DE60102984T2

DE60102984T2 - Herstellverfahren für eine dünne lithiumbatterie

Info

Publication number: DE60102984T2
Application number: DE60102984T
Authority: DE
Inventors: J. Martinus HACK; Hans Feil
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: DE60102984D1; EP1175708A1; WO2001065625A1; CN1363120A; US6673129B2; EP1175708B1; JP2003526186A; CN1213500C; US20010038944A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie mit einem Block aus einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode, wonach Negativelektrodenmaterial auf einem negativen Stromabnehmer aufgebracht wird, um die negative Elektrode auszubilden, Positivelektrodenmaterial auf einem positiven Stromabnehmer aufgebracht wird, um die positive Elektrode auszubilden und zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode ein Separator angeordnet wird, wobei das Verfahren Schritte vorsieht, wonach:

a) eine Lochstruktur in der negativen Elektrode erzeugt wird;
b) eine Lochstruktur in der positiven Elektrode erzeugt wird;
c) ein polymeres Materials auf beiden Seiten des Blocks aufgebracht und der Block sowie das polymere Material Wärme und Druck ausgesetzt wird, so dass das polymere Material durch die Löcher dringt, wodurch die negative Elektrode, die positive Elektrode und der Separator aneinander haften und zusammengepresst werden.

Mit dem wachsenden Markt für leichte, portable, schnurlose Verbraucherprodukte, wie z.B. CD-Player, Mobiltelefone, Laptops und Videocameras, nahm der Bedarf an Batterien mit hoher Dichte zu. Insbesondere werden sehr dünne und flexible Batterien benötigt. Wenn eine akzeptable Portabilität zu erreichen ist, sollten die in den Verbraucherprodukten enthaltenen Batterien die erforderliche Energiemenge bei geringstem Gewicht und Volumen abgeben. Lithium ist ein sehr vorteilhaftes Material zur Verwendung in Batterien, bei welchen eine hohe Energiedichte bei einem minimalen Gewicht erforderlich ist. Je dünner jedoch die Batterie ist, desto schwieriger ist das Anwenden eines Drucks, der erforderlich ist, um einen ausreichenden Kontakt zwischen den jeweiligen Komponenten der Batterie aufrechtzuerhalten.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie gemäß der vorangestellten Zusammenfassung ist aus der Internationalen Patentanmeldung mit der Bekanntmachungsnummer 00/04601 bekannt.
Die durch dieses Verfahren erhaltene Batterie weist eine dünne und flexible Form auf und sieht gleichzeitig eine sehr hohe Energiedichte vor. Des Weiteren wird der Kontakt zwischen den Elektroden und dem Separator erreicht und auf sehr effiziente Weise aufrechterhalten. Die Batterie kann in einem dünnwandigen Behälter untergebracht sein, da die Wand eines solchen Behälters nicht benötigt wird, um einen genügenden Druck auf die jeweiligen Komponenten der Batterie aufrechtzuerhalten. In einem der Verfahren gemäß der Internationalen Patentanmeldung 00/04601 wird eine Schicht aus einem polymeren Material auf beiden Seiten des Blocks aufgebracht und diese polymere Schicht Wärme und Druck ausgesetzt. Die Folge ist, dass das polymere Material schmilzt und in die Löcher eindringt. Durch dieses Verfahren wird eine Batterie mit einem polymeren Film auf beiden Seiten des Blocks sowie polymerem Material in jedem der Löcher vorgesehen, welches als Stopfen oder Niet wirkt und an den jeweiligen Schichten haftet, wodurch diese Schichten miteinander verbunden werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie gemäß der Einleitung vorzusehen, durch welches eine noch dünnere Batterie hergestellt werden kann.
Zu diesem Zweck ist das Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie gemäß der vorangestellten Zusammenfassung dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material Ausbauchungen aufweist, welche zumindest zum Teil an den Enden der Löcher in der (den) Elektrode(n) vorgesehen sind.
Durch Anordnen solcher Ausbauchungen aus polymerem Material an den Enden der Löcher in der (den) Elektrode(n) wird ausreichend polymeres Material vorgesehen, um die Löcher zu füllen und die Elektroden und den Separator zusammenzufügen, während auf den Außenseiten des Blocks, zwischen den Löchern, das polymere Material sehr dünn oder möglicherweise sogar nicht vorhanden sein kann. Die so erhaltene Batterie kann die gleiche Energiemenge wie die nach dem bekannten Verfahren hergestellte Batterie, jedoch bei einem kleineren Volumen, abgeben. Somit weist die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltene Batterie eine höhere Kapazität auf.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel weist das polymere Material eine Polymerfolie auf, welche mit Ausbauchungen versehen ist.
Wie oben erwähnt, kann die Polymerfolie sehr dünn sein, wobei die Ausbauchungen genügend polymeres Material aufweisen müssen, um die Löcher in den Elektroden zu füllen, wodurch die Elektroden und der Separator zusammengefügt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das polymere Material auf einer Trägerfolie aufgebracht.
Das Aufbringen des polymeren Materials auf einer Trägerfolie erleichtert die Behandlung desselben. Nach Schichtung der Batterie kann die Trägerfolie entweder entfernt oder an Ort und Stelle belassen werden.
Vorteilhafterweise weist die Trägerfolie ein polymeres Material mit einem hohen Schmelzpunkt auf.
Ist eine solche Trägerfolie vorgesehen, schmilzt bei der Anwendung von Wärme nicht die Trägerfolie selbst, sondern das polymere Material, wodurch dieses die Löcher der Elektroden durchdringt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das polymere Material in einer strukturierten Anordnung von Ausbauchungen auf der Trägerfolie aufgebracht. Während der Wärmeanwendung schmelzen die Ausbauchungen und dringen in die Löcher der Elektroden ein. Danach kann die Trägerfolie entfernt werden. Bei der so erhaltenen Batterie ist das polymere Material, welches in die Löcher der Elektrode eingedrungen ist, im Wesentlichen nicht auf den Außenseiten der Elektroden vorhanden.
Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das polymere Material in einer strukturierten Anordnung von Ausbauchungen zwischen Teilen eines Trägers aufgebracht.
Auch in diesem Fall kann die Trägerfolie nach Schmelzen des polymeren Materials und Eindringen desselben in die Löcher zwischen den Öffnungen der Löcher in den Elektroden entfernt werden. Dadurch wird eine Batterie erhalten, bei welcher das polymere Material, welches in die Löcher der Elektroden eingedrungen ist, im Wesentlichen nicht auf den Außenseiten der Elektroden vorhanden ist.
Bei den obigen Verfahren wird als polymeres Material, welches in die Löcher der Elektroden eindringt, vorzugsweise poröses, polymeres Material, z.B. poröses Polyethylen, verwendet. Vorzugsweise ist das polymere Material elastisch. Bei der Trägerfolie, welche eingesetzt werden kann, handelt es sich vorzugsweise um eine starke Folie, wie z.B. Mylar^TM oder Kapton^TM.
Die Elektrodenmaterialien können durch Mischen von negativem oder positivem, aktivem Material, leitendem Material und Bindemittel, die sämtlich pulverförmig sind, in einem Trocken- oder einem Nassverfahren, in welchem noch Wasser oder ein organisches Lösemittel zugegeben wird, vorgesehen werden.
Das sich ergebende, pastenförmige Gemisch wird dann über dem Stromabnehmer vorgesehen, getrocknet und gepresst. Zu diesem Zweck kann im Allgemeinen eines der folgenden Beschichtungsverfahren angewandt werden: Siebdruck, Walzbeschichtung, Rakelbeschichtung, Messerbeschichtung, Extrusionsbeschichtung, Vorstreichbeschichtung, Tauchbeschichtung und Pressbeschichtung. Die Dicke der aufgebrachten Schicht, welche nach Trocknen gepresst wird, liegt im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 1000 μm.
Das Pressen des Blocks in den obigen Verfahren erfolgt durch einfaches Pressen desselben während eines kurzen Zeitraums zwischen erhitzten Metallplatten bei einem Druck von etwa 5,10⁴ Pa bei etwa 110 bis 150°C. Der Vorgang kann ebenfalls unter Verwendung von Kalanderwalzen durchgeführt werden. Nach Erhitzen wird der Block auf Raumtemperatur abgekühlt. Erhitzen und Abkühlen kann ebenfalls in einer Form mit einer speziellen Formgebung, z.B. der Form der Vorrichtung, in welche die Batterie eingepasst werden soll, vorgenommen werden.
Auf die gleiche Weise wie oben beschrieben können die Schichten eines mehrschichtigen Blocks in einem Vorgang miteinander verbunden werden, wodurch eine Batterie mit erhöhter Kapazität oder Spannung erhalten wird.
Die Lithiumbatterie der Erfindung kann für verschiedene (schnurlose) Anwendungen eingesetzt werden, wie z.B. Notebook-Computer, tragbare CD-Player, tragbare Telefone, Personenrufanlagen, Videocameras, elektrische Rasierapparate, Elektrowerkzeuge, Elektrofahrzeuge und Hörhilfen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Einzelnen näher beschrieben. Es zeigen:
1 – eine schematische Darstellung eines Blocks aus einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode sowie der Polymerfolie mit Ausbauchungen, welche auf beiden Seiten des Blocks vorgesehen sind;
2 – eine schematische Darstellung eines Blocks gemäß 1, bei welchem die Polymerfolie auf einem Trägermaterial vorgesehen ist;
3 – eine schematische Darstellung eines Blocks aus einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode sowie von Ausbauchungen aus polymerem Material auf einer Trägerfolie auf beiden Seitens des Blocks; sowie
4 – eine schematische Darstellung eines Blocks aus einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode sowie von Ausbauchungen aus polymerem Material zwischen Teilen einer Trägerfolie auf beiden Seitens des Blocks. Exemplarisches Ausführungsbeispiel Es wird eine Mischung für das Negativelektrodenmaterial hergestellt, indem 6g Graphitteilchen mit einer Teilchengröße von 10 μm als aktives, positives Material, 4,5 g Carboxymethylcellulose (1% wässrige Lösung) und 0,5 g Styrol-Butadien-Kautschuk (60% Dispersion in Wasser) als Bindemittel vermischt und in eine Paste geformt werden, welche als Beschichtung auf beide Flächen eines Kupferfolienstromabnehmers aufzubringen ist. Die Dicke der Beschichtung beträgt 200 μm. Die Dicke der Kupferfolie beträgt 14 μm. Der mit Paste versehene Stromabnehmer wird bei 85°C 15 Minuten lang vorgetrocknet, 3 Stunden lang bei 110°C wärmebehandelt und anschließend gepresst, bis eine Dicke von 110 μm erreicht ist. Die negative Elektrode wird so ausgeschnitten, dass ein Quadrat von 2 × 2 cm² entsteht.
Es wird eine Mischung für das Positivelektrodenmaterial hergestellt, indem 6g LiCoO₂ als aktives, positives Material, 0,18 g Acetylenschwarz als leitendes Material, 5 g Carboxymethylcellulose (1% wässrige Lösung) und 0,7 g Polytetrafluorethylen (60% Dispersion in Wasser) als Bindemittel vermischt und in eine Paste geformt werden, welche als Beschichtung auf beide Flächen eines Aluminiumfolienstromabnehmers aufzubringen ist. Die Dicke der Beschichtung beträgt 420 μm. Die Dicke der Aluminiumfolie beträgt 20 μm. Der mit Paste versehene Stromabnehmer wird bei 85°C 15 Minuten lang vorgetrocknet, 4 Stunden lang bei 250°C wärmebehandelt und anschließend gepresst, bis eine Dicke von 100 μm erreicht ist. Die positive Elektrode wird so ausgeschnitten, dass ein Quadrat von 2 × 2 cm² entsteht.
Als Separator wird eine 25 μm dicke, poröse Polyethylenfolie verwendet. Die negative Elektrode und die positive Elektrode werden durch mechanisches Stanzen jeweils mit einer Struktur aus Löchern versehen Der Durchmesser der Löcher in der positiven Elektrode beträgt vorzugsweise etwa 1 mm, während der Durchmesser der Löcher in der negativen Elektrode vorzugsweise etwa 0,8 mm beträgt. Der Durchmesserunterschied ist in den Figuren nicht dargestellt. Die Löcher sind in einer zweidimensionalen Anordnung mit einem gegenseitigen Lochabstand von 5 mm vorgesehen.
Ein Block besteht aus der negativen Elektrode 3, dem Separator 4 und der positiven Elektrode 5. Wie in den Figuren dargestellt, ist die negative Elektrode 3 mit Lö chern 7 und die positive Elektrode 5 mit Löchern 8 versehen. Auf beiden Seiten des Blocks 1 ist eine Polymerfolie 9 vorhanden, welche mit Ausbauchungen 10, die an den Enden der Löcher in den Elektroden vorgesehen sind, versehen ist. Sobald der Block Hitze und Druck ausgesetzt wird, schmilzt das polymere Material, was zur Folge hat, dass zumindest die Ausbauchungen aus polymerem Material in die Löcher eindringen, wodurch die Elektroden und der Separator miteinander verbunden werden. Die Dicke der Schicht der Polymerfolie 9, welche an den Außenseiten der Elektroden 3, 5 zurückbleibt, kann, im Vergleich zu der Dicke der Polymerfolie nach dem Stand der Technik, wesentlich reduziert werden.
In 2 ist ein Block 1 mit der sogenannten ausgebauchten Folie 9 vorgesehen, welche auf einem Trägermaterial 11 aufgebracht ist. Das Vorhandensein einer solchen Trägerfolie 11 kann die Behandlung der Polymerfolie erleichtern. Darüber hinaus kann die Trägerfolie nach Schichtung der Batterie oder nach Anwenden der Wärmebehandlung entfernt werden. Im letzteren Fall ist es wichtig, dass die Trägerfolie ein Material mit einem hohen Schmelzpunkt, welcher höher als dieser des polymeren Materials der Polymerfolie 9 ist, aufweist. Vorzugsweise weist die Trägerfolie ein starkes, polymeres Material mit einem hohen Schmelzpunkt, wie z.B. Mylar^TM + Kapton^TM, auf.
3 zeigt einen Zustand, in welchem eine Trägerfolie 11 lokal mit Ausbauchungen 10 aus polymerem Material versehen ist. Vorzugsweise sind die Ausbauchungen 10 an den Enden der Löcher in den Elektroden 3, 5 angeordnet. Auch in diesem Fall kann die Trägerfolie nach Schichtung der Batterie oder nach der Anwendung der Wärmebehandlung entfernt werden. Wurde der Block Hitze und Druck ausgesetzt, sind im Wesentlichen sämtliche polymere Ausbauchungen 10 in die Löcher in den Elektroden 3,5 eingedrungen, wobei auf den Außenseiten der Elektroden im Wesentlichen keines des gleichen polymeren Materials verbleibt.
4 zeigt schließlich eine Trägerfolie, welche auf beiden Seiten des Blocks mit dazwischen angeordneten Ausbauchungen 10 aus polymerem Material vorgesehen ist. Wie im letzteren Fall, dringen im Wesentlichen alle polymeren Ausbauchungen 10 in die Löcher der Elektroden 3, 5 ein, wobei auf den Außenseiten der Elektroden nach der Wärmebehandlung im Wesentlichen keines des gleichen Materials verbleibt.
Obgleich in den Figuren nicht dargestellt, kann der Separator 4 ebenfalls mit einer Lochstruktur versehen sein. Die Struktur kann sowohl der Lochstruktur in der negativen Elektrode als auch dieser in der positiven Elektrode entsprechen, so dass das geschmolzene, polymere Material in die Löcher der Elektrode und des Separators ganz und gar eindringt.
Die vorliegende Erfindung sieht somit ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie vor, wobei eine sehr dünne Batterie mit einer höheren Kapazität als bei der bekannten Batterie erhalten wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie mit einem Block aus einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode, wonach Negativelektrodenmaterial auf einem negativen Stromabnehmer aufgebracht wird, um die negative Elektrode auszubilden, Positivelektrodenmaterial auf einem positiven Stromabnehmer aufgebracht wird, um die positive Elektrode auszubilden und zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode ein Separator angeordnet wird, wobei das Verfahren Schritte vorsieht, wonach: a) eine Lochstruktur in der negativen Elektrode erzeugt wird; b) eine Lochstruktur in der positiven Elektrode erzeugt wird; c) ein polymeres Materials auf beiden Seiten des Blocks aufgebracht und der Block sowie das polymere Material Wärme und Druck ausgesetzt wird, so dass das polymere Material durch die Löcher dringt, wodurch die negative Elektrode, die positive Elektrode und der Separator aneinander haften und zusammengepresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material Ausbauchungen aufweist, welche zumindest teilweise an den Enden der Löcher in der (den) Elektrode(n) vorgesehen sind.
Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material eine Polymerfolie aufweist, welche mit Ausbauchungen versehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material auf einer Trägerfolie aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie ein polymeres Material mit einem hohen Schmelzpunkt aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material in einer strukturierten Anordnung von Ausbauchungen auf der Trägerfolie angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Lithiumbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material in einer strukturierten Anordnung von Ausbauchungen zwischen Teilen einer Trägerfolie angeordnet ist.