JP2009283141A - 積層型電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平板状の電池要素が厚み方向に積み重ねられた積層型電池において、製造工程における煩雑さを軽減させる。
【解決手段】まず、セパレータ３０が厚み方向に複数積層されるとともに、このセパレータ３０の周縁領域の一部を接合部３１〜３３として、積層された複数のセパレータ３０が相互に接合される。そして、積層された複数のセパレータ３０の各層間に、正極板１０および負極板２０がそれぞれ挿入されることにより、セパレータ３０を介して正極板１０と負極板２０とが交互に積層される。
【選択図】図５

Description

本発明は、平板状のセパレータ、正極板および負極板の電池要素が厚み方向に積み重ねられた積層型電池の製造方法に関する。

従来より、例えば特許文献１に記載の様に、リチウムイオン電池のように、高エネルギー密度、高出力密度となる電池の開発が盛んに行われている。この類の電池としては、平板状の正極板と負極板とをセパレータを介在させつつ、厚み方向に積層して形成した発電要素を、一対の外装部材の間に電解液とともに収納し、それら外装部材の周縁部を接合して密封した積層型電池が知られている。

一方、例えば、特許文献２には、帯状の正極と負極の間にセパレータを介在させて、これらを渦巻き状に巻き取った巻取り電極体（発電要素）をパッケージに収容した電池が開示されている。
特開２００５−１４２０２８号公報 特開２００５−１３５７３１号公報

しかしながら、平板状のセパレータ、正極板および負極板の電池要素を積み重ねて発電要素を形成する積層型電池は、その製造時、巻取り型の電池と比較して、電池要素を積層する工程に作業が煩雑となるという問題点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、平板状のセパレータ、正極板および負極板の電池要素が厚み方向に積み重ねられた積層型電池において、製造工程における煩雑さを軽減させることにある。

かかる課題を解決するために、本発明は、まず、セパレータ、正極板および負極板の電池要素のうち、いずれか一つの種別の電池要素が厚み方向に複数積層されるとともに、この電池要素の周縁領域の一部を接合部として、積層された複数の電池要素が相互に接合される。そして、積層された複数の電池要素の各層間に、残余の種別の電池要素がそれぞれ挿入されることにより、セパレータを介して正極板と負極板とが交互に積層される。

本発明によれば、積層された電池要素の各層間に、残余の種別の電池要素を一括的に挿入させることができる。これにより、簡単な手法によって電池要素を積層させることができるので、製造工程における煩雑さを軽減させることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる積層型電池１の構成を模式的に示す斜視図である。積層型電池１は、発電要素としての電極積層体と、この電極積層体を収容する電池外装２とを主体に構成されている。電極積層体は、電池外装２を構成する１対の金属複合フィルム（外装部材）２ａ，２ｂの中央に配置される。電極積層体は、個々の金属複合フィルム２ａ，２ｂによって厚み方向に挟み込むようにレイアウトされて、これらの金属複合フィルム２ａ，２ｂを、その外周縁部２ｃにおいて互いに溶着することにより、密閉空間内に電解質と共に収容される。

積層型電池１は、その外観が略矩形状に形成されている。対向する一対の辺（本実施形態では、一対の短手辺）のうち、一方の短手辺には、電極端子としての正極タブ３が設けられており、他方の短手辺には、電極端子としての負極タブ４が設けられている。

図２は、電極積層体の構成を模式的に示す分解斜視図である。電極積層体は、正極板１０と負極板２０とがセパレータ３０を介して交互に積層されて構成されている。ここで、図３は、正極板１０、負極板２０およびセパレータ３０を模式的示す説明図である。

正極板１０は、シート状の正極集電体１１の両面（或いは片面）に正極活物質１２を塗布したものであり、略矩形状に形成されている（図３（ａ）参照）。この正極板１０には、一方の長手辺において、その一方の端部（図中左端部）が部分的に切り欠かれた切欠部１３が形成されている。この切欠部１３は、正極板１０が電極積層体として構成された場合に、後述するセパレータ３０の第１の接合部３１と位置的に対応している。

負極板２０は、シート状の負極集電体２１の両面（或いは片面）に負極活物質２２を塗布したものであり、略矩形状に形成されている（図３（ｂ）参照）。この負極板２０には、一方の長手辺において、その一方の端部（図中右端部）が部分的に切り欠かれた切欠部２３が形成されるとともに、その中央部が部分的に切り欠かれた切欠部２４が形成されている。端部側の切欠部２３は、負極板２０が電極積層体として構成された場合に、後述するセパレータ３０の第２の接合部３２と位置的に対応しており、中央部の切欠部２４は、負極板２０が電極積層体として構成された場合に、後述するセパレータ３０の第３の接合部３３と位置的に対応している。

セパレータ３０は、イオン透過性の絶縁層として機能するプレートであり、略矩形状に形成されている（図３（ｃ）参照）。セパレータ３０の一辺（本実施形態では、一方の長手辺）の周縁領域において、一対の端部および中央部は、積層型電池１の製造時に、他のセパレータ３０と相互に接合される接合部３１〜３３として機能する。ここで、第１の接合部３１は、長手辺の一方の端部（図中左端部）に対応して、第２の接合部３２は、長手辺の他方の端部（図中右端部）に対応し、第３の接合部３３は、長手辺の中央部に対応する。

なお、以下、正極板１０、負極板２０及びセパレータ３０のそれぞれを総称する場合には、電池要素とも言う。

個々の正極板１０は、正極リード（図示せず）を介して正極タブ３に接続される。具体的には、各正極板１０の正極集電体１１に電気的に接続した正極リードがそれぞれ引き出され、これらの正極リードは、層状に重ね合わされ、溶接等の手法により正極タブ３に接合される。一方、個々の負極板２０は、負極リード（図示せず）を介して負極タブ４に接続される。具体的には、各負極板２０の負極集電体２１に電気的に接続した負極リードが引き出され、これらの負極リードは、層状に重ね合わされ、溶接等の手法により負極タブ４に接合される。

正極タブ３および負極タブ４は金属板でそれぞれ形成される。例えば、正極タブ３は、アルミニウム板より形成され、負極タブ４は、ニッケル板より形成される。正極リードおよび負極リードはそれぞれ金属箔で形成される。例えば、正極リードは、アルミニウム箔より形成され、負極リードは、銅箔より形成される。

電池外装２を構成する一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂは、電極積層体よりも若干大きな矩形状に成形されたシート状の部材である。一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂのうち、電極積層体の上面側をカバーする一方の金属複合フィルム２ａは、その中央部に電極積層体を収納する凹部が設けられたカップ形状を有しており、電極積層体の下面側をカバーする他方の金属複合フィルム２ｂは、平坦形状を有している。

このような構成を有する積層型電池は、例えば、リチウムイオン電池としての適用が可能である。この場合、電極積層体の正極板１０を形成している正極活物質１２は、リチウムマンガン系複合酸化物、具体的には、例えば、一般式ＬｉｙＭｎ２−ｚＭ’ｚＯ４（ただし、０．９≦ｙ≦１．２、０．０１≦ｚ≦０．５であり、Ｍ’はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表される化合物を含有する。なお、正極活物質１２は、リチウムマンガン系複合酸化物以外にも、例えば、一般式ＬｉＮｉ１−ｘＭｘＯ２（ただし、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物であるリチウムニッケル系複合酸化物や、一般式ＬｉＣｏ１−ｘＭｘＯ２（ただし、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物であるリチウムコバルト系複合酸化物等を含有することも可能である。

一方、電極積層体の負極板２０を形成している負極活物質２２としては、対リチウム電位が２．０Ｖ以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能である。具体的には、難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークスや石油コークス等のコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂等を適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック等の結晶性・非結晶性炭素質材料を使用することが可能である。

一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂは、例えば、アルミニウム等よりなる金属層を基材とし、この金属層の内側にＰＥ（ポリエチレン）またはＰＰ（ポリプロピレン）等よりなる高分子樹脂層がコーティングされる。また、これらの金属複合フィルム２ａ，２ｂには、金属層の外側に接着層を介してナイロン等よりなる保護層が接着される。さらに、正極タブ３および負極タブ４が引き出される位置には、密封性の向上といった観点から、各タブ３，４の両面にポリプロピレンなどの樹脂フィルムが介装される。

以下、本実施形態にかかる積層型電池１の製造方法を説明する。この製造方法は、第１のステップと、第２のステップとに大別される。

図４は、本実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第１のステップ）を説明する説明図である。第１のステップでは、セパレータ３０の積層体が作成される。具体的には、まず、複数のセパレータ３０が用意されると、これらのセパレータ３０がその厚み方向に積層される。そして、セパレータ３０の長手辺の周縁領域において、例えば、溶着により、積層された複数のセパレータ３０が相互に接合される。本実施形態では、個々のセパレータ３０は、長手辺の中央部および両端部に対応する３箇所の接合部３１〜３３において部分的に接合される。このようにして作成されたセパレータ３０の積層体は、一方の長手辺側が接合により纏められ、他方の長手辺が開放された格好となっている。

図５は、本実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第２のステップ）を説明する説明図である。第２のステップでは、正極板１０および負極板２０が、積層された複数のセパレータ３０の各層間にそれぞれ挿入される。具体的には、複数枚の正極板１０および負極板２０が用意され、そして、正極板１０および負極板２０が、交互に、かつ積層状に配置される。ここで、正極板１０の端部に形成される切欠部１３と、負極板２０の端部に形成される切欠部２３とは、長手辺における端部位置が互い違いとなるように配置される。

そして、正極板１０および負極板２０の積層体と、セパレータ３０の積層体とを対向配置する。この場合、正極板１０および負極板２０の積層体は、切欠部１３，２３，２４が存在する側の長手辺と、セパレータ積層体において接合部３１〜３３と対応する側の長手辺とが向き合う格好に配置される。そして、正極板１０および負極板２０を、積層された複数のセパレータ３０の各層間にそれぞれ挿入することにより、セパレータ３０を介して正極板１０と負極板２０とが交互に積層される。この際、個々の正極板１０は、その切欠部１３が、セパレータ同士の接合箇所である第１の接合部３１と位置的に対応させられる。また、個々の負極板２０は、その切欠部２３，２４が、セパレータ同士の接合箇所である第２および第３の接合部３２，３３と位置的に対応させられる。

このようにして電極積層体が形成されると、最後に、カップ形状を有する金属複合フィルム２ａと、平坦形状を有する金属複合フィルム２ｂとの間に電極積層体を配置させる。金属複合フィルム２ａのカップ形状部分に電解質を充填した状態で、一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂによって電極積層体を挟み込む。一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂの外周縁部２ｃを熱溶着する。これにより、外周縁部が溶着によってシールされ、電極積層体が電解質と共に電池外装２によって密封された構造となる。

このように本実施形態において、積層型電池１の製造方法は、まず、いずれか一つの種別の電池要素（セパレータ３０）が厚み方向に複数積層されるとともに、このセパレータ３０の周縁領域の一部を接合部３１〜３３として、積層された複数のセパレータ３０が相互に接合される。そして、積層された複数のセパレータ３０の各層間に、残余の種別の電池要素（正極板１０および負極板２０）がそれぞれ挿入されることにより、セパレータ３０タを介して正極板１０と負極板２０とが交互に積層される。

かかる構成によれば、積層型電池１において、独立した複数のセパレータ３０を接合することにより、積層体として取り扱うことができるとともに、このセパレータ３０の積層体により、セパレータ３０の各層間に、正極板１０および負極板２０を一括的に挿入させることができる。そのため、セパレータ３０を介して正極板１０と負極板２０とを順々に積層するといった工程が、大幅に簡略化される。これにより、製造工程における煩雑さを軽減させることができる。

また、本実施形態によれば、交互かつ積層状に配置された正極板１０と負極板２０とが、積層された複数のセパレータ３０の各層間にそれぞれ挿入される。

かかる構成によれば、セパレータ３０の各層間に、正極板１０および負極板２０の全体を一括的に挿入することで、セパレータ３０を介して正極板１０と負極板２０とを交互に積層させて、電極積層体（発電要素）を形成することができる。これにより、製造工程における煩雑さを軽減させることができる。

また、本実施形態によれば、積層された複数のセパレータ３０は、第１から第３の接合部３１〜３３として、セパレータ３０の一辺（長手辺）の周縁領域において部分的に接合されている。この場合、正極板１０または負極板２０は、セパレータ３０における接合部３１〜３３と位置的に対応して切り欠き（切欠部１３，２３，２４）が設けられており、この切欠部１３，２３，２４により挿入時の位置合わせを行う位置合わせ機能を備える。

かかる構成によれば、複数の正極板１０または負極板２０を一括的に挿入するようなケースであっても、切欠部１３により、それらの位置合わせを容易に行うことができる。これにより、製造工程における位置合わせ作業が簡単となり、煩雑さをより軽減することができる。

図６は、第１の実施形態にかかる積層型電池１の変形例を示す斜視図である。同図に示す積層型電池１は、発電要素としての電極積層体と、この電極積層体を収容する電池外装２とを主体に構成されている。積層型電池１は、その外観が略矩形状に形成されており、ある一つの辺（本実施形態では、短手辺）に、電極端子としての正極タブ３および負極タブ４がそれぞれ設けられている。この場合、個々の正極板１０および負極板２０は、正極リードおよび負極リードの引き出し位置が、同一の短手辺側に設けられ、その短手辺において位置的にオフセットして配置されている。

かかる構成の積層型電池１であっても、図７に示すように、上述した第１のステップおよび第２のステップに基づいて、積層型電池１を製造することができる。具体的には、まず、複数のセパレータ３０がその厚み方向に積層され、セパレータ３０の長手辺の周縁領域において、積層された複数のセパレータ３０が相互に接合される。具体的には、本実施形態では、個々のセパレータ３０は、長手辺の中央部および両端部に対応する３つの接合部３１〜３３において部分的に接合される。

つぎに、複数枚の正極板１０および負極板２０が、交互に、かつ積層状に配置される。ここで、正極板１０の端部に形成される切欠部１３と、負極板２０の端部に形成される切欠部２３とは、長手辺における端部位置が互い違いとなるように配置される。そして、正極板１０および負極板２０の積層体と、セパレータ３０の積層体とを対向配置し、正極板１０および負極板２０を、積層された複数のセパレータ３０の各層間にそれぞれ挿入する。

かかる実施形態でも、第１の実施形態と同様な作用および効果を奏することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態にかかる積層型電池１について説明する。第２の実施形態にかかる積層型電池１が、第１の実施形態のそれと相違する点は、その製造時、セパレータ３０の積層体に代えて、正極板１０および負極板２０を積層した積層体を用いることである。なお、積層型電池１において、第１の実施形態と対応する構成については、符号を引用して重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

積層型電池１は、発電要素としての電極積層体と、この電極積層体を収容する電池外装２とを主体に構成されている。電極積層体は、電池外装２を構成する１対の金属複合フィルム（外装部材）２ａ，２ｂの中央に配置される。電極積層体は、個々の金属複合フィルム２ａ，２ｂによって厚み方向に挟み込むようにレイアウトされて、これらの金属複合フィルム２ａ，２ｂを、その外周縁部２ｃにおいて互いに溶着することにより、密閉空間内に電解質と共に収容される。電極積層体は、正極板１０と負極板２０とがセパレータ３０を介して交互に積層されて構成されている。なお、本実施形態では、正極板１０および負極板２０には、第１の実施形態に示す切欠部１３，２３，２４は形成されていない。

図８は、本実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第１のステップ）を説明する説明図である。第１のステップでは、正極板１０の積層体が作成される。具体的には、まず、複数の正極板１０が用意されると、これらの正極板１０がその厚み方向に積層される。そして、正極板１０の短手辺の周縁領域において、例えば、溶着により、積層された複数の正極板１０が相互に接合される。本実施形態では、個々の正極板１０は、２箇所の接合部１４，１５において部分的に接合される。このようにして作成された正極板１０の積層体は、一方の短手側が接合により纏められ、他方の短手辺が開放された格好となっている。

また、本実施形態では、この第１のステップにおいて、正極板１０と同様に、負極板２０の積層体も作成される。具体的には、まず、複数の負極板２０が用意されると、これらの負極板２０がその厚み方向に積層される。そして、負極板２０の短手辺の周縁領域において、例えば、溶着により、積層された複数の負極板２０が相互に接合される。本実施形態では、個々の負極板２０は、２箇所の接合部２５，２６（後述する図９参照）において部分的に接合される。このようにして作成された負極板２０の積層体は、一方の短手側が接合により纏められ、他方の短手辺が開放された格好となっている。

図９は、本実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第２のステップ）を説明する説明図である。第２のステップでは、正極板１０および負極板２０が交互に重ねられるとともに、その間にセパレータ３０が挿入される。具体的には、まず、正極板１０の積層体と、負極板２０の積層体とが対向配置される。この場合、正極板１０の積層体および負極板２０の積層体は、開放側の短手辺が互いに向き合う格好に配置される。そして、正極板１０および負極板２０を、一枚一枚交互に重ねながら、その間にセパレータ３０を順次挿入する。これにより、セパレータ３０を介して正極板１０と負極板２０とを交互に積層させる。

このようにして電極積層体が形成されると、最後に、カップ形状を有する金属複合フィルム２ａと、平坦形状を有する金属複合フィルム２ｂとの間に電極積層体を配置させる。金属複合フィルム２ａのカップ形状部分に電解質を充填した状態で、一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂによって電極積層体を挟み込む。一対の金属複合フィルム２ａ，２ｂの外周縁部２ｃを熱溶着する。これにより、外周縁部が溶着によってシールされ、電極積層体が電解質と共に電池外装２によって密封された構造となる。

このように本実施形態において、積層型電池１の製造方法は、まず、正極板１０が厚み方向に複数積層されるとともに、正極板１０の一辺の周縁領域において、積層された複数の正極板同士が相互に接合される。また、負極板２０が厚み方向に複数積層されるとともに、負極板２０の一辺の周縁領域において、積層された複数の正極板同士が相互に接合される。そして、負極板２０およびセパレータ３０が、積層された複数の正極板１０の各層間にそれぞれ挿入されるとともに、正極板１０およびセパレータ３０が、積層された複数の負極板２０の各層間にそれぞれ挿入される。

かかる構成によれば、複数の正極板１０または複数の負極板２０を一括して取り扱うことができるので、これらを個別的に取り扱う場合と比較して、積層工程を簡略化することができる。これにより、製造工程における煩雑さを軽減させることができる。

なお、本実施形態では、第１のステップにおいて、正極板１０および負極板２０の双方を積層体としたが、本発明にはこれに限定されない。正極板１０および負極板２０の一方のみを積層体として、残余の電池要素（正極板１０および負極板２０の一方と、セパレータ３０）を、正極板１０の層間に挿入するとしてもよい。

以上、本発明の実施形態にかかる積層型電池の製造方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。

第１の実施形態にかかる積層型電池１の構成を模式的に示す斜視図 電極積層体の構成を模式的に示す分解斜視図 正極板１０、負極板２０およびセパレータ３０を模式的示す説明図 第１の実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第１のステップ）を説明する説明図 第１の実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第２のステップ）を説明する説明図 第１の実施形態にかかる積層型電池１の変形例を示す斜視図 第１の実施形態にかかる積層型電池１の変形例に関する製造方法を説明する説明図 第２の実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第１のステップ）を説明する説明図 第２の実施形態にかかる積層型電池１の製造方法（第２のステップ）を説明する説明図

符号の説明

１…積層型電池
２…電池外装
２ａ…金属複合フィルム
２ｂ…金属複合フィルム
２ｃ…外周縁部
３…正極タブ
４…負極タブ
１０…正極板
１１…正極集電体
１２…正極活物質
１３…切欠部
１４…接合部
１５…接合部
２０…正極板
２０…負極板
２１…負極集電体
２２…負極活物質
２３…切欠部
２４…切欠部
２５…接合部
２６…接合部
３０…セパレータ
３１…第１の接合部
３２…第２の接合部
３３…第３の接合部

Claims (5)

1. 平板状のセパレータ、正極板および負極板の電池要素が厚み方向に積層された積層型電池の製造方法において、
   前記セパレータ、正極板および負極板の電池要素うち、いずれか一つの種別の電池要素を厚み方向に複数積層するとともに、当該電池要素の周縁領域の一部を接合部として、積層された複数の電池要素を相互に接合する第１のステップと、
   前記第１のステップにおいて積層された複数の電池要素の各層間に、残余の種別の電池要素をそれぞれ挿入することにより、前記セパレータを介して前記正極板と前記負極板とを交互に積層させる第２のステップと
   を有することを特徴とする積層型電池の製造方法。
2. 前記セパレータ、正極板および負極板は、それぞれ矩形状に形成されており、
   前記第１のステップは、前記セパレータを厚み方向に複数積層するとともに、当該セパレータの一辺の周縁領域において、前記積層された複数のセパレータを相互に接合するステップであり、
   前記第２のステップは、交互かつ積層状に配置された前記正極板と前記負極板とを、前記積層された複数のセパレータの各層間にそれぞれ挿入するステップであることを特徴とする請求項１に記載された積層型電池の製造方法。
3. 前記積層された複数のセパレータは、当該セパレータの一辺の周縁領域において部分的に接合されており、
   前記正極板または前記負極板は、前記セパレータにおける接合部と位置的に対応して切り欠きが設けられており、当該切り欠きにより挿入時の位置合わせを行う位置合わせ機能を備えることを特徴とする請求項２に記載された積層型電池の製造方法。
4. 前記セパレータ、正極板および負極板は、それぞれ矩形状に形成されており、
   前記第１のステップは、前記正極板を厚み方向に複数積層するとともに、当該正極板の一辺の周縁領域において、前記積層された複数の正極板同士を相互に接合するステップを含み、
   前記第２のステップは、前記負極板および前記セパレータを、前記積層された複数の正極板の各層間にそれぞれ挿入するステップであることを特徴とする請求項１に記載された積層型電池の製造方法。
5. 前記セパレータ、正極板および負極板は、それぞれ矩形状に形成されており、
   前記第１のステップは、前記負極板を厚み方向に複数積層するとともに、当該負極板の一辺の周縁領域において、前記積層された複数の負極板同士を相互に接合するステップを含み、
   前記第２のステップは、前記正極板および前記セパレータを、前記積層された複数の負極板の各層間にそれぞれ挿入するステップであることを特徴とする請求項１または４に記載された積層型電池の製造方法。

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