锂电池的制作方法

专利名称：锂电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个锂电池，至少包括-一个包括负极材料和负极电流收集器在内的负极；-一个包括正极材料和正极电流收集器在内的正极；-一个隔离正和负极的隔离器，至少正和负极材料都以一种聚合物的形式装配在孔中，这些聚合物将正极、负极和隔离器粘连和挤压在一起。
该项发明涉及带有由一个负极，一个隔离器和一个正极组成的堆的锂电池的一个制造方法，该方法包括如何在负极电流收集器上使用负极材料以组成负极，如何在正极电流收集器上使用正极材料以组成正极，以及如何在正极和负极之间装入隔离器。
轻巧的、便携式无线消费品如CD播放器、移动电话、便携式计算机和数码相机的市场需求的扩大，增加了对高密度电池尤其是薄的、便于更换的电池的需求。为了使上述消费品达到足够高的便携程度，其中的电池必须以可能的最小的重量和体积提供所需的能量。但是，电池越薄，越难施加使电池个部件充分接触的压力。
前言中的一种电池公开在国际专利申请，公开号为00/04601。
这种电池外形薄而灵巧，提供的能量高。同时，电极和隔离器之间以一种非常有效的方式接触并保持压力。该电池可以被包装在薄壁的盒子中，盒子壁上不需维持使电池中各部件充分接触的压力。
锂是制造高能电池的优质材料。锂是最轻的金属，锂是电池的最佳负极材料，因为它有很大的负热力学潜能。而且使用锂不会污染环境。所以锂电池具有很大的潜力，尤其在重量是重要因素时。
电极材料上的孔是肉眼可见的，比如有1mm的直径。典型的情况是孔排列成矩形二维阵列，孔之间的相互距离为5mm。选择这种孔径和孔的排列方式可以使电极的实际面积至少占总面积的90％。
孔可以通过冲压或用激光切割而成。电极材料也可以用适当的方法直接装于孔中，例如将含有活性电极材料粘在电流收集器上的网状印刷方式。
在上述的实施形式方式中，负极材料和正极材料装在孔中，聚合物在填充了孔的同时将电极与隔离器连接起来。每个孔中的聚合物相当于一个塞子或铆钉，粘连隔离器、电极材料和电极，使这几层合成一个整体。
按照前言，本发明的目的是一种更易制造的电池，其中的各部件以精确的方式对齐。本发明另外的目的是提供了制造这种电池的方法。
如前言所述，在电池中达到了这些目的，其特征在于至少正和负电极具有一个图形，其被用于对齐电极的目的。
以此结构装配的正负电极有利于两极之间对齐，这样便有了前言中的各层之间精确对齐的锂电池。
至少正负极之间更合适地装配了一个或多个与目前孔不同的对齐孔。
在制造电池时会有对齐引脚或对齐边，对齐孔可以和它们结合使用，以对齐各层。对齐孔的尺寸和形状可与各层中已有的孔不同。
在一种特殊实施形式中，在电池活性材料的范围之外提供这种对齐结构。
在电池活性材料范围之外提供这种对齐结构，不会减小有效材料的面积。例如，此结构包含伸出活性材料范围的电流收集器的一部分。在一种可选的制作方法中，在这样的伸出部分中形成对齐结构。
在一种特殊的实施形式中，电流收集器上装配的孔与电极材料上的孔完全重叠。这两种孔中都填有聚合物材料。
在这种实施形式中，电极材料中的孔与电流收集器中的孔相吻合。聚合物可以从电极的一面导向隔离器，例如将聚合物片熔解并压入电极。熔解的聚合体穿过孔，凝固，形成一个连接的插销。
一种优选的电池制造方法的特点是隔离器上装配的孔基本上重叠在电极材料上的孔而且孔中注有聚合物。
电极材料中的孔和电流收集器中的孔，与隔离器中的孔相吻合。聚合物倒入孔中形成固定物连接，其提供了在电极和隔离器之间的一个连接。
锂电池包括一个正极和一个负极，聚合物膜将正极和负极隔离以防止电解液中的电子接触。例如，过渡金属氧化物，如氧化锰，可以用做正极，金属锂用做负极。电解液可以是在无水有机溶剂中具有良好离子导电性和很小的导电性的锂盐。在电池放电时，锂离子从负极流向正极。在充电时，锂离子流向并聚集在负极。
上述用锂金属作为负极的锂电池用作辅助电池，如可重新充电的电池时，电池中会产生短路的问题，这是因为充电/放电循环不断重复。在充电/放电循环中，锂金属不断溶解和沉积，可能导致负极表面的锂金属的树状结晶的增长。不断增长的结晶可能穿透正负极之间的隔离器与正极接触，导致短路。
锂金属合金如锂铝合金取代锂金属用作负极可减少树状结晶的增长，提高充电/放电的性能。
但一种更先进更安全的制造可再充电的锂电池的方法是用添加锂金属的聚合物取代锂金属或锂合金作为负极。当另一种添加锂金属的混合物用作正极时，可使再充电电池不受锂金属的制约。这种电池叫锂离子电池。充电时，锂离子从正极分离，进入无水电解液。负极不断添加这些离子。放电时的过程正好相反。两个电极都表现称为添加反应，也称主-客反应。这种反应不包括电解液浓度变化，或任何电解液中的有效物质的溶解。树状结晶的增长在负碳极被制止，解决了电池中的短路问题。
以上电池中的负极(又称阳极)主要包括负极活性材料和负极电流收集器。负极活性材料用于电池反应，负极电流收集器用于在充电和放电时传送电子。
负极材料是一种可添加的材料，优选为分布在聚合粘合剂的阵列中的碳，如无定形碳或石墨。锂可以添加到碳晶体层，数量为每六个碳原子一个锂原子，如LiC6。
正极(又称阴极)包括正极活性材料和正极电流收集器。
正极活性材料包括添加锂的聚合物，如LiMn2O4，LiCoO2或LiNiO2，分散在聚合粘合剂的阵列中。混合物中也包括粉末状的导电物，如碳黑(例如乙炔黑，热黑)，石墨粉，金属粉，或诸如此类的物质。导电物质的重量占总重量的2至15％。
聚合体用作粘合剂阵列，聚合体包括多糖，热塑料聚合体和橡胶类弹性聚合体。诸如羧甲基纤维素，聚四氟乙烯，聚乙烯，聚丙烯和苯乙烯丁二烯橡胶。聚合体可以单独或复合使用。聚合粘合剂用于粘合活性物质粉末，防止其爆裂并将这些粉末状物质固定在电流收集器的表面。聚合粘合剂的重量占总重量的2至30％。
任何导电体，只要它们不引起电池中的化学反应就可用作电流收集器。如不锈钢，铝和镍都可作为正极(阴极)电流收集器。不锈钢，铜和镍都可作为负极(阳极)电流收集器。电流收集器的形状为薄片或薄膜，可以是多孔的，冲压或网眼状的。电流收集器的厚度一般为1至500μm。
隔离器装配在正极和负极之间，它是一种具有高离子渗透性和所需化学强力的绝缘膜。它用于防止正极和负极之间的短路，保持电解质的溶解。玻璃纤维，石蜡聚合物制成的多孔或无纺纤维，如聚乙烯，聚丙烯常用来制造隔离器。孔的直径通常为0.01至10μm。隔离器的厚度通常为5到300μm。
该项发明的电池结构可以使用很多混合物作为液体电解溶液。酯类溶剂如乙烯碳酸盐，丙烯碳酸盐，甲基碳酸盐，醚类溶剂如四氢呋喃，二甲基亚砜和它们的混合物都可用作电解溶液。例如包含锂离子(Li+)和弱酸离子(BF4-，PF6-，AsF6-，ClO4-，CF3SO3-)的盐及有关的混合盐就是这样一种溶液。盐的浓度在0.5到2摩尔/升之间。
这项发明中的电池可为一种扁平的灵活的薄片型产品或折叠成锯齿形，或卷成园柱形或长方形或菱形。电池可以是单层或多层。扁平的电池结构可以冲模成硬币形用作常用的纽扣电池。
通过重叠多个电池单元或折叠一个伸展的单电池单元而形成的分层结构可以产生不同尺寸，容量和伏特数的电池。更高容量的电池可以通过重复电池单元构成。电池输出电压可通过分层电池单元的基本挤压排列成多个多元的电池单元得到提高。在这种情况下，第一个电池结构的负电极层与第二个相似的电池结构的正极层连接起来。在这种实施形式中，电池包括一个由一个负极，一个隔离器和一个正极组成的堆。
电池被装入一个电池容器中，该容器是塑料金属或塑料树脂容器。例如不锈钢和类似聚丙烯的塑料。容器可以通过粘贴或焊接进行密封。一个扁平灵活的电池可以封装在一个密封防潮的外层有聚合体的铝箔袋子中。这种箔可以买到，也可以在边缘处将它们连到一起。这一层包装通常包括15μm的聚脂或聚乙烯外膜，50μm的铝箔和15μm的聚脂或聚乙烯内膜和90μm的热封装粘胶。
如果愿意，可以在电池的负极和/或正极后面装配一层，以避开隔离器，起缓冲的作用。在充电和放电过程中，当负极和/或正极材料体积变化很大时，这一层将补偿体积的改变。这一缓冲层由一种有弹性的材料和一种有弹性的泡沫如聚亚安酯或一种十字连接的聚烯烃制成。当正极和负极变薄时，泡沫层膨胀维持压力。当正极或负极的体积膨胀时，泡沫层被压缩。
提供一种制造锂电池的方法的目标已实现，这种方法包括制造由一个负极、一个隔离器和一个正极组成的堆，以及将负极材料应用于负极电流收集器以形成负极，将正极材料应用于正极电流收集器以形成正极，并在正极和负极之间装配隔离器的步骤。具体步骤包括a) 在负极制造一种孔；b) 在正极制造一种孔；c) 在一个堆上装上聚合物，该聚合物穿透孔，将正极，负极和隔离器连接起来。这种方法的特点在于，至少在步骤c)之前，正极和负极上都装配了使电极对齐的孔。
如上所述，用于对齐电极的孔的出现，极大地简化了各层之间的对齐工作，更进一步，它使电极上的孔能精确对齐。
上述方法的第一个特别实施形式是，在步骤c)中，一种聚合物薄膜置于堆的两侧，并且使堆与聚合物在热和压力的作用下。
由于热和压力的作用，聚合物会溶解并穿透进入孔中。
上述方法另一个优选的实施形式是，在步骤c)中，聚合物通过注射模板被注入。
在这种方式中，聚合物已是液体的形式，在直接的注射下穿透小孔，进入所述孔中。
在一种优选的实现方式中，至少负极和正极上装配有一个或多个对齐孔。
在制造锂电池的设备中，有对齐针或类似的辅助装置，其与各对齐孔配合使用以获得不同层之间相应位置的对齐。
在另一种优选的实现方式中，正极和负极的对齐结构装配在电池活性材料范围之外。
这种实施形式非常适合电池的生产中电极和隔离器(组)从滚轴上卸下的生产过程。此时，电极的堆和隔离器(组)必须在一定的位置被切断以形成独立的电池。另外，正极电流收集器必须连接在一起，负极电流收集器也是如此。而正极电流收集器不能与负极电流收集器接触。以上述方式安装电极，各层之间的对齐和堆的切割都可以在正负极没有接触的状况下实现。
上述方法的一种更优选的实施形式的特点是步骤b)中正极的孔的结构与步骤a)中的相同，在步骤c)之前，将负极、隔离器和正极堆积在一起之后，在隔离器中打孔，孔的结构与步骤a)中的相同。
如上所述，如果正极的孔的结构与负极的孔的结构相同，这些孔会在对齐方式或对齐孔的帮助下对齐。接着很容易在连接正极和负极的隔离器中打孔，从而与电极中的孔的位置对齐。在这种对齐方式下，倒入孔中的聚合物将形成铆钉，在压力的作用下连接电极和隔离器。
后一种实施形式的替换形式为，隔离器在被堆叠之前打孔。然而，在这种情况下，会因为隔离器薄膜缺乏形状的稳定性而产生孔对齐的问题。
隔离器中的孔可以方便地通过冲压而成，冲压时最好有热钉辅助。
在这种方式下，隔离器中的这些孔可以由“钉床”冲压而成，钉床在电极的孔的位置上穿透隔离器。在优选的实施形式中，尤其是使用在高温时，为了方便冲压或熔化隔离器薄膜，“钉床”被加热。
在另一种优选的实施形式中，孔由空气流压成，这种空气流的温度高于隔离器的熔化温度。
隔离器的孔的尺寸最好小于或等于负极中孔的尺寸，而负极中孔的尺寸最好小于正极中孔的尺寸。
这种尺寸安排可以避免树状结晶的形成。
这项发明还涉及一种锂电池的制造方法，这种锂电池包括一组负极，一个隔离器和一个正极，制造方法则包括将负极材料应用于负极电流收集器以形成负极的步骤，将正极材料应用于正极电流收集器以形成正负极的步骤，以及在正极和负极之间装配隔离器的步骤，这种制造方法具体包括以下步骤a) 在负极制造一种孔；b) 在正极制造一种孔；c) 制造一种聚合材料隔离器；d) 将堆加热加压，从而使部分聚合材料穿透进入孔中，将电极和隔离器粘压在一起。上述方法的特点是至少在步骤d)之前，正极和负极上已装配了对齐结构。
如上所述，用于对齐电极的孔的出现，极大地简化了各层之间的对齐工作，更进一步，它使电极上的孔能精确对齐。
类似地，至少更适宜地，在负极和正极上装配了一个或多个对齐孔。在一种特殊的实施形式中，负极和正极的对齐结构被装配在电池活性材料的范围之外。
在以上方法中，最好用多孔的聚合材料如多孔聚乙烯来做聚合薄膜和隔离器，以便离子能穿过。聚合材料最好是有弹性的。
电极材料可以通过正负电极活性材料，导电材料和粘合材料混合制成，这些材料都是粉末状，在干加工或湿加工的过程中需向其中加入水或有机溶剂。所用到的材料前面已经提及。
所得到的粘性混合物涂在电流收集器上，被干燥，加压。通常采用下述加涂层方法中的一种来进行干燥加压网状印刷，粘辊涂层，刮墨涂层，刀涂层，挤压涂敷，条纹涂层，浸渍涂布和挤压涂层。在干燥加压后，涂层的厚度一般为1到1000μm。
以上方法中挤压堆可用如下实施形式简单地完成，将堆置于金属盘之间压一小段时间，金属置于一个100到150℃的炉子中，盘上加上大约5.104帕的压力。这个操作也可以使用砑光机滚筒。加热后，堆冷却到室温。加热和冷却也可以在一个形状特殊的模子中完成，如安装电池的设备的形状。
用上述的同样的方法，多层堆的各层可以一次粘合在一起，以获得高容量或伏特数的电池。
发明中的锂电池可以用于多种设备(无线的)，如，笔记本电脑，便携式CD播放机，电话，寻呼设备，相机，电动剃须刀，电子工具和助听器。这种锂电池可以用作基本的或备用的电池。
以下的实施形式示例和附图将更加详细地阐明这项发明。


图1表示了装配有多个小孔和两个对齐孔的电极；图2A和2B示意性表示了装配在活性材料范围之外的电极，电极上有与孔配合使用的对齐针；图3示意性表示了一个双电池，其含有堆叠的按序的一个正极，一个隔离器，一个负极，一个隔离器和一个正极；图4表示了怎样在图3中的各层叠加后打孔。
实施形式示例负极材料是一种混合物，这种混合物用6克颗粒大小为10μm的石墨颗粒作为正极活性材料，4克.羧基基纤维素(1％的水溶液)和0.5克苯乙烯丁二烯橡胶(60％散布在水中)作为连接器，形成粘胶，在铜箔电流收集器的两个表面涂抹。外层的厚度为200μm。铜箔的总厚度为14μm。有粘胶的电流收集器预先在85℃下干燥15分钟，在110℃下热处理3小时，然后被压成110μm厚。负极被切割成2×2cm2的正方形。
正极材料是一种混合物，这种混合物用6克LiCoO2作为正极活性材料，0.18克乙炔黑作为导体，5克羧甲基纤维素(1％水溶解)和0.7克聚四氟乙烯(60％散布在水中)作为连接器，形成粘胶，在铝箔电流收集器的两个表面涂抹。外层的厚度为420μm。铝箔的总厚度为20μm。有粘胶的电流收集器预先在85℃下干燥15分钟，在250℃下热处理4小时，然后被压成100μm厚。正极被切割成2×2cm2的正方形。
一个25μm厚的多孔聚乙烯用作隔离器。
正极和负极都装有通过机械冲压而成的孔。孔的直径为1mm。这些孔装配在一个双向阵列中，每两个孔之间的距离为5mm。另外，正极和负极上分别装有一个或多个对齐孔，对齐孔的尺寸不同于其他的孔。在本示例中，对齐孔为直径约4mm的六边形孔。图1中表示一个装配了孔3和两个对齐孔4的电极2。
为了按照此发明制造锂电池，正极，隔离器和负极形成了一个堆。因为两个电极上都装有对齐孔，堆的不同层和正负电极中的孔能互相对齐。这种对齐方式可以借助对齐针或类似的形成其中制造电池的部分设备的设备进行。
对齐方式的另一个示例，如图2，展示了电池活性材料的范围以外的部分。这种实施形式方式特别适合电池在电极和隔离器从滚轴上卸下的过程中生产的情况。在这种情况下，电极和隔离器形成的堆必须在某些位置切开，以便形成单个的电池。而且，正极的电流收集器必须粘在一起，负极的电流收集器也必须粘在一起。同时禁止正极电流收集器和负极电流收集器接触。通过在活性材料范围之外提供的电极结构，可以在正负极电流收集器没有接触的情况下完成各层的对齐和切开堆的工作。在图2A中，在正极材料之外的正极结构用5a和5b标出，负极材料之外的负极结构用6a和6b标出。隔离器用7标出。
如图2B所示，一个负极、正极和隔离器组成的堆在对齐针9的帮助下对齐，对齐针用来对齐不同的层和/或互不相同的层的孔的结构。图2B中所示的对齐针9与结构5a和6a中的对齐孔配合使用。另外，其他对齐针显然也与对齐结构配合使用。
在图3展示了一个双电池10，其含有的堆包括一个正极11A，一个隔离器7，一个负极12，一个隔离器7和一个正极11B。如图3的右图所示，在活性区域以外的结构5a，5b，6a，6b保证了正极电流收集器与负极电流收集器之间互不接触，反之亦然。
图4概略展示了，按照图3在不同层组成堆后怎样在隔离器中打孔。如图所示，正极中孔的结构已与负极中孔的结构对齐。接下来，很容易根据电极中的孔的位置在位于正极11A、11B和负极12之间的隔离器7上打孔。在这种对齐方式下，不断流入孔中的聚合材料形成一种铆钉，在压力作用下将正极和负极连接起来。隔离器中孔的结构可以冲压而成，最好借助热钉床14。加热钉床有利于冲压。如使用更高的温度，隔离器箔片将在接触中熔化。在另一种优选的实施形式方式中，孔的结构由气流压成，而气流的温度高于隔离器的熔化温度。
权利要求
1.一种锂电池，至少包括-一个包括负极材料和负极电流收集器的负极；-一个包括正极材料和正极电流收集器的正极；和-一个将正极和负极分开的隔离器，至少在负极材料和正极材料中装配一种孔，孔中含有的聚合物将正极、负极和隔离器粘压在一起，其特征在于，至少负极和正极装配了使用于使电极对齐的结构。
2.如权利要求1中描述的锂电池，其特点是至少在正极和负极装配了一个或多个对齐孔。
3.如权利要求2中描述的锂电池，其特点是一个或多个对齐孔不同于当前的孔结构。
4.如权利要求1中描述的锂电池，其特点是孔结构装配在电池活性材料的范围以外。
5.如权利要求1中描述的锂电池，其特点是电流收集器上装配的孔与电极材料上的孔基本上重叠，两种孔中都填有聚合物。
6.如权利要求1中描述的锂电池，其特点是隔离器中装配的孔与电极材料中的孔基本上重叠，并且孔中填有聚合物。
7.如权利要求1中描述的锂电池，其特点是电池包括一个多层的负极，一个隔离器和一个正极。
8.如权利要求1中描述的锂电池，其特点是远离隔离器的负极的一个表面和/或正极的一个表面，装配了一个弹性泡沫层。
9.锂电池的制造方法，该锂电池包括一个由负极，一个隔离器和一个正极组成的堆，该方法包括将负极材料应用于负极电流收集器以形成负极，将正极材料应用于正极电流收集器以形成正极，并在正极和负极之间安排隔离器的步骤，并且该方法包括如下的步骤a) 在负极制造一个孔；b) 在正极制造一个孔；c) 在堆上装上聚合物，该聚合物穿透孔，将正极，负极和隔离器粘压在一起，其特征在于，在步骤c)之前，至少正极和负极上都安装了用于使电极对齐的孔。
10.如权利要求9中锂电池的制造方法，其特点是在步骤c)中堆的两面都有一层聚合材料薄膜以便堆和聚合体膜易于加热和加压。
11.如权利要求9中锂电池的制造方法，其特点是在步骤c)中聚合材料通过注射模型被注入。
12.如权利要求9中锂电池的制造方法，其特点是至少负极和正极装配了一个或几个对齐孔。
13.如权利要求9中锂电池的制造方法，其特点是负极和正极的结构装配在电池活性材料的范围之外。
14.如权利要求9中锂电池的制造方法，其特点是步骤b)正极的孔结构和步骤a)中的孔结构相同，以使在步骤c)之前和把负极，隔离器和正极堆积起来之后，在隔离器中打一个孔，孔的结构与步骤a)中的孔的结构相同。
15.如权利要求14中锂电池的制造方法，其特点是隔离器中的孔是冲压而成。
16.如权利要求15中锂电池的制造方法，其特点是冲压是在热钉的辅助下完成。
17.如权利要求14中锂电池的制造方法，其特点是压缩气流产生孔。
18.如权利要求9中锂电池的制造方法，其特点是隔离器中孔的直径小于或等于负极的孔的直径，负极的孔的直径小于正极的孔的直径。
19.一种锂电池的制造方法，这种锂电池包括一个由负极，一个隔离器和一个正极组成的堆，制造方法则包括将负极材料应用于负极电流收集器以形成负极的步骤，将正极材料应用于正极电流收集器以形成正极的步骤，以及在正极和负极之间安置隔离器的步骤，这种制造方法并且包括以下步骤a) 在负极产生一个孔；b) 在正极产生一个孔；c) 制造一个聚合材料隔离器；d) 将堆加热和加压，以使部分聚合材料穿透进入孔中，将电极和隔离器粘压在一起，其特征是至少在步骤d)之前，正极和负极上已装配了用作对齐的结构。
20.如权利要求19中锂电池的制造方法，其特点是至少负极和正极提供一个或多个对齐孔。
21.如权利要求19中锂电池的制造方法，其特点是正极和负极的结构装配在电池活性材料的范围之外。
全文摘要
本发明描述了一种锂电池及其制造方法。这种锂电池的组成至少包括由一个负极(12),一个隔离器(7)和一个正极(11)组成的堆。在制造方法中,正极(11)和负极(12)都打有一种孔,一种聚合物灌于孔中,将正极、负极和隔离器粘连并挤压在一起。另外,正极和负极提供一种可以对齐电极的结构。这种结构有利于各层之间相互对齐。
文档编号H01M6/16GK1372702SQ01801143
公开日2002年10月2日 申请日期2001年2月7日 优先权日2000年2月29日
发明者R·A·M·希克梅特, H·菲尔, B·A·波尔德斯, M·J·J·哈克, J·布林克 申请人:皇家菲利浦电子有限公司