(57)【要約】【課題】電気化学電池のための皿形状の圧力均一化電極の提供。【解決手段】積層電池は、積層状態に配置される少なくとも２つのセル区画を有する。各セル区画は、第一の活性物質電極を有する第一の電極ユニットと、第２の活性物質電極を有する第２の電極ユニットと、活性物質電極間の電解質層とを有し得る。１つ以上のガスケットは、セル区画内に電解質を封止するために、各セル区画に含まれ得る。電極ユニットは、「皿形状」であってもよく、電極ユニットの偏向を低減するために、およびセル区画間の圧力均一化を改善するために圧力均一化弁を含んでもよい。圧力均一化弁は、気体が隣接するセル区画を通って拡散することを可能にし、そこを通って電解質が拡散することを実質的に防止し得る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の単極電極ユニットと、
負の単極電極ユニットと、
前記正の単極電極ユニットと前記負の単極電極ユニットとの間に積層された少なくとも１つの双極電極ユニットであって、前記少なくとも１つの双極電極ユニットは、圧力均一化弁を備える、少なくとも１つの双極電極ユニットと、
隣接する電極ユニットの各対の間に設けられた電解質層と、
前記電解質層の各々の周囲に配置されたガスケットであって、前記電解質層の各々は、それぞれのガスケットおよび隣接する電極ユニットのそれぞれの対によって封止されている、ガスケットと
を備える、双極電池。
【請求項２】
前記圧力均一化弁は、化学的腐食に対して耐性がある、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記圧力均一化弁は、ナノメートルサイズの穿孔およびマイクロメートルサイズの穿孔のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の電池。
【請求項４】
電解質は、前記圧力均一化弁によって、隣接する電解質層の間の通過を防止される、請求項３に記載の電池。
【請求項５】
気体は、前記圧力均一化弁における前記穿孔によって、隣接する電解質層の間を通過可能である、請求項３に記載の電池。
【請求項６】
前記圧力均一化弁は、
封止剤と、
黒鉛炭素繊維束と
を備える、請求項１に記載の電池。
【請求項７】
気体分子は、前記黒鉛繊維束に沿って、隣接する電解質層の間を化学的に移行させられる、請求項６に記載の電池。
【請求項８】
拡散力は、過剰に加圧された電解質層からの水素分子が、前記黒鉛繊維束の表面に沿って移動することを可能にする、請求項６に記載の電池。
【請求項９】
電解質は、前記圧力均一化弁によって、隣接する電解質層の間の通過を防止される、請求項６に記載の電池。
【請求項１０】
前記黒鉛繊維束は、前記封止剤内で硬化された約１０００個の原線維を含む、請求項６に記載の電池。
【請求項１１】
前記基板は、電解質が前記圧力均一化弁の周囲に溜まることを防止する曲線状の形状を含む、請求項１に記載の電池。
【請求項１２】
基板を備えたエネルギー格納装置であって、
前記基板は、その中に圧力均一化弁を有し、
前記圧力均一化弁は、気体以外のものに対して不浸透性である基板を通って気体が移動することを可能にするが、電解質が前記基板を通って移動することを防止し、前記圧力均一化弁は、封止剤および黒鉛繊維物質から形成される、エネルギー格納装置。
【請求項１３】
前記黒鉛繊維物質は、黒鉛繊維束を含む、請求項１２に記載のエネルギー格納装置。
【請求項１４】
前記黒鉛繊維束は、前記封止剤内で硬化された約１０００個の原線維を含む、請求項１３に記載のエネルギー格納装置。
【請求項１５】
前記基板の第１の面上の正の活性物質電極層と、前記基板の前記第１の面に対向する第２の面上の負の活性物質電極層とをさらに備えた、請求項１２に記載のエネルギー格納装置。
【請求項１６】
前記圧力均一化弁は、前記基板内に配置されており、かつ、それぞれの正および負の活性物質電極層によって前記基板の両方の面で囲まれている、請求項１５に記載のエネルギー格納装置。
【請求項１７】
前記基板は、電解質が前記圧力均一化弁の周囲に溜まることを防止する曲線状の形状を有する、請求項１２に記載のエネルギー格納装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／０００，４７０号（２００７年１０月２６日出願）および米国仮特許出願第６１／００２，５２８号（２００７年１１月９日出願）の優先権の利益を主張し、これらの両出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、電池に関し、より具体的には、本発明は、圧力均一化が改良された積層された双極セル電池設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の電池は、２つの電極のみを有する巻線セル電池か、または多数の並列の板の組を有する標準的な角形セル電池かのいずれかとして製造されている。これらの種類の両方においては、電解質は、電池内のすべてにおいても共有され得る。巻線セル構造および角形セル構造は、それらの電気路が複数の接続を横断し、かつ直列配置の一方のセルから隣のセルへの完全な回路を被覆するためにかなり長い距離に及ばなくてはならないことから、高い電気抵抗を受ける。
【０００４】
近年、積層形式の封止セルを含む種々の種類の電池が開発されており、これらの電池は、標準的な巻線電池または角形電池よりも、外部コネクタ間に高い放電率および高い電位を提供することができるので、一定の用途に対する需要が高い。積層形式の封止セルを含む一定の種類のこれらの電池は、独立して封止された単極電極ユニット（ＭＰＵ）の対の積層を概して含むように開発されている。これらのＭＰＵの各々には、集電体の第一の側面上に被覆される正の活性物質電極層または負の活性物質電極層のいずれかが設けられ得る（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、１９９５年２月２８日に発行されたＫｌｅｉｎによる米国特許第５，３９３，６１７号参照）。正の活性物質電極層を含むＭＰＵ（すなわち、正のＭＰＵ）および負の活性物質電極層を含むＭＰＵ（すなわち、負のＭＰＵ）は、これらの２つのＭＰＵの集電体を電気的に絶縁するために、それらの間に電解質層を有し得る。この正および負のＭＰＵの集電体の対は、活性物質電極層およびそれらの間の電解質とともに、単一のセルまたはセル区分として封止され得る。各々が正のＭＰＵおよび負のＭＰＵを有するこのようなセルの積層を含む電池は、本明細書において「積層単極」電池と呼ばれるものする。
【０００５】
第１のセルおよび第２のセルが積層形式になるように、第１のセルにおける電極層によって塗膜されない正のＭＰＵの集電体の側面は、第２のセルにおける電極層によって塗膜されない負のＭＰＵの集電体の側面に電気的に結合され得る。積層におけるこれらのセル区画の直列構成によって、電位が集電体間で異なるようになり得る。しかしながら、特定のセルの集電体が相互に接触する場合、または特定のセルにおける２つのＭＰＵの共通電解質が、積層における任意の追加のＭＰＵによって共有される場合、電池の電圧およびエネルギーは、すぐにゼロまで弱まる（すなわち、放電する）。ゆえに、積層単極電池が、そのセルの各々の電解質をその他のセルの各々から独立して封止することが望ましい。
【０００６】
積層形式の封止セルを含む他の種類のこれらの電池は、直列の積層双極電極ユニット（ＢＰＵ）を概して含むように開発されている。これらのＢＰＵの各々には、集電体の対向する側面上に被覆される正の活性物質電極層および負の活性物質電極層が設けられ得る。任意の２つのＢＰＵは、相互の上部に積層され、電解質層は、ＢＰＵのうちの１つの正の活性物質電極層とＢＰＵのうちの他方の負の活性物質電極層との間にそれらの２つのＢＰＵの電気絶縁のために設けられる。また、任意の２つの隣接するＢＰＵの集電体は、活性物質電極層およびそれらの間の電解質とともに、封止された単一のセルまたはセル区画であってもよい。各々が第１のＢＰＵの一部分および第２のＢＰＵの一部分を有するこのようなセルの積層を含む電池は、本明細書において「積層双極」電池と呼ばれるものとする。
【０００７】
第１のＢＰＵの正の側面および第２のＢＰＵの負の側面が第１のセルを形成する一方で、第２のＢＰＵの正の側面は、例えば、第３のＢＰＵの負の側面または負のＭＰＵの負の側面とともに同様に第２のセルを形成する。ゆえに、個々のＢＰＵは、積層双極電池の２つの異なるセルに含まれ得る。積層におけるこれらのセルの直列構成によって、電位が集電体間で異なるようになり得る。しかしながら、特定のセルの集電体が相互に接触する場合、または第１のセルにおける２つのＢＰＵの共通電解質が、積層における任意の他のセルによって共有される場合、電池の電圧およびエネルギーは、すぐにゼロまで弱まる（すなわち、放電する）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の積層双極電池は、平面電極板を使用する。平面板を使用し、端部封止の使用により平面板を絶縁することによって、積層電気化学電池におけるセルは、実質的に独立して動作し得る。独立したセルが充電および放電されると、わずかな圧力差が隣接したセル間に確立し得る。隣接したセル間の圧力差が平方インチ当たり数ポンドを超える場合、平面電極は、第１のセルから第２のセルに向かって偏向する。この偏向は、第２のセルのセパレータ材料を歪め、短絡が生じ得る「ホットスポット」を生成する。個々のセルの物理的構成要素および化学的性質が、概して、相互に対して若干異なるため、セル間の圧力差が概して存在する。ゆえに、一方のセルから隣のセルへの圧力差を緩和することが望ましい。したがって、電極板偏向が低減され、かつ圧力均一化が改善された積層双極電池を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明の目的は、一方のセルから隣のセルへの圧力差を緩和し、かつ電極板の偏向を低減する積層双極電池設計を提供することにある。
【００１０】
ある実施形態によると、正の単極電極ユニット、負の単極電極ユニット、および正の単極電極ユニットと負の単極電極ユニットとの間に積層される少なくとも１つの双極電極ユニットとを有する双極電池が提供され、電極ユニットの各々は皿形状であり得る。
【００１１】
ある実施形態によると、正の単極電極ユニット、負の単極電極ユニット、および正の単極電極ユニットと負の単極電極ユニットとの間で積層される少なくとも１つの双極電極ユニットとを有する双極電池が提供される。双極電極ユニットは、圧力均一化弁を含み得る。
【００１２】
ある実施形態によると、正の単極電極ユニット、負の単極電極ユニット、および正の単極電極ユニットと負の単極電極ユニットとの間に積層される少なくとも１つの双極電極ユニットとを有する双極電池が提供される。双極電極ユニットは、破裂板弁を含み得る。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
正の単極電極ユニットと、
負の単極電極ユニットと、
該正の単極電極ユニットと該負の単極電極ユニットとの間に積層される少なくとも１つの双極電極ユニットであって、該電極ユニットの各々は皿形状である、双極電極ユニットと、
隣接する電極ユニットの各対の間に設けられる電解質層と、
該電解質層の各々の周囲に配置されるガスケットであって、該電解質層の各々は、それのそれぞれのガスケットおよびそれのそれぞれの隣接する電極ユニットの対によって封止される、ガスケットと
を備える、双極電池。
（項目２）
各電極ユニットの曲率半径は、無限より小さい、項目１に記載の電池。
（項目３）
各電極ユニットの偏向は、前記皿形状によって低減される、項目１に記載の電池。
（項目４）
前記少なくとも１つの双極電極ユニットは、正の活性物質電極層を有する第１の側面と、負の活性物質電極層を有する第２の側面とを備える、項目１に記載の電池。
（項目５）
前記正の活性物質電極層および前記負の活性物質電極層の厚さは均一である、項目４に記載の電池。
（項目６）
前記正の活性物質電極層および前記負の活性物質電極層の厚さは、前記少なくとも１つの双極電極ユニットの半径方向の長さに沿って変動する、項目４に記載の電池。
（項目７）
正の単極電極ユニットと、
負の単極電極ユニットと、
該正の単極電極ユニットと該負の単極電極ユニットとの間に積層される少なくとも１つの双極電極ユニットであって、該少なくとも１つの双極電極ユニットは圧力均一化弁を備える、双極電極ユニットと、
隣接する電極ユニットの各対の間に設けられる電解質層と、
該電解質層の各々の周囲に配置されるガスケットであって、該電解質層の各々は、それのそれぞれのガスケットおよびそれのそれぞれの隣接する電極ユニットの対によって封止される、ガスケットと
を備える、双極電池。
（項目８）
前記圧力均一化弁は、化学的腐食に対して耐性がある、項目７に記載の電池。
（項目９）
前記圧力均一化弁は、ナノメートルサイズの穿孔およびマイクロメートルサイズの穿孔のうちの少なくとも１つを有する、項目７に記載の電池。
（項目１０）
電解質は、前記圧力均一化弁によって、隣接する電解質層の間の通過を防止される、項目９に記載の電池。
（項目１１）
気体は、前記圧力均一化弁における前記穿孔によって、隣接する電解質層の間を通過可能である、項目９に記載の電池。
（項目１２）
前記圧力均一化弁は、
封止剤と、
黒鉛炭素繊維束と
を備える、項目７に記載の電池。
（項目１３）
気体分子は、前記黒鉛繊維束に沿って、隣接する電解質層の間を化学的に移行させられる、項目１２に記載の電池。
（項目１４）
拡散力は、過剰に加圧された電解質層からの水素分子が、前記黒鉛繊維束の表面に沿って移動することを可能にする、項目１２に記載の電池。
（項目１５）
電解質は、前記圧力均一化弁によって、隣接する電解質層の間の通過を防止される、項目１２に記載の電池。
（項目１６）
正の単極電極ユニットと、
負の単極電極ユニットと、
該正の単極電極ユニットと該負の単極電極ユニットとの間に積層される少なくとも１つの双極電極ユニットであって、該少なくとも１つの双極電極ユニットは破裂板弁を備える、双極電極ユニットと、
隣接する電極ユニットの各対の間に設けられる電解質層と、
該電解質層の各々の周囲に配置されるガスケットであって、該電解質層の各々は、それのそれぞれのガスケットおよびそれのそれぞれの隣接する電極ユニットの対によって封止される、ガスケットと
を備える、双極電池。
（項目１７）
前記積層双極電池は、ドーム状上部を備える、項目１６に記載の電池。
（項目１８）
前記電池の配向は、ドーム状上部によって維持され、それによって、前記破裂板弁の破裂時に、電解質が隣接する電解質層の間を通過することが防止される、項目１７に記載の電池。
（項目１９）
前記破裂板弁は、化学的腐食に対して耐性がある、項目１６に記載の電池
（項目２０）
前記破裂板弁は、円板形状である、項目１６に記載の電池。
（項目２１）
隣接する電極ユニットの各対の間の圧力は、前記破裂板弁の開放によって均一化される、項目１６に記載の電池。
（項目２２）
積層双極電池を生産するための方法であって、該方法は、
第１の不透過性伝導性基板とその上に被覆される第１の正の活性物質電極層とを備える正の単極電極ユニット（ＭＰＵ）を提供することであって、該ＭＰＵの各々、該第１の基板、および該第１の正電極層は皿形状である、ことと、
該第１の基板上に第１のガスケットを提供することであって、該第１のガスケットの内側壁とそれらの間の該ＭＰＵの部分との間の空間は、第１の空間を備える、ことと、
該第１の空間内に第１のセパレータおよび第１の電解質を提供することであって、該第１のセパレータおよび該第１の電解質は、第１の電解質層を備える、ことと、
該第１のガスケット上に積層される複数の双極電極ユニット（ＢＰＵ）を提供することであって、該複数のＢＰＵの各々は皿形状である、ことと、
末端のＢＰＵ上に末端のガスケットを提供することであって、該末端のガスケットの該内側壁と、それらの間の該末端のＢＰＵの部分との間の空間は、末端の空間を備える、ことと、
該末端の空間内に末端のセパレータおよび末端の電解質を提供することであって、該末端のセパレータおよび該末端の電解質は、末端の電解質層を備える、ことと、
末端の不透過性伝導性基板とその上に被覆される末端の負の活性物質電極層とを備える該末端のＢＰＵの上部に積層される負のＭＰＵを提供することであって、該負のＭＰＵの各々、該末端の基板、および該末端の負電極層は皿形状である、ことと、
を含む、方法。
（項目２３）
前記複数のＢＰＵの各々は、不透過性伝導性基板、圧力均一化弁、正電極層、およびそれの対向する側面上に被覆される負電極層を備える、項目２２に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の上記利点および他の利点は、添付の図面と併用して以下の詳細な説明を考察するとより明白になり、図面において、同一の参照文字は、同一の部分を指す。
【図１】図１は、本発明のある実施形態に従う、双極電極ユニット（ＢＰＵ）の基本構造の概略断面図を示す。
【図２】図２は、本発明のある実施形態に従う、図１のＢＰＵの積層の基本構造の概略断面図を示す。
【図３】図３は、本発明のある実施形態に従う、皿形状電極および圧力均一化弁を含むＢＰＵの基本構造の概略断面図を示す。
【図４】図４は、本発明のある実施形態に従う、皿形状電極および破裂板弁を含むＢＰＵの基本構造の概略断面図を示す。
【図５】図５は、本発明のある実施形態に従う、図３のＢＰＵ２の積層の基本構造の概略断面図を示す。
【図６】図６は、本発明のある実施形態に従う、図５のＢＰＵの積層を実装する積層双極電池の基本構造の概略断面図を示す。
【図７】図７は、図６の双極電池の基本構成の概略回路図を示す。
【図８】図８は、図５の双極電池の特定の部分の詳細概略断面図を示す。
【図９】図９は、本発明のある実施形態に従う、積層双極電池を形成するための方法の第１の段階における一定の要素の概略断面図を示す。
【図１０】図１０は、本発明のある実施形態に従う、積層双極電池を形成するための方法の第２の段階における一定の要素の概略断面図を示す。
【図１１】図１１は、本発明のある実施形態に従う、積層双極電池を形成するための方法の第３の段階における一定の要素の概略断面図を示す。
【図１２】図１２は、本発明のある実施形態に従う、積層双極電池を形成するための方法の第４段階における一定の要素の概略断面図を示す。
【図１３】図１３は、本発明のある実施形態に従う、積層双極電池を形成するための方法の第５の段階における一定の要素の概略断面図を示す。
【図１４】図１４は、本発明のある実施形態に従う、積層双極電池を形成するための方法の第６の段階における一定の要素の概略断面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明のある実施形態に従う、ドーム状上部を有する積層双極電池の概略断面図を示す。
【図１６】図１６は、本発明のある実施形態に従う、不均一な活性物質電極層を有する積層双極電池の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
電極板の偏向が低減され、かつ圧力均一化が改善される積層電池のための装置および方法が、提供され、図１〜図１６を参照して以下に説明される。
【００１５】
図１は、本発明のある実施形態に従う、例示的な「平板」双極電極ユニットまたはＢＰＵ１０２を示す。積層セル電池に使用するための平板構造については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＯｇｇらによるＰＣＴ出願公開第ＷＯ２００８／１００５３３号に論じられる。ＢＰＵ１０２は、不透過性伝導性基板または集電体１０６の第一の側面上に設けられ得る正の活性物質電極層１０４と、不透過性伝導性基板１０６の他方の側面上に設けられ得る負の活性物質電極層１０８とを含み得る（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる２００７年１０月９日に発行されたＦｕｋｕｚａｗａらによる米国特許第７，２７９，２４８号参照）。ある実施形態では、ＢＰＵ１０２の曲率半径は、比較的大きく有り得る。例えば、図１に示す「平板」電極の曲率半径は、無限に近づき得る。
【００１６】
図２に示すように、例えば、複数のＢＰＵ１０２は、実質的に垂直方向に積層されて積層１２０になり、２つの隣接するＢＰＵ１０２の間に設けられ得る電解質層１１０を含み、ＢＰＵ１０２の一方の正電極層１０４は、電解質層１１０を介して隣接するＢＰＵ１０２の負電極層１０８に対向するようにする。各電解質層１１０は、電解質１１を保持し得るセパレータ９を含み得る（例えば、図８参照）。セパレータ９は、正電極層１０４とそれに隣接する負電極層１０８とを電気的に分離するとともに、以下により詳細に説明するように、電極ユニット間のイオン移行を可能にし得る。
【００１７】
図２におけるＢＰＵ１０２の積層状態を引き続き参照すると、例えば、第１のＢＰＵ１０２の正電極層１０４および基板１０６と、第１のＢＰＵ１０２に隣接する第２のＢＰＵ１０２の負電極層１０８および基板１０６と、第１および第２のＢＰＵ１０２間の電解質層１１０とに含まれる構成要素は、本明細書において、単一の「セル」または「セル区画」１２２と呼ばれるものとする。各セル区画１２２の各不透過性基板１０６は、適用可能な隣接セル区画１２２により共有され得る。
【００１８】
図３は、本発明のある実施形態に従う、「皿形状」ＢＰＵ２の基本構造の概略の断面図を示す。ＢＰＵ２は、不透過性伝導性基板または集電体６の第一の側面上に設けられ得る正の活性物質電極層４と、不透過性伝導性基板６の他方の側面上に提供され得る負の活性物質電極層８とを含み得る。孔（例えば、孔５）が、例えば、基板６の中央に設けられ得る。ＢＰＵ２の曲率半径は、図１に示す「平板」電極の実施形態よりも、図３に示す「皿形状」電極の実施形態について比較的小さくてもよい。「皿形状」電極の比較的小さい曲率半径は、ＢＰＵ２を実質的に球状にし得る。ＢＰＵ２が、図３に示すように、上方に凹状に配向される場合、正の活性物質電極層４は、ＢＰＵ２の凹状側面上に配置され、負の活性物質電極層８は、反対側の側面上に配置され得る。
【００１９】
皿形状ＢＰＵ２は、任意の適切な皿半径を有するようなサイズを有し得る。例えば、一定の空間要件を考慮して、比較的小さい皿半径が所望され得る。代替として、一定の空間要件ではなく一定の電力要件を考慮して、比較的大きい皿半径が所望され得る。
【００２０】
電極の形状（例えば、「平板」または「皿形状」）は、電極の曲率半径によって実質的に説明され得る。例えば、「平板」電極（例えば、図１のＢＰＵ１０２参照）では、ＢＰＵ１０２の曲率半径は、「皿形状」電極（例えば、図３のＢＰＵ２参照）の曲率半径に比べて比較的大きくなり得る。例えば、平板電極の曲率半径は、無限に近づき得る。ＢＰＵ（例えば、ＢＰＵ１０２）の曲率半径は、セル間の圧力差に耐えるＢＰＵの能力に実質的に影響を及ぼし得る。例えば、曲率半径が約１００インチを超えて増加すると、平板の偏向に必要な圧力は、ゼロを超えるだけであり得る。比較的小さい圧力差（例えば、５ｐｓｉ）では、「平板」ＢＰＵ１０２の偏向は、約０．１００インチを超え得る。この量は、セパレータの厚さが約０．００５インチであり得ることを考えると比較的大きい。
【００２１】
しかしながら、約６インチの半径を有する「皿形状」電極では、約５ｐｓｉにおける偏向は、約０．００１インチまで低減され得る。皿設計は、圧力均一化弁３のパラメータの決定を可能にし得る。例えば、約０．００２インチの皿形状電極の偏向の式は、軟鋼もしくは任意の他の材料または任意のそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な材料の仮定の弾性係数を考慮して、適切な半径および厚さについて解かれ得る。また、適切な幾何学的形状について解く他の方法も使用してもよい。圧力均一化弁３は、約１ｐｓｉ以下の圧力差に対して、隣接するセル間の気体を実質的に均一化するように機能し得る。
【００２２】
過剰に加圧されたセルから圧力の小さいセルへの気体の通過を可能にする電力貯蔵機器のための設計が存在する。これは、セルからセルへの圧力均一化を維持するために、電池ケースの上部における外部マニフォールドおよびチャネルで行なわれていた。しかしながら、これらの従来設計は、十分にさらなる重量を電池に付加し、かさ張り過ぎて、積層双極電池に適切に適用され得ない。双極電極の積層において、圧力均一化の問題は、セルの電解質による組み立ておよび充填に関する問題付加によって増幅される。しかしながら、「皿形状」電極の実施形態では、皿は、電解質の一時的な場所として使用されるとともに、セパレータおよびセルの底部に接合される活性電極材料によって吸収され得る。電解質が吸収されると、次の皿型電極は、セパレータおよび最近充填された電極の上に載置され得る。電解質は、これらの過程ステップ中に皿の底部を通って漏出し得ない。したがって、ＢＰＵ２の均一化孔は、例えば、電解質充填中に閉鎖または被覆され得る。例えば、半透過性膜または破裂板が、下のセルへの電解質の排出を実質的に防止するために、電極における孔を被覆するために所望され得る。したがって、圧力均一化弁は、セルの間に発生する圧力差を緩和するため、また、電池の組み立ておよび製造を補助するために使用され得る。
【００２３】
ＢＰＵ２は、図３に示すように、圧力均一化弁または半透過性膜３を含み得る。均一化弁３は、非伝導性ポリマー、ゴム、任意の他の適切な材料、または任意のそれらの組み合わせ等の任意の適切な材料から作製される円板であり得る。本発明のある実施形態では、円板は、円板を貫通するナノメートルまたはマイクロメートルのサイズの孔、切断部、任意の他の適切な穿孔、または任意のそれらの組み合わせを有してもよく、円板が、電解質の貫通を防止し得るか、または貫通する電解質の量を低減し得る気体透過性膜を構成するようにする。均一化弁３は、化学的腐食（例えば、図８の電解質１１による）に耐性を有する任意の適切な材料から作製されてもよく、例えば、ポリビニル、ポリスルホン、ネオプレン、または任意のそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない。図３に示すように、均一化弁３および孔５は、基板６の実質的に中央に配置され得る。代替として、均一化弁３および孔５は、基板６に沿った任意の位置に載置され得る。
【００２４】
本発明のある実施形態では、均一化弁３は、機械的特性（例えば、切断部を含む弁として）よりも化学的特性を利用する気体透過性膜の形式を帯び得る。本実施形態では、均一化弁３は、Ｌｏｃｔｉｔｅ（登録商標）銘柄の接着剤（シリコン、アクリル、および／または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成され得、かつ電解質に不浸透性であり得るＨｅｎｋｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより入手可能であるもの）等の任意の適切な封止剤、任意の他の適切な材料、または任意のそれらの組み合わせから形成され得る。例えば、約１０００個の原線維の黒鉛炭素繊維束、任意の他の適切な材料、または任意のそれらの組み合わせが、硬化する前に液体封止剤に載置され得る。封止剤および繊維束の硬化後、均一化弁３は、実質的に形成され得る。量子力学的な「ホッピング」機構は、均一化弁３が、Ｏ２およびＨ２分子を積層における隣接セルに実質的に貫通させることを可能にし、電解質の貫通を防止し得るか、または貫通する電解質の量を低減させ得る。化学的な「ホッピング」機構は、黒鉛材料の材料および化学的特性により実質的に可能になり得る。例えば、黒鉛炭素繊維束では、拡散力によって、過剰に加圧されたセルからの水素分子が、黒鉛材料の６員炭素環構造上の空間を通って黒鉛材料の表面に沿って「ホッピング」することが実質的に可能になり得る。
【００２５】
本発明のある実施形態では、圧力均一化弁３は、図４に示すように、例えば、隣接するセル間で約１ｐｓｉを超える圧力差を緩和するために開放し得る破裂板弁２０３であり得る。破裂板弁２０３は、ブレイもしくはＰＶＡ状のフィルム、任意の適切なポリマー、金属、複合フィルム、任意の他の適切な材料、または任意のそれらの組み合わせから作製され得る。破裂板弁２０３には、製造中にセル区画を電解質で充填可能にするとともに、隣接セルへの電解質の流出を実質的に防止し得る弁孔の上にフィルムが設けられ得る。
【００２６】
破裂板を開放するときに（例えば、隣接セル間の比較的大きい圧力差によって）、孔２０５は、一方のセルから隣接セルへの電解質の通過を可能にし得る。しかしながら、電池の配向が、特定の位置（例えば、ＢＰＵ２０２の下方に凹状）にあるように実質的に保証される場合、電解質は、「皿形状」ＢＰＵ２０２の幾何学的形状によって孔に到達し得ない。孔２０５が基板２０６の中央にあり、基板の中央が、電解質が集まり得る封止ガスケット付近の基板の縁より比較的高いところにあるので、電解質は、孔２０５への到達を実質的に防止され得る。電池は、実質的に同一の効果でその側面上に置かれ得る。
【００２７】
図５は、本発明のある実施形態に従う、図３のＢＰＵ２の積層の基本構造の概略断面図を示す。例えば、複数のＢＰＵ２は、実質的に垂直に積層されて積層２０になり、２つの隣接ＢＰＵ２の間に設けられ得る電解質層１０を含み、一方のＢＰＵ２の正電極層４が、電解質層１０を介して隣接ＢＰＵ２の負電極層８に対向するようにする。各電解質層１０は、電解質１１を保持し得るセパレータ９を含み得る（例えば、図８参照）。セパレータ９は、正電極層４およびそれに隣接する負電極層８を電気的に分離するとともに、以下により詳細に説明するように、電極ユニット間のイオン移行を可能にし得る。
【００２８】
図５のＢＰＵ２の積層状態を引き続き参照すると、例えば、第１のＢＰＵ２の正電極層４および基板６と、第１のＢＰＵ２に隣接する第２のＢＰＵ２の負電極層８および基板６と、第１および第２のＢＰＵ２間の電解質層１０とに含まれる構成要素は、本明細書において、単一の「セル」または「セル区画」２２と呼ばれるものとする。各セル区画２２の各不透過性基板６は、適用可能な隣接するセル区画２２によって共有され得る。
【００２９】
図６に示すように、例えば、本発明のある実施形態に従って、積層双極電池５０を構成するために、正端子および負端子が、１つ以上のＢＰＵ２の積層２０とともに設けられ得る。不透過性伝導性基板１６の一方の側面に設けられる正の活性物質電極層１４を含み得る正の単極電極ユニットまたはＭＰＵ１２は、積層２０の第１の端部に配置されてもよく、電解質層は、その間に設けられ（すなわち、電解質層１０ｅ）、正のＭＰＵ１２の正電極層１４が、電解質層１０ｅを介して積層２０のその第１の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ｄ）の負電極層（すなわち、８ｄ）と対向するようにする。不透過性伝導性基板３６の一方の側面に設けられる負の活性物質電極層３８を含み得る負の単極電極ユニットまたはＭＰＵ３２は、積層２０の第２の端部に配置されてもよく、電解質層は、その間に設けられ（すなわち、電解質層１０ａ）、負のＭＰＵ３２の負電極層３８が、電解質層１０ａを介して積層２０のその第２の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ａ）の正電極層（すなわち、４ａ）と対向するようにする。ＭＰＵ１２および３２には、対応する正電極リード１３および負電極リード３３がそれぞれ設けられ得る。
【００３０】
例えば、図６に示すように、各ＭＰＵの基板および電極層が、その隣接ＢＰＵ２の基板および電極層と、それらの間の電解質層１０とでセル区画２２を形成してもよいことに留意されたい（例えば、区画２２ａおよび２２ｅ参照）。積層２０における積層ＢＰＵ２の数は、１つ以上であってもよく、電池５０の所望の電圧に対応するために適切に判断されてもよい。各ＢＰＵ２は、任意の所望の電位を提供してもよく、電池５０の所望の電圧が、各構成要素ＢＰＵ２により提供される電位を効果的に付加することによって達成されるようにする。各ＢＰＵ２が同一の電位を提供する必要がないことを理解されたい。
【００３１】
一適切な実施形態では、双極電池５０は、ＢＰＵ積層２０およびそのそれぞれの正および負のＭＰＵ１２および３２が、低下圧力のもとで電池ケースまたはラッパーに少なくとも部分的にカプセル化（例えば、密封）されるように構造化され得る。ＭＰＵ伝導性基板１６および３６（または少なくともそれらのそれぞれの電極リード１３および３３）は、例えば、利用時の外部からの衝撃を緩和し、かつ環境劣化を防止するために電池ケース４０から引き出され得る。
【００３２】
第一のセル区画の電解質（例えば、図８のセル区画２２ａの電解質１１ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、図８のセル区画２２ｂの電解質１１ｂを参照）と混合することを防止するために、ガスケットまたは封止剤が、その特定のセル区画内の電解質を封止するために、隣接電極ユニット間の電解質層に積層され得る。ガスケットまたは封止剤は、例えば、特定のセルの隣接電極ユニットと相互作用してそれらの間の電解質を封止し得る任意の適切な圧縮性または非圧縮性の固体材料もしくは粘着性材料、またはそれらの組み合わせであってもよい。一適切な配置では、図６に示すように、例えば、本発明の双極電池は、各セル区画２２の電解質層１０および活性物質電極層４／１４および８／３８の周りの障壁として配置され得るガスケットまたは封止６０を含み得る。ガスケットまたは封止剤は、連続的かつ閉鎖型であってもよく、そのセルのガスケットと隣接電極ユニット（すなわち、そのガスケットまたは封止に隣接するＢＰＵまたはＢＰＵおよびＭＰＵ）との間の電解質を封止してもよい。ガスケットまたは封止剤は、例えば、そのセルの隣接電極ユニット間の適切な空間を提供し得る。
【００３３】
第一のセル区画の電解質（例えば、図８のセル区画２２ａの電解質１１ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、図８のセル区画２２ｂの電解質１１ｂを参照）と混合することを防止するために、積層双極電池５０のセル区画を封止する際に、セル区画は、セルが充電および放電されると、隣接セル（例えば、セル２２ａ〜２２ｂ）の間に圧力差を産生し得る。均一化弁３ａ〜３ｄは、このように発生する圧力差を実質的に減少させるように役割を果たし得る。先行して提示したように、孔５に位置する均一化弁３は、気体の移行を可能にし、かつ電解質の移行を実質的に防止する半透過性膜または破裂板として機械的または化学的に動作し得る。電池（例えば、電池５０）は、均一化弁（例えば、均一化弁３ａ〜３ｄ）の任意の組み合わせを有するＢＰＵ（例えば、ＢＰＵ２ａ〜２ｄ）を有してもよい。例えば、ＢＰＵ２ａは、化学的に動作する均一化弁３ａを有してもよく、ＢＰＵ２ｂは、機械的に動作する均一化弁３ｂを有してもよく、ＢＰＵ２ｃは、破裂板弁３ｃを有してもよく、ＢＰＵ２ｄは、破裂板弁３ｄを有してもよい。加えて、図６に示すように、均一化弁３ａ〜ｄおよび孔５ａ〜ｄは、基板６ａ〜ｄの実質的に中央に配置され得る。ある実施形態では、均一化弁３ａ〜ｄおよび孔５ａ〜ｄは、基板に沿った任意の位置に載置されてもよい。
【００３４】
本発明のある実施形態では、例えば、図６に示す封止構成におけるセル区画２２およびガスケット６０を加圧および保持するために、矢印Ｐ１およびＰ２の方向に、圧力がケース４０の両側に適用され得る。このような双極電池５０は、所望の圧力を提供するために、図７に示すように、積層および直列接続される複数のセル区画２２を含み得る。
【００３５】
次に図８を参照すると、本発明のある実施形態に従う、電池５０の２つの特定のセル区画２２の分解図が示される。セル区画２２ａは、ＭＰＵ３２の基板３６および負電極層３８、電解質層１０ａ、ならびにＢＰＵ２ａの正電極層４ａおよび基板６ａを含み得る。セル区画２２ｂは、ＢＰＵ２ａの基板６ａおよび負電極層８ａ、ならびにＢＰＵ２ｂの正電極層４ｂおよび基板６ｂを含み得る。上述のように、各電解質層１０は、セパレータ９および電解質１１を含み得る。封止剤またはガスケット６０は、各セル区画２２の電解質層１０の周囲に設けられ、その区画のセパレータ９および電解質１１が、その特定のセル区画のガスケット６０および隣接電極ユニットにより画定される空間内で封止され得る。
【００３６】
図８に示すように、例えば、ガスケット６０ａは、電解質層１０ａを囲繞し、そのセパレータ９ａおよび電解質１１ａが、セル区画２２ａのガスケット６０ａ、ＭＰＵ３２、およびＢＰＵ２ａによって画定される空間内に完全に封止されるようにする。同様に、図８に示すように、例えば、ガスケット６０ｂは、電解質層１０ｂを囲繞し、そのセパレータ９ｂおよび電解質１１ｂが、セル区画２２ｂのガスケット６０ｂ、ＢＰＵ２ａ、およびＢＰＵ２ｂにより画定される空間内に完全に封止されるようにする。
【００３７】
各セル区画の封止剤またはガスケットは、その電解質を封止するために、セルの電極ユニットの種々の部分との封止を形成し得る。図８に示すように、例えば、ガスケットは、基板の上部または底部の一部分との封止を形成し得る（例えば、ガスケット６０ａは、基板３６の底側ならびに基板６ａの上側および外側に接触する）。
【００３８】
本発明の一定の実施形態では、より良好な封止を作成するために、ガスケットの表面積の１つ以上の部分と、相互に接触する隣接電極ユニットの表面積との各々が、相互的にまたは対応的に溝付け、面取り、または成形され得る。ガスケットの表面の少なくとも一部分は、電極ユニットの表面の少なくとも一部分に対応的に成形され、例えば、２つの表面が共に嵌合して、２つの表面間の一定の種類の相対移動を制限し、かつ電池の製造中のガスケットおよび電極ユニットを自己整合するようにする。ガスケットおよび隣接基板の相互的に成形される部分の嵌合により形成されるこの溝または戻り止めによって、例えば、それらの嵌合接触範囲のサイズが増加し、ガスケットおよび基板の嵌合接触範囲の間に作成される封止の破壊を試行する任意の流体（例えば、電解質）の抵抗の経路が大きくなり得る。
【００３９】
本発明の電極ユニットの形成に使用する基板（例えば、基板６、１６、および３６）は、例えば、非穿孔性金属箔、アルミニウム箔、ステンレス鋼箔、ニッケルおよびアルミニウムを含むクラッド材料、銅およびアルミニウムを含むクラッド材料、ニッケルめっき鋼、ニッケルめっき銅、ニッケルめっきアルミニウム、金、銀、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な伝導性かつ不透過性の材料から形成され得る。各基板は、一定の実施形態において、相互に接着する２つ以上の金属箔シートから作製され得る。各ＢＰＵの基板は、典型的には、０．０２５から５ミリメートルの厚さであってもよく、一方、各ＭＰＵの基板は、０．０２５から１０ミリメートルの厚さであってもよく、例えば、電池に対する端子としての役割を果たし得る。金属化発泡体は、例えば、平坦金属フィルムまたは箔において任意の適切な基板材料と組み合わせられ、例えば、セル区画の活性物質間の抵抗が、電極における伝導性マトリクスを拡大することによって低減されるようにする。
【００４０】
これらの基板上に設けられて本発明の電極ユニットを形成する正電極層（例えば、正電極層４および１４）は、例えば、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、亜鉛（Ｚｎ）、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な活性物質から形成され得る。正の活性物質は、焼結されて含浸されるか、水性バインダで塗膜されて押圧されるか、有機バインダで塗膜されて押圧されるか、または伝導性マトリクスにおける他の支援化学物質を含む正の活性物質を含有する任意の他の適切な方法によって含有させてもよい。電極ユニットの正電極層は、金属水素化物（ＭＨ）、Ｐｄ、Ａｇ、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない粒子であって、例えば、膨張を低減するためにそのマトリクスにおいて注入される粒子を有し得る。これにより、例えば、サイクル寿命が増加し、再結合が改善され、セル区画内の圧力が低減し得る。ＭＨ等のこれらの粒子は、電極内の導電性を改善し、かつ再結合を支援するために、Ｎｉ（ＯＨ）２等の活性物質ペーストの結合に存在し得る。
【００４１】
これらの基板上に設けられて本発明の電極ユニットを形成する負電極層（例えば、負電極層８および３８）は、例えば、ＭＨ、Ｃｄ、Ｍｎ、Ａｇ、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な活性物質から形成され得る。負の活性物質は、例えば、焼結されるか、水性バインダで塗膜されて押圧されるか、有機バインダで塗膜されて押圧されるか、または伝導性マトリクスにおける他の支援化学物質を含む負の活性物質を含有する任意の他の適切な方法によって含有させてもよい。負電極側は、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない化学物質であって、例えば、構造を安定化させ、酸化を低減させ、サイクル寿命を延長させるように負の電極材料マトリクス内に注入される化学物質を有し得る。
【００４２】
有機ＣＭＣバインダ、クレイトンゴム、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない種々の適切なバインダは、例えば、層をそれらの基板に保持するように活性物質層と混合され得る。２００ｐｐｉニッケル発泡体等の超静止（Ｕｌｔｒａ−ｓｔｉｌｌ）バインダも、本発明の積層電池構築と使用してもよい。
【００４３】
本発明の電池の各電解質層のセパレータ（例えば、各電解質層１０のセパレータ９）は、その２つの隣接電極ユニットを電気的に絶縁するとともに、それらの電極ユニット間のイオン移行を可能にする任意の適切な材料から形成され得る。セパレータは、充填を改善し、かつサイクル寿命を増加させるために電解質容器として役割を果たすように、セルロース超吸収材を含有し、この場合、セパレータは、例えば、ポリ吸収（ｐｏｌｙａｂｓｏｒｂ）ダイパー材料から作製され得る。したがって、セパレータは、電荷が電池に印加されると、前に吸収された電解質を放出し得る。一定の実施形態では、セパレータは、通常のセルよりも密度が低く、厚さが太く、電極間隔（ＩＥＳ）が、通常よりも高く開始し、かつ電池のＣレートおよび容量をその寿命において維持するために、ならびに電池の寿命を延ばすために継続的に低減されるようにする。
【００４４】
セパレータは、短絡を低減し、かつ再結合を改善するために、電極ユニット上の活性物質の表面に接合される通常の材料よりも薄くてもよい。このセパレータ材料は、例えば、噴霧、塗膜、または押圧され得る。セパレータは、一定の実施形態では、そこに取り付けられる再結合剤を有し得る。本薬剤は、セパレータの構造内に注入され得るか（例えば、これは、薬剤をセパレータ繊維に結合するために、ＰＶＡを使用して湿式過程において薬剤を物理的に捕捉することによって行なわれ得るか、または薬剤は、電気蒸着によってその中に入れられ得る）、または本薬剤は、例えば、蒸着によって表面上に層状化され得る。セパレータは、例えば、Ｐｂ、Ａｇ、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない再結合を効果的に支援する任意の適切な材料または薬剤から作製され得る。セルの基板が相互に向かって移動する場合、セパレータは抵抗を提示し得るが、セパレータは、偏向しない程十分堅い基板を利用し得る本発明の一定の実施形態において設けられなくてもよい。
【００４５】
本発明の電池の各電解質層の電解質（例えば、各電解質層１０の電解質１１）は、溶解または融解時にイオン化して導電性媒体を産生し得る任意の適切な化合物から形成され得る。電解質は、例えば、ＮｉＭＨ等であるがこれに限定されない任意の適切な化学物質の標準的な電解質であり得る。電解質は、例えば、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カルシウム（ＣａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない追加の化学物質を含有し得る。また、電解質は、例えば、Ａｇ（ＯＨ）２等であるがこれに限定されない再結合を改善するための添加剤も含有し得る。また、電解質は、例えば、低温性能を改善するためにＲｂＯＨも含有し得る。本発明のいくつかの実施形態では、電解質（例えば、電解質１１）は、セパレータ（例えば、セパレータ９）内で凍結されてから、電池が完全に組み立てられた後に解凍され得る。これによって、ガスケットが、それに隣接する電極ユニットとの実質的に流体密封を形成する前に、特に、粘着性電解質の電池の電極ユニット積層への挿入が可能になり得る。
【００４６】
本発明の電池の封止およびガスケット（例えば、ガスケット６０）は、ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとによって画定される空間内に電解質を効果的に封止し得る任意の適切な材料または材料の組み合わせから形成され得る。一定の実施形態では、ガスケットは、固体封止障壁もしくはループ、または固体封止ループを形成可能な複数のループ部分であって、例えば、ナイロン、ポリプロピレン、セルガード、ゴム、ＰＶＯＨ、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な非伝導性材料から作製され得るものから形成され得る。固体封止障壁から形成されるガスケットは、それらの間に封止を作成するために、隣接電極の一部分に接触し得る。
【００４７】
代替として、ガスケットは、任意の適切な粘着性材料またはペーストから形成されてもよく、例えば、エポキシ樹脂、ブレアタール、電解質（例えば、ＫＯＨ）不浸透性膠、圧縮性接着剤（例えば、シリコン、アクリル、および／または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成され得、かつ電解質に不浸透性であり得るＨｅｎｋｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能であるＬｏｃｔｉｔｅ（登録商標）銘柄の接着剤等の２つの部分のポリマー）、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない。粘着性材料から形成されるガスケットは、隣接電極の一部分に接触して、それらの間に封止を作成し得る。さらに他の実施形態では、ガスケットは、固体封止ループと粘着性材料との組み合わせによって形成されてもよく、粘着性材料が、固体封止ループと隣接電極ユニットとの間の封止を改善するようにする。代替的または付加的に、電極ユニット自体は、固体封止ループ、追加の粘着性材料で処理された固体封止ループ、隣接電極ユニット、または追加の粘着性材料で処理された隣接電極ユニットが例えばそこに封止される前に、粘着性材料で処理されてもよい。
【００４８】
さらに、一定の実施形態では、隣接電極ユニット間のガスケットまたは封止剤には、１つ以上の弱い点が設けられる可能性があり、その弱い点によって、一定の種類の流体（すなわち、一定の液体または気体）が、そこから逃れることが可能になり得る（例えば、そのガスケットにより画定されるセル区画における内圧が、一定の閾値を超えて増加する）。一定量の流体が逃れるか、または内圧が減少すると、弱い点は再び封止し得る。ブレイ等の一定の種類の適切な粘着性材料またはペーストにより少なくとも部分的に形成されるガスケットは、一定の流体がそこを貫通可能になるように構成または調製され、他の一定の流体のそこの貫通を防止するように構成および調製され得る。このようなガスケットは、任意の電解質が２つのセル区間の間で共有されることを防止し、この共有は、電池の電圧およびエネルギーをすぐにゼロにまで弱める可能性がある。
【００４９】
前述のように、積層形成における封止セルにより設計される電池（例えば、双極電池５０）を利用する１つの利点は、電池の放電率の増加であり得る。この放電率の増加によって、一定の低腐食性電解質の使用が可能になり（例えば、研磨、伝導性強化、および／または電解質の化学反応性の高い１つまたは複数の成分を除去または低減することによって）、そうでなければ、低腐食性電解質は、角形電池設計または巻線電池設計では実現不可能であり得る。低腐食性電解質を使用する積層電池設計により提供され得るこの余地によって、より腐食性の電解質により腐食され得るガスケットとの封止を形成する際に、一定のエポキシ樹脂（例えば、Ｊ−Ｂ  Ｗｅｌｄエポキシ樹脂）の利用が可能になる。
【００５０】
本発明の電池のケースまたはラッパー（例えば、ケース４０）は、それらの伝導性基板（例えば、基板１６および３６）またはそれらの関連リード（すなわち、リード１３および３３）を暴露するために、末端電極ユニット（例えば、ＭＰＵ１２および３２）に封止し得る任意の適切な非伝導性材料から形成され得る。また、ラッパーは、それらのそれぞれのセル区画内の電解質を絶縁するために、ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとの間の封止を作成、支持、および／または維持するためにも形成され得る。ラッパーは、これらの封止に必要な支持を作成および／または維持し、セル区画の内圧の増加時に電池の膨張に封止が抵抗するようにする。ラッパーは、例えば、ナイロン、任意の他のポリマー、または強化複合材料、ニトリルゴム、もしくはポリスルホンを含む弾性材料、または収縮包装材料、またはエナメル塗膜鋼もしくは任意の他の金属等の任意の剛性材料、または任意の絶縁材料、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の適切な材料から作製され得る。一定の実施形態では、ラッパーは、例えば、積層セルの封止上に連続的な圧力を維持し得る張力クリップの外骨格によって形成され得る。非伝導性障壁は、電池の短絡を防止するために、積層とラッパーとの間に設けられ得る。
【００５１】
引き続き図６を参照すると、例えば、本発明の双極電池５０は、ＭＰＵ１２および３２、ならびにそれらの間の１つ以上のＢＰＵ２（例えば、ＢＰＵ２ａ〜２ｄ）の積層により形成される複数のセル区画（例えば、セル区画２２ａ〜２２ｅ）を含み得る。本発明のある実施形態によると、基板（例えば、基板６ａ〜６ｄ、１６、および３６）、圧力均一化弁（例えば、弁３ａ〜３ｄ）、電極層（例えば、正の層４ａ〜ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ〜８ｄおよび３８）、電解質層（例えば、層１０ａ〜１０ｅ）、およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ〜６０ｅ）の各々の厚さおよび材料は、セル区画毎だけでなく、特定のセル区画内でも相互に異なり得る。積層レベルだけでなく、個々のセルレベルにおける幾何学的形状および化学的性質のこの変動によって、種々の便益および性能特徴を含む電池が作成され得る。
【００５２】
さらに、基板、圧力均一化弁、電極層、電解質層、およびガスケットの材料および幾何学的形状は、セル区画からセル区画の積層の高さに沿って変動し得る。さらに図６を参照すると、例えば、電池５０の電解質層１０の各々に使用される電解質１１は、そのそれぞれのセル区画２２のセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変動し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃ（すなわち、電池５０における５つの区画２２の真ん中のセル区画）は、第１の電解質から形成される電解質層（すなわち、電解質層１０ｃ）を含んでもよく、一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄ（すなわち、電池５０における末端セル区画に隣接するセル区画）は、第２の電解質から各々が形成される電解質層（すなわち、それぞれ電解質層１０ｂおよび１０ｄ）を含んでもよく、一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅ（すなわち、電池５０における最も外側のセル区画）は、第３の電解質から各々が形成される電解質層（すなわち、それぞれ電解質層１０ａおよび１０ｅ）を含んでもよい。内側積層においてより高い伝導性の電解質を使用することによって、発生する熱が少なくなるように抵抗が小さくなり得る。これは、外部冷却方法の代わりに、設計によって電池に熱制御を提供することができる。
【００５３】
別の例として、電池５０のセル区画の各々において電極層として使用される活性物質も、そのそれぞれのセル区画２２のセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変動し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃは、第１の温度および／またはレート性能を有する第１の種類の活性物質から形成される電極層（すなわち、層８ｂおよび４ｃ）を含んでもよく、一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄは、第２の温度および／またはレート性能を有する第２の種類の活性物質から形成される電極層（すなわち、層８ａ／４ｂおよび層８ｃ／４ｄ）を含んでもよく、一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅは、第３の温度および／またはレート性能を有する第３の活性物質から形成される電極層（すなわち、層３８／４ａおよび層８ｄ／１４）を含んでもよい。例として、電池積層は、熱をより良好に吸収し得るニッケルカドミウムの電極により最も内側のセル区画を構築することによって熱的に管理されてもよく、一方、最も外側のセル区画には、例えば、冷却器である必要があり得るニッケル金属水素化物の電極が設けられてもよい。代替として、電池の化学的性質または幾何学的形状は、非対称であってもよく、この場合、積層の一方の端部におけるセル区画は、第１の活性物質および第１の高さから作製されてもよく、一方、積層の他方の端部におけるセル区画は、第２の活性物質および第２の高さを有してもよい。
【００５４】
さらに、電池５０のセル区画の各々の幾何学的形状も、セル区画の積層に沿って変動し得る。特定のセル区画２２内の活性物質間の距離の変動に加え、一定のセル区画２２は、それらの区画の活性物質の間に第１の距離を有してもよく、一方、他のセル区画は、それらの区画の活性物質の間に第２の距離を有してもよい。いずれにしても、活性物質電極層間の距離が小さいセル区画またはその部分は、例えば、電力が高くてもよく、一方、活性物質電極層間の距離が大きいセル区画またはその部分は、例えば、樹枝状結晶成長のためのより多くの空間、より長いサイクル寿命、および／またはより多くの電解質蓄積を有してもよい。活性物質電極間の距離が大きいこれらの部分は、例えば、活性物質電極層間の距離が小さい部分が最初に充電されることを確実にするように、電池の充電受け入れを調節してもよい。
【００５５】
ある実施形態では、電池５０の電極層の幾何学的形状（例えば、正の層４ａ〜ｄおよび１４、ならびに図６の負の層８ａ〜８ｄおよび３８）は、基板６の半径方向長さに沿って変動し得る。図６に関して、電極層は、均一の厚さを有し、皿型電極形状について対称的である。ある実施形態では、電極層は、不均一であってもよい。例えば、図１６を参照すると、正の活性物質電極層および負の活性物質電極層の厚さは、湾曲状表面上の半径方向位置に応じて変動し得る。例えば、正電極層３０４ａは、ＢＰＵ３０２ａの中央付近で比較的小さい厚さを有し、ガスケット３６０ａの付近で比較的大きい厚さを有し得る。同様に、負電極層３０８ａは、ＢＰＵ３０２ａの中央付近で比較的小さい厚さを有し、ガスケット３６０ａの付近で比較的大きい厚さを有し得る。セル区画３２２ｂは、ＢＰＵ３０２ａの負電極層３０８ａおよび基板３０６ａと、ＢＰＵ３０２ａに隣接するＢＰＵ３０２ｂの正電極層３０４ｂおよび基板３０６ｂと、ＢＰＵ３０２ａとＢＰＵ３０２ｂとの間の電解質層３１０とを含み得る。ＢＰＵ３０２ａおよびＢＰＵ３０２ｂが、「皿形状」基板６ａ〜ｂが下方に凹状であるように実質的に配向される場合、自由電解質は、セル区画３２２ｂの範囲３８０に溜まり得る。したがって、電極層は、セル積層の充電および放電の各サイクル中に形成する過剰または自由電解質３８０を利用し得る。前述のように、活性物質電極層の間の距離が小さいセル区画またはその部分は、例えば、より高い電力を有し得る。
【００５６】
ある実施形態では、電池５０の電極層の幾何学的形状（例えば、図６の正の層４ａ〜ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ〜８ｄおよび３８）は、所与のＢＰＵ（例えば、図１６のＢＰＵ３０２ｃ）が複数の幾何学的形状の活性物質を有するように、基板６の半径方向長さに沿って変動し得る。例えば、正の活性物質電極３０４ｃは、第１の部分において第１の幾何学的形状３９０と、第２の部分において第２の幾何学的形状３９０'とを有し得る。同様に、負の活性物質電極３０８ｃは、第１の部分において第１の幾何学的形状３９１と、第２の部分において第２の幾何学的形状３９１'とを有し得る。また、他の幾何学
的形状および幾何学的形状の組み合わせも、ＢＰＵの活性物質層に使用してもよい。
【００５７】
前述のように、本発明の双極電池を生産する方法は、概して、ＭＰＵを設けるステップと、異極性の別のＭＰＵとの積層を最終的に完成させる前に、電解質層をその上に含む１つ以上のＢＰＵとそれらの間のガスケットとを積層するステップとを含み得る。例えば、本発明に従う積層双極電池１０５０を生産する方法について、図９〜図１４に関連して説明する。例えば、図９に関連して、正のＭＰＵ１０１２には、初めに、不透過性伝導性基板１０１６と、その上に被覆される正の活性物質電極層１０１４とが設けられ、その両方は、実質的に「皿形状」である。
【００５８】
次に、ガスケット１０６０が、基板１０１６上の電極層１０１４の周囲に積層され得る（例えば、図１０参照）。ガスケット１０６０がＭＰＵ１０１２の上部に積層されると、実質的に流体密封のカップ状の容器（例えば、空間１０８０参照）が、ガスケット１０６０の内側壁と、それらの間のＭＰＵ１０１２の部分によって画定され得る。ガスケットとそれらの間の電極ユニットの部分との間で形成される角度（例えば、図１０におけるガスケット１０６０の内側壁とそれらの間のＭＰＵ１０１２の部分との間の角度１０７８）は、直角、鈍角、または鋭角を含む任意の適切な角度を有し得る。
【００５９】
次に、セパレータ１００９および電解質１０１１が、空間１０８０内において電解質層１０１０を画定するために、正電極層１０１４の上部に、ガスケット１０６０の内壁内に成膜され得る（例えば、図１１参照）。使用する電解質が極めて粘着性を有する場合、ガスケットとＭＰＵとの間に作成される封止によって、電解質は、漏出することなく空間１０８０に容易に注入可能になる。電解質が粘着性でない場合、積層への挿入時に（例えば、電解質がセパレータ内で凍結される実施形態において）、ガスケットがその上に適合される前に、電解質層がＭＰＵ上に積層されてもよいことを理解されたい。「皿形状」基板１０１６は、上方に凹状であってもよく、電解質の一時的な場所として使用されるとともに、セパレータ１００９および正電極層１０１４により吸収されてもよく、それによって、本生産ステップが簡略化される。加えて、皿形状基板１０１６の幾何学的形状は、電解質１０１１の成膜時に基板１０１６の平行移動を実質的に防止し得る。
【００６０】
電解質層１０１０のセパレータ１００９および電解質１０１１が、ガスケット１０６０およびＭＰＵ１０１２により画定される空間１０８０内に成膜され、かつ電解質が、実質的に吸収されると、第１のＢＰＵ１１０２が、その上に積層され得る（例えば、図１２参照）。図１２に示すように、ＢＰＵ１１０２は、圧力均一化弁１１０３を有する不透過性伝導性基板１１０６と、正電極層１１０４およびその反対側に被覆される負電極層１１０８とを含み得る。ＢＰＵ１１０２の負電極層１１０８が、ＭＰＵ１０１２の正電極層１０１４側に下方に対向した状態で、ＢＰＵ１１０２は、ガスケット１０６０上に積層され得る。ＢＰＵ１１０２がガスケット１０６０ひいてはＭＰＵ１０１２の上部に積層されると、第１のセル区画１０２２が存在し得る。さらに、それによって実質的に流体密封は、基板１１０６、基板１０３６、および電解質層１０１０（ひいては電解質１０１１）の周囲のガスケット１０６０によって画定され得る。
【００６１】
次に、セパレータ１１０９および電解質１１１１が、電解質層１１１０を画定するために、正電極層１１０４の上部に、ガスケット１１６０の内壁内に成膜され得る（例えば、図１３参照）。電解質は、これらの生産ステップ中に、ＢＰＵ１１０２の底部から漏出し得ない。したがって、半透過性膜または破裂板（例えば、均一化弁１１０３）が、電解質の下のセルへの排出を実質的に防止するように提供され得る。
【００６２】
この第１のセル区画１０２２が、図９〜図１２に関連して上述するように、ガスケット１０６０、電解質層１０１０、およびＢＰＵ１１０２をＭＰＵ１０１２の上部に積層することによって作成されると、追加のＢＰＵが、必要に応じて、同様にその上に積層され得る。所望の量のＢＰＵが双極電池に積層されると、第２のＭＰＵがその上に積層され得る。図１３を参照すると、負のＭＰＵ１０３２が、最も上部のＢＰＵの上部に積層され得る（本実施形態では、１つのみのＢＰＵが設けられるため、ＢＰＵ１１０２がその最も上部のＢＰＵである）。しかしながら、ＭＰＵ１０３２がＢＰＵ１１０２の上に積層される前に、追加のガスケット（すなわち、ガスケット１１６０）および電解質層（すなわち、セパレータ１１０９および電解質１１１１を含む電解質層１１１０）が、ガスケット１０６０および電解質層１０１０について上述したように設けられてもよい。
【００６３】
負のＭＰＵ１０３２には、不透過性伝導性基板１０３６とその上に被覆される負の活性物質電極層１０３８とが設けられ得る。ＭＰＵ１０３２の負電極層１０３８がＢＰＵ１１０２の正電極層１１０４側に下方に対向した状態で、ＭＰＵ１０３２は、ガスケット１１６０上に積層され得る。ＭＰＵ１０３２がガスケット１１６０ひいてはＢＰＵ１１０２の上部にしっかりと積層されると、第２のセル区画（すなわち、区画１１２２）が存在し得る。さらに、それによって、実質的に流体密封が、基板１０３６、基板１１０６、および電解質層１１１０（ひいては電解質１１１１）の周囲のガスケット１１６０によって画定され得る。
【００６４】
図９〜図１３に関連して上述したように、正のＭＰＵ、負のＭＰＵ、およびそれらの間の少なくとも１つのＢＰＵを含むことによって、セル区画の積層を形成するように積層が製造されると、例えば、ケースまたはラッパーが、本発明の機能的積層双極電池を形成するために積層の含有物を封止するように設けられ得る。ある実施形態では、図１４に示すように、ラッパー１０４０が、セル区画（すなわち、セル区画１０２２および１１２２）の積層の周囲に設けられ、末端電極層（すなわち、正電極層１０１４および負電極層１０３８）が暴露されるようにし（例えば、伝導性基板１０１６および１０３６のそれぞれの少なくとも一部分を介して）、封止配置が、積層双極電池１０５０を提供するように積層の含有物の周囲のラッパーによって設けられるようにする。例えば、各電解質層の周囲に実質的に流体密封障壁を作成するために、積層における各ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとの間の封止関係を維持するように、ラッパーによって積層双極電池１０５０に圧力が及ぼされ得る。
【００６５】
ある実施形態では、積層双極電池５０は、図１５に示すようなドーム状の上部５００が、電池のラッパー４０の上部に配置され、かつ平坦縁５５０が電池のラッパー４０の底部に配置されるように構造化され得る。例えば、ドーム状上部５００は、圧力均一化弁が破裂板（例えば、破裂板弁５０３ａ〜ｂ参照）である積層電池において所望され得る。破裂板が開放した場合の電解質の隣接セルへの平行移動を実質的に防止する際に、配向が重要であり得るため、ドーム状上部５００は、ドーム状上部５００が直立状態で、ひいてはＢＰＵ５０２ａ〜ｂが下方に凹状態である配向に積層電池がとどまることを実質的に確実にし得る。直立位置では、自由電解質５８０が、下方に凹状の「皿形状」電極（例えば、ＢＰＵ５０２ａ〜ｂ）の縁周辺に集まり、自由電解質５８０が、例えば、縁よりも比較的高くに存在し得るＢＰＵ５０２ｂの中央における開放孔５０５ｂに十分到達可能であり得ない。電池は、実質的に同一の効果でその側面に置かれ得る。
【００６６】
積層電池の上述および図示された実施形態の各々が、電解質をその中に封止するために、第１および第２の電極ユニットの各々に封止されるガスケットを含むセル区画を示すが、セル区画の各電極ユニットが、それ自体のガスケットに封止され、２つの隣接する電極のガスケットが、封止セル区画を作成するために相互に封止されてもよいことに留意されたい。
【００６７】
一定の実施形態では、ガスケットは、まとめて融合されて封止を作成するように、電極ユニットまたは別のガスケットに射出成形されてもよい。一定の実施形態では、ガスケットは、まとめて封止を形成するように、電極ユニットまたは別のガスケットに超音波で溶接されてもよい。他の実施形態では、ガスケットは、電極ユニットまたは別のガスケットに熱的に融合されるか、または熱流により融合されてもよく、それによって、ガスケットまたは電極ユニットは、加熱されて他のガスケットまたは電極ユニットに溶解され得る。さらに、一定の実施形態では、封止を作成するためにガスケットおよび／または電極ユニットの表面に溝状の部分を作成する代わりに、または作成することに加えて、ガスケットおよび／または電極ユニットが、穿孔を有するか、またはその１つ以上の部分を通る１つ以上の孔を有してもよい。代替として、孔または通路または穿孔は、電極ユニットの一部分（例えば、基板）がガスケットにおよびガスケットを通って成形し得るように、ガスケットの一部分を通って設けられ得る。さらに他の実施形態では、孔は、ガスケットおよび電極ユニットを通って作製され、ガスケットおよび電極ユニットの各々が、例えば、ガスケットおよび電極ユニットの一方におよび一方を通って成形するようにする。
【００６８】
積層電池の上述および図示した実施形態の各々が、実質的に円形の断面を有する基板を円筒状の電池に積層することによって形成される電池を示すが、広範な形状ののうちのいずれかを利用して本発明の積層電池の基板を形成してもよいことに留意されたい。例えば、本発明の積層電池は、長方形、三角形、六角形、もしくは任意の他の考えられる形状、またはそれらの組み合わせである断面積を含む基板を有する電極ユニットを積層することによって形成されてもよい。
【００６９】
電極板偏向が低減され、かつ圧力均一化が改善された積層電池について説明したが、例えば、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に多くの変更を加えてもよいことを理解されたい。また、「水平」および「垂直」、「上部」および「底部」および「側面」、「長さ」および「幅」および「高さ」および「厚さ」、「内側」および「外側」、「内部」および「外部」、ならびにその同等物等の種々の方向および配向に関する用語が、便宜のためだけに本明細書において使用され、決定的または絶対的な方向または配向に関する制限がこれらの単語の使用によって意図されないこととも理解されたい。例えば、本発明の機器ならびにその個々の構成要素は、任意の所望の配向を有してもよい。再配向される場合、異なる方向または配向に関する用語が、その説明において使用されることを必要とされ得るが、本発明の範囲および精神内にあるように、その基本的な性質を変更しない。当業者は、本発明が、制限目的ではなく例示目的で提示される上述の実施形態以外によって実践されてもよく、本発明が以下の請求項によってのみ制限されることを理解するであろう。
【図１】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【外国語明細書】
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