JP2011181388A

JP2011181388A - 電解液電池、およびその製造方法

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Publication number: JP2011181388A
Application number: JP2010045508A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Sugita; 修一杉田; Nobuyuki Tsuchiya; 信之土屋; Hidenori Yoshida; 秀紀吉田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】簡便な操作で、電池容器に電解液を注入し、しかも脱気されて水分を含まない電解液を密封する手段を提供する。
【解決手段】外装フィルムからなる電池容器を有する電解液電池の製造方法であって：金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有する管状部材を２つ以上準備する工程；金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有し、２以上の穴が形成された外装フィルムを準備する工程；前記管状部材を、前記外装フィルムの２以上の穴にはめ込み、前記管状部材の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と前記外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とを熱融着させる工程；前記外装フィルムを、電極ユニットを包みこむように袋状にする工程；前記一方の管状部材を通して前記袋状の外装フィルムの内部を減圧し、前記他方の管状部材を通して前記袋状の外装フィルムの内部に電解液を注入する工程を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解液電池およびその製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池などの電池デバイスは、電極ユニットと電解液とを収容する電池容器を有する。電池デバイスの小型化・軽量化の要求に対して、金属フィルム（アルミニウム箔やステンレス箔など）と、熱融着性ポリオレフィン系樹脂からなる内層とを有する外装フィルムで電池容器を形成することが提案されている（特許文献１〜２を参照）。つまり、外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂からなる内層の外周部を熱融着することで、袋状にして電池容器としている。

袋状の外装フィルム内に電解液を密封するには、まず、電極ユニットを内包する袋状の外装フィルムの、外周部の一部を除いて熱融着し；熱融着されていない部分を通して電解液を加えて；電解液を加えた後に、残りの外周部を融着することで密封する。

特開２００９−１８７７１１号公報特開２００９−７６２４８号公報

前記の通り、電解液電池の電池容器である袋状の外装フィルムには電解液が注入されるが、注入した電解液に気体が巻き込まれたり、または気体が発生したり、水分が混入することがある。これは、電池容器の内部に配置された電極ユニットに含まれる気体や水分が、徐々に電解液中に染み出すためであると考えられる。これに対して、電解液注入後の袋状の外装フィルムの封止を、減圧環境下（真空環境下）において行うことで、電解液に発生した気体を脱気することが提案されている。ところが、この操作は、作業負担が大きいばかりか、電解液に発生した気体や水分を十分に除去することができない場合があった。

そこで本発明は、簡便な操作にて、電池容器に電解液を注入し、しかも脱気されて水分を含まない電解液を密封する手段を提供することを目的とする。それにより、高性能な電解液電池をより効率よく製造する手段を提供する。

本発明は、袋状の外装フィルムからなる電池容器の内部を予め減圧した後に電解液を注入することで、注入された電解液に気体が発生したり、水分が混入したりすることを抑制する。すなわち、本発明は以下に示す電解液電池、およびその製造方法に関する。

［１］電極ユニットと電解液とを収容し、外装フィルムからなる電池容器を有する電解液電池であって、
前記電池容器を貫通する、２以上の閉塞された管状部材をさらに有し、
前記外装フィルムは、金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有し、かつ前記管状部材は、金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有し、
前記外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と、前記管状部材の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とは熱融着されている、電解液電池。
［２］前記電解液は非水電解液である、［１］に記載の電解液電池。
［３］前記熱融着性ポリオレフィン系樹脂層が、変性ポリプロピレン又はポリプロピレンである、［１］に記載の電解液電池。
［４］電極ユニットと電解液とを収容し、外装フィルムからなる電池容器を有する電解液電池の製造方法であって、
金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有する管状部材を２つ以上準備する工程と、
金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有し、２以上の穴が形成された外装フィルムを準備する工程と、
前記管状部材を、前記外装フィルムの２以上の穴にはめ込み、前記管状部材の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と前記外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とを融着させる工程と、
前記外装フィルムを、電極ユニットを包みこむように袋状にする工程と、
前記一方の管状部材を通して前記袋状の外装フィルムの内部を減圧し、かつ前記他方の管状部材を通して前記袋状の外装フィルムの内部に電解液を注入する工程と、
を含む、電解液電池の製造方法。

本発明の電池の製造方法によれば、より簡便に、電池容器に気泡を巻き込むことがなく脱気された電解液を密封することができる。それにより、電解液電池の性能を高めることができる。

本発明の電解液電池の上面図である。本発明の電解液電池の断面図である。電解液電池の電極ユニットの構成を示す断面図である。管状部材の構成を示す斜視図（図４Ａ）および断面図（図４Ｂ）である。外装フィルムの構成を示す斜視図（図５Ａ）および断面図（図５Ｂ）である。管状部材と、２枚の外装フィルムを用いて、袋状の電池容器を作製する図である。袋状の電池容器に、電解液を注入する様子を示す図である。

本発明の電解液電池は、電極ユニットと電解液とを収容する外装フィルムからなる電池容器を有し、さらに前記電池容器を貫通する２以上の管状部材を有することを特徴とする。本発明の電池は、非水系電解液を含む電池であることが好ましい。非水電解液を含む電池の例には、リチウムイオン二次電池などがある。

図１は、本発明の電解液電池１の上面図であり；図２は、本発明の電解液電池１の断面図である。電解液電池１は、電池容器２、ならびにそれに収容された電極ユニット３（図２参照）および電解液４（図２参照）を有する。電池容器２には、管状部材５と、それを封止するパイプ６が配置されている。

電池容器２に収容される電極ユニット３は、セパレータを介して交互に積層される正極３ａと負極３ｂとを有する。正極３ａの一部と、負極３ｂの一部は、電池容器２からはみ出している。電極ユニット３のより具体的な構造が、図３に示される。図３に示すように、電極ユニット３は、セパレータ３Ｃを介して、正極板３Ａと負極板３Ｂとが交互に積層されている。

電極ユニット３の正極板３Ａおよび負極板３Ｂとは、ともに導電性物質が塗布されたシートである。正極板３Ａの導電性物質は、例えば、リチウム二次電池であれば、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などである。また、負極板３Ｂの導電性物質は、例えば、リチウム二次電池であればグラファイトなどである。この導電性活物質は多孔質体であることから、多孔質体に含まれるガスや水分が電解液に混入することで、電池の性能を低下させることがあった。

電池容器２に収容される電解液４は、非水系電解液であれば特に制限されず、例えば電解質と非プロトン性有機溶媒とを含むことが好ましい。また、リチウムイオン電池である場合の電解液４は、高電圧でも電気分解を起こさない観点、およびリチウムイオンが安定に存在できる観点から、リチウム塩と非プロトン性有機溶媒とを含む溶液であることが好ましい。

非プロトン性有機溶媒の例には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ-ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホランなどを単独あるいは混合した溶媒が含まれる。また、リチウム塩の例には、例えばＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２などが含まれる。

電解液４は、電池容器２の内部を満たしており、かつ電極ユニット３にも含浸している。

電池容器２は、金属フィルムと、それに積層された熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有する外装フィルムで構成される（図５参照）。外装フィルムの金属フィルムは、特に制限されず、アルミニウム箔、Ｎｉめっき鋼箔などであってもよいが、強度および耐食性を保持する観点からステンレス箔であることが好ましい。
外装フィルムの内層は熱融着性ポリオレフィン系樹脂層であり、内層同士を熱融着することで、外装フィルムからなる電池容器２を得る。

熱融着性ポリオレフィン系樹脂層は、一般的に電池に用いられている種々の材質を用いることが可能である。金属フィルムに熱融着性ポリオレフィン系樹脂層を積層するには、金属フィルムに化成処理層を設けて、密着性を高めることができる。熱融着性ポリオレフィン系樹脂層は、変性ポリプロピレン、変性ポリエチレンなどの接着性ポリオレフィン系樹脂と、さらに、その上層に積層された化学的に安定度の高いポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂層との積層構造であってもよい。そのなかでも、変性ポリプロピレン／ポリプロピレンの２層構造の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層が好ましい。

外装フィルムの外層は、金属フィルムそのままであってもよいが、金属フィルムに積層された保護層であってもよい。保護層も、一般的に電池に用いられている種々の材質を用いることが可能であり、ナイロンフィルム、ポリエステルフィルムなどである。

電池容器２には、２以上穴が形成されており；その穴に管状部材５が配置されている。電池容器２に配置された２つの管状部材５は、できるだけ電池容器２の対角に位置していることが好ましい。

管状部材５は、金属フィルムと、それに積層された熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有する（図４参照）。管状部材５の金属フィルムの材質は、外装フィルムの金属フィルムと同様であってもよいし、異なっていてもよい。管状部材５は、その管が一定の強度を有している必要がある。そのため、好ましくは電池容器２と同様にステンレス箔である金属フィルムが好ましい。

管状部材５の外層である熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と、外装フィルムからなる電池容器２の内層である熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とが熱融着されており、管状部材５は電池容器２に固定されている。

また、管状部材５には、さらに熱融着性ポリオレフィン系樹脂（例えばポリプロピレン樹脂）製のパイプ６が接続されている。パイプ６は、管状部材５のポリプロピレン樹脂層に熱融着されており、かつ閉塞されている。それにより、電池容器２の内部の電解液４は密封されている。

本発明の電解液電池の製造方法について
本発明の電解液電池は、以下のプロセスにて製造されうる。
１）金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有する管状部材を、２つ以上準備する工程。
２）金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有し、２以上の穴が形成された外装フィルムを準備する工程。
３）前記管状部材を、前記外装フィルムの２以上の穴に貫通させて、前記管状部材の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と前記外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とを融着させる工程。
４）前記外装フィルムを、電極ユニットを包みこむように袋状にする工程。
５）前記一方の管状部材を通して、前記袋状の外装フィルムの内部を減圧し、かつ前記他方の管状部材を通して、前記袋状の外装フィルムの内部に電解液を注入する工程。

１）まず、２以上の管状部材を準備する。管状部材２０とは、図４Ａに示されるように、筒状の部材であることが必要であり、一方の端部が末広がりの形状をしているノズル部材であることが好ましい。管状部材２０は、図４Ｂに示されるように、金属フィルム２１と熱融着性ポリオレフィン系樹脂層２２とを有し、熱融着性ポリオレフィン系樹脂層２２が外層を構成している。

２）次に、外装フィルム３０を用意する。外装フィルム３０は、図５Ｂに示されるように、金属フィルム３１と熱融着性ポリオレフィン系樹脂層３２とを有する。外装フィルム３０の金属フィルム３１には、熱融着性ポリオレフィン系樹脂層３２の配置面とは裏面に、保護層（不図示）が積層されていてもよい。外装フィルム３０は、金属フィルム３１と、熱融着性ポリオレフィン系樹脂フィルム３２と、任意の保護フィルムとをラミネートすることで作製されうる。

図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、外装フィルム３０には、穴３３が形成されている。穴３３には、前述の管状部材２０が貫通して配置される。外装フィルム３０を用いて、袋状の電池容器を作製するが；電池容器は、１枚の外装フィルムで作製されてもよく、２枚以上の外装フィルムで作製されてもよい。

３）図６には、２枚の外装フィルム３０の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層３２同士を貼り合わせて（熱融着して）、袋状の電池容器を作製する状態が示される。２枚の外装フィルム３０のそれぞれには穴３３が形成されており、管状部材２０が穴３３を貫通して配置されている。外装フィルム３０の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層３２と、管状部材２０の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層２２とは熱融着されている。さらに、２枚の外装フィルム３０を、互いに熱融着性ポリオレフィン系樹脂層３２を介して熱融着して、電池容器を得る。

また、形成される電池容器には電極ユニット３が内包され、かつ電極ユニット３の正極３ａおよび負極３ｂの一部が、電池容器の外部に露出するように、２枚の外装フィルム３０の貼り合わせを行う。

４）その後、図７に示されるように、一方の管状部材２０にパイプ４０Ａを取り付け、他方の管状部材２０にパイプ４０Ｂを取り付ける。パイプ４０Ａおよび４０Ｂは、熱融着ポリオレフィン系樹脂製であり、例えばポリプロピレン樹脂製である。パイプ４０Ａおよび４０Ｂには、バルブ４１Ａおよび４１Ｂが設けられていることが好ましい。

一方のパイプ４０Ａに減圧ポンプ５０を接続する。他方のパイプ４０Ｂには、電解液６０を注入する準備をする。まず、他方のパイプ４０Ｂのバルブ４１Ｂを閉じた状態で、減圧ポンプ５０を駆動して、電池容器２の内部を減圧する。減圧の程度は特に制限されないが、１００Ｐａ程度にまで減圧すればよい。ここで、電池容器２の内部、および電極ユニット３に含まれるガスおよび水蒸気を除去することが好ましい。

電池容器２の内部を減圧した後、他方のパイプ４０Ｂのバルブ４１Ｂを開放して、電解液６０を電池容器２の内部に徐々に注入する。このとき、減圧ポンプ５０は駆動したままであることが好ましい。電池容器２の内部に電解液６０が満たされて、さらにパイプ４０Ａに電解液６０が浸入したら、パイプ４０Ａのバルブ４１Ａを閉じる。それにより、電池容器２の内部に電解液６０が封入される。

その後、パイプ４０Ａおよびパイプ４０Ｂを熱融着等により封止後、切断することで、図２に示されるような、電解液が密封された電解液電池１を得る。

本発明の電解液電池の製造方法によれば、電解液を注入する前に、電極ユニットを内包する電池容器の内部を減圧することで、電極ユニットが有する気体や水分を除去している。さらに、環境中のガスと触れることなく電解液を注入することができる。また、電解液注入後のパイプも簡便に熱融着で封止することができる。そのため、注入した電解液に気体や水分が混入しにくいことから、電解液電池の性能が向上する。

本発明の電解液電池は、簡便な工程にて作製され、電解液へのガスや水分の混入が抑制されている。したがって本発明の電解液電池は、リチウムイオン二次電池を始めとする非水系電解液電池として好ましく用いられる。

１電解液電池
２電池容器
３電極ユニット
３ａ正極
３Ａ正極板
３ｂ負極
３Ｂ負極板
３Ｃセパレータ
４電解液
５管状部材
６封止パイプ
２０管状部材
２１金属フィルム
２２熱融着性ポリオレフィン系樹脂層
３０外装フィルム
３１金属フィルム
３２熱融着性ポリオレフィン系樹脂層
３３穴
４０Ａ，４０Ｂパイプ
４１Ａ，４１Ｂバルブ
５０減圧ポンプ
６０電解液

Claims

電極ユニットと電解液とを収容し、外装フィルムからなる電池容器を有する電解液電池であって、
前記電池容器を貫通する、２以上の閉塞された管状部材をさらに有し、
前記外装フィルムは、金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有し、かつ前記管状部材は、金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有し、
前記外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と、前記管状部材の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とは熱融着されている、電解液電池。
前記電解液は非水電解液である、請求項１に記載の電解液電池。
前記熱融着性ポリオレフィン系樹脂層が、変性ポリプロピレン又はポリプロピレンである、請求項１に記載の電解液電池。
電極ユニットと電解液とを収容し、外装フィルムからなる電池容器を有する電解液電池の製造方法であって、
金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる外層とを有する管状部材を２つ以上準備する工程と、
金属フィルムと熱融着性ポリオレフィン系樹脂層からなる内層とを有し、２以上の穴が形成された外装フィルムを準備する工程と、
前記管状部材を、前記外装フィルムの２以上の穴にはめ込み、前記管状部材の熱融着性ポリオレフィン系樹脂層と前記外装フィルムの熱融着性ポリオレフィン系樹脂層とを融着させる工程と、
前記外装フィルムを、電極ユニットを包みこむように袋状にする工程と、
前記一方の管状部材を通して前記袋状の外装フィルムの内部を減圧し、かつ前記他方の管状部材を通して前記袋状の外装フィルムの内部に電解液を注入する工程と、
を含む、電解液電池の製造方法。