(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を備える第１の電極と、
第２の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を備える第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されたセパレータと、を備え、
１．２未満の界面アノードカソード比を有する渦巻き形電極組立体であって、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記セパレータは、前記第１の電極が前記電極組立体の最外径に層を形成するように、且つ前記第２の電極の前記後縁部が前記第１の電極の前記後縁部を越えて延びるように、巻付けられ、
前記第２の電極は、前記第２の電極に張り付けられた少なくとも１つのタブを備え、
前記タブは、前記第１の電極の前記後縁部を越えて延びる位置に、前記第２の電極に沿って定置される、渦巻き形電極組立体。
【請求項２】
前記第１の電極の活物質、前記第２の電極の活物質、又は前記第１の電極の活物質と前記第２の電極の活物質との両方が、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の渦巻き形電極組立体。
【請求項３】
前記第２の電極の活物質又は両方がリチウムを含む、請求項１又は２に記載の渦巻き形電極組立体。
【請求項４】
前記第１の電極の活物質がリチウムを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の渦巻き形電極組立体。
【請求項５】
前記第２の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせからなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の渦巻き形電極組立体。
【請求項６】
前記第２の電極の前記後縁部は、前記第１の電極の前記後縁部を５ｍｍ〜２０ｍｍだけ越えて延びる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の渦巻き形電極組立体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の渦巻き形電極組立体を含む電気化学セルであって、
少なくとも１つの開放端部を有するハウジングと、
電解質と、
前記ハウジングの前記少なくとも１つの開放端部を閉鎖するエンドキャップ組立体と、を更に備え、
前記第１の電極、前記第２の電極、及び前記セパレータは、前記第１の電極が前記電極組立体の最外層を形成するように、且つ前記第２の電極の前記後縁部が前記第１の電極の前記後縁部を越えて延びるように、巻付けられる、電気化学セル。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電極組立体を製造する方法であって、
第１の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を備える第１の電極を用意することと、
第２の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を備える第２の電極を用意することと、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されたセパレータを用意することと、
前記第１の電極が前記電極組立体の最外層を形成するように、且つ前記第２の電極の前記後縁部が前記第１の電極の前記後縁部を越えて延びるように、前記電極組立体を巻くことと、を含み、前記電極組立体は１．２未満の界面アノードカソード比を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学セルに関するものであり、より具体的には、改善された渦巻き形電極組立体を有する電気化学セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電極組立体の設計は、許容される性能特性、例えば高出力、高容量などを示す電気化学セル又は電池の生産に重要である。理論的なエネルギー、すなわち、選択されたアノード−カソードの対から潜在的に利用可能な電気エネルギーの算出は比較的容易に達成されるが、組み立てられた電池によって送出される実際のエネルギーを理論的なエネルギーに近づける電極組立体を設計することが必要とされている。
【０００３】
組み立てられたセルに含められ得る活物質の量に関し、行政機関による制限事項が存在することがあり、高性能な電池の設計及び製造が更に困難となっている。そのような制約は必然的に、電気化学セルの設計に影響を及ぼし、活性の電極用物質の利用率を高めることが必要となる。例えば、米国運輸省は現在、リチウムを含む電極を備えた組立形セルに含められ得るリチウムの量を（１グラム以下に）制限している。
【０００４】
更に、電極組立体、特に渦巻き形の構成をなすものに伴う固有の設計上の関心事は、電極と電極タブとの間の電気的接続の表面積が減少することが原因でインピーダンスの増大が生じ得るということである。デジタルカメラの給電など、特に要求の厳しい用途に対し、インピーダンスが増加すると、装置の性能及び全体的な消費者満足度の低下につながり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セルの放電寿命にわたって全体的なセルインピーダンスを許容可能な水準に維持する一方で、電極の活物質の利用率を改善する、改善された渦巻き形電極組立体を備えた電気化学セルを提供することが求められている。これらの特徴を有する電気化学セルは、改善された装置性能をもたらし得ると共に、全体的な消費者満足度を向上させ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、改善された渦巻き形電極組立体を提供する。いくつかの実現形態において、その改善された電極組立体は、組み立てられた電気化学セルに関連する。更なる実現形態において、その改善された電極組立体を有する電極組立体を製造する方法が開示される。
【０００７】
一態様において、本発明は、（ａ）第１の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を有する第１の電極、（ｂ）第２の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を有する第２の電極、（ｃ）第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータ、及び（ｄ）約１．２未満の界面アノードカソード比を有する電極組立体と、を含む、渦巻き形電極組立体を特徴とする。第１の電極、第２の電極、及びセパレータは、第１の電極が電極組立体の最外径に層を形成するように、且つ第２の電極の後縁部が第１の電極の後縁部を越えて延びるように巻かれる。
【０００８】
いくつかの実現形態が、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。第１の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせを含んでもよい。第２の電極の活物質はリチウムを含んでもよい。第１の電極の活物質はリチウムを含んでもよい。第２の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせを含んでもよい。第２の電極の後縁部は、第１の電極の後縁部を約５ｍｍ〜約２０ｍｍだけ越えて延びてもよい。第２の電極は少なくとも１つのタブを有してもよく、そのタブは、第２の電極に張り付けられてもよく、また、第１の電極の後縁部を越えて延びる位置に、第２の電極に沿って定置されてもよい。
【０００９】
別の態様において、本発明は、（ａ）少なくとも１つの開放端部を有するハウジングと、（ｂ）電極組立体と、（ｃ）電解質と、（ｄ）ハウジングの少なくとも１つの開放端部を閉鎖するエンドキャップ組立体と、を含む、電気化学セルを特徴とする。この電極組立体は、（１）第１の電極の活物質と、前縁部と、後縁部とを有する第１の電極と、（２）第２の電極の活物質と、前縁部と、後縁部とを有する第２の電極と、（３）第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータとを有してもよい。この電極組立体は、約１．２未満の界面アノードカソード比を有する。第１の電極、第２の電極、及びセパレータは、第１の電極が電極組立体の最外径に層を形成するように、且つ第２の電極の後縁部が第１の電極の後縁部を越えて延びるように巻かれる。
【００１０】
いくつかの実現形態が、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。第１の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせを含んでもよい。第２の電極の活物質はリチウムを含んでもよい。第１の電極の活物質はリチウムを含んでもよい。第２の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせを含んでもよい。第２の電極の後縁部は、第１の電極の後縁部を約５ｍｍ〜約２０ｍｍだけ越えて延びてもよい。第２の電極は少なくとも１つのタブを含んでもよく、そのタブは、第２の電極に張り付けられてもよく、且つ、第１の電極の後縁部を越えて延びる位置に、第２の電極に沿って定置されてもよい。
【００１１】
別の態様において、本発明は、電極組立体を製造する方法を特徴とし、その方法は、（ａ）第１の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を含み得る第１の電極と、第２の電極の活物質、前縁部、及び後縁部を含み得る第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配設されたセパレータと、を含み得る、電極組立体を用意することと、（ｂ）第１の電極が電極組立体の最外層を形成するように、且つ第２の電極の後縁部が第１の電極の後縁部を越えて延びるように、電極組立体を巻くことと、を含む。この電極組立体は、約１．２未満の界面アノードカソード比を有する。
【００１２】
いくつかの実現形態が、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。第１の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせを含んでもよい。第２の電極の活物質はリチウムを含んでもよい。第１の電極の活物質はリチウムを含んでもよい。第２の電極の活物質は、二硫化鉄、硫化鉄、黄鉄鉱、及びそれらの組合わせを含んでもよい。第２の電極の後縁部は、第１の電極の後縁部を約５ｍｍ〜約２０ｍｍだけ越えて延びてもよい。第２の電極は少なくとも１つのタブを有してもよく、そのタブは、第２の電極に張り付けられてもよく、また、第１の電極の後縁部を越えて延びる位置に、第２の電極に沿って定置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本明細書は、本発明を構成するとみなされる対象を具体的に指摘し且つ明確に主張する特許請求の範囲を結論とするが、本発明は、添付の図面と関連してなされた以下の説明によって更に理解されると考えられる。
【図１】第１の電極、第２の電極、及びそれらの間にあるセパレータとを備える、渦巻き形電極組立体に形成された電気化学セルの例示的な実施形態の略図。
【図２】本発明の電気化学セル内で使用するための箔電極の実施形態の略図。
【図３】本発明の電気化学セル内で使用するための被覆電極の実施形態の略図。
【図４Ａ】本発明の渦巻き形電極組立体の実施形態の横断面図。
【図４Ｂ】従来技術の典型的な渦巻き形電極組立体の横断面図。
【図５】本発明の渦巻き形電極組立体の実施形態の略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を参照すると、一次電気化学セル１０は、第１の電極タブ１４と電気的に接触する第１の電極の活物質を備えた第１の電極１２、第２の電極タブ１８と電気的に接触する第２の電極の活物質を含んだ第２の電極１６、セパレータ２０、及び電解質とを有し得る。セパレータ２０を間に配設された第１の電極１２と第２の電極１６は、ジェリーロール電極組立体（「ジェリーロール」）とも呼ばれる渦巻き形電極組立体へと丸められ得る。第１の電極１２、第２の電極１６、セパレータ２０、及び電解質がハウジング２２内に収容されている。ハウジング２２は、少なくとも１つの開放端部を含んでもよい。電気化学セル１０は更に、キャップ２４と環状の絶縁ガスケット２６（エンドキャップ組立体と総称される）とを有している。キャップは、ハウジングから電気的に遮蔽されている。セル１０は安全弁２８を含んでもよい。第１の電極の活物質はアノード電極用の活物質であってもよく、第２の電極の活物質はカソード電極用の活物質であってもよい。それに代わって、第１の電極の活物質はカソード電極用の活物質であってもよく、第２の電極の活物質はアノード電極用の活物質であってもよい。
【００１５】
アノード電極用の活物質は、アルミニウム（Ａｌ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、前述の物質の合金、リチウム化された炭素、ＬｉｘＴｉ５Ｏ１２、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、及びそれらの組合わせなどの、挿入が可能な炭素又は黒鉛材料を含んでもよい。これらの金属のうち、リチウムが好まれるが、それは、リチウムが、ジェリーロールに容易に形成され且つセルの組立体内で使用され得る延性の軟質金属であることに加えて、好適なアノード金属の群のうちで最も高いエネルギー対重量の比を備えるからである。例えば、有用なアノード電極用の活物質には、リチウム、アルミニウムと合金にされたリチウム、黒鉛と化合されて混合型のアノード電極用の活物質を形成するリチウム金属が挙げられる。
【００１６】
カソード電極用の活物質は、式（ＣＦｘ）ｎ（ここでｘが約０．５〜約１．２の範囲で変化する）及び（Ｃ２Ｆ）ｎで表されるフッ素化炭素を含んでもよい。両方の例示的なカソード電極用の活物質における添え字ｎは、単量体単位の個数を指し、広範囲に異なり得る。カソード電極用の活物質は、硫化銅（ＣｕＳ）、酸化銅（ＣｕＯ）、二酸化鉛（ＰｂＯ２）、硫化鉄（ＦｅＳ）、二硫化鉄（ＦｅＳ２）、黄鉄鉱、塩化銅（ＣｕＣｌ２）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、酸化銀（ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ）、硫黄（Ｓ）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化銅ビスマス（ＣｕＢｉ２Ｏ４）、酸化コバルト、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、三酸化タングステン（ＷＯ３）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、二硫化チタン（ＴｉＳ２）、遷移金属ポリスルフィド、リチウム化した酸化コバルト及び／又はニッケル、リチウム化した酸化マンガン、ＬｉｘＴｉＳ２、ＬｉｘＦｅＳ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＮｂＰＯ４並びにそれらの混合物などの、リチウム化した金属酸化物及び硫化物を含んでもよい。
【００１７】
電解質は、有機溶剤中に溶解された塩を含む。塩は、１種類の塩を含んでもよく、あるいは複数種の塩を含んでもよい。有機溶剤は、エーテル系溶剤を含んでもよい。有機溶剤は、エーテル系溶剤の混合物を含んでもよい。有機溶剤は、環状エーテル系溶剤及び非環状エーテル系溶剤の混合物を含んでもよい。環状エーテル系容剤はジオキソランを含んでもよい。本明細書で用いるとき、ジオキソランという用語は、１，３−ジオキソラン（ＤＩＯＸ）、アルキル置換ジオキソラン又はそれらの混合物を意味するものとする。アルキル置換ジオキソランの例が、４−メチル−１，３−ジオキソラン又は２，２−ジメチル−１，３−ジオキソランである。好ましいジオキソランが１，３−ジオキソランである。使用に適した典型的な非環状エーテル系溶媒には、ジメトキシエタン、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、エチルグリム、ジグリム、ジメトキシプロパン、及びトリグリムが挙げられる。有機溶剤は有機カーボネートを含んでもよい。有機溶剤は、有機カーボネートの混合物を含んでもよい。有機カーボネートの例には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＣ）、エチルメチルジカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、及びそれらの組合わせが挙げられる。いくつかの用途には、３，５−ジメチルイソオキサゾール（ＤＭＩ）、３−メチル−２−オキサゾリドン（３Ｍｅ２Ｏｘ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジメチルカーボネート（ＤＥＣ）、亜硫酸エチレングリコール（ＥＧＳ）、ジオキサン、亜硫酸ジメチル（ＤＭＳ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、アセトニトリル（ＡＮ）、メチルアセテート（ＭＡ）、及びそれらの組合わせなど、少なくとも１種類の任意選択による補助溶剤が使用されてもよい。使用に好ましい補助溶剤には、３，５ジメチルイソキサゾール、３−メチル−２−オキサゾリドン、及びプロピレンカーボネートが挙げられる。ほとんどの用途に対し、任意選択による補助溶剤の添加は、電解質の溶剤の総重量を基準として２５重量パーセント以下、好ましくは２０重量パーセント未満に制限されるべきである。
【００１８】
非環状エーテル系溶剤とジオキソランとの好ましい重量比は、１：９９〜４５：５５、より好ましくは１０：９０〜４０：６０であり、最も好ましいものの１つが約２９：７１である。例示的な電解質が、１リットル当たり１．０モルのＬｉＩの溶液を伴う２９．０重量パーセントのＤＭＥ、７０．８重量パーセントのＤＩＯＸ、０．２重量パーセントのＤＭＩ、及び０．１重量パーセントのＬｉＴＦＳである。
【００１９】
好適な塩は、無機又は有機ルイス塩と無機イオン化塩との錯体であってもよい。硫化鉄含有カソードと併せて使用するための塩には、リチウムトリフルオロメタンスルホネート（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）、リチウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド（Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、リチウムヘキサフルオロアルセネート（ＬｉＡｓＦ６）又はそれらの混合物を挙げることができ、リチウムトリフルオロメタンスルホネートが最も好ましい。他の電気化学システムにおける使用に有用な塩には、フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、硫化リチウム、ＬｉＴＦＳ、ＬｉＩ、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＯＢ、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化リチウム、及びそれらの組合わせが挙げられる。有用性に関する要件の１つは、塩が、単塩か錯塩かに関わらず、用いられている溶剤と相溶性があること、そして、それらの塩が、イオン的に十分に導電性であり、例えば、少なくとも約１０−４オーム−１ｃｍ−１である溶液を生じることである。一般に、少なくとも約０．３Ｍ（モル／リットル）の量で、ほとんどのセル用途に十分となり得る。
【００２０】
セパレータは、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びそれらの組合わせなどの微孔質材料を備えてもよい。この材料は、アルミニウム、ケイ素、チタン、及びそれらの組合わせの酸化物などの充填剤を含んでもよい。セパレータはまた、メルトブロー不織布フィルム技術などによって、超極細繊維から生産されてもよい。セパレータは、約８マイクロメートル（ミクロン）〜約３０マイクロメートルの厚さを有し得る。セパレータは、約０．００５マイクロメートル〜約５マイクロメートル、好ましくは約０．００５マイクロメートル〜約０．３マイクロメートルの孔径範囲を有し得る。セパレータは、約３０パーセント〜約７０パーセント、好ましくは約３５パーセント〜約６５パーセントの多孔率範囲を有し得る。
【００２１】
好ましくは、セパレータは、電解質によって湿潤可能な又は湿潤される材料を備える。液体と表面との間の接触角が９０°未満であるとき、又は、液体が表面全体に自発的に広がる傾向を持つとき、その材料はその液体によって湿潤されるといわれ、いずれの条件も通常は存在する。
【００２２】
セパレータの孔径は、溶媒和イオンが妨害されずに移動することを可能にする最小値を超えてもよい。溶媒和リチウムイオンは、約１０オングストローム、つまり０．００１マイクロメートルのオーダーとなり得る。有機電解質系がイオン対を形成すること、そして少なくとも単層の電解質溶媒がセパレータの孔壁を裏打ちすることは一般的となり得るので、０．００５マイクロメートルの最小孔径によって、イオンが妨げられずに孔を通過することが可能となる。しかしながら、孔径が増加すると、機械的強度を与えるために、非多孔質の領域もまた増加させることが必要となる。これらの非多孔質の領域を増加させる結果、セパレータの相当な部分を封鎖してイオン移動を妨げることになり得る。結果として、中程度の大きさの孔が多数あることが、非常に大きな孔が少数あることよりも好まれ得る。この効果の別の見方は、孔同士の距離が孔径と同程度に重要となり得るということである。通常、１マイクロメートル未満の孔径のセパレータにおいて、孔同士の距離もまたマイクロメートル未満となるべきである。加えて、アノードとカソードとの電気的短絡を生じ得る、セパレータを貫く電解質粒子の通路に、物理的障壁を形成することもセパレータの役割である。そのような粒子は、数マイクロメートル程度に小さく、したがって上位側の目標孔径が制限され得る。その結果として、孔径は好ましくは１マイクロメートル未満の範囲にあってもよく、あるいは、各孔は、セパレータを貫く電解質粒子の通路に物理的障壁を設けるように、十分に蛇行性となるべきである。
【００２３】
適度なイオン移動をもたらすために、３５％の最小多孔率が通常、利用され得る。通常、多孔率が７０％を超えると、結果として、引張り強度が電気化学セルに処理するのに不十分となり、また所望のセパレータよりも厚くすることが必要となる。好ましいセパレータ多孔率は、約３５％〜約６５％となり得る。
【００２４】
図２を参照すると、電極１１０が箔を備えていてもよい。箔は活物質を含んでもよい。活物質はアノード用の活物質を含んでもよい。例えば、アノード用の活物質は、リチウム、リチウム合金、リチウム−アルミニウム合金、アルミニウム、マグネシウム、及びカルシウムを含んでもよい。電極１１０は、前縁部１２０と後縁部１３０とを有してもよい。前縁部１２０は、渦巻き形電極組立体の最内径内に配置され得る。後縁部１３０は、渦巻き形電極組立体の最外径に配置され得る。電極は、厚さ（ｔ）、幅（ｗ）、及び全長（ｌ）を有し得る。例示的な単３電池の場合、電極は箔、例えばリチウム箔を備え得るが、その厚さは約０．１６ｍｍ〜約０．２７ｍｍの範囲にわたってもよく、長さは約１８０ｍｍ〜約３１０ｍｍの範囲にわたってもよく、幅は約３８ｍｍ〜約４０ｍｍの範囲にわたってもよい。
【００２５】
図３を参照すると、電極２１０は、金属基板２５０の上に被覆された電極の活物質２２０を備え得る。この電極の活物質は結合剤及び電解質と組み合わされてスラリーを形成し得る。そのスラリーは次いで、基板２５０上に塗布され得る。例えば、電極２１０は、基板２５０の上に塗布され得る二硫化鉄を含んだスラリーを備えてもよい。この例示的な電極は、組み立てられた電池内のカソードとなり得る。
【００２６】
電極の活物質は、ガウス分布の粒径を備え得る。例えば、平均粒径は１μｍ超で、且つ３０μｍ未満、又は約１０μｍ〜約２５μｍであってもよい。好ましくは、平均粒径は約１２μｍ〜約１８μｍとなり得る。スラリーは、金属基板の片側又は両側に塗布され得る。電極の活物質は、多峰性分布の粒径、例えば、二峰性又は三峰性分布の粒径を備え得る。多峰性分布とは、少なくとも２つの明確なピークを有する分布を指す。したがって、多峰性分布の粒径を有する電極の活物質に対し、粒子の相対的割合を粒径の関数としたプロットは、少なくとも２つの明確なピークを有することになる。粒径分布のある最頻値は、サンプルのうちの約１０％〜約９０％を含み、この最頻値にある平均粒径は約５μｍ〜約２０μｍの範囲にわたり得る。粒径分布の第２の最頻値は、同じサンプルのうちの約１０％〜約９０％を含み、この最頻値にある平均粒径は約１５μｍ〜約３５μｍの範囲にわたり得る。例示的な多峰性の電極の活物質の粒径分布は二峰性分布であり、その二峰性分布は、混合物の３０％が約５μｍ〜約１０μｍの平均粒径を有し、混合物の残りの７０％が約１５μｍ〜約２５μｍの平均粒径分布を有し得るものである。
【００２７】
金属基板２５０は、アルミニウム又はステンレス鋼を含んだシート又は箔であってもよい。被覆された電極２１０は、前縁部２４０と後縁部２３０とを有する。前縁部２４０は、渦巻き形電極組立体の最内径内に配置される。後縁部２３０は、渦巻き形電極組立体の最外径に配置される。金属基板は、厚さ（ｔ）、幅（ｗ）、及び全長（ｌ）を有する。代表的な円柱形の単３電池の場合、金属基板の厚さは、約１０μｍ〜約３０μｍの範囲に及び、幅は約４０ｍｍ〜約４４ｍｍの範囲に及び、長さは約２３０ｍｍ〜約３４０ｍｍの範囲に及び得る。
【００２８】
金属基板の片側の電極用物質のコーティングは、厚さ（ｔｃ）、幅（ｗｃ）、及び全長（ｌｃ）を有し得る。代表的な円柱形の単３電池の場合、電極用物質のコーティングの厚さは、約０．０７ｍｍ〜約０．１２ｍｍの範囲に及び、幅は約４０ｍｍ〜約４４ｍｍの範囲に及び、長さは約２３０ｍｍ〜約３４０ｍｍの範囲に及び得る。
【００２９】
電極用物質の第２の被覆（図示せず）が、被覆層の反対側（図示）にあってもよい。第２の被覆層の被覆寸法は、第１の層の被覆寸法と等しくてもよく、あるいは異なっていてもよい。例えば、第２の被覆層の被覆厚さは、第２の被覆層の被覆厚さよりも厚くてもよい。
【００３０】
図４Ａを参照すると、本発明の渦巻き形電極組立体４００の横断面が開示されている。第１の電極４１０は後縁部４４０を含む。第２の電極４２０は後縁部４５０を含む。セパレータ（図示せず）が、第１の電極４１０と第２の電極４２０との間に配設されている。第２の電極の後縁部４５０は、第１の電極４１０の後縁部を距離Ｘだけ越えて延びている。この延びはフラグと呼ばれることもあり、約５ｍｍ〜約２０ｍｍであってもよく、また約１０ｍｍ〜約１５ｍｍであってもよい。第２の電極タブ４３０が、第１の電極の後縁部４４０を越えたところに位置する領域にて、第２の電極４２０に張り付けられてもよい。絶縁テープなどの反応障壁（図示せず）が、第２の電極タブに被せて置かれてもよい。
【００３１】
図４Ｂを参照すると、従来技術６００における典型的な渦巻き形電極組立体の横断面が開示されている。第１の電極６２０は後縁部６５０を含む。第２の電極６１０は後縁部６４０を含む。セパレータ（図示せず）が、第１の電極６１０と第２の電極６２０との間に配設されている。第２の電極の後縁部６１０は、第１の電極６２０の後縁部を約５ｍｍ〜約２０ｍｍの距離だけ越えて延びている。第２の電極タブ６６０が、第２の電極６１０の後縁部６４０の前に且つ第１の電極の後縁部６５０を過ぎたところに位置する領域にて、第２の電極６１０に張り付けられ得る。絶縁テープなどの反応障壁（図示せず）が、第２の電極タブに被せて置かれてもよい。
【００３２】
図５を参照すると、本発明の渦巻き形電極組立体５００の後縁部の拡大面が開示されている。第１の電極５１０は後縁部５４０を含む。第２の電極５２０は後縁部５５０を含む。セパレータ５３０が、第１の電極５１０と第２の電極５２０との間に配設されている。第２の電極の後縁部５５０は、第１の電極の後縁部５４０を距離Ｘだけ越えて延びている。この延びはフラグと呼ばれることもあり、約５ｍｍ〜約２０ｍｍであってもよく、また約１０ｍｍ〜約１５ｍｍであってもよい。第２の電極タブ５６０が、第１の電極の後縁部５４０を過ぎたところに、且つ第２の電極の後縁部５５０の前に位置する領域にて、第２の電極５２０に張り付けられ得る。絶縁テープなどの反応障壁（図示せず）が、第２の電極タブに被せて置かれてもよい。
【００３３】
渦巻き形電極組立体
間にセパレータを有する第１の電極と第２の電極とを備えた渦巻き形電極組立体が、平坦な電極をセパレータ材料と共に渦巻き状に巻くことによって調製され得る。第１の電極は、例えば、アルミニウム又はステンレス鋼を備えたシート、格子、又はスクリーンなどの金属基板の上にコーティングされた、二硫化鉄（ＦｅＳ２）などのカソード用活物質を含んでもよい。第２の電極は例えば、アノード用活物質を含んでもよく、リチウム金属の密着シート、例えば、リチウム金属又はリチウム−アルミニウム合金などのリチウム合金の連続シートから調製され得る。セパレータは、微孔質のポリプロピレン又はポリエチレンなど、電解質透過性の材料を備えてもよい。
【００３４】
渦巻き形組立体を製作するために、セパレータが第１の電極の両側に挿入される。第１（上部）のセパレータシートは外部セパレータシートと名付けられてもよく、第２のシートは内部セパレータシートと名付けられてもよい。第２の電極は次いで、平坦な電極組立体を形成するように内部セパレータシートに当て付けて置かれ得る。第１の電極と第２の電極はいかなる配置で整合されてもよいが、一般には、電極のうち表面積の小さい方が整合され、そのため、その全表面積は、対向する電極をそれらの間のセパレータと共に有する。第２の電極と反対側にある電極の表面積は、二面間の表面積として定義され得る。電池の全体的な反応に寄与する反応性の構成要素のみが理論容量の算出に含められることを、当業者は理解すべきである。絶縁障壁、テープ、及びタブなど、非反応性の構成要素は、中間面の範囲内に存在し得るが、これらの構成要素は、全体的な反応及び後の計算には寄与しない。代表的な単３電池の場合、第１の電極と第２の電極との間の界面表面積は、約１３０ｃｍ２〜約２３０ｃｍ２となり得る。界面表面積は、より具体的には、約１５０ｃｍ２〜約１７０ｃｍ２、約１６０ｃｍ２〜約１８０ｃｍ２、約１７０ｃｍ２〜約１９０ｃｍ２、約１７０ｃｍ２〜約１８０ｃｍ２、約１９０ｃｍ２〜約２００ｃｍ２の範囲に及び得る。
【００３５】
平坦な電極組立体は、渦巻き形電極組立体、又はジェリーロール組立体（「ジェリーロール」）を形成するように渦巻き状に巻かれ得る。このように巻くことは、例えば、平坦な電極組立体の張り出したセパレータ縁部をマンドレルを使用して把持し、次いで平坦な電極組立体を渦巻き状に巻いて巻線形電極組立体を形成することによって達成され得る。この巻きは、ジェリーロールの最外径に位置するように設計で望まれる電極、例えば、第１の電極がジェリーロールの最外径に位置するか又は第２の電極がジェリーロールの最外径に位置するかに応じて、時計回り又は反時計回りのいずれに生じてもよい。完成したジェリーロールは、その最外径に向かってアノード又はカソードのいずれかを設置され得る。
【００３６】
典型的なジェリーロールの構成は、第２の電極がジェリーロールの最外径に位置する状態で、第２の電極の後縁部が第１の電極の後縁部を越えて延びるようなものである。あるジェリーロールの構成において、第１の電極に対向する第２の電極が存在するとき、電極は電池の電気化学的な放電に寄与する。第２の電極は箔を備えてもよく、その箔はセルの放電の間に消耗し得る。電気タブが、箔を備える第２の電極に直接、張り付けられているとき、そのタブが取り付けられる支持構造は、タブが第１の電極と反対の領域にある場合は消耗し得る。支持構造が損なわれる結果として、セル内のインピーダンスの増加、電池性能の低下、及び消費者満足度の低下が生じ得る。また、タブが電極から分断されることが原因で、タブと第２の電極との間の電気的接続が完全に損なわれる結果となり得る。この結果、電池性能及び全面的な消費者満足度が完全に損なわれることになり得る。支持構造が消耗する影響を軽減するのを助けるために、絶縁テープなどの反応障壁が、タブ及び第２の電極の一部分に張り付けられてもよい。
【００３７】
電池性能を持続させるためには、ある最小の箔の厚さが必要となり得ることを本発明者らは発見した。リチウム箔などの箔電極が、切断が原因で特にタブの近辺で連続性を損なう可能性は、箔電極の厚さが最小厚さ未満に低下した場合に増大し得る。例えば、最小の箔厚さは約０．０１ｍｍ〜約０．０２ｍｍとなり得る。より厳密には、最小の箔厚さは約０．０１５ｍｍ〜約０．０１７ｍｍとなり得る。場合によっては、切断を防止するために、箔の極端な薄化を減じるように、更なる防止策が必要となり得る。そのような策には、反応障壁又は電気力線を再分配するための菱形模様が含まれてもよい。
【００３８】
本発明の完成したジェリーロールは、ジェリーロールの最外径に位置する第１の電極を有してもよく、また、第１の電極の後縁部を越えて延びる第２の電極の後縁部を有してもよい。第２の電極の後縁部は、第１の電極の後縁部を約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、且つ約１０ｍｍ〜約１５ｍｍだけ越えて延びてもよい。第２の電極タブが、第１の電極の後縁部を越えて延びる領域にて、第２の電極に張り付けられてもよい。第２の電極の後縁部が第１の電極の後縁部を越えて延び、第２の電極タブが、第１の電極の後縁部を越えて延びる領域にて、第２の電極に張り付けられるという構成は、電気化学系、例えば、ＬｉＦｅＳ２において特に有利であり、ここでは、第２の電極が、箔、例えば、リチウム金属を含んだ箔を備え、二硫化鉄を含んだ第１の電極がジェリーロールの外側の巻き付けに配置される。この構成では、第２の電極の一部分を被覆し得る反応障壁の必要性を排除することなどによって、活物質がセルの放電反応に更に寄与することが可能となり得る。また、そのような構成は、第２の電極タブの支持構造が減じられる影響を軽減し得る。
【００３９】
理論容量
第１の電極及び第２の電極はそれぞれ、電気化学的に活性な物質、すなわち、電極構造内で、組み立てられた電池の電気化学的容量に寄与し得る物質から得られる総理論容量を有する。電極の総理論容量は、電極内にある活性電極物質の質量（グラム単位）に、活性電極物質の比理論容量（１グラム当たりのアンペア時単位）を掛けることによって決まる。例えば、リチウム金属の比理論容量は約３８６１ｍＡｈ／ｇである。アノードは、１グラムの１００％純粋なリチウムを活物質として含んでもよい。結果として得られる例示的なアノードの総理論容量は約３８６１ｍＡｈとなる。同様に、二硫化鉄の比理論容量は約８９３．５ｍＡｈ／ｇである。カソードは、４．９５グラムの二硫化鉄を活物質として含んでもよい。結果として得られるカソードの総理論容量は約４４２３ｍＡｈとなる。
【００４０】
電池の全体的な設計に関する有用な表現が、アノードカソード（Ａ／Ｃ）比である。Ａ／Ｃ比により、当業者は、特定の電池設計に関して、電池のアノード内の活性電極物質の容量を電池のカソードに対して容易に決定することができる。当業者であれば、時に「バランス」と呼ばれる、電池設計の全体的な性能に適する値を有するＡ／Ｃ比を用いることができる。例えば、主として高率放電の用途で機能するように電池を設計する技術者は、カソード用活物質の放出が及ぶ範囲で効率損失に対処するために、アノード容量よりも大きなカソード容量を有することを望む場合がある。そのような設計は、１未満のＡ／Ｃ比、つまりバランスを有することになる。それに代わって、主として低率放電の用途で機能するように電池を設計する技術者は、カソード用活物質の利用率が高まるがために、アノード容量よりも小さなカソード容量を有することを望む場合がある。そのような設計は、１を超えるＡ／Ｃ比、つまりバランスを有することになる。
【００４１】
Ａ／Ｃ比は、電池設計における合計のアノード及びカソード用活物質に関連付けて表現され得る。そのような表現は、総Ａ／Ｃ比又は総入力比と呼ばれることもある。総Ａ／Ｃ比を決定するために、セル内に含められたアノード用活物質の総理論容量が、セル内に含められたカソード用活物質の総理論容量で除算される。上に示した理論電極容量の例を利用すると、総Ａ／Ｃ比は約０．８７（３８６１ｍＡｈ／４４２３ｍＡｈ）となる。
【００４２】
総Ａ／Ｃ比は、組み立てられた電池の所望の放電特性に従って調節又は調和され得る。一般に、Ｌｉ／ＦｅＳ２電池は、セルのサイズ、例えば、単３又は単４のサイズかそれよりも小さな若しくは大きなサイズに関わらず、約１．２未満の総Ａ／Ｃ比を有するように調和され得る。好ましくは、Ｌｉ／ＦｅＳ２セルは、セルのサイズにかかわらず、総Ａ／Ｃ比が約０．８０〜約１．２、約０．９〜約１．２、約１．０〜約１．２、約１．１〜約１．２となり得るように調和され得る。
【００４３】
Ａ／Ｃ比はまた、電極組立体同士の界面面積と共に、電極内の活物質の量に関連付けて定義されてもよい。そのような表現は、界面Ａ／Ｃ比又は界面入力比と呼ばれることもある。界面Ａ／Ｃ比は、特定の電極パラメータ及び設計上の検討事項、例えば、ジェリーロール構造、第１の電極と第２の電極との位置合わせなどに関連付けられる設計変更を考慮したものである。また、一定量のアノード又はカソード用活物質が使用中に放電しないことも考えられ、これはセル設計、放電率、又は他の要因に起因し得る。界面Ａ／Ｃ比は、実際には放電できないが、全体的なセル設計又は構造に依然として重要となり得る活物質を考慮して電池設計を表す上で有用である。界面Ａ／Ｃ比は、間にセパレータを挟んでアノードとカソードの間に面する表面積に関して、アノード用活物質の理論容量とカソード用活物質の理論容量との比として定義され得る。
【００４４】
セミカソード外巻き（ＳＣＯＷ）設計でジェリーロール組立体を取り入れた電池に対し、界面Ａ／Ｃ比を決定するには、ジェリーロール組立体の全長にわたって電極が総界面Ａ／Ｃ比の算出に様々に寄与することに対処するために、まずジェリーロール組立体内に区画を規定すると便利である。理解されたいこととして、アノード外巻き（ＡＯＷ）設計、セミアノード外巻き（ＳＡＯＷ）設計、カソード外巻き（ＣＯＷ）設計、各電極ごとに複数のタブを利用する設計、電極組立体の端部以外の位置に電極タブを配置する設計など、別のジェリーロール設計に対し、同様のプロセスに従って界面Ａ／Ｃ比が決定されてもよい。ＡＯＷ設計では、ジェリーロールの最外径にアノード電極を有してもよく、そのアノード電極の後縁部はカソード電極の後縁部を越えて延びる。ＣＯＷ設計では、ジェリーロールの最外径にカソード電極を有してもよく、そのカソード電極の後縁部はアノード電極の後縁部を越えて延びる。ＣＯＷ設計における電極は、アノードの全表面領域が、対向するカソードをそれらの間にセパレータを挟んで有するように整列され得る。
【００４５】
電極区分は、指定された長さを持つ電極の区間として定義されもよく、また区分の長さ方向に沿って二分されると、等しい厚さと高さを有し得る。電極タブ区分は、電極の内側に面する対向電極、例えば、カソードを有する電極区分、例えば、アノード区分として定義されてもよい。電極タブ区分は、その片側に対向電極を有するので、セルの全体的な化学反応に部分的に寄与する。絶縁テープなどの反応障壁が、電極タブに被せて置かれてもよい。
【００４６】
電極の内部巻付け区分は、アノードに面する対向電極、例えば、カソードを両側に有する電極区分として定義されてもよい。総電極長は、電極タブ区分長と電極の内部巻付け区分長との合計である。活性電極区分は、総電極長から電極タブ長を差し引いたものとして定義されてもよい。反応障壁が使用される場合、反応障壁で被覆された電極表面もまた減算されなくてはならない。あるいは、活性電極区分はまた、電極外巻き区分長と電極内部巻付け区分長との合計である。
【００４７】
界面Ａ／Ｃ比は、（１）各区分ごとに界面Ａ／Ｃ比を算出し、（２）区分の全体的な寄与に従って各区分ごとに界面Ａ／Ｃ比を調節し、（３）各区分の調節された界面Ａ／Ｃ比を合計して、電池の総界面Ａ／Ｃ比を決定することによって決定されてもよい。アノード及びカソード電極がそれぞれ単一のタブを有する、本発明の半ＣＯＷジェリーロール電極組立体（例えば、カソードが最外方の電極となり、アノードの後縁部がカソードの後縁部を越えて延びる）を利用したＬｉ／ＦｅＳ２に対する界面Ａ／Ｃ比の例示的な算出は以下の通りである。
【００４８】
アノードは、長さが約２４５．５ｍｍ、幅が約３９ｍｍ、厚さが約０．１９７２ｍｍとなり得る。リチウム、つまり活性アノード物質の密度は０．５３４ｇ／ｃｍ３である。リチウムのアノード用活物質の純度は１００％となり得る。
【００４９】
アノードのタブ区分長は約１０ｍｍとなり得る。アノードの内部巻付け区分長は約２３５．５ｍｍとなり得る。活性アノードのタブ区分長は約２４５．５ｍｍとなり得る。加えて、カソードは、カソードの片面当たり２６ｍｇ毎ｃｍ２のカソード用物質装填率を有し得る。ＦｅＳ２は９５％の純度を有し、全カソード組成物の８９％を構成し得る。
【００５０】
上述した例のアノード容量は約２０．３３ｍＡｈｒ／ｃｍ２／面となる。上述した例のカソード容量は約１９．６５ｍＡｈｒ／ｃｍ２／面となる。カソードの片面とアノードの両面が反応に関与するアノードタブ区分の界面Ａ／Ｃ比は、約２．０７［（２０．３３ｍＡｈｒ／ｃｍ２／面×２面）／（１９．６５ｍＡｈｒ／ｃｍ２／面×１面）］となる。カソードの両面とアノードの両面が反応に関与するアノード内部巻付け区分の界面Ａ／Ｃ比は、約１．０４［（２０．３３ｍＡｈｒ／ｃｍ２／面×２面）／（１９．６５ｍＡｈｒ／ｃｍ２／面×２面）］となる。
【００５１】
電池の総界面Ａ／Ｃ比へのこれらの区分の寄与は、全長に対するその区分の割合に応じて、アノードタブ区分と内部巻付けの界面Ａ／Ｃ比を調節することによって決まる。アノード外巻き区分の割合は約０．０４（１０ｍｍ／２４５．５ｍｍ）であり、アノード内部巻付け区分の割合は約０．９６（２３５．５ｍｍ／２４５．５ｍｍ）である。それぞれの区分の割合による調節後の、アノードタブと内部巻付けの界面Ａ／Ｃ比はそれぞれ、約０．０８３（２．０７×０．０４）及び約０．９９４（１．０３５×０．９６）である。調節されたアノードタブと内部巻付けの界面Ａ／Ｃ比がここで合計され、結果として、組み立てられた例示的なセルの界面Ａ／Ｃ比は約１．０７７となる。
【００５２】
界面Ａ／Ｃ比は、組み立てられた電池の所望の放電特性に従って調節又は調和され得る。一般に、Ｌｉ／ＦｅＳ２電池は、セルのサイズ、例えば、単３又は単４のサイズかそれよりも小さな若しくは大きなサイズに関わらず、約１．２未満の界面Ａ／Ｃ比を有するように調和され得る。好ましくは、Ｌｉ／ＦｅＳ２セルは、セルのサイズにかかわらず、界面Ａ／Ｃ比が約０．８０〜約１．２、約０．９〜約１．２、約１．０〜約１．２、約１．０〜約１．１５、及び約１．１〜約１．２となり得るように調和され得る。
【００５３】
実験的試験
放電性能試験は、デジタルカメラ又はＤｉｇｉｃａｍ試験と一般に呼ばれるＡＮＳＩプロトコルに従う。このプロトコルは、パルス放電サイクルをセルに加えることからなる。各サイクルは、２秒間にわたる１．５ワットのパルスと、その直後に続く２８秒間にわたる０．６５ワットのパルスからなる。１０回の連続するパルスの後、次いでセルを５５分間の期間にわたって休止させ、その後に、規定のパルス方式を第２のサイクルにわたって開始する。各サイクルを、１．０５Ｖのカットオフ電圧に達するまで引き続き反復する。カットオフ電圧に達するのに必要な１．５ワットのパルスの総数を記録する。
【００５４】
以下の表１に示す設計パラメータに従って、実験用セルを組み立てる。
【００５５】
【表１】
0005706041.tif 000002
【００５６】
カソード外巻き（ＣＯＷ）ジェリーロール組立体を有する単３のＬｉＦｅＳ２一次電池を組み立てる。カソードの後縁部はアノードの後縁部を約５ｍｍだけ越えて延びる。界面Ａ／Ｃ比は約１．０３５である。雰囲気中での保管に続く３％のセル容量の予備放電の後、Ｄｉｇｉｃａｍ試験をセルに対して実施する。セルは平均５５８パルスを示し得る。
【００５７】
セミカソード外巻きジェリーロール組立体を有する本発明に従って、単３のＬｉＦｅＳ２一次電池を組み立てる。アノードの後縁部はカソードの後縁部を約１０ｍｍだけ越えて延びる。界面Ａ／Ｃ比は約１．０７７である。雰囲気中での保管に続く３％のセル容量の予備放電の後、Ｄｉｇｉｃａｍ試験をセルに対して実施する。セルは平均５７４パルスを、つまり、１．０３５の界面Ａ／Ｃ比を有するＣＯＷセル設計に対する約３％の改善を示し得る。
【００５８】
本発明者らが見出したこととして、第１の電極の後縁部を、第２の電極の後縁部を越えて延長することにより、約１．２未満の界面Ａ／Ｃ比で設計する利点が、例えば、電極と電極タブとの電気的接続の表面積を減じることなく箔電極を利用するシステムにおいて実現され得る。電極タブから、切断しにくい箔を備えた電極への電気的接続を用いて、アノード対カソードのバランスを高める結果、容量及び放電性能の高い電池が得られる。
【００５９】
本明細書で開示した寸法及び値は、列挙した厳密な数値に厳格に限定されるものとして解釈されるべきではない。その代わりに、別段の指定がない限り、そのような各寸法は、列挙した値と、その値を包含する機能的に等価な範囲との双方を意味することを意図したものである。例えば、「３０％」として開示した寸法は、「約３０％」を意味することを意図したものである。
【００６０】
本発明の特定の実施形態について図示し説明したが、種々の他の変更及び修正が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされ得ることが、当業者には明らかとなろう。したがって、本発明の範囲に含まれるそのようなすべての変更及び修正は、添付の特許請求の範囲で網羅することとする。
【図１】
0005706041.tif 000003
【図２】
0005706041.tif 000004
【図３】
0005706041.tif 000005
【図４Ａ】
0005706041.tif 000006
【図４Ｂ】
0005706041.tif 000007
【図５】
0005706041.tif 000008