DE69927556T2 - Flache Zellen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine dünne flache Zelle in der eine Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnistt, die durch spiralförmiges Wickeln jeweils einer streifenförmigen positiven Platte und einer streifenförmigen negativen Platte mit einem dazwischengelegten Separator konfiguriert wird, untergebracht ist, insbesondere eine flache Zelle, die durch eine Vorbearbeitung des zu faltenden Abschnitts der Elektrodenplatten frei von Fehlern infolge Bruchs von Elektrodenplatten und/oder Abblätterns oder Abfallens der Schicht aktiven Materials beim Montieren der Elektrodengruppe hergestellt wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In Verbindung mit dem Trend zur kleineren, leichteren und dünneren Konstruktion von tragbaren Ausrüstungen, wie sie durch tragbare Telefone, notebook-artige Personalcomputer und Camcorder repräsentiert werden, hat es in den vergangenen Jahren einen merklichen Fortschritt bei kleinen Sekundärbatterien zum Gebrauch als Energiequelle dieser Ausrüstungen gegeben. Nach dem anfänglich vermarkteten herkömmlichen Bleiakkumulatorsystem und dem Nickel-Cadmium-System wurden kürzlich neue Arten des Nickel-Metallhydrid-Systems und Lithium-Ionen-Systems mit höheren Energiedichten vermarktet.
  • Bei kleinen versiegelten Bleiakkumulatoren sind rechteckige Batterien eine allgemein eingeführte Konfiguration, bei welcher Elektrodengruppen, die durch abwechselndes Stapeln einer Vielzahl von positiven Platten und negativen Platten mit einem dazwischengelegtem Separator und Miteinanderverbinden der Elektrodenplatten derselben Polarität gebaut werden, in einem 3-zelligen oder 6-zelligen monoblockartigen Kunststoffbatteriebehälter eingeschlossen, und nachdem sie in Reihe geschaltet wurden, versiegelt werden.
  • Im Fall von Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien werden sie in Form eines Batteriesatzes verwendet, in dem eine Vielzahl von entweder zylindrischen Zellen, die durch Einschließen und Versiegeln einer Elektrodengruppe, die durch spiralförmiges Wickeln jeweils einer streifenförmigen positiven Platte und einer streifenförmigen negativen Platte mit einem dazwischengelegten Separator gebaut wird, in einem metallischen Zellenbehälter erzielt wird, oder rechteckigen Zellen, die durch Einschließen und Versiegeln einer Elektrodengruppe, die durch abwechselndes Stapeln einer Vielzahl von positiven Platten und negativen Platten mit einem dazwischengelegten Separator und Miteinanderverbinden der Elektrodenplatten derselben Polarität in einem metallischen Behälter erzielt wird, in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, um eine erforderliche Spannung und Kapazität zu erzielen.
  • Bei Lithium-Ionen-Sekundärbatterien werden zylindrische Zellen im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Nickel-Cadmium-System- und Nickel-Metallhydrid-Systembatterien gebaut. Im Gegensatz dazu wird bei dünnen flachen Zellen mit einem rechteckigen oder ovalen Querschnitt, und die vom Standpunkt der Reduzierung der Dicke von Geräten und der Reduzierung des toten Raumes der Energiequelle als wichtig betrachtet werden, da die Dicken der positiven und negativen Platten und des Separators extrem klein sind, eine Zellenkonfiguration eingeführt, bei der eine Elektrodengruppe durch spiralförmiges Wickeln jeweils einer streifenförmigen positiven und negativen Platte mit einem Separator, der so dazwischengelegt ist, dass sie gefaltet werden, um dem Querschnitt eine ovale Form zu geben, Einschließen in einen Behälter und Versiegeln nach dem Gießen und Imprägnieren mit einem Elektrolyt gebaut wird.
  • Um bei dieser Zellenart weiter die Dicke zu verringern oder die Kapazität zu erhöhen, wurden Verfahren eingeführt, um das Kernmaterial der Elektrodenplatten so dünn als möglich zu machen, die Menge des Gebrauchs des Separators im Kernabschnitt und dem äußersten Abschnitt der Elektrodengruppe zu verringern oder die Dicke der Elektrodengruppe durch Anwenden eines höheren Druckes auf die Elektrodengruppe beim Einführen und Einschließen in einen Zellenbehälter zu verringern.
  • Andererseits wird, um eine solche Elektrodengruppe mit einer hohen Produktivität herzustellen, als ein erster Schritt ein Kernabschnitt durch Wickeln eines Separators, während er fest auf einem Dorn gehalten wird, spiralförmiges Wickeln jeweils einer streifenförmigen positiven Platte und einer streifenförmigen negativen Platte mit dem dazwischengelegten Separator zu einer Spule und Befestigen ihrer äußeren Oberfläche durch Einwickeln mit einer zusätzlichen Länge des Separators gebildet, wodurch eine Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt fertig gestellt wird. Als ein zweiter Schritt wird ein Prozess ausgeführt, in dem die Elektrodengruppe gepresst und verformt wird, während sie zwischen einem Paar von flachen Platten, die parallel zur Hauptachse der Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt sind, angeordnet ist, wodurch eine Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt, wie in 1 gezeigt, hergestellt wird. 1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils einer Elektrodengruppe 1 einer dünnen flachen Lithium-Ionen-Sekundärzelle. In 1 wird die Elektrodengruppe 1 gebaut, indem jeweils eine streifenförmige positive Platte 11 und negative Platte 12 so spiralförmig gewickelt werden, dass sie mit einem dazwischengelegten Separator 13 gefaltet werden. Die Elektrodengruppe 1 wird hergestellt, indem zuerst die positive Platte 11 und die negative Platte 12 mit dem dazwischengelegten Separator 13 spiralförmig gewickelt werden, wobei ein Kernabschnitt 13a eingewickelt wird, der durch Umfalten der Spitze eines Endes des Separators 13 gebildet wird. Der Separator 13 wickelt die Außenseite der Elektrodengruppe 1 ein, und die Spitze 13b des anderen Endes des Separators wird durch ein Heißsiegelverfahren oder ähnliches fest an der Elektrodengruppe 1 befestigt.
  • In dem abschließenden Prozess des Pressens und Verformens in dem zweiten Schritt des Baus einer Elektrodengruppe brach manchmal eine Elektrodenplatte aufgrund des Abreißens des Kernmaterials der Elektrodenplatte am innersten gefalteten Abschnitt 11a der positiven Platte 11 nahe dem Kernabschnitt 13a und dem nachfolgenden gefalteten Abschnitt 11a' und am innersten gefalteten Abschnitt 12a und dem nachfolgenden gefalteten Abschnitt 12a' der negativen Platte 12, wodurch eine Verringerung der Zellenkapazität verursacht wird. Selbst wenn eine Elektrodenplatte nicht gebrochen ist, blätterte auch die Schicht aktiven Material manchmal vom Kernmaterial ab, was zum Abfallen von kleinen Bruchstücken der Schicht aktiven Materials führt, wodurch der Separator beschädigt und ein innerer Kurzschluss zwischen der positiven und negativen Elektrode verursacht wird, was zu einem Verlust an Zuverlässigkeit bei Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, die einen organischen Elektrolyt verwenden, führt. Folglich ist es von kritischer Bedeutung, dass ein solcher Bruch von Elektrodenplatten und/oder das Abblättern und Abfallen der Schicht aktiven Materials absolut verhindert wird. Viele solcher Fehler neigten dazu, an der positiven Platte aufzutreten, die eine relativ höhere Fülldichte der Schicht aktiven Materials als die negative Platte aufwies und die als Kernmaterial der Elektrodenplatte Aluminium verwendete, das eine relativ niedrigere Zugfestigkeit und Wiederholungsbiegefestigkeit als die Kupferfolie aufweist, die als Kernmaterial der negativen Platte verwendet wird. Die Fehler neigten auch dazu, am innersten gefalteten Abschnitt aufzutreten, der nahe dem Kernabschnitt ist.
  • 2 ist eine Draufsicht eines gefalteten Abschnitts einer streifenförmigen positiven Platte einer Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt, wie sie im abschließenden Schritt gebaut wird. In 2 besteht eine Neigung zum Bruch und/oder Abblättern und Abfallen der Schicht aktiven Materials am innersten gefalteten Abschnitt 11a der positiven Platte 11, der nahe dem Kernabschnitt ist. In seltenen Abständen trat der Bruch der positiven Platte und/oder das Abblättern und Abfallen der Schicht aktiven Materials am gefalteten Abschnitt 11a', der neben dem innersten gefalteten Abschnitt 11a ist, auf. Kein Bruch der positiven Platte oder Abblättern und Abfallen der Schicht aktiven Materials trat im nachfolgenden gefalteten Abschnitt 11a" (dem äußeren Bereich des innersten gefalteten Abschnitts 11a entsprechend) auf. Übrigens ist 11b eine aus Aluminium hergestellte Leitungszunge der positiven Platte, auf der ein Isolierband 11c befestigt wird.
  • 3 ist eine vergrößerte Querschnittansicht nur des Kernabschnitts einer Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt und seiner äußeren Bereiche. In 3 umfasst die negative Platte 12, die an den Kernabschnitt 13a angrenzt, der einen Separator 13 aufweist, der die positive Platte 11 und die negative Platte 12 trennt, ein Kernmaterial 12d bestehend aus einer Kupferfolie auf deren beide Seiten Schichten aktiven Materials 12e und 12f, die hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterial bestehen, aufgetragen sind. In sehr seltenen Abständen wurden Abblättern und Abfallen der Schicht aktiven Materials 12e' auf der Innenseite des innersten gefalteten Abschnitts der negativen Platte beobachtet. Verglichen mit dieser negativen Platte umfasst die positive Platte 11 ein Kernmaterial 11d bestehend aus einer Aluminiumfolie, auf deren beide Seiten Schichten aktiven Materials 11e und 11f, die hauptsächlich aus Lithiumkobaltat (LiCoO2) bestehen, aufgetragen sind. Selbst wenn die positive Platte 11 auf der Außenseite der innersten negativen Platte 12 mit dem dazwischengelegten Separator 13 war, wurden viele Beispiele des Abblätterns und Abfallens der Schicht aktiven Materials 11e' auf der Innenseite und der Schicht aktiven Materials 11f' auf der Außenseite am gefalteten Anfangsabschnitt beobachtet, und Brüche der positiven Platte 11 traten infolge des Reißens des Kernmaterials 11d am gefalteten Abschnitt auf.
  • Um den vorstehend beschriebenen Fehler infolge Bruchs der Elektrodenplatte und/oder Abblätterns und Abfallens der Schichten aktiven Materials zu verhindern, wurden Maßnahmen wie etwa Vergrößern der Dicke des Kernmaterials der Elektrodenplatte, Vergrößern des Krümmungsradius des gefalteten Abschnitts der Elektrodenplatte durch Herstellen des Kernabschnitts bestehend aus dem Separator der Elektrodengruppe oder vorheriges Entfernen der Schichten aktiven Materials in der Nähe des gefalteten Abschnitts der Elektrodenplatten denkbar; jede von ihnen führt jedoch unvermeidlich zu einer Verringerung der Batteriekapazität und ist keine geeignete Herangehensweise für eine neuartige Batterie, die darauf abzielt, höhere Energiedichten zu erreichen.
  • Unter diesen Umständen offenbaren die japanischen offen gelegten Patentanmeldungen Nr. Sho 60-133655 und Nr. Hei 5-41211 eine zylindrische Zelle, in der eine spulenförmige Elektrodengruppe durch Bilden paralleler Rillen in der Richtung, die senkrecht zur Richtung der spiralförmigen Wicklung einer Schaumelektrodenplatte ist, die durch Füllen eines aktiven Materials auf eine schwammförmige Nickeltafel erzielt wird, oder einer pastenartige Elektrodenplatte, bei der Paste aktiven Materials auf ein Kernmaterial aufgetragen und getrocknet wurde, gebaut wird.
  • Bisher wurde jedoch kein einziger Vorschlag zu effektiven Maßnahmen zur Unterdrückung von Fehlern infolge Bruchs von Elektrodenplatten und/oder Abblätterns und Abfallens der Schichten aktiven Materials gemacht, wenn eine Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt für eine dünne flache Zelle gebaut wird, die streifenförmige positive und negative Platten umfasst, die ein folienförmiges Kernmaterial und einen Separator verwenden.
  • Das US-Patent US 5,693,105 offenbart eine Batterie und ihr Herstellungsverfahren, wobei die Batterie eine flache rechteckige Zelle umfasst, in der die positiven und negativen Bereiche durch eine Vielzahl von Bereichen gebildet werden, mit einem Separator, der so dazwischengelegt ist, dass sie gefaltet werden, wobei die ganze Baugruppe gewickelt wird, um eine ovale Spirale zu bilden, in der alle gebogenen Abschnitte ohne jegliches Elektrodenmaterial sind und die Abschnitte ohne jegliches Material mit der Faltlinie zentriert sind.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine flache Zelle nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 zur Herstellung derselben bereit.
  • Durch Anwendung einer solchen Struktur werden das Brechen der Elektrodenplatte und/oder das Abblättern und Abfallen der Schichten aktiven Materials, die während des herkömmlichen Prozesses des Baus einer Elektrodengruppe mit ovalem Querschnitt auftraten, vollständig unterdrückt, Verringerung der Zellenkapazität und Fehler infolge von innerem Kurzschluss werden vollständig verhindert, wodurch die Zuverlässigkeit von flachen Zellen, insbesondere flachen Lithium-Ionen-Sekundärbatterien drastisch verbessert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines wesentlichen Teils einer Elektrodengruppe einer flachen Lithium-Ionen-Sekundärzelle.
  • 2 ist eine Draufsicht eines gefalteten Abschnitts einer streifenförmigen positiven Platte, wenn eine Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt gebaut wird.
  • 3 ist eine vergrößerte Ansicht nur des Kernabschnitts der Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt und seiner äußeren Bereiche.
  • 4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel der vorherigen Bildung von vertieften Streifenabschnitten mit einer vorbestimmten Breite zeigt, deren Mitte auf der Faltlinie auf der Innenseite des innersten und des nachfolgenden gefalteten Abschnitts der streifenförmigen positiven Platte in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung liegt.
  • 5 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Beispiels von vertieften Streifenabschnitten, die im Voraus auf den Faltabschnitten der positiven Platte in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet werden.
  • 6 und 7 sind Querschnittansichten von Beispielen von Dornen zum Bauen einer Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt vor dem Bauen einer Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Unter Bezugnahme auf Zeichnungen und eine Tabelle wird eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen gegeben.
  • Beispielhafte Ausführungsform 1:
  • Positive Elektrodenpaste wurde durch Zugabe von 50 Masseteilen Lithiumkobaltat(LiCoO2)-Pulver als positives Material, 1,5 Masseteilen Acetylenruß als elektrischen Leiter, 7 Masseteilen von 50 Masse% Polytetrafluorethylen(PTFE)-Dispersionslösung als Bindemittel und 41,5 Masseteilen von wässriger Lösung mit 1 Masse% Ammoniumcarboxymethylcellulose als Eindickmittel und Kneten hergestellt. Nach dem Auftragen der positiven Elektrodenpaste auf eine Dicke von 0,35 mm unter Verwendung eines Die-Coaters auf beide Seiten eines Kernmaterials, das aus einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von 20 μm besteht, und dem Trocknen wurden PTFE-Partikel in dem Bindemittel durch Erhitzen bei 200 ° bis 300 °C gesintert. Eine streifenförmige positive Platte wurde durch nachfolgendes Walzen auf eine Dicke von 0,18 mm und Schneiden auf vorbestimmte Abmessungen erzielt. Wie in 4 und 5 gezeigt, wurde die positive Platte 41 mit Schichten aktiven Materials 41f und 41f auf beiden Seiten eines aus Aluminiumfolie bestehenden Kernmaterials 41e beschichtet. Vertiefte Streifenabschnitte 41b und 41b', die sich jeweils 1,0 mm nach links und rechts (Gesamtbreite 2,0 mm) von der Faltlinie der gefalteten Abschnitte, die durch 41a und 41a' angegeben werden, aus dem innersten gefalteten Abschnitt 41a der positiven Platte 41 nahe dem Kernmaterial, dem nachfolgenden gefalteten Abschnitt 41a' und dem weiteren nachfolgenden gefalteten Abschnitt 41a'' (dem gefalteten Abschnitt auf der Außenseite des innersten gefalteten Abschnitts 41a entsprechend) erstrecken, wurden auf der Innenseite der Schicht aktiven Materials 41f des gefalteten Abschnitts gebildet. Die Tiefe D dieser vertieften Streifenabschnitte beträgt 0,05 mm, was gleich 62,5 % der Dicke 0,08 mm der Schicht aktiven Materials der positiven Platte ist. Die vertieften Streifenabschnitte sind Streifen mit einem V-förmigen Querschnitt mit einem Winkel 41 h von 60°. Der Abstand p der Streifen beträgt 0,75 mm und der Winkel A in Bezug auf die Faltlinie wird so gewählt, dass er 45° beträgt. Beim Bilden dieser vertieften Streifenabschnitte 41b und 41b' wurden konvexe Streifenabschnitte mit vorbestimmtem Abstand, Winkel und Höhe durch einen Rändelprozess auf der äußeren Oberfläche einer Walze mit einer Breite von 2,0 mm gebildet, und dann wurde die Walze unter Druck oben auf den vorbestimmten Faltabschnitten gerollt. Eine Aluminium-Leitungszunge 41c wurde an die positive Platte geschweißt, auf der diese vertieften Streifenabschnitte gebildet worden waren, und der geschweißte Abschnitt wurde mit einem Isolierband 41d abgedeckt.
  • Andererseits wurde eine streifenförmige negative Platte durch Auftragen negativer Elektrodenpaste, die durch Zugabe von 100 Masseteilen Graphitpulver, 5 Masseteilen einer Bindemittellösung bestehend aus Styren-Butadien-Copolymer und Kneten hergestellt wurde, auf beide Seiten eines Kernmaterials, das aus Kupferfolie mit einer Dicke von 10 μm besteht, unter Verwendung eines Die-Coaters, Trocknen, Walzen auf eine Dicke von 0,15 mm und Schneiden auf vorbestimmte Abmessungen erzielt. Eine aus Nickel hergestellte Leitungszunge wurde an die negative Platte geschweißt und der geschweißte Abschnitt wurde mit einem Isolierband abgedeckt.
  • Als Separator wurde eine mikroporöse Polyethylenmembran mit einer Dicke von 27 μm verwendet.
  • Als erster Schritt wurde eine Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt durch Einklemmen einer Spitze des Separators in einen Schlitz 62 eines Dorns 61 (siehe 6), der einen elliptischen Querschnitt hat und auf seiner kleinen Achse mit einem Schlitz versehen ist, Wickeln des Separators auf der äußeren Oberfläche des Dorns durch Drehen des Dorns und spiralförmiges Wickeln jeweils einer positiven und einer negativen Platte mit dem dazwischengelegten Separator gebaut. Nach dem Einwickeln der äußeren Oberfläche der Elektrodengruppe mit dem Separator wurde die Elektrodengruppe fest durch Heißsiegeln der anderen Spitze des Separators befestigt. Die Elektrodengruppe wurde dann unter diesem Zustand aus dem Dorn herausgenommen und unter einem Druck von 50 kgf/cm2 gepresst und verformt, während sie zwischen einem Paar von flachen Platte, die parallel zur Hauptachse der Elektrodengruppe sind, angeordnet ist, um eine Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt zu erzielen. Danach wurde die Elektrodengruppe in einen Zellenbehälter aus vernickeltem Stahl mit einem ovalen Querschnitt eingesetzt, gefolgt durch Laserschweißen einer positiven Elektrodenzunge an eine positive Klemme aus Aluminium, die auf dem Deckel vorgesehen ist, und Verbinden einer negativen Elektrodenzunge durch Widerstandsschweißen mit einem Rahmen aus vernickeltem Stahl, der zuvor durch Schweißen am oberen Umfang des Zellenbehälters befestigt wurde. Eine flache Zelle wurde durch nachfolgendes Gießen und Imprägnieren mit einer vorbestimmten Menge eines organischen Elektrolyts und Versiegeln des Deckels und des oberen Umfangs des Zellenbehälters durch Laserschweißen fertig gestellt.
  • Als organischer Elektrolyt wurde eine Lösung verwendet, die durch Lösen von 30 Vol. % Ethylencarbonat, 50 Vol. % Diethylcarbonat und 20 Vol. % Methylpropionat in ein gemischtes Lösungsmittel von Anhydrid-Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) auf eine Konzentration von 1 mol/l hergestellt wurde.
  • Beispielhafte Ausführungsform 2:
  • Eine positive Platte und eine negative Platte wurden auf dieselbe Weise wie in der beispielhaften Ausführungsform 1 hergestellt, und die vertieften Streifenabschnitte wurden im Voraus auf beiden Seiten des innersten gefalteten Abschnitts nahe dem Kernabschnitt gebildet. Diese vertieften Streifenabschnitte erstreckten sich jeweils 2,0 mm nach links und rechts (Gesamtbreite 4,0 mm) von der Faltlinie des gefalteten Abschnitts und waren 0,02 mm tief, was gleich 25,0 % der Dicke 0,08 mm der Schicht aktiven Materials der positiven Platte und 28,6 % der Dicke 0,07 mm der Schicht aktiven Materials der negativen Platte ist. Die vertieften Streifenabschnitte waren Streifen mit einem V-förmigen Querschnitt mit einem Winkel von 100°, einem Abstand zwischen den Streifen von 2,0 mm, und der Winkel der Streifen in Bezug auf die Faltlinie wurde mit 90° gewählt.
  • Durch Vergleich wurden dem Stand der Technik entsprechende Beispiele von positiven und negativen Platten separat hergestellt, bei denen anders als bei der beispielhaften Ausführungsform 1 und der beispielhaften Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung die vertieften Streifenabschnitte nicht im Voraus auf der Schicht aktiven Material auf der Innenseite des innersten gefalteten Abschnitts nahe dem Kernabschnitt der positiven Platte und auf den Schichten aktiven Materials auf beiden Seiten des innersten gefalteten Abschnitts der positiven und der negativen Platte nahe dem Kernabschnitt gebildet worden waren. Unter Verwendung der positiven Platten und negativen Platten der beispielhaften Ausführungsform 2 und des dem Stand der Technik entsprechenden Beispiels wurden flache Zellen auf dieselbe Weise wie in der beispielhaften Ausführungsform 1 hergestellt. Die Separatoren, Zusammensetzungen der flüssigen Elektrolyte und die Zellenmontagebedingungen waren exakt dieselben wie in der beispielhaften Ausführungsform 1.
  • Tabelle 1 zeigt Ergebnisse des Vergleichs von 1000 Zellen jeweils der beispielhaften Ausführungsform 1, der beispielhaften Ausführungsform 2 und des dem Stand der Technik entsprechenden Beispiels für die Verringerung der Zellenkapazität infolge Bruchs von Elektrodenplatten und/oder Abblätterns und Abfallens der Schichten aktiven Materials und Fehlerraten infolge inneren Kurzschlusses beim Bauen von Elektrodengruppen.
  • Tabelle 1
    Figure 00110001
  • Bei der beispielhaften Ausführungsform 1 wurde, während ein Beispiel der Bildung vertiefter Streifenabschnitte auf der Schicht aktiven Materials auf der Innenseite des innersten und der nachfolgenden gefalteten Abschnitte der positiven Platte nahe dem Kernabschnitt gezeigt wurde, separat eine Untersuchung der Bildung eines vertieften Streifenabschnitts auf der Schicht aktiven Materials nur auf der Innenseite des innersten gefalteten Abschnitts der positiven Platte nahe dem Kernabschnitt durchgeführt. Der Versuchsmaßstab war dasselbe Niveau von 1000 Zellen und die Fehlerrate war ebenfalls null. In der beispielhaften Ausführungsform 2 wurde, obwohl ein Beispiel der Bildung von vertieften Streifenabschnitten auf beiden Seiten des innersten gefalteten Abschnitts nahe dem Kernabschnitt für sowohl die positive als auch die negative Platte beschrieben wurde, bestätigt, dass die gleiche Wirkung durch Bildung eines vertieften Streifenabschnitts nur auf der Innenseite erzielt worden war.
  • Dementsprechend besteht eine wesentliche Bedingung der vorliegenden Erfindung in der Bildung eines vertieften Streifenabschnitts mindestens auf der Schicht aktiven Materials auf der Innenseite des innersten gefalteten Abschnitts nahe dem Kernabschnitt der positiven Platte, die Aluminium als Kernmaterial nutzt. Um eine höhere Zuverlässigkeit sicherzustellen, ist es besser, einen vertieften Streifenabschnitt auf der positiven Platte nicht nur auf der Schicht aktiven Materials auf dem innersten gefalteten Abschnitt nahe dem Kernmaterial zu bilden, sondern auch auf der Schicht aktiven Materials auf mindestens der Innenseite des nachfolgenden gefalteten Abschnitts, und außerdem vertiefte Streifenabschnitte auf der negativen Platte auf mindestens der Innenseite der Schichten aktiven Materials auf dem innersten gefalteten Abschnitt nahe dem Kernabschnitt und dem nachfolgenden gefalteten Abschnitt zu bilden.
  • Es wird mehr schaden als nützen, den gesamten vertieften Abschnitt, der auf der Schicht aktiven Materials auf der Innenseite oder beiden Seiten des gefalteten Abschnitts der positiven und der negative Platte gebildet wurde, zu pressen. Dies ist vermutlich deshalb, weil die Dichte des vertieften Teils der Schichten aktiven Materials zu hoch wird, und bewirkt wird, dass die Schichten aktiven Materials leicht vom Kernmaterial abblättern oder das Kernmaterial leicht reißt, wenn die Elektrodenplatte gefaltet wird. Auch wenn der Abstand zwischen den Streifen übermäßig klein gewählt wird, ist er nicht wirksam wie im Fall des Pressens des gesamten vertieften Abschnitts. Außerdem ist es leicht verständlich, dass die vertieften Streifenabschnitte parallel zur Faltlinie keine Wirkung erzielen, wenn der Abstand vergrößert wird.
  • Der geeignete Bereich des Winkels des V-förmigen Querschnitts des vertieften Streifenabschnitts liegt zwischen 30° und 120°. Wenn die Tiefe zu flach in Bezug auf die Dicke der Schicht aktiven Materials auf einer Seite des Kernmaterials ist, ist der vertiefte Streifenabschnitt nicht wirksam; wenn sie zu tief ist, wird es mehr schaden als nützen, da die Schicht aktiven Materials beim Bilden des vertieften Abschnitts abblättert. Der geeignete Bereich der Tiefe liegt zwischen 20 % und 70 % der Dicke der Schicht aktiven Materials.
  • Der geeignete Bereich der Breite des vertieften Streifenabschnitts liegt zwischen 0,5 mm und 3,0 mm nach links und rechts von der Faltlinie (wobei der Bereich der Gesamtbreite 1,0 bis 6,0 mm beträgt), und der Abstand zwischen den Streifen wird aus dem Bereich zwischen 0,5 mm und 5,0 mm gewählt.
  • Die Konfiguration, die Tiefe und der Abstand des V-förmigen vertieften Streifenabschnitts kann nach dem Eintauchen der Elektrodenplatte in Epoxid-Harz, Aushärten nach dem Entlüften, Schneiden und Polieren mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden.
  • Obwohl in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Zellenbehälter mit ovalem Querschnitt verwendet wurde, kann ein Zellenbehälter mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden, wenn die Menge der Elektrolytlösung zu erhöhen ist. Beim Versiegeln des Zellenbehälters und des Deckels kann nicht nur Laserschweißen, das in den beispielhaften Ausführungsformen verwendet wurde, sondern auch Verstemmen mit einer dazwischengelegten Dichtung angewandt werden.
  • Obwohl in den beispielhaften Ausführungsformen eine Beschreibung einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie mit einer positiven Platte, die LiCoO2 als aktives Material verwendet, gegeben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses positive aktive Material beschränkt. Sie ist gleichermaßen auf eine positive Platte anwendbar, die Lithium enthaltende Doppeloxide wie etwa Lithiumnickelat (LiNiO2) und spinellartiges Lithiummanganat (LiMn2O4) nutzt. Natürlich ist sie nicht nur auf Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, die einen organischen flüssigen Elektrolyt nutzen, sondern auch auf Primär- und Sekundärbatterien, die einen nichtwässrigen Elektrolyt wie etwa Polymer-Elektrolyt nutzen, anwendbar. Darüber hinaus ist sie in Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Systemen zum Beispiel auch auf streifenförmige Elektrodenplatten anwendbar, die durch Auftragen von Paste oder elektrolytische Abscheidung eines aktiven Materials auf beiden Seiten oder einer Seite eines Kernmaterials, das aus eine Nickelfolie oder Folie aus vernickeltem Stahl besteht, gebildet werden.
  • Obwohl ein Dorn mit einem elliptischen Querschnitt, wie in 6 gezeigt, in den beispielhaften Ausführungsformen als erster Schritt der Herstellung einer Elektrodengruppe mit elliptischen Querschnitt durch spiralförmiges Wickeln jeweils einer positiven und einer negativen Platte mit einem dazwischengelegten Separator verwendet wurde, ist es vor dem Bau einer Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, äußerst wirksam, einen rhombusförmigen Dorn, wie in 7 gezeigt, zu verwenden. Er hat den Vorteil, dass er nicht nur das spiralförmige Wickeln genau ohne Leerlauf gestattet, sondern auch den Bau einer präzisen Elektrodengruppe ohne einen nutzlosen Raum im Kernbereich zu lassen.
  • Wie vorstehend im Einzelnen dargelegt, hat die vorliegende Erfindung einen extrem hohen industriellen Wert, indem sie die drastische Verbesserung der Zuverlässigkeit von verschiedenen Arten von flachen Zellen durch totales Eliminieren einer Verringerung der Batterieleistung infolge Bruchs von Elektrodenplatten und/oder Abblätterns und Abfallens der Schichten aktiven Materials und von Fehlern infolge inneren Kurzschlusses ermöglicht, die vorher beim Bau einer Elektrodengruppe mit ovalem Querschnitt auftraten, indem streifenförmige positive und negative Platten, auf denen eine Schicht aktiven Materials entweder durch Auftragen von Paste oder durch elektrolytische Abscheidung auf beiden Seiten oder einer Seite eines aus einer Metallfolie bestehenden Kernmaterials gebildet wurde, mit einem dazwischengelegten Separator so spiralförmig gewickelt werden, dass sie gefaltet werden.

Claims (18)

  1. Flache Zelle mit einer Elektrodengruppe, die einen ovalen Querschnitt aufweist, wobei eine streifenförmige positive Platte (41) und eine streifenförmige negative Platte spiralförmig mit einem Separator, der so dazwischengelegt ist, dass sie gefaltet werden, gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmige positive Platte einen vertieften Abschnitt (41b, 41b') aufweist, der auf der Schicht aktiven Materials auf mindestens der Innenseite von mindestens dem innersten gefalteten Abschnitt (41a) nahe einem Kernabschnitt der Elektrodengruppe gebildet ist, wobei der vertiefte Abschnitt eine vorbestimmte Breite (W) aufweist, die auf der Faltlinie zentriert ist, wobei die Dicke der Schicht aktiven Materials an dem vertieften Abschnitt reduziert ist.
  2. Flache Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des vertieften Streifenabschnitts im Bereich von jeweils 0,5 mm bis 3,0 mm links und rechts von der Faltlinie liegt.
  3. Flache Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des vertieften Streifenabschnitts im Bereich von 20 % bis 70 % der Dicke der Schicht aktiven Materials liegt.
  4. Flache Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vertiefte Streifenabschnitt ein Streifen mit einem V-förmigen Querschnitt ist, der einen Winkel im Bereich von 30° bis 120° aufweist.
  5. Flache Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Streifen im Bereich von 0,5 mm bis 5,0 mm liegt.
  6. Flache Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertiefter Streifenabschnitt nicht nur auf einer positiven Elektrodenplatte sondern auch einer negativen Elektrodenplatte gebildet wird.
  7. Flache Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine streifenförmige Elektrodenplatte, auf der eine Schicht aktiven Materials durch Bestreichen mit Paste oder durch elektrolytische Abscheidung auf beiden Seiten oder einer Seite eines Kernmaterials, das aus einer Metallfolie besteht, gebildet wurde, verwendet wird.
  8. Flache Zelle nach Anspruch 1, die eine positive Platte aufweist, auf der eine Schicht aktiven Materials, die hauptsächlich ein lithiumhaltiges Doppeloxid, wie etwa Lithiumkobaltat, Lithiumnickelat und spinellartiges Lithiummanganat und ähnliches, umfasst, auf beiden Seiten oder einer Seite eines Kernmaterials gebildet wurde, das aus einer Aluminiumfolie, besteht, und einem nichtwässerigen Elektrolyt, wie etwa einem organischen Elektrolyt, Polymerelektrolyt und ähnlichem.
  9. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle, wobei eine Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt durch Verwenden einer streifenförmigen positiven Platte (41) und einer streifenförmigen negativen Platte, die spiralförmig mit einem dazwischengelegten Separator gewickelt sind, zuerst gebaut wird und dann durch Pressen und Verformen der Elektrodengruppe, während sie zwischen einem Paar von flachen Platten parallel zur Hauptachse der Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt angeordnet ist, wodurch sich eine Elektrodengruppe mit einem ovalen Querschnitt ergibt, und nachfolgendes Einsetzen dieser in einen Zellenbehälter, Gießen und Imprägnieren mit einem Elektrolyt und Versiegeln, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die streifenförmige positive Platte (41) einen vertieften Abschnitt (41b, 41b') aufweist, der auf der Schicht aktiven Materials auf mindestens der Innenseite von mindestens dem innersten gefalteten Abschnitt (41a) nahe einem Kernabschnitt der Elektrodengruppe gebildet wird, wobei der vertiefte Abschnitt eine vorbestimmte Breite (W) aufweist, die auf der Faltlinie zentriert ist, wobei die Dicke der Schicht aktiven Materials an dem vertieften Abschnitt reduziert ist.
  10. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des vertieften Streifenabschnitts im Bereich von jeweils 0,5 mm bis 3,0 mm links und rechts von der Faltlinie liegt.
  11. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des vertieften Streifenabschnitts im Bereich von 20 bis 70 % der Dicke der Schicht aktiven Materials liegt.
  12. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vertiefte Streifenabschnitt ein Streifen mit einem V-förmigen Querschnitt ist, der einen Winkel im Bereich von 30° bis 120° aufweist.
  13. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Streifen im Bereich von 0,5 mm bis 5,0 mm liegt.
  14. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertiefter Streifenabschnitt nicht nur auf einer positiven Platte sondern auch einer negativen Platte gebildet wird.
  15. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine streifenförmige Elektrodenplatte, auf der eine Schicht aktiven Materials auf beiden Seiten oder einer Seite eines Kernmaterials, das aus einer Metallfolie besteht, durch Bestreichen mit Paste oder durch elektrolytische Abscheidung gebildet wurde, verwendet wird.
  16. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, wobei die Zelle eine positive Platte aufweist, auf der eine Schicht aktiven Materials, die hauptsächlich lithiumhaltiges Doppeloxid, wie etwa Lithiumkobaltat, Lithiumnickelat und spinellartiges Lithiummanganat und ähnliches, umfasst, auf beiden Seiten oder auf einer Seite eines Kernmaterials gebildet wurde, das aus einer Aluminiumfolie und einem nichtwässerigen Elektrolyt, wie etwa einem organischen Elektrolyt und einem Polymerelektrolyt und ähnlichem, besteht.
  17. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertiefter Streifenabschnitt durch Pressen mit einer Walze gebildet wird, die durch Bilden eines konvexen Streifenabschnitts, der eine vorbestimmte Breite auf dem äußeren Umfang einer Scheibe aufweist, erzielt wird.
  18. Verfahren zur Herstellung einer flachen Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodengruppe mit einem elliptischen Querschnitt zuerst durch spiralförmiges Wickeln jeweils einer streifenförmigen positiven Platte und negativen Platte mit einem dazwischengelegten Separator unter Verwendung eines rhombusförmigen Dorns gebaut wird.
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