BR102020003633A2

BR102020003633A2 - Bateria de estado totalmente sólido e método para fabricação da mesma

Info

Publication number: BR102020003633A2
Application number: BR102020003633-5A
Authority: BR
Inventors: Ryuto SAKAMOTO; Kazuhiro Suzuki
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2020-09-29
Also published as: EP3703168A1; JP7211165B2; JP2020140932A; CN111640992B; RU2725177C1; CN111640992A; EP3703168B1; US20200280102A1; KR102303703B1; KR20200105749A

Abstract

uma bateria de estado totalmente sólido inclui duas ou mais unidades de bateria empilhadas (10, 11, 12) empilhadas juntas e com uma estrutura monopolar. a unidade de bateria empilhada (10, 11, 12) inclui uma primeira camada do coletor de corrente (1a, 3a, 5a), uma primeira camada de substância ativa (1b, 3b, 5b), uma camada de eletrólito sólido (1c, 3c, 5c), uma segunda camada de substância ativa (1d, 3d, 5d), uma segunda camada do coletor de corrente (1e, 3e, 5e), uma segunda camada de substância ativa (2d, 4d, 6d), uma camada de eletrólito sólido (2c, 4c, 6c), uma primeira camada de substância ativa (2b, 4b, 6b) e uma primeira camada do coletor de corrente (2a, 4a, 6a), que são empilhadas nessa ordem. a primeira camada do coletor de corrente (1a, 3a, 5a) e a primeira camada de substância ativa (1b, 3b, 5b) que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo.

Description

BATERIA DE ESTADO TOTALMENTE SÓLIDO E MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DA MESMA

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção

[001] A presente divulgação refere-se a uma bateria de estado totalmente sólido e a um método para fabricação da bateria de estado totalmente sólido.

2. Descrição do Estado da Arte Relacionado

[002] Várias baterias de estado sólido foram desenvolvidas nos últimos anos como fontes de energia para dispositivos móveis, automóveis, e assim por diante.

[003] Por exemplo, a Publicação do Pedido de Patente Japonesa Não Examinada 2017-204377 (JP 2017-204377 A) divulga uma bateria de estado totalmente sólido, na qual duas ou mais unidades de bateria estão empilhadas. Em cada unidade de bateria, pelo menos um coletor de corrente de um primeiro eletrodo, uma camada de substância ativa do primeiro eletrodo, uma camada de eletrólito sólido, uma camada de substância ativa de um segundo eletrodo, um coletor de corrente do segundo eletrodo, uma camada de substância ativa do segundo eletrodo, uma camada de eletrólito sólido e uma camada de substância ativa do primeiro eletrodo são empilhados nesta ordem. O segundo eletrodo é um contra-eletrodo para o primeiro eletrodo. A bateria de estado totalmente sólido inclui um adesivo para fixar o coletor de corrente do primeiro eletrodo da unidade de bateria a outra unidade de bateria empilhada adjacentemente ao coletor de corrente.

[004] A Publicação do Pedido de Patente Japonesa Não Examinada No. 2018073665 (JP 2018-073665 A) divulga uma bateria de estado totalmente sólido de sulfeto inclui pelo menos uma célula unitária, pelo menos uma camada de absorção de calor, e uma caixa de bateria que aloja a célula unitária e a camada de absorção de calor. A célula unitária contém um eletrólito sólido de sulfeto. A camada de absorção de calor contém pelo menos um tipo de material orgânico de absorção de calor selecionado do grupo que consiste em um álcool de açúcar e um hidrocarboneto. A camada de absorção de calor não contém um hidrato inorgânico.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] Para que uma reação de bateria possa prosseguir na bateria de estado totalmente sólido, é necessário ligar a bateria de estado totalmente sólido a uma pressão de ligação predeterminada. Pesquisas realizadas até agora revelam um problema em que a capacidade de serviço diminui, a menos que a bateria de estado totalmente sólido esteja ligada a uma alta pressão de ligação de cerca de 5 a 10 MPa.

[006] Se a bateria de estado totalmente sólido estiver ligada a uma pressão de ligação alta, como descrito acima, é necessário fornecer um membro de ligação grande que possa aplicar uma alta pressão de ligação. Portanto, surge um problema em que a densidade de energia geral da bateria de estado totalmente sólido diminui.

[007] A presente divulgação proporciona uma bateria de estado totalmente sólido e um método para a fabricação da bateria de estado totalmente sólido, em que uma diminuição em uma capacidade de serviço pode ser suprimida, mesmo que a bateria de estado totalmente sólido esteja ligada a uma baixa pressão de ligação.

[008] Um primeiro aspecto da presente invenção refere-se a uma bateria de estado totalmente sólido incluindo duas ou mais unidades de bateria empilhadas com uma estrutura monopolar. Cada uma das unidades de bateria empilhadas inclui uma primeira camada do coletor de corrente, uma primeira camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma segunda camada de substância ativa, uma segunda camada do coletor de corrente, uma segunda camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma primeira camada de substância ativa e uma primeira camada do coletor de corrente, que são empilhadas nessa ordem. A primeira camada do coletor de corrente e a primeira camada de substância ativa que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo.

[009] A bateria de estado totalmente sólido pode ser ligada a uma pressão de ligação de 1,0 MPa ou menos em uma direção de empilhamento da unidade de bateria empilhada.

[010] O carbono condutor pode ser revestido em um lado da primeira camada do coletor de corrente ou em ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente.

[011] Em pelo menos uma das duas ou mais unidades de bateria empilhadas, uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo de uma espessura de um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente da unidade de bateria empilhada, pode ser de 10 μm ou mais.

[012] Um segundo aspecto da presente invenção refere-se a um método para a fabricação de uma bateria de estado totalmente sólido incluindo duas ou mais unidades de bateria empilhadas com uma estrutura monopolar. Cada uma das unidades de bateria empilhadas inclui uma primeira camada do coletor de corrente, uma primeira camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma segunda camada de substância ativa, uma segunda camada do coletor de corrente, uma segunda camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma primeira camada de substância ativa e uma primeira camada do coletor de corrente, que são empilhadas nessa ordem.

[013] O método inclui:

(a) proporcionar um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente de cada uma das unidades de bateria empilhadas;
(b) obter cada uma das unidades de bateria empilhadas pela ligação das primeiras camadas do coletor de corrente às respectivas faces terminais do corpo empilhado em sua direção de empilhamento com adesivos; e
(c) empilhar as duas ou mais unidades de bateria empilhadas juntas.

[014] O método pode incluir ainda ligar a bateria de estado totalmente sólido a uma pressão de ligação de 1,0 MPa ou inferior em uma direção de empilhamento das unidades de bateria empilhadas.

[015] O carbono condutor pode ser revestido em um lado da primeira camada do coletor de corrente ou em ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente.

[016] Em pelo menos uma das duas ou mais unidades de bateria empilhadas, uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo de uma espessura do corpo empilhado pode ser de 10 μm ou mais.

[017] Na bateria de estado totalmente sólido e no método para fabricação da bateria de estado totalmente sólido de acordo com a presente divulgação, a diminuição da capacidade de serviço pode ser suprimida mesmo se a bateria de estado totalmente sólido estiver ligada a uma pressão de ligação baixa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018] Características, vantagens, e significado técnico e industrial dos exemplos das formas de realização da invenção serão descritos abaixo com referência aos desenhos anexos, nos quais números semelhantes indicam elementos semelhantes, e em que:

[019] FIG. 1 é uma vista em corte esquemática que ilustra uma forma de uma bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação;

[020] FIG. 2 é uma vista em corte esquemática que ilustra uma forma de uma bateria de estado totalmente sólido do estado da arte relacionado;

[021] FIG. 3 é uma vista em perspectiva que ilustra uma forma na qual um lado de uma primeira camada do coletor de corrente é revestido com carbono condutor;

[022] FIG. 4 é uma vista esquemática que ilustra os pontos de medição para uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo da espessura de um corpo empilhado de acordo com a presente divulgação; e

[023] FIG. 5 é uma vista em corte esquemática que ilustra uma forma de etapas incluída em um método da presente divulgação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO

[024] Uma forma de realização da presente divulgação é descrita detalhadamente abaixo tendo como referência os desenhos. Por conveniência de descrição, partes iguais ou correspondentes nos desenhos estão representadas pelos mesmos símbolos de referência de modo a omitir uma descrição redundante. Todos os elementos constituintes da forma de realização não são essenciais, e os elementos constitutivos podem ser omitidos em parte. A forma de realização a seguir mostrada em desenhos é um ilustrativo da presente descrição, e não pretende limitar a presente divulgação.

Bateria de estado totalmente sólido

[025] Uma bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação inclui duas ou mais unidades de bateria empilhadas com uma estrutura monopolar.

[026] Cada unidade de bateria empilhada inclui uma primeira camada do coletor de corrente, uma primeira camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma segunda camada de substância ativa, uma segunda camada do coletor de corrente, uma segunda camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma primeira camada de substância ativa e uma primeira camada do coletor de corrente, que são empilhadas nessa ordem.

[027] A primeira camada do coletor de corrente e a primeira camada de substância ativa que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo. As duas ou mais unidades de bateria empilhadas são empilhadas juntas.

[028] Na presente divulgação, a "primeira camada do coletor de corrente” e a "primeira camada de substância ativa" significam contra-eletrodos para a "segunda camada do coletor de corrente" e a "segunda camada de substância ativa", respectivamente.

[029] Isto é, se a "primeira camada do coletor de corrente" e a "primeira camada de substância ativa" são uma "camada positiva do coletor de corrente” e uma "camada de substância ativa positiva", a "segunda camada do coletor de corrente" e a "segunda camada de substância ativa" são uma "camada negativa do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa negativa". Da mesma forma, se a "primeira camada do coletor de corrente" e a "primeira camada de substância ativa" são uma "camada negativa do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa negativa", a "segunda camada do coletor de corrente" e a "segunda camada de substância ativa" são uma "camada positiva do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa positiva".

[030] A FIG. 1 é uma vista em corte esquemática que ilustra uma forma da bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação.

[031] Uma bateria de estado totalmente sólido 100 ilustrada na FIG. 1 inclui três unidades de bateria empilhadas 10, 11, e 12 empilhadas juntas e com uma estrutura monopolar.

[032] A unidade de bateria empilhada 10 inclui uma primeira camada do coletor de corrente 1a, uma primeira camada de substância ativa 1b, uma camada de eletrólito sólido 1c, uma segunda camada de substância ativa 1d, uma segunda camada do coletor de corrente 1e, uma segunda camada de substância ativa 2d, uma camada de eletrólito sólido 2c, uma primeira camada de substância ativa 2b e uma primeira camada do coletor de corrente 2a, que são empilhadas nessa ordem.

[033] Da mesma forma que a unidade de bateria empilhada 10 descrita acima, cada uma das unidades de bateria empilhadas 11 e 12, respectivamente, inclui camadas do coletor de corrente 3a, 3e, 4a, camadas de substância ativa 3b, 3d, 4d, 4b, e camadas de eletrólito sólido 3c, 4c, que são empilhadas juntas e camadas do coletor de corrente 5a, 5e, 6a, camadas de substância ativa 5b, 5d, 6d, 6b, e camadas de eletrólito sólido 5c, 6c, que são empilhadas juntas. Portanto, a descrição detalhada é omitida.

[034] Na unidade de bateria empilhada de acordo com a presente divulgação, a primeira camada do coletor de corrente e a primeira camada de substância ativa que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo.

[035] Por exemplo, na FIG. 1, a primeira camada do coletor de corrente 1a e a primeira camada de substância ativa 1b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo. A primeira camada do coletor de corrente 2a e a primeira camada de substância ativa 2b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo. Uma primeira camada do coletor de corrente 3a e uma primeira camada de substância ativa 3b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo. Uma primeira camada do coletor de corrente 4a e uma primeira camada de substância ativa 4b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo. Uma primeira camada do coletor de corrente 5a e uma primeira camada de substância ativa 5b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo. Uma primeira camada do coletor de corrente 6a e uma primeira camada de substância ativa 6b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo.

[036] Na bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação, uma diminuição de um serviço de capacidade pode ser suprimida, mesmo que a bateria de estado totalmente sólido esteja ligada a uma baixa pressão de ligação.

[037] A baixa pressão de ligação se refere a uma pressão de ligação inferior a uma pressão normal de 5 MPa. Por exemplo, a baixa pressão de ligação pode ser inferior a 5,0 MPa, 4,5 MPa ou inferior, 4,0 MPa ou inferior, 3,5 MPa ou inferior, 3,0 MPa ou inferior, 2,5 MPa ou inferior, 2,0 MPa ou inferior, 1,5 MPa ou inferior, 1,0 MPa ou inferior, 0,9 MPa ou inferior, 0,8 MPa ou inferior, 0,7 MPa ou inferior, 0,6 MPa ou inferior, 0,5 MPa ou inferior, 0,4 MPa ou inferior, 0,3 MPa ou inferior, 0,2 MPa ou inferior, 0,1 MPa ou inferior ou 0,08 MPa ou inferior.

[038] O valor limite mais baixo da pressão de ligação não é particularmente limitado, mas pode ser, por exemplo, 0,05 MPa ou superior ou 0,08 MPa ou superior.

[039] A razão pela qual a bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação pode exercer o efeito acima descrito pode ser principalmente porque (i) a primeira camada do coletor de corrente e a primeira camada de substância ativa que são empilhadas adjacentemente estão fixadas com o adesivo e (ii) duas primeiras camadas do coletor de corrente são empilhadas adjacentemente.

[040] Por exemplo, na bateria de estado totalmente sólido 100 ilustrada na FIG. 1, a primeira camada do coletor de corrente 2a e a primeira camada de substância ativa 2b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com o adesivo. A primeira camada do coletor de corrente 3a e a primeira camada de substância ativa 3b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com o adesivo. A primeira camada do coletor de corrente 4a e a primeira camada de substância ativa 4b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com o adesivo. A primeira camada do coletor de corrente 5a e a primeira camada de substância ativa 5b que são empilhadas adjacentemente são fixadas com o adesivo. Além disso, as duas primeiras camadas do coletor de corrente 2a e 3a são empilhadas adjacentemente, e as duas primeiras camadas do coletor de corrente 4a e 5a são empilhadas adjacentemente.

[041] Pesquisas extensivas conduzidas pelos inventores da presente divulgação demonstram que, mesmo que a bateria de estado totalmente sólido esteja ligada a uma baixa pressão de ligação, as duas primeiras camadas do coletor de corrente empilhadas adjacentemente podem estar firmemente em contato com as primeiras camadas de substância ativa que são empilhadas adjacentes às respectivas primeiras camadas do coletor de corrente.

[042] Por exemplo, mesmo que a bateria de estado totalmente sólido 100 ilustrada na FIG. 1 esteja ligada a uma baixa pressão de ligação, as duas primeiras camadas do coletor de corrente empilhadas adjacentemente 2a e 3a podem estar firmemente em contato com as primeiras camadas de substância ativa 2b e 3b que são empilhadas adjacentes às respectivas primeiras camadas do coletor de corrente 2a e 3a, e as duas as primeiras camadas do coletor de corrente empilhadas adjacentemente 4a e 5a podem estar firmemente em contato com as primeiras camadas de substância ativa 4b e 5b que são empilhadas adjacentes às respectivas primeiras camadas do coletor de corrente 4a e 5a.

[043] Em muitas baterias de estado totalmente sólido do estado da arte relacionado (por exemplo, a bateria de estado totalmente sólido da Publicação de Pedido de Patente Japonesa Não Examinada No. 2017-204377 (JP 2017-204377 A)), uma primeira camada do coletor de corrente é usada isoladamente entre as unidades de bateria empilhadas enquanto a outra primeira camada do coletor de corrente é omitida.

[044] A FIG. 2 é uma vista em corte esquemática que ilustra uma forma da bateria de estado totalmente sólido do estado da arte relacionado.

[045] Em uma bateria de estado totalmente sólido 200 ilustrada na FIG. 2, uma primeira camada do coletor de corrente 3a é usada isoladamente entre uma unidade de bateria empilhada 10 e uma unidade de bateria empilhada 11 enquanto a outra primeira camada do coletor de corrente é omitida, e uma primeira camada do coletor de corrente 5a é usada isoladamente entre a unidade de bateria empilhada 11 e uma unidade de bateria empilhada 12 enquanto a outra primeira camada do coletor de corrente é omitida.

[046] Na bateria de estado totalmente sólido do estado da arte relacionado, a uma primeira camada do coletor de corrente não está suficientemente em contato com, pelo menos, uma das primeiras camadas de substâncias ativas que são empilhadas adjacentemente nos respectivos lados da uma primeira camada do coletor de corrente. Por conseguinte, a capacidade de serviço pode diminuir. Se a espessura de um corpo empilhado, excluindo um coletor de corrente de um primeiro eletrodo de uma unidade de bateria empilhada, não é uniforme, ou particularmente, se uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo da espessura é relativamente grande, a falha de contato significativa pode ocorrer. A diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura pode ocorrer devido à aplicação ou compactação por rolos não uniforme durante a fabricação de cada camada.

[047] Por exemplo, na bateria de estado totalmente sólido 200 ilustrada na FIG. 2, a primeira camada do coletor de corrente 3a não está suficientemente em contato com uma primeira camada de substância ativa 2b que é empilhada adjacente à primeira camada do coletor de corrente 3a ou a primeira camada do coletor de corrente 5a não está suficientemente em contato com uma primeira camada de substância ativa 4b que é empilhada adjacente à primeira camada do coletor de corrente 5a. Portanto, a capacidade de serviço pode diminuir.

[048] Na bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação, necessita-se apenas que as duas primeiras camadas do coletor de corrente empilhadas adjacentemente estejam em contato, pelo menos em parte, umas com as outras. Por exemplo, na bateria de estado totalmente sólido 100 ilustrada na FIG. 1, necessita-se apenas que as duas primeiras camadas do coletor de corrente empilhadas adjacentemente 2a e 3a estejam em contato, pelo menos em parte, umas com as outras e as duas primeiras camadas do coletor de corrente empilhadas adjacentemente 4a e 5a estejam em contato, pelo menos em parte, umas com as outras.

Adesivo

[049] O adesivo não é particularmente limitado, mas pode ser um ligante ou uma resina termoplástica, tal como de difluoreto de polivinilideno (PVdF), carboximetilcelulose (CMC), borracha de butadieno (BR), ou borracha de butadieno estireno (SBR).

[050] Como resina termoplástica, uma resina com um ponto de fusão ou amolecimento igual ou inferior às temperaturas de deterioração dos materiais da bateria pode ser adequadamente utilizada. Exemplos da resina termoplástica incluem uma resina de poliolefina. Exemplos específicos incluem polietileno de baixa densidade (LDPE) e um copolímero de etileno acetato de vinila (EVA). A resina termoplástica não se limita a esses exemplos.

[051] O método para aplicação do adesivo à primeira camada do coletor de corrente e a primeira camada de substância ativa que são empilhadas adjacentemente não é particularmente limitado. O método pode incluir aplicar o ligante ou a resina termoplástica à primeira camada do coletor de corrente isoladamente, à primeira camada de substância ativa isoladamente, ou ambas, a primeira camada do coletor de corrente e a primeira camada de substância ativa.

[052] Quando o adesivo é aplicado, a viscosidade é preferencialmente baixa porque a espessura do adesivo pode ser reduzida, e, assim, a espessura da bateria de estado totalmente sólido não é aumentada desnecessariamente. Exemplos preferenciais do adesivo incluem um ligante com uma viscosidade de 1800 mPa-s ou menos, quando o ligante é aplicado, e uma resina termoplástica que tem uma viscosidade de 1800 mPa-s ou menos quando a resina termoplástica é aplicada, pois a espessura do adesivo pode ser reduzida para 5% ou menos da espessura do eletrodo da bateria de estado totalmente sólido.

[053] A quantidade de aplicação do adesivo não é particularmente limitada, mas é de preferência de 0,1 μϋ/cm2 ou menos, em relação à área da primeira camada do coletor de corrente ou da primeira camada de substância ativa, uma vez que um aumento na resistência da bateria pode ser suprimido. Do ponto de vista da obtenção de uma resistência de ligação aceitável, a quantidade de aplicação da substância adesiva é, de preferência, 0,02 μϋ/cm2 ou mais ou 0,05 μϋ/cm2 ou mais.

Revestimento com Carbono Condutor

[054] Na unidade de bateria empilhada da presente divulgação, um lado da primeira camada do coletor de corrente ou ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente podem ser revestidos com carbono condutor.

[055] O carbono condutor apresenta uma flexibilidade superior àquela do material para a primeira camada do coletor de corrente. Ao revestir um dos lados da primeira camada do coletor de corrente ou ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente com o carbono condutor, o número de pontos de contato entre a primeira camada do coletor de corrente e sua camada adjacente pode ser aumentado. Isto é, o carbono condutor é preferível devido a um efeito em que a resistência pode ser reduzida a uma interface entre a primeira camada do coletor de corrente e sua camada adjacente, contribuindo, deste modo, para a melhoria da capacidade de serviço.

[056] A FIG. 3 é uma vista em perspectiva ilustrando uma forma em que um lado da primeira camada do coletor de corrente é revestido com o carbono condutor.

[057] Como ilustrado na FIG. 3, uma primeira camada do coletor de corrente 7a tem uma camada de revestimento 1f de carbono condutor em um lado da mesma. Na FIG. 3, a primeira camada do coletor de corrente 7a tem uma protrusão do coletor de corrente 7x que se projeta em uma direção plana. A protrusão do coletor de corrente 7x pode ser exposta sem ser revestido com o carbono condutor.

[058] Se um lado da primeira camada do coletor de corrente é revestido com o carbono condutor, é preferível que a superfície da primeira camada do coletor de corrente que é revestida com o carbono condutor na unidade de bateria empilhada fique voltada para a primeira camada de substância ativa que é empilhada adjacente à primeira camada do coletor de corrente.

[059] A espessura do filme de revestimento do carbono condutor não é particularmente limitada. Por exemplo, a espessura pode ser de 0,5 μm ou mais, 1,0 μm ou mais, 1,5 μm ou mais, ou 2,0 μm ou mais, e pode ser 15,0 μm ou menos, 12,0 μm ou menos, 10,0 μm ou menos, 8,0 μm ou menos, 5,0 μm ou menos, 4,0 μm ou menos, ou 3,0 μm ou menos.

[060] O carbono condutor não é particularmente limitado. Exemplos de carbono condutor incluem negro de fumo (caracterizado por negro de acetileno, Ketjenblack, e negro de forno), carbono ativado, grafite, fibra de carbono, e nanotubos de carbono.

[061] O carbono condutor pode ser misturado com um ligante. O ligante não é particularmente limitado. Exemplos do ligante incluem materiais, tais como difluoreto de polivinilideno (PVdF), carboximetilcelulose (CMC), borracha de butadieno (BR), e borracha de butadieno estireno (SBR), e combinações destes materiais.

Aba do Coletor de corrente

[062] Na presente descrição, a unidade de bateria empilhada pode conter abas do coletor de corrente conectadas eletricamente à primeira camada do coletor de corrente e à segunda camada do coletor de corrente, respectivamente. Neste caso, as abas do coletor de corrente podem se projetar das faces da unidade de bateria empilhada. De acordo com esta estrutura, a energia elétrica gerada pelo corpo de bateria empilhado pode ser extraída para o exterior através das abas do coletor de corrente.

[063] Cada primeira camada do coletor de corrente e segunda camada do coletor de corrente pode apresentar uma protrusão do coletor de corrente que se projeta em uma direção plana. Por exemplo, a primeira camada do coletor de corrente 7a ilustrada na FIG. 3 apresenta a protrusão do coletor de corrente 7x que se projeta na direção plana.

[064] Cada aba do coletor de corrente pode ser conectada eletricamente à protrusão.

Espessura

[065] A espessura da unidade de bateria empilhada não é particularmente limitada e pode ser ajustada se necessário, dependendo dos propósitos ou aplicações da bateria de estado totalmente sólido. Por exemplo, a espessura da unidade de bateria empilhada pode ser 200 μm ou mais, 250 μm ou mais, 300 μm ou mais, 350 μm ou mais, 400 μm ou mais, 450 μm ou mais, ou 500 μm ou mais, e pode ser 1000 μm ou menos, 900 μm ou menos, 800 μm ou menos, 700 μm ou menos, ou 600 μm ou menos.

[066] Na presente divulgação, a espessura pode não ser uniforme na direção plana em um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente da unidade de bateria empilhada, isto é, um corpo empilhado incluindo a primeira camada de substância ativa, a camada de eletrólito sólido, a segunda camada de substância ativa, a segunda camada do coletor de corrente, a segunda camada de substância ativa, a camada de eletrólito sólido, e a primeira camada de substância ativa que são empilhadas nesta ordem (designado doravante simplesmente como "corpo empilhado” também).

[067] Na presente divulgação, em pelo menos uma ou mais das duas unidades de bateria empilhadas, a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado pode ser 1 μm ou mais, 5 μm ou mais, 10 μm ou mais, 15 μm ou mais, 20 μm ou mais, ou 30 μm ou mais, e pode ser 100 μm ou menos, 80 μm ou menos, ou 50 μm ou menos.

[068] A proporção da diferença pode ser de 0,15% ou mais, 0,25% ou mais, 0,50% ou mais, 1,0% ou mais, 2,0% ou mais, 3,0% ou mais, 4,0% ou mais, 5,0% ou mais, 6,0% ou mais, 7,0% ou mais, 7,5% ou mais ou 8,0% ou mais em relação ao valor máximo da espessura do corpo empilhado, e pode ser 10,0% ou menos, 9,0% ou menos, 8,5% ou menos, 8,0% ou menos, 7,5% ou menos, 7,0% ou menos, 6,0% ou menos ou 5,0% ou menos em relação ao valor máximo da espessura do corpo empilhado.

[069] A "diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado" pode ser obtida com base em um valor máximo e um valor mínimo da espessura que são medidos utilizando um indicador digital ou semelhante, em uma pluralidade de pontos de medição determinados simétrica e uniformemente em cada face terminal do corpo empilhado na direção de empilhamento.

[070] Por exemplo, a FIG. 4 é uma vista esquemática que ilustra os pontos de medição para a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado de acordo com a presente divulgação.

[071] Como ilustrado na FIG. 4, um corpo empilhado 13a é medido utilizando um indicador digital (fabricado por Teclock Co., Ltd.) em 16 pontos de medição determinados simétrica e uniformemente em cada face terminal. Uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo pode ser obtida como a "diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado".

Método para Fabricação da Bateria de estado totalmente sólido

[072] A presente divulgação fornece ainda um método para a fabricação da bateria de estado totalmente sólido.

[073] O método da presente divulgação é um método para a fabricação de uma bateria de estado totalmente sólido, incluindo duas ou mais unidades de bateria empilhadas juntas e com uma estrutura monopolar.

[074] Cada unidade de bateria empilhada inclui uma primeira camada do coletor de corrente, uma primeira camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma segunda camada de substância ativa, uma segunda camada do coletor de corrente, uma segunda camada de substância ativa, uma camada de eletrólito sólido, uma primeira camada de substância ativa e uma primeira camada do coletor de corrente, que são empilhadas nessa ordem.
O método inclui as etapas (a) a (c):

[075] O método da presente divulgação é descrito abaixo em detalhes com referência à FIG. 5. A descrição redundante é omitida para as partes em comum com a bateria de estado totalmente sólido descrita acima.

Etapa (a)

[076] Na Etapa (a), um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente de uma unidade de bateria empilhada, é proporcionado.

[077] Por exemplo, uma parte esquerda da FIG. 5 é uma vista em corte esquemática que ilustra como um corpo empilhado 13a, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente de uma unidade de bateria empilhada, é proporcionado.

[078] Como ilustrado na parte esquerda da FIG. 5, o corpo empilhado 13a inclui uma primeira camada de substância ativa 8b, uma camada sólida de eletrólito 8c, uma segunda camada de substância ativa 8d, uma segunda camada do coletor de corrente 4e, uma segunda camada de substância ativa 9d, uma camada de eletrólito sólido 9c e uma primeira camada de substância ativa 9b, que são empilhadas nesta ordem.

[079] O método para proporcionar o corpo empilhado não é particularmente limitado. Por exemplo, o método pode incluir: (a-1) formar as primeiras camadas de substância ativa; (a-2) formar as segundas camadas de substância ativa nos respectivos lados da segunda camada do coletor de corrente; (a-3) formar as camadas de eletrólito sólido; (a-4) fixar e pressionar as segundas camadas de substância ativa formadas na Etapa (a-2) e as camada de eletrólito sólido formadas na Etapa (a-3) de modo que as segundas camadas de substância ativa e as camadas de eletrólito sólido sejam colocadas em contato direto umas com as outras; e (a-5) fixar e pressionar as primeiras camadas de substância ativa formadas na Etapa (a-1) e as camadas de eletrólito sólido formadas na Etapa (a-3) de modo que as primeiras camadas de substância ativa e as camadas de eletrólito sólido sejam colocadas em contato direto umas com as outras. A ordem das etapas (a-1), (a-2) e (a-3) não é particularmente limitada.

Etapa (a-1)

[080] A etapa (a-1) é uma etapa de formação das primeiras camadas de substância ativa. Os detalhes da Etapa (a-1) não são particularmente limitados, desde que as camadas de substância ativa para uso na bateria de estado totalmente sólido possam ser formadas.

[081] Por exemplo, a primeira camada de substância ativa pode ser formada pela aplicação e secagem, em um substrato, de materiais para a primeira camada de substância ativa: uma primeira substância ativa e um eletrólito sólido, um agente condutor e um ligante usados, se necessário.

[082] O substrato não é particularmente limitado. Por exemplo, o substrato pode ser uma chapa ou folha metálica ou um filme de resina. Exemplos da chapa metálica incluem chapas metálicas feitas de alumínio, níquel, cobre, aço inoxidável (SUS), e titânio. A chapa metálica não se limita a esses exemplos. Exemplos do filme de resina incluem filmes de resina feitos de polietileno (PE), tereftalato de polietileno (PET), tereftalato de polibutileno (PBT), polipropileno (PP), cloreto de polivinila (PVC), poliestireno (PS), poliestireno sindiotático (SPS), polimetacrilato de metila (PMMA), um copolímero de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS), um polímero de ciclo-olefina (COP), poliamida (PA), poliimida (PI), policarbonato (PC), e uma fluororesina. O filme de resina não se limita a esses exemplos.

[083] A aplicação não é particularmente limitada, e pode ser realizada por métodos ou meios publicamente conhecidos. Por exemplo, métodos de aplicação publicamente conhecidos podem ser empregados utilizando-se um dispositivo de revestimento por lâmina (ou blade coater), um dispositivo de revestimento por gravura (gravure coater), um dispositivo de revestimento por imersão (dip coater), um dispositivo de revestimento reverso, um dispositivo de revestimento knife-over-roll, um dispositivo de revestimento por barra (wire bar coater), um dispositivo de revestimento slot die, um dispositivo de revestimento por faca de ar (air knife coater), um dispositivo de revestimento por cortina (curtain coater), e um dispositivo de revestimento por extrusão, e combinações desses dispositivos de revestimento.

[084] Para facilitar a aplicação, os materiais para a primeira camada de substância ativa podem ser dispersos em um solvente não polar, como o heptano.

[085] A secagem não é particularmente limitada. Por exemplo, pode ser empregada secagem ao ar e/ou secagem a quente. A secagem a quente pode ser realizada utilizando-se uma placa quente ou ar quente.

[086] A primeira camada de substância ativa formada no substrato pode ser cortada se necessário, dependendo, por exemplo, do tamanho ou formato pretendido da bateria de estado totalmente sólido.

Etapa (a-2)

[087] A Etapa (a-2) é uma etapa de formação das segundas camadas de substância ativa. Os detalhes da Etapa (a-2) não são particularmente limitados, desde que as camadas da substância ativa para uso na bateria de estado totalmente sólido possam ser formadas.

[088] Por exemplo, as segundas camadas de substância ativa podem ser formadas pela aplicação e secagem, simultaneamente em ambos os lados da segunda camada do coletor de corrente ou de cada vez em cada lado, dos materiais para a segunda camada de substância ativa: uma segunda substância ativa e um eletrólito sólido, um agente condutor e um ligante que são usados se necessário.

[089] De modo semelhante à Etapa (a-1), as segundas camadas de substância ativa podem ser formadas nos respectivos lados da segunda camada do coletor de corrente, de tal modo que as segundas camadas de substância ativa sejam formadas em um substrato e, em seguida, transferidas nos respectivos lados da segunda camada do coletor de corrente.

[090] A descrição da aplicação e a secagem são omitidas, pois pode-se fazer referência à Etapa (a-1). Para facilitar a aplicação, os materiais para a segunda camada de substância ativa podem ser dispersos em um solvente não polar, como o heptano.

[091] As segundas camadas de substância ativa formadas nos respectivos lados da segunda camada do coletor de corrente podem ser cortadas se necessário, dependendo, por exemplo, do tamanho ou formato pretendido da bateria de estado totalmente sólido.

Etapa (a-3)

[092] A Etapa (a-3) é uma etapa de formação das camadas de eletrólito sólido. Os detalhes da Etapa (a-3) não são particularmente limitados, desde que as camadas de eletrólito sólido para uso na bateria de estado totalmente sólido possam ser formadas.

[093] Por exemplo, a camada de eletrólito sólido pode ser formada pela aplicação e secagem, em um substrato, de materiais para a camada de eletrólito sólido: um eletrólito sólido e um ligante que é usado se necessário.

[094] A descrição do tipo do substrato e a aplicação e secagem são omitidos, pois pode-se fazer referência à Etapa (a-1). Para facilitar a aplicação, os materiais para a camada de eletrólito sólido podem ser dispersos em um solvente não polar, como o heptano.

[095] A camada de eletrólito sólido formada no substrato pode ser cortada se necessário, dependendo, por exemplo, do tamanho ou formato pretendido da bateria de estado totalmente sólido.

Etapa (a-4)

[096] A Etapa (a-4) é uma etapa de fixação e prensagem das segundas camadas de substância ativa formadas na Etapa (a-2) e das camadas de eletrólito sólido formadas na Etapa (a-3), de modo que as segundas camadas de substância ativa e as camadas de eletrólito sólido sejam colocadas em contato direto umas com as outras.

[097] A etapa de prensagem é preferível do ponto de vista de que as segundas camadas de substância ativa e as camadas de eletrólito sólido podem ter estruturas compactas. A prensagem pode ser a compactação por rolos.

[098] A pressão da prensagem não é particularmente limitada. Por exemplo, a pressão da prensagem pode ser de 0,5 t/cm ou mais, 1,0 t/cm ou mais, 1,5 t/cm ou mais, ou 2,0 t/cm ou mais.

[099] Após a prensagem, os substratos nas superfícies das camadas de eletrólito sólido são removidos e a Etapa (a-5) pode ser executada a seguir.

Etapa (a-5)

[0100] A Etapa (a-5) é uma etapa de fixação e prensagem das primeiras camadas de substância ativa formadas na Etapa (a-1) e das camadas de eletrólito sólido formadas na Etapa (a-3), de modo que as primeiras camadas de substância ativa e as camadas de eletrólito sólido são colocadas em contato direto umas com as outras.

[0101] A pressão da prensagem não é particularmente limitada. A descrição da pressão de prensagem é omitida, pois pode-se fazer referência à Etapa (a-4).

[0102] O corpo empilhado pode ser proporcionado pela remoção dos substratos nas superfícies das primeiras camadas de substância ativa.

[0103] O corpo empilhado obtido pode ser submetido à compactação por rolos, de modo a ajustar a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado. Por exemplo, o corpo empilhado pode ser pressionado a uma pressão de 1,0 t/cm ou mais, 2,0 t/cm ou mais, 3,0 t/cm ou mais, 4,0 t/cm ou mais, ou 5,0 t/cm ou mais.

Etapa (b)

[0104] Na Etapa (b), uma unidade de bateria empilhada é obtida pela ligação das primeiras camadas do coletor de corrente às respectivas faces terminais do corpo empilhado em sua direção de empilhamento com adesivos.

[0105] Por exemplo, uma parte central da FIG. 5 é uma vista em corte esquemática que ilustra como uma unidade de bateria empilhada 13 é obtida pela ligação das primeiras camadas do coletor de corrente 8a e 9a às respectivas faces terminais do corpo empilhado 13a em sua direção de empilhamento com adesivos.

[0106] A posição em que o adesivo é aplicado não é particularmente limitada. Por exemplo, o adesivo pode ser aplicado em forma de L em cada canto de uma porção da primeira camada do coletor de corrente 8a a ser empilhada como ilustrado na FIG. 5.

[0107] Como descrito acima, um lado da primeira camada do coletor de corrente ou ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente podem ser revestidos com carbono condutor.

[0108] Portanto, o método da presente divulgação pode incluir ainda a Etapa (b-1): preparar as primeiras camadas do coletor de corrente, cada uma revestida com carbono condutor em um lado ou em ambos os lados antes da Etapa (b).

Etapa (b-1)

[0109] A Etapa (b-1) é uma etapa de revestimento de um lado da primeira camada do coletor de corrente ou de ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente com carbono condutor, pela aplicação e secagem, em um lado da primeira camada do coletor de corrente ou nos dois lados da primeira camada do coletor de corrente, de uma composição contendo carbono condutor e um ligante que é usado se necessário.

[0110] A descrição da aplicação e da secagem são omitidas, pois pode-se fazer referência à Etapa (a-1). Para facilitar o revestimento, a composição contendo o carbono condutor pode ser dispersa em um solvente orgânico, tal como N-metil-2-pirrolidona (NMP).

[0111] As primeiras camadas do coletor de corrente comercialmente disponíveis, cada uma revestida com carbono condutor em um lado ou em ambos os lados, podem ser utilizadas em vez das primeiras camadas do coletor de corrente obtidas na Etapa (b-1).

Etapa (c)

[0112] Na Etapa (c), duas ou mais unidades de bateria empilhadas são empilhadas juntas.

[0113] Por exemplo, uma parte direita da FIG. 5 é uma vista em corte esquemática que ilustra como as duas ou mais unidades de bateria empilhadas são empilhadas juntas.

[0114] Pelo método da presente divulgação, é possível fabricar uma bateria de estado totalmente sólido 300, na qual uma diminuição em uma capacidade de serviço pode ser suprimida, mesmo que a bateria de estado totalmente sólido 300 esteja ligada a uma baixa pressão de ligação.

[0115] O método da presente divulgação pode incluir ainda a ligação da bateria de estado totalmente sólido 300 a uma baixa pressão de ligação na direção de empilhamento das unidades de bateria empilhadas.

[0116] Por exemplo, a baixa pressão de ligação pode ser inferior a 5,0 MPa, 4,5 MPa ou inferior, 4,0 MPa ou inferior, 3,5 MPa ou inferior, 3,0 MPa ou inferior, 2,5 MPa ou inferior, 2,0 MPa ou inferior, 1,5 MPa ou inferior, 1,0 MPa ou inferior, 0,9 MPa ou inferior, 0,8 MPa ou inferior, 0,7 MPa ou inferior, 0,6 MPa ou inferior, 0,5 MPa ou inferior, 0,4 MPa ou inferior, 0,3 MPa ou inferior, 0,2 MPa ou inferior, 0,1 MPa ou inferior ou 0,08 MPa ou inferior. O valor limite mais baixo da pressão de ligação não é particularmente limitado, mas pode ser, por exemplo, 0,05 MPa ou superior ou 0,08 MPa ou superior.

[0117] Do ponto de vista de que um gabarito de ligação pode ser feito simples, rebaixado, e fornecido a baixo custo, é preferível que o método da presente divulgação inclua ainda a ligação da bateria de estado totalmente sólido 300 a uma pressão de ligação de 1,0 MPa ou inferior na direção de empilhamento das unidades de bateria empilhadas.

[0118] A ligação em baixa pressão de ligação pode ser realizada sob pressão atmosférica ou utilizando-se um pequeno gabarito de ligação.

[0119] Por exemplo, a ligação sob a pressão atmosférica pode ser realizada colocando-se as unidades de bateria empilhadas em um filme laminado e reduzindo a pressão no filme laminado em comparação com a pressão atmosférica.

[0120] Na presente divulgação, a bateria de estado totalmente sólido 300 pode ser ligada a uma pressão de ligação superior à pressão de ligação descrita acima.

Membros

[0121] Uma descrição detalhada dos membros que podem constituir a unidade de bateria empilhada de acordo com a presente divulgação e os membros para uso nas etapas do método da presente divulgação são apresentados.

[0122] Para facilitar o entendimento da presente divulgação, é fornecida uma descrição dos exemplos de membros de um corpo de bateria empilhado de uma bateria secundária de íon lítio de estado totalmente sólido. A bateria de estado totalmente sólido da presente divulgação não se limita a uma bateria secundária de lítio, mas pode ser aplicada amplamente.

Camada Positiva do Coletor de corrente

[0123] O material condutor para uso na camada positiva do coletor de corrente não é particularmente limitado. Qualquer material condutor que possa ser utilizado para a bateria de estado totalmente sólido pode ser empregado se necessário. Exemplos do material condutor para uso na camada positiva do coletor de corrente incluem SUS, alumínio, cobre, níquel, ferro, titânio e carbono. O material condutor não se limita a esses exemplos. Desses materiais, o de alumínio é preferível do ponto de vista de peso e custo.

[0124] A forma da camada positiva do coletor de corrente não é particularmente limitada. Exemplos da forma incluem uma chapa, uma placa, e uma malha. Dessas formas, a chapa é preferível.

Camada de Substância Ativa Positiva

[0125] A camada de substância ativa positiva contém pelo menos uma substância ativa positiva. De preferência, a camada de substância ativa positiva contém ainda um eletrólito sólido descrito mais adiante. Além disso, a camada de substância ativa positiva pode conter um aditivo para utilização na camada de substância ativa positiva da bateria de estado totalmente sólido, tal como um agente condutor ou um ligante, dependendo do propósito ou aplicações de uso.

[0126] O material para a substância ativa positiva não é particularmente limitado. Exemplos da substância ativa positiva incluem óxido de cobalto e lítio (LiCoO2), óxido de níquel e lítio (LiNiO2), de óxido de manganês e lítio (LiMn2O4), e espinélios de Li-Mn dopados com diferentes elementos nas composições representadas por Li1.5Co1/3Ni1/3Mn1/3O2, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, e Li1+xMn2-x-yMyO4 (M é um ou mais tipos de elementos metálicos selecionados dentre Al, Mg, Co, Fe, Ni e Zn).

[0127] O agente condutor não é particularmente limitado. Exemplos de agente condutor incluem agentes metálicos e agentes de carbono, tais como fibra de carbono com crescimento em fase de vapor (VGCF) e nanofibra de carbono.

[0128] O ligante não é particularmente limitado. Exemplos do ligante incluem materiais, tais como difluoreto de polivinilideno (PVdF), carboximetilcelulose (CMC), borracha de butadieno (BR), e borracha de butadieno estireno (SBR), e combinações destes materiais.

Camada de eletrólito sólido

[0129] A camada de eletrólito sólido contém pelo menos um eletrólito sólido. O eletrólito sólido não é particularmente limitado. Qualquer material que possa ser utilizado como eletrólito sólido da bateria de estado totalmente sólido pode ser usado. Exemplos do eletrólito sólido incluem um eletrólito sólido de sulfeto, um eletrólito sólido de óxido, e um eletrólito polimérico.

[0130] Exemplos do eletrólito sólido de sulfeto incluem um eletrólito sólido à base de sulfeto amorfo, um eletrólito sólido à base de sulfeto cristalino, e um eletrólito sólido de argirodita. O eletrólito sólido de sulfeto não está limitado a esses exemplos. Exemplos específicos de eletrólito de sulfeto sólido incluem eletrólitos à base de Li2S-P2S5 (tais como LÍ7P3Sn, LÍ3PS4, e LÍ8P2S9), LÍ2S-SÍS2, LiI-Li2S-SiS2, LÍI-LÍ2S-P2S5, LiI-LiBr-Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-GeS2 (tais como Li13GeP3S16 e LÍ1üGeP2S12), LÍI-LÍ2S-P2O5, UI-U3PO4-P2S5, Li7-xPS6-xClx e combinações desses eletrólitos. O eletrólito sólido de sulfeto não se limita a esses exemplos específicos.

[0131] Exemplos do eletrólito sólido de óxido incluem Li7La3Zr2O12, LÍ7-xLa3Zn-xNbxO12, Li7-3xLa3Zr2AlxO12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, Li1+xAlxGe2-x(PO4)3, U3PO4, e Li3+xPO4-xNx (LiPON). O eletrólito sólido de óxido não está limitado a esses exemplos.

Eletrólito Polimérico

[0132] Exemplos do eletrólito polimérico incluem óxido de polietileno (PEO), óxido de polipropileno (PPO), e copolímeros desses óxidos. O eletrólito polimérico não está limitado a esses exemplos.

[0133] O eletrólito sólido pode ser de vidro ou de vidro cristalizado (vidro cerâmico). A camada de eletrólito sólido pode conter um ligante ou semelhante, se necessário, além do eletrólito sólido descrito acima. Como exemplo específico, o ligante é semelhante a qualquer "ligante" listado na seção "camada de substância ativa positiva". Portanto, sua descrição é omitida.

Camada de Substância Ativa Negativa

[0134] A camada de substância ativa negativa contém pelo menos uma substância ativa negativa. Preferencialmente, a camada de substância ativa negativa contém ainda o eletrólito sólido descrito acima. Além disso, a camada de substância ativa negativa pode conter um aditivo para utilização na camada de substância ativa negativa da bateria de estado totalmente sólido, tal como um agente condutor ou um ligante, dependendo do propósito ou aplicações de uso.

[0135] O material para a substância ativa negativa não é particularmente limitado. O material pode armazenar ou liberar preferencialmente íons metálicos, tais como íons lítio. Exemplos da substância ativa negativa incluem uma substância ativa negativa de óxido, uma substância ativa negativa de liga, e um material de carbono. A substância ativa negativa não se limita a esses exemplos.

[0136] A substância ativa negativa de óxido não é particularmente limitada. Exemplos da substância ativa negativa de óxido incluem partículas de titanato de lítio (LTO).

[0137] A substância ativa negativa de liga não é particularmente limitada. Exemplos da substância ativa negativa de liga incluem uma substância ativa negativa de liga Si e uma substância ativa negativa de liga Sn. Exemplos da substância ativa negativa de liga Si incluem silício, óxido de silício, carboneto de silício, nitreto de silício, e as suas soluções sólidas. A substância ativa negativa de liga Si pode conter elementos além de silício, tais como o Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Sn ou Ti. Exemplos da substância ativa negativa de liga Sn incluem estanho, óxido de estanho, nitreto de estanho, e suas soluções sólidas. A substância ativa negativa de liga Sn pode conter elementos além do estanho, tais como o Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Ti ou Si. Dessas substâncias ativas negativas, a substância ativa negativa de Si liga é preferencial.

[0138] O material de carbono não é particularmente limitado. Exemplos do material de carbono incluem carbono duro, carbono macio e grafite.

[0139] Um eletrólito sólido, um agente condutor, um ligante, ou outros aditivos para utilização na camada de substância ativa negativa podem ser quaisquer substâncias descritas nas seções de "camada de substância ativa positiva” e "camada de eletrólito sólido", se necessário.

Camada Negativa do Coletor de corrente

[0140] O material condutor para uso na camada negativa do coletor de corrente não é particularmente limitado. Qualquer material condutor que possa ser utilizado para a bateria de estado totalmente sólido pode ser empregado se necessário. Exemplos do material condutor para uso na camada negativa do coletor de corrente incluem SUS, alumínio, cobre, níquel, ferro, titânio e carbono. O material condutor não se limita a esses exemplos.

[0141] A forma da camada negativa do coletor de corrente não é particularmente limitada. Exemplos da forma incluem uma chapa, uma placa, e uma malha. Dessas formas, a chapa é preferencial.

[0142] A presente divulgação é descrita abaixo em detalhes por meio de exemplos. Os exemplos a seguir não se destinam a limitar a aplicação da presente divulgação.

EXEMPLO 1

[0143] Etapa (a): proporcionar um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente de uma unidade de bateria empilhada

[0144] No Exemplo 1, o corpo empilhado foi fabricado de tal modo que a "primeira camada do coletor de corrente" e a "primeira camada de substância ativa" eram uma "camada positiva do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa positiva" e a "segunda camada do coletor de corrente" e a "segunda camada de substância ativa" eram uma "camada negativa do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa negativa".

Etapa (a-1)

[0145] O difluoreto de polivinilideno (PVdF), partículas de substância ativa positiva, um eletrólito sólido (cerâmica de vidro à base de LÍ2S-P2S5), e VGCF (produzida por Showa Denko K. K.) foram adicionados a um recipiente feito de polipropileno, e foram agitados durante 30 segundos usando um aparelho de dispersão ultrassônica (fabricado por SMT Co., Ltd.: UH-50). Em seguida, o recipiente foi agitado durante 3 minutos usando um agitador (fabricado por Sibata Scientific Technology Ltd.: TTM-1), e os materiais foram agitados durante mais 30 segundos, utilizando o aparelho de dispersão ultrassônica. Em seguida, o recipiente foi agitado durante mais 3 minutos utilizando o agitador, e os materiais obtidos para uma camada de substância ativa positiva foram aplicados sobre uma chapa de alumínio por um método de aplicação por lâmina com o uso de um aplicador. Os materiais aplicados a uma camada de substância ativa positiva foram submetidos a secagem ao ar, e, em seguida, secos durante 30 minutos em uma placa quente a 100°C. Assim, uma camada de substância ativa positiva foi formada sobre a chapa de alumínio.

[0146] As partículas de substância ativa positiva eram partículas de substância ativa positiva (partículas contendo Lh.5Co1/3Nh/3Mn1/3O2 como uma fase principal) com camadas de revestimento de niobato de lítio obtidas de tal forma que as partículas de substância ativa positiva foram revestidas com niobato de lítio sob a atmosfera, usando um dispositivo de revestimento de leito fluidizado rotativo (tumbling fluidized bed coater) (fabricado por Powrex Corporação) e cozido sob a atmosfera.

Etapa (a-2)

[0147] PVdF, partículas de substância ativa negativa (partículas LTO), e um eletrólito sólido (cerâmica de vidro à base de U2S-P2S5) foram adicionados a um recipiente feito de polipropileno, e foram agitados durante 30 segundos usando um aparelho de dispersão ultrassônica (fabricado por SMT Co., Ltd.: UH-50). Os materiais obtidos para uma camada de substância ativa negativa foram aplicados em ambos os lados de uma chapa de cobre pelo método por lâmina raspadora utilizando um aplicador. Os materiais aplicados a uma camada de substância ativa negativa foram submetidos a secagem ao ar, e, em seguida, secos durante 30 minutos em uma placa quente a 100°C. Assim, as camadas de substância ativa negativa foram formadas nos respectivos lados da chapa de cobre.

Etapa (a-3)

[0148] Heptano, borracha de butadieno (BR), e um eletrólito sólido (cerâmica de vidro à base de LÍ2S-P2S5) foram adicionados a um recipiente feito de polipropileno, e foram agitados durante 30 segundos usando um aparelho de dispersão ultrassônica (fabricado por SMT Co., Ltd.: UH-50). Em seguida, o recipiente foi agitado durante 3 minutos usando um agitador (fabricado por Sibata Scientific Technology Ltd.: TTM-1), e os materiais foram agitados durante mais 30 segundos, utilizando o aparelho de dispersão ultrassônica. Em seguida, o recipiente foi agitado durante mais 3 minutos utilizando o agitador, e os materiais obtidos para uma camada de eletrólito sólido foram aplicados sobre uma chapa de alumínio por um método de aplicação por lâmina com o uso de um aplicador. Os materiais aplicados a uma camada de eletrólito sólido foram submetidos a secagem ao ar, e, em seguida, secos durante 30 minutos em uma placa quente a 100°C. Assim, uma camada de eletrólito sólido foi formada sobre a chapa de alumínio.

Etapa (a-4)

[0149] As camadas de substância ativa negativa formadas na Etapa (a-2) foram cortadas em áreas de 7,2 cm2 x 7,2 cm2. Da mesma forma, a camada de eletrólito sólido formada na Etapa (A-3) foi cortada em áreas de 7,2 cm2 x 7,2 cm2. Em seguida, as camadas de substância ativa negativa e as camada de eletrólito sólido foram fixadas e prensadas a 1,6 t/cm de modo que as camadas de substância ativa negativa e as camada de eletrólito sólido foram colocadas em contato direto uma com a outra, obtendo-se, assim, um corpo empilhado tendo uma estrutura de "chapa de alumínio - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa negativa - chapa de cobre (camada negativa do coletor de corrente) - camada de substância ativa negativa - camada de eletrólito sólido - chapa de alumínio".

Etapa (a-5)

[0150] A camada de substância ativa positiva formada na Etapa (a-1) foi cortada em áreas de 7,0 cm2 x 7,0 cm2. As chapas de alumínio foram removidas do corpo empilhado obtido tendo a estrutura de " chapa de alumínio - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa negativa - chapa de cobre (camada negativa do coletor de corrente) - camada de substância ativa negativa - camada de eletrólito sólido - chapa de alumínio". Em seguida, as camadas de substância ativa positiva e as camada de eletrólito sólido foram fixadas e prensadas a 1,6 t/cm de modo que as camadas de substância ativa positiva e as camadas de eletrólito sólido foram colocadas em contato direto uma com a outra, obtendo-se, assim, um corpo empilhado tendo uma estrutura de "chapa de alumínio - camada de substância ativa positiva - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa negativa - chapa de cobre (camada negativa do coletor de corrente) - camada de substância ativa negativa - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa positiva - chapa de alumínio".

[0151] Em seguida, as chapas de alumínio foram removidas, e o corpo empilhado foi prensado a 5,0 t/cm, obtendo-se, assim, um corpo empilhado tendo uma estrutura de "camada de substância ativa positiva - camada de eletrólito sólido -camada de substância ativa negativa - chapa de cobre (camada negativa do coletor de corrente) - camada de substância ativa negativa - camada de eletrólito sólido -camada de substância ativa positiva".

[0152] O corpo empilhado obtido foi submetido à compactação por rolos para ajustar uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo da espessura a 1 μm.

[0153] De forma similar à FIG. 4, a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado foi obtida pela medição do corpo empilhado com um indicador digital (fabricado por Teclock Co., Ltd.) em 16 pontos de medição determinados simétrica e uniformemente em cada face terminal.

[0154] O valor máximo da espessura do corpo empilhado obtido foi de 400 μm. Assim, a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado foi de 0,25% em relação ao valor máximo da espessura do corpo empilhado (100%).

[0155] Etapa (b): obter uma unidade de bateria empilhada pela ligação das primeiras camadas do coletor de corrente às respectivas faces terminais do corpo empilhado em sua direção de empilhamento com adesivos

Etapa (b-1)

[0156] Como carbono condutor, negro de forno e difluoreto de polivinilideno (PVdF) foram pesados em uma razão de volume de 25:72 (negro de forno e PVdF). Em seguida, N-metil-2-pirrolidona (NMP) foi adicionada, e uma composição contendo O carbono condutor foi preparada.

[0157] A composição preparada contendo o carbono condutor foi aplicada em um lado de uma chapa de alumínio com uma espessura de 2 0 μm, e foi seca durante 1 hora a 100°C. Assim, uma chapa de alumínio revestida com o carbono condutor em um lado foi preparada como cada camada positiva do coletor de corrente (primeira camada do coletor de corrente).

[0158] Ao utilizar borracha de butadieno (BR), as camadas positivas do coletor de corrente obtidas como descrito acima foram fixadas nos respectivos lados do corpo empilhado obtido na Etapa (a), obtendo-se, assim, uma unidade de bateria empilhada do Exemplo 1. Nesse momento, cada camada positiva do coletor de corrente foi conectada de modo que a superfície revestida com o carbono condutor ficasse voltada para a face terminal do corpo empilhado (ou seja, a superfície da camada de substância ativa positiva).

[0159] Etapa (c): empilhar duas ou mais unidades de bateria empilhadas juntas

[0160] Vinte unidades de bateria empilhadas obtidas na Etapa (b) foram empilhadas juntas, e abas do coletor de corrente foram soldadas. Em seguida, as unidades de bateria empilhadas foram cobertas em um filme laminado a -0,08 MPa em comparação com a pressão atmosférica, fabricando-se, assim, uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo 1. Na bateria de estado totalmente sólido fabricada do Exemplo 1, a pressão de ligação da ligação sob a pressão atmosférica pelo filme laminado foi de 0,08 MPa.

EXEMPLO 2

[0161] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo 2 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 1, exceto que a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado obtida na Etapa (a-5) ("camada de substância ativa positiva - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa negativa - chapa de cobre (camada negativa do coletor de corrente) - camada de substância ativa negativa - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa positiva") foi ajustada para 15 μm.

EXEMPLO 3

[0162] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo 3 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 1, exceto que a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado obtida na Etapa (a-5) ("camada de substância ativa positiva - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa negativa - chapa de cobre (camada negativa do coletor de corrente) - camada de substância ativa negativa - camada de eletrólito sólido - camada de substância ativa positiva") foi ajustado para 30 μm.

EXEMPLO 4

[0163] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo 4 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 1, exceto que, na Etapa (b-1), uma chapa de alumínio que não foi revestida com carbono condutor foi usada como cada camada positiva do coletor de corrente em vez da chapa de alumínio revestida com o carbono condutor em um lado.

EXEMPLO 5

[0164] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo 5 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 2, exceto que, na Etapa (b-1), uma chapa de alumínio que não foi revestida com carbono condutor foi usada como cada camada positiva do coletor de corrente em vez da chapa de alumínio revestida com o carbono condutor em um lado.

EXEMPLO 6

[0165] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo 6 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 3, exceto que, na Etapa (b-1), uma chapa de alumínio que não foi revestida com carbono condutor foi usada como cada camada positiva do coletor de corrente em vez da chapa de alumínio revestida com o carbono condutor em um lado.

EXEMPLO COMPARATIVO 1

[0166] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 1 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 1, exceto que, na Etapa (b-1), a camada positiva do coletor de corrente foi fixada ao corpo empilhado, de modo que uma camada positiva do coletor de corrente fosse fornecida entre os corpos empilhados.

EXEMPLO COMPARATIVO 2

[0167] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 2 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 2, exceto que, na Etapa (b-1), a camada positiva do coletor de corrente foi fixada ao corpo empilhado, de modo que uma camada positiva do coletor de corrente fosse fornecida entre os corpos empilhados.

EXEMPLO COMPARATIVO 3

[0168] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 3 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 3, exceto que, na Etapa (b-1), a camada positiva do coletor de corrente foi fixada ao corpo empilhado, de modo que uma camada positiva do coletor de corrente fosse fornecida entre os corpos empilhados.

EXEMPLO COMPARATIVO 4

[0169] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 4 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 4, exceto que, na Etapa (b-1), a camada positiva do coletor de corrente foi fixada ao corpo empilhado, de modo que uma camada positiva do coletor de corrente fosse fornecida entre os corpos empilhados.

EXEMPLO COMPARATIVO 5

[0170] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 5 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 5, exceto que, na Etapa (b-1), a camada positiva do coletor de corrente foi fixada ao corpo empilhado, de modo que uma camada positiva do coletor de corrente fosse fornecida entre os corpos empilhados.

EXEMPLO COMPARATIVO 6

[0171] Uma bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 6 foi fabricada de maneira semelhante ao Exemplo 6, exceto que, na Etapa (b-1), a camada positiva do coletor de corrente foi fixada ao corpo empilhado, de modo que uma camada positiva do coletor de corrente fosse fornecida entre os corpos empilhados.

Avaliação

[0172] As baterias de estado totalmente sólido fabricadas dos exemplos e dos exemplos comparativos foram submetidas ao carregamento com corrente constante, tensão constante (CC-CV) e então ao descarregamento com CC-CV dentro de uma faixa de 1,6 V a 2,7 V, com 0,33C em 25°C. Em seguida, as capacidades de serviço foram medidas. Os resultados são mostrados na Tabela 1.

[0173] As capacidades de serviço foram medidas de maneira semelhante às acima, enquanto as baterias de estado totalmente sólido fabricadas dos exemplos e dos exemplos comparativos foram ligadas com uma força de ligação de 5 MPa. Os resultados são mostrados na Tabela 1.

[0174] As capacidades de serviço foram medidas de maneira semelhante às acima, enquanto as baterias de estado totalmente sólido fabricadas dos exemplos e dos exemplos comparativos foram ligadas com uma força de ligação de 10 MPa. Os resultados são mostrados na Tabela 1.

[0175] (Proporção (%))*1: valores entre parênteses são proporções da diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado em relação ao valor máximo da espessura do corpo empilhado.

[0176] Comparação das capacidades de serviço*2: As capacidades de serviço foram comparadas com os resultados do Exemplo 1 como "100".

[0177] Ligação sob pressão atmosférica*3: As unidades de bateria empilhadas foram cobertas a -0,08 MPa, em comparação com a pressão atmosférica, por conseguinte, a pressão de ligação foi de 0,08 MPa.

[0178] Conforme pode-se observar na tabela 1, quando a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado foi relativamente grande (por exemplo, 15 μm ou 30 μm), as diminuições nas capacidades de serviço das baterias de estado totalmente sólido dos Exemplos Comparativos 1 a 6 foram suprimidas somente quando as baterias de estado totalmente sólido foram ligadas a uma alta pressão de ligação de cerca de 5 MPa ou 10 MPa. Quando a bateria de estado totalmente sólido do Exemplo Comparativo 2 foi ligada a uma pressão de ligação de 1,0 MPa, a capacidade de serviço foi de 85, com o resultado do Exemplo 1 como "100". Em baterias de estado totalmente sólido dos Exemplos 1 a 6, as diminuições nas capacidades de serviço foram suprimidas, mesmo quando as baterias de estado totalmente sólido foram ligadas a uma baixa pressão de ligação (por exemplo, ligadas sob a pressão atmosférica por meio de filmes laminados).

[0179] Mais especificamente, quando as baterias de estado totalmente sólido dos Exemplos Comparativos 1 a 6 foram ligadas sob pressão atmosférica (pressão de ligação: 0,08 MPa), os resultados mostram que as capacidades de serviço diminuíram significativamente à medida que a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado aumentava. Quando as baterias de estado totalmente sólido dos Exemplos 1 a 6 foram ligadas sob pressão atmosférica, as capacidades de serviço foram substancialmente as mesmas, independentemente da diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado.

[0180] Conforme pode-se observar a partir dos resultados, nos casos em que a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado é de 1 μm, 15 μm, e 30 μm, os efeitos da presente divulgação podem ser exercidos notavelmente quando a diferença for, por exemplo, de 10 μm ou mais.

[0181] Em particular, nas baterias de estado totalmente sólido dos Exemplos 1 a 3, nas quais a primeira camada do coletor de corrente foi revestida com o carbono condutor em um lado, o descarregamento foi realizado de acordo com as capacidades teóricas sem ser afetado pela diferença entre o valor máximo e o valor mínimo da espessura do corpo empilhado, em comparação com as baterias de estado totalmente sólido dos Exemplos 4 a 6, nos quais a primeira camada do coletor de corrente não foi revestida com o carbono condutor.

[0182] Nos exemplos e nos exemplos comparativos descritos acima, as investigações foram realizadas na bateria de estado totalmente sólido, na qual a "primeira camada do coletor de corrente” e a "primeira camada de substância ativa” eram a "camada positiva do coletor de corrente" e a "camada de substância ativa positiva", e a "segunda camada do coletor de corrente" e a "segunda camada de substância ativa" eram a "camada negativa do coletor de corrente" e a "camada de substância ativa negativa". Efeitos semelhantes podem ser alcançados mesmo em um caso de uma bateria de estado totalmente sólido, na qual a "primeira camada do coletor de corrente" e a "primeira camada de substância ativa" são uma "camada negativa do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa negativa" e a "segunda camada do coletor de corrente" e a "segunda camada de substância ativa" são uma "camada positiva do coletor de corrente" e uma "camada de substância ativa positiva".

Claims

Bateria de estado totalmente sólido CARACTERIZADA por compreender duas ou mais unidades de bateria empilhadas (10, 11, 12) com uma estrutura monopolar, em que
cada uma das unidades de bateria empilhadas (10, 11, 12) inclui uma primeira camada do coletor de corrente (1a, 3a, 5a), uma primeira camada de substância ativa (1b, 3b, 5b), uma camada de eletrólito sólido (1c, 3c, 5c), uma segunda camada de substância ativa (1d, 3d, 5d), uma segunda camada do coletor de corrente (1e, 3e, 5e), uma segunda camada de substância ativa (2d, 4d, 6d), uma camada de eletrólito sólido (2c, 4c, 6c), uma primeira camada de substância ativa (2b, 4b, 6b) e uma primeira camada do coletor de corrente (2a, 4a, 6a), que são empilhadas nessa ordem, e
a primeira camada do coletor de corrente (1a, 3a, 5a) e a primeira camada de substância ativa (1 b, 3b, 5b) que são empilhadas adjacentemente são fixadas com um adesivo.
Bateria de estado totalmente sólido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a bateria de estado totalmente sólido está ligada a uma pressão de ligação de 1,0 MPa ou inferior, em um sentido de empilhamento das unidades de bateria empilhadas (10, 11, 12).
Bateria de estado totalmente sólido, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que o carbono condutor é revestido em um lado da primeira camada do coletor de corrente ou em ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente.
Bateria de estado totalmente sólido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que, em pelo menos uma das duas ou mais unidades de bateria empilhadas (10, 11, 12), uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo de uma espessura de um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente da unidade de bateria empilhada (10, 11, 12), é de 10 μm ou mais.
Método para a fabricação de uma bateria de estado totalmente sólido (300), incluindo duas ou mais unidades de bateria empilhadas com uma estrutura monopolar,
cada uma das unidades de bateria empilhadas (13), incluindo uma primeira camada do coletor de corrente (8a), uma primeira camada de substância ativa (8b), uma camada de eletrólito sólido (8c), uma segunda camada de substância ativa (8d), uma segunda camada do coletor de corrente (4e), uma segunda camada de substância ativa (9d), uma camada de eletrólito sólido (9c), uma primeira camada de substância ativa (9b) e uma primeira camada do coletor de corrente (9a), que são empilhadas nesta ordem,
o método CARACTERIZADO por compreender:
- (a) proporcionar um corpo empilhado, excluindo as primeiras camadas do coletor de corrente (8a, 9a) de cada uma das unidades de bateria empilhadas (13);
- (b) obter cada uma das unidades de bateria empilhadas (13) ligando as primeiras camadas do coletor de corrente (8a, 9a) às respectivas faces terminais do corpo empilhado (13a) em sua direção de empilhamento com adesivos; e
- (c) empilhar as duas ou mais unidades de bateria empilhadas (13) juntas.
Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por compreender ainda ligar a bateria de estado totalmente sólido a uma pressão de ligação de 1,0 MPa ou inferior em uma direção de empilhamento das unidades de bateria empilhadas (13).
Método, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o carbono condutor é revestido em um lado da primeira camada do coletor de corrente (8a, 9a) ou em ambos os lados da primeira camada do coletor de corrente (8a, 9a).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que, em pelo menos uma das duas ou mais unidades de bateria empilhadas (13), uma diferença entre um valor máximo e um valor mínimo de uma espessura do corpo empilhado (13a) é de 10 μm ou mais.