JP5481766B2

JP5481766B2 - フィルム外装電池の製造方法

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Publication number: JP5481766B2
Application number: JP2006090889A
Authority: JP
Inventors: 和明内海; 弘志屋ケ田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007265863A

Description

本発明はラミネートフィルムを用いたフィルム外装電池の製造方法に関する。

近年、携帯機器等の電源としての電池は、軽量化、薄型化が強く要求されている。そこで、電池の外装材に関しても、軽量化、薄型化に限界のある従来の金属缶に代わり、さらなる軽量化、薄型化が可能であり、金属缶に比べて自由な形状を採ることが可能な外装材として、金属薄膜フィルム、または金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムとを積層したラミネートフィルムを用いたものが使用されるようになった。

電池の外装材として用いられるラミネートフィルムの代表的な例としては、金属薄膜であるアルミニウム薄膜の片面にヒートシール層である熱融着性樹脂フィルムを積層するとともに、他方の面に保護フィルムを積層した３層ラミネートフィルムが挙げられる。

外装材にラミネートフィルムを用いたフィルム外装電池においては、正極と負極とをセパレータを介して積層した電池要素を、熱融着性樹脂フィルムを互いに対向させてラミネートフィルムで包囲し、電池要素の周囲でラミネートフィルムを熱融着することによって電池要素を気密封止（以下、単に封止という）している。電池要素の正極および負極をラミネートフィルムの外部へ引き出すために、正極および負極にはそれぞれタブが突出して設けられており、これらタブに、リード端子をラミネートフィルムから突出させて接続している。また、セパレータとしては、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂を用いて形成した多孔性フィルムなどが用いられる。

工業製品であるリチウムイオン二次電池は、品質管理の面から良品を選別する必要がある。リチウムイオン電池の製造工程において不良品が生じる原因として、不十分なガス除去や不完全な熱シールが挙げられる（特許文献１、特許文献２参照）。この他、リチウムイオン電池の製造工程において不良品が生じる原因には、以下のようなものがある。リチウムイオン電池では一般に粒子状の電極材料を含む電極合剤を金属箔に薄く塗布した電極が使われるが、電極積層体の内部の層で脱粒が起きる場合がある。また、リチウムイオン電池では１０〜数十ミクロンの厚さの樹脂製セパレータを正極と負極との間に挟み込んで形成されるが、自動機、あるいは作業者により電池要素を製造する際、セパレータを積層する際にセパレータにしわが寄った状態で積層されてしまう場合もある。脱粒やセパレータのしわが発生したものは不良品として除去されなければならない。
特開２００２−２８００７７号公報特開２００４−０９３２０８号公報

しかしながら、脱粒やセパレータのしわの発生は、積層工程での発生をなくしたとしても電池要素が電解液に浸された積層工程後に発生することもあった。

そこで本発明は、積層構造体をフィルムにて減圧封止した後に、積層構造体内における脱粒やセパレータのしわの発生を検出することができるフィルム外装電気デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のフィルム外装電気デバイスの製造方法は、１０〜２０μｍの厚みを有する集電体と集電体の表面に形成された２０〜１００μｍの厚みを有する活物質組成物層とを有する正極板と、１０〜３０μｍの厚みを有するセパレータと、５〜１５μｍの厚みを有する集電体と集電体の表面に形成された２０〜１００μｍの厚みを有する活物質組成物層とを有する負極板とが積層された積層構造体と、２６０μｍ以下の厚みを有し積層構造体を封止する外装体フィルムとを有するフィルム外装電気デバイスの製造方法であって、減圧下にて、積層構造体を外装体フィルムにより封止する封止工程と、封止工程の後で、外装体フィルムの表面に光を照射し、表面で反射した光を検出する光検出工程と、光検出工程で検出した光のうち、表面に光を照射した際に生じる散乱光の量が所定の閾値を超えた場合に、表面に突起または窪みが有ると判断する表面判断工程とを含んでいる。

上記の通りの本発明のフィルム外装電気デバイスの製造方法は、変形しやすい、例えば極めて薄い正極板、負極板、セパレータおよび外装体フィルムを用い、かつ外装体フィルムを積層構造体に密着させてフィルム外装電気デバイスを製造する。つまり、積層構造体内部にて生じた脱粒やセパレータのしわが発生すると、正極板、負極板およびセパレータに局部的に応力が印加されて変形することとなる。そして、この正極板、負極板およびセパレータの変形が、積層された他の正極板、負極板およびセパレータに次々に応力を印加していき、次々に変形させ、変形は積層構造体の表面にまで及ぶこととなる。さらに、積層構造体の表面に生じた変形は、突起が生じるといったかたちで外装体フィルムをも変形させる。本発明の製造方法は、フィルム外装電気デバイスのこのような特性に着目したものであり、外装体フィルムの表面検査を行うことで積層構造体の内部の異常を検出し、外装体フィルムの表面に局部的な変形が認められたものは不良品として除外することを可能としている。本製造方法は、外装体フィルムで積層構造体を減圧下にて封止した後に積層構造体内の異常を検出することができるため、積層構造体を形成している段階では発生しなかったものの、その後の製造工程で生じた脱粒やセパレータのしわを検出することができる。

本発明によれば、積層構造体をフィルムにて減圧封止した後に、積層構造体内における脱粒やセパレータのしわの発生を検出することができる。

図１に、本実施形態のフィルム外装電池の一例の分解斜視図を示す。また、図２に本実施形態のフィルム外装電池の一例の側断面図を示す。

フィルム外装電池１は、複数の正極集電部３ａ、複数のセパレータ７、複数の負極集電部３ｂを交互に積層してなる電池要素２と、電池要素２を電解液とともに収納する、２枚のラミネートフィルム５、６からなる外装体と、正極集電部３ａに接続された正極リード端子４ａと、負極集電部３ｂに接続された負極リード端子４ｂとを有する。

正極板２ａおよび負極板２ｂはそれぞれ、集電体の表面に、活物質、導電剤、結着剤等を含む組成物の層（以下、活物質組成物層）を設けて構成される。

正極活物質としては、Ｌｉ−Ｍｎ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｎｉ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｃｏ系複合酸化物などが挙げられる。正極活物質の結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマー等を用いることができる。導電剤としては、例えば繊維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの天然または人造の黒鉛類、導電性カーボンブラックなどを用いることができる。

負極活物質としては、球状黒鉛、繊維状のメソフェーズ系黒鉛化炭素などの黒鉛類、アモルファスカーボン、難黒鉛化炭素などを用いることができ、負極活物質の結着剤としては、上記正極活物質の結着剤と同じものを用いることができる。

集電体としては、導電性金属で形成された箔または穴あき箔などを用いることができ、その厚みを５μｍ〜２０μｍ程度とすれば良い。正極側の集電体の材料としては、厚みが１０μｍ〜２０μｍ程度のアルミニウム、ステンレスなどが用いられ、負極側の集電体の材料としては、厚みが５μｍ〜１５μｍ程度の銅、ニッケル、銀、ステンレスなどが用いられる。

セパレータ７としては、例えば、ポリエチレンフィルムからなるセパレータ、ポリプロピレンフィルムからなるセパレータ、ポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンフィルムの３層構造からなるセパレータ等が挙げられる。セパレータ７の厚みは１０μｍ〜３０μｍ程度である。

ラミネートフィルム５、６としては、電解液が漏洩しないように電池要素２を封止できるものであれば、この種のフィルム外装電池に用いられるフィルムを用いることができ、一般的には、金属薄膜層と熱融着性樹脂層とを積層したラミネートフィルムが用いられる。この種のラミネートフィルムとしては、例えば、厚さ１０μｍ〜６０μｍの金属箔に厚さ３μｍ〜２００μｍの熱融着性樹脂を貼りつけたものが使用できる。金属箔、すなわち、金属層の材質としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔｉ系合金、Ｆｅ、ステンレス、Ｍｇ系合金などが使用できる。熱融着性樹脂、すなわち、熱融着性樹脂層としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの酸変成物、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル等、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが使用できる。また、保護層としては、ポリエステル、ナイロン等が好適である。

上述した各部材の厚さについては、例示した範囲を下回ると部材のそれぞれの機能が損なわれるおそれが生じ、上回ると本発明でねらいとしている、積層体内部の異物やしわを表面に浮かび上がらせる効果が得られにくくなる。

以上の構成のフィルム外装電池１の製造工程について以下説明する。

まず、電池要素２を作製する。正極板２ａおよび負極板２ｂは、公知の方法に従って製造することができる。例えば、正極板２ａは、正極活物質、結着剤および導電剤を混合加工し、Ｎ−メチルピロリドンなどの有機溶媒に分散させてペーストとし、集電体にこのペーストを塗布、乾燥させた後、加圧して適当な形状に切断して得ることができる。このようにして得られた正極板２ａおよび負極板２ｂと、別途用意したセパレータ７を、正極板２ａ、セパレータ７、負極板２ｂの順で順次積層していく。続いて、正極板２ａ、セパレータ７、負極板２ｂが積層された積層領域から延出している延出部において、正極板の延出同士、および負極板の延出部同士をそれぞれ一括して超音波溶接することで中継部である正極集電部３ａおよび負極集電部３ｂを形成する。これと同時に正極集電部３ａへの正極リード端子４ａの接続、および負極集電部３ｂへの負極リード端子４ｂの接続も超音波溶接によりなされる。以上のようにして電池要素２を得る。

次に、ラミネートフィルム５、６により電池要素２を封止する。まず、２枚のラミネートフィルム５、６を、熱融着性樹脂層が内側となるように互いに対向させて、電池要素２を挟んで包囲する。その後、ラミネートフィルム５、６の周縁部においてラミネートフィルム５、６を熱融着ヘッド（不図示）によって加圧しつつ加熱し、電池要素２を封止することによって、フィルム外装電池１が製造される。封止に際しては、ラミネートフィルム５、６の３辺を先に熱融着して１辺が開放した袋状としておき、その袋状となったラミネートフィルム５、６の開放している残りの１辺から電解液を注入し、その後、残りの１辺を熱融着する。なお、残りの１辺を熱融着する際は減圧チャンバ内にて行う。減圧下にて電池要素２をラミネートフィルム５、６により封止した後、減圧チャンバ内の圧力を大気圧に戻すことでラミネートフィルム５、６が電池要素２の表面に密着する。

次に、電池要素２の内部において不具合が発生していないかどうか検査する。すわなち、電池要素２の積層内部で脱粒（集電体に塗布した活物質が脱落する現象）が生じたり、あるいはセパレータ７にしわが寄ったりするという不具合が生じていないかを、ラミネートフィルム５、６の表面検査により確認する。このような検査を行うのは以下の理由によるものである。

正極板２ａあるいは負極板２ｂから活物質組成物層が脱粒してしまうと、脱粒してしまった部分は充放電に寄与しなくなる。また、セパレータ７にしわが寄ってしまうと、正極板２ａと負極板２ｂとの間隔が拡がってしまい、これにより正極板２ａと負極板２ｂとの間における均一性がなくなる。これらはいずれも電池特性および寿命に悪影響を及ぼすことが予測される。よって電池要素２内で脱粒やセパレータにしわが寄ってしまった電池は不良品として除去する必要がある。

以下に、電池要素２内で発生した脱粒やセパレータのしわといった異常を、ラミネートフィルム５、６の表面を検査することで検出することができる、その原理について説明する。

本実施形態では、セパレータ７にはポリエチレンあるいはポリプロピレンの多孔質膜、またはこれらの複合膜からなる総厚２０μｍ〜３０μｍのものが用いられており、このセパレータ７上に積層された正極板２ａには厚み１０μｍ〜２０μｍのアルミニウム箔に２０μｍ〜１００μｍの厚さの正極活物質組成物層が両面形成されたものが用いられ、また、負極板２ｂには厚み５μｍ〜１５μｍの銅箔に２０μｍ〜１００μｍの厚さの負極活物質組成物層が両面形成されたものが用いられている。つまり、本実施形態の電池要素２は薄く変形しやすい薄板を積層して形成したものである。

このような構造の電池要素２の内部で活物質組成物層が脱粒４０を生じると、図２に示すように、セパレータ７上に脱粒した活物質が溜まり、正極板２ａ、セパレータ７、負極板２ｂに局部的な応力を印加し、局部的に変形を生じさせる。また、セパレータ７にしわ４１が寄ってしまった場合も、図３に示すように、しわ４１の寄った箇所が隆起し、正極板２ａ、セパレータ７、負極板２ｂに局部的な応力を印加し、局部的に変形を生じさせる。このように、正極板２ａあるいは負極板２ｂは極めて薄く変形しやすいため、脱粒４０あるいはしわ４１が発生してセパレータ７上に隆起部分が生じると、隆起部分が積層された正極板２ａ、セパレータ７、負極板２ｂに局部的な応力を印加し、局部的に変形を生じさせる。そして、この正極板２ａ、負極板２ｂおよびセパレータ7の変形が、積層された他の正極板２ａ、負極板２ｂおよびセパレータ７に次々に応力を印加していき、次々に変形させていく。最終的にはこの変形は電池要素２の最上層あるいは最下層の正極板２ａ、負極板２ｂの表面にまで及ぶこととなる。

本実施形態のラミネートフィルム５、６は、正極板２ａおよび負極板２ｂの表面に密着しているが、ラミネートフィルム５、６の厚みは２６０μｍ程度以下であるため、密着させた正極板２ａおよび負極板２ｂの形状がラミネートフィルム５、６の表面に浮き出てくる。すなわち、積層内部で生じた隆起によって電池要素２の最上層あるいは最下層の正極板２ａ、負極板２ｂにまで及んだ変形箇所がラミネートフィルム５、６の表面に突起５０として浮き出てくる。つまり、本実施形態の製造方法における電池要素２の内部検査は、フィルム外装電池１が極めて薄いことで変形しやすい正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ７、ラミネートフィルム５、６を積層してなるものであるという特徴を活かし、ラミネートフィルム５、６の表面に浮き出た突起５０、場合によっては窪みを検出することで、電池要素２の積層内部における脱粒４０やセパレータ７のしわ４１の発生といった異常を検出するものである。

次に、上述した表面検査を行うための表面検査装置の概略的な構成図を図４に示す。

本実施形態の表面検査装置は照射光学系１５、検出系１６、駆動機構部１７、走査系１８と、演算処理部１９とを有する。

照射光学系１５は検査光であるレーザ光線３２を発する光源部１２、光源部１２からのレーザ光線３２をフィルム外装電池１上に向けるミラー等の偏向光学部材２３、２４、レーザ光線３２をフィルム外装電池１の表面に集光させるレンズ群２５とを有する。

検出系１６はフィルム外装電池１の表面に照射されるレーザ光線３２の光軸に交差する検出光軸を有する受光検出器２６、２７を具備している。受光検出器２６は、電池表面で反射したレーザ光線３２のうち直接反射した直接反射光を受光する。一方、受光検出器２７は、電池表面で反射した際に生じた散乱光を受光する。

駆動機構系１７は、フィルム外装電池１を保持する電池保持部２０と、電池保持部２０を直線的に駆動させる駆動部１０とを有する。

走査系１８は、駆動機構部１７によるフィルム外装電池１の駆動方向に交差する方向に照射光学系１５を往復走査させる。

演算処理部１９は、検出系１６から送信されてきた信号の処理のほか、照射光学系１５、駆動機構部１７および走査系１８の駆動制御を行う。

次に、上記表面検査装置を用いての、本実施形態のフィルム外装電池の製造方法における表面検査工程について説明する。

減圧封止されたフィルム外装電池１を電池保持部２０に保持させる。次いで、駆動部１０を駆動させて、照射光学系１５により発せられたレーザ光線３２を照射可能な照射領域へと、フィルム外装電池１を搬送する。フィルム外装電池１が照射領域へと搬送されると、駆動部１０はフィルム外装電池１を直線的、かつ所定のピッチでステップ送りする。フィルム外装電池１の搬送方向と直交する方向に往復走査される照射光学系１５から、フィルム外装電池１に対してレーザ光線３２が発せられる。フィルム外装電池１の外装体であるラミネートフィルム５、６に照射されたレーザ光線３２はラミネートフィルム５、６の表面で反射し、検出系１６により受光される。ラミネートフィルム５、６の表面に何ら突起５０がない場合は、ラミネートフィルム５、６の表面で反射したレーザ光線３２は受光検出器２６により受光される。一方、ラミネートフィルム５、６の表面に突起５０が浮き出ている場合は、該突起５０によりレーザ光線３２の一部が散乱光を生じる。つまり、突起５０で反射したレーザ光線３２は、直接反射光が受光検出器２６により検出される他、一部の散乱光が受光検出器２７で受光される。

演算処理部１９は、受光検出器２７から送信されてきた信号の処理を行い、散乱光の受光量が所定のしきい値を超えるとラミネートフィルム５、６の表面に突起５０が形成されたと判断する。そして、さらに演算処理部１９は、電池要素２内にて脱粒４０、あるいはセパレータ７のしわ４１といった不具合が発生したと判断し、当該フィルム外装電池１を不良品と判断する。

なお、所定のしきい値を超える散乱光の受光量は、１個の突起５０により生じたものを対象としてもよいし、あるいは複数の突起５０のからの総量を対象とするものであってもよい。すわなち、大きな突起５０が検出された場合に不良品と認定する他、小さな突起５０が複数箇所検出された場合も不良品として認定するものであってもよい。

また、上記実施形態では、レーザ光線を用いてラミネートフィルム５、６の表面の突起５０を検出する例を示したが、突起の検出方法はこれに限定されるものではない。例えば、突起を検出するための光はレーザ光線以外の光を用いてもよい。この場合、ラミネートフィルム５、６の主面に対して、ラミネートフィルム５、６の主面の法線方向以外の方向から光を照射し、観察判断装置が光が照射された状態の主面の少なくとも一部を観察し、その結果に基づき異常を判断するものであってもよい。

ここで、ラミネートフィルム５、６の主面とは、特に電池要素２を収納した部分のラミネートフィルム５、６の表面を指す。また、ラミネートフィルム５、６の主面の法線方向とは、電池要素２を収納した部分のラミネートフィルム５、６の表面における法線を意味する。また、光の照射方向であるラミネートフィルム５、６の主面の法線方向以外の方向とは、主面に対して斜め方向あるいは主面に対して平行な方向を意味するものである。観察判断装置は、光学カメラと、光学カメラによる撮像画像の画像情報を処理する画像情報処理部とを有するものであってもよい。

突起５０が形成されたラミネートフィルム５、６に上記方向から光を照射すると突起５０による影ができる。光学カメラによりこの影を撮像し、画像情報処理部がラミネートフィルム５、６の平坦な部分よりも暗い部分、すわなち、影を検出する。画像情報処理部は、影を検出するとラミネートフィルム５、６の表面に突起５０が生じている、すわなち、電池要素２の積層内部における脱粒４０やセパレータ７のしわ４１の発生といった異常が発生していると判断する。

また、表面観察の方法としては、ラミネートフィルム５、６の主面に縞模様、格子模様などの周期的な模様の光を照射し、その反射光を周期的な模様のスリットを通して観察することによりラミネートフィルム５、６の表面の凹凸を検出する、いわゆるモアレトポグラフィによる方法でもよい。この場合も、光学カメラによる撮像画像の画像情報処理を行って凹凸の有無を判断しても良いし、あるいは目視による判断でもよい。

本発明において、主面に光を照射して表面観察を行う場合、ラミネートフィルムの金属層の外側に向く面はつや消し面であることが好ましい。ラミネートフィルムの金属層によく使われるアルミ箔は、一方の面が光沢面（あるいは鏡面）、他方の面がつや消し面であることが多い。光沢面が外側に向くようにすると、鏡のように周囲の景色が写り込み、表面の突起５０の判別がしにくくなる。一方、つや消し面が外側に向くようにすることで景色の写り込みは防止され、平坦な面ならば均一な散乱光を反射させることができ、突起５０による影を光学カメラや目視によって捉えやすくなる。よって、表面観察の精度を上げるためにも金属層の外側に向く面はつや消し面とするのが好ましい。

なお、上述のようなレーザ光線以外のを照射して、ラミネートフィルムの表面を検査する場合、主面の全面に対して光を照射し、全面に光が照射された状態の主面を一括して観察するのが好ましい。これによりスループットを向上させることができる。

さらに、突起５０の検出方法としては、光学的な方法以外の方法でもよく、例えば、ラミネートフィルム５、６の表面上をプローブやローラを走査させ、突起上を走査した際のプローブ、ローラの変位量を検出することで突起を検出するものであってもよい。

本発明のフィルム外装電池の一例の分解斜視図である。本発明のフィルム外装電池の一例の側断面図である。脱粒が発生した状態を示す模式図である。セパレータにしわが発生した状態を示す模式図である。本発明の表面検査装置の概略的な構成図である。

符号の説明

１フィルム外装電池
２電池要素
２ａ正極板
２ｂ負極板
３ａ正極集電部
３ｂ負極集電部
４ａ正極リード端子
４ｂ負極リード端子
５、６ラミネートフィルム
７セパレータ
１０駆動部
１２光源部
１５照射光学系
１６検出系
１７駆動機構部
１８走査系
１９演算処理部
２０電池保持部
２３、２４偏向光学部材
２５レンズ群
２６、２７受光検出器
３２レーザ光線
４０脱粒
４１しわ
５０突起

Claims

１０〜２０μｍの厚みを有する集電体と該集電体の表面に形成された２０〜１００μｍの厚みを有する活物質組成物層とを有する正極板と、１０〜３０μｍの厚みを有するセパレータと、５〜１５μｍの厚みを有する集電体と該集電体の表面に形成された２０〜１００μｍの厚みを有する活物質組成物層とを有する負極板とが積層された積層構造体と、２６０μｍ以下の厚みを有し前記積層構造体を封止する外装体フィルムとを有するフィルム外装電気デバイスの製造方法であって、
減圧下にて、前記積層構造体を前記外装体フィルムにより封止する封止工程と、
前記封止工程の後で、前記外装体フィルムの表面に光を照射し、該表面で反射した光を検出する光検出工程と、
前記光検出工程で検出した前記光のうち、前記表面に光を照射した際に生じる散乱光の量が所定の閾値を超えた場合に、前記表面に突起または窪みが有ると判断する表面判断工程とを含む、フィルム外装電気デバイスの製造方法。
前記表面に前記突起または窪みが有ると判断された場合に、前記フィルム外装電気デバイスが不良品であると判断する不良品判断工程をさらに含む、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイスの製造方法。
前記外装体フィルムが、光沢面とつや消し面とを有する金属層を有し、
前記封止工程において、前記金属層の前記つや消し面が外側に向くように、前記積層構造体を前記外装体フィルムにより封止し、
前記光検出工程において、前記外装体フィルムの前記金属層の前記つや消し面に光を照射する、請求項１または２に記載のフィルム外装電気デバイスの製造方法。