(57)【要約】      （修正有）【課題】電力密度が向上したバッテリの提供。【解決手段】２つ以上のバッテリプレートのスタック１０と、電気化学セルを形成するためにバッテリプレートの間に配置された液体電解質と、各個々セパレータ１４が各電気化学セル内に配置されている複数のセパレータ１４と、２つ以上のバッテリプレートのスタック１０の間に配置された１つ以上のデュアル極性バッテリプレート６１であって、一方の表面上に配置された第１のアノード１２またはカソード１３と、反対側の表面上に配置された第２のアノード１２またはカソード１３と、第１のアノード１２またはカソード１３と第２のアノード１２またはカソード１３との間の１つ以上の電流導体５５，５６とを含むデュアル極性バッテリプレート６１と、１つ以上の電流導体５５，５６を１つ以上のバッテリ端子に直接的または間接的に接続する１つ以上の電流導管５８，５９と、を有しているバイポーラバッテリ６２。【選択図】図２２
2019087534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）２つ以上のバッテリプレートのスタックであって、
（ｉ）一方の表面上にアノード、及び反対側の表面上にカソードを有する１つ以上のバイポーラプレートと、
（ｉｉ）２つ以上のバッテリプレートのスタックの対向する端部に配置された２つのモノポーラプレートであって、各モノポーラプレートが１つの表面上に堆積されたカソードまたはアノードを有する前記２つのモノポーラプレートと、
を含み、
前記バッテリプレートの各々の表面が別の前記バッテリプレートの表面に面すると同時に、その間に空間を形成するように、前記バッテリプレートが配置されている、前記２つ以上のバッテリプレートのスタックと、
（ｂ）前記カソードと前記アノードとの間の空間に配置されて複数の電気化学セルを形成する液体電解質と、
（ｃ）各個々のセパレータが個々の電気化学セルの前記アノードと前記カソードとの間に配置されている、複数のセパレータと、
（ｄ）前記２つ以上のバッテリプレートのスタックの２つの間に配置された１つ以上のデュアル極性バッテリプレートであって、
（ｉ）一方の表面上に配置された第１のアノードまたは第１のカソードと、
（ｉｉ）反対側の表面上に配置された第２のアノードまたは第２のカソードと、
（ｉｉ）前記第１のアノードまたは第１のカソードと前記第２のアノードまたは前記第２のカソードとの間に配置された１つ以上の電流導体と、
を含み、
アノードを有する前記一方の表面が、第１のバッテリスタック内の１つの前記バッテリプレートの面、またはその上に堆積した前記カソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するか、または前記第１のカソードを有する前記表面が、前記バッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積した前記アノードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するように前記デュアル極性バッテリプレートが配列されており、
前記第２のアノードを有する前記反対側の表面が、第２のバッテリスタック内の前記バッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積した前記カソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するか、または前記第２のカソードを有する前記反対側表面が、前記第２のバッテリスタック内の前記バッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積した前記カソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するように前記デュアル極性バッテリプレートが配列されている、前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートと、
（ｅ）前記１つ以上の電流導体を直接的または間接的に１つ以上のバッテリ端子に接続する１つ以上の電流導管と、
を含む、バイポーラバッテリ。
【請求項２】
前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、前記第１のアノード及び前記第２のアノードの両方、または前記第１のカソード及び前記第２のカソードの両方を含む、請求項１に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項３】
前記２つ以上のバッテリプレートのスタック、及び前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、並列で電気的に接続されている、請求項１または２に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項４】
前記１つ以上のバイポーラプレートの各々が、前記一方の表面上に前記アノードを有し、前記反対側の表面上に前記カソードを有する基板を含み、
前記基板が導電性であり、前記基板が前記一方の表面から前記反対側の表面へ電流を伝導する、請求項１〜３の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項５】
２つのモノポーラプレートの各々が、基板、及び
前記２つのモノポーラプレートの各々の前記カソードまたはアノードと接触する集電体を含む、請求項１〜４の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項６】
前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、
前記第１のアノードまたは前記第１のカソードを上に有する第１の導電性基板と、
前記第２のアノードまたは前記第２のカソードを上に有する第２の導電性基板と、
前記第１の導電性基板と前記第２の導電性基板との間に配置された非導電性基板と、
を含む、請求項１〜５の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項７】
前記１つ以上の電流導体が、第１の電流導体及び第２の電流導体を含み、
前記第１の導電性基板が、前記第１のアノードまたは前記第１のカソードとして反対側表面の一部と接触する第１の電流導体を含み、
前記第２の導電性基板が、前記第２のアノードとして反対側表面の一部と接触する第２の電流導体を含む、請求項６に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項８】
前記第１の電流導体及び前記第２の電流導体が、前記１つ以上の電流導管のうち１つを介して同一のバッテリ端子に接続されている、請求項７に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項９】
前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、一方の表面上に前記第１のアノードまたは前記第１のカソード、及び反対側の表面上に前記第２のアノードまたは前記第２のカソードを有する導電性基板を含む、請求項１〜８の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項１０】
前記１つ以上の電流導体が、前記導電性基板に接続した単一の電流導体を含み、前記第１のアノード及び前記第２のアノードの両方、または前記第１のカソード及び前記第２のカソードの両方と電気的に接続している、請求項９に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項１１】
前記複数のセパレータの各個々のセパレータが、前記シートの周縁部に付着した一体型フレームを有するシートを含み、
前記一体型フレームが、前記１つ以上のバッテリプレート及び／または前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの周縁に隣接して配置されるように構成されている、請求項１〜１０の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項１２】
前記バッテリプレート及び前記１つ以上のデュアル極性プレートの各々が、前記セパレータの前記一体型フレームに隣接して配置されるように構成された周縁部に隆起した縁部を有する１つ以上の基板を含む、請求項１１に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項１３】
前記一体型フレーム及び前記隆起した縁部が、前記電気化学セルと前記バイポーラバッテリの外側表面との間にシールを形成する、請求項１２に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項１４】
前記バイポーラプレートの各々の基板がポリマー基板を貫通し、また前記ポリマー基板の両方の表面と連通している１つ以上の開口を有する前記ポリマー基板であり、
前記１つ以上の開口が平滑な表面を有し、前記ポリマー基板の熱分解温度未満の温度での相変態を経た導電性材料で充填されている、請求項１〜１３の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【請求項１５】
ポリマーを含む膜が前記１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの周縁部の周りを含む、前記２つ以上のバッテリプレートのスタックの全周縁部の周りに配置され、前記液体電解質が前記２つ以上のバッテリプレートのスタックの外側への流出を防止する前記バッテリプレートの縁部の周りのシールを形成するようにしている、請求項１〜１４の何れか一項に記載のバイポーラバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本教示は、一般にバイポーラバッテリ組立体、そのような組立体の製造方法、及びそのような組立体の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラバッテリは、当該技術分野において既知であり、本明細書にその全体が参照として組み込まれているトヨタ自動車株式会社（発明者  立松他）による特許文献１を参照されたい。バイポーラバッテリは、スケーラビリティ、比較的高いエネルギー密度、高電力密度、及び設計の柔軟性などの点で他のバッテリ設計に勝る利点をもたらす。バイポーラバッテリは、多数のバイポーラプレート及び２つのモノポーラエンドプレートを備える。バイポーラプレートは、両面シートの形態の基板を含み、一方の面に正極活物質（ＰＡＭ）と称されることが多いカソード材料を有しており、反対側の面は負極活物質（ＮＡＭ）と称されることが多いアノード材料を有している。導電性シートは、基板とアノード材料またはカソード材料との間に配置され得る。バイポーラプレートは、１つのプレートのアノード材料が隣のプレートのカソード材料に面するようにスタック内に配置される。ほとんどの組立体では、隣接するプレート間に配置されたバッテリセパレータがあり、電解質がカソード材料からアノード材料に流れることを可能にしている。プレート間の空間には電解質が配置されており、この物質は電子とイオンがアノード材料とカソード材料との間を流れることを可能にするものである。セパレータを備えたバイポーラプレートの隣接する面及びプレート間に配置された電解質は、電気化学セルを形成し、そこでは電子及びイオンがアノード材料とカソード材料との間で交換される。バッテリの構造は、バイポーラプレートによって形成された各セルがシールされて、セルから出る電解質の流れを防止するように構成されている。各電気化学セルをシールするために使用される構造物は、基板上にアノード材料またはカソード材料を有さないプレートの一部と接触している。さらに、バッテリセパレータは、セルのシールを補助するために、その上に配置されたアノード材料及びカソード材料を有する基板の一部を越えて延在することができる。各セルは、セルに接続された電流導体を有し、セルから電子を１つ以上の端子に伝達し、そこから電子が負荷に伝送され、本質的に電気の形態で電子を利用する別のシステムが構成される。いくつかの実施形態では、セル内の電流導体は、バッテリの端子に電子を伝送する追加の電流導体と接触している導電性シートである。スタックの各端部には、一方の面に配置されたアノード材料またはカソード材料のいずれかを有するモノポーラプレートがある。モノポーラプレートの面上の材料は、スタックの端部にバイポーラプレートの対向する面を有するセルを形成するように選択される。特に、モノポーラプレートに面するバイポーラプレートがプレート面にカソード材料を有する場合、モノポーラプレートはその表面にアノード材料を有し、その逆の場合も同様となる。従来の設計では、バッテリプレートのスタック（複数可）は、プレートのスタックの周囲にシールされたケースに配置され、バッテリの外側に配置された一対以上の正極端子及び負極端子を有し、各対は本明細書で説明されるように、１つ以上のセルにさらに接続されている電流導体に接続されている。
【０００３】
バイポーラバッテリ組立体は利点を有するにもかかわらず、バイポーラバッテリ組立体の欠点によってそれらが商品化されることを妨げている。動作中のバイポーラバッテリは、アノード材料及びカソード材料の膨張及び収縮、ならびに電気化学プロセス中のガス発生及び熱発生のために、高い内部圧力を発生させる。バイポーラバッテリは拡張性があるためにセル内により高い圧力が生成され得る。さらに、発生熱は、発生した圧力を悪化させることがあり、また、バッテリの構成材料に損傷を与え、バッテリを機能させなくするレベルの熱を発生させ得る暴走反応を引き起こすことがある。この圧力は、電気化学セルの周りのシールを破裂させ、セル及びバッテリを機能させなくすることがある。その全体が参照により本明細書に組み込まれている、アドバンスト  バッテリー  コンセプツ  エルエルシー（発明者  エドワード  オー．シャッファー，ツー他）による「バイポーラバッテリ組立体（Bipolar Battery Assembly）」と題された共通所有の特許文献２は、改良された縁部シール組立体及びバイポーラプレートの設計によってこれらの問題に対する解決策を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／００４２０９９号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１８３９２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バイポーラバッテリを商品化して、この技術の潜在能力を最大限に引き出すには、未だ対処する必要性がある。詳細には、作動中に発生する熱及び圧力を改善された方法で処理するバイポーラバッテリの設計が必要とされている。現行の及び将来的なバッテリのユーザは、バッテリのために利用可能な実装スペースが限られていることが多く、利用可能な実装スペースに適合できるバッテリが必要とされる。バッテリを使用するほとんどのシステムはまた、より軽量なバッテリを所望しており、より少ない重量を呈するバイポーラバッテリが望まれている。電気セルのシールに使用される特別な部品及び別個のケースのような、部品及び複雑性を低減するバイポーラバッテリの設計が望まれている。バッテリスタックを大量生産する能力と、バッテリスタックを電気的に接続して電力出力を増加させる能力が有益となるであろう。増加した出力を有するバイポーラバッテリの様々な構成を可能にするために、同様に製造されたバッテリスタックの変化する数量（例えば、同じ数のバイポーラプレートを有する２つのスタック、３つのスタック、４つのスタック）に電気的に接続する能力が同様に有益となる。容積を最小限に抑え、出力を増加させたバッテリ、すなわち、電力密度が向上したバッテリが望まれている。より簡単で既知の製造技術を利用し、上述の目標を達成するためのバッテリ組立方法が必要とされている。ユーザのニーズに合わせて拡張できるバッテリが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、（ａ）２つ以上のバッテリプレートのスタックであって、（ｉ）一方の表面上にアノードを有し反対側の表面上にカソードを有する１つ以上のバイポーラプレート、及び（ｉｉ）２つ以上のバッテリプレートのスタックの対向する端部に配置された２つのモノポーラプレートであって、各モノポーラプレートが１つの表面上にカソードまたはアノードを有する２つのモノポーラプレートと、を含み、バッテリプレートの各々の表面が別のバッテリプレートの表面に面すると同時にその間に空間を形成するようにバッテリプレートが配置されていることを特徴とする２つ以上のバッテリプレートのスタックと、（ｂ）カソードとアノードとの間の空間に配置されて複数の電気化学セルを形成する液体電解質と、（ｃ）各個々のセパレータが個々の電気化学セルのアノードとカソードとの間に配置されている複数のセパレータと、（ｄ）２つ以上のバッテリプレートのスタックの２つの間に配置された１つ以上のデュアル極性バッテリプレートであって、（ｉ）一方の表面上に配置された第１のアノードまたは第１のカソード、（ｉｉ）反対側の表面上に配置された第２のアノードまたは第２のカソード、及び（ｉｉ）第１のアノードまたは第１のカソードと第２のアノードまたは第２のカソードとの間に配置された１つ以上の電流導体を含み、ここではアノードを有する一方の表面が第１のバッテリスタック内の１つのバッテリプレート、またはその上に堆積したカソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートの表面に面するか、または第１のカソードを有する表面がバッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積したアノードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートの表面に面するようにデュアル極性バッテリプレートが配列されており、また、第２のアノードを有する反対側の表面が第２のバッテリスタック内のバッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積したカソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートの表面に面するか、または第２のカソードを有する反対側表面が第２のバッテリスタック内のバッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積した前記カソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートの表面に面するように配列されている１つ以上のデュアル極性バッテリプレートと、（ｅ）１つ以上の電流導体を直接的または間接的に１つ以上のバッテリ端子に接続する１つ以上の電流導管と、を含むバイポーラバッテリに関する。
【０００７】
バイポーラバッテリは、１つ以上の下記の特徴を任意の組み合わせで含むことができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは、第１のアノードと第２のアノードの両方、または第１のカソードと第２のカソードの両方を含むことができる。２つ以上のバッテリプレートのスタック及び１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、並列で、直列で、またはそれら両方の組み合わせで電気的に接続されることができる。２つ以上のバッテリプレートのスタック及び１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、並列で電気的に接続されることができる。１つ以上のバイポーラプレートの各々が、一方の表面にアノードを有し、反対側の表面にカソードを有する基板を含むことができる。（例えば、バイポーラプレート及び／またはデュアル極性プレートの）基板が一方の表面から反対側の表面へ電流を伝導するように基板は導電性であることができる。２つのモノポーラプレートの各々が、基板を含むことができる。集電体は各２つのモノポーラプレートのうち１つのカソードまたはアノードと接触することができる。２つのモノポーラプレートの各々が、個々のモノポーラプレートのアノードまたはカソードと接触する集電体を有することができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは、第１のアノードまたは第１のカソードをその上に有する第１の導電性基板、第２のアノードまたは第２のカソードをその上に有する第２の導電性基板、及び第１の導電性基板と第２の導電性基板との間に配置された非導電性基板を含むことができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートはアノードまたはカソードをその上に有する第１及び／または第２の導電性基板を含むことができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは非導電性基板を含むことができる。非導電性基板は２つ以上の導電性基板の間に配置されることができる。１つ以上の電流導体は１つまたは２つの電流導体を含むことができる。１つ以上の電流導体は第１の電流導体及び第２の電流導体を含むことができる。第１の導電性基板は第１のアノードまたは第１のカソードとして反対側表面の一部と接触する第１の電流導体を含むことができる。第２の導電性基板が第２のアノードとして反対側表面の一部と接触する第２の電流導体を含むことができる。第１の電流導体及び第２の電流導体が１つ以上の電流導管のうち１つを介して同一のバッテリ端子に接続されることができる。１つ以上デュアル極性バッテリプレートの１つ以上の電流導体はバイポーラバッテリの１つ以上の端子の１つであることができる。１つ以上の電流導体がバイポーラバッテリの正極または負極の端子であることができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが一方の表面上の第１のアノードまたは第１のカソード、及び反対側の表面上の第２のアノードまたは第２のカソードを有する導電性基板を含むことができる。１つ以上の電流導体が導電性基板に接続した単一の電流導体であることができる。単一の電流導体が第１のアノードと第２のアノードの両方、または第１のカソードと第２のカソードの両方と電気的に接続することができる。複数のセパレータの個々のセパレータの各々がシートの周縁に付着した一体型フレームを有するシートを含むことができる。一体型フレームが１つ以上のバッテリプレート及び／または１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの周縁に隣接して配置されるように適合されることができる。バッテリプレート及び／または１つ以上のデュアル極性プレートの各々が周縁に隆起した縁部を有する１つ以上の基板を含むことができる。隆起した縁部がセパレータの一体型フレームに隣接して配置されるように適合されることができる。一体型フレーム及び隆起した縁部は電気化学セルとバイポーラバッテリの外側表面との間にシールを形成することができる。各バイポーラプレートの基板はポリマー基板を貫通し、ポリマー基板の両方の表面と連通する１つ以上の開口を有するポリマー基板であることができる。１つ以上の開口が平滑な表面を有し、ポリマー基板の熱分解温度未満の温度での相変態を経た導電性材料で充填されることができる。ポリマーを含む膜が１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの周縁部の周りを含む、２つ以上のバッテリプレートのスタックの全周縁部の周りに配置されることができ、液体電解質が２つ以上のバッテリプレートのスタックの外側への流出することを防止するバッテリプレートの縁部の周りのシールを形成するようにしている。１つ以上のバイポーラプレート、２つのモノポーラプレート、複数のセパレータ、及び１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが１つ以上の開口を含むことができる。１つ以上の開口が一体型チャネルを形成するために位置決めされることができる。一体型チャネルがバッテリプレート及びセパレータの平面を横切ることができる。１つ以上の開口がその中に配置されたインサートを含む。インサートは嵌合して２つ以上のバッテリプレートのスタック内に一体型チャネルを形成するように適合されることができる。一体型チャネルが液体電解質を貫通することができる。インサートは一体型チャネルと電気化学セルとの間で連通することができるベント孔を含むことができる。インサートはバッテリプレートに接合されてもよく、またはバッテリプレートと一体化されてもよく、それによってセパレータとバッテリプレートとの間の結合部でシールを形成することができる。１つ以上のバッテリ端子が正極端子及び負極端子を含むことができる。正極端子及び負極端子が膜を通り突出することができる。１つ以上の、またはすべての電流導体が膜によって覆われることができる。１つ以上のバッテリ端子の１つでもある１つ以上の電流導体が膜を通り突出することができる。
【０００８】
開示された物品は、蓄電のためのバッテリとして、また、様々な環境で使用するための電気を生成するために有用である。開示された物品は、より少ない必要な体積及び重量で高い電力入力をもたらし、そのために高い電力密度をもたらす。物品は、物品の外側表面に過大な損傷を与えることなく、作動中に発生する圧力及び熱に対処し、液体電解質が物品に含まれるように設計されている。開示された物品は、従来の材料及びプロセスを用いて組み立てることができる。開示された物品は、複雑なシール構造を必要とせずに列挙した利点を達成することができる。開示された物品は、ユーザの実装スペースに適応するために様々な空間形状に適合させることができる。開示された物品の設計は、様々なエネルギー需要をユーザに提供するために寸法を拡大することを可能にしている。開示された物品の組立体は、当該技術分野で既知の物品の組立体よりも効率的である。開示された物品は、構造体のエンドプレート上でエンドプレートを損傷することなく、約１０ｐｓｉまで、好ましくは約５０ｐｓｉまで、最も好ましくは約１００ｐｓｉまでの圧力に耐えることができる。電気化学セルは、最終的な使用及び利用可能な実装スペースに適した任意の方法で、最終的な組立体を配向させることができるようにシールされる。デュアル極性バッテリプレートは、同様の寸法のバッテリスタック（例えば、同数のバイポーラプレート）を様々なスタック構成（例えば、スタックの数）で接続できるようにする。デュアル極性バッテリプレートは、バッテリの各スタックに標準的なスタックサイズを利用しながら、様々な出力を有するバイポーラバッテリの大量生産及び様々な構成を可能にする。これらのデバイスは、頂部を上向きにして底部を重力方向である下向きにするような配向を要する特定の頂部及び底部の配向を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】開示された組立体の側面図である。
【図２】横方向チャネルのボルト上にエンドプレートを有する開示された組立体の側面図である。
【図３】バイポーラプレートのスタックの周りに配置された膜を有する組立体の側面図である。
【図４】マニホールド及び逆止弁を備えた開示された組立体を示す。
【図５】開示されたセパレータシートを示す。
【図６】ポストが横方向チャネル内に射出成形されている、開示された組立体の別の実施形態を示す。
【図７】バッテリプレート及びセパレータプレートのスタックを示す。
【図８】バッテリプレート及びセパレータプレートのスタックを示す。
【図９】開示された組立体の別の実施形態を示す。
【図１０】一対の横方向チャネルを通るＡ−Ａ線に沿って切断した図９の組立体の断面図を示す。
【図１１】ベント孔を示すＢ−Ｂ線に沿って切断したスタックの端部の部分断面図を示す。
【図１２】ベント孔から電気化学セルを通るＣ−Ｃ線に沿って切断した図９の組立体の断面図を示す。
【図１３】組立体のエンドプレートに弁を備えた開示された組立体の別の実施形態を示す。
【図１４】電気化学的セルへのベント孔と連通する一体型チャネルを有する図１３の組立体のＥ−Ｅ線に沿って切断した断面図を示す。
【図１５】電気化学セルへのベント孔と連通している一体化されたチャネルを通るＤ−Ｄ線に沿った図１３の組立体の断面図を示す。
【図１６】図５及び図７に示す吸収性ガラスマットを有するセパレータを示しており、インサート（ベント孔）内にベント用切り欠きを有している。
【図１７】セパレータから切り取った側面図を示しており、セパレータは孔と吸収性ガラスマットとの間を連通するベント孔を形成するインサート内の切欠きを備えたインサートを有している。
【図１８】２つのバイポーラプレートの一部分を示し、これらのプレートの間にセパレータの一部が配置され、インサートがベント／充填チャネルを形成するように整列されている。
【図１９】アノードとカソードとの間で電子またはイオンの伝導をできないようにして、バッテリの外部への電気的な連通を提供するデュアル極性プレートの構造を示す。
【図２０】デュアル極性プレートによって分離されたバッテリの２つのスタックを示し、２つのバッテリスタックが並列に接続されている。
【図２１】２つのデュアル極性プレートによって分離されたバッテリプレートの３つのスタックを示し、スタックが直列に接続されている。
【図２２】２つのデュアル極性プレートによって分離され、並列に接続されたバッテリプレートの３つのスタックを示す。
【図２３】２つのデュアル極性プレートによって分離され、並列に接続されたバッテリプレートの３つのスタックを示す。
【図２４】デュアル極性プレートによって分離され、並列に接続されたバッテリプレートの２つのスタックを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書に提示される説明及び図解は、当業者に対して本教示、その原理、及びその実際の用途を知らせることを意図している。説明された本教示の特定の実施形態は、本教示が網羅的であること、または限定的であることを意図したものではない。本教示の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の全範囲とともに決定されるべきである。特許出願及び刊行物を含むすべての論文及び参考文献の開示は、すべての目的のために本出願に参照により組み込まれる。以下の特許請求の範囲から知識を集めた他の組合せもまた参照により本明細書に組み込まれることが可能である。
【００１１】
本開示は、バッテリとして有用な物品に関し、複数のバイポーラプレートの２つ以上のスタック、２つ以上のバイポーラプレートのスタックの各端部上に配置された２つのモノポーラプレート、及び２つ以上のスタックの２つの間に配置された１つ以上のデュアル極性バッテリプレートを含み、バイポーラプレート間に配置された液体電解質を有している。１つ以上のデュアル極性プレートは各々が、一方の表面に配置された第１のアノードまたはカソード、反対側の表面に配置された第２のアノードまたはカソード、及び第１のアノードまたはカソードと第２のアノードまたはカソードとの間に配置された１つ以上の電流導体を含んでもよい。アノードを有する一方の表面が、第１のバッテリスタック内の１つのバッテリプレート、またはその上に堆積したカソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するか、または第１のカソードを有する表面が、バッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積したアノードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するように各デュアル極性バッテリプレートが配列されることができる。第２のアノードを有する反対側の表面が、第２のバッテリスタック内のバッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積したカソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するか、または第２のカソードを有する反対側表面が、第２のバッテリスタック内のバッテリプレートのうち１つの表面、またはその上に堆積した前記カソードの１つを有する別のデュアル極性バッテリプレートに面するように、各デュアル極性バッテリプレートが配列されることができる。１つ以上の電流導管は、１つ以上の電流導体を直接的または間接的に１つ以上のバッテリ端子に接続してもよい。２つを超えるバッテリプレートのスタックがある場合、デュアル極性バッテリプレートは、バッテリプレートのスタックの各対の間に配置されてもよい。例えば、３つのバッテリプレートのスタックがある場合、２つのデュアル極性バッテリプレートが存在することができ、個々のバッテリプレートのスタックの各々が、２つのデュアル極性バッテリプレートのうち１つのアノード及び／またはカソードに隣接する。バッテリプレートは、バッテリスタック端部のカソードまたはアノードに隣接するモノポーラプレートを有し、端部電気化学セルを形成する。モノポーラプレートの各々は、アノードまたはカソードから離れて配置されたモノポーラプレートの導電性基板の一部と接触する電流導体を含んでもよい。モノポーラ電流導体は、導電性基板と、エンドプレートまたは組立体周りのケースとの間に配置されてもよい。これら電流導体はケースまたは膜を貫通して突出してもよい。これらの電流導体がケースまたは膜を貫通して突出しない場合、それらを正極または負極の端子に接続する導電性導管が存在してもよい。
【００１２】
本開示の物品及びプロセスは、本出願に開示された選好及び代替的実施形態を含み、任意の組み合わせで以下に列挙する特徴のうちの１つ以上をさらに含むことができる。バイポーラバッテリは１つ以上の下記の特徴を任意の組み合わせで含むことができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは第１のアノードと第２のアノードの両方、または第１のカソードと第２のカソードの両方を含むことができる。２つ以上のバッテリプレートのスタック及び１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、並列で、直列で、またはそれら両方の組み合わせで電気的に接続されることができる。２つ以上のバッテリプレートのスタック及び１つ以上のデュアル極性バッテリプレートが、並列で電気的に接続されることができる。１つ以上のバイポーラプレートの各々が、一方の表面にアノードを有し、反対側の表面にカソードを有する基板を含むことができる。（例えば、バイポーラプレート及び／またはデュアル極性プレートの）基板が１つの表面から反対側の表面へ電流を伝導するように基板は導電性であることができる。２つのモノポーラプレートの各々が、基板を含むことができる。集電体は各２つのモノポーラプレートのうち１つのカソードまたはアノードと接触することができる。２つのモノポーラプレートの各々が、個々のモノポーラプレートのアノードまたはカソードと接触する集電体を有することができる。１つ以上のデュアルバッテリプレートは、第１のアノードまたは第１のカソードをその上に有する第１の導電性基板、第２のアノードまたは第２のカソードをその上に有する第２の導電性基板、及び第１の導電性基板と第２の導電性基板との間に配置された非導電性基板を含むことができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは、アノードまたはカソードをその上に有する第１及び／または第２の導電性基板を含むことができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは、非導電性基板を含むことができる。非導電性基板は２つ以上の導電性基板の間に配置されることができる。１つ以上の電流導体は１つまたは２つの電流導体を含むことができる。１つ以上の電流導体は第１の電流導体及び第２の電流導体を含むことができる。第１の導電性基板は第１のアノードまたは第１のカソードとして反対側表面の一部と接触する第１の電流導体を含むことができる。第２の導電性基板は第２のアノードとして反対側表面の一部と接触する第２の電流導体を含むことができる。第１の電流導体及び第２の電流導体は１つ以上の電流導体のうち１つを介して同一のバッテリ端子に接続されることができる。１つ以上デュアル極性バッテリプレートの１つ以上の電流導体はバイポーラバッテリの１つ以上の端子の１つであることができる。１つ以上の電流導体はバイポーラバッテリの正極または負極の端子であることができる。１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは一方の表面上の第１のアノードまたは第１のカソード、及び反対側の表面上の第２のアノードまたは第２のカソードを有する導電性基板を含むことができる。１つ以上の電流導体は導電性基板に接続した単一の電流導体であることができる。単一の電流導体は第１のアノードと第２のアノードの両方、または第１のカソードと第２のカソードの両方と電気的に接続することができる。複数のセパレータの個々のセパレータの各々はシートの周縁に付着した一体型フレームを有するシートを含むことができる。一体型フレームは１つ以上のバッテリプレート及び／または１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの周縁に隣接して配置されるように適合されることができる。バッテリプレート及び／または１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの各々は周縁に隆起した縁部を有する１つ以上の基板を含むことができる。隆起した縁部はセパレータの一体型フレームに隣接して配置されるように適合されることができる。一体型フレーム及び隆起した縁部は電気化学セルとバイポーラバッテリの外側表面との間にシールを形成することができる。各バイポーラプレートの基板はポリマー基板を貫通し、ポリマー基板の両方の表面と連通する１つ以上の開口を有するポリマー基板であることができる。１つ以上の開口は平滑な表面を有することができ、ポリマー基板の熱分解温度未満の温度での相変態を経た導電性材料で充填されることができる。ポリマーを含む膜は１つ以上のデュアル極性バッテリプレートの周縁部の周りを含む、２つ以上のバッテリプレートのスタックの全周縁部の周りに配置されることができ、液体電解質が２つ以上のバッテリプレートのスタックの外側への流出することを防止できるバッテリプレートの縁部の周りのシールを形成するようにしている。１つ以上のバイポーラプレート、２つのモノポーラプレート、複数のセパレータ、及び１つ以上のデュアル極性バッテリプレートは１つ以上の開口を含むことができる。１つ以上の開口が一体型チャネルを形成するために位置決めされることができる。一体型チャネルはバッテリプレート及びセパレータの平面を横切ることができる。１つ以上の開口がその中に配置されたインサートを含む。インサートは嵌合して２つ以上のバッテリプレートのスタック内に一体型チャネルを形成するように適合されることができる。一体型チャネルは液体電解質を貫通することができる。インサートは一体型チャネルと電気化学セルとの間で連通することができるベント孔を含むことができる。インサートはバッテリプレートに接合されてもよく、またはバッテリプレートと一体化されてもよく、それによってセパレータとバッテリプレートとの間の結合部でシールを形成することができる。１つ以上のバッテリ端子が正極端子及び負極端子を含むことができる。正極端子及び負極端子は膜を貫通して突出することができ、１つ以上の、またはすべての電流導体でさえも膜によって覆われてもよい。１つ以上のバッテリ端子の１つでもある１つ以上の電流導体が膜を貫通して突出することができる。バイポーラプレートは基板を貫通して基板の両方の表面を連通する複数の開口を有するポリマー基板を含むことができ、１つ以上の開口はストレートで、平滑な表面を有し、ポリマー基材の熱分解温度よりも低い温度で相変態を経た導電性材料で充填されている。ポリマーを含む膜はプレートの縁部の周りにシールを形成するように、２つ以上のバッテリプレートのスタックの全周に配置されてもよく、液体電解質がプレートのスタックの外側に流れることを防止する。膜は、前縁及び後縁を有することができ、膜の前縁及び後縁は、互いに溶融接合され、電解質がスタックの内側から膜の外側へ通過しないように１つ以上のプレートのスタックの周縁にシールを形成する。１つ以上のセパレータはシートの周縁に付着された一体型フレームを有するシートを含むことができ、一体型フレームはバッテリプレートの基板の周縁に隣接して配置されるように適合されている。バッテリプレートの基板はその周縁部の周りにセパレータの一体型フレームに隣接して配置されるように適合された隆起した表面を有することができる。一体型フレームはセパレータの周縁の周りにあることができる。
一体型チャネルはバッテリプレート及びセパレータの平面を横切る１つ以上のシールされたチャネルを形成するように位置決めされたセパレータ及びバッテリプレートに孔またはスロットを含むことができ、チャネルは電気化学セルと連通するベント孔を備えている。ここでセパレータ及びバッテリプレートの孔は、その中に配置されたインサート、ボスまたはスリーブを含むことができる。インサートは嵌合して２つ以上のバッテリプレートのスタック内に一体型チャネルを形成するように適合されることができる。チャネルは、バッテリプレート及びセパレータに成形されたインサートによって形成されてもよい。チャネルはバッテリプレートとセパレータとの間に配置されたスリーブまたはブッシュによって形成されてもよい。バッテリプレートはスリーブ及び／またはブッシュが嵌合するのに適合した凹部を有する。スリーブ及び／またはブッシュは、バッテリプレート及び／またはセパレータに挿入される端部を有してもよい。スリーブまたはブッシュはバッテリプレート及び／またはセパレータに接合され、それによって接合部にシールを形成することができる。チャネルは一連の整合したインサートまたはボスを備える。セパレータと接触するインサート、ボスまたはスリーブは、一体型チャネルと電気化学セルとの間を連通するベント孔を含むことができ、ベント孔はインサート、ボスまたはスリーブ内のノッチによって形成されてもよく、物品は、物品への損傷が生じ得る圧力よりも低い所定の圧力レベルに圧力が到達すると、シールされたバイポーラプレートのスタック内の圧力を解放するように適合された１つ以上の弁をさらに含むことができる。弁は一体型チャネルに接続されることができる。１つまたは２つ以上のバッテリプレートのスタックは、カソード及び／またはアノードがその上に堆積されたプレートの一部を横断して通る複数のチャネルを有することができる。チャネル周縁の１つ以上のシールが、液体電解質のチャネルへの漏洩を防止することができる。ポストは１つ以上のチャネル内に配置され、チャネルは各端部に横方向チャネルのための孔に隣接するモノポーラプレートの外側のチャネル及びシール面を覆うオーバーラップ部分を有することができ、モノポーラプレートのシール面に圧力を加えることができ、当該圧力は、バッテリプレートのスタックによって生成される電気化学セルのアセンブリ及び動作中に生成される圧力に耐え得る十分なものである。ポストは、１つ以上のチャネル内に配置され、各端部にチャネル及び横方向チャネル用の孔に隣接するモノポーラプレートの外側のシール面を覆う部分を有し、モノポーラプレートのシール面に圧力を加えることができ、当該圧力は、バッテリプレートのスタックによって生成される電気化学セルのアセンブリ及び動作中に生成される圧力に耐え得る十分なものであり、ポストは、電解質への露出に耐え得る、電解質のチャネルへの流入を防止する材料から作製されている。物品は、カソード及び／またはアノードがその上に堆積されたプレートの一部を通って横方向に横断する横方向チャネルの周囲のシールを含む。シールは、バッテリプレート及びセパレータに成形されたインサートによって形成される。シールはバッテリプレートとセパレータとの間に配置されたスリーブまたはブッシュによって形成される。バッテリプレートはスリーブ及び／またはブッシュが嵌合するのに適した凹部を有することができる。スリーブ及び／またはブッシュは、バッテリプレートに挿入される端部を有する。スリーブまたはブッシュはバッテリプレートに接合され、それによって接合部にシールを形成する。シールは一連の整合したインサートまたはボスを含むことができ、物品は、横方向チャネルの周縁にシールを含まなくてもよく、ポストは、電解質にさらされたときに構造的完全性を維持し、非伝導性であり、横方向チャネルをシールして電解質のチャネル内への流入を防止する材料を含んでもよい。ポストは、セラミック材料、またはＡＢＳ、ポリプロピレン、ポリエステル、熱可塑性ポリウレタン、ポリオレフィン、配合熱可塑性樹脂またはポリカーボネートのポリマー材料を含むことができる。ポストは予め成形されており、締まり嵌めによってチャネルに配置された非導電性ポリマーを含む。ポストはＡＢＳを含む。モノポーラプレートのカソード、ならびにカソード及びアノードの集電体を有する内部プレートのカソードは、独立した正極端子に接続されることができる。モノポーラプレートのアノード、ならびにカソード及びアノードの電流導体を有する内部プレートのアノードは、独立した負極端子に接続されることができる。セルの内部セットは独立して電気化学的に形成される。正極電流導体が接続されてもよく、負極電流導体が並列に接続されてもよい。またはバッテリスタックが直列に接続されてもよい。バッテリスタックは、導電性導管を介して各デュアル極性プレートの１つ以上の（例えば、１つまたは２つの）電流導体を接続することによって、直列に接続されてもよい。バッテリスタックは導電性基板を介してカソードに接続され、１つ以上の導電性導管を介して直接的または間接的に正極端子に接続される正極電流導体を接続することによって、また導電性基板を介してアノードに接続され、１つ以上の導電性導管を介して直接的または間接的に負極端子に接続される負極電流導体を接続することによって、並列に接続され得る。電流導体はモノポーラプレートの一方または両方と接触するように配置されてもよい。電流導体はバッテリ組立体の周りのエンドプレート、または膜とモノポーラプレートの導電性基板との間に配置されてもよい。バッテリ組立体の末端電流導体が、バッテリ組立体の周りのケースまたは膜を突出し、バッテリ端子として機能するか、またはバッテリ端子に接続してもよい。末端正極電流導体は、カソードを有するモノポーラエンドプレートと接触している。末端負極電流導体はアノードを有するモノポーラエンドプレートと接触してもよい。
【００１３】
開示された物品は、１つ以上のバイポーラ電極プレート、好ましくは複数のバイポーラプレートを含む。本明細書で使用される複数とは、２枚以上のプレートが存在することを意味する。バイポーラプレートは、２つの対向する面を有するシート形態の基板を含む。対向する面にはカソード及びアノードが配置されている。いくつかの実施形態では、バイポーラプレートは、スタックの物品内に配置され、あるバイポーラプレートのカソードは、別のバイポーラプレートのアノードまたはアノードを有するモノポーラプレートに面し、各バイポーラプレートのアノードは、バイポーラまたはモノポーラプレートのカソードに面している。当該物品では、隣接するアノードとカソードとの間に空間が形成され、空間は、アノードとカソードの対と共に電気化学セルを形成するために機能する電解質を収容する。物品の構造は、密閉されたセルとなり、セルの漏れ及び短絡を防止するために環境からシールされている。存在するプレートの数は、バッテリの所望の電圧を提供するように選択することができる。バイポーラバッテリの設計は、生成可能な電圧に柔軟性をもたらす。バイポーラプレートは、任意の所望する断面形状を有することができ、断面形状は、使用環境で利用可能な実装スペースに適合するように設計することができる。断面形状とは、シートの面から見た場合のプレートの形状を意味する。柔軟性のある断面形状及び寸法により、バッテリが利用されるシステムの電圧及び寸法の必要性に順応するように開示された物品の調製が可能になる。モノポーラプレートは、プレートのスタックの端部に配置されて、プレートのスタックのエンドセルを形成する。モノポーラプレートは、バイポーラプレートに使用されるものと同じ基板ならびにアノード及びカソードから調製されてもよい。アノードまたはカソードに対向するモノポーラプレートの側面は、別のケースが使用される場合にはベア基板であってもよく、またはスタックを保護するのに有用なカバーを含むことができる。モノポーラプレートは、エンドセルから外側にプレートを貫通する１つ以上の端子か、またはモノポーラプレートの平面に本質的に平行である組立体の周りでケースの側面または膜を貫通する１つ以上の端子を有することができる。端子は、モノポーラプレートのアノードまたはカソードの極性に一致する。端子は、電気化学セル内で生成された電子を、生成された電子を電気の形で利用するシステムに伝送するように機能する。モノポーラプレートのカソード、及びカソード集電体を備えた１つ以上の内部プレートのカソードは、独立した正極端子に接続されてもよい。モノポーラプレートのアノード、及びアノード集電体を備えた１つ以上の内部プレートのアノードは、独立した負極端子に接続されてもよい。カソード集電体は接続されていてもよく、またアノード集電体は並列に接続されていてもよい。個々の端子は、接続された単一の正極端子、及び露出して接続された単一の負極端子のみを残して膜に覆われてもよい。
【００１４】
バッテリプレートの基板は、カソード及び／またはアノードの構造的支持を提供するように機能し、隣接するセル間での電解質の流れを防止するようにセル隔壁として設けられ、他のバッテリ構成要素と協働してバッテリの外側面上にあることができるバイポーラプレートの縁部の周囲に電解質密なシールを形成して、一方の面から他方の面に電子を伝送することができる。基板は、機能またはバッテリの化学的性質に応じて様々な材料から形成することができる。基板は、所望のバイポーラ電極プレートのバックボーンを提供するのに十分な構造的に頑丈な材料から形成されてもよく、バッテリ構造に使用されるあらゆる導電性材料の融点を超える温度に耐え、電解質との接触で基板が劣化しないような電解質（例えば、硫酸溶液）との接触中に高い化学的安定性を有する材料から形成され得る。基板は、基板の一方の表面から基板の反対側の表面への電気の伝送を可能にするような適切な材料から形成されてよく、且つ／または、そのように構成される。基板プレートは、導電性材料、例えば金属材料から形成されてもよく、または非導電性材料から形成されてもよい。例示的な非導電性材料には、熱硬化性ポリマー、エラストマー系ポリマーまたは熱可塑性ポリマー、またはそれらの任意の組み合わせなどのポリマー類が挙げられる。非導電性基板は、その中またはその上に構成された導電性機能を有することができる。採用され得るポリマー材料の例として、ポリアミド、ポリエステル、ポリスチレン、（ポリエチレンテレフタレート、高密度ポリエチレン及び低密度ポリエチレンを含む）ポリエチレン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、バイオベースのプラスチック／バイオポリマー（例えば、ポリ乳酸）、シリコーン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、またはＰＣ／ＡＢＳ（ポリカーボネートとアクリロニトリルブタジエンスチレンとのブレンド）などの任意の組合せが挙げられるが、これらに限定されない。複合材料基板を利用することもでき、複合材料は、当該技術分野で一般的に知られている繊維または充填材などの補強材、熱硬化性コア、及び熱硬化性ポリマーの周囲の熱可塑性シェルまたは熱可塑性縁部などの２つの異なるポリマー材料、もしくは非導電性ポリマー中に配置された導電性ポリマー材料を含んでもよい。基板は、プレートの縁部に接着可能な、好ましくは溶融接着可能な熱可塑性材料を含むか、または有していてもよい。基板は、バイポーラプレートの積層と電気化学セルの形成を容易にするために、周縁部に隆起した縁部を有してもよい。この文脈で使用されるような隆起した縁部は、プレートの２つの対向する表面の少なくとも１つの上にある隆起縁部を意味する。隆起した縁部は、別の基板材料の周りに形成された熱可塑性縁部を含むことができる。隆起した縁部は、本明細書で説明されるようなセパレータプレートとして機能することができる。基板または基板の周縁部の非導電性材料は、熱可塑性材料であってもよい。基板周りの、または基板上に一体化されたフレームは、熱可塑性材料などの非導電性材料から構成されてもよい。非導電性材料の使用は、バッテリスタックの外側のシールを向上させる。
【００１５】
基板は、その中に形成された１つ以上の開口を含む、概して非導電性の基板（例えば、誘電体基板）を含む。開口は、機械加工（例えば、ミーリング）されてもよく、基板の製造中に（例えば、成形または整形工程によって）形成されてもよく、または別の方法で加工されてもよい。開口は、直線状及び／または滑らかな内壁または表面を有することができる。基板に形成された開口の寸法及び頻度は、バッテリの抵抗率に影響を及ぼす可能性がある。開口は、少なくとも約０．２ｍｍの直径を有するように形成することができる。開口は、約５ｍｍ以下の直径を有するように形成することができる。開口は、約１．４ｍｍ〜約１．８ｍｍの直径を有するように形成されてもよい。開口は、少なくともｃｍ２あたり約０．０２個の開口の密度を有するように形成されてもよい。開口は、ｃｍ２あたり約４個未満の開口である密度を有するように形成することができる。開口は、ｃｍ２あたり約２．０個の開口〜ｃｍ２あたり約２．８個の開口である密度を有するように形成することができる。開口は、例えば、金属含有材料などの導電性材料で充填されてもよい。導電性材料は、基板の熱分解温度よりも低い温度で相変態を経た材料であってもよく、そのため、相変態温度未満のバッテリ組立体の動作温度において、誘電体基板は基板の第１の面と第２の面との間の材料混合物を介する導電性経路を有する。さらに、相変態温度を超える温度では、導電性材料混合物は、導電性経路を介する導電性を無効にする相変態を受ける。例えば、導電性材料は、例えば、鉛、錫、ニッケル、亜鉛、リチウム、アンチモン、銅、ビスマス、インジウムまたは銀の少なくとも１つを含む半田材料、または任意の２つ以上を含む混合物の半田材料であってもよく、または半田材料を含んでもよい。導電性材料は、任意の鉛を実質的に含まなくてもよい（すなわち、せいぜい微量の鉛を含む）か、または鉛を機能的に動作可能な量で含んでもよい。材料は、鉛と錫との混合物を含んでもよい。例えば、それは、大部分の錫及び小部分の鉛（例えば、約５５〜約６５重量部の錫及び約３５〜約４５重量部の鉛）を含んでもよい。当該材料は、約２４０℃未満、約２３０℃未満、約２２０℃未満、２１０℃未満、またはさらに約２００℃未満の溶融温度を示すことができる（例えば、約１８０〜約１９０℃）。材料は、共融混合物を含んでもよい。開口を充填するための導電性材料として半田を使用することの特徴は、使用される半田の種類に応じて、連続的なバッテリ動作のために安全でない可能性のある温度で溶融するように半田が調整され得る所定の溶融温度を有することである。一旦、半田が溶融すると、溶融した半田を収容する基板の開口はもはや導電性でなくなり、開回路が電極プレート内に生じる。開回路は、バイポーラバッテリ内の抵抗を急激に増加させることによって、さらなる電気流を停止させ、バッテリ内の安全でない反応を遮断するように動作することができる。従って、開口を充填するように選択された導電性材料の種類は、バッテリ内にこのような内部遮断機構を含めることが望ましいかどうかに応じて変更することができ、そのような場合、何度でそのような内部遮断を有効にすることが望ましいかに応じて変更することができる。基板は、所定の条件を超える動作条件の場合、基板を通る導電性を阻害することによってバッテリの動作を無効にするように機能するように構成される。例えば、誘電体基板の孔を充填する導電性材料は、相変態（例えば、溶融する）を受け、基板を横切る導電性が阻害される。阻害の程度は、部分的または全部に、基板を通る電気を伝導する機能を無効にすることであってもよい。
【００１６】
バイポーラプレートの一方の表面上、及びモノポーラプレートのいくつかの表面上には、１つ以上のカソードが配置される。カソードは、バッテリ内のカソードとして機能することができ、バッテリ内で一般的に使用される任意形態であり得る任意の材料であり得る。カソードは、正極活物質とも呼ばれる。正極活物質は、リチウムイオン、ニッケル金属水素化物または鉛酸二次バッテリで一般的に用いられるリチウム、鉛、炭素または遷移金属の複合酸化物、硫酸化合物またはリン酸化合物を含むことができる。複合酸化物の例には、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ／Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ／Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ／Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ／Ｆｅ系複合材料などが挙げられる。例示的な遷移金属及びリチウムのリン酸塩及び硫黄化合物には、ＬｉＦｅＰＯ４、Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＯ３、ＰｂＯ２、ＡｇＯ及びＮｉＯＯＨなどが含まれる。カソード材料は、カソード材料が電気化学セル内のカソードとして機能できるようにする任意の形態であることができる。例示的な形態は、成形部品、ペースト形態、予め作製されたシートまたはフィルムを含む。鉛酸バッテリでは、好ましいカソード材料は二酸化鉛（ＰｂＯ２）である。バイポーラプレートの反対側の表面に配置される他方のモノポーラプレートはアノードである。アノードは、負極活物質とも呼ばれる。任意のアノード及びアノード材料が開示された組立体に利用することができる。アノード材料は、鉛酸、ニッケル金属水素化物及びリチウムイオンバッテリを含む、二次バッテリに使用される任意の材料を含むことができる。アノードを構成するのに有用な例示的な材料には、鉛、炭素またはリチウムの複合酸化物及び遷移金属（例えば、酸化チタン、またはチタンとリチウムとの複合酸化物）などが含まれる。鉛酸バッテリ用のアノード材料は、スポンジ鉛であってもよい。カソード材料は、カソード材料が電気化学セル内のカソードとして機能できるようにする任意の形態であることができる。例示的な形態は、成形部品、ペースト形態、予め作製されたシートまたはフィルムを含む。ペースト状組成物は、補強のためのフロックまたはガラス繊維、ペースト安定性のための様々なリガノ−有機化合物、及び炭素などの特に負極活物質のための導電性添加剤を含む、多数の有益な添加剤を含むことができる。鉛酸バッテリの場合、アノード材料の好ましい形態はスポンジ鉛である。アノード及びカソードは、セルを含む回路が一旦形成されると、電気化学セルとして機能するように共に働くように選択される。
【００１７】
組立体は、セパレータをさらに備える。セパレータは、電気化学セル内のアノードとカソードとの間に配置され、より具体的には、セパレータはバイポーラプレートとの間、またはバイポーラプレートとモノポーラプレートとの間に配置される。セパレータは、好ましくは、隣接するカソード及びアノードの面積よりも大きい面積を有する。セパレータは、セルのカソード部分をセルのアノード部分から完全に分離することができる。セパレータの縁部は、セルのアノード部分をセルのカソード部分から完全に分離するように、アノードまたはカソードが上に配置されていないバイポーラプレート及びモノポーラプレートの周縁に接触してもよい。バッテリセパレータは、電気化学セルを仕切る役割を果たし、樹枝状結晶の形成によるセルの短絡を防止し、液体電解質、イオン、電子またはこれらの要素の任意の組み合わせを通過させる機能を果たす。記載された機能の１つ以上を実行する任意の既知のバッテリセパレータが、本開示の組立体において利用され得る。セパレータは、多孔質ポリマーフィルム、ガラスマット、多孔質ゴム、イオン伝導性ゲルまたは木材などの天然材料などの非導電性材料から調製され得る。セパレータは、電解質、イオン、電子またはそれらの組み合わせがセパレータを通過することを可能にするセパレータを貫通する細孔または蛇行経路を含有してもよい。セパレータとして有用な例示的な材料の中には、吸収性ガラスマット及び多孔質超高分子量ポリオレフィン膜などがある。
【００１８】
セパレータは一体型フレームを有してもよい。フレームは、隣接するバッテリプレートの縁部と適合し、電気化学セルとバッテリの外側との間にシールを形成するように機能する。フレームは、セパレータをフレームに接合する任意の手段を用いることでセパレータを形成するシート周縁の周りでセパレータに取り付けられることができ、それは例えば、接着接合、溶融接合またはセパレータの周辺部でのフレーム成形による、電解質への露出に耐えることができる。フレームは、例えば熱成形、射出成形、回転成形、ブロー成形、圧縮成形などの任意の既知の成形技術によって適所に成形することができる。フレームは、射出成形によってセパレータシートの周りに形成されてもよい。フレームは、バッテリプレート用基板の周縁の周りに配置された隆起縁部と整合するように適合された隆起縁部を含むことができる。バッテリプレート基板の一方または両方の隆起した縁部及びセパレータのフレームは、バッテリスタックのための共通の縁部を形成し、電気化学セルとバッテリの外側との間のシールを強化するために整合させることができる。セパレータは、セパレータ内に一体化されたインサートを有することができ、インサートは、スタックを通る横方向チャネルを画定するように機能する。インサートは、任意の既知の手段によって形成されてもよく、好ましくは所定位置に成形され、好ましくは射出成形によって成形される。セパレータがインサートとフレームの両方を有する場合、両方の部品は、例えば射出成形によって、１つのステップで成形され得る。インサートは、電気化学的セルから横方向チャネルへの選択された流体の連通を可能にするベント孔を含むことができる。電気化学セルの各々は、独立して電気化学的に形成されてもよい。
【００１９】
これらの物品は、電気化学セル内を流れる電子の分散を容易にして基板への活物質の電気的接続を確実にする形状の導電性材料を含んでもよく、電流導体及び／または集電体として機能することができる。例示的な導電性材料には、金属シート、箔、スクリーンまたは共通平面内に配置された複数の金属ワイヤが含まれる。バッテリプレートは、バッテリプレートのスタックと負極及び正極のバッテリ端子との間で電子を伝達する１つ以上の導電性導管を含むか、またはそこに取り付けられてもよい。１つ以上の電流導体及び／または集電体は、１つまたは複数の導電性導管に接続されてもよい。デュアル極性バッテリプレートは、１つ以上の基板の１つ以上の側面の少なくとも一部に配置された１つ以上の電流導体を含むことができる。１つ以上の電流導体は、直接的または間接的に基板と接触していてもよい。１つ以上の電流導体は、１つ以上の集電体と接触していてもよい。１つ以上の電流導体は、１つ以上の負極電流導体、１つ以上の正極電流導体、またはそれらの組み合わせを含むことができる。デュアル極性バッテリプレートは、正極電流導体または負極電流導体のうち１つのみ、２つの正極電流導体、２つの負極電流導体、または正極電流導体と負極電流導体を含むことができる。デュアル極性バッテリプレートでは、負極電流導体が、アノードが配置された面から導電性基板の反対側に配置されてもよい。デュアル極性バッテリプレートでは、負極電流導体は、対向する両面に配置されたアノードを有する基板と直接的または間接的に接続されてもよい。負極電流導体は、導電性基板、非導電性基板、またはその両方と直接的または間接的に接触して配置されてもよい。負極電流導体は、バッテリスタックから突出して、負極の凸部分を形成することができる。負極電流導体の負極の凸部分は、負極電流導体と負極端子との間で電流を伝送できる導電性導管、同一または別のバッテリプレートの別の負極電流導体、もしくは同一または別のバッテリプレートの正極電流導体と接触されることができる。デュアル極性バッテリプレートでは、正極電流導体は、カソードが配置された面から導電性基板の反対側の面に配置されてもよい。デュアル極性バッテリプレートでは、正極電流導体は、対向する両面に配置されたカソードを有する基板と直接的または間接的に接触してもよい。正極電流導体は、導電性基板、非導電性基板、またはその両方と直接的または間接的に接触して配置されてもよい。正極電流導体は、バッテリスタックから突出して、正極の凸部分を形成することができる。正極の凸部分は、正極電流導体と正極端子との間で電流を伝送できる導電性導管、同一または別のバッテリプレートの別の正極電流導体、もしくは同一または異なるバッテリプレートの負極電流導体と接触されることができる。負極及び正極電流導体の各々のうち少なくとも１つは、膜などのバッテリ組立体の周りのカバーを通ってバッテリ組立体から突出していてもよい。終端の負極及び正極電流導体は、バッテリ組立体から突出してもよく、また、それぞれ負極端子及び正極端子に接続するか、またはそれぞれ負極端子及び正極端子として機能してもよい。１つ以上のデュアル極性バッテリプレート、モノポーラバッテリプレート、または両方のタイプのプレートは、それに接続された正極及び／または負極電流導体を有することができる。膜またはバッテリケースを貫通して突出する正極及び負極電流導体は、デュアル極性バッテリプレートまたはモノポーラバッテリプレートと直接的または間接的に接触してもよい。
【００２０】
２つ以上のバッテリプレートのスタックは直列または並列に接続することができる。バッテリスタックが並列に接続されている場合、１つ以上の負極電流導体は、負極導電性導管によって負極端子または同様に負極端子としても機能する別の負極電流導体に接続され得る。負極電流導体は、同一または別のデュアル極性バッテリプレート、モノポーラプレート、またはそれらの組み合わせの一部であってもよい。バッテリスタックが並列に接続されている場合、１つ以上の正極電流導体は、正極導電性導管によって正極端子または同様に正極端子としても機能する別の正極電流導体に接続され得る。正極電流導体は、同一または別のデュアル極性バッテリプレート、モノポーラプレート、またはそれらの組み合わせの一部であってもよい。バッテリスタックが直列に接続されている場合、導電性導管は各デュアル極性バッテリプレートの正極電流導体を同一のデュアル極性バッテリプレートの負極電流導体に接続することができる。
【００２１】
導電性導管は、電流を伝達する任意の導電性材料を含み、電流の伝達を容易にする任意構成の形状であり得る。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、任意の導電性金属から作製可能である。例示的な導電性金属は、銀、錫、銅、鉛またはそれらの２つ以上の混合物である。金属の選択は、アノード及びカソード材料の影響を受ける。鉛酸バッテリでは、鉛シートまたは箔が使用され得る。集電体として有用な金属箔、スクリーン、シートまたはワイヤは、アノードまたはカソードと基板との間に配置することができる。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、基板に固定されてもよい。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤを、セルの環境で金属シート、スクリーン、箔またはワイヤを保持する基板に固定する任意の方法を利用することができ、溶接または接着接合などが挙げられる。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、基板に接着接合されてもよい。この接着に有用な例示的な接着剤として、エポキシ、ゴムセメント、フェノール樹脂、ニトリルゴム化合物またはシアノアクリレート接着剤が挙げられる。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、アノードまたはカソードの表面全体と基板との間に配置されてもよい。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、基板の表面全体を覆うことができる。集電体は、金属シートまたは金属箔であってもよい。アノードまたはカソードがペースト状である場合、当該ペーストは金属箔またはシートに塗布されてもよく、または基板に接着された金属スクリーンまたはワイヤの上に塗布されてもよい。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、１つ以上の電流導体に接触して、電子を電流導体に伝送することができる。金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔は、セルを流れる電子を分散し、適切な場合には電子を集めてセル内の電流導体にそれらを伝送するのに十分な厚さに選択される。金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔は、電流導体として機能することができる。金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔は、約０．７５ｍｍ以下、約０．２ｍｍ以下または約０．１ｍｍ以下の厚さを有してもよい。金属シート、スクリーン、箔またはワイヤは、約０．０２５ｍｍ以上、約０．０５０ｍｍ以上、または約０．０７５ｍｍ以上の厚さを有してもよい。
【００２２】
バイポーラバッテリ組立体は、１つ以上のデュアル極性バッテリプレートを含んでもよい。デュアル極性バッテリプレートは、１つ以上のバッテリプレートのスタックを他の１つ以上のバッテリプレートのスタックに電気的に接続すること、簡単に２つ以上のスタックを製造し組み立てること、またはその両方を容易にするために機能することができる。２つ以上のバッテリプレートのスタックを電気的に接続するためにデュアル極性バッテリプレートスタック（例えば、プレート及び／または電気化学セルの数）を使用することにより、バッテリプレートの個々のスタックが標準サイズとして形成されることができ、次いで、バイポーラバッテリ組立体を形成するために組み立てられること、バイポーラバッテリ組立体によって生成される電力を増減させるためにバッテリプレートの個々のスタックの数を容易に変更すること、またはその両方ができる。デュアル極性バッテリプレートは１つ以上の基板を含むことができる。１つ以上の基板は単一の基板または複数の基板を含むことができる。１つ以上の基板は、１つ以上の導電性基板、１つ以上の非導電性基板、またはその両方の組み合わせを含むことができる。複数の導電性基板は、第１の導電性基板及び第２の導電性基板を含むことができる。例えば、デュアル極性バッテリプレートは、第１の導電性基板、及びその間に非導電性基板が配置された第２の導電性基板を備えることができる。別の例として、デュアル極性バッテリプレートは非導電性基板を備えてもよい。さらに別の例として、デュアル極性バッテリプレートは単一の導電性基板を含むことができる。デュアル極性バッテリプレートの１つ以上の基板は、対向する表面を含む。対向する表面は、アノード、カソード、電流導体、集電体、またはそれらの任意の組み合わせを表面の一部分に堆積、及び／または接触させてもよい。デュアル極性プレートの導電性基板は、１つの表面または対向する両方の表面に堆積されたアノードまたはカソードを有することができる。対向する表面上に同一のアノードまたはカソードを有すると、（例えば、正極または負極電流導体を介して）１つ以上のスタック（例えば、正極または負極電流導体、もしくはモノポーラプレートの端子）への１つだけの電気的接続が必要となることによって製造を簡素化することができる。デュアル極性プレートの基板は、対向する表面の一方または両方の上に配置された集電体を有することができる。集電体は、カソードまたはアノードと、基板の表面との間に配置されてもよい。
【００２３】
デュアル極性バッテリプレートは１つ以上の導電性基板を含むことができる。導電性基板は、その上に堆積されたアノードまたはカソードを有する表面と、同一の表面または反対側表面と接触する電流導体を有してもよく、または基板から外向きに突出する電流導体を形成してもよい。電流導体は、導電性基板と直接的に接触していてもよい。第１の導電性基板は、一方の表面上に堆積されたアノードまたはカソードを有する２つの対向する表面、及び反対側表面の一部と接触する第１の電流導体を有することができる。第２の導電性基板は、一方の表面上に堆積されたアノードまたはカソードを有する２つの対向する表面、及び反対側表面と接触する第２の電流導体を有することができる。第１の導電性基板及び第２の導電性基板の両方は、各々がその上に堆積されたアノードまたはその上に堆積されたカソードを有してよく、第１の導電性基板は、その上に堆積されたアノードを有することができる一方で、第２の導電性基板は、その上に堆積されたカソードを有してよいか、または、第１の導電性基板は、その上に堆積されたカソードを有することができる一方で、第２の導電性基板は、その上に堆積されたアノードを有してもよい。非導電性基板は、デュアル極性プレートの導電性基板の間に配置されてもよく、隣接するバッテリスタックのバイポーラバッテリプレートの間に配置されてもよく、またはその両方に配置されてもよい。デュアル極性バッテリプレートは、２つ以上のバッテリスタックのうちの２つのバッテリスタックの間に配置されてもよい。デュアル極性バッテリプレートは、表面上に堆積されたアノードを有するデュアル極性バッテリプレートの１つ以上の表面が、表面に堆積されたカソードを有する第１のバッテリスタック内の別のバッテリプレートの表面に面するように配列されてもよく、表面に堆積されたカソードを有するデュアル極性バッテリプレートの１つ以上の表面が、表面に堆積されたアノードを有する第２のバッテリスタック内の別のバッテリプレートの表面に面するように配列されてもよく、またはその両方で配列されてもよい。両方の対向する表面上に配置されたアノードを有するデュアル極性バッテリプレートは、第１のバッテリスタック内のバッテリプレートのカソードに面してよく、第２のバッテリスタック内のバッテリプレートのカソードに面してもよい。両方の対向する表面上に配置されたカソードを有するデュアル極性バッテリプレートは、第１のバッテリスタック内のバッテリプレートのアノードに面してよく、第２のバッテリスタック内のバッテリプレートのアノードに面してもよい。デュアル極性バッテリの導電性アノード、カソード、導電性基板及び電流導体が、本明細書で説明される。
【００２４】
デュアル極性バッテリプレートは、非導電性基板を含むことができる。非導電性基板は、第１の導電性基板と第２の導電性基板との間に、第１のアノードまたは第１のカソードと第２のアノードまたは第２のカソードとの間に、第１及び第２のバッテリプレートのスタックのバイポーラプレートに、もしくはそれらの組合せに配置され得る。非導電性基板は、本明細書で開示されるような任意の非導電性材料から調製されてもよい。非導電性基板は、第１の導電性基板と第１の電流導体との間、第２の導電性基板と第２の電流導体との間、及び／またはその上に堆積された対向するアノード（複数可）またはカソード（複数可）の間を絶縁するのに十分な面積と断面厚さを有さなければならない。非導電性基板は、導電性基板及び／または非導電性基板上のカソードまたはアノードの面積よりも広い面積を有することができる。非導電性基板は、約０．１ｍｍ以上、または約０．５ｍｍ以上の厚さを有することができる。非導電性基板は、約１．５ｍｍ以下または約１．０ｍｍ以下の厚さを有することができる。厚さは、バッテリプレートの１つ以上のスタックの長手方向軸とほぼ平行に（例えば、非導電性基板の対向する表面にほぼ垂直に）測定されてもよい。非導電性基板は、第１及び第２の電流導体が互いに接触するのを防止するように構成することができる。第１及び第２の電流導体は、逆の極性または同じ極性を有してもよい。非導電性基板は、上述の基板に有用な任意の非導電性材料から調製することができる。非導電性基板は、それらの周縁部の周りにフレームを有してもよく、フレームは導電性基板及びセパレータに対して露出される。フレームは、非導電性基板と一体化されていてもよい。
【００２５】
２つ以上のバッテリプレートのスタック（例えば、バッテリスタック）は、並列で、直列で、またはその両方で接続され得る。バッテリスタックは、導電性導管を介して各デュアル極性プレートの１つ以上の（例えば、１つまたは２つの）電流導体を接続することによって、直列に接続されてもよい。バッテリスタックは、導電性基板を介してカソードに接続され、１つ以上の導電性導管を介して直接的または間接的に正極端子に接続される正極電流導体を接続することによって、及び／または導電性基板を介してアノードに接続され、１つ以上の導電性導管を介して直接的または間接的に負極端子に接続される負極電流導体を接続することによって、並列に接続され得る。電流導体は、モノポーラプレートの一方または両方と接触するように配置されてもよい。電流導体は、バッテリ組立体の周りのエンドプレート、または膜とモノポーラプレートの導電性基板との間に配置されてもよい。バッテリ組立体の端子電流導体があり、バッテリ組立体の周りのケースまたは膜を突出してもよく、バッテリ端子として機能するか、またはバッテリ端子に接続してもよい。末端正極電流導体は、カソードを有するモノポーラエンドプレートと接触している。末端負極電流導体は、アノードを有するモノポーラエンドプレートと接触している。
【００２６】
組立体内の構成要素のスタックは、構成要素を通過する横方向のチャネル、及び電気化学セルのために形成された領域を含むことができ、セルもまた液体電解質を含む。スタックは、バイポーラプレート、モノポーラプレート、セパレータ、アノード、カソードを含み、任意選択的に集電体（金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔）、デュアル極性バッテリプレート及び利用可能なスタックの他の任意の構成要素を含む。横方向チャネルは、ポストを収容するように機能し、チャネルのうちいくつかは横方向冷却チャネルまたはベント／充填チャネルとして機能するように未充填のままにされてもよい。チャネルは、アノード、カソード及び電解質を含むセルを貫通する。チャネルは、動作中に放出された電解質及びガスがチャネルに入るのを防ぐためにシールされてもよい。この目的を達成する任意のシール方法が利用され得る。チャネルの寸法及び形状は、それらがポストの収容を可能とする任意の寸法及び形状であることができ、ポストがエンドプレート及び基板の縁部を支持し、動作中に発生する電解質及びガスの漏れを防止し、構成要素、及び個々の電気化学セルのシールの損傷から動作中に発生する圧縮力を防止し、もしくは、冷却チャネルまたはベントチャネルとして機能することを可能とする任意の寸法及び形状であることができる。チャネルの形状は、円形、楕円形、または正方形、長方形、六角形などの多角形であってもよい。ポストを収容するチャネルの寸法は、使用されるポストを収容するように選択される。チャネルは、形成されたチャネル内にポストを配置できるようにして、それによって冷却またはベント及び充填のためにチャネルを通って流体が送られることができるようにする構成要素内に配置された一連の孔を備えている。チャネルの数は、エンドプレート及び基板の縁部が動作中に発生する電解質及びガスの漏洩を防止し、また動作中に生じる圧縮力が構成要素及び個々の電気化学セルのシールを損傷するのを防止することをサポートするように選択される。動作中に発生する圧縮力が分散されるように、複数のチャネルが存在してもよい。チャネルの数及び設計は、シールの疲労強度を超える縁部応力を最小化するのに十分となる。チャネルの位置は、動作中に生成される圧縮力を分散されるように選択される。チャネルは、応力をより良く扱うために、スタックを通して均等に広げられてもよい。チャネルは、約２ｍｍ以上、約４ｍｍ以上または約６ｍｍ以上の断面寸法を有することができる。チャネルの断面寸法の上限は実用的なものであり、寸法が大きすぎる場合、組立体の効率が低下する。チャネルは、約１２ｍｍ以下、または約１０ｍｍ以下の断面寸法を有することができる。
【００２７】
少なくとも一部のチャネルには、ポストが配置されており、ポストは、スタックの構成要素の縁部間における構成要素の損傷またはシールの破損を防止する方法で構成要素のスタックをまとめて保持する機能、セパレータ材料全体にわたって均一な圧縮を確実にする機能、及びセパレータ材料の均一な厚さを確実にする機能のうちの１つ以上を実行する。ポストは各端部にモノポーラエンドプレートの外側表面と係合するオーバーラップ部分を有してもよい。このオーバーラップ部分は、構成要素の損傷またはスタックの構成要素の縁部間のシールの破損を防止し、バッテリ動作中にスタックの膨らみまたは他の変位を防止するような方法でモノポーラエンドプレートの外側表面に圧力を加えるように機能する。オーバーラップ部分はシール面と接触し、エンドプレートの一部はオーバーラップ部分と接触する。スタックは、モノポーラエンドプレート上に別個の構造的または保護用エンドピースを有することができ、オーバーラップ部分は、構造的または保護用エンドピースの外側表面と接触する。オーバーラップ部分は、ポストと共に構成要素の損傷またはスタックの構成要素の縁部間のシールの破壊を防止する任意の構造とすることができる。例示的なオーバーラップ部分は、ボルトヘッド、ナット、成形ヘッド、貝折れ釘、コッタピン、シャフトカラーなどを含む。ポストは、スタック全体を貫通する長さであり、その長さは、バッテリの所望の容量に基づいて変化する。ポストは、チャネルを充填するような断面形状及び寸法を呈することができる。ポストは、ポストがチャネル内で締り嵌めを形成するように、チャネルの断面寸法より大きな断面寸法を有してもよい。ポストの数は、エンドプレート及び基板の縁部が動作中に発生する電解質及びガスの漏洩を防止し、また動作中に生じる圧縮力が構成要素及び個々の電気化学セルのシールを損傷するのを防止し、シールの疲労強度を超える縁部応力を最小化することをサポートするように選択される。複数のポストは、動作中に生成される圧縮力を分散するように存在してもよい。１つ以上のチャネルが冷却チャネルまたはベント／充填チャネルとして利用される場合、チャネルよりもポストの数が少なくてもよい。ポストは、必要な機能を実行する任意の材料を含むことができる。ポストがチャネルをシールするために利用され、使用される材料がセルの動作条件に耐えるように選択される場合、ポストは電解質に露出されるときに腐食せず、セルの動作中に生じる温度及び圧力に耐えることができる。ポストがシール機能を果たす場合、ポストは列挙した条件に耐え得るポリマー材料またはセラミック材料を含むことができる。この実施形態では、材料はセルからの短絡を防止する非導電性でなければならない。ポストは熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性材料などのポリマー材料を含むことができる。ポストは熱可塑性材料を含むことができる。例示的な熱可塑性材料としては、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー）、ポリプロピレン、ポリエステル、熱可塑性ポリウレタン、ポリオレフィン、配合熱可塑性樹脂、ポリカーボネートなどが挙げられる。ＡＢＳが最も好ましい。チャネルが別個にシールされる場合、ポストは所望の機能を実行するための構造的完全性を有する任意の材料を含むことができる。列挙したポリマー材料、セラミック及び金属を利用することができる。適切な金属は、鋼鉄、黄銅、アルミニウム、銅などであり得る。ポストは、成形ポスト、ねじ付きポストまたは１つ以上の端部アタッチメントを有するポストを含むことができる。ポストは、スタックの部品、例えば、基板、チャネル内のインサートまたはボスなどに接合されてもよい。接合は熱可塑性材料などのポリマー材料の接着剤または融着から形成され得る。部品がねじ切りされている場合、スタックの構造部品は、ねじ付きポストを受容するようにねじ込まれる。ポストは一方の端部にヘッド部を有し、他方の端部にナット、貝折れ釘またはコッタピンのための孔を有することができるか、もしくは両端にナット、貝折れ釘またはコッタピン用の孔を有してもよい。これは概して非成形ポストの場合である。ポストは、長さを短縮することができるが、伸長することはできない一方向のラチェットデバイスであるように構成することができる。そのようなポストが配置され、次いでスタックが圧縮され、ポストはスタックへの圧力を維持するように短縮される。この実施形態のポストは、ポストが結束バンドのような構造の一部として機能できるようにラチェットを容易にする隆起部を有することができる。適合するナット及び／またはワッシャがポストと共に使用され、それらが所定の位置にあるときに隣接するプレートを圧縮することができるようにする。ナット及び／またはワッシャは、ポスト上で一方向に進み、ナット及び／またはワッシャがポストに沿って他方向に移動するのを防止するために隆起が存在し得る。使用時には、ポスト内の孔は列挙された機能を実行するために適切な貝折れ釘、コッタピンなどを有するようになる。ポストが成形される場合は、別々にまたは適所で成形することができる。現場において適所で成形された場合、溶融プラスチックを適所に保持するために、チャネル内にシールが存在する必要がある。ねじ切りされた非導電性ポストが使用され、必要なシールをもたらすことができる。代替的に、予め成形された非導電性ポリマーポストは、チャネルをシールするような方法でチャネルに締まり嵌めを形成するように設計されてもよい。ポストは、射出成形などの成形によって適所に形成されてもよい。
【００２８】
組み立てられると、バイポーラ及びモノポーラプレートを含む構成要素のスタックは、シールされた電気化学セルを形成する。シールされたセルには液体電解質が配置されている。電解質は、利用されるアノード及びカソードとの電気化学的反応を促進する任意の液体電解質とすることができる。電解質は、電子とイオンがアノードとカソードとの間を流れることを可能にする。電解質は、水系または有機系であり得る。本明細書で有用な有機系電解質は、有機溶媒に溶解した電解質塩を含む。リチウムイオン二次バッテリでは、電解質塩にリチウムを含有させる必要がある。例えば、リチウム含有電解質塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳＯ３ＣＦ３、及びＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２からできたものを使用する。これらの電解質塩は、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。有機溶媒は、セパレータ、カソード及びアノード、ならび電解質塩と相容性のあるものでなければならない。高電圧を印加しても分解しない有機溶媒を用いることが好ましい。例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネート等のカーボネート類、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、及び２−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、１，３−ジオキソラン、及び４−メチルジオキソラン等の環状エステル類、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、スルホラン、３−メチルスルホラン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、エトキシメトキシメタン、及びエチルジグリムを使用することが好ましい。これらの溶媒は、単独で使用されてもよく、２種以上を組合せて使用されてもよい。液体電解質中の電解質の濃度は、０．３〜５ｍｏｌ／ｌであることが好ましい。通常、電解質は１ｍｏｌ／ｌ付近で最も高い導電性を示す。液体電解質は、電解質の３０〜７０重量％、特に４０〜６０重量％を占めることが好ましい。水性電解質は、セルの機能を高める酸類または塩類を水中に含む。好ましい塩類及び酸類としては、硫酸、硫酸ナトリウムまたは硫酸カリウム塩が挙げられる。塩または酸は、セルの動作を促進するのに十分な量で存在する。濃度は、電解質の重量を基準にして、約０．５重量％以上、約１．０重量％以上または約１．５重量％以上であってもよい。鉛酸バッテリにおける好ましい電解質は、硫酸水溶液である。
【００２９】
物品は、横方向チャネルとポストとの間のシールを含むことができる。シールは、チャネルの内側、チャネルの外側の周り、またはその両方に配置することができる。シールは、作動中に発生した電解質及びガスが電気化学セルから漏れるのを防止する任意の材料または形態を含むことができる。シールは、プレート内の膜、スリーブまたは一連の適合したインサート、及び／もしくはボス、ならびに／もしくはチャネル内のセパレータまたはインサートであることができる。膜はエラストマーであることができる。チャネルは、プレート及び／またはセパレータに挿入または一体化された一連のスリーブ、ブッシュ、インサート及び／またはボスによって形成することができる。インサートは、チャネルに沿って漏れ防止シールを形成するように、圧縮可能であってもよく、または相互係合が可能なものであってよい。インサートは、それらを適所に成形することなどによってバッテリプレート及び／またはセパレータ内の適所に形成できる。インサートは、射出成形によって適所に成形されてもよい。シールは、電解質への露出、電気化学セルの動作条件、及びポストをチャネルに挿入すること、またはポストによって加わる力に耐え得る任意の材料から作製可能である。好ましいポリマー材料は、ポスト及び基板に有用であるとして説明したものである。シールは、バイポーラプレートとモノポーラプレートとの間に配置されたスリーブ、インサートまたはブッシュによって形成されてもよい。スリーブまたはインサートは比較的硬質であり、ブッシュは概して弾性である。インサート、ボス、スリーブ及び／またはブッシュは、バイポーラプレート及びモノポーラプレート及び／またはセパレータの凹部に嵌合するように適合させるか、または横方向チャネルを形成するプレートの孔に挿入される端部を有するように適合させてもよい。デュアル極性、バイポーラ及びモノポーラプレートは、ボス、インサート、スリーブ及び／またはブッシュに対応する凹部を含むように形成または機械加することができる。ボス、インサート、スリーブまたはブッシュを有するプレートのスタックを組み立てると、効果的にチャネルをシールするための締まり嵌めを形成することができる。代替的に、ボス、インサート、スリーブ及び／またはブッシュは、結合部にシールを形成するようにプレートに溶融接合または接着接合されてもよい。代替的に、ボス、インサート、スリーブ及び／またはブッシュは、チャネルをシールするように機能するコーティングで内側にコーティングされてもよい。上述のように、ポストはチャネルをシールするように機能することができる。これらシール方法の組み合わせが、単一チャネルまたは様々なチャネルで利用され得ると考えられる。デュアル極性、モノポーラプレート及びバイポーラプレートを含むプレートのスタックの構成要素は、同一形状及び共通の縁部を有することが好ましい。これにより、縁部のシールが容易になる。セパレータが存在する場合、一般的にセパレータは、横方向チャネルの形成、または生成に対応するためにバッテリプレートと同様の構造を有する。別の実施形態では、シールは、ボルトと横方向チャネルとの間に注入されたエポキシ、ポリウレタンまたはアクリルポリマーなどの熱硬化性ポリマーであってもよい。プレートのシール面は改質してポストによって圧縮が加えられたときのシールを改善することができる。シール面は平滑化、輪郭化、粗面化または表面処理されてもよい。平滑な表面は、液体流出するような欠陥を有さない電解質密なシールを形成する広い接触面積を有する。同心円状のリング（複数可）、隆起部（複数可）または波型形状のような輪郭は、液体電解質の流れに抵抗する高圧接触の領域または「リング」を生じる。隆起部は、変形可能な平坦シートまたはＯリングなどのガスケット材料で充填されることができ、液体のシールを容易にする。変形可能材料の粗いシール面は、圧縮して信頼性の高い液体電解質のシールを形成することができる。シール面を表面処理して液体電解質による濡れ性に対して非相溶性にすると、液体電解質のチャネルへの流入が防止される。親水性電解質が使用される場合、シール面は疎水性とすることができる。同様に、疎水性電解質が使用される場合、シール面は親水性でなければならない。チャネルは、バッテリプレートの孔に接着されたボス、スリーブまたはブッシュによって、またはバッテリプレート内の孔にあるボス、スリーブまたはブッシュによって形成されてよく、また、例えば吸収性ガラスマットであるセパレータ内の孔と一体化したインサートによって形成されてもよく、バッテリプレート内の孔、セパレータ内の孔に一体化されたインサート、及びボス、スリーブまたはブッシュは、チャネルを形成するように位置合わせされる。複数のチャネル内のポストは、シールした通路を形成するためにインサート、孔、ボス、スリーブ及び／またはブシュを定位置に保持するのに十分な圧力を加えることができる。チャネルは、バッテリプレートに接合されたボス、及びセパレータに一体化されたインサートから形成されてもよい。ポストは、接着剤接合または熱可塑性ポリマーの溶融接合によって、またはその両方によって、バッテリのインサート、ボス及び／または基板に接合されてもよい。インサートは、締まり嵌めによってバッテリプレートまたはセパレータに挿入されてもよく、または接着剤によって定位置に接着されてもよい。セパレータ内のインサートは、電気化学セルと形成されたチャネルとの間の連通を可能にするベント孔を含むことができる。ベント孔は、電気化学セルからチャネルへの気体の透過を可能にし、電気化学セルからチャネルへの液体の透過を防止する。
【００３０】
バッテリプレート及びセパレータプレートの縁部は、電解質及び発生したガスのセルからの漏洩を防止するためにシールされ、セルの短絡を防止するために個々のセルを隔離する。縁部は、任意の既知のバッテリシール方法を使用してシールされることができる。組立体の縁部は、共有の特許出願である、その全体が本明細書に参照により組み込まれている、アドバンスト  バッテリー  コンセプツ  エルエルシー（発明者  エドワード  オー．シャッファー，ツー他）による「バイポーラバッテリ組立体（Bipolar Battery Assembly）」と題された共通所有の特許文献２に開示されている内骨格または外骨格シールシステムを使用してシールすることができる。特許文献２で開示されているシールシステムは、上述した構造などのバイポーラバッテリ積層構造の独自構造を考察している。当該構造体は、上記の方法によるものかに拘らず、一般に、第１のセパレータフレームと、１つ以上の縁部及び１つ以上の負のペーストフレームの縁部の間に延在する支持格子構造を有する負のペーストフレーム部材と、負の集電体箔と、その中に形成された複数の開口を有する基板と、正の集電体箔と、１つ以上の縁部及び１つ以上の正のペーストフレームの縁部と第２のセパレータフレームとの間に延在する支持格子構造を有する正のペーストフレーム部材と、を含んでいる。第１のセパレータフレームは、１つ以上の縁部を含むことができる。負のペーストフレーム部材は、１つ以上のエッジを有することができ、負のペーストフレーム部材の少なくとも１つの縁部がセパレータフレームの少なくとも１つの縁部と平面接触するようになっている。基板はまた、１つ以上の縁部を有することができ、基板の少なくとも１つの縁部が負のペーストフレーム部材の少なくとも１つの縁部と平面接触するようになっている。正のペーストフレーム部材は、１つ以上の縁部を有することができ、正のペーストフレーム部材の少なくとも１つの縁部が基板の少なくとも１つの縁部と平面接触するようになっている。第２のセパレータフレームは、１つ以上の縁部を有することができ、セパレータフレームの少なくとも１つの縁部が正のペーストフレーム部材の少なくとも１つの縁部と平面接触するようになっている。セパレータフレーム、負及び正のペーストフレーム部材、ならびに基板の縁部の平面接触は、バッテリに外部シールを形成し、バッテリ内に導入された電解質がバッテリ内から漏洩しないようにしている。ペーストフレーム部材の縁部は、位置決めピンを受容するための開口、またはセパレータフレームの縁部に位置する支持部材をさらに含むことができる。ペーストフレーム部材上の開口への位置決めピンの配置は、外部シールの形成をさらに容易にすることができる。１つ以上のセパレータフレーム及び１つ以上のペーストフレームが、基板と組み合わせて、隣接するフレーム及び／または基板とそれぞれ平面的に接触するようにするフレーム構造が使用され得ることも想定されており、そうすることでバッテリセルの内部構造が液体またはガス（空気）がバッテリから漏れることを防止する外部シールを生成するようになっている。ペーストフレーム部材の縁部は、位置決めピンを受容するための開口、またはセパレータフレームの縁部に��置する支持部材をさらに含むことができる。ペーストフレーム部材上の開口への位置決めピンの配置は、外部シールの形成をさらに容易にすることができる。従って、バッテリに導入された電解質は、バッテリの漏洩及びそれに続くバッテリの破損の危険を伴わず安全に維持されることになる。さらに、バッテリを効果的にシールするために、重いエンドプレートまたは外部支持構造は必要とならない。上述したように、ペーストフレーム部材は、ペーストフレーム部材の縁部の間に位置する支持部材（例えば、ピン）をさらに含むことができる。支持部材の使用は、圧縮応力の問題、及びその結果生じるバッテリ内の望ましくない縁部／剥離応力の問題に対処するための１つの手法に過ぎない。これらの応力は、上述したような望ましくないバッテリの漏洩を引き起こすことがある。従って、このバッテリ内での支持ピンの使用、及び本明細書で論じた結果として生じる内部手法は、内骨格を有するバイポーラバッテリの構築と称することができる。バッテリ内の圧縮応力の望ましくない影響に対処するために、（外骨格構築手法を使用することと比較して）内骨格構造または構築手法を使用することの特徴は、体積当たりのエネルギー密度の低下をもたらさないことである。さらに、活物質の損失をほとんど伴わない数少ない軽量のピンを使用する軽量な手法である。さらに、内骨格構築手法は、縁部の剥離によって生じる従来のバイポーラバッテリ故障モードの可能性を大幅に低減することが分かっている。さらに、所望する場合、フレーム部材の周囲または縁部にピンを追加して、分離フレーム部材を位置決めすることにより、圧縮中に上下前後に滑動することが可能になる。所望する場合、バイポーラバッテリは、内骨格と外骨格構築手法との組み合わせを用いて構成することができる。例えば、バイポーラバッテリは、上述した内部支持ピンを使用して構成することができる。これに加えて、モノポーラの端子側にフレーム構造を配置することもできる。この外部バッテリ構造は、審美的なボックスの一部としてエンドカバーで補強されることができる。このような構造において内骨格と外骨格を組み合わせた特徴は、協働して最大縁部応力及び変位がさらに低減されることである。バイポーラバッテリはまた、外骨格構造を実質的に全く有さないものとすることもできる。一実施形態では、バッテリプレート用の基板は、基板の周縁部の周りに隆起した縁部を有することができ、縁部は電解質を含むキャビティのためのペーストフレーム、及び利用するときに互いにシールし、外側膜をシールする任意選択的なセパレータとして機能する。
【００３１】
モノポーラ及びバイポーラプレートのスタックの縁部は、膜に付着していてもよい。膜は、プレートの縁部をシールして電気化学セルを隔離する任意の手段によってプレートの縁部に接合されてもよい。例示的な接合方法としては、とりわけ接着剤接合、溶融接合、振動溶接、ＲＦ溶接、及びマイクロ波溶接が挙げられる。膜は、ポリマー材料のシートであり、この材料はモノポーラ及びバイポーラプレートの縁部をシールすることができ、電解質への露出、及びバッテリが内部及び外部にさらされた状態に耐えることができる。バイポーラプレートの基板に有用な同じ材料を膜に利用してもよい。膜は、モノポーラ及びバイポーラプレートの基板の周りに溶融接合、振動溶接または成形することができる熱可塑性ポリマーであってもよい。同一の熱可塑性ポリマーを、モノポーラ及びバイポーラ基板及び膜に利用することもできる。例示的な材料として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ及びポリエステルが挙げられるが、ＡＢＳが最も好ましい。膜は、それらが接合されるスタックの側面の寸法であってもよく、膜は、スタックの各側面に接合される。隣接する膜の縁部はシールされていてもよい。縁部は、接着剤、溶融接合または成形プロセスを使用してシールされることができる。膜は、スタックの全周囲を包む単一の一体型シートを含んでもよい。膜の前縁、スタックに接触した第１の縁、及びスタックの後縁、適用された膜シートの端部は、シールを完成させるために互いに接合されてもよい。これは、接着剤の使用、溶融接合または成形プロセスによって行うことができる。溶融接合では、膜の表面及び／またはスタックの縁部は、一方または両方の表面が溶融し、次いで表面が溶融している間に膜及びスタックの縁部が接触する状態にさらされる。膜及びスタックの縁部は、表面が凍結して構成要素を共にシールすることができる接合を形成する形で接合する。膜は、膜材料の連続シートから取り出され、所望の長さに切断されることができる。膜の幅は、モノポーラ及びバイポーラプレートのスタックの高さと一致してもよい。膜は、モノポーラ及びバイポーラシートのスタックの縁部をシールしてセルを単離するのに十分な厚さを有する。膜はまた、スタックの縁部を取り囲む保護ケースとして機能することもできる。膜は、約１ｍｍ以上、約１．６ｍｍ以上または約２ｍｍ以上の厚さを有することができる。膜は、約５ｍｍ以下、４ｍｍ以下または約２．５ｍｍ以下の厚さを有することができる。膜がスタックの縁部に接合されるとき、電解質への露出及びセルの動作条件に耐え得る任意の接着剤を使用することができる。例示的な接着剤としては、プラスチックセメント、エポキシ、シアノアクリレート接着剤またはアクリレート樹脂が挙げられる。代替的に、膜は、バッテリプレートのスタックの一部または全部の周りにおいて、熱可塑性または熱硬化性材料の成形によって形成されてもよい。熱成形、反応射出成形、射出成形、回転成形、ブロー成形、圧縮成形等の既知の成形方法を用いることができる。膜は、バッテリプレートのスタックの一部または全部の周りで膜を射出成形することによって形成されてもよい。プレートのスタックの一部の周りで膜が形成される場合、膜はバッテリプレートの縁部の周り、またはバッテリプレート及びセパレータの周りに形成されてもよい。
【００３２】
シールされたスタックは、形成されたバッテリを保護するためにケース内に配置されてもよい。代替的には、スタックの端部のモノポーラプレート上の保護カバーと共に膜をバッテリのケースとして使用することができる。モノポーラプレートは、アノードまたはカソードの反対側表面に取り付けられた、または接合された適切な保護カバーを有することができる。カバーは、膜と同じ材料であっても、膜に接着接合または溶融接合され得る材料であってもよく、膜について記載された範囲内の厚さを有することができる。プレートの端部に取り付けられる場合、カバーは、オーバーラップ部分を有するポストを含む任意の機械式アタッチメントで取り付けられることができる。ケースは、バッテリプレートのスタック及び／またはモノポーラプレートの反対側の周りに膜を成形することによって形成されてもよい。
【００３３】
組立体は、カソードと接触している集電体から１つ以上の正極端子に電子を伝送するように適合された１つ以上の導電性導管をさらに含むことができる。典型的なバイポーラバッテリは、基板を介してセルからセルに電子を流す。基板は、少なくとも部分的に導電性材料を含むか、または基板を通る導電性経路を含むかのいずれかである。セルを含む回路が閉じられると、電子は基板を通ってセルからセルへ、そして正極端子へと流れる。組立体は、基板及びセルを介して電流導体へ、または集電体を介して電流導体へ、もしくはその両方で電子を流すことができると考えられる。開示された組立体は、アノードと接触する集電体または電流導体を負極端子に接触させる導電性導管をさらに有する。２つ以上のスタックを有する本明細書に開示されたバッテリでは、各スタックは、アノードに接触する集電体と負極端子とを接触する電流導体及び／または導電性導管、ならびにカソードに接触する集電体を正極端子と接触する電流導体及び／または導電性導管を有する。２つ以上のスタックからの導電性導管は、並列にまたは直列に配置されてもよい。並列回路は、互いに接続されていない２つ以上の回路を含む。直列回路は、電子が回路を順次流れるように配置された２つ以上の回路を含む。導電性導管が直列構成に配置される場合、バッテリは、１つの負極端子及び１つの正極端子のみを有することができる。導電性導管が並列構成に配置される場合、バッテリは、各回路が負極または正極端子の各々に接続する単一の正極端子及び負極端子を有することができる。代替的に、各回路は別個の負極端子及び正極端子を有してもよい。端子は、通常、バッテリに蓄えられた電気を利用する負荷に接続され得る。並列構成のカソードと接触する集電体と接触する電流導体及び／または導電性導管の各々は、別個の正極端子と接触させることができる。並列構成のアノードと接触する集電体と接触する電流導体及び／または導電性導管の各々は、別個の負極端子と接触させることができる。個々の端子は、接続された単一の正極端子及び負極端子のみが露出したままである膜によって覆われてもよく、覆われた負極端子は露出した負極端子に接続され、覆われた正極端子は露出した正極端子と接続される。
【００３４】
組立体は、一対以上の導電性端子の対を含み、各対は、正極端子及び負極端子に接続されてもよい。これら端子は、各バッテリスタックを負荷に接続するように構成されており、基本的に、セルで生成された電気を利用するシステムである。端子は、組立体内の導電性導管と接触している。組立体は、セルが危険な内部圧力に達すると、１つ以上のセルが圧力を解放するための圧力解放弁を含むことができる。圧力解放弁は、バッテリが使用されるシステムに損傷を与えるような方法での破滅的な破損を防止するように設計されている。一旦、圧力解放弁が解放されると、バッテリはもはや機能しなくなる。開示された組立体は、危険な圧力に達するとき、またはその前に組立体全体から圧力を解放する単一の逆止弁を含むことができる。
【００３５】
開示された組立体は、負荷に取り付けられ、セルを含む回路が形成される。電子は、端子へと流れ、そして負荷へと流れ、電気を使用するシステムへと流れる。この流れは、セルが電気を生成できる限り維持される。セルのスタックが完全に放電されると、バッテリはさらなる使用の前に充電ステップを経る必要がある。バイポーラプレート用基板が、その相変態温度よりも低いバッテリ組立体の動作温度で導電性材料混合物を含む場合、基板は、基盤の第１の表面と対向する第２の表面との間の材料混合物を介する導電性経路を有し、導電性材料混合物は導電性材料混合物の相変態温度より高い温度で、導電性経路を介する導電性を無効とする相変態を経る。これにより、不都合な結果が生じる前にバッテリの無効化が可能になる。一旦バッテリが放電されると、電子供給源を有する回路を形成することによって再充電され得る。充電中、電極は機能を変え、放電中のアノードはカソードになり、放電中のカソードはアノードになる。本質的に、電気化学セルは、放電と比較して反対方向に電子とイオンを流す。
【００３６】
開示された組立体は、以下のステップによって調製され得る。バイポーラプレート、デュアル極性プレート及びモノポーラプレート用基板は、形状に形成されるか、または切断される。基板が非導電性材料を含み、従来のバイポーラバッテリが組み立てられる場合、基板は複合基板に変換される必要がある。これを達成する手段は、孔を基板内に成形するか、または基板を機械加工して孔を形成するなどの基板を通る孔を形成する任意の既知の手段である。これら開口は、導電性材料、好ましくは上述したように、本明細書で所定の温度で溶融する導電性材料で充填される。金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔が利用される場合、基板の一方の面または両方の面に付着される。好ましくは、金属シートまたは金属箔は、上記で説明した接着剤、好ましくはニトリル系のゴムセメントを用いて基板に接合される。カソード及びアノードは、基板または金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔に取り付けられる。任意の標準的なカソードまたはアノードの取り付け方法を使用することで取り付けが容易になる。カソード及びアノードがペースト形態で使用される場合、ペーストは、基板または金属シート、スクリーン、ワイヤまたは箔に塗布される。ペーストが乾燥される。横方向チャネル用の孔は、基板、金属シートまたは金属箔、セパレータ、アノード、カソード、及び存在する任意の他の構成要素の中に予め形成されるか、または機械加工されていてもよい。スリーブ、インサート、ボス等を用いてチャネルを形成する場合には、それらはバッテリプレート及び／又はセパレータに挿入される。インサートが適所に成形される場合、インサートは既知の成形プロセスを用いて適所に成形される。次いで、各プレートにおいてアノードが別のプレートのカソードに面するように、構成要素が積み重ねられる。好ましくは、シートは、基板の縁部が他のフレーム構成要素の縁部に沿って位置合わせされるように積み重ねられる。一実施形態では、２つ以上のガイドピンまたはボルトを備えたプレートが、スタックを支持するために使用される。構成要素は、本明細書の開示と一致する適切な順序でガイドピンと共にプレート上に積み重ねられる。２つ以上の横方向チャネルが、位置決め用のピンまたはボルトに使用されてもよい。一旦スタックが完成すると、エラストマー膜またはスリーブが横方向チャネルに挿入され得る。チャネルがブッシュ、インサート、またはプレートの孔の間に位置するプラスチックスリーブでシールされている場合、チャネルの内部、孔の内部、スリーブインサート及び／またはブッシュの内部にコーティングが施されてもよい。プレートの孔の内部がねじ切りされる必要がある場合、それらは既知の技術を用いて組み立て前または組み立て後のいずれかにてねじ切りされる。その後、ポストがスタックに挿入され、オーバーラップ部分によってモノポーラプレートの反対側のシール面に固定される。オーバーラップ部分が機械式取付け構造である場合、そのような取付け構造はポストに固定される。ポストが適所に射出成形される場合、溶融熱可塑性材料がチャネルに挿入され、溶融材料のオーバーラップ部分がシール面上の両端に形成される。チャネルの表面はチャネル内部の表面が溶融するように加熱されてもよく、この実施形態では、注入された熱可塑性材料は、チャネル内部に良好に接合する。熱可塑性材料を冷却させる。別の実施形態では、チャネルはチャネル内に挿入される形状、及び各端部に形成されたオーバーラップ部分のために形状を有することができる。次に、２液型熱硬化性材料をチャネルに加え、硬化させてポストを形成させる。ポストが締まり嵌めによってチャネルに適合するように設計されている場合、ポストは適切な力で挿入される。ポストが安定的に固定されると、スタックはガイドピンから取り外され、ポストはガイドピンに使用されるためにチャネルに挿入され得る。
【００３７】
膜がスタックの縁面に適用される場合、膜またはスタックの縁部のいずれかまたは両方に接着剤が塗布され、膜及びスタックの縁部が接触してそれらを互いに接合する。膜は、接着剤が固化または硬化する間、既知の機械式手段を用いて適所に保持されてもよい。膜の縁部は、モノポーラプレートの反対側の表面上の他の膜シートまたは膜またはエンドプレートのシールされていない縁部にシールされ得る。シールは、接着剤または溶融接合によって行うことができる。或いは、膜は溶融接合によって取り付けることができる。溶融接合では、スタックの縁部及び縁部に接合される膜表面の両方が、膜またはスタックの構造的完全性に悪影響を与えることなく表面が溶融するような状態にさらされる。これは、それぞれを熱い表面、プラテン、高温の流体、空気、放射線、振動などに接触させ、次いで膜及びスタックの縁部を溶融表面に沿って接触させ、溶融表面を冷却して共に接合させることによって達成され得る。膜は、特定の縁部に適合するように切断されてもよく、またはスタックの縁部に巻き付けられた連続シートであってもよい。この実施形態では、膜の前縁と後縁は、好ましくは溶融接合によって、それらが合致するところで互いに接合される。膜は、存在する場合には、モノポーラプレートの外側表面上の膜またはエンドプレートにシールされてもよい。ケースが使用される場合、組立体はケースに挿入されてもよい。好ましくは、膜はケースとして機能する。溶融接合の実施形態では、スタックの膜及び端部がそれぞれの表面が溶解し、溶融し、それぞれの表面が溶解するのに十分な時間にわたって溶融した温度または状態にさらされる。選択される温度は、好ましくは、膜及び／または基板及び他の任意の構造的構成要素において使用される材料の融解温度より高い。好ましくは、使用される温度は約２００℃以上、より好ましくは約２２０℃以上、最も好ましくは約２３０℃以上である。好ましくは、使用される温度は約３００℃以下、より好ましくは約２７０℃以下、最も好ましくは約２４０℃以下である。
【００３８】
フレーム及び／またはインサートは、以下のステップを使用して、セパレータまたはバッテリプレート基板の中または上に成形され得る。セパレータシートを（ダイスパンチ、スリット、スタンピングなどによって）寸法に切断する。必要な厚さを満たすように１枚以上のシートを積み重ねる。シートを固定位置に設置する金型内にシートを設置する。金型は、セパレータの周りの周縁フレーム、及び必要に応じて、横方向チャネル（例えば、ブッシュ）の周りの任意の内部形状を形成する。さらに、金型は、セパレータ材料を過度に圧縮しないように、またプラスチックがセパレータ材料を損傷するのを防止するように設計される。プラスチックが金型に注入され、プラスチックが冷却すると部品が排出される。
【００３９】
膜は、以下のステップを利用してバッテリスタックの一部または全部の周りに成形され得る。バッテリの構成部品は、適切な順序（エンドプレート、モノポーラプレート、セパレータ、バイポーラプレート等）で積み重ねられる。積み重ねられた各構成要素の横方向の孔を通してガイドロッドを使用することによって、スタックの位置決めを確実にすることができる。次いで、積み重ねられた組立体は、凸状の金型キャビティ、凹状の金型キャビティ、バッテリの本体用のインサート金型キャビティ（代替的に、スライドドアが射出成形において一般的であるように使用され得る）、及び凹状の金型キャビティまたは凸状の金型キャビティのいずれかに配置された格納可能なガイドピンで構成される金型内へと移送される。積み重ねられた組立体は、格納可能なガイドピン上に移され、位置決めを確実にして維持される。次いで金型を閉じて組立体を圧縮する。次いで、プラスチックが注入され、バッテリの外側膜を形成し、構成要素及びエンドプレートをシールする。次いで、ガイドピンを格納し、横方向チャネルを充填するプラスチックの第２のショットを注入し、注入したプラスチックをエンドプレートに固定する。一旦冷却されると、バッテリは金型から排出される。
【００４０】
組立体は、１つ以上の電気化学セルに通じる１つ以上のベント孔をさらに含むことができる。ベント孔は、ガスを電気化学セルから排出させて、液体をセル内へ動かすように適用される圧力、またはベント孔を介してセル内へ電解質を引き込むように電気化学セルに適用される真空のいずれかを用いて液体電解質が電気化学セルへ導入されるようにする。電解質が真空を用いて導入される実施形態では、各セルは２つのベント孔を有することができ、真空が一方のベント孔に適用され、電解質を他方のベント孔からセルに引き込まれるようにする。ベント孔は、マニホールド及びチャネルの任意の組み合わせと接触していてもよい。ベント孔は、各電気化学セルと接触していてもよい。ベント孔は、各セルのバッテリセパレータと接触していてもよい。組立体はマニホールドを含むことができる。１つ以上のベント孔は、マニホールドと接触していてもよく、マニホールドは、全てのベント孔に対して共通のヘッドスペースを形成してもよい。マニホールドには、１つ以上のポートが形成されており、逆止弁のような１つ以上の弁が当該マニホールドポートに配置され得る。バッテリは、充填弁をさらに備えることができる。充填弁は、マニホールド内に配置されてもよく、または横方向チャネルに接続されてもよい。当該物品は、１つ以上の一体化された充填チャネル及び／またはベントチャネルをさらに備えることができる。このようなチャネルは、バッテリスタックの中心付近に形成され、セパレータが配置されているカソードとアノードとの間の領域と連通しており、当該領域は電解質が添加されると電気化学セルを形成する。チャネルは、組立前にセパレータ及びバッテリプレートに孔またはスロットを形成し、次いで孔またはスロットを位置決めすることによって形成することができる。チャネルが電気化学セルとしての使用に適合した領域と連通する限り、横方向チャネルに関して本明細書で論じたように、インサート、スリーブまたはボスを使用することができる。好ましくは、チャネルは、２つの場所でバッテリスタックの外側と連通する。これにより、バッテリを電解質で充填することが容易になる。電気化学セルに電解質を充填した後、開口の１つを充填または閉鎖することができる。もう一方の開口は、バッテリ及び電気化学セルをベントするために使用される。充填中に、１つの外部孔に真空が引き込まれ、電解質が他の孔を通して引き込まれる。或いは、単一の孔が使用され、電気化学セルが本明細書で後述するように充填される。本実施形態では、一旦、シールされたバッテリが形成されると、単一の孔またはポート上に真空引きが行われ、セル内に低圧環境が作り出される。電気化学セル内の圧力は、５０Ｔｏｒｒ以下であってよく、または１０Ｔｏｒｒ以下であってもよい。次いで、真空が切り離され、電解質供給源が孔またはポートに接続され、電解質はセル内の低圧力のためにバッテリを急速に満たす。真空装置と電解質供給源とは、効率的な方法で真空から電解質供給源への切り替えを行うことができるように、切り替え可能な弁を介して接続され得る。当該システムは、電気化学セルと接触するボス、インサートまたはスリーブの切り欠きなどのベント孔を有するスリーブ、インサート及び／またはボスからの１つの横方向チャネルが形成される場合に利用することができる。当該システムは、電気化学セルを未使用の電解質で充填することをも可能にする。これらの条件下での充填は、約６００秒以下または約３００秒以下で行うことができる。充填後に、逆止弁、ポップ弁、圧力開放弁などの弁を残りの孔に挿入することができる。チャネルは、スタックの組み立て後に予めねじを切ったりタップしたりすることができる。
【００４１】
組み立て後、必要な場合、ベント孔はシールされた膜を通して、吸収性ガラスマットセパレータの厚さの中心に位置する各セルまでドリル穿孔され得る。次いで、マニホールドがバッテリ組立体の上部に取り付けられ、ベント孔の上に共通のヘッドスペースが形成される。マニホールド内には単一のポートが製作されてもよい。単一マニホールドポートは、真空パージポート及び電解質充填ポートとして使用され得る。真空は、約２９インチＨｇのような低圧まで真空ポンプを介してマニホールドポートに適用され、次いで、真空源の弁が遮断され、電解質の供給源に接続された充填弁が開かれ、電解質がバッテリのすべてのセルを同時に充填することを可能とする。ベント孔はフレームが加工または成形されるときに、セパレータの周りのフレーム内に形成されてもよい。セパレータのフレーム及びバッテリプレートに使用される基板に予めドリル穿孔するか、孔を形成することによって、一体型ベントチャネルを形成することができる。これらの孔は位置合わせされてチャネルを形成することができる。このチャネルは電気化学セルと連通するベント孔と連通することができる。一体型ベントチャネルは、横方向チャネルの１つであってもよく、当該横方向チャネルは電気化学セルの各々と連通するベント孔を有する。各電気化学セルと連通するベント孔を備えた２本の一体型チャネルがあってもよい。一体型チャネルの形成は、電気化学セルごとにベント孔を備えた横方向チャネル内に膜またはインサートを設けることによって実現することができる。当該チャネルは、ベント孔を備えたインサート、スリーブまたはボスから形成されてもよく、または電気化学セルと連通するベント孔を形成してもよい。一体型チャネルは、電解質の逆流を防止するために加圧されてもよい。一体型チャネルは、組立体の内部圧力を制御する弁で終端されてもよい。使用前に、電気化学セルに電解質を充填するためにチャネルが使用され得る。弁はエンドプレートの１つに配置されてもよい。チャネルは弁の挿入のために組立後にねじ切りされてもよく、または組立前に予めねじ切りされてもよい。弁は挿入及び保持のための任意の既知の手段を用いて挿入及び保持されてもよい。本明細書で開示される物品に使用される構成要素のいくつかは、開示された他の構成要素に隣接して配置されるように適合される。他の構成要素に対して配置されるように設計された構成要素は、当該構成要素を互いに適切な関係に保持するための当該技術分野で既知の構成要素または技術を有するか、または利用することができる。互いに関係して構成要素を保持するために使用される特定の構成要素または技術は、本開示の組立体を設計または組み立てる当業者の構成要素、関係性及び設計の選好に基づいて選択される。
【００４２】
組立体は約２０ｐｓｉ以上、約５０ｐｓｉ以上、及び約１００ｐｓｉ以下の内部圧力による漏洩や反りを伴うことなく、１０ｐｓｉ以上の内部圧力に耐えることができる。組立体は約６〜約１０ｐｓｉの内部圧力に耐えることができる。組立体は１キログラム当たり約３４ワット時、１キログラム当たり約４０ワット時、または１キログラム当たり約５０ワット時のエネルギー密度を提供することができる。本開示の組立体は６、１２、２４、４８または９６ボルトなど、任意の所望の電圧を生成することができる。実用上の上限は約２００ボルトであるが、電圧は高くなることがある。
【実施例】
【００４３】
以下の図は、本明細書の教示のいくつかの実施形態を図示する。図１は、バッテリプレートのスタック１０の側面図を示す。多数のモノポーラ及びバイポーラプレート基板１１が示されている。各バイポーラプレート基板１１に隣接してアノード１２及びカソード１３が配置されている。各セルのアノード１２とカソード１３との間には、吸収された電解質を有する吸収性ガラスマットを含むセパレータ１４が配置されている。また、横方向チャネル１６内に配置されたゴムチューブを含むチャネルシール１５も示されている。チャネルシール１５のゴムチューブ内の横方向チャネル１６内には、ねじ付きボルトの形態であるポスト１７がある。ポスト１７の端部には、ボルトヘッド１８及びナット１９の形態であるオーバーラップ部分がある。モノポーラプレート４３及びバイポーラプレート４４の基板の縁部は、フレーム２０である。
【００４４】
図２は、モノポーラプレート４３の基板１１の反対面端部上に配置されたエンドプレート２５を示す。シール２２がポスト１７上のナット１９とモノポーラプレート反対面２４上のシール面２３との間に配置される。
【００４５】
図３は、バイポーラ基板のスタックの縁部の周りに膜を適用することを示している。ボルト１７の端部上で離間した４つのボルトヘッド１９とともにエンドプレート２５が示されている。スタックの各端部にあるエンドプレート２５が示されている。基板１１の周りにはフレーム２０が配置されている。セパレータ３４のフレームは、基板２０のフレームの間にある。膜２７は、熱２６及び圧力２８の発生源を使用して基板フレーム２０及びセパレータフレーム３４に適用され、膜２７を基板フレーム２０及びセパレータフレーム３４のスタックの縁部をシールする。
【００４６】
図４は、セパレータフレーム３４を散りばめた基板フレーム２０を有するバッテリプレートのスタック１０を備えたバイポーラバッテリ２９を示す。エンドプレート２５が示されており、その１つには４つの離間したナット１９が示されている。セルにドリル穿孔されたベント孔３０、及びベント孔３０を覆いベント孔３０用の共通のヘッド空間を形成するように適合されたマニホールド３１も示されている。共通のヘッドスペース（図示せず）と接触するマニホールド３１上に配置された逆止弁３２も示されている。バイポーラバッテリ２９の負極端子及び正極端子である２本の端子ポスト３３も示されている。
【００４７】
図５は、セパレータ１４、成形された一体型フレーム３４、及び４つの成形されたインサート３５を示す。成形されたインサート３５は、横方向チャネル１６の一部を形成するように適合された成形されたインサート孔３７の周りに配置されている。フレーム３４は、吸収性ガラスマット３６の周りに配置されている。
【００４８】
図６は、エンドプレート２５上に配置された成形されたポスト３８及び成形されたヘッド４７を示す。
【００４９】
図７及び図８は、バッテリプレート及びセパレータプレートのスタックを示す。図７は、バッテリプレート及びセパレータの部分的に分解されたスタックを示す。端子孔４２を有するエンドプレート２５、及びボルトとナット１９の形態のポスト１７用の孔３９が示されている。隆起した縁部を有するフレーム２０を備えたモノポーラプレート４３がエンドピースに隣接している。モノポーラプレート４３は、横方向チャネル１６を形成するために使用される孔、及び孔内のポスト１７を取り囲む隆起したインサート４１を有する。周縁部にフレーム３４を有するセパレータ１４、及び中央部分を含む吸収性ガラスマット３６がモノポーラプレート４３に隣接している。横方向チャネルを形成するための成形された挿入孔３７を囲む成形されたインサート３５が示されている。隆起した表面を有したフレーム２０を周縁部に有するバイポーラプレート４４、横チャンネル１６を形成するように持ち上げられた隆起したインサート４１がセパレータ１４に隣接している。隆起したインサート４１は、横方向チャネルのための隆起した挿入孔４０を形成する。図８は、バッテリプレート及びセパレータのスタックを示す。エンドプレート２５、バッテリプレート基板フレーム２０、セパレータフレーム３４、ポスト１７、ポスト１７の周りのナット１９が示されている。エンドプレート２５内の端子孔４２の中にはバッテリ端子３３が設けられている。
【００５０】
図９は、本明細書の教示の組立体の別の実施形態を示す。エンドプレート２５上のポスト１７及びナット１９、端子３３が中に配置された端子孔４２、及びマニホールド３１及び逆止弁３２が示されており、バッテリの周囲には膜２７が配置されている。
【００５１】
図１０は、横方向チャネルを通るＡ−Ａ線によって示される平面に沿った断面図を示す。基板１１を有するモノポーラプレート４３、及び基板１１の端部にフレーム２０を有するカソード１３が示されている。モノポーラプレート４３上のカソード１３に隣接して、各端部にフレーム３４を有するセパレータ１４がある。セパレータ１４に隣接して、アノード１２を有するバイポーラプレート４４がある。アノード１２は基板１１上に配置され、基板１１の反対側の表面上にカソード１３があり、この図の端部にはフレーム２０が配置されている。この図では、記載されているように配置された多数のバイポーラプレート４４がある。バイポーラプレート４４の間にはセパレータ１４がある。スタックの反対側の端部には、基板１１を有するモノポーラプレート４３があり、この図では端部にフレーム２０が示され、隣接するセパレータ１４に対向するアノード１２が示されている。一対のバッテリプレートは、セパレータ１４がセル内に配置された電気化学セルを形成する。チャネルシール１５及びその中に配置されたポスト１７を有する横方向チャネル１６、ならびにポスト１７の端部のナット１９も示されている。
【００５２】
図１１は、図９の組立体のスタック端部の部分断面図を示し、Ｂ−Ｂ線に沿ったベント孔を示す。
【００５３】
図１２は、ベント孔３０を通り電気化学セルに接続するＣ−Ｃ線に沿った図９の組立体の断面図を示す。各電気化学セルのためのベント孔３０が示されている。
【００５４】
図１３は、組立体のエンドプレート２５内に弁５０を備えた本明細書の教示である組立体の別の実施形態を示す。弁５０は、一体型チャネル４６と連通している。一体型チャネル４６はベント孔と連通している。
【００５５】
図１４は、電気化学セルへのベント孔４５と連通する一体型チャネル４６を有する図１３の組立体のＥ−Ｅ線に沿った断面図を示す。一体型チャネル４６は、スタックの端部で弁５０と連通している。
【００５６】
図１５は、電気化学セルへのベント孔３０と連通する一体型チャネル４６を通る図１３の組立体のＤ−Ｄ線に沿った断面図を示す。
【００５７】
図１６は、孔３７を有する成形されたインサート３５の１つにベント（ベント孔）５１を含んでいる図５及び図７に示す吸収性ガラスマット３６を有するセパレータ１４を示している。ベント５１は、孔３７とセパレータの吸収性ガラスマット３６との間で連通している。セパレータ１４の周りのフレーム３４も示されている。図１６の切り出し部分は、孔３７とベント５１とを有するインサート３５の拡大図を示しており、ベント５１は孔３７とセパレータ１４の吸収性ガラスマット３６との間で連通している。
【００５８】
図１７は、孔３７と吸収性ガラスマット３６との間で連通するベント５１を備えたインサート３５を有するセパレータ１４から切り出した側面図を示す。
【００５９】
図１８は、セパレータ１４の一部がそれらの間に配置された２枚のバッテリプレート１０の一部を示す。バッテリプレート内のインサート４７及びセパレータ３５は、それらの孔４０及び３７が、それぞれベント／充填チャネル４６の一部を形成するように位置合わせされる。バッテリプレート１０の基板１１、アノード１２及びカソード１３が示されている。
【００６０】
図１９は、導電性基板プレート１１上に堆積されたアノード１２及びカソード１３を有するデュアル極性バッテリプレート６１を示す。プレートを横切る電子の流れを防止する非導電性基板５７を有するデュアル極性バッテリプレートが示される。非導電性基板５７の各表面上には導電性基板６０があり、それらの各々が反対面に集電体５９を含み、集電体５９は導電性基板６０上に配置されたアノード１２とカソード１３の間に配置される。正極電流導体５６は、非導電性基板５７とカソード１３に接続された導電性基板６０との間に配置される。負極電流導体５５は、非導電性基板５７とアノード１２に接続された導電性基板６０との間に配置される。導電性基板６０と、アノード１２及びカソード１３との間には、集電体５９が示されている。
【００６１】
図２０は、バイポーラバッテリプレート４４を備えた２つのバッテリプレートのスタック１０、及び導電性基板プレート１１上に堆積されたアノード１２及びカソード１３を有するバイポーラバッテリ６２を示す。２つのバッテリプレートのスタック１０の間に配置された図１９に記載されているデュアル極性バッテリプレート６１が示されている。バッテリプレートのスタック１０は、本明細書で説明されるバッテリプレート４４を含む。バッテリスタック１０は、並列に配置されている。負極電流導体５５は、負極導電性導管５８によって接続されている。アノードモノポーラプレート４３に接続された負極導電体５６は、バッテリの負極端子としても機能する。正極電流導体５６は、導電性導管６３によって接続されている。カソードモノポーラプレート４３に接続された正極導電体５６は、バッテリの正極端子としても機能する。導電性導管６３は、負極電流導体５５を接続する。本図はまた、２つのバッテリプレートのスタックの各終端にあるモノポーラプレート４３、及びバッテリ表面の周りに配置された膜２７を示している。負極電流導体５５及び正極電流導体５６は、膜２７を貫通している。セパレータ１４によって画定された電気化学セル内に配置されたセパレータ１４と連通するベント孔３０を有する横方向チャネル１６は本図に示されていない。負極電流導体５５及び正極電流導体５６は、膜２７を貫通している。
【００６２】
図２１は、３つのバッテリプレートのスタック１０を有するバイポーラバッテリ６２を示す。２つのバッテリプレートのスタック１０は、各端部においてモノポーラバッテリプレート４３で終端されたバイポーラバッテリプレート４４を含む。２つのデュアル極性バッテリプレート６１がバッテリプレートのスタック１０の間に配置される。バッテリプレートのスタック１０は、直列に配置される。各デュアル極性プレート６１の負極電流導体５５は、導電性導管６３によって、同じデュアル極性バッテリプレート６１の正極電流導体５６に接続されている。負極導電体５５は、アノード１２を有するモノポーラバッテリプレート４３と接触しており、バッテリの負極端子としても機能する。正極導電体５６は、カソード１３を有するモノポーラバッテリプレート４３と接触しており、バッテリの正極端子としても機能する。
【００６３】
図２２は、並列に接続された３つのバッテリプレートのスタック１０を有するバイポーラバッテリ６２を示す。バイポーラバッテリ６２は、膜２７で包まれている。対向する端部に位置する２つのバッテリプレートのスタック１０は、モノポーラバッテリプレート４３で終端されたバイポーラプレート４４のスタックを含む。バッテリプレートの内側スタック１０は、バイポーラバッテリプレート４４のスタックを含む。各バイポーラバッテリプレート４４は、バイポーラプレート４４の基板１１の対向する側に配置されたアノード１２及びカソード１３の両方を含む。それぞれのアノード１２とカソード１３との間には、セパレータ１４が配置されている。一方のモノポーラバッテリプレート４３は、基板１１上にアノード１２を含み、他方のモノポーラバッテリプレート４３は、基板１１上にカソード１３を含む。バッテリプレートのスタック１０の間には、２つのデュアル極性バッテリプレート６１が配置されている。一方のデュアル極性バッテリプレート６１は、デュアル極性バッテリプレート６１の両側にカソード１３を含む。他方のデュアル極性バッテリプレート６１は、デュアル極性バッテリプレート６１の両側にアノード１２を含む。各デュアル極性バッテリプレート６１は、２つの導電性基板６０の間に配置された非導電性基板５７を含む。両面にアノード１２を有するデュアル極性バッテリプレート６１は、負極導電体５５を含む。アノード１２を有する基板１１を有するモノポーラプレート４３はまた、負極導電体５５を含む。負極導電体５５は、負極導電性導管５８を介して接続されている。両面にカソード１３を有するデュアル極性バッテリプレート６１は、正極導電体５６を含む。カソード１３を備えた基板１１を有するモノポーラプレート４３はまた、正極導電体５６を含む。正極導電体５６は、正極導電性導管５９を介して接続されている。モノポーラプレート４３の正極導電体５６及び負極導電体５５は、正極導電体５６が正極端子を形成し、負極導電体５５が負極端子を形成するように膜２７を貫通して突出する。
【００６４】
図２３は、並列に接続された３つのバッテリプレートのスタック１０を有するバイポーラバッテリ６２を示す。バイポーラバッテリ６２は、膜２７で包まれている。対向する端部に位置する２つのバッテリプレートのスタック１０は、モノポーラバッテリプレート４３で終端されたバイポーラプレート４４のスタックを含む。バッテリプレートの内側スタック１０は、バイポーラバッテリプレート４４のスタックを含む。各バイポーラバッテリプレート４４は、バイポーラプレート４４の基板１１の対向する側に配置されたアノード１２及びカソード１３の両方を含む。それぞれのアノード１２とカソード１３との間には、セパレータ１４が配置されている。一方のモノポーラバッテリプレート４３は、基板１１上にアノード１２を含み、他方のモノポーラバッテリプレート４３は、基板１１上にカソード１３を含む。バッテリプレートのスタック１０の間には、２つのデュアル極性バッテリプレート６１が配置されている。一方のデュアル極性バッテリプレート６１は、デュアル極性バッテリプレート６１の両側にカソード１３を含む。他方のデュアル極性バッテリプレート６１は、デュアル極性バッテリプレート６１の両側にアノード１２を含む。各デュアル極性バッテリプレート６１は、導電性基板６０を含む。両面にアノード１２を有するデュアル極性バッテリプレート６１、及びアノード１２を有するモノポーラプレート４３は、それぞれ負極導電体５５を含む。負極導電体５５は、負極導電性導管５８を介して接続されている。両面にカソード１３を有するデュアル極性バッテリプレート６１、及びカソード１３を有するモノポーラプレート４３は、それぞれ正極導電体５６を含む。正極導電体５６は、正極導電性導管５９を介して接続されている。モノポーラプレート４３の正極導電体５６及び負極導電体５５は、正極導電体５６が正極端子を形成し、負極導電体５５が負極端子を形成するように膜２７を貫通して突出する。
【００６５】
図２４は、並列に接続された２つのバッテリプレートのスタック１０を有するバイポーラバッテリ６２を示す。バイポーラバッテリ６２は、膜２７で包まれている。バッテリプレートのスタック１０は、それぞれモノポーラバッテリプレート４３で終端されたバイポーラプレート４４のスタックを含む。各バイポーラバッテリプレート４４は、バイポーラプレート４４の基板１１の対向する側に配置されたアノード１２及びカソード１３の両方を含む。それぞれのアノード１２とカソード１３との間には、セパレータ１４が配置されている。モノポーラバッテリプレート４３の両方は、基板１１上にアノード１２を含む。バッテリプレートのスタック１０の間には、デュアル極性バッテリプレート６１が配置されている。デュアル極性バッテリプレート６１は、デュアル極性バッテリプレート６１の両側にカソード１３を含む。デュアル極性バッテリプレート６１は、導電性基板６０を含む。アノード１２を備えた基板１１を有するモノポーラプレート４３の両方は、負極導電体５５を含む。負極導電体５５は、負極導電性導管５８を介して接続されている。負極導電体５５の１つは膜２７から突出し負極端子を形成する。両面にカソード１３を有するデュアル極性バッテリプレート６１は、正極導電体５６を含む。正極導電体５６は膜２７から突出し正極端子を形成する。
【００６６】
＜例示的な実施形態＞
以下の実施例は、本開示の教示を説明するために提供されるが、それらの範囲を限定することを意図するものではない。特に指示しない限り、すべての部及び百分率は、重量による。
【００６７】
＜実施例１＞
１２Ｖのバイポーラバッテリは、２つのモノポーラプレート（正極及び負極）及び５つのバイポーラプレートを使用して構築される。これらプレートは、本明細書、及び共有される特許出願であるアドバンスト  バッテリー  コンセプツ  エルエルシー（発明者  エドワード  オー．シャッファー，ツー他）による「バイポーラバッテリ組立体（Bipolar Battery Assembly）」と題された米国特許第８，３５７，４６９号に記載されている方法を用いて製造される。プレートは、負極活物質及び正極活物質として標準的な鉛酸活性材料を用いて貼り付けられる。バッテリは、本明細書、及び共有される特許出願であるアドバンスト  バッテリー  コンセプツ  エルエルシー（発明者  エドワード  オー．シャッファー，ツー他）による「バイポーラバッテリ組立体（Bipolar Battery Assembly）」と題された米国特許出願公開第２０１４／０３４９１４７号に記載されている方法を用いて組み立てられる。バッテリは、同米国特許出願公開第２０１４／０３４９１４７号に記載されているように、各セル内の正極及び負極の活物質の間に配置された標準的吸収性ガラスマットセパレータ材料を使用する。バッテリは、同米国特許出願公開第２０１４／０３４９１４７号に記載のプロセスを用いて１．３０５ｇ／ｃｃの硫酸で充填される。バッテリは、鉛酸バッテリの一般的な形成プロセスを用いて形成される。形成の最後に、バッテリを１．３６３ｇ／ｃｃの硫酸で補充して１３．２５Ｖの公称開セル電圧を生じる。
【００６８】
＜実施例２＞
第２のバッテリは、実施例１と同一のプロセス及び材料を使用して構築される。本実施例では、バッテリは、２つのモノポーラプレート（１つの正極、１つの負極）、１０枚のバイポーラプレート、及び１つのデュアル極性プレートを使用して構築される。スタックは、１つの正極のモノポーラプレート、５つのバイポーラプレート、１つのデュアル極性プレート、５つのバイポーラプレート及び１つの負極のモノポーラプレートからなる。ここでは、バッテリ内の活物質の総量は実施例１と同量である。本実施例のデュアル極性プレートは、銅タブをバイポーラ電極の負極側に取り付けること、銅タブを第２のバイポーラ電極の正極側に取り付けること、２つのバイポーラ電極と非導電性層を２つのバイポーラ電極の間で組み立てることによって、銅タブが非導電性プレートに取り付けられた電極の側にあるように組み立てられる。タブは、セルの外側に接続されるようにバイポーラ電極を通って延在する。正極活物質をデュアル極性プレートの第１のバイポーラ電極の正極導電性面に貼り付け、負極活物質をデュアル極性プレートの負極導電性面に貼り付ける。その結果、デュアル極性プレートは両側に配置された正極及び負極の両方の活性物質を有し、非導電性プレートの存在により活物質が互いに電気的に絶縁されるという点を除くと、標準的なバイポーラプレートに類似する。さらに、銅タブがバイポーラバッテリを越えて延在することで、２つ以上のバッテリスタックへの電気的連通を可能にする。実施例１の場合と同様に、プレートは同一の活物質レシピで貼り付けられるが、本実施例では２倍の枚数のプレートがあるので、プレート当たりの重量は半分となる。実施例１と同様に、吸収性ガラスマット材料が各セルの正極及び負極の活物質の間に配置されるが、ペーストと同様に厚さは半分となる。次いで、スタックが実施例１と同様に組み立てられる。実施例１と同じ手順を用いて、すべてのセルに対して１．３０５ｇ／ｃｃの硫酸を同時に充填する。形成プロセスは同じであり、バッテリは形成の最後に１．３６３ｇ／ｃｃの硫酸が補充される。形成後、正極モノポールに取り付けられた正極端子は、デュアル極性プレートの正極タブと接続され、負極モノポールに取り付けられた負極端子は、デュアル極性プレートの負極タブと接続される。その結果、２つのスタックは、両方のスタック用の共通の弁口を有する単一のバッテリケース内で並列に接続される。
【００６９】
次いで、実施例１及び実施例２の２つのバッテリを測定し、試験した。その結果を表１に示す。両方のバッテリは、ほぼ同一サイズであり、実施例２は、追加の非導電性プレート及びタブ／端子のためにわずかに重くなっている。確認できるように、２０時間率で両方のバッテリは同様の容量を有する。しかし、実施例２のバッテリでは電力はほぼ３倍になっている。
【００７０】
【表１】
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【００７１】
＜実施例３＞
実施例３は、従来のバイポーラバッテリ構造を用いてモデル化され、バッテリ  カウンシル  インターナショナル（Battery Council International）によって規定されたグループ３１バッテリの特定された性能を達成する。典型的なグループ３１バッテリを表２に示す。電圧容量とコールドクランキング電流（ＣＣＡ）を一致させるために、従来のバイポーラバッテリ構造は、薄い活物質とセパレータを備えた広い表面積のプレートを有する。これにより、ＢＣＩが市場での認可を制限するグループ３１として規定するサイズから外れることになる。
【００７２】
＜実施例４＞
実施例４は、本特許出願に記載されているようなデュアルプレートバイポーラバッテリ構造を用いてモデル化され、バッテリ  カウンシル  インターナショナルによって規定されたグループ３１バッテリの特定された性能を達成する。このバッテリのセル設計（例えば、ペーストの種類、厚さ、吸収性ガラスマット種類の厚さ、酸の種類等）は、実施例３と同じである。その結果を表２に示す。確認できるように、開示された構造を使用して、性能及びサイズの両方においてグループ３１バッテリ仕様を満たすバイポーラバッテリを構築することが可能である。これは従来のバイポーラモノブロックでは達成できないものである。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
本明細書の教示の例示的な実施形態が開示されている。当業者であれば、変更が本出願の教示の範囲内に含まれることを認識する。上記の出願に列挙されたいかなる数値も、低い値から高い値までの間に少なくとも２単位の分離が存在するならば、１単位の増分で低い値から高い値までのすべての値を含む。列挙された最低値と最高値との間の数値の可能な組み合わせのすべては、本出願において明示的に述べられていると考慮されるべきである。特に明記しない限り、すべての範囲には、両方の端点と端点間のすべての数値が含まれる。範囲に関連する「約（about）」または「約（approximately）」の使用は、範囲の両端に適用される。従って、「約２０〜３０」は、少なくとも指定された端点を含めて「約２０〜約３０」を包含することを意図している。組み合わせを説明するための用語「から本質的になる」は、特定された要素、成分、構成要素またはステップ、ならびにその組み合わせの基本的及び新規な特性に実質的に影響を及ぼさない他の要素成分、構成要素またはステップを含むこととする。本明細書の要素、成分、構成要素またはステップの組み合わせを記述するために「含む（comprising）」または「含む（including）」という用語を使用することは、要素、成分、構成要素またはステップから本質的になる実施形態も企図する。複数の要素、成分、構成要素またはステップは、単一の統合された要素、成分、構成要素またはステップによって提供され得る。或いは、単一の統合された要素、成分、構成要素またはステップは、別個の複数の要素、成分、構成要素またはステップに分割されてもよい。要素、成分、構成要素またはステップを説明するための「ａ」または「ｏｎｅ」の開示は、追加の要素、成分、構成要素またはステップを排除することを意図するものではない。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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