JP2012234812A - カプセル封入された固体電気化学コンポーネントの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カプセル封入された電極の形成に用いられる構成要素を動かないよう保持しながら、レーザを用いてセパレータ材料を電極の周囲で溶融し切断して、電極をカプセル封入する。
【解決手段】電気化学コンポーネントアセンブリを形成するために、第一のセパレータ、固体電気化学コンポーネント、そして第二のセパレータを、真空プレート１の上面２に積層するステップと、前記電気化学コンポーネントアセンブリに真空を供給するステップと、真空を供給しながら、前記電気化学コンポーネントアセンブリ内の固体電気化学コンポーネントの外周の少なくとも一部の周囲に、第一のレーザビームを照射して、前記第一のセパレータと第二のセパレータとを溶融し接合するステップと、を有する。さらに、真空を供給しながら、前記電気化学コンポーネントアセンブリ内の固体電気化学コンポーネントの外周の周囲に、第二のレーザビームを照射するステップを有する方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学コンポーネント、特にアノードやカソードなどの電極の改良されたカプセル封入方法に関する。具体的に言えば、本開示の発明は、カプセル封入された電極の形成に用いられる構成要素を動かないよう保持しながら、レーザを用いてセパレータ材料を電極の周囲で溶融し切断して、電極をカプセル封入する方法に関する。このようにカプセル封入された電極（言い換えれば、カプセル封入されたアノード及びカプセル封入されたカソード）は、例えば電池、特にリチウムイオン電池の製造に供される。ただし、後述するように、本発明は、電極のカプセル封入に限定されるわけではなく、多孔性材料を用いてカプセル封入され得る様々な固体電気化学コンポーネントに適用される。

リチウムイオンセルでは、正極と負極（アノードとカソード）とを分離するために、多孔性のセパレータ材料が利用される。角形セルにおいて、電極は、複数のセパレータ材料層の間に配置されている。セパレータの中に電極をカプセル封入する際に、一般的には、ショートや電池セルの故障の原因となる位置ずれを防ぐための接合／溶着プロセスが行われる。カプセル封入プロセスでは通常、電極とセパレータの形状毎に設計された加熱プレートと機械ツールとが用いられる。

具体的に言えば、一般的な機械的熱伝導法においては、カプセル封入された電気化学コンポーネントの形成に必要とされる構成要素は、順に積み重ねられる。例えば、矩形電極をカプセル封入するために、矩形の第一のセパレータシートと矩形の第二のセパレータシートを、まず電極よりわずかに大きなサイズに切断する。そして、第一のセパレータシートと第二のセパレータシートの間に電極を配置する形で、セパレータシート及び電極を積層する。次に、電極を取り囲むセパレータシートの領域にバー／プレートを押し当て、熱と圧力とを加えて、セパレータシート同士を接合する。セパレータシート同士が接合されると、その後、機械ツールを用いて、カプセル封入された電極から余分なセパレータ材料を除去するため切断処理を行う。しかし、上記の方法では、セパレータ材料の接合中に構成要素を動かないよう保持するのが困難である、という問題がある。従って、セパレータ及び／あるいは電極が動くため、カプセル封入される電極の位置合わせ不良が生じる。このようにセパレータ及び／あるいは電極が動くため、二枚のセパレータシートの溶融領域間の開口部が均一にならなくなり得る。加えて、上記の機械的な熱接合において位置合わせ不良が生じるために、封入前にすべての位置ずれを許容するためには、必要以上に多くのセパレータ材料を用いて電極をカプセル封入しなければならない。さらに、機械的熱伝導法の接合プロセスには多くの時間がかかる。上記機械的熱伝導法においては、ドウェル時間（二枚のセパレータシートを接合するために、バー／プレートをセパレータ材料に押し当てておく時間）が長くなる。

また一般的に、電池は、カソードとアノードとを、セパレータを介在させた形で交互に積層して形成される。電池のセパレータは、カソードからアノードを物理的に分離し、短絡を防止するために用いられる。したがって、電極をセパレータで安全にカプセル封入することは、リチウムイオン電池などの電池を機能させる上で極めて重要である。

電極をより確実にカプセル封入するための手段と、均一なカプセル封入製品とを提供する必要から、より効率的なカプセル封入手段が求められている。現在電極のカプセル封入に用いられる方法では、電極の形成不良、封止プロセス中の位置合わせ不良、特定の電極形状に対する制約、そして接合プロセスにかかる長いドウェル時間などの問題がある。

よって、セパレータ層同士をより確実に接合し、多様な電極サイズ及び／あるいは形状に適応でき、セパレータ層の位置合わせ不良を防止し、ドウェル時間を短縮し、セパレータ材料の必要／使用量を減少させることが可能なカプセル封入プロセスを提供することが効果的である。

本発明の一つの態様によれば、電極の下方に第一のセパレータ層が、電極の上方に第二のセパレータ層が配置される二枚のセパレータシートまたは一枚の折曲シートを用いて、真空テーブルの真空により第一及び第二のセパレータ層を電極の周囲でぴったりと引き合わせながら、これらのセパレータ層をレーザ溶着することによって電極をカプセル封入する。真空テーブルを用いることで、一般的な機械的熱伝導法に比べてより確実でむらのない接合が可能となる。また、真空テーブルは、セパレータ層の位置合わせ不良を防ぐのにも役立つ。セパレータ層は真空テーブルにより与えられる真空により強く引き付けられるため、積層、接合、及び／あるいは切断プロセスにおいて位置ずれが生じない。また、この真空により、接合プロセスにおいて、レーザ溶融されるセパレータ層が接合されやすくなる。

レーザを利用することで多くの利点がある。レーザによる接合速度は、加熱プレートよりもずっと速い。さらに、レーザは、多様な電極形状や電極サイズに適応可能である。サイズ及び／あるいは形状の異なる電極毎に新たな接合プレートをわざわざ用意する必要はない。例えば、レーザターゲット制御装置を新たな電極用にプログラムし直すだけで済む。このように、セパレータ層でカプセル封入される電極のタイプ及び／あるいはサイズに対する制約はない。

また、上述したように、レーザを利用することにより、セパレータ層の接合にかかる時間を短縮することができる。一般的な機械的熱伝導プロセスでは、加熱プレート／バーが利用されるのでドウェル時間が長いのに対し、本発明においては、レーザが利用されるのでドウェル時間が短い。具体的に言えば、本発明によるカプセル封入方法を用いると、従来の機械的熱伝導法のドウェル時間を９５％カットすることができる。さらに、セパレータ層の位置ずれや位置合わせ不良を防ぐことにより、従来技術よりも最終製品におけるセパレータ材料の使用量を少なくすることができる。具体的には、本発明のプロセスを用いれば、位置合わせ不良や位置ずれが生じた場合であっても、それほど大量の余剰材料が必要とされることはない。それどころか、本開示のプロセスで必要とされる材料は、電極をカプセル封入するのに十分な量でよく、接合プロセス後に切断される余剰材料は少量で済む。

さらに、セパレータ材料の接合完了後に、カプセル封入された電極の周囲の余分なセパレータ材料を切断するためにレーザを用いることができる。そのようにすれば、カプセル封入された電極を真空テーブルに置いた状態のまま、素早く切断を行うことができる。

様々な例示的な実施形態において、カプセル封入された固体電気化学コンポーネントの形成方法は、電気化学コンポーネントアセンブリを形成するために、第一のセパレータ、固体電気化学コンポーネント、及び第二のセパレータを、真空プレートの上面に順に積層するステップと、真空プレートを用いて、前記電気化学コンポーネントアセンブリに真空を供給するステップと、を備える。上記方法はさらに、真空を供給しながら、前記電気化学コンポーネントアセンブリ内の前記固体電気化学コンポーネントの外周の少なくとも一部分の周囲に、溶融領域形成用の第一のレーザビームを、当該第一のレーザビームの照射により、前記固体電気化学コンポーネントの外周の少なくとも一部分を取り囲む前記第一のセパレータと第二のセパレータの部分が溶融し接合されるよう、照射するステップを備える。最後に、上記方法は、真空を供給しながら、前記電気化学コンポーネントアセンブリ内の前記固体電気化学コンポーネントの外周の周囲に、第二のレーザビームを、当該第二のレーザビームの照射により前記固体電気化学コンポーネントの外周の周囲において前記第一のセパレータと前記第二のセパレータが切断されるよう、照射するステップ、を備える。

いくつかの実施形態において、前記固体電気化学コンポーネントは、電極である。

いくつかの実施形態において、前記電極は、電池電極である。

いくつかの実施形態において、前記電池電極は、リチウムを含んだリチウムイオン電池である。

いくつかの実施形態において、前記前記電極は、リチウム、ニッケル、高表面積炭素、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含んでいる。

いくつかの実施形態において、前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、電気絶縁材料から形成されている。

いくつかの実施形態において、前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、２枚の別個のシートである。

いくつかの実施形態において、前記溶融領域は、前記固体電気化学コンポーネントを完全には取り囲まないで、前記第一のセパレータと前記第二のセパレータとの間に少なくとも１つの開口部が存在する。

いくつかの実施形態において、前記第一のレーザビームを照射するステップは、複数のジグザグ部分、直線部分、または曲線部分を含むステッチ形状に沿って行われる。

いくつかの実施形態において、前記電気化学コンポーネントの形状は、矩形である。

いくつかの実施形態において、前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、多孔性のポリマー材料から形成されている。

いくつかの実施形態において、前記第一のレーザビーム及び第二のレーザビームが、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータを溶融、接合するため及び切断するため照射される間、前記第一のセパレータ、前記固体電気化学コンポーネント、及び前記第二のセパレータの位置を維持するために、前記真空プレートを用いて供給される真空により、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータを通じて気体を吸引する。

いくつかの実施形態において、前記第二のレーザビームの照射ステップにおいて、当該第二のレーザビームは前記溶融領域を切断する。

いくつかの実施形態において、前記第一のレーザビームの照射ステップと前記第二のレーザビームの照射ステップとは、当該第一のレーザビームと第二のレーザビームを固定式のレーザ源から発するステップと、前記発せられたレーザビームを、可動ミラーで反射させて、前記真空プレートに置かれた前記電気化学コンポーネントアセンブリへ方向付けるステップ、とをさらに有する。

いくつかの実施形態において、前記第一のレーザビームと前記第二のレーザビームとは、単一のソースから発せられる。

いくつかの実施形態において、前記積層ステップ中も、前記プレートを用いて真空を供給する。

いくつかの実施形態において、前記第一のレーザビームは、比較的低い第一のパワーを有し、前記第二のレーザビームは、比較的高い第二のパワーを有する。当該比較的高い第二のパワーは前記比較的低い第一のパワーよりも高い。

いくつかの実施形態において、前記第一のレーザビームは、前記電極の外周の周囲に、比較的速い第一の速度で向けられ、前記第二のレーザビームは、前記電極の外周の周囲に、比較的低い第二の速度で向けられる。前記比較的速い第一の速度は、前記比較的低い第二の速度より高い。

本発明はさらに、上記の方法により形成される、カプセル封入された電気化学コンポーネントに関する。

様々な例示的な実施形態において、電池を形成する方法は、上記の方法によりカプセル封入された固体電気化学コンポーネントを、複数セット作成するステップを備える。複数セットのカプセル封入された固体電気化学コンポーネントとは、カプセル封入されたカソードである第一のセット及びカプセル封入されたアノードである第二のセットである。上記の方法はさらに、前記カプセル封入されたアノードとカソードとを交互に積層するステップと、前記積層後のカプセル封入されたアノードとカソードとの間に電解液を設けるステップ、とを備える。

本発明はさらに、上記の方法により形成される電池に関する。

様々な例示的な実施形態において、カプセル封入された電池電極を形成する方法は、電極アセンブリを形成するために、第一のセパレータ、電極、及び第二のセパレータを、真空プレートの上面に順に積層するステップと、真空プレートを用いて、前記電極アセンブリに真空を供給するステップと、を備える。上記の方法はまた、真空を供給しながら、前記電極アセンブリ内の前記電極の外周の少なくとも一部分の周囲に、溶融領域形成用の第一のレーザビームを、当該第一のレーザビームの照射により、前記電極の外周の少なくとも一部分を取り囲む前記第一のセパレータと第二のセパレータの部分が溶融し接合されるよう、照射するステップを有する。上記の方法はさらに、真空を供給しながら、前記電極アセンブリ内の前記電極の外周の周囲に、第二のレーザビームを、当該第二のレーザビームの照射により前記電極の外周の周囲において前記第一のセパレータと前記第二のセパレータが切断されるよう、照射するステップ、を備える。

本開示による、カプセル封入電気化学コンポーネント／電極の形成方法の様々な例示的な実施形態について、以下の図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の例示的な実施形態において用いられる真空プレートの斜視図である。 図１の真空プレートの上面に載せられた第一のセパレータの斜視図である。 図２の第一のセパレータの上面に載せられた電極の斜視図である。 図３の電極の上面、および第一のセパレータの上面に載せられた第二のセパレータの斜視図である。 真空の方向を示す図４の斜視図である。 図５のコンポーネントの上方に配置されたレーザの斜視図である。 直線ステッチ状の溶融領域が形成された第一のセパレータ、電極、そして第二のセパレータの上面図である。 曲線ステッチ状の溶融領域が形成された第一のセパレータ、電極、そして第二のセパレータの上面図である。 ジグザグステッチ状の溶融領域が形成された第一のセパレータ、電極、そして第二のセパレータの上面図である。 図７Ａのステッチ形状で作成され、余分なセパレータ材料が切断された後の、カプセル封入された電極の斜視図である。 本開示のレーザの拡大底面図であって、可動ミラーを示す。

以下、例示的な実施形態について、電池、特にリチウムイオン電池の形成に関連付けて説明する。これらの例示的な実施形態は、燃料電池アセンブリだけでなく、他の様々な固体電気化学コンポーネントに用いることができる。本発明の例示的な実施形態は全て、本明細書に関連するいかなる技術分野にも適用できる。

図１は、本発明の側面に従って固体電気化学コンポーネント４（すなわち、電極）のカプセル封入方法において用いられる、例示的な実施形態による真空プレート１を有する真空テーブル１００を示す。真空プレート１は、電気化学コンポーネントアセンブリ６が動かないようにするために用いられる。第一のセパレータ３、第二のセパレータ５、そして固体電気化学コンポーネント４は共に、電気化学コンポーネントアセンブリ６を形成する。真空プレート１は、固体電気化学コンポーネント４のカプセル封入方法における少なくとも一部の、好ましくは全てのステップにおいて用いられる。例えば、（後述する）複数のコンポーネントを積層して電気化学コンポーネントアセンブリ６を形成するステップや、第一のレーザビームと第二のレーザビームとを照射するステップにおいて、真空プレート１を用いることができる。また、本開示は、図１に示す真空プレートに限定されない。図１の真空プレートは、溶融ステップおよび切断ステップにおいて、セパレータ材料を通じて気体を吸引し、それにより吸引圧をかけて電気化学コンポーネントアセンブリ６を静止保持しさえすれば、任意の適切な真空プレートであっても良い。

図２は、本発明の特徴に従って、真空プレートが第一のセパレータ３で覆われた真空テーブル１００を示す。図２において、第一のセパレータ３は、真空テーブル１００の上面２に載せられている。第一のセパレータ３は、例えば、電気絶縁材料、具体的には、多孔性のポリマー材料から成る。

第一のセパレータ３のサイズや形状はどんなものであっても良いが、後に当該第一のセパレータ３の上面に載せられる固体電気化学コンポーネントよりもわずかに大きくなければならない。また、真空プレート１に対しては、第一のセパレータ３が真空プレート１とぴったりと合うサイズにしても良いし、真空プレート１よりもわずかに大きく、または小さくしても良い。第一のセパレータ３（又は第二のセパレータ５）のサイズや形状は、精密に作る必要はない。セパレータを、カプセル封入される電気化学コンポーネントよりも大きくすれば良い。ただし、材料の無駄を減らすために、セパレータのサイズは、カプセル封入されるコンポーネントよりも極めてわずかに大きくすることが好ましい。第一のセパレータ３の厚みに関しては、真空プレートが第一のセパレータ３の細孔から気体を吸引し、第一のセパレータ３を定位置に保持することができさえすれば、特に制約はない。

図３は、第一のセパレータ３と固体電気化学コンポーネント４とが載せられた真空テーブル１００を示す。図３において、固体電気化学コンポーネント４は、第一のセパレータ３の上面１０に載せられている。この第一のセパレータ３は、図２で示したとおり、あらかじめ真空プレートの上に置かれたものである。固体電気化学コンポーネント４は、電極（すなわち、アノード及びカソード）などの任意のタイプの固体電気化学コンポーネントとすることができる。例えば、固体電気化学コンポーネントは、電池電極、より好ましくは、リチウムを含むリチウムイオン電池電極とすることができる。加えて、固体電気化学コンポーネント４は、例えば、リチウム、ニッケル、高表面積炭素、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される材料から成るものとすることもできる。ただし、上記の固体電気化学コンポーネント４は、電池電極に限定されるわけではなく、多孔性または多孔質の材料でカプセル封入する必要がある任意のコンポーネントの関連分野においても利用できる。例えば、固体電気化学コンポーネントは、燃料電池電極であっても良い。また、固体電気化学コンポーネント４の形状に制約はない。固体電気化学コンポーネント４は、矩形や円形などの形状であっても良い。

一つの例示的な実施形態において、固体電気化学コンポーネント４は、例えばアノードとする。アノードは、一例として、グラファイト、硬質炭素、軟質炭素、リチウムチタン酸塩、シリコン、錫、非晶質錫複合酸化物、ミッシュメタル合金、三元金属バナジウム、及びメタロイドからなるものとすることができる。別の例示的な実施形態において、固体電気化学コンポーネント４は例えばカソードとする。カソードは、一例として、酸化コバルトリチウム（コバルト酸リチウム）、酸化マンガンリチウム（マンガン酸リチウム）、リン酸鉄リチウム、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミ複合酸化物、コバルト酸化物、ニッケルコバルト酸化物、層状マンガン酸化物、リン酸鉄、そして硫化リチウムからなるものとすることができる。

図４は、第一のセパレータ３、固体電気化学コンポーネント４、及び第二のセパレータ５が積層された真空テーブル１００を示す。図４において、第二のセパレータ５は、固体電気化学コンポーネント４の上面１１に載せられている。この固体電気化学コンポーネント４は、図３で示したとおり、あらかじめ第一のセパレータ３の上面１０に置かれたものである。第二のセパレータ５は、例えば、電気絶縁材料、具体的には、多孔性のポリマー材料から成る。

第二のセパレータ５のサイズや形状はどんなものであっても良いが、当該第二のセパレータ５の下に配置される個体電気化学コンポーネント４よりもわずかに大きくなければならない。また、真空プレート１に対しては、第二のセパレータ５は真空プレート１とぴったりと合うサイズにしても良いし、真空プレート１よりもわずかに大きく、または小さくしても良い。第二のセパレータ５の厚みに関しては、真空プレート１が第一のセパレータ３の穴から気体を吸引し、第二のセパレータ５を定位置に保持することができさえすれば、特に制約はない。

一つの例示的な実施形態において、第一のセパレータ３は、第二のセパレータ５とは別個の材料シートである。一方、別の例示的な実施形態において、第一のセパレータ３と第二のセパレータ５とは、一枚のセパレータ材料を折り曲げて形成される。この別の実施形態においては、セパレータ材料をまず真空プレート１に載せる。そのセパレータ材料の一部分（すなわち、第一のセパレータ３として機能するセパレータ材料の部分）に固体電気化学コンポーネント４を載せる。その後、セパレータ材料を、例えば中央部分で固体電気化学コンポーネント４の上面１１を覆うように折り曲げる。ここで、セパレータ材料のうち、固体電気化学コンポーネント４の上面１１を覆うように折り曲げられた部分は、第二のセパレータ５として機能する。コンポーネント４の両面にセパレータ材料層が設けられる点では、いずれの実施形態も同じ結果が得られる。

図５は、図４に示す実施形態において、真空テーブル１００を用いて真空７を供給するステップ利用した例を示す。真空テーブル１００は、真空７を供給して、第一のセパレータ３及び第二のセパレータ５を通じて気体を吸引する。第一のセパレータ３及び第二のセパレータ５が多孔性材料からなる場合は、多孔性材料の細孔から気体が吸引されるので、真空テーブルは、セパレータ３、５と共に当該セパレータ３、５の間に置かれた固体電気化学コンポーネント４に吸引力／引張力を加えて保持する働きをする。したがって、真空７により、第一のセパレータ３と第二のセパレータ５との（後述する）溶融プロセス、接合プロセス、及び切断プロセスの間、電気化学コンポーネントアセンブリ６は動かない状態を維持する。

図６は、真空テーブル１００の上面２に置かれた電気化学コンポーネントアセンブリ６の上方にレーザ１６を配置した様子を示す。レーザ１６としては、レーザビームのパワーが可変で制御可能であり且つそのレーザビームの進路（向き）を対象に向けて操作制御することができる従来の様々なレーザのうち任意のものを用いることができる。そうしたレーザは、一般にエングレービングに使用されている。本発明のいくつかの実施形態によれば、レーザ１６は、調節可能な２つのエネルギーレベルを持つビームを照射するよう制御される。第一のレーザビームのパワーレベルは、比較的低く、第二のレーザビームのパワーレベルは、比較的高い。つまり、第一のレーザビームのパワーレベルは、第二のレーザビームのパワーレベルより低い。

例示的な実施形態において、まず、真空プレート１による真空７を電気化学コンポーネントアセンブリ６に供給しながら、電気化学コンポーネントアセンブリ６に含まれる固体電気化学コンポーネント４の外周２１の少なくとも一部の周囲に、第一のレーザビームを照射し、それによりセパレータ３、５を溶融する。固体電気化学コンポーネント４の周囲２１に対して、レーザ１６から第一のレーザビームを照射することにより、第一のセパレータ３及び第二のセパレータ５のレーザ照射部分が溶融し接合されて、溶融領域１３を形成する。第一のレーザビームの（第一の）パワーレベルは、セパレータ材料を溶融するのに十分な高さではあるが、セパレータ材料を切断するほど高くはない。溶融に用いるパワーレベルは、セパレータ材料のマテリアル（組成や厚み）によって決まる。溶融領域１３は通常、固体電気化学コンポーネント４の周囲を完全には取り囲まない。例えば、第一のセパレータ３と第二のセパレータ５との間には、通常少なくとも１つの開口部１４が存在する。開口部１４があることにより、電池への組み込みの際の電気化学コンポーネント４への電解液などの注入が可能となる。

さまざまな実施形態において、第一のレーザビームの照射は、複数のジグザグ部分１５Ｃ（図７Ｃ）、直線部分１５Ａ（図７Ａ）、または曲線部分１５Ｂ（図７Ｂ）を含む溶融ゾーン１３のステッチ形状に従って行われる。ステッチ形状は、ステッチ形状がジグザグ部分１５Ｃ、直線部分１５Ａ、又は曲線部分１５Ｂのいずれからなる場合であっても、固体電気化学コンポーネント４を完全には取り囲まない溶融領域１３を形成する。上述したように、１つまたは複数の開口部１４が存在し、そこから、流体、具体的に言えば電解液を電気化学コンポーネント４に注入することができる。レーザ１６はプログラム化されるため、前記ステッチ形状は思い通りに変形させることができる。ステッチ形状は、例えば、直線、曲線、及び／あるいはジグザグ線を様々に組み合わせることとしても良い。

例示的な実施形態において、次に、真空プレート１による真空７を電気化学コンポーネントアセンブリ６に供給しながら、電気化学コンポーネントアセンブリ６に含まれる固体電気化学コンポーネント４の外周２１の周囲に第二のレーザビームを照射する。固体電気化学コンポーネント４の外周２１の周囲にレーザ１６から第二のレーザビームを照射することにより、第一のセパレータ３及び第二のセパレータ５が切断され、その結果、カプセル封入された固体電気化学コンポーネント２０が形成される。第二のレーザビームの（第二の）パワーレベルは、第一のレーザビームよりも高く、セパレータ材料３、５を切断するのに十分な高さである。切断に用いる具体的なパワーレベルは、セパレータ材料のマテリアル（組成や厚み）によって決まる。第二の（切断用）レーザビームがたどる経路は概して、カプセル封入された固体電気化学コンポーネント４の外周に密接に追従する。

例示的な実施形態において、第一のレーザビームと第二のレーザビームとは、固定式レーザ源（レーザ１６）から発せられる。発せられたレーザビームは、可動ミラー１７で反射され、真空プレート１の上に置かれた電気化学コンポーネントアセンブリ６に向けられる（図９参照）。可動ミラー７は、第一のレーザビームを、ステッチ形状（図７Ａ〜７Ｃ）が形成されるよう電気化学コンポーネントアセンブリ６内の固体電気化学コンポーネント４の外周２１の周囲に方向付け、次に、第二のレーザビームを、余剰セパレータ材料が「トリミング」されるよう当該コンポーネント４の外周の周囲に方向付ける、という形で動く。先述したように、一例として、第一のレーザビームと第二のレーザビームは、同一のソース、すなわちレーザ１６から発せられる。ただし、発せられたレーザビームを可動ミラー１７により反射させる替わりに、リニア電気機械式アクチュエータにより動かすことが可能なレーザヘッドから照射することとしても良い。レーザから第一のレーザビームと第二のレーザビームとが照射される際、コンポーネント４の外周の周囲におけるそれぞれのレーザビームのパワーレベルや速度は、実行される特定の用途に応じて変化される。例えば、切断ステップにおいて、第二のレーザビームのパワーは、第一のセパレータ３と第二のセパレータ５との両方を切断するのに十分となるよう、第一のレーザビームのパワーよりも高く設定される。あるいは、例えば、切断ステップにおいて、第二のレーザビームの移動速度は、第一のセパレータ３と第二のセパレータ５との両方を切断するのに十分なレーザエネルギーが蓄えられるよう、第一のレーザビームの速度より低く設定される。

図９に概略的に示すように、レーザ１６は、可動ミラー１７に向かってレーザビームＬＢを発するレーザ源３１を備える。可動ミラー１７は、図９の矢印で示されるように、真空テーブル１００の真空プレート１の表面で規定されるＸ−Ｙ面に置かれたコンポーネント４の外周の周囲にレーザビームが方向付けられるよう、多方向に動かすことができる。可動ミラー１７は、レーザ源３１のパワーレベル制御にも用いられるコントローラ（例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、そしてＲＡＭなど）で制御されるアクチュエータ（例えば、圧電アクチュエータ）を用いて動かされる。

好ましい実施形態において、第二のレーザビームは、例えば第一のレーザビームにより形成された溶融領域１３に照射される。溶融領域１３に第二のレーザビームを照射すると、セパレータ３、５に高度に正確で均一な切断を施して、カプセル封入された固体電気化学コンポーネント２０から余分なセパレータ材料２３を取り除くことができる。溶融領域１３内で切断を行うことにより、カプセル封入された固体電気化学コンポーネント２０に含まれるセパレータ３、５の縁の擦り切れや捩れ、あるいはその変形によるカプセル封入固体電気化学コンポーネント２０の機能低下が生じる恐れが低減される。さらに、セパレータ３、５の切断にレーザを用いることで、カプセル封入された固体電気化学コンポーネント２０の汚染も低減される。

レーザ１６は、例えば、ＣＯ_２レーザであっても良い。加えて、第一のレーザビームと第二のレーザビームとを電気化学コンポーネントアセンブリ６に照射するためのプログラムを実行するために、コンピュータモデリング／プロファイリングソフトウェアがコンピュータで利用される。このソフトウェアは、電極／電気化学コンポーネントのあらゆるサイズ及び／あるいは形状の変化を許容する。様々な電極のサイズ及び／あるいは形状を許容するためには、電極のパラメータをモデリング／プロファイリングソフトウェアに入力しさえすれば良い。

例示的な実施形態で述べたように、カプセル封入された固体電気化学コンポーネント２０の形成方法は、まず、第一のセパレータ３を真空テーブル１００の上面２に積層するステップを含む。その後、第一のセパレータ３の上面１０に、固体電気化学コンポーネント、すなわち電極４を、それから第二のセパレータ５を積層して、電気化学コンポーネントアセンブリ６を形成する。先述した真空プレート１の真空の供給は、こうしたコンポーネントを積層して電気化学コンポーネントアセンブリ６を作成する積層ステップ中に行っても、当該ステップの後に行っても、当該ステップ中及びステップ後の両方に行っても良い。真空プレート１の真空７が電気化学コンポーネントアセンブリ６に供給されたら、前記第一のレーザビームを固体電気化学コンポーネント４の外周の周囲に照射する。第二のレーザビームより低いパワーを有するこの第一のレーザビームは、固体電気化学コンポーネント４の外周２１の少なくとも一部の周囲に照射される。第一のレーザビームが照射されたセパレータ３、５の部分は、溶融して接合され、溶融領域を形成する。さらに真空プレート１の真空７を供給しながら、レーザ１６から、第一のレーザビームより高いパワーを有する第二のレーザビームを、固体電気化学コンポーネント４の外周２１全体の周囲に照射する。第二のレーザビームは、先述したように、カプセル封入されたばかりの固体電気化学コンポーネント２０から余分なセパレータ材料２３を取り除くために、第一のセパレータ３と第二のセパレータ５とを切断する働きを持つ。

そうしてカプセル封入された固体電気化学コンポーネント２０が、複数個形成されると、これらのカプセル封入固体電気化学コンポーネント２０は、電池またはセルの形成に用いられる。上記の方法は、特に、カソードとアノードとの両方をカプセル封入するため利用することができる。すなわち、電池の作成は、以下のようになされる。まず、カプセル封入されたアノードとカプセル封入されたカソードとを交互に積層する。これらのカプセル封入されたアノードとカソードには、積層後に、電解液が注入される（積層されたアノード及びカソードと電解液がハウジング内に設けられる）。カプセル封入プロセスにおいてカプセル封入されるアノードとカソードとの間に形成される開口部１４により、セパレータの内部にカプセル封入された状態でありながら、電解液とカソード及びアノードとの接触が可能となる。

先に述べたように、カプセル封入された電極は、いかなる電池の形成にも用いることができる。特に、カプセル封入された電極は、リチウムイオン電池の形成に用いられる。

以上、カプセル封入された電気化学コンポーネント／電極の形成方法の例示的な実施形態を述べてきたが、これらの実施形態は一例であり、本発明はこれらに限定されない。本発明の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。

Claims (31)

1. カプセル封入された固体電気化学コンポーネントを形成する方法であって、
   電気化学コンポーネントアセンブリを形成するために、第一のセパレータ、固体電気化学コンポーネント、及び第二のセパレータを、真空プレートの上面に順に積層するステップと、
   前記真空プレートを用いて、前記電気化学コンポーネントアセンブリに真空を供給するステップと、
   真空を供給しながら、前記電気化学コンポーネントアセンブリ内の前記固体電気化学コンポーネントの外周の少なくとも一部分の周囲に、溶融領域形成用の第一のレーザビームを、当該第一のレーザビームの照射により、前記固体電気化学コンポーネントの外周の少なくとも一部分を取り囲む前記第一のセパレータと第二のセパレータの部分が溶融し接合されるよう、照射するステップと、
   真空を供給しながら、前記電気化学コンポーネントアセンブリ内の前記固体電気化学コンポーネントの外周の周囲に、第二のレーザビームを、当該第二のレーザビームの照射により前記固体電気化学コンポーネントの外周の周囲において前記第一のセパレータと前記第二のセパレータが切断されるよう、照射するステップ、とを備える方法。
2. 前記固体電気化学コンポーネントは、電極である、請求項１記載の方法。
3. 前記電極は、電池電極である、請求項２記載の方法。
4. 前記電池電極は、リチウムを含んだリチウムイオン電池である、請求項３記載の方法。
5. 前記前記電極は、リチウム、ニッケル、高表面積炭素、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含んでいる、請求項２記載の方法。
6. 前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、電気絶縁材料から形成されている、請求項１記載の方法。
7. 前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、２枚の別個のシートである、請求項１記載の方法。
8. 前記溶融領域は、前記固体電気化学コンポーネントを完全には取り囲まないで、前記第一のセパレータと前記第二のセパレータとの間に少なくとも１つの開口部が存在する、請求項１記載の方法。
9. 前記第一のレーザビームを照射するステップは、複数のジグザグ部分、直線部分、または曲線部分を含むステッチ形状に沿って行われる、請求項１記載の方法。
10. 前記電気化学コンポーネントの形状は、矩形である、請求項１記載の方法。
11. 前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、多孔性のポリマー材料から形成されている、請求項１記載の方法。
12. 前記第一のレーザビーム及び第二のレーザビームが、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータを溶融、接合するため及び切断するため照射される間、前記第一のセパレータ、前記固体電気化学コンポーネント、及び前記第二のセパレータの位置を維持するために、前記真空プレートを用いて供給される真空により、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータを通じて気体を吸引する、請求項１１記載の方法。
13. 前記第二のレーザビームの照射ステップにおいて、当該第二のレーザビームは前記溶融領域を切断する、請求項１記載の方法。
14. 前記第一のレーザビームの照射ステップと前記第二のレーザビームの照射ステップとは、
    当該第一のレーザビームと第二のレーザビームを固定式のレーザ源から発するステップと、
    前記発せられたレーザビームを、可動ミラーで反射させて、前記真空プレートに置かれた前記電気化学コンポーネントアセンブリへ方向付けるステップ、とをさらに有する、請求項１記載の方法。
15. 前記第一のレーザビームと前記第二のレーザビームとは、単一のソースから発せられる、請求項１記載の方法。
16. 前記積層ステップ中も、前記プレートを用いて真空を供給する、請求項１記載の方法。
17. 請求項１記載の方法により形成される、カプセル封入された電気化学コンポーネント。
18. 前記第一のレーザビームは、比較的低い第一のパワーを有し、前記第二のレーザビームは、比較的高い第二のパワーを有し、当該比較的高い第二のパワーは前記比較的低い第一のパワーよりも高い、請求項１記載の方法。
19. 前記第一のレーザビームは、前記固定電気化学コンポーネントの外周の周囲に、比較的速い第一の速度で向けられ、前記第二のレーザビームは、前記固定電気化学コンポーネントの外周の周囲に、比較的低い第二の速度で向けられ、前記比較的速い第一の速度は前記比較的低い第二の速度より高い、請求項１記載の方法。
20. 電池の形成方法であって、
    請求項１記載の方法により、カプセル封入された固体電気化学コンポーネントを、カプセル封入されたカソードを第一のセット、カプセル封入されたアノードを第二のセットとして、複数セット作成するステップと、
    前記カプセル封入されたアノードとカソードとを交互に積層するステップと、
    前記積層後のカプセル封入されたアノードとカソードとの間に電解液を設けるステップ、とを備える方法。
21. 請求項２０の方法により形成される電池。
22. カプセル封入された電池電極を形成する方法であって、
    電極アセンブリを形成するために、第一のセパレータ、電極、及び第二のセパレータを、真空プレートの上面に順に積層するステップと、
    真空プレートを用いて、前記電極アセンブリに真空を供給するステップと、
    真空を供給しながら、前記電極アセンブリ内の前記電極の外周の少なくとも一部分の周囲に、溶融領域形成用の第一のレーザビームを、当該第一のレーザビームの照射により、前記電極の外周の少なくとも一部分を取り囲む前記第一のセパレータと第二のセパレータの部分が溶融し接合されるよう、照射するステップと、
    真空を供給しながら、前記電極アセンブリ内の前記電極の外周の周囲に、第二のレーザビームを、当該第二のレーザビームの照射により前記電極の外周の周囲において前記第一のセパレータと前記第二のセパレータが切断されるよう、照射するステップ、とを備える方法。
23. 前記電池電極は、リチウムを含んだリチウムイオン電池である、請求項２２記載の方法。
24. 前記前記電極は、リチウム、ニッケル、高表面積炭素、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含んでいる、請求項２２記載の方法。
25. 前記第一のセパレータと前記第二のセパレータは、電気絶縁材料から形成されている、請求項２２記載の方法。
26. 前記溶融領域は、前記電極を完全には取り囲まないで、前記第一のセパレータと前記第二のセパレータとの間に少なくとも１つの開口部が存在する、請求項２２記載の方法。
27. 前記第一のレーザビーム及び第二のレーザビームが、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータを溶融、接合するため及び切断するため照射される間、前記第一のセパレータ、前記電極、及び前記第二のセパレータの位置を維持するために、前記真空プレートを用いて供給される真空により、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータを通じて気体を吸引する、請求項２２記載の方法。
28. 前記第二のレーザビームの照射ステップにおいて、当該第二のレーザビームは前記溶融領域を切断する、請求項２２記載の方法。
29. 前記積層ステップ中も、前記プレートを用いて真空を供給する、請求項２２記載の方法。
30. 前記第一のレーザビームは、比較的低い第一のパワーを有し、前記第二のレーザビームは、比較的高い第二のパワーを有し、当該比較的高い第二のパワーは前記比較的低い第一のパワーよりも高い、請求項２２記載の方法。
31. 前記第一のレーザビームは、前記電極の外周の周囲に、比較的速い第一の速度で向けられ、前記第二のレーザビームは、前記電極の外周の周囲に、比較的低い第二の速度で向けられ、前記比較的速い第一の速度は前記比較的低い第二の速度より高い、請求項２２記載の方法。

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