JP2016131128A - 二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱溶着治具などの特殊な治具を用いなくても、絶縁フィルムが電池ケースに接合された二次電池を製造することができる方法を提供する。【解決手段】電極体、電池ケース、および少なくとも一方の面に当該電池ケースへの親和性が高まる処理を施した絶縁フィルムを準備する工程と、前記電池ケースおよび前記電極体の間に前記絶縁フィルムが介在し、前記絶縁フィルムの前記処理が施された面が前記電池ケースの内壁を向くように、前記絶縁フィルムおよび前記電極体が前記電池ケースに収容された電池組立体を構築する工程と、前記電極体と前記絶縁フィルムとが密着し、かつ前記絶縁フィルムと前記電池ケースとが密着するように前記電池組立体を押圧しながら、前記電池組立体を加熱下に置く工程とを包含する、二次電池の製造方法とする。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池などの二次電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。

この種の電池は、典型的にはシート状正極およびシート状負極をセパレータと共に積層し捲回させた捲回電極体が、電池ケースに収容された構造を有している。電池ケースとしては、物理的強度が大きいという観点から、しばしば金属製のケースが使用されている。電池ケースが金属製である場合には、例えば特許文献１に記載のように、電池ケースと電極体とを絶縁するために、電極体を絶縁フィルムで包装することが行われている。そして、例えば車両の振動等によって電極体が電池ケース内を移動しないように、絶縁フィルムは、電池ケースに熱溶着によって接合される。

特開２０１３−２２２５０４号公報

絶縁フィルムを電池ケースへ熱溶着によって接合する際には、熱溶着による接合は、例えば特許文献１の段落００４６に記載のように、絶縁フィルムで包装された電極体を収容した電池ケースを支持治具によって支持しつつ、電池ケースの幅広面に熱溶着治具を押し当てて加熱することにより行われる。このように、絶縁フィルムを備える従来の二次電池の製造は、熱溶着治具などの特殊な治具を必要とするものである。

そこで本発明は、熱溶着治具などの特殊な治具を用いなくても、絶縁フィルムが電池ケースに接合された二次電池を製造することができる方法を提供することを目的とする。

ここに開示される二次電池の製造方法は、電極体、電池ケース、および少なくとも一方の面に当該電池ケースへの親和性が高まる処理を施した絶縁フィルムを準備する工程（準備工程）と、前記電池ケースおよび前記電極体の間に前記絶縁フィルムが介在し、前記絶縁フィルムの前記処理が施された面が前記電池ケースの内壁を向くように、前記絶縁フィルムおよび前記電極体が前記電池ケースに収容された電池組立体を構築する工程（電池組立体構築工程）と、前記電極体と前記絶縁フィルムとが密着し、かつ前記絶縁フィルムと前記電池ケースとが密着するように前記電池組立体を押圧しながら、前記電池組立体を加熱下に置く工程（加熱工程）とを包含する。このような方法によれば、熱溶着治具などの特殊な治具を用いなくても、絶縁フィルムが電池ケースに接合された二次電池を製造することができる。

一実施形態に係る二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。 一実施形態に係る製造方法によって得られる二次電池を模式的に示す断面図である。 電池組立体構築工程の概略を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。以下、扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明について詳細に説明する。なお、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。

ここに開示される製造方法は、図１のフローチャートに示すように、準備工程（Ｓ１０）、電池組立体構築工程（Ｓ２０）および加熱工程（Ｓ３０）を包含する。これらの工程を経て図２に示すリチウムイオン二次電池１００が得られる。以下、各工程について詳細に説明する。

（Ｓ１０）準備工程
当該工程では、リチウムイオン電池１００の構成要素、すなわち電極体８０、電池ケース３０、および少なくとも一方の面に当該電池ケースへの親和性が高まる処理を施した絶縁フィルム１０を準備する。電極体８０、電池ケース３０および絶縁フィルム１０を準備する順序には特に制限はない。以下、リチウムイオン二次電池１００の各構成要素の準備について説明する。

〔電極体〕
電極体８０は、正極５０と負極６０とを、典型的には２枚のセパレータ７０，７２を介して、積層して構築される。正極５０は、常法により作製することができる。例えば、正極活物質を導電材やバインダ等とともに組成物として正極集電体上に付着させ、正極活物質層を形成することにより正極５０を作製することができる。正極集電体としては、導電性の良好な金属（例えばアルミニウム）からなる導電性部材を好適に採用し得る。

正極活物質としては、層状系、スピネル系等のリチウム複合金属酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４等）を好適に採用し得る。
導電材としては、カーボンブラック（例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック）等の炭素材料を採用し得る。
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等の各種のポリマー材料を採用し得る。

負極６０は、常法により作製することができる。例えば、負極活物質をバインダ等とともに組成物として負極集電体上に付着させ、負極活物質層を形成することにより負極６０を作製することができる。負極集電体としては、導電性の良好な金属（例えば銅）からなる導電性材料を好適に採用し得る。

負極活物質としては、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）等の炭素材料を用いることができ、なかでも黒鉛を好適に採用し得る。
バインダとしては、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）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の各種のポリマー材料を採用し得る。

セパレータ７０，７２としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂から成る多孔質樹脂シートを好適に採用し得る。なかでも、当該多孔性樹脂シートの片面または両面に多孔質の耐熱層を備えるものが好ましい。

本実施形態において電極体８０は、図２に示すように扁平形状の捲回型電極体として形成される。捲回電極体８０は、典型的には、シート状の正極５０とシート状の負極６０とを計２枚の長尺なセパレータシート７０，７２を介在して積層させた状態で長手方向に捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製することができる。
上記積層の際には、正極５０の正極活物質層非形成部分（即ち正極活物質層５４が形成されずに正極集電体が露出した部分）５３と、負極６０の負極活物質層非形成部分（即ち負極活物質層が形成されずに負極集電体が露出した部分）６３と、がセパレータシート７０，７２の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極５０と負極６０とを幅方向にややずらして重ね合わせる。その結果、捲回電極体８０の捲回方向に対する横方向において、正極５０および負極６０の電極活物質層非形成部分５３，６３がそれぞれ捲回コア部分（すなわち正極５０の正極活物質層５４と負極６０の負極活物質層と２枚のセパレータシート７０，７２とが密に捲回された部分）から外方にはみ出ている。

次に、正極活物質層非形成部分５３に正極端子４２の正極集電端子９２（例えばアルミニウム製）を接合して、上記扁平形状に形成された捲回電極体８０の正極５０と正極集電端子９２とを電気的に接続する。同様に負極活物質層非形成部分６３に負極端子４４の負極集電端子９４（例えばニッケル製）を接合して、負極６０と負極集電端子９４とを電気的に接続する。各電極５０，６０と各電極集電端子９２，９４とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。
このようにして電極体８０を準備することができる。

〔電池ケース〕
電池ケース３０は電池ケース本体３２および蓋体３４から構成される。電池ケース３０の材質は、従来の二次電池で使用されるものと同じであってよい。材質の例としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等の金属材料、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料が挙げられ、なかでも、金属材料が好ましい。本実施形態に用いられる電池ケース３０（具体的には本体３２および蓋体３４）は、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金によって構成されている。

本実施形態では、ケース本体３２は、扁平直方体形状を有し、その幅狭面の一つは開口部となっている。
蓋体３４は、当該開口部の形状に適合する略長方形状を有している。蓋体３４は、正極端子４２と負極端子４４がそれぞれ挿通する計２つの貫通孔を有している。また、蓋体３４は、中央部に、ケース３０の内圧が上昇した場合に該ケースの内外を連通させて内圧を開放するための安全弁３５を有している。安全弁３５の隣には、電池製造時に電解液（図示せず）を注入するための注入口（図示せず）を有している。
このようなケース本体３２および蓋体３４は、常法に従い作製することができる。

〔絶縁フィルム〕
絶縁フィルム１０は、絶縁フィルム材料の少なくとも一方の面（一方の面のみまたは両面）に電池ケース３０への親和性が高まる処理が施される。また、その形状として好ましくは、電極体８０（特に捲回部分）が収容されるように上端側が開口した有底の袋状に形成される。
絶縁フィルム１０の材質は、絶縁部材として機能し得る材料で構成されていればよく、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂材料を好適に使用することができる。
絶縁フィルム１０の厚みは概ね５０〜１５０μｍ程度であればよいが、電池１００の構成条件等にあわせて適宜変更することができる。

袋状絶縁フィルム１０は、絶縁フィルム材料の少なくとも一方の面に電池ケース３０への親和性が高まる処理を施し、袋状に形成することにより作製することができる。電池ケース３０への親和性が高まる処理は、電池ケース３０の材質に応じて種々の公知の表面処理方法の中から適宜選択される。例えば、本実施形態では、電池ケース３０の材質は、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金であり、電池ケース３０の表面は、表面水酸基を有する。よって、本実施形態では、電池ケース３０の表面水酸基と相互作用する官能基が絶縁フィルム材料の表面に形成されるような表面処理を行う。このような表面処理としては、例えばコロナ放電処理、プラズマ処理、オゾン処理等の親水化処理が挙げられ、なかでも、コロナ放電処理が好ましい。ここで、親水化処理とは、材料の表面に水酸基、カルボキシル基等の極性官能基が導入される処理のことを言う。親水化処理によれば、絶縁フィルム材料の表面に極性官能基が生成し、電池ケース３０の表面水酸基と相互作用し得る。これにより、絶縁フィルム材料は、電池ケース３０への親和性が高くなる。

このような処理がなされた絶縁フィルム材料を、公知方法に従って袋状に形成することにより、袋状絶縁フィルム１０を得ることができる。例えば、絶縁フィルム材料を袋状に折り畳み、開口部となる端部以外を、接着剤、固定テープで接着する、あるいは熱溶着により溶着する等して、袋状絶縁フィルム１０を得ることができる。なお、電池ケース３０への親和性が高まる処理が施された面は、電池ケース３０の内壁を向くことになる。したがって、絶縁フィルム材料を袋状に形成する際には、袋状絶縁フィルム１０の外面が、電池ケース３０への親和性が高まる処理が施された面となるようにする。

以上のようにして、電極体８０、電池ケース３０および絶縁フィルム１０を準備することができる。なお、上記では、電池ケース３０の材質が、アルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金であり、絶縁フィルム１０が親水化処理された場合について説明したが、絶縁フィルム１０が親水化処理された場合には、電池ケース３０は、表面に極性基を有するものを全般的に使用することができる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム以外の表面水酸基を有する金属材料製の電池ケース、ポリイミド樹脂などの極性基を有する樹脂材料製の電池ケースを使用することができる。また、ステンレス鋼など表面に極性基を有しない材質のものであっても、表面に水酸基などの極性基が導入される処理を施せば使用可能である。電池ケース３０の材質と、絶縁フィルム１０に施される表面処理の方法はこれらに限られず、技術常識に基づいて種々の材質と表面処理方法の組み合わせが考えられる。

（Ｓ２０）電池組立体構築工程
当該工程では、電池ケース３０および電極体８０の間に絶縁フィルム１０が介在し、絶縁フィルム１０の上記の処理が施された面が電池ケース３０（電池ケース本体３２）の内壁を向くように、絶縁フィルム１０および電極体８０が電池ケース３０に収容された電池組立体を構築する。

具体的には、上述した構成の角型の電池ケース３０に扁平形状の電極体８０を収容するとともに、電池ケース３０の内壁と電極体８０との間に絶縁フィルム１０を配置する。このとき絶縁フィルム１０の上述の処理が施された面が、電池ケースの内壁を向くようにする。

より具体的には、例えば図３に示すように、外面に電池ケース３０への親和性が高まる処理が施されている袋状絶縁フィルム１０の開口部を介して、電極体８０を袋状絶縁フィルム１０の内部に収容する。そして、内部に電極体８０を収容した状態で、袋状絶縁フィルム１０をケース本体３２の扁平な内部空間に収容する。このように収納すると、絶縁フィルム１０の上述の処理が施された面が、電池ケースの内壁を向くようになる。袋状絶縁フィルム１０および捲回電極体８０をケース本体３２に収容した後は、ケース本体３２の開口部を蓋体３４によって塞ぐ。このとき、蓋体３４に設けられた貫通孔より、正極端子４２と負極端子４４が突出するようにする。また、貫通孔において、絶縁部材により、蓋体３４と正極端子４２および負極端子４４とが絶縁されるようにする。
なお、蓋体３２に電極体８０を取り付けたものを、袋状絶縁フィルム１０の内部に収容し、それをケース本体３２の扁平な内部空間に収容しつつ、ケース本体３２の開口部を蓋体３４で塞いでもよい。

そして、蓋体３４とケース本体３２の合わせ目３２ａ（図２参照）を、レーザ溶接によって封止する。使用するレーザとしては、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、炭酸ガスレーザ、ＤＯＥレーザ、ＬＤレーザ等を適宜採用することができる。
このようにして、電池組立体を構築することができる。

（Ｓ３０）加熱工程
当該工程では、電極体８０と絶縁フィルム１０とが密着し、かつ絶縁フィルム１０と電池ケース３０（電池ケース本体３２）とが密着するように上記電池組立体を押圧しながら、上記電池組立体を加熱下に置く。当該加熱工程によれば、絶縁フィルム１０が電池ケース３０の内壁へ接合される。

ここに開示される製造方法においては、別途加熱工程を行うことなく、従来の二次電池の製造方法における二次電池に熱を加える工程、例えば、電解液を注入する前の電池ケース３０内の乾燥工程（セル乾燥工程）や電解液注入後の高温エージング工程が当該加熱工程を兼ねることが、電池の生産効率の観点から有利である。

まず、セル乾燥工程が、加熱工程を兼ねる場合について説明する。当該乾燥工程は、電池ケース内の水分を除去するために行われる。

セル乾燥工程は、電極体８０と絶縁フィルム１０とが密着し、かつ絶縁フィルム１０と電池ケース３０とが密着するように電池組立体を押圧しながら行われる。押圧は、後述の高温エージング工程で用いる拘束治具を用いて行うことができる。あるいは、加熱プレス機で圧力を印加しながら加熱プレスすることにより、行うことができる。なお、ここで押圧を行うことで、電極体８０のたわみを除去できるという効果も得られる。

加熱温度は、セル乾燥工程が通常行われる温度（例えば８０℃〜１１０℃）でよい。
加熱時間は、電池ケース内の水分の除去が十分に行われ、かつ絶縁フィルム１０と電池ケース３０との接合が行われる範囲内で適宜決定すればよい。
セル乾燥工程は、減圧下で行ってもよい。

なお、このセル乾燥工程を行った後に、電解液を注入する工程がなされる。電解液としては、非水溶媒と、該溶媒に溶解可能なリチウム塩（支持電解質）とを含む電解液を好ましく用いることができる。上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、１，３−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の、一般にリチウムイオン二次電池の電解液に使用し得るものとして知られている非水溶媒から選択される一種または二種以上を用いることができる。

上記支持電解質としては、ＬｉＰＦ_６，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２，ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２，ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３，ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３，ＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３，ＬｉＣｌＯ_４等の、リチウムイオン二次電池の電解液において支持電解質として機能し得ることが知られている各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができる。支持電解質（支持塩）の濃度は特に制限されず、例えば従来のリチウムイオン二次電池で使用される電解液と同様とすることができる。典型的には、支持電解質をおよそ０．１ｍｏｌ／Ｌ〜５ｍｏｌ／Ｌ（例えばおよそ０．８ｍｏｌ／Ｌ〜１．５ｍｏｌ／Ｌ）程度の濃度で含有する非水電解液を好ましく使用することができる。

このような電解液を、蓋体３４に設けられた電解液注入口（図示せず）から注入し、注入後は、注入口に注液栓を被せ、注入口と注液栓とを溶接して注入口を塞ぐことによって電解液を注入する工程が完了する。

次に高温エージング工程が加熱工程を兼ねる場合について説明する。この場合、公知方法と同様に、電池組立体の拘束を行い、初期充電を行った後、高温エージング工程を行うのがよい。

電池組立体の拘束は、公知方法に従い行うことができる。具体的には一対の拘束板およびこれらの拘束板を固定する４本のボルトを含む拘束治具を用いて、電池ケース３０の幅広面を拘束板で挟みこんで拘束状態にする。このとき、電極体８０と絶縁フィルム１０とが密着し、かつ絶縁フィルム１０と電池ケース３０とが密着するように押圧力を印加しつつ拘束する。

次いで、拘束状態で所定の充電条件で初期充電を行う。その後、拘束状態を維持したまま高温エージング工程を行う。高温エージング工程では、電池組立体を高温下に置く。この初期充電と高温エージング工程により、電池が活性化される。

加熱温度は、高温エージング工程が通常行われる温度（例えば５０℃以上、典型的には５０℃〜８０℃）でよい。
加熱時間は、エージングが十分に行われ、かつ絶縁フィルム１０と電池ケース３０の接合が行われる範囲内で適宜決定すればよい。

本実施形態では、電池ケース３０内の乾燥工程と高温エージング工程のいずれか一方の工程が加熱工程を兼ねていればよく、両工程が加熱工程を兼ねていてもよい。また、電池ケース３０内の乾燥工程と高温エージング工程が、加熱工程を兼ねずに、別途加熱工程を設けてもよいし、電池ケース３０内の乾燥工程と高温エージング工程が加熱工程を兼ねた上で、さらに別途加熱工程を設けてもよい。

以上のようにして絶縁フィルム１０が電池ケース３０の内壁に接合されたリチウムイオン二次電池１００が得られる。ここに開示される製造方法においては、絶縁フィルム１０の電池ケース３０への親和性が高まる処理を施した面が、電池ケース３０の内壁を向いている。したがって、絶縁フィルム１０と電池ケース３０は、高い親和性により密着する。よって、従来のような熱溶着治具などの特殊な治具を用いることなく、セル乾燥工程や高温エージング工程の拘束による押圧力程度の圧力と加熱温度で、絶縁フィルム１０と電池ケース３０とを接合することができる。また、従来行っている電池ケースの乾燥工程や高温エージング工程が加熱工程を兼ねることができるため、従来行っていた絶縁フィルム１０と電池ケース３０との熱溶着工程を省略することもできる。

本実施形態により製造されるリチウムイオン二次電池１００は、パソコンや携帯端末等の電源、ハイブリッド車、電気自動車等の車両の駆動用電源等に用いることができ、好適には車両の駆動用電源として用いられる。車両駆動用電源は、複数の二次電池を組み合わせた組電池としてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、絶縁フィルム１０と電池ケース３０とを接合するために、補助的に接着剤を用いてもよい。

１０ 絶縁フィルム
３０ 電池ケース
３２ ケース本体
３４ 蓋体
３５ 安全弁
４２ 正極端子
４４ 負極端子
５０ 正極
５３ 正極活物質層非形成部分
５４ 正極活物質層
６０ 負極
６３ 負極活物質層非形成部分
７０，７２ セパレータ
８０ 電極体
９２ 正極集電端子
９４ 負極集電端子
１００ リチウムイオン二次電池

Claims (1)

1. 電極体、電池ケース、および少なくとも一方の面に当該電池ケースへの親和性が高まる処理を施した絶縁フィルムを準備する工程と、
   前記電池ケースおよび前記電極体の間に前記絶縁フィルムが介在し、前記絶縁フィルムの前記処理が施された面が前記電池ケースの内壁を向くように、前記絶縁フィルムおよび前記電極体が前記電池ケースに収容された電池組立体を構築する工程と、
   前記電極体と前記絶縁フィルムとが密着し、かつ前記絶縁フィルムと前記電池ケースとが密着するように前記電池組立体を押圧しながら、前記電池組立体を加熱下に置く工程と
   を包含する、二次電池の製造方法。

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