JP2022535996A - リチウムイオン電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

電池は、平面アノード集電体基板、アノード層、電解質材料又は電解質を含浸させたセパレーターの層、カソード層、及び平面カソード集電体基板を続けて含む基本セルを含み、該電池はまた、長手部縁部、アノード接続領域を含む第１側部縁部、及びカソード接続領域を含む第２側部縁部を含む。各基本セルは、１次本体、２次本体、及び３次本体を含み、該２次本体及び該３次本体は、該１次本体の両側に配置される。該２次本体は切欠きによって１次本体から隔てられ、該切欠きは電池の長手部縁部から対向する長手部縁部まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びる。該３次本体は凹部によって１次本体から隔てられ、該凹部は電池の長手部縁部から対向する長手部縁部まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びる。【選択図】図７

Description

本発明は電池の分野、さらに具体的にはリチウムイオン電池に関する。本発明は、寿命を向上させる新たな構造を有するリチウムイオン電池に関する。また、本発明は、そうした電池を製造するための新たな方法にも関する。
全固体リチウムイオン充電式電池が知られている。特許文献１（Ｉ－ＴＥＮ）は、順にアノード層及び電解質層で覆った導体基板を含むアノード箔、並びに順にカソード層及び電解質層で覆った導体基板を含むカソード箔から製造したリチウムイオン電池を記載しており、これらの箔は、堆積の前又は後に、Ｕ字状パターンに切断される。その後、これらの箔は、いくつかの基本セルのスタックを構成するように交互に積み重ねられる。アノード箔及びカソード箔の切断パターンは、カソード及びアノードのスタックが横方向にオフセットされるように、「ヘッド・トゥ・テイル」の構成に配置される。積み重ねるステップの後、約１０ミクロン厚の層を有する封入システムを、スタック上及びスタック内に存在する空隙に堆積する。これにより、一方で、切断平面における構造の剛性を確保し、他方で、大気に対する電池セルの保護を確実にすることができる。スタックは、作製されて封入されると、電池のカソード接続領域及びアノード接続領域の切断平面のそれぞれを露出させるように、単一の電池を得るために切断平面において切断される。この切断時に、封入システムが引っぱられて取れ、電池の締まりがなくなることになるということが起こる。また、これらのカソード及びアノード接続領域が現れている位置において終端部（すなわち、電気的接触部）を追加することも知られている。
しかしながら、この既知の解決手段には所与の不利点があると認められる。実際に、電極の位置、特に多層電池における電極の縁部の近接性及び切断部の清浄性に対応して、典型的に激しいショートの形態で端部に漏れ電流が認められ得る。この激しいショートは、電池周囲に、並びにカソード及びアノード接続領域への進入部において、封入システムを使用するにもかかわらず、電池の性能を低下させる。さらに、電池において、特に、電池縁部における電極の横方向オフセットによってもたらされる空間における電池の縁部において、封入システムの不十分な堆積が見受けられることがある。
さらに、それぞれアノード及びカソードの終端部がそれぞれ隣接するカソード及びアノード箔から引っ込んで位置する場合、大きい寸法の切断を行う必要がある。そうした切断部は絶縁材料を用いて充填する必要がある。この切断部は、実質的な寸法を考えると、厳密に言えば、電池をなす有用な材料を実質的に失わせることとなる。さらに、スタック内に存在する空隙に大きな厚みの絶縁体を堆積させることになる。厚みのある絶縁体は、電池の封入システム全体を脆弱にするリスクがある。切断時に、厚い層として堆積した封入システムは離層しやすい。したがって、先行技術にかかる構成は技術的不利点だけでなく経済的な不利点がある。
国際公開第２０１６／００１５８４号
本発明は、本明細書において上述した先行技術における所与の不利点を少なくとも部分的に克服すること、特に高エネルギー密度及び高出力密度を備えた充電式リチウムイオン電池を得ることを目的とする。
本発明は、特に、高エネルギー密度及び高出力密度を備えた充電式リチウムイオン電池の製造量を高めること、及び最少のコストでより効率的な封入を行うことを目的とする。
本発明は、特に、激しい又は偶発的なショートのリスクを下げ、自然放電の少ない電池を製造することを可能にする方法を提示することを目的とする。
本発明は、特に、簡単、確実、及び迅速に、極めて長寿命の電池を製造することを可能にする方法を提示することを目的とする。
また、本発明は、特に先行技術よりも良好な、優れた特性の切断ステップを使用するそうした方法を提示することを目的とする。
また、本発明は、材料の損失を少なくする電池の製造のための方法を提示することを目的とする。
本発明の第１の目的は、少なくとも１つの基本セル１００を含む電池１０００であり、該基本セル１００は、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含み、
該電池１０００は、長手部縁部１０１１、１０１２、少なくとも１つのアノード接続領域１００２を含む第１側部縁部１００１、及び少なくとも１つのカソード接続領域１００６を含む第２側部縁部１００５を含み、該アノード接続領域１００２及びカソード接続領域１００６は好ましくは横方向に反対になっており、
各基本セル１００は、１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３を含み、該２次本体及び該３次本体は、該１次本体の両側に配置され、１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３のそれぞれが、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含み、
該２次本体１１２は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びアノード集電体基板材料も有しない切欠き１２０によって１次本体１１１から隔てられ、該切欠きは、電池の長手部縁部１０１１から対向する長手部縁部１０１２まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延び、
該３次本体１１３は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びカソード集電体基板材料も有しない凹部１３０によって１次本体１１１から隔てられ、該凹部１３０は、電池の長手部縁部１０１１から対向する長手部縁部１０１２まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びる。
有利には、本発明における電池は複数の基本セルを含み、該基本セルのそれぞれにおけるすべての切欠きは、各平面カソード集電体基板がカソード接続領域を介して基本セルのカソード電流を集電するように、電池の主平面に対して垂直の方向に重なっており、該基本セルのそれぞれにおけるすべての凹部は、各平面アノード集電体基板がアノード接続領域を介して基本セルのアノード電流を集電するように、電池の主平面に対して垂直の方向に重なっている。
好ましい実施形態において、該電池はリチウムイオン電池である。有利には、本発明における電池は、該電池の６面のうちの４面を全体的に覆う封入システムを含み、残りの２面はアノード接続領域及びカソード接続領域を含む。有利には、該封入システムは、
－ 電池に堆積される、好ましくはパリレン、パリレンＦ、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン、ポリアミド、ゾルゲルシリカ、有機シリカ、及び／又はそれらの混合物から選択される少なくとも１つの第１被覆層、
－ 該少なくとも第１被覆層に原子層堆積によって堆積される、電気絶縁材料から構成される少なくとも１つの第２被覆層を含み、
少なくとも１つの第１被覆層と少なくとも１つの第２被覆層とのこのシーケンスはｚ回繰り返すことができ、ｚ≧１である。
有利には、アノード接続領域及びカソード接続領域は、終端部によって覆われる。
有利には、終端部は、
－ 少なくともカソード接続領域及び／又は少なくともアノード接続領域に配置した、グラファイトを添加した材料の、好ましくはグラファイトを添加したエポキシ樹脂基材を含む第１層、
－ 終端システムの第１層に配置した、金属銅の第２緻密層、
－ 任意で、第２層に配置した、スズ－スズ亜鉛合金基材を含む第３層、
－ 任意で、終端システムの第３層に配置した、スズ基材、又は銀、パラジウム及び銅の合金基材を含む第４層を含む。
有利には、切欠きの幅は０．０１ｍｍ～０．５ｍｍの間に含まれる。
有利には、凹部の幅は０．０１ｍｍ～０．５ｍｍの間に含まれる。
有利には、２次本体の幅は０．５ｍｍ～２０ｍｍの間に含まれる。本発明の第２の目的は、電池１０００を製造する方法であり、該電池は少なくとも１つの基本セル１００を含み、該基本セル１００は、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含み、製造の該方法は、
（ａ）アノード層２０で覆った、及び任意で電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の層で覆った、平面アノード集電体基板１０の少なくとも１つの箔を提供することであって、該泊を以下、アノード箔２と呼び、該アノード箔は、少なくとも１つのアノードスロット８０を含み、該アノードスロット８０は、垂直且つ平行の２つの主アノード空隙８２を含み、これらは、垂直の２つの主アノード空隙８２に対して実質的に垂直である水平のアノードチャネル８４によってその上方部分において接続され、これらの垂直の主アノード空隙は、電池の長手部縁部を画定するために用いられること、
（ｂ）カソード層５０で覆った、及び任意で電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の層で覆った、平面カソード集電体基板４０の少なくとも１つの箔を提供することであって、該泊を以下、カソード箔５と呼び、該カソード箔は、少なくとも１つのカソードスロット７０を含み、該カソードスロットは、垂直且つ平行の２つの主カソード空隙７２を含み、これらは、垂直の２つの主カソード空隙７２に対して実質的に垂直である水平のカソードチャネル７４によってその上方部分において接続され、これらの垂直の主カソード空隙は、電池の長手部縁部を画定するために用いられること、
（ｃ）電池の主平面に対して垂直の方向、並びにそれぞれアノードスロット８０の水平のアノードチャネル８４に対して平行の方向、及びカソードスロット７０の水平のカソードチャネル７４に対して平行の方向に、それぞれアノードトレンチ８６、８８、及びカソードトレンチ７６、７８を形成するように、それぞれステップ（ａ）及びステップ（ｂ）において提供した少なくとも箔における、各アノードスロット８０及びカソードスロット７０の近傍に、第１切欠き及び第２切欠きを作製することであって、
〇第１切欠き及び第２切欠きは、それぞれアノード箔２及びカソード箔５の両側に作製され、
〇第２切欠きは、第１切欠きの延長上に作製され、
〇第１切欠き及び第２切欠きから得た、それぞれのアノードトレンチ８６、８８及びカソードトレンチ７６、７８は、それぞれ、いずれの電解質材料又は電解質を含浸させたセパレーター、及びいずれのアノード材料も有さず、及びいずれの電解質材料又は電解質を含浸させたセパレーター、及びいずれのカソード材料も有さず、
〇それぞれの該アノードトレンチ８６、８８及びカソードトレンチ７６、７８は、それぞれ、各アノードスロット８０における垂直且つ平行の２つの主アノード空隙を接続し、各カソードスロット７０における垂直且つ平行の２つの主カソード空隙を接続するように、電池の主平面に対して垂直の方向に、電池における対向する長手部縁部１０１１、１０１２の間に延び、これらの切欠きを作製した後に得られる箔を以下、それぞれ切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅと呼ぶこと、
（ｄ）それぞれ、少なくとも１つの、切欠きを有するアノード箔２ｅの各アノードスロット８０において、及び少なくとも１つの、切欠きを有するカソード箔５ｅの各カソードスロット７０において、それぞれ少なくとも切欠きを有するアノード箔２ｅのアノードトレンチ８６、８８、及び少なくとも切欠きを有するカソード箔５ｅのカソードトレンチ７６、７８が、電池の主平面に対して垂直の方向に、それぞれ隣接する切欠きを有するカソード箔５ｅのカソードスロット７０の水平のカソードチャネル７４、及び隣接する切欠きを有するアノード箔２ｅのアノードスロット８０の水平のアノードチャネル８４の延長上に配置されるように、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて得るように、少なくとも１つの、切欠きを有するアノード箔２ｅと、少なくとも１つの、切欠きを有するカソード箔５ｅとの交互のスタックＩを作製すること、
（ｅ）統合したスタックを形成するように、ステップ（ｄ）において得られた交互の箔のスタックの熱処理及び／又は機械的圧縮を行うこと、
（ｆ）それぞれ水平のアノードチャネル８４及び水平のカソードチャネル７４に対して平行の平面にしたがって、それぞれ該アノードスロット８０、及びカソードスロット７０内に少なくとも部分的に延びる２つの切断部Ｄｎ、Ｄ’ｎを作製することであって、少なくともアノード接続領域及びカソード接続領域を露出させる切断したスタックを形成するように、第１切断部は、アノードスロット８０の水平のアノードチャネル８４と長手部縁部に面する端部との間に延びる一方、第２切断部は、カソードスロット７０の水平のカソードチャネル７４と長手部縁部に面する端部との間に延びること、を含む。
有利には、ステップ（ｅ）の後、及び好ましくはステップ（ｆ）の前に、統合したスタックの封入のステップ（ｇ）を、
－ 電池における、好ましくはパリレン、パリレンＦ、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン、ポリアミド、ゾルゲルシリカ、有機シリカ、及び／又はそれらの混合物から選択される少なくとも１つの第１被覆層、並びにその後、
－ 該少なくとも第１被覆層に原子層堆積によって堆積される、電気絶縁材料から構成される少なくとも１つの第２被覆層を堆積させることによって行い、
少なくとも１つの第１被覆層と少なくとも１つの第２被覆層とのシーケンスはｚ回繰り返すことができ、ｚ≧１である。
有利には、セパレーターを本発明における電池に使用するとき、セパレーターは、電解質によって、好ましくはリチウム塩を含有する液体電解質又はイオン性液体などのリチウムイオン担体相によって、含浸する。
有利には、ステップ（ｆ）の後、電池の終端部は、少なくともアノード接続領域及びカソード接続領域に、
－ グラファイトを添加した材料の、好ましくはグラファイトを添加したエポキシ樹脂基材を含む第１層、
－ 終端システムの第１層に配置した、金属銅の第２緻密層、及び
－ 任意で、終端システムの第２層に配置した、スズ－亜鉛合金基材を含む第３層、
－ 任意で、終端システムの第３層に配置した、スズ基材、又は銀、パラジウム及び銅の合金基材を含む第４層を、連続的に堆積させることによって作製する。
有利には、トレンチ７６、７８、８６、８８を形成するステップ（ｄ）において作製する２つの切欠きは、レーザーアブレーションによって作製される。
有利には、各切断部はレーザーによって作製される。
有利には、各基本セルは、第１面において、平面アノード集電体基板の連続領域、及び現れている切欠き１２０、並びに対向する面において、平面カソード集電体基板の連続領域、及び現れている凹部１３０を画定する。
有利には、平面アノード集電体基板の連続領域は、電池の平面に対して垂直の方向に、切欠き１２０に面して位置し、平面カソード集電体基板の連続領域は、凹部１３０に面して位置する。
有利には、本発明における電池は、
〇平面アノード集電体基板が、２つの隣接する基本セルのアノード集電体基板であること、及び
〇平面カソード集電体基板が、２つの隣接する基本セルのカソード集電体基板であること、によって特徴づけられる。
非限定的な例として提示される添付の図面は、本発明の種々の態様及び実施形態を表す。
図１は、本発明における電池の製造方法に従ってスタックを形成するために用いられる切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔の斜視図である。 図２は、図１の箔の１つを示す、正面図である。 図３は、アノード箔に配置した梯子形状溝部を示す、大きく拡大した正面図である。 図４は、隣接する箔に配置した梯子形状溝部を示す、これも大きく拡大した斜視図である。 図５は、先の図面のスタックに配置した様々な溝部に行う切断のステップを示す、平面図である。 図６は、梯子形状溝部に配置した切断部を大きく拡大して示す、平面図である。 図７は、図６に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線における断面図である。 図８は、図６に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線における断面図である。 図９は、３つの基本セルから構成されるスタックを示す、図６に示すＶＩＩ－ＶＩＩ線における分解断面図である。 図１０は、特に先の図面の方法にしたがって得られる、本発明における電池を示す平面図である。 図１１は、特に先の図面の方法にしたがって得られる、本発明における電池を示す正面図である。 図１２は、特に先の図面の方法にしたがって得られる、本発明における電池を示す斜視図である。 図１３は、先行技術における電池を示す斜視図である。
以下の符号は、これらの図面及び以下の記載に使用される。
表１は、本願に使用する英数字符号を示す。
Figure 2022535996000002
Figure 2022535996000003
Figure 2022535996000004
本発明における方法は、まず、交互の箔のスタックＩを作製するステップを含み、これらの箔を、場合によって以下で「アノード箔」２又は「カソード箔」５と呼ぶ。さらに詳細に理解されるように、各アノード箔２は複数の電池のアノードを形成するために用いられ、各カソード箔５は複数の電池のカソードを形成するために用いられる。図１に示す例において、切欠きを有する２つのカソード箔５ｅと、切欠きを有する２つのアノード箔２ｅとを示す。実際には、このスタックは、典型的には１０～１，０００の間に含まれる、より大きい数の箔によって形成される。切欠きを有するカソード箔５ｅの数は、反対の極性である交互の箔のスタックＩを構成するために用いられる、切欠きを有するアノード箔２ｅの数と同一である。
有利な実施形態において、これらの箔のそれぞれはその４つの端部に穿孔７を有し、これらの穿孔７が重なるとき、これらの箔のすべてのカソードとすべてのアノードとが、以下にさらに詳細に説明するように、厳密に配置されるようになる（図１及び図２参照）。箔の４つの端部におけるこれらの穿孔７は、特に、製造後のアノード箔２及びカソード箔５に、又は、カソード層５０若しくはアノード層２０で覆った、及び任意で電解質材料３０若しくはセパレーター３１の層が反対の極性である２つの箔の間、すなわちアノード箔２とカソード箔５との間に挿入されるように電解質材料３０若しくはセパレーター３１の層で覆った基板箔１０、４０に、任意の適切な手段で作製することができる。
各アノード箔２は、以下アノード層２０と呼ぶ、アノード材料の活性層２０で覆った、平面アノード集電体基板１０を含む。各カソード箔５は、以下カソード層５０と呼ぶ、カソード材料の活性層５０で覆った、平面カソード集電体基板４０を含む。これらの活性層のそれぞれは固体、より具体的には緻密性又は多孔性であり得る。さらに、反対の極性である２つの活性層間の任意の電気的接触を防ぐため、電解質３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の層を、予め活性層で覆ったこれらの平面カソード集電体基板の少なくとも１つの活性層上に、対向する活性層に接触させて、配置する。電解質３０又はセパレーター３１の層を、アノード層２０及び／又はカソード層５０上に配置することができ、電解質又はセパレーターの層は、それを含むアノード箔２及び／又はカソード箔５の一体的な部分である。
有利には、それぞれ平面アノード集電体基板１０及び平面カソード集電体基板４０の２面を、それぞれアノード層２０及びカソード層５０で覆い、及び任意でそれぞれアノード層２０及びカソード層５０上に配置した電解質３０又はセパレーター３１の層で覆う。この場合、それぞれ平面アノード集電体基板１０及び平面カソード集電体基板４０を、２つの隣接する基本セルの集電体として使用することができる。電池にこれらの基板を使用することで、高エネルギー密度及び高出力密度を備えた充電式電池の製造量を高めることができる。
アノード箔２の１つの機械的構造を以下に記載し、他のアノード箔２は同一の構造を有する。さらに、以下で理解されるように、カソード箔５はアノード箔２のものと近い構造を有する。
図２に見受けられるように、切欠きを有するアノード箔２ｅは、実質的に正方形型の四辺形形状を有する。これは、以下に記載する梯子形状溝部が作製される、いわゆる穿孔中心領域４を画定する。これらの梯子形状溝部の位置に対して、これら梯子形状溝部の垂直方向に対応する、箔のいわゆる垂直方向ＹＹが規定され、方向ＹＹに対して垂直の、箔のいわゆる水平方向ＸＸが規定される。中心領域４は、固体である、すなわち溝部を有しない、周囲枠６に隣接する。この枠の機能は、特に各箔を確実に容易に扱えるということである。
梯子形状溝部は、互いに上下に配置された行Ｌ１～Ｌｙに沿って、且つ互いに隣接して設けられた列Ｒ１～Ｒｘに沿って分布する。非限定的な例として、表面実装部品（以下ＣＭＳ）型のマイクロ電池を製造するという文脈において、使用するアノード箔及びカソード箔は１００ｍｍ×１００ｍｍプレートであるとすることができる。典型的に、これらの箔の行の数は１０～５００の間に含まれ、列の数は１０～５００間に含まれる。求められる電池容量に応じて、その寸法は変わり得、アノード箔及びカソード箔あたりの行の数及び列の数はしたがって適応させることができる。使用するアノード箔及びカソード箔の寸法は、要求に応じて調整することができる。図２に示すように、２つの隣接する行は材料のブリッジ８によって隔てられ、Ｈ８は、０．０５ｍｍ～５ｍｍの間に含まれる高さを示す。２つの隣接する列は材料のストリップ９によって隔てられ、Ｌ９は、０．０５ｍｍ～５ｍｍの間に含まれる幅を示す。アノード箔及びカソード箔におけるこれらの材料のブリッジ８及びストリップ９は、これらを容易に扱うことができるために十分な機械的剛性をこれらの箔に与える。
梯子形状溝部６０、６１は、切欠き７６、７８、８６、８８及びＨ字形状スロット７０、８０を含む。これらのＨ字形状スロットは貫通スロットであり、すなわち箔の対向するそれぞれ上面及び下面において開放する。
Ｈ字形状スロット７０、８０は、化学エッチング、電気鋳造、レーザー切断、微小穿孔法、又はプレス加工によって、アノード材料又はカソード材料を堆積させる前に、平面集電体基板に直接的に、それ自体既知の方法で作製することができる。また、これらのＨ字形状スロット７０、８０は、例えば、レーザー切断（若しくはレーザーアブレーション）、フェムト秒レーザー切断、微小穿孔法、又はプレス加工によって、それ自体既知の方法で、アノード材料又はカソード材料の層で覆った平面カソード集電体基板に、予めアノード材料又はカソード材料の層で覆い、電解質又はセパレーターの層で覆った平面カソード集電体基板に、すなわちアノード箔又はカソード箔に、作製することができる。カソード箔すべてに作製したＨ字形状スロット７０は重なっている。アノード箔すべてに作製したＨ字形状スロット８０は重なっている。
図３に示すような梯子形状溝部６０の１つをここで記載し、アノード箔の切断部すべてが同一である。各梯子形状溝部６０はＨ字形状貫通スロット８０を含み、該Ｈ字形状貫通スロット８０は垂直且つ平行の２つの主空隙８２によって形成され、これらは、好ましくは垂直且つ平行の２つの主空隙８２に対して垂直である水平チャネル８４によってその上方部分において接続されている。各溝部は、Ｈ字形状スロットの下部部分において、第１水平アノードトレンチ８６及び第２水平アノードトレンチ８８をさらに含む。特に図３に示すように、第２水平アノードトレンチ８８が第１水平アノードトレンチ８６の延長上に作製されるように、第１水平アノードトレンチ８６及び第２水平アノードトレンチ８８をアノード箔２の両側に作製する。
第１アノードトレンチ８６及び第２アノードトレンチ８８は、いずれの電解質材料又はセパレーター、及びいずれのアノード材料も有しない。これらの第１アノードトレンチ８６及び第２アノードトレンチ８８は、いずれの電解質材料又はセパレーター、及びいずれのアノード材料も取り除き、平面アノード集電体基板の連続領域を規定する平面アノード集電体基板の少なくとも一部を残すように作製される。第１アノードトレンチ８６及び第２アノードトレンチ８８は、レーザーアブレーションによって作製することができる。
第１アノードトレンチ８６及び第２アノードトレンチ８８は、以下アノードスロットと呼ぶ各スロット８０の垂直且つ平行の２つの主空隙８２を接続するように、電池の主平面に対して垂直の方向に、電池における対向する長手部縁部１０１１、１０１２の間に延びる。
一方の水平チャネル８４と、他方の第１水平アノードトレンチ８６及び第２水平アノードトレンチ８８とは、ＸＨとして示すＨの中央軸に対して上部から見て互いに対称である。
スロット８０と、第１水平アノードトレンチ８６及び第２水平アノードトレンチ８８を形成する切欠きとを作製した後に得られるアノード箔２は、以下、切欠きを有するアノード箔２ｅと呼ぶ。
注
・Ｈ８０ 典型的に０．２５ｍｍ～１０ｍｍの間に含まれる、スロット全体の高さである。
・Ｌ８０ 典型的に０．２５ｍｍ～１０ｍｍの間に含まれる、その幅である。
・Ｌ８２ 典型的に０．０２ｍｍ～５ｍｍの間に含まれる、垂直の各主空隙の幅である。
・Ｈ８４ 典型的に０．０１ｍｍ～０．５ｍｍの間に含まれる、各チャネルの高さである。
・Ｄ８４ 典型的に０．０５ｍｍ～２ｍｍの間に含まれる、垂直且つ平行の主空隙８２の上部と水平チャネル８４の上部との間の高さの差である。
・Ｈ８６ 典型的に０．０１ｍｍ～０．５ｍｍの間に含まれる、各第１水平アノードトレンチ８６の高さである。
・Ｄ８６ 典型的に０．０５ｍｍ～２ｍｍの間に含まれる、垂直且つ平行の主空隙８２の底部と各水平アノードトレンチ８６の底部との間の高さの差である。
また、各カソード箔５には、梯子形状溝部６０と同じ数で設けられた、種々の行及び列の梯子形状溝部６１が設けられている。特に図４に示すように、各梯子形状溝部６１の構造は、実質的に各梯子形状溝部６０のものと同様であり、すなわち、この梯子形状溝部６１は水平チャネル７４によって接続された垂直の２つの主カソード空隙７２を含む。垂直の主カソード空隙７２の寸法は垂直の主アノード空隙８２のものと同一であり、同様に、チャネル７４の寸法はチャネル８４のものと同様である。
上部から見ると、垂直の主カソード空隙７２は、垂直の主アノード空隙８２と重なる。梯子形状溝部６０と梯子形状溝部６１との間の唯一の違いは、チャネル７４が下方部分に設けられ、第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８が上方部分に設けられるということにある。第２水平カソードトレンチ７８が第１水平カソードトレンチ７６の延長上に作製されるように、第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８をカソード箔５の両側に作製する。
第１カソードトレンチ７６及び第２カソードトレンチ７８は、いずれの電解質材料又はセパレーター、及びいずれのカソード材料も有しない。これらの第１カソードトレンチ７６及び第２カソードトレンチ７８は、いずれの電解質又はセパレーター材料、及びいずれのカソード材料も取り除き、平面カソード集電体基板の連続領域を規定するカソード集電体基板の少なくとも一部を残すように作製される。第１カソードトレンチ７６及び第２カソードトレンチ７８は、それ自体既知の方法でレーザーアブレーションによって作製することができる。第１カソードトレンチ７６及び第２カソードトレンチ７８は、以下カソードスロット７０と呼ぶ各スロット７０の垂直且つ平行の２つの主空隙７２を接続するように、電池の主平面に対して垂直の方向に、電池における対向する長手部縁部１０１１、１０１２の間に延びる。
特に図４に示すように、一方の水平チャネル７４と、他方の第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８とは、ＸＨとして示すＨの中央軸に対して上部から見て互いに対称である。
スロット７０と、第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８を形成する切欠きとを作製した後に得られるカソード箔５は、以下、切欠きを有するカソード箔５ｅと呼ぶ。
その後、少なくとも１つの、切欠きを有するアノード箔２ｅ、及び少なくとも１つの、切欠きを有するカソード箔５ｅの交互のスタックＩを、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて得るように作製する。
交互のスタックＩは、
－ 少なくとも１つの、切欠きを有するアノード箔２ｅの各アノードスロット８０において、少なくとも切欠きを有するアノード箔２ｅのアノードトレンチ８６、８８を、電池の主平面に対して垂直の方向に、隣接する切欠きを有するカソード箔５ｅのカソードスロット７０の水平カソードチャネル７４の延長上に配置し、
－ 少なくとも１つの、切欠きを有するカソード箔５ｅの各カソードスロット７０において、少なくとも切欠きを有するカソード箔５ｅのカソードトレンチ７６、７８を、電池の主平面に対して垂直の方向に、隣接する切欠きを有するアノード箔２ｅのアノードスロット８０の水平アノードチャネル８４の延長上に配置するように作製される。
上述のスタックにはその全体的な機械的安定性を確保することを目的とするステップを行うということが考えられる。それ自体既知のタイプのこれらのステップは、特に種々の層のサーモプレスを含む。以下において理解されるように、このスタックが個々の電池の形成を可能にし、その数は行の数Ｙ及び列の数Ｘの間の製品と等しい。
この目的で、図５に関して、３つの行Ｌｎ－１～Ｌｎ＋１及び３つの列Ｒｎ－１～Ｒｎ＋１を示している。本発明において、スロットの行において２つの切断部Ｄｎ及びＤ’ｎを作製する。貫通するようになされる、すなわちスタックの高さ全体に延びる各切断部を、それ自体既知の方法で作製する。非限定的な例として、ソーイングによる切断、特に、ダイシング、ギロチンによる切断、又はレーザーによる切断が言及され得る。
図５における溝部の１つの拡大図である図６において特に示すように、各チャネルとＨ字形状スロットに面する端部との間で、各切断部を作製する。この条件において、この図６に関して、非限定的な例として、以下が留意される。
・切断部Ｄｎと水平チャネル８４に面する面との間の距離Ｄ８５は、０．０５ｍｍ～２ｍｍの間に含まれ、この距離Ｄ８５はＤ８４以下である。
・切断部Ｄ’ｎと第１水平アノードトレンチ８６に面する面との間の距離Ｄ８７は、０．０５ｍｍ～２ｍｍの間に含まれ、この距離Ｄ８７はＤ８６以下である。
また図５に関して、各最終電池は、２つの切断部Ｄｎ及びＤ’ｎによって上部及び下部において、垂直且つ平行の主空隙の内部面によって右部及び左部において、画定される。
この図５は、切断線Ｄｎ及びＤ’ｎに沿って切断したときの電池１０００を斜線で示す。さらに、電池を形成しない、スタックにおける箔の領域９０を網掛けで示す一方、スロットの容積は白色で示す。
図７及び図８は、電池を通過する切断線ＶＩＩ～ＶＩＩにおける断面図である。図７において、互いに対する切欠きを有するアノード箔２ｅと切欠きを有するカソード箔５ｅとの配置のみが示される。図８において、２つの、切欠きを有するアノード箔２ｅと、２つの、切欠きを有するカソード箔５ｅとの交互の配置が示される。同じ図において、図５にも示される部分９０を示し、これは廃材、特にアノード、カソード、及び電解質材料又はセパレーターの廃物に対応する。
切欠きを有するアノード箔２ｅは、それ自体任意で電解質３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の層で覆った、アノード層２０で覆った平面アノード集電体基板１０を含む。各切欠きを有するカソード箔５ｅは、それ自体任意で電解質３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の層で覆った、カソード材料の活性層５０で覆った平面カソード集電体基板４０を含む。反対の極性である２つの活性層間、すなわちアノード層２０とカソード層５０との間の任意の電気的接触を防ぐため、電解質３０又は電解質を含浸させた若しくは後に含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層を、アノード層２０とカソード層５０との間に配置する。図７において、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含む、基本セル１００を示す。
各基本セル１００は、１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３を含む。２次本体１１２及び３次本体１１３は、１次本体１１１の両側に配置される。１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３のそれぞれは、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含む。連続した様々な層は、１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３において同じであり、１次本体のアノード層は２次本体のアノード層及び３次本体のアノード層に面しており、１次本体のカソード層は２次本体のカソード層及び３次本体のカソード層に面しており、１次本体の電解質又はセパレーターの層は２次本体の電解質又はセパレーターの層及び３次本体の電解質又はセパレーターの層に面している。２次本体１１２は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びアノード集電体基板材料も有しない切欠き１２０によって１次本体１１１から隔てられ、該切欠きは、電池の長手部縁部１０１１から対向する長手部縁部１０１２まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びるようになっている。
３次本体１１３は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びカソード集電体基板材料も有しない凹部１３０によって１次本体１１１から隔てられ、該凹部１３０は、電池の長手部縁部１０１１から対向する長手部縁部１０１２まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びるようになっている。
さらに、各切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔のそれぞれは、梯子形状溝部を有する。各溝部６０、６１は、図７に示すもののような水平チャネル８４、７４、第１水平トレンチ８６、７６及び第２水平トレンチ８８、７８を含む。第２水平トレンチ８８、７８が第１水平トレンチ８６、７６の延長上に作製されるように、第１水平トレンチ８６、７６及び第２水平トレンチ８８、７８をアノード箔／カソード箔の両側に作製する。さらに、各切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅは、
－ 第１水平アノードトレンチ８６及び第２水平アノードトレンチ８８を、隣接する切欠きを有するカソード箔５ｅに存在する梯子形状溝部６１の水平カソードチャネル７４の延長上に配置する、並びに
－ 第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８を、隣接する切欠きを有するアノード箔２ｅに存在する梯子形状溝部６０の水平アノードチャネル８４の延長上に配置するように、配置される。
これは、電池の側部縁部においてショートを防ぐことができ、漏れ電流を防ぐことができ、アノード接続領域１００２及びカソード接続領域１００６における電気的接触を容易にすることができるので、本発明の特に有利な特徴である。
断面図のように、垂直の主カソード空隙７２は、垂直の主アノード空隙８２と重なる。梯子形状溝部６０と梯子形状溝部６１との間の唯一の違いは、チャネル７４が下方部分に設けられ、第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８が上方部分に設けられるということにある。第２水平カソードトレンチ７８が第１水平カソードトレンチ７６の延長上に作製されるように、第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８をカソード箔５の両側に作製する。
第１カソードトレンチ７６及び第２カソードトレンチ７８は、いずれの電解質材料又はセパレーター、及びいずれのカソード材料も有しない。第１カソードトレンチ７６及び第２カソードトレンチ７８は、以下カソードスロット７０と呼ぶ各スロット７０の垂直且つ平行の２つの主空隙７２を接続するように、電池の主平面に対して垂直の方向に、電池における対向する長手部縁部１０１１、１０１２の間に延びる。
特に図４に示すように、一方の水平チャネル７４と、他方の第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８とは、ＸＨとして示すＨの中央軸に対して上部から見て互いに対称である。
スロット７０と、第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８を形成する切欠きとを作製した後に得られるカソード箔５は、以下、切欠きを有するカソード箔５ｅと呼ぶ。
図７及び図８において、切断部Ｄ’ｎを、切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔の両方において、すなわち、切欠きを有するアノード箔２ｅに存在する梯子形状溝部６０の第１水平アノードトレンチ８６及び第２水平アノードトレンチ８８からの距離Ｄ８７にも対応する、切欠きを有するカソード箔５ｅに存在する梯子形状溝部６１のチャネルからの距離Ｄ７５において、作製するということが留意される。切断部Ｄｎを、切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔の両方において、すなわち、切欠きを有するカソード箔５ｅに存在する梯子形状溝部６１の第１水平カソードトレンチ７６及び第２水平カソードトレンチ７８からの距離Ｄ７７にも対応する、切欠きを有するアノード箔２ｅに存在する梯子形状溝部６０のチャネルからの距離Ｄ８５において、作製するということが留意される。切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔において切断部Ｄｎ及びＤ’ｎを作製することは、以下にさらに詳細に説明するように先行技術に対して切断品質を向上させることができるので、本発明の特に有利な特徴である。
特許文献１は、交互に積み重ねられるとともに横方向にオフセットされたアノード箔２’及びカソード箔５’からなり（図１３参照）、大気に対して電池セル２０００を確実に保護するため封入システム２０９５に封入された、複数の基本セルのスタックを記載している。アノード接続領域２００２及びカソード接続領域２００６を露出させて、単一の電池を得ることを可能にするこれらの封入スタックの切断は、交互に連続する電極と封入システムとを通過する切断平面において行われる。先行技術の電池における電極と封入システムとの間に存在する密度の差によって、この切断平面に沿ってなされる切断が、切断平面への進入部において封入システムを引っぱり取って、ゆえにショートを発生させるリスクをもたらす。特許文献１において、封入時に、封入層はＵ字形状切断部を有する箔のスタックの間隙を埋める。これらの間隙に導入されるこの封入層は厚く、スタックにあまり良好に接着せず、その後の切断時に封入システム２０９５を引っぱり取るリスクをもたらす。
本発明において、このリスクは、梯子形状溝部を有する箔を使用することによって抑えられ、これは、カソード箔とアノード箔とを交互に重ねることで、梯子形状のサーモプレスした機械的構造が切断部への進入部において極めて剛性となるためである。梯子形状の切断部を有する箔を使用する、そうした剛性構造の使用により、切断時の不具合の数を少なくし、切断速度を高め、ゆえに電池製造量を高めることができる。
本発明において、切断部Ｄ’ｎ及びＤｎを、同等の密度である、切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅにおいて作製し、よりよい品質の良好な切断を得る。さらに、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びアノード集電体基板材料も有しない切欠き１２０、並びにいずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びカソード集電体基板材料も有しない凹部１３０があることで、ショート及び漏れ電流のいずれのリスクも防ぐ。
図９に関して、非限定的例として３つの基本セル１００、１００’、１００’’を含む本発明における電池１０００の１つを分解して示す。各基本セル１００は、１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３を含む。２次本体１１２及び３次本体１１３は、１次本体１１１の両側に配置される。１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３のそれぞれは、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含む。２次本体１１２は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びアノード集電体基板材料も有しない切欠き１２０によって１次本体１１１から隔てられる。切欠き１２０は、図９に示すように、以下８４’’とするチャネル８４の部分及び第１カソードトレンチ７６、又は以下８４’とするチャネル８４の部分及び第２カソードトレンチ７８のいずれかを含む。水平チャネル８４の部分８４’及び８４’’は、アノード集電体基板の中央軸ＡＡに対して対称である。各基本セルにおける切欠き１２０の閉止端部は、カソード接続領域１００６における電気的接触を可能にするようにカソード集電体の連続領域を画定する。
同様に、３次本体１１３は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びカソード集電体基板材料も有しない凹部１３０によって１次本体１１１から隔てられる。凹部１３０は、図９に示すように、以下７４’’とするチャネル７４の部分及び第１アノードトレンチ８６、又は以下７４’とするチャネル７４の部分及び第２アノードトレンチ８８のいずれかを含む。水平チャネル７４の部分７４’及び７４’’は、カソード集電体基板の中央軸ＣＣに対して対称である。各基本セルにおける凹部１３０の閉止端部は、アノード接続領域１００２における電気的接触を可能にするようにアノード集電体の連続領域を画定する。
図９に示すように、各基本セルはそれぞれ上面及び下面を含み、各面は電池の主平面に対して平行である。各基本セルが凹部１３０及び切欠き１２０を含むということが留意される。凹部１３０は、ここで基本セル１００の下面である第１面に開放し、平面アノード集電体基板１０の連続領域を残す閉止端部を有する。切欠き１２０は、ここで基本セル１００の上面である第２面に開放し、平面カソード集電体基板４０の連続領域を残す閉止端部を有する。アノード接続領域１００２及びカソード接続領域１００６は、好ましくは横方向に反対になっている。
図９に示すように、基本セル１００の凹部１３０は、電池の主平面に対して垂直の方向に、基本セル１００の下方に位置する隣接する基本セル１００’に作製した凹部１３０の延長上に延びる。同様に、基本セル１００’の切欠き１２０は、電池の主平面に対して垂直の方向に、基本セル１００’の下方に位置する隣接する基本セル１００’’に作製した切欠き１２０の延長上に延びる。
図９に示すように、基本セル１００’の平面アノード集電体基板１０は、隣接する基本セル１００’’の平面アノード集電体基板１０の隣に配置することができる。同様に、基本セル１００の平面カソード集電体基板４０は、隣接する基本セル１００’の平面カソード集電体基板４０の隣に配置することができる。
有利な実施形態において、それぞれ平面アノード集電体基板１０及び平面カソード集電体基板４０を、特に図７に示すように、２つの隣接する基本セルの集電体として使用することができる。上述で説明したように、それぞれ平面アノード集電体基板１０及び平面カソード集電体基板４０の２面を、それぞれアノード層２０及びカソード層５０で覆い、及び任意でそれぞれアノード層２０及びカソード層５０上に配置した電解質３０又はセパレーター３１の層で覆う。これにより、製造量を高めることができる。ここで図１０～図１２に関して、本発明における電池１０００の１つを示す。１００１及び１００５がこの電池の側部縁部、１０１１及び１０１２が長手部縁部であることが留意される。
各電池は少なくとも１つの基本セル１００を含む。基本セル１００は、１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３を含む。２次本体１１２及び３次本体１１３は、１次本体１１１の両側に配置される。１次本体１１１、２次本体１１２、及び３次本体１１３のそれぞれは、少なくとも１つの平面アノード集電体基板１０、少なくとも１つのアノード層２０、電解質材料３０又は電解質を含浸させたセパレーター３１の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層５０、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板４０を続けて含む。２次本体１１２は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びアノード集電体基板材料も有しない切欠き１２０によって１次本体１１１から隔てられる。切欠き１２０は、幅Ｌ１２０が上述するスロット８０（又は梯子形状溝部６０）のチャネル８４のものと対応しており、電池の長手部縁部１０１１から対向する長手部縁部１０１２まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びる。切欠き１２０は、図７に示すように、チャネル８４の部分８４’’及び第１カソードトレンチ７６、又はチャネル８４の部分８４’及び第２カソードトレンチ７８のいずれかを含む。
３次本体１１３は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びカソード集電体基板材料も有しない凹部１３０によって１次本体１１１から隔てられる。凹部１３０は、幅Ｌ１３０が上述するスロット７０（又は梯子形状溝部６１）のチャネル７４のものと対応しており、電池の長手部縁部１０１１から対向する長手部縁部１０１２まで、電池の主平面に対して垂直の方向に延びる。凹部１３０は、図７に示すように、チャネル７４の部分７４’’及び第１アノードトレンチ８６、又はチャネル７４の部分７４’及び第２アノードトレンチ８８のいずれかを含む。
各２次本体１１２の幅は、図６、図７、又は図８に関して記載するような距離Ｄ８５／Ｄ７７に対応する。各３次本体１１３の幅は、図６、図７、又は図８に関して記載するような距離Ｄ８７／Ｄ７５に対応する。有利な実施形態において、距離Ｄ８５／Ｄ７７はＤ８７／Ｄ７５と等しい。
本発明における電池の個々の構造により、電池の側部縁部においてショートを防ぐことができ、漏れ電流を防ぐことができ、アノード接続領域１００２及びカソード接続領域１００６における電気的接触を容易にすることができる。実際に、本発明における電池の切欠き１２０及び凹部１３０の存在により、リチウムイオンの横方向の漏れを防ぎ、電池のバランスを可能にする。互いに接触し、切欠き１２０及び凹部１３０によって画定した有効な電極面は実質的に同一である。
本発明における各基本セルの有効な電極面は、切欠き１２０及び凹部１３０が各基本セルの１次本体１１１における側部縁部を画定するように、互いに対向する。各基本セルにおける凹部１３０の閉止端部は、アノード接続領域１００２における電気的接触を可能にするようにアノード集電体の連続領域を画定する。各基本セルにおける切欠き１２０の閉止端部は、カソード接続領域１００６における電気的接触を可能にするようにカソード集電体の連続領域を画定する。基本セル内における切欠き１２０及び凹部１３０の存在により、電池の側部縁部においてショートを防ぐことができ、漏れ電流を防ぐことができ、アノード接続領域１００２及びカソード接続領域１００６のみにおける電気的接触を容易にすることができる。
有利には、切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅのスタックの作製後、電池の組み立てを可能にする後者の熱処理を、５０℃～５００℃の間に含まれる温度、好ましくは３５０℃未満の温度で行う、並びに／又は、組み立てられる、切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔のスタックの機械的圧縮を、１０Ｍｐａ～１００Ｍｐａ、好ましくは２０Ｍｐａ～５０ＭＰａの間に含まれる圧力で行う。特定の実施形態において、スタックの作製、及び後者の熱処理のステップの後、大気に対して電池セルを確実に保護するため封入システムを堆積させることによってスタックを封入する。封入システムは、バリア層として機能するため、化学的に安定的し、高温に耐え、大気を通さない必要がある。有利には、本発明における切欠きを有するアノード箔及び切欠きを有するカソード箔のスタックは、以下を含む封入システムのシーケンス、好ましくはｚシーケンスによって覆うことができる。
－ 切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅのスタックに堆積された、好ましくはパリレン、パリレンＦ、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン、ポリアミド、及び／又はそれらの混合物から選択される少なくとも１つの第１緻密絶縁被覆層、並びに
－ 該第１被覆層に原子層堆積によって堆積された、電気絶縁材料から構成される第２被覆層。
このシーケンスをｚ回繰り返すことができ、ｚ≧１である。この多層シーケンスはバリア効果を有する。封入システムのシーケンスがさらに繰り返されると、このバリア効果が大きくなる。
典型的に、第１被覆層は、シリコーン（例えば含浸によって若しくはヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）からプラズマ支援化学気相堆積によって堆積）、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリパラキシリレン（ポリ（ｐ－キシリレン）とも呼ばれる、パリレンとしてよく知られている）、及び／又はそれらの混合物によって構成される群から選択される。この第１被覆層は、電池の感応成分をその環境から保護することができる。この第１被覆層の厚みは、好ましくは０．５μｍ～３μｍの間に含まれる。
パリレンの種々の変異体を使用することができる。有利には、第１被覆層は、パリレンＣ、パリレンＤ、パリレンＮ（ＣＡＳ１６３３－２２－３）、パリレンＦ、又はパリレンＣ、Ｄ、Ｎ、及び／若しくはＦの混合物から作製することができる。パリレンは、高い熱力学的安定性、溶剤に対する優れた耐性、及び極めて低い浸透性を有する、誘電性で、透明、半結晶性の材料である。また、パリレンは、電池をその外的環境から保護することができるバリア特性を有する。この第１被覆層をパリレンＦから作製すると、電池がより保護される。この第１被覆層は、有利には、化学気相堆積（ＣＶＤ）によって表面に堆積させたガス状モノマーを凝縮させることによって得られ、これは、スタックの利用可能な表面すべてにおいて、コンフォーマルで、薄く、均一の被覆部を有することを可能にする。この第１被覆層は有利には剛性であり、可撓性面であるとは考えられない。
第２被覆層は、好ましくは無機の電気絶縁材料から構成される。これは、これ以前に第１被覆層で覆ったスタックの利用可能な表面すべてにおいてコンフォーマルな被覆部を得るように原子層堆積（ＡＬＤ）によって堆積される。ＡＬＤによって堆積させた層は機械的に極めて脆弱であり、その保護的役割を確実にするため剛性のささえ面を必要とする。可撓性面に脆弱層を堆積させることで亀裂を形成し得、この保護層の完全性を喪失させ得る。さらに、ＡＬＤによって堆積させた層の成長は基板の特性によって影響を受ける。様々な化学特性の領域を有する基板にＡＬＤによって堆積させた層は、不均質に成長することになり、この保護層の完全性を喪失させ得る。
ＡＬＤ堆積技術は、完全に封止してコンフォーマルになるように、極めて粗い表面を覆うことに特に適している。これは、穴などの欠陥のない（「ピンホールなし」、すなわち穴がないとして言及される層）、コンフォーマルな層を作製することができ、極めて良好なバリアに相当する。このＷＶＴＲ係数は極めて低い。ＷＶＴＲ係数（水蒸気透過率）は、封入システムの水蒸気に対する浸透性を評価することを可能にする。ＷＶＴＲ係数がより低いと、封入システムはより密着している。
第２被覆層は、例えば、酸化物、Ａｌ２Ｏ３型、窒化物、ホスフェート、酸窒化物、又はシロキサンの形態の、セラミック材料、ガラス状材料、又はガラスセラミック材料から作製することができる。この第２被覆層は、好ましくは、１０ｎｍ～５０ｎｍの間に含まれる厚みを有する。
第１被覆層上にＡＬＤによって堆積されるこの第２被覆層は、一方で、構造の締まりを保持する、すなわち、物体内の水の移動を防ぐこと、他方で、分解を防ぐため、大気から、特に空気や湿度から、熱暴露から、好ましくはパリレンＦから作製した第１被覆層を保護することを可能にする。ゆえに、この第２被覆層は封入電池の寿命を向上させる。
この封入システムのシーケンスで、好ましくはｚシーケンスで、こうして封入した切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅのスタックは、その後、こうして封入したスタックを機械的に保護するとともに、場合によっては美的要素を与えるように、最後の被覆層で覆うことができる。この最後の被覆層は、電池の寿命を守り、向上させる。有利には、この最後の被覆層はまた、高温に耐えるように選択され、その後の使用時に電池を保護するために十分な機械的耐性を有する。有利には、この最後の被覆層の厚みは、１μｍ～５０μｍの間に含まれる。理想的には、この最後の被覆層の厚みは約１０μｍ～１５μｍであり、そうした厚みの範囲により、電池を機械的損傷から保護することができる。
この最後の被覆層は、好ましくは、エポキシ樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン、シリコーン、ゾルゲルシリカ、又は有機シリカの基材を含む。有利には、この最後の被覆層は浸漬によって堆積させる。
こうしてコーティングした切欠きを有するアノード箔２ｅ及び切欠きを有するカソード箔５ｅのスタックは、その後、アノード接続領域及びカソード接続領域を露出させるとともに、単一の電池を得るように、切断線Ｄ’ｎ及びＤｎに沿って任意の適切な手段によって切断される。
それぞれカソード接続領域及びアノード接続領域が現れている部分において終端部（電気的接触部）を追加する。この接触領域は、好ましくは、集電するため電池のスタックの対向する側部に配置する（側方集電体）。終端部は、少なくともカソード接続領域及び少なくともアノード接続領域に、好ましくは、少なくともカソード接続領域を含むコーティングして切断したスタックの面、及び少なくともアノード接続領域を含むコーティングして切断したスタックの面に、配置される。
接続領域は、当業者に既知の技術を使用して、好ましくは導電性エポキシ樹脂及び／又は溶融スズ浴に浸漬させることによって、金属化される。好ましくは、終端部は、カソード接続領域及びアノード接続領域の進入部において、グラファイトを添加した材料の、好ましくはグラファイトを添加したエポキシ樹脂から作製する第１層と、第１層に堆積される、銅ナノ粒子を添加したインクから得た金属銅を含む第２層とを続けて含む層の第１スタックからなる。この終端部の第１スタックは、その後、金属銅の層でカソード及びアノード接続部の被覆部を得るように、赤外線フラッシュランプによって焼結される。
電池の最終使用に対応して、終端部は、最小のコストで電池の締まりを確実にするように好ましくは溶融スズ－亜鉛浴に浸漬することによって堆積させたスズ－亜鉛合金の第１層と、第２スタックのこの第１層に堆積される、電気溶着によって堆積させた純スズ基材を含む第２層、又は銀、パラジウム及び銅基材の合金を含む第２層とを続けて含む、終端部の第１スタックに配置される層の第２スタックをさらに含むことができる。
終端部は、端部のそれぞれにおいて交互の正負の電気的接続部をなすことができる。この終端部は、種々の電池素子同士の間での並列の電気的接続部をなすことができる。このため、カソード接続部のみが一端から出ており、アノード接続部が他端において利用可能である。
本発明における方法は、特に、全固体電池、すなわち電極及び電解質が固体であり、固相に含浸させた液相すら含まない電池の製造に適する。
本発明における方法は、特に、電解質を含浸させた少なくとも１つのセパレーター３１を含む疑似固体と考えられる電池の製造に適する。セパレーターは、好ましくは、
－ ３０％を超える、好ましくは３５％～５０％の間に含まれる、より好ましくは４０％～５０％の間に含まれる気孔率、好ましくはメソ孔気孔率、
－ ５０ｎｍ未満の平均径Ｄ５０の孔を有する、多孔性無機層である。
セパレーターの厚みは、有利には、特性を狭めることなく電池の最終厚を小さくするように、１０μｍ未満であり、好ましくは２．５μｍ～４．５μｍの間に含まれる。セパレーターの孔は、電解質、好ましくは、リチウム塩を含有する液体電解質又はイオン性液体などのリチウムイオン担体相によって、含浸させる。孔、特にメソ孔における「ナノ拘束した」又は「ナノ捕捉した」液体は出ることができない。これは、ここでは「メソ孔構造の吸収」と呼ぶ現象に関連しており（リチウムイオン電池の文脈では文献に記載されているとは認められない）、セルを真空内に配置したときでも出ることができない。このように、電池は疑似固体であると考えられる。

Claims (18)

  1. 少なくとも１つの基本セル（１００）を含む電池（１０００）であって、前記基本セル（１００）は、少なくとも１つの平面アノード集電体基板（１０）、少なくとも１つのアノード層（２０）、電解質材料（３０）又は電解質を含浸させたセパレーター（３１）の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層（５０）、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板（４０）を続けて含み、
    前記電池（１０００）は、長手部縁部（１０１１、１０１２）、少なくとも１つのアノード接続領域（１００２）を含む第１側部縁部（１００１）、及び少なくとも１つのカソード接続領域（１００６）を含む第２側部縁部（１００５）を含み、前記アノード接続領域（１００２）及び前記カソード接続領域（１００６）は好ましくは横方向に反対になっており、
    それぞれの前記基本セル（１００）は、１次本体（１１１）、２次本体（１１２）、及び３次本体（１１３）を含み、前記２次本体及び前記３次本体は、前記１次本体の両側に配置され、前記１次本体（１１１）、前記２次本体（１１２）、及び前記３次本体（１１３）のそれぞれが、少なくとも１つの平面アノード集電体基板（１０）、少なくとも１つのアノード層（２０）、電解質材料（３０）又は電解質を含浸させたセパレーター（３１）の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層（５０）、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板（４０）を続けて含み、
    前記２次本体（１１２）は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びアノード集電体基板材料も有しない切欠き（１２０）によって前記１次本体（１１１）から隔てられ、前記切欠きは、前記電池の長手部縁部（１０１１）から対向する長手部縁部（１０１２）まで、前記電池の主平面に対して垂直の方向に延び、
    前記３次本体（１１３）は、いずれのアノード、電解質、電解質を含浸させたセパレーター、カソード及びカソード集電体基板材料も有しない凹部（１３０）によって前記１次本体（１１１）から隔てられ、前記凹部（１３０）は、前記電池の長手部縁部（１０１１）から対向する長手部縁部（１０１２）まで、前記電池の主平面に対して垂直の方向に延びる、電池（１０００）。
  2. 複数の基本セルを含み、前記基本セルのそれぞれにおけるすべての前記切欠きは、それぞれの前記平面カソード集電体基板が前記カソード接続領域を介して前記基本セルのカソード電流を集電するように、前記電池の主平面に対して垂直の方向に重なっており、前記基本セルのそれぞれにおけるすべての前記凹部は、それぞれの前記平面アノード集電体基板が前記アノード接続領域を介して前記基本セルのアノード電流を集電するように、前記電池の主平面に対して垂直の方向に重なっている、請求項１に記載の電池（１０００）。
  3. 前記電池の６面のうちの４面を全体的に覆う封入システムを含み、残りの２面はアノード接続領域及びカソード接続領域を含む、請求項１又は２に記載の電池。
  4. 前記封入システムは、
    － 前記電池に堆積される、好ましくはパリレン、パリレンＦ、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン、ポリアミド、ゾルゲルシリカ、有機シリカ、及び／又はそれらの混合物から選択される少なくとも１つの第１被覆層、
    － 前記少なくとも第１被覆層に原子層堆積によって堆積される、電気絶縁材料から構成される少なくとも１つの第２被覆層を含み、少なくとも１つの第１被覆層と少なくとも１つの第２被覆層とのこのシーケンスはｚ回繰り返すことができ、ｚ≧１である、請求項１～３のいずれかに記載の電池。
  5. 前記アノード接続領域及び前記カソード接続領域は、終端部によって覆われる、請求項１～４のいずれかに記載の電池。
  6. 前記終端部は、
    － 少なくとも前記カソード接続領域及び／又は少なくとも前記アノード接続領域に配置した、グラファイトを添加した材料の、好ましくはグラファイトを添加したエポキシ樹脂基材を含む第１層、
    － 前記終端システムの前記第１層に配置した、金属銅の第２緻密層、
    － 任意で、前記第２層に配置した、スズ－スズ亜鉛合金基材を含む第３層、
    － 任意で、前記終端システムの前記第３層に配置した、スズ基材、又は銀、パラジウム及び銅の合金基材を含む第４層を含む、請求項１～５のいずれかに記載の電池。
  7. 前記切欠きの幅は０．０１ｍｍ～０．５ｍｍの間に含まれる、請求項１～６のいずれかに記載の電池。
  8. 前記凹部の幅は０．０１ｍｍ～０．５ｍｍの間に含まれる、請求項１～７のいずれかに記載の電池。
  9. 前記２次本体の幅は０．５ｍｍ～２０ｍｍの間に含まれる、請求項１～８のいずれかに記載の電池。
  10. リチウムイオン電池である、請求項１～９のいずれかに記載の電池。
  11. 電池（１０００）を製造する方法であって、前記電池は少なくとも１つの基本セル（１００）を含み、前記基本セル（１００）は、少なくとも１つの平面アノード集電体基板（１０）、少なくとも１つのアノード層（２０）、電解質材料（３０）又は電解質を含浸させたセパレーター（３１）の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層（５０）、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板（４０）を続けて含み、製造の前記方法は、
    （ａ）アノード層（２０）で覆った、及び任意で電解質材料（３０）又は電解質を含浸させたセパレーター（３１）の層で覆った、平面アノード集電体基板（１０）の少なくとも１つの箔を提供することであって、前記泊を以下、アノード箔（２）と呼び、前記アノード箔は、少なくとも１つのアノードスロット（８０）を含み、前記アノードスロット（８０）は、垂直且つ平行の２つの主アノード空隙（８２）を含み、これらは、前記垂直の２つの主アノード空隙（８２）に対して実質的に垂直である水平のアノードチャネル（８４）によってその上方部分において接続され、これらの垂直の主アノード空隙は、前記電池の長手部縁部を画定するために用いられること、
    （ｂ）カソード層（５０）で覆った、及び任意で電解質材料（３０）又は電解質を含浸させたセパレーター（３１）の層で覆った、平面カソード集電体基板（４０）の少なくとも１つの箔を提供することであって、前記泊を以下、カソード箔（５）と呼び、前記カソード箔は、少なくとも１つのカソードスロット（７０）を含み、前記カソードスロットは、垂直且つ平行の２つの主カソード空隙（７２）を含み、これらは、前記垂直の２つの主カソード空隙（７２）に対して実質的に垂直である水平のカソードチャネル（７４）によってその上方部分において接続され、これらの垂直の主カソード空隙は、前記電池の長手部縁部を画定するために用いられること、
    （ｃ）前記電池の主平面に対して垂直の方向、並びにそれぞれ前記アノードスロット（８０）の前記水平のアノードチャネル（８４）に対して平行の方向、及び前記カソードスロット（７０）の前記水平のカソードチャネル（７４）に対して平行の方向に、それぞれアノードトレンチ（８６、８８）、及びカソードトレンチ（７６、７８）を形成するように、それぞれステップ（ａ）及びステップ（ｂ）において提供した少なくとも前記箔における、それぞれの前記アノードスロット（８０）及び前記カソードスロット（７０）の近傍に、第１切欠き及び第２切欠きを作製することであって、
    〇前記第１切欠き及び前記第２切欠きは、それぞれ前記アノードスロット（２）及び前記カソードスロット（５）の両側に作製され、
    〇前記第２切欠きは、前記第１切欠きの延長上に作製され、並びに
    〇前記第１切欠き及び前記第２切欠きから得た、それぞれの前記アノードトレンチ（８６、８８）及び前記カソードトレンチ（７６、７８）は、それぞれ、いずれの電解質材料又は電解質を含浸させたセパレーター、及びいずれのアノード材料も有さず、及びいずれの電解質材料又は電解質を含浸させたセパレーター、及びいずれのカソード材料も有さず、並びに
    〇それぞれの前記アノードトレンチ（８６、８８）及び前記カソードトレンチ（７６、７８）は、それぞれ、それぞれの前記アノードスロット（８０）における前記垂直且つ平行の２つの主アノード空隙を接続し、及びそれぞれの前記カソードスロット（７０）における前記垂直且つ平行の２つの主カソード空隙を接続するように、前記電池の主平面に対して垂直の方向に、前記電池における対向する前記長手部縁部（１０１１、１０１２）の間に延び、これらの切欠きを作製した後に得られる前記箔を以下、それぞれ切欠きを有するアノード箔（２ｅ）及び切欠きを有するカソード箔（５ｅ）と呼ぶこと、
    （ｄ）それぞれ、少なくとも１つの、切欠きを有するアノード箔（２ｅ）のそれぞれの前記アノードスロット（８０）において、及び少なくとも１つの、切欠きを有するカソード箔（５ｅ）のそれぞれの前記カソードスロット（７０）において、それぞれ少なくとも前記切欠きを有するアノード箔の前記アノードトレンチ（８６、８８）、及び少なくとも前記切欠きを有するカソード箔（５ｅ）の前記カソードトレンチ（７６、７８）が、前記電池の主平面に対して垂直の方向に、それぞれ隣接する切欠きを有するカソード箔（５ｅ）の前記カソードスロット（７０）の前記水平のカソードチャネル（７４）、及び隣接する切欠きを有するアノード箔（２ｅ）の前記アノードスロット（８０）の前記水平のアノードチャネル（８４）の延長上に配置されるように、少なくとも１つの平面アノード集電体基板（１０）、少なくとも１つのアノード層（２０）、電解質材料（３０）又は電解質を含浸させたセパレーター（３１）の少なくとも１つの層、少なくとも１つのカソード層（５０）、及び少なくとも１つの平面カソード集電体基板（４０）を続けて得るように、少なくとも１つの、切欠きを有するアノード箔（２ｅ）と、少なくとも１つの、切欠きを有するカソード箔（５ｅ）との交互のスタック（１）を作製すること、
    （ｅ）統合したスタックを形成するように、ステップ（ｄ）において得られた交互の箔の前記スタックの熱処理及び／又は機械的圧縮を行うこと、
    （ｆ）それぞれ前記水平のアノードチャネル（８４）及び前記水平のカソードチャネル（７４）に対して平行の平面にしたがって、それぞれ前記アノードスロット（８０）、及び前記カソードスロット（７０）内に少なくとも部分的に延びる２つの切断部（Ｄｎ、Ｄ’ｎ）を作製することであって、少なくともアノード接続領域及びカソード接続領域を露出させる切断したスタックを形成するように、第１切断部は、前記アノードスロット（８０）の前記水平のアノードチャネル（８４）と前記長手部縁部に面する端部との間に延びる一方、第２切断部は、前記カソードスロット（７０）の前記水平のカソードチャネル（７４）と前記長手部縁部に面する端部との間に延びることを含む、方法。
  12. ステップ（ｅ）の後、前記統合したスタックの封入のステップ（ｇ）を、
    － 前記電池における、好ましくはパリレン、パリレンＦ、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン、ポリアミド、ゾルゲルシリカ、有機シリカ、及び／又はそれらの混合物から選択される少なくとも１つの第１被覆層、並びにその後、
    － 前記少なくとも第１被覆層に原子層堆積によって堆積される、電気絶縁材料から構成される少なくとも１つの第２被覆層を堆積させることによって行い、
    少なくとも１つの第１被覆層と少なくとも１つの第２被覆層とのシーケンスはｚ回繰り返すことができ、ｚ≧１である、請求項１１に記載の方法。
  13. ステップ（ｆ）の後、前記電池の終端部を、少なくとも前記アノード接続領域及び前記カソード接続領域に、
    － グラファイトを添加した材料の、好ましくはグラファイトを添加したエポキシ樹脂基材を含む第１層、
    － 前記終端システムの前記第１層に配置した、金属銅の第２緻密層、及び
    － 任意で、前記終端システムの前記第２層に配置した、スズ－スズ亜鉛合金基材を含む第３層、
    － 任意で、前記終端システムの前記第３層に配置した、スズ基材、又は銀、パラジウム及び銅の合金基材を含む第４層を続けて堆積させることによって作製する、請求項１１又は１２に記載の方法。
  14. トレンチ（７６、７８、８６、８８）を形成するステップ（ｄ）において作製する２つの前記切欠きは、レーザーアブレーションによって作製される、請求項１１～１３のいずれかに記載の方法。
  15. それぞれの前記切断部は、レーザーによって作製される、請求項１０～１４のいずれかに記載の方法。
  16. それぞれの前記基本セルは、第１面において、前記平面アノード集電体基板の連続領域、及び現れている切欠き（１２０）、並びに対向する面において、前記平面カソード集電体基板の連続領域、及び現れている凹部（１３０）を画定する、請求項１１～１５のいずれかに記載の方法。
  17. 前記平面アノード集電体基板の連続領域は、前記電池の平面に対して垂直の方向に、前記切欠き（１２０）に面して位置し、前記平面カソード集電体基板の連続領域は、前記凹部（１３０）に面して位置する、請求項１１～１６のいずれかに記載の方法。
  18. 〇前記平面アノード集電体基板が、２つの隣接する基本セルの前記アノード集電体基板であり、
    〇前記平面カソード集電体基板が、２つの隣接する基本セルの前記カソード集電体基板である、請求項１１～１７のいずれかに記載の方法。
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