專利名稱：電極、電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電極和采用電極的電池。特別是，本發(fā)明的電極優(yōu)選應(yīng)用于作為電動(dòng)車輛等的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電源的二次電池。
背景技術(shù)：
近年來，由于環(huán)境保護(hù)運(yùn)動(dòng)的興起，因此強(qiáng)烈需要引入電動(dòng)汽車(EV)、混合式電動(dòng)車輛(HEV)和燃料電池車輛(FCV)，研制了這些車輛的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電池。可反復(fù)充電的二次電池用作這些車輛的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電池。由于EV、HEV和FCV需要高輸出和高能量密度，而實(shí)際上不可能讓單個(gè)大電池同時(shí)具備高輸出和高能量密度。因此，通常采用包括串聯(lián)連接的多個(gè)電池的組裝電池。人們提出將薄片狀電池作為構(gòu)成組裝電池的單元電池(參見日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2003-151526)。
作為薄片電池的例子，可引證這樣一種電池在這種電池中采用將包括集流體、正極和負(fù)極的雙極電極與聚合物電解質(zhì)層疊的發(fā)電元件，并由封裝材料密封該發(fā)電元件?？蓪訅浩米鞣庋b材料。層壓片由金屬薄膜、樹脂膜和熱熔樹脂膜形成。金屬薄膜包括鋁箔或類似材料，防止在封裝材料的外部和內(nèi)部之間滲透水分和氣體如氧氣。樹脂膜由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或類似材料制成，物理上保護(hù)金屬薄膜。熱熔樹脂膜由離子交聯(lián)聚合物或類似物制成，用于密封電池。在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2002-110239中描述的聚合物電解質(zhì)用作該聚合物電解質(zhì)。
通常，通過將含有正極活性材料或負(fù)極活性材料的涂覆流體施加于集流體上，從而制成正極或負(fù)極。在這種情況下，采用各種涂料機(jī)，如輥涂機(jī)。然而，在用涂料機(jī)進(jìn)行涂覆的過程中產(chǎn)生的涂覆不均降低了電池的品質(zhì)。特別是存在以下問題電池的散熱特性變得不均勻，電池局部惡化。在具有局部不均勻厚度的電池中，還存在以下問題電池受到振動(dòng)后容易引起該電池的共振，基礎(chǔ)材料容易產(chǎn)生裂縫和破裂。特別是，在向車輛提供的電池中，需要在超過十年的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持電池特性。
例如，人們提出將用于控制涂覆流體粘度的裝置作為用于降低電極涂覆不均的裝置(參見日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2002-164043)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，當(dāng)采用常規(guī)涂料機(jī)施加含電極構(gòu)成材料的流體時(shí)，難以高于某一水平均化涂覆膜。例如，當(dāng)進(jìn)行間歇式涂覆時(shí)，產(chǎn)生電極構(gòu)成材料的堆積增加部分，膜厚趨于局部地增加。
當(dāng)對(duì)電池有高輸出的要求時(shí)，例如用于車輛時(shí)，需要減小電極厚度以串聯(lián)連接多個(gè)電池。然而，通過常規(guī)涂料機(jī)難以生產(chǎn)極薄的電極。
為了解決上述問題完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種具有高層厚均勻性的薄電極。
本發(fā)明的第一方面提供一種電極，包括集流體；和設(shè)置在集流體上并含有活性材料的電極層，其中集流體和電極層的平均厚度為5-300μm，集流體和電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。
本發(fā)明的第二方面提供一種包括電極的電池，該電極包括集流體；和設(shè)置在集流體上并含有活性材料的電極層，其中集流體和電極層的平均厚度為5-300μm，集流體和電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。
本發(fā)明的第三方面提供一種制造電極的方法，包括采用噴墨法(inkjet method)形成電極層，其中將含有活性材料的液體以多個(gè)微粒的形式噴射出從而將這些微粒粘接到基底材料上。
本發(fā)明的第四方面提供一種制造電池的方法，包括采用其中將含有負(fù)極活性材料的液體以多個(gè)微粒的形式噴射出的噴墨法形成負(fù)極層；和采用其中將含有正極活性材料的液體以多個(gè)微粒的形式噴射出的噴墨法形成正極層。


圖1A是表示本發(fā)明的電極的實(shí)施例的頂部平面圖；圖1B是表示本發(fā)明的電極的實(shí)施例的側(cè)視圖；圖1C是表示本發(fā)明的電極的另一實(shí)施例的側(cè)視圖；圖2A是用于說明本發(fā)明的電極的微觀結(jié)構(gòu)的放大圖；圖2B表示構(gòu)成本發(fā)明電極的電極層的質(zhì)量-彈簧模式；圖3A是表示本發(fā)明電池的實(shí)施例的透視圖；圖3B是沿圖3A的線IIIB-IIIB截取的截面圖；圖4是表示具有本發(fā)明的正極和負(fù)極的鋰二次電池和具有由常規(guī)涂料機(jī)制成的正極和負(fù)極的鋰二次電池的厚度分布的曲線；圖5A是其中設(shè)置有本發(fā)明的電池的組裝電池的平面圖；圖5B是其中設(shè)置有本發(fā)明的電池的組裝電池的前視圖；圖5C是其中設(shè)置有本發(fā)明的電池的組裝電池的側(cè)視圖；圖6A是其中設(shè)置有本發(fā)明的組裝電池的多個(gè)組裝電池的平面圖；圖6B是其中設(shè)置有本發(fā)明的組裝電池的多個(gè)組裝電池的前視圖；圖6C是其中設(shè)置有本發(fā)明的組裝電池的多個(gè)組裝電池的側(cè)視圖；圖7是安裝了本發(fā)明的組裝電池或多個(gè)組裝電池的車輛的示意性側(cè)視圖；圖8表示實(shí)施例和對(duì)比例的振動(dòng)傳遞譜。
具體實(shí)施例方式
此后，參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
本發(fā)明的電極包括集流體和層疊在集流體上而形成并含有活性材料的電極層。本發(fā)明的電極是這樣一種其中，集流體和電極層的平均厚度在5-300μm的范圍內(nèi)，集流體和電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。
圖1A表示本發(fā)明的電極的實(shí)施方式。圖1A表示電極100，其中，在集流體104上層疊采用噴墨法(inkjet method)形成的電極層102。為了理解本發(fā)明，圖1A被夸大。也就是說，為了表示通過由噴墨法噴射出的微粒的粘接而形成電極層102，示出了該電極層102包括許多微粒。然而，當(dāng)用肉眼觀察時(shí)僅能看出電極層102為一層。
將電極100密封在封裝材料中，正極接頭和負(fù)極接頭抽出到封裝材料之外。由于當(dāng)把電極層102層疊在集流體104上時(shí)將接頭連接到集流體104，因此還可以設(shè)置在集流體104上沒有層疊電極層102的部分106(未涂覆部分)。雖然除了以連接接頭為目的之外還可以存在未涂覆部分，但是當(dāng)未涂覆部分增加時(shí)造成電池的能量密度降低。因此，除了連接接頭的部分之外，優(yōu)選盡可能不設(shè)置未涂覆部分。然而，不一定總是需要禁止在制造過程中不可避免產(chǎn)生的未涂覆部分。
為了形成電極層，已經(jīng)采用涂料機(jī)如輥涂機(jī)。然而，采用現(xiàn)有的涂料機(jī)不可能形成厚度小于某一值并且均勻的電極層。也就是說，當(dāng)由涂料機(jī)形成的涂覆膜在由涂料機(jī)形成電極層的過程中沒有具備某一厚度時(shí)，產(chǎn)生了沒有形成膜的部分。此外，當(dāng)由涂料機(jī)形成電極層時(shí)，在涂覆膜端部的膜厚易于增加。也就是說，在形成了涂覆膜的區(qū)域和沒有形成涂覆膜的區(qū)域之間的交界處涂覆膜厚度易于增加。
本發(fā)明通過采用噴墨法達(dá)到了常規(guī)方法未實(shí)現(xiàn)的減小電極層厚度、使電極層均勻化的要求。噴墨法是一種將液態(tài)墨水從噴嘴噴出以粘接到物體上的印刷方法。根據(jù)噴出墨水的方法，噴墨法分為壓電法、熱噴墨法和氣泡噴射法(商標(biāo))。
壓電法是這樣一種方法其中，以使電流流過在存儲(chǔ)墨水的墨水腔底部上設(shè)置的壓電元件、使該元件因電流流動(dòng)而變形的方式使墨水從噴嘴噴出。熱噴墨法是這樣一種方法其中，利用加熱器加熱墨水，通過在蒸發(fā)墨水的過程中蒸汽爆發(fā)(phreatic explosion)的能量噴射墨水。類似于熱噴墨法，氣泡噴射法是這樣一種方法其中，由在蒸發(fā)墨水的過程中由蒸汽爆發(fā)的能量噴射墨水。雖然熱噴墨法與氣泡噴射法的不同點(diǎn)在于加熱區(qū)域，但這兩種方法具有相同的基本原理。
為了采用噴墨法形成電極層，制備用于形成電極層的墨水。當(dāng)制造正極層時(shí)，制備含有正極層組成的正極墨水。當(dāng)制造負(fù)極層時(shí)，制備含有負(fù)極層組成的負(fù)極墨水。例如，正極墨水至少含有正極活性材料。除了正極活性材料之外，正極墨水還可以含有導(dǎo)電材料、鋰鹽、溶劑等。為了改善正極的離子導(dǎo)電性，正極墨水還可以含有通過聚合變?yōu)榫酆衔镫娊赓|(zhì)的聚合物電解質(zhì)原料和聚合引發(fā)劑。
然后制備形成電極層的基底材料。在電池中緊靠電極層的部件例如集流體或聚合物電解質(zhì)膜用作基底材料。通常，集流體的厚度在5-20μm的范圍內(nèi)。然而，也可以采用具有在上述范圍之外的厚度的集流體。
將描述通過采用噴墨法形成電極層的方法。將基底材料供應(yīng)給可施加電極墨水的噴墨裝置。通過噴墨法噴出電極墨水，從而粘到基底材料上。從噴墨裝置的噴嘴中噴出的墨水量極少，噴墨裝置能夠噴射出具有大致相等體積的墨水液滴。因此，通過電極墨水的粘接形成的電極層非常薄且均勻。此外，采用噴墨法可精確控制電極層的厚度和形狀。當(dāng)由常規(guī)涂料機(jī)形成電極層時(shí)，難以形成具有復(fù)雜形狀的電極層。另一方面，采用噴墨法可僅通過在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)預(yù)定圖形以印刷預(yù)定圖形的方式形成具有所需圖形的電極層。對(duì)于該厚度，當(dāng)通過一次涂覆后的電極層厚度不足時(shí)，印刷可重復(fù)兩次或多次。也就是說，在同一基底材料上覆蓋同一墨水的涂層。這使得能夠形成所需厚度的電極層。
對(duì)電極層的厚度沒有特別限制。一般來說，正極層的厚度在大約1-100μm的范圍內(nèi)，負(fù)極層的厚度在大約1-140μm的范圍內(nèi)。
雖然由噴墨法形成本發(fā)明的電極，但是對(duì)噴墨法的種類沒有特別限制。正如在實(shí)例中描述的那樣，可根據(jù)所采用的墨水進(jìn)行所需的改進(jìn)。
下面描述由本發(fā)明的電極帶來的主要效果。
在本發(fā)明的電極中，集流體和電極層的厚度非常均勻。因此，由集流體和電極層放出的熱量變得均勻，抑制了局部惡化。
具有本發(fā)明電極的電池具有對(duì)振動(dòng)的耐受性。由于對(duì)振動(dòng)的耐受性高，因此具有本發(fā)明電極的電池可應(yīng)用于帶有振動(dòng)的用途中，例如車輛中。認(rèn)為這種對(duì)振動(dòng)的耐受性歸功于由噴墨法制成的電極層的均勻性和電極層的微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電極層的均勻性高時(shí)，減小了由厚度分布引起的共振。如圖2A所示，由噴墨法制成的電極層包括由粘到集流體104上的電極墨水形成的多個(gè)點(diǎn)202。點(diǎn)202具有這樣的結(jié)構(gòu)其中，點(diǎn)202通過表面張力在它們之間的界面處連接到相鄰點(diǎn)202。將點(diǎn)202當(dāng)作質(zhì)量中心，通過表面張力連接的部分204當(dāng)作彈簧，微觀結(jié)構(gòu)具有圖2B所示質(zhì)量-彈簧模型的作用。認(rèn)為象質(zhì)量-彈簧模式那樣的作用帶來了對(duì)振動(dòng)的耐受力。但本發(fā)明的技術(shù)范圍應(yīng)當(dāng)根據(jù)權(quán)利要求書確定。即使提高對(duì)振動(dòng)的耐受性的機(jī)理不同，該機(jī)理也不在本此外，當(dāng)電極薄時(shí)，提高了采用電極的電池的能量密度。如果電池應(yīng)用于需要高輸出的用途如車用電源，則采用連接許多電池的組裝電池。當(dāng)該電池大時(shí)，組裝電池也變大。由于本發(fā)明的電極非常薄，因此非常有助于縮小組裝電池的尺寸。對(duì)于該車輛，限制車輛的體積，組裝電池的重量節(jié)省影響了車輛的燃料消耗的改進(jìn)。因此，組裝電池的小型化特別有益于該組裝電池應(yīng)用于車用電源的情況。
接下來描述本發(fā)明電極的厚度和平整度。在本發(fā)明的電極中，集流體和電極層的平均厚度在5-300μm的范圍內(nèi)。通過采用噴墨法形成電極層，從而制成具有上述平均厚度的平坦電極。當(dāng)集流體和電極層的平均厚度小于5μm時(shí)，因?yàn)橄拗屏穗姌O層的活性材料含量，所以無法確保足夠的充電量。當(dāng)集流體和電極層的平均厚度超過300μm時(shí)，破壞了以下描述的平整度，不能取得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。在此情況下，如圖1B和1C所示，“集流體和電極層的厚度”表示集流體104的厚度和電極層102的厚度之和h。當(dāng)電極層102形成在集流體104的兩個(gè)表面上時(shí)，一個(gè)集流體104的厚度和兩個(gè)電極層102相加的總厚度對(duì)應(yīng)于集流體和電極層的厚度h。在其中在集流體的一面上形成電極層的電極中，即圖1B所示的電極中，集流體和電極層的平均厚度優(yōu)選在6-120μm的范圍內(nèi)。在其中在集流體的兩個(gè)表面上形成電極層的電極中，即圖1C所示的電極中，集流體和電極層的平均厚度優(yōu)選在7-300μm的范圍內(nèi)。
雖然對(duì)集流體和電極層的面積沒有特別限制，但一般來說，隨著集流體和電極層的面積的增加，集流體和電極層的均勻性變得更難以維持。從這點(diǎn)來看，當(dāng)集流體和電極層的面積不超過50cm2時(shí)，本發(fā)明尤為有益。
當(dāng)本發(fā)明的電極具有以上平均厚度時(shí)，本發(fā)明的電極非常平坦，集流體和電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。由于本發(fā)明的電極具有上述平坦度，幾乎不會(huì)出現(xiàn)放熱不均，因此延長(zhǎng)了電池壽命。此外，還可防止由厚度分布引起的共振造成的裂縫破裂。
由本申請(qǐng)中的下述工序測(cè)量電極和電池的厚度。
利用測(cè)微計(jì)測(cè)量電極和電池的厚度。對(duì)測(cè)微計(jì)的種類沒有特別限制，只要測(cè)微計(jì)獲得具有某一水平可靠性的測(cè)量數(shù)據(jù)即可。
在測(cè)量集流體和電極層的平均厚度的過程中，將測(cè)量區(qū)域分成3×3九個(gè)區(qū)域。在各區(qū)域中測(cè)量任意三點(diǎn)的厚度，將三點(diǎn)的平均值設(shè)定為該區(qū)域的厚度。在所有區(qū)域中進(jìn)行厚度的測(cè)量，算出所有區(qū)域的平均值。對(duì)此操作反復(fù)進(jìn)行十次或更多次，將此操作的平均值設(shè)定為集流體和電極層的平均厚度。在本申請(qǐng)中，操作反復(fù)進(jìn)行的次數(shù)設(shè)定為“重復(fù)次數(shù)N”。
分別測(cè)量集流體和電極層的最大厚度和集流體和電極層的最小厚度，作為厚度最大的區(qū)域和厚度最小的區(qū)域。
在距電極層沒有層疊在集流體上的未涂覆部分為10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度中，將接近未涂覆部分的區(qū)域分為三個(gè)部分，從而使距未涂覆部分的距離平均化。在圖1所示的實(shí)施例中，把距電極層102和未涂覆部分106之間的交界處10mm以內(nèi)的電極層區(qū)域分為三個(gè)區(qū)域，使得三個(gè)區(qū)域每一個(gè)的一側(cè)變?yōu)榻缑?。在各區(qū)域中測(cè)量任意三點(diǎn)的厚度，將三點(diǎn)的平均值設(shè)定為該區(qū)域的厚度。在所有區(qū)域中進(jìn)行厚度的測(cè)量，算出所有區(qū)域的平均值。將此操作重復(fù)進(jìn)行十次或更多次，將操作的平均值設(shè)定為距未涂覆部分為10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度。
當(dāng)在形成電極層之后以預(yù)定尺寸調(diào)節(jié)電極時(shí)，切割電極層，接近切割部分的厚度趨于變薄。因此，還可以測(cè)量接近切割部分的厚度作為電極均勻性的指示值。在此情況下，以類似于測(cè)量距未涂敷部分10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度的方式測(cè)量距切割部分10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度。
優(yōu)選距電極層沒有層疊在集流體上的區(qū)域10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度不超過在其它區(qū)域中的集流體和電極層的平均厚度的104％。電極層沒有層疊在集流體上的區(qū)域表示沒有形成電極層的區(qū)域，如同圖1中的未涂敷部分106。在集流體上形成的電極層中，接近未涂敷部分的區(qū)域趨于變厚。接頭趨于形成在電極層沒有層疊在集流體上的未涂敷區(qū)域中。然而，當(dāng)接近未涂敷部分的區(qū)域厚時(shí)，由施加于電池的振動(dòng)產(chǎn)生共振，增加了使接頭和集流體破裂的可能性。
作為優(yōu)選，電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與電極層的平均厚度(A)之比(σ/A)不超過3％。已經(jīng)描述了在厚度分布和放熱不均勻性之間的關(guān)系，具體而言，當(dāng)電極具有滿足上述值的平整度時(shí)難以產(chǎn)生放熱不均。當(dāng)電極具有滿足上述值的平整度時(shí)還難以產(chǎn)生由厚度分布引起的共振。因此延長(zhǎng)了電池壽命。
當(dāng)電池應(yīng)用于車輛時(shí)高平整度尤為有益。當(dāng)電池用作車用電源時(shí)，為了確保高輸出，層疊了許多電池。當(dāng)許多電池層疊時(shí)，即使厚度上小的差別也會(huì)反映在整個(gè)組裝電池的厚度中。在某些情況下，無法固定電池。本發(fā)明解決了這一問題。
本發(fā)明的電極可用作正極和負(fù)極。如上所述，優(yōu)選通過噴墨法形成電極層，在噴墨法中將含活性材料的液體以許多微粒的形式噴出以粘接到預(yù)定基底材料上。預(yù)定基底材料取決于制造工藝。當(dāng)電極層形成在集流體上時(shí)，基底材料是集流體。當(dāng)聚合物電解質(zhì)用作電解質(zhì)時(shí)，還可以在聚合物電解質(zhì)上形成電極層之后設(shè)置集流體。
在本申請(qǐng)中對(duì)構(gòu)成電極的材料如導(dǎo)電材料和活性材料沒有特別限制。當(dāng)本發(fā)明的電極是用于鋰電池的電極時(shí)，可將Li-Mn基復(fù)合氧化物如LiMn2O4和Li-Ni基復(fù)合氧化物如LiNiO2作為正極活性材料。在某些情況下，可同時(shí)采用兩種或多種正極活性材料?？蓪⒔Y(jié)晶化碳材料和非晶化碳材料作為負(fù)極活性材料。具體而言，可采用天然石墨、人造石墨、碳黑、活性碳、碳纖維、焦炭、軟碳、硬碳等。在某些情況下，可同時(shí)采用兩種或多種負(fù)極活性材料。
對(duì)電極層的結(jié)構(gòu)沒有特別限制，可根據(jù)應(yīng)用適當(dāng)選擇。當(dāng)本發(fā)明的電極是正極時(shí)，在正極層中至少含有正極活性材料。除了正極活性材料之外，在正極層中還可含有導(dǎo)電材料、鋰鹽等。為了改善正極的離子導(dǎo)電性，還可以將聚合物電解質(zhì)分散在正極層中。對(duì)這些材料的組分沒有特別限制。
將要詳細(xì)描述采用本發(fā)明的電極形成的電池。本發(fā)明的電極可用作正極和負(fù)極。本發(fā)明的電極可用作正極和負(fù)極的至少一個(gè)。優(yōu)選正極和負(fù)極都是本發(fā)明的電極。
由于本發(fā)明的電極具有均勻的厚度，因此獲得了具有均勻厚度的電池。如圖3A和3B所示，本發(fā)明的電池300優(yōu)選是矩形電池，其中，包括正極102a和負(fù)極102b的發(fā)電元件112存儲(chǔ)在包括聚合物金屬復(fù)合膜的封裝材料110中。此外，距其中存儲(chǔ)發(fā)電元件112的部分的端部10mm以內(nèi)的其中存儲(chǔ)發(fā)電元件112的部分的平均厚度不超過距端部超過10mm的部分的平均厚度的104％。
在此情況下，“發(fā)電元件”表示其中將正極102a、負(fù)極102b和集流體104、在某些情況下還將固體電解質(zhì)膜108層疊并且實(shí)際上進(jìn)行充放電反應(yīng)的元件。當(dāng)發(fā)電元件112存儲(chǔ)在封裝材料110中時(shí)，接頭105抽出到封裝材料110的外部。為了確保內(nèi)部的密封特性，封裝材料110在未存儲(chǔ)發(fā)電元件112的區(qū)域密封。因此，存儲(chǔ)了發(fā)電元件112的部分的厚度變?yōu)殡姵?00的實(shí)際厚度。當(dāng)本發(fā)明的電池具有以上模式時(shí)，優(yōu)選存儲(chǔ)發(fā)電元件部分的厚度滿足上述要求。也就是說，距其中存儲(chǔ)了發(fā)電元件的部分的端部10mm以內(nèi)的其中存儲(chǔ)了發(fā)電元件的部分的平均厚度不超過距端部超過10mm的部分的平均厚度的104％?！捌渲写鎯?chǔ)了發(fā)電元件的部分的端部”表示對(duì)于電池的實(shí)際厚度的邊界。也就是說，在圖3B中，“其中存儲(chǔ)了發(fā)電元件的部分的端部”表示電池的厚度開始迅速變薄的部分A。利用其中接近邊界的厚度與不接近邊界的部分的厚度相比不超過104％的、具有優(yōu)異平坦度的電池，電池容易層疊。根據(jù)測(cè)量電極厚度的方法測(cè)量電池的厚度。通常，在其中存儲(chǔ)了發(fā)電元件的部分的端部中有四邊。在此情況下，為了測(cè)量平均值，可以測(cè)量各邊中的平均厚度。
聚合物金屬復(fù)合膜是其中至少層疊了金屬箔膜和樹脂膜的一種復(fù)合膜。采用封裝材料形成薄片電池。在具有以上范圍的平整度的薄片電池中，難以發(fā)生由施加于電池的振動(dòng)引起的電池特性惡化。
在標(biāo)準(zhǔn)電池中，正極、電解質(zhì)和負(fù)極按此順序設(shè)置并密封在封裝材料中。電解質(zhì)可以是固態(tài)或液態(tài)的。對(duì)封裝材料沒有特別限制。考慮到應(yīng)用于車輛的用途，電解質(zhì)優(yōu)選是固態(tài)的。此外，優(yōu)選本發(fā)明的電池是鋰二次電池。
作為參照，圖4表示出具有本發(fā)明的正極和負(fù)極的鋰二次電池和具有采用常規(guī)涂料機(jī)制成的正極和負(fù)極的鋰二次電池的厚度分布。如圖4所示，在常規(guī)電池中，接近于用于連接接頭的未涂覆部分處電池厚度迅速增加。另一方面，在本發(fā)明的電池中，即使接近于用于連接接頭的未涂覆部分，也保持電池厚度。
可以將本發(fā)明的電池串聯(lián)或并聯(lián)連接以形成組裝電池，或通過電池的串聯(lián)連接和并聯(lián)連接的組合形成組裝電池。如圖5A和5C所示，將組裝電池400設(shè)置在外殼402中。端子404從外殼402中引出，以用于連接到其它裝置。為了清楚地表示安裝組裝電池的狀態(tài)，分別繪制出透視圖5A至5C。
如圖6A至6C所示，可將組裝電池400以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接從而形成多個(gè)組裝電池500，或者通過組裝電池400的串聯(lián)連接和并聯(lián)連接的組合而形成多個(gè)組裝電池500。通過連接板504和連接螺釘506將組裝電池400以串聯(lián)或并聯(lián)連接方式固定。在組裝電池400和最底部之間，設(shè)置彈性部件508以緩解來自外部的震動(dòng)。
可根據(jù)對(duì)電池輸出和容量的要求確定在組裝電池中和多個(gè)組裝電池中的電池?cái)?shù)量和連接電池的方式。當(dāng)形成組裝電池或多個(gè)組裝電池時(shí)，與單電池相比，電池的穩(wěn)定性增加。通過形成組裝電池或多個(gè)組裝電池可減小一個(gè)單元惡化對(duì)整個(gè)電池組的影響。
優(yōu)選將組裝電池或多個(gè)組裝電池用于車輛。圖7示出其中安裝了本發(fā)明的組裝電池400或多個(gè)組裝電池500的車輛。安裝在車輛上的組裝電池400或多個(gè)組裝電池500具有以上所述的特征。因此，其中安裝了本發(fā)明的電池的車輛可具有高耐久性，即使電池長(zhǎng)期使用也能提供足夠的輸出。此外，由于電池占的體積小，加大了車內(nèi)空間。
本發(fā)明的電池在用于車輛時(shí)尤為有益。當(dāng)常規(guī)電池用于車輛時(shí)，需要層疊多個(gè)電池，放大了電池厚度的差別，造成了電池難以固定到車輛上的問題。利用本發(fā)明的平坦電池還解決了該問題，電池還具有抗振動(dòng)的耐用性，即使電池用在經(jīng)常受到振動(dòng)的環(huán)境如車輛中時(shí)，也難以產(chǎn)生由共振引起的電池惡化。
由于本發(fā)明的電池小，因此當(dāng)電池用于車輛時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)。例如，設(shè)定由噴墨法制造電極和聚合物電解質(zhì)，從而形成雙極電池。在此情況下，還設(shè)定集流體的厚度是5μm，正極層的厚度是5μm，固體聚合物電解質(zhì)層的厚度是5μm，負(fù)極層的厚度是5μm，則單電池的厚度是20μm。當(dāng)上百個(gè)單電池層疊以制成輸出為420V的雙極電池時(shí)，雙極電池在0.5升的電池體積中具有25kW和70Wh的輸出。理論上，通過具有不大于常規(guī)電池尺寸的1/10的本發(fā)明的電池可獲取與常規(guī)電池相同的輸出。
將描述制造本發(fā)明的電極的方法。通過采用噴墨法形成電極層的工藝制造本發(fā)明的電極。
當(dāng)由如上所述的噴墨法形成電極層時(shí)，可制成薄且均勻的電極層。由于已經(jīng)描述了由噴墨法形成電極層本身的效果，因此在省略了對(duì)此的描述。
當(dāng)由噴墨法形成電極層時(shí)，加工性的改善可列舉為本方法的優(yōu)點(diǎn)。在采用涂料機(jī)如輥涂機(jī)形成電極層的常規(guī)方法中，需要在各正極和負(fù)極中存在單獨(dú)的涂料機(jī)，生產(chǎn)線為大規(guī)模，而且花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間制造電極。另一方面，當(dāng)采取其中由本發(fā)明的噴墨法形成電極層的方法中，可通過單條噴墨線生產(chǎn)正極層和負(fù)極層，并且在某些情況下，還可以生產(chǎn)聚合物電解質(zhì)膜。噴墨法與常規(guī)方法的不同點(diǎn)在于能夠生產(chǎn)具有精細(xì)圖形的電極層。此外，可在計(jì)算機(jī)上自由進(jìn)行設(shè)計(jì)的變化。因此，本發(fā)明方法的采用可通過一條噴墨線生產(chǎn)多種電極層或聚合物電解質(zhì)膜。
為了通過采用本發(fā)明的方法制造電極，首先制備基底材料，在所述基底材料中通過噴墨法形成電極層。集流體或聚合物電解質(zhì)膜可用作基底材料。當(dāng)基底材料難以自身供應(yīng)到噴墨裝置時(shí)，可以采用將基底材料貼到紙等媒質(zhì)上以向噴墨裝置提供基底材料的方法。
在印刷之前制備正極墨水和負(fù)極墨水。當(dāng)同樣由噴墨法制造聚合物電解質(zhì)膜時(shí)還制備電解質(zhì)墨水。
例如采用正極活性材料、導(dǎo)電材料、聚合物電解質(zhì)原料、鋰鹽、聚合引發(fā)劑和溶劑作為含在正極墨水中的組分，并且，在正極墨水中至少含有正極活性材料。可以采取使正極墨水含有聚合物電解質(zhì)原料如大單體環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷和聚合引發(fā)劑如芐基二甲基縮酮的方式改善電極層的離子導(dǎo)電性，印刷該正極層，然后使聚合物電解質(zhì)原料聚合。對(duì)該溶劑沒有特別限制。但例如可采用乙腈。
對(duì)正極墨水中所含的組分的混合比(compound ratio)沒有特別限制。但正極墨水的粘度應(yīng)低至可采用噴墨法的程度。例如，可采取增加溶劑組分的方法和增加正極墨水溫度的方法作為將粘度保持為較低值的方法。然而，當(dāng)溶劑組分過度增加時(shí)，由于在電極層中每單位體積的活性材料量降低，因此最好將溶劑組分控制為最小。還可以改善聚合物電解質(zhì)原料和其它化合物，使得粘度降低。
例如采用負(fù)極活性材料、導(dǎo)電材料、聚合物電解質(zhì)原料、鋰鹽、聚合引發(fā)劑和溶劑作為含在負(fù)極墨水中的組分，并且，在負(fù)極墨水中至少含有負(fù)極活性材料?？梢圆扇∈关?fù)極墨水含有聚合物電解質(zhì)原料如大單體環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷和聚合引發(fā)劑如芐基二甲基縮酮的方式改善電極層的離子導(dǎo)電性，印刷該負(fù)極層，然后使聚合物電解質(zhì)原料聚合。對(duì)該溶劑沒有特別限制。但例如可采用乙腈。
對(duì)在負(fù)極墨水中所含組分的混合比沒有特別限制。由于對(duì)混合比的描述與在正極墨水中所述的相同，因此在此省略了描述。
例如可采用聚合物電解質(zhì)原料、鋰鹽、聚合引發(fā)劑和溶劑作為在電解質(zhì)墨水中所含的組分，在電解質(zhì)墨水中至少含有聚合物電解質(zhì)原料。對(duì)聚合物電解質(zhì)原料沒有特別限制，只要該化合物可通過噴墨后的聚合形成聚合物電解質(zhì)層即可。例如，可采用環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的大分子單體作為聚合物電解質(zhì)原料。對(duì)溶劑沒有特別限制。但例如采用乙腈。
對(duì)在電解質(zhì)墨水中所含組分的混合比沒有特別限制。由于混合比的描述與在正極墨水中所述的相同，因此在此省略了描述。由于電解質(zhì)墨水含有相對(duì)大量的聚合物電解質(zhì)原料，因此應(yīng)注意聚合物電解質(zhì)原料易于增加墨水的粘度。當(dāng)制成的電池中所含的電解質(zhì)是液體時(shí)，當(dāng)然不需要電解質(zhì)墨水。
對(duì)供應(yīng)到噴墨裝置的各種墨水的粘度沒有特別限制，但優(yōu)選各種墨水的粘度在約0.1-50cP的范圍內(nèi)。
通過噴墨法將墨噴到基底材料上，從而形成電極層。當(dāng)形成電極層時(shí)，預(yù)先確定電極層的圖形。當(dāng)根據(jù)在計(jì)算機(jī)上制成的圖像形成電極層時(shí)，加工性變得優(yōu)異。利用計(jì)算機(jī)確定圖形的方式類似于現(xiàn)有的利用計(jì)算機(jī)和打印機(jī)形成圖像的操作方式。因此，本發(fā)明比較易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)是因?yàn)榭刹捎脠D像形成領(lǐng)域的現(xiàn)有知識(shí)。
將集流體供應(yīng)給噴墨裝置，作為含活性材料的液體的電極墨水以許多微粒的形式噴出，這些微粒根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖形粘到集流體上。在噴墨機(jī)構(gòu)中，對(duì)于噴墨裝置可采取壓電方法、熱噴墨法和氣泡噴射法的任何一種。優(yōu)選采用壓電法，在壓電法中通過改變壓電元件體積的方式噴射墨水微粒。
由噴墨裝置噴出的微粒的體積優(yōu)選在1-100皮升(10-12升)的范圍內(nèi)。當(dāng)噴出微粒的體積太小時(shí)，存在沒有充分減小振動(dòng)的可能性。當(dāng)噴出微粒的體積太大時(shí)也存在同樣問題。由噴墨裝置噴出的微粒的體積基本上彼此相等，這樣制成的電極和電池具有高均勻性。
當(dāng)通過噴墨裝置僅一次粘接微粒而電極層的膜厚不足時(shí)，可向同一位置兩次或多次地粘接微粒，以增加電極層的厚度。“同一位置”表示與由噴墨裝置的第一次印刷形成電極層的位置相同。即，“同一位置”表示同一材料的外覆層。以通過采取上述技術(shù)層疊具有均一厚度的電極層的方式增加電極的厚度。當(dāng)由噴墨法形成電極層時(shí)，所形成的電極層的均勻度非常高。因此，即使當(dāng)電極層層疊許多次，也保持了高均勻性。
在形成電極層之后，通過烘干去除溶劑。當(dāng)聚合物電解質(zhì)原料化合時(shí)，為了通過聚合形成聚合物電解質(zhì)，可進(jìn)行聚合步驟。例如，當(dāng)添加光聚合引發(fā)劑時(shí)，利用紫外線照射電極層以起動(dòng)聚合，由此完成電極。
實(shí)施本發(fā)明的電極制造方法的工藝取決于最終制成的電池。例如，當(dāng)生產(chǎn)其中將液體電解質(zhì)設(shè)置在正極和負(fù)極中以將它們密封在封裝材料中的鋰離子電池時(shí)，根據(jù)本發(fā)明單獨(dú)地制造正極和負(fù)極，利用它們組裝電池。當(dāng)生產(chǎn)利用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的雙極電池時(shí)，集流體用作基底材料，通過噴墨法按順序生產(chǎn)正極層、聚合物電解質(zhì)膜和負(fù)極層，層疊集流體。如果需要，通過反復(fù)操作完成具有許多疊層的雙極電池。在此情況下，本發(fā)明應(yīng)用于制造正極層、聚合物電解質(zhì)膜和負(fù)極層的步驟。
以下通過實(shí)例詳細(xì)描述本發(fā)明。在以下實(shí)施例中，除非另有說明，將大單體環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷用作聚合物電解質(zhì)原料、將LiN(SO2C2F5)2(BETI)用作鋰鹽、尖晶石型LiMn2O4(平均粒徑0.6μm)用作正極活性材料、研磨的石墨(平均粒徑0.7μm)用作負(fù)極活性材料，芐基二甲基縮酮用作光聚合引發(fā)劑。
在不超過露點(diǎn)下30℃的干燥氣氛下進(jìn)行負(fù)極墨水、正極墨水和電解質(zhì)墨水的制備、印刷和電池的組裝。通過以下方法合成聚合物電解質(zhì)原料。
首先，在存在甘油的情況下，在氫氧化鉀用作催化劑的同時(shí)通過陰離子開環(huán)聚合法制備包括環(huán)氧乙烷(EO)和環(huán)氧丙烷(PO)的無規(guī)共聚物的三羥基聚醚(polyether triol)。三羥基聚醚的一部分末端OH基通過與甲醇中的甲醇鈉反應(yīng)變成醇鈉，并利用氯甲烷甲基化。剩余的末端OH基酯化并被替換成丙烯?；?，制成部分甲基化的聚醚丙烯酸酯(PMPEA)。以上述方式合成的大單體用作聚合物電解質(zhì)原料。
(實(shí)例1)制備正極活性材料(7質(zhì)量％)、作為導(dǎo)電材料的乙炔黑(2質(zhì)量％)、聚合物電解質(zhì)原料(4質(zhì)量％)、鋰鹽(2質(zhì)量％)和光聚合引發(fā)劑(相對(duì)于聚合物電解質(zhì)原料為0.1質(zhì)量％)，并加入乙腈(85質(zhì)量％)作溶劑。然后，進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瞥勺鳛檎龢O墨水的漿料。墨水的粘度為約3cP。
通過下述工序采用所制備的墨水和可購買到的噴墨打印機(jī)制備正極。當(dāng)采用以上墨水時(shí)，有一個(gè)問題是，作為溶劑的乙腈溶解了位于噴墨打印機(jī)的墨水進(jìn)入部分的塑料部件。因此，位于墨水進(jìn)入部分的塑料部件用金屬部件取代，墨水從墨水腔直接供應(yīng)到金屬部件。墨水的粘度低，存在活性材料沉淀的危險(xiǎn)，因此一直通過旋轉(zhuǎn)葉片攪拌墨水腔。
通過可購買到的計(jì)算機(jī)和軟件控制噴墨打印機(jī)。所制成的正極墨水用于生產(chǎn)正極層。由噴墨打印機(jī)印刷由計(jì)算機(jī)形成的圖形，由此方式制成正極層。由于難以將金屬箔直接提供給打印機(jī)，因此將金屬箔貼到粘合紙(bond paper)上，將帶有粘合紙的金屬箔提供給打印機(jī)進(jìn)行印刷。
將正極墨水引入已進(jìn)行了上述改進(jìn)的噴墨打印機(jī)，從而將在計(jì)算機(jī)上形成的圖形印刷在作為集流體的20μm厚的鋁箔上。從噴墨打印機(jī)噴出的正極墨水的微粒體積約為2皮升。通過在同一表面上五次印刷正極墨水，形成正極層。
在印刷后，在真空爐中以60℃進(jìn)行兩小時(shí)的干燥，以便烘干溶劑。在烘干之后，為了使該聚合物電解質(zhì)原料聚合，在真空中用紫外線照射該聚合物電解質(zhì)原料20分鐘，由此將正極層層疊在集流體上。
對(duì)沒有形成集流體的正極層的表面也進(jìn)行相同的操作。結(jié)果，獲得了在集流體的兩面上均形成了正極層的正極。然后，切割該正極，由此獲得預(yù)定的電池尺寸。
研究正極厚度。集流體和電極層的平均厚度約為126μm。集流體和電極層的平均厚度是鋁箔(20μm)和在鋁箔的兩面上形成的電極層(53μm)的總和。集流體和電極層最薄的部分接近電極的切割部。另一方面，集流體和電極層最厚的部分接近未涂覆部分。最大厚度是最小厚度的100.1％。也就是說，獲得了非常平坦的電極。距未涂覆部分10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度與其它區(qū)域的集流體和電極層的平均厚度之比是100.0％。電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與電極層的平均厚度(A)之比(σ/A)是0.71％。
通過以下方法評(píng)估采用該正極的電池的振動(dòng)吸收能力。在所得到的電池的大致中央部分設(shè)置加速度接收器，當(dāng)由脈沖錘進(jìn)行錘打時(shí)，測(cè)量加速度接收器的振動(dòng)譜。設(shè)定方法遵照J(rèn)IS B0908(ISO 5347)。由FET分析儀分析測(cè)量的振動(dòng)譜，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率和加速度的尺度。對(duì)所獲得的頻率進(jìn)行均化和平滑，以取得振動(dòng)傳遞率譜。圖8是振動(dòng)傳遞率譜。根據(jù)在加速度譜中第一波峰的面積比率確定平均衰減率。數(shù)值變大意味著振動(dòng)進(jìn)一步減弱。基于利用下述對(duì)比例1的正極的電池，獲得了45％的衰減率降低。結(jié)果示于表1中。
在實(shí)例中，根據(jù)以上方法進(jìn)行厚度測(cè)量。將用于計(jì)算平均值的反復(fù)次數(shù)N設(shè)定為50次。
(實(shí)例2)制備負(fù)極活性材料(9質(zhì)量％)、聚合物電解質(zhì)原料(4質(zhì)量％)、鋰鹽(2質(zhì)量％)和光聚合引發(fā)劑(相對(duì)于聚合物電解質(zhì)原料為0.1質(zhì)量％)，并加入乙腈(85質(zhì)量％)作溶劑。然后，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，制成作為?fù)極墨水的漿料。墨水的粘度為約3cP。
類似于實(shí)例1，將負(fù)極墨水引入噴墨打印機(jī)，從而將在計(jì)算機(jī)上形成的圖形印刷在作為集流體的15μm厚的銅箔上。從噴墨打印機(jī)噴出的負(fù)極墨水的微粒體積約為2皮升。通過在同一表面上五次印刷負(fù)極墨水，形成負(fù)極層。
在印刷后，在真空爐中以60℃進(jìn)行兩小時(shí)的干燥，以便烘干溶劑。在烘干之后，為了使該聚合物電解質(zhì)原料聚合，在真空中用紫外線照射該聚合物電解質(zhì)原料20分鐘，由此將負(fù)極層層疊在集流體上。
對(duì)沒有形成集流體的負(fù)極層的表面也進(jìn)行相同的操作。結(jié)果，獲得了在集流體的兩面上均形成了負(fù)極層的負(fù)極。然后，切割該負(fù)極，由此獲得預(yù)定的電池尺寸。
研究負(fù)極厚度。集流體和電極層的平均厚度約為122μm。集流體和電極層的平均厚度是銅箔(15μm)和在銅箔的兩面上形成的電極層(53.5μm)的總和。集流體和電極層最薄的部分接近電極的切割部。另一方面，集流體和電極層最厚的部分接近未涂覆部分。最大厚度是最小厚度的100.1％。也就是說，獲得了非常平坦的電極。距未涂覆部分10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度與其它區(qū)域的集流體和電極層的平均厚度之比是100.0％。電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與電極層的平均厚度(A)之比(σ/A)是0.57％。
以類似于實(shí)例1的方式評(píng)估采用該負(fù)極的電池的振動(dòng)吸收能力?；诶孟率鰧?duì)比例2的負(fù)極的電池，獲得了40％的衰減率降低效果。結(jié)果示于表1中。
(對(duì)比例1)制備正極活性材料(7質(zhì)量％)、作為導(dǎo)電材料的乙炔黑(2質(zhì)量％)、聚合物電解質(zhì)原料(4質(zhì)量％)、鋰鹽(2質(zhì)量％)和光聚合引發(fā)劑(相對(duì)于聚合物電解質(zhì)原料為0.1質(zhì)量％)，并加入乙腈(85質(zhì)量％)作溶劑。然后，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，制成用于正極層的漿料。
將用于正極層的漿料通過輥涂機(jī)涂覆在作為集流體的20μm厚的鋁箔上。在涂覆之后，在真空爐中以60℃進(jìn)行兩小時(shí)的烘干，從而烘干溶劑。在烘干之后，為了使該聚合物電解質(zhì)原料聚合，在真空中用紫外線照射該聚合物電解質(zhì)原料20分鐘，由此將正極層層疊在集流體上。
對(duì)沒有形成集流體的正極層的表面也進(jìn)行相同的操作。結(jié)果，獲得了在集流體的兩面上均形成了正極層的正極。然后，切割該正極，由此獲得預(yù)定的電池尺寸。
研究正極厚度。集流體和電極層的平均厚度約為129μm。集流體和電極層最薄的部分接近電極的切割部。另一方面，集流體和電極層最厚的部分接近未涂覆部分。最大厚度是最小厚度的106.3％。也就是說，獲得了接近未涂覆部分厚度較大的電極。距未涂覆部分10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度與其它區(qū)域的集流體和電極層的平均厚度之比是104.1％。電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與電極層的平均厚度(A)之比(σ/A)是3.1％。
(對(duì)比例2)制備負(fù)極活性材料(9質(zhì)量％)、聚合物電解質(zhì)原料(4質(zhì)量％)、鋰鹽(2質(zhì)量％)和光聚合引發(fā)劑(相對(duì)于聚合物電解質(zhì)原料為0.1質(zhì)量％)，并加入乙腈(85質(zhì)量％)作溶劑。然后，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，制成用于?fù)極層的漿料。
將用于負(fù)極層的漿料通過輥涂機(jī)涂覆在作為集流體的15μm厚的銅箔上。在涂覆之后，在真空爐中以60℃進(jìn)行兩小時(shí)的烘干，從而烘干溶劑。在烘干之后，為了使該聚合物電解質(zhì)原料聚合，在真空中用紫外線照射該聚合物電解質(zhì)原料20分鐘，由此將負(fù)極層層疊在集流體上。
對(duì)沒有形成集流體的負(fù)極層的表面也進(jìn)行相同的操作。結(jié)果，獲得了在集流體的兩面上均形成了負(fù)極層的負(fù)極。然后，切割該負(fù)極，由此獲得預(yù)定的電池尺寸。
研究負(fù)極厚度。集流體和電極層的平均厚度約為124μm。集流體和電極層最薄的部分接近電極的切割部。另一方面，集流體和電極層最厚的部分接近未涂覆部分。最大厚度是最小厚度的107.0％。也就是說，獲得了接近未涂覆部分厚度較大的電極。距未涂覆部分10mm以內(nèi)的集流體和電極層的平均厚度與其它區(qū)域的集流體和電極層的平均厚度之比是104.4％。電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與電極層的平均厚度(A)之比(σ/A)是3.2％。
表1

如表1所示，本發(fā)明的電極具有非常高的平坦度和優(yōu)異的衰減率降低(attenuation rate reduction)，有助于電池壽命的延長(zhǎng)。此外，由于可以形成薄且均勻的電極，因此可獲得具有高輸出的小型電源。
申請(qǐng)日為2003年6月18日的日本專利申請(qǐng)No.P2003-174135的全部?jī)?nèi)容在此引作參考。
雖然參照本發(fā)明的特定實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了以上的描述，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)其教導(dǎo)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改和變化。參照以下權(quán)利要求書限定本發(fā)明的范圍。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的電極非常薄，膜厚的均勻性高。因此，電池的散熱特性是均勻的，在電池中幾乎沒有產(chǎn)生局部惡化。在電池中也幾乎不會(huì)出現(xiàn)裂縫和破裂。當(dāng)由噴墨法形成電極層時(shí)，可精確控制密度和厚度，可制造出具有高均勻性的極薄電極，這由常規(guī)涂覆機(jī)還沒有實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種電極，包括集流體；和設(shè)置在集流體上并含有活性材料的電極層，其中集流體和電極層的平均厚度在5-300μm的范圍內(nèi)，并且集流體和電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電極，其中位于距在集流體上沒有設(shè)置電極層的區(qū)域10mm以內(nèi)處的所述集流體和所述電極層的平均厚度不超過其它區(qū)域平均厚度的104％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電極，其中所述在集流體上沒有設(shè)置電極層的區(qū)域是連接接頭的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電極，其中所述電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ與電極層的平均厚度A之比σ/A不超過3％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電極，其中，通過將含有活性材料的液體以許多微粒的形式噴出從而粘到基底材料上的噴墨方法形成所述電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電極，其中所述基底材料是集流體和聚合物電解質(zhì)膜中的任一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電極其中所述活性材料是包括Li-Mn基復(fù)合氧化物和Li-Ni基復(fù)合氧化物任一種的正極活性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電極，其中所述活性材料是包括結(jié)晶化碳材料和非晶化碳材料任一種的負(fù)極活性材料。
9.一種電池，包括電極，包括集流體和設(shè)置在集流體上并含有活性材料的電極層，其中集流體和電極層的平均厚度在5-300μm的范圍內(nèi)，并且集流體和電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的電池，其中所述電池是矩形電池，在該矩形電池中將包括電極的發(fā)電元件存儲(chǔ)在包括聚合物金屬復(fù)合膜的封裝材料中，并且，在距存儲(chǔ)發(fā)電元件的部分的端部10mm以內(nèi)存儲(chǔ)發(fā)電元件的部分的平均厚度不超過距該端部超過10mm的部分的平均厚度的104％。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的電池，其中所述電池是鋰二次電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的電池，其中所述電池用于組裝電池。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電池，其中所述組裝電池用于多個(gè)組裝電池。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的電池，其中所述組裝電池用在車輛中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電池，其中所述多個(gè)組裝電池用在車輛中。
16.一種制造電極的方法，包括通過采用噴墨法形成電極層，在噴墨法中將含有活性材料的液體以多個(gè)微粒的形式噴出從而將這些微粒粘接到基底材料上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中所述基底材料是集流體和聚合物電解質(zhì)膜中的任一個(gè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中使所述液體兩次或多次粘到基底材料的同一位置以增加電極層的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中通過改變壓電元件的體積噴出所述微粒。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中所述微粒的體積在1-100皮升的范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中所述基底材料是集流體，所述集流體和所述電極層的平均厚度在5-300μm的范圍內(nèi)，并且所述集流體和所述電極層的最大厚度不超過集流體和電極層的最小厚度的105％。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的制造電極的方法，其中位于距集流體上沒有設(shè)置電極層的區(qū)域10mm以內(nèi)處的集流體和電極層的平均厚度不超過其它區(qū)域的平均厚度的104％。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的制造電極的方法，其中所述在集流體上沒有設(shè)置電極層的區(qū)域是連接接頭的區(qū)域。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的制造電極的方法，其中所述電極層厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ與電極層的平均厚度A之比σ/A不超過3％。
25.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中所述活性材料是包括Li-Mn基復(fù)合氧化物和Li-Ni基復(fù)合氧化物任一種的正極活性材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的制造電極的方法，其中所述活性材料是包括結(jié)晶化碳材料和非晶化碳材料任一種的負(fù)極活性材料。
27.一種制造電池的方法，包括通過采用其中將含有負(fù)極活性材料的液體以多個(gè)微粒的形式噴出的噴墨法形成負(fù)極層；和通過采用其中將含有正極活性材料的液體以多個(gè)微粒的形式噴出的噴墨法形成正極層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的制造電池的方法，還包括通過采用其中將含有聚合物引發(fā)劑和聚合物電解質(zhì)原料的液體以多個(gè)微粒的形式噴出的噴墨法形成所述聚合物電解質(zhì)膜。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的制造電池的方法，其中所述電池是矩形電池，在該矩形電池中將包括電極的發(fā)電元件存儲(chǔ)在包括聚合物金屬復(fù)合膜的封裝材料中，并且，在距存儲(chǔ)發(fā)電元件的部分的端部10mm以內(nèi)存儲(chǔ)發(fā)電元件的部分的平均厚度不超過距該端部超過10mm的部分的平均厚度的104％。
全文摘要
本發(fā)明的電極(100)包含集流體(104)和在集流體(104)上設(shè)置的并含有活性材料的電極層(102)。在電極(100)中，集流體(104)和電極層(102)的平均厚度(h)在5－300μm的范圍內(nèi)，集流體(104)和電極層(102)的最大厚度(h)不超過集流體(104)和電極層(102)的最小厚度(h)的105％。電極(100)非常薄，電極層(102)的均勻性高。因此，電池(300)的散熱特性均勻，電池(300)中幾乎不發(fā)生局部惡化，在電池(300)中幾乎不產(chǎn)生裂縫和破裂。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1806352SQ200480016808
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2004年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者渡邉恭一, 堀江英明, 島村修, 齋藤崇實(shí) 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社