JP2022517468A - ポリマー浸漬パウチセル - Google Patents

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Abstract

パウチセルは、パウチを形成する銅箔と、パウチ内の銅箔に隣接して銅でアノードを形成する活性材料層と、パウチ内のリチウム系カソードとを含む。また、１つの活性材料層とリチウム系カソードとの間に介在するセパレータと、電解液とを含む。

Description

関連事例のクロスリファレンス
本出願は、２０１８年１０月２４日に出願された米国仮特許出願番号６２／７４９、９５０の利益を主張し、この時点で完全に記載されているかのように、参照により仮出願を本開示に取り込む。
発明の技術分野
本開示は、一般的な電池技術に関するものであり、より詳細には、電池セルの改良された構造方法に関するものである。
本開示の発明は、その一態様において、パウチを形成する銅箔と、パウチ内の銅箔に隣接し、銅でアノードを形成する活性材料層と、パウチ内のリチウム系カソードとを含むパウチセルを備えている。さらに、セルは、１つの活性材料層とリチウム系カソードとの間に介在するセパレータと、電解液とを含む。
いくつかの実施形態では、活性材料は、酸性化された金属酸化物からなる。活性材料は、パウチ内の少なくとも１つの層に適用されてもよく、約６．４９ｍｇ／ｃｍ２の密度を有する。セパレータは、リチウム系カソードを含むパウチを構成してもよい。セパレータは、ポリプロピレンであってもよい。
パウチセルは、銅箔を折り曲げて作られた単一のセグメントで構成されている。銅箔のセグメントは、パウチの底面を形成する折り曲げ縁を有し、折り曲げ底面縁に隣接するパウチの対抗する面は共に封止される。
セルは、リチウム系カソードに電気的に接続されると共に、パウチの外側にアクセス可能な第１の端子タブを含んでいてもよい。第２の端子タブは、銅箔パウチに電気的に接続されていてもよい。リチウム系カソードは、リチウム箔であってもよい。場合によっては、リチウム系カソードは金属リチウムで構成されている。
パウチセルは、銅箔パウチの外側に絶縁層が適用されていてもよい。絶縁層は、ポリイソブチレンで構成されていてもよい。
本開示の発明は、その別の態様において、電池セルを形成する方法を備える。この方法は、銅箔パウチを用意することと、銅箔パウチの内部に活性材料で覆ってアノードパウチを作成することと、パウチの内部にセパレータで囲まれたリチウム系箔カソードを設けることとを含む。パウチの中には電解液が入っている。パウチを封止して完成する。
いくつかの実施形態では、この方法は、パウチ内のカソードに端子としての第１の電気タブを取り付け、電気タブをパウチの外側に配線することを含む。この方法は、第２の電気タブを銅箔パウチに取り付けることを含んでいてもよい。また、銅箔パウチの外側を絶縁材料でコーティングすることも、この方法の一部としてもよい。
本開示の発明は、その別の態様において、開口端および折り曲げ端を有し、対向する封止された側面を有する銅箔パウチを有する電池セルを備える。電池セルは、銅箔パウチを覆う活性材料と、パウチ内のセパレータ内のリチウム箔のセグメントと、リチウム箔に取り付けられると共にパウチの外側にアクセス可能な第１端子とを含む。銅箔のパウチには電解液が含まれており、開口部で封止されて、リチウム箔、セパレータおよび電解液をパウチの中に封止し、銅箔のパウチと第１端子の間に作動電圧を供給する。
いくつかの実施形態では、銅箔には第２の端子が取り付けられており、第１の端子と第２の端子の間に作動電圧を供給する。いくつかの実施形態では、銅箔パウチの外側に塗布された電気絶縁性ポリマーコーティングを含む。
図１は、本開示の一態様に従ったパウチセルの外観図である。 図２は、図１のパウチセルの分解斜視図である。 図３は、本開示の一態様に従った構築中のパウチセルの上から見た図である。 図４は、本開示の一態様に従った更なる構築後の図２のパウチセルの上面図である。 図５は、本開示の一態様に従ったパウチセル製造プロセスのフローチャートである。
様々な実施形態において、本開示は、様々な電池化学物質に基づくパウチ型セルの構築を説明する。本開示は、任意の化学物質に特定することを意図していない（そのように主張されない限り）。ただし、本明細書で使用される方法および構造は、Ｊｏｈｎｓｏｎらに対する米国特許第９、７８６、９１０号（参照により本明細書に取り込まれる）に記載されているような活性電極材料としての酸性化された金属酸化物、および関連材料で良好に機能することが知られている。
ここで、図１を参照すると、本開示の一態様によるパウチセル１００の外観が示されている。パウチセルは、銅箔などの金属箔で構成される外側パウチ１０２を備える。さらなる実施形態では、銅箔は、ポリマー金属化フィルムで置き換えられてもよい。また、このようなフィルムは、後述するように、外側の絶縁層で被覆されていてもよい。また、メッシュ集電体（図示せず）を、十分な外側絶縁性コーティング（複数可）とともに使用してもよい。
外側パウチ１０２は、絶縁コーティング１０８で完全にまたは部分的に被覆されていてもよい。コーティング１０８は、パウチ１０２の形状に適合するように構成されていてもよく、パウチ１０２のたわみによる動きから剥がれたり割れたりしないように、十分に可鍛性であってもよい。一実施形態では、パウチ１０２上にコーティング１０８を形成するために、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）などのブチルゴムコーティングを施す。２％のＰＩＢ／ヘキサン溶液を用意し、パウチ１０２をその中に浸漬することで、短絡を防ぎ、端子１０４、１０６などの部品を銅箔から電気的に分離するＰＩＢの外側コーティング１０８を形成してもよい。このように、ＰＩＢコーティング１０８は、パウチ１０２の形状に適合したパウチセル１００のケースを形成する。
銅箔パウチ１０２のコーティング１０８は、透明であってもよいし、各種の染料、顔料、塗料などで着色されていてもよい。また、ＰＩＢ以外の絶縁体をコーティング１０８に使用してもよい。溶媒に分散されたポリマーは、銅箔パウチ１０２のための絶縁性コーティング１０８の基礎を形成してもよい。いくつかの実施形態では、コーティング１０８は、吹きつけ（スプレー）または塗装され、場合によっては能動的または受動的に硬化される。
パウチ１００には、外部からアクセス可能なカソード端子１０４と、外部からアクセス可能なアノード端子１０６が設けられている。これらは、正極端子１０４および負極端子１０６と表現されることもある。端子１０４、１０６は、ニッケルで構成されてもよく、他のセル構成要素と負極性に反応しない他の適切な導体で構成されていてもよい。端子１０４、１０６は、いくつかの実施形態では、所定の位置に超音波溶接されている。図示されているように、端子１０４、１０６は、クリップまたは他の留め具が選択的に接続され得る金属タブである。ただし、端子１０４、１０６は、当技術分野で知られているように必要な任意の形状および形態をとってもよく、完成した電池のサブコンポーネントとしてセル１００を、特定の負荷に対して、取り付けるのに有用であることを理解すべきである。
次に、図２を参照すると、図１のパウチセル１００の分解斜視図が示されている。図２の分解斜視図は、セル１００の様々な追加の内部構成要素を示している。パウチ１０２は、図示されているように、その中央付近に折り目２０２を有する銅箔の層からなる。銅箔の折り目２０２は、対向する側面２０４、２０６を有するパウチ１０２の２つの半分を形成する。折り目２０２の対抗する側には、パウチの口の端２０８がある。パウチ１０２の銅箔の内側には、活性材料層２１０が設けられている。活性材料層２１０は、パウチ１０２の内側の両側面にあってもよく、銅箔と接触してカソードを形成する。
活性材料２１０は、その後硬化または乾燥されるスラリーとして堆積されてもよい。活性材料２１０は、吹きつけ（スプレー）により塗布されてもよい。いくつかの実施形態では、材料の層が塗布され、場合によっては間に炭素層がある。本開示の目的のために、活性材料は、パウチ１０２の銅箔と接触して配置されると、カソードの構造が生じ、電解液、セパレータ、およびアノードと共に使用されて電池セルとして機能することができるものである。
特定の実施形態では、活性材料２１０は、米国特許第９、７８６、９１０号に記載されているような、表面官能化され酸性化された金属酸化物である。活性材料２１０は、例えば、酸性であるが超酸性ではない表面を含む少なくとも１つの固体金属酸化物ナノ材料であって、表面は、乾燥後、５ｗｔ％の水に再懸濁したときにｐＨ＜５であり、ハメット関数Ｈ０＞－１２を有するものであってもよい。いくつかの実施形態では、活性材料２１０は、ＭｍＯｘ／Ｇの形態である固体金属酸化物ナノ材料を含むと言ってもよく、ここで、Ｍｍは金属であり、Ｏｘは全酸素であり、ＭｍＯｘは金属酸化物であり、Ｇは少なくとも１つの電子吸引性表面基であり、「／」は金属酸化物と電子吸引性表面基とを区別するものであり、電池電極固体金属酸化物ナノ材料は、ｐＨ＜０．５で、乾燥後、水に再懸濁したときに５ｗｔ％であり、かつ、少なくともその表面において、ハメット関数Ｈ０＞－１２であることを特徴とする。
また、本開示に基づいて、酸性金属酸化物を活性材料として使用しないセルを構築することも可能であることを理解すべきである。
カソード活性材料２１０のサイズ、体積、または面積は様々であるが、全体のサイズはセル１００の全体の容量に対応する。さらに、図示された様々な実施形態では、カソードの合計サイズは、完成したセルを組み立てた時に折り曲げたり二重になったりすることにより反映される。活性材料の厚さは様々である。ある実施形態では、活性材料は６．４９ｍｇ／ｃｍ２の密度で適用される。銅箔パウチ１０２の端部および側面は、箔を折り曲げて封止できるように、活性材料がない状態にしてもよい（例えば、折り曲げた端部２０２、口端部２０８、および／または対抗する側面２０４、２０６は、それらの上に活性材料２１０が適用されていなくてもよい。
パウチ１０２を封止または閉じるために、シングルピースまたはマルチピースの接着ストリップ２１２が、パウチ１０２の２つの半分の縁を共に結合してもよい。接着ストリップ２１２は、テープ、接着剤、または他の接着剤であってもよい。接着ストリップ２１２は、接着ストリップ２１２が溶解することなく、パウチ１０２が電解液および他の内部電池構成要素を含むように封止するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、パウチ１０２の銅箔を折り目２０２で切断して、接着剤ストリップ２１２の取付（塗布）を容易にしてもよい。
パウチ１０２内に収容されているのは、活性材料２１０とアノード２１６とを介在させるセパレータ２１４であってもよい。セパレータ２１４は、セル１００の内部化学反応に適したものであってよい。いくつかの実施形態では、セパレータ２１４は、Ｔａｒｇｒａｙ社のポリプロピレンまたはポリエチレンからなる。いくつかの実施形態では、セパレータ２１４は、アノード２１６を完全に囲み、カソードとして作用する活性材料２１０との電気的接触から絶縁するような、折り曲げた材料であってもよいし、パウチ状に形成されていてもよい。粘着テープのセグメント（図示せず）または他のデバイスは、パウチ／セルを組み立てた時に、セパレータ２１４をアノード２１６の周囲の所定の位置に固定してもよい。テープまたは他の絶縁性接着剤は、組み立て時にアノードタブ１０６と銅箔１０２との間の接触を防止する役割も果たし得る。
アノード２１６は、リチウム系材料であってもよい。米国特許第９、７８６、９１０号に記載されているものに対応する活性材料２１０を使用する場合、純粋なリチウム箔をアノード２１６として安全に使用することができる。他の実施形態では、他の既知のリチウム系の化合物を使用してもよい。いくつかの実施形態では、アノード２１６は、約１ｍｍの厚さを有するリチウム箔からなる。
互換性のある電解液２２０により、セル１００を完成させてもよく、パウチ１０２の最終的な封止の前にパウチ１０２に挿入してもよい。
ここで、図３を参照すると、本開示の一態様に従って組み立て中に現れるであろうパウチセル１００の上から見た図が示されている。パウチ１０２は、対向する側面２０４、２０６での折り目２０２上で展開（または、まだ折り曲げられていない）されている。活性材料２１０は、パウチ１０２の封止を可能にするマージンをもって、パウチ１０２の内面に適用されている。３０２で示すように、折り目２０２の周囲の領域から活性材料を除去する必要性があってもよい。
ここで、図４を参照すると、本開示の一態様による更なる組み立て後の図２のパウチセルの上から見た図が示されている。ここでは、活性材料１１０は、折り目２０２の周りの領域３０２から除去されている。これは、パウチ１０２から活性材料を引き離す可能性のあるマスキングテープの取付および除去によって達成され得る。他の実施形態では、適切な溶媒または他の方法を使用してもよい。接着ストリップ２１２の一部は、パウチ１０２が折り目２０２で折り曲げる前に、側面２０４、２０６に沿って塗布されてもよい。
いくつかの実施形態では、パウチ１０２の口２０８は一緒に折り曲げられ、封止される。これは、折り目を封止するために、接着ストリップ２１２または別の接着剤の一部を使用してもしなくてもよい。
次に図５を参照すると、本開示の一態様によるパウチセル製造プロセスのフローチャート５００が示されている。フローチャート５００によって示されるような方法は、例示的なものに過ぎない。異なる材料または構築方法が採用される場合、構築方法はそれに応じて適応され得る。ステップ５１０で、銅箔パウチ１０２が準備される。ステップ５１２では、活性材料２１０が適用される。これには、封止されるべきマージンで適切なクリアランスを確保することが含まれ得る。ステップ５１４で、箔は折り曲げられ、開放端２０８を有するパウチ１０２として（例えば、接着剤で）封止される。ステップ５１６で、タブまたは端子１０４を箔に取り付けてもよい。
ステップ５１８で端子１０６がアノード２１６に取り付けられる。ステップ５２０で、アノードをセパレータ２１４で包み込む。ステップ５２２で、アノードはパウチ１０２内に入れられる。ステップ５２４で電解液を加えてもよい。ステップ５２６で、パウチ１０２の開放端２０８を、折り曲げ、接着剤の塗布、または他の方法によって封止してもよい。最後に、ステップ５２８で、パウチ１０２は、パウチ１０２を絶縁するためにコーティング１０８が適用（塗布）されてもよい。
上記のようにしてパウチセルを作成した。完成したパウチセルをテストし、ＰＩＢコーティングがパウチセルの内部部品に対して適切な電気的分離と抵抗を提供していることを確認した。また、完成したセルを使ってＬＥＤなどの負荷に電力を供給した。
さらに、さまざまなサイズと容量のセルが製造され、同様の良好の結果が得られた。また、厚さ１．８ｃｍ×１．８ｃｍのリチウム箔のアノードを囲むように、一辺が２ｃｍ×２ｃｍという小さな活性材料エリアを持つパウチセルでも、ＬＥＤなどの負荷に効果的に電力を供給できることが示されている。
＊ ＊ ＊ ＊ ＊
「含む」、「備える」、「構成される」およびそれらの文法上の変形は、１つ以上の成分、特徴、ステップ、またはそれらの基または数値の追加を排除するものではなく、これらの用語は成分、特徴、ステップまたは数値を特定するものとして解釈されることを理解していただきたい。
明細書や特許請求の範囲に「追加の」要素が記載されている場合、その追加要素が複数あることを妨げるものではない。
なお、特許請求の範囲または明細書で「ひとつ」または「１つ」の要素が言及されている場合、そのような言及は、その要素が１つだけであると解釈されるものではないことを理解されたい。
本明細書中で、ある構成要素、特徴、構造、または特性を「含むかもしれない」、「かもしれない」、「できる」、または「できる」と記載されている場合、その特定の構成要素、特徴、構造、または特性を含むことは必須ではないことを理解されたい。
必要に応じて、状態図、フロー図、またはその両方を使用して実施形態を説明することがでるが、本発明はこれらの図または対応する説明に限定されるものではない。例えば、フローは、図示された各ボックスや状態を沿って動く必要はなく、また、図示や説明と全く同じ順序で動く必要もない。
本発明の方法は、選択されたステップまたはタスクを手動、自動、またはそれらの組み合わせで実行または完了することによって実施することができる。
「方法」という言葉は、ある課題を達成するための作法、手段、技術、手順を意味し、本発明が属する技術分野の当業者に知られているか、あるいは知られている作法、手段、技術、手順から容易に開発される作法、手段、技術、手順を含むが、これらに限定されない。
本明細書では、「少なくとも」の後に数字が続く用語は、その数字で始まる範囲（定義される変数に応じて、上限を持つ範囲であっても、上限を持たない範囲であってもよい）の開始を示すために使用される。例えば、「少なくとも１」は、１以上を意味する。「最大」の後に数字が続く用語は、本明細書では、その数字で終わる範囲（定義される変数に応じて、１または０を下限とする範囲、または下限を持たない範囲である可能性がある）の終わりを示すために使用される。例えば、「最大４」は、４または４未満を意味し、「最大４０％」は、４０％または４０％未満を意味する。
本明細書において、「（第１の数字）～（第２の数字）」または「（第１の数字）～（第２の数字）」と範囲を示す場合、これは、第１の数字を下限とし、第２の数字を上限とする範囲を意味する。例えば、「２５～１００」は、下限が「２５」、上限が「１００」の範囲を意味すると解釈してください。さらに、範囲が指定されている場合、その範囲内のすべての可能なサブレンジまたはインターバルも、文脈が反対を示していない限り、具体的に意図されていることに留意すべきである。例えば、本明細書で２５～１００の範囲が示されている場合、その範囲は、２６～１００、２７～１００などのサブレンジ、２５～９９、２５～９８などのサブレンジや、記載された範囲内の下限値と上限値の他の可能な組み合わせ、例えば、３３～４７、６０～９７、４１～４５、２８～９６などを含むことも意図している。なお、本明細書では説明のために整数の範囲値を使用しているが、特に除外しない限り、１０進数および小数の値（例えば４６．７～９１．３）も可能なサブレンジの端点として意図されていると理解すべきである。
本明細書では、２つ以上の定義されたステップを含む方法について言及しているが、定義されたステップは、任意の順序でまたは同時に実施することができ（文脈上その可能性が除外される場合を除く）、本明細書の方法は、定義されたステップのいずれかの前、定義されたステップの２つの間、または定義されたステップのすべての後に実施される１つ以上の他のステップも含むことができることに留意する必要がある（文脈上その可能性が除外される場合を除く）。
さらに、近似の用語（例えば、「約」、「実質的に」、「およそ」など）は、本明細書で別段の指示がない限り、関連する技術分野で使用されている通常および慣例的な意味に従って解釈されるべきであることに留意すべきである。本開示内で特定の定義がない場合、および関連する技術分野での通常および慣例的な使用がない場合、このような用語は、基本値のプラスまたはマイナス１０％であると解釈されるべきである。
＊ ＊ ＊ ＊ ＊
このように、本発明は、上述した目的を遂行し、そこに内在する目的や利点を達成するのに適している。本明細書では、本発明の装置を、添付の図面に関連した特定の好ましい実施形態を参照して説明および図示してきたが、本明細書に示されたものまたは示唆されたものとは別に、以下の特許請求の範囲によって決定されるべき本発明の概念の精神から逸脱することなく、当業者によって様々な変更およびさらなる修正が行われ得る。

Claims (20)

  1. パウチセルにおいて、
    パウチを形成する銅箔と、
    前記パウチ内の前記銅箔に隣接して、前記銅箔でアノードを形成する活性材料層と、
    前記パウチ内のリチウム系カソードと、
    絵前記１つの活性材料層と前記リチウム系カソードとの間に介在するセパレータと、
    電解液とを備えたことを特徴とする、パウチセル。
  2. 活性材料が、酸性化した金属酸化物からなることを特徴とする、請求項１に記載のパウチセル。
  3. 前記活性材料が、前記パウチセル内の少なくとも１つの層に約６．４９ｍｇ／ｃｍ２の密度で適用されていることを特徴とする、請求項２に記載のパウチセル。
  4. 前記セパレータが、前記リチウム系カソードを含むパウチで構成されていることを特徴とする、請求項３に記載のパウチセル。
  5. 前記セパレータが、ポリプロピレンで構成されていることを特徴とする、請求項４記載のパウチセル。
  6. 前記パウチが、前記銅箔の単位セグメントを折り曲げることにより構成されていることを特徴とする、請求項５に記載のパウチセル。
  7. 前記銅箔の単位セグメントが前記パウチの底面を形成する折り曲げ縁を有し、前記底面の前記折り曲げ縁に隣接する前記パウチの対抗面同士が封止されていることを特徴とすることを特徴とする、請求項６に記載のパウチセル。
  8. 請求項７に記載のパウチセルは、前記リチウム系カソードに電気的に接続されると共に、前記パウチセルの外部からアクセス可能な第１端子タブをさらに備えていることを特徴とするパウチセル。
  9. 前記銅箔パウチに電気的に接続される第２端子タブをさらに備えることを特徴とする、請求項８のパウチセル。
  10. 前記リチウム系カソードがリチウム箔であることを特徴とする、請求項９記載のパウチセル。
  11. 前記リチウム系カソードが金属リチウムで構成されていることを特徴とする、請求項１０記載のパウチセル。
  12. さらに、前記銅箔パウチの外側に取付られた絶縁層を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のパウチセル。
  13. 前記絶縁層がポリイソブチレンからなることを特徴とする、請求項１２に記載のパウチセル。
  14. 電池セルを形成する方法であって、
    銅箔パウチを用意する工程と、
    前記銅箔パウチの内部を活性材料で覆ってアノードパウチと形成する工程と、
    セパレータで囲まれたリチウム系箔カソードを前記パウチ内に設ける工程と、
    前記パウチ内に電解液を供給する工程と、
    前記パウチを封止する工程と、
    を含むことを特徴とする、方法。
  15. さらに、前記パウチ内のカソードに端子としての第１の電気タブを取り付ける工程と、前記第１の電気タブを前記パウチの外側に配線する工程とを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
  16. さらに、第２の電気タブを前記銅箔パウチに取り付ける工程を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
  17. さらに、前記銅箔パウチの外側を絶縁材料でコーティングする工程を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
  18. 電池セルであって、
    開口部および折り曲げ部と対向する封止部を持つ銅箔パウチと、
    前記銅箔のパウチを覆う活性材料と、
    前記銅箔パウチ内のセパレータの中のリチウム箔のセグメントと、
    前記リチウム箔に取り付けられると共に、前記銅箔パウチの外側からアクセス可能な第１の端子と、
    を備え、
    前記銅箔パウチの中には電解液が入っており、
    前記銅箔パウチが、開口端で封止されると共に、前記銅箔パウチ中に前記リチウム箔、セパレータおよび電解液を封止し、前記銅箔パウチと第１端子との間に作動電圧を供給することを特徴とする、電池セル。
  19. 前記銅箔は、その上に取り付けられた第２の端子を有し、前記第１の端子と前記第２の端子との間に作動電圧を供給することを特徴とする、請求項１８に記載の電池セル。
  20. さらに、前記銅箔パウチの外側に塗布された電気絶縁性のポリマーコーティングを含むことを特徴とする、請求項１９に記載の電池セル。
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