(57)【要約】【課題】  電力供給の中断を伴わない、１８０度の作動曲げ範囲を有する、可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池を開示する。【解決手段】  前記リチウムイオン電池は、約７０％〜約９０％の気孔率を有する高弾性セパレータスポンジを含む。前記セパレータは、直径がサブミクロンの繊維を有するポリマーベースの繊維マットである。前記セパレータスポンジは、約５ミクロン〜５０ミクロンの厚さ、約１００ｓ／１００ｍｌ〜約３００ｓ／１００ｍｌの空気透過性、及び約３５０Ｎ〜約９５０Ｎの穿刺抵抗を有する。第１及び第２の電極は、前記セパレータスポンジのいずれかの面に配置され、薄い金属集電体上に位置する活物質を含む。液体電解質は、セパレータスポンジによって吸収される。前記電池は、電力を損失することなく、当該電池自体の上に折り畳まれ得る。【選択図】  図１
2018181843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）不織ポリマー繊維マットを含む７０％〜９０％の気孔率を有する高弾性セパレータスポンジであって、前記繊維がサブミクロンの直径を有し、前記セパレータスポンジが５ミクロン〜５０ミクロンの範囲の厚さ、１００ｓ／１００ｍｌ〜３００ｓ／１００ｍｌの空気透過性、３５０Ｎ〜９５０Ｎの穿刺抵抗を有し、前記セパレータスポンジが外力による変形後に元の形状及び体積を回復する、セパレータスポンジ、
（ｉｉ）前記セパレータスポンジの第１の面に配置され、５ミクロン〜１００ミクロンの厚さを有する第１の集電体を含み、前記第１の集電体の片面又は両面に位置するリチウムを含む第１の活物質を含む、第１の電極、
（ｉｉｉ）前記セパレータスポンジの第２の面に配置され、５ミクロン〜１００ミクロンの厚さを有する第２の集電体を含み、前記第２の集電体の片面又は両面に位置する第２の活物質を含む、第２の電極、及び
（ｉｖ）セパレータスポンジによって吸収される液体電解質
を含み、自己回復特性を有する、可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池であって、
前記電池による電力供給の中断を伴わない、最大１８０度の作動曲げ範囲を有する、リチウムイオン電池。
【請求項２】
前記セパレータスポンジのポリマー繊維がポリ（フッ化ビニリデン）を含む、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項３】
前記セパレータスポンジのポリマー繊維がポリ（フッ化ビニリデン）及びポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）を含む、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項４】
前記繊維が１００ｎｍ〜３００ｎｍの直径を有する、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項５】
前記第１の集電体がアルミニウムであり、前記第２の集電体が銅である、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項６】
前記第１の活物質が、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、又はＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４、及びそれらの混合物から選択される、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項７】
前記第２の活物質が、炭素、グラファイト、カーボンナノチューブ、ケイ素、ケイ素／炭素複合体、ゲルマニウム、スズ、金属酸化物、金属水素化物、及びそれらの混合物から選択される、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項８】
さらに、前記第１及び第２の電極並びにセパレータスポンジを包含する可撓性パッケージを含む、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項９】
前記可撓性パッケージが、ポリマー、金属、ガラス繊維、及びそれらの複合体を含む、請求項８に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１０】
前記セパレータスポンジ、第１の電極、及び第２の電極が積層され第１のセルを形成する、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１１】
さらに、セパレータスポンジ、第１の電極、及び第２の電極の積層体が前記第１のセルに付加され、複数のセルを形成する、請求項１０に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１２】
前記セパレータスポンジ、第１の電極、及び第２の電極が巻回され、ゼリーロール型構造を形成する、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１３】
さらに、前記第１の電極及び第２の電極のうち１つ又は複数を囲むポリマーシートを含む、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１４】
前記電解質が、１種又は複数のリチウム塩が溶解された、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びジエチルカーボネートのうち１種又は複数から選択される、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１５】
前記リチウム塩が、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、又はＬｉＣｌＯ４から選択される、請求項１４に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【請求項１６】
前記高弾性セパレータスポンジが、機械方向に１２０ＭＰａ〜１４０ＭＰａの破断応力を有し、横断方向に９０ＭＰａ〜１１０ＭＰａの破断応力を有する、請求項１に記載の可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年４月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／６０２０１０号及び２０１８年３月１９日に出願された米国仮特許出願第１５／９２４９９９号に基づく優先権を主張し、当該出願の開示内容を、本明細書の一部を構成するものとして援用する。
【０００２】
本発明は、可撓性二次電池に関し、より詳細には、折り畳まれても作動状態のままである、すなわち、１８０度の作動曲げ範囲を有する可撓性リチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
携帯用電子機器の使用が増え続けることで、当該携帯用機器に電力を供給する電池の製造業者への課題が提起される。装着可能な電子機器は、特に、装着者の快適性及び安全性を確保するため、薄型及び軽量の電池を要する。装着可能な電子機器がより複雑な形状をとるにつれ、装着者の身体に沿って湾曲及び屈曲し得る電池が求められている。
【０００４】
様々な可撓性電池が記述されてきた。しかしながら、そのような電池は、当該電池が曲げられ得る程度を制限する、セラミックセパレータなどの様々な剛性又は脆性の成分を含む傾向にある。従って、前記電池の全体は、電池作動を失うことなく実質的な変形又は再形成をすることができない。その結果、従来の可撓性電池は、例えば、ブレスレット形状を形成するのに十分な曲げを可能にする程度の、制限された曲度を提供できるにとどまる。このような電池は、折り畳み可能ではない、すなわち、１８０度の作動曲げ範囲を有しない。
【発明の概要】
【０００５】
よって、本発明は、可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池を提供する。前記リチウムイオン電池は、約８０％〜約９０％の気孔率を有する高弾性セパレータスポンジを含む。前記セパレータは、直径がサブミクロンの繊維を有するポリマーベースの繊維マットである。前記セパレータスポンジは、約５ミクロン〜約５０ミクロンの厚さ、約１００ｓ／１００ｍｌ〜約３００ｓ／１００ｍｌの空気透過性、及び約３５０Ｎ〜約９５０Ｎの穿刺抵抗を有する。
【０００６】
第１の電極は、セパレータスポンジの第１の面に配置され、第１の金属集電体の片面又は両面に位置する第１の活物質を含み、前記第１の金属集電体は、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有する。第２の電極は、セパレータスポンジの第２の面に配置され、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有する第２の金属集電体の片面又は両面に位置する第２の活物質を含む。
【０００７】
液体電解質は、セパレータスポンジによって吸収される。前記折り畳み可能な電池は、電力供給の中断を伴わない、最大１８０度の作動曲げ範囲を有する。すなわち、前記電池は、電力を損失することなく、当該電池自体の上に折り畳まれ得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る積層型電池の構造を示す図である。
【図２】一実施形態に係るゼリーロール型電池の構造を示す図である。
【図３Ａ】セパレータスポンジの構造を示す図である。
【図３Ｂ】従来技術のセパレータの構造を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の電池のための高弾性セパレータスポンジの応力−歪み曲線（線形部）と、同様の歪み速度を有する市販のセパレータとの比較である。
【図５Ａ】本発明の電池の電池サイクルを示す図である。
【図５Ｂ】市販のセパレータ電池の電池サイクルを示す図である。
【図６Ａ】折り畳み前の本開示の電池の開回路電圧を示す。
【図６Ｂ】折畳み時の本開示の電池の開回路電圧を示す。
【図７Ａ】曲げ疲労試験を実施するために使用される構成を示す。
【図７Ｂ】曲げ疲労試験を実施するために使用される構成を示す。
【図８】１０００サイクルの曲げに対する容量を示す図である。
【図９Ａ】金属鋏による電池切断前の電圧を示す。
【図９Ｂ】金属鋏による電池切断時の電圧を示す。
【図９Ｃ】金属鋏による電池切断後の電圧を示す。
【図１０Ａ】釘刺し前の本発明の電池の開回路電圧を示す。
【図１０Ｂ】釘刺し時の本発明の電池の開回路電圧を示す。
【図１０Ｃ】釘刺し後の本発明の電池の開回路電圧を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．電池の構造及び組成物
図１は、本開示の一態様に係る可撓性で折り畳み可能なリチウムイオン電池の一部の断面を模式的に示す。本開示の電池は全て、１８０度の作動曲げ範囲を有する。「作動曲げ範囲」という用語は、本明細書で使用される場合、電池が湾曲されても依然として作動中に中断なく電力を生成し得る、湾曲の程度である。１８０度の作動曲げ範囲は、電池が、依然として電力を生成しつつ、完全に折り畳まれ得ることを意味する。
【００１０】
図１において、要素５は、第１の集電体５２１、第２の集電体５３１、及びセパレータ５１を含む電池の単セルを表す。前記第１の集電体５２１は、アルミニウムなどの金属から選択され得る。前記アルミニウムは、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有するシートであってもよい。活物質５２２は、カソードを形成するアルミニウムシートの片面又は両面にコーティングされ得る。活物質は、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、又はＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４の活物質から選択され得るが、他の活物質及びそれらの混合物を使用することもできる。
【００１１】
前記第２の集電体は、銅などの金属から選択され得る。前記銅は、約５ミクロン〜約１００ミクロンの厚さを有するシートであってもよい。活物質５３２は、アノードを形成する銅シートの片面又は両面にコーティングされ得る。前記アノードの活物質としては、グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン、ケイ素、ケイ素／炭素複合体、ゲルマニウム、スズ、金属酸化物、金属水素化物、及びそれらの混合物などの炭素系活物質が挙げられる。
【００１２】
セパレータ５１は、前記集電体の間に位置し、前記集電体が互いに接触することを防止する。前記セパレータ５１は、前記電池の曲げ、折り畳み、切断、又は異物の貫入にもかかわらず、前記集電体５２１及び５３１の分離を維持するのに十分な弾力性を有する、高多孔性で高弾性のポリマー繊維マットスポンジである。本明細書で使用される場合、「スポンジ」という用語は、弾力性を維持しつつ液体を保持する、多孔性、吸収性、及び弾性の構造物に関する。スポンジは変形後に元の形状に戻る、すなわち、スポンジは外力が維持される限り、より小さい領域に圧縮され得る。前記外力が除去されると、前記スポンジは元の形状及び体積を回復する。スポンジとして、前記セパレータは、液体電解質を確実に保持するだけでなく、外側の電池収納部が穿刺又は切断されたときに、漏れのない状態で前記液体電解質を保持するのに十分な吸収力を維持し、危険な電解質の漏出を防止する。また、前記セパレータスポンジの弾力性により、機械的損傷（切断、穿孔など）の後、電極は適切な分離された位置に戻り、全体構造に自己回復特性が付与される。「自己回復」という用語は、本明細書で使用される場合、電力の生成が機械的損傷による中断後に再開するよう、機械的損傷後に元の形状に戻ることができる電池構造に関する。前記セパレータスポンジは、そのスポンジの特性により、元の形状及び体積に戻り、電池構造全体の自己回復を可能にする。
【００１３】
前記電池に用いられる前記電解質は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びジエチルカーボネートのうち１種又は複数などの有機溶媒を含み得る。ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、又はＬｉＣｌＯ４などの１種又は複数のリチウム塩が前記溶媒中に溶解される。前記電解質の組成は、典型的には、カソード及びアノードでの使用に選択される活物質に基づき調整される。
【００１４】
図１は、構成要素の積層構造に基づいた電池のセルを示すものであるが、構成要素の層は、図２で示すように、いわゆる「ゼリーロール」型構造に形成され巻回されてもよい。図２において、前記セパレータ層５１は、各「セル」層のカソードとアノードとの間だけではなく、電極間の短絡を防止するため、隣接するセル層の間にも位置し、自己回復可能な可撓性及び弾性を有する全体構造を形成する。
【００１５】
前記セパレータスポンジは、サブミクロン繊維のマットから形成され得る。一態様では、前記繊維は、約１００ｎｍ〜３００ｎｍの直径を有し得る。気孔率は、約１ミクロン未満の平均細孔径で、約６０％〜約９０％であってもよい。特に、前記サブミクロン繊維は、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）、ポリ（フッ化ビニリデン−コ−クロロトリフルオロエチレン）（ＰＶＤＦ−ｃｏ−ＣＴＦＥ）、又はそれらの混合物などのポリマーから製造され得る。
【００１６】
別の実施形態では、セパレータスポンジは、ポリマー繊維が第１のポリマー材料及び第２のポリマー材料の複合体である、不織ポリマー繊維マットであってもよい。前記第１のポリマー材料は、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、又はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含み得る。前記第２のポリマー材料は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）又はポリ（フッ化ビニリデン−コ−クロロトリフルオロエチレン）（ＰＶＤＦ−ｃｏ−ＣＴＦＥ）を含んでもよく、前記第２のポリマー材料は、前記第１のポリマー材料とは異なっている。前記第１及び第２のポリマー材料は、約３：１〜約１：１、より特定的には約３：１〜約２：１、より特定的には約３：１〜約３：２、より特定的には約３：１の範囲の重量比で使用され得る。
【００１７】
ＰＶＤＦは、その優れた耐薬品性及び良好な熱安定性により、限外濾過膜及び精密濾過膜を製造するために広く使用されてきた。純粋なＰＶＤＦポリマーは高い融点及び結晶化度、並びに良好な機械的特性を有する。しかしながら、純粋なＰＶＤＦポリマーは、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）などの限られた数の溶媒のみに溶解し、一般的な電解質中に浸漬したときに低い膨潤能力を示す。
【００１８】
前記コポリマーＰＶＤＦ−ＨＦＰは、前記電解質の溶解度を改善し、アセトン及びテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などの一般的な有機溶媒に当該ポリマーを溶解させることができ、これにより処理能力をさらに向上させることができる。さらに、前記コポリマーＰＶＤＦ−ＨＦＰは、前記セパレータ層の電解質取り込みを増強させることができる、非常に高い膨潤能力を有する。
【００１９】
本出願の発明者らは、ＰＶＤＦ及びＰＶＤＦ−ＨＦＰの複合体が、セパレータの製造において、０〜５ＶでＬｉ＋／Ｌｉに対し電気化学的に安定である、純粋なＰＶＤＦ単独よりも良好な溶解性を有し処理が増強される、ＰＶＤＦよりも速い電解質の濡れ性を有する、電解質の漏れがより良好に制御される、電極との接着に耐久性を有する、及び良好な柔軟性を有するなどの、他のポリマーと比較した多くの利点を有することを見出した。
【００２０】
前記複合材料は、以下でさらに詳細に説明される電界紡糸により、不織繊維マットに形成されてもよい。前記電界紡糸は、自立型のセパレータを提供するため、ポリマー配合物からアルミニウム箔上に行ってもよい。前記ポリマー配合物は、当該配合物の約１５〜２５重量％、好ましくは約１５〜２０重量％、より好ましくは約１６．５重量％の合計量で前記第１及び第２のポリマー材料を含み得る。前記セパレータスポンジを電界紡糸するためのポリマー配合物は、さらに、約１〜５重量％、好ましくは約２〜５ｗｔ％、より好ましくは約３〜５重量％、最も好ましくは約５重量％の、少なくとも１種の添加剤を含み得る。前記添加剤は、前記セパレータをまたいだイオンの移動を容易にし、前記ポリマー溶液の導電率を増加させることにより電界紡糸処理を容易にするため、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）であってもよい。好ましい一実施形態では、前記ポリマー配合物は、約０．１〜０．６ｇ、好ましくは約０．１〜０．５ｇ、より好ましくは約０．２〜０．４ｇ、最も好ましくは約０．３〜０．４ｇのＬｉＣｌを含み得る。
【００２１】
別の実施形態では、上記及び下記の実施形態のいずれかと組み合わせて、本発明の不織ナノ繊維セパレータを電界紡糸するためのポリマー配合物は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、アセトン及びテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）からなる群から選択される少なくとも１種の溶媒を含み得る。好ましい一実施形態では、前記ポリマー配合物はＤＭＦ及びアセトンを含み得る。別の好ましい実施形態では、前記ポリマー配合物は、約３：１〜約１：１、好ましくは約２：１〜約１：１、より好ましくは１．５：１〜１：１、最も好ましくは約１．２５：１の範囲の重量比で、ＤＭＦ及びアセトンを含み得る。
【００２２】
別の実施形態では、上記及び下記の実施態様のいずれかと組み合わせて、本発明の不織ナノ繊維セパレータは、以下の工程によって電気紡糸され得る：前記第１及び第２のポリマー材料を、任意にＬｉＣｌと共に、前記少なくとも１種の溶媒中に添加する工程；前記混合物を約２〜５時間攪拌しながら約８０〜１００℃で加熱する工程；及び任意で約２〜５時間攪拌しながら約８０〜１００℃で加熱する工程の後に、前記少なくとも１種の添加剤を加える工程；前記ポリマー配合物を室温まで冷却する工程；及び前記ポリマー配合物を電界紡糸のキャリッジに充填する工程。
【００２３】
本発明のセパレータスポンジの電界紡糸は、以下のパラメータの下で実行することができる：温度：約２０−３０℃；電圧：約２０−５０ｋＶ；相対湿度（ＲＨ）約２５〜６０％；スピナー高さ：１００〜１５０ｍｍ；供給速度：５．５〜８．５ｍｌ／ｈ。
【００２４】
別の態様では、添加剤のオルトケイ酸テトラメチル（ＴＭＯＳ）又はオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）が、前記ポリマー配合物と共に使用され得る。これらの添加剤は、セラミック成分へと加水分解することができ、それによって、前記セパレータスポンジの表面性状を向上させ、寸法安定性を高めることができる。
【００２５】
例示的なセパレータスポンジの微細構造が図３Ａに示される。図３Ａに見られるように、個々の繊維は容易に識別可能であり、多数の細孔が約８０パーセントの気孔率で形成されている。比較のため、約４０パーセントの気孔率を有する従来技術の市販のセパレータ（セルガード（Ｃｅｌｇａｒｄ）２４００、ポリプロピレンセパレータ）が図３Ｂに示される。この低気孔率の構造では、個々の繊維は容易に識別されない。図３Ａのスポンジにおいて個別に相互接続された繊維は、様々な実施形態の電池の自己回復特性に寄与する、可撓性及び弾性を有するセパレータスポンジを形成する。
【００２６】
本発明の電池の柔軟性をさらに高めるため、第１のパッケージが前記第１の活物質層の表面の周囲に配置されてもよく、第２のパッケージが前記第２の活物質層の表面の周囲に配置されてもよい。前記パッケージは、前記電極を被覆するポリマーシートの対を含んでもよく、ポリイミド及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から選択されるポリマーが使用され得る。曲げている間、前記ポリマーシートは、補強材及び応力緩和媒体として機能し、電池全体の自己回復特性を高める。本開示の電池は、ポリマー、金属、ガラス繊維、及びそれらの組合せから作られた可撓性パッケージに包装されていてもよい。
【００２７】
Ｂ．成分及び電池特性
図４は、本発明の実施形態の電池のための高弾性セパレータスポンジの応力−歪み曲線（線形部）と、同様の歪み速度を有する前記市販のセパレータ（セルガード２４００）との比較である。図４に示されるように、機械方向に沿って外部負荷からの同じ応力を受けた場合、前記高弾性セパレータスポンジは、前記市販のセパレータの３倍よりも大きい歪みを有し、前記高弾性セパレータスポンジは、前記市販のセパレータよりはるかに容易に弾性変形することを示す。この弾性により、前記セパレータスポンジを組み込んだ電池は、１８０度の作動曲げ範囲及び外力適用後の自己回復特性を有する。さらに、前記セパレータスポンジは、機械方向に約１２０ＭＰａ〜約１４０ＭＰａの破断応力を有し、横断方向に約９０ＭＰａ〜約１１０ＭＰａの破断応力を有する。
【００２８】
図５Ａは、前記市販のセパレータを含む電池のサイクル性能曲線である図５Ｂと比較した、図１の電池のサイクル性能曲線である。図５Ａに示されるように、図１の電池の充電及び放電１０００サイクル後の容量維持率は、１０００サイクル後に２５％しか容量が維持されなかった前記市販のセパレータを組み込んだ電池よりもはるかに高い。これは、セパレータスポンジを組み込んだ本開示の電池のサイクル性能が、前記市販のセパレータを採用した電池よりも実質的に改善されていることを示す。
【００２９】
図６は、本開示の電池の作動曲げ範囲を示す。上述したように、前記電池の作動曲げ範囲は１８０度であり、すなわち、前記電池は、依然として電力を生成しつつ、折り畳まれ得る。図６Ａは、折り畳み前の本開示の電池の開回路電圧を示し、図６Ｂは、折畳み時の開回路電圧を示す。図６Ａを図６Ｂと比較して分かるように、前記電池の開回路電圧は、折り畳みの後であっても変化なく維持される。これは、前記電池の電気出力が１８０度の変形下であっても安定であることを示す。
【００３０】
図７Ａ及び７Ｂは、曲げ疲労試験を実施するために使用される構成を示す。図７Ａは曲げ角度６０°での曲げ半径４０ｍｍを示し、図７Ｂは、曲げ角度１６５°での曲げ半径２０ｍｍを示す。図１の電池が、曲げ半径４０ｍｍ〜曲げ半径２０ｍｍで繰り返し折り曲げられる。その結果は図８に示される。図８に示されるように、１０００サイクルの曲げの後、５％未満の容量損失が観察される。それに比べ、従来の電池は、この特徴を有しない、すなわち、市販の電池は、１又は複数サイクルの曲げの間、電力を供給する能力を失い得る。
【００３１】
図９は、本発明の電池の開回路電圧を示す。図９Ａは金属鋏による電池切断前の電圧を示し、図９Ｂは電池切断時の電圧を示し、図９Ｃ電池切断後の電圧を示す。図９Ａ〜９Ｃに見られるように、切断時、前記鋏が前記電池本体を貫通し、カソードとアノードを短絡させた後に、開回路電圧は正常な範囲からより低い範囲へと下がる。しかしながら、前記電池の自己回復特性によって、前記電池の一部を切断した後、電圧は正常な範囲へと戻る。すなわち、前記セパレータスポンジは元の形状及び体積を回復し、前記カソード及びアノードは適切な分離された位置に戻る。この自己回復特性は、市販の、従来技術の電池では見られない。重要なことに、切断時に電解質の漏れはなく、これは本開示の電池の安全性レベルが強化されていることを示す。電解質の漏れは火災又は爆発につながる可能性があり、従って、非常に厳しい機械的損傷を受けた場合であっても本開示の電池は安全である。
【００３２】
図１０は、本発明の電池の開回路電圧を示す。図１０Ａは釘刺し前の、図１０Ｂは釘刺し時の、及び図１０Ｃは釘刺し後の電圧を示す。図１０に示されるように、前記電池本体への釘刺し後、負極と正極の間での短絡により、電圧は正常な範囲からより低い範囲へと低下し、これによりＬＥＤが消灯する。しかしながら、電圧は前記電池本体から釘を除去した後に正常な範囲へと回復し、ＬＥＤを再点灯する。前記電池の開回路電圧の回復は、釘刺しによる外部負荷を除去した後、元の形状及び体積を回復し、前記電極を元の離れた位置に戻す、高弾性セパレータスポンジに起因する。重要なことに、釘刺し時に電解質の漏れ、火災、又は爆発はなく、これは、従来技術の市販の電池と比較した本開示の電池の安全性レベルを示す。
【００３３】
本発明は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施することができる。従って、本発明の実施形態は、すべての点において、例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、当該特許請求の範囲と均等である意味及び範囲内における全ての変更が包含されることが意図される。
【図１】
2018181843.tif 000003
【図２】
2018181843.tif 000004
【図３Ａ】
2018181843.tif 000005
【図３Ｂ】
2018181843.tif 000006
【図４】
2018181843.tif 000007
【図５Ａ】
2018181843.tif 000008
【図５Ｂ】
2018181843.tif 000009
【図６Ａ】
2018181843.tif 000010
【図６Ｂ】
2018181843.tif 000011
【図７Ａ】
2018181843.tif 000012
【図７Ｂ】
2018181843.tif 000013
【図８】
2018181843.tif 000014
【図９Ａ】
2018181843.tif 000015
【図９Ｂ】
2018181843.tif 000016
【図９Ｃ】
2018181843.tif 000017
【図１０Ａ】
2018181843.tif 000018
【図１０Ｂ】
2018181843.tif 000019
【図１０Ｃ】
2018181843.tif 000020