電池セル設計およびその組立方法
幾つかの具体例において、電池セルは、セパレータ膜により分離されたアノードシートとカソードシートとを有するアセンブリを含み、それぞれのシートは電流コレクタ上の電気活性層を有する。電流コレクタの少なくとも１つは、アノードシートとカソードシートの少なくとも１つから延びた導電性タブと電気的に接続され、導電性タブは、螺旋状に巻かれたアセンブリの端面から延びる。加えて、セルは、同軸上に配置された外方部材と内方部材とを有する第１タブ絶縁体を含み、外方部材と内方部材は、複数の導電性タブの１つまたはそれ以上が通る少なくとも１つのスロットを有する。内方部材と外方部材は、第１タブ絶縁体の外方部材および内方部材の上の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向について調整可能である。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、参照することによりその全体がここに含まれる、２００７年７月２４日に出願した米国仮出願６０／９５１，５７１に基づき優先権を主張する。本願は、また、２００６年９月５日出願の米国特許出願１１／５１５，５９７、２００５年９月２日出願の米国特許出願６０／７１４，１７１、および２００７年５月１４日出願の米国特許出願１１／７４８，２８６に関連し、これらの全ては「電池セル設計およびその建造方法」というタイトルであり、参照することによりその全体がここに含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、電気化学電池セルに関する。特に、本発明は、小型で丈夫な多機能で製造性の高い再充電可能な電池セルに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気化学電池セルの製造を容易にするために、電流収集タブは、しばしば、最終のセルの形状に必要とされるより長く形成される。このため、タブはしばしば一連の計画的な曲げを通してそれらの最終位置に形成される。製造プロセスの固有のバラツキの結果、タブの曲げは望まない力を与え、タブ材料が異極性の電極と接触し、短絡や機能しない製品の原因となる。短絡は、また、電池の寿命中の、電池サイクル、機械的衝撃、および／または振動負荷によるタブの移動によって発生しうる。短絡を避けるために、１またはそれ以上のタブが通る１またはそれ以上の孔を有するタブ絶縁体を用いても良い。しかしながら、タブの相対位置は十分にばらつき、複数のタブを収容でき、働くセルに容易に組み込むことができる絶縁体は、特に、４つまたはそれ以上のタブを収容する場合には、作製が困難である。接着剤が付けられたポリイミド材料でそれぞれのタブを覆い、電池セル上の追加のストライプ状ポリイミドテープを用いてセルとの接触を防止することも可能である。しかしながら、現在知られているポリイミドテープ接着剤は、熱やリチウムイオン電解液に晒されることにより軟化する。これにより、機械的衝撃や振動負荷の間に、テープは、タブ上の保護位置から移動してしまう。
【０００４】
従来の円柱および角柱の電池の、それらの及び他の制限に対する改良が望まれる。
【発明の概要】
【０００５】
１またはそれ以上の具体例では、電気化学セルはアセンブリを含み、これは円筒形の螺旋状にねじれたアセンブリでも良く、セパレータ部材で分離されたアノードソートとカソードシードとを有し、カソードシートは第１電流コレクタ上の第１電気活性層を有し、アノードシートは第２電流コレクタ上の第２電気活性層を有し、螺旋状に巻かれたアセンブリは円柱状側壁と対向する端面を有する。セルは、また、少なくともアノードシートとカソードシートの少なくとも一方から延びた導電性タブを含んでも良く、タブは螺旋状にねじれたアセンブリの端部表面から延びて、第１電流コレクタと第２電流コレクタの少なくとも一方と電気的に接続する。加えて、セルは、同軸に配置された外方部材および内方部材を有する第１タブ絶縁体を含んでも良く、外方部材および内方部材のそれぞれは、複数の導電性タブの１つ又はそれ以上が通る少なくとも１つのスロットを有する。外方部材および内方部材は、第１タブ絶縁体の外方部材および内方部材の上の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向に関して調整可能である。
【０００６】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材および／または内方部材の上のスロットはアーチ形状である。１の具体例では、少なくとも１つのスロットは、約９０度の角度距離（angular span）を有する。
【０００７】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材は、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する。
【０００８】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材と内方部材の少なくとも一方は、複数の導電性タブの少なくとも１つを容易に曲げるための、リブ形状の突出部を有する。
【０００９】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材と内方部材の少なくとも一方は、内方部材を外方部材に入れ子状に重ねるための、１またはそれ以上のリッジを有する。
【００１０】
１またはそれ以上の具体例では、導電性タブは、４から１２のタブを含む。
【００１１】
１またはそれ以上の具体例では、第１電流コレクタはカソードシートから延びた第１の複数の導電性タブと電気的に接続され、第２電流コレクタはアノードシートから延びた第２の複数の導電性タブと電気的に接続される。第１の複数の導電性タブと、第２の複数の導電性タブとは、螺旋状に巻かれたアセンブリの対向する端面から延びる。１の具体例では、電池は更に第２タブ絶縁体を含み、第１タブ絶縁体と第２タブ絶縁体は、螺旋状にねじれたアセンブリの対向する面に配置される。
【００１２】
１またはそれ以上の具体例では、内方部材と外方部材の一方は、部材の中心に対して反対側に配置された少なくとも２つのスロットを有する。
【００１３】
１またはそれ以上の具体例では、電気化学セルの製造方法が含まれる。この方法は、第１電流コレクタ上の第１電気活性層を含む正電極と、第２電流コレクタ上の第２電気活性層を含む負電極との間にセパレータ部材を挿入し、多層アセンブリを形成する工程を含み、それぞれの電流コレクタは、電流コレクタに電気的に接続し、電流コレクタから外方に延びた複数の導電性タブを有し、正電極のタブと負電極のタブは多層アセンブリの反対側にある。この方法は、更に、多層アセンブリを螺旋状に巻く工程と、外方部材と内方部材を有する第１タブ絶縁体のスロットを通って、選択された電流コレクタのタブを取り付ける工程とを含み、第１絶縁体は、外方部材および内方部材の相対的な角度方向について調整可能である。加えて、この方法は、選択された電流コレクタのタブを、螺旋状にねじられたアセンブリに中心に向かって折りたたみ、中心軸でタブを互いに交差させる工程と、タブの交差を越える点で、選択された電流コレクタの重なったタブを集める工程と、選択された電流コレクタの選択されたタブを接続ストラップに固定する工程を含む。
【００１４】
１またはそれ以上の具体例では、電池セルで使用されるタブ絶縁体は、同軸状に配置された外方部材および内方部材を含んでも良く、それぞれの部材は、１またはそれ以上の電池の導電性タブが通ることができる、１またはそれ以上のスロットを有する。内方部材および外方部材は、内方部材および外方部材の相対的な角度方向にについて調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明は、以下の図面を参照しながら説明される。これらの図面は図示目的でのみ提供され、本発明の全ての範囲は、請求の範囲により示される。
【００１６】
【図１】本発明の１またはそれ以上の具体例に使用される、例示的な電池セルの内部構成を示す分解図である。
【図２】例示的な組み立てられた電池セルの断面図である。
【図３】圧力開放口とインターフェイス端子を示す正極（カソード）端キャップを示す。
【図４Ａ】負極（アノード）端キャップアセンブリに使用される構成の分解図を示す。
【図４Ｂ】組み立てられた負極端キャップの断面図を示す。
【図４Ｃ】固定後の組み立てられた正極端キャップの斜視図を示す。
【図５Ａ】電池活性化後の、金属プラグとプラスチックシールを有する負極端キャップ中の充填孔の封止の斜視図を示す。
【図５Ｂ】電池活性化後の、金属プラグとプラスチックシールを有する負極端キャップ中の充填孔の封止の断面拡大図を示す。
【図６Ａ】タブを有する電極シートの平面図である。
【図６Ｂ】タブを有する電極シートの拡大平面図である。
【図７Ａ】９０度四分円形内のコレクタタブの例示的な位置を示す電池缶の上面図を示す。
【図７Ｂ】本発明の１またはそれ以上の具体例にかかる一連の電池セル設計の図を示し、電流収集タブの位置と曲げを示す。
【図８】それぞれの端子への電流拡張タブの取り付けを示す。
【図９】約４０００回／秒のパルスのモータの、電流と時間のプロットである。
【図１０Ａ】螺旋状に巻かれた電極の、巻かれた端面から見た場合の、例示的な円筒状に巻かれた電池中の、タブの位置と電流の流れを示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す円筒状にねじられた電池の巻いていない電極の平面図である。
【図１１Ａ】螺旋状に巻かれた電極の巻かれた端面から見た場合の、他の例示的な円筒状に巻かれた電池中の、タブの位置と電流の流れを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示す円筒状に巻かれた電池の巻いていない電極の平面図である。
【図１２】高インダクタンス電池の電圧と電流波形を示す。
【図１３】低インダクタンス電池の電圧と電流波形を示す。
【図１４】本発明の１またはそれ以上の具体例にかかる２つの部材を有するタブ絶縁体を示す。
【図１５】図１４に示す絶縁体の上面図であり、２つの部材が同軸状に配置されている。
【図１６】本発明の他の具体例にかかるタブ絶縁体設計を示す。
【図１７】タブライザと円筒形の側壁を有するタブ絶縁体の部材の斜視図である。
【図１８】タブ絶縁体の２つの部材の斜視図であり、１の部材は、組立後に、２つの部材を確実に同軸状に配置するためのリッジを有する。
【詳細な説明】
【００１７】
本発明の具体例は、電池セル上で使用され、電流収集タブが異極性の電極に接触するのを防止できるタブ絶縁体を提供する。電池セルの例示的な具体例が図１〜１３に示される。図１４〜１８は、本発明の１又はそれ以上の具体例にかかるタブ絶縁体を示す。幾つかの具体例にかかるタブ絶縁体は、図１〜１３に記載された例示の電池セルと関連して記載されるが、本発明の１又はそれ以上の具体例は、他の適した電池セルでも使用できることを理解すべきである。
【００１８】
電池セルは、上部および下部の溶接された端キャップを含む。セルの第１のパッキング（缶およびキャップ）は、アルミニウム合金から形成される。溶接されたシールは、一般にはレーザー溶接で形成され、または選択的に、超音波溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接のような他の金属接続方法で形成される。二重に溶接された（上端および下端）容器の端キャップは、缶壁より厚く、即ち、端キャップは缶壁より約５０％厚くても良い。厚さの違いは、深絞りのような他の手段によっても達成される。二重に溶接された電池パッキング缶は、丸めた封止や一重の溶接の電池に比較して十分に大きなセル体積となる。加えて、厚い端キャップは、例えば、押しつぶしに対するセルの機械的な構造安定性を改良する。セルの設計に組み込まれる追加のセルの修正は、二重の溶接パッキングの使用を許容し、これはそうでなければ可能ではなく、または従来の電池セル設計が便利である。
【００１９】
電池セルパッケージの設計は、軽量で非常にコンパクトなアルミニウムハウジングを用い、一般にはＡｌ３００３Ｈ１４のようなアルミニウム合金である。アルミニウムおよびアルミニウム合金は、構造における高い比弾性と高い比剛性と、高い強度重量比を提供する。アルミニウムは、Ｌｉイオンセルのカソード電位において安定である。電池設計の多くの特長が、図１の分解図に示される。電池設計は、正極端キャップ（１）、カソード拡張タブ（２）、絶縁ディスク（３）、円筒状の管（４）、負極端キャップ（５）、アノード電流収集タブ（６）、カソード電流収集タブ（７）、および中間活性カソードおよびアノード材料（電極）（８ａおよび８ｂ）を含む。例示的な具体例では、円筒形の管について検討するが、他の形状や外部形状を用いても良い。正極端キャップ（１）は、電池のための正極電池端子、並びにセルのベントメカニズムの双方を含む。カソード拡張タブ（２）は、カソード電流収集タブ（７）と電池の外部正極端子（１）との間の電気的接続として働く。絶縁性ディスク（３）は、電流収集タブがそこを通って延びるスロット（３ａ）を含む。絶縁性ディスク（３）はカソード電流収集タブ（７）とカソード拡張タブ（２）が、内部の活性なカソード材料とアノード材料（８ａおよび８ｂ）と短絡するのを防止する。円筒形の管（４）は電池パッケージの主なハウジングとして働く。
【００２０】
組立中に、溶接およびクリンプの接続が使用され、拡張タブ（２）と負極端キャップ（５）に見られる組み込まれた拡張タブ（５ａ）とを介して、電流収集タブ（６）、（７）の双方の組と、端キャップ（５）（１）の双方がそれぞれ接続される。双方の端キャップは管（４）に溶接され、円筒状のセルを形成する。負極端キャップ（５）は、セルの負極電池端子と、（後の詳細に検討する）セルの充填孔の双方を含み、それらの双方は、同じ内部体積と外部空間に分かれ、セルの中心に対称に置かれる。負極端キャップ（５）は、アノード電流収集タブ（６）と、負極端キャップ（５）の上に配置されたセルの外部負極端子の間を電気的に接続するために、組み込まれた拡張タブ（５ａ）を有する。スロット（３ａ）を有する絶縁性ディスク（３）も、アノードにおいて、アノード電流収集タブ（６）とアノード拡張タブ（５ａ）との短絡を防止するために使用される。
【００２１】
図１の設計特性が組み込まれた、組み立てられたセルが、図２に断面が示され、同じ要素は同様に表示されている。また、表示は、電極（８ａ、８ｂ）の間のセパレータ層またはセパレータ部材（８’）である。一旦、組み立てると、セルは、容量分析で効率的なパッケージにおいて、製造と顧客の双方のインターフェイスに対して、好適な特性を持つ。これは、セルの内部の大部分が、活性材料のために使用されることを許容し、セルの、体積に対するエネルギ蓄積容量比を大きく改良する。
【００２２】
セルの、個々の構成要素と特長について述べる。
【００２３】
負極端キャップ（１）は、図３に示すように、人工的なベントスコア（vent score）（１０）と、ニッケルインターフェイス端子（９）を含む。人工的なベントスコアは、予め決められた内部圧力で開き、必要であれば大量の気体と材料をセルから出す。ベントは、正極端キャップの周囲近傍に配置された環状の溝であり、端キャップの周囲とニッケル端子との間に配置される。溝は、端キャップの内部または外部表面、または双方に配置しても良い。１またはそれ以上の具体例では、溝は、端キャップ内部おのび外部の双方の表面に配置される。溝は、互いに対向し、または互いにオフセットとなっても良い。溝は、所定の圧力で破壊するように設計された、端キャップ中の薄い半径部分を提供する。環状の溝は、約１５０度から完全な３６０度の範囲、または約１８０度から約３００度の範囲で、端キャップ上に円弧を形成する。実際の円弧の長さは、セルの大きさに依存する。円弧の長さは、破裂した時に端キャップが蝶番状に動き、破裂した端キャップが電池缶から分断されないとともに、明確な蝶番無しに約全３６０度まで円弧となるように選択されても良い。環状の溝の更なる長所は、端キャップを電池ボディに溶接する時に、端子を熱的に絶縁することである。溝は、スタンピング（stamping）、スコアリング（scoring）等の従来の方法で導入される。
【００２４】
ニッケルインターフェイス端子（９）は、低抵抗、低腐食の耐性電池端子であるとともに、電池を集団に接続するための溶接可能なインターフェイスを提供する。ニッケル板は、一般に、約７５μｍから約１２５μｍまでの範囲の厚さを有する。より厚い端子板は、高パワーの電池に特に適している。１またはそれ以上の具体例ではカソードキャップのボディはアルミニウムであり、例えば電池管と同じアルミニウム合金である。１またはそれ以上の具体例では、カソードキャップはその外側表面にニッケル層がめっきされても良い。ニッケルインターフェイス端子は、カソードキャップに抵抗（スポット）溶接されて機械的に強固なインターフェイスが形成されるか、ニッケルメッキ層にリフロー半田されて２つの部分の間に電気的に強固なインターフェイスが形成され、または双方でも良い。他の溶接および半田技術、例えば超音波溶接または導電性接着剤が用いられても良い。適した半田は、電池の最大使用温度より高い融点を有する半田を含む。Ｎｉ端子とＡｌカソードキャップの間のこの接合技術は、電池産業において独特である。
【００２５】
圧力ベントは、端キャップ表面の周辺領域を占め、ニッケル端子の位置や固定を邪魔しない。ニッケル端子の断面積は、非常に広く、端キャップ表面の大きな部分を占める。これは、セルのインピーダンスを減らし、パック組立中にセルとセルの溶接能力を提供する。
【００２６】
図４Ａ〜図４Ｃは、中央に配置された充填孔（４０）を含む負極端キャップ（５）を示す。充填孔は、一旦、組み立てられたセルを活性化するために使用され、少なくとも一部において、パワー端子を作る中空のボアリベット（bore rivet）により形成される。負極端キャップの中央位置の、充填孔とパワー端子の双方としての使用は、効果的に空間が使用でき、電池の操作を妨げない。充填孔（４０）は端キャップ表面の中央に配置される。中央に配置された充填孔は、孔の中に取り付けられ、セルの内部に接続される導入口を提供する。電解液（electrolyte）はこの導入口を通って活性化中に導入される。
【００２７】
負極端キャップは、図４Ａの分解図に記載したような成分である構成要素を組み立てて形成される。上部ガスケット（４４）は端キャップボディ（４３）中に配置され、端キャップボディはガスケットを受ける凹部を含んでも良い。パワー端子（４５）として与えられる中空のボアリベットは、上部ガスケット（４４）中に組み立てられる。リベット（４５）のステム（４５ａ）は、上部ガスケット（４４）と端キャップボディ（４３）の双方の中央開口部を通って延びる。アセンブリはひっくり返され、シールガスケット（４７）がガスケット（４４）の上に挿入され、ボディ（４３）の上に配置される。下部ガスケット（４２）、シールガスケット（４７）、およびリベットバッキングディスク（４６）が組み立てられ、図４Ａのように配置される。拡張タブ（４１）がリベット（４５）のステム上に挿入される。クリンピング前の組み立てられたままの構成要素が、図４Ｂに示される。
【００２８】
リベット（４５）は、良好な耐腐食性と良好な溶接性の双方のために、Ｎｉめっき鋼でも良く、セルのパワー端子となる。リベットの平坦な頭部は、端キャップの外部表面の一部の上に延びて、中空のステム（４５ａ）はセルの内部に延びる。これはまた、その中央を通り、シールを助けるための人工的な棚部と、対称な形状と、空間を分けて電池端子と充填孔との間で対称にするためにリベットステムを中央に配置する充填孔を含む。拡張タブ（４１）は、パワー端子（４５）をセルの内部活性アノード材料に接続する。下方ガスケット（４２）は、拡張タブ（４１）が、異なる電位にある端キャップボディ（４３）に接触するのを防止する。ボディ（４３）は、電池管（図示せず）またはセルの主ボディに、これらには限定されないクランピングや溶接のような上述の方法を含み多くの方法を用いて密封シールされる。上部ガスケット（４４）は、パワー端子（４５）を、異なる電位にある端キャップボディ（４３）から絶縁する。リベットバッキングディスク（４６）は、ボディ（４３）の上で、強固なプレスリベットのクランプ力の形成を助ける。シールガスケット（４７）は、プレスリベットの下で強固なシールの達成を助ける
【００２９】
全体のアセンブリは、図４Ｃに示すように、リベット（４５）のステムをプレスして変形させることで、互いにクリンプして、全ての部分を互いに押し込んでプレスリベット（４８）を形成し、拡張タブ（４１）とパワー端子（４５）との間で良好な電気的接続を形成する。
【００３０】
端キャップがセルの管に溶接された後、パワー端子（４５）中の孔を通って電解液が充填されてセルが活性化される。図５Ａおよび図５Ｂを見ると、充填孔（４０）は、充填孔プラグシール（５０）（例えば、高温プラスチックシール）と充填孔プラグ（５１）、例えば変形可能な金属インサートのような変形可能なインサート、の手段により密封シールされる。端キャップが管にシールされ、セルが電解液で活性化される前に、充填孔シール（５０）は充填孔開口部中にプレスされる。充填孔プラグ（５１）は、続いて同じ充填孔中にプレスされ、拡張し、クランプし、そしてリベット（４５）の人工的な棚部に向かってシール（５０）を保持し、充填孔のように密封シールが達成される。
【００３１】
セルの内部活性材料は、２つの電極、カソードとアノードを含む。電池セルのインピーダンスの一因は、活性セル材料（アノードおよびカソード）と拡張セルターミナルとの間の電流輸送パスの不足である。全てのセルインピーダンスが、より多くの電流キャリアまたは「タブ」を用いることで、電極に対して１または２つのタブがある設計の、従来の円筒状（巻き付けたアセンブリ）セルに比較して、十分に低くなることが、驚くべきことに発見された。本発明の１またはそれ以上の具体例では、複数のタブが、拡張タブを呼び出すセルのいずれかの側面のより大きな電流コレクタに接続され、次にセルの電池端子のそれぞれに接続される。１またはそれ以上の具体例では、電極は、約４から約１２のタブを含み、例えば４つのタブを含む。他の具体例では、電極は、電極の２００ｃｍ２の面積につき１つのタブを含む。ハイパワー電池セルは、ローパワーセルに比べて、高密度のタブ密度を必要とする。
【００３２】
このセル設計中の電極は、複数の、例えば４から１２の、電流収集タブを使用し、それぞれの活性材料、例えばカソードおよびアノードから電池端子に電流を導く。図６Ａは、例示の電極シート（６０）を示す。電極シート（６０）は、不可欠の電流収集基板（６６）と、電流収集基板に電気的に接続された電気活性な材料の層（６７）とを含む。電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）は、電極のエッジ部（６８）から延びる。
【００３３】
タブ電極は、続いて電気化学セル中に組織化される。例えば２つのセパレータシートのような、セパレータシートが、カソードとアノードソートの間に配置され、カソードとアノードのタブは、アセンブリの反対側に配置される。多層アセンブリは、螺旋状に巻かれて、ジェリーロール（jellyroll）として知られた螺旋状の電気化学アセンブリを形成する。拡張タブ（６）、（７）を備えたジェリーロールは、図１に示される。
【００３４】
タブは異なる長さでも良く、巻かれた時のジェリーロールの中心からの距離を反映する。タブの長さは、ジェリーロールを巻く前または巻いた後に調整できる。タブ状の電極を形成するために、電気活性な材料の一部が電極のエッジから除去され、図６Ｂに示すように（縮尺通りには記載されていない）、電気コンタクトのためのきれいな表面を形成する。タブは、例えば溶接、リベット、クリンプ、または他の類似の技術で、電極の露出させた部分に電気的に接続される。コンタクト表面を洗浄し、コレクタを取り付ける例示的な方法は、「溶剤の存在下での、被覆された電極の除去を加速するための加熱された塩基の使用」という名称の、２００６年５月１２日出願の米国特許出願６０／７９９，８９４に記載されており、この内容は参照されることにより本願に含まれる。タブは続いて非反応性テープ（６５）により覆われ、このテープは露出した金属タブを覆い、セル化学物質との望まない化学反応を防止する。テープは電極の上に横たわるタブの部分を覆い、露出したまま残る下層の電極の、いくらか又は全てを覆っても良い。即ち、活性電極層または電流収集タブのいずれによっても覆われない。電極から外に延びる少なきともタブの一部は、テープにより覆われない。
【００３５】
テープの追加によるセルのインピーダンスの低減を最大にするために、それらの４つのタブは２つの電極の長さのそれぞれに沿って均等な間隔で配置され、例えば、可能ならば電極長さの１／８番目、３／８番目、５／８番目、および７／８番目の近傍に配置され、これにより、電流収集タブと電池端子に到達するために、電流が電極を流れる距離が最小となる。電極中を流れる距離を最小にすることで、内部抵抗が最小になる。１またはそれ以上の具体例では、従来の電池で、タブの数が１から４またはそれ以上、例えば約１２まで増加するにつれて、抵抗の十分な低下が観察される。これより多くタブの数が増加すると、抵抗の低下の改良が低減することが観察される。おおよそ４つのタブが意図される。一旦、共に巻かれると、ジェリーロールは、図１に示すように、それぞれの端部から突出したそれぞれの４つ（又は他の数）のタブを有する。図７Ａおよび図７Ｂに示すようにそれらのタブはまとめられ、外部端子に接続される。セルタブ設計は、容量分析的効率、製造および機械的な強固方法で、全てのタブを制御および支配するように提供される。
【００３６】
タブ設計の１つの形態では、ジェリーロールを形成する材料の厚さが制御される。それぞれの材料（アノード電極、カソード電極、およびセパレータ）は、ほぼ同じ厚さである。これにより、それらの材料がどのように螺旋状にジェリーロールに巻かれるかが、巻く回数や最終直径を含み、形づくり、信頼性をもって正確に予想できる。これにより、ジェリーロール中のタブの正確な位置がわかる。
【００３７】
他のタブ設計の形態では、電極上のタブ位置は、ジェリーロールに巻かれる前に選択される、タブはそれぞれの電極の長さに沿って、例えば４タブ設計では、１／８番目、３／８番目、５／８番目、および７／８番目の電気的に最適化された接続の近傍で、電極がジェリーロールに巻かれた後に配置されると予想できる位置に、配置される。例えば１つの電極の４つのタブが、互いに、ジェリーロールの上部表面の予め選択された領域内に、互いに整列するように、タブ位置は選択される。例えばカソードシート上に、ジェリーロールに組み立てられた場合に、カソードシートの４つのタブが、ロール表面の選択された領域で、ジェリーロールの表面から突出するように、４つのタブは配置される。１またはそれ以上の具体例では、タブは、螺旋状に巻かれた電極アセンブリの巻かれた端部表面上で、９０度の四分円またはより広い円内、例えば１５０度の円内に整列される。例えば、９０度の四分円の領域は、タブ幅を説明するために、それぞれのタブの中心線から測定される。幾つかの具体例では、タブは、おおよそ１４０度の円弧ウインドウ内に配置される。この配置は、４つ（またはそれ以上）のタブのそれぞれに組を制御し、支配するのを助ける。９０度の四分円中の、タブの例示的な整列が、図７Ａに示される。選択された領域（例えば、９０度の四分円）内にタブを整列させることで、ジェリーロールの製造コストが低減できる。
【００３８】
タブ設計の第３の形態は、図７Ｂに示すように、適切なタブ長さとタブ曲げの選択である。これは、どのように４つのタブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）が支配され、電池端子に接続されるかである。図７Ｂの工程１は、電池の巻かれた上部面と、ジェリーロールの面から突出した４つのタブの位置を示す。絶縁性ディスク（３）は、ジェリーロールの端部上に配置され、タブは、絶縁性ディスクのスロットを通って挿入される。絶縁性ディスクは、ジェリーロールからそれぞれのタブを絶縁する。最初に、４つのタブが、絶縁性ディスク（３）の上で、ジェリーロールの中心軸（図７Ｂ中に「＋」で表示）に向かって曲げられ、結果は、ジェリーロールの面上に、約１４０度までの領域で、タブのスタックが扇型に拡がった。先に述べたように、タブ長さは様々である。１またはそれ以上の具体例では、中心軸に最も近いタブ、例えばタブ（６４）は最も短く、中心軸から最も遠いタブ、例えばタブ（６１）は最も長い。ジェリーロールの中心に最も近いタブは、他の残りのタブより短い長さに切断され、それぞれの次の外方に配置されたタブは、先の内部のタブより長い。結果は、図７の工程２に示すように、全ての４つのタブが折り曲げられた場合、それらの端部は、ジェリーロールの軸から同じ距離に配置される。一旦タブがすべて平坦に横たわれば、それらは、セルが仕上げられた位置に配置される。しかしながら、それらは、最初に、電池の端子拡張タブに接続されなければならない。これを達成するために、図７の工程３に示すように、すべては互いにジェリーロールの面に対して約９０度の角度に曲げられ、ジェリーロールの軸において、これと平行となる。これは、４つのタブを１つにまとめ、電池端子の拡張タブに容易に溶接できる。
【００３９】
タブ設計の第４の形態は、電池拡張タブを、４つの電極タブに接続することである。１の設計では、これは、超音波溶接で達成できるが、また抵抗溶接または他の金属接合技術も、容易に適用できる。１の具体例では、拡張タブは、最初に、４つの電極タブ上で溶接がそれらを止めるようにたたまれるが、しかしながら、それらの構成要素を接続する他の手段も存在する。厚い拡張タブは、より薄い電極を、溶接から保護するように保護する。より厚い拡張タブは、より薄い電極タブを溶接によりダメージから保護する。接合は、４つの電極が拡張タブとともに、平坦に曲げられて達成され、非常に容量分析効率の良いセル設計を達成する。一旦、タブが溶接され平坦に曲げられれば、セル端キャップは管に溶接され、タブを扱うための空間は非常に小さくなり、追加のセルエネルギ容量として使用できる。これは図８に示される。
【００４０】
タブ設計の第５の具体例は、パルスパワー応用での誘導磁場を低減するための、螺旋状アセンブリに沿ったタブの位置である。例えばパルス応用のように、毎秒複数回、電池からの電流を横切るようなシステムで使用される電池の内部にあるインダクタンスは、システムにおけるパワー損失を増加させ、これにより高い内部デバイスも加熱と電池駆動時間の減少を招くことが発見された。電池は、例えば、内部エネルギ蓄積媒体と外部負荷との間で電流を運ぶ電極シートのような導体からなる。電池のインダクタンスは、電池中の電流がそこを通って流れる導体の寸法、形状、および／または数の結果である。これらの配置は、電流変化による導体回りの電磁場に影響する。導体の周辺で誘起される電磁場のエネルギがより大きくなれば、導体を通って計測されるインダクタンスがより大きくなる。逆に、導体がより大きなインダクタンスを示す場合は、電池にまたは電池からモータのような負荷との間で電流が流れると、より大きな電磁場エネルギがそれらの周囲に蓄積されている。
【００４１】
様々な速度のドリルや他の道具での応用では、モータは、１秒間に多くの回数、パルスされる。これは、電気スイッチを用いて、電流がモータ中に流され、次にオフされることを意味する。図９は、例示のモータ（例えばパワーツール）で毎秒約４０００回、どのように電流がパルスされるかを示す。電流を表すトレースは、上昇し、次に急速に低下する。パワーツールのモータコントローラは、毎秒数千回、電流をオンおよびオフする。モータに電流を流す導体周辺の磁場は、電流が流れる時間だけ存在する。電流がゼロのなった時に、それもゼロになる。問題はこの磁場エネルギが、熱のような他の形のエネルギに変換されることである。
【００４２】
モータコントローラが電池からの電流をオフにする場合、導体のスイッチが開いた場合であっても、導体周辺の磁場は電流が続くように発生する。この電流は、一般に抵抗のような消散的な要素で、熱として消散する。このさまよった磁場エネルギを吸収するために設計された回路は、しばしばスナッバ（snubber）と呼ばれ、エネルギ源からの電流を急に遮断するパワー回路で一般に見られる。エネルギ源にインダクタンスを含むパワー回路のインダクタンスが大きくなるほど、スナッバにより消散されるのに必要なエネルギも大きくなる。この消散されたエネルギは、モータ速度制御回路中で生じる熱の原因である。スナッバが回路中に設けられなければ、他のパワースイッチング回路要素のようなどこかでエネルギは消散される。この場合、エネルギは消散されて熱に変換されて、負荷システムのスイッチングコントローラ内部に向かう。コントローラでどれだけエネルギが消散されるかを決める他の要因は、それによって何回電流が中断されるかである。この蓄積された磁場エネルギが磁場エネルギから熱エネルギに、より多くの回数変換されると、モータ速度制御回路の中でのより高い温度が見られる。
【００４３】
それゆえに、より低いインダクタンスを有する電池は、電池からモータや他の負荷への電流を切り替えるスイッチングコントローラにより消散する熱を少なくする。そのような応用は、これらに限定されない速度変調パワーツール、シェイバ、遠隔制御モデル車、人や材料輸送のための電気推進システム、中断されないパワーシステム、および他のエネルギ源、即ち電池からの電流を制御するために電力供給デバイスのスイッチングを行うデバイスを含む。
【００４４】
それぞれの電極上の複数のタブの適した配置（例えば、４〜１２のタブの配置）は、それぞれの電極の１つの端部での１つのタブの配置より、セルのレジスタンスとインダクタンスを十分に低減できることが見出された。１またはそれ以上の具体例では、コレクタタブは、隣り合う誘導電流のループが、反対の方向に流れるように配置される。タブは、電極シートのリーディングエッジから所定の距離に配置され、その後に、電極シートの長さ方向に沿って均等に配置される。幾つかの具体例では、電極は、１〜１２の導電タブを含む。２つの電極は、異なる数のタブを有する。例えば、１の電極は、４つのタブを有し、他の電極は２つのタブを有する。図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して以下でより詳細に述べるように、電極のリーディングエッジから離れた第１タブの配置は、誘導電流の所望の低減を行い、これにより誘導磁場を低減させる。
【００４５】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、従来の巻かれたセルのタブ位置と電流を示す。図１０Ａは、巻かれた端部から巻かれた電極を見た図である。図１０Ｂは、従来の円筒状に巻かれたセルの巻かれていない電極の平面図である。この巻かれたセルでは、１つのタブ１０００は、電極の端部に配置され、電流は１０１０の方向に流れる。セルが蓄電または放電される場合、電流は電極に沿って流れ、タブ１０００から電極の長さに沿って下方に移動する。図１０Ａに示すように電極が巻かれた場合、電極に沿った電流は、反時計回りの方向１０１０に流れる。これにより、電極はコイルとして働き、コイルを流れる電流は、よく知られた「右手の法則」により、コイルの軸に沿って磁場を誘起する。これにより、巻かれたセルで比較的大きなインダクタンスとなる。アノードシートとカソードシートがこの従来の配置に従って円筒状のジェリーロールに巻かれた場合、２つのコイルが形成される。
【００４６】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の１またはそれ以上の具体例にかかる巻かれた電池の、タブ位置および電流を示す。図１１Ａは、巻かれた端部から巻かれた電極を見た図である。図１１Ｂは、巻かれた電池の巻かれていない電極の平面図である。このように、複数のタブ１１００は電極に沿って配置され、それぞれの最も近いタブの位置に依存して、双方の方向（電極が巻かれた場合の、反時計回り１１４０および時計回り１１２０）に電流が流れる。幾つかの具体例では、タブ１１００は、電極の長さに沿って、均等な間隔で配置される。タブ１１００は、また、電極のリーディングエッジから距離１１６０で配置されてもよい。距離１１６０は、隣接するタブの間の間隔の約２分の１として選択される。それらの配置は、誘導電流（例えばループ）がジェリーロールの異なる層で、互いに反対に流れるようにする。この結果、電流の誘導磁場は実質的に互いに打ち消し合う。複数の導電性タブの位置は、電池中の誘導電流により発生する全磁場が、アノードシートまたはカソードシートのリーディングエッジに配置された１つの導電性タブを有する場合に比較して、少なくとも８０％低減されるように選択される。この方法では、電池のインダクタンスは、十分に低くなる。
【００４７】
１の具体例では、電極シートの端部に配置された１つのタブに比較して、４つのタブは十分に低いインダクタンスを表す。しかしながら、例えば１２より多くのように、タブの数を増やすと、非常に限定されたインダクタンスの低減と、より高い製造コストとなる。幾つかの具体例では、４つより少ないタブで設計される。電極の中央の１つのタブは、同様の目的に使用でき、電極が１つのタブを端部に有する場合より、セルインダクタンスを小さくできる。幾つかの具体例では、電極は電極シートの５０ｃｍ２から４００ｃｍ２の面積あたりに１つのタブを有する。
【００４８】
多くの例示的な円筒状に巻かれたセルは、以下に述べられる。それらのセルは、直径が２６ｍｍで長さが６５ｍｍであり、「２６６５０サイズの」セルと呼ばれる。それらのセルは、４つと８つのタブを有し、電極の長さに沿って均等に配置される。比較のために、商業的に入手できる、同じ容量の円筒状に巻かれたセルが準備された。全てのセルは、以下の２つの方法を用いて測定されたインダクタンスを有した。（１）Fluke PM6306 RCLメータ、および（２）Solartron 1250 周波数応答アナライザである。Solartron 1250 周波数応答アナライザを用いて、０．０２５マイクロＨの平均インダクタンスが、４つのタブのセルで得られた。８つのタブのセルは、０．０２８マイクロＨの平均インダクタンスを有した。これに対して、商業的に入手できる、１つのタブの高電力セルでは、１０倍より大きな平均インダクタンスとなった。（以下の表１参照）。
【００４９】
表１
【００５０】
図１２および図１３は、異なるインダクタンスを有する２つの異なる電池が、適用内でいかに異なったエネルギ消散レベルを示すかを示す。図１２は、高インダクタンス電池の、電圧１２００と電流１２１０の波形を示す。コントローラがオフになり、電流トレース１２１０が下がり始めた時点で、電流１２００が上昇することに注意すべきである。上昇する電圧は、それを消散させるために制御回路に磁場が導入された起電力の測定である。より多くの消散させるエネルギ（それゆえに、より高いインダクタンス）であれば、より高くこの電圧が上昇する。スイッチがターンオフした後の、この電圧と電流の増倍は、使用できない熱として消散した正確なエネルギを示す。それで、より高い電圧は、より高いエネルギの消散を示す。
【００５１】
図１３では、４つまたは８つの適切に配置されたタブを含む低インダクタンスの電池が、電流１３１０がゼロの低下した場合に、電圧スパイク１３００がより小さくなるのを示す。この低くなったスパイクは、図１２で示された実験で使用されたより高いインダクタンスの電池の場合に比べて、電力制御回路の内部で消散されるエネルギの量がより小さくなることを示す。
【００５２】
図７Ａで検討したように、巻かれたセルの表面の特定の領域（例えば９０度の四分円）内に整列されるように、タブの位置は選択できる。タブが均等な間隔で電極の長さ方向に配置されるようなタブの位置の選択は、巻かれたセルのレジスタンスとインダクタンスを更に低減する。
【００５３】
図１および図７Ｂに示すように、絶縁性ディスク（３）は、電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）が、逆極性の電極と接触するのを防止し、これにより短絡を避ける。絶縁性ディスク（３）は、ポリオレフィン、ポリブチレン、ポリエステル、フェノールフォルムアルデヒドレジン、およびペルフルオロアルコキシ（perfluoroalkoxy）のようなフロロポリマーからなるポリマーディスク、または他のタイプの電気絶縁性材料から形成される。絶縁体（３）は、複数のスロット（７０２）を有し、電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）がそこを通る。ジェリーロールセルを螺旋状に巻いた後の、電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）の相対位置は、電極シートの厚さの僅かなバラツキにより十分に変化するため、スロット（７０２）は、タブを収容するために（即ち、そこを通るように）長さが変化する。幾つかの具体例では、図１および図７Ｂに示すように、約９０〜１２０度の間隔を有する円弧状に配置されたスロット（７０２）が、絶縁性ディスク（３）の上で使用される。タブの位置は、タブが絶縁性ディスク上のスロットの１つと整列するように選択される。円弧の長さ、例えば約９０〜１２０度は、ジェリーロールの端面の選択された環状領域中にタブを配置し、一方タブ位置の変化をもたらす電極層の厚さの僅かな変化を収容する。
【００５４】
１またはそれ以上の具体例では、電極シートは５つまたはそれより多い、例えば８つまたはそれ以上のタブを含む。電流収集タブの数が増加すると、巻いた後にジェリーロールの端面に沿った狭い円弧中に配置される、電極シートの長さに沿ったタブの配置がより困難になる。例えば、電極層の厚さの僅かな変化と最適な電流運搬特性のためのタブの所望の配置は、タブ位置が、ジェリーロールの端面で完全な環状形状に拡がったタブ配置となる。より間隔の離れたタブは、より多くのスロット（７０２）と、絶縁性ディスク（３）上でより環状に拡がった少なくとも１つのスロットを必要とする。環状のリング形状のスロットまたは他の設計が用いられるが、そのような絶縁体の製造および／または組立は困難である。より大きな円弧幅では、より多くのスロットを備えることが必要となり、スロットが配置される絶縁性の端キャップが狭い絶縁性ブリッジで互いに分離されるようになり、機械的に弱く、歪み、短絡の可能性が高くなる。
【００５５】
本発明の１またはそれ以上の具体例では、タブ絶縁性缶は、２またはそれ以上の同軸配置された環状の絶縁性部材を含み、それぞれの絶縁性の環状部材は、タブを収容する少なくとも１つのスロットを含む。絶縁部材の相対的な角度位置は、多くの数（例えば４またはそれ以上）の電流収集タブを容易に収容できるように、電池セルの組立中に調整できる。１またはそれ以上の具体例では、絶縁性の環状部材は、例えば１２０度より大きく、または約１８０度までの範囲の、環状の拡がりを有するスロットを含み。絶縁性部材は、入れ子状（nested）の環状リングとして配置されても良い。１またはそれ以上の具体例では、入れ子状の環状のリングは、円弧形状のスロットが４またはそれ以上のタブを収容するように調整される。
【００５６】
図１４は、本発明の１またはそれ以上の具体例にかかるタブ絶縁体の平面図である。絶縁体は、６つのスロットを有するように示されるが、これは例示目的で記載されたものであり、他の数のスロットも使用できることを理解すべきである。それぞれの絶縁性部材上のスロット数は、同じまたは異なり、一般には、最小で４つから、８つまたはそれ以上までの範囲である。示されるように、タブ絶縁体（１４００）は、第１の絶縁性部材（１４０２）および第２の絶縁性部材（１４１２）を有しても良い。第１および第２の絶縁性部材は、異なる寸法であり、より小さな部材は、より大きな部材の中に入れ子状に配置される。絶縁性部材（１４１２）より大きさが小さい絶縁性部材（１４０２）は、電池セルの電流収集タブ（図示せず）をその上に収容するように配置された複数の円弧形状のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）を有しても良い。同様に、絶縁性部材（１４１２）は、追加の電流収集タブ（図示せず）を収容するための複数の円弧形状のスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）を有しても良い。部材（１４０２）、（１４１２）は、それぞれポリオレフィン、ポリブチレン、ポリエステル、フェノールフォルムアルデヒドレジン、およびペルフルオロアルコキシ（perfluoroalkoxy）のようなフロロポリマーまたは他の好適な絶縁性材料のような、電気的に絶縁性の材料から形成される。絶縁体（１４００）は、ダイカッティング、射出成形、または他の好適な技術で作製できる。
【００５７】
６つのスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）、（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）のそれぞれは、１またはそれ以上の電流収集タブ（図示せず）を収容するのに用いられる。加えて、絶縁性部材（１４１２）は、部材（１４１２）の外部エッジ（１４１３）に沿って配置された１またはそれ以上のタブのための絶縁を提供し、絶縁性部材（１４０２）は、また、部材（１４０２）の外部エッジ（１４０５）に沿って配置された１またはそれ以上のタブのための絶縁を提供する。インシュレータ（１４００）は、それゆえに、例えば６、７、８またはそれ以上のような複数の電流収集タブを収容する。絶縁部材（１４１２）は、その中央に開口部（１４１４）を有する。電池として使用する場合、２つの絶縁性部材（１４０２）、（１４１２）は同心円状には位置され、同心円状に配置された内部および外部の絶縁性部材は、絶縁性部材（１４０２）の上のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）と、絶縁性部材（１４１２）の上のスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）とを通るタブ（図示せず）が整列する。タブは、絶縁性部材（１４０２）の開口部（１４１４）を通ってもよい。絶縁性部材（１４０２）は中央に開口部（１４０４）を有し、電池セルのステム（例えば図４Ｂに示されるステム（４５ａ））がそこを通っても良い。
【００５８】
例えば、スロットは約０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの幅で、約１２０〜１８０度の角度距離（スパン）を有しても良い。約３２ｍｍの直径の円筒状のセルでは、内方部材は、例えば３〜１０ｍｍの内部直径と１８〜２５ｍｍの外部直径とを有する。外方部材は、例えば１６〜２５ｍｍの内部直径と３０〜３１．５ｍｍの外部直径とを有する。外方部材の内部直径を、内方部材の外部直径より小さくすることが有用であるが、重なる必要な無い。第１および第２の部材は、完全な円である必要は無い。１またはそれ以上の具体例では、軸からの半径が増加するスロットが、環状部材の対向する領域に配置される。このように、中心軸から最も遠くと２番目に遠くに（最大と２番目に大きい半径で）配置されたスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）は、第２の環状部材の対向する領域に配置される。対向する位置は、隣接するスロット間の絶縁領域を最大にし、機械的安定性と絶縁容量を最大にする。
【００５９】
図１５は、図１４に示された、組み立てられた絶縁体（１４００）の上面図である。図１４では、２つの絶縁性部材（１４０２）、（１４１２）が同心円に配置され、スロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）を有する、より小さい絶縁性部材（１４０２）が、より大きな第２の絶縁性部材（１４１２）の開口部（１４１４）内に配置される。電池セルの電流収集タブ（１５０２）は、スロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）、（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）を通り、図示するように、電池セルの中心に向かって曲げられる。電流収集タブは、９０〜１２０度の領域内になるように強制されるものではない。
【００６０】
この絶縁性端キャップの１つの特長は、絶縁性部材（１４０２）、（１４１２）の環状位置が、互いに、十分に変化するタブ位置を収容できるように、電池セルの組立中に調整可能であることである。例えば、タブ絶縁体（１４００）では、電池セルの電極シートを螺旋状に巻いた後に、電池セルの中央近くに配置されたタブが、絶縁性部材（１４０２）のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）を通るように適用される。この時点で、電池セルの中央から離れて配置されたタブが、絶縁性部材（１４１２）のスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）を通って容易に適用されるように、第２の絶縁性部材（１４１２）の角度位置が調整される。１の具体例では、１またはそれ以上のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）、（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）が、約１２０度の角度距離を有し、相対的なタブ位置の大きなバラツキを収容できる。
【００６１】
図１６は、本発明の他の具体例にかかる絶縁体の設計を示す。図のように、絶縁体（１６００）は、絶縁性部材（１６０２）、（１６１２）を含む。部材（１６０２）は、スロット（１６０４ａ）、（１６０４ｂ）、（１６０４ｃ）、（１６０４ｄ）、（１６０４ｅ）を有し、部材（１６１２）は、スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）を有する。絶縁性部材（１６０２）は、例えば、約３０ｍｍ〜３１．５ｍｍの直径と、約２８ｍｍ〜２５ｍｍの直径の開口部（１６０６）を有する。スロット（１６０４ａ）、（１６０４ｂ）、（１６０４ｃ）、（１６０４ｄ）、（１６０４ｅ）は、例えば、約０．５ｍｍの幅であり、約１２０度の角度距離を有する。スロット（１６０４ａ）、（１６０４ｂ）、（１６０４ｃ）、（１６０４ｄ）、（１６０４ｅ）の半径は、それぞれ、例えば、約９．５ｍｍ〜１０ｍｍ、１０．９ｍｍ〜１１．４ｍｍ、１２．４ｍｍ〜１２．９ｍｍ、１３．４ｍｍ〜１３．９ｍｍ、１４．５ｍｍ〜１５ｍｍである。それぞれのスロットの半径位置は、対応するタブの半径位置に一致することを意図する。幾つかの具体例では、タブはそれぞれの電極上で均等な間隔で、最も有効の電極を使用するために、インピーダンスと電流密度の傾斜を最初にする。この場合、巻いた後のタブのおおよその半径位置が予想でき、タブを収容するようにスロットが配置される。それぞれのスロットの形状は、完全な環状である必要ななく、例えば螺旋の一部のような形状で、円弧の半径が円弧の長さで変化しても良い。
【００６２】
部材（１６１２）は完全な円である必要は無い。例えば、部材（１６１２）の下部半分が約９．５ｍｍの半円であり、上部半分は約１２ｍｍの半円である。この設計では部材（１６１２）が部材（１６１２）と同軸に配置された場合、タブは部材（１６１２）、（１６０２）を通り、部材（１６１２）の下部半分の外部エッジに乗ることができる。スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）は、また約０．５ｍｍの幅であり、例えば、約９０度の角度距離を有する。スロットの角度距離は、互いのタブ位置の予想される角度バラツキに基づいて設計される。巻いた後に、外方のタブよりも内方のタブが、最も内方のタブに比べて位置のバラツキがより小さいと予想される場合、内方のスロットの角度距離は、外方のスロットの角度距離より小さくても良い。スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）は、例えば、それぞれ中心から約５．６〜６．１ｍｍおよび７．８５〜８．３５ｍｍに配置される。スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）は、絶縁性部材（１６１２）の同じ四分円に配置する必要はない。タブ絶縁体（１６００）は、７またはそれ以上の電流収集タブを収容しても良い。
【００６３】
図１７は、絶縁体の外方部材（１７０２）の斜視図である。部材（１７０２）はスロット（１７０８）と、中心の開口部（１７０４）とを有する。加えて、部材（１７０２）は、１またはそれ以上の「タブライザ（tab riser）」と呼ばれるリブ突出部（１７０６）や、円筒状の垂直側壁（１７１０）のような３次元（３Ｄ）の特長を有する。タブライザ（１７０６）は、例えば円弧形状でスロット（１７０８）に並んで配置される。ライザ（１７０６）は部材（１７０２）の外部表面から突出し、タブの曲げを容易にする。円筒状の側壁（１７１０）は、部材（１７０２）の周囲から延びて、電流収集タブとの接触からセル缶を保護する。組み立てられた場合、円筒状の側壁は、ジェリーロールから離れて配置される。それらの３Ｄ特性は、射出成形や他の好適な製造技術を用いて形成できる。
【００６４】
図１８は、より大きな（外方の）部材（１８０２）と、より小さな（内方の）部材（１８１２）を有する絶縁体（１８００）の斜視図である。部材（１８０２）、（１８１２）はその上に配置されたスロット（１８０４）を有する。部材（１８０２）は、円筒状の側壁（１８０６）を有する。部材（１８０２）、（１８１２）の一方または双方は、追加の３Ｄ特性（図示せず）を有し、電池セルを組み立てた後に、２つの部材（１８０２）、（１８１２）が互いに同軸となるのを確実にしても良い。例えば、円弧形状のリッジ（図示せず）が内方の部材（１８１２）上のサイドスロット（１８０４ａ）に沿って配置され、部材（１８０２）が下げられた場合に、内方の部材（１８１２）上のリッジが、外方の部材（１８０２）の開口部（１８１４）のエッジ（１８１６）と一致し、これに乗る。この方法で、内方の部材（１８１２）は、外方の部材（１８０２）と入れ子上に重なり、それゆえに、組立後に、外方部材（１８０２）と同軸にできる。
【００６５】
上述のタブ絶縁体の例は、１または２つの部材のみを有するが、本発明の具体例は、３またはそれ以上の部材を有するタブ絶縁体を含む。それらの部材はタブを収容するためのスロットを有し、同軸に配置されても良い。部材は、電池セルの組立中に、その環状の方向について柔軟に調整でき、電流収集タブの変化する位置を収容する。１またはそれ以上の具体例では、２またはそれ以上の部材を有する絶縁体は、７つより多い電流収集タブを収容するために使用される。
【００６６】
本発明は、先の例示された具体例に記載され示されているが、この説明は例示として行われ、本発明の手段の詳細について多くの変形が本発明の精神や範囲から離れることなく行うことができ、本発明は以下の請求の範囲によってのむ限定されることを理解すべきである。開示された具体例の特長は、本発明の範囲や精神の範囲内で、様々な方法で組み合わせ再配置することができる。
【関連出願】
【０００１】
本願は、参照することによりその全体がここに含まれる、２００７年７月２４日に出願した米国仮出願６０／９５１，５７１に基づき優先権を主張する。本願は、また、２００６年９月５日出願の米国特許出願１１／５１５，５９７、２００５年９月２日出願の米国特許出願６０／７１４，１７１、および２００７年５月１４日出願の米国特許出願１１／７４８，２８６に関連し、これらの全ては「電池セル設計およびその建造方法」というタイトルであり、参照することによりその全体がここに含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、電気化学電池セルに関する。特に、本発明は、小型で丈夫な多機能で製造性の高い再充電可能な電池セルに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気化学電池セルの製造を容易にするために、電流収集タブは、しばしば、最終のセルの形状に必要とされるより長く形成される。このため、タブはしばしば一連の計画的な曲げを通してそれらの最終位置に形成される。製造プロセスの固有のバラツキの結果、タブの曲げは望まない力を与え、タブ材料が異極性の電極と接触し、短絡や機能しない製品の原因となる。短絡は、また、電池の寿命中の、電池サイクル、機械的衝撃、および／または振動負荷によるタブの移動によって発生しうる。短絡を避けるために、１またはそれ以上のタブが通る１またはそれ以上の孔を有するタブ絶縁体を用いても良い。しかしながら、タブの相対位置は十分にばらつき、複数のタブを収容でき、働くセルに容易に組み込むことができる絶縁体は、特に、４つまたはそれ以上のタブを収容する場合には、作製が困難である。接着剤が付けられたポリイミド材料でそれぞれのタブを覆い、電池セル上の追加のストライプ状ポリイミドテープを用いてセルとの接触を防止することも可能である。しかしながら、現在知られているポリイミドテープ接着剤は、熱やリチウムイオン電解液に晒されることにより軟化する。これにより、機械的衝撃や振動負荷の間に、テープは、タブ上の保護位置から移動してしまう。
【０００４】
従来の円柱および角柱の電池の、それらの及び他の制限に対する改良が望まれる。
【発明の概要】
【０００５】
１またはそれ以上の具体例では、電気化学セルはアセンブリを含み、これは円筒形の螺旋状にねじれたアセンブリでも良く、セパレータ部材で分離されたアノードソートとカソードシードとを有し、カソードシートは第１電流コレクタ上の第１電気活性層を有し、アノードシートは第２電流コレクタ上の第２電気活性層を有し、螺旋状に巻かれたアセンブリは円柱状側壁と対向する端面を有する。セルは、また、少なくともアノードシートとカソードシートの少なくとも一方から延びた導電性タブを含んでも良く、タブは螺旋状にねじれたアセンブリの端部表面から延びて、第１電流コレクタと第２電流コレクタの少なくとも一方と電気的に接続する。加えて、セルは、同軸に配置された外方部材および内方部材を有する第１タブ絶縁体を含んでも良く、外方部材および内方部材のそれぞれは、複数の導電性タブの１つ又はそれ以上が通る少なくとも１つのスロットを有する。外方部材および内方部材は、第１タブ絶縁体の外方部材および内方部材の上の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向に関して調整可能である。
【０００６】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材および／または内方部材の上のスロットはアーチ形状である。１の具体例では、少なくとも１つのスロットは、約９０度の角度距離（angular span）を有する。
【０００７】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材は、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する。
【０００８】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材と内方部材の少なくとも一方は、複数の導電性タブの少なくとも１つを容易に曲げるための、リブ形状の突出部を有する。
【０００９】
１またはそれ以上の具体例では、外方部材と内方部材の少なくとも一方は、内方部材を外方部材に入れ子状に重ねるための、１またはそれ以上のリッジを有する。
【００１０】
１またはそれ以上の具体例では、導電性タブは、４から１２のタブを含む。
【００１１】
１またはそれ以上の具体例では、第１電流コレクタはカソードシートから延びた第１の複数の導電性タブと電気的に接続され、第２電流コレクタはアノードシートから延びた第２の複数の導電性タブと電気的に接続される。第１の複数の導電性タブと、第２の複数の導電性タブとは、螺旋状に巻かれたアセンブリの対向する端面から延びる。１の具体例では、電池は更に第２タブ絶縁体を含み、第１タブ絶縁体と第２タブ絶縁体は、螺旋状にねじれたアセンブリの対向する面に配置される。
【００１２】
１またはそれ以上の具体例では、内方部材と外方部材の一方は、部材の中心に対して反対側に配置された少なくとも２つのスロットを有する。
【００１３】
１またはそれ以上の具体例では、電気化学セルの製造方法が含まれる。この方法は、第１電流コレクタ上の第１電気活性層を含む正電極と、第２電流コレクタ上の第２電気活性層を含む負電極との間にセパレータ部材を挿入し、多層アセンブリを形成する工程を含み、それぞれの電流コレクタは、電流コレクタに電気的に接続し、電流コレクタから外方に延びた複数の導電性タブを有し、正電極のタブと負電極のタブは多層アセンブリの反対側にある。この方法は、更に、多層アセンブリを螺旋状に巻く工程と、外方部材と内方部材を有する第１タブ絶縁体のスロットを通って、選択された電流コレクタのタブを取り付ける工程とを含み、第１絶縁体は、外方部材および内方部材の相対的な角度方向について調整可能である。加えて、この方法は、選択された電流コレクタのタブを、螺旋状にねじられたアセンブリに中心に向かって折りたたみ、中心軸でタブを互いに交差させる工程と、タブの交差を越える点で、選択された電流コレクタの重なったタブを集める工程と、選択された電流コレクタの選択されたタブを接続ストラップに固定する工程を含む。
【００１４】
１またはそれ以上の具体例では、電池セルで使用されるタブ絶縁体は、同軸状に配置された外方部材および内方部材を含んでも良く、それぞれの部材は、１またはそれ以上の電池の導電性タブが通ることができる、１またはそれ以上のスロットを有する。内方部材および外方部材は、内方部材および外方部材の相対的な角度方向にについて調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明は、以下の図面を参照しながら説明される。これらの図面は図示目的でのみ提供され、本発明の全ての範囲は、請求の範囲により示される。
【００１６】
【図１】本発明の１またはそれ以上の具体例に使用される、例示的な電池セルの内部構成を示す分解図である。
【図２】例示的な組み立てられた電池セルの断面図である。
【図３】圧力開放口とインターフェイス端子を示す正極（カソード）端キャップを示す。
【図４Ａ】負極（アノード）端キャップアセンブリに使用される構成の分解図を示す。
【図４Ｂ】組み立てられた負極端キャップの断面図を示す。
【図４Ｃ】固定後の組み立てられた正極端キャップの斜視図を示す。
【図５Ａ】電池活性化後の、金属プラグとプラスチックシールを有する負極端キャップ中の充填孔の封止の斜視図を示す。
【図５Ｂ】電池活性化後の、金属プラグとプラスチックシールを有する負極端キャップ中の充填孔の封止の断面拡大図を示す。
【図６Ａ】タブを有する電極シートの平面図である。
【図６Ｂ】タブを有する電極シートの拡大平面図である。
【図７Ａ】９０度四分円形内のコレクタタブの例示的な位置を示す電池缶の上面図を示す。
【図７Ｂ】本発明の１またはそれ以上の具体例にかかる一連の電池セル設計の図を示し、電流収集タブの位置と曲げを示す。
【図８】それぞれの端子への電流拡張タブの取り付けを示す。
【図９】約４０００回／秒のパルスのモータの、電流と時間のプロットである。
【図１０Ａ】螺旋状に巻かれた電極の、巻かれた端面から見た場合の、例示的な円筒状に巻かれた電池中の、タブの位置と電流の流れを示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す円筒状にねじられた電池の巻いていない電極の平面図である。
【図１１Ａ】螺旋状に巻かれた電極の巻かれた端面から見た場合の、他の例示的な円筒状に巻かれた電池中の、タブの位置と電流の流れを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示す円筒状に巻かれた電池の巻いていない電極の平面図である。
【図１２】高インダクタンス電池の電圧と電流波形を示す。
【図１３】低インダクタンス電池の電圧と電流波形を示す。
【図１４】本発明の１またはそれ以上の具体例にかかる２つの部材を有するタブ絶縁体を示す。
【図１５】図１４に示す絶縁体の上面図であり、２つの部材が同軸状に配置されている。
【図１６】本発明の他の具体例にかかるタブ絶縁体設計を示す。
【図１７】タブライザと円筒形の側壁を有するタブ絶縁体の部材の斜視図である。
【図１８】タブ絶縁体の２つの部材の斜視図であり、１の部材は、組立後に、２つの部材を確実に同軸状に配置するためのリッジを有する。
【詳細な説明】
【００１７】
本発明の具体例は、電池セル上で使用され、電流収集タブが異極性の電極に接触するのを防止できるタブ絶縁体を提供する。電池セルの例示的な具体例が図１〜１３に示される。図１４〜１８は、本発明の１又はそれ以上の具体例にかかるタブ絶縁体を示す。幾つかの具体例にかかるタブ絶縁体は、図１〜１３に記載された例示の電池セルと関連して記載されるが、本発明の１又はそれ以上の具体例は、他の適した電池セルでも使用できることを理解すべきである。
【００１８】
電池セルは、上部および下部の溶接された端キャップを含む。セルの第１のパッキング（缶およびキャップ）は、アルミニウム合金から形成される。溶接されたシールは、一般にはレーザー溶接で形成され、または選択的に、超音波溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接のような他の金属接続方法で形成される。二重に溶接された（上端および下端）容器の端キャップは、缶壁より厚く、即ち、端キャップは缶壁より約５０％厚くても良い。厚さの違いは、深絞りのような他の手段によっても達成される。二重に溶接された電池パッキング缶は、丸めた封止や一重の溶接の電池に比較して十分に大きなセル体積となる。加えて、厚い端キャップは、例えば、押しつぶしに対するセルの機械的な構造安定性を改良する。セルの設計に組み込まれる追加のセルの修正は、二重の溶接パッキングの使用を許容し、これはそうでなければ可能ではなく、または従来の電池セル設計が便利である。
【００１９】
電池セルパッケージの設計は、軽量で非常にコンパクトなアルミニウムハウジングを用い、一般にはＡｌ３００３Ｈ１４のようなアルミニウム合金である。アルミニウムおよびアルミニウム合金は、構造における高い比弾性と高い比剛性と、高い強度重量比を提供する。アルミニウムは、Ｌｉイオンセルのカソード電位において安定である。電池設計の多くの特長が、図１の分解図に示される。電池設計は、正極端キャップ（１）、カソード拡張タブ（２）、絶縁ディスク（３）、円筒状の管（４）、負極端キャップ（５）、アノード電流収集タブ（６）、カソード電流収集タブ（７）、および中間活性カソードおよびアノード材料（電極）（８ａおよび８ｂ）を含む。例示的な具体例では、円筒形の管について検討するが、他の形状や外部形状を用いても良い。正極端キャップ（１）は、電池のための正極電池端子、並びにセルのベントメカニズムの双方を含む。カソード拡張タブ（２）は、カソード電流収集タブ（７）と電池の外部正極端子（１）との間の電気的接続として働く。絶縁性ディスク（３）は、電流収集タブがそこを通って延びるスロット（３ａ）を含む。絶縁性ディスク（３）はカソード電流収集タブ（７）とカソード拡張タブ（２）が、内部の活性なカソード材料とアノード材料（８ａおよび８ｂ）と短絡するのを防止する。円筒形の管（４）は電池パッケージの主なハウジングとして働く。
【００２０】
組立中に、溶接およびクリンプの接続が使用され、拡張タブ（２）と負極端キャップ（５）に見られる組み込まれた拡張タブ（５ａ）とを介して、電流収集タブ（６）、（７）の双方の組と、端キャップ（５）（１）の双方がそれぞれ接続される。双方の端キャップは管（４）に溶接され、円筒状のセルを形成する。負極端キャップ（５）は、セルの負極電池端子と、（後の詳細に検討する）セルの充填孔の双方を含み、それらの双方は、同じ内部体積と外部空間に分かれ、セルの中心に対称に置かれる。負極端キャップ（５）は、アノード電流収集タブ（６）と、負極端キャップ（５）の上に配置されたセルの外部負極端子の間を電気的に接続するために、組み込まれた拡張タブ（５ａ）を有する。スロット（３ａ）を有する絶縁性ディスク（３）も、アノードにおいて、アノード電流収集タブ（６）とアノード拡張タブ（５ａ）との短絡を防止するために使用される。
【００２１】
図１の設計特性が組み込まれた、組み立てられたセルが、図２に断面が示され、同じ要素は同様に表示されている。また、表示は、電極（８ａ、８ｂ）の間のセパレータ層またはセパレータ部材（８’）である。一旦、組み立てると、セルは、容量分析で効率的なパッケージにおいて、製造と顧客の双方のインターフェイスに対して、好適な特性を持つ。これは、セルの内部の大部分が、活性材料のために使用されることを許容し、セルの、体積に対するエネルギ蓄積容量比を大きく改良する。
【００２２】
セルの、個々の構成要素と特長について述べる。
【００２３】
負極端キャップ（１）は、図３に示すように、人工的なベントスコア（vent score）（１０）と、ニッケルインターフェイス端子（９）を含む。人工的なベントスコアは、予め決められた内部圧力で開き、必要であれば大量の気体と材料をセルから出す。ベントは、正極端キャップの周囲近傍に配置された環状の溝であり、端キャップの周囲とニッケル端子との間に配置される。溝は、端キャップの内部または外部表面、または双方に配置しても良い。１またはそれ以上の具体例では、溝は、端キャップ内部おのび外部の双方の表面に配置される。溝は、互いに対向し、または互いにオフセットとなっても良い。溝は、所定の圧力で破壊するように設計された、端キャップ中の薄い半径部分を提供する。環状の溝は、約１５０度から完全な３６０度の範囲、または約１８０度から約３００度の範囲で、端キャップ上に円弧を形成する。実際の円弧の長さは、セルの大きさに依存する。円弧の長さは、破裂した時に端キャップが蝶番状に動き、破裂した端キャップが電池缶から分断されないとともに、明確な蝶番無しに約全３６０度まで円弧となるように選択されても良い。環状の溝の更なる長所は、端キャップを電池ボディに溶接する時に、端子を熱的に絶縁することである。溝は、スタンピング（stamping）、スコアリング（scoring）等の従来の方法で導入される。
【００２４】
ニッケルインターフェイス端子（９）は、低抵抗、低腐食の耐性電池端子であるとともに、電池を集団に接続するための溶接可能なインターフェイスを提供する。ニッケル板は、一般に、約７５μｍから約１２５μｍまでの範囲の厚さを有する。より厚い端子板は、高パワーの電池に特に適している。１またはそれ以上の具体例ではカソードキャップのボディはアルミニウムであり、例えば電池管と同じアルミニウム合金である。１またはそれ以上の具体例では、カソードキャップはその外側表面にニッケル層がめっきされても良い。ニッケルインターフェイス端子は、カソードキャップに抵抗（スポット）溶接されて機械的に強固なインターフェイスが形成されるか、ニッケルメッキ層にリフロー半田されて２つの部分の間に電気的に強固なインターフェイスが形成され、または双方でも良い。他の溶接および半田技術、例えば超音波溶接または導電性接着剤が用いられても良い。適した半田は、電池の最大使用温度より高い融点を有する半田を含む。Ｎｉ端子とＡｌカソードキャップの間のこの接合技術は、電池産業において独特である。
【００２５】
圧力ベントは、端キャップ表面の周辺領域を占め、ニッケル端子の位置や固定を邪魔しない。ニッケル端子の断面積は、非常に広く、端キャップ表面の大きな部分を占める。これは、セルのインピーダンスを減らし、パック組立中にセルとセルの溶接能力を提供する。
【００２６】
図４Ａ〜図４Ｃは、中央に配置された充填孔（４０）を含む負極端キャップ（５）を示す。充填孔は、一旦、組み立てられたセルを活性化するために使用され、少なくとも一部において、パワー端子を作る中空のボアリベット（bore rivet）により形成される。負極端キャップの中央位置の、充填孔とパワー端子の双方としての使用は、効果的に空間が使用でき、電池の操作を妨げない。充填孔（４０）は端キャップ表面の中央に配置される。中央に配置された充填孔は、孔の中に取り付けられ、セルの内部に接続される導入口を提供する。電解液（electrolyte）はこの導入口を通って活性化中に導入される。
【００２７】
負極端キャップは、図４Ａの分解図に記載したような成分である構成要素を組み立てて形成される。上部ガスケット（４４）は端キャップボディ（４３）中に配置され、端キャップボディはガスケットを受ける凹部を含んでも良い。パワー端子（４５）として与えられる中空のボアリベットは、上部ガスケット（４４）中に組み立てられる。リベット（４５）のステム（４５ａ）は、上部ガスケット（４４）と端キャップボディ（４３）の双方の中央開口部を通って延びる。アセンブリはひっくり返され、シールガスケット（４７）がガスケット（４４）の上に挿入され、ボディ（４３）の上に配置される。下部ガスケット（４２）、シールガスケット（４７）、およびリベットバッキングディスク（４６）が組み立てられ、図４Ａのように配置される。拡張タブ（４１）がリベット（４５）のステム上に挿入される。クリンピング前の組み立てられたままの構成要素が、図４Ｂに示される。
【００２８】
リベット（４５）は、良好な耐腐食性と良好な溶接性の双方のために、Ｎｉめっき鋼でも良く、セルのパワー端子となる。リベットの平坦な頭部は、端キャップの外部表面の一部の上に延びて、中空のステム（４５ａ）はセルの内部に延びる。これはまた、その中央を通り、シールを助けるための人工的な棚部と、対称な形状と、空間を分けて電池端子と充填孔との間で対称にするためにリベットステムを中央に配置する充填孔を含む。拡張タブ（４１）は、パワー端子（４５）をセルの内部活性アノード材料に接続する。下方ガスケット（４２）は、拡張タブ（４１）が、異なる電位にある端キャップボディ（４３）に接触するのを防止する。ボディ（４３）は、電池管（図示せず）またはセルの主ボディに、これらには限定されないクランピングや溶接のような上述の方法を含み多くの方法を用いて密封シールされる。上部ガスケット（４４）は、パワー端子（４５）を、異なる電位にある端キャップボディ（４３）から絶縁する。リベットバッキングディスク（４６）は、ボディ（４３）の上で、強固なプレスリベットのクランプ力の形成を助ける。シールガスケット（４７）は、プレスリベットの下で強固なシールの達成を助ける
【００２９】
全体のアセンブリは、図４Ｃに示すように、リベット（４５）のステムをプレスして変形させることで、互いにクリンプして、全ての部分を互いに押し込んでプレスリベット（４８）を形成し、拡張タブ（４１）とパワー端子（４５）との間で良好な電気的接続を形成する。
【００３０】
端キャップがセルの管に溶接された後、パワー端子（４５）中の孔を通って電解液が充填されてセルが活性化される。図５Ａおよび図５Ｂを見ると、充填孔（４０）は、充填孔プラグシール（５０）（例えば、高温プラスチックシール）と充填孔プラグ（５１）、例えば変形可能な金属インサートのような変形可能なインサート、の手段により密封シールされる。端キャップが管にシールされ、セルが電解液で活性化される前に、充填孔シール（５０）は充填孔開口部中にプレスされる。充填孔プラグ（５１）は、続いて同じ充填孔中にプレスされ、拡張し、クランプし、そしてリベット（４５）の人工的な棚部に向かってシール（５０）を保持し、充填孔のように密封シールが達成される。
【００３１】
セルの内部活性材料は、２つの電極、カソードとアノードを含む。電池セルのインピーダンスの一因は、活性セル材料（アノードおよびカソード）と拡張セルターミナルとの間の電流輸送パスの不足である。全てのセルインピーダンスが、より多くの電流キャリアまたは「タブ」を用いることで、電極に対して１または２つのタブがある設計の、従来の円筒状（巻き付けたアセンブリ）セルに比較して、十分に低くなることが、驚くべきことに発見された。本発明の１またはそれ以上の具体例では、複数のタブが、拡張タブを呼び出すセルのいずれかの側面のより大きな電流コレクタに接続され、次にセルの電池端子のそれぞれに接続される。１またはそれ以上の具体例では、電極は、約４から約１２のタブを含み、例えば４つのタブを含む。他の具体例では、電極は、電極の２００ｃｍ２の面積につき１つのタブを含む。ハイパワー電池セルは、ローパワーセルに比べて、高密度のタブ密度を必要とする。
【００３２】
このセル設計中の電極は、複数の、例えば４から１２の、電流収集タブを使用し、それぞれの活性材料、例えばカソードおよびアノードから電池端子に電流を導く。図６Ａは、例示の電極シート（６０）を示す。電極シート（６０）は、不可欠の電流収集基板（６６）と、電流収集基板に電気的に接続された電気活性な材料の層（６７）とを含む。電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）は、電極のエッジ部（６８）から延びる。
【００３３】
タブ電極は、続いて電気化学セル中に組織化される。例えば２つのセパレータシートのような、セパレータシートが、カソードとアノードソートの間に配置され、カソードとアノードのタブは、アセンブリの反対側に配置される。多層アセンブリは、螺旋状に巻かれて、ジェリーロール（jellyroll）として知られた螺旋状の電気化学アセンブリを形成する。拡張タブ（６）、（７）を備えたジェリーロールは、図１に示される。
【００３４】
タブは異なる長さでも良く、巻かれた時のジェリーロールの中心からの距離を反映する。タブの長さは、ジェリーロールを巻く前または巻いた後に調整できる。タブ状の電極を形成するために、電気活性な材料の一部が電極のエッジから除去され、図６Ｂに示すように（縮尺通りには記載されていない）、電気コンタクトのためのきれいな表面を形成する。タブは、例えば溶接、リベット、クリンプ、または他の類似の技術で、電極の露出させた部分に電気的に接続される。コンタクト表面を洗浄し、コレクタを取り付ける例示的な方法は、「溶剤の存在下での、被覆された電極の除去を加速するための加熱された塩基の使用」という名称の、２００６年５月１２日出願の米国特許出願６０／７９９，８９４に記載されており、この内容は参照されることにより本願に含まれる。タブは続いて非反応性テープ（６５）により覆われ、このテープは露出した金属タブを覆い、セル化学物質との望まない化学反応を防止する。テープは電極の上に横たわるタブの部分を覆い、露出したまま残る下層の電極の、いくらか又は全てを覆っても良い。即ち、活性電極層または電流収集タブのいずれによっても覆われない。電極から外に延びる少なきともタブの一部は、テープにより覆われない。
【００３５】
テープの追加によるセルのインピーダンスの低減を最大にするために、それらの４つのタブは２つの電極の長さのそれぞれに沿って均等な間隔で配置され、例えば、可能ならば電極長さの１／８番目、３／８番目、５／８番目、および７／８番目の近傍に配置され、これにより、電流収集タブと電池端子に到達するために、電流が電極を流れる距離が最小となる。電極中を流れる距離を最小にすることで、内部抵抗が最小になる。１またはそれ以上の具体例では、従来の電池で、タブの数が１から４またはそれ以上、例えば約１２まで増加するにつれて、抵抗の十分な低下が観察される。これより多くタブの数が増加すると、抵抗の低下の改良が低減することが観察される。おおよそ４つのタブが意図される。一旦、共に巻かれると、ジェリーロールは、図１に示すように、それぞれの端部から突出したそれぞれの４つ（又は他の数）のタブを有する。図７Ａおよび図７Ｂに示すようにそれらのタブはまとめられ、外部端子に接続される。セルタブ設計は、容量分析的効率、製造および機械的な強固方法で、全てのタブを制御および支配するように提供される。
【００３６】
タブ設計の１つの形態では、ジェリーロールを形成する材料の厚さが制御される。それぞれの材料（アノード電極、カソード電極、およびセパレータ）は、ほぼ同じ厚さである。これにより、それらの材料がどのように螺旋状にジェリーロールに巻かれるかが、巻く回数や最終直径を含み、形づくり、信頼性をもって正確に予想できる。これにより、ジェリーロール中のタブの正確な位置がわかる。
【００３７】
他のタブ設計の形態では、電極上のタブ位置は、ジェリーロールに巻かれる前に選択される、タブはそれぞれの電極の長さに沿って、例えば４タブ設計では、１／８番目、３／８番目、５／８番目、および７／８番目の電気的に最適化された接続の近傍で、電極がジェリーロールに巻かれた後に配置されると予想できる位置に、配置される。例えば１つの電極の４つのタブが、互いに、ジェリーロールの上部表面の予め選択された領域内に、互いに整列するように、タブ位置は選択される。例えばカソードシート上に、ジェリーロールに組み立てられた場合に、カソードシートの４つのタブが、ロール表面の選択された領域で、ジェリーロールの表面から突出するように、４つのタブは配置される。１またはそれ以上の具体例では、タブは、螺旋状に巻かれた電極アセンブリの巻かれた端部表面上で、９０度の四分円またはより広い円内、例えば１５０度の円内に整列される。例えば、９０度の四分円の領域は、タブ幅を説明するために、それぞれのタブの中心線から測定される。幾つかの具体例では、タブは、おおよそ１４０度の円弧ウインドウ内に配置される。この配置は、４つ（またはそれ以上）のタブのそれぞれに組を制御し、支配するのを助ける。９０度の四分円中の、タブの例示的な整列が、図７Ａに示される。選択された領域（例えば、９０度の四分円）内にタブを整列させることで、ジェリーロールの製造コストが低減できる。
【００３８】
タブ設計の第３の形態は、図７Ｂに示すように、適切なタブ長さとタブ曲げの選択である。これは、どのように４つのタブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）が支配され、電池端子に接続されるかである。図７Ｂの工程１は、電池の巻かれた上部面と、ジェリーロールの面から突出した４つのタブの位置を示す。絶縁性ディスク（３）は、ジェリーロールの端部上に配置され、タブは、絶縁性ディスクのスロットを通って挿入される。絶縁性ディスクは、ジェリーロールからそれぞれのタブを絶縁する。最初に、４つのタブが、絶縁性ディスク（３）の上で、ジェリーロールの中心軸（図７Ｂ中に「＋」で表示）に向かって曲げられ、結果は、ジェリーロールの面上に、約１４０度までの領域で、タブのスタックが扇型に拡がった。先に述べたように、タブ長さは様々である。１またはそれ以上の具体例では、中心軸に最も近いタブ、例えばタブ（６４）は最も短く、中心軸から最も遠いタブ、例えばタブ（６１）は最も長い。ジェリーロールの中心に最も近いタブは、他の残りのタブより短い長さに切断され、それぞれの次の外方に配置されたタブは、先の内部のタブより長い。結果は、図７の工程２に示すように、全ての４つのタブが折り曲げられた場合、それらの端部は、ジェリーロールの軸から同じ距離に配置される。一旦タブがすべて平坦に横たわれば、それらは、セルが仕上げられた位置に配置される。しかしながら、それらは、最初に、電池の端子拡張タブに接続されなければならない。これを達成するために、図７の工程３に示すように、すべては互いにジェリーロールの面に対して約９０度の角度に曲げられ、ジェリーロールの軸において、これと平行となる。これは、４つのタブを１つにまとめ、電池端子の拡張タブに容易に溶接できる。
【００３９】
タブ設計の第４の形態は、電池拡張タブを、４つの電極タブに接続することである。１の設計では、これは、超音波溶接で達成できるが、また抵抗溶接または他の金属接合技術も、容易に適用できる。１の具体例では、拡張タブは、最初に、４つの電極タブ上で溶接がそれらを止めるようにたたまれるが、しかしながら、それらの構成要素を接続する他の手段も存在する。厚い拡張タブは、より薄い電極を、溶接から保護するように保護する。より厚い拡張タブは、より薄い電極タブを溶接によりダメージから保護する。接合は、４つの電極が拡張タブとともに、平坦に曲げられて達成され、非常に容量分析効率の良いセル設計を達成する。一旦、タブが溶接され平坦に曲げられれば、セル端キャップは管に溶接され、タブを扱うための空間は非常に小さくなり、追加のセルエネルギ容量として使用できる。これは図８に示される。
【００４０】
タブ設計の第５の具体例は、パルスパワー応用での誘導磁場を低減するための、螺旋状アセンブリに沿ったタブの位置である。例えばパルス応用のように、毎秒複数回、電池からの電流を横切るようなシステムで使用される電池の内部にあるインダクタンスは、システムにおけるパワー損失を増加させ、これにより高い内部デバイスも加熱と電池駆動時間の減少を招くことが発見された。電池は、例えば、内部エネルギ蓄積媒体と外部負荷との間で電流を運ぶ電極シートのような導体からなる。電池のインダクタンスは、電池中の電流がそこを通って流れる導体の寸法、形状、および／または数の結果である。これらの配置は、電流変化による導体回りの電磁場に影響する。導体の周辺で誘起される電磁場のエネルギがより大きくなれば、導体を通って計測されるインダクタンスがより大きくなる。逆に、導体がより大きなインダクタンスを示す場合は、電池にまたは電池からモータのような負荷との間で電流が流れると、より大きな電磁場エネルギがそれらの周囲に蓄積されている。
【００４１】
様々な速度のドリルや他の道具での応用では、モータは、１秒間に多くの回数、パルスされる。これは、電気スイッチを用いて、電流がモータ中に流され、次にオフされることを意味する。図９は、例示のモータ（例えばパワーツール）で毎秒約４０００回、どのように電流がパルスされるかを示す。電流を表すトレースは、上昇し、次に急速に低下する。パワーツールのモータコントローラは、毎秒数千回、電流をオンおよびオフする。モータに電流を流す導体周辺の磁場は、電流が流れる時間だけ存在する。電流がゼロのなった時に、それもゼロになる。問題はこの磁場エネルギが、熱のような他の形のエネルギに変換されることである。
【００４２】
モータコントローラが電池からの電流をオフにする場合、導体のスイッチが開いた場合であっても、導体周辺の磁場は電流が続くように発生する。この電流は、一般に抵抗のような消散的な要素で、熱として消散する。このさまよった磁場エネルギを吸収するために設計された回路は、しばしばスナッバ（snubber）と呼ばれ、エネルギ源からの電流を急に遮断するパワー回路で一般に見られる。エネルギ源にインダクタンスを含むパワー回路のインダクタンスが大きくなるほど、スナッバにより消散されるのに必要なエネルギも大きくなる。この消散されたエネルギは、モータ速度制御回路中で生じる熱の原因である。スナッバが回路中に設けられなければ、他のパワースイッチング回路要素のようなどこかでエネルギは消散される。この場合、エネルギは消散されて熱に変換されて、負荷システムのスイッチングコントローラ内部に向かう。コントローラでどれだけエネルギが消散されるかを決める他の要因は、それによって何回電流が中断されるかである。この蓄積された磁場エネルギが磁場エネルギから熱エネルギに、より多くの回数変換されると、モータ速度制御回路の中でのより高い温度が見られる。
【００４３】
それゆえに、より低いインダクタンスを有する電池は、電池からモータや他の負荷への電流を切り替えるスイッチングコントローラにより消散する熱を少なくする。そのような応用は、これらに限定されない速度変調パワーツール、シェイバ、遠隔制御モデル車、人や材料輸送のための電気推進システム、中断されないパワーシステム、および他のエネルギ源、即ち電池からの電流を制御するために電力供給デバイスのスイッチングを行うデバイスを含む。
【００４４】
それぞれの電極上の複数のタブの適した配置（例えば、４〜１２のタブの配置）は、それぞれの電極の１つの端部での１つのタブの配置より、セルのレジスタンスとインダクタンスを十分に低減できることが見出された。１またはそれ以上の具体例では、コレクタタブは、隣り合う誘導電流のループが、反対の方向に流れるように配置される。タブは、電極シートのリーディングエッジから所定の距離に配置され、その後に、電極シートの長さ方向に沿って均等に配置される。幾つかの具体例では、電極は、１〜１２の導電タブを含む。２つの電極は、異なる数のタブを有する。例えば、１の電極は、４つのタブを有し、他の電極は２つのタブを有する。図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して以下でより詳細に述べるように、電極のリーディングエッジから離れた第１タブの配置は、誘導電流の所望の低減を行い、これにより誘導磁場を低減させる。
【００４５】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、従来の巻かれたセルのタブ位置と電流を示す。図１０Ａは、巻かれた端部から巻かれた電極を見た図である。図１０Ｂは、従来の円筒状に巻かれたセルの巻かれていない電極の平面図である。この巻かれたセルでは、１つのタブ１０００は、電極の端部に配置され、電流は１０１０の方向に流れる。セルが蓄電または放電される場合、電流は電極に沿って流れ、タブ１０００から電極の長さに沿って下方に移動する。図１０Ａに示すように電極が巻かれた場合、電極に沿った電流は、反時計回りの方向１０１０に流れる。これにより、電極はコイルとして働き、コイルを流れる電流は、よく知られた「右手の法則」により、コイルの軸に沿って磁場を誘起する。これにより、巻かれたセルで比較的大きなインダクタンスとなる。アノードシートとカソードシートがこの従来の配置に従って円筒状のジェリーロールに巻かれた場合、２つのコイルが形成される。
【００４６】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の１またはそれ以上の具体例にかかる巻かれた電池の、タブ位置および電流を示す。図１１Ａは、巻かれた端部から巻かれた電極を見た図である。図１１Ｂは、巻かれた電池の巻かれていない電極の平面図である。このように、複数のタブ１１００は電極に沿って配置され、それぞれの最も近いタブの位置に依存して、双方の方向（電極が巻かれた場合の、反時計回り１１４０および時計回り１１２０）に電流が流れる。幾つかの具体例では、タブ１１００は、電極の長さに沿って、均等な間隔で配置される。タブ１１００は、また、電極のリーディングエッジから距離１１６０で配置されてもよい。距離１１６０は、隣接するタブの間の間隔の約２分の１として選択される。それらの配置は、誘導電流（例えばループ）がジェリーロールの異なる層で、互いに反対に流れるようにする。この結果、電流の誘導磁場は実質的に互いに打ち消し合う。複数の導電性タブの位置は、電池中の誘導電流により発生する全磁場が、アノードシートまたはカソードシートのリーディングエッジに配置された１つの導電性タブを有する場合に比較して、少なくとも８０％低減されるように選択される。この方法では、電池のインダクタンスは、十分に低くなる。
【００４７】
１の具体例では、電極シートの端部に配置された１つのタブに比較して、４つのタブは十分に低いインダクタンスを表す。しかしながら、例えば１２より多くのように、タブの数を増やすと、非常に限定されたインダクタンスの低減と、より高い製造コストとなる。幾つかの具体例では、４つより少ないタブで設計される。電極の中央の１つのタブは、同様の目的に使用でき、電極が１つのタブを端部に有する場合より、セルインダクタンスを小さくできる。幾つかの具体例では、電極は電極シートの５０ｃｍ２から４００ｃｍ２の面積あたりに１つのタブを有する。
【００４８】
多くの例示的な円筒状に巻かれたセルは、以下に述べられる。それらのセルは、直径が２６ｍｍで長さが６５ｍｍであり、「２６６５０サイズの」セルと呼ばれる。それらのセルは、４つと８つのタブを有し、電極の長さに沿って均等に配置される。比較のために、商業的に入手できる、同じ容量の円筒状に巻かれたセルが準備された。全てのセルは、以下の２つの方法を用いて測定されたインダクタンスを有した。（１）Fluke PM6306 RCLメータ、および（２）Solartron 1250 周波数応答アナライザである。Solartron 1250 周波数応答アナライザを用いて、０．０２５マイクロＨの平均インダクタンスが、４つのタブのセルで得られた。８つのタブのセルは、０．０２８マイクロＨの平均インダクタンスを有した。これに対して、商業的に入手できる、１つのタブの高電力セルでは、１０倍より大きな平均インダクタンスとなった。（以下の表１参照）。
【００４９】
表１
【００５０】
図１２および図１３は、異なるインダクタンスを有する２つの異なる電池が、適用内でいかに異なったエネルギ消散レベルを示すかを示す。図１２は、高インダクタンス電池の、電圧１２００と電流１２１０の波形を示す。コントローラがオフになり、電流トレース１２１０が下がり始めた時点で、電流１２００が上昇することに注意すべきである。上昇する電圧は、それを消散させるために制御回路に磁場が導入された起電力の測定である。より多くの消散させるエネルギ（それゆえに、より高いインダクタンス）であれば、より高くこの電圧が上昇する。スイッチがターンオフした後の、この電圧と電流の増倍は、使用できない熱として消散した正確なエネルギを示す。それで、より高い電圧は、より高いエネルギの消散を示す。
【００５１】
図１３では、４つまたは８つの適切に配置されたタブを含む低インダクタンスの電池が、電流１３１０がゼロの低下した場合に、電圧スパイク１３００がより小さくなるのを示す。この低くなったスパイクは、図１２で示された実験で使用されたより高いインダクタンスの電池の場合に比べて、電力制御回路の内部で消散されるエネルギの量がより小さくなることを示す。
【００５２】
図７Ａで検討したように、巻かれたセルの表面の特定の領域（例えば９０度の四分円）内に整列されるように、タブの位置は選択できる。タブが均等な間隔で電極の長さ方向に配置されるようなタブの位置の選択は、巻かれたセルのレジスタンスとインダクタンスを更に低減する。
【００５３】
図１および図７Ｂに示すように、絶縁性ディスク（３）は、電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）が、逆極性の電極と接触するのを防止し、これにより短絡を避ける。絶縁性ディスク（３）は、ポリオレフィン、ポリブチレン、ポリエステル、フェノールフォルムアルデヒドレジン、およびペルフルオロアルコキシ（perfluoroalkoxy）のようなフロロポリマーからなるポリマーディスク、または他のタイプの電気絶縁性材料から形成される。絶縁体（３）は、複数のスロット（７０２）を有し、電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）がそこを通る。ジェリーロールセルを螺旋状に巻いた後の、電流収集タブ（６１）、（６２）、（６３）、（６４）の相対位置は、電極シートの厚さの僅かなバラツキにより十分に変化するため、スロット（７０２）は、タブを収容するために（即ち、そこを通るように）長さが変化する。幾つかの具体例では、図１および図７Ｂに示すように、約９０〜１２０度の間隔を有する円弧状に配置されたスロット（７０２）が、絶縁性ディスク（３）の上で使用される。タブの位置は、タブが絶縁性ディスク上のスロットの１つと整列するように選択される。円弧の長さ、例えば約９０〜１２０度は、ジェリーロールの端面の選択された環状領域中にタブを配置し、一方タブ位置の変化をもたらす電極層の厚さの僅かな変化を収容する。
【００５４】
１またはそれ以上の具体例では、電極シートは５つまたはそれより多い、例えば８つまたはそれ以上のタブを含む。電流収集タブの数が増加すると、巻いた後にジェリーロールの端面に沿った狭い円弧中に配置される、電極シートの長さに沿ったタブの配置がより困難になる。例えば、電極層の厚さの僅かな変化と最適な電流運搬特性のためのタブの所望の配置は、タブ位置が、ジェリーロールの端面で完全な環状形状に拡がったタブ配置となる。より間隔の離れたタブは、より多くのスロット（７０２）と、絶縁性ディスク（３）上でより環状に拡がった少なくとも１つのスロットを必要とする。環状のリング形状のスロットまたは他の設計が用いられるが、そのような絶縁体の製造および／または組立は困難である。より大きな円弧幅では、より多くのスロットを備えることが必要となり、スロットが配置される絶縁性の端キャップが狭い絶縁性ブリッジで互いに分離されるようになり、機械的に弱く、歪み、短絡の可能性が高くなる。
【００５５】
本発明の１またはそれ以上の具体例では、タブ絶縁性缶は、２またはそれ以上の同軸配置された環状の絶縁性部材を含み、それぞれの絶縁性の環状部材は、タブを収容する少なくとも１つのスロットを含む。絶縁部材の相対的な角度位置は、多くの数（例えば４またはそれ以上）の電流収集タブを容易に収容できるように、電池セルの組立中に調整できる。１またはそれ以上の具体例では、絶縁性の環状部材は、例えば１２０度より大きく、または約１８０度までの範囲の、環状の拡がりを有するスロットを含み。絶縁性部材は、入れ子状（nested）の環状リングとして配置されても良い。１またはそれ以上の具体例では、入れ子状の環状のリングは、円弧形状のスロットが４またはそれ以上のタブを収容するように調整される。
【００５６】
図１４は、本発明の１またはそれ以上の具体例にかかるタブ絶縁体の平面図である。絶縁体は、６つのスロットを有するように示されるが、これは例示目的で記載されたものであり、他の数のスロットも使用できることを理解すべきである。それぞれの絶縁性部材上のスロット数は、同じまたは異なり、一般には、最小で４つから、８つまたはそれ以上までの範囲である。示されるように、タブ絶縁体（１４００）は、第１の絶縁性部材（１４０２）および第２の絶縁性部材（１４１２）を有しても良い。第１および第２の絶縁性部材は、異なる寸法であり、より小さな部材は、より大きな部材の中に入れ子状に配置される。絶縁性部材（１４１２）より大きさが小さい絶縁性部材（１４０２）は、電池セルの電流収集タブ（図示せず）をその上に収容するように配置された複数の円弧形状のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）を有しても良い。同様に、絶縁性部材（１４１２）は、追加の電流収集タブ（図示せず）を収容するための複数の円弧形状のスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）を有しても良い。部材（１４０２）、（１４１２）は、それぞれポリオレフィン、ポリブチレン、ポリエステル、フェノールフォルムアルデヒドレジン、およびペルフルオロアルコキシ（perfluoroalkoxy）のようなフロロポリマーまたは他の好適な絶縁性材料のような、電気的に絶縁性の材料から形成される。絶縁体（１４００）は、ダイカッティング、射出成形、または他の好適な技術で作製できる。
【００５７】
６つのスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）、（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）のそれぞれは、１またはそれ以上の電流収集タブ（図示せず）を収容するのに用いられる。加えて、絶縁性部材（１４１２）は、部材（１４１２）の外部エッジ（１４１３）に沿って配置された１またはそれ以上のタブのための絶縁を提供し、絶縁性部材（１４０２）は、また、部材（１４０２）の外部エッジ（１４０５）に沿って配置された１またはそれ以上のタブのための絶縁を提供する。インシュレータ（１４００）は、それゆえに、例えば６、７、８またはそれ以上のような複数の電流収集タブを収容する。絶縁部材（１４１２）は、その中央に開口部（１４１４）を有する。電池として使用する場合、２つの絶縁性部材（１４０２）、（１４１２）は同心円状には位置され、同心円状に配置された内部および外部の絶縁性部材は、絶縁性部材（１４０２）の上のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）と、絶縁性部材（１４１２）の上のスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）とを通るタブ（図示せず）が整列する。タブは、絶縁性部材（１４０２）の開口部（１４１４）を通ってもよい。絶縁性部材（１４０２）は中央に開口部（１４０４）を有し、電池セルのステム（例えば図４Ｂに示されるステム（４５ａ））がそこを通っても良い。
【００５８】
例えば、スロットは約０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの幅で、約１２０〜１８０度の角度距離（スパン）を有しても良い。約３２ｍｍの直径の円筒状のセルでは、内方部材は、例えば３〜１０ｍｍの内部直径と１８〜２５ｍｍの外部直径とを有する。外方部材は、例えば１６〜２５ｍｍの内部直径と３０〜３１．５ｍｍの外部直径とを有する。外方部材の内部直径を、内方部材の外部直径より小さくすることが有用であるが、重なる必要な無い。第１および第２の部材は、完全な円である必要は無い。１またはそれ以上の具体例では、軸からの半径が増加するスロットが、環状部材の対向する領域に配置される。このように、中心軸から最も遠くと２番目に遠くに（最大と２番目に大きい半径で）配置されたスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）は、第２の環状部材の対向する領域に配置される。対向する位置は、隣接するスロット間の絶縁領域を最大にし、機械的安定性と絶縁容量を最大にする。
【００５９】
図１５は、図１４に示された、組み立てられた絶縁体（１４００）の上面図である。図１４では、２つの絶縁性部材（１４０２）、（１４１２）が同心円に配置され、スロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）を有する、より小さい絶縁性部材（１４０２）が、より大きな第２の絶縁性部材（１４１２）の開口部（１４１４）内に配置される。電池セルの電流収集タブ（１５０２）は、スロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）、（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）を通り、図示するように、電池セルの中心に向かって曲げられる。電流収集タブは、９０〜１２０度の領域内になるように強制されるものではない。
【００６０】
この絶縁性端キャップの１つの特長は、絶縁性部材（１４０２）、（１４１２）の環状位置が、互いに、十分に変化するタブ位置を収容できるように、電池セルの組立中に調整可能であることである。例えば、タブ絶縁体（１４００）では、電池セルの電極シートを螺旋状に巻いた後に、電池セルの中央近くに配置されたタブが、絶縁性部材（１４０２）のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）を通るように適用される。この時点で、電池セルの中央から離れて配置されたタブが、絶縁性部材（１４１２）のスロット（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）を通って容易に適用されるように、第２の絶縁性部材（１４１２）の角度位置が調整される。１の具体例では、１またはそれ以上のスロット（１４０６ａ）、（１４０６ｂ）、（１４０６ｃ）、（１４１６ａ）、（１４１６ｂ）、（１４１６ｃ）が、約１２０度の角度距離を有し、相対的なタブ位置の大きなバラツキを収容できる。
【００６１】
図１６は、本発明の他の具体例にかかる絶縁体の設計を示す。図のように、絶縁体（１６００）は、絶縁性部材（１６０２）、（１６１２）を含む。部材（１６０２）は、スロット（１６０４ａ）、（１６０４ｂ）、（１６０４ｃ）、（１６０４ｄ）、（１６０４ｅ）を有し、部材（１６１２）は、スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）を有する。絶縁性部材（１６０２）は、例えば、約３０ｍｍ〜３１．５ｍｍの直径と、約２８ｍｍ〜２５ｍｍの直径の開口部（１６０６）を有する。スロット（１６０４ａ）、（１６０４ｂ）、（１６０４ｃ）、（１６０４ｄ）、（１６０４ｅ）は、例えば、約０．５ｍｍの幅であり、約１２０度の角度距離を有する。スロット（１６０４ａ）、（１６０４ｂ）、（１６０４ｃ）、（１６０４ｄ）、（１６０４ｅ）の半径は、それぞれ、例えば、約９．５ｍｍ〜１０ｍｍ、１０．９ｍｍ〜１１．４ｍｍ、１２．４ｍｍ〜１２．９ｍｍ、１３．４ｍｍ〜１３．９ｍｍ、１４．５ｍｍ〜１５ｍｍである。それぞれのスロットの半径位置は、対応するタブの半径位置に一致することを意図する。幾つかの具体例では、タブはそれぞれの電極上で均等な間隔で、最も有効の電極を使用するために、インピーダンスと電流密度の傾斜を最初にする。この場合、巻いた後のタブのおおよその半径位置が予想でき、タブを収容するようにスロットが配置される。それぞれのスロットの形状は、完全な環状である必要ななく、例えば螺旋の一部のような形状で、円弧の半径が円弧の長さで変化しても良い。
【００６２】
部材（１６１２）は完全な円である必要は無い。例えば、部材（１６１２）の下部半分が約９．５ｍｍの半円であり、上部半分は約１２ｍｍの半円である。この設計では部材（１６１２）が部材（１６１２）と同軸に配置された場合、タブは部材（１６１２）、（１６０２）を通り、部材（１６１２）の下部半分の外部エッジに乗ることができる。スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）は、また約０．５ｍｍの幅であり、例えば、約９０度の角度距離を有する。スロットの角度距離は、互いのタブ位置の予想される角度バラツキに基づいて設計される。巻いた後に、外方のタブよりも内方のタブが、最も内方のタブに比べて位置のバラツキがより小さいと予想される場合、内方のスロットの角度距離は、外方のスロットの角度距離より小さくても良い。スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）は、例えば、それぞれ中心から約５．６〜６．１ｍｍおよび７．８５〜８．３５ｍｍに配置される。スロット（１６１４ａ）、（１６１４ｂ）は、絶縁性部材（１６１２）の同じ四分円に配置する必要はない。タブ絶縁体（１６００）は、７またはそれ以上の電流収集タブを収容しても良い。
【００６３】
図１７は、絶縁体の外方部材（１７０２）の斜視図である。部材（１７０２）はスロット（１７０８）と、中心の開口部（１７０４）とを有する。加えて、部材（１７０２）は、１またはそれ以上の「タブライザ（tab riser）」と呼ばれるリブ突出部（１７０６）や、円筒状の垂直側壁（１７１０）のような３次元（３Ｄ）の特長を有する。タブライザ（１７０６）は、例えば円弧形状でスロット（１７０８）に並んで配置される。ライザ（１７０６）は部材（１７０２）の外部表面から突出し、タブの曲げを容易にする。円筒状の側壁（１７１０）は、部材（１７０２）の周囲から延びて、電流収集タブとの接触からセル缶を保護する。組み立てられた場合、円筒状の側壁は、ジェリーロールから離れて配置される。それらの３Ｄ特性は、射出成形や他の好適な製造技術を用いて形成できる。
【００６４】
図１８は、より大きな（外方の）部材（１８０２）と、より小さな（内方の）部材（１８１２）を有する絶縁体（１８００）の斜視図である。部材（１８０２）、（１８１２）はその上に配置されたスロット（１８０４）を有する。部材（１８０２）は、円筒状の側壁（１８０６）を有する。部材（１８０２）、（１８１２）の一方または双方は、追加の３Ｄ特性（図示せず）を有し、電池セルを組み立てた後に、２つの部材（１８０２）、（１８１２）が互いに同軸となるのを確実にしても良い。例えば、円弧形状のリッジ（図示せず）が内方の部材（１８１２）上のサイドスロット（１８０４ａ）に沿って配置され、部材（１８０２）が下げられた場合に、内方の部材（１８１２）上のリッジが、外方の部材（１８０２）の開口部（１８１４）のエッジ（１８１６）と一致し、これに乗る。この方法で、内方の部材（１８１２）は、外方の部材（１８０２）と入れ子上に重なり、それゆえに、組立後に、外方部材（１８０２）と同軸にできる。
【００６５】
上述のタブ絶縁体の例は、１または２つの部材のみを有するが、本発明の具体例は、３またはそれ以上の部材を有するタブ絶縁体を含む。それらの部材はタブを収容するためのスロットを有し、同軸に配置されても良い。部材は、電池セルの組立中に、その環状の方向について柔軟に調整でき、電流収集タブの変化する位置を収容する。１またはそれ以上の具体例では、２またはそれ以上の部材を有する絶縁体は、７つより多い電流収集タブを収容するために使用される。
【００６６】
本発明は、先の例示された具体例に記載され示されているが、この説明は例示として行われ、本発明の手段の詳細について多くの変形が本発明の精神や範囲から離れることなく行うことができ、本発明は以下の請求の範囲によってのむ限定されることを理解すべきである。開示された具体例の特長は、本発明の範囲や精神の範囲内で、様々な方法で組み合わせ再配置することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルであって、
セパレータ膜により分離されたアノードシートとカソードシートとを含むアセンブリであって、アノードシートは第２電流コレクタ上の第２電気活性層を含み、カソードシートは第１電流コレクタ上の第１電気活性層を含み、アセンブリは側壁と、対向する端面とを有するアセンブリと、
アノードシートおよびカソードシートの少なくとも１つから延びた複数の導電性タブであって、アセンブリの端面から延びて、第１電流コレクタと第２電流コレクタの少なくとも１つと電気的に接続された複数の導電性タブと、
外方部材と内方部材を有する第１タブ絶縁体であって、外方部材と内方部材のそれぞれは、複数の導電性タブの１つまたはそれ以上が通る少なくとも１つのスロットを有する第１タブ絶縁体と、を含み、
内方部材と外方部材は、第１タブ絶縁体の外方部材および内方部材の上の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向について調整可能である電気化学セル。
【請求項２】
１またはそれ以上のスロットは、円弧形状である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
１またはそれ以上のスロットの少なくとも１つは、約１２０〜１８０度の角度距離を有する請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
１またはそれ以上のスロットの少なくとも１つは、約９０度の角度距離を有する請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項５】
外方部材は、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
外方部材および内方部材の少なくとも１つは、複数の導電性タブの少なくとも１つの曲げを容易にするための、リブ形状の突出部を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
外方部材および内方部材の少なくとも１つは、内方部材を外方部材と入れ子式にするための、１またはそれ以上のリッジを有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
複数の導電性タブは、４から１２のタブを含む請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
第１電流コレクタはカソードシートから延びた第１の複数の導電性タブと電気的に接続され、第２電流コレクタはアノードシートから延びた第２の複数の導電性タブと電気的に接続され、第１の複数の導電性タブと第２の複数の導電性タブは、アセンブリの対向する端面から延び、アセンブリは螺旋状に巻かれたアセンブリである請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
更に、第２タブ絶縁体を含み、第１タブ絶縁体と第２タブ絶縁体は、螺旋状に巻かれたアセンブリの対向する端面上に配置された請求項９に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
内方部材と外方部材の少なくとも１つは、内方部材と外方部材の少なくとも１つの中心に対して、反対側に設けられた少なくとも２つのスロットを有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
電気化学セルを形成する方法であって、
第１電流コレクタ上に第１電気活性層を含む正電極と、第２電流コレクタ上に第２電気活性層を含む正電極との間にセパレータ部材を挿入し、多層アセンブリを形成する工程であって、
それぞれの電流コレクタは、電流コレクタに電気的に接続され電流コレクタから外方に延びた複数の導電性タブを有し、正電極のタブと負電極のタブは、多層アセンブリの対向する側にある工程と、
選択された電流コレクタのタブを、螺旋状に巻かれたアセンブリの中心に向かって折り畳み、中心軸でタブが互いに横切る工程と、
タブの交差を越える点で、選択された電流コレクタの重なったタブを集める工程と、
選択された電流コレクタの集められたタブを、接続ストラップに固定する工程と、を含む電気化学セルの形成方法。
【請求項１３】
更に、多層アセンブリを螺旋状に巻く工程を含む請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１４】
更に、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する外方部材を提供する請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１５】
更に、リブ形状の突出部を有する、外方部材と内方部材の少なくとも１つを提供し、複数の導電性タブの少なくとも１つを曲げやすくする請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１６】
更に、１またはそれ以上のリッジを有する、外方部材と内方部材の少なくとも１つを提供し、内方部材を外方部材と入れ子式にする請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１７】
電池セルの使用するためのタブ絶縁体であって、
互いに入れ子式になった少なくとも１つの外方部材と少なくとも１つの内方部材であって、１またはそれ以上の電池セルの導電性タブがそこを通る少なくとも１つのスロットをそれぞれが有する、少なくとも１つの外方部材と少なくとも１つの内方部材とを含み、
内方部材と外方部材は、内方部材と外方部材の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向について調整可能であるタブ絶縁体。
【請求項１８】
スロットの少なくとも１つは、約１２０〜１８０度の角度距離を有する請求項１７に記載のタブ絶縁体。
【請求項１９】
スロットの少なくとも１つは、約９０度の角度距離を有する請求項１７に記載のタブ絶縁体。
【請求項２０】
外方部材は、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する請求項１７に記載のタブ絶縁体。
【請求項１】
電気化学セルであって、
セパレータ膜により分離されたアノードシートとカソードシートとを含むアセンブリであって、アノードシートは第２電流コレクタ上の第２電気活性層を含み、カソードシートは第１電流コレクタ上の第１電気活性層を含み、アセンブリは側壁と、対向する端面とを有するアセンブリと、
アノードシートおよびカソードシートの少なくとも１つから延びた複数の導電性タブであって、アセンブリの端面から延びて、第１電流コレクタと第２電流コレクタの少なくとも１つと電気的に接続された複数の導電性タブと、
外方部材と内方部材を有する第１タブ絶縁体であって、外方部材と内方部材のそれぞれは、複数の導電性タブの１つまたはそれ以上が通る少なくとも１つのスロットを有する第１タブ絶縁体と、を含み、
内方部材と外方部材は、第１タブ絶縁体の外方部材および内方部材の上の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向について調整可能である電気化学セル。
【請求項２】
１またはそれ以上のスロットは、円弧形状である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
１またはそれ以上のスロットの少なくとも１つは、約１２０〜１８０度の角度距離を有する請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
１またはそれ以上のスロットの少なくとも１つは、約９０度の角度距離を有する請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項５】
外方部材は、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項６】
外方部材および内方部材の少なくとも１つは、複数の導電性タブの少なくとも１つの曲げを容易にするための、リブ形状の突出部を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
外方部材および内方部材の少なくとも１つは、内方部材を外方部材と入れ子式にするための、１またはそれ以上のリッジを有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
複数の導電性タブは、４から１２のタブを含む請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
第１電流コレクタはカソードシートから延びた第１の複数の導電性タブと電気的に接続され、第２電流コレクタはアノードシートから延びた第２の複数の導電性タブと電気的に接続され、第１の複数の導電性タブと第２の複数の導電性タブは、アセンブリの対向する端面から延び、アセンブリは螺旋状に巻かれたアセンブリである請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
更に、第２タブ絶縁体を含み、第１タブ絶縁体と第２タブ絶縁体は、螺旋状に巻かれたアセンブリの対向する端面上に配置された請求項９に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
内方部材と外方部材の少なくとも１つは、内方部材と外方部材の少なくとも１つの中心に対して、反対側に設けられた少なくとも２つのスロットを有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
電気化学セルを形成する方法であって、
第１電流コレクタ上に第１電気活性層を含む正電極と、第２電流コレクタ上に第２電気活性層を含む正電極との間にセパレータ部材を挿入し、多層アセンブリを形成する工程であって、
それぞれの電流コレクタは、電流コレクタに電気的に接続され電流コレクタから外方に延びた複数の導電性タブを有し、正電極のタブと負電極のタブは、多層アセンブリの対向する側にある工程と、
選択された電流コレクタのタブを、螺旋状に巻かれたアセンブリの中心に向かって折り畳み、中心軸でタブが互いに横切る工程と、
タブの交差を越える点で、選択された電流コレクタの重なったタブを集める工程と、
選択された電流コレクタの集められたタブを、接続ストラップに固定する工程と、を含む電気化学セルの形成方法。
【請求項１３】
更に、多層アセンブリを螺旋状に巻く工程を含む請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１４】
更に、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する外方部材を提供する請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１５】
更に、リブ形状の突出部を有する、外方部材と内方部材の少なくとも１つを提供し、複数の導電性タブの少なくとも１つを曲げやすくする請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１６】
更に、１またはそれ以上のリッジを有する、外方部材と内方部材の少なくとも１つを提供し、内方部材を外方部材と入れ子式にする請求項１２に記載の電気化学セルの形成方法。
【請求項１７】
電池セルの使用するためのタブ絶縁体であって、
互いに入れ子式になった少なくとも１つの外方部材と少なくとも１つの内方部材であって、１またはそれ以上の電池セルの導電性タブがそこを通る少なくとも１つのスロットをそれぞれが有する、少なくとも１つの外方部材と少なくとも１つの内方部材とを含み、
内方部材と外方部材は、内方部材と外方部材の少なくとも１つのスロットの相対的な角度方向について調整可能であるタブ絶縁体。
【請求項１８】
スロットの少なくとも１つは、約１２０〜１８０度の角度距離を有する請求項１７に記載のタブ絶縁体。
【請求項１９】
スロットの少なくとも１つは、約９０度の角度距離を有する請求項１７に記載のタブ絶縁体。
【請求項２０】
外方部材は、外方部材の面に垂直な円筒状の側壁を有する請求項１７に記載のタブ絶縁体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公表番号】特表２０１０−５３４９１６（Ｐ２０１０−５３４９１６Ａ）
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１８３８８（Ｐ２０１０−５１８３８８）
【出願日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７１０４１
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１５２８２
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０５２３９２１９）エイ １２３ システムズ，インク． (24)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７１０４１
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１５２８２
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０５２３９２１９）エイ １２３ システムズ，インク． (24)
【Ｆターム（参考）】
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