JP2017076478A - 折り畳み式二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】活物質層が間欠配置されておらず生産性の良い構造を有する折り畳み式二次電池を提供する。【解決手段】本発明の折り畳み式二次電池は、交互に積層されている負極積層体１００及び正極積層体２００を有する。ここで、負極積層体は１００、等間隔の折り目を有する九十九折り形状であり、正極積層体２００は、等間隔でかつ負極積層体の折り目の間隔とは異なる間隔で、複数のスリット２４０及び折り目を有する九十九折り形状である。また、九十九折り形状の負極積層体１００と、九十九折り形状の正極積層体２００とは、正極積層体の複数の前記スリット２４０を介して嵌合した構造である。【選択図】図５

Description

本発明は、折り畳み式二次電池に関する。

近年、自動車、パソコン、携帯電話、及びタブレット端末等の電源として、小型で高性能な電池の開発が求められている。このような電池として、液体の電解質を用いた電解液電池と並んで、固体の電解質を用いた全固体電池の開発が盛んに行われている。

全固体電池及び電解液電池は、一般に、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層又はセパレータ、負極活物質層、及び負極集電体を、この順に積層した単電池の構造を少なくとも一つ有し、任意に、複数の単電池を積層して積層体電池を形成している。このような積層体電池は種々提案されている。

特許文献１では、帯状の正極集電体と、帯状の負極集電体とが、互いのスリットを嵌め合い、上下が交互に交替するように重ねられた一次構造を形成しており、一次構造は、スリットの位置を折り目として交互に蛇腹状に折り畳まれた、二次構造を形成しており、二次構造の正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層又はセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されている、折り畳み式電池が開示されている。特許文献１では、これにより、連続的に製造することができ、より生産性の高い、折り畳み式電池を提供することができるとしている。

また、特許文献２では、正極、負極共等ピッチでスリット加工している電極を嵌め合う構造の電池を提案している。特許文献２では、これにより、高い電池性能を有し且つ連続的に製造することができる固体組二次電池を提供することができるとしている。

特開２０１５−１１８７８８号公報 特開平８−２０３５３９号公報

リチウムイオン二次電池では、負極電極でのリチウム析出を抑制するために、正極電極の活物質層の面積を相対する負極電極の活物質層の面積よりも小さく設計することが望ましい。

特許文献１の電池構造では、正極層短辺方向は長さを短くすれば良いが、正極層長辺方向は、大きさの差を調整するために、活物質層の負極層と正極層との長さ差分だけ未塗工部を配置するか、スリット形状を長辺方向に活物質層の負極層と正極層との長さ差分だけ配置しなければならない。このような未形成部は、活物質層を間欠的に塗工して形成しなければならないので、生産性向上が不十分である。また、長辺方向のスリット加工も活物質が無駄になり、生産性の悪い構造となる。

間欠塗工を行わなかった場合、スリットの延長線上に形成される活物質層の不要部分と絶縁部材とが干渉してしまい、積層時に不具合が生じる。また、この不要部分は電池として使用できないため、材料の浪費につながる。

したがって、活物質層を間欠塗工せず、かつ活物質層の不要部分を生じさせない、折り畳み式二次電池の構造を開発する必要性が存在する。

本発明者らは、鋭意検討したところ、以下の手段により上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、下記のとおりである：
交互に積層されている負極積層体及び正極積層体を有する折り畳み式二次電池であって、
上記負極積層体が、固体電解質層又はセパレータ層、負極活物質層、負極集電体層、負極活物質層、及び固体電解質層又はセパレータ層をこの順で具備しており、
上記正極積層体が、正極活物質層、正極集電体層、及び正極活物質層をこの順で具備しており、
上記負極積層体は、等間隔の折り目を有する九十九折り形状であり、
上記正極積層体は、等間隔でかつ上記負極積層体の折り目の間隔とは異なる間隔で、複数のスリット及び折り目を有する九十九折り形状であり、かつ
九十九折り形状の上記負極積層体と、九十九折り形状の上記正極積層体とが、上記正極積層体の複数の上記スリットを介して嵌合した構造である、
折り畳み式二次電池。

本発明によれば、活物質層を間欠塗工せず、かつ活物質層の不要部分を生じさせない、折り畳み式二次電池の構造を提供することができる。

図１（ａ）は、加工前の負極集電体層の正面図である。図１（ｂ）は、タブ部を形成した負極集電体層の正面図である。図１（ｃ）は、負極活物質層を積層させた負極集電体層の正面図である。図１（ｄ）は、負極活物質層及び固体電解質層を積層させた負極集電体層（すなわち負極積層体）の正面図である。 図２（ａ）は、加工前の正極集電体層の正面図である。図２（ｂ）は、タブ部を形成した正極集電体層の正面図である。図２（ｃ）は、正極活物質層を積層させた正極集電体層（すなわち正極積層体）の正面図である。図２（ｄ）は、絶縁処理を施した正極積層体の正面図である。図２（ｅ）は、複数のスリットを形成した正極積層体の正面図である。 図３（ａ）は、九十九折りした負極積層体の斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した負極積層体の断面図である。 図４（ａ）は、九十九折りした正極積層体の斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した正極積層体の断面図である。 図５（ａ）は、九十九折りした負極積層体と、九十九折りした正極積層体とを、正極積層体の複数のスリットを介して嵌合させた状態の模式図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の線Ｖ−Ｖ’における模式断面図である。 図６（ａ）は、製造した折り畳み式二次電池の１つの反復単位の正面図である。図６（ｂ）は、製造した折り畳み式二次電池の１つの反復単位の裏面図である。

《折り畳み式二次電池》
本発明の折り畳み式電池は、交互に積層されている負極積層体及び正極積層体を有する。

以下では、本発明の折り畳み式二次電池について、図面を参照しながら説明する。

〈負極積層体〉
負極積層体は、固体電解質層又はセパレータ層、負極活物質層、負極集電体層、負極活物質層、及び固体電解質層又はセパレータ層をこの順で具備している。また、この負極積層体は、等間隔の折り目を有する九十九折り形状である。

この負極積層体は、例えば以下のようにして作製されたものであることができる。

まず、図１（ａ）に示すような負極集電体層（１１０）を切断し、図１（ｂ）に示すように、負極タブ部（１１２）が形成された状態とする。この切断は、ＹＡＧレーザー、ロータリーカッター等によって行うことができる。

この負極タブ部は、後の工程において、負極積層体を九十九折りしたときに、九十九折りによって画定される反復単位において同一の位置となるように形成することが好ましい。負極タブ部は九十九折り曲げ部に対して線対称が望ましい。更に、隣り合ったタブ部は必ず隙間が存在しなければならない。

次いで、図１（ｃ）に示すように、負極集電体層（１１０）の両面に負極活物質層（１２０）を積層させ、そして図１（ｄ）に示すように、積層させた表裏の負極活物質層（１２０）の上に、固体電解質層又はセパレータ層（１３０）を積層させて、負極積層体（１００）とする。負極活物質層及び固体電解質層の積層は、例えば塗工又は転写等によって行うことができる。

なお、図示しないが、負極集電体層に負極活物質層及び固体電解質層又はセパレータ層を、未積層部を残して積層させた後で、負極集電体層を切断して負極タブ部を形成してもよい。

その後、図１（ｄ）に示した負極積層体を、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように等間隔で九十九折りする。

１つの態様においては、この九十九折りの折り目部（１４０）により、折り畳み式二次電池の反復単位が画定される。

（負極集電体層）
負極集電体を構成する材料は、負極活物質からの集電を行うことができる材料であれば特に限定されず、例えば銅等を用いることができる。

負極集電体層の厚さは、６μｍ以上、８μｍ以上、又は１０μｍ以上であることができ、また２０μｍ以下、１８μｍ以下、又は１５μｍ以下であることができる。

（負極活物質層）
負極活物質としては、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオンを、放電の際に放出させ、また任意に充電の際には吸蔵させることができる物質であれば、特に限定されない。

（固体電解質層）
固体電解質層は、固体電解質を含有することができる。固体電解質は、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオンに対する伝導性を有する材料であれば特に限定されない。

（セパレータ層）
セパレータ層は、基材及び基材に保持されている固体電解質で構成されていてよい。

基材としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、テフロン（登録商標）で構成されているメッシュ状基材であることができる。この場合、開孔率は６０％以上、６５％以上、又は７０％以上であることができ、また９５％以下、９０％以下又は８５％以下であることができる。

基材がメッシュ状基材である場合、基材の開孔率は、６０％以上、６５％以上、又は７０％以上であることができ、また９５％以下、９０％以下又は８５％以下であることができる。また、孔間の桟幅は、１０μｍ以上、１５μｍ以上、又は２０μｍ以上であることができ、また５０μｍ以下、４０μｍ以下、又は３０μｍ以下であることができる。

基材の厚さは、１０μｍ以上、１２μｍ以上、又は１５μｍ以上であることができ、また５０μｍ以下、４０μｍ以下、又は３０μｍ以下であることができる。

セパレータにおける固体電解質としては、上記の固体電解質を用いることができる。

〈正極積層体〉
正極積層体は、正極活物質層、正極集電体層、及び正極活物質層をこの順で具備している。また、正極積層体は、等間隔でかつ上記負極積層体の折り目の間隔とは異なる間隔で、複数のスリット及び折り目を有する九十九折り形状である。

この正極積層体は、例えば以下のようにして作製されたものであることができる。

まず、図２（ａ）に示すような正極集電体層（２１０）を切断し、図２（ｂ）に示すように、正極タブ部（２１２）が形成された状態とする。この切断は、ＹＡＧレーザー、ロータリーカッター等によって行うことができる。

この正極タブ部は、後の工程において、正極積層体を九十九折りしたときに、九十九折りによって画定される反復単位において同一の位置となるように形成することが好ましい。

次いで、図２（ｃ）に示すように、正極集電体層（２１０）の両側に正極活物質層（２２０）を積層させて、正極積層体（２００）とする。正極活物質層の積層は、例えば塗工又は転写等によって行うことができる。

なお、図示しないが、正極集電体層に正極活物質層を、未積層部を残して積層させた後で、正極集電体層を切断して正極タブ部を形成してもよい。

次いで、図２（ｄ）に示すように、この正極積層体（２００）の両側に、正極絶縁層（２３０）を積層させる。この正極絶縁層（２３０）は、負極集電体層（１１０）と正極集電体層（２１０）とが直接に接触しないようにして、正極集電体層（２１０）の両側に積層させる。

その後、図２（ｄ）に示した正極積層体（２００）に、図２（ｅ）に示すように等間隔に複数のスリット（２４０）を設ける。このスリット（２４０）は、正極活物質層（２２０）を完全に切断し、かつ正極絶縁層（２３０）を部分的に切断するように形成する。スリットの形成は、ＹＡＧレーザー、スリッター等によって行うことができる。

１つの態様においては、このスリット（２４０）により、折り畳み式二次電池の反復単位が画定される。

次いで、図２（ｅ）に示した正極積層体を、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、複数のスリット（２４０）の位置を折り目部（２５０）として九十九折りする。これにより、九十九折りしたときの折り目部（２５０）の間隔は、負極積層体の場合と異なるものとなる。

ここで、後述するように正極活物質層を正極絶縁層及び固体電解質層で包囲することを意図する場合、正極積層体の折り目部の間隔は、負極積層体の折り目部の間隔よりも小さいことが好ましい。特に、正極積層体の折り目部の間隔と、負極積層体の折り目部の間隔との差が大きくなればなるほど、正極積層体及び負極積層体を嵌合させる際の位置の誤差を吸収しやすくなる。

（正極集電体層）
正極集電体層を構成する材料は、正極活物質からの集電を行うことができる材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム等を用いることができる。

ここで、後述するように正極活物質層を正極絶縁層及び固体電解質層で包囲することを意図する場合、正極集電体層の短手方向の幅は、負極集電体層の短手方向の幅以下であることが好ましい。

正極集電体層の厚さは、６μｍ以上、８μｍ以上、又は１０μｍ以上であることができ、また２０μｍ以下、１８μｍ以下、又は１５μｍ以下であることができる。

（正極活物質層）
正極活物質層は、正極活物質を含有することができる。正極活物質としては、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオンを、放電の際に吸蔵し、また任意に充電の際には放出させることができる物質であれば、特に限定されない。

（正極絶縁層）
正極絶縁層としては、例えば絶縁テープを用いることができる。

正極絶縁層の厚さは、１０μｍ以上、２０μｍ以上、又は３０μｍ以上であることができ、また８０μｍ以下、７０μｍ以下、又は６０μｍ以下であることができる。

次に、折り畳み式二次電池を製造するための本発明の方法の一例の各工程について、図面を参照しながら説明する。

〈負極積層体及び正極積層体の嵌合構造〉
九十九折り形状の上記負極積層体と、九十九折り形状の上記正極積層体とは、正極積層体の複数の上記スリットを介して嵌合した構造である。ここでは、上記のとおり、正極積層体と、負極積層体とが交互に積層されている。

負極積層体及び正極積層体の嵌合構造は、九十九折りした負極積層体と、九十九折りした正極積層体とを、正極積層体の複数のスリットを介して嵌合させ、それによって正極積層体と、負極積層体とが交互に入れ替わっているようにして得ることができる。

より具体的には、九十九折りした負極積層体と、九十九折りした正極積層体とを、正極積層体の複数のスリットを介して嵌合させる。例えば、図４（ａ）に示したような正極積層体（２００）のスリット（２４０）を、図３に示したような負極積層体（１００）の折り目部（１４０）に対応させるようにして、負極積層体（１００）の負極タブ部（１１２）側から１つずつ差し込むようにすることによって、負極積層体（１００）と正極積層体（２００）とを嵌合させることができる。

嵌合の際には、正極積層体を負極積層体で挟んだ際に、正極活物質層（２２０）が、正極絶縁部（２３０）、及び負極積層体の固体電解質層（１３０）に包囲されるようにすることが好ましい。

この嵌合によって蛇腹状にした折り畳み式二次電池における、負極積層体及び正極積層体の位置関係を、図５を用いて説明する。なお、図５は、負極積層体及び正極積層体の相対的な位置関係を明示すべく、誇張して示していることに留意されたい。

図５（ａ）は、折り畳み式二次電池の正面図である。図５（ａ）に示すように、折り畳み式二次電池においては、スリット（２４０）を境に、固体電解質層（１３０）と、正極活物質層（２２０）とが入れ替わっていることが理解されよう。

図５（ｂ）は、負極積層体及び正極積層体の九十九折りしたときの折り目部が水平になるように配置したときの、折り畳み式二次電池の線Ｖ−Ｖ’における模式断面図である。図５（ｂ）から、正極積層体（２００）のスリット（２４０）を境に、正極積層体（２００）と負極積層体（１００）とが交互に入れ替わっていることが理解されよう。

上記のようにして、負極積層体及び正極積層体の複数の反復単位を有する、折り畳み式二次電池を製造することができる。この折り畳み式二次電池の１つの反復単位に関し、図６を参照して説明する。

図６（ａ）は、折り畳み式二次電池（３００）の１つの反復単位を正極積層体側から見た図であり、図６（ｂ）は、折り畳み式二次電池（３００）の１つの反復単位を負極積層体側から見た図である。これらの図から、正極活物質層（２２０）が、正極絶縁層（２３０）及び固体電解質層（１３０）によって包囲されていることが理解されよう。

《折り畳み式二次電池の製造方法》
折り畳み式二次電池に関する上記の記載から明らかなように、本発明の折り畳み式二次電池は、例えば下記の方法によって製造することができる：
折り畳み式二次電池の製造方法であって、
上記折り畳み式二次電池が、交互に積層されている負極積層体及び正極積層体を有し、
上記負極積層体が、固体電解質層又はセパレータ層、負極活物質層、負極集電体層、負極活物質層、及び固体電解質層又はセパレータ層をこの順で具備しており、
上記正極積層体が、正極活物質層、正極集電体層、及び正極活物質層をこの順で具備しており、かつ
以下の工程を含む、折り畳み式二次電池の製造方法：
上記負極積層体を、等間隔で九十九折りする工程；
上記正極積層体を、等間隔でかつ上記負極積層体の九十九折りの間隔とは異なる間隔で、複数のスリットを形成し、かつ九十九折りする工程；並びに
九十九折りした上記負極積層体と、九十九折りした上記正極積層体とを、上記正極積層体の複数の上記スリットを介して嵌合させ、それによって、正極積層体と、負極積層体とが交互に入れ替わっているようにする、工程。

１００ 負極積層体
１１０ 負極集電体層
１１２ 負極タブ部
１２０ 負極活物質層
１３０ 固体電解質層
１４０ 負極積層体の折り目部
２００ 正極積層体
２１０ 正極集電体層
２１２ 正極タブ部
２２０ 正極活物質層
２３０ 正極絶縁層
２４０ スリット
２５０ 正極積層体の折り目部
３００ 折り畳み式二次電池

Claims (1)

1. 交互に積層されている負極積層体及び正極積層体を有する折り畳み式二次電池であって、
   前記負極積層体が、固体電解質層又はセパレータ層、負極活物質層、負極集電体層、負極活物質層、及び固体電解質層又はセパレータ層をこの順で具備しており、
   前記正極積層体が、正極活物質層、正極集電体層、及び正極活物質層をこの順で具備しており、
   前記負極積層体は、等間隔の折り目を有する九十九折り形状であり、
   前記正極積層体は、等間隔でかつ前記負極積層体の折り目の間隔とは異なる間隔で、複数のスリット及び折り目を有する九十九折り形状であり、かつ
   九十九折り形状の前記負極積層体と、九十九折り形状の前記正極積層体とが、前記正極積層体の複数の前記スリットを介して嵌合した構造である、
   折り畳み式二次電池。

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