JP4753527B2 - 電池を組立てる方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、複数の陽極プレートと陰極プレートとが互いに積み重ねられた電池、例えばリチウムイオン電池を作る方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
リチウム金属陽極と、リチウムイオンをその中に挿入即ちインサートすることができる物質からなる陰極とで電池を作ることが多年にわたり知られてきた。酸化コバルトリチウム及び酸化マンガンリチウムのような多様な挿入物質が陰極物質として知られており、そのような物質を固体電解質物質と混合して複合陰極を形成することができる。そのような電池は、炭酸プロピレンのような有機液体にリチウム塩を溶かした電解質としての溶液で飽和された濾紙又はポリプロピレンのようなセパレータを使用することができる。別の構成では、例えばポリ（酸化エチレン）とリチウム塩との複合物のようなポリマーベースの固体電解質を使用することができる。二次又は充電可能リチウム電池の場合、リチウム金属陽極の使用は、樹枝状結晶の成長から種々の問題が生じるので満足できないが、黒鉛のような挿入物質の陽極での使用は、満足な電池の作製を可能にした。そのような電池は、充電及び放電中に２つの挿入物質の間でリチウムイオンが交換されるから、「リチウムイオン」電池又は「スイング」電池と呼ぶことができる。
【０００３】
また、ポリフッ化ビニリデン及び関連するコポリマーをベースにしたポリマー電解質が、例えばＧｏｚｄｚ他（米国特許第５，２９６，３１８号）によって提案されており、この米国特許においては、リチウム塩と炭酸エチレン／炭酸プロピレン混合物のような相容性のある溶剤と混ぜ合わされた、７５から９２％のフッ化ビニリデンと８から２５％のヘクサフルオロプロピレンとのコポリマーは、テトラヒドロフランのような低沸点溶剤での溶液により成形される。英国特許第２，３０９，７０３Ｂ号（ＡＥＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）は、同様の電解質組成物を記載しており、この特許においては、ポリマーはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）ホモポリマーであって、このＰＶｄＦは非常に低いメルトフローインデックスに特徴がある。欧州特許第０，７３０，３１６号（Ｅｌｆ Ａｔｏｃｈｅｍ）に記載されているように、先ず始めにポリマー材料の多孔質フィルムを作り、次にこのフィルムを有機溶剤に溶かしたリチウム塩の溶液に浸漬して電解質溶液をポリマーフィルムと結合させることによって、そのような固体ポリマー電解質を作ることも可能である。
【０００４】
（発明の開示）
本発明によると、各々がそれぞれの挿入物質を含む複数の陽極プレートと複数の陰極プレートとを含む電気化学電池を組立てる方法が提供され、該方法は、各々が金属コレクターに結合されたそれぞれのイオン挿入物質の層を含む、交互に積み重ねられた個々の分離した陰極プレートと個々の分離した陽極プレートとのスタックを形成する段階と、連続したセパレータ／電解質層を、それがジグザグ形状を形成するように、相次ぐプレート間に介在させる段階とを含む。
【０００５】
電気化学電池はリチウムイオン電池とすることができ、陽極プレートと陰極プレートとは、例えば陽極プレート内には黒鉛、陰極プレート内には酸化コバルトリチウムのようなそれぞれのリチウムイオン挿入物質を含む。
【０００６】
セパレータ／電解質層は、例えばポリエチレン又はポリプロピレンのような多孔質の不活性セパレータとすることができ、この場合には、続いて、電池を形成するために、このアセンブリに対して電解質溶液が添加されなくてはならない。例えばリチウムイオン電池においては、この電解質溶液は、炭酸エチレンのような有機溶剤に溶解させたリチウム塩を含むことになるであろう。そのようなセパレータは、電解質溶液と相互作用することはない。別の構成では、セパレータ／電解質層は、例えばＰＶｄＦベースのポリマー（ホモポリマー、コポリマー、又はグラフトポリマー）の多孔質シートを含むことができる。続いて電解質溶液を添加すると、ポリマーシートは電解質溶液と相互作用して固体の又はゲル状の電解質を形成する。更に別の構成では、セパレータ／電解質層は、（Ｇｏｚｄｚ他の米国特許第５，２９６，３１８号又はＡＥＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（英国特許第２，３０９，７０３Ｂ号）により記載されているポリマー電解質と同様な）ＰＶｄＦベースのポリマー、リチウム塩、及びこれらと相容性を有する有機溶剤を含むポリマー電解質を含むことができる。セパレータ／電解質層が多孔質シートである場合には、好ましくは孔径が０．１μｍから１０μｍの間、一層好ましくは０．５μｍから２μｍの間である微孔性であるのが好ましい。
【０００７】
そのような微孔性薄膜は、溶剤／非溶剤混合物、又は潜在性溶剤から成形することができ、その結果、全工程を水又は湿気なしの状態で行なうことが可能であり、最終的なフィルム又は薄膜内に水が存在する（これはリチウム電池の特性にとって有害となる）危険性を減少させる。非溶剤は、単に溶剤中に溶解されるだけでなく、実質的にあらゆる割合での溶剤との混和性をもつべきである。非溶剤の沸点は、溶剤の沸点より高く、好ましくは約２０℃高いのが好ましい。例えば溶剤は、ジメチルフォルムアミド又はジメチルアセトアミドとすることができ、その場合の適当な非溶剤は、それらの溶剤に溶解可能でありかつその沸点が約１９４℃である１−オクタノールである。別の非溶剤は、１−ヘプタノール、２−オクタノール、４−オクタノール、又は３−ノナノールであろう。
【０００８】
微孔性薄膜の製造において、急速乾燥はマクロ細孔を生じさせがちであり、またその下に在る液体の蒸発を妨げる不透過性皮膜の形成を招く懼れがあるので、乾燥中の蒸発速度は急速であってはならない。潜在性溶剤を使用する場合、乾燥工程は、この潜在性溶剤の溶解温度よりも低い温度で行なわれるべきである。その結果、ポリマーが沈澱して、２つの相、すなわちポリマー濃厚相とポリマー希薄相とを生じると思われる。潜在性溶剤が蒸発するにつれて、ポリマー濃厚相の割合が次第に増加するが、ポリマー希薄相の残余の小滴により孔が形成される。
【０００９】
（発明を実施するための最良の形態）
次に本発明を、単なる実例によって、本発明による電池の製造を示す（原寸通りではない）添付図面を参照しながら、更により具体的に説明する。
【００１０】
多孔質薄膜の製造
低い値のメルトフローインデックス（１０ｋｇ、２３０℃で約０．７ｇ／１０ｍｉｎ）を有することを特徴とするホモポリマーＰＶｄＦ（ソルベー等級１０１５）は、撹拌しながら４５℃でジメチルフォルムアミド（ＤＭＦ）内に溶解され、１５ｇのＰＶｄＦが８５ｇのＤＭＦ内に溶解された。次に９ｇという少量の１−オクタノールが、ポリマー溶液に滴下によって添加され、混合物が均一になることを保証するために、この添加の間注意深く混合される。１−オクタノールの量は多過ぎてはならず、多すぎると溶液はゲル状になる。次に、得られた三成分混合物は、ローラ上のドクターブレードを使用してアルミニウム箔基板上に流し込まれ、０．２５ｍｍの初期厚を有する層を形成し、次ぎにそれぞれ６５℃と１００℃の２つの連続した乾燥区間を備えた長さ７ｍの乾燥トンネルを通過させられた。該層は０．５ｍ／ｍｉｎの速度で乾燥トンネル内を移動する。乾燥区間内でフィルムは、１４ｍ／ｓの速度の乾燥空気流に曝され、あらゆる溶剤と蒸発する非溶剤とが除去される。乾燥空気は、脱湿装置内に空気を通すことによって得られる。
【００１１】
乾燥トンネル内をフィルムが通過する１４分の間に、溶剤と非溶剤は両者共徐々に蒸発する（区間の温度は両者共にそれらの沸点よりも十分に低いが）。溶剤の方がより急速に蒸発する傾向がある。それによって厚さ約２０〜２５μｍの白色ポリマー薄膜が得られ、走査電子顕微鏡を用いての分析では、それが微孔性であることを示した。孔は直径が０．５〜２．０μｍの範囲、典型的には約１μｍの大きさである。
続いて、溶剤と非溶剤の両方の全ての微量残部を確実に除去するために、微孔性フィルムは真空中で乾燥される。
【００１２】
電極の作製
陰極は、スピネルＬｉＭｎ₂Ｏ₄、小割合の導電性炭素、及び結合剤としてのホモポリマーＰＶｄＦ１０１５（上述したような）の混合物を作ることによって作製され、この混合物は、ＰＶｄＦのための溶剤であるＮ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）での溶液により成形される。混合物はドクターブレードを用いてアルミニウム箔上に流し込まれ、次いで全てのＮＭＰ（その沸点は約２０３℃である）の蒸発を確実にするために、例えば８０℃と１２０℃の温度区間を備えた乾燥装置内を通される。この工程が反復されて、混合物が箔の各面に接着した両面陰極を作り出す。それに続く真空乾燥によって、ＮＭＰの除去は一層確実なものとされる。混合物の箔への接着は、カレンダー加工又は低圧ローラ加工によって更に強固にされる。
【００１３】
陽極は、少量の炭素を含む、２８００℃で熱処理された粒径１０μｍのメゾカーボン(mesocarbon)微粒子（ＭＣＭＢ１０２８）と結合剤としてのホモポリマーＰＶｄＦ１０１５との混合物を作ることによって作製される。この混合物は、陰極に関して説明したのと同様の方法で、ＮＭＰでの溶液により銅箔上に流し込まれ、乾燥され、カレンダー加工される。
【００１４】
次いで、突出する金属箔タグを備える幾枚かの矩形状の陽極シートと陰極シートとが、切り出される。１つの具体的な例において、陽極は３１ｍｍ×４８ｍｍ、及び陰極は２９ｍｍ×４６ｍｍとすることができ、それらの各々が、一端から突出する幅９ｍｍの被覆されていない矩形状のタブを有する。
【００１５】
電池の組立て
次に、製造中の電池の端面図を示す図１を参照すると、幅５０ｍｍの長い多孔質ストリップ１０と、９枚の両面陰極シート１２（２９ｍｍ×４６ｍｍ）と、１０枚の陽極シート１４（３１ｍｍ×４８ｍｍ）とから、矩形状の平坦な電池が組立てられる。陽極シートのうちの８枚は両面シートであり、１枚の陽極シート１４ａはその上面上にのみ陽極混合物を有し、１枚の陽極シート１４ｂはその下面上にのみ陽極混合物を有する。スタックは、ストリップ１０の一方の端部上で作られる。先ずその上面上にのみ陽極混合物を有する陽極シート１４ａから始めて、ストリップ１０をそのシート１４ａの上に折り畳み、次にその上に陰極シート１２を置き、次にそのシート１２の上にストリップ１０を折り畳み、次にその上に陽極シート１４を置き、次にそのシート１４の上にストリップ１０を折り畳むのを繰り返す。従って、ストリップ１０は、相次ぐ陰極シート１２と陽極シート１４との各々の周りにジグザグ形状に折り畳まれる。最後に、スタックの上に陽極シート１４ｂが置かれ、ストリップ１０がその上に折り畳まれ、切断される。次に、接着テープを用いてスタックの全ての構成要素が互いに固定保持される。次に陽極タブ１６が単一のリード線(図示せず)に対して互いに溶接され、陰極タブ１８が単一のリード線(図示せず)に対して互いに溶接される。
【００１６】
電解質溶液の調製
本例における電解質溶液は、炭酸エチレン／炭酸メチル混合物中にＬｉＰＦ₆を溶かした１モル溶液からなる。（本例においてリチウム塩濃度は１．０Ｍであるが、代わりに、例えば０．３Ｍから１．５Ｍの範囲であってもよいし、またこのリチウム塩の代わりに、例えばＬｉＰＦ₆とＬｉＢＦ₄の混合物としてもよい。）
【００１７】
電池の完成
乾燥された各々のスタックは、次に電解質溶液を真空充填され、環境温度にて数時間この電解質溶液中に浸漬されて、全ての構成要素がこの溶液によって完全に含浸される。次に電池は、２本のリード線を突出させて、ラミネートされた可撓性ケーシング内に真空パックされる。
このようにして得られた電池は、良好な電気特性を有する。
【００１８】
電池は、上述したものとは異なっていても、本発明の範囲内に含まれることが理解されるであろう。特に、電極物質は上述した物質と異なるものであってもよく、例えば陰極物質は、代わりに、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、又はＬｉＮｉ_1-x-yＣｏ_xＭ_yＯ₂（ここでＭは他の金属又は酸化バナジウムベースの物質）のような物質であってもよい。陽極物質は、例えばリチウム合金、酸化錫、天然黒鉛、合成黒鉛、又はハードカーボンであってもよい。また、陽極シートと陰極シートの数は上述した数と異なってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 製造中の電池の端面図を示す。

Claims (5)

1. 複数の負極プレート（１４）と複数の正極プレート（１２）とを含み、該プレート（１２、１４）の各々が、それぞれの金属コレクターに結合されたそれぞれのイオン挿入物質の層を含み、スタックの端部に位置しない前記プレートが、前記コレクターの両方の主要面に結合されたそのような層を含み、前記各プレート（１２、１４）が、前記コレクターと一体的な突出したタブ（１８、１６）を備えたほぼ矩形状の形状になっている、電気化学電池を組立てる方法であって、
   連続したセパレータ／電解質層（１０）を、それがジグザグ形状を形成するように、相次ぐプレート（１２、１４）間に介在させて、交互に積み重ねられた個々の分離した正極プレート（１２）と個々の分離した負極プレート（１４）とのスタックを、該スタックから前記タブ（１８、１６）を突出させた状態で、前記プレートの１つ（１２又は１４）を該スタック上に置き、次にその上に前記セパレータ／電解質層（１０）を折り畳むことを反復することによって形成する段階と、
   続いて、全ての前記正極プレート（１２）上の前記タブ（１８）間の電気的な接続と全ての前記負極プレート（１４）上の前記タブ（１６）間の電気的な接続とを形成する段階と、を含み、
   全ての前記タブ（１８、１６）は、前記プレート（１２、１４）から突出し、前記スタックの一方の側部から突出し、
   前記スタックは、前記セパレータ／電解質層の一方の端部上に形成され、前記セパレータ／電解質層は前記スタックの頂部のプレート上に折り畳まれ、
   前記セパレータ／電解質層（１０）が、ポリマー材料の多孔質シートであり、前記方法は、続いて、電池を形成するために、前記組立体に電解質溶液を添加する段階を更に含むことを特徴とする方法。
2. 前記電池がリチウムイオン電池であり、前記負極プレート（１４）と前記正極プレート（１２）とが、それぞれのリチウムイオン挿入物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電池に添加された後に、前記電解質溶液がセパレータと相互作用して、ゲル状電解質を形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記スタックを形成した後、接着テープを用いて、スタックを固定保持することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載した方法で作られたリチウムイオン電池。

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