(57)【要約】  本発明は、電気化学セル、殊に二次電池または二重層コンデンサの製造方法に関する。ここでは、少なくとも１つの多孔質セル部品を含んでいるセル容器を流動性電解質によって満たす。本発明の課題は、最適な充填のために、変動する空き体積に、適切な充填電解質量で応える、装置的により簡易な方法を提供することである。この課題は、第１の充填ステップにおいて、前記多孔質セル部品が完全に埋没される余剰量電解質を注入し、前記注入された電解質を、前記多孔質部品の孔内に存在していない電解質部分を前記セル容器から外へ排出する力にさらし、第２の充填ステップにおいて付加量電解質を注入する、ことによって解決される。
2015527696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セル、殊に二次電池または二重層コンデンサの製造方法であって、
少なくとも１つの多孔質セル部品を含んでいるセル容器を流動性電解質によって満たす方法において、
ａ）第１の充填ステップにおいて、前記多孔質セル部品が完全に埋没する余剰量電解質を注入し、
ｂ）前記注入された電解質を、前記多孔質部品の孔内に存在していない電解質部分を前記セル容器から外へ排出する、少なくとも一種類の力にさらし、
ｃ）第２の充填ステップにおいて、付加量電解質を注入する、
ことを特徴とする、電気化学セルの製造方法。
【請求項２】
前記力は、前記セル容器を傾立させた後に電解質を当該セル容器から外へ排出する引力である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記力は、前記セル容器の回転時に電解質を当該セル容器から外へ排出する遠心力である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記力は、前記セル容器に加速度を加えた際に電解質を当該セル容器から外へ排出する慣性力である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記力は、前記セル容器に外から圧力を加えた際に電解質を当該セル容器から外へ排出する応力である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記力は、前記セル容器に内側の負圧を加えた際に電解質を当該セル容器から外へ排出する吸引力である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記力は、前記セル容器に熱を加えた際に、前記電解質の熱膨張の結果、電解質を当該セル容器から外へ排出する膨張力である、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記第１の充填ステップの直前に、前記セル容器を気体または混合気で満たし、殊に、窒素、アルゴン、水素、空気、フォーミングガスを含んでいるグループから選択された気体または混合気で満たし、
前記第１の充填ステップの後、埋没したセル部品を有する前記セル容器は、前記セル部品の孔内に存在する気体または混合気が前記余剰量電解質から排気されるまで待機する、請求項１から７までのいずれか１項または複数項記載の方法。
【請求項９】
前記余剰量電解質の圧力および／または温度を変化させることによって、前記排気を促進する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記セル容器に外力を加えることによって前記排気を促進する、請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記セル容器を前記第１の充填ステップ前に真空にし、
前記セル容器内の真空状態を、前記第１の充填ステップにおいて前記余剰量電解質を当該セル容器内に吸い込むために用いる、請求項１から７までのいずれか１項または複数項記載の方法。
【請求項１２】
電気化学セル、殊に二次電池または二重層コンデンサの製造方法であって、
少なくとも１つの多孔質セル部品を含んでいるセル容器を流動性電解質によって満たす方法において、
ａ）浸透ステップにおいて、余剰量電解質内に前記多孔質セル部品を完全に埋没させ、
ｂ）前記余剰量電解質から前記多孔質セル部品を取り出して、前記多孔質セル部品の孔内に存在していない電解質部分を当該セル容器から除去する、少なくとも一種類の力にさらし、
ｃ）前記多孔質セル部品をこの時点で、または、前記浸透ステップ前に既に前記セル容器内にはめ込み、
ｄ）次に充填ステップにおいて、付加量電解質を前記セル容器内に注入する、
ことを特徴とする、電気化学セルの製造方法。
【請求項１３】
前記力は、前記セル部品を前記余剰量から取り出した後、前記孔内に存在していない電解質を水切りする引力である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記力は、取り出された前記セル部品の回転時に、前記孔内に存在していない電解質を遠心分離させる遠心力である、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記力は、前記取り出されたセル部品を加速度を加えた際に、前記孔内に存在していない電解質を遠心分離させる慣性力である、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記力は、前記取り出されたセル部品をスクレーパーで掻き取る際に、前記孔内に存在していない電解質を当該セル部品から掻き取る応力である、請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記力は、吸引器による、前記取り出されたセル部品の吸引時に、前記孔内に存在していない電解質を前記セル部品から吸引する吸引力である、請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記セル部品を、前記余剰量電解質を含んでいる溜め部内に埋没させ、殊に、垂直でない方向で前記セル部品を当該溜め部内に埋没させる、請求項１２から１７までのいずれか１項または複数項記載の方法。
【請求項１９】
前記セル部品を前記セル容器とともに、前記余剰量電解質を含んでいる溜め部内に埋没させ、
前記セル容器を当該余剰量電解質内の埋没時に開放しておき、前記付加量の注入後にはじめて最終的に閉じる、請求項１２から１８までのいずれか１項または複数項記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの充填ステップを複数の部分ステップに分け、
前記余剰量ないしは前記付加量を、定量化して複数の部分ステップで注入する、請求項１から１９までのいずれか１項または複数項記載の方法。
【請求項２１】
前記セル容器は薄膜袋であり、前記多孔質セル部品を、カソード、アノード、セパレータまたはそれらの組み合わせを含んでいるグループから選択する、リチウムイオン二次電池を製造するための、請求項１から２０までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セル、殊に二次電池または二重層コンデンサの製造方法に関する。ここでは、少なくとも１つの多孔質のセル部品を含んでいるセル容器が流動性電解質によって充填されている。このような方法は殊に、ＵＳ６３８７５６１Ｂ１号から公知である。
【０００２】
さらに本発明は、電気化学セルの製造装置および本発明の方法を実行するためのこの装置の使用に関する。
【０００３】
本発明では、電気化学セルは、電気化学的作用を使用した電気エネルギーの蓄積ないしは変換のための蓄積器である。電気化学的作用とは、例えば、イオンの転位現象のことであり、これは例えば、二次電池（蓄電池）または二重層コンデンサ（スーパーキャパシタ）または電解コンデンサ（ＥｌＫｏｓ）内で起こる。同様に、電気化学的作用とは電気化学的反応のことであり、これは例えば、電気エネルギーを化学エネルギーに変換する、または、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する際に燃料電池内で起こる。本発明の実現のためには、どの作用に基づいてエネルギーが電気化学セル内に蓄積されるないしは変換されるのかは重要ではない。重要なのは、電気化学セルが少なくとも１つの多孔質セル部品を有している、ということである。通常、各電気化学セルは少なくとも３つの多孔質セル部品を有している。すなわち、極性を形成する２つの電極（アノード、カソード）とこれらの電極を分離するための少なくとも１つのセパレータを有している。レディーメードの電気化学セルでは、これらの素子は少なくとも液状の電解質によって包囲されている。電極、セパレータおよび電解質がセル容器内に入れられている。
【０００４】
本発明において電極に言及する場合、その電極の極性は重要ではない。アノードとカソードは、本発明では、同様の電極である。電気化学セルの技術的な実行時には、電極はしばしば多くの部分で形成される。すなわち、複数のセル部品が、電気化学的に見てつながっている１つの電極にまとめられている。
【０００５】
セル容器内の電極の配置に、組立られるべきセパレータの数は依存している。少なくとも１つのセパレータが設けられる。これは２つの電極を分離する。電極が重なって積層されている、または、巻かれている場合には、多数のセパレータを電極の間に配置することが必要になり得る。セパレータは、電気化学的に非活性の部品であり、これは電極を電気的に絶縁して相互に分離するが、電解質内で動くイオンは通す。セパレータはこのような理由から多くの孔を有しており、これによって、高いイオン透過性とセルの高い性能を実現する。
【０００６】
電気化学セルのセパレータだけが多孔質なのではなく、電極も多孔質である。これは、高い出力密度のために、特に大きな電極表面が必要となる、ということに由来する。なぜなら、電気化学的な反法ないしは変換は、活性材料の表面で行われるからである。電極のサイズが小さいにも関わらず、大きい表面を得るために、活性材料は多孔質に被着されている。すなわち、電極の集電部上の内側表面が大きく、被着されている。活性材料のこの大きい内側表面によって最終的に、電極全体は多孔質にされている。
【０００７】
本願で多孔質のセル部品に言及する場合には、これは殊に、電極またはセパレータに対する集約的な概念であると理解されたい。
【０００８】
本発明では、電極が平に相互に重ねられているか、積層されているか、または巻かれているかは重要ではない。両方のセル構造様式は従来技術において公知である。構造様式は本発明にとっては重要でない。
【０００９】
しかし、重要なのは、少なくとも１つのセル部品がある程度の割合で多孔質であり、この多孔質度合が製造プロセスにおいて変動する、ということである。実際には、２つの電極とセパレータは、多孔質であり、製造に起因する変動の影響下にある。
【００１０】
多孔質性とは、部品の幾何学的な外寸から計算した体積（外側の体積）が物質によって実際に包囲されている空間と一致しないことである。むしろ、電極ないしはセパレータにおいて固体は孔の形態の空き領域を包囲する。これを以降で「空き体積」と称する。セル内のこの空き体積は、電解質によって満たされ、これによって電極表面全体で、イオン交換を阻止されずに行うことができる。イオンがセパレータを阻止されずに通過することを可能にするためには、セパレータの全ての孔も満たされるべきである。
【００１１】
セルの最適な機能および高い性能を実現するために、セル内のこの空き体積をできるだけ完全に電解質で満たすべきである。他方で、電解質を過剰に投入することは、安全上の理由から避けられるべきである。コンポーネントの多孔質性、ひいては、セル内の空き体積は製造に起因して変動するので、満たされるべき最適な電解質量も変動する。
【００１２】
バッテリー製造の従来技術では、空き体積の変動はほぼ考慮されてない。むしろ、電解質充填方法の領域の公知の従来技術は、実際の空き体積がどの位の大きさであるのかに無関係に、各セルの固定の電解質量を遵守することに目標を置いている。
【００１３】
ＵＳ８０４７２４１Ｂ２号は、充填プロセスを記載している。ここでは、電気化学セル内に、大きい高真空が形成されるべきである。しかし、充填される電解質量は固定されている（ＵＳ８０４７２４１Ｂ２号のステップｄ）。
【００１４】
ＵＳ２０１１／０１７１５０３Ａ１号も、所定量の電解質を電気化学セル内に満たすことを記載している。
【００１５】
ＵＳ６３８７５６１Ｂ１号は、巻きセルに対する充填方法に関している。ここでは、電解質は巻きの中空に形成されたコアを通って、電極が電解質内に埋まるまで充填される。従って、ＵＳ６３８７５６１Ｂ１号の発明は、本願に最も近い従来技術である。しかし、ここでは、充填される電解質量は一定である。
【００１６】
ＪＰ０５１９０１６８号から、固定量の電解質をセル容器内に充填し、このセル容器に振動を加えることが既知である。これによって、余剰ガスがセル容器から外へ排出される。
【００１７】
ＤＥ２７２９０３４Ａ１号では、セル容器（ここではボタン電池）が真空チャンバ内に入れられ、これを真空にすることによってチャンバに外力を加えることで、一次電池が電解質によって満たされる。この力は電解質をセル容器内に吸い込む。変動する多孔質性はここでは考慮されていない。
【００１８】
ＪＰ２０１１−１３４６３１Ａ１号から、充填されている薄膜状袋で電池を真空にし、電池容器の引き伸ばしを電解質の充填時に、自身の外側に接する平行平面板を用いた電池袋の負荷によって、コントロールして行うことが既知である。ここでも固定量の電解質が充填される。
【００１９】
この従来技術では、電池内に実際にはどの位の大きさの空き体積が生じているのかに関係なく、各固定電解質量を電池内に充填することが意図されている。これによって必ず、多孔質度合が変動する場合には、電池内の充填レベルが変動することとなる。セル容器が比較的剛性の場合には（例えば２７２９０３４Ａ１号のボタン電池の場合）これはほとんど問題にならない。しかし、電解質量の変動は、セル容器が薄く、柔軟な外皮によって形成されている電気化学セルの機械的な特性に影響を与える。高性能ないしは多くのエネルギーを蓄積することができるリチウムイオン二次電池は今日、いわゆる「パウチセル」として好んで構成されている。これは、セル容器がアルミニウムフィルムおよび／またはプラスチックフィルムから製造されているバッテリーセルである。外皮が薄いパウチセルは、変動する電解質量に、必要な構造空間の変動で反応する。これは、バッテリーモジュールの高密度取り付け時に、妨げとなる。しかし、より大きな問題は、振動ダイナミック固有周波数が、電解質充填量の変化によって著しく変動してしまうことである。なぜなら、電解質によってもたらされる緩衝が変化するからである。このような電気化学セルを自動車用途で使用する場合、殊に、リチウムイオン電池によって駆動される車両内で使用する場合、変化する振動特性は継続動作において、セルとバッテリーの別のコンポーネントとの間の電気的および機械的な接続部材の予期できない劣化を生じさせてしまう。ここでは殊に、セルのヒートシール接合が挙げられる。これは、バッテリーフレーム内に拡がっている。この接続は、セル振動によって負荷が加えられ、ひどい場合には、解かれる。さらに、セル−コンダクター−セル接続部の接続はこの振動によって妨害される。
【００２０】
セルの機械的な特性に作用する電解質量の影響の他に、電解質量とセル性能との間にさらなる関係がある。電解質量が少なすぎる場合にはセルの劣化が早まり、電解質量が多すぎる場合には、潜在的な安全リスクとなり得る。
【００２１】
このような理由から、電気化学セル内での電解質量をできるだけ正確に、実際に存在している空き体積に整合させることが要求されている。この課題は、既に、これまでに公開されていないドイツ特許出願ＤＥ１０２０１２２０８２２２Ａ１号内に記載されている発明によって解決されている。この方法では、種々の量の電解質がセル容器内に充填され、これによって、空き体積の変動が補償される。しかし、最適な充填量は、閉ループ制御技術を用いたアプローチによって得られる。ここでは、空き体積は統計的な手法によって事前に予測され、充填されるべき電解質量がこれに合わせられる。この方法の利点は、多孔質度合の強い変動時にも充填エラーが少ないということである。この方法の欠点は、必要な閉ループ制御技術によって生じる高い装置コストである。
【００２２】
この解決策に関係して、本発明の課題は、最適な充填のために、変動する空き体積に、整合された電解質充填量で応える、装置的により簡易な方法を提供することである。
【００２３】
この課題は、第１の充填ステップにおいて、多孔質セル部品が完全に埋没する、余剰量の電解質が注入され、充填された電解質量が少なくとも１つの力にさらされ、この力は、多孔質部品の孔内に存在しない電解質部分をセル容器から外へ排出し、第２の充填ステップにおいて付加量電解質が注入されることによって解決される。
【００２４】
従って本発明の対象は、電気化学セル、殊に二次電池または二重層コンデンサを製造する方法であり、ここでは、少なくとも１つの多孔質セル部品を含んでいるセル容器が、流動性電解質によって充填される。さらにこの方法は以下のステップを有している：
ａ）第１の充填ステップにおいて、余剰量の電解質を充填し、当該電解質内に多孔質セル部品が完全に埋没し、
ｂ）次に、充填された電解質を、少なくとも、多孔質部品の孔内に無い電解質部分をセル容器から外へ排出する力にさらし、
ｃ）その後、第２の充填ステップにおいて付加量電解質を注入する。
【００２５】
本発明は、多孔質セル部品の孔外にある電解質は、孔内に入り込んでいる電解質よりも容易にセル容器から除去可能である、という知識に基づいている：電解質を孔から再び出すのに必要な力は、孔内に無い電解質をセル容器から出すのに必要な力よりも格段に大きい。本発明はこの作用を利用し、セルの空き体積を埋めるのに必要となるであろう量よりも多くの量を、第１の充填ステップにおいて注入する（余剰量）。この余剰量内に沈んで、部品に最適に電解質が染み込む。すなわち、この部品は、空き体積が完全に電解質で満たされるまで、電解質を受け入れる。
【００２６】
不必要に多くの電解質をセル容器内で放置しないために、注入された電解質は、第２のステップにおいて、余剰電解質、すなわち多孔質部品の孔内に存在しない部分をセル容器から再び外に出す力にさらされる。この力は、次のような大きさにされている。すなわち、孔外に存在している電解質部分を外に出すには十分に大きいが、電解質を孔内に保持している、孔の保持力に打ち勝つことができるであろうほどに十分に大きくはないような大きさにされている。力の大きさを正しく調整することによって、充填される電解質の全体量を分けることが可能になる。すなわち、孔外に存在する電解質の余剰量と空き体積に相当する最適な充填量とに分けることが可能になる。
【００２７】
力のレベルの他に、別の重要な動作パラメータは、当然ながら、その作用時間である。なぜなら、作用する力によってまずは、セル容器から外へ出る電解質の動きが誘導されなければならないからである。最終的には開始する力作用の時点も、重要なパラメータである：従って、孔に入り込むために電解質がある程度の時間を必要とすることが考慮されなければならない。すなわち電解質に力を加えるのは、多孔質部品の浸透後が終了した後の所定の時点で行われる。
【００２８】
必要な力、必要な作用時間および作用開始時点の設定は、電解質の流動特性、セルの大きさおよび部品の多孔質度合に依存する。最適な値は、簡単な実験によって特定される。
【００２９】
本発明の別の実質的な観点は、第２の充填ステップにおいて注入される付加電解質量にある。この付加する量は、実際の空き体積を考慮して必要であるよりも多くの量が常にセル容器内に存在することを保証する。すなわち、セル容器の封鎖後、すなわちセルの形成中および／またはその動作中にさらなる電解質が消費されたことがわかった。従って閉鎖後に生じるこの損失量が考慮されるべきである。これは、付加量を介して行われる。
【００３０】
付加量は、多孔質部品の孔内に存在しない電解質部分を外に出す際の誤差を考慮し、同時にセル容器封鎖後の消費も考慮する。ここでも、相応の経験値が、セル構造様式およびその動作状態を顧慮して考慮されるべきである。
【００３１】
多孔質部品の孔内に無い電解質部分をセル容器から出すために、充填された電解質に加えられる力は種々の性質を有し得る。
【００３２】
最も簡単な場合、この力は引力であり、これは電解質、例えば質量を有する全ての対象物を地面の方向に加速させる。これを利用するために、セル容器は傾立され、引力が電解質をセル容器から外に出す。セル容器を空にすることは特に容易である。なぜなら、引力はどこにでも存在するからである。空にする場合にまず、孔内に存在しない電解質がセル容器から流出する。孔内に存在する電解質部分を外に出すには、引力よりわずかにだけ遅れて生じる、より大きな力が必要になる。このようにして、電解質部分を容易に分けることができる。引力の利用のさらなる利点は、これが経験に即して、電解質部分を分けるのに正しい大きさを有する、ということである。
【００３３】
択一的に、セル容器を回転させることが可能であり、ここで生じる遠心力は、孔内に存在しない電解質部分を外に出す。遠心力の使用の利点は、セル用の回転台を用いて簡単に技術的に実現可能であるということ、および、回転数を介して力の大きさの設定を良好に行うことができる、ということである。
【００３４】
別の形態として、余剰分をその慣性力によって外に出すことが可能である。ここでは、セル容器全体が加速される。
【００３５】
力を加える別の形態として、本発明は、セル容器に外からの圧力を加えることを提案する。これは結果として、電解質をセル容器から出す応力を生じさせる。この方法は、セル容器が、比較的薄く、従って変形可能な壁を有している薄膜袋である場合に特に有利である。これは、外から圧力を電解質に加えることを容易に可能にする。
【００３６】
逆に、セル容器内で負圧を形成することも可能である。これは、電解質を外に出す吸引力を生じさせる。これは最も簡単な場合には、セル容器内に挿入された吸引器によって行われる。これは、余剰電解質をセル容器から吸い出す。
【００３７】
最後に、力を機械的に加えるのではなく、セル容器に熱を加えた際に生じる電解質の熱膨張に基づいて加えることも可能である。熱膨張によって生じた膨張力は、余剰電解質をセル容器から外へ排出するのに適している。電解質の加熱時には、電解質が蒸発しないように注意されるべきである。この方法のバリエーションは、その容器の形状が比較的安定しているセル容器、すなわちいわゆる「ハードケースセル」でのみ使用可能である。
【００３８】
当然ながら、電解質を外に出すための、上述した複数の方法を組み合わせることもできる。従って、種々の性質の力が同時にまたは順に電解質に作用する。
【００３９】
第１の充填ステップにおいて電解質を注入する前に、セル容器を（多孔質部品を除いて）必ずしも空にしておかなくてよい。電極とセパレータは場合によっては酸化するおよび湿気を吸収する傾向があるので、セル容器を事前に、酸化させない、所定のように乾燥した雰囲気で、すなわち例えば窒素、アルゴン、水素等の不活性ガスで満たしておくのは有利である。しかし多くの場合には、セル部品は酸化しやすくなく、むしろ湿気の影響を受けるので、これは殊に次の場合に行われる。すなわち、電気化学的な部材が、水っぽくない電解質を有する二次電池、例えばリチウムイオン電池の場合である。このようなセルのセル部品は、湿気から保護されるべきである。従って、これは乾燥した空気下で収容され、扱われ、組み立てられる。従って、セル容器に、第１の充填ステップの前に空気も満たしておくことがあり得る。幾つかの特別なケースでは、セル容器をフォーミングガスで満たしておくことも可能である。これは、約９５体積％の窒素と、５体積％の水素から成る混合気であり、これは同時に、不活性かつ低減した作用を有する。
【００４０】
セル容器が、第１の充填ステップにおける電解質注入の前に、このような気体または混合気で満たされている場合、本発明は次のことを提案する。すなわち、第１の充填ステップ後に、埋没しているセル部品を有しているセル容器が、セル部品の孔内に存在している気体ないしは混合気が、余剰量電解質から排気されるまで待機することである。従ってこれらの孔は、電解質の充填前に気体によって満たされており、この気体が、まず電解質から排除されなければならない。これにはいくらかの時間がかかる。従って、第１の充填ステップ後、気体が電解質から気泡として出されるまで待つ。これは第２の充填ステップにおいて、付加量電解質が注入される前である。待機時間は経験に基づいて定められる。実験では、単に気泡が電解質から上がる間の時間が測定される。電解質注入から気泡形成が弱まるでの時間が、待機時間として選択される。
【００４１】
待機時間を短くするために、排気を促進するのは有利である。これは例えば、余剰量電解質の圧力および／または温度を変えることによって促進される。この熱力学的な手法によって、電解質内の気体の運動性が高まり、これによって電解質からの気体の抜けが加速される。
【００４２】
付加的にまたは択一的に、排気を促進するためにセル容器に外部の力を加えることが可能である。外部の力としては、殊に、セル容器に加えられる圧力または振動が考えられる。
【００４３】
気体充填の他に、第１の充填ステップの前にセル容器を真空にすることが可能である。従ってこれにはほぼ気体がなくなる。この場合には、セル容器内に存在する真空を、第１の充填ステップにおいて、余剰量電解質をセル容器内に吸引するために用いることが考えられる。この方法の利点は、電解質の注入後の排気過程が加速されるということである。
【００４４】
冒頭に記載したように、電気化学セルは通常、複数の多孔質のセル部品、例えばアノード、カソードおよびセパレータを含んでいる。セル容器が複数の多孔質部品を有している場合、有利には第１の充填ステップにおいて余剰量電解質が注入され、この中に、セル容器内に存在する全てのセル部品が完全に埋没する。この方法は、リチウムイオン二次電池の製造時に特に有利に使用される。リチウムイオン二次電池のセル容器は薄膜袋であり（いわゆるパウチセル）、多孔質セル部品はカソード、アノードまたはセパレータである。電解質は有利には、流動性の電解質であり、殊に、リチウム塩の形態の水っぽくない電解質である。これは、有機溶剤またはイオン性の液体内に溶かされている。ゲル状の電解質も使用可能である、または、個体電解質も、これがポリマー電解質のように流動状態でセル容器内に注入されるかぎり、使用可能である。
【００４５】
本発明の方法の重要な特徴は、余剰量電解質内に埋没している多孔質セル部品に電解質が染み込むということである。ここでは、孔は電解質によって満たされる。さらに、孔内に存在しない電解質が多孔質セル部品の周辺から除去される。これは、これまでに説明してきた本発明の実施形態では、孔内に存在しない電解質をセル容器から外へ排出することによって行われる。
【００４６】
本発明の課題の同等の解決方法は、孔内に存在していない電解質の追い出しの運動学的な反転によるものである。すなわち、電解質がセル容器から除去されるのではなく、セル容器が電解質から除去されるのである。このために本発明は、セル部品の浸透をセル容器内で行うのではなく、セル容器外で行うことを提案する。これに相応して余剰量はセル容器内に注入されるのではなく、セル容器外に、溜め部内に準備される。この方法の流れは以下の通りである。
【００４７】
ａ）浸透ステップに続いて、多孔質セル部品を、余剰量電解質内に埋没させる
ｂ）次に、多孔質部品を余剰量電解質から取り出し、多孔質部品の孔内に存在しない電解質部分をセル部品から除去する、少なくとも１つの力にさらす
ｃ）まだ行われていない場合には、この多孔質部品をここで、セル容器内にはめ込む
ｄ）最後に、充填ステップにおいて付加量電解質をセル容器内に注入する
【００４８】
従って、本発明の対象は、電気化学セル、殊に二次電池または二重層コンデンサの製造方法でもある。ここでは、少なくとも１つの多孔質部品を含んでいるセル容器が、流動性電解質によって満たされる。
【００４９】
ａ）ここでは、浸透ステップにおいて、多孔質部品が余剰量電解質内に完全に埋没される
ｂ）ここでは、多孔質部品が余剰量電解質から取り出され、多孔質部品の孔内に存在しない電解質部分をセル部品から除去する少なくとも１つの力にさらされる
ｃ）ここでは、この多孔質部品が、この時点でまたは既に浸透ステップ前に、セル容器内にはめ込まれる
ｄ）ここでは次に、充填ステップにおいて付加量電解質がセル容器内に注入される
これら二つの解決策の提案に共通した、発明性のあるコンセプトは以下の通りである
・余剰量内に埋没されることによって、セル部品に電解質が染み込む（第１の充填ステップ後ないしは浸透ステップにおいて）
・孔内に存在しない電解質が力作用によって、セル部品の周辺から除去される（セル容器からの電解質の追い出し、ないしは、電解質からのセル部品の除去による）
・セル容器内に提供される、浸透した部品に対して、付加量電解質がセル容器内に注入される
【００５０】
余剰電解質を浸透したセル部品の周辺から除去することは、この形態では、同様に種々の性質の力によって行われる。
【００５１】
極めて簡単な場合には、この力は引力である。セル容器を余剰量から取り出した後、孔内に存在する電解質をセル容器から水切りをする。
【００５２】
第２の実施形態では、この力は、遠心力である。取り出されたセル部品を回転させることによって、孔内に存在していない電解質が遠心分離される。
【００５３】
第３の実施形態では、この力は、慣性力である。取り出されたセル部品を加速することによって、孔内に存在していない電解質が遠心分離される。
【００５４】
さらに、孔内に存在していない電解質をセル容器から、スクレーパーで掻き取ることが可能である。この力は、スクレーパーへの応力である。
【００５５】
最後に、吸引力が、孔内に存在していない電解質をセル部品から除去するために用いられる。このために、取り出されたセル容器が吸引器によって吸引される。
【００５６】
当然ながら、余剰電解質をセル部品から除去するこれらの手法を相互におよび／または、順次組み合わせることもできる。
【００５７】
第２の形態の特に有利な実施形態では、セル部品は余剰量電解質を含んでいる溜め部内に埋没される。これは最も容易に実現可能である。有利には、これは非垂直方向で容器内に埋没されるのではなく、斜めに埋没される。これは、浸透を促進する。なぜなら、孔内に存在する気体がより良好に抜かれるからである。
【００５８】
むしろ、セル部品をセル容器とともに、余剰量電解質を含んでいる溜め部内に埋没させることが可能である。ここでセル容器は、余剰量電解質内への埋没時に開けられており、付加量の注入後にはじめて最終的に閉じられる。これに相当して、セル容器内へのセル部品のはめ込みは浸透前に行われる。
【００５９】
最終的に、溜め部内へのセル容器の埋没は、セル容器内への余剰量の注入でもある。これは、この２つの解決手法が同じ、発明性のあるコンセプトを実現していることを示している。
【００６０】
全ての方法において、個々の充填ステップは、所定の充填量を一気にセル容器内に注入する必要はない。充填ステップの少なくとも１つを複数の部分ステップに分けることも可能である。この場合には余剰量ないしは付加量は、定量化して複数の部分ステップにおいて注入される。
【００６１】
２つの方法は、殊に、リチウムイオン二次電池を満たすのに適している。リチウムイオン二次電池のセル容器は薄膜袋である。多孔質セル部品はここでは、カソードであるか、アノードであるか、または、セパレータであるか、または、これらの部品の組み合わせであり、すなわち、いわゆるセルスタックまたはセルコイルである。
【００６２】
次に本発明を、実施例に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】多孔質部品を有する空のセル容器
【図２】第１の充填ステップ後のセル容器
【図２ａ】選択的な気体追い出しの促進
【図３】電解質への力の印加
【図４】セル容器内の浸透した部分
【図５】第２の充填ステップ後のセル容器
【図６】余剰量電解質によって満たされた溜め部
【図７】溜め部内への多孔質部品の埋没
【図８】浸透した部品の水切り
【図９】セル容器内の浸透した部品
【図１０】付加量注入後のセル容器
【図１１】余剰量電解質によって満たされた溜め部
【図１２】溜め部内へのセル容器内の多孔質部品の埋没
【図１２ａ】異なる溜め部サイズ
【図１３】セル容器内の浸透した部品の水切り
【図１４】セル容器内の浸透した部品
【図１５】付加量注入後のセル容器
【実施例】
【００６４】
図１から５は、本発明の第１の方法の基本的な流れを示している。図２ａは、図２と３の間に入れられるべき選択的な付加ステップを示している。
【００６５】
図６から１０は、本発明の第２の方法の基本的な流れを示している。
【００６６】
図１１から１５は、セル容器がセル部品とともに溜め部内に埋没される、本発明の第２の方法の形態を示している。
【００６７】
セル容器１内には、多孔質セル部品２が存在している。このセル部品２は、中実体ではなく、多孔質であるので、セル容器１の空き体積とセル部品２の中実体の体積との間の差は、電気化学セルの空き体積Ｖを表す。従ってこの空き体積Ｖは、多孔質部品２内の空の空間に相当する。
【００６８】
すなわち、空き体積Ｖにできるだけ正確に電解質を充填することは、多孔質部品を最適に浸透させることに当てはまる。
【００６９】
このために、第１の充填ステップでは余剰量電解質Ｅｅがセル容器１内に注入される。これは、セル部品２が完全に埋没するまで行われる（図２を参照）。
【００７０】
第１の充填ステップを、複数の部分ステップに分けることもできる。従って、余剰量電解質Ｅｅは定量的に入れられる。
【００７１】
次に第２の動作ステップ（図３）において、注入された電解質Ｅｅが力Ｆにさらされる。この力は、多孔質部品２の孔内に存在しない、電解質の部分Ｅｘをセル容器１から外へ排出する。これは単に、セル容器を傾立させ、余剰分を空にすることによって行われる。
【００７２】
部品２の孔内に存在しない電解質部分Ｅｘを外に出した後、セル容器１は理想的には、空き体積Ｖに相当する電解質量で充填される（図４を参照）。
【００７３】
第２の充填ステップでは、ここで、付加量電解質Ｅｂが注入される。従って電解質Ｅの充填レベルは、空き体積Ｖである（図５）。次に、セルが閉じられる（図示されていない）。
【００７４】
付加量Ｅｂの提供は、セルの組み立ての間、ないしは、動作によって生じる劣化の間に、電解質がセル容器内で徐々になくなるためである。付加量Ｅｂはこれを補償する。
【００７５】
図２ａは、第１の充填ステップにおいて余剰量電解質Ｅｅを注入した後に、セル部品２の孔内に存在している気体３が電解質Ｅｅから排気されるまで、セル容器１が待機する選択的な動作ステップを示している。この動作ステップはオプショナルで、図２と図３との間に配置される。待機時間を短くするために、電解質Ｅｅに、待機の間に、気体の排気を促進する力Ｇを加えることが考えられる。これは有利には、セル容器の振動から生じる慣性Ｇであり得る。付加的に、排気時の待機時間を短くするために、圧力変化Δｐまたは温度変化Δｔを生じさせることができる。排気された孔は、電解質によって満たされる。
【００７６】
図６から１０は第２の方法の形態を示している。ここでは、余剰量Ｅｅはセル容器外にある。すなわち、その体積がセル容器の体積よりも格段に大きい溜め部４内にある（図６）。
【００７７】
セル部品２は溜め部４内に埋没され、従って、空き体積Ｖには完全に電解質が浸透する（図７）。有利には、セル部品２は、斜めに溜め部２内に入れられる。これによって、孔に、より良好に電解質が充填される。
【００７８】
次にセル部品２が再び、余剰量電解質Ｅｅから取り出される（図８）。引力は、電解質に力Ｆを加える。この力は、孔内に存在しない電解質部分Ｅｘを水切りする。これは、溜め部４によって受けとめられる。最適に浸透したセル部品２はそのままである。なぜなら、引力は、孔内に保持されている電解質も除去するのには十分でないからである。
【００７９】
次に、完全に浸透したセル部品２がセル容器１内にはめ込まれる（図９）。
【００８０】
次に、付加量電解質Ｅｂがセル容器１内に注入される（図１０）。
【００８１】
図１１から１５に示されているように、セル容器１をセル部品２とともに、溜め部４内に埋没させることも可能である。
【００８２】
セル部品２は電解質を有していないセル容器１内に入れられる。セル容器１は、まだ閉じられていない、または、少なくとも部分的にのみ閉じられている。パウチセルの場合には、殊に、通常は開放されたままであるヒートシール接合のみが溶接される（図１１）。
【００８３】
はめ込まれたセル部品２を有するセル容器１はともに、余剰量電解質Ｅｅを有する溜め部４内に埋没され、そこで、浸透の終了まで待機する（図１２）。
【００８４】
セル容器１とセル部品２はともに、溜め部４から取り出される。孔内に存在していない電解質Ｅｘが滴り落ちる（図１３）。
【００８５】
完全に浸透したセル部品２によって充填されたセル容器１はそのままである（図１４）。
【００８６】
次に、付加量電解質Ｅｂがセル容器１内に注入され（図１５）、ここでセル容器１が完全に閉じられる（図示されていない）。
【００８７】
図１１、１２、１３では、溜め部４は、セル容器１よりも格段に大きく構成されている。これは、余剰量Ｅｅが空き体積Ｖよりも格段に大きいことを意味している。セル容器の埋没時には（図１２）、これに相応して、セル容器の外側も電解質で覆われる。これは再び水切りされなければならない（図１３）。これはパウチセルの場合には、袋の個々のフィルム部分がセルのタフト（Schopf）でのみふさがれることによって回避される；残りの部分はシールドされないままである。この場合には薄膜袋のシールドされていない部分を、半分皮が剥かれたバナナのように、側面で外へめくり返すことが可能である。これによって、多孔質部品２の埋没時に、折りたたまれた薄膜袋の電解質との接触を少なくとも部分的に回避することができる。溜め部４はこの場合には相応に小さく設計されるべきである。これによって、シールドされていないフィルム状部分は溜め部４を外側で包囲する。この新たな可能性は、図１２ａに概略的に示されている。ここでは、薄膜袋１のタフトは透写されており、袋のシールドされていない辺は破線で示されている。
【００８８】
結果として、電気化学セルの空き体積を最終的に電解質で満たすことができる特に容易なコンセプトが提供される。これは。従って、セルは高い性能を得る。利点は容易な構成である。これは複雑な調整技術を必要としないので、特に動作が安定している。孔によってもたらされた保持力を利用することによって、余剰量は容易に、最適な量から離されるので、この充填方法は実際には、自己制限式に動作する。本発明の別の重要な観点は、付加量である。この付加量は、後に動作によって生じる電解質の解体を補償し、これによって、セルの寿命全体にわたって高い性能と動作安全性を保証する。このコンセプトを実行に移す２つのアプローチを示した。第１の形態では余剰量はセル容器内に存在し、これに相応して、浸透の終了後にこれは再び除去されなければならない。第２の形態では、浸透は余剰量を含んでいる溜め部内で行われる。この第２の形態を、セル容器がセル部品とともに溜め部内に埋没されるように、行うことも可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１  セル容器、  ２  セル部品、  ３  気体、  ４  溜め部、  Ｅｅ  余剰量電解質、  Ｅｂ  付加量電解質、  Ｅｘ  孔内に存在していない電解質部分、  Ｆ  孔内に存在していない電解質部分を外へ排出するための力、  Ｇ  排気を促進するための力、  Ｖ  空き体積、  Δｐ  圧力変化、  Δｔ  温度変化
【図１】
2015527696.tif 000003
【図２】
2015527696.tif 000004
【図２ａ】
2015527696.tif 000005
【図３】
2015527696.tif 000006
【図４】
2015527696.tif 000007
【図５】
2015527696.tif 000008
【図６−７】
2015527696.tif 000009
【図８】
2015527696.tif 000010
【図９】
2015527696.tif 000011
【図１０】
2015527696.tif 000012
【図１１−１２】
2015527696.tif 000013
【図１２ａ】
2015527696.tif 000014
【図１３】
2015527696.tif 000015
【図１４】
2015527696.tif 000016
【図１５】
2015527696.tif 000017
【国際調査報告】
2015527696.tif 000018
2015527696.tif 000019
2015527696.tif 000020
2015527696.tif 000021
2015527696.tif 000022
2015527696.tif 000023