(57)【要約】電池システム及びその製造方法を開示する。電池システムは、陽極、陰極及び電解質で構成される１つ以上の層を含んでもよい。電解質は、固体でもよく、高密度でもよく、薄くてもよい。電解質は、同心円筒形状または螺旋形状などの非平面形状で構成されてもよい。陽極と、陰極と、電解質の一部とを囲むハウジングに密封材を付着させて、電極と電極との接触を防止するようにしてもよい。電池システムの製造方法は、電解質を形成する材料を超音波処理することと、層内の材料を硬化させることとを含んでもよい。陽極材料及び陰極材料は、電解質に付着され、ハウジング内に囲まれる。密封材は、陽極と陰極の間の接触を妨げるように付着される。
2018530144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極であって、前記陽極の少なくとも一部が液体であり、第１の厚さを有する前記陽極と、
陰極であって、前記陰極の少なくとも一部が液体であり、第２の厚さを有する前記陰極と、
固体であり、かつ少なくとも９５％の密度を有する電解質であって、第３の厚さを有し、前記第３の厚さが、前記第１の厚さまたは前記第２の厚さの少なくとも一方の少なくとも１／１０である前記電解質と、
前記陽極と、前記陰極と、前記電解質の少なくとも一部とを囲むハウジングと
を含む電池。
【請求項２】
前記陽極、前記陰極及び前記電解質が同心円筒形状で構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第３の厚さが０．５ミリメートル未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第３の厚さが１０ミリメートル未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記電解質が、α−アルミナ粉末、酸化ナトリウム粉末及び酸化リチウム粉末から構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ハウジングの両端に配置された複数の溝であって、前記電解質の一部が前記複数の溝を通って前記ハウジングの外部まで延びるようにサイズ調整された前記複数の溝を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記陽極と前記陰極が互いに分離されるように前記溝の少なくとも一部を覆う密封材を更に含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
固体であり、かつ少なくとも９５％の密度を有する電解質であって、２つ以上の層のそれぞれが同心円筒形状を有する２つ以上の層で構成されている前記電解質を含み、
前記２つ以上の層のうちの少なくとも１つにおいて、
陽極を表す第１の材料が前記電解質の第１の側に配置され、前記第１の材料が液体状態にあり、
陰極を表す第２の材料が前記電解質の第２の側に配置され、前記第１の側が前記第２の側に対向し、前記第２の材料が液体状態にある、電池。
【請求項９】
複数の溝であって、前記電解質の一部が前記溝を通って延びるように構成された前記複数の溝を有するハウジングを更に含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ハウジングが、第１の側部と、前記第１の側に対抗する第２の側とを有し、前記複数の溝が、前記ハウジングの前記第１の側及び前記第２の側に配置され、前記システムが、密封材であって、前記溝を通って延びる前記電解質の前記一部を前記密封材が覆うように前記ハウジングの前記第１の側及び前記第２の側の少なくとも一部を覆う前記密封材を更に含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記密封材が、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）ＦＥ５３８２ポリアミド樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ）またはポリアミド樹脂ＰＡ６１２−ＧＦ３３である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記溝は、面取りされ、傾斜が付けられ、または丸められている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電解質が１０マイクロメートル未満の厚さである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
α−アルミナ粉末、酸化ナトリウム粉末及び酸化リチウム粉末を含む組成物を超音波処理することと、
層内の前記組成物を硬化させて固体電解質を生成することであって、前記電解質が１０マイクロメートル未満の厚さを有する、前記生成することと、
陽極として機能する第１の材料を前記電解質の第１の側に付着させることと、
陰極として機能する第２の材料を前記電解質の第２の側に付着させることと、
前記陽極と、前記陰極と、前記電解質の第１の部分とを、溝であって、前記電解質の第２の部分が前記溝を通って前記ハウジングの外部まで延びるようにサイズ調整された前記溝を有するハウジング内に囲むことと、
前記ハウジングの前記外部に密封材を、前記電解質の前記第２の部分が前記密封材によって少なくとも部分的に覆われるように付着させることと
を含む、電池の製造方法。
【請求項１５】
前記α−アルミナ粉末が１マイクロメートル未満の粒径を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸化ナトリウム粉末が前記組成物の約８．８５重量％であり、前記酸化リチウム粉末が前記組成物の約０．７５重量％である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記硬化が実施される表面が約１，５００℃に維持される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記硬化が選択的レーザ焼結によって実施される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記硬化がステレオリソグラフィによって実施される、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
電解質の厚さと陽極の厚さとの比が少なくとも１／１０である、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連案件の相互参照
本非仮出願は、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｂａｔｔｅｒｙ  ｗｉｔｈ  ａｎ  Ｕｌｔｒａ−Ｔｈｉｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」と題する、２０１５年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６２／２３８，６９８号に対する優先権を主張するものであり、その全体が参照により本出願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
電池は、多くの用途においてエネルギーを蓄積し、電気を供給する能力を提供する。航空宇宙や自動車などの用途において電池を使用する場合、現在の電池技術にいくつかの制限があることが明らかになる。これらの制限には、いくつか例を挙げると、大量のエネルギーを必要とする用途に対するエネルギー密度の制限、充電／放電サイクルに起因する電池性能の低下、大きい電池質量、高動作温度、及び電解質の破損が含まれる。これらの制限のうち、電解質の割れによって電極と電極との接触が生じることは、最も一般的な破損の種類のうちの１つと言える。この問題を解決するために、低密度で厚い電解質が、電解質の耐久性をより高めるために使用されてきた。しかしながら、低密度で厚い電解質を用いると、内部抵抗が増大して動作温度が上昇し、それによって電池性能が低下する。加えて、通常の電池は、単純な平面形状を採用しているが、それによって性能や、所与の用途に合わせたカスタマイズが制限される。
【０００３】
このように、上記の電池にはいくつかの欠点がある。例えば、比較的厚い電解質では、動作温度がより高くなり、電池が使用され得る用途の多様化が制限される。
【発明の概要】
【０００４】
添付図面を参照して詳細な説明を以下に記載する。各図面において、参照番号の左端の桁（複数可）は、その参照番号が最初に現れる図面を識別する。異なる図面において同一の参照番号を使用することは、類似または同一の項目であることを示す。添付図面に描写された装置は一定の比率ではなく、図面内の構成要素は、互いに一定の比率で描写されていなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】例示的な電池システムの側断面図を示す。
【図２】例示的な電池システムの斜視図を示す。
【図３】例示的な電池システムの上部断面図を示す。
【図４】例示的な電池システムの側断面図を示す。
【図５】別の例示的な電池システムの側断面図を示す。
【図６】別の例示的な電池システムの上部断面図を示す。
【図７】例示的な電池システムの製造方法のフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
概要
本開示は、例示的な電池システム及びその製造方法について説明する。
【０００７】
本明細書で説明された電池システムは、例えば、高密度の薄い固体電解質を使用することにより、高エネルギー密度を提供し、電池質量を減少させ、動作温度を低下させ、電解質の破損を低減させる。電池システムは、選択的レーザ焼結またはステレオリソグラフィを用いて製造されてもよく、それにより、同心円筒形状や螺旋形状などの、各種のユニークな電池構成が可能となり得る。例えば、同心の楕円形、三角形、正方形及び他の多角形形状など、他の構成が使用されてもよい。従って、本開示の電池システムを使用することの利点のいくつかは、電池の長寿命化、エネルギー蓄積の増加、及び所与の用途に合わせたカスタマイズ可能な構成を含むが、これらに限定されることはない。
【０００８】
一例において、システムは、１つ以上の陽極及び１つ以上の陰極を含んでもよい。陽極及び陰極は、液体状態または部分的に液体状態でもよい。電解質は、固体でもよく、陽極と陰極の間に配置され得る。電解質は、例えば、少なくとも９５％の理論的密度など、比較的高密度でもよい。加えて、電解質は、陽極または陰極の厚さの１／１０以下の厚さを有してもよい。ハウジングは、陽極と、陰極と、電解質の少なくとも一部とを囲んでもよい。複数の例において、陽極、電解質及び陰極で構成される２つ以上の層が存在してもよい。
【０００９】
別の実施形態において、システムは、２つ以上の層のそれぞれが同心円筒形状を有する２つ以上の層で構成された固体電解質を含んでもよい。２つ以上の層のうちの少なくとも１つにおいて、陽極として機能する第１の材料が電解質の第１の側に配置されてもよく、陰極として機能する第２の材料が電解質の第２の側に配置されてもよい。
【００１０】
さらに別の実施形態において、電池システムの製造方法は、例えば、超音波振動により、α−アルミナ粉末、酸化ナトリウム粉末及び酸化リチウム粉末のうちの１種以上を含み得る組成物を超音波処理することを含んでもよい。方法は、層内の組成物を硬化させて固体電解質を生成することを更に含んでもよい。この電解質は、例えば、１０マイクロメートル未満の厚さを有し得る。硬化は、例えば、選択的レーザ焼結またはステレオリソグラフィによって実施されてもよい。方法は、陽極として機能する第１の材料を電解質の第１の側に付着させることと、陰極として機能する第２の材料を電解質の第２の側に付着させることとを含んでもよい。方法は、陽極と、陰極と、電解質の第１の部分とを、溝であって、電解質の第２の部分が当該溝を通ってハウジングの外部まで延び得るようにサイズ調整された溝を有し得るハウジング内に囲むことを更に含んでもよい。更に、方法は、ハウジングの外部に密封材を、電解質の第２の部分が当該密封材によって少なくとも部分的に覆われるように付着させることを含んでもよい。密封材は、陰極と陽極の間の障壁または部分的な障壁として機能し得る。
【００１１】
本開示は、本明細書に開示されたシステム及び方法の構造、機能、製造及び使用の原理に対する全体的な理解を与える。本開示の１つ以上の例を添付図面に例示する。当業者は、本明細書に明確に説明され、添付図面に例示されたシステム及び方法が非限定的な実施形態であることを理解するであろう。ある実施形態に関連して例示または説明された特徴は、システムと方法の間などで、他の実施形態の特徴と組み合わされてもよい。このような修正及び変形は、添付された特許請求の範囲内に含まれることが意図される。
【００１２】
更なる詳細について、いくつかの例示的な実施形態を参照して以下で説明する。
【００１３】
例示的な電池システム
図１は、電池システム（１００）の一例を示す。システム１００は、１つ以上の陽極１０２及び１つ以上の陰極１０４を含んでもよい。４つの陽極１０２（ａ）〜１０２（ｄ）を一例として図１に示す。３つの陰極１０４（ａ）〜１０４（ｃ）を一例として図１に示す。より多くの、またはより少ない陽極１０２及び／または陰極１０４が存在してもよい。陽極１０２及び陰極１０４は、液体状態または部分的に液体状態でもよい。陽極１０２は第１の厚さを有してもよく、陰極１０４は第２の厚さを有してもよい。システム１００は、１つ以上の電解質１０６を含んでもよい。６つの電解質１０６（ａ）〜１０６（ｆ）を一例として図１に示す。より多くの、またはより少ない電解質１０６が存在してもよい。陽極１０２は、例えば、ナトリウム金属などの導電材料を含んでもよい。陰極１０４は、好適な基準セル電位及び可逆的化学反応を提供するような第２の材料を含んでもよい。
【００１４】
システム１００は、Ｎ個の陰極及びＮ＋１個の陽極（Ｎは任意の整数である）を含んでもよく、それらの幅及び体積を均一または不均一にして電力密度を可変できるようにしてもよい。システム１００は、平面形状、または、例えば、Ｎ＋１個の独立した電池セルに（Ｎ＋１）*Ｅ（セル）の複合電圧を提供する同心円筒形状に組み立てられてもよい。
【００１５】
電解質１０６は、実質的に固体でもよく、少なくとも９５％の密度を有してもよい。複数の例において、電解質１０６の密度は、理論的な質量密度の少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％でもよい。複数の例において、電解質１０６の密度は、約８５％〜約９９％の間、約９０％〜約９９％の間、約９０％〜約９７．５％の間、約９３％〜約９７％の間、または約９４％〜約９６％の間でもよい。電解質１０６は、第３の厚さを有してもよく、この厚さは、陽極１０２の第１の厚さ及び／または陰極１０４の第２の厚さより薄くてもよい。複数の例において、電解質１０６の第３の厚さは、約１ミリメートル未満、約５００マイクロメートル未満、約４００マイクロメートル未満、約３００マイクロメートル未満、約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約２０マイクロメートル未満、または約１０マイクロメートル未満でもよい。複数の例において、電解質１０６は、約１ミリメートル〜約１０マイクロメートルの間、約５００マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、約２００マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、約１００マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、約２５マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、または約２０マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間の厚さを有してもよい。複数の例において、電解質１０６は、約１０マイクロメートル〜約５マイクロメートルの間でもよい。複数の例において、電解質１０６の第３の厚さは、例えば、陽極１０２の第１の厚さ及び／もしくは陰極１０４の第２の厚さの約１／１０、または、第１の厚さ及び／もしくは第２の厚さの約１／１５もしくは約１／２０もしくは約１／２５でもよい。電解質１０６は、陰極種及び陽極／陰極反応生成物に対して不浸透性を保持しつつ、酸化された陽極化学種の好適なイオン伝導度を有する材料を含んでもよい。
【００１６】
システム１００はハウジング１０８を含んでもよい。ハウジング１０８は、第１のハウジングでもよく、陽極１０２、陰極１０４及び電解質１０６の全てまたは一部を囲んでもよい。複数の例において、ハウジング１０８は、電解質１０６の第１の部分のみを囲んでもよく、その一方で電解質１０６の第２の部分は、ハウジング１１０内の１つ以上の溝１１０を通って延びてもよい。溝１１０は、ハウジングの両端に１１０に配置されてもよく、電解質１０６が溝１１０を通ってハウジング１０８の外部まで延びるようにサイズ調整されてもよい。１２個の溝１１０を一例として図１に示す。より多くの、またはより少ない溝１１０が存在してもよい。ハウジング１０８は、高温を許容し、かつ化学反応で生成される反応性化学物質に対して耐性を示す低密度ポリマー材料を含んでもよい。このような材料は、例えば、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）ＦＥ５３８２ポリアミド樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ）またはポリアミド樹脂ＰＡ６１２−ＧＦ３３でもよい。
【００１７】
複数の例において、陽極１０２及び／または陰極１０４は、均一な、または異なる厚さを有してもよい。例えば、陽極１０２（ａ）は、陽極１０２（ｂ）より厚くてもよく、または薄くてもよい。加えて、電解質１０６は、均一な、または異なる厚さを有してもよい。例えば、電解質１０６（ａ）は、電解質１０６（ｂ）より厚くてもよく、または薄くてもよい。陽極１０２は、任意の被酸化性金属、より具体的には、ナトリウム金属を含んでもよい。陰極１０４は、例えば、硫黄などの、陽極に対する相補的な酸化還元対材料を含んでもよい。電解質１０６は、α−アルミナ粉末、酸化ナトリウム粉末または酸化リチウム粉末のうちの少なくとも１種から作られてもよい。複数の例において、酸化ナトリウム粉末は、電解質１０６の約８．８５重量％でもよい。複数の例において、酸化リチウム粉末は、電解質１０６の約０．７５重量％でもよい。複数の例において、酸化ナトリウム粉末は、電解質１０６の約５重量％〜約１０重量％の間、または電解質１０６の約８重量％〜約１０重量％の間、または電解質１０６の約８重量％〜約９重量％の間でもよい。複数の例において、酸化リチウム粉末は、電解質１０６の約０．２５重量％〜約１．５重量％の間、または電解質１０６の約０．５重量％〜約１．０重量％の間、または電解質１０６の約０．７重量％〜約０．８重量％の間でもよい。
【００１８】
システム１００は第２のハウジング１１２を含んでもよく、このハウジングは、ハウジング１０８の全てまたは一部を囲んでもよい。第２のハウジング１１２は、システム１００のための外部筐体として機能し得る。このハウジングは、システム１００を外部環境から保護することができ、システム１００を使用し、かつ／または扱っているデバイス及び人間をシステム１００の構成要素から保護することができる。第２のハウジング１１２は、耐高温で低密度、耐化学性の熱可塑性物質から構成されてもよい。
【００１９】
図２は、電池システム（２００）の一例を示す。システム２００は、システム１００の構成要素の全てまたはいくつかを含んでもよい。例えば、システム２００は、１つ以上の陽極、１つ以上の陰極、１つ以上の電解質、及び溝を含み得る第１のハウジングを含んでもよい（図示せず）。システム２００は第２のハウジング２０２を含んでもよく、このハウジングは、システム１００の第２のハウジング１１２と同様でもよい。システム２００は、非平面形状に配列されてもよい。例えば、システム２００は、円筒形状に配列されてもよい。円筒の高さは異なってもよい。例えば、高さは、約１ミリメートル〜約２５センチメートルの間、または約１センチメートル〜約２０センチメートルの間、または約５センチメートル〜約１５センチメートルの間でもよい。円筒の直径も異なってもよい。例えば、直径は、例えば、約１センチメートル〜約１メートルの間、または約２センチメートル〜約５００センチメートルの間、または約３センチメートル〜約１００センチメートルの間でもよい。同心円筒形状は、割れまたは破損を防止し、または最小限にするために当該同心円筒形状が薄い電解質に支持を与えている状態で、交互の電極電池構成を提供してもよい。複数の例において、電極及び電極組成物の環状体積は、システム内の特定のセルのエネルギーまたは電力密度を向上させるために異なってもよい。
【００２０】
図３は、蓄電池システム（３００）の一例の上部断面図を示す。システム３００は、システム１００の構成要素の全てまたはいくつかを含んでもよい。例えば、システム３００は、１つ以上の陽極３０２（ａ）〜３０２（ｃ）、１つ以上の陰極３０４（ａ）〜３０４（ｂ）、１つ以上の電解質３０６（ａ）〜３０６（ｄ）及びハウジング３０８を含んでもよい。システム３００は、非平面形状に配列されてもよい。例えば、システム３００は、同心円筒形状に配列されてもよい。複数の例において、陽極３０２、陰極３０４及び電解質３０６は、１つ以上の層に配置されてもよい。複数の層が存在するとき、それらの層は、同一の、または異なる厚さを有してもよい。
【００２１】
図４は、電池システム（４００）の一例の側断面図を示す。システム４００は、システム１００の構成要素の全てまたはいくつかを含んでもよい。例えば、システム４００は、１つ以上の陽極４０２（ａ）〜４０２（ｄ）、１つ以上の陰極４０４（ａ）〜４０４（ｃ）、１つ以上の電解質４０６（ａ）〜４０６（ｆ）、第１のハウジング４０８及び第２のハウジング４１０を含んでもよい。システム４００は、非平面形状に配列されてもよい。例えば、システム４００は、同心円筒形状に配列されてもよい。陽極４０２、陰極４０４及び電解質４０６の全てまたはいくつかは、陽極、陰極及び電解質が開放円筒として形成されるように連続的でもよい。加えて、システム４００は、円筒形状の中央から円筒形状の外側境界まで及び得る１つ以上の層を含んでもよい。複数の例において、システム４００の各層は、図４に示すように、円筒形状の中央以外の位置で終了してシステム４００の中央に空間を残してもよい。
【００２２】
図５は、電池システム（５００）の一例の側断面図を示す。システム５００は、システム１００の構成要素の全てまたはいくつかを含んでもよい。例えば、システム５００は、１つ以上の陽極５０２（ａ）〜５０２（ｄ）、１つ以上の陰極５０４（ａ）〜５０４（ｃ）、１つ以上の電解質５０６（ａ）〜５０６（ｆ）、溝５１０を有する第１のハウジング５０８、及び第２のハウジング５１２を含んでもよい。システム５００は密封材５１４を含んでもよい。密封材５１４は、第１のハウジング５０８の少なくとも一部を覆ってもよく、陽極１０２と陰極１０４の間の障壁または部分的な障壁として機能し得る。例えば、図５に示すように、電解質５０６は、陽極１０２と陰極１０４を分離するように機能する。しかしながら、溝５１０には、またはその近くには空間が存在し得る。それにより、液体の場合がある陽極５０２及び／または陰極５０４の一部にずれが生じ得る。このように、溝５１０が密封されるように密封材５１４を付着させて、陽極５０２及び／または陰極５０４のずれを防止または回避することができる。密封材５１４は、例えば、耐熱、耐化学性ポリマーを含んでもよい。例えば、密封材５１４は、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）ＦＥ５３８２ポリアミド樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ）またはポリアミド樹脂ＰＡ６１２−ＧＦ３３を含んでもよい。陽極５０２、陰極５０４及び電解質５０６は、密封材５１４を用いて広い表面領域に沿って密封されてもよく、この密封材は、電極及び電解質材料と親和性のある耐化学性ポリマーを含んでもよい。
【００２３】
システム５００の溝５１０は、面取りされてもよく、傾斜が付けられてもよく、または丸められてもよい。面取りされた、傾斜が付けられた、または丸められた溝５１０は、第１のハウジング５０８に入り、それを通る電解質１０６の収容を促進することができる。
【００２４】
図６は、電池システム（６００）の一例の上部断面図を示す。システム６００は、システム１００の構成要素の全てまたはいくつかを含んでもよい。例えば、システム６００は、１つ以上の陽極６０２、１つ以上の陰極６０４、１つ以上の電解質６０６及びハウジング６０８を含んでもよい。システム６００は、非平面形状に配列されてもよい。例えば、システム６００は、螺旋形状に配列されてもよい。螺旋形状は、薄い固体電解質６０６によって分離された陽極６０２と陰極６０４を交互に有してもよい。この形状において、環状体積は、セル全体にわたって一定でもよく、または異なってもよい。加えて、セルの環状幅は、一定でもよく、または異なってもよい。螺旋形電解質６０６は、独立したセルの所望の数に適合するようにスケール調整されてもよい。これらのセルは、充電または放電のいずれかの動作モードで直列または並列に配列されている。同心配列は、本明細書で説明されたセル寸法の最適化により、特定のエネルギーまたは電力要件に合わせて調整されてもよい。薄膜円筒電解質６０６を採用することの利点には、環状円筒が、電池放電中に圧力差によって生じる横方向の力に対抗して電解質６０６を補強するための自立フレーム構造を提供することが含まれる。
【００２５】
使用中、本明細書で説明された電池システムなどの電池からの電気の供給は、導電性電解質全体にわたる陽極と陰極の間の酸化／還元反応から生じる。電池によって生成される基準セル電位または電圧は、２つの電極間に発生している特定の酸化／還元反応によって決まる。電池内の蓄積エネルギー量は、電極の相対寸法及び特定の反応化学作用に依存する。エネルギーが供給される、または電力が決まる速度は、例えば、１）電解質全体にわたる２つの電極間の相対的な相互作用、２）化学反応の速度、及び３）電池の内部抵抗に依存する。電池は、反応生成物に至る陽極／陰極反応によって放電され得る。逆反応は、電池充電中に発生する。蓄積されるエネルギー量、エネルギーを供給することができる速度、電池が動作する温度、及び電気化学反応の可逆性は、電池のいくつかの重要な特性である。いくつかの用途、例えば、風力による蓄電及び配電などにおいて、本開示の電池システムの構成能力は、以前から知られている電池システムと比較して著しい改善を提供する。更なる特定の用途には、航空及び他の可動用途が含まれる。更に、本明細書で説明された電池システムの電圧は、システムのセル数に基づいて決定されてもよい。例えば、同心円筒形状において、各セル（または層）は、２．１ボルトの電位を有し得る。層を追加することにより、電圧電位は所望の量まで上昇する。
【００２６】
以前の電池構成に関する上記の課題により、電池が充電／放電することが可能なサイクル数が制限されることに加えて、電池が供給し得るエネルギー及び電力が制限される。これらの課題は、本開示の電池システムによって解決される。このシステムは、比較的高いエネルギー密度で適度な動作温度の電池を実現する。この電池では、破損が生じることなく、かつエネルギー／電力出力において最小限の損失で、長期間にわたり信頼性が繰り返し得られる。
【００２７】
例えば、薄い電解質により、上記のように、動作温度がより低くなるように促進される。加えて、電解質の密度は、上記のように、電池動作時に存在する力に電池システムが耐えることができる耐久性を提供する。更に、高エネルギー密度は、ナトリウム金属及び硫黄などの高エネルギー密度の陽極及び陰極材料を利用し、かつ電解質及び収容質量を最小限にすることによって実現される。充電／放電サイクルは、熱力学的または動力学的に許容された最小の副反応を伴う可逆酸化／還元反応の化学作用を選択することによって向上する。
【００２８】
例えば、ナトリウム／硫黄の陽極／陰極システムが使用されてもよい。電池質量は、低密度機能材料を利用することによって最小限にされてもよい。複数の例において、電池動作のための最適温度は用途に依存する。ただし、一般に、温度は、５０℃未満、または、例えば、約５０℃〜約１００℃の間となり得る。溶融ナトリウム塩−硫黄の場合の動作温度は、例えば、３００℃となり得る。ただし、説明された制限のうちの１つ以上が犠牲になるものの、電解質及び／または電極組成物を変えると、動作温度がより低くなり得る。
【００２９】
本開示以前の蓄電池設計に対する更なる欠点には、金属格納容器を採用していることが含まれる。この容器により、質量が犠牲になり、実際のエネルギー密度がより低くなる。他の電池設計では、化学作用の組み合わせを変えてサイクルを向上させるように試みられる。これにより、エネルギーに寄与しない質量が陽極湿潤剤（セシウム）または高表面積陰極構造（例えば、マイクロ多孔性／ナノ多孔性炭素）の形態で追加されて、サイクル能力のためにエネルギー密度が犠牲になる。更に、以前の設計では、平面形状の電解質の厚さを最小限にするように試みられる。これにより、膜の機械的強度が低下し、電池の破損に至る。薄い平面膜は、封止するのが困難であることに加えて、本質的に弱く、割れやすい。薄い平面膜のための従来のベータアルミナ電解質製造方法は、時間がかかり、かつ単純な平面形状に制限される。
【００３０】
集電体による放電中の陰極からの電流抽出及び陽極への電流注入を促進するための回路部品が含まれてもよい。陰極は、電流経路を提供するための高表面積導電性フレーム構造、及び化学反応が発生し得る足場を含んでもよい。陽極、陰極及び電解質の相対的な形状は、所与のセル化学作用に対する電力密度を決定し得る。このように、システムの形状は、陽極イオンの陰極へのより速い輸送を促進し、単位時間当たりの電流を増加させるために、電極間に高表面積電解質界面を含んでもよい。
【００３１】
本開示で上述した、図１〜６に示すような構成要素は、共に結合された別個の構成要素でもよく、または、１つの構成要素として、もしくは複合的な構成要素として製作されてもよい。本開示で説明された各種構成要素が別個の構成要素であるとき、構成要素のいくつかまたは全ては、他の構成要素に取り外し可能に結合されてもよい。
【００３２】
本明細書で説明されたシステムの構成要素は、様々なサイズ及びスケールでもよい。例えば、相対的に小さいエネルギー量が必要である用途において、システムは、例えば、家庭用電池のサイズなど、相対的に小さくてもよい。大量のエネルギーが必要である他の応用において、例えば、自動車や航空宇宙の用途などにおいて、システムは、相対的により大きくてもよい。加えて、本明細書で説明された複数の電池システムは互いに結合されてもよい。
【００３３】
本明細書に開示されたシステムの各種構成要素は、本明細書で説明された構成要素の機能を容易化するために、追加の溝、スロット、窪み及び他の構成要素を有してもよい。
【００３４】
本明細書に開示されたシステムの各種構成要素は、当業者に知られた、または以下でより十分に説明される技術を用いて作られてもよい。
【００３５】
本明細書で説明されたシステムは、実際には、エネルギー密度が１７０Ｗｈ／ｋｇから２４０Ｗｈ／ｋｇに増加し、電池質量が１５〜３５％減少し、充電効率が５〜１０％上昇し、動作温度が１５〜２５％低下したことを示している。これにより、より長く持続し、より安全でよりカスタマイズ可能な電池システムが得られる。
【００３６】
本明細書で説明されたいくつかの測定値はメートル法を用いて与えられているが、実質的に等価である他の、または補助的な測定単位も開示される。
【００３７】
例示的な製造方法
図７は、蓄電池の例示的な製造方法を示す。方法７００は、論理フローグラフとして示される。操作または工程を説明する順序は、限定として解釈されることを意図したものではなく、任意の数の説明された操作を、任意の順序で、かつ／または並列に組み合わせて方法７００を実施してもよい。
【００３８】
ここで図７に目を向けると、電池システムの例示的な製造方法７００が示されている。
【００３９】
ブロック７０２で、方法７００は、α−アルミナ粉末、酸化ナトリウム粉末または酸化リチウム粉末のうちの少なくとも１種を含み得る組成物を超音波処理することを含んでもよい。複数の例において、α−アルミナ粉末は、１マイクロメートル未満の粒径を有してもよい。複数の例において、酸化ナトリウム粉末は、組成物の約８．８５重量％でもよい。複数の例において、酸化リチウム粉末は、組成物の約０．７５重量％でもよい。複数の例において、酸化ナトリウム粉末は、電解質１０６の約５重量％〜約１０重量％の間、または電解質１０６の約８重量％〜約１０重量％の間、または電解質１０６の約８重量％〜約９重量％の間でもよい。複数の例において、酸化リチウム粉末は、電解質１０６の約０．２５重量％〜約１．５重量％の間、または電解質１０６の約０．５重量％〜約１．０重量％の間、または電解質１０６の約０．７重量％〜約０．８重量％の間でもよい。超音波処理は、超音波振動を利用して実施されてもよい。超音波処理のための期間は異なってもよく、例えば、おおよそ、後述する硬化が行われる期間の間でもよく、または、例えば、電解質材料の高密度化を促進するために硬化の前の期間の間でもよい。超音波周波数は、約０．５ｋＨｚ〜約１０ｋＨｚの間、または約１ｋＨｚ〜約７．５ｋＨｚの間、または約２ｋＨｚ〜約５ｋＨｚの間でもよい。
【００４０】
本明細書で説明された超音波処理によって電解質密度が増加し得る。超音波トランスデューサは、超音波を導入する際にビルドステージ（ｂｕｉｌｄ  ｓｔａｇｅ）に結合されてもよい。超音波は、製造プロセス中に連続的に導入されてもよく、ステージを介して粉末に伝播し得る。超音波エネルギーと粉末粒子間の相互作用により、硬化の前または硬化中に高密度な粒子配列が得られる。この超音波を用いた高密度化電解質では、完成した構造において密度が増加し得る。本明細書で説明された技術を利用して製造された電解質は、内部電池抵抗を低減することによって電池の動作温度を低下させることができる。
【００４１】
ブロック７０４で、方法７００は、層内の組成物を硬化させて固体電解質を生成することを含んでもよい。電解質は、例えば、約１ミリメートル未満、約５００マイクロメートル未満、約４００マイクロメートル未満、約３００マイクロメートル未満、約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約２０マイクロメートル未満、または約１０マイクロメートル未満の厚さを有してもよい。複数の例において、電解質１０６は、約１ミリメートル〜約１０マイクロメートルの間、約５００マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、約２００マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、約１００マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、約２５マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間、または約２０マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの間の厚さを有してもよい。複数の例において、電解質１０６は、約１０マイクロメートル〜約５マイクロメートルの間でもよい。複数の例において、電解質１０６の第３の厚さは、例えば、陽極１０２の第１の厚さ及び／もしくは陰極１０４の第２の厚さの約１／１０、または、第１の厚さ及び／もしくは第２の厚さの約１／１５もしくは約１／２０もしくは約１／２５でもよい。複数の例において、電解質の密度は、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％でもよい。複数の例において、電解質１０６の密度は、約８５％〜約９９％の間、約９０％〜約９９％の間、約９０％〜約９７．５％の間、約９３％〜約９７％の間、または約９４％〜約９６％の間でもよい。
【００４２】
本明細書で説明された電池システムの製造方法は、選択的レーザ焼結／選択的レーザ溶融を利用することを含んでもよい。この方法は、高密度かつ複雑な形状を有するアルミナ構造を生成することができる。例えば、薄いβ−アルミナ固体電解質（β−ａｌｕｍｉｎａ  ｔｈｉｎ  ｓｏｌｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ、ＢＡＳＥ）膜の現場での製造について本明細書で説明する。製造は、例えば、酸化ナトリウム粉末及び酸化リチウム粉末と混合された、１マイクロメートル未満の粒径、または０．５マイクロメートル未満の粒径、または０．３マイクロメートル未満の粒径の高純度α−アルミナ粉末を使用することを含んでもよい。粉末は、併用されてもよく、均質化されてもよく、ＳＬＳ／ＳＬＭ機械に導入されてもよい。電解質の形状は、同心円筒形状または螺旋形状などの、電池セル設計によって望まれるような様々な形状とすることができる。
【００４３】
硬化は、例えば、選択的レーザ焼結またはステレオリソグラフィによって実施されてもよい。硬化の間、硬化が実施される表面は、溶融プールの形成中に熱応力亀裂を軽減するために約１，５００℃より上に維持されてもよい。複数の例において、表面は、約１，５００℃〜約２，０００℃の間、または約１，５００℃〜約１，７５０℃の間、または約１，５００℃〜約１，６００℃の間の温度に維持されてもよい。表面は、例えば、拡散レーザ加熱、または加熱された集中管状炉を利用することにより、本明細書で説明された温度に維持されてもよい。
【００４４】
ブロック７０６で、方法７００は、第１の材料を電解質の第１の側に付着させることを含んでもよい。第１の材料は、陽極として機能し得る。陽極は、液体状態または部分的に液体状態でもよい。陽極は、例えば、ナトリウム金属などの導電材料を含んでもよい。
【００４５】
ブロック７０８で、方法７００は、第２の材料を電解質の第２の側に付着させることを含んでもよい。第２の材料は、陰極として機能し得る。陰極は、液体状態または部分的に液体状態でもよい。陰極は、好適な基準セル電位及び可逆的化学反応を提供するような材料を含んでもよい。システムは、Ｎ個の陰極及びＮ＋１個の陽極（Ｎは任意の整数である）を含んでもよく、それらの幅及び体積を均一または不均一にして電力密度を可変できるようにしてもよい。システムは、平面形状、または、例えば、Ｎ＋１個の独立した電池セルに（Ｎ＋１）*Ｅ（セル）の複合電圧を提供する同心円筒形状に組み立てられてもよい。複数の例において、電解質の厚さは、陽極の厚さ及び／または陰極の厚さの約１／１０でもよい。
【００４６】
ブロック７１０で、方法７００は、陽極と、陰極と、電解質の第１の部分とを、溝であって、電解質の第２の部分が当該溝を通ってハウジングの外部まで延びるようにサイズ調整された溝を有するハウジング内に囲むことを含んでもよい。
【００４７】
ブロック７１２で、方法７００は、ハウジングの外部に密封材を、電解質の第２の部分が当該密封材によって少なくとも部分的に覆われるように付着させることを含んでもよい。密封材は、ハウジングの少なくとも一部を覆ってもよく、陽極と陰極の間の障壁または部分的な障壁として機能し得る。例えば、電解質は、陽極と陰極を分離するように機能する。しかしながら、溝には、またはその近くには空間が存在し得る。それにより、液体の場合がある陽極及び／または陰極の一部にずれが生じ得る。このように、溝が密封されるように密封材を付着させて、陽極及び／または陰極のずれを防止または回避することができる。密封材は、例えば、耐熱、耐化学性ポリマーを含んでもよい。例えば、密封材５１４は、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）ＦＥ５３８２ポリアミド樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ）またはポリアミド樹脂ＰＡ６１２−ＧＦ３３を含んでもよい。
【００４８】
陽極、陰極及び電解質は、密封材を用いて広い表面領域に沿って密封されてもよく、この密封材は、電極及び電解質材料と親和性のある耐化学性ポリマーを含んでもよい。
【００４９】
上記のハウジングは、低密度の耐化学性、耐熱材料から構成されてもよい。ハウジングは、例えば、Ｕｌｔｅｍ９０８５などの高温ポリマーから作られてもよい。本明細書で説明されたように、ハウジング内の溝は、電解質の収容の容易性を高めるために、実質的に直線でもよく、面取りされてもよく、傾斜が付けられてもよく、または丸められてもよい。ハウジングの溝に対応する凹形の環状溝パターンを蓋に設けてもよい。蓋は、密封材を用いて電解質の上縁部に封止されてもよい。外部回路の完成及びエネルギー抽出のための手段を提供する接続貫通穴が存在してもよい。このような接続穴は、溝に隣接してもよく、または溝であってもよい。単一セル反応器構成に加えて、多セル反応器配置が提供される。
【００５０】
前述した本発明は具体例に関して説明されているが、本発明の範囲はこれらの具体例に限定されないことを理解すべきである。特定の動作要件及び環境に適合するように変えられた他の修正及び変更が当業者にとって明らかとなるであろう。そのため、本発明は、開示の目的のために選択された例に限定されるとはみなされず、本発明の真の概念及び範囲から逸脱しない全ての変更及び修正を包含する。
【００５１】
結論
本出願は特定の構造上の特徴及び／または方法論的な行為を有する実施形態を説明しているが、特許請求の範囲は、説明された特定の特徴や行為に必ずしも限定されるものではないことを理解すべきである。むしろ、特定の特徴及び行為は、本出願の特許請求の範囲に含まれるいくつかの実施形態を例示するものにすぎない。
【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７】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月27日(2018.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極であって、前記陽極の少なくとも一部が液体であり、第１の厚さを有する前記陽極と、
陰極であって、前記陰極の少なくとも一部が液体であり、第２の厚さを有する前記陰極と、
固体であり、かつ少なくとも９５％の密度を有する電解質であって、第３の厚さを有し、前記第３の厚さが、前記第１の厚さまたは前記第２の厚さの少なくとも一方の少なくとも１／１０である前記電解質と、
前記陽極と、前記陰極と、前記電解質の少なくとも一部とを囲むハウジングと
を含む電池。
【請求項２】
前記陽極、前記陰極及び前記電解質が同心円筒形状で構成されている、
請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記第３の厚さが０．５ミリメートル未満である、
請求項１に記載の電池。
【請求項４】
前記第３の厚さが１０ミリメートル未満である、
請求項１に記載の電池。
【請求項５】
前記電解質が、α−アルミナ粉末、酸化ナトリウム粉末及び酸化リチウム粉末から構成されている、
請求項１に記載の電池。
【請求項６】
前記ハウジングの両端に配置された複数の溝であって、前記電解質の一部が前記複数の溝を通って前記ハウジングの外部まで延びるようにサイズ調整された前記複数の溝を更に含む、
請求項１に記載の電池。
【請求項７】
前記陽極と前記陰極が互いに分離されるように前記溝の少なくとも一部を覆う密封材を更に含む、
請求項６に記載の電池。
【請求項８】
固体であり、かつ少なくとも９５％の密度を有する電解質であって、２つ以上の層のそれぞれが同心円筒形状を有する２つ以上の層で構成されている前記電解質を含み、
前記２つ以上の層のうちの少なくとも１つにおいて、
陽極を表す第１の材料が前記電解質の第１の側に配置され、前記第１の材料が液体状態にあり、
陰極を表す第２の材料が前記電解質の第２の側に配置され、前記第１の側が前記第２の側に対向し、前記第２の材料が液体状態にある、電池。
【請求項９】
複数の溝であって、前記電解質の一部が前記溝を通って延びるように構成された前記複数の溝を有するハウジングを更に含む、
請求項８に記載の電池。
【請求項１０】
前記ハウジングが、第１の側部と、前記第１の側に対抗する第２の側とを有し、前記複数の溝が、前記ハウジングの前記第１の側及び前記第２の側に配置され、前記システムが、密封材であって、前記溝を通って延びる前記電解質の前記一部を前記密封材が覆うように前記ハウジングの前記第１の側及び前記第２の側の少なくとも一部を覆う前記密封材を更に含む、
請求項９に記載の電池。
【請求項１１】
前記密封材が、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）ＦＥ５３８２ポリアミド樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ）またはポリアミド樹脂ＰＡ６１２−ＧＦ３３である、
請求項１０に記載の電池。
【請求項１２】
前記溝は、面取りされ、傾斜が付けられ、または丸められている、
請求項９に記載の電池。
【請求項１３】
前記電解質が１０マイクロメートル未満の厚さである、
請求項８に記載の電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
システム１００はハウジング１０８を含んでもよい。ハウジング１０８は、第１のハウジングでもよく、陽極１０２、陰極１０４及び電解質１０６の全てまたは一部を囲んでもよい。複数の例において、ハウジング１０８は、電解質１０６の第１の部分のみを囲んでもよく、その一方で電解質１０６の第２の部分は、ハウジング１０８内の１つ以上の溝１１０を通って延びてもよい。溝１１０は、ハウジング１０８の両端に配置されてもよく、電解質１０６が溝１１０を通ってハウジング１０８の外部まで延びるようにサイズ調整されてもよい。１２個の溝１１０を一例として図１に示す。より多くの、またはより少ない溝１１０が存在してもよい。ハウジング１０８は、高温を許容し、かつ化学反応で生成される反応性化学物質に対して耐性を示す低密度ポリマー材料を含んでもよい。このような材料は、例えば、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）ＦＥ５３８２ポリアミド樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ）またはポリアミド樹脂ＰＡ６１２−ＧＦ３３でもよい。
【国際調査報告】
2018530144.tif 000010