(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリのための電極アセンブリであって、前記電極アセンブリは、
活性材料層であって、前記活性材料層は、前記活性材料層の外側表面において前記活性材料層に形成されている陥凹を有し、前記陥凹は、前記活性材料層の側面から前記活性材料層の内部部分に向かって延在する、活性材料層と、
前記活性材料層の外側表面上に支持されている電流コレクタ層であって、前記電流コレクタ層は、前記活性材料層の外側表面と電気接触している、電流コレクタ層と、
前記陥凹内に部分的に支持されているタブ要素であって、前記タブ要素は、前記活性材料層および前記電流コレクタ層のうちの少なくとも１つと電気接触し、前記タブ要素は、前記電極アセンブリのための電気接続を提供するように適合されている、タブ要素と
を備え、
前記タブ要素の少なくとも一部は、前記陥凹内で、前記活性材料層と前記電流コレクタ層との間に支持されている、電極アセンブリ。
【請求項２】
前記陥凹は、前記活性材料層の端面から離間して前記活性材料層内に形成されている、請求項１に記載の電極アセンブリ。
【請求項３】
前記陥凹は、前記側面から前記端面に平行に延在する、請求項２に記載の電極アセンブリ。
【請求項４】
前記陥凹は、
床部分と、
前記側面に対向している端壁であって、前記端壁は、前記床部分を前記活性材料の外側表面に接合する、端壁と、
前記端壁と前記側面との間に延在する離間された側壁であって、前記離間された側壁は、前記床部分を前記活性材料の外側表面に接合する、離間された側壁と
を備えている、請求項１から３のいずれかに記載の電極アセンブリ。
【請求項５】
前記離間された側壁は、前記床部分に向かって内向きに傾斜されている、請求項４に記載の電極アセンブリ。
【請求項６】
前記端壁は、前記床部分に向かって内向きに傾斜されている、請求項４または請求項５に記載の電極アセンブリ。
【請求項７】
前記電流コレクタ層の少なくとも一部は、前記離間された側壁のうちの１つと前記タブ要素の対応する側面との間の前記陥凹内の間隙を少なくとも部分的に充填している、請求項４から６のいずれかに記載の電極アセンブリ。
【請求項８】
前記電流コレクタ層は、前記外側表面上への金属蒸着を備えている、請求項１から７のいずれかに記載の電極アセンブリ。
【請求項９】
前記活性材料層は、電解質ポリマーを備えている、請求項１から８に記載の電極アセンブリ。
【請求項１０】
前記タブ要素は、第１の厚さを有し、前記電流コレクタ層は、前記第１の厚さ未満の第２の厚さを有している、請求項１から９のいずれかに記載の電極アセンブリ。
【請求項１１】
前記タブ要素は、前記電流コレクタ層に結合され、前記タブ要素と前記電流コレクタ層との間にオーム接触を提供する、請求項１から１０のいずれかに記載の電極アセンブリ。
【請求項１２】
前記タブ要素の上面は、前記活性材料層の外側表面と面一である、請求項１から１１に記載の電極アセンブリ。
【請求項１３】
バッテリのための電極アセンブリを生産する方法であって、前記方法は、
下地基板上に活性材料層を提供することと、
前記活性材料層の外側表面において前記活性材料層に陥凹を形成することであって、前記陥凹は、前記活性材料層の側面から前記活性材料層の内部部分に向かって延在する、ことと、
前記下地基板から前記活性材料層を除去することと、
前記活性材料層の外側表面に電流コレクタ層を適用することと、
前記陥凹内に部分的にタブ要素を固着することと
を含み、
前記タブ要素の少なくとも一部は、前記陥凹内で、前記活性材料層と前記電流コレクタ層との間に支持されている、方法。
【請求項１４】
前記下地基板から前記活性材料層を除去することに先立って、前記下地基板上の前記活性材料層を安定化させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記電流コレクタ層は、前記タブ要素が固着されるのに先立って、前記活性材料層の外側表面に適用され、前記タブ要素は、前記電流コレクタ層に固着される、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電流コレクタ層は、前記タブ要素が固着された後、前記活性材料層の外側表面に適用され、前記電流コレクタ層は、前記陥凹内の前記タブ要素を覆って適用される、請求項１３または請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記電流コレクタ層は、金属蒸着として、前記活性材料層の外側表面に適用される、請求項１３から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記タブ要素を前記電流コレクタ層に結合し、前記タブ要素と前記電流コレクタ層との間にオーム接触を提供することをさらに含む、請求項１３から１７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に説明される実施形態は、概して、エネルギー貯蔵要素に関し、より具体的には、バッテリ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイルデバイスは、日々の生活において、広範に使用されている。これらのモバイルデバイスは、バッテリによって給電されるが、バッテリは、ほとんどの場合再充電可能であるが、他の場合には使い捨てであり得る。これらの場合の両方において、これらのバッテリが、場合によって、再充電または交換される必要性がある前に、長時間継続するように、高容量を有することが重要である。しかしながら、ハンドヘルドデバイス等のモバイルデバイスは、バッテリのための容量が制限されている。したがって、好適な量の充電を提供するために、空間効率的様式において、バッテリが設計されることが重要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一側面では、本明細書に説明される少なくとも一例示的実施形態では、バッテリのための電極アセンブリが提供される。電極アセンブリは、活性材料層であって、活性材料層は、活性材料層の外側表面において活性材料層に形成されている陥凹を有し、陥凹は、活性材料層の側面から活性材料層の内部部分に向かって延在する、活性材料層と、活性材料層の外側表面上に支持されている電流コレクタ層であって、電流コレクタ層は、活性材料層の外側表面と電気接触している、電流コレクタ層と、部分的に陥凹内に支持されているタブ要素であって、タブ要素は、活性材料層および電流コレクタ層のうちの少なくとも１つと電気接触し、タブ要素は、電極アセンブリのための電気接続を提供するように適合されている、タブ要素とを備えている。
【０００４】
少なくともいくつかの場合には、電流コレクタ層の少なくとも一部は、活性材料層と陥凹内のタブ要素との間に支持される。
【０００５】
少なくともいくつかの場合には、タブ要素の少なくとも一部は、活性材料層と陥凹内の電流コレクタ層との間に支持される。
【０００６】
少なくともいくつかの場合には、陥凹は、活性材料層の端面から離間して、活性材料層内に形成される。
【０００７】
少なくともいくつかの場合には、陥凹は、側面から端面に概ね平行に延在する。
【０００８】
少なくともいくつかの場合には、陥凹は、床部分と、側面に概ね対向し、床部分を活性材料の外側表面に接合する端壁と、端壁と側面との間に延在し、床部分を活性材料の外側表面に接合する離間された側壁とを備えている。
【０００９】
少なくともいくつかの場合には、離間された側壁は、床部分に向かって内向きに傾斜される。
【００１０】
少なくともいくつかの場合には、端壁は、床部分に向かって内向きに傾斜される。
【００１１】
少なくともいくつかの場合には、電流コレクタ層は、外側表面上への金属蒸着を備えている。
【００１２】
少なくともいくつかの場合には、活性材料層は、電解質ポリマーを備えている。
【００１３】
少なくともいくつかの場合には、電解質ポリマーは、周囲温度において、機械的に自己安定化する。
【００１４】
少なくともいくつかの場合には、タブ要素は、第１の厚さを有し、電流コレクタ層は、第１の厚さ未満の第２の厚さを有する。
【００１５】
少なくともいくつかの場合には、タブ要素は、電流コレクタ層に結合され、それらの間にオーム接触を提供する。
【００１６】
少なくともいくつかの場合には、タブ要素の上面は、活性材料層の外側表面と実質的に面一である。
【００１７】
一側面では、本明細書に説明される少なくとも一例示的実施形態では、バッテリのための電極アセンブリを生産する方法が提供される。方法は、下地基板上に活性材料層を提供することと、活性材料層の外側表面において、活性材料層の側面から、活性材料層の内部部分に向かって延在する陥凹を活性材料層に形成することと、下地基板から活性材料層を除去することと、活性材料層の外側表面に電流コレクタ層を適用することと、部分的に陥凹内にタブ要素を固着することとを含む。
【００１８】
少なくともいくつかの場合には、方法はさらに、下地基板から活性材料層を除去することに先立って、下地基板上に活性材料層を安定化させることを含む。
【００１９】
少なくともいくつかの場合には、電流コレクタ層は、タブ要素が固着されるのに先立って、活性材料層の外側表面に適用され、タブ要素は、電流コレクタ層に固着される。
【００２０】
少なくともいくつかの場合には、電流コレクタ層は、タブ要素が固着された後、活性材料層の外側表面に適用され、電流コレクタ層は、陥凹内のタブ要素を覆って適用される。
【００２１】
少なくともいくつかの場合には、電流コレクタ層は、金属蒸着として、活性材料層の外側表面に適用される。
【００２２】
少なくともいくつかの場合には、方法はさらに、タブ要素を電流コレクタ層に結合し、その間にオーム接触を提供することを含む。
例えば、本発明は、以下を提供する。
（項目１）
バッテリのための電極アセンブリであって、
活性材料層であって、上記活性材料層は、上記活性材料層の外側表面において上記活性材料層に形成されている陥凹を有し、上記陥凹は、上記活性材料層の側面から上記活性材料層の内部部分に向かって延在する、活性材料層と、
上記活性材料層の外側表面上に支持されている電流コレクタ層であって、上記電流コレクタ層は、上記活性材料層の外側表面と電気接触している、電流コレクタ層と、
部分的に上記陥凹内に支持されているタブ要素であって、上記タブ要素は、上記活性材料層および上記電流コレクタ層のうちの少なくとも１つと電気接触し、上記タブ要素は、上記電極アセンブリのための電気接続を提供するように適合されている、タブ要素と
を備えている、電極アセンブリ。
（項目２）
上記電流コレクタ層の少なくとも一部は、上記活性材料層と上記陥凹内の上記タブ要素との間に支持されている、上記項目に記載の電極アセンブリ。
（項目３）
上記タブ要素の少なくとも一部は、上記活性材料層と上記陥凹内の上記電流コレクタ層との間に支持されている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目４）
上記陥凹は、上記活性材料層の端面から離間して上記活性材料層内に形成されている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目５）
上記陥凹は、上記側面から概ね端面に平行に延在する、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目６）
上記陥凹は、
床部分と、
上記側面に概ね対向している端壁であって、上記端壁は、上記床部分を上記活性材料の外側表面に接合する、端壁と、
上記端壁と上記側面との間に延在する離間された側壁であって、上記離間された側壁は、上記床部分を上記活性材料の外側表面に接合する、離間された側壁と
を備えている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目７）
上記離間された側壁は、上記床部分に向かって内向きに傾斜されている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目８）
上記端壁は、上記床部分に向かって内向きに傾斜されている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目９）
上記電流コレクタ層は、上記外側表面上への金属蒸着を備えている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目１０）
上記活性材料層は、電解質ポリマーを備えている、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目１１）
上記電解質ポリマーは、周囲温度において、機械的に自己安定化する、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目１２）
上記タブ要素は、第１の厚さを有し、上記電流コレクタ層は、上記第１の厚さ未満の第２の厚さを有している、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目１３）
上記タブ要素は、上記電流コレクタ層に結合され、上記タブ要素と上記電流コレクタ層との間にオーム接触を提供する、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目１４）
上記タブ要素の上面は、上記活性材料層の外側表面と実質的に面一である、上記項目のいずれかに記載の電極アセンブリ。
（項目１５）
バッテリのための電極アセンブリを生産する方法であって、
下地基板上に活性材料層を提供することと、
上記活性材料層の外側表面において上記活性材料層に陥凹を形成することであって、上記陥凹は、上記活性材料層の側面から上記活性材料層の内部部分に向かって延在する、ことと、
上記下地基板から上記活性材料層を除去することと、
上記活性材料層の外側表面に電流コレクタ層を適用することと、
部分的に上記陥凹内にタブ要素を固着することと
を含む、方法。
（項目１６）
上記下地基板から上記活性材料層を除去することに先立って、上記下地基板上の上記活性材料層を安定化させることをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１７）
上記電流コレクタ層は、上記タブ要素が固着されるのに先立って、上記活性材料層の外側表面に適用され、上記タブ要素は、上記電流コレクタ層に固着される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
上記電流コレクタ層は、上記タブ要素が固着された後、上記活性材料層の外側表面に適用され、上記電流コレクタ層は、上記陥凹内の上記タブ要素を覆って適用される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１９）
上記電流コレクタ層は、金属蒸着として、上記活性材料層の外側表面に適用される、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目２０）
上記タブ要素を上記電流コレクタ層に結合し、上記タブ要素と上記電流コレクタ層との間にオーム接触を提供することをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（摘要）
バッテリのための電極アセンブリおよび電極アセンブリを作製する方法の種々の実施形態が、本明細書に説明される。電極アセンブリは、活性材料層であって、活性材料層は、活性材料層の外側表面において活性材料層に形成されている陥凹を有し、陥凹は、活性材料層の側面から活性材料層の内部部分に向かって延在する、活性材料層と、活性材料層の外側表面上に支持されている電流コレクタ層であって、電流コレクタ層は、活性材料層の外側表面と電気接触している、電流コレクタ層と、部分的に陥凹内に支持されているタブ要素であって、タブ要素は、活性材料層および電流コレクタ層のうちの少なくとも１つと電気接触し、タブ要素は、電極アセンブリのための電気接続を提供するように適合されている、タブ要素とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本明細書に説明される種々の実施形態のさらなる理解のために、かつこれらの種々の実施形態がどのように実施され得るかをより明確に示すために、一例として、少なくとも一例示的実施形態を示す、付随の図面を参照する。
【図１】図１は、バッテリのための電極アセンブリを製造するための方法の例示的実施形態である。
【図２Ａ】図２Ａは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの例示的実施形態の側面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の一部の側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の一部の側面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の一部の側  面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の一部の側面図である。
【図４】図４Ａ−４Ｃは、例証の目的のために、タブ要素を伴わずに示される、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の等角上面および側面図である。
【図５】図５Ａ−５Ｃは、積層セルバッテリのための電極アセンブリの別の例示的実施形態の等角上面および側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、電極アセンブリとともに使用するためのタブ要素の例示的実施形態の等角図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、電極アセンブリとともに使用するためのタブ要素の別の例示的実施形態の等角図である。
【図７】図７は、本明細書に説明される電極アセンブリを使用する、積層セルバッテリの例示的実施形態の等角図である。
【図８】図８は、２つの電極アセンブリを有する電極積層アセンブリの例示的実施形態の一部の等角図と、積層セルバッテリ内で使用するためのタブ要素の種々の例示的構成である。
【図９】図９Ａ−９Ｅは、本明細書に説明される折り曲げられたタブ要素によって可能なバッテリパック構成の種々の例示的実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
種々の装置またはプロセスが、各請求される発明の例示的実施形態を提供するために後述される。後述される実施形態は、いずれの請求される発明も制限するものではなく、請求される発明は、後述されるものと異なるプロセスまたは装置を網羅し得る。請求される発明は、後述される任意の１つ装置またはプロセスの特徴のすべてを有する装置あるいはプロセス、もしくは後述される装置またはプロセスの複数またはすべてに共通する特徴に制限されない。後述される装置またはプロセスは、いずれの請求される発明の実施形態でもない可能性がある。本書に請求されない、後述される装置またはプロセスにおいて開示されるいずれの発明も、別の保護文書、例えば、継続特許出願の主題となり得、出願人、発明者、または所有者は、本書におけるその開示によって、任意のそのような発明を断念、放棄、または公に供することを意図するものではない。
【００２５】
さらに、便宜上、かつ例証を明確にするために、適切と考えられる場合、参照番号は、対応または類似要素を示すために、図中で反復されない場合があることを理解されるであろう。加えて、多数の具体的詳細が、本明細書に説明される実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本明細書に説明される実施形態は、これらの具体的詳細を伴うことなく、実践され得ることが、当業者によって、理解されるであろう。他の事例では、周知の方法、手順、および構成要素は、本明細書に説明される実施形態を曖昧にしないように、詳細に説明されていない。また、説明は、本明細書に説明される実施形態の範囲を制限するものと見なされるべきではない。
【００２６】
本明細書に説明される実施形態は、概して、モバイルデバイスのためのエネルギー貯蔵要素に関し、より具体的には、バッテリ内で種々のセルを一緒に接続する場合、または種々の積層セルバッテリを一緒に接続する場合、より高いエネルギー密度、よりコンパクトな積層、およびより多くの柔軟性のうちの少なくとも１つを可能にする、積層セルバッテリのための電極アセンブリの種々の設計に関する。
【００２７】
バッテリ構成では、電極アセンブリは、電流コレクタ層によって支持される活性材料層から成る。タブ要素が電極アセンブリに接続され、活性材料層と電気接続する。タブ要素は、従来、タブ要素と電流コレクタ層との高さまたは厚さが略等しくなるように、電流コレクタ層と「一列に並んで」形成される。タブ要素および電流コレクタ層はまた、活性材料層の共通表面に固定される。本電極アセンブリは、バッテリセルのためのカソードまたはアノードを形成する。
【００２８】
電流コレクタ層の最小限の厚さは、従来のバッテリ製造プロセスに関する３つの問題によって、制限される。これらの制限は、より厚い電流コレクタ層が、電極アセンブリの全体的面積に対する活性材料層の割合を低減させ（バッテリに関するサイズ制約を前提として）、順に、バッテリのエネルギー密度を低減させるので、重要である。しかしながら、発明者らは、バッテリ内のより多くの単位体積当たりの活性材料をもたらし、したがって、より高い単位体積当たりのバッテリ容量をもたらすであろう、より薄い電流コレクタ層による、種々の設計を実現した。
【００２９】
電流コレクタ層の厚さに関する第１の制約は、製造の間の機械的安定性の必要性によるものである。現在の積層セルバッテリトポロジにおいて、アノードおよびカソード層のために使用される活性材料は、典型的には、非常に軟質かつ不安定である。例えば、典型的ポータブル電子バッテリの場合、アノードは、黒鉛から作製されることができ、カソードは、リチウムコバルト二酸化物から作製することができる。また、当業者によって周知のように、いくつかの他の商業的実行可能性が存在する。本明細書に説明される教示は、これらの種々の異なる材料の組み合わせとともに使用することができる。故に、これらの軟質かつ不安定材料のため、電極アセンブリの層を生成するために、従来の製造プロセスは、最初に、電流コレクタ層を形成し、次いで、スラリーとして知られる、液体または水溶液として、活性材料を電流コレクタ層上に蒸着し、次いで、活性材料層を硬化させる。硬化後、活性材料層および電流コレクタへのその付着は、依然として、非常に脆弱であり得る。したがって、電流コレクタ層は、製造の間、活性材料層のための基板として作用し、活性材料層に安定性および機械的強度を提供する。電極アセンブリが製造されている場合、活性材料層および／または電流コレクタ層が破損すると、生産ラインプロセスは、中断される必要があるであろう。このようなことが発生するのを防止するために、電流コレクタ層は、従来、要求される機械的強度および安定性を提供するための最小限の厚さで形成される。本最小限の厚さはまた、ある速度で電極アセンブリを生産している間、電極アセンブリの破損を回避するために、ある程度、製造機器の処理量によって、設定される。したがって、より高い処理量速度は、電極アセンブリに対して、より強い機械的強度を要求し、順に、より厚い電流コレクタ層を要求する。
【００３０】
電流コレクタ層の厚さに関する第２の制約は、バッテリの等価直列抵抗（ＥＳＲ）に及ぼす電流コレクタ層の影響である。電流コレクタ層は、バッテリセルの外部端子へ／から電流を伝導するので、電流コレクタ層の有効電気抵抗は、電流の断面積（この場合、電流コレクタ層の断面積である）に反比例する。一般に、より大きな厚さを伴う電流コレクタ層は、より大きな断面積を有し、これは、バッテリに対するより低いＥＳＲを意味する。
【００３１】
電流コレクタ層の厚さに関する第３の制約は、タブ要素のハンダ付け性である。従来のバッテリトポロジでは、タブ要素は、概して、電流コレクタ層上に超音波溶接される、または別様に、取り付けられる（当業者によって周知の技法を使用して）。タブ要素は、バッテリの外部端子に対する唯一の電気接続を提供するので、タブ要素が破損する場合、バッテリは、損なわれる。したがって、タブ要素は、従来、バッテリの寿命を継続するために十分な厚さに設計される。ある場合には、タブ要素は、より良好な「整合」を提供するために、電流コレクタ層と同じ程度の厚さであり得る。さらに、ハンダ付け、溶接、または取り付けプロセスはまた、ある場合には、電流コレクタ層を穿孔し得、潜在的に、また、電極を短絡させることによって、バッテリを損なうであろう。これらのことは両方とも、電流コレクタ層に対する最小限の厚さをもたらす。
【００３２】
従来のバッテリ製造プロセスでは、前述の制約の最も深刻なものが、電流コレクタ層に対する最小可能厚を決定する。すなわち、これらの３つの個別の最小限値のうちの最大のものが、電流コレクタ層の厚さに究極的制約を提供する。
【００３３】
しかしながら、発明者らは、従来のバッテリ製造技法による電流コレクタ層の厚さに関する課題が、活性材料層が、電流コレクタ層から独立して、安定化され得る場合、克服することができることを発見した。図１を参照すると、バッテリのための電極アセンブリを製造するための方法１００の例示的実施形態が示される。方法１００は、ステップ１０２から開始し、バッテリ電極アセンブリのための活性材料が、一時的下地基板上に蒸着され、活性材料層を形成する。活性材料層は、電解質ポリマーを備えている。少なくともいくつかの場合には、電解質ポリマーは、周囲温度において、機械的に自己安定化する。ステップ１０４では、活性材料層は、機械的に安定化されている。使い捨てまたは再使用可能であり得る一時的下地基板は、Ｍｙｌａｒ、活性材料層（ＡｌまたはＣｕ）と同一材料、または機械的および温度要件（これらの要件は、当業者によって周知である）を満たす任意の他の材料であり得る。真の電流コレクタと再使用可能電流コレクタとは、ステップ１０８中に必要に応じて、相互から容易に分離されるように、その界面において、一緒に「糊着」されることができる。本機械的安定化は、下地基板として、電流コレクタ層を使用することから独立していることに留意されたい。
【００３４】
ステップ１０６では、活性材料層が機械的に安定すると、陥凹が活性材料層の外側表面上に形成される。しかしながら、これはまた、ステップ１０４の間に行うこともできる。例えば、一時的下地基板は、タブ要素を受け取るための活性材料層内の陥凹を形成するためのネガティブモールドを提供するように、切り込みが入れられるか、または成形されることができる。例えば、活性材料層は、圧延プロセスを受け、その密度を増すことができ、陥凹は、活性材料層の残りより少しだけその面積を特定的に圧縮することによって形成することができる。これは、活性材料層として黒鉛材料を用いて行うことができる。なぜなら、黒鉛材料は、ある程度の圧縮に耐えるように機械的に頑強であり、より高い圧縮力のもとで変形されることができるからである。活性材料層が一時的下地基板から除去される場合、タブ要素を受け取るための陥凹が、既に、活性材料層内に予形成されている。陥凹は、活性材料層の任意の好適な面から活性材料層の内部表面に向かって、および、種々の位置において所与の面に沿って延在することができる。例えば、図２Ａ−６に説明されるような種々の陥凹を形成することができる。代替実施形態では、陥凹は、フォトリソグラフィ技法、化学エッチング、または研磨エッチングを使用して、活性材料層内にエッチングすることができる。さらに、代替実施形態では、陥凹はまた、蒸着またはコーティングプロセス前または後に形成することができる。他の変形例もまた、当業者に周知のように、可能である。
【００３５】
ステップ１０８では、活性材料層は、活性材料層が破壊されないような方法で、下地基板から除去される。２つの基板が存在する場合、それらは、活性材料層を屈曲することなく、またはそれに応力を与えることなく、剥離されるようにより優しく、より丁寧なプロセスを使用して、分離することができる。活性材料層が完全に分離されると、活性材料層は遥かに頑強となるであろう。結合剤もまた、下地基板から活性材料層を解放するために使用され、活性化され得る。分離プロセスは、非常に丁寧であり得るか、または活性材料層は、機械的に頑強な組成を提供する材料から成り得る。結合剤のために使用される材料は、概して、タブ要素のための良好な接着性および良好なオーム接触を達成するように選択される。しかしながら、結合剤のための材料はまた、当業者によって周知であるように、バッテリの目的に基づいて、選択することができる。
【００３６】
ステップ１１０では、活性材料層は、隔離され、陥凹が電流コレクタ層によって充填されないように、電流コレクタ層が活性材料層の外側表面に適用される。本ステップは、典型的には、従来のバッテリ製造プロセスにおいて行われるものと逆であることに留意されたい。電流コレクタ層は、活性材料層上に印刷することができるか、あるいは金属蒸着から形成されるか、または陥凹内に物理的に設置されることができる。金属蒸着の場合、少なくともいくつかの場合には、コレクタ層は、活性材料層上に実質的に連続的であるように形成することができる。障壁層もまた、ある場合には、蒸着当業者に周知のように、蒸着の量を制限するために使用され得る。いくつかの実施形態では、電流コレクタ層はまた、タブ要素のために使用される材料を提供することができる。
【００３７】
ステップ１１２では、タブ要素は、次いで、少なくとも部分的に、活性材料層の陥凹面積内に固着され、電流コレクタ層に取り付けられる。接着または障壁層が、当業者に一般的に周知のように、タブ要素のために使用され得る。タブ要素は、電流コレクタ層に機械的に溶接される、または別様に接合されることができる。タブ要素は、概して、当業者に周知のように、任意の好適な化学、電気、または機械的手段（例えば、圧縮）を使用して、その隣接層に接着することができることに留意されたい。いくつかの実施形態では、ステップ１１０および１１２の順序は、逆にされる、または組み合わせることができることに留意されたい。
【００３８】
製造プロセス１００によって、電流コレクタ層の厚さに関する３つの従来の制約は、電流コレクタ層が、従来の製造プロセス中におけるように、活性材料層を機械的に安定化させるための応力を受けないので、積層セルバッテリトポロジに対して、大幅に緩和される。さらに、積層セルバッテリ構成では、アノード電極アセンブリ、電解質、およびカソード電極アセンブリを含む各バッテリセルは、別個の電子伝導経路を提供し、別個の電子伝導経路は、次いで、他のバッテリセルと並列に接続される。したがって、これらの個々の経路の各々の抵抗は、これらの伝導経路の各々が、並列に接続されるので、従来のバッテリトポロジにおけるより高くなり得る（より薄い電流コレクタ層のため）。言い換えると、厚さ１４ミクロン（従来、使用される）を伴う単一電流コレクタ層ではなく、各々が厚さ７ミクロンを有し、並列に接続される２つの電流コレクタ層は、同一の全体的ＥＳＲを有するであろう（たとえ各並列伝導経路が１４ミクロン電流コレクタ層と比較して２倍の抵抗を有するにしても）。
【００３９】
製造プロセス１００によって、電流コレクタ層の厚さは、電流コレクタ層が連続層であるために十分に厚いが、孤立されず、依然として、効率的電流の収集を可能にするように低減される。しかしながら、電流コレクタ層は、タブ要素に接続されるために、十分に厚い。この点において、電流コレクタ層とタブ要素との間の結合層は、任意の電圧降下および非線形性を回避するために、ショットキーダイオードタイプ界面ではなく、オームまたは熱接続であり得る。実施例として、従来のバッテリ製造プロセスが、厚さ６０ミクロンを有するアノード層および厚さ１４ミクロンを有する電流コレクタ層を伴う積層セルトポロジのための電極アセンブリを生産する場合、プロセス１００は、例えば、６５ミクロンのアノード層、および、厚さ９ミクロンまたは９ミクロン未満ですらある電流コレクタ層伴う積層セルトポロジのための電極アセンブリを生産するために使用することができる。故に、タブ要素は、タブ要素が余分な厚さを必要としないように、活性材料層の「内部」に作製される、またはその中にはめ込まれることができる。加えて、低エネルギー、低貫通マイクロ波ハンダ付け、吸収層の有無等、種々の方法を使用して、タブ要素と電流コレクタ層との間の結合を改善することができる。層加熱／冷却もまた、溶接の貫通能力を制限するために使用され得る。前述のように、当業者に周知のように、種々の電気、化学、または機械的技法を使用することができる。例えば、伝導性の糊またはペーストが、ある場合には、使用され得る。
【００４０】
したがって、バッテリ製造プロセス１００は、活性材料（すなわち、アノードおよびカソード）の量、または言い換えると、単位体積当たりのバッテリ内の活性／不活性材料比を増加させるために、はめ込まれたタブ要素および減少厚の電流コレクタ層を利用するバッテリのための積層セルトポロジを提供する。電流コレクタ層の厚さが低減されるが、タブ要素の厚さは、従来の積層セルバッテリトポロジと略同一であり、タブ要素は、アノード内にはめ込まれ、その厚さを保持する結果となる。電流コレクタ層の厚さを低減し、タブ要素を活性材料層内にはめ込むことによって、バッテリ容量は、大幅に増加され得る。例えば、本明細書に説明される電極アセンブリ設計によって、任意の所与のバッテリの化学的性質に対して、約１０−１５％のエネルギー密度が増加され得る。実際、本製造技法は、特に、より薄いバッテリ形状因子の場合、ゼリーロール型バッテリのものと同等またはそれ以上に、積層セルバッテリのためのエネルギー密度を改善することができる。さらに、より薄いバッテリが、所与のエネルギー定格に対して、本製造技法を使用して、生成することができる。本電極アセンブリトポロジはまた、以下にさらに詳述されるように、不規則形状のバッテリを可能にするために使用することができる。いくつかの実施形態では、タブ要素は、前述のように、電流コレクタ層によって形成され得ることに留意されたい。
【００４１】
次に、より薄い電流コレクタ層を組み込む、積層セルバッテリ構成のための電極アセンブリの種々の例示的実施形態について、論じられる。製造プロセス１００、その変形例、または代替製造プロセスを使用して、以下の電極アセンブリを生産することができることに留意されたい。
【００４２】
次に、図２Ａを参照すると、バッテリのための電極アセンブリ２００の例示的実施形態の側面図が示される。電極アセンブリ２００は、活性材料層２０２、電流コレクタ層２０４、およびタブ要素２０６を備えている。電極アセンブリ２００は、バッテリセルのカソードまたはアノードを提供するために使用することができる。タブ要素２０６の少なくとも一部は、電流コレクタ層２０４が低減された厚さを有し得るように、活性材料層２０２内に位置する。
【００４３】
活性材料層２０２は、その外側表面に形成される、陥凹を有する。陥凹は、概して、活性材料層２０２の端面に平行である方向に、活性材料層２０２の側面から、活性材料層２０２の内部部分に向かって延在する。陥凹はまた、活性材料層２０２の端面から離間されるように、活性材料層２０２内に形成される。本実施例では、陥凹は、長方形外形を有するが、しかしながら、他の外形も、他の実施形態では、使用することができる。
【００４４】
本実施例および本明細書に説明される他の例示的実施形態では、陥凹の場所は、側面に沿って、可変であり得る。また、本実施例および本明細書に説明される他の実施例では、陥凹が電極アセンブリの正面または端面に延在することができる、他の実施形態も存在し得る。加えて、本実施例および本明細書に説明される他の実施例では、複数の陥凹が存在することができ、各陥凹が、線形または非線形パターンにおいて、電極アセンブリの類似面または異なる面に延在する、他の実施形態も存在し得る。
【００４５】
活性材料層２０２は、電極アセンブリ２００が、場合によって、アノードまたはカソードとして作用するような適切な材料を備えている。例えば、黒鉛は、アノードを提供するために使用することができ、リチウムコバルト二酸化物は、カソードを提供するために使用することができる。また、当業者によって周知であるように、いくつかの他の商業的実行可能性も存在する。少なくともいくつかの場合には、活性材料層２０２は、現在のリチウムポリマーバッテリにおいて使用される、ポリマーまたはゲル電解質等であるが、それらに制限されない、周囲温度において、機械的に自己安定化する、材料から作製される。
【００４６】
電流コレクタ層２０４は、活性材料層２０２の外側表面上に支持され、それと電気接触する。電流コレクタ層２０４は、タブ要素２０６の一部を受け取るためのスロットまたは陥凹を有する。金属蒸着が活性材料層２０２上に電流コレクタ層２０４を形成するために使用されることができる。少なくともいくつかの場合には、金属蒸着は、電流コレクタ層２０４が活性材料層２０２上で実質的に連続であり、電流コレクタ層２０４とタブ要素２０６との間のより確実な接触を提供し得るように行うことができる。本実施例では、タブ要素２０６の外側表面は、電流コレクタ層２０４と同一平面上であることができるか、または、電流コレクタ層２０４がその上面に形成されるように、活性材料層２０２内にさらにはめ込まれることができる。代替実施形態では、ある利点を提供し得る、電流コレクタ層２０４およびタブ要素２０６の接触表面のための異なる垂直外形が存在し得る。例えば、高電力バッテリのためのより高い電流が存在する、ある場合には、接触する電流コレクタ層２０４の表面とタブ要素２０６の表面とは、そうでなければ、高電流のため「火災」の危険があるであろうある面積内の電流密度を低減させるために、傾斜または湾曲され得る。
【００４７】
タブ要素２０６は、タブ要素２０６が電流コレクタ層２０４と電気接触するように、活性材料層２０２の陥凹内に、部分的に、支持される。故に、タブ要素２０６と、陥凹を形成する電流コレクタ層２０４および活性材料層２０２の部分は、相補的表面外形を有する。少なくともいくつかの場合には、タブ要素は、電流コレクタ層に結合され、その間にオーム接触を提供する。本例示的実施形態では、タブ要素２０６は、活性材料層２０２の側面から突出し、バッテリの外部端子との、または可能性として、別のバッテリセルとの中間電気接続等の別の電気接続との電気接続を提供するように成形することができる。また、本例示的実施形態では、電流コレクタ層２０４は、タブ要素２０６の厚さ未満である厚さを有することが分かる。
【００４８】
タブ要素２０６は、代替実施形態では、異なる場所にあることができることに留意されたい。タブ要素２０６は、電極アセンブリ２００の側面、端面、または正面に延在することができ、これらの面に沿った任意の位置に位置することができるが、隅は、最高電流密度をもたらし得、したがって、ある場合には、電極アセンブリ２００の面の略中心に、タブ要素２０６を位置付けることがよい場合がある。加えて、複数の正および負のタブ要素を１つ以上の電極アセンブリ内で使用することができる。タブ要素は、オーバレイとして、一緒に接続され得るが、これは、絶対要件ではない。
【００４９】
また、２つの電極アセンブリは、バッテリセルを形成するために使用され、その場合、その間に電解質材料（図示せず）を伴う２つの電極アセンブリ２００が存在し、２つの電極アセンブリ間に電子を流動させることに留意されたい。活性材料層は、一方の電極アセンブリがアノードとして作用し、他方の電極アセンブリがカソードとして作用するように、異なる材料から作製される。
【００５０】
次に、図２Ｂを参照すると、バッテリのための電極アセンブリ２５０の別の例示的実施形態の側面図が示される。電極アセンブリ２５０は、活性材料層２５２、電流コレクタ層２０４、およびタブ要素２５６を備えている。この場合、陥凹は、活性材料層２５２内に陥凹を形成する、側壁２５２ａおよび２５２ｂが傾斜されるように形成される。この場合、タブ要素２５６は、活性材料層２５２の陥凹面積内に嵌入するための相補的に傾斜された部分を有する。
【００５１】
次に、図３Ａを参照すると、活性材料層３０２、電流コレクタ層３０４、およびタブ要素３０６を備えている、電極アセンブリ３００の別の例示的実施形態の一部の側面図が示される。活性材料層３０２は、上側リッジを伴う二等分された八角形のように成形される陥凹３０２ｒを有する。陥凹３０２ｒは、平坦床部分３０２ａ、角度付けられた下側側壁３０２ｂおよび３０２ｃ、直線側壁３０２ｄおよび３０２ｅ、ならびに上側リッジ部分３０２ｆおよび３０２ｇを備えている活性材料層３０２の領域によって画定される。壁３０２ａ−３０２ｆは、必ずしも同一長を有する必要はないが、同一長を有する代替実施形態が存在し得る。リッジ部分３０２ｆおよび３０２ｇは、それぞれ、概して、陥凹３０２ｒと、電極アセンブリ３００の端面および正面との間にある。リッジ部分３０２ｆおよび３０２ｇは、活性材料層３０２の外側表面と概ね面一である、上面で終端する。リッジ部分３０２ｆおよび３０２ｇの上面は、概して、陥凹３０２ｒの床部分３０２ａより高い高さにある。
【００５２】
タブ要素３０６は、壁３０６ａ−３０６ｈによって画定される、平坦化された八角形形状を有する。壁３０６ａ−３０６ｅは、壁３０２ａ−３０２ｅによって画定される活性材料層の面積に対して、相補的形状を有する。この場合、タブ要素３０６は、上側の内向きに角度付けられた壁３０６ｆおよび３０６ｇを有するが、代替実施形態では、これらの壁は、活性材料層３０２の壁３０２ｆおよび３０２ｇに整合するように、外側に角度付けることができる（また、陥凹の本領域内の電流コレクタ層３０４の形状を変化させるであろう）。
【００５３】
本実施例では、電流コレクタ層３０４は、下方に延在する、三角形区画３０４ａおよび３０４ｂを有する。三角形区画３０４ａは、部分的に、壁３０２ｆと３０６ｆとの間の間隙を充填し、三角形区画３０４ｂは、部分的に、壁３０２ｇと３０６ｇとの間の間隙を充填する。非平面領域は、積層プロセスにおいて、多層セルの全体的機械的安定性のために、実矧ぎ誘導として、使用され得る。しかしながら、図３Ｂに示されるように、タブ要素３０６および電流コレクタ層３０４に対して、異なる形状を伴う代替実施形態が存在し得る。
【００５４】
次に、図３Ｃを参照すると、活性材料層３５２、電流コレクタ層３０４、およびタブ要素３０６を備えている、電極アセンブリ３５０の別の例示的実施形態の側面図が示される。活性材料層３５２は、二等分された六角形のように成形される陥凹を有する。陥凹は、平坦床部分３５２ａならびに角度付けられた側壁３５２ｂおよび３５２ｃを備えている活性材料層３５２の領域によって画定される。壁３５２ａ−３５２ｃは、必ずしも、同一長を有するわけではないが、同一長を有する代替実施形態も存在し得る。タブ要素３０６の壁３０６ａ−３０６ｃは、壁３０２ａ−３０２ｃによって画定される活性材料層の面積に対して相補的形状を有するが、壁３０６ｂおよび３０６ｃは、壁３５２ｂおよび３５２ｃと同一長ではない（しかしながら、代替実施形態では、同一長を有し得、その場合、側壁３０６ｄ−３０６ｇは、存在しないであろう）。三角形区画３０４ａは、部分的に、壁３５２ｂ、３０６ｄ、および３０６ｆの間の間隙を充填し、三角形区画３０４ｂは、部分的に、壁３５２ｃ、３０６ｅ、および３０６ｇ間の間隙を充填する。代替実施形態では、部分３０４ａおよび３０４ｂは、図３Ｄに示されるように、これらの部分と側壁３５２ｂおよび３５２ｃとの間に間隙が存在しないような異なる形状を有することができる。図３Ｃ−３Ｄに示される構成は、タブ要素が、最初に、活性材料層に取り付けられ、電流コレクタ層が、次いで、間隙を充填し、すべての活性材料を被覆するであろう蒸着プロセスによって形成されるプロセスにおいて生じることができる。
【００５５】
図３Ａ−３Ｄでは、電流コレクタ層３０４の少なくとも一部は、活性材料層３０２／３５２と陥凹内のタブ要素３０６との間に支持される。加えて、タブ要素３０６は、概して、活性材料層３０２／３５２と陥凹内の電流コレクタ層３０４との間に支持されることが分かる。さらに、タブ要素３０６の上面は、活性材料層３０２／３５２の外側表面と実質的に面一である。しかしながら、他の実施形態では、これは、必ずしも、該当する必要はない。
【００５６】
また、図３Ａ−３Ｂでは、タブ要素３０６は、電流コレクタ層３０４に取り付けられて示される一方、図３Ｃ−３Ｄでは、タブ要素３０６は、活性材料層３５２に取り付けられて示されることに留意されたい。これは、これらの層を形成するプロセスを逆にすることができるためである。また、代替実施形態では、陥凹近傍の電極アセンブリ３００、３００’、３５０、および３５０’の要素の側壁は、湾曲され得ることに留意されたい。
【００５７】
次に、図４Ａ−４Ｃを参照すると、例証の目的のために、タブ要素を伴わずに示される、積層セルバッテリのための電極アセンブリ４００の別の例示的実施形態の等角上面および側面図が示される。電極アセンブリ４００は、第１の電流コレクタ４０２、第１の活性材料層４０４、電気絶縁層（すなわち、隔壁層）４０６、第２の活性材料層４０８、第２の電流コレクタ４１０、ならびにタブ要素（図示せず）を受け取るための第１および第２の陥凹４１２および４１４を備えている。電極アセンブリ４００は、両方とも、垂直であり、相互に直交する、側面４１６および端面４１８を有する。活性材料層４０４および４０８ならびに電流コレクタ層４０２および４１０は、２つの異なるバッテリセルのための同一タイプの活性部分を提供するために使用される。例えば、電流コレクタ層４０２および活性材料層４０４は、一方のバッテリセルのためのアノードを提供することができる一方、電流コレクタ層４１０および活性材料層４０８は、別のバッテリセルのためのアノードを提供することができる。代替として、電流コレクタ層４０２および活性材料層４０４は、一方のバッテリセルのためのカソードを提供することができる一方、電流コレクタ層４１０および活性材料層４０８は、別のバッテリセルのためのカソードを提供することができる。
【００５８】
陥凹４１２は、床部分４１２ａと、概して側面４１６に対向し、床部分４１２ａを活性材料層４０４の外側表面に接合する端壁４１２ｂとを備えている。陥凹４１２はまた、陥凹の端壁４１８と側面４１６との間に延在し、床部分４１２ａを活性材料層４０４の外側表面に接合する離間された側壁４１２ｃおよび４１２ｄを備えている。離間された側壁４１２ｃおよび４１２ｄは、床部分４１２ａに向かって、内向きに傾斜される。端壁４１２ｂもまた、床部分４１２ａに向かって、内向きに傾斜される。
【００５９】
陥凹４１２はまた、タブ要素が、部分的に、活性材料層４０４および電流コレクタ層４０２内に支持されるように、電流コレクタ層４０２内に垂直に延在する、側壁４１２ｅおよび４１２ｆを備えている。電流コレクタ層４０２内の陥凹の部分の端壁は、垂直であることができる（図４Ａに示されるように）、または代替実施形態では、傾斜されることができる（図４Ｂに示されるように）。
【００６０】
積層セルバッテリ構成のための従来の電極アセンブリは、典型的には、図４Ａに示されるものに類似し、電気絶縁体によって分離される対のアノードまたはカソードを備えているが、活性材料層内に陥凹を伴わず、より厚い電流コレクタ層を伴う。これらの従来の電極アセンブリは、一方が他方の上面に、電解質の層とともに積層され、積層セルバッテリを形成する。アノードおよびカソードのためのタブ要素は、次いで、積層セルバッテリの同一面上に形成される。タブ要素は、次いで、積層電極アセンブリから、比較的に遠く離れて、側方に引き延ばされ、印刷回路基板（ＰＣＢ）または保護回路モジュール（ＰＣＭ）に接続されるために、一緒に接合される。積層電極アセンブリとＰＣＢまたはＰＣＭの縁との間の面積は、多くの場合、「大きな耳」と呼ばれ、バッテリ内の有意な体積を無駄にするが、これは、タブ要素が大きな耳領域内に一緒に密集して形成されることができないためである。これは、一部には、それらを電極アセンブリの面から離れるように導出し、それらを相互に接続することによって生成される機械的応力による、タブ要素の破損を回避するために行われる。これはまた、一部には、タブ要素が同一極性のタブ要素であり、異極性のタブが物理的に分離され遠くにある従来の実践が、タブ要素を絶縁しないという事実による。その結果、タブ要素は、バッテリセルのアノードおよびカソードの短絡を回避するために、変形される前にバッテリ積層の面からある長さにわたって延びる必要があり、積層セルバッテリとって、致命的となる可能性が高いであろう。加えて、バッテリセルが、異極性タブ要素を伴うものが、ＥＭＩ低減のために、相互の上面に積層されると仮定すると、タブ要素を絶縁するために、「大きな耳」領域を密封することは困難である。故に、従来の技術によって、「大きな耳」を絶縁することは、非常に高価となる。恐らく、より重要なこととして、異極性導体への近接性は、「大きな耳」構成における空間縮小に対する主要な制限ではないため、そうすることは、役に立たないであろう。大きな耳領域は、約数ミリメートルであり得るが、本問題は、本領域が典型的積層セルバッテリ内の体積の２から１０％を占有し得るので、重要である。特に、モバイルおよびハンドヘルドデバイスにおける使用のためのバッテリのサイズにおける制約を前提として、この無駄な空間は、バッテリの活性部分の体積を低減させ、使い捨てバッテリをより頻繁に交換することを要求するか、または再充電可能バッテリをより頻繁に再充電することを要求するであろう。さらに、タブ要素の本従来の構成によって、第２の積層セルバッテリに接続することが困難である。
【００６１】
発明者らは、大きな耳領域に関する問題を克服するための方法が、電極アセンブリ内の１つ以上の層および／または電極アセンブリの面に隣接するように、タブ要素を形成することであることを見出した。言い換えると、タブ要素は、電極アセンブリの外側表面と同一平面上において、アノードまたはカソードの一部を形成する活性材料層の外側表面に沿って、またはアノードまたはカソードの一部を形成する電流コレクタ層の表面に沿って、のうちの少なくとも１つにおいて、位置付けることができる。タブ要素はまた、２つの電極アセンブリ間の電解質材料内に埋め込まれ得る。本アプローチは、従来の技法において行われるように、バッテリ設計によって制限されるのではなく、タブ要素が、次いで、最終製品設計に最も便宜であるいずれの側面上にも延在することができるので、より多くの接続選択肢を提供することから、従来の技法より柔軟である。加えて、本アプローチはまた、積層セルバッテリに対して改善された近接性によって、ＰＣＢまたはＰＣＭを位置付けることを可能にし、それによって、大きな耳によって以前に占有されていた空間を縮小させる。実際、積層セルバッテリがＰＣＢまたはＰＣＭに接続される領域の体積は、本技法によって、積層セルバッテリの体積の２％未満まで低減することができる。この回復された空間は、より小さいバッテリパック（同一バッテリ容量を伴う）または同一バッテリパック体積内に増加されたバッテリ容量（例えば、１０−１５％増加した容量）を可能にする。さらに、本アプローチは、さらなる空間を占有する「パティオ」構成における水平配向の代わりに、垂直配向されるように、ＰＣＢまたはＰＣＭを積層セルバッテリに接続することを可能にする。
【００６２】
次に、図５Ａ−５Ｃを参照すると、積層セルバッテリのための電極アセンブリ５００の別の例示的実施形態の等角上面および側面図が示される。電極アセンブリ５００は、第１の電流コレクタ層５０２、第１の活性材料層５０４、絶縁体５０６、第２の活性材料層５０８、第２の電流コレクタ層５１０、ならびに第１および第２のタブ要素５１２と５１４を備えている。電流コレクタ層５０２は、第１の活性材料層５０４の外側表面に隣接し、電気接触する。電極アセンブリ５００の層状要素は、概して、側面５１６および端面５１８を有する。
【００６３】
第１および第２のタブ要素５１２と５１４は、それぞれ、平行線模様によって表される絶縁部分と、非絶縁部分５１２ｕ、５１４ｕとを有する。タブ要素５１２は、第１の活性材料層５０４および第１の電流コレクタ層５０２のうちの少なくとも１つと電気接触する端部リード部分（図示せず）を有する。タブ要素５１４は、第２の活性材料層５０８および第２の電流コレクタ層５１０のうちの少なくとも１つと電気接触する端部リード部分（図示せず）を有する。タブ要素５１２および５１４はまた、端部リード部分から延在し、実質的に、第１および第２の活性材料層５０４と５０８の側面５１６に隣接する、第２のリード部分（この場合、側部リード部分）を有する。タブ要素５１２および５１４の絶縁領域の部分は、タブ要素５１２および５１４の第２のリード部分の内側接触面積を被覆し、電極アセンブリ５００の他の領域からそれらを電気的に絶縁する絶縁層を提供する。タブ要素５１２および５１４の非絶縁部分５１２ｕと５１４ｕは、電極アセンブリ５００が、積層セルバッテリの外部端子に、または多重積層バッテリ内の別の電極アセンブリ積層に、電気的に接続することができるように、電極アセンブリ５００に電気接続を提供する。
【００６４】
タブ要素５１２および５１４は、例えば、ニッケルおよびアルミニウム等であるが、それらに制限されない、異なるタイプの材料から作製することができる。ある場合には、タブ要素は、短絡の場合、分解する、ポリマー材料から作製することができ、それによって、当業者に周知のように、安全性を保証する。例えば、臭素が使用され得る。
【００６５】
タブ要素５１２および５１４は、絶縁ポリマー材料において事前コーティングされ、次いで、溶接または他の熱／オーム接続を使用して、それぞれ、電流コレクタ層５０２および５１０に結合することができる。ポリマー材料は、タブ要素５１２および５１４を他のバッテリセル層から絶縁し、特に、タブ要素５１２および５１４は、タブ要素５１２および５１４が生じる、反対電極アセンブリから絶縁される。したがって、所与のタブ要素がアノードの電流コレクタ層に接続される場合、ポリマー材料は、短絡を防止するために、バッテリセルを完成するカソードから所与のタブ要素を絶縁する。
【００６６】
所与のタブ要素を絶縁するために、選択肢の１つは、ポリマー材料でタブ要素全体をコーティングし、次いで、タブ要素に電気的に接続するために、各端部を切断し、非絶縁領域を提供するものであり得る。第２の選択肢は、ＰＣＢまたはＰＣＭに結合される、所与のタブ要素の端部において、ポリマー材料のみを切断するものである。次いで、結合プロセス自体の間に、所与のタブ要素の他の端部において、ポリマー材料を消耗させることによって、電流コレクタ層との好適な結合が効果的に形成され得る。例えば、ポリマー材料は、結合が熱的である場合、溶解し得、または、結合がある種類の触媒材料を使用して行われる場合、実際に、電気化学的に消耗され得る。
【００６７】
タブ要素５１２および５１４は、電気的に絶縁されるので、現在は、タブ要素５１２および５１４を変形させ、「大きな耳」領域を有していた従来の積層セルバッテリによって可能であったものより遥かに密集した形成を達成することが可能である。例えば、図５Ａ−５Ｃに示されるように、現在は、積層セルバッテリの面に至るまで、タブ要素５１２および５１４を変形させ、それによって、非常に小さい体積を占有することが可能である。以前に「大きな耳」によって占有されていた空間を圧縮することによって、現在は、バッテリセルの周囲により緊密な密封を形成することが可能である。その結果、より強力な密封となり、積層セルバッテリを故障により耐えることができるようにする。さらに、タブ要素５１２および５１４に塗布されるポリマーコーティングもまた、ある程度の機械的安定性を追加し、これは、タブ要素が、現在は、従来、行われていた程度を上回って変形されるので、有用である。ポリマーコーティングはまた、所与のタブ要素または電流コレクタ層が、屈曲または曲げられるいずれの場所の曲率半径も増加可能にする。追加の機械的安定性は、タブ要素５１２および５１４が、現在、より大きな表面に隣接しており、実際、積層セルバッテリの面または内側層に対して不動化されるという事実によるものであり、これは、積層セルバッテリをより頑強にし、衝撃および衝突または他の機械的応力に耐えさせる。
【００６８】
次に、図６Ａを参照すると、電極アセンブリとともに使用するためのタブ要素６００の例示的実施形態の等角図が示される。タブ要素６００は、端部リード部分６０２、側部リード部分６０４、屈曲部分６０６、および第２の端部リード部分６０８を備えている。屈曲部分６０６は、端部リード部分６０２および側部リード部分６０４を接合する。屈曲部分６０６は、端部リード部分６０２が電極アセンブリ内に延在し、活性材料層および第１の電流コレクタ層のうちの少なくとも１つとの電気接触を提供することができるように、実質的に、直角に形成される（図８により詳細に示される）。タブ要素６００の一部は、斜交平行領域によって示されるように、絶縁層を有する。絶縁層はさらに、タブ要素６００の第１の屈曲部分６０６を被覆する。絶縁層は、ポリマー蒸着を備えている。側部リード部分６０４の周縁は、実質的に、電極アセンブリの外側側面と同一平面上にある、内側接触面積６０４ｉの長さに沿って、実質的に、ポリマー蒸着によって包囲される。タブ要素６００は、端部リード部分６０２が、活性材料層の表面上に受け取られ、隣接する電流コレクタ層に並置される、実施形態において使用することができる。代替として、タブ要素６００は、活性材料層が端部リード６０２の少なくとも一部を受け取るための陥凹を有する実施形態において使用することができる。
【００６９】
次に、図６Ｂを参照すると、電極アセンブリとともに使用するためのタブ要素６５０の別の例示的実施形態の等角図が示される。タブ要素６５０は、端部リード部分６５２、側部リード部分６５４、屈曲部分６５６、および第２の端部リード部分６５８を備えている。タブ要素６５０もまた、絶縁層で被覆され、端部リード部分６５２に六角形断面をもたらす追加の部分６５２ａを除き、タブ要素６００に類似する。タブ要素６５０は、端部リード部分６５２が活性材料層の表面上に受け取られる実施形態において使用することができる。代替として、タブ要素６５０は、活性材料層が端部リード部分６５２の少なくとも一部を受け取るための陥凹を有する実施形態において使用することができる。
【００７０】
次に、図７を参照すると、本明細書に説明される電極アセンブリを使用する、積層セルバッテリ７００の例示的実施形態の等角図が示される。積層セルバッテリ７００は、複数の電極アセンブリ７０２、７０４、７０６、および７０８を備えている。積層セルバッテリはさらに、タブ要素の任意の側部リード部分が、電極アセンブリ７０２、７０４、７０６、および７０８と下地基板７１０との間にコンパクトに格納されるように、電極アセンブリ７０２、７０４、７０６、および７０８の側面に適用される下地基板７１０を備えている。
【００７１】
次に、図８を参照すると、２つの電極アセンブリ８００ａおよび８００ｂを有する電極積層アセンブリ８００の例示的実施形態の一部の等角図と、積層セルバッテリ内で使用するためのタブ要素の種々の例示的構成が示される。電極アセンブリ８００ａは、すべて、電極アセンブリ８００ａ内に支持される、第１の電流コレクタプレート８０２、第１の活性材料層８０４、絶縁層８０６、第２の活性材料層８０８、および第２の電流コレクタ層８１０を備えている。第２の活性材料層８０８および第２の電流コレクタ層８１０は両方とも、第１の活性材料層８０４および第１の電流コレクタ層８０２から電気的に絶縁される。第２の電極アセンブリ８００ｂは、すべて、電極アセンブリ８００ｂ内に支持される、第３の電流コレクタプレート８１２および第３の活性材料層８１４、絶縁層８１６、第４の活性材料層８１８および第４の電流コレクタ層８２０を備えている。第４の活性材料層８１８および第４の電流コレクタ層８２０は両方とも、第３の活性材料層８１４および第３の電流コレクタ層８１２から電気的に絶縁される。本実施例では、第１の電極アセンブリ８００ａおよび第２の電極アセンブリ８００ｂは、電極積層アセンブリ８００内に隣接して支持される。
【００７２】
電極積層アセンブリ８００はさらに、第１の活性材料層８０４および第１の電流コレクタ層８０２と電気接触する第１の端部リード部分８２４を有する第１のタブ要素８２２を備えている。代替実施形態では、第１のタブ要素８２２は、第１の活性材料層８０４および第１の電流コレクタ層８０２のうちの少なくとも１つとの第１の電気接触と、別の電極アセンブリの一部または別の要素との第２の電気接続とを有することができる（これは、他のタブ要素に関して後述される類似接続にも該当する）。第１のタブ要素８２２はまた、実質的に、電極アセンブリ８００ａおよび８００ｂの側面と同一平面上にある側部リード部分である延在リード部分８２６を有する。第１のタブ要素８２２は、実質的に、直角に形成される、屈曲部分８２４ｂを有し、第１の端部リード部分８２４および側部リード部分８２６を接合する。
【００７３】
第１のタブ要素８２６はさらに、第１の活性材料層８０４および第１の電流コレクタ層８０２と電気接触する、別の端部リード部分８２８を備えている。第１のタブ要素８２２はまた、側部リード部分８２６から、電極アセンブリ８００ａ内に延在し、側部リード部分８２６が静置する側部と反対の側部において電極アセンブリ８００ａに電気接続８３２を提供する側方リード部分８３０を有する。第１のタブ要素８２２はまた、側部リード部分８２６から、電極アセンブリ８００ａ内に延在し、別の電気接続８３６を電極アセンブリ８００ａに提供する別の側方リード部分８３４を有する。側方リード部分８３４は、電流コレクタ層８０２の外側表面に隣接する。側方リード部分８３０は、活性材料層の外側表面８０８と電流コレクタ層８１０との間にある。第１のタブ要素８２２はまた、第１の屈曲部分８２４ｂと反対の側部リード部分８２６の端部において、側部リード部分８２６を側方リード部分８３４および端部リード部分８２８に接合する第２の屈曲部分８２８ｂを有する。
【００７４】
第１の絶縁層は、側部リード部分８２６の内側接触面積を被覆し、タブ要素８２６を第２および第３の活性材料層８０８と８１４のそれぞれから電気的に絶縁する。第１および第２の屈曲部分８２４ｂと８２８ｂもまた、絶縁層を有するが、端部リード部分８２４および８２８は、それぞれの活性材料層および／または電流コレクタ層と電気接触する。
【００７５】
電極積層アセンブリ８００はさらに、第２の活性材料層８０８および第２の電流コレクタ層８１０と電気接触する端部リード部分８４０を有する第２のタブ要素８３８を備えている。第２のタブ要素８３８はまた、実質的に、電極アセンブリ８００ａの側面と同一平面上にある側部リード部分である延在リード部分８４２を有する。第２のタブ要素８３８は、実質的に、直角に形成され、端部リード部分８４０と側部リード部分８４２とを接合する屈曲部分８４０ｂを有する。第２のタブ要素８３８はまた、側部リード部分８４２から延在し、側部リード部分８４２が静置する側部と反対の側部の電極アセンブリ８００ａに電気接続８４６を提供する側方リード部分８４４を有する。第２のタブ要素８３８はまた、側部リード部分８４２から延在し、電気接続８５２を電極アセンブリ８００ａに提供する第２の側方リード部分８５０を有する。側方リード部分８５０は、第１および第２の電極アセンブリ８００ａと８００ｂとの間であり、側方リード部分８３０と類似表面上において、電極積層アセンブリ８００内に延在する。代替実施形態では、側方リード部分８５０は、第１および第２の電極アセンブリ８００ａと８００ｂとの間であり、側方リード部分８３０がある、同一層の反対表面上において、電極積層アセンブリ８００内に延在することができる。
【００７６】
電極積層アセンブリ８００はさらに、第３の活性材料層８１４および第３の電流コレクタ層８１２と電気接触する端部リード部分８５６を有する第３のタブ要素８５４を備えている。第３のタブ要素８５４はまた、実質的に、電極アセンブリ８００ｂの側面と同一平面上にある側部リード部分である延在リード部分８５８を有する。第３のタブ要素８５４は、実質的に、直角に形成され、端部リード部分８５６および側部リード部分８５８を接合する屈曲部分８５６ｂを有する。ここでは図示されないが、第３のタブ要素８５４の側部リード部分８５８の他の端部も、電気接続を第２の電極アセンブリ８００ｂに提供することができるか、または、第３のタブ要素８５４は、リード部分８５０または８４４のような側方リード部分を有し、電気接続を第２の電極アセンブリ８００ｂに提供することができる。
【００７７】
第２の絶縁層は、側部リード部分８４２の内側接触面積を被覆し、タブ要素８３８のこの部分を第１の活性材料層８０４から電気的に絶縁する。同様に、絶縁層は、側部リード部分８５８の内側接触面積を被覆し、タブ要素８５４のこの部分を第４の活性材料層８１８から電気的に絶縁する。屈曲部分８４０ｂおよび８５６ｂもまた、絶縁層を有する。
【００７８】
側部リード部分８４２および８５８は、それぞれ、電極アセンブリ８００ａおよび８００ｂの上方と下方にある、他の電極アセンブリまで延在することができる。加えて、タブ要素は、絶縁されるので、側部リード部分８４２および８５８の少なくとも一部は、他のタブ要素の側部リード部分に重層することができる。
【００７９】
タブ要素８２２、８３８、および８５４は、タブ要素５１２および５１４に類似し、したがって、タブ要素５１２および５１４を絶縁し、活性材料層および電流コレクタ層のうちの少なくとも１つに接続するために説明された技法はまた、タブ要素８２２、８３８、および８５４にも適用されることに留意されたい。
【００８０】
共通バッテリ積層面から導出し、「大きな耳」領域を形成するように制約された、従来のバッテリ積層とは対照的に、本明細書に説明されるタブ要素は、バッテリパック内において、任意の３次元輪郭を辿ることができる。折り曲げられたタブ要素はまた、「局所」接続、すなわち、単一バッテリパック内の異なる積層セルバッテリ間の接続を行うために使用することができる。任意の軌道を辿る、タブ要素を積層セルバッテリから導出する能力は、それぞれの積層セルバッテリから、任意の形状のバッテリを部品毎に合成することを可能にする。したがって、現在、多くの空間を無駄にすることなく、複数の異なる積層セルバッテリを組み合わせることによって、任意の３次元形状を形成することが可能であるが、従来は、過去の制約のため、積層セルバッテリは、長方形幾何学形状に制限されていた。
【００８１】
次に、図９Ａ−９Ｅを参照すると、本明細書に説明される折り曲げられたタブ要素によって可能である、バッテリパック構成の種々の例示的実施形態が示される。これらの例示的実施形態は、４つの異なるバッテリユニット（各ユニットは、単一の別個の積層セルバッテリであり得る）を伴うバッテリパックを示す。しかしながら、本概念は、４つのバッテリユニットに制限されず、本概念は、より多くのまたはより少ないバッテリユニットに適用され、他の幾何学的構成に配列することができることに留意されたい。
【００８２】
図９Ａは、線形構成に配列される、積層セルバッテリ９０２、９０４、９０６、および９０８を伴うバッテリパック９００を示す。図９Ｂは、Ｌ形状構成に配列される、積層セルバッテリ９１２、９１４、９１６、および９１８を伴うバッテリパック９１０を示す。図９Ｃは、三角形状構成に配列される、積層セルバッテリ９２２、９２４、９２６、および９２８を伴うバッテリパック９２０を示す。図９Ｄは、逆Ｌ形状構成に配列される、積層セルバッテリ９３２、９３４、９３６、および９３８を伴うバッテリパック９３０を示す。図９Ｅは、正方形状構成に配列される、積層セルバッテリ９４２、９４４、９４６、および９４８を伴うバッテリパック９４０を示す。
【００８３】
図９Ａ−９Ｅに示される、バッテリパック構成は、共通出力まで、３次元において、異なるバッテリユニットの面に沿って、絶縁されたタブ要素を延設することによって、および／または各積層セルバッテリ内の表面間にタブ要素を延設し、相互に対する接続を促進することによって、可能である。不規則に成形されたバッテリを加工することが可能であることは、バッテリパックに形状因子制約を課すモバイルデバイス構成におけるバッテリ容量の増大を実現するために、非常に有用であり得る。例えば、携帯電話ハードウェアは、完全に規則的ではない電話のケース内に空洞を生成し得る。しかしながら、本明細書に説明されるタブ要素およびバッテリパック構成によって、バッテリパックは、規則的に成形されたバッテリパックを収容するために携帯電話ハードウェアを設計するのではなく、空洞を充填するように設計することができる。
【００８４】
図５Ａ−９に関して説明された折り曲げられたタブ要素を含む、種々の実施形態および代替は、単独で、または図１−４Ｃに関連して説明された陥凹タブ要素を有する、種々の実施形態とともに実装することができることに留意されたい。
【００８５】
加えて、折り曲げられたタブ要素を利用する積層セルバッテリの本明細書に説明される種々の実施形態は、より高いエネルギー密度バッテリだけではなく、また、バッテリ磁気的防音装置設計を伴うバッテリを実現するものとして、使用することができる。これは、絶縁されたタブ要素を相互の上面上に重層する能力によるものである。異なる方向に電流を搬送するタブ要素が重層される場合、タブ要素の各々における反対に流れる電流によって発生される磁場は、少なくとも部分的に、相殺され、生成される全体的磁場を減少させ得る。したがって、積層セルバッテリ内のすべてのタブ要素が、類似規模の電流を搬送するが、反対方向における、タブ要素と「対合」される場合、理論的に、タブ要素は、積層セルバッテリによって生成される磁場に対する影響が大幅に低減されるはずである。これは、タブ要素が、多くの場合、この磁場の主要源であるので、重要である。
【００８６】
また、折り曲げられたタブ要素を利用する積層セルバッテリの本明細書に説明される種々の実施形態を使用して、タブ要素を絶縁するために使用される絶縁ポリマーの選択に応じて、より安全なバッテリを生成することができることに留意されたい。例えば、絶縁ポリマーは、緊急状況における、「停止」特徴のために選択することができる。ポリマーは、問題を停止するために、タブ要素および電流コレクタ層の少なくとも一部を分解し、短絡を有する任意の要素を除去する破壊特性を活性化するために使用され得る。当業者に周知のように、本特徴を実装するための種々の方法が存在する。例えば、材料の温度がある限界温度を超えて上昇すると（例えば、短絡のために生じ得る）、活性化される、臭素酸を組み込む材料を使用することができる。
【００８７】
また、理由が何であれ、異極性の一対の電極が短絡する場合、非常に大量の電流がタブ要素および電流コレクタ層内を含め、積層セルバッテリ内に流入するであろうことに留意されたい。しかしながら、電流コレクタ層が、短絡の規模に対して、十分に薄い場合、電流コレクタ層は、実際には、熱および機械的応力のため、破損し得る。実際、電流コレクタ層は、ヒューズまたは回路遮断器として、機能を兼ね得る。例えば、アノードのうちの１つとその対応するカソードとの間に短絡が存在する場合、対応する電流コレクタ層のうちの１つは、燃焼し、そのセルは、短絡するであろうが、積層セルバッテリの残りから隔離され、これは、より安全な動作を提供する。本特徴は、図１から４Ｃに関して説明されたように、活性材料層内の陥凹を使用して、可能にすることができる。本特徴をさらに可能にするために、ポリマーコーティングは、追加の機械的安定性をタブ要素および電流コレクタ層に提供し、これは、厚さの減少をもたらし、電流コレクタ層をヒューズとしての動作のためにより好適にさえする。
【００８８】
加えて、絶縁ポリマーコーティングをタブ要素上に塗布することは、現在、異極性の電極から導出するタブ要素に重層することを可能にすることに留意されたい。例えば、カソードからのタブ要素は、第１の層における積層セルバッテリの面に沿って、導出し得、アノードからのタブ要素は、少なくとも部分的に、第１の層の上面にある、第２の層において、積層セルバッテリの同一面に沿って、導出し得る。タブ要素をコンパクトにし、積層セルバッテリの面に対して不動化することによって、より機械的安定性が達成され得る。これは、もはや、衝突によって機械的変形を受けるであろう、積層セルバッテリの面から導出または繋がる部品が少ないからである。
【００８９】
さらに、異極性電極から導出するタブ要素は、本明細書に説明される設計技法によって、相互に電気的に絶縁されることができるので、不慮の接触による短絡の危険は少なく、次いで、積層セルバッテリ内のタブ要素の数／密度を増加させることを可能にする。タブ要素の数の増加は、バッテリパックの有効抵抗を低下させるであろう。追加のタブ要素はまた、所与の電極アセンブリのために２つ以上のタブ要素を使用する場合、ある程度の冗長性を提供する。これはまた、電流コレクタ内の最大電流密度を減少させ、電極アセンブリのその厚さ要件ならびにＥＳＲを低減させる。故に、タブ要素のうちの１つ以上が、動作の間に破損する場合、等価直列抵抗の漸増変化は、より少ない並列タブ要素が存在する場合より小さくなるであろう。
【００９０】
添付の請求項に定義される、一般的範囲である、実施形態から逸脱することなく、種々の修正を本明細書に説明および例証される実施形態に行うことができることを理解されたい。
【図１】
0005632892.tif 000002
【図２Ａ】
0005632892.tif 000003
【図２Ｂ】
0005632892.tif 000004
【図３Ａ】
0005632892.tif 000005
【図３Ｂ】
0005632892.tif 000006
【図３Ｃ】
0005632892.tif 000007
【図３Ｄ】
0005632892.tif 000008
【図４】
0005632892.tif 000009
【図５】
0005632892.tif 000010
【図６Ａ】
0005632892.tif 000011
【図６Ｂ】
0005632892.tif 000012
【図７】
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【図８】
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【図９】
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