JP2008517433A - リチウムポリマー電池用薄膜電気化学セル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード及びカソード間の不慮の短絡を防止する電気化学セルサブアセンブリ及びその製造方法を提供する。この電気化学セルサブアセンブリは、それぞれの表面がそれぞれの電極材料層で被覆された一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートを含む。高分子電解質層は、両方の電極材料層と集電体シートの一対の端部の一方とを包み、それによって、集電体シートの他端を露出させながら集電体シートの一端を封入する。

Description

本発明は、広くリチウムポリマー電池に関し、より詳細には、リチウムポリマー電池を構成する電気化学セルの設計及び製造方法に関する。

固体高分子電解質とシート状のアノード及びカソードから製造される二次電池は、従来の液体電解質電池に比べて多くの利点を示す。これらの利点には、電池の小さな総重量、高い電力密度、高い比エネルギー及び長寿命を有することが含まれ、加えて、有毒液体を環境中に流出する危険性が低減されるので環境に優しい。

固体高分子電気化学セルの構成要素には、陽極、陰極、及びイオン伝導が可能なセパレータが含まれ、このセパレータは、例えばアノードとカソードとの間に挟まれた固体高分子電解質である。アノード（つまり、陰極）とカソード（つまり、陽極）は、アルカリ金属イオンの可逆的挿入を可能にする材料から製造される。高分子電解質セパレータは、アノードとカソードを電気的に分離し、それらの間の短絡を防止する。この短絡は、電気化学セルを役に立たない状態にするものである。

カソードは、通常、リチウムを吸蔵及び放出することができる活物質と、導電性充填剤と、イオン伝導性の高分子接着剤との混合物からなる。活物質は、例えば遷移金属酸化物またはリン酸塩であり、導電性充填剤は、通常、カーボン、グラファイトまたはそれらの組み合わせである。カソード材料は、通常、ペースト状であり、通常、アルミホイルなどの導電材料の薄板である集電体を必要とする。アノードは、通常、アルカリ金属や合金などの軽量金属ホイルからなり、例えば、リチウム金属、酸化リチウム、及びリチウム−アルミニウム合金などである。アノードは、例えば高分子接着剤内にカーボンベースの層間化合物を有するペースト状の材料であってもよい。この場合、アノードは、好ましくは銅の薄板である集電体支持部を必要とする。

複合材のカソード薄膜は、通常、集電体に溶剤コーティングし、または溶融押出することによって得られる。同様に、高分子電解質セパレータ層は、通常、溶剤コーティングまたは溶融押出によって製造される。

固体リチウム高分子電気化学セルは、通常、陽極、電解質セパレータ及び陰極を連続して層形成することによって製造される。陽極材料は、集電体として機能する金属ホイル（例えば、アルミニウム）または金属化プラスチックフィルム上に予め被覆または押出される。その後、この高分子電解質セパレータは、前述の被覆されたカソード材料に直接被覆または押出されることが好ましく、この陰極は、この電解質に最後に積層され、電気化学セルが形成される。電気化学セルのエネルギー密度を増加するために、陽極材料が集電体の両側に積層、被覆、または押出される両面設計が好ましい。

前述のような電気化学セルは、オフセットパターンで組み立てられる。すなわち、金属アノードまたは負の集電体がこの電気化学セルの一方から延び、カソードの集電体がこの電気化学セルの他方から延びる。一側の金属アノードまたは負の集電体の一部と他側のカソードの集電体の一部が電流の側方収集のために露出されたままでなければならない（すなわち、他の電気化学セルと電気化学的発電装置を構成する正及び負の端子に同時に接続することを可能にする）ので、電解質セパレータ（両面設計の場合、複数のセパレータ）は、アノードとカソードの間に位置するが、電気化学セルの全幅まで延びない。電気化学セルが組み合わされ、共に加圧される際に、露出されたアノードとカソードは、状況によっては互いに接触するかもしれない。その結果、短絡が生じ、このセルを役に立たないものとする。短絡は、電気化学セルの様々な層の置き違え又は位置合わせ誤差によって生じ、または電気化学セルの積層体の置き違え又は位置合わせ誤差によって生じるかもしれない。

この潜在的な問題を解決するために、米国特許番号５，３６０，６８４には、潜在的な短絡を排除することを唯一の目的として、アノード及びカソードの集電体の露出端部間にポリプロピレンまたは他のプラスチック材料の絶縁バンドを付加することが開示されている。米国特許出願番号０９／８７６，５６７（公開番号：米国２００２／０１９７５３５Ａ１）には、同一のコンセプトの変形例が開示されており、絶縁端部材料がカソード材料の端部に被覆され又は押出され、アノードとカソード層の露出端部間の潜在的な短絡を防止している。米国特許番号５，６７０，２７３には、電気化学セルの製造方法が開示されており、連続するアノード層とカソード層は、突出する高分子端部を有する高分子電解質層によって分離されており、その高分子端部は、アノードとカソードの集電体間の不慮の接触の可能性を低減している。

上記の全ての解決方法は、これらの目的を達成するが、電気化学セルの製造工程に他の工程を追加し、または集電体の適切な平行接続を妨害する突出したセパレータを有するという点で犠牲にする事項を有する。また、重量面において潜在的な不利益をもたらす。

したがって、アノード及びカソード間の不慮の短絡を防止する電気化学セル構成に対する要求があり、また、リチウム高分子電池における電気化学セルサブアセンブリの製造において信頼性のある製造方法及び製造装置に対する要求がある。

したがって、本発明の目的は、アノード及びカソード間の不慮の短絡を防止する電気化学セル配置を提供することである。

本発明の他の目的は、薄膜電気化学セルにおけるサブアセンブリ部品の製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、アノード及びカソード間の不慮の短絡を防止するように配置された複数の電気化学セルを含む電気化学的発電装置を提供することである。

具現されて広く記述されるように、本発明は、（ａ）一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートを提供する段階であって、前記それぞれの表面がそれぞれの電極材料で被覆されるところの段階と、（ｂ）前記集電体シート上に高分子電解質層を押し出す段階であって、前記高分子電解質層が、前記両方の電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを包み、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら前記集電体シートの前記一端を封入するところの段階と、を含むリチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造方法を提供する。

具現されて広く記述されるように、本発明は、一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シート、及び、前記集電体シートのそれぞれの表面に配置された陽極材料層、を含む陽極と、両方の前記陽極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入し、それによって露出された前記集電体シートの他の端部を残す高分子電解質セパレータと、前記高分子電解質セパレータ上に配置された少なくとも１つの陰極と、を含む電気化学セルを提供する。

具現されて広く記述されるように、本発明は、一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートであって、前記それぞれの表面がそれぞれの電極材料で被覆されるところの集電体シートと、前記両方の電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを包む高分子電解質層であって、前記集電体シートの他端を露出させながら前記集電体シートの前記一端を封入する高分子電解質層と、を含む電気化学セルサブアセンブリを提供する。

具現されて広く記述されるように、本発明は、一対の対向表面と一対の対向端部とを有し、それぞれの表面がそれぞれの電極材料層で被覆された集電体シートを運ぶ搬送機構と、一対の離隔した放出ノズルと、前記離隔した放出ノズルの間に通常配置される通路と、を有する押出ダイスであって、前記通路は、前記搬送機構から前記集電体シートを受け取る働きをし、それぞれの放出ノズルは、前記集電体シートが前記通路に移動した際に前記集電体シートのそれぞれの表面に高分子電解質膜を放出する働きをし、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら両方の前記電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入するところの押出ダイスと、を有する電気化学セルサブアセンブリの製造システムを提供する。

具現されて広く記述されるように、本発明は、（ａ）一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートを提供する段階であって、前記それぞれの表面がそれぞれの電極材料で被覆されるところの段階と、（ｂ）前記集電体シートのそれぞれの表面上に高分子電解質層を積層する段階であって、前記高分子電解質層が、前記両方の電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを包み、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら前記集電体シートの前記一端を封入するところの段階と、を含むリチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造方法を提供する。

具現されて広く記述されるように、本発明は、一対の対向表面と一対の対向端部とを有し、それぞれの表面がそれぞれの電極材料層で被覆された集電体シートを運ぶ搬送機構と、一対の加圧ローラーを有する積層装置であって、前記加圧ローラーが、前記搬送機構から前記集電体シートを受け取るために前記加圧ローラーの間に通常通路を画定し、それぞれの加圧ローラーが、前記集電体シートが前記通路に移動した際に前記集電体シートのそれぞれの表面に高分子電解質膜を積層する働きをし、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら両方の前記電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入するところの積層装置と、を有するリチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造システムを提供する。

本発明は、以下の詳細な説明と添付の図によってさらに理解され、他の利点も明らかになるであろう。図１は、本発明の実施形態による電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。図２は、本発明の実施形態による電気化学セルの概略断面図である。図３は、本発明の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を高分子電解質を用いて封入するための押出工程の概略側方正面図である。図４は、押出ダイスを通過する集電体−電極アセンブリを示す、図３に示される押出工程の概略平面図である。図５は、集電体−電極アセンブリの両側上に電極層を付ける図３の押出ダイスの概略断面図である。図６は、図３で示される工程で得られる電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。図７は、本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極層を封入する押出工程の概略断面図である。図８は、集電体−電極アセンブリの両側上に電極層を付ける図７の対向する押出ダイスの概略水平断面図である。図９は、図７に示される工程で得られる電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。図１０は、本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための押出工程の概略側方正面図である。図１１は、本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための押出工程の概略側方正面図である。図１２は、本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための押出工程の概略側方正面図である。図１３は、集電体−電極アセンブリの第１側上に第１高分子電解質層を堆積する図１０、１１、１２の第１押出ダイスの概略断面図である。図１４は、集電体−電極アセンブリの第２側上に第２高分子電解質層を堆積する図１０、１１、１２の第２押出ダイスの概略断面図である。図１５は、図１０、１１、１２のそれぞれに示される工程で得られる電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。図１６は、本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための積層工程の概略側方正面図である。図１７は、図１６の線１７−１７の概略断面図である。図１８は、図１６の線１８−１８の概略断面図である。図１９は、本発明の実施形態の変形例による、デュアル電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。図２０は、本発明の実施形態の他の変形例による、電極材料層が予め被覆された大きな集電体のプレアセンブリの概略断面図である。図２１は、切断後における、図２０に示されたプレアセンブリの概略断面図である。図２２は、高分子電解質封止体で封入された、図２１に示されるプレアセンブリの概略断面図である。

図１を参照すると、本発明の実施形態による電気化学セルサブアセンブリ１０の断面が示されている。この電気化学セルサブアセンブリ１０は、中心の集電体部材１２と、この集電体部材１２のそれぞれの表面に被覆される電極材料層１４と、高分子電解質１６とを含む。この高分子電解質１６は、この集電体部材１２の一端１３と共に中心の集電体部材１２の表面に被覆される電極材料層１４を完全に包む。この例では、電極材料層１４は、カソードつまり陽極材料からなる。高分子電解質包装体１６は、当該技術で周知のように、陽極及び陰極間のイオン交換を可能にし、電気化学セルの陽極及び陰極間の電流経路の形成を阻止するために、イオン伝導性であり、非導電性である。図１に示されるように、電極層１４と中心の集電体１２の一端１３は、高分子電解質包装体１６内に完全に取り囲まれており、従って、完全に電気的に分離されている。中心の集電体１２の一端１５のみが、他の電気化学セル、または少なくとも１つの電気化学セルを有する発電装置の電気ポストに電気接続されるために露出されたままである。

図２は、本発明の実施形態による完成した電気化学セル２０を示す。この電気化学セル２０は、中心の集電体部材１２と、中心の集電体部材１２の各々の面に被覆された電極材料層１４と、電極材料層１４を完全に囲う高分子電解質包装材料１６とを含むサブアセンブリ１０から形成される。陰極１８は、陽極材料層１４に面する高分子電解質包装体１６のそれぞれの側に配置され、それによって、高分子電解質包装体１６を挟み、電気化学セル２０を完成する。図示されるように、陽極材料層１４と中心の集電体部材１２の端部１３は、陰極１８から完全に電気的に分離され、それによって、陰極１８と陽極材料１４または中心の集電体部材１２の端部１３のどちらかとの間で短絡が起こる危険性を減少させる。この特定の配置では、正及び負の電気接点はオフセットされている。より具体的には、電気接点が電気化学セル２０の反対側に位置するように、陽極の集電体部材１２は、電気化学セル２０の一端まで延びており、陰極１８は、電気化学セル２０の他端まで延びている。当該技術で周知のように、複数の電気化学セルは共に積層され、各々の陽極は平行であって共に接続され、各々の陰極も平行であって接続され、それによってそれらの全体の総容量（Ａｍｐ／ｈｒ）が増加される。

ここに記載された電気化学セルは、極端に薄い構成要素で形成される。例えば、以下の通りである。
・中心の集電体部材１２の厚さは、１２μｍから５０μｍの範囲でありえる。
・１つの陽極材料層１４の厚さは、１５μｍから１００μｍの範囲でありえる。
・高分子電解質包装体１６の一側の厚さは、１５μｍから５０μｍの範囲でありえる。
・陰極１８の厚さは、２０μｍから８０μｍの範囲でありえる。

上記の厚さの範囲は、このようなアセンブリを製造することの困難性を示すために一例として挙げられるものである。中心の集電体部材１２、陽極材料１４、高分子電解質包装体１６及び陰極１８のそれぞれにおいて他の厚さの範囲も考えられ、本発明の範囲に含まれる。

図３及び図４は、本発明の実施形態によるものであって、図１に示される電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、その両方の表面に電極材料層を有する中心の集電体部材に高分子電解質包装体を被せるための装置と方法の実施例を示す。プレアセンブリ２２は、両方の表面に電極材料層１４が予め被覆された集電体部材１２を含み、この例では一連の円筒状ローラー３４である搬送機構を用いてデュアル押出ダイス３０まで移動され、そこで、薄い高分子電解質２４がプレアセンブリ２２のそれぞれの側に被せられる。短軸または二軸押出機３１は、高分子電解質材料をデュアル押出ダイス３０に供給する。

図３及び図４に示されるように、プレアセンブリ２２は、デュアル押出ダイス３０を通過し、ここで、薄い高分子電解質層２４がプレアセンブリ２２の両側に同時に付けられる。図４により明確に示されるように、高分子電解質層２４は、電極材料層１４より幅が広く、２つの高分子電解質層２４が集電体１２の一端１３を避けると共に電極材料層１４を完全に囲う。次いで、この高分子電解質包装体１６を有するプレアセンブリ２２は、一連の円筒状ローラー３２Ａ、３２Ｂに向かう。この円筒ローラーは、高分子電解質包装体１６の凝固を加速し、ローラーへの高分子の望まない付着を防止するために冷温に維持されることが好ましい。次いで、完成した電気化学セルサブアセンブリ１０（図１）は、次の処理のための他の場所または倉庫に向けて送られる。

図５は、プレアセンブリ２２がデュアル押出ダイスを直接通過する際の図３及び図４のデュアル押出ダイス３０の断面図を概略的に示す。押出ダイス３０は、プレアセンブリ２２の両側に薄板として放出される前において、高分子電解質が押出ダイス３０の内側に進む通路を決定する点線で示される２つの放出ノズル３５、３７を含む。高分子電解質材料は、円筒状流路３９を通って押出機３１（図３及び図４）から押出ダイス３０に圧力をかけられて供給される。押出ダイス３０に入った後、高分子電解質材料は、分流器４４によって２つの分離された内部流路４１、４３に分割され、２つの内部流路は、それぞれ放出ノズル３５、３７に導く。放出ノズル３５、３７に入ると、高分子電解質材料は、広くて薄い薄膜に仕上げられる。この薄膜は、電極材料層１４と、集電体部材１２の端部１３の全体と、集電体部材１２の他端１５の一部とを覆う領域上に放出される。したがって、２つの電極材料層１４は囲まれ、電気的に分離される。

図６は、デュアル押出ダイス３０から出た電気化学セルサブアセンブリ１０の断面図を概略的に示す。ここで、２つの高分子電解質層２４が集電体１２の端部１３の端の上にある合流点４５で結合され、それによって高分子電解質包装体１６が形成されることが見られる。

図７は、図１に示される電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、両面に電極材料層を有する中心の集電体部材に高分子電解質包装体を被せるための装置と方法の他の実施例を示す。両面に予め電極材料層１４が被覆された集電体部材１２で形成されるプレアセンブリ２２は、一連の円筒状ローラー４８（１つのみ示してある）を通して一対の押出ダイス５０、６０に移動され、ここで、薄い高分子電解質層５２、６２はプレアセンブリ２２のそれぞれの側に同時に被せられる。高分子電解質の両方の層５２、６２は、電極材料層１４より幅が広いので、それらは電極材料層１４を完全に囲む。次に、高分子電解質層５２、６２を有するプレアセンブリ２２は、円筒状ローラー５５に案内される。この円筒ローラーは、高分子電解質層の凝固を加速し、高分子電解質層のあらゆる望まない付着を防止するために冷温に維持されることが好ましい。完成した電気化学セルサブアセンブリ１０は、次の処理のための他の場所または倉庫に向けて送られる。

図８は、その電極材料層１４を含むプレアセンブリ２２が押出ダイス５０、６０の放出端部の直ぐ前に移動した際における、図７の一対の対向する押出ダイス５０、６０の上部断面図を概略的に示す。押出ダイス５０、６０の内部流路５４、６４は、それぞれ点線で示され、プレアセンブリ２２の両面に薄板として放出される前において、高分子電解質がそれぞれの押出ダイス５０、６０の内側に進む通路を決定する。高分子電解質シート５２、６２は、端部１３の端を囲んで電気的に分離するために、電極材料層１４を覆うと共に集電体部材１２の端部１３上に僅かに延びる領域上に広げられる。高分子電解質シート５２、６２は、集電体部材１２の他端１５の一部上にも延び、それによって２つの電極材料層１４を囲う共に電気的に分離する。

図９は、図７及び図８に関して示されて記述された押出装置及び押出方法から得られる電気化学セルサブアセンブリ１０を示す。前述のように、高分子電解質シート５２、６２は、高分子電解質シート５２、６２が端部１３上で結合され、それによって端部１３を囲い、高分子電解質包装体１６を形成するように、集電体部材１２の端部１３上に僅かに延びる領域上に放出される。

図７は、互いに正反対に位置する押出ダイス５０、６０を示すが、これらは互いにオフセットされていてもよい。

図１０は、図１に示される電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、両面に電極材料層を有する中心の集電体部材に高分子電解質包装体を被せるための装置と方法の他の変形例を示す。この例では、押出ダイス７０、８０は、互いにオフセットされる。移動するプレアセンブリシート２２に高分子電解質層７２、８２が付けられる際に、このプレアセンブリシート２２は、円筒状ローラー７４、８４によって支持されることが好ましい。高分子電解質層またはシート７２、８２は、集電体部材１２の端部１３上に僅かに延びる領域上に放出される。したがって、高分子電解質シート７２、８２は、図１５でより詳細に説明されるように、電極材料層１４を完全に覆い、端部１３上で結合し、それによって端部１３を囲い、高分子電解質包装体１６を形成する。

図１１は、図１に示される電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、両面に電極材料層を有する中心の集電体部材に高分子電解質包装体を被せるための装置と方法の他の変形例を示す。この例でも、押出ダイス９０、１００は互いにオフセットされているが、図１０に示される形態とは僅かに異なる形態で配置される。移動するプレアセンブリシート２２に高分子電解質層９２、１０２が付けられる際に、このプレアセンブリシート２２は、円筒状ローラー９４、１０４によって支持される。図８を参照して前述されたように、高分子電解質層またはシート９２、１０２は、集電体部材１２の端部１３上に僅かに延びる領域上に放出される。したがって、高分子電解質シート９２、１０２は、図１５でより詳細に説明されるように、電極材料層１４を完全に覆い、端部１３上で結合し、それによって端部１３を囲い、高分子電解質包装体１６を形成する。

図１２は、図１に示される電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、両面に電極材料層を有する中心の集電体部材に高分子電解質包装体を被せるための装置と方法の他の変形例を示す。この例では、プレアセンブリ２２は、一連の円筒状ローラー１２２（１つのみが示される）を用いて第１押出ダイス１１０に移動され、ここで、高分子電解質層２４がプレアセンブリ２２の第１側上に被せられる。前述のように、高分子電解質層が電極材料層を完全に囲うように、高分子電解質層２４は、電極材料層よりも幅が広い。次いで、表面の一方に高分子電解質層２４が付加されたプレアセンブリ２２は、円筒状ローラー１１４によって方向を変えられる。この円筒状ローラー１１４は、高分子電解質層２４の凝固を加速するために冷温で維持されることが好ましい。次いで、高分子電解質層２４が付加されたプレアセンブリ２２は、他の一連の円筒状ローラー１１６（１つのみが図示される）を介して第２押出ダイス１２０に移動され、ここで、他の薄い高分子電解質層２４がプレアセンブリ２２の第２側に被せられる。ここでも、高分子電解質層２４が電極材料層を完全に囲うように、プレアセンブリ２２の第２側に付けられた高分子電解質層２４は、電極材料層よりも幅が広い。包装体１６を形成する両方の高分子電解質層２４を有するプレアセンブリ２２は、円筒状ローラー１１８によって支持される。この円筒状ローラーは、第２の高分子電解質層２４の凝固を加速し、第１の高分子電解質層２４の望まない付着を防止するために冷温で維持されることが好ましい。完成した電気化学セルサブアセンブリ１０は、円筒状ローラー１２２（１つのみが示される）を用いて次の処理のための他の場所または倉庫に向けて送られる。

図１３は、プレアセンブリ２２が押出ダイスの放出端部の直ぐ前に移動した際における、図１０、１１、１２の第１押出ダイス７０、９０、１１０のそれぞれの断面図を概略的に示す。押出ダイス７０、９０、１１０の内部流路１２５は、点線で示され、プレアセンブリ２２の第１側に薄板として放出される前において、高分子電解質が押出ダイス７０、９０、１１０の内側に進む通路を決定する。高分子電解質シート２４は、第１の電極材料層１４と、集電体部材１２の端部１３の全体と、集電体部材１２の他の端部１５の一部とを囲う領域上に広げられ、それによって、第１の電極材料層１４を囲い、電気的に分離する。

図１４は、第１の高分子電解質層２４が付けられたプレアセンブリ２２が、プレアセンブリ２２の第２側または第２面が押出ダイスに面して押出ダイスの放出端部の直ぐ前に移動した際における、図１０、１１、１２の第２押出ダイス８０、１００、１２０の各々の断面図を概略的に示す。押出ダイス８０、１００、１２０の内部流路１２７は、点線で示され、プレアセンブリ２２の第２側または第２表面に薄板として放出される前において、高分子電解質が押出ダイス８０、１００、１２０の内側に進む通路を決定する。高分子電解質シート２６は、端部１３の端を囲って電気的に分離するために、第２の電極材料層１４を囲う領域上に広げられ、集電体部材１２の端部１３上に僅かに延びる。高分子電解質シート２６は、集電体部材１２の他端１５の一部上にも延長し、それによって、第２の電極材料層１４を囲って電気的に分離する。

図１５は、図１０から図１４に関連して示されて記述された押出装置及び押出方法から得られる電気化学セルサブアセンブリ１０を示す。前述のように、高分子電解質シート２６は、集電体部材１２の端部１３上に僅かに延びる領域上に放出される。したがって、それは端部１３を囲うために毛管現象によって端部１３上で折り曲がり、高分子電解質包装体１６を形成するために、既に付けられた高分子電解質層２４に付着される。

図１６は、図１に示される電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、両面に電極材料層を有する中心の集電体部材に高分子電解質包装体を被せるための装置と方法の他の変形例を示す。この例では、高分子電解質包装体１６は、中心の集電体１２のそれぞれの表面の電極層１４上に高分子電解質膜２４を積層することによって形成される。図１６に示されるように、プレアセンブリ２２は、両方の表面に電極材料層１４が予め被覆された集電体部材１２を含み、あらゆる搬送システムを用いて第１の一対のローラー２００に搬送され、そこで、薄い高分子電解質膜２４がプレアセンブリ２２のそれぞれの側に被せられる。あるいは、高分子電解質膜２４は、図１６に示される同時適用とは対照的に、異なる位置でプレアセンブリ２２のそれぞれの側に連続して被せられてもよい。

この特定の例では、それぞれの高分子電解質膜２４は、プラスチック支持膜２０２に置かれており、他の保護プラスチック膜２０４によって覆われており、保管のためにロール２０１、２０３に巻かれている。図１６に示されるように、積層に際して高分子電解質膜２４を電極材料層１４に露出させるために、保護プラスチック膜２０４Ａ、２０４Ｂは、薄い高分子電解質膜２４から剥離され、ローラー２００への経路から外れ、回収ロール２０５、２０７に巻き取られる。次いで、高分子電解質膜２４は、図１７に示されるように、プレアセンブリ２２の一側とオフセットされるように、電極材料層１４に接触される。より具体的には、アセンブリ全体が共に加圧された際に、高分子電解質層２４の延長部２１０が互いに接触をもたらすように、両方の高分子電解質膜２４は、プレアセンブリ２２の一端２０６の上、従って、プレアセンブリ２２の中心の集電体１２の一端上に延長する。アセンブリ全体が共に加圧された際に電極材料層１４を囲むように、高分子電解質膜２４の端部２０８は、電極材料層１４の端部を過ぎて延びる。

次いで、中心の集電体１２と２つの電極材料層に加えて高分子電解質層２４とその両側にあるプラスチック支持膜２０２とで形成される積層板２１２は、加熱領域２１５に進入する。この加熱領域２１５では、２つの高分子電解質層２４は、高分子電解質層２４の延長部２１０の互いの付着に加え、電極層１４上への高分子電解質層２１０の付着を促進するために十分な温度に加熱される。この加熱は、当業者に周知の手段によって行われる。

次いで、積層板２１２のプロファイに一致させ、各々の高分子電解質膜２４の全表面に圧力Ｐを与えるために、加熱された積層板２１２は、ゴムまたは他のフレキシブル材料の層で覆われた少なくとも１つの一対の積層ローラー２１６を通過する。したがって、高分子電解質層２４の延長部２１０は、互いに接着され、中心の集電体１２の端部を包み、高分子電解質層２４の端部２０８が電極材料層１４の端部を囲む。結果的に、高分子電解質層２４は、図１８に示されるように、電極層１４の全体と中心の集電体部材１２の一端部を封入する。

その後、積層板２１２は、一連の冷却ローラー２１７、２１９を通して送られる。冷却ローラー２１７、２１９は、室温以下の温度（１０°から１５℃）に維持される。積層板２１２は、それぞれのローラー２１７、２１９の外周の円弧上を移動するので、冷却ローラー２１７、２１９に接触しており、冷却ローラーの円弧は、積層板２１２が冷却ローラー２１７、２１９を通して残余の熱を放出するために十分な長さである。

次いで、積層板２１２は、剥離部２２０に移動され、ここで、プラスチック支持膜２０２は、積層板２１２から除去され、回収ロール２２１、２２３に巻き取られる。プラスチック支持膜２０２が除去される際に電極層１４を囲う高分子電解質膜２４に加えられるあらゆる損傷を防止するために、適切な溶剤が各々の剥離点２２２、２２４に導入される。この溶剤は、高分子電解質層２４とプラスチック支持膜２０２の間の付着力を減少させ、従って、高分子電解質膜２４の部分または断片のあらゆる裂けを防止する。図１６に示されるように、剥離角度は、９０°未満である。このように、一対のプラスチック支持膜２０２と一対の高分子電解質膜２４は、分離されることで小さなプールを形成し、ここで溶剤が留まり、プラスチック支持膜２０２と高分子電解質膜２４との間の界面に作用する。

少量の溶剤が各々の高分子電解質膜２４の表面に残るかもしれないことは注記すべきことである。次いで、積層板１０は、乾燥部２２６を通過し、ここで過度の又は残っている溶剤は蒸発される。

封入された積層板１０を収納する際に、積層板１０がロール２００に巻かれる際に近接する高分子電解質層２４の接着を防止し、積層板１０が電気化学セルのアノード部分を有する最終的なアセンブリをもたらす際に剥離を容易にするために、高分子電解質に対して弱い接着性を有する新たな保護膜２３０がその上に付けられる。もちろん、積層板１０は、組立のための次の処理部に直接運ばれ、完成された電気化学セルになる。

図１９は、本発明の実施形態の変形例を示し、大きな集電体部材１５０は、その表面のそれぞれに２つの分離した電極材料層が被覆されている。より具体的には、層１５２、１５３は、集電体部材１５０の第１表面を被覆し、層１５４、１５５は、集電体部材１５０の第２表面を被覆する。次いで、電極材料層１５２、１５３、１５４、１５５は、高分子電解質包装体１５８、１５９が集電体部材１５０の端部１６０、１６１をそれぞれ避けながら、２つの異なる高分子電解質包装体１５８、１５９で封入され、デュアルアセンブリ１７５を形成する。図１９に示されるように、集電体部材１５０の２つの端部１６０、１６１と共に電極層１５２、１５３、１５４、１５５は、完全に囲まれ、従って、２つの高分子電解質包装体１５８、１５９内で電気的に分離される。集電体部材１５０の中間部分１６５のみが露出されたままである。後続の製造段階で、図１に示される２つの分離した電気化学セルサブアセンブリ１０を形成するために、集電体部材１５０は、中間部分１６５の中心でＡ−Ａ軸に沿ってスリットが入れられる。前述のスリットが入れられた集電体部材１５０の露出された端部によって、他の電気化学セルまたは一連の積層された電気化学セルを形成する発電装置の電気ポストへの電気的接続が可能になる。

図３、７、１０、１１、１２、１６に示され、記述された何れの装置も、図１９に示されるデュアルサブアセンブリ１７５を形成するのに適している。しかしながら、図１９に示される高分子電解質包装体１５８、１５９を形成するために高分子電解質層が押し出されることができるように、高分子電解質層を押し出す装置は、２つの分離された内部流路を有する押出ダイスを含む。それぞれの流路がそれぞれの高分子電解質層のためのものである。さらに、スリットを入れる前に、両方の電極層と中心の集電体１５０の両方の端部とを被覆するために、プレアセンブリ２２に高分子電解質層を積層する装置は、２対の平行な高分子電解質膜を用いて提供される。サブアセンブリ１７５にスリットを入れるのは、あらゆる通常の方法によって行うことができる。

本発明の実施形態の他の変形例では、図２０は、その両面に大きな電極材料層２５２で被覆された大きな集電体部材２５０を示し、大きな集電体部材２５０の両端部２５３、２５４は露出された状態である。次の製造工程では、図２１に示される２つの分離したプレアセンブリ２５５を形成するために、集電体部材２５０と電極層２５２で形成されたプレアセンブリは、スリットが入れられ、または、中心点でＡ−Ａ軸に沿って切断される。プレアセンブリ２５５の切断面２５６の集電体部材２５０の端部と電極層２５２の端部は平坦であり、端部２５３、２５４は露出されたままである。

図２２に示される最終の製造段階で、高分子電解質２５８、２５９が端部２５６と共に電極層２５２の全体を高分子電解質包装体２６０で封入するように、高分子電解質層２５８、２５９は、前述のあらゆる方法でプレアセンブリ２５５上に被覆される。従って、端部２５６は、あらゆる潜在的な短絡を防止するために電気的に絶縁され、集電体部材２５０の端部２５３、２５４は露出されたままであり、他の電気化学セルまたは一連の積層された電気化学セルで形成される発電装置の電気ポストに電気的に接続されることを可能にする。

本発明は、特定の変形例に関連して記述されているが、他の変形または修正が考えられ、それも本発明の範囲に含まれる。したがって、本発明は、上記の詳細な説明によって限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲で特定される。

本発明の実施形態による電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。 本発明の実施形態による電気化学セルの概略断面図である。 本発明の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を高分子電解質を用いて封入するための押出工程の概略側方正面図である。 押出ダイスを通過する集電体−電極アセンブリを示す、図３に示される押出工程の概略平面図である。 集電体−電極アセンブリの両側上に電極層を付ける図３の押出ダイスの概略断面図である。 図３で示される工程で得られる電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。 本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極層を封入する押出工程の概略断面図である。 集電体−電極アセンブリの両側上に電極層を付ける図７の対向する押出ダイスの概略水平断面図である。 図７に示される工程で得られる電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。 本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための押出工程の概略側方正面図である。 本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための押出工程の概略側方正面図である。 本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための押出工程の概略側方正面図である。 集電体−電極アセンブリの第１側上に第１高分子電解質層を堆積する図１０、１１、１２の第１押出ダイスの概略断面図である。 集電体−電極アセンブリの第２側上に第２高分子電解質層を堆積する図１０、１１、１２の第２押出ダイスの概略断面図である。 図１０、１１、１２のそれぞれに示される工程で得られる電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。 本発明の他の実施例による、集電体上に予め堆積された電極を封入するための積層工程の概略側方正面図である。 図１６の線１７−１７の概略断面図である。 図１６の線１８−１８の概略断面図である。 本発明の実施形態の変形例による、デュアル電気化学セルサブアセンブリの概略断面図である。 本発明の実施形態の他の変形例による、電極材料層が予め被覆された大きな集電体のプレアセンブリの概略断面図である。 切断後における、図２０に示されたプレアセンブリの概略断面図である。 高分子電解質封止体で封入された、図２１に示されるプレアセンブリの概略断面図である。

符号の説明

１０ 電気化学セルサブアセンブリ
１２、２５０ 集電体部材
１４、２５２ 電極材料層
１６、２５８、２５９、２６０ 高分子電解質
１８ 陰極
２０ 電気化学セル
２２ プレアセンブリ
２４ 高分子電解質
３０ デュアル押出ダイス
３１ 短軸／二軸押出機
３２Ａ、３２Ｂ、４８、５５、７４、８４、１１４、１１６、１２２ 円筒状ローラー
３４ 円筒状ローラー
３５、３７ 放出ノズル
４４ 分流器
４１、４３、１２５、１２７ 内部流路
５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０ 押出ダイス
５２、６２、７２、８２、９２、１０２ 高分子電解質層
２００ ローラー
２０１、２０３ ロール
２０２ プラスチック支持膜
２０４Ａ、２０４Ｂ 保護プラスチック膜
２０５、２０７、２２１、２２３ 回収ロール
２１２ 積層板
２１５ 加熱領域
２１７、２１９ 冷却ローラー
２２０ 剥離部
２２２、２２４ 剥離点
２２６ 乾燥部
２３０ 保護膜

Claims (33)

1. （ａ）一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートを提供する段階であって、前記それぞれの表面がそれぞれの電極材料で被覆されるところの段階と、
   （ｂ）前記集電体シート上に高分子電解質層を押し出す段階であって、前記高分子電解質層が、前記両方の電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを包み、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら前記集電体シートの前記一端を封入するところの段階と、
   を含む、リチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造方法。
2. 前記集電体シートの両方の表面上に同時に高分子電解質を押し出す段階を含む、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記集電体シート上に高分子電解質層を押し出す段階は、２つの異なる放出ノズルと該２つの異なる放出ノズルの間に通常配置された通路とを有する押出ダイスを用いて達成され、前記高分子電解質膜は、前記集電体シートが前記通路を移動しながら、前記集電体シートのそれぞれの表面にそれぞれの放出ノズルを用いて放出される、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記集電体シート上に高分子電解質層を押し出す段階は、一対の押出ダイスを用いて達成され、前記それぞれの押出ダイスは、前記集電体シートが前記押出ダイスを移動する際に前記集電体シートのそれぞれの表面に高分子電解質膜を放出するための放出ノズルを有する、請求項２に記載の製造方法。
5. （ｉ）前記電極材料層の間に露出された前記集電体シートの少なくとも１つのバンドを露出させながら、前記高分子電解質層が前記集電体シートの両端部と全ての前記電極材料層とを包むように前記集電体シート上に前記高分子電解質層を押し出す段階と、
   （ｉｉ）露出された前記集電体シートの少なくとも１つのバンドの位置で前記集電体シートにスリットを入れ、それによって請求項１に記載の少なくとも２つの電気化学セルサブアセンブリを形成する段階と、
   を含む、前記集電体シートのそれぞれの表面が少なくとも２つの隔てられた電極材料層で被覆され、前記集電体シートのそれぞれの表面上の前記電極材料層の間に露出された集電体シートの少なくとも１つのバンドを残す、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記段階（ｂ）で前記高分子電解質層を押し出す前に前記段階（ａ）で提供された前記集電体シートにスリットを入れる段階をさらに含み、それによって一対の前記集電体シートのそれぞれが前記段階（ａ）で提供された前記集電体シートに形成されたスリットによって画定される対向端部の１つを有する一対の前記集電体シートを形成する、請求項１に記載の製造方法。
7. 前記段階（ａ）で提供された前記集電体シートに形成された前記スリットによって画定される前記対向端部は、前記電極材料層の端部と水平である、請求項６に記載の製造方法。
8. 一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シート、及び、前記集電体シートのそれぞれの表面に配置された陽極材料層、を含む陽極と、
   両方の前記陽極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入し、それによって露出された前記集電体シートの他の端部を残す高分子電解質セパレータと、
   前記高分子電解質セパレータ上に配置された少なくとも１つの陰極と、
   を含む電気化学セル。
9. 前記少なくとも１つの陰極は、前記集電体シートの封入された前記端部から外側に延長し、前記陰極は、前記集電体シートの露出された前記端部から離隔されている、請求項８に記載の電気化学セル。
10. 一対の陰極を含む電気化学セルであって、それぞれの陰極は、前記集電体シートのそれぞれの表面に近接して前記高分子セパレータ上に配置され、それによって前記両面電気化学セルを形成する、請求項８に記載の電気化学セル。
11. 前記それぞれの陰極は、前記集電体シートの封入された前記端部から外側に延長し、前記それぞれの陰極は、前記集電体シートの露出された前記端部から離隔されている、請求項１０に記載の電気化学セル。
12. 一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートであって、前記それぞれの表面がそれぞれの電極材料で被覆されるところの集電体シートと、
    前記両方の電極材料層と前記集電体シートの一対の対向端部の一方とを包む高分子電解質層であって、前記集電体シートの他端を露出させながら前記集電体シートの前記一端を封入する高分子電解質層と、
    を含む、電気化学セルサブアセンブリ。
13. 一対の対向表面と一対の対向端部とを有し、それぞれの表面がそれぞれの電極材料層で被覆された集電体シートを運ぶ搬送機構と、
    一対の離隔した放出ノズルと、前記離隔した放出ノズルの間に通常配置される通路と、を有する押出ダイスであって、前記通路は、前記搬送機構から前記集電体シートを受け取る働きをし、それぞれの放出ノズルは、前記集電体シートが前記通路に移動した際に前記集電体シートのそれぞれの表面に高分子電解質膜を放出する働きをし、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら両方の前記電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入するところの押出ダイスと、
    を有する、リチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造システム。
14. 前記押出ダイスは、前記高分子電解質用の一対の離隔した流路をさらに含み、前記一対の流路のそれぞれは、前記一対の放出ノズルのそれぞれに通じている、請求項１３に記載の製造システム。
15. 前記押出ダイスは、前記高分子電解質を一対の離隔した前記流路に案内するために適した分流器をさらに含む、請求項１４に記載の製造システム。
16. 前記放出ノズルのそれぞれによって放出される前記高分子電解質膜は、前記集電体シートの表面を被覆する前記電極材料層より幅が広い、請求項１３に記載の製造システム。
17. 前記放出ノズルが前記集電体シートのそれぞれの表面に前記高分子電解質膜を付ける際に、前記高分子電解質膜は、前記集電体シートの前記一端上に延長し、前記集電体シートの前記一端を封入するために結合する、請求項１３に記載の製造システム。
18. 前記放出ノズルは、前記集電体シートのそれぞれの表面に同時に前記高分子電解質膜を付ける、請求項１３に記載の製造システム。
19. 前記放出ノズルは、互いにオフセットされる、請求項１３に記載の製造システム。
20. 一対の対向表面と一対の対向端部とを有し、それぞれの表面がそれぞれの電極材料層で被覆された集電体シートを運ぶ搬送機構と、
    放出ノズルをそれぞれ有する一対の押出ダイスであって、前記一対の押出ダイスが、前記搬送機構から前記集電体シートを受け取るために前記一対の押出ダイスの間に通常通路を画定し、それぞれの放出ノズルが、前記集電体シートが前記通路に移動した際に前記集電体シートのそれぞれの表面に高分子電解質膜を放出する働きをし、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら両方の前記電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入するところの押出ダイスと、
    を有する、リチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造システム。
21. 前記押出ダイスは、互いにオフセットされる、請求項２０に記載の製造システム。
22. （ａ）一対の対向表面と一対の対向端部とを有する集電体シートを提供する段階であって、前記それぞれの表面がそれぞれの電極材料で被覆されるところの段階と、
    （ｂ）前記集電体シートのそれぞれの表面上に高分子電解質層を積層する段階であって、前記高分子電解質層が、前記両方の電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを包み、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら前記集電体シートの前記一端を封入するところの段階と、
    を含む、リチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造方法。
23. （ａ）前記集電体シートのそれぞれの表面上に前記高分子電解質層を被せる段階と、
    （ｂ）前記高分子電解質層を加熱する段階と、
    （ｃ）前記集電体シートのそれぞれの表面上に被せられた加熱された前記高分子電解質層を加圧する段階と、
    を含む、請求項２２に記載の製造方法。
24. （ａ）前記集電体シートのそれぞれの表面上に前記高分子電解質層を被せる段階と、
    （ｂ）前記集電体シートのそれぞれの表面上の前記高分子電解質層を一対のローラーで加圧する段階であって、それぞれの前記高分子電解質層の表面全体に圧力を与えるために、少なくとも一対の前記ローラーが、それぞれの前記高分子電解質層のプロファイルに適合することができるフレキシブル材料層で被覆されているところの段階と、
    を含む、請求項２２に記載の製造方法。
25. （ｉ）前記集電体シートのそれぞれの表面上の前記電極材料層の間に露出された前記集電体シートの少なくとも１つのバンドを露出させながら、前記高分子電解質層が前記集電体シートの両端部と全ての前記電極材料層とを包むように前記集電体シート上に前記高分子電解質層を積層する段階と、
    （ｉｉ）露出された前記集電体シートの少なくとも１つのバンドの位置で前記集電体シートにスリットを入れ、それによって請求項２２に記載の少なくとも２つの電気化学セルサブアセンブリを形成する段階と、
    を含む、前記集電体シートのそれぞれの表面が少なくとも２つの隔てられた電極材料層で被覆され、前記集電体シートのそれぞれの表面上の前記電極材料層の間に露出された集電体シートの少なくとも１つのバンドを残す、請求項２２に記載の製造方法。
26. 前記段階（ｂ）で前記高分子電解質層を積層する前に前記段階（ａ）で提供された前記集電体シートにスリットを入れる段階をさらに含み、それによって一対の前記集電体シートのそれぞれが前記段階（ａ）で提供された前記集電体シートに形成されたスリットによって画定される対向端部の１つを有する一対の前記集電体シートを形成する、請求項２２に記載の製造方法。
27. 前記段階（ａ）で提供された前記集電体シートに形成された前記スリットによって画定される前記対向端部は、前記電極材料層の端部と水平である、請求項２６に記載の製造方法。
28. 一対の対向表面と一対の対向端部とを有し、それぞれの表面がそれぞれの電極材料層で被覆された集電体シートを運ぶ搬送機構と、
    一対の加圧ローラーを有する積層装置であって、前記加圧ローラーが、前記搬送機構から前記集電体シートを受け取るために前記加圧ローラーの間に通常通路を画定し、それぞれの加圧ローラーが、前記集電体シートが前記通路に移動した際に前記集電体シートのそれぞれの表面に高分子電解質膜を積層する働きをし、それによって前記集電体シートの他端を露出させながら両方の前記電極材料層と前記集電体シートの一対の端部の一方とを封入するところの積層装置と、
    を有する、リチウムポリマー電池用電気化学セルサブアセンブリの製造システム。
29. 少なくとも前記加圧ローラーの一方は、前記集電体シートのそれぞれの表面への前記高分子電解質の積層中に前記高分子電解質層の表面全体に圧力を与えるために、それぞれの前記高分子電解質層のプロファイルに適合することができるフレキシブル材料層で被覆される、請求項２８に記載の製造システム。
30. 前記積層装置は、前記集電体シートに対する前記高分子電解質膜の付着を促進する機能をする加熱部を含む、請求項２８に記載の製造システム。
31. 前記積層装置は、少なくとも１つの冷却ローラーを含む、請求項２８に記載の製造システム。
32. 前記積層装置は、積層体から支持膜を除去するために適した剥離部を含み、前記剥離部は、溶剤放出システムを含む、請求項２８に記載の製造システム。
33. 前記剥離部は、前記積層体から前記支持膜を９０°未満の角度で分離し、それによって前記溶剤の小さなプールを形成する、請求項３２に記載の製造システム。

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