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図面 (14)

課題

実施がより簡単で、集電体品質を改善させる集電体の製造方法を提供する。

解決手段

本発明は、金属要素と、コーティング被覆された金属ストリップ(18)とを接続する段階を含み、前記コーティングが、コーティング材料で作られ、前記コーティング材料が、前記ストリップの材料とは異なり、前記接続段階が、重ね合わせ面上に前記ストリップと前記金属要素とを重ね合わせる段階と、前記重ね合わせ面を溶接するための線に沿って、超音波溶接機(32)のソノトロード(46)を用いて前記重ね合わせ面に超音波印加する段階と、を含む、電池又はスーパーキャパシタ用の集電体の製造方法に関する。

概要

背景

電池、すなわち一組の電気化学蓄電池は、電気自動車のような多くの拡大する分野で使用されている。

電気化学蓄電池は、通常、少なくとも4つの要素、すなわち正極、負極、電解質、並びに各電極用集電体を含む。負極と集電体との組立体は、アノードを形成し、一方、正極と集電体との組立体は、カソードを形成する。

蓄電池動作原理は、別々であるが結び付けられた2つの電気化学反応の実施によって電気エネルギー化学エネルギーに可逆的に貯蔵することに基づいている。電解質に浸っている正極及び負極は、いわゆるファラデー電気化学反応の中心である。電極は、特に、酸化反応及び還元反応を介してイオンを貯蔵及び放出するための活物質からなる。

放電中、負極の活物質は酸化し、一方では集電体を通って外部回路に送られる電子を放出し、他方では電解質を通って正極に移動するカチオンを放出する。次いで、エネルギー及びカチオンを利用して回路を通過した電子は、還元された正極の活物質によって捕獲される。蓄電池が放出することができるエネルギー密度は、電気化学セル電位と容量の両方の関数であり、それらは両方とも系の化学的性質直接関係している。電池の電位は、正極と負極で同時に起こる酸化還元反応の電位の差によって決まる。

蓄電池の動作から、集電体が電子伝達を提供することがわかる。本発明は、より具体的には、そのような要素を使用する用途の数が増えていることを考えると改善することが望ましい集電体の製造に関する。

集電体は、電子伝達を提供するのに十分な導電性材料で作られており、軽量で、薄く、機械的に耐性があるため、電極のための基板として機能する。基板を形成する導電性材料は、集電体と電池の電極(カソード又はアノード)との間の界面として機能する少なくとも1つのコーティング層で任意に被覆されてもよい。

被覆された集電体の製造方法は、巻き出しプロセスとして知られている連続プロセスであり、このプロセスでは、コーティングコイル状基板を被覆することによって堆積される。このような製造方法は、基板を提供する段階と、基板の表面に懸濁液を堆積させることによってコーティングを形成する段階と、堆積された懸濁液を乾燥する段階と、を含む。長手方向に巻かれた数十、数百又は数千メートルの大きなロールの形態で基板が存在するので、このような方法は、連続的かつ効率的な製造を可能にし、コーティングは、基板に連続的に付けられ、基板は巻き戻される。しかしながら、コイルの長さに関する仕様を満たすためには、より長いコイルを得るため、又は、コイル内に存在する欠陥領域を切断し、次いでこの切断によって生成された2つの端部を再接続するために2つの被覆ロールの横方向端部を接続できることが必要である。

概要

実施がより簡単で、集電体の品質を改善させる集電体の製造方法を提供する。本発明は、金属要素と、コーティングで被覆された金属ストリップ(18)とを接続する段階を含み、前記コーティングが、コーティング材料で作られ、前記コーティング材料が、前記ストリップの材料とは異なり、前記接続段階が、重ね合わせ面上に前記ストリップと前記金属要素とを重ね合わせる段階と、前記重ね合わせ面を溶接するための線に沿って、超音波溶接機(32)のソノトロード(46)を用いて前記重ね合わせ面に超音波印加する段階と、を含む、電池又はスーパーキャパシタ用の集電体の製造方法に関する。

目的

本明細書はまた、金属要素とコーティングで被覆された金属ストリップとを接続するためのデバイスを含み、コーティングされた金属ストリップが集電体を形成することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

電池又はスーパーキャパシタ用の集電体製造方法であって、金属要素と、コーティング被覆された金属ストリップ(18)とを接続する段階を含み、前記コーティングが、コーティング材料で作られ、前記コーティング材料が、前記ストリップの材料とは異なり、前記接続段階が、−重ね合わせ面上に前記ストリップ(18)と前記金属要素とを重ね合わせる段階と、−前記重ね合わせ面を溶接するための線に沿って、超音波溶接機(32)のソノトロード(46)を用いて前記重ね合わせ面に超音波印加する段階と、を含む、電池又はスーパーキャパシタ用の集電体製造方法。

請求項2

前記印加する段階の間に、非金属材料と前記ストリップ(18)との間の溶接が、前記重ね合わせ面の少なくとも一部において達成される、請求項1に記載の製造方法。

請求項3

前記重ね合わせる段階の間に、前記重ね合うストリップが、前記コーティングの少なくとも一部を含み、前記印加する段階の間に、前記超音波が前記ソノトロード(46)によって前記重ね合わせ面に印加されるラインが、前記コーティングの少なくとも一部を含む、請求項1又は2に記載の製造方法。

請求項4

前記コーティング材料が、ポリマーバインダー材料を含む、請求項1から3の何れか一項に記載の製造方法。

請求項5

前記コーティング材料が、少なくともバインダー中に分散した粒子を含む、請求項1から4の何れか一項に記載の製造方法。

請求項6

前記溶接段階中に、印加される前記超音波が、40キロヘルツから100キロヘルツの間の周波数を有する、請求項1から5何れか一項に記載の製造方法。

請求項7

前記ストリップ(18)が、厚さを有し、前記ストリップ(18)の厚さが、5ミクロンから20ミクロンの間である、請求項1から6の何れか一項に記載の製造方法。

請求項8

前記コーティングが、10ナノメートルから100マイクロメートルの間の厚さを有する、請求項1から7の何れか一項に記載の製造方法。

請求項9

前記ストリップ(18)が、軸に沿ってパターンを形成する一連の被覆される領域及び被覆されない領域を有し、これにより、前記重ね合わせ面が、一連の被覆される領域及び被覆されない領域を有し、前記印加する段階が、一組のパラメータによって特徴付けられ、前記一組のパラメータが、前記印加する段階が被覆される領域に関連する場合と前記印加する段階が被覆されない領域に関連する場合とで異なる、請求項1から8の何れか一項に記載の製造方法。

請求項10

前記被覆される領域を検出する段階をさらに含む、請求項9に記載の製造方法。

請求項11

前記金属要素が、金属ストリップ(18)、被覆される金属ストリップ(18)又は接点(72)のうちの少なくとも1つである、請求項1から10の何れか一項に記載の製造方法。

請求項12

金属要素とコーティングで被覆された金属ストリップ(18)とを接続するための装置を含み、前記被覆された金属ストリップ(18)が、集電体を形成するためのものであり、前記コーティングが、コーティング材料で作られ、前記コーティング材料が、前記ストリップ材料とは異なり、前記装置が、−前記被覆されたストリップ(18)と前記金属要素とが重ね合わせ面で重ね合わせられる支持部材(38)と、−線に沿って前記重ね合わせ面を溶接するために超音波を印加するように設計されたソノトロード(46)を含む超音波溶接機(32)と、を含む、スプライシングベンチ(30)。

請求項13

前記ソノトロード(46)の下に位置する領域において、性質外観及び構造、特にコーティングの有無をリアルタイムで検出するためのセンサ(52)をさらに備える、請求項12に記載のスプライシングベンチ(30)。

請求項14

請求項1から11の何れか一項に記載の製造方法の実施後に得られる集電体。

請求項15

請求項14に記載の集電体を備えるシステム

請求項16

前記システムが、電池又はスーパーキャパシタである、請求項15に記載のシステム。

技術分野

0001

本発明は、集電体の製造方法に関する。本発明はまた、対応するスプライシングベンチ、及び、接続方法によって得られる集電体、並びに、そのような集電体を含むシステムに関する。

背景技術

0002

電池、すなわち一組の電気化学蓄電池は、電気自動車のような多くの拡大する分野で使用されている。

0003

電気化学蓄電池は、通常、少なくとも4つの要素、すなわち正極、負極、電解質、並びに各電極用の集電体を含む。負極と集電体との組立体は、アノードを形成し、一方、正極と集電体との組立体は、カソードを形成する。

0004

蓄電池動作原理は、別々であるが結び付けられた2つの電気化学反応の実施によって電気エネルギー化学エネルギーに可逆的に貯蔵することに基づいている。電解質に浸っている正極及び負極は、いわゆるファラデー電気化学反応の中心である。電極は、特に、酸化反応及び還元反応を介してイオンを貯蔵及び放出するための活物質からなる。

0005

放電中、負極の活物質は酸化し、一方では集電体を通って外部回路に送られる電子を放出し、他方では電解質を通って正極に移動するカチオンを放出する。次いで、エネルギー及びカチオンを利用して回路を通過した電子は、還元された正極の活物質によって捕獲される。蓄電池が放出することができるエネルギー密度は、電気化学セル電位と容量の両方の関数であり、それらは両方とも系の化学的性質直接関係している。電池の電位は、正極と負極で同時に起こる酸化還元反応の電位の差によって決まる。

0006

蓄電池の動作から、集電体が電子伝達を提供することがわかる。本発明は、より具体的には、そのような要素を使用する用途の数が増えていることを考えると改善することが望ましい集電体の製造に関する。

0007

集電体は、電子伝達を提供するのに十分な導電性材料で作られており、軽量で、薄く、機械的に耐性があるため、電極のための基板として機能する。基板を形成する導電性材料は、集電体と電池の電極(カソード又はアノード)との間の界面として機能する少なくとも1つのコーティング層で任意に被覆されてもよい。

0008

被覆された集電体の製造方法は、巻き出しプロセスとして知られている連続プロセスであり、このプロセスでは、コーティングコイル状基板を被覆することによって堆積される。このような製造方法は、基板を提供する段階と、基板の表面に懸濁液を堆積させることによってコーティングを形成する段階と、堆積された懸濁液を乾燥する段階と、を含む。長手方向に巻かれた数十、数百又は数千メートルの大きなロールの形態で基板が存在するので、このような方法は、連続的かつ効率的な製造を可能にし、コーティングは、基板に連続的に付けられ、基板は巻き戻される。しかしながら、コイルの長さに関する仕様を満たすためには、より長いコイルを得るため、又は、コイル内に存在する欠陥領域を切断し、次いでこの切断によって生成された2つの端部を再接続するために2つの被覆ロールの横方向端部を接続できることが必要である。

発明が解決しようとする課題

0009

従って、実施がより簡単で、集電体の品質を改善させる集電体の製造方法が必要とされている。

課題を解決するための手段

0010

このために、本明細書は、電池又はスーパーキャパシタ用の集電体の製造方法に関し、その製造方法は、金属要素とコーティングで被覆された金属ストリップとを接続する段階を含み、コーティングは、コーティング材料からなり、コーティング材料は、ストリップ材料とは異なり、接続する段階は、重なり合う表面上でのストリップ金属部材とを重ね合わせる段階、及び、重ね合わせ面を溶接するための線に沿って重ね合わせ面に対して超音波シーラーソノトロードを超音波によって付ける段階を含む。

0011

進歩性の一環として、出願人は、現在の製造方法に興味があり、その最も重要な要素を以下に説明する。

0012

一般に、集電体は、5マイクロメートル(μm)から100μmの間、好ましくは6μmから20μmの間の厚さ(最小寸法に沿って測定される寸法)を有する金属ストリップから作られる。

0013

そのようなストリップに使用される材料は、例えば、鉄、銅、アルミニウムニッケルチタン又はステンレス鋼である。

0014

好ましくは、この材料は、非鉄であり、アルミニウム及び銅が最も一般的な例である。

0015

アルミニウムストリップは、好ましくは冷間圧延によって製造され、銅ストリップは、電着によって得られる。

0016

ストリップは、集電体と電池の電極(カソード又はアノード)との間の界面として機能する少なくとも1つのコーティング層で被覆されている。コーティング層の組立体は、コーティングを形成する。ストリップを形成する金属材料は、コーティング用の基板の役割を果たす。

0017

コーティング層の機能は、特に、集電体と電極との間の界面における接着力及び接触抵抗の最適化である。コーティング層の他の主要な機能は、集電体の保護を可能にすることであり、集電体の腐食は、かなり広範囲に及ぶ現象である。

0018

コーティング層は、金属ストリップの片面又は両面、及び、各面の全部又は一部に付着させることができる。従って、「被覆される」という用語は、ストリップが完全に被覆される場合及びストリップが部分的に被覆される場合を包含する。

0019

コーティング層の特性、厚さ、パターン化学組成が、面ごとに異なっていても、同じ面上でさえ異なっていてもよいことに留意すべきである。

0020

コーティングは、基板の材料とは異なる材料で作られる。

0021

特に、金属粒子がコーティング材料中に存在してもよい。

0022

そのような粒子は、任意の種類の形状を有し得る。好ましくは、粒子は、球形である。

0023

各粒子について、直径は、粒子の表面上の2点間最大距離として定義される。

0024

直径は、例えば、レーザー粒度計技術によって測定される。

0025

レーザー回折粒子サイズ測定技術は、レーザー光線分散粒子サンプルを通過する際の散乱光強度角度変化を測定することによって粒子サイズ分布を測定する。大きな粒子は、レーザー光線に対して小さな角度で光を散乱させ、小さな粒子は、より高い角度で光を散乱させる。

0026

第1の組成物C1の粒子のうち、各粒子の直径は、100ミクロン以下である。

0027

好ましくは、粒子は、ナノ粒子である。

0028

ナノ粒子は、各寸法が100ナノメートル未満の粒子である。

0029

化学組成に関しては、コーティング材料について多くの可能性が考えられる。

0030

コーティング材料は、例えば、導電材料を含む。

0031

導電材料には多くの材料を使用することができる:導電材料の例には、非限定的に、導電性カーボンカーボンブラックグラファイトグラフェンカーボンナノチューブ活性炭素繊維、未活性カーボンナノ繊維金属フレーク金属粉末金属繊維、及び、導電性ポリマー又はそれらの混合物が含まれる。

0032

好ましくは、コーティング材料は、バインダー材料導電性粒子とを含む。

0033

バインダー材料が電極に使用される材料に対して不活性である限り、多くの材料をバインダー材料に使用することができる。

0034

バインダー材料は、通常ポリマー材料であり、それは、それらの製造中のコーティングの取り扱いを容易にする。

0035

バインダーの例には、非限定的に、ポリテトラフルオロエチレンポリフッ化ビニリデンPVF2又はPVDFとも呼ばれる)、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDMとも呼ばれる)、ポリエチレンオキシド(PEOとも呼ばれる)、紫外線硬化性アクリレート、紫外線硬化性メタクリレート熱硬化性ジビニルエーテル及びそれらの類似体が含まれる。

0036

他の適切なバインダー材料としては、カルボキシル基を有するポリマー及び架橋剤から選択されるポリマーなどの架橋ポリマーが挙げられる。

0037

より一般的には、バインダー材料は、熱可塑性ポリマー熱硬化性ポリマーエラストマー及びそれらの混合物から選択される1つ又は複数のポリマーからなる材料である。

0038

熱可塑性ポリマーの例としては、ポリオレフィンポリエチレン又はポリプロピレンを含む)などの脂肪族又は脂環式ビニルモノマー重合から生じるポリマーを挙げることができる。ポリスチレンなどのビニル芳香族モノマーの重合から生じるポリマー、アクリルモノマー及び/又は(メタ)アクリレートの重合から誘導されるポリマー、ポリアミドポリエーテルケトン及びポリイミドもまたそうである。

0039

エポキシ樹脂ポリウレタン又はポリエーテルポリオールと混合したポリエステル樹脂のような熱硬化性樹脂は、熱硬化性ポリマーの例である。

0040

実例として、エラストマーポリマーは、天然ゴム合成ゴムスチレンブタジエンコポリマーSBRとも呼ばれる)及びエチレン−プロピレンコポリマー(EPMとも呼ばれる)又はシリコーンを含む。

0041

コーティング中のバインダー材料の含有量は、好ましくは30重量%以上である。

0042

一方、場合によっては、コーティングは、電子伝導性を向上させるために1つ又は複数の種類の導電性添加剤を含むことができる。

0043

導電性添加剤の例としては、導電性炭素、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、活性炭素繊維、未活性炭カーボンナノファイバー、金属フレーク、金属粉末、金属繊維及び導電性ポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。

0044

存在する場合、導電性添加剤の量は、コーティングの10重量%より多い。

0045

コーティングは、10ナノメートル(nm)から100μmの間、好ましくは0.5μmから5μmの範囲の厚さを有する。

0046

コーティング層は、特にスクリーン印刷フレキソ印刷グラビア印刷オフセット印刷又はインクジェット印刷を含む印刷方法によってストリップ上に堆積され、これは、金属粒子をベースとする組成物のコーティングを施すことを可能にする。

0047

この比較的薄い厚さのために、コーティングは、しばしば「フィルム」と呼ばれる。

0048

いくつかの場合において、コーティングは、基板の表面全体に広がる。しかしながら、有利には、コーティングは、基板の表面全体に広がるわけではない。実際、コーティングは、金属ストリップがその縁部領域又はシートの中央で被覆されないままであるように形成されてもよい。

0049

金属ストリップの一方の面上の被覆される領域と被覆されない領域との連続的な交互配置がパターンを画定する。ストリップの端の被覆されない領域は、マージンと呼ばれ、2つの被覆される領域で囲まれた被覆されない領域は、インターバンドと呼ばれる。マージンとインターバンドの幅は、可変である。

0050

集電体の製造のフレームにおいて、金属ストリップコイル、すなわちストリップロールが最初に製造される。次に、被覆されたストリップの製造は、基板(金属層)、すなわち連続的に巻き戻されている金属ストリップのコイルの表面上にコーティング層を連続的に堆積させることによって達成される。

0051

ストリップが被覆されたバンドと金属ストリップの両端に2つのマージンを有する場合、ストリップは、完成品と見なされる。逆に、1つ又は複数のインターバンドが存在する場合、ストリップは、半完成品であると見なされ、ストリップは、いくつかの完成品を生成することを目的としている。

0052

製品が完成品であろうと半完成品であろうと、集電コイルの長さが多様であるため、2つの製品の横方向の端部を機械的に接続できることが必要である。このような操作は、横スプライシングと呼ばれる。

0053

横スプライシング操作は、実際に発生する様々な場合に有用である。これらの場合の中で、金属ストリップコイルの長さが製品の予想される長さより短いか又は連続ストリップ機械の装填を確実にするための状況が言及されてもよく、この場合は、部品品質基準適合していないことによるストリップの一部を取り除き、コーティングの除去作業中の金属ストリップコイルの破損を取り除く必要性に対応する。他の場合は、完成品又は半完成品コイル(一般に「トレーラ」と呼ばれる)の端部で横方向端部に接続された、保護的又は審美的機能を有する、好ましくは被覆されない金属ストリップを加えることであるが、コイルの始端で横方向端部に接続された金属ストリップ(一般に「リーダー」と呼ばれる)もある。

0054

少なくとも1つが被覆される2つの金属ストリップを接続するためのそのような作業は、接続の品質の観点からだけでなく集電体の製造を通してその実施に関してもできるだけ有効であるべきである。

0055

金属ストリップを含むスプライシング操作を実行するためのいくつかの技術が存在する。

0056

最初に全ての面のコーティングの化学的、機械的又は他のアブレーションを行い、次いで、このようにして得られた金属ストリップの2つのストリップ部分超音波溶接を行うことが知られている。

0057

しかしながら、そのような技術は、複数の問題を提起する。

0058

一方では、アブレーション操作は、スプライシング操作の有効性に悪影響を及ぼす機器及び操作様式の観点から重要な操作である。

0059

さらに、最も明白な選択肢、すなわち溶媒による化学的アブレーションは、汚染の危険性が大きく、従って、完成品又は半完成品の品質が低下する。一方、化学的アブレーションは、コーティングのいくつかの化学的性質にとって非効率的である。

0060

他の既知の技術は、接続されるべきストリップの各端部の一面又は二面に接着剤又は接着テープを貼り付けることである。この適用は、ストリップの長さに対して横方向に実施される。一方では、粘着テープの使用は、良好な機械的強度を確実にし、他方では、金属部品間の良好な電気的連続性を確実にする。

0061

しかしながら、この技術は、完成品及び半完成品の品質並びにそれらの変換の完全な実行可能性に影響を与えるいくつかの欠点を有する。実際には、スプライシング操作に接着剤を使用することは、面倒で複雑であり、従って、被覆されたストリップの製造作業に大きな影響を与える。欠陥は、以下に詳述されている。

0062

接着テープのほぼプラスチック基板の敷設中に加えられる張力及び堆積後のその自然な除去を考えると、縦方向しわ欠陥が接続領域に現れる。

0063

さらに、場合によっては、接着ストリップの材料は、ストリップの製造に必要とされる耐熱性両立せず、それは、スプライシング操作の後に実行される操作中に破損する危険性が高い。

0064

さらに、接着テープの材料が化学的に異物を表すので、他の操作の汚染の危険性がある。

0065

最後に、接着ストリップの厚さに対応する2つのストリップ間のスプライシング領域に余分な厚さが生じる。これは変更、特にストリップのエンボス加工の危険を冒す。

0066

このように、本出願人は、集電体の製造方法の改善が、実施がより簡単で金属要素と被覆された金属ストリップとの間の接続の質を改善する、金属要素とコーティングで被覆された金属ストリップとの間の接続方法を決定することを含むことを確認した。

0067

これにより、本出願人は、多くの代替案試験することになった。

0068

特に、本出願人は、レーザー溶接はんだ付けによる組み立て、磁気パルス印加による溶接、レーザーアブレーションによる表面浸出、又は、超音波を適用することによる浸出を試験した。

0069

これらの試験のいずれも工業的見地から満足のいく接続方法をもたらさなかった。

0070

超音波溶接のみが、均質な接続、十分な引張強度を得ること、及び、本出願人によって試験された技術の問題を解決することを可能にする。

0071

特定の実施形態によれば、この製造方法は、単独で又は任意の技術的に実現可能な組み合わせで取られる以下の特徴のうちの1つ又は複数を含む:
印加段階中、非金属材料とストリップとの間の溶接は、重ね合わせ面の少なくとも一部において達成される。
−重ね合わせる段階の間、重ね合わせストリップは、コーティングの少なくとも一部を含み、印加段階の間、超音波がソノトロードによって重ね合わせ表面に加えられる線は、コーティングの少なくとも一部を含む。
−金属ストリップは、被覆領域名付けられた領域の少なくとも一部上にコーティングが被覆され、コーティングは、ストリップ上に被覆され、重ね合わせ段階の間、重ね合わせ表面は、コーティングされた領域の少なくとも一部を含む。
−コーティング材料は、ポリマー性のバインダー材料を含む。
−コーティング材料は、少なくとも粒子からなる。
−コーティング材料は、少なくともポリマー及び粒子を含む。
−コーティング材料は、少なくともポリマーと粒子とからなる。
−コーティング材料は、少なくともバインダー及び粒子を含む。
−コーティング材料は、少なくともバインダーと粒子とからなる。
−コーティング材料は、少なくともバインダー中に分散した粒子を含む。
−コーティング材料は、少なくともバインダー中に分散した粒子からなる。
−コーティング材料は、ポリマー性のバインダー材料を含む。
−はんだ付け工程の間、印加される超音波は、40キロヘルツから100キロヘルツの間の周波数を有する。
−ストリップは厚さを有し、ストリップの厚さは、5μmから20μmの間である。
−コーティングの厚さは、10nmから100μmである。
−ストリップは、パターンを形成する被覆された領域及び被覆されない領域の軸に沿って連続しており、従って、重ね合わせ面は、連続した被覆された領域及び被覆されない領域を有し、印加段階は、一連パラメータによって特徴付けられ、印加段階が被覆された領域に関するものであり、印加段階が被覆されない領域に関する場合であるとき、一連のパラメータは異なる。
−この方法は、被覆された領域を検出する段階をさらに含む。
−金属要素は、金属ストリップ、被覆された金属ストリップ、又は、接点である。

0072

本明細書はまた、金属要素とコーティングで被覆された金属ストリップとを接続するためのデバイスを含み、コーティングされた金属ストリップが集電体を形成することを目的とするスプライシングベンチに関し、コーティング材料は、ストリップ材料とは異なり、デバイスは、コーティングされたストリップと金属部材とが重ね合わせ面に重畳された支持部材と、超音波を印加して線に沿って重ね合わせ面を溶接する清浄なソノトロードとを含む超音波溶接機とを備える。

0073

特定の実施形態によれば、スプライシングベンチは、ソノトロードの下に位置する領域の性質外観及び構造の変化、特にコーティングの有無をリアルタイムで検出するためのセンサをさらに含む。

0074

本明細書はまた、上述の製造方法の実施後に得られる集電体に関する。

0075

本明細書はまた、前述のような集電体を備えるシステム、特に電池又はスーパーキャパシタに関する。

図面の簡単な説明

0076

本発明の他の特徴及び利点は、例としてのみ与えられ、図面を参照して与えられる本発明の実施形態の以下の説明を読めば明らかになるであろう。

0077

接続段階を含む集電体を製造する方法の例示的な実施のフローチャートを示す。
集電体を形成することを目的とした被覆された金属ストリップの一例の概略図である。
ソノトロードを含むスプライシングベンチの一例のブロック図を示す。
図3のソノトロードの斜視図を示す。
スプライシングベンチの一部の図を示す。
図1の接続段階の例示的な実施のフローチャートを示す図である。
被覆された金属ストリップの一例のサンプリング位置の概略図を示す。
第1の組のパラメータを用いて溶接した後のバンド間領域の断面図を示す。
図8の領域と同じであるが、溶接作業前のバンド間領域の断面図を示す。
第2の組のパラメータを用いて溶接した後の第1のコーティング領域に対応する領域の断面図を示す。
図10の領域と同じ領域の断面図であるが、溶接作業前の図である。
第1の組のパラメータによる溶接後の図10の領域に対応する領域の断面図を示す。
被覆された金属ストリップと接点との間で接続が行われるときに図6による接続方法を実施する段階において得られる構成の概略図を示す。

実施例

0078

電池の集電体の製造方法の一例を、前記製造方法を実施するためのフローチャートを示す図1を参照して説明する。

0079

この製造方法は、4つの段階、すなわち製造段階10、コーティング段階12、接続段階14及び仕上げ段階16を含む。

0080

製造段階10の間に、被覆されない金属ストリップが得られる。

0081

一例では、金属ストリップは、供給業者から購入される。

0082

あるいは、金属ストリップは、金属から作られてもよい。

0083

コーティング段階12の間、金属ストリップは、コーティングで被覆されて被覆された金属ストリップ18を得る。

0084

上記で説明したように、コーティングは、比較的薄い厚さを有する材料又は材料の混合物で作られた均質かつ連続的な層である。コーティングは、その均一性、特にその全表面にわたるその厚さの均一性、その外観(濡れ点の存在、乾燥勾配、及び他の欠陥)、その粗さ、フィルムの境界(又はフィルムの輪郭)の解像度によって特徴付けられることに留意すべきである。

0085

コーティングは、印刷プロセス(フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷等)及びコーティング(スロットダイコーティング、カーテンコーティングナイフコーティング等)等の広範囲の技術によって形成することができる。これらの製造方法は、大規模生産に適合し、それは、好ましくはロールツーロールプロセスのような連続プロセスによって実施されるべきである。

0086

あるいは、スピンコーティングは、平らな表面上における薄層堆積の広く使用されている方法である。この方法は、回転プレート上に液滴を堆積させ、次いで、液滴を遠心分離によって広げて層を形成することからなる。

0087

あるいは、浸漬コーティング法を用いてコーティングを形成してもよい。この技術は、遠心コーティングに似た原理に基づいている。しかし、この場合、基板は、溶液に浸され、制御された速度及び角度で取り除かれる。

0088

あるいは、「ドクターブレード」と呼ばれる別の方法を使用することができる。この方法によれば、コーティング材料を広げる目的で、かみそりの刃が基板から規定の距離をおいて並進する。堆積量、並進速度及びブレードの高さによって、コーティングの最終厚さを規定することが可能になる。

0089

乾式堆積の他の方法が使用されてもよい:コーティングは、スパッタコーティング物理蒸着(PVD)、溶融押出し、又は研磨方法によって形成されてもよい。

0090

コーティング段階12の終わりに、図2に示す電池の集電体となることを意図したストリップ18を得る。

0091

ストリップ18は、上述したように半製品に対応する。前述の説明はここに適用され、繰り返されない。

0092

ストリップ18は、主に図2の軸Xによって表される長手方向に延びる。長手方向に垂直でストリップ18の平面に含まれる方向として横方向もある。図2では横方向をY軸で表している。また、以下では、長手方向を長手方向Xと称し、幅方向を幅方向Yと称する。

0093

この分野では、ストリップ18の横方向Yの広がりは、幅という用語で呼ばれる。幅は、考慮されるストリップ18に依存し、幅は、一般に50ミリメートル(mm)から1200mmの間である。

0094

図示の場合のストリップ18のパターンは、単一の中間帯、すなわちストリップ18の一方の端部から他方の端部まで長手方向に延びるパターンであり、連続的に第1のマージン20、第1の被覆されたストリップ22、中間帯24、第2の被覆されたストリップ26及び第2のマージン28を有する。

0095

接続段階14の間、この目的は、この金属ストリップ18を金属要素に接続することである。

0096

例として、金属要素は、被覆されてもされなくてもよい別の金属ストリップ18であり得る。

0097

他の実施形態によれば、金属要素は、接点72とすることができる。

0098

いずれの場合も、接続すべき組立体が横軸に沿ったパターンを有することが困難である。

0099

最初に、図2の金属ストリップ18と同一のコーティングされた金属ストリップ18への接続の場合が示されている。次いで、それは、横スプライシングである。

0100

図2の金属ストリップ18は、順に「第1のストリップ18_1」と呼ばれ、他方の金属ストリップ18は、「第2のストリップ18_2」と呼ばれる。

0101

2つのストリップ18を接続するために、接続装置を備えたスプライシングペンチ30が使用される。

0102

スプライシングベンチ30は、図3のブロック図に示されている。

0103

スプライシングベンチ30は、超音波溶接機32、コイルキャリア34、アンビル36、支持部材38、及びコントローラ40を備える。

0104

溶接機32は、超音波源42、増幅器44、回転ソノトロード46、ジャッキ48、変位部材50、及びセンサ52を備える。

0105

異なるセンサ52を備えた溶接機32を含む他の溶接機32が存在する。

0106

超音波源42は、超音波をソノトロード46に印加するのに適しており、超音波は、調整可能な周波数及び振幅を有する。

0107

超音波源42は、例えば圧電変換器とすることができる。

0108

印加される超音波の周波数は、典型的には20キロヘルツ(kHz)から100kHzの間である。

0109

好ましくは、印加される超音波の周波数は、40kHzより大きい。

0110

増幅器44は、超音波源42によって印加された超音波の振幅を増幅する。

0111

増幅器44は、しばしば「ブースター」と呼ばれる。

0112

ソノトロード46は、超音波によって励起され、数マイクロメートルの振幅を有する機械的収縮によって超音波の周波数で共振する金属片である。ソノトロード46を溶接すべき表面と接触させることによって、ソノトロード46は、超音波の電磁エネルギーを溶接すべき表面に超音波振動エネルギーの形で戻すことを可能にする。

0113

この例では、ソノトロード46の振動変位は、長手方向X及び横方向Yによって画定される平面に平行な平面内で生じる。

0114

この場合、ソノトロード46は、20kHzから100kHzの周波数、好ましくは40kHzより大きい周波数で振動する。記載の例では、これが必須ではないが、ソノトロード46は、エッチングを欠いている。

0115

異なる種類のソノトロードがある:ソノトロード46の形状は、円形正方形鋸状、又は輪郭付けされていてもよい。

0116

この場合、図4に示されるように、ソノトロード46は、円形の基部を有する円筒の形態である。

0117

ソノトロード46は、一般にチタン、アルミニウム又は鋼で作られる。

0118

ソノトロード46はさらに、長手方向X又は横方向Yに平行でその進行方向に垂直な軸の周りを回転するように設計されている。

0119

ジャッキ48は、ソノトロード46が溶接される要素に確実に特定の圧力を及ぼすようにソノトロード46に接続されており、その圧力は、1バールから5バールの間である。

0120

変位部材50は、図5に示すようにソノトロード46を並進移動させるための部材である。

0121

変位部材50は、ソノトロード46のストロークを画定し、トラックは、製造されるべき溶接ビードに対応する線であり、この線は、この場合、横方向Yに平行である。

0122

変位部材50はさらに、ソノトロード46の移動速度を制御することができ、その速度は、0から5m/分の間である。

0123

センサ52は、ストリップ18の性質、外観及び構造の変化、特にコーティングの有無を検出することができる。この検出は、リアルタイムで実行することができる。

0124

より具体的には、センサ52は、ストリップ18の被覆される領域と被覆されない領域との間の遷移、並びにストリップ18の端部を検出することができる。

0125

特定の例では、センサ52は、光源と、光を検出領域へ/から移送するための光ファイバと、光検出器とを備える光センサである。光源は、光ファイバを介して一定の出力でストリップ18を照明する。ストリップ18によって反射された光は、他の光ファイバを介して光検出器に送られる。光検出器の出力信号の強度は、ストリップ18による光の吸収を再転写する。コーティングの存在は、光検出器に伝達される光の量を修正し、それは、コーティングの存在の検出を可能にする。

0126

リールホルダ34は、それぞれがリールの形態で配置されたストリップ18を担持するのに適したシリンダである。この場合、スプライシングベンチ30は、2つのリールホルダ34、第1のストリップ18用の第1のリールホルダ34及び第2のストリップ18用の第2のリールホルダ34を備える。

0127

アンビル36は、ソノトロード46のストロークと少なくとも同等の長さを有する支持面である。

0128

アンビル36は、例えば鋼製であり、研削面を有する。

0129

アンビル36は、ソノトロード46が作動しているときにソノトロード46とアンビル36とが互いに向き合うように配置されている。

0130

支持部材38は、ストリップ18を接合するための支持面である。

0131

支持部材38は、少なくとも1つの保持部材54を備え、各保持部材54は、ストリップ18を保持するように設計されている。

0132

保持部材54は、例えば空気圧部材である。

0133

あるいは、保持部材54は、万力と同様のクランプ力を用いる機械的部材であってもよい。

0134

保持装置の組み立ては時々プレス」と呼ばれる。

0135

コントローラ40は、スプライシングベンチ30の様々な要素を制御するように設計されている。

0136

より具体的には、コントローラ40は、スプライシングベンチ30上で行われる溶接中に適用される1組のパラメータ又はパラメータセットを制御する。

0137

パラメータセットは、2種類のパラメータのセットである。

0138

第1の種類のパラメータセットは、溶接されるべき表面に加えられる超音波振動を特徴付けるパラメータをグループ化する。

0139

超音波振動を特徴付けることを可能にする任意のパラメータが考えられる。最も簡単なのは、ソノトロード46の振動周波数及び振動振幅を考慮することである。

0140

第2のタイプのパラメータセットは、溶接されるべき領域のソノトロード46による走査を特徴付けるパラメータをグループ化する。

0141

回転におけるソノトロード46の速度、並進におけるソノトロード46の変位の速度、及びソノトロード46の圧力は、そのようなパラメータの例である。

0142

スプライシングベンチ30を使用することにより、図6を参照して説明されている2つのストリップ18の接続段階14の実施が可能になる。

0143

接続段階14は、重ね合わせ段階60、光学的検出段階62、印加段階64、変位段階66、及び洗浄段階68を含む。

0144

接続段階14の間、これらの段階の前述の順序は、段階の実施の順序を意味しないことに留意されたい。特に、洗浄段階68は、プロセスの終わりに、又は他の段階60、62、64又は66のうちの1つと同時に、又は、前述の段階のうちの1つの間に実施することができる。

0145

重ね合わせる段階60の間、ストリップ18と金属部材とが重なり合う表面上に重ね合わせられる。

0146

重ね合わせ面は、アンビル36の高さで支持部材38上に保持されている。

0147

支持部材38は、説明した例によれば、平面の重ね合わせ面に対応する支持台である。

0148

あるいは、支持部材38は、重ね合わせ面が平坦ではなく、典型的には円筒形であるようなものであり得る。

0149

光学的検出段階62の間、センサ52は、重ね合わせ面の領域(コーティングされた、又はコーティングされていない)の性質を検出する。

0150

このために、光学センサ52は、その領域からの光を受光する。

0151

受光量に応じて、光学センサ52は、表面被覆されているか否かを判定する。具体的には、受光量が少ない場合には、表面が被覆されていることを示し、受光量が多い場合には、表面が被覆されていないことを示す。

0152

印加段階64の間、ソノトロード46は、決められた領域と接触して配置され、決められた領域に超音波を印加する。これらの動作はすべて、前に定義したように特定のパラメータのセットを尊重する。

0153

パラメータセットは、決められた領域の性質に依存する。

0154

これは、印加段階64が被覆された領域に関連する場合と印加段階64が被覆されていない領域に関連する場合とで、この一組のパラメータが異なることを意味する。

0155

この一組のパラメータの調整は、調整がオペレータにとって自律的であるように、光学センサ52によって行われる検出の関数としてコントローラ40によって実行される。

0156

物理的な観点からは、超音波は、振動を発生させて、局所的に金属ストリップ18を互いに平行移動させることを可能にする。2つのストリップ18の表面粗さは、摩擦現象を発生させ、冷却時に2つのストリップ18の分子再結合を引き起こすのに十分な温度の局所的上昇を引き起こし、それによって溶接部を形成する。

0157

変位段階66の間、ソノトロード46は、位置合わせ装置によって動かされる。

0158

好ましくは、ソノトロード46は、直線に沿って動かされて直線的で連続的な溶接ビードを形成する。

0159

提案された場合では、ソノトロード46は、横方向Yに平行な線に沿って動かされる。

0160

光学的検出、印加及び移動の段階は、第1のストリップ18のパターンの終わりまで繰り返される。この反復態様は、図6の矢印70によって示される。

0161

これにより、溶接シーム又は溶接線を有する2つのストリップ18の接合が得られる。

0162

洗浄段階68の間、ソノトロード46は、レーザーを用いて洗浄される。

0163

ソノトロード46をレーザーに晒すことにより、ソノトロード46上に蓄積した堆積物劣化させて熱的に除去することが可能になる。

0164

好ましくは、接合されるストリップ18と接触するソノトロード46の全表面を処理するために、レーザーは、ソノトロード46の最大寸法以上の光線サイズを有し、ソノトロード46のこの特定の表面は、しばしばトレッドと呼ばれる。

0165

これにより、コーティングによるトレッドの目詰まりが防止される。従って、ソノトロード46の清浄度は、接続段階14全体を通して保証される。これにより、ソノトロード46の有効性の連続性、従って溶接シーム全体にわたる溶接品質の均一性が保証される。

0166

変形例では、洗浄は、機械的技術によって行われる。

0167

例えば、ドクターブレードをソノトロード46のトレッドと同一平面上に配置することによってドクターブレードを使用することができる。

0168

別の例では、研磨面を使用することができる。研磨面の使用を容易にするために、それは、ソノトロード46の回転方向と反対の方向に回転するようにクリーンホイールに取り付けられる。研磨面は、固定工具に取り付けられてもよい。

0169

別の機械的技術は、ソノトロード46の回転速度差と位置合わせ装置によって課される速度とを生成することである。これにより、ソノトロード46のトレッドの高さで摩擦現象を生じさせてコーティング層の残留物を除去することができる。

0170

別の変形例によれば、洗浄は、コーティングを破壊する製品を適用することによる化学的技術を使用して実行されてもよい。この場合、「ストリッピング」という用語がよく使用される。

0171

さらに別の変形例によれば、洗浄は、異なる種類の技法を含む、前述の技法のいくつかを組み合わせることによって実行され得る。

0172

仕上げ段階16の間、このようにして得られた製品は、所望の用途に必要な寸法に作られる。

0173

こうして集電体が得られる。

0174

今説明した集電体製造方法は、実施がより容易であり、集電体の品質を改善する。

0175

これは、特に、接続段階14によってもたらされる利点から生じる。

0176

接続段階14は、特に、2つのストリップ18間で厚さが減少した接続を得ることを可能にする。

0177

実際、得られた溶接ビードは、接着テープの厚さよりはるかに薄い厚さを有する。

0178

超音波溶接を実行することは、接着剤を配置することよりはるかに速いことにも留意すべきである。

0179

特に被覆された/被覆されていない、溶接されるべき領域における基板の特性を検出する能力は、溶接に使用されるパラメータのリアルタイムの方法での調整を可能にする。

0180

ソノトロード46と接触する基板の性質に対するこの調整されたリアルタイム調整は、横スプライシングの場合、溶接線の全ての点で同様の溶接品質を保証し、特に少なくとも、シームレスアルミニウムストリップ18の破断強度の60%と同等の、好ましくは80%の溶接品質を保証することを可能にする。このような破断強度は、集電体に適用するのに十分な破断強度に相当する。

0181

接合ストリップ18の破損に対する良好な耐性は、本出願人の試験によって実験的に実証されている。これらの試験について、図7を参照しながら以下に説明する。

0182

これら試験は、図2のストリップ18と同様のストリップ18に対して行われた。ストリップ18は、マージン/コーティング/中間帯/コーティング/マージンパターンで両面がコーティング層で被覆されたアルミニウムストリップである。さらに、ストリップ18は、12μmの厚さを有する。

0183

コーティング層は、同じアルミニウムストリップ上に薄層の形態で炭素系材料(70重量%の熱可塑性ポリマー及び30重量%のカーボンブラック)を堆積させることによって形成される。乾燥後のコーティングの厚さは、1μmから1.5μmの間である。

0184

スプライシングの実施後、サンプルは、各マージン、各コーティング及び中間帯で取られる。サンプルは、それぞれ幅15mm、長さ160mmである。

0185

これらのサンプルには、1から5の番号が付けられている。横方向Yに平行な線に沿って溶接されたストリップ18を横断することにより、サンプル1は、第1のマージンに対応し、サンプル2は、第1の領域に対応し、サンプル3は、中間帯に対応し、サンプル4は、第2のコーティング領域に対応し、サンプル5は、第2のマージンに対応する。

0186

引張強度は、部品を破断するのに必要な労力の尺度であり、それによって材料の強度を特徴付ける手段である。

0187

この場合、引張強度は、ダイナモメーターを用いて各サンプルについて測定される。幅15mm、長さ150mmのサンプルをダイナモメーターのジョーの間に置き、40mm/分の速度で牽引して、サンプルを破壊する前にニュートンで最大の力を測定する。

0188

さらに、いかなる偏りも避けるために、測定は、10個の別々のサンプルについて行われ、最終的な測定は、10個のサンプルについて得られた異なる測定値算術平均に対応する。

0189

使用した参照サンプルは、他のサンプルと同じ寸法を有するアルミニウムストリップのサンプルである。

0190

試料の引張強度の測定値は、下記の表1の参照試料に関して標準化された方法で提示されている。

0191

0192

最も低い抵抗の標準化された値が78%であり、これは、溶接部の品質が各位置で良好な品質であることを示していることに注意すべきである。

0193

さらに、正規化された最大抵抗値と標準化された最小抵抗値との差がわずか4%であるため、均一性が良好である。

0194

溶接部の品質は、被覆された領域と被覆されていない領域における2つのストリップ18間の界面の状態を調べることによっても確認することができる。この研究は、図8から12に示されている。

0195

図8は、第1の組のパラメータによる溶接後の中間帯領域の断面図に対応する。パラメータの第1の組は、被覆されていない領域で良質の品質の溶接線を達成するように設計されている。

0196

図9は、図8の領域と同じであるが溶接作業前の中間体領域の断面図に対応する。

0197

図10は、第2の組のパラメータを用いた溶接後の第1のコーティング領域に対応する領域の断面図に対応する。第2の組のパラメータは、被覆された領域で良質の品質の溶接線を達成するように設計されている。従って、第2の組のパラメータは、第1の組のパラメータとは異なる。

0198

図11は、図10と同じ領域であるが溶接作業前の断面図である。

0199

図12は、第1の組のパラメータ、すなわち被覆されていない領域に適合した組のパラメータを用いて溶接した後の図10の領域に対応する領域の断面図に対応する。

0200

一方では図8及び図9の比較(被覆されている場合)、並びに、他方では図10及び11の比較(被覆されていない場合)により、2つの金属ストリップ18の間の同様の界面、つまり、2つの金属物体間の完全な再結合を強調することが可能になる。この観察結果は、表1を参照して記した均質引張強度測定と一致する。

0201

図10図12を比較すると、図12では金属の再結合がないこと、従って2つのストリップ18の間に溶接がないことが観察されるので、特定の組のパラメータを適用することの重要性も示される。

0202

これらの様々な試験は、溶接部の良好な品質を示し、従って、集電体の製造方法は、実施がより簡単であり、集電体の品質を向上させる。

0203

この方法は、被覆された領域と被覆されていない領域との間の交番がうまく制御されているので、複数のスプライシング状況に適用することができる。

0204

特に、図13に示すように、電気的連続性を確実にするために接続されるべき各接点72と金属基板との間に直接的な物理的接触を作り出す縦方向の接続のために接続段階を適用することができる。

0205

接点72は、ストリップ18又はプレートである。

0206

接点72の材料は、本質的に可変であるが、ストリップ18の被覆されていない金属と優先的に同一である。

0207

この場合も上記と同じ利点が当て嵌る。

0208

さらに、それぞれの場合において、これがこの用途に必要であれば、いくつかの連続する溶接線を生成することが可能である。

0209

加えて、製造方法が、適用工程中に、重ね合わせ面の少なくとも一部で非金属材料とストリップとの間の溶接を達成することを可能にすることを強調しなければならない。

0210

これは特に、超音波を適用することによって金属対金属タイプの溶接のみを実行するためにコーティングを除去する段階を回避する。

0211

より一般的には、集電体について説明した製造方法を使用して、スーパーキャパシタ又は電池を含むそのような集電体を含む任意のシステムを得ることができる。

0212

あるいは、技術的に実現可能であれば、前述の実施形態の組合せも考えられる。

0213

1サンプル
2 サンプル
3 サンプル
4 サンプル
5 サンプル
18金属ストリップ
20 第1のマージン
22 第1の被覆されたストリップ
24中間帯
26 第2の被覆されたストリップ
28 第2のマージン
30スプライシングベンチ
32超音波溶接機
34コイルキャリア
36アンビル
38支持部材
40コントローラ
42超音波源
44増幅器
46 回転ソノトロード
48ジャッキ
50変位部材
52センサ
54保持部材
72 接点

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