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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-17524(P2020-17524A)
(43)【公開日】2020年1月30日
(54)【発明の名称】集電体の製造方法及び関連装置
(51)【国際特許分類】
H01M 4/66 20060101AFI20191227BHJP
H01G 11/66 20130101ALI20191227BHJP
H01G 11/68 20130101ALI20191227BHJP
【ＦＩ】
H01M4/66 A
H01G11/66
H01G11/68
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2019-135380(P2019-135380)
(22)【出願日】2019年7月23日
(31)【優先権主張番号】1856832
(32)【優先日】2018年7月24日
(33)【優先権主張国】FR
(71)【出願人】
【識別番号】515170791
【氏名又は名称】アルモール
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】スヤンメ・カール・ヘーシェン
(72)【発明者】
【氏名】ジャン・フランソワ・ノエル・マーセル・エヴラール
【テーマコード（参考）】
5E078
5H017
【Ｆターム（参考）】
5E078AA14
5E078AB01
5E078FA03
5E078FA12
5E078FA15
5E078FA24
5H017AS01
5H017BB08
5H017BB11
5H017BB19
5H017CC01
5H017DD05
5H017EE01
5H017EE07
5H017EE09
5H017HH03
5H017HH05
5H017HH10
(57)【要約】
【課題】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。【解決手段】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を印加する段階と、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。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【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（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を印加する段階と、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。
−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を印加する段階と、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）。
−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。
【発明の詳細な説明】
【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】
蓄電池の動作原理は、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を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、電気化学セルの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に直接関係している。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、コーティングが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。
【発明の概要】
【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と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の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点間の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、レーザー光線が分散粒子のサンプルを通過する際の散乱光強度の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、バインダー材料と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の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、部品が品質基準に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の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、縦方向の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と両立せず、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、多くの代替案を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、磁気パルスの印加による溶接、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、被覆領域と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、一連の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】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】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5】スプライシングベンチの一部の図を示す。
【図7】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。
【図8】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10】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。
【発明を実施するための形態】
【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の振動の変位は、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の分子間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を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の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】
各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】
【表1】
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
【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
【外国語明細書】