(57)【要約】電気化学的デバイスは、一つ以上のアノード、カソードおよびセパレータを備えている。一部の実施形態では、セパレータも電解質である。さらに、これは二つ以上の電流コレクタを有する。アノードおよびカソードは、二つの電流コレクタの間に位置し、その各々は隣接する電流コレクタに付着する。セパレータは、アノードとカソードとの間に位置し、アノードおよびカソードに付着する。電流コレクタは、障壁であり、共に結合してアノード、カソードおよびセパレータのためのシール容器を作り出す。電気化学的デバイスは、飛行機の翼または機体、複合装甲、魚雷、ミサイル胴体、家庭用電化製品などに使用される構造耐力パネルまたはシートなどの使用に適した複合パネルと一体化できる。電気化学的デバイスは、これらに限定されないが、エネルギー貯蔵（電池、超コンデンサ）、およびエネルギー発生（燃料電池セル）を含むことができる。
2015520923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上のアノード、カソードおよびセパレータ、ならびに二つ以上の電流コレクタを備えている電気化学的デバイスであって、
前記アノードおよびカソードが、前記二つの電流コレクタの間に位置し、その各々が隣接する電流コレクタに付着し、前記セパレータが、前記アノードとカソードとの間に位置し、前記アノードおよびカソードに付着し、
前記電流コレクタが障壁であり、
前記電流コレクタが共に結合して前記アノード、カソードおよびセパレータのためのシール容器を作り出す、
電気化学的デバイス。
【請求項２】
前記電流コレクタの内側が密閉的にシールされた、請求項１に記載の電気化学的デバイス。
【請求項３】
前記二つの電流コレクタの間を結合する周囲シールをさらに備えた、請求項１または２に記載の電気化学的デバイス。
【請求項４】
二つ以上のアノード、カソードまたはそれらの両方を備えている、請求項１〜３いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項５】
前記外側アノードまたはカソードが前記電流コレクタである、請求項１〜４いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項６】
少なくとも一つの電極が両面電極である、請求項１〜５いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項７】
前記両面電極が、前記電極の周囲をシールされたセパレータに包まれる、請求項６に記載の電気化学的デバイス。
【請求項８】
全ての前記カソード同士が電気的に接続し、全ての前記アノード同士が電気的に接続する、請求項１〜７いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項９】
前記周囲シールが、アイオノマー樹脂、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、ポリオレフィン、酸性ポリオレフィン、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、およびポリウレタンから選択された、請求項１〜８いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項１０】
前記セパレータが、微孔性ポリオレフィン、セラミック被覆されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、およびＰＶＤＦセパレータから選択され、前記セパレータが、ポリ（フッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）コポリマー、塩素化ポリプロピレン、および無水マレイン酸／ポリプロピレンから選択された接着層で被覆された、請求項１〜９いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項１１】
前記セパレータがポリイミドおよびポリアミドから選択されたポリマーであり、前記ポリマーが、少なくとも一つの接着剤を内部分散された、請求項１〜９いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項１２】
前記セパレータが、架橋ＰＶＤＦおよび架橋ポリ（エチレンオキサイド）（ＰＥＯ）から選択されたポリマーである、請求項１〜９いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項１３】
前記セパレータの厚さが約１０ミクロン〜約５０ミクロンである、請求項１〜１２いずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項１４】
前記セパレータ内の細孔のサイズが、約３０ｎｍ〜１０ミクロンの範囲である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気化学的デバイス。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電気化学的デバイスを備えた構造用パネル。
【請求項１６】
前記パネルがポリマーを備えており、前記電気化学的デバイスの前記外側電流コレクタが前記ポリマーに接着結合する、請求項１５に記載の構造用パネル。
【請求項１７】
樹脂と強化材との複合材を備えている、請求項１５または１６に記載の構造用パネル。
【請求項１８】
前記電気化学的デバイスの外面の大部分が前記ポリマーに包まれる、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の構造用パネル。
【請求項１９】
前記電気化学的デバイスおよびパネルが表面外形に適合する、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の構造用パネル。
【請求項２０】
一つ以上の電解質およびセパレータ、ならびに二つ以上の電流コレクタおよび電極を提供するステップを含み、この少なくとも一つの電極がアノードであり、一つの電極がカソードであり、
デバイスが、電流コレクタ、アノード、セパレータ、カソード、および第二の電流コレクタをスタックして組み立てられ、
前記電解質を前記セパレータに加え、
少なくとも１５ｐｓｉの圧力下で約９０℃以上に加熱することによってスタックを積層する、電気化学的デバイスを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、その開示がその全体において参照によって本明細書に組み込まれている、同じ題名の仮特許出願第６１／６４３，９４７号（２０１２年５月８日出願）の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
今日の高移動性の世界は、ポータブル電源に極めて依存している。今日のポータブル電源は、ガソリンよりも電気が好まれる傾向にある。これは、電池または他の電気化学的デバイスが主要な電源であることを意味する。多くのデバイスおよびアプリケーションに必要なエネルギーを生成するための電池は、デバイスの質量および体積のかなりの部分を消費する。これはまた、デバイスの形状およびサイズも著しく制限する。例えば、ラップトップコンピュータの質量の大部分は電池に含まれ、その形状は、電池の形状に応じて定められる。
【０００３】
電池が占有するスペースおよび重量を考慮して、技術者は、しばしば、電池に多様な効果を果たさせることを試みる。例えば、フォークリフトの鉛酸蓄電池は、安定性のためのバラストとしての機能を果たす。しかしながら、多くの場合では、付加的な重量および／または体積は有益とはならない。これらの場合では、技術者は、電気化学的デバイスが電源以外の追加機能をもたらすことを好むであろう。エネルギー貯蔵を含む「多機能」の複合材が利用されれば、多くの用途があるであろう。電池がスペースを占有する場合の最も明白な手法の一つは、それらを構造物の機械的特徴に関して寄与させることである。そのような電池が供給される大抵の場合では、それらを共に固定することにより構造的特徴の取得を試みることが技術的に可能である。しかしながら、この事後手法は最適ではない。
【０００４】
過去に、リチウムイオン電池のためのアノード材料として複合材に炭素繊維を使用し、複合材を電池に変化させる試みがあった。しかしながら、複合樹脂に生じる多くの問題、炭素マットの厚さ、防湿材および電解質の必要性に起因して、この試みは商業的には成功しなかった。遥かに直接的な手法には、個々のリチウムイオンセルを複合材またはポリマーに埋め込むことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
無人飛行体（ＵＡＶ）、特に、電気推進を有するマイクロＵＡＶは、重量に決定的に依存する優れた例であり、複合構造パネルが一般的に用いられる。それ故、進歩的な多機能複合材の使用に関心がある。ＵＡＶパネルには曲げ係数が重大であり、その曲げの力学はよく理解されている。質量および体積に依存するさらなる例に、家庭用電化製品がある。それ故、容量または安全性を下げることなく電源に付随する質量および体積を減少するために、これらのデバイスの構造に多機能セルを使用することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電気化学的デバイスは、一つ以上のアノード、カソードおよびセパレータを備えている。これはさらに、二つ以上の電流コレクタを有する。一部の実施形態では、セパレータも電解質である。アノードおよびカソードは、二つの電流コレクタの間に位置し、その各々は隣接する電流コレクタに付着する。セパレータは、アノードとカソードとの間に位置し、アノードおよびカソードに付着する。電流コレクタは、障壁であり、共にシールされてアノード、カソードおよびセパレータのためのシール容器を作り出す。電気化学的デバイスは、飛行機の翼または機体、複合装甲、無人水中機、魚雷、ミサイル胴体、家庭用電化製品などに使用される構造耐力パネルまたはシートなどの使用に適した複合材またはポリマーパネルと一体化してもよい。電気化学的デバイスは、これらに限定されないが、エネルギー貯蔵（電池、超コンデンサ）、およびエネルギー発生（燃料電池セル）を含むことができる。
【０００７】
これらのおよび他の目的および利点は、添付図面およびその記述から当然明らかとなるであろう。
【０００８】
添付図面が、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。これは実施形態を図示し、前述の概要、および以下の実施形態の詳細な説明と共に、本開示の原理の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電気化学的デバイスの実施形態の概略図である。
【図２】電気化学的デバイスの実施形態の概略図である。
【図３】複合材にすぐに埋め込むことができる、直列に接続された４つのセルの上面図である。
【図４】展開されたバイセルアセンブリを示す電池の実施形態の図である。
【図５】Ｃｕ箔電流コレクタおよび外側パッケージを示す電池の実施形態の写真である。
【図６】多機能複合装甲設計の実施形態の上面図および側面図である。
【図７】充電および放電曲線のグラフであり、電気化学的デバイスおよび制御電池の実施形態の比容量を示すグラフである。
【図８】電気化学的デバイスの実施形態の概略図である。
【図９】装甲パネルに一体化された電気化学的デバイスの実施形態の写真である。
【図１０】弾道検査後の装甲パネルに一体化された電気化学的デバイスの実施形態の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
様々な用途のための改善されたエネルギー貯蔵技術を提供する必要性がある。この貯蔵デバイスは、より薄く、より高いエネルギー、電力を持ち、より軽く、または単位質量および体積当たり（比エネルギーおよび密度当たり）においてより軽い。そして、様々な表面形状に適合し、機械的負荷に耐えることができる。デバイスは、電池、超コンデンサ、両方の組み合わせ、または他の電気化学的デバイスでもよい。
【００１１】
複合材またはポリマーパネル内部に埋め込まれた多層電気化学的デバイスは、剪断応力を伝えるのに必要な力学的特性を持つ。それ故に、任意の与えられた化学的性質において曲げ係数に寄与し、エネルギー密度を増大する。電気化学的デバイスは、様々な電池の化学的性質または超コンデンサの化学的性質を利用できる。これらのデバイスを含有するパネルは、構造的サポートを与えることができる様々な三次元構造に製造できる。薄い構造でもある程度の屈曲に耐えることができる。デバイスは、多くの用途における応力を受ける様々な構造用パネルに使用できる。外層金属電流コレクタは、電気化学的デバイスのパッケージの機能を果たす。そして、電流コレクタ、アノード（複数可）およびカソード（複数可）、ならびにセパレータ（複数可）を含む電気化学的デバイスの全ての内層は、パネルの強度を損なうであろう滑り面をもたらさないように共に付着する。
【００１２】
電気化学的デバイスは、一つ以上のアノード、カソードおよびセパレータを備えている。一部の実施形態では、セパレータも電解質である。さらに、これは二つ以上の電流コレクタを有する。アノードおよびカソードは、二つの電流コレクタの間に位置し、その各々は隣接する電流コレクタに付着する。セパレータは、アノードとカソードとの間に位置し、アノードおよびカソードに付着する。電流コレクタは障壁であり、電解質の漏出を防ぎ、湿気および酸素の侵入を防ぐ。これらは共にシールして一つ以上のアノード、カソードおよびセパレータのためのシール容器を作り出す。これらは、それらの間に高分子層を挟んで、または直接に溶接される。一部の実施形態では、図１に示すように、デバイスは、周囲シールをさらに備える。周囲シールは、二つの電流コレクタの間を結合し、外側電流コレクタと周囲シールとの組み合わせが、一つ以上のアノード、カソードおよびセパレータのためのシール容器を作り出すように働く。
【００１３】
一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、二つ以上のアノード、カソードまたはそれらの両方を備えている。アノードまたはカソードは両面のものでもよく、これは例えば電極層の中央に電流コレクタが取り付けられた電極である。セパレータ層が両面電極の両側に位置し、対向電極が両側のセパレータ層に隣接する。一部の実施形態では、デバイスは、少なくとも一つの両面カソードを備える。一部の実施形態では、デバイスは、少なくとも一つの両面アノードを備える。
【００１４】
一部の実施形態では、アノードは、リチウムイオン電気化学的デバイスのためのものでもよい。アノードの例は、これらに限定されないが、炭素、チタン酸リチウム、シリコン、スズおよび他のものを含む。アノードにはピンホールがないはずである。一部の実施形態では、アノードは、ＮｉＭＨ（ニッケル水素）電気化学的デバイスのためのものでもよい。アノードの例は、これに限定されないが、水素貯蔵金属合金を含む。一部の実施形態では、アノードは、超コンデンサのためのものでもよい。アノードの例は、これらに限定されないが、高表面積炭素、金属酸化物、および窒化物を含む。一部の実施形態では、アノードは、鉛酸電気化学的デバイスのためのものでもよい。アノードの例は、これらに限定されないが、鉛、硫酸鉛などの鉛化合物、炭素および鉛と炭素との混合物を含む。一部の実施形態では、アノードは、Ｌｉ−Ｓ（硫黄リチウム）電気化学的デバイスのためのものでもよい。他のアノードが当技術分野において周知である。一部の実施形態では、アノードの厚さは、約アノード１〜約１００ミクロンである。例えば、約１０〜約８０ミクロン、約２０〜約７０ミクロン、約２５〜約６０ミクロン、および約２０〜約４０ミクロンである。
【００１５】
一部の実施形態では、カソードは、リチウムイオン電気化学的デバイスのためのものでもよい。カソードの例は、これらに限定されないが、リチウム酸化コバルト、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物、酸化マンガン、マンガンスピネル、ニッケル−マンガン−コバルト酸化物、ニッケル−マンガン酸化物、リン酸鉄リチウム、リチウムコバルトリン酸塩、リチウムマンガンリン酸塩、および誘導体、ならびに硫黄を含む。一部の実施形態では、カソードは、ＮｉＭＨ（ニッケル水素）電気化学的デバイスのためのものでもよい。カソードの例は、これらに限定されないが、ニッケルヒドロキシルおよびオキシヒドロキシ化合物を含む。一部の実施形態では、カソードは、超コンデンサのためのものでもよい。カソードの例は、これらに限定されないが、高表面積炭素、金属酸化物および窒化物を含む。一部の実施形態では、超コンデンサカソードは、アノードと同じ組成を有してもよいし、異なる組成を有してもよい。一部の実施形態では、カソードは、鉛酸電気化学的デバイスのためのものでもよい。カソードの例は、これらに限定されないが、硫酸鉛および酸化鉛を含む。一部の実施形態では、カソードは、Ｌｉ−Ｓ（硫黄リチウム）電気化学的デバイスのためのものでもよい。他のカソードが当技術分野において周知である。一部の実施形態では、カソードの厚さは、約１〜約２００ミクロンである。例えば、約１０〜約１５０ミクロン、約２５〜約１２０ミクロン、約５０〜約１００ミクロン、および約６０〜約８０ミクロンである。
【００１６】
電流コレクタは、アノードのためのものでもよいし、カソードのためのものでもよい。外側電流コレクタは、障壁の機能を果たし、電解質、酸素および水の通過を阻止する。一部の実施形態では、電流コレクタは、物質移動障壁の機能を果たす。アノード用の電流コレクタの例は、銅、アルミニウム、ニッケルおよびステンレス鋼を含む。アルミニウム電流コレクタは、セル電圧が約３ボルト以下である場合に、アノードおよびカソードの両方に有用であり得る。一部の実施形態では、外側電流コレクタは、固体箔であり、ピンホールを有さないような十分な厚さを有する。一部の実施形態では、外側電流コレクタは非常に薄く、例えば、約５〜約５０ミクロン、約１０〜約３０ミクロン、約１０〜約２５ミクロン、または約１５〜約２０ミクロンである。一部の実施形態では、内部電流コレクタは非常に薄く、例えば、約５〜約５０ミクロン、約１０〜約３０ミクロン、約１０〜約２５ミクロン、または約１５〜約２０ミクロンである。電流コレクタは、セルの電圧に対して電気化学的に安定であり、好ましくは低い抵抗を示す。これらは処理に対する十分な強度を有し、好ましくは、連続処理中にロールを中心にして曲がることができる。外部電流コレクタは、障壁特性をもたらすようにピンホールがなく、処理中の損傷、および複合材との一体化を防止する程度の少なくとも最小の強度を有する。表面は、十分に湿っており、複合材の樹脂と結合するはずである。カソード用の電流コレクタの例は、アルミニウムおよびステンレス鋼を含む。一部の実施形態では、電流コレクタは、ニッケルでもよい。
【００１７】
電流コレクタは、それが電気化学的デバイスの外側の層でない場合には、アノードまたはカソード（両面アノードまたはカソード）内部に埋め込むことができる。アノードまたはカソード内部の電流コレクタは、固体箔でなくてもよい。それは、エキスパンドメタル、カーボン不織布ウェブ、ならびに金属被覆されたカーボン不織布ウェブおよび金属被覆された不織布ポリマーウェブから選択できる。一部の実施形態では、全てのカソードは、例えば、カソードに取り付けられた全ての電流コレクタを接続することによって、並列接続で共に電気的に接続する。また、全てのアノードは、例えば、アノードに取り付けられた全ての電流コレクタを接続することによって、並列接続で共に電気的に接続する。一部の実施形態では、電極は直列に接続される。
【００１８】
一部の実施形態では、外側電流コレクタは、隣接する電極に結合または付着する。一部の実施形態では、外側電流コレクタは、その各々が独立してアノードに結合または付着する。一部の実施形態では、外側電流コレクタは、その各々が独立してカソードに結合または付着する。外側電流コレクタは、いくつかの方法のうちの一つによって用意される。電極材料は、電流コレクタを被覆する「パッチ」でもよい。パッチ被覆は、例えば、周囲にきれいな箇所を残すように被覆を電流コレクタの一部分のみに適用することを含む。これにより周囲を他の外側電流コレクタとシールできる。パッチ被覆は、リバースロールもしくは同様の塗工機、スクリーン塗工機もしくは印刷機、印刷、グラビア被覆、インクジェット印刷、または被覆されない区域をもたらす任意の他の適用技術を用いた断続的な被覆によって達成できる。別の方法には、連続的な被覆を利用し、その後シールする区域をきれいにする方法がある。第三の方法には、被覆されない箇所を残すためにその区域をマスクする方法がある。当技術分野において周知のように、電流コレクタと電極との間にプライマーを使用して、付着力を増大し、かつ／または性能を改善することが有益であり得る。
【００１９】
一部の実施形態では、外側電流コレクタ同士が同じ極性である場合には、その外側電流コレクタ同士を一緒に溶接できる。これらは、代替的な端子のための通路を除いて共に完全に溶接される。この溶接は、超音波溶接、レーザー溶接、または回転接合機として公知のコンタクトホイールを用いたパルスＤＣ溶接機によって成し遂げることができる。外側電流コレクタは、共に溶接されると、非常に良好な障壁となる。これらは密閉的にシールされる。しかしながら、シールされた場合でさえも、電流コレクタは、対向電極と電気的に接続することなく、対向電極をデバイスから出すことができる。
【００２０】
一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、周囲シールをさらに備える。一部の実施形態では、周囲シールは、酸素または湿気に対する障壁、さらには電解質に対する障壁にもなり得る。一部の実施形態では、周囲シールを電気絶縁体として使用して、二つの外側電流コレクタ間の電気的接続を阻止する。周囲シールは、電解質の存在下で安定的であり、応力の伝達を援助できる。電流コレクタは、周囲シールとの密封を強化するように事前に処理できる。周囲シールの例は、アイオノマー樹脂（例えば、Ｓｕｒｌｙｎ（登録商標））、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）、ポリオレフィン、酸性ポリオレフィン、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、およびポリウレタン、ならびに金属箔とよく結合し、電解質に不活性の他のポリマー材料を含む。一部の実施形態では、セパレータは周囲シールと結合する。周囲シールは、外側電流コレクタと結合し、湿気、酸素またはそれらの両方に対する障壁、かつ電解質の移動を防ぐ障壁の機能を果たす。シールを通る伝導性は、シールの幅および断面積に応じて決まる。より薄くかつ／またはより幅広のシールが、移動を最小限に抑える。密封前の膜は、約１０〜約１５０ミクロンの範囲内にある。例えば、約２５〜約１２５ミクロン、約３０〜約１１０ミクロン、または約５０〜約１００ミクロンである。一部の実施形態では、周囲シールは、被覆として利用される。周囲シールは、内圧の増大（最大約２気圧）、および少なくとも１３０℃の温度に耐えることができる。
【００２１】
セパレータは、電解質に電子を導かせることなくイオンを導かせることができる電気絶縁体である。一部の実施形態では、セパレータも電解質である。一部の実施形態では、接着層をセパレータに塗布して、アノードおよびカソードとセパレータとを付着する。セパレータの例は、微孔性ポリオレフィン、セラミック被覆されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、およびＰＶＤＦを含む。一部の実施形態では、セパレータは、ポリ（フッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）コポリマー、塩素化ポリプロピレン、および無水マレイン酸またはポリプロピレンから選択された接着層で被覆される。一部の実施形態では、セパレータは、ポリイミドおよびポリアミドから選択されたポリマーである。このポリマーは、変性ポリプロピレンなどの少なくとも一つの接着樹脂を内部分散され、固有の接着特性を持つセパレータを形成する。一部の実施形態では、セパレータは、架橋ＰＶＤＦおよび架橋ポリ（エチレンオキサイド）（ＰＥＯ）から選択されたポリマーである。
【００２２】
一部の実施形態では、接着層が熱的に活性化され、接着剤が活性化され、そして電解質が加えられ、それがセパレータおよび電極内に移動した後に、セパレータが電極と結合する。電解質を損傷しないが、熱および圧力で全ての層と結合する低融点接着樹脂（例えば、約８０〜約８５℃）を使用できる。
【００２３】
一部の実施形態では、セパレータの厚さは、約５〜約２５０ミクロン、例えば、約１０〜約１００ミクロンおよび約１０〜約５０ミクロンである。電解質がイオンを導くようにするために、セパレータは空間を有する。一部の実施形態では、セパレータは、約１０％〜約９０％の空間、例えば、約２０％〜約８０％、約３０％〜約８０％、約４０％〜約７０％、および約４５％〜約６５％の空間を有する。セパレータ内の空間は、相互接続された細孔の形態である。セパレータ内の細孔の平均サイズは、約３０ｎｍ〜１０ミクロンの範囲にある。例えば、約４０ｎｍ〜約７ミクロン、約５０ｎｍ〜約５ミクロン、および約１００ｎｍ〜約２ミクロンである。
【００２４】
一部の実施形態では、セパレータは、電極の周囲を包み、その周囲をシールされる。図２に示すように、セパレータは、バッグまたはパウチ状構造に効果的に形成され、電極がセパレータの内側に閉じ込められる。この構造は短絡の防止を援助する。一部の実施形態では、電極は両面電極である。デバイスが組み立てられると、セパレータ内に閉じ込められた電極は、異極性の電極の頂部に配置され、異極性の第二の電極が、閉じ込められた電極の頂部に配置される。
【００２５】
電気化学的デバイスに使用される電解質は、アノードおよびカソードの性質に応じて決められる。電解質は、液体でも固体でもよい。リチウムイオン電池では、電解質は、炭酸塩の混合物またはリチウム含有塩を含む他の高誘電性溶媒でもよい。例えば、Ｌ１ＣＯ３、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓ４、ＬｉＢ０４、リチウムビス（シュウ酸）ホウ酸塩（ＬｉＢＯＢ）、およびトリフラートが挙げられる。溶媒の例は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸エチルメチル（ＥＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン、ならびにビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）および酢酸メチル（ＭＡ）などの特殊添加剤を含む。塩の濃度は、システムに応じて最適化されるが、通常、１モル濃度の範囲内にある。他の実施形態では、電解質は、イオン液体でもよい。ＮｉＭＨセルでは、電解質は、水酸化カリウムなどのアルカリ性水溶液でもよい。鉛酸蓄電池では、電解質は酸性水溶液である。
【００２６】
一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、超コンデンサも備えることができる。これらのデバイスでは、電解質は、塩または他のイオン種を含有する水性溶媒でもよいし、非水溶媒でもよい。
【００２７】
構造用パネルは、電気化学的デバイスを包含するように作成できる。パネルおよび電気化学的デバイスは、構造的サポートをもたらす。電気化学的デバイスが固体塊であり、応力を伝達でき、圧縮したり滑ったりすることがないため、その一部がパネルを弱めるまたは著しく弱めることはない。
【００２８】
一実施形態では、図３に示すように、次に、モザイク構造におけるそれの一つ以上を複合材内部に埋め込むことによって、電気化学的デバイスをパネルに組み立てることができる。一部の実施形態では、複合材は、その両側面に薄いガラス繊維（または、他の適切な材料）および／またはエポキシ（または、他の適切な材料）層を含む。複合材は、電気化学的デバイスの外側電流コレクタ金属面に接着結合し、外側電流コレクタを保護する。セルは、単一パネル内部に従来の電圧である１４Ｖ、２８Ｖ、さらにはより高い電圧を供給するように、直列接続において容易に配列および配線できる。モザイク構造は、ハニカム状連続相の生成というさらなる利益をもたらす。電気化学的デバイスのサイズの調節によって、種々の目的を最適化できる。非常に大きな電気化学的デバイスの使用によって、比エネルギーを最大化できる。または、より小さいセルのモザイクの使用によって、電気化学的デバイスが（害のある火または他の事象によって）損傷した場合に備えた冗長分を用意できる。
【００２９】
一部の実施形態では、パネルは平面的でもよいし、単純な（単一方向）曲線を有してもよい。パネルは、フォームファクタに対して遥かに高い比エネルギーを提供する薄いまたは極薄のものでもよい。この構造的完全性は、その形状を保持する湾曲セルの製造において必須の要素である。セルのパッケージとして外側電流コレクタ層金属を使用することによって、パウチパッケージの貢献的でない重量を排除できる。パネル材料は電池パッケージになり、処理中に箔の金属面に結合し、セルを物理的損傷から保護する。一部の実施形態では、パネル材料は、炭素繊維および繊維ガラスから選択された複合材である。一部の実施形態では、電気化学的デバイスの外面の大部分は、ポリマーに包み込まれる。一部の実施形態では、電気化学的デバイスおよびパネルは湾曲している。
【００３０】
製造
個々の電気化学的デバイスは、複合材内部の二次元タイルアレイとして積層することができる。マルチセル電池の単一の電気化学的デバイス間の隙間によって、複合材の連続層間の接着結合、またはポリマーパネル材料が隙間を埋めることも可能になる。設計として並列および直列に接続された多数の個々の電気化学的デバイスを利用して、より高い総容量、ならびにより高い電圧を提供できる。さらに、マルチ電気化学的デバイスの二次元アレイ設計は、ある電気化学的デバイスが損傷した場合に備えた高水準の冗長分を提供し、これにより残りの電気化学的デバイスがなおも機能する。
【００３１】
電気化学的デバイスにおける層は、遊離した個々の層のスタックというよりもむしろ、完全に結合される。電気化学的デバイスには外側パッケージは必要ない。代わりに、図４のセル設計および図５の画像に示すように、電流コレクタが、パッケージの一部または全てとしての機能を果たす。
【００３２】
積層構造である場合の電気化学的デバイスは、単純な湾曲構造ならびに平面パネルに容易に組み立てることができる。デバイスは、曲率に関する適切な寸法を有し、最終形状またはそれに近い形状に組み立てる必要がある。箔を予備成形することによって複雑な外形の形成が可能である。
【００３３】
一実施形態では、外側電流コレクタが、銅箔でもアルミ箔でもよい一つの端子を形成する。これは、シールされた外側電流コレクタを通り抜ける、対向電極のためのタブ、または片面に周囲シールを有することができる。デバイスは、片面に銅箔、そして他方の面にアルミニウム（正端子）を有するように構造化できる。次に、図３および図４に示すように、両側面に薄い複合層または樹脂層を含む複合材またはポリマー内にセルを埋め込むことによって、セルをパネル内に組み立てることができる。
【００３４】
電気化学的デバイスは、様々な製造方法に組み込むことができる。例えば、ハンドレイアップ、樹脂トランスファー成形、真空補助樹脂トランスファー成形、樹脂フィルム注入、フィラメントワインディング、引き抜き成形などの方法が挙げられる。これにより（軽量コア材料と積層複合膜とを組み合わせたサンドイッチ構造を含む）複雑な３Ｄ多機能構造を作り出す。パネル内部の電気化学的デバイスの接着によって、マトリクスが金属箔に結合することによって、それが欠陥または空間として作用することを防ぐ。一部の実施形態では、外側電流コレクタをセルアセンブリの前に処理して、樹脂と電流コレクタとの付着力を高める。付着力を高める方法は、電流コレクタの外面を機械的または化学的に粗くして表面積を増大すること、またはシランなどの結合コーティングを電流コレクタの外面に塗布することを含む。
【００３５】
特性
この複合材は、構造的およびエネルギー機能性を単一コンポーネントに統合して、個々のコンポーネントの合計として以前に存在した寄生質量の冗長分を排除する。この結果、製造された多機能複合パネルは、同じ化学的性質を有する標準的な電池と比較して、比エネルギーが３９％以上増大した。そして、現在の技術水準の電池技術と比較して、最大積載量、稼働寿命、安全性または機能を増大する機会を提供する。
【００３６】
一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、Ｌｉ−イオンバイセルであり、結合された微孔性ポリマーセパレータ、銅箔電流コレクタ（約１０ミクロンの厚さ）、アルミ箔電流コレクタ（約１５ミクロンの厚さ）、および液体ＥＣ／ＥＭＣ電解質を備える。一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、二つの外側アノードおよび両面カソードを有する。そのような電気化学的デバイスは、厚さが０．３３ｍｍであり、セルごとに３．７Ｖの公称開路電圧を有し、５．６ｍＡｈ／ｃｍ２のカソード容量（片面ごとに２．８ｍＡｈ／ｃｍ２）を有することができる。セル活性区域が１００ｃｍ２と仮定すると、これは、１１ｇの質量において２．０７２Ｗｈを生成する５６０ｍＡｈのセル容量と同等である。それ故に、比エネルギーは、１８８．７２Ｗｈ／ｋｇであり、面エネルギー密度は２０７．２Ｗｈ／ｍ２である。乗物の船体が１０ｍ２の使用可能な表面積を有していると仮定すると、その結果、乗物に関する総計のエネルギー貯蔵は、２０７２Ｗｈとなるであろう。
【００３７】
このサイズのデバイスにおける比エネルギーの利得は、重要である。例えば、このスケールの従来のセルおよびパッケージは約４ｇ重く、これは、比エネルギーが約１３６Ｗｈ／ｋｇに低下するであろうことを意味する。電気化学的デバイスは、厚さが０．３３ｍｍのものを調達したと仮定すると、現在の技術水準のＬｉ−イオンセルよりも比エネルギーが約３９％改善する。
【００３８】
電気化学的デバイスは、９５℃または１３０℃において複合材に組み立てることができる。この技術において、硬化中に、Ｄｙｎｅｅｍａ（登録商標）およびＳｐｅｃｔｒａ  Ｓｈｉｅｌｄ（登録商標）などの超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、またはＨＪ１などの繊維ガラス複合材内に埋め込むことができる温度の上限値は１３０℃である。（リチウムイオンセルの安全性を改善するために、Ｆｒｅｙａ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｉｎｃ，Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ  ＦＬ，ｗｗｗ．ｆｒｅｙａｅｎｅｒｇｙ．ｃｏｍによって開発された）Ｆｒｅｙａ  Ｅｎｅｒｇｙの安全セパレータは、Ｆｒｅｙａ  Ｅｎｅｒｇｙによって以下のように改良された。すなわち、接着用樹脂の割合を増大し、接着結合強度を増大するように断熱樹脂を変更し、そして複合材の製造における温度許容度を増大した。この安全セパレータは１００００ｐｓｉの静水圧に耐えるように設計したため、加工圧力がセルにとって問題とはならない。それ故に、これらは、標準的な複合材の加工圧力に耐えるはずである。
【００３９】
一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、複合電極を有する。この電極は、合わさってより厚くなり、容量がより高くなり、そしてより高い比エネルギーデバイスとなる。これは特に、より厚いデバイスでは複合パネルが厚くなるため、曲げ係数が強度よりも重要である場合（例えば、翼）に有用である。また、より厚いデバイスは、内部電極における不織布の電流コレクタの使用も促進する。そして、比エネルギーおよびエネルギー密度をさらに増大する。
【００４０】
超コンデンサ
一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、超コンデンサ、または超コンデンサでハイブリッドされた電池である。全体密度が約２ｇ／ｃｍ３であるアノードおよびカソード材料を有する超コンデンサデバイスでは、電解質の密度は約１ｇ／ｃｍ３であり、アノードおよびカソード材料の容量は約２００Ｆ／ｇであり、（電極が直列であるため）システムの容量は約０．２Ｆである。電極の厚さが１０ミクロンであり、（非対称構成の）電極全体にかかる電圧が１．５Ｖであると仮定すると、面エネルギー密度は、以下の式となる。
【数１】
2015520923.tif 000003
【００４１】
乗物の使用可能な表面積が１０ｍ２である場合には、その結果、厚さが７０ミクロンの単層デバイスでは超コンデンサが単独であるため、総計のエネルギー貯蔵は６．２５Ｗｈとなる。複数の層が形成されると、面エネルギー密度は増大する。層が２０存在すると（厚さが１ｍｍに近い）、エネルギー密度は１２．５Ｗｈ／ｍ２となるであろう。
【００４２】
システムの電力を考慮すると、単層に蓄えられる全エネルギーが６．２５Ｗｈである場合には、このエネルギーの５秒間の放電は、平均電力で４５００Ｗとなるであろう。これは、１秒の放電時間に、単層から２２５００Ｗ出ることと同等となるであろう。複数の層は、直線的なものよりも大きくエネルギーを増大するように作用するであろう。
【００４３】
表１は、電気化学的電池および超コンデンサの特質の絶縁破壊を示す。
【表１】
2015520923.tif 000004
【００４４】
複合材の概説
複合材は、高強度および低重量に加えて、良好な振動減衰および低係数の熱膨張などの多くの他の特性を提供できる。これらの性質は、特定用途に応じて技術的に改良できる。
【００４５】
電気化学的デバイスは、結合マトリクスにおける連続的な指向性の高強度繊維強化材から主に得られた、複合材の構造特性を活用して、処理可能性を促進し、剛性、耐化学性および吸湿抵抗などの特性を高めたパッケージを提供できる。積層は、コンポーネントが耐えるべき使用中の力に応じて、等方性または異方性、均衡または不均衡、対称または非対称に設計できる。電気化学的デバイスは、以下を可能にするような積層を組み込むことができる。すなわち、本発明において提供可能な追加機能性をもたらしつつ、軽量で複雑な形状のものを開発し、大部分が一体化した補強材を備えたものを製造できる。
【００４６】
電気化学的デバイスに使用可能な複合材の構成要素は、これらに限定されないが、以下の添加剤および重合調整剤を含む。例えば、除去剤、着色剤、顔料、導電性充填剤、カップリング剤、装飾フレーク、火災抑制剤または防煙剤、発泡剤、低収縮剤、スチレン抑制剤、増粘剤、強化剤、ＵＶ安定剤、および粘度調整剤。接着剤は、これらに限定されないが、アクリル、ビスマレイミド、シアノアクリレート、エポキシ、ナイロン、フェノール、ポリイミド、シリコーン、およびウレタンを含む。注型用樹脂は、これらに限定されないが、アクリル、エポキシ、および不飽和ポリエステルを含む。触媒、プロモーター、および硬化剤は、これらに限定されないが、ナフテン酸コバルト、アミン、硬膜剤、開始剤、および過酸化物を含む。被覆およびサイズ剤は、これらに限定されないが、導電剤、装飾剤、静電剤、ＥＭＩ−減衰剤、難燃剤、インモールド、塗料、粉末、および保護物を含む。使用可能な化合物は、これらに限定されないが、バルクモールディング（ＢＭＣ）、フェアリングコンパウンド（以前のペーストシステム）、低圧成形、シートモールディング（ＳＭＣ）、固体表面、熱可塑性物質、および厚さ成形を含む。コア材料および流体媒体は、これらに限定されないが、バルサ、樹脂注入のための流体媒体、フォームコア、ハニカム、無機物、拡大シンタクチックコア、および非拡大シンタクチックコアを含む。使用可能な織物は、これらに限定されないが、アラミド、アラミド／ガラスハイブリッド、Ｃ−ガラス、炭素、炭素／アラミドハイブリッド、炭素／ガラスハイブリッド、セラミック、Ｅ−ガラス、金属化、および構造高強度ガラス（ＳおよびＲタイプ）を含む。使用可能な無機繊維は、これらに限定されないが、アルミニウム、玄武、ホウ素、Ｃ−ガラス、セラミック、Ｅ−ガラス、石英、炭化ケイ素、および構造高強度ガラス（ＳおよびＲタイプ）を含む。使用可能な有機繊維は、これらに限定されないが、アラミド、ＰＡＮ系炭素、ピッチ系炭素、レーヨン系炭素、ハイブリッド混合繊維、ナイロン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエステル、ポリエチレン、およびＵＨＭＷポリエチレン（超高分子量）を含む。使用可能な充填剤は、これらに限定されないが、アルミナ三水和物、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、カーボンブラック、石こう、カオリン、雲母、ミクロスフェア、粉砕ガラス繊維、ナノ相（有機／無機）、リサイクレート、シリカ、非晶質シリカ、タルク、および珪灰石を含む。使用可能なゲルコートは、これらに限定されないが、防汚、耐化学／耐食、導電、難燃、汎用、海洋、良質飲料水、およびＵＶ硬化性のものを含む。使用可能なマトリクス材は、これらに限定されないが、セラミックおよびメタリックを含む。使用可能な熱可塑性マトリクス樹脂は、これらに限定されないが、アセタール、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、液晶高分子、メタクリル酸メチル、ナイロン（ポリアミド）、ＰＢＴ、ポリアミド−イミド、ポリアリーレンケトン、硫化物、ポリカーボネート、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリエーテルケトン族（ＰＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、フッ素化ポリマー、ポリスチレン、スチレン単量体（希釈剤）、アクリロニトリル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレン酸化物、ポリスルホン、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ＰＶＤＦ、およびポリテトラフルオロエチレンを含む。使用可能な熱硬化性マトリクス樹脂は、これらに限定されないが、アクリル、ビスマレイミド、シアン酸エステル、エポキシ、フェノール、ポリイミド、不飽和ポリエステル、ウレタン、ＵＶ硬化性、およびビニルエステルを含む。使用可能な非含浸プリフォームは、これらに限定されないが、アラミド、炭素、セラミック、短繊維、長繊維、Ｅ−ガラス、ハイブリッド繊維、石英、および構造高強度ガラス（ＳおよびＲタイプ）を含む。使用可能な熱可塑性プリプレグは、これらに限定されないが、混繊糸／共織糸、織物、インターレース、マット、ＲＴＰシート（ＧＭＴ）、テープ、およびトウまたはロービングを含む。使用可能な熱硬化性プリプレグは、これらに限定されないが、ビスマレイミド、シアン酸エステル、エポキシ、フェノール、不飽和ポリエステル、ポリイミド、およびビニルエステルを含む。使用可能な非含浸強化材は、これらに限定されないが、アラミド、アラミド／ガラスハイブリッド、Ｃ−ガラス、炭素、炭素／アラミドハイブリッド、炭素／ガラスハイブリッド、セラミック、Ｅ−ガラス、および構造高強度ガラス（ＳおよびＲタイプ）を含む。一部の実施形態では、電気化学的デバイスは、追加の強化材がなくても、従来の熱硬化性または熱可塑性物質処理技術を使用してニートな熱硬化性または熱可塑性ポリマーに組み込まれる。この技術は、例えば、ブロー成形、射出成形、押し出し成形、熱成形、真空成形、圧縮成形などである。
【００４７】
生産品の用途
電気化学的デバイスとパネルとの複合材は、弾道保護およびエネルギー機能性を単一コンポーネントに集約することによって、個々のコンポーネントの和として以前に存在した質量を減少できる。その結果、従来の電池技術と比較して、より高い比エネルギーを生成し、最大積載量を増大する機会を与える図６に示すような多機能装甲パネルが製造される。
【００４８】
さらに、既存の個人用保護服の内部にセルを埋め込むことができる。例えば、（接着剤で結合した）Ｎｏｍｅｘ系の複合服は、電池に適したパッケージを提供し、それ故に、電池および構造機能性をもたらす。
【００４９】
また、電気化学的デバイスとパネルとの複合材は、電気出力を乗物に提供しつつ、無人飛行体（ＵＡＶ）、無人水中機（ＵＵＶ）、およびミサイル胴体における不活性の構造コンポーネントならびに／または空気力学的もしくは流体力学的表面と取り換えることができる。エネルギー密度を増大することによって、それらの航続距離を長くし、最大積載能力を大きくすることができる。
【００５０】
電気化学的デバイスとパネルとの複合材は、航空宇宙用途などの他の用途に有用であり得る。例えば、機体、翼、ウィングボックス、テール、尾部、補助翼、スポイラー、複合の船内および船外着陸用フラップ、着陸装置、後部スパー、ならびに固定後縁アセンブリ、そして内部の、座席、扉、床、壁、美的コンポーネント、水平安定板、昇降舵および方向舵、ウィングレット、翼固定後縁、翼−機体フェアリング、エンジンカバー、エンジンパイロン、圧力隔壁、打上げ機、燃料タンク、探査機器、衛星、宇宙ベースのもの、ならびにＵＡＶ機体に有用であり得る。自動車用途は、これらに限定されないが、車体パネル、構造コンポーネント、フード下の部品、フレームおよびシャーシ、ならびにドライブシャフトを含む。ボート用途は、これらに限定されないが、ヨット装備システム（マスト、シュラウド、ステーおよびスプレッダー）、船体、デッキ、および内側の構造を含む。公共インフラ用途は、これらに限定されないが、橋および橋桁、陸屋根、ならびに囲いを含む。建築構造用途は、これらに限定されないが、調理台、扉、ウィンドウフレーム、バスタブおよび他の家屋建造または改造材料、そして構造フレーム、被覆加工、屋根ふき材、羽目板、陸屋根、避難住宅、貨物トレーラ、屋外看板、地震修繕および改修または柱の覆い、マンホールのふた、トレンチカバー、音響壁パネル、海洋の杭、桟橋、住宅壁パネル、タンク、格子、プラットホーム、ならびに歩道を含む。電気器具および事務用機器用途は、これらに限定されないが、ハンドル、筺体およびコンポーネントを含む。燃料電池セル用途は、これらに限定されないが、バイポーラ板、終板、燃料タンクなどのシステムコンポーネント、および他のシステムコンポーネントを含む。オイルおよびガス用途は、これらに限定されないが、複合ライザ、深海供給管およびパイプを含む。スポーツおよびレクリエーション用途は、これらに限定されないが、スキー、釣り竿、テニスラケット、カヤックおよびパドル、ウィンドサーフィン用マストおよびボード、ホッケー用スティック、自転車部品、ならびにゴルフクラブおよびシャフトを含む。再生可能エネルギー用途は、これらに限定されないが、風力タービン翼、波および潮汐発電機の回転ブレードを含む。公益事業インフラ用途は、これらに限定されないが、送電塔、配線柱および腕木、電池ボックス、ケース、ならびに望遠鏡の携帯用アンテナを含む。
【００５１】
本開示をいくつかの実施形態の記述によって例証し、例証する実施形態をかなり詳細に記述したが、添付の請求項の範囲をそのような詳細に限定または多少なりとも制限することを発明者は意図しない。追加の利点および変更が、当業者に容易に明らかとなり得る。
【実施例】
【００５２】
例１：構造電池の製造
構造電池の設計は、以下を内蔵するＬｉ−イオンバイセルからなる。
−二つの結合した微孔性ポリマーセパレータ。
−１０ミクロンの銅箔電流コレクタを備えた二つの外側片面アノード。
−１５ミクロンのアルミ箔電流コレクタを備えた一つの両面カソード。
−電極およびセパレータ内に吸収された液体ＬｉＰＦ６／混合炭酸塩電解質。
【００５３】
外側アノードは、市販の在庫品から切断し、ＮＭＰを使用して周囲を洗浄して周囲シールのための区域を形成した。次に、（一つの延長側面を有する）二つのピクチャーフレームシールを３ミルのＳｕｒｙｌｎ（登録商標）フィルムから切断した。次に、ピクチャーフレームをアノードにヒートシールした。付着力を改善し、温度許容度をより高くするように製造業者によって改良されたＦｒｅｙａ  Ｅｎｅｒｇｙの安全セパレータの二つのピースを、カソードよりも大きい約１０ｍｍに切断した。両面の市販のカソードを切断して、アノードの周囲を越えて伸びる端子を有するものを成形した。次に、カソード端子を高温ポリマー溶液（ＰＥＩ）で被覆し、続いて、エチレンアクリル酸（ＥＡＡ）の付着促進層を乾燥させて、全体を乾燥した。次に、セパレータ層をカソードの両側面に積層した。セパレータをカソードに結合し、そして電極の周囲を越えて互いに結合させた。過剰なセパレータは、確実に完全に封入するようにカソードの周囲に１〜３ｍｍ残すように切り落として、短絡を防いだ。次に、三つの層を注意深く位置合わせして共にスタックしてセルを組み立て、ピクチャーフレームの三つの側面をヒートシールした。このシールでは、伸長したＳｕｒｌｙｎフィルムの第四の側面を開放した。次に、開放側面を通して電解質を加えてセルを活性化させた。セルを形成し、充電した。形成後、セルを脱気し、セルを約９０℃に加熱してセル全体を共に結合し、セルを適度な圧力下（１５〜１００ｐｓｉ）に置いた。これにより、セルは複合材に組み込む用意ができた。
【００５４】
電池は、高い比エネルギーを有し、遊離した個々の層のスタックではなく完全に結合される。この理由は、セルが（適切な周囲シールおよび積層可能なセパレータを有して）積層可能に設計されるからである。外側パッケージは使用しない。代わりに、箔電流コレクタが、図４のセル設計および図５の画像に示すように、外側パッケージの一部または全てとしての役目を果たす。セルは非常に薄く、空気および湿気に対する障壁の機能を果たす薄い箔電流コレクタ（１０〜２５ミクロン）を有する。それらの間に二つの外側アノードおよび両面カソードを有するバイセルは、容量が倍であり、比エネルギーがわずかに増大する。電池の機能性およびパネルとの改善された付着力によって、複合パネルと一体化できる構造電池コンポーネントが作り出される。この電池は繊維強化複合材と一体化し、この複合材の層は、（電気的遮蔽を含む）構造および電池パッケージの両方を提供する。強化材の例は、炭素繊維および繊維ガラスを含む。
【００５５】
電池は、厚さが０．３３ｍｍであり、セルごとの公称開路電圧は３．７Ｖであり、そのカソード容量は５．６ｍＡｈ／ｃｍ２である。セル活性区域が１００ｃｍ２と仮定すると、これは、１１ｇの質量において２．０７２Ｗｈを生成する５６０ｍＡｈのセル容量と同等である。それ故に、比エネルギーは、１８８．７２Ｗｈ／ｋｇであり、面エネルギー密度は２０７．２Ｗｈ／ｍ２である。この手法による比エネルギーの利得は、重要である。例えば、このスケールの従来の電池は約４ｇ重く、これは、比エネルギーが約１３６Ｗｈ／ｋｇに低下するであろうことを意味する。電気化学的デバイスは、厚さが０．３３ｍｍのものを調達したと仮定すると、現在の技術水準のＬｉ−イオンセルよりも比エネルギーが約３９％改善する。
【００５６】
複数の単一セル電池コンポーネントを組み立て、電気化学的特性化および試験にかけて、電気化学的機能性（例えば、充電／放電曲線）を評価した。この電池は、図７のデータに示すように、現在の技術水準の電池技術と比較してより高い比エネルギーおよびエネルギー密度を生成した。この図は、（市販のセパレータおよび標準的なフレキシブルパウチパッケージを使用して作られた）制御セルと、新規の電池とを比較した。図７のグラフに示すように、新規のセルは、セル電圧によって示されるように、制御セルと同じようにサイクルする。新規のセルの比容量は、比エネルギーの約２０％の増大を示す。この比エネルギーの増大は、任意の追加の重量がなくても２０％を超える電力を生成することを意味する。
【００５７】
例２  周囲を溶接した外側電流コレクタを備えた構造セルの製造
図８に示すような構造電池設計は、以下を内蔵するＬｉ−イオンバイセルからなる。
−二つの結合可能な微孔性ポリマーセパレータ。
−２５ミクロンのアルミ箔電流コレクタを備えた二つの外側片面カソード。
−１０ミクロンの銅箔電流コレクタを備えた一つの両面アノード。
−電極およびセパレータ内に吸収された液体ＬｉＰＦ６／混合炭酸塩電解質。
【００５８】
外側電流コレクタを一定のサイズに切断した。電流コレクタは、二つのピースでもよいし、折り重なった一つのピースでもよい。次に、マスキングテープを電流コレクタの周囲に貼ることによって、カソードスラリをパッチ被覆し、マスクされた箔にわたってスラリを引き出した。次に、カソードを乾燥させた。改善された付着力およびより高い温度許容度を有する特別なＦｒｅｙａ  Ｅｎｅｒｇｙの安全セパレータの二つのピースを、一定のサイズ（アノードよりも長い約１０ｍｍ）に切断した。両面アノードまたは手で被覆した両面アノードを切断して成形した。小さくて柔軟な銅管を、カソードの周囲を越えて伸びる端子に使用した。次に、アノード端子を高温ポリマー溶液（ＰＥＩまたはＰＡＩ）で被覆して、乾燥させた。酸性ポリプロピレンのスズ付着促進層を、タブにヒートシールした。次に、セパレータ層をアノードの両側面に配置して、周囲をヒートシールした。ヒートシールを越える過剰なセパレータを切り落とし、確実に完全に封入するようにアノードの周囲にシールを残し、短絡を防いだ。次に、三つの層を注意深く位置合わせして共にスタックしてセルを組み立てた。二つの側面を超音波溶接した。次に、アノードタブを含む第三の側面を、熱によってアルミニウム外側電流コレクタに結合されたアノード端子に繋がる形成ホーンを有するように超音波溶接した。第四の側面を活性化のために開いた。開放側面を通して電解質を加えて、次に、その側面を超音波溶接した。セルを形成し、充電した。形成後、アノード端子を通じてセルを脱気した。次に、そこを超音波でシールして、セルを約９０℃に加熱してセル全体を共に結合し、セルを適度な圧力下（１５〜１００ｐｓｉ）に置いた。ここで、セルは複合材を組み込む用意ができた。
【００５９】
例３：湾曲電池の製造
湾曲構造電池設計は、以下を内蔵するＬｉ−イオンバイセルからなる。
−二つの結合可能な微孔性ポリマーセパレータ。
−２５ミクロンのアルミ箔電流コレクタを備えた二つの外側片面カソード。
−銅で被覆した不織布の電流コレクタを備えた一つの両面アノード。
−電極およびセパレータ内に吸収された液体ＬｉＰＦ６／混合炭酸塩電解質。
【００６０】
外側電流コレクタを一定のサイズに切断した。電流コレクタは、二つのピースでもよいし、折り重なった一つのピースでもよい。収集された電流が折り重なる場合には、折り重なった端部は、湾曲した端部に沿うことができない。次に、（シルクスクリーニングのような）パターン化スクリーンを使用してカソードスラリをパッチ被覆して、スクリーンにわたってスラリを引き出した。次に、カソードを乾燥して整理した。改善された付着力およびより高い温度許容度を有する特別なＦｒｅｙａ  Ｅｎｅｒｇｙの安全セパレータの二つのピースを、一定のサイズ（アノードよりも長い約１０ｍｍ）に切断した。銅で被覆した不織布の電流コレクタを一定のサイズに切断し、導電接着剤を使用して小さくて柔軟な銅管を端子に取り付けることによって両面アノードを形成した。次に、不織布の電流コレクタをアノードスラリ被覆において浸漬被覆して、不織布を浸透させて所望の重量を与えた。次に、アノードを乾燥して艶出しした。アノード端子を高温ポリマー溶液（ＰＥＩまたはＰＡＩ）で被覆して、乾燥させた。続いて、酸性ポリプロピレンの付着促進層をタブにヒートシールした。セパレータ層をアノードの両側面に配置して、周囲をヒートシールした。ヒートシールを越える過剰なセパレータを切り落とし、確実に完全に封入するようにアノードの周囲にシールを残し、短絡を防いだ。次に、三つの層を注意深く位置合わせして共にスタックしてセルを組み立てた。セルが折り重なったカソードを備えない場合には、直線の側面の一つを超音波溶接する。次に、円形のまたは外形に合わせたアンビルの上にアセンブリを形成し、二つの湾曲側面を溶接した。この溶接では、各段階において静止ユニットを用いて超音波縫合機を連続的に使用する。（アノードタブを備えた側面は、例１に記述するように処理する。第四の側面を活性化のために開いた。開放側面を通して電解質を加えて、次に、その側面を超音波溶接した。セルを形成し、充電した。形成後、アノード端子を通じてセルを脱気した。次に、そこを超音波でシールして、約９０℃に加熱する外形プレスを使用してセル全体を共に結合した。そして、セル全体が均一温度に達するのに十分な時間セルを適度な圧力下（１５〜１００ｐｓｉ）に置いた。ここで、セルは、永久的な曲率を有し、湾曲複合材（例えば、ミサイルまたは魚雷の筐体）に組み込まれるように用意した。
【００６１】
例４：複合装甲パネルの製造
大体の寸法が１６．５ｍｍ×５０ｃｍ×５０ｃｍである金型を用いた鋳造ウレタン処理を使用して多機能の複合装甲パネルを組み立てた。鋼装甲板（６．３５ｍｍ×５０ｃｍ×５０ｃｍのＭＩＬ−Ａ−４６１００、Ｈｉｇｈ  Ｈａｒｄ（ＨＨ））を金型に置いた。ウレタン混合物（プレポリマー、ポリオールおよび触媒成分）を、装甲板の頂部の鋳造器から計器で調節して液体として出した。ベクトラン（登録商標）（液晶ポリエステル−ポリアリレート）繊維の単層を、ウレタンの第一の鋳造器の頂部に置いた。ベクトラン（登録商標）／ウレタン複合材バッキングシステムの３２の層が、ＨＨ鋼装甲板に接着結合したスポールライナ複合材の大体１０ｍｍまで達するように作られるまで、ウレタンおよびベクトラン（登録商標）繊維の交代層を金型に積層した。繊維の最後の層の前の、各装甲パネルの背面において、例１の４つの電気化学的デバイスを複合材内に配置して、所定の位置にモールドした。
【００６２】
繊維の最後の層にスリットを切り込んで、電池のタブが相互接続したまま通り抜けできるようにした。これらのタブを紙で包み、繊維にテープで張り付けられた。これにより、処理中にウレタンがそれに結合してそれらの完全性が損なわることがない。アセンブリにふたが配置され、これを締め付け、全ての過剰なウレタン材料を排除した。締め付け力は、複合装甲パネルの全ての層内またはそれらの間の余分なウレタンを押し出して金型の上方および外に出すのに十分な大きさである。金型の温度は、一部分を金型から取り出す前に材料の適切な事前硬化を確実に行うために、処理中および処理後約９３℃に維持した。約２０〜３０分後、装甲パネルを金型から取り出して、その後、約１２〜３６時間、約９３℃〜１２１℃の温度で事後硬化した。これにより、化学反応の完了および材料特性の獲得を確実にした。
【００６３】
この一体化製品の例を図９に示す。
【００６４】
例５：複合装甲パネルの弾道試験
ＭＩＬ−ＳＴＤ−６６２Ｆの提供に従い行われた弾道検査が、１９９７年１２月１８日に、ｃａｌｉｂｅｒ．３０−０６  Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，１６６  ｇｒａｉｎ，ＡＰ，Ｍ２弾薬を使用して行われた。試験サンプルを、屋内範囲において、傾斜がゼロ度の衝突を作るように試験銃身の銃口から２５．０フィート離れた距離に据え付けた。経過時間カウンタ（クロノグラフ）と併せて、１０．０および２０．０フィートの距離に位置付けた速度スクリーンを使用して、銃口から１５．０フィートに位置する発射体の速度を計算した。貫通度は、試験サンプルの６．０インチ後方にそれと平行に位置付けられた、０．０２０インチの厚さのアルミニウム合金２０２４Ｔ３証明パネルの目視検査によって決定した。
【００６５】
結果は、電池が配置されていない基部の装甲パネルに関して、２０２０ｆｐｓ（高部では２０１７ｆｐｓ、低部では１９８１ｆｐｓ）のＶ５０弾道限界（ＢＬ）を示した。そして、電池を備えたパネルに関しては、２１４３ｆｐｓ（高部では２２３８ｆｐｓ、低部では２０３５ｆｐｓ）のＶ５０  ＢＬを示した。これは、電池の一体化が弾道性能を低下させないことを示す。
【００６６】
試験後の画像を図１０に示す。銃弾が電池を貫通したとしても、試験中に、火災の兆候または他の安全性の問題は示されなかった。
【図１】
2015520923.tif 000005
【図２】
2015520923.tif 000006
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年1月8日(2015.1.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、その開示がその全体において参照によって本明細書に組み込まれている、同じ題名の仮特許出願第６１／６４３，９４７号（２０１２年５月８日出願）の利益を主張したＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０４０１４９号（２０１３年５月８日出願）の利益を主張する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
電気化学的デバイス（１０）は、一つ以上のアノード（１１）、カソード（１２）およびセパレータ（１３）を備えている。一部の実施形態では、セパレータ（１３）も電解質である。さらに、これは二つ以上の電流コレクタ（１４）を有する。アノード（１１）およびカソード（１２）は、二つの電流コレクタ（１４）の間に位置し、その各々は隣接する電流コレクタ（１４）に付着する。セパレータ（１３）は、アノード（１１）とカソード（１２）との間に位置し、アノード（１１）およびカソード（１２）に付着する。電流コレクタ（１４）は障壁であり、電解質の漏出を防ぎ、湿気および酸素の侵入を防ぐ。これらは共にシールして一つ以上のアノード（１１）、カソード（１２）およびセパレータ（１３）のためのシール容器を作り出す。これらは、それらの間に高分子層を挟んで、または直接に溶接される。一部の実施形態では、図１に示すように、デバイス（１０）は、周囲シール（１５）をさらに備える。周囲シール（１５）は、二つの電流コレクタ（１４）の間を結合し、外側電流コレクタと周囲シール（１５）との組み合わせが、一つ以上のアノード（１１）、カソード（１２）およびセパレータ（１３）のためのシール容器を作り出すように働く。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
一部の実施形態では、セパレータ（１３）は、電極の周囲を包み、その周囲をシールされる。図２に示すように、セパレータ（１３）は、バッグまたはパウチ状構造に効果的に形成され、電極がセパレータ（１３）の内側に閉じ込められる。外側の電流コレクタ（１４）は互いにシールされて周囲シール（１５）を形成する。この構造は短絡の防止を援助する。一部の実施形態では、電極は両面電極である。デバイスが組み立てられると、セパレータ（１３）内に閉じ込められた電極は、異極性の電極の頂部に配置され、異極性の第二の電極が、閉じ込められた電極の頂部に配置される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
生産品の用途
電気化学的デバイスとパネルとの複合材は、弾道保護およびエネルギー機能性を単一コンポーネントに集約することによって、個々のコンポーネントの和として以前に存在した質量を減少させる。その結果、従来の電池技術と比較して、より高い比エネルギーを生成し、最大積載量を増大する機会を与える図６に示すような多機能装甲パネルが製造される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
例２  周囲を溶接した外側電流コレクタを備えた構造セルの製造
図８に示すような構造電池設計は、以下を内蔵するＬｉ−イオンバイセル電気化学的デバイス（１０）からなる。
−二つの結合可能な微孔性ポリマーセパレータ（１３）。
−２５ミクロンのアルミ箔電流コレクタ（１４）を備えた二つの外側片面カソード（１２）。
−１０ミクロンの銅箔電流コレクタ（１６）を備えた一つの両面アノード（１１）。
−電極およびセパレータ内に吸収された液体ＬｉＰＦ６／混合炭酸塩電解質。
−溶接シーム周囲シール（１５）。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
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【国際調査報告】
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