专利名称：制造层压聚合可充电电池组电池的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造包括有单层聚合电极和分离器元件的可充电电池组电池的方法，特别地，本发明涉及一种取代原先对这样的电池组电池形成和测定尺寸所采用的多步操作的单步操作，并确保固有的各电池单元的定向和尺寸关系。
现行的各种可充电电池组电池，例如锂离子插入电池，是从包括有在电池充/放电循环期间含有可逆插入锂离子能力的分散微分粒子材料的聚合成分软片的电极元件中制备出来。这样的材料包括正电极部件、锂金属氧化物插入化合物例如LiCoO、LiNiO和LiMnO，和例如负电极部件、碳材料例如石油焦和石墨。
在电池结构中具有包括本质上与电极元件中使用的类型相同的聚合物的软电极插入分离层元件，这样单元层的简化热层来最终形成电池合成物。附加电池元件，例如金属箔电流集电器，也在压层操作中合并入电池的结构。
代表现行结构的层压电池组电池在说明书的图1中有描述，并且电池组电池制造的通常处理在讨论用于配制和层压化合锂离子电池的典型成分和处理过程的U.S.5,460,904以及其相关专利说明书中有更加详细的描述，在这里引入作参考。
在工业发展期间，维持这些层压聚合电池的完整性和运作条件的必然需要变得显著。例如，当最初考虑到单一层压电池的大规模经济生产，层压电池需要大量标准层压件的制造，接着进行标准件的简单垂直切割，例如用普通剪断机或类似的“冲压”设备，获得期望尺寸和形状的电池，这种预期办法由于很多原因被证明是不能令人满意的。
首先，电流集电器层元件的易碎性导致这些元件的导电片的加压成层压聚合电极和分离层最后引起电池的短路。而且，在电极层合成物自身上的类似作用迫使这些元件的边缘部分这样接近，因而短路也变得不可避免。
而这种实例的额外缺点在分离层的合成压缩中可以观察到。这种情况部分有助于电极层之间已经注意到的短路，更重要的是它允许穿过位于电极之间的分离器缩短的边厚度的过量的锂离子流，其结果引起离子越过那边的分离元件并导致在电池充电期间负电极元件边缘处的金属锂的危险电解。为了避免这样的电解情况，通过在问题处提供更多的离子插入材料，在结构中包括通常以延伸电极层形式形成的过量负电极合成物。虽然避免有些电解问题，但实施电池总体上直接导入过量的非生产性的电极材料，这样就增加了电池的重量并减少了比容量。
更直接，虽然不经济，实例还是要经过将层压先前的电池元件裁剪到合适的尺寸，包括为了防止离子穿过以及危险的电解，在电极层之间提供充足边距而超过尺寸的分离层。在这种方式下，完全消除了先前的剪裁问题，但这直接导致制造处理对各电池元件的多重剪裁和处理，也是在层压达到期望结果期间合适配制和维持元件这个更大的问题。
另一方面，本发明的电池制造方法使得能经济使用标准层压件，其提供了用于避免电池元件由于模压-剪切而引起的损坏和变形的最初问题，并且另外使得电极间充足分离边缘材料直接成形来避免电池充电循环期间离子的穿过和金属锂的电解。因此，本发明显著实现时间和材料的节省，同时也提高了最初预想的层压聚合电池组电池中电池的效率和容量。
发明内容
在本发明的处理中，利用导致单一巨大区域或连续片标准电池层压，在其上将要单独剪裁单个电池，例如热压滚子的电池组电池元件成形和层压在上述参照说明书中已经提及。与先前尝试的冲压剪裁或垂直切割操作不同的是，本发明通过利用薄片层平面的垂直有效角度来设定的平面中的层压校件的切削片进行侧向切割操作。
由于这个切割操作，就可能获得任意形状和尺寸并具有不仅大致避免对邻近层材料的污染，还具有明显比各层自身厚度厚的截面尺寸的单独电池。在这种方式下，通过分离层建立的电极间更大得分边缘空间避免了朝锂离子旁路和金属电解的趋势。
本发明将结合下面的附图来进行描述图1是代表本发明有用应用中典型的层压锂离子电池组电池结构的截面透视图；图2是代表先前制造层压锂离子电池组电池结构方法的末级操作的剖视图；和图3是代表根据本发明制备的层压锂离子电池组电池结构的剖视图。
具体实施例方式
通过上述参考引入专利说明书提及的先进技术可以经济地制造有用的层压锂离子电池组电池。在图1中描述了有代表性的这样的电池10的结构，并且基本上包括正和负电极层13、17，在它们之间插入有电绝缘、可传送离子的分离器元件15，其包括例如在其中可很容易吸收锂盐电解溶液的微孔性聚合基质(matrix)、最好是聚偏氟二乙烯化共聚物。这些电极元件分别包括氧化锂插入化合物，例如LiMnO，和具有可逆插入锂离子的补充材料，例如石油焦和石墨形式的碳，每个分散为聚合基质中的微分粒子，例如共聚物。电导通电流集电器11、19，最好分别是铝和铜，用与各电极元件13、17的热压层结合来形成电极部件，依次和分离元件15进行类似的结合来形成单个电池组电池。为了简化随后电池的处理，例如在锂盐溶液电解结合期间，集电器元件11、19最好是对流体有渗透性，例如以网状扩展金属格形式。
图2示出制造已有技术电池结构的方法，预先层压的正和负复合电极部件分别包括集电栅和电极元件21、23和27、29。已剪裁成比电极元件23、27周围尺寸大的聚合分离层元件25在这些元件之间谨慎地配制来确保其边缘在超出电极元件23、27的边缘处延伸。这个集合随后经过箭头方向上施加的热和压进行层压来形成单个电池组电池。分离层元件向外延伸边缘26的目的是最大限度降低各电极层材料附加块之间短路接触的机会，也是为了充电期间在分离器边缘阻止锂离子旁路而在暴露分离器边缘表面26的电极元件23、27之间建立额外长路径，并且避免在负电极元件27的另外面离子浸透的边缘28处的金属锂电解。除了在这种方式中使用超尺寸的分离器元件外，提供比斯多葛度量平衡正电极23的厚度22更加大的电极元件厚度28形式中额外的负电极材料并非是不寻常实例。这样在分离器25和负电极元件27上材料的增加量仅提供预防的措施，并且对电池功能没有直接的贡献，仅减少了电池组电池的比容量。
本发明中使用的典型的聚合层压电池组电池化合物以及单元层与在参考说明书中讨论的那些相类似，并可以如下述实例制备。
实例1分离元件涂渍溶液通过在200份丙酮中保持30份大约是380×10 MW(KynarFLEX 2801，Atochem)的重量份为88∶22亚乙烯基氟化物(VdF)∶六氟丙烯(HFP)的共聚物和20份硅烷煅制氧化硅，并在混合物中加入40份酞酸二丁脂(DBP)增塑剂来制成。完成的混合物加热到大约40°来促进共聚物的溶解，并在实验室球磨机中进行大约6小时的均化处理。将得到的稀浆中的一部分用刮粉刀设备在玻璃板上涂上大约0.5毫米。丙酮涂料载体允许在室温下用适度流动的干燥空气对涂层外壳进行10分钟的蒸干，来产生从玻璃板上剥下的坚韧、柔软、增塑膜。该膜的厚度约为0.1毫米，并且能轻易切成矩形分离元件。
实例2正电极合成物是通过在有盖不锈钢搅拌机中以2500rmp转速将65重量份为53um经过滤的LiMnO，其中1＜x 2(例如在美国专利5,266,299中描述的方式制备的LiMnO)，10份实例1中的Vdf∶HFP共聚物(FLEX 2801)、18.5份苯二酸二丁、6.5份导电碳(Super-P Black、MMM Carbon、Belgium)，和大约100份丙酮的混合物进行10分钟的搅拌均匀来制备。得到的稀浆通过简单地对混合容器施加减压来除气，并且其一部分通过间隙为0.4毫米的刮刀设备在玻璃板上涂层。经涂层的层允许其涂层外壳在室温的合适流动干空气下进行干燥来形成从玻璃板剥离的坚韧、柔软的膜。该膜，包括65％重量份的粒子激活插入材料，厚度大约有0.12毫米，并且很容易裁切成矩形电极元件。
实例3负电极合成物是通过在有盖不锈钢搅拌机中以2500rmp转速将65重量份工业石油焦(MCMB 25-10，Osaka Gas)，10份实例1中的Vdf∶HFP共聚物(FLEX2801)、21.75份苯二酸二丁、3.25份Super-P导电碳、和大约100份丙酮的混合物进行10分钟的搅拌均匀来制备。得到的稀浆通过除气，并且其一部分通过间隙为0.5毫米的刮刀设备在玻璃板上涂层。经涂层的层允许其涂层外壳在室温的合适流动干空气下进行干燥来形成从玻璃板剥离的坚韧、柔软的膜。该膜，包括65％重量份的粒子激活插入材料，厚度大约有0.15毫米，并且很容易裁切成矩形电极元件。
实例4根据已有技术方式制备的包括有上述元件的单一电池组电池在下面的图2中进行描述。具有大约30um厚度的开口网形栅格形式的铝箔正电流集电器21(例如MicroGird精确扩展箔，Delker Corp.)调整为80毫米×40毫米。为了增强其与相应电极元件层随后的依附性，提高接触电阻，栅格21经过用例如氢氧化钠洗，进行氧化物的表面清除，以及用工业电池级导电碳黑的导电底漆化合物进行浸渍，例如MMM Super P，用丙烯酸在工业上可获得的聚乙烯共聚物的水悬浮物，例如Morton Internation Adcote primer 50C12，进行扩散。这种液体化合物具有足够的稀薄度来保持栅格的网状特性，并且能对栅纤维进行风干来获得大约在1-5um的涂层。
从实例2的膜上裁切下大约80mm×40mm部分来形成正电极元件23，通过将这部分用栅格21与其对准装配，并且用大约120-150℃的工业热压力辊板层压设备将这个集合层压来形成合成正电极部件21、23。负电极元件27和集电器元件29分别从实例3中的膜和MicroGrid扩展铜箔中裁切下80mm×40mm部分，并进行类似的层压来形成合成负电极部件27、29。实例1中的膜部分裁切85mm×45mm来形成分离元件25，该元件如图2所示在预先配置的合成电极元件之间重合，将集合以100-120℃层压来形成单个电池组电池结构，在其中分离器25在边缘26处扩展超出电极部件的外围大约2.5mm。随后电池从用电解液吸入的增塑剂中提取，并以在已知参考描述的方式密封包装。
在前述实例中描述的多步操作和重复处理和加工步骤说明原来工业上流行的电池组电池的制造方法的烦琐和低效率。还具有前述电池容量和长期使用的缺陷，这些因素导致不断尝试能经济制造期望聚合层压电池。
对比先前的实例，本发明所包含的方法提供了如下面的实例中所示的快速、有效和经济的聚合电池电池制造方法。
实例5实例1到4中的分离器、电极和电流集电器元件板部分经裁切成同样尺寸，并层压形成单个主电池板10，如图1所示。因为对这些元件的相关尺寸没有如图4中已有重合制造方法相关的要求限制，所以主板可以有效、连续地制网处理，例如在参考U.S.5,460,904中所述。
单个期望大约80mm×40mm外围尺寸的电池组电池通过用刀刃从主板主平面表面的垂线以角度14沿剖视基准线直角横切方式从主板上裁切下来。得到的电池组电池结构随后经过混合电解液和按已有电池方式包装处理后，最后提供了一种具有长使用寿命和高电量存储容量的可充电电池。
这种使用平切的独特方法消除了有问题的层制造方法以及导致已有电池组电池中普遍存在缺陷的压力，更重要的是产生成角度电池边缘表面32(图3)，该表面立刻提供了用于阻止锂离子旁路的沿边分离层边缘36，并且在负电极元件37的延长的边沿34暴露出插入材料的添加料来安置稀少的旁路离子，并进一步防止有害的金属电镀。
电池层边缘的延长的宽度是主电池结构切开的角度函数，因为这些边，例如36，定义为三角层截面的斜边，如去除修整过的电池材料剖面38。这个角度设定最好在30℃-60℃，这提供从大约16％-100％的边延长，而没有过度削弱电池结构。提供大约22％-56％边沿的大约35°-50°的角度，已经证明是最适合的。
根据本发明用于执行电池组电池成角度边修整的设备可以从工业上不同复杂水平的设备中获得，例如从裁减不平整图框的简单手工平刃设备到置有切割机、计算机控制的X-Y绘图系统。在这些更加复杂类型设备中，裁切元件可能是移动刀刃或烧蚀形式的设备，例如等离子射流和激光束。在这种方式中，从圆形到多边形任何可以想像得到尺寸和形状的单个电池可以轻易和迅速地制成来配合使用应用的需要。
本发明所期望的其他实施例和变化对于本领域的熟练技术人员来说通过前面说明书的提示就可以显而易见地理解。这样的实施例和变化同样也包括在附加权利要求所设定的本发明的范畴中。
权利要求
1.一种制造含有正和负电极层元件可充电电池组电池的方法，该电池具有分离层元件插入在所述电极层之间，所述的每个元件包括柔软的聚合基体膜组合物，具有围缘，并与邻近元件在其相应界面结合来形成单个多层平板电池组电池结构，其特征在于，a)所述元件层边缘位于至少一公共平面，并且b)所述至少一平面是通过与所述结构的主平面表面的垂线成某一角度平切所述电池结构来形成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多对所述切割相交形成电池组电池周边。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度在大约30°到60°的范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度在大约35°到50°的范围内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割是通过固定或移动刀片设备实现。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切割是通过烧蚀设备实现。
7.一种可充电电池组电池，包括具有分离层元件插入在其间的正和负电极层元件，每个所述元件包括柔软的聚合基体膜组合物，具有围缘，并与邻近元件在其相应界面结合来形成单个多层平板电池组电池结构，其特征在于，a)所述元件层边缘位于至少一公共平面，并且b)所述至少一平面定位在与所述结构的主平面表面的垂线成某一角度。
全文摘要
在单个层压锂离子插入电池组电池(10)充电期间的短路和锂金属电解的危险性通过与所述电池(10)的主平面表面的垂线成角度的横切,来修整电池(10)周边来消除。得到的电池成角度的围边(26)在电极层(13、17)之间提供更大的边间距,并减少了负电极(17)边表面(28)处锂离子金属电解累积的发生。
文档编号H01M10/36GK1355943SQ00807800
公开日2002年6月26日 申请日期2000年5月17日 优先权日1999年5月20日
发明者P·C·沃伦 申请人:化合价技术(内华达)股份有限公司