JP6849324B2 - 共押出し共形バッテリーセパレータおよび電極 - Google Patents

Description

本開示は、バッテリーの製造に関し、より詳細には、共押出装置を用いるバッテリーの製造に関する。

共押出装置を用いる様々な構造体の製造は、いくつかの特許出願および交付済み特許で議論されてきた。共押出装置とは、２種類以上の材料を同時に押し出して何らかの構造体を作る装置である。バッテリーを製造する際、このタイプの装置を用いてセパレータと電極を同時に押し出して、バッテリーの構成要素を形成することができる。

共押出成形の例として、米国特許公報第２０１２／０１５６３６４号明細書で開示されているアプローチが挙げられ、このアプローチでは、印字ヘッドが１つのタイプの装置から組合せフィンガーの材料が同時に押し出される。材料は供給チャネルに充填され、別々のフローとして組み合わされる。次いで、これらの材料が印字ヘッドから吐出されるとき分離され、再度組み合わされて、２種類の材料のストライプが交互に組み合わされた構造体が形成される。別のアプローチでは、水平に並んだ構造体が、垂直方向に、組み合わされたストライプに延在する。米国特許公報第２０１４／０１８６５１９号明細書では、このタイプの構造体の製造が教示されている。

これらの構造体を用いるバッテリーの製造は、別の公報でも議論されている。例えば、米国特許公報第５，７１４，２７８号明細書では、バッテリーに使用する多孔質のセパレータの材料にマスク領域を形成する。多孔質のセパレータの材料にマスク領域を形成することができ、これにより、アノード部とカソード部を並べて、縁効果を回避することが容易になる。しかし、共押出印字ヘッドでは、これらのマスク領域は形成されない。

米国特許公報第２０１１／０２１７５８５号明細書では、セパレータが一体のバッテリー、および、そのようなバッテリーの製造方法が議論されている。セパレータは様々な方法で形成されるが、一般には、カソードまたはアノードのどちらか一方に直接接して形成される。これらのセパレータは、単層構造でも多層構造でもよい。これらのアプローチでは、押出成形を用いて、電極とセパレータを同時に形成しない。

別のアプローチでは、連続層における電気泳動蒸着を用いて薄膜バッテリーを形成する。電気泳動蒸着を用いて連続層を形成する。このアプローチの例は、米国特許公報第２０１３／０２４４１０２号明細書に開示されている。

これらのアプローチはどれも、共押出印字ヘッドを用いて、電極とセパレータを同時に形成しない。これらのタイプの印字ヘッドは、構造が簡単であり、異なる材料を同時に吐出することができるなど、いくつかの利点を有するが、セパレータ構造体と電極を同時に形成することはできない。セパレータ構造体と電極を同時に形成しないため、セパレータを電極に対して正確に共形には形成できない。共形セパレータを有することにより、電極の周りに層を提供して、バッテリーの短絡を防止する。

実施形態では、少なくとも１つのセパレータの吸入ポートと、セパレータの吸入ポートからセパレータ材料を受け取るよう構成される少なくとも第１、第２、および第３の一連のチャネルと、少なくとも１つの電極吸入ポートと、電極吸入ポートから電極材料を受け取るよう構成される第４の一連のチャネルと、第１、第２、および第３の一連のチャネルに接続する第１の合流部であって、セパレータ材料を受け取りセパレータフローに合流させ、電極材料を受け取り電極フローに合流させるよう配置される第１の合流部と、第１の合流部に接続し、セパレータフローと電極フローを受け取り、合流させるように配置される第２の合流部と、第２の合流部に接続し、第２の合流部から基板上にセパレータ材料および電極材料を積層として付着させ、セパレータ材料が電極材料の上面および側面を覆うようにする出口ポートと、を有する共押出印字ヘッドを開示する。

図１は、従来技術の実施形態による、バッテリーを示す図である。 図２は、従来技術の実施形態による、バッテリーを製造するためのフローチャートである。 図３は、従来技術の実施形態による、バッテリーを製造するためのフローチャートである。 図４は、共形セパレータを有するバッテリーの電極の実施形態を示す図である。 図５は、共形セパレータを有するバッテリーの電極の実施形態を示す図である。 図６は、共形セパレータを有するバッテリーの電極の実施形態を示す図である。 図７は、共形セパレータを有するバッテリーの電極の実施形態を示す図である。 図８は、１回のパスで積層材料を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図９は、共形セパレータを有するバッテリーの電極の実施形態を示す図である。 図１０は、１回のパスで基板上に積層を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図１１は、１回のパスで基板上に積層を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図１２は、１回のパスで基板上に積層を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図１３は、１回のパスで基板上に積層を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図１４は、１回のパスで基板上に積層を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図１５は、１回のパスで基板上に積層を形成可能な印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図１６は、共形セパレータの形成の工程を示す図である。 図１７は、共形セパレータの形成の工程を示す図である。 図１８は、共形セパレータの形成の工程を示す図である。 図１９は、共形セパレータを有するバッテリーの実施形態を示す図である。 図２０は、共形セパレータを有するバッテリーの実施形態を示す図である。 図２１は、共形セパレータを有するバッテリーの実施形態を示す図である。 図２２は、共形セパレータを有するバッテリーの実施形態を示す図である。 図２３は、多層のセパレータを有する印字ヘッドの実施形態を示す図である。 図２４は、多層のセパレータを有する印字ヘッドの実施形態を示す図である。

典型的なバッテリーでは、セパレータの主な役割は、イオンの移動中、アノードとカソードの物理的な接触を防止することである。この議論は、アノード電極とカソード電極に関する。図１には、従来技術の実施形態である、カソード１６、アノード１２、およびセパレータ１４を有するバッテリー１０が示されている。セルを組み立てるとき、セパレータの領域は、どちらの電極よりも大きい。セパレータを処理して、アノード電極およびカソード電極よりも大きなサイズに切断する。フルセル組立体内では、セパレータが大きいため、電極どうしの端面／側面接触が防止される。

図２には、アノード、カソード、およびセパレータから成るフルセルを作成するための、従来バッテリーの製造工程の一例が示されている。示されている通り、この製造工程では、アノードは一方のクリーンルームで製造される。この製造工程では、ステップ２１で、アノードのスラリーが形成され、次いで、ステップ２３で、集電板上にこれらのスラリーをスロットコーティングし、それと同時に、ステップ２５で厚さを制御するためにカレンダリングを行う。次いで、ステップ２７でアノードを乾燥する。同様に、この製造工程では、ステップ２０で、カソードのスラリーを形成し、次いでステップ２２で、集電板上にスラリーをスロットコーティングし、それと同時に、ステップ２４で厚さを制御するためにカレンダリングを行う。ステップ２６でカソードを乾燥する。ステップ２９およびステップ２８で、両方の電極に分離する。電極を分離する際、通常、電極材料のロールを所望の幅に分離する。ステップ３１で、最終的にセルが組み立てられる。

本明細書の実施形態では、処理３０において、ステップ３２でアノードのスラリー、カソードのスラリー、およびセパレータのスラリーを形成する。次いで、ステップ３４で、これらの３つのスラリーは、本明細書で開示される印字ヘッドにより、集電板上に共に押し出され、それと同時に、ステップ３６で、厚さを制御するためにカレンダリングが行われる。ステップ３８で、これらの組合せ構造体を乾燥させる。次いで、ステップ４０で、押し出された構造体と共に残った集電板を組み立てる。

図４〜図７には、本明細書で示される共押出印字ヘッドにより製造可能なバッテリー構造体の実施形態が示されている。図４では、電極５２は共形セパレータを有し、この共形セパレータにより電極の上面および側面が覆われる。本明細書で使用される用語である共形とは、セパレータが電極と同じ形になることを意味する。電極４２は、電極５２と同様に単一の材料から構成され得る。あるいは、電極は、図５に示される一体型構造体５６で構成され得る。この一体型構造体は、上述の先行特許で議論された共押出印字ヘッドで製造可能である。

図６および図７では、セパレータは電極に対して共形であり、電極の上面および側面を覆うだけでなく集電板まで延在する。これにより、アノードとカソードとをさらに分離する。図６では、セパレータ５０は、外延部５４を有する電極５２に対して共形である。図７には、同様の構造体であるが、一体型電極５６で構成される電極が示されている。

これらの構造体の製造後、残りの電極を取り付けてフルセルを形成し、このフルセルを巻き付け、あるいは切断し好適な形式にする。現在の製造工程では、電極よりも大きな領域のサイズに切断されたセパレータシートを用いるため、最終的にセルを組み立てる際、両側面でセパレータシートが不足する可能性があるが、共押出技術では、電極の周りに共形のセパレータを製造可能である。

図８には、印字ヘッド６２の実施形態が示されている。この印字ヘッド６２は、対象の基板６０上に構造体を粘性スラリーとして押し出す。溶媒を取り除き、構造体を高密度化するために、これらの材料を乾燥または加熱する必要があり得る。図８に示される通り、吸入ポート６４、６６、および６８がスラリーを受け取り、最終的に、これらのスラリーは印字ヘッドから吐出され、電極５２または一体型電極５６、およびセパレータ５０を形成するが、これらの構造体では外延部５４の有無を問わない。

図８の印字ヘッドまたは同様の構造体により、図４〜図７の構造体を形成することができる。印字ヘッド内の流体経路およびマニホールドにより、セパレータおよび電極のスラリーまたはインクが分配される。図９に示される通り、図６の構造体を複数の区域に分けることができる。電極材料５２は、図１０〜図１２で議論する印字ヘッド内の１セットのノズルから吐出される。セパレータは異なる３つの区域で構成され得る。外延部５４は、本明細書ではＳ１で示す１つのスラリーで構成され得る。両側面７０は、本明細書ではＳ２で示す別のスラリーで構成され得る。上段層５０は、Ｓ３で示す別のスラリーで構成され得る。これらのスラリーは同じスラリーから供給され得、電極を覆う均一の層を形成する。あるいは、絶縁性を高めるために、あるいは、その他のバッテリー特性を向上させるために、これらのスラリーは別々の材料で構成され得る。これらの流れ、および供給は制御可能であるが、これに関しては、後程、より詳しく議論する。

図１０には、印字ヘッド６２の一実施形態の側面図が示されている。印字ヘッドは、印字ヘッドを封止する上段プレート８２と、部品を整列させるための後方取付けプレート７２とを有する。インクは後方プレート７２から入り、材料によって、マニホールド７４、７６、および８０を介してノズルに供給される。なお、インクはこのページの前から「離れて」移動し、マニホールド８０から出力ノズルに流れ込む。ノズルプレート７８の積層により押出しノズルが形成され、最終的にこの押出しノズルを介してスラリーが印字ヘッドより吐出される。

図１１には、図１０の押出しノズル７８の拡大部８６の図が示されている。図１３には、より詳細な拡大部８６が示されている。印字ヘッドの方向は、出来上がる構造体の構成を理解するうえで重要である。集電板から成り得る基板は、印字ヘッドの「上部」に位置し、先ず、基板上に位置するノズル９４から電極材料Ｅが吐出され、次いで、ノズル９６からのセパレータのスラリーＳ３、およびノズル９２からのセパレータスラリーＳ２に、この電極材料Ｅが覆われるように印字ヘッドは材料を吐出する。セパレータのスラリーＳ１は、印字ヘッドのノズル９０から吐出され、基板上の電極の材料と同じ位置に付着する。印字ヘッドの組合せ部から材料が合流部に吐出される際、印字ヘッドの壁９８によりこれらの材料が隔てられる。

図１３には、互いに隔てられた個々のスラリーが示されており、セパレータのスラリーや電極のスラリーは互いに隔てられている。より良い理解を得るために図１２を参照して、図１３〜図１５を議論する。図１２では、印字ヘッド６２がブロック図で示されている。印字ヘッドは、セパレータのスラリー用の吸入ポート６４と、電極のスラリー用の吸入ポート６８を有する。印字ヘッドの第１の部分には、電極のスラリーとセパレータのスラリーを受け取るためのセクション８３およびセクション８１が配置されている。第１の合流部８５で、セパレータのスラリーはセパレータのフローに合流し得、第１の合流部の分離部８７で電極のスラリーは電極のフローに合流し得る。次いで、第２の合流部８９でセパレータのフローと電極のフローが、合流して１つのフローとなり、印字ヘッドの出力部９１から吐出される。図１４および図１５は、スラリーのフローを吐出するノズルを出口方向から見た図である。

図１４では、スラリーは第１の合流部を通過しており、セパレータ「Ｓ」のスラリーは全て混ざり合い、「Ｅ」のスラリーも全て混ざり合っているが、「Ｓ」のスラリーと「Ｅ」のスラリーは互いに隔てられている。図１５では、「Ｓ」のスラリーと「Ｅ」のスラリーは混ざり合っている。なお、上記のことは印字ヘッド内で発生し、これらの一連のスラリーは合流したフローとして印字ヘッドから吐出され、合流したフローは互いに接触するが混ざり合わない。

図１６〜図１７には、方法の動作が示され、この動作ではセパレータの材料の層は、電極の材料よりも広い。これらの図面では、このページに入る方向、またはこのページから出ていく方向に材料が押し出される。セパレータ材料５０は電極材料の上部のノズル、および電極材料の側面のノズルに分配され、電極材料より「広い」ストライブを形成する。このことは、図１３に示される大きなノズル９２を使用することなく実現可能である。

印字ヘッドから材料が吐出される直前、セパレータ材料５０は基板６０に対して電極材料より「高く」配置される。材料が印字ヘッドから吐出されると、これらの材料は、もはや印字ヘッド内で支持されていないため、セパレータ材料５０は電極材料５２の上部を流れ始める。基板６０上に到着すると、セパレータ５０は電極材料の上部の留まり、外延部５４を形成する。外延部５４を形成するセパレータ５０の位置は、セパレータに用いられるノズルの数が、電極材料に用いられるノズルの数よりどのくらい多いかに依存する。

図１９〜図２２には、セパレータＳ３の上段層の上に別の層を有するバッテリー構造体別の実施形態が示されている。通常、この層はセパレータの第２の上段層であるが、第１の電極とは反対のタイプの電極材料から成り得る。図１９では、電極５２はその上に形成されるセパレータ５０を有する。この実施形態では、反対の電極１００はセパレータ５０の上段に形成される。図２０には、図１９と同様であるが、一体型電極５６を有する実施形態が示されている。図２１および図２２には、一体型電極の有無とは関係なく外延部５４を有するセパレータに取り付けられたアノードを有する実施形態が示されている。

図２３には、別の印字ヘッドの実施形態が示されている。この実施形態では、プレート７８の積層には、追加の押出しノズルのセットが含まれる。図２４には、プレート７８の部分１０２の分解図が示されている。この実施形態では、電極材料の隣の基板上に配置されるセパレータＳ２を供給するチャネル１０４は、その前のセパレータＳ２を供給するチャネルよりも大きい。印字ヘッドからスラリーＳ３を吐出させるためのノズル９６には、別の一連のノズル１０６が隣接する。この特定の実施形態では、チャネル１０６が第４のスラリーＳ４を供給することにより、多層で構成されるセパレータを可能にする。

一実施形態では、Ｓ３とＳ４は異なるセパレータ材料から成る。乾燥後、Ｓ３とＳ４の材料は有孔率、絶縁特性、または熱特性など、異なる特性を有し得る。上述した通り、この付加的なスラリーが、最初に用いられる電極材料Ｅと反対のタイプの電極材料であり得ることも可能である。例えば、Ｅがアノード材料の場合、Ｓ４はカソード材料である、あるいは、その反対である。

このように、共押出印字ヘッドを用いることにより、１回のパスで、電極構造体の周りに共形セパレータを製造することができる。共形セパレータによりバッテリーセルの短絡が少なくなり、より安全なバッテリーが保証される。本明細書の実施形態により、分離工程で、セパレータシートを電極より大きく切断する必要がなくなる。この電極−パレータ構造体により、所望の幅は小さくなり、従来のバッテリー製造において用いられる分離工程は必要なくなる。

Claims (1)

1. 少なくとも１つのセパレータの吸入ポートと、
   前記セパレータの吸入ポートからセパレータ材料を受け取るよう構成される少なくとも第１、第２、および第３の一連のチャネルと、
   少なくとも１つの電極の吸入ポートと、
   前記電極の吸入ポートから電極材料を受け取るよう構成される第４の一連のチャネルと、
   を含む、共押出印字ヘッドであって、
   前記セパレータが、前記電極材料の上面を覆うセパレータ上段部と、前記電極材料の側面を覆うセパレータ両側部と、前記セパレータ上段部と同一の厚さで前記セパレータ両側部から電極面方向に広がるセパレータ外縁部とからなり、
   前記共押出印字ヘッドがさらに、
   前記第１、前記第２、前記第３、および前記第４の一連のチャネルにそれぞれノズルを介して接続する第１の合流部であって、前記セパレータ材料を受け取りセパレータフローに合流させ、前記電極材料を受け取り電極フローに合流させるよう配置され、前記セパレータフローの上段層と前記電極フローとが垂直に積層される第１の合流部と、
   前記第１の合流部に接続し、前記セパレータフローと前記電極フローを受け取り、合流させるよう配置される第２の合流部と、
   前記第２の合流部に接続する出口ポート、および出口ノズルであって、前記出口ポートは前記第２の合流部から前記ノズルを介して基板上に前記電極材料および前記セパレータ材料の一部を積層として付着させるよう構成される、出口ポートおよび出口ノズルと、
   を含み、
   前記第１、前記第２、および前記第３の一連のチャネル及びこれらに接続するノズル開口が、それぞれ、前記セパレータ外縁部を形成する一連の第１のチャネル・ノズル開口、前記セパレータ両側部を形成する一連の第２のチャネル・ノズル開口、および、前記セパレータ上段部を形成する一連の第３のチャネル・ノズル開口であり、
   前記一連の第１のチャネル・ノズル開口及び前記一連の第３のチャネル・ノズル開口は、前記電極面方向に並ぶ同形状の矩形チャネル・ノズル開口であり、前記一連の第２のチャネル・ノズル開口は、前記一連の第１のチャネル・ノズル開口及び前記一連の第３のチャネル・ノズル開口よりも積層方向に高く、単独で前記セパレータ両側部の片側を形成する矩形チャネル・ノズル開口である、
   共押出印字ヘッド。

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