(57)【要約】  本願は、宇宙用を含む様々な用途に向けた密封されたより高容量のリチウムイオン電池およびその製造方法に関する。詳細には、本発明は、非常に高い容量保持能力を備えるより高容量（４０〜１００Ａｈ）の密封リチウムイオン電池を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）をベースとし、負極は、黒鉛をベースとする、密封リチウムイオン電池。
【請求項２】
前記正極の組成物は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）：８０〜９０％、導電性希釈剤：１〜１０％、およびポリフッ化ビニリデン：４〜１０％である、請求項１に記載の密封リチウムイオン電池。
【請求項３】
前記負極の組成物は、黒鉛：８５−９６％と、ポリフッ化ビニリデン：３−１０％とが混合されている、請求項１に記載の密封リチウムイオン電池。
【請求項４】
スタックの中間タブへの溶接および正極および負極のタブの端子への溶接にレーザービーム溶接を取り入れることを備える、密封リチウムイオン電池の製造プロセス。
【請求項５】
正極中間タブの正極端子への溶接は、前記正極端子を前記正極中間タブに位置決めすることと、正極端子−タブ界面の上にレーザーヘッドの焦点を合わせることと、４〜８ｋＷのピーク電力で溶接を実施することと、を含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
負極中間タブの負極端子への溶接は、前記負極端子を前記負極中間タブに位置決めすることと、負極端子−タブ界面の上にレーザーヘッドの焦点を合わせることと、３〜８ｋＷのピーク電力でＩＲレーザーおよび緑色レーザーにより溶接を実施することと、を含む、請求項４に記載のプロセス。
【請求項７】
採用される端子シールは、拡散接合による三つのセラミックリングを有するセラミックの金属へのシールである、密封リチウムイオン電池の製造プロセス。
【請求項８】
密封リチウムイオン電池の製造プロセスであって、
ａ）正極および負極を処理するステップであって、前記正極は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）をベースとし、負極は、黒鉛をベースとする、ステップと；
ｂ）平らなマンドレルを使用する半自動巻回機での電極スタックの巻回ステップと；
ｃ）レーザービーム溶接を使用する、スタックの中間タブへの溶接およびタブの端子への溶接ステップと；
ｆ）レーザービーム溶接を使用する、端子の蓋への溶接およびケースの蓋への溶接ステップと、を備える、プロセス。
【請求項９】
電極処理は、正極の活物質スラリーおよび負極の活物質スラリーをそれぞれアルミニウム箔および銅箔に塗布することを含む、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
電極の最終厚さは、正極および負極についてそれぞれ１４０〜１９０ｐｍおよび１４０〜２００ｐｍである、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１１】
正極（１２〜１６ｍ）の一層および負極（１２〜１６ｍ）の一層は、前記電極スタックを形成するためにその間のセパレーターとともに巻回され、セパレーターの長さは１４〜１７ｍであり、幅は前記負極の塗布幅より６〜８ｍｍ大きく、前記巻回ステップは、正極および負極の塗布されていない領域が前記スタックの両側から突き出るようにして行われる、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１２】
タブ‐端子組立体のスタックへの固定は、裸アルミニウムのスタックの半分を三つの等しいグループに分割することによる正極タブ‐端子組立体のスタックへの固定を含み、負極タブ‐端子組立体のスタックへの固定は、裸銅のスタックの半分を三つの等しいグループに分割することを含む、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１３】
グループ分けされたアルミニウム箔は、正極中間タブの溝に（その上に溶接された前記端子とともに）挿入され、前記中間タブは、クリンプされている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
グループ分けされた銅箔は、負極中間タブの溝に（その上に溶接された前記端子とともに）挿入され、前記中間タブは、クリンプされている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、正極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接と、負極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接と、を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
正極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、前記電極スタックを中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に正極中間タブを置いて保持することと、正極中間タブ−スタック界面の上にレーザーヘッドの焦点を合わせ、溶接を実施することと、を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
負極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、前記電極スタックを負極中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に負極中間タブを置いて保持することと、負極中間タブ−スタック界面にレーザー（ＩＲ７緑色）ヘッドの焦点を合わせ、溶接を実施することと、を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
端子の蓋への溶接は、前記電極スタックをタブ‐端子組立体とともに電池ケースに挿入することと、二つの端子が前記蓋のポートを通って突き出るように蓋を上部に置くことと、蓋−端子界面の上にレーザーヘッドの焦点を合わせることと、溶接を実施することと、を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
ケースの蓋への溶接は、ケースの蓋に対する界面の上にレーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルの焦点を合わせることと、ケースの蓋への溶接を実施することと、を含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、宇宙用を含む様々な用途に向けた密封リチウムイオン電池およびその製造方法に関する。詳細には、本発明は、非常に高い容量保持能力を備えるより高容量（４０〜１００Ａｈ）の密封リチウムイオン電池を提供する。本発明は、低い内部抵抗（＜２ｍＱ）を備えるより高容量のリチウムイオン電池も提供する。重要な役割を担う用途のために、すなわち衛星、打ち上げ機、航空機、軍用車両、潜水艦および電気自動車に電力を供給するために、上記方法によって製造される電池を採用することができる。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、携帯用電子機器および通信機器の最も人気のある電源として、過去数年間でかなりの注目を集めている。それらは、ハイブリッド電気自動車および電気自動車、ならびに軍用および宇宙用のような先端技術領域の電源としても使用される。Ｌｉイオン電池は、その高い電圧、高いエネルギー密度および低い自己放電によって特徴づけられる。Ｌｉイオン電池は、その他の電気化学電池と同じように、三つの基本的な構成要素：陽極（または正極）、陰極（または負極）および電解質（イオンの移動のための媒体として機能を果たす）で構成されている。Ｌｉイオン電池に使用される典型的な陽極材料は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４等であり、慣例的に使用される陰極材料は、黒鉛／炭素である。陽極／陰極活物質は、導電性希釈剤およびバインダーとともにそれぞれアルミニウム箔および銅箔に塗布され、対応する電極を得る。電解質は、有機溶媒（エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等）に溶解されたリチウム塩（ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等）からなる。Ｌｉイオン電池は、リチウムが水性電解質で非常に高い反応性を示し、水性電解質が高い電圧で安定しないので、通常は非水電解質を使用する。リチウムイオン電池の性能は、使用される材料の種類および取り入れられる製造技術に強く依存する。
【０００３】
良好なサイクル寿命を備える密封リチウムイオン電池は、重要な用途、とりわけ衛星、打ち上げ機等に必要である。より高い出力電力を得るためには、電池の内部抵抗を最小限に抑えることが必要である。したがって、特定の電池化学および設計特性は、ハイエンドアプリケーション（ｈｉｇｈ  ｅｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）に対応するのに不可欠である。
【０００４】
リチウムイオン電池の電気化学性能、すなわち容量、速度能力およびサイクル寿命は、採用される正極活物質および負極活物質および電解質の種類に大きく依存する。ＬｉＣｏＯ２および黒鉛は、それぞれより高容量のリチウムイオン電池で最も広く使用される陽極材料および陰極材料である。
【０００５】
特許文献１は、陽極としてＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎＯ４と、炭素質陰極と、を備えるリチウムイオン電池を記載する。ＥＰ−Ａ２−０７７１０４０は、ＬｉＣｏＯ２化学をベースとする。特許文献２は、ＬｉＣｏＯ２、リチウムニッケル複合酸化物、スピネル型リチウム−マンガン酸化物、五酸化バナジウムまたは二硫化チタンが陽極として使用されるリチウムイオン電池について言及する。特許文献３は、陽極活物質としてＬｉＦｅＰＯ４の使用を記載する。
【０００６】
ＬｉＣｏＯ２は、制限された比容量および不十分な安全機能を有する。ＬｉＦｅＰＯ４は、良好な安全機能を示すが、より小さい電圧のみを提供する。ＬｉＮｉＯ２は、高容量を提供するが、サイクル寿命が制限される。
【０００７】
電極スタックの内部構造は、より高い電流出力を電池から得るのに重要な役割も果たす。高い速度用途に必要である非水電解質二次電池は、多数の集電タブを必要とする。電極スタックは、スタックされたもの（多数の正極および負極がその間のセパレーターとともに互い違いに配置されている）または巻回されたもの（一枚の非常に長い正極および負極がその間のセパレーターとともにマンドレルに渡って巻回されている）であり得る。
【０００８】
特許文献４は、電極活物質で塗布された部分の間にある塗布されていない部分を有する電極のスタッキング（ｓｔａｃｋｉｎｇ）を含むリチウムイオン電池の製造方法を開示する。電極はスタックに配置され、集電体全体は電極ブックレット（ｂｏｏｋｌｅｔ）を形成するために塗布されていない部分に接続されている。集電体全体は、電極の配置を維持し、電極の塗布されていない部分すべてに電気的に接続する。この特定の方法において、またスタックされた構造においても、必要な寸法に電極を切断する必要があり、これは電極の端に形成されたバリに起因する短絡の問題の原因となる。
【０００９】
非常に長い電極を備える大きな巻回されたスタックは、電池から良好な電流出力を得るために多数の集電体タブを必要とする。これらの種類の電池向けに多数のタブを取るいくつかの方法が先行技術において報告されている。電極上の多数の場所にタブを取り付けることができる。タブを電極の端で裸箔上か、それとも電極の全長にわたって与えられた裸領域上に取り付けることができる。どちらの場合においても、接続を介するその後の給電のためのタブの正確なアライメントは、大きな巻回された電極スタックにとって問題である。非常に長い電極巻回を伴う電極の厚さの変動は、タブのアライメント不良の原因となる。アライメント不良は電流タブの端子への溶接を困難にし、電池の信頼性不良を引き起こす。
【００１０】
いくつかの種類の溶接方法は、電極スタックの集電中間タブへの溶接に取り入れられる。特許文献５は、電極スタックの超音波溶接を論じる。しかしながら、層数が増加すると（すなわち、より高容量の電池のケースでは）、集電板に層を接合するために、接合部および電極に損傷を与え得る周囲の領域に過度な応力がかかる。活物質の層間剥離およびコレクター箔の粉砕も超音波溶接で起こるおそれがあり、内部短絡につながる。超音波溶接は、レーザー溶接のような融接と比較して電池の高い内部抵抗ももたらす。
【００１１】
特許文献６は、集電リードに突起を設け、突起をスタックに重ね合わせて超音波振動を加えることによって、集電リードをスタックに完全に接合することを提案する。この方法は、過度な応力が接合部および周囲の領域にかかるので、電極板の破断のような不具合も生じさせる。
【００１２】
特許文献７は、溶接継手を得るために、電極スタックの正極基板の露出部および負極基板の露出部が超音波によって別々に溶接される溶接の方法を記載する。正極基板の露出部および負極基板の露出部を、それぞれ正極コレクターおよび負極コレクターに溶接するのに高いエネルギーレーザーが使用される。この方法においても、基板の露出部の溶接に超音波溶接が含まれるので、プロセスが高容量の電池に取り入れられる場合は、箔の損傷、金属粒子の生成および活物質の電極からの層間剥離のおそれがある。
【００１３】
特許文献８〜１０は、封口板をその開口部が上を向くように置かれた角形ケースの開口端に嵌入し、レーザービームを角形ケースおよび封口板が接触する部分に垂直方向に照射することでそれらを溶接することによって、封口板を使用して角形ケースの開口端が密封されるリチウムイオン電池の製造方法を開示する。しかしながら、溶接される部分間に隙間がある場合は、レーザーは隙間を通過するおそれがあり、電池ケース内部の電極スタックが損傷する。また、ケースおよび蓋の置き違えの場合、溶接強度の低下につながるおそれがある。ビームがＡｌ継手に対して垂直であるとき、ビームが跳ね返るおそれがあり、融接のためのエネルギーが減少する。
【００１４】
リチウムイオン電池では、端子は分離され、端子シールを使用することによって絶縁される。リチウムイオン電池で一般に使用される端子は、金属へのガラスシールや金属へのセラミックシールである。
【００１５】
特許文献１１は、セラミックの金属へのシールを備える楕円柱電池を開示する。正極端子および負極端子は、充填材料によりセラミック材料にろう付けされる。セラミック材料は、ろう付けのための充填材料により外部環状金属部材にろう付けされる。外部環状部材は、溶接によって開口部に封止される。特許文献１２も、セラミックの金属へのシールを備える密封された楕円柱電池を論じる。本発明で使用されるセラミックの金属へのシールは、セラミックの金属への拡散接合をベースとし、三つのセラミックリングを有している。三つのリングを備える拡散接合シールは、より良好な耐食性および強度を有するので、長い期間にわたって電池の非漏出性を改善する。
【００１６】
要約すれば、電池化学および組立プロセスに関する既存の先行技術は多くの制限を有している。電池化学に関して、先行技術は、高い比容量、ゆるやかな放電曲線および良好なサイクル寿命のような重要な特徴の制限につながる陽極材料を使用する。先行技術で取り入れられた溶接方法は、粒子生成／電極損傷につながるか、それともとりわけ高容量の電池が組み立てられる場合は、高い内部抵抗につながる。先行技術に記載されているセラミックの金属へのシールをベースとするろう付け接合は、限られた寿命につながる不十分な耐食性を有する。すべてのこれら制限は、これらの問題がない宇宙用の密封されたより高容量のリチウムイオン電池の新規の製造方法の開発につながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５７５３３８７号明細書
【特許文献２】米国特許第６０４００８６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／００６８５４８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１２／０１７７８９５号明細書
【特許文献５】特開平７−３２６３３６号公報
【特許文献６】特開２００１−３８４７５号公報
【特許文献７】米国特許第８０２５２０２号明細書
【特許文献８】特開平８−３１５７８８号公報
【特許文献９】特開平８−３１５７８９号公報
【特許文献１０】特開平８−３１５７９０号公報
【特許文献１１】米国特許第６３３５１１７号明細書
【特許文献１２】米国特許第６２６８０７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、宇宙用を含む様々な用途に向けた密封されたより高容量のリチウムイオン電池およびその製造方法に関する。
【００１９】
本発明の第一の目的は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物／黒鉛化学をベースとする様々な用途に向けた非常に高い容量保持を備えるより高容量（４０〜１００Ａｈ）の密封リチウムイオン電池を製造することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、スタックの中間タブへの溶接およびタブの端子への溶接にレーザービーム溶接を取り入れることによって、低い内部抵抗（＜２ｍｉｌ）を備えるより高容量のリチウムイオン電池を製造することである。
【００２１】
さらに、本発明の別の目的は、ケースの蓋への溶接の間にレーザービームの透過を回避するためにケースにリップを設けることである。
【００２２】
さらに、本発明の別の目的は、拡散接合による三つのセラミックリングを有するより良好な長寿の耐食性を備えるセラミックの金属へのシールを使用することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
一つの態様では、本願は、正極がリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）をベースとし、負極が黒鉛をベースとする、密封されたより高容量のリチウムイオン電池を提供する。
【００２４】
別の態様では、本願は、スタックの中間タブへの溶接およびタブの端子への溶接にレーザービーム溶接を取り入れることを備える、密封リチウムイオン電池の製造プロセスを提供する。
【００２５】
さらに、本願の別の態様は、採用される端子シーリング（ｓｅａｌｉｎｇ）が、拡散接合による三つのセラミックリングを有するセラミックの金属へのシールである、密封リチウムイオン電池の製造プロセスを提供する。
【００２６】
さらに、本発明の別の態様は、密封リチウムイオン電池の製造プロセスであって、
ａ）正極および負極を処理するステップであって、前記正極は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）をベースとし、負極は、黒鉛をベースとする、ステップと；
ｂ）平らなマンドレルを使用する半自動巻回機での電極スタックの巻回が実施され；
ｃ）レーザービーム溶接を使用する、スタックの中間タブへの溶接およびタブの端子への溶接ステップと；
ｄ）レーザービーム溶接を使用する、端子の蓋への溶接およびケースの蓋への溶接ステップと、を備える、プロセスを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明のリチウム電池を表す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の詳細な説明の目的のために、本発明は、反対に明示的に特定されている場合を除いて、様々な代替の変形およびステップシーケンスを想定し得ることが理解されるべきである。さらに、任意の操作例を除いて、または他に示された場合を除いて、例えば、明細書で使用される成分の量を表すすべての数字は、すべての場合において「約」という用語によって変更されると理解されるべきである。特に明記しない限り、この明細書および添付の特許請求の範囲に記載されているすべてのパーセンテージは、全組成物の重量パーセントを指すことに留意されたい。
【００２９】
したがって、本発明を詳細に説明する前に、この発明は、もちろん変化し得る特に例示されたシステムまたは方法パラメータに限定されないことが理解されるべきである。本明細書で使用される用語は、本発明の特定の実施形態を説明することのみを目的としており、いかなる方法でも本発明の範囲を限定することを意図するものではないことも理解されるべきである。
【００３０】
本明細書で論じられる任意の用語の例を含む本明細書の任意の場所での例の使用は、例示のみであり、本発明または任意の例示された用語の範囲および意味を決して制限するものではない。同様に、本発明は、この明細書で与えられる様々な実施形態に限定されない。
【００３１】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が関係する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。不一致が発生した場合は、定義を含む現在の文書が優先される。
【００３２】
この明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、明らかに別段に解すべき内容がない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「ポリマー」への言及は、二つ以上のそのようなポリマーを含み得る。
【００３３】
「好ましい」および「好ましくは」という用語は、特定の状況下で特定の利益をもたらすことができる本発明の実施形態について言及する。しかしながら、同じまたは他の状況下では、他の実施形態もまた好ましい場合がある。さらに、一つ以上の好ましい実施形態の列挙は、他の実施形態が有用でないことを意味するものではなく、他の実施形態を本発明の範囲から除外することを意図するものではない。
【００３４】
本明細書で使用される場合、「備える」、「含む」、「有する」、「包含する」、「含む」などの用語は、制限がない、すなわち、含むがこれらに限定されないことを意味すると理解されるべきである。
【００３５】
一つの態様では、本願は、正極がリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）をベースとし、負極が黒鉛をベースとする、密封されたリチウムイオン電池を提供する。
【００３６】
電極は、導電性希釈剤を１〜１０％の範囲の割合で、ポリフッ化ビニリデンを４〜１０％の範囲の割合でさらに含んでもよい。負極の組成物は、８５〜９６％の範囲の割合の黒鉛と、３〜１０％の範囲の割合のポリフッ化ビニリデンとの混合物である。１−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）は、溶媒として使用されてもよい。
【００３７】
電極の最終厚さは、正極および負極についてそれぞれ１４０〜１９０ｐｍおよび１４０〜２００ｐｍの範囲に及ぶ。
【００３８】
ＮＣＡまたはＮＣＭベースの電極は、高い比容量および良好な容量保持を提供する。これらの材料は、電池の充電状態を予測するのに役立つゆるやかな（ｓｌｏｐｐｙ）放電曲線を有する。先行技術で使用される他の正極材料（例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４等）は、若干平らな放電およびより低い比容量を有する。
【００３９】
別の態様では、本願は、スタックの中間タブへの溶接およびタブの端子への溶接にレーザービーム溶接を取り入れることを備える、密封されたより高容量のリチウムイオン電池の製造プロセスを提供する。
【００４０】
正極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、電極スタックを中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に正極中間タブを置いて保持することによって実施されてもよい。レーザー（ＩＲ）ヘッドは、正極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられてもよい。さらに、アルゴンガスノズルは、正極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられてもよく、レーザービームは、照射されてもよい。
【００４１】
負極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、電極スタックを負極中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に負極中間タブを置いて保持することによって実施されてもよい。レーザー（ＩＲ／緑色）ヘッドは、負極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられてもよい。さらに、アルゴンガスノズルは、負極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられてもよく、レーザービームは、照射されてもよい。レーザー出力は、５〜８「ｋＷ」であり得る。ＩＲ単独を用いる銅の溶接には、銅の高い反射率および伝導率のために高いエネルギーが必要とされる。したがって、本発明では、ＩＲおよび緑色レーザーの組み合わせが使用される。緑色レーザーは、銅によって容易に吸収され得、ＩＲによる溶接に必要なエネルギーを減少させる。
【００４２】
さらに、本願の別の態様は、採用される端子シールが、拡散接合による三つのセラミックリングを有するセラミックの金属へのシールである、密封リチウムイオン電池の製造プロセスを提供する。本発明で使用されるセラミックの金属へのシールは、セラミックの金属への拡散接合をベースとし、三つのセラミックリングを有している。三つのリングを備える拡散接合シールは、より良好な耐食性および強度を有するので、長い期間にわたって電池の非漏出性を改善する。
【００４３】
さらに、本発明の別の態様は、密封リチウムイオン電池の製造プロセスであって、
ａ）正極および負極を処理するステップであって、前記正極は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）をベースとし、負極は、黒鉛をベースとする、ステップと；
ｂ）平らなマンドレルを使用する半自動巻回機での電極スタックの巻回ステップと；
ｃ）レーザービーム溶接を使用する、スタックの中間タブへの溶接およびタブの端子への溶接ステップと；
ｆ）レーザービーム溶接を使用する、端子の蓋への溶接およびケースの蓋への溶接ステップと、を備える、プロセスを提供する。
【００４４】
電極の処理は、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）ベースの正極の活物質スラリーおよび黒鉛ベースの負極の活物質スラリーを、それぞれアルミニウム箔および銅箔に塗布することよって実施されてもよい。正極の組成物は、ＮＣＡ／ＮＣＭ：８０〜９０％、導電性希釈剤：１〜１０％およびポリフッ化ビニリデン：４〜１０％であり得る。負極の組成物は、黒鉛：８５〜９６％と、ポリフッ化ビニリデン：３〜１０％とが混合されていてもよい。１−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）は、正極および負極のいずれについても電極スラリーを処理するための溶媒として使用されてもよい。電極の最終厚さは、正極および負極についてそれぞれ１４０〜１９０ｐｍおよび１４０〜２００ｐｍに調整されてもよい。
【００４５】
特定の実施形態では、正極（１２〜１６ｍ）の一層および負極（１２〜１６ｍ）の一層は、電極スタックを形成するためにその間のセパレーターとともに巻回されてもよい。セパレーターの長さは１４〜１７ｍの範囲に及んでもよく、幅は負極の塗布幅より６〜８ｍｍ大きい範囲に及んでもよい。巻回は、正極および負極の塗布されていない領域がスタックの両側から突き出るようにして行われてもよい。
【００４６】
正極基板の突出幅は、４〜１２ｍｍの範囲に及んでもよく、負極基板の突出幅は、４から１４ｍｍの範囲に及んでもよい。正極中間タブの正極端子への溶接は、正極端子を正極中間タブに位置決めすることと、正極端子−タブ界面の上にレーザーヘッドの焦点を合わせることと、を含む。溶接は、４〜８ｋＷのピーク電力で実施されてもよい。
【００４７】
負極中間タブの負極端子への溶接は、負極端子を負極中間タブに位置決めすることと、負極端子−タブ界面の上にレーザーヘッドの焦点を合わせることによって実施されてもよく、溶接は、３〜８ｋＷのピーク電力でＩＲレーザーおよび緑色レーザーにより１〜２ｋＷの出力で実施されてもよい。
【００４８】
正極タブ‐端子組立体のスタックへの固定は、裸アルミニウムのスタックの半分を三つの等しいグループに分割することによって実施されてもよい。
【００４９】
グループ分けされたアルミニウム箔は、正極中間タブの溝に（その上に溶接された端子とともに）挿入されていてもよい。中間タブは、クリンプ（ｃｒｉｍｐｅｄ）されていてもよい。負極タブ‐端子組立体のスタックへの固定は、裸銅のスタックの半分を三つの等しいグループに分割することによって実施されてもよい。
【００５０】
グループ分けされた銅箔は、負極中間タブの溝に（その上に溶接された端子とともに）挿入されていてもよい。その後、中間タブは、クリンプされていてもよい。
【００５１】
正極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、電極スタックを中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に正極中間タブを置いて保持することと、正極中間タブ−スタック界面の上にレーザー（ＩＲ）ヘッドの焦点を合わせることと、を含んでもよい。正極中間タブ−スタック界面の上にアルゴンガスノズルの焦点を合わせ、レーザービームは、照射されてもよい。溶接が完了したら、スタックは溶接ステーションから取り出されてもよい。レーザー出力は、５〜８ｋＷの範囲に及んでもよい。
【００５２】
負極タブ‐端子組立体のスタックへの溶接は、電極スタックを負極中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に負極中間タブを置いて保持することによって実施されてもよい。レーザー（ＩＲ／緑色）ヘッドは、負極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられてもよい。アルゴンガスノズルは、負極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられてもよく、レーザービームは、照射されてもよい。溶接が完了したら、スタックは溶接ステーションから取り出されてもよい。レーザー出力は、５〜８「ｋＷ」の範囲に及んでもよい。
【００５３】
電池ケースの蓋への溶接は、端子が上を向くように端子を備える電極スタックを、リップ（ｌｉｐ）を備える電池ケースに挿入することを含んでもよい。蓋は、二つの端子が蓋のポートを通って突き出るように置かれてもよい。レーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルは、正極端子シールの蓋に対する界面の上に焦点が合わせられてもよく、溶接が実施されてもよい。溶接のレーザー出力は、５〜８ｋＷである。レーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルは、負極端子シールの蓋に対する界面の上に焦点が合わせられてもよく、その後溶接が実施されてもよい。
【００５４】
ケースの蓋への溶接は、ケースの蓋に対する界面の上にレーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルの焦点を合わせること、およびケースの蓋への溶接を実施することによって実施されてもよい。ケースの蓋への溶接のレーザー出力は、線形経路で０．１〜１ｍｍ／ｓおよび動径経路（ｒａｄｉａｌ  ｐａｔｈ）で０．５〜１．７ｍｍ／ｓの供給速度で５〜８ｋＷである。
【００５５】
特定の実施形態では、ケースの蓋への溶接の間にレーザービームの透過を回避するためにケースにリップが設けられている。
【００５６】
２２５〜２６０ｇの電解質は、蓋に設けられた注入口を通して加えられてもよい。電池は、浸漬のためにさらに保持されてもよい。電池は形成され、ガスは放出され、注入口は密封性を獲得するためにレーザービーム溶接によって溶接されてもよい。使用されるレーザー出力は、５〜９ｋＷである。
【００５７】
本発明の密封リチウムイオン電池は、様々な用途に対して非常に高い容量保持を備え、４０から１００Ａｈの容量を有し、２ｍＱ未満の低い内部抵抗を有する。獲得されたヘリウム漏れ率（Ｈｅｌｉｕｍ  ｌｅａｋ  ｒａｔｅ）は、１０ｍｂａｒＬ／ｓ未満である。製造された電池は、１００％の放電深度で１８００サイクルの充放電サイクルを受ける。容量保持は、初期容量の＞８０％である。
【００５８】
重要な役割を担う用途のために、すなわち衛星、打ち上げ機、航空機、軍用車両、潜水艦および電気自動車に電力を供給するために、上記方法によって製造された電池を採用することができる。
【００５９】
以下の実施例は、請求項に係る発明をよりよく説明するために提供され、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。すべての特定の材料および以下に記載される方法は、本発明の範囲内にある。これらの特定の組成物、材料および方法は、本発明を限定することを意図するものではなく単に本発明の範囲内にある特定の実施形態を説明するものである。当業者は、発明の能力を行使することなく、また本発明の範囲から逸脱することなく、同等の材料および方法を展開させることができる。そのような変形例が本発明の範囲内に含まれることが発明者らの意図するところである。
【実施例】
【００６０】
密封リチウムイオン電池の製造
【００６１】
電極処理：
【００６２】
リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）またはリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＮＣＭ）ベースの正極の活物質スラリーおよび黒鉛ベースの負極の活物質スラリーは、それぞれアルミニウム箔および銅箔に塗布される。正極の組成物は、ＮＣＡ／ＮＣＭ：８０〜９０％、導電性希釈剤：１〜１０％およびポリフッ化ビニリデン：４〜１０％である。負極の組成物は、黒鉛：８５〜９６％と、ポリフッ化ビニリデン：３〜１０％とが混合されている。１−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）は、正極および負極のいずれについても電極スラリーを処理するための溶媒として使用された。電極の最終厚さは、正極および負極についてそれぞれ１４０〜１９０ｐｍおよび１４０〜２００ｐｍに調整された。
【００６３】
電極スタックの巻回：
【００６４】
電極スタックは、平らなマンドレルを使用して半自動巻回機で巻回される。正極（１２〜１６ｍ）の一層および負極（１２〜１６ｍ）の一層は、電極スタックを形成するためにその間のセパレーターとともに巻回される。セパレーターの長さは１４〜１７ｍで保持され、幅は負極の塗布幅より６〜８ｍｍ大きく保持される。巻回は、正極および負極の塗布されていない領域がスタックの両側から突き出るようにして行われる。正極基板の突出幅は４から１２ｍｍであり、負極基板の突出幅は、４から１４ｍｍである。負極は、正極の長さおよび幅を超えて延在する。
【００６５】
電池組立：
【００６６】
ＲＨ＜ｌ％の湿度管理された環境で電池を組み立てる。以下は、電池組立に含まれる様々なステップである。
【００６７】
中間タブの端子への溶接
【００６８】
正極端子は正極中間タブ（アルミニウム）に置かれ、レーザーヘッドは、正極端子−タブ界面の上に焦点が合わせられ、４〜８ｋＷのピーク電力で溶接が実施される。負極端子はニッケルめっきを施した負極中間タブ（銅）に置かれ、レーザーヘッドは、負極端子−タブ界面の上に焦点が合わせられ、３〜８ｋＷのピーク電力でＩＲレーザーおよび緑色レーザーにより溶接が実施される。
【００６９】
タブ‐端子組立体のスタックへの固定
【００７０】
裸アルミニウムのスタックの半分は、三つの等しいグループに分割される。グループ分けされた箔は、正極中間タブの溝に（その上に溶接された端子とともに）挿入される。正極中間タブはクリンプされた。裸銅のスタックの半分は、三つの等しいグループに分割される。グループ分けされた箔は、ニッケルめっきを施した負極中間タブの溝に（その上に溶接された端子とともに）挿入される。負極中間タブはクリンプされた。
【００７１】
タブ‐端子組立体のスタックへの溶接
【００７２】
電極スタックは、中間タブおよびヒートシンクとともに溶接ワークステーション上で上部に正極中間タブを置いて保持された。レーザー（ＩＲ）ヘッドは、正極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられた。アルゴンガスノズルは、正極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられ、レーザービームが照射された。溶接が完了すると、スタックは溶接ステーションから取り出された。スタックは、上部にニッケルめっきを施した負極中間タブを置いて溶接ワークステーションに保持された。レーザー（ＩＲ／緑色）ヘッドは、負極中間タブ−スタック界面の上に焦点が合わせられ、溶接は実施された。溶接が完了すると、スタックは溶接ステーションから取り出された。どちらの溶接もレーザー出力は、５〜８ｋＷであった。
【００７３】
端子の蓋への溶接および電池ケースの蓋への溶接
【００７４】
タブ‐端子組立体を備える電極スタックは、端子が上を向くようにリップを備える電池ケースに挿入された。蓋は、二つの端子が蓋のポートを通って突き出るように置かれた。レーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルは、正極端子シールの蓋に対する界面の上に焦点が合わせられ、溶接が実施された。溶接のレーザー出力は、５〜８ｋＷであった。同様に、レーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルは、負極端子シールの蓋に対する界面の上に焦点が合わせられ、溶接が実施された。レーザーヘッドおよびアルゴンガスノズルは、ケースの蓋に対する界面の上に焦点が合わせられ、ケースの蓋への溶接が実施された。ケースの蓋への溶接のレーザー出力は、線形経路で０．１〜１ｍｍ／ｓおよび動径経路で０．５〜１．７ｍｍ／ｓの供給速度で５〜８ｋＷであった。
【００７５】
２２５〜２６０ｇの電解質は、蓋に設けられた注入口を通して加えられた。浸漬後、電池は形成され、ガスは放出された。また、注入口は密封性を獲得するためにレーザービーム溶接によって溶接される。使用されるレーザー出力は５〜９ｋＷであった。獲得されたヘリウム漏れ率は、１０ｍｂａｒｌ／ｓ未満であった。
【００７６】
上記方法で製造された電池は、１００％の放電深度で１８００サイクルの充放電サイクルを受けた。容量保持は、初期容量の＞８０％であった。
【００７７】
以下は、図１に示された電池の特定の要素に対応する参照番号である。
【符号の説明】
【００７８】
１  電極スタック
２  正極裸箔
３  負極裸箔
４  正極中間タブ
５  負極中間タブ
６  正極端子
７  負極端子
８  スタックの負極タブへの溶接継手
９  スタックの正極タブへの溶接継手
１０  三つのリングのセラミックシール
【図１】
2021518636.tif 000003
【国際調査報告】
2021518636.tif 000004
2021518636.tif 000005