JP2011181395A - 積層型リチウムイオン二次電池及びその製造方法と製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正極板と負極板間の位置ずれによる短絡を確実に防ぐことができると共に、位置決め精度が良く、且つ生産効率に優れ従来に比べ生産性を向上させることができる積層型リチウムイオン二次電池及びその製造方法と製造装置を提供する。
【解決手段】正極板２を連続帯状のセパレータ７で挟さんで所定数所定間隔で配置して、正極板２間の中間部及び底部に位置するセパレータ７をヒートシールして正極板包装体１０を得、それをジグザグ状に屈曲してジグザグ状正極板包装体３１を形成し、該ジグザグ状正極板包装体の屈曲部間に負極板８を両側から挿入して積層する。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型リチウムイオン二次電池、特にその電極の積層構造及び積層方法並びにその製造装置に関する。

積層型リチウムイオン二次電池の電極は、金属箔からなる導電性芯体に活物質層を形成したシート状の正極板と負極板をセパレータを介して積層し、それぞれを金属タブに接続して構成されている。セパレータとしては、従来正極板と負極板間にシート状のセパレータを挟み積層したものの他、正極板を袋状のセパレータに挿入したもの（例えば特許文献１〜３参照）が知られている。また、セパレータの他の形態として、セパレータを帯状の連続体に形成して、該連続体を上下に波打つようにジグザグ折りし、このジグザグ折りされた連続体の各谷溝内に正極板と負極板を交互に挿入したものも提案されている（特許文献４、５）。

特開平７−２７２７６１号公報 特開２００８−９１１００号公報 特開２００９−２８９４１８号公報 特開２００９−１５８３１７号公報 特開２００９−１５８４０６号公報

積層型リチウムイオン二次電池の正極板と負極板及びセパレータは、厚さが数１０〜数１００μｍと薄く、積層時の取扱いが困難であり、しかも位置ずれが生じ易い。積層時に位置ずれが生じると充放電の繰り返しによる性能の低下ばかりでなく、正極と負極が接触することによるショートの発生原因ともなるので、高精度の位置決めが要求される。従来提案されている前記方法のうち、前者の方法は正極を袋状のセパレータに挿入するので、また後者の方法はジグザグ状に屈曲した谷溝間に反対方向から正極板及び負極板を交互に挿入するので、正極板と負極板が短絡することを効果的に防ぐことができるが、何れも製造効率が悪く、生産性に劣ると共に、位置決め精度も未だ満足するものではない。
そこで、本発明は、従来の積層型リチウムイオン二次電池における上記問題点を解決しようとするものであり、正極板と負極板間の位置ずれによる短絡を確実に防ぐことができると共に、位置決め精度が良く、且つ生産効率に優れ従来に比べ生産性を飛躍的に向上させることができる、積層型リチウムイオン二次電池及びその製造方法と製造装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決する本発明の積層型リチウムイオン二次電池は、正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる積層型リチウムイオン二次電池において、前記正極板が連続帯状のセパレータで挟さまれて所定数所定間隔で配置されて、前記正極板間の中間部及び底部に位置する前記セパレータがヒートシールされ、且つ前記中間部よりジグザグ状に屈曲してジグザグ状正極板包装体が形成され、該ジグザグ状正極板包装体の屈曲部間に前記負極板が挿入されて積層されてなることを特徴とするものである。
前記中間部のヒートシールが前記正極板間のセンターラインを挟む２本のサイドシール線によって形成することによって、正確な位置でジグザグ屈曲させることができるので、望ましい。

上記問題点を解決する本発明の積層型リチウムイオン二次電池の製造方法は、２枚の連続シート状のセパレータ間に、正極板を所定ピッチで送って前記正極板のタブ部以外の上下面を前記セパレータで覆って挟む工程、前記正極板間の中間部及び底部に位置する前記セパレータをヒートシールして正極板とセパレータが一体となった正極板包装体を得るシール工程、該正極板包装体を正極板間の中間からジグザグ状に屈曲させてジグザグ状正極板包装体を得る屈曲工程、該ジグザグ状正極板包装体の両側に開口する三角状開口空間に両側から負極板を挿入する負極板挿入工程、負極板が挿入されたジグザグ状正極板包装体を相対的に押圧して扁平の積層体を得る押圧工程からなることを特徴とするものである。

上記問題点を解決する本発明の積層型リチウムイオン二次電池の製造装置は、正極板を上下一対のセパレータ間に搬送供給する正極板搬送手段、連続帯状の上部セパレータを供給する上部セパレータ供給手段、連続帯状の下部セパレータを供給する下部セパレータ供給手段、前記正極板を上下の前記セパレータで挟み込み所定間隔でセパレータフイル間に配置する正極板挟み込み手段、前記正極板間の中間部及び底部に位置する前記セパレータをヒートシールして正極板包装体を形成するヒートシール手段、前記正極板包装体を正極板間の中間からジグザグ状に屈曲させてジグザグ状正極板包装体を得る屈曲手段、該ジグザグ状正極板包装体の屈曲部間に前記負極板を挿入する負極板挿入手段を備えてなることを特徴とするものである。

本発明の積層型リチウムイオン二次電池は、正極板は予め連続帯状のセパレータ間に挟んで三方をシールしているため、セパレータに対する正極板の位置決めが正確にでき、かつそれをジグザグ状に屈曲してジグザグ状正極板包装体を形成しているので、該ジグザグ状正極板包装体に負極板のみを挿入することによって簡単に正極板・セパレータ・負電極の多層積層ができ、積層型リチウムイオン二次電池の製造工程で解決すべき大きな技術的課題であった積層技術を克服できた。しかも、従来のジグザグ状セパレータに両側から正極板と負極板を交互に挿入して積層する場合と比べて正極板と負極板との間に位置ずれが生じ難く、位置決め精度の高い積層型リチウムイオン二次電池を容易に得ることができる。また、負電極はジグザグ状正極板包装体に対して両側から一斉に挿入できるので、従来の片側のみからしか挿入できなかったものと比べて、２倍の高速化が可能となり、生産性を著しく向上させることができる。従って、本発明の積層型リチウムイオン二次電池の製造方法によれば、従来高速化が困難であった正極板・セパレータ・負極板の積層が効率よく且つ安定して容易にでき、安価に得ることができる。また、その製造装置も特にジグザグ状正極板包装体への挿入は負極板のみであるから、装置を小型化でき省スペースを図ることもできる。

本発明の実施形態に係る積層型リチウムイオン二次電池の積層電極の模式図である。 本発明の実施形態に係る積層型リチウムイオン二次電池の製造装置の模式図である。 製造工程における正極板包装体の平面模式図である。

以下、本発明の実施形態に係る積層型リチウムイオン二次電池と、その製造方法及び製造装置を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明に係る積層型リチウムイオン二次電池の積層電極１示す模式図であり、分かりやすくするために、後述するジグザグ状正極板包装体３１を縦に引き伸ばして屈曲部間に断面三角状の開口部が形成されている状態で示されているが、実際の積層型リチウムイオン二次電池は、折り畳まれて扁平状に積層されている状態にある。正極板２は、図３に示すように、従来の正極板と同様に矩形状のアルミニウム箔からなる芯体の上部にタブ４を残して全面に正極活物質層５が設けられている構造となっている。本発明の積層型リチウムイオン二次電池の特徴点は、該正極板２が複数枚(図示の実施形態では１５枚)を２枚の連続シート状のセパレータ７間に、タブ４側を残して３方をシールされた状態で横方向に所定間隔で配置され、正極板２とセパレータが一体となった正極板包装体１０を得、該正極板包装体１０を正極板間の中間からジグザグ状に折り畳み、該ジグザグ状正極板包装体の両側に開口する三角状開口空間に両側から負極板８を挿入し、それを上下に押圧して、扁平の積層体に構成されていることである。

以上のような構造の積層型リチウムイオン二次電池の電極板構造は、従来のセパレータをジグザグに屈曲してその屈曲開口部に両側から正極板と負極板を交互に挿入したものと比べて、正極板は予めセパレータ間に位置決め固定されており、シグザグ状セパレータへの後工程での挿入は負極板のみであるから、正極板と負極板との間にずれが生じ難く、位置決め精度の高い積層型リチウムイオン二次電池を得ることができる。また、負極板をジグザグ状のセパレータに対して両側から一斉に挿入できるので、従来の片側のみからしか挿入できなかったものと比べて、２倍の高速化が可能となり、生産性を著しく構造させることができる。

図２は、本発明に係る積層型リチウムイオン二次電池の製造工程及び製造装置を模式的に示し、図３はその要部の拡大平面図である。
図２において、１１はホッパー１２に積まれた正極板２をラインに取出して供給するピックアップ部であり、マニピュレータ等の適宜の手段が採用できる。本実施形態では、後述する搬送コンベアへの載置に対しての位置決め精度をより高めるために、位置規制部１３でセパレータに対する左右上下方向を整える位置規制をしてから搬送コンベヤ１４に供給するようにしている。搬送コンベヤ１４は真空吸着コンベヤ等の吸着コンベヤを採用し、搬送中の正極板２に位置ずれが起こらないよう工夫してある。

１５は上部セパレータ供給部であり、ロール状に巻かれた連続帯状の上部セパレータ７−１をラインに供給し、同じく１６は下部セパレータ７−２をラインに供給する下部セパレータ供給部であり、前記搬送コンベア１４の下流端に、正極板２を挟むように上方及び下方から連続帯状のセパレータを同期して供給する。上部セパレータ７−１及び下部セパレータ７−２は、共に例えばポリプロピレン等の熱融着可能な樹脂フィルムで形成されている。上部セパレータ供給部１５及び下部セパレータ供給部１６とも、それぞれセパレータを正確にラインに供給するために、蛇行防止又は蛇行を検出して自動的に修正する蛇行修正手段を備えている。該手段は公知の手段を適宜採用できるので、詳細な説明は省略する。上部セパレータ供給部１５及び下部セパレータ供給部１６から供給されるそれぞれのセパレータは、上下一対の包み込みロール１７−１、１７−２で互いに対向するように屈曲され、該ロールによって屈曲された上セパレータ７−１及び下セパレータ７−２間に搬送コンベヤ１４から正極板２が所定ピッチで送り込まれ、正極板は上下からセパレータで挟まれて以後上下のセパレータと一体となって搬送される。その際、図に示すように、正極板２は上方のタブ部４のみがセパレータの上縁から突出した状態で正確に上下のセパレータと直角になった状態で挟まれて搬送される。

そして搬送中に、正極板２間の中間部に位置する上セパレータ及び下セパレータの部分をサイドシーラー２０で上下から加熱押圧して、ヒートシールする。サイドシールは、後述するように正極板包装体をジグザグに折り畳む場合、シール部で折り畳むと、シール部は硬くて屈曲部がずれてしまうことがあり、正確に中間部で平行に屈曲させることが困難である。本実施形態では、その問題を解決するために、図３に破線で示すようにサイドシールは、正極板間の中心線２２を挟んで２本の線状のシールライン２１−１、２１−２を形成してシールしてある。それにより、ジグザグに屈曲させる場合、ちょうど中心線２２に沿って屈曲しやすくなり、正確にジグザグに屈曲させることが可能となる。

次いで、下部シーラー２５で下部を定寸にヒートシールする。下部シーラー２５は図示のように間欠的に上下動して下部を連続状にヒートシールしても良く、あるいは上下から加熱ローラで挟んで連続状態でヒートシールしてもよく、任意の形態が可能である。なお、図示の実施形態では、サイドシール後に下部シールを行っているが、底部シールを行ってからサイドシールを行ってもよい。

以上のようにして、正極板２は連続の帯状のセパレータに所定間隔で包装されて端部ローラ２６から垂下状態に送り出される。そして、その下流側で図示しないジグザグ屈曲手段によって、図２に示すようにサイドシール部から交互にジグザグ状に屈曲される。該ジグザグ屈曲は、積層型リチウムイオン二次電池の所定積層数（図示の実施形態では、正極板３０枚）だけ行われ、所定枚数に達するとカッター３０により切断され、１個の正極板包装体１０が得られるようになっている。カッターの下流側には、図示してないが、ジグザグ状正極板包装体３１のジグザグの開き角度を整え、屈曲線が等ピッチとなるように保持する等ピッチ係合手段を有し、所定枚数の正極板が図示のように正確なピッチで屈曲した状態に保持される。その状態で、左右から図示の実施形態では１５枚づつ合計３０枚の負極板８が一斉に正極板包装体の屈曲開口部に挿入される。

なお、正極板包装体のジグザグ開口部に正確に負極板を送り込むことができるように、本実施形態では、正極板の場合と同様に、負極板ホッパー３５に積まれた負極板８を一旦位置決め規制部３６に取出し、該位置決め規制部から、ジグザグ屈曲部の等ピッチ係合手段のピッチと同ピッチで搬送されるカセット３７に移載される。そして、カセットで位置決め後、ジグザグ状正極板包装体のジグザグ開口部に向けて横方向に移動することにより、負極板８を挿入することができる。負極板ホッパー３５はジグザグ状の正極板包装体の片側にのみしか示されていないが同様に両側にある。

その後、カッターが作動して連続包装体から切り離して、上方向に持ち上げて押圧することにより、正極板と負極板がセパレータを介して積層された積層電極が得られる。以上のように、本実施形態の装置及び方法によれば、特に正極板はセパレータに所定間隔で包装された状態でジグザグ状（蛇腹状）に屈曲し、該ジグザグに屈曲した状態で左右の両側から負極板を挿入できるので、負極板の挿入時間を半減でき生産性を飛躍的に向上させることができる。得られた積層電極の正極板のタブは全て一方向に向いており、タブ４同士を連結して正極端子を構成する。図２に示す本実施形態では、正極板と負極端子が互いに反対側に出るように設定してあるが、必要に応じて正極板の端子と同じ側に出るようにすることも可能である。

本発明によれば、積層型リチウムイオン二次電池の生産性を飛躍的に高めることができ、電気自動車用や種々の電気駆動製品の電源用あるいはバックアップ用電源としての積層型リチウムイオン二次電池の製造に広く適用することができる。

１ 積層電極 ２ 正極板
３ 芯体 ４ タブ
５ 正極活物質層 ７ セパレータ
７−１ 上セパレータ ７−２ 下セパレータ
８ 負極板 １０ 正極板包装体
１１ ピックアップ部 １２ ホッパー
１３ 位置規制部 １４ 搬送コンベヤ
１５ 上部セパレータ供給部 １６ 下部セパレータ供給部
１７ 積込みロール ２０ サイドシーラー
２１−１ シールライン ２１−２ シールライン
２５ 下部シーラー ２６ 端部ローラ
３０ カッタ ３１ ジグザグ状正極板包装体
３５ ホッパー ３６ 位置決め規制部
３７ カセット

Claims (4)

1. 正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる積層型リチウムイオン二次電池において、前記正極板が連続帯状のセパレータで挟さまれて所定数所定間隔で配置されて、前記正極板間の中間部及び底部に位置する前記セパレータがヒートシールされ、且つ前記中間部よりジグザグ状に屈曲してジグザグ状正極板包装体が形成され、該ジグザグ状正極板包装体の屈曲部間に前記負極板が挿入されて積層されてなることを特徴とする積層型リチウムイオン二次電池。
2. 前記中間部のヒートシールが前記正極板間のセンターラインを挟む２本のサイドシール線によって形成されている請求項１に記載の積層型リチウムイオン二次電池。
3. ２枚の連続シート状のセパレータ間に、正極板を所定ピッチで送って前記正極板のタブ部以外の上下面を前記セパレータで覆って挟む工程、前記正極板間の中間部及び底部に位置する前記セパレータをヒートシールして正極板とセパレータが一体となった正極板包装体を得るシール工程、該正極板包装体を正極板間の中間からジグザグ状に屈曲させてジグザグ状正極板包装体を得る屈曲工程、該ジグザグ状正極板包装体の両側に開口する三角状開口空間に両側から負極板を挿入する負極板挿入工程、負極板が挿入されたジグザグ状正極板包装体を相対的に押圧して扁平の積層体を得る押圧工程からなることを特徴とする積層型リチウムイオン二次電池の製造方法。
4. 正極板を上下一対のセパレータ間に搬送供給する正極板搬送手段、連続帯状の上部セパレータを供給する上部セパレータ供給手段、連続帯状の下部セパレータを供給する下部セパレータ供給手段、前記正極板を上下の前記セパレータで挟み込み所定間隔でセパレータフイル間に配置する正極板挟み込み手段、前記正極板間の中間部及び底部に位置する前記セパレータをヒートシールして正極板包装体を形成するヒートシール手段、前記正極板包装体を正極板間の中間からジグザグ状に屈曲させてジグザグ状正極板包装体を得る屈曲手段、該ジグザグ状正極板包装体の屈曲部間に前記負極板を挿入する負極板挿入手段を備えてなることを特徴とする積層型リチウムイオン二次電池の製造装置。

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