(57)【要約】積層エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）は、積層に配列される少なくとも２つのセル区画を有する。各セル区画は、第１の活物質電極を有する第１の電極ユニットと、第２の活物質電極を有する第２の電極ユニットと、活物質電極間の電解質層とを有してもよい。ＥＳＤは、少なくとも２つのサブ積層を含み、それぞれのサブ積層の要素は、サブ積層の他の要素と直列に電気結合される。サブ積層は、単一の積層として載置されてもよく、サブ積層は、他のサブ積層と並列、直列、または両方に電気結合され、特定の電圧および電流容量を有するＥＳＴを作製してもよい。積層全体は、単一対の端部キャップによって包含されてもよい。
2012524980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー貯蔵デバイスであって、該デバイスは、
複数の電極ユニットの積層であって、該積層は、
複数の双極性電極ユニットの第１のサブ積層と、
第１の積層と同一線上にある、複数の双極性電極ユニットの第２のサブ積層と、
該第１のサブ積層と該第２のサブ積層との間に配置される単極性電極ユニットと
を備える積層と、
該電極ユニットの積層の第１の端部にある第１の端部キャップと、
該電極ユニットの積層の第２の端部にある第２の端部キャップと
を備える、デバイス。
【請求項２】
前記単極性電極ユニットは、前記第１のサブ積層を前記第２のサブ積層と並列に電気結合するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項３】
前記単極性電極ユニットの極性は、前記第１および第２の端部キャップの極性と反対である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項４】
前記第１のサブ積層の電極ユニットと前記第２のサブ積層の電極ユニットとは、別個の化学物質を有する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項５】
前記第１のサブ積層の電極ユニットは、リチウムイオンであり、前記第２のサブ積層の電極ユニットは、鉛酸である、請求項４に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項６】
前記第１のサブ積層の双極性電極ユニットは、直列に電気結合される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項７】
前記第２のサブ積層の双極性電極ユニットは、直列に電気結合される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項８】
前記第１のサブ積層と前記第２のサブ積層とは、直列に電気結合される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項９】
各双極性電極ユニットは、
伝導性基板と、
該伝導性基板の第１の表面上の正極活物質電極層と、
該伝導性基板の第２の表面上の負極活物質電極層と
を備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１０】
前記単極性電極ユニットは、
不透過性基板と、
非伝導性基板の第１の表面上の第１の活物質電極層と、
該非伝導性基板の第２の表面上の第２の活物質電極層と
を備え、該第１の層と該第２の層とは、同一極性を有する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１１】
前記不透過性基板は、伝導性である、請求項１０に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１２】
前記不透過性基板は、非伝導性である、請求項１０に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１３】
電解質層が、隣接する電極ユニットの各対の間に提供される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１４】
前記第１および第２のサブ積層は、同一の数の双極性電極ユニットを有する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１５】
前記単極性ユニットは、前記第１と第２のサブ積層との間の積層内の中央に載置される、請求項１４に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１６】
前記第１および第２のサブ積層は、同一の数の双極性電極ユニットを有していない、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１７】
複数の双極性電極ユニットの第３のサブ積層であって、前記第２のサブ積層と前記第２の端部キャップとの間に載置される第３のサブ積層と、
該第２のサブ積層と該第２の端部キャップとの間に配置される第２の単極性ユニットと
をさらに備え、該第２の単極性電極ユニットは、前記第１のサブ積層と、該第２のサブ積層と、該第３のサブ積層とを相互に並列に電気結合するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１８】
複数のキャパシタの第３のサブ積層であって、前記第２のサブ積層と前記第２の端部キャップとの間に載置される第３のサブ積層と、
該第２のサブ積層と該第２の端部キャップとの間に配置される第２の単極性ユニットと
をさらに備え、該第２の単極性ユニットは、前記第１のサブ積層と、該第２のサブ積層と、該第３のサブ積層とを相互に並列に電気結合するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項１９】
前記キャパシタは、二重層電極構成を有する、請求項１８に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項２０】
前記第３のサブ積層の電圧は、前記エネルギー貯蔵デバイスの電圧以上である、請求項１８に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項２１】
エネルギー貯蔵デバイスであって、該デバイスは、
積層軸に沿う複数の電極ユニットの積層を備え、該積層は、
自身の両側に第１および第２の表面を有する単極性電極ユニットと、
該積層軸に沿って該第１の表面の反対側に提供される第１の双極性電極ユニットと、
該積層軸に沿って該第２の表面の反対側に提供される第２の双極性電極ユニットと
を備え、該第１と第２の双極性電極ユニットとは、該単極性電極ユニットを介して並列に電気結合される、デバイス。
【請求項２２】
前記積層の両端に提供される単一対の端部キャップをさらに備える、請求項２１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項２３】
前記単極性電極ユニットは、正極または負極の極性を有する、請求項２１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【請求項２４】
電解質層が、隣接する電極ユニットの各対の間に提供される、請求項２１に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／１７２，４４８号（２００９年４月２４日出願）および米国仮特許出願第６１／２２４／７２５号（２００９年７月１０日出願）の利益を主張し、これらの出願は、その全体が本明細書に参照によって援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）に関し、より具体的には、本発明は、直列、並列、または両方に電気結合されたセルを有する積層されたＥＳＤに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＥＳＤのための設計基準は、一般的には、電力、エネルギー、および耐用年数を含み、また、質量および／または体積の制限を含み得る。これらの設計因子は、多くの場合、相互に依存する。例えば、ＥＳＤの電力を増加させることは（例えば、電圧および／または電流容量を増加させることによって）、デバイスの質量および／または体積を増加させ得る。
【０００４】
双極性ＥＳＤの電圧（ひいては、ワット時）を増加させる技法は、より高い積層内に付加的な双極性セルを一体的に追加することである。しかしながら、積層の電流容量は、単一セルの容量と実質的に同一であり得る。双極性ＥＳＤの電流容量を増加させるために、いくつかのＥＳＤが、一般的に並列に配線される。これらのＥＳＤの各々は、一般的に、循環の際のガス圧および電極拡張の抑制のために、その独自の対の端部キャップを有するが、これは、システム全体の重量を増大させることになる。しかしながら、端部キャップは、一般的には、積層のエネルギーまたは電力を増大させない。この付加的重量は、活物質がそれぞれのセル積層の重量の増加とともに増大させられないので、概して、「寄生」重量と呼ばれる。
【０００５】
上述の技法は、不必要に、寄生重量、ある場合には、システムの体積の実質的増加によって、電力および／または電流容量の増加を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
故に、直列および並列に電気結合されるセルを有する、性能が改良されたＥＳＤを提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述に照らして、直列および並列に電気結合されるセルを有する、積層されたＥＳＤのための装置および方法が提供される。
【０００８】
並列および直列構成の任意の組み合わせが、特定の電圧ならびに電流容量を生成するために組み立てられてもよい。例えば、少なくとも２つのサブ積層が、総積層の電圧を増加させるために、直列に配線されてもよい。いくつかの実施形態では、一対の端部キャップのみ使用され得るため、双極性セルの本構成の寄生重量は、一般的配列（すなわち、それぞれ、その独自のそれぞれの対の端部キャップを有し、並列に電気結合される、２つ以上のＥＳＤ）より比較的に少なくなり得る。
【０００９】
ある実施形態によると、複数の電極ユニットの積層を有する、ＥＳＤが提供される。積層は、複数の双極性電極ユニットの第１のサブ積層と、第１の積層と同一線上の複数の双極性電極ユニットの第２のサブ積層と、第１のサブ積層と第２のサブ積層との間に配置される単極性電極ユニットとを含んでもよい。第１の端部キャップは、電極ユニットの積層の第１の端部であってもよく、第２の端部キャップは、電極ユニットの積層の第２の端部であってもよい。
【００１０】
ある実施形態によると、積層軸に沿って、複数の電極ユニットの積層を有する、ＥＳＤが提供される。積層は、その両側に第１および第２の表面を有する単極性電極ユニットと、第１の表面の反対の積層軸に沿って提供される第１の双極性電極ユニットと、第２の表面の反対の積層軸に沿って提供される第２の双極性電極ユニットとを含んでもよい。第１および第２の双極性電極ユニットは、単極性電極ユニットを介して、並列に電気結合されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の上述の利点および他の利点は、添付の図面と併用して以下の詳細な説明を考察することによってより明白となるであろう（図面において、同一の参照文字は、同一の部分を指す）。
【図１】図１は、本発明のある実施形態による、双極性電極ユニット（ＢＰＵ）の例示的構造の概略断面図を示す。
【図２】図２は、本発明のある実施形態による、図１のＢＰＵの積層の例示構造の概略断面図を示す。
【図３】図３は、本発明のある実施形態による、図２のＢＰＵの積層を有する、例示的双極性ＥＳＤの概略回路図を示す。
【図４】図４は、本発明のある実施形態による、ＢＰＵの積層の例示的構造の概略断面図を示す。
【図５】図５は、本発明のある実施形態による、図４の例示的双極性ＥＳＤの概略回路図を示す。
【図６】図６は、本発明のある実施形態による、例示的な積層された双極性ＥＳＤの斜視図を示す。
【図７】図７は、本発明のある実施形態による、図６の例示的な積層された双極性ＥＳＤの部分的断面図を示す。
【図８】図８は、本発明のある実施形態による、図６の例示的な積層された双極性ＥＳＤの分解図を示す。
【図９】図９は、本発明のある実施形態による、図６の例示的な積層された双極性ＥＳＤの分解図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
積層されたエネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）のための装置および方法が提供され、図１−図９を参照して以下に説明される。本発明は、電気エネルギーまたは電流を貯蔵および／または提供し得る、例えば、バッテリ、キャパシタ、あるいは任意の他の好適な電気化学エネルギーもしくは電力貯蔵デバイス等のＥＳＤに関する。本発明は、直列および並列に電気結合される、積層された双極性ＥＳＤに関連して、本明細書に説明されるが、論じられる概念は、平行板、柱状、折畳み、巻回、および／または双極性の構成、任意の他の好適な構成、あるいは任意のそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意のセル間電極構成に適用可能であることを理解されたい。
【００１３】
積層形式における封止セルを伴うＥＳＤは、一連の積層された双極性電極ユニット（ＢＰＵ）を含んでもよい。これらのＢＰＵはそれぞれ、集電体の両側上に塗膜される正極活物質電極層と、負極活物質電極層とが提供される。任意の２つのＢＰＵは、相互の上部に積層され、電解質層が、それらの２つのＢＰＵの集電体を電気的に絶縁するために、ＢＰＵのうちの一方の正極活物質電極層とＢＰＵのうちの他方の負極活物質電極層との間に提供される。任意の２つの隣接するＢＰＵの集電体は、活物質電極層およびそれらの間の電解質とともに、封止された単一のセルまたはセル区画である。それぞれ、第１のＢＰＵの一部分および第２のＢＰＵの一部分を有する、そのようなセルの積層を含む、ＥＳＤは、本明細書において「積層された双極性」ＥＳＤと称されるものとする。
【００１４】
ＥＳＤは、直列、並列、または両方に電気結合され得る、いくつかのセルを含んでもよい。双極性ＥＳＤは、単に独立セルを直列に一体に接続する、それらのＥＳＤ上に形成される相互接続通電構成要素を排除してもよい。双極性ＥＳＤの接続物質の削減（それによって、寄生重量を減少させる）は、抵抗を低下させ、電力を増加させ、例えば、ＥＳＤを比較的に小型かつ軽量にし得る。
【００１５】
図１は、本発明のある実施形態による、例示的「平板」双極性電極ユニットまたはＢＰＵ１０２を示す。積層されたセルＥＳＤ内で使用するための平板構造については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｏｇｇらによる米国特許出願第１１／４１７，４８９号および米国特許出願第１２／０６９，７９３号に詳述されている。ＢＰＵ１０２は、不透過伝導性基板または集電体１０６の第１の側面上に設けられ得る正極活物質電極層１０４と、不透過伝導性基板１０６の他方の側面上に提供され得る負極活物質電極層１０８とを含み得る。
【００１６】
双極性電極は、任意の好適な形状または幾何学形状を有し得ることを理解されたい。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、「平板」ＢＰＵは、代替として、または付加的に、「皿形状」電極であってもよい。皿形状電極は、双極性ＥＳＤの動作の際に発生し得る圧力を低減させ得る。皿形状圧平衡電極については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらによる米国特許出願第１２／２５８，８５４号に詳述されている。
【００１７】
図２に示されるように、例えば、複数のＢＰＵ２０２は、一方のＢＰＵ２０２の正極電極層２０４が、電解質層２１０を介して、隣接するＢＰＵ２０２の負極電極層２０８に対向し得るように、２つの隣接するＢＰＵ２０２間に提供され得る電解質層２１０によって、積層２２０として、実質的に垂直に積層されてもよい。各電解質層２１０は、その中に電解質を保持し得る隔離板（図示せず）を含んでもよい。隔離板は、正極電極層２０４およびそれに隣接する負極電極層２０８を電気的に分離する一方、電極ユニット間のイオン移行を可能にし得る。
【００１８】
図２におけるＢＰＵ２０２の積層された状態を引き続き参照すると、例えば、第１のＢＰＵ２０２の正極電極層２０４および基板２０６と、第１のＢＰＵ２０２に隣接する第２のＢＰＵ２０２の負極電極層２０８および基板２０６と、第１と第２のＢＰＵ２０２との間の電解質層２１０とに含まれる構成要素は、本明細書において、単一の「セル」または「セル区画」２２２と称されるものとする。各セル区画２２２の各不透過性基板２０６は、適用可能な隣接するセル区画２２２によって共有されてもよい。
【００１９】
図３は、本発明のある実施形態による、図２の積層２２０の概略回路図を示す。双極性ＥＳＤは、所望の電圧を提供するために、図３に示すように、積層および直列接続される１つ以上のＢＰＵ２０２を含んでもよい。
【００２０】
図４は、本発明のある実施形態による、ＢＰＵの積層の構造の概略断面図を示す。図４に示されるように、例えば、独立セル積層またはサブ積層４２１ａおよび４２１ｂは、サブ積層間に位置する「サブ端子」単極性電極ユニット（例えば、サブ端子ＭＰＵ４０１参照）を有することによって、並列に電気結合されるように構成されてもよい。正極または負極のサブ端子単極性電極ユニット（ＭＰＵ）は、双極性ＥＳＤ内の独立セル積層間またはサブ積層間に提供されてもよい。サブ端子ＭＰＵは、基板または集電体の両側に提供される同一極性（すなわち、正極または負極）を有する活物質電極層を有してもよい。任意の好適な活物質が、サブ端子ＭＰＵと併用されてもよく、いくつかの実施形態では、サブ端子ＭＰＵの両側の活物質電極層は、実質的に同一活物質であってもよく、または同一極性を有する異なる活物質であってもよい。
【００２１】
例えば、図４は、双極性ＥＳＤ４５０の積層４２０内のサブ端子ＭＰＵ４０１を示す。サブ端子ＭＰＵ４０１は、不透過伝導性基板または集電体４０９の第１の側に提供され得る負極活物質電極層４０５ａと、不透過伝導性基板４０９の他方の側に提供され得る負極活物質電極層４０５ｂとを含んでもよい。サブ端子ＭＰＵ４０１は、サブ積層４２１ａのセル区画（例えば、セル区画４２２ａ−４２２ｃ参照）をサブ積層４２１ｂのセル区画（例えば、セル区画４２２ｄ−４２２ｆ参照）と並列に電気結合するように構成されてもよい。例えば、サブ端子ＭＰＵ４０１は、タブまたはフランジ４０７が提供されてもよい。いくつかの実施形態では、フランジ４０７は、例えば、フランジ４０７が取着されるそれぞれの基板に対応する双極性電極ユニットまたは単極性ユニットへの電気接続を提供してもよい。図４に示されるように、例えば、フランジ４０７は、サブ端子ＭＰＵ４０１の基板４０９に取着される。しかしながら、タブまたはフランジは、例えば、ＢＰＵ、サブ端子ＭＰＵ、および端子ＭＰＵ（例えば、図６−９のフランジ６０７参照）を含む、本発明の任意の好適な電極ユニットの基板が提供されてもよいことを理解されたい。
【００２２】
サブ端子ＭＰＵ４０１は、サブ積層間の電気隔離板、機械的隔離板、または両方として作用してもよい。いくつかの実施形態では、サブ端子ＭＰＵ４０１は、双極性電極ユニットと異なる幾何学形状を有してもよい（例えば、ＢＰＵ４０２ａ−ｄ参照）。例えば、サブ端子ＭＰＵ４０１の基板４０９は、ＢＰＵ４０２ａの基板４０６ａより比較的に厚いかまたは比較的に薄くてもよい。例えば、基板４０９の両側に同一極性を有する電極（例えば、電極層４０５ａおよび４０５ｂ）は、基板４０６ａの反対極性を有する両側の電極（例えば、電極層４０８ａおよび４０４ａ）と異なって拡張および／または収縮し得るため、基板４０９は、基板４０６ａに対して可変の厚さを有してもよい。例えば、ＭＰＵ４０１が、基板４０９の両側に正極電極層を有する場合、一方または両方の正極電極層は、基板４０９を圧縮し得る。さらに、いくつかの実施形態では、ＥＳＤのサブ積層は、異なるベースユニットおよび／または異なる化学物質を有してもよい（例えば、サブ積層４２１ａは、ニッケル水素ＥＳＤ化学物質を有してもよく、サブ積層４２１ｂは、キャパシタを利用してもよい）。そのような実施形態では、例えば、サブ積層は、相互に異なって拡張および／または収縮し得、それによって、ＭＰＵ４０１に正味の力を付与する。したがって、いくつかの実施形態では、基板４０９は、基板４０６ａ−ｄより比較的に厚く、よりロバストに設計されてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、サブ端子ＭＰＵ４０１の基板４０９は、ＢＰＵの基板と実質的に同一であってもよいことを理解されたい（例えば、ＢＰＵ４０２ａ−ｄの基板４０６ａ−ｄ参照）。
【００２３】
サブ端子ＭＰＵ４０１は、隣接するセル区画の活物質間に任意の好適な電極間間隔を有してもよく、任意の好適なガスケット構成を有してもよい。電極間間隔は、種々のＥＳＤ用途に依存してもよい。例えば、比較的に低損失／高エネルギーセルの場合、負荷の増加に耐えるために、比較的に大量の活物質を包填し、および／または比較的に厚い電極マトリクス物質を有することが好ましいであろう。比較的に高い電力用途の場合、電極間間隔を縮小するために、より少ない物質を包填し、および／または比較的に強い力で密閉することが好ましいであろう。
【００２４】
ＥＳＤ設計のための多くの基準が存在し得る。これらの基準は、一般的には、電力、エネルギー、および耐用年数を規定し、質量および／または体積の制限を有し得る。これらの基準は、１つのＥＳＤ型のみによって満たされなくてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、設計要件を達成するためのエネルギー貯蔵型を組み合わせるＥＳＤが、好ましいであろう。本発明の双極性ＥＳＤは、設計要件を達成するための複数のＥＳＤ型に対応するように構成されてもよい。例えば、上述のように、１つのサブ積層は、ニッケル水素ＥＳＤ化学物質を有してもよく、別のサブ積層は、キャパシタを利用してもよい。
【００２５】
双極性ＥＳＤ４５０は、１つ以上の基礎的ベースユニットを含んでもよい。例えば、好適な電気化学的ＥＳＤ化学物質は、金属水素化物、リチウム、または任意の他の好適な化学物質、あるいはそれらの組み合わせを含んでもよく、ベースユニットは、静電キャパシタを含んでもよい。多ユニットＥＳＤは、直列または並列電力分布、あるいは両方のために構成されてもよく、デバイスは、複数の型を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ＥＳＤ内の独立サブ積層は、異なる化学物質を有してもよい。例えば、サブ積層４２１ａは、金属水素化物元素を含んでもよくサブ積層４２１ｂは、リチウムイオン元素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、同一サブ積層内のセルは、セル毎または同一セル内でも、異なる化学物質を有してもよい。
【００２６】
上述のように、いくつかの実施形態では、ＥＳＤは、その中に積層されたキャパシタを有する、１つ以上のサブ積層を含んでもよい。キャパシタは、電気化学二重層を含んでもよい。二重層構成要素は、電極物質の表面上のイオンおよび電子の蓄積を指し得る（例えば、接触表面積依存性であってもよい）。その効果は、イオンおよび電子が両方とも、電極物質の表面に結合され得るので、電気化学的であるよりも比較的により静電的であり得る。これは、例えば、静電キャパシタに類似し得る。キャパシタの正および負極電極層は、ＥＳＤが組み立てられるとき、「自然」電気化学電位が存在しないか、または実質的に存在し得ないように、実質的に同一組成を有してもよい。電位は、例えば、片側に電子と、同一表面上に蓄積する実質的に同等の正極イオン電荷とを有することによって、ＥＳＤが帯電されるときに生じ得る。類似事象は、負極電極上でも生じ得、例えば、負イオンが、負極電極の電子空乏表面上の電子の空乏化（例えば、「正孔」）によって生じ、電極表面上に蓄積し得る。本発明の双極性ユニットと併せて上述のように、キャパシタのいずれかの側は、正極または負極であってもよいことを理解されたい。
【００２７】
キャパシタが、ＥＳＤと並列に電気結合されると、アセンブリ全体は、比較的に高い作用電圧を有し得る。例えば、金属水素化物ＥＳＤは、水性であってもよく、１．５ボルトの動作範囲を有してもよい。電気化学二重層を有するキャパシタは、任意の好適な電解質から形成されてもよく、動作範囲は、例えば、１．２５ボルト以下乃至２０ボルト以上であってもよい。また、キャパシタは、比較的に低内部抵抗を有してもよく、比較的に高電流引き込みを有するＥＳＤに対応してもよい。例えば、高速パルスの場合、キャパシタは、ＥＳＤの前に電流引き込みのほとんどを取り込んでもよく、これは、ＥＳＤを緩衝化し、ＥＳＤのサイクル寿命を増加させ得る。
【００２８】
他のキャパシタは、イオンおよび電子の二重層を有していなくてもよい。むしろ、導体の表面（例えば、金属箔上）の電子の蓄積および空乏化によって生じる、静電結合を介してのみ動作してもよい。帯電すると、電子は、誘電隔離板を通して伝播し得ないが、静電結合を保持するために近接することを要求し得る。正極および負極端子が結合され、回路を橋架すると、電子は、配線を横断して逆流し、実質的にゼロ電圧に再平衡化してもよい。これらのキャパシタは、電気化学二重層を有するキャパシタより比較的に低い容量を有してもよい。
【００２９】
サブ積層内に積層されるキャパシタセルの数は、ＥＳＤの電圧制限に依存してもよい。いくつかの実施形態では、キャパシタサブ積層の電圧は、ＥＳＤの電圧以上であってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、例えば、キャパシタのセルあたりの電圧制限は、電解質溶媒絶縁破壊電圧に依存してもよい。例示的電圧制限は、液体系溶媒デバイスの場合、１．２ボルト（例えば、水性）乃至２０ボルト（例えば、有機およびシロキサン）の範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、本発明のＥＳＤは、例えば、金属水素化物化学物質を有する別のサブ積層内で使用されるものと実質的に同一溶媒を有する、サブ積層内にキャパシタを組み込んでもよく、セルは、１．５ボルトの制限を有するように構成されてもよい。
【００３０】
図４を継続して参照すると、２つの独立した３つのセル積層（すなわち、サブ積層４２１ａおよび４２１ｂ）が存在し、したがって、サブ端子ＭＰＵ４０１は、サブ積層４２１ａと４２１ｂとの間の積層４２０内の中心に位置する。しかしながら、サブ端子ＭＰＵ４０１は、積層４２０内の任意の好適な場所に提供されてもよいことを理解されたい。例えば、独立セル積層（例えば、サブ積層４２１ａ参照）は、サブ端子ＭＰＵ４０１が、独立サブ積層（例えば、サブ積層４２１ａおよび４２１ｂ）間にある積層内の任意の好適な場所に位置され得るように、任意の好適な数のセルを有してもよい（例えば、特定の積層またはサブ積層の電圧を上昇させるため）。また、ＥＳＤ４５０は、任意の好適な数の独立セル積層またはサブ積層とともに、その間に提供される適切な数のサブ端子ＭＰＵを有してもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、例えば、複数のサブ積層が、ＥＳＤの電圧および／または電流容量を増加させるために組み込まれてもよい。
【００３１】
図４に示すように、例えば、正極または負極端子、あるいは端子単極性ユニット（ＭＰＵ）が、本発明のある実施形態に従って、積層された双極性ＥＳＤ４５０を構成するために、１つ以上のＢＰＵ４０２ａ−ｄおよびサブ端子ＭＰＵ４０１の積層４２０とともに提供されてもよい。図４に示される配列では、例えば、端子ＭＰＵの極性は、サブ端子ＭＰＵ４０１と反対であってもよい。不透過伝導性基板４１６ｂの片側に提供される正極活物質電極層４１４ｂを含み得る、正極端子ＭＰＵ４１２ｂは、正極端子ＭＰＵ４１２ｂの正極電極層４１４ｂが、電解質層４１０ｆを介して、積層４２０のその第１の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ４０２ｄ）の負極電極層（すなわち、層４０８ｄ）と対向し得るように提供される、電解質層（すなわち、電解質層４１０ｆ）とともに、積層４２０の第１の端部に配置されてもよい。不透過伝導性基板４１６ａの片側に提供される正極活物質電極層４１４ａを含み得る、正極端子ＭＰＵ４１２ａは、正極端子ＭＰＵ４１２ａの正極電極層４１４ａが、電解質層４１０ａを介して、積層４２０のその第２の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ４０２ａ）の負極電極層（すなわち、層４０８ａ）と対向し得るように提供される、電解質層（すなわち、電解質層４１０ａ）とともに、積層４２０の第２の端部に配置されてもよい。端子ＭＰＵ１２ａおよび４１２ｂは、それぞれ、対応する正極電極導線４１３ａおよび負極電極導線４１３ｂが提供されてもよい。
【００３２】
例えば、図４に示されるように、各端子ＭＰＵまたはサブ端子ＭＰＵの基板および電極層は、その隣接するＢＰＵの基板および電極層と、それらの間の電解質層と、セル区画を形成してもよい（例えば、セル区画４２２ａ／４２２ｆおよびセル区画４２２ｃ／４２２ｄ参照）。積層４２０内に積層されるＢＰＵの数は、１つ以上であってもよく、例えば、ＥＳＤ４５０のための所望の電圧に対応するために、適切に判定されてもよい。サブ積層（例えば、サブ積層４２１ａおよび４２１ｂ）内に積層されるＢＰＵの数は、１つ以上であってもよく、例えば、ＥＳＤ４５０のための所望の電圧に対応するために、適切に判定されてもよい。各ＢＰＵは、ＥＳＤ４５０のための所望の電圧が、各構成要素ＢＰＵによって提供される電位を効果的に追加することによって達成され得るように、任意の所望の電位を提供してもよい。各ＢＰＵが、同等電位を提供する必要はないことを理解されたい。
【００３３】
一好適な実施形態では、双極性ＥＳＤ４５０は、ＢＰＵ積層４２０およびそのそれぞれの正極端子ＭＰＵ４１２ａおよび４１２ｂが、低下圧力下、ＥＳＤケースまたは包体４４０内に少なくとも部分的にカプセル化（例えば、密封）され得るように構築されてもよい。端子ＭＰＵ伝導性基板４１６ａおよび４１６ｂ（または、少なくともそれらのそれぞれの電極導線４１３ａおよび４１３ｂ）は、例えば、利用時の外部からの衝撃を緩和し、かつ環境劣化を防止するように、ＥＳＤケースまたは包体４４０から引き出されてもよい。
【００３４】
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画４２２ａの電解質層４１０ａ参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画４２２ｂの電解質層４１０ｂ参照）と組み合わせられることを防止するために、ガスケットまたは封止材が、その特定のセル区画内の電解質を封止するために、隣接する電極ユニット間の電解質層とともに積層されてもよい。ガスケットまたは封止材は、例えば、それらの間の電解質を封止するために、特定のセルの隣接する電極ユニットが提供され得る、任意の好適な圧縮性あるいは非圧縮性の固体もしくは粘着性物質、または任意の他の好適な物質、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。一好適な配列では、図４に示されるように、例えば、本発明の双極性ＥＳＤは、各セル区画４２２ａ−ｅの電解質層４１０ａ−ｆならびに活物質電極層４０４ａ−ｄ／４１４ａ−ｂおよび４０８ａ−ｄ／４０５ａ−ｂを中心として、障壁として配置され得る、ガスケットまたは封止材４６０ａ−ｆを含んでもよい。ガスケットまたは封止材は、連続的かつ密閉されてもよく、そのセルのガスケットと隣接する電極ユニットとの間の電解質（すなわち、ＢＰＵあるいはそのガスケットまたは封止材に隣接するＢＰＵおよびサブ端子ＭＰＵ／端子ＭＰＵ）を封止してもよい。ガスケットまたは封止材は、例えば、そのセルの隣接する電極ユニット間に適切な空間を提供してもよい。いくつかの実施形態では、動的可撓性封止材またはガスケットが、提供されてもよい。本願では、ガスケットは、機械的に寸法を調節する一方、隣接する表面と実質的に密封された接触を維持してもよい。例えば、動的可撓性封止材またはガスケットは、好ましい方向または複数の好ましい方向に変形するように構成されてもよい。動的可撓性封止材またはガスケットについては、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらの米国特許出願第１２／６９４，６３８号に詳述されている。
【００３５】
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画４２２ａの電解質層４１０ａ参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画４２２ｂの電解質層４１０ｂ参照）と組み合わせられることを防止するために、積層された双極性ＥＳＤ４５０のセル区画を封止する際、セル区画は、セルが帯電および放電されることに伴って隣接するセル（例えば、セル４２２ａ／４２２ｂ）の間に圧力差を産生してもよい。平衡弁は、このように発生する圧力差を実質的に減少させるために提供されてもよい。平衡弁は、気体の移動を可能にし、電解質の移動を実質的に防止する半透過性膜または破裂板として、機械的あるいは化学的に動作してもよい。ＥＳＤは、平衡弁の任意の組み合わせを有するＢＰＵ、サブ端子ＭＰＵおよび端子ＭＰＵを有してもよい。圧平衡弁については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらによる米国特許出願第１２／２５８，８５４号に詳述されている。
【００３６】
図５は、本発明のある実施形態による、図４の双極性ＥＳＤの概略回路図を示す。例えば、各それぞれの独立セル積層またはサブ積層内のセル区画は、サブ積層の他のセルと直列に電気結合されてもよい（例えば、図２および３の直列接続参照）。次いで、２つのサブ積層は、サブ端子ＭＰＵ（例えば、図４のサブ端子ＭＰＵ４０１参照）を介して、相互に並列に電気結合されてもよい。本配列は、例えば、複数のセルが、積層内に直列および／または並列に電気結合されることを可能にし得る一方、一対の端部キャップ（例えば、図６−８の端部キャップ６１８および６３４参照）のみを使用する。これは、例えば、複数の端部キャップを使用して、直列および並列に電気結合されるＥＳＤと比較して、ＥＳＤの寄生重量を低減させ得る。
【００３７】
図５に示されるように、例えば、サブ積層は、サブ端子ＭＰＵ４０１に取着され得る、１つ以上のワイヤを介して、並列に電気結合されてもよい。ワイヤは、サブ端子ＭＰＵ４０１の基板の１つ以上のフランジ（例えば、図４のフランジ４０７および図６−９のフランジ６０７参照）に取着されてもよい。ワイヤの利用は、並列接続を成すための多くの好適なアプローチのうちの１つにすぎないことを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、サブ端子ＭＰＵは、伝導性の外側容器（例えば、図４のＥＳＤ包体４４０参照）に直接接合されてもよく、ワイヤが必要とされなくてもよい。本実施形態では、例えば、ＥＳＤの各端部は、正極支柱または電極導線（例えば、導線４１３ａおよび４１３ｂ参照）および負極電気接続を提供するために、伝導性の外側容器と接触する負極ケース（図示せず）の両方を有してもよい。サブ端子ＭＰＵ４０１を介して、並列にサブ積層を電気結合するための任意の他の好適なアプローチ、または任意のそれらの組み合わせが、使用されてもよく。例えば、いくつかの実施形態では、ワイヤおよび伝導性の外側容器に直接接合されるサブ端子ＭＰＵの両方が、使用されてもよい。
【００３８】
図６および７は、本発明のある実施形態による、それぞれ、積層された双極性ＥＳＤの斜視図および部分的断面図を示す。積層された双極性ＥＳＤ６５０は、圧縮ボルト６２３と、整列リング６２４ａおよび６２４ｂと、機械バネ６２６ａおよび３２６ｂと、積層６２０（基板フランジ６０７を含む）と、積層６２０の両端に提供される剛性端部キャップ６３４および６１８とを含んでもよい。整列リングは、積層された双極性ＥＳＤ６５０の両端に提供されてもよい。例えば、整列リング６２４ａおよび整列リング６２４ｂは、ＥＳＤ３５０の両端に提供されてもよい。機械バネは、整列リング６２４ａ／６２４ｂと剛性端部キャップ６３４／６１８との間に提供されてもよい。例えば、機械バネ６２６ａは、整列リング６２４ａと剛性端部キャップ６３４との間に提供されてもよく、機械バネ６２６ｂは、整列リング６２４ｂと剛性端部キャップ６１８との間に提供されてもよい。機械バネ６２６ａおよび３２６ｂは、ＥＳＤ６５０の動作および循環の際に発生される力に応答して、偏向するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、バネ６２６ａおよび６２６ｂの偏向は、印加される負荷に直接比例してもよい。
【００３９】
剛性端部キャップ６３４および６１８は、双極性ＥＳＤ６５０の電極および／または基板の形状に実質的に適合するように成形されてもよい（例えば、図４のＢＰＵ４０２ａ−ｄ参照）。例えば、端部キャップ６３４および６１８は、ＥＳＤ３５０の電極および／または基板の「平板」、「皿形状」、または任意の他の形状、あるいはそれらの組み合わせに適合してもよい。
【００４０】
いくつかの実施形態では、基板フランジ６０７は、双極性ＥＳＤ６５０を中心として提供され、積層６２０から半径方向外向きに突出してもよい。フランジ６０７は、例えば、フランジ６０７が取着される、それぞれの不透過伝導性基板に対応する双極性電極ユニットまたは単極性ユニットに電気接続を提供してもよい（例えば、図４のサブ端子ＭＰＵ４０１のフランジ４０７参照）。図６のフランジ６０７は、「舌圧子」として成形されるが、積層６２０から半径方向外向きに延在するように構成される、任意の他の好適な形状および任意の他の好適なサイズであってもよい。例えば、フランジ６０７の断面積は、実質的に、四角形、三角形、円形または楕円形、六角形、あるいは任意の他の所望の形状、もしくはそれらの組み合わせであってもよく、特定のコネクタもしくは複数のコネクタと電気結合するように構成されてもよい。
【００４１】
図８および９は、本発明のある実施形態による、図６の積層された双極性ＥＳＤの分解図を示す。図８に示されるように、例えば、積層６２０は、サブ積層６２１ａおよび６２１ｂを含んでもよい。サブ積層６２１ａは、５つのＢＰＵ６０２ａの積層を含んでもよい。同様に、サブ積層６２１ｂは、５つのＢＰＵ６０２ｂの積層を含んでもよい。しかしながら、例えば、ＥＳＤ６５０のための所望の電圧および／または電流容量に対応するために、任意の好適な数のセル区画および／または双極性ユニットが、サブ積層６２１ａおよび６２１ｂ内に提供されてもよいことを理解されたい。サブ端子ＭＰＵ６０１は、サブ積層６２１ａと６２１ｂとの間に提供され、それによって、サブ積層６２１ａのＢＰＵの直列電気接続をサブ積層６２１ｂのＢＰＵの直列電気接続から分離してもよい。サブ端子ＭＰＵ６０１は、例えば、各それぞれの基板に取着される複数のフランジ６０７（例えば、図９のフランジ６０７参照）を介して、サブ積層６２１ａのＢＰＵをサブ積層６２１ｂのＢＰＵと並列に結合するように構成されてもよい。図５と併せて上述のように、フランジ（例えば、フランジ６０７）の利用は、ＥＳＤのサブ積層間に並列接続を成すための多くの好適なアプローチのうちの１つにすぎないことを理解されたい。
【００４２】
図９（図８の領域６９０として表される）を参照すると、サブ端子ＭＰＵ６０１は、基板または集電体の両側に提供される同一極性（すなわち、正極または負極）を有する活物質電極層を有してもよい。図９に示されるように、例えば、サブ端子ＭＰＵ６０１は、不透過伝導性基板または集電体６０９の第１の側に提供され得る正極活物質電極層６０３を含んでもよい。第２の正極活物質電極層は、不透過伝導性基板６０９の他方の側に提供されてもよい（図示せず）。
【００４３】
ＢＰＵ６０２ａは、不透過伝導性基板または集電体６０６の第１の側に提供され得る正極活物質電極層６０４と、不透過伝導性基板６０６の他方の側に提供され得る負極活物質電極層６０８（図示せず）とを含んでもよい。ＢＰＵ６０２ｂは、不透過伝導性基板または集電体６０６の第１の側に提供され得る負極活物質電極層６０８と、不透過伝導性基板６０６の他方の側に提供され得る正極活物質電極層６０４（図示せず）とを含んでもよい。さらに、基板６０６は、そこから半径方向外向きに延在する、基板フランジ６０７を含んでもよい。
【００４４】
ＥＳＤ６５０のサブ積層を分離することによって、サブ端子ＭＰＵ６０１は、事実上、特定のサブ積層のための端部キャップとして作用してもよい。図６−８に示されるように、例えば、ＥＳＤ６５０は、並列に電気結合される少なくとも２つのサブ積層を有し、一対の端部キャップ６１８および６３４のみを有する単一積層６２０として配列される。
【００４５】
図９を継続して参照すると、硬質停止部材６６２が、各それぞれの電極ユニット（例えば、ＢＰＵ６０２ａおよび６０２ｂとサブ端子ＭＰＵ６０１）間に提供されてもよい。硬質停止部材６６２は、各それぞれのセル区画の内容物を実質的に包囲してもよい。さらに、各硬質停止部材６６２は、その上に、基板（例えば、基板６０６および６０９）が、固定して配置され得る棚を有してもよい。
【００４６】
複数の圧縮ボルト（例えば、図６の圧縮ボルト６２３参照）または任意の他の好適な剛性締結具のための一式のボルト穴６６４が、硬質停止部材６６２の外側辺縁に沿って提供されてもよい。ボルト穴６６４は、例えば、組み立ての際、電極ユニットの積層全体（例えば、ＢＰＵ４０２ａ−ｄ、サブ端子ＭＰＵ４０１、および端子ＭＰＵ４１２ａおよび４１２ｂ参照）と整列してもよく、動作の際、安定性を提供してもよい。ボルト穴６６４は、特定の圧縮ボルトまたは任意の他の好適な剛性締結具を収容するように寸法設定されてもよい。ボルト穴６６４は、円形として示されるが、また、実質的に四角形、三角形、楕円形、六角形、または任意の他の所望の形状、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。
【００４７】
また、硬質停止部材６６２は、基板フランジ６０７と整列し得る、複数の基板棚６７４を含んでもよい。基板棚６７４は、フランジを、硬質停止部材６６２を通して、積層６２０から半径方向外向きに突出させ、例えば、フランジを導線に電気結合させることが可能であってもよい。硬質停止部材６６２は、５つの基板棚６７４を有するように示されるが、任意の好適な数の棚６７４が提供されてもよく、その数は、ＥＳＤ内で使用される特定の電極ユニットに依存してもよい。さらに、硬質停止部材６６２は、ＥＳＤの電極間間隔を実質的に設定してもよい。ＥＳＤの電極間間隔を調節するための種々の技法については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらによる米国特許出願第１２／６９４，６３８号に詳述されている。
【００４８】
本発明の電極ユニットを形成するために使用される基板（例えば、基板４０６ａ−ｄ、４０９、４１６ａ、および４１６ｂ）は、例えば、非穿孔性金属箔、アルミニウム箔、ステンレス鋼箔、ニッケルおよびアルミニウムを含むクラッド物質、銅およびアルミニウムを含むクラッド物質、ニッケルめっき鋼、ニッケルめっき銅、ニッケルめっきアルミニウム、金、銀、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な伝導性かつ不透過性あるいは実質的に不透過性の物質から形成されてもよい。各基板は、ある実施形態において、相互に接着する２つ以上の金属箔シートから作製されてもよい。各ＢＰＵの基板は、一般的には、０．０２５乃至５ミリメートルの厚さであってもよい一方、各ＭＰＵの基板は、０．０２５乃至１０ミリメートルの厚さであって、例えば、ＥＳＤに対する端子またはサブ端子として作用してもよい。金属化発泡体は、例えば、セル区画の活物質間の抵抗が、電極を通して伝導性マトリクスを拡張することによって低減されるように、例えば、平坦金属膜または箔において、任意の適切な基板物質と組み合わせられてもよい。
【００４９】
いくつかの実施形態では、サブ端子ＭＰＵ４０１の基板４０９は、例えば、種々のプラスチック、フェノール、セラミック、二元複合材として機能するエポキシ樹脂、ガラスセラミック、多次元織布繊維複合材、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない、任意の好適な非伝導性かつ不透過性または実質的に不透過性物質から形成されてもよい。
【００５０】
これらの基板上に提供され、本発明の電極ユニットを形成する、正極電極層（例えば、正極電極層４０４ａ−ｄ、４１４ａ、および４１４ｂ）は、例えば、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）、亜鉛（Ｚｎ）、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な活物質から形成されてもよい。正極活物質は、焼結されて含浸されるか、水性バインダで塗膜されて押圧されるか、有機バインダで塗膜されて押圧されるか、または伝導性マトリクス内に、他の支援化学物質とともに、正極活物質を含有する任意の他の好適な方法によって含有されてもよい。電極ユニットの正極電極層は、例えば、膨張を低減するためにそのマトリクス内に注入される、金属水素化物（ＭＨ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない粒子を有してもよい。これにより、例えば、サイクル寿命が増加し、再結合が改善され、セル区画内の圧力が低減し得る。また、ＭＨ等のこれらの粒子は、電極内の導電性を改善し、再結合を支援するために、Ｎｉ（ＯＨ）２等の活物質ペーストの接合に存在してもよい。
【００５１】
これらの基板上に提供され、本発明の電極ユニットを形成する、負極電極層（例えば、負極電極層４０８ａ−ｄ、４０５ａ、および４０５ｂ）は、例えば、ＭＨ、Ｃｄ、Ｍｎ、Ａｇ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な活物質から形成されてもよい。負極活物質は、例えば、焼結されるか、水性バインダで塗膜されて押圧されるか、有機バインダで塗膜されて押圧されるか、または伝導性マトリクス内に他の支援化学物質とともに、負極活物質を含有する任意の他の適切な方法によって含有されてもよい。負極電極側は、例えば、構造を安定化させ、酸化を低減させ、サイクル寿命を延長させるように、負極電極物質マトリクス内に注入されるＮｉ、Ｚｎ、Ａｌ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない化学物質を有してもよい。
【００５２】
有機カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）バインダ、クレイトンゴム、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない種々の好適なバインダは、例えば、層をそれらの基板に保持するように、活物質層と混合されてもよい。また、２００ｐｐｉの金属発泡体等の超静止バインダが、本発明の積層されたＥＳＤ構造と併用されてもよい。
【００５３】
本発明のＥＳＤの各電解質層の隔離板は、その２つの隣接する電極ユニットを電気的に絶縁する一方、それらの電極ユニット間のイオン移動を可能にする任意の好適な物質から形成されてもよい。隔離板は、充填を改善し、サイクル寿命を増加させるために電解質容器として役割を果たすようにセルロース超吸収材を含有し、この場合、隔離板は、例えば、ポリ吸収おむつ用物質から作製されてもよい。それによって、隔離板は、電荷がＥＳＤに印加されると、以前に吸収された電解質を放出し得る。ある実施形態では、隔離板は、電極間間隔（ＩＥＳ）が、通常よりも大きい間隔から開始し、その寿命にわたって、ＥＳＤの容量（または、Ｃレート）を維持し、ならびにＥＳＤの寿命を延長するために、継続的に低減されるように、通常のセルよりも密度が小さく、厚くてもよい。
【００５４】
隔離板は、短絡を低減し、再結合を改善するために、電極ユニット上の活性物質の表面に接合される物質よりも比較的に薄くてもよい。本隔離板物質は、例えば、噴霧、塗膜、押圧される、またはそれらの組み合わせであってもよい。隔離板は、ある実施形態では、そこに取着される再結合剤を有し得る。本剤は、隔離板の構造内に注入される（例えば、これは、本剤を隔離板繊維に結合するために、ポリビニルアルコール（ＰＶＡまたはＰＶＯＨ）を使用して、湿式プロセスにおいて、本剤を物理的に捕捉することによって行なわれる、または本剤は、電気蒸着によって、その中に入れられ得る）、あるいは、例えば、蒸着によって表面上に層状化されてもよい。隔離板は、例えば、Ｐｂ、Ａｇ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、再結合を効果的に支援する任意の好適な物質または剤から作製されてもよい。セルの基板が相互に向かって移動する場合、隔離板は抵抗を呈し得るが、隔離板は、偏向しない程十分堅い基板を利用し得る本発明のある実施形態では、提供されなくてもよい。
【００５５】
本発明のＥＳＤの各電解質層の電解質は、溶解または融解時にイオン化して、導電性媒体を産生し得る、任意の好適な化学化合物から形成されてもよい。電解質は、例えば、ＮｉＭＨを含むが、これに限定されない任意の好適な化学物質の標準的な電解質であってもよい。電解質は、例えば、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カルシウム（ＣａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、付加的化学物質を含有してもよい。また、電解質は、例えば、Ａｇ（ＯＨ）２を含むが、これに限定されない、再結合を改善するための添加剤を含有してもよい。また、電解質は、例えば、低温性能を改善するために、水酸化ルビジウム（ＲｂＯＨ）を含有してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、電解質は、隔離板内で凍結され、次いで、ＥＳＤが完全に組み立てられた後、解凍されてもよい。これによって、ガスケットが、それに隣接する電極ユニットとの実質的に流体密封を形成する前に、特に、粘着性電解質のＥＳＤの電極ユニット積層への挿入が可能になり得る。
【００５６】
本発明のＥＳＤの封止材およびガスケット（例えば、ガスケット４６０ａ−ｆ）は、ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとにより画定される空間内に電解質を効果的に封止し得る、任意の好適な物質または物質の組み合わせから形成されてもよい。ある実施形態では、ガスケットは、例えば、ナイロン、ポリプロピレン、セルガード、ゴム、ＰＶＯＨ、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な非伝導性物質から作製され得る固体封止障壁またはループ、あるいは固体封止ループを形成可能な複数のループ部分から形成されてもよい。固体封止障壁から形成されるガスケットは、それらの間に封止を作成するために、隣接電極の一部分に接触し得る。
【００５７】
代替として、または付加的に、ガスケットは、例えば、エポキシ樹脂、ブレアタール、電解質（例えば、ＫＯＨ）不透過性膠、圧縮性接着剤（例えば、シリコン、アクリル、および／または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成され、電解質に対して不透過性であり得る、Ｈｅｎｋｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能である、Ｌｏｃｔｉｔｅ（登録商標）銘柄の接着剤等の２つの部分から成るポリマー）、任意の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な粘着性物質またはペーストから形成されてもよい。粘着性物質から形成されるガスケットは、隣接する電極の一部分に接触して、それらの間に封止を生成し得る。いくつかの実施形態では、ガスケットは、粘着性物質が、固体封止ループと隣接する電極ユニットとの間の封止を改善するように、固体封止ループと粘着性物質との組み合わせによって形成されてもよい。代替として、または付加的に、電極ユニット自体は、固体封止ループ、付加的粘着性物質で処理された固体封止ループ、隣接する電極ユニット、または付加的粘着性物質で処理された隣接する電極ユニットが、例えば、そこに封止される前に、粘着性物質で処理されてもよい。
【００５８】
さらに、ある実施形態では、隣接する電極ユニット間のガスケットまたは封止材は、ある種類の流体（すなわち、ある液体または気体）が、そこを通って漏出可能となり得る（例えば、そのガスケットにより画定されるセル区画内の内圧が、一定の閾値を超えて増加する場合）、１つ以上の脆弱点が提供されてもよい。ある量の流体が漏出するか、または内圧が低下すると、脆弱点は、再び封止されてもよい。ブレイ（ｂｒａｉ）等のある種類の好適な粘着性物質またはペーストにより少なくとも部分的に形成されるガスケットは、ある流体がそこを通って通過可能であるように構成または調製され、そこを通る他のある流体の通過を防止するように構成および調製されてもよい。そのようなガスケットは、任意の電解質が、２つのセル区間の間で共有され、ＥＳＤの電圧およびエネルギーを急速にゼロにまで減退（すなわち、放電）させ得ることを防止してもよい。
【００５９】
上述のように、積層形成における封止されたセルにより設計されるＥＳＤ（例えば、双極性ＥＳＤ４５０）を利用する１つの利点は、ＥＳＤの放電率の増加であり得る。本放電率の増加によって、そうでなければ、柱状ＥＳＤ設計または巻回ＥＳＤ設計では実現不可能であり得る、ある低腐食性電解質の使用が可能になり得る（例えば、研磨、伝導性強化、および／または電解質の化学反応性の高い成分または複数の成分を除去または低減することによって）。低腐食性電解質を使用する積層ＥＳＤ設計によって提供され得るこの余地によって、より腐食性の電解質によって腐食され得るガスケットによる封止を形成する際に、あるエポキシ樹脂（例えば、Ｊ−Ｂ  Ｗｅｌｄエポキシ樹脂）の利用が可能になる。
【００６０】
本発明のＥＳＤの硬質停止部材（例えば、図９の硬質停止部材６６２参照）は、種々のポリマー（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン）、セラミック（例えば、アルミナ、シリカ）、任意の他の好適な機械的耐性および／または化学的に不活性物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な物質から形成されてもよい。硬質停止部材物質または複数の物質は、例えば、使用され得る種々のＥＳＤ化学物質に耐性があるように選択されてもよい。
【００６１】
本発明の機械バネ（例えば、図６−８の機械バネ６２６ａおよび６２６ｂ参照）は、印加される負荷に応答して、偏向または変形し得る任意の好適なバネであってもよい。例えば、機械バネは、特定の負荷または特定の負荷閾値に応答して偏向するように設計されてもよい。開放コイル状螺旋バネ、可変ピッチバネ、およびねじりバネ等の圧縮バネ、または平坦バネ、あるいは任意の他の好適なバネ、もしくはそれらの組み合わせを含む、任意の好適な種類のバネが使用されてもよい。バネ自体は、高炭素鋼、合金鋼鉄、ステンレス鋼、銅合金、任意の他の好適な非可撓性または可撓性物質、あるいはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、任意の好適な物質であってもよい。
【００６２】
本発明の端部キャップ（例えば、図６−８の端部キャップ６１８および６３６参照）は、種々の金属（例えば、鋼鉄、アルミニウム、および銅合金）、ポリマー、セラミック、任意の他の好適な伝導性または非伝導性物質、あるいはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない、伝導性または非伝導性であり得る、任意の好適な物質または物質の組み合わせから形成されてもよい。
【００６３】
本発明のＥＳＤのケースまたは包体（例えば、図４の包体４４０）は、それらの伝導性基板（例えば、基板４１６ａおよび４１６ｂ）またはそれらの関連導線（例えば、導線４１３ａおよび４１３ｂ）を曝露するために、端子電極ユニット（例えば、端子ＭＰＵ４１２ａおよび４１２ｂ）に封止し得る任意の適切な非伝導性物質から形成されてもよい。また、包体は、それらのそれぞれのセル区画内の電解質を絶縁するために、ガスケットとそれに隣接する電極ユニットとの間の封止を生成、支持、および／または維持するために形成されてもよい。包体は、封止が、セル区画内の内圧の増加に伴って、ＥＳＤの拡張に抵抗し得るように、これらの封止に必要な支持を生成および／または維持してもよい。包体は、例えば、ナイロン、任意の他のポリマーまたは弾性物質（強化複合物質、ニトリルゴム、あるいはポリスルホンを含む）、もしくは収縮包着物質、またはエナメル塗膜鋼あるいは任意の他の金属等の任意の剛性物質、もしくは任意の絶縁物質、任意の他の好適な物質、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な物質から作製されてもよい。ある実施形態では、包体は、例えば、積層セルの封止上に連続的な圧力を維持し得る張力クリップの外骨格によって形成されてもよい。非伝導性障壁は、ＥＳＤの短絡を防止するために、積層と包体との間に提供されてもよい。
【００６４】
引き続き図４を参照すると、例えば、本発明の双極性ＥＳＤ４５０は、端子ＭＰＵ４１２ａおよび４１２ｂと、それらの間にサブ端子ＭＰＵ４０１を有する１つ以上のＢＰＵ４０２ａ−ｄのサブ積層により形成される複数のセル区画（例えば、セル区画４２２ａ−ｆ）とを含んでもよい。本発明のある実施形態によると、基板（例えば、基板４０６ａ−ｄ、４０９、４１６ａ、および４１６ｂ）、電極層（例えば、正極層４０４ａ−ｄ、４１４ａ、および４１４ｂ、ならびに負極層４０８ａ−ｄ、４０５ａ、および４０５ｂ）、電解質層（例えば、層４１０ａ−ｆ）、およびガスケット（例えば、ガスケット４６０ａ−ｆ）のそれぞれの厚さおよび物質は、セル区画毎だけでなく、特定のセル区画内でも相互に異なってもよい。積層レベルだけでなく、個々のセルレベルにおける幾何学形状および化学的性質の本変動によって、種々の利点および性能特徴を備えるＥＳＤが生成され得る。
【００６５】
加えて、基板、電極層、電解質層、およびガスケットの物質および幾何学形状は、セル区画毎の積層の高さに沿って変動してもよい。さらに図４を参照すると、例えば、ＥＳＤ４５０の電解質層４１０ａ−ｆのそれぞれに使用される電解質は、そのそれぞれのセル区画４２２ａ−ｆのセル区画の積層またはサブ積層の中心に対する近接性に基づいて変動してもよい。例えば、サブ積層４２１ａを参照すると、最内セル区画４２２ｂ（すなわち、３つの区画のうちの中央セル区画）は、第１の電解質から形成される電解質層（すなわち、電解質層４１０ｂ）を含んでもよい一方、最外セル区画４２２ａおよび４２２ｃ（すなわち、サブ積層４２１ａ内の最外セル区画）は、それぞれ、第２の電解質から形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層４１０ａおよび４１０ｂ）を含んでもよい。内側サブ積層においてより高い伝導性の電解質を使用することによって、発生する熱が少なくなるように抵抗が小さくてもよい。これは、外部冷却方法の代わりに、設計によってＥＳＤに熱制御を提供し得る。
【００６６】
別の実施例として、また、ＥＳＤ４５０のセル区画のそれぞれにおいて電極層として使用される活物質は、そのそれぞれのセル区画４２２ａ−ｆのセル区画の積層またはサブ積層の中心に対する近接性に基づいて変動してもよい。例えば、サブ積層４２１ａを参照すると、最内セル区画４２２ｂは、第１の温度および／または速度性能を有する第１の種類の活物質から形成される、電極層（すなわち、層４０４ａおよび４０８ｂ）を含んでもよい一方、最外セル区画４２２ａおよび４２２ｃは、第２の温度および／または速度性能を有する第２の種類の活物質から形成される、電極層（すなわち、層４１４ａ／４０８ａおよび層４０４ｂ／４０５ａ）を含んでもよい。実施例として、ＥＳＤ積層は、熱をより良好に吸収し得るニッケルカドミウムの電極とともに、最も内側のセル区画を構築することによって熱的に管理されてもよい一方、最外セル区画は、例えば、冷却器である必要があり得るニッケル金属水素化物の電極が提供されてもよい。代替として、ＥＳＤの化学的性質または幾何学形状は、非対称であってもよく、積層の一方の端部におけるセル区画は、第１の活物質および第１の高さから作製されてもよい一方、積層の他方の端部におけるセル区画は、第２の活物質および第２の高さを有してもよい。
【００６７】
さらに、また、ＥＳＤ４５０のセル区画のそれぞれの幾何学形状も、セル区画の積層に沿って変動してもよい。特定のセル区画内の活物質間の距離の変動に加え、あるセル区画４２２ａ−ｆは、それらの区画の活物質の間に第１の距離を有してもよい一方、他のセル区画は、それらの区画の活物質の間に第２の距離を有してもよい。いずれにしても、活物質電極層間の距離が小さいセル区画またはその部分は、例えば、電力が高くてもよい一方、活物質電極層間の距離が大きいセル区画またはその部分は、例えば、樹枝状結晶成長のためのより多くの空間、より長いサイクル寿命、および／またはより多くの電解質蓄積を有してもよい。活物質電極間の距離が大きいこれらの部分は、例えば、活物質電極層間の距離が小さい部分が最初に充電されることを確実にするようにＥＳＤの充電受容を調節してもよい。
【００６８】
ある実施形態では、ＥＳＤ４５０の電極層の幾何学的形状（例えば、図４の正極層４０４ａ−ｄ、４１４ａ、および４１４ｂ、ならびに負極層４０８ａ−ｄ、４０５ａ、および４０５ｂ）は、基板（例えば、基板４０６ａ−ｄ、４０９、４１６ａ、および４１６ｂ）の半径方向長さに沿って変動してもよい。図４に関して、電極層は、均一の厚さであって、電極形状を中心として対称である。ある実施形態では、電極層は、不均一であってもよい。例えば、正極活物質電極層および負極活物質電極層の厚さは、伝導性基板の表面上の半径方向位置に伴って変動してもよい。非均一電極層については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｗｅｓｔらの米国特許出願第１２／２５８，８５４号に詳述されている。
【００６９】
積層されたＥＳＤの上述および例示された実施形態はそれぞれ、電解質をその中に封止するために、第１および第２の電極ユニットのそれぞれに封止されるガスケットを含むセル区画を示すが、セル区画の各電極ユニットは、それ自体のガスケットに封止され、次いで、２つの隣接する電極のガスケットは、封止されたセル区画を生成するために、相互に封止されてもよいことに留意されたい。
【００７０】
ある実施形態では、ガスケットは、ともに融合されて封止を生成し得るように、電極ユニットまたは別のガスケットに射出成形されてもよい。ある実施形態では、ガスケットは、ともに封止を形成するように、電極ユニットまたは別のガスケットに超音波で溶接されてもよい。他の実施形態では、ガスケットは、電極ユニットまたは別のガスケットに熱的に融合されるか、または熱流により融合されてもよく、それによって、ガスケットまたは電極ユニットは、加熱されて他のガスケットまたは電極ユニットに溶解されてもよい。さらに、ある実施形態では、封止を生成するためにガスケットおよび／または電極ユニットの表面に溝状の部分を生成する代わりに、または生成することに加えて、ガスケットおよび／または電極ユニットが、穿孔を有するか、またはその１つ以上の部分を通る１つ以上の孔を有してもよい。代替として、孔または通路または穿孔は、電極ユニットの一部分（例えば、基板）がガスケットにおよびガスケットを通って成形し得るように、ガスケットの一部分を通って提供されてもよい。さらに他の実施形態では、孔は、ガスケットおよび電極ユニットのそれぞれが、例えば、ガスケットおよび電極ユニットの他方におよび他方を通って成形され得るように、ガスケットおよび電極ユニットの両方を通して作製されてもよい。
【００７１】
積層されたＥＳＤの上述および例示した実施形態のそれぞれは、実質的に円形の断面を有する基板を円筒状のＥＳＤに積層することによって形成されるＥＳＤを示すが、広範な形状のうちのいずれかを利用して、本発明の積層されたＥＳＤの基板を形成してもよいことに留意されたい。例えば、本発明の積層されたＥＳＤは、四角形、三角形、六角形、または任意の他の所望の形状、あるいはそれらの組み合わせである、断面積を伴う、基板を有する電極ユニットを積層することによって、形成されてもよい。
【００７２】
上述は、本発明の原理の例示にすぎず、種々の修正が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者によって成され得ることを理解されたい。また、「水平」および「垂直」、「上部」および「底部」および「側面」、「長さ」および「幅」および「高さ」および「厚さ」、「内側」および「外側」、「内部」および「外部」、ならびにその同等物等の種々の方向および配向に関する用語が、便宜のためだけに本明細書において使用され、決定的または絶対的な方向または配向に関する制限がこれらの単語の使用によって意図されないこととも理解されたい。例えば、本発明の機器ならびにその個々の成分は、任意の所望の配向を有してもよい。再配向される場合、異なる方向または配向に関する用語が、その説明において使用されることを必要とされ得るが、本発明の範囲および精神内にあるように、その基本的な性質を変更しない。当業者は、本発明が、限定目的ではなく例示目的で提示される上述の実施形態以外によって実践されてもよく、本発明が以下の請求項によってのみ限定されることを理解するであろう。
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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