(57)【要約】  本発明は、リチウムベース負極と、集電体上に堆積した二硫化鉄を含むコーティングを有する正極と、ポリマーセパレータとを含むゼリーロール型電極アセンブリを有する１次電気化学セルに関する。特に、本発明は、セル容量を最適化して断続的使用試験での早期電圧低下を実質的に排除するセル設計に関する。得られるセルは、カソードストリップの最外縁部の終端端部の近くに／その下にリチウム厚み増加の領域を有する。【選択図】図２Ｃ
2013508893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルであって、
正及び負端子を有する円筒形容器と、
有機非水性電解質と、
本質的にリチウム又はリチウム合金ストリップから構成されるアノード、固体金属箔集電体の両側上に少なくとも部分的に被覆された二硫化鉄を含むカソード、及び該アノードと該カソードの間に配置されたセパレータを有する電極アセンブリと、
を含み、
前記アノード及び前記カソードは、前記セパレータ及び任意的な非活性成分を除き前記電極アセンブリの最外面の少なくとも５０％が該カソードによって覆われるように螺旋状に巻かれ、
前記最外面での前記カソードは、前記円筒形容器に対して実質的に軸線方向に向けられた終端縁部を含み、
前記アノードは、前記カソードの前記終端縁部の真下の厚み増加の局所区域を除き実質的に均一な厚みを有する、
ことを特徴とするセル。
【請求項２】
前記厚み増加の局所区域は、残りのアノードの厚みの少なくとも１５０％であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記厚み増加の局所区域は、ａ）前記軸線方向に向けられて前記カソードの前記終端縁部の真下で前記アノードの最外巻回に取り付けられ、第２のリードが前記電極アセンブリの前記最外面上の該アノードの該最外巻回に取り付けられたリチウム又はリチウム合金パッチ、及びｂ）該軸線方向に向けられて該アノードに取り付けられ、セルに対して該第２のリードとして作用するリチウム又はリチウム合金複合パッチ−リードから構成される群から選択された一方を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記パッチ又は前記複合パッチ−リードは、前記アノードの前記リチウム又はリチウム合金と該パッチ又は該複合パッチ−リードの前記リチウム又はリチウム合金との間の直接物理的接触を依然として許すように位置決めされた支持部材を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記支持部材は、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリエステルから構成される群から選択された少なくとも１つのポリマー材料から作られることを特徴とする請求項４に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記複合パッチ−リードは、前記電極アセンブリ内の前記アノードの内側巻回に存在し、かつそれに取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記パッチは、前記アノードの外向き側面に存在し、かつそれに取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記パッチは、前記軸線方向に沿って離間したリチウムの複数の個々の部分に存在し、かつそのように形成されることを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項９】
リチウム−二硫化鉄円筒形電気化学セルの放電容量を改善する方法であって、
カソードストリップによって覆われた少なくとも５０％であってセパレータ及び任意的な非活性成分を除く最外面を有する螺旋巻き電極アセンブリをリチウム−二硫化鉄電気化学セルに備える段階と、
アノードストリップに厚み増加の局所区域を作成し、該厚み増加の局所区域を前記電極アセンブリ内の前記カソードストリップの最外終端縁部の近くに位置決めする段階と、
前記セルを放電させる段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
厚み増加の局所区域を作成する前記段階は、前記カソードストリップの最外終端縁部の近くの前記電極アセンブリ内のアノードストリップにリチウム又はリチウム合金パッチを設ける段階を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
厚み増加の局所区域を作成する前記段階は、前記軸線方向に沿って離間したリチウムの複数の個々の部分を形成する段階を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電体上に堆積した二硫化鉄を含むコーティングを有する正極と、カソードストリップの最外縁部の終端端部の近く／その下に厚み増加の小領域を含むリチウムベースの負極と、ポリマーセパレータとを含むゼリーロール型電極アセンブリを有する１次電気化学セルに関する。より具体的には、本発明は、セル容量を最適化し、断続的使用試験での早期電圧低下を実質的に排除するセル設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルは、現在、費用効果の高い携帯可能な電力を幅広い種類の消費者向けデバイスに提供する好ましい方法である。消費者向けデバイスの市場では、僅かに一握りの標準化されたセルのサイズ（例えば、ＡＡ又はＡＡＡ）及び具体的な公称電圧（典型的には１．５Ｖ）を提供することが支配的である。更に、デジタルスチルカメラのような益々多くの消費者向け電子デバイスが、比較的高電力の作動要件で設計されている。これまでの市場の慣例として、消費者は、現在入手可能な充電式（すなわち、２次）バッテリと比較して１次バッテリをそれらの利便性、信頼性、持続的な保存寿命、及びより経済的な単位当たり価格のために使用することを多くの場合に好み、かつ選択する。
【０００３】
この状況の中で、１次（すなわち、再充電不能）バッテリの製造業者のための設計の選択肢が非常に制限されることが容易に明らかである。例えば、特定の公称電圧を使用する必要性により、潜在的な電気化学材料の選択肢が大幅に制限され、標準化されたセルサイズの使用により、活物質、安全デバイス、及びこのような消費者向け製品に典型的に予想される他の要素のために利用可能な全体的な利用可能内部容積が制限される。更に、広範な消費者向けデバイス及びそれらのデバイスの作動電圧範囲は、２次バッテリに関連付けられた典型的により高い電圧の電気化学的ペアリングと比較して、より小さい公称電圧のセルをより多様にする（それらは、別々に又は連続的に提供することができ、それによってデバイス製造業者により多くの設計の選択肢を与える）。すなわち、アルカリ又はリチウム−二硫化鉄システムのような１．５Ｖシステムは、３．０Ｖ及びより高いリチウム−二酸化マンガンのような他のものよりも遥かに有望である。
【０００４】
１．５Ｖ電気化学システム（例えば、アルカリ対リチウム−二硫化鉄、その他）の間でも、設計考慮事項は有意に異なっている。例えば、アルカリ及びオキシ水酸化ニッケルシステムは、気体膨脹及び／又は漏出傾向を有する水性で高苛性の電解質に依存し、内部材料の選択及び／又は容器及び閉鎖部との適合性の点で非常に異なる手法をもたらす。充電式の１．５Ｖシステムにおいて（リチウム−二硫化鉄システムは、消費者ベースの再充電可能なシステムに適するとは現在考えられていない点に注意されたい）、様々な非常に特化された電気化学的及び／又は電解質組成を使用してリチウムイオン充電／放電サイクルに最も良く適合することができる。ここで、このような高コスト構成要素は、２次システムが典型的にはそれらの１次バッテリ均等物よりも高い小売価格で販売されるために、主要な設計問題ではない。更に、放電機構、セル設計、及び安全性の考慮事項は、多かれ少なかれ１次システムには需要ではなく及び／又は適用不能である。
【０００５】
リチウム−二硫化鉄セルは、高電力デバイスに対して明確な利点を示すが（１次アルカリセルと比較した時）、ＬｉＦｅＳ2セル設計は、使用する材料の費用、必要な安全デバイスの組み込み及び全体的な信頼性、設計されたセルの供給容量及び意図する用途の間の均衡を取る必要がある。容量の改善に加えて、セル設計者はまた、安全性及び信頼性のような他の重要な特性を考慮すべきである。安全デバイスは、通常、正の熱回路（ＰＴＣ）のような熱作動「遮断」要素を含むが、信頼性に対する改善は、主として、内部短絡を防ぐことに集中される。上述の全ての例において、それらの望ましい特性は、内部容積を占める要素及び／又はセルの内部抵抗、効率、又は放電容量には通常逆効果である設計考慮事項を必要とする。リチウムバッテリが熱サイクル中に損失する可能性がある重量のパーセント量を制限する規制によって付加的な課題が示されており、これは、非水性有機電解質の反応性及び揮発性が、利用可能な潜在的材料の領域を大幅に制限するにも関わらず、ＡＡ及びＡＡＡのようなより小さい容器サイズのためのセル設計が、総セル重量のうちの数ミリグラムしか損失することができない（典型的には、電解質の蒸発による）ことを意味する。
【０００６】
ゼリーロール型電極アセンブリは、ＬｉＦｅＳ2システムにおいて好ましい構成である。この構成において二硫化鉄を有効に利用するために、二硫化鉄は、最少量の導体及び結合剤が依然として有効にセルを放電するように許容された状態で、スラリの中に混合される。次に、このスラリは、ゼリーロールにおいて利用するために金属箔集電体上に被覆されて乾燥されるが、リチウムは、集電体なしに最も効率的に提供される。セパレータは、その厚みが好ましくはセルの中への不活性インプットを低減するように最小にされた薄いポリマー膜である。活物質を最大にするために、アノードは、多くの場合、本質的にゼリーロールの全円周長に沿って集電体を兼ねるリチウム又はリチウム合金から構成される。
【０００７】
リチウム−二硫化鉄電気化学反応の反応最終生成物は、実質的にインプットよりも多くの容積を占めるために、電極アセンブリは、バッテリが放電するのに伴って膨張する。次に、膨張は、セル容器に望ましくない隆起を発生させる可能性がある半径方向の力、並びにセパレータが損なわれた場合に短絡及び／又はアノード自体内の切断をもたらす。それらの問題に対処するための従来の手段は、セルのハウジングに強力な（多くの場合、より厚い）材料及びセル内に不活性成分を使用することを含む。しかし、不活物質をより厚くすることにより、利用可能な内部容積が制限され、電極をより厚くかつより丈夫にすることにより、ゼリーロールに巻くことができる数が減り、結果として電極間の表面積が減り、より高いドレイン率では性能が比較的低くなると予想されるので、以前は必ずしも望ましくないと見なされた。
【０００８】
最適な内部容積の利用と許容可能なＬｉＦｅＳ2セルの容量／性能との間で適切な均衡を取るために、多くの手法が取られている。例えば、米国特許第４，３７９，８１５号明細書に開示する膨張により生じる問題に対する１つの可能な解決法は、１つ又はそれよりも多くの他の活物質（ＣｕＯ、Ｂｉ2Ｏ3、Ｐｂ2Ｂｉ2Ｏ5、Ｐ3Ｏ4、ＣｏＳ2など）をパイライトと混合することにより、カソードの膨張とアノードの収縮との均衡を取ることであるが、それらの付加的な材料は、セルの放電特性に悪影響を与えかねず、セル全体の容量及び効率も悪影響を被ることがある。ＬｉＦｅＳ2セルの放電容量を改善する他の手段は、米国特許公開第２００５／０１１２４６２号明細書及び米国特許公開第２００５／０２３３２１４号明細書に開示するようなより薄いセパレータ及び／又は特定のカソードコーティング混合物及びコーティング技術の使用か、又は米国特許第６，８４９，３６０号明細書及び米国特許第７，１５７，１８５号明細書に開示するような界面インプット材料の調節によることを考えている。
【０００９】
最終的に、容量の改善は、基本的に確実なバッテリ設計を表すものである。すなわち、より大きい容量を供給するためには、放電リチウム−二硫化鉄バッテリにおいて作用する半径方向膨張力及び他の力学について慎重に考慮すべきである。例えば、設計によりアノード又はカソード集電体の厚みが不十分である場合には、放電中の半径方向の力は、一方又は両方の電極が切断されるほどまでゼリーロールを圧縮する可能性があり、この切断が生じた状態で、バッテリは、活物質が全て放電されたか否かに関わらず、容量の供給を停止する可能性がある。空隙容積（カソードコーティング及び全体としてセルの内部における）、バッテリ全体の電気接続、セパレータ、バッテリの閉鎖／通気機構などに関して、同様の状況が起こる。従って、ＬｉＦｅＳ2セルの容量は、特に、セル設計者が標準サイズの消費者向けバッテリ（例えば、ＡＡ又はＦＲ６、ＡＡＡ又はＦＲ０３、その他）の使用に制限される時に、セル設計の全体的な実行可能性及び堅牢性に対する有意な測定基準である。
【００１０】
バッテリ設計に対する事実上の測定基準として作用する容量の当然の結果として、当業者は、バッテリ全体を考慮して設計選択肢及び特に具体的な構成要素の選択をする必要があることを認めるであろう。具体的な組成物は、セル内の他の構成要素及び組成物に対して驚くべき予期しない又は意図しない影響を与える場合がある。同様に、標準サイズのバッテリにおいて、特定的な要素の選択肢は、そうでなければ他の要素に利用可能であった容器内の容積を占める。従って、設計選択のこの相互依存性は、容量のいずれの増加も、特に他の点ではバッテリの安全性又は性能に悪影響を与えない増加も、より多くの活物質を加える簡単な行為を遥かに超えたものであることを必然的に意味する。同様に、不活性成分、特に、溶剤、溶質、結合剤、導体、及びセパレータ又はシールのためのポリマーなどの選択は、必然的に状況の危急な要件に関連してかつ膨大な数の選択肢の観点から行う必要があり、可能性として考えられる広範なリストから単一品目を分離することは、それだけでは、熟練技術者がその特定的な組合せにおいて使用を考慮する十分な理由にはならない。
【００１１】
バッテリの実際の放電又は使用を模擬する試験は、セル設計の評価に特定の関連がある。典型的には、それらの模擬使用試験は、バッテリ出力電圧が最終の「カットオフ電圧」よりも小さくなるまで特定の放電条件（例えば、２００ｍＡの一定の負荷）の下で連続的に又は所定のサイクル（例えば、設定数の分にわたる放電、その後の設定数の分の休止間隔）でバッテリを放電する段階を伴う。本明細書で使用される場合、放電及び休止間隔のサイクルを伴う試験は、一般的に断続的ドレイン率試験と呼ばれることになる。明らかに、いずれの模擬使用試験の場合でも、放電条件、放電及び休止間隔（使用する場合）のための期間、及びカットオフ電圧を指定する必要がある。
【００１２】
１つの特に重要な断続的ドレイン率試験は、「ＡＮＳＩデジタルスチルカメラ試験（ＤＳＣ試験）」である。ＤＳＣ試験は、典型的には、ユーザが写真画像を取る間の短期間の高電力需要の要求の後に長期の不活動期間が続くデジタルカメラの中の挿入されたバッテリが受けるドレインを模擬する。従って、ＡＡサイズのバッテリに対するＤＳＣ試験は、２秒間の１５００ｍＷの後に２８秒間の６５０ｍＷでバッテリを放電する段階を伴い、この３０秒サイクルは、１時間毎に５分間（すなわち、１０サイクル／時間）、その後に５５分間の休止期間（すなわち、０ｍＷ）で繰り返される。各３０秒サイクルは、１つのデジタルスチルカメラ画像を表すことを意図している。この１時間サイクルは、バッテリが最初に１．０５未満の出力電圧を記録するまで１時間毎に繰り返されるが、セル設計者は、バッテリ放電特性を更に観察するようにこの終点を超えて試験を時々継続することができる。最終性能は、分の数又は撮った画像の数（すなわち、画像の数は、常にこの試験で分の数の２倍になる）を単位として定量化される。意義深いことに、この試験の循環的な高電力要件は、バッテリ設計に対して最も困難なベンチマークのうちの１つになり、同時にバッテリ消費者に対する比較の最も重要な基準をもたらす。多数の他の断続的試験は、公知であって当業技術で利用されており、「米国規格協会（ＡＮＳＩ）」及び「国際電気標準会議（ＩＥＣ）などによって指定されたものを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，３７９，８１５号明細書
【特許文献２】米国特許公開第２００５／０１１２４６２号明細書
【特許文献３】米国特許公開第２００５／０２３３２１４号明細書
【特許文献４】米国特許第６，８４９，３６０号明細書
【特許文献５】米国特許第７，１５７，１８５号明細書
【特許文献６】米国特許公開第２００８−００２６２９３−Ａ１号明細書
【特許文献７】米国特許公開第２００９−０１０４５２０−Ａ１号明細書
【特許文献８】米国特許出願番号第１２／２５３，５１６号明細書
【特許文献９】米国特許出願番号第１２／４８０，０１５号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００５／０２４４７０６号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００８／０２１３６５１号明細書
【特許文献１２】米国特許公開第２００８／０２２６９８２号明細書
【特許文献１３】米国特許公開第２００５／００７９４０４号明細書
【特許文献１４】米国特許公開第２００８／００２６２９３号明細書
【特許文献１５】米国特許公開第２００７／０２７５２９８号明細書
【特許文献１６】米国特許公開第２００８／０２５４３４３号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，２９０，４１４号明細書
【特許文献１８】米国特許公開第２００８／００７６０２２号明細書
【特許文献１９】米国特許公開第２００９／０１０４５２０号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】「バッテリ仕様１５ＬＦ（ＡＡリチウム−二硫化鉄セル）、デジタルカメラ試験」、「ＡＮＳＩ  Ｃ１８．３Ｍ，Ｐａｒｔ１−２００５」、「携帯用リチウム１次セル及びバッテリのための米国標準規格−概要及び仕様（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｆｏｒ  Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｐｒｉｍａｒｙ  Ｃｅｌｌｓ  ａｎｄ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ−Ｇｅｎｅｒａｌ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ）」発行
【非特許文献２】「国際規格ＩＥＣ−６００８６−１」、「国際電気標準会議」発行、２０００年１１月以降
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、電気化学セルの放電容量を改善する方法と共に電気化学セルのための複数の実施形態を含む。従って、セルは、以下の要素のいずれか１つ又は組合せを含むことができる。
・正及び負端子を有する円筒形容器、
・有機非水性電解質、
・厚みを有するリチウム又はリチウム合金ストリップから本質的に構成されるアノードと、固体の金属箔集電体の両側に少なくとも部分的に被覆された二硫化鉄を含むカソードと、アノードとカソードの間に配置されたセパレータとを有する電極アセンブリ、
・リチウム又はリチウム合金ストリップから本質的に構成されるアノードと、固体の金属箔集電体の両側に少なくとも部分的に被覆された二硫化鉄を含むカソードと、アノードとカソードの間に配置されたセパレータとを有する電極アセンブリ、
・カソードと正端子の間の電気接続を確立する第１のリード及びアノードと負端子の間の電気接続を確立する第２のリード、
・アノード及びカソードが、セパレータ及び任意的な非活性成分を除く電極アセンブリの最外面の少なくとも５０％がカソードによって覆われるように螺旋状に巻かれること、
・最外面にあるカソードが、円筒形容器に対して実質的に軸線方向に向けられた終端縁部を含むこと、
・電極アセンブリが、ａ）第２のリードが電極アセンブリの最外面上のアノードの最外巻回に取り付けられて、軸線方向に向けられてカソードの終端縁部の真下にアノードの最外巻回に取り付けられたリチウム又はリチウム合金パッチ、及びｂ）複合パッチ−リードがセルに対して第２のリードとして作用する軸線方向に向けられてアノードに取り付けられたリチウム又はリチウム合金複合パッチ−リードから構成される群から選択された一方を更に含むこと、
・アノードが、カソードの終端縁部の真下の厚み増加の局所区域を除き実質的に均一な厚みを有すること、
・パッチ又は複合パッチ−リードが、アノードの厚みの少なくとも半分である厚みを有すること、
・厚み増加の局所区域が、残りのアノードの厚みの少なくとも１５０％であること、
・厚み増加の局所区域が、カソードの終端縁部の真下の点でアノードの内向き面又は外向き面に固定されたリチウムパッチを含むこと、
・パッチ又は複合パッチ−リードが、アノードのリチウム又はリチウム合金とパッチ又は複合パッチ−リードのリチウム又はリチウム合金との間に直接物理的接触を依然として許すように位置決めされた支持部材を更に含むこと、
・支持部材が、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリエステルから構成される群から選択された少なくとも１つのポリマー材料から作られること、
・複合パッチ−リードが存在し、かつ電極アセンブリ内のアノードの内側巻回に取り付けられること、
・パッチが、軸線方向に沿って離間したリチウムの複数の個々の部分として形成されること、及び／又は
・パッチが存在し、かつアノードの外向き側面に取り付けられること。
【００１６】
同じように、本方法は、以下の段階のいずれか１つ又は組合せを含むことができる。
・カソードストリップによって覆われた少なくとも５０％であってセパレータ及び任意的な非活性成分を除く最外面を有する螺旋巻き電極アセンブリをリチウム−二硫化鉄電気化学セルに備える段階、
・アノードストリップに厚みの増加の局所区域を作成し、電極アセンブリ内のカソードストリップの最外終端縁部の近くに厚み増加のこの局所区域を位置決めする段階、
セルを放電させる段階、
厚み増加の局所区域を作成する段階が、カソードストリップの最外終端縁部の近くの電極アセンブリ内のアノードストリップにリチウム又はリチウム合金パッチを設ける段階を含むこと、及び／又は
・厚み増加の局所区域を作成する段階が、軸線方向に沿って離間したリチウムの複数の個々の部分を形成する段階を含むこと。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】連続放電試験での従来技術のアノード外包及びカソード外包リチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを比較する図である。
【図２Ａ】カソード外包設計を示すゼリーロール型電極アセンブリの半径方向断面を示す図である。
【図２Ｂ】アノード外包のゼリーロール構成を示すゼリーロール型電極アセンブリの半径方向断面を示す図である。
【図２Ｃ】本発明のいくつかの実施形態によるリチウムパッチの相対的位置を強調するゼリーロールの部分半径方向断面図である。
【図２Ｄ】リチウムパッチがアノードタブとしても機能する時の好ましい位置を示す図である。
【図２Ｅ】リチウムパッチがアノードタブとしても機能する時の好ましい位置を示す図である。
【図３Ａ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図３Ｂ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図４Ａ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図４Ｂ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図５Ａ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図５Ｂ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図５Ｃ】様々な断続的放電試験での様々な従来技術のリチウム−二硫化鉄セル設計に対する放電プロフィールを示す図である。
【図６】リチウム−二硫化鉄電気化学セルのためのセル設計の一実施形態を示す図である。
【図７】様々な断続的放電試験での本発明の一実施形態を組み込んだセルの電圧放電プロフィールを示す図である。
【図８】様々な断続的放電試験での本発明の一実施形態を組み込んだセルの電圧放電プロフィールを示す図である。
【図９】様々な断続的放電試験での本発明の一実施形態を組み込んだセルの電圧放電プロフィールを示す図である。
【図１０】前の図の電圧放電曲線に関して表形式で情報を提供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
別に定めない限り、本明細書で使用される場合、以下に列挙する用語は、次の通り本発明の開示にわたって定義されて使用される。
【００１９】
周囲温度又は室温−約２０℃から約２５℃であり、別に定めない限り、全ての例、データ、及び他の性能並びに製造情報は、周囲温度及び大気条件下で行われた。
【００２０】
アノード−負極、より具体的には、リチウム−二硫化鉄セルにおいて、それは、１次電気化学活物質としてリチウム又はリチウムベースの合金（すなわち、重量で少なくとも９０％のリチウムを含有する合金）から本質的に構成される。
【００２１】
容量−典型的にミリアンペア時（ｍＡｈ）又はミリワット時（ｍＷｈ）で又はデジタルスチルカメラ試験で撮影した分又は画像の数により表された特定の組の条件（例えば、ドレイン率、温度、その他）での放電中に単一電極又はセル全体によって供給される容量。
【００２２】
カソード−正極、より具体的には、リチウム−二硫化鉄セルにおいて、それは、固体の金属箔集電体上に被覆されて１つ又はそれよりも多くの流動性、ポリマー性、及び／又は導電性添加剤と共に１次電気化学活物質として二硫化鉄を含む。
【００２３】
セルハウジング−完全に機能するバッテリを含む全て内部に封入した安全デバイスと、不活性成分と、接続材料とを含む電極アセンブリを物理的に封入する構造であり、典型的に、それらは、容器（カップの形状に形成され、「缶」とも呼ばれる）及び閉鎖部（容器の開口部の上に適合し、通常、電解質の侵出及び湿気／気体の侵入を妨げるための通気及び密封機構を含む）を含むことになり、状況に応じて、缶又は容器という用語と交換可能に使用される場合がある。
【００２４】
円筒形セルサイズ−円筒の高さが円筒の直径よりも大きい円形の円筒体を有するあらゆるセルハウジングであり、この定義は、特に、ボタンセル、ミニチュアセル、又は実験的な「ホッケーパック」セルを除くものである。
【００２５】
「デジタルスチルカメラ試験」（「ＡＮＳＩデジタルスチルカメラ試験」又はＤＳＣ試験とも呼ばれる）−「バッテリ仕様１５ＬＦ（ＡＡリチウム−二硫化鉄セル）、デジタルカメラ試験」という名称の「携帯用リチウム１次セル及びバッテリのための米国標準規格−概要及び仕様（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｆｏｒ  Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｐｒｉｍａｒｙ  Ｃｅｌｌｓ  ａｎｄ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ−Ｇｅｎｅｒａｌ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ）」から発行された「ＡＮＳＩ  Ｃ１８．３Ｍ，Ｐａｒｔ１−２００５」に概説された試験手順。
【００２６】
電気化学的活物質−セルの放電反応の一部であり、セルの放電容量に寄与するが、不純物及び材料に固有の少量の他の部分を含む１つ又はそれよりも多くの化学化合物である。
【００２７】
ＦＲ６セル−２０００年１１月以降に「国際電気標準会議」により発行された「国際規格ＩＥＣ−６００８６−１」を参照すると、約５０．５ｍｍの最大外部高さ及び約１４．５ｍｍの最大外径を有する円筒形セルサイズのリチウム−二硫化鉄バッテリ。
【００２８】
ＦＲ０３セル−２０００年１１月以降に「国際電気標準会議」により発行された「国際規格ＩＥＣ−６００８６−１」を参照すると、約４４．５ｍｍの最大外部高さ及び約１０．５ｍｍの最大外径を有する円筒形セルサイズのリチウム−二硫化鉄バッテリ。
【００２９】
「ゼリーロール型」（又は「螺旋状に巻かれた」）電極アセンブリ−アノード及びカソードのストリップが、適切なポリマーセパレータと共にその長さ又は幅に沿って例えばマンドレル又は中心コアの周りで巻かれることによってアセンブリに組み合わされる。
【００３０】
パイライト−典型的にバッテリにおいて使用する時に少なくとも９５％電気化学的に活性な二硫化鉄を含有するが、同じく二硫化鉄の化学量論組成（すなわち、少量の他の硫化鉄及び／又はドープ金属硫化物が存在する場合がある）に対して自然又は意図的変動を含む電気化学セル用途のための二硫化鉄の好ましい鉱物形態。
【００３１】
本発明者は、螺旋状に巻かれた電極アセンブリ及び実質的に同一のセル設計、構成要素、電極及び電解質調製、並びに他の原料（及び特にＦＲ６及びＦＲ０３セル）を有する複数の従来技術のリチウム−二硫化鉄バッテリを試験する時に、バッテリは、以下でより詳細に説明するように、断続的ドレイン率試験で様々な性能を示す傾向があることを観察した。この変動性は、特に、ゼリーロールの最外巻回がアノードよりも多くのカソードを含む（すなわち、最終アセンブリは、依然として保護フィルム又はセパレータ層で包むことができるが、より多くのカソードが、アノードと比較してゼリーロールの電極の最外側層に存在している）バッテリに対して顕著である。このようなセルは、「カソード外包」セル設計を有すると説明されるが、断続的試験でのそれらの変動性にも関わらず、このようなカソード外包設計は、「アノード外包」セル設計（セパレータ及びテープのような他の非活性成分を除くゼリーロールの円周に沿った最外電極が、アノードの少なくとも５０％又はそれよりも多い）と比較して、リチウムのそれらのより効率的利用により有利であると考えられるであろう。
【００３２】
カソード外包のセル設計の一例は、図２Ａに断面図（すなわち、ゼリーロールの半径に沿った）で示されているが、図２Ｂは、別の外包設計を示している。図２Ａ及び図２Ｂの両方において、カソードは黒色及びアノードは白色で示されているが、セルの残りの要素（以下に示すように）は、設計の差をより良く示すように省略されている。本明細書で使用される場合、カソード外包設計及びセルは、ゼリーロールの最外円周上の表面積の少なくとも５０％が、カソードコーティングか、又は「パターン化」コーティングを利用する状況においては露出カソード集電体によるカソードに起因するあらゆるゼリーロール型電極アセンブリを含む。セルがアノード外包であるか又はカソード外包であるかを識別するのに、いずれのセパレータ、リード、絶縁テープ、及び他の不活性成分も考慮されず、代わりに、ゼリーロールの最外円周が露出されているか又は露出されると考えられるアノード及びカソードの最外部分に基づいて専ら評価される。同様に、本明細書で使用される場合、リードは、リードが電極アセンブリとバッテリの端子の間に電気接触を確立する限りにおいて集電体と比較して個別の構成要素と考えられるが、集電体は、電極アセンブリ自体の内部でのみ使用される（例えば、集電体は、電子をリードまで伝導する）。
【００３３】
カソード外包セルの利点に関して、本発明者は、２００ｍＡ連続ドレイン率試験で、図１に示すように、カソード外包セル設計がそれらの対応するアノード外包設計よりも大きい容量を示すことを観察した。図１において、アノード外包を有するセルは、ＡＯＷと表記された線の群によって示す電圧放電プロフィールを示し、カソード外包セルは、ＣＯＷと表記されている。連続ドレイン率試験でこの性能利点に加えて、カソード外包設計は、より経済的であり（リチウムが、ＦＲ６セルにおいて最も高価な構成要素のうちの１つであるので）、環境に有益である（全体的にリチウムが放電されたセルに残らないので）リチウムをより有効に利用する。
【００３４】
しかし、カソード包装セルのこの利点は、バッテリが断続的ドレイン率試験を受ける時には観察されない。このような断続的ドレイン率試験は、それらが電子デバイスの消費者によるバッテリの実際の使用を最も綿密に模擬する（すなわち、消費者は、多くの場合、連続的ではなくて断続的に長い期間にわたってデバイスを使用する）ので非常に有用であると考えられる。
【００３５】
図３Ａは、カソード外包を有する一連のＦＲ６セルに対して断続的試験での電圧放電曲線を示している。この特定的な断続的試験は、１時間の間２５０ｍＡの一定の電流放電、その後の２３時間の休止期間を含み、１．０電圧カットオフまで行った。基準要素Ｐによって強調したように、それらのセルに対する個々の電圧プロフィールは、この断続的試験の終わりにおいて発散し、これは、全体的に以下では早期電圧低下と呼ぶことができる。意義深いことには、同一の材料を有するアノード外包セルは、図３Ｂで認めるように、この変化を受けなかった。その効果は、図４Ａ（カソード外包を示す）及び図４Ｂ（アノード外包を示す）に示す断続的試験に対してなお一層顕著であり、セルは、１０秒の１Ａ放電の後５０秒の休止（残りの２３時間も休止間隔である点に注意されたい）のサイクルで１．０カットオフ電圧まで１日当たり１時間の間放電された。
【００３６】
本発明者は、カソード外包設計を有するいくつかの従来技術の市販のＦＲ６バッテリが、図５Ａ（図４Ａ及び図４Ｂのセルに関して上述したものと同一の断続的試験を示す）及び図５Ｂ及び図５Ｃ（図３Ａ及び図３Ｂのセルに関して上述したものと同一の断続的試験を示す）に示す問題領域Ｐによって明らかなように、この挙動を示すことを更に確認した。
【００３７】
この早期電圧低下は、本質的に相対的であり、早期電圧低下を観察するためには、複数の恐らく同一のセルに対する電圧放電曲線を比較する必要がある。バッテリ製造業者の最終目標及びあらゆるセル設計に対する品質の最終インジケータが、単一設計により製造された全てのバッテリに対する一貫性及び信頼性である限り、少なくとも４つのセルは、観察結果を確認するために本明細書で説明する断続的試験を受けるべきである。より好ましくは、１組の６から１０個のセルの性能を互いに対して比較すべきである。規定の電圧低下で総予想定格容量の５％よりも大きい偏差、より決定的には１０％よりも大きい偏差は、断続的試験で系統的設計欠陥を示している。これは、早期電圧低下を識別する好ましい手段である。
【００３８】
このタイプの試験が可能でない場合には、早期電圧低下を識別する別の手段は、同じ量のリチウムを保持する同数のアノード外包セルに対する複数のカソード外包セルに対して平均総容量及び電圧放電曲線／プロフィールを比較する段階を含むことができる。更に別の手段は、下の図１０で説明して示すように、リチウム利用を比較することができる。早期電圧低下の排除を明らかにする更に別のインジケータは、早期電圧低下を受けるセルが不安定な又は一貫性のないプロフィールを示す傾向がある限り、個々の放電曲線自体の形状の簡単な定性的比較である。最後に、製造業者の規定の容量に対して断続的ドレイン試験で単一セルの実際の供給容量の比較は、早期電圧低下の問題の存在を確認するのに十分である場合がある。
【００３９】
ＦＲ６及びＦＲ０３セルのためのカソード外包設計は現在利用可能であるが、それらのセル設計の全ては、上述のように及び図５Ａから図５Ｃに示すように、断続的放電試験で早期電圧低下の問題を現在受けている。その結果、ＦＲ６及びＦＲ０３セルのためのアノード外包は、今日市場で優勢であり最も広く利用可能なセル設計である。いずれの場合にも（すなわち、アノード又はカソード外包設計）、電極、特にアノードは、その製造の容易さ及びこの配置がそのセルの放電にわたって最低の可能な内部抵抗を維持するという事実のために、実質的に均一な厚みを有する。可変厚みの電極の使用は、特に、電極が界面的に整列する場合、最終的に活物質の無駄、放電界面表面積の変化による内部抵抗に対する不要な増加の可能性、並びに設計及び製造の複雑さの増大をもたらす。従って、可変厚みのアノード及び／又はカソードセル設計は、少なくともリチウム−二硫化鉄の螺旋状に巻かれたバッテリに対しては望ましいとは考えられない。実際に、本発明者は、この可変厚みの設計を利用するいずれの市販又は実行可能なＦＲ６又はＦＲ０３セルも知らない。
【００４０】
本発明者は、ここで、全ての断続的放電試験でカソード外包リチウム−二硫化鉄セル設計の性能における変動性を排除するための手段を見出した。一実施形態は、その最外巻回に沿ってカソードの下の点でアノード上にリチウムの小さい「パッチ」を付加する段階を含む。このパッチは、その特定的な点でアノードの厚みを実質的に増加させる。パッチは、アノードの幅にわたって、場合によっては、パッチもアノードタブとして使用される時にゼリーロール型電極アセンブリの上部又は底部からも（すなわち、ゼリーロール型アセンブリに対して軸線方向に沿って）完全に延びることができる。パッチの長さ及び容積／表面積は、製造を簡素化するためにかつ驚くことにセル内のリチウムの全体の利用を増加させるために依然として最小にすべきである。関連の実施形態では、パッチは、セルの製造中にその処理を簡素化するようにポリマー材料で強化することができるが、この場合には、パッチを形成するリチウムは、アノード及びアノードに対して接触面に位置するセパレータの両方と依然として少なくとも部分的に直接物理的接触状態にすべきである。
【００４１】
パッチは、カソードの終端縁部の下に重なるように、好ましくは、円筒形電極アセンブリの軸に沿って向けられた線に沿って位置決めすべきである。任意的に、パッチは、ゼリーロール型電極アセンブリの最外巻回／円周で露出されるように、この縁部を超えて延びることができる。この配置は、パッチの利点が完全に達成されることを保証する。代替的に、パッチは、部分的に又は完全にアノード集電体（「アノードタブ」とも呼ぶことができ、以下でより詳細に説明する）と重なるように付加することができる。更に別の実施形態では、パッチは、パッチ自体もアノードタブとして機能する時にカソードによって完全に覆うことができる。
【００４２】
アノードタブは、リチウムから構成されない時には、ゼリーロールの最外巻回の上に、カソードの終端縁部の近くに、ゼリーロール内のアノードの最外巻回に沿って置くべきである。アノードタブ自体がリチウム（又はアノード活物質又はその合金）から構成される時には、パッチは、カソードの終端縁部の近くに位置することができ、又はパッチは、カソードの最外包装によって完全に覆うことができる。意義深いことには、パッチの効率は、カソードが両側に完全に被覆されるか否かに関係なく又は片側又は両側の一部が被覆されない場合でも影響を受けない（すなわち、本明細書において引用により組み込まれている米国特許公開第２００８−００２６２９３−Ａ１号明細書で説明するものと類似する「パターン化」カソード）。
【００４３】
別の実施形態は、ポリマー裏打ちのような基板に接着したリチウムの形態でパッチを付加することを考えている。この手法により、不均衡な厚みのアノードを押し出す必要なく及び／又は少量のリチウムを処理して付加する必要なく、リチウムパッチを加圧溶接又は結合することを可能にすることによって製造を簡素化する。セルの内部成分に対して、特に、電解質溶剤、電解質溶質、及びリチウムに対して非反応性であるあらゆるポリマーが十分であると考えられる。基板材料はまた、比較的薄く、好ましくは、それにパッチとして付加されたリチウムよりも薄く、より好ましくは、できるだけ薄くすべきである。限定するのではなくて一例として、ポリマーは、セパレータ、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、及びポリエステルなどとして使用するのに適するあらゆるポリマー材料を含むことができる。金属箔及び織り材料などのような他の基板材料も可能である。このようなポリマー裏打ちパッチは、特に、パッチがアノードタブ自体として使用される時に有用である場合があるが、このような場合には、パッチ／タブは、ゼリーロールを超えて延び、容器又は端子カバーアセンブリと十分に電気的接触するのに十分な軸線方向長さを有することが必要である。
【００４４】
一実施形態では、パッチは、好ましくは、電気化学的に活性な材料であり、その理由は、これが、材料が他のセル内部成分と適合可能であることを保証するからである。より好ましくは、パッチは、リチウム又はリチウム合金である。最も好ましくは、パッチは、アノードの残りの部分と同じ材料から作られる。パッチ材料はまた、対応するアノード材料の導電性に同等の又はこれに適合可能な導電性を有すべきである。
【００４５】
パッチは、アノード自体の厚みの少なくとも約半分の厚みを保持すべきである。例えば、アノードが１５０ミクロン厚のリチウム−アルミニウム合金から構成される場合、パッチは、少なくとも７５ミクロン厚とすべきである。パッチの最大厚みは、好ましくは、最終ゼリーロールを巻いてそれを処理する機能に干渉すべきではない。ベースアノードの厚みの関数として表された好ましい厚みは、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７５％、及び少なくとも１００％である。同様に、ベースアノードを形成するのに使用する押し出し工程により及び／又はゼリーロール型電極アセンブリの巻き付け中に使用する他の機械的工程により、リチウムパッチとして機能することになるベースアノードの局所厚みの一体化区域を形成することが可能な場合がある。
【００４６】
パッチの長さ（ｘ−ｙ方向のより長い方）は、電極の界面（すなわち、アノード及びカソードの両方と重なっている）幅（すなわち、円筒形ゼリーロールの軸に沿って線形方向）により設計すべきである。好ましくは、長さは、電極の界面幅と適合し、又は長さは、電極の界面幅の５０％から１００％である。パッチもアノードタブ自体として機能することになる場合、その長さは、ゼリーロールの外側に折り畳んで容器との接触を確立するのに十分になる（それによってパッチを電極の界面幅よりも実質的に長くする）。パッチの幅は、最小に保つべきであるが、全ての場合に、パッチの幅は、カソードによって作り出された終端縁部と重なり、これを超えて延びる必要がある。例えば、その幅は、少なくとも１ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、又は少なくとも２０ｍｍを超えるべきではないが、５０ｍｍ、３０ｍｍ、又は１０ｍｍよりも大きくすべきではない。代替的に、パッチの幅は、それが占めるアノード巻回の円周のパーセントの関数として、又はマンドレル自体のサイズの関数として表すことができる。例えば、幅は、巻回の円周の２０％未満、１５％未満、１０％未満、及び５％未満、又はセルを巻くのに使用するマンドレル／コアの直径よりも少なくとも大きく、少なくとも１．５倍大きく、少なくとも２倍大きく、又は少なくとも４倍大きい必要がある。最後に、厚み、長さ、及び幅は、選択されたセルサイズ、並びに製造公差及びセルを巻くのに使用する工程に依存することになる。
【００４７】
代替的に、パッチは、上述の位置のいずれにおいてもアノード表面に沿って実質的に線形配置で整列した一連の円形（又は他の幾何学的に成形した）ドットのような一連の個々の要素を含むことができる。この実施形態では、ドットは、互いに接触し、及び／又は重なることができ、又はそれらは、好ましくは、間隔間隙に隣接する形状の最大半径の２倍よりも大きくなく互いに離間させることができる。不規則又は適合しない形状を使用することもできる。
【００４８】
リチウムパッチ１０２に対してゼリーロール型電極アセンブリ９９における好ましい位置は、図２Ｃ、図２Ｄ、及び図２Ｅに示されている。図２Ｃ、図２Ｄ、及び図２Ｅは、ゼリーロールの部分断面図に過ぎない点に注意されたい。図２Ｃに関して、部分断面は、図２Ａの線Ａ−Ａに沿っている。
【００４９】
図２Ｃで認められるように、パッチ１０２は、アノードタブ１０４がゼリーロールの最外面に沿って露出されたアノードの一部分の上の終端縁部１１２を超えて位置決めされる時に（すなわち、ゼリーロールアセンブリ９９の最外面上に）、カソード１１０の終端縁部１１２の下のアノード１００に付加することができる。この場合には、アノードタブ１０４及びパッチ１０２は、ゼリーロール内のアノードの最外巻回に位置付けられる。
【００５０】
代替的に、パッチもアノードタブとして機能する場合、複合パッチタブ１０３は、部分的に又は完全にカソード１１０の下に置くことができる。例えば、図２Ｄ及び図２Ｅにおいて、複合パッチタブ１０３もアノードタブとして機能する時の好ましい位置が示されている。それらの後者の実施形態では、個別のアノードタブがないことにより、アノードの終端縁部（すなわち、ゼリーロールの最外面に露出された部分）を最小にすることが可能になり、それらの実施形態（図示せず）において最外巻回からアノードを完全に排除することを可能にすることができる点に注意されたい。更に、それらの実施形態では、複合パッチタブ１０３は、ゼリーロール内のアノードの最外巻回に位置する必要はない。
【００５１】
どのような特定的な理論にも拘束されることを意図しないが、本発明者は、カソードが放電中に膨張すると、パッチがアノードの一体化を保持するのを補助することができると考えている。特に、ギザギザの縁部は、アノードタブ上にかつ恐らくはカソードに使用する集電体箔の終端縁部上に形成することができる。カソードの先行終端縁部は、通常、巻き付けコア内に隔離されるが（従って、本明細書で説明する提案の機構に影響されない）、カソードの外側終端縁部は露出されたままである。放電中に容量的に膨張する二硫化鉄の傾向により、この露出終端縁部（及び／又はアノードタブの縁部）は、可能な「ピンチポイント」を生成する容器側壁に対して圧縮される。このピンチポイントは、部分的に又は完全にセパレータを通り、及び／又は放電中にそれと／その近くで界面に整列するリチウムアノードを切断するように作用する。ピンチポイントは、鋭い縁部の可能な「切断」力を最大にすることができる方法で繰返し弛緩され、次に、応力が加えられるので、効果は、断続的又は非定常放電（断続的放電中のように）によって悪化する。
【００５２】
全長アノード集電体は、セルにおいて活物質の量を最大にするために、アノードにおいては（特に、市販のリチウム−二硫化鉄円筒形セルにおいて）使用しないので、いずれかの点でアノードを切断することにより、アノードタブ／負端子から切断された材料を隔離すると考えられ、それによって切断した部分から通常予期する容量を排除する。アノードタブの位置、電極の厚み、及びカソード膨張のレベルに応じて、切断が起こり又は電極アセンブリの付加的な近接部分に影響を与える場合がある（すなわち、切断した／影響を受けた材料は、アノードの最外巻回よりも大きくそれに沿っている場合がある）。追加的に又は代替的に、パッチは、濃縮又は上昇電流密度がカソード集電体の切断縁部に基づいて受ける場合があるアノードの領域に付加的導電性を与えることができると考えられる。最終の付加的又は代替の原因として、カソード（及び／又は場合によってはアノード）の比較的ギザギザの終端縁部は、電気化学反応性の増大した局所区域及び／又はそれに提供された完全界面インプット容量を実現する電極アセンブリの機能の障害を幾分引き起こすか又はそれに寄与する場合がある。
【００５３】
上述のようなパッチの使用は、それらの提案機構のいずれも軽減すると予想される。実際に、パッチの付加は、断続的試験でセルによって（及び拡大解釈すればリチウムの利用により）実際に供給された全体の容量を実質的に増加させながら、非常に小さいかつ局所的な区域においてインプット容量の量を殆ど僅かに増加させる。同じ量のリチウムインプットを有するアノード外包設計と比較して、高速及びＡＮＳＩ試験で少なくとも７％の改善は、カソード外包と共にパッチを使用する時に達成することができる。付加的な利点は、特に以下の例で説明するように、得られるセルを製造する費用及び容易さの観点から達成することができる。
【００５４】
本明細書において引用により組み込まれている関連出願であり、米国特許公開第２００９−０１０４５２０−Ａ１号明細書として公開された２００８年１０月１７日出願の米国特許出願番号第１２／２５３，５１６号明細書において、ＬｉＦｅＳ2バッテリのためのセル設計に対する「全体的」手法が開示されている。特に、本特許公開は、予想膨張に効率的に対応する方式で容器及びカソード調製を選択するように熟練技術者に情報を提供する。その際、セル全体は、安全性又は信頼性にいかなる悪影響も与えることなく容量の増加を受ける。
【００５５】
本明細書において引用により組み込まれている別の関連出願である２００９年６月８日出願の米国特許出願番号第１２／４８０，０１５号明細書も、Ｌｉ−ＦｅＳ2バッテリのためのセル設計を開示している。ここで、バッテリは、比較的厚い電極で構成され、相乗効果は、特定的なタイプの電解質材料及び特定的な圧密のカソードコーティングの組合せ使用によって達成される。このセル設計は、従来の設計よりもかなり小さい界面表面積を組み込むが、高ドレイン率における有用な効果が観察される。
【００５６】
上述の特許出願の両方とも、以下に説明する本発明の概念に対する特定的な適用性を有することができるセル設計の原理を説明する。
【００５７】
セル全体の設計自体に関してより一般的に、本発明は、図４を参照してより良く理解されるであろう。図４において、セル１０は、ＦＲ６（ＡＡ）型円筒形ＬｉＦｅＳ2バッテリセルの一実施形態であるが、本発明は、ＦＲ０３（ＡＡＡ）又は他の円筒形セルに対して等しい適用性を有するべきである。一実施形態では、セル１０は、閉鎖底部と、セルカバー１４及びガスケット１６で閉鎖された開放上端部とを有する缶１２の形態の容器を含むハウジングを有する。缶１２は、上端部の近くにビード又は直径を絞った段差を有し、ガスケット１６及びカバー１４を支持する。ガスケット１６は、缶１２とカバー１４との間で圧縮され、アノード又は負極１８、カソード又は正極２０、及び電解質をセル１０内に密封する。
【００５８】
アノード１８、カソード２０、及びセパレータ２６は、互いに螺旋状に巻かれて電極アセンブリになる。カソード２０は、電極アセンブリの上端部から延び、接点バネ２４によりカバー１４の内面に接続された金属集電体２２を有する。アノード１８は、金属リード（又はタブ）３６により缶１２の内面に電気的に接続される。リード３６は、アノード１８に締結され、電極アセンブリの底部から延び、電極アセンブリの底部にわたって及び側部に沿って上方に折り曲げられる。リード３６は、缶１２の側壁の内面と圧力接触する。電極アセンブリが巻かれた後に、電極アセンブリは、製造工程において成形用具の挿入前に一緒に保持することができ、又は材料の外端部（例えば、セパレータ又はポリマーフィルムの外包３８）は、例えば、ヒートシール、のり付け、又はテーピングにより留めることができる。
【００５９】
一実施形態では、絶縁コーン４６を電極アセンブリの上部の周囲の周りに位置決めし、カソード集電体２２が缶１２と接触するのを防止し、カソード２０の底縁部と缶１２の底部の間の接触は、セパレータ２６の内向きに折り曲げられた延長部及び缶１２の底部に位置決めされた電気絶縁底部ディスク４４により防止する。
【００６０】
一実施形態では、セル１０は、個別の正端子カバー４０を有し、これは、缶１２及びガスケット１６の内向きに圧着された上縁部により所定位置に保持され、１つ又はそれよりも多くの通気開口（図示せず）を有する。缶１２は、負接触端子として機能する。粘着ラベル４８のような絶縁ジャケットは、缶１２の側壁に適用することができる。
【００６１】
一実施形態では、端子カバー４０の周囲フランジとセルカバー１４の間に配置されるのは、誤用電気条件下で電流の流れを実質的に制限する正の温度係数（ＰＴＣ）デバイス４２である。別の実施形態では、セル１０はまた、圧力逃し口を含むことができる。セルカバー１４は、ウェル２８の底部に通気孔３０を備えた内向きに突出する中心通気ウェル２８を含む開口を有する。開口は、通気孔ボール３２と、通気ウェル２８の垂直壁と通気孔ボール３２の周囲部との間で圧縮された薄壁型熱可塑性ブッシュ３４とによって密封される。セルの内圧が所定レベルを超えると、通気孔ボール３２又はボール３２及びブッシュ３４の両方が、開口から押し出され、セル１０から加圧されたガスを逃がす。他の実施形態では、圧力逃し口は、引用により組み込まれる米国特許出願公開第２００５／０２４４７０６号明細書及び米国特許出願公開第２００８／０２１３６５１号明細書に開示するような破裂膜により閉鎖された開口とすることができ、又はシーリング板又は容器の壁のようなセルの一部分に通気開口を形成するために裂けるか又はそうでなければ破損することができる鋳造溝のような比較的薄い区域とすることができる。
【００６２】
一実施形態では、電極アセンブリの側面と缶の側壁の間に配置された電極リード３６の終端部分は、電極アセンブリを缶の中に挿入する前の形状、好ましくは、缶の側壁との電気接触を高め、バネ様の力を与えてリードを缶の側壁に対して押し付ける非平面を有することができる。セルの製造中に、成形されたリードの終端部分は、例えば、電極アセンブリの側面に向けて変形し、缶の中へのその挿入を容易にすることができ、その後、リードの終端部分は、部分的にその元の非平面形状にバネで戻ることができるが、少なくとも部分的に圧縮されたまま留まって缶の側壁の内面に力を印加し、それによって缶と良好な物理的及び電気的な接触をさせる。代替的に、この接続及び／又はセル内の他のものも溶接により維持することができる。
【００６３】
セル容器は、多くの場合、図４の缶のような底部が閉鎖された金属缶である。缶の材料及び容器壁の厚みは、セルに使用する活物質及び電解質の一部に依存することになる。一般的な材料のタイプは鋼である。例えば、缶は冷間圧延鋼（ＣＲＳ）で作ることができ、少なくとも外側をニッケルでメッキして缶の外側を腐食から保護することができる。典型的には、本発明によるＣＲＳ容器は、ＦＲ６セルに対して約７ミルから１０ミル、又はＦＲ０３セルに対して６ミルから９ミルの壁厚を有することができる。メッキのタイプは、様々な程度の耐食性を与えるために、接触抵抗を改善するために、又は望ましい外観を与えるために変えることができる。鋼のタイプは、容器が形成される方式に部分的に依存することになる。引抜缶に対して、鋼は、ＡＳＴＭ９から１１で僅かに細長い粒形と等軸にされた粒径を有する拡散焼鈍、低炭素、アルミニウムキルド、ＳＡＥ１００６又は同等の鋼とすることができる。ステンレス鋼のような他の鋼は、特別の必要性を満たすために使用することができる。例えば、缶がカソードと電気接触する時には、ステンレス鋼は、カソード及び電解質による耐食性を改善するために使用することができる。
【００６４】
セルカバーは、金属とすることができる。ニッケルメッキ鋼を使用することができるが、多くの場合、特に、閉鎖部及びカバーがカソードと電気接触する時にステンレス鋼が望ましい。カバー形状の複雑さも、材料選択における１つのファクタになる。セルカバーは、厚い平らなディスクのような簡単な形状を有してもよく、又はセルカバーは、図４に示すカバーのようなより複雑な形状を有してもよい。カバーが図４のカバーのように複雑な形状を有する時に、ＡＳＴＭ８−９の粒径のタイプ３０４の軟性焼鈍ステンレス鋼を使用して、望ましい耐食性を与えて金属形成を容易にすることができる。形成されたカバーはまた、例えば、ニッケルでメッキしてもよく、又はステンレス鋼又は他の公知の金属及びそれらの合金から作ることができる。
【００６５】
端子カバーは、周囲環境中の水による腐食又は通常はバッテリ製造及び使用中に遭遇する他の腐食に対する良好な抵抗性、良好な導電性、及び消費者向けバッテリ上で目に見える時に魅力的な外観を有するべきである。端子カバーは、多くの場合、ニッケルメッキ冷間圧延鋼又はカバーが形成された後でニッケルメッキされた鋼から作られる。端子が圧力逃し口上に位置決めされる場合に、端子カバーは、一般的に、セルの通気を容易にするために１つ又はそれよりも多くの孔を有する。
【００６６】
缶と閉鎖部／端子カバーとの間でシールを仕上げるのに使用するガスケットは、望ましいシール特性を与えるあらゆる好ましい熱可塑性材料から作ることができる。材料の選択は、部分的に、電解質組成に基づいている。好ましい材料の例は、ポリプロピレン、硫化ポリフェニレン、四フッ化−ペルフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー、ポリブチレンテレフタレート、及びその組合せを含む。好ましいガスケット材料は、ポリプロピレン（例えば、米国デラウェア州のウィルミントン所在の「Ｂａｓｅｌｌ  Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎｓ」からのＰＲＯ−ＦＡＸ（登録商標）６５２４）、及び硫化ポリフェニレン（米国テキサス州のザウッドランズ所在の「Ｃｈｅｖｒｏｎ  Ｐｈｉｌｌｉｐｓ」からのＸＴＥＬ（登録商標）ＸＥ３０３５又はＸＥ５０３０）を含む。少量の他のポリマー、強化無機充填剤、及び／又は有機化合物も、ガスケットのベースの樹脂に加えてもよい。好ましい材料の例は、引用により組み込まれる米国特許公開第２００８／０２２６９８２号明細書及び米国特許公開第２００５／００７９４０４号明細書に見出すことができる。
【００６７】
ガスケットは、シーラントで被覆して最良のシールを設けることができる。エチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）が好ましいシーラント材料であるが、他の好ましい材料を使用することができる。
【００６８】
アノードは、時にリチウム箔と呼ばれるリチウム金属のストリップを含む。リチウムの組成は様々である可能性があるが、バッテリ等級のリチウムについては、純度は常に高い。リチウムは、アルミニウムのような他の金属と合金にし、望ましいセルの電気性能又は処理の容易さを提供することができるが、あらゆる合金におけるリチウム量は、それでもなお最大にすべきであり、高温（すなわち、純リチウムの融点を超える）用途のように設計された合金を考えていない。０．５重量パーセントのアルミニウムを含有する適切なバッテリ等級のリチウム−アルミニウム箔は、米国ノースカロライナ州のキングスマウンテン所在の「Ｃｈｅｍｅｔａｌｌ  Ｆｏｏｔｅ  Ｃｏｒｐ．」から入手可能である。本質的に、リチウム又はリチウム合金（例えば、０．５重量パーセントのアルミニウム及び９９＋重量パーセントのリチウム）から構成されるアノードが好ましく、いずれのこのような合金においても活物質（すなわち、リチウム）の量を最大にすることに重点が置かれる。
【００６９】
図６のセルにおけるように、リチウムは高い導電性を有し、従って、アノードには個別の集電体（すなわち、アノードが溶接又は被覆される金属箔のような導電性部材、又はコレクターがゼリーロール内で螺旋状に巻かれると考えられるように、アノードの長さの大部分に沿って作動する導電性ストリップ）は必要ない。このような集電体を利用しないことにより、活物質のような他の成分に対してより多くの空間が容器内で利用可能になる。使用する場合、アノード集電体は、セルの他の内部成分（例えば、電解質）に露出された時に安定である銅及び／又は他の適切な高導電性金属で作ることができる。
【００７０】
電気接続は、電極の各々と、ハウジングに近接するか又はハウジングと一体である対向する外部バッテリ端子との間で維持される。電気リード３６は、アノード又は負極をセル端子の一方（図６に示すＦＲ６セルの場合の缶）に接続する薄い金属ストリップから作ることができる。これは、アノードの一部分の中にリードの端部を埋め込むことにより、又はリードの端部のような一部分を単にリチウム箔の表面上に押しあてることによって達成することができる。リチウム又はリチウム合金は、粘着特性を有し、一般的に、リードと電極の間の少なくとも僅かな十分な圧力又は接触により構成要素を互いに溶接することになる。負極には、ゼリーロール構成に巻く前にリードを含めることができる。リードはまた、適切な溶接により接続することができる。
【００７１】
リード３６を含む金属ストリップは、多くの場合、リードを通して十分な電流の伝達を可能にするために、十分に低い抵抗（例えば、ほぼ１５ｍΩ／ｃｍ未満、好ましくは、４．５ｍΩ／ｃｍ未満）のニッケル又はニッケルメッキ鋼から作られる。好ましい負極リード材料の例は、以下に限定されるわけではないが、銅、銅合金、例えば、銅合金７０２５（約３％のニッケル、約０．６５％の珪素、及び約０．１５％のマグネシウムを含む銅とニッケルの合金で、残りは、銅及び微量の不純物である）、及び銅合金１１０、並びにステンレス鋼を含む。リード材料は、組成物が非水性電解質を含む電気化学セル内で安定であるように選択すべきである。
【００７２】
カソードは、集電体と、通常は微粒子の形態の１つ又はそれよりも多くの電気化学的活物質を含む混合物とを含むストリップの形態である。二硫化鉄（ＦｅＳ2）は１次活物質である。カソードはまた、望ましいセルの電気及び放電特性に応じて、少量の１つ又はそれよりも多くの付加的な活物質を含有することができる。付加的な活性カソード材料は、あらゆる好ましい活性カソード材料とすることができる。その例には、金属酸化物であるＢｉ2Ｏ3、Ｃ2Ｆ、ＣＦｘ、（ＣＦ）ｎ、ＣｏＳ2、ＣｕＯ、ＣｕＳ、ＦｅＳ、ＦｅＣｕＳ2、ＭｎＯ2、Ｐｂ2Ｂｉ2Ｏ5、及びＳが含まれる。好ましくは、Ｌｉ／ＦｅＳ2セルのカソードの活物質は、少なくとも約９５重量パーセントのＦｅＳ2を含み、最も好ましくは、ＦｅＳ2は唯一の活性カソード材料である。少なくとも９５重量パーセントのＦｅＳ2の純度レベルを有するパイライトは、米国マサチューセッツ州のノースグラフトン所在の「Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  Ｍｉｌｌｓ」、オーストリア国のウィーン所在の「Ｃｈｅｍｅｔａｌｌ  ＧｍｂＨ」、及び米国バージニア州のディルウィン所在の「Ｋｙａｎｉｔｅ  Ｍｉｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐ．」から入手可能である。ＦｅＳ2の「純度」に関する議論は、パイライトが、ＦｅＳ2の具体的な及び好ましい鉱物形態であることを認めることに注意されたい。しかし、パイライトは、多くの場合、低いレベルの不純物（典型的には酸化珪素）を有し、ＦｅＳ2だけがパイライトにおいて電気化学的に活性であるために、ＦｅＳ2のパーセント純度に対する参照は、パイライトの総量に関して、通常は重量パーセントに基づいてして行われる。従って、パイライト及びＦｅＳ2は、適切な関連で読むと同義語である。カソード、その調製、及びカソードを製造する方式に関するより網羅的な説明は、以下に提供される。
【００７３】
カソード混合物は、カソード集電体として機能する薄い金属ストリップの片側又は両側に被覆される。アルミニウムは、一般的に使用する材料であるが、チタン、銅、鋼、他の金属箔、及びそれらの合金も可能である。集電体は、カソード混合物を含有するカソードの部分を超えて延びることができる。集電体のこの延長部分は、正端子に、好ましくは、リード及び／又は溶接接触の必要性をなくすバネ又は圧力接触を通じて接続した電気リードと接触するのに有利な区域を提供することができる。セルの内部容積の多くを活物質及び電解質に利用可能にするために、集電体の延長部分の容積を最小に保つことが望ましい。カソードに対する典型的なコーティングの構成の例は、引用により組み込まれる米国特許公開第２００８／００２６２９３号明細書に見出すことができる。
【００７４】
カソードは、セルの正端子に電気的に接続される。これは、図６に示すように、多くの場合、薄い金属ストリップ又はバネの形態の電気リードによって達成することができるが、溶接による接続も可能である。使用する場合、このリードは、ニッケルメッキステンレス鋼又は他の適切な材料から作ることができる。その場合には、標準ＰＴＣのような任意的な減流デバイスが安全機構として利用され、セルの迷走放電／加熱を防ぎ、好ましいＰＴＣは、米国カリフォルニア州のメンローパーク所在の「Ｔｙｃｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」により販売されている。典型的な標準ＰＴＣデバイスは、一般的に、約３６ｍΩ／ｃｍの抵抗を含む。約１８ｍΩ／ｃｍのより低い抵抗デバイスを含む他の代替形態も利用可能である。代替の減流デバイスは、引用により組み込まれる米国特許公開第２００７／０２７５２９８号明細書及び米国特許公開第２００８／０２５４３４３号明細書に見出すことができる。
【００７５】
セパレータは、イオン透過性及び非導電性の薄い微小孔性膜である。それは、セパレータの孔隙の中に少なくとも何らかの電解質を保持することができる。セパレータは、アノードとカソードの隣接する面の間に配置され、電極を互いに電気的に分離する。セパレータの部分はまた、セル端子と電気接触した他の構成要素を絶縁して内部短絡を防止することができる。セパレータの縁部は、多くの場合、少なくとも１つの電極の縁部を超えて延び、アノード及びカソードが互いに完全に整列していない場合であっても電気接触しないことを保証する。しかし、電極を超えて延びるセパレータの量を最小にすることが望ましい。
【００７６】
良好な高電力放電性能を提供するために、セパレータは、１９９４年３月１日に付与され、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第５，２９０，４１４号明細書に開示された特徴（少なくとも約０．００５μｍの最小寸法及び約５μｍ四方未満の最大寸法を有する孔隙、約３０パーセントから７０パーセントの範囲の空隙率、２から１５ｏｈｍ−ｃｍ2までの面積比抵抗、及び２．５未満の捩れ）を有することが望ましい。他の望ましいセパレータの特性は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許公開第２００８／００７６０２２号明細書に説明されている。
【００７７】
セパレータは、多くの場合、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はその両方で作られる。セパレータは、二軸配向微小孔性膜の単層とすることができ、又は２つ又はそれよりも多くの層を互いに積層し、直交する方向に望ましい引張強度を与えることができる。費用を最小にするには単層が好ましい。膜は、本明細書に開示するカソード調製及び容器強度に関する制約に応じて１６ミクロンから２５ミクロンの厚みを有すべきである。好ましいセパレータは、「Ｔｏｎｅｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐ．」から入手可能であり、米国ニューヨーク州のマケドニア所在の「ＥＸＸＯＮ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．」及び米国オレゴン州のレバノン所在の「Ｅｎｔｅｋ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ」からも入手可能である。
【００７８】
不純物として非常に少量（例えば、使用される電解質塩に応じて重量で約５００ｐｐｍ未満）の水のみを含有する非水性電解質は、本発明のバッテリセルに使用される。電解質は、１つ又はそれよりも多くの有機溶剤中に解離した１つ又はそれよりも多くのリチウムベースの電解質塩を含有する。好ましい塩は、以下の臭化リチウム、過塩素酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸カリウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、及びヨウ化リチウムのうちの１つ又はそれよりも多くを含むが、塩は、好ましくは、Ｉ-（例えば、溶剤混合物中のＬｉＩの解離による）を含む。好ましい有機溶剤は、以下のギ酸メチル、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、３，５−ジメチルイソキサゾール、ｎ，ｎ−ジメチルホルムアミド及びエーテルのうちの１つ又はそれよりも多くを含むが、全溶剤のうちの少なくとも５０体積パーセントは、エーテルの低い粘性及び湿潤機能が以下に説明する極太電極構成に良い影響を与えるように思えるのでエーテルでなければならない。好ましいエーテルは、非環式（例えば、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ジ（メトキシエチル）エーテル、トリグリム、テトラグリム及びジエチルエーテル）及び／又は環式（例えば、１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン及び３−メチル−２−オキサゾリジノン）とすることができる。１，３−ジオキソラン及び１，２−ジメトキシエタンは好ましい溶剤であり、ヨウ化リチウムは好ましい塩であるが、ヨウ化リチウムは、リチウムトリフレート、リチウムイミド、又は過塩素酸リチウムと共に使用することができる。溶剤混合物中に解離したＩ-の生成をもたらす添加剤を使用することもできる。
【００７９】
アノード、カソード、及びセパレータのストリップは、電極アセンブリにおいて互いに組み合わされる。電極アセンブリは、巻き付けが完了する時に電極アセンブリから取り出されるマンドレルの周りにカソード、セパレータ、アノード、及びセパレータのストリップを交互に巻けることによって作られた図６に示すような螺旋状に巻かれた設計とすることができる。セパレータの少なくとも１つの層及び／又は電気絶縁フィルムの少なくとも１つの層（例えば、ポリプロピレン）は、一般的に、電極アセンブリの外側に包み込まれる。これは、アセンブリを互いに保持する助けになり、アセンブリの幅又は直径を望ましい寸法に調節するのに使用することができるなどの多くの目的を果たす。セパレータの最外端部又は他の外側フィルム層は、更に、１枚の粘着テープ又はヒートシールで押さえつけることもできる。図６に示すように、アノードを最外電極としてもよく、又はカソードを最外電極とすることもできる。いずれの電極もセル容器と電気接触状態にすることができるが、最外電極と容器の側壁の間の内部短絡は、電極アセンブリの最外巻回の極性を缶の極性に適合させることによって回避することができる。
【００８０】
セルは、あらゆる好ましい工程を使用して閉じ、かつ密封することができる。このような工程は、以下に限定されるわけではないが、圧着、再絞り、収集、及びそれらの組合せを含むことができる。例えば、図６のセルについては、電極及び絶縁コーンが挿入された後、缶の中にビードが形成され、ガスケット及びカバーアセンブリ（セルカバー、接触バネ、及び通気孔ブッシュを含む）が缶の開放端に備えられる。セルは、ガスケット及びカバーアセンブリがビードに対して押し下げられる間、ビードにおいて支持される。ビードの上の缶の上部の直径は、セグメント化されたコレットを使用して絞られ、ガスケット及びカバーアセンブリをセル内の所定位置に保持する。電解質が、通気孔ブッシュ及びカバーの開口を通してセルの中に分配された後で、通気孔ボールをブッシュの中の中に挿入し、セルカバーの開口を密封する。ＰＴＣデバイス及び端子カバーは、セルカバー上のセルの上に備えられ、缶の上縁部に圧着ダイで内向きに曲げられ、ガスケット、カバーアセンブリ、ＰＴＣデバイス、及び端子カバーを支えて保持し、ガスケットによって缶の開放端のシールが完成する。
【００８１】
カソードに関して、カソードは、金属箔集電体、典型的には約１６μｍから２０μｍの厚みのアルミニウム箔の上に被覆される。カソードは、コーティングの加工性、導電性、及び全体的な効率の均衡を取るように慎重に選択する必要があるいくつかの材料を含有する混合物として形成される。それらの成分は、トリクロロエチレンのような溶剤の存在下でスラリに混合され、次に、集電体上に被覆される。得られるコーティングは、好ましくは、コーティング後に乾燥して高密度化され、かつコーティングは、主として、二硫化鉄（及びその不純物）、粒子状物質を互いに保持し、混合物を集電体に接着する結合剤、混合物に対して導電性を改善する金属、グラファイト及びカーボンブラック粉末のような１つ又はそれよりも多くの導電性材料、並びにヒュームドシリカ及び／又は過塩基性スルホン酸カルシウム錯体のような様々な加工又は流動助剤から構成される。好ましいカソード調製は、引用により組み込まれる米国特許公開第２００９／０１０４５２０号明細書に開示している。
【００８２】
加えて、高率用途のためのリチウム−二硫化鉄バッテリは、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第７，１５７，１８５号明細書に説明するように、それに関連付けられたアノードの理論的な界面インプット容量と比較してカソードにおける過度の理論的な界面インプット容量を提供することによって利益になると判断された。従って、一実施形態では、本発明のセルは、１．００未満、０．９５未満、又は０．９０未満の界面アノード対カソードインプット比率を有する。注意すべき点は、リチウムパッチのサイズは、そのセル容量に対する寄与を無視することができるようなものであるということである。
【００８３】
以下は、９４重量パーセントから９９重量パーセントのパイライト、０．１〜３．０重量パーセントの導体、約０．１〜３．０重量パーセントの結合剤、及び約０〜１．０重量パーセントの加工助剤の好ましいカソード調製に利用する代表的な材料である。約９５〜９８重量パーセントのパイライト、約０．５〜２．０重量パーセントの導体、約０．５〜２．０重量パーセントの結合剤、及び約０．１〜０．５重量パーセントの加工助剤のカソード混合物を有することがより望ましい。約９６〜９７重量パーセントのパイライト、約１．０〜２．０重量パーセントの導体、約１．０〜１．５重量パーセントの結合剤、及び約０．３〜０．５重量パーセントの加工助剤のカソード混合物を有することがなお一層望ましい。導体は、米国イリノイ州のシカゴ所在の「Ｓｕｐｅｒｉｏｒ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ」からのＰｕｒｅＢｌａｃｋ（登録商標）（カーボンブラック）２０５−１１０及び／又は米国オハイオ州のウエストレーク所在のＴｉｍｃａｌからのＭＸ１５を含むことができる。結合剤／加工助剤は、米国テキサス州のヒューストン所在の「Ｋｒａｔｏｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ」からのｇ１６５１、及びオランダ国のヘーレンフェーン所在のＣｉｂａから予め入手可能なＥＦＫＡ（登録商標）６９５０過塩基性スルホン酸カルシウム錯体、又は独国のエッセン所在の「Ｅｖｏｎｉｋ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  ＡＧ」からのＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）２００ヒュームドシリカのようなスチレン−エチレン／ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）ブロックコポリマーを含むポリマー結合剤を含むことができる。
【００８４】
小さい粒径のカソード材料を使用して、セパレータに穴を開ける危険を最小にすることも望ましい。例えば、ＦｅＳ2を少なくとも２３０メッシュ（６２μｍ）スクリーン又はそれ未満のメッシュのスクリーンでフィルタリングすることができる。より好ましくは、ＦｅＳ2は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許公開第２００５／０２３３２１４号明細書で説明のように、１０μｍ又はそれ未満の平均ｄ５０粒径を有するように媒体粉砕又は加工することができる。
【００８５】
カソード混合物は、スリーロールリバース、コンマコーティング、又はスロットダイコーティングなどのようなあらゆる数の好ましい工程を使用して箔コレクターに付加される。あらゆる不要な溶剤を除去するための乾燥後に又はそれと同時に、得られるカソードストリップは、カレンダ加工などにより高密度化され、正極全体を更に圧密する。次に、このストリップは、セパレータなどの（必ずしも同一である必要はないが）サイズのアノードストリップで螺旋状に巻かれ、ゼリーロール型電極アセンブリを形成することになるという事実に照らし合わせて、この高密度化は、ゼリーロール型電極アセンブリにおける電気化学材料の負荷を最大にする。特定的な利点は、カソードの負荷が集電体の一方の面（すなわち、片側）上の混合物／ｃｍ2のうちの少なくとも２８ｍｇを超える時に本発明の一実施形態おいて明らかにされている。
【００８６】
しかし、一部の内部カソード空隙は、放電中の二硫化鉄の膨張及び有機電解質による二硫化鉄の湿潤化を可能にするのに必要であるので、カソードを過度に高密度化することはできない。より実際的には、コーティングを高密度に圧密するために印加することができる力の量に関して作動的限界もあり、このような力によって生成される集電体上の応力は、コーティングの不用な延伸及び／又は実際の層間剥離をもたらす可能性がある。従って、最終高密度化カソードにおける固体充填パーセントは、電気化学反応が進行するのを可能にするのに十分でなければならないことが好ましい。好ましくは、最終固体充填剤は、約５８％から７０％でなければならない。
【００８７】
ＦＲ６缶のような固定空間において、電極の厚みは、界面表面積の量に影響を与える。電極をより厚くすることにより、ゼリーロール内の巻回をより少なくすることになる。付加的な加工及び製造の難しさも起こる可能性があり、例えば、カソード混合調製、コーティング及び高密度化作業は、電極厚みが変化する時のゼリーロール巻き付けのように、カソード厚みが増加すると全て影響を受けることになる。その結果、１４０ミクロンから１６５ミクロンのアノード厚み、１６ミクロンから２５ミクロンのセパレータ厚み、及び１８０ミクロンから２２０ミクロンのカソード厚み（集電体を含めて）に対応するＦＲ６セルにおいて約２００ｃｍ2から２２０ｃｍ2のゼリーロールの界面積を維持することを望ましいとすることができる。
【００８８】
カソードコーティング中のＦｅＳ2の量は、バッテリの製作前に混合物を解析することにより、又は調製後の鉄含有量を判断して鉄の検出レベルをカソード中のパイライトの重量パーセントに関連付けることによるそのいずれかで判断することができる。製作後の鉄含有量を試験する方法は、公知の量（質量及び容積／面積を単位として）のカソードを酸に溶解することにより行うことができ、次に、誘導結合プラズマ原子発光解析又は原子吸光解析法のような一般的な定量解析技術を使用してその溶解試料中の鉄の総量について試験する。本方法による公知のコーティングカソード調製を試験することで、鉄の総量がセル中のＦｅＳ2を表すことが検証された（特に、カソードコーティングにおけるＦｅＳ2の純度を最大にすることが望ましいという点で）。ピクノメータを使用してカソード密度を判断することができる場合があるが、ある一定の結合剤は、リチウム−二硫化鉄セルの内部環境に露出された時に容積変化を受けることがあるために、このような方法により確立された密度は、更にカソードの乾燥混合密度に達するように調節することが必要な場合がある。
【００８９】
注意すべき点は、試料中のアルミニウム量の試験は、同様の方式（例えば、ＩＣＰ−ＡＥＳ又はＡＡ分光法）で集電体（コレクターがアルミニウムである時）の厚みの計算を可能にすることになることである。他の同様の解析技術は、それらの成分の原子及び／又は分子組成に応じて結合剤及び加工助剤などの試験に使用することができ、アノード及び／又はセパレータの解析は、同様の解析及び定量／定性技術を使用して可能である。
【００９０】
コンピュータ断層撮影及びＸ線などのような非破壊画像技術は、セルの構成（アノード外包対カソード外包）、並びに具体的にはパッチ１０２の存在及び位置を含む本明細書で説明する他の特徴を決める上で有用な場合がある。追加的に又は代替的に、実際のセル検視を実施することができる。正規化重量解析、寸法測定、個々に連結したプラズマ分光、又はガスクロマトグラフ質量解析法を含む一般的な解析技術も、特定的なセルの構成及び特徴を決める上で情報を与えることができる。
【００９１】
上記説明の全体は、特に、ＦＲ６及びＦＲ０３セルに関連している。しかし、本発明はまた、側壁の高さが容器の直径を超える他の円筒形セルサイズ、他のカソードコーティング手法、及び／又はシール及び／又は圧力逃し口の設計を有するセルに適応させることができる。
【００９２】
本発明の特徴及びその利点は、本発明を実施する人によって更に認められるであろう。更に、上述のように組み立てられたセルの構成要素及び性能のある一定の実施形態が実現されるであろう。開示した概念の教示から逸脱することなく本発明に様々な変更及び改良を加えることができることは、本発明を実施する人及び当業者により理解されるであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲及び法律によって許される解釈の幅により判断すべきである。
【００９３】
ここで、以下の非限定的な例を参照して本発明を説明する。
【実施例】
【００９４】
一連のＦＲ６セルが構成された。第１のロットは、「対照」群から構成され、アノード外包を使用した。それらの対照のセルは、残りのセルと比較して２％から６％多い界面に整列したリチウムインプット容量を有した。残りのセルは、カソード外包設計を利用し、以下では「実験セル」と呼ぶ。実験セルのための様々な断続的放電試験の結果は、図７〜図９に示されている。それらの図におけるセルの設計及びインプットに関する情報は、本明細書において引用により組み込まれている。それらの図、並びに上述の図に説明かつ試験したセルの全てに関する付加的な情報は、図１０の表に説明されている。
【符号の説明】
【００９５】
９９  ゼリーロール型電極アセンブリ
１００  アノード
１０２  パッチ
１０４  アノードタブ
１１０  カソード
１１２  終端縁部
【図１】
2013508893.tif 000003
【図２Ａ】
2013508893.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
2013508893.tif 000009
【図３Ｂ】
2013508893.tif 000010
【図４Ａ】
2013508893.tif 000011
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2013508893.tif 000013
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2013508893.tif 000015
【図６】
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【図７Ａ】
2013508893.tif 000017
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
2013508893.tif 000019
【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2013508893.tif 000023
2013508893.tif 000024