专利名称：用于制造锂二次电池的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造锂二次电池的方法和用于制造锂二次电池的设备。
背景技术：
锂二次电池包括固体电解质和设置为夹住固体电解质的正、负电极。随着近年来朝着更薄的锂二次电池发展的趋势，有必要减小固体电解质的厚度。作为用于减小固体电解质厚度的方法，可以考虑淀积技术。
然而，因为用于锂二次电池的固体电解质的复杂组成，所以不能通过淀积技术很容易地形成具有优异特性的固体电解质。进一步，存在的问题是不能以足够的生产率进行淀积技术。
发明公开考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种以高效生产的方式制造具有优异特性的薄锂二次电池的方法以及用于制造该电池的设备。
为了实现上述目的，本发明的制造方法是用于制造包括正电极板、负电极板和设置在正电极板和负电极板之间的固体电解质的锂二次电池的方法。该方法包括步骤(i)向从正电极板和负电极板中选出的至少一个电极板上喷射固体电解质的熔体，由此将熔体淀积到至少一个电极板上；以及(ii)挤压正电极板和负电极板，同时夹住熔体，由此形成包括正电极板、包括固体电解质的电解质层和负电极板的层状体。利用本发明的这种制造方法，因为可以以高效生产方式形成具有优异特性的薄固体电解质层，所以可以以高效生产方式制造具有优异特性的薄锂二次电池。
在上述制造方法中，固体电解质可以包含Li3PO4。在这种情况中，固体电解质可以是Li3PO4、通过向Li3PO4添加氮获得的固体电解质、或Li3PO4-Li2S-SiS2。
上述制造方法还可以包括在步骤(ii)挤压之后，(iii)通过向层状体的至少一个表面上喷射固体电解质的熔体，然后卷绕该层状体，层叠该层状体。
在上述制造方法中，在步骤(ii)挤压中，可以通过在冷却正电极板和负电极板的同时挤压它们而形成层状体。利用这种结构，可以制造具有特别优异特性的锂二次电池。
在上述制造方法中，电解质层具有从0.1μm-10μm范围内的厚度。
此外，本发明的制造设备是用于制造包括正电极板、负电极板、和设置在正电极板和负电极板之间的固体电解质的锂二次电池的设备。该设备包括向从正电极板和负电极板中选出的至少一个电极板上喷射固体电解质的熔体的喷射装置和用于在夹住熔体的同时挤压正电极板和负电极板的挤压装置。
在上述制造设备中，挤压装置可包括两个辊子。
附图的简要说明
图1A是表示根据本发明用于制造锂二次电池的制造设备的例子的结构的示意图。同时，图1B是表示在图1A中的制造设备中采用的喷射装置的例子的主要部分的截面示意图。
图2是表示根据本发明用于制造锂二次电池的制造设备的另一例子的结构的示意图。
图3是表示根据本发明用于制造锂二次电池的制造设备的再一例子的局部结构的示意图。
图4是表示根据本发明用于制造锂二次电池的制造设备的再一例子的局部结构的示意图。
图5A至5D是表示根据本发明用于制造锂二次电池的制造方法的例子的工艺流程的截面图。
图6A至6D是表示根据本发明用于制造锂二次电池的制造方法的另一例子的工艺流程的截面图。
图7是表示将根据本发明的制造方法制造的锂二次电池的例子的局部分解截面图。
实施本发明的最佳方式下面参考附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)第一实施例针对根据本发明、用于制造锂二次电池的制造设备的例子。图1A示意性表示第一实施例的制造设备10的结构。
参见图1A，制造设备10包括用于送出正电极板20的供料辊11、用于送出负电极板30的供料辊12、冷却辊13和14、喷射装置15和卷取辊16。正电极板20和负电极板30分别卷绕在供料辊11和供料辊12周围。
喷射装置15向正电极板20和负电极板30喷射固体电解质的熔体。顺便指出，虽然图1A描述了向正电极板20和负电极板30同时喷射熔体的情况，但熔体也可以仅喷射到正、负电极板之一。
辊子13和14用作在夹住熔体的同时挤压已经喷射了固体电解质熔体的正电极板20和负电极板30的装置。冷却辊13和14还可以具有经过正电极板20和负电极板30迅速冷却喷射的固体电解质熔体的功能。卷取辊16卷取正电极板、固体电解质层和负电极板的层状体。
图1B表示喷射装置16的例子的主要部分的结构。喷射装置15包括阳极151、阴极152、喷嘴153和RF感应线圈154。使等离子体的原料气体在阳极151和阴极152之间能够流动，并且由RF感应线圈154产生高温等离子体155。这种等离子体155从喷嘴153的尖端射出。喷嘴153的横向侧设有通孔156，通过通孔156提供固体电解质粉末。这种粉末溶解在等离子体155中，它的熔体喷射到电极板上。顺便指出，图1B所示的等离子体喷射装置仅仅是一个例子，可以采用除等离子体喷射装置之外的其它喷射装置。
在第二实施例中描述利用制造设备10制造锂二次电池的方法。
本发明的制造设备还可以包括第二喷射装置、正电极板形成装置或负电极板形成装置。图2表示包括第二喷射装置15a的制造设备10a。此外，图3表示正电极板形成装置40，以及图4表示负电极板形成装置50。
参见图2，制造设备10a与制造设备10的不同之处在于在卷取辊16和冷却辊13和14之间设置了喷射装置15a。喷射装置15a也像喷射装置15那样喷射固体电解质的熔体并可以与喷射装置15相同。利用制造设备10a，可以制造出其中层叠多个正电极板、固体电解质和负电极板的锂二次电池。在第二实施例中描述利用制造设备10a制造锂二次电池的方法。
参见图3，正电极板形成装置40包括供料辊41、辊子42和43、卷取辊44和淀积装置45。供料辊41送出正电极的集流体(collector)21。淀积装置45向集流体21上淀积正电极的活性材料。顺便指出，虽然图3中描述了利用辊子42和43在集流体21的两面上形成活性材料层的情况，但是也可以仅在集流体21的一面上形成活性材料层。此外，活性材料层也可以通过敷料器涂覆在集流体21上。
通过卷取辊44卷取通过在集流体21的两面上形成活性材料层所获得的正电极板20a。优选地，在退火炉46中对由卷取辊44卷取的正电极板20a进行退火。本发明的制造设备10可包括正电极板形成装置40，在该装置40中结合了退火炉46，而不是供料辊11。
参见图4，负电极板形成装置50包括供料辊51、辊子52和53、卷取辊54和淀积装置55。供料辊51送出负电极的集流体31。淀积装置55向集流体31上淀积负电极活性材料。顺便指出，虽然图4中描述了利用辊子52和53在集流体31的两面上形成活性材料层的情况，但是也可以仅在集流体31的一面上形成活性材料层。此外，活性材料层也可以通过敷料器涂敷在集流体31上。
通过卷取辊54卷取通过在集流体31的两面上形成活性材料层所获得的负电极30a。本发明的制造设备10可包括负电极板形成装置50，而不是供料辊12。
(第二实施例)第二实施例针对根据本发明、用于制造锂二次电池的制造方法的例子。虽然第二实施例讨论利用在第一实施例中描述的制造设备的情况，但是本发明的制造方法不局限于此。图5A和5D表示在第二实施例中的制造过程。
首先，制备图5A所示的正电极板20和图5B所示的负电极板30。正电极板20包括集流体21和在集流体21的一面上形成的活性材料层22。应当注意活性材料层22也可以形成在集流体21的两面上。集流体21和活性材料层22可以是通常用于锂二次电池的那些集流体和活性材料层。例如，集流体21可以是由导电材料形成的集流体，具体而言是铂、铂/钯、金、银、铝、铜、镍、不锈钢、ITO(铟锡氧化膜)、碳材料或类似材料。此外，活性材料层22可以是含有如LiCoO2或LiNiO2的层。可通过向集流体21上涂覆或淀积活性材料层22的材料而形成正电极板20。
负电极板30包括集流体31和在集流体31的一面上形成的活性材料层32。应当注意活性材料层32也可以形成在集流体31的两面上。集流体31和活性材料层32可以是通常用于锂二次电池的那些集流体和活性材料层。例如，集流体31可与集流体21相同。并且，活性材料层32可以是含有如Li和/或C(碳)的层。具体而言，含有Li、石墨基材料或难以石墨化的碳材料作为活性材料的层可以用作活性材料层32。可通过向集流体31上涂覆或淀积活性材料层32的材料而形成负电极板30。
接下来，向从正电极板20和负电极板30中选出的至少一个电极板上喷射固体电解质的熔体，由此将固体电解质的熔体淀积到至少一个电极板上(步骤(i))。图5C描述了这一步骤(i)的例子。在图5C所描述的例子中，将固体电解质的熔体61向正电极板20和负电极板30喷射并淀积在它们之上。熔体61淀积在正电极板20和负电极板30中设置有活性材料层的一侧上。
用作熔体61的材料的固体电解质可以是能够构成锂二次电池的并通过喷射淀积到电极板上的固体电解质。具体而言，将成为熔体61的固体电解质可以是这样一种材料它的电子导电性小到可以忽略，并具有离子传导性。这里，因为锂离子是迁移离子，所以优选采用具有优异的锂离子传导性的固体电解质。特别是，含有Li3PO4的固体电解质是优选的，以及例如，Li3PO4或通过向Li3PO4添加氮(或者通过用氮取代Li3PO4中的部分元素，LIPON由组成Li2.9PO3.3N0.36表示)所获得的固体电解质是有效的。类似地，硫化物固体电解质如Li2S-SiS2、Li2S-P2S5或Li2S-B2S3也是有效的。此外，通过用卤化锂如LiI或含锂的氧酸盐(oxyate)如Li3PO4掺杂这些固体电解质所获得的固体电解质同样是有效的。例如，Li3PO4、Li2S和SiS2的混合物Li3PO4-Li2S-SiS2是有效的。这些固体电解质可利用常用的等离子体喷射装置或类似装置进行喷射。
在淀积了熔体61之后，如图5C所示，在夹住熔体61的同时挤压正电极板20和负电极板30，由此形成包括正电极板20、固体电解质层62和负电极板30的层状体63，如图5D所示(步骤(ii))。固体电解质层62由熔体61的固化而形成。此时，挤压正电极板20和负电极板30，从而形成集流体21/活性材料层22/固体电解质层62/活性材料层32/集流体31的层状体。例如，所形成的固体电解质层62的厚度约为0.1μm-10μm。通过图1所示的冷却辊13和14进行此步骤。此时，优选地，冷却辊13和14用于挤压熔体61并同时经过正电极板20和负电极板30使熔体61冷却。通过迅速使熔体61冷却，可以形成具有优异结晶度的固体电解质层62。
通过卷取辊16卷取所获得层状体63。此后，将层状体63裁成预定尺寸并与非水电解液一起密封在壳体中，接着进行引线焊接等，由此获得锂二次电池。此步骤可通过通常的方法进行。
以此方式，可制造出锂二次电池。在第二实施例的制造方法中，因为固体电解质层通过喷射法形成，所以可以以高效的生产方式形成薄的固体电解质层。此外，因为通过喷射法形成固体电解质层可以较容易地控制固体电解质层的组成，所以可以制造具有优异特性的锂二次电池。
(第三实施例)第三实施例针对根据本发明、用于制造锂二次电池的制造方法的另一实施例。虽然第三实施例讨论利用在第一实施例中描述的制造设备10a的情况，但本发明的制造方法不局限于此。图6A和6D表示在第三实施例中的制造过程。
首先，制备图6A中所示的正电极板20a和图6B中所示的负电极板30a。
正电极板20a包括集流体21和在集流体21的两面上形成的活性材料层22。集流体21和活性材料层22可以是在第二实施例中描述的那些集流体和活性材料层。可通过向集流体21上涂覆或淀积活性材料层22的材料而形成正电极板20a。具体而言，它可以利用图3中所示的正电极板形成装置40形成。
负电极板30a包括集流体31和在集流体31的两面上形成的活性材料层32。集流体31和活性材料层32可以是在第二实施例中描述的那些集流体和活性材料层。可通过向集流体31上涂覆或淀积活性材料层32的材料而形成负电极板30a。具体而言，它可以利用图4中所示的负电极板形成装置50形成。
接下来，向从正电极板20a和负电极板30a中选出的至少一个极板上喷射固体电解质的熔体，由此将固体电解质淀积到至少一个电极板上(步骤(i))。图6C描述了这一步骤(i)的例子。在图6C所描述的例子中，将熔体61向正电极板20a和负电极板30a喷射并淀积到它们之上。熔体61可以是在第二实施例中描述的熔体。
此后，在夹住熔体61的同时挤压正电极板20a和负电极板30a，由此形成包括正电极板20a、固体电解质层62和负电极板30a的层状体63a，如图6C所示(步骤(ii))。该步骤类似于第二实施例中所描述的步骤。
然后，在将熔体61喷射到层状体63a的至少一个表面之后，通过卷取辊16卷绕层状体63a，由此层叠层状体63a。以此方式，获得了层状体64，在层状体64中，多个层状体63a与夹在其间的固体电解质层62层叠，如图6D所示。可利用制造设备10a形成层状体64。此后，将层状体64切割成预定尺寸并与非水电解液一起密封在壳体中，接着进行引线焊接等，由此获得锂二次电池。此步骤可通过任何合适的方法进行。
图7是表示通过本发明的制造方法制成的锂二次电池的例子的截面图。图7中所示的锂二次电池70包括壳体71、密封件72、层状体64、引线73和绝缘板74和75。锂二次电池70的构造类似于通常的锂二次电池的构造，可将常用锂二次电池中所用的部件用于除层状体64之外的其它部件。
壳体71由金属制成并用作负电极端子。壳体71由密封件72密封。密封件72用作正电极端子。在壳体71中密封了电解液(未示出)。
层状体64包括正电极板20a、固体电解质层62和负电极板30a。正电极板20a通过引线73连接到密封件72。绝缘板74和75防止在负电极板30a和密封件72之间的短路和在正电极板20a和壳体71之间的短路。
应当注意图7中所示的锂二次电池是由本发明的制造方法制成的电池的一个例子，本发明的制造方法可用于各种其它形式的电池的制造。
本发明可以在不脱离其精神或主要特点的情况下以其它特定形式实施。在本申请中公开的实施例在任何方面都应认为是示意性而非限制性的。由所附权利要求而非上述描述来表示本发明的范围，在权利要求书的含义和等效范围内进行的各种变化都涵盖在本发明的范围内。
工业实用性如上所述，利用根据本发明制造锂二次电池的方法，可以以高效的生产方式制造出具有优异特性的薄型锂二次电池。此外，利用根据本发明的制造设备，很容易实施本发明的制造方法。
权利要求
1.一种用于制造锂二次电池的方法，该锂二次电池包括正电极板、负电极板和设置在正电极板和负电极板之间的固体电解质；该方法包括(i)向从正电极板和负电极板中选出的至少一个电极板上喷射固体电解质的熔体，由此将熔体淀积到至少一个电极板上；和(ii)挤压正电极板和负电极板，同时将该熔体夹在当中，由此形成包括正电极板、包括固体电解质的电解质层和负电极板的层状体。
2.根据权利要求1的方法，其中，固体电解质包括Li3PO4。
3.根据权利要求2的方法，其中，固体电解质是Li3PO4、通过向Li3PO4添加氮所获得的固体电解质、或Li3PO4-Li2S-SiS2。
4.根据权利要求1的方法，还包括在步骤(ii)挤压之后，(iii)通过向层状体的至少一个表面上喷射固体电解质的熔体，并且然后卷绕该层状体，层叠该层状体。
5.根据权利要求1的方法，其中，在步骤(ii)挤压中，通过挤压正电极板和负电极板、同时冷却它们而形成层状体。
6.根据权利要求1的方法，其中，电解质层具有从0.1μm-10μm范围内的厚度。
7.一种用于制造锂二次电池的设备，该锂二次电池包括正电极板、负电极板、和设置在正电极板和负电极板之间的固体电解质；该设备包括喷射装置，用于向从正电极板和负电极板中选出的至少一个电极板上喷射固体电解质的熔体；以及挤压装置，用于挤压正电极板和负电极板，同时将熔体夹在当中。
8.根据权利要求7的设备，其中，挤压装置包括两个辊子。
全文摘要
一种锂二次电池制造方法，包括步骤向从正电极板(20)和负电极板(30)中选出的至少一个电极板上喷射固体电解质的熔体(61)，以将熔体(61)淀积到至少一个电极板上；以及挤压正电极板(20)和负电极板(30)并使熔体(61)保持在其间，由此形成包括正电极板(20)、包括固体电解质的电解质层(62)和负电极板(30)的层状体，这样可以以高效生产率制造出具有优异特性的薄的锂二次电池。
文档编号H01M10/04GK1550052SQ0281705
公开日2004年11月24日 申请日期2002年8月28日 优先权日2001年8月29日
发明者本田和义, 高井顺子, 冈崎祯之, 伊藤修二, 稻叶纯一, 樋口洋, 一, 之, 二, 子 申请人:松下电器产业株式会社