JP2013073913A - 電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセパレータを使用した電池であって、パッケージとなる外装体フィルムによる封止性能の低下を防止しつつ、パッケージ内での電極積層体の移動を有効に抑えることができる電池を提供する。
【解決手段】電池Ａが、複数の電極１と複数のセパレータ２が交互に積層された電極積層体３と、周縁部同士が互いに重ね合わされて接合されることによって電極積層体３を封入するパッケージを構成する外装体フィルム４Ａ，４Ｂと、を有している。複数のセパレータ２は、平面形状の大きなセパレータ２Ａと平面形状の小さなセパレータ２Ｂとを含み、平面形状の大きなセパレータ２Ａは、平面的に見て電極積層体３の側方に突出し、外装体フィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合部分よりも内側で外装体フィルム４Ａ，４Ｂに接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は電池とその製造方法に関する。

複数の電極と電極同士の間に挟まれるセパレータとからなる電極積層体を１対のラミネートフィルムで封止した構成の電池が存在する。このような電池において、衝撃などでラミネートフィルムパッケージ内で電極積層体が移動すると、電池として不具合が生じる可能性があるため、１対のラミネートフィルムからなるパッケージの内部で電極積層体が移動するのを抑えることが望ましい。

特許文献１に開示された構成では、少なくとも１つのセパレータが、電極積層体を構成する他のセパレータや電極よりも大きな平面形状に形成されており、その平面形状の大きなセパレータの一部が電極積層体の側方に突出するように延びている。そして、この平面形状の大きなセパレータの、電極積層体の側方に突出する部分が、１対のラミネートフィルムの周縁部に挟み込まれている。すなわち、ラミネートフィルム同士の周縁部に、セパレータの一部（延出部）が進入しており、ラミネートフィルムの周縁部同士が熱融着等により接合される際に、ラミネートフィルムの周縁部同士の間に位置するセパレータの延出部も熱融着され、電極積層体がラミネートフィルムからなるパッケージ内に固定される。

また、特許文献２に開示されている構成では、１枚のラミネートフィルムの上に電極とセパレータが交互に積層されており、電極またはセパレータが積層されるたびに、電極に接着されたタブフィルム、またはセパレータ自体が、ラミネートフィルムに熱融着等により接合されている。そして、最後に、もう１つのラミネートフィルムが被せられて、ラミネートフィルムの周縁部同士が熱融着等によって互いに接合されている。この構成によっても、電極に接着されたタブフィルムとセパレータがそれぞれラミネートフィルムに接合されているので、電極積層体のパッケージ内での移動が抑えられる。

特開２００７−３１１３２３号公報 特開２０１０−２７７９２５号公報

特許文献１の構成では、セパレータの延出部が、その周囲に位置するラミネートフィルムの周縁部同士の接合によって固定されることで、電極積層体の移動防止の信頼性は高くなるが、ラミネートフィルムネート周縁部同士の間にセパレータの延出部が介在するためラミネートフィルムの周縁部同士の接合力が低下し封止性能が低くなるという問題がある。

特許文献２には、複数のセパレータが存在する場合の構成については開示も示唆もされていない。むしろ、複数のセパレータが存在する場合を想定すると、ラミネートフィルムにより封止された空間内に、セパレータとラミネートフィルムの接合部分が多数存在してしまうばかりでなく、セパレータ毎にラミネートフィルムに対する接合箇所を確保するためにセパレータの形状が複雑化してしまう。よって、特許文献２のケースでは、複数のセパレータを想定することは現実的ではない。

そこで本発明の目的は、複数のセパレータを使用した電池であって、パッケージとなる外装体フィルムによる封止性能の低下を防止しつつ、パッケージ内での電極積層体の移動を有効に抑えることができる電池とその製造方法を提供することにある。

本発明の電池は、複数の電極と複数のセパレータが交互に積層された電極積層体と、周縁部同士が互いに重ね合わされて接合されることによって電極積層体を封入するパッケージを構成する外装体フィルムと、を有し、複数のセパレータは、平面形状の大きなセパレータと平面形状の小さなセパレータとを含み、平面形状の大きなセパレータは、平面的に見て電極積層体の側方に突出し、フィルムの周縁部同士の接合部分よりも内側でフィルムに接合されている、ことを特徴とする。

本発明によると、セパレータと外装体フィルムとが接合されているため、パッケージ内での電極積層体の移動を抑制することができると共に、外装体フィルムの周縁部同士の接合部分よりも内側で平面形状の大きなセパレータと外装体フィルムとが接合されているため、外装体フィルムの周縁部同士の接合部分にセパレータが介在することがなく、封止性能の低下を抑制することができる。更に、複数のセパレータを有する電池であってもそのうちの一部である、平面形状の大きなセパレータのみを外装体フィルムに接合しているため、接合に要するエネルギーを低減することができ、外装体フィルムの周縁部同士の接合部分へのダメージを低減することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の電池の、一方のラミネートフィルムを外した状態を示す模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 （ａ），（ｂ）は図１に示す電池の製造工程を順番に示す模式的断面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の電池の電極積層体を模式的に示す平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＹ−Ｙ線断面図、（ｃ）は１組の中間電極積層体および電極を模式的に示す、図３（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う拡大断面図である。 図３（ａ）〜３（ｂ）に示す電極積層体を含む電池を模式的に示す、図３（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。 本発明の第３の実施形態の電池ユニットを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ），（ｂ）に本発明の一実施形態の電池の模式図が示されている。図１（ａ）では、わかりやすくするために一方のラミネートフィルムを外した状態が示されている。

本実施形態の電池Ａは、リチウムイオン二次電池の例である。複数の電極１と複数のセパレータ２が交互に積層された電極積層体３が、互いに接合された１対の外装体フィルム（ラミネートフィルム）４Ａ，４Ｂからなるパッケージ内に封入された構成である。具体的には、正電極１Ａと負電極１Ｂとがセパレータ２を間に挟んで重なり合うように積み重ねられて、電極積層体３が構成されている。ここで、正電極１Ａとしては、リチウムマンガン酸化物やリチウムニッケル酸化物等を使用することができる。負電極１Ｂとしては、黒鉛、非晶質炭素等を使用することができる。セパレータ２としては、ポリプロピレンなどのポリオレフィンシートを使用できる。

セパレータ２として、平面形状の大きなセパレータ２Ａと平面形状の小さなセパレータ２Ｂの２種類が存在する。具体的には、図１（ｂ）に示すように、平面形状の大きなセパレータ２Ａと平面形状の小さなセパレータ２Ｂが積層方向に沿って交互に配置されている。本実施形態では、平面形状の小さなセパレータ２Ｂは両電極１Ａ，１Ｂより若干大きい平面形状および大きさであり、平面形状の大きなセパレータ２Ａは、両電極１Ａ，１Ｂおよび平面形状の小さなセパレータ２Ｂに比べて、長手方向（図１の左右方向）に長い形状を有している。従って、平面形状の大きなセパレータ２Ａは、一部（延出部）が電極積層体３の側方に向けて突出している。

この電極積層体３の一方の側（図１（ａ）の手前側）がラミネートフィルム４Ａによって、他方の側（図１（ａ）の奥側）がラミネートフィルム４Ｂによってそれぞれ覆われている。ラミネートフィルム４Ａとラミネートフィルム４Ｂは、周縁部同士が重ね合わされて、熱融着等によって互いに接合されている（図１（ａ）では接合部分をハッチングにて図示）。このように周縁部同士が互いに接合されたラミネートフィルム４Ａ，４Ｂによって、電極積層体３を収容するパッケージが構成されている。図示しないがパッケージ内には電解液も格納されている。ここでラミネートフィルム４Ａ，４Ｂは、接合される側から外側に向って、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂層、金属層、保護層の順に積層されたものである。

また、正電極１Ａに接続されている引き出し電極５Ａと負電極１Ｂに接続されている引き出し電極５Ｂは、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部の接合部分を通って、パッケージの外側に延出している。

そして、本発明では、パッケージ内、すなわちラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合部分よりも内側で、平面形状の大きなセパレータ２Ａの、電極積層体３の側方に突出している部分（延出部）が、超音波溶着などの方法でラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合されている（図１（ａ）では接合部分をハッチングにて図示）。

次に、図２（ａ），（ｂ）を参照して、本実施形態の電池Ａの製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、複数の電極１およびセパレータ２を積層して電極積層体３を形成する。具体的には、前記したように、負電極１Ｂ、平面形状の大きなセパレータ２Ａ、正電極１Ａ、平面形状の小さなセパレータ２Ｂの順番に繰り返し積層している。そして、負電極１Ｂに引き出し電極５Ｂを接続し、正電極１Ａに引き出し電極５Ａを接続する。図２（ｂ）に示すように、電極積層体３の一方の側にラミネートフィルム４Ａを配置し、他方の側にラミネートフィルム４Ｂを配置して、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂで電極積層体３を挟み込む。そして、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士を電解液を注入する一辺を残して互いに密着させて、熱融着等の方法で接合する。なお、電解液を注入する辺は、平面形状の大きなセパレータ２Ａが電極積層体３から突出してない辺である。そして、注入が完了したら残りの一辺も熱融着等の方法で接合する。

それから、平面的に見てラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部の内側であって、平面形状の大きなセパレータ２Ａの、電極積層体３の側方に突出した延出部に、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂを当接させて、超音波溶着等の方法で互いに接合する。これにより、ラミネートフィルム４Ａ、最外層の平面形状の大きなセパレータ２Ａ、積層方向の中間位置における平面形状の大きなセパレータ２Ａ、他方の最外層の平面形状の大きなセパレータ２Ａ、ラミネートフィルム４Ｂが積層状態で互いに接合される。こうして、図１（ａ），（ｂ）に示す電池Ａが完成する。

この電池Ａによると、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂからなるパッケージ内で、平面形状の大きなセパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂとが接合されているため、パッケージ内で電極積層体３の移動が抑制されると共に、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合部分にセパレータが介在していないため、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部における接合の信頼性低下を抑制することができる。更に複数のセパレータを有する電池であってもそのうちの一部である、平面形状の大きなセパレータのみをラミネートフィルムネート４Ａ，４Ｂと接合しているため、接合に要するエネルギーを低減することができ、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合部分に与える影響を低減することができる。

また、この電池Ａの製造方法によると、平面形状が大きなセパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの接合が行われる前に、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合が行われているため、セパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂとの接合時の、例えば熱や振動等の影響がラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合に影響せず、封止性能を確保できる。

電極積層体３において、平面形状の大きなセパレータ２Ａと平面形状の小さなセパレータ２Ｂとが積層方向に沿って交互に配置されていると、１枚おきのセパレータ２がラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合されるため、パッケージ内での電極積層体３の移動抑制に効果的である。また、１枚おきに限らず、２枚おきや３枚おき等の間隔でラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合される平面形状の大きなセパレータ２Ａが配置される構成であってもよい。枚数としては、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合される平面形状の大きなセパレータ２Ａが１枚であっても良いが２枚以上であってもよい。２枚の場合、平面形状の大きなセパレータ２Ａのうちの最も外側に位置するセパレータ２Ａ同士が接合されると、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合される２つの平面形状の大きなセパレータ２Ａで挟まれた空間に他の全ての電極１およびセパレータ２が挟み込まれるため、パッケージ内の電極積層体３の移動抑制に効果的である。

平面形状が大きなセパレータ２Ａがラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合される個所はラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部の接合箇所以外であればどこに位置していてもよいが、図１（ａ）に示すように平面形状が大きなセパレータ２Ａがラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合される個所が電極積層体に対し引き出し電極５Ａ，５Ｂの反対側の位置である場合には、同方向のパッケージ内で極積層体３の移動に対する抑制効果がある。

平面形状が大きなセパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの接合は、どのような方法（例えば超音波溶着やスポット溶接など）で行われてもよいが、超音波溶着などの加熱を伴わない方法であることが好ましい。これは、一般にラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合は熱融着によって行われることが多く、本実施形態では、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合の後に、平面形状が大きなセパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂが接合されるからである。すなわち、仮に、平面形状が大きなセパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの接合が熱融着などの方法で行われて熱が発生すると、先に接合済みであるラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合部（熱融着部）に対して熱による影響が及び接合強度が低下してしまうおそれがあるからである。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と同様の部分は同じ番号を付し詳細な説明を省略する。本実施形態では、図３（ａ）〜３（ｃ）に示すように、隣り合う２つのセパレータ２が、少なくとも一辺は未接合状態とし他の辺は予め数箇所が互いに接合され、接合された２つのセパレータ２同士の間に第１の極の電極（例えば正電極１Ａ）が介在して、中間電極体６が構成されている。中間電極体６と第２の極の電極（例えば負電極１Ｂ）とが互いに積層されることによって電極積層体３が構成されている。そして、図４に示すように、第１の実施形態と同様に、電極積層体３がラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに挟まれた状態で、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士が互いに接合され、その後に、電極積層体３内の平面形状が大きなセパレータ２Ａがラミネートフィルム４Ａ，４Ｂに接合されている。

より詳細には、本実施形態では、平面形状が大きなセパレータ２Ａと平面形状が小さなセパレータ２Ｂとが、平面的に見て、引き出し電極５Ａ，５Ｂが位置する辺に垂直な２辺に２個所ずつの合計４つの接合点７で、熱融着により互いに接合されている。これにより、２つのセパレータ２Ａ，２Ｂがいわば袋状に構成されている。そして、この袋状のセパレータ２Ａ，２Ｂの間に正電極１Ａが配置されている。こうして、中間電極体６（図３（ｃ）参照）が構成されている。さらに、図３（ａ），（ｂ）に示すように、複数の中間電極体６と複数の負電極１Ｂとが交互に積層されて電極積層体３が構成されている。その後、図４に示すように、ラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの周縁部同士の接合と、平面形状が大きなセパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４Ｂの接合が、第１の実施形態と同様の方法で行われる。

本実施形態によると、第１の実施形態と同様な効果に加えて、電極積層体３に力が加わった場合に、セパレータ２Ａとラミネートフィルム４Ａ，４ｂとの接合により、セパレータ２Ａが引っ張られると共に接合されているセパレータ２Ｂも同様に引っ張られることで、電極積層体３のパッケージ内での移動抑止に効果がある。

本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、前記した第１の実施形態または第２の実施形態と同様な電池Ａを複数重ねて筐体８に入れ、電池ユニットを構成している。本実施形態の筐体８は、積層された複数の電池Ａに対して弾性的に加圧するような形状の加圧部９ａ，１０ａをそれぞれ含む上板９と下板１０を有し、これらの上板９と下板１０とが固定具（例えばボルト１１およびナット１２）によって互いに固定されている。従って、本実施形態では、各電池Ａが加圧された状態で保持される。この加圧力は各電池Ａのパッケージ内の電極積層体３の移動を抑える力として働く。従って、電極積層体３の移動防止の効果がさらに向上する。

なお、上述した２つの実施の形態では、２枚のラミネートフィルムを互いに接合して構成するタイプのパッケージについて説明したが、１枚のラミネートフィルムを一辺で折り曲げて周囲を接合して構成するタイプのパッケージを採用してもよい。また、パッケージはフィルム状のものであれば電池のタイプはリチウムイオン二次電池に限らない。

１ 電極
１Ａ 正電極（第１の極の電極）
１Ｂ 負電極（第２の極の電極）
２ セパレータ
２Ａ 平面形状の大きなセパレータ
２Ｂ 平面形状の小さなセパレータ
３ 電極積層体
４Ａ，４Ｂ ラミネートフィルム（外装体フィルム）
５Ａ，５Ｂ 引き出し電極
６ 中間電極体
７ 接合点
８ 筐体
９ 上板
１０ 下板
９ａ，１０ａ 加圧部
１１ ボルト（固定具）
１２ ナット（固定具）
Ａ 電池

Claims (7)

1. 複数の電極と複数のセパレータが交互に積層された電極積層体と、周縁部同士が互いに重ね合わされて接合されることによって前記電極積層体を封入するパッケージを構成する外装体フィルムと、を有し、
   前記複数のセパレータは、平面形状の大きなセパレータと平面形状の小さなセパレータとを含み、前記平面形状の大きなセパレータは、平面的に見て前記電極積層体の側方に突出し、前記外装体フィルムの周縁部同士の接合部分よりも内側で前記外装体フィルムに接合されている、電池。
2. 複数の前記平面形状の大きなセパレータと、複数の前記平面形状の小さなセパレータとが、積層方向に沿って交互に配置されている、請求項１に記載の電池。
3. 前記外装体フィルムの前記周縁部同士は熱融着によって互いに接合されており、前記平面形状の大きなセパレータは超音波接合によって前記外装体フィルムに接合されている、請求項１から２のいずれか１項に記載の電池。
4. 前記電極積層体における一方の電極とセパレータは、隣り合う２つの前記セパレータが少なくとも１辺において少なくとも部分的に接合され、該接合された２つの前記セパレータ同士の間に前記一方の電極が介在した構成である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電池。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電池を含む電池ユニットであって、
   互いに重ね合わされている複数の前記電池と、
   複数の前記電池に対して、積層方向に沿う押圧力を加えつつ、複数の前記電池を収容する筐体と
   を有する電池ユニット。
6. 平面形状の小さなセパレータおよび平面形状の大きなセパレータを含む複数のセパレータと複数の電極とを交互に積層した電極積層体を、外装体フィルムによって覆うステップと
   前記電極積層体を覆う前記外装体フィルムの周縁部同士を互いに接合することによって、前記電極積層体を封入するパッケージを構成するステップと、
   前記外装体フィルムの周縁部同士を互いに接合した後で、前記複数のセパレータのうちの平面形状の大きなセパレータを、平面的に見て前記電極積層体の側方かつ前記外装体フィルムの周縁部同士の接合部分よりも内側で、前記外装体フィルムに接合するステップと、を含む電池の製造方法。
7. 前記電極積層体を封入するパッケージを構成するステップは、前記外装体フィルムの前記周縁部同士を熱融着によって互いに接合することを含み、
   前記平面形状の大きなセパレータを前記外装体フィルムに接合するステップは、前記平面形状の大きなセパレータを超音波接合によって前記外装体フィルムに接合するステップである、請求項６に記載の電池の製造方法。

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