JP6524053B2 - 電気化学セルスタックのためのクランプ装置 - Google Patents

Description

本開示は、全体としてクランプ装置に関する。特に、本開示は、電気化学セルスタックのためのクランプ装置に関する。

リチウムイオンバッテリーは、概して、アノードとカソードとの間にセパレータ及び／又は電解質を含んでいる。バッテリーのいくつかでは、セパレータ、カソード及びアノード材料は、個々に、シート又はフィルムに形成される。その後、カソード、セパレータ及びアノードのシートは、セパレータがカソードとアノード（例えば電極）とを分離して積み重ねられるか又は巻かれ、これによりバッテリーを形成する。カソード、セパレータ及びアノードが巻かれるために、各シートは、クラックのような故障、破損、機械的故障などがなく巻かれるために、十分に変形可能であるか又は可撓性を有しなければならない。代表的な電極は、導電性金属（例えばアルミニウム及び銅）上に電気化学的活物質層を含んでいる。例えば、炭素は、不活性バインダー材料とともに電流コレクタ（例えば銅シート）上に堆積される。炭素は、優れた電気化学的特性を有し且つ導電性も有するので、しばしば使用される。電極は、巻かれるか、又はピースに切断され、ピースは、その後、スタックに重ねられる。スタックは、電気化学的活物質の間のセパレータと交互の電気化学的活物質からなる。

リチウムイオンバッテリーの体積及び質量エネルギー密度を増大させるために、シリコンが、負極のための活物質として提案されてきた。しかしながら、サイクル中に、アノード活物質中のシリコン粒子は、充電時に膨張する。この膨張は、電流コレクタとして使用される金属箔を変形させる可能性がある。セルスタックの層が狭い領域に閉じ込められているので、膨張は、金属箔のゆがみ又は変形をもたらし、従ってバッテリースタックにおける層の間の接触面積を減少させる可能性がある。結果として、バッテリーが電荷を受容し且つ解放する能力は、大幅に影響を与えられるかもしれない。従って、電極が変形することを防止することが、不可逆容量を減少させ且つサイクル寿命を向上させることに役立つ。

ある実施形態では、電気化学セルスタックのためのクランプ装置が提供される。クランプ装置は、第１プレートと、第１プレートと第２プレートとの間の空間が電気化学セルスタックを収容するサイズとされるように第１プレートに対して位置決め可能な第２プレートと、を含むことができる。また、クランプ装置は、第１プレートを第２プレートに結合させる結合部材を含むことができる。第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方が、他方のプレートから離れるように移動可能である。また、結合部材が、第１終端部分及び第２終端部分を有することができる。さらに、クランプ装置は、第１終端部分と第２終端部分との間に配置された弾性部材を含むことができる。

いくつかの実施形態では、第１プレートと第２プレートとの間の距離の変化が、電気化学セルスタックの膨張と相関する。結合部材の第１終端部分及び第２終端部分の少なくとも一方が、電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するように構成されることができる。また、クランプ装置は、充電時に電気化学セルスタック内の電極の変形を減少させるように構成されることができる。さらに、弾性部材が、電気化学セルスタックの充電中に圧縮されるように構成され、それにより、第１プレート及び第２プレートによって与えられる電気化学セルスタックへの圧力の増大を減少させることができる。圧力の増大を減少させることが、電気化学セルスタックに実質的に一定の圧力をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、弾性部材が、電気化学セルスタックの充電中に圧縮されるように構成され、それにより、電気化学セルスタックの膨張に起因する電気化学セルスタックへの圧力の変化を減少させる。弾性部材が、バネ、プランジャ、弾性バンド、空気圧式ピストン又は発泡体を含むことができる。結合部材が、留め具、バネクランプ又はＣ−クランプを含むことができる。第１終端部分又は第２終端部分の少なくとも一方が、複数のナット又は複数の留め具ヘッドを備えることができる。

さらなる実施形態では、電気化学セルスタック内の電極の変形を減少させる方法が提供される。方法は、第１プレートと第２プレートとの間に電気化学セルスタックを位置決めするステップと、電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するために、結合部材の終端部分を調節するステップと、を含む。

いくつかの実施形態では、方法は、電気化学セルスタックを充電するステップを含むことができる。また、電気化学セルスタックが、初めて電気化学セルスタックを充電する前に、第１プレートと第２プレートとの間に位置決めされることができる。方法は、セル形成又はセル予処理の後に、電気化学セルスタックを取り除くステップをさらに含むことができる。

本明細書で説明されるある実施形態に従った電気化学セルスタックのための例示的なクランプ装置の写真である。 図１に示される例示的なクランプ装置の概略図である。 一定間隙型クランプ装置に設置された電気化学セルスタックのセル膨張の関数としての電気化学セルスタックへの力のプロットである。 本明細書で説明されるある実施形態のクランプ装置に設置された電気化学セルスタックのセル膨張の関数としての電気化学セルスタックへの力のプロットである。 電気化学セルスタック内で反ったアノードの写真である。 本明細書で説明されるある実施形態のクランプ装置に設置された電気化学セルスタックの反っていないアノードの写真である。 電気化学セルスタック内の電極の変形を減少させる例示的な方法を示す。

再充電可能なリチウムイオンセルで現在使用されているアノード電極は、概して、１グラム当たりおよそ２００ミリアンペア時の特別な容量を有している（金属箔電流コレクタ、導電性添加剤及びバインダー材料を含む）。ほとんどのリチウムイオンバッテリーアノードで使用されている活物質であるグラファイトは、１グラム当たり３７２ミリアンペア時（ｍＡｈ／ｇ）の理論的エネルギー密度を有している。比較すると、シリコンは、４２００ｍＡｈ／ｇの高い理論的容量を有している。しかしながら、シリコンは、リチウム挿入時に３００％を超えて膨張する。この膨張の理由から、シリコンを含むアノードは、シリコン粒子の間の電気的接触を維持する一方で膨張が可能とされるべきである。しかしながら、電気化学セルスタックが膨張するときに、膨張は均一ではなく、セルスタックの厚さの変化及び変形をもたらす。

この開示は、充電時にセルスタック内で膨張する電極の変形を減少させるように構成された電気化学セルスタックのためのクランプ装置のある実施形態を説明する。セルスタックは、グラファイト、シリコンベースの、スズベースの又は他の合金ベースの電極を含むことができる。例えば、クランプ装置は、第１プレート及び第２プレートを備えることができる。第２プレートは、第１プレートと第２プレートとの間の空間が電気化学セルスタックを収容するサイズとされるように、第１プレートに対して位置決め可能である。また、クランプ装置は、第１プレートを第２プレートに結合する結合部材を備えることができる。第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方は、他方のプレートから離れるように移動可能である。例えば、第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方は、結合部材周りで移動可能である。

第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方が他方のプレートから離れるように移動可能でなかった場合、第１プレート及び第２プレートは、充電中のセルスタックの膨張時にセルスタックに、増大する圧力を与える可能性がある。放置されたままとされると、十分に高い圧力に達した場合、セルスタックが損傷し、例えばセルスタックをショートさせる。しかしながら、ある実施形態では、第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方が他方のプレートから離れるように移動可能であるので、第１プレート及び第２プレートによってセルスタックに与えられる圧力のいくらかは軽減され、また制御されることができる。

例えば、いくつかの実施形態では、第１プレート及び第２プレートの一方のみが、セルスタックが膨張するときに移動可能である。他の実施形態では、双方のプレートが、セルスタックが膨張するときに移動可能である。第１プレートと第２プレートとの間の距離の変化は、セルスタックの膨張と相関する。

いくつかの実施形態では、結合部材は、第１終端部分及び第２終端部分を有している。クランプ装置は、第１終端部分と第２終端部分との間に配置された弾性部材をさらに含んでいる。結合部材の第１終端部分及び第２終端部分の少なくとも一方は、セルスタックに付与される圧力を設定するように構成される。例えば、弾性部材は、セルスタックの充電中に圧縮されるように構成される。弾性部材が圧縮されると、第１プレート及び第２プレートによって与えられるセルスタックへの圧力の増大が、減少されることができる。いくつかの例では、第１プレート及び第２プレートによる圧力の減少された増大は、セルスタックへの圧力の若干の変化（又は実質的に一定の圧力）をもたらし、それにより、不均一な膨張に起因するセルスタックの厚さの変化及び／又は変形を減少させる。

本明細書で説明されるように、クランプ装置のある実施形態は、第１プレート及び第２プレートを含んでいる。いくつかの実施形態では、第１プレートは、第２プレートと実質的に同じ材料から製造することができる。他の実施形態では、第１プレートは、第２プレートと異なる材料から製造することができる。材料は、金属（例えばカーボンスチール又はアルミニウム）及び／又はポリマー（例えばポリプロピレン又はエポキシ）を含むことができる。また、材料は、絶縁材を含むことができる。第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方の断面形状は、正方形、矩形、円形、卵形又は多角形（例えば五角形、六角形、八角形など）であってもよい。第２プレートは、第１プレートと第２プレートとの間に空間があるように第１プレートに対して位置決めすることが可能である。空間が、電気化学セルスタックを収容するサイズとされるので、第１プレート及び第２プレートの寸法は、第１プレートと第２プレートとの間にセルスタックを収納することができるようなサイズとされて成形されている。従って、第１プレート及び第２プレートの寸法は、セルスタックのサイズ及び形状に依存する。さらに、第１プレート及び第２プレートの厚さは、セルスタックの充電時に第１プレート及び第２プレートの曲げを減少させるようなサイズとされてもよい。例えば、第１プレート及び第２プレートの厚さは、約０．５ｃｍから約０．８ｃｍの間、例えば約０．６ｃｍ、約０．６５ｃｍ又は約０．７ｃｍであってもよい。いくつかの実施形態では、第１プレートの形状及び寸法は、第２プレートの形状及び寸法と実質的に同じであってもよい。他の実施形態では、第１プレートの形状及び寸法は、第２プレートの形状及び寸法と異なっていてもよい。

いくつかの実施形態では、第１プレートと第２プレートとの間の空間は、１つよりも多いセルスタックを収容するようなサイズとされている。例えば、複数のセルスタックが並んで配置されるか、又は第１プレートと第２プレートとの間で互いの頂部上に積み重ねられてもよい。このような実施形態では、多数のセルスタックが、同じクランプ装置（例えば、セルスタックに、類似するか又は実質的に同じ設定圧力を維持するための同じ弾性部材）を利用することができる。さらに、クランプ装置は、第１プレート及び第２プレートよりも多いプレート、例えば互いの頂部上に積み重ねられる多数のプレートを含んでもよい。２つのプレートの間の空間は、少なくとも１つのセルスタックをそれぞれ収容するようなサイズとされることができる。このような実施形態では、いくつかのセルスタックは、同じ弾性部材を利用することができる。従って、複数のセルスタックが、追加的なプレート及び／又はスペーサを有して又は有することなく、第１プレートと第２プレートとの間に配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、結合部材が、第１プレート及び／又は第２プレートにおける孔を通って延在している。例えば、結合部材は、第１プレートと第２プレートとを結合することができる長手方向の長さを有する任意の延在構造体である。いくつかの実施形態では、結合部材は、第１プレート又は第２プレート内に固定されるか又は取り付けられてもよい。例えば、結合部材は、一端が第１プレート又は第２プレートに固定された柱／ロッドであるか、又は結合部材は、第１プレート又は第２プレート内に直接螺合されたネジ部分を有するネジ又は柱である。他の実施形態では、結合部材は、第１プレートの第１孔及び第２プレートの第２孔を通って延在している。いくつかの実施形態では、結合部材は、留め具、例えばネジ、ボルト又はロッド／柱である。いくつかの実施形態では、ロッド／柱は、ネジ部分又は凹凸部分を含むか又は含まなくてもよい。他の実施形態では、結合部材は、クランプ、例えばＣ−クランプを備えている。いくつかの実施形態では、クランプ装置は、１つ以上の結合部材を備えている。

いくつかの実施形態では、第１終端部分及び第２終端部分は、独立して、ナット、ヘッド（例えばネジヘッド、ボルトヘッド又は同等のもの）、柱クランプ、プレート（例えば第１プレートもしくは第２プレート又は追加的な第３プレート）又はＣ−クランプのパーツである。また、第１終端部分及び第２終端部分は、可動プレートが結合部材から結合解除されることを防止するように構成されている。いくつかの実施形態では、第１終端部分及び第２終端部分は、第１プレートと第２プレートとの間のセルスタックに付与される圧力を設定するように構成されている。例えば、設定圧力は、セルスタックの不均一な厚さの変化を補償することを支援することを考慮する。複数の結合部材が使用される実施形態では、１つの結合部材によって設定される圧力は、別の結合部材によって設定される圧力と異なることができる。

クランプ装置は、第１終端部分と第２終端部分との間に配置された弾性部材をさらに備えることができる。弾性部材は、第１プレートと第１終端部分との間、第２プレートと第２終端部分との間、又は第１プレートと第２プレートとの間に配置されてもよい。弾性部材は、バネ定数を有し、且つ伸張部材又は圧縮部材であってもよい。弾性部材が第１プレートと第１終端部分との間及び／又は第２プレートと第２終端部分との間に配置されているいくつかの実施形態では、弾性部材は、第１プレート又は第２プレートを第１終端部分又は第２終端部分それぞれから離すように押圧するように構成された圧縮部材である。弾性部材が第１プレートと第２プレートとの間に配置されるいくつかの実施形態では、弾性部材は、伸張部材であり、伸張部材は、第１プレート及び第２プレートを互いに向かって引くか、又は第１プレート及び第２プレートを互いに向かって押し付けさせるために２つのプレートに力を与えるように構成されている。いくつかの実施形態では、弾性部材は、バネ（伸張バネ及び圧縮バネを含む）、プランジャ、弾性バンド、空気圧式ピストン又は発泡体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、弾性バンド（例えばゴムバンド）は、第１プレート及び第２プレートの周囲に配置される。弾性バンドは、第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方が、電気化学セルスタックの膨張時に他方のプレートから離れるように移動することを可能にするように構成されている。第１プレート又は第２プレートの少なくとも一方は、セルスタックに付与される圧力を設定するために弾性バンドを圧縮するように構成することができる。

別の実施形態では、終端部分は、２つのプレートを互いに対して一定距離で保持するＣ−クランプのパーツを含むことができる。第３プレート及び弾性部材は、２つの固定されたプレートの間に挿入することができる。

図１は、本明細書で説明されるある実施形態に従った例示的なクランプ装置の写真である。図２は、サイクル中にセルスタックを閉じ込めてセルスタックに圧力を与えるために使用される、図１に示される例示的なクランプ装置の概略図である。クランプ装置２００は、第１プレート２１０及び第２プレート２２０を含んでいる。第２プレート２２０は、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間の空間２３０が電気化学セルスタック２４０を収容するサイズとされるように、第１プレート２１０に対して位置決め可能である。また、クランプ装置２００は、第１プレート２１０を第２プレート２２０に結合する結合部材２５０（例えばネジボルト）を含んでいる。第１プレート２１０及び第２プレート２２０の少なくとも一方は、他方のプレートから離れるように移動可能である。例えば、第２プレート２２０は、セルスタック２４０が膨張するときに結合部材２５０に沿って上方に移動することができる。いくつかの実施形態では、第１プレート２１０は、結合部材２５０周りで移動可能であってもよい。例えば、第１プレート２１０は、セルスタック２４０が膨張するときに結合部材２５０に沿って下方に移動してもよい。

結合部材２５０は、（符号２５５と反対の終端部分に）第１終端部分及び第２終端部分２５５（例えばボルトヘッド）を有している。クランプ装置２００は、第１終端部分と第２終端部分２５５との間に配置された弾性部材２６０（例えばバネ）をさらに含んでいる。サイクル時にセルスタック２４０がクランプ装置２００内で膨張するときに、弾性部材２６０は、第２プレート２２０が結合部材２５０に沿って第１プレート２１０に対して所定距離に移動することを可能にする。第１プレート２１０と第２プレート２２０との間の距離の変化は、セルスタック２４０の膨張と相関する。

クランプ装置２００の第２終端部分２５５は、弾性部材２６０を圧縮するように構成されている。従って、結合部材２５０の第２終端部分２５５は、例えばボルトヘッドを締めること又は緩めることによって、セルスタック２４０に付与される圧力を設定するように構成されている。図２に示される例示的なクランプ装置２００では、結合部材２５０は、４つのボルト２５５を備えている。各ボルト２５５は、独立して締められるか又は緩めることができる。従って、各弾性部材２６０は、セルスタック２４０に付与される圧力を設定するために独立して圧縮され、これにより、例えば、第１プレート２１０及び第２プレート２２０によって与えられるセルスタック２４０に付与される圧力の増大を減少させ、且つ／又はセルスタック２４０の膨張に起因するセルスタック２４０への圧力の変化を減少させる。

膨張時の厚さの変化を考慮する圧力を付与することによって、より安定した電気化学的挙動が生じる。いくつかの実施形態では、圧力の変化は、付与される圧力が若干変化するか又は実質的に一定であるように減少される。図５は、本明細書で説明されるある実施形態のクランプ装置内に設置された電気化学セルスタック内で反っていないアノードの写真である。

さまざまな実施形態では、図２の例示的な実施形態で示されるように、結合部材２５０は、複数の結合部材を含むことができる。例えば、結合部材２５０は、少なくとも第２プレート２２０のコーナーにおいて孔２１５を通って延在する４つのネジボルト２５１を含んでいる。第１プレート２１０はネジ山が付けられ、結合部材２５０は第１プレート２１０内に直接進んでもよい。いくつかの実施形態では、ボルトは、第１プレート２１０よりも下に配置されてもよい。第１プレート２１０は、結合部材２５０上で移動可能であってもよい。本明細書で説明されるように、他の結合部材２５０が考えられてもよい。

さらに、図１及び図２に示されるクランプ装置２００は、第１プレート２１０のコーナーに配置され且つ第２プレート２２０の孔を通って延在する４つの個別の結合部材２５０を含んでいるが、結合部材２５０は、第１プレート２１０及び第２プレート２２０の任意の場所の周囲に配置された（例えば必ずしもコーナーではない）、４つよりも少ない（例えば３つ、２つ又は１つの）結合部材又は４つよりも多い（例えば５つ、６つ、７つ、８つなどの）結合部材を含むことができる。一例として、追加的な結合部材２５０が、第１プレート２１０及び第２プレート２２０のコーナー内に加えて又はコーナー内の代わりに、第１プレート２１０及び第２プレート２２０の１つ以上の縁部に沿って配置されてもよい。他の実施形態では、４つよりも少ない結合部材２５０、例えば２つの結合部材２５０が互いから反対側に配置されている。このようないくつかの実施形態では、結合部材２５０は、第１プレート２１０及び第２プレート２２０の寸法（例えば長さ）と実質的に類似する寸法（例えば幅又は主要軸）を有してもよい。さまざまな構成が可能である。

図１及び図２は、複数のバネを備える弾性部材２６０を示している。バネは、第１終端部分と第２終端部分との間に配置されている。また、この例では、バネは、第２終端部分２５５（例えばボルトヘッド）と第２プレート２２０との間に配置されている。サイクル中にセルスタック２４０がクランプ装置２００内で膨張するときに、バネは、第２プレート２２０が結合部材２５０（例えばボルト）に沿って（セルスタック２４０の膨張と相関する）所定距離移動することを可能にする。ボルトヘッドは、バネを圧縮するように構成することができる。例えば、バネへの力の荷重は、ボルトヘッドを締めること又は緩めることによってセルスタック２４０に付与される圧力を設定するために調節することができる。いくつかの実施形態では、ボルトヘッドは、バネが所望の長さに達するまで締められ、これは、セルスタック２４０に付与される圧力と相関する。弾性部材２６０を圧縮することによって、第１プレート２１０に対する第２プレート２２０の位置も調節されることができる。ある実施形態では、付与される圧力は、２つ以上の結合部材２５０に対して異なっている。また、第１プレート２１０に対する第２プレート２２０の調節された位置は、膨張前と同じ位置である必要はない。いくつかの実施形態では、各バネの長さは、例えば安定性を増大させるためにノギスにより測定される。

本明細書で説明されるように、第１プレート２１０及び第２プレート２２０によって与えられるセルスタック２４０への圧力の増大は、調節することができる。いくつかの実施形態では、圧力の減少された増大は、セルスタック２４０に付与される圧力が若干変化するか又は実質的に一定であることをもたらす。いくつかの実施形態では、付与される圧力が極めて高い（例えば約４００ｐｓｉよりも大きい）場合、電解質が、セルスタック２４０から押し出される可能性がある。また、セルスタック２４０のショートを含むさらなる損傷がセルスタック２４０の構成要素に発生する可能性がある。逆に、いくつかの実施形態では、付与される圧力が極めて低い（あるパウチセルに対して約１０ｐｓｉから４０ｐｓｉの間の圧力よりも小さい）場合、電流コレクタの反りが抑制されず、電流コレクタの電極箔が変形する可能性がある。さまざまな実施形態では、セルスタック２４０に付与される圧力は、約１０ｐｓｉから約４００ｐｓｉの間、約２０ｐｓｉから約４００ｐｓｉの間、約３０ｐｓｉから約４００ｐｓｉの間、約４０ｐｓｉから約３００ｐｓｉの間、約５０ｐｓｉから約３００ｐｓｉの間、約６０ｐｓｉから約３００ｐｓｉの間、約７０ｐｓｉから約３００ｐｓｉの間、約８０ｐｓｉから約３００ｐｓｉの間、約９０ｐｓｉから約３００ｐｓｉの間又は約１００ｐｓｉから約２００ｐｓｉの間である。

また、ある実施形態に従ったクランプ装置２００は、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間に界面材料（図示せず）を含むことができる。例えば、界面材料は、セルスタック２４０と、第１プレート２１０及び第２プレート２２０の少なくとも一方と、の間に設置されることができる。界面材料は、セルスタック２４０の表面に一致し、且つポリエチレンシート、ポリプロピレンシート、ＰＴＦＥシート、紙、板紙、天然ゴム、シリコンゴム、発泡体又はフェルトから製造することができる。界面材料は、より均等に圧力を広げることを支援することができる。さらに、界面材料は、セルスタックの最も厚い部分で圧縮する弾性部材２６０の力によって引き起こされる損傷を減少させ、且つ／又は実質的に取り除くことができる。また、この界面材料は、さらなる調節が、サイクル中に不均一な圧力をもたらすセル厚さの変化を考慮することを可能にする。

付与される圧力調節を可能にするクランプ装置（すなわち調節可能なクランプ装置）の利点は、調節可能なクランプ装置内でサイクルされた電気化学セルを、一定間隙型クランプ装置内でサイクルされたセルと比較することで分かる。一定間隙型クランプ装置が使用されると、セルスタックは一定空間内に閉じ込められる。セルスタックがサイクル中に膨張するので、セルスタックに与えられる力／圧力は、膨張が増大するとともに急速に増大する。サイクル中の膨張は、概して、均一ではなく、セルスタックの厚さ変化をもたらし、このことは、セルスタックに与えられる不均一な圧力をもたらす。例えば、一定間隙型クランプ装置でサイクルするセルのグループは、それらの放電能力が約１２％の標準偏差であった一方で、本明細書で説明されるある実施形態に従ったクランプ装置２００でサイクルするセルのグループは、それらの放電能力が約３％の標準偏差であった。

調節可能なクランプ内でのサイクル中のセル膨張の関数としてのセルへの力（従って付与される圧力）は、一定間隙型クランプと比較することができる。図３Ａは、一定間隙型クランプ装置内でのセル膨張の関数としての電気化学セルスタックへの力のプロットである。図３Ａに示されるように、セルスタックがサイクル中に膨張すると、クランプ装置によってセルスタックに与えられる力（従って圧力）は、膨張時に急速に増大する（顕著に変化する）。例示された実施形態では、力の増大は、線形ではなく、実質的に指数関数的である。セルの部分への高圧力は、セルを損傷させ、故障、例えばセルのショート及び／又は破裂を引き起こす可能性がある。

図３Ｂは、調節可能なクランプ装置内でのセル膨張の関数としての電気化学セルスタックへの力のプロットを示している。セルが充電中に膨張すると、セルスタックに与えられる力の増大は、一定間隙型クランプ装置内でのセルと比較すると、非常によりゆっくりである（若干変化する）。いくつかの実施形態では、力の増大は、緩やかな傾斜を有するが、実質的に線形である。他の実施形態では、セルスタックへの力は、セル膨張中に実質的に一定である。

本明細書で説明されるように、２つのプレートによってセルスタック２４０に付与される圧力の増大を減少させることは、セルスタック２４０に付与される圧力が、膨張時にセルスタック２４０の厚さ変化を考慮することをもたらす。いくつかの例では、セルスタック２４０に付与される圧力の増大は、付与される圧力がセル膨張時に若干変化するか又は実質的に一定となるように減少させることができる。付与される圧力の増大の減少は、より安定した電気化学的挙動をもたらすことができる。

本明細書で説明されるように、クランプ装置２００のさまざまな実施形態が、第１プレート２１０及び第２プレート２２０によって与えられる増大を減少／停滞させることによって、且つ／又はセルスタック２４０の膨張に起因する付与される圧力の変化を減少させることによって、電極又は電流コレクタ箔の反り及び変形の量を減少させる。図４から分かるように、銅箔は、セルスタックのサイクルの後に、皺が作られるか又は変形させられる。銅箔の皺又は変形の量は、図５から分かるように、セルスタックがクランプ装置２００内でサイクルさせられると、大いに最小化させられる。さらに、ある実施形態のクランプ装置２００は、実質的にセルスタック２４０のサイクル寿命に影響を与えることなく、セルスタック２４０に装着したままとすることができる。ある実施形態は、シリコンベースの電極を含む電気化学セルと、グラファイト電気化学セルと、にテストされた。

図６は、電気化学セルスタック内での電極又は電流コレクタの変形を減少させる例示的な方法を説明する。例示的な方法３００では、ブロック３１０で示されるように、方法３００はクランプ装置２００を提供するステップを含む。クランプ装置２００は、図１及び図２に示され且つ本明細書で説明されたクランプ装置２００である。また、方法３００は、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間に電気化学セルスタック２４０を位置決めするステップを含む。さらに、方法３００は、電気化学セルスタック２４０に付与される圧力を設定するために結合部材２５０の終端部分２５５を調節するステップを含むことができる。一例として、電気化学セルスタック２４０に付与される圧力は、セルスタック２４０の充電中に不均一な厚さ変化を補償することを支援するために設定されることができる。結果として、電流コレクタの反り及び変形の量は、減少させられることができる。例えば図５を参照。

いくつかの方法では、クランプ装置２００を使用するタイミングが重要である。例えば、電極又は電流コレクタ箔変形を減少させるために、セルスタック２４０は、（例えば形成充電としても公知な）最初の充電が生じる前にクランプされてもよい。クランプ装置２００が、最初の形成充電が生じた後に初めて使用されると、電流コレクタ箔は、不可逆的に変形される可能性がある（例えばその初期の形状に戻せない可能性がある）。従って、ある実施形態では、方法３００は、初めてセルスタック２４０を充電する前に、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間にセルスタック２４０を位置決めするステップをさらに含んでいる。

（例えばセルがその寿命にわたって良好に機能することを支援するために）セルを組み立てた後にセルが処理されると、セル形成が生じる。何度も、セル形成は、セルの最初の充電に言及する。いくつかの例では、セル形成手順は、より複雑とすることができる。例えば、セル形成が、Ｃ／２０の比率でセルを充電することと、Ｃ／２の比率で充電によって３回セルをサイクルすることと、電流がＣ／２０に落ちるまで充電電圧（例えば４．２Ｖ）で電圧を保持することと、その後、Ｃ／５の比率で放電することと、を含むことができる。これらのタイプの手順は、本明細書で説明されたある実施形態によりセルがクランプされる間に、なされることができる。良好なポリマー接着技術によるパウチ又はカンセルに対しては、クランプ装置は、セルの予処理が終了した後に取り除くことができる。十分なポリマー接着技術のないパウチ又はカンセルに対しては、クランプ装置は、セル上にとどまり、例えば、付与される圧力は、予処理中のものと同じであるか、又は減少されてもよい。クランプ装置を取り除く前に行われてもよい他のセル予処理状態が、加熱、押圧並びに／又は加熱及び押圧を含む、セルへの処理を含む。

いくつかの実施形態では、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間にセルスタック２４０を位置決めするステップは、シリコンを有する電極を含むセルスタック２４０を位置決めするステップを含むことができる。他の実施形態では、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間にセルスタック２４０を位置決めするステップは、グラファイトを有する電極を含むセルスタック２４０を位置決めするステップを含むことができる。追加的に、クランプ装置２００ごとに１つよりも多いセルスタック２４０を含むことが可能である。例えば、１つよりも多いセルスタック２４０は、セルスタック２４０への圧力が維持されるのであれば、並んで又は多数の層で配置されることができる。従って、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間にセルスタック２４０を位置決めするステップは、第１プレート２１０と第２プレート２２０との間に第２セルスタックを位置決めするステップを含むことができる。

さまざまな実施形態が上述された。本発明が、これらの特別な実施形態を参照して説明されたが、説明は、実例となるよう意図されており、限定するものと意図されていない。さまざまな修正及び利用が、添付の特許請求の範囲において規定される本発明の精神及び権利範囲から逸脱することなく当業者には想起されるであろう。

２００ クランプ装置、２１０ 第１プレート、２２０ 第２プレート、２３０ 空間、２４０ 電気化学セルスタック、２５０ 結合部材、２５５ 第２終端部分、２６０ 弾性部材

Claims (24)

1. 電気化学セルスタックを形成するためのクランプ装置であって、
   第１プレートと、
   前記第１プレートと第２プレートとの間の空間が電気化学セルスタックを収容するサイズとされるように前記第１プレートに対して位置決め可能な第２プレートと、
   前記第１プレートを前記第２プレートに結合させる結合部材であって、前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方が、他方のプレートから離れるように移動可能であり、且つ前記結合部材が、第１終端部分及び第２終端部分を有する、結合部材と、
   前記第１終端部分と前記第２終端部分との間に配置された弾性部材と、
   を備えており、
   前記クランプ装置が、セル形成又はセル予処理の後に取り除かれるように構成されていることを特徴とするクランプ装置。
2. 前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方が、前記結合部材周りで移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
3. 前記第１プレートと前記第２プレートとの間の距離の変化が、前記電気化学セルスタックの膨張と相関することを特徴とする請求項１又は２に記載のクランプ装置。
4. 前記結合部材の前記第１終端部分及び前記第２終端部分の少なくとも一方が、前記電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のクランプ装置。
5. 前記クランプ装置が、充電時に前記電気化学セルスタック内の電極の変形を減少させるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のクランプ装置。
6. 前記弾性部材が、前記電気化学セルスタックの充電中に圧縮されるように構成され、それにより、前記第１プレート及び前記第２プレートによって与えられる前記電気化学セルスタックへの圧力の増大を減少させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のクランプ装置。
7. 圧力の増大を減少させることが、前記電気化学セルスタックに実質的に一定の圧力をもたらすことを特徴とする請求項６に記載のクランプ装置。
8. 前記弾性部材が、前記電気化学セルスタックの充電中に圧縮されるように構成され、それにより、前記電気化学セルスタックの膨張に起因する前記電気化学セルスタックへの圧力の変化を減少させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のクランプ装置。
9. 前記弾性部材が、バネ、プランジャ、弾性バンド、空気圧式ピストン又は発泡体を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のクランプ装置。
10. 前記結合部材が、留め具、バネクランプ又はＣ−クランプを備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のクランプ装置。
11. 前記第１終端部分又は前記第２終端部分の少なくとも一方が、複数のナット又は複数の留め具ヘッドを備えていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のクランプ装置。
12. 前記第１プレート及び前記第２プレートが、前記電気化学セルスタックの充電時に前記第１プレート及び前記第２プレートの曲げを減少させるサイズとされた厚さを有していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のクランプ装置。
13. 前記第１プレート及び前記第２プレートが、０．５ｃｍから０．８ｃｍの間の厚さを有していることを特徴とする請求項１２に記載のクランプ装置。
14. 前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方が、金属又は絶縁体を含むことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のクランプ装置。
15. 前記第１プレートと前記第２プレートとの間の界面材料をさらに含み、前記界面材料が、前記電気化学セルスタックの表面に一致するように構成されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のクランプ装置。
16. 前記界面材料が、紙、板紙、発泡体、ゴム又はシリコンゴムを含むことを特徴とする請求項１５に記載のクランプ装置。
17. 前記付与される圧力が、１０ｐｓｉから４００ｐｓｉの間であることを特徴とする請求項４に記載のクランプ装置。
18. 前記付与される圧力が、４０ｐｓｉから３００ｐｓｉの間であることを特徴とする請求項１７に記載のクランプ装置。
19. 前記付与される圧力が、１００ｐｓｉから２００ｐｓｉの間であることを特徴とする請求項１８に記載のクランプ装置。
20. 電気化学セルスタックを形成する方法であって、
    請求項１に記載のクランプ装置を提供するステップと、
    前記第１プレートと前記第２プレートとの間に前記電気化学セルスタックを位置決めするステップと、
    前記電気化学セルスタックに付与される圧力を設定するために、前記結合部材の前記第１終端部分及び前記第２終端部分の少なくとも一方を調節するステップと、
    セル形成又はセル予処理の後に、前記電気化学セルスタックから前記クランプ装置を取り除くステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
21. 前記電気化学セルスタックを充電するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記電気化学セルスタックが、初めて前記電気化学セルスタックを充電する前に、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に位置決めされることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。
23. 電気化学セルスタックを位置決めするステップが、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に第２電気化学セルスタックを位置決めするステップを含むことを特徴とする請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記電気化学セルスタックが、シリコンを含む電極を備えることを特徴とする請求項２０から２３のいずれか一項に記載の方法。

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