JP7649736B2 - タブレス構造電極を有するセル - Google Patents

Description

［優先権出願の参照による組み込み］
本出願は、２０１８年１１月５日に出願された米国暫定特許出願第６２／７５５，６８５号明細書に対する優先権を主張するものであり、該暫定特許出願は、参照によりその全体が開示に含まれる。
背景

本開示は、エネルギー貯蔵デバイス用セルに関する。

現在、電気車両およびエネルギー貯蔵用途におけるエネルギー源として、多くの種類のバッテリセルが使用されている。現在のセルは、カソード、アノードおよびセパレータが一緒に巻かれ、かつセル缶の正端子および負端子へ接続するためのカソードタブおよびアノードタブを有するジェリーロール設計を用いる。電流の経路は、必然的に、これらのタブを介してバッテリセル外側のコネクタまで進む。しかしながら、電流がカソードまたはアノードに沿ってタブまで、かつセルから外へ流れなければならない場合、距離と共にオーム抵抗が増大する。さらに、タブは、追加のコンポーネントであることから、コストを上げ、製造上の課題を提示する。

本発明および従来技術を凌いで達成される利点を要約するために、本明細書では、本発明の所定の目的および利点について述べる。このような目的または利点の全てが、本発明のいずれかの具体的な実施形態において達成され得るわけではない。したがって、たとえば、当業者には、本発明が、本明細書において教示されるような１つの利点または利点群を、本明細書において教示または示唆され得るような他の目的または利点を必ずしも達成することなく達成する、または最適化するような様式で具現または実行され得ることが認識されるであろう。

ある態様において、エネルギー貯蔵デバイスのセルについて述べる。セルは、第１のコーティングを備える第１の基板であって、第１の基板の幅に沿った近位端における第１の基板の第２の部分が導電体を備える、第１の基板と、第２のコーティングを備える第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配置される内側セパレータとを備え、第１の基板、内側セパレータおよび第２の基板は、中心軸の周りに巻かれてセルを形成する。

実施形態によっては、導電体は、第１の基板から本質的に構成される。実施形態によっては、第１の基板は、集電体である。実施形態によっては、巻かれる際に、第１の基板が中心軸の最も近くに位置合わせされる。実施形態によっては、巻かれる際に、第２の基板が中心軸の最も近くに位置合わせされる。

実施形態によっては、第１の基板の幅に沿った途中に位置決めされる第１の基板の第１の部分は、電気絶縁材料でコーティングされる。実施形態によっては、第２の部分は、第１の部分に隣接して位置決めされる。実施形態によっては、第２の基板は、さらに、導電タブを備える。実施形態によっては、導電タブは、第２の基板の長さに沿った途中に配置され、かつ第２の基板の中央平面を横切って延在する。実施形態によっては、第１の基板は、アノードおよびカソードのうちの一方を形成し、かつ第２の基板は、アノードおよびカソードのうちのもう一方を形成する。

別の態様において、エネルギー貯蔵デバイスについて述べる。エネルギー貯蔵デバイスは、エネルギー貯蔵デバイスのセルと、第１端部および第２端部を備える缶とを備え、該第１端部は、接触面を備える第１のキャップを備える。

実施形態によっては、導電体は、接触面と電気接触している。実施形態によっては、第１端部は、底壁を備える。実施形態によっては、第１および第２端部は、各々、開放端である。実施形態によっては、缶の第１端部は、第１のキャップを受け入れるように構成される。実施形態によっては、缶の第２端部が、第２のキャップを受け入れるように構成される。実施形態によっては、第１のキャップは、ニッケル（Ｎｉ）およびＮｉ系合金のうちの少なくとも一方を含む。実施形態によっては、第１のキャップの接触面は、螺旋形状の溝を備える。

別の態様において、セルを形成するための方法について述べる。本方法は、第１のコーティングを備える第１の基板を提供することであって、第１の基板の幅に沿った近位端における第１の基板の第２の部分が導電体を備えることと、第１の基板の上へ内側セパレータを配置することと、第２のコーティングを備える第２の基板を提供することと、内側セパレータの上へ第２の基板を配置することと、互いの上に配置される第１の基板、内側セパレータおよび第２の基板を中心軸の周りに巻いてセルを形成すること、を含む。

実施形態によっては、第１の基板の位置が中心軸に最も近い。実施形態によっては、第２の基板の位置が中心軸に最も近い。実施形態によっては、第１の基板、内側セパレータおよび第２の基板は、互いの上へ連続式に配置される。

実施形態によっては、本方法は、さらに、第１の基板の幅に沿った途中に位置決めされる第１の基板の第１の部分を電気絶縁材料でコーティングすることを含む。実施形態によっては、第２の部分は、第１の部分に隣接して位置決めされる。実施形態によっては、本方法は、さらに、第２の基板の一部分を第２の基板の中央平面を横切って延伸することにより、第２の基板の長さに沿った途中に導電タブを形成することを含む。

別の態様において、エネルギー貯蔵デバイスを形成する方法について述べる。本方法は、セルを形成して、該セルを、第１端部と第２端部とを備える缶内へ置く方法を含み、第１端部は、接触面を備える第１のキャップを備える。

実施形態によっては、本方法は、さらに、導電体を接触面と電気接続させることを含む。

これらの実施形態は全て、本明細書に開示する発明の範囲に含まれることが意図されている。本発明のこれらの、および他の実施形態は、当業者には、添付の図面を参照している好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から容易に明らかとなるであろうが、本発明は、開示しているいずれかの具体的な好ましい実施形態に限定されるものではない。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板、内側セパレータ、第２の基板および外側セパレータを示す、セルの斜視図である。

本開示の所定の実施形態による、図１のセルのレイアウトを示す。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板をコーティングするために使用可能な例示的セットアップを示す。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板をコーティングするために使用可能な例示的セットアップを示す。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板の導電部分と電気接続するために使用可能な接触面を有する第１のキャップを示す。

本開示の所定の実施形態による、第１のキャップを有するセルの第１の基板、内側セパレータ、第２の基板および外側セパレータを封入するように示されている缶を示す。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板の導電部分へ接続された第１のキャップの接触面を示す、エネルギー貯蔵デバイス底部の断面図である。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板の導電部分へ接続された缶の接触面を示す、エネルギー貯蔵デバイス底部の断面図である。

本開示の所定の実施形態による、互いから均等かつ断続的に離隔された複数の導電部分を示す、第１の基板のレイアウトを示す。

本開示の所定の実施形態による、漸次増大する幅を有しかつ互いからの漸次増大する距離を有する複数の導電部分を示す、第１の基板のレイアウトを示す。

本開示の所定の実施形態による、巻かれた第１の基板の導電部分を示す、セルの底面図である。

本開示の所定の実施形態による、セルを製造するための方法を示す。

本開示の所定の実施形態による、第１の基板、内側セパレータ、第２の基板および外側セパレータを示す、セルの図である。

本開示の所定の実施形態による、図８のセルのレイアウトを示す。

本開示の所定の実施形態による、接触面を有する第１のキャップの代替構成を示す。 本開示の所定の実施形態による、接触面を有する第１のキャップの代替構成を示す。 本開示の所定の実施形態による、接触面を有する第１のキャップの代替構成を示す。 本開示の所定の実施形態による、接触面を有する第１のキャップの代替構成を示す。

本開示の所定の実施形態による、第１のキャップの接触面を示す断面図である。 本開示の所定の実施形態による、第１のキャップの接触面を示す断面図である。 本開示の所定の実施形態による、第１のキャップの接触面を示す断面図である。 本開示の所定の実施形態による、第１のキャップの接触面を示す断面図である。

本開示の実施形態およびそれらの対応する利点は、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。類似の参照数字が、図面のうちの１つまたはそれ以上に例示される類似のエレメントを同定するために使用され、図中に示されている図形が、本開示の実施形態を例示するためのものであって、本開示を限定するためのものでないことは、認識されるべきである。

本開示は、エネルギー貯蔵デバイス用セルに関する。より具体的には、本開示は、タブレスである少なくとも１つの電極を有する、したがって、オーム抵抗が低減されかつコストが低減されたエネルギー貯蔵デバイスを形成するために使用され得るセルに関する。たとえば、ジェリーロールセル設計内で、負電極は、一方の端に、電極の長さを延びかつ缶の底へ接続して電極を缶へ電気接続する導電部分を含んでもよい。実施形態によっては、缶は、電極とキャップとの接続を増大させるように構成される具体的設計を有するキャップを含む。キャップは、リッジ、バンプ、空洞、または、キャップと電極との間の追加的な接続を提供する他の特徴を含んでもよい。

次に、添付の図面に例が示されている特定の態様または特徴について、詳細に参照する。諸図面を通じて、可能な限り、対応する、または類似の参照数字は、同一の、または対応するパーツを指して使用される。

図１は、本開示の所定の実施形態によるセル１００を示す。実施形態によっては、セル１００は、放電時に再充電可能であり、よって複数回使用可能な二次電池の形態で具現される。他の実施形態において、本開示の態様は、一次電池を製造するために同様に適用されて、こうした一次電池のコストを最小限に抑えることができる。一次電池は、典型的には再充電不能であり、よって放電されると再使用に適さない電池を含む。

図１に示すように、セル１００は、第１の基板１０２を含み、第１の基板１０２の片側には、第１のコーティング１１０が配置されている。実施形態によっては、第１のコーティング１１０は、第１の基板１０２の両側に配置されてもよい。実施形態によっては、第１の基板１０２は、好ましくは、既定量の厚さ、たとえば０．０１～１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さ、を有する積層板の形態で具現される。実施形態によっては、第１の基板１０２は、集電体を備える。実施形態によっては、集電体は、金属箔を備える。実施形態によっては、集電体は、アルミニウムおよび／または銅を含む。

実施形態によっては、第１のコーティング１１０は、第１の量の導電性を有する導電コーティングであってもよい。実施形態によっては、第１のコーティング１１０は、電極薄膜であってもよい。実施形態によっては、導電コーティングは、電極活物質を含む。実施形態によっては、電極活物質は、カソード活物質である。実施形態によっては、電極活物質は、アノード活物質である。実施形態によっては、電極活物質は、シリコン材料（たとえば、金属ケイ素および二酸化ケイ素）、黒鉛材料、グラファイト、グラフェン含有材料、硬炭素、軟炭素、カーボンナノチューブ、多孔質炭素、導電性炭素、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、層状遷移金属酸化物（ＬｉＣｏＯ_２（ＬＣＯ）、Ｌｉ（ＮｉＭｎＣｏ）Ｏ_２（ＮＭＣ）および／またはＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２（ＮＣＡ）など）、スピネルマンガン酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４（ＬＭＯ）および／またはＬｉＭｎ_１．５Ｎｉ_０．５Ｏ_４（ＬＭＮＯ）など）、かんらん石（ＬｉＦｅＰＯ_４など）、カルコゲナイド（ＬｉＴｉＳ_２）、タボライト（ＬｉＦｅＳＯ_４Ｆ）、シリコン、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、アルミニウム、スズ、酸化スズ（ＳｎＯｘ）、酸化マンガン（ＭｎＯｘ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）、酸化銅（ＣｕＯｘ）、および硫化リチウム（Ｌｉ_２Ｓ）、またはこれらの組合せから選択される。実施形態によっては、第１のコーティングは、結合剤をさらに含む。実施形態によっては、第１のコーティング１１０は、第１の基板１０２上へ、当業者に知られる任意の手段によって配置されてもよい。第１のコーティング１１０を第１の基板１０２上へ配置する幾つかの例には、機械的沈着、電気機械的沈着、電気化学的沈着、または当業者に知られるプロセスの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。

さらに、または場合により、第１の基板１０２の幅Ｗに沿った途中に位置決めされる第１の基板１０２の第１の部分１１２は、電気絶縁材料１１４でコーティングされる。実施形態によっては、電気絶縁材料は、ポリマー絶縁材料であってもよい。実施形態によっては、電気絶縁材料はセラミック絶縁材料であってもよい。実施形態によっては、セラミック絶縁材料には、セラミック粉末が含まれる。実施形態によっては、電気絶縁材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、酸化アルミニウム（たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３）、またはこれらの組合せから選択されてもよい。実施形態によっては、電気絶縁材料は、結合剤をさらに含む。実施形態によっては、電気絶縁材料１１４は、第１の基板１０２の両側に配置されてもよい。実施形態によっては、絶縁層１１４は、省略される。所定の実施形態では、第１の基板１０２の第１の部分１１２が省略されてもよい。こうした実施形態では、第１の基板１０２の第１の部分１１２を形成するために必要とされる形成ステップが省略されてもよく、これにより、後述するように、第１の基板１０２は、第２の部分１１６のみを有することになる。実施形態によっては、電気絶縁材料は、第１の基板１０２、第１のコーティング１１０および／または導電部分１１８と第２の基板１０６および／または第２のコーティングとの電気的接触を低減または防止することに役立ち得る。

第１の基板１０２の幅Ｗに沿った最端位置または端位置（たとえば、第１の基板１０２の近位端）に配置され、かつ第１の部分１１２に隣接して位置決めされる第１の基板１０２の第２の部分１１６は、導電部分（すなわち、導電体）１１８を備える。実施形態によっては、導電部分１１８は、第１の基板１０２の露出領域（たとえば、集電体）である。実施形態によっては、導電部分１１８は、第１の基板１０２から成り、または本質的に成る。実施形態によっては、導電部分１１８には、第１のコーティング１１０および絶縁材料１１４がない。実施形態によっては、導電部分１１８は、第１の基板１０２の両側に配置されてもよい。

さらに、図１を参照すると、かつ図２にも示すように、内側セパレータ１０４は、第１の基板１０２を覆って配置される（たとえば、第１の基板１０２の上に積み重ねられる）。実施形態によっては、内側セパレータ１０４は、既定量の厚さ、たとえば０．０１～０．０５ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さ、を有する積層板の形態である。実施形態によっては、内側セパレータは、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍもしくは５０μｍであり、または約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約３０μｍ、約４０μｍもしくは約５０μｍであり、または、これらの間の任意の値範囲（たとえば、１０～１５μｍ）である。さらに、実施形態によっては、内側セパレータ１０４は、電気絶縁性である。実施形態によっては、内側セパレータは、ポリマー材料を含んでもよい。実施形態によっては、内側セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの組合せから選択されてもよい。実施形態によっては、内側セパレータは、複数のセパレータ層を備える。実施形態によっては、内側セパレータは、微細孔を含む。

さらに、引き続き図１を参照すると、かつ図２にも示すように、第２の基板１０６は、内側セパレータ１０４を覆って配置される（たとえば、内側セパレータ１０４の上に積み重ねられる）。第２の基板１０６には、第２のコーティング１２０がその第２の基板１０６の片側に配置されている。実施形態によっては、第２のコーティング１２０は、第２の基板１０６の両側に配置されてもよい。実施形態によっては、第２の基板１０６は、既定量の厚さ、たとえば０．０１～１ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さ、を有する積層板の形態である。実施形態によっては、第２の基板１０６は、集電体（たとえば、箔）を備える。

第２のコーティング１２０は、第２の量の導電性を有する導電コーティングである。実施形態によっては、第２のコーティング１２０は、電極薄膜であってもよい。実施形態によっては、導電コーティングは、電極活物質を含む。実施形態によっては、電極活物質は、カソード活物質である。実施形態によっては、電極活物質は、アノード活物質である。所定の実施形態では、第２のコーティング１２０は、第１のコーティング１１０と同様のものであっても、同じものであってもよく、よって、同様の、または同じ導電性を有してもよい。所定の他の実施形態において、第２のコーティング１２０は、第１のコーティング１１０とは異なってもよく、よって、異なる導電性を有してもよい。実施形態によっては、第２のコーティング１２０は、第２の基板１０６上へ、当業者に知られる任意の手段によって配置されてもよい。第２のコーティング１２０を第２の基板１０６上へ配置する幾つかの例には、機械的沈着、電気機械的沈着、電気化学的沈着、または当業者に知られるプロセスの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。

引き続き図１を参照すると、かつ図２にも示すように、外側セパレータ１０８は、第２の基板１０６を覆って配置される（たとえば、第２の基板１０６の上に積み重ねられる）。実施形態によっては、外側セパレータ１０８は、既定量の厚さ、たとえば０．０１～０．０５ミリメートル（ｍｍ）の範囲の厚さ、を有する積層板の形態である。さらに、外側セパレータ１０８は、電気絶縁性である。第１の基板１０２、内側セパレータ１０４、第２の基板１０６および外側セパレータ１０８を連続式に積層すると、図１に最もよく示されているように、第１の基板１０２、内側セパレータ１０４、第２の基板１０６および外側セパレータ１０８は、中心軸ＡＡ´の周りを、第１の基板１０２の位置を中心軸ＡＡ´に最も近い状態にして巻かれる。実施形態によっては、外側セパレータ１０８がない。

図２を参照すると、図１のセル１００を形成するための、第１の基板１０２、内側セパレータ１０４、第２の基板１０６および外側セパレータ１０８のレイアウト２００が示されている。実施形態によっては、外側セパレータ１０８がない。所定の実施形態では、内側および外側セパレータ１０４、１０８は、長さが等しくてもよい。この実施形態において、内側および外側セパレータ１０４、１０８は各々、図２に示すように、長さＬ_１を有する。実施形態によっては、第１の基板１０２の長さは、Ｌ_２であってもよく、第２の基板１０６の長さは、Ｌ_３であってもよい。所定の実施形態において、第１の基板１０２の長さＬ_２は、第２の基板１０６の長さＬ_３に等しくてもよい（すなわち、Ｌ_２＝Ｌ_３）。

所定の実施形態において、第１の基板１０２の長さＬ_２は、第２の基板１０６の長さＬ_３とは異なっても、すなわち等しくなくてもよい（すなわち、Ｌ_２≠Ｌ_３）。さらに、第１の基板１０２の長さＬ_２が第２の基板１０６の長さＬ_３に等しくない（すなわち、Ｌ_２≠Ｌ_３である）一部の実施形態において、内側セパレータ１０４の長さは、外側セパレータ１０８の長さより短くてもよい。実施形態によっては、内側セパレータ１０４の長さは、第１および第２の基板１０２、１０６の少なくとも一方より短いが、なおも、第１および第２の基板１０２、１０６間に電気絶縁を提供する。

引き続き図２を参照すると、所定の実施形態において、第２の基板１０６の長さＬ_３に沿った途中に配置される第２の基板１０６の一部分２０２は、第２の基板１０６の中央平面Ｐに対し横方向へ延在して導電タブ１２２を形成してもよい。図１および図２には、第２の基板１０６に関連づけられる１つの導電タブ１２２が示されているが、実施形態によっては、第２の基板１０６上に追加の導電タブ１２２が存在していてもよい。他の実施形態では、互いから離散的な第２の基板１０６の複数の部分が、第２の基板１０６の中央平面Ｐに対して横方向に延在して、複数の導電タブ１２２を形成してもよい。これにより、第２の基板１０６上にこうした複数の導電タブ１２２が存在する場合、第２の基板１０６上に１つの導電タブ１２２が存在する場合に比べて、セル１００のオーム抵抗が低減されることが想定される。

本開示は、正電極をカソード接続部へ接続するためのタブに加えて、負電極基板を缶壁へ電気接続するためのタブ接点を利用する他の先進的な電気化学セルと比較して、多くの利点を提供する。負電極へ接続されるタブをなくし、かつ導電接続部を導電部分１１８へ配向し直すことにより、負電極が負電極の長さに沿って延びることが可能となる。これにより、負電極から缶までのオーム抵抗が減少し、電極の長さに沿った電流偏差が減少し、セル寿命が延び、ジュール加熱が減少し、放熱能力が増大する。

次式１は、所与の材料の電気抵抗Ｒ（Ω）とその固有電気抵抗率ρ（Ω・ｍ）との関係を記述したものであり、ｌ（ｍ）およびＡ（ｍ^２）は各々、材料の長さおよび断面積である。

所与の材料の電気抵抗は、その長さに正比例する。従来の電気化学セル設計における電極タブ接点は、典型的には、巻回電極の端または中央のいずれかに固定される。したがって、電気化学反応を開始するために、電流は、電荷移動反応を起こす活物質まで到達すべく、電極集電体を縦方向に進まなければならない。電流が進む距離は、タブが電極の中間点に取り付けられる場合の巻回電極の長さの半分から、タブがどちらかの端に取り付けられる場合の電極全長まで、多様である。本開示に含まれる実施形態は、電極集電体と缶内面との間により均一な電気的接触を提供し得る。したがって、電流が進む最大距離は、電極の長さとは対照的に電極の高さ分である。セルのフォームファクタに依存して、電極の高さは、典型的には、その長さの５％～２０％である。したがって、本開示の実施形態の場合、電気化学サイクル中の負電極におけるオーム抵抗を、５～２０分の１に減らすことができる。

また、本開示による実施形態の電気化学セルの場合、発生する電流偏差、すなわち、電極のサイクル寿命にわたって一部の電極領域が他の領域より多い、または少ない電流を通す現象、も著しく少ないものであり得る。電流は、選好的に、抵抗が最も低い経路に沿って進むが、これは、他のファクタがなければ、典型的には、抵抗が最小であるタブにより近い経路沿いとなる。電流偏差は、大きな過電位が発生する局所的な電極ホットスポットをもたらし、セルの寿命を短縮する望ましくない化学反応を生じさせ得るという理由で、電気化学セルにおいては極めて望ましくない。このような反応の一例が、リチウムイオンセルにおける負電極表面への金属リチウムのメッキである。開示している実施形態の低減されたオーム抵抗は、均一な電流分布およびセル寿命をより助長するセル環境を提供する。

また、本開示による実施形態は、従来の電気化学セル設計より優れた発熱および伝熱特性も提供する。電流が媒体を通ることで発熱するプロセスであるオーム加熱（Ｗ）は、次式２によって与えられる。

前述の電気抵抗Ｒの低減に起因して、本開示の電気化学セルは、従来のタブ設計のセルに比べて、発生するオーム熱が大幅に少ないものと予期することができる。

次式３は、導体の熱伝導と導体の固有変数および外在的変数との関係を記述したものである。

ここで、Ｑ（Ｊ・ｓ^－１）は、熱伝達率であり、ｋ（Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１）は、材料の熱伝導率であり、Ａ（ｍ^２）およびｄ（ｍ）は、熱伝導が生じる幾何学的寸法であり、（Ｔ_２－Ｔ_１）は、ｄに渡る温度差である。典型的なタブ設計の電気化学セルにおいて、タブから缶までの接点の占有面積は、典型的には小さい。開示している実施形態のセルの場合、導電部分１１８から缶までの接点の占有面積は、効果的には、セル直径の１００％である。これにより、開示している実施形態では、セルの基部を介する熱伝達、および特に負電極からの熱伝達は、伝達が生じる面積の増加に起因して向上する。向上された発熱特性および伝熱特性は、電気化学セルの熱管理を容易にする。セルの動作温度の管理は、典型的には、セルの性能を最適化しかつその耐用寿命を延ばすことにおいて不可欠な態様である。

図３Ａを参照すると、第１の基板１０２のコーティングに使用可能な例示的セットアップ３００が描かれている。所定の実施形態では、第１の基板１０２を製造する場合、個々の第１の基板１０２をタンデムに、互いの横に、または互いの上に積層することによって、複数の第１の基板１０２を製造することが可能である。各第１の基板１０２の一部分は、第１のコーティング１１０で被覆されている。さらに、または場合により、電気絶縁材料１１４は、第１のコーティング１１０の横に、すなわち、各第１の基板１０２の第１の部分１１２上へ被覆され、かつ導電部分１１８は、各第１の基板１０２の第１の部分１１２の横に、すなわち、各第１の基板１０２の対応する第２の部分１１６上へ被覆される。実施形態によっては、絶縁材料２１４は、図３Ｂに示すように省略されてもよい。第１の基板１０２を製造する場合、複数の第１の基板１０２を互いの横または上に置くこの積層は、製造者が、そうでなければ積層板の個々のセクションを用いて各第１の基板１０２を形成しかつこうした個々の積層板の第１の部分１１２および第２の部分１１６を各々電気絶縁材料１１４および導電部分１１８を形成するための導電体で被覆した場合に発生すると思われる時間を節約し、かつコストを相殺することに役立ち得る。

図３Ａの描画には、例示的な構成３００を介して、互いにタンデムに横付けされた３つの第１の基板１０２が巻かれて示されている。図示されているセットアップ３００は、所望される部分および長さの第１の基板１０２を得るべく第１の基板１０２を既定位置で被覆するために、タイミング機構（不図示）と協働することができるローラ３０２と、コーティングツール３０４とを含む。３つの第１の基板１０２は、互いから、たとえば、隣接する第１の基板１０２間の圧着されたマージン（不図示）を用いて、または、複数の第１の基板１０２が図３Ａの例示的セットアップ３００へ入る前に実行される別の剪断プロセスを用いて自動化されて、または、図３Ａの例示的セットアップ３００から接合された所望の長さの複数の第１の基板１０２として出た後に、分離されてもよい。実施形態によっては、剪断は、コーティングが行われるときに、剪断ツールを用いて発生してもよい。実施形態によっては、剪断に先行して、コーティングされた基板が、剪断ツールによる剪断の前に焼成される。

所定の実施形態において、図４に示すように、接触面４０４を有する第１のキャップ４０２を示す。所定の実施形態において、第１のキャップ４０２は、ニッケルから作られる。他の実施形態において、第１のキャップ４０２は、Ｎｉ系合金から作られる。第１のキャップ４０２の接触面４０４は、巻かれた第１の基板１０２の導電部分１１８に対応しかつこれと接続するように構築される。実施形態によっては、缶の反対側に、導電部分１１８と第１のキャップ４０２とが良好な電気的接触を形成することを保証する圧縮力を生成するために、絶縁材料が配置される。絶縁材料は、圧縮力を生成するために、缶の上へ、または正端子の近くに置かれてもよい。他の実施形態において、アノードは、電解質で膨潤してジェリーロールを缶へと加圧し、これにより、導電部分１１８が第１のキャップ４０２と共に良好な導電性を確実に形成することが促進される。実施形態によっては、導電部分１１８が第１のキャップ４０２へ溶接される。実施形態によっては、溶接は、レーザ溶接および／または超音波溶接によって行われる。所定の実施形態では、図４の描画に示すように、接触面４０４は、同心溝４０６の形状に輪郭をつけられる。これらの溝４０６は各々、これらの溝４０６が、巻かれる第１の基板１０２の導電部分１１８と接続することから、第１の基板１０２の厚さに対応するように、０．０１～０．１ミリメートル（ｍｍ）の範囲のサイズを有してもよい。

図５を参照すると、第１のキャップ４０２を用いてセル１００の第１の基板１０２、内側セパレータ１０４、第２の基板１０６および外側セパレータ１０８を封入するために使用可能な缶５０２が示されている。実施形態によっては、缶５０２は、外側セパレータ１０８を含まず、導電部分１１８は、缶へ直に接続してもよい。ある実施形態において、缶５０２は、第１端部５０４と、第２端部５０６とを有する。実施形態によっては、第１および第２端部５０４、５０６は各々、開放端である。実施形態によっては、缶５０２の第１端部５０４は、第１のキャップ４０２を受け入れるように適合化され、一方で缶５０２の第２端部５０６は、第２の基板１０６の導電タブ１２２と接続する第２のキャップ（不図示）を受け入れるように適合化される。実施形態によっては、第１端部および第２端部のうちの少なくとも一方は、閉鎖され、缶５０２は、底壁および／または上壁を備える。

図６Ａは、第１のキャップ４０２の接触面４０４と接触している導電部分１１８を有するセルを備える缶５０２の第１端部の断面図を示し、導電部分１１８は、第１のキャップ４０２と接触して押し上げられた際に曲がった状態で示されている。しかしながら、導電部分１１８がジェリーロールの底部に形成される場合、不完全部（導電体がそれ自体の上に折り畳まれた状態など）が存在し得、よって、導電部分１１８と第１のキャップとの接続がより困難になることがある。実施形態によっては、導電部分１１８と第１のキャップとの間によりロバストな接続を生成するために、図６Ｂ～図６Ｅに示すように、導電部分の端の一部を除去することにより、特徴部が生成されてもよい。図６Ａの描画には、セル１００の底部分が第１のキャップ４０２を含んで示されているが、他の実施形態では、第１のキャップ４０２が省略され、代わりに、巻かれた第１の基板１０２の導電部分１１８が、図６Ｂのセルを備える缶の第１端部の断面図に示すように、互いに、かつセル１００の底壁６０２と接続される。実施形態によっては、導電部分１１８は、予め指定された幅でありかつ予め指定された距離、たとえば、図６Ｃのセル断面図に示すような固定幅および固定距離で、互いから離隔されてもよい。実施形態によっては、導電部分１１８は、図６Ｄのセル断面図に示すように、幅が漸次増大しかつ離間距離が漸次増大するものであってもよく、よって、缶５０６内に巻かれると、図６Ｅのセル底面図に示すように、セル１００の底壁６０２と一定の幅でかつ互いから離隔されて接続する。図７は、本開示の所定の実施形態による、セル１００を製造するための方法７００を示す。ステップ７０２に示すように、方法７００は、第１の基板１０２に、第１のコーティング１１０をその上において備えることを含む。ステップ７０４において、方法７００は、さらに、第１の基板１０２の上へ内側セパレータ１０４を積層するステップを含む。ステップ７０６において、方法７００は、第２のコーティング１２０を上に配置している第２の基板１０６を提供することを含む。ステップ７０８において、方法７００は、さらに、内側セパレータ１０４の上へ第２の基板１０６を積層するステップを含む。ステップ７１０において、方法７００は、さらに、第１の基板１０２、内側セパレータ１０４、第２の基板１０６および外側セパレータ１０８が連続式に積層されるように、第２の基板１０６の上へ外側セパレータ１０８を積層するステップを含む。実施形態によっては、ステップ７１０が省略され、缶は、外側セパレータ１０８を含まない。ステップ７１２において、方法７００は、第１の基板１０２の位置が中心軸（たとえば、ＡＡ´）に最も近くなるように、第１の基板１０２、内側セパレータ１０４、第２の基板１０６および外側セパレータ１０８を中心軸（たとえば、ＡＡ´）の周りに巻くことを含む。

所定の実施形態では、図７の方法７００に従って、かつ図１および図２の描画に示すように、第１の基板１０２は、セル１００のアノード１２４を形成するために使用され、一方で、第２の基板１０６は、セル１００のカソード１２６を形成するために使用される。

しかしながら、図８および図９が示すように、本開示の実施形態によるセル７００は、反転された、すなわち、カソード１２６が中心軸ＡＡ´の最も近くに存在するように位置が入れ替わった、アノード１２４と、カソード１２６とを有する。このような変更に対応して、第１のキャップの接触面は、第１の基板１０２の導電部分１１８に適切に対応するように変わってもよい。図１０Ａ～図１０Ｄの描画には、第１のキャップの代替構成の幾つかの例１００２、１００４、１００６および１００８、ならびにそれらの個々の接触面１００３、１００５、１００７および１００９が示されている。実施形態によっては、第１のキャップは、缶の開放端へ付着される。実施形態によっては、第１のキャップおよびその対応する接触面は、缶の底壁または上壁である。実施形態によっては、キャップのトポグラフィは、スタンピングプロセスによって形成されてもよい。実施形態によっては、導電部分１１８と第１のキャップとの間により良好な接触を提供すべく、キャップのディスクの下に、接触面へ上向きの力を提供するためのばね付きカンチレバー機構（または、類似の機構）が存在する。

さらに、所定の実施形態において、第１のキャップ、たとえば、図１０Ｂの描画に示すような第１のキャップ１００４は、セル１００が使用中に遭遇し得る機械的衝撃および振動に対して弾力性をさらに提供するカンチレバー式断面を有する。実施形態によっては、図１０Ａ～図１０Ｄの１００２、１００４、１００６および１００８に示すような第１のキャップが使用されてもよい。他の実施形態では、図１１Ａ～図１１Ｄに示す第１のキャップの断面図における、第１のキャップにおける図示されている接触面１１００、１１０２、１１０４および１１０６によって、輪郭が画定されてもよい。これらの第１のキャップは、柱形、ピラミッド形、スパイク形、および巻かれた第１の基板１０２の導電部分１１８に接続することに適する他の形状である接触面を示している。

上述の開示は、本開示を本明細書に開示されている精密な形態または実施形態に限定することを意図するものではない。したがって、本開示に対しては、本明細書に明示的に記載されているか暗示されているかに関わらず、本開示に照らした様々な代替の形態、実施形態および／または変更が可能であることが企図される。こうして本開示の実施形態を説明してきたが、当業者には、本開示の範囲を逸脱することなく、形態および詳細に変更を行ない得ることが認識されるであろう。

上述の明細書では、特定の実施形態を参照して本開示を説明した。しかしながら、当業者には認識されるであろうが、本明細書に開示している様々な実施形態は、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、他の様々な方法で変更され、または別段で実装されることが可能である。したがって、この明細書本文は、例示と見なされるべきものであって、当業者に、開示されたバッテリシステムの様々な実施形態を作製しかつ使用する方法を教示することを目的とする。本明細書に示しかつ記述している開示の形態が、代表的な実施形態として解釈されるべきものであることは、理解されるべきである。本明細書において代表的に示しかつ記述しているものについては、等価のエレメントまたは材料で置換されてもよい。さらに、本開示の所定の特徴は、他の特徴の使用とは独立して利用されてもよく、それらは全て、本開示のこの明細書本文より利益を得た後の当業者には明らかである。本開示を説明しかつ特許請求するために使用している「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を組み込む（ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ）」、「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」、「を有する（ｈａｖｅ）」、「である（ｉｓ）」などの表現は、非排他式に、すなわち、明示的に記述されていないアイテム、コンポーネントまたはエレメントも存在することを見込んで、解釈されることが意図されている。単数形への言及は、複数形にも関連するものと解釈されるべきである。

さらに、本明細書に開示している様々な実施形態は、例示的かつ説明的な意味合いで解釈されるべきものであり、いかなる場合も、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。接合関連の言及（たとえば、接続される、関連づけられる、結合される、およびこれらに類似するもの）は、読者による本開示の理解を助けるためにのみ使用されるものであって、特に本明細書に開示しているエレメントの位置、向きまたは使用法に対して限定を生じさせるものではない。したがって、接合関連の言及は、もしあれば、広義に解釈されるべきである。さらに、こうした接合関連の言及は、必ずしも２つのエレメントが互いに直に接続されることを推測させるものではない場合がある。

さらに、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、「１つの（ｏｎｅ）」、「別の（ａｎｏｔｈｅｒ）」または他の任意の通常の、かつ／または数値に関する言い回しなどの、但しこれらに限定されない、数値的用語も全て、本開示の様々なエレメント、実施形態、変形例および／または変更についての読者の理解を助けるための識別子としてのみ解釈されるべきであって、特に、別のエレメント、実施形態、変形例および／または変更に関する、またはこれらを凌ぐ別のエレメント、実施形態、変形例および／または変更の順序、または選好について、いかなる限定も生じさせ得ない。

また、図面／図に示されているエレメントのうちの１つまたはそれ以上は、特定のアプリケーションにより有用であるとして、より分離された、または統合された方法で実装可能であること、または所定の事例では取り除かれる可能性もあることが認識されるであろう。

Claims (30)

1. エネルギー貯蔵デバイスであって、
   該エネルギー貯蔵デバイスのセルを備え、
   前記セルは、
   近位端および遠位端を有する第１の基板であって、前記第１の基板は、第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分に対して遠位端側に位置し、前記第２の部分は、前記近位端に位置する導電体を備え、前記導電体は、複数の導電部分を備え、前記導電部分の各々は幅を有し、前記導電部分の各々は、非導電部分によって互いに離隔している、第１の基板と、
   第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される内側セパレータと、
   第１端部および第２端部を備える缶であって、前記第１端部は、接触面を備える第１のキャップを備える、缶と、
   を備え、
   前記第１の基板、前記内側セパレータおよび前記第２の基板は、中心軸の周りに巻かれてセルを形成し、
   離隔している前記導電部分の各々は曲がっており、
   前記第１の基板の前記複数の導電部分が、同心円状パターンを成しており、
   離隔した前記導電部分の各々は、前記第１のキャップに実質的に接触している、エネルギー貯蔵デバイス。
2. 前記導電体は、前記第１の基板から本質的に構成される、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の基板は、集電体である、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１の基板は、巻かれる際に、前記中心軸の最も近くに位置合わせされる、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記第２の基板は、巻かれる際に、前記中心軸の最も近くに位置合わせされる、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
6. 前記第１の部分は、第１のコーティングと前記第２の部分との間に位置し、かつ、電気絶縁材料でコーティングされる、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記第２の部分は、前記第１の部分に隣接して位置決めされる、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記第２の基板は、導電タブをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記導電タブは、前記第２の基板の長さに沿った途中に配置され、かつ前記第２の基板の中央平面を横切って延在する、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記第１の基板は、アノードおよびカソードのうちの一方を形成し、かつ前記第２の基板は、前記アノードおよび前記カソードのうちのもう一方を形成する、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記導電体は、前記接触面と電気接触している、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記第１端部は、底壁を備える、請求項１に記載のデバイス。
13. 前記第１および第２端部は各々、開放端である、請求項１に記載のデバイス。
14. 前記缶の第１端部は、前記第１のキャップを受け入れるように構成される、請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記缶の第２端部は、第２のキャップを受け入れるように構成される、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記第１のキャップは、ニッケル（Ｎｉ）およびＮｉ系合金のうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載のデバイス。
17. 前記第１のキャップの接触面は、前記第２の部分と電気的に接続する溶接部を備える、請求項１に記載のデバイス。
18. 請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイスを形成するための方法であって、
    前記第１の基板の上へ前記内側セパレータを配置する工程と、
    前記内側セパレータの上へ前記第２の基板を配置する工程と、
    互いの上に配置される前記第１の基板、前記内側セパレータおよび前記第２の基板を中心軸の周りに巻いて前記セルを形成する工程と、を含む方法。
19. 前記第１の基板の位置が、前記中心軸に最も近い、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の基板の位置が、前記中心軸に最も近い、請求項１８に記載の方法。
21. 前記第１の基板、前記内側セパレータおよび前記第２の基板は、互いの上へ連続式に配置される、請求項１８に記載の方法。
22. 前記第１の部分を電気絶縁材料でコーティングする工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
23. 前記第２の部分は、前記第１の部分に隣接して位置決めされる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第２の基板の一部分を前記第２の基板の中央平面を横切って延伸することにより、前記第２の基板の長さに沿った途中に導電タブを形成する工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
25. エネルギー貯蔵デバイスを形成する方法であって、
    請求項１８に記載の方法と、
    前記缶内へセルを配置する工程と、を含む方法。
26. 前記導電体を前記接触面と電気接続させる工程をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記導電部分の各々は、漸次増大する幅を有する、請求項１に記載のデバイス。
28. 前記導電部分の各々は、漸次増大する距離で離隔している、請求項１に記載のデバイス。
29. エネルギー貯蔵デバイスであって、
    該エネルギー貯蔵デバイスのセルを備え、
    前記セルは、
    近位端および遠位端を有する第１の基板であって、前記第１の基板は、第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分に対して遠位端側に位置し、前記第２の部分は、前記近位端に位置する導電体を備え、前記導電体は、複数の導電部分を備え、前記導電部分の各々は幅を有し、前記導電部分の各々は、非導電部分によって互いに離隔している、第１の基板と、
    第２の基板と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される内側セパレータと、
    第１端部および第２端部を備える缶であって、前記第１端部は、接触面を備える第１のキャップを備える、缶と、
    を備え、
    前記第１の基板、前記内側セパレータおよび前記第２の基板は、中心軸の周りに巻かれてセルを形成し、
    離隔している前記導電部分の各々は曲がっており、
    前記第１の基板の前記複数の導電部分が、同心円状パターンを成しており、
    前記同心円状パターンは前記第1のキャップと接触している、エネルギー貯蔵デバイス。
30. エネルギー貯蔵デバイスであって、
    該エネルギー貯蔵デバイスのセルを備え、
    前記セルは、
    近位端および遠位端を有する第１の基板であって、前記第１の基板は、第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分に対して遠位端側に位置し、前記第２の部分は、前記近位端に位置する導電体を備え、前記導電体は、複数の導電部分を備え、前記導電部分の各々は幅を有し、前記導電部分の各々は、非導電部分によって互いに離隔している、第１の基板と、
    第２の基板と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される内側セパレータと、
    第１端部および第２端部を備える缶であって、前記第１端部は、接触面を備える第１のキャップを備える、缶と、
    を備え、
    前記第１の基板、前記内側セパレータおよび前記第２の基板は、中心軸の周りに巻かれてセルを形成し、
    離隔している前記導電部分の各々は曲がっており、
    前記第１の基板の前記複数の導電部分が、同心円状パターンを成しており、
    前記第１のキャップの前記接触面は、螺旋形状の溝を備える、エネルギー貯蔵デバイス。

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