TW499772B - Low impedance folded polymeric laminate rechargeable battery and method of making - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499772 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明背景 本發明有關一種可充電電解質電池組，其係由聚合物電 極之單一撓性片層電池單元板與隔板元件，以及導電性箔 電流收集器元件製得。特別是，本發明有關一種摺疊該片 層電池單元板使此種電池組成形且決定大小之方法，其摺 疊方式係使該電池組末端位於收集器元件某些位置，其最 小化電流流經收集器之距離，因此降低該電池内產生之阻 抗。 目前多用途可充電蓄電池組電池（諸如鋰離子插入電池） 係由包括電極元件製備，此等電極元件聚合組合物之撓性 板，其中分散有細碎粒子材料，其可於電池組充電/放電 期間可逆地插入鋰離子。此等材料可能包括鋰金屬氧化物 插入化合物（例如LiCo02、LiNi02與LiMn204)作為正電極 組份，以及碳材料（諸如石油焦炭與石墨）作為負電極組 份。 該電池結構中包括撓性電極插入隔板層元件，其包括與 該電極元件所使用基本上相同種類之聚合物，因此促進元 件層之熱層疊作用，以最終形成該電池組複合物。亦於層 登操作時將金屬箔電流收集器元件與該畜電池組電池結構 結合，基本上將此等收集器埋入各電極層元件表面。 代表本結構之片層蓄電池組電池示於本說明書之圖1， 蓄電池組電池製造之一般方法細述於美國專利5,460,904， 而其相關專利說明書（以提及的方式併入本文中）討論代表 性組合物以及調配並層疊複合鋰離子電池之製程。 -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--------- Φ— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明說明（2 該簡單單-電池(其代表 厚，而且可製成任何所需面積之：圖1通常約〇·4毫米 連續方法，可製成數米長之或者若使用一種 故，於後續處理及轉換成最：二 =該1層的撓性之 式貯存。 大小足前，以捲狀形 如前述參考資料所注咅， 池組之-般表現視電接：件之二=’該聚合物片層電 説，蓄電池組電池之操作，n结構而定。也就是 別電極）間之動電勢差由活性材科（包括個 池中包含此等材料之數量而定。可力視該電 訂 數改變最終電池組電壓，而且可；連接之電池 池、择加由並聯排列若干單一電 :^池中電極層之厚度或是數 ::面積(即大小)增加其電容。影響電池組電“ =姊以後者最方便，因爲其需要外部材料最少，諸如連 =二:二較少處理步驟，而且亦可保持較薄片層之撓 性與較咼功能速度。 羲 然而，後者實務會產生實際缺點，其中若使其保持平板 狀’具有適用電容之單一電池大小極龐大。因此通常使用 適备寬度疋細長條狀板狀之電池，以次要橫轴將該板 緊緊捲起，或是與此等軸平行鋸齒狀或摺疊方式重複摺疊 該板，製得一種所需矩形大小之多層電池。 "不幸的是，此等製程產生其他缺點。値得注意的是，在 捲動方法中，需要一種外部絕緣板以避免電池片層相對極 性表面接觸產生之短路。另一方面，雖然片層電池之各個 5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 499772 A7 B7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3 ) 摺疊部分表面接觸同極性面而不會受此問題妨礙，但是具 有捲筒電池之摺疊電池具有另一缺點，即爲了容易裝置導 體電線等，一個末端必須位於該電池片層電池收集器層 上，接近該電池條最外側末端處。此種位置之結果，來自 該末端之電流必須穿越該電流收集器層整體長度之最長 端，因此受到收集器材料中固有阻抗之影響非常大。於存 在高電流密度或是次要導電係數之收集器材料（諸如通常 與正蓄電池組電池電極結合之鋁），或是該收集器層元件 之厚度大幅降低重量限制之重要性時，此狀態之降解效果 最顯著。 因此，本發明目的係利用一種獨特摺疊方法減輕摺疊片 層蓄電池組電池末端位置之先前限制所伴隨發生的問題， 該方法提供接近位於蓄電池組電池條更中心位置區之電流 收集器層部分之外表面。此外，電池片層摺疊方法會提出 問題之根源，其大幅減少原有單一電池之過度長度，有利 於使一電池具有更等邊之大小。 發明總論 根據本發明一具體實例，以大約平行且間隔之橫軸摺疊 一細長條形片層蓄電池組電池，以呈現最薄及最有撓性橫 剖之單一電池爲佳，其中此等約平行且間隔之橫軸大體上 界定等長度之電池部分，使接觸電極收集器表面一直爲相 同極性。 此種一般摺疊方式最初與圖2所述之先前技藝鋸齒狀褶 相似。然而先前摺疊方法包括重複交錯方向（即前進或後 -6- 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) 士^^ 一 _ -4,^Γ· an 1_1 n ·_ϋ ϋΒ ·_·!1 Ha· I I Mmtmm n «Βϋ Bn an ammmmmm n I · A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4 退指® )之不間斷擅最电女、 且事本万法摺疊串内散佈許多重複 相同万向足褶。例如，-岡 裉抑黑陷产/甘 在H 2炙先如製程中，該前進_後 退心武順序（其可以用順時鐘 、 與逆時鐘（CCW)之角 度更圖像式思考）、所襁田游& 芩）所選用避免正電極與負電極各者向外 排列早數部分（例如五個4八、μ丄 ,^ 立倜碩分）係由CW細CCW晴CW-CCW之 摺璺順序形成。另_古而 ,^ 万面如圖3所示，本發明具體實例 係由CW-CCW_CCW_CW之摺疊順序形成。 因爲本發明不規則摺疊順序之故，位於或是鄰近該電池 ‘中央位置邵分之至少一個收集器表面(以較高電阻之收 集器材料表面爲佳）曝於該㈣結構外表面，而且其可能 產生-個容易獲得之電池组末端。此種末端位置用以最小 化收集電流之行進距離以及該收集器層内形A之阻抗。 本發明另-具體實例中，將該原有單—電池片層切成大 體上等邊形狀，其立刻最小化一既定表面積之電池上，至 任一末端位置之收集電流行進距離。自此原有形狀，沿著 平行軸以交錯方向摺疊該電池，獲得奇數部分（以三個部 分爲佳），其確使相反極性之收集器表面外向放置。根據 本發明，以同樣方式，沿著與原有摺疊軸呈直角之平行軸 將如此摺疊之電池再次摺疊成三個部分。此方式中，該原 有電池縮小爲電池組的九分之一，該曝露之面積具有各種 之收集器表面，其上可能附有個別末端，並提供由收集電 流行進距離所致之最小阻抗。 圖式簡述 參考附圖描述本發明，其中： 卜紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） I --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 / // 7 / // 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（5 圖^系適用於本發明應用之代表㈣料蓄電池組電池 結構之剖面透視圖； 一圖2係-组呈原有板狀形式與根據先前實務㈣之片廣 畜電池組電池的連續剖面正視圖； 圖3係-組呈原有板狀形式與根據本發明具體實例連續 摺璺之片層畜電池組電池的連續剖面正視圖； 圖4係一組呈原有板狀形式與根據本發明另一具體實例 連續摺疊之片層蓄電池組電池的連續剖面正视圖^及 ，係-組呈原有板狀形 < 與根據另一發明具體實例連 續摺疊之片層蓄電池組電池的連續剖面正视圖。 發明詳诚 經由上述參考專利說明書中所述之技術進步，可以經濟 地製得適用之片層鋰離子電池單元電池組。此電池“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 其中插入-個電子絕緣但離子可穿透之隔板元 件’菽兀件包括例如一種微孔狀聚合物基質，以聚偏二氟 乙烯共聚物，鋰鹽電解質溶液極易吸附於其中，此等電極 元件各包括-種鋰化插入化合物，例如u為04與一種可 以逆向插入鐘離子之互補材料，例如呈石油焦炭或是石墨 形式 < 妷，其各以細碎粒子形式分散於一種聚合物基質， 例如該共聚物中。導電電流收集器n，19 (以銘與銅為 佳），其藉由熱層疊作用分別與個別電極元件1 3，1 7黏 口 ^成私極構件，其依序與隔板元件1 5同樣黏合形成 個單畜私池組電池。為了促進該電池之後續加工，諸 I----------AVI --------—------- c請先閲讀背面之注意事頊存填寫本買〕 -8 4W72 A7

口操作鋰鹽溶液電解質，該收集器元件1 1，工9 體爲佳，諸如呈網狀膨脹金屬柵形式。 /、W 身=牛片層蓄電池组電池组合物與適用於本發明 = 考説明書中所述者相類’而且可如下列實施 實施例1 將30重量份數約38〇xl〇3 Mw之88:12偏二氟乙缔 (VdF):六氟丙晞（HFP)共聚物（Kynar FLEX 28〇1， Atochem)與20份數矽烷化煙霧狀氧化矽懸浮於約2⑽份 數丙酮，並於該混合物中添加約4〇份數苯二甲酸二丁 ^ (DBP )增塑劑。將該完成混合物加熱至約4〇τ：，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 分形成之於漿塗覆於一個玻璃板上，其與一個刮刀裝置之 間隙約0· 5耄米。使該丙酮塗覆載液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，製得一種容易 自玻璃板剝除之堅韌、撓性且塑性化薄膜。該約〇 3毫米 厚度之薄膜容易裁切成任何所需大小與形狀之隔板元件。 實施例2 在一個覆盖蓋子之不鏽鋼摻合機中，以每分鐘2500轉摻 合65重量份數之53微米過篩LixMn2〇4 (其中1 < X乞2 (例如 以美國專利5，2 6 6，2 9 9中描述之方式製備LiiwMhCU))、 10份數實施例1之VdF:HFP共聚物（FLEX 2801 )、18.5份數 之未一甲酸二丁醋、6 · 5份數導電性破（比利時，

Carbon之Super-P Black)與約1 〇 〇份數丙酮之混合物約1 〇 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) π裝--------訂！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 499772 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 A7 B7 五、發明說明（7 ) 分鐘，使之均勻化，製備一正電極組合物。於該混合容器 中短暫地施加減壓，使所形成於漿除氣，然後以一個間隙 約0.4亳米之刮刀装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 约1 〇分鐘，製得一種容易自玻璃板剝除之堅韌、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，其約爲〇·12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摻合機中，以每分鐘25〇〇轉捧 合65重量份數工業用石油焦炭（MCMB 25_1〇，〇saka

Gas)、10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3111^卜1>導電性 碳與約1 0 0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0_5毫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，於塗層圍繞内茂發 约10分鐘，製得一種容易自破璃板剝除之堅韌、撓性且 塑性化薄膜。該薄膜包括約65重量％之微粒子狀：性插 入材料，其約爲0.15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4 以下列方式製備一種包括前述元件之單一電池單元咖、，也 組，諸如圖！所示之10。將—種呈約3〇_5〇微米厚之=放 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X ： -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -10- 499772 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制私 B7五、發明說明（8 ) 式篩栅形式之鋁箔i 1 (例如Micr〇Grid精確膨脹箔，Delker Corp·)修整成所需大小。爲了加強對於結合電極元件層之 後續黏合性並改良接觸電阻，柵1 1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)分散於市售聚乙缔與丙烯酸共聚物水 &綠浮液中之導電性起動組合物，例如廳rt〇nInternational Adcote primer 50C12。充分稀釋該流體組合物 以保存孩柵之網狀性質，並在該柵之線上空氣乾燥成約l 5微米厚之塗層。 自實施例2之薄膜裁切成相同大小部分，形成正電極元 件1 3，然後依記錄其與柵1 1，並於—個工業熱壓滚筒卡 層疊裝置中，以約120_15(rC層疊該集合物，形成複合正 電極構件11，13。自實施例3之薄膜與一片Micr〇GHd膨 脹銅箱板分別裁切成相同大小之負電極元件i 7與收集器 元件1 9，同樣層疊之，形成複合負電極構件i 7，工9。裁 切相同大小部分之實施例i薄膜，形成隔板元件15，其中 心記錄於先前製備複合電極構件之間，並於約 層疊該集合物，形成單一蓄電池組電池結構丨〇之板。雖 然圖1未顯示出來，但是爲了確使電極元件間有充分之電 絕緣作用，使隔板n 5之邊緣略超出電極元件i 3，i 7 = 圍，或者修整電池1 〇之外圍，形成約3〇。至6〇。之斜 緣。 在一代表性電池組製造實務中，利用焊接、聲波焊接、 導電黏合等末端將所需最終組合物之電池單元固定於個別 -11- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝----- I I n n 兮口 # 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 五、發明說明（9 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此等末端上可能附裝有導線或是類似導體， 鱼應用裝置。然後，萃取該蓄電池组電池 述：=:—同吸收之增塑劑，並以上述參考資料中所 返万式密封包裝。 1了楗出用以製備本發明發展中之對照摺疊層電池組的 ^ 以上述例如參考之美國專利5,460,904中所述之有效 ^續網狀製程，形成-種片層單—主電池單元板10, 请如圖1所示。自兮士 目▲王板裁切原始蓄電池組電池板，而且 换了製得所需最終電池組大小與形狀，或是”足跡"，根 據本發明摺疊各個此種板，並根據先前技藝摺叠作為 照’如圖5與下列實施例所示。然後，將導體導線(未 不出來）附裝在容易到達之末端外侧位置完成所形成蓄 池组電池結構，加X以結合電解f溶液，並 封包裝，提供可充電電池组。 Λ 實施例5 、利用正交橫向切割，以角度妓為與主板主要表面垂 =刀片裁切，提供斜邊原始電池單元板2丨，自該主板 得、勺200¾米Χ40^米之細長條單一蓄電池組電池，簡 為圖2ι ( 2 a )中的單層正視圖。沿著縱軸諸如於想像分 線27處測量該板，界定各約4〇毫米之相等部分，並以 W技藝之鋸齒手風琴方式（如（2b)所示），以位於分區 27處之橫軸摺疊該板，並壓縮製得一種約4〇亳米χ4^ 米之最終電池組。此摺疊製程在先前技藝順序之後，其 摺叠方向在24處順時鐘（CW)與26處逆時鐘（ccw)有規 對 顯 電 密 直 製 區 先 線 0亳 中 -----------裝 --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12- 4外772 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1〇 ) 則地又錯。然而，此製程之效果將個別正負末端2 3，2 5 足易受影響限制在接近電池單元板2 1末端的位置，並造 成私流沿著收集器行進之距離最大，其約爲該板之全長， 因阻抗累積之故造成有效電容大體降低。該有效末端位置 2 3 ’ 2 5 <個別位置可參考圖（2 a)有關電池單元板2丨之原 始伸長長度。 實施例6 另一方面，本發明之本質可見圖3，其中以不規則 c C W払璺34與CW摺疊36交錯，於分區線37處將圖（3 (相當大小電池單元板3丨摺疊成五個部分。此等摺疊 初可能製爲圖（3 b)所示，然後進一步製爲圖幻所示 其中可看出不規則交錯的效果使之可以將ccw指疊^ 入CW摺疊36中，並使所需相同極性面接觸整個結構。 圖（3d)所見，進一步壓縮此等摺疊製得一個有效 :8x1〇3平方毫米之4〇毫米χ4〇毫米電池單元， S'技it私池早7^相似’但是本發明之電池單元產生位於 331正極性末端位置，與先前結構相較，复人 I。。於 之電流行進距離僅需約_半。該正收集器元^集益中 料（例如A1與Cu)中電阻較高者製造，貝u f由兩種材 成（阻抗較低之事實極爲重要。如先前實例早70中所形 電池單元板上之有效末端位置的相對位、，原始伸 之33，35。 良不於圖（3a)中 實施例7 本發明另-具體實例可參見圖4，其知@製程，並 之 a 最 插 如 積 先 長 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂i Φ -13- 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐/ 499772 A7 五、發明說明（11 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 用以提供電池單元收集器兩面表面上大體上相等之縮短電 流行進距離末端位置。將圖（4a)之原始板41裁切成= 280¾米X40^米，並於分區線47處製成4〇毫米部分。 以圖（4 b ) <万式，不規則交錯CCW 44與CW 46摺疊開始 於刀區，、泉4 7處摺螢該板，並如圖（4 c )所示，將各個摺疊 4 4，4 6插入個別相對之摺疊4 6，4 4，如此係相同極性電 極面接觸並減少至有效末端位置4 3，4 5之最大電流行進 :離，如圖（4d)中壓縮電池結構所示，均沿著兩面收集 器表面約45%。此等沿著Π.2Χ103平方毫米單一電池單元 板41全長之相對末端位置見圖（4&)。 實施例8 =發明另一具體實例見圖5，其顯示沿著摺疊軸不規則 正叉進行之其他規則交錯板摺疊。此種製程使本發明之 *點擴展土可使用有效電極表面最大面積，而且至末端位 需要之電流行進距離最少，此阻抗係數減少約4 〇 %。 一改良之關鍵係可使用約丨2 〇毫米X i 2 〇毫米之等邊原 電池單元板51，如圖（5a)所見，其具有正交分區軸刃 58，提供各個電極約14 4χ1〇3平方毫米之有效表面積 並使各個收集器上之末端位框（如5 3 )的最大電流行進％ f僅約14〇毫米，以有效電極面積為準，少於前述實施例 最佳者所需距離約7G%。圖（5b)中之摺疊製程係沿著轴 57以平行CCW與CW摺疊54，56處之第一階段開始。 了促進後績摺疊步騾之容易度，在不擾亂該電池單元結 導電係數或物理完整性之下，可於摺疊5 4，5 6之末端 優 所 此 始 距 為 區 C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂---- -14- 499772 A7 B7 五、發明說明（12 ) 縱割爲佳。然後，如圖（5 b)，以約正交軸5 8於C C W與 C W摺疊5 2，5 9處再次摺疊該壓縮摺疊電池單元板，製 得與前述實施例提出相同之40毫米X40毫米最終壓縮蓄 電池組電池結構，但是此實例提出値得注意之較大有效面 積與較低末端位置阻抗。 可以預期熟悉之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。 ---1-------------訂 —-------- (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 15-

Claims (1)

1. η 外 772

   申凊專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 t:種：充，電池組之製造方法，該電池組包括正負電極 ，凡件（摺登電池單元板，此等電極層元件間插入_隔 層疋件，各個電極元件包括一種繞性聚合物基質薄膜 、、且合物’而且黏合於該隔板層及個別鄰近電流收集器元 件之各別界面上，形成_種片@電池組結構，^ 其特徵係 a) 該電池單元板以平行轴且不規則交錯方向 電池單元板本身’製得一種奇數電池單元部分，二有 相同極性之鄰近收集器表面，而且不同極性之收集器表 面外露，及 b) 一個固定於個別露出收集器表面之末端，其位於 距收集器元件末端距離最小之點。 2·根據申請專利範圍第丨項之方法，其中電池單元部分數 選自五個與七個。 3·根據申請專利範圍第2項之方法，其中以ccW、cW、 CW及CCW之依序方向將該板摺疊成五個相等部分。 4·根據申請專利範圍第2項之方法，其中以ccW、cW、 CW、CCW、CCW及cw之依序方向將該板摺疊成七 個相等部分。 5. 根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該電池單元板具 有大體上等邊大小，而且該摺疊作用係以平行軸之第一 組以及隨後於平行軸之第二正交放置組進行。 6. 根據申請專利範圍第5項之方法，其中各组由三個軸組 成0 11 I AWI ^--------^-------- (請先間讀背面之注意事頊再填寫本頁) -16 §1 499772 申請專利範圍 .“：无“池組，該電池组包括正負電椏層元件之招 宜％池板，此寺電極層元件間插人—隔板層元件 1極元件包括-種撓性聚合物基質薄膜组合物，而且: 口於琢隔板層及個別鄰近電流收集器元件之各 上’形成一種片層電池組結構， 1 其特徵係 電:!單該m:平行轴且不規則交錯方向指叠該 早7L板本身，製彳于一種奇數電池單元部分，其且 相同極性之鄭近收集器表面，而且不同極 集琴 面外露，及 b) —個固定於個別露出收集器表面之末端，其位於 距收集器元件末端距離最小之點。 、 8. 根據申請專利範圍第7項之電池組，其中電池單元 數選自五個與七個。 9. 根據申請專利範圍第8項之電池組，其中以C c w、 cw、CW及ccw之依序方向將該板摺疊成五個相等部 分0 1〇·根據申请專利範圍第8項之電池組，其中以c c w、 CW、cw、ccw、ccw及cw之依序方向將該板摺疊 成七個相等部分。 11·根據申請專利範圍第7項之電池組，其中該電池單元板 具有大體上等邊大小，而且該摺疊作用係以平行軸之第 一组以及隨後於平行軸之第二正交放置組進行。 12·根據申請專利範圍第1 1項之電池組，其中各組由三個 軸組成。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4娟格（210 X 297公釐