(57)【要約】  アルカリ性バッテリまたは非水系プロトン伝導性バッテリである密封されたパウチセルバッテリが提供される。パウチセルは、パウチセル構造のために使用されるような、パウチの形態である可撓性ハウジングと、アルカリ性のバッテリに使用するために適したカソード活物質を含むカソードと、アルカリ性のバッテリに使用するために適したアノード活物質を含むアノードと、任意選択的にアルカリ性またはプロトン伝導性の電解質と、を含み、前記カソード活物質および前記アノード活物質は、サイクルの繰り返し中に内部気圧を２ｐｓｉｇより大きくは増加させないので、前記パウチは、安全ベントまたはその他の吸排気システムを含まない、または必要としない。本バッテリは、サイクルの繰り返し中における許容できないガスの発生に起因してこのようなバッテリシステムは不可能であると認識されていた従来の考えに反する機能を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密封されたアルカリ性のパウチセルのバッテリにおいて、前記バッテリは、
０．０２〜０．２ｍｍの間の平均厚さを有する、密封されたパウチの形態の可撓性ハウジングと、
アルカリ性のバッテリに使用するために適したカソード活物質を含むカソードと、
アルカリ性のバッテリに使用するために適したアノード活物質を含むアノードと、
アルカリ性の電解質と、
を含み、
前記カソードと前記アノードと前記電解質とは、前記パウチの内部に収容されており、前記電解質は、前記カソード活物質および前記アノード活物質の両方と化学的に接触しており、
前記パウチは、安全ベントを備えておらず、前記カソード活物質および前記アノード活物質は、サイクルの繰り返し中に内部気圧を２ｐｓｉｇより大きくは増加させない、
バッテリ。
【請求項２】
前記バッテリは、二次電池である、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項３】
時間、バッテリ温度またはその両方に対するバッテリ電圧の変化率を測定することができるバッテリ保護回路をさらに含む、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項４】
充電状態および充電率／放電率に関して電子制御することができるバッテリ保護回路をさらに含む、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項５】
前記バッテリ保護回路は、充電状態を記録することができるメモリ装置をさらに含む、
請求項４記載のバッテリ。
【請求項６】
前記アノード活物質は、最大貯蔵容量の５０％において３０℃で測定されたときに０．８気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有する、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項７】
前記アノード活物質は、−３５ｋＪ／ｍｏｌ Ｈ２未満の水素化物形成熱を有する、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項８】
前記アノード活物質は、アニーリングされた合金を含む、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項９】
前記アノード活物質は、水素を電気化学的に貯蔵することができる金属水素化物合金である、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項１０】
前記カソード活物質または前記アノード活物質は、水酸化ニッケル系のディスオーダした材料を含む、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項１１】
前記ディスオーダした材料は、構造的かつ組成的にディスオーダしている、
請求項１０記載のバッテリ。
【請求項１２】
前記カソード活物質は、０．０９Ｖ以上の電圧ギャップを有する、
請求項１０記載のバッテリ。
【請求項１３】
前記電解質は、水中に２０〜４５重量パーセントのＫＯＨまたはＮａＯＨを含む、
請求項１記載のバッテリ。
【請求項１４】
密封されたパウチセルのバッテリにおいて、前記バッテリは、
安全ベントを備えていない、密封されたパウチの形態の可撓性ハウジングと、
水素イオンを可逆的に吸収することができるカソード活物質を含むカソードと、
水素イオンを可逆的に吸収することができるアノード活物質を含むアノードと、
プロトン伝導性またはヒドロキシルイオン伝導性の電解質と、
を含み、
前記カソードと前記アノードと前記電解質とは、前記パウチの内部に収容されており、前記電解質は、前記カソード活物質および前記アノード活物質の両方に化学的に接触している、
バッテリ。
【請求項１５】
時間、バッテリ温度またはその両方に対するバッテリ電圧の変化率を測定することができるバッテリ保護回路をさらに含み、
前記バッテリ保護回路は、前記カソードおよび前記アノードと電気的に接触している、
請求項１４記載のバッテリ。
【請求項１６】
前記バッテリ保護回路は、各充電サイクルごとに充電状態を記録することができるメモリ装置をさらに含む、
請求項１４記載のバッテリ。
【請求項１７】
前記バッテリ保護回路は、充電状態が９０％の充電状態以上になると充電プロセスを終了することができる、
請求項１４記載のバッテリ。
【請求項１８】
前記電解質は、ポリマーまたは固体セパレータ／電解質である、
請求項１４記載のバッテリ。
【請求項１９】
前記アノード活物質は、最大貯蔵容量の５０％において測定されたときに０．８気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有する、
請求項１４記載のバッテリ。
【請求項２０】
前記アノード活物質は、金属水素化物合金のディスオーダした材料である、
請求項１４記載のバッテリ。
【請求項２１】
前記ディスオーダした材料は、構造的かつ組成的にディスオーダしている、
請求項２０記載のバッテリ。
【請求項２２】
密封されたパウチセルのバッテリにおいて、前記バッテリは、
安全ベントを備えていない密封されたパウチの形態の、可撓性ハウジングと、
水素イオンを可逆的に吸収することができるカソード活物質を含むカソードと、
水素イオンを可逆的に吸収することができるアノード活物質であって、最大貯蔵容量の５０％において測定されたときに０．８気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有するアノード活物質を含むアノードと、
電解質と、
を含み、
前記カソードと前記アノードと前記電解質とは、前記パウチの内部に収容されており、前記電解質は、前記アノードおよび前記カソードと化学的に接触している、
バッテリ。
【請求項２３】
時間、バッテリ温度またはその両方に対するバッテリ電圧の変化率を測定することができるバッテリ保護回路をさらに含み、
前記バッテリ保護回路は、前記カソードおよび前記アノードと電気的に接触している、
請求項２２記載のバッテリ。
【請求項２４】
前記バッテリ保護回路は、各充電サイクルごとに充電状態を記録することができるメモリ装置をさらに含む、
請求項２３記載のバッテリ。
【請求項２５】
前記バッテリ保護回路は、充電状態が９０％の充電状態以上になると充電プロセスを終了することができる、
請求項２３記載のバッテリ。
【請求項２６】
前記バッテリは、二次電池である、
請求項２２記載のバッテリ。
【請求項２７】
前記可撓性ハウジングは、０．０２〜０．２ｍｍの間の平均厚さを有する、
請求項２２記載のバッテリ。
【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、２０１５年２月６日に出願された米国特許出願第１４／６１５７９６号明細書（U.S. Patent Application No: 14/615,796）に基づくものであり、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究
本開示は、“Robust Affordable Next Generation EV-storage (RANGE)”プロジェクトの下で、米国エネルギ省のエネルギ先端研究計画局（Advanced Research Projects Agency - Energy）によって授与された契約番号第ＤＥ−ＡＲ００００３８６号の契約の下で、米国政府の支援によりなされたものである。米国政府は、本開示において一定の権利を有する。
【０００３】
分野
本開示は、二次電池等のバッテリに関する。特に、本開示は、安全ベントを必要とすることなくサイクルを繰り返すことができ、これによってバッテリのエネルギ密度および設計柔軟性を高めることができる、パウチセルの形態のアルカリ性のバッテリまたは非水系プロトン伝導性のバッテリに関する。
【背景技術】
【０００４】
特定の金属水素化物（ＭＨ）合金材料は、水素を吸収および放出することができる。これらの材料は、ニッケル／金属水素化物（Ｎｉ／ＭＨ）バッテリシステムおよび金属水素化物／空気バッテリシステムならびにＬｉイオンバッテリを含む、燃料電池および金属水素化物バッテリのために、水素貯蔵媒体としておよび／または電極材料として使用することができる。
【０００５】
ＭＨセル内のカソードとＭＨアノードとの間に電位が印加されると、水素の電気化学的な吸収によってアノード材料（Ｍ）が充電されて、金属水素化物（ＭＨ）が形成され、ヒドロキシルイオンが電気化学的に放散される。放電時には貯蔵されている水素が解放されて、水分子が形成され、電子が放散される。ニッケルＭＨセルの正極で起こる反応も可逆的である。ほとんどのＭＨセルは、水酸化ニッケルの正極を使用する。水酸化ニッケルの正極では、以下の充放電反応が生じる。
【化１】
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【０００６】
水酸化ニッケルの正極と、水素貯蔵性の負極とを有するＭＨセルの場合には、典型的には不織布、フェルト、ナイロン、またはグラフト化ポリエチレン／ポリプロピレンのセパレータによって電極同士が分離されている。電解質は、通常、アルカリ性の水系電解質、例えば２０〜４５重量％の水酸化カリウムである。
【０００７】
従来のアルカリ性のバッテリ、例えば金属水素化物バッテリの欠点は、これらの種類のセルにありがちな圧力上昇に耐久するために剛性のシェルケーシングを必要とすることである。このようなケースまたはハウジングを使用することにより、その結果として得られるバッテリが有することができる形状および柔軟性が制限される。例えば剛性のシェルハウジングは形状変化を防止するので、現場において所望の湾曲形状に成形することができない。同様にして、従来のアルカリ性のバッテリの剛性のシェルハウジングは、リチウムイオンパウチセルのハウジングに比べて過剰な重量を欠点としてもつ。従来技術では、サイクルの繰り返し中にカソードとアノードの両方における競合反応に起因して活物質がガスを発生させ得るので、アルカリ性のバッテリのためにパウチセルハウジングを形成することは不可能であると考えられていた。例えば充電中には、金属水素化物セルにおけるアノードは、以下の競合反応を示す：
Ｍ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−→ＭＨ＋ＯＨ−  および
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２（気体）＋２ＯＨ−
【０００８】
同様にして、充電中、アルカリ性の水酸化ニッケルのセルにおけるカソードは、以下の競合反応を示す：
Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−  および
４ＯＨ−→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２（気体）＋４ｅ−
【０００９】
このように、従来のセルにおけるほぼ満充電に近いプロセスは、相当な量の酸素または水素ガスを発生させ、これによってパウチセルの可撓性ハウジングは、もし安全ベント弁を備えていなければ、破裂してしまう結果となり得る。
【００１０】
以下に説明するように本発明者らは、実際のところ、アルカリ性のパウチセルバッテリが可能であるだけでなく、現場で問題であると信じられている制限を欠点としてもたないということを発見した。本開示の上記の利点およびその他の利点は、以下の図面、考察、および説明から明らかになるであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以下の概要は、本開示に特有の革新的な特徴のうちのいくつかを理解するのを容易にするために提供されたものであり、完全な説明であることを意図するものではない。明細書、請求項、図面、および要約を全体として捉えることによって、本開示の種々の態様を完全に理解することができる。
【００１２】
パウチセルとして知られている可撓性ハウジングバッテリシステムを使用した場合には、電解質活物質中の望ましくない副反応によって引き起こされるガスの過剰な発生によって破裂が生じやすい。このような予想に反して本発明者らは、サイクルの繰り返し中に安全ベントまたは他の排気システムを必要としない、アルカリ性のバッテリまたは非水系プロトン伝導性のバッテリのためのパウチセル構造が可能であることを発見した。
【００１３】
したがって、第１の課題は、その他の種類のパウチセルバッテリ構造のために一般的に使用されているような可撓性ハウジングに、所要の電極材料および電解質をパッケージングすることによって、アルカリ性のバッテリまたは非水系プロトン伝導性のバッテリをパウチセルの形態で提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
密封されたアルカリ性のパウチセルバッテリにおいて、前記バッテリは、密封されたパウチの形態の可撓性ハウジングと、アルカリ性のバッテリに使用するために適したカソード活物質を含むカソードと、アルカリ性のバッテリに使用するために適したアノード活物質を含むアノードと、アルカリ性の電解質と、を含み、前記パウチは、安全ベントまたは他の吸排気システムを備えておらず、前記カソード活物質および前記アノード活物質は、サイクルの繰り返し中に内部気圧を２ｐｓｉｇより大きくは増加させない、バッテリが提供される。ハウジングは、任意選択的に０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの間の平均厚さを有する。前記バッテリは、一次電池または二次電池として動作可能である。いくつかの態様では、前記バッテリは、任意選択的に時間、バッテリ温度、またはその両方に対するバッテリ電圧の変化率を測定することができるバッテリ保護回路をさらに含む。前記バッテリ保護回路は、任意選択的に充電状態および充電率／放電率に関して電子制御することができる。任意選択的に、前記バッテリ保護回路は、充電状態を記録することができるメモリ装置をさらに含む。任意選択的に、前記バッテリ保護回路は、充電状態が９０％の充電状態以上になると充電プロセスを終了することができる。上記の構成のいずれにおいても、前記アノード活物質は、任意選択的に最大貯蔵容量の５０％において３０℃で測定されたときに０．８気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有する。いくつかの態様では、前記アノード活物質は、−３５ｋＪ／ｍｏｌ Ｈ２未満の水素化物形成熱を有する。アノード活物質は、任意選択的にアニーリングされた合金を含む。任意選択的に、アノード活物質は、水素を電気化学的に貯蔵することができる金属水素化物合金である。任意選択的に、カソード活物質またはアノード活物質は、水酸化ニッケル系のディスオーダした（不規則、無秩序）材料を含む。任意選択的に、前記ディスオーダした材料は、構造的かつ組成的にディスオーダしている。カソード活物質は、任意選択的に０．０９Ｖ以上の電圧ギャップを有する。バッテリは、電解質、任意選択的に水中に２０〜４５重量パーセントのＫＯＨまたはＮａＯＨを含むアルカリ性の電解質を含む。上記の構成のいずれにおいても、多くの可能な構成において交換可能であることが理解される。
【００１５】
密封されたパウチセルバッテリにおいて、前記バッテリは、密閉されたパウチの形態の可撓性ハウジングと、水素イオンを可逆的に吸収することができるカソード活物質を含むカソードと、水素イオンを可逆的に吸収することができるアノード活物質を含むアノードと、プロトン伝導性またはヒドロキシルイオン伝導性の電解質と、を含み、前記カソードと、前記アノードと、前記電解質とは、前記パウチの内部に収容されており、前記電解質は、前記カソード活物質および前記アノード活物質の両方に化学的に接触しており、前記パウチは、安全ベントまたは他の吸排気システムを備えておらず、任意選択的に、前記カソード活物質および前記アノード活物質は、サイクルの繰り返し中に内部気圧を２ｐｓｉｇより大きくは増加させない、バッテリも提供される。ハウジングは、任意選択的に０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍの間の平均厚さを有する。前記バッテリは、一次電池または二次電池として動作可能である。いくつかの態様では、前記バッテリは、任意選択的に時間、バッテリ温度、またはその両方に対するバッテリ電圧の変化率を測定することができるバッテリ保護回路をさらに含む。前記バッテリ保護回路は、任意選択的に充電状態および充電率／放電率に関して電子制御することができる。任意選択的に、前記バッテリ保護回路は、充電状態を記録することができるメモリ装置をさらに含む。任意選択的に、前記バッテリ保護回路は、充電状態が９０％の充電状態以上になると充電プロセスを終了することができる。上記の構成のいずれにおいても、前記アノード活物質は、任意選択的に最大貯蔵容量の５０％において３０℃で測定されたときに０．８気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有する。いくつかの態様では、前記アノード活物質は、−３５ｋＪ／ｍｏｌ Ｈ２未満の水素化物形成熱を有する。アノード活物質は、任意選択的にアニーリングされた合金を含む。任意選択的に、アノード活物質は、水素を電気化学的に貯蔵することができる金属水素化物合金である。任意選択的に、カソード活物質またはアノード活物質は、水酸化ニッケル系のディスオーダした材料を含む。任意選択的に、前記ディスオーダした材料は、構造的かつ組成的にディスオーダしている。カソード活物質は、任意選択的に０．０９Ｖ以上の電圧ギャップを有する。上記の構成のいずれにおいても、多くの可能な構成において交換可能であることが理解される。
【００１６】
本提供の密封されたパウチセルバッテリは、このようなバッテリ構造の性能が、アルカリ性または非水系プロトン伝導性の構成のために機能的かつ商業的に実現可能であることを実証する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】電極の表面領域を上から見たときの、１つの態様によるパウチセルを示す図である。
【図１Ｂ】電極の表面領域を横から見たときの、１つの態様によるパウチセルを示す図である。
【図２】充電最大の充電状態を超過しないようにバッテリ充電を監視する１つの態様を示す図である。
【図３Ａ】例示的なアルカリ性のパウチセル二次電池の充電／放電特性を示す図であり、ここでは、充電電流が時間の関数として示されており（破線、左Ｙ軸）、その結果として得られるセル電圧が時間の関数として示されている（実線、右Ｙ軸）。
【図３Ｂ】４サイクルにわたる例示的なアルカリ性のパウチセル二次電池の測定されたエネルギ密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の説明は、その性質上単なる例示に過ぎず、本開示、その用途、またはその使用の範囲を制限することを意図したものでは決してなく、当然、変更を加えることができる。本開示は、本明細書に含まれる非制限的な定義および用語に関連して説明される。これらの定義および用語は、本開示の範囲または実施に対する制限として機能することを意図したものではなく、例示目的および説明目的でのみ提示されたものである。プロセスまたは組成物は、個々のステップの順序として、または特定の材料を使用して説明されているが、当業者によって容易に理解されるように、各ステップまたは各材料は交換可能とすることができ、種々のやり方で配置された複数の部品またはステップが、本開示の説明に含まれ得ることが理解される。
【００１９】
本明細書で使用される科学用語および技術用語は、本明細書中で別段の定義がなされない限り、当業者によって一般的に理解される意味を有することが意図される。
【００２０】
本開示の目的のために、「バッテリ」という用語は、電気的に相互接続された複数のセルを指すために使用することもできるが、「バッテリ」および「セル」という用語は、１つの電気化学セルを指す場合に交換可能に使用される。
【００２１】
本明細書で定義される場合には、「アノード」は、充電中に電子受容体として機能する材料を含む。
【００２２】
本明細書で定義される場合には、「カソード」は、充電中に電子供与体として機能する材料を含む。
【００２３】
本明細書で定義される場合には、「ディスオーダした（disordered）」という用語は、主として不均一な組成または構造を意味する。ディスオーダは、ランダムまたは非ランダムで不均一な組成または構造を指すことができる。「組成的にディスオーダした」という用語は、組成物全体におけるランダムまたは非ランダムで不均一な元素配置として理解される。「構造的にディスオーダした」という用語は、結晶構造における不均一な相分布のような、組成物全体におけるランダムまたは非ランダムで不均一な結晶配置または他のマクロ構造配置として理解される。結晶構造における不均一な相分布の例は、Ａ２Ｂ４スラブの間の１つ、２つ、３つ、または４つのＡＢ５層とすることができる。
【００２４】
「主な」という用語は、他の比較要素または比較材料と比較して最大の量として定義される。
【００２５】
本明細書で定義される場合には、「化学的な接触」という用語は、電解質からイオンが直接的に、またはセパレータまたは別のディバイダを介してカソードに、アノードに、またはその両方に移動しうる、電解質とカソードおよびアノードとの十分な物理的な接触を意味する。
【００２６】
本明細書で使用される場合には、バッテリハウジングを指すときの「可撓性（flexible）」という用語は、形状変化を生じさせるために単なる手の力だけで形状変化が可能であることであるとして定義される。例えば、紙および金属箔は可撓性である。容器または材料の形状を維持することが意図される容器目的のために使用されるシートメタルおよび固体プラスチックは、可撓性であるとは見なされない。可撓性であると見なされる材料の特定の例は、MTI Corporation社によって製品番号EQ-alf-400-7.5Mで販売されている。この積層された多層製品は、ポリアミド（厚さ０．０２５ｍｍ）と、アルミニウム箔（厚さ０．０４０ｍｍ）と、ポリプロピレン（厚さ０．０４０ｍｍ）と、ポリエステル−ポリウレタン接着剤およびウレタンフリー接着剤とから、最終的な厚さ０．１１５ｍｍで形成されている。
【００２７】
本明細書で使用される場合、「密封された（sealed）」という用語は、シールの破損、穴あき、またはその他の破裂がない場合に、空気、流体、もしくは他の気体または液体が外部空間から内部空間に侵入することができないように、または内部空間から外部空間に侵入することができないように、外部空間から内部空間を隔離することであるとして定義される。
【００２８】
アルカリ性の電解質、もしくは他のヒドロキシル伝導性またはプロトン伝導性の電解質に使用するために適した金属水素化物または他の電極活物質を初めて採用した、可撓性ハウジングによって製造されたパウチセルが提供される。本提供のアルカリ性のパウチセルバッテリは、金属水素化物系または他のアルカリ性の適切な電極システムを成功裏に採用するものであり、本電極システムは、ガスを放出するための安全ベントを必要とすることなく機能することが初めて可能である。従来技術では、このようなガスが非常に大量に発生することが予期されていたので、このようなパウチセルの製造が不可能となっていた。本発明者らは、従来技術の考え方に反して、金属水素化物系または他のアルカリ系のセルシステムを、安全ベントを備えていないパウチセル構造に加えることができることを発見した。このようなセルは、他の剛性のセル構造に比べて高い重量エネルギおよび体積エネルギを有し、パッキング密度が比較的高く、製造が比較的簡単であり、比較的低コストであり、電極を過剰状態（flood state）で使用可能であり、サイズおよび形状のデザイン性がフレキシブルであり、かつ意図された用途および利用者の望みどおりに曲げ可能でさえあるという構成において、例えば電気機器に電力供給するため、エネルギを貯蔵するため、またはその他の用途のために多数の利点および有用性を有している。これらの利点は、アルカリ系または金属水素化物系のセルシステムの分野において長い間探求されていたが、当初は不可能と考えられていた。
【００２９】
したがって、本提供は、密閉されたアルカリ性または非水系プロトン伝導性のパウチセルバッテリである。いくつかの態様では、密閉されたアルカリ性または非水系プロトン伝導性のパウチセルバッテリは、密閉されたパウチの形態の可撓性ハウジングと、アルカリ性または非水系プロトン伝導性のバッテリに使用するために適したカソード活物質を含むカソードと、アルカリ性または非水系プロトン伝導性のバッテリに使用するために適したアノード活物質を含むアノードと、液体、ゲル、または固体の形態の電解質、任意選択的にアルカリ性の電解質、または他のヒドロキシルイオン伝導性またはプロトン伝導性の電解質と、を含み、前記カソードと、前記アノードと、前記電解質とは、前記パウチの内部に収容されており、前記パウチは、任意選択的に安全ベントを備えていない。
【００３０】
本提供のパウチセルバッテリは、任意選択的に一次電池または二次電池である。一次電池とは、１回だけの放電が可能であるように化学的または構造的に形成されていて、再生または再充電できないものをいう。二次電池は、２サイクルで５０％以上の容量を維持しながら、２サイクル以上、任意選択的には１００、２００、３００、４００、５００サイクル以上のサイクルが可能であるものをいう。
【００３１】
パウチセルは、密閉されたパウチの形態の可撓性ハウジングを特徴としており、電極アセンブリのハウジングとして使用される剛性の材料、または他の構造的に制限された材料を必要としないか、または全く有さない。したがって、パウチセルは、例えば当技術分野で伝統的に使用されているような、または任意選択的に米国特許第６０２７８３４号明細書（U.S. Patent Nos: 6,027,834）、米国特許第６２６５１００号明細書（U.S. Patent Nos: 6,265,100）に記載されているような剛性の金属またはポリマーケース、もしくは従来技術において公知の他の剛性の構成を、任意選択的に省略する。いくつかの態様によるパウチセルの実例が図１Ａおよび図１Ｂにおいて見出される。図１Ａは、電極アセンブリ４を実質的に取り囲んで密閉している可撓性ハウジング２を含むパウチセルの構成を上面図で示す。電極アセンブリ４は、アノード、カソード、セパレータ、および電解質、ならびにあらゆる所要の接続材料を含む。可撓性ハウジング２は、電極アセンブリ４のための密閉された内部環境を形成する。パウチセルは、セルの１つまたは複数のアノードシートに接続された負極集電体６と、セルの１つまたは複数のカソードシートに接続された正極集電体８も含む。これらの集電体６，８を、溶接方法によって電極に溶接してもよく、この溶接方法には、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、または超音波溶接が含まれるが、これらには限定されない。いくつかの態様では、負極集電体６および正極集電体８は、バッテリ保護回路を含む制御電子システム１０にそれぞれ電気的に接続されており、これによって制御電子機器がバッテリに一体化されるようになっている。制御電子機器１０には、負の外部リード線１２および正の外部リード線１４も電気的に接続されており、これにより、バッテリによる充電または電力供給のために、装置の回路または他の部品にバッテリを電気的に接続させることが可能となる。
【００３２】
図１Ｂは、いくつかの態様によるパウチセルバッテリの例示的な側面図であり、可撓性ハウジング２の内部にパッキングされたアノードシート１６およびカソードシート１８の積層配置例を示す。アノードシートおよびカソードシートの数は、いくつかの態様では限定されておらず、各セルは、それぞれを１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、または８つ以上のアノードシートおよびカソードシートを含み得る。カソードシートの数は、アノードシートの数と同じでなくてもよいが、それぞれの数は、任意選択的に同じであってもよい。いくつかの態様では、アノードの数はカソードの数よりも多い。いくつかの態様では、カソードの数はアノードの数よりも多い。カソードシート１８とアノードシート１６を分離しているのは、任意選択的に１つまたは複数のセパレータ２０である。負極集電体６および正極集電体８は、それぞれアノードシートおよびカソードシートに電気的に取り付けられている。
【００３３】
パウチセルバッテリは、可撓性ハウジングを含む。可撓性ハウジングは、任意選択的に金属箔であり、この金属箔は、プラスチックのようなポリマーによって裏打ちされていてもよいし、またはされていなくてもよい。可撓性ハウジングの材料は、当該技術分野において公知のようにパウチに形成される。ハウジングは、任意の適切な形状であり、例えば管形、角形、正方形、長方形、楕円形、円形、三角形、および六角形である。ハウジングは、一般的に１つまたは複数の材料から形成されており、これらの材料は、（金属被覆された）箔のような、または任意選択的に（金属被覆された）箔を含む積層構造のような、（水、酸素、空気、および電解質溶媒に対して）不浸透性の可撓性のシート材料の形態である（例えば、欧州特許第１４２２７６７号明細書（EP 1422767）、米国特許第６０４２９６６号明細書（U.S. Pat. No. 6,042,966）、米国特許出願公開第２００６／０７３２７７号明細書（US 2006/073277）、および米国特許出願公開第２００９／００２９２４５号明細書（US 2009/0029245）を参照のこと）。いくつかの態様では、ハウジングに使用するために適したシート材料は、１０μｍ〜２００μｍの間の厚さのステンレス鋼箔が含まれる米国特許出願公開第２００９／００２９２４５号明細書（US 2009/0029245）に記載されている。重量を考慮すると、基本的なパウチ材料としてＡｌ箔が有用である。
【００３４】
ハウジングは、非剛性の薄い材料を形成するために、任意選択的に箔または箔の積層体である材料から形成される。ハウジングは、任意選択的に０．０１ｍｍ〜０．２ｍｍ、またはこれらの間の任意の値または範囲の全体平均厚さ（断面に対して９０度の寸法）を有する。ハウジングは、任意選択的に０．０５〜２ｍｍ、任意選択的に０．０５〜１．５ｍｍ、任意選択的に０．０５〜１．２５ｍｍ、任意選択的に０．１〜０．２ｍｍ、任意選択的に０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍの厚さを有する。ハウジング材料の実例は、MTI Corporation社によって製品番号EQ-alf-400-7.5Mで販売されている。この積層された多層製品は、ポリアミド（厚さ０．０２５ｍｍ）と、アルミニウム箔（厚さ０．０４０ｍｍ）と、ポリプロピレン（厚さ０．０４０ｍｍ）と、ポリエステル−ポリウレタン接着剤およびウレタンフリー接着剤とから、最終的な厚さ０．１１５ｍｍで形成されている。いくつかの態様では、選択された材料とハウジング材料の厚さとの組み合わせが、可撓性ハウジングシステムを提供する。
【００３５】
ハウジングは、任意選択的に折り畳まれた単一のシート材料から形成され、接触する縁部同士が、当該技術分野において公知のプロセスによって、例えば溶接によってシールを形成するために一緒に固定される。いくつかの態様では、ハウジングは、２枚以上の材料シートから形成され、縁部同士がシールを形成するために一緒に固定される。負極集電体および正極集電体は、任意選択的に溶接シームを通過するように導かれる。
【００３６】
従来のパウチセルは、ガスを逃がすための安全ベントを含むことが一般的である。しかしながら、本発明のパウチセルは、ハウジングにおけるこのような安全ベントを省略することが理解される。したがって、いくつかの態様では、パウチセルは、パウチの内側からガスを排出するように構成された再封可能なポートまたは再封不可能なポート（安全ベント）（一般的に可撓性シェルの一体成形部分）を省略する。いくつかの態様では、パウチセルは、ガスを吸い込むための安全ベントまたは他の方法、例えば多孔質構造、ガス発生物を収容するための追加的な空間、または従来技術において公知の他の方法も両方とも省略する。
【００３７】
いくつかの態様では、安全ベントを省略したパウチセルは、サイクルの繰り返し中に２ｐｓｉｇを超える内部気圧の上昇を示さない。従来技術では、本明細書で提供されるような本発明のパウチセルバッテリに使用される電極活物質は、パウチの内部の内部気圧を容易に上昇させる顕著なガスを発生させて、このような構成を不可能にするだろうと考えられていた。しかしながら、本発明のパウチセルは、サイクル０におけるセルの内部気圧に比べて内部気圧を顕著に増加させることはなく、その増加は、任意選択的に２ｐｓｉｇ未満、任意選択的に１．９ｐｓｉｇ未満、１．８ｐｓｉｇ未満、１．７ｐｓｉｇ未満、１．６ｐｓｉｇ未満、１．５ｐｓｉｇ未満、１．４ｐｓｉｇ未満、１．３ｐｓｉｇ未満、１．２ｐｓｉｇ未満、１．１ｐｓｉｇ未満、１．０ｐｓｉｇ未満、０．９ｐｓｉｇ未満、０．８ｐｓｉｇ未満、０．７ｐｓｉｇ未満、０．６ｐｓｉｇ未満、０．５ｐｓｉｇ未満、０．４ｐｓｉｇ未満、０．３ｐｓｉｇ未満、０．２ｐｓｉｇ未満、０．１ｐｓｉｇ未満、または０ｐｓｉｇ未満までである。このような内部気圧の上昇は、初期段階でセルが排気されている（サイクル０での内部気圧が１ａｔｍ未満である）かどうかとは無関係であると考えられる。
【００３８】
パウチセルバッテリは、任意選択的にアルカリ性のバッテリであるか、またはプロトン伝導性またはヒドロキシルイオン伝導性の電解質を使用する他のバッテリである。このようなシステムは、このようなシステムに使用するために適したアノード活物質を含む（１つまたは複数の）アノードと、このようなシステムに使用するために適したカソード活物質を含む１つのカソードとを使用する。「使用するために適した」とは、このような電解質を化学的に使用してエネルギを貯蔵するため、または発生させるために効果的であることを意味する。
【００３９】
パウチセルは、任意選択的に一次電池または二次電池に使用するために適したカソード活物質を有するカソードを含む。カソード活物質の実例には、２５℃で測定されたときに０．０９Ｖ以上の電圧ギャップを有する材料が含まれる。いくつかの態様では、カソード活物質は、任意選択的に０．０９１Ｖ、０．０９２Ｖ、０．０９３Ｖ、０．０９４Ｖ、０．０９５Ｖ、０．０９６Ｖ、０．０９７Ｖ、０．０９８Ｖ、または０．０９９Ｖ以上の電圧ギャップを有する。
【００４０】
いくつかの態様では、カソード活物質は水酸化物を含むか、または水酸化物である。例えば、水酸化ニッケルのような金属水酸化物がカソード活物質に使用されるか、またはカソード活物質に含まれる。金属水酸化物は、任意選択的に１つ〜５つの遷移金属元素の合金である。カソード活物質は、任意選択的に水酸化ニッケル系である。「水酸化ニッケル系」という用語は、本明細書では、水酸化ニッケルを主なカソード電気化学的活物質として含んでいるとして定義される。いくつかの態様では、カソードに使用される水酸化ニッケル系の材料は、活物質としてＮｉ（ＯＨ）２のみである。このようなカソード活物質は、当該技術分野において認識されているように市販されている。カソード活物質の実例は、（安定化されたディスオーダな正極材料を記載している）米国特許第５３４４７２８号明細書（U.S. Patent No. 5,344,728）および第５３４８８２２号明細書（U.S. Patent No. 5,348,822）、ならびに米国特許第５５６９５６３号明細書（U.S. Patent No. 5,569,563）および米国特許第５５６７５４９号明細書（U.S. Patent No. 5,567,549）において見出すことができる。
【００４１】
カソード活物質は、任意選択的に１つまたは複数の遷移金属元素を含む。カソード活物質に含まれる遷移金属元素の実例には、とりわけＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌが含まれる。任意選択的に、１つまたは複数の添加剤が供給される。Ｎｉ系のカソード活物質に使用される添加剤は、任意選択的にとりわけＣａ、Ｍｇ、Ｙ、Ａｌ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆ、Ｆｅ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｓｒ、Ｚｎ、もしくは１つまたは複数のランタニドである。いくつかの態様では、カソード活物質は、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＺｎの単独の水酸化物であるか、または添加剤、任意選択的にＣａまたはＭｇと一緒のＮｉ、Ｃｏ、およびＺｎの水酸化物である。任意選択的に、カソード活物質は、Ｎｉ９１Ｃｏ７Ｚｒ０．５Ｃａ１Ｍｇ０．５である。カソード活物質およびその製造方法の実例は、Fierro et al著のJournal of The Electrochemical Society, 153(3), A492-A496 (2006) において見出すことができる。カソード活物質の他の例は、米国特許第５３４８８２２号明細書（U.S. Pat. No: 5,348,822）および米国特許出願公開第２００５／０１５３２０４号明細書（U.S. Application Publication No: 2005/0153204）において見出すことができる。
【００４２】
パウチセルは、アノード活物質を有するアノードを含む。アノード活物質は、アルカリ性または非水系プロトン伝導性のバッテリに使用するために適している。いくつかの態様では、アノード活物質は、水素を電気化学的に貯蔵することができる。水素を電気化学的に貯蔵するということは、水素を可逆的に吸収および放出することが可能であることであると理解される。予期せぬことに、いくつかの態様では、比較的低い水素平衡圧（例えば、最大水素貯蔵容量の５０％において測定されたときの圧力として定義されるプラトー圧が０．８ａｔｍ以下）を有するアノード活物質を利用する場合、予想される動作温度および圧力においては望ましくない副反応が最小となるか、または存在しなくなるので、ガスが発生されたとしてもパウチセルが可能となることが発見された。したがって、アノード活物質は、任意選択的に３０℃において０．８気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有する。いくつかの態様では、アノード活物質は、３０℃において０．８、０．７５、０．７、０．６５、０．６、０．５５、０．５０、０．４５、０．４０、０．３５、０．３０、０．２５、０．２０、０．１５、０．１４、０．１３、０．１２、０．１１、０．１０、０．０９、０．０８、０．０７、０．０６、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２、０．０１気圧以下のＰＣＴプラトー圧を有する。任意選択的に、アノード活物質は、３０℃において０．０１〜０．８気圧、またはこれらの間の任意の値または範囲のＰＣＴプラトー圧を有する。任意選択的に、アノード活物質は、３０℃において０．０１〜０．３気圧のＰＣＴプラトー圧、任意選択的に３０℃において０．０５〜０．３気圧のＰＣＴプラトー圧を有する。
【００４３】
アノード活物質は、任意選択的に、結晶子のＡサイトにおける元素の量を変化させることによって０．８気圧以下の低い水素平衡圧を含むように組成的に調整される。パウチセルバッテリシステムにおいて有用性を有するＭＨ材料の１つの特定のグループは、ＡＢＸ型の材料として知られている。ＡＢＸ型の材料の実例は、例えば、米国特許第５５３６５９１号明細書（U.S. Patent 5,536,591）、米国特許第６２１０４９８号明細書（U.S. Patent 6,210,498）、米国特許第７２１１５４１号明細書（U.S. Patent 7,211,541）、米国特許第７３４４６７６号明細書（U.S. Patent 7,344,676）、米国特許第７３９３５００号明細書（U.S. Patent 7,393,500）、米国特許第８８７７３７８号明細書（U.S. Patent 8,877,378）、米国特許出願公開第２０１４／０３７４６５１号明細書（U.S. Patent Application Publication No: 2014-0374651）、および米国特許出願第１４／３４０９１３号明細書（U.S. Patent Application No: 14/340,913）に開示されている。任意選択的に、アノード活物質は、とりわけＡＢ２、Ａ２Ｂ７、またはＡＢ５の化学組成を有する。単位胞の種々の位置における元素を使用してそのサイズを増大させることにより、アノード活物質の合金を、ＰＣＴを用いて最大貯蔵容量の５０％において３０℃で測定したときに０．８気圧以下の水素平衡圧にすることができる。例えばＡＢ５合金について検討すると、Ａ位置においてＬａまたはＺｒのような比較的大きい原子サイズの元素を使用し、および／またはＢ位置においてＣｅおよびＴｉのような比較的小さい原子サイズの元素を使用することにより、その結果として単位胞の体積が相対的に増大することとなり、これによって水素平衡圧のプラトーレベルが低くなる。
【００４４】
同様にして、Ｘを減少させることによってＢの相対量を低下させるように化学量論を調整することにより、単位胞の格子サイズが増大することとなり、これによって水素平衡圧のプラトーが低くなる。例えば、ＡＢ４．８、ＡＢ４．９、またはＣａＣｕ５の組成の結晶構造の合金は、ＡＢ５．０合金よりも低いプラトー圧を有するだろう。
【００４５】
いくつかの態様によるパウチセルに使用されるようなアノード活物質は、任意選択的に水素化物形成金属成分（Ａ）を含む。水素化物形成金属成分は、任意選択的にランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、イットリウム、またはこれらの組み合わせ、またはミッシュメタルのような他の（１つまたは複数の）金属である。いくつかの態様では、水素化物形成金属成分はネオジムを含む。Ｂ成分は、任意選択的にアルミニウム、ニッケル、コバルト、銅、およびマンガンの群から選択される金属、またはこれらの組み合わせを含む。いくつかの態様では、Ｂ成分はニッケルを含む。Ａ成分、Ｂ成分、またはその両方を、任意選択的にシリコン、スズ、モリブデン、イットリウム、アンチモン、またはこれらの組み合わせを含みうる変性剤元素も一緒に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、コバルト、アルミニウム、またはこれらの組み合わせとすることができる１つまたは複数の元素によって部分的に置換することができる。特定の態様では、Ａ成分はネオジムを含み、Ｂ成分はニッケルを含む。
【００４６】
いくつかの態様では、アノード活物質は、合金材料の構造の内部において任意選択的にディスオーダされた３つ以上の遷移金属を含む。アノード活物質に含まれ得る遷移金属の実例は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｄ、またはこれらの組み合わせである。いくつかの態様では、遷移金属は、Ｃｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、またはこれらの組み合わせを含む。任意選択的に、ただ１つの遷移金属のみが主として存在する。任意選択的に、アノード活物質は、第１の遷移金属を主として含み、第２の遷移金属を５％以上の原子パーセントで含む。第２の遷移金属は、任意選択的に５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、または１５％以上の原子パーセントで存在する。いくつかの態様では、アノード活物質は、任意選択的に水酸化ニッケル系のディスオーダした材料を含み、なお、水酸化ニッケル系とは、主に水酸化ニッケルを意味する。
【００４７】
アノード活物質は、任意選択的に１つまたは複数の添加剤材料を含む。添加剤材料は、任意選択的にＡ成分、Ｂ成分、またはその両方に含まれる。任意選択的に、添加剤はマグネシウムである。例えば注意深く選択されたレベルでのマグネシウムの存在は、合金のディスオーダした結晶構造を促進する。任意選択的に、マグネシウムは、組成物全体において１〜１０原子パーセントのレベルで存在する。任意選択的に、マグネシウムは３．３原子パーセント未満で存在する。マグネシウムは、任意選択的に１０、９、８、７、６、５、４、３．２、３．１、３、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、または１原子パーセント未満で存在する。任意選択的に、マグネシウムのレベルは１〜３原子パーセントである。いくつかの態様では、マグネシウムのレベルは２．５〜２．８原子パーセントである。いくつかの態様は、Ａ成分中の添加剤としてのマグネシウムを、組成物全体に対して１〜３原子パーセントの全体量で、任意選択的に２．５〜２．８原子パーセントの全体量で含む。
【００４８】
アノード活物質は、任意選択的に２つ以上の相から形成される。任意選択的に、アノード活物質は、一次相と、１つまたは複数の二次相とを含む。一次相は、合金全体において主として存在する材料相である。いくつかの態様では、一次相はＡ２Ｂ７相によって表される。１つまたは複数の二次相も、任意選択的にアノード活物質中に存在する。任意選択的に、二次相の数は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、または７つ以上である。少なくとも１つの二次相は、任意選択的にアノード活物質の電気化学的性能に寄与する。いくつかの態様では、電気化学的に活性の二次相は、ＡＢ５相である。二次相は、合金の電気化学的性能に寄与することによって電気化学的に活性となり、二次相が活性レベルで存在しないシステムに比べて電気化学的性能の１つまたは複数の測定値を改善するために、一次相と共に相乗的に機能することができる。電気化学的性能の１つの例示的な測定値は、このような二次相が活性レベルで存在しない材料に比べて改善された高率放電特性（ＨＲＤ）である。
【００４９】
電気化学的に活性の二次相は、任意選択的に材料中に２％〜８％の相存在度で、またはこれらの間の任意の値または範囲の相存在度で存在する。任意選択的に、二次相は２％〜６％のレベルで存在する。任意選択的に、二次相は、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０、３．１、３．２、３．３、３．４、３．５、３．６、３．７、３．８、３．９、４．０、４．１、４．２、４．３、４．４、４．５、４．６、４．７、４．８、４．９、５．０、５．１、５．２、５．３、５．４、５．５、５．６、５．７、５．８、５．９、または６の相存在度のパーセンテージレベルで存在する。
【００５０】
アノード活物質は、任意選択的にｃ軸に沿って不規則に積層することよって、任意選択的にディスオーダされる。このような配置は、ａｂ平面に沿った平均結晶子サイズによって表すことができ、このａｂ平面に沿った平均結晶子サイズは、ｃ軸に沿った平均結晶子サイズよりも大きい。任意選択的に、ａｂ平面に沿った平均結晶子サイズは、ｃ軸に沿った平均結晶子サイズよりも少なくとも４０％大きい。任意選択的に、ａｂ平面に沿った平均結晶子サイズは、ｃ軸に沿った平均結晶子サイズよりも少なくとも４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、１００％、１０５％、１１０％、１１５％、または１２０％大きい。
【００５１】
アノード活物質は、ＰＣＴを用いて３０℃において測定されたときに０．８気圧以下の低い水素平衡圧を含むように、任意選択的に後成形処理によって調整される。後成形処理は、任意選択的にアニーリングを含むか、またはSrivastavaおよびSrivastava著のJournal of Alloys and Compounds, 1998; 267:240-245に記載されているようなメルトスピン処理によって行われる。
【００５２】
アニーリングの例では、インゴットは、複数の原材料を組み合わせて高周波誘導によって溶融させる方法のような、当該技術分野において十分に認識されている方法によって用意される。任意選択的に、Ａ成分としての水素化物形成金属と、Ｂ成分と、任意選択的に１つまたは複数の添加剤または変性剤元素とからなるインゴットが、アニーリング時間にわたって例えば９００℃以上のアニーリング温度でアニーリングされて、アノード活物質またはその一部が生成される。処理に使用されるアニーリング温度は９００℃以上である。任意選択的に、アニーリング温度は９２５℃〜９５０℃である。任意選択的に、アニーリング温度は９２５、９３０、９３５、９４０、または９５０℃である。アニーリング温度は、アニーリング時間にわたってインゴットに適用される。９２５℃〜９５０℃のアニーリング温度では、アニーリング時間は、任意選択的に３時間〜１５時間、またはこれらの間の任意の値または範囲の時間である。任意選択的に、アニーリング時間は４時間〜１０時間である。任意選択的に、アニーリング時間は４時間〜６時間である。任意選択的に、アニーリング時間は３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、または１５時間である。
【００５３】
アノード活物質は、任意選択的にメルトスピン処理によって形成される。例示的なメルトスピン処理は、複数の原材料の組み合わせを化学量論比で混合してペレット化し、次いで高周波誘導炉においてアルゴン雰囲気中で混合物を溶融することによって達成される。次いで、インゴットは、１０２〜１０３Ｋ−１Ｓ−１の冷却速度をもたらす、約５０００ｒｐｍの速度で回転する銅ホイール上に合金材料を注ぐことにより急速凝固に供される。
【００５４】
アノード活物質は、任意選択的に−１５ｋＪ／ｍｏｌ〜−４０ｋＪ／ｍｏｌ Ｈ２の間の水素化物形成熱、またはこれらの間の任意の値または範囲の水素化物形成熱によって特徴付けられる。いくつかの態様では、水素化物形成熱は−３５ｋＪ／ｍｏｌ〜−４０ｋＪ／ｍｏｌ Ｈ２の間である。任意選択的に、水素化物形成熱は−３５ｋＪ／ｍｏｌ、−３６ｋＪ／ｍｏｌ、−３７ｋＪ／ｍｏｌ、または−３８ｋＪ／ｍｏｌ以下である。ΔＨは、Van Mal et al.著のJ. Less Common Metals, 1974; 35:65 およびPasturel et al.著のJ. Less Common Metals, 1982; 84:73のモデルおよび方程式を使用して計算可能であることが理解される。当該技術分野において公知の他の方法も同様に使用することができる。
【００５５】
アノード活物質またはカソード活物質は、ボールミル粉砕、衝撃粉砕、アトライター粉砕のような機械式の合金化プロセスによって形成することができ、このような合金化プロセスは、粒子を少なくとも部分的に機械式に合金化するために使用することができる。いくつかの態様では、活物質は、誘導溶融によってインゴットに成形され、このインゴットは、アルゴンのような不活性ガス中でアニーリングに供される。アノード活物質またはカソード活物質は、任意選択的に米国特許出願公開第２０１２／０００９４７６号明細書（U.S. Patent Application Publication No: 2012/0009476）に記載されているような共沈法によって形成される。
【００５６】
アノードまたはカソードは、大量の活性粉末材料と、合成樹脂粉末などのような任意選択の少量の結着剤材料（任意選択的に溶媒の重量の１〜１０％）とを溶媒中で混合してスラリーを用意し、その結果として得られたスラリーを基材に塗布した後、乾燥させて、任意選択的にプレスすることによって形成することができる。結着剤の例には、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリビニルフルオライド、および以下のものを有するポリマー、すなわちエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリル化ＳＢＲ、エポキシ樹脂、およびナイロンを有するポリマーが含まれるが、これらには限定されない。溶媒の例には、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、または非プロトン性の溶媒が含まれる。例示的な溶媒には、ＳＭＥＯ、Ｎ−メチルピロリドン（ＭＮＰ）、エチレングリコール、および水が含まれる。
【００５７】
混合物は、ペーストを形成するためにカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の水溶液のような増粘剤を含むこともできる。いくつかの態様では、電極活物質に、任意選択的には銅に、伝導促進剤が含まれる。
【００５８】
活物質のペーストは、電気化学的に導電性の基材上に積層またはプレスすることができ、この基材は、任意選択的にプレートまたはシートの形態であり、任意選択的に多孔質であり、任意選択的にニッケルまたはニッケルめっき鋼、銅、アルミニウム、もしくはこれらの組み合わせから形成されている。基材は、パンチシート、パーフォレートシート、エキスパンドプレート、またはエキスパンドスクリーンなどとすることができる。活物質を基材に接触させた後、その結果として得られたアノードまたはカソードを焼結させることができる。多孔質金属基材の形態は、任意選択的にメッシュ、グリッド、マット、箔、発泡体、プレート、およびエキスパンドメタルを含むが、これらには限定されない。任意選択的に、多孔質金属基材は発泡体である。いくつかの態様では、多孔質金属基材は、銅、銅めっきニッケル、または銅ニッケル合金から形成される。過酷なバッテリ環境から多孔質金属基材を保護するために、電気伝導性であるがバッテリ環境での腐食に対して耐性のある材料によって、多孔質金属基材にめっきすることができる。いくつかの態様では、多孔質金属基材を、ニッケルによってめっきすることができる。
【００５９】
活物質が基材上に圧縮された（そして場合によっては焼結された）後、銅めっきを施すことによって電極の導電率を増加させることもできる。銅めっきは、パターニングされていても、またはパターニングされていなくてもよい。銅めっきは、電極の導電性を増加させるのと同様に、活物質が基材に付着したまま留まることを保証する追加的な手段を提供する。
【００６０】
パウチセルは、電解質を含む。電解質は、任意選択的にプロトンまたはヒドロキシルイオンを伝導することができる電解質であり、および／またはプロトンまたはヒドロキシルイオンを伝導するために使用される電解質である。電解質は、任意選択的にアルカリ性の電解質である。電解質は、任意選択的に液体電解質または固体電解質である。いくつかの態様では、電解質はゲル電解質または固体電解質である。電解質は、非水系電解質とすることができる。なお、非水系電解質とは、電解質が、当該技術分野において「有意量」であると認められる有意量の水を含有しないことを意味する。電解質は、任意選択的にポリマーまたはゲルの形態のような固体電解質である。この文脈において、ポリマー電解質を真のポリマーとすることができるか、もしくは少なくとも１つの低分子量有機液体の添加によってポリマーを可塑化またはゲル化することができる。
【００６１】
電解質は、任意選択的に液体電解質、任意選択的にアルカリ性の電解質である。電解質の実例は、任意の適切な濃度、任意選択的に水中で２０〜４５重量％の濃度の、とりわけＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２である。
【００６２】
電解質は、任意選択的に水系または非水系の固体ポリマー電解質である。このようなポリマー電解質の実例は、ポリ（エチレンオキシド）、水酸化カリウム、および水から形成される。アルカリ性の電解質を形成するために有用な他のポリマー材料には、ポリ（エチレンオキシド）、またはポリ（ビニルアルコール）、またはポリ（アクリル酸）、またはそれぞれＫＯＨまたはＮａＯＨを有するエピクロロヒドリンおよびエチレンオキシドのコポリマーが含まれる。
【００６３】
電解質の他の例には、とりわけ当該技術分野において公知の、酸が添加された有機溶液（例えばプロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、またはポリビニルアルコール（ＰＶＡ））、プロトン性イオン液体（例えば、ジエチルメチルアンモニウムトリフルオロメタンスルホネート（ＤＥＭＡ ＴｆＯ）、トリエチルアミン：メチルスルホン酸（［Ｅｔ３Ｎ］［ＭｓＯＨ］）、２−メチルピリジン：トリフルオロメタンスルホン酸（１：２）、または１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド（ＥＭＩ−ＤＣＡ））、酸が添加された非プロトン性イオン液体、が含まれる。
【００６４】
電解質は、任意選択的にプロトン性イオン液体である。プロトン性イオン液体の電解質は、ブレンステッド酸からブレンステッド塩基へのプロトン移動から形成される。このような電解質材料の実例には、国際特許出願公開第２０１４１５３６４２号明細書（WO2014153642）に記載されているものが含まれる。ＤＥＭＡ−ＴｆＯ対の場合、ＤＥＭＡは、脱着可能なプロトンを有する酸である。
【００６５】
電解質は、任意選択的に単独でまたはセパレータと組み合わせて使用することができる固体電解質である。固体アルカリイオン伝導性材料の実例には、米国特許第８０１２６２１号明細書（U.S. Patent No. 8,012,621）に記載されているような、ＭｅがＮａ、Ｋ、またはＬｉである金属超イオン伝導性材料が含まれる。他の例には、米国特許出願公開第２０１２／０１８３８３５号明細書（U.S. Patent Application Publication No: 2012/0183835）に開示されているペロブスカイト酸化物セパレータが含まれる。
【００６６】
バッテリは、任意選択的にアノードとカソードとの間に１つまたは複数のセパレータを含む。セパレータに液体電解質材料を染み込ませてもよく、またはセパレータは、バッテリ機能に必要なイオンに対して十分に導電性である限り、実質的に非多孔質であってもよい。伝統的なセパレータには、例えばガラス、セルロース系ポリマー、ビニルポリマー、ポリオレフィン、またはポリアミドのような種々の材料からなる、織布状またはフェルト状の繊維のような形態のセパレータが含まれる。セパレータは、任意選択的に水酸化物イオンを透過させる不織布、フェルト、ナイロン、またはポリプロピレン材料であり、セパレータに電解質を適切に染み込ませてもよい。
【００６７】
パウチセルバッテリは、任意選択的にバッテリ保護回路を含む。バッテリ保護回路は、単独でまたは他の装置と組み合わせてバッテリ電圧を測定し、温度を測定し、かつ任意選択的に各サイクルの充電状態を記録することができる電子制御装置である。バッテリ保護回路は、バッテリの集電体と直接的に接続されている点で、およびいくつかの態様では、バッテリによって電力供給される装置またはバッテリを充電するための装置に関連付けられていないという点で、バッテリと一体であることが理解される。このようにしてバッテリは、個々のバッテリ充電制御を設計する必要性または組み込む必要性なしに、種々の装置によって電力供給すること、または充電されることが可能である。バッテリ保護回路の例には、TI Instrument Inc.社製のLM3641およびSeiko Instrument Inc.社製のS8232が含まれる。
【００６８】
バッテリ保護回路は、任意選択的に時間に対するバッテリ電圧の変化率（ｄＶ／ｄｔ）を測定することができる。このようなシステムは一般的であり、当技術分野において市販されている。例としては、ｄＶ／ｄｔ勾配検出式充電終了アルゴリズム（dV/dt slope-sensing charge-termination algorithms）を含む、Maxim Integrated Inc.社のMAX712およびMAX713や、Freescale Semiconductor Inc.社のMC68HC908JL3がある。充電終了の検出に電圧降下（−ｄＶ）を用いる方法は、バッテリの容量に基づいて充電中の電圧レベルのあらゆる変化として充電終了を検出する電子機器によって使用される。したがって、バッテリ保護回路は、時間の経過に伴うバッテリ電圧の変化率を測定するｄＶ／ｄｔ検出器を含む。この変化率が、所定の率またはレベル以上に増加していることが判明すると、またはＮｉＭＨバッテリのピーク充電に到達した場合のように平坦になっていることが判明すると、ｄＶ／ｄｔフラグがセットされる。このフラグは、充電の終了が近づいているか、または充電の終了に達したことを示すものでもある。充電終了点（〜９０％容量点）に近づくと、バッテリ電圧は、上昇してピークで横ばいになり、その後、降下するか（ニッケルカドミウムバッテリの場合）、または平坦になる（ニッケル金属水素化物バッテリの場合）。ピークが横ばいになる点または降下する点が、バッテリの最大充電状態である。
【００６９】
いくつかの態様では、バッテリ保護回路は、ゼロボルト検出器（ゼロｄＶ／ｄｔ）を含む。ゼロｄＶ／ｄｔ検出器は、バッテリの最大充電状態として一定の時間枠内で平坦な勾配が検出されるまで、バッテリ電圧の勾配を測定する。この平坦な勾配は、バッテリがピーク電圧に到達したことを示し、特に満充電状態で顕著な電圧降下を何ら示さない可能性があるニッケル金属水素化物バッテリの場合に、充電終了を示すものとして使用することができる。
【００７０】
いくつかの態様では、時間に対してバッテリ温度が測定される（ｄＴ／ｄｔ）。この率が一定の限界値を超えると、セル温度が急上昇していることを示すｄＴ／ｄｔフラグがセットされ、これは通常、バッテリの充電終了の直前に該当する。任意選択的に充電前、充電中、および充電後にバッテリの温度を測定するために、バッテリ保護回路の一部として標準的なサーミスタが使用される。
【００７１】
任意選択的に、ｄＶ／ｄｔフラグまたはｄＴ／ｄｔフラグは、満充電の９０％を超過しないように、任意選択的に満充電の８５％を超過しないように、任意選択的に満充電の８０％を超過しないように充電を終了すべきであることを示すものである。
【００７２】
電圧変化または温度変化を経時的に測定するためのシステムおよび方法の実例は、米国特許第５４８９８３６号明細書（U.S. Patent Nos. 5,489,836）、第５９９８９６６号明細書（U.S. Patent Nos. 5,998,966）、第５７７３９５６号明細書（U.S. Patent Nos. 5,773,956）、および第６７０７２７３号明細書（U.S. Patent Nos. 6,707,273）において見出すことができる。
【００７３】
いくつかの態様では、バッテリ保護回路は、充電または放電の電流を検出するための電流検出器を含む。充電状態を計算および決定するために、電流検出器からの出力を使用することができる。
【００７４】
いくつかの態様では、バッテリ保護回路は、セルの使用（電流および持続時間）を記録することによって充電状態（ＳＯＣ）を追跡するための部分を含む。充電の終了は、温度と電圧の組み合わせによって決定することができ、ＳＯＣを決定するために重要なセル容量を較正するために使用される。バッテリの充電状態を測定または計算するために、電流検出器、ｄＶ／ｄｔ検出器、ゼロｄＶ／ｄｔ検出器、またはｄＴ／ｄｔ検出器を使用することができる。ＳＯＣを決定する方法は、米国特許第６５２２１４８号（U.S. Patent No: 6,522,148）において見出すことができる。
【００７５】
いくつかの態様では、バッテリ保護回路は、現在のバッテリ充電状態または他の所望のパラメータに依存してバッテリの充電率または放電率を調整または終了する。例えばバッテリが充電最大ＳＯＣに到達した場合には、バッテリ保護回路は、任意選択的に充電を終了するか、または充電率を「トリクル」値に調整して、バッテリにおける最大充電ＳＯＣを維持するか、または最大充電ＳＯＣまで充電するか、またはその両方を行う。トリクル充電率は、任意選択的に所定のトリクル充電時間が経過すると終了されるか、または無期限に維持される。充電率を調整するための回路および方法は、例えば、米国特許第５４８９８３６号（U.S. Patent No: 5,489,836）において見出すことができる。
【００７６】
いくつかの態様では、充電は、バッテリ最大値の９０％未満である充電最大ＳＯＣに到達すると終了される。バッテリ最大ＳＯＣは、バッテリの特定の種類、スタイル、サイズ、構成、またはその他のパラメータに応じて任意選択的に決定される。バッテリ保護回路は、任意選択的に、バッテリ保護回路に関連する特定のバッテリに関してＳＯＣの最大値を格納し、充電中のバッテリに関する現在のＳＯＣを予め決定されたＳＯＣと比較する。充電最大ＳＯＣに到達すると、バッテリ保護回路は、充電プロセスを終了する。充電最大ＳＯＣは、任意選択的にバッテリ最大ＳＯＣの９０％以下、任意選択的にバッテリ最大ＳＯＣの８５％、８０％、７５％、または７０％以下である。本発明者らは、バッテリ最大ＳＯＣの９０％でバッテリの充電を終了すると、システム内で気圧が低いまま留まり、これによってバッテリが最大内部気圧を超過することが防止され、アルカリ性のパウチセルバッテリの機能が可能となることを発見した。
【００７７】
図２は、適切なＳＯＣでバッテリ充電を終了するために、測定されたＳＯＣおよびバッテリ最大ＳＯＣを使用するバッテリ充電の１つの態様のフローチャートを示す。ＳＯＣ検出器は、電流検出器（Ｉ）、ｄＶ／ｄｔ検出器、ゼロｄＶ／ｄｔ検出器、またはｄＴ／ｄｔ検出器を含む多くの考えられる供給源の１つから入力を受信して、バッテリの現在のＳＯＣを計算する。現在のバッテリＳＯＣが充電最大ＳＯＣ以上である場合には、充電プロセスが終了し、ＳＯＣがメモリ装置に格納される。現在のバッテリＳＯＣが充電最大ＳＯＣを下回っている場合には、充電プロセスが時間（ｔ）にわたって継続され、その後、現在のバッテリＳＯＣがもう一度決定される。現在のバッテリＳＯＣの各検出の間の時間は、ユーザによって設定されてもよいし、またはバッテリ保護回路に対して一定であり、かつ積分されてもよい。時間ｔは、１ミリ秒〜１０秒以上の任意の値とすることができる。いくつかの態様では、現在のバッテリＳＯＣは、時間ｔがゼロまで減少したところで継続的に決定される。
【００７８】
充電最大ＳＯＣでバッテリ充電を終了することにより、ハウジングの内側の内部気圧が目標値以下に維持され、これによって望ましくないバッテリの膨張または故障が防止される。
【００７９】
本開示の種々の態様を、以下の非限定的な実施例によって例示する。これらの実施例は説明するためのものであり、本開示のいかなる実施も限定するものではない。本開示の理念および範囲から逸脱することなく、変更および修正を行うことができることが理解されるであろう。
【実施例】
【００８０】
実施例１：
例示的なアルカリ性のパウチセルバッテリは、２ｃｍ×２ｃｍの電極サイズを有する電極を使用して構成された。正極は、乾燥混合物として形成された８０％Ｎｉ（ＯＨ）２および２０％のグラファイト−ＰＴＦＥ混合物（ＴＡＢ２）から形成され、電極基材であるニッケルスクリーン上に積層された。負極は、Ｌａ（１０．５）、Ｃｅ（４．３）、Ｐｒ（０．５）、Ｎｄ（１．４）、Ｎｉ（６０．０）、Ｃｏ（１２．７）、Ｍｎ（５．９）、およびＡｌ（４．７）の原子パーセントで構成されたものを含むＡＢ５系合金である。負極材料を形成および試験する方法は、Young, et al.著のJ. Alloys Cpds, 2014; 585:760-770に記載されている。負極活物質は、原料を組み合わせて、未加工インゴットをＭｇＯるつぼ中のアルゴン雰囲気中で誘導溶融に供することにより形成される。インゴットは、９６０℃で１０時間、真空中（１×１０−８ｔｏｒｒ）でアニーリングされた。負極材料は、鈴木商館社の多チャンネル型の圧力・濃度・温度（ＰＣＴ）システムを使用して気相水素貯蔵特性について分析された。ＰＣＴ分析では、まず始めに各試料が、２５ａｔｍのＨ２圧力で３００℃と室温の間の範囲の２時間の熱サイクルによって活性化された。次いで、３０℃におけるＰＣＴ等温曲線が測定された。その結果として得られた材料の、ＰＣＴプラトーの中点は、約０．８ａｔｍであった。
【００８１】
アノード活物質は、１０トンのプレスによってニッケルスクリーン基材上に圧縮され、結着剤なしで厚さ約０．２ｍｍの負極として機能する電極が形成される。MTI（カリフォルニア州リッチモンド）社から購入した、予めテープが貼付された４ｍｍ幅のニッケルタブが、各電極上に溶接された。このテープは、３層積層強化硫化ポリマー樹脂からなる接着性ポリマーである。グラフト化ポリプロピレン／ポリエチレンのセパレータ片が、半分に折り畳まれ、プラスチックバッグシーラーによって３つの縁部がホットシールされ、セパレータポケットが形成される。負極は、セパレータポケット内に配置され、その一方で正極は、ポケットの外側で負極の真上に配置される。両方の電極のニッケルタブは、電極アセンブリの同じ側にある。
【００８２】
（外側から内側の順に）ポリアミド、ポリエステル−ポリウレタン接着剤、アルミニウム箔、ウレタンフリー接着剤、およびポリプロピレン（MTI社製、カリフォルニア州リッチモンド、モデル番号：EQ-PLiB-302025）からなる積層パウチ材料が折り畳まれ、折り畳まれたパウチの外側にニッケルタブを残した状態で、電極アセンブリの周りに巻き付けられる。電極アセンブリの位置は、タブ上の予めテープが貼付された区域がパウチの縁部の近傍にくるように調整される。パウチは、起こり得るガスの発生に対応するために必要に応じてトリミングされる。まず始めに、パウチの予めテープが貼付された領域を有する縁部がパウチヒートシーラーによってシールされ、その後、パウチの他の２つの縁部がヒートシールされる。電解質として３０％ＫＯＨの水溶液が用意され、残りの開いている縁部からパウチに注入される。次いで、開いている端部がヒートシールされて、パウチセルバッテリが形成される。
【００８３】
形成されたパウチセルは、表１に示すような以下の特性を有する。
【００８４】
【表１】
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【００８５】
正極の比容量は、２４０ｍＡｈ／ｇである。全体の理論セル容量は、１０６．２９６ｍＡｈである。これは、７８．４２Ｗｈ／ｋｇのエネルギ密度を生じさせる。
【００８６】
セルは、２５ｍＡ／ｇの充放電率による一連の充放電サイクルに供される。その結果として得られたセル電圧が測定され、図３Ａに示すように試験時間に対してプロットされている。次いで、エネルギ密度が、放電容量＊平均放電電圧／合計セル重量として計算される。測定されたエネルギ密度は、図３Ｂにプロットされている。サイクル２で開始する測定されたエネルギ密度は、計算されたエネルギ密度と良好に一致する。
【００８７】
実施例２：
第２のアルカリ性のパウチセルは、第２セットの電極活物質の種類を使用して、実施例１のように形成される。ペースト状の正極は、厚さ約０．７ｍｍのニッケル発泡体基材上に、Ｎ８３Ｃｏ１２Ｚｎ５（ＯＨ）２の活物質と、５％Ｃｏ、６％Ｃｏ（ＯＨ）２、および３％ＰＶＡの添加剤とから形成されている。負極は、実施例１のように誘導溶融によって用意された約７０ｍｇのＬａ１０．０Ｃｅ５．０Ｎｉ６８．７Ｃｏ４．７Ｍｎ４．３Ａｌ５．６Ｃｕ１．２Ｚｒ０．２Ｓｉ０．３の金属水素化物合金粉末であり、１０トンのプレスによってエキスパンドニッケル基材上に圧縮され、結着剤なしで厚さ約０．２ｍｍの負極として機能する電極が形成された。この合金のプラトー圧は０．６１ａｔｍである。この結果として得られた１．２のＮ／Ｐ比が、負極活物質に対して使用される正極活物質の量を計算するために使用された。この結果として得られた正極および負極は、実施例１で行われたようにパウチセル構造に組み立てられた。最初の７サイクルで得られた容量が、単位ｍＡｈで表２に示されている。
【表２】
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【００８８】
本明細書において挙げられた特許、刊行物、および出願は、本開示が関連する技術分野における当業者の水準を示すものである。これらの特許、刊行物、および出願は、それぞれの個々の特許、刊行物、または出願が参照によって本明細書に明確かつ個々に組み込まれているかのように、同程度に参照によって本明細書に組み込まれる。
【００８９】
上記を考慮して、本開示の他の修正および変形が実施され得ることを理解すべきである。上記の図面、考察、および説明は、本発明のいくつかの特定の態様を例示するものであって、本発明の実施を限定することを意図したものではない。本発明の範囲を画定するのは、全ての同等のものを含む以下の特許請求の範囲である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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