(57)【要約】      （修正有）【課題】高温電池セルの熱管理を適切に行うことができるセル構造により、内部抵抗が低く、安全性の高い電池を提供する。【解決手段】セル１０は、容積を画定する内部面を有するハウジング２と、容積内に配置される、細長い、イオン伝導性のセパレータ８とを含む。セパレータは、通常、セルの高さ寸法を画定するように、ハウジングの基底部６に対して垂直方向に延在する。セパレータは、第１のコンパートメント１５の一部を画定する第１の円周面１４を有する。セルはさらに、内部面４と、セパレータの第１の円周面との間に配置されるシム構造体１８を含む。構造体は、少なくとも２つのシムを含む。それぞれのシムは、もう一方に対して概ね平行で、かつセパレータの第１の円周面に対して概ね平行である、円周面を有する。【選択図】図１
2013016484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容積を画定する内部面を有するハウジングと、
前記容積内に配置される、細長い、イオン伝導性のセパレータであって、第１の円周面を有するセパレータと、
前記ハウジングの前記内部面と前記セパレータの前記第１の円周面との間に配置され、少なくとも、対向する第１の面および第２の面をそれぞれが有する第１のシムおよび第２のシムを備える、シム構造体であって、前記第１のシムの前記第１の面の少なくとも一部が、前記セパレータの前記第１の円周面に対して概ね平行であり、前記第１のシムの前記第２の面の少なくとも一部が、前記第２のシムの前記第１の面の一部に対して概ね平行である、シム構造体と
を備える電気化学セル。
【請求項２】
前記セパレータが、円筒形、細長、管状、またはカップの形状にされる、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記セパレータが、クローバーの葉のような形状を含む断面プロファイルを有する、請求項２記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記セパレータが、複数の葉部と複数の谷部とを含む断面プロファイルを有し、前記セパレータの前記複数の葉部が、前記ハウジングの複数の隅領域に数において対応する、請求項３記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記シム構造体が、前記セパレータの前記第１の円周面に実質的に合致するように形作られる、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記セパレータが、前記ハウジングの基底部に対して概ね垂直な高さ寸法を有し、前記シム構造体が、前記セパレータの全高に延在する、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項７】
二重シム構造体を備える、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項８】
それぞれのシムが、鉄、ニッケル、銅、またはアルミニウムを含む金属または金属合金から形成される、請求項１記載の電気化学セル。
【請求項９】
電気化学セルであって、
容積を画定する内部面を有し、基底部を有するハウジングであって、断面において多角形であり、複数の隅領域を有するハウジングと、
前記容積内に配置され、前記セルの高さ寸法を画定するように前記ハウジングの前記基底部に対して概ね垂直方向に延在し、第１のコンパートメントの一部を画定する第１の円周面を有する、イオン伝導性のセパレータであって、前記ハウジングの複数の前記隅領域に数において対応する複数の葉部を含み、セパレータの前記複数の葉部のそれぞれが、前記ハウジングの前記隅領域のうちの１つと一直線上にあり、かつそれに向かって突き出している、前記ハウジングに同心円状に位置する、セパレータと、
前記セパレータの前記第１の円周面に隣接した少なくとも１つの二重シム構造体であって、それぞれのシムが、もう一方に対して概ね平行で、かつ前記セパレータの前記第１の円周面に対して概ね平行である、円周面を有する、少なくとも１つの二重シム構造体と
を備える電気化学セル。
【請求項１０】
請求項９記載の複数の電気化学セルを備えるエネルギー貯蔵デバイスであって、前記セルが互いに熱的におよび電気的に連通している、エネルギー貯蔵デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気化学セルに関し、いくつかの特定の実施形態においては、高温で充電可能な電気化学セルおよび関連デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリは、電気輸送機器、ハイブリッド電気輸送機器、および非輸送機器（たとえば、機関車、オフハイウェイ採掘用車両、海洋用途、バスおよび自動車）などの移動システムにおいて、ならびに無停電電源装置（ＵＰＳ）システム、および「テレコム」（電気通信システム）などの定置用途のために、エネルギーの一部を貯蔵するために使用される必須の構成要素である。高温のナトリウム−金属ハロゲン化物電気化学セルは、一般に、機関車、電気通信、および無停電電源装置（ＵＰＳ）のバッテリにおける使用向けである。このようなセルは、これらの用途の多くに、高エネルギー密度、高出力密度、より長いセル寿命、およびより低いコスト要件を、場合により提供することが可能である。
【０００３】
通常、バッテリは多くのセルで構成されている。これらのバッテリの最新の開発は、性能およびセルの寿命に焦点が置かれる。いくつかの要因が性能に影響して、セルの寿命に限界を設けることがある。主要な要因は、セパレータの信頼性の欠如であり得る。これらのセルに使用される最も一般的なセパレータは、ナトリウム伝導性のセラミックである、β”−アルミナ固体電解質（ＢＡＳＥ）である。いくつかの状況では、使用中のセルにおける熱サイクリング、圧力差、ナトリウム−ウィッキング、および振動により、セパレータが損傷し得ることに留意されたい。損傷したセパレータは、大きな熱エクスカーションを招き、それが次いで、セルケーシング（たとえば鋼ケーシング）の腐食をもたらすことがある。通常、セパレータが割れると、金属短絡が形成され、バッテリを欠陥のあるセルで動作させたままにする。いくつかのセルでは、セルケーシングが腐食する。腐食したセルケーシングにより、セルの化学成分がケーシングに割れ目を作ることがあり、それがバッテリ全体を短絡させることがある。
【０００４】
開発作業は、腐食の問題を回避する、および／または解決するための異なるバッテリ設計に着手している。ケーシングの腐食を回避する１つのやり方は、セルのコアとケーシングとの間に、効果的な熱および電気コンダクタンスを提供することによる。しかしながら、現在利用できる設計は、これらの機能に効果的に対処するのに適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１７８５４６号明細書
【発明の概要】
【０００６】
したがって、さまざまなバッテリ用途のために、改善された熱および電気管理を有する、新たなセル設計を開発することが望ましいであろう。
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態が、電気化学セルを提供する。セルは、容積を画定する内部面を有するハウジングを備える。細長い、イオン伝導性のセパレータが、容積内に配置され、第１の円周面を有する。シム構造体（ｓｈｉｍ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が、ハウジングの内部面と、セパレータの第１の円周面との間に配置される。シム構造体は、少なくとも第１のシムおよび第２のシムを備え、それぞれが対向する第１の面および第２の面を有する。第１のシムの第１の面の少なくとも一部が、セパレータの第１の円周面に対して概ね平行である。第１のシムの第２の面の少なくとも一部が、第２のシム部の第１の面の一部に対して概ね平行である。
【０００８】
別の実施形態において、電気化学セルは、容積を画定する内部面を有し、かつ基底部を有する、ハウジングを備える。ハウジングは、断面において多角形であり、複数の隅領域を有する。イオン伝導性のセパレータが、容積内に配置され、セルの高さ寸法を画定するように、ハウジングの基底部に対して垂直方向に延在する。セパレータは、第１のコンパートメントの一部を画定する第１の円周面を有する。セパレータはさらに、複数の葉部（ｌｏｂｅ  ｐｏｒｔｉｏｎ）および谷部（ｖａｌｌｅｙ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を有する。複数の葉部は、ハウジングの複数の隅領域に数において対応する。セパレータは、ハウジングに同心円状に位置し、セパレータのそれぞれの葉部は、ハウジングの隅領域の１つと一直線上にあり、かつそれに向かって突き出している。セルはさらに、セパレータの第１の円周面に隣接して配置される、少なくとも二重シム構造体を含む。
【０００９】
本発明のいくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスが提供される。デバイスは、互いに熱的におよび電気的に連通している複数の電気化学セルを含む。
【００１０】
本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様、および効果は、図面全体を通して同様の文字が同様の部品を表す添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読むときに、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に従った電気化学セルの概略図である。
【図２】本発明の実施形態において使用するためのセパレータ設計を並べた図である。
【図３】本発明の実施形態に従った電気化学セルの３次元図を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に従った電気化学セルの断面上面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態に従ったシム構造体の拡大透視図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態に従ったシム構造体の断面プロファイルの拡大図である。
【図５Ｃ】本発明の別の実施形態に従ったシム構造体の断面プロファイルの拡大図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に従った電気化学セルの透視３次元図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に従った電気化学セルの断面上面図である。
【図７】本発明のさらなる実施形態における電気化学セルの断面上面図である。
【図８】本発明のさらなる実施形態における電気化学セルの断面上面図である。
【図９】本発明の例示的な実施形態に従った電気化学セルの比較による温度プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで本明細書および特許請求の範囲全体を通して使用されるとき、関連する基本的な機能に変化をもたらすことなく、差支えない程度に変化してよい任意の量的表現を修飾するために、近似言語を適用することができる。したがって、「約」などの１つまたは複数の用語によって修飾される値は、指定された厳密な値に限定されない。いくつかの例において、近似言語は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。
【００１３】
以下の明細書および特許請求の範囲において、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、コンテキストが明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。
【００１４】
本明細書で使用されるとき、用語「ｍａｙ（〜することができる）」および「ｍａｙ  ｂｅ（〜であってよい）」は、一連の状況内における発生の可能性、特定の特性、特徴、もしくは機能の所有を示す、および／または、限定された動詞に関連付けられた技量、能力、または可能性のうちの１つまたは複数を表現することによって別の動詞を限定する。したがって、「ｍａｙ（〜することができる）」および「ｍａｙ  ｂｅ（〜であってよい）」の使用は、示された能力、機能、または使用について、いくつかの状況においては、修飾された用語が、時に適切でない、可能でない、または好都合でないことがあることを考慮に入れながらも、修飾された用語が、適切であり、可能であり、または好都合であるらしく見えることを示す。たとえば、いくつかの状況においては、ある事象または能力を期待することができるが、他の状況においては、その事象または能力は起こり得ない。この区別が、用語「ｍａｙ（〜することができる）」および「ｍａｙ  ｂｅ（〜であってよい）」によって捕えられる。
【００１５】
本明細書で使用されるとき、用語「陰極材料」は、充電中に電子を供給する材料を指し、これはレドックス反応の一部として存在する。本明細書で使用されるとき、用語「陽極材料」は、充電中に電子を受け入れる材料を指し、これもまたレドックス反応の一部として存在する。
【００１６】
本明細書で使用されるとき、用語「高温」は、そうでないことを示さない限りは、一般に、摂氏約２５０度（℃）より上の温度を指す。
【００１７】
図１は、本発明の一態様に従った、電気化学セル１０の概略を示す。電気化学セル１０は、容積を画定する内部面４を有し、かつ基底部６を有する、ハウジング２を含む。一実施形態において、ハウジング２は、円形または楕円形の断面を有することができる。別の実施形態において、ハウジング２は、断面において多角形であってもよく、複数の隅領域を有することができる。そのような例では、電気化学セル１０のハウジング２は、断面において正方形であって、４つの隅領域を有することができる。材料に関して、ハウジング２は、一般に、金属材料から作られる。好適な金属材料には、ニッケル、軟鋼、ステンレス鋼、ニッケル被覆鋼、モリブデン、およびモリブデン被覆鋼が含まれてよい。
【００１８】
電気化学セル１０は、ハウジング２の容積内に配置されるイオン伝導性のセパレータ８を含む。セパレータ８は、通常、ナトリウムイオン伝導性の固体電解質である。セパレータ８に好適な材料は、β’−アルミナ、β’’−アルミナ、β’−ガラート、β’’−ガラート、またはゼオライトを含むことができる。特定の実施形態において、セパレータ８は、β’’−アルミナ固体電解質（ＢＡＳＥ）を含む。
【００１９】
セパレータ８は、通常、セル１０の高さ寸法を画定するように、ハウジング２の基底部６に対して概ね垂直方向に延在する。（セパレータ、ならびにハウジングの個々の向きは、ある程度多様であってよい）。セパレータ８は、閉口端９および開口端１１を備えた、円筒形、細長、管状、またはカップの形状にされてよい。セパレータの開口端１１は、封止可能であってよく、製造プロセスの間にセパレータ８を材料で満たすための開口部１２を画定するセパレータアセンブリの一部であってよい。一例において、開口部１２は、陰極材料を加えるのに役立つことができる。セパレータ８の閉口端９は、セルの完全性および堅牢性を向上させるために、事前に封止されていてよい。
【００２０】
引き続き図１を参照すると、セパレータ８は、第１のコンパートメント１５の一部を画定する第１の円周面１４と、第２のコンパートメント１７の一部を画定する第２の円周面１６とを有する。一実施形態において、第１のコンパートメント１５は、陽極材料としてのナトリウムを含み、第２のコンパートメント１７は、陰極材料を含む。第１のコンパートメント１５は、たとえば、ナトリウムイオン伝導性のセパレータ８、たとえば、ＢＡＳＥセパレータを通して、第２のコンパートメント１７とイオン連通している。
【００２１】
セパレータ８は、たとえば、円形、長円形、楕円形、多角形、十字形、または星型の断面プロファイルを有することができる。図２は、ハウジング２に配置されるセパレータ８の断面プロファイルのいくつかの例を示す。
【００２２】
本発明の大部分の実施形態に従って、電気化学セル１０（図１）はさらに、少なくとも１つのシム構造体１８を含み、シム構造体１８は、内部面４と、セパレータ８の第１の円周面１４との間に、通常、第１の円周面１４に隣接して配置される。シム構造体は、セパレータの全高に対して延在することができるが、これは常にその必要があるわけではない。一実施形態において、シム構造体は、セパレータの高さの少なくとも約２０パーセントに対して延在することができる。例示的な実施形態において、シム構造体は、セパレータの高さの少なくとも約９０パーセントに対して延在することができる。図１において、シム構造体は、たとえば、本明細書で説明される形状のバリエーションのいくつかを参照せずに、極端に単純化して描かれている。
【００２３】
シム構造体は、セパレータ８の第１の円周面１４にごく近接して取り付けられてよい。シム構造体は、通常、セパレータの第１の円周面のすべて、または一部に合致するように、ＢＡＳＥセパレータに巻き付けられることを可能にする形状を有する。一実施形態において、シム構造体は、（以下で説明するように）その部分の１つまたは複数が、セパレータの第１の円周面と物理的に接触するような形状にされる。加えて、シム構造体は、セパレータを、所望の位置に保持し、支持するように位置付けられてよい。たとえば、シム構造体は、ＢＡＳＥセパレータの最大表面領域に対して、しっかりと「バイアスがかけられて」いてよい。さらに、シム構造体は、シム構造体と、セパレータの第１の円周面１４との間で、陽極材料、たとえばナトリウムの付着およびウィッキングを可能にするように、十分な柔軟性をシム部分に与えるようなやり方で設計される。
【００２４】
一実施形態において、複数のシム構造体（すなわち、以下で論じるように、それぞれが、少なくとも第１のシムおよび第２のシムを備える）が組み合わされて、そこからイオン電流を集めることができるＢＡＳＥセパレータの表面領域のほとんどを覆うことができる。２つ以上のシム構造体が存在するとき、構造体は、組み合っている、または部分的に重なり合っていてもよい。さらに、それぞれのシム構造体は、少なくとも１つの他のシム構造体に物理的に連結されてよく、またはハウジングの一部を構成してもよい。さらに、同じ材料または形状であっても、なくてもよい、他の構造体または部品を使用して、それぞれのシム構造体とハウジングとの間で、他の連結または接触が行われてもよい。多数のシム構造体、たとえば、１０〜１２以上の構造体を使用することができるが、単純さを増し、コストを下げることから、（構造体の形状および／またはサイズに応じて）可能な限り少ない数のシム構造体の使用が時に望ましい。（本発明の実施形態のための二重シム設計は、厳密に言えば、その用語もまたセパレータを円周方向に取り囲む複数のシム構造体の数を意味するが、単に「シム構造体」と呼ばれることがある）。
【００２５】
シム構造体のエッジを、構造体をセルの中に入れるのを容易にするように、作用させる、製造する、および／または形成することができる。作用は、たとえば、シム構造体のエッジにフランジをつける、または斜角をつけることを含むことができる。シム構造体の表面を、流路を画定するようにさらに作用させて、または修正して（たとえば、銃眼を設ける）、セルの使用中に、ＢＡＳＥセパレータの第１の円周面を覆う陽極材料（通常、ナトリウム）の流れを促進することができる。
【００２６】
本発明のシム構造体は、少なくとも第１のシムおよび第２のシムを含む（個々のシムは図１には示されていない）。本明細書で使用されるとき、用語「シム」は、比較的薄い、しばしば先細りになった材料片を指し、隙間を埋める、何かを水平にする、何かに支持を与える、またはうまくフィットさせるように何かを調整するために使用される。本発明の実施形態に好適なシムは、適切な厚さおよび長さの金属シートまたは金属箔を、曲げる、形成する、または押し出すことによって、形成することができる。特定の実施形態は、セパレータの第１の円周面に隣接して配置される、少なくとも１つの「二重シム構造体」を含む。
【００２７】
それぞれのシムは、対向する第１の面および第２の面を有することができる。第１のシムの第１の面の一部は、セパレータの第１の円周面に対して概ね平行であってよい。第１のシムの第２の面の一部は、第２のシムの第１の面の一部に対して概ね平行であってよい。言い換えれば、１つのシムは、通常、もう一方のシムの大幅な部分に重なり合う。本明細書で使用されるとき、用語「大幅な部分」は、シムの表面領域の約５０パーセントを超えることを意味し、いくつかの特定の実施形態においては、シムの表面領域の約７５パーセントを超えることを意味する。いくつかの実施形態において、シムは、形状およびサイズにおいて実質的に同一であってよい。いくつかの他の実施形態においては、異なるサイズのシムが使用されてもよい。ある実施形態において、シムは、対称的、すなわち、形状およびサイズにおいて同一であってよく、互いに全面的に重なり合っていてよい。
【００２８】
シム構造体は、１つのシムの円周面を、もう一方の円周面に平行に位置付けることによって構築されてよい。たとえば、シムは、一方の上にもう一方を配置して、互いに押しつけて、または単に接触して、たとえば、面と面を互いに触れて、位置付けられてよい。いくつかの例において、構造体は、１つのシムをもう一方のシムの上に摺動させることによって構築されてよい。一実施形態において、２つのシムの間には、実質的に隙間がない。別の実施形態においては、シムの間に隙間があってもよいが、隙間は比較的小さいことが好ましい。隙間を通って移動するナトリウムの量は、通常は取るに足らない量であるものの、陽極材料は、隙間を通してウィッキングすることがある。
【００２９】
それぞれのシムの厚さは多様であってよいが、通常は、約０．０１ミリメータから約１ミリメータの範囲内である。いくつかの実施形態において、厚さは、約０．０５ミリメータから約０．５ミリメータの範囲であってよく、いくつかの特定の実施形態においては、約０．１ミリメータから約０．２ミリメータであってよい。
【００３０】
シムに使用される材料は、通常、熱的におよび／または電気的に伝導性である。好ましい材料のいくつかは、陽極環境において、化学的におよび電気化学的に不活性である。いくつかの実施形態において、材料は、単一の金属を含んでよく、または金属含有の複合物もしくは合金であってもよい。一実施形態において、シムは、片側または両側が異なる金属層で覆われた金属基板を含むことができる。一実施形態において、シムは、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、または以上のものを含んだ任意の合金を含むことができる。さらに、シム構造体のそれぞれのシムは、同じ材料から形成されても、異なる材料から形成されてもよい。
【００３１】
本発明のためのシム設計は、通常（常にではないものの）、４つの主要な機能を果たす。１つ目の機能は、セパレータと、陽極および／またはハウジングとの間に、密接かつ均一な電気接点を提供して、セル充電の最初の段階における、陽極コンパートメントにナトリウムが存在しないときの電荷移動を促進することである。これは、シム構造体を形成するシムを、セパレータの第１の円周面にぴったりと合致するように形作ることによって達成することができる。２つ目の機能は、コア、すなわちセルの陰極コンパートメントから、セルの外側の位置へと熱を移動させることによって、セルに熱管理を提供することである。さらに、シムは、セルの破損後の過度の熱を消散させて、デバイスの残りの部分の損傷を最小限にするのに役立つことができる。
【００３２】
シム構造体の３つ目の機能は、セパレータのための構造支持体としての働きをすることである。シム構造体は、ハウジング内でのセパレータの潜在的な動きを制限することによって、および／または振動および衝撃を吸収することによって、寸法安定性を提供する。４つ目の機能は、イオン電流が通過することになるセパレータの領域上に、金属陽極材料（たとえば、ナトリウム）の最適な分散を提供することである。これは、シム構造体とセパレータとの間の毛細管力による、陽極材料のウィッキングによって達成することができる。
【００３３】
上で説明したように、シム構造体は、通常、セルの動作に、電気伝導および熱伝導を提供する。従来、その目的のために、一重の薄型のシム（たとえば、金属シートまたは金属箔）を使用することができる。しかしながら、一重の薄型のシムは、十分かつ効果的な伝導を提供することができない。一方、電気伝導および熱伝導を高めるために、厚い金属シートまたは金属箔が使用されてもよい。しかしながら、厚さの増したそのようなシムは、柔軟性の低さを招き、シムを特定の形状に曲げてセルの内部に組み込むことを困難にすることがある。対照的に、本発明の実施形態に従った複数の薄型のシム（特に、二重シム構造体）は、その柔軟性を損なうことなく、向上した電気伝導および熱伝導を有利に提供する。
【００３４】
上で論じたように、セパレータは、たとえば、円形、長円形、楕円形、または多角形の断面プロファイルの、さまざまな形状であってよい。いくつかの実施形態において、セパレータは、ルゲート（ｒｕｇａｔｅ）の形状の断面プロファイルを有することができる。そのような形状は、図２の多葉型（ｍｕｌｔｉ−ｌｏｂｅｄ）の描写において示され、以下に提示される実施形態のうちのいくつかで説明されるような代替の型において、通常、複数の、葉部および谷（くぼみ）部（「葉」および「谷」とも呼ばれる）を含む。クローバーの葉のような形状を提供することができるルゲートは、所与の容積のために、セパレータの全体の利用可能な表面領域を増加することができる。いくつかの実施形態において、セパレータの葉の数は、ハウジングの離間した、隅領域の数に対応する。
【００３５】
図３および図４は、本発明の例示的な実施形態に従った電気化学セル２０の一部を示す。電気化学セル２０は、容積を画定する内部面２４を有するハウジング２２を含む。説明目的のために、ハウジングは、その高さの観点から部分的にのみ示される。ハウジングは、セパレータの全高まで延在することができ、通常は、そうである。図示する実施形態では、ハウジング２２は、４つの隅領域２５を有する。セパレータ２６は、ハウジング２２の容積内に配置される。セパレータ２６は、第１のコンパートメント３０の一部を画定する第１の円周面２８を有することができる（図４もまた参照されたい）。セパレータはさらに、第２のコンパートメント３４を画定する第２の円周面３２を含むことができる。第２のコンパートメント３４は、通常、第１のコンパートメント３０の内側に配置される。この例示的な設計においては、第１のコンパートメント３０が陽極コンパートメントであり、通常はナトリウムを含むが、他の陽極材料も可能である。第２のコンパートメント３４は、陰極コンパートメントであって、陰極材料を含む。第１のコンパートメント３０は、セパレータ２６を通して、第２のコンパートメント３４とイオン連通している。
【００３６】
先に触れたように、セパレータ２６は、４つの葉部（葉）３６と、対応する４つの谷部３８とを有するように設計されてよい（図３、図４）。対になった葉が、ハウジング２２の内部面２４と、セパレータ２６の第１の面２８との間の隙間にまたがる、谷部を画定することができる。セパレータは、ハウジング２２に同心円状に位置していてよく、セパレータ２６のそれぞれの葉３６は、ハウジング２２の隅領域２５のうちの１つと一直線上にあり、かつそれに向かって突き出している。
【００３７】
図３はさらに、セパレータの第１の円周面２８に隣接して配置される４つのシム構造体４０を示す。それぞれのシム構造体４０は、セパレータ２６の、１つの葉部３６および谷部３８の少なくとも一部に係合していてよい。セパレータ２６を取り囲むシム構造体４０の構成は、（図３に対応して）図４に表示されている電気化学セル２０の断面プロファイルから、さらにはっきりと見ることができる。この実施形態において、それぞれのシム構造体４０は、二重シム構成を含む。「二重シム構成」は、上で触れ、さらに以下で説明するように、２つのシム、たとえば、通常２つの別個のシムを有するシム構造体を指す。それぞれのシムは、もう一方のシムに対して概ね平行の、対向する第１の面および第２の面を有する。シムの形状およびプロファイルは、通常、セパレータ２６の全体の形状および輪郭にフィットするようにして、陽極材料のウィッキングのために、シム構造体４０とセパレータ２６との間に適切な距離を提供する。
【００３８】
図５Ａは、第１のシム４２および第２のシム４４を含む、二重シム構造体４０の非限定的な図を提供する。この実施形態において、第１のシムおよび第２のシムは対称であり、形状およびサイズにおいて同一である。しかしながら、他の実施形態においては、シムは互いに同一である必要はない。
【００３９】
図５Ｂは、図５Ａのシム構造体４０の、対応する断面プロファイルを示す。第１のシム４２は、内周面（「第１の面」とも呼ばれる）４６と、外周面（「第２の面」とも呼ばれる）４７とを有する。内周面４６は、概して、セパレータ２６の第１の円周面２８（図３を参照）に、ごく近接して取り付けられる。第２のシム４４は、内周面４８と、外周面４９とを有する。第２のシム４４の内周面４８は、第１のシム４２の外周面４７に対して概ね平行に配置され、それにより、この例では、それらは互いに全面的に重なり合う。
【００４０】
一実施形態において、２つのシムの間には、実質的に隙間がない。別の実施形態においては、２つのシム４２および４４は、隙間６０を有してもよい。隙間６０は、図５Ａおよび５Ｂでは、明瞭にするために誇張されて示されているが、可能な限り小さく保たれてよい。
【００４１】
引き続き図３および図４を参照すると、第１のコンパートメント３０および第２のコンパートメント３４は、通常、電気化学セル２０によって生成される電流を集めるための電流コレクタ（図示せず）を含む。いくつかの特定の実施形態において、シム構造体４０は、第１のコンパートメントに電流を集め、電流コレクタとして機能する。
【００４２】
シム構造体は、通常、セパレータに向かい合う面、すなわち、第１のシム４２の内周面４６と、ハウジングに向かい合う面、すなわち、第２のシム４４の外周面４９とを含む（図５Ａおよび５Ｂを参照されたい）。さまざまな実施形態において、ハウジングに向かい合う面４９は、ナトリウムとの親和性を欠いていてよく、セパレータに向かい合う面４６は、ナトリウム親和性であってよい（ナトリウムは、やはり任意の好適な陽極材料を表すのに使用されている）。シム同士の間にはナトリウムが存在しないことが好ましいことから、いくつかの実施形態において、第２のシム４４の内周面４８および第１のシム４２の外周面４７は、ナトリウムとの親和性を欠いていてよい。
【００４３】
セパレータに向かい合う面は、通常、ウィッキングするための表面を誘導するために、たとえば、層またはコーティングの形態での材料を含む。層は、金属製であってよい。表面はまた、ナトリウム親和性にするように表面処理が施されていてよい。ある実施形態において、好適な表面処理は、表面に、化学エッチング、物理エッチング、または反応性ガスの暴露を施すことを含む。さらに、セパレータに向かい合う面は、増加した表面領域を提供するように、パターン形成されてもよい。そのような表面処理およびパターン形成の詳細は、２００９年１月９日に出願された、米国特許出願公開第２０１０／０１７８５４６号公報に説明されており、これは、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４４】
再び図３および図４を参照すると、それぞれのシム構造体４０は、セパレータ２６の第１の円周面２８の一部に係合していてよい、第１のセクション５０および第２のセクション５２をしばしば有する。図４には、セクション５０および５２を示すために、直角のブラケットが使用されている。第１のセクション５０は、通常、第２のセクション５２から突き出ており、セパレータ２６の少なくとも葉部３６のまわりに延在し、それに係合する。シム構造体４０の第２のセクション５２は、セパレータ２６の、対になった葉部３６の間、すなわち、谷部３８に配置される。図３に示すように、それぞれのシム構造体の第２のセクション５２は、第１のセクション５０から離れて、外向きに「カール」してよい。１つのシム構造体の第１のセクション５０の一部が、隣接するシム構造体の第２のセクション５２の一部に重なり合ってよい。図３および図４に示すように、構造体４０の第１のセクション５０は、セパレータ２６の面２８とウィッキング接触している。
【００４５】
さらに、第２のセクション５２は、通常、コイル部５３を含み、コイル部５３は、谷部３８に位置し、ハウジング２２の内部面２４（図４）と、セパレータ２６の第１の円周面２８との間の隙間５１にまたがる（ｓｐａｎ）ように構成されており、したがって、「スパンセクション」とも呼ぶことができる。コイル部５３は、セパレータの第１の面２８に対してそれを押しつける、またはバイアスをかけることによって、シム構造体４０を定位置にしっかりと保持するように機能することができる。ハウジング２２とセパレータ２６との間でコイル５３の圧縮による圧力が生じることになり、それがばね様の特徴を提供する。いくつかの実施形態において、コイルにより誘発された圧力が事前に選択された量の力を有することができる材料から、コイルが形成されてよい。さらに、シムのエッジは、シムのコイル部の下でクランプ留めされてよい。
【００４６】
コイルにより誘発された圧力によって生成された力の選択された量は、通常、図３および図４に示すように、シム構造体４０とセパレータの第１の円周面２８との間に、選択された距離（隙間）５５を得るように構成される。選択された距離は、毛細管力によるナトリウムのウィッキングを向上させ、セパレータ２６の第１の円周面２８の表面領域上に、最適な、および／または均一なナトリウムの分散を提供する。いくつかの実施形態において、隙間５５は、約１マイクロメータから約１ミリメータの範囲内にあってよく、ある実施形態においては、約１００マイクロメータから約５００マイクロメータであってよい。さらに、隙間５５は、参照される米国特許出願公開第２０１０／０１７８５４６号公報に説明されるように、均一の、または非均一の厚さを有することができる。
【００４７】
コイル部５３は、選択された巻き数で構成されてよい。一実施形態において、コイル部５３は、図３、図４、および図５Ｂに表すように、少なくとも半回巻きを含むことができる。いくつかのケースにおいて、コイルは、図５Ｃに表すように、ほぼ完全な１回巻きを有することができる。いくつかの実施形態において、コイルは、ほぼ完全な１回巻きから、ほぼ完全な５回巻きを含むことができる。
【００４８】
この構成においてハウジング２２に位置付けられると、第１のシム４２の内周面４６（図５Ａ）は、シム構造体４０の第１のセクション５０（図３）の一部を通して、セパレータ２６の第１の円周面２８と接触する。同時に、内周面４６（図５Ａ）は、シム構造体４０の第２のセクション５２の一部を通して、ハウジング２２の内部面２４（図４）と接触する。この構成は、このようにして、第１のシム４２を通して、セパレータとハウジングとの間に電気的および熱的接点を提供する。
【００４９】
セパレータの第１の面と係合させるために、セパレータを囲んで、より多い数の、またはより少ない数のシム構造体を位置付けることもまた可能である。たとえば、図６Ａおよび図６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態の態様を含む電気化学セル２０を示す。図は、ハウジング２２内部で、セパレータ２６を取り囲む連続的な二重シム構造体の１つの円周セクション６２を示す。シム構造体６２は、第１のシム６４および第２のシム６６を含む。シム構造体６２は、セパレータ２６の第１の面２８にごく近接して配置され、セパレータ２６の４つの葉部３６および４つの谷部３８のまわりに円周セクションをたわませるように設計される。構造体４０は、第１のセクション５０および第２のセクション５２を有する。第２のセクション５２は、セパレータ２６の谷部３８に位置付けられる（または挿入される）コイル５３の形態である。コイル５３は、ハウジング２２の内部面２４と、セパレータ２６の第１の面２８との隙間５１にまたがるように構成される。
【００５０】
図７は、二重シム構造体の２つの円周セクション７０および７２を含む電気化学セルの一部を示す。同様に、図８は、二重シム構造体の３つの円周セクション７４、７６、および７８を含む電気化学セルの一部を示す。
【００５１】
図面では、説明を簡単にする目的のために、シム構造体のさまざまな部品の間、および隣接するシム構造体の重なり合う部品の間に、時に隙間が示される。実際には、シム構造体は、それらの間に隙間をまったく有しなくてもよく、それにより、たとえば、ウィッキング目的のための、ならびに電気的および熱的な連通のための、十分な電気および／またはイオンの接触を維持することができる。
【００５２】
本発明の実施形態に従って、エネルギー貯蔵デバイスは、複数の電気化学セルを含み、それらの電気化学セルは、直接的にまたは間接的に、互いに熱的におよび／または電気的に連通している。当業者は、そのようなデバイスの一般的な原理に精通している。
【実施例】
【００５３】
以下の実施例は、単に説明的にすぎず、特許請求される本発明の範囲に対するいかなる類の限定としても解釈するべきではない。
【実施例１】
【００５４】
４つの一重シム構造体を、４．８ｃｍ×１９．８ｃｍ×０．１ｍｍの鋼シートから製造した。鋼シートは、両面をニッケルでコーティングされた。コーティングの厚さは、約２ミクロンであった。シートは、スタンピングによって（上記の例示的な実施形態のうちのいくつかで説明し、図３に示したような）特定の形状に設計された。
【実施例２】
【００５５】
同じ形状およびサイズの８つのシムを、実施例１で説明したように形成した。２つのシムを一緒に摺動させることによって４つの二重シム構造体を構築し、それにより、２つのシムは、互いに平行に接触し、互いに完全に重なり合った。
【実施例３】
【００５６】
一重シム構造体（実施例１）および二重シム構造体（実施例２）をそれぞれ使用した、２つのナトリウム−塩化ニッケルセル、セル１およびセル２を、セル内の温度プロファイルを測定するために使用した。セルは、β”−アルミナセパレータを使用し、図３および図４について説明したのと同じ設計を有した。実施例１の４つの一重シム構造体、および実施例２の４つの二重シム構造体は、それぞれ、セル１およびセル２内部のセパレータにごく近接して組み立てられた。シムは、セパレータの葉ごとに、一重シム構造体または二重シム構造体を配置することによって、セパレータに巻き付けられた。セルの温度プロファイルを、複数の熱電対を使用して測定した。図９は、セル１およびセル２についての温度プロファイルを示す。グラフから、セル２の温度パターンは、セル１の温度パターンよりも低いことが明らかであり、改善された熱管理を実証している。
【００５７】
本発明の一定の特徴のみを、本明細書で図示し、説明してきたが、当業者であれば、多くの修正および変更を思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲に入る、すべてのそのような修正および変更を含むように意図することを理解されたい。
【符号の説明】
【００５８】
１０  電気化学セル
２  ハウジング
４  ハウジングの内部面
６  基底部
８  セパレータ
９  閉口端
１１  開口端
１２  開口部
１４  第１の円周面
１５  第１のコンパートメント
１６  第２の円周面
１７  第２のコンパートメント
１８  シム構造体
２０  電気化学セル
２２  ハウジング
２４  ハウジングの内部面
２５  ハウジングの４つの隅領域
２６  セパレータ
２８  セパレータの第１の円周面
３０  第１のコンパートメント
３２  セパレータの第２の円周面
３４  第２のコンパートメント
３６  セパレータの４つの葉部
３８  ４つの谷部
４０  シム構造体
４２  第１のシム
４４  第２のシム
４６  第１のシムの内周面
４７  第１のシムの外周面
４８  第２のシムの内周面
４９  第２のシムの外周面
６０  ２つのシムの間の隙間
５０  シム構造体の第１のセクション
５２  シム構造体の第２のセクション
５３  コイル部
５５  シム構造体とセパレータの第１の円周面との間の距離
６２  連続的な二重シム構造体の円周セクション
６４  第１のシム
６６  第２のシム
７０、７２  ２つの円周セクション
７４、７６、７８  ３つの円周セクション
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2013016484000001.pdf