JP5625123B2 - 遠心力を用いて二次電池を脱気する方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂層および金属層を有する積層板でできているバッテリーケースの中に設けられた電極組立体および電解質を含むバッテリーセルを製作する方法に関し、より具体的には、（ａ）電極組立体がバッテリーケースに取り付けられている状態で、バッテリーケースの終端部分を除いた外周面（または周縁部）を熱溶融させて密封するステップと、（ｂ）密封されていない終端部分を通して電解質を導入し、次いで熱溶融によって同部分を密封するステップと、（ｃ）バッテリーセルを充電し、放電させて、バッテリーセルを活性化するステップと、（ｄ）過剰電解質ならびに活性化操作で生成されたガスを、遠心力によって、バッテリーセルの前述の終端部分へ移すステップと、（ｅ）終端部分からガスおよび過剰電解質を除去するステップとを含む、バッテリーセルを製造する方法に関する。

可動機器の技術開発が向上し、その需要も増加するのにつれて、エネルギー源としてのバッテリーに対する需要も増加している。したがって、多くの要件を満たすバッテリーの広範な研究が行なわれてきた。

バッテリーの形態に関する代表的な実例については、角柱型二次電池およびポーチ型二次電池が比較的薄く、したがって携帯電話（セル式電話としても知られている）などの製品に適用することができ、需要が多い。バッテリーの原料に関しては、リチウム二次電池、すなわちリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などは、高エネルギー密度、高放出電圧および／または高出力安定性などの利点を有し、広く使用されている。

あるいは、二次電池は、電極組立体の負極／セパレータ／正極の構造のタイプに関して分類されてよく、代表的な実例として、負極および正極を巻いて、その間にセパレータを挟む構成を有するゼリーロール（巻き型）電極組立体、所定の単位サイズの部分にカットされた複数の負極と正極を、その間にセパレータを挟みながら順次に積み重ねる積み重ね（積層型）電極組立体、所定の単位サイズを有する負極と正極の間にセパレータを挟みながらバイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）またはフルセルを巻く構成を有する積み重ね折り畳み電極組立体などを含んでよい。

最近、積み重ね型または積み重ね折り畳み型の電極組立体をアルミニウム積層板に取り付けた構成を有するポーチ型バッテリーには、生産コストが低いこと、軽量であること、および形状変更の容易さなどのために、かなりの関心が集まっており、その使用も次第に増加している。

図１は、従来の一般的なポーチ型バッテリーの全体的構造を概略的に示す分解斜視図である。

図１を参照すると、ポーチ型バッテリー１０は、電極組立体３０と、電極組立体３０から延在する電極タップ４０、５０と、電極タップ４０、５０に溶接された電極リード６０、７０と、電極組立体３０を収容するバッテリーケース２０とを有してよい。

電極組立体３０は、負極と正極が、その間にセパレータを挟みながら順次に積層された、積み重ね型または積み重ね折り畳み型構造を有してよい発電装置である。電極タップ４０、５０は、電極組立体３０の各有極性シートから延在してよく、電極リード６０、７０は、例えば溶接によって有極性シートから延在する複数の電極タップ４０、５０に、それぞれ電気的に接続されてよい。電極リード６０、７０のそれぞれが、その電気的絶縁を保証するとともにバッテリーケース２０に対する密封を改善するために、各頂面または底面の一部分に取り付けられた絶縁膜８０を有してよい。

バッテリーケース２０には、電極組立体３０を収容するための空間を設けてよく、バッテリーケース２０の形態の点でポーチ型であってよい。図１に示された積層型電極組立体３０については、電極リード６０、７０を用いて複数の負極タップ４０と正極タップ５０を組み合わせるために、バッテリーケース２０の内側上端が電極組立体３０から離隔される。

前述のポーチ型バッテリーを含む二次電池のほとんどが、バッテリーセルを製造するプロセスにおいて、充放電によってバッテリーを活性化するので、活性化中に生成されたガスは、最終的なバッテリーセルを製造するために除去されるべきであり、この操作は「ガス抜き」操作と称され得る。

しかし、前述のような、ポーチ型バッテリーを製造するための従来のプロセスには、密閉端をカットしてガス抜きするガス抜き操作でガスを除去するのにかなり時間がかかり、その結果として生産コストが上昇する、また、ガスおよび過剰電解質が完全には排除されず、その結果として、熱溶融による密封操作における少なからぬ失敗の原因となる、といったいくつかの問題が起こる。

したがって、上記で説明された従来の問題を解決するための技法に対する強い要求が依然として存在している。

したがって、本発明は、上記で説明された従来の問題の解決と、関連技術の技術的制約の克服とを対象とする。

より具体的には、本発明の目的は、別々の密度を有する電解質とガスを、遠心力によって互いから分離することにより、ガス抜き操作を容易に、かつ急速に行なうプロセスを提供することである。

本発明の別の目的は、前述のプロセスによって製造された二次電池を提供することである。

前述の目的を達成するために、本発明による、樹脂層および金属層を有する積層板でできているバッテリーケースの中に設けられた電極組立体および電解質を含むバッテリーセルを製造する方法は、
（ａ）バッテリーケースの中に電極組立体を取り付け、バッテリーケースの周縁部を、その一端部を除いて、熱溶融によって密封するステップと、
（ｂ）密封されていない終端部分を通して電解質を導入し、熱溶融によって同終端を密封するステップと、
（ｃ）バッテリーセルを充放電して、バッテリーセルを活性化するステップと、
（ｄ）活性化中に生成されたガスおよび過剰電解質を、遠心力によってバッテリーセルの前述の終端部分に移すステップと、
（ｅ）終端部分から、ガスおよび過剰電解質を除去するステップとを含んでよい。

したがって、本発明によれば、活性化中などに生成されたガスは、遠心力によって上記で説明されたバッテリーセルの終端部分に移動されてよく、それによって、活性化操作で生成されたガスを、バッテリーセルを製造するためのいかなる従来手法と比較して、容易に、かつ急速に除去する。

実際、遠心力に起因する、密度差による材料の分離により、ガスと液体の分離が起こるので、ガス抜き操作ではほとんど除去されない、電解質の中に混入しているガスさえ容易に排除され得る。

参考のために、リチウム二次電池は、例えば、ＬｉＣｏＯ_２などのリチウム遷移金属酸化物を含む負極活物質ならびにカーボン材料を含む正極活物質を含んでよく、また、バッテリーは、正極と負極の間にポリオレフィンベースの多孔性セパレータを挟み、その間に、ＬｉＰＦ_６などのリチウム塩を含有する非水電解質を導入することによって製作されてよい。バッテリーが充電されると、負極活物質のリチウムイオンが放電されて正極の炭素層に入る。一方、放電中には、正極炭素層のリチウムイオンが放電されて負極活物質に入る。この点において、非水電解質は、正極と負極の間でリチウムイオンを移動させる媒体として機能し得る。このようなリチウム二次電池は、バッテリーの動作電圧の範囲では、本質的に安定して、十分な高速でイオンを配送するための性能を有しなければならない。

しかし、連続した充放電中、正極活物質の表面で電解質が分解され、したがってガスが生成されるが、初期の充放電で正極活物質の表面にＳＥＩ膜が形成されて、ガスがさらに発生するのを抑止する。したがって、バッテリーセルを活性化するための操作（ｃ）は、ＳＥＩ膜を形成するのに必要であり、必然的に、バッテリーセルを完成する最終段階の前に遂行される。

好ましい実施形態では、本発明による積層板は、外部樹脂層を備える積層構造体と、空気および湿気を防ぐための金属層と、熱溶融可能な内部樹脂層とを有してよい。

外部樹脂層は、外部環境に対して優れた耐性を有しなければならず、したがって、所望の引張強さおよび対候性の特性が必要とされる。このような態様では、外部コーティング層用のポリマー樹脂は、優れた引張強さおよび対候性の特性を有するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）または延伸ナイロンを含んでよい。

外部コーティング層は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）を含んでよく、かつ／または外面にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層を備えてよい。

ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）と比較して、優れた引張強さおよび対候性の特性を示す一方で厚さが薄く、それによって外部コーティング層として好適に使用される。

内部樹脂層のポリマー樹脂は、熱溶融性（熱的粘着性）であって、電解質の浸透を抑止するために電解質の吸収性が低く、電解質による膨張または腐食が最小限のポリマー樹脂であってよい。より好ましくは、ポリマー樹脂は、非延伸（一般に「キャスティング」として知られている）ポリプロピレン膜（ＣＰＰ）を含んでよい。

好ましい実施形態によれば、本発明の積層板は、厚さが５μｍ〜４０μｍの外部コーティング層、厚さが２０μｍ〜１５０μｍの障壁層、および厚さが１０μｍ〜５０μｍの内部シーラント層を備える構造体を有してよい。積層板のこれらの層のそれぞれが薄すぎると、材料に対する遮蔽機能およびその強度を改善するのが困難である。それに対し、層が厚すぎると、その処理がより困難になる可能性があり、同時にシートの厚さも増加し、したがって好ましくない。

電極組立体は、例えば、巻き型構造、積み重ね型構造、および／または積み重ね折り畳み型構造などを含む、さまざまな構造を有してよい。

電極組立体は、二次電池を形成するために負極／セパレータ／正極の構造を有してよく、一般に、前述の構造に基づいて、ゼリーロール型（巻き型）組立体と積み重ね型（積層型）組立体に分類されてよい。ゼリーロール型電極組立体は、集電体として使用される電極活物質を金属フォイルに与え、これを乾燥させて圧縮し、圧縮された材料を、所望の幅および長さを有するバンド形に切除し、セパレータを使用して正極と負極を絶縁して、バンド形の製品を渦巻き形状に巻くことにより、製作されてよい。ゼリーロール型電極組立体は、円筒状電池を形成するのには適するが、角柱型またはポーチ型のバッテリーに適用するのに、電極活物質の分離、空間有用性が低いことなどの不都合がある。一方、積み重ね型電極組立体は、複数の負極ユニットと正極ユニットを順次に積み重ねる構造を備え、角柱バッテリーを容易に形成するという利点がある。しかし、組立体を製作するプロセスが複雑であること、電極に外部衝撃が与えられると電極のスラストによって短絡が生じること、などの問題が生じる可能性がある。

前述の問題を克服するために、上記で説明されたゼリーロール型組立体と積み重ね型組立体の組合せである改良構造を有する電極組立体が開発され、「積み重ね折り畳み型電極組立体」と称されており、所定の単位サイズの負極／セパレータ／正極の構造を有するフルセル、または所定の単位サイズの負極（正極）／セパレータ／正極（負極）／セパレータ／負極（正極）の構造を有するバイセルが、連続した長いセパレータ膜を使用して折り畳まれる。

フルセルは、負極と正極がそれぞれセルの両端に配置されている負極／セパレータ／正極の単位構造体から成るセルである。このようなフルセルは、負極／セパレータ／正極の主要構造体を有するセルであってよく、または負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極／セパレータ／正極の構造体を備えてよい。

あるいは、バイセルは、負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極の単位構造体または正極／セパレータ／負極／セパレータ／正極の単位構造体など、セルの両端に同一電極が配置されているセルを備えてよい。この説明では、負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極の構造を有するセルは「Ｃ型バイセル」と称されてよく、正極／セパレータ／負極／セパレータ／正極の構造を有するセルは、「Ａ型バイセル」と称されてよい。すなわち、Ｃ型バイセルは、セルの両側に配置された負極を含み、Ａ型バイセルは、セルの両側に配置された正極を含む。

このようなバイセルは、セルの両側に同一構成の電極を設けている限り、その負極、正極および／またはセパレータの数の点で特に制限はない。

フルセルおよびバイセルは、負極と正極を、その間にセパレータを挟ながら組み合わせることによって製作され得る。このような組合せは、例えば熱溶融によって遂行されてよい。

本発明によれば、バッテリーケースはさまざまな形状を有してよく、好ましくは、平面図では長方形である。この場合、その終端部分は縁端部でよい。

このような構造では、１つの縁端の幅が、他の縁端の幅より２０から３００％大きくてよく、上記の縁端の終端は、活性化中に熱溶融によって密封されてよい。

活性化中に生成されたガスを捕える空間を与えるために、前述のように、１つの縁端が他の縁端より大きな幅を有するように形成されてよく、縁端の終端は活性化操作の前に密封されてよい。バッテリーケースが、このような（空いている）空間なしで密封されると、活性化中に生成されたガスが膨脹を誘起する可能性があり、ガスを除去した後に再シーリング空間が存在しない可能性があり、したがって好ましくない。

したがって、１つの縁端の幅が他の縁端の各幅の２０％未満であると、上記の縁端の空間に所望の量のガスを十分に捕えることができない。一方、上記の縁端の幅が他の縁端の各幅の３００％を超過すると、縁端の範囲が増加する可能性があり、その結果として生産コストが増加する。したがって、前述のことは、経済面で好ましくない。

操作（ｄ）は、ガスをバッテリーセルの終端部分の方へ完全に移動させるために、バッテリーセルを、遠心分離機上に、バッテリーセルの前述の終端部分が遠心分離機の内側に向くように取り付けて回転させるステップを含んでよい。バッテリーケースの内部空間が限られていることを考えて、過剰電解質もガスと一緒に終端部分へ移動させてよい。

遠心分離機は、例えば、水平の回転子、垂直の回転子、または水平もしくは垂直の方向に対して所定の角度で回転する固定角回転子を含んでよい。しかし、重力が垂直方向に作用するので、力の和（遠心力＋重力）、すなわちベクトル和は、回転位置によって各様に作用する可能性がある。したがって、重力に対して垂直な遠心力を生成することができる水平の回転子が、より好適に使用される。

遠心力を受けると、比較的高密度を有する材料が、回転中心から遠い部分に集中する可能性がある。それに対し、低密度の材料は回転中心の近くに集中する可能性がある。したがって、電解質より低密度のガスを終端部分の方へ移動させるために、バッテリーセルを、その終端部分が回転子の内側に向き得るように取り付け、次いで回転させる。

電解質は液体であり、ガスは気体であって、その間にはかなりの密度差がある。したがって、遠心分離機は、大きな回転力または一般的な遠心分離機のものに等しい遠心力を必要としない。また、積層型バッテリーケースの封止強度に配慮して、所望の回転数（「回転周波数」）および回転時間が必要である。好ましい実施形態によれば、遠心分離機の回転速度の範囲は、２００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍ、好ましくは５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍでよく、回転時間の範囲は、１秒〜３０秒、好ましくは２秒〜１５秒でよい。回転速度および時間が上記の範囲を下回ると、電解質の中に混入しているガスの分離が不十分になる。それに対し、前述のパラメータが上記の範囲を超過すると、積層型バッテリーケースのシール部が損傷される、または電極組立体の形状が変形する可能性があり、したがって好ましくない。

遠心分離機は、中心部分の回転軸と、バッテリーセルを回転軸の周縁部のまわりに固定するためのグリッパとを備えてよい。グリッパは、バッテリーセルの回転軸と接触する面の一部分を固定するための構造体、バッテリーセルの回転軸と接触する面の全体を固定するための構造体、またはバッテリーセルの４つの面をすべて固定するためのカートリッジ型構造体でよい。

固定される面は、大きければ、強固に固定されてよい。しかし、プロセスの進行を低下させるという問題が生じる恐れがある。遠心分離機は、回転速度に配慮した適切な範囲のグリッパを備えてよい。

終端部分からガスおよび過剰電解質を除去するための操作（ｅ）は、特に限定されるものではない。例えば、終端部分の密封する先端を切り取った後に、ガスおよび過剰電解質が除去されてよい。そうでなければ、電極組立体の収容部に隣接した部分を密封した後に、ガスを捕えた部分を除去してよく、そうでなければ、管路を使用してガスおよび過剰電解質を排出してもよい。

好ましい実施形態によれば、操作（ｅ）は、
（ｅ１）終端部分の密封されていない部分に穴を開けて、バッテリーケースの内部と連絡するスルーホールを形成するステップと、
（ｅ２）バッテリーケースの頂面と底面を、密封されていない部分で互いに反対方向へ引っ張って、真空圧を与えながら同部分を開き、それによって、過剰電解質ならびに活性化中に生成されたガスを除去するステップとを含んでよい。

前述の方法は、終端部分の密封されていない部分に穴を開けて、バッテリーケースの内部と連絡するスルーホールを形成する操作と、バッテリーケースの頂面と底面を、密封されていない部分で引っ張って、真空圧を与えながら同部分を開く操作とを含むので、バッテリーセルを製造するための従来手法と比較して、活性化操作で生成されたガスおよび過剰電解質が、容易に、かつ急速に除去され得る。それに加えて、ガスならびに過剰電解質が、真空下で完全に排除されるので、バッテリーセルの品質が改善され得る。

より好ましくは、バッテリーケースの頂面と底面を、真空圧を与えながら吸引装置によって互いに反対方向へ引っ張ることにより、バッテリーセルの中で生成されたガスを、真空下で強化された吸引力を有する吸引装置によって、外部へ容易に排出することが可能になり得る。その上、吸引装置がバッテリーケースの頂面および底面を互いの方へ引っ張るので、密封されていない部分の内部が高くなり、それによって吸引能力が向上し得る。

例えば、吸引装置は、バッテリーケースの頂面と接触する第１の吸引パッドと、バッテリーケースの底面と接触する第２の吸引パッドとを備えてよい。

このような構造では、第１および第２の吸引パッドのそれぞれが、バッテリーケースの外側と接触する接着部分と、接着部分に接続され、バッテリーケースの密封されていない部分に形成されたスルーホールと連絡して真空圧を与える空洞部とを備える構造体を有してよい。

本発明は、バッテリーセルの活性化を加速して、密封されていない部分の中にガスを急速に捕えるための手段も含んでよい。

上記で説明された加速の一例として、バッテリーセルを製造する方法は、操作（ｃ）〜（ｅ）の少なくとも１つの期間中に電解質の温度を上昇させ、したがって流動性を改善するために、バッテリーセルを加熱するステップを含んでよい。

バッテリーセルに対する上記の熱の印加が、バッテリーセルを活性化するための操作（ｃ）に含まれると、バッテリーセルの充放電が熱の影響を受ける恐れがある。したがって、バッテリーセルに熱を印加するステップは、好ましくは、操作（ｄ）および（ｅ）のいずれか１つに付加される。

具体的には、遠心力を与えるための操作（ｄ）で加熱が行なわれるのであれば、電解質の中に混入したガスのエネルギーが増加して電解質とガスの分離が容易になり得、したがって好ましい。

このような構成では、熱印加の温度は、例えば約４０℃〜８０℃の範囲でよい。温度が４０℃未満であると、所望の充放電によってバッテリーセルを活性化させることができない。温度が８０℃を超過すると、バッテリーセルが過剰活性化（異常活性化）され、バッテリーセルが爆発する問題を引き起こす恐れがあり、したがって好ましくない。

別の実施形態によれば、電解質の流動性を高めるために、操作（ｃ）〜（ｅ）のうち少なくとも１つに、バッテリーセルに超音波振動を印加するステップが含まれてよい。

しかし、バッテリーセルに対する超音波振動の印加が、バッテリーセルを活性化するための操作（ｃ）に含まれると、バッテリーセルの充放電に影響を及ぼす恐れがある。したがって、バッテリーセルに対する超音波振動の印加は、好ましくは操作（ｄ）および（ｅ）のうち少なくとも１つに含まれる。

具体的には、熱印加と同様に、遠心力を与えるための操作（ｄ）において超音波振動を印加すると、電解質の中に混入したガスの脱離が促進され得て、ガスと電解質を簡単に分離することができ、したがって好ましい。

このような構成では、超音波の周波数は約１５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲でよい。

一方、本発明によるバッテリーセルを製造するための方法は、上記で説明された操作（ｅ）の後に、密封されていない部分の内部を熱溶融によって密封し、他の（外側の）部分を切除するステップをさらに含んでよい。

また、本発明は、前述の方法によって製造されたバッテリーセルを提供することもできる。

バッテリーセルは、リチウム二次電池でよい。リチウム二次電池は、負極、正極、セパレータ、およびリチウムを含んでいる非水電解質を備えてよい。

負極は、例えば、負極混合物をＮＭＰなどの溶剤に混合してスラリを用意し、次いで、このスラリを正極集電板に与えてから、乾燥させ、圧延することにより、製作されてよい。

負極混合物は、負極活物質に加えて、任意選択で、導電材料、結合剤、充填剤などを含んでよい。

負極活物質は、電気化学反応を受けることができる材料であり、リチウム遷移金属酸化物を含んでよく、リチウム遷移金属酸化物には、例えば、１つまたは複数の遷移金属で置換されたリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状の化合物、１つまたは複数の遷移金属で置換されたリチウム酸化マンガン、ＬｉＮｉ_１−ｙＭ_ｙＯ_２ （Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃｒ、ＺｎまたはＧａであり、酸化物はこれらの元素の少なくとも１つを含有し、ｙは０．０１≦ｙ≦０．７を満たす）で表されるリチウムニッケル酸化物、Ｌｉ_１＋ｚＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、Ｌｉ_１＋ｚＮｉ_０．４Ｍｎ_０．４Ｃｏ_０．２Ｏ_２など、Ｌｉ_１＋ｚＮｉ_ｂＭｎ_ｃＣｏ_{１−（ｂ＋ｃ＋ｄ）}Ｍ_ｄＯ_{（２−ｅ）}Ａ_ｅ（−０．５≦ｚ≦０．５、０．１≦ｂ≦０．８、０．１≦ｃ≦０．８、０≦ｄ≦０．２、０≦ｅ≦０．２、ｂ＋ｃ＋ｄ＜１であり、Ｍ＝Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＳｉまたはＹであって、Ａ＝Ｆ、ＰまたはＣｌ）によって表されるリチウムニッケルコバルトマンガン混合物の酸化物、Ｌｉ_１＋ｘＭ_１−ｙＭ’_ｙＰＯ_４−ｚＸ_ｚで表されるオレフィンベースのリチウム合金リン酸エステル（Ｍは遷移金属で、好ましくはＦｅ、Ｍｎ、ＣｏまたはＮｉであり、Ｍ’＝Ａｌ、ＭｇまたはＴｉであり、Ｘ＝Ｆ、ＳまたはＮであって、−０．５≦ｘ≦＋０．５、０≦ｙ≦０．５、０≦ｚ≦０．１である）など、特にこれらに限定されない２つ以上の遷移金属が含有される。

負極活物質を含む混合物の全重量に対して、１重量％〜３０重量％の量の導電材料が一般に付加される。このような導電材料は、バッテリーの化学的改質をもたらすことなく導電性を有する限り、特に限定されることはない。導電材料は、例えば、天然黒鉛または人造黒鉛などの黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック、炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維、フッ化炭素、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ホイスカ、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、ポリフェニレン誘導体などの導電性物質を含んでよい。

上記で説明された結合剤は、活物質と導電材料との組合せおよび集電体へのボンディングを支援し、通常は、負極活物質を含有する混合物の全重量に対して１重量％〜３０重量％の量が付加される。このような結合剤の実例には、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンのターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブチレンゴム、フッ素処理されたゴム、さまざまな共重合体などが含まれ得る。

充填剤は、負極の膨張を抑止するために任意選択で用いられる補足成分であり、バッテリーの化学的改質をもたらすことのない繊維材料を含む限り、特に限定されない。充填剤は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィンポリマー、ガラス繊維または炭素繊維などの繊維材料などを含んでよい。

上記で説明された負極集電体は、一般に３μｍ〜５００μｍの範囲の厚さを有するように製作される。このような負極集電体は、バッテリーの化学的改質をもたらすことなく導電性を有する限り、特に限定されることはない。例えば、負極集電体は、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、または炭素、ニッケル、チタンもしくは銀で表面処理されたアルミニウムもしくはステンレス鋼などを用いて製作されてよい。集電体は、電極活物質に対する接着性が向上するように、その表面に微細な不規則性を有するように処理されてよい。それに加えて、集電体は、膜、シート、フォイル、ネット、多孔質構造、泡、および不織布などを含むさまざまな形態を有してよい。

ここに用いられる正極は、例えば、正極活物質を含有する正極混合物を正極集電体に与え、次いで、コーティングされた集電体を乾燥させることによって製作され、正極混合物は、任意選択で、前述の成分、すなわち導電材料、結合剤、充填剤などを含んでよい。

正極活物質の実例には、天然黒鉛、人造黒鉛、膨脹黒鉛、炭素繊維、非黒鉛化炭素（「硬質炭素」と称されることが多い）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭など、炭素および黒鉛の材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｉなど、ならびにこれらを含有する化合物などの、リチウムと合金にすることができる金属、炭素および黒鉛の材料と、金属およびその化合物との組合せ、窒化物含有リチウムなどが含まれ得る。これらの中で、炭素活物質、シリコン活物質、錫活物質またはシリコン炭素活物質が好適に用いられ、これらの物質は、単独で、または２つ以上を組み合わせて用いられてよい。

正極集電体は、一般に３μｍ〜５００μｍの範囲の厚さを有するように製作される。このような正極集電体は、バッテリーの化学的改質をもたらすことなく高い導電性を有する限り、特に限定されることはない。例えば、正極集電体は、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、または炭素、ニッケル、チタンもしくは銀で表面処理された銅もしくはステンレス鋼、アルミニウム−カドミウム合金などを用いて製作されてよい。負極集電体と同様に、正極集電体は、電極活物質に対する接着性が向上するように、その表面に微細な不規則性を有するように処理されてよい。それに加えて、正極集電体は、膜、シート、フォイル、ネット、多孔質構造、泡、および不織布などを含むさまざまな形態を有してよい。

ここに用いられるセパレータは、負極と正極の間に挟まれ、高度なイオン透過性および優れた機械的強度を有する薄い絶縁膜を用いて形成されてよい。セパレータは、一般に０．０１μｍ〜１０μｍの孔径および５μｍ〜３００μｍの厚さを有する。セパレータとして、化学的耐性および疎水性のある、ポリプロピレンなどのオレフィンポリマー、および／またはガラスファイバまたはポリエチレンで作られているシートまたは不織布が使用される。ポリマーを含む固体電解質が電解質として用いられると、この固体電解質は、セパレータとしても働き得る。

ここで用いられる、リチウム塩を含有する非水電解質は、リチウム塩ならびに非水電解質を含む。非水電解質は、非水有機溶剤、有機固体電解質、無機固体電解質などでよい。

非水有機溶剤は、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、蟻酸メチル、酢酸メチル、燐酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどを含む非プロトン性の有機溶剤でよい。

有機固体電解質の実例には、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、燐酸エステルポリマー、ポリ攪拌リジン、ポリエステル硫化物、ポリビニルアルコール、ポリビニリデンフルオライド、イオン解離基を有するポリマーなどが含まれ得る。

無機固体電解質の実例には、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＮｉＯＨ、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２など、リチウムの窒化物、ハロゲン化物および／または硫酸塩が含まれ得る。

ここに用いられるリチウム塩は、非水電解質に容易に溶解される材料であり、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低脂肪族カルボン酸リチウム、リチウム４−フェニルホウ酸塩、イミドなどを含み得る。

その上、充放電特性および難燃性を改善するために、例えば、ピリジン、亜リン酸トリエチル、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム、ヘキサフォスフォリックトリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、アルミニウム三塩化物などを非水電解質に加えてよい。必要に応じて、不燃性を与えるために、非水電解質はカーボンテトラクロライドおよびエチレン三フッ化物などのハロゲン含有溶剤をさらに含んでよい。その上、高温保管特性を改善するために、非水電解質は、炭酸ガスをさらに含んでよい。

本発明によって製作された二次電池は、小型装置用の電源であるバッテリーセル向けに使用されてよく、また、高度な温度安定性、長いサイクル特性および高速特性を必要とする、複数のバッテリーセルを有する中規模および／または大規模の電池モジュールの単位セルとしても使用されてよい。

本明細書に説明された中規模および／または大規模の装置の好ましい実例は、バッテリー電動機からの動力によって動作する電動工具、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）などを含む電気自動車、例えば、電動バイク、電動スクータなどを含む２輪電気自動車、電動ゴルフカートなどを含んでよく、特にこれらに限定されない。

本発明の上記および他の目的、特徴ならびに他の利点は、添付図面とともに以下の詳細な説明から、より明らかに理解されよう。

従来のポーチ型バッテリーの一般的な構造を示す分解斜視図である。 本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。 本発明の別の例示的実施形態によるガス除去装置を示す断面図である。 本発明の別の例示的実施形態によるガス除去装置を示す断面図である。 本発明の別の例示的実施形態によるガス除去装置を示す断面図である。 本発明の例示的実施形態による遠心分離機を示す概略断面図である。

以下で、本発明の例示的実施形態を、以下の実例を参照しながら、より詳細に説明する。しかし、これらの実施形態は説明のために提案されており、本発明の範囲を限定するものではないことを、当業者なら理解するであろう。

図２から図７は、本発明の例示的実施形態によるバッテリーセルを製造する方法を示す概略図である。

これらの図面を図１１と一緒に参照して、バッテリーセルを製造する方法を、以下で詳細に説明する。

最初に、図２に示されるように、電極組立体１１０をバッテリーケース１３０の収容部１２０に取り付けた後、バッテリーケース１３０は半分に折り畳まれる。

次に、図３に示されるように、電極組立体１１０がバッテリーケース１３０の収容部１２０に取り付けられたとき、バッテリーケース１３０の周縁部が、終端部分１５０を除いて熱溶融によって密封される。

より具体的には、電極端子１１２、１１４が接続されている電極組立体１１０が、積層板から成る、一方の側に収容部１２０を有するバッテリーケース１３０の中に装備される。また、４つの面の中で、電極端子１１２、１１４が設けられている頂面を含む３つの面に、シーリングパーツ１４０が熱圧縮によって形成され、もう一方の面１５０は密封されないままとなる。このような密封されていない部分１５０を通して電解質が導入され、次いで、図４に示されるように、密封されていない部分１５０としての端面の終端１６２が熱溶融を受け、バッテリーセル１００を活性化するための充放電がこれに続く。

次に、図１１に示される遠心分離機を使用して電解質とガスを分離した後、図５に示されるように、終端部分の密封されていない部分１５０に穴を開けて、バッテリーケース１３０の内部と連絡するスルーホール１６３を形成し、続いて、バッテリーケース１３０の頂面と底面を、密封されていない部分１５０で互いに反対方向へ引っ張って、真空圧を与えながら同部分を開き、それによって、過剰電解質ならびに活性化中に生成されたガスを除去する。

最後に、電極組立体１１０に隣接した密封されていない部分の内側１６４を熱溶融によって密封した後、図６および図７に示されるように、他の外側部分を切除してバッテリーセル１００を完成する。

それに加えて、バッテリーケース１３０は、平面図では長方形の構造を有してよく、端面１５０の幅「Ｗ」は、他の端面の各幅「ｗ」より２００％大きい。

図８〜図１０は、本発明の別の実施形態によるガス除去装置の概略断面図を示す。

最初に、図８ならびに図５を参照すると、ガス除去装置２００は、過剰電解質ならびにバッテリーセルを活性化する操作で生成されたガスを除去するプロセスに使用され、保持具２１０と、１対の密封ブロック２２０と、吸引装置２３０と、吸引装置２３０に接続された真空吸引配管２３２とを備える。

保持具２１０には、スルーホール１６３が形成されているバッテリーケース１３０の終端部分１５０が一方向に突き出るように、バッテリーセル１００が与えられてよく、また、熱溶融によってバッテリーケース１３０の終端部分１５０を密封するために、保持具２１０の外側に密封ブロック２２０が与えられる。

吸引装置２３０は、スルーホール１６３が形成されているバッテリーケース１３０の終端部分１５０で、バッテリーケースの頂面と底面を、真空圧を与えながら逆方向に引っ張って開いてよく、それにより、過剰電解質ならびに活性化操作で生成されたガスを除去する。

図９に示されるガス除去装置２００ａは、バッテリーセル１００の頂部を押し下げるようにバッテリーセル１００の頂部に配置された圧縮ブロック２４０を有し、また、バッテリーセル１００を加熱してガスの運動エネルギーを高めるための加熱器２５０が保持具２１０の内部に備わっていることを除けば、図８に示されたガス除去装置２００と実質的に同一である。したがって、その詳細な説明は省略する。しかし、図８の装置１００および図１０の装置２００ｂのどちらも、もちろん圧縮ブロック２４０を含んでよい。

図１０のガス除去装置２００ｂは、バッテリーセル１００に超音波振動を印加してガスの運動エネルギーを高めるための超音波振動子２６０が保持具２１０の内部に備わっていることを除けば、図８に示された除去装置２００と実質的に同一である。したがって、その詳細な説明は省略する。

図５を参照すると、吸引装置２３０は、バッテリーケースの頂面と接触する第１の吸引パッド２３０ａと、バッテリーケースの底面と接触する第２の吸引パッド２３０ｂとを備える。

この点において、第１の吸引パッド２３０ａおよび第２の吸引パッド２３０ｂのそれぞれが、バッテリーケース１３０の外側と接触する接着部分２３４と、接着部分２３４に接続された空洞部２３６であって、真空圧が与えられるバッテリーケース１３０の密封されていない部分１５０に形成されたスルーホール１６３と連絡する空洞部２３６との構成を有してよい。

図１１は、本発明の例示的実施形態による遠心分離機を示す概略断面図である。

図１１を参照すると、遠心分離機３００は、中心部分の回転軸３１０と、バッテリーセル１００を固定するために回転軸３１０の外側に取り付けられたグリッパ３２０とを有する。それぞれのグリッパ３２０が、バッテリーセル１００をつかんで回転させ、遠心力によって電解質とガスを分離する。グリッパ３２０は、図１１に示されるように、バッテリーセル１００の回転軸３１０と接触する面を部分的に固定するものであるが、回転軸３１０と接触する面の全体を固定する構造体を備えてもよく、またはバッテリーセル１００のすべての４つの面を固定するカートリッジ型グリッパであってもよい。

本発明の好ましい実施形態が、上記で添付図面とともに説明されてきたが、そのさまざまな修正形態および変形形態が、前述の説明に基づいて、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく可能であることを、当業者なら理解するであろう。

前述のことから明らかなように、本発明によるバッテリーセルを製造するための方法は、充放電を行なってバッテリーセルを活性化するステップと、電解液と活性化中に生成されたガスを遠心力によって分離することにより、過剰電解液ならびに活性化操作で生成されたガスを、急速に、かつ完全に除去するステップとを含む。

１０ ポーチ型バッテリー
２０ バッテリーケース
３０ 電極組立体
４０ 電極タップ
５０ 電極タップ
６０ 電極リード
７０ 電極リード
８０ 絶縁膜
１００ バッテリーセル
１１０ 電極組立体
１１２ 電極端子
１１４ 電極端子
１２０ 収容部
１３０ バッテリーケース
１４０ シーリングパーツ
１５０ バッテリーケースの終端部分
１６２ 端面の終端
１６３ スルーホール
１６４ 密封されていない部分の内側
２００ ガス除去装置
２００ａ ガス除去装置
２００ｂ ガス除去装置
２１０ 保持具
２２０ 密封ブロック
２３０ 吸引装置
２３０ａ 吸引パッド
２３０ｂ 吸引パッド
２３２ 真空吸引配管
２３４ 接着部分
２３６ 空洞部
２４０ 圧縮ブロック
２５０ 加熱器
２６０ 超音波振動子
３００ 遠心分離機
３１０ 回転軸
３２０ グリッパ

Claims (15)

1. 樹脂層および金属層を有する積層板でできているバッテリーケースの中に設けられた電極組立体および電解質を含むバッテリーセルを製造する方法であって、
   （ａ）前記バッテリーケースの中に前記電極組立体を取り付け、前記バッテリーケースの周縁部を、その一端部を除いて、熱溶融によって密封するステップと、
   （ｂ）密封されていない終端部分を通して前記電解質を導入し、熱溶融によって前記密封されていない終端部分のうちの縁辺を密封するステップと、
   （ｃ）前記バッテリーセルを充放電して、前記バッテリーセルを活性化するステップと、
   （ｄ）活性化中に生成されたガスおよび過剰電解質を、遠心力によって前記バッテリーセルの前述の終端部分に移すステップと、
   （ｅ）前記終端部分から、前記ガスおよび過剰電解質を除去するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記積層板が、外部樹脂層を備える積層構造体と、空気および湿気を防ぐための障壁金属層と、熱溶融可能な内部の樹脂層とを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電極組立体が、巻き型、積み重ね型、または積み重ね折り畳み型の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記バッテリーケースが、平面図では長方形の構造を有し、前記終端部分が、前記バッテリーケースの１つの端面であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記端面の幅が、他の端面の各幅より２０％〜３００％大きく、前記端面の終端が、活性化するための熱溶融中に密封されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. ステップ（ｄ）において、前記バッテリーセルが、遠心分離機に、前記バッテリーセルの前記終端部分が前記遠心分離機の内側に向くように取り付けられ、かつ回転され、ガスの全体が、遠心力によって前記バッテリーセルの前記終端部分に移動することが可能になることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. ステップ（ｅ）が、
   （ｅ１）前記終端部分のうちの密封されていない部分に穴を開けて、前記バッテリーケースと連絡するスルーホールを形成するステップと、
   （ｅ２）前記バッテリーケースの頂面と底面を、前記密封されていない部分で互いに反対方向へ引っ張って、真空圧を与えながら前記密封されていない部分を開き、過剰電解質ならびに活性化中に生成されたガスを除去するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記バッテリーケースの前記頂面と底面が、真空圧を与えながら吸引装置によって反対方向へ引っ張られることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記吸引装置が、前記バッテリーケースの前記頂面と接触する第１の吸引パッドと、前記バッテリーケースの前記底面と接触する第２の吸引パッドとを備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の吸引パッドおよび前記第２の吸引パッドのそれぞれが、前記バッテリーケースの外側と接触する接着部分と、前記接着部分に接続され、前記バッテリーケースの密封されていない部分に形成されたスルーホールと連絡して真空圧を与える空洞部と、を備える構造を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. ステップ（ｃ）〜（ｅ）の少なくとも１つにおいて、前記バッテリーセルが加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. ステップ（ｃ）〜（ｅ）の少なくとも１つにおいて、前記バッテリーセルに超音波振動が印加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. ステップ（ｅ）の後に、前記密封されていない部分の内側を熱溶融によって密封し、次いで他の外側部分を切除するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 請求項１〜１３のうちいずれか１つによる方法によって製造されたバッテリーセル。
15. 前記バッテリーセルがリチウム二次電池であることを特徴とする請求項１４に記載のバッテリーセル。

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