(57)【要約】      （修正有）【課題】広範な商業的採用を可能にする安全性を改善し製造コストを削減するマルチコアリチウムイオン電池を提供する。【解決手段】電池の安全性および安定性に寄与する有利な吸熱機能をもたらす材料を含むリチウムイオン電池であって、無機ガス発生吸熱材料を組み込んだセラミックマトリックスを含む吸熱材料は、リチウムイオン電池の温度が所定のレベルを超えて上昇する場合、熱暴走の可能性を防止および／または最小化する１つ以上の機能、断熱（特に、高温）、エネルギー吸収、吸熱材料に関連する吸熱反応に由来する生成ガスの全部または一部の通気、電池構造内部の全圧の上昇、吸熱材料に関連する吸熱反応中の、生成ガスの通気による、電池システムから吸収された熱の除去および／または毒性ガス（存在する場合）の希釈および電池システムからの安全な追い出しを実現するよう働く。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャビティを画定する支持部材、
前記複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に配設されている複数のリチウムイオンコア部材、および
前記リチウムイオンコア部材の１つ以上に近接して配置されている１つ以上の吸熱材料
を備えた、マルチコアリチウムイオン電池。
【請求項２】
前記支持部材が運動エネルギー吸収材料を含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３】
前記運動エネルギー吸収材料が、アルミニウム発泡体、セラミック、セラミックファイバーおよびプラスチックのうちの１つから形成されている、請求項２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４】
前記リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと前記キャビティのうちの対応する１つの表面との間にそれぞれが配置されている、複数のキャビティライナーをさらに備えており、前記キャビティライナーがプラスチック材料またはアルミニウム材料から形成されている、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５】
前記複数のキャビティライナーが、モノリシックライナー部材の一部として形成されている、請求項４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６】
前記コアのそれぞれの内部に含有されている電解質をさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７】
前記電解質が、難燃剤、ガス発生剤および酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８】
それぞれのリチウムイオンコア部材が、アノード、カソードおよびそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとの間に配設されたセパレータを含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体、および前記密封筐体内部にある電気コネクタであって、前記コア部材を前記密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタをさらに含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０】
前記電気コネクタが、２つのバスバーを備え、第１のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の正極端子部材に前記コア部材の前記アノードを相互接続させ、第２のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の負極端子部材に前記コア部材の前記カソードを相互接続させる、請求項９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１】
前記コア部材が並列に接続されている、請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２】
前記コア部材が直列に接続されている、請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３】
コア部材の第１のセットが並列に接続されており、コア部材の第２のセットが並列に接続されており、コア部材の前記第１のセットがコア部材の前記第２のセットと直列に接続されている、請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４】
前記支持部材がハニカム構造の形態にある、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５】
前記運動エネルギー吸収材料が圧縮性媒体を含む、請求項２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体をさらに含んでおり、前記密封筐体が、力が壁に衝撃を与えることにより圧縮される際に前記リチウムイオン電池の電気短絡回路を作り出す圧縮性素子を有する前記壁を含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８】
前記支持部材中の前記キャビティおよび対応するこれらのコア部材が、円筒形状、楕円形状および角柱形状のうちの１つである、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９】
前記キャビティおよび対応するこのコア部材の少なくとも１つが、他の前記キャビティおよび対応するこれらのコア部材と異なる形状を有する、請求項１８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０】
前記コア部材の少なくとも１つが高出力特性を有しており、前記コア部材の少なくとも１つが高エネルギー特性を有する、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１】
前記コア部材の前記アノードが同一の材料から形成されており、前記コア部材の前記カソードが同一の材料から形成されている、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２】
それぞれのセパレータ部材が、セラミックコーティングを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３】
それぞれのアノードおよびそれぞれのカソードが、セラミックコーティングを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２４】
前記コア部材の少なくとも１つが、他の前記コア部材のアノードおよびカソードの厚さと異なる厚さのアノードおよびカソードのうちの１つを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２５】
少なくとも１つのカソードが、材料の化合物ＡからＭまでの群からの少なくとも２つを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２６】
それぞれのカソードが表面改質剤を含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２７】
それぞれのアノードがＬｉ金属を含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２８】
それぞれのアノードが、カーボンおよびグラファイトのうちの１つを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２９】
それぞれのアノードがＳｉを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３０】
それぞれのコア部材が、ロール型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３１】
それぞれのコア部材が、積層型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含む、請求項８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３２】
前記コア部材が、実質的に同一の電気容量を有する、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３３】
前記コア部材の少なくとも１つが、他の前記コア部材と異なる電気容量を有する、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３４】
前記コア部材の少なくとも１つが電力貯蔵のために最適化されており、前記コア部材の少なくとも１つがエネルギー貯蔵のために最適化されている、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３５】
前記第１のバスバーにそれぞれのアノードを電気的に接続させるためのタブおよび前記第２のバスバーにそれぞれのカソードを電気的に接続させるためのタブをさらに含み、それぞれのタブが、既定電流を超過すると前記それぞれのタブを通る電流の流れを中断するための手段を含む、請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３６】
既定電流を超過するとヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために、前記第１のバスバーが、前記アノード間の相互接続が前記第１のバスバーに近接したそれぞれの位置に前記ヒューズ素子を含み、前記第２のバスバーが、前記カソード間の相互接続が前記第２のバスバーに近接したそれぞれの位置に前記ヒューズ素子を含む、請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３７】
前記コア部材のそれぞれを囲繞する保護スリーブをさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３８】
それぞれの保護スリーブが、対応するこのコア部材を含有する前記キャビティの外部に配設されている、請求項３７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３９】
前記コア部材の電気的監視および電気的平衡を可能にするように構成された、前記コア部材に電気的に相互接続されている検知ワイヤをさらに含む、請求項１および１３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４０】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体をさらに含んでおり、前記密封筐体が難燃部材を含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４１】
前記難燃部材が、前記筐体の外部に取り付けられた難燃メッシュ材料を含む、請求項４０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４２】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、セラミックマトリックス内に含まれている、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４３】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、無機ガス発生吸熱材料である、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４４】
前記１つ以上の吸熱材料が、近接した前記１つ以上のリチウムイオンコア部材に関連する上限の正常動作温度以上において、断熱特性をもたらすことが可能である、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４５】
前記１つ以上の吸熱材料が、上記上限の正常動作温度と、前記リチウムイオンコア部材が熱暴走を起こしやすい温度よりも高い閾値温度との間において１つ以上の吸熱反応を受けるよう選択される、請求項４４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４６】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つに関連する吸熱反応によりガスが発生する、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４７】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つがセラミックマトリックス内に含まれており、前記セラミックマトリックスが前記ガスを通気するのに十分な多孔性を有しており、これによりここから熱が除去される、請求項４６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４８】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：１９から９：１の範囲にある、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４９】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：９から６：４の範囲にある、請求項４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５０】
前記セラミックマトリックスが、１つ以上の無機ファイバー、無機微粒子材料およびバインダを含む、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５１】
前記無機微粒子材料が、ヒュームドセラミック、乳白剤およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項５０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５２】
セラミック混合物が乾式成形によって形成されている、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５３】
前記セラミックマトリックスが、（ｉ）ファイバー構成体を含むプリフォームを形成すること、および（ｉｉ）前記プリフォームに前記１つ以上の吸熱材料を含浸することにより形成されている、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５４】
前記セラミックマトリックスが真空成形によって形成されている、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５５】
前記セラミックマトリックスが成型性組成物の形態にある、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５６】
セラミック混合物が、重量％で：
セラミック酸化物粉末    ０−６０重量％
乳白剤    ０−３０重量％
吸熱材料    １０−９０重量％
乾燥バインダ    ０−１０重量％
液体バインダ    ０−６０重量％
ファイバー    ０−６０％
を含む、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５７】
前記セラミックマトリックスが、前記１つ以上の吸熱材料の勾配を規定する、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５８】
前記セラミックマトリックスが、前記セラミックマトリックス内部の少なくとも１つの領域と比較して、より高い濃度の前記１つ以上の吸熱材料を有する表面領域を規定する、請求項４２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５９】
前記１つ以上の吸熱材料が、前記支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、少なくとも１つの凹みを画定する成形体に形成されている、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６０】
前記成形体が、それぞれ支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、複数の凹みを画定する、請求項５９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６１】
前記１つ以上の吸熱材料が、
【表１】
2020170711.tif 000017
からなる群から選択され、
表中、「分解のおよその開始」は、前記吸熱材料の吸熱反応が開始することが予期される温度である、
請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６２】
吸熱材料の群が炭酸水素ナトリウムをさらに含む、請求項６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６３】
前記１つ以上の吸熱材料が、吸熱反応の開始に関して第１のおよその開始温度により特徴づけられる第１の吸熱材料、および吸熱反応の開始に関して第２のおよその開始温度により特徴づけられる第２の吸熱材料を含んでおり、前記第１のおよその開始温度が前記第２のおよその開始温度と異なる、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６４】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体および前記密封筐体に伴う少なくとも１つの通気孔をさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６５】
前記少なくとも１つの通気孔が、所定の閾値圧レベルを超過する前記密封筐体内の圧力に応答して作動する、請求項６４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６６】
前記少なくとも１つの通気孔に近接して、火炎防止器をさらに含む、請求項６５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６７】
前記少なくとも１つの通気孔が、前記１つ以上の吸熱材料に関連する吸熱反応に基づいて一部が作動する、請求項６５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６８】
前記作動通気孔から放出されるガスが、前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生したガスを含む、請求項６７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項６９】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが、前記通気孔から通気される際に、前記密封筐体内部からの熱を伝達する、請求項６８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７０】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが非毒性であり、前記非毒性ガスは、当該非毒性ガスが前記通気孔から通気される際に、前記密閉筐体内部から発生し、通気される１種以上の毒性ガスを希釈する、請求項６８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７１】
前記所定の閾値圧レベルが、約１５ｐｓｉから２００ｐｓｉの間である、請求項６５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７２】
前記所定の閾値圧レベルが、約３０ｐｓｉから１７０ｐｓｉの間である、請求項６５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７３】
前記所定の閾値圧レベルが、約６０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間である、請求項６５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７４】
前記１つ以上の吸熱材料が、ヒドロキシル成分、含水成分、少なくとも１つの炭酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、少なくとも１つの硫酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、無水炭酸塩、無水硫酸塩、無水リン酸塩およびこれらの組合せを含む材料からなる群から選択される、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７５】
複数のキャビティを含む支持部材であって、運動エネルギー吸収材料を含む、支持部材、
前記複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に配設されている複数のリチウムイオンコア部材、および
前記リチウムイオンコア部材の１つ以上に近接して配置されている１つ以上の吸熱材料
を備えた、マルチコアリチウムイオン電池。
【請求項７６】
前記リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと前記キャビティのうちの対応する１つの表面との間にそれぞれが配置されている、複数のキャビティライナーをさらに備える、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７７】
前記キャビティライナーがプラスチック材料またはアルミニウム材料から形成されている、請求項７６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７８】
前記複数のキャビティライナーが、モノリシックライナー部材の一部として形成されている、請求項７７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項７９】
前記運動エネルギー吸収材料が、アルミニウム発泡体、セラミックおよびプラスチックのうちの１つから形成されている、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８０】
前記コアのそれぞれの内部に含有されている電解質をさらに含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８１】
前記電解質が、難燃剤、ガス発生剤および酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含む、請求項８０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８２】
それぞれのリチウムイオンコア部材が、アノード、カソードおよびそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとの間に配設されたセパレータを含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８３】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体、および前記密封筐体内部にある電気コネクタであって、前記コア部材を前記密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタをさらに含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８４】
前記電気コネクタが、２つのバスバーを備え、第１のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の正極端子部材に前記コア部材の前記アノードを相互接続させ、第２のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の負極端子部材に前記コア部材の前記カソードを相互接続させる、請求項８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８５】
前記コア部材が並列に接続されている、請求項８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８６】
前記コア部材が直列に接続されている、請求項８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８７】
コア部材の第１のセットが並列に接続されており、コア部材の第２のセットが並列に接続されており、コア部材の前記第１のセットがコア部材の前記第２のセットと直列に接続されている、請求項８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８８】
前記支持部材がハニカム構造の形態にある、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項８９】
前記運動エネルギー吸収材料が圧縮性媒体を含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９０】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体をさらに含んでおり、前記筐体が、力が壁に衝撃を与えることにより圧縮される際に前記リチウムイオン電池の電気短絡回路を作り出す圧縮性素子を有する前記壁を含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９１】
前記支持部材中の前記キャビティおよび対応するこれらのコア部材が、円筒形状、楕円形状および角柱形状のうちの１つである、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９２】
前記キャビティおよび対応するこのコア部材の少なくとも１つが、他の前記キャビティおよび対応するこれらのコア部材と異なる形状を有する、請求項９１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９３】
前記コア部材の少なくとも１つが高出力特性を有しており、前記コア部材の少なくとも１つが高エネルギー特性を有する、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９４】
前記コア部材の前記アノードが同一の材料から形成されており、前記コア部材の前記カソードが同一の材料から形成されている、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９５】
それぞれのセパレータ部材が、セラミックコーティングを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９６】
それぞれのアノードおよびそれぞれのカソードが、セラミックコーティングを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９７】
前記コア部材の少なくとも１つが、他の前記コア部材のアノードおよびカソードの厚さと異なる厚さのアノードおよびカソードのうちの１つを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９８】
少なくとも１つのカソードが、材料の化合物ＡからＭまでの群からの少なくとも２つを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項９９】
それぞれのカソードが表面改質剤を含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１００】
それぞれのアノードがＬｉ金属を含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０１】
それぞれのアノードが、カーボンおよびグラファイトのうちの１つを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０２】
それぞれのアノードがＳｉを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０３】
それぞれのコア部材が、ロール型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０４】
それぞれのコア部材が、積層型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含む、請求項８２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０５】
前記コア部材が、実質的に同一の電気容量を有する、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０６】
前記コア部材の少なくとも１つが、他の前記コア部材と異なる電気容量を有する、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０７】
前記コア部材の少なくとも１つが電力貯蔵のために最適化されており、前記コア部材の少なくとも１つがエネルギー貯蔵のために最適化されている、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０８】
前記第１のバスバーにそれぞれのアノードを電気的に接続させるためのタブおよび前記第２のバスバーにそれぞれのカソードを電気的に接続させるためのタブをさらに含み、それぞれのタブが、既定電流を超過すると前記それぞれのタブを通る電流の流れを中断するための手段を含む、請求項８４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１０９】
既定電流を超過するとヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために、前記第１のバスバーが、前記アノード間の相互接続が前記第１のバスバーに近接したそれぞれの位置に前記ヒューズ素子、および前記カソード間の相互接続が前記第２のバスバーに近接したそれぞれの位置に前記ヒューズ素子を含む、請求項８４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１０】
前記コア部材のそれぞれを囲繞する保護スリーブをさらに含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１１】
それぞれの保護スリーブが、対応するこのコア部材を含有する前記キャビティの外部に配設されている、請求項１１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１２】
前記コア部材の電気的監視および電気的平衡を可能にするように構成された、前記コア部材に電気的に相互接続されている検知ワイヤをさらに含む、請求項７５および８７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１３】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体をさらに含んでおり、前記密封筐体が難燃部材を含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１４】
前記難燃部材が、前記筐体の外部に取り付けられた難燃メッシュ材料を含む、請求項１１３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１５】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、セラミックマトリックス内に含まれている、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１６】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、無機ガス発生吸熱材料である、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１７】
前記１つ以上の吸熱材料が、近接した前記１つ以上のリチウムイオンコア部材に関連する上限の正常動作温度以上において、断熱特性をもたらすことが可能である、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１８】
前記１つ以上の吸熱材料が、上記上限の正常動作温度と、前記リチウムイオンコア部材が熱暴走を起こしやすい温度よりも高い閾値温度との間において１つ以上の吸熱反応を受けるよう選択される、請求項１１７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１１９】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つに関連する吸熱反応によりガスが発生する、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２０】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つがセラミックマトリックス内に含まれており、前記セラミックマトリックスが前記ガスを通気するのに十分な多孔性を有しており、これによりここから熱が除去される、請求項１１９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２１】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：１９から９：１の範囲にある、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２２】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：９から６：４の範囲にある、請求項１２１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２３】
前記セラミックマトリックスが、１つ以上の無機ファイバー、無機微粒子材料およびバインダを含む、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２４】
前記無機微粒子材料が、ヒュームドセラミック、乳白剤およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１２３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２５】
セラミック混合物が乾式成形によって形成されている、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２６】
前記セラミックマトリックスが、（ｉ）ファイバー構成体を含むプリフォームを形成すること、および（ｉｉ）前記プリフォームに前記１つ以上の吸熱材料を含浸することにより形成されている、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２７】
前記セラミックマトリックスが真空成形によって形成されている、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２８】
前記セラミックマトリックスが成型性組成物の形態にある、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２９】
セラミック混合物が、重量％で：
セラミック酸化物粉末    ０−６０重量％
乳白剤    ０−３０重量％
吸熱材料    １０−９０重量％
乾燥バインダ    ０−１０重量％
液体バインダ    ０−６０重量％
ファイバー    ０−６０％
を含む、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３０】
前記セラミックマトリックスが、前記１つ以上の吸熱材料の勾配を規定する、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３１】
前記セラミックマトリックスが、前記セラミックマトリックス内部の少なくとも１つの領域と比較して、より高い濃度の前記１つ以上の吸熱材料を有する表面領域を規定する、請求項１１５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３２】
前記１つ以上の吸熱材料が、前記支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、少なくとも１つの凹みを画定する成形体に形成されている、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３３】
前記成形体が、それぞれ支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、複数の凹みを画定する、請求項１３２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３４】
前記１つ以上の吸熱材料が、
【表２】
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からなる群から選択され、
表中、「分解のおよその開始」は、前記吸熱材料の吸熱反応が開始することが予期される温度である、
請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３５】
吸熱材料の群が炭酸水素ナトリウムをさらに含む、請求項１３４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３６】
前記１つ以上の吸熱材料が、吸熱反応の開始に関して第１のおよその開始温度により特徴づけられる第１の吸熱材料、および吸熱反応の開始に関して第２のおよその開始温度により特徴づけられる第２の吸熱材料を含んでおり、前記第１のおよその開始温度が前記第２のおよその開始温度と異なる、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３７】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体および前記密封筐体に伴う少なくとも１つの通気孔をさらに含む、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３８】
前記少なくとも１つの通気孔が、所定の閾値圧レベルを超過する前記密封筐体内の圧力に応答して作動する、請求項１３７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３９】
前記少なくとも１つの通気孔に近接して、火炎防止器をさらに含む、請求項１３８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４０】
前記少なくとも１つの通気孔が、前記１つ以上の吸熱材料に関連する吸熱反応に基づいて一部が作動する、請求項１３８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４１】
前記作動通気孔から放出されるガスが、前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生したガスを含む、請求項１４０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４２】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが、前記通気孔から通気される際に、前記密封筐体内部からの熱を伝達する、請求項１４０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４３】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが非毒性であり、前記非毒性ガスは、当該非毒性ガスが前記通気孔から通気される際に、前記密閉筐体内部から発生し、通気される１種以上の毒性ガスを希釈する、請求項１４０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４４】
前記所定の閾値圧レベルが、約１５ｐｓｉから２００ｐｓｉの間である、請求項１３８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４５】
前記所定の閾値圧レベルが、約３０ｐｓｉから１７０ｐｓｉの間である、請求項１３８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４６】
前記所定の閾値圧レベルが、約６０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間である、請求項１３８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４７】
前記１つ以上の吸熱材料が、ヒドロキシル成分、含水成分、少なくとも１つの炭酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、少なくとも１つの硫酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、無水炭酸塩、無水硫酸塩、無水リン酸塩およびこれらの組合せを含む材料からなる群から選択される、請求項７５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４８】
筐体の内部にリチウムイオンセル領域および共用の空気領域を含む、密封筐体、
前記密封筐体の前記リチウムイオンセル領域内に配設されている支持部材であって、複数のキャビティを含み、それぞれのキャビティが前記共用の空気領域に対して開放された端部を有する、支持部材、
それぞれがアノードおよびカソードを有しており、複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に配設されている、複数のリチウムイオンコア部材であって、前記アノードおよび前記カソードが、前記キャビティの前記開放された端部経由で前記共用の空気領域に曝露されており、前記アノードおよび前記カソードが、これらの長手方向に沿って前記キャビティによって実質的に囲繞されている、複数のリチウムイオンコア部材、および
前記リチウムイオンセル領域に近接して配置されている、１つ以上の吸熱材料
を備えた、マルチコアリチウムイオン電池。
【請求項１４９】
前記支持部材が運動エネルギー吸収材料を含む、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５０】
前記運動エネルギー吸収材料が、アルミニウム発泡体、セラミックおよびプラスチックのうちの１つから形成されている、請求項１４９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５１】
前記リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと前記キャビティのうちの対応する１つの表面との間にそれぞれが配置されている、複数のキャビティライナーをさらに備える、請求項１４９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５２】
前記キャビティライナーがプラスチック材料またはアルミニウム材料から形成されている、請求項１５１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５２】
前記複数のキャビティライナーが、モノリシックライナー部材の一部として形成されている、請求項１５１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５３】
前記コアのそれぞれの内部に含有されている電解質をさらに含む、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５４】
前記電解質が、難燃剤、ガス発生剤および酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５５】
それぞれのリチウムイオンコア部材が、アノード、カソードおよびそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとの間に配設されたセパレータを含む、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５６】
前記筐体内部にある電気コネクタであって、前記コア部材を前記密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタをさらに含む、請求項１５５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５７】
前記電気コネクタが、２つのバスバーを備え、第１のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の正極端子部材に前記コア部材の前記アノードを相互接続させ、第２のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の負極端子部材に前記コア部材の前記カソードを相互接続させる、請求項１５６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５８】
前記コア部材が並列に接続されている、請求項１５７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１５９】
前記コア部材が直列に接続されている、請求項１５７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６０】
コア部材の第１のセットが並列に接続されており、コア部材の第２のセットが並列に接続されており、コア部材の前記第１のセットがコア部材の前記第２のセットと直列に接続されている、請求項１５７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６１】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、セラミックマトリックス内に含まれている、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６２】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、無機ガス発生吸熱材料である、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６３】
前記１つ以上の吸熱材料が、近接した前記１つ以上のリチウムイオンコア部材に関連する上限の正常動作温度以上において、断熱特性をもたらすことが可能である、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６４】
前記１つ以上の吸熱材料が、上記上限の正常動作温度と、前記リチウムイオンコア部材が熱暴走を起こしやすい温度よりも高い閾値温度との間において１つ以上の吸熱反応を受けるよう選択される、請求項１６３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６５】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つに関連する吸熱反応によりガスが発生する、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６６】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つがセラミックマトリックス内に含まれており、前記セラミックマトリックスが前記ガスを通気するのに十分な多孔性を有しており、これによりここから熱が除去される、請求項１６５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６７】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：１９から９：１の範囲にある、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６８】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：９から６：４の範囲にある、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１６９】
前記セラミックマトリックスが、１つ以上の無機ファイバー、無機微粒子材料およびバインダを含む、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７０】
前記無機微粒子材料が、ヒュームドセラミック、乳白剤およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１６９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７１】
セラミック混合物が乾式成形によって形成されている、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７２】
前記セラミックマトリックスが、（ｉ）ファイバー構成体を含むプリフォームを形成すること、および（ｉｉ）前記プリフォームに前記１つ以上の吸熱材料を含浸することにより形成されている、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７３】
前記セラミックマトリックスが真空成形によって形成されている、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７４】
前記セラミックマトリックスが成型性組成物の形態にある、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７５】
セラミック混合物が、重量％で：
セラミック酸化物粉末    ０−６０重量％
乳白剤    ０−３０重量％
吸熱材料    １０−９０重量％
乾燥バインダ    ０−１０重量％
液体バインダ    ０−６０重量％
ファイバー    ０−６０％
を含む、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７６】
前記セラミックマトリックスが、前記１つ以上の吸熱材料の勾配を規定する、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７７】
前記セラミックマトリックスが、前記セラミックマトリックス内部の少なくとも１つの領域と比較して、より高い濃度の前記１つ以上の吸熱材料を有する表面領域を規定する、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７８】
前記１つ以上の吸熱材料が、前記支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、少なくとも１つの凹みを画定する成形体に形成されている、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１７９】
前記成形体が、それぞれ支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、複数の凹みを画定する、請求項１７８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８０】
前記１つ以上の吸熱材料が、
【表３】
2020170711.tif 000019
からなる群から選択され、
表中、「分解のおよその開始」は、前記吸熱材料の吸熱反応が開始することが予期される温度である、
請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８１】
吸熱材料の群が炭酸水素ナトリウムをさらに含む、請求項１８０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８２】
前記１つ以上の吸熱材料が、吸熱反応の開始に関して第１のおよその開始温度により特徴づけられる第１の吸熱材料、および吸熱反応の開始に関して第２のおよその開始温度により特徴づけられる第２の吸熱材料を含んでおり、前記第１のおよその開始温度が前記第２のおよその開始温度と異なる、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８３】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体および前記密封筐体に伴う少なくとも１つの通気孔をさらに含む、請求項１６１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８４】
前記少なくとも１つの通気孔が、所定の閾値圧レベルを超過する前記密封筐体内の圧力に応答して作動する、請求項１８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８５】
前記少なくとも１つの通気孔に近接して、火炎防止器をさらに含む、請求項１８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８６】
前記少なくとも１つの通気孔が、前記１つ以上の吸熱材料に関連する吸熱反応に基づいて一部が作動する、請求項１８３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８７】
前記作動通気孔から放出されるガスが、前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生したガスを含む、請求項１８６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８８】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが、前記通気孔から通気される際に、前記密封筐体内部からの熱を伝達する、請求項１８７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１８９】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが非毒性であり、前記非毒性ガスは、当該非毒性ガスが前記通気孔から通気される際に、前記密閉筐体内部から発生し、通気される１種以上の毒性ガスを希釈する、請求項１８７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９０】
前記所定の閾値圧レベルが、約１５ｐｓｉから２００ｐｓｉの間である、請求項１８４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９１】
前記所定の閾値圧レベルが、約３０ｐｓｉから１７０ｐｓｉの間である、請求項１８４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９２】
前記所定の閾値圧レベルが、約６０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間である、請求項１８４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９３】
前記１つ以上の吸熱材料が、ヒドロキシル成分、含水成分、少なくとも１つの炭酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、少なくとも１つの硫酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、無水炭酸塩、無水硫酸塩、無水リン酸塩およびこれらの組合せを含む材料からなる群から選択される、請求項１４８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９４】
アノードおよびカソードを有する少なくとも１つのリチウムイオンコア部材であって、前記カソードが、化合物ＡからＭまでの群から選択される少なくとも２つの化合物を含む、リチウムイオンコア部材、および
前記少なくとも１つのリチウムイオンコア部材に近接して配置されている１つ以上の吸熱材料
を備えたリチウムイオン電池。
【請求項１９５】
リチウムイオンコア部材が１つだけ存在する、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９６】
前記リチウムイオンコア部材が密封筐体内に配置されており、前記密封筐体がポリマーバッグである、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９７】
前記リチウムイオンコア部材が密封筐体内に配置されており、前記密封筐体が金属キャニスタである、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９８】
それぞれのカソードが、化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＬおよびＭの群から選択される少なくとも２つの化合物を含み、表面改質剤をさらに含む、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１９９】
それぞれのカソードが、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、ＧおよびＬの群から選択される少なくとも２つの化合物を含む、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２００】
前記電池が、４．２Ｖより高い電圧に充電される、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０１】
それぞれのアノードが、カーボンおよびグラファイトのうちの１つを含む、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０２】
それぞれのアノードがＳｉを含む、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０３】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、セラミックマトリックス内に含まれている、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０４】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、無機ガス発生吸熱材料である、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０５】
前記１つ以上の吸熱材料が、近接した前記１つ以上のリチウムイオンコア部材に関連する上限の正常動作温度以上において、断熱特性をもたらすことが可能である、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０６】
前記１つ以上の吸熱材料が、上記上限の正常動作温度と、前記リチウムイオンコア部材が熱暴走を起こしやすい温度よりも高い閾値温度との間において１つ以上の吸熱反応を受けるよう選択される、請求項２０５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０７】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つに関連する吸熱反応によりガスが発生する、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０８】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つがセラミックマトリックス内に含まれており、前記セラミックマトリックスが前記ガスを通気するのに十分な多孔性を有しており、これによりここから熱が除去される、請求項２０７に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２０９】
セラミッ製マトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：１９から９：１の範囲にある、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１０】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：９から６：４の範囲にある、請求項２０９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１１】
前記セラミックマトリックスが、１つ以上の無機ファイバー、無機微粒子材料およびバインダを含む、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１２】
前記無機微粒子材料が、ヒュームドセラミック、乳白剤およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項２１１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１３】
セラミック混合物が乾式成形によって形成されている、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１４】
前記セラミックマトリックスが、（ｉ）ファイバー構成体を含むプリフォームを形成すること、および（ｉｉ）前記プリフォームに前記１つ以上の吸熱材料を含浸することにより形成されている、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１５】
前記セラミックマトリックスが真空成形によって形成されている、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１６】
前記セラミックマトリックスが成型性組成物の形態にある、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１７】
セラミック混合物が、重量％で：
セラミック酸化物粉末    ０−６０重量％
乳白剤    ０−３０重量％
吸熱材料    １０−９０重量％
乾燥バインダ    ０−１０重量％
液体バインダ    ０−６０重量％
ファイバー    ０−６０％
を含む、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１８】
前記セラミックマトリックスが、前記１つ以上の吸熱材料の勾配を規定する、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２１９】
前記セラミックマトリックスが、前記セラミックマトリックス内部の少なくとも１つの領域と比較して、より高い濃度の前記１つ以上の吸熱材料を有する表面領域を規定する、請求項２０３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２０】
前記１つ以上の吸熱材料が、前記支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、少なくとも１つの凹みを画定する成形体に形成されている、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２１】
前記成形体が、それぞれ支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、複数の凹みを画定する、請求項２２０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２２】
前記１つ以上の吸熱材料が、
【表４】
2020170711.tif 000020
からなる群から選択され、
表中、「分解のおよその開始」は、前記吸熱材料の吸熱反応が開始することが予期される温度である、
請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２３】
吸熱材料の群が炭酸水素ナトリウムをさらに含む、請求項２２２に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２４】
前記１つ以上の吸熱材料が、吸熱反応の開始に関して第１のおよその開始温度により特徴づけられる第１の吸熱材料、および吸熱反応の開始に関して第２のおよその開始温度により特徴づけられる第２の吸熱材料を含んでおり、前記第１のおよその開始温度が前記第２のおよその開始温度と異なる、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２５】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体および前記密封筐体に伴う少なくとも１つの通気孔をさらに含む、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２６】
前記少なくとも１つの通気孔が、所定の閾値圧レベルを超過する前記密封筐体内の圧力に応答して作動する、請求項２２５に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２７】
前記少なくとも１つの通気孔に近接して、火炎防止器をさらに含む、請求項２２６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２８】
前記少なくとも１つの通気孔が、前記１つ以上の吸熱材料に関連する吸熱反応に基づいて一部が作動する、請求項２２６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２２９】
前記作動通気孔から放出されるガスが、前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生したガスを含む、請求項２２８に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３０】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが、前記通気孔から通気される際に、前記密封筐体内部からの熱を伝達する、請求項２２９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３１】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが非毒性であり、前記非毒性ガスは、当該非毒性ガスが前記通気孔から通気される際に、前記密閉筐体内部から発生し、通気される１種以上の毒性ガスを希釈する、請求項２２９に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３２】
前記所定の閾値圧レベルが、約１５ｐｓｉから２００ｐｓｉの間である、請求項２２６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３３】
前記所定の閾値圧レベルが、約３０ｐｓｉから１７０ｐｓｉの間である、請求項２２６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３４】
前記所定の閾値圧レベルが、約６０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間である、請求項２２６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３５】
前記１つ以上の吸熱材料が、ヒドロキシル成分、含水成分、少なくとも１つの炭酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、少なくとも１つの硫酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、無水炭酸塩、無水硫酸塩、無水リン酸塩およびこれらの組合せを含む材料からなる群から選択される、請求項１９４に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３６】
密封筐体、および
前記密封筐体内に配設された少なくとも１つのリチウムイオンコア部材であって、アノードおよびカソードを有する、リチウムイオンコア部材、
前記筐体内部にある電気コネクタであって、前記少なくとも１つのコア部材を前記密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタ、および
前記少なくとも１つのリチウムイオンコア部材に近接して配置されている１つ以上の吸熱材料
を備えており、
前記電気コネクタが、既定電流を超過すると前記電気コネクタからの電流の流れを中断するための手段を含む、
リチウムイオン電池。
【請求項２３７】
前記電気コネクタが、２つのバスバーを備え、第１のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の正極端子部材に前記コア部材の前記アノードを相互接続させ、第２のバスバーが、前記筐体の外部にある前記端子の負極端子部材に前記コア部材の前記カソードを相互接続させる、請求項２３６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３８】
前記電気コネクタが、第１のバスバーにそれぞれのアノードを電気的に接続させるためのタブ、第２のバスバーにそれぞれのカソードを電気的に接続させるためのタブをさらに含み、それぞれのタブが、既定電流を超過するとそれぞれの前記タブを通る電流の流れを中断するための手段を含む、請求項２３６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２３９】
既定電流を超過するとヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために、第１のバスバーが、前記アノード間の相互接続が前記第１のバスバーに近接したそれぞれの位置に前記ヒューズ素子を含み、前記第２のバスバーが、前記カソード間の相互接続が前記第２のバスバーに近接したそれぞれの位置に前記ヒューズ素子を含む、請求項２３６に記載のリチウムイオン電池。
【請求項２４０】
複数のゼリーロール、負極集電体、正極集電体および金属ケースを有する、再充電可能な電気化学的マルチコア組立体であって、
（ｉ）それぞれのゼリーロールは、少なくともカソード集電体、アノード集電体、カソードコーティング層およびアノードコーティング層、ならびにセパレータを含み、
（ｉｉ）前記ゼリーロールの少なくとも１つの端部が、露出区画を有しており、
（ｉｉｉ）露出端部の少なくとも１つが、バスバーにマウントされており、
（ｉｖ）正極バスバーが、前記金属ケースの底部の内壁上に直接マウントされている、または前記金属ケースの底部全体または一部であり、
（ｖ）少なくとも１つのゼリーロールに近接して、１つ以上の吸熱材料が配置されている、
組立体。
【請求項２４１】
それぞれのゼリーロールが、前記アノードにおいて露出区画を有しており、負極バスバー上にマウントされている、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４２】
前記露出カソード集電体領域Ｋ２の幅が、０．１ｍｍより大きく、アノード集電体およびカソード集電体の幅の５０％未満である、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４３】
前記露出アノード集電体領域Ｋ２の幅が、０．１ｍｍより大きく、アノード集電体およびカソード集電体の幅の５０％未満である、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４４】
前記負極集電体に少なくとも１つのスリット開口部が存在している、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４５】
前記アノード集電体が、銅およびニッケルの箔、メッシュ、板およびクロスからなる群から選択される、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４６】
前記カソード集電体が、アルミニウムの箔、メッシュ、板およびクロスからなる群から選択される、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４７】
前記負極バスバーが、銅、ニッケルおよびステンレス鋼から選択される、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４８】
前記正極バスバーが、アルミニウムおよびステンレス鋼から選択される、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２４９】
少なくとも１つのゼリーロールが、前記バスバー上にマウントされている１つ以上のタブを有する、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２５０】
ゼリーロールがすべて同一である、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２５１】
前記ゼリーロールの少なくとも１つが、他の前記ゼリーロールと同一ではない、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２５２】
前記ゼリーロールの少なくとも１つが、ハウジングによって一部または全体が囲繞されている、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２５３】
前記ハウジング材料が、金属、セラミックおよびポリマーの群から選択される、請求項２５２に記載の組立体。
【請求項２５４】
前記ハウジング材料が、発泡体、板、織布およびメッシュの群から選択される構造を有する、請求項２５２に記載の組立体。
【請求項２５５】
前記ハウジング材料が微孔性セラミックである、請求項２５２に記載の組立体。
【請求項２５６】
前記ハウジング材料が少なくとも１つの吸熱剤を含むコンポジットである、請求項２５２に記載の組立体。
【請求項２５７】
前記ハウジングが前記１つ以上の吸熱材料から形成されている、請求項２５２に記載の組立体。
【請求項２５８】
前記１つ以上の吸熱材料が、金属発泡体または微孔性セラミックの少なくとも１つに組み込まれる、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２５９】
前記１つ以上の吸熱剤が炭酸水素ナトリウムである、請求項２５８に記載の組立体。
【請求項２６０】
Ｌｉイオン電池を規定する、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２６１】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、セラミックマトリックス内に含まれている、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２６２】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つが、無機ガス発生吸熱材料である、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２６３】
前記１つ以上の吸熱材料が、近接した前記１つ以上のリチウムイオンコア部材に関連する上限の正常動作温度以上において、断熱特性をもたらすことが可能である、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２６４】
前記１つ以上の吸熱材料が、上記上限の正常動作温度と、前記リチウムイオンコア部材が熱暴走を起こしやすい温度よりも高い閾値温度との間において１つ以上の吸熱反応を受けるよう選択される、請求項２６３に記載の組立体。
【請求項２６５】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つに関連する吸熱反応によりガスが発生する、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２６６】
前記１つ以上の吸熱材料の少なくとも１つがセラミックマトリックス内に含まれており、前記セラミックマトリックスが前記ガスを通気するのに十分な多孔性を有しており、これによりここから熱が除去される、請求項２６５に記載の組立体。
【請求項２６７】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：１９から９：１の範囲にある、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２６８】
セラミックマトリックスと吸熱材料との比が、重量で１：９から６：４の範囲にある、請求項２６７に記載の組立体。
【請求項２６９】
前記セラミックマトリックスが、１つ以上の無機ファイバー、無機微粒子材料およびバインダを含む、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７０】
前記無機微粒子材料が、ヒュームドセラミック、乳白剤およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項２６９に記載の組立体。
【請求項２７１】
セラミック混合物が乾式成形によって形成されている、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７２】
前記セラミックマトリックスが、（ｉ）ファイバー構成体を含むプリフォームを形成すること、および（ｉｉ）前記プリフォームに前記１つ以上の吸熱材料を含浸することにより形成されている、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７３】
前記セラミックマトリックスが真空成形によって形成されている、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７４】
前記セラミックマトリックスが成型性組成物の形態にある、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７５】
セラミック混合物が、重量％で：
セラミック酸化物粉末    ０−６０重量％
乳白剤    ０−３０重量％
吸熱材料    １０−９０重量％
乾燥バインダ    ０−１０重量％
液体バインダ    ０−６０重量％
ファイバー    ０−６０％
を含む、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７６】
前記セラミックマトリックスが、前記１つ以上の吸熱材料の勾配を規定する、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７７】
前記セラミックマトリックスが、前記セラミックマトリックス内部の少なくとも１つの領域と比較して、より高い濃度の前記１つ以上の吸熱材料を有する表面領域を規定する、請求項２６１に記載の組立体。
【請求項２７８】
前記１つ以上の吸熱材料が、前記支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、少なくとも１つの凹みを画定する成形体に形成されている、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２７９】
前記成形体が、それぞれ支持部材を収容する構成かつ寸法にされている、複数の凹みを画定する、請求項２７８に記載の組立体。
【請求項２８０】
前記１つ以上の吸熱材料が
【表５】
2020170711.tif 000021
からなる群から選択され、
表中、「分解のおよその開始」は、前記吸熱材料の吸熱反応が開始することが予期される温度である、
請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２８１】
吸熱材料の群が炭酸水素ナトリウムをさらに含む、請求項２８０に記載の組立体。
【請求項２８２】
前記１つ以上の吸熱材料が、吸熱反応の開始に関して第１のおよその開始温度により特徴づけられる第１の吸熱材料、および吸熱反応の開始に関して第２のおよその開始温度により特徴づけられる第２の吸熱材料を含んでおり、前記第１のおよその開始温度が前記第２のおよその開始温度と異なる、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２８３】
内部に前記支持部材が配置されている密封筐体および前記密封筐体に伴う少なくとも１つの通気孔をさらに含む、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２８４】
前記少なくとも１つの通気孔が、所定の閾値圧レベルを超過する前記密封筐体内の圧力に応答して作動する、請求項２８３に記載の組立体。
【請求項２８５】
前記少なくとも１つの通気孔に近接して、火炎防止器をさらに含む、請求項２８４に記載の組立体。
【請求項２８６】
前記少なくとも１つの通気孔が、前記１つ以上の吸熱材料に関連する吸熱反応に基づいて一部が作動する、請求項２８３に記載の組立体。
【請求項２８７】
前記作動通気孔から放出されるガスが、前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生したガスを含む、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２８８】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが、前記通気孔から通気される際に、前記密封筐体内部からの熱を伝達する、請求項２８７に記載の組立体。
【請求項２８９】
前記１つ以上の吸熱材料に関連する前記吸熱反応から発生した前記ガスが非毒性であり、前記非毒性ガスは、当該非毒性ガスが前記通気孔から通気される際に、前記密閉筐体内部から発生し、通気される１種以上の毒性ガスを希釈する、請求項２８７に記載の組立体。
【請求項２９０】
前記所定の閾値圧レベルが、約１５ｐｓｉから２００ｐｓｉの間である、請求項２８４に記載の組立体。
【請求項２９１】
前記所定の閾値圧レベルが、約３０ｐｓｉから１７０ｐｓｉの間である、請求項２８４に記載の組立体。
【請求項２９２】
前記所定の閾値圧レベルが、約６０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間である、請求項２８４に記載の組立体。
【請求項２９３】
前記１つ以上の吸熱材料が、ヒドロキシル成分、含水成分、少なくとも１つの炭酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、少なくとも１つの硫酸塩と組み合わせたヒドロキシル成分または含水成分、無水炭酸塩、無水硫酸塩、無水リン酸塩およびこれらの組合せを含む材料からなる群から選択される、請求項２４０に記載の組立体。
【請求項２９４】
単一のゼリーロール、負極集電体、正極集電体および金属ケースを備えた、再充電可能な電気化学的シングルコア組立体であって、電池において、
（ｉ）前記ゼリーロールが、カソード集電体、アノード集電体、カソードコーティング層およびアノードコーティング層、セパレータならびに電解質を含み、
（ｉｉ）前記カソードの端部において露出集電体を有し、
（ｉｉｉ）前記ゼリーロールの端部が、前記金属ケースの底部の全体にまたは一部としてのどちらかにおいて、前記金属ケース上に溶接されている、露出カソード集電体部分を含んでおり、
（ｉｖ）前記ゼリーロールに近接して、１つ以上の吸熱材料が配置されている、
組立体。
【請求項２９５】
前記負極集電体が、銅、ニッケルおよびステンレス鋼から選択される、請求項２９４に記載の組立体。
【請求項２９６】
前記正極集電体が、アルミニウムおよびステンレス鋼から選択される、請求項２９４に記載の組立体。
【請求項２９７】
前記ゼリーロールが、前記アノード集電体上に１つ以上のタブを有する、請求項２９４に記載の組立体。
【請求項２９８】
前記ゼリーロールにおける前記セパレータおよび電解質が、固体ポリマー電解質フィルム、ゲルポリマー電解質フィルムおよび固体イオン薄膜のうちの１つである、請求項２９４に記載の組立体。
【請求項２９９】
複数のゼリーロール、
負極集電体、
正極集電体、および
金属ケース
を備えており、
それぞれのゼリーロールが、少なくともカソード集電体、アノード集電体、カソードコーティング層およびアノードコーティング層、ならびにセパレータを含み、
前記ゼリーロールの少なくとも１つの端部が、露出区画を有しており、
露出端部の少なくとも１つが、バスバーにマウントされており、
正極バスバーが、前記金属ケースの底部の内壁上に直接マウントされている、または前記金属ケースの底部として全体または一部が機能する、
再充電可能な電気化学的マルチコア組立体。
【請求項３００】
それぞれのゼリーロールが、前記アノードにおいて露出区画を有しており、負極バスバー上にマウントされている、請求項２９９に記載の組立体。
【請求項３０１】
前記ゼリーロールが、０．１ｍｍより大きく、アノード集電体およびカソード集電体の幅の５０％未満である、露出カソード集電体領域ｋ２の幅によって特徴づけられる、請求項２９９に記載の組立体。
【請求項３０２】
前記ゼリーロールが、０．１ｍｍより大きく、アノード集電体およびカソード集電体の幅の５０％未満である、露出アノード集電体領域ｋ２の幅によって特徴づけられる、請求項２９９に記載の組立体。
【請求項３０３】
前記負極集電体において少なくとも１つのスリット開口部をさらに備えている、請求項２９９に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利
本発明は、米国エネルギー省によって授与されたＤＥ−ＡＲ００００３９２において政府支援により行われたものである。米国政府は、本発明においてある種の権利を有する。
【０００２】
本出願は、（ｉ）２０１４年５月２１日出願の、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｓａｆｅｔｙ」と題する米国仮特許出願第６１／９９７，０８２号、（ｉｉ）２０１５年１月２６日出願の、「Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｙ  ｗｉｔｈ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｕｎａｗａｙ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ」と題する米国仮特許出願第６２／１０７，６３０号、および（ｉｉｉ）２０１５年１月２６日出願の、「Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」と題する米国仮特許出願第６２／１０７，８４５号の同時係属中の３つの仮特許出願に対する優先権の利益を主張する。上述の仮特許出願の全内容を、参照により本明細書に組み込む。
【０００３】
本開示は、リチウムイオン電池に関し、より詳細には、安全性を改善し製造コストを削減するマルチコアリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００４】
リチウムイオン電池のような電気化学電力セルの需要は、電気自動車およびグリッド蓄電システムのような用途、ならびに電動自転車、無停電電力電池システムおよび鉛蓄電池交換用電池のような他のマルチセル電池用途の成長により、ますます増大している。これらの用途にとって、エネルギー密度および電力密度が高いことが要件であるが、それに勝るとも劣らず重要なことは、広範な商業的採用を可能にするための低い製造コストおよび安全性の向上という要件である。さらに、これらの電池のエネルギー対電力比を、上記の用途のこの要求に応える必要がある。
【０００５】
大型フォーマット用途であるグリッド蓄電および電気自動車の場合、直列および並列アレイで接続されているマルチセルが必要とされる。セルの供給業者は、各単一セルにつき１０Ａｈ（アンペア時）より大きいものと本明細書において定義される大型セル、または１０Ａｈより小さいものと本明細書において定義される小型セルのどちらかに注目している。角柱形セルまたはポリマーセルのような、積層型またはラミネート型電極を含む大型セルは、ＬＧ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、ＡＥＳＣ、ＡＴＬおよび他の販売会社によって作製されている。１８６５０もしくは２６６５０円筒形セル、または１８３７６５もしくは１０３４５０セルのような角柱形セルのような小型のセル、および他の類似のサイズのものが、三洋電機、パナソニック、ＥｏｎｅＭｏｌｉ、Ｂｏｓｔｏｎ−Ｐｏｗｅｒ、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ、Ｓａｆｔ、ＢＹＤ、Ｇｏｌｄ  Ｐｅａｋなどによって作製されている。これらの小型セルは、楕円形状または円筒形状のゼリーロール構造を利用するものが多い。いくつかの小型セルは、大型セルと類似しているが、より小さな容量の積層型電極を備えたポリマーセルである。
【０００６】
既存の小型セル電池および大型セル電池は、いくつかの深刻な欠点を有する。１８６５０セルのような小型セルに関すると、これらは、通常、筐体または「缶」によって制約される欠点を有しており、機械的応力または電解質枯渇が原因の一部となり、サイクル寿命およびカレンダー寿命の制限を引き起こす。リチウムイオン電池が充電される際、これらの電極は膨張する。缶であるため、電極のゼリーロール構造が制約され、ゼリーロール構造において機械的応力が生じ、これがこの寿命サイクルを制限する。ますます大きな蓄電容量が要望されると共に、所与の容積の缶内に一層活性なアノードおよびカソード材料が挿入され、これにより電極に対する機械的応力がさらに生じる。
【０００７】
同様に、小型セル中に電解質の量を増加する可能性が制限され、リチウムを介在および脱介在すると、電極の移動によりゼリーロールから電解質が押し出される。これにより、電極の電解質の枯渇が引き起こされ、電力排出中にリチウムイオンの濃度勾配および電極のドライアウトが生じ、副反応およびイオンの通路を遮断して電池寿命を低下させる乾燥領域を引き起こす。とりわけ長寿命電池に関するこれらの問題を克服するために、ユーザは、充電状態を低下させる、セルの利用可能容量を制限する、または充電率を低下させることによって、性能を妥協しなければならない。
【０００８】
機械的な側面に関して、小型セルは、組み立てて大型アレイにするのが困難でありコストがかかる。溶接の失敗の可能性を最小限にするために、複雑な溶接パターンが作られなければならない。溶接の失敗により、容量の低下および溶接に失敗した接続部において発熱する可能性をもたらす。アレイ中のセルが多くなるにつれて、失敗のリスクが高くなり、製造歩留りが低下する。これは、製造コストおよび保証コストがより高くなることを意味する。溶接の失敗の問題および内部短絡によるものだけではなく、小型セルのパッケージングにも関連する潜在的な安全性問題も存在している。１つのセルの不具合の結果としてのカスケード的な熱暴走を回避するために、小型セルの適切なパッケージングが必要となる。こうしたパッケージングによりコストが増大する。
【０００９】
大型セルの場合、欠点は、主に周囲の安全性、体積容量および重量容量の低下および高コストの製造法である。大面積電極を有する大型セルは、小型のセルと比較して製造歩留りが低いことに苦慮する。大型セル電極に欠陥がある場合、より多量の材料が無駄になり、小型セルの製造に比較して全体的に歩留りが低い。例として、５Ａｈセルに比較して５０Ａｈセルを挙げる。両方の欠陥の間に生産されるＡｈに関すると、両方の方法の生産の場合に欠陥が同じ率で発生した場合でさえも、５０Ａｈセルの欠陥は、５Ａｈセルに比較して１０倍の材料損失となる。
【００１０】
ゼリーロールは、通常、それぞれ、カソード集電体およびアノード集電体に接続する一対以上のタブを有する。これらは、次に、正極端子および負極端子に接続される。これらのタブは、一般に、ゼリーロールから一定の距離、外側に延在しており、ゼリーロールは、セル中にある程度の隙間を生じさせ、電池のエネルギー密度を低下させる。さらに、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のようなＬｉイオン電池という高い電力用途の場合、高い電流ドレインが必要である。この場合、タブにおいて過度に高温になるので、一対のタブは高い電流負荷を運搬するのに十分とはならないことがあり、安全性の懸念を引き起こす。これらの問題に対処するための様々な解決策が、従来技術において提案されてきた。
【００１１】
米国特許第６，６０５，３８２号は、カソードおよびアノード向けの複数のタブを開示している。これらのタブは、正極および負極バスバーに接続されている。タブは、一般に、カソード集電体およびアノード集電体上で溶接されるので、複数のタブは、ゼリーロールの作製、特に、巻き付け工程を非常に複雑にし、電池のコストを増大させる。加えて、タブが集電体上に溶接される領域は、活性物質のコーティングを有していないので、複数のタブ構成は、電池のエネルギーを低下させる。
【００１２】
複数のタブによって引き起こされるこれらの問題を解決するために、Ｌｉイオンのゼリーロール中にタブのない解決策が特許文献において提案されており、高電力Ｌｉイオンセルおよび超キャパシタセルに現在、使用されている。これらの解決策の核心部分は、ゼリーロールの両端部において、コーティングされていないゼリーロール、露出カソードおよびアノード集電体領域を作製すること、および集電するため、これらの端部において、遷移構造の成分を溶接することである。
【００１３】
米国特許第８，５６８，９１６号は、ＡｌおよびＣｕのディスクの形態をとる集電体の遷移成分を開示している。これらのディスクは、金属片鉛によって正極端子および負極端子に接続されている。同様の概念が、米国特許第６，６５３，０１７号、米国特許第８，２３３，２６７号、米国特許出願公開第２０１０／０３１６８９７号および米国特許出願公開第２０１１／０２２３４５５号において開示および教示されている。これらの開示は、ゼリーロールにおけるカソードおよびアノードからタブをなくすことができるが、ゼリーロールの両端部における正極および負極集電体を端子に接続するための追加の手段が必要となり、これにより、タブを有する従来的なＬｉイオンセルにおけるものほどではないものの、セル中に隙間が依然として残る。これは、セルエネルギー密度を犠牲にする。さらに、これらの解決策は、単一ゼリーロールセル中でしか使用されない。
【００１４】
米国特許第６，６０５，３８２号は、ディスク上に直接溶接されており、その次にアルミニウムシリンダーに溶接されている複数のカソードタブが接続されている正極バスバーを開示している。これにより缶底部の必要性がなくなり、セル容積および重量が低下する。しかし、この開示は、複数のタブシステムにしか使用されない。
【００１５】
いくつかの刊行物が、複数の小型セルを並列に接続することによって、大容量単位を構築する手段を開示している。セルのタブおよびバスバーを適切に配列して構成させるこうした解決策には難題があり、電池エネルギー密度が小さい、電力密度が低い、コストが高いおよび安全性が低いということがある。米国特許第８，０８８，５０９号において、複数のゼリーロールは、個々の金属シェル中に配置されている。ゼリーロールからのタブは、正極および負極バスバーに接続される。米国特許第５，８７１，８６１号において、複数の単一ゼリーロールが並列に接続されている。これらの正極タブおよび負極タブは、正極バスバーおよび負極バスバーに接続されている。ＷＯ２０１３／１２２４４８において、カソード板およびアノード板を積層することにより形成される複数のゼリーロール積層物からなるＬｉイオンセルが開示されている。これらのカソードタブおよびアノードタブは、それぞれ、正極バスバーおよび負極バスバーに接続されている。上述の従来技術の開示において、溶接または電極の積層により形成される複数のゼリーロールは、複数のタブおよびバスバーを有しており、金属ケースに格納される。
【００１６】
ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６４６５４において、新しいタイプのマルチコアＬｉイオン構造が開示されている。これらの構造の１つにおいて、複数のゼリーロールが、個々のゼリーロール用のライナーを備えたハウジング中に配置されている。個々のゼリーロールからのタブは、正極バスバーおよび負極バスバーに接続されている。
【００１７】
大型セルの別の問題は安全性である。熱暴走に進むセル中の放出エネルギーは、熱暴走シナリオ中のセル内に存在する利用可能な電解質の量に比例する。セルがより大型になると、電極構造を完全に飽和させるために、より多くの自由空間が電解質にとって利用可能である。大型セルの場合の１Ｗｈあたりの電解質の量は、通常、小型セルよりも多いので、大型セル電池は、一般に、熱暴走中により勢いが高まるシステムであり、したがって安全性が低い。当然ながら、いずれの熱暴走も、特定のシナリオによって決まるが、一般に、最悪事象の場合において、燃料（電解質）がより多くなるにつれて、より大きな火炎が生じる。加えて、大型セルが、一旦熱暴走モードになれば、セルによって生じた熱が、隣接セルの熱暴走反応を誘発して、パックおよび周辺機器への大規模な破壊を伴って、パック全体を発火させるカスケード効果を引き起こして、ユーザが危険な状態となる恐れがある。
【００１８】
例えば、様々なタイプのセルが、熱暴走条件において、６００−９００℃の領域の温度を生じることが示されている［Ａｎｄｒｅｙ  Ｗ．Ｇｏｌｕｂｋｏｖら、Ｔｈｅｒｍａｌ−ｒｕｎａｗａｙ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｏｎ  ｃｏｎｓｕｍｅｒ  Ｌｉ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｗｉｔｈ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ａｎｄ  ｏｌｉｖｉｎ−ｔｙｐｅ  ｃａｔｈｏｄｅｓ  ＲＳＣ  Ａｄｖ．、２０１４年、４巻、３６３３−３６４２頁］。こうした高温は、隣接する可燃物を発火させ、これにより、火災危険を生み出す恐れがある。高温は、一部の材料の分解およびガス発生の開始を引き起こす恐れもある。こうした事象中に発生したガスは、毒性および／または可燃性であり得、制御されない熱暴走事象に関連する危険をさらに増大させる恐れがある。
【００１９】
リチウムイオンセルは、高い揮発性および燃焼性を有する有機電解質を使用することがある。こうした電解質は、１５０℃から２００℃の範囲で始まる温度において分解を開始する傾向があり、いかなる事象においても、分解が開始する前でさえも、かなりの蒸気圧を有する。一旦、分解が始まると、発生したガス混合物（通常、ＣＯ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ５Ｆおよび他のものからなる混合物）は発火する恐れがある。電解質の分解時のこうしたガスの発生により圧力が上昇し、これらのガスは一般に、大気に通気される。しかし、この通気過程は、空気によりガスが希釈されると、仮に発火した場合、問題のセルに炎が戻り、配列全体を発火させ得る、爆発性の燃料−空気混合物を形成し得るので危険である。
【００２０】
電解質に難燃性添加剤を配合すること、または元から不燃性の電解質を使用することが提案されているが、これは、リチウムイオンセルの効率を犠牲にする恐れがある［Ｅ．Ｐｅｔｅｒ  Ｒｏｔｈら、Ｈｏｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓａｆｅｔｙ、Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、Ｓｕｍｍｅｒ  ２０１２年、４５−４９頁］。
【００２１】
可燃性ガスに加えて、分解は毒性ガスも放出し得ることを留意すべきである。
【００２２】
熱暴走の問題は、隣接セルがこれらの設計動作温度を超える事象からのエネルギーを十分に吸収し、こうして、熱暴走に入る引き金となり得るので、複数のセルを含む電池において複合するようになる。これは、セルの１つが隣接セルを発火させると、貯蔵装置がカスケード的な一連の熱暴走に入る連鎖反応をもたらし得る。
【００２３】
こうしたカスケード的な熱暴走事象の発生を防止するため、貯蔵装置は、貯蔵されるエネルギーを十分に低く維持する、もしくは隣接セルにおいて起こり得る熱事象からセルを隔離するため、セル間に十分な絶縁手段を使用するように設計されてもよく、またはこれらの組合せであってもよい。前者は、こうした装置に潜在的に貯蔵され得るエネルギー量はかなり制限される。後者は、近接しているセルがどのように配置され得るかを限定し、これにより、有効なエネルギー密度を限定する。
【００２４】
カスケード的な熱暴走に対して保護をしながら、エネルギー密度を最大化するよう、設計者により使用されている様々な技法のいくつかが現在、存在している。方法の１つは、熱事象中に放出されるエネルギーが影響を受けている領域から能動的に除去されて、別の場所、通常、貯蔵装置の外側に放出されることによる、冷却メカニズムを使用することである。この手法は、この成功が有効となるのに別のシステムの機能に頼るので、能動的な保護システムと考えられる。こうしたシステムは、別のシステムによる介入を必要とするので、安全面で失敗しない。冷却システムはまた、全エネルギー貯蔵システムを重くし、これによって、貯蔵装置が車両（例えば、電気自動車）の実現ために使用される、こうした用途向けの貯蔵装置の有効性を低下させる。冷却システムのための空間は貯蔵装置内に移され、やはり、実現され得る潜在的なエネルギー密度を低下させる恐れもある。
【００２５】
カスケード的な熱暴走を防止するために使用される第２の手法は、セルまたはセルのクラスターの間に、通常、熱事象中、伝導によりセルのサーマルマス全体に熱が拡散できるほど熱伝導の速度が十分に小さくなる、十分な量の絶縁を組み込むことである。この手法は、受動的な方法と考えられ、一般に、安全面の有意性から一層望ましいと考えられている。この手法において、必要とされる絶縁量と合わせた、絶縁材料が熱を含有する能力により、実現可能なエネルギー密度の上限値が決まる。
【００２６】
第３の手法は、相変化材料を使用することによるものである。これらの材料は、ある一定の高温に到達すると、吸熱的な相変化を受ける。吸熱的な相変化は、発生した熱の一部を吸収し、これにより、局所領域が冷却される。この手法もまた受動的な性質であり、機能する外部の機械システムに依存しない。通常、電気的貯蔵装置の場合、これらの相変化材料は、例えば、ワックスおよび脂肪酸のような炭化水素材料に依存する。これらのシステムは、冷却に有効であるが、それ自体が可燃性であり、したがって、一旦、貯蔵装置内部に発火が起こると、熱暴走を防止するのに有益ではない。
【００２７】
カスケード的な熱暴走を防止する第４の方法は、膨張性材料の組み込みによるものである。これらの材料は、指定温度を超えると膨張し、軽量となるよう、および必要な場合、断熱をもたらすよう設計されるチャーを生成する。これらの材料は絶縁利益をもたらすのに有効となり得るが、材料の膨張は、貯蔵装置の設計において、主要因（ｂｅ  ａｃｃｏｕｎｔｅｄ  ｆｏｒ）とならなければならない。
【００２８】
加えて、リチウムイオンセルの熱暴走中に、ＬｉＰＦ６塩も含有する炭酸塩電解質は、一般に、毒性に関してだけではなく、ガスがＨ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２などを含むので、可燃性に関しても、危険なガス混合物を生成する。こうした混合物は、セルを大気に通気すると、特に可燃性になる。実際に、混合物中、危機的な酸素濃度が到達されると、ガスが発火され、セルに炎が戻り、配列全体を発火させる恐れがある。
【００２９】
小型セルおよび大型セルの性能パラメータを互いに比較すると、小型セルは、一般に、大型セルと比較して重量容量（Ｗｈ／ｋｇ）および体積容量（Ｗｈ／Ｌ）がより大きいことを見出すことができる。容量およびインピーダンスに対するビニング技法を使用して複数の小型セルをグループ化し、これによってプロダクションランの全体的配分をより効率的に調和させることは、大型セルと比較してより容易である。これにより、電池パックの大量生産中の製造歩留りがより高くなる。加えて、例えば（安全性の問題について、この分野において最も一般的な問題の１つである。）１つのセル中の内部短絡によって発火した電池パックのカスケード的熱暴走反応を制限する、容積効率のよいアレイに小型セルを配列することがより容易である。さらに、高い歩留りとなる生産方法が業界によって十分に確立され、失敗率が低いので、小型セルを使用することにコスト的な利点が存在する。機械が容易に利用可能であり、製造システムからコストが駆逐される。
【００３０】
一方、大型セルの有利点は、使用し易い共通の電気機械コネクタ用の空間を有することが多い、より強固な大型フォーマット構造となり得る、電池パックのＯＥＭの組み立てが容易であること、およびセルが明らかに少なく、複数の問題および小型セルのアレイを組み立てるために必要なノウハウに対処しなければならないということなく、効率の高いパックが製造可能になることである。
【００３１】
小型セルを使用することの利益を利用して、大型セルに比べてより安全で製造コストがより低いが、より大型のサイズおよびより大きな電力／エネルギー容量の電池を作製するために、マルチコア（ＭＣ）セル構造の小型セル組立体が開発された。
【００３２】
ＢＹＤ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｌｔｄ．によって開発された１つのこうしたＭＣセル構造は、金属（アルミニウム、銅合金またはニッケルクロム）から作製された１つの容器中に統合されたＭＣのアレイを使用する。このアレイは、以下の文献、ＥＰ１９５２４７５Ａ０、ＷＯ２００７／０５３９９０、ＵＳ２００９／０１４２６５８Ａ１、ＣＮ１９６４１２６Ａにおいて記載されている。ＢＹＤ構造はＭＣを囲繞している金属材料しか有しておらず、したがって、機械的衝撃中に、鋭利な物体がコアを貫通し局所的な短絡を引き起こすという欠点を有する。すべてのコアが、電解質がコア間で共用されている共通の容器（個々の缶におけるものではない。）中に存在しているので、製造上の欠陥または外部誤用に起因するいずれかの個々の不具合が他のコアに伝播する、およびＭＣ構造の破壊が起こる可能性がある。こうしたセルは、安全ではない。
【００３３】
複数の電気化学セルの組立体における熱暴走を防止するための方法が、ＵＳ２０１２／０００３５０８Ａ１において記載されている。この特許出願に記載されているＭＣ構造において、個々のセルが並列または直列に接続されており、それぞれのセルが、これ自体の缶内に含有されているゼリーロール構造を有する。次いで、これらの個々のセルは、硬質発泡体により満たされている、難燃添加剤を含む容器に挿入されている。これらの安全性の手段は、一部、緩和材の超過コストにより、生産およびエネルギー密度を制限するためにコストがかかる。
【００３４】
別のＭＣ構造が、特許出願ＵＳ２０１０／０１９００８１Ａ１およびＷＯ２００７／１４５４４１Ａ１において記載されており、この出願は、単一電池によって２つ以上の電圧を供給する、複数のセルを備えた２つ以上の積層タイプの二次電池の使用を開示している。この配列において、単一セルが、筐体内で直列にセパレータを使用して接続されている。この一連の素子は、より高い電圧のセルしか作製しないが、定型積層タイプの単一電圧セルと比較すると、安全性またはコストの問題を解決しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】米国特許第６，６０５，３８２号明細書
【特許文献２】米国特許第８，５６８，９１６号明細書
【特許文献３】米国特許第６，６５３，０１７号明細書
【特許文献４】米国特許第８，２３３，２６７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／０３１６８９７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１１／０２２３４５５号明細書
【特許文献７】米国特許第８，０８８，５０９号明細書
【特許文献８】米国特許第５，８７１，８６１号明細書
【特許文献９】国際公開第２０１３／１２２４４８号
【特許文献１０】国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６４６５４号
【非特許文献】
【００３６】
【非特許文献１】Ａｎｄｒｅｙ  Ｗ．Ｇｏｌｕｂｋｏｖら、Ｔｈｅｒｍａｌ−ｒｕｎａｗａｙ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｏｎ  ｃｏｎｓｕｍｅｒ  Ｌｉ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｗｉｔｈ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ａｎｄ  ｏｌｉｖｉｎ−ｔｙｐｅ  ｃａｔｈｏｄｅｓ、ＲＳＣ  Ａｄｖ、２０１４年、４巻、３６３３−３６４２頁
【非特許文献２】Ｅ．Ｐｅｔｅｒ  Ｒｏｔｈら、Ｈｏｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓａｆｅｔｙ、Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、Ｓｕｍｍｅｒ  ２０１２年、４５−４９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
これらのＭＣタイプの電池は、大型セル電池に勝るある種の利点をもたらす。しかし、これらは、安全性およびコストの面で、ある種の欠点を依然として有する。さらに、Ｌｉイオン電池のエネルギー密度の向上、コストの削減および安全性の改善という点から、一層低いコストおよび一層高い性能のために、（ｉ）タブおよびライナーをなくすこと、（ｉｉ）正極集電体と正極バスバーの両方を一緒に統合すること、（ｉｉｉ）負極集電体および負極バスバーを一緒に統合すること、ならびに（ｉＶ）正極集電体およびバスバーにおいて迅速な熱減少を可能にすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
（要旨）
本開示は、より大型サイズの電池のアレイの組み立てが容易であること、および電力対エネルギー比の要求に応えることができるような、こうした電池の利点を実現しながら、製造コストを削減し安全性を改善する、有利なマルチコアリチウムイオン電池構造を提供する。本明細書において開示されている有利なシステムは、マルチコアセル構造およびマルチセル電池モジュールにおける適用可能性を有する。以下に記載されているＬｉイオン構造は、大部分の場合、ゼリーロールのようなアクティブコアおよび電解質を使用する、他の電気化学的ユニットに使用することもできることが当業者により理解される。潜在的な代替実施には、米国特許第８，２３３，２６７号に記載されているもののような超キャパシタ、およびニッケル水素電池または巻型鉛蓄電池システムが含まれる。
【００３９】
例示的な実施形態において、アノード電極およびカソード電極を源にして、正極集電体および負極集電体に接続されている複数のコアの組立体を含む、リチウムイオン電池が提供される。本リチウムイオン電池は、複数のゼリーロール、正極集電体および負極集電体および金属ケースを含む。一実施形態において、ゼリーロールは、複数のゼリーロールを電気的に接合する、負極または正極バスバー上に直接、溶接されている少なくとも１つの露出集電体領域を有する。別の実施形態において、ゼリーロールの露出集電体領域の少なくとも１つは、この接続のためのバスバーを使用することなく、周囲のケース構造上に直接、溶接されている。この場合、このケースはバスバーとして機能する。これは、ケース、すなわち金属の缶に対して真っ直ぐにロールを溶接することにより、または溶接されたゼリーロールを有するバスパーが取り付けられている底部が、次に缶構造の上に溶接されているスリーブ構造により実施することができる。露出アノード集電体は、一般に、Ｃｕ箔であり、露出カソード集電体は、Ｌｉイオン電池の場合、一般に、Ａｌ箔である。露出電極が溶接されている金属板は、負極バスバー（またはＮＢＢ）と呼ばれ、ゼリーロールにおいて露出カソードが接続されているバスバー端部は、正極バスバー（またはＰＢＢ）と呼ばれる。一実施形態において、電解質を充填するための開口を可能にする、ＮＢＢのそれぞれ個々のゼリーロールの位置に対応するスリット開口部が存在する。これにより、一部の場合、ゼリーロール自体により含有されている電解質が許容され、金属ライナーまたはプラスチックライナーのような成分を含有している付加的な電解質は必要とされない。別の例示的な実施形態において、ＮＢＢおよびＰＢＢがゼリーロールにおける露出アノード電流端部および露出カソード電流端部にそれぞれ溶接されている、単一コアの電気化学的組立体が提供される。スリット開口部はＮＢＢに設けられ得る。この組立体は金属スリーブに挿入される。ＰＢＢは、金属ケースの底部として、金属スリーブの壁に溶接され得る。
【００４０】
本開示によれば、密封筐体内部に配設されている支持部材を備えた密封筐体を有する、例示的なマルチコアリチウムイオン電池も記載されている。この支持部材は、複数のキャビティ、および複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に配設されている複数のリチウムイオンコア部材を含む。リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つとキャビティのうちの対応する１つの表面との間にそれぞれが位置する、複数のキャビティライナーが存在する。支持部材が、運動エネルギー吸収材料を含み、この運動エネルギー吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミックおよびプラスチックのうちの１つから形成されている。プラスチック材料またはアルミニウム材料から形成されているキャビティライナーが存在しており、複数のキャビティライナーが、モノリシックライナー部材の一部として形成されている。プラスチックライナーの代わりに、開放型アルミニウム製の円筒状スリーブまたは缶構造を使用して、コア部材を含有させることもできる。コアのそれぞれの内部に含有される電解質がさらに含まれ、この電解質は、難燃剤、ガス発生剤および酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含む。それぞれのリチウムイオンコア部材は、アノード、カソードおよびそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとの間に配設されているセパレータを含む。筐体内部にある電気コネクタであって、コア部材を密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタがさらに含まれる。この電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーが、筐体の外部にある端子の正極端子部材にコア部材のアノードを相互接続させ、第２のバスバーが、筐体の外部にある端子の負極端子部材にコア部材のカソードを相互接続させる。
【００４１】
本開示の別の態様において、コア部材が並列に接続されており、またはコア部材が直列に接続されている。代替として、コア部材の第１のセットが並列に接続されており、コア部材の第２のセットが並列に接続されており、コア部材の第１のセットがコア部材の第２のセットと直列に接続されている。支持部材は、ハニカム構造の形態にある。運動エネルギー吸収材料は、圧縮性媒体を含む。筐体は、力が壁に衝撃を与えることにより圧縮される場合、リチウムイオン電池の電気短絡回路を作り出す圧縮性素子を有する壁を含む。支持部材中のキャビティおよび対応するこれらのコア部材は、形状が円筒状、楕円状および角柱状のうちの１つとなる。キャビティおよび対応するこのコア部材のうちの少なくとも１つが、他のキャビティおよび対応するこれらのコア部材と異なる形状を有することがある。
【００４２】
本開示の別の態様において、コア部材のうちの少なくとも１つが、高出力特性を有しており、コア部材のうちの少なくとも１つが、高エネルギー特性を有する。コア部材のアノードは同一の材料から形成され、コア部材のカソードは同一の材料から形成されている。それぞれのセパレータ部材は、セラミックコーティングを含んでもよく、それぞれのアノードおよびそれぞれのカソードは、セラミックコーティングを含んでもよい。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材のアノードおよびカソードの厚さとは異なる厚さのアノードおよびカソードのうちの１つを含む。少なくとも１つのカソードは、材料の化合物ＡからＭまでの群からのうちの少なくとも２つを含む。それぞれのカソードは、表面改質剤を含む。それぞれのアノードは、Ｌｉ金属またはカーボンもしくはグラファイトのうちの１つを含む。それぞれのアノードはＳｉを含む。それぞれのコア部材は、ロール型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含み、またはそれぞれのコア部材は、積層型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含む。
【００４３】
本開示の別の態様において、コア部材は、実質的に、同じ電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材と比べて、異なる電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、電力貯蔵のために最適化されており、コア部材のうちの少なくとも１つは、エネルギー貯蔵のために最適化されている。第１のバスバーにそれぞれのアノードを電気的に接続させるためのタブおよび第２のバスバーにそれぞれのカソードを電気的に接続させるためのタブがさらに含まれ、それぞれのタブは、既定電流を超過するとそれぞれのタブを通る電流の流れを中断するための手段を含む。既定電流を超過するとヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために、第１のバスバーは、アノード間の相互接続が第１のバスバーに近接したそれぞれの位置にヒューズ素子を含み、第２のバスバーは、カソード間の相互接続が第２のバスバーに近接したそれぞれの位置にヒューズ素子を含む。コア部材のそれぞれを囲繞する保護スリーブがさらに含まれ、それぞれの保護スリーブは、対応するこのコア部材を含有するキャビティの外部に配設されている。
【００４４】
本開示のさらに別の態様において、コア部材の電気的監視および電気的平衡を可能にするように構成された、コア部材に電気的に相互接続されている検知ワイヤを含む。密封筐体は難燃部材を含み、難燃部材が、筐体の外部に取り付けられた難燃メッシュ材料を含む。
【００４５】
別の実施形態において、密封筐体を含むマルチコアリチウムイオン電池が記載されている。支持部材が、密封筐体内に配設されており、支持部材が複数のキャビティを含み、支持部材が運動エネルギー吸収材料を含む。複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に配設されている複数のリチウムイオンコア部材が存在する。リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つとキャビティのうちの対応する１つの表面との間にそれぞれが配置されている、複数のキャビティライナーがさらに含まれる。キャビティライナーは、プラスチック材料またはアルミニウム材料から形成されており、複数のキャビティライナーは、モノリシックライナー部材の一部として形成されている。運動エネルギー吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミックおよびプラスチックのうちの１つから形成されている。
【００４６】
本開示の別の態様において、コアのそれぞれの内部に含有されている電解質が存在しており、電解質が、難燃剤、ガス発生剤および酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含む。それぞれのリチウムイオンコア部材が、アノード、カソードおよびそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとの間に配設されているセパレータを含む。筐体内部にある電気コネクタであって、コア部材を密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタがさらに含まれる。この電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーが、筐体の外部にある端子の正極端子部材にコア部材のアノードを相互接続させ、第２のバスバーが、筐体の外部にある端子の負極端子部材にコア部材のカソードを相互接続させる。コア部材は並列に接続され得る。コア部材は直列に接続され得る。コア部材の第１のセットは並列に接続されてもよく、コア部材の第２のセットは並列に接続されてもよく、コア部材の第１のセットがコア部材の第２のセットと直列に接続されてもよい。
【００４７】
別の態様において、支持部材はハニカム構造の形状にある。運動エネルギー吸収材料は、圧縮性媒体を含む。リチウムの筐体は、力が壁に衝撃を与えることにより圧縮される際に、リチウムイオン電池の電気短絡回路を作り出す圧縮性素子を有する壁を含む。支持部材中のキャビティおよび対応するこれらのコア部材は、形状が円筒状、楕円状および角柱状のうちの１つとなる。キャビティおよび対応するこのコア部材のうちの少なくとも１つは、他のキャビティおよび対応するこれらのコア部材と比べて異なる形状を有することがある。コア部材のうちの少なくとも１つは、高出力特性を有することができ、コア部材のうちの少なくとも１つは、高エネルギー特性を有することができる。コア部材のアノードは同一の材料から形成されてもよく、コア部材のカソードは同一の材料から形成されてもよい。それぞれのセパレータ部材は、セラミックコーティングを含むことができる。それぞれのアノードおよびそれぞれのカソードは、セラミックコーティングを含むことができる。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材のアノードおよびカソードの厚さと比べて、異なる厚さのアノードおよびカソードのうちの１つを含むことができる。
【００４８】
さらに別の態様において、少なくとも１つのカソードは、材料の化合物ＡからＭまでの群からの少なくとも２つを含む。それぞれのカソードは表面改質剤を含んでもよい。それぞれのアノードは、Ｌｉ金属、カーボン、グラファイトまたはＳｉを含む。それぞれのコア部材が、ロール型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含んでもよい。それぞれのコア部材が、積層型構造のアノード、カソードおよびセパレータを含んでもよい。コア部材は、実質的に同一の電気容量を有することができる。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材と比べて、異なる電気容量を有することができる。コア部材のうちの少なくとも１つは、電力貯蔵のために最適化され得、コア部材のうちの少なくとも１つは、エネルギー貯蔵のために最適化され得る。
【００４９】
本開示の別の態様において、第１のバスバーにそれぞれのアノードを電気的に接続させるためのタブ、および第２のバスバーにそれぞれのカソードを電気的に接続させるためのタブがさらに含まれ、それぞれのタブが、既定電流を超過すると前記タブのそれぞれを通る電流の流れを中断するための手段／メカニズム／構造を含む。既定電流を超過するとヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために、第１のバスバーは、アノード間の相互接続が第１のバスバーに近接したそれぞれの位置にヒューズ素子、およびカソード間の相互接続が第２のバスバーに近接したそれぞれの位置にヒューズ素子を含む。コア部材のそれぞれを囲繞する保護スリーブがさらに含まれてもよく、それぞれの保護スリーブは、この対応するこのコア部材を含有するキャビティの外部に配設され得る。
【００５０】
本開示の別の実施形態において、検知ワイヤは、コア部材の電気的監視および電気的平衡を可能にするように構成されたコア部材に電気的に相互接続されている。密封筐体は難燃部材を含んでいてもよく、難燃部材が、筐体の外部に取り付けられた難燃メッシュ材料を含んでいてもよい。
【００５１】
別の実施形態において、密封筐体の内部にリチウムイオンセル領域および共用の空気領域を備えた筐体を含むマルチコアリチウムイオン電池が記載されている。支持部材が密封筐体のリチウムイオンセル領域内に配設されており、支持部材は複数のキャビティを含み、それぞれのキャビティは、共用の空気領域に対して開放されている端部を有する。アノードおよびカソードをそれぞれが有しており、複数のキャビティのうちの対応する１つの内部に配設されている複数のリチウムイオンコア部材が提供され、アノードおよびカソードが、キャビティの開放端部により共用の空気領域に曝露されており、アノードおよびカソードが、これらの長手方向に沿ってキャビティによって実質的に囲繞されている。支持部材は、運動エネルギー吸収材料を含んでもよい。この運動エネルギー吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミックおよびプラスチックのうちの１つから形成されている。
【００５２】
別の態様において、リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つとキャビティのうちの対応する１つの表面との間にそれぞれが配置されている、複数のキャビティライナーが存在する。キャビティライナーは、プラスチックまたはアルミニウム材料から形成され得る。複数のキャビティライナーは、モノリシックライナー部材の一部として形成され得る。電解質は、コアのそれぞれの内部に含有されており、電解質は、難燃剤、ガス発生剤および酸化還元シャトルのうちの少なくとも１つを含むことができる。それぞれのリチウムイオンコア部材が、アノード、カソードおよびそれぞれのアノードとそれぞれのカソードとの間に配設されているセパレータを含む。筐体内部にある電気コネクタであって、コア部材を密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させる電気コネクタが存在している。この電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーが、筐体の外部にある端子の正極端子部材にコア部材のアノードを相互接続させ、第２のバスバーが、筐体の外部にある端子の負極端子部材にコア部材のカソードを相互接続させる。
【００５３】
さらに別の態様において、コア部材は並列に接続されている、またはコア部材は直列に接続されている。代替として、コア部材の第１のセットが並列に接続されており、コア部材の第２のセットが並列に接続されており、コア部材の第１のセットがコア部材の第２のセットと直列に接続されている。
【００５４】
別の実施形態において、リチウムイオン電池が記載されており、この電池は密封筐体および密封筐体内に配設されている少なくとも１つのリチウムイオンコア部材を含む。リチウムイオンコア部材は、アノードおよびカソードを含み、カソードは、化合物ＡからＭまでの群から選択される少なくとも２つの化合物を含む。リチウムイオンコア部材が１つだけしか存在しないことがある。密封筐体はポリマーバッグであってもよく、または密封筐体は金属キャニスタであってもよい。それぞれのカソードは、化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＬおよびＭの群から選択される少なくとも２つの化合物を含むことができ、表面改質剤をさらに含むことがある。それぞれのカソードは、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、ＧおよびＬの群から選択される少なくとも２つの化合物を含むことができる。電池は、４．２Ｖより高い電圧に充電することができる。それぞれのアノードは、カーボンおよびグラファイトのうちの１つを含むことができる。それぞれのアノードは、Ｓｉを含むことができる。
【００５５】
さらに別の実施形態において、密封筐体および密封筐体内に配設されている少なくとも１つのリチウムイオンコア部材を有する、リチウムイオン電池が記載されている。リチウムイオンコア部材は、アノードおよびカソードを含む。筐体内部にある電気コネクタは、少なくとも１つのコア部材を密封筐体の外部にある電気端子に電気的に接続させており、電気コネクタは、既定電流を超過すると電気コネクタを通る電流の流れを中断するための手段／メカニズム／構造を含む。この電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーが、筐体の外部にある端子の正極端子部材にコア部材のアノードを相互接続させ、第２のバスバーが、筐体の外部にある端子の負極端子部材にコア部材のカソードを相互接続させる。この電気コネクタは、第１のバスバータブにそれぞれのアノードを電気的に接続させるため、および／または第２のバスバーにそれぞれのカソードを電気的に接続させるためのタブをさらに含んでもよく、それぞれのタブは、既定電流を超過するとそれぞれのタブを通る電流の流れを中断するための手段／メカニズム／構造を含む。既定電流を超過するとヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために、第１のバスバーは、アノード間の相互接続が第１のバスバーに近接したそれぞれの位置にヒューズ素子を含んでもよく、第２のバスバーは、カソード間の相互接続が第２のバスバーに近接したそれぞれの位置にヒューズ素子を含んでもよい。
【００５６】
本開示は、とりわけ、例えば、熱／温度条件を管理することにより、ならびに潜在的な熱暴走条件の可能性および／または規模を低下させることにより、電池の安全性および／または安定性に寄与する、有利な吸熱機能を備えた材料を含む、リチウムイオン電池をさらに提供する。本開示の例示的な実施において、吸熱材料／システムは、無機のガス発生吸熱材料を組み込んだセラミックマトリックスを含む。本開示の吸熱材料／システムは、以下により詳細に記載されている通り、様々な方法および様々なレベルで、リチウム電池に組み込まれ得る。
【００５７】
使用の際に、本開示の吸熱材料／システムは、温度が所定のレベル、例えば、正常な動作に伴う最大レベルを超えて上昇した場合、吸熱材料／システムが、熱暴走の可能性を防止および／または最小化するために、１つ以上の機能をもたらすように働くよう、動作する。例えば、本開示の吸熱材料／システムは、以下の機能：（ｉ）断熱（特に、高温）、（ｉｉ）エネルギー吸収、（ｉｉｉ）吸熱材料／システムに関連する吸熱反応の全部または一部に由来する生成ガスの通気、（ｉｖ）電池構造体内部の全圧の上昇、（ｖ）吸熱材料／システムに関連する吸熱反応中の、生成ガスの通気による、電池システムから吸収された熱の除去、および／または（ｖｉ）毒性ガス（存在する場合）の希釈、および電池システムからの安全な追い出し（全部または一部）の１つ以上を有利にもたらすことができる。吸熱反応に関連する通気ガスは、電解質ガスを希釈して、電解質ガスに関連する発火点および／または可燃性を延期または無くす機会をもたらすことがさらに留意される。
【００５８】
本開示の吸熱材料／システムの断熱特性は、これらをリチウムイオン電池システムに適用する様々な段階において、これらの特性を組み合わせるのに有利である。作製された状態において、吸熱材料／システムは、小さな温度上昇中または熱事象の初期区分の間に断熱をもたらす。これらの比較的低い温度において、絶縁機能は、熱エネルギーをサーマルマス全体にゆっくりと拡散するように伝導を制限しながら、発生熱を含有するよう働く。これらの低い温度において、吸熱材料／システム材料は、任意の吸熱性ガス発生反応を受けないよう選択および／または設計される。これにより、全体として絶縁および／またはリチウムイオン電池にいかなる恒久的な損傷も引き起こすことなく、温度逸脱を可能にする時間枠をもたらす。リチウムイオン型の貯蔵装置の場合、逸脱または最低レベルの上昇として伴う一般的な範囲は、６０℃から２００℃の間である。明記した温度範囲において吸熱反応に抵抗する無機吸熱材料／システムの選択によって、所望の高温で第２の吸熱機能を開始するリチウムイオン電池が提供され得る。したがって、本開示によれば、本開示の吸熱材料／システムに関連する吸熱反応は、６０℃から２００℃をかなり超える温度範囲において、最初に開始されることが一般に望ましい。本開示による使用のための例示的な吸熱材料／システムには、以下に限定されないが、以下が含まれる。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
これらの吸熱材料は、通常、可能性として、他の炭酸塩または硫酸塩を組み合わせた、ヒドロキシル成分または含水成分を含有する。代替的な材料は、無水炭酸塩、硫酸塩およびリン酸塩を含む。一般的な例は、５０℃を超えると分解して炭酸ナトリウム、二酸化炭素および水を与える、炭酸水素ナトリウムである。リチウムイオン電池に関連する熱事象が、選択された吸熱ガス発生材料の吸熱反応に関する活性化温度超の温度上昇をもたらす場合、本開示の吸熱材料／システム材料は、熱エネルギーの吸収を有利にも開始し、これにより、リチウムイオン電池システムへの冷却と断熱の両方を実現する。可能なエネルギー吸収量は、配合物に組み込まれている吸熱ガス発生材料の量およびタイプ、ならびにリチウムイオン電池内部のエネルギー発生源に対する吸熱材料／システムの全体的な設計／位置取りに一般に依存する。所与の用途向けの吸熱材料／システムの正確な添加量およびタイプは、絶縁材料が捕捉された残留熱をエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池のサーマルマス全体に伝導するのを可能にする程に熱吸収が十分にあるように、絶縁材料と協力して働くよう選択される。制御されてサーマルマス全体に熱を分布することにより、隣接セルの温度は、決定的な分解温度または発火温度未満に維持され得る。しかし、絶縁材料による熱流が大きすぎる場合、すなわち、エネルギー伝導が閾値レベルを超過する場合、総じてサーマルマスが蓄えた熱を消散することが可能となる前に、隣接セルが分解温度または発火温度に到達する。
【００６１】
これらのパラメータを念頭において、本開示に関連する絶縁材料は、９００℃を超える温度に到達し得るリチウムイオン電池システムの場合の典型的な熱事象の温度範囲全体にわたる、過度な収縮に対して熱的に安定となるよう、設計および／または選択される。この絶縁に関連する要件は、広範囲に収縮し、３００℃超の温度において発火する、低融点のガラスファイバー、炭素ファイバーまたは充填材に基づく多数の絶縁材料とは対照的である。本開示の材料は膨張圧に持ちこたえるための装置部品の設計を必要としないので、この絶縁に関連する要件は、本明細書において開示されている絶縁機能と膨張性材料とをやはり区別する。したがって、相変化材料を使用する他のエネルギー貯蔵絶縁システムとは異なり、本開示の吸熱材料／システムは有機物ではなく、それ故に、高温において酸素に曝露した場合でも、燃焼しない。さらに、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池システムから熱を除去しならびにいかなる毒性ガスも希釈するという二重の目的を伴う、本開示の吸熱材料／システムによるガスの発生は、特に、熱暴走条件の制御および／または回避において有利である。
【００６２】
例示的な実施形態によれば、本開示の吸熱材料／システムは、それらが使用されるエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池への機械的強度および安定性を望ましいことに実現する。本開示の吸熱材料／システムは、高多孔性、すなわち、材料がわずかに圧縮可能となることを可能にする多孔性を有することができる。これは、部品が一緒に圧入され得るので、組み立て中に有益となることができ、これにより、非常にしっかりと保持された包装となる。これは、ひいては、自動車、航空宇宙および産業の環境にとって望ましい、振動耐性および耐衝撃性をもたらす。
【００６３】
注目すべきは、本開示の吸熱材料／システムの機械特性は、吸熱反応が開始される十分な規模の熱事象が起こる場合、一般に変化する。例えば、吸熱反応に伴うガスの発生は、吸熱材料／システムが最初に組み立てられた圧を維持する機械的能力を低下させることがある。しかし、この規模の熱事象を受けたエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池は、一般的に、もはや使用には適しておらず、したがって、機械特性の変化は、大部分の用途にとって許容され得る。本開示の例示的な実施によれば、吸熱反応に伴う発生ガスは、多孔性絶縁マトリックスに残る。
【００６４】
開示された吸熱ガス発生性吸熱材料／システムによる生成ガスは、（以下に限定されないが）、ＣＯ２、Ｈ２Ｏおよび／またはこれらの組合せを含む。これらのガスの発生は、一連の後続のおよび／または関連する機能をもたらす。第１に、上限の正常動作温度と、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池が未制御の放電／熱暴走を起こし易い温度よりも高い閾値温度との間のガス発生は、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池用の通気システムを強制的に開放させる手段として、有利に機能することができる。
【００６５】
ガスの発生は、熱事象中に発生されたいかなる毒性および／または腐食性蒸気を部分的に希釈するよう働くことができる。通気システムが一旦、活性化すると、放出されたガスはまた、通気システムから装置の外に出て行くので、熱エネルギーを運ぶ働きもする。本開示の吸熱材料／システムによるガスの発生はまた、いかなる毒性ガスも通気システムからエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池の外に強制的に排出させる一助となる。さらに、熱暴走中に形成されたいかなるガスも希釈することによって、ガスが発火する可能性が低減される。
【００６６】
本吸熱材料／システムは、様々な方法および様々なレベルにおいて、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池システムの一部として組み込まれ得るおよび／または実施され得る。例えば、本開示の吸熱材料／システムは、乾燥成形、真空成形、溶浸および直接注入のような方法によって組み込まれ得る。さらに、本開示の吸熱材料／システムは、所望の温度／エネルギー制御機能をもたらすよう、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池内部の１つ以上の位置に配置され得る。
【００６７】
開示されたエネルギー貯蔵システムおよび方法のさらなる有利な特徴、機能および実施は、特に、添付の図面と併せて一読すると、以下に記載されている例示的な実施形態の記載から明白となる。
【００６８】
本開示のシステムおよび方法は、以下に続く、単に非限定例として示されている記載を、図面を参照して一読するとよりよく理解される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】本開示による、マルチコアリチウムイオン電池の分解斜視図である。
【図１Ｂ】本開示による、マルチコアリチウムイオン電池の断面図である。
【図１Ｃ】本開示による、支持部材の例示的なエネルギー吸収材料の応力−ひずみプロットである。
【図１Ｄ】本開示による、マルチコアリチウムイオン電池の別の実施形態の断面図である。
【図２】本開示による、複数の支持部材構成を上から見た図である。
【図３】本開示による、マルチコアリチウムイオン電池の別の実施形態の斜視図である。
【図４】本開示による、楕円形と円筒形の混成キャビティを有する支持部材の別の実施形態の斜視図である。
【図５】本開示による、角柱形巻取り型および積層型コア部材の斜視図である。
【図６Ａ】本開示による、並列／直列接続されたマルチコアリチウムイオン電池を示す図である。
【図６Ｂ】本開示による、並列／直列接続されたマルチコアリチウムイオン電池の斜視図である。
【図７Ａ】本開示による、筐体の鶏卵箱形状の壁の断面図である。
【図７Ｂ】鶏卵箱形状の壁に機械的衝撃を与えている間の、本開示による筐体の上記の壁の断面図である。
【図８】本開示によるゼリーロールを広げた図である。
【図９】本開示による、非コーティング領域を有するアノードおよびカソードを広げた図である。
【図１０Ａ】本開示によるＣｕ  ＮＢＢおよびＡｌ  ＰＢＢを備えたマルチコア組立体を直接見た図である。
【図１０Ｂ】本開示によるＣｕ  ＮＢＢおよびＡｌ  ＰＢＢを備えたマルチコア組立体を側面の上から見た図である。
【図１１】Ａｌケースの底部壁に溶接されているＡｌ  ＰＢＢを備えた例示的な実施形態における、マルチコアＬｉイオン組立体の断面図である。
【図１２】Ａｌスリーブの壁に溶接されているＡｌ  ＰＢＢを備えた別の例示的な実施形態における、マルチコアＬｉイオン組立体の断面図である。
【図１３Ａ】ゼリーロール用のハウジングを備えた別の例示的な実施形態におけるマルチコアＬｉイオン組立体の断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの例示的なハウジングを側面の上から見た図である。
【図１４Ａ】本開示によるＣｕ  ＮＢＢおよびＡｌ  ＰＢＢを備えたシングルコア組立体の別の例示的な実施形態を直接見た図である。
【図１４Ｂ】本開示による、シングルコアＬｉイオン組立体の別の例示的な実施形態の断面図である。
【図１４Ｃ】本開示による、シングルコアＬｉイオン組立体のＣｕ  ＮＢＢを上から見た図である。
【図１５Ａ】実施例２に記載されているマルチコアＬｉイオン組立体の斜視断面図である。
【図１５Ｂ】比較例２に記載されているマルチコアＬｉイオン組立体の斜視断面図である。
【図１６Ａ】実施例３に記載されているシングルコアＬｉイオン組立体の斜視断面図である。
【図１６Ｂ】比較例３に記載されているシングルコアＬｉイオン組立体の斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
図１Ａおよび図１Ｂにおいて、ゼリーロールコア構造および円筒形状を有する、リチウムイオンコア部材１０２ａ−ｊのマルチコア（ＭＣ）アレイ１００を示している。様々な形状およびサイズのイオンコア部材が、本開示に関連して使用されてもよく、ある種の例示的な形状およびサイズが以下に記載されている。コア部材１０２ａ−ｊのそれぞれのカソードに接続されている導電性タブ１０４のセット、およびコア部材１０２ａ−ｊのそれぞれのアノードに接続されている導電性タブ１０６のセットが存在する。タブ１０４はカソードバスバー１０８にも接続されており、タブ１０６はアノードバスバー１１０に接続されている。カソードタブ１０４およびアノードタブ１０６は、スポット溶接またはレーザー溶接技法を使用して、バスバー１０８、１１０に溶接されている。バスバー１０８、１１０はそれぞれ、ＭＣ筐体１１６の外部の負極端子１１２および正極端子１１４に相互接続されている。この構成において、イオンコア部材１０２ａ−ｊのすべてが並列に接続されているが、これらは、直列に接続されてもよく、または当業者にとって明らかな他の構成で接続されてもよい。
【００７１】
図１ＢのＭＣ筐体１１６は、密閉封止されている。筐体１１６の一部または隔離部分となり得る支持構造１２０は、イオンコア部材が十分に隔離されて格納され得るように構築されて、この結果、充電および放電反応中の膨張が制限されて、これによって個々のイオンコア部材の機械的相互作用を防止することができる。好ましくは、筐体１１６は、プラスチックまたはセラミック材料から作製されているが、金属からも作製され得る。金属が使用される場合、鋼の露出は好ましいものではなく、任意の鋼製容器は、ニッケルのような不活性金属を用いてコーティングされることが必要となる。好ましい金属はアルミニウム、ニッケルまたは使用される化学物質に対して不活性な他の金属である。化学的および電気化学的環境に対して不活性である限り、多くのタイプのプラスチックおよびセラミック。プラスチックおよびセラミックの例は、ポリプロピレン、ポリエチレン、アルミナ、ジルコニアである。筐体１１６は、火炎が筐体の内部に達することを防止するために、筐体の外部に取り付けられた難燃メッシュを含むことができる。
【００７２】
筐体１１６内部において、リチウムイオンコア領域１１８中に、セラミック、ポリプロピレン、ポリエチレンのようなプラスチック、またはアルミニウム発泡体のような他の材料から作製され得る電気的に絶縁されている支持部材１２０が存在する。支持部材１２０は、衝撃が発生した際に、損傷からコア部材を保護するために、十分に変形可能／圧縮可能でなければならない。加えて、電池の充電および放電中に熱を分散させて均一な温度分布を作り出すことによって、および内部短絡が引き起こす１つのコア部材の熱暴走のような最悪の不具合中に熱を発散させることによって、熱伝導性が用途の要求に応えることが望ましい。適切な熱分散特性により、コア間のカスケード的な暴走の機会が制限される。コア部材の誤用中に電解質が排出される場合、支持部材は、支持部材中で制約され得る、電解質に対して吸収性を示すこともできる。
【００７３】
変形可能な運動エネルギー吸収性支持部材１２０は、より広い領域に及ぶ衝撃負荷を分配して、それぞれのコア部材１０２ａ−ｊにおける局所変形量を低減させて、これによって電気短絡回路となる可能性を低減するので、例示的実施において望ましい。運動エネルギー吸収材料の例は、アルミニウム発泡体、プラスチック発泡体のような発泡体、多孔性セラミック構造体、ハニカム構造体または他の開放構造体、ファイバー充填樹脂およびフェノール材料である。プラスチック材料および樹脂材料用のファイバー充填材の例は、グラスファイバーまたはカーボンファイバーであってもよい。エネルギー吸収材を含有するアルミニウムの例は、開気孔または独立気孔を有するアルミニウム発泡体、アルミニウムハニカム構造体、ならびにＡｌｔｕｃｏｒｅ（商標）およびＣｒａｓｈＬｉｔｅ（商標）材料のような設計材料である。支持部材が、衝撃、衝突または他の機械的誤用中に崩壊すると、内部で短絡が機械的に誘発されることを回避するために、コアが、可能な限り貫通から保護されることが重要である。これにより、より安全な構造体が作り出される。
【００７４】
エネルギー吸収材は、長い距離にわたり比較的一定の応力で圧縮または屈曲することによって、および反発しないことによって、運動機械的エネルギーを一般に吸収する材料のクラスである。ばねが、いくらか類似の機能を果たすが、これらは反発し、したがって、これらはエネルギー貯蔵装置であり、エネルギー吸収材ではない。図１Ｃの１５０を参照すると、加えられる応力が、運動エネルギー吸収材料の「クラッシュプラトー（ｃｒｕｓｈ  ｐｌａｔｅａｕ）」を超過すると、エネルギー吸収材が、材料のひずみの約５０−７０％までほぼ一定の応力で圧縮し始める。この応力／ひずみ曲線の拡張区域は、理想的なエネルギー吸収材の挙動を規定する。この領域において、曲線下面積が、応力×ひずみの積、すなわち「仕事量」を表す。支持部材１２０のような、有限サイズのエネルギー吸収材料の実際のブロックにおいて、これは、以下の通り示される。
【００７５】
力×変位
力（ポンド）×変位（フィート）＝仕事量（フィートポンド）
および
仕事量（フィートポンド）＝運動エネルギー（フィートポンド）
と理解されたい。
【００７６】
支持部材１２０を圧縮するためになされる仕事量は、支持部材１２０に衝撃を与え得る質量の運動エネルギーに等しい。当業者に明らかな通り、適切な厚さおよび圧縮強度を用いて設計された場合、支持部材１２０は、例えば電動自動車の衝突における、電池への衝撃の運動エネルギーのすべてを吸収することができる運動エネルギー吸収材料から作製され得る。最も重要なことは、支持部材１２０中の積み荷、すなわちリチウムイオンコア部材１０２ａ−ｊは、材料の破砕強度（以下に定義する。）よりも強い力に決して遭遇しないことである。したがって、制御された距離にかかる一定の力による衝撃物体のエネルギーを吸収することによって、保護された構造体、すなわちリチウムイオンコア部材１０２ａ−ｊは、潜在的な最悪の結果を伴って、物体が構造体に直接衝撃を与えた場合に起こる、集中的な高エネルギー／高い衝撃力に耐える必要がないということになる。
【００７７】
エネルギー吸収材料から作製される構造体に負荷が加えられると、このエネルギー吸収材料は、最初にヤング率の式に従って弾性的に曲がる。しかし、図１Ｃの１５２のＡｌ発泡体のこの特定の例において、約４−６％のひずみで、構造サイズに応じて、比較的一定の応力で連続的に座屈して崩壊を始める。材料の最初の相対密度に応じて、この一定の崩壊が、図１Ｃの１５４のように、このＡｌ発泡体材料の場合、ひずみの約５０−７０％まで進む。この点で、エネルギー吸収材料が「高密度化」相に入ると、応力／ひずみ曲線の上昇が始まる。弾性変形相から塑性変形相に材料が遷移する、応力／ひずみ曲線におけるこの点が、材料の「破砕強度」を定義する。
【００７８】
４−６％の遷移と５０−７０％のひずみ（材料の可能なひずみ値の約４５−６５％に及ぶ）との間の、長い、比較的平らな曲線の区域が、いわゆる「クラッシュプラトー」である。この運動エネルギー吸収材料の特有な特性が、運搬される積み荷を保護しながら、材料が衝撃物体の運動エネルギーを吸収するのに非常に役立たせるようにする。
【００７９】
コア部材をさらに保護するために、金属、セラミックまたはプラスチックから作製される円筒形材料が、図１Ａのスリーブ１２１として、コア構造体の周囲に追加されてもよい。このスリーブは、ライナー材料の外側に個々のコアを直接、囲繞するように追加され得る、または支持部材中のキャビティ構造体の内部に適用され得る。これにより、鋭利な物体がコアを貫通するのを防止する。１つのスリーブしか図に示されていないが、スリーブがコア部材ごとに含まれることが容易に理解される。
【００８０】
支持部材１２０が、図１Ｄに示されている通り、代替として、充填材料１６２を含有する開放領域１６０を用いて設計され得る。充填材料の例は、中空または高密度であってもよい不規則または規則的な形状の媒体である。中空媒体の例は、様々な圧力で圧縮されることができ、衝突保護用のエネルギー吸収材として機能する目的を有する、金属、セラミックおよびプラスチックの球体である。具体例は、アルミニウム中空球体、アルミナまたはジルコニアのセラミック磨砕性媒体およびポリマー中空球体である。
【００８１】
１つのコアが誤用中に熱暴走を受ける場合、支持部材１２０はまた、支持部材全体を通して急速に熱を伝達させる、および電池全体に均等に熱を分配させる、またはコア間の熱曝露を制限するよう、最適化され得る。より高い安全性以外に、これは、最大動作温度を制限することによって電池寿命を増大させ、電池が熱管理を全く行わないまたは積極的に行わなくてもよいようにすることができる。最も重要なことは、支持部材１２０の熱特性は、材料の最適化された熱伝導特性および火炎伝播を分断する能力により、不具合のあるコア部材から他のコア部材への不具合の伝播を防止するための一助となる。この材料は吸収性もあるので、最悪の不具合の深刻度を低減する一助となり得る材料中に漏出する電解質を吸収することができる。
【００８２】
支持部材１２０は、ａ）イオンコア部材１０２ａ−ｊの分配が安全性と高エネルギー密度の両方のためにＭＣ電池を最適化することを可能にすること、ｂ）同時冷却を可能にしながら、イオンコア部材１０２ａ−ｊの急速な熱伝播を阻止すること、ｃ）イオンコア部材１０２ａ−ｊおよび反応性化学物質のための衝突保護および衝撃吸収構造体を用意すること、およびｄ）広く認知されている、火炎阻止による耐火性材料の使用によって上記電池の安全性を総合的に高める。
【００８３】
円筒形キャビティ１２２は、１つのキャビティあたり１つのコアで、リチウムイオンコア部材１０２ａ−ｉを収容するための支持部材１２０中で形成されている。この構成において、円筒形キャビティ１２２は、リチウムイオンコア部材１０２の直径よりわずかに大きい直径を有する開口部１２６を有する。開口部１２６は、筐体１１６内部の共用の空気領域１２８に面して曝露されている。個々のより小さい（活性なコア部材間の密封を気密にした缶またはポリマーバッグのような）筐体を有することなく、コア部材のアノード／カソードも、共用の環境領域１２８に直接、曝露している。缶状のコア部材をなくすことが製造コストを削減するだけではなく、安全性も高まる。コア部材の不具合および結果として起こる火災の事象において、排出されるガスは共用の環境領域１２８を占めることができ、この領域は、典型的な個々の「缶状」コア部材に利用可能な容積よりもかなり大きな容積を提供する。缶状コア部材の圧力上昇に伴い、本発明を用いた場合よりも爆発が起こり易く、本発明は、占有するガスに対してより大きな容積を提供し、したがって圧力の上昇を低減する。加えて、缶は、通常、本発明の構造体よりもかなり高い圧力で破裂し得、本発明の場合の不具合様式はより穏やかになる。
【００８４】
それぞれのキャビティ１２２内部に、薄いキャビティライナー１２４が置かれており、このキャビティライナーは支持部材１２０とリチウムイオンコア部材１０２ａ−ｉとの間に配置されている。通常、すべてのキャビティライナー（この場合、キャビティ数に対応する１０個）が、モノリシックキャビティライナー部材１２４‘の一部として形成されている。このライナーは、ポリプロピレン、ポリエチレンまたは電解質に対して化学的に不活性な他のプラスチックのいずれかから好ましくは作製される。このライナーは、セラミックまたは金属材料からも作製され得るが、これらはコストがより高く好ましいものではない。しかし、支持部材が導電性である場合、ライナーは、コア部材を支持部材から電気的に隔離するように電気的に絶縁していなければならない。このキャビティライナーは、複数の理由のため重要である。第１に、キャビティライナーは、湿潤性があり電解質不浸透性である。第２に、キャビティライナーは、鎮火することができる難燃剤を含むことができ、第３に、キャビティライナーにより、容易に封止可能なプラスチック材料が密閉封止内部に電解質を含有することが可能になる。
【００８５】
製造中に、キャビティ１２２が、同時に電解質で充填され、次いで、連続製造過程中に同時に形成され、容量の等級化が行われ得る。形成過程はセルを一定電圧、通常、４．２Ｖに充電することからなり、次いで、１２−４８時間、この電位においてセルを留めておく。容量の等級化は、充電／放電過程の間に行われ、セルは、２．５Ｖのような低電圧まで十分に放電され、次いで、通常、４．２−４．５Ｖの範囲において最高電圧まで充電され、続いて、再度放電され、この際に容量が記録される。充電／放電過程における非効率性により、正確な容量の等級化を得るために、複数の充電／放電サイクルが必要とされ得る。
【００８６】
キャビティライナーは、コアと滑合するため、精密で一貫した電解質の量をそれぞれのコア部材に導入することを可能にする。充填を完遂する１つの方式は、筐体１１６中の穴を介するものであり、この筐体は、次に、電解質がキャビティに導入されて加工された後に充填されて密封される。約３Ａｈの容量を有するゼリーロールタイプのコア部材は、密度および周囲の多孔性材料に応じて、約４−８ｇの電解質を必要とする。ゼリーロール全体が、乾燥エリアが全く許容されないで、ロール全体に均等に湿潤するように、電解質の充填が行われる。それぞれのコア部材は、変動が０．５ｇ以内、さらにより好ましくは０．１ｇ以内、またさらにより好ましくは０．０５ｇ以内の、コアごとに等量の電解質を有することが好ましい。この変動は、電解質の総量により調整し、通常、コア１つあたり電解質の総量の５％未満、またはさらにより好ましくは、＜１％である。真空中に組立体を置くと、この充填過程の一助となり、電極を完全で均等に湿潤するために極めて重大である。
【００８７】
支持部材１２０中のキャビティ１２２のサイズ、間隔、形状および数は、コア部材１０２間の不具合の伝播を軽減するような、上記の安全性の特徴を依然として達成しながらも、電池の望ましい動作特性を実現するように調整されて最適化され得る。
【００８８】
図２に示されている通り、支持部材２２０ａ−ｈは、好ましくは７個から１１個の範囲の異なるキャビティ数を有してもよく、支持部材２２０ｄおよび２２０ｈの場合と同様に、異なるサイズのキャビティを有する支持部材を含めて、異なる構成を有してもよい。キャビティ数は、常に、２個より多く、支持部材の幾何学的形状およびゼリーロールのサイズによるもの以外、特に上限はない。キャビティの実際的な数は、通常、２個から３０個の間である。支持部材２２０ｆと同様に、キャビティは均一に分配され得、またはキャビティは支持部材２２０ｇの場合と同様に、交差配列され得る。キャビティの直径、および図示されている支持部材２２０ａ−ｈのそれぞれに対するキャビティに挿入され得るコア部材の直径も図２に示されている。加えて、構成ごとの容量がアンペア時（Ａｈ）で示されている。
【００８９】
同様に、異なる形状のキャビティおよびコア部材が使用され得る。図３に示されている通り、支持部材３２０は、同様の形状のコア部材３０２を収容するための楕円形状を有するキャビティ３２２を含む。図４において、支持部材４２０は、同様の形状のコア部材（図示せず。）を収容するための楕円形キャビティ４２２および円筒形キャビティ４０２の混成体を有する。
【００９０】
図５において、本発明に適したコア部材５０２ａの別の形状が示されている。これは、ゼリーロール構造であるが、先に記載されている円筒形または楕円形よりもむしろ角柱形状を有する。このコア部材は、アノード５３０ａ、カソード５３２ａおよび電気絶縁セパレータ５３４ａを含む。先の図面において図示されていないが、それぞれのコア部材は、アノードとカソードとの間にセパレータを含む。コア部材５０２ｂは角柱形状でもあるが、積層型構成が使用され、アノード５３０ｂ、カソード５３２ｂおよびセパレータ５３４ｂを含む。
【００９１】
これまで、コア部材は、並列に電気接続されて示されているが、これらが、直列に、または並列接続と直列接続との組合せで接続されていてもよい。図６に示されている通り、挿入されたゼリーロールコア部材６０２と共に支持部材６２０（アルミニウム発泡体またはポリマー発泡体から作製される。）が存在する。明瞭化のために、バスバーに接続しているコア部材へのタブは示されていないが、存在している。電池の負極端子コネクタ６４０は、低電圧バスバー６４２に電気接続されている。電池正極端子コネクタ６４４は、高電圧バスバー６４６に電気接続されている。隣接ブロックバスバー６４８および６５０は、それぞれのコア部材をこれらのそれぞれの列で並列接続している。それぞれのバスバー６４２、６４４、６４８および６５０は、コア部材の反対側に相補的バスバーを有するが、示されていない。並列バスバーの各々は、３つの接続バー６５２を介して個々に直列に接続されており、これにより直列電気経路を可能にしている。検知ケーブル６５４ａ−６５４ｅは、それぞれの電気的に一意の位置に配置されており、これにより、直列システムにおいて、並列に連接されているゼリーロール電圧点のそれぞれにかかる電圧レベルの検出を可能にしている。これらのワイヤは、充電および放電中、コア部材を充電と同じ状態に保つよう、平衡電流を供給するためにも使用され得、接点６５６を介して供給部に接続されている。セル平衡システムの当業者は、直列接続されているコアを有する本発明のユニット内部のこうした接続の目的を認識する。
【００９２】
図６Ｂは、支持部材３２０を格納する筐体６１６を示している。筐体６１６は、超音波溶接により密閉封止されているプラスチックの蓋６５８およびボックス６６０からなる。蓋６５８の側面の反対側にある筐体６１６の端部に、検知用接点６５６を通る供給部が存在する。電池負極端子コネクタ６４０および電池正極端子コネクタ６４４が、蓋６５８から延在している。コネクタ検知用接点の位置に関する様々な配列が、当業者によって実現され得ること、やはりまた異なる直列配列または並列配列のセルが本発明の目的のために使用され得ることが理解され得る。
【００９３】
金属の蓋の場合、蓋はレーザー溶接のような溶接方法を用いて閉じられ、プラスチックの場合、接着剤（グルー）が使用され得、または熱溶接法もしくは超音波溶接法、またはこれらの任意の組合せが使用され得る。これにより、適切に封止されたＭＣ電池が提供される。ゼリーロールは、筐体内部において並列または直列に接続されている。
【００９４】
フィードスルー、検知、電力、圧力などのすべてが、密閉封止される必要がある。この密閉封止は、約１気圧以上、やはりまた真空の内部圧力、好ましくは１．２気圧より高い内部圧力に耐えるべきである。通気孔もまた容器に格納されて、封止を可能にするよりも低い内部圧力に設定され得る。
【００９５】
平衡および検知能力を実現する別の方式は、個々のコア部材の正極端子および負極端子のそれぞれからの外部リードを提供して、容器の外部のコネクタを個々のコア部材のそれぞれに接続可能にする、個々のコネクタを有することである。平衡回路は、電圧の不均衡または一連のセルの充電の状態を検出し、当業者に公知の能動平衡の受動（ｐａｓｓｉｖｅ  ｏｆ  ａｃｔｉｖｅ  ｂａｌａｎｃｉｎｇ）の手段を提供する。接続用リードは、電池から電力を供給するためにセルから電流を導く手段を提供する端子から隔離されており、通常、セルが１つの容器内部で直列に接続されている場合にしか使用されない。検知用リードが、検知回路を介して、個々のゼリーロールを通る出力電流が流れるのを回避するために、容器の外側に、任意選択的にヒューズが取り付けられ得る。
【００９６】
筐体１１６、６１６は、筐体に対する機械的衝撃時に、筐体の外部でＭＣ電池が短絡され得るように、図７Ａの鶏卵箱形状壁７００を用いて構成され得る。アルミニウムから作製されている壁７００の鶏卵箱形状部分７０２が、（衝撃前に）ポリエチレンプラスチックから作製されている非導電性材料の板７０４に接している。アルミニウムまたは他の導電性材料から作製されている第２の板７０６は、プラスチック板７０４よりも下に設置されている。鶏卵箱形状の材料７０２は、ＭＣ電池の負極または正極のどちらかに接続されており、他の導電性板７０６が反対の極に接続されている。激突におけるような、壁への衝撃、釘刺しまたは異常圧力時に、この鶏卵箱形状壁７０２が圧縮し、この結果、プラスチック板７０４が貫通されて、外部接点７０８ａ−ｄにおいて導電性板７０６と接触するようになり（図７Ｂ）、ＭＣ電池における外部電気短絡回路を作り出す。
【００９７】
個々のコア部材は、上記の通り、内部バスバーによって、通常、接続されている。時として、バスバー共通コネクタは、ワイヤまたはプラスチックによりコーティングされているワイヤであってもよい。上記のコネクタは、銅、アルミニウムまたはニッケルのような中実金属とすることもできる。このバスバーは、複数のコア部材を直列または並列に接続し、マルチコア部材構造体における電流をコネクタに伝達する能力を有しており、これにより、マルチコアアレイへの外部接続を可能にしている。外部バスバーの場合、それぞれのゼリーロールから筐体を通るコネクタを介した個々の給電が必要とされる。
【００９８】
使用されるバスバーが内部か外部かにかかわらず、これらはコア部材間のヒューズを提供するために構築され得る。これは、一定の電流を伝送するだけのために、またはコア部材をバスバーに接続するタブサイズを制限することによって、バスバーの横断面が制限される領域を作り出すことを含めた、様々な方式で達成され得る。これらのバスバーまたはタブは、１つの打抜き部品もしくは他の金属形成技法において、またはヒューズ配列を使用してバスバーを分割したものを接続する第２の部分を使用することによって構築され得る。例えば、銅製のバスバーの長方形の２つの横断面領域が使用される場合、１０個のコア部材のうちアノードタブおよびカソードタブが、バスバーによってそれぞれに接続されており、それぞれのバスバーは、１０ｍｍ２の横断表面積を有し、バスバー上の少なくとも１つの領域が、バスバーの残りに比べて、狭い表面積を有するように製作され得る。これにより、溶断（ｆｕｓｉｎｇ）が起こり電流を伝送する容量が制限される場所が提供される。このヒューズ領域は、バスバーの１つ以上の場所であってもよく、好ましくはそれぞれのコア部材の間であってもよいが、多数のセルの場合、中間位置が最も効率的である。外部短絡が起こる場合、このヒューズは、コア部材の熱を制限し、熱暴走を潜在的に回避する。製造欠陥または釘刺しのような、コア部材に貫通してセルへの内部短絡を引き起こす誤用事象中の外部貫通のどちらによる、コア部材中の内部短絡の場合、このヒューズ配列が、他の並列コアに対するコアの機能障害を遮断することによって、内部短絡に伝送される電流量を制限することができる。
【００９９】
筐体内側の空間は、発泡体、またはコア部材に対する衝撃を軽減することが可能な他の構造体のような衝撃吸収材料を用いて充填され、これによって内部短絡のリスクをさらに低減することができる。この高耐久化は、内部の内容物の自己振動周波数を筐体側にシフトさせる手段も提供し、衝撃および震動および機械的寿命に対する耐性の向上を実現することができる。充填材料は、セルの熱暴走中に上昇するまたは同じ熱暴走中に溶融する恐れのある、いずれの火炎も消火することを可能にする難燃性材料を好ましくは含有するべきであり、これによって、過剰な熱に対処して、セルの熱を制限する。これにより、最悪事象の場合の安全性が増大する。難燃剤の例は、Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓにより刊行されたＰｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋのような公開工学文献およびハンドブックにおいて見いだされることができ、またはＵＳ５，１９８，４７３に記載されている通りである。ポリウレタン発泡体の他に、エポキシ発泡体またはグラスファイバーウールおよび同様の非化学的もしくは電気化学的活性材料も、筐体内側の空間中の充填材料として使用され得る。特に、中空もしくは高密度の球体またはプラスチック、金属もしくはセラミックから作製されている不規則形状の微粒子が、低コスト充填材として使用され得る。中空球体の場合、これらは、マルチコアセルの衝突シナリオ中のエネルギー吸収用の追加手段を提供する。特殊な場合、支持部材はアルミニウム発泡体である。別の特殊な場合、支持部材は、アルミニウム密度が１０から２５％の間の高密度アルミニウム発泡体である。さらに別の特殊な場合、アルミニウム発泡体の細孔は、１ｍｍ未満の平均直径を有する。さらなる例示的な実施において、以下により詳細に記載されている通り、吸熱材料／システムを筐体の内側に空間を組み込む、またはそうでない場合、この空間とつながっているのが有利となり得る。
【０１００】
ＭＣ電池が並列に配列されたコア部材しか有していない場合、コア部材は、電力に最適化された１つ以上のコア部材およびエネルギーに最適化された１つ以上のコア部材を含有することができる。別の特殊な場合、ＭＣ電池は、ある種の材料を使用するアノードまたはカソードを備えたいくつかのコア部材、および様々な材料を使用したアノードおよびカソードを利用した他のコア部材を有することができる。さらに別の特殊な例において、アノードまたはカソードは、異なる厚さの電極を有することができる。電極の厚さ、カソードもしくはアノードの活性材料または電極配合物を変えた任意の組合せが、電池のエネルギー対出力比の要求に応える目的で、並列につなげて組み合わされ得る。いくつかのコア部材は、急激な出力パルスに耐えるように構成され得る一方、他のコア部材は、高エネルギー含有量を有しつつも、高エネルギー貯蔵向けに最適化され得、こうして高出力パルスに対処することができる電池を提供することができる。しかし、コア部材が、選択された化学的性質の場合の電圧窓において、化学的安定性をもたらすよう、電気化学的に適合される化学的性質を有することが重要である。
【０１０１】
例えば、４．２Ｖの上位電位が使用され、約２Ｖから２．５Ｖの下位電位が使用される限り、ＬｉＣｏＯ２カソードは、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏｏ．１５Ａｌ０．０５Ｏ２カソードと適合することができるが、電位が４．２Ｖを超えると、例えば４．３Ｖになると、例えば、マグネシウムがドープされているＬｉＣｏＯ２材料は、ＮＣＡ材料がより高い電圧において劣化するので、ＮＣＡ材料と適合しないはずである。しかし、後者の例において、２つの材料が、上位電位が４．２Ｖに制限される限り、混合され得る。正しい電圧範囲においてブレンドされたカソード材料を使用することが本発明の目的であり、本発明者は、高エネルギーまたは高電力に特に有用なある種の組合せを見いだし、これ以降、本説明において詳述する。
【０１０２】
電力およびエネルギーの最適化は、導電性を向上するためにより導電度の高い添加剤を使用するなどの、電極配合物を調整することによって、または異なる厚さの電極を使用することによって行われ得る。さらに、エネルギーコアは、一式の活性材料（カソードおよびアノード）および電力コアの別のタイプの材料を有することができる。この方法を使用する場合、分解を回避するよう、材料が、２．５Ｖ−４．２Ｖ、または高電圧の組合せの場合、２．５Ｖ−４．５Ｖのような電圧範囲に適合していることが好ましい。高位電圧は、Ｌｉイオンマルチコア電池において、４．２Ｖを超えるものとして特徴づけられ、通常、隔離されているコア部材あたり５Ｖ未満である。
【０１０３】
以下は、本発明に関連して使用され得るアノード、カソード、セパレータおよび電解質の記載である。
【０１０４】
アノード
これらのコア部材のアノードは、一般に、グラファイト、ドープされたカーボン、ハードカーボン、アモルファスカーボン、シリコン（カーボンを含むシリコンナノ粒子またはＳｉピラーまたは分散シリコンのような）、スズ、スズ合金、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｌｉ、金属箔基板上に蒸着されたＬｉ、Ｌｉを含むＳｉ、グラファイト中のＬｉ金属粉末中に混合したもの、チタン酸リチウムおよびこれらの任意の混合物のような、Ｌｉイオン電池またはＬｉポリマー電池において一般に見られるもの、および文献中に記載されているものである。アノードの供給業者には、例えば、Ｍｏｒｇａｎ  Ｃａｒｂｏｎ、日立化成、日本カーボン、ＢＴＲ  Ｅｎｅｒｇｙ、ＪＦＥケミカル、Ｓｈａｎｓｈａｎ、Ｔａｉｗａｎ  Ｓｔｅｅｌ、大阪ガス、Ｃｏｎｏｃｏ、ＦＭＣリチウム、三菱化学が含まれる。本発明は、いずれかの特定のアノード化合物に限定されない。
【０１０５】
カソード
ゼリーロールに使用されるカソードは、一般に、この業界の標準品であるもの、やはりまた、以下により詳細に記載されているいくつかの新規高電圧混合物である。これらの新規カソードは、ＭＣ構造または単一セル電池において使用されることができ、この場合、アノード／カソード構造が、密封金属キャニスタまたは密封ポリマーバッグ中に含有される。この産業に利用可能なカソード材料は豊富であるので、本明細書におけるそれぞれの材料群に関する材料のクラスは、「化合物」と呼ばれる。それぞれの化合物は、広範な組成を有することができ、結晶構造、化学組成、電圧範囲の適性または材料組成および勾配の変化の類似性により、分類される。適した個々の材料の例は、ＬｉｘＣｏＯ２（化合物Ａと呼ばれる。）、ＬｉｘＭｚＣｏｗＯ２（化合物Ｂ、式中、ＭはＭｇ、ＴｉおよびＡｌから選択され、結晶格子中、ＣｏまたはＬｉを一部、置換しており、Ｚ＝０−５％の範囲で加えられ、通常、Ｗは１に近く、４．２Ｖより高い充電に適している。）、ＬｉｘＮｉａＭｎｂＣｏｃＯ２（特に、約ａ＝ｌ／３、ｂ＝ｌ／３、ｃ＝ｌ／３の組合せ（化合物Ｃ）およびａ＝０．５、ｂ＝０．３、ｃ＝０．２（化合物Ｄ）、およびこのＭｇ置換化合物（どちらも、化合物Ｅに分類される。））である。
【０１０６】
別の例は、ＬｉｘＮｉｄＣｏｅＡｌｆＯ２（化合物Ｆ）およびこのＭｇ置換誘導体ＬｉｘＭｇｙＮｉｄＣｏｅＡｌｆＯ２（化合物Ｇ）であり、式中、特殊な場合、ｄ＝０．８、ｅ＝０．１５、ｆ＝０．０５であるが、ｄ、ｅおよびｆは、数パーセントで変化することができ、ｙは、０から０．０５の間の範囲である。個々のカソード材料のさらに別の例は、ＬｉｘＦｅＰＯ４（化合物Ｈ）、ＬｉｘＣｏＰＯ４（化合物Ｉ）、ＬｉＭｎＰＯ４（化合物Ｊ）およびＬｉｘＭｎ２Ｏ４（化合物Ｋ）である。これらの化合物のすべてにおいて、過剰なリチウムが、通常、見られる（ｘ＞ｌ）が、Ｘは約０．９から１．１まで変化し得る。４．２Ｖを超えて充電される場合、高容量を有する、高電圧に特に適した材料のクラスは、例えば、Ｔｈａｃｋｅｒａｙらによる米国特許第７，３５８，００９号において記載されており、ＢＡＳＦおよびＴＯＤＡから市販されている、いわゆる二重層化材料（化合物Ｌ）である。
【０１０７】
Ｔｈａｃｋｅｒａｙにより最初に記載された化合物は、４．２Ｖを超える電圧において安定に作製され得る。これらのカソードの一部は、４．２Ｖを超える高電圧（アノードとしてグラファイトを使用した標準的な最高電圧）において安定しており、これらの材料は、好ましくは混合され得る。上記の材料の１つが本発明において使用され得るが、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｉ、ＪおよびＬから選択される材料化合物のうち２つ以上を混合することが好ましい。特に、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、ＧおよびＬの２つ以上の成分の混合が好ましい。非常に高いエネルギー密度構成の場合、（ＢとＬ）または（ＢとＧ）または（ＧとＬ）の混合が最も有益であり、これらが薄膜電極として作製されると、やはり高出力が実現され得る。薄膜（出力）および厚膜（エネルギー）電極は、同じ適した電圧範囲および化学的性質を有しながらも、エネルギー対出力比の要求に応えるためにコア部材に差し込むことができる。
【０１０８】
特定の新規カソード、いわゆるコアシェル勾配（ＣＳＧ）材料（化合物Ｍと呼ばれる。）は、このシェルと比較してこのコアにおいて異なる組成を有する。例えば、ｘＬｉ［Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１］Ｏ２（ｌ−ｘ）Ｌｉ［Ｎｉ０．４６Ｃｏ０．２３Ｍｎ０．３１］Ｏ２および別のＭ型化合物としての「ＣＳＧ材料」（コアシェル勾配）のような、製品パンフレット中の化合物Ｍ材料を記載している、Ｅｃｏｐｒｏ（ウエブサイトｗｗｗ．ｅｃｏｐｒｏ．ｃｏ．ｋｒまたは日付が２０１０−１０−０１現在の、ｈｔｔｐ：／／ｅｃｏｐｒｏ．ｃｏ．ｋｒ／ｘｅ／？ｍｉｄ＝ｅｍｅｎｕ３１）または特許公開番号ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００１７２９は、Ｙ−Ｋ  ＳｕｎによりＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ  ５５巻、２８号、８６２１−８６２７頁にも記載されており、Ｍ型化合物の第３の記載は、Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ８巻（２００９年）、３２０−３２４頁（ＹＫ  Ｓｕｎらによる論文）において見いだすことができ、この論文は、類似組成物のＣＳＧ材料であるが、式Ｂｕｌｋ＝Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１Ｏ２、勾配濃度＝Ｌｉ（Ｎｉ０．８−ｘＣｏ０．１＋ｙＭｎ０．１＋ｚ（式中、０≦ｘ≦０．３４、０≦ｙ≦０．１３および０≦ｚ≦０．２１である。）、および表面層＝Ｌｉ（Ｎｉ０．４６Ｃｏ０．２３Ｍｎ０．３１）Ｏ２であるものを記載している。さらなる記載は、ＷＯ２０１２／０１１７８５Ａ２に見いだされることができ、Ｌｉｘ１［Ｎｉｌ−ｙｌ−ｚｌ−ｗＣｏｙ１ＭｎｚｌＭｗｌ］Ｏ２（上の式中、０．９≦ｘｌ≦１．３、０．１≦ｙｌ≦０．３、０．０≦ｚｌ≦０．３、０≦ｗｌ≦０．１であり、Ｍが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｐ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｒ、ＧｅおよびＳｎから選択される、少なくとも１つの金属である。）として記載されている化合物Ｍの異形体、および化合物Ｌｉｘ２［Ｎｉｌ−ｙ２−ｚ２−ｗ２Ｃｏｙ２Ｍｎｚ２ＭＷ２］Ｏ２（外郭（ｅｘｔｅｒｉｏｒ）の式において、０．９≦ｘ２≦ｌ＋ｚ２、０≦ｙ２≦０．３３、０≦ｚ２≦０．５、０≦ｗ２≦０．１であり、Ｍが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｐ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｒ、ＧｅおよびＳｎから選択される少なくとも１つの金属である。）を含む外郭部の製造を記載している。化合物Ｍの異形体の４つのすべての範囲が、本開示の様々な態様において使用される化合物Ｍに関する参照により、本明細書に組み込まれる。
【０１０９】
Ｍ化合物が、約１であるが、数パーセント以内で変わり得るＬｉ含有量をさらに有することができること、およびＬｉまたはＮｉ／Ｍｎ／Ｃｏ化合物が、最適化によってＭｇ、Ａｌおよび第１列遷移金属により置換され得ることが好ましく、上記の１つ以上のこれらのＭ化合物と化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｌとをブレンドすることが好ましい。コアの化合物Ｍ材料は、最大９０％のニッケル、最低５％のコバルトおよび最大４０％のＭｎを含有することができ、次いで、この勾配は、これらの境界組成のうちの１つから始まり、最低１０％のＮｉ、９０％のコバルトおよび５０％のＭｎまでとなる。
【０１１０】
一般に、高出力は、アノードおよびカソード用に、本発明の範囲内に記載されている化合物またはブレンドの薄膜電極を使用することによって実現され得る。厚膜電極は、アルミニウム箔からの電極コーティング層の厚さを測定する場合、通常、厚さ６０μｍより厚く最大約２００μｍまでと考えられる一方、層薄電極（すなわち、６０μｍ未満）は、高出力Ｌｉイオン電池構成にとって、より良好である。通常、高出力の場合、電極を一層の導電性にするため、一層多くのカーボンブラック添加剤がこの電極配合物に使用される。カソード化合物は、Ｕｍｉｃｏｒｅ、ＢＡＳＦ、戸田工業、エコプロ、日亜、ＭＧＬ、Ｓｈａｎｓｈａｎおよび三菱化学のようないくつかの材料供給業者から購入され得る。化合物Ｍは、エコプロから入手可能であり、（ｘＬｉ［Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１］Ｏ２（ｌ−ｘ）Ｌｉ［Ｎｉ０．４６Ｃｏ０．２３Ｍｎ０．３１］Ｏ２］のような）ＣＳＧ材料として上記の会社の製品パンフレットに記載されており、別のＭタイプの化合物もＹ−Ｋ  ＳｕｎによりＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ、５５巻、２８号、８６２１−８６２７頁に記載されており、これらはすべて、上記の化合物と好ましくは混合され得る。
【０１１１】
２つ以上の化合物として高電圧のカソードにブレンドされた化合物Ａ−Ｍは、表面改質剤により好ましくはコーティングされ得る。表面改質剤が使用される場合、必須ではないが、それぞれの化合物が同一の表面改質剤を用いてコーティングされることが好ましい。表面改質剤は、カソード混合物の第１のサイクル効率およびレート特性を増大させる一助となる。表面改質材料を施用することにより、有用な寿命も改善される。表面改質剤の例は、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３のような金属フッ化物、金属リン酸塩ＡｌＰＯ４およびＣｏＰＯ４である。こうした表面改質化合物は、先の文献［Ｊ．Ｌｉｕら、Ｊ．ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２０巻（２０１０年）３９６１−３９６７頁、ＳＴ  Ｍｙｕｎｇら、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １７巻（２００５年）３６９５−３７０４頁、Ｓ．Ｔ．Ｍｙｕｎｇら、Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ１１１巻（２００７年）４０６１−４０６７頁、ＳＴ  Ｍｙｕｎｇら、Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ１１５４巻（２０１０年）４７１０−４７１８頁、ＢＣ  Ｐａｒｋら、Ｊ．ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １７８巻（２００８年）８２６−８３１頁、Ｊ．Ｃｈｏら、Ｊ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １５１巻（２００４年）Ａ１７０７−Ａ１７１１頁］に記載されているが、ブレンドされた４．２Ｖより高い電圧のカソードと併せて報告されたものはまったくない。特に、４．２Ｖを超える作動のために表面改質化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＬおよびＭをブレンドするのが有益である。
【０１１２】
カソード材料は、バインダおよびケッチェンブラックのようなカーボンブラックまたは他の導電性添加剤と共に混合される。Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）は、通常、バインダを溶解するために使用され、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）は、Ｌｉイオン用の好ましいバインダである一方、Ｌｉポリマータイプは、他のバインダを有することができる。カソードのスラリーが混合されて安定した粘度になり、当分野において周知である。上記の化合物Ａ−Ｍおよびこれらのブレンドは、本明細書において、ときには、「カソード活性材料」とまとめて呼ばれる。同様に、アノード化合物は、アノード活性材料と呼ばれる。
【０１１３】
カソード電極は、例えば、約９４％のカソード活性材料および約２％のカーボンブラックおよび３％のＰＶＤＦバインダで、上記の化合物Ａ−Ｍのブレンドまたは個々の化合物のようなカソード化合物を混合することによって製作され得る。カーボンブラックは、ケッチェンブラック、スーパーＰ、アセチレンブラックおよび、ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ、ＴｉｍｃａｌおよびＣａｂｏｔを含めた複数の供給業者から入手可能な他の導電性添加剤であってもよい。スラリーは、ＮＭＰ溶媒を用いてこれらの成分を混合することによって作製され、次いで、このスラリーは、約２０マイクロメートルの厚さのアルミニウム箔の両側にコーティングされ、望ましい厚さおよび面積重量で約１００−１３０℃において乾燥される。次いで、この電極は、ロールによって望ましい厚さおよび密度にカレンダー加工される。
【０１１４】
アノードも同様に調製されるが、グラファイトの場合、約９４−９６％のアノード活性材料が、通常、使用される一方、ＰＶＤＦバインダは４％となる。時として、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）バインダがＣＭＣと混合されたカソードに使用され、この場合、約９８％のアノード活性材料という相対量の高いバインダのタイプが、通常、使用され得る。レート特性を増大させるため、アノード用にカーボンブラックが時として使用され得る。アノードは、約１０マイクロメートルの銅箔上にコーティングされ得る。
【０１１５】
当業者であれば、機能電極向けに、上記の組成物を混合することを容易に可能となる。
【０１１６】
充電および放電中の電極の膨張を制限するために、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）およびカーボンからなるファイバー材料が、任意選択的に電極配合物に添加され得る。他の膨張技法は、電極配合物において、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ΖｒＯ２またはＡｌ２Ｏ３のような不活発なセラミック微粒子を使用する。一般に、カソードの密度は、３から４ｇ／ｃｍ３の間であり、好ましくは３．６から３．８ｇ／ｃｍ３の間であり、グラファイトアノードは、１．４から１．９ｇ／ｃｍ３であり、好ましくは１．６から１．８ｇ／ｃｍ３であり、これは押圧によって実現される。
【０１１７】
セパレータ
セパレータは、アノード電極とカソード電極との間に挿入される電気絶縁膜の形態を一般にとり、Ｌｉイオンの高い透過性、ならびに高い引張り強度および高い横方向の強度および高い貫通強度を有するべきである。細孔サイズは、通常、０．０１から１マイクロメートルの間であり、厚さは５マイクロメートルから５０マイクロメートルの間である。ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはＰＰ／ＰＥ／ＰＰ構造のような不織布ポリオレフィンのシートが、通常、使用される。通常、Ａｌ２Ｏ３からなるセラミックが、加熱時の収縮を改善するため、および内部短絡に対する保護を改善するために膜上に塗布され得る。カソードまたはアノードも、セラミックを用いて同様にコーティングされ得る。セパレータは、Ｃｅｌｇａｒｄ、ＳＫ、宇部興産、旭化成、東燃／エクソンおよびダブルスコープを含めたこの産業における複数の供給業者から入手され得る。
【０１１８】
電解質
電解質は、溶媒および塩を含む業界において、通常、見いだされる。溶媒は、ＤＥＣ（炭酸ジエチル）、ＥＣ（エチレンカーボネート）、ＥＭＣ（エチルメチルカーボネート）、ＰＣ（プロピレンカーボネート）、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）、１，３ジオキソラン、ＥＡ（酢酸エチル）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）から、通常、選択される。塩は、電解質において使用される化合物を含有する、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、硫黄またはイミドから選択され、ＬｉＣＦＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２またはＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ（１：１：１の比）および１Ｍ  ＬｉＰＦ６のようなプレミックス電解質にＳＯ２を通気することによる簡単なスルホン化物（ｓｕｌｆｏｎａｔｉｏｎ）を含む。他の塩は、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサレートボレート）、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート）、ＴＥＭＡＢＦ４（トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート）である。ＢＰ（ビフェニル）、ＦＥＣ、ピリジン、亜リン酸トリエチル、トリエタノールアミン、エチレンジアミン、六リン酸トリアミド、硫黄、ＰＳ（プロピレンサルファイト）、ＥＳ（エチレンサルファイト）、ＴＰＰ（リン酸トリフェニル）、アンモニウム塩、四塩化炭素または三フッ化エチレンのようなハロゲン含有溶媒および高温貯蔵特性を改善するためのＣＯ２ガスを含めた、効果的なＳＥＩ形成、ガス生成、難燃特性または酸化還元シャトリング能のための添加剤も使用され得る。ゲル電解質をもたらすよう、固体／ゲルまたはポリマー電解質の場合、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ、ＥＭＩＴＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩ、ＰＥＯ、ＰＡＮ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、これらポリマーの任意のブレンドが他の電解質成分と共に使用され得る。電解質の供給業者は、Ｃｈｅｉｌ、宇部興産、三菱化学、ＢＡＳＦ、富山、Ｇｕｏｔｓａ−ＨｕａｓｏｎｇおよびＮｏｖｏｌｙｔｅを含む。
【０１１９】
超キャパシタ（電気化学二重層を有するもの）と標準Ｌｉイオン電池との両方に働く電解質が存在する。これらの電解質の場合、１つ以上の超キャパシタコアが筐体中の１つ以上の標準のＬｉイオンコア部材と混合されて、この結果、超キャパシタ成分が出力作用剤として、およびＬｉイオンコア部材がエネルギーハーベスティング剤として働くことができる。
【実施例】
【０１２０】
実施例１
この実施例において、図１に示されたＭＣ電池構成と同様であるが半分の数のコア部材のみを有する態様にして、２つの共通のバスバー（正極用および負極用）に並列に接続されている、５つで１セットの円筒形状のゼリーロール型コア部材。負極コネクタは、ゼリーロールのアノード箔（銅）から延在するタブに接続されており、コーティング付きグラファイト電極を有しており、ならびに、ゼリーロールのカソード箔（アルミニウム）への正極コネクタは、化合物Ｍおよび化合物Ｆの配合酸化物電極構造を有する。ニッケルから作り上げられたアノードタブおよびアルミニウムから作製されたカソードタブが、スポット溶接技法またはレーザー溶接技法を使用してバスバーに溶接されている。筐体および支持部材は、プラスチック材料（ポリエチレン）から作製されている。この例の場合、１８ｍｍの直径を有する円筒形キャビティおよびわずかにより小さな直径（１７．９ｍｍ）を有するゼリーロールコア部材が、使用されていた。筐体およびフタは、プラスチック材料から作製されているが、この筐体とフタとは、超音波溶接されて一緒になっており、これにより、気密が創出されている。別の筐体およびフタの例は、アルミニウムから作製することができ、構造を貫通する通気孔と端子とが組み込まれ、アノードバスバーおよびカソードバスバーをセル上の正極端子および負極端子に接続した状態にする。
【０１２１】
当業者ならば、上述のようにコア部材の特性を選択および変更して、高エネルギーコアまたは高出力コアを達成することができる。下記に示された表は、３つの実施例を概説しているが、上述した５つのコア部材の例は、コア組成物が異なっており、達成され得るＭＣ電池の特性も異なる。この実施例において、図１に示されたＭＣ電池構成と同様であるが半分の数のコア部材のみを有する態様にして、２つの共通のバスバー（正極用および負極用）に並列に接続されている、５つで１セットの円筒形状のゼリーロール型コア部材。負極コネクタは、ゼリーロールのアノード箔（銅）から延在するタブに接続されており、コーティング付きグラファイト電極を有しており、ならびに、ゼリーロールのカソード箔（アルミニウム）への正極コネクタは、化合物Ｍおよび化合物Ｆの配合酸化物電極構造を有する。ニッケルから作り上げられたアノードタブおよびアルミニウムから作製されたカソードタブが、スポット溶接技法またはレーザー溶接技法を使用してバスバーに溶接されている。筐体および支持部材は、プラスチック材料（ポリエチレン）から作製されている。この例の場合、１８ｍｍの直径を有する円筒形キャビティおよびわずかにより小さな直径（１７．９ｍｍ）を有するゼリーロールコア部材が、使用されていた。筐体およびフタは、プラスチック材料から作製されているが、この筐体とフタとは、超音波溶接されて一緒になっており、これにより、気密が創出されている。
【０１２２】
当業者ならば、上述のようにコア部材の特性を選択および変更して、高エネルギーコアまたは高出力コアを達成することができる。下記に示された表（表２）は、３つの実施例を概説しているが、上述した５つのコア部材例のコア組成物が異なっており、達成され得るＭＣ電池の特性も異なる。
【０１２３】
【表２】
2020170711.tif 000004
【０１２４】
本開示は、例えば熱／温度条件を管理し、潜在的な熱暴走条件の見込みおよび／または規模を低減することにより、電池の安全性および／または安定性に寄与する有利な吸熱機能を提供する材料を特に含む、有利なエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池実装をさらに提供する。
【０１２５】
比較を目的する場合、ガス発生吸熱材料なしの従来の絶縁体に関する熱暴走中の性能は、本開示の吸熱材料を有する絶縁体に関する熱暴走中の性能より顕著に劣っている。リチウムイオン貯蔵装置の場合、２００℃−２５０℃の温度範囲は、熱暴走が開始する危険性があると考えられる。
【０１２６】
・  本開示による吸熱材料を含む絶縁体［呼称はＭ１  −  下記の表３も参照されたい。］；および
・  吸熱材料なしの絶縁体［呼称はＭ２  −  真空成形して熱接合されたボード］
内に格納されているそれぞれ六つ（６つ）の５Ａｈ型Ｌｉイオンセルを含む、メンテナンスフリーな電池構築体の比較試験において、単一セルを損傷させて、暴走を誘起し、この単一セルおよび隣接したセルの温度を測定した。下記の表３の結果が、得られた。
【０１２７】
【表３】
2020170711.tif 000005
【０１２８】
上記結果は、本開示の吸熱材料の組み入れの結果としての
・  損傷した（インシデント）セルの最大温度の顕著な低下（２５％）；および
・  隣接セルの最大温度の劇的な低下（６０％以上）
を明瞭に実証している。
【０１２９】
吸熱材料を用いた場合、隣接セルは、２００℃よりはるかに低く維持されていたが、吸熱材料なしの場合、隣接セルの温度は、２００℃に近いまたは２００℃を超過したことには、留意すべきである。
【０１３０】
本開示の絶縁用材料は一般に、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池の正常動作温度よりも高いが加熱による熱暴走をもたらしやすい所定の温度よりも低い温度においてオフガス発生を起こすように選択される無機吸熱材料と組み合わせた、セラミック絶縁用マトリックスを含有する。
【０１３１】
本開示の例示的な実施形態によれば、吸熱材料の量は、０より高いが、熱伝達効果およびガス希釈効果を提供するのに効果的な量である。１重量％の低さのガス発生吸熱材料でも、装置設計によっては効果的であり得るが、通常、より多い量が必要および／または所望される。
【０１３２】
通常、セラミックマトリックスと吸熱材料との比は、重量で１：１９から９：１の範囲にあり得、好ましくは重量で１：９から６：４の範囲にあり得る。代替的な相対的レベルも、所望の機能がエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池の内部に達成されることを条件にして、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく実装することができる。
【０１３３】
セラミックマトリックスは通常、無機ファイバーおよび結合材を含むが、粒状物質を含んでもよい。粒状物質は、本質的に微孔性であり得るが、ヒュームドセラミック、乳白剤およびこれらの混合物を含んでもよい。結合材は、液体結合材、乾燥結合材または液体結合材と乾燥結合材との両方を含んでもよく、無機、有機または無機と有機の両方であり得る。乳白剤も存在し得るが、製品形態に応じて、吸熱材料／システムは、成分として水または他の溶媒を含んでもよい。
【０１３４】
典型的であるが非限定的な配合物が、下記の表４において記述されており、
【０１３５】
【表４】
2020170711.tif 000006
【０１３６】
上記において名称を挙げられた成分は、組成物の６０％超、７０％超、８０％超または９０％超に達する。成分の比率は、製品形態に応じて変動し得る。
【０１３７】
無機ファイバーは一般に、構造的強度と絶縁特性とを提供し、高温における収縮を防止するように機能する。ファイバーが付与する構造的強度は、絶縁材料が、正常動作中または熱事象中に過剰な割れを起こし得る曲げ応力を耐え切ることを可能にする。ファイバーが有機物または純粋な炭素を主体としていないため、ファイバーは燃焼せず、したがって、発熱発生に寄与しない。９００℃未満の温度、すなわち、熱事象中にしばしば達成される温度において燃焼または溶融するファイバーと異なり、高温に逸脱している間、上記ファイバーは耐火性が理由となって一般に、マトリックスを一緒にして保持するように働く。本開示に従って利用され得るファイバーは、セラミックファイバー、Ｅガラスファイバー、Ｓガラスファイバー、多結晶性ファイバー、含リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ）ファイバー、浸出シリカ（ｌｅａｃｈｅｄ  ｓｉｌｉｃａ）ファイバー、石英ファイバーまたはジルコニアファイバーを含む。設計基準よっては、無機ファイバーは存在しなくてもよいが、通常、３％以上の量において存在する。
【０１３８】
微孔性絶縁用材料は通常、微孔性絶縁用材料が対流によるガスの平均自由行程を妨害する一方で、粒子どうしの接触箇所を最小化することによって伝導もまた最小化するほどに細孔サイズが小さい、無機酸化物を含む。微孔性材料のために活用される通常の材料は、セラミック酸化物粉末、例えば、ヒュームドシリカ、ヒュームドアルミナ、ヒュームドジルコニアまたはこれらの混合物である。本開示の例示的な実装のために必要な微孔性材料の量は一般に、エネルギー貯蔵／電池組立体の性質に応じる。本開示によれば、微孔性材料は、０％（すなわち、存在しない）から、最大６０％の微孔性材料を用いる実施形態までの範囲のレベルにおいて、本開示の吸熱材料／システム内に含まれ得る。微孔性成分の目的は一般に、外側に向かって流動していく熱流束が、この熱流束が、影響下のセルの外側にあるいかなる箇所も熱による発火点より高くまで引き上げることなく、伝導によって組立体の全体にわたって運搬され得るのに十分なほど低くなるレベルにまで、影響下のセルを絶縁することである。例えば、エネルギー貯蔵装置／電池の全体的な設計が、十分に絶縁されている比較的小型のセルを含む場合および／またはエネルギー貯蔵装置／電池が、比較的低いエネルギー容量により特徴づけられる場合、存在するとしても非常にわずかな微孔性材料しか、必要とされないであろう。このような状況下において、セラミックファイバーマトリックス材料の絶縁特性は、十分であり得る。しかしながら、絶縁されたセルが高レベルの潜在的な熱エネルギーを含有する場合、比較的多い量の微孔性材料が、隣接したセルが発火温度超に上昇できないようにする一方で、温度が十分に高くなったら吸熱材料が反応し、エネルギーを吸収する時間も提供するために必要であることおよび／または望ましいこともあり得る。
【０１３９】
乳白剤は、温度が輻射熱のレベルにまで上昇する熱異常条件中の絶縁用材料の性能を改良し得る、成分である。乳白剤の必要性は一般に、微孔性成分に関する上記記述と同様のエネルギー貯蔵装置／電池の熱放出特性に依存する。熱事象中の温度が、輻射熱温度に到達するほど十分に高い場合、乳白剤は、発生した何らかの輻射熱の緩やかな伝達を補助する。上記用途において、微孔性材料、ファイバーマトリックスまたはこれらの組合せのいずれもが、自力による輻射熱の移送に対して効果的でない。一般的な乳白剤材料は、ＴｉＯ２、ケイ素、アルミナ、クレー（乳白剤と結合材の両方として機能し得る）、ＳｉＣおよび重金属酸化物を含む。これらの乳白剤は、熱事象中に正常動作温度においてまたはより低い温度においてさえも、本開示に従っていかなる機能も提供しない。乳白剤は、コストが高く、非常に高密度であり、したがって、貯蔵装置／電池に重量を加算する傾向がある。エネルギー貯蔵ユニット／電池の設計および熱事象中の熱放出の性質に応じて、乳白剤の添加の範囲は、一般に、０パーセントから３０パーセントまでの範囲にある。
【０１４０】
吸熱材料成分は、本開示の例示的な実施形態に従って顕著な利益を提供する。大部分のエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池が、６０℃以下において十分に機能することは、公知である。本開示の吸熱材料／本開示のシステムは一般に、それぞれの吸熱反応を、上記の６０℃以下という温度よりも高いが、好ましくは、吸熱材料／システムが熱事象中に発生した熱エネルギーの吸収を、このような熱事象の最初の瞬間に開始して、影響下のセルおよび隣接したセル内の温度上昇を最小化することができるのに十分なほど低いときに開始するように、設計および／または選択される。正常動作温度超において設定されたレベルを超過した際、吸熱材料が熱を吸収し、ガスを発生させる。発生ガスは、熱を希釈、中和および運び去るように働く。さらに、突発的な熱の発生も、エネルギー貯蔵装置内の通気孔に通気操作を開始するように合図し、または開始させるために使用することができる。必要とされるまたは所望される吸熱材料の量は一般に、絶縁用材料成分の残り部分の装置構成、エネルギー密度および熱伝導性に依存する。７６重量％以上のガス発生吸熱材料を用いる吸熱材料／システムが想定されているが、異なる比および／または範囲も、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく利用され得る。
【０１４１】
ガス発生吸熱材料の量はまた、所望の体積のガス発生を達成するように調節することもできるが、種類の選択を用いて、吸熱的ガス発生が起きるべき温度を設定することができる。高絶縁システムでは、より高い温度が所望され得るが、システムを絶縁する度合いが減じた際には、より低い温度が、隣接セル内の温度が臨界発火温度に到達することを防止するために必要とされ得る。要件を満たすであろう通常の無機吸熱材料は、限定するわけではないが、下記の吸熱材料が挙げられる：
【０１４２】
【表５】
2020170711.tif 000007
【０１４３】
上記のように、これらの吸熱材料は通常、他の炭酸塩または硫酸塩と組み合わせられている可能性もある、ヒドロキシルまたは含水成分を含有する。代替的な材料は、無水炭酸塩、硫酸塩およびリン酸塩を含む。一般的な例は、５０℃超において分解して、炭酸ナトリウム、二酸化炭素および水を与える、重炭酸ナトリウムであろう。
【０１４４】
本開示の別の実施形態において、電気化学的マルチコア組立体内のゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットは、ハウジング内に設置してもよく（例えば、添付の仮特許出願の図６中のハウジング２０を参照されたい。）、個々のゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットは、格納器材料または格納器材料の組合せによって隔てられている。市販の密閉型ゼリーロールユニットの例は、Ｓａｎｙｏ、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ、Ｓｏｎｙ、Ｓａｍｓｕｎｇ、ＬＧ、Ｂｏｓｔｏｎ−Ｐｏｗｅｒおよびその他多数の会社から入手可能な１８６５０型Ｌｉイオンセル、１８３７６５型Ｌｉイオンセル、２６６５０型Ｌｉイオンセルおよび他の種類のＬｉイオンセルである。ゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットのそれぞれは、ハウジング材料によって部分的にまたは完全に囲繞されている。ハウジングを使用する目的の１つは、熱的酷使の際のゼリーロール間の熱伝搬を遅延させることにより、安全性を高めることである。ハウジングの別の目的は、いくつかの機械的故障を挙げるだけでも構造への衝撃エネルギー、外的貫通、振動損傷の防止によってハウジングなしの場合に生み出される損傷を吸収しておくことにより、ゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットを機械的に保護することである。ハウジングは、異なる構成およびフォーマットを有し得る。ハウジングは、個々のゼリーロールが円筒形の穴内に保持され得る、１つのブロック状になった円筒形の穴であり得る。ハウジングは、ゼリーロールを隔て、ゼリーロールを所定位置に保持し、何らかの機械的な支持を提供するようにゼリーロール間に挿入されているまたは個々のゼリーロールを包んでいる、板、織物型パッドまたはメッシュであり得る。ハウジング材料は、アルミニウム発泡体、ニッケル発泡体およびステンレス鋼発泡体のような金属発泡体であり得る。これらの金属発泡体の供給業者は、ＣｙｍａｔおよびＥＲＧが挙げられる。ハウジング材料はまた、アルミナ、ケイ酸塩主体型セラミックおよびＺｒＯ２等のような固体セラミック、多孔性セラミックまたは微孔性セラミックであり得る。材料の供給業者は、ＥＲＧ、ＣｅｒａｍａＴｅｃ、Ｍｏｒｇａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｓａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ、ＺｉｒｃａｒおよびＣｏｏｒｓが挙げられる。特定の材料は、限定するわけではないが、下記の取扱業者：材料種類を含む；ＣｅｒａｍＴｅｃ：多孔性Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２複合材料（Ｖ３８アルミナ）：９６％のＡｌ２Ｏ３；ＺＩＲＣＡＲ  ＣＥＲＡＭＩＣＳ：微孔性ＳｉＯ２−ＳｉＣ複合材料（ＭＩＣＲＯＳＩＬ）：ＳｉＯ２：８５％、ＳｉＣ：１５％；Ｍｏｒｇａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ：微孔性セラミック（Ｍｉｎ−Ｋ、ＢＴＵ−ＢＬＯＣＫおよびＫａｏｗｏｏ）：Ｋａｏｗｏｏ：Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２；Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ：微孔性セラミック（ＭｉｃｒｏＣｅｌｌ）：ＭｉｃｒｏＣｅｌｌ  Ｓ：Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２１０％−３５％、その他５５％；Ｉｎｄｕｃｅｒａｍｉｃ：多孔性セラミック（ＴＣ１２５０、ＴＣ１６００およびＴＣ１７５０）：Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２複合材料（ＴＣ１２５０中のＡｌ２Ｏ３：４５％、ＴＣ１６００中：７２％およ��ＴＣ１７５０中で９６％）。ハウジング材料はさらに、Ａｌ、ステンレス鋼、Ｎｉ、グラファイトおよび炭素複合材料のような金属および炭素材料であり得る。さらに、ハウジング材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンおよびプロピレンコポリマーおよびＴｅｆｌｏｎのようなポリマー材料であり得る。本発明の一実施形態において、少なくとも１つの熱吸収剤が、複合材料型ハウジング材料を形成するためにハウジング材料中に組み込まれる。この熱吸収剤は、複合材料としてのハウジング材料の中を通るように配置することもできるし、ハウジング材料の細孔内に配置することもできるし、または、材料ハウジングの内部のポケット内に配置することもできる。熱吸収剤は、化学反応または物理的変態により、高温を有するゼリーロールから熱を特定の転移温度において吸収する。化学式熱吸収材料の一例は、重炭酸ナトリウムである。温度が５０℃超である場合、化学式熱吸収材料は、吸熱分解して、炭酸ナトリウム、二酸化炭素および水になる。
【０１４５】
本開示のさらなる例示的な実施形態において、複数の吸熱材料が、同じエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池内に組み込まれており、成分吸熱材料は、それぞれの吸熱反応を異なる温度において開始する。例えば、重炭酸ナトリウムは、本開示による二重応答型吸熱材料／システムを提供するためにＡｌ（ＯＨ）３［ＡＴＨ（アルミニウム三水和物）としても公知である］と組み合わせてもよい。上述の例示的な実装において、重炭酸ナトリウムは、５０℃よりわずかに高いときにエネルギーの吸収およびガスの発生を開始すると予期され得るが、ＡＴＨは、システム温度がおよそ１８０℃−２００℃に到達するまで、エネルギーの吸収およびガスの発生を開始しないであろう。したがって、吸熱材料は、単一の材料または吸熱材料の混合物であり得ることが、本開示に従って厳密に想定されている。
【０１４６】
一部の材料が１つより多い分解温度を有することには、留意すべきである。例えば、２２０℃−２４０℃の範囲において始まる分解温度を有すると上記で言及されているハイドロマグネサイトは、段階的に分解し、すなわち、最初に約２２０℃において結晶水の放出によって分解し、次いで約３３０℃において水酸化物イオンの崩壊によって分解して、より多くの水を放出し、次いで約３５０℃において分解して、二酸化炭素を放出する。しかしながら、分解におけるこれらのステップは固定されており、熱が吸収される温度およびガスが発生する温度の制御を可能にしない。
【０１４７】
異なる分解温度を有する２つ以上の吸熱材料の混合物の使用により、冷却効果は、１つの材料を単独で用いた場合より幅広い温度範囲にわたって制御することができる。２つ以上の吸熱材料は、１つ以上のガス発生材料と組み合わせた１つ以上のガス無発生吸熱材料を含んでもよい。
【０１４８】
異なる分解温度においてガスを発生する２つ以上の吸熱材料の混合物の使用により、ガスの生成は、１つの材料を単独で用いた場合より幅広い温度範囲にわたって制御することができる。したがって、使用される吸熱材料の数および性質を調整して、調整熱吸収プロファイルおよびガス発生プロファイルを与えることができる。異なる吸熱材料を混合することによる熱吸収プロファイルおよびガス発生プロファイルのこうした調整は、材料が使用される装置の設計要件を満たすように温度および圧力の進展を制御することを可能にする。
【０１４９】
絶縁体の結合材相は、本質的に無機または有機であり得るが、好ましくは無機である。結合材相の意図は、装置を組み立て、正常動作中にセルを所定位置に保持するのに十分な構造的完全性を提供し、任意選択的に、熱事象中に機械的安定性も提供することである。結合材の種類および量は、組立ておよび稼働中の機械的性能のために必要な所望の剛直性を可能にするように変更され得る。非常に柔軟な絶縁材料を可能にするであろう結合材の一例は、天然および／または合成ラテックス材料である。１つ以上のデンプンが、より剛直な形成を起こすために使用され得る。熱硬化性結合材もまた、特に高レベルの微孔度が活用される場合、活用することができる。有機結合材が望ましくない用途の場合ならば、限定するわけではないがケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、コロイダルシリカおよびコロイダルアルミナのような無機結合材が、有利に利用される。カオリンのような耐火性クレーもまた、結合材として使用することができる。これらのクレーはまた、水も含有するが、この水は、非常に高い温度において、吸熱を伴いながら揮発するため、本開示のシステムにおいてさらなる利益を提供する。無機結合材のすべては、利用される成形プロセスに応じて、溶液／懸濁液形態または乾燥形態において絶縁用材料に添加することができる。
【０１５０】
本開示の吸熱材料／システムに関して開示されたすべての成分材料が、一般的に適用される製造経路と適合するわけではないことに留意されたい。こうした理由のため、特定のエネルギー貯蔵装置／電池の設計要件が、必要な製造経路および／または所望の製造経路を決定づけることができる。特定の用途のために製造方法を選択する際に、下記の事項に留意されたい。
ａ．  脆性のある材料は、機械的酷使中にクラックなしで変形し得る材料ほどに良好なものではない。したがって、脆性を最小化し、本開示の吸熱材料／システムの変形性を増大させる製造方法および配合物が、一般に好ましい。
ｂ．  柔らかい材料は、ゼリーロールを貫通して内部短絡を発生させることができないという観点から、硬い材料と比較して一般に好ましい。一方、硬い材料は、圧潰が軽減され得るほどに強度を増大させることができ、ゼリーロールを保護することができる。したがって、本開示の吸熱材料／システムの製作において留意すべき柔らかさと硬さとのバランスを最適化する製造方法および配合物が、一般に好ましい。
ｃ．  一旦セルまたはモジュールが変形したら、吸熱式保護が、圧潰後でさえも可能な限り均一であり、この結果、熱的保護が完全であることが望ましい。したがって、均一性をもたらす製造方法および処方物が、一般に好ましい。
ｄ．  吸熱材料／システムが水を含有し、水に鋭敏なエネルギー貯蔵装置と一緒に使用すべきである場合、関連の電気貯蔵装置の正常動作温度における吸熱材料／システムに関連する水の蒸気圧は、望ましいほどに低い。
ｅ．  複数の電気貯蔵装置を含む装置の異なる領域は、異なるレベルの吸熱材料を必要とすることがあり得、このため、施用され得る程度に応じて異なる濃度の吸熱材料を有する材料を必要とすることがあり得る。例えば、材料は、
・  材料のボディ内部の領域よりも高い濃度の吸熱材料を有する表面領域；および／または
・  材料の異なる表面領域よりも高い濃度の吸熱材料を有する表面領域
を含み得る。
【０１５１】
例として、４つの例示的な製造方法／配合物組合せが、下記で記述されている。しかしながら、本開示は、これらの例示的な様式によって限定されず、またはこれらの例示的な様式に限定されない。
【０１５２】
乾式成形
本開示の吸熱材料／システムを本開示によって製造する例示的な一方法は、最初に成分を一緒に乾式配合し、次いで、微孔性構造が形成されるまで高圧下で成分を所望の初期形状に加圧成形することである。高い生強度が所望される場合、乾燥した熱硬化性結合材が、配合するステップにおいて添加されてもよく、この場合、形状は、ガスが吸熱材料から発生する温度より低いが、熱硬化性結合材を硬化するのに十分なほど高い温度において保持される。これは、成形ステップ中または成形ステップ後に実施することができる。完了したらすぐに、得られた形状は、指定の設計に機械加工することができる。この製造経路のための典型的な配合物を下記に示す。
【０１５３】
【表６】
2020170711.tif 000008
【０１５４】
プリフォームの溶浸
本開示の吸熱材料／システムを本開示によって製造する代替的な例示的な方法において、製品は、最初にファイバー成分をある形状（プリフォーム）にプリフォーム加工した後、続いて、残りの成分を含有する懸濁液によって溶浸するプロセスにより、形成される。
【０１５５】
プリフォームは、パルプ成型、紙およびセラミックファイバー形状のような、他の産業によって利用される一般的に適用されている真空成形技法を使用して、創出することができる。このプロセスにおいて、ある液体（スラリー）中のファイバー成分の希薄懸濁液が、メッシュスクリーンに曝露されるが、このメッシュスクリーン上において、液体（通常、水）として構築されたスラリー成分が、中から抜き出されてくる。スラリーの濃度は、使用されるプロセスおよびファイバー特性に合致するように変更される。有機結合材または無機結合材もまた、このステップに組み込むことができる。プリフォーム（または平坦な材料）が所望の厚さにまで増大したらすぐに、プリフォームを懸濁液から除去し、十分な取扱い強度および開放多孔度が達成されて溶浸が可能になるまで乾燥させる。
【０１５６】
溶浸は、プリフォーム（または平坦な材料）を残りの本開示の非ファイバー型成分の懸濁液中に浸漬することによって達成することができる。キャピラリー作用は、気孔中に懸濁液を抜き出して、このプロセス中に空気を追い出す。溶浸は、必要に応じて、真空または圧力の適用によって補助することができる。次いで溶浸部品を乾燥させて、水を除去する。水が除去されたらすぐに、結合材（存在する場合）が硬化する。次いで、得られた材料が、必要に応じてさらに機械加工および／または処理されてもよいし、または、適切であるならばそのままの状態で使用される。
【０１５７】
この製造経路は、高い吸熱材料の装入量によって配合物を作製するために役立つものであり、８０％の装入量も容易に達成されるし、さらに高い装入量にまで拡張できる。表７は、典型的なファイバープリフォームの乾燥原材料（液体結合材についての言及がある場合、これは、液体結合材の硬化残留物を意味する。）を示している。
【０１５８】
【表７】
2020170711.tif 000009
【０１５９】
下記の表８は、典型的な溶浸懸濁液（液体結合材についての言及がある場合、これは、硬化前の液体結合材を意味する。）を意味している。
【０１６０】
【表８】
2020170711.tif 000010
【０１６１】
この製造経路によって作製された、得られた本開示の最終的な形状のための典型的組成を下記に示す（液体結合材についての言及がある場合、これは、液体結合材の硬化残留物を意味する。）。
【０１６２】
【表９】
2020170711.tif 000011
【０１６３】
真空成形
溶浸技法の１つの特徴は、ある非ファイバー型成分の濃度勾配が存在することである。濃度は、外面上で最大であるが、中央に向かって低下していく。これは、絶縁用マトリックスがフィルターとして作用し、溶浸物が表面をさらに移動していくにつれて溶浸物を規制することによって起きる。一様でない分配を低減するための一方法は、１つのステップにおいてすべての成分を用いて本開示の吸熱材料／システムを形成することである。この例示的な真空成形製造方法において、成分材料のすべては、初期の希薄スラリー懸濁液に導入される。次いで懸濁液が、パルプ成型産業、製紙産業およびセラミックファイバー産業において一般的に適用される標準的な真空成形技法により、所望の形状（または平坦な材料）に成形される。次いで、得られた部品または紙を乾燥させて、作製時の状態で使用することもできるし、またはさらに機械加工してもよい。
【０１６４】
上記技法は、より均一な形状を作製するという利点を有するが、非常に高い非ファイバー型成分の装入量によって配合物を作製するためには、あまり適していない。これは、懸濁液を引き出すことができる度合いを妨害する、成形用スクリーンの閉塞のせいである。したがって、この技法は、断面の厚さが１０ｍｍ未満である紙またはニアネットシェイプのような薄い製品にはさらに適用可能である。水懸濁液の使用は一般に、ヒュームド酸化物の使用を排除するが、それはこれらの材料が、一旦水に曝露されたら微孔性構造を創出することができないためである。
【０１６５】
下記の表１０は、プロセス水を排除した典型的な真空成形形状の要素を示しており、液体結合材についての言及がある場合、これは、未硬化の液体結合材を意味する。
【０１６６】
【表１０】
2020170711.tif 000012
【０１６７】
成型性生成物
本開示による吸熱材料／システムはまた、１つの物品の形態ではなく、エネルギー貯蔵装置／電池の組立体の成形における使用のための成型性材料として作製することもできる。成型性の形の製造は通常、ミキサー内で成分を、よく混合されるまで（例えば、およそ１０分）湿式混合することによって始まる。貯蔵中のカビの成長を防止するために、この時点において殺生物剤が添加されてもよい。ｐＨ調整剤が、必要に応じて含まれていてもよい。混合が完了したらすぐに、次いで成型性生成物を、組立て前の貯蔵および分配のためのかしめチューブまたはドラム内に包装することができる。組立て中、成型性材料は、注入し、加圧成形し、または、絶縁すべき領域内に配置することができ、得られた組立体は、乾燥させて、水を除去する。通常、無機結合材が使用される場合、乾燥部品が、非絶縁成分に非常に密接に付着して、装置の構造的完全性が増す。上述の成型性材料は、乾燥後にさらなる機械加工をほとんど必要とせず、またはさらなる機械加工を必要としない。
【０１６８】
成型性作製方法のための典型的な配合物を下記の表１１において示す。ヒュームドセラミック酸化物の性質のため、これらの配合物は一般に、水によって湿式処理することができず、このため、この製造方法は通常、本開示の実装への当該配合物の組込みを排除する。
【０１６９】
【表１１】
2020170711.tif 000013
【０１７０】
存在する液体が、液体結合材を含み得ることおよび／または添加された液体も同様に含み得ることには、留意すべきである。液体結合材のための硬化剤が、添加された液体中に含まれていてもよい。
【０１７１】
他の形態
材料は、化学的および／または機械的に発泡させた発泡体の形態であってもよい。発泡セラミックは、絶縁目的のために公知であり［例えば、米国特許第４，５９６，８３４号］、吸熱材料は、発泡体の成分の一部を含むことおよび／または発泡体中に後で含浸させることができる。成型性組成物と同様の組成物も、発泡させることができる。
【０１７２】
典型的組成物
本開示に従って効果的な吸熱特性／機能を提供することが実証された例示的な組成物を下記に示す。
【０１７３】
【表１２】
2020170711.tif 000014
【０１７４】
成形材料の性質
上記記述は、ボードおよび紙のような平坦な形状を含む形状を形成することについて言及している。本出願のためのこれらの形状は、特定の形態を有し得る。例えば、形状は、
・  エネルギー貯蔵装置／電池またはエネルギー貯蔵装置／電池のセルを収容するように整形された凹みを有する材料のボディ；
・  エネルギー貯蔵装置／電池またはエネルギー貯蔵装置／電池のセルを収容するようにそれぞれが成形された複数の凹みを有する材料のボディ；
・  異なる濃度の吸熱材料を有する２つ以上の領域を有する材料；
・  ある勾配のガス発生吸熱材料を有する材料；
・  材料のボディ内部の領域よりも高い濃度の吸熱材料を有する材料の表面領域を含む、材料；
・  材料の異なる表面領域よりも高い濃度の吸熱材料を有する材料の表面領域を含む、材料
を含み得る。
【０１７５】
本開示の吸熱材料／システムの例示的な実装を参照する場合、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池の内部における本吸熱材料／システムの配置／設置は一般に、このようなエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池に関連する基礎的なエネルギー発生および貯蔵を妨害することなく、本明細書において記述された所望のエネルギー吸収／移送機能を促進するように選択されることに留意されたい。さらに、本開示の吸熱材料／システムが、関連の通気機能によって効果的なガス連通を可能にし、これによって、発生したガス状副生成物を、本開示の吸熱反応によって誘発および効果的に脱気することを可能にするように配置／設置されていることは、一般に望ましい。
【０１７６】
例えば、図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｄを参照すると、本開示の吸熱材料／システムの全部または一部が、隣接したセルを隔てている壁に沿っておよび／または個々のセルの頂面および／または底面に沿って配置／設置され得ることが、想定されている。同様に、図２を参照すると、本開示の吸熱材料／システムの全部または一部が、隣接したセルを隔てている壁に沿っておよび／または個々のセルの頂面および／または底面に沿って配置／設置され得る。図３および図５を参照すると、本開示の吸熱材料／システムの全部または一部が、本開示のゼリーロールの内部におよび／または隣接したセルを隔てている壁に沿っておよび／または個々のセルの頂面および／または底面に沿って配置／設置され得る。図６Ａを参照すると、本開示の吸熱材料／システムの全部または一部が、隣接したセルを隔てている壁に沿っておよび／または個々のセルの頂面および／または底面に沿って配置／設置され得る。
【０１７７】
したがって、本開示の吸熱材料／システムは、本吸熱材料／システムが、１つ以上の個々の密閉されたセル、特に、１８６５０型セルおよび１８３７６５型セル等のような単一ゼリーロールを含む１つ以上の密閉されたセルの全部または一部を囲繞するように利用され得る。セルは、直列に接続してもよいし、並列に接続してもよいし、または直列と並列とを組み合わせて接続してもよい。さらに、本開示の吸熱材料／システムは、一般的な雰囲気が入った開かれた容器内に複数のゼリーロールを含む、エネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池内に利用され得る。
【０１７８】
本開示のエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池に関連する通気機能が、圧力および／もしくは温度に鋭敏な単一の通気孔素子または圧力および／もしくは温度に鋭敏な複数の通気孔素子の形態になり得ることに留意されたい。通気孔素子は、３バール超の圧力において、例示的な実装のときに５バール−１５バールの範囲の圧力において通気操作を開始するように動作し得るが、動作用の圧力解放パラメータの選択は、特定のエネルギー貯蔵装置／リチウム電池の設計および動作によって影響され得る。より詳細には、本開示の通気孔は、約１５ｐｓｉから２００ｐｓｉの間、好ましくは約３０ｐｓｉから１７０ｐｓｉの間、より好ましくは約６０ｐｓｉから１４０ｐｓｉの間に含まれる所定の閾値圧レベルにおいて、通気操作を開始するように動作し得る。
【０１７９】
本開示のさらなる例示的な実施形態において、通気操作素子は、セル内へのフラッシュバックの全部または一部を防止するように設計された、火炎防止器を含み得る。例えば、ワイヤーメッシュの形状の火炎防止器が、利用され得るが、代替的な設計および／または幾何形状も、当業者に容易に明白となるように、利用され得る。
【０１８０】
複数の通気孔素子を含む実装の場合、通気孔素子の動作の全部または一部が、全体的な装置／電池の内部にある他の通気孔素子の応答的作用によって引き起こされ得ることも、さらに想定されている。例えば、第１の通気孔素子の通気機能の作動が、装置／電池に伴う１つ以上の他の通気孔素子の通気機能を自動的に引き起こし得る。なおさらに、第１の通気孔素子が第１の温度および／または圧力において作動し得る一方で、第２の通気孔素子が第１の温度／圧力より高い第２の温度および／または圧力において作動し得るようになる、異なる通気操作閾値により特徴づけられる複数の通気孔素子が、提供され得る。
【０１８１】
吸熱反応に関連する通気孔ガスが、電解質ガスを希釈して、電解質ガスに関連する発火点および／または可燃性を延期し、または消失させる機会を提供することには、さらに留意されたい。電解質ガスの希釈は非常に有利であり、本開示のシステムおよび方法に関連するさらなる利点を代表する［Ｅ．Ｐ．ＲｏｔｈおよびＣ．Ｊ．Ｏｒｅｎｄｏｒｆｆ、「Ｈｏｗ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓａｆｅｔｙ」、Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、２０１２年夏、４５−４９頁を参照されたい。］。
【０１８２】
本開示の吸熱材料／システムを実装する際に、異なる配合物および／または量が、マルチコアセル構造内の異なるセルに関連し得ることが、想定されている。例えば、中央に設置されたセルは、集合体化していてもよいし、内側セルが外側セルと比較してより早期に酷使温度に晒され得るという見込みに基づいて、外側セルと比較してより低い温度において吸熱反応を開始する吸熱材料／システムを備えることもできる。
【０１８３】
本開示の吸熱材料／システムが、電解質に曝露された状態でセルの内部に含まれている場合は例えば蒸気分圧により、吸熱材料／システムに関連する水が化学的に拘束されるため、吸熱材料／システムからゼリーロールへの水の移送が限定され、および／または存在しないことに留意されたい。吸熱材料／システムの全部または一部が上記セルの内部に配置／設置されている実装において、電解質への水の曝露を限定することは、重要である。吸熱材料／システムが水を含有する場合、吸熱材料／システムに関連する水の蒸気圧は、電解質機能への潜在的な妨害を限定するために低くすべきである。実際、電解質に水が移送されないことは、セルの基礎的機能が本開示の吸熱材料／システムの存在によって損なわれないことを確実にする際に重要である。この特徴は、通常の場合ならば密閉封止されたセルの内部にある一般の雰囲気が、コアに出入り自由である構成の場合、特に重要である。
【０１８４】
注目すべき点として、本開示の吸熱材料／システムに関連する吸熱材料が消費された後、すなわち、このような吸熱材料に関連する吸熱反応によりすべての利用可能な吸熱材料が消費された後でさえ、本開示の吸熱材料／システムは、吸熱材料／システムに関連する他の絶縁用成分のおかげで、有利な絶縁機能をエネルギー貯蔵装置／リチウムイオン電池に提供し続ける。
【０１８５】
ここで本開示の他の有利な態様では、少なくとも１つのゼリーロール、１つの負極バスバー、１つの正極バーおよびケースを有する電気化学的マルチコア組立体を使用する再充電可能な電気的エネルギー貯蔵ユニットが提供され得る。本明細書において使用されるゼリーロールは、電池内にある最も小さい独立の電気的エネルギー貯蔵ユニットを意味しており、カソード、アノードおよびセパレータを含む。ゼリーロール８０１（図８）は、カソード８０４、アノード８０２およびセパレータ８０６を含む。Ｌｉイオン電池において、カソードおよびアノード活物質は一般に、それぞれアルミニウム箔集電体の両面および銅箔集電体の両面上にコーティングされており、無コーティング領域８０３および８０５が、両方の電流箔の１つの縁部のところにある（図９）。カソードにおける無コーティングＡｌ箔領域およびアノードにおける無コーティングＣｕ箔領域が、それぞれゼリーロールの両方の端部に設置されている。セパレータは、電極コーティング領域をカバーしているが、両方の無コーティング領域の一部をカバーして、カソードとアノードとの短絡を防止するように延在する。ゼリーロールの質量エネルギー密度および体積エネルギー密度を最大化するために、最小の幅の無コーティング領域ｋ１およびｋ２を保つことは、より良好なことである。しかしながら、ｋ１およびｋ２が小さすぎる場合、良好な電極の整列および良好な溶接を保つことが難しくなる。ｋ１およびｋ２を０．１ｍｍより大きく、対応するアノード集電体またはカソード集電体の全幅に対して５０％未満に保つことが、適切である。通常の好ましい範囲は、１ｍｍ−４ｍｍである。
【０１８６】
本開示の一実施形態において、カソードのみが、無コーティング領域（ｋ２）として製作されており、アノードは、ＮＢＢに接続するために少なくとも１つのタブを使用している。この場合、アノード電極コーティング層は、集電体箔の全幅にわたって延在する。セパレータの幅は、すべてのアノードをカバーしているが、カソード無コーティング領域のすべてをカバーしているわけではない。カソード縁部における唯一の無コーティング領域およびアノード上のタブを有する、このゼリーロールは、本明細書において「ゼリーロールＡ」と呼ばれる。
【０１８７】
Ｃｕ箔およびＡｌ箔が、Ｌｉイオン電池のために最も一般的に使用されている集電体であるが、他の種類の集電体もまた、文献において報告されてきており、使用することが可能である。例えば、ニッケル箔を、アノード集電体として使用されている（Ｙ．Ｙｕｎら、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ、５４巻、７２２７（２００９））。本開示において、集電体は、Ｌｉイオン電池において使用されるすべての種類の集電体材料およびフォーマットを含み、Ａｌ箔およびＣｕ箔に限定されない。箔の他にも、集電体は、メッシュ、クロス等のフォーマットになり得る。
【０１８８】
並列に接続されている複数のゼリーロールを含む例示的な電気化学的マルチコア組立体が、図１０Ａに示されている。ゼリーロールの無コーティング銅箔８０３の端部は、個々のゼリーロールのための集電体と、すべてのゼリーロールのための連結用バスバーとの両方として機能する、銅板８０７（ＮＢＢ）上に溶接されている。同様に、ゼリーロールの無コーティングアルミニウム箔８０５の端部は、アルミニウム板８０８（ＰＢＢ）上に溶接されている。ＮＢＢおよびＰＢＢは、一部がヒートシンクとして作用する高電流ドレインを、ゼリーロールにもたらして、熱発生を低減する。さらに、さらなるバスバーが必要とされないため、設計により、電気化学的マルチコア組立体の重量、ボイドスペースおよびコストが低減される。
【０１８９】
複数のゼリーロールＡからなる電気化学的マルチコア組立体の場合、カソード無コーティング端部のみが、ＰＢＢ上に溶接されている。アノードタブが、負極バスバー上に溶接されている。こうした種類のマルチコア組立体は、エネルギー密度の点でＮＢＢおよびＰＢＢを有する組立体より劣るが、レイアウト構造がタブを要する特殊な場合においても使用できるものである。
【０１９０】
ＮＢＢにおいて、電解質充填を可能にする、個々のゼリーロールに対応する複数のスリット開口部８０９が存在する。効果的な電解質充填を可能にするために、スリット開口部の長さは、ゼリーロールの直径に近いほどより良好である。ゼリーロールの１つの端部が、ＰＢＢ上に溶接されており、ゼリーロールが、電解質を含有する絶縁用テープによって包まれているため、スリット開口部を介して充填された電解質は、ゼリーロール内で完全に自己完結するようにできる。このような配列は、缶のような金属シェルまたは、それぞれの個々のゼリーロール用のプラスチックライナーのような、電解質を束縛するあらゆる構成部品を排除することを可能にし得るが、こうした構成部品を排除することは、本明細書において開示された実施形態に応じて任意選択的なものである。特定の場合において、このような電解質を束縛するライナーまたは缶が、必要である。一実施形態において、電解質は、個別密閉型ゼリーロールユニット内に含有される。密閉型ゼリーロールユニットは、組立体への電解質の漏れを防止するように金属容器、プラスチック容器またはセラミック容器内に密閉封止されている、ゼリーロールおよび電解質を含む。固体ポリマー電解質、ゲルポリマー電解質または薄膜固体イオン電解質を有する一部のゼリーロール技術の場合、組立てにおける電解質充填プロセスは、必要とされない。したがって、ＮＢＢ中の電解質充填用開口部も、必要とされない。
【０１９１】
ＮＢＢおよびＰＢＢのサイズは、ゼリーロールのすべての端部をカバーできる必要がある。したがって、ＮＢＢおよびＰＢＢの形状は一般に、ゼリーロールのフットプリントに依存し、長方形に限定されない。ＮＢＢおよびＰＢＢの厚さは一般に、下記の式１（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｏｐｐｅｒｉｎｆｏ．ｃｏ．ｕｋ／ｂｕｓｂａｒｓ／ｐｕｂ２２−ｃｏｐｐｅｒ−ｆｏｒ−ｂｕｓｂａｒｓ／ｓｅｃ３．ｈｔｍを参照されたい。）：
【０１９２】
【数１】
2020170711.tif 000015
によって判定され、式中、Ｉ＝電流、アンペア；Ａ＝断面領域、ｍｍ２；ｐ＝導体の外周、ｍｍ；θ＝導体と周囲空気との温度差、℃；α＝周囲温度における導体の抵抗温度係数、１℃当たり；ρ＝周囲温度における導体の低効率、μΩｃｍ。
【０１９３】
論述中の実施形態に適したＮＢＢ材料またはＰＢＢ材料は、（ｉ）  良好な導電体であり；（２）  電気化学的に安定であり；（３）  電解質に対して化学的に不活性であり、（４）  ゼリーロール内の無コーティング端部上に容易にしっかりと装着またはマウントされ得る必要がある。例えば、ニッケル板は、ＮＢＢにするのに適している。ＮＢＢおよびＰＢＢとして好ましい材料は、それぞれＣｕおよびＡｌである。
【０１９４】
ＮＢＢおよびＰＢＢは、溶接または導電性接着剤により、ゼリーロールの無コーティング端部に装着されている。導電性接着剤は、貯蔵および動作中に電気化学的および化学的に安定でなければならない。溶接方法は、貯蔵および動作中に不安定となる可能性が低下するため、好ましい。限定するわけではないがレーザー溶接、超音波溶接および抵抗溶接（スポット溶接）技法を含む、様々な溶接技法が、ゼリーロールの端部にＮＢＢおよびＰＢＢを溶接するために使用され得る。好ましい技法は、レーザー溶接である。
【０１９５】
一実施形態において、マルチコア組立体が、金属ケース８１０内に配置されている（図１１）。金属ケースは、電池において一般的に使用されているＡｌ、鋼またはステンレス鋼等であり得る。ＰＢＢ８０８が、正極端子８１２ａとして金属ケースの底部上に溶接されている。銅ロッドのような金属コネクタが、負極端子８１２ｂとしてＮＢＢに接続されている。絶縁層９１０が、ケースカバー９００とＮＢＢとの間に配置されている。電解質充填を可能にするために、ＮＢＢ内のスリット開口部８０９に対応する、絶縁層９１０内の開口部８１１が存在する。ユニットは、最後に密閉封止される。ＰＢＢは、金属ケースの底部内に溶接されているため、ＰＢＢと金属ケースとの接触領域は、ＰＢＢと同じである。したがって、ＰＢＢおよび金属ケースは、ヒートシンクとして実際に作用して、マルチコア組立体内で発生した熱の素早い減衰を可能にするため、組立体の安全性を改善する。
【０１９６】
別の実施形態において、ゼリーロール組立体はまた、金属スリーブ８１０内に配置することもできる。ＰＢＢは、ケース底部として作用している、金属スリーブ内の開放端部の１つの壁上に密閉溶接されている（図１２）。スリーブのための金属は、Ａｌが、複数の選択肢を有するが、良好な溶接を確実にするためにはより良い。ＰＢＢのサイズは、良好な気密を確実にするようにスリーブ底部に正確にはまる必要がある。計算されたＰＢＢの厚さが、金属スリーブの壁厚より格段に薄い場合、好ましい厚さは、良好な機械的性能を確実にするようなスリーブ壁厚である。ユニットの金属ケースの一部としてのＰＢＢが、重量およびボイドスペースをさらに低減する。さらに、ＰＢＢは、金属スリーブ内に溶接されているため、ケースは、ヒートシンクとして作用して、マルチコア組立体内で発生した熱の素早い減衰を可能にするため、組立体の安全性を改善することができる。
【０１９７】
さらに、別の実施形態において、電気化学的マルチコア組立体内のゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットは、ハウジング８２０内に設置してもよく（図１３）、個々のゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットは、格納器材料または格納器材料の組合せによって隔てられている。市販の密閉型ゼリーロールユニットの例は、Ｓａｎｙｏ、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ、Ｓｏｎｙ、Ｓａｍｓｕｎｇ、ＬＧ、Ｂｏｓｔｏｎ−Ｐｏｗｅｒおよびその他多数のような会社から入手可能な１８６５０型Ｌｉイオンセル、１８３７６５型Ｌｉイオンセル、２６６５０型Ｌｉイオンセルおよび他の種類のＬｉイオンセルである。ゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットのそれぞれは、ハウジング材料によって部分的にまたは完全に囲繞されている。ハウジングを使用する目的の１つは、熱的酷使の際のゼリーロール間の熱伝搬を遅延させることにより、安全性を高めることである。ハウジングの別の目的は、いくつかの機械的故障を挙げるだけでも構造への衝撃エネルギー、外的貫通、振動損傷の防止によってハウジングなしの場合に生み出される損傷を吸収しておくことにより、ゼリーロールまたは密閉型ゼリーロールユニットを機械的に保護することである。ハウジングは、異なる構成およびフォーマットを有し得る。ハウジングは、個々のゼリーロールが円筒形の穴内に保持され得る、１つのブロック状になった円筒形の穴であり得る。ハウジングは、ゼリーロールを隔て、ゼリーロールを所定位置に保持し、何らかの機械的な支持を提供するようにゼリーロール間に挿入されているまたは個々のゼリーロールを包んでいる、板、織物型パッドまたはメッシュであり得る。ハウジング材料は、アルミニウム発泡体、ニッケル発泡体およびステンレス鋼発泡体のような金属発泡体であり得る。これらの発泡体の供給業者は、ＣｙｍａｔおよびＥＲＧが挙げられる。ハウジング材料はまた、アルミナ、ケイ酸塩主体型セラミックおよびＺｒＯ２等のような固体セラミック、多孔性セラミックまたは微孔性セラミックであり得る。材料の供給業者は、ＥＲＧ、ＣｅｒａｍａＴｅｃ、Ｍｏｒｇａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｓａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ、ＺｉｒｃａｒおよびＣｏｏｒｓが挙げられる。特定の材料は、限定するわけではないが、下記の取扱業者：材料種類が挙げられる；ＣｅｒａｍＴｅｃ：多孔性Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２複合材料（Ｖ３８アルミナ）：９６％のＡｌ２Ｏ３；ＺＩＲＣＡＲ  ＣＥＲＡＭＩＣＳ：微孔性ＳｉＯ２−ＳＩＣ複合材料（ＭＩＣＲＯＳＩＬ）：ＳｉＯ２：８５％、ＳｉＣ：１５％：Ｍｏｒｇａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ：微孔性セラミック（Ｍｉｎ−Ｋ、ＢＴＵ−ＢＬＯＣＫおよびＫａｏｗｏｏ）：Ｋａｏｗｏｏ：Ａｌ２Ｏ３ＳｉＯ２；Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ：微孔性セラミック（ＭｉｃｒｏＣｅｌｌ）：ＭｉｃｒｏＣｅｌｌ  Ｓ：Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２１０％−３５％、その他５５％；Ｉｎｄｕｃｅｒａｍｉｃ：多孔性セラミック（ＴＣ１２５０、ＴＣ１６００およびＴＣ１７５０）：Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２複合材料（ＴＣ１２５０中のＡｌ２Ｏ３：４５％、ＴＣ１６００中：７２％およびＴＣ１７５０中で９６％）。ハウジング材料はさ��に、Ａｌ、ステンレス鋼、Ｎｉ、グラファイトおよび炭素複合材料のような金属および炭素材料であり得る。さらに、ハウジング材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンおよびプロピレンコポリマーおよびＴｅｆｌｏｎのようなポリマー材料であり得る。本発明の一実施形態において、少なくとも１つの熱吸収剤が、複合材料型ハウジング材料を形成するためにハウジング材料中に組み込まれる。この熱吸収剤は、複合材料としてのハウジング材料の中を通るように配置することもできるし、ハウジング材料の細孔内に配置することもできるし、または、材料ハウジングの内部のポケット内に配置することもできる。熱吸収剤は、化学反応または物理的変態により、高温を有するゼリーロールから熱を特定の転移温度において吸収する。上記のように、化学式熱吸収材料の一例は、重炭酸ナトリウムである。温度が１００℃超である場合、化学式熱吸収材料は、吸熱分解して、炭酸ナトリウム、二酸化炭素および水になる。他の吸熱性システム／材料も、上述のように本開示に従って有利に利用することができる。
【０１９８】
別の実施形態において、単一ゼリーリチウムイオンセルは、Ｃｕ集電ディスク８１３およびＡｌ集電ディスク８１４からなっている。Ｃｕ集電ディスク８１３およびＡｌ集電ディスク８１４は、それぞれＣｕ無コーティング端部およびＡｌ無コーティング端部に溶接されている。このシングルコア組立体は、金属スリーブ８１０内に配置されている（図１４Ａおよび図１４Ｂ）。スリット開口部８０９は、Ｃｕ集電ディスク８１３内に作製されている（図１４Ｃ）。Ａｌ集電ディスク８１４は、Ａｌ缶の底部を形成するように金属スリーブ上に密閉溶接されている。この結果、正極集電体と正極端子とを接続するための金属リード線がなくなり、重量およびボイドスペースが低減され、セルのエネルギー密度も増大する。Ａｌ集電ディスク８１４はまた、セル内で発生した熱の素早い減衰も可能にするため、セル安全性を改善する。スリーブのための金属は、複数の選択肢を有するが、Ａｌが、良好な溶接を確実するためにはより良い。天板もまた、電解質充填後に密閉封止される。
【０１９９】
先述のように、本開示によれば、ゼリーロールは、円筒形、楕円形および長方形のような様々な形状になり得るが、いずれかの特定の形状に限定されない。ゼリーロールは、電極およびセパレータを巻き取ることによって形成することもできるし、または電極およびセパレータを積層することによって形成することができる。ゼリーロールのサイズ、すなわち、直径、厚さおよび長さは、ゼリーロールの設計容量に依存する。ゼリーロールのサイズが大きくなるほど、ゼリーロールがより高い容量を有するようになる。マルチコア組立体において、ゼリーロールは、ゼリーロールの両方の端部がＮＢＢおよびＰＦＦ上に溶接され得る限り、異なるサイズおよび形状を有し得る。さらに、マルチコアＬｉイオン組立体内のゼリーロールは、異なる化学物質または異なる電解質を、これらの化学物質または電解質の電位窓が合致しており、ゼリーロールの両方の端部がＮＢＢおよびＰＢＢ上に溶接され得る限り、有し得る。
【０２００】
ゼリーロール内のアノードコーティング層は、アノード活物質、導電性添加剤および結合材からなっている。導電性添加剤は、カーボンブラックとグラファイトのうちの１つまたは組合せである。結合材材料は、ポリマー材料である。最も一般的には、結合材材料は、ＳＢＲおよびＣＭＣまたはＰＶＤＦの混合物である。アノード活物質は、グラファイト、ドープ炭素、硬質炭素、非晶質炭素、ケイ素（ケイ素ナノ粒子またはＳｉピラーまたは炭素分散ケイ素のようなもの）、スズ、スズ合金、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｌｉ、金属箔基材上に堆積されたＬｉ、グラファイトに取り込まれたＬｉ金属粉末の中にＬｉと一緒にして混ぜ入れられたＳｉ、チタン酸リチウムおよびこれらの任意の混合物のような、ＬｉイオンまたはＬｉポリマー電池において一般的に見出され、文献において記述されているアノード活物質である。本発明は、いかなる特定のアノード化合物にも限定されない。
【０２０１】
通常のアノードは、グラファイト、導電性炭素およびＳＢＲ／ＣＭＣ結合材からなっている。アノードにおける通常の組成は、グラファイトが８０重量％−９８重量％であり、導電性炭素が０重量％−２重量％であり、結合材が１重量％−１０重量％である。コーティング層厚さは、設計されたゼリーロール容量に依存する。コーティング層が厚くなるほど、単位領域において装入されたアノード容量が高くなっていく。市場において最も商業的なＬｉイオン電池の場合、コーティング付きアノード厚さは、５０ミクロン−２００ミクロンである。最も一般的に使用される集電体は、８ミクロン−２０ミクロンまでの厚さを有する銅箔である。
【０２０２】
ゼリーロール内のカソードコーティング層は、カソード活物質、導電性添加剤および結合材からなっている。導電性添加剤は、カーボンブラックとグラファイトのうちの１つまたは組合せである。結合材材料は、ポリマー材料である。最も一般的には、結合材材料は、ＰＶＤＦである。カソード活物質は、充電および放電の間にリチウムイオンを吸収および脱着する能力を有し、リチウム金属より比較的高い電極電位を有する、カソード活物質である。
【０２０３】
適切な個々のカソード材料の例は、ＬｉｘＣｏＯ２（化合物Ａと呼ばれる）、ＬｉｘＭｚＣｏＷＯ２（化合物Ｂ、ここで、Ｍが、Ｍｇ、ＴｉおよびＡｌから選択され、結晶格子中のＣｏまたはＬｉを部分置換しており、Ｚ＝０％−５％の範囲において添加されるが、通常Ｗが１に近く、４．２Ｖ超における充電に適している。）、ＬｉｘＮｉａＭｎｂＣｏｃＯ２、特に約ａ＝１／３、ｂ＝１／３、ｃ＝１／３の組合せ（化合物Ｃ）およびａ＝０．５、ｂ＝０．３、ｃ＝０．２の組合せ（化合物Ｄ）ならびにこのＭｇ置換化合物（両方とも化合物Ｅにグループ化されている）である。別の例は、ＬｉｘＮｉｄＣｏｅＡｌｆＯ２（化合物Ｆ）およびこのＭｇ置換誘導体ＬｉｘＭｇｙＮｉｄＣｏｅＡｌｆＯ２（化合物Ｇ）であり、特殊な場合においてｄ＝０．８、ｅ＝０．１５、ｆ＝０．０５であるが、ｄ、ｅおよびｆが、数パーセント変動する可能性があり、ｙが、０から０．０５の間の範囲にある。個々のカソード材料のさらに別の例は、ＬｉｘＦｅＰＯ４（化合物Ｈ）、ＬｉｘＣｏＰＯ４（化合物Ｉ）、ＬｉｘＭｎＰＯ４（化合物Ｊ）およびＬｉｘＭｎ２Ｏ４（化合物Ｋ）である。これらの化合物のすべてにおいて、過剰なリチウムが通常、見出される（ｘ＞１）が、Ｘが、約０．９から１．１までであり得る。
【０２０４】
高電圧用に特に適しており、４．２Ｖ超において充電されたときに高い容量を有する、あるクラスの材料が、例えばＴｈａｃｋｅｒａｙらにより米国特許第７，３５８，００９号において記述されており、ＢＡＳＦおよびＴＯＤＡから市販されてもいる、いわゆる二重層化材料である（化合物Ｌ）。Ｔｈａｃｋｅｒａｙによって初期に記述された化合物は、４．２Ｖ超の電圧において安定にすることができる。これらのカソードのいくつかは、４．２Ｖ（アノードとしてグラファイトを使用したときに標準的な最高の電圧）超の高電圧において安定であり、こうした材料は好ましくは、混合することができる。
【０２０５】
上記の材料の１つが本開示に従って使用されてもよいが、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ  Ｉ、ＪおよびＬから選択される２つ以上の材料  化合物を混合することが、好ましい。特に、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、ＧおよびＬの２つ以上の成分の混合物が、好ましい。非常に高いエネルギー密度の構成の場合、（ＢおよびＬ）の混合物または（ＢおよびＧ）の混合物または（ＧおよびＬ）の混合物が最も有益であり、これらが薄い電極として作成された場合、やはり、高出力が達成され得る。薄い（出力）電極および厚い（エネルギー）電極は、同じ適切な電圧範囲および化学物質を有しながら、出力比に対してエネルギーを調製するために、ゼリーロールに入りこむことができる。コーティング層の一般的な厚さは、６０ミクロン−２００ミクロンの範囲にある。カソード活物質ＬｉｘＮｉａＭｎｂＣｏｃＯ２（化合物ＣまたはＤ）を主体とするカソードコーティング層の通常の組成物は、７０％−９８％のカソード活物質、２５％−１％導電性炭素および２０％−１％のＰＶＤＦ結合材の重量比を有する。
【０２０６】
セパレータは、アノードとカソードとの間に挿入されている電気絶縁用フィルムとして機能するが、高いＬｉイオン透過性と、高い引張強度および横方向強度ならびに高い貫通強度とを有すべきである。細孔サイズは通常、０．０１マイクロメートルから１マイクロメートルの間であり、厚さは、５マイクロメートルから５０マイクロメートルの間である。ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはＰＰ／ＰＥ／ＰＰ構造のような不織布型ポリオレフィンのシートが通常、使用される。Ａｌ２Ｏ３からなるのが通常であるセラミックが、加熱の際の収縮を改善するためおよび内部短絡に対する保護を改善するためにフィルム上に施用されてもよい。さらに、カソードまたはアノードも、セラミックによって同様にコーティングすることができる。しかしながら、ポリマーＬｉイオン電池または固体Ｌｉイオン電池において、セパレータは存在しない。代わりに、固体ポリマー電解質フィルム、ゲルポリマー電解質フィルムまたは固体イオン薄膜が、イオン伝導および電気絶縁を提供するためにカソードとアノードとの間に挟持されている。
【０２０７】
電解質は、工業的には通常、溶媒および塩を含有するものとして見出される。溶媒は通常、ＤＥＣ（ジエチルカルボネート）、ＥＣ（エチレンカルボネート）、ＥＭＣ（エチルメチルカルボネート）、ＰＣ（プロピレンカルボネート）、ＤＭＣ（ジメチルカルボネート）、１，３ジオキソラン、ＥＡ（エチルアセテート）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の間から選択される。塩は、ＬｉＣＦ２Ｏ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２、または、ＥＣ／５ＥＭＣ／ＤＭＣ（１：１：１比）および１Ｍ  ＬｉＰＦ６のような予備混合電解質にＳＯ２を通気することによる簡単なスルホン化物を含む電解質中に使用される、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、硫黄含有化合物またはイミド含有化合物の間から選択される。他の塩は、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサレートボレート）、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート）、ＴＥＭＡＢＦ４（トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート）である。ＢＰ（ビフェニル）、ＦＥＣ、ピリジン、亜リン酸トリエチル、トリエタノールアミン、エチレンジアミン、六リン酸トリアミド、硫黄、ＰＳ（プロピレンサルファイト）、ＥＳ（エチレンサルファイト）、ＴＰＰ（リン酸トリフェニル）、アンモニウム塩、四塩化炭素または三フッ化エチレンのようなハロゲン含有溶媒、およびさらには、高温貯蔵特性を改善するためのＣＯ２ガスを含む、効果的なＳＥＩ形成、ガス発生、難燃剤特性または酸化還元シャトリング能のための添加剤もまた、使用することができる。固体／ゲルまたはポリマー電解質の場合、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ、ＥＭＩＴＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩ、ＰＥＯ、ＰＡＮ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、これらのポリマーの任意の配合物が、ゲル電解質を提供するために他の電解質成分と一緒に使用され得る。電解質供給業者は、Ｃｈｅｉｌ、Ｕｂｅ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、ＢＡＳＦ、Ｔｏｍｉｙａｍａ、Ｇｕｏｔｓａ−ＨｕａｓｏｎｇおよびＮｏｖｏｌｙｔｅが挙げられる。
【０２０８】
さらなる実施例および比較例
１セットにして記述している、どのように本開示を実装するかについての仮想実験および方法を、性能モデル結果からデータを得た上で下記に示す。
【０２０９】
実施例２
９５％／１％／４％という人工グラファイト／導電性炭素／ＰＶＤＦ結合材の重量比の固体組成物を有するアノードペーストが、１０μｍの厚さのＣｕ箔の両面上にコーティングされている。ペースト媒体の溶媒は、ＮＭＰである。Ｃｕ箔幅は、８２ｍｍである。コーティング幅は８０ｍｍであり、この結果、箔の１つの縁部に２ｍｍの無コーティング領域が残る。コーティング後、電極を、１５０℃において５分加熱して、溶媒を除去する。乾燥電極を成形して、１．５５ｇ／ｃｃの成形電極密度を達成する。
【０２１０】
９４％／３％／３％というＬｉＮｉ０．５Ｃｏ０．２Ｍｎ０．３Ｏ２／導電性炭素／ＰＶＤＦ結合材の重量比の固体組成物を有するカソードペーストが、２０μｍの厚さのＡｌ箔の両面上にコーティングされている。ペースト媒体の溶媒は、ＮＭＰである。Ａｌ箔幅は、８２ｍｍである。コーティング幅は８０ｍｍであり、この結果、箔の１つの縁部に２ｍｍの無コーティング領域が残る。コーティング後、電極を１５０℃において５分加熱して、溶媒を除去する。乾燥電極を成形して、３．５５ｇ／ｃｃの成形電極密度を達成する。アノードおよびカソードの１回目のサイクル充電容量比は、１．１２である。Ａｌ箔を用いたカソード厚さは、およそ１６６μｍであり、Ｃｕ箔を用いたアノード厚さは、およそ１９６μｍである。
【０２１１】
２５μｍの厚さのポリエチレンセパレータを、カソードおよびアノードの間に挿入した。セパレータの幅は、８２ｍｍである。セパレータは、カソードコーティング領域とアノードコーティング領域の両方をカバーしており、それぞれＣｕ無コーティング領域およびＡｌ無コーティング領域をカバーするように１ｍｍ延在していた。ソードコーティングされた領域およびアノードコーティングされた領域は、互いに正確に向き合っている（図１５および図１６）。電極およびセパレータラミネートを、巻取り機内に巻き取って、８４ｍｍのロール高さおよび２３ｍｍの直径を有するゼリーロールを形成する。
【０２１２】
６つのゼリーロールが、それぞれの隣接する個々のゼリーロール間に１ｍｍの間隙を空けた状態で一列になって配列されている。Ｃｕ無コーティング領域の端部は、レーザー溶接機を使用して１４４ｍｍの長さ、２３ｍｍの幅および２ｍｍの厚さを有するＣｕ  ＮＢＢ上に溶接されている。６つの２２．５ｍｍの幅のスリット開口部が、Ｃｕ  ＮＢＢ中に存在する。それぞれのスリット開口部の中央は、ゼリーロールの中央に対応している。８４ｍｍの長さおよび２３．５ｍｍの幅を有する５つの１ｍｍの厚さのポリプロピレン板が、ゼリーロール間の間隙内に挿入されている。次いでこの半組立体が、１ｍｍのＡｌ厚さを有するＡｌスリーブ内に挿入されている。スリーブは、１４８ｍｍの長さ、２６．５ｍｍの幅および８７ｍｍの高さを有する。ゼリーロールのＡｌ無コーティング端部は、レーザー溶接機によってＡｌ  ＰＢＢ上に溶接されている。Ａｌ  ＰＢＢは、１４８ｍｍの長さ、２６．５ｍｍの幅を有する。Ａｌ  ＰＢＢは、密閉封止処理を確実にするためにＡｌスリーブの底部上に溶接されている。８９ｍｍの高さおよび２４．５ｍｍの幅を有する２つのポリプロピレン板が、端部ゼリーロールと２つの細幅なＡｌケース壁との間に挿入されている。１４４ｍｍの長さおよび８７ｍｍの幅を有する２つの０．５ｍｍの厚さのポリプロピレンシートが、ゼリーロールと、２つ広幅なＡｌケース壁との間に挿入されている。５ｍｍの直径のＣｕロッドが、負極端子としてＣｕ  ＮＢＢ上に溶接されている。１４４ｍｍの長さおよび２３．５ｍｍの幅を有するポリプロピレンボードが、天板とＣｕ  ＮＢＢとの間に配置されている。上記ポリプロピレンボード内のＣｕ  ＮＢＢ中のスリット開口部に対応する、６つの２ｍｍの直径の穴が存在する。１ｍｍの厚さを有するＡｌ頂部カバーが、密閉封止を確実にするためにレーザー溶接機によりＡｌスリーブ上に溶接されている。天板内に配列された電解質充填用穴および通気孔も存在する（図１５Ａ）。ＥＣ／ＤＭＣ／ＥＭＣ（１：１：１）と１Ｍ  ＬｉＰＦ６とを主体とする電解質が、真空充填法を使用してゼリーロール内に充填されている。
【０２１３】
マルチコアＬｉイオン組立体が、形成のために３Ａの定電流を用いて４．１Ｖまで初期に充電される。形成後、天板の穴が、同様のサイズの金属ボールにより密閉される。マルチコアＬｉイオン組立体を、６Ａの定電流を用いて４．２Ｖまで充電し、続いて定電圧により、電流が０．６Ａに到達するまで４．２Ｖにおいて充電する。放電容量が、２．７５Ｖまでの定電流放電によって判定される。この種類の方法からモデル化した試験結果は、表１３においてリスト化されている。実施例１におけるマルチコアＬｉイオン組立体は、比較例２より高い容量、より高いエネルギーならびにより大きな体積エネルギー密度および質量エネルギー密度を有することが分かる。
【０２１４】
比較例２
カソードおよびアノード配合物、Ａｌ箔およびＣｕ箔の厚さ、電極製作プロセス、セパレータならびにジェリー製作プロセスは、実施例２の場合と同じである。比較例１において、Ａｌ箔幅は７２ｍｍであり、カソードコーティング領域幅は７２．５ｍｍである。Ｃｕ箔幅は７４．５ｍｍであり、コーティング領域幅もまた７４．５ｍｍである。セパレータ幅は、７６．５ｍｍである。カソード加圧成形密度およびアノード加圧成形密度は、それぞれ３．５５ｇ／ｃｃおよび１．５５ｇ／ｃｃである。アノードおよびカソードの１回目のサイクル充電容量比は、１．１６である。Ａｌ箔を用いたカソード厚さは、およそ１６６μｍであり、Ｃｕ箔を用いたアノード厚さは、およそ２０９μｍである。ゼリーロールは、７６．５ｍｍの高さおよび２３ｍｍの直径を有する。ゼリーロールは、２つのタブ、すなわち、カソード用のＡｌタブとアノード用のＣｕタブとを有する。タブは、それぞれＡｌ集電体箔およびＣｕ電流集電体箔と同じ厚さを有しており、７８．５ｍｍの長さおよび５ｍｍの幅を有する。ゼリーロールより上方にあるタブは両方とも、長さが２ｍｍである。
【０２１５】
６つのゼリーロールを、２３ｍｍのキャビティ直径、７８．５ｍｍの高さおよび０．５ｍｍの壁厚を有する６つのポリプロピレンライナー中に挿入した。次いでこの組立体を、１４８ｍｍの長さ、９０ｍｍの高さ、２６．５ｍｍの幅および１ｍｍの壁厚を有するＡｌケース内に挿入した。Ａｌバスバーは、１３０ｍｍの長さ、１０ｍｍの幅および９ｍｍの厚さを有する。加えて、Ｃｕバスバーは、１３０ｍｍの長さ、１０ｍｍの幅および５ｍｍの厚さを有する。ゼリーロールのＡｌタブは、レーザー溶接機を使用してＡｌバスバー上に溶接されており、Ｃｕタブは、レーザー溶接機を使用してＣｕバスバー上に溶接されている（図１６Ｂ）。ＡｌバスバーおよびＣｕバスバーは、ポリプロピレンライナー上に配置されており、これらのバスバーの間には、１個のプロピレンブロックが、バスバーを絶縁するために配置されている。それぞれの個々のゼリーロールに対応する６つの２ｍｍの穴を有し、１ｍｍの厚さおよび１４６ｍｍの長さおよび２４．５ｍｍの幅を有する、ポリプロピレンボードが、バスバーとケースの天板との間に配置されている。通気孔および６つの電解質充填用穴を有する天板は、密閉溶接されている。実施例２の場合と同じである電解質が、真空充填法によってゼリーロール内に充填されている。
【０２１６】
マルチコアＬｉイオン組立体が、形成のために３Ａの定電流を用いて４．１Ｖまで初期に充電される。形成後、天板の穴が、金属ボールによって密閉される。マルチコアＬｉイオン組立体を、６Ａの定電流を用いて４．２Ｖまで充電し、続いて定電圧により、電流が０．６Ａに到達するまで４．２Ｖにおいて充電する。放電容量が、２．７５Ｖまでの定電流放電によって判定される。このモデルからの試験結果が、表１３においてリスト化されている。
【０２１７】
【表１３】
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【０２１８】
実施例３
実施例３におけるゼリーロールは、下記の差異を除外すれば、実施例２の場合と同じである：（ｉ）  カソードＡｌ箔幅が６３ｍｍであり、コーティング領域幅が６１ｍｍであり；（ｉｉ）  アノードＣｕ箔幅もまた６３ｍｍであり、コーティング領域幅が６１ｍｍであること；（ｉｉｉ）  セパレータ幅が６３ｍｍであり；ならびに（ｉｖ）  ゼリーロール高さが６５ｍｍであり、直径が２４．８ｍｍであること。
【０２１９】
２４．８ｍｍの直径および０．５ｍｍの厚さを有するＣｕディスク、ＮＢＢを、レーザー溶接機を使用してゼリーロールのＣｕ無コーティング端部上に溶接した。２４ｍｍのスリット開口部がＣｕディスクである。２７ｍｍの直径および１ｍｍの厚さを有するＡｌディスク、ＰＢＢを、レーザー溶接機を使用してゼリーロールのＡｌ無コーティング端部上に溶接する。組立体が、２７ｍｍの直径、６９ｍｍの高さおよび１ｍｍの壁厚を有するＡｌスリーブ内に挿入されている。ＰＢＢが、レーザー溶接機を使用してＡｌスリーブの底部上に溶接されている。ＮＢＢが、Ａｌスリーブの天板上にある負極端子上に溶接されている。２５ｍｍの直径、１ｍｍの厚さおよび中央にある２ｍｍの穴を有するポリプロピレンディスクが、天板とＮＢＢとの間に配置されている。電解質充填穴および通気孔を有する１ｍｍの厚さのＡｌ天板が、密閉封止を確実にするためにＡｌスリーブ上に溶接されている。実施例２の場合と同じ電解質が、ゼリーロール内に真空充填されている（図１６Ａ）。
【０２２０】
シングルコアＬｉイオンセルが、形成のために０．５Ａの定電流を用いて４．１Ｖまで初期に充電される。形成後、天板の穴が、金属ボールによって密閉される。１Ａの定電流を用いて４．２Ｖまで充電し、続いて定電圧により、電流が０．１Ａに到達するまで４．２Ｖにおいて充電する。放電容量が、２．７５Ｖまでの定電流放電によって判定される。このモデルからの試験結果が、表１３においてリスト化されている。実施例３は、比較例３より高い容量、高いエネルギーならびに体積エネルギー密度および質量エネルギー密度を有する。
【０２２１】
比較例３
比較例３におけるゼリーロールは、下記の差異を除外すれば、比較例２と同じである：（ｉ）  カソードＡｌ箔幅が６０ｍｍであり、コーティング領域幅が６０ｍｍであること；（ｉｉ）  アノードＣｕ箔幅もまた６２ｍｍであり、コーティング領域幅が６２ｍｍであること；（ｉｉｉ）  セパレータ幅が６４ｍｍであること；（ｉｖ）  ゼリーロール高さが６４ｍｍであり、直径が２４．８ｍｍであること；ならびに（ｖ）  ＡｌタブおよびＣｕタブが６４ｍｍの長さおよび５ｍｍの幅を有すること。ゼリーロールより上方にあるタブは両方とも、長さが３ｍｍである。
【０２２２】
ゼリーロールを、６９ｍｍの高さ、２７ｍｍの直径および１ｍｍの壁厚を有するＡｌ缶内に挿入する。２５ｍｍの直径、１ｍｍの厚さおよび中央にある２ｍｍの穴を有するポリプロピレンディスクが、天板とゼリーロールとの間に設置されている。ＣｕタブとＡｌタブの両方が、天板上にある負極端子および正極端子上に溶接されている。電解質充填穴および通気孔を有する１ｍｍの厚さのＡｌ天板を、密閉封止処理を確実にするためにＡｌ缶上に溶接した。実施例２の場合と同じ電解質を、ゼリーロール内に真空充填した（図１６Ｂ）。
【０２２３】
シングルコアＬｉイオンセルが、形成のために０．５Ａの定電流を用いて４．１Ｖまで初期に充電される。形成後、天板の穴が、金属ボールによって密閉される。１Ａの定電流を用いて４．２Ｖまで充電し、続いて定電圧により、電流が０．１Ａに到達するまで４．２Ｖにおいて充電する。放電容量が、２．７５Ｖへの定電流放電によって判定される。試験結果は、表１３においてリスト化している。
【０２２４】
当業者に容易に明白である通り、本開示は、本趣旨またはこの必須の特徴から逸脱することなく、他の特定の形態において具体化され得る。したがって、本実施形態は、あらゆる点において、例示として見なされるべきであり、限定するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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