特表 2024-515582 構造的バッテリ用の電気化学セル

(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】2024-04-10

(54)【発明の名称】構造的バッテリ用の電気化学セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/058 20100101AFI20240403BHJP

   H01M 4/505 20100101ALI20240403BHJP

   H01M 4/525 20100101ALI20240403BHJP

   H01M 4/58 20100101ALI20240403BHJP

   H01M 4/13 20100101ALI20240403BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

H01M10/058

H01M4/505

H01M4/525

H01M4/58

H01M4/13

H01M10/052

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023562220

(86)(22)【出願日】2022-03-28

(85)【翻訳文提出日】2023-11-30

(86)【国際出願番号】 IB2022052840

(87)【国際公開番号】W WO2022214909

(87)【国際公開日】2022-10-13

(31)【優先権主張番号】102021000008444

(32)【優先日】2021-04-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523381527

【氏名又は名称】ボルタ ストラクチュラル エナジー エス．アール．エル

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】コンシグリオ、ガブリエル

【テーマコード（参考）】

5H029

5H050

【Ｆターム（参考）】

5H029AJ11

5H029AK01

5H029AK03

5H029AL06

5H029AL07

5H029AL08

5H029AM03

5H029AM07

5H029AM10

5H029AM16

5H050AA14

5H050BA17

5H050CA01

5H050CA08

5H050CA09

5H050CB01

5H050CB07

5H050CB08

5H050CB09

5H050FA07

(57)【要約】

相互に平行であり、間隔を開けて配置された２つの外部プレート（１０）であって、それぞれが、展開平面（３ａ）に沿って延在してそれぞれの外部プレート（１０）の内側表面（１０ａ）を画定する第２の電極（３）を備える、２つの外部プレート（１０）、及び外部プレート（１０）の内側表面（１０ａ）を相互に連結することができ、複数の壁（２０ｂ）によって画定される少なくとも１つのハニカム構造体（２０ａ）を備える連結要素（２０）であって、複数の壁（２０ｂ）は、第１の展開方向（２ａ）に平行に延在し、展開方向（２ａ）に平行に高いスチフネスを有し展開方向（２ａ）に対して垂直に変形可能である第１の電極（２）を共に作成する、連結要素（２０）を備え、それぞれの第２の電極（３）が、第１の展開方向（２ａ）に対して横方向であり、外部プレート（１０）及び連結要素（２０）により、少なくとも展開方向（２ａ）に沿った衝突の際に機械的エネルギーを吸収し、変形なしに搭載及び取外しプロセスを行うことができるサンドイッチパネル（１ａ）が画定される、電気化学セル（１）が提供される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造的バッテリ用の電気化学セルであって、
－平行であり、間隔を開けて配置された２つの外部プレート、それぞれが、展開平面に沿って延在してそれぞれの前記外部プレートの内側表面を画定する第２の電極を含む、及び
－前記外部プレートの前記内側表面を相互に連結するのに適した連結要素
を備え、
－前記連結要素が、複数の壁によって画定される少なくとも１つのハニカム構造体を有し、前記複数の壁は、第１の展開方向に平行に延在し、前記第１の展開方向に平行に高い剛性を有し前記第１の展開方向に対して垂直に変形可能である第１の電極を共に実現し、
－それぞれの前記第２の電極が、前記第１の展開方向に対して横方向であり、
－前記外部プレート及び前記連結要素により、少なくとも前記第１の展開方向に沿った衝突の際に機械的エネルギーを吸収し、変形なしに搭載及び取外しプロセスを行うのに適したサンドイッチパネルが画定される、
電気化学セル。

【請求項2】

前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に画定される接触区域に対応して位置決めされた絶縁体を用いて相互に電気的に隔てられている、請求項１に記載の電気化学セル。

【請求項3】

前記第１の電極及び前記第２の電極を強固に連結する構造的接着要素を備える、請求項１または２に記載の電気化学セル。

【請求項4】

前記第１の電極及び前記第２の電極と接触するように設けられ、前記第１の電極及び前記第２の電極の間でのイオン移動を可能にするのに適した電解質を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学セル。

【請求項5】

前記電解質が前記第１の電極及び前記第２の電極と接触し、前記第１の電極及び第２の電極を覆うポリマー収納要素の内部に収められている、請求項４に記載の電気化学セル。

【請求項6】

前記複数の壁のそれぞれが、前記電気化学セルの動作に必要な特定の化学反応を可能にするように構成され、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、又は他の同様のものから選択される１つ又は複数から作成された活性層を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気化学セル。

【請求項7】

前記外部プレートのうちの少なくとも１つが、前記第２の電極の、前記内側表面とは反対側の面に延在し、前記サンドイッチパネルを外部環境から隔離するのに適した保護層を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気化学セル。

【請求項8】

前記外部プレートのうちの少なくとも１つが、前記第２の電極の、前記内側表面とは反対側の面に位置決めされ、電流の流れを分配するのに適しており、前記第２の電極及び保護層の間に位置決めされた電流コレクタを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学セル。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の複数の前記電気化学セルを備える、構造的バッテリ。

【請求項10】

前記電気化学セルが、隣接するそれぞれの前記サンドイッチパネルの間に介在させられた絶縁要素を用いて互いに構造的に連結されている、請求項９に記載の構造的バッテリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１のプリアンブルに規定されているタイプの、構造的バッテリ用の電気化学セルに関する。

【背景技術】

【0002】

現在、様々な構造的バッテリが開発されている。簡単に言えば、構造的バッテリは、機械的負荷を支持し、同時に電気エネルギーを蓄積することができる革新的な多機能の複合材料を含む。これらのバッテリは、同等のエネルギー効率の従来のバッテリよりもサイズ及び重量が著しく小さい。構造的バッテリは、多くの潜在的用途を有する。考えられる使用分野は、自動車セクタ、航空宇宙セクタ、建設セクタ、エネルギーセクタ、特に再生可能エネルギーセクタ、及びその他である。

【0003】

こうした構造的バッテリを採用することは、空間に関連する問題を解決するのに特に適している。

【0004】

例えば、よく知られているように、今日の電気自動車の主な問題は、それらの航続可能距離が短いことである。高い自律走行性を保証するには、大きい従来型のバッテリを車両に実装することが必要とされることになる。しかし、これらは車両の重量を著しく増加させ、したがって消費を増加させるという欠点を有する。この問題を克服するために、自動車は車体構造に一体化されたアキュムレータを用いて設計されてきた。車体構造のいくつかの部分は、エネルギーを蓄積すると同時に構造体に機械抵抗を提供するように設計された複合材料で作成される。この一体化された構築コンセプトは、上記領域のすべてに適用することができ、構造体及び電気装置の形状及び／又はサイズの著しい変化も伴う。

【0005】

近年、多機能の複合材料を実現するために最も研究されている手法は、複合積層体内に薄膜バッテリを組み込んで、多機能の構造体を作り出すことであった。例えば、リチウムイオンバッテリの特性が、炭素繊維複合材料の特性に組み込まれてもよい。炭素繊維は構造的強度を提供し、リチウムイオンバッテリの負極にもなる。これらのファイバは、高い機械的性能を確実とするためにマトリクス状に配置されなければならない。マトリクスは、負極及び正極の間でエネルギーを蓄積するために必要とされるイオン交換も可能にしなければならない。液体電解質はこれらの構成における機械的負荷に適していないので、このマトリクスは主にポリマー材料で作成される。

【0006】

代替的な手法は、バッテリ、例えばリチウムイオンを形成するのにそれら自体が適している構造的電極、構造的セパレータ、及びさらには構造的電解質を作成することである。

【0007】

説明された知られている技法は、いくつかの主要な欠点を伴う。

【0008】

特に、これまでに研究されている解決手段は、大きいエネルギー蓄積及び高い構造的強度の満足のいく組み合わせを生み出していない。

【0009】

いくつかの技術は、充電及び放電プロセスの間の構造的変形という問題を提示する。

【0010】

加えて、損傷又は動作不良が、大きい構造的部品を高いコストで交換することにつながる場合がある。

【0011】

この状況において、本発明の根底をなす技術的課題は、前述の欠点のうちの少なくとも一部を実質的になくすことができる構造的バッテリ用の電気化学セルを考案することである。

【0012】

上記技術的課題の文脈では、高い機械抵抗を保証し、同時に高いエネルギー効率を保証する構造的バッテリ用の電気化学セルを得ることが、本発明の重要な目的である。

【0013】

さらに、こうした構造的バッテリは、充電及び放電プロセスの間に変形を受けないことが望ましい。

【0014】

本発明の別の重要な目的は、動作不良又は損傷の場合に低コストで修理することができる構造的バッテリ用の電気化学セルを実現することである。

【0015】

規定された技術的課題及び目的は、添付の請求項１で特許請求される構造的バッテリ用の電気化学セルによって実現される。

【0016】

好ましい技術的解決手段は、従属請求項において強調される。

【0017】

本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照する本発明の好ましい実施形態の詳細な説明により、以下で明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明による構造的バッテリ用の電気化学セルのサンドイッチパネルの分解図である。

【0019】

【図2a】本発明による構造的バッテリ用の電気化学セルのサンドイッチパネルの断面図である。

【0020】

【図2b】ハニカム構造体の壁が活性層を備える、本発明による構造的バッテリ用の電気化学セルのサンドイッチパネルの断面図である。

【0021】

【図3】構造的に互いに連結された、本発明による構造的バッテリ用の２つの電気化学セルの断面図である。

【0022】

【図4】本発明による構造的に連結された１組の構造的バッテリ電気化学セルから作成された、構造的バッテリの上面図である。

【0023】

【図5】本発明による電気化学セルの、溝を備えた保持要素の詳細を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

この文書では、測定値、値、形状、及び（垂直及び平行などの）幾何学的基準は、「およそ」のような語、又は「約」又は「実質的に」などの他の同様の用語に関連付けられたとき、生産及び／又は製造エラーによる測定エラー又は不正確さを除き、何よりもまず、それが関連付けられた値、測定値、形状、又は幾何学的基準からのわずかな逸脱を除くものと考えられるべきである。例えば、これらの用語は、値と関連付けられる場合、好ましくは値の１０％以下の乖離を示す。

【0025】

さらに、使用するとき、「第１」、「第２」、「高」、「低」、「主」、及び「副」などの用語は、順序、関係の優先性、又は相対的な位置を必ずしも同定しないで、単に異なる構成要素間を明らかに区別するのに使用できる。

【0026】

そうでないことが規定されていなければ、以下の議論の結果として、「処理」、「算出」、「決定」、「計算」、又は同様のものなどの用語は、コンピュータシステム及び／又はメモリのレジスタの電子的な量、コンピュータシステム、レジスタ、又は他の記憶装置、トランスミッション、又は情報表示装置内の物理的な量として同様に表されている他のデータなどの、物理的なものとして表されているデータを操作及び／又は変換する、コンピュータ又は同様の電子計算装置の動作及び／又はプロセスを指す。

【0027】

そうでないことが示されていない限り、この文章で報告されている測定値及びデータは、国際標準大気ＩＣＡＯ（ＩＳＯ２５３３：１９７５）で実施されているものと考えられるべきである。

【0028】

図を参照すると、本発明による構造的バッテリ用の電気化学セルが全体として１と称されている。

【0029】

電気化学セル１は、以下にさらに規定されるように、構造的バッテリに含まれるか又はそれを構成することができる。

【0030】

簡単に言えば、電気化学セル１は少なくとも２つの外部プレート１０及び連結要素２０を備えるか、又はそれらからなる。

【0031】

プレート１０は、実質的に平坦な要素であり、三次元空間において、三次元よりも優先される二次元を画定する。

【0032】

連結要素２０は、実質的には外部プレート１０の間に介在させられた構成要素である。したがって、連結要素２０は、間隔を開けてプレート１０を配置することによってそれらを連結する。

【0033】

有利には、プレート１０及び連結要素２０によりサンドイッチパネル１ａが本質的に画定される。当然、サンドイッチパネルにより、電気化学セル１は、連続して積み重ねられた複数の層によって画定されるパネル又はプレートの、すなわち二次元が三次元よりも優先される要素を含むということが理解される。

【0034】

連続して重なり合う層はそれぞれ、少なくとも１つの外部プレート１０、連結要素２０、及び別の外部プレート１０であることが好ましい。

【0035】

好ましいが非排他的な実施形態では、サンドイッチパネル１ａは丁度２枚の外側シート１０及び連結要素２０を備えることができる。

【0036】

いかなる場合でも、既に言及したように、２枚の外側シート１０は相互に平行であり、間隔を開けて配置されていることが好ましい。外部プレート１０のそれぞれにより、内側表面１０ａが画定される。

【0037】

詳細には、連結要素２０は、２つの外部プレート１０の内側表面１０ａを互いに連結するのに適している。上記連結要素２０はハニカム構造体２０ａを含むことが好ましい。具体的には、ハニカム構造体２０ａは複数の壁２０ｂによって画定される。壁２０ｂは、平坦な薄い要素であることが好ましい。こうした壁２０ｂは、第１の展開方向２ａに平行に延在することが好ましい。具体的には、ハニカム構造体２０ａの内部では、壁２０ｂにより空洞２０ｃが画定される。空洞２０ｃは形状が柱状であることが好ましく、形状が六角形であることがより好ましい。当然、それぞれの空洞２０ｃの全体的な形状及び壁２０ｂの構成は異なるタイプのものでもよい。例えば、知られているように、壁２０ｂは波状であり、相互に拘束されてハニカム構造体２０ａを作成してもよい。又は、以下により良く定義されるように、空洞２０ｃはハニカム構造体として編成された互い違いになった四角形の形状、又はより一層複雑な形状を画定してもよい。

【0038】

具体的には、実際は、知られているように、ハニカム構造体は単純な格子又は他の分離要素と混同されるべきではない特別な特性を有する。ハニカム構造体、及び特にハニカム構造体２０ａは、それぞれの空洞２０ｃが少なくとも１つの壁２０ｂによって周囲の空洞２０ｃから隔てられているという事実によって特徴付けられる。三角形又は長方形の柱状の空洞２０ｃの構造では、空洞２０ｃは壁２０ｂが交わる箇所によってのみ周囲のいくつかの空洞２０ｃから隔てられている場合があるので、これは当てはまらない場合がある。

【0039】

言い換えれば、連結要素２０により、ハニカム構造体２０ａが正確に画定されるので有利である。

【0040】

壁２０ｂは、１０μｍ及び３００μｍの間、より好ましくは５０μｍ及び７０μｍの間である、展開方向２ａに対して横方向の厚さを画定することが好ましい。

【0041】

さらに、壁２０ｂは１ｍｍ及び１ｃｍの間、より好ましくは３ｍｍ及び５ｃｍの間の長さだけ、展開方向２ａに平行に延在することができる。

【0042】

いずれの場合でも、壁２０ｂにより高い機械的特性が定められることが好ましい。それらは、５０ＧＰａである弾性率の最低値を定めることが好ましい。このように、壁２０ｂは、実際にはプレート１０を隔てる要素であり、機械的負荷がそれらの間で伝達されることを可能にする。

【0043】

さらに、壁２０ｂは穴を備えることができる。存在する場合、これらは空洞２０ｃを流体通路に連結させて配置するように構成される。こうした穴は、生産プロセス中に電気化学セル１から空気が逃げることを可能にするように設計されることが好ましい。

【0044】

いずれの場合でも、壁２０ｂは、第１の電極２を共に作成する。第１の電極２は、電気化学セル１のアノード部分を画定することが好ましい。

【0045】

共に、という用語により、ハニカム構造体２０ａ全体が第１の電極２を実質的に構成することが好ましく、したがってそれぞれの壁２０ｂが同じ第１の電極２の構成要素であることが意味される。さらに、壁２０ｂは活性層２１を備えることができる。

【0046】

さらに、第１の電極２は、展開方向２ａに平行に高いスチフネスを有することが好ましい。具体的には、上で説明したように、電極２のスチフネスは、少なくとも５０ＧＰａである弾性率、又はヤング率を定める壁２０ｂによって与えられる。第１の電極２は、展開方向２ａに対して垂直に変形可能であることが好ましい。

【0047】

第１の電極２は電気伝導性である。具体的には、ハニカム構造体２０ａは全体的に電気伝導性の材料で作成されてもよく、又はそれは非導電性材料及び導電性コーティングを備えてもよい。図２ａに示されているように、第１の電極２の第１の例示的な実施形態は、アルミニウムで作成された電気伝導性のハニカム構造体２０ａを備える。加えて、ハニカム構造体２０ａはＮｏｍｅｘなどの難燃性材料から作成されてもよい。Ｎｏｍｅｘなどの材料は電気伝導性ではなく、導電性材料のコーティングを必要とする。存在する場合、コーティングはハニカム構造体２０ａ全体を覆うことが好ましい。より詳細には、こうしたコーティングは１μｍ及び１０μｍの間の厚さを画定することができる。それはアルミニウム、窒化チタン、又は他の導電性の金属又はセラミック材料で作成されてもよい。具体的には、導電性コーティングは、ハニカム構造体２０ａを構成する材料の導電率を向上させるように設計される。それは、ハニカム構造体２０ａの材料を、電気化学セル１に存在する特定の物質の化学的攻撃性から保護するのにも適している。

【0048】

加えて、図２ｂに示されているように、壁２０ｂは活性層２１を備えることができる。活性層２１は、少なくとも部分的に壁２０ｂを覆うように構成される。それは、壁２０ｂを全体的に覆うことが好ましい。活性層２１は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、又は他の同様のものなどの化合物から作成され得る。一般には、活性層２１により、アノード又はカソードとして、例えばＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、又は他の同様のものの場合にはカソードとして電気化学的酸化還元反応に関与する材料が意味されることが好ましい。したがって、壁２０ｂは、ハニカム構造体２０ａが電気伝導性であろうと又は非導電性で導電性コーティングを備えようと、活性層２１を備えることができる。具体的には、活性層２１の存在は、電気化学セル１において行われなければならない特定の反応に依存する。

【0049】

外部プレート１０は、第２の電極３をそれぞれ備える。第２の電極３により、電気化学セル１のカソード部分が画定されることが好ましい。こうした第２の電極３は展開平面３ａに沿って延在して、内側表面１０ａを画定する。したがって、第２の電極３はそれぞれの外部プレート１０の最内層を実質的に占有し、したがってそれは内側表面１０ａを実現し、又は言い換えれば、その面は外部プレート１０の内側表面１０ａに対応する。加えて、展開平面３ａは第１の展開方向２ａに対して少なくとも横方向であり、さらに、それは第１の展開方向２ａに対して垂直であることが好ましい。したがって、第２の電極３それ自体は、第１の電極２に対して、すなわちハニカム構造体２０ａの壁２０ｂに対して実質的に横方向である。

【0050】

詳細には、第２の電極３は炭素で作成されることが好ましい。それは黒鉛、グラフェン、活性炭、又は他のもので作成され得ることがより好ましい。加えて、それはポリマー材料、例えばポリプロピレンでも作成され得る。特定の実施形態は、ポリマー又は黒鉛のマトリクス内に炭素繊維を含む複合材料を必要とする。具体的には、黒鉛マトリクスはフェノール樹脂などの前駆材料からの熱分解によって、又はメタンの蒸着（ＣＶＤ）によって作成され得る。さらに、こうしたマトリクスは、上述のプロセスによってそれぞれ作成された、重なり合った２つの層を備えることができる。第２の電極３の別の実施形態は、リサイクルされた炭素粉末を用いて、又はナノ構造炭素を用いて黒鉛マトリクスを機能させることを含む。例えば、ナノ構造炭素はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、又は他の同様のものの形をとってもよい。さらに、第２の電極３は５％及び９５％の間の多孔性を有することが好ましい。上記電極３が複合材料で作成されている場合、指示された多孔性を有するのはマトリクスである。具体的には、第２の電極３の多孔性は電解質の吸収に有利であるのに、またセル１の電気化学的特性を向上させるのに適している。

【0051】

電気化学セル１の内部で、第１の電極２及び第２の電極３は互いから電気的に隔てられている。実際、電気化学セル１は２つの電極の間の接触領域に位置決めされた絶縁体４を備える。当然、絶縁体４は電極２及び３の間に介在させられており、したがって実際には第１の電極２及び第２の電極３の間の接触部、つまり機械的連結部を作成する。

【0052】

絶縁体４はプラスチック材料で作成されることが好ましい。それは樹脂、熱可塑性ポリマー、エラストマーポリマー、又はそれらの組み合わせから作成することができるのがより好ましい。第１の電極２がアルミニウムで作成されている場合、表面処理によって、好ましくは陽極酸化処理によって２つの電極２及び３の間の電気絶縁を獲得することが可能である。陽極酸化処理によりアルミニウムが酸化アルミニウムに変えられ、これは電気絶縁性である。

【0053】

明らかに、第１の電極２及び第２の電極３は、電気化学セル１の外部の電気回路を用いて互いに電気的に接続されている。この電気回路により、第１の電極２で生じた電子が第２の電極３に向かって移動することが可能になり、したがって電流が生み出される。

【0054】

いずれの場合でも、この回路、及びセル１を回路に電気的に接続する方法それ自体は現況技術において広く知られており、したがって詳細に説明されない。

【0055】

電気化学セル１は構造的接着要素５をさらに備える。接着要素５は、第２の電極３及び第１の電極２を強固に連結するのに適している。それらは第２の電極３及び第１の電極２の間の接触区域に対応して、又は絶縁体４が存在する場合は絶縁体４に対応して位置付けられることが好ましい。接着要素５は、好ましくはエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、熱可塑性材料、ポリアクリルアミド、又は他のものを含む絶縁材料で作成されることが好ましい。

【0056】

加えて、接着要素５は、それらが好ましくは適当な特性を定めるという意味で構造的である。例えば、接着要素は、少なくとも２０ＭＰａ及び３０ＭＰａの間である引張り強度を定める。加えて、構造的要素５は、６００ＭＰａ及び７００ＭＰａの間の弾性率、１５ＭＰａ及び３５ＭＰａの間のせん断強度、及び少なくとも１２０度までの熱抵抗のうちの１つ又は複数を含む他の特性を定めることができる。

【0057】

電気化学セル１は、電解質６をさらに備えることが好ましい。

【0058】

電解質６は、第１の電極２及び第２の電極３と接触するように配置されている。したがって、電解質６は、ハニカム構造体２０ａの空洞２０ｃの内側に向く電極２及び３の表面と接触する。上記電解質６は、第１の電極２及び第２の電極３の間のイオン移動を可能にするのに適している。電解質６は液体であることが好ましい。それはＡｌＣｌ３及び尿素の溶液、又はＡｌＣｌ３及び［ＥＭＩＭ］Ｃｌの溶液であり得ることがより好ましい。こうした溶液は、１．１：１及び２：１の間のモル比を有することが好ましい。実際、塩化アルミニウムは、反応するためにモル過剰であることが必要である。電解質６はＬｉＰＦ６、ＫＦＳＩ、又は他の同様のものなどの塩をさらに含むことができる。こうした塩は、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジメチル、又は他のものなどの炭酸エステルを含む溶剤に溶かされることが好ましい。加えて、電解質６はゲルも含むことができる。こうしたゲルは、これまでに言及した液体及びポリマーのうちの１つを含むことが好ましい。

【0059】

電解質６が液体である場合、電気化学セル１は収納要素６０を備えることができる。収納要素６０はポリマーであることが好ましい。それは、空洞２０ｃに向いた電極２及び３の表面と対応して配置される。具体的には、それは電極２及び３の表面を覆うが空洞２０ｃを著しく占有しない厚さを有する。好ましい実施形態では、上記電解質６をその孔の内部に収容するのに適した多孔質の収納要素６０が提供される。別の実施形態は、図５に示されているように電極２及び３の表面に溝を備える収納要素６０を備える。こうした収納要素６０は、電解質６を透過させないことが好ましい。しかし、具体的には、溝は、電解質６が毛管現象によって一方の電極から他方へと通過することを可能にするように構成される。

【0060】

したがって、空洞２０ｃは、実質的に壁２０ｂに電解質６を備える。構造体２０ａの空洞２０ｃの内部はガスで占められていることが好ましい。ガスにより、電気化学セル１内の圧力を外部の圧力と等しく保つことが可能になり、したがって内部応力が作り出されることが避けられる。上記ガスは、乾燥空気又は不活性ガスでもよい。不活性ガスは、アルゴン、二酸化炭素、窒素、又はヘリウムであることが好ましい。電気化学セル１の動作を損なわないために、乾燥空気及び不活性ガスはどちらも１００ｐｐｍ未満の含水量を有することが好ましい。さらに、上記電気化学セル１の構築中、真空封止されたセル１を作り出すために、空洞２０ｃに含まれている空気は抜き取られてもよい。

【0061】

外部プレート１０は、電流コレクタ７をさらに備えることができる。具体的には、それは第２の電極３の、表面１０ａとは反対側の面に位置決めされる。コレクタ７はワイヤ又は薄箔を備えることができる。こうした要素は銅、アルミニウム、鋼、又は炭素繊維で作成されることが好ましい。それらは窒化チタン、又は他の導電性セラミック材料でコーティングされることも好ましい。コーティングにより、コレクタ７を電解質６から化学的に絶縁することが可能になる。代替的な実施形態は、窒化チタン又は他の不活性導電性材料を、第２の電極３の、表面１０ａとは反対側の面に直接堆積させることを含む。電流コレクタ７は、第２の電極３に進入し流出する電流の流れを分配するのに適している。さらに、それは第２の電極３に進入し離脱する電子が受ける電気抵抗を最小化するのに適している。具体的には、電流コレクタ７は、第２の電極３を構成する材料の導電性よりも高い導電性を有する。実際、第２の電極３は、好ましくはポリマー又は炭素質のマトリクスに浸漬された炭素繊維を含むことができる。こうした炭素繊維は高い導電性によって特徴付けられ、したがって第２の電極の活性材料及び電流コレクタの両方として機能する。

【0062】

外部プレート１０は、保護層８を追加的に備えることができる。この保護層８は、存在する場合、電流コレクタ７と接触するように位置決めされる。こうしたコレクタが存在しない場合、層８は第２の電極３の、表面１０ａとは反対側の表面に直接接触する。保護層８は、電気化学セルを外部環境から隔離するのに適している。具体的には、それは電解質６がセル１から流出するのを防止するのに適している。この層８は、様々な材料で作成することができる。例えばそれはガラス繊維、又は炭素又はアラミド繊維で強化されたアクリル材料、エポキシ樹脂、ポリウレタン材料、金属箔、ポリマーで作成されてもよい。それはこれらの材料の組み合わせから作成することもできる。例えば、好ましくは１μｍ及び１０μｍの間の厚さのアルミニウム又は窒化チタンの層が、エポキシ樹脂又はポリウレタンの層の上部に堆積されてもよい。

【0063】

外側シート１０は、追加的な構造的層９を備えることができる。この層は、電気化学セル１の機械的強度を増加させることを目的としている。構造的層９は、存在する場合、保護層８に関して言及されたものから選択される材料で作成されることが好ましい。

【0064】

電気化学セル１は、他の電気化学セル１と共に組み立てられるのに適している。具体的には、互いに電気的に接続された複数の電気化学セル１により、構造的バッテリ１００が画定される。

【0065】

構造的バッテリ１００により、負荷を支持するバッテリ、又は負荷に耐えるバッテリが意味される。より具体的には、構造的バッテリ１００は高い機械的負荷に耐えることができるバッテリである。

【0066】

電気化学セル１は、直列又は並列に互いに電気的に接続され得る。

【0067】

さらに、上記セル１は、絶縁要素５０を用いて互いに構造的に連結され得る。絶縁要素５０は、それぞれのサンドイッチパネル１ａの間に介在させられることが好ましい。上記要素５０は、保護層８に関して言及された材料のうちの１つ又は複数で作成されることが好ましい。

【0068】

電気化学セル１は、隣り合わせに、又は積み重なって配置され得る。電気化学セル１の重なり合いは、様々なやり方で実現することができる。具体的には、電気化学セル１は第２の電極３を共有することができる。代替的に、それらは第２の電極３を共有しなくてもよく、したがって構造的層９によって相互に隔てられてもよい。別の実施形態は、重なり合った２つのセル１の間に材料層を追加することを含み、したがってセル１はいかなる要素も共有しない。追加的な材料は、２つのセル１の間の距離を拡大することを目的としている。こうした材料は、ポリマー層、木材層、発泡体又は他のものでもよい。具体的には、電気化学セル１の数及び配置は、構造的バッテリ１００にもたらされることになる電圧に依存する。

【0069】

構造的な点で上述した電気化学セル１の動作は以下の通りである。

【0070】

電気化学セル１は、特定の化学反応、好ましくは「デュアルイオン」カテゴリに属する反応をその内部で行うのに適している。知られているように、こうした反応は可逆的である。具体的には、１つ又は複数の直接反応により充電プロセスが定められ、一方対応する逆反応により放電プロセスが定められる。

【0071】

好ましい実施形態では、電気化学セル１はアルミニウムで作成された第１の電極２、及び黒鉛で作成された第２の電極３を備える。充電プロセス中、電解質６に含まれる

イオンは第２の電極３にインターカレートし、一方電解質に含まれるＬｉ^＋イオンは第１の電極２に堆積してＡｌ－Ｌｉ合金を形成する。放電プロセスは充電プロセスの逆であり、電解質６中の

及びＬｉ^＋イオンの両方の後方散乱を伴う。電子は外部の電気回路を通って流れ、電流を生じさせる。充電プロセス中、黒鉛とのインターカレーションに際してＬｉ^＋イオンから放出された電子が第２の電極３から第１の電極２へと流れて、Ａｌ－Ｌｉ合金の形成を可能にする。放電プロセス中、電極間の電子の流れは逆になる。

【0072】

本発明による電気化学セル１は、重要な利点を実現する。

【0073】

実際、電気化学セルは、セルそれ自体を十分に頑強にし、衝突の際には機械的エネルギーを適切に吸収することができる構造的電極を有する。

【0074】

具体的には、電気化学セル１は、電極が互いに対して垂直であるので、充電及び放電プロセス中に構造的変形の問題を生じさせない。

【0075】

加えて、構造的構成により、高いエネルギー効率及び著しく軽い重量を有するバッテリを獲得することが可能になる。

【0076】

損傷した場合、構造体全体に介入する必要なしに損傷した電気化学セルのみを交換することが可能であり、したがって修理コストが抑えられる。

【0077】

本発明は、特許請求の範囲によって定義される発明概念の範囲内での変動が可能である。

【0078】

この範囲において、すべての詳細は均等な要素によって代用可能であり、材料、形状、及び寸法はいかなるものでもよい。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】