JP2019135699A - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの熱収縮を抑制して負極の露出を防止する電池の製造方法を提供する。【解決手段】負極を加熱する事前加熱工程と、接着剤が片面にそれぞれ塗布された２枚のセパレータにおいて、接着剤が塗布されたそれぞれの面が互いに対向するように案内される２枚のセパレータの間に、加熱された負極を挟み込み、事前加熱工程より低い温度で加熱プレスを行うセパレータ接着工程と、セパレータが両面に接着された負極を予め定められた形状に切断する切断工程と、セパレータが両面に接着された状態で予め定められた形状に切断された負極と予め定められた形状の正極とを積層する積層工程と、を備え、セパレータ接着工程は、接着剤が塗布されたセパレータの一部の領域を加熱プレスすることで、セパレータの一部の領域と負極とを接着剤を介して接着する、電池の製造方法である。【選択図】図２

Description

本開示は、電池の製造方法に関し、特に、正負の電極を、セパレータを介して積層することによって形成される電池の製造方法に関するものである。

電池には、使い切ると使用できなくなる一次電池と、充電して繰り返し使用することができる二次電池とある。二次電池は、一般に正負の電極を、セパレータを介して、積層または巻回することにより電極体を形成する。

例えば、特許文献１には、正極および負極のいずれかの電極にセパレータを接着し、各正極および負極を、接着されたセパレータを介して他の電極と積層または巻回することにより発電要素を形成する、ことが記載されている。

特開平１０−２７５６２８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、セパレータと負極板を接着する際に、負極板に塗布された接着剤を加熱するために、乾燥装置内で負極板とセパレータとを一緒に加熱する。これによりセパレータは膨張し、膨張した状態で負極板と接着されるので、その後冷却されると収縮方向に応力が発生する。接着剤の接着力が保持されている間は、セパレータが残留応力を持つものの、実際に収縮することはない。

しかしながら、電池を使用する間に、電池内部の電解液による膨潤や、充放電による電極の膨張が発生すると、電池内部に使用されている接着剤の接着力が低下し、セパレータの収縮が発生する場合がある。負極とセパレータは予め定められた形状に同時に打ち抜かれて形成されるので、当初はそれぞれの端面が揃っているが、セパレータの熱膨張率は負極よりも大きいので、セパレータの熱収縮が発生すると負極の表面が露出することになる。負極の表面が露出すると、正極との短絡が発生するおそれがある。

従って、本開示は、前記従来の課題を解決するもので、セパレータの熱収縮を抑制して負極の露出を防止することを目的とする。

前記目的を達成するために、本開示の電池の製造方法は、
負極を加熱する事前加熱工程と、
接着剤が片面にそれぞれ塗布された２枚のセパレータにおいて、それぞれの前記セパレータの前記接着剤が塗布されたそれぞれの面が互いに対向するように案内される２枚の前記セパレータの間に、前記事前加熱工程で加熱された前記負極を挟み込み、前記事前加熱工程より低い温度で加熱プレスを行うセパレータ接着工程と、
前記セパレータ接着工程で前記セパレータが両面に接着された負極を予め定められた形状に切断する切断工程と、
前記セパレータが両面に接着された状態で前記予め定められた形状に切断された前記負極と予め定められた形状の正極とを積層する積層工程と、を備え、
前記セパレータ接着工程は、前記接着剤が塗布された前記セパレータの一部の領域を加熱プレスすることで、当該セパレータの一部の領域と前記負極とを前記接着剤を介して接着する。

以上のように、本開示の電池の製造方法によれば、セパレータの熱収縮を抑制して負極の露出を防止することができる。

本開示の実施の形態における、負極の両方の面の一部にセパレータを接着するセパレータ接着工程を示す図である。 本開示の実施の形態における、電池の製造の流れを示すフローチャートである。 本開示の実施の形態における、両方の面の一部にセパレータを接着された負極を示す上面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 図３のＶ−Ｖ線における断面図である。 本開示の実施の形態における、両方の面の一部にセパレータを接着されたあと、予め定められた形状に打ち抜かれた負極を示す上面図である。 本開示の実施の形態における、積層電池の側面図である。

（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。また、図中において、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標系は、発明の理解を容易にするものであって、発明を限定するものではない。Ｘ軸方向は加熱プレスローラ６を通過する際の負極１２の長手方向を示し、Ｙ軸方向は負極１２の幅方向を示し、Ｚ軸方向は負極１２の厚さ方向を示している。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向は互いに直交する。

まず、図１を参照する。図１は、本開示の実施の形態における負極の両方の面の一部にセパレータを接着するセパレータ接着工程を示す図である。

電池製造装置１は、負極１２が搬送される上流側から、負極ロール３、事前加熱ローラ４、セパレータロール５、加熱プレスローラ６をそれぞれ備える。また、この他にも、負極１２のタブ２１（図３参照）を検出する検出部と、加熱プレスローラ６を上下に移動させる駆動部（図示省略）と、各種ロールおよびローラの回転速度および駆動部を制御する制御部（図示省略）とを備える。

負極ロール３には、長尺状の負極１２が巻かれている。負極１２は、８μｍ程度の厚みの銅の芯材の両面に、数十μｍ程度の厚みの黒鉛を含む化合物の層が形成されている。負極ロール３には長尺状の負極１２が巻かれている。負極ロール３から引き出された長尺状の負極１２は、搬送ローラ８を介して事前加熱ローラ４に搬送される。

事前加熱ローラ４は、２つの加熱ローラ４ａおよび４ｂを備える。加熱ローラ４ａおよび４ｂは、例えば、電熱ヒータを内蔵しており、ローラ自体が加熱されている。事前加熱ローラ４から案内された負極１２は、加熱ローラ４ａおよび４ｂに巻かれることで、負極１２の両面が均等に加熱される。例えば、加熱ローラ４ａは長尺状の負極１２の表面を加熱し、加熱ローラ４ｂは負極１２の裏面を加熱する。このように、事前加熱ローラ４は、セパレータ１３が負極１２に接着される前に、負極１２を加熱する。加熱された負極１２は、加熱プレスローラ６へ案内される。

長尺状の負極１２の搬送経路の上方と下方に、長尺状のセパレータ１３が巻かれたセパレータロール５がそれぞれ配置されている。セパレータ１３は、正極３１（図７参照）と負極１２の電気絶縁性を担保すると共にリチウムイオンの透過性を有する必要がある。したがって、セパレータ１３は、通常数μｍから十数μｍの厚みの多孔体で形成されており、その剛性が非常に低い。セパレータ１３は、例えば、ポリエチレン製の多孔体で形成されている。

このような理由で、セパレータ１３は、単独のシートとして扱いにくいので、切断したシート状の正極３１、セパレータ１３、負極１２を単純に積層していく方法では、生産性での課題が大きい。そこで、切断する前に、セパレータ１３と負極１２とを一体化して取り扱う。長尺状のセパレータ１３は、負極１２との接着面に接着剤１５が予め塗布されている。それぞれのセパレータロール５から、接着剤１５が一部に塗布された長尺状のセパレータ１３が引き出される。引き出された長尺状のそれぞれのセパレータ１３は、搬送ローラ９を介して、それぞれのセパレータ１３の接着剤１５が塗布されたそれぞれの面が互いに対向するように、加熱プレスローラ６へ案内される。

セパレータ１３に塗布されている接着剤１５は、先に別工程でセパレータ１３上に塗工および乾燥され、例えば、温度約６０℃、圧力約１ＭＰａ以上で接着力が発現するものである。この条件を満たすように、加熱プレスローラ６が設定される。なお、負極１２の表面をセパレータ１３が覆う必要があるので、負極１２の幅（Ｙ方向）より、セパレータ１３の幅（Ｙ方向）が、例えば、３ｍｍ程度長く設計されている（図４参照）。

加熱プレスローラ６は、駆動部により上下動させることが可能である。加熱プレスローラ６は、例えば、電熱ヒータを内蔵しており、ローラ自体が加熱されている。検出部により負極１２のタブ２１が検出されると、検出信号が制御部へ送られる。検出部は、例えば、搬送路に設けられた光電センサである。また、制御部は、例えば、メモリとマイクロプロセッサで構成される。

制御部は検出信号を受信すると、駆動部が加熱プレスローラ６をそれぞれ負極１２の方へ移動させ、負極１２とセパレータ１３を予め定められた温度で予め定められた時間一定以上の力で挟み込むように制御する。予め定められた時間、２つのセパレータ１３の間に負極１２を挟み込んだ後は、駆動部はそれぞれの加熱プレスローラ６を負極１２から離れる方へ移動させ、セパレータ１３に接触させないことで、接着剤１５の塗布領域以外のセパレータ１３が加熱されるのを低減する。このようにして、加熱プレスローラ６は、負極１２の両方の面の一部と２枚のセパレータ１３とを接着させる。

負極１２と負極１２の両面に接着されたセパレータ１３とは、搬送ローラ１０および１１により、切断ローラ（図示省略）へ搬送される。切断ローラは、長尺状の負極１２およびセパレータ１３を予め定められた大きさに切断する。

次に、図２も参照して、電池の製造の流れを説明する。図２は、本開示の実施の形態における電池の製造の流れを示すフローチャートである。

事前加熱工程Ｓ１は、まず、負極ロール３に巻かれている長尺状の負極１２を引き出す。引き出された負極１２を、例えば、１４０度程度の高温に保持された事前加熱ローラ４に巻き付けることで負極１２の両面を事前加熱する。加熱された負極１２の上下面にセパレータ１３を重ね合わせた状態で、接着剤の接着力が発現する下限温度である６０度程度の低温に設定された加熱プレスローラ６に供給される。

安定した搬送のためにセパレータ１３には、例えば、搬送ローラ９により一定のテンションを与える必要がある。しかしながら、テンションのかかったセパレータ１３を直接加熱するとセパレータ１３の変形が発生する。そこで、負極１２を事前に加熱し、セパレータ１３は、主に重ね合わせた負極１２から熱を受けるようにすることで、加熱プレスローラ６の温度を接着力が発現する下限温度に設定し、セパレータ１３の変形を抑制している。

負極１２が事前加熱された後に、セパレータ接着工程Ｓ２が実施される。セパレータ接着工程Ｓ２において、２枚のセパレータ１３は、接着剤１５がそれぞれのセパレータ１３の片面の予め定められた領域に塗布されている。それぞれのセパレータ１３の接着剤１５が塗布されたそれぞれの面が互いに対向するように案内される２枚のセパレータ１３の間に、事前加熱工程Ｓ１で加熱された負極１２を挟み込み、事前加熱工程Ｓ１より低い温度で加熱プレスを行う。より具体的には、セパレータ接着工程Ｓ２は、接着剤１５が塗布されたセパレータ１３の一部の領域を加圧および加熱することで、セパレータ１３の一部の領域と負極１２とを接着剤１５を介して接着する。セパレータ接着工程Ｓ２において、セパレータ１３と負極１２とを部分的に、例えば、加熱プレスローラ６で挟み込んで接着する。

図３は、上述した方法で、両方の面の一部にセパレータ１３が接着された負極１２を示す図である。セパレータ接着工程Ｓ２において、セパレータ１３が負極１２に接着剤１５により部分的に接着された接着部分の長手方向の長さ（Ｘ方向）は、例えば、５ｍｍから２０ｍｍである。部分的に接着された接着部分の幅方向（Ｙ方向）の長さは、負極１２の全長に至る。負極１２には、負極ロール３に巻回されている状態で、完成品の電池において集電用途に用いられるタブ２１が一定間隔で設けられている。検出部がタブ２１の位置を認識し、タブ２１の位置を基準に、駆動部が加熱プレスローラ６を上下移動させることで、負極１２とセパレータ１３とを部分的に接着する。このようにして、図３の接着剤１５の領域を接着している。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。負極１２は接着剤１５の層を介して互いに対向するセパレータ１３の間に挟まれて接着されている。図３および図４に示すように、負極１２の上面の接着領域の位置と下面の接着領域の位置とはそれぞれ同一である。図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。負極１２とセパレータ１３の間には接着剤１５が無く、負極１２が２つのセパレータ１３に単に挟まれている。

負極１２とセパレータ１３が長尺のまま接着されたセパレータ接着工程Ｓ２の後に、切断工程Ｓ３が実施される。切断工程Ｓ３では、検出部がタブ２１の位置を認識する。認識されたタブ２１の位置を基準に、セパレータ接着工程Ｓ２でセパレータ１３が両面に接着された負極１２を予め定められた形状に切断する。より具体的には、セパレータ１３が両面の一部に接着された負極１２を金型プレスにて打ち抜く。これにより、セパレータ１３が両面に接着された、予め定められたサイズの負極１２が形成される。

図６は、両方の面の一部にセパレータ１３を接着されたあと、切断された負極１２を示す図である。用途によってサイズは異なるが、一例としては、長さ約１４０ｍｍ、幅約８０ｍｍの長方形に、幅１５ｍｍ、長さ２０ｍｍのタブが形成されている。切断工程Ｓ３では、セパレータ接着工程Ｓ２で部分的に接着された部分において負極１２およびセパレータ１３を切断する。接着剤１５により接着された部分を一括して切断することで、負極１２の切断時のバリや電極物質のハガレを抑制することができる。

切断工程Ｓ３の後に、積層工程Ｓ４が実施される。積層工程Ｓ４では、切断工程Ｓ３によりセパレータ１３が負極１２の両面に接着された状態で予め定められた形状に切断された負極１２と予め定められた形状の正極３１とを積層する。正極３１は、先に別途準備されており、上述した方法でセパレータ１３が接着された負極１２と、正極３１とを図７に示すように交互に積層する。図７は、セパレータ１３が接着された負極１２と、正極３１とが交互に積層された積層電池４１の側面図である。このようにして、発電要素が形成された積層電池４１を形成することができる。正極３１は、例えば、厚さ１５μｍ程度の厚みの芯材に両面に、数十μｍの厚みの、ニッケル、コバルト、マンガン、リチウムの酸化物を中心とする化合物の層が形成されたものである。積層式の二次電池は、体積あたりのエネルギー密度を高くするためにデッドスペースを小さくできるという点で、巻回式の二次電池よりも有益である。完成品における積層式二次電池において、シート状に形成された正極３１、セパレータ１３、負極１２のそれぞれが、セパレータ１３、負極１２、セパレータ１３、正極３１、の順に、繰り返しパターンで積層されている。

リチウムイオン電池に代表される非水溶媒型の二次電池は、より高出力、高エネルギー密度、大面積化、長寿命、高信頼性を要求されている。また、電池において、正極の対向部に負極が存在しなければならない。電池のエネルギー容量は正極と負極の対向面積に比例するので、正極サイズをどれだけ大きくできるかが重要である。本開示の実施形態の構成によれば、製造工程において、負極１２だけを先に事前加熱し、加熱された負極１２からセパレータ１３が全体的に加熱されるので、セパレータ１３の変形が抑制されると共に、セパレータ１３が全体的に緩やかに熱膨張される。このようにして、負極１２とセパレータ１３に温度差をつけてそれぞれ加熱することができる。負極１２よりもセパレータ１３の加熱を抑制していることがセパレータ１３の熱膨張の抑制となり、この結果、セパレータ１３の熱収縮を低減している。

また、セパレータ１３が負極１２からもある程度加熱されるので、接着領域において、加熱プレスローラ６によるセパレータ１３の加熱を負極１２の事前加熱よりも低い温度で局所的に行うことができ、セパレータ１３が必要以上に加熱されるのを防止することができる。これにより、セパレータ１３の熱膨張を低減することができるので、セパレータ１３の残留熱応力を小さくすることができる。この結果、電池を使用する間のセパレータ１３の熱収縮を抑制して負極の露出を防止することができる。また、セパレータ１３の熱収縮が抑制されるので、正極３１のサイズを比較的大きくすることができる。この結果、高容量の二次電池を実現することができる。

本開示は、上記実施の形態のものに限らず、次のように変形実施することができる。

（１）上記実施の形態において、セパレータ１３の表面にあらかじめ接着剤が塗布されていたが、工程内においてセパレータ１３の表面に接着剤を塗布してもよいし、負極１２の両面に接着剤を塗布してもよい。

（２）上記実施形態において、二次電池について製造していたが、これに限られない。極板を積層して形成する電池であれば、一次電池においても、同様に製造することができる。

本開示における製造方法は、極板を積層して形成するデバイス、電池やキャパシタに適用可能できる。

１ 電池製造装置
３ 負極ロール
４ 事前加熱ローラ
５ セパレータロール
６ 加熱プレスローラ
８、９、１０、１１ 搬送ローラ
１２ 負極
１３ セパレータ
１５ 接着剤
２１ タブ
３１ 正極
４１ 積層電池

Claims (4)

1. 負極を加熱する事前加熱工程と、
   接着剤が片面にそれぞれ塗布された２枚のセパレータにおいて、それぞれの前記セパレータの前記接着剤が塗布されたそれぞれの面が互いに対向するように案内される２枚の前記セパレータの間に、前記事前加熱工程で加熱された前記負極を挟み込み、前記事前加熱工程より低い温度で加熱プレスを行うセパレータ接着工程と、
   前記セパレータ接着工程で前記セパレータが両面に接着された負極を予め定められた形状に切断する切断工程と、
   前記セパレータが両面に接着された状態で前記予め定められた形状に切断された前記負極と予め定められた形状の正極とを積層する積層工程と、を備え、
   前記セパレータ接着工程は、前記接着剤が塗布された前記セパレータの一部の領域を加熱プレスすることで、当該セパレータの一部の領域と前記負極とを前記接着剤を介して接着する、
   電池の製造方法。
2. 前記セパレータ接着工程において、前記セパレータと前記負極とを部分的に加熱プレスローラで挟み込んで接着し、
   前記切断工程では、前記セパレータ接着工程で部分的に接着された部分を切断する、
   請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 前記セパレータ接着工程において、前記部分的に接着された部分の前記セパレータの長手方向の長さは５ｍｍから２０ｍｍであり、前記部分的に接着された部分の前記セパレータの幅方向の長さは前記セパレータの幅方向の全長に至る、
   請求項２記載の電池の製造方法。
4. 前記セパレータ接着工程において、前記加熱プレスローラが上下移動することで、前記負極と前記セパレータとが部分的に接着する、
   請求項２または３に記載の電池の製造方法。

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