JP2015128030A - 電池用セパレータ、電池用セパレータの製造方法、及びリチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータの熱溶着が容易な電池用セパレータ及びそれを用いたリチウムイオン電池を提供する。
【解決手段】本発明の電池用セパレータ１５は、正極板及び負極板を介して設けられる一対の第１及び第２のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂと、正極板及び負極板と対向する対向面１５１ｅの反対面１５１ｆの全面に設けられ、耐熱性材料を含有する保護層１５２と、を具備し、第１及び第２のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂは、正極板及び負極板と対向する表面の全面が保護層１５２の設けられていない未保護領域であり、該未保護領域において、熱溶着されている、電池用セパレータ。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、電池用セパレータ、電池用セパレータの製造方法、及びリチウムイオン電池に関し、特に、電極材を被覆可能な電池用セパレータ、電池用セパレータの製造方法、及びリチウムイオン電池に関する。

近年、電池寿命が長く、かつ、高電圧が得られるリチウムイオン電池が脚光を浴びている。このリチウムイオン電池においては、従来、正極材と負極材との間に、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン製のセパレータが設けられている。リチウムイオン電池のセパレータとしては、電極材を一対のセパレータによって挟持し、セパレータの外縁部を熱溶着することによってセパレータ内に電極を収納した電極収納セパレータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の電極収納セパレータにおいては、電極材をセパレータの内部に収納させることにより、電極製造工程における電極積層工程の生産のタクトタイムの短縮を可能としている。

国際公開第２０１３／１１５３３２号

ところで、リチウムイオン電池においては、電池に局所的な短絡が発生すると、電池全体が発熱してセパレータが熱溶融して収縮し、正極材と負極材との短絡が更に増大して熱暴走に至る可能性がある。このため、特許文献１に記載の電極収納セパレータにおいては、セパレータの電極材側の表面をセラミックスなどのコーティング材で被覆することにより、セパレータの熱収縮に対する耐久性を向上させている。

しかしながら、特許文献１に記載の電極収納セパレータにおいては、セパレータの外縁部においてコーティング材を介して一対のセパレータの外縁部を熱溶着するので、セパレータの熱溶着が困難となる場合がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、セパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータの熱溶着が容易な電池用セパレータ、電池用セパレータの製造方法、及びそれを用いたリチウムイオン電池を提供することを目的とする。

本発明の電池用セパレータは、電極材を介して配置可能な一対のセパレータ本体と、前記電極材と対向する表面の反対側の表面の全面に設けられ、耐熱性材料を含有する保護層と、を具備し、前記一対のセパレータ本体は、前記電極材と対向する表面の全面が前記保護層の設けられていない未保護領域であり、当該未保護領域において熱溶着されてなることを特徴とする。

この構成によれば、電極材と対向する面と反対側の面の全面に設けた保護層によりセパレータ本体の全体の熱収縮を防ぐことができるので、電池が発熱した場合であっても、電極材間の短絡の増大を防ぐことが可能となる。また、電極材と対向する表面の全面が耐熱性材料を含有する保護層が設けられていない未保護領域であることから、熱溶着時の保護層による熱の吸収及び遮断を防ぎつつ直接熱溶着できるだけでなく、当該表面の一部に保護層を設ける場合と比較して一対のセパレータ本体を強固に接合でき、しかも、安価かつ簡易にセパレータを製造することも可能となる。したがって、セパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータの熱溶着が容易な電池用セパレータを実現できる。

本発明の電池用セパレータにおいては、前記セパレータ本体の厚さが３０μｍ以下であり、前記保護層の厚さが１０μｍ以下であることが好ましい。この構成により、保護層によるセパレータの厚みの増大を適度な範囲にできると共に、セパレータ本体の熱溶着が一層容易になる。

本発明の電池用セパレータにおいては、前記一対の前記セパレータ本体の端部に、前記一対のセパレータ本体の熱溶着時に形成された開口を有することが好ましい。この構成により、保護層を介さずに一対のセパレータ本体の未保護領域を直接加熱して熱溶着できるので、一対のセパレータ本体を短時間で熱溶着でき、一対のセパレータ本体の熱収縮を防ぐことができる。

本発明の電池用セパレータにおいては、さらに、前記セパレータ本体における前記電極と対向する面における前記未保護領域に保護層が設けられることが好ましい。この構成により、セパレータ本体の未保護領域における収縮を保護層によって防ぐことが可能となるので、更にセパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となる。

本発明の電池用セパレータの製造方法は、一対のセパレータ本体の一方の面の全面に耐熱性材料を含有する保護層をそれぞれ設けて前記一対のセパレータ本体の他方の面の全面をそれぞれ前記保護層が形成されていない未保護領域とする保護層形成工程と、電極材を介して前記未保護領域が対向するように一対のセパレータ本体を積層する積層工程と、前記一対のセパレータ本体の未保護領域を熱溶着により接合する熱溶着工程とを含むことを特徴とする。

この方法によれば、電極材と対向する面と反対側の面の全面に保護層を設けるので、セパレータ本体の全体の熱収縮を防ぐことができ、電池が発熱した場合であっても電極材間の短絡の増大を防ぐことが可能となる。また、電極材と対向する表面の全面が耐熱性材料を含有する保護層が設けられていない未保護領域とするので、熱溶着時の保護層による熱の吸収及び遮断を防ぎつつ直接熱溶着できるだけでなく、当該表面の一部に保護層を設ける場合と比較して電極材を介して一対のセパレータ本体を強固に接合でき、しかも、安価かつ簡易にセパレータを製造することも可能となる。したがって、セパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータの熱溶着が容易な電池用セパレータの製造方法を実現できる。

本発明の電池用セパレータの製造方法においては、前記熱溶着工程において、前記一対のセパレータ本体の未保護領域で発熱体を挟持して前記一対のセパレータ本体の前記未保護領域を熱溶着することが好ましい。この方法により、保護層を介さずに一対のセパレータ本体の未保護領域を直接加熱して熱溶着できるので、一対のセパレータ本体を短時間で熱溶着でき、一対のセパレータ本体の熱収縮を防ぐことができる。

本発明のリチウムイオン電池は、上記電池用セパレータを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電極材と対向する面と反対側の面の全面に設けた保護層によりセパレータ本体の全体の熱収縮を防ぐことができるので、電池が発熱した場合であっても、電極材間の短絡の増大を防ぐことが可能となる。また、電極材と対向する表面の全面が耐熱性材料を含有する保護層が設けられていない未保護領域であることから、熱溶着時の保護層による熱の吸収及び遮断を防ぎつつ直接熱溶着できるだけでなく、当該表面の一部に保護層を設ける場合と比較して電極材を介して一対のセパレータ本体を強固に接合でき、しかも、安価かつ簡易にセパレータを製造することも可能となる。したがって、セパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータの熱溶着が容易なリチウムイオン電池を実現できる。

本発明によれば、セパレータの熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータの熱溶着が容易な電池用セパレータ、電池用セパレータの製造方法、及びそれを用いたリチウムイオン電池を実現できる。

図１は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の模式的な斜視図である。 図２は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の内部構造の説明図である。 図３は、本実施の形態に係るセパレータの平面図である。 図４Ａは、本実施の形態に係るセパレータの一例を示す断面模式図である。 図４Ｂは、本実施の形態に係るセパレータの他の例を示す断面模式図である。 図５Ａは、セパレータの一端部の断面模式図である。 図５Ｂは、セパレータの一端部の断面模式図である。 図６Ａは、セパレータの他の例の一端部の断面模式図である。 図６Ｂは、セパレータの他の例の一端部の断面模式図である。 図７Ａは、セパレータの端部を示す図である。 図７Ｂは、図７Ａに示したセパレータの端面を示す図である。 図８は、比較例に係るセパレータの断面模式図である。 図９は、比較例に係るセパレータの一端部の断面模式図である。 図１０は、本実施の形態に係るセパレータを適用可能な捲回タイプのリチウムイオン電池の模式図である。 図１１は、本実施の形態に係る電池用セパレータの製造方法の概略を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、リチウムイオン電池を例として説明するが、本発明は、電極材間にセパレータを有する各種電池に適用可能である。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。

まず、図１及び図２を参照して本実施の形態に係るリチウムイオン電池について説明する。図１は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１の模式的な斜視図であり、図２は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１の内部構造の説明図である。なお、図１においては、容器１１の一部を破断して示している。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１は、アルミニウムなどの金属部材によって構成され、内部に電解液を貯蔵可能な容器１１と、容器１１内に配置されたシート状の正極板（電極材）１２及び負極板（電極材）１３と、正極板１２及び負極板１３の間に配置されるセパレータ１５とを備える。セパレータ１５は、正極板１２と負極板１３との間を分離して正極板１２と負極板１３との間の短絡を防ぐ機能を有すると共に、表面に設けられた細孔（不図示）を介して負極板１３から正極板１２へ向けてリチウムイオンが移動するように構成されている。なお、図１及び図２においては、説明の便宜上、正極板１２、負極板１３及びセパレータ１５を板状部材として模式的に示している。なお、また、正極板１２、負極板１３及びセパレータ１５の形状は、シート状に限定されず適宜変更可能である。容器１１の上部には、正極端子１６、及び負極端子１７、及び安全弁１８が設けられている。

図２に示すように、正極板１２は、アルミニウムなどで構成される集電板１２Ａと、この集電板１２Ａを挟持する一対の活物質層１２Ｂを備える。負極板１３は、アルミニウムなどで構成される集電板１３Ａと、この集電板１３Ａを挟持する一対の活物質層１３Ｂを備える。正極板１２及び負極板１３は、正極板１２と負極板１３とが交互に複数配置されている。

セパレータ１５は、正極板１２及び負極板１３をそれぞれ挟持する一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂと、この一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂ上に設けられる保護層１５２（図１及び図２において不図示、図４Ａ参照）とを備える。一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、正極板１２及び負極板１３を介してそれぞれ配置され、正極板１２及び負極板１３を第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとの間に挟み込んだ状態で電解液に浸漬するようにして交互に複数積層されている。

正極板１２及び負極板１３の一端部には、タブ１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ配置される。このタブ１９Ａ，１９Ｂは、一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂに挟まれた際に、一対のセパレータ本体１５１，１５１Ｂの外縁部から外側に突出するように設けられている。各タブ１９Ａ，１９Ｂは、正極板１２及び負極板１３に対して偏在するように設けられている。正極板１２及び負極板１３は、互いのタブ１９Ａ，１９Ｂが側面視にて相互に重ならないようにして積層されている。正極板１２のタブ１９Ａは、正極端子１６に接続され、負極板１３のタブ１９Ｂは、負極端子１７に接続されている。

次に、本実施の形態に係るセパレータ１５について詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係るセパレータ１５の平面図である。なお、図３においては、セパレータ本体１５１Ａが紙面手前側に配置され、このセパレータ本体１５１Ａと重なるように紙面奥行側にセパレータ本体１５１Ｂが配置されている。図３に示すように、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、平面視にて略矩形形状のシート状に形成されている。第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、熱溶着により外縁部１５１ａ〜１５１ｄが相互に接合されている。この第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄには、ミシン目２１が設けられている。正極板１２、負極板１３及びセパレータ１５は、正極板１２及び負極板１３間に設けられたミシン目２１を中心につづら折に折り曲げられた状態で電解液と共に容器１１内に配置されている。なお、セパレータ１５の形状は、平面視にて略矩形形状に限定されず適宜変更可能である。

図４Ａは、本実施の形態に係るセパレータ１５の一例を示す断面模式図である。図４Ａに示すように、本実施の形態に係るセパレータ１５は、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィンによって構成され、正極板１２又は負極板１３を介して対向配置される一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂを備える。第１のセパレータ本体１５１Ａは、正極板１２及び負極板１３側に対向する対向面１５１ｅ（以下、単に「対向面１５１ｅ」ともいう）の反対側の反対面１５１ｆ（以下、単に「反対面１５１ｆ」ともいう）上に設けられる保護層１５２を有する。第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂ本体は、表面に細孔（不図示）が設けられており、この細孔を介して負極板１３から正極板１２に向けてリチウムイオンが移動するように構成されている。保護層１５２は、耐熱性材料を含んで構成され、リチウムイオン電池１の発熱した場合の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの収縮を防ぐ機能を有する。

本実施の形態においては、保護層１５２は、第１のセパレータ本体１５１Ａの反対面１５１ｆの全面を覆うように設けられる。このように保護層１５２を設けることにより、第１のセパレータ本体１５１Ａの全面に亘って第１のセパレータ本体１５１Ａの収縮を低減することができるので、セパレータ１５の熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となる。なお、保護層１５２は、必ずしも第１のセパレータ本体１５１Ａの反対面１５１ｆの全面に亘って設ける必要はなく、反対面１５１ｆの一部に設けてもよい。

第２のセパレータ本体１５１Ｂは、正極板１２及び負極板１３側に対する対向面１５１ｅ（以下、単に「対向面１５１ｅ」ともいう）の反対側の反対面１５１ｆ（以下、単に「反対面１５１ｆ」ともいう）上に設けられる保護層１５２を有する。本実施の形態においては、保護層１５２は、第２のセパレータ本体１５１Ｂの反対面１５１ｆの全面を覆うように設けられる。このように保護層１５２を設けることにより、第２のセパレータ本体１５１Ｂの全面に亘って第２のセパレータ本体１５１Ｂの収縮を低減することができるので、セパレータ１５の熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となる。なお、保護層１５２は、必ずしも第２のセパレータ本体１５１Ｂの反対面１５１ｆの全面に亘って設ける必要はなく、反対面１５１ｆの一部に設けてもよい。

本実施の形態においては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの対向面１５１ｅにおける外縁部１５１ａ〜１５１ｄは、保護層１５２が設けられていない未保護領域となる。この構成により、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとの外縁部１５１ａ〜１５１ｄを熱融する際に、保護層１５２を介さずに直接外縁部１５１ａ〜１５１ｄを加熱することができるので、保護層１５２による熱伝導率の低下を防ぐことが可能となり、容易に熱溶着を行うことが可能となる。

また、図４Ａに示したセパレータ１５は、対向面１５１ｅの全面が保護層１５２の設けられていない未保護領域である。この構成により、熱溶着時の保護層１５２による熱の吸収及び遮断を防ぎつつ直接第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとを熱溶着できるだけでなく、当該対向面１５１ｅの一部に保護層１５２を設ける場合と比較して正極板１２又は負極板１３介して一対の第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとを強固に接合できると共に、安価かつ簡易にセパレータ１５を製造することも可能となる。

なお、未保護領域は、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとを接続できる範囲に設けられればよく、必ずしも外縁部１５１ａ〜１５１ｄのみに設ける必要はない。未保護領域は、例えば、対向面１５１ｅの全面に亘って設けてもよい。また、未保護領域は、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部の全域に亘って設ける必要はなく、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとを熱溶着できる範囲に設ければよい。

本実施の形態においては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、厚さｄ_２が３０μｍ以下である。第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの厚さｄ_２が３０μｍ以下であれば、熱溶着により第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄを接合する際の熱伝導性が向上するので、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとの熱溶着が容易になる。また、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの厚さｄ_２が５μｍ以上であれば、正極板１２と負極板１３との短絡などを十分に防ぐことができる。以上を考慮すると、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。なお、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、厚さｄ_２が上記範囲を満たすものであれば、同一の厚さであってもよく、相互に厚さが異なっていてもよい。

また、本実施の形態においては、保護層１５２は、厚さｄ_１が１０μｍ以下である。保護層１５２の厚さｄ_１が１０μｍ以下であれば、熱溶着により第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部を接合する際の熱伝導性が向上するので、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとの熱溶着が容易になる。また、保護層１５２の厚さｄ_１が０．１μｍ以上であれば、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの熱収縮を十分に防ぐことができる。以上を考慮すると、保護層１５２の厚さｄ_１は、０．１μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。

また本実施の形態においては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの厚さｄ_２と保護層１５２との厚さｄ_１との和が１０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。本実施の形態に係るセパレータ１５においては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂと保護層とは、それぞれ正極板１２と負極板１３との間の電子伝導という点において共通する機能を有する。そのため、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの厚さと保護層１５２との厚さとの和が１０μｍ以上とすることにより、ピンホールなどの発生による正極板１２と負極板１３との間の電子伝導による短絡を十分に防ぐことができる。また、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの厚さｄ_２と保護層１５２との厚さｄ_１との和が４０μｍ以下であれば、正極板１２と負極板１３との間の距離の増大に伴うリチウムイオン電池１の電池抵抗の増大を防ぐことができる。

本実施の形態においては、保護層１５２の耐熱性材料としては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂに含まれるポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィンが溶融する温度において第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの伸縮を防ぐことができるもであれば特に制限はない。耐熱性材料としては、例えば、耐熱性樹脂及び金属製酸化物粒子を含有するセラミックスなどが挙げられる。

耐熱性樹脂としては、例えば、フッ素樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、塩化ビニリデン樹脂、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレン・酢酸ビニルゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、芳香族ポリエステル、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミドなどのが挙げられる。これらの耐熱性樹脂は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

金属酸化物粒子としては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、窒化アルミ、マグネシア、酸化珪素、炭化珪素、酸化タングステン、酸化亜鉛及び窒化珪素などが挙げられる。これらの金属酸化物粒子は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本実施の形態においては、保護層１５２の耐熱性材料としては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの伸縮を防ぐ性能に優れる観点から、アルミナ、チタニア、ジルコニア、窒化アルミ、マグネシア、酸化珪素、炭化珪素、酸化タングステン、酸化亜鉛及び窒化珪素からなる群から選択された少なくとも１種の金属酸化物粒子を含むセラミックスが好ましい。

保護層１５２は、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂ上に、上述した耐熱性材料を含むスラリーを公知の塗工方法によって上述したセラミックスなどの耐熱性材料を塗工することにより設けることができる。塗工方式としては、例えば、ブレードコーター、ダイコーター、ナイフコーター、含浸コーター、コンマコーター、リバースロールコーター、グラビアコーター、リップコーター、キャップコーター、バーコーター、スクイズコーター、スライドコーター、カーテンコーター、スロットダイコーターなどが挙げられる。これらの中でも、保護層１５２の耐熱性材料のスラリーの粘度が低い場合には、グラビアコーターが好ましく、スラリーの粘度が高い場合には、コンマコーターが好ましく、スラリーの粘度が中程度の場合には、スロットダイコーターが好ましい。

図４Ｂは、本実施の形態に係るセパレータ１５の他の例を示す断面模式図である。図４Ｂに示すセパレータ１５は、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの反対面１５１ｆ上に第１の保護層１５２Ａがそれぞれ設けられ、対向面１５１ｅ上に第２の保護層１５２Ｂが設けられている。第２の保護層１５２Ｂは、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄ以外の領域に設けられている。このように第１の保護層１５２Ａ及び第２の保護層１５２Ｂを設けることにより、第１の保護層１５２Ａ及び第２の保護層１５２Ｂによって第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの対向面１５１ｅ及び反対面１５１ｆの双方から第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体の熱収縮を低減することができるので、セパレータ１５の熱収縮に伴う短絡による電池の発熱をより一層防ぐことが可能となる。なお、第１の保護層１５２Ａは、必ずしも第２のセパレータ本体１５１Ｂの反対面１５１ｆの全面に亘って設ける必要はなく、反対面１５１ｆの一部に設けてもよい。なお、保護層１５２Ａ及び保護層１５２Ｂの厚さは、上述した保護層１５２の厚さの範囲であればよい。また、保護層１５２Ａ及び保護層１５２Ｂは、同一の厚さであってもよく、相互に異なる厚さであってもよい。さらに、保護層１５２Ａ及び保護層１５２Ｂは、上述した保護層１５２と同一の材料で構成することができる。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、熱溶着後のセパレータ１５について詳細に説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、セパレータ１５の一端部の断面模式図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいては、説明の便宜上、負極板１３のセパレータ１５を示し、正極板１２のセパレータ１５については省略して示しているが、正極板１５についても負極板１３と同様にセパレータ１５によって被覆されている。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、本実施の形態においては、一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの負極板１３に対する対向面１５１ｅの外縁部１５１ａ〜１５１ｄに保護層１５２、１５２Ａ、１５２Ｂが設けられていない未保護領域を有するので、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄが相互に耐熱性材料を含有する保護層１５２、１５２Ａ、１５２Ｂを介さずに直接当接する。これにより、相互にポリオレフィンなどによって構成された第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄが未保護領域を介して直接熱溶着できるので、熱溶着治具によって容易に熱溶着することが可能となる。そして、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、反対面１５１ｆの全面に亘って耐熱性材料を含有する保護層１５２、１５２Ａが設けられているので、リチウムイオン電池１が発熱しても、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの熱収縮を低減することが可能となる。これにより、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの熱収縮に伴う正極板１２と負極板１３との間の短絡を防ぐことが可能となる。なお、一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂは、必ずしも熱溶着する必要はなく、例えば、各種接着剤を用いて外縁部１５１ａ〜１５１ｄを接着してもよい。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、セパレータ１５の他の例について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、セパレータ１５の他の例の一端部の断面模式図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、このセパレータ１５においては、一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａの未保護領域の間に発熱体２００を積層し、この外縁部１５１ａを押圧した状態で発熱体２００によって未保護領域を加熱して熱溶着される。発熱体２００は、熱溶着後に外縁部１５１ａから除去される。このため、このセパレータ１５は、一対の前記セパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂの端部に、一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂの熱溶着時に形成された開口１５Ａを有する。このようにセパレータ１５を熱溶着することにより、保護層１５２を介さずに一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂの未保護領域を直接加熱して熱溶着できるので、一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂを短時間で熱溶着でき、一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂの熱収縮を防ぐことができる。

図７Ａは、発熱体２００を用いたセパレータ１５の端部を示す図である。図７Ａに示すように、発熱体２００を用いて熱溶着する場合には、複数の発熱体２００（本実施の形態では、３つの発熱体２００）を用いて熱溶着してもよい。この場合、発熱体２００を中心としてセパレータ１５の端部に熱溶着部Ｘが形成される。このように、複数の発熱体２００を用いて熱溶着することにより、一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂを短時間で熱溶着することが可能になる。なお、発熱体２００を用いて熱溶着を行う場合には、必ずしも保護層１５２を介して未保護領域を加熱する必要はなく、発熱体２００からの加熱だけで熱溶着することが可能である。また、図７Ａに示した例では、３つの発熱体２００を用いて熱溶着する例について説明したが、幅広の発熱体２００を使用して高範囲を熱溶着してもよい。この場合、熱溶着部Ｘは、発熱体２００の先端部に形成される。

図７Ｂは、図７Ａに示したセパレータ１５の端面を示す図である。なお、図７Ｂにおいては、３つのうち、１つの発熱体２００によって熱溶着されたセパレータ１５の発熱体２００の除去後の端面を示している。図７Ｂに示すように、このセパレータ１５の端面には、発熱体２００の形状に応じた開口１５Ａが形成される。この開口１５Ａの周囲には、熱溶着部Ｘが一対のセパレータ本体１５１Ａ，１５１Ｂの接合面に沿って形成されている。

次に、図８及び図９を参照して比較例に係るセパレータ１５について説明する。図６は、比較例に係るセパレータに示すように、図８は、比較例に係るセパレータ１５の断面模式図であり、図９は、セパレータ１５の一端部の断面模式図である。

図８に示すように、比較例に係るセパレータ１５は、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの対向面１５１ｅの全面に亘って保護層１５２が設けられており、反対面１５１ｆの全面に亘って保護層１５２が設けられている。このため、この比較例に係るセパレータ１５は、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄは、保護層１５２が設けられた保護領域となっている。

図９に示すように、比較例に係るセパレータ１５は、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄが保護領域となっているので、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの対向面１５１ｅが直接当接せずに、熱溶着性が低い耐熱性材料を含む保護層１５２を介して第１のセパレータ本体１５１Ａの外縁部１５１ａ〜１５１ｄと第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄとが当接する。このため、比較例に係るセパレータ１５においては、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの外縁部１５１ａ〜１５１ｄを加熱しても、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂとの熱溶着が困難となる。

以上説明したように、上記実施の形態に係るセパレータ１５によれば、正極板１２及び負極板１３に対する対向面１５１ｅの反対面１５１ｆに設けた保護層１５２により第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの熱収縮を防ぐことができるので、リチウムイオン電池１が発熱した場合であっても、正極板１２と負極板１３との間の短絡の増大を防ぐことが可能となる。また、正極板１２と負極板１３と対向する表面における外縁部１５１ａ〜１５１ｄを含む領域に耐熱性材料を含有する保護層１５２が設けられていない未保護領域により、熱溶着時の保護層１５２による熱の吸収及び遮断を防ぎつつ、直接熱溶着できるので、正極板１２と負極板１３を介して一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂを熱溶着することが容易となる。したがって、セパレータ１５の熱収縮に伴う短絡による電池の発熱を防ぐことが可能となり、しかも、セパレータ１５の熱溶着が容易な電池用セパレータ１５を実現できる。

なお、上述した実施の形態においては、本実施の形態に係るセパレータ１５を積層タイプのリチウムイオン電池１に適用した例について説明したが、本発明は、積層タイプのリチウムイオン電池１以外にも適用可能である。図１０は、本実施の形態に係るセパレータ１５を適用可能な捲回タイプのリチウムイオン電池１００の模式図である。このリチウムイオン電池１００は、シート状に形成された正極材１１２、第１のセパレータ本体１１５Ａ、負極材１１３、及び第２のセパレータ本体１１５Ｂがこの順にロール状に捲回されて容器１０１に収納される。この場合であっても、上述したように、第１のセパレータ本体１１５Ａ及び第２のセパレータ本体１１５Ｂの正極材１１２及び負極材１１３との反対面に保護層を設けると共に、外縁部に未保護領域を設けることにより、上述したリチウムイオン電池１と同様の作用効果を奏することが可能となる。

次に、本実施の形態に係る電池用セパレータの製造方法について説明する。図１１は、本実施の形態に係る電池用セパレータの製造方法の概略を示すフロー図である。図１１に示すように、本実施の形態に係る電池用セパレータの製造方法は、正極板１２又は負極板１３を作製する準備工程Ｓ１と、一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの一方の面の全面に耐熱性材料を含有する保護層１５２をそれぞれ設けて一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの他方の面の全面をそれぞれ保護層１５２が形成されていない未保護領域とする保護層形成工程Ｓ２と、正極板１２又は負極板１３を介して未保護領域が対向するように一対の第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとを積層する積層工程Ｓ３と、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂの未保護領域を熱溶着により接合する熱溶着工程Ｓ４とを含む。以下、各工程について説明する。

準備工程Ｓ１においては、正極板１２を作製する場合には、リチウム複合酸化物及び導電材などに対して、蒸留水、イオン交換水及びＮ−メチル２−ピロリドン（ＮＭＰ）などの溶剤を加えて正極活物質のスラリーを調製する。次に、調製したスラリーをアルミニウム箔などの正極集電体の上に塗工して乾燥させて固定化させる。次に、固定化させた正極活物質の塗工膜を電極プレスによってプレスして塗工膜を圧密化させた後、真空乾燥により塗工膜中の水分を除去する。なお、真空乾燥による除去は必ずしも行う必要はない。次に、正極集電体と正極活物質層との積層体を所望の形状に切断することにより正極板１２を製造する。なお、負極板１３を製造する場合には、黒鉛及びバインダーなどを上述した溶剤に加えて調製した負極活物質のスラリーを、銅箔などの負極集電体上に塗工すること以外は正極１２と同様にして製造可能である。

次に、保護層形成工程Ｓ２においては、セラミックスなどの耐熱性材料に上述した溶剤を加えて調製したスラリーを、一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂ上の一方の面の前面に塗工し、真空乾燥及びプレスによって圧密化させて保護層１５２を形成する。一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂ上の一方の面は未保護領域とする。

次に、積層工程Ｓ３においては、正極板１２又は負極板１３を介して未保護領域が対向するように一対の第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂとを積層する。そして、熱溶着工程Ｓ４においては、積層した第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂを所定の加温手段により保護層１５２を介して１５０℃にて５秒間加温し、第１のセパレータ本体１５１Ａと第２のセパレータ本体１５１Ｂの未保護領域を熱溶着により接合する。

なお、熱溶着工程Ｓ４においては、一対の第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの未保護領域で加温手段としての発熱体２００を挟持して第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの未保護領域を熱溶着することが好ましい。ここでは、発熱体２００を第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの未保護領域間に挟持した状態とし、発熱体で１５０℃にて５秒間加温することによりセパレータを熱溶着することが可能となる。この場合、必ずしも保護層１５２を介して加温する必要はないので、短時間で容易に熱溶着することが可能となり、第１のセパレータ本体１５１Ａ及び第２のセパレータ本体１５１Ｂの熱収縮を防ぐことが可能となる。この場合、複数の発熱体２００（本実施の形態では３つ）で加温してもよく、幅広の発熱体を用いて加温してもよい。

次に、上述したようにして作製した正極及び負極を交互に積層してブロック状とし、ブロック状とした電極積層体をアルミニウム製などの容器内に配置する。最後に、正極及び負極の端子接続などを行い容器内に電解液を注入した後に、エージングして容器内の脱ガスを行うことによりリチウムイオン電池１を製造することができる。

１、１００ リチウムイオン電池
１１ 容器
１２ 正極板
１３ 負極板
１５ セパレータ
１５ 開口
１１５Ａ、１５１Ａ 第１のセパレータ本体
１１５Ｂ、１５１Ｂ 第２のセパレータ本体
１５１ａ〜１５１ｄ 外縁部
１５１ｅ 対向面
１５１ｆ 反対面
１５２、１５２Ａ、１５２Ｂ 保護層
１６ 正極端子
１７ 負極端子
１８ 安全弁
１９Ａ、１９Ｂ タブ
１０１ 容器
１１２ 正極材
１１３ 負極材
２００ 発熱体

Claims (7)

1. 電極材を介して配置可能な一対のセパレータ本体と、
   前記電極材と対向する表面の反対側の表面の全面に設けられ、耐熱性材料を含有する保護層と、を具備し、
   前記一対のセパレータ本体は、前記電極材と対向する表面の全面が前記保護層の設けられていない未保護領域であり、当該未保護領域において熱溶着されてなることを特徴とする、電池用セパレータ。
2. 前記セパレータ本体の厚さが３０μｍ以下であり、
   前記保護層の厚さが１０μｍ以下である、請求項１に記載の電池用セパレータ。
3. 前記一対の前記セパレータ本体の端部に、前記一対のセパレータ本体の熱溶着時に形成された開口が設けられてなる、請求項１又は請求項２に記載の電池用セパレータ。
4. さらに、前記セパレータ本体における前記電極と対向する面における前記未保護領域に保護層が設けられた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池用セパレータ。
5. 一対のセパレータ本体の一方の面の全面に耐熱性材料を含有する保護層をそれぞれ設けて前記一対のセパレータ本体の他方の面の全面をそれぞれ前記保護層が形成されていない未保護領域とする保護層形成工程と、
   電極材を介して前記未保護領域が対向するように一対のセパレータ本体を積層する積層工程と、
   前記一対のセパレータ本体の未保護領域を熱溶着により接合する熱溶着工程とを含むことを特徴とする、電池用セパレータの製造方法。
6. 前記熱溶着工程において、前記一対のセパレータ本体の未保護領域で発熱体を挟持して前記一対のセパレータ本体の前記未保護領域を熱溶着する、請求項５に記載の電池用セパレータの製造方法。
7. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池用セパレータを備えたことを特徴とする、リチウムイオン電池。

Images