JP6704465B2 - エネルギー貯蔵装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギー貯蔵装置の製造方法に関し、特に、限定はしないが、固体電解質を有する薄膜セルを含むエネルギー貯蔵装置に関する。
電極、電解質及び集電体の層を含む固体状態の薄膜セルは、典型的に、基板上に形成された第１集電層と、電極層と、電解質層と、第２電極層と、第２集電層とを含むスタックを最初に形成することによって製造される。次いで、スタックを別個のセクションに切断して、個々のセルを形成する。各セルはそして、層の不動態化及び可能性のある短絡を防止するために保護層で被覆することができる。
セルとの電気的接続を形成するために、例えば、積み重ねられた複数のセルの集電体を電気的に接続するために、保護層の一部を、例えばエッチングによって除去する。代替的に、各集電体の一部が露出した状態のまま残ることを保証するために、コーティングプロセスの前にマスクを適用することができる。それぞれの場合において、マスキング又はエッチングの追加のステップは、複雑さを加え、製造プロセスの費用が高くかかる。
本発明によれば、少なくとも第１電極層と、第１集電層と、前記第１電極層と前記第１集電層との間に配置された電解質層とを含むスタックを形成するステップと、前記第１電極層及び前記電解質層を貫通して前記スタックに第１の溝を形成し、それにより前記第１電極層及び前記電解質層の露出した縁部を形成するステップと、前記第１の溝の少なくとも一部を電気絶縁材料で充填し、それにより前記第１電極層及び前記電解質層の露出した縁部を前記絶縁材料で覆うステップと、前記第１集電層の露出した縁部を形成するために、前記第１の溝の少なくとも一部に沿って前記絶縁材料及び前記第１集電層を切断するステップと、を含むエネルギー貯蔵装置の製造方法が提供される。
本発明は、セルスタックの一部を形成する他のセルに容易に電気的に接続することができる露出した集電体を有する固体セル（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｃｅｌｌ）を製造する簡単で高速かつ低鋳造（ｌｏｗ ｃａｓｔ）の方法を提供する。
前記スタックは、前記第１電極層と連結された第２集電層をさらに含むことができ、前記第１電極層及び前記電解質層は前記第１及び第２集電層の間に配置される。前記第１の溝は、前記第２集電層を貫通して前記スタックに形成され、それにより前記第２集電層の露出した縁部を形成することができる。
前記電気絶縁材料は、前記第２集電層の露出した縁部を覆ってもよい。
本方法は、前記第１集電層、前記電解質層及び前記第１電極層を貫通して前記スタックに第２の溝を形成し、それにより前記第１集電層、前記電解質層及び前記第１電極層の露出した縁部を形成するステップと、前記第２の溝の少なくとも一部を電気絶縁材料で充填し、それにより前記第１集電層、前記電解質層及び前記第１電極層の露出した縁部を覆うステップと、前記第２集電層の露出した縁部を形成するために、前記第２の溝の少なくとも一部に沿って前記絶縁材料及び前記第２集電層を切断するステップと、をさらに含んでもよい。
前記第１集電層は第２電極層を形成することができる。代替的に又は追加的に、前記スタックは、前記第１集電層と前記電解質層との間に配置された第２電極層をさらに含んでもよく、前記第１の溝はさらに、前記第２電極層を貫通して形成される。
前記第１及び／又は第２の溝は、レーザー切断作業によって形成されてもよい。ガス状モノマーがレーザー切断作業中に前記第１及び／又は第２の溝の領域に供給されてもよく、その結果、ガス状ポリマーが前記溝内でレーザー切断作業によって重合して前記電気絶縁材料を形成する。前記第１の溝の少なくとも一部を電気絶縁材料で充填するステップは、前記溝の少なくとも一部を液体で充填するステップを含んでもよい。前記液体は、有機懸濁液体材料を含むことができる。前記液体は、前記溝内で硬化されてもよい。前記エネルギー貯蔵装置は電気化学セル又はキャパシタであってもよい。
本発明をより良く理解し、本発明がどのように実施されるかをより明確に示すために、本発明を以下の図面を参照して例として説明する。
複数のセルを含むエネルギー貯蔵装置の概略図である。 セルが電気的に接続されている図１に示すエネルギー貯蔵装置の概略図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図１に示すエネルギー貯蔵装置のセルの製造方法を説明する図である。 図３ａ〜図３ｈで説明する方法の変形例の概略図である。 破線で囲んだ領域内の図４の部分を示す図である。
図１は、第２電気化学セル４の上に配置された第１電気化学セル２を含むエネルギー貯蔵装置１を示す。第１及び第２セル２，４は同一である。しかしながら、第１セル２は反転されている。各セル２，４は、（セル２，４の放電中にアノードとなる）負極層を形成する負の集電層６と、電解質層８と、（セル２，４の放電の際にカソードとなる）正極層１０と、正の集電層１２とを有するスタックを含む。各セル２，４は、絶縁材料１４，１６によって対向する側面（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｓｉｄｅｓ）に沿って境界が定められている。
（図１に示すように）各セル２，４の左側では、絶縁材料１４が、電解質層８、正極層１０及び正の集電層１２の縁部を覆っている。各セル２，４の左側における負の集電層／負極層６の縁部は、露出している。
（図１に示すように）各セルの右側では、絶縁材料１６が、負の集電層／負極層６、電解質層８及び正極層１０の縁部を覆っている。各セル２，４の右側における正の集電層１２の縁部は、露出している。
エネルギー貯蔵装置１の利点は、図２に示すように、２つのセル２，４の対向する側面に沿って電気コネクタ１８，２０を設けることができ、その結果、左側の電気コネクタ１８は各セル２，４の負の集電層６と接触するが、絶縁材料１４によって他の層との接触が防止され、右側の電気コネクタ２０は正の集電層１２と接触するが、絶縁材料１６によって他の層との接触が防止されることである。従って、絶縁材料１４，１６は、集電層６，１２と各セル２，４内の他の層との間の短絡を防止する。電気コネクタ１８，２０は、例えば、スパッタリングによってスタックの縁部に塗布された金属材料であってもよい。従って、セル２，４は、簡単かつ容易に並列に接合することができる。
次に、図１及び図２に示すセルの製造方法を、図３ａ〜図３ｈを参照して説明する。
図３ａは、ニッケル箔を含む正の集電層１２を示しているが、アルミニウム、銅又は鋼などの適切な金属、又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）上のアルミニウムのような金属化プラスチックを含む金属化材料を使用できることを理解されたい。第１正極層１０は、例えば、図３ｂに示すように、フラッド堆積（ｆｌｏｏｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又は蒸着によって、集電層１２上に堆積される。正極層１０は、放電中にカソードを形成し、リチウムコバルト酸化物又はリン酸鉄リチウム又はアルカリ金属ポリスルフィド塩のような安定した化学反応によりリチウムイオンを貯蔵するのに適した材料を含むことができる。図３ｃに示すように、電解質層８が正極層１０の上に堆積される。電気化学セルの場合、電解質層は、イオン伝導性であるが電気絶縁体でもあるリン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）などの任意の適切な材料を含むことができる。スタックの組み立てを完了する図３ｄに示すように、負極層６が電解質層８の上に堆積される。負極層６はまた、（放電中にアノードとして作用する）負の集電体を提供する。代替の実施形態では、負の集電体及び負極層は、別個の層であってもよい。負極層は、リチウム金属、グラファイト、シリコン又はインジウムスズ酸化物を含むことができる。負の集電体が別個の層である実施形態では、負の集電体はニッケル箔を含んでもよいが、アルミニウム、銅又は鋼などの適切な金属、又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）上のアルミニウムのような金属化プラスチックを含む金属化材料を使用できることを理解されたい。各層は、フラッド堆積によって堆積することができ、これは、高度に均質な層を製造する簡単で効果的な方法を提供する。
レーザー切断工具を使用して、図３ｅに示すように、スタックの上部及び下部に平行な交互溝２２，２４を切断する。スタックの下部の溝２２は、スタックの上部の溝２４からオフセットされている。下部溝２２と隣接する上部溝２４との間のスタックの領域は、単一のセルに相当する。
スタックの下部の各溝２２は、集電層１２、正極層１０及び電解質層８を貫通して負極層６まで切断される。
スタックの上部の各溝２４は、負極層６、電解質層８及び正極層１０を貫通して集電層１２まで切断される。
切断作業により、各溝内に露出した各層に沿った縁部が形成され、上部溝２４内の集電層１２の上面の一部及び下部溝２２内の負極層６の下面の一部が露出される。各溝の深さは、所望の層のみを切断し、無傷のままであるべき層の除去を防止するか、又は少なくとも最小にするために、極めて正確でなければならないことを理解されたい。必要な精度を提供することが期待されるため、デュアルフォトンレーザー切断技術が好ましい切断プロセスである。しかしながら、他の適切な切断プロセス、例えば、溝を形成するため及び／又はセルを分離するために材料を除去するのに適した任意のプロセスなどを、各ステップに使用してもよい。溝を形成する各ステップ及びセルを分離するために異なる切断技術を使用することができ、例えば、超音波切断の後にガス噴射を行ってもよい。
図示された実施形態において、切断作業は、切断プロセスによって形成された層の縁部及び集電層１２の現れた（ｒｅｖｅａｌｅｄ）上面及び各溝の底部の負極層６の現れた下面において切断作業中に重合するガス状モノマーを含む環境で行われる。ポリマーは、図３ｆに示すように、溝内の層の現れた縁部及び表面の露出した部分を覆う電気絶縁プラグ２６，２８を提供する。任意の適切なポリマー、エチレン、塩化ビニル又はテトラフルオロエチレンなどを使用することができる。代替の実施形態では、有機懸濁液体材料などの液体で溝を充填し、次いで溝内で液体を硬化させることによって、電気絶縁プラグを形成することができる。
ポリマーが配置されたら、図３ｇに破線で示すように、スタックを溝２２，２４に沿って切断し、図３ｈに示すような別個のセルにする。切断作業は、レーザーを使用して再度行うことができる。各切断は、絶縁プラグ２６，２８の中心を通り、その結果、プラグ２６，２８は２つの部分に分割され、各部分は、それぞれのセル２，４に取り付けられて、縁部及び表面上に保護カバーを形成する。
スタック全体の切断により、図３ｈに示すように、第１及び第２セル２，４の正の集電層１２及び負極層６の露出した縁部が形成される。
第２セル４を反転させ、第１セル２の上に配置して、図１に示すエネルギー貯蔵装置１を製造する。次いで、電気コネクタ１８，２０、例えば金属層を、事前に説明し図２に示すように、エネルギー貯蔵装置１の一方の側の各セル２，４の正の集電層１２と、エネルギー貯蔵装置１の対向する側の負極層／負の集電層６とを接続するために、エネルギー貯蔵装置１の各側面に沿ったスパッタリングによって形成する。
図４及び図５は、連続したスタックが、例えばロールから引き出されてもよい正の集電層１２のシート上に構築されている上述の方法の変形例を示しており、そこから数百及び潜在的には数千のセルが切断され得る。形成されると、スタックは、図４に示すように、それ自体の上に折り畳まれて、少なくとも十、好ましくは数百、潜在的には数千の層を有するｚ折り畳み構成を形成し、各絶縁プラグ２６，２８は、図５に示すように整列されている。次いで、レーザー切断プロセスを使用し、整列されたプラグのセットのそれぞれに対して１回の切断作業で（図５の破線で示す）全てのスタックを切断する。
スタックは、スタック内での溝の切断の前及びスタックを別個のセルに切断する前に荷電状態となるように形成されてもよい。セルのエネルギー貯蔵構成要素を互いに分離する溝の切断及び／又はスタックを個々のセルに分離する後続の集電層の切断は、製造及び後続のハンドリングプロセスの安全性を向上させることができるが、なぜなら、大量のエネルギーを貯蔵する大きなスタックを取り扱う必要がないからである。
１ エネルギー貯蔵装置
２ 第１電気化学セル
４ 第２電気化学セル
６ 負の集電層／負極層
８ 電解質層
１０ 正極層
１２ 正の集電層
１４ 絶縁材料
１６ 絶縁材料
１８ 電気コネクタ
２０ 電気コネクタ
２２ 第１の溝
２４ 第２の溝
２６ 電気絶縁プラグ
２８ 電気絶縁プラグ

Claims (12)

  1. 少なくとも第１電極層と、第１集電層と、前記第１電極層と前記第１集電層との間に配置された電解質層とを含むスタックを形成するステップと、
    前記第１電極層及び前記電解質層を貫通して前記スタックに第１の溝を形成し、それにより前記第１電極層及び前記電解質層の露出した縁部を形成するステップと、
    前記第１の溝の少なくとも一部を電気絶縁材料で充填し、それにより前記第１電極層及び前記電解質層の露出した縁部を前記絶縁材料で覆うステップと、
    前記第１集電層の露出した縁部を形成するために、前記第１の溝の少なくとも一部に沿って前記絶縁材料及び前記第１集電層を切断するステップと
    を含む、エネルギー貯蔵装置の製造方法。
  2. 前記スタックは、前記第１電極層と連結された第２集電層をさらに含み、前記第１電極層及び前記電解質層は、前記第１及び第２集電層の間に配置され、前記第１の溝は、前記第２集電層を貫通して前記スタックに形成され、それにより前記第２集電層の露出した縁部を形成する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記電気絶縁材料は、前記第２集電層の露出した縁部を覆う、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第１集電層、前記電解質層及び前記第１電極層を貫通して前記スタックに第２の溝を形成し、それにより前記第１集電層、前記電解質層及び前記第１電極層の露出した縁部を形成するステップと、
    前記第２の溝の少なくとも一部を電気絶縁材料で充填し、それにより前記第１集電層、前記電解質層及び前記第１電極層の露出した縁部を覆うステップと、
    前記第２集電層の露出した縁部を形成するために、前記第２の溝の少なくとも一部に沿って前記絶縁材料及び前記第２集電層を切断するステップと
    をさらに含む、請求項２又は３に記載の方法。
  5. 前記第１集電層は第２電極層を形成する、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
  6. 前記スタックは、前記第１集電層と前記電解質層との間に配置された第２電極層をさらに含み、前記第１の溝は、前記第２電極層を貫通して形成される、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
  7. 前記第１の溝は、レーザー切断作業によって形成される、請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
  8. ガス状モノマーがレーザー切断作業中に前記第１及び／又は第２の溝の領域に供給され、その結果、ガス状ポリマーが前記溝内でレーザー切断作業によって重合して前記電気絶縁材料を形成する、請求項７に記載の方法。
  9. 前記第１の溝の少なくとも一部を電気絶縁材料で充填するステップは、前記溝の少なくとも一部を液体で充填するステップを含む、請求項１から８の何れか１項に記載の方法。
  10. 前記液体は、有機懸濁液体材料を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記液体は、前記溝内で硬化される、請求項９又は１０に記載の方法。
  12. 前記エネルギー貯蔵装置は電気化学セルである、請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
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