JP2021061214A - 積層型電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
膜電極接合体2は、電極板を含む積層された複数の板状部材を有する。図2に示す例において、膜電極接合体2の板状部材は、電極板として、交互に積層された第1電極板10及び第2電極板20を含む。本実施の形態においては、膜電極接合体2がリチウムイオン二次電池を構成する例について説明する。この例において、第1電極板10は正極板10Xを構成し、第2電極板20は負極板20Yを構成するものとする。ただし、以下に説明する作用効果の記載からも理解され得るように、ここで説明する一実施の形態は、リチウムイオン二次電池に限定されることなく、第1電極板10及び第2電極板20を交互に積層してなる膜電極接合体2に広く適用され得る。
タブ16,26は、複数の電極板のうち少なくとも一つの電極板に電気的に接続されている。図2に示す例において、タブ16,26は、正極板10Xと電気的に接続した第1タブ16と、負極板20Yと電気的に接続した第2タブ26と、を有する。図5は、図3のV−V線に沿った断面を示す断面図である。図5に示す二点鎖線は、外装体3の第1部材4及び第2部材5の位置の一例を示している。図5に示すように、第1タブ16は、正極板10Xのうち、正極集電体11Xに電気的に接続されている。また、図示はしないが、第2タブ26は、負極板20Yのうち、負極集電体21Yに電気的に接続されている。図5に示す例において、第1タブ16は、第1接続領域a1において最も下側に位置する正極集電体11Xの第2面11b(下面)に接続されている。図示はしないが、第2タブ26も、第2接続領域a2において最も下側に位置する負極集電体21Yの第2面21b(下面)に接続されている。なお、正極集電体11Xと第1タブ16とが電気的に接続され得る限りにおいて、第1タブ16の取り付け方は任意である。同様に、負極集電体21Yと第2タブ26とが電気的に接続され得る限りにおいて、第2タブ26の取り付け方は任意である。
シーラント18,28は、外装体3と溶着可能な材料から構成された部材である。シーラント18,28の材料としては、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、低密度ポリプロピレン、アイオノマー、エチレン・酢酸ビニル等を挙げることができる。シーラント18,28の厚みは、例えば0.05mm以上であり、0.4mm以下であってもよい。
外装体3は、膜電極接合体2を外部から封止するための包装材である。外装体3は、図1に示すように、膜電極接合体2の上側に位置するシート状の第1部材4と、膜電極接合体2の下側に位置するシート状の第2部材5と、を有する。第1部材4及び第2部材5は、平面視において膜電極接合体2を囲むように外縁に沿って互いに接合されている。図3に示すように、外装体3の第1部材4及び第2部材5は、平面視において、第1辺3cと、第1辺3cに対向する第2辺3dと、第1辺3cが延びる方向とは異なる方向に延びる第3辺3e及び第4辺3fと、を含む矩形状の形状を有する。図3に示す例においては、第1辺3c及び第2辺3dは第2方向d2に沿って延びる。また、第3辺3e及び第4辺3fは第1方向d1に沿って延びる。
準備工程においては、図6に示すように、外装体3と、外装体3の内部に収容されている膜電極接合体2及び電解液とを準備する。本実施の形態においては、準備工程において、外装体3、膜電極接合体2及び電解液とともに、膜電極接合体2の少なくとも一つの電極板10,20に電気的に接続しているタブ16,26を準備する。本実施の形態に係る準備工程は、膜電極接合体2及び膜電極接合体2の少なくとも一つの電極板10,20に電気的に接続しているタブ16,26を準備する工程と、第1開口部3aを有する外装体3の内部に膜電極接合体2を収容する工程と、第1開口部3aを通して外装体3の内部に電解液を注入する工程と、第1開口部3aを封止する工程と、を含む。
本実施の形態においては、準備工程の後、後述する前充電工程の前に、膜電極接合体2を放置する、前充電前放置工程を行う。一例として、前充電前放置工程においては、外装体3を、図示しないスタンドによって第1開口部3aが上側に位置するように支持された状態にて、12時間以下の時間だけ、外装体3及び膜電極接合体2を放置する。前充電前放置工程において、膜電極接合体2は、充電されていない状態であるために、充電がされている膜電極接合体2と比較して、負極板20Yの電位が高く、負極板20Yが酸化されやすくなっている。前充電前放置工程において膜電極接合体2を放置する時間を12時間以下とすることによって、前充電前放置工程において負極板20Yの酸化が大きく進むことを抑制することができる。放置工程において膜電極接合体2を放置する時間は、例えば1分以上である。
前充電工程においては、膜電極接合体2の正極板10X及び負極板20Yを、電源に電気的に接続して、電源を用いて膜電極接合体2を充電する。本実施の形態においては、図8及び図9に示すように外装体3の内部に収容された膜電極接合体2を、第1タブ16及び第2タブ26を介して充電する。この場合、電源の正極を第1タブ16に、電源の負極を第2タブ26に、それぞれ電気的に接続する。次に、電源を用いて、積層型電池1に電流を流す。これによって、積層型電池1が前充電される。
本実施の形態においては、前充電工程の後、後述する初期充電工程の前に、膜電極接合体2を放置する、放置工程を行う。放置工程においては、まず、前充電工程において用いた電源と正極板10X及び負極板20Yとの接続を外す。次に、外装体3を、図示しないスタンドによって第1開口部3aが上側に位置するように支持された状態にて、外装体3及び膜電極接合体2を放置する。放置工程の間に、電解液は、電解液が局在している領域から、電解液の存在しない電極板10,20の内部の間隙へと含浸する。これによって、電解液は、電極板10,20の表面の広範囲に供給される。放置工程における電極板10,20への電解液の含浸は、例えば絶縁体40が内部に間隙を有する場合、図7に示す液溜まり70の電解液が、毛細管現象によって絶縁体40の内部の間隙を通って電極板10,20の表面まで移動し、電極板10,20に含浸することによって進行する。この場合、絶縁体40の内部の間隙を電解液が移動しやすくする観点からは、絶縁体40は、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系化合物及びアラミド繊維の少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。また、電解液の電極板10,20への含浸は、電解液が毛細管現象によって電極板10,20の内部の間隙を移動することによって、進行してもよい。この場合、電解液は、例えば電極板10,20の活物質層12,22の内部の間隙に含浸してもよい。
初期充電工程においては、膜電極接合体2の正極板10X及び負極板20Yを、電源に電気的に接続して、電源を用いて膜電極接合体2を充電する。初期充電工程において膜電極接合体2を充電する方法は、後述する点を除いて、前充電工程において膜電極接合体2を充電する方法と同様である。
第2開口形成工程においては、外装体3に第2開口部3bを形成する。第2開口形成工程においては、外装体3を破線L1に沿って裁断する。これによって、図11に示すように、外装体3を裁断した位置に、第2開口部3bが形成される。第2開口部3bによって、収容空間6aを、第2開口部3bを通して外部に連通させ、初期充電によって発生したガスを収容空間6aから抜くことができる。なお、外装体3を破線L1に沿って裁断することによって、外装体3に第4辺3fが形成される。
封止工程においては、外装体3の内部を減圧した状態で、第2開口部3bを封止する。封止工程において外装体3の内部を減圧して第1開口部3aを封止する方法は、例えば準備工程において外装体3の内部を減圧して第2開口部3bを封止する方法と同様である。封止工程において、外装体3の内部を減圧した状態で第2開口部3bを封止することによって、製造される積層型電池1の板状部材60の間に気体が残って、板状部材60同士の間隔が大きくなることを抑制することができる。これによって、製造される積層型電池1のエネルギー密度の低下を抑制することができる。また、電極板10,20同士の間に多くの空気が残存した状態、又は電極板10,20同士の間隔が広がった状態で積層型電池1の充放電が行われることが、抑制される。これによって、正極板10Xと負極板20Yとの間隔が広がっていることに起因して、充放電時に正極板10Xと負極板20Yとの間を移動するリチウムイオンの量が減少することを抑制することができる。また、電極板10,20同士の間に空気が残存し、残存した空気中の水分とリチウムイオンとが反応することを抑制することができる。以上の理由から、製造される積層型電池1について充放電を繰り返す場合に、積層型電池1の容量が低下することを抑制することができる。
2 膜電極接合体
3 外装体
3a 第1開口部
3b 第2開口部
4 第1部材
5 第2部材
6 収容領域
6a 収容空間
7 封止領域
10 第1電極板
10X 正極板
11 第1電極集電体
11X 正極集電体
11a 第1面
11b 第2面
12 第1電極活物質層
12X 正極活物質層
16 第1タブ
18 第1シーラント
20 第2電極板
20Y 負極板
21 第2電極集電体
21Y 負極集電体
21a 第1面
21b 第2面
22 第2電極活物質層
22Y 負極活物質層
26 第2タブ
28 第2シーラント
30 絶縁層
30A 電解質層
40 絶縁体
60 板状部材
70 液溜まり
Claims (13)
- 外装体と、前記外装体の内部に収容され、正極板及び負極板を含む複数の板状部材を有する膜電極接合体と、前記外装体の内部に収容され、還元電位を有する添加剤を含む電解液と、を準備する準備工程と、
前記膜電極接合体の前記正極板及び前記負極板を電源に電気的に接続し、前記負極板の電位が、前記添加剤が有する還元電位のうち最も高い還元電位よりも高い第1電位から、前記第1電位よりも低く、かつ前記添加剤が有する還元電位のうち最も高い還元電位よりも高い第2電位になるまで、前記膜電極接合体を充電する前充電工程と、
前記正極板及び前記負極板と電源との接続を外して、前記膜電極接合体を放置する、放置工程と、
前記膜電極接合体の前記正極板及び前記負極板を電源に電気的に接続して、前記負極板の電位が、前記添加剤が有する還元電位のうち最も高い還元電位以下となるように、前記膜電極接合体を充電する初期充電工程と、をこの順に備える、積層型電池の製造方法。 - 前記第2電位は、前記添加剤が有する還元電位のうち最も高い還元電位よりも0.1V以上高い、請求項1に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記負極板は、導電性材料を含む負極集電体を有し、
前記負極集電体は、酸化電位を有し、
前記第2電位は、前記負極集電体が有する酸化電位よりも低い、請求項1又は2に記載の積層型電池の製造方法。 - 前記第2電位は、前記負極集電体が有する酸化電位よりも0.1V以上低い、請求項3に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記初期充電工程においては、前記負極板の電位が、前記添加剤が有する還元電位のうち、最も低い還元電位以下となるように、前記膜電極接合体を充電する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記添加剤は、エチレンサルファイト、フルオロエチレンカーボネート、クラウンエーテル及びビニレンカーボネートの少なくともいずれか一つを含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記準備工程の後、前記前充電工程の前に、前記膜電極接合体を12時間以下の時間だけ放置する、前充電前放置工程をさらに備える、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記放置工程においては、前記膜電極接合体を、前記前充電前放置工程において前記膜電極接合体を放置する時間よりも長い時間だけ放置する、請求項7に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記放置工程においては、前記膜電極接合体を、3時間よりも長い時間だけ放置する、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記放置工程においては、前記膜電極接合体を、7日間以下の時間だけ放置する、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
- 複数の前記板状部材は、正極板と負極板との間に位置する絶縁体をさらに有する、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記絶縁体は、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系化合物及びアラミド繊維の少なくともいずれか一つを含む、請求項11に記載の積層型電池の製造方法。
- 前記負極板の面積は、400cm2以上1200cm2以下である、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の積層型電池の製造方法。
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