專利名稱：形成封裝的固體電化學(xué)元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及封裝電化學(xué)元件(特別是電極，例如陽(yáng)極和陰極)的改進(jìn)方法。具體地講，本發(fā)明涉及這樣的方法，所述方法可用于當(dāng)利用激光熔化和切割圍繞電極周緣的隔離物材料以封裝電極時(shí)，將包含在被封裝電極的構(gòu)造中的元件保持固定。而后，封裝的電極(即，封裝的陽(yáng)極和封裝的陰極)能夠用于構(gòu)建例如蓄電池，特別是鋰離子蓄電池。然而，如以下所描述的，本發(fā)明并不局限于對(duì)電極的封裝，而是可應(yīng)用于各種可能需要用多孔材料進(jìn)行封裝的固體電化學(xué)元件。
背景技術(shù)：
鋰離子電池單元利用多孔隔離物材料來(lái)隔離正電極和負(fù)電極(陽(yáng)極和陰極)。在
棱柱形的電池單元中，電極被夾在隔離物材料的層之間。典型地，使用粘結(jié)/焊接工藝將電極封裝在隔離物內(nèi)，以便防止可能導(dǎo)致蓄電池的電池單元短路和失效的移位。通常使用專門(mén)為一種電極和隔離物構(gòu)造而設(shè)計(jì)的加熱板和機(jī)械工具來(lái)進(jìn)行封裝的工藝。具體地，在典型的機(jī)械傳熱方法中，將需要形成封裝的電化學(xué)元件的元件彼此疊置。例如，為了封裝矩形電極，第一和第二矩形的隔離物片被切割至略大于該電極的尺寸。堆疊隔離物片和電極，使得電極被夾在第一和第二隔離物片之間。接著，將棒/板降低至圍繞電極的隔離物片部分的上方，以便施加熱和壓力，從而使隔離物片結(jié)合在一起。一旦隔離物片結(jié)合在一起，則隨后用機(jī)械工具切割被封裝的電極，以便使被封裝的電極擺脫任何多余的隔離物材料。該過(guò)程中的一個(gè)問(wèn)題是難以在隔離物材料的結(jié)合期間將這些元件保持在一起。因此，隔離物和/或電極能夠自由移動(dòng)，從而造成被封裝的電極未對(duì)齊。由于這種移動(dòng)，所以熔化區(qū)的區(qū)域之間的開(kāi)口可能不一致。此外，在機(jī)械熱結(jié)合期間導(dǎo)致的未對(duì)齊使得必需使用比封裝電極所必需的隔離物材料更多的隔離物材料，以便適應(yīng)封裝之前的任何移位。另外，機(jī)械傳熱方法的結(jié)合工藝花費(fèi)了大量的時(shí)間。在機(jī)械傳熱方法中，停留時(shí)間(棒/板必須處在與隔離物材料接觸以使隔離物片結(jié)合在一起的時(shí)間量)非常長(zhǎng)。此外，一般通過(guò)交替地堆疊陰極和陽(yáng)極并且將隔離物設(shè)置于它們之間來(lái)形成蓄電池。蓄電池隔離物用于使陽(yáng)極與陰極物理地隔離，從而避免短路。因此，通過(guò)電極隔離物進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b對(duì)于蓄電池(例如，鋰離子蓄電池)的功能而言是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)提供封裝電極的更穩(wěn)定可靠方式以及提供一致的封裝產(chǎn)品的需求決定了對(duì)更有效的封裝方式的需求。目前，用于封裝電極的方法導(dǎo)致了制作不良的電極、密封過(guò)程中的未對(duì)齊、局限于特定的電極構(gòu)造、以及結(jié)合過(guò)程期間的較長(zhǎng)的停留時(shí)間。提供在隔離物層之間導(dǎo)致較強(qiáng)結(jié)合的封裝工藝是有益的，其可適于多種電極的尺寸和/或形狀，消除了隔離物層的未對(duì)齊，減少了停留時(shí)間(或保壓時(shí)間)，和降低了所需要的/使用的隔離物材料的量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，利用兩個(gè)隔離物片或者一個(gè)折疊的片來(lái)封裝電極，從而使得第一隔離物層設(shè)置在電極下面且第二隔離物層設(shè)置在電極上面，通過(guò)利用真空臺(tái)的真空將這些層拉緊在一起并且圍繞該電極，同時(shí)利用激光將這些隔離物層焊接在一起。與典型的機(jī)械傳熱方法相比，使用真空臺(tái)的結(jié)果是更強(qiáng)且更一致的結(jié)合。真空臺(tái)還防止了隔離物層的未對(duì)齊。隔離物層通過(guò)由真空臺(tái)施加的真空被拉緊，從而在堆疊、結(jié)合和/或切割工藝期間不允許移位。當(dāng)在結(jié)合工藝期間由激光進(jìn)行熔化時(shí)，真空還有助于使隔離物層結(jié)合在一起。使用激光進(jìn)行結(jié)合有很多優(yōu)點(diǎn)。與加熱板相比，激光使這些層更快地結(jié)合在一起。此外，激光可適用于電極的很多不同形狀和尺寸。對(duì)于不同尺寸和/或形狀的電極而言，不需要新的結(jié)合板；對(duì)于新的電極而言，激光目標(biāo)導(dǎo)向控制器被簡(jiǎn)單地重新編程。因此，對(duì)于由隔離物層封裝何種類型和/或尺寸的電極沒(méi)有限制。如以上所提到的，激光的使用減少了使隔離物層結(jié)合在一起所需的時(shí)間量。在典型的機(jī)械傳熱工藝中，通過(guò)應(yīng)用加熱板/棒所導(dǎo)致的停留時(shí)間比較長(zhǎng)，而在本發(fā)明中，通過(guò)應(yīng)用激光減少了該停留時(shí)間。特別地，使用當(dāng)前的封裝方法將傳統(tǒng)的機(jī)械傳熱方法的停留
時(shí)間減少了 95%。此外，對(duì)隔離物層的移位和未對(duì)齊的消除導(dǎo)致了在最終產(chǎn)品中與傳統(tǒng)技術(shù)相比使用了更少的隔離物材料。具體地，所公開(kāi)的工藝不需要在未對(duì)齊或移位情形中所要提供的大量多余材料。而是，所公開(kāi)的工藝僅需要足以封裝電極的材料量，其中在進(jìn)行了結(jié)合工藝后，切除少量的多余材料。此外，在完成結(jié)合后，可使用激光從被封裝的電極周圍切除多余的隔離物材料。這能夠快速地并且在被封裝的電極仍然在真空臺(tái)上保持就位時(shí)完成。在各種示例性實(shí)施方式中，一種形成封裝的固體電化學(xué)元件的方法包括依次將第一隔離物、固體電化學(xué)元件和第二隔離物設(shè)置在真空板的上表面上以形成電化學(xué)元件組件，然后利用真空板向電化學(xué)元件組件施加真空。該方法還包括當(dāng)施加真空時(shí)，圍繞電化學(xué)元件組件中的固體電化學(xué)元件的周緣的至少一部分施加第一激光束，從而使得圍繞固體電化學(xué)元件的周緣的至少一部分的第一隔離物和第二隔離物的一部分通過(guò)施加第一激光束以形成熔化區(qū)從而被熔化并且彼此結(jié)合。最后，該方法還包括當(dāng)施加真空時(shí)，圍繞電化學(xué)元件組件中的固體電化學(xué)元件的周緣施加第二激光束，從而使得圍繞固體電化學(xué)元件周緣的第一隔離物和第二隔離物通過(guò)施加第二激光束被切除。在一些實(shí)施方式中，固體電化學(xué)兀件為電極。在一些實(shí)施方式中，該電極是蓄電池電極。在一些實(shí)施方式中，該蓄電池電極用于鋰離子蓄電池，并且其中包含鋰。在一些實(shí)施方式中，電極包括這樣的材料，該材料選自包括了鋰、鎳、高表面積碳、以及它們的組合的組。在一些實(shí)施方式中，第一和第二隔離物由電絕緣材料形成。在一些實(shí)施方式中，第一和第二隔離物是兩個(gè)分開(kāi)的片。在一些實(shí)施方式中，熔化區(qū)沒(méi)有完全包圍固體電化學(xué)元件，從而使得在第一隔離物和第二隔離物之間存在至少一個(gè)開(kāi)口。在一些實(shí)施方式中，施加第一激光束的步驟沿著一定的接縫樣式，該接縫樣式包括多個(gè)Z字形、多個(gè)直線或多個(gè)曲線。在一些實(shí)施方式中，電化學(xué)元件具有矩形的形狀。
在一些實(shí)施方式中，第一隔離物和第二隔離物由多孔聚合物材料制成。在一些實(shí)施方式中，通過(guò)真空板施加的真空抽吸氣體穿過(guò)第一和第二隔離物，從而使第一隔離物、固體電化學(xué)元件和第二隔離物在施加第一和第二激光束以熔化、結(jié)合和切割第一和第二隔離物時(shí)保持位置不變。在一些實(shí)施方式中，在施加第二激光束的步驟中，第二激光束的切開(kāi)所述熔化區(qū)中。在一些實(shí)施方式中，施加第一和第二激光束的 步驟包括從固定的激光源發(fā)射激光束，并且通過(guò)移動(dòng)鏡子來(lái)反射激光束，以便將激光束引導(dǎo)到位于真空板上的電化學(xué)元件組件。在一些實(shí)施方式中，第一和第二激光束從單個(gè)光源發(fā)射出。在一些實(shí)施方式中，在設(shè)置步驟期間利用真空板施加真空。在一些實(shí)施方式中，第一激光束具有相對(duì)較低的第一功率，第二激光束具有相對(duì)較高的第二功率。相對(duì)較高的第二功率高于相對(duì)較低的第一功率。在一些實(shí)施方式中，圍繞電極的周緣以相對(duì)較快的第一速度來(lái)引導(dǎo)第一激光束，圍繞該周緣以相對(duì)較慢的第二速度來(lái)引導(dǎo)第二激光束。相對(duì)較快的第一速度大于相對(duì)較慢的第二速度。本發(fā)明還涉及由以上所描述的方法制成的封裝的電化學(xué)元件。在各種示例性實(shí)施方式中，一種制作蓄電池的方法包括根據(jù)以上所描述的方法形成多個(gè)封裝的固體電化學(xué)元件。多個(gè)封裝的固體電化學(xué)元件中的第一組為封裝的陰極，并且第二組為封裝的陽(yáng)極。制作蓄電池的該方法還包括交替堆疊封裝的陽(yáng)極和陰極，并在堆疊的封裝的陽(yáng)極和陰極之間提供電解質(zhì)。本發(fā)明還涉及由以上所描述的制作蓄電池的方法形成的蓄電池。在各種示例性實(shí)施方式中，一種形成封裝的蓄電池電極的方法包括依次將第一隔離物、電極和第二隔離物堆疊在真空板的上表面上，以形成電極組件；和利用真空板向電極組件施加真空。該方法還包括當(dāng)施加真空時(shí)，圍繞電極組件中的電極周緣的至少一部分施加第一激光束，從而使得圍繞電極周緣的至少一部分的第一和第二隔離物的一部分通過(guò)施加第一激光束以形成熔化區(qū)從而被熔化并且彼此結(jié)合。該方法還包括當(dāng)施加真空時(shí)，圍繞電極組件中電極的周緣施加第二激光束，從而使得圍繞電極周緣的第一和第二隔離物通過(guò)施加第二激光束被切除。


將參考下面的附圖對(duì)所公開(kāi)的形成封裝的電化學(xué)元件/電極的方法的各個(gè)示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，附圖中圖I是用于本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中的真空板的透視圖；圖2是被放置在圖I的真空板的頂面上的第一隔離物的透視圖；圖3是被放置在圖2的第一隔離物的頂面上的電極的透視圖；圖4是被放置在圖3的電極的頂面和第一隔離物的頂面上的第二隔離物的透視圖；圖5是顯示了真空方向的圖4的透視圖6是設(shè)置于圖5的元件上方的激光器的透視圖；圖7A是具有直線接縫熔化區(qū)的第一隔離物、電極和第二隔離物的俯視圖；圖7B是具有曲線接縫熔化區(qū)的第一隔離物、電極和第二隔離物的俯視圖；和圖7C是具有Z字形線接縫熔化區(qū)的第一隔離物、電極和第二隔離物的俯視圖。圖8是具有圖7A的接縫樣式并且切除了隔離物材料的額外部分的封裝的電極的透視圖；圖9是本發(fā)明的激光器的放大的內(nèi)部視圖，其中示出了移動(dòng)的鏡子。
具體實(shí)施例方式以下參考蓄電池(特別是鋰離子蓄電池)的構(gòu)造來(lái)對(duì)以下的示例性實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。以下的示例性實(shí)施方式還可以用于燃料電池組件及各種其它固體電化學(xué)元件。本發(fā)
明所有的示例性實(shí)施方式都旨在可用于任何試圖加以應(yīng)用的領(lǐng)域中。圖I顯示了真空臺(tái)100，其包括在根據(jù)本發(fā)明各個(gè)方面的封裝固體電化學(xué)元件4(即電極)的方法中使用的示例性實(shí)施方式的真空板I。提供真空板I以限制電化學(xué)元件組件6的移動(dòng)。第一隔離物3、第二隔離物5和固體電化學(xué)元件4 一起形成電化學(xué)元件組件6?？稍诜庋b固體電化學(xué)元件4的方法的至少一些階段(優(yōu)選所有階段)期間使用真空板I。例如，在堆疊各部件以形成電化學(xué)元件組件6的步驟期間，以及在施加第一和第二激光束期間，都可以使用真空板1，如以下討論的那樣。此外，本發(fā)明并不局限于圖I所示的真空板。圖I中的真空板I可以是任何合適的真空板，其抽吸氣體穿過(guò)隔離物材料，從而產(chǎn)生吸力，所述吸力在熔化和切割階段期間將電化學(xué)元件組件6保持固定。圖2顯示了真空臺(tái)100，其中根據(jù)本發(fā)明各個(gè)方面，利用第一隔離物3覆蓋真空板。圖2中，第一隔離物3被放置在真空臺(tái)100的上表面2上。第一隔離物3由例如電絕緣材料形成，或者更具體地，由多孔聚合物材料形成。第一隔離物3可具有任意尺寸或形狀，只要其略大于隨后將置于第一隔離物3的上表面上的固體電化學(xué)元件便可。第一隔離物3的尺寸可準(zhǔn)確地匹配真空板1，或者第一隔離物3可略大于或小于真空板I。沒(méi)有必要高度精確地實(shí)現(xiàn)第一隔離物3或第二隔離物5的尺寸和形狀。僅需要使隔離物大于待封裝的電化學(xué)元件便可。然而，為了最小化浪費(fèi)的材料，優(yōu)選隔離物僅僅略大于待封裝的元件。對(duì)于第一隔離物3而言，沒(méi)有特別的厚度限制，只要真空板能夠?qū)怏w抽吸通過(guò)第一隔離物3的孔以將第一隔離物3保持就位便可。圖3顯示了其上設(shè)置有第一隔離物3和固體電化學(xué)元件4的真空臺(tái)100。圖3中，固體電化學(xué)元件4被放置在第一隔離物3的上表面10之上，第一隔離物3如圖2中所示已經(jīng)先設(shè)置在了真空板之上。固體電化學(xué)元件4可以是包括電極(即陽(yáng)極和陰極)的任何類型的固體電化學(xué)元件。例如，固體電化學(xué)元件可以為蓄電池電極，或者更優(yōu)選地為鋰離子蓄電池電極，從而使得電極包含鋰。此外，固體電化學(xué)元件4可由這樣的材料制成，所述材料選自例如鋰、鎳、高表面積碳、以及它們的組合。然而，固體電化學(xué)元件4并不局限于蓄電池電極，而是也能用于任何需要用多孔或多孔狀材料來(lái)封裝元件的相關(guān)領(lǐng)域。例如，固體電化學(xué)元件可以為燃料電池的電極。此外，對(duì)固體電化學(xué)元件4的形狀沒(méi)有限制。因此，固體電化學(xué)元件4的形狀可以為，例如矩形、圓形等。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，例如，固體電化學(xué)元件4為陽(yáng)極。陽(yáng)極可以由例如，石墨、硬碳、軟碳、鈦酸鋰、硅、錫、非晶態(tài)錫基復(fù)合氧化物(acto)、m-m合金、三元金屬釩酸鹽、以及類金屬(metalloids)制成。在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，例如，固體電化學(xué)元件4是陰極。陰極可以由例如，氧化鈷鋰(鈷酸鋰)、氧化錳鋰(錳酸鋰)、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰(lithium nickel manganese cobalt)、鎮(zhèn)鈷招酸鋰氧化物(lithium nickel cobaltaluminum oxide)、氧化鈷、氧化鎳鈷、層狀氧化猛、磷酸鐵和硫化鋰制成。圖4顯示了真空臺(tái)100，其中第一隔離物3、固體電化學(xué)元件4和第二隔離物5彼此堆疊。在圖4中，第二隔離物5被放置在固體電化學(xué)元件4的上表面11上，固體電化學(xué)元件4如圖3中所示已經(jīng)被先設(shè)置在第一隔離物3的上表面10之上。第二隔離物5由例如電絕緣材料形成，或者更具體地，由多孔聚合物材料形成。第二隔離物5可具有任意尺寸或形狀，只要其略大于被放置在第二隔離物5下的固體電化學(xué)元件4便可。第二隔離物5的尺寸可準(zhǔn)確匹配真空板1，或者第二隔離物5可略大于或小于真空板I。對(duì)于第二隔離物5而言，沒(méi)有特別的厚度限制，只要真空板I能夠?qū)怏w抽吸穿過(guò)第二隔離物5的孔便可。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，第一隔離物3是與第二隔離物5分開(kāi)的材料片。在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，通過(guò)將單片的隔離物材料折疊到其自身上來(lái)形成第一隔離物3和第二隔離物5。在這個(gè)另外的示例性實(shí)施方式中，隔離物材料被放置在真空板I上。固體電化學(xué)元件4被放置在隔離物材料的一部分上，即，作為第一隔離物3起作用的隔離物材料部分上。然后，在例如中間部分附近將隔離物材料折疊到固體電化學(xué)元件4的上表面11上。被折疊到固體電化學(xué)元件4的上表面11上的隔離物材料部分作為第二隔離物5起作用。該結(jié)果類似于在元件4的每側(cè)上提供隔離物材料層的任一實(shí)施方式。圖5示出了圖4所顯示的實(shí)施方式，其中包括通過(guò)真空臺(tái)100施加的真空7的應(yīng)用。真空臺(tái)100施加真空7，從而將氣體抽吸通過(guò)第一隔離物3和第二隔離物5。當(dāng)?shù)谝桓綦x物3和第二隔離物5由多孔材料形成時(shí)，氣體被抽吸穿過(guò)多孔材料的孔，因此真空臺(tái)用于將隔離物3和隔離物5吸/拉在一起，并且由于固體電化學(xué)元件4設(shè)置于隔離物3和隔離物5之間，所以還將固體電化學(xué)元件4吸/拉在一起。因此，在第一隔離物3和第二隔離物5的熔化、結(jié)合和切割工藝(將在下面描述)期間，真空7使電化學(xué)元件組件6的位置保持不變。圖6顯示了將激光器16設(shè)置在電化學(xué)元件組件6的上方，電化學(xué)元件組件6被設(shè)置在真空臺(tái)100的上表面2上。激光器16可以為各種傳統(tǒng)激光器中的任意一種，其中激光束的功率能夠變化和控制，并且其中激光束能夠被可控地引向(引導(dǎo)到)目標(biāo)。這種激光器通常用于雕刻中。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，激光器16被控制，以便施加兩種不同的、可調(diào)節(jié)的能量水平的光束。第一激光束具有相對(duì)較低的功率水平，而第二激光束具有相對(duì)較高的功率水平。第一激光束的功率水平低于第二激光束的功率水平。在示例性實(shí)施方式中，初始時(shí)圍繞電化學(xué)元件組件6中固體電化學(xué)元件4的周緣21的至少一部分來(lái)施加第一激光束，以便熔化隔離物3、5，同時(shí)將真空板I的真空7施加到電化學(xué)元件組件6。通過(guò)激光器16圍繞固體電化學(xué)元件4的周緣21施加第一激光束，導(dǎo)致第一隔離物3和第二隔離物5的被激光照射的部分熔化并結(jié)合在一起以形成熔化區(qū)13。第一激光束的(第一)功率水平高至足以熔化隔離物材料，但沒(méi)有高至切開(kāi)隔離物材料。用于熔化的功率水平取決于隔離物材料的材料(組分和厚度)。熔化區(qū)13通常沒(méi)有完全包圍固體電化學(xué)元件4。例如，典型地在第一隔離物3和第二隔離物5之間存在至少一個(gè)開(kāi)口14。當(dāng)被構(gòu)造在蓄電池中時(shí)，開(kāi)口 14的存在允許，例如，將電解質(zhì)引至電化學(xué)元件4。在各種實(shí)施方式中，第一激光束沿循熔化區(qū)13的一定的接縫樣式，該接縫樣式包括多個(gè)Z字形15c (圖7C)、多個(gè)直線15a (圖7A)、或多個(gè)曲線15b (圖7B)。無(wú)論接縫樣式由Z字形15c、直線15a、或是由曲線15b形成，該接縫樣式都形成沒(méi)有完全包圍固體電化學(xué)元件4的熔化區(qū)13。因此，存在一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口 14，其允許將流體，或者特別是電解質(zhì)，弓丨至電化學(xué)元件4。由于激光器16是可編程的，所以能夠根據(jù)期望改變接縫樣式。例如，接縫樣式還包括直線、曲線和/或Z字形線的各種組合。在示例性實(shí)施方式中，接下來(lái)圍繞電化學(xué)元件組件6中的固體電化學(xué)元件4的周緣21施加第二激光束，同時(shí)向電化學(xué)元件組件6施加 真空板I的真空7。通過(guò)激光器16圍繞固體電化學(xué)元件4的周緣21施加第二激光束，使得第一隔離物3和第二隔離物5被切割以形成封裝的固體電化學(xué)元件20。第二激光束具有高于第一激光束的功率水平的(第二)功率水平，并且第二激光束的功率水平高至足以切開(kāi)(或切穿)第一隔離物3和第二隔離物5。用于切割的具體功率水平取決于隔離物材料的材料(組分和厚度)。典型地，第二(切割)激光束的路徑緊密地沿循被封裝的固體電化學(xué)元件4的周緣。在示例性實(shí)施方式中，從固定的激光源(激光器16)發(fā)射第一激光束和第二激光束。利用移動(dòng)的鏡子17反射激光束，其將激光束引導(dǎo)至位于真空板I上的電化學(xué)元件組件6 (圖9)。移動(dòng)的鏡子7進(jìn)行移動(dòng)，從而使得將第一激光束圍繞電化學(xué)元件組件6中的固體電化學(xué)元件4的周緣21加以引導(dǎo)，以形成接縫樣式(圖7A-C)，然后將第二激光束圍繞元件4的周緣進(jìn)行引導(dǎo)，以“裁剪”掉多余的隔離物材料。因此，第一和第二激光束能夠例如從相同的源(即，激光器16)發(fā)射。作為移動(dòng)的鏡子17的替代方式，激光束可以從能夠通過(guò)線性機(jī)電致動(dòng)器移動(dòng)的激光頭發(fā)射。在施加激光束的過(guò)程中，激光器能夠基于正在進(jìn)行的特定應(yīng)用來(lái)改變激光束的功率水平或者激光束圍繞元件4周緣的移動(dòng)速度。例如，在切割步驟期間，設(shè)定第二激光束的功率高于第一激光束的功率，從而使得第二激光束具有足夠的功率以切開(kāi)第一隔離物3和第二隔離物5?；蛘撸缭谇懈畈襟E期間，設(shè)定第二激光束的移動(dòng)速度低于第一激光束的移動(dòng)速度，從而使得第二激光束足夠慢，以便在隔離物上積累足夠的激光能量來(lái)切開(kāi)第一隔離物3和第二隔離物5。如圖9中示意性示出的那樣，激光器16包括發(fā)射激光束LB至可移動(dòng)的鏡子17的激光源31。鏡子17可沿著圖9中的箭頭所示的多個(gè)方向移動(dòng)，從而使得能夠圍繞元件4的周緣引導(dǎo)激光束，元件4安置在由真空臺(tái)100的真空板I的表面限定的X-Y平面上。在控制器(包括，例如CPU、ROM和RAM)的控制下，致動(dòng)器(例如壓電致動(dòng)器)移動(dòng)鏡子17，該控制器還控制激光源31的功率水平。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，例如在由第一激光束形成的熔化區(qū)13中施加第二激光束。在熔化區(qū)13中施加第二激光束允許非常干凈且一致地切割隔離物3、5，以便使封裝的固體電化學(xué)元件20擺脫額外的隔離物材料23。在熔化區(qū)13內(nèi)的切割降低了被封裝的固體電化學(xué)元件20的隔離物3、5的邊緣發(fā)生磨損、卷曲或其它變形以及發(fā)生對(duì)封裝的固體電化學(xué)元件20功能的干擾的可能性。此外，使用激光來(lái)切割隔離物3、5，減小了污染被封裝的固體電化學(xué)元件20的可能性。激光器16可以為例如CO2激光器。此外，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)使用計(jì)算機(jī)建模和仿形軟件，以便運(yùn)行程序從而將第一和第二激光束施加至電化學(xué)元件組件6。該軟件允許對(duì)電極/電化學(xué)元件的尺寸和/或形狀的任何改變。僅需要將電極的參數(shù)輸入到建模/仿形軟件中，以調(diào)整電極的不同尺寸和/或形狀。如示例性實(shí)施方式中所描述的那樣，一種形成被封裝的固體電化學(xué)元件20的方法包括首先將第一隔離物3堆疊在真空臺(tái)100的上表面2上。然后，將固體電化學(xué)元件或電極4堆疊在第一隔離物3的上表面10上，以便隨后用第二隔離物5進(jìn)行覆蓋，以形成電化學(xué)元件組件6。在形成電化學(xué)元件組件6的堆疊步驟期間和/或在形成了堆疊的組件6之后，都可以應(yīng)用真空板I的真空。一旦將真空板I的真空7施加至電化學(xué)元件組件6，則激光器16發(fā)射用來(lái)圍繞固體電化學(xué)元件4的周緣施加的第一激光束。圍繞固體電化學(xué)元件4的周緣21的至少一部分施加第一激光束，所述第一激光束具有的功率低于第二激光束的功率。隔離物3、5經(jīng)受第一激光束的部分熔化并且彼此結(jié)合，從而形成熔化區(qū)。在繼續(xù)施加真空板I的真空7的同時(shí)，激光器16發(fā)射第二激光束，所述第二激光束具有的功率高于第一激光束的功率，并且圍繞固體電化學(xué)元件4的整個(gè)周緣21來(lái)施加第二激光束。這樣，第二激光束能夠起到切割第一隔離物3和第二隔離物5的作用，從而將現(xiàn)在封裝好的固體
電化學(xué)元件20從剩余的隔離物材料23中釋放出來(lái)。一旦形成了多個(gè)封裝的固體電化學(xué)元件20，則所述封裝的固體電化學(xué)元件20可以被用于形成蓄電池組或電池單元。特別地，可以利用以上所描述的方法封裝陰極和陽(yáng)極。因此，通過(guò)首先交替堆疊封裝的陽(yáng)極和封裝的陰極來(lái)形成蓄電池。一旦陰極和陽(yáng)極被堆疊，則向堆疊的被封裝的陰極和陽(yáng)極提供電解質(zhì)(堆疊的陰極和陽(yáng)極、以及電解質(zhì)都設(shè)置在殼體內(nèi))。由于在封裝工藝期間在封裝的陽(yáng)極和封裝的陰極中形成了開(kāi)口 14，所以電解質(zhì)能夠進(jìn)入到陰極和陽(yáng)極的隔離物封裝內(nèi)部與所述陰極和陽(yáng)極接觸。如以上所說(shuō)明的那樣，封裝的電極能夠用于任何蓄電池的構(gòu)造。特別地，封裝的電極被用于鋰離子蓄電池的構(gòu)造。上述形成封裝的電化學(xué)元件/電極的方法的例示的示例性實(shí)施方式旨在都是說(shuō)明性的，而不是限制性的。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可進(jìn)行任何改變。
權(quán)利要求
1.一種形成封裝的固體電化學(xué)元件的方法，該方法包括 依次將第一隔離物、固體電化學(xué)元件和第二隔離物設(shè)置在真空板的上表面上，以形成電化學(xué)元件組件； 利用所述真空板向所述電化學(xué)元件組件施加真空； 當(dāng)施加所述真空時(shí)，圍繞所述電化學(xué)元件組件中的固體電化學(xué)元件的周緣的至少一部分施加第一激光束，從而使得圍繞所述固體電化學(xué)元件的周緣的至少一部分的所述第一隔離物和所述第二隔離物的一部分通過(guò)施加所述第一激光束形成熔化區(qū)從而被熔化并且彼此結(jié)合； 當(dāng)施加所述真空時(shí)，圍繞所述電化學(xué)元件組件中的固體電化學(xué)元件的周緣施加第二激光束，從而使得圍繞所述固體電化學(xué)元件的周緣的所述第一隔離物和所述第二隔離物通過(guò)施加所述第二激光束從而被切除。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述固體電化學(xué)元件為電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述電極是蓄電池電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述蓄電池電極用于鋰離子蓄電池，并且其中包含鋰。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述電極包括這樣的材料，所述材料選自包括了鋰、鎳、高表面積碳、以及它們的組合的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一隔離物和所述第二隔離物由電絕緣材料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一隔離物和所述第二隔離物是兩個(gè)分開(kāi)的片。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述熔化區(qū)沒(méi)有完全包圍所述固體電化學(xué)元件，從而使得在所述第一隔離物和所述第二隔離物之間存在至少一個(gè)開(kāi)口。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，施加所述第一激光束的步驟沿循一定的接縫樣式，所述接縫樣式包括多個(gè)Z字形、多個(gè)直線、或多個(gè)曲線。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)元件具有矩形的形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一隔離物和所述第二隔離物由多孔聚合物材料制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其特征在于,通過(guò)所述真空板施加的真空將氣體抽吸穿過(guò)所述第一隔離物和所述第二隔離物，從而當(dāng)施加所述第一激光束和所述第二激光束來(lái)熔化、結(jié)合和切割所述第一隔離物和所述第二隔離物時(shí)，使所述第一隔離物、所述固體電化學(xué)元件和所述第二隔離物保持位置不變。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在施加所述第二激光束的步驟中，所述第二激光束切開(kāi)所述熔化區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，施加所述第一激光束和所述第二激光束的步驟包括 從固定的激光源發(fā)射激光束；和 通過(guò)移動(dòng)鏡子反射所述激光束，以便將所述激光束引導(dǎo)至所述真空板上的所述電化學(xué)元件組件。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一激光束和所述第二激光束從單個(gè)源發(fā)射。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述設(shè)置步驟期間，利用所述真空板施加所述真空。
17.—種通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I所 述的方法制成的封裝的電化學(xué)元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一激光束具有相對(duì)較低的第一功率，所述第二激光束具有相對(duì)較高的第二功率，并且所述相對(duì)較高的第二功率高于所述相對(duì)較低的第一功率。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，以相對(duì)較快的第一速度圍繞所述固體電化學(xué)元件的周緣來(lái)引導(dǎo)所述第一激光束，以相對(duì)較慢的第二速度圍繞所述固體電化學(xué)元件的周緣來(lái)引導(dǎo)所述第二激光束，并且所述相對(duì)較快的第一速度大于所述相對(duì)較慢的第二速度。
20.一種制造蓄電池的方法，所述方法包括 根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法形成多個(gè)封裝的固體電化學(xué)元件，所述多個(gè)封裝的固體電化學(xué)元件的第一組為封裝的陰極，所述多個(gè)封裝的固體電化學(xué)元件的第二組為封裝的陽(yáng)極； 交替堆疊所述封裝的陽(yáng)極和所述封裝的陰極；和 在堆疊的所述封裝的陽(yáng)極和所述封裝的陰極之間提供電解質(zhì)。
21.一種通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法形成的蓄電池。
22.—種形成封裝的蓄電池電極的方法，所述方法包括 依次將第一隔離物、電極和第二隔離物設(shè)置在真空板的上表面上，以形成電極組件； 利用所述真空板向所述電極組件施加真空； 當(dāng)施加所述真空時(shí)，圍繞所述電極組件中的電極的周緣的至少一部分施加第一激光束，從而使得圍繞所述電極的周緣的至少一部分的所述第一隔離物和所述第二隔離物的一部分通過(guò)施加所述第一激光束形成熔化區(qū)從而被熔化并且彼此結(jié)合；和 當(dāng)施加所述真空時(shí)，圍繞所述電極組件中的電極的周緣施加第二激光束，從而使得圍繞所述電極的周緣的所述第一隔離物和所述第二隔離物通過(guò)所述施加所述第二激光束從而被切除。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述蓄電池電極用于鋰離子蓄電池，并且其中包含鋰。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述電極包括這樣的材料，所述材料選自包括了鋰、鎳、高表面積碳、以及它們的組合的組。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一隔離物和所述第二隔離物由電絕緣材料形成。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述熔化區(qū)沒(méi)有完全包圍所述電極，從而使得在所述第一隔離物和所述第二隔離物之間存在有至少一個(gè)開(kāi)口。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，通過(guò)所述真空板施加的真空將氣體抽吸穿過(guò)所述第一隔離物和所述第二隔離物，從而當(dāng)施加所述第一激光束和所述第二激光束來(lái)熔化、結(jié)合和切割所述第一隔離物和所述第二隔離物時(shí)，使所述第一隔離物、所述電極和所述第二隔離物保持位置不變。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，在施加所述第二激光束的步驟中，所述第二激光束切開(kāi)所述熔化區(qū)。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，在所述設(shè)置步驟期間，利用所述真空板施加所述真空。
30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一激光束具有相對(duì)較低的第一功率，所述第二激光束具有相對(duì)較高的第二功率，并且所述相對(duì)較高的第二功率高于所述相對(duì)較低的第一功率。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，以相對(duì)較快的第一速度圍繞所述電極的周緣來(lái)引導(dǎo)所述第一激光束，以相對(duì)較慢的第二速度圍繞所述電極的周緣來(lái)引導(dǎo)所述第二激光束，并且所述相對(duì)較快的第一速度大于所述相對(duì)較慢的第二速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及形成封裝的固體電化學(xué)元件的方法，所述方案包括依次將第一隔離物、固體電化學(xué)元件和第二隔離物設(shè)置在真空板的上表面上，以形成電化學(xué)元件組件；向該電化學(xué)元件組件施加真空；當(dāng)施加真空時(shí)，圍繞電化學(xué)元件組件中的固體電化學(xué)元件的周緣的至少一部分施加第一激光束，以便熔化第一和第二隔離物并且將它們結(jié)合在一起。該方法還包括當(dāng)施加真空時(shí)，圍繞電化學(xué)元件組件中的固體電化學(xué)元件的周緣施加第二激光束。與第一激光束的功率相比，第二激光束具有相對(duì)較高的第二功率，從而使得圍繞固體電化學(xué)元件的周緣的第一和第二隔離物被切除。
文檔編號(hào)B23K26/20GK102881938SQ201210243038
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者C·霍爾馬克 申請(qǐng)人:伊格皮切爾科技有限責(zé)任公司