(57)【要約】  本発明は、カーボンフェルト（１０）の少なくとも１つの所定領域（１７）において局所的に行われる、カーボンフェルト（１０）の細孔に金属粉末と結合剤との混合物を含浸させる段階、及び、少なくとも１つの所定領域（１７）のレベルにおいて行われる、金属集電体（１３）と金属粉末が含浸されたカーボンフェルト（１０）との間にスポット溶接する段階を含む、電池の金属集電体（１３）及びカーボンフェルト（１０）の取り付け方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の金属集電体（１３）及びカーボンフェルト（１０）の取り付け方法であって、
−前記カーボンフェルト（１０）の細孔に金属粉末と結合剤との混合物を含浸させる段階、及び、
−前記金属集電体（１３）と前記金属粉末が含浸された前記カーボンフェルト（１０）との間にスポット溶接する段階を含み、
前記含浸段階が、前記カーボンフェルト（１０）の少なくとも１つの所定領域（１７）において局所的に行われ、
前記少なくとも１つの所定領域（１７）のレベルで前記スポット溶接段階が実行される、取り付け方法。
【請求項２】
前記金属粉末が、前記金属集電体と同一の材料で作られる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属粉末が、大部分がアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル又は銅で作られる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記結合剤が主にロジンで作られる、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記結合剤が、主としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）で作られる、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記金属粉末の金属粒子のサイズが１マイクロメートル未満であり、好ましくは２００ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲である、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記カーボンフェルトの細孔のサイズが、１０マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲である、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの所定領域（１７）が、１ミリメートルから３ミリメートルの範囲の直径を有する円を形成する、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記混合物が、２０重量％から６０重量％の結合剤を含み、好ましくは前記混合物が、４０重量％の結合剤と６０重量％の金属粉末とを含む、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
電池であって、
−カーボンフェルトで形成された正極（１０）、
−負極（１１）、
−前記２つの電極（１０、１１）を分離する電解質（１２）、
−前記正極（１０）に電気的に接続された第１の集電体１３、及び、
−前記負極（１１）に電気的に接続された第２の集電体（１４）を備え、
前記第１の集電体（１３）が、請求項１から９の何れか一項に記載の取り付け方法によって前記正極（１０）に取り付けられていることを特徴とする、電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属集電体と電池のカーボンフェルトとの間の取り付け方法に関する。また、本発明は、この取り付け方法によって得られる電池に関する。
【０００２】
本発明は、特に有利には、リチウム、リチウムイオン、リチウム−硫黄電池、並びに一次塩化チオニル電池に適用される。
【背景技術】
【０００３】
リチウムイオン電池は、リチウムイオンの可逆的交換によって貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる電気化学的発電機である。従来、リチウムイオン電池は、それらの間に配置された電気化学コアを形成する電解質を有する２つの電極から形成されている。
【０００４】
図１は、単一の電気化学的コアで形成された従来技術のリチウムイオン電池を示す。電気化学コアは、正極１０、負極１１、及び２つの電極１０、１１を分離する電解質１２によって形成される。好ましくは、正極１０は、二酸化コバルト又はマンガンのようなリチウムカチオン挿入材料で作られる。負極１１は、グラファイトカーボン、チタン酸塩、金属リチウム又はシリコンからなることが最も多い。電解質１２は、正極１０から負極１１へのリチウムイオンの移動を可能にする電解質又は陰極液で含浸されたポリマーセパレータまたは微孔質複合体から形成され、逆に２つの電極１０、１１の間に電流を生成する。
【０００５】
正極１０へのアクセスは、好ましくはアルミニウム製の第１の集電体によって提供される。負極１１へのアクセスは、第２の集電体１４によって提供される。第２の集電体１４は、通常、電池の種類に応じて、黒鉛炭素電極１１用の銅、チタン酸塩又はステンレス鋼又はニッケル電極１１用のアルミニウムで作られる。
【０００６】
最終的には、層１０から層１４はパッケージ１５内に集積され、集電体１３、１４の一部のみがパッケージ１５の外部からアクセス可能となる。パッケージ１５は、剛性または可撓性であってもよく、水、酸素及び窒素等の外部元素を汚染することに対する電気化学コアの気密性を保証する。パッケージ１５は、熱成形可能なポーチ又はステンレス鋼若しくはアルミニウム製の硬質容器の形態で作ることができる。
【０００７】
図１のリチウムイオン電池は、平らな層によって平面状に作られている。変形例として、リチウムイオン電池は、同心円状の層によって円筒状に作られてもよい。電気化学的コアは、螺旋状又は角柱状に形成することもできる。また、ある種の電池は、複数の電気化学コアが積層されて構成されている。
【０００８】
新世代の電池は、炭素繊維又はカーボンフェルトによって形成された正電極を含む。実際、カーボンフェルトは、電気化学反応の生成物をカーボンフェルトの細孔に効率的に挿入することができる材料である。しかし、カーボンフェルトは金属元素ではないため、従来の溶接では金属集電体と正極との結合を行うことができない。
【０００９】
韓国特許第２０１２−００２９２８９号公報は、それに溶接された集電体を有する金属フレームにカーボンフェルトを保持することが提供されている。しかし、フレームは電池のバルクを増加させ、フレームにカーボンフェルトを保持する方法は複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】韓国特許第２０１２−００２９２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、電池のカーボンフェルトと金属コレクタとの間の結合および電気接触を簡単にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、金属粉末で形成される混合物をカーボンフェルトに含浸させ、金属集電体と金属化された混合物を含浸させたカーボンフェルトとの間の溶接を行うことを提供する。
【００１３】
これを達成するために、第１の態様によれば、本発明は、金属集電体と電池のカーボンフェルトとの間の取り付け方法であって、
−カーボンフェルトの細孔に、金属粉末と結合剤との混合物を含浸させる段階、
−金属集電体と金属粉が含浸されたカーボンフェルトとの間でスポット溶接する段階を含む。
【００１４】
含浸段階は、少なくとも１つの所定領域において局所的に行われ、スポット溶接段階は、少なくとも１つの所定領域のレベルで実施される。
【００１５】
したがって、本発明は、混合物の金属と金属集電体との接合溶融によって、金属集電体とカーボンフェルトとの間に抵抗性の導電性機械的接続を得ることを可能にする。
【００１６】
カーボンフェルトの細孔は、一方では、電気化学反応の成分を貯蔵するために使用され、他方では、溶接のための金属粉末を貯蔵するために使用される。すべての予想に反して、カーボンフェルト中の局所金属粉末の含有は、電極中で起こる電気化学反応を変化させない。
【００１７】
一実施形態によれば、金属粉末は、金属集電体と同一材料で作られる。この実施形態によれば、金属集電体とカーボンフェルトとの結合性を改善することができる。
【００１８】
一実施形態によれば、金属粉末は、大部分がアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル又は銅で作られる。この実施形態は、電池の化学的性質に応じて金属粉末を規定することを可能にする。実際に、リチウムイオン電池は好ましくはアルミニウム金属粉末を使用し、リチウム−硫黄電池はステンレス鋼金属粉末を使用する。同様に、他の電池は、使用される電解質に応じてニッケル又は銅の金属粉末を使用することができる。
【００１９】
一実施形態によれば、結合剤は、主としてロジンから形成される。ロジンは、溶融金属の表面張力を低下させることができる。従って、ロジンは、溶融した金属をより容易に、溶接された表面を迅速に且つ効率的に覆うように流すことを可能にする。溶接中に加熱された表面には酸化物層が永続的に形成されるが、ロジンは、このような酸化物層を溶解させることができる。
【００２０】
一実施形態によれば、結合剤は、主にカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）で作られる。
【００２１】
一実施形態によれば、金属粉末の金属粒子のサイズは、１マイクロメートル未満、好ましくは２００ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲である。
【００２２】
一実施形態によれば、カーボンフェルトの細孔径は、１０マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲内にある。この実施形態によれば、カーボンフェルトの細孔径と金属粒子の大きさとを１０倍にすることができ、カーボンフェルトの含浸性を良好にすることができる。
【００２３】
一実施形態によれば、少なくとも１つの所定領域は、１ミリメートルから３ミリメートルの範囲の直径を有する円を形成する。
【００２４】
一実施形態によれば、混合物は、２０重量％から６０重量％の結合剤を含み、好ましくは、４０％の結合剤及び６０％の金属粉末を含む。
【００２５】
第２の態様によれば、本発明は、
−正極、
−負極、
−２つの電極を分離する電解質、
−前記正極に電気的に接続された第１の集電体、及び、
−前記負極に電気的に接続された第２の集電体、を備える電池に関連する。
【００２６】
正極は、カーボンフェルトで形成され、第１の集電体は、本発明の第１の側面による取り付け方法によって正極に取り付けられる。
【００２７】
本発明及びそれによって得られる利点は、本発明の例示として提供される、以下の非限定的な図面及び実施例からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、従来技術のリチウムイオン電池を示す。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による電池を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図２は、単一の電気化学的コアで形成された電池を示す。電気化学コアは、正極１０、負極１１、及び２つの電極１０、１１を分離する電解質１２によって形成される。好ましくは、正極１０は、二酸化コバルト又はマンガンのような材料で作られる。負極１１は、グラファイトカーボン、チタン酸塩、金属リチウム又はシリコンで作られることが最も多い。電解質１２は、正極１０から負極１１へのイオンの移動を可能にし、逆に２つの電極１０、１１間に電流を発生させる電解質又は陰極液で含浸されたポリマーセパレータ又は微多孔質複合体で形成される。
【００３０】
正極１０へのアクセスは、好ましくはアルミニウムで作られた第１の集電体１３によって提供される。負極１１へのアクセスは、第２の集電体１４によって提供される。第２の集電体１４は、電池の種類に応じて、通常、負の黒鉛炭素電極１１の場合は銅で作られ、負のチタン酸塩又はステンレス鋼又はニッケル電極１１の場合はアルミニウムで作られる。
【００３１】
最終的には、層１０から層１４は、パッケージ１５内に集積され、集電体１３、１４の一部のみがパッケージ１５の外部からアクセス可能となる。パッケージ１５は、剛性又は可撓性であってもよく、水、酸素及び窒素等の外部元素を汚染することに対して電気化学的コアの気密性を保証する。パッケージ１５は、熱成形可能なポーチ、又はステンレス鋼若しくはアルミニウムで作られる硬質容器の形態で作ることができる。
【００３２】
図２の電池は、平らな層によって平面状に作られる。変形例として、電池は、同心円状の層によって円筒形に作られてもよい。電気化学的コアは、螺旋状または角柱状に形成することもできる。また、複数の電気化学的コアを積層して電池を構成してもよい。
【００３３】
本発明は、正極１０と第１の集電体１３との間の取り付けに関連し、前記正極１０は、カーボンフェルトによって形成される。
【００３４】
本発明は、正極１０を形成するカーボンフェルトに、金属粉末と結合剤との混合物を含浸させることを含む。含浸は、金属集電体１３とカーボンフェルトとの間の溶接部を形成する所定領域１７のレベルで局所的である。したがって、標準的なスポット溶接システムの実施は、集電体１３及びカーボンフェルト１０に含浸された金属粉末を局所的に溶融することを可能にする。これにより、集電体１３とカーボンフェルト１０との間に機械的に抵抗のある導電層が得られる。
【００３５】
スポット溶接は、強い電気強度と点圧との組み合わせによって行われる周知のプロセスに対応する。この方法では、外部から材料を提供する必要はない。電気強度は、融点まで材料を加熱する。圧力は、溶接電極及びアセンブリの接触を維持する。溶接のために、クリップは、電気及び熱の良好な導体であり、クリップとの接触面積を少なくし、溶融を回避することを可能にする、銅で作られたキャップ又は電極にアセンブリを押し付け、それは、所定領域である、溶接される２枚のシートの間の接触面積に限定される。この技術は、材料の抵抗率（電気抵抗）、アセンブリの全厚さ、及び、溶接電極の直径に依存する。含浸は、シルクスクリーン、スプレー、インクジェット、フレキソ印刷等のタイプの印刷システムで行われる。炭素繊維は多孔質であるため、インクは容易に浸透する。
【００３６】
使用される金属粉末は、電池の化学的性質によって定められる。例えば、リチウムイオン電池は、アルミニウムを使用し、リチウム硫黄電池は、ステンレス鋼を使用することができ、他の電池は、使用される電解質１２に従ってニッケル又は銅を使用することができる。一般に、カーボンフェルト１０に添加される金属粉末は、集電体１３と同じ性質であるが、必ずしもそうである必要はない。
【００３７】
同様に、含浸インクの結合剤は、主に電池の化学的性質によって識別される。ロジンが相溶性であれば、溶接中にフラックスの役割を果たすことができるので、好ましい。ロジンは、溶融金属の表面張力を低下させるために使用され、はんだ付けされる部分の表面をより迅速且つ効率的に覆うように、より容易に溶融金属が流れることを可能にする。溶接中に酸化物層が加熱された表面に永続的に形成されるが、ロジンを使用してこのような酸化物層を溶解除去する。
【００３８】
変形例として、他の結合剤（カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））も使用することができる。
【００３９】
好ましく使用する混合物は、４０重量％のロジン、６０重量％の金属粉末に相当するが、ロジンの比率は、２０から６０％の範囲で変化してもよい。
【００４０】
使用される金属粒子のサイズは、好ましくは１マイクロメートル未満であり、有利には２００ナノメートルから１０００ナノメートルの範囲である。
【００４１】
カーボンフェルト１０の細孔径は、好ましくは１０マイクロメートルから１００マイクロメートルの範囲である。したがって、カーボンフェルト１０の粒径と細孔径との間の１０の倍数が良好な含浸を与える。
【００４２】
所定領域１７は、実質的に円形の形状を有し、好ましくは、直径が１ミリメートルから３ミリメートルの範囲である。
【００４３】
図２は、集電体１３とカーボンフェルト１０との間の信頼できる結合を可能にする２つの所定領域１７を示す。変形例として、所定領域１７の数、従って溶接の数は、変化する可能性がある。
【００４４】
従って、本発明は、電池に使用される電解質を変えることなく、金属集電体１３とカーボンフェルト１０との間の強力な導電性結合を得ることができる。
【００４５】
本発明は、リチウム、リチウムイオン電池に特に適用される。本発明は、炭素フェルトが反応残留物を挿入することができるので、リチウム−硫黄電池並びに第１塩化チオニル電池についても実施することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  正極
１１  負極
１２  電解質
１３  集電体
１４  集電体
１５  パッケージ
１７  所定領域
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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