JP6685895B2 - リチウム電池の電気化学バンドルの製造方法 - Google Patents

リチウム電池の電気化学バンドルの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、挿入又は脱離、又は、すなわち少なくとも１つの電極におけるリチウムのインターカレーション／デインターカレーションの原理に従って動作するリチウム電気化学発生器の分野に関連する。
より具体的には、本発明は、電解質が含浸されたセパレータの両側におけるアノード及びカソード、一方がアノードに接続され、他方でカソードに接続される２つの電流コレクタ、及び、長手方向の軸（Ｘ）に沿って長い形状のケーシングであって、極と称される、出力端子を形成する電流コレクタの部分がケーシングを通過するものの、電気化学セルを密閉的に囲うように配されるケーシングからなる少なくとも１つの電気化学セルを含むリチウム電気化学蓄電池に関連する。
セパレータは、１つ又はそれ以上のフィルムからなる。
ケーシングは、通常カンと称されるキャップ又は容器、底部、並びに底部及びキャップの両方に結合される側方ジャケットを含み得る。
本発明は、蓄電池の少なくとも１つの電気化学セル及びそのケーシングに集積されるその出力端子の間に電気接続部を生成することを目的とする。
図１及び図２に概略的に示されるように、出力端子を形成する電流コレクタ４、５の部分がパッケージング６を通過するけれども、リチウムイオン蓄電池又は電池は通常、正極又はカソード２及び負極又はアノード３の間の構成要素である電解質１、カソード２に接続される電流コレクタ４、アノード３に接続される電流コレクタ５、最後に、電気化学セルを密閉的に含むパッケージング６からなる少なくとも１つの電気化学セルＣを含む。
従来のリチウムイオン電池の構成は、単一の電気化学セルがアノード、カソード及び電解質を含むので、正規のモノポーラの構成である。多種のモノポーラ構造が知られている：
−米国特許出願公開第２００６／０１２１３４８号明細書に開示されるような円筒構造；
−米国特許第７３４８０９８号明細書及び米国特許第７３３８７３３号明細書に開示されるような角柱構造；
−米国特許出願公開第２００８／０６０１８９号明細書、米国特許出願公開第２００８／００５７３９２号明細書及び米国特許第７３３５４４８号明細書に開示されるような積層構造。
構成要素である電解質は、固体、液体又はゲルであり得る。後者の形態の場合、この構成要素は、充電及び逆に放電のためにリチウムイオンがカソードからアノードに移動し、それによって電流を生成することを可能にする、ポリマー、又は有機若しくはイオン性液体の電解質が吸収されたセパレータを含み得る。電解質は通常、リチウム塩、典型的にＬｉＰＦ６が加えられる、例えば炭酸塩である有機溶媒の混合物である。
正極又はカソードは通常、複合体であるリチウムカチオンの挿入材料からなり、リン酸鉄リチウムＬｉＦｅＰＯ４、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、任意に置換されたリチウムマンガン酸化物ＬｉＭｎ２Ｏ４又はＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２ベースの材料、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、例えばＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２、又は、ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２ベースの材料、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、又は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２等である。
負極又はアノードは、しばしば、カーボン、グラファイトからなり、又は、チタン酸リチウムＬｉ ４ Ｔｉ ５ Ｏ １２ （チタン酸塩材料）で作られ、任意に、シリコンベース、又はリチウムベース、又は錫及びその合金ベース、又はシリコンベースの複合材料である。
リチウム挿入材料で作られるアノード及びカソードは、電流コレクタを形成する金属シートに通常の技術を用いて活性層の形態で堆積される。
正極に接続される電流コレクタは通常、アルミニウムで作られる。
負極に接続される電流コレクタは通常、銅、ニッケルコーティングされた銅又はアルミニウムで作られる。
通常、リチウムイオン蓄電池又は電池は、典型的には約３．６ボルトである高電圧レベルで動作することを可能にするアノード及びカソードに一対の材料を使用する。
リチウムイオン蓄電池又は電池は、目的となる用途が制約され、又は、長寿命が要求される場合、例えば非常に高い圧力に耐えなければならず、より厳格な密閉性レベル（典型的には、１０−６ｍｂａｒ・ｌ／ｓヘリウム未満）が要求される場合、又は、空間的な又は航空学的な分野等の非常に制約される環境において、堅いパッケージング又はケーシングを含む。堅いパッケージングの主な利点は、ケーシングが溶接によって、一般的にはレーザー溶接によって閉じられるため、それらの高い密閉性が長時間にわたって維持されることである。
殆どの蓄電池の電気化学セルが、円筒形にスプーリングによって巻かれるので、リチウムイオン蓄電池の最も堅いパッケージングの構造は、円筒形である。
１０年間を超える耐用寿命の高容量リチウムイオン蓄電池のために通常製造される円筒形状の堅いケーシングのタイプの１つが図３に示される。
長手方向の軸Ｘのケーシング６は、円筒形の側方ジャケット７、一端にある底部８、及び他端にあるカバー９を含む。カバー９は、出力である電流が流れる端子又は極４０、５０を支持する。出力端子（極）の１つは、例えば正極端子４０であるが、カバー９に溶接され、一方、他の出力端子、例えば負極端子５０は、カバーから負極端子５０を電気的に絶縁するシール（図示されない）の介在しながらカバー９を通る。
図４から図４Ｂには、単一の電気化学セルＣを含む、長手方向の軸Ｘ１に沿って長い形状の電気化学バンドルＦの写真の複製が示され、それは、ケーシングにハウジングする段階及び蓄電池の出力端子への電気接続の段階並びに電解質への含浸の前に通常スプーリングによって巻かれるようになっている。セルＣは、電解質が含浸されるのに相応しいセパレータ（示されない）の各側におけるアノード３及びカソード４からなる。確認されるように、バンドルＦの側方端部の一方１０は、コーティングされないアノード３のバンド３０によって区分けされ、側方端部の他方１１は、コーティングされないカソード２のバンド２０によって区分けされている。
“コーティングされないバンド”及び“非コーティングバンド”という表現は、本明細書及び本発明の文脈において、電流コレクタを形成し、リチウム挿入材料で覆われない、フォイルとも称される金属シートの部分を意味すると理解される。
この蓄電池の製造の目的は、蓄電池の寿命、すなわち、蓄電池が繰り返し使用される回数の数、それらの軽さ及びこれらの部品を製造するコストを改善しながら、蓄電池の構成要素であるセルの放電時間、又は高出力型で動作することができるそれらの能力を増加させることである。
リチウムイオン蓄電池を改善するための手法は主に、電気化学セル部品を製造するために使用される材料の特性及び方法に取り組むことである。
改善に対する他のそれ程一般的ではない考えられる手法は、蓄電池のケーシング、並びにキャップ又は極とも称される蓄電池の異なる極性の２つの出力端子に電気化学バンドルを電気的に接続するための方法及び手段に取り組むことである。
現在、電気化学バンドル及び円筒形又は角柱形のリチウムイオン蓄電池の出力端子の間に高品質の電気接続を生成することが望まれる場合、可能な限り以下のデザインルールを尊重することが求められる：
−電気化学的な経年劣化を加速させやすい蓄電池の内部における加熱を制限しながら、出力のピークに対応することを視野に入れて蓄電池のケーシングに集積される電極の各極及び出力端子の間の電気伝導に関して用途の使用に適合する；
−各極における電極の電流コレクタに対して直接的に電気接続を形成し、電気化学バンドル及び蓄電池のケーシングの間に中間接続パッドを接続することによって、蓄電池の全内部抵抗のレベルを最小化する；
−それぞれバンドルの２つの対向する側方端部を区分けする側方のコーティングされていない電極バンド（マージンとも称される）に対して直接的に接続を形成することによって電気化学バンドルに対する接続を単純化する；
−最終的なアセンブリ段階、すなわち、ケーシングに対する電気化学バンドルの集積の段階、蓄電池のケーシングを封鎖する段階、電解質を充填する段階等の仕様に最大限適合するように、前記電気接続を形成するための側方のコーティングされていない電極バンドの特性（厚さ、高さ、重量）及びプロファイルを最適化する；
−それ自体が電気化学エネルギーの発生器ではないが、電気化学バンドルから蓄電池ケーシングの外部までエネルギーを送るために必要である電気接続を形成するために要求される質量及び体積を最小化する。
円筒形又は角柱形の蓄電池に対する電気化学バンドルを製造するための方法及びそのケースに集積される出力端子に対するその電気接続を記載する文献に関して、以下の文献が言及され得る。
仏国特許発明第２０９４４９１号明細書には、電極のマージンに規則的に間隔を空けられたスリットを切断し、次いで内部の外側からマージン、従ってスリットを半径方向に折り曲げることによって、巻かれた電気化学セル及び出力端子の間に電気接続が得られるアルカリ蓄電池が開示されており、ここで、マージンは、周囲の状況に依存してケーシングのカバーであり得る電流コレクタが最終的に溶接される実質的に平坦な柱礎を形成する重畳された薄板の形態をとる。
欧州特許出願公開第１１０２３３７号明細書には、巻かれたセルの電極層の各端部をプレスツールを用いて巻き取り軸に沿って同時に加圧し、次いで、ディスクの形態をとるプレートからなる端子の電流コレクタ、及びそれ自体が一端でケーシングのカバーに、他端でケーシングの底部に後にレーザー溶接される接続ピンに電極層の各端部をレーザー溶接することによって、巻かれた電気化学セル及び出力端子の間に電気接続が得られるリチウムイオン蓄電池が開示されている。リブがディスクの直径にわたって各々製造され、それ自体が、加圧された電極層の端部に対する溶接の前に加圧される。
欧州特許出願公開第１５９６４４９号明細書には、１５から２０ｍｍの間の外部直径のプレスツールを用いて、巻かれたセルのコーティングされていない電極バンドによって区切られる各側方端部の複数回のプレスによって、巻かれた電気化学セル及び出力端子の間に電気接続が初めに得られるリチウムイオン蓄電池が開示されている。側方の重畳を形成し、平坦な接続バンドの形態をとるフォイルからなる端子集電体がレーザー溶接又は透明溶接される密度の高い平坦な柱礎を形成するために、コーティングされていない電極バンドの側方領域全体を周回しながら、プレスツールは、外部から巻き取り軸に平行なセルの内部まで選択的に非常に短い距離だけ移動し、それ自体が、一側端部においてカバーに集積される外部端子に、他側端部においてケーシングの底部に続いてレーザー溶接又は透明溶接される。
以上に記載されるように、リチウム蓄電池の電気化学バンドル及び蓄電池の出力端子に対する電気接続を生成するための周知の方法の全てを分析した結果、本発明者は、前記方法が多くの点で依然として完璧ではないという結論に至った。
初めに、従来技術による電流コレクタとの電気接続に要求される側方のコーティングされていない電極バンド（マージン）の重量及び体積は、必ずしも最適化されておらず、それによって、蓄電池の重量及び体積がまた最終的に最適化されないことを暗示する。
次に、本発明者は、事実上、所定の側方端部のマージン、特にバンドルの殆どの周辺領域に位置するこれらのマージンのこれらの部分が、必ずしも共に電気的に接続されないことに気付いた。これは、単位重量当たり実容量が増加した電気化学バンドルを暗示し、これは、特に高出力蓄電池用途において有害であり得る。
最後に、蓄電池の電気化学バンドルのマージンに溶接されるような従来技術による電流コレクタが、電解質の通路に対する実質的な障害を形成するので、リチウム蓄電池電気化学バンドルを電解質で充填する段階は、比較的長くて複雑であることが判明する。
米国特許出願公開第２００６／０１２１３４８号明細書 米国特許第７３４８０９８号明細書 米国特許第７３３８７３３号明細書 米国特許出願公開第２００８／０６０１８９号明細書 米国特許出願公開第２００８／００５７３９２号明細書 米国特許第７３３５４４８号明細書 仏国特許発明第２０９４４９１号明細書 欧州特許出願公開第１１０２３３７号明細書 欧州特許出願公開第１５９６４４９号明細書
従って、特に電気接続に要求される電気化学バンドルの重量及び体積を低減させ、バンドルの単位重量当たりの実容量を増加させることを目的として、また、電解質で充填する段階をより長くなく複雑ではなくすることを目的として、リチウム蓄電池の電気化学バンドルの製造及び蓄電池の出力端子に対するその電気接続を改善する必要がある。
本発明の目的は、少なくとも部分的にこの要求を満たすことである。
このために、本発明は、その一側面において、蓄電池の出力端子に対する電気接続を目的とする、リチウムイオン蓄電池等のリチウム蓄電池（Ａ）の電気化学バンドル（Ｆ）の製造方法であって、
（ａ）電解質が含浸されるのに相応しいセパレータの両側におけるカソード及びアノードで構成される少なくとも１つの電気化学セルを含む電気化学バンドルを提供する段階であって、前記バンドルが、長手方向の軸Ｘ１に沿って長い形状を有し、その側方端部の一端にコーティングされていないアノードバンド及びその側方端部の他端にコーティングされていないカソードバンドを有する段階と、
（ｂ）少なくとも前記軸Ｘ１に対する半径方向において前記電気化学バンドルの内部に向かって外部から前記バンドの一部を前記側方端部の少なくとも１つの領域部分に塑性変形で折り曲げる段階であって、少なくとも２つの連続したバンドがそれらの折り曲げられた部分で重畳し、重畳する前記折り曲げられた部分が実質的に平坦な領域を形成するようになる段階と、
（ｃ）段階（ｂ）において折り曲げられた前記側方端部の少なくとも前記領域部分を前記電気化学バンドルのバンドの軸Ｘ１に沿って軸方向にタンピング（締固めする）段階であって、前記軸方向にタンピングすることが繰り返し行われ、前記側方端部の、タンピングされ、折り曲げられない領域部分に、電流コレクタに溶接されるための実質的に平坦な柱礎を得るようになる段階と、
を含む、リチウムイオン蓄電池等のリチウム蓄電池（Ａ）の電気化学バンドル（Ｆ）の製造方法に関連する。
“塑性変形で折り曲げられる”という表現は、その通常の意味、すなわち、不可逆的な変形を生成する折り曲げを意味するものと理解されるべきである。
そのため、本発明による方法は、リチウム蓄電池の電気化学バンドルを屈曲する２つの段階（ｂ）及び（ｃ）の組合せによって特徴付けられ、それらの段階は、それらの実施において区別され、バンドルの側方端部に少なくとも１つ、好ましくは各々において２つの領域が得られることを可能にする。
これらの２つの分離された領域は、コーティングされない所望の側方バンド（マージン）の重量及び体積を増加させながら電流コレクタに対する電気的接続を改善するように共に働く。
そのため、折り曲げられたバンド部分が共に溶接され、それによって、電流の均一な分布及び蓄電池の動作中におけるバンドルからの単位重量あたりの良好な実容量を体系的に保証することを可能にする。具体的に、折り曲げられたバンド部分が共に溶接されると、バンドルにおける所定の極の電極の巻かれたターンの全てが、所定の電気接続ラインに接続されると共に、外部からバンドルの内部まで接続される。そのため、所定の電極の側方端部に対する電気的接続の点は、その全体領域にわたって拡大され、これは、活性リチウム挿入材料に可能な限り近くなり、これは、電極の長さにわたる接続点間の距離における比例増加を実現する。
折り曲げられたバンド部分はまた、バンドルの一側方端部における剛性を与えることを可能にし、それによって、後続の配置の段階及びこの端部に対する電流コレクタの溶接を容易にする。
予め折り曲げられていないタンピングされたバンド部分は、それらの一部において、電流コレクタに対する接続のための実際の柱礎を形成する。以上に言及されるように、柱礎は、折り曲げられたバンド部分によって硬質化される。本発明者は、タンピングされたバンド部分の実質的な高密度化がこの硬質化のために得られることを観察している。言い換えると、従来技術によるタンピング段階単独に比較して、軸方向におけるタンピング段階（ｃ）と組み合わされた折り曲げ段階（ｂ）は、側方端部のバンド部分の高密度化を増加させるのに寄与する。
そのため、本発明のおかげで、側方のコーティングされていない低重量かつ低体積の電極バンドを使用することができ、従って、電気化学バンドルの単位重量あたりの実容量を増加させることができる。
そのため、系統的な溶接によって折り曲げられた部分の非常に良好な電気的接続及びタンピングされたバンド部分の高い緻密度を有する本発明によれば、リチウム蓄電池の電気化学バンドルの単位重量あたりの実容量を実質的に増加させることを可能にする。
本発明のおかげで、本発明者は、従来技術に比べて約１０％リチウムイオン蓄電池の単位重量あたりの容量を増加させることができると考えている。
最後に、本発明による方法によって得られる電気接続柱礎は、折り曲げられたバンド部分から離れて位置し、すなわちそれに対して隆起している。折り曲げられたバンド部分及び柱礎の間のこの高さは、従って、後続の電解質注入の段階における電気化学バンドルへの電解質の通路を容易にし、加速させる材料がない体積を増加させる。段階（ｃ）における軸方向のタンピングによって得られる実質的に平坦な柱礎は、段階（ｂ）における折り曲げによって得られる領域と必ずしも同一平面である必要はない。そのため、一般的に、平坦な柱礎及び折り曲げられた部分の表面の間の高さの差がある。この高さの差は、典型的には、０．２から２ｍｍであり得る。
有利な一実施形態によれば、段階（ｂ）における折り曲げる段階及び段階（ｃ）における軸方向にタンピングする段階は、前記側方端部の各々において行われる。
側方端部に折り曲げられる前記バンド部分の厚さは、０．６ｍｍ未満である。
有利な一実施形態によれば、段階（ｃ）における前記軸方向にタンピングする段階は、前記バンドルの側方端部の領域全体において行われる。
有利な一実施形態によれば、前記電気化学バンドルは、スプーリングによってそれ自体に巻き付けられる単一の電気化学セルからなる。
第１の折り曲げる実施形態によれば、段階（ｂ）における折り曲げる段階は、前記セルのロールの中心を通る少なくとも１つの直線に沿って行われ得る。
そのため、それは、セルのロールの中心を通る２つの直線に沿って行われ得、２つの直線は、互いに位置合わせされる。より具体的には、それは、その中心を通り、互いに１５０°から２１０°の角度をなす要な２つの直線であり得る。
それはまた、セルのロールの中心を通る３つの直線に沿って行われ得、３つの直線は、１２０°の角度だけ離隔される。より具体的には、それは、その中心を通り、互いに９０°から１５０°の角度をなす重要な３つの直線であり得る。
それはまた、セルのロールの中心を通る４つの直線に沿って行われ得、４つの直線は、９０°の角度だけ離隔される。より具体的には、それは、その中心を通り、互いに７０から１１０°の角度をなす４つの直線であり得る。
第２の折り曲げる実施形態によれば、段階（ｂ）における折り曲げる段階は、前記セルのロールの中心を通らない少なくとも１つの直線に沿って行われ得る。
有利な一実施形態によれば、所定の側方端部の折り曲げられた部分と共に溶接する段階（ｄ）が行われる。
好ましくは、前記溶接する段階（ｄ）は、半径方向に折り曲げある段階（ｂ）及び軸方向にタンピングする段階（ｃ）の間で行われる。
前記溶接する段階（ｄ）は、超音波溶接、電気溶接又はレーザー溶接によって溶接部を得ることからなる。
本発明はまた、その他の側面において、リチウム蓄電池（Ａ）の電気化学バンドル（Ｆ）及び前記蓄電池の出力端子の１つの間の電気接続部分の製造方法であって、
−直前に記載の方法によって電気化学バンドル（Ｆ）を製造する段階と、
−段階（ｄ）によって所定の側方端部の電気化学バンドルの折り曲げられたバンド部分を共に溶接する段階と、
−それ自体前記蓄電池の出力端子に電気的に接続され又は結合されるための電流コレクタに対して得られる前記柱礎を溶接する段階と、
を含む、電気接続部分の製造方法に関連する。
有利な一実施形態によれば、前記溶接する段階（ｄ）及び前記柱礎を電流コレクタに溶接する段階は、同時に行われる。
好ましくは、前記同時に溶接する段階の前に、電流コレクタが、前記柱礎に対して接触がもたらされ、
前記電流コレクタが、
−前記柱礎に対する接触を形成するのに相応しい１つ又はそれ以上の接触リブと、
−前記電気化学バンドルの折り曲げられたバンド部分を適所に保持するために相応しい支持タブによって区切られた１つ又はそれ以上の開口部と、
を含む。
より好ましくは、前記同時に溶接する段階は、レーザー溶接によって行われる。
その他の側面による本発明の他の主題は、上記の方法に特に使用されるための電流コレクタであって、
−軸方向にタンピングされ、折り曲げられない、電気化学バンドルの側方端部のバンド部分によって形成される柱礎に対して接触を形成するのに相応しい１つ又はそれ以上の接触リブと、
−前記電気化学バンドルの側方端部の折り曲げられたバンド部分を適所に保持するために相応しい支持タブによって区切られた１つ又はそれ以上の開口部と、
を含む、電流コレクタである。
本発明は、最後に、ケーシングを含むリチウムイオン（Ｌｉイオン）電池又は蓄電池であって、
−上記の方法によって電気化学バンドルに溶接される電流コレクタの１つが溶接される底部と、
−上記の方法によって電気化学バンドルに溶接される電流コレクタの他方が溶接される出力端子を形成する貫通部を有するカバーと、
を含む、リチウムイオン（Ｌｉイオン）電池又は蓄電池に関連する。
好ましくは：
−前記負極の材料は、グラファイト、チタン酸リチウムＬｉ ４ Ｔｉ ５ Ｏ １２ ；又はシリコンベース、又はリチウムベース、又は錫及びその合金ベースであり、
−前記正極の材料は、リン酸鉄リチウムＬｉＦｅＰＯ４、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、任意に置換されたリチウムマンガン酸化物ＬｉＭｎ２Ｏ４又はＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２ベースの材料、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、例えばＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２、又は、ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２ベースの材料であり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、又は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２を含む群から選択される。
本発明の他の利点及び特徴は、以下の図面を参照して与えられる本発明の例示的な実施形態の限定的ではなく例示的な詳細な説明を読むことによって、より明らかになるだろう。
リチウムイオン蓄電池の種々の要素を示す拡大した概略斜視図である。 従来技術によるフレキシブルなパッケージングを有するリチウムイオン蓄電池を示す正面図である。 ケーシングで構成される堅いパッケージングを有する従来技術によるリチウムイオン蓄電池の斜視図である。 バンドルがスプーリングによってそれ自体に巻かれた単一の電気化学セルで構成される、従来技術によるリチウムイオン蓄電池の電気化学バンドルの写実的な斜視図である。 図４における電気化学バンドルの側方端部の写実的な上面図である。 図４における電気化学バンドルの他の側方端部の写実的な上面図である。 本発明によるリチウムイオン蓄電池の電気化学バンドルの写実的な斜視図であり、本発明による方法に従ってバンドルの側方端部の１つを折り曲げる段階がどのように行われるかを示す図である。 図５における折り曲げる段階が行われたバンドルの側方端部の写実的な上面図である。 図６におけるバンドルの軸Ａ−Ａに沿った写実的な断面図である。 図６Ａの写実的な拡大図である。 図５における折り曲げる段階が行われたバンドルの他方の側方端部の写実的な上面図である。 図７におけるバンドルの軸Ａ−Ａに沿った写実的な断面図である。 図６Ａの写実的な拡大図である。 図６における連続的な溶接部が共に溶接された折り曲げられた部分を有するバンドルの写実的な上面図である。 図７における連続的な溶接部が共に溶接された折り曲げられた部分を有するバンドルの写実的な上面図である。 何れかの端部で本発明による方法に従う軸方向のタンピングの段階がさらに行われた、図８におけるバンドルの側方端部の写実的な上面図である。 図９におけるバンドルのＡ−Ａ軸に沿った写実的な断面図である。 図９におけるバンドルのＢ−Ｂ軸に沿った写実的な断面図である。 何れかの端部で本発明による方法に従う軸方向のタンピングの段階が行われた、図８Ｂにおけるバンドルの側方端部の写実的な上面図である。 図１０におけるバンドルのＡ−Ａ軸に沿った写実的な断面図である。 図１０におけるバンドルのＢ−Ｂ軸に沿った写実的な断面図である。 本発明による方法に従って製造されるバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの各々の上部から見られる、遠近法で示す写実的な図である。 本発明による方法に従って製造されるバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの各々の上部から見られる、遠近法で示す写実的な図である。 本発明による方法に従って製造されるバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの各々の上部から見られる、遠近法で示す写実的な図である。 本発明による方法に従って製造されるバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの各々の上部から見られる、遠近法で示す写実的な図である。 本発明による方法に従って製造されるバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの各々の上部から見られる、遠近法で示す写実的な図である。 図１１及び図１１Ａから図１１Ｄにおけるようなバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの一方を示す写実的な断面図である。 図１１及び図１１Ａから図１１Ｄにおけるようなバンドルの側方端部の一方に溶接される２つの電流コレクタの一方を示す写実的な断面図である。 図１１及び図１１Ａから図１１Ｄにおけるようなバンドルの側方端部の他方に溶接される２つの電流コレクタの一方を示す写実的な断面図である。 図１１及び図１１Ａから図１１Ｄにおけるようなバンドルの側方端部の他方に溶接される２つの電流コレクタの一方を示す写実的な断面図である。 本発明による方法の折り曲げる段階の変形例によって製造されるバンドルの側方端部の概略図である。 それぞれ本発明による方法の軸方向のタンピングの前後におけるバンドルの側方端部の写実的な透視図である（前記端部は、図１４における変形例に従って製造される）。 それぞれ本発明による方法の軸方向のタンピングの前後におけるバンドルの側方端部の写実的な透視図である（前記端部は、図１４における変形例に従って製造される）。 本発明による方法の軸方向のタンピングの後におけるバンドルの他方の側方端部の写実的な透視図である（前記端部は、図１４における変形例に従って製造される）。 本発明による方法の折り曲げ段階の２つの他の変形例に従って製造されたバンドルの側方端部の概略断面図である。 本発明による方法の折り曲げ段階の２つの他の変形例に従って製造されたバンドルの側方端部の概略断面図である。 本発明による方法に従って得られるバンドル、及びそれ自体が蓄電池の出力端子に電気的に接続されるための電流コレクタの間の電気接続の一実施形態の斜視図である。 図１７における電気接続部の長手方向の断面図である。 図１８の詳細図である。 本発明によって得られるバンドルの折り曲げられる部分の間の溶接部の変形例を示す上面図である。 本発明によって得られるバンドルの折り曲げられる部分の間の溶接部の変形例を示す上面図である。 本発明によって得られるバンドルの折り曲げられる部分の間の溶接部の変形例を示す上面図である。 本発明によって得られるバンドルの折り曲げられる部分の間の溶接部の変形例を示す上面図である。 本発明によって得られるバンドルの折り曲げられる部分の間の溶接部の変形例を示す上面図である。
明確性を目的として、図１から図１９Ｅの全てに対して従来技術及び本発明によるリチウムイオン蓄電池の同一の要素を指す同一の参照符号が使用される。
本発明による種々の要素が明確性のために示され、正確な寸法ではないことに留意すべきである。
図１から図４Ｂは、前段部に既に詳細に記載されている。従って、それらは、以下には記載しない。
リチウムイオン蓄電池の電気化学バンドル及びその出力端子の間の電気接続を改善するために、本発明者は、電気化学バンドルの新規な製造方法を提案する。
電極材料を支持する金属層は、５から５０μｍの厚さを有し得る。アノード層３に関して、それは、有利には、約１２μｍの厚さの重要な銅層であり得る。カソード層２に関して、それは、有利には、約２０μｍの厚さの重要なアルミニウム層であり得る。
図５から図１１を参照して、本発明によるこの製造方法の種々の段階が以下に記載される。
（段階ａ）電気化学セルＣのアノード、カソード及び少なくとも１つのセパレータフィルムは、支持部材（図示されない）の周りに巻き取ること（スプーリング）によって巻かれる。
従って、バンドルは、コーティングされないアノード３のバンド３０をその側方端部の一端１０に有し、コーティングされないカソードのバンド２０をその側方端部の他端１１に有する、長手方向の軸Ｘ１に沿った長い円筒形状を有する。本発明による最初のバンドルは、図４から図４Ｂに示されるようなものである。
（段階ｂ）次に、バンドの一部は、外部から電気化学バンドルＦの内部に向かって塑性変形で軸Ｘ１に対して少なくとも半径方向における各側方端部の領域部分に折り曲げられる。
折り曲げは、図５に示されるように、コーティングされないアノードバンド３０によって区分けされた側方端部上でバンドルＦを半径方向に旋廻運動することによってバー１２を用いて実現され得る。
図６から図６Ａ１において明確に見られ得るように、バンドルＦの側方端部１０において、それらの折り曲げられた部分３１に重畳する連続的な複数のアノードバンド３０がこのように得られ、重畳する折り曲げられた部分３１は、実質的に平坦な領域を形成する。
同一のことがバンドルＦの他の側方端部１１にも当て嵌まり、連続的な複数のアノードバンド２０がそれらの折り曲げられた部分２１で重畳し、重畳する折り曲げられた重畳する部分２１が実質的に平坦な領域（図７から図７Ａ１）を形成する。
好ましくは、側方端部１１又は１０上に折り曲げられたバンド部分２１又は３１の厚さは、０．６ｍｍ未満である。
（段階ｃ）電気化学バンドルのバンド２０、３０は、次いで、側方端部１０、１１の全体領域に対して軸Ｘ１に沿って軸方向にタンピングされる。
軸方向のタンピングは、平坦な又は構造化されたツールを用いてバンド２０又は３０の側方端部の各々の領域に実質的に等しい領域の支持表面で押し付けることからなる。
蓄電池に求められる形状が円筒状である場合、ツール及び電気化学バンドルは、軸方向のタンピングの最中に同軸上に配置される。
軸方向のタンピングは、一度又は繰り返し行われる。それは、軸Ｘ１に沿ってバンドルに望まれる大きさ又は最大圧縮応力が、予め設定された値になるまで、押し付けの後に、１つ又はそれ以上の相対的な相互運動、すなわちバンドルの軸Ｘ１に沿った少なくとも１つの往復運動が行われる。
そのため、タンピングされ、折り曲げられない、各側端部の領域部分２０Ｔ、３０Ｔにおいて、電流コレクタに溶接されるための実質的に平坦な柱礎が得られる。
そのため、図１０から図１０Ｂに明確に見られるように、バンドルＦの側方端部１０において：
−その領域の部分において、それらの折り曲げられた部分３１に重畳する連続的な複数のアノードバンド３０であって、重畳する折り曲げられた部分３１が実質的に平坦な領域を形成するアノードバンド３０；及び
−その領域の他の部分において、電流コレクタに溶接されるための実質的に平坦な柱礎を形成する、タンピングされ、折り曲げられない領域３０Ｔを有するバンド部分３０が得られる。
同様なことが、
−その領域の一部において、それらの折り曲げられた部分２１に重畳する連続的な複数のカソードバンド２０であって、重畳する折り曲げられた部分２１が実質的に平坦な領域を形成するカソードバンド２０；及び
−その領域の他の部分において、電流コレクタに溶接されるための実質的に平坦な柱礎を形成する、タンピングされ、折り曲げられない領域２０Ｔを有するバンド部分２０（図９から図９Ｂ）、
を有するバンドルＦの他方の側方端部１１に当て嵌まる。
図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて容易に認識されるように、２つの部分は、必ずしも同一平面上にある必要はない。実質的に平坦な折り曲げられた領域部分２１は、タンピングされた領域部分２０Ｔによって画定される平坦な柱礎の平面より低い平面に位置する。これらの２つの領域部分２０Ｔ、２１の間の高さの差ΔＨは、０．２から２ｍｍであり得る。
（段階ｄ）所定の側方端部１１又は１０の折り曲げられたバンド部分２１又は３１が共に溶接される。
第１の有利な実施形態によれば、この溶接段階（ｄ）は、半径方向における折り曲げの段階（ｂ）及び直前に記載された垂直方向のタンピング段階（ｃ）の間に行われる。
図８及び図８Ｂにおいて見られ得るように、折り曲げられた部分３１又は２１は、有利には連続的な溶接３２又は２２を用いて、このように共に溶接され得る。
この第１の実施形態によれば、バンドルの側方端部１１の一方において、カソードのタンピングされた部分２０Ｔによって形成された柱礎（正極マージン）は、次いで、固体ディスクの形態をとる通常の電流コレクタに溶接され、それ自体は、続いて蓄電池ケーシング６の底部８に溶接されるためのものである（図１１、図１１Ａ及び図１１Ｂ）。
この手順は、バンドルの側方端部１０の他方において同様であり、アノードのタンピングされた部分３０Ｔによって形成された柱礎（負極マージン）は、その中心に穴あけされた固体ディスクの形態をとる通常の電流コレクタ部分１３に溶接され、ピン１３０は、ディスク１３から側方に突出する（図１１、図１１Ｃ及び図１１Ｄ）。
あるいは、第２の実施形態によれば、溶接段階（ｄ）及び柱礎の各々を溶接する段階は、段階（ｃ）の後に、特別に設計された電流コレクタを用いて同時に行われる。
図１７から図１８Ａに示されるように、好ましくはアルミニウム又は銅で作られる特別に設計された電流コレクタ１３は、第１に、アノードバンド３０のタンピングされた部分３０Ｔによって形成される柱礎に対して接触をもたらすのに相応しい接触リブ１３１を含む。それはまた、折り曲げられたバンド部分３１を適切な位置に保持するために相応しい支持タブ１３２によって区切られた開口部を含む。示されるように、リブ１３１及び支持タブ１３２は、コレクタ１３のディスクの同一側に作られ、又は、すなわち、ディスク１３の同一の主要面から突出する。
好ましくは、支持タブ１３２によって区切られた開口部は、それらの周辺１３３において閉じられる。
一例として、電流コレクタ１３は、１から１０ｃｍの直径Φを有し、プレートの厚さｅは、０．２から１．２ｍｍであり、接触タブ１３１は、０．１から２ｍｍの高さＨ１及び０．５から１０ｍｍの幅Ｌ１を有し、支持タブ１３２は、０．２から２ｍｍの高さＨ２を有し、１から１０ｍｍの幅の一対の開口部を画定する。
そのため、溶接が行われる前に、電流コレクタ１３は、位置合わせされ、すなわち、側方端部１０に対して接触され、タブ１３２は、折り曲げられたバンド部分３１を適当な位置に保持し、リブ１３１は、柱礎３０Ｔのさらなる塑性変形を生じさせることなく、タンピングされた部分３０Ｔによって形成された柱礎に対して接触する（図１７から図１８Ａ）。
そのため、リブ１３１は、コレクタ１３に剛性を与えることに加えて、コレクタ１３及びタンピングされた部分３０Ｔの間の接触を正確に局在化する機能を有する。
次に、連続的な溶接トレースは、一方で、コレクタ１３及びタンピングされた部分３０Ｔを共に溶接するために、他方で、保持されて折り曲げられた部分３１を溶接するためにタブ１３２によって区切られた開口部を介してリブに生成される。
溶接中に、リブ１３１は、溶接されたビーズの周囲に対する熱の除去を容易にする。
どのように前述の溶接が生成されるのかとは別に、通常の手順は、最終的な蓄積器を完成することが続く。
そのため、図示されないように、バンドルは、ケーシング６の側方ジャケット７のみを形成するアルミニウムで作られる堅い容器にコレクタ１３を用いて導入される。特に、ピン１３０が導入を妨げないことを保証するように、この段階において特に注意が必要である。このために、ピンは、有利には、上方に曲げられる。
コレクタ１４は、ケーシング６の底部８に溶接される。
コレクタ１３は、ケーシング６のカバーのフィードスルーを形成する負極５０に溶接される。
次いで、カバー９は、堅い金属容器７に溶接される。
次に、ケーシング６を充填する段階は、カバー９に配される貫通開口部（示されない）を介して電解質を用いて行われる。
本発明によれば、タンピングされた部分３０Ｔによって形成された柱礎及び折り曲げられた部分３１の間の高さのために、電解質の充填は、容易になり、より迅速になる。
本発明によるリチウムイオン蓄電池の製造は、充填する開口部の遮蔽で終了する。
他の変形例又は改良が、本発明の範囲を逸脱することなく行われ得る。
そのため、変形例として、以上に詳述され、示された実施形態において、互いに位置合わせされ、セルＣのロールの中心を通る２つの直線に沿って折り曲げられた部分２１又は３１が折り曲げられるけれども、他の半径方向に折り曲げられた部分を有する実施形態を想像することが可能である。
例えば、そのため、
−４つの直線が９０°だけ角度離隔される、セルのロールの中心を通る４つの直線２１又は３１に沿って（図１４から図１４Ｃ）；
−又は、３つの直線が１２０°だけ角度離隔される、セルのロールの中心を通る３つの直線２１又は３１に沿って（図１５）；
−又は、セルのロールの中心を通らない２つの直線２１又は３１に沿って
折り曲げることを想像することが可能である。
さらに、変形例として、折り曲げられた部分２１又は２３の間の溶接上にある詳述され、示された実施形態において（図１９Ａ）、不連続な線（図１９Ｂ）、山形（チェブロン）（図１９Ｃ）、傾いたセグメント（図１９Ｄ）又はジグザグ（図１９Ｅ）等の様々な形態をとる連続的な溶接２２又は２３を想像することが可能である。
最後に、以上に詳述され、示された実施形態におけるケーシング６がアルミニウムで作られたけれども、それはまた、鋼又はニッケルコーティングされた鋼で作られ得る。このような変形において、鋼又はニッケルコーティングされた鋼で作られたケーシングは、負電位を形成し、次いで、貫通部９は、正極を形成する。
本発明は、以上に記載された実施例に限定されるものではなく、示されていない変形例において示された実施例の特徴を組み合わせることが特に可能である。
１ 電解質
２ カソード層
３ アノード層
４ 電流コレクタ
５ 電流コレクタ
６ パッケージング
７ 側方ジャケット
８ 底部
９ カバー
１０ 側方端部
１１ 側方端部
１２ バー
１３ コレクタ
１４ コレクタ
２０ バンド
２０Ｔ タンピングされた領域
２１ 折り曲げられた部分
２２ 溶接部
３０ バンド
３０Ｔ タンピングされた部分
３１ 折り曲げられた部分
３２ 溶接部
４０ 正極端子
５０ 負極端子
１３０ ピン
１３１ 接触リブ
１３２ 支持タブ
１３３ 周辺
Ａ リチウム蓄電池
Ｆ バンドル

Claims (16)

  1. 蓄電池の出力端子に対する電気接続を目的とする、リチウムイオン蓄電池等のリチウム蓄電池（Ａ）の電気化学バンドル（Ｆ）の製造方法であって、
    （ａ）電解質が含浸されるのに相応しいセパレータ（４）の両側におけるカソード（２）及びアノード（３）で構成される少なくとも１つの電気化学セル（Ｃ）を含む電気化学バンドル（Ｆ）を提供する段階であって、前記バンドルが、長手方向の軸Ｘ１に沿って長い形状を有し、その側方端部の一端（１０）にコーティングされていないアノードバンド（３０）及びその側方端部の他端（１１）にコーティングされていないカソードバンド（２０）を有する段階と、
    （ｂ）少なくとも前記軸Ｘ１に対する半径方向において前記電気化学バンドルの内部に向かって外部から前記バンドの一部を前記側方端部の少なくとも１つの領域部分に塑性変形で折り曲げる段階であって、少なくとも２つの連続したバンドがそれらの折り曲げられた部分（２１、３１）で重畳し、重畳する前記折り曲げられた部分が実質的に平坦な領域を形成するようになる段階と、
    （ｃ）段階（ｂ）において折り曲げられない前記側方端部の少なくとも前記領域部分を前記電気化学バンドルのバンド（２０、３０）の軸Ｘ１に沿って軸方向にタンピングする段階であって、前記軸方向にタンピングすることが繰り返し行われ、前記側方端部の、タンピングされ、折り曲げられない領域部分に、電流コレクタに溶接されるための実質的に平坦な柱礎を得るようになり、前記実質的に平坦な柱礎がさらに、段階（ｂ）において得られる実質的に平坦な領域に対して隆起している段階と、
    （ｄ）所定の側方端部（１１、１０）の折り曲げられたバンド部分（２１、３１）を共に溶接（２２、３２）する段階と、
    を含む、リチウムイオン蓄電池等のリチウム蓄電池（Ａ）の電気化学バンドル（Ｆ）の製造方法。
  2. 段階（ｂ）における折り曲げる段階及び段階（ｃ）における軸方向にタンピングする段階が、前記側方端部（１０、１１）の各々において行われる、請求項１に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  3. 側方端部（１０、１１）に折り曲げられる前記バンド部分（２１、３１）の厚さが、０．６ｍｍ未満である、請求項１又は２に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  4. 段階（ｃ）における前記軸方向にタンピングする段階が、前記バンドルの側方端部の領域全体において行われる、請求項１から３の何れか一項に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  5. 前記電気化学バンドルが、スプーリングによってそれ自体に巻き付けられる単一の電気化学セルからなる、請求項１から４の何れか一項に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  6. 段階（ｂ）における折り曲げる段階が、前記セルのロールの中心を通る少なくとも１つの直線（２１、３１）に沿って行われる、請求項５に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  7. 段階（ｂ）における折り曲げる段階が、前記セルのロールの中心を通らない少なくとも１つの直線（２１、３２）に沿って行われる、請求項５に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  8. 前記溶接する段階（ｄ）が、半径方向に折り曲げる段階（ｂ）及び軸方向にタンピングする段階（ｃ）の間で行われる、請求項１に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  9. 前記溶接する段階（ｄ）が、超音波溶接、電気溶接又はレーザー溶接によって溶接部を得ることからなる、請求項１に記載の電気化学バンドルの製造方法。
  10. リチウム蓄電池（Ａ）の電気化学バンドル（Ｆ）及び前記蓄電池の出力端子の１つの間の電気接続部分の製造方法であって、
    −請求項１から７の何れか一項に記載の方法によって電気化学バンドル（Ｆ）を製造する段階と、
    −それ自体前記蓄電池の出力端子（４０、５０）に電気的に接続され又は結合されるための電流コレクタ（１３、１４）に対して得られる前記柱礎（２０Ｔ、３０Ｔ）を溶接する段階と、
    を含む、電気接続部分の製造方法。
  11. 溶接する段階（ｄ）及び前記柱礎を電流コレクタに溶接する段階が、同時に行われる、請求項１０に記載の電気接続部分の製造方法。
  12. 前記同時に溶接する段階の前に、電流コレクタ（１３、１４）が、前記柱礎に対して接触がもたらされ、
    前記電流コレクタが、
    −前記柱礎に対する接触を形成するのに相応しい１つ又はそれ以上の接触リブ（１３１）と、
    −前記電気化学バンドルの折り曲げられたバンド部分を適所に保持するために相応しい支持タブ（１３２）によって区切られた１つ又はそれ以上の開口部と、
    を含む、請求項１１に記載の電気接続部分の製造方法。
  13. 前記同時に溶接する段階が、レーザー溶接によって行われる、請求項１１又は１２に記載の電気接続部分の製造方法。
  14. 請求項１１から１３の何れか一項に記載の方法に特に使用されるための電流コレクタであって、
    −軸方向にスタンピングされ、折り曲げられない、電気化学バンドルの側方端部のバンド部分によって形成される柱礎に対して接触を形成するのに相応しい１つ又はそれ以上の接触リブ（１３１）と、
    −前記電気化学バンドルの側方端部の折り曲げられたバンド部分を適所に保持するために相応しい支持タブ（１３２）によって区切られた１つ又はそれ以上の開口部と、
    を含む、電流コレクタ。
  15. ケーシング（１０）を含むリチウムイオン（Ｌｉイオン）電池又は蓄電池であって、
    −請求項１０から１３の何れか一項に記載の方法による電気化学バンドルに溶接される電流コレクタの１つが溶接される底部と、
    −請求項１０から１３の何れか一項に記載の方法による電気化学バンドルに溶接される電流コレクタの他方が溶接される出力端子を形成する貫通部（１）を有するカバー（３）と、
    を含む、リチウムイオン（Ｌｉイオン）電池又は蓄電池。
  16. −前記負極の材料が、グラファイト、チタン酸リチウムＬｉ ４ Ｔｉ ５ Ｏ １２ ；又はシリコンベース、又はリチウムベース、又は錫及びその合金ベースであり、
    −前記正極の材料が、リン酸鉄リチウムＬｉＦｅＰＯ４、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、任意に置換されたリチウムマンガン酸化物ＬｉＭｎ２Ｏ４又はＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２ベースの材料、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、例えばＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２、又は、ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２ベースの材料であり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２、又は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２を含む群から選択される、請求項１５に記載のリチウムイオン電池又は蓄電池。
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