(57)【要約】バイポーラ鉛蓄電池用などの集電体アセンブリは、導電性シリコン基板と、この導電性シリコン基板に接合されたフレームと、を含み得る。基板は、基板の表面を導電性にするとともに鉛酸電解液化学作用の存在下で電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜を含むようにするなど、処理または改質することができる。フレームと導電性シリコン基板との間の界面は、ハーメチックシールすることができる。一例では、フレームは、エッジシールリング構成を提供することができる。一例では、ケーシングアセンブリは、基板に接合されたスペーサを、ケーシングセグメントおよび熱伝導リブと共に含むことができ、スペーサは、熱伝導リブを導電性シリコン基板から電気的に絶縁する。
2018524779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラ鉛蓄電池用の集電体アセンブリであって、導電性シリコン基板と、前記導電性シリコン基板に接合されたフレームと、を備え、前記導電性シリコン基板は、前記導電性シリコン基板の表面を導電性にするとともに鉛酸電解液化学作用の存在下で電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜を含み、
前記フレームと前記導電性シリコン基板との間の界面は、ハーメチックシールされている、集電体アセンブリ。
【請求項２】
ケーシングセグメントおよび熱伝導リブを含み、前記熱伝導リブは、前記ケーシングセグメントおよび前記フレームに接合されており、前記フレームは、前記熱伝導リブを前記導電性シリコン基板から電気的に絶縁するスペーサを形成している、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項３】
前記フレームは、支持フレームを構成している、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項４】
前記支持フレームは、バイポーラ電池用ケーシングのケーシングセグメントに接合されている、請求項３に記載の集電体アセンブリ。
【請求項５】
前記フレームは、前記導電性シリコン基板の前記表面の周囲全体の周りに延在するエッジシールを構成している、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項６】
前記フレームは、前記導電性基板上にエッジ除外領域を画定している、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項７】
前記１つ以上の薄膜の堆積は、前記エッジ除外領域ではエッジシールによって阻止される、請求項６に記載の集電体アセンブリ。
【請求項８】
前記１つ以上の薄膜のうちの薄膜は、前記導電性シリコン基板の少なくとも１つの表面に形成された金属シリサイドを含む、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項９】
前記金属は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、または白金（Ｐｔ）のうちの１つ以上を含む、請求項８に記載の集電体アセンブリ。
【請求項１０】
活物質の密着性を向上させるために、前記金属シリサイド上に追加の膜を堆積させる、請求項８に記載の集電体アセンブリ。
【請求項１１】
前記追加の膜は、鉛金属（Ｐｂ）または鉛−スズ合金（ＰｂＳｎ）を含む、請求項１０に記載の集電体アセンブリ。
【請求項１２】
前記フレームは、ウェハボンディング接着剤を用いてウェハに接合される、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項１３】
前記フレームは、プラスチック、セラミック、または複合材料を含む、請求項１に記載の集電体アセンブリ。
【請求項１４】
バイポーラ鉛蓄電池用のケーシングアセンブリであって、
導電性シリコン基板であって、該導電性シリコン基板の表面を導電性にするとともに電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜を含む導電性シリコン基板と、
前記導電性シリコン基板に接合されたスペーサと、
ケーシングセグメントと、
前記ケーシングセグメントおよび前記スペーサに接合された熱伝導リブと、を備え、前記スペーサは、前記熱伝導リブを前記導電性シリコン基板から電気的に絶縁している、ケーシングアセンブリ。
【請求項１５】
前記１つ以上の薄膜のうちの薄膜は、前記導電性シリコン基板の少なくとも１つの表面に形成された金属シリサイドを含む、請求項１４に記載のケーシングアセンブリ。
【請求項１６】
前記金属は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、または白金（Ｐｔ）のうちの１つ以上を含む、請求項１３に記載のケーシングアセンブリ。
【請求項１７】
活物質の密着性を向上させるために、前記金属シリサイド上に追加の膜を堆積させる、請求項１５に記載のケーシングアセンブリ。
【請求項１８】
前記追加の膜は、鉛金属（Ｐｂ）または鉛−スズ合金（ＰｂＳｎ）を含む、請求項１７に記載のケーシングアセンブリ。
【請求項１９】
バイポーラ鉛蓄電池用の集電体を提供するための方法であって、
フレームを導電性シリコン基板に接合することと、
前記シリコンの表面を導電性にするとともに鉛酸電解液化学作用の中で電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜で前記導電性シリコン基板を改質することと、を含み、
前記フレームと前記導電性シリコン基板との間の界面は、ハーメチックシールされる、方法。
【請求項２０】
前記フレームは、前記導電性シリコン基板の前記表面の周囲全体の周りに延在するエッジシールを構成する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記フレームは、前記導電性基板上にエッジ除外領域を画定する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記１つ以上の薄膜の堆積は、前記エッジ除外領域ではエッジシールによって阻止される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記フレームを、分子間力によって直接、前記導電性シリコン基板に接合する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記フレームを、高温かつ圧縮力下で接着剤を用いて前記ウェハに接合する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
プラズマ活性化ボンディング、ガラスフリットボンディング、またはアノーディックボンディングのうちの１つ以上を用いて、前記フレームを前記ウェハに接合する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイポーラ電池のシールおよび熱リブ構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラ電池は、同バイポーラ電池を最近の多くのエネルギー消費用途に良好に適合させるなど、モノポーラ構造の電池と比較して、構造の単純さおよび性能優位性を得ることができる。バイポーラ電池は、一般に、直列に接続された電池セルを含む。例えば、各セルは、主に、２つの電極、正極活性質量、負極活性質量、電解液リザーバ、およびケーシングまたはパッケージを有する。バイポーラという用語は、一般に、「双極子」または「双極板」と呼ぶことができる集電体アセンブリが、双極子の片面に正極活物質が位置するとともに反対面に負極活物質が位置するように電池内に配置された構成を指す。電流は、バイポーラ基板の断面を通って、第１面の一方の活物質層から反対面の他方の層へと均一に流れることができる。このとき、電流路は、一般に、電解液リザーバを通って別の双極子−活物質アセンブリまたは終端電極に至る経路を含む。直列接続された双極子の数によって、電池の総電圧が決まる。直列接続された双極子からなるスタックの両端は、スタックの第１端の１つの正の終端電極と、反対端の１つの負の終端電極というように、一般に、単極子をそれぞれ有する。このような終端電極単極子の外向き面によって、電池端子への電気的接続を提供することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一例では、バイポーラ鉛蓄電池（ｂｉｐｏｌａｒ  ｌｅａｄ  ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｙ）用などの集電体アセンブリは、導電性シリコン基板と、この導電性シリコン基板に接合されたフレームと、を含むことができる。導電性シリコン基板は、導電性シリコン基板の表面を導電性にするとともに鉛酸電解液化学作用の存在下で電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜を含むことができる。フレームと導電性シリコン基板との間の界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）は、ハーメチックシールされる。一例では、集電体アセンブリの一部として、ケーシングセグメントおよび熱伝導リブを含むことができ、熱伝導リブは、ケーシングセグメントおよびフレームに接合される。フレームは、熱伝導リブを導電性シリコン基板から電気的に絶縁するスペーサを形成することができる。
【０００４】
本概要は、本特許出願の主題の概要を提示するものである。これは、本発明の排他的または網羅的説明を提供するものではない。本特許出願に関するさらなる情報を提供するために、詳細な説明を記載している。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】バイポーラ電池構造を含む例を概略的に示している。
【図２】バイポーラ電池アセンブリの一部として含むことができるようなバイポーラ電池用極板を含む例の断面図を概略的に示している。
【図３Ａ】支持フレームを含む、バイポーラ電池用集電体（例えば「双極板」）アセンブリの少なくとも一部の、図３Ａの斜視図および図３Ｂの断面図を含むそれぞれの図を概略的に示している。
【図３Ｂ】支持フレームを含む、バイポーラ電池用集電体（例えば「双極板」）アセンブリの少なくとも一部の、図３Ａの斜視図および図３Ｂの断面図を含むそれぞれの図を概略的に示している。
【図４Ａ】バイポーラ集電体を越えて延出するリングを有する支持フレームを含む、バイポーラ電池用集電体アセンブリの少なくとも一部の、図４Ａの斜視図および図４Ｂの断面図を含むそれぞれの図を概略的に示している。
【図４Ｂ】バイポーラ集電体を越えて延出するリングを有する支持フレームを含む、バイポーラ電池用集電体アセンブリの少なくとも一部の、図４Ａの斜視図および図４Ｂの断面図を含むそれぞれの図を概略的に示している。
【図５】バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを含み得る方法などの技術を概略的に示している。
【図６Ａ】バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを含み得る方法などの技術の、図６Ａの平面図および図６Ｂの断面図を含む図を概略的に示している。
【図６Ｂ】バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを含み得る方法などの技術の、図６Ａの平面図および図６Ｂの断面図を含む図を概略的に示している。
【図７Ａ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、斜入射Ｘ線回折（ＸＲＤ：ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを概略的に示している。
【図７Ｂ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、斜入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを概略的に示している。
【図７Ｃ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、斜入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを概略的に示している。
【図７Ｄ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、斜入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを概略的に示している。
【図８Ａ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、サイクリックボルタンメトリスペクトルを概略的に示している。
【図８Ｂ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、サイクリックボルタンメトリスペクトルを概略的に示している。
【図８Ｃ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、サイクリックボルタンメトリスペクトルを概略的に示している。
【図８Ｄ】バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、サイクリックボルタンメトリスペクトルを概略的に示している。
【図９】バイポーラ電池に使用するためなどの、集電体アセンブリの一部または全体の周囲に配置することができる、熱伝導リブの斜視図を概略的に示している。
【図１０】熱伝導リブを備え得るようなケーシング構成の断面図を概略的に示している。
【図１１】本明細書における他の例に関連して図示および記載されるケーシング構成を有し得るような、バイポーラ電池アセンブリの斜視図を概略的に示している。
【図１２】電池アセンブリの端子領域付近などの一部の上面図を概略的に示している。
【図１３】図９の例と比較して増大した外向き表面積を有するような、熱伝導リブの他の例の斜視図を概略的に示している。
【図１４】バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを含み得る方法などの技術を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図面は、必ずしも縮尺通りに描かれたものではなく、種々の図面において、類似の構成要素を同様の符号で示している場合がある。添え字が異なる同様の符号は、類似の構成要素の異なる例を表し得る。図面は、本明細書で論じる種々の実施形態を、限定するものではなく、例として概略的に示すものである。
【０００７】
一般的に利用できる鉛蓄電池技術は、比較的単純かつ低コストであるにもかかわらず、いくつかの欠点を有し得る。例えば、一般的に利用できる鉛蓄電池は、鉛合金格子が概してエネルギー貯蔵能力に寄与しないことを一因として、エネルギー密度が低い可能性がある。また、鉛蓄電池のサイクル性能は、高電流レートまたは深放電条件下では、しばしば低くなる可能性もある。鉛蓄電池は、さらに、部分充電状態での性能にも問題があり得るとともに、自己放電率が高い可能性がある。このような性能特性は、少なくとも一部は、一般的に利用できる鉛蓄電池の構成に遡ることができるとともに、使用される材料に関連し得る。
【０００８】
ペースト式極板の様々の異なる位置で発生する電気化学的電流が格子を横切って電流接続タブに流れると、電流密度の不均一分布に関連するかまたはそれに起因して悪化するような抵抗降下が、鉛蓄電池の集電格子内で発生する可能性がある。このような効果は、電池が高電流レートで充電および放電されるとき、または電池が深放電状態にあるときに、顕著であり得る。このような不均一な電流密度分布は、ペースト中の硫酸塩結晶化に起因する不可逆容量損失の総称である「サルフェーション」、および、より高濃度の電解液が電池ケーシングの底に沈み得る「層状化（ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」など、何らかの故障メカニズムを一般的に促進する。
【０００９】
集電格子は、電気化学的特性に影響を及ぼすことなく機械的特性を向上させるなどのために、一般に、鉛合金に意図的に導入された元素を含む。ところが、微量元素の多くは、鉛合金格子と化合物を形成するか、または電池の動作中に副反応を促進させる可能性がある。副反応は、充電および放電の電気化学反応と競合するので、低効率、高自己放電、部分充電状態での低性能のような「症状」が、電池の動作中に現れる。
【００１０】
従来の鉛蓄電池は、多くの場合、「モノポーラ」構造によって構成される。モノポーラ構造では、一般に、セル容量を数倍に増大させるために、セルは電気的に並列に配置されて、電流の主な流れは、単極板の表面に平行な方向に発生する。ところが、上述のように、一般的に利用できる鉛酸技術は、そのモノポーラ構造と、集電格子に一般的に使用される材料に関連したいくつかの欠点がある。これに対して、「バイポーラ」構造は、モノポーラ構造と比較して向上した性能を得るために、異なる機械的構成を有することが可能であるとともに、材料の異なる組み合わせを用いることが可能である。
【００１１】
バイポーラ構造では、一般に、規定のセル電圧を発生させるために、セルは電気的に直列に配置されて、電流は一般に双極板の表面に垂直に（例えば、一方の面から反対の面へと、双極板を横切って）流れる。バイポーラ電池の構築は、様々なステップを伴い得る。例えば、バイポーラ集電体は、基材から製造することができる。双極板を得るために、バイポーラ集電体の相対する両側に正極活物質と負極活物質を付与することができる。
【００１２】
双極板は、互いに封止されたセル区画室を得るためにセパレータを組み入れるかセパレータと共に配置するなどして、圧縮および積層することができる。そのようなセル区画室に電解液を充填することができ、これにより、カソード物質およびアノード物質を活性化するための電池スタックが形成される。バイポーラ構造では、集電体基板自体が、セル間の電気的接続を提供することができる。例えば、バイポーラ集電体の１つの面によって、あるセル区画室のアノードを提供することができ、バイポーラ集電体の反対側によって、その隣のセルのカソードを提供することができる。バイポーラ鉛酸技術設計および材料によって、一般的に利用できる鉛酸技術の様々な欠点を軽減することができる。例えば、電流が集電体に流れるときに、電流密度分布は、集電体のサイズおよび形状に概ね無関係であることが可能である。従って、高レート放電および深放電の動作中の、そのような電流密度は、モノポーラ構造と比較して軽減される。
【００１３】
バイポーラ集電体に使用される材料は、集電格子の場合のように鉛合金に限定されることなく、よって、バイポーラ集電体の基材は、機械的目的と電気化学的目的の両方を満たすように規定することができる。例えば、集電体は、セル区画室をそれぞれ隔離するためにエッジシールすることができ、これにより、モノポーラ電池の鉛合金格子に使用されるものと比較して、機械的強度要件の厳しさは軽減する。例えば、モノポーラ構造では、集電体の質量の全体を、主に電流タブによって支持する。電流タブによるこのような支持は、エッジシールを有するバイポーラ構造では必要ない。
【００１４】
図１は、バイポーラ電池構造の一例を概略的に示している。電池パック２０２は、双極板１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃのような１つ以上のバイポーラ電池用極板を含み得る。双極板１２１Ａまたは１２１Ｂまたは１２１Ｃは、本明細書における他の例で図示および記載するような極板アセンブリの１つ以上の側に、シリサイド層のような１つ以上の薄膜層を有し得る。
【００１５】
図１に示すように、第１の端子１３０Ａは、第１の極性を提供することができ、第２の端子１３０Ｂは、逆の第２の極性を提供することができる。双極板は、例えば封止されたセルを形成するために、電解液収容領域（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｉｎ  ｒｅｇｉｏｎ）１１６Ａと１１６Ｂで挟むことができる。一例では、電解液収容領域１１６Ａは、電解液が双極板１２１Ａを迂回して電解液領域１１６Ｂのような隣りの領域に至ることができないように、または電解液がパック２０２から漏れることを抑制もしくは阻止するために、流体隔離すること、またはハーメチックシールすること、のうちの１つ以上が可能である。他の例で図示および記載するように、極板アセンブリを機械的に補強すること、または封止作用を付与すること、のうちの１つ以上のために、フレームまたはエッジシールリングを備えることができる。図１に例示的に示すように、セルは直列構成で配置することができる。それらのセルは、スタック１３１Ａを形成するように整列させることができる。
【００１６】
バイポーラ構造では、集電体（例えば、双極板１２１Ａの一部として含まれるようなシリコン基板１０４）を、ある１つのセルの負電極と、隣りのセルの正電極とで共有することができる。第１のバス１２４Ａは、各スタック１３１Ａ〜１３１Ｎの第１の電極に接続することができ、第２のバス１２４Ｂは、各スタック１３１Ａ〜１３１Ｎの反対の電極に接続することができる。スタック１３１Ａ〜１３１Ｎのそれぞれは、矢印で示すように、導電性シリコン基板のバルクを介した直列接続を提供することができる。このようにして、スタック１３１Ａ〜１３１Ｎの外部の相互接続バスの総数を、単極板を用いた構造と比較して低減することができる。
【００１７】
１つ以上のスタック１３１Ａ〜１３１Ｎを相互接続する他の構成を用いることが可能である。例えば、より低電圧の電池パックを組み立てるためなど、より低電圧の用途では、バイポーラスタック１３１Ａ〜１３１Ｎを並列に接続することができる。あるいは、多数のセルを有する単一のバイポーラスタックによって、より高電圧のパックを形成することができる。鉛酸の例では、単一セルの電圧は約２．１Ｖであり得る。
【００１８】
図１のバイポーラ構造は、モノポーラ構造に比して、いくつかの利点を提供することができる。例えば、バイポーラ構造は、モノポーラ電池において並列セルの動作を制御するための電気回路および制御システムを、排除することができるため、より単純であり得る。他の例として、双極板１２１Ａの全体または略全体を、電池内部での電気伝導のために使用することができるため、対応するモノポーラ電池アセンブリと同等の質量のバイポーラ電池アセンブリを用いて、より高い電流密度、ひいては、より高い供給電力を、実現することができる。他の例として、バイポーラ鉛蓄電池構造では一般に集電体として鉛金属格子は使用されないので、より高強度かつより軽量の集電体用基材によって、電池のエネルギー密度を顕著に向上させることができる。
【００１９】
電気伝導以外にも、バイポーラ集電体基板は、一般に、電池内部の隣接するセル間で電解液を隔離し、また、集電体に使用する材料は、一般に、電池の寿命全体を通して、電解液（例えば、Ｈ２ＳＯ４）に浸漬または包囲された場合の腐食を抑制もしくは阻止するように規定される。電気的には、集電体基板は、高い電子伝導性を有するが、ただし、セル間の電解液拡散を隔絶もする集電体として機能するように低いイオン伝導性を有するように、規定することができる。化学的には、基板は、Ｈ２ＳＯ４に対して耐食性であるとともに、その表面はＨ２ＳＯ４中で不動態化に向かって不活性であるように、規定することができる。そのような不動態化は、集電体を非導電性にする可能性がある。
【００２０】
電気化学的には、集電体表面は、一般に、電池の充放電の電気化学反応に対して、より広く、より安定した電位窓を有するように規定される。特に、鉛酸化学の例では、一般に、カソードおよびアノードの表面は、それぞれＰｂＯ２およびＰｂ上におけるよりも、高い酸素発生過電圧および水素発生過電圧を有するように規定され、それらの過電圧は、電池の寿命全体を通して比較的安定しているように規定される。高い過電圧は、電極における水電解副反応によるガスの発生を低減または最小限にする助けとなり得る。そのような副反応は、電池のクーロン効率の低下、活物質の損失、容量の低下、または早期故障、のうちの１つ以上につながる可能性がある。
【００２１】
バイポーラ鉛蓄電池用の基材を開発するこれまでの試みには、様々な障害がある。鉛金属を使用することは可能であるものの、鉛は、比較的軟質の金属であり、Ｈ２ＳＯ４中で腐食する。多くの他の金属は、電子伝導性を有するものの、Ｈ２ＳＯ４中で腐食するか、または不動態化するか、のいずれかである。複合材料は、多種多様な組成および特性の選択肢があるにもかかわらず、低い電子伝導性または高イオン伝導性のうちの１つ以上が問題となることが多い。
【００２２】
本発明者らは、特に、バイポーラ鉛蓄電池の集電体用として、基板などにシリコンを使用できると認識している。例えば、シリコンウェハは、様々な異なるサイズおよび形状で、容易に入手することが可能であり、様々な産業で広く使用されている。単結晶または多結晶シリコンは、一般に、Ｈ２ＳＯ４に対して耐性があり、また、特定の導電率を得るためにドープすることができる。シリコン表面に絶縁酸化物が形成される可能性はあるものの、所望の化学的および電気化学的表面特性を得るために、様々な表面改質プロセスを用いることができる。例えば、表面に堆積させた金属薄膜のアニーリングによって、シリコン表面に金属シリサイドを形成することができる。金属シリサイドは、一般に、シリコンとの間に低抵抗率のオーミックコンタクトを形成し、下層のシリコンを酸化または不動態化から保護し、表面の電気化学的安定窓を拡張する。基板上には、その表面特性を活物質の密着性に向けて改善するため、シリサイド形成後に堆積させる１つ以上の薄膜のような、１つ以上の薄膜を堆積させることができる。
【００２３】
図２は、バイポーラ電池アセンブリ２００の一部として含むことができるようなバイポーラ電池用極板１２１Ａを含む例の断面図を概略的に示している。第１のバイポーラ電池用極板１２１Ａは、集電体として、硬質の導電性シリコン基板１０４を有し得る。シリコン基板１０４は、薄ウェハを含むなど、円形、切り取られた（ｃｌｉｐｐｅｄ）、方形、または矩形の構成を含むことができる。シリコン基板１０４は、半導体グレード、ソーラグレード、または金属グレードのシリコンを含むことができ、また、シリコン基板１０４は単結晶である必要はない。本明細書の他の箇所で、他の詳細な実施形態において図示および記載しているように、シリコン基板１０４は、基板１０４のバルク導電率を向上させるなどのために、１種以上のドーパントまたは不純物を含むことができる。
【００２４】
バイポーラ電池用極板１２１Ａは、導電性シリコンウェハ１０４の第１面またはその付近に配置されたオーミックコンタクト層１０６Ａおよび密着層１０８Ａのうちの１つ以上を有し得る。製造中または製造後に機械的支持体１１０Ａによって支持されるような、第１の極性を有するなどの活物質１１２Ａを、極板１２１Ａに塗布または堆積することができる。第１面と反対側の導電性シリコンウェハ１０４の第２面に、第２のオーミックコンタクト層１０６Ｂを有することができる。第２のオーミックコンタクト層１０６Ｂは、電池アセンブリの他の部分への接続用電極を提供するため、耐食層を提供するため、または導電性シリコンウェハ１０４の第１面と同様の積層を有する鏡像構成を提供するなどのために、第１のオーミックコンタクト層１０６Ａと同じ材料または異なる材料を含むことができる。同じく第２の密着層１０８Ｂも含むことができる。第１の活物質１１２Ａとは逆の極性を有するような、第２の活物質１１２Ｂを含むことができる。第１と第２のコンタクト層１０６Ａ、１０６Ｂは、順次または同時にアニールされたシリサイド層を含むなど、本明細書の他の箇所で記載する１つ以上の技術を用いて形成することができる。
【００２５】
第１の電解液領域１１６Ａは、電池用極板１２１Ａを、隣接する電池用極板１２１Ｃから分離することができ、第２の電解液領域１１６Ｂは、電池用極板１２１Ａを、もう１つの隣接する電池用極板１２１Ｂから分離することができる。電解液領域１１６Ａおよび１１６Ｂは、電池用極板の間に規定の間隔を維持する助けとなるようなセパレータを含み得る。導電性シリコン基板１０４のバルクを介して伝導が直列的に生じるように、概して、電解液領域１１６Ａと１１６Ｂは、相互に流体的に隔離されている。
【００２６】
図２に例示的に示すように、第１と第２の活物質１１２Ａ、１１２Ｂは、それぞれ、双極板１２１Ａの相対する両側に配置される（例えば、形成または堆積される）ような、正極活物質と負極活物質を含み得る。シリコンウェハ基板に適用される表面改質プロセスは、カソードとアノードの両方の電気化学作用に適合する表面を提供するように規定することができる。一方、いくつかの構成では、バイポーラ基板の両側に対して異なる表面改質を用いることができる。例えば、本発明者らは、アノード側とカソード側に対応した個々の（例えば、異なる）表面改質によるなど、基板１０４のカソード側とアノード側に対して独立に、表面の化学的および電気化学的特性を調整することが有効であり得ることも認識している。
【００２７】
基板１０４の相対する両側に異なる金属シリサイドを形成するために、いくつかのアプローチを用いることができる。１つのアプローチでは、一方の側に金属膜を堆積させることができ、続いて基板の他方の側に第２の金属膜を堆積させる。次に、両方の金属膜を金属シリサイドに転化させるために、基板をアニールすることができる。ただし、異なる金属シリサイドは、異なる焼結（転化）温度を有する可能性があり、カソード用とアノード用として所望の電気化学的特性を有する２つの異なるシリサイドは、同じ温度でアニールすることができないかもしれない。そのような例では、より高い温度まで安定している金属である、より高い焼結温度を有する金属を、シリコン基板１０４の一方の側に堆積させて、アニールすることで、第１の金属シリサイドを形成することができる。次に、基板１０４の反対側に第２の金属を堆積させることができ、次いで、第１のシリサイドが安定している温度である、より低い焼結温度で、基板１０４をアニールすることで、第２のシリサイドを形成することができる。
【００２８】
同様に、双極板１２１Ａの両側の正極活物質と負極活物質の密着性を向上させるために、バイポーラ基板の相対する両側に、個々の（例えば、異なる）積層膜を堆積させることができる。セルが、図１のバイポーラスタックおよび図２の例に例示的に示すような直列構成である形態などで、バイポーラ鉛蓄電池を組み立てるためには、改質済みのシリコン集電体基板を、正極活物質および負極活物質を用いて加工して、個々のセルを隔離するように封止し、セパレータと共に積層して、電解液を充填することができる。
【００２９】
［ウェハボンディングを用いて製造できるような、かつエッジシールを有し得るようなバイポーラ集電体アセンブリ］
特に漏出または流出の可能性がある電解液を用いたアセンブリである、バイポーラ電池アセンブリでは、性能破壊的な電気的短絡を回避するために、個々の双極子をケーシングフレーム内にハーメチックシールすることができる。このような短絡の傾向がある結果として、バイポーラ電池アセンブリのパッケージング構成は、モノポーラ電池アセンブリのような他の構成におけるよりも、大きな重要性を持つ。概して、各双極子と、より大きなケーシングとの間のシールまたは他の接合は、堅固かつ無欠陥であるように構成されるとともに、再現可能な製品用に構成される。
【００３０】
概して、バイポーラ電池構造は、他の電池技術と比較して高い電池出力電圧を有することによって、その出力電力を供給する。そのようなより高い電圧は、流体的に隔離されるなどして相互の隔離が維持された電解液領域を画成するセルのスタックによって発生させることができる。本発明者らは、特に、セル数が増加すると、そのような隔離を維持することが、製造環境において極めて難しくなり得ると認識している。これが、そのような堅固な隔離を欠いた他のバイポーラ電池構造の故障モードであった。ケーシングと顕著に異なる材料で双極板を製造する場合には、特に困難が生じ得る。一般に、ケーシングフレーム（例えば、ケーシング「セグメント」）は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、または他の材料など、熱可塑性材料から形成することができる。そのような材料の低溶融温度は、双極板が金属またはセラミックの混合物で製造され得るため、バイポーラ電池に利用できる封止方法を制限することがある。従って、双極板アセンブリを形成する１種以上の材料と比較して、ケーシング材料の溶融温度に大きな差がある場合には、幅広い溶接または溶融プロセスを利用することはできない。
【００３１】
１つのアプローチでは、そのようなシールを提供するためにガスケットを用いることができる。そのようなガスケットは、他の産業用途で使用するために供給されていて、入手できる可能性があり、一般に、ゴムまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような容易に入手できる非腐食性材料で構成される。十分な圧縮によって、そのような材料を用いた高信頼性のシールを得ることが可能である。しかしながら、電池アセンブリの寿命期間にわたって、一貫したレベルの圧縮を維持することは難しく、また、大きな電池スタックの場合には、ガスケット間のばらつきに起因するなどの製造ばらつきによって、それらのガスケットは、最終的に、様々に異なる圧縮状態となる可能性がある。さらに、双極子とガスケットとの間に生じ得るミクロボイドを回避するなどのために、一般に、慎重な表面処理が実施される。そのようなボイドは、セル間の望ましくないイオン伝導を許す可能性がある。
【００３２】
他のアプローチでは、ガスケットによるアプローチに代えて、様々なタイプの接着剤を使用することができる。そのような接着剤は、例えば、エポキシを含むことができる。接着剤は、それらが最初は液状であることから、魅力的な選択肢であり、少なくとも理論的には、それらによって、双極子またはパッケージフレームにおけるボイドまたは他の凹凸を埋めることが可能となることで、イオンリークの可能性が大幅に減少する。さらに、接着剤分注装置は、一般的に入手可能であり、他のアプローチと比較して高い製造スループットを容易に可能とするなど、いくつかの接着剤の塗布を再現可能に自動化することができる。
【００３３】
理論にとらわれることなく、本発明者らは、そのような自動化による、圧縮時のエポキシ接着剤ビードの粘稠度を改善するための効果がほとんどないことも認識している。ボイドおよびエアポケットは、やはり硬化プロセス中に容易に形成される可能性があり、そのような欠陥によって、電解液は、双極板の導電性基板を迂回して、双極板の反対側に漏れてしまう可能性がある（例えば、望ましくない電気的短絡が発生する）。また、接着剤は、比較的高価な傾向もあるとともに、接着剤の可使時間によって、組み立てに適用できる継続時間が制限される可能性がある。例えば、高電圧スタックの組み立てに、接着剤によるシール構成を用いると問題となり得る。また、長期間にわたる暴露のような、ケミカルアタックが、接着剤によるシールが徐々に劣化することにつながる可能性もある。これによって、単なる装置の経年劣化によるシール不良の可能性が生じる。接着剤は液状で塗布されるので、流動する傾向がある。例えば、接着剤は、通常、圧縮中に継ぎ目から周囲に押し出る。これが、市販製品として許容されない見栄えの良くないシールにつながる可能性がある。
【００３４】
さらに別のアプローチでは、セラミック−プラスチック構成を双極板に用いることができる。双極板をケーシングに融着させるためなどに、誘導溶接プロセスを用いることができる。例えば、組み立て中に、セラミック−プラスチック双極子とケーシングフレーム要素との間に、金属ワイヤを配置することができる。ケーシングフレーム要素と双極子とを含む電池スタックを、圧縮して、誘導室またはコイル内に配置することができる。外側誘導コイルに通電することにより、磁場を発生させて、これにより、アセンブリ内に配置された金属ワイヤ内で熱を誘起する。この熱によって、周囲のフレーム材料を溶融させて、ハーメチックシールを形成する。誘導溶接は、一般的に利用できる溶接技術であり、高信頼性のシールを生成するために用いることができる。ところが、その特殊な装置は、高価である可能性があるとともに、ワイヤの金属は、汚染を防ぐために電池化学作用との適合性が規定されるなど、特殊なものであり得る。さらに、誘導溶接は、一般に、多くの故障モードの可能性があるような、より複雑な双極子材料マトリクスの使用を伴う。従って、堅固なシールを有するバイポーラ電池アセンブリの製造は、その製造可能性が依然として重大な課題である。堅固なシールは、実験室規模では得られるかもしれないが、各種アプローチは、そのようなアプローチを大量のアセンブリに規模を拡大しようとすると失敗する。
【００３５】
上述のように、本発明者らは、特に、バイポーラ構造は、基板の材料選択および構成、信頼性を得るためなどのセル間のシール構成、および熱管理、のうちの１つ以上に関するような、課題を提示し得ると認識している。一例として、基板材料は、セル間接続のために導電性媒体を提供するように規定することができ、また、セル間リークを防ぐためにイオンを通さず、硫酸電解液による腐食に対して化学的耐性があり、電池化学作用（例えば、鉛酸化学作用）の動作範囲内では副反応を抑制もしくは阻止するために電気化学的に安定であり得る。
【００３６】
基板材料は、さらに、エッジシールを容易にするための構成を含み得る。熱伝達または熱除去を促進するなどのために、基板または支持フレームのうちの１つ以上に、高熱伝導性を有する材料を用いることができる。基板材料の選択のための他の考慮事項として、コスト、入手可能性または豊富さ、および電池アセンブリ廃棄時のリサイクル性、を含むことができる。
【００３７】
本明細書における主題は、広くは、集電体およびバイポーラ電池構造に関する。一例では、シリコンウェハのようなシリコン基板を、集電体の基板として使用することができる。シリコンは、鉛と比較して、はるかに密度が低く、シリコンは、一般に、鉛よりも高い熱伝導性を提供する。シリコンは、許容できるバルク導電率を得るなどのために、シリコンの導電率を変調するためのドナーまたはアクセプタ不純物でドープすることができる。シリコンは、一般に、硫酸を浸透させないので、硫酸による腐食に対して化学的耐性がある。電気化学的に安定にするなどのために、シリコン基板の表面を改質するための様々なプロセスを適用することができる。電池アセンブリにおけるシリコン基板のパッケージングを容易にするなどのために、ウェハボンディング技術を用いることができる。例えば、ウェハボンディング技術を用いて、シリコン基板を、ハーメチックシールされるセルまたはアセンブリの一部として含めることができる。シリコンは、大量生産で使用するのに、豊富であるとともに経済的である。
【００３８】
一例では、シリコンウェハは、基板をバイポーラ集電体として使用するのに適したものとするために、１つ以上のプロセスによるなどして、改質することができる。例えば、表面上にオーミックコンタクトを形成するとともに、それを自然酸化物形成から保護するために、ウェハ上に堆積させた金属薄層のアニーリングによって、シリコンウェハの片面または両面に金属シリサイドを形成することができる。オーミックコンタクト層として使用することに加えて、いくつかの金属シリサイドは、鉛酸化学作用の動作範囲内では、副反応を伴うことなく電気化学的に安定であるので、オーミック層は、パッシベーション層としても機能することができる。
【００３９】
シリコンウェハは、高温などで、ダイレクトウェハボンディングまたは接着剤ウェハボンディングを用いることなどによって、エッジシールすることができる。正極活物質および負極活物質の密着性を促進または向上させるなどのために、シリコンウェハの１つ以上の面に、鉛または鉛合金の薄層を堆積または付着させることができる。そのような活物質は、シリコンウェハ集電体の相対する両面に堆積させることができる。
【００４０】
本明細書に記載の例では、米国特許出願公開第２０１４／０３７０３６９号明細書に図示および記載されている構成を有するような、シリコン基板を有するバイポーラ集電体を用いることができ、この文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、本明細書に記載の主題の範囲から逸脱することなく、他のバイポーラ集電体材料を使用することができる。シリコンを使用することで、半導体産業および太陽光発電産業の両方においてシリコン材料を処理するために得られた既存のスケールメリットの恩恵を受けやすくなる。例えば、ある１つのプロセスでは、ウェハボンディングを含むことができる。ウェハボンディングは、一般に、半導体用途などでシリコンウェハ間の永久接合を形成することを指す。その接合は、一般に、半導体が動作中または何らかの製造工程中に受ける大きな温度変動に耐えるように規定される。ウェハボンディングは、一般に、ウェハ表面上の敏感な構成部品の汚染を防ぐために、厳しいプロセス制御によって遂行される。ウェハボンディングは、真空下にあるような環境制御室内で実施することができる。このような処理によって、大量生産される再現性の高い接合が可能となる。
【００４１】
より幅広いウェハボンディングの範囲内で、具体的な材料を処理するために多くの特有のプロセスを用いることができる。ダイレクトウェハボンディングと接着剤ウェハボンディングは、２つの例である。ダイレクトウェハボンディングは、一般に、シリコン−シリコン接合を指し、バイポーラ電池用極板技術に必ずしも適用できるわけではない。これに対し、接着剤ウェハボンディングは表面に依存しないので、そのような接着剤ボンディングは、バイポーラ電池に直接適用できる。適切な表面洗浄を用いれば、どのような材料でも、接着剤ウェハボンディングによって接合することが可能である。さらに、接合されるべき表面を湿潤させることが可能であれば、ほとんどすべての接着剤が機能する。一般に、接着剤ウェハボンディングは、ハーメチックシールを生成するためのものとしては知られていないが、これは、半導体処理産業で使用される一般的に入手可能な接着剤に理由がある。そのような接着剤は、主に一時的なものであるため、厳密なハーメチック接合用である必要はない。
【００４２】
しかしながら、本発明者らは、ハーメチック接合が要求される場合に、永久的に接合する幅広い接着剤は、真空下でも適切に湿潤すると認識している。完成した接合は、高強度、ハーメチックであるとともに、スリムなプロファイルであり得る。このようなスリムさは、電解液からのアタックを受けるように残された表面積がより少ないため、効果的であり、これにより接合の寿命は長くなる。
【００４３】
接着剤ウェハボンディングは、３工程のプロセスを伴い得る。第１工程では、接合されるべき表面に接着剤を塗布することができる。これは、スピンコーティングによって実施することができる。いくつかの領域でのみ、接着剤が所望される場合には、接着剤の流動を制御するために、マスキング技術を用いることができる。スピンコーティングプロセスによって、接合ゾーンの表面にわたって均一な接着剤ビードが確保される。第２工程は、合わせる部品の高精度アライメントを伴い得る。そのようなアライメントは、半導体産業において、シリコン表面上に構築されるデバイスのある面から隣りの面への適切な接触を確保するために用いられている。電池用途では、このアライメント技術の厳しさを軽減することができるが、それでも、接着剤層にボイドが生じないことを確保するなどのために、このようなアライメントを用いる。第３工程は、圧縮を伴い得る。アライメントされた塗布済み部品を、高真空下にあるような環境制御室に移すことができる。次に、塗布済み面を互いに、迅速にプレスする。このような圧縮中または圧縮後に、初期硬化を促進するために、その室温を上昇させることができる。圧縮速度、および、それらの部品を相互に保持する力、のうちの１つ以上を、電子的に制御することができる。接着接合の品質は、圧縮技術に関係し得る。圧縮が、あまりにも低速または高速で実施されると、望ましくない気泡または他の欠陥の形成が促される可能性がある。初期硬化が完了したら、接合されたばかりの部品を処理室から取り出すことができ、それらは、さらなる組み立てまたは処理ができる状態となる。
【００４４】
図３Ａおよび図３Ｂは、支持フレーム３３２を含む、バイポーラ電池用集電体アセンブリ（例えば「双極板」）３００の少なくとも一部の、図３Ａの斜視図および図３Ｂの断面図を含むそれぞれの図を概略的に示している。
【００４５】
図４Ａおよび図４Ｂは、バイポーラ集電体を越えて延出するリングを有する支持フレーム４３６を含む、バイポーラ電池用集電体アセンブリ４００の少なくとも一部の、図４Ａの斜視図および図４Ｂの断面図を含むそれぞれの図を概略的に示している。
【００４６】
図３Ａおよび図３Ｂにおいて、導電性ウェハ３０４のような導電性集電体基板は、導電性ウェハ３０４と支持フレーム３３２との界面に接着剤層３３４を用いるなどして、支持フレーム３３２に接合することができる。同様に、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、導電性ウェハ４０４は、導電性ウェハ４０４と支持フレーム４３６との界面４３８に接着剤を用いるなどして、支持フレーム４３６に接合することができる。図３Ａおよび図３Ｂの支持フレーム３３２、または図４Ａおよび図４Ｂの支持フレーム４３６は、ポリマーもしくはプラスチック材料、または１つ以上の他の材料を含み得る。
【００４７】
一般に、バイポーラ電池アセンブリ用ケーシングは、個別の部品または要素に個々にセグメント化することができ、集電体基板に接合される非導電性（例えば、プラスチック）フレームは、それ自体で、外側ケーシングのセグメントを形成することができる。一方、外側ケーシングが双極板とは別個である場合には、支持フレーム（例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示すような支持フレーム３３２、または図４Ａおよび図４Ｂに示すような支持フレーム４３６）は、キャリアとして機能し得る。キャリアは、複数の機械的機能を提供することができる。例えば、キャリアまたはフレームは、双極板のエッジを保護して、後の組み立て工程での損傷の可能性を低減することで、双極板の取り扱いを容易とする。このようなプラスチックキャリアによって、どのような材料の双極板でも、十分に確立されているプラスチック溶接技術を用いて、より大きなバイポーラケーシングに対して容易に融着させることが可能となる。このようにして、封止されたケーシングアセンブリを形成することができる。
【００４８】
例えば、双極板をキャリアに接合してから、そのキャリアをケーシング（例えば、ケーシング「セグメント」）に融着させることができ、これにより、ユニット化されたアセンブリを得る。一般的に利用できるプラスチック溶接技術を用いることによって、製造の容易さが助長される。キャリアまたは「二次」プラスチックフレームは、様々な形態で提供することができる。図３Ａおよび図３Ｂの例では、支持フレーム３３２は、導電性集電体基板の寸法に厳密に一致し得る（例えば、ウェハ３０４の寸法に一致する）周辺を有する。これにより、重量の増加が最小限であることを確保するとともに、既存の双極板基板よりも大きいフットプリントを有するようなケーシングを再設計する必要なく、バイポーラ構造において本明細書に記載の技術を容易に採用することが可能となる。
【００４９】
他の例では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、支持フレーム４３６は、わずかに異なる構成を有し、プラスチック溶接または他の組み立て工程を容易とするなどのために、表面積をより大きくするように、ウェハ４０４を越えて延出している。例えば、この余分の材料を含む支持フレーム４３６によれば、ウェハ４０４のフットプリントを越えて延出する領域にホーンのための余地が残されていることによって、超音波溶接の使用を容易とすることができるが、他の溶接プロセスを用いることも可能である。再び図３Ａおよび図３Ｂを参照して、プラスチック溶接技術を用いることも、そのような処理の熱または振動による損傷からウェハ３０４が保護されるのであれば、可能である。図４Ａおよび図４Ｂでは、他のアプローチと比較して耐久性を向上させるために、拡張された支持フレーム４３６によって、ウェハ４０４を溶接施工から分離する。
【００５０】
図３Ａの実例では、支持フレーム３３２を、ウェハ３０４の片面のみに付与するものとして示しているが、ウェハ３０４の両面に接合することも可能である。例えば、片面のみに接合すると、両面に接合するのと比較して、より厳しいプロセス制御を容易とすることができる。接着接合の加熱段階において、両方の表面が同時に処理されていると、ウェハ３０４内で発熱が生じ得る。図３Ｂの例に示すように、界面３３４に配置される接着剤の薄さによって、大量の熱エネルギーを用いることなく接合を進めることができるが、付与される熱量は、少なくとも一部は、接着剤を適切に湿潤させるように規定することができる。
【００５１】
図４Ｂは、ウェハ４０４と拡張支持フレーム４３６との間の接合を、いかに実施することができるのかを示している。例えば、拡張支持フレーム４３６は、組み立て時にウェハ４０４を「捕捉」または位置決めすることを助けるなどのために、キャビティまたはインセット（ｉｎｓｅｔ）を有し得る。このインセットによって、接着剤が流入し得る濡れ面積を増加させることができる。このような特徴の結果として、より高強度の接合と、より優れた双極板保護を得られることがある。特に、支持フレームおよび基板（例えば、ウェハ）が、接着剤ボンディング装置内での処理用にサイズ設定および形状設定されるのであれば、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂに例示的に示す構成の多くの変形および組み合わせが可能である。二次支持フレーム（例えば、支持フレーム３３２または支持フレーム４３６）は、集電体基板（例えば、ウェハ３０４またはウェハ４０４）を保護するために使用することができるが、別個の支持フレームを必要とすることなく、電池ケーシングセグメントに対して直接接着剤ウェハボンディングを実施することも可能である。
【００５２】
支持フレームおよび集電体基板の形状は、複数のバイポーラ技術に応じて変更できるが、本明細書に記載の実例は、バイポーラ電池用集電体をその個々のケーシング内に封止するために、半導体グレードのウェハボンディングを用いることに関するものである。「半導体グレード」という表現は、一般に、あるウェハボンディング技術を指して用いられるが、その材料および処理技術は、一般的に利用できる半導体処理で採用されるような条件を厳格に守る必要はない。例えば、集電体基板材料は、半導体グレードである必要はなく、半導体型ウェハボンディング技術を用いるとしても、多結晶または金属グレードの材料を含むことができる。
【００５３】
図５は、バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを伴い得る方法などの技術５００を概略的に示している。５０２で、導電性集電体基板を準備することができる。例えば、導電性集電体基板は、本明細書における他の例に関連して記載したようなシリコンウェハを含むことができる。５０４で、任意選択的に、集電体基板を処理またはその他改質することができる。例えば、導電性集電体の表面の１つ以上に、オーミックコンタクト層（例えば、金属シリサイド）を形成することができる。５０６で、実例として図３Ａまたは図３Ｂに示すような支持フレーム構成を有するような、非金属支持体を準備することができる。５０８で、接着剤を用いるなどして、非金属支持フレームを集電体基板に接着することができる。例示される例として、非導電性支持フレームを集電体基板に接着するなどのために、ウェハボンディングの接着剤またはプロセスを用いることができる。一例では、支持フレームは、エッジシールリングを提供することができる。
【００５４】
プラスチック支持体および集電体とその他の層とを含む双極板の形状は、様々に異なるバイポーラ技術に応じて変更することができる。本明細書に記載の実例は、広くは、バイポーラ電池用集電体をその個々のケーシング内に封止するために、半導体グレードのウェハボンディングを用いることに関するものである。「半導体グレード」という表現は、一般に、あるウェハボンディング技術を指して用いられることがあるが、その材料および処理技術は、一般的に利用できる半導体処理で採用されるような条件を厳格に守る必要はない。例えば、集電体基板材料は、半導体グレードである必要はなく、半導体型ウェハボンディング技術を用いるとしても、多結晶または金属グレードの材料を含んでいてもよい。
【００５５】
［バイポーラ電池の一部として使用するためなどの、様々なエッジシール構成を有し得るような導電性集電体の実例］
本明細書における例は、特に、バイポーラ鉛蓄電池において使用するためなどの、シリコンを含む集電体およびその製造を含む。シリコンは豊富であるとともに、集電体の一部として使用するためのシリコン基板は、半導体または太陽電池の製造技術を用いて経済的に製造することができる。シリコンウェハを製造するため、ならびにシリコンウェハの電気的および化学的特性を改質するために、様々なプロセスを用いることができる。
【００５６】
図６Ａおよび図６Ｂは、バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを伴い得る方法などの技術の、図６Ａの平面図および図６Ｂの断面図を含む図を概略的に示している。例えば、６０４で、導電性シリコン基板を準備するか、または形成することができる。実例として、半導体ウェハは、２００ミリメートルの直径または３００ミリメートルの直径またはそれより大きい直径などの略円形形状を有するような、典型的には９Ｎ〜１１Ｎの純度（１ｐｐｂ未満の不純物レベル）の電子グレードシリコンで構成することができる。ソーラグレードのウェハは、典型的には、６Ｎ〜９Ｎの純度（数ｐｐｍの不純物レベル）を有し、実例として、１２５ミリメートルまたは１５６ミリメートルの標準サイズで入手できるような方形形状を有し得る。バイポーラ鉛蓄電池の集電体として使用する場合、アップグレード金属グレード（５Ｎ〜６Ｎ）、さらには金属グレード（９８％を超える純度）のシリコンでも、集電体基板として使用するための望ましいシリコン特性を維持するのに十分な純度であり得る。
【００５７】
アンドープの高純度シリコンは、一般に半導体としての挙動を示すが、導電性基板を得るために、シリコンに、その抵抗率を低下させるようにドープすることができる。例えば、インゴット鋳造プロセス中などに、ソーラシリコンに、約５０重量ｐｐｍのホウ素をドープすると、シリコン抵抗率を約５ミリオーム・センチメートル（ｍΩ・ｃｍ）まで低下させることができる。シリコンの精製は、一般に不純物の除去を伴うが、バイポーラ集電体としての用途では、シリコンの抵抗率を低下させるためにドーパントを用いることができる。アップグレード金属グレード（ＵＭＧ：Ｕｐｇｒａｄｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｇｒａｄｅ）または金属グレード（ＭＧ：Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｇｒａｄｅ）のシリコンを使用する例では、許容できる導電率を得るために、ドーパントの添加は必ずしも必要ではない。
【００５８】
実例として、インゴットは、炉内でＵＭＧまたはＭＧシリコンを用いて鋳造することができる。一般的に利用できるシリコンインゴットは、８６×８６×２６センチメートル（例えば「Ｇ５」サイズ）または１０５×１０５×３０センチメートル（例えば「Ｇ６」サイズ）の寸法を有し得る。インゴットは、少なくとも１つのウェハ寸法に相当する寸法を有するようなブリックまたは他の単位に切断することができる。最終的な電池アセンブリの規定のエネルギーに少なくとも部分的に基づくか、または１つ以上の工業規格電池サイズに適合させるなどのために、方形または矩形のウェハを集電体として使用することができる。実例として、Ｇ５インゴットは、国際電池評議会（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｃｏｕｎｃｉｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ＢＣＩ））が定めたグループサイズに従って、Ｕ１サイズの鉛蓄電池の製造に使用するなどのために、１４６×１９０×２５０ミリメートル（ｍｍ）の寸法を有する２０個のブリックに切断することができ、またはＧＣ２サイズの電池を製造するために、１７３×２４０×２５０ミリメートルの寸法の１２個のブリックに、切断することができる。
【００５９】
シリコンブリックは、スラリーソーまたはダイヤモンドワイヤソーを用いるなどして、薄い基板（例えば、ウェハ）に切断することができる。実例として、バイポーラ鉛蓄電池用の集電体としては、約２００〜約１０００マイクロメートルのウェハ厚さが適している。集電体の基板は、一般に、蓄積能力に寄与しないので、ウェハがより薄いほど、重量を削減することができる。しかしながら、ウェハがより厚いほど、より良好な機械的強度が得られる。機械的堅牢性とウェハの薄さとの間にはトレードオフが存在し得る。例えば、機械的強度と重量との間の妥協案を提示する約４５０〜７００マイクロメートルの範囲から選択されたウェハ厚さを用いることができる。
【００６０】
シリコンウェハは、さらなる処理のための、表面汚染除去またはウェハ表面のテクスチャ形成のうちの１つ以上のために処理することができる。他の箇所で使用される半導体またはソーラウェハ処理用の洗浄アプローチを、用いることができる。一例では、有機汚染物質および金属汚染物質をウェハ表面から除去するために、「ＲＣＡ」洗浄プロセスを用いることができる（例えば、Ｗ．ＫｅｒｎおよびＤ．Ａ．Ｐｕｏｔｉｎｅｎ：ＲＣＡ  Ｒｅｖ．３１（１９７０）１８７を参照）。他の例では、ウェハ表面にテクスチャを形成するために、エッチャントとしての水酸化カリウム処理を用いることができる。一例では、シリコンウェハの特定の表面テクスチャおよび化学的特性を得るために、様々に異なる温度および濃度で水酸化カリウム洗浄剤を用いることができる。
【００６１】
一例では、後のエッジシールを容易とするために、シリコンウェハの片側または両側にエッジ除外領域を画定することができる。エッジ除外領域を画定するために、エッジ除外領域を露出させるようにウェハにマスキングすることができ、除外領域のシリコンは、二酸化シリコンを得るために熱酸化によって改質させるか、または窒化シリコンを得るために窒化によって改質させるか、または炭化シリコンを得るために化学気相成長によって処理することができる。エッジ除外領域を改質させるための他の方法として、機械的粗面化または研磨が含まれる。
【００６２】
他の箇所で、表面への絶縁酸化シリコン層の望ましくない形成のような酸化からシリコンウェハ表面を保護するために、６０６などにおいて、ウェハの片面または両面の大きな表面にオーミックコンタクト層を形成することができる。低電気抵抗、硫酸腐食に対する耐性、規定の電池化学作用に対する電気化学的安定性を得るなどのため、１種以上の金属シリサイドをオーミックコンタクト層として用いることができる。金属シリサイドは、ダイレクト同時スパッタリングによってシリコン表面に堆積させることができるが、他のアプローチを用いることもできる。例えば、金属堆積工程を、その後にアニール工程が続くなどして、用いることができる。金属堆積工程では、約５０〜約２００ナノメートルから選択された範囲の厚さを有するような金属薄層を、シリコンウェハの片側または両側に堆積させることができる。シリコンウェハ表面に金属薄層を堆積させるために、物理気相成長、化学気相成長、または電気メッキなどの技術を用いることができる。
【００６３】
アニール工程では、金属が下層のシリコンと反応してシリコン表面に金属シリサイド層を形成するように、金属被覆ウェハを高温に加熱することができる。シリコンが消費されてシリサイド層に取り込まれると、金属シリサイドのオーミックコンタクト層は、ウェハ上のシリコンと融合する。アニールは、窒素（Ｎ２）またはアルゴン（Ａｒ）などの不活性雰囲気下で実施することができる。管状炉、急速熱処理（ＲＴＰ：Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）システム、またはベルトコンベア炉など、半導体または太陽電池製造用の装置を使用することができる。シリサイドを形成するために、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）のうちの１つ以上を含む、多くの遷移金属を用いることができる。
【００６４】
実例によれば、物理気相成長によって、５０ナノメートルのチタンをシリコンウェハの両側に堆積させることができ、続いて、窒素下で８００℃まで５分間アニールすることによって、約１２０〜約１３０ナノメートルのチタンジシリサイド（ＴｉＳｉ２）を形成する。窒素環境下でチタンをアニールした結果として、極めて薄い窒化チタン（ＴｉＮ）層が表面上に得られる。表面から窒化チタンを選択的に除去するために、ウェハを、高温過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）で洗浄することができる。
【００６５】
実例では、物理気相成長によって、５０ナノメートルのニッケルをシリコンウェハの両側に堆積させることができる。そのニッケル膜を、窒素下で４５０℃まで５分間アニールすることによって、１１０〜１２０ナノメートルのニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）をシリコンウェハ上に形成する。次に、ニッケルシリサイド表面を、希フッ酸（ＨＦ）または重フッ化アンモニウム（ＮＨ４ＨＦ２）で洗浄することができる。また、ニッケル薄膜は、電気メッキによって堆積させることもできる。
【００６６】
実例では、物理気相成長によって、５０ナノメートルのタンタル（Ｔａ）をシリコンウェハの両側に堆積させることができ、続いて、窒素中で８００℃まで５分間アニールすることによって、１２０ナノメートルのタンタルジシリサイド（ＴａＳｉ２）を形成する。次に、さらなる処理に先立って、表面を、高温過酸化水素または緩衝酸化物エッチングのいずれかで洗浄することができる。
【００６７】
実例では、物理気相成長によって、５０ナノメートルのタングステンをシリコンウェハの両側に堆積させ、続いて、窒素中で８００℃まで５分間アニールすることによって、タングステンジシリサイド（ＷＳｉ２）を形成する。次に、表面上の未反応のタングステン金属（Ｗ）を、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）によって選択的にエッチング除去する。
【００６８】
実例によると、オーミックコンタクト層の形成後に、６０８などにおいて、シリコンウェハをエッジシールすることができる。バイポーラ電池では、一般に、各セル区画室は、セル間の短絡につながる電解液漏れを防ぐために、その近隣セルとの間をハーメチックシールされる。エッジシール工程では、シリコンウェハ集電体を、電池製造に適合する材料で構成されたエッジリングに接合することができる。例えば、エッジリングは、イオンを通さない電気絶縁体であり得るとともに、ハーメチックシール構造の一部を形成し得る。エッジシール材料の例として、プラスチック、セラミック、ガラス、または上記の特性を一般に提供する複合材料が含まれる。一例では、ウェハを、分子間力によって直接エッジリングに接合することができる。一例では、制御された温度および圧力下で接着剤を塗布することによって、ウェハをエッジリングに接合する。限定するものではないが、プラズマ活性化ボンディング、ガラスフリットボンディング、アノーディックボンディングなど、他のウェハボンディング技術を用いることもできる。
【００６９】
６１０で、シリコンウェハ集電体の表面に対する活物質の密着性を向上させるなどのために、ウェハの金属シリサイド表面に密着層（ａｄｈｅｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）を堆積させることができる。セル間の短絡につながり得るウェハエッジの周囲の密着層の堆積は、エッジシールによって除外させることができる。一例では、希フッ酸（ＨＦ）、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）、または重フッ化アンモニウム（ＮＨ４ＨＦ２）など、一連の溶液でウェハを洗浄することができ、そして、約１０〜１００マイクロメートルの範囲から選択された厚さを有する金属鉛（Ｐｂ）の層を、電気メッキによってウェハの両側に堆積させることができる。
【００７０】
一例では、約０．５〜約２％のスズ濃度を有するような鉛スズ（ＰｂＳｎ）合金を、密着層として用いることができる。電気メッキは、例えば、フルオロホウ酸系の浴化学作用またはメタンスルホン酸系の浴化学作用を用いて、実現することができる。一例では、鉛または鉛−スズは、正極活物質または負極活物質のうちの１つ以上のための密着層として用いられる。例えば、鉛または鉛−スズは、ウェハの負極側でのみ用いられることがある。そのような例では、正極活物質への密着性を提供するために、二酸化鉛（ＰｂＯ２）または二酸化鉛−スズ（ＰｂｘＳｎ１−ｘＯ２）を用いることができる。
【００７１】
一例では、約５０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲から選択された厚さを有するような鉛（Ｐｂ）箔を、熱と圧縮力を併用するなどして、集電体の金属シリサイド表面の１つ以上に付着させることができる。鉛−スズ（ＰｂＳｎ）および鉛−カルシウム−スズ（ＰｂＣａＳｎ）などの金属合金を用いることもできる。一例では、約１マイクロメートル〜１０マイクロメートルの範囲から選択された厚さの鉛または鉛−スズを、集電体の金属シリサイド表面の１つ以上に堆積させることができ、その後に、シリコンウェハ集電体上での約５０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの鉛（Ｐｂ）または鉛−スズ（ＰｂＳｎ）または鉛−カルシウム−スズ（ＰｂＣａＳｎ）箔の熱圧縮が続くなどする。
【００７２】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは、バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、斜入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを概略的に示している。
【００７３】
いくつかのシリサイドは、特性の異なる複数の相を有する。しかしながら、異なるシリサイド相は、個別のアニール温度を有することがある。例えば、チタンは、２つの異なるシリサイドであるＣ４９−ＴｉＳｉ２およびＣ５４−ＴｉＳｉ２を形成する。ニッケルは、３つの異なるシリサイドであるＮｉ２Ｓｉ、ＮｉＳｉおよびＮｉＳｉ２を形成する。オーミックコンタクト層の形成後に、好ましいシリサイド相を特定するために、Ｘ線回折を用いることができる。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは、それぞれ、チタンジシリサイド（ＴｉＳｉ２）、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）、タンタルジシリサイド（ＴａＳｉ２）、タングステンジシリサイド（ＷＳｉ２）のＸ線回折スペクトルを示している。
【００７４】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄは、バイポーラ電池用集電体アセンブリの一部として使用するためなどの、導電性シリコン基板に付与された様々な金属シリサイド材料層の、サイクリックボルタンメトリスペクトルを概略的に示している。
【００７５】
シリサイドによるシリコンウェハ表面のメタライゼーションによって、表面を酸化から保護するとともに、表面の導電性を維持し、また、本発明者らは、金属シリサイドが電気化学的に安定であることも認識している。水銀−硫酸第１水銀参照電極に対する金属シリサイド（作用電極）の電位を走査し、グラファイト対電極に対して、金属シリサイド表面における電気化学反応によって発生する電流を測定するサイクリックボルタンメトリによって、シリコン表面上のいくつかの金属シリサイドについて調査した。
【００７６】
実験による結果として得られた図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄのサイクリックボルタンメトリスペクトルは、チタンジシリサイド（ＴｉＳｉ２）、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）、タンタルジシリサイド（ＴａＳｉ２）、タングステンジシリサイド（ＷＳｉ２）が、表面の電気化学反応による測定電流が極めて低い電位窓が広いことから明らかなように、電気化学的に安定していることを示している。特に、すべての金属シリサイドは、鉛蓄電池化学作用の動作範囲外の酸素発生過電圧および水素発生過電圧を有する。
【００７７】
［熱伝導リブを備える実例］
バイポーラ電池構造の電流経路が単純であることによって、通過抵抗が大幅に低減するとともに、物質利用率が向上することで、活物質の損傷を伴うことなく、より深いサイクリングが可能となる。高出力用途で動作する電池は、かなりの量の熱を発生し、そのような発熱は、再生可能エネルギーのバックアップなど、より高温の周囲環境または他の過酷環境用途では深刻化する可能性がある。
【００７８】
電池のようなエネルギー貯蔵装置の応用に対する要求は、ますます厳しくなりつつある。従来、充電可能な二次電池は、一般に電流要求および電力要求がサイクルごとに略一貫しているモビリティ用途で使用されていた。最近のハイブリッド／電気自動車および再生可能エネルギーシステムは、特有の課題を電池メーカに提起する。これらの用途では、繰り返し大きな電力を短いバーストで供給することを伴うことが多いが、それでも、そのようなバースト電力事象の合間に一定の電流引き込みを伴う。さらに、最近の通信局およびデータセンタは、停電の場合にエネルギーを供給できる状態をトリクル充電で維持するために、一般に、多数の電池を備える。これらのデータセンタの多くは、電池にとってより過酷な状況を作り出す高温環境にある。より過酷なデューティサイクルと、より過酷な周囲条件のこのような組み合わせによって、あらゆる電気化学的貯蔵に共通の、発熱という問題が生じる。電池は、一般に、最も効率的に動作する温度範囲を有する。規定の温度範囲外での動作は、少なくとも早期劣化につながる可能性があり、最悪の場合は制御されない熱暴走につながる可能性がある。
【００７９】
バイポーラ電池は、最近の電池システムに対して規定される、より過酷なデューティサイクルに対処するための最有力候補として現れた。バイポーラ電池は、容易に組み合わされる単純かつ低抵抗の構成を提供することができ、これにより、それらの電圧を、セルの直列積層によって規定または選択することができ、それらを、高電力の効率的供給が要求される用途に理想的に適合させる。バイポーラ電池は、これらの利点を提供するために、高圧縮された薄い活物質層を有する傾向があり、その結果、過酷なデューティサイクル下でのサイクル寿命が向上する。薄い活物質層ほど、高出力サイクル中に受ける応力は減少するが、圧縮効果によって、不活性の期間中の劣化も減少する。例えば、バイポーラ鉛蓄電池は、他の構成と比較して、放置期間中のサルフェーションがはるかに少ないとともに、高電力事象中の活物質の脱落が少ない。ところが、バイポーラ電池は、エネルギー密度を高めるために高セル密度も有する。バイポーラ構造における単位体積当たりのセル数が多いほど、厳しい周囲環境において、他の電池構造と比較して、重大な熱的課題が発生し得る。バイポーラ電池構造では、外部への適切な伝達経路が与えられていなければ、活物質内で発生した熱は、隣りのセルに直接伝導する可能性がある。シールドバイポーラ鉛蓄電池では、一般にセル温度の上昇とともに再結合反応が増加するので、近隣セル間のそのような熱結合は、特に損傷を与える可能性がある。さらに、負極活物質は、正極活物質の２倍の熱量を発生し得る。正極活物質領域と負極活物質領域が、両者の間に薄い双極板以外に何も挟むことなく、互いに直接対向して配置されている場合には、それらの反応は、熱暴走故障を発生または持続させるなど、基本的に互いに悪影響を及ぼし合う可能性がある。
【００８０】
電池における放熱問題に対処するために、様々なアプローチを用いることができる。１つのアプローチでは、各々の電池を、制御システムに結合することができ、これにより、電池温度をリアルタイムで監視して、発熱を抑制または低減させるなど、発熱を補償するように充電特性または放電特性を調整する。残念なことに、そのような閉ループ制御アプローチは、複雑かつ高コストのソリューションであり、あらゆる用途で採用することはできない。中央局設備のためのバックアップ電力を含む通信用途など、一般に電池使用を厳密に制御する用途であっても、閉ループ制御システムを用いることなく温度をより良好に調整できる電池は、大いに役立ち得る。制御システムは、熱暴走の発生を確実に防ぐためにも役立ち得るが、そのような制御システムは、効率またはピーク能力を犠牲にして、システムを熱的に安定させるために、充電または放電を遮断することにより電位効果を限定する。より長い期間にわたるより多くの電力の供給に受動的に耐えることができる電池は、一般に、エンドユーザにとってより魅力的である。本発明者らは、特に、熱伝達特性の受動的改善によって、熱管理を実施するための閉ループ制御の必要性を排除または低減できると認識している。代替的または追加的に、閉ループ制御と共に用いる場合の、受動放熱性能の改善によって、改善された放熱能力を持たない他の電池構造と比較して、効率またはピーク電力能力を向上させることが可能である。
【００８１】
１つのアプローチでは、電池内に熱交換器を含むことができる。活物質自体をケーシングに収容することができ、そして、そのケーシングを、さらなるケーシングによって包囲する。それらのケーシング壁の間に、流体を注入することができる。そのような流体は、一般に、過剰な環境熱が装置内に進入することを抑制する。第２に、流体は、一般に、活物質からの熱に対する一種の熱シンクを提供する。流体で満たしたキャビティを用いると、電池パックの重量およびサイズが増大し得るとともに、潜在的なリーク源となることで電池の脆弱性が高まる可能性がある。
【００８２】
他のアプローチでは、電池ケーシングは、空気流のための指定された流路を有し得る。例えば、各々の電池セルを、空隙によって他の電池セルから分離する。そして、それらの流路に、外部ファンで強制的に空気を流して、電池自体の中に重量を追加する必要なく電池を冷却することができる。これは、的確なソリューションである可能性はあるが、バイポーラ電池には必ずしも適していない場合がある。バイポーラ電池のパッケージング効率は、優れたエネルギー密度を提供し得る１つの属性である。そのようなエネルギー密度は、ケーシング内に空隙を追加することによって低減し得る。さらに、バイポーラ電池は、高電力を供給するために、空間的に短い電流経路および大きい集電体表面積に依拠している。ケーシング内の空隙によって、電流経路が複雑になるか、または抵抗が増加し得ることで、空隙構造を有するバイポーラ電池は、そのような空隙を持たない他の構造と比較して、効率が低くなる可能性がある。
【００８３】
さらに別のアプローチでは、導電性ゲルを、吸収マット式鉛蓄電池内の活物質板とケーシング壁との間に導入することができる。導電性セルコアを有する電池を用いることができる。この導電性コアは、活物質の中心から、端子が配置された金属ストラップまで直接、熱を運ぶことができる。さらに別のアプローチでは、発生し得る環境への熱伝達の量を増加させるために、数ミリメートルの外壁内に双極板が導入されるように、ケーシングを構成することができる。これは、双極板から熱を取り出すことで、セルの正極活性質量と負極活性質量の両方から熱を直接除去するので、バイポーラ電池の場合に有効であり得る。
【００８４】
上述のアプローチはいずれも、個々には、完全なソリューションを提供していない。モノポーラ電池構造では、導電性シリカペーストを使用することができるが、シリカも導電性である。バイポーラ電池では、シリカを使用することで、隣接するセル間の電気的短絡を生じさせる可能性がある。導電性コアのアプローチは、単一セル電池に適し得るが、バイポーラ構造には課題を提起し得る。例えば、電池の縁に至る熱および電流の経路は、電池ラックのような導電性の面に装置を載せた場合に直ちに短絡することにつながる。電流は、活物質を迂回して、あるセルから隣りのセルに直接流れることになる。
【００８５】
上述のように、バイポーラ電極を、できる限りケーシング壁に近づけることは可能であるが、ケーシングが均質なポリマーを含む場合には、短い距離であっても、かなりの熱抵抗が依然として存在する。このような熱抵抗は、多くのポリマー（例えば、プラスチック）が明確な熱経路を示さないことによって、増幅される可能性がある。発生した熱は、より低温の周囲に向かうのではなく、プラスチック全体に広がる（例えば、バルクにおいて拡散する）傾向がある。さらに、あまりにも外部に近づけて双極板を配置すると、それらは衝撃応力を受けやすくなり、これにより、それらは電池を故障させる原因となるひび割れを発生する可能性がある。
【００８６】
本発明者らは、特に、性能低下を招くリスクなく、またはケーシングの弱化を促進させることなく、バイポーラ電池のための熱伝達を改善することは、依然として課題であると認識しており、本発明者らは、そのようなソリューションについて、本明細書において記載している。例えば、複雑な熱交換器または添加材に代えて、電池ケーシング自体に、熱エネルギーの効率的交換（例えば、散逸）を促す材料を含むことができる。具体的には、電池アセンブリの長さに沿ったリブとして、集電体ごとに１つ備えるなど、高熱伝導性の材料を導入することができる。このようなリブは、電池からその外部に電流が流れることができないように間隙を残して、集電体に向かって内向きに延出することができる。そのような間隙に、熱可塑性材料などの電気絶縁材料を充填することができる。熱可塑性または他の電気的障壁によって、電流が間隙を乗り越えることを低減または抑制することができるが、ただし、間隙は、他のアプローチと比較して適度に高い効率で熱エネルギーが横切ることを許すように、サイズ設定および形状設定することができる。
【００８７】
さらに、本発明者らは、特に、セグメント化された電池スタックと共に伝導リブを用いるなどして、柔軟かつ堅牢なバイポーラ電池アセンブリを提供することができることも認識している。電池アセンブリを個々の同じ（または略同じ）セルに分けることによって、電池アセンブリは、モジュール型になり得るとともに、幅広い電圧の電池とすることができる。各々の集電体の周囲にリブを用いると、各リブへの封止は容易となる。このとき、そのようなリブは、電解液リザーバを構成するプラスチックケーシングに封止することができる。実例によれば、電池アセンブリ全体を、わずか３つまたは４つの異なるサブアセンブリを用いて製造することができる。サブアセンブリのバリエーションを減らすことは、特定の用途向けに電池の熱特性を調整することをより容易としつつ、製造経費を削減する助けとなり得る。本発明者らは、特に、本明細書に記載のリブ構成と組み合わせることができる様々な封止の実施形態も開発した。それらのリブは、より薄い材料の使用を可能にするとともに、内部抵抗をさらに低減させるような、集電体のための追加の構造および保護を提供することができる。
【００８８】
図９は、バイポーラ電池に使用するためなどの、集電体アセンブリを提供するための集電体の一部または全体の周囲に配置することができる、熱伝導リブ９４０の斜視図９００を概略的に示している。熱伝導リブ９４０は、バイポーラ電池内で、導電性基板からスペーサで分離するなどして、集電体の周囲に配置することができる。熱伝導リブ９４０は、金属または繊維配合プラスチックのような高熱伝導性の材料で製造することができる。
【００８９】
図１０は、熱伝導リブ１０４０を備え得るようなケーシング構成の断面図１０００を概略的に示している。導電性シリコン基板１００４のような集電体基板を、フレーム１０４２に接合することができる。フレーム１０４２は、基板１００４と熱伝導リブ１０４０との間に電気抵抗障壁を提供するなどのために、非導電性材料を含み得る。熱伝導リブ１０４０との効率的な熱伝達を確保するなどのために、基板１００４と熱伝導リブ１０４０との間の位置におけるフレーム１０４２の厚さは、約３ミリメートル（ｍｍ）以下であるように規定することができる。次に、これらの３つの要素を、熱可塑性材料を含むようなケーシングセグメント１０２２などの１つ以上のケーシングセグメントに接合することができる。構成要素間のハーメチック嵌合を得るために、溶接、ヒートシール、または接着接合などの技術を用いることができる。一例では、フレーム１０４２は、本明細書における他の例に関連して記載したような支持フレームまたはエッジシールのうちの１つ以上を含むことができる。
【００９０】
図９および図１０の実例では、熱伝導リブ９４０および１０４０を、矩形断面を有するものとして示している。電池が強制対流下に置かれている場合のような他の例では、図１３に例示的に示すように、リブの表面積を増加させることができる。例えば、ケーシング壁をわずかに越えて延出し得る（例えば、１つ以上のケーシングセグメントによって画定される外面を越えて突出する）垂直エッジに沿って鋸歯状の面を形成することができる。電池の周囲または電池のそばを通って空気を循環させた場合には、上記の矩形断面を用いる場合と比較して増大したこの表面積の結果として、より大きな熱伝達が生じることになり、極めて過酷な環境または高温環境に対して熱伝達が向上されるなどする。他の多くの可能な断面を用いることができる。
【００９１】
再び図１０を参照して、熱伝導リブ１０４０の外形輪郭または特徴にかかわりなく、熱伝導リブ１０４０は、約３ｍｍの電気絶縁材料によるなどして、導電性基板１００４から導電的に絶縁させることができる。そのような絶縁を得るために、一般的に、（導電性であってもよい）熱伝導リブは、集電体基板との物理的接触を避けるように配置される。材料を介在させることなく、そのように物理的に接触させると、電池の外部につながる電流経路が形成される可能性があり、このため、電池を導電設備に載せた場合に、致命的な短絡の可能性が生じる。集電体とリブとの間の電気絶縁材料は、熱可塑性ポリマーまたはセラミック材料またはそれらの組み合わせを含むことができる。その材料は、基板１００４とリブ１０４０との間の間隙内で不均一な発熱が生じないように規定された熱伝導性を有し得る。電気部品をヒートシンクまたはプリント回路熱パッドに熱接合するためにプリント回路基板に用いられるような熱伝導ペーストを、効率的な熱伝達を確保するために、熱伝導リブ１０４０とフレーム１０４２との間に塗布することができる。図１１に示すような電池アセンブリを得るために、個々のバイポーラ集電体アセンブリを相互に組み付けることができる。
【００９２】
図１１は、本明細書における他の例に関連して図示および記載したケーシング構成を有し得るようなバイポーラ電池アセンブリ１１００の斜視図を概略的に示している。電池アセンブリ１１００のバックボーンは、少なくとも一部は、ケーシングリング（例えば、ケーシングセグメント１１２２）と熱伝導リブ（例えば、熱伝導リブ１１４０を含む）を交互に用いるとともに、囲い込まれた集電体基板を備えることで、得ることができる。これらの部品を次々と積層させることによって、十分な機械的完全性を前提として、規定電圧を有する電池スタックを構成することが可能である。この実例では、電池アセンブリは、１８個の個々のセルを含む。電池の端部は、ケーシングセグメントと同じ材料（例えば、熱可塑性材料）を含み得るエンドキャップ１１５０のようなエンドキャップを特徴としている。また、端子１１３０のような金属端子を設けることもできる。
【００９３】
シミュレーションおよび実験を通じて、本発明者らは、特に、バイポーラ電池用集電体の周囲に熱伝導リブを用いることで、結果的に、強制対流なしで４０℃の周囲温度での通常のフロート動作によって内部温度は約５℃も低くなり得ると認識している。さらに、そのようなリブによって、温度変動があるときに電池性能が安定することが明らかにされており、バイポーラ電池は、そのようなリブ構造を持たない構成と比較して、より高いクーロン効率を維持することが可能となる。そのような効率は、一部は、電池スタック内でより均一な温度を確立することによって得ることができる。
【００９４】
熱交換の支援がなければ、電池スタックの中央に位置する部分は、最高温度に達する。そのような温度勾配は、より多くのセルを追加することで電池の電圧が高くなると、より顕著になり得る。セル密度が理由で、熱は、外向きに周縁を通って環境へと流れるよりも、集電体を通り、電池に沿って流れやすい。本発明者らは、電池の中央領域では、熱伝達機構がなければ、はるばるエンドキャップまで熱を効率的に運ぶ構成を確立するのは難しいため、熱伝達は妨げられて、局所温度の上昇が発生すると認識している。熱伝導リブによって、より多くの熱を外部に運ぶことが可能となり、セルは、より一貫した温度で動作することが可能となる（例えば、平衡温度が、電池アセンブリの外装に沿って、より均一であること、または電池アセンブリのボリューム内で、より均一であること、のいずれか１つ以上である）。直列接続が理由で、このような熱伝達の促進と温度勾配の低減によって、効率を安定化させるとともに、その結果として活物質の劣化がより均一になることにより、電池寿命を大幅に向上させることができる。
【００９５】
電池における熱暴走状態と熱的安定状態との違いは、内部平衡温度のわずか数℃の差によって決まり得る。熱暴走は、ほとんどあらゆる電池化学で問題となる可能性があり、その始まりは、一般に、電池が自律的な反応レベルに達する内部温度と定義することができる。より具体的には、活物質での電気化学反応が、温度に依存しない速度に達すると、熱暴走が発生する。その後、電池温度は、一般的には周囲温度に関係なく、上昇し続ける。熱暴走への移行が生じる閾値は、周囲環境との熱交換を促進させるように構成された電池ケーシングを用いて調整することができる。
【００９６】
集電体の周囲に個別のリブを使用することによって、バイポーラ電池アセンブリの全体的な単純さが提示される。集電体の周囲にわたるようなリブが存在することによって、必然的に、活物質の処理がより容易となる簡便なアセンブリが構築される。例えば、再び図１０を参照して、集電体基板１００４と、電気抵抗フレーム１０４２と、熱伝導リブ１０４０と、を相互に結合して単一のアセンブリにすれば、この集電体アセンブリ自体が、あらゆる処理のために強化された状態となる。他の箇所で記載したように、フレーム１０４２には、他の箇所で上述したような様々な幾何学的形状を用いることができる。
【００９７】
集電体が、導電性基板またはウェハのような脆性材料である場合には、リブ１０４０またはフレーム１０４２構造のうちの１つ以上によって、エッジを衝撃から保護することができる。これにより、集電体にシリコンのような脆性材料または脆弱材料を含む可能性があるとしても、それほど特殊ではない処理装置の使用が容易となり得ることで、電池の全体的なコストが低減する。これらの構成要素を相互に封止する方法は、部分的には、電池アセンブリに使用する材料系によって決まり得るが、フレーム１０４２がプラスチックで構成されるとともに、熱伝導リブ１０４０が炭素複合材料または他の材料で構成されると仮定すると、低コストのプラスチック溶接プロセスが用いられる。完成した基板−フレーム−リブ・アセンブリは、次に、ケーシングセグメント１０２２のようなケーシングセグメント内に（封止するなど）組み付けることができる。隣接するケーシングセグメントおよび基板−フレーム−リブ・アセンブリによって、ハーメチックシールされた電解液リザーバを画成することができる。
【００９８】
上記で概説した方法でバイポーラ電池を組み立てることには、１つ以上の利点があり得る。第１に、構成要素サブアセンブリが概して単純であることによって、電池アセンブリを得るために、そのような構成要素を繰り返し使用（例えば、複製）することが可能となる。これにより、全体的な材料コストが低減するとともに、組み立て作業がより簡単になる。電池を、集電体基板の周囲で直接封止することにより、構造的に弱いもしくは脆弱である場合の電池を補強することができ、その結果、衝撃および振動に対してより強いアセンブリが得られる。第３に、個々の集電体アセンブリおよび活物質ケーシングに分けていることによって、組み立て時に様々な異なる数の構成要素を相互に積層させることで、電池の様々な総電圧が可能となる。バイポーラ電池は、電力用途に良く適しており、複雑な電池管理システムを用いることなく、これらの環境で自然に電池を使用できることによって、全体的な安全性および信頼性を同じ（または向上した）レベルに維持しつつ、システムコストが低減される。
【００９９】
リブ１０４０は、高熱伝導性の材料を用いて製造することができ、環境攻撃および電池自体からの化学攻撃に対して良好な耐食性を付与することができる。リブ材料は、電池化学のための既存のストリームで容易にリサイクル可能であるように規定することができる。鉛酸化学と共に使用されるような実例として、金属リブは、３１６ステンレス鋼またはＨａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｂを使用して製造することができる。アルミニウムは、リサイクルストリームの複雑さを招くため、それほど望ましくないかもしれないが、それ以外に、高い熱伝導性も提供する。熱伝導の向上のために整列させた繊維を含むような伝導性炭素複合材料を使用することができる。材料にかかわらず、伝導リブは、大きい表面積を提供するなど、周囲環境との熱交換を高めるように、サイズ設定および形状設定することができる。伝導リブの形状は、周囲環境に応じて多くの形態をとることができる。
【０１００】
図１２は、電池アセンブリの端子領域付近のような一部の上面図１２００を概略的に示している。伝導リブ１２４０が導電性かつ熱伝導性である例では、熱伝導リブ１２４０と導電性電池端子１２３０との間に、電気絶縁スペーサ１２４２を配置することができる。これは、十分な電気絶縁を確保することで、電池を導電性の面に載せたときの短絡を防ぐためである。図１２００では、熱伝導リブは、単一の平面内に収まるものではなく、端子１２３０に近接した領域で、スペーサ１２４２を収容するためのインセットを含むなどして、側方に「湾曲（ｊｏｇｇｅｄ）」している。電池アセンブリの端部付近に端子１２３０が位置している例では、熱伝導リブ１２４０の１つの面に、エンドキャップケーシングセグメント１２５０を配置することができ、エンドキャップセグメント１２５０と反対側の面に、ケーシングセグメント１２２２またはケーシングの他の部分を配置することができる。
【０１０１】
図１３は、図９の例と比較して増大した外向き表面積を有するような、熱伝導リブ１３４０の他の例の斜視図１３００を概略的に示している。熱伝導リブ１３４０の鋸歯状の輪郭によって、このような鋸歯状部を持たない輪郭と比較して、強制対流下での熱交換を向上させることが可能となる。
【０１０２】
図１４は、バイポーラ電池用集電体アセンブリを製造することを伴い得る方法などの技術１４００を概略的に示している。１４０２で、本明細書における他の箇所の１つ以上の例において記載した技術を用いるなどして、導電性集電体基板を準備することができる。１４０４で、任意選択的に、１つ以上の薄膜層を形成することによるなどして、集電体基板を処理または改質することができる。１４０６で、フレームまたはエッジシールリング（またはスペーサとして構成された他の構造）を用いるなどして、導電性集電体基板を、熱伝導リブに熱結合することができる。１４０８で、例えば、フレームまたはエッジシールリングまたはスペーサによって、依然として基板からリブへの熱伝達を誘導しつつ、導電性集電体基板を熱伝導リブから導電的に絶縁することができる。
【０１０３】
［様々な注記ならびに実施例］
実施例１は、バイポーラ鉛蓄電池用などの集電体アセンブリを包含または使用し得るなど、（装置、方法、動作を実行するための手段、またはデバイスで実行されることでデバイスに動作を実行させることが可能な命令を含むデバイス可読媒体、などの）主題を包含または使用することができ、集電体アセンブリは、導電性シリコン基板と、導電性シリコン基板に接合されたフレームと、を備え、導電性シリコン基板は、導電性シリコン基板の表面を導電性にするとともに鉛酸電解液化学作用の存在下で電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜を含み、フレームと導電性シリコン基板との間の界面は、ハーメチックシールされる。
【０１０４】
実施例２では、実施例１の主題は、任意選択的に、ケーシングセグメントおよび熱伝導リブを含み、熱伝導リブは、ケーシングセグメントおよびフレームに接合されており、フレームは、熱伝導リブを導電性シリコン基板から電気的に絶縁するスペーサを形成する。
【０１０５】
実施例３では、実施例１〜２のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームは支持フレームを構成することを含む。
実施例４では、実施例３の主題は、任意選択的に、支持フレームは、バイポーラ電池用ケーシングのケーシングセグメントに接合されることを含む。
【０１０６】
実施例５では、実施例１〜４のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームは、導電性シリコン基板の表面の周囲全体の周りに延在するエッジシールを構成することを含む。
【０１０７】
実施例６では、実施例１〜５のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームは、導電性基板上にエッジ除外領域を画定することを含む。
実施例７では、実施例６の主題は、任意選択的に、１つ以上の薄膜の堆積は、エッジ除外領域ではエッジシールによって阻止されることを含む。
【０１０８】
実施例８では、実施例１〜７のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、１つ以上の薄膜のうちの薄膜は、導電性シリコン基板の少なくとも１つの表面に形成された金属シリサイドを含むことを含む。
【０１０９】
実施例９では、実施例８の主題は、任意選択的に、金属は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、または白金（Ｐｔ）のうちの１つ以上を含むことを含む。
【０１１０】
実施例１０では、実施例８〜９のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、活物質の密着性を向上させるために、金属シリサイド上に追加の膜を堆積させることを含む。
実施例１１では、実施例１０の主題は、任意選択的に、追加の膜は、鉛金属（Ｐｂ）または鉛−スズ合金（ＰｂＳｎ）を含むことを含む。
【０１１１】
実施例１２では、実施例１〜１１のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームは、ウェハボンディング接着剤を用いてウェハに接合されることを含む。
実施例１３では、実施例１〜１２のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームは、プラスチック、セラミック、または複合材料を含むことを含む。
【０１１２】
実施例１４は、バイポーラ鉛蓄電池用などのケーシングアセンブリを包含し得るなど、（装置、方法、動作を実行するための手段、またはマシンで実行されることでマシンに動作を実行させることが可能な命令を含むマシン可読媒体、などの）主題を包含することができ、または、任意選択的に、実施例１〜１３の１つまたは任意の組み合わせの主題と組み合わせることができ、ケーシングアセンブリは、導電性シリコン基板であって、導電性シリコン基板の表面を導電性にするとともに電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜を含む導電性シリコン基板と、導電性シリコン基板に接合されたスペーサと、ケーシングセグメントと、ケーシングセグメントおよびスペーサに接合された熱伝導リブと、を備え、スペーサは、熱伝導リブを導電性シリコン基板から電気的に絶縁している。
【０１１３】
実施例１５では、実施例１４の主題は、任意選択的に、１つ以上の薄膜のうちの薄膜は、導電性シリコン基板の少なくとも１つの表面に形成された金属シリサイドを含むことを含む。
【０１１４】
実施例１６では、実施例１３〜１５のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、金属は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、または白金（Ｐｔ）のうちの１つ以上を含むことを含む。
【０１１５】
実施例１７では、実施例１５〜１６のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、活物質の密着性を向上させるために、金属シリサイド上に追加の膜を堆積させることを含む。
実施例１８では、実施例１７の主題は、任意選択的に、追加の膜は、鉛金属（Ｐｂ）または鉛−スズ合金（ＰｂＳｎ）を含むことを含む。
【０１１６】
実施例１９は、バイポーラ鉛蓄電池用の集電体を提供するための方法を包含し得るなど、（装置、方法、動作を実行するための手段、またはマシンで実行されることでマシンに動作を実行させることが可能な命令を含むマシン可読媒体、などの）主題を包含することができ、または、任意選択的に、実施例１〜１８の１つまたは任意の組み合わせの主題と組み合わせることができ、方法は、フレームを導電性シリコン基板に接合することと、シリコンの表面を導電性にするとともに鉛酸電解液化学作用の中で電気化学的に安定にする１つ以上の薄膜で導電性シリコン基板を改質することと、を含み、フレームと導電性シリコン基板との間の界面は、ハーメチックシールされる。
【０１１７】
実施例２０では、実施例１９の主題は、任意選択的に、フレームは、導電性シリコン基板の表面の周囲全体の周りに延在するエッジシールを構成することを含む。
実施例２１では、実施例１９〜２０のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームは、導電性基板上にエッジ除外領域を画定することを含む。
【０１１８】
実施例２２では、実施例２１の主題は、任意選択的に、１つ以上の薄膜の堆積は、エッジ除外領域ではエッジシールによって阻止されることを含む。
実施例２３では、実施例１９〜２２のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームを、分子間力によって直接、導電性シリコン基板に接合することを含む。
【０１１９】
実施例２４では、実施例１９〜２３のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、フレームを、高温かつ圧縮力下で接着剤を用いてウェハに接合することを含む。
実施例２５では、実施例１９〜２４のいずれか１つ以上の主題は、任意選択的に、プラズマ活性化ボンディング、ガラスフリットボンディング、またはアノーディックボンディングのうちの１つ以上を用いて、フレームをウェハに接合することを含む。
【０１２０】
上記の詳細な説明は、詳細な説明の一部をなす添付の図面への参照を含む。図面は、本発明を実施することができる具体的な実施形態を例示として示している。これらの実施形態は、本明細書では「例（ｅｘａｍｐｌｅｓ）」とも呼ばれる。そのような例は、図示もしくは記載したもの以外の要素を含むことができる。しかしながら、本発明者らは、図示もしくは記載した要素のみが提供される例も企図する。さらに、本発明者らは、本明細書で図示もしくは記載した特定の例（もしくは、その１つ以上の態様）または他の例（もしくは、その１つ以上の態様）のいずれかに関して、図示もしくは記載した要素（もしくは、その１つ以上の態様）の任意の組み合わせまたは置換を用いた例も企図する。
【０１２１】
本明細書と、参照により本明細書に組み込まれるいずれかの文献との間で、使用法に矛盾がある場合には、本明細書における使用法を優先する。
本明細書では、特許文献で一般的であるように、「ａ」または「ａｎ」という用語を、「少なくとも１つ」または「１つ以上」という他のいずれの例または用法とも無関係に、「１つ」または「２つ以上」を含むものとして使用している。本明細書では、「ｏｒ（または）」という用語を、非排他的論理和の意味で使用しており、よって、「Ａ  ｏｒ  Ｂ（ＡまたはＢ）」は、特に指定がない限り、「Ａ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  Ｂ（ＡであるがＢではない）」、「Ｂ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  Ａ（ＢであるがＡではない）」、「Ａ  ａｎｄ  Ｂ（ＡかつＢ）」を含む。本明細書では、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」および「ｉｎ  ｗｈｉｃｈ」という用語は、それぞれ対応する「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」という用語の平易な英語による同義語として使用される。また、以下の請求項において、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という用語は、制限のないもの（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）であり、すなわち、ある請求項において、そのような用語の後に列挙された要素に加えて、それ以外の要素を含むシステム、装置、物品、組成物、製剤、またはプロセスは、やはり、その請求項の範囲内にあるとみなされる。また、以下の請求項において、「第１の」「第２の」「第３の」などの用語は、単にラベルとして使用されるものであり、その対象物に数値的要件を課すものではない。
【０１２２】
本明細書に記載の方法の例は、少なくとも部分的に、マシンまたはコンピュータにより実現することが可能である。いくつかの例として、上記の例で記載したような方法を実行するために電子装置を構成設定するように機能する命令でコード化されたコンピュータ可読媒体またはマシン可読媒体を含むことができる。そのような方法の実装には、マイクロコード、アセンブリ言語コード、高級言語コードなどのようなコードを含むことができる。そのようなコードは、様々な方法を実行するためのコンピュータ可読命令を含むことができる。コードは、コンピュータプログラムプロダクトのいくつかの部分を形成し得る。さらに、一例では、コードは、実行中またはその他のタイミングなどに、１つ以上の揮発性、非一時的、または不揮発性の有形コンピュータ可読媒体に、有形に保存することができる。これらの有形コンピュータ可読媒体の例として、ハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、リムーバブル光ディスク（例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク）、磁気カセット、メモリカードまたはメモリスティック、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）などを含むことができるが、ただし、これらに限定されない。
【０１２３】
上記の説明は、例示的なものであって、限定するものではない。例えば、上記の例（もしくは、その１つ以上の態様）を互いに組み合わせて用いてよい。当業者は、上記説明を精査することなどによって、他の実施形態を用いることができる。要約書は、読者が技術的開示の本質を迅速に確認することを可能とするために、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．（米国特許法施行規則）１．７２（ｂ）に従って提供される。それが請求項の範囲または意味を解釈または限定するために用いられることはないという理解のもとに提出される。また、上記の詳細な説明では、開示を合理化する目的で、種々の特徴を、まとめてグループ化している場合がある。これは、請求項に記載がない開示の特徴が、いずれかの請求項に必須のものであることを意図するものと解釈されてはならない。むしろ、発明の主題は、開示された１つの具体的な実施形態のすべての特徴よりも少ない特徴にあり得る。よって、以下の請求項は、実施例または実施形態として、本明細書における詳細な説明に組み込まれており、各請求項は個別の実施形態として独立している。かかる実施形態は、様々な組み合わせまたは順列で互いに組み合わせることが可能であると考えられる。本発明の範囲は、かかる請求項によって権利が認められる均等物の全範囲と共に、添付の請求項を参照して、決定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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