(57)【要約】  本発明は、実質的に導電性フィルムから成る、バッテリーセル用の集電体に関し、導電性フィルムがパターニングエレメントを有しており、このパターニングエレメントが、フィルムとこのフィルムを覆っている活物質との間の実効的なコンタクト面を、フィルムの底面と比べて拡大することを特徴とする。さらに、本発明は、相応する集電体の製造方法並びにこのような集電体を有するバッテリーセルに関する。
2014508382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に導電性フィルム（２００）から成る、バッテリーセル用の集電体（１００）において、
前記導電性フィルム（２００）はパターニングエレメント（３００、３１０）を有しており、前記パターニングエレメントは、前記フィルム（１００）と当該フィルムを覆っている活物質（４００）との間の実効的なコンタクト面を、前記フィルム（２００）の底面と比べて拡大する、
ことを特徴とする、バッテリーセル用の集電体（１００）。
【請求項２】
前記パターニングエレメント（３００、３１０）は、前記フィルム（２００）の底面にわたって実質的に均一に分布している隆起部として形成されている、請求項１記載の集電体（１００）。
【請求項３】
前記パターニングエレメント（３００）は、前記フィルム（２００）の底面の水準から最大隆起を有しており、当該最大隆起は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と、当該フィルムの上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和よりも小さい、請求項１または２記載の集電体（１００）。
【請求項４】
前記フィルム（２００）は集電板（７００）の領域において、前記集電体（１００）の他の領域よりも少ない数のパターニングエレメント（３００、３１０）を面積あたり有している、請求項１から３までのいずれか一項記載の集電体（１００）。
【請求項５】
前記パターニングエレメント（３００）は、前記フィルム（２００）の底面の水準から最大隆起を有しており、当該最大隆起は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と、当該フィルムの上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和以上である、請求項１から４までのいずれか一項記載の集電体（１００）。
【請求項６】
前記フィルム（２００）は、前記パターニングエレメント（３１０）の領域において複数の孔を有している、請求項１から５までのいずれか一項記載の集電体（１００）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項記載の集電体（１００）を少なくとも１つ有している、
ことを特徴とするバッテリーセル。
【請求項８】
バッテリーセル用の電極（６００）の製造方法であって、当該方法は、
・導電性フィルム（２００）を提供するステップを有し、
・パターニングエレメント（３００、３１０）を前記フィルム（２００）内に設けるステップを有し、ここで前記パターニングエレメント（３００）は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と当該フィルム上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和よりも小さい、前記フィルム（２００）の底面の水準からの最大隆起を有しており、前記フィルム（２００）は前記パターニングエレメント（３００）の領域において孔を有しておらず、および／または、前記パターニングエレメント（３１０）は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と当該フィルム上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和以上の、前記フィルム（２００）の底面の水準からの最大隆起を有しており、前記フィルム（２００）は前記パターニングエレメント（３１０）の領域内で複数の孔を有しており、前記パターニングエレメント（３００、３１０）は、前記フィルム（２００）の底面にわたって規則的に分配して配置されており、
・前記パターニングされたフィルム（２００）上に活物質（４００）を被着するステップを有し、
・前記パターニングされたフィルム（２００）に前記活物質（４００）を押し当てるステップを有している、
ことを特徴とする、バッテリーセル用の電極（６００）の製造方法。
【請求項９】
前記パターニングエレメント（３００、３１０）をローラー、スタンプおよび／または打ち抜き機によって前記フィルム（２００）内に設ける、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記被着された活物質（４００）から突出している、前記パターニングエレメント（３１０）の部分（３３０）が前記活物質（４００）の方向に折り曲げられるように、前記パターニングされたフィルムへの前記活物質（４００）の押し当てを行う、請求項８または９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリーセル用の集電体に関する。ここでこの集電体は実質的に、導電性フィルムから形成されており、この導電性フィルムが、フィルムとフィルムを覆っている活物質との間の実効的なコンタクト面を、フィルムの底面よりも大きくするパターニングエレメントを有している、ということを特徴とする。さらに、本発明は、相応する集電体を製造する方法並びに、このような集電体を有するバッテリーセルに関する。
【０００２】
従来技術
バッテリーセルは、既に長い間、従来技術において、電気エネルギー用のエネルギー蓄積部として利用されている。バッテリーセルは、本発明では、バッテリーとも、蓄電池とも解される。１つまたは複数の蓄積器セルから形成されている、電気エネルギーを蓄積するためのバッテリーセルが公知である。このバッテリーセル内では充電電流の印加時に電気エネルギーがカソードとアノードとの間の電気化学的な充電反応において電解質内ないしは電解質間で化学エネルギーに変換されて、蓄積される。また、このバッテリーセル内では電気的な負荷を加えると、化学的なエネルギーが電気化学的な放電反応において電気エネルギーに変換される。この際に蓄電池によってより多くの充電周期および放電周期が可能になり、またバッテリーは通常一回だけ充電され、放電後には浄化されなければならない。近年、リチウム化合物をベースにしたバッテリーセルが重要になってきている。このようなリチウムベースのセルは、高いエネルギー密度と熱安定性とを有しており、自己放電が僅かである場合に一定の電圧を供給し、いわゆるメモリー効果はない。バッテリーセル、殊にリチウムバッテリーセルを薄いプレートの形態で製造することが知られている。このようなセルでは、カソード材料およびアノード材料、電流を集める部分（以降では集電体と称される）およびセパレータは、薄いフィルムの形態で適切な方法で、交互に重ねられ（積層され）、かつカバーフィルムでパッケージされる。この際にカソードとアノードは、集電体と集電体の片面または両面に被着された活物質とから形成される。カソードないしはアノードの集電体はセルの縁で側方から突出し、導電性接触接続される。このようなリチウムイオンバッテリーないしは蓄電池は今日では、多くの製品において、エネルギー蓄積器として使用されている。このようなエネルギー蓄積器を、例えば、ポータブルコンピューターシステムまたは電気通信の領域において使用することが知られている。現在では、このようなエネルギー蓄積器を、自動車内の駆動用バッテリーとして自動車分野において使用することも、集中的に討議されている。この際に多数の充電周期にわたった活物質と電極との間の良好な接触接続が、殊に、バッテリーセルの長期耐久性にとって必要である。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ６９４２９１５３Ｔ２は、導体路が設けられている多孔性金属板と、このような金属板を製造する方法と、殊に、有利にはバッテリーのらせん状電極プレートとして使用される、導体路が設けられている多孔性金属板を開示している。らせん状電極プレートとして多孔性金属板を使用するために、多孔性金属板の孔内に、活物質が充填される。ここでこの多孔性金属板は、例えば多孔性マット（例えば発泡マット）と、織られていない材料部分と、スクリーンマットの組み合わせから、またはこれらの３つのマットタイプのうちの１つのみから成る。このようにして、完全に金属塊から成り、電流を集めるための集電素子として用いられる導体路が螺旋状の電極の周囲縁に沿って形成される。
【０００４】
発明の開示
本発明では、バッテリーセル用の集電体が提案される。ここでこの集電体は、実質的に導電性フィルムから形成されている。これは次のような特徴を有する。すなわち、この導電性フィルムが、フィルムと、フィルムを覆っている活物質との間の実効的なコンタクト面を、フィルムの底面と比べて拡大するパターニングエレメントを有している、という特徴を有する。
【０００５】
有利には、この導電性フィルムは金属フィルムである。
【０００６】
本発明に相応して設けられるパターニングエレメントによって生じる、フィルムと活物質との間のより大きい実効的なコンタクト面によって、集電体と活物質との間のより良好な接着が実現される。さらに、集電体と活物質との間の移行抵抗が低減する。このような移行抵抗の低減および接着性の改善によって、セルの耐久性が向上し、寿命が長くなる。
【０００７】
本発明の１つの実施形態では、パターニングエレメントは、フィルムの底面にわたって実質的に均一に分配されている隆起部として形成されている。これによって、活物質と集電体との間の接着がさらに改善される。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、パターニングエレメントは、フィルム厚さとフィルム上に被着されている活物質の厚さとの和よりも小さい、フィルム底面の水準からの最大隆起を有している。有利な実施形態では、パターニングエレメントは、フィルムの両側へ形成されている。さらに有利には、集電板の領域において、面積あたりのパターニングエレメントの数は低減されており、これによって、セルの充電および／または放電時にこの箇所で生じるより高い電流密度を収容することが可能になる。有利には、底面とパターニングエレメントとの間の比は、集電体のフィルム材料が伸張するだけで、破損せず、孔が防止されるように選定されている。
【０００９】
本発明では、ローラーおよび／またはスタンプによって、パターニングエレメントが、フィルム内に設けられる。パターニングエレメントを刻印するローラーおよび／またはスタンプの隆起部は、有利には、その頂上部において丸められており、これによって、パターニングエレメントの領域おいてフィルム内に孔が形成されてしまうことが回避される。
【００１０】
パターニングエレメントによって拡大された集電体表面によって、集電体と活物質との間の接着性が改善され、これによって、集電体と活物質との間の移行抵抗が低減される。これによって、バッテリーセルの耐久性と寿命が改善される。
【００１１】
本発明の別の実施形態では、パターニングエレメントは、フィルムの厚さとフィルム上に被着されている活物質の厚さとの和以上である、フィルム底面の水準からの最大隆起を有している。ここで特に有利には、フィルムは、このパターニングエレメントの領域において多孔性である。本発明に相応して設けられる、このような様式のパターニングエレメントは、例えばローラー、スタンプまたは打ち抜き機を用いて、集電体のフィルム材料内にもたらされる。ここでこれらの工具の隆起部は、フィルム材料内に侵入するピンとして形成されている。有利には、これらのピンの頂上部分は切断部が設けられており、これによって、フィルム材料内への侵入が容易になる。さらに有利には、ピン毎の切断部の数は３つ以上である。
【００１２】
本発明では、ピンはフィルム材料を切断部分によって次のように折り上げる。すなわち、折り上げ部分の高さが、圧延し終わった電極の厚さにわたって延在し、活物質が圧延ステップにおいて一緒にプレスされるように折り上げる。これは例えば０．１ｍｍないし０．２ｍｍである。圧延ステップではこの折り上げ部分が次に、少なくとも部分的に、活物質の方向に折り曲げられる。これによって、集電体上での活物質の機械的なクランピングが行われる。これによって同様に、集電体と活物質との間の接着性が改善される。これによって、集電体と活物質との間の移行抵抗が低減される。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、集電体は、フィルムの厚さとフィルム上に被着されている活物質の厚さとの和よりも小さい、フィルム底面の水準からの最大隆起を有するパターニングエレメントも、フィルムの厚さとフィルム上に被着されている活物質の厚さとの和以上の、フィルム底面の水準からの最大隆起を有し、この領域内でのフィルム材料の穿孔ないしは折り上げを生じさせるパターニングエレメントも有している。このような組み合わせによって、集電体と活物質との間の接着面積の拡大と、集電体上での活物質の機械的なクランピングの両方が実現される。
【００１４】
さらに、本発明では、バッテリーセル用の電極の製造方法が提案される。これは次のステップを有している：すなわち
・導電性フィルムを準備するステップ
・パターニングエレメントをこのフィルム内に設けるステップ。ここでこのパターニングエレメントは、フィルムの厚さと当該フィルム上に被着されている活物質の厚さとの和よりも小さいフィルム底面の水準からの最大隆起を有しており、フィルムはパターニングエレメントのこの領域において孔を有していない、および／または、パターニングエレメントは、フィルムの厚さと当該フィルム上に被着されている活物質の厚さとの和以上の、フィルム底面の水準からの最大隆起を有しており、フィルムはこのパターニングエレメントのこの領域においては複数の孔を有しており、
これらのパターニングエレメントは、フィルム底面にわたって規則的に分配されており、
・パターニングされたフィルム上に活物質を被着するステップ、および
・パターニングされたフィルムに活物質を押し当てるステップ。
【００１５】
本発明による方法の１つの実施形態では、パターニングエレメントは、ローラー、スタンプおよび／または打ち抜き機によって、フィルム内に形成される。
【００１６】
本発明の別の実施形態では、パターニングされたフィルムへの活物質の押し当ては次のように行われる。すなわち、被着された活物質から突出しているパターニングエレメント部分が、活物質の方において折り曲げられるように行われる。
【００１７】
最終的に、本発明の課題は、バッテリーセルによっても解決される。このバッテリーは、上述した様式の少なくとも１つの集電体を有しており、これは有利には、上述した方法によって製造されている。
【００１８】
本発明を以下で、実施例および図に基づいて、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による集電体の概略図
【図２】本発明による集電体と活物質とから成る電極
【図３】本発明に相応して設けられるべきパターニングエレメントの詳細図
【図４】本発明に相応して設けられるべき別のパターニングエレメントの詳細図
【図５】圧延ステップの前および後の本発明の集電体と活物質とから形成される電極
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の集電体１００の概略図を示している。この集電体は、導電性の金属フィルム２００から形成されている。この金属フィルム上に、パターニングエレメント３００が規則的な間隔で分配されて配置されている。これらのパターニングエレメント３００は、図２に示されている、フィルム２００の厚さ２２０と、このフィルム上に被着されている活物質４００の厚さ４１０との和よりも小さい、フィルム２００の底面の水準から最大隆起を有している。集電体１００は、上方領域に集電板７００を有している。この集電板を介して、集電体は電気的に接触接続される。集電体のこの領域において、面積あたりのパターニングエレメント３００の数は、集電体１００の他の領域におけるそれよりも低く、これによって、内部に集電体１００が設けられているバッテリーセルの充電および／または放電時に当該箇所で生じるより高い電流密度を収容することができるようになる。パターニングエレメント３００の底面と高さとの比は、有利には次のように選定されている。すなわち、その上にフィルム２００が延在している材料が伸張するだけであり、破損せず、孔が回避されるように選定されている。パターニングエレメント３００は、フィルム２００の両側へ隆起しており、これによって両側に被着されている活物質に対して、より大きな接着面が提供される。パターニングエレメント３００をフィルム２００内に設けるために、フィルムは、ローラーおよび／またはスタンプによって、パターニングされる。パターニングエレメント３００を刻印するためのローラーおよび／またはスタンプの隆起部は、有利にはその頂上部で丸められている。これによって、パターニングエレメントのこの領域においてフィルム内に孔が生じるのが回避される。
【００２１】
図２は、本発明による集電体と活物質４００とから成る電極８００を示している。厚さ２１０を有する、本発明と相応に、両側にパターニングエレメントがパターニングされている集電体１００上に、かさ４１０を有する活物質４００が被着される。このパターニングエレメント３００は、導電性フィルム２００内で次のように形成されている。すなわち、その高さが、被着されている質量体４００の高さ４１０ではなく、圧延ステップの後に、ここで活物質４００が集電体１００とともにプレスされる。本発明では、少なくとも部分的に、集電体の両側に異なる質量体が被着されている。
【００２２】
図３は、本発明と相応に設けられる、パターニングエレメント３００の詳細図を示している。パターニングエレメント３００をフィルム材料内に設けるために、フィルム２００は、ローラーおよび／またはスタンプを介して案内される。これは、パターニングエレメント３００の所望されている形状のポジの形状を有しており、丸められた頂上部を有している。ここで、パターニングエレメントの底面と高さｈとの比は有利には、集電体のフィルム材料が伸張されるだけで、破損せず、孔が形成されないように選定されている。
【００２３】
図４は、本発明と相応に設けられるべき別のパターニングエレメント３１０の詳細図を示している。このパターニングエレメント３１０では、フィルム２００の底面の水準からの最大隆起は、フィルム２００の厚さ２２０と、このフィルム上に被着されている活物質４００の厚さ４１０との和以上である。パターニングエレメント３１０のこの領域内では、フィルム２００には孔が開けられる。従って、パターニングエレメント３０１の羽根３３０は、被着されるべき活物質４００内に突出し、むしろ活物質４００から突出する。これは図５に示されている。パターニングエレメントは、有利には、スタンプまたはローラーによってフィルム２００内に設けられる。集電体１００とその上に被着されている活物質とから形成されている電極の圧延後および／または圧延中に、活物質４００内に突出している羽根３３０は、活物質４００の方向に折り曲げられる。従って、活物質は、折り曲げられているこの羽根３３０によって、クランプの様式で保持される。これによって，集電体１００と集電体の上に被着されている活物質４００との間の機械的な接着性が改善される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年12月11日(2013.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性フィルム（２００）から成る、バッテリーセル用の集電体（１００）において、
前記導電性フィルム（２００）はパターニングエレメント（３００、３１０）を有しており、前記パターニングエレメントは、前記フィルム（１００）と当該フィルムを覆っている活物質（４００）との間の実効的なコンタクト面を、前記フィルム（２００）の底面と比べて拡大する、
ことを特徴とする、バッテリーセル用の集電体（１００）。
【請求項２】
前記パターニングエレメント（３００、３１０）は、前記フィルム（２００）の底面にわたって均一に分布している隆起部として形成されている、請求項１記載の集電体（１００）。
【請求項３】
前記パターニングエレメント（３００）は、前記フィルム（２００）の底面の水準から最大隆起を有しており、当該最大隆起は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と、当該フィルムの上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和よりも小さい、請求項１または２記載の集電体（１００）。
【請求項４】
前記フィルム（２００）は集電板（７００）の領域において、前記集電体（１００）の他の領域よりも少ない数のパターニングエレメント（３００、３１０）を面積あたり有している、請求項１から３までのいずれか一項記載の集電体（１００）。
【請求項５】
前記パターニングエレメント（３１０）は、前記フィルム（２００）の底面の水準から最大隆起を有しており、当該最大隆起は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と、当該フィルムの上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和以上である、請求項１から４までのいずれか一項記載の集電体（１００）。
【請求項６】
前記フィルム（２００）は、前記パターニングエレメント（３１０）の領域において複数の孔を有している、請求項１から５までのいずれか一項記載の集電体（１００）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項記載の集電体（１００）を少なくとも１つ有している、
ことを特徴とするバッテリーセル。
【請求項８】
バッテリーセル用の電極（６００）の製造方法であって、当該方法は、
・導電性フィルム（２００）を提供するステップを有し、
・パターニングエレメント（３００、３１０）を前記フィルム（２００）内に設けるステップを有し、ここで前記パターニングエレメント（３００）は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と当該フィルム上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和よりも小さい、前記フィルム（２００）の底面の水準からの最大隆起を有しており、前記フィルム（２００）は前記パターニングエレメント（３００）の領域において孔を有しておらず、および／または、前記パターニングエレメント（３１０）は、前記フィルム（２００）の厚さ（２２０）と当該フィルム上に被着されている活物質（４００）の厚さ（４１０）との和以上の、前記フィルム（２００）の底面の水準からの最大隆起を有しており、前記フィルム（２００）は前記パターニングエレメント（３１０）の領域内で複数の孔を有しており、前記パターニングエレメント（３００、３１０）は、前記フィルム（２００）の底面にわたって規則的に分配して配置されており、
・前記パターニングされたフィルム（２００）上に活物質（４００）を被着するステップを有し、
・前記パターニングされたフィルム（２００）に前記活物質（４００）を押し当てるステップを有している、
ことを特徴とする、バッテリーセル用の電極（６００）の製造方法。
【請求項９】
前記パターニングエレメント（３００、３１０）をローラー、スタンプおよび／または打ち抜き機によって前記フィルム（２００）内に設ける、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記被着された活物質（４００）から突出している、前記パターニングエレメント（３１０）の部分（３３０）が前記活物質（４００）の方向に折り曲げられるように、前記パターニングされたフィルムへの前記活物質（４００）の押し当てを行う、請求項８または９記載の方法。
【国際調査報告】
2014508382.tif 000008
2014508382.tif 000009
2014508382.tif 000010
2014508382.tif 000011
2014508382.tif 000012
2014508382.tif 000013