[发明专利]形成封装的固体电化学元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及封装电化学元件(特别是电极，例如阳极和阴极)的改进方法。具体地讲，本发明涉及这样的方法，所述方法可用于：当利用激光熔化和切割围绕电极周缘的隔离物材料以封装电极时，将包含在被封装电极的构造中的元件保持固定。而后，封装的电极(即，封装的阳极和封装的阴极)能够用于构建例如蓄电池，特别是锂离子蓄电池。然而，如以下所描述的，本发明并不局限于对电极的封装，而是可应用于各种可能需要用多孔材料进行封装的固体电化学元件。

背景技术

锂离子电池单元利用多孔隔离物材料来隔离正电极和负电极(阳极和阴极)。在棱柱形的电池单元中，电极被夹在隔离物材料的层之间。典型地，使用粘结/焊接工艺将电极封装在隔离物内，以便防止可能导致蓄电池的电池单元短路和失效的移位。通常使用专门为一种电极和隔离物构造而设计的加热板和机械工具来进行封装的工艺。

具体地，在典型的机械传热方法中，将需要形成封装的电化学元件的元件彼此叠置。例如，为了封装矩形电极，第一和第二矩形的隔离物片被切割至略大于该电极的尺寸。堆叠隔离物片和电极，使得电极被夹在第一和第二隔离物片之间。接着，将棒/板降低至围绕电极的隔离物片部分的上方，以便施加热和压力，从而使隔离物片结合在一起。一旦隔离物片结合在一起，则随后用机械工具切割被封装的电极，以便使被封装的电极摆脱任何多余的隔离物材料。该过程中的一个问题是：难以在隔离物材料的结合期间将这些元件保持在一起。因此，隔离物和/或电极能够自由移动，从而造成被封装的电极未对齐。由于这种移动，所以熔化区的区域之间的开口可能不一致。此外，在机械热结合期间导致的未对齐使得必需使用比封装电极所必需的隔离物材料更多的隔离物材料，以便适应封装之前的任何移位。另外，机械传热方法的结合工艺花费了大量的时间。在机械传热方法中，停留时间(棒/板必须处在与隔离物材料接触以使隔离物片结合在一起的时间量)非常长。

此外，一般通过交替地堆叠阴极和阳极并且将隔离物设置于它们之间来形成蓄电池。蓄电池隔离物用于使阳极与阴极物理地隔离，从而避免短路。因此，通过电极隔离物进行适当的封装对于蓄电池(例如，锂离子蓄电池)的功能而言是至关重要的。

发明内容

对提供封装电极的更稳定可靠方式以及提供一致的封装产品的需求决定了对更有效的封装方式的需求。目前，用于封装电极的方法导致了制作不良的电极、密封过程中的未对齐、局限于特定的电极构造、以及结合过程期间的较长的停留时间。

提供在隔离物层之间导致较强结合的封装工艺是有益的，其可适于多种电极的尺寸和/或形状，消除了隔离物层的未对齐，减少了停留时间(或保压时间)，和降低了所需要的/使用的隔离物材料的量。

根据本发明的一个方面，利用两个隔离物片或者一个折叠的片来封装电极，从而使得第一隔离物层设置在电极下面且第二隔离物层设置在电极上面，通过利用真空台的真空将这些层拉紧在一起并且围绕该电极，同时利用激光将这些隔离物层焊接在一起。与典型的机械传热方法相比，使用真空台的结果是更强且更一致的结合。真空台还防止了隔离物层的未对齐。隔离物层通过由真空台施加的真空被拉紧，从而在堆叠、结合和/或切割工艺期间不允许移位。当在结合工艺期间由激光进行熔化时，真空还有助于使隔离物层结合在一起。

使用激光进行结合有很多优点。与加热板相比，激光使这些层更快地结合在一起。此外，激光可适用于电极的很多不同形状和尺寸。对于不同尺寸和/或形状的电极而言，不需要新的结合板；对于新的电极而言，激光目标导向控制器被简单地重新编程。因此，对于由隔离物层封装何种类型和/或尺寸的电极没有限制。

如以上所提到的，激光的使用减少了使隔离物层结合在一起所需的时间量。在典型的机械传热工艺中，通过应用加热板/棒所导致的停留时间比较长，而在本发明中，通过应用激光减少了该停留时间。特别地，使用当前的封装方法将传统的机械传热方法的停留时间减少了95％。此外，对隔离物层的移位和未对齐的消除导致了在最终产品中与传统技术相比使用了更少的隔离物材料。具体地，所公开的工艺不需要在未对齐或移位情形中所要提供的大量多余材料。而是，所公开的工艺仅需要足以封装电极的材料量，其中在进行了结合工艺后，切除少量的多余材料。

此外，在完成结合后，可使用激光从被封装的电极周围切除多余的隔离物材料。这能够快速地并且在被封装的电极仍然在真空台上保持就位时完成。