JP2017021889A - 二次電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の外装容器の各辺を良好にヒートシールする。【解決手段】２種類の電極がセパレータを介して交互に積層されている電極積層体がラミネートフィルムからなる外装容器１８に収容されている二次電池の製造方法が、重ね合わせたラミネートフィルムの外周部のうちの少なくとも１辺１８Ｄを除き、ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を含む複数の辺を加熱してヒートシールする第１のヒートシール工程と、辺１８Ｄから液量係数が１より大きくなるように電解液を注入する注入工程と、注入工程の後に辺１８Ｄを加熱してヒートシールする第２のヒートシール工程とを含む。第２のヒートシール工程においてラミネートフィルム同士を加熱するヒータヘッド１７Ｄの温度を、第１のヒートシール工程においてラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を加熱するヒータヘッド１７Ｂ，１７Ｃの温度より高くする。【選択図】図３

Description

本発明は二次電池の製造方法および製造装置に関する。

携帯型電子機器や電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）等の電源として広く用いられている二次電池は、２種類の電極、すなわち正極と負極がセパレータを介して交互に積層された電極積層体が、電解液とともに、ラミネートフィルムからなる外装容器内に収容された構成を有するものが知られている。このような二次電池の製造方法においては、特許文献１に開示されているように、外装容器の外周部の、１辺を除く辺を封止するとともに、その外装容器内に電極積層体を挿入する。それから、未封止の１辺から外装容器内に電解液を注入する。そして、注液口として用いられた未封止の１辺を封止する。

特開2000-285903号公報

本発明者は、ラミネートフィルムを利用した外装容器を使用した二次電池について、大型化や大容量化等を検討する過程で、良好なヒートシール部を得る新しい知見を得た。
本発明の目的は、その知見を利用して、二次電池の外装容器を良好にヒートシールすることができる二次電池の製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明の、２種類の電極がセパレータを介して交互に積層されている電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器に収容されている、二次電池の製造方法は、重ね合わせたラミネートフィルムの外周部のうちの少なくとも１辺を除き、ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を含む複数の辺をヒートシールする第１のヒートシール工程と、ヒートシールしていない前記少なくとも１辺から、液量係数が１より大きくなるように電解液を注入する注入工程と、注入工程の後に前記少なくとも１辺をヒートシールする第２のヒートシール工程と、を含み、第２のヒートシール工程においてラミネートフィルム同士を加熱するヒータヘッドの温度を、第１のヒートシール工程においてラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を加熱するヒータヘッドの温度より高くする。

本発明によると、二次電池の外装容器を良好にヒートシールすることができる。

（ａ）は本発明により製造された二次電池の平面図、（ｂ）はその一部を示すＡ−Ａ線断面図である。 本発明の二次電池の製造方法のフローチャートである。 図２に示す二次電池の製造方法に用いられる製造装置の要部を示すブロック図である。 （ａ）は第１のヒートシール工程と第２のヒートシール工程におけるラミネートフィルム同士が重なり合う辺のヒータヘッドの温度とヒートシール強度の関係を示すグラフ、（ｂ）は第１のヒートシール工程と第２のヒートシール工程におけるラミネートフィルム同士が重なり合う辺のヒータヘッドの温度とシートシール部の厚さの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、本発明によって製造される二次電池の基本構造について説明する。図１（ａ）はこの二次電池の平面図、図１（ｂ）はその二次電池の一部を示すＡ−Ａ線断面図である。

図１に示す二次電池１は、シート状の２種類の電極、すなわち正極２と負極３とが、セパレータ４を介して交互に積層された電極積層体（電池素子）５が、電解液６とともに、ラミネートフィルム７からなる外装容器１８内に収容された構成である。電極積層体５の各電極（正極２および負極３）にはそれぞれ端子（正極端子８および負極端子９）が接続されている。具体的には、正極２は、正極集電体１０と、その両面に形成された正極活物質層１１とを含み、正極集電体１０の正極活物質層１１が形成されていない部分がリード１０ａになっている。負極３は、負極集電体１２と、その両面に形成された負極活物質層１３とを含み、負極集電体１２の負極活物質層１３が形成されていない部分がリード１２ａになっている。各正極２のリード１０ａは正極端子８の上に重ねられて、超音波溶接等によって互いに接合されている。同様に、各負極３のリード１２ａは負極端子９の上に重ねられて、超音波溶接等によって互いに接合されている。図１（ａ）には超音波溶接部（接合部）１９を模式的に示している。正極端子８と負極端子９は外装容器１８の内側から外側に延びている。

電極積層体５を挟み込んで互いに重なり合うラミネートフィルム７の周縁が接合されて外装容器１８が構成されている。図１（ｂ）に拡大して示すように、ラミネートフィルム７は、内側樹脂層７ａ（例えばポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン）と外側樹脂層７ｃ（例えばナイロン）の間に金属層７ｂ（例えばアルミニウム箔）が挟み込まれた多層構造である。ラミネートフィルム７同士が直接重なり合う部分では、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａ同士が熱融着されている。そして、ラミネートフィルム７同士が電極端子８，９を介して重なり合う部分では、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａが、電極端子８，９の表面に予め設けられている熱接着性樹脂（熱融着性樹脂。例えばポリプロピレン。厚さは１０〜３００μｍが好ましい）１４を介して、電極端子８，９とそれぞれ接合されている。こうして、外周縁部がヒートシールされた外装容器１８が形成されている。
なお、図１（ａ）の１８Ａは電極端子が外装容器１８の外に突出している部分を含む辺、１８Ｂは注液時に外装容器１８を立てたときの底部となる辺、１８Ｃは辺１８Ａに対抗している辺、そして、１８Ｄは注液後にヒートシールされる辺である。

次に、本発明による二次電池の製造方法について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。まず、正極集電体１０と正極活物質層１１とからなる複数の正極２と、負極集電体１２と負極活物質層１３とからなる複数の負極３とを、セパレータ４を間に挟みながら交互に積層して、電極積層体５を形成する（ステップＳ１）。この時、各正極２のリード１０ａを正極端子８の一端側の熱接着性樹脂１４（例えば熱融着性樹脂）が形成されていない領域の上に重ねて、超音波溶接等によって一括して接合する。同様に、各負極３のリード１２ａを、負極端子９の一端側の熱接着性樹脂１４(例えば熱融着性樹脂)が形成されていない領域の上に重ねて、超音波溶接等によって一括して接合する。

電極積層体５を外装容器１８の内部に配置する（ステップＳ２）。具体的には、外装容器１８を構成する２枚の矩形状のラミネートフィルム７を、電極積層体５を間に介在させつつ重ね合わせる。この時、ラミネートフィルム７の周縁部が熱接着性樹脂１４の上に重なるように配置している。

次に、外装容器１８の外周縁部のうちの少なくとも１辺を除く辺（本実施形態では３辺）において、重なり合うラミネートフィルム７の両側からヒータヘッドにより加熱してヒートシールさせて接合する。これにより、矩形状の外装容器の４辺のうちの３辺がヒートシールされる（ステップＳ３）。このヒートシール工程は、図３に示すステージ（ａ）と（ｂ）によって実施する。
ここで、図３について説明する。図３の上段側は上から見た図であり、下段は横から見た図である。図中の破線は製造装置を構成する部材ではないが、製造装置を構成する部材との位置関係を示すために、二次電池１を構成する外装容器１８と電極端子８，９を表している。また二次電池１は模式的に表したものであり厚さ等は正確に表したものではない。なお、後述するコントローラ１９Ａから１９Ｄ及び２１は下段ではその接続関係は省略している。この製造装置は、ステージ（ａ）、（ｂ）、（ｄ）において配置されたヒータヘッド１７Ａ〜１７Ｄと、それらの温度を制御するための各コントローラ１９Ａ〜１９Ｄからなる制御手段１９と、ヒータヘッド１７Ａ〜１７Ｄを上下動させる駆動部（不図示）と、ステージ（ｃ）において配置された注液ノズル２０と、注液ノズル２０から注入される電解液の量を制御するコントローラ２１と、注液ノズルを上下動させる駆動部（不図示）とを含んでいる。各ヒータヘッド１７Ａ〜１７Ｄは、加熱すべき部材（外装容器１８となるラミネートフィルム７）を挟んで上下に設けられている。図３に示す例では、ヒータヘッド１７Ａ〜１７Ｄにそれぞれ対応するコントローラ１９Ａ〜１９Ｄが設けられており、これらのコントローラ１９Ａ〜１９Ｄを総称して制御手段１９と称している。しかし、ヒータヘッド１７Ａ〜１７Ｄを全て同一のコントローラで制御することもできる。その場合、制御手段１９は単一のコントローラから構成される。

本実施形態では、まず、第１のヒートシール工程として、図１に示す３つの辺１８Ａ〜１８Ｃのうち、電極端子８，９が配置されている辺１８Ａをヒートシールするために、図３（ａ）に示すすようにヒータヘッド１７Ａを加熱しつつ外装容器１８の辺１８Ａに押し当てる。この辺１８Ａのうち、ラミネートフィルム７同士が直接重なり合う部分では、ヒータヘッド１７Ａによって加熱されてラミネートフィルム７同士がヒートシールする。そして、ラミネートフィルム７が電極端子８，９を介して重なり合う部分では、ラミネートフィルム７は、電極端子８，９に予め設けられた熱接着性樹脂１４に当接する。そして、ヒータヘッド１７Ａによって加熱されて、ラミネートフィルム７が熱接着性樹脂１４を介して電極端子８，９に接合される。こうして辺１８Ａがヒートシールされる。

また、ほぼ同時に、ヒータヘッド１７Ｃを用いて辺１８Ｃをヒートシールし、図３（ｂ）に示すようにヒータヘッド１７Ｂを用いて辺１８Ｂをヒートシールする。辺１８Ｂ，１８Ｃは、ラミネートフィルム７同士が電極端子８，９及び熱接着性樹脂１４を間に挟まないで全長にわたって直接重なり合う辺であり、ヒータヘッド１７Ｂ，１７Ｃによって加熱することにより、ラミネートフィルム７同士をヒートシールする。このように、第１のヒートシール工程ではヒータヘッド１７Ａ〜１７Ｃを用いて外装容器１８の３辺１８Ａ〜１８Ｃをヒートシールする。

次に、図３（ｃ）に示すように、電極積層体５を格納しかつ３辺１８Ａ〜１８Ｃがヒートシールされた外装容器１８を立てて、未ヒートシールの１辺１８Ｄを通して、注液ノズル２０から外装容器１８の内部へ電解液６を注入する（ステップＳ４）。電解液６の注入が完了したら、図３（ｄ）に示すように、第２のヒートシール工程として、注液口として用いられた未ヒートシールの１辺１８Ｄを、２つのヒータヘッド１７Ｄにより、上から見て外装容器１８の扁平面側（図面の上段の上下方向）から加熱しながら押圧することによりヒートシールして（ステップＳ５）、二次電池１を完成させる。

本実施形態の大きな特徴は、前述した二次電池１の製造方法において、電解液６を注入する前の第１のヒートシール工程（ステップＳ２）のうち、ラミネートフィルム同士が重なりあう辺１８Ｂ，１８Ｃをヒートシールする加熱条件と、電解液６を注入した後に、第２のヒートシール工程となる未ヒートシールの１辺１８Ｄをヒートシールする加熱条件を変えることにある。すなわち、本実施形態では、注入工程（ステップＳ４）の前に行われるラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺のヒートシール時の加熱条件に比べて、注入工程（ステップＳ４）の後に行われる第２のヒートシール工程（ステップＳ５）における辺１８Ｄのヒートシール時の加熱条件の方が、熱量が大きくなるようにする。例えば、制御手段１９のコントローラ１９Ｂ，１９Ｃが設定するヒータヘッド１７Ｂ，１７Ｃ（本明細書では第１のヒータヘッドと称する）の温度よりも、コントローラ１９Ｄが設定するヒータヘッド１７Ｄ（本明細書では第２のヒータヘッドと称する）の温度の方が高くなるようにする。例えば、注液前のラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺のヒータヘッドの温度を１８５℃、注液前のラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺のヒータヘッドの温度を１９５℃とした。

この点について説明すると、二次電池の大型化や大容量化等を検討する過程でヒートシール強度について本発明者が検討したところ、電解液を注入した後にヒートシールした辺（注液口として用いられた辺）のヒートシール強度が著しく低くなることがわかった。その理由を考察すると、ヒートシールのために加えた熱の一部が熱容量の大きい電解液、電極積層体に奪われてヒートシールのために使われず、十分なヒートシールが実現できなかったのではないかと考えた。このような現象は、電解液６の液量係数（外装容器１８内に注入された電解液６が、電極積層体５の空孔の総容積と等しい場合を１とする係数）が１より大きく、特に１．１より大きい場合に生じ易く、また、外装容器１８内におけるヒートシール部と電極積層体５の端部との間の距離が１ｍｍ以上の時に生じ易かった。

なお、液量係数はあまり大きくしすぎると外装容器が不必要に大きくなることも考えられる。電気自動車のバッテリとして二次電池を搭載する場合には、スペース効率が重要になるので、液量係数は１．６より小さい程度であることが好ましい。また、外装容器１８内におけるヒートシール部と電極積層体５の端部との間の距離は５ｍｍ程度以内であることが好ましい。

以上の考察を踏まえて、本実施形態では、上記のように加熱の条件を変えている。電解液６を注入する前の第１のヒートシール工程（ステップＳ３）における辺１８Ｂ，１８Ｃにおいては、ラミネートフィルム７の材質等から一般的に設定される加熱条件に基づいて加熱を行う。しかし、電解液６を注入した後の第２のヒートシール工程（ステップＳ５）における辺１８Ｄにおいては、熱容量の大きい電解液６、電極積層体に熱の一部が奪われることを見越して、一般的に設定される加熱条件よりも熱量が大きくなるような条件で加熱を行う。すなわち、電解液６を注入した後の第２のヒートシール工程（ステップＳ５）で用いられる第２のヒータヘッド１７Ｄの温度が、電解液を注入する前の第１のヒートシール工程（ステップＳ３）で用いられる第１のヒータヘッド１７Ｂ，１７Ｃ（ラミネートフィルム７同士が全長にわたって端子を介さずに直接重なり合う辺を加熱するヒータヘッド）の温度よりも高くなるようにする。

以上説明したように、本出願人は、外装容器１８の、電解液６を注入した後にヒートシールした辺のヒートシール強度が低くなるという点に初めて着目し、電解液を注入する前の第１のヒートシール工程のうち、端子が突出する辺を除き、ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺のヒートシール時と、電解液を注入した後のラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺のヒートシール時とで、ヒータヘッドの加熱条件（熱量）を変えるという、従来は存在しなかった全く新しい概念を採用して二次電池１を製造することにより、良好にヒートシールすることができた。

本実施形態の効果について、図４（ａ）〜図４（ｂ）に示すグラフを参照して説明する。図４（ａ）は、ヒータヘッドの温度を変化させた場合の、注液前のラミネートフィルム７同士をヒートシールさせた辺と、注液後のラミネートフィルム７同士をヒートシールさせた辺のヒートシール強度を表したグラフである。このグラフから、注液前にラミネートフィルム７同士をヒートシールさせた辺と、注液後にラミネートフィルム７同士をヒートシールさせた辺とで、安定したヒートシール強度を得るために必要な温度が異なっていることがわかる。安定したヒートシール強度を得るために必要なヒータヘッドの温度は、注液前のラミネートフィルム７同士が全長にわたって端子を介さずに直接重なり合う辺の接合では約１６０℃以上、注液後では約１９５℃以上であった。このことから、注液前では約１６０℃以上、注液後では約１９５℃以上が好ましい。なお、ヒートシール強度は、ある程度高い強度が確保されることを前提にした上で、ヒータヘッドの温度が多少変動しても安定したヒートシール強度が得られることが望ましい。すなわち、ヒータヘッドの温度の変動に伴ってヒートシール強度が大きく変化する場合には、実際の接合工程における作業条件が少しでも変動すると所望のヒートシール強度が得られなくなる可能性があるため、作業条件をその都度非常に精緻に管理する必要があり、煩雑であるとともに信頼性が低い。そこで、前述したようにヒータヘッドの温度を、注液前では約１６０℃以上、注液後では約１９５℃以上にすると、作業を必要以上に精緻に管理する必要はなく、ヒートシールの信頼性が高い。

図４（ｂ）は、ヒータヘッドの温度を変化させた場合の、注液前のラミネートフィルム７同士をヒートシールさせた辺と、注液後のラミネートフィルム７同士をヒートシールさせた辺のヒートシール部の厚さを表したグラフである。良好なヒートシール性能を実現するために望まれるヒートシール部の厚さ（ヒートシール後の重なっているラミネートフィルム総厚さ。例えば２４０μｍ〜３００μｍ）を得るために必要なヒータヘッドの温度は、図４（ｂ）に示すように、注液前では約１６０℃〜１９５℃であり、注液後では約１８５℃以上であった。但し、外装容器１８を構成するラミネートフィルム７の外側樹脂層７ｃ（例えばナイロン層）が溶融することなく保護層として機能し得る温度は約２１０℃以下程度であることから、ヒータヘッドの温度は２１０℃以下にすることが好ましい。

このように、ヒータヘッドの温度によってヒートシール強度が大きく変動せず、かつ良好なヒートシール性能を実現するためには、注液後のヒータヘッドの温度が、注液前のラミネートフィルム同士を直接ヒートシールするヒータヘッドの温度より高いことが好ましく、特に、注液前のヒータヘッドの温度を約１６０℃〜１９５℃の範囲にして、注液後のラミネートフィルム同士をヒートシールするヒータヘッドの温度を１８５℃〜２１０℃の範囲にすることが好ましい。

前述した実施形態では、第１のヒートシール工程において用いられる第１のヒータヘッド１７Ｂ〜１７Ｃと第２のヒートシール工程において用いられる第２のヒータヘッド１７Ｄの加熱条件を変えることにより、両者の熱量を変えているが、ヒータヘッドの温度と加熱時間の組合せによって熱量を変えてもよい。但し、加熱時間を長くすることは、製造タクトを長くすることになり、製造コストの増加につながることから、注液前も注液後も加熱時間を短くする必要がある。よって、注液前後の加熱時間は同程度とし、ヒータヘッド温度を変えることで、熱量を変えることがより好ましい。そして、本実施形態は、電解液６の液量係数が１より大きく、特に１．１〜１．６であって、かつ外装容器１８内におけるヒートシール部と電極積層体５の端部との間の距離が１ｍｍ〜５ｍｍの時に、良好なヒートシール及び小型化について特に効果が大きい。

ここで説明した実施形態は、正極端子８と負極端子９が外装容器１８の同一の辺から外部に延びている構成であるが、正極端子８と負極端子９が外装容器１８の異なる辺からそれぞれ外部に延びている構成であってもよい。

電極積層体は、２種類の電極がセパレータを介して交互に積層されていればよく、いわゆる、積層型、巻回型、積層巻回型が適用できる。

ラミネートフィルムからなる外装容器は、電極積層体をラミネートフィルムの間に挟んだ後に、２枚のラミネートフィルムを重ねて各辺をヒートシールしてもよいし、１枚のラミネートフィルムを折り曲げて、注液前の第１のヒートシール工程では端子を含む辺及びラミネートフィルム同士を直接重ねる辺の２辺をヒートシールし、注液後の第２のヒートシール工程で残る１辺をヒートシールすることにより、折り曲げ辺を除く各辺をヒートシールしても良い。

電極積層体は、ラミネートフィルムの間に挟んだ後に、３辺(又はラミネートフィルムを折り曲げて使用する場合には２辺)をヒートシールしてもよいし、３辺をヒートシールした後に電極積層体を挿入しても良い。

１ 二次電池
２ 正極（電極）
３ 負極（電極）
４ セパレータ
５ 電極積層体（電池素子）
６ 電解液
７ ラミネートフィルム
７ａ 内側樹脂層
７ｂ 金属層
７ｃ 外側樹脂層
８ 正極端子（端子）
９ 負極端子（端子）
１０ 正極集電体
１０ａ リード
１１ 正極活物質層
１２ 負極集電体
１２ａ リード
１３ 負極活物質層
１４ 熱接着性樹脂
１５ 押圧部材
１７Ａ〜１７Ｃ ヒータヘッド
１７Ｄ ヒータヘッド
１８ 外装容器
１８Ａ〜１８Ｄ 辺
１９ 超音波溶接部（接合部）

Claims (5)

1. ２種類の電極がセパレータを介して交互に積層されている電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器に収容されている、二次電池の製造方法であって、
   重ね合わせた前記ラミネートフィルムの外周部のうちの少なくとも１辺を除き、前記ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を含む複数の辺を加熱してヒートシールする第１のヒートシール工程と、前記少なくとも１辺から、液量係数が１より大きくなるように電解液を注入する注入工程と、前記注入工程の後に、前記少なくとも１辺を加熱してヒートシールする第２のヒートシール工程と、を含み、
   前記第２のヒートシール工程において前記ラミネートフィルム同士を加熱するヒータヘッドの温度を、前記第１のヒートシール工程において前記ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を加熱するヒータヘッドの温度より高くする、二次電池の製造方法。
2. ２種類の電極がセパレータを介して交互に積層されている電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器に収容されている、二次電池の製造方法であって、
   重ね合わせた前記ラミネートフィルムの外周部のうちの少なくとも１辺を除き、前記ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を含む複数の辺を加熱してヒートシールする第１のヒートシール工程と、前記少なくとも１辺から、液量係数が１より大きくなるように電解液を注入する注入工程と、前記注入工程の後に、前記少なくとも１辺を加熱してヒートシールする第２のヒートシール工程と、を含み、
   前記第２のヒートシール工程において前記ラミネートフィルム同士を加熱するために加える熱量を、前記第１のヒートシール工程において前記ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を加熱するために加える熱量より大きくする、二次電池の製造方法。
3. 前記ヒートシール工程では、前記外装容器内の前記電極積層体の端部から１〜５ｍｍ外側の位置をヒートシールし、前記注入工程では、液量係数が１．１〜１．６になるように前記電解液を前記外装容器内に注入する、請求項１または２に記載の二次電池の製造方法。
4. 前記注液工程前のラミネートフィルム同士をヒートシールする辺のヒータヘッドの温度を１６０℃から１９５℃の範囲内の温度とし、かつ前記注液工程後のラミネートフィルム同士をヒートシールする辺のヒータヘッドの温度を前記注液工程前のヒータヘッドの温度より高くかつ１８５℃から２１０℃の範囲の温度としたことを特徴とする請求項１乃至４に記載の二次電池の製造方法。
5. ２種類の電極がセパレータを介して交互に積層されている電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器に収容されている、二次電池の製造装置であって、
   重ね合わせた前記ラミネートフィルムの外周部のうちの少なくとも１辺を除き、前記ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺を含む複数の辺を加熱してヒートシールするヒートシール工程におけるヒータヘッドのうち、前記ラミネートフィルム同士が直接重なり合う辺をヒートシールする第１のヒータヘッドと、
   前記少なくとも１辺から、液量係数が１より大きくなるように電解液を注入する注液手段と、
   前記電解液が注入された前記外装容器の、前記少なくとも１辺を加熱してヒートシールする、ヒートシール工程用の第２のヒータヘッドと、
   前記第２ヒータヘッドの温度が、前記第１のヒータヘッドの温度よりも高くなるように、前記第１のヒータヘッドおよび前記第２のヒータヘッドを制御する制御手段と、
   を有する二次電池の製造装置。

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