[发明专利]切割聚合物电解质多层电池的方法及由此获得的电池

说明书

本发明涉及一种用机械方法切割聚合物电解质多层电化学电堆(generator)或电池的方法，其中阳极优选基于金属锂、其化合物或其合金。本发明还涉及到一些根据本发明切割方法而制作的固体状多层电池的结构。

薄膜形式的聚合物电解质电化学电堆或电池的制造要求制作多层电池结构并涉及能达到用户电源和能量容量要求的表面开发。一般而言，这些电堆通过把并列布置的阳极、电解质、阴极的重要表面、以及如有必要把电绝缘材料的重要表面卷绕或者连续或逐步地叠放而获得。例如，参考1992年3月31日的美国专利5100746。

另一方面，众所周知，用机械方法切割的薄片叠层聚合物电解质锂电池具有通过局部锂溶解而自愈合的特性。然而，当聚合物电解质锂电池为通过以平行或双极排列卷绕薄片叠层电池或堆放薄片叠层电池而得到的薄片叠层电池多层组件的形式时，其中至少有一个刚性金属集电极出现在薄片叠层电池中，如果后者包含超过一层薄片叠层电池，那么实现这种组件的机械切割是比较困难的。的确，在阴极膜的情形下出现例如锂膜和集电极的多个金属层时，由于能在电池中产生永久短路的局部压力的作用，机械切割会产生局部应力和机械变形。

美国专利5250784中已示出，通过使用激光切割有可能制造小型单个电池。而且，分别在1997年4月23日和28日申请的加拿大专利2203490和2203869中已示出，通过简单的机械切割操作甚至有可能切割单层层叠电池。使用蒸发材料而不产生机械变形的激光切割，可自身产生有时能导电的残余物如能引起短路的碳化沉淀。因而使用激光切割的技术难于应用到平行或双极多层电池中。对于一单层的机械切割，由于在切割操作过程中局部产生的累积机械变形自然导致短路的产生或在连续充/放电循环过程中会引起短路的弱点的产生，它很难应用到多层电池中。

制作多层电堆的优选方法，经常在于平行卷绕或堆放部件，同时允许阳极和阴极各自的集电极在不同的横向边缘伸出，以便实现横向连接的电极的整个表面的聚电。参考1995年5月16日的美国专利5415954。

另一方面，由于电池结构结合制造简便和体积紧凑性而尤其重要，它通过扁平卷绕而得到，对于本领域技术人员而言是众所周知的。与此结构相关的不利之处，例如弯曲区域的存在，在此处，局部的表面和电流密度不均并且组件的体积变化引起的压力不能得到补偿，这在连续充/放电循环过程中不可避免地产生局部应力。以很普遍的方式，这些非均匀区域在电堆内产生电场的弱区，引起加速老化。解决此类问题的精巧方式应能在制备组件后切割这些弯曲区域，以便制作沿整个表面都均匀的多层组件。然而，如上所述，现有方法不能获得所需要的没有严重缺点的结果。

因此，本发明的一个目的是以精巧的方式解决上述类型的问题，同时优化电化学电堆的结构和性能。

本发明的另一目的是提供一种能在其组装后切割扁平卷弯曲区域以便制作沿整个表面都均匀的多层组件。

本发明还有一个目的是通过切割较大尺寸的多层电池来提供较小尺寸的电池，其中，该操作是利用局部研磨机械方法例如包含研磨剂的水射流切割、或包含研磨剂的油切割、或用含钻条切割的锐利切割，并且不在金属集电极上施加压力，以便不产生足以引发短路或弱点的机械变形。

本发明的另一目的在于证明，诸如(但不局限于)剪切、挤压切割或穿孔的机械切割操作在一定条件下是可行的，并有可能通过充分控制多层电池和切割条件的机械强化以制作更紧凑且性能更好的电堆。

本发明的另一目的是提供多层组件机械强化的措施，使膜与膜之间一体化并使组件比较抗渗透，而且它允许使用例如水的活泼液体。

本发明的另一目的在于提供使用水射流的切割方法，迄今为止该技术被认为是与包括其中另外包含锂阳极的薄膜的方法完全矛盾的。

本发明的另一目的在于提供电堆的多层结构，它在性能及制造简便方面与现有技术相比尤其有利。

本发明涉及一种制备全固体锂或钠电化学电堆的方法，其中包括以下步骤：

(a)制备电池层的叠层，其中每一个都包括阳极、聚合物电解质、阴极和集电极膜、并可选择性地包括绝缘膜；以及

(b)通过用机械方法把(a)中得到的组件切割成预定形状；

其中，电池层的叠层在适于构成刚性且基本不渗透的整体组件的条件下制备，其膜与膜之间全部粘合在一起，并且机械切割在构成组件的膜没有宏观变形的情况下并在不引发永久短路或弱点的情况下进行。

在本描述和后附权利要求中，术语“宏观变形”指用肉眼能看见的变形。换言之，如果发生的一些微小变形用肉眼看不见，根据本发明，这意味着膜没有宏观变形。