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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt, die einen Aufbau hat, bei dem ein Batterieelement in
einem Gehäuse
untergebracht ist, das aus einer Laminatschicht gebildet ist. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine Verbesserung der Stoßfestigkeit
der Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt.
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Beschreibung
des verwandten Gebiets
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In
den zurückliegenden
Jahren kamen eine Vielzahl von tragbaren elektronischen Vorrichtungen
einschließlich
Videokameras, tragbaren Telephonen und tragbaren Computern auf den
Markt. Es wurde versucht, die Größe und das
Gewicht der vorstehenden elektronischen Vorrichtungen zu verringern.
Als die tragbaren Leistungsquellen für die vorstehenden elektronischen
Vorrichtungen wurden Batterien, insbesondere sekundäre Batterien
und noch genauer sekundäre
Batterien mit nicht wässrigem
Elektrolyt (so genannte "Lithiumionen-Batterien"), energisch erforscht
und entwickelt, um die Dicke der Batterie zu verringern und um einen
faltbaren Aufbau zu realisieren.
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Als
der Elektrolyt für
die formveränderbare
Batterie wurde energisch eine erstarrte elektrolytische Lösung untersucht.
Insbesondere wurde die Aufmerksamkeit auf einen Polymer-Festkörperelektrolyt
gerichtet, bei dem Lithiumsalz in einem Gel-Elektrolyt gelöst ist,
wobei dieser ein Festkörperelektrolyt
mit einem Weichmacher oder ein Polymer ist.
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Anderseits
wurde versucht, die Vorzüge
der vorstehenden Batterie, die in einer kleinen Dicke und in einem
geringen Gewicht liegen, zu nutzen. Daher wurden eine Vielfalt von
Batterien untersucht, die einen gekapselten Aufbau haben, bei dem
eine Kunststoffschicht oder eine Laminatschicht verwendet wird,
die ausgebildet wird, indem eine Kunststoffplatte und eine Metallplatte
miteinander verklebt werden.
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Die
herkömmliche
Batterie, die das aus Metall hergestellte abgedichtete Gehäuse enthält, weist
einen Vorteil auf, dass das Gehäuse
eine große
Steifigkeit hat. Folglich wird das Gehäuse der Batterie nicht leicht verformt.
Somit können
die Elektrodenelemente in der Batterie zufrieden stellend vor einer
Beschädigung
geschützt
werden. Andererseits leidet die so genannte Laminatschicht an unbefriedigender
Steifigkeit. Im Ergebnis ist eine Festigkeit gegen einen äußeren Stoß unbefriedigend.
Folglich ist das Elektrodenelement in der Batterie für eine Beschädigung anfällig, wenn
die Batterie fallengelassen wird. Somit ergibt sich ein Problem
dahingehend, dass leicht ein Kurzschluss zwischen der positiven
Elektrode und der negativen Elektrode auftritt.
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Weitere
Informationen, die sich auf den Stand der Technik beziehen, sind
zu finden in
EP 0 390 557 , die
eine flächige
Batterie lehrt, die eine Anodenlage, eine ionisch leitende Elektrolytlage
und eine Katodenlage hat. Die Elektrolytlage ist zwischen die Anodenlage
und die Katodenlage eingefügt
und die Lagen sind zusammengebaut, um eine elektrische Zelle auszubilden.
Ein Paar elektrisch leitender Anschlüsse sind in elektrischem Kontakt
mit der Anodenlage und mit der Katodenlage. Ein schützender
Plattenwerkstoff hüllt
die flächige
Batterie ein und ist an dem Rand der flächigen Batterie und um die
Anschlüsse
heißgesiegelt,
um Luft und Feuchtigkeit auszuschließen. Die Anschlüsse erstrecken
sich von diesem schützenden
Plattenwerkstoff oder sind durch diesen für eine Verbindung mit einer
Vorrichtung zugänglich,
die durch die flächige
Batterie betrieben wird.
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Das
US-Patent 4,092,464 offenbart eine Zelle oder -Batterie mit hoher
Energiedichte, die eine Biegebelastung mit geringer Wirkung auf
ihre Entladungseigenschaften sowohl während als auch nach der Belastungs-Aussetzung
ertragen kann. Es wird gelehrt, dass die Batterie eine Folienlaminattasche
aufweist, die ausgebildet wird, indem eine ebene Platte eines Werkstoffs,
der eine Aluminiumfolienlage hat, die zwischen zwei Polyethylenlagen
liegt (eine einzelne Lage des Werkstoffs hat eine Gesamtdicke von
0,003 Zoll), gefaltet wird und die Enden der gefalteten Platte heißgesiegelt
werden. Die Heißsiegel
bilden eine Tasche oder einen Beutel aus. Die ebene Platte aus einem
Kunststofffolien-Laminatwerkstoff
wird übereinander
auf sich selbst gefaltet und bis zur Mitte, wo die Kanten der Platte
an einem Ende überlappen,
heißgesiegelt
und dadurch eine Tasche mit offenen Enden ausgebildet. Die Zellenbaueinheit
wird durch das offene Ende der Tasche eingeschoben und die Zelle
mit einem Elektrolyt in Form von 1 M-Lithium-Perchlorat gefüllt, das
in einer Mischung aus Propylencarbonat und Tetrahydrofuran in gleichen
Teilen gelöst
ist, und der Überschuss
wird herausgequetscht. Nachdem die Zelle mit dem Elektrolyt gefüllt ist,
wird die Tasche längs
des offenen Endes heißgesiegelt,
um die Zelleninhalte hermetisch einzuschließen. Für eine Hermetizität werden
die von der Anode und von der Katode wegführenden Laschen an dem Punkt,
an dem sie mit dem Abschlussheisssiegel in Kontakt stehen, mit Polyethylen
beschichtet. Die Laschen ragen aus dem Zellengehäuse für eine elektrische Verbindung
heraus.
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JP
60-208049 lehrt einen eingeschlossenen Akkumulator, bei dem ein
vorgegebener Druck auf eine Gruppe von Platten ausgeübt wird,
indem die Gruppe von Platten mit einem Taschengehäuse bedeckt
wird und hierauf mit einer Kunstharzplatte mit einer Aluminiumfolie
laminiert wird, um danach Luft zwischen ihnen einzukapseln. Insbesondere
ist die Gruppe von Elektrodenplatten in einem eingeschlossenen Akkumulator
aus einer positiven Platte, einer negativen Platte, Glasfasern usw.
gebildet, wobei sie in einem Taschengehäuse untergebracht ist, das
aus einer Kunstharzplatte oder aus einer Harzschicht hergestellt
wird, worauf der Umfang bis auf einen Abschnitt verschweißt wird,
der danach mit einer Kunstharzplatte oder einer Harzschicht abgedeckt
wird, wobei Polyethylen über
die Oberfläche
einer Aluminiumfolie laminiert wird und bis auf den Abschnitt verschweißt wird.
Hierauf wird Luft durch den Abschnitt geblasen, während ein
Elektrolyt durch den Abschnitt eingespritzt wird, und wird der Abschnitt
verschweißt,
um eine Batterie fertig zu stellen. Wenn der Luftdruck richtig eingestellt
wird, kann der vorgegebene Druck gleichförmig auf die gesamte Fläche der
Gruppe von Platten ausgeübt
werden.
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JP
02-021557 lehrt eine dünne
Batterie mit dem Ziel, eine Kapazitätsänderung der Batterie auch dann zu
verhindern, wenn eine Biegebelastung ausgeübt wird, indem Teile der Leistung
erzeugenden Elemente mit einem aus einer Kunststoffplatte hergestellten
Rahmen fixiert werden und indem der Rand des Rahmens mit Teilen
von äußeren Ummantelungen
durch Verbindungslagen luftdicht verklebt wird. Insbesondere werden Leistung
erzeugende Elemente mit einem Kunststoffrahmen verklebt, der eine
Schmelzklebelage hat. Die Strom erzeugenden Elemente und der Kunststoffrahmen
werden zwischen ein Paar von äußeren Umhüllungen
eingefügt,
von denen jede eine Schmelzklebelage hat, und sie werden mit der
Schmelzklebelage entlang ihres Umfangs luftdicht schmelzverklebt.
Die äußere Umhüllung ist
ein Stapel, der eine Polypropylen-Schmelzklebelage, eine Nylonlage und
eine Aluminiumlage aufweist, und die Polyesterlage und zwei äußere Umhüllungen
sind mit der Schmelzklebelage verklebt. Eine Kapazitätsänderung
der Batterie wird verhindert, auch wenn eine Biegebelastung aufgebracht
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Angesichts
des Vorstehenden besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Batterie
mit nicht wässrigem
Elektrolyt zu schaffen, die ein darin befindliches Elektrodenelement
zufrieden stellend vor einem äußeren Stoß schützen kann
und die in einer Laminatschicht eingeschlossen ist.
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Um
die oben erwähnte
Aufgabe zu lösen,
schafft die Erfindung eine Batterie mit nicht wässrigem Elektrolyt in Übereinstimmung
mit Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
wiedergegeben.
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Die
Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt, die den Aufbau nach Anspruch 1 hat, kann das Batterieelement
aufgrund der Stoßpufferfunktion
der Harzlage vor einem äußeren Stoß schützen. Folglich
kann, wenn auf die Batterie im Fall eines Fallenlassens oder ähnlichem
ein Stoß ausgeübt wird,
eine zufrieden stellende Funktionssicherheit realisiert werden.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind offensichtlich
aufgrund der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung
mit der beigefügten Zeichnung
beschrieben werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung, die ein Beispiel des
Aufbaus einer Batterie mit nicht wässrigem Elektrolyt in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt;
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2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Beispiel des
Auf baus der Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt in Übereinstimmung
mit der Erfindung zeigt;
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3 ist
eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt,
in dem die gesamte Oberfläche
des Batterieelements mit Harz bedeckt ist;
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4 ist
eine Dreiseitenansicht, die einen Volumenverlustabschnitt zeigt,
der realisiert wird, wenn die gesamte Oberfläche des Batterieelements mit
dem Harz bedeckt ist;
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5 ist
eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt,
in dem eine Harzplatte, die im Voraus gegossen wurde, als eine Harzlage
angefügt
wird;
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6 ist
eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt,
in dem die Harzlage durch Einschließen des Harzes ausgebildet
wird; und
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7 ist
eine schematische perspektivische Ansicht, die Abmessungen des Batterieelements
in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform
zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Der
Aufbau einer Batterie mit nicht wässrigem Elektrolyt in Übereinstimmung
mit der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben.
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Die
Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist beispielsweise eine Festkörperelektrolyt-Batterie oder
eine Gel-Elektrolyt-Batterie. Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, ist ein Batterieelement 1 mit einem Aufbau, bei dem
ein Festkörperelektrolyt
oder ein Gel-Elektrolyt zwischen einer Positivelektroden-Aktivwerkstofflage
und einer Negativelektroden-Aktivwerkstofflage
positioniert ist, in einem Gehäuse 2 untergebracht,
das aus einer Laminatschicht gebildet ist. Der Rand der Laminatschicht
ist auf eine Weise verschweißt,
dass das Batterieelement 1 eingeschlossen ist.
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Das
Batterieelement 1 ist mit einem Negativelektroden-Anschlussdraht 3,
der elektrisch mit einer negativen Elektrode verbunden ist, die
das Batterieelement 1 bildet, und mit einem Positivelektroden-Anschlussdraht 4,
der elektrisch mit einer positiven Elektrode verbunden ist, versehen.
Der Negativelektroden-Anschlussdraht 3 und der Positivelektroden-Anschlussdraht 4 sind
zu dem Außenabschnitt
des Gehäuses 2 herausgezogen.
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Die
Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt in Übereinstimmung
mit der Erfindung hat einen Aufbau, bei dem eine oder mehrere Oberflächen zwischen
dem Batterieelement 1 und der Laminatschicht (dem Gehäuse 2)
mit einer Harzlage versehen sind. In dieser Ausführungsform sind Harzlagen 5 und 6 an
den Abschlussflächen
des gewickelten Batterieelements 1 angeordnet. Somit sind
das Batterieelement 1 und das Gehäuse 2, das durch die
Laminatschicht gebildet ist, voneinander getrennt. Die Harzlagen 5 und 6,
von denen jede eine Stoßpufferfunktion
hat, schützen
das untergebrachte Batterieelement 1 vor einem äußeren Stoß.
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Wenn
die gesamte Oberfläche
des Batterieelements 1 durch eine Harzlage 8 geschützt ist,
wie es in 3 gezeigt ist, kann die vorstehende
Aufgabe leicht gelöst
werden. Wenn die gesamte Oberfläche
wie zuvor beschrieben bedeckt ist, wird das schraffierte Gebiet
in 4 zu einem Volumenverlust. Somit wird ein Verhältnis bis
auf das Batterieelement 1 in dem Fall einer Batterie mit
einer beschränkten
Kapazität
unerwünscht erhöht. Im Ergebnis
verschlechtert sich unerwünscht
die Volumenenergieeffizienz der Batterie.
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Der
größte Stoß wird im
Fall eines Fallenlassens oder ähnlichem
nicht auf die Ebene der Batterie ausgeübt, sondern an dem Punkt der
Batterie in einem Fall, wo die Ecke der Batterie zuerst auftrifft.
Um wirkungsvoll den vorstehenden Sachverhalt zu verhindern, ist
es vorzuziehen, dass das Harz an einem beschränkten Platz, d. h. an einer
Oberfläche
aus den Oberflächen
des Batterieelements 1, die die kleinste Fläche hat,
angeordnet ist.
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Eine
Batterie eines Typs in Übereinstimmung
mit der Erfindung, die einen Aufbau hat, bei dem eine Flachbatterie
in eine Laminatschicht gepackt wird, wird abgedichtet, wobei der
Innendruck erniedrigt wird, um Feuchtigkeit zu entfernen und um
die Luftdichtigkeit zu verbessern. Zu diesem Zeitpunkt konzentriert
sich eine Belastung, die auf die Laminatschicht ausgeübt wird,
auf die Ecken der Batterie. Folglich haben die Ecken des Batterieelements
eine geringe Widerstandsfähigkeit
gegenüber
einem Stoß,
der von außen
beispielsweise in einem Fall des Fallenlassens ausgeübt wird.
Folglich kann die Widerstandsfä higkeit
der Batterie verbessert werden, wenn die Ecken zuverlässig geschützt sind.
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Wenn
ermittelt wurde, dass die kleinste Abmessung von den Abmessungen
der Batterie die Dicke ist, ist es ein wichtiger Sachverhalt, dass
die Dicke verringert wird. Wenn die Dicke einer Batterie mit einr
Dicke von 3 mm um 100 μm
verringert wird, verschlechtert sich die Volumeneffizienz um 3%.
Wenn die Dicke einer Batterie mit einer Dicke von 0,5 mm um 100 μm verringert
wird, verschlechtert sich die Volumeneffizienz um 20%. Daher ermöglicht der
Aufbau der Erfindung, bei dem die Harzlage zwischen dem Batterieelement
und der Laminatschicht ausgebildet wird, dass die untergebrachte
Batterie vor einem äußeren Stoß aufgrund
der Stoßpufferfunktion
der Harzlage geschützt
wird, wobei eine Verschlechterung des Volumenenergiewirkungsgrad
minimiert wird.
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Wenn
die Harzlagen bereitgestellt sind, kann ein Verfahren genutzt werden,
mit dem das Batterieelement 1 in der Laminatschicht eingeschlossen
wird, wobei Harzlagen 5 und 6, die im Voraus gegossen
worden sind und die aus dünnen
Harzplatten gebildet sind, wie in 5 gezeigt
eingefügt
werden. Ein weiteres Verfahren kann genutzt werden, das die Schritte
des Auftragens eines aushärtbaren
Harzes auf das Batterieelement, des Aushärtens des Harzes und des Einschließen des
Batterieelements in eine Laminatschicht umfasst. Wenn eine Laminatschicht
eines Typs mit einem Platz zum Unterbringen einer Batterie darin
genutzt wird, wird das Batterieelement in dem Platz untergebracht.
Hierauf wird aushärtbares
Harz eingeschlossen und hierauf das Harz ausgehärtet. Hierauf wird die Laminatschicht
abgedichtet. Im vorstehenden Fall wird eine Harzlage 7 an
dem Rand des Batterieelements 1 ausgebildet, wie es in 6 gezeigt
ist. Die Harzlage 7 besteht aus Harzlagen 7a und 7b,
die die beiden Endflächen
des Batterieelements 1 bedecken, und aus einer Harzlage 7c,
die längs
der Kanten des Batterieelements 1 ausgebildet ist. Somit
kann eine Stoßfestigkeit
weiter verbessert werden.
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Wenn
die Dicke jeder der Harzlagen 5, 6 und 7 nicht
größer als
50 μm ist,
kann keine zufrieden stellende Stoßfestigkeit erhalten werden.
Wenn die Dicke nicht kleiner als 50 μm ist, kann die Stoßfestigkeit
geringfügig
verbessert werden. Vorzugsweise beträgt die Dicke 100 μm oder mehr,
um zuverlässig
die vorstehende Wirkung zu erhalten und um den Vorgang zu erleichtern.
Vorzugsweise beträgt
die Dicke etwa 500 μm, um
eine erforderliche und zufrieden stellende Wirkung zu erhalten.
Wenn die Dicke 1 mm oder mehr beträgt, tritt ein großer Verlust
der Volumeneffizienz ein.
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Die
Harzlage, die zwischen dem Batterieelement 1 und der Laminatschicht
angeordnet ist, kann aus wenigstens einem Werkstofftyp hergestellt
sein, der aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Polyethylen, Polypropylen,
Polyimid, Polyamidimid, Polyamid, Polyphenylensulfid, Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer,
Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Ethylenfluorid-Polypropylen-Copolymer,
Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, Polyvinylfluorid, Epoxidharz,
Acrylharz, Methacrylatharz, ihrem Mischharz und vernetztem Harz
besteht.
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Das
vernetzte Harz ist beispielhaft erläutert durch 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat,
2-Hydroxypropyl(meth)acrylat, Glycerol(meth)acrylat, 2-Acrylamid-2-Methylpropansulfonat,
Natriumsulfonat-Ethyl(meth)acrylat, (Meth)acrylamid, N,N-Dimethylaminoethyl(meth)acrylat,
N,N-Diethyl-Aminoethyl(meth)acrylat, N-Isopropylacrylamid, N,N-Dimethyl-Aminopropylacrylamid,
(Meth)acrylat, (Metha)natriumacrylat, 2-(Meth)-Acryloyloxyethyl-Succinat,
2-(Meth)acryloyloxyethylphthalat, 2-(Meth)-Acryloyloxyethylhexahydrophthalat, ω-Carboxy-Polycaprolacton-Monoacrylat,
EO-denaturiertes Phosphat(meth)acrylat, Polyethylenglycol(meth)acrylat,
Acryloylmorpholin, P-Styrolsulfonat, Vinylsulfonat, Arylsulfonat,
(Meth)acrylsäure-Ethylsulfonat,
(Poly)ethylenglycol-Di(meth)-acrylat (Handelsbezeichnung von Shin-Nakamura:
NK Ester A-200, A-400, A-600, A-1000, 4G, 9G, 14G oder 23G, Handelsbezeichnung
von Kyoei: Light Ester 4EG, 9EG, 14EG, 9EG-A oder 14EG-A), (Poly)ethylenglycol-Mono(meth)acrylat
(Handelsbezeichnung von Shin-Nakamura: NK Ester AMP-10G, AMP-20G,
AMP-60G oder AMP-90G, Handelsbezeichnung von Kyoei: Light Ester
MC, 130MA oder 041MA) Ethoxypolypropylen-Glycoldimethacrylat (Handelsbezeichnung
von Shin Nakamura: NK Ester 1206PE). Der vorstehende Werkstoff kann
allein genutzt werden oder mehrere der Werkstoffe können miteinander
kombiniert werden. Als Aushärtungsmittel
können
Wärme,
ultraviolette Strahlen, sichtbare Strahlen, Elektronenstrahlen oder
radioaktive Strahlen verwendet werden.
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Ein
Initiator, der genutzt wird, wenn das Aushärtungsverfahren mit ultravioletter
Strahlung genutzt wird, ist mit irgendeinem der nachfolgenden Werkstoffe beispielhaft
erläutert,
die infolge ultravioletter Strahlen aktiviert werden: eine Sulfid
wie etwa Natriummethyl-Dithiocarbamatsulfid, Tetramethylthiuram-Monosulfid,
Diphenylmonosulfid oder Dibenzothiazoyl-Monosulfid; ein Thioxanthon-Derivat
wie etwa Thioxanthon, Ethylthioxanthon, 2-Chlorothioxanthon, Diethylthioxanthon
oder Di-Isopropylthioxanthon; eine Diazo-Verbindung wie etwa Hydrazon,
Azoisobutylnitril oder Benzoldiazonium; eine aromatische Carbonyl-Verbindung
wie etwa Benzoin, Benzoin-Methylether, Benzoin-Ethylether, Benzoin-Isopropylether,
Benzophenon, Dimethylamino-Benzophenon, Michlers Keton, Benzyl-Anthrachinon,
t-Butylanthrachinon, 2-Methylanthrachinon, 2-Methylanthrachinon, 2-Ethylanthrachinon,
2-Aminoanthrachinon, 2-Chloro-Anthrachinon,
Benzylmethylketal oder Methylphenylglyoxylat; ein Acetophenon-Derivat
wie etwa 1-Hydroxy-Cyclohexylphenylketon, 2-Hydroxy-2-Methyl-1-Phenylpropan-1-on,
4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl(2-Hydroxy-2-Propyl)keton, 2,2-Diethoxyacetophenon
oder 2,2-Dimethoxyacetophenon; Dialkylaminobutyl-Benzonat wie etwa
4-Dimethylaminomethyl-Benzonat, 4-Dimethylaminoethyl-Benzonat, 4-Dimethylaminobutyl-Benzonat
oder 4-Diethylaminoisopropyl-Benzonat; ein Peroxid wie etwa Benzoylperoxid,
Di-t-Butylperoxid, Dicumylperoxid oder Cumol-Hydroperoxid; ein Acridin-Derivat
wie etwa 9-Phenyl-Acridin,
9-p-Methoxyphenyl-Acridin, 9-Acetylamino-Acridin oder Benzacridin;
ein Phenazin-Derivat wie etwa 9,10-Dimethylbenzphenazin, 9-Methylbenzphenazin
oder 10-Methoxybenzphenazin; ein Chinoxalin-Derivat wie etwa 4,4',4''-Trimethoxy-2,3-Diphenylchinoxalin;
2,4,5-Triphenylimidazol-Dimer; ein halogeniertes Keton und eine
acylierte Phosphorverbindung wie etwa Acylphosphinoxid oder Acylphosphonat.
Es ist anzumerken, dass der Werkstoff nicht auf die vorstehenden
Werkstoffe beschränkt
ist.
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Als
ein Werkstoff, der infolge einer sichtbaren Strahlung aktiviert
wird und der nachfolgend beispielhaft aufgeführt wird, kann genutzt werden:
2-Nitrofluoren, 2,4,6-Tris(trichlormethyl)-1,3,5-Triazin, 3,3'-Carbonyl-Biscoumalin
und Thio-Michlers-Keton.
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Der
vorstehende Werkstoff kann allein genutzt werden oder zwei oder
mehr Arten der Werkstoffe können
miteinander gemischt werden.
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Wenn
die zu mischende Menge zu gering ist, kann keine zufrieden stellende
Reaktionscharakteristik realisiert werden, ist der Vernetzungspunkt
herabgesetzt und findet leicht eine Plastifizierung statt. Wenn
die Menge zu groß ist, treten
leicht Sprödigkeit
und Entfärbung
auf. Vorzugsweise beträgt
folglich die Menge 0,01 Gewichtsteile bis 20 Gewichtsteile, vorher
0,1 Gewichtsteile bis 5 Gewichtsteile.
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Wenn
eine ultraviolette Strahlung als der aktivierende Lichtstrahl genutzt
wird, ist die Lichtquelle eine Ultrahochdruck-Quecksilberlampe,
eine Hochdruck-Quecksilberlampe,
eine Halogen-Metalldampflampe, eine Xenonlampe oder eine Niederdruck-Sterilisationslampe.
Die Menge der ultravioletten Strahlung, die angewendet werden muss, ändert sich
in Abhängigkeit
von der Art des Monomers und der Menge des Lichtpolymerisations-Initiators.
Vorzugsweise liegt die Menge bei 10 mJ/cm2 bis
10 J/cm2. Um eine Sauerstoffunterdrückung zu
verhindern, wird eine Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung in
einer Atmosphäre
eines inaktiven Gases oder in einem Zustand, in dem die Atmosphäre durch
Glas oder eine durchsichtige Kunststoffschicht abgetrennt ist, durchgeführt.
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In
einem Fall der Festkörperelektrolyt-Batterie
oder einer Gel-Elektrolyt-Batterie kann der Polymerwerkstoff des
Polymer-Festkörperelektrolyts
des Batterieelements 1 irgendeiner der folgenden Werkstoffe sein:
Silikongel, Acrylgel, Acrylonitrilgel, denaturiertes Polyphosphagen-Polymer,
Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, deren zusammengesetzte Polymere,
vernetze Polymere, denaturierte Polymere oder Fluorpolymere, die
beispielhaft durch Poly(vinylidenfluorid), Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen),
Poly(vinylidenfluorid-co-Tetrafluorethylen), Poly(vinylidenfluorid-co-Trifluorethylen)
und Mischungen davon aufgeführt
sind. Selbstverständlich
ist der Werkstoff nicht darauf beschränkt.
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Der
Festkörperelektrolyt
oder der Gel-Elektrolyt, der in der Aktivwerkstofflage der positiven
Elektrode oder in der Aktivwerkstofflage der negativen Elektrode
laminiert ist, wird erhalten, indem veranlasst wird, dass die Aktivwerkstofflage
der positiven Elektrode oder die Aktivwerkstofflage der negativen
Elektrode mit einer Lösung
getränkt
wird, die aus einer Polymerverbindung, einem Elektrolytsalz und
einem Lösungsmittel
(und einem Weichmacher im Fall des Gel-Elektrolyt) besteht. Hierauf
wird das Lösungsmittel
entfernt, so dass die Lösung
erstarrt. Die Aktivwerkstofflage der positiven Elektrode oder die
Aktivwerkstofflage der negativen Elektrode wird mit einer Menge
des Festkörperelektrolyt
oder des Gel-Elektrolyt getränkt
und in der Aktivwerkstofflage der positiven Elektrode oder der Aktivwerkstofflage
der negativen Elektrode einlaminiert, um sie erstarren zu lassen.
Im Fall des vernetzten Werkstoffs wird Licht oder Wärme zur
Vernetzung des Werkstoffs verwendet, um ihn erstarren zu lassen.
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Der
Gel-Elektrolyt wird aus einem Weichmacher, der ein Lithiumsalz und
2 Gew.-% bis 30 Gew.-% Matrixpolymer enthält, gebildet. Zu diesem Zeitpunkt
können
ein Ester, ein Ether oder ein Carbonat allein oder als ein Bestandteil
des Weichmachers genutzt werden.
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Wenn
der Gel-Elektrolyt zubereitet wird, kann ein Matrixpolymer zum Gelieren
des Carbonats irgendeines aus einer Vielzahl von Polymeren sein,
das zum Bilden des Gel-Elektrolyten verwendet wird. Von einem Gesichtspunkt
einer Oxidations- und Reduktionsstabilität ist es vorzuziehen, dass
ein Fluorpolymer wie etwa Poly(vinylidenfluorid) oder Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen)
genutzt wird.
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Der
Polymer-Festkörperelektrolyt
wird aus einem Lithiumsalz und aus einer Polymerverbindung zum Lösen des
Lithiumsalzes gebildet. Die Polymerverbindung kann ein Etherpolymer
wie etwa Poly(ethylenoxid) oder dessen vernetzter Werkstoff, Poly(methacrylat)ester,
Acrylatwerkstoff, Fluorpolymer wie etwa Poly(vinylidenfluorid) oder
Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen) sein. Der Werkstoff
kann allein genutzt werden oder ein Gemisch davon kann genutzt werden.
Von einem Gesichtspunkt einer Oxidations- und Reduktionsstabilität ist es
vorzuziehen, dass ein Fluorpolymer wie etwa Poly(vinylidenfluorid)
oder Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen) genutzt wird.
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Das
Lithiumsalz, das in dem Gel-Elektrolyt oder in dem Polymer-Festkörperelektrolyt
enthalten ist, kann das Lithiumsalz zur Verwendung in einer herkömmlichen
elektrolytischen Lösung
für eine
Batterie sein. Die Lithiumverbindung (das Salz der Lithiumverbindung)
können
die folgenden Werkstoffe sein. Es ist anzumerken, dass die Erfindung
nicht auf die folgenden Werkstoffe beschränkt ist.
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Die
Lithiumverbindung (das Salz der Lithiumverbindung) ist beispielhaft
erläutert
durch Lithiumchlorid, Lithiumbromid, Lithiumiodid, Lithiumchlorat,
Lithiumperchlorat, Lithiumbromat, Lithiumiodat, Lithiumnitrat, Lithiumtetrafluorborat,
Lithiumhexafluorphosphat, Lithiumacetat, Bis(tritfluormethansulfonyl)imid-Lithium, LiAsF6, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiAlCl4 und LiSiF6.
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Die
vorstehende Lithiumverbindung kann allein genutzt werden oder mehrere
der Lithiumverbindungen können
gemischt werden. Von einem Gesichtspunkt einer Oxidationsstabilität ist es
vorzuziehen, dass LiPF6 oder LiBF4 genutzt wird.
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Es
wird nun die Konzentration des Lithiumsalzes beschrieben, das gelöst werden
muss. Im Fall des Gel-Elektrolyten können 0,1 Mol bis 3,0 Mol in
dem Weichmacher gelöst
werden. Vorzugsweise liegt die Konzentration bei 0,5 Mol/Liter bis
2,0 Mol/Liter.
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Bis
auf die Tatsache, dass für
den Aufbau der Gel-Elektrolyt oder der Festkörperelektrolyt genutzt wird, kann
die Batterie in Übereinstimmung
mit der Erfindung einen Aufbau einer herkömmlichen Lithiumionen-Batterie
haben.
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Das
heißt,
dass der Werkstoff der negativen Elektrode einer Lithiumionen-Batterie
ein Werkstoff sein kann, der eine Dotierung/Entdotierung mit Lithium
ermöglicht.
Der Werkstoff zum Bilden der negativen Elektrode kann beispielsweise
ein nicht graphitierender Kohlenstoff oder Graphit sein. Genauer
kann irgendeiner der folgenden Werkstoffe genutzt werden: Pyrokohlenstoff,
Koks (Pechkoks, Nadelkoks oder Petroleumkoks), Graphit, glasförmiger Kohlenstoff,
ein gesinterter Werkstoff einer organischen Polymerverbindung (ein
Werkstoff, der erhalten wird, indem Phenolharz oder Furanharz bei
einer geeigneten Temperatur in einer Weise gebrannt wird, dass er
verkokt), Kohlenstofffaser und Aktivkohle. Als der Werkstoff, der
ein Dotieren/Entdotieren mit Lithium ermöglicht, kann ein Polymer wie
etwa Polyacetylen oder Polypyrrol oder ein Oxid wie etwa SnO2 genutzt werden. Wenn die negative Elektrode
aus dem vorstehenden Werkstoff gebildet ist, kann ein bekanntes
Bindemittel oder ähnliches
hinzugefügt
werden.
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Die
positive Elektrode kann gebildet werden, indem ein Metalloxid, ein
Metallsulfid oder ein bestimmtes Polymer als der aktive Werkstoff
der positiven Elektrode verwendet wird. Wenn eine Lithiumbatterie
gebildet wird, kann der aktive Werkstoff der positiven Elektrode
ein Metallsulfid oder -oxid wie etwa TiS2,
MoS2, NbSe2 oder
V2O5, das kein Lithium
enthält,
oder ein Lithium-Verbundoxid sein, das hauptsächlich aus LixMo2 besteht (wobei M eine oder mehrere Arten
eines Übergangsmetalls
sind und wobei sich x in Abhängigkeit
von einem Zustand einer Ladung/Entladung verändert und es 0,05 oder mehr
und 1,10 oder weniger beträgt).
Als das Übergangsmetall
M, das das Lithium-Verbundoxid bildet, wird vorzugsweise Co, Ni
oder Mn genutzt. Das Lithium-Verbundoxid ist beispielhaft durch
LiCoO2, LiNiO2,
LiNiyCo1-yO2 (wobei 0 < y < 1 ist) und durch
LiMn2O4 aufgeführt. Das
vorstehende Lithium-Verbundoxid ist ein ausgezeichneter aktiver
Werkstoff der positiven Elektrode, der eine hohe Spannung erzeugen
kann und eine zufrieden stellende Energiedichte aufweist. Die positive
Elektrode kann dadurch gebildet werden, dass mehrere Arten der vorstehenden
aktiven Werkstoffe der positiven Elektrode kombiniert werden. Wenn
die positive Elektrode gebildet wird, indem der vorstehende aktive
Werkstoff der positiven Elektrode verwendet wird, können ein
bekannter leitfähiger
Werkstoff und ein Bindemittel hinzugefügt werden.
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Die
Elektrodenanschlüsse
(der Negativelektroden-Anschlussdraht 3 und der Positivelektroden-Anschlussdraht 4)
sind mit Sammelelektroden der entsprechenden positiven Elektrode
und der negativen Elektrode verbunden. Vorzugsweise ist der Werkstoff
der Elektrodenanschlüsse
eine Legierung wie etwa eine Aluminium- oder Titanlegierung, die
nicht bei einem hohen Potential gelöst wird. Die negative Elektrode
kann aus Kupfer, Nickel oder deren Legierung hergestellt sein.
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Die
Elektrodenanschlüsse
sind gebogen, um unter einem Gesichtspunkt, dass die Volumeneffizienz verbessert
wird und dass die Elektrodenanschlüsse leicht herausgezogen werden
können,
an dem Ende des gewickelten Batterieelements 1 bündig mit
der Hauptoberfläche
des Batterieelements 1 abzuschließen. Die Harzlagen 5, 6 und 7 sind
wirksame Lagen, um einen Kurzschluss zu verhindern und um außerdem als
Stoßdämpfer zu
dienen.
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Die
Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt in Übereinstimmung
mit der Erfindung kann eine primäre oder
eine sekundäre
Batterie sein. Vorzugsweise ist die Batterie mit nicht wässrigem
Elektrolyt eine sekundäre Lithiumionen-Batterie,
die den Festkörperelektrolyt
oder den Gel-Elektrolyt enthält.
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Beispiele
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Es
werden nun Beispiele und Vergleichsbeispiele der Erfindung in Übereinstimmung
mit Ergebnissen von Experimenten beschrieben.
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Herstellung
von Probebatterien
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Zu
Beginn wurde die negative Elektrode wie folgt hergestellt.
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Pulver
aus pulverisiertem Graphit in einer Menge von 90 Gewichtsteilen
und 10 Gewichtsteilen Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen)
wurden auf eine Weise gemischt, dass eine Mischung für die negative Elektrode
zubereitet wurde. Hierauf wurde die vorstehende Mischung in N-Methyl-2-Pyrrolidon
zur Zubereitung eines Schlickers dispergiert. Der vorstehende Schlicker
wurde gleichmäßig auf
jede Oberfläche
einer gestreckten Kupferfolie aufgetragen, die eine Sammelelektrode
für die
negative Elektrode war und eine Dicke von 10 μm hat. Daraufhin wurde die nasse
Oberfläche
getrocknet, worauf ein Druckguss der gestreckten Kupferfolie durch
eine Walzmaschine folgte. Somit war eine negative Elektrode hergestellt.
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Andererseits
wurde die positive Elektrode wie folgt hergestellt.
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Um
einen aktiven Werkstoff (LiCoO2) für die positive
Elektrode zu erhalten, wurden Lithiumcarbonat und Kobaltcarbonat
mit einem molaren Verhältnis
von 0,5:1 gemischt und hierauf die gemischten Werkstoffe bei 900°C für 5 Stunden
in Luft gebrannt. Hierauf wurden 91 Gewichtsteile von erhaltenem
LiCoO2, 6 Gewichtsteile Graphit, der als
ein leitfähiger
Werkstoff dient, und 10 Gewichtsteile Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen),
das als das Bindemittel dient, miteinander gemischt. Dadurch wurde
eine Mischung für
die positive Elektrode zubereitet. Hierauf wurde die Mischung in
N-Methyl-2-Pyrrolidon zur Zubereitung eines Schlickers dispergiert.
Der vorstehende Schlicker wurde gleichmäßig auf jede Oberfläche einer
gestreckten Aluminiumfolie aufgetragen, die eine Sammelelektrode
für die
positive Elektrode war und eine Dicke von 20 μm hatte. Die nasse Oberfläche wurde
daraufhin getrocknet, worauf ein Druckguss der gestreckten Aluminiumfolie
durch eine Walzmaschine folgte. Somit war eine positive Elektrode
hergestellt.
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Darüber hinaus
wurde der Gel-Elektrolyt wie folgt erhalten.
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Die
Oberfläche
jeder negativen und positiven Elektrode wurde gleichmäßig mit
einer Lösung
beschichtet, die durch Mischen und Lösen von 10 Gewichtsteilen Poly(vinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen)
mit einem mittleren Molekulargewicht von 600.000 und 60 Gewichtsteilen
Diethylcarbonat in 30 Gewichtsteilen Weichmacher, der aus 42,5 Gewichtsteilen
Ethylencarbonat (EC), 42,5 Gewichtsteilen Propylencarbonat (PC)
und 15 Gewichtsteilen LiPF6 zusammengesetzt
war, zubereitet wurde. Somit wurden die negative Elektrode und die
positive Elektrode mit der Lösung
getränkt
und die negative Elektrode und die positive Elektrode bei Raumtemperatur
8 Stunden lang stehengelassen. Somit wurde Dimethylcarbonat verdampft
und entfernt, um den Gel-Elektrolyt zu erhalten.
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Die
Gel-Elektrolytseiten der negativen Elektrode und der positiven Elektrode
wurden verbunden und mit Kontaktkleber verklebt. Somit wurde eine
3,3 cm × 5,2
cm × 3,3
mm-Gel-Elektrolytflachbatterie (Kapazität 550 mAh) mit einem Aufbau,
wie er in 7 gezeigt ist, hergestellt.
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Ein
Positivelektroden-Anschlussdraht aus Aluminium und ein Negativelektroden-Anschlussdraht
aus Nickel wurden an der Oberfläche
des Abschnitts der Polplatte angeschweißt, auf den der aktive Werkstoff
nicht aufgetragen war. Hierauf wurde der hergestellte Aufbau in
einem aus einer Laminatschicht gebildeten Stapel verkapselt. Ein
Abschnitt des Stapels mit einer Breite von 5 mm wurde bei 200°C für 10 Sekunden
durch eine Versiegelmaschine verschweißt, so dass Testbatterien hergestellt
waren.
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Probe 1
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Eine
Harzlage aus Polypropylen mit einer Dicke von 300 μm wurde,
wie es in 5 gezeigt ist, aufgestellt und
die Harzplatte, wie es in 1 und 2 gezeigt
ist, gestapelt. Somit war eine Testbatterie hergestellt.
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Probe 2
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Eine
Harzlage aus Polyimid mit einer Dicke von 300 μm wurde, wie es in 5 gezeigt
ist, aufgestellt und die Harzplatte wie es in 1 und 2 gezeigt
ist, gestapelt. Somit war eine Testbatterie hergestellt.
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Probe 3
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NK
Ester 1206PE (Handelsbezeichnung von Shin-Nakamura) in einer Menge
von 40 Gewichtsteilen, NK Ester 9G (Handelsbezeichnung von Shin-Nakamura)
in einer Menge von 25 Gewichtsteilen und ein Aushärtungswerkstoff
(mit einer Handelsbezeichnung "1173" von Ciba-Geigy Co.,
Ltd.) in einer Menge von 0,5 Gewichtsteilen wurden gemischt, und
hierauf wurden die gemischten Werkstoffe in einem Unterdruck entgast.
Somit wurde eine aushärtbare
Harzzusammensetzung erhalten.
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Das
Batterieelement wurde in einer Laminatschicht untergebracht, die
einen Raum zum Unterbringen der Batterie in einer ihrer Seiten hat.
Hierauf wurde das vorstehende Harz in einen Aussparungsabschnitt
gegenüber
der Oberfläche,
die neben dem Elektrodenanschluss lag, und der eine Dicke von 300 μm hatte,
eingeschlossen. Hierauf wurde die Hochdruck-Quecksilberlampe angeschaltet,
um eine Minute ultraviolette Strahlung mit einer Energie von 20
mJ/cm2 anzulegen. Somit wurde zwischen dem
Batterieelement und der Laminatschicht eine Harzlage ausgebildet.
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Probe 4
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Abgesehen
davon, dass in diesem Verfahren eine Harzplatte aus Polypropylen
mit einer Dicke von 25 μm
genutzt wurde, wurde ein ähnliches
Verfahren wie zur Herstellung von Probe 1 genutzt.
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Probe 5
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Es
wurde eine Batterie hergestellt, indem nur die Batterieelektrode
auf eine Weise gestapelt wurde, dass keine Harzlage eingeschlossen
war.
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Bewertung
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Jede
Probe wurde zu Beginn auf ein Fünf-Stunden-Verhältnis (1/5
C) der theoretischen Kapazität
geladen/entladen, und hierauf wurde jede Probe auf ein Zwei-Stunden-Verhältnis (1/2
C) der theoretischen Kapazität
geladen/entladen. Somit wurden die Kapazität und eine mittlere Entladungsspannung
gemessen. In Übereinstimmung
mit dem Volumen eines rechteckigen Parallelepipeds, mit dem das
Batterieelement, das die Harzlage enthält, umschrieben wurde, wurde
die Volumenenergiedichte berechnet.
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Jede
Probe wurde in einem vollständig
geladenen Zustand 50-mal aus einer Position in einer Höhe von 2
m auf eine Weise fallengelassen, dass die Ecke der Batterie zuerst
den Boden erreichte. Hierauf wurde der OCV in einer Weise gezählt, dass
ein Auftreten eines Kurzschlusses bewertet wurde (n = 50).
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Wie
es anhand von Tabelle 1 ersichtlich ist, besaßen die Proben 1 bis 3, von
denen jede die Harzlage hat, eine zufrieden stellende Volumenenergiedichte
und eine hervorragende Stoßfestigkeit.
Andererseits zeigte die Probe 5, die ein Vergleichsbeispiel war,
eine unbefriedigende Stoßfestigkeit
und einen erheblichen Unterschied in der Auftrittsrate von Kurzschlüssen. Auch
bei der Probe 4 mit der dünnen
Harzlage wurde ein Auftreten eines Kurzschlusses festgestellt.
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Wie
anhand der Beschreibung verstanden werden kann, kann die Erfindung
die Stoßfestigkeit
erheblich verbessern, wenn ein Einschließen mit hervorragender Luftdichtigkeit
ausgeführt
wird. Folglich kann die Batterie mit nicht wässrigem Elektrolyt geschaffen
werden, die eine zufrieden stellende Zuverlässigkeit hat, wenn ein Stoß auf die
Batterie infolge eines Fallenlassens oder ähnlichem einwirkt.
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Obwohl
die Erfindung in ihrer bevorzugten Form und ihrem bevorzugten Aufbau
mit einem bestimmten Grad an Genauigkeit beschrieben worden ist,
kann die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form in den Einzelheiten
einer Konstruktion und in der Kombination und Anordnung von Teilen
selbstverständlich
geändert werden,
ohne von dem Umfang der wie nachfolgend beanspruchten Erfindung
abzuweichen.
