DE102021105471A1 - Festkörperbatterie, verfahren zur herstellung eines batterieelements und verfahren zur herstellung einer festkörperbatterie - Google Patents

Festkörperbatterie, verfahren zur herstellung eines batterieelements und verfahren zur herstellung einer festkörperbatterie Download PDF

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Masato Ono
Keiichi Minami
Kazuhito Kato
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Abstract

Eine Festkörperbatterie weist ein Gehäuse, ein Batterieelement und eine Einspannkomponente auf. Das Batterieelement ist im Gehäuse untergebracht. Das Batterieelement enthält einen Elektrodenteil und einen Harzteil. Der Harzteil bedeckt mindestens einen Teil einer Seitenfläche des Elektrodenteils. Die Einspannkomponente übt einen ersten Druck auf den Elektrodenteil aus. Die Einspannkomponente übt einen zweiten Druck auf den Harzteil aus. Das Verhältnis des zweiten Drucks zum ersten Druck beträgt von 1,5 bis 18.

Description

  • Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-047856 , die am 18. März 2020 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Festkörperbatterie, ein Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements und ein Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Die japanische Patentanmeldung Nr. 2019-153535 offenbart eine Harzschicht, die eine Seitenfläche eines Festkörperbatteriestapelkörpers bedeckt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Festkörperbatterien sind entwickelt worden. Eine Festkörperbatterie weist ein Gehäuse und ein Batterieelement auf. Das Batterieelement ist im Gehäuse untergebracht. Das Batterieelement enthält einen Elektrodenteil. Der Elektrodenteil wird durch abwechselndes Stapeln einer Elektrodenschicht und einer Festelektrolytschicht ausgebildet.
  • Beispielsweise kann zum Befestigen des Elektrodenteils ein Harzteil auf einer Seitenfläche des Elektrodenteils ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein härtbares Harzmaterial und/oder dergleichen auf eine Seitenfläche des Elektrodenteils aufgetragen werden, um ein Harzteil auszubilden.
  • Ein Batterieelement in einer Festkörperbatterie muss dicht sein. Wenn das Batterieelement dicht ist, kann z. B. der Batteriewiderstand verringert werden. Daher kann z. B. die Verwendung einer Einspannkomponente in Betracht gezogen werden. Die Einspannkomponente ist außerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Einspannkomponente übt über das Gehäuse Druck auf das Batterieelement aus. Der durch die Einspannkomponente ausgeübte Druck wird auch als „Einspanndruck“ bezeichnet. Der Einspanndruck kann Lücken innerhalb des Batterieelements zusammendrücken, wodurch das Batterieelement dicht wird.
  • Das Batterieelement enthält einen Elektrodenteil und einen Harzteil. Der Elektrodenteil enthält ein keramisches Material. Der Harzteil enthält ein gehärtetes Harzprodukt. Aufgrund des Unterschieds in den Grundmaterialien kann sich die Steifigkeit des Harzteils von der Steifigkeit des Elektrodenteils unterscheiden. Wenn beim Einspannen des Batterieelements der Druck nicht sachgerecht auf den Elektrodenteil und den Harzteil ausgeübt wird, kann unverhältnismäßig eine Verformung im Harzteil auftreten, mit der Folge, dass es bricht. Außerdem kann, wenn der Druck nicht sachgerecht auf den Elektrodenteil und den Harzteil ausgeübt wird, unverhältnismäßig eine Verformung des Gehäuses auftreten, mit der Folge, dass es bricht.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, Brüche sowohl in einem Harzteil als auch in einem Gehäuse einer Festkörperbatterie, die eine Einspannkomponente enthält, zu verringern.
  • Nachfolgend werden die technische Konfiguration und die Auswirkungen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es gilt zu beachten, dass der Wirkungsmechanismus gemäß der vorliegenden Offenbarung Annahmen enthält. Der Umfang der Ansprüche sollte nicht dadurch eingeschränkt werden, ob der Wirkungsmechanismus korrekt ist oder nicht.
  • Eine Festkörperbatterie weist ein Gehäuse, ein Batterieelement und eine Einspannkomponente auf.
  • Das Batterieelement ist im Gehäuse untergebracht. Das Batterieelement enthält einen Elektrodenteil und einen Harzteil.
  • Der Elektrodenteil enthält eine oder mehrere gestapelte Einheiten. Jede der gestapelten Einheiten enthält eine Positivelektrodenschicht, eine Festelektrolytschicht und eine Negativelektrodenschicht. Der Elektrodenteil hat eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche und eine Seitenfläche. Die zweite Hauptfläche ist gegenüber der ersten Hauptfläche angeordnet. Die Seitenfläche verbindet die erste Hauptfläche und die zweite Hauptfläche miteinander. Die Positivelektrodenschicht, die Festelektrolytschicht und die Negativelektrodenschicht sind in Richtung von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche gestapelt.
  • Der Harzteil enthält ein gehärtetes Harzprodukt. Der Harzteil bedeckt mindestens einen Teil einer Seitenfläche des Elektrodenteils.
  • Die Einspannkomponente ist außerhalb des Gehäuses angebracht. Die Einspannkomponente übt Druck auf das Batterieelement aus, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements in Richtung von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche ausübt. Die Einspannkomponente übt einen ersten Druck auf den Elektrodenteil aus. Die Einspannkomponente übt einen zweiten Druck auf den Harzteil aus. Das Verhältnis des zweiten Drucks zum ersten Druck beträgt von 1,5 bis 18.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein erster Druck (Pi) auf den Elektrodenteil und ein zweiter Druck (P2) auf den Harzteil ausgeübt. Das Verhältnis des zweiten Drucks zum ersten Druck (P2/ P1) beträgt von 1,5 bis 18. Nachfolgend wird das Verhältnis des zweiten Drucks zum ersten Druck (P2/ P1) auch als „Druckverhältnis (P2/ P1)“ bezeichnet.
  • Gemäß einer neuen Erkenntnis der vorliegenden Offenbarung neigt der Harzteil dazu zu brechen, wenn das Druckverhältnis (P2/ P1) kleiner als 1,5 ist, und wenn das Druckverhältnis (P2/ P1) größer als 18 ist, neigt das Gehäuse dazu zu brechen. Wenn das Druckverhältnis (P2/ P1) von 1,5 bis 18 beträgt, können Brüche sowohl im Harzteil als auch im Gehäuse verringert werden.
  • In der Festkörperbatterie gemäß dem obigen [1] kann der Harzteil zum Beispiel mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lichthärtbaren gehärteten Harzprodukt und einem wärmehärtbaren gehärteten Harzprodukt enthalten.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements umfasst die unten aufgeführten Schritte (a), (b) und (c):
    1. (a) Ausbilden eines ein oder mehrere gestapelte Einheiten enthaltendes Elektrodenteils;
    2. (b) Auftragen eines härtbaren Harzmaterials auf den Elektrodenteil, um ein Harzteil auszubilden; und
    3. (c) Härten des härtbaren Harzmaterials nach dem Ausbilden des Harzteils, um ein Batterieelement herzustellen.
  • Der Elektrodenteil hat eine erste Hauptfläche, eine zweite Hauptfläche und eine Seitenfläche. Die zweite Hauptfläche ist gegenüber der ersten Hauptfläche angeordnet. Die Seitenfläche verbindet die erste Hauptfläche und die zweite Hauptfläche miteinander. Eine Positivelektrodenschicht, eine Festelektrolytschicht und eine Negativelektrodenschicht sind in Richtung von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche gestapelt.
  • Das härtbare Harzmaterial wird so aufgetragen, dass es mindestens einen Teil einer Seitenfläche des Elektrodenteils bedeckt.
  • Während das härtbare Harzmaterial auf die Seitenfläche des Elektrodenteils aufgetragen und gehärtet wird, wird Druck auf den Elektrodenteil ausgeübt, indem auf beide Seiten des Elektrodenteils in Richtung von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche Druck ausgeübt wird.
  • In der Konfiguration, in welcher Druck auf den Elektrodenteil ausgeübt wird während das härtbare Harzmaterial aufgetragen und gehärtet wird, kann die Steifigkeit des Elektrodenteils und des Harzteils verändert werden. Der während des Auftragens und Härtens ausgeübte Druck (P0) kann geändert werden, und dadurch kann das „Druckverhältnis (P2/P1)“ während des Einspannens angepasst werden. Mit anderen Worten, ein für die Festkörperbatterie gemäß obigem [1] geeignetes Batterieelement kann hergestellt werden.
  • Weiterhin kann der während des Auftragens und Härtens ausgeübte Druck (Po) den Elektrodenteil verdichten. Mit anderen Worten, Lücken zwischen den Schichten im Elektrodenteil können verringert werden. Entsprechend kann z. B. der Widerstand des Batterieelements verringert werden. Solange der Widerstand des Batterieelements niedrig ist, kann ein beabsichtigtes Niveau des Batteriewiderstands erreicht werden, auch wenn z. B. der Einspanndruck niedrig ist.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements gemäß obigem [3] kann das härtbare Harzmaterial beispielsweise mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lichthärtbaren Harzmaterial und einem wärmehärtbaren Harzmaterial enthalten.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements gemäß obigem [3] oder [4] kann der auf den Elektrodenteil ausgeübte Druck zum Beispiel von 0,03 MPa bis 0,05 MPa betragen.
  • Wenn der während des Auftragens und Härtens ausgeübte Druck (Po) von 0,03 MPa bis 0,05 MPa beträgt, kann z.B. ein Druckverhältnis (P2/P1) während des Einspannens von 1,5 bis 18 erreicht werden.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements gemäß obigem [3] oder [4] kann der auf den Elektrodenteil ausgeübte Druck beispielsweise von 0,05 MPa bis 3 MPa betragen.
  • Wenn der während des Auftragens und Härtens ausgeübte Druck (Po) von 0,05 MPa bis 3 MPa beträgt, kann beispielsweise der Widerstand des Batterieelements verringert werden. Dieses Phänomen kann als Ergebnis eines Verdichtens des Elektrodenteils auftreten.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie umfasst zusätzlich zu den oben aufgeführten Schritten (a) bis (c) die unten aufgeführten Schritte (d) und (e):
    • (d) Unterbringen des Batterieelements in einem Gehäuse; und
    • (e) Anbringen einer Einspannkomponente außerhalb des Gehäuses um eine Festkörperbatterie herzustellen.
  • Das Batterieelement wird nach dem Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements gemäß obigem [3] hergestellt.
  • Die Einspannkomponente wird so angebracht, dass sie Druck auf das Batterieelement ausübt, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements in Richtung von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche ausübt.
  • Durch das Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie gemäß obigem [7] kann der Widerstand des Batterieelements verringert werden. Dadurch kann ein beabsichtigtes Niveau des Batteriewiderstandes erreicht werden auch mit z.B. einem niedrigen Einspanndruck.
  • Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie gemäß obigem [7] übt die Einspannkomponente einen ersten Druck auf den Elektrodenteil aus und die Einspannkomponente übt einen zweiten Druck auf den Harzteil aus. Das Verhältnis des zweiten Drucks zum ersten Druck kann z. B. 1,5 bis 18 betragen.
  • Durch das Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie gemäß obigem [8] können Brüche sowohl im Harzteil als auch im Gehäuse verringert werden.
  • Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen deutlicher werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Festkörperbatterie gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht, die ein Beispiel des Gehäuses zeigt.
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der gestapelten Einheit zeigt.
    • 4 ist ein schematisches Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
    • 5 ist eine erste schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
    • 6 ist eine zweite schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
    • 7 ist eine dritte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
    • 8 ist eine vierte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
    • 9 ist eine fünfte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
    • 10 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des Elektrodenteils zeigt.
    • 11 ist eine erste schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
    • 12 ist eine zweite schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
    • 13 ist eine dritte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
    • 14 ist eine vierte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
    • 15 ist eine fünfte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
    • 16 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Druck (Po) und Widerstand zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung (im Folgenden auch „vorliegende Ausführungsform“ genannt) beschrieben. Es gilt zu beachten, dass die nachfolgende Beschreibung den Umfang der Ansprüche nicht einschränkt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sollte jeder geometrische Begriff (wie z. B. „parallel“, „vertikal“, „orthogonal“) nicht allein seiner genauen Bedeutung nach interpretiert werden. Ein in der vorliegenden Ausführungsform verwendeter geometrischer Begriff umfasst auch eine geometrische Beziehung, die im Wesentlichen mit der genauen Bedeutung des Begriffs übereinstimmt. Beispielsweise kann der Begriff „parallel“ eine geometrische Beziehung bedeuten, die in gewissem Maße von der exakten Parallele abweicht.
  • In der vorliegenden Ausführungsform bedeuten Ausdrücke wie „von 1,5 bis 18“ einen Bereich, der beide Grenzwerte einschließt, sofern nicht anders angegeben. Zum Beispiel bedeutet „von 1,5 bis 18“ einen Bereich von „nicht niedriger als 1,5 und nicht höher als 18“.
  • <Festkörperbatterie>
  • Eine Festkörperbatterie gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann in jeder Anwendung verwendet werden. Die Festkörperbatterie kann z. B. für eine Antriebsstromversorgung eines Elektrofahrzeugs verwendet werden. Die Festkörperbatterie kann z. B. für eine Antriebsstromversorgung eines Hybridfahrzeugs verwendet werden. Die Festkörperbatterie kann z. B. für ein Stromspeichersystem für den Hausgebrauch verwendet werden.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Festkörperbatterie gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
  • Eine Festkörperbatterie 1000 weist ein Gehäuse 100, ein Batterieelement 200 und eine Einspannkomponente 300 auf. Die Festkörperbatterie 1000 kann ferner einen externen Anschluss (nicht gezeigt) und/oder dergleichen aufweisen. Beispielsweise können das Batterieelement 200 und der externe Anschluss via einer Leitungsplatte (nicht gezeigt) und/oder dergleichen miteinander verbunden sein.
  • «Gehäuse»
  • Das Batterieelement 200 ist im Gehäuse 100 untergebracht. Das Gehäuse 100 ist hermetisch versiegelt. Das Gehäuse 100 kann z.B. eine metalllaminierte Folie und/oder dergleichen enthalten. Das Gehäuse 100 kann z.B. ein Beutel aus einer metalllaminierten Folie sein.
  • 2 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht, die ein Beispiel des Gehäuses zeigt.
  • Beispielsweise kann dir metalllaminierte Folie eine dreischichtige Struktur haben. Genauer gesagt kann das Gehäuse 100 z. B. eine erste Harzschicht 110, eine Metallschicht 130 und eine zweite Harzschicht 120 enthalten. Die Metallschicht 130 ist zwischen der ersten Harzschicht 110 und der zweiten Harzschicht 120 angeordnet. Beispielsweise kann die Metallschicht 130 eine Dicke von 10 µm bis 100 µm haben. Beispielsweise kann die Metallschicht 130 Aluminium (Al) und/oder dergleichen enthalten. Jede der ersten Harzschicht 110 und der zweiten Harzschicht 120 kann z. B. mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) und Polyamid (PA) enthalten. Beispielsweise kann jede der ersten Harzschicht 110 und der zweiten Harzschicht 120 eine Dicke von 10 µm bis 100 µm aufweisen.
  • <<Batterieelement>>
  • Wie in 1 gezeigt, enthält das Batterieelement 200 einen Elektrodenteil 210 und einen Harzteil 220.
  • (Elektrodenteil)
  • Der Elektrodenteil 210 hat eine erste Hauptfläche 211, eine zweite Hauptfläche 212 und eine Seitenfläche 213. Die erste Hauptfläche 211 ist im Wesentlichen parallel zur zweiten Hauptfläche 212. Die zweite Hauptfläche 212 ist gegenüber der ersten Hauptfläche 211 angeordnet. Die Seitenfläche 213 verbindet die erste Hauptfläche 211 und die zweite Hauptfläche 212 miteinander. Die Seitenfläche 213 kann Vorsprünge und Vertiefungen aufweisen. Die Vorsprünge und Vertiefungen der Seitenfläche 213 können durch den Harzteil 220 gefüllt sein.
  • Der Elektrodenteil 210 enthält eine oder mehrere gestapelte Einheiten 215. Der Elektrodenteil 210 kann nur eine einzige gestapelte Einheit 215 enthalten. Der Elektrodenteil 210 kann eine Vielzahl von gestapelten Einheiten 215 enthalten. Beispielsweise kann der Elektrodenteil 210 2 bis 200 gestapelte Einheiten 215 enthalten. Beispielsweise kann der Elektrodenteil 210 10 bis 100 gestapelte Einheiten 215 enthalten.
  • Die Vielzahl von gestapelten Einheiten 215 sind in Richtung von der ersten Hauptfläche 211 zur zweiten Hauptfläche 212 gestapelt. Im Folgenden wird in der vorliegenden Ausführungsform die „Richtung von der ersten Hauptfläche 211 zur zweiten Hauptfläche 212“ auch als „Stapelrichtung“ bezeichnet. Die Stapelrichtung in 1 ist parallel zur z-Achsenrichtung. Die Vielzahl von gestapelten Einheiten 215 kann elektrisch parallel geschaltet sein. Die Vielzahl von gestapelten Einheiten 215 kann elektrisch in Reihe geschaltet sein.
  • (Gestapelte Einheit)
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der gestapelten Einheit zeigt.
  • Jede gestapelte Einheit 215 enthält eine Positivelektrodenschicht 10, eine Festelektrolytschicht 30 und eine Negativelektrodenschicht 20. Die Positivelektrodenschicht 10, die Festelektrolytschicht 30 und die Negativelektrodenschicht 20 sind in z-Achsenrichtung gestapelt. Mit anderen Worten, die Positivelektrodenschicht 10, die Festelektrolytschicht 30 und die Negativelektrodenschicht 20 sind in der Richtung von der ersten Hauptfläche 211 zur zweiten Hauptfläche 212 (Stapelrichtung) gestapelt.
  • Die gestapelte Einheit 215 kann eine beliebige Konfiguration haben, solange sie eine oder mehrere von jeder der Positivelektrodenschicht 10 (eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11), der Festelektrolytschicht 30 und der Negativelektrodenschicht 20 (eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21) enthält. Beispielsweise kann, wie in 3 gezeigt, die gestapelte Einheit 215 zwei Positivelektrodenschichten 10, zwei Festelektrolytschichten 30 und eine Negativelektrodenschicht 20 enthalten. Beispielsweise kann die gestapelte Einheit 215 eine Positivelektrodenschicht 10, zwei Festelektrolytschichten 30 und zwei Negativelektrodenschichten 20 enthalten. Beispielsweise kann die gestapelte Einheit 215 aus einer Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11, einer Festelektrolytschicht 30 und einer Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 bestehen.
  • (Positivelektrodenschicht)
  • Die Positivelektrodenschicht 10 enthält eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11. Die Positivelektrodenschicht 10 kann ausschließlich aus der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 bestehen. Die Positivelektrodenschicht 10 kann außerdem einen Positivelektrodenstromkollektor 12 enthalten. Mit anderen Worten, die Positivelektrodenschicht 10 kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 und den Positivelektrodenstromkollektor 12 enthalten. Beispielsweise kann der Positivelektrodenstromkollektor 12 unter Verwendung eines Klebstoffs 50 an die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 geklebt sein (8). Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 kann auf ihrer Oberfläche Vorsprünge und Vertiefungen aufweisen. Infolgedessen können sich zwischen dem Positivelektrodenstromkollektor 12 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 Lücken ausbilden. Gemäß dem unten beschriebenen Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform können solche Lücken zwischen dem Positivelektrodenstromkollektor 12 und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 ebenfalls verringert werden. Folglich können der Positivelektrodenstromkollektor 12 und die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 in innige Haftung kommen. Infolgedessen kann der Widerstand des Batterieelements 200 verringert werden.
  • Der Klebstoff 50 kann z. B. einen Schmelzklebstoff und/oder dergleichen enthalten. Der Schmelzpunkt des Schmelzklebstoffs kann niedriger sein als die Temperatur, bei der sich ein Material der Batterie verschlechtert. Dadurch kann, beispielsweise, der Schmelzklebstoff geschmolzen und gehärtet werden, ohne dass sich die Materialien der Batterie verschlechtern. Der Klebstoff kann z. B. Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und/oder dergleichen enthalten.
  • Beispielsweise kann der Positivelektrodenstromkollektor 12 eine Dicke von 5 µm bis 50 µm haben. Beispielsweise kann der Positivelektrodenstromkollektor 12 eine Dicke von 10 µm bis 20 µm haben. Beispielsweise kann der Positivelektrodenstromkollektor 12 eine Metallfolie und eine Kohlenstofffolie (nicht gezeigt) enthalten. Beispielsweise kann die Metallfolie mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus A1, Edelstahl, Nickel (Ni), Chrom (Cr), Platin (Pt), Niob (Nb), Eisen (Fe), Titan (Ti) und Zink (Zn) enthalten. Beispielsweise kann die Metallfolie eine Al-Folie und/oder dergleichen sein.
  • Der Kohlenstofffilm bedeckt einen Teil einer Oberfläche der Metallfolie. Beispielsweise kann der Kohlenstofffilm zwischen der Metallfolie und der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 angeordnet sein. Der Kohlenstofffilm enthält ein Kohlenstoffmaterial. Beispielsweise kann das Kohlenstoffmaterial Ruß und/oder dergleichen (wie Acetylenschwarz) enthalten. Der Kohlenstofffilm kann ferner ein Bindemittel und/oder dergleichen enthalten. Beispielsweise kann das Bindemittel Polyvinylidendifluorid (PVdF) und/oder dergleichen enthalten. Der Kohlenstofffilm kann z. B. zu 10 bis 20 Masse-% aus dem Kohlenstoffmaterial bestehen, wobei der Rest aus dem Bindemittel besteht. Der Kohlenstofffilm kann z. B. zu etwa 15 Masse-% aus dem Kohlenstoffmaterial und zu etwa 85 Masse-% aus dem Bindemittel bestehen.
  • Beispielsweise kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 eine Dicke von 0,1 µm bis 1000 µm haben. Beispielsweise kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 eine Dicke von 50 µm bis 200 µm haben. Die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthält ein Positivelektrodenaktivmaterial. Beispielsweise kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 außerdem einen Festelektrolyten, ein leitfähiges Material, ein Bindemittel und/oder dergleichen enthalten.
  • Beispielsweise kann das Positivelektrodenaktivmaterial ein Pulvermaterial sein. Beispielsweise kann das Positivelektrodenaktivmaterial einen mittleren Durchmesser von 1 µm bis 30 µm haben. Der mittlere Durchmesser bezieht sich auf eine Partikelgröße in der volumenbasierten Partikelgrößenverteilung, bei welcher das kumulierte Partikelvolumen (kumuliert von der Seite der kleinen Größen) 50 % des gesamten Partikelvolumens erreicht. Der mittlere Durchmesser kann mit einem Laserbeugungs-Partikelgrößenverteilungs-Analysator gemessen werden. Beispielsweise kann das Positivelektrodenaktivmaterial einen mittleren Durchmesser von 5 µm bis 15 µm haben.
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial kann eine beliebige Komponente enthalten. Beispielsweise kann das Positivelektrodenaktivmaterial mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid, Lithiummanganoxid, Lithiumnickelkobaltmanganoxid (wie LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), Lithiumnickelkobaltaluminat und Lithiumeisenphosphat enthalten. Das Positivelektrodenaktivmaterial kann eine Oberflächenbehandlung erhalten haben. Durch diese Oberflächenbehandlung kann eine Pufferschicht auf einer Oberfläche des Positivelektrodenaktivmaterial ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Pufferschicht Lithiumnioboxid (LiNbO3) und/oder dergleichen enthalten. Die Pufferschicht kann das Ausbilden einer Lithium-Verarmungsschicht verhindern. Dadurch kann der Batteriewiderstand verringert werden.
  • Beispielsweise kann der Festelektrolyt ein Pulvermaterial sein. Beispielsweise kann der Festelektrolyt einen mittleren Durchmesser von 0,1 µm bis 10 µm haben. Beispielsweise kann der Festelektrolyt einen mittleren Durchmesser von 1 µm bis 5 µm haben.
  • Der Festelektrolyt ist ionisch leitfähig. Im Wesentlichen ist der Festelektrolyt nicht elektronisch leitfähig. Beispielsweise kann der Festelektrolyt einen Sulfid-basierten Festelektrolyten und/oder dergleichen enthalten. Beispielsweise kann der Festelektrolyt einen Oxid-basierten Festelektrolyten und/oder dergleichen enthalten. Die Menge des Festelektrolyten kann z.B. von 1 Masseteil bis 200 Masseteile, bezogen auf 100 Masseteile des Positivelektrodenaktivmaterials, betragen.
  • Der Sulfid-basierte Festelektrolyt kann in einem Glaszustand vorliegen. Der Sulfid-basierte Festelektrolyt kann Glaskeramik (auch „kristallisiertes Glas“ genannt) ausbilden. Der Sulfid-basierte Festelektrolyt kann jede Komponente enthalten, solange sie Schwefel (S) enthält. Beispielsweise kann der Sulfid-basierte Festelektrolyt Lithiumphosphorsulfid und/oder dergleichen enthalten.
  • Lithiumphosphorsulfid kann z.B. durch die folgende Formel (I) repräsentiert werden: Li 2 x P 2 − 2 x S 5 − 4 x ( 0,5 ≤ x ≤ 1 )
    Figure DE102021105471A1_0001
  • Beispielsweise kann Lithiumphosphorsulfid eine Zusammensetzung wie Li3PS4, Li7P3S11 und dergleichen haben.
  • Der Sulfid-basierte Festelektrolyt kann durch ein mechanochemisches Verfahren synthetisiert werden. Die Zusammensetzung des Sulfid-basierten Festelektrolyten kann z.B. durch das Mischungsverhältnis seiner Rohstoffe ausgedrückt werden. Zum Beispiel bedeutet „75Li2S-25P2S5“, dass der Stoffmengenanteil von „Li2S“ 0,75 bezogen auf alle Rohstoffe und der Stoffmengenanteil von „P2S5“ 0,25 bezogen auf alle Rohstoffe beträgt. Beispielsweise kann der Sulfid-basierte Festelektrolyt mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 50Li2S-50P2S5, 60Li2S-40P2S5, 70Li2S-30P2S5, 75Li2S-25P2S5, 80Li2S-20P2S5 und 90Li2S-10P2S5 enthalten.
  • Zum Beispiel bedeutet „Li2S-P2S5“, dass das Mischungsverhältnis von „Li2S“ und „P2S5“ nicht begrenzt ist. Beispielsweise kann der Sulfid-basierte Festelektrolyt ein Lithiumhalogenid und/oder dergleichen enthalten. Beispielsweise kann der Sulfid-basierte Festelektrolyt mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, LiI-Li2S-SiS2, LiI-Si2S-P2S5, LiI-LiBr-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-P2S5, LiI-Li2O-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-P2O5, LiI-Li3PO4-P2S5 und Li2S-P2S5-GeS2 enthalten.
  • Der Oxid-basierte Festelektrolyt kann jede Komponente enthalten, solange sie Sauerstoff (O) enthält. Beispielsweise kann der Oxid-basierte Festelektrolyt mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumphosphoroxynitrid (LIPON), Lithiumzinkgermanat (LISICON), Lithiumlanthanzirkoniumoxid (LLZO) und Lithiumlanthantitanoxid (LLTO) enthalten.
  • Das leitfähige Material ist elektronisch leitfähig. Das leitfähige Material kann eine beliebige Komponente enthalten. Beispielsweise kann das leitfähige Material mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß (wie z. B. Acetylenschwarz), dampfphasengezüchteter Kohlenstofffaser (VGCF), Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT) und Graphenflocke enthalten. Die Menge des leitfähigen Materials kann z. B. von 0,1 Masseteilen bis zu 10 Masseteilen bezogen auf 100 Masseteile des Positivelektrodenaktivmaterials betragen.
  • Das Bindemittel bindet feste Materialien aneinander. Das Bindemittel kann eine beliebige Komponente enthalten. Beispielsweise kann das Bindemittel ein Fluorharz und/oder dergleichen enthalten. Beispielsweise kann das Bindemittel mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PVdF und Vinylidendifluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVdF-HFP) enthalten. Die Menge des Bindemittels kann z.B. von 0,1 Masseteilen bis 10 Masseteilen, bezogen auf 100 Masseteile des Positivelektrodenaktivmaterials, betragen.
  • (Negativelektrodenschicht)
  • Die Negativelektrodenschicht 20 enthält die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21.
  • Die Negativelektrodenschicht 20 kann ausschließlich aus der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 bestehen. Die Negativelektrodenschicht 20 kann außerdem einen Negativelektrodenstromkollektor 22 enthalten. Mit anderen Worten, die Negativelektrodenschicht 20 kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 und den Negativelektrodenstromkollektor 22 enthalten. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 kann auf einer Oberfläche des Negativelektrodenstromkollektors 22 ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 nur eine Seite des Negativelektrodenstromkollektors 22 bedecken. Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 beide Seiten des Negativelektrodenstromkollektors 22 bedecken.
  • Beispielsweise kann der Negativelektrodenstromkollektor 22 eine Dicke von 5 µm bis 50 µm haben. Beispielsweise kann der Negativelektrodenstromkollektor 22 eine Dicke von 5 µm bis 15 µm haben. Beispielsweise kann der Negativelektrodenstromkollektor 22 eine Metallfolie und/oder dergleichen enthalten. Beispielsweise kann die Metallfolie mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Edelstahl, Kupfer (Cu), Ni, Fe, Ti, Kobalt (Co) und Zn enthalten. Beispielsweise kann die Metallfolie eine Ni-Folie, eine Ni-beschichtete Cu-Folie, eine Cu-Folie oder dergleichen sein.
  • Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 eine Dicke von 0,1 µm bis 1000 µm haben. Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 eine Dicke von 50 µm bis 200 µm haben. Die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthält ein Negativelektrodenaktivmaterial. Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 einen Festelektrolyten, ein leitfähiges Material, ein Bindemittel und/oder dergleichen enthalten.
  • Beispielsweise kann das Negativelektrodenaktivmaterial ein Pulvermaterial sein. Beispielsweise kann das Negativelektrodenaktivmaterial einen mittleren Durchmesser von 1 µm bis 30 µm haben. Beispielsweise kann das Negativelektrodenaktivmaterial einen mittleren Durchmesser von 1 µm bis 10 µm haben.
  • Das Negativelektrodenaktivmaterial kann eine beliebige Komponente enthalten. Beispielsweise kann das Negativelektrodenaktivmaterial mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumtitanoxid (Li4Ti5O12), Graphit, weichem Kohlenstoff, hartem Kohlenstoff, Silizium, Siliziumoxid, Legierung auf Siliziumbasis, Zinn, Zinnoxid und Legierung auf Zinnbasis enthalten.
  • Die Details des Festelektrolyten sind wie oben beschrieben. Die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, kann die gleiche sein wie die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist. Die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, kann sich von der Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist, unterscheiden. Die Menge des Festelektrolyten kann z.B. von 1 Masseteil bis 200 Masseteile bezogen auf 100 Masseteile des Negativelektrodenaktivmaterials betragen.
  • Die Details des leitfähigen Materials sind wie oben beschrieben. Die Zusammensetzung des leitfähigen Materials, das in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, kann die gleiche sein wie die Zusammensetzung des leitfähigen Materials, das in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist. Die Zusammensetzung des leitfähigen Materials, das in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, kann sich von der Zusammensetzung des leitfähigen Materials, das in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist, unterscheiden. Die Menge des leitfähigen Materials kann z. B. von 0,1 Masseteilen bis 10 Masseteilen, bezogen auf 100 Masseteile des Negativelektrodenaktivmaterials, betragen.
  • Die Details des Bindemittels sind wie oben beschrieben. Die Zusammensetzung des Bindemittels, das in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, kann die gleiche sein wie die Zusammensetzung des Bindemittels, das in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist. Die Zusammensetzung des Bindemittels, das in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, kann sich von der Zusammensetzung des Bindemittels, das in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist, unterscheiden. Die Menge des Bindemittels kann z.B. von 0,1 Masseteilen bis 10 Masseteilen, bezogen auf 100 Masseteile des Negativelektrodenaktivmaterials, betragen.
  • (Festelektrolytschicht)
  • Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht 30 eine Dicke von 0,1 µm bis 1000 µm aufweisen. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht 30 eine Dicke von 0,1 µm bis 300 µm aufweisen. Die Festelektrolytschicht 30 ist zwischen der Positivelektrodenschicht 10 (Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11) und der Negativelektrodenschicht 20 (Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21) angeordnet. In gewisser Weise dient die Festelektrolytschicht 30 als Separator. Die Festelektrolytschicht 30 trennt die Positivelektrodenschicht 10 räumlich von der Negativelektrodenschicht 20. Die Festelektrolytschicht 30 trennt die Positivelektrodenschicht 10 räumlich von der Negativelektrodenschicht 20. Die Festelektrolytschicht 30 unterbricht die elektronische Leitung zwischen der Positivelektrodenschicht 10 und der Negativelektrodenschicht 20.
  • Die Festelektrolytschicht 30 enthält einen Festelektrolyten. Die Festelektrolytschicht 30 bildet einen Ionenleitungspfad zwischen der Positivelektrodenschicht 10 und der Negativelektrodenschicht 20. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht 30 weiterhin ein Bindemittel und/oder dergleichen enthalten.
  • Die Details des Festelektrolyten sind wie oben beschrieben. Die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Festelektrolytschicht 30 enthalten ist, kann die gleiche sein wie die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist. Die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Festelektrolytschicht 30 enthalten ist, kann sich von der Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 enthalten ist, unterscheiden. Die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Festelektrolytschicht 30 enthalten ist, kann die gleiche sein wie die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist. Die Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Festelektrolytschicht 30 enthalten ist, kann sich von der Zusammensetzung des Festelektrolyten, der in der Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 enthalten ist, unterscheiden.
  • Das Bindemittel kann eine beliebige Komponente enthalten. Beispielsweise kann das Bindemittel mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PVdF-HFP, Butylkautschuk (IIR) und Butadienkautschuk (BR) enthalten.
  • (Harzteil)
  • Wie in 1 gezeigt, bedeckt der Harzteil 220 zumindest einen Teil der Seitenfläche 213 des Elektrodenteils 210. Der Harzteil 220 kann einen Teil der Seitenfläche 213 bedecken. Der Harzteil 220 kann die gesamte Seitenfläche 213 bedecken. Wenn beispielsweise die Flächenform des Elektrodenteils 210 rechteckig ist, hat der Elektrodenteil 210 vier Seitenflächen 213. Beispielsweise kann ein gegenüberliegendes Paar von Seitenflächen 213 von dem Harzteil 220 bedeckt sein. Die Flächenform gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich auf die Form in einer Ebene, die parallel zur x-y-Ebene in 1 ist.
  • Weder die erste Hauptfläche 211 noch die zweite Hauptfläche 212 ist von dem Harzteil 220 bedeckt. Der Harzteil 220 kann in der z-Achsenrichtung von der ersten Hauptfläche 211 bis zur zweiten Hauptfläche 212 durchgehend ausgebildet sein.
  • Der Harzteil 220 enthält ein gehärtetes Harzprodukt. Der Harzteil 220 kann im Wesentlichen aus einem gehärteten Harzprodukt bestehen. Das gehärtete Harzprodukt wird durch Härten eines härtbaren Harzmaterials ausgebildet. Beispielsweise kann der Harzteil 220 ein lichthärtbares gehärtetes Harzprodukt, ein wärmehärtbares gehärtetes Harzprodukt, ein Elektronenstrahl-härtbares gehärtetes Harzprodukt und dergleichen enthalten. Beispielsweise kann der Harzteil 220 mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lichthärtbaren gehärteten Harzprodukt und einem wärmehärtbaren gehärteten Harzprodukt enthalten. Beispielsweise kann der Harzteil 220 mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharz, Acrylharz, Polyimidharz, Polyesterharz, Polypropylenharz, Polyamidharz, Polystyrolharz, Polyvinylchloridharz und Polycarbonatharz enthalten.
  • «Einspannkomponente»
  • Wie in 1 gezeigt, ist die Einspannkomponente 300 außerhalb des Gehäuses 100 angebracht. Die Einspannkomponente 300 ist so konfiguriert, dass sie Druck auf das Batterieelement 200 ausübt, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements 200 in Stapelrichtung (der z-Achsenrichtung) ausübt.
  • Die Einspannkomponente 300 kann z. B. eine erste Einspannplatte 311, eine zweite Einspannplatte 312, eine Verbindungsstange 321 und einen Schraube 322 aufweisen. Beispielsweise sind das Gehäuse 100 und das Batterieelement 200 zwischen der ersten Einspannplatte 311 und der zweiten Einspannplatte 312 angeordnet. Jede der ersten Einspannplatte 311 und der zweiten Einspannplatte 312 ist in physischem Kontakt mit dem Gehäuse 100. Die Verbindungsstange 321 verbindet die erste Einspannplatte 311 und die zweite Einspannplatte 312 miteinander. Jedes Ende der Verbindungsstange 321 hat einen Innengewindeteil. Der Innengewindeteil ist im Eingriff mit der Schraube 322. Wenn die Schraube 322 angezogen wird, wird durch die erste Einspannplatte 311 und die zweite Einspannplatte 312 Druck auf das Batterieelement 200 ausgeübt. Der Druck wird via Gehäuse 100 auf das Batterieelement 200 übertragen.
  • Beispielsweise kann jede der ersten Einspannplatte 311 und der zweiten Einspannplatte 312 mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Metallmaterial und einem Harzmaterial enthalten. Beispielsweise kann jede der ersten Einspannplatte 311 und der zweiten Einspannplatte 312 eine flache Platte sein. Beispielsweise kann jede der ersten Einspannplatte 311 und der zweiten Einspannplatte 312 eine Platte mit Vorsprüngen und Vertiefungen sein.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der auf den Harzteil 220 ausgeübte Einspanndruck verschieden von dem auf den Elektrodenteil 210 ausgeübten Einspanndruck. Die Einspannkomponente 300 übt einen ersten Druck (P1) auf den Elektrodenteil 210 aus. Die Einspannkomponente 300 übt einen zweiten Druck (P2) auf den Harzteil 220 aus. Das Druckverhältnis (P2/P1) beträgt von 1,5 bis 18.
  • Wenn das Druckverhältnis (P2/P1) kleiner als 1,5 ist, neigt der Harzteil 220 dazu zu brechen. Wenn das Druckverhältnis (P2/P1) höher als 18 ist, neigt das Gehäuse 100 dazu zu brechen. Wenn das Druckverhältnis (P2/P1) von 1,5 bis 18 beträgt, können Brüche sowohl im Harzteil 220 als auch im Gehäuse 100 verringert werden. Beispielsweise kann das Druckverhältnis (P2/P1) von 1,5 bis 4,8 betragen. Beispielsweise kann das Druckverhältnis (P2/P1) von 4,8 bis 18 betragen.
  • Beispielsweise kann der erste Druck (P1) von 0,5 MPa bis 50 MPa betragen. Beispielsweise kann der erste Druck (P1) von 0,5 MPa bis 10 MPa betragen. Beispielsweise kann der erste Druck (P1) von 0,5 MPa bis 5 MPa betragen. Beispielsweise kann der erste Druck (P1) von 0,5 MPa bis 2 MPa betragen. Beispielsweise kann der erste Druck (P1) von 0,5 MPa bis 1,5 MPa betragen.
  • Der erste Druck (P1) und der zweite Druck (P2) können mit einem taktilen Sensorsystem gemessen werden. Das taktile Sensorsystem weist ein Sensorblatt auf. Das Sensorblatt hat eine Dicke von etwa 0,1 mm. Das Sensorblatt ist zwischen dem Gehäuse 100 und der ersten Einspannplatte 311 angeordnet. Das Sensorblatt kann zwischen dem Gehäuse 100 und der zweiten Einspannplatte 312 angeordnet sein. Das Sensorblatt enthält eine Vielzahl von Sensorpunkten über seine Ebene hinweg. Das arithmetische Mittel der Drücke, die an einer Gruppe von Sensorpunkten, die so positioniert sind, dass sie dem Elektrodenteil 210 zugewandt sind, gemessen werden, gilt als der erste Druck (P1). Das arithmetische Mittel der Drücke, die an einer Gruppe von Sensorpunkten, die so positioniert sind, dass sie dem Harzteil 220 zugewandt sind, gemessen werden, gilt als der zweite Druck (P2). Das Druckverhältnis (P2/P1) ist auf eine Dezimalstelle signifikant. Es wird auf eine Dezimalstelle gerundet.
  • <Herstellungsverfahren>
  • 4 ist ein schematisches Flussdiagramm des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst „(a) Ausbilden eines Elektrodenteils“, „(b) Auftragen eines härtbaren Harzmaterials“, „(c) Härten“, „(d) Unterbringen“ und „(e) Anbringen einer Einspannkomponente“.
  • Eine Reihe von Schritten von „(a) Ausbilden eines Elektrodenteils“ bis „(c) Härten“ kann „ein Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements“ darstellen.
  • Eine Reihe von Schritten von „(a) Ausbilden eines Elektrodenteils“ bis „(e) Anbringen einer Einspannkomponente“ kann ein „Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie“ darstellen.
  • «(a) Ausbilden eines Elektrodenteils»
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Ausbilden eines Elektrodenteils 210. Der Elektrodenteil 210 enthält eine oder mehrere gestapelte Einheiten 215.
  • Die gestapelte Einheit 215 enthält eine Positivelektrodenschicht 10, eine Festelektrolytschicht 30 und eine Negativelektrodenschicht 20. Jede der Positivelektrodenschicht 10, der Festelektrolytschicht 30 und der Negativelektrodenschicht 20 kann z. B. durch Auftragen einer Paste ausgebildet werden.
  • Beispielsweise können ein Positivelektrodenaktivmaterial, ein Festelektrolyt, ein leitfähiges Material, ein Bindemittel und ein Dispersionsmedium gemischt werden, um eine Positivelektrodenpaste herzustellen. Die Details des Positivelektrodenaktivmaterials und dergleichen sind wie oben beschrieben. Beispielsweise kann das Dispersionsmedium Butylbutyrat und/oder dergleichen sein. Beispielsweise kann der Feststoffanteil der Positivelektrodenpaste von 60 Masse-% bis 80 Masse-% betragen. Der Feststoffanteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich auf die Summe der Massenanteile der Komponenten mit Ausnahme des Dispersionsmediums. Beispielsweise neigt Butylbutyrat zu einer geringen Reaktivität mit einem Sulfid-basierten Festelektrolyten. Die Positivelektrodenpaste kann auf eine Oberfläche eines temporären Trägers 40 aufgetragen und dann getrocknet werden, und dadurch kann eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 ausgebildet werden. Beispielsweise kann der temporäre Träger 40 eine Al-Folie und/oder dergleichen sein. Die Positivelektrodenpaste kann auf eine Oberfläche des Positivelektrodenstromkollektors 12 aufgetragen werden.
  • Beispielsweise kann ein Festelektrolyt, ein Bindemittel und ein Dispersionsmedium gemischt werden, um eine Festelektrolytpaste herzustellen. Die Details des Festelektrolyten und dergleichen sind wie oben beschrieben. Beispielsweise kann das Dispersionsmedium Butylbutyrat, Heptan und/oder dergleichen sein. Beispielsweise kann der Feststoffanteil der Festelektrolytpaste von 60 Masse-% bis 80 Masse-% betragen. Die Festelektrolytpaste kann auf eine Oberfläche eines temporären Trägers 40 aufgetragen und dann getrocknet werden, und dadurch kann die Festelektrolytschicht 30 ausgebildet werden. Beispielsweise kann der temporäre Träger 40 eine Al-Folie und/oder dergleichen sein.
  • Beispielsweise können ein Negativelektrodenaktivmaterial, ein Festelektrolyt, ein leitfähiges Material, ein Bindemittel und ein Dispersionsmedium gemischt werden, um eine Negativelektrodenpaste herzustellen. Die Details des Negativelektrodenaktivmaterials und dergleichen sind wie oben beschrieben. Beispielsweise kann das Dispersionsmedium Butylbutyrat und/oder dergleichen sein. Beispielsweise kann der Feststoffanteil der Negativelektrodenpaste von 60 Masse-% bis 80 Masse-% betragen. Die Negativelektrodenpaste kann auf eine Oberfläche des Negativelektrodenstromkollektors 22 aufgetragen und dann getrocknet werden, und dadurch kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 ausgebildet werden. Die Negativelektrodenpaste kann auf eine Oberfläche eines temporären Trägers 40 aufgetragen werden. Beispielsweise kann der temporäre Träger 40 eine Ni-Folie und/oder dergleichen sein.
  • 5 ist eine erste schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
  • Beispielsweise kann die Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 auf beiden Seiten des Negativelektrodenstromkollektors 22 ausgebildet werden, wodurch die Negativelektrodenschicht 20 ausgebildet werden kann.
  • 6 ist eine zweite schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
  • Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht 30 auf einer Oberfläche eines temporären Trägers 40 ausgebildet werden. Beispielsweise kann diese Festelektrolytschicht 30 auf einer Oberfläche von jeder der beiden Negativelektrodenaktivmaterialschichten 21 angeordnet werden, und der resultierende Stapel kann durch eine Walzenpressvorrichtung geführt werden. Auf diese Weise kann die Festelektrolytschicht 30 in innige Haftung zu der Oberfläche jeder Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 kommen. Beispielsweise kann die Presstemperatur etwa 25 °C betragen. Beispielsweise kann der Pressdruck etwa 100 MPa betragen. Nach der Haftung wird der temporäre Träger 40 von der Festelektrolytschicht 30 abgezogen.
  • 7 ist eine dritte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
  • Beispielsweise kann eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 auf einer Oberfläche des temporären Trägers 40 ausgebildet werden. Beispielsweise kann diese Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 auf einer Oberfläche von jeder der beiden Festelektrolytschichten 30 angeordnet werden, und der resultierende Stapel kann durch eine Walzenpressvorrichtung geführt werden. Auf diese Weise kann die Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 in innige Haftung zu der Oberfläche jeder Festelektrolytschicht 30 kommen. Beispielsweise kann die Presstemperatur etwa 25 °C betragen. Beispielsweise kann der Pressdruck etwa 100 MPa betragen. Nach der Haftung wird der temporäre Träger 40 von der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 abgezogen. So wird die gestapelte Einheit 215 ausgebildet.
  • Anschließend kann die gestapelte Einheit 215 durch eine Walzenpressvorrichtung geführt werden. Beispielsweise kann die Presstemperatur von etwa 100°C bis etwa 150°C betragen. Beispielsweise kann der Pressdruck etwa 600 MPa betragen.
  • 8 ist eine vierte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
  • Auf eine Oberfläche der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 wird der Klebstoff 50 aufgetragen. Pressen wird durchgeführt, um den Positivelektrodenstromkollektor 12 mit der Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 in Haftung zu bringen. Beispielsweise kann die Presstemperatur etwa 140°C betragen. Beispielsweise kann der Pressdruck etwa 1 MPa betragen.
  • 9 ist eine fünfte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Elektrodenteils zeigt.
  • Es kann sein, dass nur eine einzige gestapelte Einheit 215 den Elektrodenteil 210 ausbildet. Es kann sein, dass eine Vielzahl von gestapelten Einheiten 215 den Elektrodenteil 210 ausbildet. Die Vielzahl von gestapelten Einheiten 215 werden in einer einzigen, vorgegebenen Richtung gestapelt.
  • So wird der Elektrodenteil 210 ausgebildet. Wie in 1 gezeigt, weist der Elektrodenteil 210 eine erste Hauptfläche 211, eine zweite Hauptfläche 212 und eine Seitenfläche 213 auf. Die zweite Hauptfläche 212 ist gegenüber der ersten Hauptfläche 211 angeordnet. Die Seitenfläche 213 verbindet die erste Hauptfläche 211 und die zweite Hauptfläche 212 miteinander. Die Positivelektrodenschicht 10, die Festelektrolytschicht 30 und die Negativelektrodenschicht 20 sind in Stapelrichtung (z-Achsenrichtung) gestapelt.
  • 10 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des Elektrodenteils zeigt.
  • Beispielsweise kann der Positivelektrodenstromkollektor 12 in Richtung der y-Achse aus dem Elektrodenteil 210 herausragen. Beispielsweise kann der Negativelektrodenstromkollektor 22 in Richtung der y-Achse aus dem Elektrodenteil 210 herausragen. Die Richtung, in der der Negativelektrodenstromkollektor 22 herausragt, kann der Richtung, in der der Positivelektrodenstromkollektor 12 herausragt, entgegengesetzt sein. Der herausragende Abschnitt des Positivelektrodenstromkollektors 12 kann z. B. mit einem externen Anschluss (nicht gezeigt) verbunden sein. Der herausragende Abschnitt des Negativelektrodenstromkollektors 22 kann z.B. mit einem externen Anschluss (nicht gezeigt) verbunden sein.
  • «(b) Auftragen eines härtbaren Harzmaterials»
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Auftragen eines härtbaren Harzmaterials auf den Elektrodenteil 210, um ein Harzteil 220 auszubilden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird Druck (P0) auf den Elektrodenteil 210 ausgeübt, indem Druck auf beide Seiten des Elektrodenteils 210 in Stapelrichtung ausgeübt wird, während ein härtbares Harzmaterial 221 auf die Seitenfläche 213 des Elektrodenteils 210 aufgetragen und gehärtet wird.
  • 11 ist eine erste schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
  • Beispielsweise werden zwei Rahmenplatten 400 vorbereitet. Zwischen diesen beiden Rahmenplatten 400 wird der Elektrodenteil 210 angeordnet. Beispielsweise kann auf zwei zur y-z-Ebene in 11 parallelen Seitenflächen 213 das härtbare Harzmaterial aufgetragen werden. Die Rahmenplatten 400 können ein Material enthalten, das eine gute Ablösbarkeit aufweist. Beispielsweise können die Rahmenplatten 400 ein Fluorharz und/oder dergleichen enthalten. Beispielsweise können die Rahmenplatten 400 Teflon (eingetragene Marke) und/oder dergleichen enthalten.
  • 12 ist eine zweite schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
  • Die Rahmenplatten 400 werden so befestigt, dass ein Druck (P0) auf den Elektrodenteil 210 ausgeübt wird. Beispielsweise kann der Druck (Po) so eingestellt werden, dass eine ausreichend innige Haftung zwischen den Schichten des Elektrodenteils 210 gewährleistet ist. Der Druck (P0) kann so eingestellt werden, dass eine übermäßige Verformung des Elektrodenteils 210 vermieden wird.
  • Der Druck (P0) kann nach einem beliebigen Verfahren eingestellt werden. Beispielsweise kann der Druck (P0) durch mechanisches Pressen eingestellt werden. Beispielsweise kann das Drehmoment eines Servomotors durch eine Kugelumlaufspindel in eine Kraft zum Pressen der Rahmenplatten 400 umgewandelt werden. Beispielsweise kann hydraulisches Pressen verwendet werden um die Rahmenplatten 400 zu pressen. Beispielsweise kann ein mit Gas ausgeübter Druck zum Pressen der Rahmenplatten 400 verwendet werden. Der Druck (Po) kann mit einem taktilen Sensorsystem gemessen werden. Nachdem der Druck (Po) auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist, können die Rahmenplatten 400 z. B. mit einem mechanischen Stopper befestigt werden. Dadurch kann beispielsweise der Energieverbrauch für den Motorbetrieb verringert werden.
  • Beispielsweise kann der auf den Elektrodenteil 210 ausgeübte Druck (Po) von 0,03 MPa bis 0,05 MPa betragen. Wenn der Druck (Po) von 0,03 MPa bis 0,05 MPa beträgt, kann beispielsweise ein Druckverhältnis (P2/P1) während des Einspannens von 1,5 bis 18 erreicht werden. Beispielsweise kann der Druck (Po) von 0,03 MPa bis 0,04 MPa betragen. Beispielsweise kann der Druck (Po) von 0,04 MPa bis 0,05 MPa betragen.
  • Beispielsweise kann der auf den Elektrodenteil 210 ausgeübte Druck (Po) von 0,05 MPa bis 3 MPa betragen. Wenn der Druck (Po) von 0,05 MPa bis 3 MPa beträgt, kann beispielsweise der Widerstand des Batterieelements 200 verringert werden. Dieses Phänomen kann als Ergebnis davon auftreten, dass der Elektrodenteil 210 verdichtet wird. Beispielsweise kann der Druck (Po) von 0,1 MPa bis 3 MPa betragen. Beispielsweise kann der Druck (P0) von 1 MPa bis 3 MPa betragen. Beispielsweise kann der Druck (Po) von 2 MPa bis 3 MPa betragen.
  • 13 ist eine dritte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
  • In den Raum, der durch die Seitenfläche 213 des Elektrodenteils 210 und zwei Rahmenplatten 400 definiert ist, wird ein härtbares Harzmaterial gefüllt. Dadurch wird der Harzteil 220 ausgebildet. Überschüssiges härtbares Harzmaterial, das außerhalb des Raums austritt, kann beispielsweise mit einem Schaber und/oder dergleichen abgeschabt werden.
  • Beispielsweise kann das härtbare Harzmaterial ein lichthärtbares Harzmaterial, ein wärmehärtbares Harzmaterial, ein Elektronenstrahl-härtbares Harzmaterial und/oder dergleichen enthalten. Das härtbare Harzmaterial kann z. B. mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lichthärtbaren Harzmaterial und einem wärmehärtbaren Harzmaterial enthalten. Beispielsweise kann das lichthärtbare Harzmaterial ein Ultraviolett(UV)-härtbares Harzmaterial und/oder dergleichen enthalten. „Aronix (eingetragenes Marke) UV-Produkte“, hergestellt von Toagosei Co., Ltd. und/oder dergleichen können beispielsweise verwendet werden. Beispielsweise kann das lichthärtbare Harzmaterial einen Vorteil wie etwa eine kurze Aushärtungszeit haben.
  • Das härtbare Harzmaterial ist flüssig. Beispielsweise kann das härtbare Harzmaterial eine Viskosität von 5000 mPa·s bis 50000 mPa·s haben. Wenn die Viskosität in diesem Bereich liegt, neigt das härtbare Harzmaterial dazu, in geeigneter Weise in Lücken zwischen den Elektrodenschichten einzudringen. Wenn beispielsweise die Viskosität weniger als 5000 mPa·s beträgt, kann das Eindringen des härtbaren Harzmaterials in die Lücken zwischen den Elektrodenschichten übermäßig werden, und dadurch kann beispielsweise die Batteriekapazität verringert werden. Wenn die Viskosität beispielsweise mehr als 50000 mPa·s beträgt, ist das härtbare Harzmaterial weniger flüssig und dadurch können Lücken im Harzteil 220 verbleiben.
  • Die Viskosität des härtbaren Harzmaterials wird mit einem Viskosimeter vom Typ E (Kegel-Platte-Typ) bei 25°C ± 1°C gemessen. Beispielsweise kann ein Viskosimeter vom Typ E verwendet werden, das von Toki Sangyo Co., Ltd. hergestellt wird.
  • «(c) Härten»
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Härten des härtbaren Harzmaterials nach dem Ausbilden des Harzteils 220, um das Batterieelement 200 herzustellen.
  • 14 ist eine vierte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
  • Abhängig von der Art des härtbaren Harzmaterials werden verschiedene Härtungsbehandlungen durchgeführt. Wenn beispielsweise das härtbare Harzmaterial ein UV-härtbares Harzmaterial ist, wird das UV-härtbare Harzmaterial mit UV-Licht bestrahlt. Wenn beispielsweise das härtbare Harzmaterial ein wärmehärtbares Harzmaterial ist, wird das wärmehärtbare Harzmaterial erhitzt. Wenn beispielsweise das härtbare Harzmaterial ein Elektronenstrahl-härtbares Harzmaterial ist, wird das Elektronenstrahl-härtbare Harzmaterial mit einem Elektronenstrahl bestrahlt.
  • 15 ist eine fünfte schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zum Auftragen und Härten zeigt.
  • Das härtbare Harzmaterial wird gehärtet, und so wird ein gehärtetes Harzprodukt ausgebildet. Nachdem das gehärtete Harzprodukt ausgebildet ist, werden die Rahmenplatten 400 entfernt. So wird das Batterieelement 200 hergestellt.
  • «(d) Unterbringen»
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Unterbringen des Batterieelements 200 im Gehäuse 100.
  • Die Details des Gehäuses 100 sind wie oben beschrieben. Beispielsweise kann das Gehäuse 100 ein Beutel aus einer metalllaminierten Folie sein. In dem Beutel wird das Batterieelement 200 untergebracht. Die Öffnung des Beutels kann beispielsweise mit einem Heißsiegelgerät versiegelt werden. So kann der Beutel hermetisch versiegelt werden. Während des Versiegelns kann der Beutel von Luft evakuiert werden.
  • «(e) Anbringen der Einspannkomponente»
  • Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Anbringen der Einspannkomponente 300 außerhalb des Gehäuses 100, um die Festkörperbatterie 1000 herzustellen.
  • Die Details der Einspannkomponente 300 sind wie oben beschrieben. Die Einspannkomponente 300 wird so angebracht, dass sie Druck auf das Batterieelement 200 ausübt, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements 200 in Stapelrichtung (die z-Achsenrichtung in 1) ausübt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann aufgrund des während des Auftragens und Härtens des härtbaren Harzmaterials ausgeübten Drucks (Po) der Widerstand des Batterieelements 200 verringert werden. Als Ergebnis kann beispielsweise ein beabsichtigtes Niveau eines Batteriewiderstands mit einem niedrigen Einspanndruck erreicht werden.
  • Die Einspannkomponente 300 kann entsprechend unterschiedliche Drücke auf den Elektrodenteil 210 und den Harzteil 220 ausüben. Genauer gesagt übt die Einspannkomponente 300 den ersten Druck (P1) auf den Elektrodenteil 210 aus, und die Einspannkomponente übt den zweiten Druck (P2) auf den Harzteil 220 aus. Beispielsweise kann das Druckverhältnis (P2/P1) von 1,5 bis 18 betragen. Auf diese Weise können Brüche sowohl im Harzteil 220 als auch im Gehäuse 100 verringert werden.
  • [Beispiele]
  • Nachfolgend werden Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung (im Folgenden auch „das vorliegende Beispiel“ genannt) beschrieben. Es gilt zu beachten, dass die nachfolgende Beschreibung den Umfang der Ansprüche nicht einschränkt.
  • <Erstes Experiment>
  • In diesem ersten Experiment wurde die Korrelation zwischen dem Druckverhältnis (P2/P1) während des Einspannens und dem Auftreten von Brüchen untersucht.
  • «Herstellen einer Festkörperbatterie»
  • (Nr. 1-1)
  • Ausbilden eines Elektrodenteils
  • Ausbilden einer Positivelektrodenschicht
  • Die unten beschriebenen Materialien wurden vorbereitet.
    • Positivelektrodenaktivmaterial: LiNii/3Co1/3Mn1/3O2, LiNbO3
    • Festelektrolyt: Li3PS4
    • Leitfähiges Material: Acetylenschwarz
    • Bindemittel: PVdF
    • Dispersionsmedium: Butylbutyrat
    • Positivelektrodenstromkollektor: Al-Folie (Dicke, 15 µm)
  • Die Oberfläche von LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (Partikel) wurde mit LiNbO3 bedeckt und dadurch eine Pufferschicht ausgebildet. So wurde ein Positivelektrodenaktivmaterial hergestellt.
  • Das Positivelektrodenaktivmaterial, der Festelektrolyt, das leitfähige Material, das Bindemittel und das Dispersionsmedium wurden mit einer Rührvorrichtung gemischt und dadurch wurde eine Positivelektrodenpaste hergestellt. Das Massenverhältnis zwischen dem Positivelektrodenaktivmaterial und dem Festelektrolyten betrug „(Positivelektrodenaktivmaterial)/(Festelektrolyt) = 75/25“. Die Menge des leitfähigen Materials, bezogen auf 100 Masseteile des Positivelektrodenaktivmaterials, betrug 6 Masseteile. Die Menge des Bindemittels, bezogen auf 100 Masseteile des Positivelektrodenaktivmaterials, betrug 4 Masseteile. Der Feststoffanteil der Positivelektrodenpaste betrug 70 Masse-%.
  • Die Positivelektrodenpaste wurde mit einem Rakelapplikator auf eine Oberfläche des Positivelektrodenstromkollektors 12 aufgetragen und anschließend getrocknet. Auf diese Weise wurde eine Positivelektrodenaktivmaterialschicht 11 ausgebildet. Mit anderen Worten: Die Positivelektrodenschicht 10 wurde ausgebildet. Die Trocknungstemperatur betrug 120°C. Die Trocknungsdauer betrug drei Stunden.
  • Ausbilden einer Negativelektrodenschicht
  • Die nachfolgend beschriebenen Materialien wurden vorbereitet.
    • Negativelektrodenaktivmaterial: Li4Ti5O12
    • Festelektrolyt: Li3PS4
    • Leitfähiges Material: Acetylenschwarz
    • Bindemittel: PVdF
    • Dispersionsmedium: Butylbutyrat
    • Negativelektrodenstromkollektor: Cu-Folie (Dicke, 15 µm)
  • Das Negativelektrodenaktivmaterial, der Festelektrolyt, das leitfähige Material, das Bindemittel und das Dispersionsmedium wurden mit einer Rührvorrichtung gemischt und dadurch wurde eine Negativelektrodenpaste hergestellt. Das Massenverhältnis zwischen dem Negativelektrodenaktivmaterial und dem Festelektrolyten betrug „(Negativelektrodenaktivmaterial)/(Festelektrolyt) = 50/50“. Die Menge des leitfähigen Materials, bezogen auf 100 Masseteile des Negativelektrodenaktivmaterials, betrug 6 Masseteile. Die Menge des Bindemittels, bezogen auf 100 Masseteile des Negativelektrodenaktivmaterials, betrug 6 Masseteile. Der Feststoffanteil der Negativelektrodenpaste betrug 70 Masse-%.
  • Die Negativelektrodenpaste wurde mit einem Rakelapplikator auf eine Oberfläche des Negativelektrodenstromkollektors 22 aufgetragen und anschließend getrocknet. Auf diese Weise wurde eine Negativelektrodenaktivmaterialschicht 21 ausgebildet. Mit anderen Worten: Die Negativelektrodenschicht 20 wurde ausgebildet. Die Trocknungstemperatur betrug 120°C. Die Trocknungsdauer betrug drei Stunden.
  • Ausbilden einer Festelektrolytschicht
  • Die nachfolgend beschriebenen Materialien wurden vorbereitet.
    • Festelektrolyt: Li3PS4
    • Bindemittel: Butylkautschuk
    • Dispersionsmedium: Heptan
    • Temporärer Träger: Al-Folie (Dicke, 15 µm)
  • Der Festelektrolyt, das Bindemittel und das Dispersionsmedium wurden mit einem Ultraschall-Dispergierer gemischt und dadurch eine Festelektrolytpaste hergestellt. Das Massenverhältnis zwischen dem Festelektrolyten und dem Bindemittel betrug „(Festelektrolyt)/(Bindemittel) = 95/5“. Der Feststoffanteil der Festelektrolytpaste betrug 70 Masse-%.
  • Die Festelektrolytpaste wurde mit einem Rakelapplikator auf eine Oberfläche des temporären Trägers 40 aufgetragen. Nach dem Auftragen wurde die Festelektrolytpaste luftgetrocknet. Dadurch wurde die Festelektrolytschicht 30 ausgebildet. Nach dem Lufttrocknen wurde die Festelektrolytschicht 30 weiter erhitzt und getrocknet. Die Trocknungstemperatur betrug 100°C. Die Trocknungsdauer betrug 30 Minuten.
  • Ausbilden einer gestapelten Einheit
  • Die Positivelektrodenschicht 10, die Festelektrolytschicht 30 und die Negativelektrodenschicht 20 wurden in dieser Reihenfolge gestapelt und dadurch eine gestapelte Einheit 215 ausgebildet. Die gestapelte Einheit 215 wurde durch eine Walzenpressvorrichtung geführt. Der lineare Pressdruck betrug 1 Tonne/cm (1 × 103 kg/cm).
  • Ausbilden eines Elektrodenteils
  • Zehn gestapelte Einheiten 215 wurden in einer einzigen, vorbestimmten Richtung gestapelt, und dadurch den Elektrodenteil 210 ausgebildet.
  • Auftragen eines härtbaren Harzmaterials
  • Zwischen zwei Rahmenplatten 400 wurde der Elektrodenteil 210 angeordnet. Diese beiden Rahmenplatten 400 wurden so befestigt, dass ein Druck (P0) auf den Elektrodenteil 210 ausgeübt wurde. In Nr. 1-1 betrug der Druck (Po) 1 MPa.
  • Ein härtbares Harzmaterial wurde vorbereitet. Das härtbare Harzmaterial war ein UV-härtbares Harzmaterial. Das härtbare Harzmaterial wurde auf eine Seitenfläche 213 des Elektrodenteils 210 aufgetragen, während Druck (Po) auf den Elektrodenteil 210 ausgeübt wurde. So wurde der Harzteil 220 ausgebildet.
  • Härten
  • Nachdem der Harzteil 220 ausgebildet wurde, wurde das härtbare Harzmaterial mit einer UV-Lampe gehärtet, während der Druck (Po) aufrechterhalten wurde. So wurde das Batterieelement 200 hergestellt.
  • Unterbringen
  • Ein Gehäuse 100 wurde vorbereitet. Das Gehäuse 100 wies einen aus aluminiumlaminierter Folie hergestellten Beutel sowie einen externen Anschluss auf. Das Batterieelement 200 und der externe Anschluss wurden miteinander verbunden. Das Batterieelement 200 wurde im Gehäuse 100 untergebracht. Nach dem Unterbringen wurde das Gehäuse 100 hermetisch versiegelt.
  • Anbringen einer Einspannkomponente
  • Eine Einspannkomponente 300 wurde außerhalb des Gehäuses 100 angebracht. Auf diese Weise wurde die Festkörperbatterie 1000 (Festkörperlithiumionenbatterie) hergestellt.
  • Die Einspannkomponente 300 wurde so angebracht, dass sie Druck auf das Batterieelement 200 ausübt, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements 200 in Stapelrichtung ausübt. Im ersten Experiment wurde der Einspannzustand so eingestellt, dass der auf den Elektrodenteil 210 ausgeübte erste Druck (P1) 1 MPa betrug.
  • Nach dem Einspannen wurde die Festkörperbatterie 1000 fünf Lade- und Entladezyklen unterzogen. Ein einzelner Lade- und Entladezyklus bestand aus einer Abfolge von „Laden-Ruhen-Entladen-Ruhen“ .
    Laden: CCCV-Modus, CC-Strom = 1/3 C, CV-Spannung = 2,9 V
    Ruhen: 10 Minuten
    Entladen: CCCV-Modus, CC-Strom = 1/3 C, CV-Spannung = 1,5 V
    Ruhen: 10 Minuten
  • Im vorliegenden Beispiel bezieht sich „CCCV-Modus“ auf den „Konstantstrom-Konstantspannungs-Modus“; „CC-Strom“ bezieht sich auf den Strom während des Konstantstrom-Ladens (oder während des Konstantstrom-Entladens); „1/3 C“ bezieht sich auf eine Stromrate, bei welcher eine Batterie in drei Stunden auf ihre volle Ladekapazität geladen (oder von ihr entladen) wird; und „CV-Spannung“ bezieht sich auf die Spannung während des Konstantspannungs-Ladens (oder während des Konstantspannungs-Entladens).
  • (Nr. 1-2 bis Nr. 1-6)
  • Die Festkörperbatterie 1000 wurde auf die gleiche Weise wie in Nr. 1-1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Druck (P0) in obigen „2. (b) Auftragen eines härtbaren Harzmaterials“ und „3. (c) Härten“ wie in Tabelle 1 unten angegeben geändert wurde.
  • «Auswertung»
  • Ein taktiles Sensorsystem wurde vorbereitet. Der Einspannzustand wurde gelockert. Ein Sensorblatt wurde zwischen dem Gehäuse 100 und der ersten Einspannplatte 311 angeordnet. Der Einspannzustand wurde wieder so eingestellt, dass der auf den Elektrodenteil 210 ausgeübte erste Druck (P1) 1 MPa betrug. Nachdem der Einspannzustand eingestellt wurde, wurde der auf den Harzteil 220 ausgeübte zweite Druck (P2) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten gezeigt.
  • Nach der Druckmessung wurde die Festkörperbatterie 1000 demontiert. Das Vorhandensein oder Fehlen von Brüchen im Harzteil 220 wurde visuell untersucht. Das Vorhandensein oder Fehlen von Brüchen im Gehäuse 100 wurde mit einem SEM (Rasterelektronenmikroskop) untersucht. Die Ergebnisse des Auftretens von Brüchen sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Tabelle 1
    Nr. Herstellungsverfahren Batterieelement Auswertung
    Während Auftragen. Härten Elektrodenteil Harzteil Druck - verhältnis (P2/P1) [-] Harzteil Gehäuse
    Druck (Po) [MPa] Erster Druck (P1) [MPa] Zweiter Druck (P2) [MPa]
    1-1 10 1 0.12 0.12 B1) A2)
    1-2 1 1 0.95 0.95 B A
    1-3 0.05 1 1.5 1.5 A A
    1-4 0.04 1 4.8 4.8 A A
    1-5 0.03 1 18 18 A A
    1-6 0.01 1 38 38 A B
    1) „B“ gibt an, dass Brüche festgestellt wurden.
    2) „A“ gibt an, dass keine Brüche festgestellt wurden.
  • <<Ergebnisse>>
  • Wie in Tabelle 1 oben gezeigt, neigt der Harzteil 220 dazu zu brechen, wenn das Druckverhältnis (P2/P1) kleiner als 1,5 ist; wenn das Druckverhältnis (P2/P1) größer als 18 ist, neigt das Gehäuse 100 dazu zu brechen; und wenn das Druckverhältnis (P2/P1) von 1,5 bis 18 beträgt, werden Brüche sowohl im Harzteil 220 als auch im Gehäuse 100 tendenziell verringert.
  • <Zweiter Versuch>
  • In diesem zweiten Versuch wurde die Korrelation zwischen dem Druck (P0) während des Auftragens und Härtens des härtbaren Harzmaterials und dem Widerstand des Batterieelements 200 untersucht.
  • «Herstellen eines Batterieelements»
  • (Nr. 2-1)
  • Ausbilden eines Elektrodenteils
  • Zehn gestapelte Einheiten 215 wurden hergestellt. Diese zehn gestapelten Einheiten 215 wurden in einer einzigen, vorbestimmten Richtung gestapelt, und dadurch ein Elektrodenteil 210 ausgebildet. Der Festelektrolyt im zweiten Experiment war Li7P3S11.
  • Auftragen eines härtbaren Harzmaterials
  • Der Elektrodenteil 210 wurde zwischen zwei Rahmenplatten 400 angeordnet. Diese beiden Rahmenplatten 400 wurden so befestigt, dass ein Druck (P0) auf den Elektrodenteil 210 ausgeübt wurde. In Nr. 2-1 betrug der Druck (Po) 0,01 MPa.
  • Ein härtbares Harzmaterial wurde vorbereitet. Das härtbare Harzmaterial im zweiten Versuch war ein UV-härtbares Harzmaterial. Das härtbare Harzmaterial wurde auf die Seitenfläche 213 des Elektrodenteils 210 aufgetragen, während der Druck (Po) auf den Elektrodenteil 210 ausgeübt wurde. So wurde der Harzteil 220 ausgebildet.
  • Härten
  • Nachdem der Harzteil 220 ausgebildet wurde, wurde das härtbare Harzmaterial mit einer UV-Lampe gehärtet, während der Druck (Po) aufrechterhalten wurde. So wurde das Batterieelement 200 hergestellt.
  • (Nr. 2-2 bis Nr. 2-8)
  • Das Batterieelement 200 wurde auf die gleiche Weise wie in Nr. 2-1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Druck (P0) in obigen „2. (b) Auftragen eines härtbaren Harzmaterials“ und „3. (c) Härten“ wie in Tabelle 2 unten angegeben geändert wurde.
  • «Auswertung»
  • Der Widerstand des Batterieelements 200 wurde mit einem Ohmmeter gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten gezeigt. Tabelle 2
    Nr. Herstellungsverfahren Auswertung
    Während Auftragen·Härten Batterieelement
    Druck (Po) [MPa] Widerstand1) [%]
    2-8 0 100
    2-1 0.01 99.5
    2-2 0.02 99.5
    2-3 0.05 91
    2-4 0.1 90
    2-5 1 89
    2-6 2 90
    2-7 3 90
    1) Der Wert unter „Widerstand“ ist ein standardisierter Wert bezogen auf den Widerstand in Nr. 2-8, welcher als 100% definiert wurde.
  • <<Ergebnisse>>
  • 16 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen Druck (Po) und Widerstand zeigt.
  • Wie in 16 gezeigt, neigt der Widerstand des Batterieelements 200 dazu verringert zu werden, wenn der während des Auftragens und Härtens des härtbaren Harzmaterials ausgeübte Druck (Po) steigt.
  • Insbesondere, wenn der Druck (Po) im Bereich von 0,05 MPa bis 3 MPa liegt, neigt der Widerstand des Batterieelements 200 dazu, verringert zu sein.
  • Die vorliegende Ausführungsform und das vorliegende Beispiel sind in jeder Hinsicht illustrativ. Die vorliegende Ausführungsform und das vorliegende Beispiel sind nicht einschränkend. Es wird beispielsweise erwartet, dass bestimmte Konfigurationen der vorliegenden Ausführungsformen und der vorliegenden Beispiele optional kombiniert werden können.
  • Der durch die Begriffe der Ansprüche definierte technische Umfang umfasst jedwede Modifikationen in der den Begriffen der Ansprüche äquivalenten Bedeutung. Der durch die Begriffe der Ansprüche definierte technische Umfang umfasst auch jedwede Modifikationen innerhalb des den Begriffen der Ansprüche äquivalenten Umfangs.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2020047856 [0001]
    • JP 2019153535 [0003]

Claims (8)

  1. Festkörperbatterie (1000), aufweisend: ein Gehäuse (100); ein Batterieelement (200) und eine Einspannkomponente (300), wobei das Batterieelement (200) in dem Gehäuse (100) untergebracht ist, wobei das Batterieelement (200) einen Elektrodenteil (210) und einen Harzteil (220) enthält, wobei der Elektrodenteil (210) eine oder mehrere gestapelte Einheiten (215) enthält, wobei jede der gestapelten Einheiten (215) eine Positivelektrodenschicht (10), eine Festelektrolytschicht (30) und eine Negativelektrodenschicht (20) enthält, wobei der Elektrodenteil (210) eine erste Hauptfläche (211), eine zweite Hauptfläche (212) und eine Seitenfläche (213) aufweist, wobei die zweite Hauptfläche (212) gegenüber der ersten Hauptfläche (211) angeordnet ist, wobei die Seitenfläche (213) die erste Hauptfläche (211) und die zweite Hauptfläche (212) miteinander verbindet, wobei die Positivelektrodenschicht (10), die Festelektrolytschicht (30) und die Negativelektrodenschicht (20) in Richtung von der ersten Hauptfläche (211) zu der zweiten Hauptfläche (212) gestapelt sind, wobei der Harzteil (220) ein gehärtetes Harzprodukt enthält, wobei der Harzteil (220) mindestens einen Teil der Seitenfläche (213) des Elektrodenteils (210) bedeckt, wobei die Einspannkomponente (300) außerhalb des Gehäuses (100) angebracht ist, wobei die Einspannkomponente (300) Druck auf das Batterieelement (200) ausübt, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements (200) in Richtung von der ersten Hauptfläche (211) zu der zweiten Hauptfläche (212) ausübt, wobei die Einspannkomponente (300) einen ersten Druck auf den Elektrodenteil (210) ausübt, wobei die Einspannkomponente (300) einen zweiten Druck auf den Harzteil (220) ausübt, wobei das Verhältnis des zweiten Drucks zu dem ersten Druck von 1,5 bis 18 beträgt.
  2. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei der Harzteil (220) mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lichthärtbaren, gehärteten Harzprodukt und einem wärmehärtbaren, gehärteten Harzprodukt enthält.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden eines Elektrodenteils (210) mit einer oder mehreren gestapelten Einheiten (215); Auftragen eines härtbaren Harzmaterials auf den Elektrodenteil (210), um einen Harzteil (220) auszubilden; und Härten des härtbaren Harzmaterials nach dem Ausbilden des Harzteils (220), um ein Batterieelement (200) herzustellen, wobei jede der gestapelten Einheiten (215) eine Positivelektrodenschicht (10), eine Festelektrolytschicht (30) und eine Negativelektrodenschicht (20) enthält, wobei der Elektrodenteil (210) eine erste Hauptfläche (211), eine zweite Hauptfläche (212) und eine Seitenfläche (213) aufweist, wobei die zweite Hauptfläche (212) gegenüber der ersten Hauptfläche (211) angeordnet ist, wobei die Seitenfläche (213) die erste Hauptfläche (211) und die zweite Hauptfläche (212) miteinander verbindet, wobei die Positivelektrodenschicht (10) die Festelektrolytschicht (30) und die Negativelektrodenschicht (20) in Richtung von der ersten Hauptfläche (211) zu der zweiten Hauptfläche (212) gestapelt werden, wobei das härtbare Harzmaterial so aufgetragen wird, dass es zumindest einen Teil der Seitenfläche (213) des Elektrodenteils (210) bedeckt, wobei Druck auf den Elektrodenteil (210) ausgeübt wird, indem Druck auf beide Seiten des Elektrodenteils (210) in Richtung von der ersten Hauptfläche (211) zur zweiten Hauptfläche (212) ausgeübt wird, während das härtbare Harzmaterial auf die Seitenfläche (213) des Elektrodenteils (210) aufgetragen und gehärtet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements nach Anspruch 3, wobei das härtbare Harzmaterial mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem lichthärtbaren Harzmaterial und einem wärmehärtbaren Harzmaterial enthält.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements nach Anspruch 3 oder 4, wobei der auf den Elektrodenteil (210) ausgeübte Druck von 0,03 MPa bis 0,05 MPa beträgt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Batterieelements nach Anspruch 3 oder 4, wobei der auf den Elektrodenteil (210) ausgeübte Druck von 0,05 MPa bis 3 MPa beträgt.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen des Batterieelements (200) durch das Verfahren zum Herstellen eines Batterieelements gemäß Anspruch 3; Unterbringen des Batterieelements (200) in einem Gehäuse (100); und Anbringen einer Einspannkomponente (300) außerhalb des Gehäuses (100), um eine Festkörperbatterie (1000) herzustellen, wobei die Einspannkomponente (300) so angebracht wird, dass sie Druck auf das Batterieelement (200) ausübt, indem sie Druck auf beide Seiten des Batterieelements (200) in Richtung von der ersten Hauptfläche (211) zur zweiten Hauptfläche (212) ausübt.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie nach Anspruch 7, wobei die Einspannkomponente (300) einen ersten Druck auf den Elektrodenteil (210) ausübt, wobei die Einspannkomponente (300) einen zweiten Druck auf den Harzteil (220) ausübt und wobei das Verhältnis des zweiten Drucks zum ersten Druck 1,5 bis 18 beträgt.
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