(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｌｉを付加およびプレドープする製造時間とコストを減らすことができ、更には、直角通電法によるプレドープ工程で引き起こされる電極およびセパレータの損傷を防ぐことができるリチオ化方法を提供。【解決手段】リチオ化する電極を含むロール１１０を提供する段階と、導電材料１４０に取り付けられている所定重量のリチウム金属片１３０を提供する段階と、当該導電材料を、当該リチオ化する電極の集電体に、または、当該リチオ化する電極との間で接続されている金属タブ１２０に取り付ける段階と、当該ロール、当該リチウム片および当該導電材料をコンテナ１６０に配置する段階と、リチウム塩を含有する電解液１５０で当該コンテナを満たす段階とを含む。【選択図】図１
2019133931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー蓄積デバイス用の電極をリチオ化する方法であって、
リチオ化する電極を含むロールを提供する段階と、
導電材料に取り付けられている所定重量のリチウム金属片を提供する段階と、
前記導電材料を、前記電極の集電体に、または、前記電極の集電体との間で接続されている金属タブに取り付ける段階と、
前記ロール、前記リチウム金属片および前記導電材料をコンテナに配置する段階と、
リチウム塩を含有する電解液で前記コンテナを満たす段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記リチオ化する電極は、負極であり、前記ロールは更に、セパレータと正極とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ロールは更に、前記負極、前記セパレータおよび前記正極が配設されるセルパッケージングケースを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
通常の空気環境で前記ロールを組み立てる段階を更に備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記導電材料は、前記コンテナの内壁に取り付けられるか、または、前記コンテナの内壁の一部である、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記配置する段階は、前記ロールの上方または下方に前記導電材料を位置決めする段階を有する、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記配置する段階は、前記ロールの長手方向軸上に前記導電材料を位置決めする段階を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電極は、固体金属箔から形成される集電体を含む、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記電極は、前記ロールに含まれる複数の負極および複数の正極のうちの１つの電極である、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
エネルギー蓄積デバイス用の電極をリチオ化する方法であって、
リチオ化する電極を含むロールを提供する段階と、
所定重量のリチウム金属片を提供する段階と、
前記リチウム金属片を、前記電極の集電体に、または、前記電極の集電体との間で接続されている金属タブに取り付ける段階と、
前記ロールおよび前記リチウム金属片をコンテナに配置する段階と、
リチウム塩を含有する電解液で前記コンテナを満たす段階と
を備える方法。
【請求項１１】
前記リチオ化する電極は、負極であり、前記ロールは更に、セパレータと正極とを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ロールは更に、前記負極、前記セパレータおよび前記正極が配設されるセルパッケージングケースを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
通常の空気環境で前記ロールを組み立てる段階を更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記配置する段階は、前記ロールの上方または下方に前記リチウム金属片を位置決めする段階を有する、請求項１０から１３の何れか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記配置する段階は、前記ロールの長手方向軸上に前記リチウム金属片を位置決めする段階を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電極は、固体金属箔から形成される集電体を含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電極は、前記ロールに含まれる複数の負極および複数の正極のうちの１つの電極である、請求項１０から１６の何れか一項に記載の方法。
【請求項１８】
エネルギー蓄積デバイス用の電極をリチオ化する方法であって、
負極と、セパレータと、正極と、前記負極、前記セパレータおよび前記正極が配設されるセルパッケージングケースとを含むロールを提供する段階であって、前記負極または前記正極は、リチオ化する電極である、ロールを提供する段階と、
導電材料に取り付けられている所定重量のリチウム金属片を提供する段階と、
前記導電材料を、前記リチオ化する電極の集電体に、または、前記リチオ化する電極の集電体との間で接続されている金属タブに取り付ける段階と、
リチウム塩を含有する電解液で前記セルパッケージングケースを満たす段階と
を備える方法。
【請求項１９】
通常の空気環境で前記ロールを組み立てる段階を更に備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記導電材料は、前記セルパッケージングケースの内壁に取り付けられるか、または、前記セルパッケージングケースの内壁の一部である、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ロールは、複数の負極と、複数のセパレータと、複数の正極とを含む、請求項１８から２０の何れか一項に記載の方法。
【請求項２２】
エネルギー蓄積デバイス用の電極をリチオ化する方法であって、
負極と、セパレータと、正極と、前記負極、前記セパレータおよび前記正極が配設されるセルパッケージングケースとを含むロールを提供する段階であって、前記負極または前記正極は、リチオ化する電極である、ロールを提供する段階と、
所定重量のリチウム金属片を提供する段階と、
前記リチウム金属片を、前記リチオ化する電極の集電体に、または、前記リチオ化する電極の集電体との間で接続されている金属タブに取り付ける段階と、
リチウム塩を含有する電解液で前記セルパッケージングケースを満たす段階と
を備える方法。
【請求項２３】
通常の空気環境で前記ロールを組み立てる段階を更に備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ロールは、複数の負極と、複数のセパレータと、複数の正極とを含む、請求項２２または２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１８年２月１日に出願された「ＬＩＴＨＩＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ  ＦＯＲ  ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＴＯＲＡＧＥ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＭＡＫＩＮＧ  ＳＡＭＥ」と題する米国仮出願第６２／６２４９９１号の利益に関するもの、および、当該利益を主張するものであり、その開示内容全体が参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
本発明概念に沿った装置および方法は、エネルギー蓄積デバイス、より具体的には、エネルギー蓄積デバイス用の電極に関する。
【背景技術】
【０００３】
リチウム（Ｌｉ）プレドープした電極またはリチオ化した電極が、エネルギー蓄積デバイス、例えば、リチウムイオン（Ｌｉイオン）電池およびＬｉイオンキャパシタに広く使用されている。
【０００４】
Ｌｉを外側から付加およびプレドープする方法では、電極パックが少なくとも１つの正極と、少なくとも１つのセパレータと、集電体に積層されている少なくとも１つのＬｉ膜と、少なくとも１つの負極とで構成される。負極は、集電タブの溶接によってＬｉ膜に接続される。電極パックは、Ｌｉイオンを含有する電解液に浸漬される。プレドープ工程を経て、Ｌｉ膜はＬｉイオンに変換され、当該Ｌｉイオンは移動して負極にドープされる。
【０００５】
Ｌｉを外側から付加およびプレドープする方法では、薄いＬｉ金属膜が通常、電極パッケージの最上層および最下層に設けられる。Ｌｉプレドープ工程で、Ｌｉイオンは、電極層およびセパレータ層を通って移動しなければならない。要件のうちの１つとして、電極内部の集電体は、コストのかかるメッシュ形式または孔あき形式にする必要がある。電極の中心にある集電体を多孔質にしたとしても、Ｌｉは、積層されている負極層に不均一にドープされ得る。電極積層体内部の負極にリチウムを均一にドープするには、長い製造時間がかかると報告されている。更には、Ｌｉ金属が湿気に対して非常に敏感であるため、Ｌｉ金属に取り付けられている電極、電極パック、およびエネルギー蓄積デバイスの製造作業全体を本格的なドライルームで実行しなければならず、このことによって、高額の資本投資および大量のエネルギー消費が必要となる。従って、長い製造サイクル時間およびドライルームの作業要件によって、この高コストの方法ではエネルギー蓄積デバイス産業における競争力が低下する。
【０００６】
Ｌｉを外側から付加およびプレドープする方法に必要な長い製造時間および高コストを改善すべく、例えば、米国特許出願公開第２０１７／００６２８１５号に記載の通り、様々な発明者によって直角通電法が提案された。その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。直角通電法では、パターン付きのＬｉ膜またはＬｉ粉末を電極表面層に直接押圧した。直角通電法によって、Ｌｉプレドープ時間が大幅に短縮された。しかしながら、プレドープ工程の完了後にＬｉ金属粉末またはＬｉ金属箔が電極表面に残っていることがあり、このことは、先ほど同様、エネルギー蓄積デバイスが抱える重大な安全性の問題を示す。より有害なことに、電極パックを電解液に浸すことでＬｉ金属と負極活性層物質（すなわち、電極の表面）との間の即時的な電気的短絡が誘発されるによって、激しい反応が引き起こされた。こうした激しい反応の結果として、電極およびセパレータが損傷し、標準以下の電池およびキャパシタがもたらされた。更には、直角通電法でもやはり、製造工程全体を本格的なドライルームの環境で実行する必要があり、このことによって、先ほど同様、作業における高額の資本投資および大量のエネルギー消費が必要となる。
【０００７】
エネルギー蓄積デバイスの製造時間およびコストを減らすべく、コストがかかる本格的なドライルームで作業する必要性をなくし、かつ、直角通電により引き起こされる電極の損傷を防ぐため、本明細書に記載の通り、Ｌｉプレドープした、エネルギー蓄積デバイス用の電極を生産する新しいリチオ化方法が新たに開発されている。
【発明の概要】
【０００８】
様々な実施形態が、リチオ化またはプレドープした電極、および、リチオ化またはプレドープした電極の製造方法を提供する。リチオ化は、円筒形エネルギー蓄積デバイスの複数の異なる組立段階で電極に導入され得る。
【０００９】
典型的な大型エネルギー蓄積デバイスの組立工程のステップおよび対応する段階を以下に挙げる。
【００１０】
１．ロール・ツー・ロール形式で電極を作成する（段階１）
【００１１】
２．電極パックを作成する：ジェリーロールを巻く（段階２）
【００１２】
３．ジェリーロールを蓋に接続する
【００１３】
４．缶、すなわち、セルアセンブリにジェリーロールを挿入する（段階３）
【００１４】
５．セルアセンブリを真空乾燥させる
【００１５】
６．電解液を含浸させる
【００１６】
７．缶を蓋で密封する
【００１７】
様々な実施形態によると、電極をリチオ化またはＬｉプレドープする方法が提供される。幾つかの実施形態によると、当該方法は、リチオ化する電極でロールを作成するステップ１を含み得る。ロールは、単極（すなわち、電極ロールとも呼ばれる段階１のロール）で構成され得る。代わりに、ロールは、少なくとも１つの負極と、少なくとも１つのセパレータと、少なくとも１つの正極とで構成されている電極パック、例えば、ジェリーロール（すなわち、電極パックとも呼ばれる段階２のロール）で構成され得る。代わりに、ロールは、未完成の電池またはウルトラキャパシタ（すなわち、セルアセンブリとも呼ばれる段階３のロール）で構成されてよく、当該未完成の電池またはウルトラキャパシタは、電極パック、例えば、ジェリーロールをケース内部に有し、かつ、封止されていない蓋がある状態またはない状態にあってよい。ステップ１は、通常の空気環境でロールを作成する段階と、真空オーブンでロールを乾燥させる段階と、ドライボックスまたは小さなドライルームにロールを移す段階とを含み得る。当該方法は更に、ドライボックスまたは小さなドライルームで所定重量のＬｉ金属片を個別に作成し、任意で、当該Ｌｉ金属片を、銅箔またはニッケル箔のような伝導率の高い導電材料に取り付けるステップ２を含み得る。当該方法は更に、Ｌｉ金属片または導電材料を、リチオ化する電極の集電体に、または、リチオ化する電極の集電体との間で接続されている金属タブに取り付けるステップ３と、少なくとも１つのロールをコンテナに配置するステップ４と、Ｌｉ塩を含有する電解液で当該コンテナを満たすステップ５とを含み得る。これらのステップの順序は変更することができる。例えば、ステップ４およびステップ５を逆転させることができる。Ｌｉ金属は、ロールに対する任意の場所に位置決めされ得る。幾つかの実施形態によると、コンテナの内壁を導電性にしてよく、リチウム金属を内壁に取り付けてもよいし、内壁の一部にしてもよい。その場合は、ステップ３およびステップ４を逆転させることができる。
【００１８】
段階３のロール、すなわち、セルアセンブリをリチオ化する場合は、セルアセンブリの「缶」とも呼ばれる、ジェリーロールまたは他の電極パックを収容するセルパッケージングケース自体が、ステップ４およびステップ５のコンテナとして機能し得ることが、選択肢のうちの１つである。この手法の最も顕著な利点は、電極作成およびセル製造のために大きなドライルームを必要としないことである。電極、または、電極パック、例えば、ジェリーロールを作成する工程で、リチウムは導入されない。リチウムは、セルを組み立てる後半ステップでのみ導入される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】リチオ化する電極の集電体１１７ｂ（図３参照）との間で接続されている金属タブ１２０を有するロール１１０を示した図である。銅箔またはニッケル箔のような伝導率の高い導電材料１４０に取り付けられている所定重量のＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０に取り付けられるか、または、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられる（この場合は、金属タブ１２０が省略され得る）。様々な実施形態に従って、任意的な金属タブ１２０を有するロール１１０、および、導電材料１４０を有するＬｉ金属片１３０が、電解液１５０で満たされているコンテナ１６０の内部に配置される。金属タブ１２０を有する１つのロール１１０が、導電材料１４０を有する１つまたは複数のＬｉ金属片１３０に接続され得る。逆に、導電材料１４０を任意で有する１つのＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０を有する１つまたは複数のロール１１０に接続され得る。代わりに、所定重量のＬｉ金属片１３０が、導電材料１４０に取り付けられることなく、ロール１１０の金属タブ１２０に直接取り付けられ得る。
【００２０】
【図２】リチオ化する電極の集電体１１７ｂ（図３参照）との間で接続されている金属タブ１２０を有するロール１１０を示した図である。銅またはニッケルのような伝導率の高い導電材料１４０に取り付けられている所定重量のＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０に取り付けられるか、または、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられる（この場合は、金属タブ１２０が省略され得る）。導電材料１４０が取り付けられているＬｉ金属片１３０は、金属タブ１２０または集電体１１７ｂの許容範囲において、ロール１１０に対する任意の場所に配置され得る。しかしながら、リチオ化工程が早まるよう、導電材料１４０が取り付けられているＬｉ金属片１３０は、ロール１１０のできるだけ近くに、好ましくは、ロール１１０の上方または下方に（例えば、図示されている円筒形ジェリーロールの長手方向軸Ｌ上に）配置されるべきである。任意的な金属タブ１２０を有する１つのロール１１０が、導電材料１４０を有する１つまたは複数のＬｉ金属片１３０に接続され得る。逆に、導電材料１４０を任意で有する１つのＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０を有する１つまたは複数のロール１１０に接続され得る。代わりに、所定重量のＬｉ金属片１３０が、導電材料１４０に取り付けられることなく、ロール１１０の金属タブ１２０に直接取り付けられ得る。金属タブ１２０または集電体１１７ｂは、Ｌｉ金属片１３０、または、Ｌｉ金属片１３０に取り付けられている導電材料１４０に取り付けられ得る。このように、図２で「１３０、１４０」と表示されている要素は、Ｌｉ金属片１３０および導電材料１４０のどちらか一方または両方であり得る。
【００２１】
【図３】正極１１２と、セパレータ１１４と、負極１１６とで構成されている段階２のロール１１０を示した図である。銅またはニッケルのような伝導率の高い導電材料１４０に取り付けられている所定重量のＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０に取り付けられるか、または、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられる（この場合は、金属タブ１２０が省略され得る）。Ｌｉ金属片１３０および／または導電材料１４０は、ロール１１０の上方または下方に配置される。従って、リチオ化経路１１８は、負極活性層１１７ａの表面に沿っている。故に、Ｌｉイオンは電極１１６を通過する必要がなく、低コストの固体金属箔が集電体１１７ｂとして電極１１６の内部で使用され得る。先ほど同様、任意的な金属タブ１２０を有する１つのロール１１０が、導電材料１４０を有する１つまたは複数のＬｉ金属片１３０に接続され得る。逆に、導電材料１４０を任意で有する１つのＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０を有する１つまたは複数のロール１１０に接続され得る。代わりに、所定重量のＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０に取り付けられてもよいし、導電材料１４０に取り付けられることなく、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられてもよい。
【００２２】
【図４】正極１１２と、セパレータ１１４と、負極１１６とで構成されている、図３の段階２のロール１１０を別のセパレータ１１４と共に示した別の図である。図３に示されている通り、銅またはニッケルのような伝導率の高い導電材料１４０に取り付けられている所定重量のＬｉ金属片１３０は、金属タブ１２０に取り付けられるか、または、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられる（この場合は、金属タブ１２０が省略され得る）。しかしながら、図４の例では、導電材料１４０を有するＬｉ金属片１３０が、ロール１１０の上方または下方ではなく、ロール１１０の横に（例えば、図２の長手方向軸Ｌから離れて）配置される。従って、リチオ化経路１１８は、負極活性層１１７ａの表面に対して垂直である。故に、Ｌｉイオンは電極１１６を通過する必要があり、高コストのメッシュ型金属箔または高コストの孔あき金属箔を集電体１１７ｂとして電極１１６の内部で使用しなければならない。固体金属箔が集電体１１７ｂとして電極１１６の内部で使用される場合は、段階２のロール１１０を作成する前に、電極１１６を穿孔しなければならない。先ほど同様、任意的な金属タブ１２０を有する１つのロール１１０が、導電材料１４０を有する１つまたは複数のＬｉ金属片１３０に接続され得る。逆に、導電材料１４０を任意で有する１つのＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０を有する１つまたは複数のロール１１０に接続され得る。代わりに、所定重量のＬｉ金属片１３０が、金属タブ１２０に取り付けられてもよいし、導電材料１４０に取り付けられることなく、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられてもよい。
【００２３】
【図５】Ｌｉプレドープした電極を生産するためのリチオ化方法の作業フローの例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
特定の実施形態について説明するが、これらの実施形態は、単なる例として示すものであって、保護範囲の限定を意図するものではない。本明細書で説明する装置、方法およびシステムは、様々な他の形態でも具現化され得る。更には、本明細書で説明する方法およびシステムの例の形態の様々な省略、置換および変更が、保護範囲を逸脱することなく行われ得る。
【００２５】
様々な実施形態が、Ｌｉプレドープした電極を生産するためのリチオ化方法を提供する。このリチオ化方法によって、Ｌｉを付加およびプレドープする従来の方法と比べて製造時間とコストを減らすことができ、更には、直角通電法によるプレドープ工程で引き起こされる電極およびセパレータの損傷を防ぐことができる。場合によっては、このリチオ化方法によって、生産規模のドライルームの使用を減らす、最小限にする、またはなくすことができる。リチオ化した電極は、例えば、限定されるわけではないが、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなどのエネルギー蓄積デバイスに組み込まれ得る。
【００２６】
図１は、様々な実施形態の例に従って、金属タブ１２０を有するロール１１０、リチウム片１３０、電解液１５０およびコンテナ１６０の絵を示した図である。図１を参照すると、ロール１１０の少なくとも１つの金属タブ１２０が、リチオ化する電極の集電体１１７ｂ（図３参照）に由来してもよいし、集電体１１７ｂに接続されてもよい。ロール１１０は、単極（すなわち、電極ロールとも呼ばれる段階１のロール）、または、図３および図４に示されている少なくとも１つの負極１１６と、１つのセパレータ１１４と、１つの正極１１２とで構成されているジェリーロール（電極パックとも呼ばれる段階２のロール）、または、電極パックを内部に有し、ケースを有し、かつ、封止されていない蓋がある状態またはない状態にある、未完成の電池またはウルトラキャパシタ（セルアセンブリとも呼ばれる段階３のロール）で構成され得る。
【００２７】
リチウム金属片１３０は、銅箔片またはニッケル箔片のような伝導率の高い導電材料１４０に取り付けられ得る。代わりに、リチウム金属片１３０は、導電材料１４０に取り付けられなくてもよい。
【００２８】
ロール１１０とＬｉ金属片１３０とは、金属タブ１２０を介して互いに接続されるか、または、ロール１１０の集電体１１７ｂ（この場合は、金属タブ１２０が省略され得る）とＬｉ金属片１３０に取り付けられている導電材料１４０とを介して互いに直接接続される。代わりに、導電材料１４０が取り付けられておらず、リチウム金属片１３０しかない場合は、リチウム金属片１３０が金属タブ１２０またはロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられ得る。Ｌｉ金属片１３０および任意的な導電材料１４０は、金属タブ１２０または集電体１１７ｂの許容範囲および適応範囲にある、ロール１１０に対する任意の場所に位置決めされ得る。このことは、Ｌｉ金属片１３０および任意的な導電材料１４０がロール１１０の上方、隣または下方にあることを含む。しかしながら、リチオ化工程が早まるよう、Ｌｉ金属片１３０および任意的な導電材料１４０は、図２および図３に示されている通り、ロール１１０のできるだけ近くに、好ましくは、ロール１１０の頂部または底部に（例えば、円筒形ジェリーロールの長手方向軸Ｌ上に）配置されるべきである。ここで、リチオ化経路１１８は、負極活性層１１７ａの表面に沿っている。図４には、ロール１１０に対するＬｉ金属片１３０および任意的な導電材料１４０の別の相対的な位置が示されている。ここでは、リチオ化経路１１８がロール１１０に対して垂直であるため、高コストのメッシュ型金属箔または高コストの孔あき金属箔を集電体１１７ｂとして負極１１６の内部で使用する必要がある。または代わりに、固体金属箔が集電体１１７ｂとして負極１１６の内部で使用される場合は、負極１１６が段階２のロール１１０を作成する前に穿孔され得る。
【００２９】
図５は、Ｌｉプレドープした電極を生産するためのリチオ化方法の作業フローの例を示している。作業フローは、通常の空気環境でロール１１０を作成する段階（ステップ５１０）、真空オーブンでロール１１０を乾燥させる段階（ステップ５２０）、および、ドライボックスまたは小さなドライルームにロール１１０を移す段階（ステップ５３０）から開始し得る。ロール１１０は、負極１１６のような単極（すなわち、電極ロールとも呼ばれる段階１のロール）で構成され得る。代わりに、ロール１１０は、少なくとも１つの負極１１６と、少なくとも１つのセパレータ１１４と、少なくとも１つの正極１１２とで構成されている電極パック、例えば、ジェリーロール（すなわち、電極パックとも呼ばれる段階２のロール）で構成され得る。代わりに、ロール１１０は、未完成の電池またはウルトラキャパシタ（すなわち、セルアセンブリとも呼ばれる段階３のロール）で構成されてよく、当該未完成の電池またはウルトラキャパシタは、電極パック、例えば、ジェリーロールをケース内部に有し、かつ、封止されていない蓋がある状態またはない状態にあってよい。何れの場合も、少なくとも１つの金属タブ１２０が、リチオ化する負極１１６との間で接続され（例えば、負極１１６の集電体１１７ｂとの間で接続され）得る。
【００３０】
作業フローは、ドライボックスまたは小さなドライルームで所定重量のＬｉ金属片１３０を個別に作成する段階（ステップ５４０）と、任意で、Ｌｉ金属片１３０を、例えば、機械プレスにより、銅箔またはニッケル箔のような伝導率の高い導電材料１４０に取り付ける段階（ステップ５５０）とを継続し得る。次に、Ｌｉ金属片１３０、または任意で、それに取り付けられている導電材料１４０は、例えば、溶接（例えば、レーザ溶接、超音波溶接、冷間圧接）によって、金属タブ１２０に取り付けられてもよいし、ロール１１０の集電体１１７ｂに直接取り付けられてもよい（ステップ５６０）。すなわち、金属タブ１２０またはリチオ化する負極１１６の集電体１１７ｂ（または、金属タブ１２０またはリチオ化する正極１１２の集電体１１３ｂ）に取り付けられてよい。このように、金属タブ１２０を任意で有する単一のロール１１０が、１つまたは複数のリチウム金属片１３０に接続され得る。逆に、単一のリチウム金属片１３０が、金属タブ１２０を有する１つまたは複数のロール１１０に取り付けられ得る。
【００３１】
作業フローは更に、少なくとも１つのロール１１０およびＬｉ金属片１３０をコンテナ１６０に配置する段階（ステップ５７０）と、Ｌｉ塩を含有する電解液１５０でコンテナ１６０を満たす段階（ステップ５８０）とを含み得る。電解液１５０は、複数の電極をリチオ化する工程で再使用できるかもしれない。これらのステップの順序は、図５に示されている例に限定されない。例えば、コンテナ１６０を最初に電解液１５０で満たした後、コンテナ１６０にロール１１０およびＬｉ金属片１３０を配置するといったように、ステップ５７０およびステップ５８０を逆転させることができる。コンテナ１６０は、電解液１５０を保持するコンテナである。リチオ化またはプレドープは、ロール１１０と（任意的な導電材料を有する）Ｌｉ金属１３０とが（金属タブ１２０を介して、または、集電体１１７ｂを直接介して）接続され、コンテナ１６０の電解液１５０中に配置された直後に開始し得る。
【００３２】
Ｌｉ金属１３０は、上記の通り、ロール１１０に対する任意の場所に位置決めされ得る。幾つかの実施形態によると、コンテナ１６０の内壁を導電性にして導電材料１４０として機能させてよく、Ｌｉ金属片１３０をコンテナ１６０の内壁に設置してもよいし、コンテナ１６０の内壁の一部にしてもよい。その場合は、ロール１１０をコンテナ１６０の内部に配置して、その内壁に取り付けるといったように、ステップ５６０およびステップ５７０を逆転させてもよいし、実質的に同時に行ってもよい。
【００３３】
電解液１５０のコンテナ１６０は、任意的な金属タブ１２０を有する１つまたはそれより多い複数のロール１１０を収容してよく、任意的な導電材料１４０を有する１つまたはそれより多い複数のＬｉ金属片１３０を収容してよい。リチオ化またはプレドープ工程が終了すると、金属タブ１２０を有するロールは、コンテナ１６０から除去され得る。
【００３４】
セルアセンブリで構成されている段階３のロールをリチオ化する場合は、電極パックの外側にあるセルパッケージングケース、すなわち、缶自体が、コンテナ１６０として機能し得ることが、選択肢のうちの１つである。この状況では、缶の内部にある電極パック、例えば、ジェリーロールがロール１１０と見なされてよく、Ｌｉ金属片１３０（および任意的な導電材料１４０）が、電極パックに接続されてよく、コンテナ１６０として機能する缶に挿入されてよい。缶は次に、リチオ化またはプレドープ工程を開始すべく、電解液１５０で満たされ得る。この場合は、リチオ化が完了すると、コンテナ１６０として機能する缶から過剰なＬｉ金属１３０が除去され得る。この手法の最も顕著な利点は、電極作成およびセル製造のための大きなドライルームを必要としないことである。電極または電極パックの作成工程で、リチウムは導入されない。リチウムは、セルを組み立てる後半ステップでのみ導入される。
【００３５】
本明細書で開示するこのリチオ化方法では、直角通電法より長い時間がリチオ化に必要となり得る。しかしながら、開示する方法によって、Ｌｉ金属とリチオ化している電極との間の短絡および強い反応から電極、セパレータおよびセルの損傷が引き起こされるのを防ぐことができる。本明細書で開示する方法は、低コストの固体集電体を電極内部で使用できるように、電極表面に沿っているリチオ化経路も提供する。
【００３６】
段階１、段階２または段階３のうち何れのロール１１０をリチオ化するかによって、電極もしくは電極パック（例えば、ジェリーロール）、または、電池およびウルトラキャパシタのような完成したエネルギー蓄積デバイスの組立てが、Ｌｉ金属１３０がロール１１０に導入および接続される前に、通常の空気環境で行われ得る。このように、段階２または段階３のロール１１０の場合は、ドライルームのサイズ要件を減らすことができる。段階３のロールをリチオ化する場合は、ドライルームを必要としない。なぜなら、リチウムは、セルを組み立てる最終ステップでのみ導入されるからである。電極、電極パック（例えば、ジェリーロール）またはエネルギー蓄積デバイスの作成後は、ロール１１０を乾燥させ、ドライボックスまたは小さなドライルームに移してから、Ｌｉ金属片１３０に接続し、Ｌｉ塩を含有する電解液１５０で満たされているコンテナ１６０に浸すことができる。これによって、建設、維持および稼働のコストが非常に高くなり得る本格的なドライルームの必要性がなくなる。
【００３７】
本開示は実施形態および用途の特定の例を提供しているが、本開示の範囲には、本明細書に記載の特徴および利点が全て提供されているとは限らない実施形態を含む、当業者にとって明白な他の実施形態も含まれる。その結果、本開示の範囲は、添付の請求項の参照によってのみ定義されるよう意図している。
【図１】
2019133931.tif 000003
【図２】
2019133931.tif 000004
【図３】
2019133931.tif 000005
【図４】
2019133931.tif 000006
【図５】
2019133931.tif 000007
【外国語明細書】
2019133931000001.pdf