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JP2023527842A - 高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池 - Google Patents

高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池 Download PDF

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JP2023527842A JP2022573154A JP2022573154A JP2023527842A JP 2023527842 A JP2023527842 A JP 2023527842A JP 2022573154 A JP2022573154 A JP 2022573154A JP 2022573154 A JP2022573154 A JP 2022573154A JP 2023527842 A JP2023527842 A JP 2023527842A
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Abstract

本発明は、アノード（１２０）／セパレータ（１１８）／カソード（１３０）の配列を有するストリップ状電極－セパレータ複合体（１０４）を含むリチウム－イオン電池（１００）であって、アノード（１２０）及びカソード（１３０）が、第１及び第２の長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）並びに２つの末端部を有するそれぞれのストリップ状集電体（１１０、１１５）を有し、集電体の各々が、それぞれの電極材料（１２３、１２５）で作製された層を載せられたストリップ状主領域（１２２、１１６）、及び第１の長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）に沿って延び、電極材料を載せられていない自由縁部ストリップ（１２１、１１７）を有する、リチウム－イオン電池（１００）に関する。複合体（１０４）は２つの末端端面を有する巻回体の形態で提供されるか、又は２つ以上の同一の電極－セパレータ複合体で作製され、２つの末端面を同様に有するスタックの部分であり、任意選択的に、スタックの追加の同一の電極－セパレータ複合体と共に、ハウジングによって封入されている。アノード（１２０）及びカソード（１３０）は、アノード集電体の第１の長手方向縁部（１１０ｅ）がスタックの一方の末端端面又は面から出、カソード集電体の第１の長手方向縁部（１１５ｅ）がスタックの他方の末端端面又は面から出るよう、複合体（１０４）内で互いに対して設計され、及び／又は配置されている。電池（１００）は、第１の長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）のうちの一方と直接接触し、溶接プロセスによって該長手方向縁部に接続されたシート金属コンタクト部分（１０１ａ、１０２、１５５）を含む。本発明によれば、ハウジングの部分（１０１ａ）がシート金属コンタクト部分として形成されるか、又はシート金属コンタクト部分（１０２、１５５）がハウジングの部分を形成する。

Description

後述される本発明は、電極－セパレータアセンブリを含むリチウムイオン電池に関する。
電気化学電池は、蓄積された化学エネルギーを酸化還元反応によって電気エネルギーに変換する能力を有する。電気化学電池は、概して、セパレータによって互いに分離された正電極及び負電極を含む。放電中には、電子が酸化プロセスの結果として負電極において放出される。これは、電気化学電池がエネルギー供給器の役割を果たす外部電力消費機器によって引き出され得る電子電流を生じさせる。同時に、電極反応に対応するイオン電流が電池内で発生する。このイオン電流はセパレータを通り抜け、イオン伝導性電解液によって可能にされる。
放電が可逆である場合には、電池は、二次電池であると言われる。これは、放電の間に行われた化学エネルギーの変換を逆転させ、それゆえ、電池を充電する可能性があることを意味する。二次電池における慣例である、アノードとしての負電極の呼称、及びカソードとしての正電極の呼称は、電気化学電池の放電機能を指す。
広く用いられている二次リチウムイオン電池は、イオンの形態で電池の電極の間を移動することができる、リチウムの使用に基づく。リチウムイオン電池は、比較的高いエネルギー密度によって特徴付けられる。リチウムイオン電池の負電極及び正電極は、概して、電気化学的活性構成要素及び電気化学的非活性構成要素を含む、いわゆる複合電極によって形成される。
原理的に、リチウムイオンを吸収及び放出することができる全ての材料を二次リチウムイオン電池のための電気化学的活性構成要素（活物質）として用いることができる。負電極のためには、黒鉛質炭素などの炭素ベースの粒子がしばしば用いられる。リチウムのインターカレーションのために適した他の非黒鉛質炭素を用いることもできる。加えて、リチウムと合金化され得る金属及び半金属材料を用いることもできる。例えば、元素、スズ、アルミニウム、アンチモン、及びケイ素がリチウムと金属間相を形成することができる。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、又はリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、或いはそれらの派生物を正電極のための活物質として用いることができる。電気化学的活物質は、概して、電極内に粒子の形態で含有される。
電気化学的不活性構成要素として、複合電極は、概して、活物質で被覆された、平坦な、及び／又はリボン状の集電体、例えば、金属箔を含む。例えば、負電極（アノード集電体）のための集電体は銅又はニッケルで形成され得、正電極（カソード集電体）のための集電体はアルミニウムで形成され得る。さらに、電極は、電極バインダ（例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、又はカルボキシメチルセルロースなどの、別のポリマー）を含むことができる。これは、電極の機械的安定性、及び多くの場合、また、集電体への活物質の付着を確実にする。さらに、電極は伝導性向上添加材又は他の添加材を含有することができる。
電解液として、リチウムイオン電池は、概して、有機溶媒（例えば、炭酸のエーテル及びエステル）中の六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）などのリチウム塩の溶液を含む。
リチウムイオン電池の生産において、複合電極は１つ以上のセパレータと組み合わせられ、アセンブリを形成する。多くの場合、電極及びセパレータは貼り合わせ又は接着によって互いに接合される。次に、アセンブリに電解液を含浸させることによって電池の基本的機能性を確立することができる。
多くの実施形態では、アセンブリは平坦であり、このため、いくつかのアセンブリを互いの上に平坦に積み重ねることができる。しかし、非常に多くの場合、アセンブリは巻回体の形状で形成されるか、又は巻回体に加工される。
概して、アセンブリは、巻回されるか否かにかかわらず、配列、正電極／セパレータ／負電極を含む。多くの場合、アセンブリは、可能な配列、負電極／セパレータ／正電極／セパレータ／負電極、又は正電極／セパレータ／負電極／セパレータ／正電極を有する、いわゆるバイセルとして生産される。
自動車部門における適用のため、電動自転車のため、又はまた、工具などにおける、高エネルギー要求を有する他の適用のためには、充電及び放電の間に高電流を負荷される能力も有する、可能な限り高いエネルギー密度を有するリチウムイオン電池が必要とされる。このような電池が、例えば、国際公開第２０１７／２１５９００（Ａ１）号パンフレットに記載されている。
これらの適用のための電池は、多くの場合、例えば、フォームファクタ２１×７０（直径＊高さ（ｍｍ単位））を有する円筒形円形電池として設計される。この種の電池は巻回体の形態のアセンブリを必ず含む。このフォームファクタの最新のリチウムイオン電池はすでに、最大２７０Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を達成することができる。しかし、このエネルギー密度は単なる中間段階と考えられているにすぎない。市場はすでに、よりいっそう高いエネルギー密度を有する電池を要求している。
しかし、改善されたリチウムイオン電池を開発するときには、単にエネルギー密度以外に考慮すべき因子が存在する。極めて重要なパラメータは、また、充電及び放電中の電力損失を低減するためにできるだけ低く保たれなければならない、電池の内部抵抗、並びに電池の温度調節のために肝要になり得る、電極の熱的接続である。これらのパラメータはまた、巻回体の形態のアセンブリを包含する円筒形円形電池のためにも非常に重要である。電池が高速充電される際には、電力損失のゆえに発熱が電池内で生じ得、これが、膨大な熱機械的応力、並びにその後、変形及び損傷を電池構造にもたらし得る。リスクは、特に、集電体の電気接続が、巻回されたアセンブリから軸方向に突出した、集電体に溶接された別個の電気導体タブを介して行われる場合に存在する。なぜなら、充電又は放電中の重負荷の間に加熱がこれらの導体タブにおいて局所的に生じ得るからである。
本発明の目的は、従来技術と比べて改善されたエネルギー密度によって特徴付けられ、同時に、それらの内部抵抗及びそれらの受動的熱放散能力に関して優れた特性を有するリチウムイオン電池を提供することであった。
この目的は、請求項１の特徴を有するリチウムイオン電池及び請求項９の特徴を有する方法によって達成される。この電池及びこの方法の好ましい実施形態も従属請求項から明らかになるであろう。
本発明に係るリチウムイオン電池は、直後に示す特徴ａ．～ｉ．によって常に特徴付けられる：
ａ． 電池が、配列、アノード／セパレータ／カソードを有するリボン状電極－セパレータアセンブリを含むこと。
ｂ． アノードが、第１及び第２の長手方向縁部、並びに２つの端部を有するリボン状アノード集電体を含むこと。
ｃ． アノード集電体が、負電極材料の層を載せられたストリップ状主領域、及び電極材料を載せられていない第１の長手方向縁部に沿って延びた自由縁部ストリップを有すること。
ｄ． カソードが、第１及び第２の長手方向縁部、並びに２つの端部を有するリボン状カソード集電体を含むこと。
ｅ． カソード集電体が、正電極材料の層を載せられたストリップ状主領域、及び第１の長手方向縁部に沿って延び、電極材料を載せられていない自由縁部ストリップを有すること。
ｆ． 電極－セパレータアセンブリが、２つの末端端面を有する巻回体の形態のものであるか、又は２つ以上の同一の電極－セパレータアセンブリから形成され、２つの末端面を有するスタックの部分であること。
ｇ． 電極－セパレータアセンブリが、場合によっては、スタックの他の同一の電極－セパレータアセンブリと共に、ハウジング内に封入されていること。
ｈ． アノード及びカソードが、アノード集電体の第１の長手方向縁部がスタックの末端端面又は面（terminal end faces or sides）のうちの一方から突出し、カソード集電体の第１の長手方向縁部が末端端面又は面のうちの他方から突出するよう、電極－セパレータアセンブリ内で互いに対して形成され、及び／又は配置されていること。
ｉ． 電池が、好ましくは長手方向に、第１の長手方向縁部のうちの一方と直接接触したコンタクトシート金属部材を有すること。
ｊ． コンタクトシート金属部材が溶接によってこの長手方向縁部に接続されていること。
特に好ましくは、電池は２つのコンタクトシート金属部材を含み、そのうちの一方はアノード集電体の第１の長手方向縁部と直接接触しており、そのうちの他方はカソード集電体の第１の長手方向縁部と直接接触しており、コンタクトシート金属部材、及びそれと接触した長手方向縁部は各々、溶接によって互いに接続されている。
集電体は、電極材料内に含有される電気化学的活性構成要素とできるだけ大きな面積にわたって電気的に接触する機能を有する。好ましくは、集電体は金属から成るか、又は少なくとも、表面上で金属化されている。アノード集電体のために適した金属は、例えば、銅又はニッケル、或いは他の導電性材料、特に、銅及びニッケルの合金、或いはニッケルで被覆された金属である。ステンレス鋼もまた、一般的に、可能性のあるものである。カソード集電体のために適した金属としては、アルミニウム、又は他の導電性材料、特に、アルミニウム合金が挙げられる。
好ましくは、アノード集電体及び／又はカソード集電体は、４μｍ～３０μｍの範囲内の厚さを有するリボン状金属箔である。
フィルムに加えて、金属若しくは金属化不織布又は開気孔発泡体などの他のリボン状基材を集電体として用いることもできる。
集電体は、好ましくは、両側でそれぞれの電極材料を載せられている。
自由縁部ストリップの区域内では、それぞれの集電体の金属にそれぞれの電極材料が含まれない。好ましくは、それぞれの集電体の金属はそこでは被覆されておらず、これにより、それは、例えば、溶接による、電気接触のために利用可能である。
しかし、実施形態によっては、自由縁部ストリップの区域内のそれぞれの集電体の金属も、それで被覆された集電体よりも耐熱性が高い支援材料で被覆され得る。
「より耐熱性が高い」は、ここでは、支援材料が、集電体の金属が融解する温度で固体の状態を保持することを意味するべきである。したがって、それは、金属よりも高い融点を有するか、或いはそれは、金属がすでに融解した温度においてのみ昇華又は分解する。
好ましくは、アノード集電体及びカソード集電体は両方とも、それぞれの電極材料を載せられていない少なくとも１つの自由縁部ストリップを各々有する。さらなる発展では、アノード集電体の少なくとも１つの自由縁部ストリップ及びカソード集電体の少なくとも１つの自由縁部ストリップは両方とも支援材料で被覆されていることが好ましい。特に好ましくは、同じ支援材料が領域の各々のために用いられる。
本発明の文脈で用いることができる支援材料は、原理的に、金属又は金属合金であることができる。ただし、これ又はこれらが、支援材料で被覆された表面が成る金属よりも高い融点を有することを条件とする。しかし、多くの実施形態では、本発明に係るリチウムイオン電池は、好ましくは、直後に示すさらなる特徴ａ．～ｄ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． 支援材料が非金属材料であること。
ｂ． 支援材料が電気絶縁材料であること。
ｃ． 非金属材料が、セラミック材料、ガラス－セラミック材料、又はガラスであること。
ｄ． セラミック材料が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、又は炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）であること。
本発明によれば、支援材料は、特に好ましくは、直前に示した特徴ｂ．に従って、及び特に好ましくは、直前に示した特徴ｄ．に従って具現される。
用語、非金属材料は、特に、プラスチック、ガラス、及びセラミック材料を含む。
用語、電気絶縁材料は本文脈において広義に理解されるべきである。原理的に、それは、任意の電気絶縁材料、特に、同じく、前述のプラスチックを含む。
用語、セラミック材料は広義に理解されるべきである。特に、それは、炭化物、窒化物、酸化物、ケイ化物、或いはこれらの化合物の混合物又は派生物を含む。
用語「ガラス－セラミック材料」は、特に、非晶質ガラス相内に組み込まれた結晶性粒子を含む材料を意味する。
用語「ガラス」は、基本的に、以上において定義された熱的安定性のための基準を満たし、電池内に存在し得る電解液に対して化学的に安定した任意の無機ガラスを意味する。
特に好ましくは、アノード集電体は銅又は銅合金から成り、その一方で、同時に、カソード集電体はアルミニウム又はアルミニウム合金から成り、支援材料は酸化アルミニウム又は酸化チタンである。
アノード及び／又はカソード集電体の自由縁部ストリップが支援材料のストリップで被覆されていることがさらに好ましくなり得る。
アノード集電体及びカソード集電体のストリップ状主領域は、好ましくは、集電体のそれぞれの長手方向縁部と平行に延びている。好ましくは、ストリップ状主領域は、アノード集電体及びカソード集電体の表面の少なくとも９０％にわたって、特に好ましくは、少なくとも９５％にわたって広がっている。
好ましい実施形態によっては、支援材料はストリップ状主領域に隣接して適用されるが、自由領域を完全に覆わない。例えば、それは、それがそれぞれの縁部ストリップを部分的にのみ覆うよう、アノード及び／又はカソード集電体の長手方向縁部に沿ったストリップ又は線の形態で適用される。この長手方向縁部に直接沿って、自由縁部ストリップの細長部分が被覆されずに残ることができる。
特に好ましくは、本発明に係るリチウムイオン電池は二次リチウムイオン電池である。基本的に、リチウムイオン電池のために知られた全ての電極材料をそれらのアノード及びカソードのために用いることができる。
負電極においては、好ましくは同じく粒子の形態の、リチウムをインターカレートする能力を有する黒鉛質炭素又は非黒鉛質炭素材料などの炭素ベースの粒子が、好ましくは、活物質として用いられる。代替的に、又は加えて、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、並びにまた、リチウムと合金化可能である金属及び半金属材料、例えば、リチウムと金属間相を形成する能力を有する、元素、スズ、アンチモン、及びケイ素を用いることができる。これらの物質もまた、好ましくは、粒子の形態で用いられる。正電極のためには、ＬｉＣｏＯ２及びＬｉＦｅＰＯ４などのリチウム金属酸化物化合物及びリチウム金属リン酸塩化合物を活物質として考慮することができる。さらに、化学式ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２（ここで、ｘ＋ｙ＋ｚは、通例、１である）を有するリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４を有するリチウムマンガンスピネル（ＬＭＯ）、又は化学式ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２（ここで、ｘ＋ｙ＋ｚは、通例、１である）を有するリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）が特に適している。これらの派生物、例えば、化学式Ｌｉ１．１１（Ｎｉ０．４０Ｍｎ０．３９Ｃｏ０．１６Ａｌ０．０５）０．８９Ｏ２を有するリチウムニッケルマンガンコバルトアルミナ（ＮＭＣＡ）、又はＬｉ１＋ｘＭ－Ｏ化合物、並びに／或いは言及された物質の混合物を用いることもできる。
電気化学的不活性構成要素として、電極材料は、例えば、電極バインダ及び導電剤を含有し得る。粒子状活物質は、好ましくは、電極バインダの母材内に組み込まれ、母材内の隣接粒子は、好ましくは、互いに直接接触している。導電剤は、電極の導電率を増大させる機能を有する。一般的な電極バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸塩、又はカルボキシメチルセルロースに基づく。一般的な導電剤はカーボンブラック及び金属粉末である。
さらに、電池は、好ましくは、特に、有機溶媒中に（例えば、有機炭酸塩の混合物中に）溶解した、六フッ化リン酸リチウムなどの少なくとも１種のリチウム塩に基づく、電解液を含む。
セパレータは、例えば、例として、それが微小孔を有するため、電解液によって透過され得る電気絶縁性プラスチックフィルムである。フィルムは、例えば、ポリオレフィン又はポリエーテルケトンで作製することができる。このようなプラスチック材料で作製されたフリース及び布材をセパレータとして用いることもできる。
電極－セパレータアセンブリの製造においては、通常、反対の極性を有する集電体が一方の側から突出しないことを確実にするために注意が払われる。なぜなら、これは短絡のリスクを増大させ得るからである。しかし、上述されたアノード及びカソードの配置では、反対の極性を有する集電体が巻回体又はスタックの反対の端面から突出するため、短絡のリスクが最小限に抑えられる。
この配置からもたらされる集電体の突出は、対応する電流導体によって好ましくはそれらの全長にわたってそれらと接触することによって利用され得る。本発明によれば、上述のコンタクトシート金属部材は電流導体の役割を果たす。このような電気接触は、本発明に係る電池内の内部抵抗を著しく低減する。それゆえ、上述された配置は大電流の発生を非常にうまく吸収することができる。内部抵抗が最小限に抑えられることによって、高電流における熱損失が低減される。加えて、巻回された電極－セパレータアセンブリからの熱エネルギーの放散が促進される。重負荷の場合には、加熱は局所的に発生せず、均等に分散する。
本発明に係るリチウムイオン電池のハウジングは、好ましくは、電極－セパレータアセンブリ、又は同一の電極－セパレータアセンブリのスタックを気密的及び／又は液密的に封入する。
コンタクトシート金属部材が用いられるときには、概して、コンタクトシート金属部材をハウジングに、又はハウジングの外部へ導かれる電気導体に電気接続することが必要である。例えば、コンタクトシート金属部材は上述のハウジング部分に直接、又は電気導体を介して接続され得る。
電極－セパレータアセンブリが２つ以上の同一の電極－セパレータアセンブリのスタックの部分である場合には、同一の電極－セパレータアセンブリは、それらのアノード集電体の長手方向縁部、及びそれらのカソード集電体の長手方向縁部がスタックの同じ側から突出するよう、スタック内で配置されている。このように、全てのアノード集電体及び全てのカソード集電体を同時に同じコンタクトシート金属部材と電気的に接触させることができる。
本発明に係る電池は、特に、直後に示す特徴ｊによって特徴付けられる：
ｊ． ハウジングの部分がコンタクトシート金属部材の役割を果たし、及び／又はコンタクトシート金属部材が、電極－セパレータアセンブリを封入するハウジングの部分を形成すること。
この設計は特に有利である。一方では、それは熱放散の観点から最適である。巻回体内で発生された熱は長手方向縁部を介してハウジングへ直接放散され得る。他方では、所与の外部寸法を有するハウジングの内部容積をこのようにほぼ最適に利用することができる。各々の別個のコンタクトシート金属部材、及びコンタクトシート金属部材をハウジングに接続するための各々の別個の電気導体はハウジング内の空間を必要とし、電池の重量に寄与する。このような別個の構成要素が省かれた場合には、この空間は活物質のために利用可能である。このように、本発明に係る電池のエネルギー密度をさらに増大させることができる。
本発明の第１の変形例では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．及びｂ．のうちの少なくとも１つによって、特に好ましくは、２つの特徴の組み合わせによって特徴付けられる：
ａ． ハウジングが、底部、及び周側壁、及び開口部を有するカップ状の第１のハウジング部分、並びに開口部を閉鎖する第２のハウジング部分を含むこと。
ｂ． コンタクトシート金属部材が第１のハウジング部分の底部であること。
ハウジングは、好ましくは、円筒形又は角柱形である。カップ状の第１のハウジング部分は、好ましくは、円形又は矩形断面を有し、第２のハウジング部分、及び第１のハウジング部分の底部は、好ましくは、円形又は矩形である。
電極－セパレータアセンブリが、２つの末端端面を有する巻回体の形態のものである場合には、ハウジングは、好ましくは、円筒形である。電極－セパレータアセンブリが２つ以上の同一の電極－セパレータアセンブリのスタックの部分である場合には、ハウジングは、好ましくは、角柱形である。
ハウジングが円筒形である場合には、それは、概して、円筒形ハウジングシェル、並びに円形上部部分及び円形下部部分を含み、これにより、本変形例では、第１のハウジング部分はハウジングシェル及び円形下部部分を含み、その一方で、第２のハウジング部分は円形上部部分に対応する。円形上部部分及び／又は円形下部部分はコンタクトシート金属部材の役割を果たすことができる。
ハウジングが角柱形である場合には、このとき、ハウジングは、概して、いくつかの矩形側壁、並びに多角形、特に、矩形上部部分、及び多角形、特に、矩形下部部分を含み、これにより、本変形例では、第１のハウジング部分は側壁及び多角形下部部分を含み、その一方で、第２のハウジング部分は円形多角形上部部分に対応する。上部部分及び／又は下部部分はコンタクトシート金属部分の役割を果たすことができる。
第１及び第２のハウジング部分は両方とも、好ましくは、導電性材料、特に、金属材料から成る。ハウジング部分は、例えば、ニッケルめっき鋼板から、又は合金若しくは非合金アルミニウムから成ることができる。
第１の変形例の好ましいさらなる発展では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｅ．のうちの少なくとも１つによって、好ましくは、直前に示した特徴ａ．～ｅ．の組み合わせによって特徴付けられる：
ａ． 電池が、アノード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｂ． 電池が、カソード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｃ． コンタクトシート金属部材のうちの一方が第１のハウジング部分の底部であること。
ｄ． コンタクトシート金属部材のうちの他方が電気導体によって第２のハウジング部分に接続されていること。
ｅ． 電池が、第１及び第２のハウジング部分を互いに電気的に隔離するシールを含むこと。
本実施形態では、従来のハウジング部分を、電極－セパレータアセンブリを封入するために用いることができる。底部と電極－セパレータアセンブリとの間に配置された電気導体のために空間が無駄にされない。別個のコンタクトシート金属部材が底部において必要とされない。ハウジングを閉鎖するために、電気絶縁シールを第２のハウジング部分の一方の縁部に取り付けることができる。第２のハウジング部分及びシールのアセンブリは、第１のハウジング部分の開口部内に挿入され、例えば、圧着加工によって、そこに機械的に固定され得る。
第１の変形例の特に好ましい実施形態では、第２のハウジング部分はコンタクトシート金属部材の役割を果たすこともできる。本実施形態では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｅ．のうちの少なくとも１つによって、好ましくは、直前に示した特徴ａ．～ｅ．の組み合わせによって特徴付けられる：
ａ． 電池が、アノード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｂ． 電池が、カソード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｃ． コンタクトシート金属部材のうちの一方が第１のハウジング部分の底部であること。
ｄ． コンタクトシート金属部材のうちの他方が第２のハウジング部分であること。
ｅ． 電池が、第１及び第２のハウジング部分を互いに電気的に隔離する電気的シールを含むこと。
本実施形態では、電極－セパレータアセンブリのどちらの側でも、コンタクトシート金属部材をハウジング部分に接続するための電気導体が必要とされない。一方の側では、コンタクトシート金属部材のうちの一方がハウジング部分の追加的機能を有し、他方の側では、ハウジングの部分がコンタクトシート金属部材の役割を果たす。ハウジングの内部の空間を最適に利用することができる。
第１の変形例のさらに好ましい発展では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｅ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． 電池が、アノード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｂ． 電池が、カソード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｃ． コンタクトシート金属部材のうちの一方が第１のハウジング部分の底部であること。
ｄ． 第２のハウジング部分が第１のハウジング部分の開口部内に溶接されており、電気導体がハウジングの外部へ導かれるポールブッシング、例えば、電気絶縁体によって包囲されたポールスタッドを含むこと。
ｅ． コンタクトシート金属部材のうちの他方がこの電気導体に電気接続されていること。
直前に示した特徴ａ．～ｅ．が互いに組み合わせて実現されることが特に好ましい。
本実施形態では、ハウジング部分は互いに溶接され、それゆえ、電気接続される。この理由のために、前述のポールブッシングが必要とされる。
本発明の第２の変形例では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．及びｂ．のうちの少なくとも１つによって、特に好ましくは、２つの特徴の組み合わせによって特徴付けられる：
ａ． ハウジングが、２つの末端開口部を有する管状の第１のハウジング部分、開口部のうちの一方を閉鎖する第２のハウジング部分、及び開口部のうちの他方を閉鎖する第３のハウジング部分を含むこと。
ｂ． コンタクトシート金属部材が第２のハウジング部分又は第３のハウジング部分であること。
本変形例でも、電池のハウジングは、好ましくは、円筒形又は角柱形である。管状の第１のハウジング部分は、好ましくは、円形又は矩形断面を有し、第２及び第３のハウジング部分は、好ましくは、円形又は矩形である。
ハウジングが円筒形である場合には、このとき、第１のハウジング部分は概ね中空円筒形であり、その一方で、第２及び第３のハウジング部分は円形であり、コンタクトシート金属部材の役割を果たすとともに、同時に、第１のハウジング部分を完全に閉鎖することができる、底部及び蓋の役割を果たすことができる。
ハウジングが角柱形である場合には、第１のハウジング部分は、概して、共通縁部によって互いに接続されたいくつかの矩形側壁を含み、その一方で、第２及び第３のハウジング部分は各々、多角形、特に、矩形である。第２及び第３のハウジング部分は両方ともコンタクトシート金属部材の役割を果たすことができる。
第１及び第２のハウジング部分は両方とも、好ましくは、導電性材料、特に、金属材料から成る。ハウジング部分は、例えば、ニッケルめっき鋼板、ステンレス鋼（例えば、タイプ１．４３０３若しくは１．４３０４）、銅、ニッケルめっき銅、又は合金若しくは非合金アルミニウムから成ることができる。また、カソードに電気接続されたハウジング部分がアルミニウム又はアルミニウム合金から成り、アノードに電気接続されたハウジング部分が銅、又は銅合金、又はニッケルめっき銅から成ることも好ましくなり得る。
本変形例の大きな利点は、上流の成形及び／又は鋳造プロセスによって製造されなければならないカップ状ハウジング部分がハウジングのために必要とされないことである。その代わりに、管状の第１のハウジング部分が出発点の役割を果たす。
第２の変形例の好ましいさらなる発展では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｅ．のうちの少なくとも１つによって、好ましくは、直前に示した特徴ａ．～ｅ．の組み合わせによって特徴付けられる：
ａ． 電池が、アノード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｂ． 電池が、カソード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｃ． コンタクトシート金属部材のうちの一方が第１のハウジング部分の末端開口部のうちの一方の内部に溶接されており、第２のハウジング部分であること。
ｄ． 第３のハウジング部分が第１のハウジング部分の末端開口部のうちの他方の内部に溶接されており、電気導体がハウジングの外部へ導かれるポールブッシング、例えば、電気絶縁体によって包囲されたポールスタッドを含むこと。
ｅ． コンタクトシート金属部材のうちの他方がこの電気導体に電気接続されていること。
直前に示した特徴ａ．～ｅ．が互いに組み合わせて実現されることが特に好ましい。
第２の変形例のさらに好ましいさらなる発展では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｄ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． 電池が、アノード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｂ． 電池が、カソード集電体の第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有すること。
ｃ． コンタクトシート金属部材のうちの一方が第１のハウジング部分の末端開口部のうちの一方の内部に溶接されており、第２のハウジング部分であること。
ｄ． コンタクトシート金属部材のうちの他方が、第１のハウジング部分の端部開口部のうちの他方を閉鎖する第３のハウジング部分であり、シールによって第１のハウジング部分から絶縁されていること。
直前に示した特徴ａ．～ｄ．が互いに組み合わせて実現されることが特に好ましい。
どちらの実施形態も、一方のハウジングの側では、コンタクトシート金属部材がハウジング部分の役割を果たし、溶接によって第１のハウジング部分に接続されているという事実によって特徴付けられる。他方の側では、コンタクトシート金属部材が同じくハウジング部分の役割を果たすことができる。しかし、このとき、これは第１のハウジング部分から電気絶縁されなければならない。代替的に、ポールブッシングをここでも用いることができる。
本発明に係る電池のポールブッシングは、ハウジングと、ハウジングの外部へ導かれる電気導体との間の電気接触を防止する電気絶縁体を必ず含む。電気絶縁体は、例えば、ガラス、又はセラミック材料、又はプラスチックであることができる。
電極－セパレータアセンブリは、好ましくは、円筒形巻回体の形態のものである。このような巻回体の形態の電極を提供することは円筒形ハウジング内の空間の特に有利な利用を可能にする。したがって、好ましい実施形態では、ハウジングも円筒形である。
他の好ましい実施形態では、電極－セパレータアセンブリは、好ましくは、角柱形巻回体の形態のものである。このような巻回体の形態の電極を提供することは角柱形ハウジング内の空間の特に有利な利用を可能にする。したがって、好ましい実施形態では、ハウジングも角柱形である。
加えて、角柱形ハウジングは、以上において説明された同一の電極－セパレータアセンブリの角柱形スタックによって特にうまく充填され得る。この目的のために、電極－セパレータアセンブリは、特に好ましくは、実質的に矩形の形状を有し得る。
特に好ましい実施形態では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｃ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． 溶接によってコンタクトシート金属部材に接続された集電体のストリップ状主領域が複数のアパーチャを有すること。
ｂ． 主領域内のアパーチャが、丸又は角孔、特に、パンチ又はドリル孔であること。
ｃ． 溶接によってコンタクトシート金属部材に接続された集電体が、特に、丸孔又は長孔によって、主区域内で穿孔されていること。
多数のアパーチャは、体積の低減、及びまた、集電体の重量の低減をもたらす。これは、より多くの活物質を電池内に投入し、こうして、電池のエネルギー密度を大幅に増大させることを可能にする。こうして最大２桁の範囲までのエネルギー密度の増大を達成することができる。
好ましい実施形態によっては、アパーチャは、レーザを用いてストリップ状主領域内に導入される。
原理的に、アパーチャの幾可学的構成は本発明にとって本質的でない。重要なことは、アパーチャの挿入の結果、集電体の質量が低減され、アパーチャに活物質を充填することができるため、活物質のためにより多くの空間が存在することである。
他方では、アパーチャを挿入するときには、アパーチャの最大直径が大きすぎないことを確実にすることが有利になり得る。好ましくは、アパーチャは、それぞれの集電体上の電極材料の２倍より大きくなってはならない。
特に好ましい実施形態では、本発明に係る電池は、直後の以下の特徴ａ．によって特徴付けられる：
ａ． 集電体内、特に、主領域内のアパーチャが１μｍ～３０００μｍの範囲内の直径を有すること。
この好ましい範囲内においては、１０μｍ～２０００μｍ、好ましくは、１０μｍ～１０００μｍ、特に、５０μｍ～２５０μｍの範囲内の直径がさらに好ましい。
特に好ましくは、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．及びｂのうちの少なくとも１つによってさらに特徴付けられる：
ａ． 溶接によってコンタクトシート金属部材に接続された集電体が、少なくとも、主区域の部分セクション内では、同じ集電体の自由縁部ストリップよりも低い単位面積当たりの重量を有すること。
ｂ． 溶接によってコンタクトシート金属部材に接続された集電体が、自由縁部ストリップ内では、単位面積当たりのアパーチャを有しないか、又は主区域内よりも少数の単位面積当たりのアパーチャを有すること。
直前に示した特徴ａ．及びｂ．が互いに組み合わせて実現されることが特に好ましい。
アノード及びカソード集電体の自由縁部ストリップは第１の長手方向縁部の方で主区域を区切る。好ましくは、アノード及びカソード集電体はそれらの長手方向縁部に沿って自由縁部ストリップを含む。
アパーチャは主領域を特徴付ける。換言すれば、主領域と自由縁部ストリップとの間の境界は、アパーチャを有する領域と有しない領域との間の移行に対応する。
アパーチャは、好ましくは、主区域にわたって実質的に均等に分布している。
さらに特に好ましい実施形態では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｃ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． 主区域内の集電体の単位面積当たりの重量が、自由縁部ストリップ内の集電体の単位面積当たりの重量と比べて５％～８０％低減されていること。
ｂ． 集電体が主区域内の５％～８０％の範囲内の穿孔区域を有すること。
ｃ． 集電体が２０Ｎ／ｍｍ２～２５０Ｎ／ｍｍ２の主区域内の引張強さを有すること。
自由断面としばしば称される、孔区域は、ＩＳＯ ７８０６－１９８３に従って決定することができる。主区域内の集電体の引張強さは、アパーチャを有しない集電体と比べて低減される。それは、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ５２７ ｐａｒｔ ３に従って決定することができる。
アノード集電体及びカソード集電体は同じ又は同様のアパーチャを有することが好ましい。それぞれの達成可能エネルギー密度の改善が合算する。したがって、好ましい実施形態では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｃ．のうちの少なくとも１つによってさらに特徴付けられる：
ａ． アノード集電体のストリップ状主領域及びカソード集電体のストリップ状主領域がどちらも複数のアパーチャによって特徴付けられること。
ｂ． 電池が、第１のコンタクトシート金属部材として第１の長手方向縁部のうちの一方の上に載ったコンタクトシート金属部材を含み、第１の長手方向縁部のうちの他方の上に載った第２のコンタクトシート金属部材をさらに含むこと。
ｃ． 第２のコンタクトシート金属部材が溶接によってこの他方の長手方向縁部に接続されていること。
直前に示した特徴ａ．～ｃ．が互いに組み合わせて実現されることが特に好ましい。しかし、特徴ｂ．及びｃ．を、特徴ａを有しない組み合わせで実施することもできる。
上述されたアパーチャを設けた集電体の好ましい実施形態はアノード集電体及びカソード集電体に独立して適用可能である。
穿孔された、又は他の仕方でアパーチャを設けた集電体の使用は、このような集電体と電気接触することは非常に難しいため、リチウムイオン電池のために真剣に検討されていなかった。冒頭で述べたように、集電体の電気接続は別個の電気導体タブを介して行われる。しかし、工業的大量生産プロセスにおける、穿孔された集電体へのこれらの導体タブの確実な溶接は、許容誤り率を伴わずに実現することが難しい。
本発明によれば、この問題は、上述されたように、集電体縁部をコンタクトシート金属部材に溶接することによって解決される。本発明に係るコンセプトは、別個の導体タブを完全に省くことを可能にし、それゆえ、低い材料含有量を有し、アパーチャを設けられた集電体の使用を可能にする。特に、集電体の自由縁部ストリップにアパーチャが設けられていない実施形態では、溶接が、極めて低い不良率をもって確実に実施され得る。
非常に薄い金属箔が集電体として用いられる場合には、集電体の長手方向縁部は機械的に極めて繊細になり得、コンタクトシート金属部材への溶接中に非意図的に押しつぶされるか、又は融解され得る。さらに、コンタクトシート金属部材の溶接中に、電極－セパレータアセンブリのセパレータが融解し得る。上述された支援層はこれに対抗する。
集電体の縁部をコンタクトシート金属部材と溶接するというコンセプトは、国際公開第２０１７／２１５９００（Ａ１）号パンフレットから、又は特開２００４－１１９３３０号公報からすでに知られている。コンタクトシート金属部材の使用は、特に高い電流輸送能力及び低い内部抵抗を可能にする。したがって、コンタクトシート金属部材を集電体の縁部に電気接続するための方法については、国際公開第２０１７／２１５９００（Ａ１）号パンフレット及び特開２００４－１１９３３０号公報の内容を完全に参照する。
好ましくは本発明の範囲内で使用可能であるコンタクトシート金属部材はコンタクトプレートとも称され得る。好ましい実施形態では、それらはプレート状である。
好ましい実施形態によっては、本発明に係る電池は、直後に示す以下の特徴ａ．及びｂ．のうちの少なくとも１つを有する：
ａ． ５０μｍ～６００μｍ、好ましくは、１５０～３５０μｍの範囲内の厚さを有するコンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレート。
ｂ． コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートが、合金若しくは非合金アルミニウム、チタン、ニッケル、又は銅から成るが、任意選択的に、また、ステンレス鋼（例えば、タイプ１．４３０３若しくは１．４３０４のもの）から、又はニッケルめっき鋼から成ること。
指定された厚さは、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートがハウジングの部分である上述の場合、及びコンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートがハウジングの部分の役割を果たさない場合のどちらにおいても好ましい。
特に、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートがハウジングの部分の役割を果たさない実施形態では、それは少なくとも１つのスロット及び／又は少なくとも１つの穿孔を含み得る。これらは、溶接接合部の作製の間における、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートの変形に対抗する機能を有する。
特に、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートがハウジングの部分の役割を果たす実施形態では、スリット及び穿孔は、好ましくは、省略される。しかし、このようなコンタクトシート金属部材、特に、このようなコンタクトプレートは中心区域内にアパーチャ、特に、孔を有し得る。
ハウジングが円筒形である場合には、好ましくは、ディスクの形状、特に、円形又は少なくとも略円形のディスクの形状を有するコンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートが用いられる。このとき、それらは外側の円形又は少なくとも略円形のディスク縁部を有する。略円形のディスクによって、具体的には、少なくとも１つの切り取られた弓形を有する、好ましくは、２つ～４つの切り取られた弓形を有する円の形状を有するディスクが意味される。
ハウジングが角柱形である場合には、好ましくは、多角形、特に、矩形の基本形状を有するコンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートが用いられる。
特に好ましい実施形態では、アノード集電体、及びそれに溶接されたコンタクトシート金属部材、特に、それに溶接されたコンタクトプレートは両方とも、同じ材料から成る。これは、特に好ましくは、銅、ニッケル、チタン、ニッケルめっき鋼、及びステンレス鋼を含む群から選択される。
さらに特に好ましい実施形態では、カソード集電体、及びそれに溶接されたコンタクトシート金属部材、特に、それに溶接されたコンタクトプレートは両方とも、同じ材料から成る。これは、特に好ましくは、合金若しくは非合金アルミニウム、チタン、及びステンレス鋼（例えば、タイプ１．４４０４のもの）を含む群から選択される。
上述されたように、本発明に係る電池は、第１の長手方向縁部が、好ましくは長手方向に、直接接触したコンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレート金属部材を有する。これは線状のコンタクトゾーンをもたらすことができる。
可能な好ましいさらなる発展では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｃ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． アノード集電体の第１の長手方向縁部がコンタクトシート金属部材、特に、コンタクト金属プレートと、好ましくは長手方向に、直接接触しており、溶接によってこのコンタクトシート金属部材、特に、このコンタクトプレートに接続されており、線状のコンタクトゾーンが、長手方向縁部とコンタクトシート金属部材、特に、コンタクト金属プレートとの間から成ること。
ｂ． カソード集電体の第１の長手方向縁部がコンタクトシート金属部材、特に、金属コンタクトプレートと、好ましくは長手方向に、直接接触しており、溶接によってこのコンタクトシート金属部材、特に、このコンタクトプレートに接続されており、線状のコンタクトゾーンが、長手方向縁部とコンタクトシート金属部材、特に、金属コンタクトプレートとの間から成ること。
ｃ． アノード集電体の、及び／又はカソード集電体の第１の長手方向縁部が、それぞれのコンタクトシート金属部材に、特に、それぞれのコンタクトプレートに溶接継目によってそれらの全長にわたって各々連続的に接続された１つ以上のセクションを含むこと。
直前に示した特徴ａ．及びｂ．は、互いに独立して、及び組み合わせて実現され得る。しかし、好ましくは、特徴ａ．及びｂ．は、どちらの場合にも、直前に示した特徴ｃ．と組み合わせて実現される。
コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートが長手方向縁部に接続され得るいくつかの仕方が存在する。
コンタクトシート金属部材は少なくとも１つの溶接継目によって線状コンタクトゾーンに沿って長手方向縁部に接続され得る。それゆえ、長手方向縁部は、各々が溶接継目を介してその全長にわたってコンタクトシート金属部材に連続的に接続された、１つ以上のセクションを含むことができる。特に好ましくは、これらのセクションは、５ｍｍの、好ましくは、１０ｍｍの、特に好ましくは、２０ｍｍの最小長を有する。
可能なさらなる発展では、それらの全長にわたってコンタクトシート金属部材に連続的に接続されたセクション又はセクション群は、それぞれの長手方向縁部の総長の少なくとも２５％にわたって、好ましくは、少なくとも５０％にわたって、特に好ましくは、少なくとも７５％にわたって延びている。
好ましい実施形態によっては、長手方向縁部はそれらの全長にわたってコンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートに連続的に溶接されている。
さらに可能な実施形態では、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートは複数又は多数の溶接点を介してそれぞれの長手方向縁部に接続されている。
電極－セパレータアセンブリが渦巻き状巻回体の形態のものである場合には、巻回体の末端端面から突出したアノード集電体及びカソード集電体の長手方向縁部も、概して、渦巻き状の幾可学的構成を有する。同じことが、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートがそれぞれの長手方向縁部に溶接される線状コンタクトゾーンにも当てはまる。
電極－セパレータアセンブリが２つ以上の同一の電極－セパレータアセンブリのスタックの部分である場合には、巻回体の末端面から突出したアノード集電体及びカソード集電体の長手方向縁部は、概して、直線状の幾可学的構成を有する。同じことが、コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートがそれぞれの長手方向縁部に溶接される線状コンタクトゾーンにも当てはまる。
さらに可能な好ましいさらなる発展では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａ．～ｃ．のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる：
ａ． セパレータが、５μｍ～５０μｍの範囲内の、好ましくは、７μｍ～１２μｍの範囲内の厚さを有し、第１及び第２の長手方向縁部並びに２つの端部を有するリボン状プラスチック基材であること。
ｂ． セパレータの長手方向縁部が電極－セパレータ複合体の末端面又は端面（terminal sides or end faces）を形成すること。
ｃ． 巻回体の末端面又は端面から突出したアノード集電体及び／又はカソード集電体の長手方向縁部が５０００μｍを超えない、好ましくは、３５００μｍを超えないこと。
直前に示した特徴ａ．～ｃ．が互いに組み合わせて実現されることが特に好ましい。
特に好ましくは、巻回体の面又は端面からのアノード集電体の長手方向縁部の突出は、２５００μｍ以下、特に好ましくは、１５００μｍ以下である。
特に好ましくは、巻回体の面又は端面からのカソード集電体の長手方向縁部の突出は、３５００μｍ以下、特に好ましくは、２５００μｍ以下である。
アノード集電体及び／又はカソード集電体の突出のための数値は、面又は端面がコンタクトプレートと接触させられる前の自由突出を指す。コンタクトシート金属部材、特に、コンタクトプレートに接触し、それを溶接する際に、集電体の縁部の変形が生じ得る。
自由突出が小さく選択されるほど、電極材料で覆われた集電体のリボン状主区域が広く形成され得る。これは、本発明に係る電池のエネルギー密度にプラスに寄与することができる。
好ましくは、アノード集電体の第１の長手方向縁部が末端端面のうちの一方から突出し、カソード集電体の第１の長手方向縁部が末端端面のうちの他方から突出することを確実にするために、リボン状アノード及びリボン状カソードは電極－セパレータアセンブリ内で互いにオフセットしている。
本発明に係るリチウムイオン電池はボタン電池であり得る。ボタン電池は円筒形であり、それらの直径よりも小さい高さを有する。好ましくは、高さは４ｍｍ～１５ｍｍの範囲内である。電池が５ｍｍ～２５ｍｍの範囲内の直径を有することがさらに好ましい。ボタン電池は、例えば、腕時計、補聴器、及びワイヤレスヘッドフォンなどの小型電子デバイスに電気エネルギーを供給するために適している。
ボタン電池の形態の本発明に係るリチウムイオン電池の公称容量は、概して、最大１５００ｍＡｈである。好ましくは、公称容量は、１００ｍＡｈ～１０００ｍＡｈの範囲内、特に好ましくは、１００～８００ｍＡｈの範囲内である。
特に好ましくは、本発明に係るリチウムイオン電池は円筒形円形電池である。円筒形円形電池は、それらの直径よりも大きい高さを有する。それらは、自動車部門における適用のため、電動自転車のため、又はまた、高いエネルギー要求を有する他の適用のために特に適している。
好ましくは、円形電池として設計されたリチウムイオン電池の高さは１５ｍｍ～１５０ｍｍの範囲内である。円筒形円形電池の直径は、好ましくは、１０ｍｍ～６０ｍｍの範囲内である。これらの範囲内においては、例えば、１８×６５（直径＊高さ（ｍｍ単位））又は２１×７０（直径＊高さ（ｍｍ単位））のフォームファクタが特に好ましい。これらのフォームファクタを有する円筒形円形電池は、電力を自動車両内の電気駆動装置に供給するために特に適している。
円筒形円形電池の形態の本発明に係るリチウムイオン電池の公称容量は、好ましくは、最大９００００ｍＡｈである。２１×７０のフォームファクタを有する場合、リチウムイオン電池としての一実施形態における電池は、好ましくは、１５００ｍＡｈ～７０００ｍＡｈの範囲内、特に好ましくは、３０００～５５００ｍＡｈの範囲内の公称容量を有する。１８×６５のフォームファクタを有する場合、リチウムイオン電池としての一実施形態における電池は、好ましくは、１０００ｍＡｈ～５０００ｍＡｈの範囲内、特に好ましくは、２０００～４０００ｍＡｈの範囲内の公称容量を有する。
欧州連合では、二次バッテリの公称容量に関する製造業者の仕様が厳密に規制されている。例えば、二次ニッケルカドミウムバッテリの公称容量に関する情報は、ＩＥＣ／ＥＮ ６１９５１－１及びＩＥＣ／ＥＮ ６０６２２規格に従う測定に基づかなければならず、二次ニッケル水素バッテリの公称容量に関する情報は、ＩＥＣ／ＥＮ ６１９５１－２規格に従う測定に基づかなければならず、二次リチウムバッテリの公称容量に関する情報は、ＩＥＣ／ＥＮ ６１９６０規格に従う測定に基づかなければならず、二次鉛酸バッテリの公称容量に関する情報は、ＩＥＣ／ＥＮ ６１０５６－１規格に従う測定に基づかなければならない。本出願における公称容量の指示はいずれも、好ましくは、同じくこれらの規格に基づく。
本発明に係る電池が円筒形円形電池である実施形態では、アノード集電体、カソード集電体、及びセパレータは、好ましくは、以下の寸法を有する：
－ ０．５ｍ～２５ｍの範囲内の長さ
－ ３０ｍｍ～１４５ｍｍの範囲内の幅
第１の長手方向縁部に沿って延び、電極材料を載せられていない自由縁部ストリップは、好ましくは、これらの場合には、５０００μｍ以下の幅を有する。
１８×６５のフォームファクタを有する円筒形円形電池の場合には、集電体は、好ましくは、
－ ５６ｍｍ～６２ｍｍ、好ましくは、６０ｍｍの幅、及び
－ １．５ｍの以下の長さ
を有する。
２１×７０のフォームファクタを有する円筒形円形電池の場合には、集電体は、好ましくは、
－ ５６ｍｍ～６８ｍｍ、好ましくは、６５ｍｍの幅、及び
－ ２．５ｍの以下の長さ
を有する。
本発明に係る電池の上述の設計はさらに別の重要な利点を可能にする。集電体が、冒頭で述べられた別個の導体タブを介して電気接続された電極の場合には、導体タブのすぐ近傍において、導体タブから離れた所よりも大きい熱機械的負荷が充電及び放電中に生じる。この差は、ある割合のケイ素、スズ、及び／又はアンチモンを活物質として有する負電極の場合に特に顕著である。なぜなら、これらの物質でできた粒子は、充電及び放電中に比較的強い体積変化を受けるからである。例えば、負電極内における１０％超のケイ素の割合は制御が難しいことがこれまでに明らかになっている。
コンタクトシート金属部材を介した集電体の電気接続は電池の上述の均一な熱放散を可能にするだけでなく、充電及び放電中に生じる熱機械的負荷も巻回体にわたって均等に分散させる。驚くべきことに、これは、負電極内において非常に高い割合のケイ素、及び／又はスズ、及び／又はアンチモンを制御することを可能にする。＞２０％の割合において、熱機械的応力の結果として充電及び放電中に損傷が観察されることは比較的まれであるか、又は観察されることはなかった。例えば、アノード内のケイ素の割合を増大させることによって、電池のエネルギー密度をさらに増大させることもできる。
したがって、特に好ましい実施形態では、本発明に係る電池は、直後に示す特徴ａによって特徴付けられる：
ａ． 負電極材料が、ケイ素、アルミニウム、スズ、及び／又はアンチモン、特に、粒子状ケイ素、アルミニウム、スズ、及び／又はアンチモンを、２０重量％～９０重量％、好ましくは、５０重量％～９０重量％の割合で負極活物質として含むこと。
ここでの重量の指定は、負電極材料の乾燥質量、すなわち、電解液を有せず、アノード集電体の重量を考慮しない質量を指す。
本実施形態は、請求項１からの特徴ｋ．と完全に独立して実現することもできることが強調されるべきである。それゆえ、本発明はまた、充電状態におけるアノードが粒子状ケイ素を２０重量％～９０重量％の割合で含むが、ハウジングの部分が必ずしもコンタクトシート金属部材の役割を果たさず、及び／又はコンタクトシート金属部材が、電極－セパレータアセンブリを封入するハウジングの部分を形成する、請求項１の特徴ａ．～ｊ．を有する電池も含む。
活物質、ケイ素、アルミニウム、スズ、及びアンチモンのうちでは、ケイ素が特に好ましい。
当業者は、スズ、アルミニウム、ケイ素、及びアンチモンは、必ずしもそれらの最も純粋な形態での金属であるとは限らないことを理解する。例えば、ケイ素粒子は、微量の他の元素、特に、他の金属（リチウム以外）も、例えば、最大１０重量％の割合で含有し得る。
本発明に係る製造方法は、上述された電池を生産する役割を果たす。それは、直後に示すステップ又は特徴ａ．～ｄ．を必ず含む：
ａ． アノード集電体の第１の長手方向縁部及びカソード集電体の第１の長手方向縁部が突出した末端面又は端面を有する上述された電極－セパレータアセンブリを提供すること、
ｂ． 第１の長手方向縁部のうちの一方と電気的に接触するための上述されたコンタクトシート金属部材のうちの一方を提供すること、
ｃ． この長手方向縁部をコンタクトシート金属部材に溶接すること、
ｄ． 電極－セパレータアセンブリを封入するハウジング部分の部分がコンタクトシート金属部材の役割を果たすか、又はコンタクトシート金属部材が少なくとも１つのさらなるハウジング部分に接続され、電極－セパレータアセンブリを封入するハウジングを形成すること。
それゆえ、コンタクトシート金属部材は、適用可能な場合には、ハウジング部分の部分として提供される。
直前に示した特徴ｄ．によって含まれる選択肢はどちらも、以下において説明される利点を有する。
本方法の第１の特に好ましいさらなる発展では、本方法は、直後に示すさらなるステップのうちの少なくとも１つのさらなるもの、及び／又は直後に示す特徴ａ．～ｄ．のうちの１つを含む：
ａ． 底部、及び周側壁、及び開口部を有するカップ状状の第１のハウジング部分が提供されること。
ｂ． 電極－セパレータアセンブリが、アノード集電体の第１の長手方向縁部又はカソード集電体の第１の長手方向縁部が底部と直接接触するまでカップ状ハウジング内に挿入されること。
ｃ． この長手方向縁部を第１のハウジング部分の底部に溶接すること。
ｄ． 第２の、好ましくは円形のハウジング部分を用いて第１のハウジング部分の開口部を閉鎖すること。
好ましくは、本方法は、直前の４つのステップ及び／又は特徴ａ．～ｄ．の組み合わせを含む。
このさらなる発展では、第１のハウジング部分の底部がコンタクトシート金属部材の役割を果たす。
コンタクトシート金属部材、並びに第１のカップ状の、及び第２のハウジング部分の可能な好ましい設計に関しては、本発明に係る電池の上述の説明が参照される。
第１のハウジング部分の底部への長手方向縁部の溶接は、特に、ハウジングの外部からレーザによって実施され得る。
この第１のさらなる発展では、底部と接触していない、アノード又はカソード集電体の第１の長手方向縁部は、電極－セパレータアセンブリがカップ状の第１のハウジング内に挿入される際に、さらなるコンタクトシート金属部材にすでに溶接されていることが好ましい。このさらなるコンタクトシート金属部材は電気導体を介して、カップ状の第１のハウジング部分の開口部を閉鎖する役割を果たす第２のハウジング部分に接続され得る。
さらなるコンタクトシート金属部材が電気導体を介して第２のハウジング部分に接続される、これらの場合には、第２のハウジング部分は、好ましくは、例えば、レーザによって、第１のハウジング部分の開口部内に溶接される。これらの場合には、第２のハウジング部分は、好ましくは、上述されたポールブッシングを有する。代替的に、電気絶縁シールを第２のハウジング部分の縁部に適用し、第２のハウジング部分をシールと共に第１のハウジング部分の開口部内へ挿入し、それをそこに固定することも可能である。
第１のさらなる発展の別の実施形態では、さらなるコンタクトシート金属部材は、カップ状の第１のハウジング部分に接続され、電極－セパレータアセンブリを封入するハウジングを形成するハウジング部分、より正確には、直前に示した特徴ｄ．の第２のハウジング部分の役割を果たす。
この場合には、アノード又はカソード集電体の長手方向縁部にすでに溶接されたさらなるコンタクトシート金属部材は、好ましくは、第１のハウジング部分の開口部内にハウジングを閉鎖するために挿入された後に、例えば、圧着加工によって、機械的に固定される。この前に、電気絶縁シールがコンタクトシート金属部材の縁部に適用されなければならない。これは、理想的には、電極－セパレータアセンブリが第１のハウジング部分内に挿入される前に行われる。
本実施形態は、どちらも同時にハウジング部分になる、コンタクトシート金属部材の二機能性によってハウジングの内部の無駄容積が最小限に抑えられるという魅力を有する。
本方法の第２の特に好ましいさらなる発展では、本方法は、直後に示すさらなるステップのうちの少なくとも１つ、及び／又は直後に示す特徴のうちの１つを含む：
ａ． 電極－セパレータアセンブリが提供されること。
ｂ． コンタクトシート金属部材、特に、金属コンタクトプレートがアノード集電体の第１の長手方向縁部と直接接触させられ、この長手方向縁部に溶接されること。
ｃ． コンタクトシート金属部材、特に、金属コンタクトプレートがカソード集電体の第１の長手方向縁部と直接接触させられ、この長手方向縁部に溶接されること。
ｄ． ２つの端面開口部を有する管状の第１のハウジング部分が提供されること。
ｅ． 電極－セパレータアセンブリが端面開口部のうちの一方を通して管状の第１のハウジング部分内に挿入されること。
ｆ． コンタクトシート金属部材のうちの一方、特に、コンタクトプレートのうちの一方が第２のハウジング部分として第１のハウジング部分の端面のうちの一方の内部に溶接されること。
ｇ． 電気導体がハウジングの外部へ導かれ得るポールブッシング、例えば、電気絶縁体によって包囲されたポールスタッドを含む第３のハウジング部分が第１のハウジング部分の端面のうちの他方の内部に溶接されること。
好ましくは、本方法は、直前の７つのステップ及び／又は特徴ａ．～ｇ．の組み合わせを含む。
第１のカップ状の、及び第２のハウジング部分の可能な好ましい設計に関しては、ここでも本発明に係る電池の上述の説明が参照される。
本実施形態は、管状の第１のハウジング部分はカップ状のハウジング部分よりも生産が容易で安価であるという魅力を有する。
第１のハウジング部分は、好ましくは、レーザによって第２のハウジング部分に溶接される。
本発明に係る方法は、直後に示すさらなるステップ及び／又は特徴ａ．又はｂのうちの少なくとも１つによって特徴付けられることが好ましい：
ａ． ハウジングがハウジング部分のうちの一方の内部の孔を通して電解液を充填されること。
ｂ． 孔が、溶接、接着、リベット留め、又ははんだ付けによって充填後に閉鎖されること。
孔は、例えば、第１のカップ状ハウジング部分の底部内に配置することができるか、又はそれは、他のハウジング部分のうちの１つの内部の、場合によっては、コンタクトシート金属部分のうちの１つの内部のアパーチャを形成する。
特に好ましい実施形態では、孔は、例えば、バースティングクロス（ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｃｒｏｓｓ）の形態の、圧力逃がし弁によって閉鎖される。
本発明のさらなる特徴、及び本発明からもたらされる利点は、図面から、及び図面の以下の説明から明らかになるであろう。後述される実施形態は、単に、本発明を説明し、より深く理解することを目的としたものにすぎず、決して限定として理解されるべきでない。
図面は以下のものを概略的に示す。
本発明の一実施形態に係る集電体の上面図である。 図１に示される集電体の断面図である。 巻回体の形態の電極－セパレータアセンブリに加工することができるアノードの上面図である。 図３に示されるアノードの断面図である。 図３に示されるアノードを用いて作製された電極－セパレータアセンブリの上面図である。 図５に示される電極－セパレータアセンブリの断面図である。 円筒形円形電池の形態の本発明に係る電池の一実施形態の断面図である。 円筒形円形電池の形態の本発明に係る電池のさらなる実施形態の断面図である。 円筒形円形電池の形態の本発明に係る電池のさらなる実施形態の断面図である。 円筒形円形電池の形態の本発明に係る電池のさらなる実施形態の断面図である。 円筒形円形電池の形態の本発明に係る電池のさらなる実施形態の断面図である。 本発明に係る図１１に示される電池を製造する方法の図である。
図１及び図２は、本発明に係る電池において用いることができる集電体１１０の設計を示す。図２はＳ１に沿った断面図である。集電体１１０は、矩形の孔である、複数のアパーチャ１１１を含む。領域１１０ａはアパーチャ１１１によって特徴付けられ、それに対して、長手方向縁部１１０ｅに沿った領域１１０ｂ内にはアパーチャが存在しない。したがって、集電体１１０は、区域１１０ａ内において、区域１１０ｂ内よりも著しく低い単位面積当たりの重量を有する。
図３及び図４は、負電極材料１２３を図２及び図３に示される集電体１１０の両側に適用することによって作製されたアノード１２０を示す。図５はＳ２に沿った断面である。集電体１１０は、今や、負電極材料１２３の層を載せられた、ストリップ状主領域１２２、及び長手方向縁部１１０ｅに沿って延び、電極材料１２３を載せられていない、自由縁部ストリップ１２１を有する。電極材料１２３はアパーチャ１１１も充填する。
図５及び図６は、図４及び図５に示されるアノード１２０を用いて作製された電極－セパレータアセンブリ１０４を示す。それはまた、カソード１１５、並びにセパレータ１１８及び１１９も含む。図６はＳ３に沿った断面図である。カソード１１５はアノード１２０と同じ集電体設計に基づく。好ましくは、アノード１２０及びカソード１３０の集電体１１０及び１１５は材料のそれらのそれぞれの選定のみが異なる。それゆえ、カソード１３０の集電体１１５は、正電極材料１２５の層を載せられたストリップ状主領域１１６、及び電極材料１２５を載せられていない長手方向縁部１１５ｅに沿って延びた自由縁部ストリップ１１７を含む。渦巻き状に巻回することによって、電極－セパレータアセンブリ１０４は、本発明に係る電池内に含まれ得るものなどの巻回体に変容させることができる。
好ましい実施形態によっては、自由縁部ストリップ１１７及び１２１は、両側で、及び少なくとも一部の区域内で、上述された支援材料のうちの１つで被覆される。
図７は、第１のハウジング部分１０１及び第２のハウジング部分１０２を含むハウジングを有する電池１００を示す。電極－セパレータアセンブリ１０４がハウジング内に封入されている。ハウジングは形状が概ね円筒形であり、ハウジング部分１０１は、円形底部１０１ａ、中空円筒形シェル１０１ｂ、及び底部１０１ａと反対側の円形開口部を有する。ハウジング部分１０２は、円形開口部を閉鎖する役割を果たし、円形の蓋として形成される。電極－セパレータアセンブリ１０４は、２つの末端端面を有する円筒形巻回体の形態のものである。
角柱形ハウジングの場合には、電池を貫く断面は全く同じに見え得るであろう。この場合のハウジング部分１０１は、矩形底部１０１ａ、矩形側壁１０１ｂ、及び矩形断面、並びに矩形開口部を有することになり、ハウジング部分１０２は、矩形開口部を閉鎖するための矩形の蓋として形成されるであろう。そして、この場合の参照符号１０４は円筒形の形態の電極－セパレータアセンブリを示すのではなく、いくつかの同一の電極－セパレータアセンブリのスタック、又は角柱形巻回体を示すであろう。
アノード集電体１１０の自由縁部ストリップ１２１は電極－セパレータアセンブリ１０４の一方の端面から突出しており、カソード集電体１１５の自由縁部ストリップ１１７は他方の端面から突出している。アノード集電体１１０の縁部１１０ｅはその全長にわたってハウジング部分１０１の底部１０１ａと直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。カソード集電体１１５の縁部１１５ｅはその全長にわたってコンタクトプレート１０５と直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。
コンタクトプレート１０５が、今度は、電気導体１０７を介してハウジング部分１０２に電気接続されている。好ましくは、溶接接続は、一方の側では導体１０７及びコンタクトプレート１０５、並びに他方の側では導体１０７及びハウジング部分１０２から成る。
概観の改善のために、－ 集電体１１０及び１１５を除いて － 電極－セパレータアセンブリ１０４のさらなる構成要素（具体的には、セパレータ及び電極材料）は示されていない。
ハウジング部分１０１及び１０２はシール１０３によって互いに電気絶縁されている。ハウジングは、例えば、フランジングによって閉鎖される。ハウジング部分１０１は負極を形成し、ハウジング部分１０２は電池１００の正極を形成する。
図８は、第１のハウジング部分１０１及び第２のハウジング部分１０２を含むハウジングを有する電池１００を示す。電極－セパレータアセンブリ１０４がハウジング内に封入されている。ハウジングは全体的に円筒形であり、ハウジング部分１０１は、円形底部１０１ａ、中空円筒形シェル１０１ｂ、及び底部１０１ａと反対側の円形開口部を有する。ハウジング部分１０２は、円形開口部を閉鎖する役割を果たし、円形の蓋として形成される。電極－セパレータアセンブリ１０４は、２つの末端端面を有する円筒形巻回体の形態のものである。
角柱形ハウジングの場合には、電池を貫く断面は全く同じに見え得るであろう。この場合のハウジング部分１０１は、矩形底部１０１ａ、矩形側壁１０１ｂ、及び矩形断面、並びに矩形開口部を有することになり、ハウジング部分１０２は、矩形開口部を閉鎖するための矩形の蓋として形成されるであろう。そして、この場合の参照符号１０４は円筒形の形態の電極－セパレータアセンブリを示すのではなく、いくつかの同一の電極－セパレータアセンブリのスタック、又は角柱形巻回体を示すであろう。
アノード集電体１１０の自由縁部ストリップ１２１は電極－セパレータアセンブリ１０４の一方の端面から突出しており、カソード集電体１１５の自由縁部ストリップ１１７は他方の端面から突出している。アノード集電体１１０の縁部１１０ｅはその全長にわたってハウジング部分１０１の底部１０１ａと直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。カソード集電体１１５の縁部１１５ｅはその全長にわたってコンタクトプレート１０５と直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。
コンタクトプレート１０５は金属ポールスタッド１０８に直接接続されており、好ましくは、溶接されている。これはハウジング部分１０２内の開口部を通してハウジングの外部へ導かれ、電気絶縁１０６によってハウジング部分１０２から絶縁されている。ポールスタッド１０８及び電気絶縁１０６で合わせてポールブッシングを形成する。
概観の改善のために、－ 集電体１１０及び１１５を除いて － 電極－セパレータアセンブリ１０４の他の構成要素（具体的には、セパレータ及び電極材料）は示されていない。
底部１０１ａ内には、例えば、はんだ付け、溶接、又は接着によって閉鎖され、例えば、電解液をハウジング内に投入するために用いることができる孔１０９が存在する。代替的に、同じ目的のために孔をハウジング部分１０２内に作製することができたであろう。
ハウジング部分１０２はハウジング部分１０１の円形開口部内に溶接されている。したがって、ハウジング部分１０１及び１０２は同じ極性を有し、電池１００の負極を形成する。ポールスタッド１０８は電池１００の正極を形成する。
図９は、第１のハウジング部分１０１及び第２のハウジング部分１０２を含むハウジングを有する電池１００を示す。電極－セパレータアセンブリ１０４がハウジング内に封入されている。ハウジングは全体的に円筒形であり、ハウジング部分１０１は、円形底部１０１ａ、中空円筒形シェル１０１ｂ、及び底部１０１ａと反対側の円形開口部を有する。ハウジング部分１０２は、円形開口部を閉鎖する役割を果たし、円形の蓋として形成される。電極－セパレータアセンブリ１０４は、２つの末端端面を有する円筒形巻回体の形態のものである。
角柱形ハウジングの場合には、電池を貫く断面は全く同じに見え得るであろう。この場合のハウジング部分１０１は、矩形底部１０１ａ、矩形側壁１０１ｂ、及び矩形断面、並びに矩形開口部を有することになり、ハウジング部分１０２は、矩形開口部を閉鎖するための矩形の蓋として形成されるであろう。そして、この場合の参照符号１０４は円筒形の形態の電極－セパレータアセンブリを示すのではなく、いくつかの同一の電極－セパレータアセンブリのスタック、又は角柱形巻回体を示すであろう。
アノード集電体１１０の自由縁部ストリップ１２１は電極－セパレータアセンブリ１０４の一方の端面から突出しており、カソード集電体１１５の自由縁部ストリップ１１７は他方の端面から突出している。アノード集電体１１０の縁部１１０ｅはその全長にわたってハウジング部分１０１の底部１０１ａと直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。カソード集電体１１５の縁部１１５ｅはその全長にわたってハウジング部分１０２と直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。
概観の改善のために、－ 集電体１１０及び１１５を除いて － 電極－セパレータアセンブリ１０４のさらなる構成要素（具体的には、セパレータ及び電極材料）はここに示されていない。
底部１０１ａ内には、例えば、はんだ付け、溶接、又は接着によって閉鎖され、例えば、電解液をハウジング内に投入するために機能することができる孔１０９が見出される。ここで、同じ目的を果たすことができる別の孔１０９がハウジング部分１０２内に見出される。好ましくは、これは、例えば、ハウジング部分１０２上に溶接され得る、圧力逃がし弁１４１を用いて閉鎖される。
図示の孔１０９は、概して、両方とも必要とはされない。多くの場合、したがって、図９に示される電池１００は２つの孔のうちの一方を有するのみである。
ハウジング部分１０１及び１０２はシール１０３によって互いに電気絶縁されている。ハウジングは、例えば、圧着によって閉鎖されている。ハウジング部分１０１は負極を形成し、ハウジング部分１０２は電池１００の正極を形成する。
図１０は、第１のハウジング部分１０１、及び第２のハウジング部分１０２、及び第３のハウジング部分１５５を含むハウジングを有する電池１００を示す。電極－セパレータアセンブリ１０４がハウジング内に封入されている。ハウジングは概ね円筒形であり、ハウジング部分１０１は、２つの円形端面開口部を有する中空円筒である。ハウジング部分１０２及び１５５は、円形開口部を閉鎖する役割を果たし、円形の蓋として形成される。電極－セパレータアセンブリ１０４は、２つの末端端面を有する円筒形巻回体の形態のものである。
角柱形ハウジングの場合には、電池を貫く断面は全く同じに見え得るであろう。この場合には、ハウジング部分１０１は矩形断面及び２つの矩形開口部を有することになり、ハウジング部分１０２及び１５５は、矩形開口部を閉鎖するための矩形の蓋になるであろう。そして、参照符号１０４は、この場合には、円筒形の形態の電極－セパレータアセンブリを示すのではなく、いくつかの同一の電極－セパレータアセンブリのスタック、又は角柱形巻回体を示すであろう。
アノード集電体１１０の自由縁部ストリップ１２１は電極－セパレータアセンブリ１０４の一方の端面から突出しており、カソード集電体１１５の自由縁部ストリップ１１７は他方の端面から突出している。アノード集電体１１０の縁部１１０ｅはその全長にわたってハウジング部分１５５と直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。それゆえ、ハウジング部分１５５は本発明の意義の範囲内でコンタクトプレートとしても機能する。カソード集電体１１５の縁部１１５ｅはその全長にわたってコンタクトプレート１０５と直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。
概観の改善のために、－ 集電体１１０及び１１５を除いて － 電極－セパレータアセンブリ１０４のさらなる構成要素（具体的には、セパレータ及び電極材料）はここに示されていない。
コンタクトプレート１０５は金属ポールスタッド１０８に直接接続されており、好ましくは、溶接されている。これはハウジング部分１０２内の開口部を通してハウジングの外部へ導かれ、電気絶縁１０６によってハウジング部分１０２から絶縁されている。ポールスタッド１０８及び電気絶縁１０６で合わせてポールブッシングを形成する。
ハウジング部分１０２内には、例えば、はんだ付け、溶接、又は接着によって閉鎖され、例えば、電解液をハウジング内に投入するために用いることができる孔１０９が存在する。代替的に、同じ目的のために孔をハウジング部分１５５内に作製することができたであろう。
ハウジング部分１０２及び１５５はハウジング部分１０１の円形開口部内に溶接されている。したがって、ハウジング部分１０１、１０２、及び１５５は同じ極性を有し、電池１００の負極を形成する。ポールボルト１０８は電池１００の正極を形成する。
図１１は、第１のハウジング部分１０１及び第２のハウジング部分１０２を含むハウジングを有する電池１００を示す。電極－セパレータアセンブリ１０４がハウジング内に封入されている。ハウジングは全体的に円筒形であり、ハウジング部分１０１は、円形底部１０１ａ、中空円筒形シェル１０１ｂ、及び底部１０１ａと反対側の円形開口部を有する。ハウジング部分１０２は、円形開口部を閉鎖する役割を果たし、円形の蓋として形成される。電極－セパレータアセンブリ１０４は、２つの末端端面を有する円筒形巻回体の形態のものである。
角柱形ハウジングの場合には、電池を貫く断面は全く同じに見え得るであろう。この場合のハウジング部分１０１は、矩形底部１０１ａ、矩形側壁１０１ｂ、及び矩形断面、並びに矩形開口部を有することになり、ハウジング部分１０２は、矩形開口部を閉鎖するための矩形の蓋として形成されるであろう。そして、この場合の参照符号１０４は円筒形の形態の電極－セパレータアセンブリを示すのではなく、いくつかの同一の電極－セパレータアセンブリのスタック、又は角柱形巻回体を示すであろう。
アノード集電体１１０の自由縁部ストリップ１２１は電極－セパレータアセンブリ１０４の一方の端面から突出しており、カソード集電体１１５の自由縁部ストリップ１１７は他方の端面から突出している。アノード集電体１１０の縁部１１０ｅはその全長にわたってハウジング部分１０１の底部１０１ａと直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって、溶接によってそれに接続されている。
カソード集電体１１５の縁部１１５ｅはその全長にわたってハウジング部分１０２と直接接触しており、少なくともいくつかのセクションにわたって、好ましくは、その全長にわたって溶接によってそれに接続されている。それゆえ、ハウジング部分１０２はここではコンタクトプレートの役割を同時に果たす。
アノード集電体１１０は両側で負電極材料１２３の層を載せられているが、電極材料１２３を載せられていない長手方向縁部１１０ｅに沿って延びた自由縁部ストリップ１２１を有する。その代わりに、自由縁部ストリップ１２１は両側でセラミック支援材料１６５で被覆されている。
カソード集電体１１５は両側で負電極材料１２５の層を載せられているが、電極材料１２５を載せられていない長手方向縁部１１５ｅに沿って延びた自由縁部ストリップ１１７を有する。その代わりに、自由縁部ストリップ１１７は両側でセラミック支援材料１６５で被覆されている。
電極－セパレータアセンブリ１０４は、セパレータ１１８及び１１９の長手方向縁部１１８ａ及び１１９ａ並びに１１８ｂ及び１１９ｂによって形成された２つの端面を有する。集電体１１０及び１１５の長手方向縁部はこれらの端面から突出している。対応する突出はｄ１及びｄ２と標識されている。
ハウジング部分１０２内には、例えば、電解液をハウジング内に投入するために用いることができる孔１０９が存在する。孔は、例えば、溶接によって、ハウジング部分１０２に接続される、圧力逃がし弁１４１によって閉鎖される。
ハウジング部分１０１及び１０２はシール１０３によって互いに電気絶縁されている。ハウジングは圧着によって閉鎖されている。この目的のために、ハウジング部分の開口部縁部１０１ｃは半径方向内方に曲げられている。ハウジング部分１０１は負極を形成し、ハウジング部分１０２は電池１００の正極を形成する。
図１１に示される電池は図１２に従って製造することができ、個々のプロセスステップＡ～Ｉが以下において説明される。まず、電極－セパレータアセンブリ１０４が提供され、その上端面上に、コンタクトプレートの役割を果たすハウジング部分１０２が配置される。ステップＢにおいて、これがカソード集電体１１５の長手方向縁部１１５ｅに溶接される。ステップＣにおいて、周縁シール１０３がハウジング部分１０２の縁部上に張られる。これをもって、ステップＤにおいて、電極－セパレータアセンブリ１０４が、アノード集電体１１０の長手方向縁部１１０ｅがハウジング部分１０１の底部１０１ａと直接接触するまでハウジング部分１０１内に挿入される。ステップＥにおいて、これがハウジング部分１０１の底部１０１ａに溶接される。ステップＦにおいて、ハウジングが圧着によって閉鎖される。これを行うために、ハウジング部分１０１の開口部縁部１０１ｃが半径方向内方に曲げられる。ステップＧにおいて、ハウジングに電解液が充填される。電解液は開口部１０９を通してハウジング内に添加される。ステップＨ及びＩにおいて、開口部１０９が圧力逃がし弁１４１によって閉鎖され、圧力逃がし弁１４１がハウジング部分１０２上に溶接される。

Claims (12)

  1. リチウムイオン電池（１００）であって、以下の特徴、
    ａ． 前記電池が、配列アノード（１２０）／セパレータ（１１８）／カソード（１３０）を有するリボン状電極－セパレータアセンブリ（１０４）を含むことと、
    ｂ． 前記アノード（１２０）が、第１の長手方向縁部（１１０ｅ）、及び第２の長手方向縁部、並びに２つの端部を有するリボン状アノード集電体（１１０）を含むことと、
    ｃ． 前記アノード集電体（１１０）が、負電極材料（１２３）の層を載せられたストリップ状主領域（１２２）、及び前記電極材料（１２３）を載せられていない前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）に沿って延びた自由縁部ストリップ（１２１）を含むことと、
    ｄ． 前記カソード（１３０）が、第１の長手方向縁部（１１５ｅ）、及び第２の長手方向縁部、並びに２つの端部を有するリボン状カソード集電体（１１５）を含むことと、
    ｅ． 前記カソード集電体（１１５）が、正電極材料（１２５）の層を載せられたストリップ状主領域（１１６）、及び前記電極材料（１２５）を載せられていない前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）に沿って延びた自由縁部ストリップ（１１７）を有することと、
    ｆ． 前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）が、２つの末端端面を有する巻回体の形態のものであるか、又は２つ以上の同一の電極－セパレータアセンブリ（１０４）で形成され、２つの末端面を有するスタックの部分であることと、
    ｇ． 前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）が、場合によっては、前記スタックの他の同一の電極－セパレータアセンブリと共に、ハウジング内に封入されていることと、
    ｈ． 前記アノード（１２０）及び前記カソード（１３０）が、前記アノード集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）が前記スタックの前記末端端面又は面のうちの一方から突出し、前記カソード集電体（１１５）の前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）が前記スタックの前記末端端面又は面のうちの他方から突出するよう、前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）内で互いに対して形成され、及び／又は配置されていることと、
    ｉ． 前記電池が、前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）のうちの一方が直接接触したコンタクトシート金属部材（１０１ａ、１０２、１５５）を含むことと、
    ｊ． 前記コンタクトシート金属部材（１０１ａ、１０２、１５５）が溶接によって前記長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）に接続されていることと、
    さらなる特色的特徴、
    ｋ． 前記ハウジングの部分（１０１ａ）が前記コンタクトシート金属部材の役割を果たし、及び／又は前記コンタクトシート金属部材（１０２、１５５）が、前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）を封入する前記ハウジングの部分を形成すること、
    を有するリチウムイオン電池（１００）。
  2. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記ハウジングが、底部（１０１ａ）、及び周側壁（１０１ｂ）、及び開口部を有するカップ状の第１のハウジング部分（１０１）、並びに前記開口部を閉鎖する第２のハウジング部分（１０２）を含むことと、
    ｂ． 前記コンタクトシート金属部材が前記第１のハウジング部分（１０１）の前記底部（１０１ａ）であることと、
    を有する、請求項１に記載の電池。
  3. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記電池（１００）が、前記アノード集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１０ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０１ａ）を有することと、
    ｂ． 前記電池（１００）が、前記カソード集電体（１１５）の前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１５ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０５）を含むことと、
    ｃ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの一方が前記第１のハウジング部分（１０１）の前記底部（１０１ａ）であることと、
    ｄ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの他方（１０５）が電気導体（１０７）によって前記第２のハウジング部分（１０２）に接続されていることと、
    ｅ． 前記電池（１００）が、前記第１のハウジング部分（１０１）及び前記第２のハウジング部分（１０２）を互いに電気的に隔離する電気的シール（１０３）を含むことと、
    を有する、請求項２に記載の電池。
  4. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記電池（１００）が、前記アノード集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１０ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０１ａ）を有することと、
    ｂ． 前記電池（１００）が、前記カソード集電体（１１５）の前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１５ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０５）を含むことと、
    ｃ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの一方が前記第１のハウジング部分（１０１）の前記底部（１０１ａ）であることと、
    ｄ． 前記第２のハウジング部分（１０２）が前記第１のハウジング部分（１０１）の前記開口部内に溶接されており、電気導体（１０８）が前記ハウジングの外部へ導かれるポールブッシングを含むことと、
    ｅ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの他方（１０５）がこの電気導体（１０８）に電気接続されていることと、
    を有する、請求項２に記載の電池。
  5. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記電池（１００）が、前記アノード集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１０ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０１ａ）を有することと、
    ｂ． 前記電池（１００）が、前記カソード集電体（１１５）の前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１５ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０２）を含むことと、
    ｃ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの一方が前記第１のハウジング部分（１０１）の前記底部（１０１ａ）であることと、
    ｄ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの他方が前記第２のハウジング部材（１０２）であることと、
    ｅ． 前記電池（１００）が、前記第１のハウジング部分（１０１）及び前記第２のハウジング部分（１０２）を互いに電気的に隔離する電気的シール（１０３）を含むことと、
    を有する、請求項２に記載の電池。
  6. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記ハウジングが、２つの末端開口部を有する管状の第１のハウジング部分（１０１）、前記開口部のうちの一方を閉鎖する第２のハウジング部分（１０２）、及び前記開口部のうちの他方を閉鎖する第３のハウジング部分（１５５）を含むことと、
    ｂ． 前記コンタクトシート金属部材が前記第２のハウジング部分（１０２）又は前記第３のハウジング部分（１５５）であることと、
    を有する、請求項１に記載の電池。
  7. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記電池（１００）が、前記アノード集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１０ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１５５）を有することと、
    ｂ． 前記電池（１００）が、前記カソード集電体（１１５）の前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）が直接接触し、この長手方向縁部（１１５ｅ）が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材（１０５）を含むことと、
    ｃ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの一方（１５５）が前記第１のハウジング部分（１０１）の前記末端開口部のうちの一方の内部に溶接されており、前記第２のハウジング部分であることと、
    ｄ． 前記第３のハウジング部分（１０２）が前記第１のハウジング部分の前記末端開口部のうちの他方の内部に溶接されており、電気導体（１０８）が前記ハウジングの外部へ導かれるポールブッシングを含むことと、
    ｅ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの他方（１０５）がこの電気導体（１０８）に電気接続されていることと、
    を有する、請求項６に記載の電池。
  8. 以下のさらなる特徴、
    ａ． 前記電池が、前記アノード集電体の前記第１の長手方向縁部が直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有することと、
    ｂ． 前記電池が、前記カソード集電体の前記第１の長手方向縁部が直接接触し、この長手方向縁部が溶接によって接続されたコンタクトシート金属部材を有することと、
    ｃ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの一方が前記第１のハウジング部分の前記末端開口部のうちの一方の内部に溶接されており、前記第２のハウジング部分であることと、
    ｄ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの他方が、前記第１のハウジング部分の前記端部開口部のうちの他方を閉鎖する第３のハウジング部分であり、シールによって前記第１のハウジング部分から絶縁されていることと、
    を有する、請求項６に記載の電池。
  9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の特徴を有する電池（１００）を製造する方法であって、以下のステップ、
    ａ． アノード集電体（１１０）の第１の長手方向縁部（１１０ｅ）及びカソード集電体（１１５）の第１の長手方向縁部（１１５ｅ）が突出した末端面又は端面を有する電極－セパレータアセンブリ（１０４）を提供することと、
    ｂ． 前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）のうちの一方と電気的に接触するためのコンタクトシート金属部材（１５５、１０１ａ、１０２）を提供することと、
    ｃ． この長手方向縁部（１１０ｅ、１１５ｅ）を前記コンタクトシート金属部材（１５５、１０１ａ、１０２）に溶接することと、
    を含み、
    ｄ． 前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）を封入するハウジング部分（１０１ａ）の部分が前記コンタクトシート金属部材（１０１ａ）の役割を果たすか、又は前記コンタクトシート金属部材（１５５、１０２）が少なくとも１つのさらなるハウジング部分（１０１）に接続され、前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）を封入するハウジングを形成する、方法。
  10. 以下のさらなるステップ及び／又は特徴、
    ａ． 底部（１０１ａ）、及び周囲側壁、及び開口部を有するカップ状の第１のハウジング部分（１０１）が提供されることと、
    ｂ． 前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）が、前記アノード集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）又は前記カソード集電体の前記第１の長手方向縁部が前記底部（１０１ａ）と直接接触するまで前記カップ状ハウジング（１０１）内に挿入されることと、
    ｃ． この長手方向縁部（１１０ｅ）を前記第１のハウジング部分（１０１）の前記底部（１０１ａ）に溶接することと、
    ｄ． 第２の、好ましくは円形のハウジング部分（１０２）を用いて前記第１のハウジング部分（１０１）の前記開口部を閉鎖することと、
    を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 以下のさらなるステップ及び／又は特徴、
    ａ． 前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）が提供されることと、
    ｂ． 前記コンタクトシート金属部材（１５５）が前記電極集電体（１１０）の前記第１の長手方向縁部（１１０ｅ）と直接接触させられ、この長手方向縁部（１１０ｅ）に溶接されることと、
    ｃ． 前記コンタクトシート金属部材（１０５）が前記カソード集電体（１１５）の前記第１の長手方向縁部（１１５ｅ）と直接接触させられ、この長手方向縁部（１１５ｅ）に溶接されることと、
    ｄ． ２つの端面開口部を有する管状の第１のハウジング部分（１０１）が提供されることと、
    ｅ． 前記電極－セパレータアセンブリ（１０４）が前記端面開口部のうちの一方を通して前記管状の第１のハウジング部分（１０１）内に挿入されることと、
    ｆ． 前記コンタクトシート金属部材のうちの一方（１５５）が第２のハウジング部分として前記第１のハウジング部分（１０１）の前記端面のうちの一方の内部に溶接されることと、
    ｇ． 電気導体（１０８）が前記ハウジングの外部へ導かれ得るポールブッシングを含む第３のハウジング部分（１０２）が、前記第１のハウジング部分（１０１）の前記端面のうちの他方の内部に溶接されることと、
    を含む、請求項９に記載の方法。
  12. 以下のさらなるステップ及び／又は特徴、
    ａ． 前記ハウジング部分（１０１、１０２）のうちの一方の内部の孔（１０９）を通して前記ハウジングに電解液を充填することと、
    ｂ． 前記孔（１０９）が、溶接、接着、リベット留め、又ははんだ付けによって充填後に閉鎖されることと、
    のうちの少なくとも１つを含む、請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法。
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