JP2015505131A - リチウムをベースとする電極への接触リードの接続 - Google Patents

リチウムをベースとする電極への接触リードの接続 Download PDF

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Abstract

充電式電池内における接触リードへのリチウム電極の接続方法が開示される。電極は、リチウムまたはリチウム合金のシートまたは箔を備えており、シートまたは箔の縁からタブが突出している。接触リードは、導電性リードを備えており、前記導電性リードの末端部分は、リチウムと合金を形成しない第２の金属でできており、また、複数のスルーホールを有している。接触リードの末端部分および電極のタブは、末端部分とタブとの間に実質的な重なりがあるように配置される。続いて、例えば圧着および溶接により、タブの金属が末端部分のスルーホールに染み透り、これにより、電極が接触リードに結合される。また、この方法によって製造された電極／接触リードの組合せアセンブリが同じく開示される。

Description

本発明は、接触リードと電極の間の良好な電気的および機械的接触を促進するための、接触リードへの１つまたは複数のリチウムまたはリチウム合金箔の電極の接続に関する。
負電極のための活性物質として金属リチウムを使用した一次電池と充電式電池は、単位重量当たりのエネルギーが最も高いことが知られている。このような電池では、負電極すなわち陰極は、負の電位を有するリチウムコンポーネントまたはリチウム合金箔コンポーネントであってもよい。また、負電極は、集電体および接触タブを含むことができる。
集電体は、一般的に、外部電気回路から電池の電気化学的に活性な部分への電子の経路を提供するために使用される、導電性の金属箔、シートまたはメッシュである。集電体は、典型的に、接触タブを含むことができる。
接触タブは、典型的に、電気化学的プロセスに関与しない集電体の金属箔部分である。接触タブは、集電体の本体の縁から伸びて、接触リードに溶接するための機械的ベースを形成するために使用される。
接触リードは、接触タブから、気密密閉された電池容器を介して外部電気回路に到る電気的接触を形成するために使用される、一片の導電性の金属材料である。接触リードは、典型的に、接触タブに溶接されるか（金属リチウムが使用されない電池内にて）または機械的に接続される。
接触リードは、抵抗の小さい電気接続が形成される方法でリチウムに接続または結合しなければならない。また、この接続または結合は、電池の期待寿命だけ持続する十分な機械的強度を有していなければならない。
リチウム一次電池内の集電体は、典型的に、リチウム以外の金属導体から構成されている。接触リードは、電池の電気化学的に活性な部分にある電解液に露出させることができる。これは、通常、一次電池では問題はないが、充電式（すなわち二次）電池では問題になる場合がある。二次電池の場合、リチウムは、電池を充電する際に電気化学的に沈着させなければならない。電池を繰返し充電する場合、良好な性能再現性を得るために、リチウムの上にのみリチウムが沈着するように過剰量のリチウムを使用する。接触リードまたは集電体が露出した状態で放置されると、リチウムが非リチウム基板の上にめっきされることになる。そのため、予測不可能なリチウム付着の確率が著しく高くなり、サイクリング性能が乏しくなる。これは、典型的に、充電式のリチウムシステムが急激に劣化することになる活性樹枝状結晶形成の形態をとる。引用することによりその全ての開示を本出願に組み込む特許文献１に、このような失敗のメカニズムの例が記載されている。
リチウムをベースとする陰極を備える二次電池では、リチウムは、典型的に、２つの方法のうちの１つによって外部回路に接続される。何れも、引用することによりその全ての開示を本出願に組み込む特許文献２の場合と同様、リチウム一次電池に関して記述されている設計と同様の接触リードが使用されている。特許文献２は、チタン、ニッケル、銅、またはニッケルあるいは銅の合金の平らな固体片の形態の集電体を開示している。集電体は、接触タブを備えている。集電体の高さと同程度の幅を有する、比較的長いアルカリ金属箔の条片が集電体の下方に置かれ、集電体と条片が一体的に圧着される。電池の組立てに引き続いて、集電体（アルカリ金属製ではない）を電解液に浸すことに留意されたい。また、特許文献２によれば、リチウムの薄い層が最も外側の巻きにある陽極中へと実質的に消耗すると、陽極材料と陰極集電体の間に短絡が形成される可能性があるため、この構造は、特許文献２の中で開示されているタイプのコイル状陰極制限電池（ｃｏｉｌｅｄ, ａｎｏｄｅ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｃｅｌｌｓ）においては、問題がある。
この方法の変形形態では、引用することによりその全ての開示を本出願に組み込む特許文献３の場合と同様、リチウムから電流を集める二重目的のために金属電池ケーシングを使用している。また、引用することによりその全ての開示を本出願に組み込む特許文献１の場合と同様、リチウム電極の反対側の面を薄い金属集電体に対して圧着または圧延できる。続いて集電体を金属接触リードに溶接することができる。しかしながら、集電体が電解液に露出するようになると、リチウムが非リチウム集電体の上にめっきされ、電池を短絡させることになる樹枝状結晶形成の可能性が生じる危険が存在する。また、金属集電体は、電池の質量を不必要に重くし、その比エネルギーを小さくする。
上述した全ての例では、金属リチウムは、単に集電体と接触した状態に置かれるか、あるいは集電体と接触した状態で圧着されるだけであり、物理的または化学的な結合は存在していない。これは、一次電池の場合、場合によっては許容可能である。しかしながら、リチウム金属の充電式電池の場合、このような接触には信頼性がない。実際、金属リチウムの反応特性のため、リチウムと集電体との間にある機械的接続の界面に腐食層が容易に形成されることになる。これにより、電池の信頼性を低下させることになり、充電式リチウム金属電池の容量をより速く減少させることになり、また、サイクル寿命をより速く縮めることになる。
米国特許第５,３６８,９５８号明細書 米国特許第７,３３５,４４０号明細書 米国特許第７,１０８,９４２号明細書
一態様によれば、接触域を有するシートまたは箔を備える少なくとも１つの電極を、末端部分を有する導電性リードを備える接触リードに接続する方法であって、前記末端部分と前記接触域との間に重なりがあるように、前記接触リードの前記末端部分および前記少なくとも１つの電極の前記接触域を配置するステップと、前記少なくとも１つの電極を前記接触リードに結合するために、前記接触域を前記末端部分に超音波溶接するステップとを含み、ここで、前記シートまたは箔の少なくとも前記接触域は、アルカリ金属またはアルカリ金属の合金から形成されるものである、方法を提供する。
シートまたは箔の全体は、アルカリ金属またはアルカリ金属の合金から形成されることが好ましい。アルカリ金属は、リチウムであってもよい。リチウムおよびリチウム合金であることが好ましい。リチウムおよびリチウム合金は、二次電池の陰極材料として有用である傾向があり、また、これらは軟質でかつ可鍛性であるからである。これにより、溶接ステップが実施される際に、接触リードの末端部分と良好な接続を構築できる。
接触域は、シートまたは箔の縁から突出しているタブの上に提供されることが好ましい。好ましい実施形態では、タブは、シートまたは箔と接触リードの末端部分との間の接触点のみを提供する。したがって、電極のシートまたは箔は、接触リードの末端部分と直接的に接触しない電解液との接触ための領域を含むことができる。超音波溶接は、電気化学的電池または電池内の電解液とは一切接触しない領域に提供されることが好ましい。
電解液との接触のための領域と直接的に接触する集電体は、存在しないことが好ましい。実際、電極は、全く集電体がなくてもよい。
末端部分は、タブを形成するために使用されるアルカリ金属合金もしくは合金を形成しないアルカリ金属から形成されることが好ましい。いくつかの例では、銅および／またはニッケルのうちの少なくとも１つを含む金属または金属合金である。
何らかの理論による拘束を欲するものではないが、超音波溶接ステップは、タブおよび／または末端部分の金属を融解もしくは軟化させ、これにより、タブおよび末端部分を圧力印加の下で一体的に溶接できる、とされている。また、超音波音響の振動は、タブの上に形成したアルカリ金属酸化物層の少なくとも一部を除去し、または分散させることができる。これにより、結合の形成を容易にすることができる。本発明の利点は、融解または軟化を結合、すなわち溶接領域に局限することができ、比較的狭い面積全体に強力な結合を形成できることである。溶接面積は、シートまたは箔の面積の５０％未満であり、３０％未満が好ましく、２０％未満がより好ましく、１０％未満（例えば１〜５％）がさらに好ましい。
超音波溶接ステップの周波数は、１５〜７０ｋＨｚであり、２０〜６０ｋＨｚがより好ましく、２０〜４０ｋＨｚがさらに好ましく、例えば約４０ｋＨｚで実施されることが好ましい。超音波溶接ステップの最大圧力は、０．４ＭＰａであり、好ましくは０．１〜０．４ＭＰａであり、例えば０．２ＭＰａで実施することができる。
超音波溶接ステップの電力は、１００〜５０００ワットで実施することができる。また、２〜３０μｍの振幅を使用することができる。
一実施形態では、超音波溶接ステップは、第１の締付け部分および第２の締付け部分を備えた装置を使用して実施する。第１の締付け部分および第２の締付け部分は、間隔を隔てた第１の位置から、第１および第２の締付け部分が互いにより接近する第２の位置まで互いに対して移動することができる。第２の締付け部分のみを移動することができ、第１の締付け部分の位置を固定することが好ましい。
第１の締付け部分は、材料を溶接するためのサポートとして作用する。第２の締付け部分は、超音波周波数で振動するように構成する。溶接ステップを実施するために、末端部分と接触域との間に重なりがあるように、接触リードの末端部分を、少なくとも１つの電極の接触域と接触するように置く。続いて、第１の締付け部分と第２の締付け部分との間の、好ましくは第１の締付け部分の頂部に、この重なりの部分を置く。任意選択的に、この重なりの部分は、位置決めジグを使用して所定の位置で支持することができる。続いて、溶接する材料間に締付け圧力を印加するために、第２の締付け部分を第１の締付け部分に対して移動する。続いて、第２の締付け部分に超音波周波数の振動を加える。この振動によって電極および接触リードの末端部分が互いに対する予備成形と、摩擦とが生じ、これにより、結合を形成するために表面を準備することができる。超音波振動の振幅は、溶接を実施するための関連部分の予備成形および準備に対して重要な役割を果たす。第１の締付け部分は、典型的に固定位置で保持され、一方、第２の締付け部分に振動を加える。続いて、主な溶接段階で、電極の接触域および接触域の末端部分を一体的に溶接する。
接触リードの末端部分は、実質的に平ら、すなわち平面状にすることができ、または例えば使用する溶接設備の形状または構成に応じて他の形状または構成とすることができる。
一実施形態では、接触域を有するシートまたは箔を備える少なくとも１つの電極を、末端部分を有する導電性リードを備える接触リードに接続する方法であって、
前記末端部分と前記接触域との間に重なりがあるように、前記接触リードの前記末端部分および前記少なくとも１つの電極の前記接触域を配置するステップと、
前記少なくとも１つの電極を前記接触リードに結合するために、前記接触域を前記末端部分に超音波溶接するステップと
を含んでおり、
ここで、前記シートまたは箔の少なくとも前記接触域がアルカリ金属またはアルカリ金属の合金から形成されるものである、方法を提供する
いくつかの実施形態では、複数の電極を提供することができ、個々の電極は、シートまたは箔を備えており、個々のシートからタブ（接触域を画定している）が実質的に同じ位置で突出している。したがって、電極を互いに揃えて電極スタックとして配置すると、電極のスタックのこれらのタブは実質的に整列することになる。疑問を回避するために、接触域を画定しているタブは、アルカリ金属またはアルカリ金属の合金、好ましくはリチウムまたはリチウム合金により形成する。
これらの実施形態では、接触リードの末端部分は、電極スタックのタブの頂部、電極スタックのタブの下方、または頂部と底部との間（すなわち、少なくとも１タブ上および少なくとも１タブ下）の中間位置に置くことができる。電極スタックのタブは、末端部分が圧着済みのタブの頂部または下方に置かれ、かつ、超音波溶接を行う前に、一体的に圧着することができる。
いくつかの電極のスタックが提供される実施形態では、溶接ステップによって複数のタブが物理的に一体的に結合される。超音波溶接ステップによって、アルカリ金属またはアルカリ金属の合金により形成した少なくとも２つのシートまたは箔のタブ（接触域）を一体的に溶接することが好ましい。好ましい実施形態では、超音波溶接ステップにより、例えばリチウムと接触リードの末端部分との間の溶接に加えて、リチウム間溶接が生成される。
接触リードの末端部分は、平面状で、スルーホールがなくてもよい。別法としては、末端部分は、任意選択的に、穴をあけ、押し抜き、あるいはメッシュ様、すなわち網状の形態を持たせることも可能である。このようなスルーホールがある場合、末端部分を単相の第１の金属であることが好ましい金属の中に埋没させるためには、タブの金属が十分な可鍛性または展性を有しており、タブの金属がスルーホールに通ることができることが重要である。これにより、接触リードの末端部分の金属と電極の接触域の金属との間、したがって接触リードと電極との間の密接な接触が形成される。
末端部分がスルーホールを有している場合、末端部分の開放性は、末端部分の全表面積に対する開放面積の比率として定義することができる。接触リードの末端部分の開放性は、５％〜９５％の範囲内であり、好ましくは２０％〜９０％の範囲内であり、例えば５０％〜８０％の範囲にすることができる。
接触リードの導電性リードは、それ自体、概ね平面状にすることができ、例えばリボンの形態にすることができるが、他の輪郭も有用である。導電性リードは、末端部分と同じ金属で製造することも、あるいは異なる金属で製造することも可能である。
この方法によれば、電極の金属以外の金属でできた接触リードを使用して信頼性の高い接続を形成することができる。通常は電池のケーシングの外部に露出される接触リードは、良好な導電率を有し、かつ、空気または湿気に露出されても高度に反応しない金属でできていなければならないことは理解されよう。適切な金属には、ニッケル、銅、ステンレス鋼または様々な合金がある。
また、接触リードの金属は、電極の突出しているタブにのみ接続されるため、電池を組み立てる際に電解液に直接的に露出させないことが望ましい。
さらなる利点は、電極のシートまたは箔に使用される金属以外の金属でできた集電体の上に電極全体を形成あるいは配置する必要なく、少なくとも１つの電極への良好な接続を構築することができることである。言い換えると、電解液に露出される電極の主要部分は、専ら第１の金属（例えばリチウムまたはリチウム合金）からなっており、重量を不必要に重くし、また、サイクリングの間に、樹枝状結晶形成のための基板として作用することになる銅またはニッケルあるいは他の集電体は不要である。
また、接触リードの金属は、電極の金属により合金を形成しないように選択されることが重要である。これは、電池の電気化学的システムに利用することができる第１の金属の量が減少することを回避するためである。例えば、リチウムは、アルミニウムと合金を形成するが、ニッケルまたは銅とは合金を形成しない。
本発明の他の態様によれば、上述した方法によって得ることができるデバイスが提供される。このデバイスは、アルカリ金属またはアルカリ金属の合金により形成した接触域を有するシートまたは箔を備えた少なくとも１つの電極と、末端部分を有する導電性リードを備えた接触リードとを備えており、接触リードの末端部分は重なりしており、少なくとも１つの電極の接触域に超音波溶接される。
デバイスは、アルカリ金属またはアルカリ金属の合金により形成した接触域を有するシートまたは箔を備えた、少なくとも２つの電極を備えていることが好ましい。これら接触域の少なくとも一部は、互いに超音波溶接される。したがって、例えば接触域をリチウムまたはリチウム合金から形成する場合、リチウム／リチウム合金とリチウム／リチウム合金との間に超音波溶接を行う。
デバイスの一実施形態では、少なくとも２つの電極を、互いに揃えて、電極スタックとして配置する。接触リードの末端部分を、末端部分が重なって、少なくとも１つの電極の接触域に超音波溶接されるよう、電極スタックの頂部または電極スタックの下方に置くことができる。または、接触リードの末端部分は、電極スタックの頂部と底部との間の中間位置に置くことができる。後者の実施形態では、場合によっては末端部分の両側の接触域を同じく互いに超音波溶接できることが好ましい。これにより、アルカリ金属／アルカリ金属合金−アルカリ金属／アルカリ金属合金の超音波溶接を行うことも可能である。
他の態様によれば、その縁からタブが突出する第１の金属のシートまたは箔を備える少なくとも１つの電極を、前記第１の金属と合金を形成しない第２の金属でできた複数のスルーホールを有する末端部分を有する導電性リードを備える接触リードに接続する方法であって、
ｉ）前記末端部分と前記タブとの間に重なり、好ましくは実質的な重なりがあるように、前記接触リードの前記末端部分および前記少なくとも１つの電極の前記タブを配置するステップと、
ｉｉ）前記少なくとも１つの電極を前記接触リードに結合するために、前記タブの金属が前記末端部分の前記スルーホールを通るようにするステップと
を含む方法を提供する
ステップｉｉ）で、タブの金属は、圧着および溶接、例えば超音波溶接、熱接触溶接、レーザ溶接または誘導溶接によってスルーホールに通すことができる。有利には、溶接は、少なくとも１つの電極の主積層シートまたは箔に重大な熱変形または変化をもたらさないように、印加されるエネルギーをタブの局所に集中するように実施する。
接触リードの末端部分は、実質的に平ら、すなわち平面状にすることができ、あるいは例えば使用される任意の溶接設備の形状または構成に応じて他の形状または構成をとることができる。
いくつかの実施形態では、複数の電極を提供することができ、個々の電極は、金属のシートまたは箔を備えており、個々のシートからタブが実質的に同じ位置で突出しており、したがって電極が互いに揃えられて、電極スタックとして配置されると、電極のスタックのこれらのタブは実質的に整列することになる。
これらの実施形態では、接触リードの末端部分は、電極スタックのタブの頂部、電極スタックのタブの下方、または頂部と底部との間（すなわち、少なくとも１タブ上および少なくとも１タブ下）の中間位置に置くことができる。続いて、タブと穴のあいた（ｐｅｆｏｒａｔｅｄ）末端部分とが一体的に圧着され、第１の金属（タブの）が、接触リードの穴あき平面状末端部分（第２の金属でできている）の穴に通る。他方で、電極スタックのタブは、穴のあいた末端部分が圧着済みのタブの頂部または下方に置かれ、かつ、ステップｉｉ）を実施する前に、一体的に圧着することができる。
電極のスタックが提供される実施形態では、圧着および溶接ステップによってタブが物理的に一体的に結合し、かつ、接触リードの穴に通る。溶接ステップは、超音波溶接ステップであることが好ましい。この溶接ステップにより、好ましいことには少なくとも２つのシートまたは箔（アルカリ金属またはアルカリ金属の合金から形成されることが好ましい）のタブが一体的に溶接される。好ましい実施形態では、超音波溶接ステップにより、例えば少なくとも１つのリチウムタブと接触リードの末端部分との間の溶接に加えて、少なくとも２つのリチウムタブ間にリチウム間溶接が生成される。
リチウムおよびリチウム合金には、二次電池の陰極材料として有用である傾向があり、また、これらのリチウムおよびリチウム合金は軟質で、可鍛性または展性があるため、これらは、第１の金属として特に好ましい金属であり、圧着および溶接ステップが実施されると、接触リードの穴あき末端部分と良好な接続を構築することができる。
接触リードの末端部分は、穴をあけ、押し抜き、あるいはメッシュ様または網状の形態を持たせることができる。重要なことは、タブの第１の金属が十分に可鍛性または展性をもっていると、このタブの第１の金属が穴を通って、末端部分の第２の金属を、単相の第１の金属であることが好ましい金属の中に埋没させることができることである。これにより、第１の金属と第２の金属との間、すなわち接触リードと電極との間に密接な接触を形成する。
接触リードの末端部分の表面積の開放性が大きいほど、接触リードと電極との間のより良好な電気的（および物理的）接続が得られる。末端部分の開放性は、末端部分の全表面積に対する開放面積の比率として定義できる。接触リードの末端部分の開放性は、５％〜９５％の範囲内とすることができる。
接触リードの導電性リードは、それ自体、概ね平面状にすることができ、例えばリボンの形態にすることができるが、他の輪郭も有用である。導電性リードは、末端部分を形成している第２の金属と同じ金属で製造することも、あるいは異なる金属で製造することも可能である。
この方法によれば、電極の金属以外の金属でできた接触リードを使用して信頼性の高い接続を形成することができる。通常は電池のケーシングの外部に露出される接触リードは、良好な導電率を有し、かつ、空気または湿気に露出されても高度に反応しない金属でできていなければならないことは理解されよう。適切な金属には、ニッケル、銅、ステンレス鋼または様々な合金がある。
また、接触リードの金属は、電極の突出しているタブにのみ接続されるため、電池を組み立てる際に、電解液に直接的に露出しない。
他の利点は、第１の金属以外の金属でできた集電体の上に電極全体を形成あるいは配置する必要なく、少なくとも１つの電極への良好な接続を構築することができることである。言い換えると、電解液に露出される電極の主要部分は、もっぱら第１の金属（例えばリチウムまたはリチウム合金）からなっており、重量を不必要に重くし、また、サイクリングの間、樹枝状結晶形成のための基板として作用することになる銅またはニッケルあるいは他の集電体は不要である。
また、第２の金属（接触リードの）は、第１の金属（電極の）と合金を形成しないように選択されることが重要である。これは、電池の電気化学的システムに利用することができる第１の金属の量が減少するのを回避するためである。例えばリチウムは、アルミニウムと合金を形成するが、ニッケルまたは銅とは合金を形成しない。
特定の実施形態では、電極は、電池のための陰極すなわち負電極として構成される。しかしながら、このような方法は、上述したように穴あきの第２の金属への圧着および溶接に適した金属で製造される陽極すなわち正電極にも適用することができることは理解されよう。
第３の態様によれば、電池のための少なくとも１つの電極と接触リードとの組合せであって、前記電極が第１の金属のシートまたは箔を備え、前記シートまたは箔の縁からタブが突出し、前記接触リードが、前記第１の金属と合金を形成しない第２の金属でできた、複数のスルーホールを有する末端部分を有する導電性リードを備え、前記タブの前記第１の金属が、前記第２の金属の末端部分の前記スルーホールを通るように圧着かつ溶接されている、組合せが提供される。
本発明のいくつかの実施形態では、集電体の必要性を排除する負電極（陰極）を提供し、金属リチウムと接触リードの異なる片との間に信頼性の高い物理的接触を形成する。これにより、金属リチウムと接触リードの材料との間の良好な電気的接触を促進する方法を提供することを目的としている。
好ましい実施形態では、電池の寿命が尽きる時点で、負電極のための集電体として働く実質的な量のリチウム金属があるように、過剰量の金属リチウムを使用する。リチウムを集電体として使用することにより、金属リチウムと他の集電体材料との間の機械的接触が除去される。
いくつかの実施形態では、複数の電極を提供することができ、個々の電極は第１の金属のシートまたは箔を備えており、個々のシートからタブが実質的に同じ位置で突出している。したがって、電極が互いに揃えられて、電極スタックとして配置されると、電極のスタックのこれらタブは実質的に整列していることになる。
これらタブの領域の負電極のリチウム金属は、電極スタック内のリチウム電極からリチウム電極までに単相接続を形成することができる。このような接続は、上述した圧着および溶接を使用することによって達成される。
接触リードまたは接触リードの少なくとも末端部分は、薄くすることもでき（例えば、５〜５０μｍの厚さ）、厚くすることもできる（例えば、５０〜１０，０００μｍの厚さ）。
接触リードは、実質的に線形にすることも、あるいは「Ｔ字」形構成または「Ｌ字」形構成を持たせることもできる。
電極のシートまたは箔は、溶接すなわち結合ステップの前は、３０〜１５０μｍの厚さ、例えば５０〜１００μｍの厚さを有することができる。
接触リードの末端部分は、接触リードと一体の部分（言い換えると、接触リードの残りの部分と同じ材料により形成した、残りの部分と一体の部分）であっても、あるいは接触リードの残りの部分に溶接した（例えば、超音波溶接、熱接触溶接、レーザ溶接、誘導溶接または他のタイプの溶接によって）個別の金属コンポーネントであってもよく、必ずしも接触リードの残りの部分と同じ材料である必要はない。
上述した電極は、電池または電気化学的電池、好ましくはリチウム−硫黄電池等のリチウム電池に使用することができる。電極は、このような電池の陰極として使用することができる。一実施形態では、電池は、ｉ）１つまたは複数の陰極として、上述した少なくとも１つの電極、およびｉｉ）活性物質として硫黄を含んだ陽極等の少なくとも１つの陽極を備えている。１つまたは複数の陰極および１つまたは複数の陽極は、中性有機溶媒中に溶解したリチウム塩を含んだ液体電解質と接触して配置することができる。陰極と陽極との間にセパレータを配置することができる。電解液は、漏出を防止するために容器内に密閉することができる。好ましくは、電解液のこの密閉により、周囲の環境へのシートまたは箔のアルカリ金属の露出を同じく防止する。したがって、好ましくは、接触域またはタブと接触リードの末端部分との間の鍛接点は、容器内に位置しており、一方、導電性リードの少なくとも一部は、密閉容器の外側からアクセスできる。
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照してさらに説明する。
図１ａ〜図１ｃは、陰極、陽極およびタブを備えた電池スタック、および接触リードの３つの交互配置を示す図である。 図２ａ〜図２ｅは、接触リードの可能な設計を示す図である。 タブに超音波溶接されている接触リードを示す図である。 図４ａ〜図４ｄは、使用中の超音波溶接の実施に使用するのに適した装置を示す図である。
電池は、多数の陽極および陰極を交互に積み重ねることにより形成できる。これらの層の各々は、セパレータによって分割されている。個々の電極間に電解液があることによって、イオンの通路を維持する。個々の電極１は、その電気化学的に活性な領域からセパレータの縁を越えて突出しているタブ２を特徴としている。これらタブ２は、リチウム陰極のスタック３が互いに溶接され、かつ、接触リード４に結合する第１の表面を提供する。第１に、これらのタブ２は、圧着によって折り畳みおよび／または形成する。続いて、接触リード４を、タブ２のスタック５の頂部（図１ａ参照）または底部（図１ｂ参照）に配置する、あるいは任意の２つのリチウムタブ２の間に配置することもできる（図１ｃ参照）。
接触リード４は、多くの形態をとることができる（図２ａ〜２ｅ参照）。本体６を、導電性の金属リボン、典型的にニッケル、銅、ステンレス鋼またはいくつかの複合導体から構成する。末端部分７（溶接する領域）は、穴をあけ、網状にし、あるいは押し抜くことができる。他方で、末端部分７は、いずれのスルーホールも備えなくてもよい（図示せず）。末端部分７は、金属リボン６と一体の部分であっても、あるいはリボン６に溶接した個別片であってもよい。末端部分７をリボン６に溶接する個別片とする場合、末端部分７は、リボン６の金属とは異なる金属により製造することができる。接触は、線形であっても、「Ｔ字」形または「Ｌ字」形であってもよい。存在させる場合、穿孔は、ひし形、円形、正方形、丸い形、多角形または任意の他の適切な形にすることができる。
続いて、タブ２と接触リード４とを、超音波溶接機の２つの溶接用取付具８の間に配置する（図３参照）。続いて、超音波溶接機は、溶接領域に圧力と超音波とを同時に印加する。これにより、多数のリチウム層２を融合させ、リチウム−リチウム溶接を形成する。接触リード４がスルーホールを含む場合、軟化したリチウムは、接触リード４の穴のある領域または網状領域７を介して染み透る。メッシュ７はリチウムによって密接して取り囲まれている。このため、接触リード４はリチウム２に結合する。接触リード４のメッシュ７とリチウム電極１の間の接触表面積が広いため、抵抗が小さく、かつ、機械的に強力な電気的接触を得ることができる。超音波の印加を停止し、かつ、圧力を解放すると、接触リード４はリチウム陰極１に結合する。
図４ａ〜４ｅは、超音波溶接を実施するための使用可能な装置を示している。この装置は、第１の締付け部分１２および第２の締付け部分１４を備える。これら部分１２および１４は、間隔を隔てた第１の位置から部分１２および１４が互いにより接近する第２の位置まで、移動させることができる。また、この装置は、溶接する部品１８を所定の位置で支持するための位置決めジグ１６を同じく含む。第２の締付け部分１４は、超音波周波数で振動するように構成される。
図４ａに最も良好に示されるように、締付け部分がそれらの第１の離間した位置にある間に、第１の締付け部分１２の頂部に、溶接する部品１８を置く。続いて、溶接する部品１８の間に締付け圧力を印加するために、第２の締付け部分１４を第１の締付け部分１２に向かって相対移動する。続いて、第２の締付け部分１４に超音波周波数の振動を加える（図４ｂ参照）。これにより、部品１８は、互いに予備成形され、摩擦しあう。これにより、溶接を実施するために、それらの表面を準備することができる。部品１８を、主な溶接段階にて一体的に結合する（図４ｃ参照）。続いて、第１および第２の締付け部分１２および１４を、互いに離れる方向に移動する。これにより、溶接済みの部品１８を装置から除去できる（図４ｄ参照）。
[例１]
厚さ５０μｍのニッケルリボンから構成された、線形ニッケル接触リードを使用した。接触リードの最も端の５ｍｍを、メッシュを形成するように広げて伸ばした。それぞれの厚さが７８μｍの６０個のリチウム陰極を有する電池を組み立てた。リチウム接触タブのスタックは、電池から突出していた。平らな溶接領域を得るために、また、スタック内のタブの各々がその位置に無関係に最少量のリチウムを使用することになるように、リチウム接触タブを形成し、カットした（ｔｒｉｍｍｅｄ）。続いて、形成したリチウムタブのスタックを、超音波溶接機の溶接用取付具の間に配置した。続いて、網状の領域と平らなリチウム溶接域が重なるように、接触リードをリチウムタブのスタックの頂部に配置した。続いて、表１に挙げられている溶接条件を ＡｍＴｅｃｈ ９００Ｂ ４０ｋＨｚ超音波溶接機に設定した。続いて、片面溶接を実施した。６０個のリチウム層の各々を、互いに堅固に溶接した。リチウムと接触リードとの間に強力な結合が得られた。この結合を、軟化したリチウムを接触リードのメッシュに染み透すことにより生成した。
Figure 2015505131
［例２］
ニッケルリボン片（厚さ５０μｍ）を銅メッシュ片に溶接することにより、「Ｔ字」形接触リードを製造した。メッシュ開口は約２００×７００μｍであり、バーの幅は１００μｍであった。メッシュは、ニッケルリボンの幅の３倍であった。メッシュの幅は、５ｍｍであり、溶接域と同じであった。「Ｔ字」の交さを形成するために、メッシュを中央に配置し、表２の溶接Ａに示されている条件を使用して、超音波溶接機によって正しい位置に溶接した。接触リードを、網状の領域が溶接域に入るように、超音波溶接機の溶接用取付具の間に配置した。
それぞれの厚さが７８μｍの２０個のリチウム陰極を有する電池を組み立てた。リチウム接触タブのスタックは、電池から突出していた。平らな溶接領域を得るために、また、スタック内の接触タブの各々が、その位置に無関係に最少量のリチウムを使用することになるように、リチウム接触タブのスタックを形成し、カットした。
続いて、リチウム接触タブのスタックを、超音波溶接機の溶接用取付具の間の接触リードの頂部に配置した。続いて、「Ｔ字」形接触リードの銅メッシュ「アーム」を、リチウム接触タブのスタックの周りに折り畳んだ。続いて、表２の溶接Ｂに挙げられている溶接条件を、ＡｍＴｅｃｈ ９００Ｂ ４０ｋＨｚ超音波溶接機に設定した。続いて、片面溶接を実施した。２０個のリチウム層の各々を、互いに堅固に溶接した。リチウムと接触リードとの間に強力な結合が得られた。この結合を、軟化したリチウムを接触リードのメッシュに染み透すことにより生成した。
Figure 2015505131
［例３］
厚さ１００μｍのステンレス鋼のシートからの光化学エッチングにより、「Ｌ字」形接触リードを作製した。「Ｌ字」の直立部分は連続鋼箔である。「Ｌ字」の基部を、メッシュパターンを使用してエッチングした。メッシュ開口は５００×５００μｍであり、バーの幅は１００μｍであった。「Ｌ字」の基部は、直立部分の幅の２倍であった。基部の幅は、５ｍｍであり、溶接域と同じであった。
それぞれの厚さが７８μｍの２０個のリチウム陰極を有する電池を組み立てた。リチウム接触タブのスタックは電池から突出していた。接触リードを、最も下側のリチウム接触タブに対する頂面と、スタックの残りの部分の底面との間に配置した。リチウム接触タブのスタックの残りの部分を、接触リードの網状の領域の上に押し倒した。接触リードの突出した網状部分を、接触タブのスタックの上に折り畳んだ。接触アセンブリを、網状の領域が溶接域に入るように、超音波溶接機の溶接用取付具の間に配置した。
続いて、表３に挙げられている溶接条件を、ＡｍＴｅｃｈ ９００Ｂ ４０ｋＨｚ超音波溶接機に設定した。続いて、片面溶接を実施した。２０個のリチウム層の各々を、互いに堅固に溶接した。リチウムと接触リードとの間に、強力な結合が得られた。この結合を、軟化したリチウムを接触リードのメッシュに染み透すことにより生成した。
Figure 2015505131
［例４］（ニッケル）
平らなニッケル箔片（厚さ１００μｍ）を切断することにより、正方形の形の接触リードを作製した。溶接域がタブの縁から１ｍｍになるように、接触リードを超音波溶接機の溶接用取付具の間に配置した。溶接域は長方形であった（２０×６ｍｍ）。
それぞれの厚さが１００μｍの９個のリチウム陰極を有する電池を組み立てた。リチウム接触タブのスタックは電池から突出していた。平らな溶接領域を得るために、また、スタック内の接触タブの各々がその位置に無関係に最少量のリチウムを使用することになるように、リチウム接触タブのスタックを形成し、カットした。リチウムタブのカットした縁は、ニッケル箔部分の溶接域を完全に覆った。
続いて、リチウム接触タブのスタックを、超音波溶接機の溶接用取付具の間の、接触リードの頂部に配置した。溶接条件は、表４に挙げられている通りである。溶接機は、ＮｅｗＰｏｗｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＣＯ．，ＬＴＤの４０ｋＨｚ超音波溶接機である。片面溶接を実施した。９個のリチウム層の各々を、互いに堅固に溶接した。リチウムとニッケル接触リードとの間に強力な結合が得られた。この結合を、剥離試験の手順毎に試験した。
Figure 2015505131
 ［例５］（銅）
平らな銅箔片（厚さ１００μｍ）を切断することにより、正方形の形の接触リードを作製した。溶接域がタブの縁から１ｍｍのところに置かれるように、接触リードを超音波溶接機の溶接用取付具の間に配置した。溶接域は長方形であった（２０×６ｍｍ）。
それぞれの厚さが１００μｍの９個のリチウム陰極を有する電池を組み立てた。リチウム接触タブのスタックは電池から突出していた。平らな溶接領域を得るために、また、スタック内の接触タブの各々がその位置に無関係に最少量のリチウムを使用することになるように、リチウム接触タブのスタックを形成し、カットした。リチウムタブのカットした縁は、銅箔部分の溶接域を完全に覆った。
続いて、超音波溶接機の溶接用取付具の間の接触リードの頂部に、リチウム接触タブのスタックを配置した。溶接条件は、表５に挙げられている通りである。溶接機は、ＮｅｗＰｏｗｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＣＯ．，ＬＴＤの４０ｋＨｚ超音波溶接機である。続いて、片面溶接を実施した。９個のリチウム層の各々を、互いに堅固に溶接した。リチウムと銅接触リードとの間に強力な結合が得られた。この結合を、剥離試験の手順毎に試験した。
Figure 2015505131
［例６］（ステンレス鋼３１６）
平らなステンレス鋼箔片（厚さ５８μｍ）を切断することによって正方形の形の接触リードを作製した。溶接域がタブの縁から１ｍｍのところに置かれるように、超音波溶接機の溶接用取付具の間に、接触リードを配置した。溶接域は長方形であった（２０×６ｍｍ）。
それぞれの厚さが１００μｍの９個のリチウム陰極を有する電池を組み立てた。リチウム接触タブのスタックは電池から突出していた。平らな溶接領域を得るために、また、スタック内の接触タブの各々がその位置に無関係に最少量のリチウムを使用することになるように、リチウム接触タブのスタックを形成し、カットした。リチウムタブのカットした縁は、ステンレス鋼箔部分の溶接域を完全に覆った。
続いて、超音波溶接機の溶接用取付具の間の、接触リードの頂部に、リチウム接触タブのスタックを配置した。溶接条件は、表６に挙げられている通りである。続いて、この条件を、ＮｅｗＰｏｗｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｒｏｎｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＣＯ．，ＬＴＤの４０ｋＨｚ超音波溶接機に設定した。続いて、片面溶接を実施した。９個のリチウム層の各々を互いに堅固に溶接した。リチウムとステンレス鋼接触リードとの間に強力な結合が得られた。この結合を、剥離試験の手順毎に試験した。
Figure 2015505131
本明細書の説明および特許請求の範囲全体を通して、「備える」および「含む」という語およびそれらの変化は、「〜を含むが、それには限定されない」ことを意味しており、これらの語には、他の部分、付加物、構成要素、完全体またはステップを排他することは意図されていない（また排他しない）。本明細書の説明および特許請求の範囲全体を通して、単数は、文脈が単数であることを特に要求していない限り、複数を包含している。詳細には、加算名詞が使用されている場合、本明細書は、文脈が単数または複数であることを特に要求していない限り、複数ならびに単数が企図されているものとして理解されたい。
本発明の特定の態様、実施形態または実施例に関連して説明されている特徴、完全体、特性、化合物、化学部分またはグループは、それらと両立する限り、本明細書において説明されている任意の他の態様、実施形態または実施例に適用することができることを理解されたい。このような特徴および／またはステップのうちの少なくともいくつかが互いに排他的である組合せを除き、本明細書（全ての特許請求の範囲、要約書および図面を含む）において開示されている全ての特徴、および／または本明細書において開示されている全ての方法またはプロセスのあらゆるステップは、任意の組合せで組み合わせることができる。本発明は、何らかの前記実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（全ての特許請求の範囲、要約書および図面を含む）において開示されている特徴のうちの任意の新規な特徴、または特徴の任意の新規な組合せに拡張され、あるいは本明細書において開示されている全ての方法またはプロセスのステップのうちの任意の新規なステップまたはステップの任意の新規な組合せに拡張される。
読者の注目は、本出願に関連して、本明細書と同時に、あるいは本明細書に先立って出願されている全ての書類および文書に向けられ、それらは、本明細書と共に公衆の便覧に公開されており、また、全てのこのような書類および文書の内容は、引用することにより本明細書に組み込む。

Claims (43)

  1. 接触域を有するシートまたは箔を備える少なくとも１つの電極を、末端部分を有する導電性リードを備える接触リードに接続する方法であって、
    ｉ）前記末端部分と前記接触域との間に重なりがあるように、前記接触リードの前記末端部分および前記少なくとも１つの電極の前記接触域を配置するステップと、
    ｉｉ）前記少なくとも１つの電極を前記接触リードに結合するために、前記接触域を前記末端部分に超音波溶接するステップと
    を含み、
    ここで、前記シートまたは箔の少なくとも前記接触域がアルカリ金属またはアルカリ金属の合金から形成されるものである、方法。
  2. 前記シートまたは箔の全体がアルカリ金属またはアルカリ金属の合金から形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記アルカリ金属がリチウムまたはリチウム合金からの金属である、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記接触域が前記シートまたは箔の縁から突出しているタブの上に提供される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記末端部分が、ニッケル、銅およびステンレス鋼のうちの少なくとも１つを含む金属または金属合金から形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記超音波溶接ステップが３０〜５０ｋＨｚの周波数で実施される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記末端部分が任意選択的に複数のスルーホールを含む材料のシートから形成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記末端部分を複数のスルーホールを含んだ材料の平面状のシートから形成し、前記接触域の金属が前記末端部分の前記スルーホールを通るようにし、これにより、前記超音波溶接ステップの間および／または前記超音波溶接ステップの結果、前記少なくとも１つの電極が前記接触リードに結合される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記末端部分にスルーホールがない、請求項７に記載の方法。
  10. 前記電極のうちの少なくとも２つが少なくとも１つの接触リードに結合され、前記少なくとも２つの電極の前記接触域の間で超音波溶接が行われる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記電極が互いに揃えられて電極スタックとして配置される際に、前記電極のスタックの前記タブが実質的に整列するように複数の電極を提供し、前記電極の各々がシートまたは箔を備え、前記シートの各々から前記接触域を提供するタブを実質的に同じ位置で突出させるものである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. ステップｉ）にて、前記接触リードの前記末端部分が前記電極スタックの前記タブの頂部に置かれる、請求項１１に記載の方法。
  13. ステップｉ）にて、前記接触リードの前記末端部分が前記電極スタックの前記タブの下方に置かれる、請求項１１に記載の方法。
  14. ステップｉ）にて、前記接触リードの前記末端部分が前記電極スタックの頂部と底部との間の中間位置に置かれる、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記超音波溶接ステップにて、前記電極スタックの少なくとも２つのタブの間で溶接を行う、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記接触リードの前記末端部分が前記接触リードと一体の部分であるか、または前記接触リードの前記末端部分が前記接触リードに結合される個別の金属コンポーネントである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. アルカリ金属またはアルカリ金属の合金により形成された接触域を有するシートまたは箔を備えた少なくとも１つの電極と、末端部分を有する導電性リードを備えた接触リードとを備えたデバイスであって、前記接触リードの前記末端部分が、重なりしており、前記少なくとも１つの電極の前記接触域に超音波溶接される、デバイス。
  18. アルカリ金属またはアルカリ金属の合金により形成された接触域を有するシートまたは箔を備えた少なくとも２つの電極を備え、前記接触域の少なくとも一部が互いに超音波溶接される、請求項１７に記載のデバイス。
  19. 前記少なくとも２つの電極が互いに揃えられ、電極スタックとして配置される、請求項１８または１９に記載のデバイス。
  20. 前記末端部分が重なりし前記少なくとも１つの電極の前記接触域に超音波溶接されるように、前記接触リードの前記末端部分が前記電極スタックの頂部または下方に置かれる、請求項１９に記載のデバイス。
  21. 前記接触リードの前記末端部分が前記電極スタックの頂部と底部との間の中間位置に置かれる、請求項１９に記載のデバイス。
  22. 前記末端部分の両側の前記接触域が互いに超音波溶接される、請求項２１に記載のデバイス。
  23. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法によって得られる、デバイス。
  24. その縁からタブが突出する第１の金属のシートまたは箔を備えた少なくとも１つの電極を、前記第１の金属と合金を形成しない第２の金属でできた複数のスルーホールを有する末端部分を有する導電性リードを備える接触リードに接続する方法であって、
    ｉ）前記末端部分と前記タブとの間に重なり、好ましくは実質的な重なりがあるように、前記接触リードの前記末端部分および前記少なくとも１つの電極の前記タブを配置するステップと、
    ｉｉ）前記少なくとも１つの電極を前記接触リードに結合するために、前記タブの金属が前記末端部分の前記スルーホールを通るようにするステップと
    を含む方法。
  25. ステップｉｉ）にて、前記タブの金属が、圧着および溶接により前記スルーホールを通るようにする、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記溶接を超音波溶接とする、請求項２４に記載の方法。
  27. 前記溶接を、熱接触溶接、レーザ溶接または誘導溶接とする、請求項２４に記載の方法。
  28. 前記溶接が、前記少なくとも１つの電極の前記積層シートまたは箔の重大な熱変形もしくは変化の原因とならずに、印加されるエネルギーを前記タブの局所に集中させる、請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の方法。
  29. 前記電極が互いに揃えられて電極スタックとして配置される際に、前記電極の前記スタックの前記タブが実質的に整列するように複数の電極を提供し、前記電極の各々が前記第１の金属のシートまたは箔を備え、前記シートの各々から前記タブを実質的に同じ位置で突出させるものである、請求項２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。
  30. ステップｉ）にて、前記接触リードの前記穴あき末端部分を前記電極スタックの前記タブの頂部に置く、請求項２９に記載の方法。
  31. ステップｉ）にて、前記接触リードの前記穴あき末端部分を前記電極スタックの前記タブの下方に置く、請求項２９に記載の方法。
  32. ステップｉ）にて、前記接触リードの前記穴あき末端部分を前記電極スタックの頂部と底部との間の中間位置に置く、請求項２９に記載の方法。
  33. 続いて、前記タブおよび前記穴あき末端部分を一体的に圧縮し、前記第１の金属を前記接触リードの前記穴あき末端部分の穴に通す、請求項２９〜３２のいずれか一項に記載の方法。
  34. 前記穴あき末端部分を圧縮済みのタブの頂部または下方に置き、かつ、ステップｉｉ）を実施する前に、前記電極スタックの前記タブを一体的に圧縮する、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の方法。
  35. 前記接触リードの前記末端部分を前記接触リードと一体の部分とする、請求項２９〜３４のいずれか一項に記載の方法。
  36. 前記接触リードの前記末端部分を前記接触リードに溶接される個別の金属コンポーネントとする、請求項２９〜３４のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記第１の金属をリチウムまたはリチウム合金とする、請求項２９〜３６のいずれか一項に記載の方法。
  38. 前記第２の金属が、ニッケル、銅、リチウムと合金を形成しないニッケルまたは銅の合金およびステンレス鋼を含む群より選択される、請求項２９〜３７のいずれか一項に記載の方法。
  39. 電池のための少なくとも１つの電極と接触リードとの組合せであって、前記電極が第１の金属のシートまたは箔を備え、前記シートまたは箔の縁からタブが突出し、前記接触リードが、前記第１の金属と合金を形成しない第２の金属でできており、複数のスルーホールを有する末端部分を有する導電性リードを備え、前記タブの前記第１の金属が前記第２の金属の末端部分の前記スルーホールを通るように圧着および／または溶接されている、組合せ。
  40. 請求項１７〜２３のいずれか一項に記載のデバイスを備える電池。
  41. 前記少なくとも１つの電極が前記電池の陰極である請求項４０に記載の電池。
  42. 前記超音波溶接が前記電池の電解液と接触しない請求項４０または４１に記載の電池。
  43. 前記電池がリチウム−硫黄電池である請求項４０〜４２のいずれか一項に記載の電池。

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