TW200830615A - Forming solid electrolyte interface layer on lithium-ion polymer battery electrode - Google Patents

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Thomas Lin
Larisa Malinovskaya
Jun Chen
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Description

200830615 九、發明說明： 【明 屬 發明領域 LVUU 1 J >qiw
於一種鋰離子聚合物電池 【先前技術J 發明背景 [0003]在可鮮性已絲必要料代，EA且沈重的電 10 15 20 池無法再為人所接受。對此，科技已誕生並發展出一^ 形態的電池以作為回應。經離子聚合物電池運用一種較新 的技術以提供相較於傳統鋰離子充電電池更高的能量资 度、更高的安全性以及更低的重量。 b里诒 _4]傳脑離子電池係利用保持在一有機溶 -種鐘鹽電解質。該溶劑具可祕、具危險性、 且必須被包封在會增加電池重量的耐久性包封件内。 方面，雜子聚合物電池將㈣電解質保持在—乾门 聚合物複合物内。此種電解質相似於一塑膠類薄^4體 導電但容雜子（㈣荷的料或原子群)在電池的電= 交換。-電極稱為「陰極」。當施加負極性以驅動電、、也=間 生電化學反應並還原陰極材料時，陰極會產生離子。產 電極稱為「陽極」。陽極也會經由氧化反應產生電子 生於陽極材料與陰極所釋出的電子進行反應時此:發 從陰極經過固體聚合物複合物而至陽極。不同於=-电子 基礎的電解質之處在於，供用於鐘離子聚合物電池2為 5 200830615 聚合物複合物的重量輕、不具可燃性且可被密封於輕薄具 可撓性的包裝件中，有別於傳統的沈重包封件。因此，鋰 離子聚合物電池可提供更高的能量密度、更低的重量以及 可供專業構形以獲致超薄幾何構形並適合於幾乎任何用 5 途。 [0005] 不幸地，鋰離子聚合物電池技術在能夠被大規模 有效應用之前，仍有許多障礙待克服。這些電池造價昂貴， 且由於此一新技術所特有的數個理由而無法以商業上可存 ’舌的數ΐ來生產。縱使能夠小量生產，這些電池仍然未充 1〇勿達到其潛力，因為現今製造技術上的侷限致使電池的性 此和猶環壽命特性劣化。 [0006] 例如，現今的製造技術使其難以在電極上生成均 一的聚合物電解質層。此轉而導致電池短路並降低電池性 能。在一具有層疊電極的鋰離子聚合物電池中，聚合物電 15解貝薄膜不僅賦予離子傳導性，更使陽極和陰極分離並隔 絶。但是，運用多孔材料來形成電極會減損聚合物電解質 4膜的此一功能，並使得良好的絕緣性難以達成。詳言之， 來合物電解質薄膜在形成於電極上時易於起泡。這些氣泡 是由被捕集於電極結構之孔洞内的氣體所造成，於形成後 〇仍會留存在聚合物電解質薄膜中，或是會於薄膜内部造成 孔洞或空隙。聚合物電解質薄膜内的氣泡和空隙會破壞陽 極和陰極之間的絕緣性，導致電池短路。它們亦會降低電 極之間的離子傳導性效率，從而降低電池的性能和循環壽 命特性。 6 200830615 [g H彳如在低於1,5¥之電位下操作的鋰離子聚合物 電池陽極經常以一表面薄膜來保確 ㈣溥膜爪保遂，Μ保護電解質（用以活
化％極)免於在電池壽命顧持續練。—種表面__ 型稱為固體電解質界面（“SEI”)層。陽極充電是_種形成SEI 10 ㈣方式。它涉及-種電氣程序，⑽離子從—負載陰極 各轉至-空置陽極，從而令電池充電並形成該SEI層。—般 而此需要二至三個完全充電/完全放電之循環。各循^ 持續約1G小時，所以在充電㈣形成SEI層會在電池製程中 消耗高達30個小時。它亦會不可逆地消耗高達鳩的可利 用鲤離子，因而降低電池之電力。 【内】 發明概要 [0007] 在本發明的一態樣中，一種用於製造鋰離子聚合 物電池的方法包括以_集電器及_多孔材料來形成一陽 5極，该多孔材料具有含一電解溶液之空間，令該陽極之表 面與一鋰金屬層相接觸，以及使該鋰金屬層短路，其中釋 出的鋰離子與來自於該電解溶液的還原產物進行反應，並 在該多孔材料上形成一固體電解質層。 [0008] 在本發明的另一態樣中，一種用於製造鋰離子聚 2〇合物電池的裝置包括用於以一集電器及一具有含電解溶液 之空間的多孔材料來形成一陽極之構件，用於令該陽極之 表面與一鋰金屬層相接觸之構件，以及用於使該鋰金屬層 短路至該集電器之構件以使得鐘離子從該銀金屬層釋出， 其中釋出的鐘離子與來自於該電解溶液的還原產物進行反 7 200830615 5 應，並在該多孔材料上形成一固體電解質層。 [0009]應明暸，經由後續的詳細敘述，本發明的其他具 體例對於習於本項技藝人士而言將會變得顯明，其中僅藉 由舉例之方式來顯示並敘述本發明的多個具體例。咸可明 暸，本發明可具有其他不同的具體例，且其細節部分可修 改成各種其他態樣，而不會悖離本發明的精神與範疇。因 此，圖式和詳細說明應以例示性本質視之，不應視為限制。 圖式簡單說明 [0010]本發明的多個態樣例示於所附圖式中以作為範 10 例而非限制，其中： [0011] 第1圖顯示一鋰離子聚合物電池；第1A圖顯示一 放大圖； [0012] 第2圖為顯示一用以製造一鋰離子聚合物電池之 方法的流程圖； 15 • j [0013] 第3圖為顯示用以製造一鋰離子聚合物電池之方 法之其他悲樣的流程圖， [0014] 第4圖顯示一可供用於某些態樣之鋰離子聚合物 電池製造方法的腔室； [0015] 第5A及5B圖顯示一種在陽極表面上形成一固體 20 電解質界面膜的方法； [0016] 第6圖顯示一可供用於某些態樣之鋰離子聚合物 電池製造方法的塗覆裝置；以及 [0017] 第7圖為顯示用以製造一鋰離子聚合物電池之方 法之其他態樣的流程圖。 8 200830615 【貧施方式3 [0019] 下關於麟圖式_細敘述係意欲供用以闇 述本發明的各個態樣，而不代表本發明僅能在這些具體例 中實施。該詳細敘述包括特定細節以就 5 _解。但是’侧彻賊心言，顯然不需^ 故些特定細節即可實施本發明。在某些情形下，習知結構 及構件以塊體概圖形式顯示，以免混淆本發明之概念。 [0020] 第1圖顯示一鋰離子聚合物電池1〇〇的典型組 件。電池1〇〇包含數個層疊電池室102。如第1A圖之放大圖 H) 104所示，各電池室包括一陽極1〇6、—陰極(未予明示，但 其位置大致顯示於108處)以及一將陽極1〇6和陰極1〇8予以 隔離的聚合物電解質層11G。位在電池室層疊體繼内的該 等陽極可導通至-鮮—的負電輸出埠112。負電輸出璋可 包含一個由諸如Ni、Cu或SS等金屬所製成的凸部。位在電 15池室層疊體102内的該等陰極可導通至一個單一的正電輪 出埠114。正電輸出埠可包含一個由諸如八卜奶或“等金屬 所製成的凸部。電池室層疊體1〇2可被納置於一可撓性囊袋 包裝件116内，該可撓性囊袋包裝件容許電池輸出埠ιΐ2和 114突出，從而形成一自我納置型鋰離子聚合物電池1〇〇。 2〇 _1]第2圖為顯示—用以製造_絲子聚合物電池之 方法的流程圖。在模塊2〇〇，可利用選定的材料來形成電 極，以供陽極和陰極之特定用途。在模塊2〇2，可利用非水 性電解溶液來活化所形成的電極，這些非水性電解溶液含 有被溶解於有機溶劑中的鋰鹽和添加劑。這些溶液可部分 9 200830615 地依據模塊200處所選定的材料，而被特定地配製並選定成 可促進供陽極和陰極結構的電化學安定性。接著，在2塊 204，在被活化的陽極上可原位形成一固體電解質界面 (“SEI”)膜。隨後，在模塊寫，在被活化的陰極和陽極上可 5形成且直接地塗覆一層雙相聚合物電解質薄膜。在模塊 208,可令陽極(經活化且覆有附和聚合物電解質薄膜)以及 . 陰極⑽活化且覆有聚合物f解質薄膜μχ交錯方式堆疊在 —起，則彡成-雜子聚合物電池。這好驟各被詳述於 響 後。 1〇 陶2]第―，可·選定的材料來形成電極，以供陽極 和陰極之特定用途。各個陽極和陰極可具有一複合結構， 包3 #活性材料、導電添加劑與黏合劑所構成的混合 物。對於陽極而言，這些組份的比例可以是但不園限於約 90至98重量％的活性材料、2至1〇重量％的導電添加劑以及2 15至2〇重量％的黏合劑。對於陰極而言，這些組份的比例可 • :不園限於約8〇至96重量%的活性材料、2至20重量％ “ 电添加』以及2至8重量％的黏合劑。熟習於本項技術 的人士當會認知到，形成電極時使用廣大範圍的不同比例 是可能的。對於陽極和陰極此二者而言，活性材料可與導 2〇 $添加劑相混合’再與黏合賴捏在__製成一糊膏。 y將此-糊1*覆於-諸如金屬集電體的板體上。任擇地， 可將其壓人，狀金屬集電動。該集龍可為例如被A1 或Cu所包覆的篩網。該混合與揉捏程序可例如藉由一機械 式攪拌機來實施，其具有例如用手工或以自動計量裝置所 200830615 添加的適量組份材料。自動計量震置可包括諸如用以測量 重量或體積的刻度或容器等元件。將電極材料的糊膏混合 物塗覆或按壓成一電極形式來形成電極的手段可例如藉由 手工或機械裝置來完成。 5 [0023]因為電極將利帛電解錢來活化，所以它們可由 多孔材料所形成’這些多孔材料具有一含例如毛細空間之 空間的結構以留置溶液。用於陽極的活性材料，例如石墨 以及被詳細討論於後的其他碳質材料，可能天然地固有此 種多孔結構。另-方面’用於陰極的活性材料，例如被詳 10細討論於後的過渡金屬氧化物顆粒，在本質上可能不具多 孔性。因此，為了製備陰極，可將碳黑加人活性材料中。 碳黑不僅可促進電解質留置於陰極内，其亦可補償陰極活 性材料常有的較低導電性。熟習於本項技術的人士當會認 知到石反黑亦可使用作為一添加劑以促進電解質留置於陽 15極材料中。因此，碳黑可作為一供用於兩種電極的導電添 加劑。其他適用的導電添加劑包括但不限於乙炔黑、石墨， 或是諸如Ni、A卜SS或〇!等金屬的微米或奈米尺寸顆粒。 最後，黏合劑可包含一聚合物，該聚合物具化學及電化學 安定性，且相容於被選定作為陽極或陰極的其他元素以及 20用來活化這些陽極或陰極的電解質。 [0024]舉例而言，用於陽極的活性材料可包括諸如非晶 形碳質材料等石墨材料、在例如約2〇〇〇。或更高之高溫下燒 虼的人造石墨，或是天然石墨。其他實例可包括但不囿限 於驗金族金屬或是鹼金族金屬與包括A1、鉛(Pb)、錫（Sn) 11 200830615 和石夕(Si)等所構成的合金；可嵌入驗金族金屬晶格之間的立 方晶系介金屬化合物（例如AlSb、Mg2Si、NiSi2);鋰氮化 合物(Li(3-x)MxN (M=過渡金屬）等。用於陰極的活性材料可 包括諸如鐘化過渡金屬氧化物，諸如始酸經(LiCo〇2)、轉 5 酸鋰（LiNi02)、錳酸鋰（LiMn204，LiMn02)或鐵酸鐘 (LiFe〇2)。上述材料的混合物亦可使用作為陽極材料以及陰 極材料。此外，陰極材料可併合有摻雜劑。但是，這歧僅 是幾個實例而已。熟習本項技術人士將會認知到許多其他 材料亦適用作為陽極和陰極中的活性材料組份。黏合劑材 1〇料可包括但不限於聚偏二氟乙烯（PVdF)、聚四氟乙歸 (PTFE)、乙烯-丙烯二烯（EPDM)、苯乙烯_ 丁二烯橡膠 (SBR)、聚氯乙烯(PVC)或是鲮曱基纖維素(CMC)。 少 [0025]電極形狀後，可彻非水性電解溶液來活化它 們，該非水性電解溶液含有被溶解於有機溶劑中的鐘鹽和 添加劑。藉著在電池組裝前先行活化電極，可以針對個別 陽極和陰極來選擇最佳的溶液程式。特定言之，這些溶液
1目衣辱命特性。在製程 面之前）活化電極的另一項 早期（例如在SEI層形成於陽極表面 優點在於，
12 200830615 而避免氣泡形成於電解層内並在陽極上形成一均勻的SEi 層。氣體是在活化作用期間被電解溶液所置換時被移離電 極結構。 [0026] “可渔性”意指電極材料吸收活化溶液的能力。 5用以形成電極的碳黑以及其他石墨材料可具多孔性但亦可 以具有極低的可溼性。這是因為石墨材料具有低度表面自 由能，而電解質具有高表面張力。當電極材料具有低可篷 性時，活化可能會花費長時間而且也可能不完全。例如， 在最初即可能充滿氣體的多孔電極結構的毛細現象得以將 10足量溶液汲入一電極之前，該電極可能必須浸沒於電解溶 液内歷時數小時。縱使在那個時候，電解溶液經過毛細網 絡的擴散仍可能是不完全的，造成定域電極區具有過度充 電或過度放電的狀態。這會使製程減慢且造成不良的電極 性能以及降低電池儲存能力。 15 [0027]基於這些原因，僅僅將電極沈浸於電解溶液中可 能不足以完全地或有效地活化電極。為了實現電極與活化 電解溶液間均勻且快速的電極反應，該溶液應快速穿入多 孔電極的空間。因此，參照第3圖敘述一種用於電極活化的 替代方法，其為用以製造一鋰離子聚合物電池之方法之其 2 0 么匕 他態樣的流程圖。在模塊3〇〇，可以先前所述方式來形成電 極。在模塊302，可將電極置入一腔室中，該腔室可被封閉 且其中形成真空。在模塊304，可啟動一連接至該腔室的泵 將空氣移離腔室，以降低腔室内壓。將空氣移離腔室包括 移離位於多孔電極結構内部的氣體。當電極内部的氣體在 13 200830615 諸如約-30 psi或更低的腔室負壓下被充分排出時，可在模 塊306將活化電解溶液導入腔室中。在_諸如數秒等級的極 短時間内，電解溶液會擴散至整個多孔電極。可將陽極和 陰極置入腔室且同時以不同電解質溶液予以活化。可將針 5對各個電極種_選定的—定量溶液(容後解釋）引入腔室 並導向適當電極。由於腔室内的負壓環境，溶液一旦與電 極接觸即會士乎立即地穿越電極孔洞。若依據電極之尺寸 以及多孔電極結構内部之估計或實測可利用空間來謹慎計 算溶液的用量，則經活化的電極在其表面仍會較為乾燥， 10使溶液完全汲入其多孔結構内部。經活化後，在模塊308， 將屯極置入谷器中直到即將用於後續製造及組裝程序為 止。 , [0028]第4圖顯示一可供用於前述電極活化方法的腔室 4〇〇。可利用一位在腔室400内的盤或平台402來固持電極 15 404。可將一真空泵406連接至腔室400以排出腔室内的空 氣。藉由真空泵406排出空氣可包括從電極404的多孔結構 内部移離氣體，使得電極404變得具有高度可溼性。可從外 部接近諸如入口 408的一或多個開口，以將物質導入經排空 的腔室内。入口408可供用於例如將活化電解溶液導入含有 20 現已具可溼性之電極404的腔室内。例如，可運用超過一個 入口 408以利用多種電解質溶液來活化多個電極。如先前所 述，減壓環境可致使溶液一經接觸就立即被汲入電極結構 内，而使得可將多種溶液導入於腔室以供同時活化多個電 極，即使這些電極屬於不同種類。 14 200830615 、_9]供用於活化電極的電解溶液可藉由將溶質溶解 ^水性溶劑而製成。供用於各個陰極和陽極的溶液可被 選疋成符合於某些要件。例如，溶液能夠溶解鹽類至一足 夠的濃度。溶液可具有足夠低的黏度以支持流暢的離子傳 5輸。溶液可對於其他電池組件保持惰性。溶液能夠在陽極 表面形成一個SEI，以使得該SEI在高溫下維持安定而不會 &曰包池性能。溶液可使具有高度氧化性的陰極表面在高 电池電位下的氧化反應最小化。溶液亦可具有數種性質， 以使彳于其與極材料相組合時僅經歷最低程度的還原反 10應。再者，溶液可藉由具有一低熔點以及一高沸點而在一 寬廣溫度範圍内維持液態。溶液亦可具有一高燃點以及低 毒性以使得其具有安全性，而且其亦可以是便宜的。 [003 0]熟習於本項技術人士將會知悉符合於個別陰極 或陽極的一些或全部前述要件的許多不同電解溶液。相容 15 於c/Lico〇2電極活性材料之電解溶液的一些實例包括：1 mol被溶解於PC/DEC溶劑組合内的LiPF6; 1 mol被溶解於 PC/EC/y-BL溶劑組合内的LiBF4鹽；被溶解於EC/DEC/助溶 劑(EMC，DMC)之組合内的LiPF6鹽；被溶解於EC/DMC溶劑 組合内的LiPF6鹽；以及被溶解於EC/助溶劑之組合内的 2〇 LiPF6/LiN(CF3S〇2)2。當然，熟習於本項技術人士將會認知 到這個名單並不具排它性，許多其他實例亦屬可能。 [0031]諸如EC、PC、DMC、DEC、EMC、甲乙颯、 ΜΑ(乙酸甲酯）、EA(乙酸乙酯）等碳酸酯和酯類可能更具陽 極安定性，因而適用作為陰極電解質調配劑。另一方面， 15 200830615 陽極薄膜形成添加劑可能會因為持續的氧化作用而對於這 些陰極電解質造成逆向效應。結果是，陰極性能或多或少 會劣化。這些溶劑可單獨使用或是將二或多者組合使用。 當然，熟習於本項技術人士將會認知到這個名單並不具排 5它性，許多其他實例亦屬可能。 [0032] —些相容於陽極活性材料的電解溶液之實例包 括SEI薄層形成添加劑以及酯類溶劑。酯類溶劑可包含 (四氫呋喃)、DME(1，2_二甲氧基甲烷）以及諸如y_BL、γ-戊 内酯等羧酸酯。SEI薄層形成添加劑可包含Vc_碳酸亞乙烯 10酯、ES-亞硫酸乙烯酯等。這些溶劑亦可與酯類溶劑組合應 用。再-人，热習於本項技術人士將會認知到這個名單並不 具排它性，許多其他溶液對於還原反應亦可具有良好抗 性，因而為合適的陽極電解質調配劑。 [0033] 陽極被活化之後，在它們的表面上可形成有一個 15 SEI薄膜。如第5A圖所示，陽極SEI薄層的原位化學形成可 藉由將一鋰金屬薄層5〇〇設於陽極502上來達成。該鋰金屬 可包含一個例如藉由將鋰金屬濺鍍於一銅箔上而形成的箔 片亦叮使用一鐘金屬薄片或是一表面賤鍍有裡金屬的金 屬化聚合物薄膜。熟習於本項技術人士同樣會知悉其他的 20適當選項。陽極與鋰金屬層的厚度可大約相同。舉例而言， 鋰金屬的厚度可為約2至3〇 μΐη。然而，其他厚度也可以。 陽極與鋰金屬層可藉由手工、機械手臂或其他機械裝置而 對準設置在一起。可利用例如一輥504來施壓 ，以使鋰金屬 層更完全且直接地與陽極的整個表面區域相接觸。 16 200830615 [0034] 如第5B圖所不，這兩個薄層可隨後被例如麥拉 φ =的另—層材料篇所覆蓋。接著，可啟動-被併設於 口 512内的真空源51〇，以確保陽極與耗之間的良好 界面接觸。隨後，令链金屬層·短路至集電體爾，歷時 -段短時間’例如約15分鐘或是3()分鐘以内其他時間量。 該短路可例如彻—簡單的電路關來達成。此時，鐘金 屬會與位在陽極表面的電解㈣原產物進行反應。詳古
10 15
之，一電化學反應會在㈣氧化時發生，以生成具有正; 的鋰離子並釋出電子。 电卞釋出的電子可在溼態陽極内與電解 質溶劑進行反應，該電解質溶劑可被還原並隨後與鐘離子 進行反應。因此，前制於活化陽極的電解溶液可含有特 殊溶劑和添加劑，以促使石墨陽極表面上形成離子傳導性 SEI薄層。SEI薄層的形成程序可在耦合鋰金屬5〇〇和陽極 502的包壓《例如一為約3V的起始數值下降至約^刪v時 凡成。可持續監測該電壓且可利用數位或軟體邏輯而自動 開啟電路開關或是在測出電壓下降時切斷該短路。 [0035] SEI薄層的形成動力學可依據活化電解溶液的 配方、用於陽_石墨種類、石墨·鋰金屬接觸點的狀態以 及石墨與鋰之質量間的平衡而定。詳言之，形成足夠的sei 2〇薄層所需要的鋰用量係與石墨表面積和石墨在陽極内的含 里成比例。該比例關係可被表示成mLi = ksmGr，其中11^為 形成一足夠的SEI薄層所需要的鋰質量，mGr為石墨在陽極 内的貝蓋’而Ks為一與石墨表面積成比例的係數。但是， 對於在溼態陽極表面上形成適當的sm薄層來說，該等用量 17 200830615 無需精確。 [0036]在原位形成SEI薄膜之後，可形成一雙相聚合物 電解質薄膜並將之直接塗覆在陰極和陽極上。一固體聚合 物電解質薄膜可包含一能夠溶解無機鹽並接受聚合物增塑 5剤和改質劑的聚合物網絡。它亦可於室溫下展現出足夠的 傳導性以供電池運作。然而，熟習於本項技術人士將會認 知到同溫下可達到較好的傳導性，因為這些聚合物離子導 體的内^運動係與聚合物玻璃轉移溫度有關的局部結構鬆 弛性緊搶相關。然而，若電極未在聚合物電解質塗覆之前 10被/舌化，則可能造成固體聚合物電解質薄膜與電極材料之 間的不良界面接觸。進而使得即使在高溫下亦不易完成離 子之傳輸。 極 15 20 [0037]藉由在塗覆聚合物電解質於電極上之前活化電 可顯著地降低因為固體聚合物電解質薄膜與電極材料 之間的不良界面接觸所造成的無效率離子傳輸。令活化期 間被載入電極㈣空間㈣液體電解質，組合以被夹設於 電極之間且用於阻斷二種分別活化陽極和陰極的不同電解 質間之連通的凝膠-聚合物電解質薄膜，有助於增進離子傳 輸通過接觸界面。因為電極可經由該預備性活化作用而被 充分遂化和賴’所叫極/電解質界面可充分延伸至多孔 ^極結構内，從㈣成凝膠電解質和電極之間的連續網 -。因此，界祕抗可被料地降低，而賦予所得電池增 =可循環性、接受高電流之能力以及增進之安全性。該 ^物電解質_可具有—微孔結構’該微孔結構不具有 18 200830615 可以建立電極間之電氣連接的空隙。該微孔薄膜因而可作 為陽極和陰極之間的良好絕緣體。 [〇 〇 3 8 ]為形成聚合物電解質薄膜，可將經活化之陽極和 陰極以一父錯形式併排設置在一支承片上。隨後將一聚合 5物電解質溶液直接塗覆於電極表面上。該電解質組成物可 含有基礎1合物以及數種共聚物，俾於堆疊電池電極後 供黏合電池電極之用。該基礎聚合物可被配製成能夠在塗 覆於各陽極和陽極上之接觸電解質層間的界面處以及在電 極和電解質層的界面處達成緊密分子接觸。此可增進結合 10強度以及通過聚合物界面的離子傳導性。當電解質組成物 内的攜載溶劑蒸發時，可得一均質雙面之聚合物電解質薄 膜且可包括延伸出電極側緣以外至一例如不超過100 ±0.10mm之程度的邊緣。 [0039]第6圖顯示一塗覆裝置之實例，其可供用於將電 15解質薄膜直接塗覆在電極表面上。一塗覆頭600可包括一用 於容納聚合物電解質溶液的貯槽6〇2，以及環設於其下緣的 數個鋒利刀片604。這些鋒利刀片604可圍繞於電解質薄膜 形成期間座落在塗覆表面6〇8上的各個電極。這些刀片可形 成一可解除式留置界限俾於聚合物電解質溶液從電極6〇6 20上之貯槽602流出時供留置聚合物電解質溶液之用。該留置 界限可包括電極606的側緣和刀片604之間的空間，以使得 當聚合物電解質溶液被施加於電極6〇6時，其亦被施加於塗 覆表面608介於電極側緣和鋒利刀片604之間的外露部分。 這些刀片係足夠鋒利以例如與塗覆表面緊密接合並達成緊 19 200830615 密接觸。該緊密接觸可確保塗覆表面的任何不規則不會在 塗覆表面與鋒利刀片之間產生任何顯著的孔洞、空間或空 隙。因此，被施加於塗覆表面608之外露部分的黏性電解溶 液在塗覆程序期間可能無法滲入。換言之，令鋒利刀片6〇4 5與塗絲面相接觸時，鋒❹片6〇何有效地使得電解溶液 在被施加於電極表面時留置在塗覆頭之範圍内。 [0040]塗覆頭_可在塗覆電極_時移動通過塗覆表 面。其速率可依據電解質層之形成速率而定。在施加電解 質塗覆之後約mu)毫秒，-表面薄膜可形成於上。此表面 薄膜可避免電解質塗覆溶液在塗覆頭移開並行進到下一電 極之後散佈至塗覆刀片所建立之界限以外。當該可解除式 界限的刀片在電解溶液已部分乾燥之後離開，所得薄膜可 具有無孔洞、裂縫或顯著波紋的實質平整邊緣。完全蒸散 後，當電解溶液已乾燥且變成一固體聚合物複合物時，該 15固體聚合物複合物薄膜亦可具有無孔洞、裂縫或顯著波紋 的實質平整邊緣。在施加後約3分鐘，溶劑可於室溫下被完 全蒸散。當然，熟習於本項技術的人士當會認知到，這些 時間均為近似值且可依據多項因素而定，包括例如塗層的 厚度和配方在内。塗覆頭移動的速度可被限定成不超過聚 20合物電解質表面之形成速率。換言之，塗覆頭可維持在一 電極上方且其鋒利刀片與塗層表面緊密接觸，至少經歷在 電解質塗層上形成一表面薄膜所需要的時間長度。但是， 塗覆頭移動的速度可在不超過此一最低容忍值之下儘量快 速，俾以不致過度衝擊製造速度。溶劑蒸散之速率可由該 20 200830615 之能量、溶劑物種之揮發性以及局部 種以及溫度而定。因可依據周遭之氣體、溶劑物 溶劑的溫度將哪由提供ζ外要注入能量，所以提高 5 10 15 20 ^ 、頜外能量而加快表面蒸散過程。 ⑽41]在利b、於陽極上形成細薄難及於陽極和陰 =形成聚合物電解質薄膜之後，可將經塗覆之電極堆: (而域-個鐘離子聚合物電池。當堆疊經活化且經 门、=¾極時’可恆m崎漸增高之層疊體的電摩。 Z蝴可被預期為_已知值，且被預期在加入各個新 —曰宜上去的電極後仍會維持於—蚊位準，所以在加入 们新電極至層豐n將電壓下降的情形下，該電極 可被辨識為不良者。不良電極可隨後丟棄之。 ^ [_2]第7圖為顯示用以組裝一鐘離子聚合物電池之層 :過私的流程圖。在模塊7〇〇，—電池室層疊體可藉由每次 豐加:個新電極來形成。該層疊體可包含_呈重覆交錯形 陽極矛陰極。這些電極可藉由例如手工、機械手臂或 ^他機械裝置而個㈣添加至層疊體。可怪定地監測此一 1至層宜體的電壓’以檢測出由於添加各個電極所造成 的意外電壓下降。該電壓可利用一電壓表來監測，例如具 =數條月b夠被可操作性地連接至組裝中之電池室層疊體各 端之導線的電壓表。依據電壓監測，電極可於決策模塊術 處被檢測。在-電極在電池室層疊體中造成意外電壓下降 的情形下，其在模塊7〇4處會被辨識為一不良電極並被丢棄 之。不良電極可藉由例如手工、機械手臂或其他機械裝置 21 200830615 5
而移離電池室層疊體。可隨後令之接受進_步测試且可$ 著將之丟棄。雖然電池可被製造成具有寬廣範 麼，但層疊體組裝㈣的意外電壓下降可包含例如超= 70%的下降。然而，若電壓在預期數值内維持恆定 、: 電極可被咖為可接受者。不良€極_财藉n = 化程序來進行，例如以電壓監視器為可操作性界面的^ 或軟體邏輯。當測得電壓下降時，其亦可包括人為介入 再者’不良電極的辨識可涉及額外的測試，以驗證所〇 的電壓下降係肇因於經辨識出的電極。 、' 1〇 [_]在決策模塊7G6，電池室層疊體之尺寸可相當於 所欲之屯池尺寸。若需要更多電極來完成電池，則可在模 塊·持續進行層疊程序。當電池室層疊體終於達到所欲尺 寸時，可在模塊708完成—電池。電池的完工程序可包括例 如提供連結至陽極的單—負導線以及連結至陰極的單一正 15 ^線、確保電解質聚合物的延伸邊緣能使電極側緣有效地
、、巴緣、以及將層疊體輯於可撓性包裝件内。 [〇〇44] u上敘述内容係提供來致使熟習本項技術人士 能夠倾本說明書中所述諸多具體例。對於熟習本項技術 ^士而° 些具體例的諸多變化乃是至為明顯的，且本 Z月窃所敘述之上位原則可適用於其他的具體例。因此， ^申明專利祀圍不意欲囿限於說明書所示具體例，而是 =符合於^專利_文料完整斜，其卜以單數 :’不，之：件除非特別指明以外並非表示“ -個且僅有-是表不 或多個”。整個揭露内容中所述諸多具體 22 200830615 例之元件的所有結構和功能等效體均被明白地併入於此作 為參考，且為申請專利範圍所涵蓋。再者，本說明書中所 揭露之内容無一者意欲奉獻給公眾領域，無論此揭露内容 是否於申請專利範圍載明。申請專利範圍之元件無一者應 5 依據35 U.S.C. §112第6段的規定來解釋，除非載明該元件係 利用“用於…之構件(means for)”此用語，抑或是在方法請求 “ 項中載明該元件係利用“用於…步驟(step for)”此用語。 【圖式簡單說明3 ® 第1圖顯示一鋰離子聚合物電池；第1A圖顯示一放大 10 圖； 第2圖為顯示一用以製造一鋰離子聚合物電池之方法 的流程圖； 第3圖為顯示用以製造一鋰離子聚合物電池之方法之 其他態樣的流程圖； 15 第4圖顯示一可供用於某些態樣之鋰離子聚合物電池 ^ 製造方法的腔室； 第5A及5B圖顯示一種在陽極表面上形成一固體電解 質界面膜的方法； ‘ 第6圖顯示一可供用於某些態樣之鋰離子聚合物電池 20 製造方法的塗覆裝置；以及 第7圖為顯示用以製造一鋰離子聚合物電池之方法之 其他態樣的流程圖。 【主要元件符號說明】 100···電池 102···電池室、電池室層疊體 23 200830615 104...放大圖 500···鋰金屬層 106…陽極 502…陽極 108…陰極 504...1¾ 110...聚合物電解質層 506…材料 112...負電輸出埠 508...集電體 114...正電輸出埠 510...真空源 116...包裝件 512·.·支承台 200,202,204,206,208···模塊 600···塗覆頭 300,302,304,306,308…模塊 602···貯槽 400...腔室 604...刀片 402...盤或平台 606...電極 404···電極 608...塗覆表面 406...真空泵 408···入口 700,702,704,706,708…模塊 24

Claims (1)

  1. 200830615 十、申請專利範圍： 1. 一種用於製造鋰離子聚合物電池的方法，其包含： 以一集電器及一多孔材料來形成一陽極，該多孔材 料具有含一電解溶液之空間； 5 令該陽極之表面與一鋰金屬層相接觸；以及 Λ 使該鋰金屬層短路至該集電器以使得鋰離子從該鋰 金屬層釋出； 其中釋出的鋰離子與來自於該電解溶液的還原產物 進行反應，並在該多孔材料上形成一固體電解質層。 10 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該鋰金屬層包含 經濺鍍之鋰金屬。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該鋰金屬層與該 陽極的厚度大約相同。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該厚度為低於約 15 30μιη 〇 ^ 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該令陽極之表面 與鋰金屬層相接觸的步驟包含施加壓力至該鋰金屬 層。 ‘ 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該壓力係以一輥 20 來施加。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該令陽極之表面 與鋰金屬層相接觸的步驟包含施加一真空至該陽極和 該链金屬層。 25 200830615 8.如申請專利範圍第i項之方法，更包含監測該鍾金屬 層和陽極的電壓，以及其中該鐘金屬層被短路至該集 電器直到測得的電壓下降至低於約l5〇mV為止。 5
    10 15
    20 9·如申請專利範圍第！項之方法，其中該鐘金屬層被短 路至该集電器歷時低於3〇分鐘。 10·種用於製造鋰離子聚合物電池的裝置，其包含· 用於以集電為及一多孔材料來形成一陽極之構 件，該多孔材料具有含一電解溶液之空間； 用於令該陽極之表面與—M金屬層相接觸之· 以及 ’ 用於使該㈣屬層短路至鶴電器之構件，以使得 鋰離子從該鋰金屬層釋出並被該多孔材料所接受；传 其中釋出驗離子與來自㈣電解溶㈣還原產物 進行反應，並在該多孔材料上形成_固體電解質居。 11·如申請專利範圍第10項之裝置，其中該用於令陽ς之 表面與鐘金屬層相接觸的構件包含用於施加壓力至該 鋰金屬層之構件。 甲料鄉圍第11項之裝置，其中該用於施加壓力 之構件包含一輥。 13. 如申請專利範圍第10項之裳置，其中該用於令陽極之 表面與鋰金屬層相接觸的構件包含—真命 14. =請專利範圍第10項之裳置，更‘於監測該鐘 金屬層和陽極的電壓之構件，以及用於在測得的電壓 下降至低於約150Μν時切斷該短路之構件。 26 200830615 15.如申請專利範圍第10項之裝置，更包含用於在低於 30分鐘内切斷該短路之構件。
    27
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