JP2009238508A - 電気化学的デバイス、および電気化学的デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラミネートフィルムの外装体内に電解液を注液する際にその注液速度を劇的に速めて製造コストを低下させるとともに、封止に際しても十分な信頼性が確保できる構造を備えた電気化学的デバイスを提供する。
【解決手段】シート状に成形された正極１０ｐと負極１０ｎをセパレータ３０を介して対向配置してなる積層体５０を電解液とともに略矩形状のラミネートフィルムの外装体１００内に脱気した状態で密封してなる電気化学的デバイス１ａであって、前記正極と負極のそれぞれに接続される外部電極端子４０が、前記略矩形状のラミネートフィルムの左右の辺（１０４ａ，１０４ｂ）の少なくとも一方の辺１０４ａから外側に突出して露出し、前記ラミネートフィルムの外装体内には、前記略矩形状のラミネートフィルムの左右の一方の辺１０４ｂに沿って上下に延長するとともに、上下両端（２０１，２０２）が外装体内に開口する注液通路２００が内蔵されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体と電解液とをラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封してなる電気化学的デバイスに関し、具体的には、外装体内への電解液注入技術の改良に関する。本発明は、例えば、非水電解質蓄電デバイスに適用可能である。

図８にラミネートフィルムを外装体とする電気化学的デバイスの一例として非水電解質蓄電デバイスの基本構造を示した。（Ａ）は非水電解質蓄電デバイス１ｆの透視平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。非水電解質蓄電デバイス１ｆにおける正負それぞれの極（１０ｐ，１０ｎ）は、集電体となるシート状導電体（１１ｐ，１１ｎ）の表面にそれぞれの極の活物質を塗布してなり、非水電解質蓄電デバイス１ｆは、この正負両極（１０ｐ，１０ｎ）をセパレータ３０を介して対向配置させた積層体５０を基本構造としている。そして、非水電解質蓄電デバイス１ｆは、その積層体５０を袋状のラミネートフィルム１００内に配置されるともに、その袋状のラミネートフィルム１００内に電解液が注入され、最終的にラミネートフィルム１００の上端１０１が熱融着されることで組立てられる。なお、非水電解質蓄電デバイス１ｆにおけるシート状導電体（１１ｐ，１１ｎ）には電力の取り出し口となる電極部（１２ｐ，１２ｎ）が形成され、この電極部（１２ｐ，１２ｎ）に外部電極端子（タブ）４０が超音波溶接などの方法によって溶着されている。そして、ラミネートフィルムは、タブ４０の延長方向の途中の所定位置１０３で熱融着されることで、タブ４０の先端は外装体１００の外に露出している。

図９に、上記非水電解質蓄電デバイス１ｆの製造方法を示した。この図には、ラミネートフィルムの外装体内に積層体５０を配置した後、電解液を注入し、最後に外装体を封止するまでの工程が示されている。まず、上端１０１を揃えて対面する略矩形のラミネートフィルム（１００ａ、１００ｂ）の間に、前記タブ４０を外側に露出させた状態で前記積層体５０を配置する（Ａ）。この例では、２枚の略矩形状のラミネートフィルム（１００ａ、１００ｂ）を使って対面させている。もちろん、１枚のラミネートフィルムを上端１０１を揃えるように２つ折りにして対面させてもよい。次に、当該上端１０１以外の縁辺（１０４ａ〜１０４ｃ）を熱融着させることで、ラミネートフィルム（１００ａ、１００ｂ）を上端１０１が開口１０２となる袋に形成する（Ｂ）。そして、真空中で、この開口１０２から注液ノズル２１０により電解液（図中、網点）を注入する（Ｃ）。積層体５０に電解液が含浸されるとともに、袋状のラミネートフィルム１００内に電解液が満たされたら（Ｄ）、上端１０１に沿ってラミネートフィルム１００を熱融着して積層体５０と電解液とをラミネートフィルム１００の袋内に密封する（Ｅ）。なお、電解液の注入に際しては、積層体５０に十分に電解液が含浸され、外装体内に空気が残らないように、電解液で外装体内の空気を開口より徐々に逃がすように、空気を電解液で置換しながら行う。また、以下の特許文献１では、図１０に示すように、空気が速やかに電解液に置換されるように、開口している外装体１００を斜めに傾けた状態で電解液（図中、網点）を注入する技術について記載されている。
特開平５−２２５９６９号公報

上述したように、非水電解質蓄電デバイスなどの電気化学的デバイスでは、その製造過程で、袋状のラミネートフィルムの上方から電解液を注入していた。すなわち、積層体の上方から電解液を「落下」させている。そのため、電解液が外装体内の空気を外装体の底方以降へ追いやることになり、注液作業を急げば、底に追いやられた空気が逃げ場を失い、積層体の層間などに空気が残存してしまう。したがって、注液には長い時間を掛ける必要がある。しかし、注液時間が長くなると、生産性が低下することになる。例え、上記特許文献１に記載の技術を採用したとしても、電解液を上方から注入している以上、注液速度を劇的に速くすることはできない。

また、電気化学的デバイスでは、充電容量を増やすために、外装体内に電解液を可能な限り充填させている。そのため、注液の最終段階で、開口近辺まで上昇した液面に電解液を注ぐ際、「落下」させた電解液が液面に当たって跳ね返り、外装体の開口部分、すなわちラミネートフィルムの内側で最後に封止される部分に電解液を付着させてしまう可能性がある。さらに、特許文献１に記載の技術では、図１０に示したように、外装体１００を傾けているため、液面が外装体１００に対して斜めになり、外装体１００の開口１０２に高低差ｈができる。そして、その開口１０２の最下点１０２ｂでは、注液が完了する前に液面が達してしまう。

外装体の開口部分に付着した電解液は、熱融着時に、ラミネートフィルムの融着を阻害する原因となる。熱融着時にラミネートフィルムの内側に付着している電解液が熱融着時の熱で沸騰し、熱融着部分に気泡が発生する可能性もある。このような封止部分における融着不良は、電気化学的デバイスを長期に保存したときに電解液が漏出するなどの原因となる。

したがって本発明は、シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体と電解液とをラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封してなる電気化学的デバイスにおいて、その製造時において、外装体内に電解液を注液する際にその注液速度を劇的に速めて製造コストを低下させるとともに、封止に際しても十分な信頼性が確保できる構造を備えた電気化学的デバイスを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体を電解液とともに略矩形状のラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封してなる電気化学的デバイスであって、
前記正極と負極のそれぞれに接続される外部電極端子が、前記略矩形状のラミネートフィルムの左右の辺の少なくとも一方の辺から外側に突出して露出し、
前記ラミネートフィルムの外装体内には、前記略矩形状のラミネートフィルムの左右の一方の辺に沿って上下に延長するとともに、上下両端が外装体内に開口する注液通路が内蔵されていることを特徴としている。

前記注液通路を外装体とは別体のチューブで構成することができる。より望ましくは、そのチューブの上端開口を当該電気化学デバイスの製造過程における電解液の注液工程にて使用される注液ノズルの先端形状と係合する形状とすることである。

また、前記正極と負極のそれぞれに接続される前記外部電極端子が、前記ラミネートフィルムの左右いずれか一方の辺から外側に突出して露出する場合には、前記外装体内に、当該外部電極端子が突出する辺に対して反対側の辺と平行となるように上下に延長するとともに、下端が外装体の底部に接しないように細線状に熱融着されることで形成された仕切部を設け、前記外装体における前記反対側の辺と当該仕切部との間隙を前記注液通路とすることもできる。

本発明は、上記電気化学的デバイスの製造方法にも及んでおり、当該製造方法に係る本発明は、シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体と電解液とをラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封するとともに、積層体の正極と負極のそれぞれに接続された外部電極端子を外装体の外に導出してなる電気化学的デバイスの製造方法であって、
上端を揃えて対面する略矩形のラミネートフィルムの間に、前記タブを外側に露出させた状態で前記積層体を配置するとともに、当該上端以外の縁辺を熱融着させることで、ラミネートフィルムを上端に開口を有する袋に形成する工程と、
両端が開口するチューブを、上下方向に延長するように前記袋内に挿入する工程と、
前記チューブの上部開口より電解液を注入する工程と、
真空中で、前記ラミネートフィルムの上端開口を、前記チューブを袋内に残した状態で熱融着させる工程と、を含んでいる。

あるいは、上端を揃えて対面する略矩形のラミネートフィルムの間に、前記タブを外側に露出させた状態で前記積層体を配置するとともに、当該上端以外の縁辺を熱融着させることで、ラミネートフィルムを上端に開口を有する袋に形成する工程と、
当該袋において、タブが導出される辺に対して反対側の辺と平行となるように上下に延長しつつ、かつ、袋の底辺と接触しないように前記ラミネートフィルムを細線状に熱融着することで、当該反対側の辺と当該熱融着された細線部分との間隙を注液通路として区切る工程と、
前記注液通路の上端より電解液を注入する工程と、
真空中で、前記ラミネートフィルムの上端開口を熱融着させる工程と、
を含む電気化学的デバイスの製造方法とすることもできる。

本発明の電気化学的デバイスによれば、その製造時において、外装体内に電解液を注液する際にその注液速度を劇的に速めることができ、生産性の向上により安価な電気化学的デバイスを提供することができる。また、注液に際して、外装体の封止部分に電解液が付着しにくくなり、外装体が確実に封止・密閉され、信頼性が高い電気化学的デバイスとすることができる。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明に係る電気化学的デバイスの実施形態として、非水電解質蓄電デバイス（以下、蓄電素子）を挙げる。図１は、本発明の第１の実施例に係る蓄電素子の概略構造図である。図８に従来例として示した蓄電素子１ｆと同様に、２枚の略矩形のラミネートフィルムのそれぞれの辺を熱融着してなる外装体１００内に積層体５０と電解液（図中、網点）とが封入されているとともに、正極と負極のそれぞれの電極部（１２ｐ，１２ｎ）に接続されたタブ４０が左右の一方の辺から外側に突出している。しかし、第１の実施例に係る蓄電素子１ａでは、外装体１００内に上下方向に延長して両端（２０１，２０２）が開口するチューブ２００が内蔵されている点が従来の蓄電素子１ｆと大きく異なる。

図２に当該蓄電素子１ａの製造工程を示した。この図では、対面するラミネートフィルム間に積層体５０を封止し、さらに、ラミネートフィルムを開口１０２を有する外装体１００に成形した状態（Ａ）からの工程を示している。そして、以降の工程としては、まず、この状態（Ａ）から、外装体１００の中に、タブ４０が突出する辺１０４ａとは反対側の辺１０４ｂに沿って、電解液を注入するための治具となるチューブ２００を挿入する（Ｂ）。なお、チューブ２００を挿入した状態では、そのチューブ２００の上端開口２０１は、外装体１００の上端１０１より下方で、下端開口２０２は、外装体１００の下辺１０４ｃより僅かに上方となっている。

次に、そのチューブ２００を電解液の注入治具として、上端開口２０１に注液ノズル２１０の先端を挿入し、真空中にて注液ノズル２１０より電解液を注入し、外装体１００内に電解液を充填していく（Ｃ）。すなわち、チューブ２００の上端開口２０１から注入された電解液は、当該チューブ２００内を注液通路として、チューブ２００の下端開口２０２より外装体１００内に導入され、外装体１００の底から上部開口１０２へ向かって満たされていく。それによって、電解液が下方から外装体１００内の空気を上方へと追いやり、空気と電解液とをスムースに置換させていく。

また、電解液が外装体２００の底から満たされていくので、上方から電解液が「落下」せず、最終的な熱融着部分となるラミネートフィルムの上端辺１０１が液面からの跳ね返りによる電解液で汚染されることがない。それによって、封止の信頼性も向上する。外装体１００内に電解液が満たされたら（Ｄ）、チューブ２００を外装体に残したままラミネートフィルムの上端辺１０１を熱融着させて外装体１００の開口１０２を封止する（Ｅ）。すなわち、電解液に浸っているチューブ２００を外装体１００外に取り出すことで、電解液が開口１０２近傍に付着することがない。以上の工程により、第１の実施例に係る蓄電素子１ａは、その外装体２００内に注液通路として使用された注液治具（チューブ）２００を内蔵した構造となる。チューブ２００の素材としては、長期間に渡って電解液に侵されないような、樹脂や樹脂コーティングされた金属などが考えられる。また、チューブ２００の形状として、注液口となる上端開口２０１の形状を製造ラインで使用されている注液ノズル２１０の先端形状に係合する形状とすれば、確実に電解液をチューブ２００内に注入することができる。

なお、チューブ２００の外観形状も直線状でなくてもよい。上下に延長するとともにその上下の両端にて開口していればよく、例えば、図３（Ａ）に示した蓄電素子１ｂに内蔵されているチューブ２００ｂのように、下側の先端２０３が外装体１００の内側方向に屈曲してＬ字型となるような形状であってもよい。（Ｂ）に示すように、下端側面に開口２０２があるチューブ２００ｃとしてもよい。また、第１の実施例では、タブ４０の突出方向が左右何れかの一方向であったが、蓄電素子には、図４（Ａ）に示すように、正極と負極の電極部（１２ｐ，１２ｎ）がそれぞれ反対方向に突出する構造の積層体５０ｂを用いる形態もある。したがって、電極部（１２ｐ，１２ｎ）に接続されるタブ４０も外装体１００の左右両方向から露出することになる。第１の実施例では、このような形状の積層体５０ｂを備えた蓄電素子にも適用可能であり、図４（Ｂ）に例示した蓄電素子１ｃように、電極部（１２ｐ，１２ｎ）やタブ４０を避けるようにチューブ２００を挿入すれば、問題なく注液することができる。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図５に本発明の第２の実施例における蓄電素子１ｄの概略構造を示した。第２の実施例における蓄電素子１ｄでは、注液通路は、外装体１００とは別体で構成されたチューブではなく、外装体１００と一体的に形成された注液通路２００ｂとしている。具体的には、略矩形状の外装体１００において、タブが突出する辺１０４ａとは反対側となる辺１０４ｂに沿ってラミネートフィルムを細線状に熱融着させることで、外装体１００内で上下に延長する細線状の仕切部２０４を形成し、外装体１００の外周の当該反対側の辺１０４ｂとこの仕切部２０４とで区切られた上下に細長い空間を注液通路２００ｂとしている。

図６に当該第２の実施例に係る蓄電素子１ｄの製造工程を示した。ここでも、対面するラミネートフィルム間に積層体５０を配置し、そのラミネートフィルム１００を上辺１０１以外の３辺（左辺１０４ａ、右辺１０４ｂ、下辺１０４ｃ）にて封止して袋状に形成した状態（Ａ）からの工程を示している。そして、この状態（Ａ）から、次に、袋状のラミネートフィルム１００、すなわち、開口状態にある外装体１００において、タブ４０が突出する辺（ここでは右辺）１０４ａと対向する辺（左辺）１０４ｂと平行となるように上下に延長する細線状の仕切部２０４を熱融着によって形成する（Ｂ）。このとき、この仕切部２０４の上下の端部（２０５，２０６）がラミネートフィルムの上端と下端に達しないようにする。それによって、上端２０１ｂと下端２０２ｂが開口する注液通路２００ｂが外装体１００と一体的に形成される。次に、この注液通路２００ｂの上端開口２０１ｂに注液ノズル２１０を挿入し真空中で注液し（Ｃ）、注液が完了したら（Ｄ）、外装体１００の開口１０２を熱融着して蓄電素子１ｄとする（Ｅ）。なお、第２の実施例においても、注液通路の形状は直線でなくてもよい。図７に示す蓄電素子１ｅのように、仕切部２０４の下端２０６が屈曲するＬ字型となっていてもよい。

＝＝＝注液試験＝＝＝
本発明の電気化学的デバイスによれば、その製造過程において、注液時間を劇的に短縮させることができ、生産性を向上させることができる。そこで、図１に示した第１の実施例に係る蓄電素子１ａについて、電解液の注液を開始してから電解液が外装体１００内に充填されるまでの注液作業に掛かった時間と、図８に従来例として示した蓄電素子１ｆにおいて同じ量の電解液を注液するのに掛かった時間とを比較してみた。同じ量の電解液を注液した場合、第１の実施例における注液時間を１００とすると従来例では１８５であった。そして、第１の実施例では、従来例と比べて１．８５倍もの速度で注液しても積層体の層間を含め、外装体内に空気が残存することがなかった。また、封止部分に電解液が付着することもなかった。したがって、本発明の電気化学的デバイスは、生産性を向上させることができるとともに、ラミネートフィルムの封止においても高い信頼性を確保できる構造であることが立証できた。

＝＝＝本発明の適用範囲＝＝＝
上記実施例では、電気化学的デバイスとして、充放電が可能な非水電解質蓄電デバイスを例に挙げていたが、本発明は、ラミネートフィルムの外装体内にシート状の発電要素が収納された構造の電気化学的デバイスを対象としている。したがって、当該電気化学的デバイスが一次電池であってもよい。

本発明の第１の実施例における電気化学的デバイスとして示した非水電解質蓄電デバイスの概略構造図である。 上記第１の実施例における非水電解質蓄電デバイスの製造方法を示す図である。 上記第１の実施例の変形例を示す図である。 上記第１の実施例におけるその他の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施例における電気化学的デバイスである非水電解質蓄電デバイスの概略構造図である。 上記第２の実施例における非水電解質蓄電デバイスの製造方法を示す図である。 上記第２の実施例の変形例を示す図である。 従来の電気化学的デバイスとして示した従来の非水電解質蓄電デバイスの概略構造図である。 上記従来の非水電解質蓄電デバイスの製造方法を示す図である。 上記従来の非水電解質蓄電デバイスのその他の製造方法における電解液の注液工程を示す図である。

符号の説明

１ａ〜１ｆ 非水電解質蓄電デバイス
１０ｐ 正極
１０ｎ 負極
４０ 外部電極端子（タブ）
５０ 積層体
１００、１００ａ、１００ｂ ラミネートフィルム
１０２ 開口
２００、２００ｂ 注液通路
２０４ 仕切部
２１０ 注液ノズル

Claims (6)

1. シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体を電解液とともに略矩形状のラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封してなる電気化学的デバイスであって、
   前記正極と負極のそれぞれに接続される外部電極端子が、前記略矩形状のラミネートフィルムの左右の辺の少なくとも一方の辺から外側に突出して露出し、
   前記ラミネートフィルムの外装体内には、前記略矩形状のラミネートフィルムの左右の一方の辺に沿って上下に延長するとともに、上下両端が外装体内に開口する注液通路が内蔵されている、
   ことを特徴とする電気化学的デバイス。
2. 請求項１において、前記注液通路は、外装体と別体のチューブであることを特徴とする電気化学的デバイス。
3. 請求項２において、前記チューブの上端開口は、当該電気化学デバイスの製造過程における電解液の注液工程にて使用される注液ノズルの先端形状と係合する形状であることを特徴とする電気化学的デバイス。
4. 請求項１において、
   前記正極と負極のそれぞれに接続される前記外部電極端子は、前記ラミネートフィルムの左右いずれか一方の辺から外側に突出して露出し、
   前記外装体内には、当該外部電極端子が突出する辺に対して反対側の辺と平行となるように上下に延長するとともに、下端が外装体の底部に接しないように細線状に熱融着されることで形成された仕切部を有し、
   前記外装体における前記反対側の辺と当該仕切部との間隙を前記注液通路とする
   ことを特徴とする電気化学的デバイス。
5. シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体と電解液とをラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封するとともに、積層体の正極と負極のそれぞれに接続された外部電極端子を外装体の外に導出してなる電気化学的デバイスの製造方法であって、
   上端を揃えて対面する略矩形のラミネートフィルムの間に、前記外部電極端子を外側に露出させた状態で前記積層体を配置するとともに、当該上端以外の縁辺を熱融着させることで、ラミネートフィルムを上端に開口を有する袋に形成する工程と、
   両端が開口するチューブを、上下方向に延長するように前記袋内に挿入する工程と、
   前記チューブの上部開口より電解液を注入する工程と、
   真空中で、前記ラミネートフィルムの上端開口を、前記チューブを袋内に残した状態で熱融着させる工程と、
   を含むことを特徴とする電気化学的デバイスの製造方法。
6. シート状に成形された正極と負極をセパレータを介して対向配置してなる積層体と電解液とをラミネートフィルムの外装体内に脱気した状態で密封するとともに、積層体の正負両極の電極に接続された外部電極端子を外装体の外に導出してなる電気化学的デバイスの製造方法であって、
   上端を揃えて対面する略矩形のラミネートフィルムの間に、前記外部電極端子を外側に露出させた状態で前記積層体を配置するとともに、当該上端以外の縁辺を熱融着させることで、ラミネートフィルムを上端に開口を有する袋に形成する工程と、
   当該袋において、外部電極端子が導出される辺に対して反対側の辺と平行となるように上下に延長しつつ、かつ、袋の底辺と接触しないように前記ラミネートフィルムを細線状に熱融着することで、当該反対側の辺と当該熱融着された細線部分との間隙を注液通路として区切る工程と、
   前記注液通路の上端より電解液を注入する工程と、
   真空中で、前記ラミネートフィルムの上端開口を熱融着させる工程と、
   を含むことを特徴とする電気化学的デバイスの製造方法。

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