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図面 (4)

課題

充電式金属イオン電池に於いて、指向性熱制御に基づく、電池熱管理手段の提供。

解決手段

アノードカソードとを含む、熱管理されたLi−イオン電池アセンブリであり、前記アノード及び前記カソードのうち、少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造50を含むことで、高周波格子振動により発生した熱が全方向に分散することなく、振動を一方向に位置調整し、ヒートシンク集熱することで、熱を除去することができる電池アセンブリ。前記サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)は、コバルト酸化物結晶格子(52)のリチウムイオン(54)と、前記コバルト酸化物の結晶格子(52)内の不純物(56)を含み、不純物(56)が、鉄、ニッケルから選択される元素を含む電池アセンブリ。

概要

背景

充電式電池は、航空機及び電子デバイス(例:コンピュータ及び携帯電話)等の様々な用途において使用される。種々の充電式電池が市販されているが、エネルギー密度が比較的高く、また部分充電後の電池メモリがないために、通常、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)電池等のリチウムイオン電池が使用される。

リチウムイオン電池は、負荷下で、また充電中発熱することで知られる。したがって、電池の用途においてリチウムイオン電池が供給する高いエネルギー密度が要求される場合、熱管理システムが通常採用される。Li−イオンCoO2電池の熱管理の一例は、種々のセル物理的に分離させることである。熱管理システムの別の例は、リチウムイオン電池の各セルの温度を監視し、所定の閾値を超える温度に達したセルを遮断することである。

すでに進歩は遂げているが、当業者は、電池の熱管理の分野において研究開発努力を続けている。

概要

充電式金属イオン電池に於いて、指向性熱制御に基づく、電池の熱管理手段の提供。アノードカソードとを含む、熱管理されたLi−イオン電池アセンブリであり、前記アノード及び前記カソードのうち、少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造50を含むことで、高周波格子振動により発生した熱が全方向に分散することなく、振動を一方向に位置調整し、ヒートシンク集熱することで、熱を除去することができる電池アセンブリ。前記サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)は、コバルト酸化物結晶格子(52)のリチウムイオン(54)と、前記コバルト酸化物の結晶格子(52)内の不純物(56)を含み、不純物(56)が、鉄、ニッケルから選択される元素を含む電池アセンブリ。

目的

熱管理システムの別の例は、リチウムイオン電池の各セルの温度を監視し、所定の閾値を超える温度に達したセルを遮断することである

効果

実績

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請求項1

アノード(14)とカソード(16)とを含み、前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)を含む、電池アセンブリ(10)。

請求項2

前記サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)は、結晶格子内に不純物を有する金属酸化物の前記結晶格子を含む、請求項1に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項3

前記不純物は、前記結晶格子の格子間欠陥を含む、請求項2に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項4

前記不純物は、前記結晶格子内に元素置換を含む、請求項2に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項5

前記カソード(16)は、前記サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項6

前記サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)は、コバルト酸化物の結晶格子(52)のリチウムイオン(54)と、前記コバルト酸化物の結晶格子(52)内の不純物(56)を含む、請求項1又は5に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項7

前記不純物(56)は、鉄及びニッケルからなるグループから選択される元素を含む、請求項6に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項8

電解質(18)をさらに含み、前記アノード(14)及び前記カソード(16)は、前記電解質に電気的に結合している、請求項1から7のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項9

前記電解質(18)は非水電解質を含む、請求項8に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項10

前記アノード(14)を前記カソード(16)から電気的に絶縁させるように位置決めされるセパレータ(20)をさらに含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項11

電池ハウジング(12)をさらに含み、前記アノード(14)と前記カソード(16)は前記電池ハウジングに格納される、請求項1から10のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項12

前記アノード(14)は、伝導性炭素質材料を含む、請求項1から11のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(10)。

請求項13

前記サーモクリスタルメタマテリアル構造(50)に熱的に結合したヒートシンク(22)をさらに含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(10)。

技術分野

0001

本発明は、充電式金属(例:リチウムイオン電池等の電池に関し、さらに具体的には電池の熱管理に関し、またさらに具体的には、指向性熱制御に基づく電池の熱管理に関するものである。

背景技術

0002

充電式電池は、航空機及び電子デバイス(例:コンピュータ及び携帯電話)等の様々な用途において使用される。種々の充電式電池が市販されているが、エネルギー密度が比較的高く、また部分充電後の電池メモリがないために、通常、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)電池等のリチウムイオン電池が使用される。

0003

リチウムイオン電池は、負荷下で、また充電中発熱することで知られる。したがって、電池の用途においてリチウムイオン電池が供給する高いエネルギー密度が要求される場合、熱管理システムが通常採用される。Li−イオンCoO2電池の熱管理の一例は、種々のセル物理的に分離させることである。熱管理システムの別の例は、リチウムイオン電池の各セルの温度を監視し、所定の閾値を超える温度に達したセルを遮断することである。

0004

すでに進歩は遂げているが、当業者は、電池の熱管理の分野において研究開発努力を続けている。

0005

一実施形態において、本発明の熱管理された電池アセンブリアノードカソードを備え、アノード及びカソードのうちの少なくとも一つは、サーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。

0006

別の実施形態では、本発明の熱管理された電池アセンブリは、アノード、カソード及び電解質を備え、カソードは、サーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。

0007

別の実施形態では、本発明の熱管理された電池アセンブリは電解質、電解質と電気的に接触しているアノード、及び電解質と電気的に接触しているカソードを備え、カソードは、結晶格子の中に組み込まれた不純物を含むサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。

0008

別の実施形態では、本発明の熱管理された電池アセンブリは、電解質、電解質と電気的に接触しているアノード、及び電解質と電気的に接触しているカソードを備え、カソードは、金属酸化物の層の間に組み込まれた金属イオンを有する層状金属酸化物と、金属酸化物の層の中の不純物を含むサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。

0009

さらに別の実施形態では、(1)サーモクリスタルメタマテリアル構造を有する電極を形成し、(2)電極を電池アセンブリに組み込み、(3)サーモクリスタルメタマテリアル構造により熱波ヒートシンクとともに一方向に位置調整されるように、ヒートシンクを電極に熱的に結合させるステップを含む熱管理の方法も開示されている。

0010

本発明の熱管理された電池アセンブリの他の実施形態及び方法は、後述の詳細な説明、添付図面及び請求の範囲から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

0011

本発明の熱管理された電池アセンブリの一実施形態の概略ブロック図である。
図1の熱管理された電池アセンブリのカソードのサーモクリスタル構造の概略図である。
電池の熱管理を行う本開示方法の一実施形態を示すフロー図である。

実施例

0012

電池ハウジング12、アノード14、カソード16、電解質18、セパレータ20及びヒートシンク22を備える、概して10で指定される本発明の熱管理された電池アセンブリの一実施形態を示す図1を参照する。熱管理された電池アセンブリ10のアノード14及びカソード16は、負荷26、チャージャ28、及びスイッチ30を備える電気回路24の一部である。スイッチ30は、少なくとも、熱管理された電池アセンブリ10がチャージャ28によって充電される第1の位置と、熱管理された電池アセンブリ10が負荷26に電力を供給する第2の位置との間で切替式であってよい。

0013

電池ハウジング12は、アノード14、カソード16及び電解質18を受容して格納する内部チャンバ32を画定する。電池ハウジング12は、アノード14、カソード16、及び電解質18を周辺環境から分離するように構成された防水及び/又は気密性ハウジングである。一実施例として、電池ハウジング12は、剛性プラスチック、金属、または複合ハウジングである。別の実施例では、電池ハウジングは柔軟なプラスチック製のハウジングである。

0014

電解質18は、電池のハウジング12の内部チャンバ32に受容される、電池のハウジング12の内部チャンバ32を部分的に満たす、またはほぼ全体的に満たすものである。電解質18は、液体固体、または液体と固体の混合物(例:ゲル)である。採用される電池の化学的物質、たとえばリチウム電池の化学的物質などによっては、不都合化学反応を防ぐために電解質が実質的に水分を含まない(例:非水)ものであってよい。

0015

当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の電解質組成を使用できることが分かるであろう。ある一般的、非限定的な例では、電解質18は有機溶剤リチウム塩を含む非水電解質である。ある特定の非限定的な例では、電解質18は無水エチレンカーボネート(1、3−ジオキソラン−2−one)のリチウムヘクサフルオロリン酸(LiPF6)を含む非水電解質である。

0016

電解質は、適切な溶剤(例:水)に溶解されるとイオン化する任意の化合物である。これには、最溶性の塩、酸、及び基材が含まれる。ある場合には、塩化水素などの気体高温又は低圧の条件下において電解質としても機能することができる。電解質溶液もまた、荷電官能基を含む高分子電解質と呼ばれるいくつかの生体及び合成高分子を溶解させたものである。電極が電解質に位置決めされ、電圧印加されると、電解質が溶液内でイオン化するため電気が流れる。電子は単独では電解質を通ることができない。代わりに、カソードにおいて化学反応が起き、アノードから電子が消費される。アノードにおいて別の反応が起きて電子が発生し、この電子は最終的にカソードへ伝送される。その結果、カソード周囲の電解質においてマイナス電荷雲ができ、アノード周囲にプラス電荷ができる。電解質のイオンによりこれらの電荷が中和され、これにより電子の流れ、及び反応の継続が可能になる。電池においては、種々の電子親和力を有する2つの材料が電極として使用され、電子は電池の外で一つの電極から他の電極まで流れ、電池の内部では電解質のイオンによって回路が閉じられる。ここで電極の反応により、化学エネルギー電気エネルギーに変換される。

0017

セパレータ20は電池ハウジング12の内部チャンバ32に受容され、これにより、内部チャンバ32がアノードチャンバ34とカソードチャンバ36に分離される。セパレータ20により、アノードチャンバ34(したがってアノード14)はカソードチャンバ36(したがってカソード16)から流体的に、また電気的に絶縁され、その一方で、イオンがアノードチャンバ34とカソードチャンバ36の間を通れるようになる。

0018

セパレータ20は、透過性高分子膜などの透過性の膜である。様々な市販の透過性の膜は、本発明の熱管理された電池アセンブリ10の分離20に使用するのに適切でありうる。分離20に使用するのに適切な透過性の膜の、ある特定の非限定的な例は、ペンシルニアピッツバーグのPPGインダストリーズ社から入手可能なHi−SilTM沈澱シリカから形成された膜である。

0019

アノード14はアノードチャンバ34に受容され、電解質18と電気的に接触(例:浸水)している。アノード14は、熱管理された電池アセンブリ10のマイナスの電極として機能する。したがって、アノード14は導電性である。

0020

当業者には、種々のアノード組成を採用することができることが分かるだろう。アノード14の組成の選択は、中でも電解質18の組成(例:アノード14は電解質18に露出された時に分解しない材料から形成される)によって決まる。ある一般的、非限定的な例では、アノード14は伝導性炭素質材料から形成される。ある特定の非限定的な例では、アノード14はグラファイトから形成される。

0021

カソード16はカソードチャンバ36に受容され、電解質18と電気的に接触(例:浸水)している。カソード16は、熱管理された電池アセンブリ10のプラス電極として機能する。したがって、カソード16は導電性である。

0022

カソード16内の高周波格子振動により熱が発生する。従来技術のカソードでは、この熱は全方向に分散されるため、熱を効果的に除去することが難しい。本発明の熱管理された電池アセンブリ10の熱管理は、カソード16をサーモクリスタルメタマテリアル構造として構成することによって改善されると考えられる。カソード16のサーモクリスタルメタマテリアル構造は電気を良く通す。しかしながら、カソード16のサーモクリスタルメタマテリアル構造は、(テラヘルツの域でありうる)熱を発生させる格子振動の周波数低周波域(例:約100〜300ギガヘルツ)へシフトさせ、振動を一方向に位置調整する。したがって、いかなる特定の理論にも縛られることなく、カソード16のサーモクリスタルメタマテリアル構造は、熱波(又は熱波の少なくともかなりの周波数の部分)を、熱を全方向に放射する、又は全方向の熱の多方向伝播を可能にする代わりに、ヒートシンク22に集熱する。

0023

カソード16のサーモクリスタルメタマテリアル構造は、従来の結晶カソード材料(例:リチウムコバルト酸化物)等の当技術分野で周知の種々のカソード材料を使用して構成される。カソード16の特定の組成は、中でも電池の化学的物質と、電解質の互換性、及び対象の材料を使用して電池のカソードとして使用するのに適切なサーモクリスタルメタマテリアルを形成する能力によって決定づけられる。

0024

ある特定の実装態様では、カソード16は、当技術分野で周知の、金属酸化物の結晶格子の層の間に組み込まれる金属イオンを有する層状の金属酸化物を含む。しかしながら、金属酸化物の結晶格子に不純物を導入してエネルギー帯を歪ませ、これにより、カソード16をサーモクリスタルメタマテリアル構造にすることができる。本明細書で使用する結晶格子の「不純物」には、結晶格子のすべての格子間欠陥、及び結晶格子に対する工学的な組成改良、例えば結晶格子のある元素を他の元素に置き換えてメタマテリアルを得ることが含まれる。

0025

ある特定の非限定的な実施例では、カソード16は、リチウムコバルト酸化物ベースのサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。図2に示すように、概して50で指定される、リチウムコバルト酸化物ベースのサーモクリスタルメタマテリアル構造は、コバルト酸化物(CoO2)52の層間に組み込まれるリチウムイオン(Li+)54を有するコバルト酸化物52の層を含む。カソード16(図1)のサーモクリスタルメタマテリアル構造50により熱波が一方向にヒートシンク22(図1)へ誘導されるように、コバルト酸化物52の層に不純物56を導入してサーモクリスタルメタマテリアル構造50が形成される。

0026

さらに図2を参照する。図2では、格子52内のコバルト(Co)のいくつかを同様の元素で置き換えることによって、コバルト酸化物の結晶格子52に不純物56が導入されている。例えば、周期表のコバルトの隣に位置づけされる金属である鉄(Fe)及び/又はニッケル(Ni)を、鉄とニッケルが不純物56として機能するように、結晶格子52内のいくつかのコバルトと置き換えることができる。

0027

選択的な元素の置換に代えて、又は加えて、材料を結晶格子52の格子間に組み込むことによって、不純物56をコバルト酸化物の結晶格子52に導入することができる。例えば、鉄のナノ粒子等のナノ粒子を格子間欠陥としてコバルト酸化物の結晶格子52の中に組み込むことができる。

0028

図1を再度参照すると、ヒートシンク22は、カソード16に熱的に結合される。ある非限定的な実施例では、ヒートシンク22は、カソード16に近接して(例:当接して)位置決めされる。別の非限定的な実施例では、熱伝導性接着剤により、ヒートシンク22がカソード16に熱的に結合される。

0029

カソード16に対するヒートシンク22の特定位置は、カソード16の構成によって決まる。具体的には、ヒートシンク22は、カソード16のサーモクリスタルメタマテリアル構造が集熱する対象エリア23に近接して位置づけされる。

0030

ヒートシンク22は、熱管理された電池アセンブリ10から熱を除去することができる任意の装置又はシステムである。したがって、ヒートシンク22は、電池ハウジング12内に発生する熱エネルギー(熱)を熱管理された電池アセンブリ10から取り除く。ヒートシンク22は能動的又は受動的である。ある非限定的な実施例では、ヒートシンク22は、一塊のフィン付きである、又はフィン付きでない熱伝導性材料(例:銅)である。別の非限定的な実施例では、ヒートシンク22は、流動冷却流体を含む。冷却流体は、液体(例:水又はグリコール)又は気体(例:外気)である。

0031

本開示内容は、熱管理された電池アセンブリ10のカソード16をサーモクリスタルメタマテリアル構造として構成することに焦点を当てているが、アノード14等の熱管理された電池アセンブリ10の一又は複数の他のコンポーネントも、熱管理を改善するためのサーモクリスタルメタマテリアル構造として構成することができると考えられる。カソードの代わりにアノードがサーモクリスタルメタマテリアル構造であるように、又はアノードとカソードの両方がサーモクリスタルメタマテリアル構造であるように電池アセンブリを改良することは、本発明の範囲から逸脱したことにはならない。

0032

図3を参照する。図3には、概して100で指定されている、電池アセンブリを熱管理する方法も開示されている。方法100は、ブロック102において、電極をサーモクリスタルメタマテリアル構造として形成するステップによって開始される。リチウムコバルト酸化物等、結晶格子に不純物を導入することによって、電極のサーモクリスタルメタマテリアル構造が形成される。

0033

ブロック104において、ブロック102で形成される電極が電池アセンブリに組み込まれる。例えば、サーモクリスタルメタマテリアル構造を有する電極は、電池アセンブリのカソードとして使用される。したがって、リチウムイオン電池であってよい電池アセンブリは、電解質と、電解質に浸されているアノードと、電解質に浸されているサーモクリスタルメタマテリアル構造の電極(カソード)と、アノードをカソードから分離させているセパレータを含む。

0034

ブロック106において、ヒートシンクはサーモクリスタルメタマテリアル構造の電極に熱的に結合される。したがって、サーモクリスタルメタマテリアル構造の電極により、熱がヒートシンクに集中し、ヒートシンクにより電池アセンブリから熱が抽出される。

0035

この結果、本発明の熱管理された電池アセンブリと、それに関する方法は、サーモクリスタルメタマテリアル構造を用いて、過剰な熱を単一のポイント(又は特定のいくつかのポイント)から抽出するだけでよいように、熱を単一の目的エリア(又は特定のいくつかの目的エリア)に集中させる。このように、本発明の熱管理された電池アセンブリはさらに軽量で小型である一方、熱暴走も起こりにくい。

0036

本発明の熱管理された電池アセンブリ及び方法の様々な実施形態を示し説明してきたが、本明細書を読んだ当業者には変更例が想起されうるであろう。本発明はそのような変更例も含んでおり、請求の範囲によってのみ限定される。

0037

さらに、本開示は、下記の条項による実施形態を含む。

0038

条項1アノード及びカソードを含む電池アセンブリであり、前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも一つはサーモクリスタルメタマテリアル構造を含む。

0039

条項2 さらに電解質を含み、前記アノード及び前記カソードは前記電解質に電気的に結合されている、条項1に記載の電池アセンブリ。

0040

条項3 前記電解質は非水電解質である、条項2に記載の電池アセンブリ。

0041

条項4 さらに前記アノードを前記カソードから電気的に絶縁するように位置決めされるセパレータを含む、条項1に記載の電池アセンブリ。

0042

条項5 さらに電池ハウジングを含み、前記アノード及び前記カソードは前記電気ハウジングに格納されている、条項1に記載の電池アセンブリ。

0043

条項6 前記アノードは伝導性炭素質材料を含む、条項1に記載の電池アセンブリ。

0044

条項7 前記サーモクリスタルメタマテリアル構造は、結晶格子内に不純物を有する金属酸化物の前記結晶格子を含む、条項1に記載の電池アセンブリ。

0045

条項8 前記不純物は、前記結晶格子の格子間欠陥を含む、条項7に記載の電池アセンブリ。

0046

条項9 前記不純物は、前記結晶格子内に元素置換を含む、条項7に記載の電池アセンブリ。

0047

条項10 前記サーモクリスタルメタマテリアル構造に熱的に結合されるヒートシンクをさらに含む、条項1に記載の電池アセンブリ。

0048

条項11アノードとカソードを含み、前記カソードが前記サーモクリスタルメタマテリアル構造を含む電池アセンブリ。

0049

条項12電解質をさらに含み、前記アノード及び前記カソードが前記電解質に電気的に結合される、条項11に記載の電池アセンブリ。

0050

条項13 前記アノードを前記カソードから電気的に絶縁させるように位置決めされるセパレータをさらに含む、条項11に記載の電池アセンブリ。

0051

条項14電池ハウジングをさらに含み、前記アノード及び前記カソードは前記電池ハウジングに格納される、条項11に記載の電池アセンブリ。

0052

条項15 前記アノードは伝導性炭素質材料を含む、条項11に記載の電池アセンブリ。

0053

条項16 前記サーモクリスタルメタマテリアル構造はコバルト酸化物の結晶格子にリチウムイオンを含む、条項11に記載の電池アセンブリ。

0054

条項17 前記サーモクリスタルメタマテリアル構造は前記コバルト酸化物の結晶格子内に不純物をさらに含む、条項16に記載の電池アセンブリ。

0055

条項18 前記不純物は鉄及びニッケルからなるグループから選択される元素を含む、条項17に記載の電池アセンブリ。

0056

条項19 前記サーモクリスタルメタマテリアル構造に熱的に結合されるヒートシンクをさらに含む、条項11に記載の電池アセンブリ。

0057

条項20サーモクリスタルメタマテリアル構造を有する電極を形成し、前記電極を電池アセンブリに組み込み、前記サーモクリスタルメタマテリアル構造により熱波がヒートシンクとともに一方向に位置調整されるように前記ヒートシンクを前記電極に熱的に結合させるステップを含む、熱管理する方法。

0058

10熱管理された電池アセンブリ
12電池ハウジング
14アノード
16カソード
18電解質
20セパレータ
22ヒートシンク
23サーモクリスタルメタマテリアル構造が集熱する対象エリア
24電気回路
26負荷
28チャージャ
30 スイッチ
32内部チャンバ
34アノードチャンバ
36カソードチャンバ
50 サーモクリスタルメタマテリアル構造
52コバルト酸化物(CoO2)
54リチウムイオン(Li+)
56不純物
100 電池アセンブリを熱管理する方法

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