JP2014146592A - 多層バッテリ構造用の共押し出し印字ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】同じ印字ヘッド装置から１回の通過で電極と分離体などを積み重ねた多層構造を共押し出しする印字ヘッドを提供する。
【解決手段】第１のマニホルドにつながっている第１の入り口ポートと、第１の入り口ポートにつながっており、第１の入り口ポートから第１の流体を受け取るようになされた第１の通路と、第２のマニホルド又は第１のマニホルドの１つにつながっている第２の入り口ポートと、第２の入り口ポートにつながっており、第２の入り口ポートから第２の流体を受け取るようになされた第２の通路と、第１及び第２の通路系列につながっており、第１及び第２の流体を受け取るようになされた印字ヘッドの統合部分と、統合部分につながっており、統合部分からの第１及び第２の流体を垂直方向のスタックとして基材上に堆積させるようになされた出口ポートと、を有し、１回の通過で垂直方向に少なくとも２種類の層を押し出しできる共押し出し印字ヘッド。
【選択図】なし

Description

本発明の技術分野は、バッテリに関し、より詳細には、共押し出し印字ヘッドに形成された電極から得られるバッテリに関する。

バッテリ製造では、陰極材料、陽極材料、および分離体材料の本質的に異なる処理を必要とする。このことはコスト高を引き起こし、このコスト高は、依然として、主要な電気自動車およびグリッドストレージ市場での導入を妨げる障害となっている。従来のリチウムイオン電池の製造は、通常、別々の部屋で、箔と呼んでもよい電流コレクタ上に陽極材料および陰極材料のスラリー塗布で構成されている。その後、それらの陽極材料および陰極材料を薄く一定の厚さに延ばすが、このカレンダ加工は、それらを圧迫して平坦にして、それらを乾燥させて、箔を再び巻き取ることを含んでいる。その後、箔を必要な大きさに細長く切り裂いて、再び巻き取る。つづいて、電池の組み立て時に、それらの間に分離体材料をはさみながら陽極および陰極を積み重ねて、最終組み立て時に缶または容器の中に陽極および陰極を詰め込む。このプロセスは、６回以上の巻き取り／巻き出し（巻き取り）動作を通常含み、各動作は、それら自身の費用および起こり得る歩留り損失を伴っている。

多層塗布の現在の方法では、スロットコータまたはスライドコータを通常使用する。これらの工具は、金型プレートまたは分配プレートを積み重ねることにより、同時に最大３層まで塗布できる。しかしながら、粒子負荷の低い低粘性ペーストでは、層境界の適切な制御を有していない。また、米国特許第７，７００，０１９号で論じるように、これらの方法で使用する金型または印字ヘッドが、ペーストの粘度に応じて、速度制限を有する可能性がある。

米国特許第７，７００，０１９号の方法は、スロット金型を用いる多層押し出しを使用して、高分子電解質のシートといっしょに電流コレクタ上に電極材料の垂直層を製作する方法を提案している。この特許はスロットコーティングを開示しており、よりよいバッテリ構造を提供するペーストの高い粒子負荷または高い粘度を取り扱うことができない。

米国特許第７，７９９，３７１号には他の方法が開示されており、この方法では、分配されたペーストの層が互いの上に位置するように、個別のオリフィス出口を用いて多層金属スタックを製作する。この方法では、材料がいっしょに統合して、印字ヘッドの外に多層構造を形成する。これは、堆積中に基材または印字ヘッドがずれると、層間の位置合わせの問題を引き起こす可能性がある。

いくつかの米国特許および米国特許出願では、スロットコータとは対照的な共押し出し印字ヘッド、および共押し出しプロセスについて論じている。これらの種類のバッテリ電極の実施例については、米国特許第７，７６５，９４９号、第７，７８０，８１２号、第７，９２２，４７１号、ならびに米国特許公報第２０１２０１５６３６４号および第２０１２０１５３２１１号で論じている。米国特許第７，７６５，９４９号は、基材上に材料を押し出して分配するための装置を開示しており、この装置は材料を受け取るための少なくとも２個の通路と、基材上に材料を押し出すための出口ポートと、を有している。米国特許第７，７８０，８１２号は、平坦化したエッジ表面を有する他のこのような装置を開示している。米国特許第７，９２２，４７１号は、基材上に堆積した後に沈殿することのない平衡形を有する材料を押し出すための他のこのような装置を開示している。米国特許公報第２０１２０１５６３６４号および第２０１２０１５３２１１号は、２種類以上の材料の流れを組み合わせて、基材上に、材料の複数の条片がある交互嵌合（互いにかみ合った）構造を作る共押し出しヘッドを開示している。これらのどの議論も、多層構造を共押し出しすることを取り上げてはいない。

図１は、先行技術に基づいてバッテリを製造する方法の実施形態を示している。 図２は、電流コレクタを塗布するためのスロット・コーティング・システムの実施形態を示している。 図３は、共押し出しされた材料の実施形態を示している。 図４は、共押し出しされた材料の実施形態を示している。 図５は、共押し出しされた材料の実施形態を示している。 図６は、共押し出しされた材料の実施形態を示している。 図７は、垂直に積み重ねたバッテリ構造を作る方法の実施形態のフローチャートを示している。 図８は、３種類の垂直に積み重ねた材料を押し出すことができる共押し出し印字ヘッドの実施形態を示している。 図９は、１回の通過で垂直に積み重ねたバッテリ構造を押し出すことができる共押し出し印字ヘッドの実施形態の側面図を示している。 図１０は、完全に組み立てられた多層共押し出し印字ヘッドの側面図を示している。 図１１は、プレートの集合で構成された多層共押し出し印字ヘッドの実施形態を示している。 図１２は、プレートの集合で構成された多層共押し出し印字ヘッドの一部の立体分解図を示している。

図１は、バッテリを製造するためのプロセスの実施例を示している。２つのプロセスは非常に似ているが、別々のクリーンルーム内で行われる。例えば、プロセスは、１０および１１において、陰極スラリーまたは陽極スラリーの形成から始まる。その後、ステップ１２および１３において、電流コレクタを繰り出して、塗布する。その後、１４および１５において、塗布されたコレクタの厚さ制御のために薄く延ばす。その後、１６および１７において、薄く延ばしたコレクタを乾燥させて溶剤を取り除く。その後、薄く延ばして乾燥させたコレクタを巻き取る。その後、１８および１９において、コレクタを巻き出して、特定の電池に必要な大きさに細長く切り裂いて、その後、巻き取る。その後、２０において、箔を再び巻き出して、それらの箔の間に分離体をはさみながら積み重ねる。その後、最終電池組み立て時に缶または容器の中に最終製品を詰め込む。

現在のところ、多層塗布の好ましい方法では、図２に示すシステム３０内のスロットコータまたはスライドコータを使用する。これらのシステムでは、基材２２が搬送ローラ２６のそばを通るとき、塗布ヘッド２４が基材２２に材料２８を塗布する。スロットコータは、効率的なバッテリ構造を作るのに十分な粒子負荷を有するペーストよりも低い粘度を有する、薄い単一材料層を一般に堆積させる。さらに、スロットコータは同じ印字ヘッド装置からの１回の通過で電極と分離体の両方を製作することはできず、スロットコーティング機は交互に嵌合した（互いにかみ合った）陰極および陽極を作ることもまたできない。

図３〜図６は、共押し出しされた材料の実施形態を示している。図３は、共押し出しされた材料の先行技術の実施形態を示している。電流コレクタで構成されていてもよく、または構成されていなくてもよい基材は、交互嵌合した材料４０および４２の条片を受け取る。一実施形態では、材料４０が同じ材料であってもよく、もしくは陰極および陽極に対して１種類ずつの２種類の異なる材料であってもよく、または材料４０が同じ材料で構成されていてもよい。あるいは、材料４０が、例として、電解質で満たすことができる高度に多孔質の材料であってもよく、または電解質に置き換えることができる犠牲材料であってもよい。本明細書では材料を流体と呼び、この流体はスラリーおよびペースト、またはゆっくりとではあるが印字ヘッドの中を通って流れることができる任意の種類の材料を含むことに注目すべきである。

これに対して、本明細書で開示する実施形態では、材料を隣り合わせに分配するのではなく、むしろ、材料を垂直に積み重ねる。図４は、違いを示すために、基材４４上に垂直に積み重ねた材料４０および４２を示している。本明細書での議論に従って、印字ヘッドからの１回の通過で、これらの材料４０および４２を同時に堆積させる。図３および図４の実施形態は異なる縮尺であってもよい。

この印字ヘッドを用いると、さらなる変更が可能になる。図５は、陽極４０と、分離体４２と、交互嵌合した陰極４６とを有する垂直に積み重ねたバッテリ構造の第１の実施形態を示している。この実施形態の交互嵌合した陰極４６は、活性材料４８と中間材料５０とで構成されている。中間材料５０は、燃焼されたり、または他の方法で取り除かれたりして、その後、液体またはゲル電解質に置き換えられる犠牲材料であってもよい。他の可能性は、その後、液体またはゲル電解質で満たされることになる高度に多孔質の材料であってもよい材料５０である。他の種類の材料も、もちろん可能である。

図６は、垂直に積み重ねた材料の他の可能な変更を示している。この実施形態では、陽極と陰極の両方とも交互に嵌合している。陽極４０が、活性材料５２と中間材料５４とが交互嵌合した条片で構成されている。この活性材料５２は陰極の活性材料とは通常異なっているが、しかしながら、中間材料は犠牲材料であってもよく、または、その後、液体またはゲル電解質で満たされることになる高度に多孔質の陽極材料であってもよい。これらの実施形態の任意の態様と、陰極は交互に嵌合していないが陽極が交互に嵌合していたり、または材料が変化していたりするものなどの他の実施形態の態様とを混合してもよい。さらに、これらの構造を製造するプロセスが、図１のプロセスよりも、はるかに簡単である。

図７は、垂直に積み重ねた構造の製造プロセス６０の実施形態を示している。図１のプロセスと同様に、６２において、陽極スラリー、陰極スラリー、および分離体スラリーを形成する。先行するプロセスでは最終ステップとして分離体シートを挿入するので、ここでの違いは分離体スラリーの形成にある。さらに、スラリー自体が通常異なっている。上述のように、スロットコーティングで使用する陽極液体材料および陰極液体材料は、ここで使用できるスラリーよりも低い粘度および低い粒子負荷を一般に有している。より高い粒子負荷および粘度が、よりよい電気的性能をもたらす異なる構造を可能にする。

６４において、多層共押し出し印字ヘッドにスラリーを装填して、１回の通過で基材上にすべての３種類の材料を堆積させる。この実施形態の基材は、バッテリ構造内の２つの電流コレクタのうちの１つである。本明細書の実施形態は３種類の材料を有するバッテリ構造を対象にしているが、しかしながら、３つよりも多いか、または３つよりも少ない材料を使用する可能性があるとともに、バッテリ以外の構造で使用する可能性もあることに注目すべきである。

いったん基材上に材料を堆積させると、６６において、厚さ制御のために基材および材料を薄く延ばしてもよい。使用する材料およびプロセスによっては、薄く延ばす必要がない可能性がある。その後、溶剤および他の異物を取り除くために、薄く延ばした基材を６８において乾燥させる。その後、結果として得られた構造を、残りの電流コレクタといっしょに最終形態に組み立てる。これも先と同様に、この印字ヘッドおよびプロセスによりもたらされる可能性がある１つの構造の一例に過ぎない。

図８は、このような印字ヘッド８０の実施例を示している。この実施形態では、印字ヘッドが３つの材料経路を有しているが、しかしながら、印字ヘッドはより多くの、またはより少ない材料を使用してもよい。この実施例では、印字ヘッドが、第１の流体経路から流れ出る下端材料８８を有している。中間材料８６が第２の流体経路から流れ出て、上端材料８４が第３の流体経路から流れ出る。基材８２上に３種類の材料を同時に堆積させる。これらの実施形態の一態様は、流体が印字ヘッドから出た後ではなく、むしろ印字ヘッドの中で３種類の材料を一緒に流すことである。３種類の材料が印字ヘッドの外でそれらの層に一緒に流れるとなると後尾部があり、この後尾部では、下端材料が中間材料の下部から突き出ており、中間材料が材料の上端層の下部から突き出ている。さらに、いかなる動揺であっても印字ヘッドの動きに乱れがあれば、層が層間の位置合わせ精度を失う可能性がある。

図９は、４種類の材料を用いる多層共押し出し印字ヘッド８０の実施形態の側面図を示しており、垂直に積み重ねた材料を堆積させるときに、４種類の材料のうちの２種類は水平方向に互いにかみ合っている。流路を用いて材料９０および９２を水平方向に互いにかみ合わせて、出口穴９８において交互嵌合した層を形成している。一実施形態では、この交互嵌合した層がバッテリ構造の陰極を形成することになる。分離体材料９４が第２の流路から流れ出て、陽極材料９６が第３の経路から流れ出る。これらの材料は出口穴９８をいっしょに出て、図５に示すように、垂直に積み重ねた構造を形成する。図１０は、完全に組み立てた後の印字ヘッド８０の実施形態を示しており、出口穴９８だけが見えるようになっている。

図１１は、多層共押し出し印字ヘッドの特定の実施形態を示している。印字ヘッドは複数の層で構成されているが、用語「多層」は結果として得られる積み重なった構造を指している。本明細書の実施形態は、取り付けプレートと呼んでもよい第１のプレート１００を有している。一実施形態では、取り付けプレートが鋼板で構成されているが、しかしながら、プレートを平らに保つのに十分な圧力を、プレートに加えることができる任意の剛体材料で十分である。シーリングガスケット１０２が取り付けプレートの隣に存在している。両面マニホルド１０４が２種類の陰極材料または陽極材料を分配して、交互嵌合した陰極または陽極構造を形成する。印字ヘッドのシートの第１の部分集合１０６内のシートまたはプレートが、交互嵌合した陰極または陽極用の流体通路を形成する。この実施形態では、第１の集合１０６はシート１０８、１１０、および１１２で構成されている。この議論の一部は下端のシートが陰極を作り出すと仮定してもよいが、下端のシートが陽極もまた作り出す可能性があることに注目すべきである。

シート１１４が、陰極流体または陽極流体用の、および分離体流体用の統合シートまたは移行シートである。他の部分集合１１６内のシートが分離体用の流体通路を形成しており、この場合、シート１１８および１２０が分離体用の流体通路を形成している。分離体材料は、シート１２２の流体通路内で陽極材料と統合する。シート１２６、１２８、および１３０で構成されるシートの部分集合１２４が、陽極用の流体通路を提供する。両面マニホルド１３２が、陽極および分離体用の流体の分配を提供する。その後、上端にシーリングガスケット１３４および上端プレート１３６を用いてシートの集合を密閉する。通常、印字ヘッドを形成するシートの集合は、スタックの密封を確保するために締め付けることができるボルトを用いて結合される。層間の位置合わせは、プレートまたはシート上の位置合わせ機構を用いて確保している。

図１２は、シートの部分集合のうちの１つの立体分解図を示しており、この場合、最終的に交互嵌合した陰極または陽極になる陰極または陽極用の２種類の流体を組み合わせる部分集合１０６の立体分解図を示している。プレート１１０は、図面内での向きのように、プレート１１０の裏に向かう通路１４３を有しており、プレート１０８は通路１４２を有している。これらの通路１４２および１４３は、マニホルドから第１の陰極材料を受け取る。同様に、プレート１１０は通路１４４を有しており、プレート１０８は通路１４０を有している。これらの通路１４４および１４０は、マニホルドから第２の陰極材料を受け取る。プレート１１２は、第１および第２の陰極材料を統合して交互嵌合した陰極層を作る通路１４６を有している。上述のように、交互嵌合した陰極材料は、その後、統合および移行シート１１４に向かって上方へ流れて、分離体の流路からの材料と統合する。

もちろん、印字ヘッドの多くの変形および変更が可能である。可能な変更のうちの１つが、図１１の陽極シート集合１２４を、集合１０６内のシートと同様のシートに取り換えて、交互嵌合した陽極を形成する可能性があることである。陽極／分離体マニホルドまたは陰極マニホルドに追加の分配経路を付け加える必要があるが、それにより、５種類の別々の流体を取り込んで、それらを統合してバッテリ構造を作る印字ヘッドを形成する。他の変更では、シートを２層構造に単純化することになるが、このことは、２種類の材料だけを使用してバッテリ構造を形成することを意味している。これは組み立て部品から適当なシートおよびマニホルドを取り除くことにより達成される。

このようにして、基材上に、垂直に積み重ねた材料の構造を形成できる。スタックは２層以上であってもよく、スタックはバッテリ構造または他の種類の構造を形成してもよい。層は、１層以上の交互嵌合した材料で構成されていてもよい。一実施形態では、構造が、陽極、陰極、および分離体の３層で構成されたバッテリである。他の実施形態では、陰極が、交互嵌合した２種類の材料で構成されている。さらに他の実施形態では、陽極もまた同様に、交互嵌合した２種類の材料で構成されている。構造または層の個数にかかわらず、結果として得られる構造は、１回の通過で堆積される垂直に積み重なった層を有している。

Claims (10)

1. 第１のマニホルドにつながっている第１の入り口ポートと、
   前記第１の入り口ポートにつながっており、前記第１の入り口ポートから第１の流体を受け取るようになされた第１の一連の通路と、
   第２のマニホルドまたは前記第１のマニホルドのうちの１つにつながっている第２の入り口ポートと、
   前記第２の入り口ポートにつながっており、前記第２の入り口ポートから第２の流体を受け取るようになされた第２の一連の通路と、
   通路の前記第１および第２の系列につながっており、前記第１および第２の流体を受け取るようになされた前記印字ヘッドの統合部分と、
   前記統合部分につながっており、前記統合部分からの前記第１および第２の流体を垂直方向のスタックとして基材上に堆積させるようになされた出口ポートと、を含む、
   １回の通過で垂直方向に少なくとも２種類の層を押し出すことができる共押し出し印字ヘッド。
2. 前記第１および第２の流体が同じ流体である、請求項１に記載の共押し出し印字ヘッド。
3. 前記第１および第２の流体が異なる流体である、請求項１に記載の共押し出し印字ヘッド。
4. 第３の流体を受け取るようになされた第３の入り口ポートと、前記統合部分につながっている通路の第３の集合と、をさらに含む、請求項１に記載の共押し出し印字ヘッド。
5. 前記第１の入り口ポートおよび前記第２の入り口ポートが前記統合部分の両側上に存在する、請求項１に記載の共押し出し印字ヘッド。
6. 前記印字ヘッドが、いっしょに積み重ねたプレートの集合を含み、前記第１および第２の入り口ポートが異なるプレート上に存在する、請求項１に記載の共押し出し印字ヘッド。
7. 陽極スラリーと、陰極スラリーと、分離体スラリーと、を形成することと、
   多層共押し出し印字ヘッドを用いて１回の通過で基材上に前記陽極スラリーと、陰極スラリーと、分離体スラリーと、を堆積させて、中間バッテリ構造を形成することと、を含む、
   垂直に積み重なった電気的構造を製造する方法。
8. 最終的なバッテリ構造を形成するために、前記第１の電流コレクタの側の反対側の前記中間バッテリ構造の側に第２の電流コレクタを取り付けることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 堆積させることが、所定の位置に固定された前記多層共押し出し印字ヘッドのそばを通り過ぎて前記基材を移動させることを含む、請求項７に記載の方法。
10. 堆積させることが、所定の位置に固定された前記基材に対して前記印字ヘッドを移動させることを含む、請求項７に記載の方法。

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