JP5347815B2

JP5347815B2 - 薄型電池製造方法及び薄型電池

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Publication number: JP5347815B2
Application number: JP2009182130A
Authority: JP
Inventors: 剛史山口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: JP2011034903A

Description

本発明は、薄型電池製造方法及び薄型電池に関する。

多数枚のグリーンシートからなるグリーンシート積層体を所定の大きさ毎に切断する際、グリーンシートの材料に応じた切断条件を設定し、当該積層体を切断する積層チップ型電子部品の製造方法が知られている（特許文献１）。

特開平５−６８４４号公報

しかしながら、上記従来の積層チップ型電子部品の製造方法は、同じ種類の材料を切断する際には、所望の切断条件を得ることができるが、異なる材料からなる積層電池を切断する場合、切断条件を特定の材料に合わせて切断すると、切断面にバリ又は粉が発生しやすいという問題があった。

そこで、本発明は、正極層及び負極層とセパレータとの間に接着層を形成し、当該接着層を含む切断面で切断する薄型電池製造方法を提供する。

本発明は、正極層及び負極層の積層面又はセパレータの積層面に接着層を形成し、正極層、負極層及びセパレータを積層後、接着層を硬化させてなる電池積層体を、接着層を含む切断面で切断することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、正極層及び負極層の積層面又はセパレータの積層面に接着層を形成し、接着層を硬化し、電池積層体を、接着層を含む切断面で切断するため、切断される部分を接着層によって硬化させた状態で切断することができ、その結果として、切断面におけるバリ又は粉の発生を防止することができる。

発明の実施形態における薄型電池の外装される前の状態を示す斜視図である。図１に示す薄型電池のＡ−Ａに沿う断面図である。図１に示す薄型電池を製造するための、正極層、負極層及びセパレータの作成工程から積層工程までの工程を示す工程図である。図１に示す薄型電池を製造するための、接着層の硬化工程及び電池積層体の切断工程を示す工程図である。図１に示す薄型電池を製造するための、電解液を注入する工程図である。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
図１は、第１実施形態における薄型電池の外装される前の状態を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａに沿う断面図である。

まず図１及び図２を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄型電池の全体構成について説明する。本実施形態の電池は、リチウム系の薄型二次電池であり、図２に示すように、３層の正極層１０と、７層のセパレータ３０と、３層の負極層２０が積層されて形成されている。なお、正極層１０、セパレータ３０、負極層２０の枚数には何ら限定されず、１層の正極層１０、３層のセパレータ３０、１層の負極層２０でも発電要素を構成することができる。必要に応じて正極層１０、負極層２０およびセパレータ３０の層の数を選択して構成することができる。

正極層１０は、金属酸化物などの正極活物質に、カーボンブラックなどの導電材と、ポリ四フッ化エンチレンの水性ディスパージョンなどの接着剤とを、重量比でたとえば１００：３：１０の割合で混合した正極活性材１０２を、正極側集電体１０１としてのアルミニウム箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。なお、上記のポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンの混合比率は、その固形分である。

正極活物質としては、例えばニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）などのリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物を挙げることができる。

負極層２０は、例えば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛などのように、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンをたとえば固形分比１００：５で混合し、乾燥させたのち粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これに、アクリル樹脂エマルジョンなどの結着剤をたとえば重量比１００：５で混合し、負極活性材２０２を形成する。そして、当該負極活性材２０２を、負極側集電体２０１としてのニッケル箔或いは銅箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。

特に負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量にともなって出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車等の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。

セパレータ３０は、上述した正極層１０と負極層２０との短絡を防止するもので、電解液を保持する機能を備えてもよい。セパレータ３０は、例えばポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって膜の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

なお、セパレータ３０は、ポリオレフィンなどの単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン層をポリエチレン層でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布などを積層したものも用いることができる。セパレータ３０を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能およびセパレータの形状維持（剛性向上）機能などの諸機能を付与することができる。

また正極層１０及び負極層２０には、図１を参照して、正極タブ１０３と負極タブ２０３が形成され、当該正極タブ１０３及び負極タブ２０３は、正極側集電体１０１及び負極側集電体２０１からそれぞれ延長して構成される。なお、正極タブ１０３も負極タブ２０３も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極タブ１０３としてはアルミニウムやアルミニウム合金などを挙げることができ、負極タブ２０３としてはニッケル、銅またはステンレスなどを挙げることができる。また、本例の正極タブ１０３も負極タブ２０３は、集電体を延長して構成されているが、別途の材料や部品により構成することもできる。

また、セパレータ３０と正極側集電体１０１の積層面との間及びセパレータ３０と負極側集電体２０２の積層面との間には、接着層４０が形成される。接着層４０は、正極側集電体１０１の面上で、正極用活性材１０２が形成されていない部分に形成され、正極側集電体１０１の側面に沿って形成される。負極側についても同様に、接着層４０は、負極側集電体２０１の面上で、負極用活性材２０２が形成されていない部分に形成され、負極側集電体２０１の側面に沿って形成される。接着層２０１の材料には、例えばエポキシ系又はポリウレタン系の接着剤が用いられ、好ましくは硬度５０以上（Ｔｙｐｅ―Ｄ）のエポキシ系樹脂がよい。

後述するように、正極層１０、負極層２０、セパレータ３０及び接着層４０は、積層方向に切断されるため、接着層４０を有する側の、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０の側面について、正極層１０、負極層２０、セパレータ３０及び接着層４０の外方側面が面一に形成される。また接着層４０は、正極側集電体１０１及び負極側集電体２０１の両面に積層されるため、正極側集電体１０１、負極側集電体２０１、セパレータ３０及び接着層４０の側面が面一に形成される。

そして、上記の本発明に係る発電要素に対して、電解液を注入し、電池外装で封止することにより、本例の薄型電池が形成される。電解液は、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）などのリチウム塩を溶質として溶解させた液体である。

有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ギ酸メチル（ＭＦ）、酢酸メチル（ＭＡ）、プロピオン酸メチル（ＭＰ）等のエステル系溶媒を挙げることが出来る。なお、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）やジエトシキエタン（ＤＥＥ）、１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ），テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、１，３ジオキソラン（ＤＯＬ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。

図示しない電池外装は、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０を含む発電要素、接着層４０、正極タブ１０３の一部及び負極タブ２０３の一部を包み込む。電池外装は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂フィルムや、アルミニウムなどの金属箔の両面をポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネート材など、柔軟性を有する材料で形成されている。

次に、図３ａ〜図３ｃを参照し、本例の薄型電池の製造方法を説明する。図３ａは、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０が作成され、積層されるまでの工程を示し、図３ｂは、接着層４０の硬化工程と積層された発電要素の切断工程を示し、図３ｃは、切断された発電要素に電解液を注入する工程を示す図である。

図３ａを参照し、正極作製工程にて、正極用集電体１０１に、正極活性材１０２を塗布し、乾燥装置３０１により乾燥される（接着剤塗布工程）。次に、ロータリースクリーン印刷機３０２で、接着剤が、正極層１０の積層面に塗布される。後述するように、接着剤を含む面が、切断面となるため、接着剤は、製造される積層電池の大きさに応じて、例えばマスク等を用いて、位置決めされて印刷される。本例は、１面から４セル面をとる工程であるため、タブを備える面を除く側面部分と、正極層２０の積層面の中心に対して十字ラインに、接着剤を印刷する。なお、負極側についても同様である。そして、例えば４面付け単位で、ロールからシートへ、ロータリーカッター３０３により切断される（第１切断工程）。

負極層２０についても同様に、負極作製工程にて、負極用集電体２０１に、負極活性材２０２を塗布し、乾燥装置３０１により乾燥される（接着剤塗布工程）。次に、ロータリースクリーン印刷機３０２で、接着剤が負極層２０の積層面に塗布される。そして、例えば４面付け単位で、ロールからシートへ、ロータリーカッター３０３により切断される（第１切断工程）。

セパレータ３０は、例えば４面付け単位で、ロールからシートへ、ロータリーカッター３０３により切断される（第１切断工程）。

なお本例は、正極層１０及び負極層２０の積層面に接着剤を塗布するが、セパレータ３０の積層面に塗布してもよい。接着剤には、例えば熱可塑性のホットメルト材料が用いられる。また本例は、接着剤の代わりに、圧縮シール、ガスケットでも可能である。

次に、積層工程にて、正極製造ライン、負極製造ライン及びセパレータラインが合流し、第１切断工程で切断された、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０が、積層スタッカー３０４に投入され、積層される。この際、それぞれの構成部材は、大まかに積層されもよく、例えば積層精度±０．１〜１．０ｍｍ程度で積層される。ここで、積層工程によって、積層された正極層１０、負極層２０及びセパレータ層３０を含む積層体を電池積層体１００と称す。

次に、図３ｂを参照して、硬化工程において、電池積層体１００は、図示しない連続炉に投入され、プレスされ熱硬化する。これにより、接着剤は接着層２０となり、正極層１０とセパレータ３０との間及び負極層２０とセパレータ３０との間を接合する。

そして、第２切断工程にて、電池積層体１００はクランプ３０５により保持され、ダイアモンドカッター３０６により、電極層及びセパレータ３０の積層方向に切断される。この際、電池積層体１００は、接着層２０を含む面を切断面として切断され、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０が、当該切断面で、切断される。これにより、電池積層体１００は、４つの積層体に分割される。

なお、上記の硬化工程において、接着層２０が正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０に接合される界面は、好ましくは０．１ＭＰａ以上のシール性を有することによって、第２切断工程において、ダイシングカットの切削水が活性剤に浸入することを防ぐことができる。

そして、図示しない集電タブを接合した後に、図３ｃを参照して、切断後の積層体を吊して搬送し、電解液層３０７に通して、電解液を注液する。

最後に、図示しない外装部材をラミネートして、本例の薄型電池が完成する。

上記のように、本例は、正極層１０及び負極層２０の積層面又はセパレータ３０の積層面に接着層４０を形成し、当該正極層１０、当該負極層２０及び当該セパレータ３０を積層して電池積層体１００を形成し、当該電池積層体１００を、硬化した接着層４０を含む切断面で切断し、薄型電池を製造する。これにより、本例は、電池積層体１００が切断される前に、電極層及びセパレータ３０が接着層４０により接合されるため、電池積層体１００の硬度を向上させることができる。そして、本例は硬度が高まった電池積層体１００を切断するため、接着層４０により接合界面の引っ張りが抑制され、切断時に生じる引張破断を防ぐことができる。その結果として、材料種の異なる部材からなる電池積層体１００であっても、バリ又は粉の発生を抑えて、積層体全体をまとめて切断することができる。また本例は、各部材をまとめて積層して、切断することができるため、製造工数を減らすこともできる。

ところで、薄型電池は、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０において、それぞれ硬度、厚みが異なるため、どれか１つの部材に対して切断条件を調整し、電池積層体１００が切断される場合、他の部材が切断されない又はバリ又は粉が発生し、所望の切断面を得ることができない。特に、セパレータ３０は、通常、電極層に比べて硬度が小さいため、切断面でバリ又は粉が発生し、電極層の間で短絡する可能性がある。

本例は、セパレータ３０の積層面に対して、接着層４０により正極層１０又は負極層２０に接合されるため、接着層４０により狭持される、セパレータ３０の部分の硬度が高まる。また、正極層１０及び負極層２０についても、同様に、硬度が高まる。そして、積層方向に、接着層４０を含む面で切断するため、硬度が高い部分が切断され、切断面における端部の精度を高まることができる。

また、本例は、上記の通り、第２切断工程で、切断端面の精度を高めることができるため、積層工程において、正極層１０、負極層２０及びセパレータ３０を大まかに位置決めして積層させることができ、必ずしも積層のための位置決め精度を高める必要がない。これにより、積層工程における、積層タクトを高速化できるため、設備投資を削減することができる。また製造速度を上げ、高速タクトを実現することができる。

また本例は、積層工程前に、接着剤を塗布するため、液状の状態の接着剤が塗布された、正極層１０、負極層２０又はセパレータ３０を積層する時、当該液状の接着剤が液だれし、液状の接着剤が他の層に付着するおそれがある。本例は常温硬化性ホットメルトを接着剤とするため、乾燥後に積層ができ、積層工程における、積層タクトを高速化することができる。

また本発明は、第２切断工程において、ダイシングカットにより切断する。打ち抜き切断では、電池の構成部材の厚みや硬さによって、切断条件を調整する必要がある。本例の電池のように、異なる種類の部材が複合する積層体では、切断条件の全体最適化が難しく、切断精度が落ちていまい、ひきちぎったような切断状態になり、バリ又は粉が発生する可能性がある。本例は、複合積層体である電池積層体１００であっても、切断面で同時に切断することができる。

また本発明は、正極集電体１０１の面上で、正極活性材１０２を有さない部分に接着層４０を形成し、負極集電体２０１の面上で、負極活性材２０２を有さない部分に接着層４０を形成する。薄型電池のそれぞれの構成部材単体では、面剛性が小さいが、本例は、剛性の比較的高い集電体の面上を界面として、接着層４０を介してセパレータ３０を接合する。これにより、当該構成部材間の接合強度を高めることができるため、電池積層体１００の硬度、剛性を高めることができる。そして、第２切断工程において、当該電池積層体１００を切断する際、切断抵抗を低減させることができるため、バリ又は粉の発生を抑制できる。

なお、本例の第２切断工程が、本発明の「切断工程」に相当し、正極タブ１０３及び負極タブ２０３が「タブ」に相当し、正極用活性材１０２が「正極用活性部材」に、負極用活性材２０２が「負極用活性部材」に相当する。

１０…正極層
１０１…正極側集電体
１０２…正極用活性材
１０３…正極タブ
２０…負極層
２０１…負極側集電体
２０２…負極用活性材
２０３…負極タブ
３０…セパレータ
４０…接着層
３０１…乾燥装置
３０２…ロータリ−スクリーン印刷機
３０３…ロータリーカッター
３０４…積層スタッカー
３０５…クランプ
３０６…ダイアモンドカッター
３０７…電解液層

Claims

正極層及び負極層の積層面又はセパレータの積層面に接着層を形成する工程と、
前記正極層、前記負極層及び前記セパレータを積層し、前記接着層を硬化させて電池積層体を形成する工程と、
前記電池積層体を、前記接着層を含む切断面で切断する切断工程と
を有することを特徴とする
薄型電池製造方法。
前記切断工程は、前記切断面でダイシングカットすることを特徴とする
請求項１記載の薄型電池製造方法。
請求項１又は２記載の薄型電池製造方法において、
前記正極層及び前記負極層に、それぞれ接続されるタブが形成され、
前記切断された積層体には、少なくとも前記タブが形成される面以外の側面に、前記接着層が形成されることを特徴とする
薄型電池製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄型電池製造方法において、
前記切断工程は、前記正極層、前記負極層、前記セパレータ及び前記接着層を前記切断面で切断することを特徴とする
薄型電池製造方法。
前記正極層は、正極集電体の両面に正極用活性部材を形成することにより形成され、
前記負極層は、負極集電体の両面に負極用活性部材を形成することにより形成され、
前記接着層は、前記正極集電体及び前記負極集電体の面上で、正極用活性部材及び前記負極層部材を有さない部分に形成されることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄型電池製造方法。
正極層と負極層の間に電解液を含むセパレータを介してこれらを積層させた薄型電池において、
前記正極層と前記セパレータとの間及び前記負極層と前記セパレータとの間に、それぞれ接着層を有し、
前記正極層の側面のうち少なくとも１面、前記負極層の側面のうち少なくとも１面、前記セパレータの側面のうち少なくとも１面及び前記接着層の外方の側面が面一に形成されていることを特徴とする
薄型電池。
前記正極層は、正極集電体の両面に正極用活性部材を有し、
前記負極層は、負極集電体の両面に負極用活性部材を有し、
前記接着層は、前記正極集電体及び前記負極集電体の面上で、正極用活性部材及び前記負極層部材を有さない部分に形成され、
前記正極集電体の側面のうち少なくとも１面、前記負極集電体の側面のうち少なくとも１面、前記セパレータの側面のうち少なくとも１面及び前記接着層の外方の側面が面一に形成されていることを特徴とする
請求項６記載の薄型電池。