JP2020166973A - 蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集電体を外部接続用に用いた場合の接続端子の強度を向上させる蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】正極集電体１は、集電部１２及び集電部１２に接続された、外部機器への接続端子となる、集電部１２よりも厚い端子部１１を有する。正極合剤層３は、正極集電体１の集電部１２に配置される。外装体７は、端子部１１が外部に突出する状態で、正極集電体１の集電部１２及び正極合剤層３を電解液６とともに封装する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法に関する。

一次電池、二次電池及び電気二重層コンデンサといった蓄電デバイスには、外装体にラミネートフィルムを用いたものが存在する。外装体にラミネートフィルムを用いた蓄電デバイスは、小型化及び薄型化に適する。このような小型又は薄型の蓄電デバイスは、例えば、ワンタイムパスワード機能やディスプレイを搭載したＩＣ（Integrated Circuit）カード、又はワンタイムパスワード生成機であるトークンなどの薄型の電子機器の電源として用いられる。

このような蓄電デバイスの中の１つであるリチウムイオン二次電池は、電極組立構造によって、正極と負極とをセパレータを介して渦巻状に捲回した捲回式と、平板状の正極と負極とをセパレータを介して積層した積層式に大きく区分される。積層式のリチウムイオン二次電池の場合、積層された電極同士の接続や、電極と外部とを接続させるためのタブ端子の電極への接続に超音波溶接や抵抗溶接などが用いられる。

また、リチウムイオン二次電池で使用される集電体としては、例えば、負極に厚み１０μｍ以下の銅箔、正極に厚み２０μｍ以下のアルミ箔が使用される。通常、集電体は、厚みのある金属箔をプレスして延ばして薄くすることで薄い金属箔を生成する圧延法や、硫酸銅などの溶液に電界をかけて薄い金属箔を電界析出させる電力電解法により製造される。

近年、小型又は薄型な積層式のリチウムイオン二次電池では、正極と負極との１層同士が対面した１対構造において、正極及び負極の集電体をそのまま外部接続用に用いることで、タブ端子を使用しない構造を取ることが可能である。タブ端子を用いない構造の場合、集電体とタブ端子との溶接工程で生じる集電体の破片などが電池内部に飛散することを防ぐことができる。さらに、集電体とタブ端子とを接続するためのスペースを設けなくてもよくなるため、蓄電デバイスのエネルギー密度を向上させることができる。

なお、蓄電デバイスに関する技術として、タブ端子である電極リードをプリント基板の電極に直接接合するために、電極リードの先端部をクラッド化した従来技術がある。また、電極リードの先端部に金属薄膜を溶接し、電極リードと電極パット間の固定強度を向上させる従来技術がある。さらに、電極の接続端子部上にめっき層を形成して、異種金属間の接続性能を改善する従来技術がある。

特開２００３−１２３７３３号公報 特開２０１１−２２２９１４号公報 特開２０１２−９７１４号公報

しかしながら、集電体は、通常は電池容量に寄与しないため、電池製造時の取り扱いや集電体の抵抗が電池特性に影響を及ぼさない範囲において、極力薄い金属箔が使用される。そのため、集電体をそのまま外部接続用に用いた場合、接続端子としての強度が十分でなく、機器との接続や電池の取り扱いにおいて外部端子が破損するなどの不具合が発生するおそれがある。

外部接続などに対する強度を十分に確保するために、厚い集電体を使用することも考えられるが、集電体を厚くすると電池の厚みを増加させないために内部合剤層の厚みを減少させる必要があり、電池の容量が減少してしまう。そのため、なるべく薄い集電体を用いることが好ましい。

電極リードの先端部をクラッド化した従来技術や、電極リードの先端部に金属薄膜を溶接する従来技術は、タブ端子の使用が前提であり、これらの従来技術を用いて集電体を外部接続用に用いる場合の外部端子の強度を補強することは困難である。また、電極の接続端子部上にめっき層を形成する従来技術は、異種間金属の接続性能を改善することは可能であるが、集電体を外部接続用に用いる場合に、接続端子として十分な強度を確保することは困難である。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、集電体を外部接続用に用いた場合の接続端子の強度を向上させる蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本願の開示する蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法の一つの態様において、集電体は、集電部及び前記集電部に接続された、外部機器への接続端子となる、前記集電部よりも厚い外部接続部を有する。電極合剤は、前記集電体の前記集電部に配置される。外装体は、前記外部接続部が外部に突出する状態で、前記集電体の前記集電部及び前記電極合剤を電解液とともに封装する。

１つの側面では、本発明は、集電体を外部接続用に用いた場合の接続端子の強度を向上させることができる。

図１は、実施例に係るリチウムイオン二次電池の概略を表す透視斜視図である。 図２は、正極の製造手順を表す図である。 図３は、正極合剤層を形成したアルミニウム集電体シートのIII−III断面図である。 図４は、負極の製造手順を表す図である。 図５は、負極合剤層を形成した銅集電体シートのV−V断面図である。 図６は、正極及び負極を用いたリチウムイオン二次電池の作成手順を表す図である。 図７は、高さ方向から見た積層体の平面図である。

以下に、本願の開示する蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する蓄電デバイス及び蓄電デバイスの製造方法が限定されるものではない。

図１は、実施例に係るリチウムイオン二次電池の概略を表す透視斜視図である。図１では、図示の都合上、リチウムイオン二次電池１００の厚みを厚く示したが、実際には、リチウムイオン二次電池１００及びそれに含まれる各部の厚みは薄く、例えば、リチウムイオン二次電池１００の厚みは、０．５ｍｍ程度である。以下の説明では、図１におけるＸ方向を厚みと呼ぶ場合がある。また、図１におけるＹ方向を幅と呼ぶ場合がある。また、図１におけるＺ方向を高さと呼ぶ場合がある。

リチウムイオン二次電池１００は、積層体５０、電解液６及び外装体７を有する。積層体５０は、正極１０、負極２０及びセパレータ５を有する。正極１０は、正極集電体１及び正極合剤層３を有する。また、負極２０は、負極集電体２及び負極合剤層４を有する。

正極集電体１は、例えば、アルミニウムを材料とする。正極集電体１は、正極合剤層３が配置される領域であり、正極合剤層３から放出された電気を集める集電部１２を有する。集電部１２は、他にも、外部から提供された電気を正極合剤層３へ供給する。本実施例に係る集電部１２は、厚さが２０μｍである。また、集電部１２の高さ方向の長さは３０μｍである。

また、正極集電体１は、外装体７の外部に突出し、外部装置との接続端子となる端子部１１を有する。本実施例に係る端子部１１は、全体が集電部１２と同材料のアルミニウムで形成される。そして、端子部１１は、厚さが８０μｍであり、集電部１２に比べて厚く形成されている。端子部１１は、集電部１２の正極合剤層３が配置された面とは逆側の面と面一であり、正極合剤層３側に集電部１２よりも突き出る。また、端子部１１の高さ方向の長さは２０μｍである。

端子部１１は、集電部１２よりも厚く形成されることで、外部端子として用いる場合の端子として十分な強度を確保することができ、機器との接続や電池の取り扱いにおける破損などの不具合の発生を抑制することができる。この端子部１１が、「外部接続部」の一例にあたる。

正極合剤層３は、活物質であるＬｉ２Ｃｏ０２を９４重量部、導電材であるアセチレンブラックを３重量部及びバインダであるＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニデリン）を３重量部で調整したスラリーを集電部１２に塗布し、乾燥及びプレスすることで生成される。

負極集電体２は、例えば、銅を材料とする。負極集電体２は、負極合剤層４が配置される領域であり、負極合剤層４から放出された電気を集める集電部２２を有する。集電部２２は、他にも、外部から提供された電気を負極合剤層４へ供給する。集電部２２は、厚さが１０μｍである。また、集電部２２の高さ方向の長さは３０μｍである。

また、負極集電体２は、外装体７の外部へ突出し、外部装置との接続端子となる端子部２１を有する。本実施例に係る端子部２１は、全体が集電部２２と同材料の銅で形成される。そして、端子部２１は、厚さが８０μｍであり、集電部２２に比べて厚く形成される。端子部２１は、集電部２２の負極合剤層４が配置された面とは逆側の面と面一であり、負極合剤層４側に集電部２２よりも突き出す。また、端子部２１の高さ方向の長さは２０μｍである。

端子部２１は、集電部２２よりも厚く形成されることで、外部端子として用いる場合の端子として十分な強度を確保することができ、機器との接続や電池の取り扱いにおける破損などの不具合の発生を抑制することができる。この端子部２１も、「外部接続部」の一例にあたる。

負極合剤層４は、グラファイトを９７重量部、増粘剤であるＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）を１．５重量部及びバインダであるＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）を１．５重量部の組成に調整したスラリーを集電部２２に塗布し、乾燥及びプレスすることで生成される。

セパレータ５は、本実施例では、厚さ２０μｍのセルロース製不織布である。

積層体５０は、正極１０の正極合剤層３が形成された面と負極２０の負極合剤層４が形成された面とをセパレータ５を介して対向させて配置し積層させることで生成される。この場合、本実施例では、端子部１１及び２１が同じ方向に向かって突出するように正極１０及び負極２０が配置される。

電解液６は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを重量比で１対２とした混合溶液にＬｉＰＦ６を１モル／Ｌの濃度で溶解した溶液である。

外装体７は、正極１０の端子部１１及び負極２０の端子部２１を外部に突出させた状態で、積層体５０を外装フィルムであるアルミラミネートフィルムで挟み、内部に電解液６を注入して、真空封止することで形成される。本実施例では、外装体７を形成するアルミラミネートフィルムは、正極集電体１の端子部１１及び負極集電体２の端子部２１の一部を外部に突出させた状態で、端子部１１及び端子部２１を挟む位置で封止される。これにより、端子部１１及び端子部２１に繋がる封止箇所も集電部２２より厚さを厚くすることができ、この封止箇所の強度も確保することができる。このアルミラミネートフィルムが、「シート材」の一例にあたる。

次に、図２を参照して、正極１０の製造方法を説明する。図２は、正極の製造手順を表す図である。

１００ｍｍ幅且つ２０μｍ厚のアルミニウム箔の両端に、２０ｍｍ幅且つ８０μｍ厚のアルミ箔をクラッド処理にて貼りつけて、短手方向の両側端部付近を厚くしたアルミニウム集電体シート１０１が作製される（ステップＳ１０１）。クラッド処理では、例えば、熱プレスやめっきによりアルミニウム箔の貼り付けを行う。増厚領域１１１は、アルミニウム集電体シート１０１の短手方向の両側端部付近の厚みが厚い部分である。また、集電部領域１１２は、アルミニウム集電体シート１０１の増厚領域１１１以外の部分である。このアルミニウム集電体シート１０１が「電極シート」の一例にあたり、増厚領域１１１が「第１領域」の一例にあたり、集電部領域１１２が「第２領域」の一例にあたる。

次に、アルミニウム集電体シート１０１の集電部領域１１２における増厚領域１１１の突出方向の面に、活物質であるＬｉ２Ｃｏ０２を９４重量部、導電材であるアセチレンブラックを３重量部及びバインダであるＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニデリン）を３重量部で調整したスラリーを集電部領域１１２に塗布する。そして、集電部領域１１２に塗布されたスラリーを、乾燥及びプレスすることで正極合剤層３が集電部領域１１２上に形成される（ステップＳ１０２）。

図３は、正極合剤層を形成したアルミニウム集電体シートのIII−III断面図である。図３に示すように、アルミニウム集電体シート１０１の集電部領域１１２に正極合剤層３が形成される。そして、正極合剤層３の外側の増厚領域１１１が集電部領域１１２よりも正極合剤層３が形成された方向に向けて突出する。図３では、分かり易いように、集電部領域１１２と一体で生成されたアルミニウム箔の部分とクラッド処理により貼りつけられたアルミニウム箔の部分とのパターンを異ならせて図示したが、実際にはこれらの層は同じ材料であり一体となる。すなわち、増厚領域１１１は、集電部領域１１２と面一になる図３に向かって下の面から正極合剤層３方向に突出した側の上面までの部分を指す。また、本実施例では、正極合剤層３が形成されたアルミニウム集電体シート１０１は、正極合剤層３と増厚領域１１１との間に隙間を有するが、この隙間はなくてもよい。

図２に戻って説明を続ける。次に、正極合剤層３を短手方向の中央で分割し、且つ長手方向に適当な幅を持たせて分割し、さらに、増厚領域１１１の部分が分割後の正極合剤層３の長手方向の幅よりも短い幅の端子部１１となるように、アルミニウム集電体シート１０１を打ち抜く（ステップＳ１０３）。これにより、集電部１２に集電部１２よりも厚い端子部１１が接続された正極集電体１を有し、さらに、集電部１２上に正極合剤層３が設けられた正極１０が作製される。

次に、図４を参照して、負極２０の製造方法を説明する。図４は、負極の製造手順を表す図である。

１００ｍｍ幅且つ１０μｍ厚の銅箔の両端に、２０ｍｍ幅且つ８０μｍ厚の銅箔をクラッド処理にて貼りつけて、短手方向の両側端部付近を厚くした銅集電体シート２０１が作製される（ステップＳ２０１）。クラッド処理では、例えば、熱プレスやめっきにより銅箔の貼り付けを行う。増厚領域２１１は、銅集電体シート２０１の短手方向の両側端部付近の厚みが厚い部分である。また、集電部領域２１２は、銅集電体シート２０１の増厚領域２１１以外の部分である。この銅集電体シート２０１が「電極シート」の一例にあたり、増厚領域２１１が「第１領域」の一例にあたり、集電部領域２１２が「第２領域」の一例にあたる。

次に、銅集電体シート２０１の集電部領域２１２における増厚領域２１１の突出方向の面に、グラファイトを９７重量部、増粘剤であるＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）を１．５重量部及びバインダであるＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）を１．５重量部の組成に調整したスラリーを集電部領域２１２に塗布する。そして、集電部領域２１２に塗布されたスラリーを、乾燥及びプレスすることで負極合剤層４が集電部領域２１２上に形成される（ステップＳ２０２）。

図５は、負極合剤層を形成した銅集電体シートのV−V断面図である。図５に示すように、銅集電体シート２０１の集電部領域２１２に負極合剤層４が形成される。そして、負極合剤層４の外側の増厚領域２１１が集電部領域２１２よりも負極合剤層４が形成された方向に向けて突出する。この図５でも、分かり易いように、集電部領域２１２と一体で生成された銅箔の部分とクラッド処理により貼りつけられた銅箔の部分とのパターンを異ならせて図示したが、実際にはこれらの層は同じ材料であり一体となる。すなわち、増厚領域２１１は、集電部領域２１２と面一になる図５に向かって下の面から負極合剤層４方向に突出した側の上面までの部分を指す。また、本実施例では、負極合剤層４が形成された銅集電体シート２０１は、負極合剤層４と増厚領域２１１との間に隙間を有するが、この隙間はなくてもよい。

図４に戻って説明を続ける。次に、負極合剤層４を短手方向の中央で分割し、且つ長手方向に適当な幅を持たせて分割し、さらに、増厚領域２１１の部分が分割後の負極合剤層４の長手方向の幅よりも短い幅の端子部２１となるように、銅集電体シート２０１を打ち抜く（ステップＳ２０３）。これにより、集電部２２に集電部２２よりも厚い端子部２１が接続された負極集電体２を有し、さらに、集電部２２上に負極合剤層４が設けられた負極２０が作製される。

次に、図６を参照して、図２で示した手順で作製された正極１０及び図４で示した手順で作製された負極２０を用いたリチウムイオン二次電池１００の製造方法を説明する。図６は、正極及び負極を用いたリチウムイオン二次電池の作成手順を表す図である。

図２で示した手順で作製された正極１０及び図４で示した手順で作製された負極２０を用意する（ステップＳ３０１）。

次に、正極１０の正極合剤層３が配置された面と負極２０の負極合剤層４が配置された面をセパレータ５を挟んで対向させて積層し、積層体５０を生成する（ステップＳ３０２）。

ステップＳ３０２で生成された積層体５０を矢印VII方向から見ると、図７のように見える。図７は、高さ方向から見た積層体の平面図である。

図７に示すように、端子部１１は、集電部１２の正極合剤層３が形成された面よりもセパレータ５の方向に突出し、集電部１２よりも厚い厚みを有する。また、端子部２１は、集電部２２の負極合剤層４が形成された面よりもセパレータ５の方向に突出し、集電部２２よりも厚い厚みを有する。

図６に戻って説明を続ける。積層体５０の作成後、積層体５０を外装フィルムであるアルミラミネートフィルムで挟み、電解液６の注入箇所を残して積層体５０の周りを封止する。この時、端子部１１及び２１を挟む状態でアルミラミネートフィルムの封止を行うことが好ましい。これにより、アルミラミネート封止部の強度を向上させることができる。

その後、注入箇所から電解液６を注入し気体を排出した後に注入箇所を封止する（ステップＳ３０３）。これにより、正極集電体１の端子部１１及び負極集電体２の端子部２１が外装体７の外部に突出した状態のリチウムイオン二次電池１００が作製される。

ここで、本実施例では、集電体の材料と同じ金属をクラッド処理にて金属箔に貼りつけることで集電部１２及び２２よりも厚い端子部１１及び２１を形成した。このように、同じ金属同士を接着する場合、異種金属を接着させる場合に比べて接着させ易いため、容易に端子部１１及び２１を厚くすることができる。また、異種金属を接着した場合に比べて、本実施例に係る正極集電体１及び負極集電体２は、金属同士を貼り合わせた部分の抵抗を低く抑えることができ、電池の性能が向上する。

ただし、金属箔に貼り付ける金属材料は、同じ金属でなくてもよい。例えば、より強度を確保したい場合、ニッケルなどの硬い金属を貼りつけてもよい。また、本実施例では、端子部１１及び２１の厚みを８０μｍとしたが、この厚みは所望の強度が得られればこれに限らない。端子部１１及び２１の厚みは、破損し難い厚みとして５０μｍ以上であることが好ましく、従来接続端子として用いられるタブ端子と同様に１００μｍ以上であることが特に好ましい。

また、端子部１１及び２１の厚みは封止箇所のアルミラミネートフィルムの厚みを加えた厚さが、積層体５０が封止された箇所の厚みよりも薄ければよい。本実施例では、リチウムイオン二次電池１００の厚みが０．５ｍｍであるので、端子部１１及び２１の厚みは、封止箇所のアルミラミネートフィルムの厚みを加えた厚さが０．５ｍｍを超えない厚みであることが好ましい。例えば、端子部１１及び２１の厚みは、３００μｍ以下であることが好ましい。

さらに、本実施例では、１層の正極１０及び負極２０を積層した積層体５０を用いたリチウムイオン二次電池１００について説明したが、正極集電体１の端子部１１及び負極集電体２の端子部２１を有する積層体５０の構造はこれに限らない。例えば、正極１０又は負極２０を折り返して生成された２つの平面の間に逆の極である正極１０又は負極２０が挟まれて積層された積層体を用いてもよい。さらに、正極１０や負極２０を１又は複数回折り返して各平面が交互に積層された積層体を用いてもよい。このような積層体を使用することで、正極１０や負極２０の面積が大きくなるため抵抗が下がり、充電速度を向上させることができる。

また、本実施例では、リチウムイオン二次電池１００について説明したが、これに限らず、集電体を外部接続端子として用いる電池であれば他の電池でもよい。

以上に説明したように、本実施例に係る集電体は、電極合剤層を形成する集電部は薄い状態のまま、外部接続に用いる端子部の厚みが集電部に比べて厚く形成される。これにより、電池内部のエネルギー密度を低下させることなく、集電体を外部端子として用いる場合の外部端子の強度を向上させることができる。特に、正極及び負極の何れの端子部も厚くすることで、両方の極性の外部端子の強度を向上させることができる。

また、集電部を形成する金属箔と同じ材料を用いて端子部の厚みを確保することで、製造が容易となり、且つ、抵抗の上昇を抑えて電池の機能を向上させることができる。

また、端子部に繋がる封止位置の厚みも集電部と同様の厚みにすることで、端子部に繋がる封止箇所の強度を確保することができる。

１ 正極集電体
２ 負極集電体
３ 正極合剤層
４ 負極合剤層
５ セパレータ
６ 電解液
７ 外装体
１０ 正極
１１，２１ 端子部
１２，２２ 集電部
２０ 負極
５０ 積層体
１００ リチウムイオン二次電池

Claims (7)

1. 集電部、及び前記集電部に接続された、外部機器への接続端子となる、前記集電部よりも厚い外部接続部を有する集電体と、
   前記集電体の前記集電部に配置された電極合剤と、
   前記外部接続部が外部に突出する状態で、前記集電体の前記集電部及び前記電極合剤を電解液とともに封装する外装体と
   を有することを特徴とする蓄電デバイス。
2. 前記外部接続部は、前記集電部と同材料で生成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 前記外装体は、前記外部接続部が外部に突出する状態で前記集電体を挟んで封止するシート材を有し、
   前記集電体は、前記外部接続部と前記集電部との間の前記シート材の封止位置にあたる部分も前記集電部よりも厚い
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電デバイス。
4. 前記集電体は、正極集電体及び負極集電体を含み、
   前記電極合剤は、前記正極集電体に配置される正極合剤及び前記負極集電体に配置される負極合剤を含み、
   前記外装体は、前記正極合剤が配置された前記正極集電体と、前記負極合剤が配置された前記負極集電体とを、セパレータを介して積層した積層体を封装する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の蓄電デバイス。
5. 帯状の金属箔の短手方向の両端近傍に位置する前記両端に沿って延びる第１領域にクラッド処理を施し前記第１領域の厚みを増す集電体生成工程と、
   前記第１領域に挟まれた第２領域に電極合剤層を形成して電極シートを生成する電極シート生成工程と、
   前記電極シートを打ち抜いて、前記電極合剤層を有する集電部を前記第２領域から生成し、且つ、前記集電部に接続され、外部機器への接続端子となる、前記集電部よりも厚い外部接続端子を前記第１領域から生成して、前記集電部及び前記集電部に接続された前記外部接続端子を有する電極を生成する電極生成工程と、
   前記外部接続端子が外部に突出する状態で、前記電極の前記集電部及び電解液を外装フィルム内に封装する封装工程と
   を含むことを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。
6. 前記集電体生成工程は、前記第１領域に前記金属箔と同じ材料を用いてクラッド処理を施す工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイスの製造方法。
7. 前記集電体生成工程は、正極集電体及び負極集電体を生成する工程を含み
   前記電極シート生成工程は、前記正極集電体に正極合剤層を形成して正極シートを生成し、且つ、前記負極集電体に負極合剤層を形成して負極シートを生成する工程を含み、
   前記電極生成工程は、前記正極シートから正極を生成し、且つ、前記負極シートから負極を生成する工程を含み、
   前記封装工程は、前記正極と前記負極とをセパレータを介して積層した積層体を生成する工程と、前記積層体における前記外部接続端子を外部に突出させた状態で、前記積層体における前記集電部及び前記電解液を前記外装フィルム内に封装する工程を含む
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の蓄電デバイスの製造方法。

Images