JP2018060699A - 積層型二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡防止及び体積エネルギー密度に優れた積層型二次電池の製造方法の提案すること。【解決手段】正極および負極が積層されて構成される積層型二次電池の製造方法であって、正極は、正極端子部および正極積層部を有し、負極は、負極端子部および負極積層部を有し、正極積層部および負極積層部の大きさが異なり、正極または負極にセパレータが形成されており、積層方向から見たときに、正極端子部および負極端子部は異なる位置に形成され、積層冶具用くぼみを有する積層冶具をセットする工程と、セパレータが形成された正極または負極の正極端子部または負極端子部の上面方向および側面方向を積層冶具用くぼみに合わせてセットする工程と、正極および負極を積層させて積層型二次電池を作製する工程と、を含む積層型二次電池の製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、積層型二次電池の製造方法に関する。

電池自動車等に用いられる二次電池の形状として、捲回円筒型、捲回角型、積層型等があげられる。積層型二次電池に関する技術として、例えば、特許文献１には、次のような技術が開示されている。二次電池のケース内に正極用位置決め部材４０及び負極用位置決め部材５０を設けた。正極用位置決め部材４０及び負極用位置決め部材５０は、金属シート１２１，１３１の一辺１２１ｅ，１３１ｅの延びる方向において、タブ部１２ｆ，１３ｆの両側に配置される一対の支持部４１，５１を有している。そして、一対の支持部４１，５１に、タブ部１２ｆ，１３ｆの外縁部と接するとともに、タブ部１２ｆ，１３ｆの外縁部の形状に沿った形状の接触部４２，５２を形成した。また、特許文献２には、次のような技術が開示されている。二次電池１０の電極組立体１４は、正極集電タブ３１及び負極集電タブ３２が、電極組立体１４にそれぞれ積層されるとともに、積層方向の最外の正極集電タブ３１及び負極集電タブ３２に正極導電部材３５及び負極導電部材３６が溶接されている。積層された全ての正極集電タブ３１及び積層された全ての負極集電タブ３２には、各導電部材３５，３６が電気的に接続された位置よりも先端側に積層方向に貫通する貫通孔３１ａ，３２ａが形成されている。

特開２０１３−１８７１４１号公報

特許文献１では、正極板１２及び負極板１３とは別に、セパレータ１４の一方の縁部１４１を、正極用位置決め部材４０の一対の第３接触部４２ｃ及び負極用位置決め部材５０の一対の第３接触部４２ｃに接触させて、セパレータ１４を正極板１２及び負極板１３に対して予め定められた位置に位置決めしているため、電極板の位置ずれによる短絡が発生する可能性がある。

一方、特許文献２では、セパレータ２３は袋状に形成されるとともに、このセパレータ２３内には正極シート２１が、正極集電タブ３１が袋の上部から突出する状態で収容されることで、正極シート２１は、セパレータ２３に対して正極シート２１の面に沿う方向において位置ずれが起きないようにされているが、貫通孔を用いて電極の位置を合わせているため、電極集電タブのサイズが大きくなり、体積エネルギー密度が低下する可能性がある。

本発明の目的は、積層型二次電池の短絡防止及び体積エネルギー密度を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

正極および負極が積層されて構成される積層型二次電池の製造方法であって、正極は、正極端子部および正極積層部を有し、負極は、負極端子部および負極積層部を有し、正極積層部および負極積層部の大きさが異なり、正極または負極にセパレータが形成されており、積層方向から見たときに、正極端子部および負極端子部は異なる位置に形成され、積層冶具用くぼみを有する積層冶具をセットする工程と、セパレータが形成された正極または負極の正極端子部または負極端子部の上面方向および側面方向を積層冶具用くぼみに合わせてセットする工程と、正極および負極を積層させて積層型二次電池を作製する工程と、を含む積層型二次電池の製造方法。

本発明により、積層型二次電池の短絡防止及び体積エネルギー密度を向上できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の一例を示す平面模式図である。 図１のＡ−Ａ’面の断面構造図である。 本発明の一実施形態にかかる積層型二次電池の冶具を用いた積層手順を示す平面模式図である。 本発明の一実施形態にかかる端子部の切欠形状を示す平面模式図である。 本発明の一実施形態にかかる積層型二次電池の一例を示す平面模式図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明では、主にリチウムイオン二次電池の構造について実施形態を説明するが、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池等の二次電池や一次電池においても固体電解質を用いた電池であれば適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の一例を示す平面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ’面の断面構造図であり、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の一例を示す断面模式図である。上面方向および側面方向を図１のように定義する。積層方向および面内方向を図２のように定義する。

図１において、積層型二次電池１０は、正極１０１、負極２０１、を有する。正極１０１は正極積層部１０２、正極端子部１０３を有し、負極２０１は負極積層部２０２、負極端子部２０３を有する。正極１０１および負極２０１を電極、正極積層部１０２および負極積層部２０２を電極積層部、正極端子部１０３および負極端子部２０３を電極端子部、と称する場合がある。積層方向から見たときに、正極端子部１０３および負極端子部２０３は、積層方向から見たときに異なる位置に形成されている。電極積層部の上面方向に電極端子部が形成されている。

図１では、正極１０１および負極２０１の大きさが異なっている。具体的には、正極積層部１０２および負極積層部２０２の大きさが異なっている。積層型二次電池１０の面内方向において、負極積層部２０２を正極積層部１０２に対して大きくしているが、小さくしてもよい。負極積層部２０２を正極積層部１０２に対して大きくすることにより、正極１０１中の正極活物質からのリチウム析出の抑制できる。また、正極１０１、負極２０１は各１枚としているが、複数毎に電極端子部を合わせて電極を積層してもよい。
図２では、正極１０１、負極２０１を空間的に離して図示しているが、実際の電池では各々の間には空間はほぼなく、面内で接触している。図２において、正極１０１は、正極集電箔１０４、正極合材層１０５、正極セパレータ１０６を有する。負極２０１は、負極集電箔２０４、負極合材層２０５、負極セパレータ２０６を有する。正極集電箔１０４および負極集電箔２０４を電極集電箔、正極合材層１０５および負極合材層２０５を電極合材層、正極セパレータ１０６および負極セパレータ２０６をセパレータ、と称する場合がある。正極１０１および負極２０１それぞれが、正極セパレータ１０６および負極セパレータ２０６を有しているが、一方のみがセパレータを有していてもよい。図２では、正極セパレータ１０６の大きさおよび正極合材層１０５の大きさ、負極セパレータ２０６の大きさおよび負極合材層２０５の大きさが同一になっているが、同一でなくてもよい。セパレータを塗布で作製する場合、両者の大きさが同一になる場合がある。図２では、積層方向において、正極１０１、負極２０１の順に２組積層されているが１組でもよいし、３組以上でもよい。

積層方向の最下部を除く正極集電箔１０４の両面に正極合材層１０５、正極セパレータ１０６が形成されている。積層方向の最下部を除く負極集電箔２０４の両面に負極合材層２０５、負極セパレータ２０６が形成されている。

積層方向の最下部の正極１０１は正極集電箔１０４の片面（負極２０１が配置されている方の面）にのみ正極合材層１０５、正極セパレータ１０６が形成されている。積層方向の最上部の負極２０１は、負極集電箔２０４の片面（正極１０１が配置されているの面）にのみ負極合材層２０５、負極セパレータ２０６が形成されている。

単位セル２０は、正極集電箔１０４、正極合材層１０５、正極セパレータ１０６、負極セパレータ２０６、負極合材層２０５、負極集電箔２０４で構成されている。また、単位セル２０は積層方向に対し、胸像反転を繰り返しながら配置されている。本実施例では３組の単位セルで構成されている。

補助線８００が電極積層部と電極端子部の境界となっている。正極積層部１０２は、正極集電箔１０４、正極合材層１０５、正極セパレータ１０６で構成される。正極端子部１０３も正極集電箔１０４、正極合材層１０５、正極セパレータ１０６で構成されるが、正極集電箔１０４のみで構成されていてもよい。正極端子部１０３が正極集電箔１０４、正極合材層１０５、正極セパレータ１０６で構成される場合でも、正極端子部１０３では、外部接続端子との接続のために、正極集電箔１０４上に正極合材層１０５、正極セパレータ１０６が形成されていない箇所がある。

負極積層部２０２は、負極集電箔２０４、負極合材層２０５、負極セパレータ２０６で構成される。負極端子部２０３も負極集電箔２０４、負極合材層２０５、負極セパレータ２０６で構成されるが、負極集電箔２０４のみで構成されていてもよい。負極端子部２０３が負極集電箔２０４、負極合材層２０５、負極セパレータ２０６で構成される場合でも、負極端子部２０３では、外部接続端子との接続のために、負極集電箔２０４上に負極合材層２０５、負極セパレータ２０６が形成されていない箇所がある。

＜正極集電箔１０４＞
正極集電箔１０４には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電箔１０４の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。二次電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜正極合材層１０５＞
正極合材層１０５には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系複合酸化物などが挙げられる。正極合材層１０５中に、正極合材層１０５内の電子伝導性を担う導電材や、正極合材層１０５内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合材層１０５内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合材層１０５を作製する方法として、正極合材層１０５に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電箔１０４上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の正極合材層１０５を正極集電箔１０４に積層してもよい。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合材層１０５内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合材層１０５が形成する。

正極合材層１０５の厚さは全固体電池のエネルギー密度、レート特性、入出力特性に応じて設計するが、一般的には数μｍ〜数百μｍのサイズとなる。正極合材層１０５に含まれる正極活物質等の材料の粒径は、正極合材層１０５の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に正極合材層１０５の厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、正極合材層１０５の厚さ以下の粒子を用意する。

＜負極集電箔２０４＞
負極集電箔２０４には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電箔２０４の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合材層２０５＞
負極合材層２０５には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な負極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合材層２０５中に、負極合材層２０５内の電子伝導性を担う導電材や、負極合材層２０５内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合材層２０５内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合材層２０５の厚さは全固体電池のエネルギー密度、レート特性、入出力特性に応じて設計するが、一般的には数μｍ〜数百μｍのサイズとなる。負極合材層２０５に含まれる正極活物質等の材料の粒径は、負極合材層２０５の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に負極合材層２０５の厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、負極合材層２０５の厚さ以下の粒子を用意する。

＜セパレータ＞
正極セパレータ１０６、負極セパレータ２０６には固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型、半固体電解質等、二次電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。固体電解質層は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した固体電解質層の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。固体電解質層の厚さは二次電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズとなる。
図３は、本発明の一実施形態にかかる積層型二次電池の冶具を用いた積層手順を示す平面模式図である。積層冶具３００は、積層型二次電池１０の製造工程において、電極をずれなく積層するために用いる冶具である。

積層冶具３００は、積層冶具用くぼみ３１０を有する。積層冶具３００は、正極端子部１０３および負極端子部２０３の上面方向の辺および側面方向の辺のみを規定する形状を有しており、正極積層部１０２および負極積層部２０２とは接触しない構造を有している。換言すれば、電極端子部の上面方向の長さよりも、積層冶具用くぼみ３１０の上面方向の長さが短くなるように設計されている。積層冶具３００は、正極積層部１０２および負極積層部２０２と接触させてもよい。積層冶具３００を正極積層部１０２および負極積層部２０２と接触させない構造とすることにより、電極端子部で位置合わせをするための積層冶具３００を用いた場合においても、電極積層部の上面を電極で揃えることなく、電極の位置合わせが可能となる。

また、正極と負極と大きさが異なり、電極上にセパレータが形成された電極を積層冶具３００にセットしているため、電極の位置ずれによる短絡を低減できる。また、正極端子部１０３および負極端子部２０３の上面方向の辺および側面方向の辺で電極の位置決めをしているため、正極端子部１０３および負極端子部２０３のサイズを小さくして、積層型二次電池の体積エネルギー密度を向上できる。

図３（ａ）において、積層冶具３００がセットされている。 図３（ｂ）において、正極端子部１０３を積層冶具３００の積層冶具用くぼみ３１０に合わせるように、正極１０１がセットされる。図３（ｃ）において、負極端子部２０３を積層冶具３００の積層冶具用くぼみ３１０に合わせるように、負極２０１がセットされる。図３（ｂ）および図３（ｃ）の工程が繰り返されて、複数の正極１０１および複数の負極２０１が積層された電極群が形成される。

図３（ｄ）において、正極１０１同士、負極２０１同士の電極端子部が接続される。具体的には、積層冶具３００に正極１０１および負極２０１を積層した後、積層冶具３００に正極１０１および負極２０１が収納された状態で、正極端子部１０３および負極端子部２０３と外部接続端子４００とを接合している。その場合、積層冶具３００にセットした状態で電極端子部に外部接続端子４００を接続することで、位置ずれをより防止できる。さらに、電極端子部に外部接続端子４００を接続する際に、正極端子部１０３または負極端子部２０３と外部接続端子４００との接合箇所を２か所以上とすることで、電極の位置ずれを防止できる。

電極端子部には位置合わせの精度を向上するために切欠を付けることもできる。図４は、本発明の一実施形態にかかる端子部の切欠形状を示す平面模式図である。
図４（ａ）では、電極端子部の上辺に半円状の切欠３２０を２つ設けられている。この切欠３２０と逆の形状を積層冶具３００に形成しておくことで、この切欠３２０を目印に位置合わせの精度を向上できる。

図４（ｂ）では、電極端子部の左右辺に三角形の切欠３２０が設けられている。図４（ａ）と同様に位置合わせの精度を向上できるだけでなく、切欠３２０の形状を鋭角とすることにより、より位置合わせ精度を向上できる。また、電極を積層するために電極を積層冶具３００にセットする時の電極集電箔の切れ等を低減することを目的に、左右の切欠の位置をずらして配置した。鋭角の部分から電極集電箔の切れが発生しやすく、切欠３２０の位置がそろっていると鋭角の部分の幅が短くなってしまうため、切れやすくなる。電極集電箔の切れを緩和するために左右の切欠の位置をずらして配置している。

図４（ｃ）では、左右辺に半六角形の切欠３２０が設けられている。極を積層するために電極を積層冶具３００にセットする時の電極集電箔の切れを低減することを最優先とした形状であり、電極端子部が小幅になった際に好ましく適用できる。

積層冶具３００の代わりに積層型二次電池１０の位置決め外装材５００を用いることで、積層冶具３００を用いずに電極の位置合わせの精度を向上できる。図５は、本発明の一実施形態にかかる積層型二次電池の一例を示す平面模式図である。正極１０１および負極２０１は、位置決め外装材５００および対面外装材５０１に収納されている。

図５では、位置決め外装材５００に外装材用くぼみ５１０をつけて電極端子部の収納位置を規定することで、電極の位置合わせの精度を向上できる。その際、位置決め外装材５００に形成した外装材用くぼみ５１０を電極端子部と略同等、または、外装材用くぼみ５１０を正極積層部１０２および負極積層部２０２とは接触しない構造、とすることで、積層冶具３００を用いずに電極端子部での位置合わせが可能となる。電極の位置合わせの精度を高めるためには、位置決め外装材５００に形成する外装材用くぼみ５１０の各々の角を直角にすることが望ましい。この場合、電極積層部を収納するための外装材用くぼみ５１０を設けてもよいが、電極積層部を収納する領域の外装材用くぼみ５１０の角は直角にする必要はない。

１０…積層型二次電池
２０…単位セル
１０１…正極
１０２…正極積層部
１０３…正極端子部
１０４…正極集電箔
１０５…正極合材層
１０６…正極セパレータ
２０１…負極
２０２…負極積層部
２０３…負極端子部
２０４…負極集電箔
２０５…負極合材層
２０６…負極セパレータ
３００…積層冶具
３１０…積層冶具用くぼみ
３２０…切欠
４００…外部接続端子
５００…位置決め外装材
５０１…対面外装材
５１０…外装材用くぼみ
８００…補助線

Claims (6)

1. 正極および負極が積層されて構成される積層型二次電池の製造方法であって、
   前記正極は、正極端子部および正極積層部を有し、
   前記負極は、負極端子部および負極積層部を有し、
   前記正極積層部および前記負極積層部の大きさが異なり、
   前記正極または前記負極にセパレータが形成されており、
   積層方向から見たときに、前記正極端子部および前記負極端子部は異なる位置に形成され、
   積層冶具用くぼみを有する積層冶具をセットする工程と、
   前記セパレータが形成された前記正極または前記負極の前記正極端子部または前記負極端子部の上面方向および側面方向を前記積層冶具用くぼみに合わせてセットする工程と、
   前記正極および前記負極を積層させて積層型二次電池を作製する工程と、を含む積層型二次電池の製造方法。
2. 請求項１の積層型二次電池の製造方法において、
   前記積層冶具用くぼみの上面方向の長さは前記セパレータが形成された前記正極または前記負極の前記正極端子部または前記負極端子部の上面方向の長さより小さい積層型二次電池の製造方法。
3. 請求項１の積層型二次電池の製造方法において、
   積層方向から見たときに、前記セパレータと前記セパレータが形成された前記正極または前記負極の 前記正極積層部または前記負極積層部との大きさが同一である積層型二次電池の製造方法。
4. 請求項１の積層型二次電池の製造方法において、
   前記積層冶具に前記正極および前記負極を積層した後、前記積層冶具に前記正極および前記負極が収納された状態で、前記正極端子部および前記負極端子部と外部接続端子とを接合する工程を含む積層型二次電池の製造方法。
5. 請求項１の積層型二次電池の製造方法において、
   前記正極端子部または前記負極端子部と前記外部接続端子との接合箇所が２か所以上である積層型二次電池の製造方法。
6. 請求項１の積層型二次電池の製造方法において、
   前記積層冶具が前記正極および前記負極を収納する位置決め外装材である積層型二次電池の製造方法。

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