JP2018156725A - 非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、パウチ外装体のトップ封止部を熱溶着する際にラミネートシートやセパレータへの熱影響を低減することができる非水電解質二次電池の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様は、ラミネートシートを重ね合わせて外周部が封止されたパウチ外装体を有する非水電解質二次電池の製造方法であって、電極体から同一方向に導出する正極タブ及び負極タブがラミネートシートの間に介在しているトップ封止部を熱溶着する封止工程が、正極タブ及び負極タブに対応する位置に凹部を有する第１金型で熱溶着するステップと、熱溶着の際に正極タブ及び負極タブに対向する位置のラミネートシートに当接するとともに正極タブ及び負極タブに対向しない位置のラミネートシートとの間にギャップを形成する形状を有する第２金型で熱溶着するステップとを含むことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ラミネートシートからなるパウチ外装体を有する非水電解質二次電池の製造方法に関する。

非水電解質二次電池はスマートフォン、タブレット、ノートパソコン及び携帯型音楽プレイヤーなどの電子機器の駆動電源として広く用いられている。非水電解質二次電池の外装体には金属製の筒状の外装缶やラミネートシートからなるパウチ外装体が用いられている。パウチ外装体は金属製の外装缶に比べて非水電解質二次電池の外形寸法の設計自由度を高めるとともに薄型化に寄与することができる。そのため、パウチ型の非水電解質二次電池はスマートフォンやタブレットの駆動電源に好適である。

パウチ外装体はラミネートシートを二つ折りに折り曲げて、その外周部を熱溶着により封止して形成される。パウチ型の非水電解質二次電池には偏平状の電極体が用いられる。電極体を構成する正極板及び負極板にはそれぞれ正極タブ及び負極タブが接続されている。正極タブ及び負極タブはパウチ外装体から電池外部に引き出されて外部機器に電気的に接続される外部端子として機能する。パウチ外装体の封止部の一部に正極タブと負極タブがラミネートシートの間に介在する。

ラミネートシートの間に正極タブと負極タブが介在するトップ封止部は、ラミネートシートのみが重なる封止部に比べて未溶着部が生じやすい。パウチ型の非水電解質二次電池の密封性を確保するために、トップ封止部を確実に封止する必要がある。

トップ封止部を熱溶着する際に、特許文献１や２に記載されているように集電タブに対応する位置に凹部を設けた金型を用いることでトップ封止部が確実に封止される。特許文献２はトップ封止部の集電タブの周囲に隙間が生じるのを防止するために、ラミネートシートで挟まれる集電タブの周囲を樹脂材料で被覆することを開示している。トップ封止部の熱溶着は必ずしも１回の熱溶着のみで行われるものではなく、特許文献３に開示されているように２回以上の熱溶着で行われる場合がある。

特開２０００−１７３５６２号公報 特開２０００−３４８６９５号公報 特開２００５−２１６６２３号公報

トップ封止部の封止工程を複数回の熱溶着で行うことにより、トップ封止部の封止性は向上する。ところが、集電タブに対応する位置に凹部を設けた金型を用いて複数回の熱溶着を連続で行うと、ラミネートシートの樹脂層の溶融や電極体のセパレータの収縮といった熱影響を受ける場合がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、トップ封止部の封止工程を複数回の熱溶着で行う場合にパウチ外装体、及び電極体への熱影響を低減して非水電解質二次電池の製造品質を向上することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様は、ラミネートシートを重ね合わせて外周部が封止されたパウチ外装体を有する非水電解質二次電池の製造方法であって、電極体から同一方向に導出する正極タブ及び負極タブがラミネートシートの間に介在しているトップ封止部を熱溶着する封止工程が以下の（１）及び（２）のステップを含むことを特徴としている。
（１）正極タブ及び負極タブのそれぞれに対応する位置に凹部を有する第１金型で熱溶着するステップ。
（２）熱溶着の際に正極タブ及び負極タブのそれぞれに対向する位置のラミネートシートに当接するとともに、正極タブ及び負極タブのいずれにも対向しない位置のラミネートシートとの間にギャップを形成する形状を有する第２金型で熱溶着するステップ。

本発明の一態様によれば、トップ封止部の封止工程を複数回の熱溶着で行う場合に、トップ封止部の周辺への加熱が抑制されるステップが含まれるため、パウチ外装体を構成するラミネートシートや電極体に含まれるセパレータへの熱影響が低減される。さらに本発明の一態様によれば、熱溶着による集電タブの破断が防止される。

非水電解質二次電池の平面図。 第１金型を用いたトップ封止部の熱溶着を示す断面模式図。 第２金型を用いたトップ封止部の熱溶着を示す断面模式図。 第３金型を用いたトップ封止部の熱溶着を示す断面模式図。

本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の製造方法について図面を参照しながら説明する。図１はパウチ外装体１３を有する非水電解質二次電池１０の平面図である。パウチ外装体１３は１枚のラミネートシート１６を二つ折りに折り曲げて、折り曲げ部を除く外周の三辺を熱溶着により封止して形成される。その三辺の封止部うち、ラミネートシート１６の間に正極タブ１１及び負極タブ１２が介在している部分がトップ封止部１４であり、その他の部分がサイド封止部１５である。２枚のラミネートシートを重ね合わせてパウチ外装体を形成することもできる。この場合、パウチ外装体の外周の四辺が熱溶着により封止されるため、トップ封止部及びサイド封止部とともにボトム封止部が形成される。

パウチ外装体１３は偏平状の電極体と非水電解質を収容している。電極体は正極板及び負極板をセパレータを介して巻回するか、複数の正極板及び負極板をセパレータを介して交互に積層することにより作製することができる。正極板及び負極板にはそれぞれ集電タブとして正極タブ１１及び負極タブ１２が接続される。正極タブ１１及び負極タブ１２はトップ封止部１４を介して電池外部に導出する。正極タブ１１及び負極タブ１２の周囲はそれぞれ正極タブ樹脂１１ａ及び負極タブ樹脂１２ａで被覆されており、正極タブ樹脂１１ａ及び負極タブ樹脂１２ａが集電タブとラミネートシート１６の間に介在する。

ラミネートシート１６を熱溶着する際は、予め電極体をラミネートシート１６で包み込んでおくことが好ましく、ラミネートシート１６には電極体を収容するためのカップ状の凹部を形成しておくことが好ましい。非水電解質は、例えば、サイド封止部１５の片側部分とトップ封止部１４を熱溶着した後に、サイド封止部１５の未溶着部分から注入することができる。非水電解質の注入後に残りのサイド封止部１５の未溶着部分を熱溶着してパウチ外装体１３の内部が密封される。

パウチ外装体１３を構成するラミネートシート１６は金属層１９とその両面に樹脂層１７，１８が積層した構造を有している。金属層１９にはアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましく用いられる。パウチ外装体の内側に配置される樹脂層１７には加熱されて接着作用を示す樹脂が用いられ、ポリプロピレンが好ましく用いられる。パウチ外装体の外側に配置される樹脂層１８には、内側の表面層に用いられる樹脂よりも融点が高い樹脂が用いられ、ナイロンが好ましく用いられる。樹脂層１７，１８と金属層１９の間には接着剤層など他の層が介在することができる。

トップ封止部１４及びサイド封止部１５は重ね合わせたラミネートシート１６を熱溶着して封止される。本実施形態では、トップ封止部１４の封止工程は図２に示す第１金型２１を用いる第１ステップと、図３に示す第２金型３１を用いる第２ステップの２段階の熱溶着で行われる。

第１金型２１は、正極タブ１１及び負極タブ１２のそれぞれに対応する位置に凹部２２を有している。凹部２２の深さｄ１は、熱溶着の際に正極タブ１１又は負極タブ１２に対向する位置のラミネートシート１６が第１金型２１により加圧されない程度の深さであることが好ましい。凹部２２の深さｄ１は集電タブ、タブ樹脂及びラミネートシート１６を含む総厚みに基づいて決定することができる。凹部２２の幅は集電タブ及びタブ樹脂を含む総幅に基づいて決定することができる。

第２金型３１は、正極タブ１１及び負極タブ１２に対向する位置に凸部３２を有している。これにより、熱溶着の際に第２金型３１の表面が正極タブ１１及び負極タブのそれぞれと対向する位置のラミネートシートに当接するとともに、その他の位置のラミネートシートと第２金型の間にギャップが形成される。そのギャップによりトップ封止部１４周辺のラミネートシートやセパレータへの熱影響が低減される。なお、第２ステップが第１ステップの後に行われる場合は、トップ封止部１４におけるラミネートシートには正極タブ１１又は負極タブ１２が介在する部分とそれ以外の部分の間で段差が生じる。その場合は、第２金型としてフラットな加圧面を有する金型を用いることができる。

本実施形態では、トップ封止部１４の封止工程として、第１ステップと、それに続く第２ステップの２段階で行われる場合を説明した。しかし、第１ステップと第２ステップはその順序を入れ替えることができる。また、封止工程は第１ステップと第２ステップを任意に組み合わせて３段階以上のステップで構成することもできる。その場合は、第１ステップと第２ステップが交互の順番とすることが好ましい。

第１金型２１及び第２金型３１の加圧面はステンレスのような金属から形成されていることが好ましい。しかし、所望の位置を確実に加圧、及び加熱することができるならゴムなど他の材質から形成されていてもよい。

以下、本発明を実施するための形態について実施例を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明はその要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
（正極板の作製）
正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、導電剤としてのカーボンブラック、及び結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を９５：２．５：２．５の質量比で混合した。その混合物を分散媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）中で混練して正極合剤スラリーを作製した。その正極合剤スラリーを厚さが１２μｍの
アルミニウム製の正極集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した。その正極合剤層をローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して正極板を作製した。

（負極板の作製）
負極活物質としての人造黒鉛、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、及び結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を９８：１：１の質量比で混合した。その混合物を分散媒としての水中で混練して負極合剤スラリーを作製した。その負極合剤スラリーを厚さが８μｍの銅製負極集電体の両面にドクターブレード法で塗布し、乾燥して負極合剤層を形成した。その負極合剤層をローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定寸法に切断して負極板を作製した。

（電極体の作製）
厚みが１００μｍのアルミニウム製の正極タブ１１及び厚みが１００μｍのニッケル製の負極タブ１２のそれぞれの一部を正極タブ樹脂１１ａ及び負極タブ樹脂１２ａで被覆した。その正極タブ１１及び負極タブ１２をそれぞれ正極板及び負極板に接合した。そして、正極板及び負極板をポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータを介して巻回し、その巻回電極体を偏平状にプレス成形して偏平状の電極体を作製した。

（非水電解質の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を４０：２０：４０の体積比（１気圧、２５℃）で混合して非水溶媒を調製した。その非水溶媒に電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏｌ／Ｌになるように溶解して非水電解質を調製した。

（ラミネートシートの熱溶着）
厚さ９０μｍのラミネートシート１６にカップ状の凹部を形成し、その凹部に電極体を収容した。ラミネートシート１６を二つ折りに折り曲げて、サイド封止部１５の片側部分とトップ封止部１４を熱溶着て電極体を収容するパウチ外装体１３を形成した。ラミネートシート１６はアルミニウムからなる金属層１９の両面にそれぞれ接着剤層を介してポリプロピレンからなる樹脂層１７及びナイロンからなる樹脂層１８を積層したものを用いた。パウチ外装体１３の内側にポリプロピレンからなる樹脂層１７を配置した。トップ封止部１４の封止工程は次の２ステップの熱溶着によって実施した。まず、図２に示す第１金型２１を用いてトップ封止部１４の熱溶着を行った。次いで図３に示す第２金型３１を用いてトップ封止部１４の熱溶着を行った。熱溶着の温度及び加圧時間はそれぞれ２０５℃及び１．５ｓとした。第１金型２１の凹部２２の深さｄ１は２００μｍとした。

（非水電解質二次電池の作製）
サイド封止部１５の未溶着部分からパウチ外装体１３に非水電解質を注入した。最後に、サイド封止部１５の未溶着部分を熱溶着して実施例１に係る非水電解質二次電池１０を作製した。

（実施例２）
ラミネートシート１６の厚みを７０μｍとし、トップ封止部１４の熱溶着の温度を１９５℃としたこと以外は実施例１と同様にして実施例２に係る非水電解質二次電池１０を作製した。

（比較例１）
トップ封止部１４の封止工程を、図４に示す第３金型４１を用いたステップを２回繰り返して行ったこと以外は実施例１と同様にして比較例１に係る非水電解質二次電池１０を
作製した。第３金型の凹部４２の深さｄ３は９０μｍとした。

（比較例２）
ラミネートシート１６の厚みを７０μｍとし、トップ封止部１４の熱溶着の温度を１９５℃としたこと以外は比較例１と同様にして比較例２に係る非水電解質二次電池１０を作製した。

なお、上記の熱溶着の温度は、実施例と比較例の間に差が明確に現れるように高めに設定されたものである。ただし、いずれの実施例及び比較例においても、各電池を８０℃で、湿度が９０％の高温多湿環境下に１０日間保存してもトップ封止部において非水電解質のリークがないことを確認した。

実施例及び比較例の各１０セルの電池を解体して熱溶着によるラミネートシート及びセパレータへの熱影響の有無を目視で確認した。具体的には、トップ封止部の周囲のラミネートシートの樹脂層の溶融の有無と、セパレータの収縮の有無の２点を確認した。樹脂層の溶融が１０セルの電池の一つにでも確認された場合は、樹脂層の溶融は「あり」と判定した。セパレータの収縮の有無についても同様である。その結果を表１に示す。

表１に示すように、トップ封止部の封止工程における２段階の熱溶着が、第１金型を用いるステップ、及び第２金型を用いるステップを含むことにより、ラミネートシートやセパレータへの熱影響が低減されている。実施例２と比較例２の結果から示されているように、ラミネートシートの厚みを低減した場合にも同様の効果が発揮されている。第２金型は熱溶着の際に集電タブに対向しない位置のラミネートシートとの間にギャップを形成することができるため、第２金型を用いるステップがトップ封止部の周辺への熱影響を低減するように作用する。第１金型を用いるステップと第２金型を用いるステップは互いに順番を入れ替えることもできる。３段階以上の熱溶着を行う場合は、第１金型を用いるステップと第２金型を用いるステップの順序を交互に配置することが好ましい。

第１金型の凹部の深さｄ１は２００μｍと第３金型の凹部の深さｄ３の９０μｍに比べて大きくなっている。第１金型を用いた場合、集電タブは第１金型によってほとんど加圧されないが、実施例１及び２においてはトップ封止部の封止性は十分に確保されている。第２金型には熱溶着の際に集電タブに対向するラミネートシートに当接する凸部が形成されているため、第２金型を用いるステップが集電タブの近傍を確実に封止するように作用する。本発明によれば第１金型の凹部の深さｄ１を大きくすることが可能となるため、熱溶着による集電タブへの荷重を低減して集電タブの破断を防止することができる。このように、本発明は集電タブの薄型化にも好適である。

本発明によれば、パウチ外装体のトップ封止部の封止工程においてラミネートシートやセパレータへの熱溶着を低減できるため、非水電解質二次電池の製造品質を向上すること
ができる。さらに、本発明によれば厚みが薄い集電タブを用いた非水電解質二次電池に好適なトップ封止部の封止工程を提供することができるため、非水電解質二次電池の薄型化にも寄与することができる。したがって、本発明の産業上の利用可能性は大きい。

１０ 非水電解質二次電池
１１ 正極タブ
１２ 負極タブ
１３ パウチ外装体
１４ トップ封止部
１５ サイド封止部
１６ ラミネートシート
２１ 第１金型
２２ 凹部
３１ 第２金型
３２ 凸部

Claims (2)

1. ラミネートシートを重ね合わせて外周部が封止されたパウチ外装体を有する非水電解質二次電池の製造方法であって、
   電極体から同一方向に導出する正極タブ及び負極タブが前記ラミネートシートの間に介在しているトップ封止部を熱溶着する封止工程が、
   前記正極タブ及び前記負極タブのそれぞれに対応する位置に凹部を有する第１金型で熱溶着するステップと、
   熱溶着の際に前記正極タブ及び前記負極タブそれぞれに対向する位置の前記ラミネートシートに当接するとともに前記正極タブ及び前記負極タブのいずれにも対向しない位置の前記ラミネートシートとの間にギャップを形成する形状を有する第２金型で熱溶着するステップと、
   を備える非水電解質二次電池の製造方法。
2. 前記第２金型が前記正極タブ及び前記負極タブに対応する位置に凸部を有する請求項１に記載の非水電解質二次電池の製造方法。

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