(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性材料から形成されるフレームであって、フレーム厚さを有する、フレームと；
前記フレームによって囲まれ且つ完全に前記フレーム内であり、セルコア厚さを有するセルコアであって、前記セルコアが、少なくとも一つのアノード、少なくとも一つのカソード、及び、前記少なくとも一つのアノードと前記少なくとも一つのカソードとの間の少なくとも一つの電解質を含む、セルコアと；
前記フレームによって囲まれ且つ完全に前記フレーム内である少なくとも一つのセルコア膨張収容凹部であって、前記少なくとも一つのセルコア膨張収容凹部が、その中に前記セルコアが拡張可能であり、そこから前記セルコアが収縮可能である内部セル容積を画定する、セルコア膨張収容凹部と、
を含む固体電池セルであって、
前記セルコア厚さが、セル充電及び／又はセル放電サイクルの間に、前記フレーム厚さ以下であり、
前記フレームを形成する前記非導電性材料の一部の上に伸びる導電性アノード集電体であって、前記導電性アノード集電体が、前記少なくとも一つのアノードと電気的に接触している、導電性アノード集電体と、
前記少なくとも一つのカソードの一部の上に伸び、且つ前記少なくとも一つのカソードの一部と電気的に接触している導電性カソード集電体であって、前記導電性カソード集電体が、前記フレームを形成する前記非導電性材料の表面で露出され、且つ前記非導電性材料の表面にアクセス可能である、導電性カソード集電体と、
前記非導電性材料から形成される前記フレームの露出した表面から外部に延びるタブと、
アクセス可能なカソード集電体端子と、
をさらに含み、
前記アクセス可能なカソード集電体端子が前記タブと接触し、前記カソード集電体端子は、前記カソード集電体と電気的に接触している、
固体電池セル。
【請求項２】
前記セルコアが、セルの対称バイポーラペアであり；
前記導電性カソード集電体が、共有のカソード集電体であり；
前記少なくとも一つのカソードが、前記共有のカソード集電体の反対側上の活性カソード材料であり；
前記少なくとも一つの電解質が、前記共有のカソード集電体の反対側上の前記活性カソード材料の上の電解質の層であり；
前記少なくとも一つのアノードが、前記共有のカソード集電体の反対側上の前記電解質材料の各層上のリチウム系アノード材料の層であり；
前記少なくとも一つのセルコア膨張収容凹部が、第１の内部セル容積、及び前記共有のカソード集電体の反対側上の第２の内部セル容積を含み、セルの前記バイポーラペアの１つのセルが前記第１の内部セル容積内に拡張可能であり且つ前記第１の内部セル容積から収縮可能であり、セルの前記バイポーラペアの他のセルが前記第２の内部セル容積内に拡張可能であり且つ前記第２の内部セル容積から収縮可能である、請求項１に記載の固体電池セル。
【請求項３】
前記導電性アノード集電体を被覆する柔軟なポリマーをさらに含む、請求項２に記載の固体電池セル。
【請求項４】
前記少なくとも一つのカソードと前記フレームとの間に適用される、リチウムメッキ及びイオン伝導へのバリアをさらに含む、請求項２に記載の固体電池セル。
【請求項５】
スタックにおいて配され、且つ、隣接するセルの前記導電性カソード集電体及び前記導電性アノード集電体が互いに接触するように直列に接続される、請求項１に記載の複数の固体電池セル、を含むマルチセル固体電池。
【請求項６】
前記複数の固体電池セルの各セルの前記フレームを形成する前記非導電性材料の表面でアクセス可能な前記導電性カソード集電体が位置合わせされ且つ固体電池セルの隣接するセルの前記導電性アノード集電体が電気的に接触するようにスタックにおいて配される請求項２に記載の複数の固体電池セル、を含むマルチセル固体電池。
【請求項７】
前記複数の固体電池セルの各セルの前記導電性アノード集電体に付着した導電性アノード端子ストリップと、
前記複数の固体電池セルの各セルの前記導電性カソード集電体に付着した導電性カソード集電体端子ストリップと、をさらに含む、請求項６に記載のマルチセル固体電池セル。
【請求項８】
その中に前記複数の固体電池セルの前記スタックが配される密封された筐体と；
前記筐体が前記マルチセル固体電池のアノード端子であるように前記筐体と電気的に接触している一番下のアノード集電体と；
前記カソード集電体端子ストリップに付着したカソード端子リードであって、前記カソード端子リードは、前記カソード端子リードが前記マルチセル固体電池のカソード端子であるように前記筐体を超えて伸びる、カソード端子リードと、をさらに含む、請求項７に記載のマルチセル固体電池セル。
【請求項９】
前記スタックの頂部上のばね荷重分散プレートと；
前記筐体の前記頂部から前記スタックを離すバイアスをかける前記スタックの前記頂部と前記筐体との間のばねと、をさらに含む、請求項８に記載のマルチセル固体電池セル。
【請求項１０】
集電体基板の一側面へ活性カソード材料を適用することによって集電体基板を有するカソードシートを製造するステップと；
前記活性カソード材料の露出面全体の上に非導電材料を適用するステップと；
前記非導電材料のエリアを除去することによって前記固体電池セルに関する活性エリアを生成して、前記活性カソード材料を露出し、且つ、前記活性エリアを囲む前記非導電材料のフレームを形成するステップであって、前記固体電池セルが充電及び／又は放電されるときに前記固体電池セルの全体の厚さが前記フレームの厚さを超えないような厚さを前記フレームが有する、ステップと；
前記活性カソード材料の上に電解質を適用するステップと；
前記活性エリアにおける前記電解質の上にアノード材料を適用するステップと；
前記アノードの上に及び前記フレームの上にアノード集電材料を適用するステップと、を含む、請求項１に記載の固体電池セルを製造するための方法。
【請求項１１】
集電体基板の少なくとも一つの側面へ活性カソード材料を適用することによって集電体基板を有するカソードシートを製造するステップと；
タブによって所定の位置に保持される個別のセルのアレイを生成するパターンを前記カソードシートにおいて切断するステップであって、前記カソード集電体端子と前記タブが接触している、ステップと；
前記アレイの前記個別のセルの各々の、露出面の全体の上に非導電材料を適用するステップと；
前記非導電材料の対応するエリアを除去することによって各個別のセルにおける活性エリアを生成して、各セルの前記活性カソード材料を露出し且つ各活性エリアを囲む前記非導電材料のフレームを形成するステップであって、各セルが充電及び／又は放電されるときに前記セルの全体の厚さが前記フレームの前記厚さを超えない厚さを前記フレームが有する、ステップと；
各セルの前記活性エリアにおける前記活性カソード材料の上に電解質を適用するステップと；
各セルの前記活性エリアにおいて前記電解質の上にアノード材料を適用するステップと；
前記アノードの上に及び前記フレームの上にアノード集電材料を適用するステップと；
各セルから各タブを切断することによって前記アレイから各個別のセルを除去して、前記導電性カソード集電体を露出するステップと、を含む、請求項２の固体電池セルを製造するための方法。
【請求項１２】
イオン伝導及び電子伝導をブロックする前記カソードシートへのバリアを適用するステップをさらに含む、請求項１１に記載の、請求項２の固体電池セルを製造するための方法。
【請求項１３】
個別のセルの前記アレイへ柔軟なポリマー被覆を適用するステップをさらに含む、請求項１１に記載の、請求項２の固体電池セルを製造するための方法。
【請求項１４】
前記導電性カソード集電体が位置合わせされるようにスタックにおいて個別のセルを積層するステップと；
前記導電性カソード集電体を相互接続するカソード被覆導電材料を適用するステップと；
各セルの前記導電性アノード集電材料を相互接続するアノード被覆導電材料を適用するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の、請求項２の固体電池セルを製造するための方法。
【請求項１５】
筐体において前記スタックを気密封止して、前記筐体が、前記アノード被覆導電材料と電気的に接触していることによって前記固体電池セルのアノード端子であり、且つ、前記筐体から絶縁され且つ前記筐体を超えて伸びるカソードリード端子が、前記カソード被覆導電材料と電気的に接触していることによって前記固体電池セルのカソード端子であるようにする、ステップをさらに含む、請求項１４に記載の固体電池セルを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、参照によって本明細書に全体が組み込まれる２０１５年５月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／１３７，９９１号明細書に関連し、仮出願の先の出願日を主張する。
【背景技術】
【０００２】
（１）発明の分野
本発明は、電気化学セルのための電池パッケージに関する。より具体的には、本発明は、特定のアノード処方によって生じるアノード体積における変化を収容し、リチウム系アノードを含むためのアノードチャンバーを有する電池パッケージに関する。
（２）従来技術の説明
本発明は、固体リチウム電池のためのパッケージングに取り組む。１９７０年代にＤｕｒａｃｅｌｌ（登録商標）によって開発され、１９８０年代に市販された初期の固体リチウム電池はいまや製造されていない。それらのセルは、リチウム金属アノードと、ヨウ化リチウム及びＡｌ２Ｏ３の分散相電解質と、カソードとしての金属塩と、を含んだ。Ｌｉ／ＬｉＩ（Ａｌ２Ｏ３）／金属塩構造は、真の固体電池であったが、電池は充電式ではなかった。
【０００３】
現在、液体電解質を採用するＬｉイオン電池の化学的構造は、最もよく知られた性能を提供し、すべての電池の化学的構造で最も広く用いられるようになった。リチウムイオンセルは、薄い（〜１０μｍ）Ａｌ箔集電体上にキャストされた厚い（〜１００μｍ）多孔性複合カソードから成る。複合カソードは典型的には、その高い容量及び優れたサイクル寿命に起因して活物質としてリチウムコバルト酸化物ＬｉＣｏＯ２、及び、層のいたるところで電気伝導性を提供するカーボンブラックの両方を含む。薄いポリマーセパレーターが、カソードと、充電サイクルの間にＬｉをインターカレートするカーボン系アノードとの間の電気的絶縁を提供する。セルは、充電及び放電の間にカソードとアノードとの間でのＬｉイオンの輸送に関する非常に高い伝導性を提供する液体電解質に浸される。厚い複合カソードが多孔性であるので、液体電解質は、構造体内に吸収され、構造体を満たすので、ＬｉＣｏＯ２活物質との優れた表面接触を提供して、最小のインピーダンスによってセルのいたるところでＬｉイオンの速い輸送を可能にする。
【０００４】
液体電解質自身は、典型的には、エチレンカーボネート、及び、ジメチルカーボネート等の他の線状カーボネートを含む溶媒ブレンドにおけるＬｉ塩（例えば、六フッ化リン酸リチウム、ＬｉＰＦ６）から成る。エネルギー密度及びサイクル寿命における改善にも関わらず、液体電解質を含む電池によるいくつかの根本的な問題が残る。例えば、液体電解質は一般的には揮発性であり、高い充電速度、高い放電速度、及び／又は内部短絡条件下で圧力上昇、爆発及び発火をしやすい。加えて、高速での充電は、アノードの表面上で樹状リチウム成長を引き起こし得る。結果として得られるデンドライトは、セパレーターを通って伸び得て、セルにおける短絡を引き起こし得る。さらに、セルの自己放電及び効率が、液体電解質によるカソードの腐食及び副反応によって制限される。最後に、液体電解質はまた、セルが過電圧又は短絡条件に起因して過熱する場合に危険を生じさせ、他の潜在的な発火又は爆発の危険を作る。
【０００５】
液体及び固体ポリマー電解質等の有機電解質材料間で形成する不安定な界面及び不動態化反応のため、無機固体電解質材料を用いる充電式固体リチウム系電池を開発することは長らく目標となっている。１９９０年代初期には、第２のタイプの全固体電池が、Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，  １  Ｂｅｔｈｅｌ  Ｖａｌｌｅｙ  Ｒｄ，  Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ，  ＴＮ  ３７８３１で開発された。これらのセルは、真空堆積技術を用いてセラミック基板上に堆積されたカソード、無機電解質及びアノード材料の薄膜から成り、カソード及び電解質に関するＲＦスパッタリング並びにＬｉ金属アノードの真空蒸着を含む。セルの全体の厚さは典型的には１０μｍ未満であった：カソードは、４μｍ未満の厚さを有し、固体電解質は約２μｍの厚さ（カソードとアノードとの電気的絶縁を提供するのにちょうど十分である）、及びＬｉアノードは約２μｍの厚さである。（各層内で、及び、セルの層の間での両方で）強い化学結合が物理蒸着技術によって提供されたので、これらのセルの輸送特性は優れていた。固体電解質リチウムリン酸窒化物ＬｉＰＯＮがわずか２×１０−６Ｓ／ｃｍ−１の伝導性（初期のＤｕｒａｃｅｌｌ（登録商標）電池において用いられるＬｉＩ（Ａｌ２Ｏ３）固体電解質のものより５０倍低い）を有するが、薄い２μｍ層のインピーダンスは非常に小さく、非常に高い速度性能を可能にした。しかしながら、この技術に基づく電池は、製造するのに非常に費用がかさみ、非常に小さく、非常に小さい容量を有する。
【０００６】
（１）長い貯蔵寿命、（２）長期間安定な電力能力、（３）ガス発生なし、（４）広い動作温度範囲：純粋なリチウムアノードに関して４０℃から１７０℃、活性複合アノードを用いて３００℃まで及び３００℃を超える、並びに、（５）２０００Ｗｈ／Ｌまでの高い体積エネルギー密度、を含む魅力的な性能特性に関する潜在性のため、固体電池は大きな注目の的である。それらは、低いドレイン又は開路条件下で長寿命を要求する用途に関して特に適する。
【０００７】
高容量リチウムインターカレーション化合物を採用する固体電池が開発されている。これらの全固体電池は、活性電池カソード材料（例えば、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２，ＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎ２Ｏ４，Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２又は同様のもの）、導電性材料（例えば、カーボンブラック）、及びリチウムイオン伝導性ガラス電解質材料、例えば低温ゾルゲルプロセスを介して液体前駆体からインサイチュで形成され得るＬｉ３ｘＬａ２／３−ｘＴｉＯ３（ｘ＝０．１１）（ＬＬＴＯ）又はＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２（ＬＬＺＯ）を含む複合カソードから成る。ゲル化され、その後硬化されるとき、前駆体は、固体リチウムイオン伝導性ガラス電解質に変換される。このような全固体電池の構築での過去の試みは、界面を横切る効果的なリチウムイオン輸送を促進するために材料を一緒に結合するための必要性によって制限されてきた。この結合プロセスは、高温、例えば６００℃以上で焼結することによって試されてきた。しかしながら、カソード及び電解質材料は、このような焼結温度で互いに反応し得て、高いインピーダンス界面及び非効果的な電池をもたらす。
【０００８】
Ｄｕｒａｃｅｌｌ（登録商標）によって開発され、上記で説明された全固体一次セルは、１０００Ｗｈ／Ｌまでの非常に高いエネルギー密度、並びに、安全性、安定性及び低い自己放電の観点で優れた性能を示した。しかしながら、圧縮粉末構成、及び厚い電解質分離層に関する要件に起因して、セルインピーダンスは非常に高く、電池の放電速度を厳しく制限した。このタイプのセルはまた用途において制限される。なぜなら、電気化学窓が、およそ３ボルトの上で酸化される、電解質におけるヨウ化物イオンに起因して３ボルト未満に制限されるからである。加えて、このセルの安定な充電式バージョンは決して開発されなかった。
【０００９】
Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓによって開発された全固体薄膜電池は、上述されたように、Ｌｉイオン技術に関する多くの問題に取り組むが、制限も有する。セルを製造するために必要とされる真空堆積装置は非常に高価であり、堆積速度は遅く、非常に高い製造コストにつながる。また、薄膜の使用によって提供される高いエネルギー密度及び電力密度を活用するために、不活性基板及びパッケージング構成要素と比較して電池の体積及び重量のかなりの部分を電池層が占めるように電池層自身よりも非常に小さく且つ軽い基板上にフィルムを堆積することが必要不可欠である。理想的には、より厚い電池電極層を単純に用いて、それによって基板を電池の体積のよりかなり少ないパーセンテージにするであろう。しかしながら、問題は、数マイクロメートルを超えて電極厚さを増加することが実用的でないことである。大部分の電極材料を通ってリチウムが拡散することは比較的遅く、厚い電極層の使用を非実用的にする。なぜなら、結果として得られる電池は、有用な充電及び放電速度でサイクルできないからである。したがって、フィルムは、非常に薄い基板（＜５０μｍ）上に堆積されなくてはならない、又は、複数の電池は、相当のエネルギー密度を達成するために単一の基板上に構築されなくてはならない。複数のセルを備える単一の基板の使用は実用的ではない。なぜなら、薄膜電池に関する構成プロセスは、カソードに関する高温アニーリングプロセスを含むからである。高温アニーリング段階は、カソード層が適用される毎に行われる必要があるであろう。高温アニーリング段階は、他のセルにおける構成要素としてスタックにおいてすでに組み立てられているであろう電解質及びアノード層と互換性がない。
【００１０】
セルに関して適切に動作するために、最適な動作条件においてセルの構成要素が保持されることが重要である。特定の懸念は、リチウムを含むセルアノードである。リチウムは、アノード材料として非常に望まれている。なぜなら、リチウムは、元素及び材料の内で最も軽いものであり、最も軽い金属であり、電気化学反応において高電圧を生成する能力があり、高い電気化学当量（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ）を有し、且つ、優れた伝導性を有するからである。リチウム金属は、すべての金属の最も高い標準電位、及び電気化学当量を有する。さらに、活性アノード材料としてのリチウムは、高いエネルギー密度及び高い比エネルギーを有する。リチウムアノードを採用する電池は、長い貯蔵寿命を有しつつ、非常に広い温度範囲にわたって動作することが可能である。そのため、活性アノード材料としてリチウムを採用するセル／電池を有することが所望されることが理解され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
活性アノード材料としてリチウムを有するアノードを用いることにおける問題は、リチウムが、水、水蒸気、酸素及び窒素、並びに、以前にリストに挙げた物質の内の一以上を含む空気、等のいくつかの一般的に見出される物質との反応性が高いことである。さらに、様々な物質とリチウムとの反応性は、粒子サイズ、圧力、環境における物質及び周囲温度に関する特定の条件下でリチウムを可燃性にさせ得る。例えば、リチウムは、水と不利に反応し得て、リチウムは劣化して、適切でないセル／電池アノード構成要素である物質を形成する。他の一つの例として、湿った空気にさらされるとき、リチウムは、変色又は腐食し得る。加えて、リチウムは、水又は水蒸気にさらされるときに酸素中で発火し燃え得る。関連した問題は、リチウムに基づいた火が消化しにくいことがあることである。そのため、空気及び水等の非常に一般的に材料が、リチウムに非常に望ましくない影響を有し得ること、リチウムを採用するセル又は電池を最適に動作しないようにさせ得ること、又は、安全性の問題をさらに与え得ることがわかり得る。加えて、周囲温度における十分に高い増加は、その後問題になるリチウムの燃焼を促進し得る。したがって、一般的に、電池に採用されるリチウムは、ほとんど最適な条件へ、最も可能な大きな程度で露出から保護されなくてはならない。そのため、電池が採用される環境に一般的に存在し得る有害な材料及び条件への露出からリチウムアノード材料を保護する電池パッケージを有することは有用であろうことが理解され得る。
【００１２】
高度なリチウムセルにおける使用のために調査されているリチウム及び他の高性能アノード材料は、充電／放電サイクルによって非常に大きい体積変換を経験し得、シリコンは特に、３００％に達する体積における変化を経験し得る。電池スタックはしばしば、一緒に積層された多数のセルから成るので、大きなアノード体積変化は、特にセルがサイクルされるときに電池スタック全体がその体積を変化させる場合に、スタック自身、同様に電池パックために用いられるパッケージング、並びに、電池を収納するホスト設備の機械的仕様に劇的な機械的及び構造的影響を有し得る。
【００１３】
これに取り組む試みは、パッケージ電池の全体のエネルギー密度及び比エネルギーにかなりの影響を有する嵩張るパッケージング材料をもたらしてきた。しばしば、エネルギー密度及び比エネルギーに関連した性能における改善は、効果的なパッケージングのための必要性によって否認される。そのため、長期的な信頼性の高い保護を提供し得、且つ、電池セル又はパックへかなりの体積又はかなりの重量をまだ追加しないことがあるパッケージングシステムが大きな利益をもたらすであろうことが理解され得る。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様によると、アノード体積変化がパッケージ内で他のセル上に有するであろう任意の影響を排除しつつ、スタックにおいて個別のセル内でリチウムアノードの体積における変化を収容するセル構造が提供される。各個別のセルは、セルがサイクルされるときに、その中に及びそこからリチウムがメッキされ且つ剥がされるアノード井戸又はキャビティを形成するパッケージング構造を含む。セルが充電及び放電されるときにリチウムによる実質的に可逆な反応を受けるリチウム活物質又はアノードとしてのリチウム金属を井戸は含み得る。
【００１５】
本発明の他の一つの態様によると、各個別のセルは、平坦な構成を有し、且つその外周の周りに伸びるフレーム様構造内に配される。フレームは、活性でないセルのエリアを画定する。セルのフレーム被覆領域は、サイクルの間にセルの中央の活性領域において生じる電気化学プロセスから保護される。フレーム被覆領域は、化学的に及び機械的に安定なままである。セルの外周の周りのフレーム様構造は、活性な中央の領域よりも厚く、セルがサイクルされ、アノード厚さがセルの活性エリア内で変化するときに、フレームによって画定されるようなセルの全体の厚さが変化しないようにする。そのため、セルは、スタックの全体の厚さに影響を与えることなくスタックにおけるセルがサイクルされるときにその中でリチウム系アノードが厚さにおいて変化し得る井戸の形で活性領域を有する各セルによってスタック厚さを決定するフレームによってセルは積層され得る。
【００１６】
本発明のさらに他の一つの態様によると、固体電池セルは、非導電性材料によって形成されるフレームを含む。フレームはフレーム厚さを有する。フレームによって囲まれ且つ全体がフレーム内であるセルコアはセルコア厚さを有する。セルコアは、少なくとも一つのアノード、少なくとも一つのカソード、及び、少なくとも一つのアノードと少なくとも一つのカソードとの間の少なくとも一つの電解質を含む。少なくとも一つのセルコア膨張収容凹部は、フレームによって囲まれ且つ全体がフレーム内である。少なくとも一つのセルコア膨張収容凹部は、その中にセルコアが拡張可能であり且つそこからセルコアが収縮可能である内部セル容積を画定する。セルコア厚さは、セル充電及び／又はセル放電サイクルの間にフレーム厚さ以下である。
【００１７】
前述のまとめ、及び本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と関連して読まれるときによりよく理解されるであろう。本発明を示す目的のために、図面は、現在好ましい実施形態を示す。しかしながら、本発明は、示される正確な配置及び手段に限定されるものではないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の教示に従って最大のセル厚さ及び不活性な外周領域を画定するパッケージングフレームを有する電池セルの実施形態の上面斜視図である。
【図２】図１の断面平面Ａ−Ａに沿って取られた図１のセルの断面図である。
【図３】図１の、しかしリチウム系アノードの体積が増加している充電状態におけるセルの断面図である。
【図４】本発明の教示に従ってスタックにおけるセルのフレームが全体のスタック高さを決定する電池セルスタックの実施形態の上面斜視図である。
【図５】本発明の教示に従って活性な中央領域から不活性な外周領域を別々画定して、それによって膨張体積がスタック内で利用可能であり、全体のスタック高さを変化させることなく充電／放電サイクルによるセルのアノードの体積における変化を収容するセルのパッケージングフレームを示す図４の断面平面Ｂ−Ｂに沿って取られる図４のセルスタックの断面図である。
【図６】導電性ストリップによって互いに相互接続された個別のセルのカソード、及び導電性ストリップによって互いに相互接続されたアノードを有する図４のセルスタックの上面斜視図である。
【図７】図７Ａから７Ｅは、本発明の教示に従って、ケーシングのガラスフィードスルーを有する共通のカソード端子への接続、及び、アノード端子としての役割を果たすケーシングを備えるケーシングへのアノードの接続、を備えるケーシング内への図５の電池の配置を示す。
【図８】本発明の教示に従って固体電池セルを製造するための方法の好ましい実施形態に関するトップレベル機能フロー図である。
【図９】両側へ結合される活性カソード材料を有する電気伝導性基板から成るカソード構造の上面斜視図である。
【図１０】セルのアレイに関する活性エリアを画定するためにその表面へ適用されるカソードマスクのアレイを有する図９のカソード構造の上面斜視図である。
【図１１】両側へ適用され且つカソードマスクのアレイを覆う、絶縁材料の被覆を有する図１０のカソード構造の上面斜視図である。
【図１２】個別のセルのアレイに切られた図１１のカソード構造の上面斜視図である。
【図１３】絶縁材料によって被覆された全体構造を備える図１２のカソード構造の上面斜視図である。
【図１４】図１３の個別のセルの上面斜視分解図であり、そのマスクはカソードの活性表面エリアを露出するために除去される。
【図１５】図１３のセルのアレイの上面斜視図であり、カソードマスクは個別のセルカソードの表面を露出するために除去される。
【図１６】電解質被覆に関する準備において所定の位置における電解質マスクを備える図１４のセルアレイの上面斜視図である。
【図１７】電解質被覆が個別のカソードの露出された活性エリアの上に適用された図１６のセルアレイの上面斜視図である。
【図１８】図１６のセルアレイの上面斜視図であり、電解質マスクは除去されて、セルの活性表面エリア上の電解質の被覆を示す。
【図１９】セルの活性エリアにおける電解質上への活性アノード材料の被覆に関する準備において所定の位置におけるマスクを備える図１８のセルアレイの上面斜視図である。
【図２０】セルの活性表面エリア上へ適用された活性アノード材料の被覆を備える図１９のセルアレイの上面斜視図である。
【図２１】図２０のセルアレイの上面斜視図であり、マスクは除去されて、セルの活性エリアにおける任意のアノード材料の被覆の図を提供する。
【図２２】所定のセルの両側でアノードを互いに接続するためにセルの端の上を伸びるであろう導電性材料の被覆に関する準備において所定の場所における集電体マスクを有する図２０のセルアレイの上面斜視図である。
【図２３】導電性材料の被覆が、集電体マスクによって画定されるようなセルアレイ構造の露出面を覆って適用される図２２のセルアレイを示す上面斜視図である。
【図２４】図２３のセルアレイの上面斜視図であり、集電体マスクが除去されることを示して、集電体材料によって覆われる表面エリアの図を提供する。
【図２５】セルの活性エリア上へポリマー被覆等の柔軟な材料の被覆を適用することに関する準備において所定の場所におけるマスクを有する図２４のセルアレイの上面斜視図である。
【図２６】セルの活性エリア上の柔軟な材料被覆の被覆を有する図２５のセルアレイの上面斜視図である。
【図２７】図２６のセルアレイの上面斜視図であり、柔軟な材料マスクが除去されることを示して、柔軟な材料被覆によって覆われる表面エリアの図を提供する。
【図２８】本発明の教示に従って、マルチセル固体電池を製造するための方法の好ましい実施形態に関するトップレベル機能フロー図である。
【図２９】本発明の教示に従って、最大のセル厚さ及び不活性な外周領域を画定する代替のパッケージングフレームを有する電池セルの実施形態の底面斜視図である。
【図３０】図２９の断面平面Ｂ−Ｂに沿って取られる図２９のセルの断面図である。
【図３１】セルが共通のアノード収容領域を有するように構成される図２９の断面平面Ｂ−Ｂに沿って取られる図２９を代表するセルのペアの断面図である。
【図３２】隣接セルのアノード及びカソードを互いに接触して直列で電気的に接続して積層されるようにセルが構成される図２９の断面平面Ｂ−Ｂに沿って取られる図２９を代表するセルのペアの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態がここで説明される。開示される実施形態は、様々な且つ代替的な形、及びそれらの組み合わせで具現され得る本発明の単なる例示である。本明細書で用いられるように、「例示的」との用語は、図、標本、モデル又はパターンとしての役割を果たす実施形態を指すために広範に用いられる。図は必ずしも縮尺通りではなく、いくつかの特徴は特定の構成要素の詳細を示すために誇張又は最小化され得る。他の例では、よく知られた構成要素、システム、材料又は方法は、本発明をあいまいにすることを避けるために詳しく説明されない。したがって、本明細書で開示される少なくともいくつかの特定の構造的及び機能的詳細は、限定的に解釈されるべきでなく、単に特許請求の範囲に関する基礎として、及び、本発明を様々に採用するために当業者に教えるための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００２０】
概要として、本発明は、リチウムが充電／放電サイクルによってアノードの内外で循環されるときにかなりの体積変化を受けるアノードの使用を収容する寸法的に安定な電池パッケージに関するアプローチを教示する。各セルは、集電体上へ被覆される活性カソード材料から成るカソードとして最初は形成される。カソードは、その外周の周りに寸法的に安定なピクチャフレーム様構造が提供される。フレーム構造は、電気絶縁材料から構成される、又は、非導電性表面を少なくとも有する。それは、不活性な、つまりリチウム循環が無いように意図されるセルの外周の周りにセルへ取り付けられる。絶縁フレームは、多層であり得る。フレームは、その周囲によって囲まれる領域において凹み井戸を生成する。電解質セパレーター及びアノード被覆は、フレームによって囲まれる領域内に配されるので、セルの活性エリアを画定する。フレームの厚さは、全体のセル厚さを決定する。フレームによって囲まれる凹み井戸エリアは、その中でリチウム系又は他のアノードが、フレームによって確立される全体のセル厚さに影響を与えることなくセルのサイクルと共に膨張及び収縮し得る容積を提供する。
【００２１】
セルの活性エリアを覆い、且つ絶縁材料のフレームの上で伸びる集電体被覆にセルはフィットされて、複数のセルがスタックに配されるときに、集電体への電気的アクセスがセルの端で提供されるようになる。アクセスが、セル端、又は、アノード集電体によって覆われない端のセクションでカソードへ提供されるような構成である。絶縁フレームは、端、又は、アノード集電体によって覆われない場所に沿って貫通されて、カソード集電体へのアクセスを提供する。電気的接続は、積層セルの端で為されて、カソード集電体及びアノード集電体を互いに直列にまたは並列に電気的に接続し得る。
【００２２】
必要に応じて、セルは、両側に対称的に取り付けられたセルをカソード集電体が有するバイポーラセル構成によって形成され得る。さらに、セルは、一連の物理堆積被覆またはそれらの組み合わせによって、一連のダイカット、スタンピング及びプレッシングを介して形成され得る。本開示は、カソードが最初に集電体上へプレスされ、残りの構成要素が物理的堆積によって適用されて好ましいセル構造を達成する、組み合わせを説明する。
【００２３】
「電池」との用語は技術的に２以上のセルの組み合わせをより適切に画定し得るが、一般的に単一のセルを指すために用いられるようになった。そのため、電池との用語自身は、ときどき、何が実際に単一のセルであるかを指すために本明細書で用いられる説明の便宜のためである。本明細書での教示は、アノード材料がセルに関する電池パッケージにおいて絶縁されるセルから形成される電池パッケージに向けられる。
【００２４】
参照はいまや本発明の実施形態へ詳細になされ、その実施例は、添付の図面において示されるであろう。本明細書で本発明の説明において用いられる用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、本発明の限定を意図するものではない。
【００２５】
本発明の説明及び添付の特許請求の範囲において用いられるように、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示唆しない限り、複数形も同様に含むことが意図される。本明細書で用いられるような「及び／又は」との語句は、関連した挙げられる項目の内の一以上の任意の及びすべての可能な組み合わせを指す及び包含する。「含む」及び／又は「含んでいる」との語句は、本明細書で用いられるとき、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらのグループのうちの一以上の存在又は追加を排除しない。
【００２６】
「右」、「左」、「下」及び「上」との語句は、それへ参照が為される図面における方向を指す。「内側に」及び「外側に」との語句は、針安全シールドの幾何学的中心及びその指定された部分に、それぞれ、向かって及び離れる方向を指す。用語は、上記の語句、その派生体及び同様の意味の語句を含む。
【００２７】
第１の、第２の等の語句は様々な要素を説明するために本明細書で用いられるが、これらの要素は、これらの語句によって限定されるべきではない。これらの語句は、１つの要素を他の１つの要素から区別するために用いられるだけである。例えば、本発明の範疇から逸脱せずに、第１のセルは、第２のセルと呼ばれることがあり、同様に、第２のセルは、セルチューブと呼ばれることもある。
【００２８】
以下の説明は、本発明に従って、密封アノードチャンバーを備える強化電池パッケージの様々な実施形態に向けられる。
【００２９】
詳細に図面を参照すると、同様の数字はいたるところで同様の要素を示し、図１〜３において、一般的に１０で指定される固体電池セルの第１の好ましい実施形態が示され、以後、本発明に従う「電池セル」１０として呼ばれる。
【００３０】
電池セル１０は、ポリマー材料又は、金属酸化物などの無機材料でありうる非導電性材料から形成されるフレーム１２を有する。フレーム１２はフレーム厚さ、Ｔｆを有し、フレーム１２によって囲まれる凹み井戸１４を生成する。凹み井戸１４は、その中にセルコア１６が配される電池セル１０の活性領域である。セルコア１６は、セルコア厚さ、Ｔｃを有し、少なくとも一つのアノード１８、少なくとも一つのカソード２０、及び、少なくとも一つのアノード１８と少なくとも一つのカソード２０との間の少なくとも一つの電解質２２を含む。フレーム１２は好ましくは少なくとも一つのカソード２０上に取り付けられるが、いくつかの実施形態では、フレーム１２は少なくとも一つのアノード１８上に取り付けられ得る。
【００３１】
セルコア１６は、単一のアノード及び単一のカソードを有し得る。代わりに、セルコア１６は、共通のカソード構造が各側面上に一つである２つの別個のアノードと組み合わせて用いられるバイポーラ構成を有し得る。共通のアノード構造もまた用いられ得る。共通のカソード構造に基づいたバイポーラセルは、教える目的のために以下で開示され、活性カソード材料は、共通のカソード集電体の両側上に取り付けられる。
【００３２】
セルコア１６に加えて、凹み井戸１４は、完全にフレーム１２内であり且つフレーム１２によって囲まれる少なくとも一つのセルコア膨張収容領域２４を有する。少なくとも一つのセルコア膨張収容凹部２４は、その中にセルコア１６が膨張可能であり、そこからセルコア１６が収縮可能である内部容積を画定する。好ましくは、収容領域２４の内部容積は、電池セル１０の全体の厚さを変化させることなく、電池セル１０が充電状態であるときに少なくとも一つのアノード１８の厚さにおける増加を収容するようなサイズにされる。したがって、電池セル１０の好ましい実施形態では、セルコア厚さ（Ｔｃ）は、セル充電及び／又はセル放電サイクルの間にフレーム厚さ（Ｔｆ）以下である。
【００３３】
領域２４の最小深さは、セルが完全に充電されるときのリチウムアノードの、結果として得られる厚さによって決定される。この深さは、カソードにおいて組み込まれるリチウム活物質の量によって決定される。例の活物質は、１００μＡｈ／ｃｍ２の体積サイクル可能リチウム容量を有するリチウムニッケルコバルトマンガン二酸化物（ＮＣＭ）の形であり得る。バインダー材料、電子伝導性材料、リチウムイオン伝導性材料及びＮＣＭ活物質を含む複合カソード構造を仮定し、ＮＣＭ活物質は、カソード体積全体の４０％を表す。カソード厚さが５０μｍである場合、そのとき相当する活物質厚さは２０μｍであり（０．４＊５０μｍ）、正味の容量は２ｍＡｈ／ｃｍ２、（１００μＡｈ／ｃｍ２μｍ＊２０μｍ）であろう。２００μＡｈ／ｃｍ２・μｍの密のリチウム金属の容量を仮定すると、領域２４のために必要とされる深さは１０μｍ、（２ｍＡｈ／ｃｍ２  ／  ２００μＡｈ／ｃｍ２・μｍ）であろう。
【００３４】
導電性アノード集電体２６は、フレーム１２を形成する非導電性材料の一部の上を伸び、また、凹み井戸１４内に部分的に伸びる。フレーム１２の表面の一部、好ましくは前側、は、露出されたままである。導電性アノード集電体２６は、少なくとも一つのアノード１８と電気的に接触している。
【００３５】
フレーム１２の非導電性材料から形成されるタブ３０は、フレーム１２を形成する非導電性材料の露出面から直接外側に伸びる。
【００３６】
導電性カソード集電体２８は、少なくとも一つのカソード１８の一部の上に伸び、且つそれと電気的に接触している。カソード集電体２８と電気的に通信するアクセス可能なカソード集電体端子コンタクト３０は、タブ３０内である。
【００３７】
電池セル１０のいくつかの実施形態では、セルコア１４は、セル３４の対称バイポーラペアであり、導電性カソード集電体２８は、共有のカソード集電体であり、少なくとも一つのカソード２０は、共有のカソード集電体の反対側上に取り付けられる活性カソード材料であり、少なくとも一つの電解質２２は、活性カソード材料上に堆積される固体電解質フィルムであり、少なくとも一つのアノード１８は、固体電解質フィルム上に堆積されるリチウム系アノードフィルムである。
【００３８】
セルコア１６が対称バイポーラ構成を有するとき、好ましい実施形態では、少なくとも一つのセルコア膨張収容領域２２は、第１の内部セル容積３６、及び、共有のカソード集電体の反対側上の第２の内部セル容積３８を含む。セルのバイポーラペアの１つのセルは、第１の内部セル容積３６内に拡張可能であり、そこから収縮可能であり、セルのバイポーラペアの他のセルは、第２の内部セル容積３８内に拡張可能であり、そこから収縮可能である。
【００３９】
対称バイポーラ構成では、セルコア１６は好ましくは、リチウム系アノードフィルム上に、且つ、フレーム１２を形成する非導電性材料の一部の上で堆積される導電性アノード集電体を有する。フレーム１２の非導電性材料によって形成されるタブ３０は、フレーム１２を形成する非導電性材料の露出面から外側に伸びる。カソード集電体２６と電気的に通信するアクセス可能なカソード集電体端子コンタクト３２は、タブ３０内である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、固体電池セルは好ましくは、アノード集電体２６を被覆する柔軟なポリマー４０を有するが、必ずしもそうではない。いくつかの実施形態は、少なくとも一つのカソード２０とフレーム１２との間に適用される、リチウムメッキ及びイオン伝導に対するバリア４２を有することもある。
【００４１】
図４〜７を参照すると、一般的に７０と指定され、以後本発明に従って「マルチセル電池」７０と呼ばれるマルチセル固体電池の第１の好ましい実施形態が示される。
【００４２】
マルチセル電池７０は、上述の一以上の要素を備える複数の固体電池セル１０を有する。したがって、同様の要素に関する同様の参照番号はいたるところで用いられる。固体電池セル１０はスタック４４において配され、複数の固体電池セルの各セル１０のタブ３０は位置合わせされ、複数の固体電池セルの隣接するセル１０の導電性アノード集電体２６は、電気的に接触している。導電性アノード端子ストリップ４６は、複数の固体電池セルの各セル１０のアノード集電体２５に付着し、導電性カソード集電体端子ストリップ４８は、複数の固体電池セルの各セル１０のカソード集電体端子コンタクト３２に付着する。
【００４３】
複数の固体電池セルのスタック４４は、密封蓋５２を有する筐体５０において配される。ばね荷重分散プレート５４がスタック４４の頂部上である。筐体５０とスタック４４の頂部との間のばね５６は、スタック４４を筐体５０の頂部から離すバイアスをかけて、一番下のアノード集電体５８が筐体５０と電気的に接触しているようにする。カソード端子リード６０は、導電性バインダー６２によってカソード集電体端子ストリップ４８に結合される。バインダー６２は、導電性エポキシ材料又は同等のものであり得る、又は、それは、タック溶接、溶融スプレー、蒸着又は他の方法によって適用される金属であり得る。カソード端子リード６０は、ガラスフィードスルー６６を用いて筐体５０と共に気密シール形成する筐体フィードスルー端子６０にセルカソード２０を結合する。蓋５２は、セルスタック４４が内部で密封されるように継ぎ目６８に沿って溶接することによって筐体５０へ密封されるので、セル１０を外部環境から保護する。マルチセル電池７０の筐体５０は、マルチセル電池７０のアノード端子７２としての役割を果たし、カソード端子リード６０は、マルチセル電池７０のカソード端子７４としての役割を果たす。
【００４４】
図８〜２７を参照すると、以下の開示は、一般的に２００と指定され、以後、本発明に従って方法２００と呼ばれる、上記で開示された固体電池セル１０を製造するための方法の好ましい実施形態に、及び、好ましい製造材料に向けられる。図８は、方法２００のトップレベル機能フロー図である。以下の開示は単一のアノード及び単一のカソードを有するセルコア１６に向けられるが、方法２００は、方法２００が共通のカソード集電体の両側に適用される場合に、バイポーラセルの製造に関して等しく適用可能である。
【００４５】
方法２００の第１のステップ２１０は、集電体基板７８の少なくとも一つの側面に活性カソード材料８０を適用することによって集電体基板７８を有するカソードシート７６を製造している。
【００４６】
図９は、カソード材料のシートを示す。それは、活性カソード材料８０によって両側の被覆がされる導電性金属集電体基板７８から成り、集電体７８は、カソード材料の厚さ、その構造的完全性及び電気伝導率に応じて任意である。用いられる場合好ましくは、それはアルミニウムである。カソード材料８０は好ましくは、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ２）、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２，ＬｉＣＯ）、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉ０．３３Ｃｏ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２，ＮＣＭ）、又は他の適切なリチウム反応性物質若しくは反応性物質の組み合わせなどの少なくとも一つのリチウム活物質を含む。カソード材料８０はまた、カーボン又は電子輸送を促進するための他の電子伝導体等の追加の材料、及び、リチウムイオン輸送を促進するためのＬＬＺＯ等のイオン伝導体を含み得る。活性カソード材料被覆８０は、スパッタ又は他の物理的堆積技術によって、スラリーキャスティング及び乾燥、焼結又は他の適切なプロセスによって、適用され得る。
【００４７】
方法２００の第２のステップ２２０は、ステップ１１０のカソードシート７６へ活性エリアマスク８２を適用することである。図１０は、形成される個別のセル１０の活性エリア８４（図１４を参照）に関する場所を画定するために、活性カソード材料被覆８０の表面上のアレイに配される活性マスク８２を有する図９のカソード構造の図である。バイポーラセルに関して、マスク８２は、カソード材料７６のシートの両側上に配され、且つ、互いに対照的に対向している対において位置付けられる。
【００４８】
図１１を参照すると、いくつかの実施形態では、バリア絶縁被覆８６は、マスク８２が所定の場所にされた後でカソード材料７６のシートの両側上に適用され得る。バリア絶縁被覆８６は、図１０のマスク８２を完全に覆う連続被覆として適用される。バリア絶縁被覆８６は、好ましくは、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、又は、イオン伝導及び電子伝導をブロックする他の適切な材料等の無機材料である。
【００４９】
方法２００の第３のステップ２３０は、タブ８８によって所定の位置に保持される個別のセル９０のアレイを生成するパターンをカソードシート７６において切断することである。カソード集電体端子コンタクト９０は各タブ８８内である。図１２は、図１０に示されるマスク８２の位置と一致する個別のセル９０のアレイを生成するパターンにおいて切断された図１１のカソード構造を示す。示された切断９２は、構造全体を通って伸びる。必要とされる切断は、レーザー切断技術、ダイ切断／スタンピング、又は他の適切なアプローチによって生成され得る。
【００５０】
方法２００の第４のステップ２４０は、アレイの個別のセル９０の各々の、全体の露出面上に非導電材料９４を堆積することである。図１３は、個別のセル９０のアレイが切断された後に、カソードシート７６の全体表面を覆う非導電性材料被覆９４を示す。覆っている非導電性材料被覆９４は、切断内部で側面エリア上へ伸びて、各個別のセル９０が完全に覆われるようになる。
【００５１】
方法２００の第５のステップ２５０は、非導電材料９４の対応エリアを除去することによって各個別のセル９０において活性エリア８４を生成して、各セル９０の活性カソード材料８０を露出して、各活性エリア８４を囲む非導電材料９４のフレーム９６を形成することである。フレーム９６は、厚さＴｆを有し、各セル９０がサイクルされるときに、セルの全体の厚さが、フレームの厚さを超えないようにする。
【００５２】
図１４は、アレイの個別のセル９０を示し、マスク８２は除去される。マスク８２上に堆積されるバリア絶縁被覆８６及び非導電性材料被覆９４は、マスク８２と共に除去されて、活性カソード材料８０の表面を露出させる。カットスルータブ８８は、端アクセスポイント又は場所としてカソード集電体３２、７４及びカソード材料８０を露出させる。図１５は、マスク８２（図１０を参照）が除去された後の図１３のセル９０のアレイを示す。アレイにおける各セル９０は、非導電性材料９４によって被覆されたその端及び側面を有する。個別のセルの活性カソード材料８０の表面は露出される。
【００５３】
方法２００の第６のステップ２６０は、各セル９０の活性エリア８４における活性カソード材料８２上に電解質２２、９８を堆積することである。電解質２２、９８を堆積する前に、電解質マスク１００が、非導電材料９４の表面上に配されて、セル９０の活性カソード材料８０が図１６に示されるように露出されたままにすることを可能にする。
【００５４】
図１７は、電解質材料２２、９８によって被覆された活性カソード材料８０を示す。電解質９８は、リチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）等の固体材料、又は他の適切なイオン伝導体、好ましくはリチウムイオン伝導体である。カソードシート７６の両側は、対称がバイポーラセルにおいて維持されるやり方でマスクされて被覆され得る。図１８は、アレイのセル９０を示し、電解質マスク１００は除去される。図は、アレイにおいて各セル９０の以前に露出された活性カソード材料８２を覆う電解質被膜２２、９８を示し、非導電性被覆材料９４は各セル９０の側面及び端を覆っている。
【００５５】
方法２００の第７のステップ２７０は、各セルの活性エリアにおける電解質上にアノード材料を堆積することである。アノード材料１８、１０２を堆積する前に、アノードマスク１０４は、非導電材料９４の表面上に配されて、セル９０の電解質材料２２、９８が図１９に示されるように露出されたままにすることを可能にする。
【００５６】
アノードマスク１０４は、カソードシート７６の反対側上に位置付けられる。マスクの構成は、電解質被膜９８によって被覆されるカソードシート７６のエリアが露出されるようになる。図２０は、リチウム活性アノード材料１０２が個別のセル９０の電解質９８の上へ適用された後の図１９の構造を示す。図２１は、アノードマスク１０４が除去された後のカソードシート７６を示す。以前のステップと一致して、構造の両側は、アノード材料によってマスクされ被覆される。
【００５７】
方法２００の第８のステップ２８０は、電解質２２、９８の上に及び非導電材料９４のフレーム９６の上にアノード電流収集材料２６、１０６を堆積することである。アノード収集材料２６、１０６を堆積する前に、アノード電流収集マスク１０８が非導電材料９４の表面の上に配されて、セル９０のアノード材料１８、１０２が図２２に示されるように露出されたままにすることを可能にする。図２３は、アノード集電体材料１０６の被覆が適用された後の図２２のカソードシート７６を示す。アノード集電体材料１０６は、好ましくは、真空蒸着、レーザー堆積又は他の適切なアプローチなどの物理蒸着プロセスによって適用される。アノード集電体材料被覆は、露出された活性アノードエリア全体、及び、各セルの露出側面を覆う。図２４は、アノード集電体マスク１０８が除去された後のアレイのセル９０の構成を示す。セル９０の、タブ３０、８８の近くの、前端に沿ったエリアは、アノード集電体材料によって被覆されない。セル９０の側面の上に伸びることによって、アノード集電体被覆は、バイポーラセルにおいてセルの反対側のアノードを互いに接続する。
【００５８】
図２５〜２７を参照すると、いくつかの実施形態では、柔軟なポリマー被覆１１０は、カソード材料７６のシート両側上で適用され得る。図２５は、アノード集電体１０６の能力を改善してセルサイクルによるアノードの、繰り返される膨張及び収縮により無傷のままでいるためにアノード集電体１０６と共に結合する任意の柔軟な被覆である柔軟なポリマー被覆１１０の適用に関する準備においてアレイのセル９０の上に配されるマスク１１２のペアを示す。被覆は、セルの活性エリア３、アノード体積変化が生じる領域、へ適用される。図２６は、柔軟な被覆１１０が適用された後の図２５のアレイのセル９０を示す。被覆１１０は、パリレン、又は他の適切なポリマー材料であり得る。
【００５９】
図２７は、柔軟な被覆に関するマスク１１２が除去された後のアレイのセル９０の最終的な構造を示す。柔軟な材料１１２は、アレイにおけるセル９０の中央活性エリア８４を覆う。アノード集電体材料１０６は、柔軟なポリマー被覆１１０の下で、且つ、セル９０の側面の周りで伸びて、アノードを互いに電気的に結合する。アノード集電体２４、１０６は、セル９０又はタブ３０、８８の端に沿って露出された非導電材料９４を覆わない。
【００６０】
方法２００の第９のステップ２９０は、カソード電流端子コンタクト３２を露出する各タブ３０、８８を切断すること、及びアレイから各個別のセル９０を除去することである。タブ３０、８８が、好ましくは、レーザー切断装置によって切断された後で、個別のセル９０はいまや、アレイからそれらを除去し得て、図１及び２に示されるセル１０と実質的に同じセル構成を有し得る。
【００６１】
以下の開示は図２８を参照し、且つ、一般的に３００と指定されて以後本発明に従って方法３００と呼ばれるマルチセル固体電池７０を製造するための方法の好ましい実施形態に向けられる。
【００６２】
方法３００の第１のステップ３１０は、上記で開示された方法２００に従う複数のセルの製造である。
【００６３】
方法３００の第２のステップ３２０は、スタック４４において個別のセル１０、９０を積層して、タブ３０におけるカソード電流端子コンタクト３２が位置合わせされるようにすることである。
【００６４】
方法３００の第３のステップ３３０は、カソード電流端子コンタクト３２を相互接続するカソード被覆導電材料４８を適用することである。
【００６５】
方法３００の第４のステップ３４０は、各セル１０、９０のアノード電流収集材料１０６を相互接続するアノード被覆導電材料４６を適用することである。
【００６６】
方法３００の第５のステップ３５０は、筐体５０のスタック４４を気密封止して、アノード被覆導電材料１０６が、電池のアノード端子７２として機能する筐体５０と電気的に接触しているように、且つ、カソード被覆導電材料４８が、筐体５０から絶縁されて筐体５０を超えて伸び且つ電池のカソード端子７４として機能するカソードリード端子６０と電気的に接触しているようにすることである。
【００６７】
図２９及び３０を参照すると、本発明に従う単一のモノポーラ電池セルの好ましい実施形態がその中で示され、以後モノセル１２０と呼ばれる。モノセル１２０が電池セル１０と同じ多数の要素を含むので、同様の要素に関する同様の参照番号がいたるところで用いられる。さらに、簡潔のために、以下の議論は、セル３４のバイポーラペア及び電池セル１０の特徴とは異なるモノセル１２０の特徴のみに向けられるであろう。
【００６８】
モノセル１２０は、アノード膨張に関する収容領域２４を含む凹み井戸１４を囲む不活性な外周領域１２４を画定する代替のパッケージングフレーム１２２を有する。図２９及び３０からわかるように、導電性カソード集電体２８の外側に面する表面全体１２６が露出される。いくつかの実施形態では、導電性カソード集電体２８を排除して、カソード２０の、外側に面する表面に、モノセル１２０のカソード接触としての役割を可能にさせることが好ましいことがある。
【００６９】
モノセルのペアは、図３１に示されるように積層されて、共通のアノード収容領域１２８を形成し得る。代わりに、複数のモノセル１２０は、図３２に示されるように直列で積層され且つ接続され得て、隣接するセルのアノード及びカソードが互いに接触する。この構成では、一番下の導電性カソードコレクタ２８は、スタックに関するカソード端子としての役割を果たし、アノード端子ストリップ４６は、スタックに関するアノード端子としての役割を果たす。
【００７０】
本開示は、物理堆積技術を用いる本発明の構造物を説明する。しかしながら、選択された層の熱的ラミネーションなどの他の技術がセルの物理的構成に応じて望まれ得ることが理解される。アノード体積における、より大きな変化を有するより厚いセルに関して、ポリマーフィルムを用いるラミネーション又は所望のフレームパターンの３Ｄ印刷は、さらに適切であり得る。
【００７１】
本発明は、充電式電池として工業において知られてもいる二次電池に関するパッケージとして特に適切である。しかしながら、本明細書で教示されるパッケージング構造及び方法論は、他の物質からそれを絶縁することによって電極を保護することが望まれる一次（又は非充電式）セルを含む他のタイプの電気化学セルへ適用可能である。本発明はアノード材料を絶縁することの文脈において説明されてきたが、本教示は、カソード材料の絶縁へ等しく適用可能である。加えて、教示される強化電池パッケージは、電解質、アノード及びカソードセル構成要素に関する保護を提供する。
【００７２】
多くの変形及び修正が、特許請求の範疇から逸脱することなく上述の実施形態へ為され得る。すべてのこのような修正、組み合わせ及び変形は、本開示及び以下の特許請求の範囲の範疇によって本明細書に含まれる。例えば、フレーム１２及び対応するセルアセンブリは、長方形又は実質的に正方形の実施形態において示される。本発明は、これらの構成に限定されるのではなく、スクワット又は低プロファイルの実質的に管状のフレーム構造に関する任意の幾何学的構成を教示する。例えば、適切な形状は、平行四辺形、円形、楕円形及び様々な多角形を含む。本発明はまた、フレーム構造を含む多数の層の材料における変形を包含する。本発明は、フレームが、最も内側の層及び最も外側の層に加えて層を含み得ることを教示する。このような追加の層は追加の強化を提供することになり、最も外側の導電性層又は最も内側の不浸透性の非導電性層のいずれかの性能を強化するための材料を含み得る。フレームの導電性部分は、ダイカットされ得、所望の形状に打ち抜かれ得、セルの周りに形成され得る。フレームのそれの構成は、本発明によって教示される変形の他の一つの例である。実施形態では、フレームは、“スクワット”又は“低プロファイル”を有するとして示される。しかしながら、形状は、説明される例示的実施形態のスクワット又は低プロファイルのフレームに限定されるのではなく、さらに、本発明は、拡張された及びより小さい標高を考慮する。例えば、より厚いアノード及び／又はカソードを有するセルに関して、さらに拡張された標高を有するフレームは、特許請求の範囲の範疇から逸脱することなく採用される。
【００７３】
その広い発明概念から逸脱することなく上記の実施形態に対して変更がなされ得ることが当業者には理解される。従って、本発明が、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって画定されるような本発明の精神及び範囲内の修正を包含するものであることは理解される。
【００７４】
本発明の前述の詳細な説明は、特定の実施形態を参照して開示されてきた。しかしながら、本開示は、開示される正確な形態へ本発明を徹底する又は限定することを意図するものではない。当業者は、その幅広い発明概念から逸脱することなく上述された実施形態に変化が為され得ることを理解するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲によって画定されるような本発明の精神及び範疇内の修正を覆うように意図される。
【００７５】
すべての参照、本出願及び前述された特許は、それらの全体において参照によって本明細書に組み込まれ、且つ、引用文献のいずれかが先行技術を構成するという許可として、又は任意の方法における興味に対する許可として解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ−７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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