專利名稱：用于制造鋰二次電池的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造鋰二次電池的方法和用于制造鋰二次電池的設(shè)備。
背景技術(shù)：
鋰二次電池包括固體電解質(zhì)和設(shè)置為夾住固體電解質(zhì)的正、負(fù)電極。隨著近年來朝著更薄的鋰二次電池發(fā)展的趨勢(shì)，有必要減小固體電解質(zhì)的厚度。作為用于減小固體電解質(zhì)厚度的方法，可以考慮淀積技術(shù)。
然而，因?yàn)橛糜阡嚩坞姵氐墓腆w電解質(zhì)的復(fù)雜組成，所以不能通過淀積技術(shù)很容易地形成具有優(yōu)異特性的固體電解質(zhì)。進(jìn)一步，存在的問題是不能以足夠的生產(chǎn)率進(jìn)行淀積技術(shù)。
發(fā)明公開考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種以高效生產(chǎn)的方式制造具有優(yōu)異特性的薄鋰二次電池的方法以及用于制造該電池的設(shè)備。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制造方法是用于制造包括正電極板、負(fù)電極板和設(shè)置在正電極板和負(fù)電極板之間的固體電解質(zhì)的鋰二次電池的方法。該方法包括步驟(i)向從正電極板和負(fù)電極板中選出的至少一個(gè)電極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體，由此將熔體淀積到至少一個(gè)電極板上；以及(ii)擠壓正電極板和負(fù)電極板，同時(shí)夾住熔體，由此形成包括正電極板、包括固體電解質(zhì)的電解質(zhì)層和負(fù)電極板的層狀體。利用本發(fā)明的這種制造方法，因?yàn)榭梢砸愿咝a(chǎn)方式形成具有優(yōu)異特性的薄固體電解質(zhì)層，所以可以以高效生產(chǎn)方式制造具有優(yōu)異特性的薄鋰二次電池。
在上述制造方法中，固體電解質(zhì)可以包含Li3PO4。在這種情況中，固體電解質(zhì)可以是Li3PO4、通過向Li3PO4添加氮獲得的固體電解質(zhì)、或Li3PO4-Li2S-SiS2。
上述制造方法還可以包括在步驟(ii)擠壓之后，(iii)通過向?qū)訝铙w的至少一個(gè)表面上噴射固體電解質(zhì)的熔體，然后卷繞該層狀體，層疊該層狀體。
在上述制造方法中，在步驟(ii)擠壓中，可以通過在冷卻正電極板和負(fù)電極板的同時(shí)擠壓它們而形成層狀體。利用這種結(jié)構(gòu)，可以制造具有特別優(yōu)異特性的鋰二次電池。
在上述制造方法中，電解質(zhì)層具有從0.1μm-10μm范圍內(nèi)的厚度。
此外，本發(fā)明的制造設(shè)備是用于制造包括正電極板、負(fù)電極板、和設(shè)置在正電極板和負(fù)電極板之間的固體電解質(zhì)的鋰二次電池的設(shè)備。該設(shè)備包括向從正電極板和負(fù)電極板中選出的至少一個(gè)電極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體的噴射裝置和用于在夾住熔體的同時(shí)擠壓正電極板和負(fù)電極板的擠壓裝置。
在上述制造設(shè)備中，擠壓裝置可包括兩個(gè)輥?zhàn)印?br> 附圖的簡要說明

圖1A是表示根據(jù)本發(fā)明用于制造鋰二次電池的制造設(shè)備的例子的結(jié)構(gòu)的示意圖。同時(shí)，圖1B是表示在圖1A中的制造設(shè)備中采用的噴射裝置的例子的主要部分的截面示意圖。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明用于制造鋰二次電池的制造設(shè)備的另一例子的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明用于制造鋰二次電池的制造設(shè)備的再一例子的局部結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明用于制造鋰二次電池的制造設(shè)備的再一例子的局部結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5A至5D是表示根據(jù)本發(fā)明用于制造鋰二次電池的制造方法的例子的工藝流程的截面圖。
圖6A至6D是表示根據(jù)本發(fā)明用于制造鋰二次電池的制造方法的另一例子的工藝流程的截面圖。
圖7是表示將根據(jù)本發(fā)明的制造方法制造的鋰二次電池的例子的局部分解截面圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下面參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)第一實(shí)施例針對(duì)根據(jù)本發(fā)明、用于制造鋰二次電池的制造設(shè)備的例子。圖1A示意性表示第一實(shí)施例的制造設(shè)備10的結(jié)構(gòu)。
參見圖1A，制造設(shè)備10包括用于送出正電極板20的供料輥11、用于送出負(fù)電極板30的供料輥12、冷卻輥13和14、噴射裝置15和卷取輥16。正電極板20和負(fù)電極板30分別卷繞在供料輥11和供料輥12周圍。
噴射裝置15向正電極板20和負(fù)電極板30噴射固體電解質(zhì)的熔體。順便指出，雖然圖1A描述了向正電極板20和負(fù)電極板30同時(shí)噴射熔體的情況，但熔體也可以僅噴射到正、負(fù)電極板之一。
輥?zhàn)?3和14用作在夾住熔體的同時(shí)擠壓已經(jīng)噴射了固體電解質(zhì)熔體的正電極板20和負(fù)電極板30的裝置。冷卻輥13和14還可以具有經(jīng)過正電極板20和負(fù)電極板30迅速冷卻噴射的固體電解質(zhì)熔體的功能。卷取輥16卷取正電極板、固體電解質(zhì)層和負(fù)電極板的層狀體。
圖1B表示噴射裝置16的例子的主要部分的結(jié)構(gòu)。噴射裝置15包括陽極151、陰極152、噴嘴153和RF感應(yīng)線圈154。使等離子體的原料氣體在陽極151和陰極152之間能夠流動(dòng)，并且由RF感應(yīng)線圈154產(chǎn)生高溫等離子體155。這種等離子體155從噴嘴153的尖端射出。噴嘴153的橫向側(cè)設(shè)有通孔156，通過通孔156提供固體電解質(zhì)粉末。這種粉末溶解在等離子體155中，它的熔體噴射到電極板上。順便指出，圖1B所示的等離子體噴射裝置僅僅是一個(gè)例子，可以采用除等離子體噴射裝置之外的其它噴射裝置。
在第二實(shí)施例中描述利用制造設(shè)備10制造鋰二次電池的方法。
本發(fā)明的制造設(shè)備還可以包括第二噴射裝置、正電極板形成裝置或負(fù)電極板形成裝置。圖2表示包括第二噴射裝置15a的制造設(shè)備10a。此外，圖3表示正電極板形成裝置40，以及圖4表示負(fù)電極板形成裝置50。
參見圖2，制造設(shè)備10a與制造設(shè)備10的不同之處在于在卷取輥16和冷卻輥13和14之間設(shè)置了噴射裝置15a。噴射裝置15a也像噴射裝置15那樣噴射固體電解質(zhì)的熔體并可以與噴射裝置15相同。利用制造設(shè)備10a，可以制造出其中層疊多個(gè)正電極板、固體電解質(zhì)和負(fù)電極板的鋰二次電池。在第二實(shí)施例中描述利用制造設(shè)備10a制造鋰二次電池的方法。
參見圖3，正電極板形成裝置40包括供料輥41、輥?zhàn)?2和43、卷取輥44和淀積裝置45。供料輥41送出正電極的集流體(collector)21。淀積裝置45向集流體21上淀積正電極的活性材料。順便指出，雖然圖3中描述了利用輥?zhàn)?2和43在集流體21的兩面上形成活性材料層的情況，但是也可以僅在集流體21的一面上形成活性材料層。此外，活性材料層也可以通過敷料器涂覆在集流體21上。
通過卷取輥44卷取通過在集流體21的兩面上形成活性材料層所獲得的正電極板20a。優(yōu)選地，在退火爐46中對(duì)由卷取輥44卷取的正電極板20a進(jìn)行退火。本發(fā)明的制造設(shè)備10可包括正電極板形成裝置40，在該裝置40中結(jié)合了退火爐46，而不是供料輥11。
參見圖4，負(fù)電極板形成裝置50包括供料輥51、輥?zhàn)?2和53、卷取輥54和淀積裝置55。供料輥51送出負(fù)電極的集流體31。淀積裝置55向集流體31上淀積負(fù)電極活性材料。順便指出，雖然圖4中描述了利用輥?zhàn)?2和53在集流體31的兩面上形成活性材料層的情況，但是也可以僅在集流體31的一面上形成活性材料層。此外，活性材料層也可以通過敷料器涂敷在集流體31上。
通過卷取輥54卷取通過在集流體31的兩面上形成活性材料層所獲得的負(fù)電極30a。本發(fā)明的制造設(shè)備10可包括負(fù)電極板形成裝置50，而不是供料輥12。
(第二實(shí)施例)第二實(shí)施例針對(duì)根據(jù)本發(fā)明、用于制造鋰二次電池的制造方法的例子。雖然第二實(shí)施例討論利用在第一實(shí)施例中描述的制造設(shè)備的情況，但是本發(fā)明的制造方法不局限于此。圖5A和5D表示在第二實(shí)施例中的制造過程。
首先，制備圖5A所示的正電極板20和圖5B所示的負(fù)電極板30。正電極板20包括集流體21和在集流體21的一面上形成的活性材料層22。應(yīng)當(dāng)注意活性材料層22也可以形成在集流體21的兩面上。集流體21和活性材料層22可以是通常用于鋰二次電池的那些集流體和活性材料層。例如，集流體21可以是由導(dǎo)電材料形成的集流體，具體而言是鉑、鉑/鈀、金、銀、鋁、銅、鎳、不銹鋼、ITO(銦錫氧化膜)、碳材料或類似材料。此外，活性材料層22可以是含有如LiCoO2或LiNiO2的層。可通過向集流體21上涂覆或淀積活性材料層22的材料而形成正電極板20。
負(fù)電極板30包括集流體31和在集流體31的一面上形成的活性材料層32。應(yīng)當(dāng)注意活性材料層32也可以形成在集流體31的兩面上。集流體31和活性材料層32可以是通常用于鋰二次電池的那些集流體和活性材料層。例如，集流體31可與集流體21相同。并且，活性材料層32可以是含有如Li和/或C(碳)的層。具體而言，含有Li、石墨基材料或難以石墨化的碳材料作為活性材料的層可以用作活性材料層32。可通過向集流體31上涂覆或淀積活性材料層32的材料而形成負(fù)電極板30。
接下來，向從正電極板20和負(fù)電極板30中選出的至少一個(gè)電極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體，由此將固體電解質(zhì)的熔體淀積到至少一個(gè)電極板上(步驟(i))。圖5C描述了這一步驟(i)的例子。在圖5C所描述的例子中，將固體電解質(zhì)的熔體61向正電極板20和負(fù)電極板30噴射并淀積在它們之上。熔體61淀積在正電極板20和負(fù)電極板30中設(shè)置有活性材料層的一側(cè)上。
用作熔體61的材料的固體電解質(zhì)可以是能夠構(gòu)成鋰二次電池的并通過噴射淀積到電極板上的固體電解質(zhì)。具體而言，將成為熔體61的固體電解質(zhì)可以是這樣一種材料它的電子導(dǎo)電性小到可以忽略，并具有離子傳導(dǎo)性。這里，因?yàn)殇囯x子是遷移離子，所以優(yōu)選采用具有優(yōu)異的鋰離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)。特別是，含有Li3PO4的固體電解質(zhì)是優(yōu)選的，以及例如，Li3PO4或通過向Li3PO4添加氮(或者通過用氮取代Li3PO4中的部分元素，LIPON由組成Li2.9PO3.3N0.36表示)所獲得的固體電解質(zhì)是有效的。類似地，硫化物固體電解質(zhì)如Li2S-SiS2、Li2S-P2S5或Li2S-B2S3也是有效的。此外，通過用鹵化鋰如LiI或含鋰的氧酸鹽(oxyate)如Li3PO4摻雜這些固體電解質(zhì)所獲得的固體電解質(zhì)同樣是有效的。例如，Li3PO4、Li2S和SiS2的混合物L(fēng)i3PO4-Li2S-SiS2是有效的。這些固體電解質(zhì)可利用常用的等離子體噴射裝置或類似裝置進(jìn)行噴射。
在淀積了熔體61之后，如圖5C所示，在夾住熔體61的同時(shí)擠壓正電極板20和負(fù)電極板30，由此形成包括正電極板20、固體電解質(zhì)層62和負(fù)電極板30的層狀體63，如圖5D所示(步驟(ii))。固體電解質(zhì)層62由熔體61的固化而形成。此時(shí)，擠壓正電極板20和負(fù)電極板30，從而形成集流體21/活性材料層22/固體電解質(zhì)層62/活性材料層32/集流體31的層狀體。例如，所形成的固體電解質(zhì)層62的厚度約為0.1μm-10μm。通過圖1所示的冷卻輥13和14進(jìn)行此步驟。此時(shí)，優(yōu)選地，冷卻輥13和14用于擠壓熔體61并同時(shí)經(jīng)過正電極板20和負(fù)電極板30使熔體61冷卻。通過迅速使熔體61冷卻，可以形成具有優(yōu)異結(jié)晶度的固體電解質(zhì)層62。
通過卷取輥16卷取所獲得層狀體63。此后，將層狀體63裁成預(yù)定尺寸并與非水電解液一起密封在殼體中，接著進(jìn)行引線焊接等，由此獲得鋰二次電池。此步驟可通過通常的方法進(jìn)行。
以此方式，可制造出鋰二次電池。在第二實(shí)施例的制造方法中，因?yàn)楣腆w電解質(zhì)層通過噴射法形成，所以可以以高效的生產(chǎn)方式形成薄的固體電解質(zhì)層。此外，因?yàn)橥ㄟ^噴射法形成固體電解質(zhì)層可以較容易地控制固體電解質(zhì)層的組成，所以可以制造具有優(yōu)異特性的鋰二次電池。
(第三實(shí)施例)第三實(shí)施例針對(duì)根據(jù)本發(fā)明、用于制造鋰二次電池的制造方法的另一實(shí)施例。雖然第三實(shí)施例討論利用在第一實(shí)施例中描述的制造設(shè)備10a的情況，但本發(fā)明的制造方法不局限于此。圖6A和6D表示在第三實(shí)施例中的制造過程。
首先，制備圖6A中所示的正電極板20a和圖6B中所示的負(fù)電極板30a。
正電極板20a包括集流體21和在集流體21的兩面上形成的活性材料層22。集流體21和活性材料層22可以是在第二實(shí)施例中描述的那些集流體和活性材料層?？赏ㄟ^向集流體21上涂覆或淀積活性材料層22的材料而形成正電極板20a。具體而言，它可以利用圖3中所示的正電極板形成裝置40形成。
負(fù)電極板30a包括集流體31和在集流體31的兩面上形成的活性材料層32。集流體31和活性材料層32可以是在第二實(shí)施例中描述的那些集流體和活性材料層?？赏ㄟ^向集流體31上涂覆或淀積活性材料層32的材料而形成負(fù)電極板30a。具體而言，它可以利用圖4中所示的負(fù)電極板形成裝置50形成。
接下來，向從正電極板20a和負(fù)電極板30a中選出的至少一個(gè)極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體，由此將固體電解質(zhì)淀積到至少一個(gè)電極板上(步驟(i))。圖6C描述了這一步驟(i)的例子。在圖6C所描述的例子中，將熔體61向正電極板20a和負(fù)電極板30a噴射并淀積到它們之上。熔體61可以是在第二實(shí)施例中描述的熔體。
此后，在夾住熔體61的同時(shí)擠壓正電極板20a和負(fù)電極板30a，由此形成包括正電極板20a、固體電解質(zhì)層62和負(fù)電極板30a的層狀體63a，如圖6C所示(步驟(ii))。該步驟類似于第二實(shí)施例中所描述的步驟。
然后，在將熔體61噴射到層狀體63a的至少一個(gè)表面之后，通過卷取輥16卷繞層狀體63a，由此層疊層狀體63a。以此方式，獲得了層狀體64，在層狀體64中，多個(gè)層狀體63a與夾在其間的固體電解質(zhì)層62層疊，如圖6D所示?？衫弥圃煸O(shè)備10a形成層狀體64。此后，將層狀體64切割成預(yù)定尺寸并與非水電解液一起密封在殼體中，接著進(jìn)行引線焊接等，由此獲得鋰二次電池。此步驟可通過任何合適的方法進(jìn)行。
圖7是表示通過本發(fā)明的制造方法制成的鋰二次電池的例子的截面圖。圖7中所示的鋰二次電池70包括殼體71、密封件72、層狀體64、引線73和絕緣板74和75。鋰二次電池70的構(gòu)造類似于通常的鋰二次電池的構(gòu)造，可將常用鋰二次電池中所用的部件用于除層狀體64之外的其它部件。
殼體71由金屬制成并用作負(fù)電極端子。殼體71由密封件72密封。密封件72用作正電極端子。在殼體71中密封了電解液(未示出)。
層狀體64包括正電極板20a、固體電解質(zhì)層62和負(fù)電極板30a。正電極板20a通過引線73連接到密封件72。絕緣板74和75防止在負(fù)電極板30a和密封件72之間的短路和在正電極板20a和殼體71之間的短路。
應(yīng)當(dāng)注意圖7中所示的鋰二次電池是由本發(fā)明的制造方法制成的電池的一個(gè)例子，本發(fā)明的制造方法可用于各種其它形式的電池的制造。
本發(fā)明可以在不脫離其精神或主要特點(diǎn)的情況下以其它特定形式實(shí)施。在本申請(qǐng)中公開的實(shí)施例在任何方面都應(yīng)認(rèn)為是示意性而非限制性的。由所附權(quán)利要求而非上述描述來表示本發(fā)明的范圍，在權(quán)利要求書的含義和等效范圍內(nèi)進(jìn)行的各種變化都涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，利用根據(jù)本發(fā)明制造鋰二次電池的方法，可以以高效的生產(chǎn)方式制造出具有優(yōu)異特性的薄型鋰二次電池。此外，利用根據(jù)本發(fā)明的制造設(shè)備，很容易實(shí)施本發(fā)明的制造方法。
權(quán)利要求
1.一種用于制造鋰二次電池的方法，該鋰二次電池包括正電極板、負(fù)電極板和設(shè)置在正電極板和負(fù)電極板之間的固體電解質(zhì)；該方法包括(i)向從正電極板和負(fù)電極板中選出的至少一個(gè)電極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體，由此將熔體淀積到至少一個(gè)電極板上；和(ii)擠壓正電極板和負(fù)電極板，同時(shí)將該熔體夾在當(dāng)中，由此形成包括正電極板、包括固體電解質(zhì)的電解質(zhì)層和負(fù)電極板的層狀體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，固體電解質(zhì)包括Li3PO4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，固體電解質(zhì)是Li3PO4、通過向Li3PO4添加氮所獲得的固體電解質(zhì)、或Li3PO4-Li2S-SiS2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在步驟(ii)擠壓之后，(iii)通過向?qū)訝铙w的至少一個(gè)表面上噴射固體電解質(zhì)的熔體，并且然后卷繞該層狀體，層疊該層狀體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在步驟(ii)擠壓中，通過擠壓正電極板和負(fù)電極板、同時(shí)冷卻它們而形成層狀體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，電解質(zhì)層具有從0.1μm-10μm范圍內(nèi)的厚度。
7.一種用于制造鋰二次電池的設(shè)備，該鋰二次電池包括正電極板、負(fù)電極板、和設(shè)置在正電極板和負(fù)電極板之間的固體電解質(zhì)；該設(shè)備包括噴射裝置，用于向從正電極板和負(fù)電極板中選出的至少一個(gè)電極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體；以及擠壓裝置，用于擠壓正電極板和負(fù)電極板，同時(shí)將熔體夾在當(dāng)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，擠壓裝置包括兩個(gè)輥?zhàn)印?br> 全文摘要
一種鋰二次電池制造方法，包括步驟向從正電極板(20)和負(fù)電極板(30)中選出的至少一個(gè)電極板上噴射固體電解質(zhì)的熔體(61)，以將熔體(61)淀積到至少一個(gè)電極板上；以及擠壓正電極板(20)和負(fù)電極板(30)并使熔體(61)保持在其間，由此形成包括正電極板(20)、包括固體電解質(zhì)的電解質(zhì)層(62)和負(fù)電極板(30)的層狀體，這樣可以以高效生產(chǎn)率制造出具有優(yōu)異特性的薄的鋰二次電池。
文檔編號(hào)H01M10/04GK1550052SQ0281705
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月29日
發(fā)明者本田和義, 高井順子, 岡崎禎之, 伊藤修二, 稻葉純一, 樋口洋, 一, 之, 二, 子 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社