図４３は、溶接したタブ１２０８、補強テープ１２０６、及び向上した補強性能のための別のオーバーラップ１２１０、を伴う対向した電極１２０２、１２０４を有する、溶接した複合体１２００を示す。図４４は、複数の薄いフィルム１２２４、上層の薄いフィルム１２２２、及び溶接したタブ１２２６を伴う、複数フィルムの溶接した複合体１２２０を示す。補強テープ１２２８は、タブ溶接（図示せず）に再び適用され、このような溶接領域に対する補強性能のために、適用した圧力を増加させる。図４５は、複数の薄いフィルム１２３４、上層の薄いフィルム１２３２、及び溶接したタブ１２３６を有する、複数フィルムの溶接した複合体１２３０を示す。溶接接合部の上に適用するのは締付具１２３８で、このような溶接を補強する（図示せず）。したがって、溶接の補強は、いくつかの異なる可能な代替を介して実現され得る。
【0152】
このように独特で今まで調査されていない溶接、そのパターン、様々な溶接タイプ自体、安全性、確実性、及び有効性を向上させるためのさらなる補強を伴い、効果的なパワー伝達及び熱暴走の可能性を減少させるために、リチウムイオン（及び同様の）バッテリ内の薄い金属化フィルムの集電材、コンデンサ、パワーセルなどを利用する新たな取り組みが提供される。
【0153】
本発明を詳細に説明したが、当業者はそれらに対して、本発明の範囲から逸脱することなく、変化及び変更を成すことができることは、明白である。したがって本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって定義されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図3A】
【図4】
【図5】
【図5A】
【図6】
【図6A】
【図7】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図8A】
【図8B】
【図9-9A】
【図9B】
【図10】
【図10A】
【図11】
【図11A】
【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】
【図25】
【図26】
【図26A】
【図27】
【図27A】
【図27B】
【図28】
【図28A】
【図28B】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図33A】
【図34】
【図35】
【図35A】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【国際調査報告】