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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-09
(54)【発明の名称】超音波を利用した軟質金属の切断
(51)【国際特許分類】
B26D 7/08 20060101AFI20220202BHJP
B26D 3/00 20060101ALI20220202BHJP
B26D 1/08 20060101ALI20220202BHJP
B26D 1/00 20060101ALI20220202BHJP
H01M 10/04 20060101ALI20220202BHJP
G01N 1/06 20060101ALI20220202BHJP
【ＦＩ】
B26D7/08 A
B26D3/00 601Z
B26D1/08
B26D1/00
H01M10/04 Z
G01N1/06 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021533519
(86)(22)【出願日】2019-12-11
(85)【翻訳文提出日】2021-06-11
(86)【国際出願番号】 CA2019051782
(87)【国際公開番号】W WO2020118431
(87)【国際公開日】2020-06-18
(31)【優先権主張番号】3,027,620
(32)【優先日】2018-12-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CA
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】513138072
【氏名又は名称】ハイドロ－ケベック
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】アムゼガル， カムヤブ
(72)【発明者】
【氏名】ブシャール， パトリック
(72)【発明者】
【氏名】タルコット， ナンシー
(72)【発明者】
【氏名】ペロン， フレデリク
(72)【発明者】
【氏名】ルブラン， ドミニク
(72)【発明者】
【氏名】ザジブ， カリム
【テーマコード（参考）】
2G052
3C027
5H028
【Ｆターム（参考）】
2G052AA11
2G052AD12
2G052AD32
2G052AD52
2G052BA15
3C027AA09
3C027AA10
3C027JJ01
3C027JJ12
5H028AA10
5H028BB17
(57)【要約】
超音波振動によって作動することができる切断ツールの使用を含む、軟質金属を切断するための方法。この方法は、電気化学的貯蔵装置、例えばリチウム電池の製造に使用されるコンポーネントを切断するために使用される。これらのコンポーネントには、アノード、カソード、固体電解質、集電体、およびセパレーターが含まれる。この方法は、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステムでも採用される。本発明による方法は、摩擦の排除、したがって切断力の低減、切断中の組み立てられたセルの短絡時間の低減、ツールバタリングの最小化、使用したツールの加熱および摩耗の低減を可能にする。また、本発明による方法は、改善された切断仕上げを提供する。
【選択図】図４
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波振動によって作動するように適合される切断ツールの使用を含む、軟質金属を切断する方法。
【請求項2】
超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを含む、軟質金属を切断するためのシステム。
【請求項3】
超音波振動によって作動するように適合される切断ツールの使用を含む、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるための方法。
【請求項4】
超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを含む、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステム。
【請求項5】
前記電気化学的貯蔵装置が、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルである、請求項３または請求項４に記載の方法またはシステム。
【請求項6】
前記切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項7】
前記切断ブレードが、ギロチン運動によって駆動されるように適合されるブレード、レーザーブレード、ダイヤモンドブレード、精密ブレード、鋼のブレード、炭化タングステン製のブレード、またはこれらの組み合わせである、請求項６に記載の方法またはシステム。
【請求項8】
前記切断ツールがミクロトームである、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項9】
前記軟質金属が、室温で高い可鍛性を有する金属、好ましくはＰｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｒｂ、およびそれらの合金、またはモース硬度で４未満の硬度を持つ金属である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項10】
前記軟質金属が軟質アルカリ金属、好ましくは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、またはそれらの合金である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項11】
前記軟質金属が、室温よりも高い温度で可鍛性の金属であり、好ましくは、前記方法が、熱保護システムの使用を含むか、または前記システムが、熱保護システムをさらに含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項12】
電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるための方法であって、前記電気化学的貯蔵装置の少なくとも１つのコンポーネントを切断する少なくとも１つのステップを含み、前記切断することが、超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを使用して実行される、方法。
【請求項13】
電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステムであって、前記電気化学的装置の少なくとも１つのコンポーネントを切断するための少なくとも１つの切断ツールを含み、前記切断ツールが超音波振動によって作動するように適合される、システム。
【請求項14】
前記電気化学的貯蔵装置が、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルである、請求項１２または請求項１３に記載の方法またはシステム。
【請求項15】
前記電気化学的貯蔵装置の前記コンポーネントが、負極、正極、固体電解質、集電体、セパレーター、またはこれらの組み合わせである、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項16】
前記負極が、アルカリ金属箔、好ましくはリチウム、リチウム－アルミニウム合金などからなり、前記正極が、複合混合物、好ましくはレドックス活性中心（遷移金属酸化物）、導電性フィラー材料（炭素粒子）、固体電解質材料（イオン伝導体）を含む材料からなり、
前記固体電解質材料が、ポリマー、ガラス、セラミック、またはそれらの混合物からなり、
前記集電体が、金属箔、好ましくはＡｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはこれらの組み合わせの箔からなり、任意選択で、前記集電体が、アノード材料、例えばリチウムであり、および
前記セパレーターが、ポリマーまたはセラミック材料からなる、請求項１５に記載の方法またはシステム。
【請求項17】
前記切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、請求項１２～１６のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項18】
前記切断ブレードが、ギロチン運動によって駆動されるように適合されるブレード、レーザーブレード、ダイヤモンドブレード、精密ブレード、鋼のブレード、炭化タングステン製のブレード、またはこれらの組み合わせである、請求項１７に記載の方法またはシステム。
【請求項19】
前記切断ツールがミクロトームである、請求項１２～１８のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項20】
前記製造することが、前記電気化学的貯蔵装置の前記コンポーネントの積み重ねまたは組み立てステップ、
前記電気化学的貯蔵装置の前記コンポーネントのサイズ変更ステップ、
前記電気化学的貯蔵装置のコンポーネントを構成する材料のインゴットの溶融に起因するビレット、好ましくはリチウムビレットからの押し出しステップ、
セルまたはハーフセルの再寸法化ステップ、および
両面セルの積み重ねのステップのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２～１９のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項21】
前記切断ツールが、硬度の高いブレード、および／または熱処理、好ましくは浸炭、窒化、焼入れ、セラミック堆積、またはこれらの組み合わせによって改質された表面を有するブレード、および／または
耐摩耗性材料、好ましくは炭化タングステン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナ、ジルコニウム、窒化ケイ素、またはこれらの組み合わせで作られたブレード、および／または
電気絶縁材料で作られたブレードを含む、請求項１～２０のいずれか１項に記載の方法またはシステム。
【請求項22】
超音波振動によって作動するように適合される切断ツール、好ましくは前記ツールはミクロトームであり、および／または顕微鏡、および／または
測定装置を含む、電気化学的貯蔵装置（リチウム電池または「完全に固体の」リチウム電池またはリチウムイオン電池またはセル）を特徴付けるためのシステム。
【請求項23】
前記切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項24】
請求項１～２１のいずれか１項に記載の方法を含む方法、または請求項１～２３のいずれか１項に記載のシステムを使用する方法によって得られる電気化学的貯蔵装置。
【請求項25】
請求項１～２１のいずれか１項に記載の方法を含む方法、または請求項１～２３のいずれか１項に記載のシステムを使用する方法によって得られる、リチウム電池、または「完全に固体の」リチウム電池、またはリチウムイオン電池またはセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の参照
本出願は、２０１８年１２月１３日に出願されたカナダ出願第３，０２７，６２０号の優先権を主張する。カナダ出願第３，０２７，６２０号の内容は、参照により本出願に組み込まれる。
本出願は、２０１８年１２月１３日に出願されたカナダ出願第３，０２７，６２０号の優先権を主張する。カナダ出願第３，０２７，６２０号の内容は、参照により本出願に組み込まれる。
【0002】
本発明は、一般に軟質金属を切断する方法に関する。特に、本発明は、軟質金属を切断するために超音波振動によって作動する切断ブレードを含むシステムを使用する方法に関する。本発明による方法は、電気化学的貯蔵装置、例えばリチウム電池の製造に使用されるコンポーネントを切断するために使用される。これらのコンポーネントには、アノード、カソード、固体電解質、集電体、およびセパレーターが含まれる。
【背景技術】
【0003】
超音波は、流体、固体、気体、または液体の媒体を伝播する機械的および弾性波である。超音波の周波数範囲は１６，０００～１０，０００，０００ヘルツである。このような周波数は高すぎて、人間の耳では認識できない。
【0004】
超音波にはいくつかの産業用途がある。例えば、部品の非破壊検査で使用される。超音波は、医療用超音波、手術（動脈の閉塞解除、人工股関節置換術、脂肪吸引など）など、生物に直接影響を与える分野でも使用される。超音波の他の使用分野には、他の方法では混合が困難な流体の混合、部品の洗浄、煙の粉塵除去、プラスチックと金属の溶接、機械加工が含まれる。［１］
【0005】
「超音波」という用語は、技術支援プロセスを説明するためにも使用できる。例えば、精密研削、切削（旋削、穴あけ、フライス加工）、放電加工、射出、押出プレスなどの支援。これらの支援プロセスの場合、方法の物理的原理は同じままである。超音波振動は、摩擦条件の低減または必要な激しい条件の作成のいずれかによって、パフォーマンスを向上させる。［１］
【0006】
超音波発生器の開発のために、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するためにさまざまなメカニズムを使用することができる。これらのメカニズムには、例えば、電気力学的、静電的、磁気的、磁歪的、電歪的、圧電効果が含まれる。［１］
【0007】
切断を補助する場合、超音波は切断力を大幅に低減し、表面仕上げを改善し、使用するツールの摩耗を低減する。［１］さらに、使用するツールへの材料の付着が少なくなる。
【0008】
切断は、切断ツールと呼ばれることが多いツールを使用して行われる寸法縮小の機械的操作であり、縮小されたサイズのピースを取得したり、異なるパーツを分離したりするために、固体材料を正確な形状にしたがって分割できる。［２］
【0009】
超音波は、溶接や医用画像などの非常に高度な技術の中で長い間使用されてきた。超音波技術は、ペストリーの切断など、食品の切断に適用されている。［３］この技術はこの分野で強力に発展し、現在、柔らかく、べたつく、歯ごたえのある、もろい、および／または不均一な食品の切断に関連する問題に対する多くの解決策を提供している。［２］
【0010】
超音波は、それ自体が切断ツールとして使用されていない。超音波は、ギロチン運動によって駆動されるブレードなどの切断ツールの性能を向上させるために使用される。したがって、超音波がブレードに適用される。前述のブレードは、特定の形状を有することができる。
【0011】
通常、超音波を生成するために、６０Ｈｚの電流が発電機によって２０ｋＨｚの電流に変換される。この発電機は、４層のセラミックで構成される圧電素子を励起する。このセラミックは、１秒間に２０，０００回の電気的影響で収縮し、電気エネルギーを、ブースターによって増幅され、ブレードに伝達される、機械的エネルギーに変換する。このブレードは、高周波（２０ｋＨｚ）で振動することにより、５０～１００μｍの振幅の微小変位を生成する。次に、ブレードワイヤが、ブレードの下の材料を破損させる、１０５ｇのオーダーの大きな機械的加速度にさらされる。増幅は、処理する製品によって異なる。柔らかくなるほど、増幅が少なくなる。このブレードの振動と並行して、切断ツールを下げる。そのため、切断が製品を圧縮したり摩擦したりすることなく行われるため、非常に粘着性のある製品や非常に壊れやすい製品でも美しい切削表面を得ることができる。［２］
【0012】
超音波を利用した切断技術により、切断が困難な材料を簡単に切断できる。このような材料には、炭素材料、ゴム、熱可塑性プラスチック、皮革、布、不織布、紙、プラスチックシートなどが含まれる。しかし、軟質金属などの延性材料の切断については、標準的な切断、電気侵食、電気化学などの他の技術を利用することで、より費用効果が高いと常に考えられてきた。［１］
【0013】
リチウム、ナトリウム、カリウムなどの軟質アルカリ金属の切断は、特定の問題を引き起こす。例えば、切断される部品の変形、切断ツールの加熱、ツールのバタリング。さらに、表面仕上げが悪いことがよく見られる。のこぎり、ナイフ（スライス、ギロチン、回転ブレード、はさみなど）、切断ワイヤ、熱線、切断レーザー、その他の侵食技術などの一般的なツールを使用すると、一般に不十分な結果になる。さらに、リチウム電池デバイスなど、これらの金属を含むアセンブリーを製造する場合、従来の切断技術は動作不能になる。
【0014】
本発明者らは、電気化学フィルムを含む複数のフィルムの集合体を切断するためのレーザー支援切断技術を記載している米国特許第５，２５０，７８４号を知っている。［５］
【0015】
効率的な軟質金属の切断方法が必要である。特に、リチウム電池などの電気化学的貯蔵装置の製造に使用されるコンポーネントを切断するための効率的な方法が必要とされる。
【0016】
同様に、セルの特徴付けを可能にするために、セルなどの電気化学的貯蔵装置を切断する方法が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明者らは、軟質金属を切断するための方法を設計し、採用した。本発明による方法は、超音波振動によって作動する切断ブレードを含むシステムを使用する。この方法は、リチウム電池などの電気化学的貯蔵装置の製造に使用されるコンポーネントを切断するために使用される。このようなコンポーネントには、アノード、カソード、固体電解質、集電体、およびセパレーターが含まれる。これらのコンポーネントは、個別に、または組み立て時に、例えば多層アセンブリーとして切断できる。この方法は、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステムでも採用される。
【0018】
本発明による方法は、摩擦の排除、したがって切断力の低減、切断中の組み立てられたセルの短絡時間の低減、ツールバタリングの最小化、使用したツールの加熱および摩耗の低減を可能にする。また、本発明による方法は、改善された切断仕上げを提供する。
【0019】
本発明の一実施形態によれば、この方法は、超音波振動によって作動する切断ツールセットを使用する。本発明の別の実施形態によれば、切断ツールは、超音波発生器に結合された少なくとも１つのブレードを含む。
【0020】
本発明の一実施形態によれば、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントは、個別に、または装置の製造中に切断することができる。電気化学的貯蔵装置のコンポーネントは、それらが組み立てられるとき、例えば、そのアーキテクチャ（電気化学的貯蔵装置の特徴付け）を決定するために装置の検査を実行することが望まれるときに切断され得る。そのような特徴付けの方法の間、切断ツールは、例えば、電気化学的貯蔵装置のさまざまなコンポーネントの各層の厚さを測定するために使用することができる顕微鏡および／または装置に結合され得る。
【0021】
したがって、本発明は以下の態様に関する。
（１）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールの使用を含む、軟質金属を切断する方法。
（２）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを含む、軟質金属を切断するためのシステム。
（３）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールの使用を含む、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるための方法。
（４）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを含む、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステム。
（５）電気化学的貯蔵装置が、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルである、上記の態様（３）または（４）に記載の方法またはシステム。
（６）切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、上記の態様（１）～（５）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（７）切断ブレードが、ギロチン運動によって作動するように適合されるブレード、レーザーブレード、ダイヤモンドブレード、精密ブレード、鋼のブレード、炭化タングステン製のブレード、またはこれらの組み合わせである、上記の態様（６）に記載の方法またはシステム。
（８）切断ツールがミクロトームである、上記の態様（１）～（７）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（９）軟質金属が、室温で高い可鍛性を有する金属、好ましくはＰｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｒｂ、およびそれらの合金、またはモース硬度で４未満の硬度を持つ金属である、上記の態様（１）～（８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１０）軟質金属が軟質アルカリ金属、好ましくは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、またはそれらの合金である、上記の態様（１）～（８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１１）軟質金属が、室温よりも高い温度で可鍛性の金属であり、好ましくは、方法が、熱保護システムの使用を含むか、またはシステムが、熱保護システムをさらに含む、上記の態様（１）～（８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１２）電気化学的貯蔵装置の少なくとも１つのコンポーネントを切断する少なくとも１つのステップを含み、切断することが、超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを使用して実行される、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるための方法。
（１３）電気化学的装置の少なくとも１つのコンポーネントを切断するための少なくとも１つの切断ツールを含み、切断ツールが超音波振動によって作動するように適合される、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステム。
（１４）電気化学的貯蔵装置が、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルである、上記の態様（１２）または態様（１３）に記載の方法またはシステム。
（１５）電気化学的貯蔵装置のコンポーネントが、負極、正極、固体電解質、集電体、セパレーター、またはこれらのコンポーネントの組み合わせである、上記の態様（１２）～（１４）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１６）負極が、アルカリ金属の塩基を有する金属箔、好ましくはリチウム、リチウム－アルミニウム合金などからなり、正極が、複合混合物、好ましくはレドックス活性中心（遷移金属酸化物）、導電性フィラー材料（炭素粒子）、固体電解質材料（イオン伝導体）を含む材料からなり、固体電解質材料が、ポリマー、ガラス、セラミック、またはそれらの混合物からなり、集電体が、金属箔、好ましくはＡｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはこれらの組み合わせの箔からなり、任意選択で、集電体が、アノード材料、例えばリチウムであり、セパレーターが、ポリマーまたはセラミック材料からなる、上記の態様（１５）に記載の方法またはシステム。
（１７）切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、上記の態様（１２）～（１６）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１８）切断ブレードが、ギロチン運動によって駆動されるように適合されるブレード、レーザーブレード、ダイヤモンドブレード、精密ブレード、鋼のブレード、炭化タングステン製のブレード、またはこれらの組み合わせである、上記の態様（１７）に記載の方法またはシステム。
（１９）切断ツールがミクロトームである、態様（１２）～（１８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（２０）製造することが、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントの積み重ねまたは組み立て、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントのサイズ変更、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントを構成する材料のインゴットの溶融に起因するビレット、好ましくはリチウムビレットからの押し出し、セルまたは電池ハーフセルの再寸法化、および両面セルの積み重ねのステップのうちの少なくとも１つを含む、上記の態様（１２）～（１９）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（２１）切断ツールが、硬度の高いブレード、および／または表面が熱処理、好ましくは浸炭、窒化、焼入れ、セラミック堆積、またはこれらの組み合わせによって改質されたブレード、および／または耐摩耗性材料、好ましくは炭化タングステン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナ、ジルコニウム、窒化ケイ素、またはこれらの組み合わせで作られたブレード、および／または電気絶縁材料で作られたブレードを含む、上記の態様（１）～（２０）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（２２）超音波振動によって作動するように適合される切断ツール、好ましくはツールはミクロトームであり、および／または顕微鏡、および／または測定装置を含む、電気化学的貯蔵装置（リチウム電池または「完全に固体の」リチウム電池またはリチウムイオン電池またはセル）を特徴付けるためのシステム。
（２３）切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、上記の態様（２２）に記載のシステム。
（２４）上記の態様（１）～（２１）のいずれか１つに記載の方法を含む方法、または上記の態様（１）～（２３）のいずれか１つに記載のシステムを使用する方法によって得られる電気化学的貯蔵装置。
（２５）上記の態様（１）～（２１）のいずれか１つに記載の方法を含む方法、または上記の態様（１）～（２３）のいずれか１つに記載のシステムを使用する方法によって得られる、リチウム電池、または「完全に固体の」リチウム電池、またはリチウムイオン電池またはセル。
（１）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールの使用を含む、軟質金属を切断する方法。
（２）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを含む、軟質金属を切断するためのシステム。
（３）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールの使用を含む、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるための方法。
（４）超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを含む、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステム。
（５）電気化学的貯蔵装置が、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルである、上記の態様（３）または（４）に記載の方法またはシステム。
（６）切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、上記の態様（１）～（５）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（７）切断ブレードが、ギロチン運動によって作動するように適合されるブレード、レーザーブレード、ダイヤモンドブレード、精密ブレード、鋼のブレード、炭化タングステン製のブレード、またはこれらの組み合わせである、上記の態様（６）に記載の方法またはシステム。
（８）切断ツールがミクロトームである、上記の態様（１）～（７）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（９）軟質金属が、室温で高い可鍛性を有する金属、好ましくはＰｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｒｂ、およびそれらの合金、またはモース硬度で４未満の硬度を持つ金属である、上記の態様（１）～（８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１０）軟質金属が軟質アルカリ金属、好ましくは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、またはそれらの合金である、上記の態様（１）～（８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１１）軟質金属が、室温よりも高い温度で可鍛性の金属であり、好ましくは、方法が、熱保護システムの使用を含むか、またはシステムが、熱保護システムをさらに含む、上記の態様（１）～（８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１２）電気化学的貯蔵装置の少なくとも１つのコンポーネントを切断する少なくとも１つのステップを含み、切断することが、超音波振動によって作動するように適合される切断ツールを使用して実行される、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるための方法。
（１３）電気化学的装置の少なくとも１つのコンポーネントを切断するための少なくとも１つの切断ツールを含み、切断ツールが超音波振動によって作動するように適合される、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステム。
（１４）電気化学的貯蔵装置が、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルである、上記の態様（１２）または態様（１３）に記載の方法またはシステム。
（１５）電気化学的貯蔵装置のコンポーネントが、負極、正極、固体電解質、集電体、セパレーター、またはこれらのコンポーネントの組み合わせである、上記の態様（１２）～（１４）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１６）負極が、アルカリ金属の塩基を有する金属箔、好ましくはリチウム、リチウム－アルミニウム合金などからなり、正極が、複合混合物、好ましくはレドックス活性中心（遷移金属酸化物）、導電性フィラー材料（炭素粒子）、固体電解質材料（イオン伝導体）を含む材料からなり、固体電解質材料が、ポリマー、ガラス、セラミック、またはそれらの混合物からなり、集電体が、金属箔、好ましくはＡｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはこれらの組み合わせの箔からなり、任意選択で、集電体が、アノード材料、例えばリチウムであり、セパレーターが、ポリマーまたはセラミック材料からなる、上記の態様（１５）に記載の方法またはシステム。
（１７）切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、上記の態様（１２）～（１６）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（１８）切断ブレードが、ギロチン運動によって駆動されるように適合されるブレード、レーザーブレード、ダイヤモンドブレード、精密ブレード、鋼のブレード、炭化タングステン製のブレード、またはこれらの組み合わせである、上記の態様（１７）に記載の方法またはシステム。
（１９）切断ツールがミクロトームである、態様（１２）～（１８）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（２０）製造することが、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントの積み重ねまたは組み立て、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントのサイズ変更、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントを構成する材料のインゴットの溶融に起因するビレット、好ましくはリチウムビレットからの押し出し、セルまたは電池ハーフセルの再寸法化、および両面セルの積み重ねのステップのうちの少なくとも１つを含む、上記の態様（１２）～（１９）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（２１）切断ツールが、硬度の高いブレード、および／または表面が熱処理、好ましくは浸炭、窒化、焼入れ、セラミック堆積、またはこれらの組み合わせによって改質されたブレード、および／または耐摩耗性材料、好ましくは炭化タングステン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナ、ジルコニウム、窒化ケイ素、またはこれらの組み合わせで作られたブレード、および／または電気絶縁材料で作られたブレードを含む、上記の態様（１）～（２０）のいずれか１つに記載の方法またはシステム。
（２２）超音波振動によって作動するように適合される切断ツール、好ましくはツールはミクロトームであり、および／または顕微鏡、および／または測定装置を含む、電気化学的貯蔵装置（リチウム電池または「完全に固体の」リチウム電池またはリチウムイオン電池またはセル）を特徴付けるためのシステム。
（２３）切断ツールが、超音波発生器に結合された少なくとも１つの切断ブレードを含む、上記の態様（２２）に記載のシステム。
（２４）上記の態様（１）～（２１）のいずれか１つに記載の方法を含む方法、または上記の態様（１）～（２３）のいずれか１つに記載のシステムを使用する方法によって得られる電気化学的貯蔵装置。
（２５）上記の態様（１）～（２１）のいずれか１つに記載の方法を含む方法、または上記の態様（１）～（２３）のいずれか１つに記載のシステムを使用する方法によって得られる、リチウム電池、または「完全に固体の」リチウム電池、またはリチウムイオン電池またはセル。
【0022】
本発明のさらなる目的、利点、および機能は、以下の図に関連して、例としてのみ与えられる、可能な実施形態の以下の説明においてより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0023】
特許または出願ファイルには、少なくとも１つのカラー図面が含まれている。公開された特許または出願のカラー図付きのコピーは、必要な料金の要求と支払いに応じて、官庁から提供される。
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
本発明をさらに説明する前に、これらの実施形態の変形が実現され、添付の特許請求の範囲内に留まることができるので、本発明は以下に説明する特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。使用される用語は、特定の実施形態を説明することを意図しており、限定することを意図していないことも理解されたい。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって確立される。
【0026】
この説明で使用される用語を明確かつ首尾一貫して理解できるようにするために、いくつかの定義を以下に示す。さらに、特に明記しない限り、本書で使用される全ての技術用語および科学用語は、本発明が関連する技術分野で一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
【0027】
本書で使用されるように、「超音波」という用語は、流体、固体、気体、または液体の媒体を通って伝播する機械的および弾性波を指す。超音波の周波数範囲は、一般に１６，０００～１０，０００，０００ヘルツである。
【0028】
本書で使用されるように、「軟質金属」という用語は、室温で高い可鍛性／可塑性を有する金属を指す。このような金属の例は、Ｐｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｒｂおよびそれらの合金である。
【0029】
本書で使用されるように、「軟質アルカリ金属」という用語は、室温で高い可鍛性／可塑性を示すアルカリ金属を指す。そのような金属の例は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、およびそれらの合金である。
【0030】
本書で使用されるように、「「完全に固体の」リチウム電池」という用語は、電解質が固体の形態であるリチウム電池を指す。
【0031】
本書で使用されるように、「電気化学的貯蔵装置」という用語は、充電式電池、電池、セル、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、または他のタイプの貯蔵装置を意味する。
【0032】
本書で使用されるように、「切断」という用語は、決定された形状にしたがって固体材料の一部を分割および／または分離することを可能にする機械的操作を指す。分割および／または分離により、サイズを小さくしたり、幾何学的形状を変えたりすることができる。
【0033】
本書で使用されるように、「特徴付け」という用語は、電気化学的貯蔵装置を調べてそのアーキテクチャーを決定する方法を指す。この方法の例は、セルのさまざまなコンポーネントの各層の厚さを測定することである。この検査方法は、顕微鏡および／または測定装置にリンクすることができる。この検査方法は、切断ツールとしてミクロトーム（超音波支援ミクロトーム）を用いて、本発明による切断方法を組み込んでいる。
【0034】
本発明者らは、軟質金属を切断するための方法を設計し、採用した。本発明による方法は、超音波振動によって作動する切断ブレードを含むシステムを使用する。この方法は、電気化学的貯蔵装置、例えばリチウム電池の製造に使用されるコンポーネントを切断するために使用される。このようなコンポーネントには、アノード、カソード、固体電解質、集電体、およびセパレーターが含まれる。これらのコンポーネントは、個別に、または組み立て時に、例えば多層アセンブリーとして切断できる。この方法は、電気化学的貯蔵装置を製造および／または特徴付けるためのシステムでも採用される。
【0035】
本発明による方法は、摩擦の排除、したがって切断力の低減、切断中の組み立てられたセルの短絡時間の低減、ツールバタリングの最小化、使用したツールの加熱および摩耗の低減を可能にする。また、本発明による方法は、改善された切断仕上げを提供する。
【0036】
本発明の一実施形態によれば、この方法は、超音波振動によって作動する切断ツールセットを使用する。本発明の別の実施形態によれば、切断ツールは、超音波発生器に結合された少なくとも１つのブレードを含む。
【0037】
本発明の一実施形態によれば、電気化学的貯蔵装置のコンポーネントは、個別に、または装置の製造中に切断することができる。電気化学的貯蔵装置のコンポーネントは、それらが組み立てられるとき、例えば、そのアーキテクチャ（電気化学的貯蔵装置の特徴付け）を決定するために装置の検査を実行することが望まれるときに切断され得る。そのような特徴付けの方法の間、切断ツールは、例えば、電気化学的貯蔵装置のさまざまなコンポーネントの各層の厚さを測定するために使用することができる顕微鏡および／または装置に結合され得る。
【0038】
本発明は、軟質金属の切断への超音波支援の適用を含む。本発明は、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルなどの電気化学的貯蔵装置の製造に使用されるコンポーネントの切断問題に対処する。米国特許第６，０３０，４２１号［４］から転載された図１は、そのような電池の構造を示している。一態様によれば、本発明は、リチウムストリップを押し出す際に使用されるインゴットの切断を可能にする。
【0039】
超音波を生成するためにさまざまなメカニズムを使用できる。最新の電力変換器のほとんどは、圧電効果を使用している。振動の振幅と周波数、および静的負荷は、切断の結果に影響を与える。ほとんどの設備は、人間の耳と互換性のある最低周波数に近い約２０ｋＨｚの周波数で動作する。
【0040】
オプションで、鉱物切削油などの潤滑剤が使用される。潤滑剤は、ワークピースと切断ツールの加熱を減らすのに役立つ。潤滑剤はまた、ツールと切断される材料の表面の酸化を排除するのに役立ち、切断の仕上がりを改善する。
【0041】
ナイフの摩耗を減らすために、硬度の高いおよび／またはさまざまな処理（浸炭、窒化、焼入れ、セラミック堆積、またはこれらの組み合わせ）によって改質された表面を備えたナイフを有する切断ツールを使用することが有利な場合がある。耐摩耗性材料（炭化タングステン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナ、ジルコニウム、窒化ケイ素、またはこれらの組み合わせ）で作られた、および／または電気絶縁材料で作られたナイフを有する切断ツールを使用することも有利であり得る。
【0042】
本発明にしたがって企図される軟質金属は、室温で高度の可鍛性（高い可塑性）を示す金属である。このような金属には、Ｐｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｂａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｓ、Ｒｂ、およびその合金が含まれる。それにもかかわらず、より高い温度で可鍛性を示すこれらの金属は、本発明による方法によって切断することができる。このような場合、この方法は、切断システムへの超音波支援による熱保護を確実にするために実行される。
【0043】
「完全に固体の」リチウム電池は、いくつかのコンポーネントで構成されている。ＬＭＰ（「リチウム金属ポリマー」）セルの場合、負極は、一般に、アルカリ金属軽金属箔（リチウム金属、リチウムアルミニウム合金など）でできている。リチウムイオンセルの場合、負極は通常、活性材料としてのグラファイトで構成され、集電体層（通常はＣｕまたはＮｉ）上に堆積される。正極は通常、複合混合物（レドックス活性中心（遷移金属酸化物）、導電性フィラー材料（通常は炭素粒子）、固体電解質材料（イオン伝導体）を含む材料）でできており、複合材料は、集電体（通常は薄いアルミ箔）に堆積する。固体電解質は通常、ポリマー、ガラス、セラミック、またはこれらの混合物でできており、リチウムイオン（Ｌｉ＋）の伝導を可能にする。「完全に固体の」リチウム電池は、正極、固体電解質、負極を重ね合わせて製造されている。この方法は、米国特許第６，０３０，４２１号の図１に示される。［４］
【0044】
この方法は、電気化学的貯蔵装置を製造するためのシステムで採用される。本発明による方法はまた、電気化学的貯蔵装置を特徴付けるためのシステムにおいて使用される。本発明の１つのモードによれば、システムは、電気化学的貯蔵装置の製造および特徴付けにおける使用に適合される。貯蔵装置は、リチウム電池、「完全に固体の」リチウム電池、リチウムイオン電池、またはセルであり得る。
【0045】
実施例１：リチウム片は、超音波支援なしで、標準的な方法を使用してギロチンブレードで切断される（図２Ａ）。切削試験では、高圧を加えることにより、部品に大きな変形が見られる。表面仕上げの不良も観察される（図２Ｂ）。
【0046】
実施例２：リチウム片は、２０ｋＨｚ、７５０Ｗの超音波発生器（Ｃｏｌｅ－Ｐａｌｍｅｒ）で動作するレーザーブレードで切断される（図３Ａ）。少量の軽質鉱油が潤滑剤として使用され、切断作業中のリチウムの酸化を防ぐ。切断は力不要で、高速で、表面仕上げは高品質である（図３Ｂおよび図３Ｃ）。振幅は２０～８０％の間で変調される。これは切断速度に影響する。リチウムはブレードに付着しない。
【0047】
実施例３：超音波支援ミクロトームは、顕微鏡下で研究されるセルを切断するために使用される。振動するダイヤモンドブレードがセル全体を切断して断面を視覚化する。切断により、セルのさまざまなコンポーネント（集電体、アノード、カソード、固体電解質、金属－ビニール袋）が露出する。切断はきれいで、セルコンポーネントのさまざまな厚さのわずかな変形のみが観察される。
【0048】
実施例４：両面セルを積み重ねて「完全に固体の」バッテリーを製造する方法では、生きている（化学的に活性な）セルを超音波支援によってブレードで切断する。金属ナイフの作用により短絡（シャープカット）が発生するが、切断の速度とその鋭さにより、セルエッジの化学的修復を使用する必要がなくなる。
【0049】
実施例５：幅を狭めるために、アルミストリップを新たにスリットする。この方法では、超音波支援の精密ブレードが使用される。破れのないきれいな切断が得られる。この方法は、通常、集電体、アノード、カソード、固体電解質、セル、ハーフセル、またはセルコンポーネントの他の組み合わせのサイズを変更するために使用される。ブレードの耐久性が向上することに注意されたい。
【0050】
実施例６：直径６インチ、長さ２４インチのリチウムインゴットを溶解法で鋳造する。ビレットは、金型から取り外されると、欠陥（収縮領域、多孔性、介在物）を含む端部がある。インゴットを欠陥を発生させずに押し出すために、超音波支援システムを備えた鋼のブレードを使用して端を切断する。切断のきれいな仕上がりが見られる。
【0051】
実施例７：超音波支援切断は、室温でいくつかの軟質金属でテストされた。テストされた金属はＰｂ、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉを含む。モース硬度が４未満の金属は全て正常に切断され、ほぼきれいな仕上がりになった。
【0052】
実施例８：直径１０ｍｍの丸いリチウムロッドの変形に対する切削圧力の影響を測定するためにテストが実行された。使用したセットアップを図４に示す。ロッドは、ブレードの加熱を減らすために鉱油でコーティングされている。図５Ａは、超音波支援なしで切断した後に得られた結果を示している。図５Ｂは、超音波支援による切断後に得られた結果を示している。違いは明らかである。超音波支援による切断は明確な結果を生み出す。実際、超音波アシストは、切断を実行するために加えられる圧力を大幅に低減し、金属は実質的に無傷のままで、明らかな変形はない。
【0053】
実施例９：テストは、ソノトロードブレード（ＴＥ ２０ ４２３２８、Ｔｅｌｓｏｎｉｃ）を備えた統合発電機（ＴＥＤ ２０００Ｘ、Ｔｅｌｓｏｎｉｃ）を備えた超音波プレスを使用して実行された。鉱油でコーティングされ、超音波周波数（２０ｋＨｚ）で振動する、幅１５０ｍｍ、高さ６０ｍｍのブレードは、リチウムインゴットを有効長に沿ってスライスし、インゴットを大きく変形させることなく、クリーンな切断で正確に切断した。切断を図６に示す。
【0054】
上記の例は、「完全に固体の」リチウム電池に関する。当業者は、本発明が、リチウム電池、リチウムイオン電池、セルを含む他のタイプの電池にも関連することを理解している。
【0055】
特許請求の範囲は、実施例に示される実施形態によって範囲が限定されるべきではなく、全体としての説明と一致する最も広い解釈を与えられるべきである。
【0056】
本明細書は、いくつかの文書に言及している。これらの各文書の内容は、参照によりその全体が本説明に組み込まれる。
【0057】
参考文献
１．Ｄ．Ｋｒｅｍｅｒ、「Ｕｓｉｎａｇｅ ｐａｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｓ」、Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｄｅ ｌ′Ｉｎｇeｎｉｅｕｒ（１９９８年４月１０日）、Ｒｅｆ．：ＢＭ７２４０Ｖ１
２．Ｓ．Ｒｏｕｓｔｅｌ、「Ｄeｃｏｕｐｅ ｄｅｓ Ｐｒｏｄｕｉｔｓ Ａｌｉｍｅｎｔａｉｒｅｓ」、Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｄｅ ｌ′Ｉｎｇeｎｉｅｕｒ（２００２年３月１０日）、Ｒｅｆ．：Ｆ１２３０Ｖ１
３．Ｍ．Ｗ．Ｒｏｕｎｄの米国特許第１，３５４，５０５号「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ， ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｕｔｔｉｎｇ ａ Ｂｌａｎｋｅｔ ｏｆ Ｃｏｎｆｅｃｔｉｏｎｅｒｙ Ｐｒｏｄｕｃｔ」
４．Ｍ．Ｇａｕｔｈｉｅｒ、Ｇ．Ｌｅｓｓａｒｄ、Ｇ．Ｖａｓｓｏｒｔ、Ｐ．Ｂｏｕｃｈａｒｄ、Ａ．Ｖａｌｌｅｅ、およびＭ．Ｐｅｒｒｉｅｒの米国特許第６，０３０，４２１号「Ｕｌｔｒａ－Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ Ｓａｍｅ」
５．Ｄ．ＭｕｌｌｅｒおよびＢ．Ｋａｐｆｅｒの米国特許第５，２５０，７８４号「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｃｕｔｔｉｎｇ ａ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ Ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ａ ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｒ ａ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｐａｒｔ Ｔｈｅｒｅｏｆ」
１．Ｄ．Ｋｒｅｍｅｒ、「Ｕｓｉｎａｇｅ ｐａｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｓ」、Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｄｅ ｌ′Ｉｎｇeｎｉｅｕｒ（１９９８年４月１０日）、Ｒｅｆ．：ＢＭ７２４０Ｖ１
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４．Ｍ．Ｇａｕｔｈｉｅｒ、Ｇ．Ｌｅｓｓａｒｄ、Ｇ．Ｖａｓｓｏｒｔ、Ｐ．Ｂｏｕｃｈａｒｄ、Ａ．Ｖａｌｌｅｅ、およびＭ．Ｐｅｒｒｉｅｒの米国特許第６，０３０，４２１号「Ｕｌｔｒａ－Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ Ｓａｍｅ」
５．Ｄ．ＭｕｌｌｅｒおよびＢ．Ｋａｐｆｅｒの米国特許第５，２５０，７８４号「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｃｕｔｔｉｎｇ ａ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ Ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ａ ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｒ ａ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｐａｒｔ Ｔｈｅｒｅｏｆ」
【図1】
【図2A)】
【図2B)】
【図3A)】
【図3B)】
【図3C)】
【図4】
【図5A)】
【図5B)】
【図6】
【国際調査報告】