JP2002525823A - 電気化学電池の改良された製造方法 - Google Patents

電気化学電池の改良された製造方法

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Abstract

(57)【要約】 ポリマーリチウムイオンバッテリのような電気化学電池用のマニホルドバイセルアセンブリおよびその製造方法が提供される。開示された電気化学電池は、弾性材料で形成された長尺の板状のセパレーターまたは基板(26)を含む。複数の個別のアノード(24)が、長さ方向に互いに間隔をおいた関係で配置され、一対の基板の間に配置されてることで、隣接するアノードがその間に基板の境界を有するサンドイッチアセンブリを形成している。大きさ、形状および数において該複数のアノードと対応している複数のカソード(28)がまた、基板の反対側に、長さ方向に間隔をおいた関係で、アノードと位置を合わせて配置されている。基板は境界その(30)に沿って折り曲げられてアノードおよびカソードが交互に積み重ねられているマニホルドアセンブリを形成している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本出願は、1998年9月24日に出願された「電気化学電池の製造方法」と
題する米国特許出願番号第60/101,589号に基づく優先権を主張するものである。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動式電話、ポケットベル、ラップトップコンピューター、携帯端
末および無線通信装置といった携帯用装置に使用する電気化学電池の経済的な製
造方法に関するものである。本発明は、特に、生産されるセルの数を大幅に増や
すとともに、得られる出力密度をさらに最適化するようにリチウムイオンポリマ
ーバッテリの生産を最適化する方法に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
ポリマーリチウムイオンバッテリは、再充電可能なバッテリ技術における最新
技術の代表的なものであるである。再充電可能なリチウムバッテリ電池は電解液
を含み、該電解液中を、ソース電極からのリチウム原子が充電/放電サイクルを
通して電極間を移動する。かかるバッテリは、しばしば再充電可能なリチウムポ
リマーバッテリパック中に包装される。このパックは、本発明の技術分野におい
て知られている所定の処方のイオン導体を利用することで、広範な用途について
、高いエネルギー密度、高い性能信頼性および長寿命を提供する。本明細書にお
いては、「バッテリ」および「電池」の各用語は相互に交換可能に使用するもの
とする。
【0004】 プラスチックリチウムイオン電池は、通常、アノードとカソードとの間に挟持
されたリチウム塩マトリックス中の伝導性ポリマー膜からなる。このタイプのバ
ッテリは、通常、インターカレーションアノードとしての炭素と、カソードとし
てのLiCoO2 またはLiMn24 のような金属酸化物とを含んでいる。ポ
リエチレンのような伝導性ポリマーの微孔質膜はセパレーターとして機能し、一
方、有機溶媒(例えば炭酸エチレンおよび炭酸ジメチル)中のリチウム塩(例え
ばLiPF6) は電解液として使用される。小型携帯電子装置におけるバッテリ
の小型化要求を満たすリチウムイオン電池によって著しい軽量化が実現されてい
る。しかも、これらの電池は完全に充電されたときも電気的危害を全く生じない
。かかる電池は、落下や通常使用における衝撃、振動によっては壊れにくい。本
発明の電池はさらに、高速サイクル、機械的衝撃、熱的衝撃、振動、過大電圧、
過小電圧、ショート、自動車バッテリ充電、釘の貫通および高圧試験に曝したと
きにも卓越した結果を示す。加えて、漏れ出すおそれのある液体が無く、金属リ
チウムも使用していないので、安全なバッテリ取り扱い手順を達成できる。本発
明の電池は、廃棄されたときにも環境を害さず、また消耗し、あるいは壊れた電
池の廃棄に伴うコストを最小にできる。特別な輸送許可証や輸出書類が要求され
ないので、出荷コストも同様に低減される。
【0005】 これらの明らかな利点に対し、従来の製造方法は、複雑かつ不経済なままであ
り、独立に実行される複数の工程からなっている。図1に示されるように、電気
化学電池は、複数のアノード、カソードおよびセパレーター(不図示)を必要な
形状および大きさに独立的に切断することにより組み立てられる。個々のアノー
ドは熱貼り合わせにより2つのセパレータの間に挟みこまれる。次いで、このア
ノード−セパレーターアセンブリを熱貼り合わせにより一対のカソードの間に挟
み込み、複数のバイセル12を製造する。次にバイセル12を抽出トレーに装入
し、次いで取り出して過剰な溶媒を除去する。最後に、図1Aに示すように、必
要な数のバイセル12を互いに連続的に積層して電池10を完成させる。
【0006】 上記の工程から明らかなように、電気化学電池の製造は多くの労働集約的取り
扱い操作を包含しており、そのそれぞれが多くの時間および資本の投入を必要と
するものである。上述した従来の製造方法は、労働集約的な「取り上げて、置く
」操作を意味しており、この操作が製造工程を遅らせ、それに伴いコストを増加
させている。バイセルを個々に取り扱う操作は単調で時間がかかるだけではなく
、バイセルアセンブリの各構成要素の不正確な位置決めを助長することにもなり
、結果として不十分な電池性能や一製造操作あたりに製造される電池の数として
の収率を限られたものにする。
【0007】 上記の製造方式に潜在する問題を克服するための試みがなされてきた。例えば
Gozdzらに付与された米国特許第5,456,000号はリチウムイオンの再充電可
能なバッテリ電池の製造方法を開示している。この方法は正極要素、セパレータ
ー要素および負極要素を順に配置する工程を有する。電極要素およびセパレータ
ー要素のそれぞれは、実質的に電解液の塩を含まない柔軟性を有する高分子マト
リックス組成物から組み立てられる。各要素は隣接する要素とそれぞれの境界で
接合され、一単位の柔軟性を有する積層構造が形成される。
【0008】 同様に、Schmutzらに付与された関連する米国特許第5,470,357 号に、
再充電可能なバッテリ構造を作る別の方法が開示されている。この方法は正の集
電要素、正極要素、セパレーター要素、負極要素および負の集電要素を隣接させ
て配置する工程を含む。電極要素およびセパレーター要素のそれぞれは、自己支
持性膜の形態の柔軟性を有する高分子マトリックス組成物からなる。集電要素の
それぞれは、親和性を有する高分子材料で表面処理された柔軟性を有する導電性
箔からなる。各要素は、十分な熱と圧力を与えて、隣接する要素とその境界で接
合され、一単位の柔軟性を有する積層構造が形成される。
【0009】 上記の方法は、一製造操作で製造される電気化学電池の収率を増加させる一方
で、作られる電池の完全性において妥協しており、高価な電子部品における長期
の使用には望ましくないものとしている。得られた電池は、長尺膜形状物を折り
曲げることに起因するひび割れの問題に絶えず曝され、電池の性能と信頼性とに
影響する予測不能な電池の不完全性および欠陥を生ずる結果を招く。 したがって、生産される電池数を増加させるだけではなく、電池の性能と完全
性とを保ちながら、各ユニットにおける構成要素の配置を最適化する電気化学電
池の改善された製造方法を提供することが望まれる。
【0010】
【発明の概要】 本発明の目的は、電気化学電池の改良された製造方法を提供することである。
【0011】 本発明の別の目的は、電気化学電池の製造の速度と収率とを著しく増加させる
ことである。
【0012】 本発明のまた別の目的は、電気化学電池アセンブリ中の構成要素の適切な位置
合わせを促進することである。
【0013】 本発明のさらに別の目的は、電気化学電池の設計の自由度を向上させることで
ある。 本発明のさらにまた別の目的は、小型の電池構造を提供する一方で、電気化学
電池の電力密度を増加させることである。
【0014】 これらの目的および他の目的を効率的に達成するために、本発明は電気化学電
池用のマニホルドバイセルアセンブリおよびその製造方法を提供する。本明細書
に開示の電気化学電池アセンブリは、弾性材料からなる長尺の板状のセパレータ
ーまたは基板を含む。複数の個別のアノードが、長さ方向に間隔をおいた関係で
一対の基板の間に配置されてることで、隣接するアノードがその間に基板の境界
を有するサンドイッチアセンブリを形成している。大きさ、形状および数におい
てアノードと対応している複数のカソードが、基板の反対側に、長さ方向に間隔
をおいた関係で、アノードと交互するように配置されている。基板は境界に沿っ
て折り曲げられ、アノードおよびカソードが交互に積み重ねられているマニホル
ドアセンブリを形成する。
【0015】
【好ましい実施形態の説明】
本発明は、電気化学電池アセンブリ及びその製造方法に関する。このようなア
センブリは複数のバイセル(bi-cell)から構成されており、ここで各バイセル
は、セパレーター材料からなる平板状の基板により共に保持されているアノード
部材とカソード部材のサンドイッチから製造される。各電気化学電池は、複数の
バイセルからなることで、そのような電池を使用する個別の用途やデバイスのス
ペックに従った所望の数と大きさの電気化学電池アッセンブリを提供する。
【0016】 図2〜図5を参照して説明すると、図中同じ構成要素には同じ番号が付してあ
り、本発明に係るマニホルド電気化学電池アセンブリ20は、Z型形態の複数の
バイセル22を包含している。各バイセル22は、基板として働く1対の平面状
セパレーター膜26の間に挟まれた所定の大きさと形状を有するアノード24を
包含している。各セパレーター膜26のアノード24に接していない面上には、
カソード28が、対応するアノード24の上に位置するように配置されている。
折りたたみは、バイセル間の空間により規定されるバイセル境界30で行い、こ
こでセパレーター膜26は隣り合うバイセルを互いに重なり合うように連結して
いる。
【0017】 以下、図3〜図5を参照しながら、電池アセンブリ20の製造について説明す
る。
【0018】 各バイセルは電極材料とセパレーター材料の複数の層からなっている。まず、
膜基板と共に1個の電気化学電池アセンブリを組み立てるための個々のアノード
とカソードとを用意する必要がある。図3に示すように、独立のアノード24を
、セパレーター膜ないし基板26の平らな表面にフィットするような形状と大き
さに形成する。これらのアノード24を基板26に沿って共通端32を規定する
ように長手方向に互いに間隔をおいて配置する。延長タブ31として銅メッシュ
グリッドを用意し、これをは各アノード24の上に置いてラミネートする。銅タ
ブ31は後に電気化学電池を使用する際に便利なバッテリ端子として働くコンタ
クトリードを提供する。
【0019】 第2のセパレーター膜ないし基板26を、この形態のアノード24の上に、前
記長手方向の位置関係を保持するサンドイッチ構造を形成するように配置する。
隣り合うアノード間には、完成後の電池アセンブリのバイセル境界30に相当す
る最小空間dが保持される。
【0020】 図4を参照して説明すると、複数のアノード24に対応する複数のカソード2
8を各基板26上に設け、その上にラミネートして多層構造のラミネートストリ
ップ35を作成する。各カソードはその上にラミネートされた延長アルミニウム
メッシュタブ33を有しており、これは電気化学電池を使用する際の便利なバッ
テリ端子として働くコンタクトリードになる。各カソード28を、対応するアノ
ード24の両側に、その上に位置するように設けて各バイセルを形成する。各ア
ノード24に対する各カソード28のかかる配置により隣接バイセル間の各境界
30の維持が図られる。
【0021】 ストリップ35に切断及び折り曲げ操作を施して所望の形態のバイセルを製造
することができる。ストリップ35の各境界30には、所望の数のバイセル22
を有する電池アセンブリを製造するためのスリットがある。例えば、電池アセン
ブリとして(図4に示すような)5個のバイセルを必要とするならば、5個のバ
イセルの組ごとに切断する。したがって、1つの電池アセンブリを作るのに5個
の別々のバイセルを取り扱う替わりに、ただ1つの多層ラミネートストリップ3
5を抽出トレーに装入し、次いで取り出すだけで済む。抽出処理したバイセルを
、ストリップ35の各境界30に沿って、Z折と表現される形に折り曲げて図2
に示す電池アセンブリのようなZ型マニホルドバイセルを形成する。このような
電池アセンブリは、図5に示すように、使いやすく、取り扱いが安全なコンパク
トな形態にパッケージングできる。
【0022】 銅タブ31とアルミニウムタブ33のそれぞれは、Z折を作成する際にコンタ
クトリードが確実に重なる位置にくるように、対応する電極から水平方向にオフ
セットさせる。各アノード24を基板26に沿って配置する場合、その配置には
各アノード24と銅タブ31が交互に位置するパターンに配列することも含まれ
る。アルミニウムタブ33を固定したカソード28も、同様に、各カソード28
が水平方向にオフセットしたタブ33とオフセットパターンになるように基板2
6上に配置する(図4参照)。このように、かかる各コンタクトリードの位置合
わせは精度が良く、信頼性のあるものとなり、それにより得られる電池の動作は
確実なものとなる。
【0023】 上述したプロセスの実施と、それにより得られる電気化学電池の例を以下の実
施例により説明する。この実施例は、単に本発明の開示により予見される材料の
組み合わせのタイプを説明するものであって、その電気化学電池製造への適用に
いかなる限定をも加えるものではないことは理解されよう。
【0024】
【実施例】
ポリマーリチウムイオンバッテリの種々の要素からなる膜及び組成を以下に示
す: アノード: グラファイト: 65〜75% カーボンブラック: 2%まで ヘキサフルオロプロピレンまたはビニリデンフルオライド コポリマー (VDF): 13〜18% ジブチルフタレート(DBP): 10〜15% カソード: リチウムコバルトオキサイド(LiCoO2): 65〜75% カーボンブラック: 5〜7% VDF: 5〜10% DBP: 15〜18% セパレーター(基板): VDF: 28〜32% 二酸化ケイ素(SiO2): 20〜25% DBP: 40〜60% PVDFをコーティングした銅メッシュを400℃で焼結し、両面にアノード
膜をラミネートし、それによってアノード積層体を製造する。同様に、ポリ(メ
チルメタクリレート)をコーティングしたアルミニウムメッシュの両面にカソー
ド膜をラミネートしてカソード積層体を形成する。
【0025】 ポリマーリチウムイオンバッテリの製造は、5積層体のサンドイッチ構造体を
組み立てたマニホルドバイセルアセンブリの製造から開始する。特に、アノード
積層体は(最終製品の用途に応じた)所望の大きさ及び数に切断して、複数の個
別のアノードを製造する。それらのアノードを共通平面に沿って長さ方向に離し
て置く。基板として働くセパレータ膜またはウェブを、各アノードが一対のセパ
レータウェブの間に長さ方向に離間した配置を維持するように、各アノードの対
抗する両側に沿って連続的に配置する。各アノードの両側上には、該セパレータ
ウェブ内に配置された該アノードに対応するようにカソード積層体から切断し、
寸法を合わせた、対応する数のカソードを配置する。それらのカソードを、各ア
ノードの両側に、各アノードに位置が重なるように配置し、ラミネーションのよ
うな溶融加工によりアノード基板アセンブリに結合させる。この5積層体のバイ
セルアセンブリを次いで試験してその電気的特性を測定した。
【0026】 次いで、このバイセルアセンブリを抽出トレイ上に置き、密閉抽出容器内でメ
タノール中に浸漬してDBPを取り除く。このプロセスは室温から40℃の浴温
範囲内に制御して行い、抽出時間は15分間から45分間の範囲である。次いで
このバイセルアセンブリを真空乾燥し、その電気的特性を決定するために再び試
験する。
【0027】 続いて、このバイセルアセンブリを乾燥室内の真空乾燥チャンバー中で処理す
る。可塑性積層アルミニウムケーシングをこのバッテリーパックの回りにクリン
プし、乾燥室内の乾燥チャンバー(すなわち1%湿度下)内で電解質を添加する
。電解質は、好ましくはリチウムヘキサフルオロホスフェート、メチルエーテル
カーボネート及びエチレンカーボネート環状エステルを含有する混合物である。
次いでバッテリを形成バッテリチャージユニット中でチャージし、脱気、再密封
機により処理する。包装処理工程後、製品にラベルを付し、出荷用に包装する。
【0028】 本発明方法に従って得られるポリマーリチウムイオンバッテリは種々の材料及
びプロセスを用いて製造される。かかる製造方法は、膜及び積層体の作製に特異
的な予め規定された組成及び材料に基づいて製造される積層したアノード、カソ
ード及びセパレーターの使用を含む。本願発明は電気化学電池の容量または性能
を損なうことのない電気化学電池の迅速な製造を可能にする。
【0029】 前記した電気化学電池及び関連する製造方法は、従来の液体−電解質をベース
とするリチウムイオンバッテリよりも多くの利点を提供する。ここに開示したセ
ルはフリーな液体電解質を含有せず、電池ケーシングとしての軽量プラスチック
ポーチの使用を可能にする。これにより、特に多彩な形態、構成において、大き
な特性的なエネルギーを発生できる。この新しいプロセスは製造スピードを増大
させながら製造工程を非常に簡略化する。前記したプロセスは電池を製造するた
めの積層化操作を大いに簡略化、かつ促進し、それによってバイセル相互間の配
列を容易化する。さらなる利点は、携帯電話、ポケットベルおよびラップトップ
型コンピュータのような多くの消費者用軽量装置における使用に対して魅力的な
電池を製造する上での、形状のフレキシビリティー、及び非常に薄くかつ平坦な
プロフィールを有する電池の製造可能性である。
【0030】 前記した構成に対する種々の変更は当業者であれば明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、従来技術の電気化学電池アセンブリを示す。
【図1A】 図1Aは、従来技術の電気化学電池アセンブリを示す。
【図2】 図2は、本発明に係る電気化学電池アセンブリを示す。
【図3】 図3は、製造中の本発明に係る電気化学電池の正面図を示す。
【図4】 図4は、製造完了後の本発明に係る電気化学電池アセンブリの前面斜視図を示
す。
【図5】 図5は、バイセルを交互積層状態に配置した後の本発明に係る電気化学電池ア
センブリの上面斜視図を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カゴノヴィック,スティーヴ アメリカ合衆国 60025 イリノイズ,グ レンヴィユー,グレンシャイアー ロード 417 (72)発明者 ツァン,ツィーウェイ アメリカ合衆国 60564 イリノイズ,ネ イパーヴィル,ウォーム スプリング レ ーン 2475 (72)発明者 アラムギル,モハメッド アメリカ合衆国 60440 イリノイズ,ボ リングブルック,ブルックウッド レーン イースト 159 Fターム(参考) 5H022 AA09 BB02 BB12 BB22 CC04 CC14 CC15 CC27 EE04 5H029 AJ14 AK03 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 AM16 BJ04 BJ12 CJ03 DJ02 DJ03 DJ05 HJ12 5H050 AA19 BA17 CA08 CB08 EA10 FA02 HA12

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気化学電池アセンブリの形成方法であって: (a)対向する平面状表面を有する少なくとも1つの長尺の基板を用意する工
    程; (b)該基板の1つの表面に沿って長手方向の間隔を置いた各位置に複数の個
    別のアノードを配置する工程; (c)該基板の対向する表面に沿って長手方向の間隔を置いた各位置に該各ア
    ノード上に位置するように複数の個別のカソードを配置して複数のそれぞれ離れ
    たバイセルを形成する工程;および (d)該基板を、該離れたバイセルの間の位置で折り曲げてカソードとアノー
    ドとが交互に存在する積層電池アセンブリを形成することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 該アノードが、それから水平方向にオフセットした位置関係
    で延びたコンタクトリードを有しており、かつ該配置工程(b)が、該アノード
    と該水平方向にオフセットしたリードとを交互に存在するパターンに配列するこ
    とを含む請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 該コンタクトリードが、該アノードのそれぞれにラミネート
    された銅メッシュタブを包含している請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 該カソードが、それから水平方向にオフセットした位置関係
    で延びたコンタクトリードを有しており、かつ該配置工程(c)が、該カソード
    と該水平方向にオフセットしたリードとを交互に存在するパターンに配列するこ
    とを含む請求項2記載の方法。
  5. 【請求項5】 該コンタクトリードが、該カソードのそれぞれにラミネート
    されたアルミニウムメッシュタブを包含している請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 第2の基板を、該長手方向に離れて位置するアノードの上に
    サンドイッチ構造を形成するように重ねて配置する請求項1記載の方法。
  7. 【請求項7】 隣接するバイセル間に最小の空間を保持して該折り曲げ工程
    を容易化するバイセル間境界を形成する請求項1記載の方法。
  8. 【請求項8】 該基板の該バイセル間境界のうちの所望の境界にスリットを
    設けて、所望の数のバイセルを有する少なくとも1つの電気化学電池アセンブリ
    を製造する請求項7記載の方法。
  9. 【請求項9】 該バイセルを該境界に沿って折り曲げてZ−形状のマニホル
    ドアセンブリを形成する請求項9記載の方法。
  10. 【請求項10】 電気化学電池アセンブリであって: 長尺の平面状基板; 該基板の1つの表面上に長手方向に間隔を置いた位置関係で配置された複数の
    アノード;および 該基板の反対側に、該各アノード上に位置するように、長手方向に間隔をおい
    て配置された複数のカソードを有しており、 該基板が、該各アノードと該各カソードとが交互に重なるようなパターンに折
    り曲げてあることを特徴とする電気化学電池アセンブリ。
  11. 【請求項11】 該アノードおよび該カソードが水平方向にオフセットした
    リードを有しており、該カソードの該リードが、該アノードの該リードに対しオ
    フセットしている請求項10記載の電気化学電池アセンブリ。
  12. 【請求項12】 該アノードコンタクトリードが、該アノードのそれぞれに
    ラミネートされた銅メッシュタブを包含している請求項11記載の電気化学電池
    アセンブリ。
  13. 【請求項13】 該カソードコンタクトリードが、該カソードのそれぞれに
    ラミネートされたアルミニウムメッシュタブを包含している請求項11記載の電
    気化学電池アセンブリ。
  14. 【請求項14】 第2の長尺の平面状の基板が、該アノードの上に、長手方
    向の相互の位置関係を保持するサンドイッチ構造を形成するように重ねて配置さ
    れている請求項10記載の電気化学電池アセンブリ。
  15. 【請求項15】 隣接するアノード間に最小の空間を保持することでバイセ
    ル間境界を形成し、該各境界に沿った該基板の折り曲げが容易化されている請求
    項14記載の電気化学電池アセンブリ。
  16. 【請求項16】 該基板の所望の境界にスリットを設けて少なくとも1つの
    電気化学電池が製造してある請求項15記載の電気化学電池アセンブリ。
  17. 【請求項17】 該バイセルが該境界に沿って折り曲げられてZ−形状のマ
    ニホルドアセンブリが形成してある請求項16記載の電気化学電池アセンブリ。
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