由交替疊置的固定隔板和電極組成的鋰蓄電池用組件的製作方法

2023-06-04 17:09:01 2

專利名稱：由交替疊置的固定隔板和電極組成的鋰蓄電池用組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由交替疊置的固定隔板和電極組成的組件，該組件的製備方法以及該組件在鋰蓄電池中的應用。
背景技術：
從體積和重量方面來看，鋰離子蓄電池具有很高的能量密度。因此時至今日，幾乎只有鋰蓄電池用於移動小型設備的使用場合中，例如筆記本、數位相機和手機。隨著蓄電池尺寸的增加，由於所存儲的能量值也增大，潛在的危險也就增大了。這種危險是指由於蓄電池毀壞而使得所存儲的能量不加控制地釋放出來的情況。為將鋰蓄電池用於諸如混合動力車中，就必須要求存在合適的安全機理或安全裝置，以避免能量的不可控釋放。
因此，為了使用大型蓄電池，電池的安全性也要儘可能大，以此保證哪怕在誤操作或發生故障的情況(特別是當過量充電或金屬部分滲入時)下，仍然有著較高的安全程度。這些措施必須是發揮積極作用的並且應該不影響正常操作。另外，這些措施還必須能在所有能想到的工作狀態下起作用。
在過去，人們採用過許多提高鋰蓄電池安全性的措施。例如，目前可在電池中插入安全閥，該安全閥能在由熱導致氣體過壓的情況下開啟。如果將PTC陶瓷用作過充電保護器，則利用它們的溫度係數(係數躍升直至絕熱)就能防止另外的外部充電過程(外部短路測試)。通過使用陶瓷隔板就能避免隔板的熱損壞和由此所導致的短路。含有這種陶瓷隔板的蓄電池可從Degussa公司以SEPARION的商品名購得，且其特點在於首先是對於過充電(過充電測試)以及金屬部分滲入(釘子穿入測試)的情況有著更好的安全性。此外還有人討論了使用難燃和阻燃的電極以及耐過充電的電極材料。通過利用適合於串接電子的UI電荷循環就能對電池進行可靠的充電。
有關電隔板和電池的一般信息可以參閱，例如，J.O.Besenhard的「Handbookof Battery Materials」(VCH出版社，Weinheim1999)或D.Linden，T.B.Reddy的Handbook of Batteries，第三版(McGraw-Hill，紐約，2002)。
所使用的鋰蓄電池可以具有多種不同的大小(具有從幾個mAh至幾個10Ah的容量)和形狀(圓柱形、稜形)。一種特殊的構形是主要對較大型電池特別有用的疊置的稜形電池(層壓板電池組，LSB)。為此，需要將正電極和負電極以及使電極相互分隔的隔板交替疊置。如果出現了過充電情況，在電池中就會形成一個氣體過壓。由於該氣體過壓就會在各層之間形成空腔並且各層就會相互移動，由此而在電極之間造成短路。短路電流會進一步升高溫度。然後，聚合物隔板就會受熱損壞並進而可造成整個電池受熱損壞。
為避免層的移動，目前通常是例如利用點焊或線焊將隔板焊接到罩殼上去，然後將正極或負極插到罩殼中去。為避免隔板的熱損壞，目前可採用受熱幾乎不會受損的陶瓷隔板或陶瓷摻混隔板，這些隔板都記載在例如WO2004/021469，WO 2004/021474，WO 2004/021476，WO 2004/021477，WO2004/021499，WO 2004/049471，WO 2004/049472，WO 2005/038946，WO2005/038959和WO 2005/038960中。
通過使用具有高含量陶瓷或小含量聚合物的隔板，就常常能毫不困難或稍有困難地(利用較高的溫度和較高的壓力)使用這種常規的焊接方式(點焊或線焊)將隔板焊接到罩殼上去。另外，罩殼結構也對場地空間提出了要求並且會帶來額外的重量，因為焊縫在組件外。
在US 6399240中記載了一種製備組件的方法，在該方法中，在電極表面的活性材料上或挨著該活性材料設置粘結劑，將如此處理後的電極交替地與作為中間層的隔板疊置起來，並接著將電極與隔板通過熱作用相互粘結。該方法的缺點是，必須將粘結劑非常精確地塗覆於各個電極上。

發明內容
因此，本發明的任務在於提供不具有上述缺點的一種由疊置的固定電極和隔板構成的組件，以及具有該相應組件的鋰蓄電池。
令人驚奇地發現，電極-隔板組件可通過簡便地粘貼而固定在組件的側面或稜邊上，並且這種粘貼也可用於陶瓷隔板或具有高陶瓷含量的隔板。
因此本發明的主題在於提供一種由交替疊置的固定隔板和電極組成的組件，其特徵在於，所述組件在組件的至少一個側面和/或稜邊上具有至少一種由有機粘結劑形成的粘結(Klebung)，該粘結能將組件的電極和隔板相互粘結在一起。
同樣，本發明的主題還在於一種製備由交替疊置的固定隔板和電極構成的組件的方法，該方法的特徵在於，在電極上交替地疊置隔板和電極並在所得組件的至少一個面上實施粘結，而該粘結至少與存在於組件內的電極和隔板的一個面接觸。
此外，本發明的主題還在於將本發明的組件用於鋰蓄電池中的用途，以及含有本發明組件的鋰蓄電池。
相比於非固定的組件，本發明組件的優點是，電極和隔板是通過粘結而彼此相對著固定的，並且這種固定方式使得在電池膨脹時或由於機械應力而發生損傷時可杜絕陽極和陰極的接觸。對於那些其中電極和隔板並非彼此相對固定著的組件，電池在由於過充電而受熱時會發生膨脹，並且由此使得各層能非常容易地就相互移動。若隔板再也不能遮住不同種電極的整個平面，則就會發生短路。因為不同於其他類型的電池(Pb、NiCd、NiBeH)，這裡用作電解質溶劑的並非是水，而是可燃性溶劑如有機碳酸酯，因此短路常常會導致爆炸並且通常造成電池燃燒。
相比於那些其中使用罩殼的組件，本發明組件的優點在於，他們佔用的空間明顯要小且具有更輕的重量。另外，本發明的組件也比那些具有插入到罩殼中去的電極的組件更安全可靠，因為在過充電時由於上述的電池膨脹現象，電極可從罩殼中移出。而這在壓力減小時同樣還會導致短路，因為電極不再能重新滑入罩殼中並因此可能與反電極相接觸。另外，含有罩殼的組件的製造過程也是頗為昂貴且較為費時的，因為罩殼必須要單獨焊接或粘結(3至7秒的保持時間)並且還必須交替實行許多不同的操作步驟(截短)、疊置、熔焊/粘結、疊置等)，即在各種情況下，需要將操作設備相對於組件進行移動(移動部件用以進行熔焊)。含有罩殼的組件的操作也是非常困難的，因為由罩殼和反電極組成的層並非彼此相對固定。然而在本發明的組件中卻不會存在這一缺陷。
本發明組件的其他一些優點在於，通過粘結各層的邊緣節省了體積和重量，並且電極的表面、特別是電極的活性材料表面沒有被粘結劑潤溼並因此而不再具有固有的反應。如果在粘結之間留有空隙，則電解液就能很好地滲入到組件中，並且在發生可能的過充電情況下所形成的氣體也能很好地逸出。
如果根據本發明使用熱熔膠作為粘結劑，則本發明方法的優點在於，粘結位置可以快速冷卻下來並因此而可承受負載。對於固化過程毋需另外花費加工時間。
如果實施本發明的方法以使得組件的兩個相對面完全粘結，則相比於傳統方法，組件的強度和進而可操作性以及安全性能進一步提高。然後，經由設置在角落和/或其他面上的開孔，就能填充電解液而在過充電時可能形成的氣體也能逸出。
在本發明組件中使用陶瓷隔板就能使含有本發明組件的組件或鋰蓄電池具有例如記載在文獻WO 2004/021469，WO 2004/021474，WO 2004/021476，WO 2004/021477，WO 2004/021499，WO 2004/049471，WO 2004/049472，WO2005/038946，WO 2005/038959和WO 2005/038960中的有效安全性能。
使用這些隔板的優點可總結為如下·孔隙率高·孔徑理想·厚度小·單位面積重量小·潤溼性極好·安全性高，即沒有熔斷現象而只有斷電效應。
以下將舉例闡述本發明，而不是對由權利要求和說明書構成的發明的保護範圍進行限制。權利要求本身也屬於本發明的公開內容。若以下提及範圍、通式或一組化合物，則它們應看作是不只包括了明確提到的相應化合物範圍或組，而且也包括所有那些小部分範圍和組的、通過省略各個數值(範圍或更下位的範圍)或化合物也能得到的化合物。
本發明由交替疊置的固定隔板和電極構成的組件的特徵在於，該組件在其至少一個面和/或稜邊上具有至少一種由有機粘結劑構成的粘結，該粘結可將組件的電極和隔板相互粘結起來。粘結過程的實施要優選使得所有位於組件內的電極和隔板通過粘結相互粘結起來。這種粘結可以在組件的整個側面上進行或者也可只是在組件側面上的局部區域內進行。在進行粘結時，可使得在所有電極和隔板中只有電極和隔板的邊緣通過粘結相接觸。進行粘結時，優選通過粘結使至少一個電極種類和/或隔板不只在邊緣側相接觸，而且還部分地在至少一個表面上相接觸，並且對於電極優選是在沒有設置活性材料的表面上相接觸。
優選使組件在兩個或三個側面和/或稜邊上具有至少一個粘結。採用的側面的數目可根據組件的幾何形狀而改變。優選具有多邊形的本發明組件在其最多所有側面至一個側面上、更優選在最多所有側面至兩個側面上含有粘結。如果在組件的至少一個側面上不實施粘結，則所形成的氣體就有可能膨脹和溢出，並且不會給組件帶來損害。這一點也可有條件地通過在粘結之間留存間隙而實現。
本發明的組件優選在至少一個側面上具有很多的粘結，從而使得粘結的間距(從所觀察的粘結的末端至相鄰粘結起始處測得的間距)優選在20至1cm、更優選在10至2cm、特別優選在8至3cm且極其優選在6至4cm之間。
在本發明的組件中，在一個側面上的所有粘結的總長度可以是組件的該側面長度的0.1至100％，而組件的側面長度只有通過組件上那些其中疊置著電極的活性段的部分來確定(參見圖2)。所謂電極的活性段可理解為是那些設置有活性電極材料的部分。對於所有粘結的總和而言，優選比例為1至70％、特別優選為5至50％且極其優選為10至20％。
在本發明的組件中，各個粘結的寬度優選為小於3cm、更優選小於1cm、特別優選小於0.5cm。由於在粘結之間存在著至少1cm的間距且各個粘結的寬度小於2cm，因此就能特別簡單而很好地實現用電解液來填充組件。
在本發明組件的另一實施方式中，粘結的寬度優選為組件側面長度的50至100％，並且其中組件側面長度還是只有通過組件上那些其中疊置著電極的活性段的部分來確定。由於粘結的長度較大，就能使得粘結具有更高的穩定性。
這裡所謂的組件是一種根據其幾何形狀而不具有明確側面的組件，例如一種具有橢圓或圓形基面的組件。因此組件的側面(邊)上具有優選相當於側面區域(邊緣區域)25至50％的一塊局部區域，其上是不存在粘結的。通過這種方式，對於具有無角或稜邊的基面的組件，也能保證所形成的氣體可膨脹並溢出。
不管本發明組件的形狀如何，還是可優選在組件上且在兩個相對的側面上存在至少兩個粘結。
有機粘結劑可以是例如熱熔膠，如Degussa公司的Vestoplast608，或環氧粘結劑，特別是可UV交聯的環氧粘結劑，如ThreeBond的3121 UV固化環氧樹脂，或丙烯酸酯粘結劑如Rhm的Plex9016-O或Panacol-Elosal的VitralitTM4741。優選的有機粘結劑是一種可UV交聯的環氧粘結劑且特別優選的粘結劑是一種UV交聯的丙烯酸酯粘結劑，例如Rhm公司的Plex9016-O。
在本發明的組件中，作為電極優選將陽極和陰極交替地相互疊置起來，並且它們相互間分別通過隔板隔開。在整個組件中，位於每個電極之間的隔板可以是相同或不同的。優選在整個組件中，隔板是相同的。
本發明優選分別具有一個電極作為第一層和最後一層，並且這些電極可以分別為陰極或陽極。優選構成組件邊界的電極是陽極。
在組件中，必須至少用與其直接相鄰的電極的活性區域封止隔板。可以優選使位於組件中的隔板覆蓋在組件的至少一個側面上並伸出與其直接相鄰的電極的活性區域。特別是當組件的基面是矩形時，優選使隔板覆蓋在至少兩個側面上並伸出陰極和/或陽極。優選使隔板的長度比存在於組件中的至少一種電極長出0.1至10mm、優選0.5至5mm且更優選1至2mm。優選使隔板的寬度比存在於組件中的至少一種電極更寬出0.1至10mm、優選1至6mm且更優選2至4mm。特別優選使隔板與存在於組件中的至少一種類型的電極相比，具有更大的長度和更大的寬度。以這種方式就能實現如上作為優選方案所述的使粘結部分地與至少隔板的表面接觸。特別優選使隔板具有相等的寬度和/或長度，優選寬度等於陽極的寬度，而陰極具有比隔板略小的長度和/或寬度，優選寬度，使得陽極和隔板保持連結而在該組件中的陰極則略微內伸。以這種方式就能最大程度地消除枝晶生長現象。
在本發明的組件內，作為電極的可以是所有已知存在的可用作陰極或陽極的電極。可採用的電極可以引自，例如其中記載了陰極製備過程且可明確參考的JP 2003-086174、WO 99/62132或EP 0744782中的那些。因為組件能特別適用於鋰蓄電池，所以作為陽極，它們優選具有那些其中含有導體膜的陽極，並且在該膜上在其兩側或一側，優選兩側上塗覆活性材料。優選陽極具有銅膜或銅箔作為導體膜。所述活性材料可以包括，例如，碳，優選為石墨，但也可以是硬質碳(無定形碳)，金屬鋰，錫基合金，鈦酸鋰，能夠嵌入鋰的金屬氮化物或磷化物，如CoN3、NiN3、CuN3、CoP3或FeP2，氮化物LixMyN2且其中M例如為Mo、Mn、Fe而x優選為0.01至1、更優選為0.2至0.9且y＝1-x，氮化物Li3-xMxN且其中M＝過渡金屬而x優選為0.1至0.9、更優選為0.2至0.8，和/或磷化物LixMyPz且其中M例如為Cu、Mn或Fe而x優選為0.01至1、更優選為0.2至0.9且y＝1-x而z＝整數，並且該數值的大小選擇要使得化合物不具有電荷，或者這種活性材料由一種或多種這樣的材料組成。這樣一些和其他一些合適的電極材料以及它們的製備過程和相應的電極的製備過程可引述並明確參考如下這些文獻，例如，US2002-142217，JP 2003-176129，JP 2003-187807，JP 2003-115296，JP 2002289192，JP 2002270174，JP 2002-270157，JP 2002-260657，US 2003-142466，JP 10/003923，JP 2001-266893，JP 2000-067859，JP 2000-067858，JP 2000-067849，JP 11/003707，JP 10/302765，JP 2003-335524，JP 2003-317706，EP 1249881，JP 2002-246021，EP 1168472，WO 01/22520，EP 0752728，US 2002-150818，JP 2002-075376，EP 0744782，US 6566011或EP 1339642。
本發明的組件優選具有那些其中含有導體膜的電極作為陰極，並且在它們的兩側或一側、優選兩側面上塗覆有活性材料。優選的陰極導體膜是鋁膜或鋁箔。這種活性材料可以包括有，例如，鋰鈷氧化物LiCoO2，鋰錳氧化物(尖晶石)LiMn2O4和錳氧化物MnO2，鋰鎳氧化物LiNiO2，混合氧化物，特別是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，鈦酸鋰Li4Ti5O12，具有橄欖石結構的鋰金屬磷酸鹽如LiMPO4且其中M為諸如Fe、Co或Mn和/或具有Nasicon結構的鋰金屬磷酸鹽如Li3M2(PO4)3且其中M為諸如Fe或V結構，以及其衍生物如LiMPO4F且其中M＝過渡金屬，釩的氧化物如V2O5或LiV3O8，或者活性材料由一種或多種這樣的材料組成。這樣一些和其他一些合適的電極材料以及它們的製備方法和相應的電極的製備方法，可引述並明確參考如下這些文獻，例如，WO99/62132，EP 0744782，WO 2004/070862，EP 1049182，EP 1325525，EP 1325526，US 2002-182497，US 2002-192551，EP 1456895，WO 2003/012899，WO2004/036671，EP 1333935，WO 02/30815，JP 2003-203628，US 2004-002003，EP 1184920，EP 1193783，EP 1193784，EP 1193785，EP 1193786，EP 1193787，EP 1195827，EP 1489672，EP 1261050，EP 1396038，WO 97/40541，WO01/53198，WO 03/099715，EP 1252671，EP 1309021，WO 01/53198，WO2003/099715或WO 2004/057691。
關於可用於鋰蓄電池中的電極的製備方法以及電池製備方法的信息可參閱「Lithium Batteries」，G.-A.Nazri，G.Pistoia，Kluwer Academic Publishers，2004。優選對所用的電極進行設計，使得並不完全將活性材料塗覆在導體膜上。這些電極可以具有導體(小插標(Fhnchen)，經該導體可將電極與電池電極相連。但也可使用將其導電膜直接設計成導體(插標)的電極。
在組件中設置電極和隔板，優選使得電極的活性材料在任何位置處都不伸出於隔板邊緣之外。優選在本發明的組件中設置電極和隔板，使得某個電極的活性材料與通過隔板隔開的反電極上的活性材料相疊合，並且兩者處於相對位置。由此就能消除會降低蓄電池使用壽命的不理想的散射場。
本發明的組件可以具有所有已知的適用於電池中，特別適用於鋰蓄電池中的隔板。目前所使用的隔板主要都是由多孔有機聚合物膜或由無機無紡織物，如玻璃或陶瓷材料的無紡織網或陶瓷紙張構成。它們都可從不同的公司購得，例如Celgard，Tonen，Ube，Asahi，Binzer，Mitsubishi，Daramic及其他。典型的有機隔板由，例如，聚丙烯或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯複合材料構成。這種PP/PE/PP複合材料隔板，例如，可以從Celgard LLC公司以例如Celgard2325的牌號購得。優選本發明的組件具有除了聚合物外也含有無機氧化物顆粒的摻混隔板。這種隔板記載在，例如，DE 19918856中。
特別優選本發明的組件具有一種特殊的隔板，即該隔板中具有存在於該載體上和載體內的多孔無機非導電塗層的多孔載體，並且所述塗層由用無機粘結劑粘結的氧化物顆粒構成。其中所述的載體含有編織的或非編織的聚合物纖維或玻璃纖維，優選聚合物纖維，或者所述的載體由這些材料構成。這類隔板可以，例如，從Degussa AG公司以SEPARIONS240P25或SEPARIONS450P35的牌號購得。這類隔板的製備過程可參閱文獻，例如，WO 2004/021469，WO2004/021474，WO 2004/021476，WO 2004/021477，WO 2004/021499，WO2004/049471，WO 2004/049472，WO 2005/038946，WO 2005/038959和WO2005/038960。從這些文獻中也可得到多種不同的如何在這些摻混隔板上設置斷路層的可能方案。如果本發明的組件含有那些設置有斷路層或斷路顆粒的隔板，則就能進一步提高具有該組件或這些組件的電池的可靠性。因此，極其優選使本發明的組件具有那些設置有斷路層或斷路顆粒的隔板。
通過諸如以下所述的用於製備由交替疊置的固定隔板和電極組成的組件的本發明方法即可得到本發明的組件。
製備由交替疊置的固定隔板和電極組成的組件的本發明的方法，其特徵在於，在一個電極上交替地疊置隔板和電極並且將粘結施加於如此所得的組件的至少一個側面上，並且該粘結至少與位於組件中的電極和隔板的一個側面相接觸。
在組件的至少一個側面上施加粘結的過程可例如通過如下所述的方法來實現，即例如藉助於浸漬或熱熔噴槍而將有機粘結劑施塗到組件的至少一個側面上去，其中特別優選利用用於帶式塗布(Raupenauftrag)的噴射頭，扁平噴頭，噴霧頭，配料閥，分配器。接著使組件中的電極和隔板不能相對移動，直至粘結劑凝固或固化。通過所用噴嘴的種類和/或選擇施塗方法，就能調節粘結的寬度。通過粘結劑的用量就能調節粘結的厚度。
在本發明方法中，優選使用有機粘結劑來產生粘結，所用有機粘結劑在施塗後可直接固化，或在施塗後不超過60分鐘的時間段內、優選在0.01至60分鐘且特別優選在5至10分鐘內固化。有機粘結劑可以特別優選是一種熱反應性、化學反應性或輻射反應性的粘結劑。優選用作有機粘結劑的是，例如，熱熔膠如Degussa公司的Vestoplast608，或環氧粘結劑，特別是可UV交聯的環氧粘結劑，例如ThreeBond公司的3121 UV-curing epoxa resin，或者丙烯酸酯粘結劑如Rhm公司的Plex9016-O或Panacol-Elosol公司的VitralitTM4741。更優選用作有機粘結劑的是UV交聯環氧粘結劑且特別優選是丙烯酸酯粘結劑(也是UV交聯的)。可UV交聯的粘結劑在施塗到組件的側面上去之後，利用10至380nm、優選315至380nm波長的UV光照射，在0.1至60分鐘、優選在5至10分鐘內即可固化。相應波長的UV光可利用諸如Panacol-Elosol公司的UV-F400型UV燈來產生。
優選通過施加壓力，優選至少0.1N/cm2、更優選1至10N/cm2的壓力將施加有粘結的組件的各側面壓在一起。這也可通過諸如在整個組件上施加相應的壓力來實現。壓力的施加可諸如利用具有合適形狀的氣動或水壓印模來進行。
優選將壓印過程保持足夠長時間，直至粘結劑固化或至少部分固化。如此即能實現使儘可能少的粘結劑滲入到電極和隔板之間的平面內，並由此避免了隔板面或粘結劑活性材料的表面的阻塞和因此而導致的不再能輸送離子的後果。
優選按如下所述來實施本發明的方法。首先，使用例如由與所用粘結劑粘結困難的材料，如矽樹脂或聚偏氟乙烯(PVDF)構成的隔離層而將多個組件相疊地疊置起來，接著進行一次或多次粘結。然後再將隔離層上的組件分開。通過此方法即能實現在一個工序中在多個組件上實施粘結，由此也就能獲得更高的生產率。
在本發明方法中，在組件中優選交替地疊置的陽極和陰極作為電極種類。在電極之間疊置一個隔板，並且該隔板的長度和/或寬度優選比該兩電極種類中的至少一個更大。優選使所用的隔板的寬度比所用陽極和/或陰極的寬度寬0.1至10mm、優選1至6mm且更優選2至4mm。作為隔板，優選使用那種具有寬於所用陰極寬度的隔板。若是隔板的寬度大於陽極寬度，則陰極或陽極的寬度同樣可小於隔板的寬度，但優選兩者相等。
在本發明方法中可使用如上所述的那些作為隔板和電極。將電極和隔板進行疊置，並優選要使得電極的活性材料在任何位置上都不露出隔板邊緣。更優選將電極和隔板進行疊置，使得電極的活性材料能與被隔板隔開的反電極的活性材料相疊合併且兩者處於相對位置。疊置電極，使得導體膜不會觸碰到非同名電極(參見圖2)。
本發明的組件例如可用於鋰蓄電池中。含有本發明組件的鋰蓄電池可含有鋰鹽作為電解質，鋰鹽在碳酸酯溶劑中具有較大的陰離子。合適的鋰鹽是，諸如，LiClO4、LiBF4、LiAsF6或LiPF6，其中特別優選的是LiPF6。適合作為溶劑的有機碳酸酯是，例如，碳酸亞乙酯、碳酸亞丙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙基甲酯或碳酸二乙酯或它們的混合物。
以下將根據圖1至圖6來更詳盡地闡述本發明的內容，而並非將本發明限制在圖示的實施例。


圖1所示為現有技術中的由電極和隔板罩套構成的組件的稜邊。陰極K插入到隔板罩套ST中。陽極A則位於兩個隔板罩套ST之間且均作為遮蓋層。
圖2所示為由電極和隔板組成的組件的縱側面。其中，S表示隔板，A表示由活性材料aA和塗於其上的導體膜eA構成的陽極，而K表示由活性材料aK和施塗於其上的導體膜eK構成的陰極。L所表示的區域中，電極的活性材料與反電極的活性材料處於相對位置。這一長度定義為理論上粘結可存在的長度值。
圖3所示為由電極和隔板構成的組件的縱側面。其中，S表示隔板，A表示陽極而K表示陰極。用a表示組件側面上的兩個粘結Kl之間的間距。
圖4所示為由電極和隔板構成的組件的縱側面。其中，S表示隔板，A表示陽極而K表示陰極。在這一情況中，粘結Kl的寬度對應於最大的理論長度L。
圖5所示為根據本發明的由電極和隔板構成的組件的橫截面邊緣。粘結Kl粘結了陰極K、隔板S和陽極A的稜邊。另外，隔板S的表面一部分也與粘結相接觸。
圖6所示為根據本發明的由電極和隔板構成的組件的橫截面邊緣。其中在粘結過程進行時沒有在組件的側面上施加足夠大的壓力。可以看到，粘結Kl的粘結劑進入到了陰極K、陽極A和隔板S之間的空腔內，由此使粘結覆蓋了電極和隔板表面的大部分。
以下通過實施例來論述本發明，而並非是對本發明進行限制。
具體實施例方式
實施例為根據以下實施例和比較例製備組件，使用的隔板是SEPARIONS 240P25或S 450 P35，它們可從Degussa AG公司購得並可根據EP 1509960或DE10208277進行製備。
比較例1無粘結的組件根據圖2在尺寸為70mm×131mm的電極A(陽極)(其中在狹窄側面上有7mm未經塗覆的銅)(Enax Inc.，日本)上放置尺寸為72mm×126mm的隔板S240 P25(Degussa AG公司，德國)，從而使得隔板在各個面都伸出位於塗有活性材料的銅箔區域內的電極1mm。然後在其上設置尺寸為65mm×129mm的反電極K(其中在狹窄側面上有9mm的空白鋁箔)(陰極；Enax Inc.，日本)，其中需要注意的是，隔板在各個側面都完全遮蓋住塗覆有活性材料的鋁箔區域。該過程中，電極的設置要使得陰極上狹窄側的空白鋁箔在組件的一側上伸出該側面，而陽極上狹窄側的空白銅箔則在組件的相對側上伸出該側面。交替地疊置其他各層電極並且這些電極分別通過隔板隔開，由此最後得到由16層陽極和15層陰極以及30層隔板組成的組件，並且該組件的邊界為陽極。圖2所示每個同名電極伸出於兩個相對端的導體膜，經由超聲波熔焊相互焊接在未塗層的區域上並與金屬導體插標焊接在一起(圖2中未示出導體插標)。
由於各層相互之間的連接較差，所以組件的操作也就很難。各層很容易地就會相互移動。這種組件可用於構造層合板電池，方法是將組件謹慎小心地置入到鋁殼中。利用真空熔焊設備Audionvac(VMS103，FA.Audion ElektroGmbH公司，荷蘭)焊接電池。向仍然在某一較小位置處開口的罩殼中填入在碳酸亞乙酯(EC)∶碳酸二乙酯(DEC)(1∶1)中形成的1M LiPF6的電解液UBE Japan。接著，同樣利用真空熔焊設備封閉電池，然後再連接到充電設備Maccor Series4000(Maccor，USA)上。電池組第一次並沒有充進電(化成)，因為由於內部發生了移動而導致蓄電池短路。
比較例2帶有熔焊罩套的組件首先利用熱壓機(JoKe，德國)將2層尺寸為73mm×130mm的德國Degussa AG的隔板S 450 P35(由於焊接和導入的原因而在縱側面上各留有4mm的突出量)焊接在兩個縱側面上，由此製得如圖1的隔板罩套。以2500N的軋壓力於280℃的溫度下進行焊接10s。然後將尺寸為65mm×129mm的陰極如圖1插入到該罩套中。然後根據圖1製備由16個陽極和15個隔板/陰極罩套構成的組件。每個同名電極上伸出於組件的兩個相反端的導體膜，可經由超聲波焊接的方法相互焊接在未經塗層的區域上並且與如比較例1中所述的金屬導體膜焊接在一起。
由於各個元件相互之間的連接較差，所以組件的操作也就很困難。各個罩套或陽極很容易地就會相互移動。這種組件可用於構造層合板電池，方法是將組件謹慎小心地置入到鋁殼中。利用真空熔焊設備Audionvac(VMS103，FA.Audion Elektro GmbH公司，荷蘭)焊接電池。向仍然在某一較小位置處開口的罩殼中填入在EC∶DEC(1∶1)中形成的1M LiPF6的電解液UBE Japan。接著，同樣利用真空熔焊設備封閉電池，然後再連接到充電設備Maccor Series 4000(Maccor，USA)上。該電池組可毫無問題地進行充電和循環。但是缺點是罩套的製備過程比較花費(時間)，而且罩套的突出區域會導致電池在縱側面上不必要地擴大6mm並因此造成能量密度減小。
比較例3具有粘結罩套的組件首先將2層尺寸為73mm×130mm的德國Degussa AG制的隔板S 450 P35(由於焊接和導入的原因而在縱側面上各留有4mm的突出量)粘結在兩個縱側面上，由此製得如圖1的隔板罩套。使用的粘結劑是德國Rhm GmbH公司的牌號為Plex9016-O的UV固化丙烯酸酯粘結劑。將粘結劑平面貼覆在距離邊緣3mm寬度的面上。相互疊置此兩層並利用Panacol-Elosol公司的UV-F400型UV燈以約315至380nm的波長照射15分鐘固化該粘結劑。然後將尺寸為65mm×129mm的陰極如圖1插入到該罩套中。然後根據圖1製備由16個陽極和15個隔板/陰極罩套構成的組件。每個同名電極上伸出於組件的兩個相反端的導體膜，可經由超聲波焊接的方法相互焊接在未經塗層的區域上並且與如比較例1中所述的金屬導體膜焊接在一起。
由於各個元件相互之間的連接較差，所以組件的操作也就很困難。各個罩套或陽極很容易地就會相互移動。這種組件可用於構造層合板電池，方法是將組件謹慎小心地置入到鋁殼中。利用真空熔焊設備Audionvac(VMS103，FA.Audion Elektro GmbH公司，荷蘭)焊接電池。向仍然在某一較小位置處開口的罩殼中填入在EC∶DEC(1∶1)中形成的1M LiPF6的電解液UBE Japan。接著，同樣利用真空熔焊設備封閉電池，然後再連接到充電設備Maccor Series 4000(Maccor，USA)上。該電池組可毫無問題地進行充電和循環。但是缺點是罩套的製備過程比較花費(時間)，而且罩套的突出區域會導致電池在縱側面上不必要地擴大6mm並因此造成能量密度減小。
實施例(根據本發明)實施例1具有熱熔膠的組件，沿線粘結根據圖2在尺寸為70mm×131mm的電極A(陽極)(其中7mm的Cu邊)(Enax Inc.，日本)上放置上尺寸為72mm×126mm的隔板S240 P25(Degussa AG公司，德國)，從而使得隔板在各個面都伸出位於塗有活性材料的銅箔區域內的電極1mm。然後在其上設置尺寸為65mm×129mm的反電極(其中9mm的空白鋁箔)(陰極；Enax Inc.，日本)，其中需要注意的是，隔板在各個側面都完全遮蓋住塗覆有活性材料的鋁箔區域。該過程中，電極的設置要使得陰極上狹窄側的空白鋁箔在組件的一側上伸出該側面，而陽極上狹窄側的空白銅箔則在組件的相對側上伸出該側面。交替地疊置其他各層電極並且這些電極分別通過隔板隔開，由此最後得到由16層陽極和15層陰極以及30層隔板組成的組件，並且該組件的邊界為陽極。
利用金屬板加10N/cm2的力將該組件簡便地壓到組件的上下方並且根據圖3在組件外側上的3個位置處各設置一個粘結帶，而所述粘結帶是利用Bosch公司(Gerlingen，德國)的熱粘噴槍GKP 200CE進行塗覆的。粘結劑由Degussa AG公司(德國)的熱溶膠Vestoplast608組成。
圖2所示每個同名電極伸出於兩個相對端的導體膜，經由超聲波熔焊相互焊接在未塗層的區域上並與金屬導體插標焊接在一起。
這種組件可用於構造層合板電池，方法是將組件謹慎小心地置入到鋁殼中。利用真空熔焊設備Audionvac(VMS103，FA.Audion Elektro GmbH公司，荷蘭)焊接電池。向仍然在某一較小位置處開口的罩殼中填入在EC∶DEC(1∶1)中形成的1M LiPF6的電解液UBE Japan。接著，同樣利用真空熔焊設備封閉電池，然後再連接到充電設備Maccor Series 4000(Maccor，USA)上。
該電池組可毫無問題地進行化成和充電。與比較例1不同，該電池組在任何情況下都不會短路，因為這些層能很好地相對固定住。與比較例2和3不同，生產時間可明顯縮短，因為整個組件的粘結過程可批量地同時進行。另外，該蓄電池還具有更高的能量密度，因為在罩套中可省去各為4mm長的兩側突出部。
實施例2具有UV交聯丙烯酸酯粘結劑的組件，沿線粘結根據圖2在尺寸為70mm×131mm的電極A(陽極)(其中在狹窄側面上有7mm未經塗覆的銅)(Enax Inc.，日本)上放置上尺寸為72mm×126mm的隔板S240 P25(Degussa AG公司，德國)，從而使得隔板在各個面都伸出位於塗有活性材料的銅箔區域內的電極1mm。然後在其上設置尺寸為65mm×129mm的反電極(其中在狹窄側面上有9mm的空白鋁箔)(陰極；Enax Inc.，日本)，其中需要注意的是，隔板在各個側面都完全遮蓋住塗覆有活性材料的鋁箔區域。該過程中，電極的設置要使得陰極上狹窄側的空白鋁箔在組件的一側上伸出該側面，而陽極上狹窄側的空白銅箔則在組件的相對側上伸出該側面。交替地疊置其他各層電極並且這些電極分別通過隔板隔開，由此最後得到由16層陽極和15層陰極以及30層隔板組成的組件，並且該組件的邊界為陽極。
利用金屬板加10N/cm2的力將該組件簡便地壓到組件的上下方並且根據圖3在組件的3個位置(約2ml)處設置粘結線，並且該粘結線是通過移液管塗覆上去的。粘結劑由Rhm GmbH公司(德國)的UV固化丙烯酸酯粘結劑Plex9016-O組成。並且利用Panacol-Elosol公司的UV-F400型UV燈以約315至380nm的波長照射15分鐘進行固化。
圖2所示每個同名電極伸出於兩個相對端的導體膜，經由超聲波熔焊相互焊接在未塗層的區域上並與金屬導體插標焊接在一起。
這種組件可用於構造層合板電池，方法是將組件謹慎小心地置入到鋁殼中。利用真空熔焊設備Audionvac(VMS103，FA.Audion Elektro GmbH公司，荷蘭)焊接電池。向仍然在某一較小位置處開口的罩殼中填入在EC∶DEC(1∶1)中形成的1M LiPF6的電解液UBE Japan。接著，同樣利用真空熔焊設備封閉電池，然後再連接到充電設備Maccor Series 4000(Maccor，USA)上。
該電池組同樣可毫無問題地進行化成和充電。與比較例1不同，該電池組也在任何情況下都不會短路，因為這些層能很好地相對固定住。與比較例2和3不同，生產時間同樣可明顯縮短，因為整個組件的粘結過程可批量地同時進行。另外，該蓄電池還具有更高的能量密度，因為在罩套中可省去各為4mm長的兩側突出部。
實施例3具有UV交聯丙烯酸酯粘結劑的組件，沿整個側面粘結根據圖2在尺寸為70mm×131mm的電極A(陽極)(其中7mm的Cu邊)(Enax Inc.，日本)上放置上尺寸為72mm×126mm的隔板S240 P25(Degussa AG公司，德國)，從而使得隔板在各個面都伸出位於塗有活性材料的銅箔區域內的電極1mm。然後在其上設置尺寸為65mm×129mm的反電極(其中9mm的空白鋁箔)(陰極；Enax Inc.，日本)，其中需要注意的是，隔板在各個側面都完全遮蓋住塗覆有活性材料的鋁箔區域。該過程中，電極的設置要使得陰極上狹窄側的空白鋁箔在組件的一側上伸出該側面，而陽極上狹窄側的空白銅箔則在組件的相對側上伸出該側面。交替地疊置其他各層電極並且這些電極分別通過隔板隔開，由此最後得到由16層陽極和15層陰極以及30層隔板組成的組件，並且該組件的邊界為陽極。
利用金屬板加10N/cm2的力將該組件簡便地壓到組件的上下方，並且根據圖4可在組件寬度L的整個區域面內設置粘結層。粘結劑通過在粘結槽中浸漬該側面而塗覆上去。由粘結形成的凸起可用刮刀除去。並且，利用Panacol-Elosol公司的UV-F400型UV燈以約315至380nm的波長照射15分鐘進行固化。
圖2所示每個同名電極伸出於兩個相對端的導體膜，經由超聲波熔焊相互焊接在未塗層的區域上並與金屬導體插標焊接在一起。
這種組件可用於構造層合板電池，方法是將組件謹慎小心地置入到鋁殼中。利用真空熔焊設備Audionvac(VMS103，FA.Audion Elektro GmbH公司，荷蘭)焊接電池。向仍然在某一較小位置處開口的罩殼中填入在EC∶DEC(1∶1)中形成的1M LiPF6的電解液UBE Japan。接著，同樣利用真空熔焊設備封閉電池，然後再連接到充電設備Maccor Series 4000(Maccor，USA)上。
該電池組可毫無問題地進行化成和充電。與比較例1不同，該電池組在任何情況下都不會短路，因為這些層能很好地相對固定住。與比較例2和3不同，生產時間可明顯縮短，因為整個組件的粘結過程可批量地同時進行。另外，該蓄電池還具有更高的能量密度，因為在罩套中可省去各為4mm長的兩側突出部。相比於兩個實施例1和2，利用局部粘附的方法可更進一步地改善操作性。
權利要求
1.一種由交替疊置的固定隔板和電極組成的組件，其特徵在於，該組件在其至少一個側面和/或稜邊上具有至少一種由有機粘結劑構成的粘結，該粘結將組件的電極和隔板相互粘結在一起。
2.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，該組件在兩個或三個側面和/或稜邊上具有至少一個粘結。
3.如權利要求1或2所述的組件，其特徵在於，該組件在至少一個側面上具有許多粘結，使得所述粘結的間距為20至0.1cm。
4.如權利要求1至3之一所述的組件，其特徵在於，所有粘結的總長度相當於組件的側面長度的0.1至100％，而組件的側面長度只有通過組件上那些疊置有電極活性段的部分來確定。
5.如權利要求1至4中至少一項所述的組件，其特徵在於，各粘結的寬度小於2cm。
6.如權利要求1至4中至少一項所述的組件，其特徵在於，粘結的寬度為組件側面長度的0.1至100％。
7.如權利要求1至6中至少一項所述的組件，其特徵在於，在兩個相對的側面上存在有至少兩個粘結。
8.如權利要求1至7中至少一項所述的組件，其特徵在於，有機粘結劑是環氧粘結劑、熱熔膠或丙烯酸酯粘結劑。
9.如權利要求1至8中至少一項所述的組件，其特徵在於，在組件中交替地疊置陽極和陰極，並且它們均通過隔板相互分隔開。
10.如權利要求1至9中至少一項所述的組件，其特徵在於，組件分別具有一個電極作為第一層和最後一層，並且這些電極分別是陰極或分別是陽極。
11.如權利要求1至10中至少一項所述的組件，其特徵在於，隔板止於直接與其相鄰的電極的活性區域和/或伸出於直接與其相鄰的電極的活性區域。
12.如權利要求1至11中至少一項所述的組件，其特徵在於，隔板是陶瓷隔板或一種包含陶瓷組分的隔板。
13.一種製備由交替疊置的固定隔板和電極構成的組件的方法，其特徵在於，在電極上交替地疊置隔板和電極並在所得組件的至少一個側面上施加粘結，該粘結至少與存在於組件內的電極和隔板的一個側面接觸。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，為在組件的至少一個側面上施加粘結，可利用用於帶式塗覆的噴射頭，扁平噴頭，噴霧頭，配料閥，分布器而將有機粘結劑塗覆到組件的至少一個側面上去，並接著使組件中的電極和隔板不能相對移動，直至粘結劑固化。
15.如權利要求13或14所述的方法，其特徵在於，使用能在0.1至60分鐘內固化或硬化的有機粘結劑來產生粘結。
16.如權利要求13至15中至少一項所述的方法，其特徵在於，通過施加壓力而將至少其上應施加有粘結的組件側面壓合在一起。
17.如權利要求13至16中至少一項所述的方法，其特徵在於，在組件中交替地疊置作為電極種類的陽極和陰極並且在電極之間各疊置一個隔板，其中所述隔板的寬度要比該兩個電極種類中的至少一個更寬。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，所用的隔板的寬度比所用陽極和/或陰極的寬度寬0.1至10mm。
19.如權利要求17或18所述的方法，其特徵在於，所用的隔板的寬度比所用陰極的寬度更寬。
20.如權利要求13至19中至少一項所述的方法，其特徵在於，由此製備如權利要求1至12中至少一項所述的組件。
21.如權利要求1至12中至少一項所述的組件在鋰蓄電池中的用途。
22.含有如權利要求1至12中至少一項所述組件的鋰蓄電池。
全文摘要
本發明涉及一種由交替疊置的固定隔板和電極組成的組件，其中，組件在組件的至少一個側面和/或稜邊上具有至少一種由有機粘結劑構成的粘結，並且該粘結將組件的電極和隔板相互粘結在一起。本發明還涉及一種製備這種組件的方法以及該組件在鋰電池中的應用。
文檔編號H01M2/14GK1929182SQ20051012168
公開日2007年3月14日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年9月8日
發明者V·亨尼格, A·肖爾曼, G·赫爾佩爾, C·許英 申請人:德古薩公司