JP6344027B2

JP6344027B2 - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法

Info

Publication number: JP6344027B2
Application number: JP2014082730A
Authority: JP
Inventors: 陽平濱口
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: JP2015204194A

Description

本発明は、蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。

例えばリチウムイオン二次電池といった蓄電装置は、正極及び負極をセパレータを介して積層してなる電極組立体を電解液と共にケースに収容することによって構成されている。かかる蓄電装置では、電極の厚みばらつきに起因し、電極組立体の積層方向に厚みばらつきが生じることがある。電極組立体に厚みばらつきが生じると、電極組立体をケースに収容したときに、電極組立体とケースの内面との間に隙間が生じてしまうことが考えられる。このような問題に対し、例えば特許文献１に記載の電池では、正極及び負極を備える電極体（電極組立体）とケースの内面との間に間隙充填部材を配置し、電極体とケースの内面との間に隙間が生じないように厚みの調整がなされている。

特開２００９−４８９６６号公報

上述したような間隙充填部材の厚みは、製造された電極組立体の厚みによって適宜変更される。しかしながら、間隙充填部材の厚みが増減すると、ケース内の内部空間の容積も増減することとなる。一般にケース内に注入される電解液の注入量は一定となっており、ケース内の内部空間の容積が増減するとケース内での電解液の液面高さがばらついてしまうおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、間隙充填部材の厚みが増減した場合であっても、ケース内での電解液の液面高さのばらつきを抑えることができる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る蓄電装置は、正極及び負極をセパレータを介して積層してなる電極組立体と、電極組立体を電解液と共に収容するケースと、電極組立体とケースの内面との間に配置される間隙充填部材とを備え、間隙充填部材は、電解液が侵入可能な複数の空孔を有するシート状物によって構成されている。

この蓄電装置では、正極及び負極をセパレータを介して積層してなる電極組立体とケースの内面との間に配置される間隙充填部材が、電解液が侵入可能な複数の空孔を有するシート状物によって構成されている。このように、間隙充填部材が空孔を有することで、間隙充填部材の厚みが増減した場合であっても、ケース内の内部空間の容積の増減が抑えられるので、ケース内での電解液の液面高さのばらつきを抑えることができる。

また、間隙充填部材は、空孔が一様に分布した樹脂フィルムであることが好ましい。この場合、電極組立体に樹脂フィルムから局所的に強い圧力が付加されることを抑制できる。

また、空孔は、樹脂フィルムの一方面から他方面にかけて貫通していてもよい。この場合、空孔に電解液が侵入し易くなるので、より短時間で電解液注入工程を完了させることが出来る。

また、空孔は、樹脂フィルムの一方面に設けられ、他方面に対して非貫通となっていてもよい。この場合、空孔が設けられていない他方面が電極組立体に接するように樹脂フィルムを配置することで、電極組立体に樹脂フィルムから局所的に強い圧力が付加されることを抑制できる。

また、本発明に係る蓄電装置の製造方法は、正極及び負極をセパレータを介して積層し、電極組立体を形成する電極積層工程と、電解液が侵入可能な複数の空孔を有するシート状物からなる間隙充填部材を電極組立体に積層する厚み調整工程と、間隙充填部材によって厚み調整がなされた電極組立体をケースに収容する収容工程と、を備えている。

この蓄電装置の製造方法では、正極及び負極をセパレータを介して積層してなる電極組立体に、電解液が侵入可能な複数の空孔を有するシート状物からなる間隙充填部材を積層して、ケースに収容している。このように、シート状物からなる間隙充填部材が空孔を有することで、間隙充填部材の厚みが増減した場合であっても、ケース内の内部空間の容積の増減が抑えられるので、ケース内での電解液の液面高さのばらつきを抑えることができる。

また、厚み調整工程において、電極組立体を積層方向に所定の圧力を付加した状態で電極組立体の厚みを測定し、厚みの測定結果に基づいて電極組立体に積層するシート状物の枚数を決定することが好ましい。この場合、電極組立体をケースに収容したときに電極組立体とケースの内面との間に生じる隙間の大きさを一義的に予測できるので、間隙充填部材の配置枚数を簡便に決定できる。

本発明によれば、間隙充填部材の厚みが増減した場合であっても、ケース内での電解液の液面高さのばらつきを抑えることができる。

本発明に係る蓄電装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。間隙充填部材の平面図である。図３におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。厚み調整工程を示す図である。変形例に係る間隙充填部材の断面図である。図６に示した間隙充填部材の配置例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る蓄電装置及び蓄電装置の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る蓄電装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示すように、蓄電装置１は、例えばリチウムイオン二次電池といった車載用の非水電解質二次電池として構成されている。蓄電装置１は、例えば略直方体形状をなす中空のケース２と、ケース２内に収容された電極組立体３とを備えている。

ケース２は、例えばアルミニウム等の金属によって形成されている。ケース２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液４が注液されており、電極組立体３の内部の空隙（孔）が電解液４にて満たされている。ケース２の頂面には、正極端子５と負極端子６とが互いに離間して配置されている。正極端子５は、絶縁リング７を介してケース２の頂面に固定され、負極端子６は、絶縁リング８を介してケース２の頂面に固定されている。

電極組立体３は、図２に示すように、正極１１と、負極１２と、正極１１と負極１２との間に配置された袋状のセパレータ１３とによって構成されている。電極組立体３では、セパレータ１３に正極１１が収容されており、この状態で正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介して交互に配置された状態となっている。

正極１１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔１１ａと、金属箔１１ａの両面に形成された正極活物質層１１ｂとを有している。正極活物質層１１ｂは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている多孔質の層である。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。また、正極１１の上縁部には、正極端子５の位置に対応してタブ１１ｃが形成されている。タブ１１ｃは、正極１１の上縁部から上方に延び、導電部材１４を介して正極端子５に接続されている。

一方、負極１２は、例えば銅箔からなる金属箔１２ａと、金属箔１２ａの両面に形成された負極活物質層１２ｂとを有している。負極活物質層１２ｂは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている多孔質の層である。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極１２の上縁部には、負極端子６の位置に対応してタブ１２ｃが形成されている。タブ１２ｃは、負極１２の上縁部から上方に延び、導電部材１５を介して負極端子６に接続されている。

セパレータ１３は、図２に示すように、例えば袋状に形成され、内部に正極１１のみを収容している。セパレータ１３の形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ１３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。

続いて、ケース２への上述した電極組立体３の収容状態について詳細に説明する。

ケース２の内部において、図１及び図２に示すように、ケース２の内面２ａと電極組立体３との間には、間隙充填部材１６が積層配置されている。本実施形態では、図２に示すように、３枚の間隙充填部材１６が電極組立体３の片側に配置されている。間隙充填部材１６は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなる矩形の樹脂フィルム（シート状物）によって構成されている。間隙充填部材１６の面積は、例えば正極１１及び負極１２の面積と同程度となっており、厚みは例えば０．１ｍｍとなっている。

これらの間隙充填部材１６には、ケース２内に注入された電解液４が侵入可能な複数の空孔１８が設けられている。空孔１８は、図３及び図４に示すように、例えば断面円形状をなし、間隙充填部材１６の一方面１６ａから他方面１６ｂにかけて貫通して設けられている。また、空孔１８は、互いの間隔が略同一となるように、間隙充填部材１６の全面にわたって一様に分布している。

続いて、上述した蓄電装置１の製造方法について説明する。

この蓄電装置１の製造工程は、例えば正極１１及び負極１２をセパレータ１３を介して積層し、電極組立体３を形成する電極積層工程、間隙充填部材１６を電極組立体３に積層する厚み調整工程、厚み調整がなされた電極組立体３をケース２に収容する収容工程、及びケース２内に電解液４を注入する電解液注入工程を含んで構成されている。

電極積層工程では、まず、袋状のセパレータ１３に正極１１を収容する。この状態で正極１１と負極１２とを積層することで、正極１１及び負極１２がセパレータ１３を介して交互に配置された電極組立体３が形成される。

電極積層工程に後続する厚み調整工程では、電極積層工程において形成された電極組立体３に間隙充填部材１６を更に積層する。より具体的には、厚み調整工程では、図５に示すように、まず電極組立体３を加圧治具２１に挟み、積層方向に所定の圧力を付加する。加圧治具２１は、例えば１対のプレート２２，２３と、プレート２２，２３に挟んだ電極組立体３に所定の圧力を付加する加圧手段２４と、圧力を付加した状態の電極組立体３の厚みを保持するボルト２５とを備えている。

プレート２２，２３で電極組立体３を挟んだ状態で加圧手段２４で加圧し、ボルト２５で留めて所定時間加圧状態を維持する。このように加圧状態を所定時間維持することで、加圧治具２１を取り外した後に電極組立体３の厚みが復元することによる厚みばらつきを抑えることができる。この厚み調整工程において、電極組立体３の厚みばらつきが例えば１ｍｍ程度となる場合、例えば厚みが０．１ｍｍの間隙充填部材１６を０枚〜１０枚の範囲で適宜積層することで、電極組立体３とケース２の内面２ａとの間の隙間を、ほぼ無くすことができる。

厚み調整工程に後続する収容工程では、間隙充填部材１６が積層された電極組立体３をケース２に収容する。また、収容工程に後続する電解液注入工程では、一定量の電解液４を電極組立体３が収容されたケース２に注入する。ケース２に注入された電解液４は、電極組立体３を構成する正極１１の正極活物質層１１ｂの空孔、負極１２の負極活物質層１２ｂの空孔、及び間隙充填部材１６の空孔１８に侵入しつつ、ケース２の内部空間に収容される。

以上説明したように、蓄電装置１では、正極１１及び負極１２をセパレータ１３を介して積層してなる電極組立体３とケース２の内面２ａとの間に配置される間隙充填部材１６が、電解液４が侵入可能な複数の空孔１８を有する樹脂フィルムによって構成されている。このように、樹脂フィルムからなる間隙充填部材１６が空孔１８を有することで、間隙充填部材１６の厚みが増減した場合であっても、ケース２内の内部空間の容積の増減が抑えられるので、ケース２内での電解液４の液面高さのばらつきを抑えることができる。

蓄電装置１では、上述したようにケース２内での電解液４の液面高さのばらつきを抑えることができるため、正極１１及び負極１２の間での短絡を抑制できる。蓄電装置１では、ケース２内での電解液４の液面高さのばらつきを抑えることができるため、例えば電流遮断装置を接続する場合の作動圧の設計等が容易になる。

また、この蓄電装置１では、空孔１８が間隙充填部材１６に一様に分布している。蓄電装置１において、例えばリチウムイオン二次電池では、充放電により電極組立体３が膨張し、その反力は、間隙充填部材１６を介して、電極組立体３に作用する。また、車載用電池では、列を成すように並べた複数の蓄電装置１を、両端より固定具にて加圧し、挟持することがある。このように電極組立体３の積層方向に荷重が作用した場合、間隙充填部材１６に相対的に空孔１８の少ない部位があると、前記部位に対応する電極組立体３の表面には、相対的に強い圧力が作用する。これは、特にリチウムイオン二次電池では、リチウム析出の一因となる。本実施形態では、空孔１８が間隙充填部材１６に一様に分布しているので、電極組立体３に間隙充填部材１６から局所的に強い圧力が付加されることを抑制できる。

また、この蓄電装置１では、空孔１８は、間隙充填部材１６の一方面１６ａから他方面１６ｂにかけて貫通している。これにより、空孔１８に電解液４が侵入し易くなるので、より短時間で電解液注入工程を完了させることが出来る。

また、この蓄電装置１の製造方法では、正極１１及び負極１２をセパレータ１３を介して積層してなる電極組立体３に、電解液４が侵入可能な複数の空孔１８を有する樹脂フィルムからなる間隙充填部材１６を積層して、ケース２に収容している。このように、樹脂フィルムからなる間隙充填部材１６が空孔１８を有することで、間隙充填部材１６の厚みが増減した場合であっても、ケース２内の内部空間の容積の増減が抑えられるので、ケース２内での電解液４の液面高さのばらつきを抑えることができる。

また、蓄電装置１の製造方法では、厚み調整工程において、電極組立体３を積層方向に所定の圧力を付加した状態で電極組立体３の厚みを測定し、厚みの測定結果に基づいて電極組立体３に積層する間隙充填部材１６の枚数を決定する。この場合、電極組立体３をケース２に収容したときに電極組立体３とケース２の内面２ａとの間に生じる隙間の大きさを一義的に予測できるので、間隙充填部材１６の厚みを簡便に決定できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、空孔１８が間隙充填部材１６の一方面から他方面にかけて貫通しているが、図６に示すように、空孔１９が間隙充填部材１７の一方面１７ａに設けられ、他方面１７ｂに対して非貫通となっていてもよい。この場合、図２に示す状態に代えて、例えば図７に示すように、空孔１９が設けられていない他方面１７ｂが電極組立体３側を向くように電極組立体３に隣接して間隙充填部材１７を配置し、残余のフィルムを間隙充填部材１６とすることができる。この場合、間隙充填部材１７において空孔１９のない他方面１７ｂが電極組立体３に接するため、電極組立体３に間隙充填部材１７から局所的に強い圧力が付加されることを抑制できる。なお、非貫通の空孔１９の深さは任意に設定することができ、例えば間隙充填部材１７の厚みの略半分程度の厚みとしてもよい。

また、上記実施形態では、間隙充填部材１６は電極組立体３の片側に配置されているが、電極組立体３の両側に配置されていてもよい。間隙充填部材１６の空孔率は任意に設定できるが、例えば電極組立体３の空孔率の平均と略同等であることが好ましい。空孔１８は、任意の方法で設けることができるが、例えばマイクロニードル等を用いて機械的に設けてもよい。

また、上記実施形態では、電極組立体３は、正極１１及び負極１２をセパレータ１３を介して複数積層してなる積層型の構造を有しているが、本発明は、各１枚の正極１１、セパレータ１３、及び負極１２を積層し、複数回捲き掛けた捲回型の電極組立体３に適用してもよい。

また、上記実施形態では、間隙充填部材１６として樹脂製の間隙充填部材１６を用いたが、間隙充填部材１６は特に樹脂フィルムに限定されるものではない。例えばガラス繊維のシートといった薄い無機繊維製のシート等、他の材質よりなるシート状物を用いてもよい。

１…蓄電装置、２…ケース、２ａ…内面、３…電極組立体、４…電解液、１１…正極、１２…負極、１３…セパレータ、１６，１７…間隙充填部材（シート状物、樹脂フィルム）、１８，１９…空孔。

Claims

正極及び負極をセパレータを介して積層し、電極組立体を形成する電極積層工程と、
電解液が侵入可能な複数の空孔を有するシート状物からなる間隙充填部材を前記電極組立体に積層する厚み調整工程と、
前記間隙充填部材によって厚み調整がなされた前記電極組立体をケースに収容する収容工程と、を備えた蓄電装置の製造方法。
前記厚み調整工程において、前記電極組立体を積層方向に所定の圧力を付加した状態で前記電極組立体の厚みを測定し、厚みの測定結果に基づいて前記電極組立体に積層する前記間隙充填部材の枚数を決定する請求項１記載の蓄電装置の製造方法。