(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイゼリーロール構造を有する電池セルであって、
第１のゼリーロールであり、実質的に平板化されておりかつアノード材料、カソード材料、および前記アノード材料と前記カソード材料との間を絶縁するセパレータ材料の複数層を含むとともに、アノード層が外側に形成される第１のゼリーロールと、
第２のゼリーロールであり、実質的に平板化されておりかつアノード材料、カソード材料、および前記アノード材料と前記カソード材料との間を絶縁するセパレータ材料の複数層を含むとともに、アノード層が外側に形成される第２のゼリーロールと、
前記第１のゼリーロールと前記第２のゼリーロールとの間に位置決めされているカソード材料層と
を含み、
前記第１のゼリーロール、前記第２のゼリーロール、および前記カソード材料層が、前記電池セルの内部に位置決めされ、
カソード材料の層がバイゼリーロール構造の一方の端部から他方の端部への導管を形成し、バイゼリーロール構造による第１の端子と第２の端子とがバイゼリーロール構造の同じ側に配置され、
前記カソード材料層は、両面被覆型のカソードシートであって、該カソード材料層が、対をなす前記第１のゼリーロールと前記第２のゼリーロールの間に延ばされている、
ことを特徴とする電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は電池に関し、詳細には、自動車駆動系システムで使用するための電池を含む充電式電池（Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  ｂａｔｔｅｒｙ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの従来型電池の設計が、アノード材料、セパレータ材料、およびカソード材料の積層を含む。これらの材料の複数層は、次いで巻かれて円筒内に挿入されるか、または巻かれ、次いで、対応するハウジング内に挿入される前に平板化されることが可能である。そのような充電式電池は、ゼリーロール電池、またはゼリーロールもしくはいくらか螺旋状の横断面を有する充電式電池として既知である。いくつかの電池では、１つまたは複数のゼリーロールが缶または容器内に挿入される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アノード材料の使用不可能な外層による従来の角柱型セルのデッドスペースのせいで、容量損失がある。さらに、そのような従来のセルの高温貯蔵性能が、セル内の使用不可能な追加アノード外層に捕捉されたリチウムにより低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書に開示されている技法が、スタック／折畳み式製造方法と比較して、大型大容量セルのゼリーロール組立ての速度を向上させるシステムおよび方法を含む。一実施形態では、より高速の巻回プロセスが達成され、さらに、ゼリーロール間に少なくとも１つの（追加）カソード層を付加することにより、より大きな容量およびより高いエネルギーを達成することができる。そのような付加により、アノード外層の使用の損失が最小限になる。
【０００５】
ゼリーロール間に追加の単一面被覆型のカソードシートを含むことにより、電池の容量を増大させることができる。複数のゼリーロールが１つのパウチまたは容器内に挿入されて、ゼリーロールの縁部と角柱缶との間のデッドスペースを最小限にすることが多い。より厚いゼリーロールを用意する場合、ゼリーロールの曲率はより大きくなる可能性がある。したがって、より薄いゼリーロールを用意することおよび複数のゼリーロールを使用することにより、角のデッドスペースを最小限にすることで、容量を増大させることができる。しかし、この場合、追加カソードシートを付加することにより、アノード外層はセル容量のために使用することができる。また、当該追加カソードシートは、以前は使用不可能なアノード層を除去することにより、高温での貯蔵性能を増大させることができる。この使用不可能なアノード層は、当該層内にリチウムを捕捉して、従来の角柱型セルに使用可能なリチウムの損失という結果になる可能性がある。
【０００６】
別の実施形態では、金属板が、マンドレルまたは２つのゼリーロール間の追加層として使用される。この金属板を付加することにより、円筒形セル内などのセルまたはパック内の冷却フィンとしての機能を果たすことで、電池性能が向上する。アルミニウム板または他の金属板を冷却板および／または外部タブとして使用して、ツータブ設計（ａ  ｔｗｏ  ｔａｂ  ｄｅｓｉｇｎ）の範囲内のセルをワンタブ設計（ａ  ｏｎｅ−ｔａｂ  ｄｅｓｉｇｎ）にすることができる。したがって、より高い体積エネルギー密度が、他方の側の封止されたタブ付き領域を減少させることにより達成され得る。この解決策により、タブ付けまたは封止のためのスペースの損失が効率的に最小限になる。
【０００７】
この技法は、ゼリーロール間の追加の金属板（例えば、アルミニウム板）またはシートを付加することで、追加の封止されたタブ付き領域（スペース）の減少による高い体積エネルギーを有するセルまたは電池パックを獲得する。パウチ内で複数のゼリーロールを使用することにより、ゼリーロールの縁部または端部におけるデッドスペースを最小限にすることができる。ゼリーロールの曲率は、より厚いゼリーロールを用意する場合、より大きくなる可能性がある。したがって、より薄いゼリーロールを用意することおよび複数のゼリーロールを使用することにより、容量を増大させることができる。本実施形態では、各ゼリーロールはセパレータにより完成され得る。集電および冷却フィンの配設という二重機能のために、金属板を２つのゼリーロール間に付加することができる。金属板が使用された場合、ある電池パック設計では、追加の冷却パッドが必要とされないと考えられる。さらに、そのような実施形態は、内部短絡をより良く制御することにより、より良好な濫用時の耐性を実現する。
【０００８】
さらに、本明細書における異なる特徴、技法、構成等の各々が本開示の異なる箇所で検討される可能性があるが、コンセプトの各々が互いに独立してまたは互いに組み合わされて実行され得ることが意図されている。したがって、本発明は、多くの様々な方法で具体化され、考察されることが可能である。
【０００９】
本明細書における本概要部分は、本開示または特許請求されている発明のあらゆる実施形態および／もしくは漸進的に新規の態様を特定していないことに留意されたい。代わりに、本概要は、異なる実施形態の予備的検討および従来の技法を凌ぐ新規性の対応点を与えているに過ぎない。本発明および実施形態のさらなる詳細および／または可能な観点のために、読者は、以下にさらに検討されている本開示の詳細な説明部分および対応する図に導かれる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ゼリーロールの各端部上に端子を有するゼリーロール（巻き板ラップ）の従来の設計を示す。
【図２】各ゼリーロールがゼリーロールの各端部上に端子を有する状態の、共に圧縮された２つのゼリーロールの従来の設計を示す。
【図３】２つのゼリーロール間に１つのカソードを付加している新しい実施形態を示す。
【図４】各側に電気タブまたは端子を備えた実施形態を示す。
【図５】中心層が付加された状態で、一方の端部から他方の端部への導管が形成されており、一方の側に２つのタブを位置決めすることを可能にしていることを示す。
【図６】ゼリーロール電池の巻回コンセプトを示す。
【図７】例示的電池のセル設計を示す。
【図８】アルミニウム板が２つのゼリーロール間に位置決めされている状態の、２つの巻き板ラップゼリーロールの例示的実施形態を示す。
【図９】アルミニウム（Ａｌ）板を有するバイゼリーロール用の各構成要素の側面図である。
【図１０】最終的なシールセルの構成、および端子をバイゼリーロールと同じ側に有することで端子の幾何形態を改善することにより、金属板がどのようにエネルギー密度を増大させることができるか、を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
１つの技法では、両面上に被覆され得る追加のカソード材料層を、ゼリーロール間に位置決めすることができる。次いで、延長タブを、電極縁部上の余分な裸の箔（ｂａｒｅ  ｆｏｉｌｓ）に溶接することができる。パウチの内部に封止された後、電解液がパウチケース内に満たされ、活性化される。
【００１２】
別の実施形態では、ゼリーロール上に高収縮セパレータと共に追加の裸の箔のセットを付加することにより、濫用時の耐性を得ることができる。この追加層は、裸の箔間に接触があった場合に短絡し、それによりセルの充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を低下させる可能性がある。より低ＳＯＣのセルは高ＳＯＣのセルより反応性が低い。本明細書に開示されている技法は、高エネルギー密度、より良い貯蔵性能、および組立て製造のより低いコストをもたらす。
【００１３】
一実施形態では、追加金属板が、ゼリーロール間にまたはゼリーロール対間に付加されている。延長タブは余分な裸の箔およびこの板に溶接することができ、それをゼリーロールを通して外部タブに接続することができる。このタブに加えて、箔と溶接することにより、このタブの側に別のタブを配置することができる。絶縁ポリマーパッドを使用して、金属板と他方のタブのための箔との間を絶縁することができる。一実施形態では、一対のゼリーロール間に配設されているアルミニウム板を正のタブとして使用することができる。パウチの内部に封止された後、当該パウチまたはケース内に電解液を満たすことができ、封止されたセルをその形成まで活性化することができる。
【００１４】
他の金属板をアノードまたはカソード用に使用することができる。アルミニウム板はより良い安全性、より低いコスト、および特定の高エネルギーをもたらすことができるので、アルミニウム板を使用することは有益である。本実施形態の利点には、高い体積エネルギー密度、低コストの組立て製造、および濫用時の耐性があるセルが含まれる。また、集電およびセルの冷却のために金属板を使用することにより、対応する電池パック設計における追加冷却パッドの必要を低減するかまたは排除することができる。
【００１５】
一般に電池セル設計に関して、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）を含むいくつかの用途にとって効率的な電池が重要である。このことに対処するために、Ｌｏｗｅｒ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＬＥＥＳＳ）セルの開発が開始された。材料コストは、セル電力（より少ないスタック）を向上させることにより下げることができる。加工コストは、巻回組立てを使用することにより下げることができる。従来、巻回組立てにより、平板化された巻回物（ｆｌａｔｔｅｎｅｄ  ｗｉｎｄｉｎｇ）（Ｗｏｕｎｄ  Ｆｌａｔ  ＷｒａｐまたはＷＦＷ）の各端部上のタブ（電気端子）がもたらされる。当該巻回物における極薄電極が有益である可能性がある。例えば、これは、（巻回の最適範囲としての）４Ａｈ／９．５巻きのような所定の巻回物につき、複数の巻きを減じることができる。それでも、ピックアンドプレイススタッカ（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ  ｓｔａｃｋｅｒ）による薄い電極の取扱いに問題がある。典型的なセル構成では、電池セルの各端部上に側部タブ／電極がある。これにより、他方の側のタブのための追加の封止された領域のせいで、３％のエネルギー損失（エネルギー密度）という結果になる可能性がある。１つの理由は、タブのせいで、ゼリーロール層が完全に延在して電池セル空間を満たすことができないことである。
【００１６】
図６は、ゼリーロール電池の巻回コンセプトを示す。延長タブ用の被覆されていない箔を、切取り後に使用することができる。半面被覆型のアノードが最初に巻回され、次いで、このアノードは外側ゼリーロールにおいて包まれる。正の層とセパレータ層と負の層とを巻回した後、結果として得られた円筒形形状は平板化する（押し潰す）ことができる。
平板化され巻回されたゼリーロールをパウチ内に挿入し、電解液で満たし、次いで真空封止することができる。巻回後、余分な箔を切り取ることができる。
【００１７】
図１は、ゼリーロールの各端部上に端子を有するゼリーロール（巻き板ラップ（ｗｏｕｎｄ  ｆｌａｔ  ｗｒａｐ））の従来の設計を示す。
【００１８】
図２は、各ゼリーロールがゼリーロールの各端部上に端子を有する状態の、共に圧縮された２つのゼリーロールの従来の設計を示す。この設計は、図１の設計より優れてエネルギー密度を向上させることができる。
【００１９】
図３は、２つのゼリーロール間に１つのカソードを付加している新しい実施形態を示す。この付加により、エネルギー密度が増大する。カソード層を付加することに加えて、またはカソード層を付加する代わりに、２つのゼリーロール間に金属板を位置決めすることができる。どちらかの実施形態では、タブ装置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を変形させて、角柱型セル設計の一部などの２つのゼリーロール間に層を付加することの結果としてエネルギー密度を向上させることができる。
【００２０】
図４は、各側に電気タブまたは端子を備えた実施形態を示す。図５では、中心層が付加された状態で、一方の端部から他方の端部への導管が形成されており、一方の側に２つのタブを位置決めすることを可能にしている。そのような構成により、所定の電池セルにおいてより多くのゼリーロール材料を使用すること、またはより小さい設置面積の電池セルを作り出すことのどちらかが可能になる。どちらかの構成では、エネルギー密度が増大する。
【００２１】
図７は、例示的電池のセル設計を示す。
【００２２】
図８は、アルミニウム板が２つのゼリーロール間に位置決めされている状態の、２つの巻き板ラップゼリーロールの例示的実施形態を示す。図８は、アルミニウムタブおよび銅タブがどちらもゼリーロール対の一方の側／端部に配置されているように、アルミニウム板または箔がどのように２つのゼリーロール間に電気路を作り出すことができるかを示す側面図および上面図を含む。
【００２３】
図９は、アルミニウム（Ａｌ）板を有するバイゼリーロール（ｂｉ−ｊｅｌｌｙ  ｒｏｌｌｓ）用の各構成要素の側面図である。図９は、当該層をどのように切り取り、結合することができるかを示す。図１０は、最終的なシールセルの構成、および端子をバイゼリーロールと同じ側に有することで端子の幾何形態を改善することにより、金属板がどのようにエネルギー密度を増大させることができるか、を示す。
【００２４】
このように、実施形態が新規のバイゼリーロール構造を含む。銅タブを一方の端部上にかつアルミニウムタブを反対側端部上に有する代わりに、アルミニウム板または両面被覆型のカソードシートが、ゼリーロール対の中間を通して延ばされている。そのような構成により、アノード外層の使用を最大限にすることができる。一例では、このことにより、ゼリーロール間で１つのカソードを使用することで、ゼリーロールの平行接続が実現され得る。
【００２５】
また、依然として本発明の同一の目的を達成すると同時に、前段で説明されている技法の作用に対して施される多数の変形が存在することを、当業者は理解するであろう。そのような変形は、本発明の範囲によってカバーされることが意図されている。したがって、本発明の実施形態の上述の記載は限定的であることを目的としていない。むしろ、本発明の実施形態への限定は以下の特許請求の範囲に提示されている。
【図１】
0006512645.tif 000002
【図２】
0006512645.tif 000003
【図３】
0006512645.tif 000004
【図４】
0006512645.tif 000005
【図５】
0006512645.tif 000006
【図６】
0006512645.tif 000007
【図７】
0006512645.tif 000008
【図８】
0006512645.tif 000009
【図９】
0006512645.tif 000010
【図１０】
0006512645.tif 000011