JP2013506967A - 電気化学的電池およびこのような電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

電気化学的電池（１）は、電気化学的電池のカバー（４）の内側に配置される少なくとも１個の電極スタック（２）を備えている。電極スタック（２）は少なくとも第１の電極層（５）と第２の電極層（６）とを有している。前記第１の電極層（５）と前記第２の電極層（６）との間にセパレータ層（７）が配置されている。前記第１の電極層（５）は前記第２の電極層（６）よりも小さな平面拡がりを有している。前記第１の電極層（５）に隣接して、特に機械的に安定なエッジ層（８）が配置されている。

Description

本発明は、特に活性材料の複数個の層を備えた電極スタックを有する電気化学的電池に関するものである。本発明は、さらに、前記電気化学的電池の製造方法に関わる。本発明は、さらに、少なくとも１個の前記電気化学的電池を備えたバッテリーに関わる。

アノードとカソードとが交互に配置され、アノードとカソードとの間にそれぞれセパレータが設けられているリチウム・イオン電池が知られている。特にリチウム・イオン電池の場合、通常カソードはアノードよりも小さな平面拡がりを有している。これにより、カソードのエッジ領域に隙間が生じることがあり、その結果この領域でアノードが撓むことがあり、特に電気化学的電池に外部から圧力が作用する場合にそうである。何度も撓みを繰り返した個所で電気化学的電池が老朽化現象を生じさせることがある。

本発明の課題は、改善した電気化学的電池を提供することである。

本発明の基本的な課題は、電気化学的電池のカバーの内側に配置される少なくとも１個の電極スタックを備え、該電極スタックが少なくとも１つのカソード層と１つのアノード層とを有し、第１の電極層と第２の電極層との間にセパレータ層が配置され、前記カソード層が前記アノード層よりも小さな平面拡がりを有している電気化学的電池によって解決される。この電気化学的電池は、さらに、前記第１の電極層に隣接してエッジ層が配置されていることを特徴としている。エッジ層は好ましくは機械的に安定に構成されている。

本発明の意味では、電極スタックとは、蓄電池のデバイスとして、化学的エネルギーの蓄積および電気エネルギーの放出に用いられる機構である。このため電極スタックは複数個の板状要素、すなわち少なくとも２個の電極、すなわち特にアノードおよびカソードと、少なくともいくらかの電解液を吸収したセパレータとを有している。好ましくは、少なくとも１個のアノードとセパレータとカソードとが互いに重設されまたは蓄積され、その際セパレータは少なくとも部分的にアノードおよびカソードの間に配置されている。この一連のアノードとセパレータとカソードの重なりは電極スタックの内部で任意の回数繰り返していてよい。好ましくは、板状要素は巻回されて１個の電極巻線を形成している。以下では、「電極スタック」という概念を電極巻線に対しても使用する。電気エネルギーを放出する前に、蓄積されている化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。電極スタックまたは蓄電池に供給された電気エネルギーは充電の間に化学エネルギーに変換され、蓄積される。好ましくは、電極スタックは複数個の電極対とセパレータとを有している。特に好ましくは、いくつかの電極が重なり合うように特に互いに導電接続されている。

カバーとは、本発明の範囲内では、電極スタックを外部に対し境界づける少なくとも部分的な境界部である。カバーは好ましくは気密で且つ液密であり、その結果周囲との物質交換を行うことができない。電極スタックはカバーの内側に配置されている。少なくとも１個の導電体、特に２個の導電体はカバーから突出して延在し、電極スタックを接続させるために用いる。外部へ延在している導電体は好ましくは電気化学的電池のプラス極接続部およびマイナス極接続部である。いくつかの導電体、特に４個の導電体がカバーを起点として延在していてもよい。電気化学的電池が互いに直列に接続されている２個の電極スタックを有している場合には、異なる電極スタックの２個の電極が互いに接続されている。

なお、導電体とは導電材料から製造されている要素である。幾何学的に互いに切り離されている２つの点の間で電流を誘導するために用いられる。本例では、１個の導電体が１個の電極スタックと接続されている。特に、導電体は電極スタックの同種の全ての電極と接続され、すなわちアノードまたはカソードと接続されている。もちろん、１個の導電体は１個の電極スタックのアノードとカソードとに同時に接続されていない。短絡が生じるからである。しかしながら、１個の導電体は異なる電極スタックの異なる電極と接続されていてよく、たとえば２個の電極スタックを直列に接続する場合がそうである。少なくとも１個の導電体はカバーを起点として延在し、その際電気化学的電池を外部に接続するために用いる。導電体は１個または複数個の電極と一体に形成されていてよい。導電体と電極との間の境界においては、導電体は特に活性電極材で被覆されていない。

第１の電極層にエッジ層を設けることにより、カソード層を機械的に拡大させることができる。この拡大により、圧力が一定である場合、電極層に対する、特にカソード層に対する面圧が減少する。この場合好ましくは、カソード層とエッジ層とは共通の面内に配置されている。第１の電極層に当接して該第１の電極層のエッジ領域においてカソード層と特にオーバーラップしているセパレータ層は、エッジ層によって支持することができる。これにより、特に、セパレータ層の第１の電極層とは逆の側に配置されているアノード層もエッジ層によって間接的に支持することができる。これによって特に、セパレータ層のオーバーラップの領域および特に第２の電極層のエッジ領域にも発生することのある撓みが減少する。その他にもこのような撓みは、特に、電気化学的電池に対して外部から力が作用する場合、特に圧力が作用する場合に発生することがある。これは特に電気化学的電池の製造中に起こる可能性がある。

好ましくは、エッジ層は少なくとも第１の電極層の１つの側面に配置されている。特に、エッジ層は第１の電極層の、導電体が該カソード層に接続されている側面に配置されている。この場合、導電体は好ましくは活性電極材で被覆されていない。この限りでは、導電体は第１の電極層の横断面厚さよりも薄い横断面厚さを有することができる。従って、導電体の領域にエッジ層が装着されていることにより、導電体の横断面厚さは、エッジ層のある程度の横断面厚さ分だけ、特に該導電体と第１の電極層との間のインターフェースの領域でのカソード層の横断面厚さに相当する横断面厚さに増大させることができる。

好ましくは、エッジ層は、少なくとも、第１の電極層のそれぞれ対向している２つの側面に配置されている。すなわち、基本的には、エッジ層は積層されて、特に互いに結合されていない複数個のエッジ層部分を形成してよい。この場合、特に、カソード層が第２の電極層の中心に対して配向されている場合に、エッジ層の中心を第２の電極層の両軸線方向突出部で支持できるよう保証することができる。

好ましくは、エッジ層はカソード層のまわりに周回するように配置されている。これにより、カソード層のまわりの周回領域を補強することができる。特に、これによってアノード層は周回領域においてエッジ層によって支持される。エッジ層はカソード層周囲で特に支持フレームを形成することができる。

好ましくは、第１の電極層はエッジ層とともに複合層を形成している。この場合複合層は、好ましくは、連続するカソード層をもつ機械的特性を有する。これによって、第１の電極層の小さな平面拡がりによって生じるすべての欠点を解消できる。

好ましくは、複合層の長さは第２の電極層の長さに相当している。好ましくは、複合層の幅は第２の電極層の幅に相当している。

好ましくは、複合層の輪郭は第２の電極層の輪郭に相当している。ここで「相当している」とは、広く解釈すべき概念である。特に、製造技術によって生じる誤差は許容される。さらに、２つの長さ表示の間での一桁のパーセンテージのずれは完全に許容される。しかし、好ましくは、このずれは幾何学的面積に関しては比較的小さく、特に５％未満である。

好ましくは、エッジ層は第１の電極層の横断面厚さに実質的に相当する横断面厚さを有している。この場合、好ましくは、エッジ層は第１の電極層の硬度にほぼ相当する硬度を有している。特に機械的特性が類似していれば、とりわけ弾性特性および／または塑性特性が類似していれば、エッジ層は拡大されたカソード層のように振る舞うことができる。特に、第１の層はカソード層であってよく、第２の層はアノード層であってよい。

本発明は、さらに、この種の電気化学的電池を製造する方法において、少なくとも電極層の１つの側面にエッジ層を装着することよって前記課題を解決するものである。エッジ層と第１の電極層とを共通の面内に配置してよい。エッジ層を少なくとも第１の電極層の１つの側面に配置してよく、特に第１の電極層の、導電体が該第１の電極層に接続されている側面に配置してよい。好ましくは、エッジ層を、少なくとも、第１の電極層のそれぞれ対向している２つの側面に配置してよい。さらに、好ましくは、エッジ層を第１の電極層のまわりに周回するように配置してよい。好ましくは、複合層をエッジ層とともに第１の電極層から形成させる。これに関しては前記利点を参照されたい。

本発明の他の利点、特徴、適用可能性は、図面を用いた以下の説明から明らかである。

平面構成の本発明による電気化学的電池を横断面で示したものである。 図１の電気化学的電池を、エッジ層を装着する前に横断面で示した詳細図である。 図１の電気化学的電池を、エッジ層を装着した後に横断面で示した詳細図である。 ａ）は図１の電気化学的電池のカソードを、エッジ層を装着する前に示した図、ｂ）は図１の電気化学的電池のカソードを、エッジ層を装着した後に示した図である。 ａ）は図１のカソードの変形実施形態を、エッジ層を装着する前に示した図、ｂ）は図１のカソードの変形実施形態を、エッジ層を装着した後に示した図、ｃ）は図１の電気化学的電池のアノードの図である。

図１には、本発明による電気化学的電池１が示されている。電気化学的電池１はカバー４の内側に受容されている電極スタック２を含んでいる。カバー４は、実質的に、包装用箔から製造された２個の成形部材から成っている。これら成形部材は深絞り工程で図示した形状にもたらされる。カバー４は十分弾性があるように形成され、その結果外部作用力を電極スタックへ誘導することができるので、カバー４は外部作用力に対し制限的な抵抗力を有している。電気化学的電池１のエッジ領域での力Ｆ_Ｒが中央領域に発生する力Ｆ_Ｚよりも大きい可能性があることは明らかである。

図１では、電極層２に、カバー４を貫通して延在する複数個の導電体３が導電接続されていることは見て取れない。

図２は、図１の電気化学的電池１の電極スタック２の一部を拡大して図示したものである。電極スタック２は、複数個の第１の電極層５と複数個の第２の電極層６とを有している。電極層５，６は平面状に構成されて、面Ｅに平行に配置されている。第１の電極層５と第２の電極層６とはそれぞれ交互に配置されている。本例ではカソード層である第１の電極層５と、本例ではアノード層である第２の電極層６との間には、それぞれセパレータ層７が配置されている。

電極層５，６の外側に配置されている導電体３が見て取れる。電極層５，６の内側での導電体３の延長部は電極１３，１４を形成している。この場合、カソード層５の内側にはカソード１３が設けられ、アノード層６の内側にはアノード１４が設けられている。導電体３はそれぞれの電極１３，１４と一体に形成されていてよい。しかし、導電体３を電極１３，１４とは別個に形成して、該電極と導電結合させてもよい。

カソード層５はアノード層６よりも小さな平面拡がりを有している。従って、エッジ領域１１においてアノード層６がカソード層５から突出しているのが見て取れる。これにより２個のアノード層６の間にそれぞれ隙間１２があり、該隙間は片側をカソード層５の側面９によって画成される。隙間１２があるために、層のそれぞれの面Ｅに対し垂直に外部から力が作用するケースでは、アノード層６は抵抗力に対して抵抗せず、その結果アノード層６がエッジ領域１１において撓んで隙間１２のなかへ入り込むことがある。これを破線で示唆した。これは電極スタックの老朽化現象を生じさせ得る。

図３は、エッジ層８を装着した、図２の電極スタック２の部分を示している。この場合、隙間１２がポリウレタンから成るエッジ層８によって完全に充填されていることが見て取れる。その際、エッジ層８はカソード層５の側面９に装着され、これとともに面Ｅ内に配置されている。この点では、カソード層５とエッジ層８とは、それぞれ２個のアノード層６の間に配置されている複合層１０を形成している。このように隙間１２がエッジ層８によって充填されていることにより、エッジ層８は、エッジ領域１１でのアノード層６の撓みを阻止することのできる抵抗力付与の要素として作用する。この場合、エッジ層８はカソード層５の硬度に相当する硬度を有する。

なお、エッジ層８は機械的に安定に特にアノード層６に作用する。

図４ａ）はエッジ層を装着する前のカソード層５を示している。カソード層５は長さＬ_１と幅Ｂ_１とを有している。導電体３は側面９でカソードに接続されている。

図４ｂ）では、カソード層５の側面９にエッジ層８が装着されたことが見て取れる。カソード層５の残りの側面はエッジ層８を備えていない。カソード層５とエッジ層８とから形成される複合層１０が長さＬ_２を有し、一方幅Ｂ_１はカソード層５の対応する幅に対して不変のままであることが見て取れる。

図５ｂ）は、図４に図示したものとは別の本発明の構成を示している。図５ｂ）によれば、カソード層５にはエッジ層１１がカソード層５のまわりに周回するように装着され、その結果これから複合層１０が形成されている。従って、複合層１０の長さＬ_２も幅Ｂ_２もカソード層５の長さＬ_１および幅Ｂ_１よりも大きい。

図５ｃ）には、本発明による電気化学的電池のアノード層６が例示されている。この場合、長さＬ_２は複合層１０の長さＬ_２に相当している。アノード層６の幅Ｂ_２は複合層１０の幅Ｂ_２に相当している。

１ 電気化学的電池
２ 電極スタック
３ 導電体
４ カバー
５ カソード層
６ アノード層
７ セパレータ層
８ エッジ層
９ 側面
１０ 複合層
１１ エッジ領域
１２ 隙間
１３ カソード
１４ アノード
１５ 活性カソード材
１６ 活性アノード材
Ｅ 面
Ｂ 幅
Ｌ 長さ
Ｆ 力

Claims (18)

1. 電気化学的電池のカバー（４）の内側に配置される少なくとも１個の電極スタック（２）を備え、該電極スタック（２）が少なくとも第１の電極層（５）と第２の電極層（６）とを有し、前記第１の電極層（５）と前記第２の電極層（６）との間にセパレータ層（７）が配置され、前記第１の電極層（５）が前記第２の電極層（６）よりも小さな平面拡がりを有している電気化学的電池（１）において、
   前記第１の電極層（５）に隣接して、特に機械的に安定なエッジ層（８）が配置されていることを特徴とする電気化学的電池。
2. 前記第１の電極層（５）と前記エッジ層（８）とが共通の面（Ｅ）内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学的電池。
3. 前記エッジ層（８）が少なくとも前記第１の電極層（５）の１つの側面（９）に配置され、特に前記第１の電極層の、導電体（３）が該第１の電極層（５）に接続されている側面に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気化学的電池。
4. 前記エッジ層（８）が、少なくとも、前記第１の電極層（５）のそれぞれ対向している２つの側面（９）に配置されていることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
5. 前記エッジ層（８）が前記第１の電極層（５）のまわりに周回するように配置されていることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
6. 前記第１の電極層（５）が前記エッジ層（８）とともに複合層（１０）を形成していることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
7. 前記複合層（１０）の長さ（Ｌ_３）が前記第２の電極層（６）の長さ（Ｌ_２）に相当していることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
8. 前記複合層の幅が前記第２の電極層（６）の幅に相当していることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
9. 前記エッジ層（８）が前記第１の電極層（５）の横断面厚さに実質的に相当する横断面厚さを有していることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
10. 前記エッジ層（８）が前記第１の電極層（５）の硬度にほぼ相当する硬度を有していることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
11. 前記第１の電極層がカソード層（５）であり、前記第２の電極層がアノード層（６）であることを特徴とする、上記請求項の少なくとも１つに記載の電気化学的電池。
12. 上記請求項の少なくとも１つに記載の少なくとも１個の電気化学的電池（１）を備えたバッテリー。
13. 電気化学的電池（１）を製造する方法であって、前記電気化学的電池（１）が該電気化学的電池のカバー（４）の内側に配置される少なくとも１個の電極スタック（２）を備え、該電極スタック（２）が少なくとも第１の電極層（５）と第２の電極層（６）とを有し、前記第１の電極層（５）と前記第２の電極層（６）との間にセパレータ層（７）が配置され、前記第１の電極層（５）が前記第２の電極層（６）よりも小さな平面拡がりを有している電気化学的電池（１）を製造する方法において、
    少なくとも前記第１の電極層の１つの側面にエッジ層（８）を装着することを特徴とする方法。
14. 前記エッジ層（８）と前記第１の電極層（５）とを共通の面（Ｅ）内に配置することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. エッジ層（８）を少なくとも前記第１の電極層（６）の１つの側面（９）に配置し、特に前記第１の電極層（６）の、導電体（３）が該第１の電極層に接続されている側面に配置することを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記エッジ層（８）を、少なくとも、前記第１の電極層（５）のそれぞれ対向している２つの側面（９）に配置することを特徴とする、請求項１３から１５までの少なくとも一つに記載の方法。
17. 前記エッジ層（８）を前記第１の電極層（５）のまわりに周回するように配置することを特徴とする、請求項１３から１６までの少なくとも一つに記載の方法。
18. 複合層（１０）を前記エッジ層（８）とともに前記第１の電極層（５）から形成させることを特徴とする、請求項１３から１７までの少なくとも一つに記載の方法。

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