(57)【要約】  マルチコアリチウムイオンバッテリは、封止された筐体と、封止された筐体の中に配置される支持部材とを含む。支持部材は、複数のキャビティと、配置される複数のリチウムイオンコア部材、複数のキャビティとを含む。バッテリは、複数のキャビティライナをさらに含み、キャビティライナの各々は、リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと、キャビティのうちの対応する１つの表面との間に位置付けされる。
2021533533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチコアリチウムイオンバッテリであって、
キャビティ表面により画定される複数のキャビティを含み、複数のキャビティの各々が、キャビティ開口部を通してリチウムイオンコア部材を受けるように構成される、支持部材と、
複数のリチウムイオンコア部材であって、複数のリチウムイオンコア部材の各々が、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に位置付けされるセパレータと、電解質とを含む、複数のリチウムイオンコア部材と、
支持部材を包囲し封じる、気密封止された筐体と
を含み、
複数のリチウムイオンコア部材の各々は、支持部材の複数のキャビティのうちの１つの中に位置付けされ、
リチウムイオンコア部材の各々は、電解質が中に含まれるキャビティを電解質が脱出することを防ぐように、リチウムイオンコア部材の各々の長さに沿って、複数のキャビティのうちの１つのキャビティ表面により包囲され、
気密封止された筐体は、（ｉ）キャビティの各々が開放している、ならびに、（ｉｉ）各イオンコア部材のアノード、カソード、および電解質が、支持部材のキャビティ内に位置付けされるときに、キャビティ開口部を通して直接的に暴露される、共有される雰囲気領域を画定し、
支持部材および筐体のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に断熱鉱物材料から作製される、マルチコアリチウムイオンバッテリ。
【請求項２】
支持部材が、運動エネルギー吸収材料を含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３】
運動エネルギー吸収材料が、アルミニウム発泡体、セラミック、およびプラスチックのうちの１つから形成される、請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項４】
各キャビティ内に位置付けされるキャビティライナをさらに含み、キャビティライナの各々が、プラスチック材料またはアルミニウム材料から形成され、リチウムイオンコア部材のうちの１つを受ける、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項５】
複数のキャビティライナが、モノリシックライナ部材の部分として形成される、請求項４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項６】
前記イオンコア部材を、気密封止された筐体の外部の電気端子に電気的に接続する、前記気密封止された筐体の中の電気コネクタをさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項７】
前記電気コネクタが、第１のバスバーと、第２のバスバーとを含み、第１のバスバーが、前記イオンコア部材のアノードを、気密封止された筐体の外部の端子の正端子部材に相互接続し、第２のバスバーが、前記イオンコア部材のカソードを、気密封止された筐体の外部の端子の負端子部材に相互接続する、請求項６に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項８】
支持部材が、ハニカム構造の形態でのものである、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項９】
運動エネルギー吸収材料が、圧縮可能媒体を含む、請求項２に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１０】
気密封止された筐体が圧縮可能要素を有する壁を含み、圧縮可能要素は、その壁に衝撃を与える力に起因して圧縮されるときに、リチウムイオンバッテリの電気的短絡を作る、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１１】
支持部材内に含まれる複数のキャビティ、および、それらの対応するイオンコア部材が、形状において、円筒形、長楕円形、および角柱のうちの１つである、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１２】
複数のキャビティのうちの少なくとも１つ、および、その対応するイオンコア部材が、複数のキャビティのうちの他のもの、および、それらのキャビティの対応するイオンコア部材とは異なる形状を有する、請求項１１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１３】
イオンコア部材のうちの少なくとも１つが、高電力特性を有し、イオンコア部材のうちの少なくとも１つが、高エネルギー特性を有する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１４】
各アノードを第１のバスバーに電気的に接続するためのタブと、各カソードを第２のバスバーに電気的に接続するためのタブとをさらに含み、各タブが、あらかじめ決定された電流が超過されたときに、各前記タブを通る電流の流れを中断するための手段を含む、請求項７に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１５】
第１のバスバーが、アノードから第１のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子を、および、第２のバスバーが、カソードから第２のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子を、あらかじめ決定された電流が超過されたときに前記ヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために含む、請求項７に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１６】
気密封止された筐体が、防火性部材を含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１７】
気密封止された筐体が、気密封止された筐体の内側において、リチウムイオンセル領域、および、共有される雰囲気領域を画定する、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１８】
イオンコア部材の各々を包囲する保護スリーブをさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項１９】
支持部材が、電解質に対して吸収性がある、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２０】
支持部材が、衝撃荷重に応答して、変形可能および運動エネルギー吸収である、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２１】
キャビティライナが、水分および電解質不透過性である、請求項４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２２】
キャビティが、支持部材において一様に分布させられる、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２３】
キャビティが、支持部材においてジグザグにずらされる、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２４】
防火性部材が、気密封止された筐体の外側に付着させられる防火性メッシュ材料を含む、請求項１６に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２５】
防火性部材が、ポリウレタン発泡体、エポキシ発泡体、およびガラス繊維ウールからなるグループから選択される、請求項１６に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２６】
防火性部材が、気密封止された筐体の内側の空いた空間内に位置付けされる充填材材料を含む、請求項１６に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２７】
充填材材料が、中空球、高密度球、不規則な形の微粒子からなるグループから選択され、充填材材料が、プラスチック材料、金属材料、またはセラミック材料から作製される、請求項２６に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２８】
イオンコア部材の各々が、個々の気密筐体を伴わない支持部材のキャビティに導入される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項２９】
キャビティライナの各々が、水分および電解質不透過性である、請求項４に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３０】
断熱鉱物材料が、アルカリアースシリケートウール、玄武岩繊維、アスベスト、火山ガラス繊維、繊維ガラス、気泡ガラス、および、それらの任意の組み合わせからなるグループから選択される、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３１】
断熱鉱物材料が、ナイロン、ＰＶＣ、ＰＶＡ、アクリルポリマー、および、それらの任意の組み合わせからなるグループから選択される結合材料をさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【請求項３２】
断熱鉱物材料が、難燃性添加剤をさらに含む、請求項１に記載のリチウムイオンバッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年７月３０日に出願され、シリアル番号第１６／０４８，８７４号を割り当てられた、「Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｙ」と表題を付けられた米国非仮特許出願に対する優先権利益を主張するものである。前述の米国非仮特許出願は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、リチウムイオンバッテリに関し、より詳細には、改善された安全性と、低減された製造コストとを有するマルチコアリチウムイオンバッテリに関する。
【背景技術】
【０００３】
リチウムイオンバッテリなどの電気化学電力セル（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｃｅｌｌ）に対する需要は、電動車両およびグリッド貯蔵システムなどの用途、ならびに、電動バイク、無停電電力バッテリシステム、および鉛酸交換バッテリなどの他のマルチセルバッテリ用途の発展に起因して、絶えず増大している。エネルギー密度および電力密度が高いということが、これらの用途に対する要件であるが、より多くではないにしても、まさに同じほど重要なのが、広範な商業的採用を可能にするための、低コスト製造、および、増大した安全性の要件である。これらのバッテリのエネルギー対電力比を、用途のその比に合わせて調整する（ｔａｉｌｏｒ）ことの必要性がさらに存する。
【０００４】
大型形式用途であるグリッド貯蔵および電動車両に対して、直列および並列アレイの形で接続される多数のセルが要される。セルの供給業者は、各単一のセルに対して１０Ａｈ（アンペア時）より多いと本明細書において定義される大型セル、または、１０Ａｈより少ないと本明細書において定義される小型セルのいずれかに焦点を合わせている。積層またはラミネート加工された電極を含む、角柱セルまたはポリマーセルなどの大型セルが、ＬＧ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、ＡＥＳＣ、ＡＴＬ、および、他の販売業者により作製される。１８６５０もしくは２６６５０円筒形セル、または、１８３７６５もしくは１０３４５０セルなどの角柱セルなどの小型セル、および、他の同様のサイズのものが、Ｓａｎｙｏ、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ、ＥｏｎｅＭｏｌｉ、Ｂｏｓｔｏｎ−Ｐｏｗｅｒ、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ、Ｓａｆｔ、ＢＹＤ、Ｇｏｌｄ  Ｐｅａｋ、および、その他により作製される。これらの小型セルは、しばしば、長楕円形または円筒形の形状のジェリーロール構造を利用する。いくつかの小型セルは、大型セルと同様に、積層された電極を伴う、ただし、より少ない容量のポリマーセルである。
【０００５】
既存の小型セルバッテリおよび大型セルバッテリは、いくつかの重大な欠点を有する。１８６５０セルなどの小型セルに関しては、セルは、典型的には筐体または「缶」により閉じ込められるという不利な点を有し、そのことは、部分的には機械的応力または電解質枯渇に起因して、サイクル寿命およびカレンダー寿命に対する制限を引き起こす。リチウムイオンバッテリが充電される際、電極は膨張する。缶のために、電極のジェリーロール構造は閉じ込められ、機械的応力がジェリーロール構造内で発生し、そのことが、その寿命サイクルを制限する。ますます多くの貯蔵容量が所望されるにつれて、より多くの活性アノード材料およびカソード材料が、所与の体積の缶内へと挿入されており、そのことは、電極へのさらなる機械的応力を結果的に生じさせる。
【０００６】
また、小型セル内の電解質の量を増大する能力が制限され、リチウムがインターカレートおよび脱インターカレート（ｄｅ−ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅ）する際、電極の動きが、電解質をジェリーロールから絞り出す。このことは、電極が、電解質が枯渇されることを引き起こし、そのことは、電力排出（ｐｏｗｅｒ  ｄｒａｉｎ）の間のリチウムイオンの濃度勾配、および、電極のドライアウトを結果的に生じさせ、それらのことは、副反応、および、イオン経路を塞ぐ乾いた領域を引き起こして、バッテリ寿命を悪化させる。これらの問題を克服するために、とりわけ、長寿命バッテリのために、ユーザは、充電の状態を低下させること、セルの利用可能な容量を制限すること、または、充電レートを低下させることにより、性能を落とさなければならない。
【０００７】
機械的な面で、小型セルは、大型アレイへと組み立てるのは困難であり、コストがかかる。複雑な溶接パターンが、溶接失敗に対する潜在的可能性を最小化するために作られなければならない。溶接失敗は、低下された容量、および、失敗した溶接接続部においての潜在的発熱を結果的に生じさせる。アレイ内のセルがより多いほど、失敗リスクはより高くなり、製造歩留まりはより低くなる。このことは、より高い製品コストおよび保証コストに転換される。溶接および内部短絡においての失敗問題によるのみではなく、また、小型セルのパッケージングにおいての、関連付けられる潜在的安全性の問題がまた存する。小型セルの適切なパッケージングが、１つのセルの故障の結果としてのカスケーディング熱暴走を回避するために要される。そのようなパッケージングは、増大したコストを結果的に生じさせる。
【０００８】
大型セルに対して、不利な点は、主として、安全性、低体積容量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｃａｐａｃｉｔｙ）および重量容量（ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ  ｃａｐａｃｉｔｙ）、ならびに、コストがかかる製造方法に関するものである。大面積電極を有する大型セルは、より小型のセルと比較して、低製造歩留まりの難点がある。大型セル電極上に欠陥が存するならば、より多くの材料が浪費され、総体的な歩留まりは、小型セルの製造と比較して低い。例えば、５Ａｈセルと比較して、５０Ａｈセルを取り上げる。５０Ａｈセル内の欠陥は、生産の両方の方法に対する欠陥が、あらゆる５０Ａｈの生産されるセルでしか発生しないしても、５Ａｈセルと比較して、１０ｘの材料損失を結果的に生じさせる。
【０００９】
大型セルに対する別の問題は安全性である。熱暴走へと進むセル内で放出されるエネルギーは、セルの内側に留まる、および、熱暴走シナリオの間に利用しやすい、電解質の量に比例する。セルがより大型なほど、より多くの自由空間が、電極構造を十二分に浸すために、電解質に対して利用可能である。大型セルに対するＷｈあたりの電解質の量は、典型的には、小型セルより大きいので、大型セルバッテリは、一般的には、熱暴走の間は、より強力なシステムであり、それゆえに、より安全でない。当然ながら、いかなる熱暴走も、特定のシナリオに依存することになるが、一般的には、燃料（電解質）がより多いほど、炎火は、破局的事象の場合において、より猛烈である。加えて、大型セルが熱暴走モードになると、セルにより作り出される熱は、隣接したセルにおいて熱暴走反応を誘導して、パックおよび周辺機器に対する大規模な破壊、ならびに、ユーザに対する安全でない状況を伴う、パック全体を発火させるカスケーディング効果を引き起こし得る。
【００１０】
小型セルおよび大型セルの性能パラメータを互いに相対的に比較するとき、小型セルは、一般的には、大型セルと比較して、より高い重量容量（Ｗｈ／ｋｇ）および体積容量（Ｗｈ／Ｌ）を有するということが見いだされ得る。大型セルと比較して、容量およびインピーダンスに対するビニング技法を使用して、複数の小型セルをグループにし、そのことにより、生産操業時間の配分全体を、より効率的な方法で調和させることが、より容易である。このことは、バッテリパック大量生産の間の、より高い製造歩留まりを結果的に生じさせる。加えて、小型セルを体積的に効率的なアレイの形で配置構成することがより容易であり、アレイは、例えば１つのセル内の内部短絡により発火するバッテリパックのカスケーディング暴走反応（安全性問題に対する分野においての最もよくある問題のうちの１つ）を制限する。さらに、生産方法が、当業界により、高歩留まりにおいて良好に確立されており、故障率が低いので、小型セルを使用することのコスト上の利点が存する。機械類は、たやすく利用可能であり、コストは、製造システムから追い払われている。
【００１１】
他方で、大型セルの利点は、バッテリパックＯＥＭにとっての組立ての容易さであり、それらのＯＥＭは、多数の問題に対処する必要なく、および、小型セルのアレイを組み立てるために要されるノウハウなしに、有効なパック製造を可能にする、使用するのにより容易である共通の電気機械コネクタ、および、明らかな、より少ないセルに対する空き場所をしばしば有する、より堅牢な大型形式構造を経験することができる。
【００１２】
小型セルを使用することの利益の利点を活かして、より大型のサイズ、および、より高い電力／エネルギー能力の、ただし大型セルと比較してより良好な安全性およびより低い製造コストを伴う、バッテリを作るために、マルチコア（ＭＣ）セル構造での小型セルの組立体が開発されてきた。
【００１３】
ＢＹＤ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｌｔｄ．により開発された、１つのそのようなＭＣセル構造は、金属（アルミニウム、銅合金、またはニッケルクロム）から作製される１つの容器内へと統合されるＭＣのアレイを使用する。このアレイは、以下の文書：ＥＰ１９５２４７５Ａ０、ＷＯ２００７／０５３９９０、米国特許出願公開第２００９／０１４２６５８Ａ１号、ＣＮ１９６４１２６Ａにおいて説明されている。ＢＹＤ構造は、ＭＣを包囲する金属性材料のみを有し、それゆえに、鋭利な物体にコア内へと貫入させ、局所的な短絡を引き起こさせるという機械的衝撃の間の、不利な点を有する。すべてのコアが、電解質がコアの間で共有される共通の容器内にある（個々の缶内にない）ので、製造欠陥または外部的誤用からの、何らかの個々の故障の、他のコアへの伝搬、および、ＭＣ構造の破壊は、可能性が大きい。そのようなセルは、安全でない。
【００１４】
多数の電気化学セルの組立体内の熱暴走を防ぐための方法が、米国特許出願公開第２０１２／０００３５０８Ａ１号において説明されている。この特許出願において説明されるＭＣ構造内で、個々のセルは、並列または直列に接続され、各セルは、セル自体の缶の中に含まれるジェリーロール構造を有する。これらの個々のセルは、次いで、防火性（ｆｉｒｅ  ｒｅｔａｒｄａｎｔ）添加剤を含む硬質発泡体によって充填される容器内へと挿入される。これらの安全性対策は、緩和材料の過剰なコストに部分的に起因して、作り出すのにコストがかかり、エネルギー密度を制限する。
【００１５】
別のＭＣ構造が、米国特許出願公開第２０１０／０１９００８１Ａ１号およびＷＯ２００７／１４５４４１Ａ１において説明されており、それらは、単一のバッテリにより２つ以上の電圧を提供する、複数のセルを伴う２つ以上の積層されたタイプの２次バッテリの使用を開示している。この配置構成において、単一のセルは、筐体の中で直列に、および、セパレータを使用した様態で接続される。直列の要素は、より高い電圧のセルを作るのみであるが、規則的に積層されたタイプの単一の電圧セルと比較して、何らの安全性問題またはコスト問題も解決しない。
【００１６】
これらのＭＣタイプバッテリは、大型セルバッテリにまさる特定の利点をもたらすが、それらは、依然として、安全性およびコストにおいての特定の短所を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１９５２４７５明細書
【特許文献２】国際公開第２００７／０５３９９０号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０１４２６５８号明細書
【特許文献４】中国特許出願公開第１９６４１２６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１２／０００３５０８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／０１９００８１号明細書
【特許文献７】国際公開第２００７／１４５４４１号
【特許文献８】米国特許第５，１９８，４７３号明細書
【特許文献９】米国特許第７，３５８，００９号明細書
【特許文献１０】韓国公開特許第２００７−００１７２９号公報
【特許文献１１】国際公開第２０１２／０１１７８５号
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ刊行
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ８（２００９）  ３２０−３２４頁（ＹＫ  Ｓｕｎらによる論文）
【非特許文献３】ｈｔｔｐ：／／ｅｃｏｐｒｏ．ｃｏ．ｋｒ／ｘｅ／？ｍｉｄ＝ｅｍｅｎｕ３１、日付２０１０年１０月１日現在
【非特許文献４】Ｙ−Ｋ  Ｓｕｎ、ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ  第５５巻、第２８号、８６２１−８６２７頁
【非特許文献５】Ｊ．Ｌｉｕら、Ｊ．ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２０（２０１０）  ３９６１−３９６７
【非特許文献６】ＳＴ  Ｍｙｕｎｇら、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １７（２００５）  ３６９５−３７０４
【非特許文献７】Ｓ．Ｔ．Ｍｙｕｎｇら  Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ  １１１（２００７）  ４０６１−４０６７
【非特許文献８】ＳＴ  Ｍｙｕｎｇら  Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ  １１５４（２０１０）  ４７１０−４７１８
【非特許文献９】ＢＣ  Ｐａｒｋら、Ｊ．ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １７８（２００８）  ８２６−８３１
【非特許文献１０】Ｊ．Ｃｈｏら、Ｊ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １５１（２００４）  Ａ１７０７−Ａ１７１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、新規タイプのＭＣリチウムイオンバッテリ構造を提供し、これは、低減された生産コストと、改善された安全性とを有し、一方で、より大型サイズバッテリのアレイの、組立ての容易さ、および、電力対エネルギー比を調整する能力など、そのようなより大型サイズのバッテリの利益をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
封止された筐体を、封止された筐体の中に配置される支持部材とともに有するマルチコアリチウムイオンバッテリが説明される。複数のキャビティと、複数のキャビティのうちの対応する１つの中に配置される、複数のリチウムイオンコア部材とを含む支持部材。リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと、キャビティのうちの対応する１つの表面との間に各々が位置付けされる、複数のキャビティライナが存する。支持部材は、運動エネルギー吸収材料を含み、運動エネルギー吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、およびプラスチックのうちの１つから形成される。プラスチック材料から形成されるキャビティライナが存し、複数のキャビティライナが、モノリシックライナ部材の部分として形成される。コアの各々の中に含まれる電解質がさらに含まれ、電解質は、難燃剤（ｆｌａｍｅ  ｒｅｔａｒｄａｎｔ）、ガス生成剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを含む。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に配置されるセパレータとを含む。前記コア部材を、封止された筐体の外部の電気端子に電気的に接続する、前記筐体の中の電気コネクタがさらに含まれる。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーは、前記コア部材のアノードを、筐体の外部の端子の負端子部材に相互接続し、第２のバスバーは、前記コア部材のカソードを、筐体の外部の端子の正端子部材に相互接続する。
【００２１】
加えて、筐体および支持部材のうちの少なくとも１つは、断熱鉱物材料（例えば、ＡＦＢ（Ｒ）材料、Ｃａｖｉｔｙｒｏｃｋ（Ｒ）材料、ＣｏｍｆｏｒｔＢａｔｔ（Ｒ）材料、およびＦａｂｒｏｃｋ（ＴＭ）材料（Ｒｏｃｋｗｏｏｌ  Ｇｒｏｕｐ、デンマーク国ヘデフセン）；Ｐｒｏｍａｆｏｕｒ（Ｒ）材料、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ（Ｒ）材料（Ｐｒｏｍａｔ  Ｉｎｃ．、ベルギー国ティッセルト）；ならびに、Ｍｏｒｇａｎ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ（英国バーケンヘッド）製のケイ酸カルシウムマグネシウムウール製品から少なくとも部分的に製作され得る。断熱鉱物材料は、複合物として使用され得るものであり、繊維マトリックスおよび／または粉末マトリックスを含み得る。鉱物マトリックス材料は、アルカリアースシリケートウール、玄武岩繊維、アスベスト、火山ガラス繊維、繊維ガラス、気泡ガラス、および、それらの任意の組み合わせを含むグループから選択され得る。鉱物材料は、結合材料を含み得るが、そのことは要されるものではない。開示される結合材料は、ポリマー材料であり得、ナイロン、ポリ塩化ビニル（「ＰＶＣ」）、ポリビニルアルコール（「ＰＶＡ」）、アクリルポリマー、および、それらの任意の組み合わせを含むグループから選択され得る。鉱物材料は、難燃性添加剤をさらに含み得るが、そのことは要されるものではなく、そのようなものの例は、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）を含む。鉱物材料は、ロール、シート、およびボードなどの種々の媒体の形で生産され得るものであり、硬質または可撓性であり得る。例えば、材料は、プレス加工された、およびコンパクトなブロック／ボードであり得るものであり、または、海綿状および圧縮可能である複数の織り合わされた繊維であり得る。
【００２２】
本発明の別の態様において、コア部材は、並列に接続され、または、それらは、直列に接続される。代替的には、コア部材の第１のセットが、並列に接続され、コア部材の第２のセットが、並列に接続され、コア部材の第１のセットは、コア部材の第２のセットと直列に接続される。支持部材は、ハニカム構造の形態でのものである。運動エネルギー吸収材料は、圧縮可能媒体を含む。筐体は圧縮可能要素を有する壁を含み、圧縮可能要素は、その壁に衝撃を与える力に起因して圧縮されるときに、リチウムイオンバッテリの電気的短絡を作る。支持部材内のキャビティ、および、それらの対応するコア部材は、形状において、円筒形、長楕円形、および角柱のうちの１つである。キャビティのうちの少なくとも１つ、および、その対応するコア部材は、他のキャビティ、および、それらの対応するコア部材とは異なる形状を有する。
【００２３】
本発明の別の態様において、コア部材のうちの少なくとも１つは、高電力特性を有し、コア部材のうちの少なくとも１つは、高エネルギー特性を有する。コア部材のアノードは、同じ材料から形成され、コア部材のカソードは、同じ材料から形成される。各セパレータ部材は、セラミックコーティングを含み、各アノード、および、各カソードは、セラミックコーティングを含む。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材のアノードおよびカソードの厚さとは異なる厚さの、アノードおよびカソードのうちの１つを含む。少なくとも１つのカソードは、材料の化合物ＡからＭグループのうちからの少なくとも２つを含む。各カソードは、表面改質剤（ｍｏｄｉｆｉｅｒ）を含む。各アノードは、Ｌｉ金属、または、炭素もしくはグラファイトのうちの１つを含む。各アノードは、Ｓｉを含む。各コア部材は、ロールされたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含み、または、各コア部材は、積層されたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含む。
【００２４】
本発明の別の態様において、コア部材は、実質的に同じ電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材とは異なる電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、電力貯蔵に対して最適化され、コア部材のうちの少なくとも１つは、エネルギー貯蔵に対して最適化される。各アノードを第１のバスバーに電気的に接続するためのタブ、および、各カソードを第２のバスバーに電気的に接続するためのタブがさらに含まれ、各タブは、あらかじめ決定された電流が超過されたときに、各前記タブを通る電流の流れを中断するための手段を含む。第１のバスバーは、アノードから第１のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子を、および、第２のバスバーは、カソードから第２のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子を、あらかじめ決定された電流が超過されたときに前記ヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために含む。コア部材の各々を包囲する保護スリーブがさらに含まれ、各保護スリーブは、その対応するコア部材を含むキャビティの外側に配置される。
【００２５】
本発明のなおも別の態様において、コア部材の電気的監視および平衡化を可能にするように構成される、前記コア部材と電気的に相互接続される検知ワイヤが含まれる。封止された筐体は、防火性部材を含み、防火性部材は、筐体の外側に付着させられる防火性メッシュ材料を含む。
【００２６】
別の実施形態において、封止された筐体を含むマルチコアリチウムイオンバッテリが説明される。支持部材が、封止された筐体の中に配置され、支持部材は、複数のキャビティを含み、支持部材は、運動エネルギー吸収材料を含む。複数のキャビティのうちの対応する１つの中に配置される、複数のリチウムイオンコア部材が存する。リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと、キャビティのうちの対応する１つの表面との間に各々が位置付けされる、複数のキャビティライナがさらに含まれる。キャビティライナは、プラスチック材料から形成され、複数のキャビティライナが、モノリシックライナ部材の部分として形成される。運動エネルギー吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、およびプラスチックのうちの１つから形成される。
【００２７】
本発明の別の態様において、コアの各々の中に含まれる電解質が存し、電解質は、難燃剤、ガス生成剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを含む。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に配置されるセパレータとを含む。前記コア部材を、封止された筐体の外部の電気端子に電気的に接続する、前記筐体の中の電気コネクタがさらに含まれる。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーは、前記コア部材のアノードを、筐体の外部の端子の負端子部材に相互接続し、第２のバスバーは、前記コア部材のカソードを、筐体の外部の端子の正端子部材に相互接続する。コア部材は、並列に接続される。コア部材は、直列に接続される。リチウムイオンバッテリは、並列に接続されるコア部材の第１のセットと、並列に接続されるコア部材の第２のセットとを含み得るものであり、コア部材の第１のセットは、コア部材の第２のセットと直列に接続され得る。
【００２８】
別の態様において、支持部材は、ハニカム構造の形態でのものである。運動エネルギー吸収材料は、圧縮可能媒体を含む。リチウム筐体は圧縮可能要素を有する壁を含み、圧縮可能要素は、その壁に衝撃を与える力に起因して圧縮されるときに、リチウムイオンバッテリの電気的短絡を作る。支持部材内のキャビティ、および、それらの対応するコア部材は、形状において、円筒形、長楕円形、および角柱のうちの１つである。キャビティのうちの少なくとも１つ、および、その対応するコア部材は、他のキャビティ、および、それらの対応するコア部材とは異なる形状を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、高電力特性を有し、コア部材のうちの少なくとも１つは、高エネルギー特性を有する。コア部材のアノードは、同じ材料から形成され、コア部材のカソードは、同じ材料から形成される。各セパレータ部材は、セラミックコーティングを含む。各アノード、および、各カソードは、セラミックコーティングを含む。コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材のアノードおよびカソードの厚さとは異なる厚さの、アノードおよびカソードのうちの１つを含む。
【００２９】
なおも別の態様において、少なくとも１つのカソードは、材料の化合物ＡからＭグループのうちからの少なくとも２つを含む。各カソードは、表面改質剤を含む。各アノードは、Ｌｉ金属、炭素、グラファイト、またはＳｉを含む。各コア部材は、ロールされたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含む。各コア部材は、積層されたアノード、カソード、およびセパレータ構造を含む。コア部材は、実質的に同じ電気容量を有する。ここで、コア部材のうちの少なくとも１つは、他のコア部材とは異なる電気容量を有する。コア部材のうちの少なくとも１つは、電力貯蔵に対して最適化され、コア部材のうちの少なくとも１つは、エネルギー貯蔵に対して最適化される。
【００３０】
本発明の別の態様において、各アノードを第１のバスバーに電気的に接続するためのタブ、および、各カソードを第２のバスバーに電気的に接続するためのタブがさらに含まれ、各タブは、あらかじめ決定された電流が超過されたときに、各前記タブを通る電流の流れを中断するための手段を含む。第１のバスバーは、アノードから第１のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子と、カソードから第２のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子とを、あらかじめ決定された電流が超過されたときに、前記ヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために含む。コア部材の各々を包囲する保護スリーブがさらに含まれ、各保護スリーブは、その対応するコア部材を含むキャビティの外側に配置される。
【００３１】
本発明の別の実施形態において、コア部材の電気的監視および平衡化を可能にするように構成される、前記コア部材と電気的に相互接続される検知ワイヤが存する。封止された筐体は、防火性部材を含み、防火性部材は、筐体の外側に付着させられる防火性メッシュ材料を含む。
【００３２】
別の実施形態において、マルチコアリチウムイオンバッテリが説明され、それは、封止された筐体を、筐体の内側において、リチウムイオンセル領域と、共有される雰囲気領域とともに、含む。封止された筐体のリチウムイオンセル領域の中に配置される支持部材が存し、支持部材は、複数のキャビティを含み、各キャビティは、共有される雰囲気領域に開放している端部を有する。複数のリチウムイオンコア部材が存し、各々は、複数のキャビティのうちの対応する１つの中に配置される、アノードとカソードとを有する前記アノードおよび前記カソードは、キャビティの開放端部によって、共有される雰囲気領域に暴露され、前記アノードおよび前記カソードは、それらの長さに沿って、前記キャビティにより実質的に包囲される。支持部材は、運動エネルギー吸収材料を含む。運動エネルギー吸収材料は、アルミニウム発泡体、セラミック、およびプラスチックのうちの１つから形成される。
【００３３】
別の態様において、複数のキャビティライナが存し、各々は、リチウムイオンコア部材のうちの対応する１つと、キャビティのうちの対応する１つの表面との間に位置付けされ、キャビティライナは、プラスチック材料から形成される。複数のキャビティライナが、モノリシックライナ部材の部分として形成される。コアの各々の中に含まれる電解質が存し、電解質は、難燃剤、ガス生成剤、およびレドックスシャトルのうちの少なくとも１つを含む。各リチウムイオンコア部材は、アノードと、カソードと、各アノードとカソードとの間に配置されるセパレータとを含む。前記コア部材を、封止された筐体の外部の電気端子に電気的に接続する、前記筐体の中の電気コネクタが存する。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーは、前記コア部材のアノードを、筐体の外部の端子の負端子部材に相互接続し、第２のバスバーは、前記コア部材のカソードを、筐体の外部の端子の正端子部材に相互接続する。
【００３４】
なおも別の態様において、コア部材は、並列に接続され、または、コア部材は、直列に接続される。代替的には、コア部材の第１のセットが、並列に接続され、コア部材の第２のセットが、並列に接続され、コア部材の第１のセットは、コア部材の第２のセットと直列に接続される。
【００３５】
別の実施形態において、リチウムイオンバッテリが、説明され、封止された筐体と、封止された筐体の中に配置される少なくとも１つのリチウムイオンコア部材とを含む。アノードとカソードとを有するリチウムイオンコア部材であって、カソードが、化合物ＡからＭのグループから選択される少なくとも２つの化合物を含む、リチウムイオンコア部材。１つのリチウムイオンコア部材のみが存する。封止された筐体は、ポリマーバッグであり、または、封止された筐体は、金属キャニスタである。各カソードは、化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ  Ｌ、およびＭのグループから選択される少なくとも２つの化合物を含み、表面改質剤をさらに含む。各カソードは、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、およびＬのグループから選択される少なくとも２つの化合物を含む。バッテリは、４．２Ｖより高い電圧に充電される。各アノードは、炭素およびグラファイトのうちの１つを含む。各アノードは、Ｓｉを含む。
【００３６】
なおも別の実施形態において、封止された筐体と、封止された筐体の中に配置される少なくとも１つのリチウムイオンコア部材とを有するリチウムイオンバッテリが説明される。リチウムイオンコア部材は、アノードとカソードとを有する。前記筐体の中の電気コネクタが、前記少なくとも１つのコア部材を、封止された筐体の外部の電気端子に電気的に接続し、電気コネクタは、あらかじめ決定された電流が超過されたときに、前記電気コネクタを通る電流の流れを中断するための手段を含む。電気コネクタは、２つのバスバーを含み、第１のバスバーは、前記コア部材のアノードを、筐体の外部の端子の負端子部材に相互接続し、第２のバスバーは、前記コア部材のカソードを、筐体の外部の端子の正端子部材に相互接続する。電気コネクタは、各アノードを第１のバスバーに電気的に接続するためのタブ、各カソードを第２のバスバーに電気的に接続するためのタブをさらに含み、各タブは、あらかじめ決定された電流が超過されたときに、各前記タブを通る電流の流れを中断するための手段を含む。第１のバスバーは、アノードから第１のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子を、および、第２のバスバーは、カソードから第２のバスバーの間の相互接続の各点に近接するヒューズ素子を、あらかじめ決定された電流が超過されたときに前記ヒューズ素子を通る電流の流れを中断するために含む、電気コネクタ。
【００３７】
本発明は、単に非制限的な例として与えられる、および、図面を参照して為される、以下の説明を読んだときに、より良好に理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】本発明によるマルチコアリチウムイオンバッテリの分解斜視図である。
【図１Ｂ】本発明によるマルチコアリチウムイオンバッテリの断面図である。
【図１Ｃ】本発明による支持部材の例示的なエネルギー吸収材料の応力−ひずみプロットである。
【図１Ｄ】本発明によるマルチコアリチウムイオンバッテリの別の実施形態の断面図である。
【図２】本発明による複数の支持部材構成の上面図である。
【図３】本発明によるマルチコアリチウムイオンバッテリの別の実施形態の斜視図である。
【図４】本発明による、混合された長楕円形および円筒形キャビティを有する支持部材の別の実施形態の斜視図である。
【図５】本発明による、角柱の巻回および積層されたコア部材の斜視図である。
【図６Ａ】本発明による、並列／直列接続されたＭＣリチウムイオンバッテリを描写する図である。
【図６Ｂ】本発明による、並列／直列接続されたＭＣリチウムイオンバッテリの斜視図である。
【図７Ａ】本発明による筐体の鶏卵箱の形の壁の断面視図である。
【図７Ｂ】壁への機械的衝撃の間の、本発明による筐体の鶏卵箱の形の壁の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１Ａおよび１Ｂにおいて、ジェリーロールコア構造と、円筒形の形状とを有する、リチウムイオンコア部材１０２ａ−ｊのマルチコア（ＭＣ）アレイ１００が示される。様々な形状およびサイズのイオンコア部材が、本発明に関連して使用され得、特定の形状およびサイズが、下記で説明される。コア部材１０２ａ−ｊの各々のカソードに接続される電気伝導性タブ１０４のセット、および、コア部材１０２ａ−ｊの各々のアノードに接続される電気伝導性タブ１０６のセットが存する。タブ１０４は、また、カソードバスバー１０８に接続され、タブ１０６は、アノードバスバー１１０に接続される。カソードタブ１０４およびアノードタブ１０６は、スポット溶接技法またはレーザ溶接技法を使用して、バスバー１０８、１１０に溶接される。バスバー１０８、１１０は、ＭＣ筐体１１６の外側上の、正端子１１２および負端子１１４それぞれに相互接続される。この構成において、イオンコア部材１０２ａ−ｊのすべては、並列に接続されるが、イオンコア部材１０２ａ−ｊは、当業者に明らかになるように、直列に、または、他の構成で接続され得る。
【００４０】
図１ＢのＭＣ筐体１１６は気密封止される。筐体１１６の部分、または、別々の部分であることがある、支持構造１２０は、個々のイオンコア部材の機械的相互作用を防ぐように、イオンコア部材が妥当な分離を伴って収容され得るように構築されて、制限される膨張が充電反応および放電反応の間に行われ得る。好ましくは、筐体１１６は、プラスチック材料またはセラミック材料から作製されるが、また、金属から作製され得る。金属が使用されるならば、暴露される鋼は好ましくなく、いかなる鋼容器も、ニッケルなどの不活性金属によってコーティングされることを必要とすることになる。好ましい金属は、アルミニウム、ニッケル、または、使用される化学物質に対する他の不活性金属である。化学環境および電気化学環境に対して不活性である限り、多くのタイプのプラスチックおよびセラミック。プラスチックおよびセラミックスの例は、ポリプロピレン、ポリエチレン、アルミナ、ジルコニアである。筐体１１６は、炎火が筐体の内側に達することを防ぐという目的のために、筐体の外側に付着させられる防火性メッシュを含むことができる。
【００４１】
筐体１１６の中で、リチウムイオンコア領域１１８内にあるのが、セラミック、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのプラスチック、または、アルミニウム発泡体などの他の材料から作製され得る、電気的に絶縁された支持部材１２０である。支持部材１２０は、衝撃が発生するとき、コア部材を損傷から保護するように十分に変形可能／圧縮可能でなければならない。加えて、熱伝導率が、熱をバッテリの充電および放電の間に分散させ、一様な温度分布を作ることにより、ならびに、１つのコア部材の熱暴走を引き起こす内部短絡などの破局的故障の間に熱を発散させることにより、用途に合わせて調整するということが所望される。適切な熱分散特性が、コアの間のカスケーディング暴走のきっかけを制限することになる。支持部材は、また、電解質に対して吸収性があることがあり、その電解質は、それがコア部材の誤用の間に吐出されることがあれば、支持部材内に閉じ込められ得る。
【００４２】
加えて、筐体１１６および支持部材１２０のうちの少なくとも１つは、断熱鉱物材料（例えば、ＡＦＢ（Ｒ）材料、Ｃａｖｉｔｙｒｏｃｋ（Ｒ）材料、ＣｏｍｆｏｒｔＢａｔｔ（Ｒ）材料、およびＦａｂｒｏｃｋ（ＴＭ）材料（Ｒｏｃｋｗｏｏｌ  Ｇｒｏｕｐ、デンマーク国ヘデフセン）；Ｐｒｏｍａｆｏｕｒ（Ｒ）材料、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ（Ｒ）材料（Ｐｒｏｍａｔ  Ｉｎｃ．、ベルギー国ティッセルト）；ならびに、英国バーケンヘッドのＭｏｒｇａｎ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ製のケイ酸カルシウムマグネシウムウール製品から少なくとも部分的に製作され得る。断熱鉱物材料は、複合物として使用され得、繊維マトリックスおよび／または粉末マトリックスを含み得る。鉱物マトリックス材料は、アルカリアースシリケートウール、玄武岩繊維、アスベスト、火山ガラス繊維、繊維ガラス、気泡ガラス、および、それらの任意の組み合わせを含むグループから選択され得る。鉱物材料は、結合材料を含み得るが、そのことは要されるものではない。開示される結合材料は、ポリマー材料であり得、ナイロン、ポリ塩化ビニル（「ＰＶＣ」）、ポリビニルアルコール（「ＰＶＡ」）、アクリルポリマー、および、それらの任意の組み合わせを含むグループから選択され得る。鉱物材料は、難燃性添加剤をさらに含み得るが、そのことは要されるものではなく、そのようなものの例は、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）を含む。鉱物材料は、ロール、シート、およびボードなどの種々の媒体の形で生産され得、硬質または可撓性であり得る。例えば、材料は、プレス加工された、およびコンパクトなブロック／ボードであり得、または、海綿状および圧縮可能である複数の織り合わされた繊維であり得る。
【００４３】
変形可能および運動エネルギー吸収支持部材１２０が特に望ましく、なぜならば、支持部材１２０は、より大きいエリアにわたって衝撃荷重を分布させて、各コア部材１０２ａ−ｊにおいての局所的変形の量を低減し、そのことにより、電気的短絡の可能性を低減するからである。運動エネルギー吸収材料の例は、アルミニウム発泡体、プラスチック発泡体などの発泡体、多孔質セラミック構造、ハニカム構造、または他の開放構造、繊維で充填された樹脂、および、フェノール材料である。プラスチック材料および樹脂材料に対する繊維充填材の例は、ガラス繊維または炭素繊維であることがある。アルミニウム含有エネルギー吸収体の例は、開気孔または閉気孔を有するアルミニウム発泡体、アルミニウムハニカム構造、ならびに、Ａｌｔｕｃｏｒｅ（ＴＭ）材料およびＣｒａｓｈＬｉｔｅ（ＴＭ）材料などのエンジニアリングされた材料である。支持部材は、衝撃、衝突、または、他の機械的誤用の間に潰れるので、コアが、可能な限り、内部の機械的に誘導される短絡を回避するように、貫入から保護されるということが重要である。このことは、より安全な構造を作る。
【００４４】
エネルギー吸収体は、一般的には、広範囲の距離にわたって相対的に一定の応力で圧縮すること、または、たわむこと、および、反発しないことにより、運動機械的エネルギーを吸収する、材料の部類である。ばねが幾分同様の機能を実行するが、それらは反発し、ゆえに、それらはエネルギー貯蔵デバイスであり、エネルギー吸収体ではない。加えられる応力が、図１Ｃの１５０を確認されたいが、運動エネルギー吸収体材料の「クラッシュプラトー（ｃｒｕｓｈ  ｐｌａｔｅａｕ）」を超過すると、エネルギー吸収体は、材料のひずみの約５０−７０％まで、まずまず一定の応力で圧縮され始める。応力／ひずみ曲線のこの広範囲の区間は、理想的なエネルギー吸収体の挙動を規定する。このゾーンにおいて、曲線の下の方の面積は、応力ｘひずみの積、すなわち「仕事」を表す。支持部材１２０などの、有限のサイズのエネルギー吸収体材料の実際のブロックにおいて、この仕事は、
力ｘ変位
として表されることになる。
【００４５】
力（ポンド）ｘ変位（フィート）＝仕事（フィート・ポンド）
および
仕事（フィート・ポンド）＝運動エネルギー（フィート・ポンド）
ということを認識する。
【００４６】
支持部材１２０を圧縮するために行われることになる仕事は、支持部材１２０に衝撃を与え得る質量体の運動エネルギーと等価である。適切な厚さおよび圧縮強度を伴って設計されるとき、当業者に明らかになるように、支持部材１２０は、例えば電動車両の衝突において、バッテリへの衝撃の運動エネルギーのすべてを吸収することができる運動エネルギー吸収材料から作製され得る。最も重要なことには、支持部材１２０内の荷、すなわちリチウムイオンコア部材１０２ａ−ｊは、（下記で規定される）材料のクラッシュ強度より高い力に出合うことは決してないことになる。かくして、一定の力によって、制御される距離にわたって衝撃を与える質量体のエネルギーを吸収することにより、保護される構造、すなわちリチウムイオンコア部材１０２ａ−ｊは、潜在的に破局的な結果を伴う、質量体が直接的に構造に衝撃を与えるならば発生することになる、集中される高エネルギー／高い力の衝撃に耐忍する必要がないことになる。
【００４７】
荷重が、エネルギー吸収材料から作製される構造に加えられるとき、材料は、最初に、ヤング率式にしたがって弾性的にへこむことになる。しかしながら、構造サイズに依存して、Ａｌ発泡体のこの個別の例において、図１Ｃの１５２の、ひずみのおおよそ４−６％において、その材料は、相対的に一定の応力で、継続的に座屈する、および潰れることを始めることになる。材料の最初の相対的密度に依存して、この一定の潰れは、このＡｌ発泡体材料に対して、図１Ｃの１５４の、ひずみのおおよそ５０−７０％まで続くことになる。その点において、応力／ひずみ曲線は、エネルギー吸収材料が「高密度化」相に入り込む際に、上昇することを始めることになる。材料が弾性変形相から塑性変形相に遷移する応力／ひずみ曲線内の点が、材料の「クラッシュ強度」を規定する。
【００４８】
「クラッシュプラトーと呼ばれる、（材料の可能なひずみ値のおおよそ４５−６５％をカバーする）ひずみの４−６％遷移から５０−７０％の間の、曲線の長い、相対的に平坦な区間。運動エネルギー吸収材料のこの特有の特性は、材料を、衝撃を与える質量体の運動エネルギーを吸収し、一方で、支えられている荷を保護するのに、非常に有用にする。
【００４９】
コア部材をさらに保護するために、金属、セラミック、またはプラスチックから作製される円筒形材料が、コア構造の周囲に、図１Ａのスリーブ１２１として追加され得る。このスリーブは、ライナ材料の外側に、個々のコアを直接的に包囲して追加される、または、支持部材内のキャビティ構造の内側に付与されるのいずれかである。このことは、鋭利な物体がコアに貫入することを妨げる。１つのスリーブのみが図において示されるが、スリーブは各コア部材に対して含まれるということが、たやすく理解されることになる。
【００５０】
支持部材１２０は、代替的には、充填材料１６２を含む、図１Ｄにおいて示されるような、開放領域１６０を伴って設計され得る。充填材料の例は、中空または高密度であることがある、不規則な、または規則的な形の媒体である。中空媒体の例は、様々な圧力の力で圧縮可能にされ得る、および、衝突保護のためのエネルギー吸収体として機能するという目的を伴う、金属球、セラミック球、またはプラスチック球である。具体的な例は、アルミニウム中空球、アルミナまたはジルコニアのセラミック粉砕（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）媒体、および、ポリマー中空球である。
【００５１】
支持部材１２０は、また、１つのコアが誤用の間に熱暴走を経ることがあれば、熱を急速に支持部材の全体を通して伝達し、熱をバッテリの全体を通して均一に分布させ、または、コアの間の熱暴露を制限するように最適化され得る。より大きい安全性の他に、このことは、最大動作温度を制限することによりバッテリ寿命を増大し、バッテリが、熱的管理を有さない、または、受動的熱的管理を有することを可能にする。最も重要なことには、支持部材１２０の熱的特性は、材料の最適化された熱伝達特性、および、火炎伝搬を途絶する能力に起因して、故障したコア部材から他のコア部材への故障伝搬を防ぐ助けとなる。材料は、また吸収性があるので、材料は、漏出する電解質を材料内へと吸収することができ、そのことは、破局的故障の重大度を低減する助けとなることができる。
【００５２】
支持部材１２０は、ａ）安全性および高エネルギー密度の両方に対してバッテリを最適化するためのイオンコア部材１０２ａ−ｊの分布を可能とすること、ｂ）急速な熱的伝搬イオンコア部材１０２ａ−ｊを防止し、一方で同時に冷却を可能とすること、ｃ）イオンコア部材１０２ａ−ｊに対する保護的な衝突および衝撃吸収構造と、反応性化学物質とを提供すること、ならびに、ｄ）火炎防止のための広く認識された耐火材料の使用により、ＭＣバッテリの総体的な安全性を増大する。
【００５３】
円筒形キャビティ１２２が、リチウムイオンコア部材１０２ａ−ｉを、キャビティあたり１つのコアを受けるために、支持部材１２０内に形成される。この構成において、円筒形キャビティ１２２は、リチウムイオンコア部材１０２の直径よりわずかに大きい直径を伴う開口部１２６を有する。開口部１２６は、筐体１１６の中の共有される雰囲気領域１２８に面し、暴露される。個々のより小さい筐体（活性コア部材の間の封止を気密にもたらす、缶またはポリマーバッグなど）を有することなく、コア部材のアノード／カソードが、また、共有される環境領域１２８に直接的に暴露される。缶に詰められたコア部材を無くすことが、製造コストをまさに低減するのみではなく、そのことは、また、安全性を増大する。コア部材の故障、および、結果的に生じる炎火の事象において、吐出されるガスは、典型的な個々に「缶に詰められた」コア部材において利用可能であることになるよりもかなり多い体積をもたらす、共有される環境領域１２８を占めることができる。缶に詰められたコア部材の圧力増加によって、爆発が本発明によるよりも可能性が大きく、本発明は、ガスが占めるための、より大きい体積、および、それゆえに、低減される圧力増加をもたらす。加えて、缶は、典型的には、本発明の構造よりもはるかに高い圧力において破裂して、本発明によるより穏やかな故障モードを結果的に生じさせる。
【００５４】
各キャビティ１２２の中に、支持部材１２０とリチウムイオンコア部材１０２ａ−ｉとの間に位置付けされる、薄いキャビティライナ１２４が設置される。典型的には、すべてのキャビティライナ（この場合においては、１０がキャビティの数に対応する）が、モノリシックキャビティライナ部材１２４’の部分として形成される。ライナは、好ましくは、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、電解質に対して化学的に不活性である任意の他のプラスチックから作製される。ライナは、また、セラミック材料または金属材料から作製され得るが、これらは、より高いコストのものであり、好ましくない。しかしながら、支持部材が電気伝導性である場合において、ライナは、コア部材を支持部材から電気的に隔離するように電気的絶縁でなければならない。キャビティライナは、多数の理由のために重要である。第１に、キャビティライナは、水分および電解質不透過性である。第２に、キャビティライナは、炎火を消し止めることができる難燃加工剤を含み得るものであり、第３に、キャビティライナは、たやすく封止可能なプラスチック材料が、気密封止の中に電解質を含むことを可能とする。
【００５５】
製造の間、キャビティ１２２は、電解質によって同時に充填され、次いで、継続される製造プロセスの間、同時に形成され、容量に対してグレード付けされ得る。形成プロセスは、セルを一定電圧、典型的には４．２Ｖに充電し、次いで、セルに、１２−４８時間の間、この電位において休止させることからなる。容量グレード付けは、充電／放電プロセスの間に行われ、セルは、２．５Ｖなどのより低い電圧に満放電させられ、次いで、典型的には４．２−４．５Ｖの範囲内での最も高い電圧に充電され、引き続いて、再び放電させられ、そのときに容量が記録される。多数の充電／放電サイクルが、充電／放電プロセスにおいての非効率性に起因して、正確な容量グレード付けを得るために必要とされ得る。
【００５６】
キャビティライナは、コアとの電解質のぴったりのフィットに起因して、精密な、および、一貫性がある量の電解質が各コア部材に導入されることを可能にする。充填を遂行するための１つの方法は、筐体１１６内の貫通穴によるものであり、その筐体は、次いで、充填され、電解質がキャビティに導入され処理された後に封止され得る。約３Ａｈ容量を有するジェリーロールタイプコア部材は、密度および包囲する多孔質材料に依存して、約４−８ｇの電解質を必要とすることになる。電解質充填は、ジェリーロール全体が、乾いたエリアが可能とされない様態で、ロールの全体を通して等しく濡らされるように行われる。各コア部材が、０．５ｇ以内の、および、より一層好ましくは０．１ｇ以内の、および、なおもより一層好ましくは０．０５ｇ以内の変動を伴う、コアごとの同等の量の電解質を有するということが好ましい。変動は、総量電解質とともに調整され、典型的には、コアあたりの電解質の総量の５％未満、または、より一層好ましくは＜１％である。組立体を真空内に置くことが、この充填プロセスの助けとなり、電極の、完全なおよび等しい濡れに対して肝要である。
【００５７】
支持部材１２０内のキャビティ１２２のサイズ、間隔、形状、および数は、バッテリに対する所望される動作特性を達成し、一方で、それでもなお、コア部材１０２の間／中での故障伝搬を減ずることなど、上記で説明された安全性特徴を達成するために、調整および最適化され得る。
【００５８】
図２において示されるように、支持部材２２０ａ−ｈは、好ましくは７から１１の範囲に及ぶ異なる数のキャビティを有し、支持部材２２０ｄおよび２２０ｈの場合においてのような異なるサイズのキャビティを有する支持部材を含む、異なる構成を有し得る。キャビティの数は、常に３以上であり、支持部材の幾何構造、およびジェリーロールサイズによる以外は、上限に関して特に制限されない。キャビティの実用的な数は、典型的には２から３０の間である。キャビティは、支持部材２２０ｆにおいてのように一様に分布させられることがあり、または、キャビティは、支持部材２２０ｇの場合においてのようにジグザグにずらされることがある。また、図２において示されるのは、描写される支持部材２２０ａ−ｈの各々に対する、キャビティ直径、および、キャビティ内へと挿入され得るコア部材の直径であり、加えて、各構成に対する、アンペア時（Ａｈ）での容量が示される。
【００５９】
異なる形のキャビティおよびコア部材も使用され得る。図３において示されるように、支持部材３２０は、類する形のコア部材３０２を受けるための長楕円形の形状を有するキャビティ３２２を含む。図４において、支持部材４２０は、類する形のコア部材（示されない）を受けるための、長楕円形キャビティ４２２および円筒形キャビティ４０２の混合物を有する。
【００６０】
図５において、本発明に適したコア部材５０２ａの別の形状が示される。これは、ジェリーロール構造であるが、先に説明されたような円筒形または長楕円形よりむしろ、角柱の形状を伴う。コア部材は、アノード５３０ａと、カソード５３２ａと、電気的絶縁セパレータ５３４ａとを含む。先の図において描写されないが、各コア部材は、アノードとカソードとの間にセパレータを含む。コア部材５０２ｂが、また、形状において角柱であるが、積層された構築物が、使用され、アノード５３０ｂと、カソード５３２ｂと、セパレータ５３４ｂとを含む。
【００６１】
かくして、これまでのところ、コア部材は、並列に電気的に接続されて示されているが、コア部材は、直列に、または、並列接続および直列接続の組み合わせで接続され得る。図６において示されるように、挿入されたジェリーロールコア部材６０２と一緒に支持部材６２０（アルミニウム発泡体またはポリマー発泡体から作製される）が存する。明確さのために、バスバーに接続するコア部材に対するタブは、示されないが存在する。負バッテリ端子コネクタ６４０が、より低い電圧バスバー６４２に電気的に接続される。正バッテリ端子コネクタ６４４が、高電圧バスバー６４６に電気的に接続される。隣接したブロックバスバー６４８および６５０が、各々、コア部材を、バスバーのそれぞれの列において並列に接続する。各バスバー６４２、６４４、６４８、および６５０はコア部材の反対の側の相補的バスバーを有するが、これらは示されていない。あらゆる並列バスバーは、直列電気的経路を可能とする、３つの接続バー６５２によって、個々に直列に接続される。検知ケーブル６５４ａ−６５４ｅが、各電気的な一意的な点上に位置付けされ、そのことが、直列システム内の並列のリンクされたジェリーロール電圧点の各々を横切る電圧レベルの検出を可能とする。これらのワイヤは、また、充電および放電の間に充電の同じ状態においてコア部材を保つための平衡化電流をもたらすために使用され得、フィードスルー接点６５６に接続される。セル平衡化システムの当業者は、直列に接続されるコアを有する本発明のユニットの中でのそのような接続という目的を現実化することになる。
【００６２】
図６Ｂは、支持部材３２０を収容する筐体６１６を示す。筐体６１６は、超音波溶接によって気密封止される、プラスチック蓋６５８と、箱６６０とからなる。蓋６５８の側と反対の筐体６１６の端部にあるのが、フィードスルー検知接点６５６である。蓋６５８から延伸するのが、負バッテリ端子コネクタ６４０および正バッテリ端子コネクタ６４４である。コネクタ検知接点の位置に関する様々な配置構成が、当業者により達成され得るということ、およびまた、異なる直列または並列の配置構成セルが、本発明の目的のために使用され得るということが理解され得る。
【００６３】
金属蓋の場合において、金属蓋は、レーザ溶接などの溶接方法によって閉じられ、プラスチックの場合においては、接着剤（糊）が使用され得るものであり、または、熱的溶接方法もしくは超音波溶接方法が使用され得るものであり、または、それらの任意の組み合わせである。このことは、適切に封止されたＭＣバッテリをもたらす。ジェリーロールは、筐体の内側で並列にまたは直列に接続される。
【００６４】
すべてのフィードスルー、検知、電力、圧力、その他が、気密封止されることを必要とする。気密封止は、約１気圧以上の内部圧力、およびまた、好ましくは１．２気圧より多い真空に耐えるべきである。ベントが、また、封止が可能とするよりも低い内部圧力において取り付けられて、容器上で収容され得る。
【００６５】
平衡化および検知能力をもたらす別の方法は、容器の外部のコネクタが個々のコア部材の各々と接続することを可能とする、個々のコア部材の正端子および負端子の各々からの外部導線をもたらす、個々のコネクタを有することである。平衡化回路は、直列セルの電圧、または、充電の状態においての平衡異常を検出し、当業者に知られている能動的平衡化の受動的なものの手段をもたらすことになる。接続導線は、バッテリからの電力を提供するという目的のためにセルからの電流を導く手段をもたらす端子とは分離しており、典型的には、セルが１つの容器の中で直列に接続されるときに使用されるのみである。検知導線は、任意選択で、検知回路によって個々のジェリーロールを通る暴走する電力電流の回避のために、容器の外側でヒューズを付けられ得る。
【００６６】
筐体１１６、６１６は、筐体への機械的衝撃があったときに、ＭＣバッテリが筐体の外部的に短絡され得るように、図７Ａの、鶏卵箱の形の壁７００を伴って構成され得る。アルミニウムから作製される、壁７００の鶏卵箱の形の部分７０２は、（衝撃より前に）ポリエチレンプラスチックから作製される非伝導性材料のプレート７０４に接触する。アルミニウムまたは他の伝導性材料から作製される第２のプレート７０６が、プラスチックプレート７０４より下に配置される。鶏卵箱の形の材料７０２は、ＭＣバッテリの負極または正極のいずれかに接続され、他方の伝導性プレート７０６は、反対の極に接続される。衝突においてなどの、壁への、衝撃、釘貫入、または非正常圧力があったときに、鶏卵箱の形の壁７０２は圧縮し、プラスチックプレート７０４が貫入され、図７Ｂの、伝導性プレート７０６の外部接点の点７０８ａ−ｄと接触し、ＭＣバッテリ内の外部電気的短絡を作る。
【００６７】
個々のコア部材は、典型的には、上記で説明されたような内部バスバーにより接続される。時にはバスバー共通コネクタは、ワイヤ、または、プラスチックコーティングされたワイヤであり得る。コネクタは、また、銅、アルミニウム、またはニッケルなどの固体金属であり得る。このバスバーは、多数のコア部材を直列または並列に接続し、コネクタにマルチコア部材構造内の電流を伝達する能力を有し、マルチコアアレイへの外部接続を可能とする。外部バスバーの場合において、各ジェリーロールからの筐体を通る個々のフィードスルーコネクタが必要とされることになる。
【００６８】
内部バスバーが使用されるのであれ、外部バスバーが使用されるのであれ、それらは、コア部材の間のヒューズをもたらすように構築され得る。このことは、バスバーの断面が、特定の電流を搬送するのみであるように制限される、エリアを作ることを含む、または、コア部材をバスバーに接続するタブサイズを制限することによる、種々の方法で遂行され得る。バスバーまたはタブは、１つの打抜加工された部分品の形で、または、他の金属成形技法において、または、バスバーの分割部分をヒューズ配置構成によって接続する第２の部品を使用することにより構築され得る。例えば、２つの矩形断面エリアの銅バスバーが使用され、１０個のコア部材のアノードタブおよびカソードタブがかたわらでバスバーの各々に接続され、各バスバーが１０ｍｍ２の断面表面積を有する場合、バスバー上の少なくとも１つのエリアは、バスバーの残り部分と比較して、低減された表面積を有するように製作され得る。このことは、溶融が発生し、電流搬送能力が制限される位置をもたらす。このヒューズエリアは、バスバーの１つ以上の点に、好ましくは各コア部材の間に、ただし、多くのセルの場合において最も有効には、中間点にあり得る。外部短絡が発生することになるならば、このヒューズは、コア部材の発熱を制限し、潜在的には熱暴走を回避することになる。また、製造欠陥に起因して、または、コア部材内へと貫入して、セルに対する内部短絡を引き起こす釘などの、誤用事象の間の外部貫入に起因してのいずれかでの、コア部材内の内部短絡の場合において、このヒューズ配置構成は、他の並列コアに対する機能不全コアを閉鎖することにより、内部短絡に伝達される電流の量を制限することができる。
【００６９】
筐体の内側の空いた空間は、発泡体、または他の構造などのショック吸収材料によって充填され得、コア部材に対するより少ない衝撃を可能とし、そのことにより内部短絡のリスクをさらに低減する。この高耐久化は、また、増大した、ショックおよび振動に対する耐用性、ならびに機械的寿命をもたらす、筐体に対する内部内容物の自己振動周波数をシフトさせる手段をもたらすことができる。充填材材料は、好ましくは、セルの熱暴走の間に生起することがある何らかの炎火、または、同じ熱暴走の間の融解の消失を可能とし、そのことにより、過剰熱に立ち向かい、セルの発熱を制限することになる、防火性材料を含むべきである。このことは、破局的事象の場合においての増大した安全性をもたらす。
【００７０】
防火剤の例は、Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓにより刊行されたＰｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋなどのオープンな工学文献およびハンドブックにおいて、または、米国特許第５，１９８，４７３号において説明されるように見いだされ得る。ポリウレタン発泡体の他に、また、エポキシ発泡体またはガラス繊維ウール、および、同様の非化学または電気化学活性材料が、筐体の内側の空いた空間内の充填材材料として使用され得る。特に、プラスチック、金属、またはセラミックから作製される、中空または高密度の、球、または、不規則な形の微粒子が、低コスト充填材として使用され得るものであり、中空球の場合において、中空球は、マルチコアセルの衝突シナリオの間のエネルギー吸収のための追加的な手段をもたらすことになる。特殊な場合において、支持部材はアルミニウム発泡体である。別の特殊な場合において、支持部材は、アルミニウム密度の１０−２５％の間の高密度のアルミニウム発泡体である。なおも別の特殊な場合において、アルミニウム発泡体内の気孔は、１ｍｍ未満である平均直径を有する。
【００７１】
ＭＣバッテリが、並列に配置構成されるコア部材のみを有するときの場合に対して、コア部材は、電力に対して最適化される１つ以上のコア部材と、エネルギーに対して最適化される１つ以上のコア部材とを含み得る。別の特殊な場合において、ＭＣバッテリは、特定の材料を使用するアノードまたはカソードを伴ういくつかのコア部材と、異なる材料を使用するアノードおよびカソードを利用する他のコア部材とを有し得る。なおも別の特殊な場合において、アノードまたはカソードは、異なる厚さの電極を有し得る。様々な、電極厚さ、カソード活性材料もしくはアノード活性材料、または、電極配合組成を有することの任意の組み合わせが、バッテリのエネルギー対電力比を調整するという目的で、並列ストリングにおいて組み合わされ得る。いくつかのコア部材は、急速な電力パルスに耐えるように構成され得るものであり、一方で、他のコア部材は、高エネルギー貯蔵に対して最適化され得るものであり、かくして、そのことは、高電力パルスを処理し、一方で、高エネルギー内容物を有することができるバッテリをもたらす。しかしながら、コア部材が、選定される化学的性質に対する電圧ウィンドウ内の化学安定性をもたらすように、電気化学的に調和させられる化学的性質を有するということが重要である。
【００７２】
例えば、ＬｉＣｏＯ２カソードは、４．２Ｖの上側電位が使用され、約２Ｖから２．５Ｖの下側電位が使用される限り、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２カソードと調和させられ得るものであり、しかしながら、電位が、４．２Ｖより上に、例えば４．３Ｖに行く際、例えば、マグネシウムがドープされたＬｉＣｏＯ２材料は、ＮＣＡ材料と調和させられないはずであり、なぜならば、ＮＣＡ材料は、より高い電圧において劣化するからである。しかしながら、後者の例において、２つの材料は、上側電位が４．２Ｖに制限される限り、混合され得る。混和（ｂｌｅｎｄ）されたカソード材料を正しい電圧範囲内で使用することが、本発明の目的であり、本発明者は、本説明において後で詳述される、高エネルギーまたは高電力に対して特に有用である特定の組み合わせを見いだしている。
【００７３】
電力およびエネルギー最適化が、増大した電気伝導率のためにより高い程度の伝導性添加剤を使用することなどの、電極の配合組成を調整することによって、または、異なる厚さの電極を使用することによってのいずれかで行われ得る。加うるに、エネルギーコアは、活性材料（カソードおよびアノード）の１つのセットを有することができ、電力コアは、別のタイプの材料を有することができる。この方法を使用するとき、材料が、分解を回避するように、２．５−４．２Ｖ、または、高電圧組み合わせの場合において２．５Ｖ−４．５Ｖなどの、調和された電圧範囲を有するということが好ましい。上側電圧は、Ｌｉイオンマルチコアバッテリ内の隔離されたコア部材あたり４．２Ｖより上と特徴づけられ、典型的には５Ｖより下である。
【００７４】
以下のものは、本発明に関連して使用され得るアノード、カソード、セパレータ、および電解質の説明である。
【００７５】
アノード
これらのコア部材のアノードは、グラファイト、ドープされた炭素、ハードカーボン、非晶質炭素、ケイ素（ケイ素ナノ粒子、または、Ｓｉピラー、または、炭素を伴う分散されたケイ素など）、スズ、スズ合金、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｌｉ、金属箔基板上への堆積されたＬｉ、グラファイト内のＬｉ金属粉末内に混合された、Ｌｉを伴うＳｉ、チタン酸リチウム、および、それらの任意の混合物などの、ＬｉイオンバッテリまたはＬｉポリマーバッテリにおいてよく見いだされる、および、文献において説明されるものである。アノード供給業者は、例えば、Ｍｏｒｇａｎ  Ｃａｒｂｏｎ、Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、Ｎｉｐｐｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ、ＢＴＲ  Ｅｎｅｒｇｙ、ＪＦＥ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、Ｓｈａｎｓｈａｎ、Ｔａｉｗａｎ  Ｓｔｅｅｌ、Ｏｓａｋａ  Ｇａｓ、Ｃｏｎｏｃｏ、ＦＭＣ  Ｌｉｔｈｉｕｍ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌを含む。本発明は、いかなる個別のアノード化合物にも制限されない。
【００７６】
カソード
ジェリーロールに対して使用されるカソードは、当業界にとって標準的であるもの、およびまた、下記でより詳細に説明される、いくらかの新しい高電圧混合物である。これらの新しいカソードは、ＭＣ構造内で、または、単一セルバッテリ内で使用され得るものであり、アノード／カソード構造は、封止された金属キャニスタ、または、封止されたポリマーバッグ内に含まれる。当業界に対して利用可能なカソード材料の豊富さに起因して、本明細書においての各材料グループに関する材料の部類は、「化合物」と呼称され、各化合物は、ある範囲の組成を有し得るものであり、結晶構造、化学組成、電圧範囲適性、または、材料組成変化および勾配変化においての類似性に起因して、グループにされる。適した個々の材料の例は、ＬｉＸＣｏＯ２（化合物Ａと呼称される）、ＬｉＸＭＺＣｏＷＯ２（化合物Ｂ、ここでＭは、Ｍｇ、Ｔｉ、およびＡｌから選択され、結晶格子内のＣｏまたはＬｉを部分的に置換しており、範囲Ｚ＝０−５％内で追加され、典型的にはＷは、４．２Ｖより上の充電に適するように、１に近い）、ＬｉｘＮｉａＭｎｂＣｏｃＯ２（特に、約ａ＝１／３、ｂ＝１／３、ｃ＝１／３（化合物Ｃ）、および、ａ＝０．５、ｂ＝０．３、ｃ＝０．２（化合物Ｄ）、および、それらの化合物のＭｇ置換化合物（両方とも化合物Ｅのグループに入れられる）の組み合わせ）である。
【００７７】
別の例は、ＬｉｘＮｉｄＣｏｅＡｌｆＯ２（化合物Ｆ）、および、その化合物のＭｇ置換誘導体ＬｉｘＭｇｙＮｉｄＣｏｅＡｌｆＯ２（化合物Ｇ）であり、特殊な場合において、ｄ＝０．８、ｅ＝０．１５、ｆ＝０．０５であり、ただし、ｄ、ｅ、およびｆは、数パーセントではあるが変動し得るものであり、ｙは、０から０．０５の間の範囲に及ぶ。個々のカソード材料のなおも別の例は、ＬｉｘＦｅＰＯ４（化合物Ｈ）、ＬｉｘＣｏＰＯ４（化合物Ｉ）、ＬｉｘＭｎＰＯ４（化合物Ｊ）、およびＬｉｘＭｎ２Ｏ４（化合物Ｋ）である。これらの化合物のすべてにおいて、リチウムの過剰が典型的には見いだされるが（ｘ＞１）、Ｘは、約０．９から１．１まで変動し得る。４．２Ｖより上に充電されるときに高容量をもつ、高電圧に対して特に適している材料の部類が、例えば米国特許第７，３５８，００９号においてＴｈａｃｋｅｒａｙらにより説明されている、ならびに、ＢＡＳＦおよびＴＯＤＡから市販で入手可能な、いわゆる層状−層状（ｌａｙｅｒｅｄ−ｌａｙｅｒｅｄ）材料である（化合物Ｌ）。
【００７８】
Ｔｈａｃｋｅｒａｙにより最初に説明された化合物は、４．２Ｖより上の電圧において安定にされ得る。これらのカソードのうちのいくつかは、４．２Ｖ（グラファイトをアノードとして使用する標準的な最も高い電圧）より上の高電圧において安定であり、それらの材料は、好ましくは混合され得る。上記の材料のうちの１つが本発明において使用されることがあるが、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｉ、Ｊ、およびＬから選択される材料化合物のうちの２つ以上を混合することが好ましい。特に、化合物Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、およびＬのうちの２つ以上の成分混合物が好ましい。非常に高いエネルギー密度構成に対して、（ＢおよびＬ）または（ＢおよびＧ）または（ＧおよびＬ）の混合物が最も有益であり、これらの混合物が薄い電極として作製されるとき、また、高電力が達成され得る。薄い（電力）電極、および、厚い（エネルギー）電極は、エネルギー対電力比の調整のためにコア部材内へと入り、一方で、同じ適した電圧範囲および化学的性質を有し得る。
【００７９】
個別の新しいカソード、いわゆるコアシェル勾配（ＣＳＧ：ｃｏｒｅ  ｓｈｅｌｌ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）材料（化合物Ｍと呼称される）は、その材料のシェルと比較して、異なる組成をその材料のコアにおいて有する。例えば、Ｅｃｏｐｒｏ（ウェブサイトｗｗｗ．ｅｃｏｐｒｏ．ｃｏ．ｋｒ、または、（日付２０１０年１０月１日現在の、ｈｔｔｐ：／／ｅｃｏｐｒｏ．ｃｏ．ｋｒ／ｘｅ／？ｍｉｄ＝ｅｍｅｎｕ３１）、または、特許出願および登録ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００１７２９（ＰＣＴ）（２００７）、これは、「ＣＳＧ材料」（コアシェル勾配）として、ｘＬｉ［Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１］Ｏ２（１−ｘ）Ｌｉ［Ｎｉ０．４６Ｃｏ０．２３Ｍｎ０．３１］Ｏ２のような化合物Ｍ材料を製品文献において説明しているが、また、別のＭタイプ化合物が、Ｙ−Ｋ  Ｓｕｎにより、ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ  第５５巻  第２８号  ８６２１−８６２７頁において説明されており、Ｍタイプ化合物の第３の説明が、Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ８（２００９）  ３２０−３２４頁（ＹＫ  Ｓｕｎらによる論文）において、見いだされ得るものであり、これは、同様の組成のＣＳＧ材料を説明しているが、式バルク＝Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１Ｏ２、勾配濃度＝Ｌｉ（Ｎｉ０．８−ｘＣｏ０．１＋ｙＭｎ０．１＋ｚ、ここで０≦ｘ≦０．３４、０≦ｙ≦０．１３、および０≦ｚ≦０．２１；ならびに、表面層＝Ｌｉ（Ｎｉ０．４６Ｃｏ０．２３Ｍｎ０．３１）Ｏ２である。先への（ｆｏｒｔｈ）説明が特許ＷＯ２０１２／０１１７８５Ａ２（「７８５Ａ２」特許）において見いだされ得、これは、Ｌｉｘ１［Ｎｉ１−ｙ１−ｚ１−ｗ１Ｃｏｙ１Ｍｎｚ１Ｍｗ１］Ｏ２として説明される化合物Ｍの異形体（ｖａｒｉａｎｔ）（ここで、上記の式において、０．９≦ｘ１≦１．３、０．１≦ｙ１≦０．３、０．０≦ｚ１≦０．３、０≦ｗ１≦０．１であり、Ｍは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｐ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｇｅ、およびＳｎから選択される少なくとも１つの金属である）、および、Ｌｉｘ２［Ｎｉ１−ｙ２−ｚ２−ｗ２Ｃｏｙ２Ｍｎｚ２ＭＷ２］Ｏ２の化合物を含む外側部分（ここで、外側の式において、０．９≦ｘ２≦１＋ｚ２、０≦ｙ２≦０．３３、０≦ｚ２≦０．５、０≦ｗ２≦０．１であり、Ｍは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｐ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｇｅ、およびＳｎから選択される少なくとも１つの金属である）の製造を説明する。化合物Ｍの異形体のすべての４つの範囲が、化合物Ｍが本発明の様々な態様において使用されるために、引用として本明細書に組み込まれている。
【００８０】
Ｍ化合物が、約１であり得るが、数パーセント以内で変動し得るＬｉ含有量をさらに有し得るということ、ならびに、ＬｉまたはＮｉ／Ｍｎ／Ｃｏ化合物が、最適化により、Ｍｇ、Ａｌ、および第１列遷移金属によって置換され得るということ、ならびに、上記で説明されたようなこれらのＭ化合物のうちの１つ以上を、Ｌｉイオンバッテリ内での使用のために、化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｌと混和することが好ましいということが好ましい。コア化合物Ｍ材料が、最高で９０％のニッケルと、５％と同じだけ低いコバルトと、最高で４０％のＭｎとを含むことができ、勾配が、したがって、これらの境界組成のうちの１つから、１０％と同じだけ低いＮｉ、９０％コバルト、および５０％Ｍｎまで移ることになるということが、可能性が大きい。
【００８１】
一般的には、高電力は、アノードおよびカソードに対して、本発明の中で説明される化合物または混和物の薄い電極を使用することにより達成され得る。厚い電極は、典型的には、アルミニウム箔から電極コーティング層厚さを測定するとき、最高で約２００μｍの、６０μｍより上の厚さであると考えられ、一方で、より薄い電極（すなわち、６０μｍ未満）が、高電力Ｌｉイオンバッテリ構成に対して、より良好である。典型的には、高電力のために、より多くのカーボンブラック添加剤が、電極配合組成物内で、電極配合組成物をより電気伝導性にするために使用される。カソード化合物は、Ｕｍｉｃｏｒｅ、ＢＡＳＦ、ＴＯＤＡ  Ｋｏｇｙｏ、Ｅｃｏｐｒｏ、Ｎｉｃｈｉａ、ＭＧＬ、Ｓｈａｎｓｈａｎ、およびＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌなどの、いくつかの材料供給業者から購入され得る。化合物Ｍは、Ｅｃｏｐｒｏから入手可能であり、（また、Ｙ−Ｋ  Ｓｕｎにより、ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ、第５５巻、第２８号、８６２１−８６２７頁において説明されているような、ｘＬｉ［Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１］Ｏ２（１−ｘ）Ｌｉ［Ｎｉ０．４６Ｃｏ０．２３Ｍｎ０．３１］Ｏ２］、および、別のＭタイプ化合物などのＣＳＧ材料として、それらの製品文献において説明されており、それらの化合物のすべては、好ましくは、上記で説明されたような化合物と混和され得る。
【００８２】
２つ以上の化合物として高電圧カソード内へと混和される化合物Ａ−Ｍは、好ましくは、表面改質剤によってコーティングされ得る。表面改質剤が使用されるとき、各化合物が同じ表面改質剤によってコーティングされるということが、必要ではないが好ましい。表面改質剤は、カソード混合物の最初のサイクル効率、および、レート能力を増大する助けとなる。また、有用寿命が、表面改質材料を付与することによって改善される。表面改質剤の例は、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＡｌＦ３などの金属フッ化物、金属リン酸塩ＡｌＰＯ４およびＣｏＰＯ４である。そのような表面改質化合物は、より早期の文献［Ｊ．Ｌｉｕら、Ｊ．ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２０（２０１０）  ３９６１−３９６７；ＳＴ  Ｍｙｕｎｇら、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １７（２００５）  ３６９５−３７０４；Ｓ．Ｔ．Ｍｙｕｎｇら  Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ  １１１（２００７）  ４０６１−４０６７；ＳＴ  Ｍｙｕｎｇら  Ｊ．ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃ  １１５４（２０１０）  ４７１０−４７１８；ＢＣ  Ｐａｒｋら、Ｊ．ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １７８（２００８）  ８２６−８３１；Ｊ．Ｃｈｏら、Ｊ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １５１（２００４）  Ａ１７０７−Ａ１７１１］において説明されているが、４．２Ｖより上の電圧においての混和されたカソードと併せて報告されたことは一度もない。特に、４．２Ｖより上の動作に対して、表面改質された化合物Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｌ、およびＭを混和することが有益である。
【００８３】
カソード材料は、結合剤、および、ｋｅｔｊｅｎ  ｂｌａｃｋなどのカーボンブラック、または、他の伝導性添加剤と混合される。ＮＭＰが、典型的には、結合剤を溶解するために使用され、ＰＶＤＦが、Ｌｉイオンに対する好ましい結合剤であり、一方で、Ｌｉポリマータイプは、他の結合剤を有することができる。カソードスラリーが、安定した粘性のために混合され、当技術分野においてよく知られている。上記で説明された化合物Ａ−Ｍ、および、それらの混和物は、本明細書において、時には一括して「カソード活性材料」と呼称される。同様に、アノード化合物は、アノード活性材料と呼称される。
【００８４】
カソード電極は、例えば、約９４％カソード活性材料、および、約２％カーボンブラック、および、３％ＰＶＤＦ結合剤で、上記の化合物Ａ−Ｍの、混和物、または、個々の化合物などのカソード化合物を混合することにより製作され得る。カーボンブラックは、ＡｋｚｏＮｏｂｅｌ、Ｔｉｍｃａｌ、およびＣａｂｏｔを含む複数の供給業者から入手可能な、Ｋｅｔｊｅｎ  ｂｌａｃｋ、Ｓｕｐｅｒ  Ｐ、アセチレンブラック、および、他の伝導性添加剤であり得る。スラリーは、これらの構成要素をＮＭＰ溶媒と混合することにより作られ、スラリーは、次いで、約２０マイクロメートル厚さのアルミニウム箔の両方の側へとコーティングされ、所望される厚さおよび面積重量において、約１００−１３０℃において乾燥させられる。この電極は、次いで、所望される厚さおよび密度へと、ロールによりカレンダー加工される。
【００８５】
アノードは、同様に準備されるが、グラファイトの場合において、約９４−９６％アノード活性材料が、典型的には使用され、一方で、ＰＶＤＦ結合剤は４％でのものである。時にはＳＢＲ結合剤が、ＣＭＣと混合されるカソードに対して使用され、そのタイプの結合剤に対して、約９８％での、より高い相対的な量のアノード活性材料が、典型的には使用され得る。アノードに対して、カーボンブラックが、レート能力を増大するために時には使用され得る。アノードは、約１０マイクロメートルの銅箔上にコーティングされる。
【００８６】
当業者は、機能的電極に対して上記で説明されたような組成物を容易に混合することができることになる。
【００８７】
充電および放電の間の電極膨張を制限するために、ＰＥ、ＰＰ、および炭素の繊維材料が、任意選択で、電極配合組成物に追加され得る。他の膨張技法は、電極配合組成物内で、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ΖｒＯ２、またはＡｌ２Ｏ３などの不活性セラミック微粒子を使用する。一般的には、カソードの密度は、３ｇ／ｃｍ３と４ｇ／ｃｍ３の間、好ましくは、３．６ｇ／ｃｍ３と３．８ｇ／ｃｍ３の間であり、グラファイトアノードの密度は、１．４ｇ／ｃｍ３と１．９ｇ／ｃｍ３の間、好ましくは、１．６−１．８ｇ／ｃｍ３であり、そのことは、プレス加工により達成される。
【００８８】
セパレータ
セパレータは、アノード電極とカソード電極との間に挿入される電気絶縁膜である必要があり、Ｌｉイオンに対する高透過性、ならびに、引張りおよび横方向においての高強度と、高貫入強度とを有するべきである。気孔サイズは、典型的には、０．０１マイクロメートルと１マイクロメートルの間であり、厚さは、５マイクロメートルと５０マイクロメートルの間である。ポリエチレン（ＰＥ）構造、ポリプロピレン（ＰＰ）構造、またはＰＰ／ＰＥ／ＰＰ構造などの不織ポリオレフィンのシートが、典型的には使用される。典型的にはＡｌ２Ｏ３からなるセラミックが、発熱時の収縮を改善し、内部短絡に対する保護を改善するために、膜上へと付与され得る。また、カソードまたはアノードが、セラミックによって同様にコーティングされ得る。セパレータは、Ｃｅｌｇａｒｄ、ＳＫ、Ｕｂｅ、Ａｓａｈｉ  Ｋａｓｅｉ、Ｔｏｎｅｎ／Ｅｘｘｏｎ、およびＷＳｃｏｐｅを含む、当業界内の複数の供給業者から調達され得る。
【００８９】
電解質
溶媒と塩とを含む電解質が、典型的には、当業界内で見いだされる。溶媒は、典型的には、ＤＥＣ（炭酸ジエチル）、ＥＣ（炭酸エチレン）、ＥＭＣ（炭酸エチルメチル）、ＰＣ（炭酸プロピレン）、ＤＭＣ（炭酸ジメチル）、１，３ジオキソラン、ＥＡ（酢酸エチル）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の間で選択される。塩は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４の間で選択され、電解質内で使用される、硫黄またはイミド含有化合物は、ＬｉＣＦＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２、または、ＳＯ２を気泡にしてＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ（１：１：１比）および１Ｍ  ＬｉＰＦ６などのあらかじめ混合された電解質を通すことによる平易なスルホン化を含む。他の塩は、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサレートボレート）、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート）、ＴＥＭＡＢＦ４（トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート）である。ＢＰ（ビフェニル）、ＦＥＣ、ピリジン、亜リン酸トリエチル、トリエタノールアミン、エチレンジアミン、ヘキサリン酸トリアミド、硫黄、ＰＳ（プロピレンサルファイト）、ＥＳ（エチレンサルファイト）、ＴＰＰ（リン酸トリフェニル）、アンモニウム塩、四塩化炭素または三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒、および加うるに、高温度貯蔵特性を改善するためのＣＯ２ガスを含む、有効なＳＥＩ形成、ガス生成、難燃性特性、またはレドックスシャトリング能力のための添加剤が、また使用され得る。固体／ゲル電解質またはポリマー電解質に対して、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ、ＥＭＩＴＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩ、ＰＥＯ、ＰＡＮ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、これらのポリマーの任意の混和物が、ゲル電解質をもたらすために、他の電解質構成要素とともに使用され得る。電解質供給業者は、Ｃｈｅｉｌ、Ｕｂｅ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、ＢＡＳＦ、Ｔｏｍｉｙａｍａ、Ｇｕｏｔｓａ−Ｈｕａｓｏｎｇ、およびＮｏｖｏｌｙｔｅを含む。
【００９０】
スーパーキャパシタ（電気化学二重層を有するもの）、および、標準的なＬｉイオンバッテリの両方に対して作用する電解質が存する。それらの電解質に対して、スーパーキャパシタ構成要素が電力因子（ａｇｅｎｔ）として作用し、Ｌｉイオンコア部材がエネルギー収穫因子として作用するように、１つ以上のスーパーキャパシタコアが、筐体内で１つ以上の定型的なＬｉイオンコア部材と混合され得る。
【００９１】
例
この例においての、図１において示されるＭＣバッテリ構成に類する、ただし、半分の多さのコア部材のみを伴う、２つの共通のバスバー（正および負）に並列に接続される、円筒形の形状の５つのジェリーロールタイプコア部材のセット。負コネクタは、ジェリーロールのアノード箔（銅）から延伸するタブに接続され、コーティングされたグラファイト電極を有し、ジェリーロールのカソード箔（アルミニウム）に対する正コネクタは、化合物Ｍおよび化合物Ｆの混和された酸化物電極構造を有する。ニッケルから作製されるアノードタブ、および、アルミニウムから作製されるカソードタブは、スポット溶接技法またはレーザ溶接技法を使用して、バスバーに溶接される。筐体および支持部材は、プラスチック材料（ポリエチレン）から作製される。この例に対して、１８ｍｍ直径を伴う円筒形キャビティ、および、わずかにより小さい直径（１７．９ｍｍ）を伴うジェリーロールコア部材が使用された。筐体および蓋はプラスチック材料から作製され、超音波によって一緒に溶接され、そのことにより、気密封止を作る。
【００９２】
当業者は、上記で説明されたように、コア部材の特性を選択し、変化させ、高エネルギーコアまたは高電力コアを達成することができる。下記で示される表は、上記で説明された５つのコア部材例の様々なコア組成、および、達成され得るＭＣバッテリの異なる特性に関して、３つの例を概説する。
【００９３】
【表１】
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【００９４】
本発明は、本発明の趣旨または本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され得る。本発明の実施形態は、それゆえに、事項において、例解的であり、制限的ではないと考えられるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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