JP2023542001A - タブレスエネルギー貯蔵装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
電極ジェリーロールを缶に接続するタブを伴わないリチウムイオン電池などのエネルギー貯蔵装置及びその製造方法が記載される。一連のフラッグは、缶内の上側コレクタプレート及び下側コレクタプレートのための接続点を形成するために互いに切断され、曲げられ、交互配置されてもよい。上側及び下側コレクタプレートは、交互配置されたフラッグに直接溶接されて、エネルギー貯蔵装置内のアノード及びカソードのための接続点を形成することができる。
【選択図】図３Ａ
【選択図】図３Ａ
Description
［関連出願の相互参照］
本出願と共に出願された出願データシート又は願書において外国又は国内の優先権主張が特定されるあらゆる出願は、３７ ＣＦＲ １．５７の下で、並びに２０２０年９月２１日に出願された米国仮出願第６３／０８１，２４４号、及び２０２１年３月２９日に出願された米国仮出願第６３／１６７，５６５号などの規則４．１８及び２０．６の下で参照により本願に組み入れられる。
本出願と共に出願された出願データシート又は願書において外国又は国内の優先権主張が特定されるあらゆる出願は、３７ ＣＦＲ １．５７の下で、並びに２０２０年９月２１日に出願された米国仮出願第６３／０８１，２４４号、及び２０２１年３月２９日に出願された米国仮出願第６３／１６７，５６５号などの規則４．１８及び２０．６の下で参照により本願に組み入れられる。
本開示は、エネルギー貯蔵装置及びその製造方法に関する。より具体的には、本開示は、タブレスカソード及びアノードを有する電池セル及び電池セルの製造方法に関する。
現在、多くの種類の電池セルが、電気自動車及びエネルギー貯蔵用途におけるエネルギー源として使用される。多くの現在のセルは、カソード、アノード、及びセパレータが一緒に巻かれるジェリーロール形態を使用し、セル缶のプラス端子及びマイナス端子に接続するためのカソードタブ及びアノードタブを有する
電流の経路は、必然的に、これらのタブを通じて電池セルの外側のコネクタまで進む。しかしながら、電流がカソード又はアノードの全体にわたってタブまでセルから外に移動しなければならない場合には、オーム抵抗が距離に伴って増大される。更に、タブは、付加的な構成要素であるため、装置に更なる厚さを追加し、それ自体がジェリーロールへと巻回されなければならず、コストを増大させ、製造上の課題を提示する。
本発明及び従来技術を超えて達成される利点を要約する目的で、本発明の特定の目的及び利点が本明細書に記載される。そのような目的又は利点の全てが、本発明の任意の特定の実施形態において達成され得るわけではない。したがって、例えば、当業者であれば分かるように、本発明は、本明細書で教示又は示唆され得るような他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点又は利点群を達成又は最適化するように具現化又は実施され得る。
一態様は、各電極の上端及び下端の箔部分から形成される一連のフラッグを有するアノード又はカソードを備える電池セルを作成する方法であって、フラッグが各端部で折り重ねられて交互に配置される花の形状を形成する、方法である。
他の態様では、タブレスエネルギー貯蔵装置を作成する方法が記載される。方法は、活性材料が箔上にわたって配置された電極層を設けるステップと、箔に一連のフラッグを形成してフラッグ付き電極を形成するステップと、一連の巻回フラッグを備える電極ロールを形成するためにフラッグ付き電極を巻回するステップと、巻回フラッグを電流コレクタに電気的に接続してエネルギー貯蔵装置を形成するステップとを含む。
他の態様では、巻回電極を作成する方法が記載される。方法は、箔上にわたって配置される活性材料を備える電極層を設けるステップと、箔に一連のフラッグを形成してフラッグ付き電極を形成するステップと、一連の巻回フラッグを備える電極ロールを形成するためにフラッグ付き電極を巻回するステップと、巻回フラッグを折り曲げて折り曲げ巻回フラッグを形成するステップであって、折り曲げフラッグの各フラッグが実質的に交互配置された形態へと向けられる、ステップとを含む。
他の態様では、巻回電極を作成する方法が記載される。方法は、箔上にわたって配置される活性材料を備える電極層を設けるステップと、箔に一連のフラッグを形成してフラッグ付き電極を形成するステップと、フラッグを折り曲げて一連の折り曲げフラッグを備える折り曲げフラッグ付き電極を生成するステップと、折り曲げフラッグ付き電極を巻回して電極ロールを形成するステップであって、折り曲げフラッグが巻回されるときに折り曲げフラッグの各フラッグが実質的に交互配置された形態へと向けられる、ステップとを含む。
他の態様では、交互配置されたフラッグ付き電極が記載される。電極は、箔上にわたって配置される活性材料を備える巻回されたフラッグ付き電極層を備え、箔が一連のフラッグを備え、一連のフラッグのそれぞれは、折り曲げられて、実質的に交互配置された形態を成す。
これらの実施形態は全て、本明細書に開示される発明の範囲内にあることが意図される。本発明のこれら及び他の実施形態は、添付図面を参照して好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかになり、本発明は開示された任意の特定の好ましい実施形態に限定されない。
本開示は、エネルギー貯蔵装置セル、及びアノード導体及びカソード導体から缶へのタブレス接続を有するリチウムイオン電池などのエネルギー貯蔵装置用のセルを作成する方法に関する。一例では、ジェリーロールセル形態内で、マイナス電極及びプラス電極は、電池缶への電気的接続を行なうためにそれらの縁部にフラッグ構造を含むように形成される。各フラッグ付き電極がジェリーロール形態内で巻回されると、フラッグが内側に押し込まれて、ジェリーロールの各端部に交互配置された「花」又は「アーティチョーク」形状の形態を形成することができる。折り曲げフラッグは、電池セルの端部の上部及び下部電流コレクタに接合（例えば、プレス、はんだ付け、レーザ溶接など．．．）されて円筒形ユニットを形成することができる。次いで、円筒形ユニットは、リチウムイオン電池を形成するための最終処理のために電池缶に装填されてもよい。
各電極は、数十又は数百のフラッグを有することができ、フラッグは任意の形態とすることができる。例えば、フラッグは、ジェリーロール内に巻かれたときに花の形状を形成するように互いに非常に近接して離間されてもよい。他の実施形態では、各フラッグが他のフラッグと整列してジェリーロールの一方側に単一のフラッグのラインを形成するように、フラッグを離間させることができる。一実施形態では、フラッグは、ジェリーロールが形成されるときに交互配置されるように離間される。一実施形態では、交互配置されたフラッグは、セルの各端部で平坦又は実質的に平坦な形態に圧縮することができる。
一実施形態では、セルの各端部は電流コレクタでキャップされる。電流コレクタは、中実円形金属構造であってもよい。他の実施形態では、ジェリーロール内の構成要素から軸方向応力又はねじり応力を解放するように作用する切り欠きが形成されてもよい。例えば、電池セルに加わる応力で曲がることができるより大きな能力を電流コレクタに与えるために、三角形、円形、正方形、長方形、又は他の幾何学的形状のセットを電流コレクタから切り出すことができる。
ここで、その例が添付図面に示される特定の態様又は特徴を詳細を参照する。可能な限り、同じ又は対応する部分を指すために、対応する又は類似の参照番号が図面全体を通して使用される。
図１は、図１Ａの斜視図及び図１Ｂの側面図で電池セル１００を示す。図１Ａ及び図１Ｂを併せて参照すると、電池セル１００は、電池セル１００に貯蔵された物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる任意のタイプの従来の電池セルであってもよい。電池セル１００は、第１の端部１０２及び第２の端部１０４を有する。電池セル１００は、第１の端１０２に向かってプラス端子１０６及びマイナス端子１０８を有する。プラス端子１０６は、プラス端子１０６への接触を可能にするために電池セル１００の第１の端１０２から優先的に突出し、第１の端１０２を第２の端１０４から区別するが、プラス端子１０６の異なる形状が存在してもよい。マイナス端子１０８は、第２の端部１０４で優先的に始まり、電池セル１００の外面１１０で継続し、第１の端部１０２の一部を少なくとも覆う。電池セル１００の外面から第１の端部まで覆う部分は、電池セル１００の「肩部」と呼ばれることがある。マイナス端子１０８は、好ましくは肩部に形成され、その結果、マイナス端子への接続は肩部で行うことができる。すなわち、マイナス端子１０８は、電池セル１００の肩部に優先的に存在する。プラス端子１０６とマイナス端子１０８とが互いに接触して短絡しないように、電池セル１００の表面１１０に絶縁領域１１２を設けてもよい。絶縁領域１１２は、任意の他の手段を介して、プラス端子１０６とマイナス端子１０８との間の表面１１０の領域に設けられてもよい。代わりの実施形態では、プラス端子及びマイナス端子を切り替えることができる。
図２に示されるように、ジェリーロール２００は第１の基材２０２を含み、この第１の基材２０２の側面には第１のコーティング２１０が配置される。幾つかの実施形態において、第１のコーティング２１０は、二重層電極を形成するために第１の基材２０２の両側に配置されてもよい。幾つかの実施形態において、第１の基材２０２は、好ましくは、例えば０．０１～１ミリメートル（ｍｍ）の範囲内の所定の大きさの厚さを有する積層体の形態で具現化される。幾つかの実施形態では、第１の基材２０２が電流コレクタを備える。幾つかの実施形態では、電流コレクタが金属箔を備える。幾つかの実施形態では、電流コレクタがアルミニウム又は銅を備える。
幾つかの実施形態において、第１のコーティング２１０は、第１の量の導電性を有する導電性コーティングであってもよい。幾つかの実施形態では、第１のコーティング２１０が電極膜であってもよい。幾つかの実施形態では、導電性コーティングが電極活性材料を含む。幾つかの実施形態では、電極活性材料はカソード活性材料である。幾つかの実施形態では、電極活性材料はアノード活性材料である。幾つかの実施形態において、電極活性材料は、ケイ素材料、黒鉛材料、グラファイト、グラフェン含有材料、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンナノチューブ、多孔質カーボン、導電性カーボン、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、層状遷移金属酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ2（ＬＣＯ）、Ｌｉ（ＮｉＭｎＣｏ）Ｏ2（ＮＭＣ）及び／又はＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ2（ＮＣＡ））、スピネルマンガン酸化物（ＬｉＭｎ2Ｏ4（ＬＭＯ）及び／又はＬｉＭｎ1.5Ｎｉ0.5Ｏ4（ＬＭＮＯ）など）、オリビン（例えば、ＬｉＦｅＰＯ4）、カルコゲナイド（ＬｉＴｉＳ2）、タボライト（ＬｉＦｅＳＯ4Ｆ）、ケイ素、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、アルミニウム、スズ、酸化スズ（ＳｎＯｘ）、酸化マンガン（ＭｎＯｘ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ2）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）、酸化銅（ＣｕＯｘ）、及び硫化リチウム（Ｌｉ2Ｓ）、並びにそれらの組合せから成るグループから選択される。
幾つかの実施形態では、第１のコーティングが結合剤を更に含む。幾つかの実施形態において、第１のコーティング２１０は、当業者に知られている任意の手段によって第１の基材２０２上に配置されてもよい。第１のコーティング２１０を第１の基材２０２上に配置する幾つかの例は、機械的堆積、電気機械的堆積、電気化学的堆積、又は当業者に公知のプロセスの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない。
これに加えて又は任意選択的に、第１の基材２０２の幅Ｗに沿って途中に位置される第１の基材２０２の箔部分２１２が形成され、これは一連の下側フラッグ２１８を含む。図示のように、次いで、ジェリーロールが形成され、下側フラッグ２１８が中心軸ＡＡ´の周りに巻回される。幾つかの実施形態において、下側フラッグ２１８は、第１の基材２０２の露出領域（例えば、電流コレクタ）である。幾つかの実施形態において、導電部分２１８は、第１の基材２０２から成る又は本質的に成る。
第１の基材１０２上にわたって内側セパレータ２０４が配置される（例えば、第１の基材１０２上に積み重ねられる）。幾つかの実施形態において、内側セパレータ２０４は、例えば０．０１～０．０５ミリメートル（ｍｍ）の範囲内の所定の大きさの厚さを有する積層体の形態を成す。幾つかの実施形態において、内側セパレータは、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍもしくは５０μｍ、又はそれらの間の値の任意の範囲（例えば１０～１５μｍ）であり、或いは、おおよそのような値である。更に、幾つかの実施形態では、内側セパレータ２０４が電気的に絶縁性である。幾つかの実施形態では、内側セパレータがポリマー材料を含んでもよい。幾つかの実施形態において、内側セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はそれらの組み合わせから選択されてもよい。幾つかの実施形態では、内側セパレータが複数のセパレータ層を備える。幾つかの実施形態では、内側セパレータが微細孔を備える。
また、内側セパレータ２０４上にわたって第２の基材２０６が配置される（例えば、内側セパレータ２０４上に積み重ねられる）。第２の基材２０６は、第２の基材２０６の側に配置される第２のコーティング２２０を有する。幾つかの実施形態において、第２のコーティング２２０は、第２の基材２０６の両側に配置されてもよい。幾つかの実施形態において、第２の基材２０６は、例えば０．０１～１ミリメートル（ｍｍ）の範囲内の所定の大きさの厚さを有する積層体の形態を成す。幾つかの実施形態では、第２の基材２０６が電流コレクタ（例えば、箔）を備える。
第２のコーティング２２０は、第２の量の導電性を有する導電性コーティングである。幾つかの実施形態では、第２のコーティング２２０が電極膜であってもよい。幾つかの実施形態では、導電性コーティングが電極活性材料を含む。幾つかの実施形態では、電極活性材料はカソード活性材料である。幾つかの実施形態では、電極活性材料はアノード活性材料である。特定の実施形態において、第２のコーティング２２０は、第１のコーティング２１０と同様又は同じであってもよく、したがって、同様又は同じ導電率を有してもよい。特定の他の実施形態において、第２のコーティング２２０は、第１のコーティング２１０とは異なっていてもよく、したがって異なる導電率を有してもよい。幾つかの実施形態において、第２のコーティング２２０は、当業者に知られている任意の手段によって第２の基材２０６上に配置されてもよい。第２のコーティング２２０を第２の基材２０６上に配置する幾つかの例は、機械的堆積、電気機械的堆積、電気化学的堆積、又は当業者に知られているプロセスの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない。
外側セパレータ２０８は、第２の基材２０６上にわたって配置されてもよい（例えば、第２の基材２０６上に積み重ねられる）。幾つかの実施形態において、外側セパレータ２０８は、例えば０．０１～０．０５ミリメートル（ｍｍ）の範囲内の所定の大きさの厚さを有する積層体の形態を成す。更に、外側セパレータ２０８は電気的に絶縁性である。第１の基材２０２、内側セパレータ２０４、第２の基材２０６及び外側セパレータ２０８を順次積層する際には、第１の基材２０２、内側セパレータ２０４、第２の基材２０６及び外側セパレータ２０８が、第１の基材２０２を中心軸ＡＡ´に最も近接させた状態で、中心軸ＡＡ´を中心に巻かれる。
図示のように、第２の基材２０６は、第２の基材２０６と連通する箔から形成される一連のフラッグ２０６Ａを含む。これらのフラッグ２０６Ａは、ジェリーロールが形成されているときに中心軸ＡＡ´に向かって曲げられる場合にジェリーロールの上層の周囲に巻回されて花又はアーティチョーク形状を形成する。
図３Ａは、花の構造を形成するために折り曲げられる上側フラッグを有するアノードの一実施形態を示す写真である。図３Ｂは、図３Ａの装置の断面のＣＴスキャンであり、折り曲げフラッグが互いに電気的に連通しているが、図３Ｂの下部に示されるカソード材料のいずれの部分とも連通していないことを示す。
図３Ｃは、フラッグ特徴を伴う電池電極の構造の分割画像を示し、左の分割画像は、フラッグを使用してジェリーロールを形成することにより得られる花のデザインの構造モデルであり、右の分割画像は、ジェリーロールのフラッグの密度マップモデルである。図示のように、この実施形態では、フラッグの形状が比較的正方形である。当然ながら、アノード又はカソードからフラッグ構造を形成するために、長方形、三角形、台形形状のフラッグなどの任意の関連する幾何学的形状を同様に使用できることが理解されるべきである。
図３Ｄは、フラッグが一方向に角度付けされ得ることを示す図である。一実施形態において、フラッグは、ジェリーロールの方向に向かって傾斜している。他の実施形態において、フラッグは、ジェリーロールの方向から離れるように傾斜している。フラッグは、一実施形態では、例えば約１０度、１０．５度、１１度、１１．５度、１２度、１２．５度、１３度、１３．５度、１４度、１４．５度、又は１５度を含めて、５度～１０度、１１度～２０度、２１度～３０度、１０度～１５度、又はその間の任意の数を含む、０度～３０度以上に角度付けされてもよい。各フラッグは、高さが１～１０ｍｍであり、幅が１～１０ｍｍであってもよい。例えば、フラッグは、高さが３～６ｍｍ、幅が３～６ｍｍであってもよい。
図４は、ジェリーロールの一実施形態の側断面図である。この形態は、銅フラッグ４０８に接続するアノード４０５を含む。絶縁体４１０Ａ，４１０Ｂは、アノード材料が隣接するカソード４１５と接触するのを防止する。カソード４１８は、アルミニウム製のフラッグ４１８に電気的に接続されている。図４を検討すると分かるように、ジェリーロール内の各アノードセクションは上側銅フラッグに接続され、ジェリーロール内の各カソードセクションは下側アルミニウムフラッグに接続される。
図５Ａは、カソードからアルミニウムフラッグに接続するアルミニウム電流コレクタ５００を示す。図３Ａを検討すると想定され得るように、電流コレクタは、交互配置されたフラッグによって形成される花構造の上端に配置される。その電流コレクタは、フラッグを圧縮し、フラッグから形成される花構造の広い表面積全体にわたって電気的接続を行なうことができる。図示のように、各電流コレクタ５００は、円筒内の電極による任意のねじり運動から歪みを解放するように作用する一連の切り欠きセクション５１０Ａ、５１０Ｂを含む。また、図５Ａは、アノードに接続する切り欠き５３０Ａ、５３０Ｂを有する銅電流コレクタ５２５も示す。
図５Ｂ及び図５Ｃは、電流コレクタを溶接する上端から各円筒形ユニットの上端及び下端に形成されたフラッグまでレーザ溶接された銅及びアルミニウム電流コレクタを示す。レーザ溶接部は、図では円として示しているが、その特定の形状に限定されないことを理解すべきである。線、曲線、円及び他の幾何学的形状のレーザ溶接は全て、本発明の範囲内で考えられる。幾つかの実施形態において、フラッグは、圧接、はんだ継手、溶接（例えば、レーザ溶接）、及びそれらの組み合わせによって電流コレクタに接続することができる。
製造方法
製造方法
タブレスエネルギー貯蔵装置は、商業的製造に適した高速及び／又は大量プロセスで製造することができる。装置を形成する方法の実施形態は、リチウムイオン電流コレクタと、電極の幅の端部に位置される箔部分とを備える電極から出発することを含み得る。
電極が設けられると、各電極の箔部分から一連のフラッグが形成されて、フラッグ付き電極が生成される。幾つかの実施形態において、フラッグは、前述のようにプラス電極及びマイナス電極の箔部分にスリットを形成することによって生成される。幾つかの実施形態において、スリットは、箔を切断又はレーザエッチングすることによって形成される。幾つかの実施形態では、一連のフラッグは、電極が巻回されるときにフラッグが「花」又は「アーティチョーク」形状の形態を形成するように構成されるようなパターンに形成される。フラッグは交互配置されてもよく、この場合、１つのフラッグの後縁が隣接するフラッグの前縁の下に折り曲げられる。
フラッグ付き電極は、巻かれた一連のフラッグを備える電極ロールを形成するために、「ジェリーロール」に巻回される。幾つかの実施形態において、巻かれた一連のフラッグは、各フラッグが電極ロールにおいて他のフラッグと実質的に重なり合わないように、実質的に直線状である（すなわち、折り曲げられない）。幾つかの実施形態において、巻かれた一連のフラッグは、電極ロールの内部に向かって折り曲げられる。
電極ロールのフラッグの「花」又は「アーティチョーク」形状の形態を形成するために、フラッグは電極ロールの中心線（すなわち、中心軸）に向かって折り曲げられる。幾つかの実施形態では、一連のフラッグが巻回後に折り曲げられる。幾つかの実施形態では、ジェリーロールが最初に巻回され、次いで、巻回後にフラッグがジェリーロールの中心線に向かって折り曲げられる。幾つかの実施形態において、フラッグは、フラッグの外側部分からフラッグの内側部分に向かって順次に又は連続的に折り曲げられる。幾つかの実施形態では、フラッグのそれぞれ又はグループに対して連続的な折り曲げが実行される。幾つかの実施形態において、連続的な折り曲げは、ローラが最初に最も外側のフラッグを押圧し、次いで連続的に内側に移動して、各周方向のフラッグセットを互いの下に交互配置するように、ジェリーロールが回転されるときにローラによって実行される。
幾つかの実施形態において、フラッグの巻回後の折り曲げは、フラッグの全て又は実質的に全てに対して同時に実行される。例えば、図６Ａに示されるように、プレス又はキャップ（図６Ｂ）をジェリーロールの各端部のフラッグのセットの上端の上にわたって配置して、フラッグをジェリーロールの中心線に向かって曲げることができる。幾つかの実施形態では、同時折り曲げがプレスによって行なわれる。幾つかの実施形態では、プレスは、平坦形状プレス、ドーム形状プレス、及びそれらの組み合わせから選択される。幾つかの実施形態では、図３Ａ～図３Ｃに示す構造を形成するために、ジェリーロール又はキャップもしくはプレスを回転させて、フラッグを中心線に向かって折り曲げ、押し下げ、交互配置するのを助ける。
幾つかの実施形態において、図７Ａ及び図７Ｂに示す指向性エアリング又は「ブローリング」は、ジェリーロールの端部を収容することができるリング状装置を備える。リングの中心円周内の穴は、リングの中心に空気の渦を形成するためにある角度で圧縮空気を出力するように位置され又は構成される。空気の渦を使用して、フラッグを押し下げ、ジェリーロールの端部の最終位置へと交互配置することができる。図７Ａに示されるように、フラッグがそれらの適切な位置に交互配置された後に、ストーク及び円形底部を有するプレスを使用して、フラッグを曲げ、フラッグを花形状の配置におけるそれらの最終位置まで押し下げることができる。幾つかの実施形態では、プレス及び指向性エアリングを同時に使用して、フラッグを折り曲げる及び／又は実質的に交互配置することができる。
図７Ａ及び図７Ｂを検討すると想定され得るように、フラッグを有するジェリーロールの端部は、指向性エアリングの中心に挿入され、圧縮空気は、中央穴を通ってある角度で押し進められる。空気は旋回渦を形成し、これは、空気圧を使用して各フラッグを所定の位置に静かに押し込むことによって、フラッグを傾け、交互配置し、最終的な花の形状に押し込むのに役立つ。幾つかの実施形態では、指向性エアリングは、フラッグ用の流動床を生成するように構成される。指向性エアリングは、空気の加圧渦を生成する中心穴又はオリフィスを有する実施形態に限定されないことを理解すべきである。他の実施形態において、中心部分は、加圧空気用のスリット、チャネル、又は他の出口を含むことができ、これは、ジェリーロール内でフラッグをそれらの最終形態に交互配置するのに有用な加圧空気空間を形成する。
幾つかの実施形態では、ジェリーロールを巻回する前に、電極のフラッグをインラインで予め折り曲げる（すなわち、予め巻回する）。図８に示されるように、幾つかの実施形態において、インライン折り曲げは、フラッグがローラに近づくにつれてフラッグを一方向に曲げるデフレクタによって実行される。ローラは、フラッグが電極の箔部分に関してフラッグに対する恒久的な折り目、曲げ、又は屈曲を有するように屈曲を完了することができる。図９に示される実施形態において、フラッグは、ローラを横切って移動し、次いでフラッグを箔電極に対して屈曲位置に上向きに押すウェッジと接触することによって屈曲される。幾つかの実施形態において、デフレクタを使用するインライン折り曲げは、屈曲を形成するためにフラッグが通過する狭いチャネルを形成するデフレクタに対する合わせ面も含む。勿論、フラッグを折り曲げる方法は無数にあり、これらは、ジェリーロールの形成前にフラッグを折り曲げることができる方法のほんの一部の例である。図１０に示す別の例では、プレスローラがアンビルローラに隣接した位置にあり、フラッグを伴う箔はフラッグ間で延びる。プレスローラは、フラッグがローラセットを通過するときに、フラッグをアンビルローラに対して曲げる。２つ以上のローラ、スコアリングスプール、又はそれらの組み合わせを含む他の実施形態も企図されることを理解すべきである。
幾つかの実施形態において、折り曲げローラは、ピンチローラ、プレスローラ、又はそれらの組み合わせである。幾つかの実施形態において、ローラは、フラッグがローラの縁部上に張り出すことを可能にするように構成される。幾つかの実施形態において、電極のフラッグは、それらの最終的な交互配置された花の形状を得るために、インラインで折り曲げられ、電極の巻回後に更に折り曲げられる。
図１１Ａに示されるように、巻回プロセス中に、フラッグが互いに干渉し、フラッグの規則的な交互配置されたパターンが形成されないようにフラッグが互いに張力をかけられ及び／又は凝集され得る。したがって、幾つかの実施形態では、繰り出された電極シート及び／又は巻回された電極ロールのフラッグ位置は、最終電極ロールに実質的に交互配置されたフラッグパターンを形成するために、図１１Ｂに示すようなフラッグ管理装置によって管理又は処理され得る。幾つかの実施形態において、フラッグ管理装置は、機械的デフレクタ、角度付きローラ、指向性空気装置（例えば加圧空気ノズル）、又はそれらの組み合わせを含む。例えば、横方向電極がジェリーロールへと巻回されているとき、フラッグ管理装置は、電極の各端部でフラッグをテンティング又はクランピングすることなく、ジェリーロール内の正しい交互配置位置に向かってフラッグを移動し、動かし、引張り、又は押圧することができる。
幾つかの実施形態では、ジェリーロールが折り曲げフラッグで巻かれた後、第２のステップが取られて、それらの交互配置された位置にフラッグを完成させる。幾つかの実施形態では、第２のステップは、フラッグ処理装置を利用する。この巻回後フラッグ処理は、機械的デフレクタ、ローラ、プレス、指向性空気装置（例えば、指向性エアリング又はエアジェット）、又はそれらの組み合わせによって実行されてもよい。幾つかの実施形態では、ローラは連続ローラである。幾つかの実施形態では、プレスは、平坦形状プレス、ドーム形状プレス、及びそれらの組み合わせから選択される。
電極ロールの形成に続いて、電極ロールを形成するために使用されない電極シートの残りの部分を切断によって除去することができる。幾つかの実施形態では、切断は、刃切断、鋏切断、レーザ切断、又はそれらの組み合わせによって行われる。第１の電極ロールを残りの電極シートから切り取った後、第２の電極ロールを残りの電極シートから形成することができる。
電極ロールを検査して、電極ロールが電極ロール高さなどの製造パラメータを満たしていること、及び／又はロールの各端部のフラッグがテンティング又はクランピングなしに適切に交互配置されていることを確認することができる。幾つかの実施形態では、折り曲げフラッグは、透明なガラス又はプラスチック窓に押し付けられ、画像は、押された折り曲げフラッグの窓を通して撮影される。図１２は、電極ロールを検査するために使用され得る検査装置の概略図を示し、検査装置は、２つのガラス板と、ガラス板の外面に配置された２つの画像取込装置と、プレスアセンブリと、２つのガラス板を使用して電極ロールの端部をプレスするように構成されたハードストップアセンブリとを備えるプレスシステムとを含む。図１２では、画像捕捉装置がガラス板を通して電極ロールのアノード及びカソードの押圧されたフラッグの画像を取り込むことができるように、電極ロールが２つのガラス板の間に押圧されて示されている。図１２の検査装置はまた、押圧されたときのガラス板間の距離によって測定される電極ロールの高さを測定するために使用されるジェリーロール（ＪＲ）高さ測定アセンブリを含む。
図１３Ａは、例えば図１２の検査装置を使用するなどして、ガラス板に端部を押し付けることによってジェリーロールの一端が検査される三段階プロセスを示す。図示のように、ロボットアーム又はプレスを使用して、ロールの端部をガラス検査プレートに向かって押す。端部は、最初に、製造中の前の折り曲げ工程からフラッグが部分的に曲げられた状態でガラス板に接近する。フラッグがより圧縮されて交互配置されるにつれて、端部はガラス板を押圧し続ける。最後に、端部がガラス検査プレートに完全に押し付けられ、それにより、画像捕捉及び処理システムによって画像化されるために端部花構造全体が利用可能になる。
電極ロールは、ロールの各端部にフラッグ形成を有し、一端がカソードフラッグを有し、他端がアノードフラッグを有することを理解すべきである。幾つかの実施形態では、検査中に、ロールを２つのガラス板及び両端に同時に押し付けることができる。幾つかの実施形態では、検査中に、一方の端部でロールを検査し、次いで他方の端部を検査するために回転させることができる。幾つかの実施形態では、検査中に、ロールは一端で検査され、次いで別の検査ステーションに平行移動されて他端が検査されてもよい。
画像プロセッサは、ロールの完全に圧縮された端部の画像を供給され、損傷した、張力がかかった、及び／又は詰まったフラッグを識別するために使用され得る。画像プロセッサは、塊又は損傷したフラッグのセットを示す暗いスポットを探すことができる。図１３Ｂ、図１３Ｃ及び図１３Ｄは、適切に折り曲げられていないロールの例を示し、曲がり又は異形のフラッグが画像上に識別可能な暗点を作り出す。画像プロセッサは、ジェリーロールの円周の外側に曲げられたフラッグを探すことができる。画像プロセッサはまた、何らかの巻線誤差が生じたかどうかを判定するために、光反射率の差及び異なる波長など、フラッグが互いに滑らかに交互配置されなかったという他の表示を探すことができる。一実施形態では、画像プロセッサは、適切に折り曲げられた電極及び巻かれた電極を分析し、深層学習を使用して重量及びバイアスを発生させるように訓練される機械学習能力を有することができ、これは、ジェリーロール内のミスフォールドしたフラッグ又は損傷したフラッグを識別する方法を経時的に学習するのに役立つ。特定の電極が検査に合格しなかった場合、電極が検査に合格しなかったことを示すためにアラーム、信号、又は光を作動させることができる。
電極ロールが形成されると、電極ロールは、電池などの電極貯蔵装置を形成するために使用されてもよく、又は貯蔵のために包装され、後に電池を形成するために使用されてもよい。幾つかの実施形態では、電極ロールの折り曲げフラッグは、電流コレクタに電気的に接続される。幾つかの実施形態では、フラッグは、圧接、はんだ継手、溶接、及びそれらの組み合わせによって電流コレクタに接続されてもよい。幾つかの実施形態では、溶接はレーザ溶接によって行われる。幾つかの実施形態では、電極ロールはハウジング内に配置され、ハウジングは封止される。幾つかの実施形態では、電解質がハウジングに添加される。
巻回電極製造プロセスは、高速及び／又は大量で行われる。幾つかの実施形態において、電極巻き付け又は巻回プロセスは、約、少なくとも、又は少なくとも約、０．５ｍ／ｓ、０．６ｍ／ｓ、０．７ｍ／ｓ、０．８ｍ／ｓ、０．９ｍ／ｓ、１ｍ／ｓ、１．２ｍ／ｓ、１．４ｍ／ｓ、１．６ｍ／ｓ、１．８ｍ／ｓ、２ｍ／ｓ、２．２ｍ／ｓ、２．４ｍ／ｓ、２．６ｍ／ｓ、２．８ｍ／ｓ、３ｍ／ｓ、３．５ｍ／ｓ、４ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、又はそれらの間の任意の値の範囲の速度で行なわれる。例えば、幾つかの実施形態において、電極巻き付けプロセスは、１～３ｍ／ｓ又は約１～３ｍ／ｓの速度で行なわれる。幾つかの実施形態において、製造プロセスの高い速度は、実質的に交互配置されたフラッグを伴う巻回電極を正確にもたらす。
１つの例示的なプロセスでは、箔を有する電極が設けられ、箔にスリットが形成されてフラッグが生成される。電極をジェリーロール電極に巻き取り、ロール状電極から残りの電極膜を切り出す。切断された巻回電極の直線状のフラッグを折り曲げ、フラッグ位置を管理する。続いて、巻回電極をフラッグ欠陥について検査する。
別の例示的なプロセスでは、箔を有する電極が設けられ、箔にスリットが形成されてフラッグが生成される。フラッグはインラインで折り曲げられ、巻回直前にフラッグ位置が管理され、その後、電極はジェリーロール電極へと巻回される。残りの電極膜は、巻回電極から切り出され、フラッグ欠陥について検査される。
交互配置されたフラッグを伴うロールが製造された後、ロールは、図５Ａ～図５Ｃを参照して前述したように、各端部で溶接、接合、又は他の方法で電気的に接続されたアノード及びカソード電流コレクタを有し、リチウムイオン電池を形成するために電解質を有する缶に配置され得るカートリッジを形成する。幾つかの実施形態では、交互配置されたフラッグは、缶の各端部に直接電気的に接続される。
前述の開示は、本開示を本明細書に開示された正確な形態又は実施形態に限定することを意図していない。したがって、本明細書に明示的に記載されているか暗示されているかにかかわらず、本開示に対する様々な代替の形態、実施形態及び／又は修正が本開示に照らして可能であると考えられる。このように本開示の実施形態を説明してきたが、当業者であれば分かるように、本開示の範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変更を行うことができる。
上記の明細書では、特定の実施形態を参照して本開示を説明した。しかしながら、当業者であれば分かるように、本明細書に開示される様々な実施形態は、本開示の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な他の方法で修正又は実施することができる。したがって、この説明は、例示と見なされるべきであり、開示された電池システムの様々な実施形態を作成及び使用する方法を当業者に教示する目的のためである。本明細書に示され説明される開示の形態は、代表的な実施形態として解釈されるべきであることを理解すべきである。同等の要素又は材料は、本明細書で代表的に示され説明されたものに置き換えられてもよい。更に、本開示の特定の特徴は、他の特徴の使用とは無関係に利用されてもよく、その全ては、本開示のこの説明の利益を得た後に当業者に明らかである。本開示を説明して特許請求するために使用される「含む」、「備える」、「組み込む」、「から成る」、「有する」、「である」などの表現は、非排他的な態様で解釈されること、すなわち、明示的に説明されていない項目、構成要素、又は要素も存在することを可能にすることを意図している。また、単数形への言及は、複数形にも関連すると解釈されるべきである。
更に、本明細書に開示される様々な実施形態は、例示的かつ説明的な意味で解釈されるべきであり、決して本開示を限定するものと解釈されるべきではない。全ての結合についての言及（例えば、接続、関連付け、結合など）は、読者の本開示の理解を助けるためにのみ使用され、特に本明細書に開示される要素の位置、向き、又は使用に関して限定を生じさせるものではない。したがって、結合についての言及がある場合、それは広く解釈されるべきである。更に、そのような接合についての言及は、必ずしも２つの要素が互いに直接接続されているとは限らない。
更に、限定するものではないが、「第１」、「第２」、「１」、「別」、又は任意の他の通常の及び／又は数値的な用語などの全ての数値的な用語もまた、本開示の様々な要素、実施形態、変形例及び／又は修正例の読者の理解を助けるために、識別子としてのみ解釈されるべきであり、特に、任意の要素、実施形態、変形例及び／又は修正例の、別の要素、実施形態、変形例及び／又は修正例に対する、又は別の要素、実施形態、変形例及び／又は修正例を超える順序又は優先度に関していかなる制限も生じない。
特定の用途に応じて有用であるように、図面／図に示される要素のうちの１つ又は複数はまた、より分離又は統合された方法で実装されてもよく、又は特定の場合には除去されてもよいことが理解され得る。
Claims (27)
- タブレスエネルギー貯蔵装置を製造する方法であって、
活性材料が箔上にわたって配置された電極層を設けるステップと、
前記箔に一連のフラッグを形成してフラッグ付き電極を形成するステップと、
一連の巻回フラッグを備える電極ロールを形成するために前記フラッグ付き電極を巻回するステップと、
前記巻回フラッグを電流コレクタに電気的に接続してエネルギー貯蔵装置を形成するステップと、を含む方法。 - 前記フラッグ付き電極を巻回する前に、前記フラッグが折り曲げられて一連の折り曲げフラッグになる、請求項１に記載の方法。
- 折り曲げは、デフレクタ、ローラ、スコアリングスプール、又はそれらの組み合わせによって行なわれる、請求項２に記載の方法。
- 前記折り曲げフラッグが巻回されると、フラッグ管理装置が前記折り曲げフラッグを実質的に交互配置された形態へと移動させる、請求項２に記載の方法。
- 前記フラッグ管理装置は、ダイバータ、ホイール、又は空気ノズルを備える、請求項４に記載の方法。
- 前記フラッグ付き電極を巻回した後、前記フラッグが折り曲げられて一連の折り曲げフラッグになる、請求項１に記載の方法。
- 折り曲げが連続的に行なわれる、請求項６に記載の方法。
- 折り曲げは、ローラ、指向性空気装置、及びそれらの組み合わせによって行なわれる、請求項７に記載の方法。
- 折り曲げが同時に行なわれる、請求項６に記載の方法。
- 折り曲げは、プレス、指向性空気装置、及びそれらの組み合わせによって行なわれる、請求項９に記載の方法。
- 前記折り曲げフラッグが実質的に交互配置された形態を成す、請求項６に記載の方法。
- フラッグ処理装置が前記折り曲げフラッグを実質的に交互配置された形態へと移動させる、請求項６に記載の方法。
- 前記フラッグ処理装置は、機械的デフレクタ、ローラ、プレス、指向性空気装置、又はそれらの組み合わせを備える、請求項１２に記載の方法。
- 前記電極層は、前記電極ロールを形成するために使用される第１のセクション及び第２のセクションを備え、前記方法は、前記第１及び第２のセクションを切断するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
- 前記電極ロールの前記巻回フラッグを検査するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
- 前記電極巻回プロセスが約１～３ｍ／ｓの速度で行なわれる、請求項１に記載の方法。
- 巻回電極を製造する方法であって、
箔上にわたって配置される活性材料を備える電極層を設けるステップと、
前記箔に一連のフラッグを形成してフラッグ付き電極を形成するステップと、
一連の巻回フラッグを備える電極ロールを形成するために前記フラッグ付き電極を巻回するステップと、
前記巻回フラッグを折り曲げて折り曲げ巻回フラッグを形成するステップであって、前記折り曲げフラッグの各フラッグが実質的に交互配置された形態へと向けられる、ステップと、を含む方法。 - 巻回電極を製造する方法であって、
箔上にわたって配置される活性材料を備える電極層を設けるステップと、
前記箔に一連のフラッグを形成してフラッグ付き電極を形成するステップと、
前記フラッグを折り曲げて一連の折り曲げフラッグを備える折り曲げフラッグ付き電極を生成するステップと、
前記折り曲げフラッグ付き電極を巻回して電極ロールを形成するステップであって、前記折り曲げフラッグが巻回されるときに前記折り曲げフラッグの各フラッグが実質的に交互配置された形態へと向けられる、ステップと、を含む方法。 - 箔上にわたって配置される活性材料を備える巻回されたフラッグ付き電極層を備え、
前記箔が一連のフラッグを備え、
前記一連のフラッグのそれぞれは、折り曲げられて、実質的に交互配置された形態を成す、交互配置されたフラッグ付き電極。 - 前記活性材料は、ケイ素材料、黒鉛材料、グラファイト、グラフェン含有材料、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンナノチューブ、多孔質カーボン、導電性カーボン、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯ）、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、層状遷移金属酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ2（ＬＣＯ）、Ｌｉ（ＮｉＭｎＣｏ）Ｏ2（ＮＭＣ）及び／又はＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ2（ＮＣＡ））、スピネルマンガン酸化物（ＬｉＭｎ2Ｏ4（ＬＭＯ）及び／又はＬｉＭｎ1.5Ｎｉ0.5Ｏ4（ＬＭＮＯ）など）、オリビン（例えば、ＬｉＦｅＰＯ4）、カルコゲナイド（ＬｉＴｉＳ2）、タボライト（ＬｉＦｅＳＯ4Ｆ）、ケイ素、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、アルミニウム、スズ、酸化スズ（ＳｎＯｘ）、酸化マンガン（ＭｎＯｘ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ2）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）、酸化銅（ＣｕＯｘ）、及び硫化リチウム（Ｌｉ2Ｓ）、並びにそれらの組合せから成るグループから選択される、請求項１９に記載の電極。
- 前記フラッグが正方形又は台形の形状である、請求項１９に記載の電極。
- 前記フラッグは、５～１０度、１１～２０度、２１～３０度、又は１０～１５度の角度である、請求項１９に記載の電極。
- 前記フラッグの各フラッグが高さ１～１０ｍｍである、請求項１９に記載の電極。
- 前記フラッグの各フラッグが幅１～１０ｍｍである、請求項１９に記載の電極。
- 前記一連のフラッグが銅又はアルミニウムから形成される、請求項１９に記載の電極。
- 蓋を備える缶の内側に取り付けられる、請求項１９に記載の電極。
- 前記一連のフラッグが前記缶の前記蓋と電気的に連通している、請求項２６に記載の電極。
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