JP2014139885A

JP2014139885A - 積層型電池とその製造方法

Info

Publication number: JP2014139885A
Application number: JP2013008277A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sakaguchi; 眞一郎坂口
Original assignee: Automotive Energy Supply Corp
Current assignee: Automotive Energy Supply Corp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103943878B; US10135052B2; JP6045921B2; US20140205886A1; CN103943878A

Abstract

【課題】電極の位置ずれを容易に防止または抑制することができる積層型電池とその製造方法を提供する。
【解決手段】２種類の電極１，２がセパレータ３を介して交互に積層された構成の積層型電池であって、セパレータ３は、セパレータ３同士が一方の電極１の側方で互いに部分的に接合された接合部分７と、少なくとも他方の電極２の端面に接する位置から湾曲して他方の電極２の側方に延びている非接合部分８とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、２種類の電極（正極と負極）がセパレータを介して交互に積層された構成の積層型電池とその製造方法に関する。

２種類の電極（正極と負極）がセパレータを介して交互に積層された構成の積層型電池は、各電極の位置ずれを生じると電池としての特性が低下する。そこで、セパレータを一端開口の袋状に構成しておき、その袋状のセパレータの内部に一方の電極（正極）を挿入することにより、その電極の位置ずれを抑えることができる。ただし、この構成では、他方の電極（負極）は袋状のセパレータの外側に配置され、位置ずれを生じる可能性がある。

これに対し、特許文献１に記載の積層型電池の一例では、１枚の長尺のセパレータをつづら折り状にすることにより、一方の方向に開口した部分と他方の方向に開口した部分とが多数形成された状態にする。そして、一方の方向に開口した部分に一方の電極を、他方の方向に開口した部分に他方の電極をそれぞれ挿入する。これによると、つづら折り状のセパレータの折り目に各電極の端面がそれぞれ突き当たり、電極がその挿入方向に関して位置決めされる。

また、特許文献１に記載の積層型電池のもう１つの例は、２つ折りにされてその間に一方の電極が挿入されたセパレータを複数用意して、他方の電極を介してそれらを互いに積層した後に、複数のセパレータ同士を溶着させて、他方の電極もセパレータに挟み込んで位置決めする。

特開２００９−２１８１０５号公報

両方の電極の位置を規制しようとする従来の方法は、いずれか一方の電極または両方の電極において複数の辺のうちの１辺だけにしか規制手段を設けられなかったり、工程が煩雑なものであった。例えば、セパレータの折り目を利用して両電極の移動を規制する方法では、セパレータの折り目だけでは、折り目と反対の方向への電極の移動を規制できないという問題がある。また、電極の側方において各セパレータの外周部を互いに溶着させる方法で、両方の電極の位置を規制しようとすると、セパレータの折り目と併用したとしても、特許文献１に例示されるように、製造工程が著しく煩雑になり、製造時間が長くなる。

そこで本発明の目的は、電極の位置ずれ、特に２種類の電極の両方の位置ずれを容易に防止もしくは抑制することができる積層型電池とその製造方法を提供することにある。

本発明の特徴は、２種類の電極がセパレータを介して交互に積層された構成の積層型電池において、セパレータは、セパレータ同士が一方の電極の側方で互いに部分的に接合された接合部分と、少なくとも他方の電極の端面に接する位置から湾曲して他方の電極の側方に延びている非接合部分とを有するところにある。

本発明のもう１つの特徴は、２種類の電極がセパレータを介して交互に積層された構成の積層型電池の製造方法において、セパレータは熱収縮層と低熱収縮層とが積層された多層構造であり、一方の電極がセパレータの低熱収縮層同士に挟まれ、他方の電極がセパレータの熱収縮層同士に挟まれるように、電極とセパレータを積層し、セパレータの低熱収縮層同士を、一方の電極の側方で互いに部分的に接合させ、セパレータの非接合部分の熱収縮層を加熱して、熱収縮によって、少なくとも他方の電極の端面に接する位置から他方の電極の側方に至るまで湾曲させるところにある。

本発明によると、電極の位置ずれを容易に防止もしくは抑制することが可能である。また、２種類の電極の両方の位置ずれを防止もしくは抑制する際に、セパレータ同士の接合は一方の電極の側方のみで行い、他方の電極の側方では行わないので、セパレータ同士を接合させる回数が少なく、工程が容易になるとともに、製造コストが低く抑えられる。

本発明の第１の実施形態の積層型電池の平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う要部断面図である。図１のＢ−Ｂ線に沿う要部断面図である。図１のＣ−Ｃ線に沿う要部断面図である。図１のＤ−Ｄ線に沿う要部断面図である。本発明の第１の実施形態の積層型電池の変形例の断面図である。本発明の第２の実施形態の積層型電池の平面図である。図７のＥ−Ｅ線に沿う要部断面図である。図７のＦ−Ｆ線に沿う要部断面図である。図７のＧ−Ｇ線に沿う要部断面図である。

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に本発明の第１の実施形態の積層型電池が示されており、図２は積層型電池の中央部分を示すＡ−Ａ線断面図、図３は接合部分と非接合部分とを通る要部を示すＢ−Ｂ線断面図、図４は接合部分を通る要部を示すＣ−Ｃ線断面図、図５は非接合部分を通る要部を示すＤ−Ｄ線断面図である。この積層型電池では、２種類の電極、すなわち、正極（一方の電極）１と負極（他方の電極）２がセパレータ３を介して交互に積層されて積層体が形成され、この積層体が表裏両面からラミネートフィルム４（図２〜５，８〜１０では図示省略）で覆われている。そして、電解液が注入された後にラミネートフィルム４が封止されて積層型電池が完成する。なお、正極１に接続された接続電極５と、負極２に接続された接続電極６が、ラミネートフィルム４の接合部を通って外部に露出している。セパレータ３は、例えば、一般的なセパレータの材料であるポリオレフィン系樹脂（ポリプロピレンやポリエチレン等）の延伸フィルムからなる熱収縮層３ａと、セラミック等の無機材料系多孔質層からなる低熱収縮層３ｂとが積層された多層構造である。そして、正極１がセパレータ３の低熱収縮層３ｂ同士に挟まれ、負極２がセパレータ３の熱収縮層３ａ同士に挟まれるように、複数のセパレータ３は交互に上下の向きを変えながら積層されている。

本実施形態では、正極１と負極２の間に介在するセパレータ３が、各電極１，２の側方の位置に、接合部分７と非接合部分８を有している。図１に示す構成では、左右の側面に沿って、それぞれ１つの接合部分７とその両側に位置する非接合部分８を有している。そして、図３，４に拡大して示すように、接合部分７は、セパレータ３の低熱収縮層３ｂが、正極１を挟んで対向するもう１つのセパレータ３の低熱収縮層３ｂと、互いに接合された部分である。一方、図３，５に拡大して示すように、非接合部分８では、セパレータ３の熱収縮層３ａが熱収縮によって、少なくとも負極２の端面に接する位置から負極２の側方に至るまで湾曲している。この構成では、負極２はセパレータ３の熱収縮層３ａ同士に挟まれるように配置されているので、負極２の下層に位置するセパレータ３と上層に位置するセパレータ３がいずれも負極２の側方に向かって湾曲しているため、負極２の端面は上下のセパレータ３に対して引っかかる作用が生じる。従って、正極１は、その側方に位置するセパレータ３の接合部分７によって移動が規制されて、位置ずれが防止されるとともに、負極２は、その側方に位置するセパレータ３の非接合部分８（湾曲した部分）に引っかかることによって、位置ずれが抑制される。さらに詳しくは、正極１とセパレータ３の間の位置ずれが防止されるとともに負極２とセパレータ３の間の位置ずれが抑制されるので、結果的に正極１と負極２の間の位置ずれが抑制される。こうして、１枚のセパレータ３が、その両面に隣接する正極１および負極２に対して同時に位置ずれ抑制効果を発揮することができる。

このように本実施形態によると、正極１と負極２の幅方向の位置ずれが防止または抑制される。しかもセパレータ３同士の熱溶着または超音波溶着などによる接合は、正極１の側方のみで行われ、負極２の側方では行われないため、接合個所が少なく、製造工程が容易になり製造コストが低く抑えられる。

本発明におけるセパレータ３の熱収縮層３ａおよび低熱収縮層３ｂに利用可能な材料としては以下のものが挙げられる。

熱収縮層３ａを構成する材料としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィンを挙げることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合ないし重合させて、さらには積層して用いることもできる。熱収縮性を持たせるため、一軸延伸あるいは二軸延伸されていることが好ましい。また、電池特性への影響を考えると厚さは５〜３０μｍ、空隙率は３０〜７０％が好ましい。

低熱収縮層３ｂは、熱収縮層３ａ上に積層形成できるものであり、上述した熱収縮層３ａを構成する微多孔樹脂膜よりも熱収縮性が小さいものであれば、特に限定されない。また、電池特性や耐熱性への影響を考えると厚さは１〜２０μｍ、空隙率は３０〜７０％が好ましい。

低熱収縮層３ｂを構成する材料としては、例えば、セラミックを含有する多孔質層、耐熱性樹脂の多孔質層、セラミックと耐熱性樹脂の複合体からなる耐熱性多孔質層等を用いることが好ましい。

セラミックとしては、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ₂）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）などを挙げることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合ないし焼結させて用いることもできる。その粉末の粒径は０．１〜１０μｍであることが好ましい。また、これらを含む耐熱性多孔質層を形成する際には、耐熱性と多孔性を確保し得るならば、例えばバインダを用いてもよい。このようなバインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、混合ないし重合させて用いてもよい。また、バインダ量は、一般的なバインダ量と同程度であることが好ましく、具体的には、耐熱性多孔質層において、０．５〜１５質量％であり、より好ましくは１〜１０質量％である。例えば、前記したセラミックと前記したバインダとをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などの溶媒に分散させたスラリー（耐熱性多孔質層形成用材料）を微多孔樹脂膜に塗布して乾燥させることなどにより、耐熱性多孔質層を形成することができる。

耐熱性樹脂としては、例えばポリイミド、アラミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテルなどを挙げることができる。これらの耐熱性樹脂を良溶媒に溶解させた溶液を調製し、微多孔樹脂膜に塗布した後、貧溶媒に接触させることによって耐熱性樹脂を析出させ、脱溶媒処理することにより、耐熱性樹脂の多孔質層を得ることができる。良溶媒としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、トルエン、キシレンなどが挙げられ、貧溶媒としては、水、エタノール、メタノールなどが挙げられる。

また、上記した耐熱性樹脂の塗布用溶液にセラミック粉末を混合して分散させたスラリー（耐熱性多孔質層形成用材料）を調製し、微多孔樹脂膜に塗布して、前記したのと同様の処理を行うことによって、セラミックと耐熱性樹脂の複合体からなる多孔質層を得ることができる。スラリーは、全面的に塗布してもよく、後述する接合部分７となるべき位置とその近傍を避けて部分的に塗布してもよい。

次に、本発明の積層型電池の製造方法について説明する。まず、負極２、セパレータ３、正極１、セパレータ３、負極２・・・という順番で、正極１と負極２とセパレータ３を順次積層する。このとき、正極１がセパレータ３の低熱収縮層３ｂ同士に挟まれ、負極２がセパレータ３の熱収縮層３ａ同士に挟まれるように、複数のセパレータ３は交互に上下の向きを変えながら積層する。

積層工程中に、各正極１の側方において、その正極１の下層に位置するセパレータ３と上層に位置するセパレータ３とを重ね合わせて、部分的に接合部分７を形成する。ここで、接合部分７を形成する方法としては、ホットプレス型接着剤、溶液塗布型接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤などの接着剤を用いて低熱収縮層３ｂ同士を接着する方法、金型でプレスしながら超音波を印加して低熱収縮層３ｂを除去しながら上下の熱収縮層３ａ同士を樹脂の溶融一体化により接合させる方法、あるいは、低熱収縮性層３ｂの部分的除去を予め行ってから超音波あるいは熱プレスにより熱収縮層３ａ同士を接合する方法が挙げられる。

それから、正極１と負極２とセパレータ３を全て重ね合わせた積層体に対し、一括して加熱を行う。この加熱によって、積層体全体の乾燥を行うとともに、セパレータ３の外周の非接合部分８の熱収縮層３ａを熱収縮させる。セパレータは熱収縮層３ａと低熱収縮層３ｂとが積層された構成であるため、加熱されると熱収縮層３ａのみが収縮し低熱収縮層３ｂはあまり収縮しないため、熱収縮層３ａ側に凹状になる湾曲を生じる。負極２はセパレータ３の熱収縮層３ａ同士に挟まれているため、負極２の下層に位置するセパレータ３と上層に位置するセパレータ３はいずれも負極２の側方に向かって湾曲する。その結果、負極２の端面はセパレータ３にひっかかる作用を生じる。

正極１の下層に位置するセパレータ３と上層に位置するセパレータ３とを重ね合わせて熱または超音波により互いに溶着させて接合部分７を形成するタイミングは、特に限定されない。正極１の上にセパレータ３を積層した後に接合部分７を形成してもよいし、１対のセパレータ３を予め部分的に溶着させて接合部分７を形成しておき、その後に、その１対のセパレータ３の間に正極１を挿入してもよい。また、積層型電池の長手方向端部（図１の上端部および下端部）においては、セパレータ３同士が互いに接合されていても、接合されていなくてもよい。この部分においてセパレータ３同士が互いに接合される場合には、この接合を、前記した側面の接合部分７の形成と別工程として行っても、同時に行って袋状に形成してもよい。また、長尺の多層フィルムを折り曲げてその折り目を側面に直交する面に位置させて、その折り目に向かって電極１，２を挿入させることにより積層体を形成してもよい。

また、本発明の積層型電池の製造方法の他の例として、正極１と負極２とセパレータ３を順次積層する際に、正極１の上にセパレータ３を積層するたびにその都度接合部分７を形成するとともに、セパレータ３の上に負極２を積層する際、および負極２の上にセパレータ３を積層する際に、その都度セパレータ３を加熱して熱収縮層３ａを熱収縮させ、負極２の側方に至るまで湾曲させてもよい。この方法によると、非接合部分８の処理に関しては、まず、セパレータ３の上に負極２を積層した時点で加熱して、セパレータ３の非接合部分８を負極２の側方に向けて湾曲させる。続いて、この負極２の上にセパレータ３を積層した時点でまた加熱して、セパレータ３の非接合部分８を負極２の側方に向けて湾曲させる。このとき、負極２の端面は既に下層に位置するセパレータの非接合部分８（湾曲した部分）によって覆われているため、図６に示すように、下層に位置するセパレータ３の非接合部分８（湾曲した部分）の外側から、上層に位置するセパレータの非接合部分８（湾曲した部分）によってさらに覆う状態になる。このようにすることで、負極２の位置ずれ防止の信頼性がより高くなる。

図７に、本発明の第２の実施形態の積層型電池を示している。本実施形態の積層型電池の基本的な構造は第１の実施形態と同じであるが、接合部分７と非接合部分８の配置が第１の実施形態と異なっている。

本実施形態では、図７に示すように、正極１に近接する位置で正極１の側面に沿って全長に亘って接合部分７が設けられており、さらにその外周側が非接合部分８になっており、負極２の側方に至るまで湾曲している。すなわち、第１の実施形態では、正極１の側面と平行な方向に沿って接合部分７と非接合部分（湾曲した部分）８が混在しているが、本実施形態では、正極１の幅方向（側面に直交する方向）に沿って図８に示す接合部分７と図９に示す非接合部分（湾曲した部分）８が混在している。本実施形態によると、正極１の位置ずれを防止する接合部分７も、負極２の位置ずれを防ぐ非接合部分８も、正極１および負極２の側面全長に亘って存在するため、位置ずれ防止の確実性が高い。

なお、セパレータ３の低熱収縮層３ｂは全面にわたって一様な厚さに形成されていてもよいが、部分的に低熱収縮層３ｂが形成されていない部分があってもよい。たとえば、正極１の端部から接合部分７までの間の領域に低熱収縮層３ｂの端縁が位置し、その外側が低熱収縮層３ｂの非形成部となっていてもよい。セパレータ３が負極２の側方に向かって湾曲するならば、低熱収縮層３ｂの端縁が負極２の端部の内側に位置していてもよい。しかしその場合、負極２の端部から熱収縮層３ａの端縁までの距離は１ｍｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下である。

また、セパレータ３の中央部分が、低熱収縮層３ｂが熱収縮層３ａの両面に形成された領域（両面領域）であって、その外側には熱収縮層３ａの片面だけに低熱収縮層３ｂが形成された領域（片面領域）が存在する構成としてもよい。この場合、両面領域は非湾曲性で、片面領域は湾曲性となるので、正極１と負極２が重なっている領域は非湾曲性で、その外側は湾曲性となり、正極１と負極２の重なっている領域の密着性を良好に保ったまま、本発明の目的（正極１と負極２の位置ずれ抑制）を達成するためのセパレータ３の湾曲を外側領域だけに発生させることができる。

前記した例では、積層体内の全てのセパレータ３が、熱収縮層３ａの片面のみに低熱収縮層３ｂが形成された構成（湾曲性セパレータ）となっているが、低熱収縮層３ｂのみあるいは熱収縮層３ａのみからなるセパレータ３や、低熱収縮層３ｂが熱収縮層３ａの両面に形成されたセパレータ３といった、非湾曲性のセパレータ３が混在していてもよい。この場合、負極２の側方に至る方向に湾曲するセパレータ３が負極２の両面側にそれぞれ存在するのではなく、負極２の片面側に位置する１枚のセパレータ３のみが負極２の側方に至る方向に湾曲する場合もある。その場合であっても、負極２の端面がセパレータ３にひっかかる作用は１枚のセパレータ３でも働くので、負極２のずれ抑制が可能である。

１正極（一方の電極）
２負極（他方の電極）
３セパレータ
３ａ熱収縮層
３ｂ低熱収縮層
４ラミネートフィルム
５，６接続電極
７接合部分
８非接合部分

Claims

２種類の電極がセパレータを介して交互に積層された構成の積層型電池であって、前記セパレータは、該セパレータ同士が一方の電極の側方で互いに部分的に接合された接合部分と、少なくとも他方の電極の端面に接する位置から湾曲して該他方の電極の側方に延びている非接合部分とを有する、積層型電池。
前記セパレータは熱収縮層と低熱収縮層とが積層された多層構造であり、前記一方の電極は前記セパレータの前記低熱収縮層同士に挟まれ、前記低熱収縮層同士が、前記一方の電極の側方で互いに部分的に接合されており、前記他方の電極は前記セパレータの前記熱収縮層同士に挟まれ、前記熱収縮層の熱収縮によって湾曲した前記非接合部分が前記他方の電極の側方に延びている、請求項１に記載の積層型電池。
前記セパレータは、前記積層型電池の側面に平行な方向に沿って、前記接合部分と前記非接合部分とが存在する、請求項１または２に記載の積層型電池。
前記セパレータは、前記積層型電池の側面に直交する方向に沿って、前記接合部分の外側に前記非接合部分が存在する、請求項１または２に記載の積層型電池。
前記一方の電極が正極であり、前記他方の電極が負極である、請求項１から４のいずれか１項に記載の積層型電池。
２種類の電極がセパレータを介して交互に積層された構成の積層型電池の製造方法であって、
前記セパレータは熱収縮層と低熱収縮層とが積層された多層構造であり、
一方の電極が前記セパレータの前記低熱収縮層同士に挟まれ、他方の電極が前記セパレータの前記熱収縮層同士に挟まれるように、前記電極と前記セパレータを積層し、
前記セパレータの前記低熱収縮層同士を、前記一方の電極の側方で互いに部分的に接合させ、
前記セパレータの非接合部分の前記熱収縮層を加熱して、熱収縮によって、少なくとも他方の電極の端面に接する位置から該他方の電極の側方に至るまで湾曲させる
積層型電池の製造方法。
前記セパレータの非接合部分の前記熱収縮層を加熱して湾曲させる工程は、全ての前記電極と全ての前記セパレータを積層した状態で一括して加熱することにより行う、請求項６に記載の積層型電池の製造方法。
前記セパレータの非接合部分の前記熱収縮層を加熱して湾曲させる工程は、前記一方の電極の上に位置する前記セパレータの上に前記他方の電極を積層した時点と、前記他方の電極の上に前記セパレータを積層した時点でそれぞれ行う、請求項６に記載の積層型電池の製造方法。
前記一方の電極が正極であり、前記他方の電極が負極である、請求項６から８のいずれか１項に記載の積層型電池の製造方法。