JP2012033277A

JP2012033277A - 積層型二次電池

Info

Publication number: JP2012033277A
Application number: JP2010169174A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Sato; 哲也佐藤
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】気密性の低下や内部短絡が抑制され、より高い安定性を有する積層型二次電池を提供する。
【解決手段】積層型二次電池は、複数の電極シート１が積層された電極積層体２と、各々の電極シート１に設けられたリード部４と、電極積層体２を密閉収納する容器３であって、リード部４を容器３の外部へ挿通するための挿通口５を有する容器３と、を備える。リード部４がシート形状で電極シート１から一体に形成されており、挿通口５を通過する各々のリード部４の平坦な面が重ならない方向に沿って一列に配列されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力の充放電を行うための積層型二次電池に関する。特に、高い気密性を有する積層型二次電池に関する。

積層型二次電池として、正極及び負極の電極シートが交互に積層された電極積層体を、電解液とともに容器に密閉収納したものが知られている。

積層型二次電池には、電極積層体への電力の供給や電極積層体からの電力の放出を行うためのリード部が、容器を挿通するように設けられている。リード部を、電極シートと一体に成形されるシート形状とすることによって、電極シートとリード部との接続部における電気抵抗や、リード部自身の電気抵抗が抑制されるため、電極積層体の内部抵抗を低くすることができる。

そのため、積層型二次電池は充放電レートが比較的高く、充放電サイクル特性や急速充電特性に優れたものとして注目され、近年では電気自動車、ハイブリッド自動車や電気自転車などにも使用されている。さらに、電気自動車やハイブリッド自動車の普及に伴って積層型二次電池の高容量化の要求が高まっている。

しかしながら、高容量化の要求に応えられる高容量の積層型二次電池は単体では実現しておらず、複数の積層型二次電池を直列または並列に接続した組電池とすることによって高容量化が行われている。

組電池においては、使用される積層型二次電池のうちの一つにでも性能低下が発生すると、組電池の全体の性能へ影響を及ぼす。そのため、従来の単体で使用される積層型二次電池に比べて、組電池で使用される積層型二次電池にはより高い安定性が求められている。

積層型二次電池の安定性を低下させる要因の一つとして、容器に設けられた、リード部を挿通するための挿通口における気密性の不足が挙げられる。特に、複数のリード部が積層された状態で挿通口に設けられていると気密性が低下しやすい。そこで、特許文献１では、複数のリード部を容器の内部において一つにまとめて容器を挿通する積層型二次電池が開示されている。

図５は、特許文献１に開示されている積層型二次電池の、電極シートの積層方向と垂直な方向から見たときの断面図である。図５に示すように、特許文献１では、複数の正極及び負極の電極シート１が交互に積層された電極積層体２が、容器３に密閉収納されている。各々の電極シート１にはリード部４が一体成形されており、さらに複数のリード部４が、容器３に設けられた挿通口５を挿通する一つの端子６に、容器３の内部で接続されている。

特許文献１に開示されている積層型二次電池では、一つの端子６が挿通口５に設けられているため、複数のリード部４が積層された状態で挿通口５に設けられた場合よりも、容器３の挿通口５における気密性を高めることができる。

特開平８−８８０２１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている積層型二次電池では、リード部４と端子６との接続部が容器３の内部に配置されなければならない。

また、該接続部の接続強度を高めるために、リベットによる圧着や、レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、超音波溶接及び抵抗溶接などの方法が用いられる。リード部４と端子６との圧着や溶接を行うときに金属異物が発生し、電極シート１同士の間に入り込むことがある。その場合、積層型二次電池の内部短絡を引き起こす可能性があり、短絡に至らないまでも安定性の低下が懸念されるため、金属異物の除去等が必要となり、製造工程も複雑になる。

そこで、本発明は、気密性の低下や内部短絡が抑制され、より高い安定性を有する積層型二次電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の積層型二次電池は、複数の電極シートが積層された電極積層体と、各々の電極シートに設けられたリード部と、電極積層体を密閉収納し、リード部を容器の外部へ挿通するための挿通口を有する容器と、を備える。リード部がシート形状で電極シートから一体に形成されており、挿通口を通過する各々のリード部の平坦な面が重ならない方向に一列に配列されていることを特徴とする。

本発明によれば、気密性の低下や内部短絡が抑制され、より高い安定性を有する積層型二次電池が提供される。

本発明の実施形態における積層型二次電池の断面図である。本発明の実施形態における積層電極体の上面図である。電極シート及びリード部の元となる帯状の集電体の上面図である。電極シート及びリード部の切断方法を示す図である。従来における積層型二次電池の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態における積層型二次電池の断面図である。図１に示すように、積層型二次電池は、複数の電極シート１が積層された電極積層体２と、電極積層体２を密閉収納する容器３と、を備えている。

電極積層体２では、正極の電極シート１と負極の電極シート１とが交互に積層されている。電極積層体２は電解液（不図示）とともに容器に収納されており、電力を充放電することができるようになっている。

本実施形態では、正極と負極とを隔離するために、正極の電極シート１と負極の電極シート１との間にセパレータ７が配されている。セパレータ７に、電解液を保持して正極と負極との間のイオン伝導性を確保する機能を持たせることもできる。

積層型二次電池では、導電性となるイオンが正極に存在し、負極が該イオンの受容体であるため、正極の電極シート１の対面に負極の電極シート１が存在する必要がある。そのため、電極積層体２の最外層に配置される電極シート１は、負極となっている。

電極シート１は、金属箔などからなる集電体８の表面に、電気を蓄えるための活物質層９が形成されているものである。

正極の電極シート１の集電体８としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属箔が一般的に用いられ、負極の電極シート１の集電体８としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属箔が用いられる。もちろん、いずれもこれらに限られない。集電体８の厚さは、５μｍ〜５０μｍ程度が望ましい。

正極の電極シート１の活物質層９には、リチウムを吸蔵又はインターカレーションできるＬｉ_xＣｏＯ₂等の金属酸化物系化合物、Ｌｉ_xＴｉＳ₂等のカルコゲナイト系化合物が用いられる。負極の電極シート１の活物質層９には、リチウムをインターカレーション又はドーピングできる炭素材が一般的である。正極、負極の活物質層９に、上記以外の材料を用いてもよい。

電極積層体２の積層枚数は、負極の電極シート１を３〜２０枚程度とするのが望ましい。

容器３の材料は、高いバリア性を有するナイロン、アルミニウム及びポリプロピレンの３層構造のラミネートフィルムが好ましいが、その他のバリア性を有するフィルムに置き換えることもできる。容器３は、それぞれが凹部を持つ一対の容器本体を接合してなる。電極積層体２は、電極シート１が積層されている方向から一対の容器本体に挟まれている。

なお、容器３は、一方の容器本体が凹部を備え、他方の容器本体が平板形状を有する一組の容器本体を接合してなるものであってもよい。このような容器３においても、電極積層体２は、電極シート１が積層されている方向から一組の容器本体に挟まれるように設けられる。

一方の容器本体の凹部内に電極積層体２を収納し、他方の容器本体でその凹部の開口を覆った後に、両方の容器本体を互いに熱溶着することによって電極積層体２が容器３に密閉収納される。

凹部を備える容器本体は、電極積層体２を収納するために絞り加工により形成されている。この加工の際に、３層構造のラミネートフィルムの場合、バリア性を高めるためにポリプロピレンが容器３の内側になるようにされている。

各々の電極シート１には、電極積層体２へ電力を供給し、また電極積層体２から電力を放出するためのリード部４が設けられており、リード部４が挿通される挿通口５が容器３に設けられている。

挿通口５は、一方と他方の容器本体における凹部の開口縁面の間に形成されている。両方の容器本体を互いに熱溶着するときに、挿通口５も熱溶着されるため、挿通口５を密閉する工程を短縮することができる。

ここで、本実施形態におけるリード部４について、図１及び図２を用いて詳述する。図２は、電極積層体２を、電極シート１の積層方向から見たときの上面図である。図２では、電極シート１の外形形状を把握し易いように、活物質層９の記載を省略しており、また電極シート１の積層位置をわずかにずらして描いている。

図１に示すように、各々のリード部４は、シート形状で電極シート１から一体に形成されている。具体的には、集電体８の表面に活物質層９が形成された領域が電極シート１を構成しているが、この領域の外側へ集電体８が延出している領域がリード部４となっている。電極シート１とリード部４とが一体に形成されているため、電極シート１とリード部４とを溶接等により機械的に接続した場合よりも電気抵抗を抑制することができる。

また、挿通口５を通過しているリード部４の平坦な面が、重ならない方向（図１における紙面と垂直な方向）に沿って一列に配列されている。したがって、本実施形態では、シート形状のリード部４が、積層されていない状態で挿通口５に配されているため、リード部４が積層されて挿通口５に配される場合に比べて挿通口５の気密性を高めることができる。

複数の電極シート１のうちの一の電極シート１に設けられたリード部４と、他の電極シート１に設けられたリード部４とは、電極シート１が積層される方向において重ならないように形成されている。シート形状のリード部４が重なっていないことから、リード部４の厚みを増せば挿通口５における気密性をほとんど低下させることなく、電気抵抗を抑制することができる。

本実施形態では、電極積層体２は、電極シート１が積層されている方向から一対の容器本体に挟まれることによって容器３に収容されている。したがって、一方の容器本体の凹部内に電極積層体２を収納したときに、リード部４の平坦な面が一方の容器本体の開口縁面に平行に配置される。その結果、リード部４はねじれることなく挿通口５を通過し、リード部４の耐久性の低下を抑制することができる。

また、挿通口５は、一対の容器本体における凹部の開口縁面の間に形成されているため、両方の容器本体の接合部を熱溶着するときに挿通口５も熱溶着される。したがって、挿通口５を密閉する工程と、容器本体を接合する工程とを同時に行うことができ、工程を短縮することが可能になる。

さらに、本実施形態では、挿通口５が非導電性樹脂１０で溶着されており、挿通口５の気密性がより高められている。挿通口５が非導電性樹脂１０を用いて溶着されることにより、リード部４から容器３への電流の流出を防ぐことができる。非導電性樹脂１０としては、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの樹脂を用いることができるが、これらに限るものではない。

本発明によれば、リード部４が積層されていない状態で挿通口５に配されるため、挿通口５の気密性を高めることができる。また、容器３の内部において、リード部４と別の接続端子との圧着部や溶接部がないため、金属異物が発生せず、積層型二次電池の内部短絡を防ぐことができる。その結果、より高い安定性を有する積層型二次電池が提供される。

また、電極積層体２から容器３の外部に接続される別の接続端子を用いる必要がないため、材料費及び加工費のコスト削減が可能となる。

図１及び図２に示すように、正極のリード部４と負極のリード部４とを、異なる位置に設けられた複数の挿通口５に配すことによって、リード部４による短絡を防ぐことも可能である。

次に、本実施形態における積層型二次電池の製造方法の一例について、図３及び図４を用いて説明する。

図３は、電極シート１及びリード部４の元となる帯状の集電体８の上面図である。図３に示すように、集電体８の表面に活物質層９を形成する。活物質層９の形成は、活物質、バインダー材、導電化材、及び溶媒を混合してペースト状になったスラリーを、集電体８の表面にコーティング装置を用いて塗工し、その後加熱乾燥させることによって行われる。

集電体８はロール形状に巻き取られており、集電体８を巻き出しながらスラリーを塗工していく。活物質層９を形成する領域とそれを形成しない領域とを交互に集電体８に設けるため、スラリーの塗工を間欠的に行う。

コーティング装置においては特に限定しないが、集電体８が帯状になっているため、ロールコーター、グラビアコーター、カーテンコーター、ダイコーター等の連続塗工できる装置が望ましい。また、スラリーの塗工部と未塗工部とを交互に形成するため、間欠塗工できる装置が望ましい。

スラリーの塗工は集電体８の表裏に対して行う。集電体８の一方の面における塗工が完了した後に集電体８の他方の面に同様の塗工を行う。その後、形成された活物質層９の密度向上を目的として、ロールプレスマシンにて集電体８及び活物質層９の圧縮を行う。

その後、活物質層９が形成されていない位置に非導電性樹脂１０の層を形成する。非導電性樹脂１０の層は、リード部４の、挿通口５が位置する領域に形成すればよい。なお、ここでは非導電性樹脂１０をリード部４側に配置しているが、容器３側の挿通口５が位置する領域に非導電性樹脂１０を配置してもよく、あるいはリード部４および容器３の両方に非導電性樹脂１０を配置してもよい。

集電体８及び活物質層９を乾燥させて水分を除去したのち、所定の寸法に切断して正極及び負極の電極シート１を形成する。図４は、集電体８の切断方法を説明するための図である。

図４に示すように、活物質層９が形成された領域と、非導電性樹脂１０の層が形成された領域と、活物質層９及び非導電性樹脂１０の層が形成されていない領域と、を含むように集電体８を切断する（図４に示す鎖線）。活物質層９が形成されている領域が電極シート１となり、活物質層９が形成されていない領域がリード部４となる。

切断方法としては、レーザーの照射や金型による打ち抜き等が挙げられるが、これらに限るものではない。

図４（ａ）に示される図では、一つの集電体８から、同じ位置に形成されたリード部４を有する電極シート１が複数得られる様になっている。リード部４が同じ位置に形成された電極シート１を一つの集電体８から形成することによって、レーザーの照射位置や金型の形状の変更に係る工程を短縮することができる。

図４（ａ）に示す電極シート１及びリード部４が、図１又は図２に示す電極積層体２のうちの一の電極シート１及びリード部４である。また、図４（ｂ）に示す電極シート１及びリード部４が、図１又は図２に示す電極積層体２のうちの他の電極シート１及びリード部４である。

電極シート１の、リード部４が設けられる位置は、各々の電極シート１によって異なる。具体的には、図４（ｂ）に示されるリード部４の位置は、図４（ａ）に示されるリード部４の位置から集電体８の短手方向へ、集電体８の短手方向におけるリード部４の幅の分だけ少なくとも移動した位置に形成する。

その後、図１に示すように、負極及び正極の電極シート１を交互に積層し、電極積層体２を形成する。このとき、セパレータ７を負極及び正極の電極シート１の間に挟んでもよい。本実施形態では、正極の電極シート１に形成されたリード部４と、負極の電極シート１に形成されたリード部４と、が電極シート１から異なる方向に引き出されるように、電極シート１を積層している。

次に、電極積層体２を容器３の一方の容器本体の凹部に収納し、一方の容器本体の凹部の開口を他方の容器本体で覆う。このとき、リード部４の非導電性樹脂１０が形成されている領域を挿通口５に配置する。

続いて、両方の容器本体の接合部を互いに熱溶着し、電極積層体２を容器３に密閉収納する。容器本体を熱溶着するときに、挿通口５において非導電性樹脂１０が容器３と熱溶着されるため、挿通口５の気密性が高められる。

なお、容器本体を熱溶着するときに、両方の容器本体の接合部のうちの所定の一部を熱溶着しないでおき、該所定の一部から電解液（不図示）を適量注入する。その後、該所定の一部を熱溶着して電極積層体２及び電解液を容器３に密閉収納することで積層型二次電池を得ることができる。

電解液を注入するための所定の一部は、挿通口５が設けられている位置とは異なる位置としたほうがよい。電解液を注入するときに挿通口５を溶着しておくことによって、リード部４の位置が固定されるためである。

（実施例）
上記実施形態の積層二次電池として、負極を１０層、正極を９層積層したリチウムイオン二次電池を製造し、耐湿負荷試験を行った。

リチウムイオン二次電池として、３層構造のラミネートフィルムからなる容器３を、１７０℃で熱溶着したものと１８０℃で熱溶着したものとをそれぞれ５つずつ用意した。耐湿負荷試験として、６０℃９０％ＲＨの雰囲気に５００時間放置する条件で行った。

その結果、本実施形態のリチウムイオン二次電池では、いずれも漏液は確認されなかった。すなわち、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池は気密性が充分に確保されていることが確認された。

（比較例）
また、比較例として、図５に示される、３層構造のラミネートフィルムからなる容器３の内部でリード部４を端子６に接続し、端子６を挿通口５から引き出したリチウムイオン二次電池を製造し、耐湿負荷試験を行った。負極、正極の積層数、および容器３の熱溶着条件は、前述のリチウムイオン二次電池と同じ積層数および熱溶着条件とし、それぞれ５つずつ用意した。耐湿負荷試験の条件も前述のものと同じ条件とした。

その結果、比較例として用いたリチウムイオン二次電池のうちの、１７０℃で熱溶着したリチウムイオン二次電池の１つに漏液が確認された。すなわち、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、比較例のリチウムイオン二次電池よりも気密性が向上していることが確認された。

なお、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池について、上記耐湿負荷試験とは別に製造したリチウムイオン二次電池を分解したところ、金属異物は発見されなかった。これは、接続端子を使用していないためである。

１電極シート
２電極積層体
３容器
４リード部
５挿通口
６端子
７セパレータ
８集電体
９活物質層
１０非導電性樹脂

Claims

複数の電極シートが積層された電極積層体と、
各々の前記電極シートに設けられたリード部と、
前記電極積層体を密閉収納し、前記リード部を容器の外部へ挿通するための挿通口を有する容器と、を備える積層型二次電池であって、
前記リード部がシート形状で前記電極シートから一体に形成されており、
前記挿通口を通過する各々の前記リード部の平坦な面が重ならない方向に一列に配列されていることを特徴とする積層型二次電池。
前記容器は、少なくとも一方が凹部をもつ一組の容器本体からなり、
前記電極積層体が、前記電極シートが積層されている方向から前記一組の容器本体に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の積層型二次電池。
前記容器が、それぞれが凹部をもつ一対の容器本体からなり、
前記電極積層体が、前記電極シートが積層されている方向から前記一対の容器本体に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の積層型二次電池。
前記挿通口が、前記容器本体における凹部の開口縁面の間に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の積層型二次電池。
前記挿通口が非導電性樹脂を用いて溶着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の積層型二次電池。