JP2019523975A - 金属イオン蓄電池又はスーパーキャパシタの電気化学バンドル用の電極、関連するバンドルの製造方法及び蓄電池 - Google Patents
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Abstract
Description
−特許文献1に開示されているような円筒形状;
−特許文献2、特許文献3に開示されているような角柱形状;
−特許文献4、特許文献5、及び特許文献6に開示されているようなスタック形状。
−例えば、その電気化学的老化を促進する可能性がある電池内部での加熱を制限しながら電力ピークに応答するために、電極の各極性と、電池ケースと一体化された出力端子との間の電気伝導における適用の要求を満たすこと;
−各極性用の電極の集電体に直接電気接続し、電気化学バンドルと電池ケースとの間に中間接続体を接続することにより、電池の内部抵抗の全体的なレベルを最小限にすること;
−エッジとも呼ばれる電極で覆われていない側面バンドに直接接続し、バンドルの2つの対向する側面端部をそれぞれ画定することによって、電気化学バンドルへの接続を単純化すること;
−最終的な組み立てステップ、すなわち、電気化学バンドルをケース内に一体化し、電池ケースを閉じ、電解質で充填するステップなどを最良の可能な方法で充足させるために、前記電気接続を行うための電極で覆われていない側面バンドの特性(厚さ、高さ、重量)及びプロファイルを最適化すること;
−それ自体は電気化学エネルギーの発電機ではないが電気化学バンドルによるエネルギーを電池ケースの外側に伝達するために必要である、電気接続を行うのに必要な重量と体積を最小限にすること。
a)電解質を含浸させるのに適したセパレータの両側にある上述のカソード及び上述のアノードからなる少なくとも1つの電気化学セル(C)を含む電気化学バンドル(F)を供給するステップであって、バンドルは長手方向軸X1に沿った伸長形状を有し、一方の側面端部におけるアノードの側面バンドと、他方の側面端部におけるカソードの側面バンドとを有する、ステップ;
b)電気化学バンドルの少なくとも1つの側面バンドを軸X1に沿って軸方向に圧縮するステップであって、軸方向圧縮は、集電体に溶接されることが意図された実質的に平坦な連続ベースを形成する圧縮端部領域をバンドルの少なくとも1つの側面端部において得るために1回又は2回行われる、ステップ;
を含む。
a’)電解質を含浸させるのに適したセパレータの両側にあるカソード及びアノードからなる少なくとも1つの電気化学セル(C)を含む電気化学バンドル(F)を供給するステップであって、カソード及びアノードはそれぞれ、その中央部分において活性金属イオン挿入材料を支持する金属ストリップから形成された基板を含み、一方でエッジと呼ばれるその側面バンドは活性挿入材料を欠いており、その金属材料の特性及びその形状はエッジ及び中央部分におけるストリップの残りの部分と同一であり、バンドルは長手方向軸X1に沿った伸長形状を有し、一方の側面端部におけるアノードの側面バンドと、他方の側面端部におけるカソードの1つ又は複数の側面バンドとを有する、ステップ;
b’)事前又は同時の側面バンドの端部領域の温度の変更を伴う、電気化学バンドルの少なくとも1つの側面バンドを軸X1に沿って軸方向に圧縮するステップであって、軸方向圧縮は、集電体に溶接されることが意図された実質的に平坦な連続ベースを形成する圧縮端部領域をバンドルの少なくとも1つの側面端部において得るために1回又は2回行われる、ステップ;
を実行することができる。
a’’)電解質を含浸させるのに適したセパレータの両側にあるカソード及びアノードからなる少なくとも1つの電気化学セル(C)を含む電気化学バンドル(F)を供給するステップであって、カソード及びアノードはそれぞれ、その中央部分において活性金属イオン挿入材料を支持する金属ストリップから形成された基板を含み、一方でエッジと呼ばれるその側面バンドは活性挿入材料を欠いており、その金属材料の特性及びその形状はエッジ及び中央部分におけるストリップの残りの部分と同一であり、バンドルは長手方向軸X1に沿った伸長形状を有し、一方の側面端部におけるアノードの側面バンドと、他方の側面端部におけるカソードの1つ又は複数の側面バンドとを有する、ステップ;
b’’)同時の側面バンドの中間領域の軸X1に対して半径方向での締め付け(clamp)を伴う、電気化学バンドルの少なくとも1つの側面バンドを軸X1に沿って軸方向に圧縮するステップであって、一方の端部領域を半径方向に自由にさせ、軸方向圧縮は、集電体に溶接されることが意図された実質的に平坦な連続ベースを形成する圧縮端部領域をバンドルの少なくとも1つの側面端部において得るために1回又は2回行われる、ステップ;
を実行することができる。
−今説明した方法のうちの1つによって電気化学バンドル(F)を製造するステップ;
−得られたベースを、今度は電池の出力端子に電気的に接合又は接続することが意図された集電体に溶接するステップ;
を含む。
−上述の方法によって電気化学バンドルに溶接された集電体のうちの一方が溶接されるベース;及び
−集電体の他方が溶接される出力端子を形成する導入部(lead−in)を有する、上述の方法によって電気化学バンドルに溶接されるカバー;
を含む。
−ケースは、アルミニウムをベースとし;
−負極金属ストリップは銅製であり;
−負極の活性挿入材料は、グラファイト、リチウム、チタン酸酸化物(titanate oxide)Li4TiO5O12を含む群から選択されるか;又は、ケイ素をベースとするか、リチウムをベースとするか、又はスズ及びその合金をベースとし;
−正極金属ストリップはアルミニウム製であり;
−正極の活物質挿入材料は、リチウム化リン酸鉄LiFePO4、リチウム化コバルト酸化物LiCoO2、場合により置換されているリチウム化マンガン酸化物LiMn2O4又はLiNi0.33Mn0.33Co0.33O2などのLiNixMnyCozO2(x+y+z=1)をベースとする材料、又はLiNxCoyAlzO2(x+y+z=1)をベースとする材料、LiMn2O4、LiNiMnCoO2又はリチウム化ニッケルコバルトアルミニウム酸化物LiNiCoAlO2を含む群から選択される。
−バンドルの端部領域を圧縮することによって誘発される塑性変形のより良好な制御であって、これにより、バンドルの各端部領域への集電体の信頼性がありかつ効果的な溶接を行うために、領域において緻密層を得ることができる。従って、電池又はスーパーキャパシタを設計する人にとって、このことは、バンドルの端部領域の高さを通常1〜5mmの間で最適化することを可能にする。本発明では、発明者らは、使用される電極の構成及び種類(より厚い又はより薄い)に応じて、この高さを20〜50%程度減少させることを想定し得ると考えている。
−電池又はスーパーキャパシタの製造及び組み立ての通常のステップを保持し、特に、電気化学バンドルの端部を軸方向に圧縮するための工具を保持すること。
2 カソード
3 アノード
4、5、13、14 集電体
6 容器
7 側面エンベロープ
8 ベース
9 ケース
10、11 側面端部
20、30 側面バンド、エッジ
21、31 端部領域
22、32 中央部分
23、33 中間領域
2I、3I 活性リチウム挿入材料
2S、3S 基板
130 タブ
A 金属イオン電池
F 電気化学バンドル
Claims (20)
- 金属イオン電池又はスーパーキャパシタの電気化学バンドル用の電極(2、3)であって、その中央部分(22、32)において活性金属イオン挿入材料(2I、3I)を支持する金属ストリップから形成された基板(2S、3S)を含み、一方でエッジと呼ばれるその側面バンド(20、30)は、活性挿入材料を欠いており、前記側面バンドは、その金属材料の特性及び/又はその形状が前記エッジ(20、30)及び前記中央部分(22、32)におけるストリップの残りの部分に対して変更されている端部領域(21、31)を含み、所定の圧縮応力(E)が前記端部領域に加えられた場合に前記端部領域において局所的な塑性座屈を生じさせ、前記中央部分は前記所定の圧縮応力下で変形しない、電極(2、3)。
- 前記側面バンドは、前記中央部分と前記端部領域との間に中間領域(23、33)を含み、前記中間領域が前記所定の圧縮応力下で変形しないようにその金属材料の特性及び/又はその形状が選択される、請求項1に記載の電極(2、3)。
- 前記中間領域は、その長さに沿って均一に分布された補強材を含む、請求項3に記載の電極(2、3)。
- 前記端部領域のヤング率及び/又は弾性限界は、1つ以上の熱機械的処理を施すことによって変更される、請求項1から3の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- 前記ストリップは、前記端部領域と中間領域との間に冶金学的状態の勾配を有する、請求項2又は3と組み合わせた請求項4に記載の電極(2、3)。
- 前記端部領域における前記ストリップの厚さは、前記エッジ及び前記中央部分における前記ストリップの厚さよりも薄い、請求項1から5の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- 前記ストリップには、前記端部領域に均一に分布された穴又はスリット又はキャビティがあけられる、請求項1から6の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- 前記ストリップには、前記端部領域の長さに沿って少なくとも1つの連続的な溝が設けられる、請求項1から7の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- 前記圧縮応力が一旦加えられると、前記端部領域の幅は0.5〜4mmの間である、請求項1から8の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- 前記ストリップは、前記端部領域で5〜20μmの間の厚さ、及び前記中央部分で10〜20μmの間の厚さを有する、請求項1から9の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- 前記ストリップは、アルミニウム製又は銅製である、請求項1から10の何れか1項に記載の電極(2、3)。
- リチウムイオン電池などの金属イオン電池(A)又はスーパーキャパシタの電気化学バンドル(F)の製造方法であって、前記電池の出力端子へのそれらの電気接続を目的とする、方法であって、以下のステップ:
a)電解質を含浸させるのに適したセパレータ(4)の両側にある、請求項1から11の何れか1項に記載のカソード(2)及び請求項1から11の何れか1項に記載のアノード(3)からなる少なくとも1つの電気化学セル(C)を含む電気化学バンドル(F)を供給するステップであって、前記バンドルは長手方向軸X1に沿った伸長形状を有し、その側面端部の一方(10)における前記アノードの側面バンド(30)と、その側面端部の他方(11)における前記カソードの側面バンド(20)とを有する、ステップ;
b)前記電気化学バンドルの前記側面バンド(20、30)の少なくとも1つを軸X1に沿って軸方向に圧縮するステップであって、軸方向圧縮は、集電体に溶接されることが意図された実質的に平坦な連続ベース(20T、30T)を形成する圧縮端部領域(21、31)を前記バンドルの少なくとも1つの側面端部(10、11)において得るために1回又は2回行われる、ステップ;
を含む、製造方法。 - リチウムイオン電池などの金属イオン電池(A)又はスーパーキャパシタの電気化学バンドル(F)の製造方法であって、前記電池の出力端子へのそれらの電気接続を目的とする、方法であって、以下のステップ:
a’)電解質を含浸させるのに適したセパレータ(4)の両側にあるカソード(2)及びアノード(3)からなる少なくとも1つの電気化学セル(C)を含む電気化学バンドル(F)を供給するステップであって、前記カソード及び前記アノードはそれぞれ、その中央部分において活性金属イオン挿入材料を支持する金属ストリップから形成された基板を含み、一方でエッジと呼ばれるその側面バンドは活性挿入材料を欠いており、その金属材料の特性及びその形状は前記エッジ及び前記中央部分における前記ストリップの残りの部分と同一であり、前記バンドルは長手方向軸X1に沿った伸長形状を有し、その側面端部の一方(10)における前記アノードの側面バンド(30)と、その側面端部の他方(11)における前記カソードの1つ又は複数の側面バンド(20)とを有する、ステップ;
b’)事前又は同時の前記側面バンドの端部領域(21、31)の温度の変更を伴う、前記電気化学バンドルの前記側面バンド(20、30)の少なくとも1つを軸X1に沿って軸方向に圧縮するステップであって、軸方向圧縮は、集電体に溶接されることが意図された実質的に平坦な連続ベースを形成する圧縮端部領域(21、31)を前記バンドルの少なくとも1つの側面端部(10、11)において得るために1回又は2回行われる、ステップ;
を含む、製造方法。 - リチウムイオン電池などの金属イオン電池(A)又はスーパーキャパシタの電気化学バンドル(F)の製造方法であって、前記電池の出力端子へのそれらの電気接続を目的とする、方法であって、以下のステップ:
a’’)電解質を含浸させるのに適したセパレータ(4)の両側にあるカソード(2)及びアノード(3)からなる少なくとも1つの電気化学セル(C)を含む電気化学バンドル(F)を供給するステップであって、前記カソード及び前記アノードはそれぞれ、その中央部分において活性金属イオン挿入材料を支持する金属ストリップから形成された基板を含み、一方でエッジと呼ばれるその側面バンドは活性挿入材料を欠いており、その金属材料の特性及びその形状は前記エッジ及び前記中央部分における前記ストリップの残りの部分と同一であり、前記バンドルは長手方向軸X1に沿った伸長形状を有し、その側面端部の一方(10)における前記アノードの側面バンド(30)と、その側面端部の他方(11)における前記カソードの1つ又は複数の側面バンド(20)とを有する、ステップ;
b’’)同時の前記側面バンドの中間領域(23、33)の軸X1に対して半径方向での締め付けを伴う、前記電気化学バンドルの前記側面バンド(20、30)の少なくとも1つを軸X1に沿って軸方向に圧縮するステップであって、端部領域(21、31)を半径方向に自由にさせ、軸方向圧縮は、集電体に溶接されることが意図された実質的に平坦な連続ベース(20T、30T)を形成する圧縮端部領域を前記バンドルの少なくとも1つの側面端部(10、11)において得るために1回又は2回行われる、ステップ;
を含む、製造方法。 - 側面端部(10、11)上で圧縮された前記端部領域(21、31)の高さは、4mm未満であり、好ましくは0.5〜2.5mmの間である、請求項12から14の何れか1項に記載の電気化学バンドルの製造方法。
- 前記電気化学バンドルは、巻き取りによってそれ自体の上に巻かれた単一の電気化学セル(C)からなる、請求項12から15の何れか1項に記載の電気化学バンドルの製造方法。
- 巻き取り後にそれらの中央部分(22、32)で考慮されるアノードストリップとカソードストリップとの間の間隔は、100〜500μmの間である、請求項16に記載の製造方法。
- 金属イオン電池(A)の電気化学バンドル(F)と前記電池の出力端子の1つとの間の電気接続部分の製造方法であって、以下のステップ:
−請求項12から17の何れか1項に記載の方法によって電気化学バンドル(F)を製造するステップ;
−得られたベース(20T、30T)を、今度は前記電池の出力端子(40、50)に電気的に接合又は接続することが意図されたプレート形態の集電体(13、14)に溶接するステップ;
を含む、製造方法。 - ケース(6)を含むリチウムイオン(Liイオン)電池などの金属イオンストレージバッテリー又は蓄電池であって、前記ケースは、
−請求項18に記載の方法によって前記電気化学バンドルに溶接された前記集電体のうちの一方が溶接されるベース(8);及び
−請求項18に記載の方法によって前記電気化学バンドルに溶接された前記集電体のうちの他方が溶接される出力端子を形成する導入部を有するカバー(9);
を含む、金属イオンストレージバッテリー又は蓄電池。 - −前記ケースは、アルミニウムをベースとし;
−負極金属ストリップは銅製であり;
−負極の活性挿入材料は、グラファイト、リチウム、チタン酸酸化物Li4TiO5O12を含む群から選択されるか、又は、ケイ素をベースとするか、リチウムをベースとするか、又はスズ及びその合金をベースとし;
−正極金属ストリップはアルミニウム製であり;
−正極の活物質挿入材料は、リチウム化リン酸鉄LiFePO4、リチウム化コバルト酸化物LiCoO2、場合により置換されているリチウム化マンガン酸化物LiMn2O4又はLiNi0.33Mn0.33Co0.33O2などのLiNixMnyCozO2(x+y+z=1)をベースとする材料、又はLiNxCoyAlzO2(x+y+z=1)をベースとする材料、LiMn2O4、LiNiMnCoO2又はリチウム化ニッケルコバルトアルミニウム酸化物LiNiCoAlO2を含む群から選択される、
請求項19に記載のLiイオンストレージバッテリー又は蓄電池。
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