JP2018107119A - 固体ファイバベース電池システムおよびそれを形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のファイバ電池セルを有する固体電池システムに於いて、構造一体性を維持すると共に、高いエネルギー貯蔵能力を有する手段の提供。【解決手段】パターンに形成された複数のファイバ電池セル１００であって、各ファイバ電池セル１００が、ファイバ内部コア１１０の上に形成された電解質層１２０と、前記電解質層１２０の上に形成された外側導電層１３０とを含む複数のファイバ電池セル１００と、前記複数のファイバ電池セル１００の各々の前記ファイバ内部コア１１０に電気的に結合された第１の端子２５０と、前記複数のファイバ電池セル１００の各々の前記外側導電層１３０に電気的に結合された第２の端子２６０とを備える固体電池システム２００。【選択図】図２

Description

本開示は、固体ファイバベース電池システム、およびこのような固体ファイバベース電池システムを形成する方法に関し、より詳細には、航空機などの基礎となる乗り物の構造に組み込むことができる固体ファイバベース電池システムに関する。

電気モーター駆動航空機の設計における恒常的な問題は、飛行中に電気モーターを作動させるのに必要な重い電池に起因する比較的低いパワーウェイトレシオに対処することである。従来の電池、例えばリチウム電池は、重く、化石燃料に比べてエネルギー／出力密度が比較的低い。結果として得られるパワーウェイトレシオを増加させることができる他のエネルギー貯蔵技術が研究されているが、実際の実施のために十分にはまだ成熟していない。

一体型電池を含む航空機構造を形成する試みがなされている。しかし、このような構造は、典型的には、外側支持層の間に、例えば平面構造を有する従来の電池を含む内側層を追加し、これは重量を増し、そのような構造の構造的一体性を低下させる。

したがって、上述の問題を克服するエネルギー貯蔵システムが必要とされている。

一態様では、固体電池システムは、パターンを成すように形成された複数のファイバ電池セルを含む。各ファイバ電池セルは、ファイバ内部コアと、ファイバ内部コアの上に形成された電解質層と、電解質層の上に形成された外側導電層とを有する。さらに、第１の端子が、複数のファイバ電池セルのそれぞれのファイバ内部コアに電気的に結合される。最後に、第２の端子が、複数のファイバ電池セルのそれぞれの外側導電層に電気的に結合される。

さらなる例において、ファイバ内部コアは、カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ボロンナノチューブ繊維、または窒化ホウ素ナノチューブ繊維から形成されてもよい。電解質層は、固体電解質から形成することができる。固体電解質は、リチウムイオン伝導性材料などのガラス材料またはホウ素−アルミナなどの結晶性材料であってもよい。外側導電層は、マグネシウムインターカレーション化合物、リチウムインターカレーション化合物、または第１族もしくは第２族金属から形成することができる。１つのさらなる例では、複数のファイバ電池セルは、少なくとも１列のファイバ電池セルを有する平面形状に形成することができる。別のさらなる例では、複数のファイバ電池セルは、メッシュまたは織りパターンに形成される。

固体電池システムは、航空機用のファイバウィングスキンや航空機用のファイバスパーなどの乗り物用複合部品に組み込むことができる。

第２の態様では、固体電池を形成する方法が記載される。電解質層がファイバコアの上に形成される。外側導電層が、電解質層の上に形成され、ファイバ電池セルを形成する。複数のファイバ電池セルが、パターンを成すように形成される。第１の端子が、各ファイバ電池セルのファイバコアに電気的に結合される。最後に、第２の端子が、各ファイバ電池セルの外側導電層に電気的に結合される。さらなる例では、電場および／または磁場が、電解質層に、その形成後の硬化期間中、印加される。

第３の態様では、固体電池を形成する方法が記載される。電解質層が、ファイバコアの上に形成され、部分ファイバ電池セルを形成する。複数の部分ファイバ電池セルが、パターンを成すように形成される。第１の端子が、各ファイバ電池セルのファイバコアに電気的に結合される。最後に、外側導電層が、各部分ファイバ電池セルの電解質層の上に形成される。さらなる例では、電場および／または磁場が、電解質層に、その形成後の硬化期間中、印加される。

説明した特徴、機能、および利点は、様々な例で独立して達成することができ、またはさらなる他の例で組み合わせることができ、その詳細は以下の説明および図面を参照して理解することができる。

以下の詳細な説明は、例として与えられ、本開示をそれのみに限定することを意図するものではなく、添付の図面と併せて最もよく理解されるであろう。

図１Ａは、本開示の一例による電池システムに使用するための固体ファイバ電池セルの透視側面図であり、図１Ｂは、その断面図である。 本開示の実施例による電池システムで使用するための固体ファイバ電池セルの直線状配列の図である。 本開示の一実施例による電池システムで使用するための固体ファイバ電池セルシステムを形成する方法のフローチャートである。 本開示の別の実施例による電池システムに使用するための固体ファイバ電池を形成する方法のフローチャートである。

本開示において、類似の参照番号は、本開示の様々な例示的な実施例を示す図面を通して同様の要素を指す。

カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ボロンナノチューブ繊維、および窒化ホウ素ナノチューブ繊維およびこれらから形成される構造は、高い剛性、高い引張強度、低い重量、高い耐薬品性、高い耐熱性および低い熱膨張率を有する。これが、カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ボロンナノチューブ繊維、および窒化ホウ素ナノチューブ繊維から形成された複合構造を、航空宇宙、土木、軍事、およびモータースポーツ用途での使用に一般的なものにしている。

本開示は、電池アノードとして機能する内部ファイバコアと、内部カーボンコアの上に形成された固体電解質層と、固体電解質層の上に形成され、電池カソードとして機能する外側導電層とを含む同軸構造を有する複数のファイバ電池セルから形成される固体電池システムを記載する。このような複数のファイバ電池セルから少なくとも部分的に複合繊維構造を形成することによって（例えば、平行または織りパターンで）、得られる構造は、複合構造の上記の利点の全てを有し（各ファイバ電池セルのコアは、炭素またはホウ素繊維であるので）、エネルギー貯蔵デバイス（電池）としても機能する。これは、層状に形成され、従来の電池がその内層に挿入されている構造とはかなり異なり、本開示の固体電池システムは、従来の電池が層状構造の内層に組み込まれる場合に生じるような重量を追加し、その構造的一体性を低下させる代わりに、結果として得られる構造の構造的一体性に寄与する。結果として得られる構造が、航空機の複合部品、例えばウィングスキンまたはスパーである場合、部品の構造的一体性が維持されることを保証することは、特に重要である。さらに、各ファイバ電池セルの同軸構造は、平面構造よりも著しく大きい表面積を提供し、同軸ファイバ電池セルから形成される電池を含む構造部品は、一体型内部平面電池を含む構造部品よりもはるかに高いエネルギー貯蔵能力を有する。

ここで図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、ファイバ電池セル１００は、ファイバ内部コア１１０と、電解質層１２０と、外側導電層１３０とを含む。ファイバ内部コア１１０は、ファイバ電池セル１００のアノードとして機能し、カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ボロンナノチューブ繊維、または窒化ホウ素ナノチューブ繊維からなる。電解質層１２０は、ファイバ電池セル１００の電解質として機能し、固体電解質（すなわち、高速イオン伝導体）である。例えば、電解質層１２０は、リチウムイオン伝導性ガラス材料などのガラス状固体電解質またはベータアルミナなどの結晶性固体電解質であってもよい。他のタイプの固体電解質を使用することもできる。外側導電層１３０は、ファイバ電池セル１００のカソードとして機能し、マグネシウムもしくはリチウムインターカレーション化合物または第１族もしくは第２族金属であってもよい。あるいは、外側導電層１３０は、エポキシ樹脂、ガラスまたは熱可塑性ポリマーなどのマトリックス材料と混合されたマグネシウムもしくはリチウムインターカレーション化合物または第１族もしくは第２族金属であってもよい。ファイバ電池セル１００は、電解質層１２０の上にある外側導電層１３０（カソード）を含み、電解質層１２０は、導電性ファイバ内部コア１１０（アノード）の上にあり、このようにして、電気エネルギーが貯蔵されることを可能にする電池セル構造を形成する。

次に図２を参照すると、パターンに形成された複数のファイバ電池セル１００の固体電池システム２００が示されている。詳細には、ファイバ電池セル１００は、構造部品、例えば航空機の翼またはスパーに組み込むことができるほぼ平面の直線形状に形成されている。固体電池システム２００は、３列のファイバ電池セル１００を含むが、列の数は任意であり、特定の用途に基づいて選択することができる。示された縦列の数は単なる例示であり、実際の数は特定の用途に依存する。さらに、ファイバ電池セル１００は、図２において並んで整列している。他の例では、ファイバ電池セル１００は、代替のパターンで配置されてもよく、例えば、束ねられて所望の形状を形成してもよいし、可撓性のあるファブリックを形成するメッシュまたは織りパターンに配置されてもよいし、または編組されて円筒形のチューブまたはシースを形成してもよい。詳細には、ファイバ電池セル１００の配置は、ほぼ任意のサイズまたは形状の束に形成することができ、従来の電池よりも有利である。固体電池システム２００は、各ファイバ電池セル１００のファイバ内部コア１１０（すなわち、電池セルのアノード）に電気的に結合された第１の導電端子２５０と、各ファイバ電池セル１００の外側導電層１３０（すなわち、電池セルのカソード）に電気的に結合された第２の導電端子２６０とを含む。各電池セル１００のアノードに結合された第１の導電端子２５０は、固体電池システム２００の負極端子として機能し、各電池セル１００のカソードに結合された第２の導電端子２６０は、固体電池システム２００の正極端子として機能する。固体電池システム２００は、炭素またはホウ素繊維の層から形成された構造体に組み込まれると、各電池セル１００が、そのような特性を有するファイバ内部コア１１０を含むので、その構造体のすべての特性、例えば高い剛性、高い引張強度および低い重量を維持するエネルギー貯蔵システムを提供する。

次に図３を参照すると、第１の方法による固体電池システムの形成を説明するフローチャート３００が示されている。まず、ステップ３１０において、固体電解質が、所望の用途に適した所定の長さの導電性繊維アノード上に形成される。上述したように、導電性繊維アノードは、カーボングラファイト繊維、カーボンナノチューブ繊維、ボロンナノチューブ繊維または窒化ホウ素ナノチューブ繊維であってもよい。固体電解質は、ガラス状の固体電解質であってもよいし、結晶性の固体電解質であってもよい。電解質層は、ガラス状固体電解質をそのドローイング温度に加熱した後、加熱したガラス状固体電解質を通って導電性繊維アノードをドローイングすることにより、導電性繊維アノードの上に形成することができる。当業者は、導電性繊維アノード上に電解質層を形成する他の方法があることを容易に認識するであろう。次に、任意選択のステップ３２０において、電解質層の固化（硬化）の間、電場および／または磁場が印加される。これは、電解質層中のインターカレーションサイトを整列させ、アノードとカソードとの間のイオン平均自由行程を減少させ、それにより、その内部抵抗を減少させることによって、ファイバ電池セルの性能を改善する。ステップ３３０において、外側導電層が固体電解質上に形成される。上述のように、外側導電層は、マグネシウムもしくはリチウムインターカレーション化合物または第１族もしくは第２族金属であってもよい。この場合、外側導電層は、例えばスパッタリング、電気メッキ、ドローイング、成形などの任意の従来の方法で固体電解質上に形成することができる。あるいは、外側導電層１３０は、エポキシ樹脂、ガラスまたは熱可塑性ポリマーなどのマトリックス材料と混合されたマグネシウムもしくはリチウムインターカレーション化合物または第１族もしくは第２族金属であってもよい。ここで、外側導電層もまた、例えば、鋳造、焼結、真空樹脂注入、プリプレグ樹脂への組み込みなどの従来の方法で固体電解質上に形成されてもよい。ステップ３３０が完了した後、図１に示すようなファイバ電池セル１００が完成する。最後に、ステップ３４０において、複数のファイバ電池セル（例えば、図１のファイバ電池セル１００）が、例えば、構造要素の一部を形成し得るパターンに形成される。詳細には、このステップにおいて、複数のファイバ電池セル１００は、所望の構造部品に含めるのに適した（図２に示す固体電池システム２００のような）固体電池システムに形成され得る。これは、複数のファイバ電池セル１００を適当なパターン（例えば、図２に示すように、ファイバ電池セルが並べられて、積層された直線状パターン）になるように接着することと、正極端子を各ファイバ電池セル１００のカソードに結合し、負極端子を各ファイバ電池セル１００のアノードに結合することとを必要とする。固体電池システムが完成すると、固体電池システムの充電および使用のための外部回路への接続のために端子が露出した状態で、製造中に所望の構造部品に組み込むことができる。

次に図４を参照すると、第２の方法による固体電池システムの形成を説明するフローチャート４００が示されている。まず、ステップ４１０において、固体電解質が、上述した第１の方法のステップ３１０と同様の方法で、所望の用途に適した所定の長さの導電性繊維アノード上に形成される。ステップ４１０の結果は、部分的な直線状ファイバ電池セルとなる。次に、任意選択のステップ４２０において、上述の第１の方法のステップ３２０に関して上述したのと同じ理由で、電場および／または磁場が、電解質層の固化（硬化）の間、印加される。ステップ４３０において、複数の部分ファイバ電池セル（すなわち、それぞれ電解質層で覆われた導電性繊維アノード）が、構造要素の一部を形成し得るパターンに形成される。このステップは、上記のステップ３４０と同様であるが、第１の方法におけるような完全なファイバ電池セルの代わりに、部分ファイバ電池セル（すなわち、外部導電層がない）が、一緒に形成される。詳細には、複数の部分ファイバ電池セルが、適当なパターン（例えば、部分ファイバ電池セルが並べられて、積層された直線状パターン）を成すように接着され、負極端子が、各部分ファイバ電池セルのアノード（すなわち、導電性繊維アノード）に結合される。最後に、ステップ４４０において、外側導電層が、各部分ファイバ電池セルの固体電解質層の上に形成される。上述のように、外側導電層は、エポキシ樹脂、ガラスまたは熱可塑性ポリマーなどのマトリックス材料と混合されたマグネシウムまたはリチウムインターカレーション化合物などの活性成分から成っていてもよい。あるいは、第１族または第２族の金属が、このようなマトリックス材料と混合されてもよい。外側導電層は、任意の従来の方法、例えば、鋳造、焼結、真空樹脂注入、プリプレグ樹脂への組み込みなどで形成することができる。また、正極端子が外側導電層に結合されてもよいが、この方法では、外側導電層は、外側表面自体が正極端子として機能することができるように形成される。外側導電層がつけられると（必要に応じて、正極端子が追加されると）、固体電池システムは完成し、次いで、上記の第１の方法に関して説明したように、製造中に所望の構造部品に組み込むことができる。

さらに、本開示は、以下の条項による実施例を含む。

条項１．
固体電池システム（２００）であって、
パターンに形成された複数のファイバ電池セル（１００）であって、各ファイバ電池セル（１００）が、
ファイバ内部コア（１１０）と、
前記ファイバ内部コア（１１０）の上に形成された電解質層（１２０）と、
前記電解質層（１２０）の上に形成された外側導電層（１３０）と
を含む、複数のファイバ電池セル（１００）と、
前記複数のファイバ電池セルの各々の前記ファイバ内部コア（１１０）に電気的に結合された第１の端子（２５０）と、
前記複数のファイバ電池セルの各々の前記外側導電層（１３０）に電気的に結合された第２の端子（２６０）と
を備える固体電池システム（２００）。

条項２．
前記ファイバ内部コア（１１０）が、カーボングラファイト繊維またはカーボンナノチューブ繊維から形成されている、条項１に記載の固体電池システム。

条項３．
前記ファイバ内部コア（１１０）が、ボロンナノチューブ繊維または窒化ホウ素ナノチューブ繊維から形成されている、条項１に記載の固体電池システム。

条項４．
前記電解質層（１２０）が、固体電解質から形成されている、条項１に記載の固体電池システム。

条項５．
前記固体電解質が、ガラス材料である、条項４に記載の固体電池システム。

条項６．
前記ガラス材料が、リチウムイオン伝導性材料である、条項５に記載の固体電池システム。

条項７．
前記固体電解質が、結晶性材料である、条項４に記載の固体電池システム。

条項８．
前記結晶性材料が、ベータアルミナである、条項７に記載の固体電池システム。

条項９．
前記外側導電層（１３０）が、マグネシウムインターカレーション化合物を含む、条項１に記載の固体電池システム。

条項１０．
前記外側導電層（１３０）が、リチウムインターカレーション化合物を含む、条項１に記載の固体電池システム。

条項１１．
前記外側導電層（１３０）が、第１族または第２族金属化合物を含む、条項１に記載の固体電池システム。

条項１２．
前記複数のファイバ電池セル（１００）が、少なくとも１列のファイバ電池セルを有する平面形状に形成されている、条項１に記載の固体電池システム。

条項１３．
前記複数のファイバ電池セル（１００）が、メッシュまたは織りパターンに形成されている、条項１に記載の固体電池システム。

条項１４．
前記パターンが、乗り物用複合部品の一部である、条項１に記載の固体電池システム。

条項１５．
前記パターンが、航空機用ウィングスキンの一部である、条項１に記載の固体電池システム。

条項１６．
前記パターンが、航空機用スパーの一部である、条項１に記載の固体電池システム。

条項１７．
固体電池（２００）を形成する方法（３００）であって、
電解質層（１２０）をファイバ内部コア（１１０）の上に形成するステップ（３１０）と、
外側導電層（１３０）を前記電解質層（１２０）の上に形成し、ファイバ電池セル（１００）を形成するステップ（３３０）と、
複数のファイバ電池セル（１００）をパターンに形成するステップ（３４０）と、
第１の端子（２５０）を、前記ファイバ電池セル（１００）の各々の前記ファイバ内部コア（１１０）に電気的に結合するステップと、
第２の端子（２６０）を、前記ファイバ電池セル（１００）の各々の前記外側導電層（１３０）に電気的に結合するステップと
を含む方法。

条項１８．
電場および／または磁場を、前記電解質層（１２０）に、その形成後の硬化期間中、印加するステップ（３２０）をさらに含む、条項１７に記載の方法。

条項１９．
固体電池（２００）を形成する方法（４００）であって、
電解質層（１２０）をファイバ内部コア（１１０）の上に形成して、部分ファイバ電池セルを形成するステップ（４１０）と、
複数の部分ファイバ電池セルをパターンに形成するステップ（４３０）と、
第１の端子（２５０）を、前記ファイバ電池セルの各々の前記ファイバコアに電気的に結合するステップと、
外側導電層（１３０）を、前記部分ファイバ電池セルの各々の前記電解質層（１２０）の上に形成するステップ（４４０）と
を含む方法。

条項２０．
電場および／または磁場を、前記電解質層（１２０）に、その形成後の硬化期間中、印加するステップ（４２０）をさらに含む、条項１９に記載の方法。

本開示は、好ましい実施例およびその様々な態様を参照して具体的に示され、説明されてきたが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができることが、当業者には理解されるであろう。添付の特許請求の範囲は、本明細書に記載された実施例、上記の代替物、およびそれらの全ての均等物を含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (15)

1. パターンに形成された複数のファイバ電池セル（１００）であって、各ファイバ電池セル（１００）が、
   ファイバ内部コア（１１０）と、
   前記ファイバ内部コア（１１０）の上に形成された電解質層（１２０）と、
   前記電解質層（１２０）の上に形成された外側導電層（１３０）と
   を含む、複数のファイバ電池セル（１００）と、
   前記複数のファイバ電池セルの各々の前記ファイバ内部コア（１１０）に電気的に結合された第１の端子（２５０）と、
   前記複数のファイバ電池セルの各々の前記外側導電層（１３０）に電気的に結合された第２の端子（２６０）と
   を備える固体電池システム（２００）。
2. 前記ファイバ内部コア（１１０）が、カーボングラファイト繊維またはカーボンナノチューブ繊維から形成されている、請求項１に記載の固体電池システム。
3. 前記ファイバ内部コア（１１０）が、ボロンナノチューブ繊維または窒化ホウ素ナノチューブ繊維から形成されている、請求項１または２に記載の固体電池システム。
4. 前記電解質層（１２０）が、固体電解質から形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の固体電池システム。
5. 前記固体電解質が、リチウムイオン伝導性材料である、請求項４に記載の固体電池システム。
6. 前記固体電解質が、結晶性材料である、請求項４に記載の固体電池システム。
7. 前記結晶性材料が、ベータアルミナである、請求項６に記載の固体電池システム。
8. 前記外側導電層（１３０）が、マグネシウムインターカレーション化合物を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の固体電池システム。
9. 前記外側導電層（１３０）が、リチウムインターカレーション化合物を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の固体電池システム。
10. 前記外側導電層（１３０）が、第１族または第２族金属化合物を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の固体電池システム。
11. 前記パターンが、乗り物用の複合部品の一部、航空機用のウィングスキンの一部、および航空機用のスパーの一部からなる群から選択される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の固体電池システム。
12. 固体電池（２００）を形成する方法（３００）であって、
    電解質層（１２０）をファイバ内部コア（１１０）の上に形成するステップ（３１０）と、
    外側導電層（１３０）を前記電解質層（１２０）の上に形成し、ファイバ電池セル（１００）を形成するステップ（３３０）と、
    複数のファイバ電池セル（１００）をパターンに形成するステップ（３４０）と、
    第１の端子（２５０）を、前記ファイバ電池セル（１００）の各々の前記ファイバ内部コア（１１０）に電気的に結合するステップと、
    第２の端子（２６０）を、前記ファイバ電池セル（１００）の各々の前記外側導電層（１３０）に電気的に結合するステップと
    を含む方法。
13. 電場および／または磁場を前記電解質層（１２０）に、その形成後の硬化期間中、印加するステップ（３２０）をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 固体電池（２００）を形成する方法（４００）であって、
    電解質層（１２０）をファイバ内部コア（１１０）の上に形成して、部分ファイバ電池セルを形成するステップ（４１０）と、
    複数の部分ファイバ電池セルをパターンに形成するステップ（４３０）と、
    第１の端子（２５０）を、前記ファイバ電池セルの各々の前記ファイバコアに電気的に結合するステップと、
    外側導電層（１３０）を、前記部分ファイバ電池セルの各々の前記電解質層（１２０）の上に形成するステップ（４４０）と
    を含む方法。
15. 電場および／または磁場を前記電解質層（１２０）に、その形成後の硬化期間中、印加するステップ（４２０）をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
    

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