エネルギー貯蔵デバイスのための可変体積格納
積層エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）は、積層状態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得る。可変体積格納を使用して、各セル区画内の電極間間隔を制御し得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の可撓性ガスケットが、セル区画内に電解質を封止し、好ましい方向に変形するように、各セル区画内に含まれ得る。いくつかの実施形態では、硬質停止部が、ＥＳＤの電極間間隔を設定し得る。
【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６１／１４７，７２５号（２００９年１月２７日出願）および米国仮特許出願第６１／１８１，１９４号（２００９年１月２７日出願）の利益を主張し、両出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【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、可変体積格納（ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ）を組み込んでいるＥＳＤに関する。
【背景技術】
【０００３】
密封されたＥＳＤの特徴は、外部汚染および／または干渉からのＥＳＤ内へのセルの格納および絶縁である。従来の格納デバイス（例えば、ＥＳＤ包体）は、電解質溶媒混合物および活物質等、ＥＳＤ物質の種々の位相のために、格納および絶縁を提供する。多くの場合、これらのＥＳＤ物質を含有する一方、セルは、休止または動作状態にある必要がある。セルは、休止または動作状態にあるが、セル内に含有されるある物質は、状態変化を被る。状態変動は、格納デバイス上に応力を付与するセル圧力に変化をもたらす。
【０００４】
固定体積コンテナ内の圧力は、コンテナ内の活物質の量および状態または複数の状態に比例する。例えば、金属水酸化物ＥＳＤでは、電気化学結合として、アノード内の金属水酸化物合金と、カソード内の金属水酸化物とを含む。これらの物質はそれぞれ、コンテナ内の正味体積偏移をもたらす、状態変化を受ける。体積偏移は、セル圧力の変化および／または自由体積の正味変化をもたらし得る。したがって、活物質の状態変化は、より少ないか、またはより多い利用可能な自由体積をもたらす可能性がある（自由体積とは、セル内に含有される物質全ての体積とユニットセル体積が異なることを指す）。例示的な金属水素化物構成では、変位された液体からの水圧、電解質溶媒混合物の気相成分、および電解質溶媒混合物の蒸気相の部分的圧力が、コンテナ壁に対して力を発生させる。また、変化する活物質状態に起因する圧力によって、電極表面は、コンテナ壁に対して物理的に押圧する。応力が、格納デバイスの能力を超える場合、デバイスは、劣化または適切に機能しない場合がある。
【０００５】
従来のＥＳＤは、２つの電極のみを有する巻回セルＥＳＤ、または多数の板の集合を並列に有する標準的な柱状セルＥＳＤのいずれかとして製造されている。これらの種類の両方では、電解質は、ＥＳＤ内のあらゆる場所で共有される。巻回セル構造および柱状セル構造は両方とも、剛性の固定体積の格納を採用する。これらの構造は、コンテナが、体積拡張および／または収縮を許容しないため（すなわち、自由体積の量が固定される）、剛性コンテナ内の物質の厳密な考慮を要求する。自由体積が多過ぎると、性能不良（例えば、弛緩セル）をもたらし、自由体積が少な過ぎると、潜在的にデバイスの爆発をもたらすので、自由体積の量は、ＥＳＤの動作に影響を及ぼし得る。いくつかの事例では、これらの従来のＥＳＤの動作の際に発生される力は、コンテナの物質限度を超え、コンテナを破砕させ得る。高圧によってコンテナが破砕すると、内部組成が、相当量のエネルギーによって出射される。
【０００６】
故に、可変体積格納を有するＥＳＤを提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述に照らして、可変体積格納を有するＥＳＤのための装置および方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のいくつかの実施形態では、複数の双極電極ユニットの積層を有する、ＥＳＤが提供される。各電極ユニットは、伝導性基板と、伝導性基板の第１の表面上の正極活物質電極層と、伝導性基板の第２の表面上の負極活物質電極層とを含んでもよい。電解質層が、各対の隣接電極ユニット間に提供されてもよい。可撓性ガスケットが、電解質層のそれぞれの周りに配置されてもよく、ガスケットは、所定の様式において、機械的に変形可能であってもよい。
【０００９】
ある実施形態によると、その中の電極間間隔が維持される、ＥＳＤが提供される。ＥＳＤは、複数のセル区画を含んでもよく、各セル区画は、第１の活物質電極層を有する第１の伝導性基板と、第２の活物質電極層を有する第２の伝導性基板とを含んでもよい。電解質層が、第１と第２の活物質電極層との間に提供されてもよい。複数の硬質停止部が、提供されてもよく、各それぞれの伝導性基板は、それぞれの硬質停止部上に固定されて配置されてもよく、硬質停止部は、ＥＳＤの電極間間隔を設定するように構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
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、双極電極ユニット（ＢＰＵ）の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、積層双極ＥＳＤの斜視図を示す。
【図４】図４は、本発明のある実施形態による、図３の積層双極ＥＳＤの部分的断面図を示す。
【図５】図５は、本発明のある実施形態による、図４の積層双極ＥＳＤの概略断面図を示す。
【図６】図６は、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの硬質停止部の斜視図を示す。
【図７】図７は、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの可撓性封止材の概略断面図を示す。
【図８】図８は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの部分的に分解された概略断面図を示す。
【図９】図９は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１０】図１０は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１１】図１１は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１２】図１２は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１３】図１３は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１４】図１４は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可変体積格納を有する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１５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、積層された双極可変体積格納を有するＥＳＤとの関連において、本明細書に説明され、論じられる概念は、平行板、柱状、折畳、巻回および／または双極構成、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るであろう。
【００１２】
本明細書に定義されるように、「電極間間隔」とは、積層双極ＥＳＤ内の活物質電極層間の距離である。これは、例えば、１つの正と１つの負の電極のみを含有する、セル内の正と負の電極との間の距離に該当し得る。いくつかの実施形態では、これは、同一セル内に複数の電極集合または区画を有するセルに該当し得る。複数の電極または電極区画を有するセルの場合、複数の電極間間隔が存在してもよい。
【００１３】
積層形式の封止セルを有するＥＳＤは、概して、一連の積層された双極電極ユニット（ＢＰＵ）を含むように開発されている。これらのＢＰＵはそれぞれ、集電体の対向する面の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ＢＰＳの集電体を電気的に絶縁するために、ＢＰＵのうちの１つ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てもよい。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を伴う、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「積層双極」ＥＳＤと称されるものとする。
【００１４】
可変体積格納は、多重セル双極ＥＳＤ構造等、通常でないＥＳＤ構成に恩恵をもたらし得る。双極ＥＳＤ構成では、セルは、セル間の共通集電板を使用して、直列に積層され、格納物質の減少と、それによる質量および／または体積の減少とをもたらす。双極構成の潜在的欠点の１つは、ＥＳＤの動作および繰返しの際の電極間間隔の変動性である。セル圧力が蓄積すると、電極表面を離れる方向に押し得る。この移動は、電極表面間の空隙距離を増加させ、デバイスの内部抵抗に影響を及ぼす。さらに、電極間間隔の増加に伴って、例えば、電気インピーダンスの増加、充電効率の低下、放電能力、率能力等、望ましくないカスケード効果がもたらされ得る。
【００１５】
従来の積層双極ＥＳＤは、平面電極板を使用する。平面板を使用し、縁封止の使用によって平面板を絶縁することによって、積層された電気化学ＥＳＤ内のセルは、実質的に独立して動作し得る。独立したセルが充電および放電されると、わずかな圧力差が隣接セル間に発生し得る。隣接セル間の圧力差が、平方インチ当たり数ポンドを超える場合、平面電極は、第１のセルから第２のセルに向かって偏向し得る。この偏向は、第２のセルの隔離板物質を歪め、短絡を発生させ得る「ホットスポット」を生成する場合がある。概して、個々のセルの物理的構成要素および化学的性質が、相互に若干異なり得るため、概して、セル間の圧力差が存在し得る。
【００１６】
例えば、セル電圧が、電解質溶媒（例えば、ＮｉＭＨの場合、水）の絶縁破壊電圧を超えることが許容される場合、溶媒のそれぞれの気相成分（例えば、酸素および水素）の形成がもたらされ得る。気相成分が形成され、放出される速度は、セルの気相圧成分に作用し、活物質電極マトリクスに影響を及ぼし得る。気相形成速度は、例えば、ＥＳＤの内部抵抗、電荷の状態、電荷受容の段階、および充電率に関連し得る。過度の気相形成速度は、例えば、活物質を電極マトリクスから分断することによって、電極マトリクスの機械的安定性を低下させ、ＥＳＤの容量減退をもたらし得る。
【００１７】
組み合わせられた圧力（例えば、水圧、機械圧、および気相／蒸気相圧）が、電極結合圧力を超える場合、電極は、分離し得る。空隙距離の増加は、活物質を電極マトリクスから移動させ、サイクル毎に容量減退をもたらし得る。活物質は、最終的に、隔離板を通っておよび／またはその周囲を移動し、潜在的に、例えば、電極の早発絶縁破壊および個々のセル内の短絡等、望ましくない効果をもたらし得る。可変体積格納は、電極表面を実質的に隔離板に当接させたままにし、それによって、活物質を電極マトリクス内に順応的に保持することによって、一連の望ましくない効果を軽減し得る。
【００１８】
ＥＳＤを説明するために一般的に使用される性能指標は、ワット時／ｋｇおよび／またはワット時／Ｌの単位を有する特有のエネルギーと、ワット／ｋｇおよび／またはワット／Ｌの単位を有する特有の電力であり得る。これらの性能指標は、比較的に軽量および／または小体積のデバイスに有利に働き得る。双極ＥＳＤは、格納デバイスの質量および／または体積を低減させることが可能であって、それによって、巻回セルおよび柱状セルＥＳＤ等の従来のＥＳＤパックに勝る利点をもたらし得る。しかしながら、双極ＥＳＤの開発における課題とは、活物質が、電極分離をもたらし得る、ＥＳＤの動作および繰返しの際、形状を変化する場合があることである。
【００１９】
双極ＥＳＤのセル機構は、複雑かつ多変数の問題であり得る。セルの挙動は、付勢機能、または刺激、ならびに電場内の活物質の物理的および熱力学的状態または状態に関連し得る。瞬間的または略瞬間的セル動態を予測するために、実質的に、デバイス全体内の物質の瞬間的あるいは略瞬間的状態もしくは複数の状態が、必要とされ得る。したがって、ＥＳＤの挙動の記述を比較的に単純に維持するために、状態記述（例えば、充電状態および放電状態）が、使用されてもよい。
【００２０】
ＥＳＤの熱力学的状態は、外部付勢機能（例えば、電圧または電流源および／または負荷）によって駆動されてもよい。外部付勢機能への接続は、ＥＳＤの電気化学刺激を可能にし得る。外部付勢機能とＥＳＤの活物質または複数の物質との間の接続の質は、界面反応が生じ得る、デバイス内に複数の界面が存在する場合があるため、重要なパラメータであり得る。例えば、界面反応は、活物質界面、曜日−電解質界面、およびカソード界面で生じ得る。外部付勢機能とＥＳＤの活物質または複数の物質との間の比較的に低質の接続は、これらの界面の一部または全部における界面反応に負の影響を及ぼし得る。
【００２１】
溶媒（例えば、電解質）内に含有される流動性イオンに対する、電極表面の物理的配向およびその位置は、電気化学的動態に影響を有し得る。帯電粒子上に発生される力は、実質的に、例えば、粒子の電荷および電場強度に正比例し得る。いくつかの事例では、帯電粒子上に発生される力は、力の不均衡をもたらし、得られた力ベクトルの方向に、帯電粒子の正味の加速を生じさせ得る。
【００２２】
帯電粒子上に発生させられる力は、引力および／または斥力であり得る。引力および斥力の寄与は、電極間隔に依存し得る。したがって、ＥＳＤの電極間間隔は、帯電粒子上の電気力学的力に影響を及ぼし得る。引力および斥力は、帯電粒子上の正味加速に寄与し得る。斥力および引力の両方が、得られた力内にあると見なされる場合、正味の力または加速は、電極間隔内の減少に伴って増加する。可変体積格納を採用する、双極ＥＳＤは、物理的負荷の印加を介して、電極間間隔を動的に制御可能であってもよい。可変体積格納は、格納デバイスへの物理的負荷の印加および電極間間隔の動的制御を可能にし得る。電極間間隔の動的制御は、例えば、電極表面の配向に垂直である力を物理的に調節することによって、提供されてもよい。
【００２３】
ＥＳＤに影響を及ぼし得る、別の変数は、活物質の熱力学的状態であり得る。活物質は、活物質の形状変化をもたらし得る、熱力学的状態間を繰り返し得る。例えば、状態変化を通してセル圧力に影響を及ぼし得るニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）デバイス内の活物質は、金属水素化物、ニッケル水酸化物、および電解質溶媒（例えば、気体および蒸気圧力成分の両方）であり得る。
【００２４】
活物質の状態変化は、格納デバイスの正味体積拡張および／または収縮をもたらし得る。固体活物質（例えば、金属水素化物合金またはニッケル水酸化物）の場合、拡張差は、３００％も大きくなり得る。したがって、活物質は、ある場合には、繰返しの際、格納デバイスに比較的に相当量の力を付与し得る。いくつかの実施形態では、力が、格納デバイス物質または複数の物質の能力を超えると、破損が生じ得る。これは、格納デバイスから排出され得る物質または複数の物質の比較的に高い動力学的エネルギーのために、潜在的に危険である場合がある。したがって、格納デバイスを活物質の体積ニーズに合致させる一方で、また、界面の電極間間隔を維持するように設計することが好ましいあろう。格納デバイスの体積成分は、格納デバイスの体積の量が、活物質の状態または複数の状態を考慮して、必要とされるものと同等となり得るように設計されてもよい。
【００２５】
図１は、本発明のある実施形態による、例示的な「平板」双極電極ユニットまたはＢＰＵ１０２を示す。積層されたセルＥＳＤ内において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、不透過性伝導性基板または集電体１０６の第１の面上に提供され得る正極活物質電極層１０４と、不透過性伝導性基板１０６の他方の面上に提供され得る負極活物質電極層１０８とを含んでもよい（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２００７年１０月９日に発行されたＦｕｋｕｚａｗａらによる米国特許第７，２７９，２４８号参照）。
【００２６】
双極電極は、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るであろう。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、または加えて、「皿形状」電極であってもよい。皿形状電極は、双極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。
【００２７】
図２に示されるように、例えば、複数のＢＰＵ２０２は、ＢＰＵ２０２の正電極層２０４が、電解質層２１０を介して、隣接するＢＰＵ２０２の負電極層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とともに、積層２２０へと実質的に垂直に積層される。各電解質層２１０は、電解質を保持し得る隔離板を含んでもよい。隔離板は、正電極層２０４とそれに隣接する負電極層２０８とを電気的に分離する一方で、電極ユニット間のイオン移行を可能にし得る。
【００２８】
図２におけるＢＰＵ２０２の積層された状態のＢＰＵ２０２を引き続き参照すると、例えば、第１のＢＰＵ２０２の正電極層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と呼ばれるものとする。各セル区画の各不透過性基板は、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。
【００２９】
図３および４は、本発明のある実施形態による、それぞれ積層双極ＥＳＤの斜視図および部分的断面図を示す。積層双極ＥＳＤ３５０は、圧縮ボルト３２３と、整列リング３２４ａおよび３２４ｂと、機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂと、積層３２０（基板フランジ３０７を含む）と、積層３２０の両端に提供される、剛性端部キャップ３３４および３１８とを含んでもよい。整列リング３２４は、積層双極ＥＳＤ３５０の両端に提供されてもよい。例えば、整列リング３２４ａと整列リング３２４ｂとは、ＥＳＤ３５０の対向する端に提供されてもよい。機械式バネは、整列リング３２４ａ／３２４ｂと剛性端部キャップ３３４／３１８との間に提供されてもよい。例えば、機械式バネ３２６ａは、整列リング３２４ａと剛性端部キャップ３３４との間に提供されてもよく、機械式バネ３２６ｂは、整列リング３２４ｂと剛性端部キャップ３１８との間に提供されてもよい。機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂは、ＥＳＤ３５０の動作および繰返し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３２６ａおよび３２６ｂの偏向は、印加される負荷に正比例してもよい。
【００３０】
剛性端部キャップ３３４および３１８は、双極ＥＳＤ３５０の電極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５のＢＰＵ２ａ−ｄ参照）。例えば、端部キャップ３３４および３１８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、またはそれらの組み合わせに適合してもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、基板フランジ３０７は、双極ＥＳＤ３５０の周りに提供され、積層３２０から半径方向外向きに突出してもよい。フランジ３０７は、例えば、フランジ３０７が結合されるそれぞれの不透過性伝導性基板に対応する双極電極ユニットに電気接続を提供してもよい（例えば、図５のＢＰＵ２ａのフランジ７参照）。図３のフランジ３０７は、「舌圧子」として成形されるが、積層３２０から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３０７の断面領域は、実質的に、四角形、三角形、円形または楕円形、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く、特定のコネクタもしくは複数のコネクタと電気的に結合するように構成されてもよい。
【００３２】
図５は、本発明のある実施形態による、図４の積層双極ＥＳＤの概略断面図を示す。端部キャップ１８および３４は、それぞれ、積層２０の第１の端部および第２の端部に提供されてもよい。図５に示されるように、例えば、本発明のある実施形態に従って、積層双極ＥＳＤ５０を構成するために、正端子および負端子が、１つ以上のＢＰＵ２ａ−ｄの積層２０とともに提供されてもよい。不透過性伝導性基板１６の一方の面に提供される正極活物質電極層１４を含み得る正の単極電極ユニットまたはＭＰＵ１２は、正のＭＰＵ１２の正電極層１４が、電解質層１０ｅを介して、積層２０のその第１の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ｄ）の負電極層（すなわち、８ｄ）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１０ｅ）とともに、積層２０の第１の端部に配置されてもよい。不透過性伝導性基板３６の一方の面に提供される負極活物質電極層３８を含み得る、負の単極電極ユニットまたはＭＰＵ３２は、負のＭＰＵ３２の負電極層３８が、電解質層１０ａを介して、積層２０のその第２の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ａ）の正電極層（すなわち、４ａ）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１０ａ）とともに、積層２０の第２の端部に配置されてもよい。ＭＰＵ１２および３２は、対応する正電極導線および負電極導線（図示せず）が、それぞれ提供されてもよい。
【００３３】
例えば、図５に示されるように、各ＭＰＵの基板と電極層とは、その隣接するＢＰＵ２ａ／２ｄの基板および電極層と、それらの間の電解質層１０ａ／１０ｅとともに、セル区画２２を形成し得ることに留意されたい（例えば、区画２２ａおよび２２ｅ参照）。積層２０内の積層されたＢＰＵ２ａ−ｄの数は、１つ以上であってもよく、例えば、ＥＳＤ５０のための所望の電圧に対応するために、適切に決定されてもよい。各ＢＰＵ２ａ−ｄは、ＥＳＤ５０のための所望の電圧が、各成分ＢＰＵ２ａ−ｄによって提供される電位に効果的に追加され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ＢＰＵ２ａ−ｄは、同一の電位を提供する必要がないことが理解されるであろう。
【００３４】
いくつかの実施形態では、双極ＥＳＤ５０は、ＢＰＵ積層２０およびそのそれぞれの正および負のＭＰＵ１２および３２が、低下した圧力下のケースまたは包体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。ＭＰＵ伝導性基板１６および３６は、例えば、利用時に外部からの衝撃を緩和し、環境劣化を防止するようにＥＳＤケースから引き出されてもよい。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態では、双極ＥＳＤ５０は、端部キャップ１８、または端部キャップ３４、あるいは両方が不透過性伝導性基板であって、活物質電極層１４および３８が、端部キャップ１８／３４の一方の面上に直接提供され得るように、構築されてもい。本実施形態では、例えば、正のＭＰＵ１２は、端部キャップ１８（図示せず）の一方の面上に提供される正極活物質電極層１４を含み、負のＭＰＵ３２は、端部キャップ３４（図示せず）の一方の面上に提供される負極活物質電極層３８を含み得るので、不透過性伝導性基板１６／３６の必要性がなくてもよい。
【００３６】
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ａの電解質層１０ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ｂの電解質層１０ｂを参照）と結合することを防止するために、動的可撓性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実質的に封止するために、隣接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、特定のセルの隣接する電極ユニットと機械的に相互作用し、それらの間の電解質を封止し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。一つの好適な配列では、例えば、図５に示されるように、本発明の双極ＥＳＤは、各セル区画２２ａ−ｅの電解質層１０ａ−ｅならびに活物質電極層４ａ−ｄ／１４および８ａ−ｄ／３８の周りに、障壁として配置され得る、ガスケットまたは封止材６０ａ−ｅを含んでもよい。ガスケットまたは封止材は、連続的で、密閉されてもよく、そのセルのガスケットと隣接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ＭＰＵ）を実質的に封止してもよい。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間隔を提供し得る。
【００３７】
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ａの電解質層１０ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ｂの電解質層１０ｂを参照）と結合することを防止するために、積層双極ＥＳＤ５０のセル区画を封止する際に、セル区画は、セルが充電および放電されるに伴って、隣接するセル（例えば、セル２２ａ／２２ｂ）の間に圧力差を産生し得る。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、気体の移行を可能にし、かつ電解質の移行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得る。ＥＳＤは、平衡弁の任意の組み合わせを有するＢＰＵを有してもよい。圧力平衡弁については、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。
【００３８】
圧力解放弁は、バネ、または時として、圧縮性ゴムスラグを使用して、セル内の開口部に対して圧縮される、剛性物質（例えば、鋼鉄）によって支持される、封止物質（例えば、ゴム）の機械的配列であってもよい。セル内の圧力が、許容可能な限度を超えて増加すると、バネは、圧縮し、ゴム封止材は、開口部から押しのけられ、過剰な気体が漏出する。圧力が低下すると、弁は再び封止され、セルはほぼ正常に機能することが可能となる。過剰な電解質は、ほぼ確実に解放される圧力とともに漏出する。
【００３９】
気体平衡弁は、極性液体の輸送を実質的に防止するが、二原子気体および非反応性気体または希ガスは、弁を通して拡散させられ、弁の両側の圧力を平衡化してもよい。拡散または輸送が遮断される液体として、水、アルコール、食塩水、塩基性溶液、酸性溶液、および極性溶媒を含んでもよいが、これらに限定されない。気体平衡弁を使用して、二原子気体を極性液体から分離してもよい。また、耐極性溶媒封止材および黒鉛炭素繊維束から成る気体平衡弁が、使用されてもよい。気体平衡弁を使用して、複数のセルＥＳＤ、双極セルＥＳＤ、またはウルトラキャパシタ貯蔵デバイス内のセル間の圧力を平衡化してもよい。気体平衡弁を使用して、例えば、少なくとも１つの車輪および少なくとも１キログラムの積載量を有する、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車のＥＳＤの圧力差を制御してもよい。
【００４０】
引き続き、図５を参照すると、硬質停止部６２ａ−ｅは、ガスケット６０ａ−ｅから半径方向外向きに提供されてもよい。例えば、硬質停止部６２ａは、ガスケット６０ａから半径方向外向きに提供されてもよく、硬質停止部６２ａは、セル区画２２ａの内容物を実質的に包囲してもよい。各硬質停止部６２ａ−ｅは、その上に、基板（例えば、基板６ａ）が、固定して配置され得る、棚部６３ａ−ｅを有してもよい。ガスケット６０ａ−ｅは、硬質停止部６２ａ−ｅに隣接して示されるが、ガスケット６０ａ−ｅおよび硬質停止部６２ａ−ｅは、ガスケット６０ａ−ｅが、硬質停止部６２ａ−ｅに向かって半径方向外向きに拡張または変形し、例えば、所与のセルの圧力を低減させることが可能であり得る、任意の好適な空隙距離によって、分離されてもよいことを理解されるであろう。
【００４１】
次に図６を参照すると、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの２つの硬質停止部６６２の斜視図が示される。図５に関連して上述のように、各硬質停止部６６２は、その上に、不透過性伝導性基板（例えば、図５の基板６ａ）が、固定して配置され得る、硬質停止部６６２の内側リム６７２上に棚部６６３を有してもよい。硬質停止部６６２は、内側リム６７２上の棚部６６３によって、ＥＳＤの電極間間隔を実質的に設定してもよい。いくつかの実施形態では、棚部６６３の高さは、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が、セル区画からセル区画へと積層の高さに沿って変化し得ることに伴って、積層内のセルからセルへと変化してもよい。棚部６６３の高さは、例えば、特定のセル区画の種々の物質および幾何学形状が、そのセル区画の最適電極間間隔に影響を及ぼし得るため、変化し得る。
【００４２】
また、硬質停止部６６２の内側リム６７２は、一式のスタッド（例えば、スタッド６６７および６６９参照）と、一式のスタッド穴（例えば、スタッド穴６６８参照）とを含んでもよい。第１の硬質停止部６６２のスタッド穴６６８は、第２の硬質停止部６６２’の相補的スタッド６６７と結合してもよい。硬質停止部６６２の複数のスタッドおよびスタッド穴は、例えば、積層アセンブリの積層軸を実質的に中心としてそれぞれの基板を維持することによって、基板フランジ（例えば、図３のフランジ３０７参照）を硬質停止部に整合する補助となってもよい。硬質停止部６６２の内側リム６７２を横行することによって、複数の交互スタッド６６９およびスタッド穴６６８は、実質的に円形パターンで提供されてもよい。
【００４３】
例えば、複数の圧縮ボルト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６６４ａおよび６６４ｂが、硬質停止部６６２の周縁に沿って、外側リム６７６沿に提供されてもよい。ボルト穴６６４ａおよび６６４ｂは、例えば、組み立ての際、双極電極ユニットの積層全体（例えば、図５のＢＰＵ２ａ−ｄ参照）と整合され、動作の際、安定性を提供してもよい。ボルト穴６６４ａおよび６６４ｂ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定寸されてもよい。ボルト穴６６４ａおよび６６４ｂ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、あるいは任意の他の所望の形状またはそれらの組み合わせであってもよい。
【００４４】
また、硬質停止部６６２は、基板フランジ（例えば、図３のフランジ３０７参照）と整合し得る、基板棚部６７４を含んでもよい。基板棚部６７４は、フランジを、硬質停止部６６２を通して、積層（例えば、図５の積層２０）から半径方向外向きに突出させ、例えば、フランジを電気的に導線に接続させることが可能であってもよい。硬質停止部６６２は、５つの基板棚部６７４を示すが、任意の好適な数の棚部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ＢＰＵまたは複数のＢＰＵに依存してもよい。
【００４５】
図７は、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの動的可撓性封止材またはガスケット７６０の概略断面図を示す。可撓性ガスケット７６０は、第１の層７５６と、第２の層７５８とを具備してもよい。第１の層７５６は、ガスケットおよびそれに隣接する電極ユニットによって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。可撓性の動的封止材またはガスケットは、１つ以上の層を組み込み、例えば、格納の質を向上させてもよい。
【００４６】
第２の層７５８は、第１の層７５６の物質と異なる物質であってもよく、または、いくつかの実施形態では、同一物質であってもよい。第２の層７５８は、２つの層が、封止を生成するように、ともに融合され得るように、第１の層７５６に射出成形されることを含め、任意の好適な技法を使用して、第１の層７５６に追加されてもよい。ある実施形態では、第２の層７５８は、ともに封止を形成し得るように、第１の層７５６に超音波で溶接されてもよい。他の実施形態では、第２の層７５８は、第１の層７５６に熱的に融合されてもよく、または熱流量を通して、第２の層７５８は、第１の層７５６内に溶融されるように加熱されてもよい。
【００４７】
動的可撓性封止材またはガスケット７６０は、物理的に寸法を調節する一方で、実質的に格納を維持するように構成されてもよい。上述のように、いくつかの実施形態では、封止材７６０は、１つ以上の層を組み込み、例えば、格納の質を向上させてもよい。
【００４８】
ＥＳＤのための格納設計は、物理的に寸法を調節し、例えば、熱力学的状態との間のＥＳＤ繰返しの活物質によって生じる応力を低減させ得る、動的格納特徴を組み込んでもよい。内容物によってコンテナに付与される応力を低減させるために、例えば、コンテナは、好ましい配列に変形するように構成されてもよい。格納応力を低減させるように組み込まれ得る、デバイスは、可撓性の動的封止材またはガスケット（例えば、ガスケット７６０）であってもよい。
【００４９】
ガスケットは、好ましい使用期間または耐用年数にわたって、コンテナ内の内容物を実質的に格納るおよび／または絶縁可能であってもよい。耐用年数は、例えば、１５年以上（例えば、車両用途では）と長く、用途に応じて、１年以下と短くてもよい。温度、充電および放電率、充電手順、ならびに放電深度等、動作条件は、ＥＳＤの耐用年数に影響を及ぼし得る。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）ＥＳＤまたはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）ＥＳＤの耐用年数は、ＥＳＤ内で利用可能な完全エネルギーのある割合で動作時、ＥＶＥＳＤの利用可能なエネルギーおよび／または能力の実質的にすべてを充電／放電する反復サイクルを有し得る、純粋な電気自動車（ＥＶ）ＥＳＤより比較的に長くあり得る。比較的に高温または冷温環境で動作されるＥＳＤは、より温暖な環境で動作されるＥＳＤはより短い耐用年数を有し得る。例えば、宇宙および衛星用途を有するＥＳＤは、環境的配慮（例えば、宇宙が低温のため、動作のために要求され得るヒータ）のため、他の用途より比較的に短い耐用年数を有し得る。
【００５０】
格納デバイスの一部として、ガスケットは、ＥＳＤ内の内容物を内部および／または外部汚染から絶縁可能であってもよい。格納は、好ましくは、動的可撓性封止材またはガスケット物質を通した内容物の耐用透過性率に対して、実質的に完全絶縁かつゼロを維持する。格納は、伝達／透過特性の観点から説明されてもよい。以下の式１は、所与の物質を通した質量透過率の挙動を説明するために使用され得る、関係を提供する。
【００５１】
【数１】
ここで、Ｑは、質量流速であって、Ｐは、透過定数であって、Ａは、接触表面積であって、Δｐは、経路長厚（ｄ）にわたる圧力差である。式１に一致する挙動の場合、低い透過定数（Ｐ）が、好ましであろう。
【００５２】
複数の組成が、所与のコンテナ内に存在してもよく、各組成は、環境条件に応じて、複数の位相（例えば、固体、液体、および気相）として存在してもよい。複数の位相を有する、複数の組成の共存は、潜在的に、ガスケット性能の変化につながり得る。例えば、透過定数は、組成および／または組成の状態あるいは複数の状態によって変化し得る。基礎ガスケット物質（例えば、図７の第１の層７５６および第２の層７５８参照）への付加的層の組み込みは、格納を向上させるための任意の好適な数の技法のうちの１つであってもよい。可撓性の動的封止材またはガスケットのために使用され得る物質として、ポリマー、金属、セラミック、任意の他の物質、または好適なそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００５３】
ある実施形態では、可撓性の動的封止材またはガスケットが、ニッケル−金属水素化物（ＮｉＭＨ）化学物質を有する双極ＥＳＤ内に採用されてもよい。この用途において、ガスケットは、機械的に寸法を調節する一方で、隣接する表面と実質的に密封した接触を維持し得る。機械的に変形するために、封止材は、弾性的な機械的変形が可能な物質を含んでもよい。採用され得るいくつかの物質として、あるポリマー、セラミック、金属、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を含んでもよい。双極金属水素化物の実施形態の好ましい基礎物質は、ＢｕｎａＮゴムまたは他の好適なニトリルゴム等のエラストマーであってもよい。動作の間、機械的変形の弾性限界が超えられない限り、物質は十分であり得る。
【００５４】
双極金属水素化物エネルギー貯蔵デバイスの実施例では、可撓性の動的封止材またはガスケットを選択および／または設計する際に配慮され得る複数の透過物（例えば、水素、酸素、水、水蒸気）が存在してもよい。複数の透過物が存在し得るので、実質的にすべての透過物を格納するには、均質な封止材またはガスケットは好ましくないであろう。したがって、ある実施形態では、ガスケットに層を追加することが、好ましいでろう。
【００５５】
例えば、双極金属水素化物ＥＳＤの機能に対して相対的に重要な透過物は、水素ガスであり得る。ＥＳＤの動作の間、水素ガス圧は、比較的重要であって、基礎封止材またはガスケット物質への付加的層または複数の付加的層の組み込みは、潜在的に単一層のみを含む封止材またはガスケットを通して生じるであろう水素ガスの透過率を実質的に低減させ得る。ガスケット層は、金属箔および／または触媒結合特性（例えば、酸素および水素に触媒作用を及ぼし、水を形成するため）を有する金属箔を含んでもよい。
【００５６】
上述のように、可撓性の動的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。変形方向は、封止材またはガスケット自体の軸方向または半径方向に沿ってであってもよく、ＥＳＤ積層の軸方向および半径方向と同一であっても、もしくはそうでなくてもよい。さらに、封止材またはガスケットは、１つの軸または複数の軸に沿って変形するように構成されてもよい。
【００５７】
図８は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの部分的に分解された概略断面図を示す。例えば、図８に示されるように、圧縮板１０３、バネ１２６、および積層１２０は、動的格納容器１４０内に実質的に封入されてもよい。積層１２０は、端部キャップ１３４および１１８と、不透過性伝導性基板または集電体１１６ａ−ｅと、各伝導性基板１１６ａ−ｅ間に提供される可撓性の動的な封止材またはガスケット１６０ａ−ｄとを含んでもよい。積層１２０の種々の成分は、ＥＳＤ１８０のある局面を強調するために、省略されている。例えば、ＥＳＤ１８０の各双極ユニットは、伝導性基板１１６ａ−ｅの第１の面上に提供され得る、正極活物質電極層（例えば、図１の正の電極層１０４参照）と、伝導性基板１１６ａ−ｅの他の面上に提供され得る、負極活物質電極層（例えば、図１の負の電極層１０８参照）とを含んでもよいことが理解されるであろう。
【００５８】
本発明のある実施形態では、比較的により良好な封止を生成するように、ガスケットの表領域の１つ以上の部分と、相互に接触する隣接電極ユニットの表領域とのそれぞれが、相互にまたは対応的に溝付け、面取り、あるいは成形されてもよい。ガスケットの表面の少なくとも一部分は、例えば、２つの表面が、共に嵌合して、２つの表面間の一定の種類の相対移動を制限し、かつＥＳＤの製造の際に、ガスケットと電極ユニットとを自己整列するように、電極ユニットの表面の少なくとも一部分に対応的に成形されてもよい（例えば、図５のガスケット６０ａと基板６ａとの間の溝７０参照）。ガスケットおよび隣接する基板の相互に成形される部分の嵌合によって形成されるこの溝は、例えば、それによって、それらの嵌合接触領域の大きさを増加させ、それによって、ガスケットと基板との嵌合接触領域の間に生成される封止の破壊を試みる任意の流体（例えば、電解質）に対して、より大きな抵抗経路を提供し得る。ガスケット溝については、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１２／０６９，７９３号に詳述されている。
【００５９】
いくつかの実施形態では、積層双極ＥＳＤ１８０は、好ましい方向に沿った移動を可能にするように設計されてもよい。これは、例えば、格納容器１４０、ガスケット１６０ａ−ｄ、バネ１２６、および端部キャップ１３４／１１８のうちの１つ、または任意の他の好適な構成要素、あるいは任意のそれらの組み合わせを使用して、達成されてもよい。例えば、動的格納容器１４０は、物理的拡張を許容するように設計されてもよいが、積層方向のみに移動を限定してもよい。各セル区画の活物質が、例えば、繰返しの際に、体積変化を被り、気体が発生および／または消費されることに伴って、格納容器１４０は、セルが半径方向に拡張することを防止する一方で、ガスケット１６０ａ−ｄは、積層方向に沿って拡張し得る。拡張および／または収縮の際に、格納容器１４０およびガスケット１６０ａ−ｄは、セル構成要素（例えば、正極ならびに負極活物質、電解質、および／または種々の気体）を実質的に含有してもよい。したがって、いくつかの実施形態では、ＥＳＤは、硬質停止部（例えば、図６の硬質停止部６６２参照）を使用せずに、可変体積格納を提供してもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、硬質停止部が、ＥＳＤ１８０に追加されてもよいことを理解されるであろう。
【００６０】
図９は、本発明のある実施形態による、双極ＥＳＤの２つのセル区画８２２ａおよび８２２ｂの積層８２０の構造の概略断面図を示す。例えば、図９に示されるように、各セル区画８２２ａ／８２２ｂは、その間に提供される電解質層とともに、ガスケット８６０ａ／８６０ｂと、正極活物質電極層８０４と、負極活物質電極層８０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体８０６ｃは、積層８２０の第１の端部であって、伝導性基板８０６ａは、積層８２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層８２０の第１の端部から積層８２０の第２の端部への方向として、伝導性基板８０６ｃおよび８０６ａを使用して、画定されてもよい。引き続き、図９の積層された状態を参照すると、例えば、伝導性基板８０６ａおよび伝導性基板８０６ｂを含む、その間の成分は、セル区画８２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板８０６ｂおよび伝導性基板８０６ｃを含む、その間の成分は、セル区画８２２ｂ内に含まれてもよい。ＢＰＵ８０２は、伝導性基板８０６ｂの第１の面上に提供され得る、正の電極層８０４と、伝導性基板８０６ｂの他方の面上に提供され得る、負の電極層８０８とを含んでもよい。
【００６１】
図９の積層では、例えば、正の電極層８０４および負の電極層８０８は、空隙距離８１５によって分離されてもよい。空隙距離８１５は、内部抵抗を最小限にする一方、電極表面間の電子移動を抑制する、任意の好適な距離であってもよい。例えば、好適な空隙距離は、設計特有であって、０ミル、５ミル、１０ミル以上であってもよい。空隙距離は、例えば、ＥＳＤアセンブリの閉鎖力、電極厚、および活物質の電極負荷に関連してもよい。いくつかの実施形態では、例えば、積層８２０のＥＳＤ容量を増加させるために、正の電極層８０４および／または負の電極層８０８は、空隙距離８１５が、例えば、図２の正の電極層２０４と負の電極層２０８との間の空隙距離と比較して、比較的小さくなり得るように、厚くされてもよい。種々の電極構成を使用したＥＳＤ容量の増加については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１０年１月２７日に出願されたＷｅｓｔらの米国特許出願第１２／６９４，６４１号に詳述されている。
【００６２】
図１０は、本発明のある実施形態による、積層方向における短軸に沿って、過延在され得る、ガスケット９６１ａおよび９６１ｂを有する、図９の積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。上述のように、固定体積コンテナ内の圧力は、固定体積コンテナ内の活物質（例えば、活物質電極層９０４および９０８）の量ならびに状態または複数の状態に比例し得る。ガスケット９６１ａおよび９６１ｂを使用するＥＳＤでは、圧力の増加は、積層９２０のセル区画内の電極間間隔に望ましくない増加をもたらし得る。例えば、セル区画９２２ａ内に発生し得る、圧力（例えば、図１０の圧力Ｐ２は、図９の圧力Ｐ１を上回り得る）の増加に応答して、正の電極層９０４と負の電極層９０８との間の空隙距離９１５は、ガスケット９６０ａが、積層方向に拡張するのに伴って、増加し得る。図１０のＥＳＤの電極間間隔構成の変化は、図９の空隙距離８１５と比較して、空隙距離９１５に比較的に大きな増加であって、例えば、電気インピーダンスの増加、充電効率の低下、放電能力、および率能力等、望ましくないカスケード効果をもたらし得るため、望ましくないであろう。
【００６３】
図１１は、本発明のある実施形態による、動的可撓性封止材またはガスケット１０６０ａおよび１０６０ｂを有する、図９の積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。ガスケット１０６０ａおよび１０６０ｂは、好ましい方向または複数の方向に変形することによって、積層１０２０のセル区画１０２２ａならびに１０２２ｂの電極間間隔を実質的に維持し得る。例えば、ガスケット１０６０ａは、積層１０２０の積層方向から半径方向外向き方向に変形してもよい。半径方向外向き方向に変形することにより、ガスケット１０６０ａは、セル区画１０２２ａの体積を増加させ、正の電極層１００４と負の電極層１００８との間の実質的に一定の空隙距離１０１５（すなわち、図９の元々の空隙距離８１５と実質的に同一である空隙距離）を維持することによって、セル区画１０２２ａ内の圧力を減少させてもよい。いくつかの実施形態では、ガスケット１０６０ａは、空隙距離１０１５が、ＥＳＤの動作全体を通して、実質的に一定のままであり得るように、変形してもよいことを理解されるであろう。他の実施形態では、ガスケット１０６０ａは、空隙距離１０１５が、変化し得るように変形してもよい。しかしながら、空隙距離１０１５は、両ＥＳＤ内の同一圧力Ｐ２を考慮して、実質的に、図１０の空隙距離９１５未満で変化し得る。
【００６４】
いくつかの実施形態では、ガスケット１０６０ａは、他の好ましい方向に変形してもよい。例えば、ガスケット１０６０ａは、軸外方向（例えば、積層方向でもなく、積層方向から半径方向外向きでもない軸）に変形してもよい。他の実施形態では、ガスケット１０６０ａは、セル区画内の圧力増加以外の条件に応答して、変形してもよい。例えば、ガスケット１０６０ａは、セル区画１０２２ａ内の種々の温度条件に応答して、好ましい方向に変形するように設計されてもよい。別の実施例として、ガスケット１０６０ａは、活物質電極層（例えば、正の電極層１００４参照）の体積サイズ変化に応答して、このまし伊方向に変形するように設計されてもよい。
【００６５】
図１２は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。例えば、図１２に示されるように、各セル区画１１２２ａ／１１２２ｂは、その間に提供される電解質層とともに、ガスケット１１６０ａ／１１６０ｂと、正極活物質電極層１１０４と、負極活物質電極層１１０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体１１１６は、積層１１２０の第１の端部であって、不透過性伝導性基板または集電体１１３６は、積層１１２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層１１２０の第１の端部から積層１１２０の第２の端部への方向として、伝導性基板１１１６および１１３６を使用して、画定されてもよい。例えば、引き続き、図１２の積層された状態を参照すると、伝導性基板１１３６および伝導性基板１１０６を含む、その間の成分は、セル区画１１２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板１１０６および伝導性基板１１１６を含む、その間の成分は、セル区画１１２２ｂ内に含まれてもよい。ＢＰＵ１１０２は、伝導性基板１１０６の第１の面上に提供され得る、正の電極層１１０４と、伝導性基板１１０６の他方の面上に提供され得る、負の電極層１１０８とを含んでもよい。
【００６６】
引き続き、図１２を参照すると、剛性端部キャップ１１３４および１１１８が、積層双極ＥＳＤ１１５０の端部に提供されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、機械式バネ１１２６ａ／１１２６ｂは、剛性端部キャップ１１３４／１１１８と積層１１２０の伝導性基板１１３６／１１１６との間に提供されてもよい。例えば、機械式バネ１１２６ａは、剛性端部キャップ１１３４と伝導性基板１１３６との間に提供されてもよく、機械式バネ１１２６ｂは、剛性端部キャップ１１１８と伝導性基板１１１６との間に提供されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、機械式バネ１１２６ａ／１１２６ｂは、端部キャップ１１３４／１１１８と整列リング（例えば、図３の機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂ参照）との間に提供されてもよい。機械式バネ１１２６ａおよび１１２６ｂは、上述のように、任意の好適な場所または複数の場所に提供されてもよく、あるいは全く提供されなくてもよいことを理解されるであろう。
【００６７】
図１３は、本発明のある実施形態による、動的可撓性封止材またはガスケット１２６０ａおよび１２６０ｂと、機械式バネ１２２６ａおよび１２２６ｂとを有する、図１２の積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。図１１と関連して上述のように（例えば、ガスケット１０６０ａ参照）、ガスケット１２６０ａおよび１２６０ｂは、好ましい方向または複数の方向に変形することによって、積層双極ＥＳＤ１２５０のセル区画１２２２ａおよび１２２２ｂの電極間間隔を実質的に維持してもよい。例えば、ガスケット１２６０ａは、積層１２２０の積層方向から半径方向外向き方向に変形してもよい。半径方向外向き方向に変形することにより、ガスケット１２６０ａは、セル区画１２２２ａの体積を増加させ、正の電極層１２０４と負の電極層１２０８との間の実質的に一定の空隙距離１２１５を維持することによって、セル区画１２２２ａ内の圧力を低下させてもよい。また、機械式バネ１２２６ａおよび１２２６ｂは、積層双極ＥＳＤ１２５０のセル区画１２２２ａならびに１２２２ｂの電極間間隔を実質的に維持してもよい。例えば、バネ１２２６ａおよび１２２６ｂは、双極ＥＳＤ１１５０の積層１１２０内の圧力に対して印加される負荷に応答して、圧縮してもよい。
【００６８】
図１３の積層双極ＥＳＤ１２５０は、硬質停止部（図示せず）を含み、セル区画１２２２ａおよび１２２２ｂの電極間間隔を実質的に維持してもよい。例えば、硬質停止部は、硬質停止部の内側リム上の棚部（例えば、図６の内側リム６７２上の棚部６６３参照）を使用して、ＥＳＤの電極間間隔を設定してもよい。動的可撓性封止材またはガスケット１２６０ａおよび１２６０ｂ、機械式バネ１２２６ａおよび１２２６ｂ、ならびに硬質停止部、または任意の他の好適な構成要素、あるいはそれらの組み合わせを含む、上述のいずれの構成要素も、別個に、もしくは一緒に、積層双極ＥＳＤの電極間間隔を実質的に維持するように動作し得ることを理解されるであろう。
【００６９】
本発明は、可変体積格納を有する、積層双極ＥＳＤを背景として、本明細書に説明されるが、論じられる概念は、並行板、柱状、折畳、巻回、および／または双極構成、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。
【００７０】
例えば、図１４は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。ＥＳＤ１３５０は、積層１３２０を形成するように、その間に提供される、電気的絶縁隔離板１３１１とともに積層される、一連の交互正極活物質電極層１３０４および負極活物質電極層１３０８を含んでもよい。電極層の本配列は、例えば、対向電極との間に、比較的高拡散面積を提供し得る。交互する正の電極層１３０４および負の電極層１３０８は、正の領域１３４４ならびに負の領域１３８８における導線を介して、並列に、電気的に結合されてもよい。剛性筐体１３３４および１３１８が、積層されたＥＳＤ１３５０のそれぞれの端部に提供されてもよく、ＥＳＤ１３５０内に電解質を実質的に封止し得る。剛性筐体１３３４および１３１８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、任意の好適な物質もしくは物質の組み合わせから形成されてもよい。
【００７１】
本発明のいくつかの実施形態では、機械式バネ１３２６ａ／１３２６ｂは、剛性筐体１３３４／１３１８と積層１３２０のそれぞれの隔離板１３１１との間に提供されてもよい。例えば、機械式バネ１３２６ａは、積層１３２０の第１の端部において、剛性筐体１３３４と隔離板１３１１との間に提供されてもよく、機械式バネ１３２６ｂは、積層１３２０の第２の端部において、剛性筐体１３１８と隔離板１３１１との間に提供されてもよい。しかしながら、機械式バネ１３２６ａおよび１３２６ｂは、上述のように、任意の好適な場所または複数の場所に提供されてもよく、あるいは全く提供されなくてもよいことが理解されるであろう。
【００７２】
図１５は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。ＥＳＤ１４５０は、剛性筐体１４３４および１４１８と、機械式バネ１４２６ａおよび１４２６ｂと、電気的絶縁隔離板１４１１と、正の領域１４４４を有する正極活物質電極層１４０４と、負の領域１４４８を有する負極活物質電極層１４０８とを含む。例えば、図１５に示されるように、積層１４２０内の圧力の増加に応答して、バネ１４２６ａ、またはバネ１４２６ｂ、あるいは両方が、積層１４２０内の圧力を低下させるたために、偏向してもよい（例えば、バネ１４２６ａの高さＨ’は、バネ１３２６ａの高さＨ未満であってもよい）。上述のように、積層１４２０内の圧力増加は、例えば、ＥＳＤ１４５０の動作の際、またはＥＳＤ１４５０が休止状態の間の活物質（例えば、正の電極層１４０４および／または負の電極層１４０８）の状態変化により得る。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態では、バネ１４２６ａ／１４２６ｂは、積層１４２０内の圧力増加に応答して、偏向する一方、依然として、積層１４２０の層（すなわち、正および負の電極層１４０４ならびに１４０８と隔離板１４１１）上に好適な圧力を維持し、隣接層間に比較的に密接触を確保するように構成されてもよい。隣接電極間の準最適接触は、例えば、ＥＳＤ１４５０の全体的容量を低減させ、双極ＥＳＤの電極間の空隙層の増加に関連して上述のものに類似する、他の望ましくない効果をもたらし得る。
【００７４】
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６ａ−ｄ、１６、および３６）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、ある実施形態では、相互に接着される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、典型的には、０．０２５から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から１０ミリメートルの厚さであって、例えば、ＥＳＤに対する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、電極における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、平坦金属フィルムまたは箔において任意の好適な基板物質と組み合わせられてもよい。
【００７５】
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電極層（例えば、正電極層４ａ−ｄおよび１４）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）、他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。これによって、例えば、サイクル寿命が延長し、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、かつ再結合を支援するために、Ｎｉ（ＯＨ）２等の活物質ペーストの結合に存在してもよい。
【００７６】
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、負電極層（例えば、負電極層８ａ−ｄおよび３８）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、負の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。
【００７７】
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。
【００７８】
本発明のＥＳＤの各電解質層の隔離板は、その２つの隣接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、かつサイクル寿命を延長させるために、電解質貯留層として作用するように、セルロース超吸収材を含有してもよく、隔離板は、例えば、ポリ吸収性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、通常よりも高間隔から開始し、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。
【００７９】
隔離板は、短絡を低減し、かつ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、そこに取り付けられる再結合剤を有してもよい。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、偏向しない程十分に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。
【００８０】
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。
【００８１】
本発明のＥＳＤの封止剤およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ−ｅ）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生成するために、隣接電極の一部分に接触してもよい。
【００８２】
代替として、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、かつ電解質に不透過性であり得る、Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能である、Ｌｏｃｔｉｔｅ(R)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、それらの間に封止を生成するために、隣接電極の一部分に接触してもよい。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。代替的または付加的に、電極ユニット自体が、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。
【００８３】
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）をそこから漏出させ得る（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、ある閾値を超えて増加する場合）、１つ以上の脆弱点を具備し得る。ある量の流体が漏出する、または内圧が減少すると、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な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。
【００８４】
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ＥＳＤ５０）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ように積層されたＥＳＤ設計により提供され得る、本余地によって、ガスケットとの封止を形成する際に、そうでなければ、より腐食性の電解質により腐食され得る、あるエポキシ樹脂（例えば、Ｊ−Ｂ Ｗｅｌｄエポキシ樹脂）の利用が可能になり得る。
【００８５】
本発明のＥＳＤの硬質停止部（例えば、図６の硬質停止部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。
【００８６】
本発明の機械式バネ（例えば、図３の機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂ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、機械式バネは、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、および捩りバネ等の圧縮性バネ、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。
【００８７】
本発明の端部キャップ（例えば、図３の端部キャップ１８および３６参照）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。
【００８８】
本発明のＥＳＤのケースまたは包体、すなわち、動的格納容器（例えば、動的格納容器１４０参照）が提供されてもよく、それらの伝導性基板（例えば、基板１６および３６）またはそれらの付随導線（図示せず）を曝露するために、末端電極ユニット（例えば、ＭＰＵ１２および３２）に封止し得る、任意の好適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、積層された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。
【００８９】
引き続き図５を参照すると、例えば、本発明の双極ＥＳＤ５０は、ＭＰＵ１２および３２と、それらの間の１つ以上のＢＰＵ２ａ−２ｄの積層によって形成される複数のセル区画（例えば、セル区画２２ａ−２２ｅ）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６ａ−６ｄ、１６、および３６）、電極層（例えば、正の層４ａ−ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ−８ｄおよび３８）、電解質層（例えば、層１０ａ−１０ｅ）、およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ−６０ｅ）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り得る。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この変動によって、種々の利点および性能特徴を備えるＥＳＤが生成され得る。
【００９０】
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、セル区画からセル区画の積層の高さに沿って変化してもよい。さらに図５を参照すると、例えば、ＥＳＤ５０の電解質層１０ａ−ｅ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２２ａ−ｅのセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変化し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃ（すなわち、ＥＳＤ５０における５つの区画２２の真ん中のセル区画）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１０ｃ）を含んでもよい一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄ（すなわち、ＥＳＤ５０における末端セル区画に隣接するセル区画）は、第２の電解質からそれぞれ形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層１０ｂおよび１０ｄ）を含んでもよい一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅ（すなわち、ＥＳＤ５０における最も外側のセル区画）は、第３の電解質からそれぞれ形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層１０ａおよび１０ｅ）を含んでもよい。内側積層において、より高い伝導性の電解質を使用することによって、発生する熱がより少なくなるように、抵抗が小さくなり得る。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。
【００９１】
別の実施例として、また、ＥＳＤ５０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２２ａ−ｅのセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変化し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃは、第１の温度および／または率性能を有する第１の種類の活物質から形成される電極層（すなわち、層８ｂおよび４ｃ）を含んでもよい一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄは、第２の温度および／または率性能を有する第２の種類の活物質から形成される電極層（すなわち、層８ａ／４ｂおよび層８ｃ／４ｄ）を含んでもよい一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅは、第３の温度および／または率性能を有する第３の活物質から形成される電極層（すなわち、層３８／４ａおよび層８ｄ／１４）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、最も外側のセル区画は、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を具備してもよい。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。 さらに、また、ＥＳＤ５０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化し得る。特定のセル区画内の活物質間の距離の変化に加え、あるセル区画２２ａ−ｅ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で、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余地、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。
【００９２】
ある実施形態では、ＥＳＤ５０の電極層（例えば、図５の正の層４ａ−ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ−８ｄおよび３８）の幾何学形状は、基板６ａ−ｄの半径方向長さに沿って変化してもよい。図５に関して、電極層は、均一の厚さであって、電極形状について対称である。ある実施形態では、電極層は、非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化し得る。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。
【００９３】
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。
【００９４】
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するように、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つ以上の穴を有してもよい。代替として、穴、または通路、あるいは穿孔は、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、穴は、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。
【００９５】
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、断面積を有する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。
【００９６】
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るであろう。また、「水平」および「垂直」、「上部」および「底部」および「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は、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限定がこれらの単語の使用によって意図されないことも理解されたい。例えば、本発明のデバイスならびにその個々の較正は、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するものではない。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施されてもよく、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。
【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６１／１４７，７２５号（２００９年１月２７日出願）および米国仮特許出願第６１／１８１，１９４号（２００９年１月２７日出願）の利益を主張し、両出願は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【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、可変体積格納（ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ）を組み込んでいるＥＳＤに関する。
【背景技術】
【０００３】
密封されたＥＳＤの特徴は、外部汚染および／または干渉からのＥＳＤ内へのセルの格納および絶縁である。従来の格納デバイス（例えば、ＥＳＤ包体）は、電解質溶媒混合物および活物質等、ＥＳＤ物質の種々の位相のために、格納および絶縁を提供する。多くの場合、これらのＥＳＤ物質を含有する一方、セルは、休止または動作状態にある必要がある。セルは、休止または動作状態にあるが、セル内に含有されるある物質は、状態変化を被る。状態変動は、格納デバイス上に応力を付与するセル圧力に変化をもたらす。
【０００４】
固定体積コンテナ内の圧力は、コンテナ内の活物質の量および状態または複数の状態に比例する。例えば、金属水酸化物ＥＳＤでは、電気化学結合として、アノード内の金属水酸化物合金と、カソード内の金属水酸化物とを含む。これらの物質はそれぞれ、コンテナ内の正味体積偏移をもたらす、状態変化を受ける。体積偏移は、セル圧力の変化および／または自由体積の正味変化をもたらし得る。したがって、活物質の状態変化は、より少ないか、またはより多い利用可能な自由体積をもたらす可能性がある（自由体積とは、セル内に含有される物質全ての体積とユニットセル体積が異なることを指す）。例示的な金属水素化物構成では、変位された液体からの水圧、電解質溶媒混合物の気相成分、および電解質溶媒混合物の蒸気相の部分的圧力が、コンテナ壁に対して力を発生させる。また、変化する活物質状態に起因する圧力によって、電極表面は、コンテナ壁に対して物理的に押圧する。応力が、格納デバイスの能力を超える場合、デバイスは、劣化または適切に機能しない場合がある。
【０００５】
従来のＥＳＤは、２つの電極のみを有する巻回セルＥＳＤ、または多数の板の集合を並列に有する標準的な柱状セルＥＳＤのいずれかとして製造されている。これらの種類の両方では、電解質は、ＥＳＤ内のあらゆる場所で共有される。巻回セル構造および柱状セル構造は両方とも、剛性の固定体積の格納を採用する。これらの構造は、コンテナが、体積拡張および／または収縮を許容しないため（すなわち、自由体積の量が固定される）、剛性コンテナ内の物質の厳密な考慮を要求する。自由体積が多過ぎると、性能不良（例えば、弛緩セル）をもたらし、自由体積が少な過ぎると、潜在的にデバイスの爆発をもたらすので、自由体積の量は、ＥＳＤの動作に影響を及ぼし得る。いくつかの事例では、これらの従来のＥＳＤの動作の際に発生される力は、コンテナの物質限度を超え、コンテナを破砕させ得る。高圧によってコンテナが破砕すると、内部組成が、相当量のエネルギーによって出射される。
【０００６】
故に、可変体積格納を有するＥＳＤを提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述に照らして、可変体積格納を有するＥＳＤのための装置および方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のいくつかの実施形態では、複数の双極電極ユニットの積層を有する、ＥＳＤが提供される。各電極ユニットは、伝導性基板と、伝導性基板の第１の表面上の正極活物質電極層と、伝導性基板の第２の表面上の負極活物質電極層とを含んでもよい。電解質層が、各対の隣接電極ユニット間に提供されてもよい。可撓性ガスケットが、電解質層のそれぞれの周りに配置されてもよく、ガスケットは、所定の様式において、機械的に変形可能であってもよい。
【０００９】
ある実施形態によると、その中の電極間間隔が維持される、ＥＳＤが提供される。ＥＳＤは、複数のセル区画を含んでもよく、各セル区画は、第１の活物質電極層を有する第１の伝導性基板と、第２の活物質電極層を有する第２の伝導性基板とを含んでもよい。電解質層が、第１と第２の活物質電極層との間に提供されてもよい。複数の硬質停止部が、提供されてもよく、各それぞれの伝導性基板は、それぞれの硬質停止部上に固定されて配置されてもよく、硬質停止部は、ＥＳＤの電極間間隔を設定するように構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
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、双極電極ユニット（ＢＰＵ）の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、積層双極ＥＳＤの斜視図を示す。
【図４】図４は、本発明のある実施形態による、図３の積層双極ＥＳＤの部分的断面図を示す。
【図５】図５は、本発明のある実施形態による、図４の積層双極ＥＳＤの概略断面図を示す。
【図６】図６は、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの硬質停止部の斜視図を示す。
【図７】図７は、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの可撓性封止材の概略断面図を示す。
【図８】図８は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの部分的に分解された概略断面図を示す。
【図９】図９は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１０】図１０は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１１】図１１は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１２】図１２は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１３】図１３は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１４】図１４は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可変体積格納を有する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１５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、積層された双極可変体積格納を有するＥＳＤとの関連において、本明細書に説明され、論じられる概念は、平行板、柱状、折畳、巻回および／または双極構成、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るであろう。
【００１２】
本明細書に定義されるように、「電極間間隔」とは、積層双極ＥＳＤ内の活物質電極層間の距離である。これは、例えば、１つの正と１つの負の電極のみを含有する、セル内の正と負の電極との間の距離に該当し得る。いくつかの実施形態では、これは、同一セル内に複数の電極集合または区画を有するセルに該当し得る。複数の電極または電極区画を有するセルの場合、複数の電極間間隔が存在してもよい。
【００１３】
積層形式の封止セルを有するＥＳＤは、概して、一連の積層された双極電極ユニット（ＢＰＵ）を含むように開発されている。これらのＢＰＵはそれぞれ、集電体の対向する面の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ＢＰＳの集電体を電気的に絶縁するために、ＢＰＵのうちの１つ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てもよい。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を伴う、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「積層双極」ＥＳＤと称されるものとする。
【００１４】
可変体積格納は、多重セル双極ＥＳＤ構造等、通常でないＥＳＤ構成に恩恵をもたらし得る。双極ＥＳＤ構成では、セルは、セル間の共通集電板を使用して、直列に積層され、格納物質の減少と、それによる質量および／または体積の減少とをもたらす。双極構成の潜在的欠点の１つは、ＥＳＤの動作および繰返しの際の電極間間隔の変動性である。セル圧力が蓄積すると、電極表面を離れる方向に押し得る。この移動は、電極表面間の空隙距離を増加させ、デバイスの内部抵抗に影響を及ぼす。さらに、電極間間隔の増加に伴って、例えば、電気インピーダンスの増加、充電効率の低下、放電能力、率能力等、望ましくないカスケード効果がもたらされ得る。
【００１５】
従来の積層双極ＥＳＤは、平面電極板を使用する。平面板を使用し、縁封止の使用によって平面板を絶縁することによって、積層された電気化学ＥＳＤ内のセルは、実質的に独立して動作し得る。独立したセルが充電および放電されると、わずかな圧力差が隣接セル間に発生し得る。隣接セル間の圧力差が、平方インチ当たり数ポンドを超える場合、平面電極は、第１のセルから第２のセルに向かって偏向し得る。この偏向は、第２のセルの隔離板物質を歪め、短絡を発生させ得る「ホットスポット」を生成する場合がある。概して、個々のセルの物理的構成要素および化学的性質が、相互に若干異なり得るため、概して、セル間の圧力差が存在し得る。
【００１６】
例えば、セル電圧が、電解質溶媒（例えば、ＮｉＭＨの場合、水）の絶縁破壊電圧を超えることが許容される場合、溶媒のそれぞれの気相成分（例えば、酸素および水素）の形成がもたらされ得る。気相成分が形成され、放出される速度は、セルの気相圧成分に作用し、活物質電極マトリクスに影響を及ぼし得る。気相形成速度は、例えば、ＥＳＤの内部抵抗、電荷の状態、電荷受容の段階、および充電率に関連し得る。過度の気相形成速度は、例えば、活物質を電極マトリクスから分断することによって、電極マトリクスの機械的安定性を低下させ、ＥＳＤの容量減退をもたらし得る。
【００１７】
組み合わせられた圧力（例えば、水圧、機械圧、および気相／蒸気相圧）が、電極結合圧力を超える場合、電極は、分離し得る。空隙距離の増加は、活物質を電極マトリクスから移動させ、サイクル毎に容量減退をもたらし得る。活物質は、最終的に、隔離板を通っておよび／またはその周囲を移動し、潜在的に、例えば、電極の早発絶縁破壊および個々のセル内の短絡等、望ましくない効果をもたらし得る。可変体積格納は、電極表面を実質的に隔離板に当接させたままにし、それによって、活物質を電極マトリクス内に順応的に保持することによって、一連の望ましくない効果を軽減し得る。
【００１８】
ＥＳＤを説明するために一般的に使用される性能指標は、ワット時／ｋｇおよび／またはワット時／Ｌの単位を有する特有のエネルギーと、ワット／ｋｇおよび／またはワット／Ｌの単位を有する特有の電力であり得る。これらの性能指標は、比較的に軽量および／または小体積のデバイスに有利に働き得る。双極ＥＳＤは、格納デバイスの質量および／または体積を低減させることが可能であって、それによって、巻回セルおよび柱状セルＥＳＤ等の従来のＥＳＤパックに勝る利点をもたらし得る。しかしながら、双極ＥＳＤの開発における課題とは、活物質が、電極分離をもたらし得る、ＥＳＤの動作および繰返しの際、形状を変化する場合があることである。
【００１９】
双極ＥＳＤのセル機構は、複雑かつ多変数の問題であり得る。セルの挙動は、付勢機能、または刺激、ならびに電場内の活物質の物理的および熱力学的状態または状態に関連し得る。瞬間的または略瞬間的セル動態を予測するために、実質的に、デバイス全体内の物質の瞬間的あるいは略瞬間的状態もしくは複数の状態が、必要とされ得る。したがって、ＥＳＤの挙動の記述を比較的に単純に維持するために、状態記述（例えば、充電状態および放電状態）が、使用されてもよい。
【００２０】
ＥＳＤの熱力学的状態は、外部付勢機能（例えば、電圧または電流源および／または負荷）によって駆動されてもよい。外部付勢機能への接続は、ＥＳＤの電気化学刺激を可能にし得る。外部付勢機能とＥＳＤの活物質または複数の物質との間の接続の質は、界面反応が生じ得る、デバイス内に複数の界面が存在する場合があるため、重要なパラメータであり得る。例えば、界面反応は、活物質界面、曜日−電解質界面、およびカソード界面で生じ得る。外部付勢機能とＥＳＤの活物質または複数の物質との間の比較的に低質の接続は、これらの界面の一部または全部における界面反応に負の影響を及ぼし得る。
【００２１】
溶媒（例えば、電解質）内に含有される流動性イオンに対する、電極表面の物理的配向およびその位置は、電気化学的動態に影響を有し得る。帯電粒子上に発生される力は、実質的に、例えば、粒子の電荷および電場強度に正比例し得る。いくつかの事例では、帯電粒子上に発生される力は、力の不均衡をもたらし、得られた力ベクトルの方向に、帯電粒子の正味の加速を生じさせ得る。
【００２２】
帯電粒子上に発生させられる力は、引力および／または斥力であり得る。引力および斥力の寄与は、電極間隔に依存し得る。したがって、ＥＳＤの電極間間隔は、帯電粒子上の電気力学的力に影響を及ぼし得る。引力および斥力は、帯電粒子上の正味加速に寄与し得る。斥力および引力の両方が、得られた力内にあると見なされる場合、正味の力または加速は、電極間隔内の減少に伴って増加する。可変体積格納を採用する、双極ＥＳＤは、物理的負荷の印加を介して、電極間間隔を動的に制御可能であってもよい。可変体積格納は、格納デバイスへの物理的負荷の印加および電極間間隔の動的制御を可能にし得る。電極間間隔の動的制御は、例えば、電極表面の配向に垂直である力を物理的に調節することによって、提供されてもよい。
【００２３】
ＥＳＤに影響を及ぼし得る、別の変数は、活物質の熱力学的状態であり得る。活物質は、活物質の形状変化をもたらし得る、熱力学的状態間を繰り返し得る。例えば、状態変化を通してセル圧力に影響を及ぼし得るニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）デバイス内の活物質は、金属水素化物、ニッケル水酸化物、および電解質溶媒（例えば、気体および蒸気圧力成分の両方）であり得る。
【００２４】
活物質の状態変化は、格納デバイスの正味体積拡張および／または収縮をもたらし得る。固体活物質（例えば、金属水素化物合金またはニッケル水酸化物）の場合、拡張差は、３００％も大きくなり得る。したがって、活物質は、ある場合には、繰返しの際、格納デバイスに比較的に相当量の力を付与し得る。いくつかの実施形態では、力が、格納デバイス物質または複数の物質の能力を超えると、破損が生じ得る。これは、格納デバイスから排出され得る物質または複数の物質の比較的に高い動力学的エネルギーのために、潜在的に危険である場合がある。したがって、格納デバイスを活物質の体積ニーズに合致させる一方で、また、界面の電極間間隔を維持するように設計することが好ましいあろう。格納デバイスの体積成分は、格納デバイスの体積の量が、活物質の状態または複数の状態を考慮して、必要とされるものと同等となり得るように設計されてもよい。
【００２５】
図１は、本発明のある実施形態による、例示的な「平板」双極電極ユニットまたはＢＰＵ１０２を示す。積層されたセルＥＳＤ内において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、不透過性伝導性基板または集電体１０６の第１の面上に提供され得る正極活物質電極層１０４と、不透過性伝導性基板１０６の他方の面上に提供され得る負極活物質電極層１０８とを含んでもよい（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２００７年１０月９日に発行されたＦｕｋｕｚａｗａらによる米国特許第７，２７９，２４８号参照）。
【００２６】
双極電極は、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るであろう。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、または加えて、「皿形状」電極であってもよい。皿形状電極は、双極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。
【００２７】
図２に示されるように、例えば、複数のＢＰＵ２０２は、ＢＰＵ２０２の正電極層２０４が、電解質層２１０を介して、隣接するＢＰＵ２０２の負電極層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とともに、積層２２０へと実質的に垂直に積層される。各電解質層２１０は、電解質を保持し得る隔離板を含んでもよい。隔離板は、正電極層２０４とそれに隣接する負電極層２０８とを電気的に分離する一方で、電極ユニット間のイオン移行を可能にし得る。
【００２８】
図２におけるＢＰＵ２０２の積層された状態のＢＰＵ２０２を引き続き参照すると、例えば、第１のＢＰＵ２０２の正電極層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と呼ばれるものとする。各セル区画の各不透過性基板は、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。
【００２９】
図３および４は、本発明のある実施形態による、それぞれ積層双極ＥＳＤの斜視図および部分的断面図を示す。積層双極ＥＳＤ３５０は、圧縮ボルト３２３と、整列リング３２４ａおよび３２４ｂと、機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂと、積層３２０（基板フランジ３０７を含む）と、積層３２０の両端に提供される、剛性端部キャップ３３４および３１８とを含んでもよい。整列リング３２４は、積層双極ＥＳＤ３５０の両端に提供されてもよい。例えば、整列リング３２４ａと整列リング３２４ｂとは、ＥＳＤ３５０の対向する端に提供されてもよい。機械式バネは、整列リング３２４ａ／３２４ｂと剛性端部キャップ３３４／３１８との間に提供されてもよい。例えば、機械式バネ３２６ａは、整列リング３２４ａと剛性端部キャップ３３４との間に提供されてもよく、機械式バネ３２６ｂは、整列リング３２４ｂと剛性端部キャップ３１８との間に提供されてもよい。機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂは、ＥＳＤ３５０の動作および繰返し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３２６ａおよび３２６ｂの偏向は、印加される負荷に正比例してもよい。
【００３０】
剛性端部キャップ３３４および３１８は、双極ＥＳＤ３５０の電極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５のＢＰＵ２ａ−ｄ参照）。例えば、端部キャップ３３４および３１８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、またはそれらの組み合わせに適合してもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、基板フランジ３０７は、双極ＥＳＤ３５０の周りに提供され、積層３２０から半径方向外向きに突出してもよい。フランジ３０７は、例えば、フランジ３０７が結合されるそれぞれの不透過性伝導性基板に対応する双極電極ユニットに電気接続を提供してもよい（例えば、図５のＢＰＵ２ａのフランジ７参照）。図３のフランジ３０７は、「舌圧子」として成形されるが、積層３２０から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３０７の断面領域は、実質的に、四角形、三角形、円形または楕円形、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く、特定のコネクタもしくは複数のコネクタと電気的に結合するように構成されてもよい。
【００３２】
図５は、本発明のある実施形態による、図４の積層双極ＥＳＤの概略断面図を示す。端部キャップ１８および３４は、それぞれ、積層２０の第１の端部および第２の端部に提供されてもよい。図５に示されるように、例えば、本発明のある実施形態に従って、積層双極ＥＳＤ５０を構成するために、正端子および負端子が、１つ以上のＢＰＵ２ａ−ｄの積層２０とともに提供されてもよい。不透過性伝導性基板１６の一方の面に提供される正極活物質電極層１４を含み得る正の単極電極ユニットまたはＭＰＵ１２は、正のＭＰＵ１２の正電極層１４が、電解質層１０ｅを介して、積層２０のその第１の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ｄ）の負電極層（すなわち、８ｄ）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１０ｅ）とともに、積層２０の第１の端部に配置されてもよい。不透過性伝導性基板３６の一方の面に提供される負極活物質電極層３８を含み得る、負の単極電極ユニットまたはＭＰＵ３２は、負のＭＰＵ３２の負電極層３８が、電解質層１０ａを介して、積層２０のその第２の端部において、ＢＰＵ（すなわち、ＢＰＵ２ａ）の正電極層（すなわち、４ａ）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１０ａ）とともに、積層２０の第２の端部に配置されてもよい。ＭＰＵ１２および３２は、対応する正電極導線および負電極導線（図示せず）が、それぞれ提供されてもよい。
【００３３】
例えば、図５に示されるように、各ＭＰＵの基板と電極層とは、その隣接するＢＰＵ２ａ／２ｄの基板および電極層と、それらの間の電解質層１０ａ／１０ｅとともに、セル区画２２を形成し得ることに留意されたい（例えば、区画２２ａおよび２２ｅ参照）。積層２０内の積層されたＢＰＵ２ａ−ｄの数は、１つ以上であってもよく、例えば、ＥＳＤ５０のための所望の電圧に対応するために、適切に決定されてもよい。各ＢＰＵ２ａ−ｄは、ＥＳＤ５０のための所望の電圧が、各成分ＢＰＵ２ａ−ｄによって提供される電位に効果的に追加され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ＢＰＵ２ａ−ｄは、同一の電位を提供する必要がないことが理解されるであろう。
【００３４】
いくつかの実施形態では、双極ＥＳＤ５０は、ＢＰＵ積層２０およびそのそれぞれの正および負のＭＰＵ１２および３２が、低下した圧力下のケースまたは包体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。ＭＰＵ伝導性基板１６および３６は、例えば、利用時に外部からの衝撃を緩和し、環境劣化を防止するようにＥＳＤケースから引き出されてもよい。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態では、双極ＥＳＤ５０は、端部キャップ１８、または端部キャップ３４、あるいは両方が不透過性伝導性基板であって、活物質電極層１４および３８が、端部キャップ１８／３４の一方の面上に直接提供され得るように、構築されてもい。本実施形態では、例えば、正のＭＰＵ１２は、端部キャップ１８（図示せず）の一方の面上に提供される正極活物質電極層１４を含み、負のＭＰＵ３２は、端部キャップ３４（図示せず）の一方の面上に提供される負極活物質電極層３８を含み得るので、不透過性伝導性基板１６／３６の必要性がなくてもよい。
【００３６】
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ａの電解質層１０ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ｂの電解質層１０ｂを参照）と結合することを防止するために、動的可撓性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実質的に封止するために、隣接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、特定のセルの隣接する電極ユニットと機械的に相互作用し、それらの間の電解質を封止し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。一つの好適な配列では、例えば、図５に示されるように、本発明の双極ＥＳＤは、各セル区画２２ａ−ｅの電解質層１０ａ−ｅならびに活物質電極層４ａ−ｄ／１４および８ａ−ｄ／３８の周りに、障壁として配置され得る、ガスケットまたは封止材６０ａ−ｅを含んでもよい。ガスケットまたは封止材は、連続的で、密閉されてもよく、そのセルのガスケットと隣接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ＭＰＵ）を実質的に封止してもよい。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間隔を提供し得る。
【００３７】
第１のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ａの電解質層１０ａを参照）が、別のセル区画の電解質（例えば、セル区画２２ｂの電解質層１０ｂを参照）と結合することを防止するために、積層双極ＥＳＤ５０のセル区画を封止する際に、セル区画は、セルが充電および放電されるに伴って、隣接するセル（例えば、セル２２ａ／２２ｂ）の間に圧力差を産生し得る。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、気体の移行を可能にし、かつ電解質の移行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得る。ＥＳＤは、平衡弁の任意の組み合わせを有するＢＰＵを有してもよい。圧力平衡弁については、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。
【００３８】
圧力解放弁は、バネ、または時として、圧縮性ゴムスラグを使用して、セル内の開口部に対して圧縮される、剛性物質（例えば、鋼鉄）によって支持される、封止物質（例えば、ゴム）の機械的配列であってもよい。セル内の圧力が、許容可能な限度を超えて増加すると、バネは、圧縮し、ゴム封止材は、開口部から押しのけられ、過剰な気体が漏出する。圧力が低下すると、弁は再び封止され、セルはほぼ正常に機能することが可能となる。過剰な電解質は、ほぼ確実に解放される圧力とともに漏出する。
【００３９】
気体平衡弁は、極性液体の輸送を実質的に防止するが、二原子気体および非反応性気体または希ガスは、弁を通して拡散させられ、弁の両側の圧力を平衡化してもよい。拡散または輸送が遮断される液体として、水、アルコール、食塩水、塩基性溶液、酸性溶液、および極性溶媒を含んでもよいが、これらに限定されない。気体平衡弁を使用して、二原子気体を極性液体から分離してもよい。また、耐極性溶媒封止材および黒鉛炭素繊維束から成る気体平衡弁が、使用されてもよい。気体平衡弁を使用して、複数のセルＥＳＤ、双極セルＥＳＤ、またはウルトラキャパシタ貯蔵デバイス内のセル間の圧力を平衡化してもよい。気体平衡弁を使用して、例えば、少なくとも１つの車輪および少なくとも１キログラムの積載量を有する、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、またはプラグインハイブリッド電気自動車のＥＳＤの圧力差を制御してもよい。
【００４０】
引き続き、図５を参照すると、硬質停止部６２ａ−ｅは、ガスケット６０ａ−ｅから半径方向外向きに提供されてもよい。例えば、硬質停止部６２ａは、ガスケット６０ａから半径方向外向きに提供されてもよく、硬質停止部６２ａは、セル区画２２ａの内容物を実質的に包囲してもよい。各硬質停止部６２ａ−ｅは、その上に、基板（例えば、基板６ａ）が、固定して配置され得る、棚部６３ａ−ｅを有してもよい。ガスケット６０ａ−ｅは、硬質停止部６２ａ−ｅに隣接して示されるが、ガスケット６０ａ−ｅおよび硬質停止部６２ａ−ｅは、ガスケット６０ａ−ｅが、硬質停止部６２ａ−ｅに向かって半径方向外向きに拡張または変形し、例えば、所与のセルの圧力を低減させることが可能であり得る、任意の好適な空隙距離によって、分離されてもよいことを理解されるであろう。
【００４１】
次に図６を参照すると、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの２つの硬質停止部６６２の斜視図が示される。図５に関連して上述のように、各硬質停止部６６２は、その上に、不透過性伝導性基板（例えば、図５の基板６ａ）が、固定して配置され得る、硬質停止部６６２の内側リム６７２上に棚部６６３を有してもよい。硬質停止部６６２は、内側リム６７２上の棚部６６３によって、ＥＳＤの電極間間隔を実質的に設定してもよい。いくつかの実施形態では、棚部６６３の高さは、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が、セル区画からセル区画へと積層の高さに沿って変化し得ることに伴って、積層内のセルからセルへと変化してもよい。棚部６６３の高さは、例えば、特定のセル区画の種々の物質および幾何学形状が、そのセル区画の最適電極間間隔に影響を及ぼし得るため、変化し得る。
【００４２】
また、硬質停止部６６２の内側リム６７２は、一式のスタッド（例えば、スタッド６６７および６６９参照）と、一式のスタッド穴（例えば、スタッド穴６６８参照）とを含んでもよい。第１の硬質停止部６６２のスタッド穴６６８は、第２の硬質停止部６６２’の相補的スタッド６６７と結合してもよい。硬質停止部６６２の複数のスタッドおよびスタッド穴は、例えば、積層アセンブリの積層軸を実質的に中心としてそれぞれの基板を維持することによって、基板フランジ（例えば、図３のフランジ３０７参照）を硬質停止部に整合する補助となってもよい。硬質停止部６６２の内側リム６７２を横行することによって、複数の交互スタッド６６９およびスタッド穴６６８は、実質的に円形パターンで提供されてもよい。
【００４３】
例えば、複数の圧縮ボルト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６６４ａおよび６６４ｂが、硬質停止部６６２の周縁に沿って、外側リム６７６沿に提供されてもよい。ボルト穴６６４ａおよび６６４ｂは、例えば、組み立ての際、双極電極ユニットの積層全体（例えば、図５のＢＰＵ２ａ−ｄ参照）と整合され、動作の際、安定性を提供してもよい。ボルト穴６６４ａおよび６６４ｂ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定寸されてもよい。ボルト穴６６４ａおよび６６４ｂ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、あるいは任意の他の所望の形状またはそれらの組み合わせであってもよい。
【００４４】
また、硬質停止部６６２は、基板フランジ（例えば、図３のフランジ３０７参照）と整合し得る、基板棚部６７４を含んでもよい。基板棚部６７４は、フランジを、硬質停止部６６２を通して、積層（例えば、図５の積層２０）から半径方向外向きに突出させ、例えば、フランジを電気的に導線に接続させることが可能であってもよい。硬質停止部６６２は、５つの基板棚部６７４を示すが、任意の好適な数の棚部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ＢＰＵまたは複数のＢＰＵに依存してもよい。
【００４５】
図７は、本発明のある実施形態による、図５の双極ＥＳＤの動的可撓性封止材またはガスケット７６０の概略断面図を示す。可撓性ガスケット７６０は、第１の層７５６と、第２の層７５８とを具備してもよい。第１の層７５６は、ガスケットおよびそれに隣接する電極ユニットによって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。可撓性の動的封止材またはガスケットは、１つ以上の層を組み込み、例えば、格納の質を向上させてもよい。
【００４６】
第２の層７５８は、第１の層７５６の物質と異なる物質であってもよく、または、いくつかの実施形態では、同一物質であってもよい。第２の層７５８は、２つの層が、封止を生成するように、ともに融合され得るように、第１の層７５６に射出成形されることを含め、任意の好適な技法を使用して、第１の層７５６に追加されてもよい。ある実施形態では、第２の層７５８は、ともに封止を形成し得るように、第１の層７５６に超音波で溶接されてもよい。他の実施形態では、第２の層７５８は、第１の層７５６に熱的に融合されてもよく、または熱流量を通して、第２の層７５８は、第１の層７５６内に溶融されるように加熱されてもよい。
【００４７】
動的可撓性封止材またはガスケット７６０は、物理的に寸法を調節する一方で、実質的に格納を維持するように構成されてもよい。上述のように、いくつかの実施形態では、封止材７６０は、１つ以上の層を組み込み、例えば、格納の質を向上させてもよい。
【００４８】
ＥＳＤのための格納設計は、物理的に寸法を調節し、例えば、熱力学的状態との間のＥＳＤ繰返しの活物質によって生じる応力を低減させ得る、動的格納特徴を組み込んでもよい。内容物によってコンテナに付与される応力を低減させるために、例えば、コンテナは、好ましい配列に変形するように構成されてもよい。格納応力を低減させるように組み込まれ得る、デバイスは、可撓性の動的封止材またはガスケット（例えば、ガスケット７６０）であってもよい。
【００４９】
ガスケットは、好ましい使用期間または耐用年数にわたって、コンテナ内の内容物を実質的に格納るおよび／または絶縁可能であってもよい。耐用年数は、例えば、１５年以上（例えば、車両用途では）と長く、用途に応じて、１年以下と短くてもよい。温度、充電および放電率、充電手順、ならびに放電深度等、動作条件は、ＥＳＤの耐用年数に影響を及ぼし得る。例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）ＥＳＤまたはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）ＥＳＤの耐用年数は、ＥＳＤ内で利用可能な完全エネルギーのある割合で動作時、ＥＶＥＳＤの利用可能なエネルギーおよび／または能力の実質的にすべてを充電／放電する反復サイクルを有し得る、純粋な電気自動車（ＥＶ）ＥＳＤより比較的に長くあり得る。比較的に高温または冷温環境で動作されるＥＳＤは、より温暖な環境で動作されるＥＳＤはより短い耐用年数を有し得る。例えば、宇宙および衛星用途を有するＥＳＤは、環境的配慮（例えば、宇宙が低温のため、動作のために要求され得るヒータ）のため、他の用途より比較的に短い耐用年数を有し得る。
【００５０】
格納デバイスの一部として、ガスケットは、ＥＳＤ内の内容物を内部および／または外部汚染から絶縁可能であってもよい。格納は、好ましくは、動的可撓性封止材またはガスケット物質を通した内容物の耐用透過性率に対して、実質的に完全絶縁かつゼロを維持する。格納は、伝達／透過特性の観点から説明されてもよい。以下の式１は、所与の物質を通した質量透過率の挙動を説明するために使用され得る、関係を提供する。
【００５１】
【数１】
ここで、Ｑは、質量流速であって、Ｐは、透過定数であって、Ａは、接触表面積であって、Δｐは、経路長厚（ｄ）にわたる圧力差である。式１に一致する挙動の場合、低い透過定数（Ｐ）が、好ましであろう。
【００５２】
複数の組成が、所与のコンテナ内に存在してもよく、各組成は、環境条件に応じて、複数の位相（例えば、固体、液体、および気相）として存在してもよい。複数の位相を有する、複数の組成の共存は、潜在的に、ガスケット性能の変化につながり得る。例えば、透過定数は、組成および／または組成の状態あるいは複数の状態によって変化し得る。基礎ガスケット物質（例えば、図７の第１の層７５６および第２の層７５８参照）への付加的層の組み込みは、格納を向上させるための任意の好適な数の技法のうちの１つであってもよい。可撓性の動的封止材またはガスケットのために使用され得る物質として、ポリマー、金属、セラミック、任意の他の物質、または好適なそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００５３】
ある実施形態では、可撓性の動的封止材またはガスケットが、ニッケル−金属水素化物（ＮｉＭＨ）化学物質を有する双極ＥＳＤ内に採用されてもよい。この用途において、ガスケットは、機械的に寸法を調節する一方で、隣接する表面と実質的に密封した接触を維持し得る。機械的に変形するために、封止材は、弾性的な機械的変形が可能な物質を含んでもよい。採用され得るいくつかの物質として、あるポリマー、セラミック、金属、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を含んでもよい。双極金属水素化物の実施形態の好ましい基礎物質は、ＢｕｎａＮゴムまたは他の好適なニトリルゴム等のエラストマーであってもよい。動作の間、機械的変形の弾性限界が超えられない限り、物質は十分であり得る。
【００５４】
双極金属水素化物エネルギー貯蔵デバイスの実施例では、可撓性の動的封止材またはガスケットを選択および／または設計する際に配慮され得る複数の透過物（例えば、水素、酸素、水、水蒸気）が存在してもよい。複数の透過物が存在し得るので、実質的にすべての透過物を格納するには、均質な封止材またはガスケットは好ましくないであろう。したがって、ある実施形態では、ガスケットに層を追加することが、好ましいでろう。
【００５５】
例えば、双極金属水素化物ＥＳＤの機能に対して相対的に重要な透過物は、水素ガスであり得る。ＥＳＤの動作の間、水素ガス圧は、比較的重要であって、基礎封止材またはガスケット物質への付加的層または複数の付加的層の組み込みは、潜在的に単一層のみを含む封止材またはガスケットを通して生じるであろう水素ガスの透過率を実質的に低減させ得る。ガスケット層は、金属箔および／または触媒結合特性（例えば、酸素および水素に触媒作用を及ぼし、水を形成するため）を有する金属箔を含んでもよい。
【００５６】
上述のように、可撓性の動的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。変形方向は、封止材またはガスケット自体の軸方向または半径方向に沿ってであってもよく、ＥＳＤ積層の軸方向および半径方向と同一であっても、もしくはそうでなくてもよい。さらに、封止材またはガスケットは、１つの軸または複数の軸に沿って変形するように構成されてもよい。
【００５７】
図８は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの部分的に分解された概略断面図を示す。例えば、図８に示されるように、圧縮板１０３、バネ１２６、および積層１２０は、動的格納容器１４０内に実質的に封入されてもよい。積層１２０は、端部キャップ１３４および１１８と、不透過性伝導性基板または集電体１１６ａ−ｅと、各伝導性基板１１６ａ−ｅ間に提供される可撓性の動的な封止材またはガスケット１６０ａ−ｄとを含んでもよい。積層１２０の種々の成分は、ＥＳＤ１８０のある局面を強調するために、省略されている。例えば、ＥＳＤ１８０の各双極ユニットは、伝導性基板１１６ａ−ｅの第１の面上に提供され得る、正極活物質電極層（例えば、図１の正の電極層１０４参照）と、伝導性基板１１６ａ−ｅの他の面上に提供され得る、負極活物質電極層（例えば、図１の負の電極層１０８参照）とを含んでもよいことが理解されるであろう。
【００５８】
本発明のある実施形態では、比較的により良好な封止を生成するように、ガスケットの表領域の１つ以上の部分と、相互に接触する隣接電極ユニットの表領域とのそれぞれが、相互にまたは対応的に溝付け、面取り、あるいは成形されてもよい。ガスケットの表面の少なくとも一部分は、例えば、２つの表面が、共に嵌合して、２つの表面間の一定の種類の相対移動を制限し、かつＥＳＤの製造の際に、ガスケットと電極ユニットとを自己整列するように、電極ユニットの表面の少なくとも一部分に対応的に成形されてもよい（例えば、図５のガスケット６０ａと基板６ａとの間の溝７０参照）。ガスケットおよび隣接する基板の相互に成形される部分の嵌合によって形成されるこの溝は、例えば、それによって、それらの嵌合接触領域の大きさを増加させ、それによって、ガスケットと基板との嵌合接触領域の間に生成される封止の破壊を試みる任意の流体（例えば、電解質）に対して、より大きな抵抗経路を提供し得る。ガスケット溝については、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１２／０６９，７９３号に詳述されている。
【００５９】
いくつかの実施形態では、積層双極ＥＳＤ１８０は、好ましい方向に沿った移動を可能にするように設計されてもよい。これは、例えば、格納容器１４０、ガスケット１６０ａ−ｄ、バネ１２６、および端部キャップ１３４／１１８のうちの１つ、または任意の他の好適な構成要素、あるいは任意のそれらの組み合わせを使用して、達成されてもよい。例えば、動的格納容器１４０は、物理的拡張を許容するように設計されてもよいが、積層方向のみに移動を限定してもよい。各セル区画の活物質が、例えば、繰返しの際に、体積変化を被り、気体が発生および／または消費されることに伴って、格納容器１４０は、セルが半径方向に拡張することを防止する一方で、ガスケット１６０ａ−ｄは、積層方向に沿って拡張し得る。拡張および／または収縮の際に、格納容器１４０およびガスケット１６０ａ−ｄは、セル構成要素（例えば、正極ならびに負極活物質、電解質、および／または種々の気体）を実質的に含有してもよい。したがって、いくつかの実施形態では、ＥＳＤは、硬質停止部（例えば、図６の硬質停止部６６２参照）を使用せずに、可変体積格納を提供してもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、硬質停止部が、ＥＳＤ１８０に追加されてもよいことを理解されるであろう。
【００６０】
図９は、本発明のある実施形態による、双極ＥＳＤの２つのセル区画８２２ａおよび８２２ｂの積層８２０の構造の概略断面図を示す。例えば、図９に示されるように、各セル区画８２２ａ／８２２ｂは、その間に提供される電解質層とともに、ガスケット８６０ａ／８６０ｂと、正極活物質電極層８０４と、負極活物質電極層８０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体８０６ｃは、積層８２０の第１の端部であって、伝導性基板８０６ａは、積層８２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層８２０の第１の端部から積層８２０の第２の端部への方向として、伝導性基板８０６ｃおよび８０６ａを使用して、画定されてもよい。引き続き、図９の積層された状態を参照すると、例えば、伝導性基板８０６ａおよび伝導性基板８０６ｂを含む、その間の成分は、セル区画８２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板８０６ｂおよび伝導性基板８０６ｃを含む、その間の成分は、セル区画８２２ｂ内に含まれてもよい。ＢＰＵ８０２は、伝導性基板８０６ｂの第１の面上に提供され得る、正の電極層８０４と、伝導性基板８０６ｂの他方の面上に提供され得る、負の電極層８０８とを含んでもよい。
【００６１】
図９の積層では、例えば、正の電極層８０４および負の電極層８０８は、空隙距離８１５によって分離されてもよい。空隙距離８１５は、内部抵抗を最小限にする一方、電極表面間の電子移動を抑制する、任意の好適な距離であってもよい。例えば、好適な空隙距離は、設計特有であって、０ミル、５ミル、１０ミル以上であってもよい。空隙距離は、例えば、ＥＳＤアセンブリの閉鎖力、電極厚、および活物質の電極負荷に関連してもよい。いくつかの実施形態では、例えば、積層８２０のＥＳＤ容量を増加させるために、正の電極層８０４および／または負の電極層８０８は、空隙距離８１５が、例えば、図２の正の電極層２０４と負の電極層２０８との間の空隙距離と比較して、比較的小さくなり得るように、厚くされてもよい。種々の電極構成を使用したＥＳＤ容量の増加については、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１０年１月２７日に出願されたＷｅｓｔらの米国特許出願第１２／６９４，６４１号に詳述されている。
【００６２】
図１０は、本発明のある実施形態による、積層方向における短軸に沿って、過延在され得る、ガスケット９６１ａおよび９６１ｂを有する、図９の積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。上述のように、固定体積コンテナ内の圧力は、固定体積コンテナ内の活物質（例えば、活物質電極層９０４および９０８）の量ならびに状態または複数の状態に比例し得る。ガスケット９６１ａおよび９６１ｂを使用するＥＳＤでは、圧力の増加は、積層９２０のセル区画内の電極間間隔に望ましくない増加をもたらし得る。例えば、セル区画９２２ａ内に発生し得る、圧力（例えば、図１０の圧力Ｐ２は、図９の圧力Ｐ１を上回り得る）の増加に応答して、正の電極層９０４と負の電極層９０８との間の空隙距離９１５は、ガスケット９６０ａが、積層方向に拡張するのに伴って、増加し得る。図１０のＥＳＤの電極間間隔構成の変化は、図９の空隙距離８１５と比較して、空隙距離９１５に比較的に大きな増加であって、例えば、電気インピーダンスの増加、充電効率の低下、放電能力、および率能力等、望ましくないカスケード効果をもたらし得るため、望ましくないであろう。
【００６３】
図１１は、本発明のある実施形態による、動的可撓性封止材またはガスケット１０６０ａおよび１０６０ｂを有する、図９の積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。ガスケット１０６０ａおよび１０６０ｂは、好ましい方向または複数の方向に変形することによって、積層１０２０のセル区画１０２２ａならびに１０２２ｂの電極間間隔を実質的に維持し得る。例えば、ガスケット１０６０ａは、積層１０２０の積層方向から半径方向外向き方向に変形してもよい。半径方向外向き方向に変形することにより、ガスケット１０６０ａは、セル区画１０２２ａの体積を増加させ、正の電極層１００４と負の電極層１００８との間の実質的に一定の空隙距離１０１５（すなわち、図９の元々の空隙距離８１５と実質的に同一である空隙距離）を維持することによって、セル区画１０２２ａ内の圧力を減少させてもよい。いくつかの実施形態では、ガスケット１０６０ａは、空隙距離１０１５が、ＥＳＤの動作全体を通して、実質的に一定のままであり得るように、変形してもよいことを理解されるであろう。他の実施形態では、ガスケット１０６０ａは、空隙距離１０１５が、変化し得るように変形してもよい。しかしながら、空隙距離１０１５は、両ＥＳＤ内の同一圧力Ｐ２を考慮して、実質的に、図１０の空隙距離９１５未満で変化し得る。
【００６４】
いくつかの実施形態では、ガスケット１０６０ａは、他の好ましい方向に変形してもよい。例えば、ガスケット１０６０ａは、軸外方向（例えば、積層方向でもなく、積層方向から半径方向外向きでもない軸）に変形してもよい。他の実施形態では、ガスケット１０６０ａは、セル区画内の圧力増加以外の条件に応答して、変形してもよい。例えば、ガスケット１０６０ａは、セル区画１０２２ａ内の種々の温度条件に応答して、好ましい方向に変形するように設計されてもよい。別の実施例として、ガスケット１０６０ａは、活物質電極層（例えば、正の電極層１００４参照）の体積サイズ変化に応答して、このまし伊方向に変形するように設計されてもよい。
【００６５】
図１２は、本発明のある実施形態による、積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。例えば、図１２に示されるように、各セル区画１１２２ａ／１１２２ｂは、その間に提供される電解質層とともに、ガスケット１１６０ａ／１１６０ｂと、正極活物質電極層１１０４と、負極活物質電極層１１０８とを含んでもよい。不透過性伝導性基板または集電体１１１６は、積層１１２０の第１の端部であって、不透過性伝導性基板または集電体１１３６は、積層１１２０の第２の端部であってもよい。積層方向は、積層１１２０の第１の端部から積層１１２０の第２の端部への方向として、伝導性基板１１１６および１１３６を使用して、画定されてもよい。例えば、引き続き、図１２の積層された状態を参照すると、伝導性基板１１３６および伝導性基板１１０６を含む、その間の成分は、セル区画１１２２ａ内に含まれてもよい。同様に、伝導性基板１１０６および伝導性基板１１１６を含む、その間の成分は、セル区画１１２２ｂ内に含まれてもよい。ＢＰＵ１１０２は、伝導性基板１１０６の第１の面上に提供され得る、正の電極層１１０４と、伝導性基板１１０６の他方の面上に提供され得る、負の電極層１１０８とを含んでもよい。
【００６６】
引き続き、図１２を参照すると、剛性端部キャップ１１３４および１１１８が、積層双極ＥＳＤ１１５０の端部に提供されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、機械式バネ１１２６ａ／１１２６ｂは、剛性端部キャップ１１３４／１１１８と積層１１２０の伝導性基板１１３６／１１１６との間に提供されてもよい。例えば、機械式バネ１１２６ａは、剛性端部キャップ１１３４と伝導性基板１１３６との間に提供されてもよく、機械式バネ１１２６ｂは、剛性端部キャップ１１１８と伝導性基板１１１６との間に提供されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、機械式バネ１１２６ａ／１１２６ｂは、端部キャップ１１３４／１１１８と整列リング（例えば、図３の機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂ参照）との間に提供されてもよい。機械式バネ１１２６ａおよび１１２６ｂは、上述のように、任意の好適な場所または複数の場所に提供されてもよく、あるいは全く提供されなくてもよいことを理解されるであろう。
【００６７】
図１３は、本発明のある実施形態による、動的可撓性封止材またはガスケット１２６０ａおよび１２６０ｂと、機械式バネ１２２６ａおよび１２２６ｂとを有する、図１２の積層双極ＥＳＤの構造の概略断面図を示す。図１１と関連して上述のように（例えば、ガスケット１０６０ａ参照）、ガスケット１２６０ａおよび１２６０ｂは、好ましい方向または複数の方向に変形することによって、積層双極ＥＳＤ１２５０のセル区画１２２２ａおよび１２２２ｂの電極間間隔を実質的に維持してもよい。例えば、ガスケット１２６０ａは、積層１２２０の積層方向から半径方向外向き方向に変形してもよい。半径方向外向き方向に変形することにより、ガスケット１２６０ａは、セル区画１２２２ａの体積を増加させ、正の電極層１２０４と負の電極層１２０８との間の実質的に一定の空隙距離１２１５を維持することによって、セル区画１２２２ａ内の圧力を低下させてもよい。また、機械式バネ１２２６ａおよび１２２６ｂは、積層双極ＥＳＤ１２５０のセル区画１２２２ａならびに１２２２ｂの電極間間隔を実質的に維持してもよい。例えば、バネ１２２６ａおよび１２２６ｂは、双極ＥＳＤ１１５０の積層１１２０内の圧力に対して印加される負荷に応答して、圧縮してもよい。
【００６８】
図１３の積層双極ＥＳＤ１２５０は、硬質停止部（図示せず）を含み、セル区画１２２２ａおよび１２２２ｂの電極間間隔を実質的に維持してもよい。例えば、硬質停止部は、硬質停止部の内側リム上の棚部（例えば、図６の内側リム６７２上の棚部６６３参照）を使用して、ＥＳＤの電極間間隔を設定してもよい。動的可撓性封止材またはガスケット１２６０ａおよび１２６０ｂ、機械式バネ１２２６ａおよび１２２６ｂ、ならびに硬質停止部、または任意の他の好適な構成要素、あるいはそれらの組み合わせを含む、上述のいずれの構成要素も、別個に、もしくは一緒に、積層双極ＥＳＤの電極間間隔を実質的に維持するように動作し得ることを理解されるであろう。
【００６９】
本発明は、可変体積格納を有する、積層双極ＥＳＤを背景として、本明細書に説明されるが、論じられる概念は、並行板、柱状、折畳、巻回、および／または双極構成、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。
【００７０】
例えば、図１４は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。ＥＳＤ１３５０は、積層１３２０を形成するように、その間に提供される、電気的絶縁隔離板１３１１とともに積層される、一連の交互正極活物質電極層１３０４および負極活物質電極層１３０８を含んでもよい。電極層の本配列は、例えば、対向電極との間に、比較的高拡散面積を提供し得る。交互する正の電極層１３０４および負の電極層１３０８は、正の領域１３４４ならびに負の領域１３８８における導線を介して、並列に、電気的に結合されてもよい。剛性筐体１３３４および１３１８が、積層されたＥＳＤ１３５０のそれぞれの端部に提供されてもよく、ＥＳＤ１３５０内に電解質を実質的に封止し得る。剛性筐体１３３４および１３１８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、任意の好適な物質もしくは物質の組み合わせから形成されてもよい。
【００７１】
本発明のいくつかの実施形態では、機械式バネ１３２６ａ／１３２６ｂは、剛性筐体１３３４／１３１８と積層１３２０のそれぞれの隔離板１３１１との間に提供されてもよい。例えば、機械式バネ１３２６ａは、積層１３２０の第１の端部において、剛性筐体１３３４と隔離板１３１１との間に提供されてもよく、機械式バネ１３２６ｂは、積層１３２０の第２の端部において、剛性筐体１３１８と隔離板１３１１との間に提供されてもよい。しかしながら、機械式バネ１３２６ａおよび１３２６ｂは、上述のように、任意の好適な場所または複数の場所に提供されてもよく、あるいは全く提供されなくてもよいことが理解されるであろう。
【００７２】
図１５は、本発明のある実施形態による、柱状セルＥＳＤの構造の概略断面図を示す。ＥＳＤ１４５０は、剛性筐体１４３４および１４１８と、機械式バネ１４２６ａおよび１４２６ｂと、電気的絶縁隔離板１４１１と、正の領域１４４４を有する正極活物質電極層１４０４と、負の領域１４４８を有する負極活物質電極層１４０８とを含む。例えば、図１５に示されるように、積層１４２０内の圧力の増加に応答して、バネ１４２６ａ、またはバネ１４２６ｂ、あるいは両方が、積層１４２０内の圧力を低下させるたために、偏向してもよい（例えば、バネ１４２６ａの高さＨ’は、バネ１３２６ａの高さＨ未満であってもよい）。上述のように、積層１４２０内の圧力増加は、例えば、ＥＳＤ１４５０の動作の際、またはＥＳＤ１４５０が休止状態の間の活物質（例えば、正の電極層１４０４および／または負の電極層１４０８）の状態変化により得る。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態では、バネ１４２６ａ／１４２６ｂは、積層１４２０内の圧力増加に応答して、偏向する一方、依然として、積層１４２０の層（すなわち、正および負の電極層１４０４ならびに１４０８と隔離板１４１１）上に好適な圧力を維持し、隣接層間に比較的に密接触を確保するように構成されてもよい。隣接電極間の準最適接触は、例えば、ＥＳＤ１４５０の全体的容量を低減させ、双極ＥＳＤの電極間の空隙層の増加に関連して上述のものに類似する、他の望ましくない効果をもたらし得る。
【００７４】
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６ａ−ｄ、１６、および３６）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、ある実施形態では、相互に接着される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、典型的には、０．０２５から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から１０ミリメートルの厚さであって、例えば、ＥＳＤに対する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、電極における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、平坦金属フィルムまたは箔において任意の好適な基板物質と組み合わせられてもよい。
【００７５】
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電極層（例えば、正電極層４ａ−ｄおよび１４）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）、他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。これによって、例えば、サイクル寿命が延長し、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、かつ再結合を支援するために、Ｎｉ（ＯＨ）２等の活物質ペーストの結合に存在してもよい。
【００７６】
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、負電極層（例えば、負電極層８ａ−ｄおよび３８）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、負の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。
【００７７】
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。
【００７８】
本発明のＥＳＤの各電解質層の隔離板は、その２つの隣接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、かつサイクル寿命を延長させるために、電解質貯留層として作用するように、セルロース超吸収材を含有してもよく、隔離板は、例えば、ポリ吸収性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、通常よりも高間隔から開始し、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。
【００７９】
隔離板は、短絡を低減し、かつ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、そこに取り付けられる再結合剤を有してもよい。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、偏向しない程十分に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。
【００８０】
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。
【００８１】
本発明のＥＳＤの封止剤およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ−ｅ）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生成するために、隣接電極の一部分に接触してもよい。
【００８２】
代替として、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、かつ電解質に不透過性であり得る、Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能である、Ｌｏｃｔｉｔｅ(R)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、それらの間に封止を生成するために、隣接電極の一部分に接触してもよい。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。代替的または付加的に、電極ユニット自体が、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。
【００８３】
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）をそこから漏出させ得る（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、ある閾値を超えて増加する場合）、１つ以上の脆弱点を具備し得る。ある量の流体が漏出する、または内圧が減少すると、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な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。
【００８４】
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ＥＳＤ５０）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ように積層されたＥＳＤ設計により提供され得る、本余地によって、ガスケットとの封止を形成する際に、そうでなければ、より腐食性の電解質により腐食され得る、あるエポキシ樹脂（例えば、Ｊ−Ｂ Ｗｅｌｄエポキシ樹脂）の利用が可能になり得る。
【００８５】
本発明のＥＳＤの硬質停止部（例えば、図６の硬質停止部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。
【００８６】
本発明の機械式バネ（例えば、図３の機械式バネ３２６ａおよび３２６ｂ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、機械式バネは、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、および捩りバネ等の圧縮性バネ、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。
【００８７】
本発明の端部キャップ（例えば、図３の端部キャップ１８および３６参照）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。
【００８８】
本発明のＥＳＤのケースまたは包体、すなわち、動的格納容器（例えば、動的格納容器１４０参照）が提供されてもよく、それらの伝導性基板（例えば、基板１６および３６）またはそれらの付随導線（図示せず）を曝露するために、末端電極ユニット（例えば、ＭＰＵ１２および３２）に封止し得る、任意の好適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、積層された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。
【００８９】
引き続き図５を参照すると、例えば、本発明の双極ＥＳＤ５０は、ＭＰＵ１２および３２と、それらの間の１つ以上のＢＰＵ２ａ−２ｄの積層によって形成される複数のセル区画（例えば、セル区画２２ａ−２２ｅ）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６ａ−６ｄ、１６、および３６）、電極層（例えば、正の層４ａ−ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ−８ｄおよび３８）、電解質層（例えば、層１０ａ−１０ｅ）、およびガスケット（例えば、ガスケット６０ａ−６０ｅ）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り得る。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この変動によって、種々の利点および性能特徴を備えるＥＳＤが生成され得る。
【００９０】
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、セル区画からセル区画の積層の高さに沿って変化してもよい。さらに図５を参照すると、例えば、ＥＳＤ５０の電解質層１０ａ−ｅ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２２ａ−ｅのセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変化し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃ（すなわち、ＥＳＤ５０における５つの区画２２の真ん中のセル区画）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１０ｃ）を含んでもよい一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄ（すなわち、ＥＳＤ５０における末端セル区画に隣接するセル区画）は、第２の電解質からそれぞれ形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層１０ｂおよび１０ｄ）を含んでもよい一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅ（すなわち、ＥＳＤ５０における最も外側のセル区画）は、第３の電解質からそれぞれ形成される電解質層（すなわち、それぞれ、電解質層１０ａおよび１０ｅ）を含んでもよい。内側積層において、より高い伝導性の電解質を使用することによって、発生する熱がより少なくなるように、抵抗が小さくなり得る。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。
【００９１】
別の実施例として、また、ＥＳＤ５０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２２ａ−ｅのセル区画の積層の中心に対する近接性に基づいて変化し得る。例えば、最も内側のセル区画２２ｃは、第１の温度および／または率性能を有する第１の種類の活物質から形成される電極層（すなわち、層８ｂおよび４ｃ）を含んでもよい一方、真ん中のセル区画２２ｂおよび２２ｄは、第２の温度および／または率性能を有する第２の種類の活物質から形成される電極層（すなわち、層８ａ／４ｂおよび層８ｃ／４ｄ）を含んでもよい一方、最も外側のセル区画２２ａおよび２２ｅは、第３の温度および／または率性能を有する第３の活物質から形成される電極層（すなわち、層３８／４ａおよび層８ｄ／１４）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、最も外側のセル区画は、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を具備してもよい。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。 さらに、また、ＥＳＤ５０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化し得る。特定のセル区画内の活物質間の距離の変化に加え、あるセル区画２２ａ−ｅ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で、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余地、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。
【００９２】
ある実施形態では、ＥＳＤ５０の電極層（例えば、図５の正の層４ａ−ｄおよび１４、ならびに負の層８ａ−８ｄおよび３８）の幾何学形状は、基板６ａ−ｄの半径方向長さに沿って変化してもよい。図５に関して、電極層は、均一の厚さであって、電極形状について対称である。ある実施形態では、電極層は、非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化し得る。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。
【００９３】
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。
【００９４】
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するように、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つ以上の穴を有してもよい。代替として、穴、または通路、あるいは穿孔は、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、穴は、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。
【００９５】
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、断面積を有する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。
【００９６】
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るであろう。また、「水平」および「垂直」、「上部」および「底部」および「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は、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限定がこれらの単語の使用によって意図されないことも理解されたい。例えば、本発明のデバイスならびにその個々の較正は、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するものではない。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施されてもよく、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）であって、
複数の双極電極ユニットの積層であって、各電極ユニットは、
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、双極電極ユニットの積層と、
各対の隣接する電極ユニットの間に提供される電解質層と、
該電解質層の各々の周りに配置される可撓性ガスケットであって、該ガスケットは、所定の態様で機械的に変形可能である、ガスケットと
を備える、ＥＳＤ。
【請求項２】
前記可撓性ガスケットは、ＥＳＤの動作の間、前記正極活物質電極層と前記負極活物質電極層との電極間間隔を維持する、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項３】
前記可撓性ガスケットは、前記正極活物質電極層と前記負極活物質電極層との相互に対する移動を最小にする、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項４】
複数のバネをさらに備え、該バネは、前記ＥＳＤ内の圧力の増加に応答して偏向するように構成される、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項５】
各電解質層内に隔離板をさらに備え、該隔離板は、それぞれの正極活物質電極層をそれぞれの負極活物質電極層から電気的に絶縁する、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項６】
前記ガスケットから半径方向外向きに配置される硬質停止部をさらに備える、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項７】
前記硬質停止部は、棚部を有する内側リムを備え、該棚部の上に、前記複数の電極のそれぞれの外側縁が整列させられる、請求項６に記載のＥＳＤ。
【請求項８】
前記内側リム上の棚部は、前記ＥＳＤの隣接する電極間の間隔を設定する、請求項７に記載のＥＳＤ。
【請求項９】
前記硬質停止部は、
複数のスタッドと、
複数のスタッド穴と
をさらに備え、該複数のスタッド穴は、それぞれのスタッドを隣接する硬質停止部上に係合するように適合される、請求項６に記載のＥＳＤ。
【請求項１０】
前記スタッドは、前記スタッド穴に係合することにより、ツールを使用せずに隣接する硬質停止部を整列させるように適合される、請求項９に記載のＥＳＤ。
【請求項１１】
前記複数のスタッドは、前記基板が前記積層アセンブリの積層方向と共線の軸上に中心を置く状態を維持することによって、該基板の基板フランジを前記硬質停止部に整列させる、請求項９に記載のＥＳＤ。
【請求項１２】
前記硬質停止部は、複数の圧縮ボルトのための一組の穴を有する外側リムを備え、該穴は、組み立ての間、電極の積層を整列させ、前記ＥＳＤの動作の間、安定性を提供する、請求項６に記載のＥＳＤ。
【請求項１３】
前記所定の方向が、前記電極の表面に垂直である積層方向である、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１４】
前記所定の方向は、積層方向から半径方向外向きである、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１５】
前記所定の方向は、軸外の方向である、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１６】
前記可撓性ガスケットは、複数の所定の方向を有する、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１７】
前記ガスケットの変形は、前記ＥＳＤ内の圧力を均一化しつつ、最適な電極間間隔を維持することによって、該ＥＳＤの各セル内の内部応力を低減させる、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１８】
エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）であって、その中の電極間間隔が維持される該ＥＳＤは、
複数のセル区画であって、各セル区画は、
第１の活物質電極層を有する第１の伝導性基板と、
第２の活物質電極層を有する第２の伝導性基板と、
該第１と第２の活物質電極層との間に提供される電解質層と
を備える、セル区画と、
複数の硬質停止部であって、各伝導性基板がそれぞれの硬質停止部上に固定して配置されており、該硬質停止部は、該ＥＳＤの該電極間間隔を設定するように構成される、硬質停止部と
を備える、ＥＳＤ。
【請求項１９】
前記ＥＳＤの各端部に提供される整列リングをさらに備え、該整列リングは、複数のボルトのための複数のボルト穴を備え、該ボルトは、前記複数のセル区画の各々を整列させる、請求項１８に記載のＥＳＤ。
【請求項２０】
前記複数のセル区画の各々の電極間間隔は、各セル区画内のそれぞれの第１および第２の活物質電極層に基づいて変化する、請求項１８に記載のＥＳＤ。
【請求項１】
エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）であって、
複数の双極電極ユニットの積層であって、各電極ユニットは、
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、双極電極ユニットの積層と、
各対の隣接する電極ユニットの間に提供される電解質層と、
該電解質層の各々の周りに配置される可撓性ガスケットであって、該ガスケットは、所定の態様で機械的に変形可能である、ガスケットと
を備える、ＥＳＤ。
【請求項２】
前記可撓性ガスケットは、ＥＳＤの動作の間、前記正極活物質電極層と前記負極活物質電極層との電極間間隔を維持する、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項３】
前記可撓性ガスケットは、前記正極活物質電極層と前記負極活物質電極層との相互に対する移動を最小にする、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項４】
複数のバネをさらに備え、該バネは、前記ＥＳＤ内の圧力の増加に応答して偏向するように構成される、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項５】
各電解質層内に隔離板をさらに備え、該隔離板は、それぞれの正極活物質電極層をそれぞれの負極活物質電極層から電気的に絶縁する、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項６】
前記ガスケットから半径方向外向きに配置される硬質停止部をさらに備える、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項７】
前記硬質停止部は、棚部を有する内側リムを備え、該棚部の上に、前記複数の電極のそれぞれの外側縁が整列させられる、請求項６に記載のＥＳＤ。
【請求項８】
前記内側リム上の棚部は、前記ＥＳＤの隣接する電極間の間隔を設定する、請求項７に記載のＥＳＤ。
【請求項９】
前記硬質停止部は、
複数のスタッドと、
複数のスタッド穴と
をさらに備え、該複数のスタッド穴は、それぞれのスタッドを隣接する硬質停止部上に係合するように適合される、請求項６に記載のＥＳＤ。
【請求項１０】
前記スタッドは、前記スタッド穴に係合することにより、ツールを使用せずに隣接する硬質停止部を整列させるように適合される、請求項９に記載のＥＳＤ。
【請求項１１】
前記複数のスタッドは、前記基板が前記積層アセンブリの積層方向と共線の軸上に中心を置く状態を維持することによって、該基板の基板フランジを前記硬質停止部に整列させる、請求項９に記載のＥＳＤ。
【請求項１２】
前記硬質停止部は、複数の圧縮ボルトのための一組の穴を有する外側リムを備え、該穴は、組み立ての間、電極の積層を整列させ、前記ＥＳＤの動作の間、安定性を提供する、請求項６に記載のＥＳＤ。
【請求項１３】
前記所定の方向が、前記電極の表面に垂直である積層方向である、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１４】
前記所定の方向は、積層方向から半径方向外向きである、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１５】
前記所定の方向は、軸外の方向である、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１６】
前記可撓性ガスケットは、複数の所定の方向を有する、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１７】
前記ガスケットの変形は、前記ＥＳＤ内の圧力を均一化しつつ、最適な電極間間隔を維持することによって、該ＥＳＤの各セル内の内部応力を低減させる、請求項１に記載のＥＳＤ。
【請求項１８】
エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＤ）であって、その中の電極間間隔が維持される該ＥＳＤは、
複数のセル区画であって、各セル区画は、
第１の活物質電極層を有する第１の伝導性基板と、
第２の活物質電極層を有する第２の伝導性基板と、
該第１と第２の活物質電極層との間に提供される電解質層と
を備える、セル区画と、
複数の硬質停止部であって、各伝導性基板がそれぞれの硬質停止部上に固定して配置されており、該硬質停止部は、該ＥＳＤの該電極間間隔を設定するように構成される、硬質停止部と
を備える、ＥＳＤ。
【請求項１９】
前記ＥＳＤの各端部に提供される整列リングをさらに備え、該整列リングは、複数のボルトのための複数のボルト穴を備え、該ボルトは、前記複数のセル区画の各々を整列させる、請求項１８に記載のＥＳＤ。
【請求項２０】
前記複数のセル区画の各々の電極間間隔は、各セル区画内のそれぞれの第１および第２の活物質電極層に基づいて変化する、請求項１８に記載のＥＳＤ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２０１２−５１６５４１（Ｐ２０１２−５１６５４１Ａ）
【公表日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４７９７５（Ｐ２０１１−５４７９７５）
【出願日】平成２２年１月２７日（２０１０．１．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０００２３５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０８７９６３
【国際公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（５１０１１３５５３）ジー４ シナジェティクス， インコーポレイテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２７日（２０１０．１．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０００２３５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０８７９６３
【国際公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（５１０１１３５５３）ジー４ シナジェティクス， インコーポレイテッド (7)
【Ｆターム（参考）】
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