JP2018098095A - 二次電池スタックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組付け時における二次電池への加圧力の印加を抑制しつつ，出来上がる二次電池スタックには必要な荷重が掛かり続けるようにした二次電池スタックの製造方法を提供すること。
【解決手段】二次電池と樹脂部材３とを交互に積層した積層体である二次電池スタックを製造するに当たり，二次電池とともに積層される前の樹脂部材３を，積層される予定の方向に加圧する第１加圧工程と，第１加圧工程を経た樹脂部材３を二次電池とともに積層して積層体とする積層工程と，積層された積層体を積層方向に加圧する第２加圧工程とを行う。
【選択図】図３

Description

本発明は，二次電池スタックの製造方法に関するものである。

複数の二次電池を組合わせて一体とした二次電池スタックが，種々の用途に利用されている。二次電池スタックには，二次電池として角形の外形のものを用いるものがある。そのような二次電池スタックでは，二次電池と，略平板状の枠部材とが，二次電池の厚さ方向に積層されているのが普通である。

そのような構成の二次電池スタックの一例として，特許文献１に記載されている「電池パック１」を挙げることができる。同文献の「電池パック１」は，その図２および図１４に示されるように，「単電池１０」（二次電池）と「仕切り部材４０」（枠部材）とを積層したものである。そして同文献の図１に示されるように，その積層体を「エンドプレート３１」と「バンド３２」とで拘束して一体のものとしている。同文献の技術では，「バンド３２」により「電池パック１」に拘束力を与えている。この拘束力の印加は，「単電池１０」の膨張を抑制するために必要なことである（同文献の［００２３］参照）。

特開２０１２−１２９０４３号公報

しかしながら前記の技術には，次のような問題点があった。「電池パック１」の一部となった「単電池１０」において短絡不良が発生する場合があるのである。その原因として，前述の拘束力の印加があることが分かってきた。積層体を「バンド３２」で拘束する際に積層方向に加圧を行うので，その加圧により「単電池１０」の内部でも圧力が上昇する。そしてこの加圧は，「仕切り部材４０」をある程度変形させる程度に強く行われる。このため，このときの内圧上昇が，「単電池１０」内にある程度混入している微小な金属性異物による短絡を生じさせてしまうことがあるのである。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，組付け時における二次電池への加圧力の印加を抑制しつつ，出来上がる二次電池スタックには必要な荷重が掛かり続けるようにした二次電池スタックの製造方法を提供することにある。

本発明の一態様における二次電池スタックの製造方法は，二次電池と樹脂部材とを交互に積層した積層体である二次電池スタックを製造する方法であって，二次電池とともに積層される前の樹脂部材を，積層される予定の方向に加圧する第１加圧工程と，第１加圧工程を経た樹脂部材を二次電池とともに積層して積層体とする積層工程と，積層された積層体を積層方向に加圧する第２加圧工程とを有している。

上記態様における二次電池スタックの製造方法では，第１加圧工程を，樹脂部材に対してのみ行い，二次電池に対しては行わない。このため，第１加圧工程では，樹脂部材に高い加圧荷重を掛けることができる。このようにしてあらかじめ加圧した樹脂部材が，積層工程で二次電池とともに積層されることとなる。このため，積層体を加圧する第２加圧工程では，それほど高い荷重を掛ける必要がない。それでも第１加圧工程を行ったことの効果により，出来上がる二次電池スタックには必要な荷重が掛かることとなる。

上記態様の二次電池スタックの製造方法ではさらに，第１加圧工程の際に樹脂部材を，溶融しない範囲内の温度に昇温させるようにしてもよい。昇温により樹脂部材が軟化した状態で，第１加圧工程を行うことで，より確実に樹脂部材を圧縮することができるからである。

上記態様の二次電池スタックの製造方法ではさらに，第１加圧工程で，樹脂部材にクリープ変形を起こさせることとしてもよい。これにより，出来上がる二次電池スタックにおける荷重抜けが防止され，必要な荷重が長く掛かり続けることとなる。

上記態様の二次電池スタックの製造方法ではさらに，第２加圧工程での加圧を第１加圧工程での加圧力よりも弱い加圧力で行うこととすることができる。このようにすることで，二次電池への加圧荷重によるダメージを防止することができる。

本構成によれば，組付け時における二次電池への加圧力の印加を抑制しつつ，出来上がる二次電池スタックには必要な荷重が掛かり続けるようにした二次電池スタックの製造方法が提供されている。

実施の形態に係る製造方法で製造される二次電池スタックの斜視図である。 通気溝を有する枠部材の断面図である。 プレ加圧工程を示す模式図である。 プレ加圧工程でのストロークと荷重との関係を取得する試験を行っている状況を示す模式図である。 図４の試験により得られた結果を示すグラフである。 プレ加圧工程で複数の枠部材を一度に加圧する場合を示す模式図である。 温度調整を行う場合のプレ加圧工程を示す模式図である。 本加圧工程を示す模式図である。 プレ加圧工程および本加圧工程を通しての加重の変遷を示すグラフである。 本加圧工程後におけるセルに掛かる荷重の経時変化を，プレ加圧工程の有無により比較して示すグラフである。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示す二次電池スタック１の製造方法に本発明を適用したものである。そこでまず，二次電池スタック１について簡単に説明する。図１の二次電池スタック１は，セル２と枠部材３とを，それらの厚さ方向に交互に多数積層したものである。

セル２は，リチウムイオン二次電池その他の二次電池であって，平板状の外形のものである。より詳細に言えば，アルミ等の角形の金属製ケースに，電極捲回体を内蔵させたものである。電極捲回体は，正負の帯状の電極板をセパレータを介して交互に重ねて捲回し，扁平状に圧縮したものである。枠部材３は，略平板状でありセル２を収納する枠状に形成された樹脂製の部材である。枠部材３は，図２に示すように平坦部分に通気溝１４が形成されているものであってもよい。通気溝１４は，二次電池スタック１としての使用状態でのセル２の放熱のための形状である。以下の説明では簡単のため，通気溝１４を省略する。

また，二次電池スタック１における図１手前側端部には，端面部材４が備えられている。端面部材４も枠部材３と同様に樹脂製であり，二次電池スタック１の両端が樹脂製の部材となっている。二次電池スタック１にはまた，図示は省略するが，例えば特許文献１の図１に「２０」として描かれているような結束部材が適宜設けられていてもよい。

本形態の製造方法においては，セル２および枠部材３はいずれも，それらの単体としては完成品として供給されているものとする。それらの単体としてのセル２および枠部材３を二次電池スタック１という積層形態に組み付けて固定する過程が，本形態の製造方法の適用対象である。本形態では，二次電池スタック１の製造を次の手順で行う。以下，各手順について順次説明する。
１．枠部材３についてのプレ加圧工程（第１加圧工程）
↓
２．セル２と枠部材３との積層工程
↓
３．積層体についての本加圧工程（第２加圧工程）

まず，「１．」のプレ加圧工程について説明する。プレ加圧工程は，図３に示すように枠部材３をその厚さ方向に加圧する工程である。この工程は，セル２と組み合わせられる前の，単独の状態での枠部材３を対象として行われる。つまり，セル２はプレ加圧工程の対象物とはならない。図３のプレ加圧工程では，枠部材３の平坦部分を，固定ブロック５と可動ブロック６とで挟み付けている。そして，シリンダ７で可動ブロック６を固定ブロック５に向かって押し付けている（押し付け力Ｆ）。これにより，枠部材３の平坦部分を厚さ方向に加圧している。むろんこの加圧の方向は，後に枠部材３がセル２とともに積層される予定の方向である。シリンダ７の押し付け力Ｆの発生源は，空気圧でも油圧でも電磁力でも何でもよい。この加圧工程により枠部材３のうち加圧された部分にはクリープ変形が起こる。変形の内容はむろん，厚さ方向の圧縮である。このクリープ変形による圧縮は，押し付け力Ｆを解除した後でも完全には回復せず，ある程度残る。

プレ加圧工程での加圧の状況について，図４および図５を用いてより詳細に説明する。図４は，圧縮のストロークと荷重との関係を取得する試験を行っている状況を示している。図４は，枠部材３をダミー板８で上下から挟んだものをベース盤９の上に置き，上からオートグラフ１０で押し付けている状況を描いたものである。ベース盤９は不動である。ベース盤９と下のダミー板８が固定ブロック５に相当し，上のダミー板８が可動ブロック６に相当する。オートグラフ１０で上のダミー板８を下向きに押し付けつつ，その時のストローク（下降量）と押し付け力Ｆとを測定することができる。

図５は，図４の装置でストロークを時間の経過とともに直線的に増加させていったときにおける，押し付け力Ｆの荷重値の上昇の状況を示している。加圧開始後４秒程度でストロークが１．３ｍｍに達し，その後は逆にストロークを直線的に減少させている。このグラフは，ダミー板８による枠部材３への接触面積が片面当たり５０ｃｍ² である場合のものである。

図５を見ると，加圧を開始しても，ストロークが０．６ｍｍ程度に達するまでは荷重値はほとんど上昇しないことが分かる。ストロークが０．６ｍｍを超えてから荷重値が急激に上昇して，最大ストローク時には荷重値が約３０［ｋＮ］に達している。その後は，ストロークも荷重値も減少している。ただしその減少はストロークよりも荷重値の方が速く，ストロークが０．６ｍｍ程度まで戻ったところで荷重がほぼゼロとなっている。それ以降は，オートグラフ１０のストロークをさらに戻しても枠部材３の圧縮変形の回復が付いてこない状況である。すなわち枠部材３がクリープ変形した状態となっているのである。

図５では，枠部材３と組み合わせられるセル２に印加することが許容される荷重の上限値が約１０［ｋＮ］とされている。図５のグラフ中における最大の荷重値は前述の通り約３０［ｋＮ］であるから，許容上限値１０［ｋＮ］を大幅に超えていることになる。つまり，図５のグラフ中における最大の荷重は，もしセル２に印加すると，セル２の内部での微小短絡を生じさせるおそれがあるほどの高荷重なのである。しかしながら図３で説明したように，実際にはセル２にプレ加圧工程での圧縮荷重が掛かることはない。このため本形態のプレ加圧工程では，高い圧縮荷重を掛けることができるのである。

なお，図４でオートグラフ１０を使用したのは，試験として圧縮のストロークと荷重の値を読み取る必要があったためである。実際の量産時においては，図３に示したような適当なシリンダ７で十分である。また，実際の量産時においては，図６に示すように，複数の枠部材３を一度に加圧するようにしてもよい。図６では，前述の固定ブロック５と可動ブロック６に加えて中間ブロック１１をも用いている。ここで，固定ブロック５，可動ブロック６，中間ブロック１１，ダミー板８は，プレ加圧工程での加圧荷重に耐える強度があるものであれば何でもよい。適当な金属部材でよい。また，何度でも再使用できるものである。

ここまでの説明では，プレ加圧工程で特に温度調整は行わないこととした。しかしそればかりではなく，図７に示すように，プレ加圧工程にて温度調整を行うこととしてもよい。図７では，図３中の固定ブロック５および可動ブロック６に替えて，ヒータを内蔵する固定ブロック１２および可動ブロック１３を用いている。さらにサーミスタ等の温度センサも固定ブロック１２または可動ブロック１３に備えられていることが望ましい。これにより，枠部材３をある程度昇温させつつプレ加圧工程を行うのである。

この場合の枠部材３の昇温温度は，枠部材３の素材である樹脂がある程度軟化し，しかし溶融するには至らない程度とする。枠部材３の素材としての樹脂は通常，ポリエチレン，ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂が使用される。そのため枠部材３の昇温温度は，さして高い温度である必要はない。５０℃以上１２０℃以下程度で十分である。このように温度調整を行う場合のプレ加圧工程では，圧縮荷重は前述の水準より低くてもよい。後述する本加圧工程での圧縮荷重と同程度もしくはそれ以下でもよい。

また，図７の固定ブロック１２および可動ブロック１３は電熱ヒータを内蔵していることを想定して描いたものであるが，加熱方式はこれに限られない。ＩＨヒータでもよいし赤外線式でもよいし温熱流体の循環によるものでもよい。また，ヒータのない固定ブロック５および可動ブロック６を用いそれとは別にヒータを付近に配置する方式でもよい。むろん，図６のように多数の枠部材３を一度に加圧する場合でも温調方式を採用することは可能である。

続いて，「２．」の積層工程を行う。この工程そのものは特記するほどのことではなく，セル２と枠部材３とを，それらの厚さ方向に交互に多数積み重ねて，図１に示した二次電池スタック１のような積層体の形態にする，ということである。ただしそこにおける枠部材３として，前述のプレ加圧工程を経てクリープ変形が生じているものを用いる，ということである。

次に，「３．」の本加圧工程を行う。この工程では，前述の積層工程で積層した二次電池スタック１の全体（端面部材４を含む）を加圧する。加圧の方向は二次電池スタック１の長手方向であり，つまり，個々のセル２や枠部材３の厚み方向である。この工程での加圧は，前述の固定ブロック５とシリンダ７とを用いて図８のようにして行えばよい。この本加圧により二次電池スタック１が一体化される。結束部材の取付が適宜行われてもよい。

ただし，本加圧工程での押し付け力Ｇは，前述のプレ加圧工程における温度調整なしの場合の押し付け力Ｆよりも弱い力とする。本加圧工程ではセル２も加圧の対象物に入っているからである。本加圧工程では，セル２の内部での微小短絡を生じさせないため，弱い加圧にとどめる必要がある。一方で，二次電池スタック１の組付け後における加圧，すなわち本加圧を全く行わない訳にもいかない。本加圧を行わないと，逆にセル２の異常の原因になるからである。セル２の内部では，正負の電極板の積層体が，外装ケースの蓋部材から集電部材によりぶら下がった状態となっている。このため，ある程度の加圧をセル２に掛けて積層体を挟み付ける形にする必要があるのである。そうでないと，使用開始後の振動等により電極板の積層体が集電部材から引きちぎられてしまうことがあるからである。

図９に，プレ加圧工程および本加圧工程を通しての加重の変遷を示す。図９に示されるように本形態では，本加圧工程での押し付け力Ｇが，プレ加圧工程での押し付け力Ｆに比べてかなり低い水準で済んでいる。これは，前述のようにあらかじめプレ加圧工程で枠部材３をクリープ変形させているから可能なのである。もし，プレ加圧工程を行わずに二次電池スタック１を組付けて本加圧工程を行うと，図９中に示されるように，押し付け力Ｇより強い押し付け力Ｈが必要である。このため，押し付け力Ｈによりセル２の内部での微小短絡を生じる場合がある。また，プレ加圧工程を行わずに，かつ本加圧工程を弱い押し付け力Ｇで行うと，前述のように使用開始後の振動による不具合が生じる場合がある。

このようにプレ加圧工程の有無によって違いが生じる理由を，図１０により説明する。図１０は，本加圧工程後におけるセル２に掛かる荷重の経時変化を示している。このグラフは，シリンダ７の代わりに図４に示したオートグラフ１０を用いて測定した結果に基づくものである。図１０では，プレ加圧工程を行ったものと行わなかったものについて，荷重値５．５［ｋＮ］で本加圧工程を行い，その後６時間にわたってセル２に掛かる荷重を測定した結果を示している。プレ加圧工程を行ったものについてのプレ加圧工程の際の荷重値は，図５に示したのと同じく３０［ｋＮ］とした。

図１０を見ると，プレ加圧工程を行ったものでは，本加圧終了後約２時間程度で荷重値の下降が収束し，その後安定した荷重がセル２に掛かり続ける状況となっている。このため，使用開始後における不具合が生じにくいのである。これは，プレ加圧工程の際にすでに枠部材３をクリープ変形させているので，本加圧工程後にさらにクリープ変形が進行することがほとんどないためである。

一方，プレ加圧工程を行わなかったものでは，本加圧終了後６時間程度経過してもなお，荷重値の下降が緩やかながら続いている。６時間後の時点で，プレ加圧工程を行ったものとの荷重値の差が０．１［ｋＮ］程度に開いている。このため，使用過程でのセル２への荷重が不足し，使用開始後の振動による不具合が生じてしまうことがある。これは，あらかじめクリープ変形させていない枠部材３を用いたため，本加圧工程後にさらにクリープ変形が進行してしまうためである。プレ加圧工程を行わない場合には，この荷重の過低下を補うため，図９に示したように本加圧工程の際に強い押し付け力Ｈが必要なのである。しかしそれは前述のように，逆に圧力過多による不具合を生んでしまう。

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば，セル２と枠部材３とを交互に積層した二次電池スタック１を製造するに際して，積層工程に先立ち，枠部材３のみを加圧してクリープ変形を起こさせるプレ加圧工程を行うこととしている。そして，このようにあらかじめクリープ変形した枠部材３をセル２とともに積層することとしている。これにより，積層状態で行われる本加圧工程での加圧力を，セル２に微小短絡を生じさせない程度の弱い力で抑えつつ，なおかつ，出来上がる二次電池スタック１には必要な荷重が掛かり続ける製造方法が実現されている。またこれにより，セル２の外装体として過度に頑丈なものを用いる必要も排除している。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，セル２は，リチウムイオン二次電池以外の種類の二次電池であってもよい。また，枠部材３は，単純な平板状の樹脂板であってもよい。また，荷重値やストローク等について示した数値は，特定サイズのセル２の場合についての例示にすぎない。

１ 二次電池スタック
２ セル（二次電池）
３ 枠部材（樹脂部材）

Claims (4)

1. 二次電池と樹脂部材とを交互に積層した積層体である二次電池スタックの製造方法であって，
   前記二次電池とともに積層される前の前記樹脂部材を，積層される予定の方向に加圧する第１加圧工程と，
   前記第１加圧工程を経た前記樹脂部材を前記二次電池とともに積層して前記積層体とする積層工程と，
   積層された前記積層体を積層方向に加圧する第２加圧工程とを有することを特徴とする二次電池スタックの製造方法。
2. 請求項１に記載の二次電池スタックの製造方法であって，
   前記第１加圧工程の際に前記樹脂部材を，溶融しない範囲内の温度に昇温させることを特徴とする二次電池スタックの製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の二次電池スタックの製造方法であって，
   前記第１加圧工程では，前記樹脂部材にクリープ変形を起こさせることを特徴とする二次電池スタックの製造方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の二次電池スタックの製造方法であって，
   前記第２加圧工程での加圧を前記第１加圧工程での加圧力よりも弱い加圧力で行うことを特徴とする二次電池スタックの製造方法。

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