JP2017525112A - 角柱形状の電池セルを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、角柱形状の電池セル（１０）を製造する方法であって、角柱形状の電池セル（１０）は、カソード層と、アノード層と、少なくとも２つのセパレータ層と、を有する、上記方法に関する。本方法は、以下の工程、即ち、巻回型電池（１２）を製造するために巻回軸の周りに、カソード層、アノード層、及び２つのセパレータ層を含む初期構成を巻回する工程であって、カソード層及びアノード層は各々、長手側及び短手側を有し、短手側が巻回軸に対して平行に巻回される、上記巻回する工程と、セルハウジングに巻回型電池（１２）を挿入する工程と、カソード層及びアノード層の接続領域（３６、３８）を集電体（４２、４４）と接触させる工程と、セルハウジングに液体電解質を充填する工程と、セルハウジングを閉鎖する工程と、を含む。本方法では、カソード層及びアノード層の長手側が各々、初期構成に導入される間に、接続領域（３６、３８）を形成するために裁断されることが構想される。さらに、本発明は、角柱形状の電池セル（１０）と、このような角柱形状の少なくとも１つの電池セル（１０）を有するバッテリを備えた自動車と、に関する。【選択図】図６Ａ

Description

本発明は、角柱形状の電池セルを製造する方法であって、電池セルがカソード層と、アノード層と、少なくとも２つのセパレータ層と、を有する、上記方法に関する。

さらに、本発明は、上記方法に従って製造された角柱形状の電池セル、及び、このような角柱形状の電池セルが利用されている車両に関する。

自動車分野で利用されるリチウムイオン蓄電池は、容量の利用価値という理由から、角柱形状をしていることが多い。セルハウジングの内部には、例えば、アノードとカソードとセパレータ層とが巻かれた、平らにプレス成形された巻回型電池（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌｓ、ジェリーロール）が存在する。セルハウジングには、巻回型電池が挿入された後でかつ気密に閉鎖される前に、液体電解質が充填される。米国特許第８６４１０１５号明細書は、例えば、４つの巻回型電池がその中に配置されたこのような角柱形状の電池セルを提供する。

本開示の枠組みではカソード及びアノードで表される電極の電気的接触は、例えば、以下のように行われる。即ち、２つの電極が、ぴったりと重ね合わせられるのではなく巻回軸の方向に軽くずらされる。この方法は、例えば、独国特許出願公開第１０２０１２２１３４２０号明細書に記載されている。従って、巻回型電池の、一方の開いた短手側側面では、各電極の負の電圧が検知され、対向する他方の開いた短手側側面では、各電極の正の電圧が検知される。張り出した箔帯の接触は、銅又はアルミニウムから成る、溶接された帯状の板金部品を用いて、即ち所謂集電体を用いて行われる。セルハウジングの内部での集電体の接触、及び、セルハウジングを通る電流経路の外部の案内は、非常に困難になる。セルハウジングへの巻回型電池の挿入後で、さらにセルハウジングが閉鎖された後に、セルハウジングには、当該セルハウジングのカバーに設けられた小さな孔を通じて、電解質が充填される。電池セルの製造時の最後の処理の１つとして、上記孔が閉鎖要素によって閉鎖される。

ジェリーロールの更なる別の例が、米国特許第５５５２２３９号明細書、及び、特開２００９−２６６７３７号明細書に開示されている。

米国特許出願公開第２０１２／０１８９８８８号明細書では、カソード層及びアノード層が、その間に配置されたセパレータと共に螺旋状に巻回されたリチウムイオン電池セルが開示されている。

角柱形状の電池セルを製造するための本発明に係る方法であって、角柱形状の電池セルは、カソード層と、アノード層と、少なくとも２つのセパレータ層と、を有する、上記方法は、以下の工程、即ち、
ａ）巻回型電池を製造するために巻回軸の周りに、カソード層、アノード層、及び２つのセパレータ層を含む初期構成を巻回する工程であって、カソード層及びアノード層は各々、長手側及び短手側を有し、短手側が巻回軸に対して平行に巻回される、上記巻回する工程と、
ｂ）セルハウジングに巻回型電池を挿入する工程と、
ｃ）カソード層及びアノード層の接続領域を集電体と接触させる工程と、
ｄ）セルハウジングに液体電解質を充填する工程と、
ｅ）セルハウジングを閉鎖する工程と、
を含む。

本発明に基づいて、カソード層及びアノード層の長手側が各々、初期構成に導入される間に、接続領域を形成するために裁断されることが構想される。

本発明の利点は、活物質が塗布されていない長い電極縁端部がもはや必要とならないことである。有利に、接続領域のみが、活物質が塗布されていない状態でありうる。これにより、容量が増え、エネルギー密度がより高くなり、さらに材料費が節約される。

巻回型電池がセルハウジングに挿入される工程、カソード及びアノードが集電体と接触させられる工程、さらに、セルハウジングに液体電解質が充填される工程の時間的順序は、原則的には任意である。

有利な実施形態によれば、セルハウジングには厳密に１個の巻回型電池が挿入され、その際には、巻回型電池は、厳密に１個のカソード層と、厳密に１個のアノード層と、を有する。これにより、溶接時のコストがより小さくなる。というのは、１個の巻回型電池のみを電気導体に溶接するだけでよいからである。特にこれにより、集電体での材料が節約される。というのは、集電体を分岐させることによって複数の巻回型電池へと導く必要がないからである。さらに、個別構成要素がより少ない場合には更なる別の作業工程が無くなるため、製造過程においても利点が見出される。電極ごとに、分岐していない１個の集電体が利用されうる。集電体の輪郭は、当該集電体も同様に簡単に製造されるために変更可能である。カソード層とアノード層とは、本開示の枠組みにおいて、カソード若しくはアノードと呼ばれ、又は、まとめて電極とも総称されうる。

有利な実施形態によれば、接続領域が形成されるカソード層及びアノード層の長手側は、初期構成において互いに重なり合って配置される。従って、カソード層の長手側と、アノード層の長手側とは、同一の側に存在する。

好適に、カソード層及びアノード層の接続領域は、初期構成においてさらに、互いにずらされて配置される。接続領域同士が空間的に離れていることによって、カソード及びアノードの電気的絶縁が保証されうる。極性が逆の接続領域同士の最大限のずれが特に好適であり、その際に、各接続領域は常に厳密に、極性が逆の２つの接続領域の間に配置されている。

初期構成に導入される間のカソード層及びアノード層の裁断は、好適にレーザを用いて行われる。その際の利点は、形状が自由に選択されることである。さらに、レーザが、巻き取り機に直接組み込まれうる。これにより、不良率が最小になる。これにより、巻回体における個々の接触タブのずれが厳密に補正されうる。代替的に、打ち抜きプレス機を用いて連続的な打ち抜きを行うことが構想されてもよい。その際に、打ち抜きプレス機は、巻き取り機に組み込まれうる。代替的に、打ち抜き加工は、外部でのプロセスとして設けられてもよい。

電極の長手側の裁断によって、電極の輪郭が形成される。その際に、接続領域として、カソード層及びアノード層の長手側から好適に突き出たタブが生成され、このタブが、集電体と電気的に接触させられる。接続領域の裁断時には、好適に、カソード層及びアノード層の活物質が塗布されていない材料のみが切り離される。

特に好適な実施形態によれば、工程ｂ）において、巻回型電池は、充填孔及び／又はバーストディスクが巻回軸と一列に並ぶように、セルハウジングに挿入される。充填孔が巻回軸と一列に並んだ場合には、巻回型電池では、液体電解質が充填された際に、当該電解質をたっぷりと吸収するためにより短い時間が掛かる。その際に、充填孔を通って充填される際の液体の貫流方向は、理想的には巻回軸に対して平行である。電池セルの破損の際にも、これにより生ずるダイナミクス（Ｄｙｎａｍｉｋ）の主方向が、巻回軸に対して平行である。従って、過剰圧力が掛った際に液体又は気体が開裂口から出るのが容易になる。「巻回軸と一列に並ぶ」という表現によって、充填孔が、巻回軸上に存在し、又は、当該巻回軸から小さい間隔を置いて存在することが表される。

さらに、初期構成にはさらに、巻回ブレード部（Ｗｉｃｋｅｌｓｃｈｗｅｒｔ）が設けられることが構想されうる。ここでは工程ａ）において、巻回ブレード部の周りに巻回される。巻回ブレード部は、例えば、第１の長辺及び第２の短辺を有する矩形の断面をした平板として構成される。巻回ブレード部は、例えば、プラスチックで製造され、特に、溶接可能及び／又は接着可能で、電解質に対して耐性があるプラスチックで製造される。

その際に、工程ａ）において、最初に、カソード層、アノード層、及び少なくとも２つのセパレータ層が巻回ブレード部に固定されることが構想される。アノード及びカソードは、溶接領域で巻回ブレード部に溶接され又は接着される。セパレータも同様に巻回ブレード部に固定され、例えば接着される。

巻回ブレード部は巻回の後で抜き取られることが構想され、このことにより、巻回型電池のエネルギー密度が上げられる。巻回ブレード部が巻回型電池の内部に残る場合について、巻回ブレード部は、本発明の枠組みにおいて巻芯部とも称されうる。

好適な実施形態によれば、巻回軸は、巻回ブレード部の短辺に対して平行であり、従って、初期構成は、巻回ブレード部の短辺の周りに周回される。カソード層及びアノード層は、本実施形態では、巻回ブレード部に設けられた、当該巻回ブレード部の短辺に渡って延在する領域を介して固定される。

他の観点によれば、上述の方法に従って製造された角柱形状の電池セルが提供される。上記方法の枠組みで記載された特徴は、対応して、当該方法に従って製造された角柱形状の電池セルについても当てはまる。

本発明によれば、さらに、バッテリを備えた自動車が提供され、その際に、バッテリは、少なくとも１つのこのような電池セルを有する。バッテリは、好適に自動車の駆動システムと接続されている。自動車は、純粋な電気自動車として構成され、電気的駆動システムのみ備えうる。代替的に、自動車は、電気的駆動システム及び内燃機関を備えたハイブリッド自動車として構成されうる。幾つかの変形例において、ハイブリッド自動車のバッテリが、内部で発電機を介して内燃機関の余剰エネルギーにより充電されることが構想されうる。外部で充電可能なハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ：ｐｌｕｇ−ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ、プラグインハイブリッド電気自動車）ではさらに、外部の電流供給ネットワークを介してバッテリに充電する可能性が設けられる。

本発明の実施例が、図面に示され、以下の明細書の記載において詳細に解説される。
従来技術による角柱形状の電池セルの斜視図を示している。 巻回ブレード部を示している。 本発明の一実施形態に係る初期構成を示す。 従来の電極層の上面図を示す。 本発明に係る電極層の上面図を示す。 本発明の一実施形態に係る巻回型電池の断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る巻回型電池の、側方から見た上面図を示す。 本発明に係るカバー群及び巻回型電池の、側方から見た上面図を示す。 従来のカバー群及び巻回型電池の、側方から見た上面図を示す。

本発明の実施例についての以下の明細書の記載では、同一又は類似したコンポーネント又は構成要素が、同一又は類似した符号で示され、その際に、個別ケースでの上記コンポーネント又は構成要素についての重複説明は行われない。図は、本発明の主題を単に概略的に示している。

図１は、従来技術による角柱形状の電池セル１０’の斜視図を示している。

角柱形状の電池セル１０’は、分かり易いようにセルハウジング抜きで示されており、密に並設された４つの巻回型電池１２’と、カバー群４６’と、を備え、その際に、カバー群４６’は、２つの端子１４’を含み、これにより、角柱形状の電池セル１０’に対して、外部から電気的に接触される。

カバー群４６’には、さらに、充填孔１６’とバーストディスク１８’とが対応付けられている。充填孔１６’とバーストディスク１８’とは、カバープレート４７’のほぼ中央に存在するが、これに対して、端子１４’は、カバープレート４７’の辺縁に配置されている。巻回型電池１２’は、セルハウジングに挿入され、液体電解質が充填される。この液体電解質は、図１では、充填孔１６’を介して垂直方向に注ぎ込まれ、その後で水平方向に巻回型電池１２’に達し、巻回型電池１２’が液体電解質をたっぷりと吸収する。この後で、カバー群４６’によってセルハウジングが閉鎖される。

図２は、巻回ブレード部２６を示している。この巻回ブレード部２６は、例えば、プラスチックプレート４８で形成される。このプラスチックプレート４８は、長辺５０と、短辺５２と、を有する矩形のベース領域を有する。従来の巻回方向６０’は、長辺５０の周りを巡っている。ここでは、短辺５２の周りを巡る巻回方向６０が提案される。その際に巻回軸４０は、短辺５２に対して平行に配置されている。

図３は、巻回ブレード部２６と、２つの分離層２８と、カソード層３０と、アノード層３２と、を含む初期構成２２を示しており、ここでは、巻回ブレード部２６は、図２に関して記載したように構成されている。ここでは、図２の巻回軸に沿った断面図が示されている。矢印で、初期構成２２の巻回方向６０が示されている。カソード層３０及びアノード層３２は、溶接領域５４、５６を介して巻回ブレード部２６に固定されている。２つのセパレータ層２８は、互いに対向して巻回ブレード部２６に接着されており、カソード層３０とアノード層３２とを互いに絶縁させる。

図４Ａは、従来の電極３０’、３２’を示しており、この従来の電極３０’、３２’は、当該電極３０’、３２’の長手側７０’全体に渡って延在する接続領域３６’、３８’を有し、その際に、長手側７０’は、短手側７２よりも長い。

図４Ｂには、本発明に係る電極３０、３２が示されており、この電極３０、３２は、タグ片７４として形成された、電極３０、３２の短手側７２に渡って延在する接続領域３６、３８を有する。従来の電極３０’、３２’の、活物質が塗布可能な領域６４’は、本発明に係る電極３０、３２の、活物質が塗布可能な領域６４と同じ大きさである。接続領域３６、３８の大きさは従来の電極に対して縮小されるため、本発明に係る電極３０、３２では容積重量がより小さく、これにより、（ここでは図示されない）角柱形状の電池セル１０のエネルギー密度が上がる。

カソード層３０及びアノード層３２は、エンドレスベルト（Ｅｎｄｌｏｓｂａｎｄ）から巻回方向に導かれ、その際に、示される形状に切断される。タグ片７４は、レーザによって、活物質が塗布されていない帯状体から切り離される。その際に、タブ片７４間の間隔ａが一定に保たれ、又は、巻回される際の巻回体の半径の増大を考慮するために、間隔ａが僅かに広げられる。即ち、ジェリーロールの半径の増大に伴って、個々のタグ片７４間の間隔ａは、巻かれた状態でタグ片７４同士が重なり合うことを保証するために適合される。カソード層３０のタグ片７４は、巻回方向において最大限に、アノード層３２のタグ片に対してずらされて、重ねられて配置され、従って、図５Ｂに記載の電池セル巻回体１２が獲得される。

作業過程においては、巻回の前に、外部でレーザによって切断されてもよい。しかしながら、レーザは、タブ片７４をインラインで（ｉｎｌｉｎｅ）裁断するために、巻回機に直接的に設置されてもよい。後者のバリエーションが優先される。

その際に、必ずしも巻回ブレード部２６の周りに巻回する必要はない。幾つかの実施形態において、セパレータ層２８、カソード層３０、及びアノード層３２は、巻回ブレード部２６無しで巻かれる。

巻回の際に巻回ブレード部２６が利用されたケースについて、巻回ブレード部２６は、巻回過程の後に抜き取られてもよく、又は、巻回型電池１２の内部に残っていてもよい。好適には、巻回ブレード部２６は、角柱形状の電池セル１０の容積重量を小さくするために抜き取られる。巻回ブレード部２６が抜き取られる場合に、巻回ブレード部２６は、好適には金属で、伸展装置（Ｓｐａｎｎｖｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）を用いて作成される。その後で、巻回開始時にセパレータ層２８を固く保持することよって巻回されうる。巻回の終了後に伸展装置が解放されて、伸展幅（Ｓｐａｎｎｗｅｉｔｅ）が縮む。これにより、抜き取りが可能である。このような仕組みによる巻回ブレード部は、従来技術で公知である。

図５Ａは、図３で示した初期構成２２の巻回の後に生成した巻回型電池１２の断面図を示している。巻回型電池１２の中央には、巻回ブレード部２６が存在する。巻回ブレード部２６の周りに、巻回された層６２が存在する。その際に、巻回された層６２の最も外側の層が、セパレータ層２８である。

図５Ｂは、図３で示した初期構成２２の巻回の後に生成した巻回型電池１２の、側方から見た上面図を示している。ここでは、図５Ａで示した構成を９０°回転させて示している。接続領域３６、３８のタグ片７４が、巻回された層６２から側方へと突き出ており、従って、図６Ａに示すようにカバー群４６と接触させることが可能であり、その際には、接続領域３６、３８が、対応する集電体４２、４４に溶接される。その際に、カソード層３０のタグ片７４とアノード層３２のタグ片７４とは、ａ／２の間隔で配置されている。

図６Ａは、本発明に係るカバー群４６と、巻回型電池１２と、を備えた角柱形状の電池セル１０の分解立体図を示している。カバー群４６は、充填孔１６、バーストディスク１８、及び端子１４が設けられたカバープレート４７と、カソードの第１の集電体４２と、アノードの第２の集電体４４と、を有する。

巻回型電池１２は、液体電解質の流入方向２０が充填孔１６及びバーストディスク１８に対して平行であるように、（図示されない）セルハウジングに挿入される。

角柱形状の電池セル１０のハウジング内には、さらに有利に、１個の巻回型電池１２が配置され、このことは、エネルギー密度の増大を意味する。

図６Ａ及び図６Ｂはさらに、従来技術（図６Ｂ）と比較して本発明に係る実施形態（図６Ａ）によって得られる、巻回型電池１２とカバー群４６の端子１４との接触の経路短縮を示している。

本発明に係る実施形態では、接続領域３６、３８の端子１４が対向しているため、集電体４２、４４が短く真直ぐに形成される。

従来技術では、接続領域３６’、３８’は、端子１４の向かい側ではなく、巻回型電池１２’の脇に配置されており、従って、集電体４２’、４４’は、対応してより長く、さらに成形する必要がある。

本発明は、本明細書に記載される実施例及び当該実施例で強調される観点には限定されない。むしろ、請求項が示す範囲内で、当業者の業に収まる複数の変更が可能である。

Claims (10)

1. 角柱形状の電池セル（１０）を製造する方法であって、前記角柱形状の電池セル（１０）は、カソード層（３０）と、アノード層（３２）と、少なくとも２つのセパレータ層（２８）と、を有し、前記方法は、以下の工程、即ち、
   ａ）巻回型電池（１２）を製造するために巻回軸（４０）の周りに、前記カソード層（３０）、前記アノード層（３２）、及び前記２つのセパレータ層（２８）を含む初期構成（２２）を巻回する工程であって、前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）は各々、長手側（７０）及び短手側（７２）を有し、前記短手側（７２）が前記巻回軸（４０）に対して平行に巻回される、前記巻回する工程と、
   ｂ）セルハウジングに前記巻回型電池（１２）を挿入する工程と、
   ｃ）前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）の接続領域（３６、３８）を集電体（４２、４４）と接触させる工程と、
   ｄ）前記セルハウジングに液体電解質を充填する工程と、
   ｅ）前記セルハウジングを閉鎖する工程と、
   を含む、前記方法において、
   前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）の長手側（７０）は各々、前記初期構成（２２）に導入される間に、前記接続領域（３６、３８）を形成するために裁断されることを特徴とする、方法。
2. 前記接続領域（３６、３８）が形成された前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）の前記長手側（７０）は、前記初期構成（２２）において互いに重なり合って配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）の前記接続領域（３６、３８）は、前記初期構成（２２）において互いにずらされて配置されることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）は、前記初期構成（２２）に導入される間に、レーザによって裁断されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記接続領域（３６、３８）は、前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）の前記長手側（７０）から突き出たタブであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記接続領域（３６、３８）の裁断時には、前記カソード層（３０）及び前記アノード層（３２）の、塗布されていない材料のみが切り離されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記工程ｂ）において、前記巻回型電池（１２）は、充填孔（１６）及び／又はバーストディスク（１８）が前記巻回軸（４０）と一列に並ぶように、前記セルハウジングに挿入されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記初期構成（２２）は、巻回ブレード部（２６）を有し、前記工程ａ）で当該巻回ブレード部（２６）の周りに巻回され、前記巻回ブレード部（２６）は、前記巻回の後で抜き取られることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法に従って製造された角柱形状の電池セル（１０）。
10. 請求項９に記載の少なくとも１つの角柱形状の電池セル（１０）を有するバッテリを備えた自動車。

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