JP2019046741A - 電気化学デバイスとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2に記載されている電池用外装材は、耐熱性樹脂フィルムを含む外層と、金属箔層と、熱可塑性樹脂層を含む内層とから構成されている。電極組立体の周縁部の外側において電池用外装材の内層同士が互いに接合されて電池外装体が構成されている。
特許文献3,4に記載されているラミネート電池でも、発電要素の周縁部の外側においてラミネートフィルム同士が互いに接合されて外装容器が構成されている。
図1A,1Bは、本発明が適用される電気化学デバイスの一例である積層型のリチウムイオン二次電池100の一般的な構成を模式的に示している。図1Aは二次電池100の主面(扁平な面)に対して垂直上方から見た平面図である。図1Bは図1AのA−A線断面図である。
リチウムイオン二次電池100は、2種類の電極、すなわち正極(正極シート)1と負極(負極シート)2とがセパレータ3を介して重なり合う電極組立体4(発電要素)を備えている。電極組立体4は電解液5と共に、柔軟なラミネートフィルム6からなる外装容器内に収容されている。電極組立体4の正極1には正極端子7の一端が、負極2には負極端子8の一端がそれぞれ接続されている。正極端子7の他端側および負極端子8の他端側は、それぞれ外装容器の外側に引き出されている。図1Bでは、電極組立体4を構成する各層の一部(厚さ方向の中間部に位置する層)を図示省略して、電解液5を示している。それに伴って、電極(正極1および負極2)の集電体(タブ)1a,2aが電極端子(正極端子7と負極端子8)と重なり合っている部分でも、電極組立体4の中央部で図示省略した電極の集電体は存在しないと仮定して描いている。また、図1Bでは、見やすくするために、正極1と負極2とセパレータ3とラミネートフィルム6がそれぞれ互いに接触していないように図示している。しかし、実際にはこれらは密着して積層されている。
図1A,1Bに示すような構成の二次電池100等の電気化学デバイスに適用される、本発明の第1の実施形態について、図2A,2Bを参照して説明する。本実施形態のラミネートフィルム6は、基材となる金属箔6aの両面にそれぞれ樹脂層6b,6cが設けられた多層構造である。金属箔6aは、電解液5の漏出や外部からの水分の浸入を防止する等のバリア性を有するアルミニウムやステンレス鋼などからなる。外側樹脂層6cは、例えばナイロンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエステルフィルムなどからなる。内側樹脂層6bは、高流動性樹脂層6b1と低流動性樹脂層6b2とが積層された多層構造である。
図1A,1Bに示すような構成の二次電池1等の電気化学デバイスに適用される、本発明の第2の実施形態について、図3A,3Bを参照して説明する。本実施形態のラミネートフィルム6は、第1の実施形態と同様な金属箔6aおよび外側樹脂層6cと、3層構造の内側樹脂層6bとからなる。この内側樹脂層6bは、低流動性樹脂層6b2が1対の高流動性樹脂層6b1に挟まれた構造である。そして、電極組立体4の周縁部の外側において、上方のラミネートフィルム6の内側樹脂層6bの高流動性樹脂層6b1と下方のラミネートフィルム6の内側樹脂層6bの高流動性樹脂層6b1とが互いに重なり合った状態で、加熱治具(例えば図3Aに示すシールバー11)を用いて外側から加熱および加圧されて互いに熱溶着して、接合部分9が形成されている。このようにシールバー11にを用いてラミネートフィルム6同士が接合される接合部分9の内側(電極組立体4側)に樹脂塊10が形成されている。樹脂塊10が形成される位置は、内側樹脂層6bの樹脂が溶融する前には内側樹脂層6b同士が直接接触していなかった部分である。すなわち、樹脂塊10は、接合部分9になる位置でラミネートフィルム6の内側樹脂層6b同士が直接接触した状態でシールバー11に押圧された際に、上下のラミネートフィルム6の内側樹脂層6bがそれぞれ溶融して接合部分9から内側(電極組立体4に向かう方向)に押し出されてはみ出した樹脂が固化したものである。
樹脂塊10の技術的意義について以下に説明する。二次電池1等の電気化学デバイスにおいては、外装容器の封止の信頼性を向上させるためにラミネートフィルム6同士の接合強度の向上が望まれる。一方、ラミネートフィルム6同士の接合部分9をあまり大きくして電気化学デバイス全体の大型化を招くことは好ましくない。そのため、ラミネートフィルム6同士の接合部分9の内側(電極組立体4側)に、ラミネートフィルム6同士を繋ぐ樹脂塊10を形成し、樹脂塊10がラミネートフィルム6同士の接合に寄与することで、電気化学デバイスを大型化することなく接合強度を高めた構成がある(特許文献3)。しかし、樹脂塊10が形成された外装容器において、電気的短絡や電解液の漏れ等の問題が生じることがある。本発明者は、このような電気的短絡や電解液の漏れ等の問題について検討し、樹脂塊10にクラックが生じることに起因して前述した発生する場合があることを見出した。
本発明の電気化学デバイスの製造方法について説明する。まず、前述したように、正極1と負極2とをセパレータ3を介して重ね合わせて電極組立体4を形成する。そして、電極組立体4を、積層方向における一方の側(図1Bの上方)と、他方の側(図1Bの下方)からそれぞれラミネートフィルム6で覆い、電極組立体4を包囲したラミネートフィルム6の外周部同士を互いに重ね合わせる。そこで、電極組立体4の周縁部の外側で重なり合うラミネートフィルム6の外周部同士を、一部を除いて、シールバー11等を用いて加熱および加圧して熱溶着させる。その後に、重なり合うラミネートフィルム6の外周部の、加熱および加圧を行わずに熱溶着させなかった部分を注入口として、ラミネートフィルム6で包囲された空間内に電解液5を注入する。電解液を注入した後に、注入口において、ラミネートフィルム6の外周部を、シールバー11等を用いて加熱および加圧して熱溶着させる。このようにして、内部に電極組立体4と電解液5が収容され、ラミネートフィルム6の外周部全体が熱溶着されて封止された外装容器が完成し、電気化学デバイスが製造される。
2 負極
3 セパレータ
4 電極組立体
5 電解液
6 ラミネートフィルム
6a 金属箔
6b 内側樹脂層
6b1 高流動性樹脂層
6b2 低流動性樹脂層
6c 外側樹脂層
7 正極端子
8 負極端子
9 接合部分
10 樹脂塊
100 リチウムイオン二次電池(電気化学デバイス)
Claims (12)
- 正極と負極がセパレータを介して重なり合う電極組立体と、ラミネートフィルムからなり前記電極組立体を収容する外装容器とを有し、
前記ラミネートフィルムは内側樹脂層を含み、前記内側樹脂層は、高流動性樹脂層と、前記高流動性樹脂層よりも流動性の低い低流動性樹脂層とを含む多層構造であり、
前記外装容器は、前記高流動性樹脂層同士が対向する状態で前記電極組立体を挟み込んだ前記ラミネートフィルムの外周部同士が互いに接合されて構成されており、
前記ラミネートフィルムの外周部同士の接合部分よりも、前記外装容器に収容されている前記電極組立体に近い位置に、前記ラミネートフィルム同士を接続する樹脂塊が形成されており、
前記樹脂塊の、前記電極組立体および前記接合部分を通る切断線に沿う断面が、前記ラミネートフィルムの前記接合部分側に1つの頂点を有する三角形状である、電気化学デバイス。 - 前記内側樹脂層は、前記高流動性樹脂層と、前記高流動性樹脂層を挟み込む1対の低流動性樹脂層とを含む、請求項1に記載の電気化学デバイス。
- 前記ラミネートフィルムは、金属箔と、前記金属箔の一方の面に積層された前記内側樹脂層と、前記金属箔の他方の面に積層された外側樹脂層とを含む、請求項1または2に記載の電気化学デバイス。
- 前記樹脂塊の断面形状の前記三角形の、前記外装容器に収容されている前記電極組立体側の辺は、前記電極組立体側から前記樹脂塊の内部に食い込む凹状部分を有していない平坦な辺である、請求項1から3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 前記樹脂塊と前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層との間の角度は90度以上である、請求項1から4のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 前記樹脂層と前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層との接続個所に、前記電極組立体側から前記樹脂塊の内部に食い込む凹状部分が生じることなく、前記樹脂塊と前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層が連続的に繋がっている、請求項1から5のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 前記接合部分は、前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層同士が直接接触した状態で溶着されて接合されている部分であり、前記樹脂塊は前記接合部分と連続して形成されている、請求項1から6のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。
- 正極と負極とをセパレータを介して重ね合わせて電極組立体を形成するステップと、
高流動性樹脂層と、前記高流動性樹脂層よりも流動性の低い低流動性樹脂層と、を含む多層構造の内側樹脂層を有するラミネートフィルムを用いて、前記電極組立体を積層方向における一方の側と他方の側とからそれぞれ覆い、前記電極組立体を包囲した前記ラミネートフィルムの外周部同士を、前記電極組立体の周縁部の外側で互いに重ね合わせるステップと、
前記電極組立体の周縁部の外側で重なり合う前記ラミネートフィルムの外周部同士を、加熱および加圧して熱溶着させるステップと、を含み、
前記ラミネートフィルムの外周部同士を熱溶着させるステップで、前記ラミネートフィルムの外周部同士の接合部分よりも、前記電極組立体に近い位置に、前記ラミネートフィルム同士を接続する樹脂塊を形成し、
前記ラミネートフィルムの外周部同士を熱溶着させるステップでは、重なり合う前記ラミネートフィルムの外周部を195℃〜200℃の温度で6〜7秒間加熱する、電気化学デバイスの製造方法。 - 前記ラミネートフィルムの外周部同士を熱溶着させるステップで、前記電極組立体および前記外周部同士の接合部分を通る切断線に沿う断面が、前記ラミネートフィルムの前記接合部分側に1つの頂点を有する三角形状である前記樹脂塊を形成する、請求項8に記載の電気化学デバイスの製造方法。
- 前記ラミネートフィルムの外周部同士を熱溶着させるステップで、前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層と連続的に繋がっている前記樹脂塊を形成する、請求項8または9に記載の電気化学デバイスの製造方法。
- 前記ラミネートフィルムの外周部同士を熱溶着させるステップで、前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層との間の角度が90度以上になるように前記樹脂塊を形成する、請求項8から10のいずれか1項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
- 前記ラミネートフィルムの外周部同士を熱溶着させるステップで、前記ラミネートフィルムの前記内側樹脂層との接続個所に前記電極組立体側から前記樹脂塊の内部に食い込む凹状の部分が生じないように前記樹脂塊を形成する、請求項8から11のいずれか1項に記載の電気化学デバイスの製造方法。
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