(57)【要約】  本発明は2極リチウム電池に関する。隣接する電気化学セル間の電解質に関するシールを改善するために、本発明は、電気絶縁性材料で作られたストリップ(100)に収容される金属格子(101)または隆起金属シートの形態で、新規な混合電極支持用集電体(10)を生産することを含み、ストリップの周辺(100P)は、シール領域を形成する機能を有する。
2013532362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム電気化学発電機用のデバイス(1、1'、1")において、少なくとも1つのポリマーを含む電気絶縁体材料で作られたストリップ(100)と、前記ストリップ内に収容された、両面が平らな集電体を形成する1の金属格子(101)または1つの隆起金属シートとを含み、前記ストリップの周辺(100P)は格子または隆起シートを全く有さず、前記格子または前記隆起シートの2つの平らな部分(101A)の少なくとも一方はリチウムインサーション材料で作られた電極で覆われることを特徴とするデバイス(1、1'、1")。
【請求項２】
前記ストリップを構成する大多数のポリマーはポリオレフィンである請求項1に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項３】
前記ストリップは、少なくとも1つの他のポリマーを含み、前記他のポリマーは、前記ポリオレフィンと前記集電体との間に挿入されて、前記ポリオレフィンと前記集電体との間の付着を改善する請求項2に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項４】
前記他のポリマーは、ポリエステルまたはポリウレタンの中から選択される請求項3に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項５】
前記ストリップは、少なくとも1つの固着促進剤を含み、前記固着促進剤は、前記ポリオレフィンと前記集電体との間に挿入されて、前記ポリオレフィンと前記集電体との間の付着を改善する請求項2に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項６】
前記ストリップを構成する大多数のポリマーは2成分樹脂である請求項1に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項７】
前記集電体(101)は、アルミニウムで作られる請求項1から6のいずれか一項に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項８】
前記集電体は、別の金属の表面における格子(101)または電気メッキされた隆起シートである請求項1から6のいずれか一項に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項９】
前記格子は、規則的なメッシュを有する請求項1から8のいずれか一項に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項１０】
前記集電体は、絶縁体材料で作られた前記ストリップにセンタリングされる請求項1から9のいずれか一項に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項１１】
前記集電体(101)の両方の平らな部分(101A)は、リチウムインサーション材料で作られた電極(11,12)で覆われる請求項1から10のいずれか一項に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項１２】
前記集電体の前記2つの平らな部分の1つの平らな部分は、リチウムインサーション材料で作られた電極(11'、12")で覆われる請求項1から10のいずれか一項に記載のデバイス(1、1'、1")。
【請求項１３】
順に積み重ねられた少なくとも2つの電気化学セル(C1、C2)と、請求項11に記載の少なくとも1つのデバイス(1)とを含む2極電池であって、前記集電体(101)の前記2つの平らな部分の一方は、前記2つのセルの一方のリチウムインサーション材料で作られたアノード(12)で覆われ、前記集電体(101)の前記2つの平らな部分(101A)の他方は、前記2つのセルの他方のリチウムインサーション材料で作られたカソード(11)で覆われ、少なくとも1つのポリマーで作られた前記ストリップの周辺(100P)は、前記2つのセルの電解質に対してシールされ、当該電解質を囲む壁の周辺領域を構成する2極電池。
【請求項１４】
同様に、請求項12に記載の少なくとも1つのデバイス(1'、1")を含み、電極によって覆われない前記2つの平らな部分の他方は、末端集電体と接触状態にある請求項13に記載の2極電池。
【請求項１５】
前記集電体(101)の寸法は、全ての電極(11、12、11'、12")の寸法に等しい請求項13または14のいずれか一項に記載の2極電池。
【請求項１６】
前記アノード(12、12")はLi4Ti5O12で作られ、前記カソード(11、11')はLiFePO4で作られる請求項13から15のいずれか一項に記載の2極電池。
【請求項１７】
順に積み重ねられた少なくとも2つの電気化学セル(C1、C2)を含む2極電池を生産するための方法であって、
a/  請求項11に記載のデバイス(1)および請求項12に記載の2つのデバイス(1'、1")を生産するステップであって、それにより、
-  請求項12に記載の前記2つのデバイスの一方(1")の集電体の平らな部分の一方は、リチウムインサーション材料で作られたアノード(12")で覆われ、
-  請求項12に記載の前記2つのデバイスの他方(1')の集電体の平らな部分の一方は、リチウムインサーション材料で作られたカソード(11')で覆われ、
-  請求項11に記載の前記デバイス(1)の集電体の平らな部分の一方はリチウムインサーション材料で作られたカソード(11)で覆われ、一方、請求項11に記載の前記デバイス(1)の集電体の平らな部分の他方はリチウムインサーション材料で作られたアノード(12)で覆われる、
生産するステップと、
b/  前記3つのデバイス(1、1'、1")を、2つの隣接するデバイス間にセパレータ(3)を挟むことによって積み重ねるステップであって、
-  請求項12に記載の前記2つのデバイスの一方(1")のアノード(12")が、請求項11に記載の前記デバイス(1)のカソード(11)に向き、前記2つのデバイスが、第1のセパレータ(3)によって分離され、
-  請求項11に記載の前記2つのデバイスの他方(1')のカソード(11')が、請求項11に記載の前記デバイス(1)のアノード(12)に向き、前記2つのデバイスが、第2のセパレータ(3)によって分離されるように達成される、
積み重ねるステップと、
c/  前記デバイスの前記3つのストリップの周辺(100P)を、互いに押し付けるステップであって、前記セパレータ(3)はそれぞれ、電解質を含浸される、押し付けるステップと、
d/  前記3つのストリップを互いに押し付けたまま維持するステップであって、それにより、前記2つのセルの電解質に対してシールされ、当該セルを囲む壁を構成する、維持するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
2極電池は、互いの上に個々に積み重ねられたn個の電気化学セルを含み、ステップa/〜d/は、前記積重体の端部において、請求項11に記載の(n-1)個のデバイスと請求項12に記載の2個のデバイスによって達成され、nは整数である請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
ステップc/およびd/は、前記2極電池の剛性パッケージング(4)の設置によって達成される請求項17または18に記載の方法。
【請求項２０】
ステップc/およびd/は、電気絶縁体材料で作られた前記ストリップの周辺部分の周りのU状あご部(5)を使用してヒートシールすることによって達成される請求項17または18に記載の方法。
【請求項２１】
前記デバイスの少なくとも一方の平らな部分の一方の上に少なくとも1つの電極を堆積させることは、印刷技法によって達成される請求項17から20のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも1つの電極内へのリチウムの、挿入または脱離、あるいは換言すれば、インターカレーション-デインターカレーションの原理に従って動作するリチウム電気化学発電機の分野に関する。
【０００２】
本発明は、より詳細には、2極電池とも呼ばれる、2極機能を有する少なくとも1つの集電体を含むリチウム電気化学蓄電池に関する。こうした2極電池では、2極集電体は、2極集電体の対向する面の各面に、反対の符号を有する電極材料の一方を支持する、すなわち、カソード(正電極)は面の一方によって支持され、アノード(負電極)は、対向する面の他方によって支持される。
【０００３】
本発明の目的は、電解質に接する電気化学発電機のシーリングを改善すること、特に、液体形態の電解質に接する2極電池のシーリングを改善することである。
【背景技術】
【０００４】
従来のリチウムイオン電池のアーキテクチャは、1つのアノード、1つのカソード、および電解質を含む単一の電気化学セルを有するため、単極であるとみなされうるアーキテクチャである。いくつかのタイプの単極アーキテクチャ幾何形状、
-  米国特許出願公開第2006/0121348号に開示される幾何形状などの円柱幾何形状、
-  米国特許第7348098号、米国特許第7338733号に開示される幾何形状などの角柱幾何形状、
-  米国特許出願公開2008/060189号、米国特許出願公開2008/0057392号、および米国特許第7335448号に開示される幾何形状などの積重体ベースの幾何形状
が知られている。
【０００５】
単極アーキテクチャは、巻線によって達成される。巻線は、正電極(カソード)材料がその上に連続して堆積される集電体と、別の集電体上にそれ自体が堆積される、負電極(アノード)材料内で挟まれるポリマーまたはセラミック材料で作られたセパレータとからなる。この単極アーキテクチャの主要な利点は、このアーキテクチャが、材料の大きな活性領域を有するが、電位差が、使用される2つの電極材料間の電位差のユニタリ値に制限されることである。積重体ベースの幾何形状の場合もそうである。
【０００６】
相当のエネルギー密度を維持しながら、単極Liイオン蓄電池の平均電位を増加させるために、複数の電気化学セルを直列にした電池を生産することが知られている。そのため、電池のアーキテクチャは、それ自体が2極電極であるとみなされるプレートの形態の同じ集電体によって支持される、1つのセルのカソードおよび隣接するセルのアノードを含むため、2極であるとみなされる。そのため、2極電池のアーキテクチャは、2極電極または集電体を通したいくつかの単極蓄電池の直接接続である。しかし、2極電池のアーキテクチャは、外部コネクタによって直列に接続される単極蓄電池と比較して低い電気抵抗を有するという利点を持つ。こうした2極電池に関する多くの特許出願または特許、たとえば米国特許出願第7279248号、米国特許出願第7220516号、米国特許出願第7320846号、米国特許出願第7163765号、国際公開第03/047031号パンフレット、国際公開第2006/061696号パンフレット、および米国特許出願第7097937号をこれに関連して挙げることができる。
【０００７】
2極電池の引き続く利点は、2極電池が、低い質量を有すること、および、過剰な容積を含まないことである。
【０００８】
2極電池の主要な設計の難しさは、一般に液体形態の電解質に対して、互いから完全にシールされるコンパートメントを生産することである。実際には、不十分なシーリングは、2極電池を故障させる。
【０００９】
このことは、2極Liイオン電池の分野に関連する特許文献のほとんどが、1つのコンパートメントから別のコンパートメントへの電解質の漏洩(イオン短絡)を防止するためのシール解決策に関する事実によってさらに確証される。
【００１０】
上述した特許出願または特許のうち、2極集電体の周辺に接着された柔軟接着膜5、6を用いた解決策を記載する米国特許第7220516号を挙げることができる。集電体4および電解質6に樹脂10をコーティングすることを含む解決策を記載する米国特許第7320846号も挙げることができる。2極集電体の間に配列された、ポリアミド/PP(ポリアミドは、セルから一定の距離で集電体の周辺に直接塗られる)で作られた混合ストラット9を用いたシール解決策を記載する特許米国特許第7163765号もまた挙げることができる。一方で、米国特許第7097937号は、2重シール解決策を提案しており、その理由は、フルオロポリマーで作られた内部バリア14、22が、2極集電体11の周辺に取り付けられ、エラストマーで作られた外部フレーム18、23が、2極集電体11上でかつ2極集電体11の周りでバリア14、22の外側に取り付けられるからであり、場合により、エラストマーで作られた追加のリング15が2極集電体11に取り付けられる。最後に、欧州特許出願第2073300号が、本出願人の名前のもとに挙げられ、この特許出願は、プレートの寸法が、プレートに隣接するものに対して増加され、相互接続するプレート間に挿入されるシールデバイスが、2つのシールがセルの積重軸において互いに一直線に位置しないように、横方向にオフセットされる解決策を提案する。
【００１１】
したがって、Liイオン2極電池において電解質に接したコンパートメントの相互シーリングを改善するための先に想定された解決策は、次の通りに要約されうる。
-  プレートの形態での、2極電極とも呼ばれる2極集電体のシステム的生産、
-  プレートの周辺での種々の接着剤または樹脂の使用、
-  電解質に対するさらなるバリアを生成するための2極集電体プレートフォーマットの増加。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第2006/0121348号
【特許文献２】米国特許第7348098号
【特許文献３】米国特許第7338733号
【特許文献４】米国特許出願公開第2008/060189号
【特許文献５】米国特許出願公開第2008/0057392号
【特許文献６】米国特許第7335448号
【特許文献７】米国特許第7279248号
【特許文献８】米国特許第7220516号
【特許文献９】米国特許第7320846号
【特許文献１０】米国特許第7163765号
【特許文献１１】国際公開第03/047031号パンフレット
【特許文献１２】国際公開第2006/061696号パンフレット
【特許文献１３】米国特許第7097937号
【特許文献１４】欧州特許出願第2073300号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、Liイオン2極電池において電解質に対するコンパートメント相互間のシーリングを改善するために先に想定された解決策と異なる解決策を提案することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、生産するのが簡単であるLiイオン2極電池において電解質に対してコンパートメント相互間でシールするための別の解決策を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
これを達成するために、本発明の目的は、リチウム電気化学発電機用のデバイスであり、このデバイスは、少なくとも1つのポリマーを含む電気絶縁体材料で作られたストリップと、ストリップ内に収容され、両面が平らな集電体を形成する1つの金属格子または1つの隆起金属シートとを含み、ストリップの周辺は格子または隆起シートを全く有さず、格子または隆起シートの2つの平らな部分の少なくとも一方はリチウムインサーション材料で作られた電極で覆われる。
【００１６】
これらの両面における「平らな(flush)」は、この場合また本発明の文脈で、少なくともシートまたは金属格子の一部分がストリップの表面において出る(emerge)こと、および、シートまたは格子をストリップ全体を通して形成する材料の材料連続性によって電気伝導の連続性が存在することを意味すると理解される。
【００１７】
本発明によれば、シール手段は、したがってある方法で、その機能が集電体である部分の中に組み込まれる。換言すれば、電池の新規な半製品が、ある方法で規定され、その半製品は、同時に、
-  集電体であって、2極性であると、隣接する1つの電気化学セル、すなわち、真下または真上に積み重ねられた電気化学セルのカソードとアノードとの間で電気伝導を提供する、集電体と、
-  もっぱら電気絶縁材料から作られた周辺領域であって、組み立てられると、電池の電解質に対するシールを生成することに寄与する、周辺領域と
を組み込む。本発明の文脈で、2極電池の動作温度範囲内でクリープしない1つまたは複数の絶縁材料(ポリマー)を規定するように当業者が配慮することは自明である。
【００１８】
本発明によるデバイスは、厚さを10μmから100μmの間、好ましくは25μmから50μmの間とすることができる。
【００１９】
本発明によるデバイスは、周辺に取り付けられる、先に規定した格子またはシートが全くない領域に関して、多角形形状の断面たとえば長方形または正方形などの任意の幾何学的形態を有することができる。
【００２０】
長さが、40cmから70cmの間、典型的には50cm程度であり、幅が、10cmから25cmの間、典型的には15cm程度である平面寸法を想定することが可能である。本発明によるシートまたは格子が全くない周辺領域は、有利には、幅が1mmから10cmの間、より詳細には3mmから12mmの間、典型的には5mm程度であるフレームを形成しうる。本発明によるシートまたは格子を全く持たない周辺領域は、デバイスの総面積の25%未満、好ましくは20%未満、さらにより好ましくは15%未満の領域を示しうる。
【００２１】
本発明による、提案される混合集電体/周辺シール領域半製品は、今までに提案されたものに関する技術的な進歩であり、集電体をプレートの形態で常に生産することにあり、また、シールデバイスをプレートに付着させることからなる。したがって、本発明によるデバイスは、漏洩防止自体が簡略化され、(集電体としてのプレートの除去によって)かなりの質量利得がもたらされ、したがって、かなりの効率の改善が達成されることを可能にする。実際には、等しい質量に基づくと、本発明による電池のエネルギー密度はより大きく、したがって、性能の改善が、前記電池について得られる。さらに、電池のシーリングが改善されるため、電池は、より効率的である。
【００２２】
一変形形態によれば、ストリップを構成する大多数のポリマーはポリオレフィンである。
【００２３】
ストリップは、少なくとも1つの他のポリマーを含むことができ、前記他のポリマーは、ポリオレフィンと集電体との間に挿入されて、ポリオレフィンと集電体との間の付着を改善する。
【００２４】
別の変形形態によれば、他のポリマーは、ポリエステルまたはポリウレタンの中から選択されうる。
【００２５】
ストリップはまた、少なくとも1つの固着促進剤を含むことができ、前記固着促進剤は、ポリオレフィンと集電体との間に挿入されて、ポリオレフィンと集電体との間の付着を改善する。
【００２６】
ストリップを構成する大多数のポリマーはまた、2成分樹脂、好ましくはアクリル樹脂とすることができる。実際には、アクリル樹脂は、炭酸電解質との接触状態で優れた機械的特性を有する。
【００２７】
一変形形態によれば、ポリマーは、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルスルフォン(PES)、およびポリエーテルエーテルケトン(PEEK)熱可塑性プラスチックの中から選択されうる。
【００２８】
選択されるリチウムインサーション電極材料のタイプに応じて、格子または金属隆起シートによって形成される集電体は、アルミニウムで作られるか、または、別の金属の表面に電気メッキされうる。集電体は、たとえば、銅の上に重ねられたアルミニウムで作られうる。
【００２９】
金属格子は、規則的なメッシュを有しうる。
【００３０】
集電体は、好ましくは、絶縁体材料で作られたストリップにセンタリングされたフレームとして形作られる。
【００３１】
デバイスの集電体が2極性であることを意図されるとき、格子または隆起シートの両方の平らな部分は、リチウムインサーション材料で作られた電極で覆われる。
【００３２】
「リチウムインサーション材料で作られた電極」は、ここで、また、本発明の文脈で、少なくとも1つのリチウムインサーション材料および少なくとも1つのポリマーバインダーを含む電極を意味すると理解される。電極は、場合により、さらに、電子導体、たとえばカーボンファイバまたはカーボンブラックを含みうる。
【００３３】
具体的には、正電極用の「リチウムインサーション材料(lithium insertion material)」は、ここでまた本発明の文脈で、スピネル型構造を有するマンガンを含むリチウム化酸化物、層状構造を有するリチウム化酸化物、およびこれらの後者の構造のブレンドを有するリチウム化酸化物、ならびに式LiMy(XOz)nのポリアニオン構造を有するリチウム化酸化物の中から選択される材料であると理解される。式中、M、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、B、およびMoの中から選択される元素を表し、Xは、P、Si、Ge、S、およびAsの中から選択される元素を表し、y、z、およびnは、正整数である。
【００３４】
具体的には、負電極用の「リチウムインサーション材料」はまた、酸化チタン(リチウム化または非リチウム化)、たとえばLi4Ti5O12またはTiO2の中から選択される材料を意味すると理解される。
【００３５】
より具体的には、負電極材料は、炭素質材料、非リチウム化酸化チタン、およびそれらの誘導体、ならびにLi4Ti5O12などのリチウム化酸化チタン、およびそれらの誘導体、ならびに後者のブレンドから選択されうる。
【００３６】
「リチウム化誘導体(lithiated derivatives)」は、ここでまた本発明の文脈で、式Li(4-x1)Mx1Ti5O12およびLi4Ti(5-y1)Ny1O12の化合物を意味すると理解される。式中、x1およびy1は、それぞれ0と0.2との間であり、MおよびNは、それぞれ、Na、K、Mg、Nb、Al、Ni、Co、Zr、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Si、およびMoから選択される化学元素である。
【００３７】
「非リチウム化誘導体(non-lithiated derivatives)」は、ここでまた本発明の文脈で、Ti(5-y1)Ny1O12を意味すると理解される。式中、式中、y1は0と0.2との間であり、Nは、Na、K、Mg、Nb、Al、Ni、Co、Zr、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Si、およびMoから選択される化学元素である。
【００３８】
デバイスの集電体が単極性であることを意図されるとき、格子または隆起シートの平らな部分の1つの平らな部分は、リチウムインサーション材料で作られた電極で覆われる。
【００３９】
本発明はまた、順に積み重ねられた少なくとも2つの電気化学セルと、上述した少なくとも1つのデバイスとを含む2極電池に関しており、両方の平らな部分はそれぞれ、電極で覆われ、集電体の2つの平らな部分の一方は、2つのセルの一方のリチウムインサーション材料で作られたアノードで覆われ、集電体の2つの平らな部分の他方は、2つのセルの他方のリチウムインサーション材料で作られたカソードで覆われ、少なくとも1つのポリマーで作られたストリップの周辺は、2つのセルの電解質に対してシールされ、これらの電解質を囲む壁の周辺領域を構成する。
【００４０】
こうした電池はまた、有利には、上述した少なくとも1つのデバイスを含み、平らな部分の1つの部分は電極によって覆われ、電極によって覆われない2つの平らな部分の他方は、末端集電体と接触状態にある。
【００４１】
集電体の寸法は、全ての電極の寸法にほぼ等しいように選択される。
【００４２】
好ましくは、アノードはLi4Ti5O12で作られ、カソードはLiFePO4で作られる。
【００４３】
最後に、本発明は、順に積み重ねられた少なくとも2つの電気化学セルを含む2極電池を生産するための方法に関し、方法は、
a/  両方の平らな部分がリチウムインサーション材料で作られた電極で覆われる上述したデバイス、および、2つのデバイスであって、2つのデバイスの平らな部分の1つの部分がリチウムインサーション材料で作られた電極で覆われる、2つのデバイスを生産するステップであって、それにより、
-  上述した2つのデバイスの一方の集電体の平らな部分の一方は、リチウムインサーション材料で作られたアノードで覆われ、
-  上述した2つのデバイスの他方の集電体の平らな部分の一方は、リチウムインサーション材料で作られたカソードで覆われ、
-  上述したデバイスの集電体の平らな部分の一方はリチウムインサーション材料で作られたカソードで覆われ、一方、上述したデバイスの集電体の平らな部分の他方はリチウムインサーション材料で作られたアノードで覆われる、
生産するステップと、
b/  3つのデバイスを、2つの隣接するデバイス間にセパレータを挟むことによって積み重ねるステップであって、
-  上述した2つのデバイスの一方のアノードが、上述したデバイスのカソードに向き、デバイスが、第1のセパレータによって分離され、
-  上述した2つのデバイスの他方のカソードが、上述したデバイスのアノードに向き、デバイスが、第2のセパレータによって分離されるように達成される、
積み重ねるステップと、
c/  デバイスの3つのストリップの周辺を、互いに押し付けるステップであって、セパレータはそれぞれ、電解質を含浸される、押し付けるステップと、
d/  3つのストリップを互いに押し付けたまま維持するステップであって、それにより、2つのセルの電解質に対してシールされ、当該セルを囲む壁を構成する、維持するステップと
を含む。
【００４４】
「セパレータ(separator)」は、ここで、また本発明の文脈で、少なくとも1つのポリマー材料、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアセテート(PVA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエキシエチレン(POE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、あるいは、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはセルロースなどのポリオレフィンの中から選択されるポリマーによって形成される電気絶縁体とイオン導体を意味すると理解される。
【００４５】
本発明による電解質は、炭酸塩(carbonate)と少なくとも1つのリチウム塩のブレンドによって形成される液体とすることができる。「リチウム塩(lithium salt)」は、好ましくは、LiPF6、LiClO4、LiBF4、およびLiAsF6の中から選択される塩を意味すると理解される。
【００４６】
あるいは、電解質は、リチウムイオンを有する1つまたは複数のイオン液体、すなわち、その1つの特性が周囲温度で液体状態にあるということである、無機または有機アニオンと複合体を形成した、リチウムカチオンからなる塩を含みうる。イオン液体は、アニオンの性質に応じて、親水性または疎水性となりうる。
【００４７】
イオン液体の例として、疎水性アニオン、たとえば、トリフルオロメタンスルホネート(CF3SO3)、ビス(トリフルオロメタンスルホネート)イミド[(CF3SO2)3N]、およびトリス(トリフルオロメタンスルホネート)メチド[(CF3SO2)3C]を有するイオン液体を挙げることができる。
【００４８】
電解質によってセパレータを含浸させるステップに関して、積み重ねる前にそうすること、すなわち、設置される(挟む)ときに電解質によってセパレータを含浸させること、または、ステップb/による積重ねが終了した後にそうすることが想定されうる。
【００４９】
本発明の一実施形態によれば、両面に電極を含むいくつかのデバイスは、本発明による2極電池内のn(nは正整数)個の電気化学セルを作製するために使用されうる。正整数nは、たとえば13に等しいとすることができ、それは、それぞれが両面に電極を有する本発明による12に等しい数のデバイスを製造することを意味する。換言すれば、互いの上に個々に積み重ねられたn個の電気化学セルを含む2極電池は、それぞれが両面に電極を有する(n-1)個のデバイス、および、それぞれが一方の面に単一電極を有する積重体の端部の2つのデバイスを用いて、上述したステップa/〜d/を遂行することによって製造されうる。
【００５０】
ステップc/およびd/は、2つの代替法、すなわち、
-  2極電池の剛性パッケージングの設置によって、
-  または、電気絶縁体材料で作られたストリップの周辺部分の周りのU状あご部(jaw)を使用してヒートシール(heat-seal)することによって
有利にかつ簡単に達成されうる。
【００５１】
デバイスの少なくとも一方の平らな部分の一方の上に少なくとも1つの電極を堆積させることは、慣例の印刷技法、たとえば、スクリーン印刷、ヘリオグラフィ、フレキソグラフィ、スプレーイングなどによって達成されうる。
【００５２】
格子または隆起シートの形態の本発明による集電体の電気伝導は、狭い光子または隆起メッシュを使用することによって、あるいは、格子または隆起シートを表面電気メッキすることによって改善されうる。
【００５３】
他の利点および特徴は、以下の図を参照して行われる、例証のために提供される詳細な説明を読むとより明確にわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】現状技術によるリチウム2極電池の概略縦断面図である。
【図２Ａ】現状技術によるリチウム2極電池で使用される2極集電体の正面図である。
【図２Ｂ】現状技術によるリチウム2極電池で使用される2極集電体の断面図である。
【図３Ａ】現状技術によるリチウム2極電池で使用される別の2極集電体の正面図である。
【図３Ｂ】現状技術によるリチウム2極電池で使用される別の2極集電体の断面図である。
【図４Ａ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分の正面図である。
【図４Ｂ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分の断面図である。
【図５】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第1の方法を示す概略図である。
【図５Ａ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第1の方法を示す正面図である。
【図５Ｂ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第1の方法を示す断面図である。
【図６】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第2の方法を示す概略図である。
【図６Ａ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第2の方法を示す正面図である。
【図６Ｂ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第2の方法を示す断面図である。
【図７】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第3の方法を示す概略図である。
【図７Ａ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第3の方法を示す正面図である。
【図７Ｂ】電極を持たない本発明によるデバイスの一部分を製造するための第3の方法を示す断面図である。
【図８Ａ】本発明による3つのデバイスから単極電池を製造する方法のステップを示す概略図である。
【図８Ｂ】本発明による3つのデバイスから単極電池を製造する方法のステップを示す概略図である。
【図８Ｃ】本発明による3つのデバイスから単極電池を製造する方法のステップを示す概略図である。
【図８Ｄ】本発明による3つのデバイスから単極電池を製造する方法のステップを示す略図である。
【図８Ｄ１】ステップ8Dに対する代替ステップを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
国際公開第03/047021号パンフレットに示されるような現状技術によるLi-イオン2極電池が図1に示される。
【００５６】
この電池は、その上側部分に、導電性アルミニウム基材13(正末端集電体)とLi1.04Mn1.96O4などの正リチウムインサーション材料で作られた活性層14を、また、その下側部分に、導電性アルミニウム基材21(負末端集電体)とLi4Mn5O12などの正リチウムインサーション材料で作られた活性層20を含む。
【００５７】
この電池内で、2極集電体とも呼ばれる2極電極1は、プレートの形態の導電性アルミニウム基材17の両側に正活性層16と負活性層18を含む。
【００５８】
下側電極20および上側電極14は、電解質が液体またはゲル形態で存在する2極電極1から2つのセパレータ15、19によって分離される。2つの組み立てられた(constituted)隣接電気化学セル14、15、16および18、19、20の間の電池の電解質に対するシールは、全ての電極およびプレート17の周辺上に樹脂または接着剤を堆積させることによって生成されるシール22によって提供される。
【００５９】
現状技術による2極集電体10または17は、電極を製造するために使用されるリチウムインサーション材料に応じて、
-  2つの重ねられた(superimpose)プレートであって、その一方が、典型的には、10ALアルミニウムで作られており、カソード11によって覆われ、また、その他方が、典型的には、10C銅で作られており、アノード12で覆われる(図2Aおよび図2B)、2つの重ねられたプレート、
-  または、単一プレートであって、典型的には、10ALアルミニウムで作られており、面jの一方をカソード11で、面の他方をアノード12で覆われる(図3Aおよび図3B)、単一プレート
からなる。
【００６０】
現状技術による2極電池を設計するときに経験される主要な難しさは、図1で14、15、16および18、19、20で参照されるコンパートメント間で互いに関して、概して液体形態である電解質に対して完全にシールされるコンパートメントを製造することである。
【００６１】
これを達成するために、現状技術によりシール22を生成すること、または、2極電極のプレート10を増加させることは、必ずしも十分ではない。
【００６２】
したがって、本発明者は、集電体の設計のために完全に異なる解決策を提案する。
【００６３】
図5A〜7Bでは、本発明によるデバイスの一部分10を製造するための3つの異なる方法が示されている。
【００６４】
3つの方法のそれぞれによれば、少なくとも1つのポリマーを含む絶縁体材料で作られたストリップ100に収容される2極電池内の集電体を形成する金属格子または隆起シート101が得られ、格子または隆起シート101は、図4B、5B、6B、7Bを見てわかるように、ストリップ100の両面でレベル101Aと同一平面上にある。これらの図で、また同様に対応する対向図4A、5A、6A、7Aでは、格子または隆起シート101が、ポリマーストリップ100内に中心を持つフレームとして形作られることが見てわかる。さらに、格子または隆起シート101は、規則的メッシュを有し、各メッシュは菱形(lozenge-shaped)である。
【００６５】
図5の方法によれば、ポリマー、2成分樹脂、またはポリオレフィンは、液体形態でその融点まで加熱され、その後、こうして溶解された、したがって、粘性溶液形態のポリマーの、塗布に最適である所定の量が、格子101上に注がれ、それにより、格子101は、こうして構成されるポリマーで作られる部分100Lの両側で、表面が平らになる。その後、組立体(金属格子101およびポリマーストリップ100)は、周囲温度のままにされて、ポリマーが、硬化し、したがって、ポリマーが注がれる金属格子101によって構成される導電性部分に付着する。そのため、本発明によるデバイス101の部分10は、硬化したポリマーで作られたストリップ100の両面で平らである金属格子101を有する。集電体に対するポリマーの付着を改善するために、固着促進剤が使用されうる。
【００６６】
図6の方法によれば、ポリマーシート100に対する金属格子101の重ね合わせ(lamination)が遂行され、それにより、金属格子101が、端から端まで貫通(penetrate)し、また、金属格子101が、ポリマーシートの表面で平らになる。この場合もまた、格子101は、好ましくは、ポリマーシート100内に中心を持つフレームとして形作られる。
【００６７】
図7の方法によれば、隆起アルミニウムシート101が、ポリマーストリップ100上に重ね合わされ、それにより、隆起アルミニウムシート101がポリマー101の全体を貫通し、また、隆起アルミニウムシート101がポリマーストリップ100の両面で平らになる。
【００６８】
この手段によって、得られる本発明によるデバイスの支持部分10(図8A)、すなわち、混合シール機能領域100/集電体101半製品が最初に得られる。
【００６９】
リチウムインサーション材料で作られた少なくとも1つの電極の堆積は、本発明によるデバイスを最終的に得るために遂行される。
【００７０】
図8Bに示すように、完全な2極電池を製造するために、本発明による3つの別個のデバイスが製造される。すなわち、
-  「2極(bipolar)」デバイス1を得るために、Li4Ti5O12で作られる層などの負リチウムインサーション材料(アノード)の層12が、格子101の平らな部分101Aの一方に堆積され、LiFePO4で作られる層などの正リチウムインサーション材料(カソード)の層11が、格子101の他の平らな部分101Aに堆積され、
-  正「単極(monopolar)」デバイス1'を得るために、LiFePO4で作られる層などの正リチウムインサーション材料(カソード)の層11'だけが、格子101の平らな部分101Aの一方に堆積され、
-  負「単極(monopolar)」デバイス1"を得るために、Li4Ti5O12で作られる層などの負リチウムインサーション材料(アノード)の層12"だけが、格子101の平らな部分101Aの一方に堆積される。
【００７１】
これらの3つのデバイス1、1'、1"の場合、電極層は、有利には、電極が全くない状態でポリマーストリップ100の周辺100Pを整然と(methodically)残しながら、印刷技法(ヘリオグラフィ、フレキソグラフィ、またはスクリーン印刷)によって集電体上に製造される。全ての電極層11、12、11'、12'および格子101は、ほぼ同じ寸法であり、ポリマーストリップの全ての周辺領域100Pもそうである。
【００７２】
カレンダリング(calendering)ステップが、場合により、各電極内での電子パーコレーション(percolation)の改善を提供するために含まれうる。
【００７３】
デバイス1、1'、1"は、その後、積み重ねられ、そのとき、2極デバイス1が2つの単極1'と1"との間にある状態でデバイスが整列され、また、セパレータを構成する電気絶縁体とイオン伝導性膜3によってデバイスが分離される。図8Cに示すように、2極電池は、その後、2つの電気化学セルC1、C2が順に積み重ねられた状態で、かつ、連続する周辺領域100Pが上部から下部まである状態で得られる。
【００７４】
積重体が製造されると、各セパレータは、電解質を含浸される。あるいは、電解質は、積重体内に設置されるときに各セパレータに既に含浸されていてもよい。
【００７５】
こうした2極電池のコンパートメント間に最終的なシーリングを達成するために、デバイス1、1'、1"の3つのストリップ100の周辺100Pは、互いに押し付けられ、3つのストリップは、互いに押し付けられたままにされる。この手段によって、両方のセルC1、C2の電解質に対してシールされ、これらのセルを上部から下部まで囲む、壁が構成される。この最終的なステップを遂行するために、2つの代替法が想定されうる。すなわち、
-  有利には電池の剛性パッケージング4を使用して、セルのポリマーストリップ100の周辺100Pに圧力が加えられる(図8D)。
-  または、有利にはU状あご部を使用して、ポリマー周辺100Pのヒートシールが、上部から下部まで均一に遂行される(図8D')。
【符号の説明】
【００７６】
1、1'、1"  デバイス
3  電解質
4  剛性パッケージング
10  デバイスの支持部分
11、12、11'、12'  電極層
100  ポリマーストリップ
101  金属格子または隆起シート
101A  平らな部分
100P  周辺
【図１】
2013532362.tif 000003
【図２Ａ】
2013532362.tif 000004
【図２Ｂ】
2013532362.tif 000005
【図３Ａ】
2013532362.tif 000006
【図３Ｂ】
2013532362.tif 000007
【図４Ａ】
2013532362.tif 000008
【図４Ｂ】
2013532362.tif 000009
【図５−５Ｂ】
2013532362.tif 000010
【図６−６Ｂ】
2013532362.tif 000011
【図７−７Ｂ】
2013532362.tif 000012
【図８Ａ】
2013532362.tif 000013
【図８Ｂ】
2013532362.tif 000014
【図８Ｃ】
2013532362.tif 000015
【図８Ｄ】
2013532362.tif 000016
【図８Ｄ１】
2013532362.tif 000017
【国際調査報告】
2013532362.tif 000018
2013532362.tif 000019
2013532362.tif 000020
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