JP5157500B2 - 非水電解質電池およびその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、非水電解質電池およびその製造方法に関し、特に、積層型構造を有する非水電解質電池およびその製造方法に関する。
近年、携帯電話、ノートブック型パーソナルコンピュータなどをはじめとする電子機器のコードレス化、ポータブル化が進み、薄型、小型、軽量の携帯電子機器が次々と開発されている。また、機器や機能の多様化によって電力使用量が増加しており、それら電子機器のエネルギー源である電池のより一層の高容量化・軽量化に対する要求が高まっている。そこで、この要求に応えるべく、積層型非水電解質電池、中でもリチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン二次電池に関して、種々の提案がなされている。
例えば、複数枚の正極および負極をセパレータを介して交互に積層した積層型の電池が用いられている。このような電池では、正極集電体の両面に正極活物質層が設けられた複数枚の正極と、負極集電体の両面に負極活物質層が設けられた複数枚の負極とがセパレータを介して交互に積層されており、リチウムイオンがセパレータを通過することにより、電池の充放電がなされる。
このような正極の一辺からは、例えば正極集電体と一体に成型された正極端子が引き出されている。同様に、負極の一辺からは、負極集電体と一体に成型された負極端子が引き出されている。
積層型構造を有する電池素子を有する非水電解質電池では、複数の正極から引き出された複数の正極端子をまとめて超音波溶着等の方法により電気的に接続する必要がある。また、同様に、複数の負極端子もまとめて接続を行う。このあと、接続した正極端子および負極端子を折り曲げ、正極端子および負極端子の先端部を例えば保護回路等の電子部品が実装された回路基板や、保護回路と接続されたリード等に接続する。
従来、正極端子および負極端子(以下、電極端子と適宜称する)は、電極端子同士をまとめてそれぞれ接続するとともに、電極端子を屈曲して折りたたむことでスペース効率を高める方法が用いられている。例えば、図15Aないし図15Cに側面図を示すように、積層型電池素子100の最底面に配設された負極102から引き出された負極端子112aに他の負極端子112bないし112dをまとめる。そして、負極端子112aないし112dと、例えば負極端子112dに接触させて配置したリード部材114とを、例えば超音波溶着により固着する。
そして、リード部材114を折り曲げるともに、図15BのF点を支点として、固着した負極端子112aないし112dを屈曲させる。
また、図16Aないし図16Cに示すように、図16Bの支点Fを、図16Cの支点F´まで移動しながら負極端子112aないし112dを折り曲げてもよい。
なお、正極端子は、図15Aないし図15Cおよび図16Aないし図16Cには図示しないが、負極端子12aないし12dと同様の方法により他のリード部材と固着され、折り曲げられる。
また、以下の特許文献1には、他の方法により電極端子を固着した積層型リチウムイオン電池が記載されている。
特開2007‐234466号公報
特許文献1では、図17Aに示すように、複数枚の正極101および負極102をセパレータ103を介して交互に積層した後、図17Bに示すように電極の積層部分を湾曲させる。これにより、正極101および負極102の一端が少しずつずれるように配置される。そして、図17Cに示すように、正極101から引き出した複数の正極端子(図示せず)と、負極102から引き出した複数の負極端子112とをそれぞれまとめて固着する。このとき、負極端子112は、例えば他のリード部材114とともに固着される。また、正極端子も同様にして、リード部材114と接着される。続いて、湾曲させた積層部分を平板状に戻し、リード部材114と接着された負極端子112を所定の形状に屈曲する。
これらの積層型電池素子は、例えばラミネートフィルム等のフィルム状外装材によって外装され、積層型電池素子の周囲を封止して非水電解質電池とされる。
しかしながら、図15および図16に記載の方法を用いた非水電解質電池では、電極と平行な方向に伸びるように電極端子をまとめて固着した後、電極端子の固着部分が電極と垂直となるように折り曲げることで、電極端子の品質不良が生じてしまう。すなわち、図15に示す支点Fを固定させる方法では、屈曲外周側の電極端子大きく引張りや伸びなどが生じてしまう。また、図16に示す支点Fを支点F’に移動させる方法では、電極端子の引張りや伸びは生じないものの、屈曲内周側の電極端子程しわやよれが生じてしまう。
また、上述の特許文献1では、集電体上に活物質層が形成された正極101および負極102を湾曲させる必要がある。このため、主に正極101および負極102の湾曲部分において活物質層が擦れたり伸縮したりして、活物質層が集電体から剥離、剥落してしまい、電池容量の低下や、剥落した活物質層がセパレータを突き破ることによる正極101および負極102の短絡が生じてしてしまうおそれがある。
特許文献1の方法を用いた場合、電極端子に引張り応力をかけずに電極端子の屈曲を行うことは可能であるが、電極端子の屈曲部分と電極を積層した積層体との間に間隙が生じ、スペース効率の点では好ましくない。また、予め決められた長さの電極端子を、先端が略同じ位置となるようにしてリード部材114に接続する。このため、スペース効率を向上させるために電極端子の固着部分を積層体に近づけると、電極端子の一部分が積層体厚み方向に飛び出してしまうと考えられるため、好ましくない。
このような非水電解質電池では、例えば高容量化や大電流放電を行うために積層する正極101および負極102の枚数を増加させる程、電極端子等の品質不良が生じやすくなってしまう。
したがって、この発明は、電極端子の品質不良および電池の安全性の低下を引き起こすことなく電極端子を屈曲し、スペース効率を向上させることができる非水電解質電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、第1の発明は、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極活物質層とがセパレータを介して交互に積層された電池素子が外装材で外装された非水電解質電池において、複数の正極集電体とそれぞれ電気的に接続され、先端部分がそれぞれ正極の面と略平行な方向に揃えられた際に曲げ部に曲げ外周側程大きいたるみが形成された状態で互いに固着された複数の正極端子と、複数の負極集電体とそれぞれ電気的に接続され、先端部分がそれぞれ負極の面と略平行な方向に揃えられた際に曲げ部に曲げ外周側程大きいたるみが形成された状態で互いに固着された複数の負極端子とを備え、正極端子と負極端子とが、断面略U字形状となるようにそれぞれ曲げられてU字曲げ部が形成されていることを特徴とする非水電解質電池である。
上述の非水電解質電池は、U字曲げ部において、隣接する2つの正極端子の対向する面の曲率が略同等であることが好ましい。
また、正極端子と正極集電体とが一体に構成されることが好ましく、負極端子と負極集電体とが一体に構成されることが好ましい。
正極端子および負極端子がそれぞれ第1のリード部材および第2のリード部材と電気的に接続されており、抵抗溶接、超音波溶着、クランプ固定もしくはかしめ接続されていることが好ましい。
また、非水電解質電池の体積効率が向上する点で、上述の外装材が例えばラミネートフィルム等のフィルム状外装材であることが好ましい。
また、第2の発明は、正極端子を一体に成型した正極集電体の両面に正極活物質層を形成した正極と、負極端子を一体に成型した負極集電体の両面に負極活物質層を形成した負極とを、セパレータを介して交互に積層する積層工程と、複数の正極端子および負極端子のそれぞれを、断面略U字形状に折り曲げる第1のU字曲げ工程と、略U字形状に折り曲げた正極端子の先端部分が正極と略平行となるように正極端子を略L字形状に変形させ、正極端子の曲げ部において曲げ外周側にいくにしたがって大きくなる第1のたるみを持たせ、第1のたるみを保持したまま複数の正極端子の先端部を切り揃える正極端子切断工程と、略U字形状に折り曲げた負極端子の先端部分が負極と略平行となるように負極端子を略L字形状に変形させ、負極端子の曲げ部において曲げ外周側にいくにしたがって大きくなる第2のたるみを持たせ、第2のたるみを保持したまま複数の負極端子の先端部を切り揃える負極端子切断工程と、正極端子の先端部分および負極端子の先端部分と、第1のリード部材および第2のリード部材とをそれぞれ電気的に接続する接続工程と、第1のリード部材と第2のリード部材とをそれぞれ所望の方向に折り曲げるリード部材折り曲げ工程と、正極端子と負極端子とを変形してU字曲げ部を再度形成する第2のU字曲げ工程とを有することを特徴とする非水電解質電池の製造方法である。
なお、第1のU字曲げ工程において、正極端子または負極端子に対して垂直に板状部材を動かし、板状部材を所定の位置まで移動させて正極端子または負極端子に曲げ部を形成し、ローラを正極端子または負極端子の曲げ外周側に沿って板状部材の移動方向と逆方向に移動させて正極端子または負極端子を断面略U字形状に折り曲げるようにすることが好ましい。
また、接続工程において、第1のたるみおよび第2のたるみをそれぞれ維持したまま接続を行うことが好ましい。
また、接続工程において、正極端子の先端部分および負極端子の先端部分と第1のリード部材および第2のリード部材とを、抵抗溶接または超音波溶着により固着することが好ましい。
この発明によれば、電極端子引き出し部分におけるスペース効率と、電極端子のしわ、よれ等の防止を両立し、非水電解質電池の信頼性を高めることができる。
(1−1)非水電解質電池の構成
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下、非水電解質電池もしくは電池素子において、正極端子および負極端子の引き出し辺をトップ部、トップ部に対向する辺をボトム部、トップ部とボトム部とに挟まれた側面部分をサイド部と適宜称する。
図1Aは、この発明の一実施形態にかかる非水電解質電池であるリチウムイオン二次電池(以下、二次電池と適宜称する)1の外観を示す略線図であり、図1Bは、二次電池1の構成を示す略線図である。図1Bは、図1Aに示す二次電池1の底面および上面を反転させた場合の構成を示している。二次電池1は、電池素子10が、外装材であるラミネートフィルム6にて外装されたものである。図2は、非水電解質電池1に収容される電池素子10のトップ部の構成を詳細に示す略線図である。図3Aおよび図3Bは、電池素子10を構成する正極11および負極12の構造を示す斜視図である。
[電池素子]
図2に示すように、電池素子10は、略矩形状の正極11と、正極11と対向して配された略矩形状の負極12とが、セパレータ13を介して交互に積層された積層型電極構造を有しており、例えば図示しないゲル電解質層が正極11および負極12の両面に形成されていてもよい。
また、電池素子10からは、複数枚の正極11とそれぞれ電気的に接続された正極端子2と、複数枚の負極12とそれぞれ電気的に接続された負極端子3とが引き出されている。複数枚の正極端子2および負極端子3は、それぞれ正極リード4aおよび負極リード4bに抵抗溶接、超音波溶着等により固着されており、さらに、複数枚重ねた正極端子2および負極端子3の断面が略U字形状となるように折り曲げられて構成されている。正極端子2および負極端子3は、曲げ部分において適切なたるみを持った状態でU字形状に折り曲げられる。
なお、以下、3枚の正極11と4枚の負極12とが、セパレータ13を介して交互に積層された電池素子10について説明する。
正極端子2は、正極11から引き出された部分からU字曲げ部に至る引き出し部分と、U字曲げ部から正極端子2の先端に至る先端部分との間隙が非常に小さく、例えば1mm以下とすることができる。この発明の構成および製造方法を用いることにより、上述のように引き出し部分と先端部分との間隙が小さくなるような構成とした場合であっても、正極端子2の一部分が電池素子10の厚み方向に突出してしまったり、正極端子2に引張りおよびのび、もしくはしわおよびよれが生じるのを防止することができる。
このような電池素子10は、外装材であるラミネートフィルム6にて外装されており、正極端子2および負極端子3とそれぞれ接続された正極リード4aおよび負極リード4bは、ラミネートフィルム6の封止部から電池外部に導出されている。図1Bに示すように、ラミネートフィルム6の第1の領域6Aには、例えば予め絞り加工が施されることにより、凹部7が形成されている。電池素子10はこの凹部7に収納される。そして、第1の領域と連続するラミネートフィルム6の第2の領域6Bが、凹部7の開口を覆うように配置され、凹部7の開口の周囲が熱融着等により接着されることにより封止される。正極端子2および負極端子3とそれぞれ接続された正極リード4aおよび負極リード4bは、ラミネートフィルム6の封止部分から外部に導出される。正極リード4aおよび負極リード4bのラミネートフィルム6と接する領域には、正極リード4aおよび負極リード4bとラミネートフィルム6との接着性を向上させるために、例えば密着フィルム5aおよび5bがそれぞれ被覆されている。
[正極]
図3Aに、正極11の構成を示す。正極11は、略矩形状の正極集電体11bと、この正極集電体11bの両面に形成された正極活物質層11aとからなる。正極集電体11bは、例えばアルミニウム(Al)などからなる金属箔である。正極11の一辺からは、例えば正極集電体11bと一体に形成された正極端子2が引き出されている。
また、正極集電体11bに、別部品の正極端子2が接続されていてもよい。このような場合、正極端子2としては、上述のような金属箔に限らず、導電性材料等を用いることもできる。
ここで、図3Aに示す正極11は、正極集電体11bおよび正極集電体11bと一体に形成された正極端子2の構成を示すための略線図であり、実際には略矩形状の正極集電体11bの全面にわたって正極活物質層11aが形成されている。
正極活物質層11aは、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。正極活物質としては、LiXMO2(式中、Mは、一種以上の遷移金属を表し、xは、電池の充放電状態によって異なり、通常0.05以上1.10以下である)を主体とする、リチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)等が用いられる。
このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn24)等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。例えば、ニッケルコバルト複合リチウム酸化物(LiNi0.5Co0.52、LiNi0.8Co0.22等)がその例として挙げられる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。
また、正極活物質として、LiMyPO4(式中、Mは、一種以上の遷移金属を表し、yは、電池の充放電状態によって異なり、通常0以上1以下である)を主体とする、リチウムと遷移金属とのリチウムリン酸化合物を用いることもできる。リチウムリン酸化合物を構成する遷移金属としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)等が用いられる。
このようなリチウムリン酸化合物として、具体的には、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)や、リン酸鉄リチウムの鉄の一部を構造安定性等のためにコバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)等の他の元素で置換した化合物等がその例として挙げられる。
このようなリチウム複合酸化物およびリチウムリン酸化合物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度に優れた正極活物質となる。
さらに、正極活物質としてTiS2、MoS2、NbSe2、V25等のリチウムを有しない金属硫化物または金属酸化物を使用してもよい。正極活物質としては、これら材料を複数混合して用いてもよい。
導電剤としては、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が用いられる。
[負極]
図3Bに、負極12の構成を示す。負極12は、例えば正極集電体11bよりも外寸が数mm大きい負極集電体12bと、この負極集電体12bの両面に形成された負極活物質層12aとからなる。負極集電体12bは、例えば銅(Cu)、ニッケル(Ni)あるいはステンレス(SUS)などからなる金属箔である。負極12の一辺からは、負極集電体12bと一体に成型された負極端子3が引き出されている。
また、負極集電体12bに、別部品の負極端子3が接続されていてもよい。このような場合、負極端子3は、上述のような金属箔に限らず、導電性材料等を用いることもできる。
負極集電体12bは、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有することが必要である。負極12は還元性の高い雰囲気に晒されるため、アルミニウム(Al)をはじめとする多くの金属はリチウム(Li)と合金を形成して粉末状になってしまう。このため、合金化を起こさない金属材料を用いる必要がある。このような金属材料としては、銅(Cu)、ニッケル(Ni)あるいはステンレス(SUS)等が挙げられる。特に、銅(Cu)は高い電気伝導性を有し、柔軟性に富んでいるため、好ましい。
負極活物質層12aは、例えば負極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料が用いられる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としては、例えば難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維あるいは活性炭が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。また、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
このようなリチウム(Li)を吸蔵および離脱可能な負極材料のなかでも、充放電電位が比較的リチウム金属に近いものが好ましい。負極12の充放電電位が低いほど電池の高エネルギー密度化が容易となるからである。なかでも炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れたサイクル特性を得ることができるので好ましい。
リチウム(Li)を吸蔵および離脱可能な負極材料としては、また、リチウム金属単体、リチウム(Li)と合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が挙げられる。これらは高いエネルギー密度を得ることができるので好ましく、特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。なお、本明細書において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とからなるものも含める。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうち2種以上が共存するものがある。
このような金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)またはハフニウム(Hf)が挙げられる。これらの合金あるいは化合物としては、例えば、化学式MafMbgLih、あるいは化学式MasMctMduで表されるものが挙げられる。これら化学式において、Maはリチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、MbはリチウムおよびMa以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mcは非金属元素の少なくとも1種を表し、MdはMa以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表す。また、f、g、h、s、tおよびuの値はそれぞれf>0、g≧0、h≧0、s>0、t>0、u≧0である。
なかでも、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素(Si)あるいはスズ(Sn)、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
リチウムを吸蔵・放出可能な負極材料としては、さらに、酸化物、硫化物、あるいはLiN3などのリチウム窒化物などの他の金属化合物が挙げられる。酸化物としては、MnO2、V25、V613などが挙げられる。その他、比較的電位が卑でリチウムを吸蔵および放出することが可能な酸化物として、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズなどが挙げられる。硫化物としてはNiS、MoSなどが挙げられる。
特に、天然黒鉛および人造黒鉛などの黒鉛類は、化学的安定性に富みリチウムイオンの脱挿入反応も繰り返し安定して起こすことができ、さらに工業的にも容易に入手出来るため、リチウムイオン電池に広く用いられている。
また、炭素以外の材料としては多様な種類の金属ありは半金属等が使用可能であるが、例えば、リチウムと合金を形成可能なマグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)およびこれらの合金が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
さらに、リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やSnO2等の酸化物を使用することができる。
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などのフッ素系高分子化合物、またはスチレンブタジエンゴム(SBR)あるいはエチレンプロピレンジエンゴム(EPDR)などの合成ゴムなどが挙げられる。また、フッ化ビニリデン(VdF)に由来する繰り返し単位を成分として含む重合体が好ましい。二次電池内での安定性が高いからである。このような重合体としては、例えば、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(TFE)共重合体等が挙げられる。結着剤としては、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
[正極リードおよび負極リード]
正極端子2と接続される正極リード4aおよび負極端子3と接続される負極リード4bは、例えば、正極端子2および負極端子3と、電子機器と接続するための接点部および保護回路等を有する回路基板(図示せず)とを中継する。正極リード4aは、例えばアルミニウム(Al)等の正極端子2と同様の材料から構成される。また、負極リード4bは、例えば銅(Cu)、ニッケル(Ni)あるいはステンレス(SUS)等の負極端子3と同様の材料から構成される。
[密着フィルム]
正極リード4aおよび負極リード4bに設ける密着フィルム5aおよび5bは、正極リード4aおよび負極リード4bを構成する金属材料との接着性に優れる樹脂材料からなる。このような樹脂材料としては、酸変性ポリプロピレン(PP)等の変性ポリマーが挙げられる。
[セパレータ]
セパレータ13は、例えばポリプロピレン(PP)あるいはポリエチレン(PE)などのポリオレフィン系樹脂材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜が積層された構造のものを用いてもよい。中でも、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)の多孔質フィルムが最も有効である。
[電解質]
電解質は、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は1種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合してもよい。
電解質塩としては、上記非水溶媒に溶解するものが用いられ、カチオンとアニオンが組み合わされてなる。カチオンにはアルカリ金属やアルカリ土類金属が用いられる。アニオンには、Cl-,Br-,I-,SCN-,ClO4 -,BF4 -,PF6 -,CF3SO3 -等が用いられる。具体的には、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO22)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C25SO22)過塩素酸リチウム(LiClO4)等が挙げられる。電解質塩濃度としては、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して0.4mol/kg以上2.0mol/kg以下の範囲であることが好ましい。
ポリマー電解質を用いる場合は、非水溶媒と電解質塩とを混合してゲル状とした電解液をマトリクスポリマに取り込むことでポリマー電解質を得る。マトリクスポリマは、非水溶媒に相溶可能な性質を有している。このようなマトリクスポリマとしては、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリフォスファゼン変性ポリマー、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイドおよびこれらの複合ポリマーや架橋ポリマー、変性ポリマー等が用いられる。また、フッ素系ポリマーとして、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ化ビニリデン(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)とを繰り返し単位に含む共重合体、フッ化ビニリデン(VdF)とトリフルオロエチレン(TFE)とを繰り返し単位に含む共重合体等のポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。
[ラミネートフィルム]
外装材として用いるラミネートフィルム6は、図4に示されるように、金属箔6aの両面にそれぞれ外側樹脂層6bと内側樹脂層6cとが形成された、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムからなる。外側樹脂層6bには、外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン(Ny)、またはポリエチレンテレフタレート(PET)が用いられる。金属箔6aは、水分、酸素、光の浸入を防ぎ、内容物である電池素子を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム(Al)が最もよく使われる。内側樹脂層6cは、熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、ポリオレフィン系樹脂材料、例えば無延伸ポリプロピレン(CPP)が多用される。
一般的にセパレータの厚みは5μm以上50μm以下が好適に使用可能であるが、5μm以上20μm以下がより好ましい。セパレータは、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下し、異物などで正負両極がショートしたり、破れたりする。
(1−2)非水電解質電池の製造方法
上述のような非水電解質電池1は、以下のような工程で作製することができる。
[正極の作製]
まず、例えば、正極活物質と、低結晶性炭素と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体11bの両面に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層11aを形成し、正極11を作製する。このとき、正極集電体11bは、正極端子2が一体に形成されたものとする。
[負極の作製]
また、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体12bに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層12aを形成し、負極12を作製する。このとき、負極集電体12bは、正極集電体11bと同様に、負極端子2が一体に形成されたものとする。
[積層工程]
次いで、正極11と負極12とを、セパレータ13を介して交互に、例えば、負極12、セパレータ13、正極11、セパレータ13、負極12・・・セパレータ13、負極12となるように重ね合わせて所定数の正極11および負極12を積層する。続いて、正極11、負極12およびセパレータ13が密着するように押圧した状態で固定し、積層電極体10aを作製する。固定には、接着テープ等の固定部材(図示せず)を用いる。固定部材は、例えば積層電極体10aの両サイド部およびボトム部に設ける。ゲル電解質を用いる場合は、正極11および負極12の両面にゲル電解質層を形成した後、セパレータ13を介して積層する。
[第1のU字曲げ工程]
続いて、積層した正極11から引き出された複数の正極端子2および積層した負極12から引き出された複数の負極端子3を、断面略U字形状となるように折り曲げる。第1のU字曲げ工程は、予め正極端子2および負極端子3に最適なU字曲げ形状を持たせるための工程である。予め最適なU字曲げ形状を持たせることにより、後に正極リード4aおよび負極リード4bと接続後の正極端子2および負極端子3を折り曲げてU字曲げ部を形成する際に正極端子2および負極端子3に引張り応力などのストレスがかからないようにすることができる。
図5は、負極端子3のU字曲げ工程を説明する側面図である。なお、図5以降、図中の4本の負極端子を適宜負極端子3aないし3dとして説明する。また、以下では、負極端子3aないし3dについて各工程を説明する。
まず、図5Aに示すように、U字曲げ用薄板21を有するワークセット台20aの上部に積層電極体10aを配設する。U字曲げ用薄板21は、積層電極体10aの厚みよりもやや小さい分だけ、具体的には、少なくとも複数の負極端子3aないし3dの総厚分小さい分だけ、ワークセット台20aから突出するように設置されている。このような構成とすることにより、負極端子3dの曲げ外周側が積層電極体10aの厚みの範囲内に位置するため、非水電解質電池1の厚みの増大や外観不良が生じるのを防止することができる。
続いて、図5Bに示すように、積層電極体10aを下降させるか、もしくはワークセット台20aを上昇させる。このとき、積層電極体10aとU字曲げ用薄板21との間隙が小さいほど非水電解質電池1のスペース効率が向上するため、例えば積層電極体10aとU字曲げ用薄板21との間隙が徐々に小さくなるようにする。
図5Cに示すように、積層電極体10aがワークセット台20a上に載置され、負極端子3に曲げ部を形成した後、図5Dおよび図5Eに示すようにローラ22を下降させて負極端子3がU字形状に折り曲げられる。
U字曲げ用薄板21は、厚みが1mm以下、例えば0.5mm程度が好ましい。U字曲げ用薄板21には、このような薄さでも複数の正極端子2または負極端子3に曲げ形状を形成するために必要な強度を有する材料を用いることができる。U字曲げ用薄板21に必要な強度は、正極11および負極12の積層枚数や、正極端子2および負極端子3に用いる材料の硬度等によって変わる。U字曲げ用薄板21が薄いほど、曲げ最内周の負極端子3aの曲率を小さくすることができ、負極端子3の折り曲げに必要なスペースを小さくすることができるため好ましい。U字曲げ用薄板21としては、例えばステンレス(SUS)、強化プラスティック材およびめっきを施した鋼材などを用いることができる。
[電極端子切断工程]
次に、U字曲げ部を形成した負極端子3の先端を切り揃える。電極端子切断工程では、予め最適な形状を有するU字曲げ部を形成し、そのU字曲げ形状に合わせて正極端子2および負極端子3の余剰分を切断する。図6は、負極端子3の切断工程を説明する側面図である。
図6Aに示すように、第1のU字曲げ工程においてU字曲げ部が形成された積層電極体10aの上面と底面を反転させ、集電体たるみ用逃げ部23を有するワークセット台20b上に積層電極体10aを固定する。
次に、図6Bに示すように、U字曲げ部が形成された負極端子3aないし3dのU字曲げ部から先端に至る先端部分がワークセット台20bに沿って略L字形状となるように先端部分を変形させる。このとき、再度U字曲げ部を形成するために必要な形状を維持することにより、曲げ外周側の負極端子3dほど大きなたるみが生じる。このようなたるみがワークセット台20bの集電体たるみ用逃げ部23に入り込むことにより、負極端子3aないし3dをストレスなく変形させることができる。なお、負極端子3aないし3dの先端部分を固定した状態で負極端子3aないし3dを変形させるようにしてもよい。
続いて、図6Cに示すように、集電体押さえ24にて負極端子3aないし3dをワークセット台20bに押さえつけた後、図6Dおよび図6Eに示すように、例えば集電体押さえ24に沿うように設けられた切断用刃25で負極端子3aないし3dの先端を切り揃える。負極端子3aないし3dの切断箇所は、後に再度U字曲げを行った際に負極端子3aないし3dの先端が積層電極体10aの厚みの範囲内に位置するように、負極端子3aないし3dの先端の余剰分を少なくとも切断するようにする。
[接続工程]
続いて、負極端子3aないし3dと、負極リード4bとの接続を行う。接続工程では、第1のU字曲げ工程で形成した最適なU字曲げ形状を維持しながら正極端子2および負極端子3と、正極リード4aおよび負極リード4bを固着する。これにより、正極端子2および正極リード4aと、負極端子3および負極リード4bが電気的に接続される。図7は、負極端子3aないし3dと、負極リード4bとの接続工程を説明する側面図である。
図7Aに示すように、電極端子切断工程において負極端子3aないし3dの先端余剰分を切断した積層電極体10aの上面と底面を再度反転させる。次に、図7Bに示すように、集電体形成維持用板26を有するワークセット台20c上に積層電極体10aを固定する。負極端子3aの曲げ内周側には集電体形成維持用板26の先端が位置しており、負極端子3aないし3dの曲げ形状を維持するとともに、固着装置から発生する例えば超音波振動などの外的要因による影響を防止する。
続いて、図7Cに示すように、例えば超音波溶着により負極端子3aないし3dと負極リード4bとを固着する。超音波溶着には、例えば、負極端子3aないし3dの下部に備えられたアンビル27aと、負極端子3aないし3dの上部に備えられたホーン27bが用いられる。アンビル27aには予め負極端子3aないし3dがセットされ、ホーン27bが下降してアンビル27aとホーン27bとで負極端子3aないし3dおよび負極リード4bが挟持される。そして、アンビル27aとホーン27bとにより、負極端子3aないし3dおよび負極リード4bに超音波振動が与えられる。これにより、負極端子3aないし3dおよび負極リード4bが互いに固着される。
[リード折り曲げ工程]
次に、負極端子3aないし3dと固着した負極リード4bを所定の形状に折り曲げる。図8は、負極リード4bのリード折り曲げ工程を説明する側面図である。
図8Aに示すように、接続工程において負極端子3aないし3dと負極リード4bとが固着された積層電極体10aの上面と底面を再度反転させて、集電体たるみ用逃げ部23を有するワークセット台20d上に積層電極体10aを固定する。負極端子3aないし3dと負極リード4bとの接続部分は、リード折り曲げ台28a上に載置する。
続いて、図8Bに示すように、負極端子3aないし3dと負極リード4bとの接続部分をブロック28bにて押さえ、図8Cに示すようにローラ29を降下させることにより、リード折り曲げ台28aおよびブロック28bから突出した負極リード4bを折り曲げる。
[第2のU字曲げ工程]
続いて、図8Dに示すように、負極端子3aないし3dと負極リード4bとの接続部分を90°折り曲げ、電池素子10を作製する。第2のU字曲げ工程では、正極端子2および負極端子3に正極リード4aおよび負極リード4bがそれぞれ予め第1のU字曲げ工程で形成したU字曲げ形状に沿ってU字曲げ部を形成する。
このとき、U時曲げ部の曲率を有する部分において、負極端子3aの曲げ外側の曲率と、負極端子3aに隣接する負極端子3bの曲げ内側の曲率とが略同等となることが好ましい。また、負極端子3bの曲げ外側の曲率と、負極端子3bに隣接する負極端子3cの曲げ内側の曲率とが略同等となることが好ましい。さらに、負極端子3cの曲げ外側の曲率と、負極端子3cに隣接する負極端子3dの曲げ内側の曲率とが略同等となることが好ましい。曲げ最内周の負極端子3aは、曲げ内側の形状がU字曲げ用薄板の形状に沿って形成されていることが好ましい。
すなわち、U字曲げ部において、隣接する2つの負極端子の対向する面の曲率が略同等であることが好ましい。これにより、負極端子のU字曲げ部から先端までの部分において、負極端子間に無駄な間隙が生じず、スペース効率の向上につながる。
なお、上述の工程では、正極端子2aないし2dについてのみ記載したが、負極端子3についても同様の方法を用いることによりU字曲げを行うことができる。
[外装工程]
上述のようにして作製された電池素子10は、図1Bに示すようにラミネートフィルム6等の外装材で外装される。このとき、ラミネートフィルム6で外装する際に、ラミネートフィルム6が接触する正極リード4aおよび4bの各領域に、密着フィルム5aおよび5bを設ける。
この後、電池素子10を深絞り加工により形成されたラミネートフィルム6の凹部7に収容し、凹部7の開口を覆うようにラミネートフィルム6を折り返し、凹部7の外周部分を熱融着等により接着して封止する。これにより、非水電解質電池1が得られる。なお、電解液を用いる場合は、凹部7の外周部分のうち1辺を残して熱融着等により溶着し、未溶着の一辺から電解液を注液した後、この一辺を熱溶着して封止する。ラミネートフィルム6は、図1に示すような折り返し形のものでもよく、また2枚のラミネートフィルムで電池素子10の上下から挟みこみ、電池素子10の周辺を熱融着して封止するようにしても良い。
このようにして作製された非水電解質電池1は、正極端子2および負極端子3のU字曲げ部が、第1のU字曲げ工程によって得られたU字曲げ部の最適な曲げ形状を維持している。このため、正極端子2および負極端子3のU字曲げ部に過大なストレスやしわ、よれが生じることなくスペース効率の向上を図ることができる。
なお、負極リード4bの固着部分は上述の例に限られない。例えば、図9に示すように、正極リード4aおよび負極リード4bを曲げ内周側の正極端子2および負極端子3ではなく、曲げ外周側の正極端子2および負極端子3側から固着してもよい。この場合、図10Aないし図10Cに示すように、負極端子3dと対向するように負極リード4bを配設して負極端子3aないし3dと負極リード4bとを固着した後、図8に記載の方法等を用いて負極リード4bを折り曲げる。そして、負極端子3aないし3dと負極リード4bとの固着部分を90°変形させることにより、U字曲げ部を形成することができる。
また、図11に示すようにして正極リード4aおよび負極リード4bを固着してもよい。この場合、図12Aおよび図12Bに示すように、例えば予め略L字形状に曲げた負極リード4bを負極端子3dと対向するように配設して負極端子3aないし3dと負極リード4bとを固着した後、負極端子3aないし3dと負極リード4bとの固着部分を90°変形させることにより、U字曲げ部を形成することができる。
図9および図11の構成について、正極リード4aは負極リード4bと同様の方法によりU字曲げ部を形成することができる。
正極端子2と正極リード4aとの接続および負極端子3と負極リード4bとの接続は、上述の超音波溶着もしくは抵抗溶接等による固着に限られない。例えば、図13Aないし図13Bに示すように、金属板等からなるクランプ用部材30aおよび30bを用いて正極端子2と正極リード4aもしくは負極端子3と負極リード4bとを電気的に接続することができる。クランプ用部材30bを用いる場合、例えば図13Bに示すように、負極端子3aないし3dと負極リード4bとをクランプ用部材30bによって挟み込み、クランプ固定することにより、負極端子3aないし3dと負極リード4bとを電気的に接続することができる。正極端子2と正極リード4aとの接続も、同様の方法により、クランプ用部材30aを用いて行うことができる。
また、図14Aないし図14Bに示すように、正極端子2と正極リード4aもしくは負極端子3と負極リード4bとをかしめて固定してもよい。この場合、例えば正極リード4a、負極リード4b側からかしめ用針(図示せず)を突き刺し、正極端子2および負極端子3の表面に形成されたバリを圧接してかしめ接続を行うことができる。
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において説明した電池の製造方法は、この発明の非水電解質電池を作製するための一例であり、予めU字曲げに必要なたるみを電極端子に持たせた後、電極端子を曲げてU字曲げ部を形成することが可能であれば、他の方法を用いてもよい。
この発明にかかる非水電解質電池の一構成例を示す略線図である。 この発明にかかる非水電解質電池に用いられる電池素子から引き出される電極端子の一構成例を示す略線図である。 この発明にかかる非水電解質電池に用いられる正極および負極の一構成例を示す略線図である。 この発明にかかる非水電解質電池に用いられるフィルム状外装材の一構成例を示す断面図である。 電極端子の折り曲げ部形成方法を示す略線図である。 電極端子の折り曲げ部形成方法を示す略線図である。 電極端子の折り曲げ部形成方法を示す略線図である。 電極端子の折り曲げ部形成方法を示す略線図である。 この発明にかかる非水電解質電池に用いられる電池素子から引き出される電極端子の他の構成例を示す略線図である。 他の電極端子の折り曲げ部形成方法を示す略線図である。 この発明にかかる非水電解質電池に用いられる電池素子から引き出される電極端子の他の構成例を示す略線図である。 他の電極端子の折り曲げ部形成方法を示す略線図である。 電極端子と電極リードとの他の接続方法を示す略線図である。 電極端子と電極リードとの他の接続方法を示す略線図である。 電池素子から引き出される電極端子の従来の構成例を示す略線図である。 電池素子から引き出される電極端子の従来の構成例を示す略線図である。 電池素子から引き出される電極端子の従来の構成例を示す略線図である。
符号の説明
1・・・非水電解質電池
2・・・正極端子
3,3a,3b,3c,3d・・・負極端子
4a・・・正極リード
4b・・・負極リード
5a,5b・・・密着フィルム
6・・・ラミネートフィルム
7・・・凹部
10・・・電池素子
10a・・・積層電極体
11・・・正極
11a・・・正極活物質層
11b・・・正極集電体
12・・・負極
12a・・・負極活物質層
12b・・・負極集電体
13・・・セパレータ
20a,20b,20c,20d・・・ワークセット台
21・・・U字曲げ用薄板
22,29・・・ローラ
23・・・集電体たるみ用逃げ部
24・・・集電体押さえ
25・・・切断用刃
26・・・集電体形成維持用板
27a・・・アンビル
27b・・・ホーン
28a・・・リード折り曲げ台
28b・・・ブロック
30a,30b・・・クランプ用部材

Claims (13)

  1. 正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極活物質層とがセパレータを介して交互に積層された電池素子が外装材で外装された非水電解質電池において、
    複数の上記正極集電体とそれぞれ電気的に接続され、先端部分がそれぞれ上記正極の面と略平行な方向に揃えられた際に曲げ部に曲げ外周側程大きいたるみが形成された状態で互いに固着された複数の正極端子と、
    複数の上記負極集電体とそれぞれ電気的に接続され、先端部分がそれぞれ上記負極の面と略平行な方向に揃えられた際に曲げ部に曲げ外周側程大きいたるみが形成された状態で互いに固着された複数の負極端子と
    を備え、
    上記正極端子と上記負極端子とが、断面略U字形状となるようにそれぞれ曲げられてU字曲げ部が形成されている
    ことを特徴とする非水電解質電池。
  2. 上記U字曲げ部において、
    隣接する2つの上記正極端子および隣接する2つの上記負極端子の対向するそれぞれの面の曲率が略同等である
    ことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
  3. 上記正極端子と上記正極集電体とが一体に構成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
  4. 上記負極端子と上記負極集電体とが一体に構成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
  5. 上記正極端子および上記負極端子がそれぞれ第1のリード部材および第2のリード部材と電気的に接続される
    ことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
  6. 上記正極端子および上記負極端子と上記第1のリード部材および上記第2のリード部材とが、それぞれ抵抗溶接または超音波溶着により固着される
    ことを特徴とする請求項5に記載の非水電解質電池。
  7. 上記正極端子および上記負極端子と上記第1のリード部材および上記第2のリード部材とが、それぞれクランプ固定される
    ことを特徴とする請求項5に記載の非水電解質電池。
  8. 上記正極端子および上記負極端子と上記第1のリード部材および上記第2のリード部材とが、それぞれかしめ接続される
    ことを特徴とする請求項5に記載の非水電解質電池。
  9. 上記外装材がフィルム状外装材である
    ことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
  10. 正極端子を一体に成型した正極集電体の両面に正極活物質層を形成した正極と、負極端子を一体に成型した負極集電体の両面に負極活物質層を形成した負極とを、セパレータを介して交互に積層する積層工程と、
    複数の上記正極端子および上記負極端子のそれぞれを、断面略U字形状に折り曲げる第1のU字曲げ工程と、
    略U字形状に折り曲げた上記正極端子の先端部分が上記正極と略平行となるように上記正極端子を略L字形状に変形させ、上記正極端子の曲げ部において曲げ外周側にいくにしたがって大きくなる第1のたるみを持たせ、該第1のたるみを保持したまま複数の上記正極端子の先端部を切り揃える正極端子切断工程と、
    略U字形状に折り曲げた上記負極端子の先端部分が上記負極と略平行となるように上記負極端子を略L字形状に変形させ、上記負極端子の曲げ部において曲げ外周側にいくにしたがって大きくなる第2のたるみを持たせ、該第2のたるみを保持したまま複数の上記負極端子の先端部を切り揃える負極端子切断工程と、
    上記正極端子の先端部分および上記負極端子の先端部分と、第1のリード部材および第2のリード部材とをそれぞれ電気的に接続する接続工程と、
    上記第1のリード部材と上記第2のリード部材とをそれぞれ所望の方向に折り曲げるリード部材折り曲げ工程と、
    上記正極端子と上記負極端子とを変形してU字曲げ部を再度形成する第2のU字曲げ工程と
    を有する
    ことを特徴とする非水電解質電池の製造方法。
  11. 上記第1のU字曲げ工程において、
    上記正極端子または上記負極端子に対して垂直に板状部材を動かし、該板状部材を所定の位置まで移動させて上記正極端子または上記負極端子に曲げ部を形成し、
    ローラを上記正極端子または上記負極端子の曲げ外周側に沿って上記板状部材の移動方向と逆方向に移動させて上記正極端子または上記負極端子を断面略U字形状に折り曲げる
    ことを特徴とする請求項10に記載の非水電解質電池の製造方法。
  12. 上記接続工程において、
    上記正極端子の先端部分および上記負極端子の先端部分と第1のリード部材および第2のリード部材とを、抵抗溶接または超音波溶着により固着する
    ことを特徴とする請求項10に記載の非水電解質電池の製造方法。
  13. 上記接続工程において、
    上記第1のたるみおよび上記第2のたるみをそれぞれ維持したまま接続を行う
    ことを特徴とする請求項10に記載の非水電解質電池の製造方法。
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