TWI233229B - Method of manufacturing a lithium battery, a lithium battery and an electrical appliance - Google Patents

Description

1233229 A7 B7 五、發明説明（1 本發明係關於-種製造鋰電池之方法，該方法包括下面 的步驟： A) 形成至少一陽極，以及至少一陰極； B) 形成至少一電池堆疊，其包括該陽極、一隔離層、以 及该陰極，該隔離層係放置在該陽極與該陰極之間；以及 C) 貫現該電池堆疊的最終結構。本發明亦關於一種鋰電 池，其包括至少一電池堆疊，該堆疊包括一鋰陰極、一陽 極、以及一隔離層。本發明亦關於一種包括此類鋰電池的 電氣用具。 f貝用的（充電式）鐘電池作為商業用途已經十年。與慣用 的充電電池，如NiCd(鎳/鎘）電池，比較起來，鋰電池的優 點在於每個單位體積及單位重量的能量密度相當高。此 外，此類鐘電池的體積小、重量輕，所以非常適合使用於 攜帶式的電氣裝置中。與替代型、對環境傷害較大的能量 源比較起來，此類鋰電池的缺點便係非常昂貴。目前，最 常使用的電池便是經離子（Li-i〇n)電池。鐘離子電池含有 液態電解質，舉例來說，其係由聚碳化丙稀或碳化乙稀， 以及鐘鹽溶液所構成。為防止碎裂，該鐘離子電池應該持 續地保持在壓力之下。從EP 0 969 541及US 5,478,668中 可以得知，藉由將一片或多片電極與隔離層的薄片彼此相 互覆蓋，形成一捲狀結構，隨即再將該捲狀結構於壓力作 用下放置於鋼材之中，便能夠保持鋰離子電池於壓力之 下’圓形的標準外殼如1 8 6 5 0形狀。加入液態電解質之 後’該標準外殼的内容物便會緊密地密封起來，與外界隔 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1233229 A7 ____— _B7五、發明説明（2 ) 離。該鋰離子電池的主要缺點是，無法隨意地選擇所需要 的外形及/或形狀，因為此類電池的幾何形狀與用以產生及 維持連續壓力的標準外殼有關。 成年刖，以包含不同電解質及聚合物基質的電極取代該 液悲電解質，冑已經解決此項缺點。此類鐘聚合電池的優 點疋因為有聚合物基質的存在，所以能夠促成該電池的 基本的、結構性的一體性，因而便不需要外在的壓力。因 此，可隨意地選擇鋰聚合電池的外形及/或形狀，不再限制 於鋼材、圓形的標準外殼。所以，現在已經能夠製造出大 型的、扁平式的、方形的鋰電池。不過，鋰電池的外形仍 义限於方开y的及扁平式的幾何形狀。對大部份需要供電 的裝置來說，方形的、扁平式的幾何形狀的鋰聚合電池非 常地不實用。從先前的技藝中亦可得知一種製造鋰電池的 方法其所使用的係所謂的’’鐘烯（Lithylene)技術，，。根據 此項技術，會將一負電極、一隔離體、以及一正電極堆疊 在一起。該正電極及該負電極都具有充滿著聚合物材料的 腔室，該等材料固化之後，便會與該等電極的活性材料層 結合在一起。根據此項技術，該等活性材料層本身並非埋 植於聚合物之中，而是特地使用該聚合物將材料層結合在 一起。從先前的技藝中亦可得知，可以使用超高分子重量 聚合物（UHMWP)製造自給式電極。使用此類聚合物的優 點在於，能夠使用較少量的聚合物，製造出具有較高電容 值的電極。 本發明的目的之一便係，提供一種製造改良的鋰電池的

裝 訂 •線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1233229 A7

彎曲的、平面的幾何 ’而不會產生上述的 方法，其可使得該鋰電池的形狀具有 开y狀同日守又此保留先前技藝的優點 缺點。 =目的，根據本發明所提出的方法其特徵 會經過變形處理’在以符合步驟〇的最終結構進行 =的方式中’該電池堆疊會呈現出f曲的、平面的幾何 μ曲的、平面的幾何形狀的優點是，能夠實現任何所 需要的鐘電池外形’因此’鐘電池的外形及形狀的選擇自 由度通大於本技藝目前所提供的自由度好幾倍。因此，鐘 電池的幾何形狀經過調整之後，便能夠適應於任何使用該 電池的電氣裝置所賦予的空間限制。從空間的觀點來看， 在大部分的情形中，因為鐘電池的幾何形狀的選擇自由度 权大’所以’現在便能夠更有效地配置電氣裝置。這便能 夠節省該裝置的空間。 應該注意的係，彎曲平面式的幾何形狀可形成一具有彎 曲扁平:卜形的彎曲電池，其可能係内凹形/外凸形或波浪 形。該等方法能夠使用複數種已知的技術，如用以製造鋰 聚合電池的技術之類，藉由加入超高分子重量聚合物 (UHMWP)、以及前述的”鋰烯技術·，，以便製造所謂的自 給式電極。亦可使用不同技術的組合。在其中一具體實施 例中，係依照US 5,478,668所發表的方式製造陽極、陰 極及隔離層的形成部件。在另一較佳的具體實施例中， 該等電極與隔離體僅含有uiiMWP。在另一較佳的具體實

1233229 A7 _____B7 五、發明説明（4 ) 施例中，仍然依照US 5,478,668所發表的方式製造該等電 極，而隔離層則含有聚乙烯。在另一較佳的具體實施例 中°亥專電極係由UHMWP製造而成，而該隔離體則含有 聚乙烯及黏結劑。視情況，UHMWP亦可在後面的較佳具 體實施例中作為隔離體，而聚乙烯則係僅當作過熱保護的 作用。 … 較佳的係，在變形處理中，所使用的係由事先成型，並 且對應該鋰電池所需要的彎曲平面幾何形狀的構件。 在本發明有利的具體實施例中，該等構件包括一支撐姓 構。 ° 當運用此類支撐結構時，便可將陽極、陰極、及隔離體 的堆疊放置在該具有彎曲平面幾何形狀的支撐結構之上。 可利用黏性膠帶或黏膠，將該堆疊固定在該結構之上。接 著，便可將包含該彎曲結構的堆疊放進所謂的軟殼之中， 利用電解質活化，並且將該軟殼清除淨空。該堆疊之上的 大氣壓力會提供充分的堆叠壓力，以便保持低阻抗及良好 的重覆使用壽命。該支樓結構越薄越好，而且其製造材料 在該電池電解質中，如聚乙烯及聚丙烯之類，係惰性的。 為幫助該電池的製造，有利的係，該支撐結構可能會包 括夾具構件。 接著，在封裝之前，可對該等層進行"⑼的動作， 額外地保持該堆叠的曲率。 根據本發明的方法，其有'利的特徵為，在形成步驟Β)中 的電池堆豐之後’可在該陽極與該陰極所形成的腔室中沉 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) Α4規格(21〇X297公酱） — 1233229

積聚合物，以便將該總成固定在一起。 該方法亦稱為經婦TM技術。 在後面方法的較佳具體實施例中，該電池堆疊的至少一 外側會配備聚合物層，而且在該電池堆疊與該聚合物層之 間會存在著事先成型的支撐結構。

裝 實際上，這便是使用鋰烯TM技術，其中在内部鉚釘聚合 物層與電池堆疊之間包含著—額外的層。該層越薄越好， 而且其製造材料在該電池電解質中，如聚乙烯及聚丙烯之 類，係惰性的。該層的用途係防止堆疊壓力的損失。為達 該目的，該層必須能夠抵抗彎曲作用。在鋰烯…技術中所 使用的聚合物鉚釘可維持該額外層與上方外側層之間的堆 疊壓力。藉由該較佳的方法，即使該軟殼之中未保持真 空，仍可保持堆疊壓力。 明確地說，該電池堆疊會形成於步驟C)之中固化的層壓 薄片。 泫層壓薄片可利用熟知的固化技術，如萃取、黏合、 曝光、或其它的化學方法之類，進行固化，其可確實地固 化構成該鋰電池部件的聚合物基質，使得該鋰電池喪失其 彈性，最後產生其最終的外形。 在本發明另-較佳的方式中，固化係在受壓的情形下進 行。藉由在受壓的情形下進行固化作業，便能夠精確地檢 查預設的幾何形狀，因此，·便能夠處理該層壓薄片之中或 之上的不規則及其它不精確的現象。 在根據本發明的較佳具體實施例中，會個別地彎曲構成 8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱） 1233229 五、發明説明（6 件的元件。整體來看，在另一較佳的方式 〇曰{係在進行步驟c)之前進 配後的層壓薄片配置於受㈣模具之中便可進行二= J在，化製程期間，控制㈣電池的幾何形狀，因此，便 月b夠得到精確界定的幾何形狀。 在另一較佳的方式中，步驟c)的執行溫度範圍介於140 至160C之間，較佳的係15(rc。在此溫度中，構成陰極、 陽極1隔離體的聚合物會變成液體，-起熔化。聚合物 -起炫化的結果’該陰極、陽極、及隔離體便會黏接在一 起。鐘電池及聚合物經過充分冷卻之後，聚合物便會固 化，使得該鐘電池形成其最終結構。在第一階段中，將該 層壓薄片加熱至15(rc的溫度，然後在第二階段中，對該層 歷薄”分冷卻，該層壓薄片便能夠固化成所需要的: 狀，但是卻不會明顯地喪失機械及/或化學性質。 壓 為 在較佳的方式中’執行步驟c)之前，會將複數層層壓薄 片▲配置成彼此貫質平行的形式^所以，相較於由單個層 薄片所構成的鐘電池’該裡電池的電容值將會提高。^ 有複數層層屢薄片，因此，相較於包含單個層壓薄片的鐘 電池’該鐘電池能夠傳輸更多的功率，並且能夠傳輸更長 的時間。前文中’假設單個層壓薄片的電容值及幾何形狀 與多個層壓薄片中的每個層塵薄片的性質相同。此外，亦 可，用比單個層壓薄片更厚且更小的多個層壓薄片，以便 置 使％•具有所需要之最小電容值的鐘電池能夠 的幾何形狀限制。 電^ -9- 本紙張尺度適财@ _標準(CNS) A4規格(⑽χ挪公i 1233229 A7

本發明亦提供—種前面已經提出的鐘電池類型， 為該電池堆疊呈現”曲平面幾何形狀，利用本發_ 方法便可產生此種電池。 因此，該鋰電池係位於一彎曲的（立體）平面中。在其中 壓合層中，較佳的係將陽極放置兩個鋰陰極之間（具有一 中間隔離層）。車交佳的係、，可將複數個層壓薄片堆疊在一 起’具有或不具有一中間隔離層。 再者，該鐘陰極較佳的係包括LixC〇〇2。在另一較佳的 具體實施例中，該錯極含有_聚合物，其較佳的係 (聚偏二氟乙烯）或PEO (聚氧化乙烯）。在另一較佳的具體 實施例中，該紐極含有導電石墨，以便㈣在該鐘陰極 中達到適當的導電性。在另一較佳的具體實施例中，該鋰 陰極包括一鋁質集電器。 陽極較佳的係含有石墨。在較佳的具體實施例中，石墨 係固定在聚合物基質之上。在另一較佳的具體實施例中， 陽極則包含一銅質集電器。 该鋰電池的隔離構件較佳的係由聚合物所構成，舉例來 說，聚丙烯或聚乙烯，以防止發生電氣短路。在較佳的具 體實施例中，會以電解液濕潤該隔離構件。該電解液較佳 的係包括導電的聚合物基質。該導電的聚合物基質本身便 可以導電。如果不能導電的話，該聚合物基質便可能會配 置成包含有含鋰的液體。 本發明亦係關於一種含有鋰電池的電氣用具，該鋰電池 的至少一部份構成該電氣用具的至少一部份組件。當該電 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1233229

f用具的至少一部份係由鋰電池所構成時，便能夠實質地 即省該電氣用具中的空間，因此可使得該電氣用具擁有更 小型的構造。電氣用具較佳的係可攜帶的，例如刮鬍刀、 牙刷、可攜式卡式磁帶及/或小型碟片播放機。較佳的係， 至 >、邊電池會構成外殼的一部份。因為鋰電池具有許多種 結構，因此，並不需要，或是僅需要略微修改家用 幾何形狀。 1體實施例 正電極的製備方式： 按重量計，將八十七份的Lico〇2、八份的石墨粉、及五 份的聚偏二氟乙烯，擴散於N型的甲基四氫吡咯酮（後面將 縮寫成NMP)之中，以製備正電極活性材料糊。利用醫用刀 片，將該糊狀物塗敷成300微米厚的塗料，以便形成正電極 活性材料膜。將作為正電極電流集電器的30微米厚銘網放 置於其上，利用醫用刀片再次將該正電極活性材料糊擴散 ;X ·’.罔之上开》成3 0 0微米的厚度。可將該雙塗佈的紹質網 靜置於6(TC的乾燥機中，持續6〇分鐘，用以半乾燥該糊狀 物。將所產生的層壓薄片捲成4〇〇微米的厚度，該層壓薄片 係由正電極電流集電器及正電極活性材料所構成，用以製 備包含正電極活性材料層的正電極。該正電極係浸泡於電 解質浴液中。經過浸泡之後，該正電極活性材料層與該正 電極電机集電器之間所量測到的剝離強度範圍介於2〇至25 gf/cm之間。 負電極的製備方式： -11 -

1233229 A7 _______B7 五、發明説明（9 ) 按重1計’將九十五份的介相焊滴碳（由Osaka Gas Co.， Ltd.所生產之材料命名）、及五份的聚偏二氟乙烯，擴散於 NMP之中，以製備負電極活性材料糊。利用醫用刀片，將 。亥糊狀物塗敷成3〇〇微米厚的塗料，以便形成負電極活性材 料膜。將作為負電極電流集電器的2〇微米厚銅網放置於其 上利用邊用刀片再次將該負電極活性材料糊擴散於該網 之上，幵>成3 00微米的厚度。可將該層壓薄片靜置於6〇。〇 的乾燥機中，持續60分鐘，.用以半乾燥該糊狀物。將所產 生的層壓薄片捲成4〇〇微米的厚度，該層壓薄片係由負電極 電流集電器及負電極活性材料所構成，用以製備包含負電 極活性材料層的負電極。 該負電極係浸泡於電解質溶液中。經過浸泡之後，該負 電極活性材料層與該負電極電流集電器之間所量測到的剝 離強度範圍介於5至1〇 gf/cm之間。 電池的製備方式： 按重量計，將五份的聚偏二氟乙烯及九十五份的NMI^l 合，澈底攪拌製備一均勻的黏結劑樹脂溶液。 將所製備的黏結劑樹脂溶液滴在作為一對隔離體，成連 續帶狀的兩個多孔的聚丙烯片（由H〇echst所生產的 Cellguard #2400)的其中一側，並且利用〇·5毫米直徑的細 絲緊緊纏繞1公分直徑的玻璃管所製成的捲軸式塗佈機進行 滾動，均勻地擴散於該隔離體的整個表面之上。 在黏結劑樹脂乾燥之前，會在緊密接觸的隔離體之塗佈 側之間擠進該正電極，作為其中一個電極，並且在模具中 -12 -

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五、發明説明（10 將曰專片夂形成所需要的έ士檨_ 壓力滾同攸兩側施加壓力， m 利用與上述相同的方式，轉2割成特定長度的片段。 溶液塗敷在該對聚丙烯片切段=佈=將該黏結劑樹脂 ^ ^ ^ 又的其中一側，並且將切割成 規疋尺寸作為另一個電極的备 电往的負電極黏貼於此處。接著， 該黏結劑樹脂溶液塗敷在兮 將 芳又隹°亥對糸丙烯片另一切段的其中一 側’該對聚丙婦片之間呈右 -_ 《間具有-正電極，而且塗佈側係黏貼 至0亥廢層缚片的倉雷士τς ^ 、電極重復该些步驟，直到建立具有複 ?層壓層薄片的層壓主體為止。在乾燥機中，於6(rc的靜 態空氣中’對該層壓主體進行加熱，同時施壓蒸發NMP溶 劑，以便製備出事先成型的層壓電池主體。在蒸發NMP 時’該黏結_脂會變成具有開放式蜂巢狀的多孔膜。 上述的組合方式及組合物都非限制條件。熟習本技藝的 人士 邑對了針對上述的組合方式及組合物，構思出許多的 替代方式。 圖式簡單說明 後面將參考圖式中所示的非限制性具體實施例，詳細地 說明本發明。 圖1所示的係尚未裝配狀態中，層壓薄片的示意側視圖 (未響曲）， 圖2所示的係尚未裝配狀態中，依照現代技藝的鋰聚合電 池透視圖， 圖3所示的係具有支撐結構的電池堆疊示意圖， 圖4所示的係具有支撐結構的電池堆疊示意圖，該支撐結 -13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x297公釐） .裝 訂 1233229 A7 B7 五、發明説明（Ή 構具有夾具構件， 囷所示的係根據鐘稀ΤΜ技術製造而成的鐘電池示意圖， 其具有支樓結構， 圖6所不的係根據本發明的鋰聚合電池外殼之透視及整體 圖式，及 圖7所示的係配備有根據本發明的鋰電池之刮鬍刀透視 圖。 發明詳細說曰i 圖1所不的係尚未彎曲時，根據本發明的層壓薄片^的示 意側視圖。層壓薄片1配備著連接至銅質集電器3的石墨陽 極2。在兩側則具有兩個鋰陰極5 ,同時會使用中間隔離層 4 4經陰極5較佳的係含有LiCG〇2，並且會連接至紹質集 電器6。該隔離層4較佳的係含有一聚合物，例如聚丙烯或 聚乙烯。在製造鐘電池期間，#將圖中所示的各層堆疊在 起除了單個層壓薄片1之外，在製造鋰電池期間，亦能 夠將多個層壓薄片堆疊在一起。 圖2所示的係依照現代技藝的鋰聚合電池7透視圖。該鋰 聚合電池7配備著複數個互相堆疊的層壓薄片8，其共同建 構電池7的基礎。從圖2可清楚地看出，龍薄片㈣平面的 方形外形。依照現代技藝的鋰聚合電池7的限制在於不易裝 配至電氣裝置中。 圖3所不的係具有支撐結構丨2的複數個電池堆疊8之示意 圖。當運用此類支撐結構12時，便可將陽極、陰極、及= 離體的堆疊放置在該具有變曲平面幾何形狀的支撐結構之 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1233229 A7

上。可制㈣勝帶或鄉，將該堆疊固定在該結構之 上接著，便可將包含該彎曲結構的堆疊放進所謂的軟殼 之中，利用電解質活化，並且將該軟殼清除淨空。該堆疊 之上的大氣壓力會提供充分的堆疊壓力，以便保持低阻抗 及良好的重覆使用壽命。該支標結構u越薄越好，而且其 製造材料在該電池電解質中，如聚乙烯及聚丙烯之類，係 惰性的。如圖4所示，該支撐結構12亦能夠配備夾具構件 14 ,以便該等層進行額外的貪際夾鉗的動作。 圖5所不的係根據鋰烯tm技術製造而成的鋰電池示意圖， 其具有支撐結構。如圖所示，聚合物13的功能如同鉚釘， 用以將該等活性材料層固定在一起。支撐結構12係内含於 内部鉚釘聚合物層13與該電.池堆疊之間。該支撐結構的用 途係防止堆疊壓力的損失。為達該目的，該層必須能夠抵 抗4曲作用。在鐘稀TM技術中所使用的聚合物鉚釘可維持 該額外層與上方外側層之間的堆疊壓力。藉由該較佳的方 法，即使該軟殼之中未保持真空，仍可保持堆疊壓力。 圖6所示的係根據本發明的鋰聚合電池9之透視圖。該鋰 聚合電池9係由一個或多個層壓薄片所構成。每個層壓薄片 都係配合申請專利範圍第9至22項中任一項所構成。圖6清 楚地顯不出，該鋰聚合電池9具有（隨意選擇的）彎曲的平面 外形。 圖7所示的係配備有根據本發明的鋰電池丨丨之刮鬍刀i 〇 透視圖。鐘電池1丨具有彎曲的外形，因此非常適合放進刮 鬚刀10的外殼内。可依照電氣裝置，例如刮鬍刀1〇，的條 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐）

裝 訂

1233229 A7 B7 五、發明説明（13 ) 件限制，選擇鋰電池1 1的幾何形狀，以便能夠使用該電氣 裝置内可用的空間接納該電池1 1。 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

123322§ 〇91120301號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年12 A8 B8

六、申請專利範圍 1. 一種製造鋰聚合電池之方法，該方法包括下面的步驟： A) 形成至少一陽極以及至少一陰極； B) 形成至少一電池堆疊，其包括該陽極、一隔離層、 以及該陰極；以及 C) 實現該電池堆疊的最終結構； 其特徵為：該電池堆疊會經過變形處理，係藉由將其置 於具有一彎曲平面的幾何形狀的支撐結構上，以及將其 依附至該支撐結構，使其適合該彎曲平面的幾何形狀， 之後再將依附至該支撐結構的電池堆疊置入一軟殼中， 在電解質引進到該軟殼後，該軟殼被清除淨空。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵為：該支撐結構 包括夾具構件。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵為：在形成步 驟B)的電池堆疊之後，可在該陽極與該陰極所形成的腔 室中沉積聚合物，以便將該總成固定在一起。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其特徵為：該電池堆 疊的至少一外側配備著一聚合物層，以及在該電池堆疊 與該聚合物層之間則存在著事先成型的支撐結構。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)