JP6731459B2 - 複合バッテリーセル - Google Patents
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Description
図2A及び2Bを参照する。バッテリー機素71は互いに、内部で直列に接続して電圧を増加させる。次に、導電性リード74を使用して外部で並列に接続して十分な容量を達成し、電気自動車用のバッテリーシステム77を形成する。しかし、電解質の許容される最大電圧は通常、わずか5Vである。内部で直列接続することにより、電圧は増加する。そして、内部構造及び配置が原因で、電界の分布は均一ではない。電圧が許容される最大電圧を上回ると、電解質の分解が発生し、バッテリーシステム77が故障する。より深刻には、電解質の分解がバッテリーシステム77の爆発を引き起こす場合がある。それ故、市場には同様の製品が存在しない。
活物質層はそれぞれセパレータの2つの側面に配置され、集電体はそれぞれ活物質層の外側に配置される。電解質系が活物質層内に浸透し、封止層が2個の集電体の端の間に配置されることで、2個の集電体が密着し、これらの間で電解質系を密封する。各電気供給機素は独立したモジュールであり、電解質系はこれらの間で循環しない。隣接する電気供給機素間での電気化学反応は存在せず、電荷の移動のみが存在する。それ故、電解質系の許容される最大電圧に制限されることなく、直列接続及び並列接続の両方をバッテリーセルのパッケージ内で作製できる。
また、内部抵抗が非常に低いため、優れた充放電速度効率、及び少ない熱発生が達成される。それ故、熱放散のメカニズムを簡略化できる。全システムは容易に管理及び制御でき、信頼性及び安全性が改善される。
セパレータ11の材料としては、ポリマー、セラミックス、又はガラス繊維が挙げられる。また、セパレータ11は、イオンの移動を可能にする孔を有する。孔はスルーホール、アントホール、又は多孔質材料により形成され、セラミック製の絶縁材料が更に充填されていてよい。セラミック製の絶縁材料としては、ナノメートル及びマイクロメートルスケールのTiO2、Al2O3、SiO2の微粒子、又はアルキル化が挙げられる。孔は更にポリマー接着剤で充填されてよく、ポリマー接着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンco−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリル酸糊、エポキシ樹脂、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びポリイミド(PI)があり得る。
電荷は、それぞれ活物質層12、13の外側に配置された集電体14、15を通して運搬される。集電体14、15の材料は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、又はニッケル(Ni)、スズ(Sn)、銀(Ag)、金(Au)、又は前述の金属の少なくとも1種からなる合金である。
また、この電気供給機素10の集電体15は、隣の電気供給機素10の集電体14に、順次直接接触できる。それ故、電気供給機素10が互いに直列に電気的に接続した電気供給機素群21が形成される。電気供給機素10は独立したモジュールとして機能する。各電気供給機素10の電解質系は、これらの間で循環しない。それ故、電荷移動は、電気化学反応なしに、即ち、イオン移動及び輸送なしに、隣接する電気供給機素の集電体14、15の間で発生する。直列に接続されている電気供給機素10により引き起こされる高電圧は、個々の電気供給機素10内の電解質系に影響を及ぼさない。電解質系の電圧影響は、電気供給機素10内の個々の電圧のみである。したがって、電気供給機素群21を、互いに直列に電気的に接続した電気供給機素10により形成して、通常5Vである電解質系の許容される最大電圧により制限されることなく、高電圧を達成できる。
パックケース50を使用して、電気供給機素群21を収容する。パックケース50は、短絡を防ぐためのポリマーフィルムであってよい。また、パックケース50はアルミホイル又は金属缶であってよい。パッケージ化した後、導電性リード51は延在してパックケース50から露出する(図7を参照)。プリント回路基板(PCB)モジュール60を使用して、管理及び供給のために導電性リード51に接続できる。パックケース50の形状及び形態を示す。他の異なる形態(例えばバッグ又は箱)もまた適用可能である。
例えば、図5Bに示すように、集電体14が正極集電体であり、集電体15が負極集電体である場合、最も外側の電気供給機素10の集電体15は、隣の電気供給機素10の集電体15に直接接触できる。また、この電気供給機素10の集電体14は、隣の電気供給機素10の集電体14に、順次直接接触できる。次に、電極タブ141、151を使用して並列の電気的接続を形成する。電気供給機素10は独立したモジュールとして機能する。各電気供給機素10の電解質系は、これらの間で循環しない。それ故、電荷移動は、電気化学反応なしに、即ち、イオン移動及び輸送なしに、隣接する電気供給機素の集電体14、15の間で発生する。
パックケース50を使用して、電気供給機素群22を収容する。パックケース50は、短絡を防ぐためのポリマーフィルムであってよい。また、パックケース50はアルミホイル又は金属缶であってよい。各電気供給機素群22の電極タブ141、151を折り畳んで接触させ、隣接する電気供給機素群22と同じ極性の集電体14、15に電気的に接続する。最も外側の電気供給機素群22の、1セットの電極タブ141、151のみが、導電性リード51と接続を維持している。パッケージ化した後、導電性リード51は延在してパックケース50から露出する(図7を参照)。したがって、複合バッテリーセル32のパッケージであるパックケース50内に直列接続及び並列接続の両方を作製して、高容量及び高電圧を達成する。
必要なバッテリーシステムを形成するにあたってパッケージ内で並列接続のみを作製でき、バッテリーセルの外に直列接続を作製する、図1A及び1Bに示した従来のバッテリーセルとは極めて異なる。他方、本発明の複合バッテリーセル32はほぼ、従来のバッテリーシステムとしても機能できる。しかし、外部接続が取り外されるために、占有空間が減少し、容積エネルギー密度が増加する。更に、管理も便利である。
高電圧に起因する電解質の分解は発生せず、安全性が改善される。また、電気供給機素群は、電気供給機素の集電体の直接接続により形成される。構造全体における抵抗は非常に少なく、優れた充放電速度効率、及び少ない熱移動が達成される。それ故、熱放散のメカニズムを簡略化できる。全システムの管理及び制御は簡単である。
Claims (21)
- 互いに並列に電気的に接続した、複数の電気供給機素群であって、前記各電気供給機素群は、互いに直列に電気的に接続した複数の電気供給機素を含み、前記各電気供給機素は、2個の集電体および2つの活物質層と、前記活物質層の間に浸透している電解質系と、前記2個の集電体の端の間に配置され、前記2個の集電体を密着させてこれらの間の前記電解質系を封止する封止層と、を含み、前記各電気供給機素は独立した、密封された完全なモジュールとして機能し、独立して電力を発生でき、前記各電気供給機素の前記電解質系はこれらの間で循環しないことを特徴とし、電荷移動が、電気化学反応なしに、隣接する前記電気供給機素間で発生することを特徴とし、前記電気供給機素群の前記各電気供給機素は、前記集電体を介して隣接する電気供給機素の集電体に直接接触し、直列に電気接続を形成し、前記電気供給機素群の最も外側の前記集電体は、隣接する前記電気供給機素群の最も外側の前記集電体に直接接触し、並列に電気接続を形成する、複数の電気供給機素群と、
前記複数の電気供給機素群を収容するパックケースと、を含む、
複合バッテリーセル。 - 前記電解質系はゲル電解質、液体電解質、固体電解質、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項1に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素は、前記2つの活物質層の間に配置されるセパレータを含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素群内で、最も外側の2個の電気供給機素の外側の集電体のみが、それぞれ電極タブを含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合バッテリーセル。
- 前記各電気供給機素群と同じ極性を有する電極タブが導電性リードに接続していることを特徴とする、請求項4に記載の複合バッテリーセル。
- 前記導電性リードは延在して前記パックケースから露出することを特徴とする、請求項5に記載の複合バッテリーセル。
- 前記導電性リードに接続し、前記パックケース内でパッケージ化されたプリント回路基板(PCB)モジュールを更に含む、請求項5に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素は、異なる極性を有する前記集電体を介して前記隣接する電気供給機素の前記集電体に直接接続し、直列の電気接続を形成することを特徴とする、請求項1に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素の前記封止層は、2個の変性シリコーン層、及びこれらの間に配置されたシリコーン層を含むことを特徴とする、請求項1に記載の複合バッテリーセル。
- 前記パックケースはポリマーフィルム、アルミホイル、又は金属缶であることを特徴とする、請求項1に記載の複合バッテリーセル。
- 互いに直列に電気的に接続した、複数の電気供給機素群であって、前記各電気供給機素群は、互いに並列に電気的に接続した複数の電気供給機素を含み、前記各電気供給機素は、2個の集電体および2つの活物質層と、前記活物質層の間に浸透している電解質系と、前記2個の集電体の端の間に配置され、前記2個の集電体を密着させてこれらの間の前記電解質系を封止する封止層と、を含み、前記各電気供給機素は独立した、密封された完全なモジュールとして機能し、独立して電力を発生でき、前記各電気供給機素の前記電解質系はこれらの間で循環しないことを特徴とし、電荷移動が、電気化学反応なしに、隣接する前記電気供給機素間で発生することを特徴とし、前記電気供給機素群の前記各電気供給機素は、前記集電体を介して隣接する電気供給機素の集電体に直接接触し、並列に電気接続を形成し、前記電気供給機素群の最も外側の電気供給機素は、隣接する電気供給機素群の前記最も外側の集電体に直接接触し、直列に電気接続を形成する、複数の電気供給機素群と、
前記複数の電気供給機素群を収容するパックケースと、を含む、
複合バッテリーセル。 - 前記電解質系はゲル電解質、液体電解質、固体電解質、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項11に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素は、前記2つの活物質層の間に配置されるセパレータを含むことを特徴とする、請求項11に記載の複合バッテリーセル。
- 前記各電気供給機素の前記集電体は、それぞれ電極タブを含むことを特徴とする、請求項11に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素群の前記電気供給機素と同じ極性を有する前記電極タブを接続して、並列の電気接続を形成することを特徴とする、請求項14に記載の複合バッテリーセル。
- 最も外側の2個の電気供給機素群の前記電極タブが導電性リードに接続されていることを特徴とする、請求項14に記載の複合バッテリーセル。
- 前記導電性リードは延在して前記パックケースから露出することを特徴とする、請求項16に記載の複合バッテリーセル。
- 前記導電性リードに接続し、前記パックケース内でパッケージ化されたプリント回路基板(PCB)モジュールを更に含む、請求項16に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素群は、異なる極性を有する前記集電体を介して接続し、直列の電気接続を形成することを特徴とする、請求項11に記載の複合バッテリーセル。
- 前記電気供給機素の前記封止層は、2個の変性シリコーン層、及びこれらの間に配置されたシリコーン層を含むことを特徴とする、請求項11に記載の複合バッテリーセル。
- 前記パックケースはポリマーフィルム、アルミホイル、又は金属缶であることを特徴とする、請求項11に記載の複合バッテリーセル。
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