(57)【要約】      （修正有）【課題】充電式金属イオン電池に於いて、指向性熱制御に基づく、電池の熱管理手段の提供。【解決手段】アノードとカソードとを含む、熱管理されたＬｉ−イオン電池アセンブリであり、前記アノード及び前記カソードのうち、少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造５０を含むことで、高周波の格子振動により発生した熱が全方向に分散することなく、振動を一方向に位置調整し、ヒートシンクに集熱することで、熱を除去することができる電池アセンブリ。前記サーモクリスタルメタマテリアル構造（５０）は、コバルト酸化物の結晶格子（５２）のリチウムイオン（５４）と、前記コバルト酸化物の結晶格子（５２）内の不純物（５６）を含み、不純物（５６）が、鉄、ニッケルから選択される元素を含む電池アセンブリ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード（１４）とカソード（１６）とを含み、前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造（５０）を含む、電池アセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記サーモクリスタルメタマテリアル構造（５０）は、結晶格子内に不純物を有する金属酸化物の前記結晶格子を含む、請求項１に記載の電池アセンブリ（１０）。    
【請求項３】
前記不純物は、前記結晶格子の格子間欠陥を含む、請求項２に記載の電池アセンブリ（１０）。
【請求項４】
前記不純物は、前記結晶格子内に元素置換を含む、請求項２に記載の電池アセンブリ（１０）。  
【請求項５】
前記カソード（１６）は、前記サーモクリスタルメタマテリアル構造（５０）を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池アセンブリ（１０）。
【請求項６】
前記サーモクリスタルメタマテリアル構造（５０）は、コバルト酸化物の結晶格子（５２）のリチウムイオン（５４）と、前記コバルト酸化物の結晶格子（５２）内の不純物（５６）を含む、請求項１又は５に記載の電池アセンブリ（１０）。    
【請求項７】
前記不純物（５６）は、鉄及びニッケルからなるグループから選択される元素を含む、請求項６に記載の電池アセンブリ（１０）。    
【請求項８】
電解質（１８）をさらに含み、前記アノード（１４）及び前記カソード（１６）は、前記電解質に電気的に結合している、請求項１から７のいずれか一項に記載の電池アセンブリ（１０）。  
【請求項９】
前記電解質（１８）は非水電解質を含む、請求項８に記載の電池アセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記アノード（１４）を前記カソード（１６）から電気的に絶縁させるように位置決めされるセパレータ（２０）をさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の電池アセンブリ（１０）。    
【請求項１１】
電池ハウジング（１２）をさらに含み、前記アノード（１４）と前記カソード（１６）は前記電池ハウジングに格納される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池アセンブリ（１０）。  
【請求項１２】
前記アノード（１４）は、伝導性炭素質材料を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電池アセンブリ（１０）。  
【請求項１３】
前記サーモクリスタルメタマテリアル構造（５０）に熱的に結合したヒートシンク（２２）をさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電池アセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電式金属（例：リチウム）イオン電池等の電池に関し、さらに具体的には電池の熱管理に関し、またさらに具体的には、指向性熱制御に基づく電池の熱管理に関するものである。    
【背景技術】
【０００２】
充電式電池は、航空機及び電子デバイス（例：コンピュータ及び携帯電話）等の様々な用途において使用される。種々の充電式電池が市販されているが、エネルギー密度が比較的高く、また部分充電後の電池メモリがないために、通常、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）電池等のリチウムイオン電池が使用される。  
【０００３】
リチウムイオン電池は、負荷下で、また充電中に発熱することで知られる。したがって、電池の用途においてリチウムイオン電池が供給する高いエネルギー密度が要求される場合、熱管理システムが通常採用される。Ｌｉ−イオンＣｏＯ２電池の熱管理の一例は、種々のセルを物理的に分離させることである。熱管理システムの別の例は、リチウムイオン電池の各セルの温度を監視し、所定の閾値を超える温度に達したセルを遮断することである。    
【０００４】
すでに進歩は遂げているが、当業者は、電池の熱管理の分野において研究開発の努力を続けている。    
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態において、本発明の熱管理された電池アセンブリはアノードとカソードを備え、アノード及びカソードのうちの少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。    
【０００６】
別の実施形態では、本発明の熱管理された電池アセンブリは、アノード、カソード及び電解質を備え、カソードは、サーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。
【０００７】
別の実施形態では、本発明の熱管理された電池アセンブリは電解質、電解質と電気的に接触しているアノード、及び電解質と電気的に接触しているカソードを備え、カソードは、結晶格子の中に組み込まれた不純物を含むサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。
【０００８】
別の実施形態では、本発明の熱管理された電池アセンブリは、電解質、電解質と電気的に接触しているアノード、及び電解質と電気的に接触しているカソードを備え、カソードは、金属酸化物の層の間に組み込まれた金属イオンを有する層状金属酸化物と、金属酸化物の層の中の不純物を含むサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。
【０００９】
さらに別の実施形態では、（１）サーモクリスタルメタマテリアル構造を有する電極を形成し、（２）電極を電池アセンブリに組み込み、（３）サーモクリスタルメタマテリアル構造により熱波がヒートシンクとともに一方向に位置調整されるように、ヒートシンクを電極に熱的に結合させるステップを含む熱管理の方法も開示されている。
【００１０】
本発明の熱管理された電池アセンブリの他の実施形態及び方法は、後述の詳細な説明、添付図面及び請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱管理された電池アセンブリの一実施形態の概略ブロック図である。
【図２】図１の熱管理された電池アセンブリのカソードのサーモクリスタル構造の概略図である。
【図３】電池の熱管理を行う本開示方法の一実施形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電池ハウジング１２、アノード１４、カソード１６、電解質１８、セパレータ２０及びヒートシンク２２を備える、概して１０で指定される本発明の熱管理された電池アセンブリの一実施形態を示す図１を参照する。熱管理された電池アセンブリ１０のアノード１４及びカソード１６は、負荷２６、チャージャ２８、及びスイッチ３０を備える電気回路２４の一部である。スイッチ３０は、少なくとも、熱管理された電池アセンブリ１０がチャージャ２８によって充電される第１の位置と、熱管理された電池アセンブリ１０が負荷２６に電力を供給する第２の位置との間で切替式であってよい。    
【００１３】
電池ハウジング１２は、アノード１４、カソード１６及び電解質１８を受容して格納する内部チャンバ３２を画定する。電池ハウジング１２は、アノード１４、カソード１６、及び電解質１８を周辺環境から分離するように構成された防水及び／又は気密性ハウジングである。一実施例として、電池ハウジング１２は、剛性のプラスチック、金属、または複合ハウジングである。別の実施例では、電池ハウジングは柔軟なプラスチック製のハウジングである。    
【００１４】
電解質１８は、電池のハウジング１２の内部チャンバ３２に受容される、電池のハウジング１２の内部チャンバ３２を部分的に満たす、またはほぼ全体的に満たすものである。電解質１８は、液体、固体、または液体と固体の混合物（例：ゲル）である。採用される電池の化学的物質、たとえばリチウム電池の化学的物質などによっては、不都合な化学反応を防ぐために電解質が実質的に水分を含まない（例：非水）ものであってよい。
【００１５】
当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の電解質組成を使用できることが分かるであろう。ある一般的、非限定的な例では、電解質１８は有機溶剤のリチウム塩を含む非水電解質である。ある特定の非限定的な例では、電解質１８は無水エチレンカーボネート（１、３−ジオキソラン−２−ｏｎｅ）のリチウムヘクサフルオロリン酸（ＬｉＰＦ６）を含む非水電解質である。  
【００１６】
電解質は、適切な溶剤（例：水）に溶解されるとイオン化する任意の化合物である。これには、最溶性の塩、酸、及び基材が含まれる。ある場合には、塩化水素などの気体も高温又は低圧の条件下において電解質としても機能することができる。電解質溶液もまた、荷電官能基を含む高分子電解質と呼ばれるいくつかの生体及び合成高分子を溶解させたものである。電極が電解質に位置決めされ、電圧が印加されると、電解質が溶液内でイオン化するため電気が流れる。電子は単独では電解質を通ることができない。代わりに、カソードにおいて化学反応が起き、アノードから電子が消費される。アノードにおいて別の反応が起きて電子が発生し、この電子は最終的にカソードへ伝送される。その結果、カソード周囲の電解質においてマイナスの電荷雲ができ、アノード周囲にプラスの電荷ができる。電解質のイオンによりこれらの電荷が中和され、これにより電子の流れ、及び反応の継続が可能になる。電池においては、種々の電子親和力を有する２つの材料が電極として使用され、電子は電池の外で一つの電極から他の電極まで流れ、電池の内部では電解質のイオンによって回路が閉じられる。ここで電極の反応により、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００１７】
セパレータ２０は電池ハウジング１２の内部チャンバ３２に受容され、これにより、内部チャンバ３２がアノードチャンバ３４とカソードチャンバ３６に分離される。セパレータ２０により、アノードチャンバ３４（したがってアノード１４）はカソードチャンバ３６（したがってカソード１６）から流体的に、また電気的に絶縁され、その一方で、イオンがアノードチャンバ３４とカソードチャンバ３６の間を通れるようになる。  
【００１８】
セパレータ２０は、透過性高分子膜などの透過性の膜である。様々な市販の透過性の膜は、本発明の熱管理された電池アセンブリ１０の分離２０に使用するのに適切でありうる。分離２０に使用するのに適切な透過性の膜の、ある特定の非限定的な例は、ペンシルバニア州ピッツバーグのＰＰＧインダストリーズ社から入手可能なＨｉ−ＳｉｌＴＭ沈澱シリカから形成された膜である。    
【００１９】
アノード１４はアノードチャンバ３４に受容され、電解質１８と電気的に接触（例：浸水）している。アノード１４は、熱管理された電池アセンブリ１０のマイナスの電極として機能する。したがって、アノード１４は導電性である。      
【００２０】
当業者には、種々のアノード組成を採用することができることが分かるだろう。アノード１４の組成の選択は、中でも電解質１８の組成（例：アノード１４は電解質１８に露出された時に分解しない材料から形成される）によって決まる。ある一般的、非限定的な例では、アノード１４は伝導性炭素質材料から形成される。ある特定の非限定的な例では、アノード１４はグラファイトから形成される。          
【００２１】
カソード１６はカソードチャンバ３６に受容され、電解質１８と電気的に接触（例：浸水）している。カソード１６は、熱管理された電池アセンブリ１０のプラス電極として機能する。したがって、カソード１６は導電性である。
【００２２】
カソード１６内の高周波の格子振動により熱が発生する。従来技術のカソードでは、この熱は全方向に分散されるため、熱を効果的に除去することが難しい。本発明の熱管理された電池アセンブリ１０の熱管理は、カソード１６をサーモクリスタルメタマテリアル構造として構成することによって改善されると考えられる。カソード１６のサーモクリスタルメタマテリアル構造は電気を良く通す。しかしながら、カソード１６のサーモクリスタルメタマテリアル構造は、（テラヘルツの域でありうる）熱を発生させる格子振動の周波数を低周波域（例：約１００〜３００ギガヘルツ）へシフトさせ、振動を一方向に位置調整する。したがって、いかなる特定の理論にも縛られることなく、カソード１６のサーモクリスタルメタマテリアル構造は、熱波（又は熱波の少なくともかなりの周波数の部分）を、熱を全方向に放射する、又は全方向の熱の多方向伝播を可能にする代わりに、ヒートシンク２２に集熱する。    
【００２３】
カソード１６のサーモクリスタルメタマテリアル構造は、従来の結晶カソード材料（例：リチウムコバルト酸化物）等の当技術分野で周知の種々のカソード材料を使用して構成される。カソード１６の特定の組成は、中でも電池の化学的物質と、電解質の互換性、及び対象の材料を使用して電池のカソードとして使用するのに適切なサーモクリスタルメタマテリアルを形成する能力によって決定づけられる。  
【００２４】
ある特定の実装態様では、カソード１６は、当技術分野で周知の、金属酸化物の結晶格子の層の間に組み込まれる金属イオンを有する層状の金属酸化物を含む。しかしながら、金属酸化物の結晶格子に不純物を導入してエネルギー帯を歪ませ、これにより、カソード１６をサーモクリスタルメタマテリアル構造にすることができる。本明細書で使用する結晶格子の「不純物」には、結晶格子のすべての格子間欠陥、及び結晶格子に対する工学的な組成改良、例えば結晶格子のある元素を他の元素に置き換えてメタマテリアルを得ることが含まれる。    
【００２５】
ある特定の非限定的な実施例では、カソード１６は、リチウムコバルト酸化物ベースのサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。図２に示すように、概して５０で指定される、リチウムコバルト酸化物ベースのサーモクリスタルメタマテリアル構造は、コバルト酸化物（ＣｏＯ２）５２の層間に組み込まれるリチウムイオン（Ｌｉ＋）５４を有するコバルト酸化物５２の層を含む。カソード１６（図１）のサーモクリスタルメタマテリアル構造５０により熱波が一方向にヒートシンク２２（図１）へ誘導されるように、コバルト酸化物５２の層に不純物５６を導入してサーモクリスタルメタマテリアル構造５０が形成される。      
【００２６】
さらに図２を参照する。図２では、格子５２内のコバルト（Ｃｏ）のいくつかを同様の元素で置き換えることによって、コバルト酸化物の結晶格子５２に不純物５６が導入されている。例えば、周期表のコバルトの隣に位置づけされる金属である鉄（Ｆｅ）及び／又はニッケル（Ｎｉ）を、鉄とニッケルが不純物５６として機能するように、結晶格子５２内のいくつかのコバルトと置き換えることができる。    
【００２７】
選択的な元素の置換に代えて、又は加えて、材料を結晶格子５２の格子間に組み込むことによって、不純物５６をコバルト酸化物の結晶格子５２に導入することができる。例えば、鉄のナノ粒子等のナノ粒子を格子間欠陥としてコバルト酸化物の結晶格子５２の中に組み込むことができる。    
【００２８】
図１を再度参照すると、ヒートシンク２２は、カソード１６に熱的に結合される。ある非限定的な実施例では、ヒートシンク２２は、カソード１６に近接して（例：当接して）位置決めされる。別の非限定的な実施例では、熱伝導性接着剤により、ヒートシンク２２がカソード１６に熱的に結合される。    
【００２９】
カソード１６に対するヒートシンク２２の特定位置は、カソード１６の構成によって決まる。具体的には、ヒートシンク２２は、カソード１６のサーモクリスタルメタマテリアル構造が集熱する対象エリア２３に近接して位置づけされる。          
【００３０】
ヒートシンク２２は、熱管理された電池アセンブリ１０から熱を除去することができる任意の装置又はシステムである。したがって、ヒートシンク２２は、電池ハウジング１２内に発生する熱エネルギー（熱）を熱管理された電池アセンブリ１０から取り除く。ヒートシンク２２は能動的又は受動的である。ある非限定的な実施例では、ヒートシンク２２は、一塊のフィン付きである、又はフィン付きでない熱伝導性材料（例：銅）である。別の非限定的な実施例では、ヒートシンク２２は、流動冷却流体を含む。冷却流体は、液体（例：水又はグリコール）又は気体（例：外気）である。  
【００３１】
本開示内容は、熱管理された電池アセンブリ１０のカソード１６をサーモクリスタルメタマテリアル構造として構成することに焦点を当てているが、アノード１４等の熱管理された電池アセンブリ１０の一又は複数の他のコンポーネントも、熱管理を改善するためのサーモクリスタルメタマテリアル構造として構成することができると考えられる。カソードの代わりにアノードがサーモクリスタルメタマテリアル構造であるように、又はアノードとカソードの両方がサーモクリスタルメタマテリアル構造であるように電池アセンブリを改良することは、本発明の範囲から逸脱したことにはならない。  
【００３２】
図３を参照する。図３には、概して１００で指定されている、電池アセンブリを熱管理する方法も開示されている。方法１００は、ブロック１０２において、電極をサーモクリスタルメタマテリアル構造として形成するステップによって開始される。リチウムコバルト酸化物等、結晶格子に不純物を導入することによって、電極のサーモクリスタルメタマテリアル構造が形成される。
【００３３】
ブロック１０４において、ブロック１０２で形成される電極が電池アセンブリに組み込まれる。例えば、サーモクリスタルメタマテリアル構造を有する電極は、電池アセンブリのカソードとして使用される。したがって、リチウムイオン電池であってよい電池アセンブリは、電解質と、電解質に浸されているアノードと、電解質に浸されているサーモクリスタルメタマテリアル構造の電極（カソード）と、アノードをカソードから分離させているセパレータを含む。    
【００３４】
ブロック１０６において、ヒートシンクはサーモクリスタルメタマテリアル構造の電極に熱的に結合される。したがって、サーモクリスタルメタマテリアル構造の電極により、熱がヒートシンクに集中し、ヒートシンクにより電池アセンブリから熱が抽出される。  
【００３５】
この結果、本発明の熱管理された電池アセンブリと、それに関する方法は、サーモクリスタルメタマテリアル構造を用いて、過剰な熱を単一のポイント（又は特定のいくつかのポイント）から抽出するだけでよいように、熱を単一の目的エリア（又は特定のいくつかの目的エリア）に集中させる。このように、本発明の熱管理された電池アセンブリはさらに軽量で小型である一方、熱暴走も起こりにくい。        
【００３６】
本発明の熱管理された電池アセンブリ及び方法の様々な実施形態を示し説明してきたが、本明細書を読んだ当業者には変更例が想起されうるであろう。本発明はそのような変更例も含んでおり、請求の範囲によってのみ限定される。
【００３７】
さらに、本開示は、下記の条項による実施形態を含む。
【００３８】
条項１  アノード及びカソードを含む電池アセンブリであり、前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも一つはサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。
【００３９】
条項２  さらに電解質を含み、前記アノード及び前記カソードは前記電解質に電気的に結合されている、条項１に記載の電池アセンブリ。  
【００４０】
条項３  前記電解質は非水電解質である、条項２に記載の電池アセンブリ。  
【００４１】
条項４  さらに前記アノードを前記カソードから電気的に絶縁するように位置決めされるセパレータを含む、条項１に記載の電池アセンブリ。    
【００４２】
条項５  さらに電池ハウジングを含み、前記アノード及び前記カソードは前記電気ハウジングに格納されている、条項１に記載の電池アセンブリ。  
【００４３】
条項６  前記アノードは伝導性炭素質材料を含む、条項１に記載の電池アセンブリ。  
【００４４】
条項７  前記サーモクリスタルメタマテリアル構造は、結晶格子内に不純物を有する金属酸化物の前記結晶格子を含む、条項１に記載の電池アセンブリ。    
【００４５】
条項８  前記不純物は、前記結晶格子の格子間欠陥を含む、条項７に記載の電池アセンブリ。  
【００４６】
条項９  前記不純物は、前記結晶格子内に元素置換を含む、条項７に記載の電池アセンブリ。  
【００４７】
条項１０  前記サーモクリスタルメタマテリアル構造に熱的に結合されるヒートシンクをさらに含む、条項１に記載の電池アセンブリ。  
【００４８】
条項１１  アノードとカソードを含み、前記カソードが前記サーモクリスタルメタマテリアル構造を含む電池アセンブリ。
【００４９】
条項１２  電解質をさらに含み、前記アノード及び前記カソードが前記電解質に電気的に結合される、条項１１に記載の電池アセンブリ。  
【００５０】
条項１３  前記アノードを前記カソードから電気的に絶縁させるように位置決めされるセパレータをさらに含む、条項１１に記載の電池アセンブリ。    
【００５１】
条項１４  電池ハウジングをさらに含み、前記アノード及び前記カソードは前記電池ハウジングに格納される、条項１１に記載の電池アセンブリ。  
【００５２】
条項１５  前記アノードは伝導性炭素質材料を含む、条項１１に記載の電池アセンブリ。  
【００５３】
条項１６  前記サーモクリスタルメタマテリアル構造はコバルト酸化物の結晶格子にリチウムイオンを含む、条項１１に記載の電池アセンブリ。    
【００５４】
条項１７  前記サーモクリスタルメタマテリアル構造は前記コバルト酸化物の結晶格子内に不純物をさらに含む、条項１６に記載の電池アセンブリ。    
【００５５】
条項１８  前記不純物は鉄及びニッケルからなるグループから選択される元素を含む、条項１７に記載の電池アセンブリ。    
【００５６】
条項１９  前記サーモクリスタルメタマテリアル構造に熱的に結合されるヒートシンクをさらに含む、条項１１に記載の電池アセンブリ。
【００５７】
条項２０  サーモクリスタルメタマテリアル構造を有する電極を形成し、前記電極を電池アセンブリに組み込み、前記サーモクリスタルメタマテリアル構造により熱波がヒートシンクとともに一方向に位置調整されるように前記ヒートシンクを前記電極に熱的に結合させるステップを含む、熱管理する方法。
【符号の説明】
【００５８】
１０    熱管理された電池アセンブリ
１２    電池ハウジング
１４    アノード
１６    カソード
１８    電解質
２０    セパレータ
２２    ヒートシンク
２３    サーモクリスタルメタマテリアル構造が集熱する対象エリア
２４    電気回路
２６    負荷
２８    チャージャ
３０    スイッチ
３２    内部チャンバ
３４    アノードチャンバ
３６    カソードチャンバ
５０    サーモクリスタルメタマテリアル構造
５２    コバルト酸化物（ＣｏＯ２）
５４    リチウムイオン（Ｌｉ＋）
５６    不純物
１００    電池アセンブリを熱管理する方法
【図１】
2014229617.tif 000003
【図２】
2014229617.tif 000004
【図３】
2014229617.tif 000005
【外国語明細書】
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