JP2016514354A

JP2016514354A - 電極板、電極板を形成する方法、及び電極板を含むリチウム電池コアを形成する方法

Info

Publication number: JP2016514354A
Application number: JP2015561906A
Authority: JP
Inventors: ウエンホンファン
Original assignee: Jordan Green Technology (dg) Co Ltd; Jordan Green Technology Dg Co Ltd
Current assignee: Jordan Green Technology (dg) Co Ltd; Jordan Green Technology Dg Co Ltd
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2016-05-19
Also published as: CN105453325A; DE112013006735T5; WO2015013855A1; US20160072149A1

Abstract

大部分が第１コーティング層で覆われた前面と、大部分が第２コーティング層と組み合わされた背面を有する電極板。第１及び第２コーティング層はそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層と組み合わされる。電極板は正極板又は負極板として用いられ、正極板及び負極板は交互に積み重ねられる。固体状態分子型高分子電解質コーティング層は正極板と負極板の間に設けられる。正極板と負極板とを交互に積み重ねてこれらを連続的に巻くことにより巻コアが形成され、形成された巻コアを用いてリチウム電池コアを形成する。形成されたリチウム電池コアは高温環境及び低温環境において正常に動作することができ、安定した性能を有しているため、安全な使用が確保される。

Description

本発明は、電極板、該電極板を形成する方法、及び該電極板を含むリチウム電池コアを形成する方法に関し、より詳細には、安全な使用を確保できるよう低温環境及び高温環境の両方において安定した性能を有する電極板、該電極板を形成する方法、及び該電極板を含むリチウム電池コアを形成する方法に関する。

リチウム電池コアは、軽量であり、鋼製ケーシング電池又はアルミケーシング電池よりもはるかに高い安全係数を有し、また爆発が起こりにくいため、近年いくつかの分野において急速に発展している。しかしながら、実際には、このようなリチウム電池コアは、様々なケースに入った液状のものしかない。これら電池コアは、充電、放電又は漏電の状態にある時、或いは高温環境にある時、電池の電解液の温度が７５〜８０°Ｃ又はそれ以上にまで上昇するであろう。このような高温環境において、有機溶媒（例えば、炭酸ジメチル，ＤＭＣ）や電解液中の何らかの不純物が水素ガスや酸素ガス又は二酸化炭素といったある種のガスを生成し、これが膨張現象もたらしたり、液漏れを引き起こしたりするであろう。この場合、電池コアの性能に影響が出るだけでなく、潜在的な爆発の危険性が増すことになろう。

さらに、リチウム電池コアの電極板を製造するプロセスは、積層式と巻回式の２つに大別される。これらの２つの様式では、正極板と負極板の間に分離紙を挟んだ後にこれらを繰り返し積み重ねるか或いは巻いていく。その後、この積み重ねた又は巻いた電極板をケースに入れ、電解質流体をケース内に充填し、最後にケースをボールシーリングで処理してリチウム電池コアを形成する。しかしながら、この分離紙及び電解質流体はどちらも低温及び高温に対する耐性が低い。したがって、リチウム電池コアは、電池の電解質流体の温度が７５〜８０°Ｃ又はそれ以上にまで上昇した際の膨張や爆発の潜在的な危険性を有しているであろう。加えて、リチウム電池コアは低温環境においては動作しないであろう。

上記の問題点を鑑みて、これらの欠点を克服するために、本発明は、高温又は低温環境における従来の電極板及び該従来の電極板を含むリチウム電池コアの動作制限の克服を目的として、安全な使用を確保できるようより安定した性能を有する電池コアを提供する。

本発明の目的は、電気伝導特性を有し、高温及び低温に対する耐性が良好な固体状態分子型高分子電解質コーティング層とそれぞれ組み合わされた２つの表面を有する電極板、該電極板を形成する方法、及び該電極板を含むリチウム電池コアを形成する方法の提供である。これにより、上記電極板及び上記電極板を含むリチウム電池コアを高温環境で使用する際の膨張や液漏れの問題を防止することができるだけでなく、上記電極板及び上記電極板を含むリチウム電池コアを低温環境で動作させる際に正常な動作を確保することもできる。

上記目的を達成するため、本発明は、大部分が第１コーティング層と組み合わされた前面と、大部分が第２コーティング層と組み合わされた背面を有し、第１及び第２コーティング層はそれぞれ上記前面及び背面に対応する電極板であって、第１コーティング層及び第２コーティング層はそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層と組み合わされることを特徴とする電極板を提供する。

実施の際、固体状態分子型高分子電解質コーティング層は、以下の式Ｉにより表される繰り返し単位Ｅ^１を有する高分子ポリマーからなる。

式中、繰り返し単位Ｅ^１は、その中の４つの窒素原子中の２つと結合する２つの側鎖Ｌ^１及びＬ^２を有し、
Ｌ^１及びＬ^２は、それぞれがＲ^１−ＳＯ_３Ｍ基であり、
Ｒ^１は炭化水素であり、
ＭはＬｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｈ^＋及びＫ^＋からなる群から選ばれる陽イオンであり、
Ｒ^３はＨ基又はＳＯ_３Ｍ基であり、
ｘは１０より大きい整数である。

また、本発明は、上記電極板を形成する方法であって、ａ．電極板の前面上の第１コーティング層と、電極板の背面上の第２コーティング層をそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層で覆う工程と、ｂ．固体状態分子型高分子電解質コーティング層を乾燥させてこれらをそれぞれ第１コーティング層及び第２コーティング層上に固着させる工程を備えた方法を提供する。

実施の際、上記電極板を形成する方法は、電極板の前面及び背面にそれぞれ絶縁接着剤を塗布する工程をさらに備え、該絶縁接着剤は、電極板の前面及び背面上の各固体状態分子型高分子電解質コーティング層の一方の横脇に設けられる。

また、本発明は、リチウム電池コアを形成する方法であって、ａ．それぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層で覆われた正極板及び負極板をカットして、各正極板に正極タブを設け、各負極板に負極タブを設ける工程と、ｂ．正極板と負極板とを交互に積み重ねる工程と、ｃ．正極板及び負極板を位置決めし、正極板の正極タブ同士を接続するとともに負極板の負極タブ同士を接続する工程と、ｄ．各正極タブをカバープレートの正極板に接続するとともに各負極タブをカバープレートの負極板に接続する工程と、ｅ．正極板及び負極板をケースに入れる工程と、ｆ．ケースをカバープレートと接続してリチウム電池コアを形成する工程を備えた方法を提供する。

また、本発明は、リチウム電池コアを形成する別の方法であって、ａ．それぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層で覆われた正極板及び負極板をカットして、各正極板に正極タブを設け、各負極板に負極タブを設ける工程と、ｂ．正極板と負極板とを交互に積み重ね、交互に積み重ねた正極板と負極板を連続的に巻いて巻コアを形成し、巻コア内に絶縁シートを配置する工程と、ｃ．正極板及び負極板を位置決めし、正極板の正極タブ同士を接続するとともに負極板の負極タブ同士を接続する工程と、ｄ．各正極タブをカバープレートの正極板に接続するとともに各負極タブをカバープレートの負極板に接続する工程と、ｅ．巻コアをケースに入れる工程と、ｆ．ケースをカバープレートと接続してリチウム電池コアを形成する工程を備えた方法を提供する。

本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて読みながら参照することにより、よりよく理解されるであろう。

本発明にかかる電極板の好ましい実施形態を示した断面斜視図である。本発明にかかる電極板の好ましい実施形態を示した断面斜視図である。本発明にかかる交互に積み重ねられた正極板及び負極板を示した斜視図である。本発明にかかる、粘着テープを用いて纏められて位置決めされた正極板及び負極板を示した斜視図である。本発明にかかる、組立工程前の積層型リチウム電池コアの要素を示した分解組立図である。本発明にかかる、組立工程後の積層型リチウム電池コアを示した斜視図である。本発明にかかる、正極板及び負極板を巻いて形成される巻コアを示した斜視図である。本発明にかかる、粘着テープを用いて纏められて位置決めされた正極板及び負極板を示した斜視図である。本発明にかかる、絶縁接着剤で底部が覆われた巻コアを示した斜視図である。本発明にかかる、組立工程前の巻回型リチウム電池コアの要素を示した分解組立図である。

図１及び図２を参照していただくと、これらは本発明にかかる電極板１の好ましい実施形態を示している。電極板１は正極板及び負極板のいずれかとして用いられる。この電極板は前面１１及び背面１２を有している。電極板１の前面１１の大部分は第１コーティング層１１１と組み合わされており、一方、電極板１の前面１１のその他の領域は概して細長い形をしている。電極板１の背面１２の大部分は第２コーティング層１２１と組み合わされており、一方、電極板１の背面１２のその他の領域は概して細長い形をしている。これにより、第１及び第２コーティング層（１１１，１２１）はそれぞれ電極板１の前面及び背面（１１，１２）に対応している。さらに、第１コーティング層１１１及び第２コーティング層１２１の外表面にはそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）が貼り付けられている。

電極板１が正極板として用いられる場合、第１及び第２コーティング層（１１１，１２１）は、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、Ｌｉ_２Ｃｒ_２Ｏ_７、Ｌｉ_２ＣｒＯ４、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＮｉ_ＸＣｏ_１−ＸＯ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎ_０．５Ｎｉ_０．５Ｏ_２、ＬｉＭｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｏ_２、ＬｉＭｃ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４及びこれらの組み合わせから選択されるリチウム混合金属酸化物からなる。電極板１が負極板として用いられる場合、第１及び第２コーティング層（１１１，１２１）は、商業用のシリコン粉末の球状の塊を細かく砕いて該シリコン材料を炭素膜で覆うことにより形成される。

固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）は、高温と低温の両方に対して耐性が良好な高分子ポリマーからなる。本発明では、各固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）は以下の式Ｉにより表される繰り返し単位Ｅ^１を有する。

繰り返し単位Ｅ^１は、その中の４つの窒素原子中の２つと結合する２つの側鎖Ｌ^１及びＬ^２を有し、
Ｌ^１及びＬ^２は、それぞれがＲ^１−ＳＯ_３Ｍ基であり、
Ｒ^１は炭化水素であり、
ＭはＬｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｈ^＋及びＫ^＋からなる群から選ばれる陽イオンであり、
Ｒ^３はＨ基又はＳＯ_３Ｍ基であり、
ｘは１０より大きい整数である。

実験結果により、常温において、固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）の三次元等方性電気伝導率は約２．８×１０^−３Ｓ／ｃｍであることが示されている。

実施において、上記電極板１を形成する方法は、
ａ．電極板１の前面１１上の第１コーティング層１１１及び電極板１の背面１２上の第２コーティング層１２１をそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）で覆う工程と、
ｂ．固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）を乾燥させてこれらをそれぞれ第１コーティング層１１１及び第２コーティング層１２１上に固着させる工程を備える。

工程ａにおいて、固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）は、第１及び第２コーティング層（１１１，１２１）を覆う前に種々のプロトン性触媒（ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミド等）又は水に溶解してもよい。工程ａの後に、電極板１の前面１１及び背面１２上にそれぞれ絶縁接着剤（４，４’）を塗布する工程が続き、該絶縁接着剤（４，４’）は、電極板１の前面１１及び背面１２上の各固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）の一方の横脇に設けられる。

図１乃至図６を参照していただくと、これらは上記電極板１を含むリチウム電池コア５を形成する方法の第１実施形態を示している。この方法は積層式であり、主に、
ａ．固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）で覆われた正極板１’及び負極板１’’をカットして、各正極板１’に正極タブ１１’を設け、各負極板１’’に負極タブ１１’’を設ける工程と、
ｂ．正極板１’と負極板１’’とを交互に積み重ねる工程と、
ｃ．正極板１’及び負極板１’’を位置決めし、正極板１’の正極タブ１１’同士を接続するとともに負極板１’’の負極タブ１１’’同士を接続する工程と、
ｄ．各正極タブ１１’’をカバープレート６の正極板６１に接続するとともに各負極タブ１１’’をカバープレート６の負極板６２に接続する工程と、
ｅ．正極板１’及び負極板１’’をケース７に入れる工程と、
ｆ．ケース７をカバープレート６と接続してリチウム電池コア９を形成する工程を備える。

工程ｂの後、漏電を防ぐために、各正極板１’及び各負極板１’’の外周に絶縁接着剤４１を塗布する。工程ｃにおいて、高温に対して耐性が良好な粘着テープ４２を用いて正極板１’と負極板１’’を纏め、これらを位置決めする。工程ｄの後、絶縁プラスチックバッグ４３を用いて正極板１’及び負極板１’’を包む。工程ｆの後、カバープレート６の上面に絶縁シート４４を貼り付ける。最後に、ケース内の空気を抜いて真空にして密封し、リチウム電池コア９を形成する。

図７乃至図１０を参照していただくと、これらは上記電極板１を含むリチウム電池コア９を形成する方法の第２実施形態を示している。この方法は巻回式であり、主に、
ａ．固体状態分子型高分子電解質コーティング層（３，３’）で覆われた正極板１’及び負極板１’’をカットして、各正極板１に正極タブ１１’を設け、各負極板１’’に負極タブ１１’’を設ける工程と、
ｂ．正極板１’と負極板１’’とを交互に積み重ね、交互に積み重ねた電極板を連続的に巻いて巻コア８を形成し、巻コア８内に絶縁シート４５を配置する工程と、
ｃ．正極板１’及び負極板１’’を位置決めし、正極板１’の正極タブ１１’同士を接続するとともに負極板１’’の負極タブ１１’’同士を接続する工程と、
ｄ．各正極タブ１１’をカバープレート６の正極板６１に接続するとともに各負極タブ１１’’をカバープレート６の負極板６２に接続する工程と、
ｅ．巻コア８をケース７に入れる工程と、
ｆ．ケース７をカバープレート６と接続してリチウム電池コア９を形成する工程を備える。

工程ｂの後、高温に対する耐性が良好な粘着テープ４２を用いて巻コア８を纏めて位置決めし、漏電を防ぐために、巻コア８の底部に絶縁接着剤４１を塗布する。工程ｄの後、絶縁プラスチックバッグ４３を用いて正極板１’及び負極板１’’を包む。工程ｆの後、カバープレート６の上面に絶縁シート４４を貼り付ける。最後に、ケース内の空気を抜いて真空にして密封し、リチウム電池コア９を形成する。

したがって、本発明は以下の利点を有する。
１．本発明によれば、分離紙又は電解質流体を用いる必要がなく、固体状態分子型高分子電解質コーティング層が電極板の２つの面に直接塗布されて貼り付けられる。これにより、作業効率を上げ、製造及び組立の両方の費用を削減することができる。
２．本発明によれば、分離紙又は電解質流体を用いる必要がなく、固体状態分子型高分子電解質コーティング層が電極板の２つの面に直接塗布されて貼り付けられる。これにより、膨張や液漏れの問題の発生を防いで高温環境における安全な使用を確保できるだけでなく、低温環境においても動作を正常に維持することができる。
３．本発明にかかる電極板は、硬い矩形状や筒状のケース等の様々な形状のリチウム電池コアに適している。加えて、この電極板は、積層型及び巻回型の両方のリチウム電池コアに適している。これにより、現場で広く使われている。

したがって、上に開示した説明によれば、本発明は、電池の適用環境についての制限の克服、膨張や液漏れの問題の発生の防止、安定した性能を有する電池の提供及び安全な使用の確保を可能にする電極板、該電極板を形成する方法、該電極板を含むリチウム電池コアを形成する方法を提供するという想定した目的を達成することができる。これは新規であり、且つ産業上利用される。

１電極板
１’ 正極板
１’’ 負極板
１１’ 正極タブ
１１’’ 負極タブ
１１前面
１１１第１コーティング層
１２背面
１２１第２コーティング層
３，３’ 固体状態分子型高分子電解質コーティング層
４，４’，４１絶縁
４２粘着テープ
４３絶縁プラスチックバッグ
４４，４５絶縁シート
５リチウム電池コア
６カバープレート
６１正極板
６２負極板
７ケース
８巻コア
９リチウム電池コア

Claims

大部分が第１コーティング層と組み合わされた前面と、大部分が第２コーティング層と組み合わされた背面とを有し、前記第１及び第２コーティング層はそれぞれ前記前面及び背面に対応する電極板であって、
前記第１コーティング層及び前記第２コーティング層はそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層と組み合わされることを特徴とする電極板。
前記固体状態分子型高分子電解質コーティング層は、以下の式Ｉにより表される繰り返し単位Ｅ^１を有する高分子ポリマーからなる請求項１記載の電極板。

（繰り返し単位Ｅ^１は、その中の４つの窒素原子中の２つと結合する２つの側鎖Ｌ^１及びＬ^２を有し、
Ｌ^１及びＬ^２は、それぞれがＲ^１−ＳＯ_３Ｍ基であり、
Ｒ^１は炭化水素であり、
ＭはＬｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｈ^＋及びＫ^＋からなる群から選ばれる陽イオンであり、
Ｒ^３はＨ基又はＳＯ_３Ｍ基であり、
ｘは１０より大きい整数である。）
請求項１記載の電極板を形成する方法であって、
ａ．前記電極板の前面上の第１コーティング層及び前記電極板の背面上の第２コーティング層をそれぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層で覆う工程と、
ｂ．前記固体状態分子型高分子電解質コーティング層を乾燥させてこれらをそれぞれ前記第１コーティング層及び前記第２コーティング層上に固着させる工程を備えた方法。
前記固体状態分子型高分子電解質コーティング層は、以下の式Ｉにより表される繰り返し単位Ｅ^１を有する高分子ポリマーからなる請求項３記載の方法。

（繰り返し単位Ｅ^１は、その中の４つの窒素原子中の２つと結合する２つの側鎖Ｌ^１及びＬ^２を有し、
Ｌ^１及びＬ^２は、それぞれがＲ^１−ＳＯ_３Ｍ基であり、
Ｒ^１は炭化水素であり、
ＭはＬｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｈ^＋及びＫ^＋からなる群から選ばれる陽イオンであり、
Ｒ^３はＨ基又はＳＯ_３Ｍ基であり、
ｘは１０より大きい整数である。）
前記電極板の前面及び背面にそれぞれ絶縁接着剤を塗布し、該絶縁接着剤を前記電極板の前面及び背面上の前記各固体状態分子型高分子電解質コーティング層の一方の横脇に設ける工程をさらに備えた請求項３又は４記載の方法。
請求項１記載の電極板を含み、該電極板が正極板として又は負極板として用いられるリチウム電池コアであって、ケースと、正極板及び負極板が設けられたカバープレートとを備えたリチウム電池コアを形成する方法であって、
ａ．それぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層で覆われた正極板及び負極板をカットして、各正極板に正極タブを設け、各負極板に負極タブを設ける工程と、
ｂ．前記正極板と前記負極板とを交互に積み重ねる工程と、
ｃ．前記正極板及び前記負極板を位置決めし、前記正極板の正極タブ同士を接続するとともに前記負極板の負極タブ同士を接続する工程と、
ｄ．前記各正極タブを前記カバープレートの正極板に接続するとともに前記各負極タブを前記カバープレートの負極板に接続する工程と、
ｅ．前記正極板及び前記負極板を前記ケースに入れる工程と、
ｆ．前記ケースを前記カバープレートと接続してリチウム電池コアを形成する工程を備えた方法。
前記各電極板及び前記各負極板の外周に絶縁接着剤を塗布し、粘着テープを用いて前記各正極板及び前記各負極板を固定する工程をさらに備えた請求項６記載の方法。
請求項１記載の電極板を含み、該電極板が正極板として又は負極板として用いられるリチウム電池コアであって、ケースと、正極板及び負極板が設けられたカバープレートとを備えたリチウム電池コアを形成する方法であって、
ａ．それぞれ固体状態分子型高分子電解質コーティング層で覆われた正極板及び負極板をカットして、各正極板に正極タブを設け、各負極板に負極タブを設ける工程と、
ｂ．前記正極板と前記負極板とを交互に積み重ね、交互に積み重ねた正極板と負極板を連続的に巻いて巻コアを形成し、該巻コア内に絶縁シートを配置する工程と、
ｃ．前記正極板及び前記負極板を位置決めし、前記正極板の正極タブ同士を接続するとともに前記負極板の負極タブ同士を接続する工程と、
ｄ．前記各正極タブを前記カバープレートの正極板に接続するとともに前記各負極タブを前記カバープレートの負極板に接続する工程と、
ｅ．前記巻コアを前記ケースに入れる工程と、
ｆ．前記ケースを前記カバープレートと接続してリチウム電池コアを形成する工程を備えた方法。
粘着テープを用いて前記巻コアを固定し、該巻コアの底部に絶縁接着剤を塗布する工程をさらに備えた請求項８記載の方法。
絶縁プラスチックバッグを用いて前記正極板及び前記負極板を包む工程と、
前記カバープレートの上面に絶縁シートを貼り付け、前記ケース内の空気を抜いて真空にして密封する工程をさらに備えた請求項６又は８記載の方法。