TW480765B - Method of making laminated polymeric rechargeable battery cells - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 480765 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明背景 本發明有關一種製造可充電電解電池單元之方法，該電 池單元包括一種聚合物電極之單一疊片與隔板元件。特別 是，（本發明有關在單一操作中成形並裁切此種電池單元大 小之經濟方法，其代替數個先前操作，但是確使各個電池 元件間之適當定向與大小關係。 目前由包括聚合物組合物之撓性板的電極元件製備多用 途可充電電池單元，諸如鋰離子插入電池，該聚合物組合 物中分散有細碎粒子狀材料，其可於電池充電/放電期間可 逆插入鋰離子。此等材料包括鋰金屬氧化物插入化合物， 例如LiCo02、LiNi02與LiMn204作爲正電極組份，以及破材 料’邊如石油焦碳與石墨作爲負電極組份。 該電池結構中包括撓性電極-插入隔板層元件，其包括與 電極元件中所使用聚合物基本上相同種類之聚合物，因此 促進元件層之熱疊片作用，最終形成該電池組複合物。亦 可於該疊片操作中結合額外電池元件（諸如金屬箔電流收集 器）與該電池組結構。 本結構之疊片電池單元代表示於本説明書之圖1，電池單 元之一般製法更詳述於U.S. 5,460,904，而且其相關專利説 明書以提及的方式併入本文中，其討論代表性組合物與調 配並疊片複合鋰離子電池之製程。 該疊片聚合物電池組之工業發展過程中，對於保持此等 電池整體性與操作條件之特定需求變得很明顯。例如，雖 然原本預期單一電池叠片電池組之經濟大量製造可以製造 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ 裝-------訂---I-----線 〈請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 480765 Α7 Β7 五、發明說明（2 ) 大型主疊片體，然後例如以常見截切機或是類似”穿孔π設 備垂直裁切該主體，製得所需大小與形狀之此等電池組， 但是此預期方法無法滿足若干原因。 (首先，該電流收集器層元件致使此等元件之導電片斷壓 入疊片聚合物電極與隔板層，造成該電池中最終短路。此 外，電極層組合物本身之類似作用迫使此等元件邊緣部分 如此接近，因而無法避免短路發生。 於隔板層形成之壓縮作用中觀察到該實務之另一缺點。 雖然此狀態部分係歸因於電極層間之有名的短路，但是更 重要的是其可使過多之鋰離子流過位於電極間之隔板的縮 短邊緣厚度，實際上使離子旁通至該隔板元件邊緣，導致 該電池充電期間金屬鋰於負電極元件邊緣之危險電鍍。在 一種在問題位置提供更多離子插入材料以避免此種電鍍狀 況之努力中，該結構中包括過多負電極組合物，其通常呈 一種擴大電極層形式。雖然其可減輕某種程度之電鍍問題 ，但是整體而言，實際情況直接導致該電池中過多無生產 性電極材料，因此增加電池重量並降低比電容。 更直接但是更不經濟之實務係於疊片之前取得將適當大 小電池層元件，包括過大之隔板層以提供電極間之充分邊 緣距離，避免離子旁通及危險電鍍。以此方式可以完全消 除先前裁切問題，但是該製造方法有關多次裁切與個別電 池元件處理之缺點，以及疊片期間排列並使此等元件維持 適當記錄以達成所需結果之更大問題。 另一方面，本發明之電池製造方法使可以經濟地使用一 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 480765 ---^ A7 五、發明說明（3 種王疊片體，其提供避免電池元件損壞及變形等原有問題 之方去其中此等損壞與變形係由穿孔-裁切作用所致，並 且另外可以直接形成充分電極間隔板邊緣材料，避免電池 再充電期間離子旁通與金屬鋰電鍍。因此，本發明可以大 幅節省時間與材料，以及提高使用疊片聚合物電池單元時 原本想像之電池效率及電容。 發明總論 本發明方去中，以上述參考説明書中所述方式進行電池 單元元件之製造與疊片作用，此係使用例如加熱加壓滾筒 該滾请製成單一大面積或是連續板主電池疊片，由彼^ 切個別單—電池單元。然而，與先前倾穿孔·裁切或是垂 直切碎操作不同的是，仏發明使用一種橫向切割操作，其 、個平面經由該畳片體拉一裁切刀片，該平面與疊片屑 平面之垂直呈相當大角度》 曰 (因馬此裁切操作之結果，製得個別電池，其可爲任何形 狀或大小，而且其提出之元件層邊緣不僅大體上不會污染 相鄰層材料’而且斷面大小遠大於個別層本身之厚度。以 A匕万式，藉由隔板層所確立之較大電極間邊緣間隙避免鋰 離子旁通與金屬電鍍之傾向、 / 圖式簡述 參考附圖描述本發明，其中 圖1係適用於本發明應用之代表性疊片鋰離 構之斷面透視圖； 早7°結 圖2係製備疊片鋰離子電池單元結構之先前技藝方法中最 本紐尺_冢標準（CNS)A4規格⑽χ 297公髮） I ^--------t---------線 C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6- 480765 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 終嵌段操作之斷面透視圖； 圖3係本發明疊片鋰離子電池單元結構之斷面正視圖。 曼詳述 (已經由上述參考專利説明書中所述之現有技術進展經濟 地製造適用之疊片麵離子電池單元。此種電池〗〇之代表性 結構示於圖1，而且基本上包括正負電極層元件13，17， 其間插入一電子絕緣且可穿透離子之隔板元件15，其包括 例如一種微孔狀聚合物基質，以一種聚偏二氟乙烯共聚物 ，一種麵鹽電解質溶液容易吸收於其中。此等電極元件分 別包括一種鐘化插入化合物，例如LixMn2〇4與一種可以可 逆插入鐘離子之互補材料，例如呈石油焦碳或是石墨形式 之碳，其各以細碎微粒子分散於一種聚合物基質，例如該 著名共聚物。導電電流收集器丨1，1 9 (以鋁與鋼爲佳），其 藉由熱疊片作用分別與個別電極元件i 3，i 7黏合，形成電 極構件，其依序與隔板元件15同樣黏合形成一個單一蓄電 池組電池。爲了促進該電池之後續加工，諸如操作鋰鹽溶 液電解質，該收集器元件n，19可滲透流體爲佳，諸如呈 網狀膨脹金屬柵形式。 代表性先前技藝電池結構之製造方法示於圖2，其中事先 疊片之正負複合電極構件分別包括收集器柵與電極元件2 i ，23與27，29。將聚合物隔板層元件25(其已裁切對外圍 大小略於電極元件23，27)小心地依記錄排列在此等元件 之間，確使其邊緣超過電極元件2 3，2 7之邊緣。然後以箭 頭方向施加之熱與壓力下疊片該集合物，形成一個單一電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I--I-----I!裝 i I I---—訂.11!! -^ {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 480765 A7

五、發明說明（5 ) 池單7L。隔板層元件邊緣2 6向外延伸之目的係使個別電極 層材料片之間發生短路接觸之機會最小化，以及在曝露之 隔板邊緣表面26的電極元件23，2 7之間形成一條過長路徑 ，阻止放電期間鋰離子繞過該隔板邊緣，因而避免金屬鐘 電鍍在負電極元件2 7之離子飽和邊緣2 8。此方式中除了使 用過大隔板元件之外，很尋常地提出過多負電極材料，其 呈電極元件厚度28大於正電極23厚度22之化學計量平衡。 隔板25與負電極元件27之材料數量增加僅作爲避免方法， 而且不會直接對電池組功能有所貢獻，單單降低該電池單 元之比電容〇 ; 適用於本發明之代表性聚合物疊片電池單元組合物與元 件層與參考説明書中所述者相似，而且如下列實施例般製 備。 實施例1 將3 0重量份數約380 X 1 〇3 MW之8 8 : 1 2偏二氟乙烯（VdF) • /、氣丙婦（HFP)共聚物（Kynar FLEX 2801，Atochem)與 20 份數矽烷化煙霧狀氧化矽懸浮於約2 0 0份數丙酮，並於該 混合物中添加約4 0份數苯二甲酸二丁酯（DBP)增塑劑。將 該完成混合物加溫至約4 〇，促進該共聚物溶解，並於一 個實驗室球磨機中均化約6小時。將部分形成之淤漿塗覆於 一個玻璃板上，其與一個刮刀裝置之間隙約〇 · 5毫米。使該 丙酮塗覆载液在室溫且適當流動乾燥空氣下，於塗層圍繞 内蒸發約1 0分鐘，製得一種堅韌、撓性且塑性化薄膜，其 係自玻璃板剝除。該約〇 · 1毫米厚度之薄膜容易裁切成任何 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ---II--訂· -----I 1 — *5^ 丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 480765 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（6 ) 所需大小與形狀之隔板元件。 實施例2 在一個覆蓋蓋子之不鏽鋼摻合機中，以每10分鐘2500轉 捧合65重量份數之53微米過篩LixMn204(其中1 < X $ 2 (例如 以美國專利5,266,299中描述之方式製備LiusMt^CU))、10 份數實施例1之VdF : HFP共聚物（FLEX 2801)、18.5份數之 苯二甲酸二丁酯、6 · 5份數導電性碳（比利時，MMM Carbon 之Super-P Black)與約100份數丙酮之混合物約1 〇分鐘，使 之均句化’製備一正電極組合物。於該混合容器中短暫地 、 今 施加減壓，使所形成淤漿除氣，然後以一個間隙約〇 4亳米 之刮刀裝置將一部分塗覆在一個玻璃板上。使塗覆層在室 溫且適當流動乾燥空氣下，於塗層圍繞内蒸發約1〇分鐘， 製得一種自玻璃板剥除之堅韌、撓性且塑性化薄膜。該薄 膜包括約6 5重量％之微粒子狀活性插入材料，其約為q 12 毫米厚，而且容易裁切成任何所需大小與形狀之電極元件。 實施例3 在一個覆蓋蓋子之不鏽鋼掺合機中，以每1〇分鐘2500轉 摻合65重量份數工業用石油焦碳（McmB 25-10，Osaka Gas) 、1〇份數實施例1之VdF : HFP共聚物（FLEX 2801)、21.75份 數之苯二甲酸二丁酯、3.25份數Super-P導電性碳與約loo份 數丙酮之混合物約1 0分鐘，使之均句化，製備一負電極組 合物。使所形成淤漿除氣，然後以一個間隙約〇 · 5毫米之到 刀裝置將一部分塗覆在一個玻璃板上。使塗覆層在室溫且 適當流動乾燥2氣下’於塗層圍繞内蒸發約1 〇分鐘，製得一 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝-------1訂·--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 480765 A7 熱 成 片 極 五、發明說明（7 種容易自玻璃板剥除之堅勃、挽性且塑性化薄膜。該薄膜 已括、力6 5重量/〇之锨粒子狀活性插入材料，其約為毫 米厚’而JL谷易裁切成任何所需大小與形狀之電極元件。 實施例4 _如下’根據圖2所示之先前技藝方式製備包括前述元件之 單一電池單元。將呈約30微米厚開放式柵形式之鋁箔正電 流收集器21 (例如Delker公司的微格柵精確擴展箔）修整為 =80毫米X40毫米。為了加強其對於結合電極元件層之後 績黏附性，並改良接觸電阻，柵21係經氧化物清洗表面， 諸如鹼洗，並浸潰塗覆一種工業電池組等級導電碳黑（諸如 MMM Super P)分散於市售聚乙婦與丙烯酸共聚物水性懸浮 液中之導私性起動組合物，例如M〇rt〇n如打⑽仙仙丨Adc〇te primer 50C12。充分稀釋該流體組合物以保存該柵之網狀性 質’並在該柵線上空氣乾燥成約丨_ 5微米厚之塗層。 自實施例2之薄膜裁切成8〇毫米χ4〇毫米部分，形成正 電極元件2 3，然後依記錄組裝其與柵2 i，並於一個工業 壓滾筒卡疊片裝置中，以約12〇·15〇χ：疊片該集合物，形 複合正電極構件2 1，23。自實施例3之薄膜與一 MicroGdd膨脹銅箔板分別裁切成8 〇毫米X 4 〇毫米之負電似 元件27與收集器元件29，同樣疊片之，形成複合負電極構 件27 ’ 29。將一部分實施例1薄膜裁切成約85亳米乂^亳 米形成隔板元件25，其中心記錄於先前製備之複合電極構 件之間，如圖2所示，並於約100-12〇。〇：疊片該集合物，形 成單一電池單元結構，其中隔板25之邊緣26超出電極構件 I — — — I · I I I--I I ^ · I---I I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 480765 A7 B7 五、 發明說明（8 ) 外圍約2.5毫米。然後以電解質溶液吸收萃取增塑劑，並以 著名參考資料所述之方式密封包裝。 前述實施例中所敘述之多重操作與重複處理和加工步驟 代表電池單元製造工業中以前流行之之無效率方法。伴隨 對於電池電容與延長使用時間之前述不利效果，此等無效 率非常需要經濟製造所需聚合物疊片電池組。 相對於先前實務，本發明具體方法提出一種迅速有效而 且I濟之聚合物電池單元製造方法，其如下列實施例所示。 實施例5 將實施例1-4心隔板、電極與電流收集器元件板裁切成相 同大小，並螢片之形成一片單一主電池板1〇，諸如圖又所 一示。因爲未疊片比較性大小之元件，如上述實施例4中先前 记錄製造方法所需者，以有效率且連續網狀製程形成該主 板，該製程例如描述於參考資料!^』5 46〇9〇4。 利用正交橫向切割，沿著想像導線12，以設定與該主板 主要平面表面垂直之角度14的刀片’自該主板裁切成約8〇 *米><4()毫米所需外園大小之單—電池單元。然後處理形 成之％池單疋結構以結合電解質溶液，並如先前電池般包 裝，提供使用期限長而且能量貯存電容—致高之可 池組。 ，匕進行切』之獨特方式消除有問題之層破裂與壓縮力-其 導致先前電池Μ中之-般困難，而且重要地製得-種^ 角度私池邊緣表面3 2 (圖3 )，其立刻提供伸長隔板層邊緣 36 ’以妨礙麵離子旁通，並於負電極元件3 7之伸長邊緣3 4 -------------^-------It---I---1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11-

480765 A7 -------— B7_____— _ 五、發明說明（9 ) 露出添加之插入材料，以調整稀少之旁通離子，另外避免 危險的金屬電鍍。 該電池層邊緣之伸長範圍係經由主電池結構嚴格切割角 度t函數，因爲此等邊緣諸如36定義爲三角形層部分之斜 邊（諸如於38處之想像線），其係於修整電池材料時去除。 已發現孩角度在約3 〇。至約6 〇。時爲佳，其提供約〗6 %至 1 0 0/〇之伸長邊緣，但是不會使該電池結構過度脆弱。已證 明伸長率約2 2 %至5 6 %之約3 5。至5 0。角度特佳。 根據本發明進行電池單元有角度邊緣修整之設備係市售 者，其具有各種複雜度水準，自單手握式平坦刀片裝置， 諸如用於裁切圖框檔器，至安裝切斷機之電腦控制χ_γ製 圖系統。在較精細種類之設備中，該裁切元件可爲移動式 刀片或切除裝置，諸如電漿噴頭與雷射光束。以此方式， 極容易且迅速製造任何可能大小與形狀-自圓形至多邊形· 之單一電池單元，以符合應用之需求。 可以預期熟悉t技師由前述説明書見解容易明白本發明 其他具體實例與變化。此等具體實例與變化同樣係包括在 附錄申請專利範圍所界定之本發明範圍内。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

- I I I I I I 1 11111111 I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I .1 ϋ ϋ n I ϋ I I n >1 n n ϋ n I ϋ ϋ n ϋ n · -12-

Claims (1)

1. 480765 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2. 6. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一種可充電電池組之製造方法，該電池組包括正負電極 層元件，此等.電極層元件間插入一隔板層元件，各個元 件包括一撓性聚合物基質薄膜組合物，而且黏合於鄰近 元件之各別界面上，形成—種單一多層平面電池單元結 構， 其特徵係 a) 琢等元件層邊緣位於至少一個共同平面，及 b) 以與孩結構主要平面表面垂直角度通過該電池結構 ’平切裁切形成該至少一個平面。 如申請專利範圍第1項之方法，其中貫穿數對切片以形 成電池組外圍。 如申請專利範圍第1項之方法 6 0。範圍内。 如申請專利範圍第1項之方法 5 〇 ^範圍内。 如申請專利範圍第1項之方法 種固定或移動式刀片裝置進行 如申請專利範圍第1項之方法 切除裝置進行。 一種可充電電池組，該電池組包括正負電極層元件，此 等電極層元件間插入一隔板層元件，各個元件包括一撓 性聚合物基質薄膜組合物，而且黏合於鄰近元件之各別 界面上’形成一單一多層平面電池單元結構， 其特徵係 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其中該角度在約3 0。至 其中該角度在約3 5。至 其中該裁切作用係以一 其中該裁切作用係以一 -13 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） · I - i n (ϋ n n 一-°J« n ϋ n n n ϋ 1 I I . · ϋ n I— n ϋ n n ·ϋ n ϋ -I n -ϋ ϋ n ϋ ϋ ϋ ϋ I I 480765 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 a )該元件層邊緣位於至少一個共同平面，及 b)以與該結.構主要平面表面垂直角度通過該電池結構 平切裁切形成該至少一個平面。 -----------------r---^---------線 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）