JP6089399B2 - 電池および電池製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池および電池製造方法に関する。

近年、様々な製品で二次電池が使用されている。二次電池は、正極、セパレータ、負極が積層された電池要素を含む。電池要素において、正極および負極がセパレータを介して、位置ズレせずに積層されることが重要である。積層ズレがあると、電池性能や電池の寿命の悪化の要因となるからである。

そこで、正極と負極の位置ズレを防止するために、予め２枚のセパレータの端辺を熱溶着により接合して袋状に形成し、当該袋内に正極を配置した袋詰正極を用いることが提案されている（特許文献１参照）。正極は、セパレータの熱溶着部によって位置決めされているので、袋詰正極と、負極とを積層することで、積層ズレなく正極と負極とを積層できるものである。

特許第３３８０９３５号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明では、正極がセパレータ内で動いて位置がずれないように、正極の端辺からかなり近い位置で熱溶着されている（特許文献１の図３参照）。これでは、熱溶着の際の高熱が正極に伝搬され、正極が熱の影響により劣化する虞がある。

加えて、特許文献１記載の発明では、袋詰正極とセパレータが同じ大きさに形成されている（特許文献１の図５参照）。これでは、セパレータの溶着部上に負極が位置し、セパレータの溶着部に微細な穴が形成される場合、負極が短絡してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、セパレータを熱溶着する際の熱による正極の劣化を低減または解消し、溶着部による短絡も防止できる電池および電池製造方法を提供することを目的とする。

本発明の電池は、複数の袋詰正極と、複数の負極とを有する。複数の袋詰正極は、セパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成し、当該袋内に矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する正極を配置してなり、袋同士が互いに分離されている。複数の負極は、複数の袋詰正極と交互に積層され、正極の本体部分よりも大きい矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する。ここで、熱溶着によりセパレータに形成される溶着部の全部は、積層方向から見て、負極の本体部分の外周よりも外側に設けられている。

本発明の電池製造方法は、矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する正極を２枚のセパレータ間に挟み、セパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して、袋詰正極を複数形成する工程（ａ）と、正極の本体部分よりも大きい矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する負極を複数用意する工程（ｂ）と、工程（ａ）において形成された複数の袋詰正極と、工程（ｂ）において用意された複数の負極とを交互に積層する工程（ｃ）と、を含む。工程（ａ）では、熱溶着によりセパレータに形成される溶着部の全部が、後の工程（ｃ）で負極が積層されたときに当該負極の本体部分の外周よりも外側に設けられるように、予め正極から離れた位置においてセパレータの端部を熱溶着する。

本発明の電池は、複数の袋詰電極と、複数の第２電極とを有する。複数の袋詰電極は、セパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成し、当該袋内に矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する第１電極を配置してなり、袋同士が互いに分離されている。複数の第２電極は、複数の袋詰電極と交互に積層され、第１電極の本体部分よりも大きい矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する。熱溶着によりセパレータに形成される溶着部の全部は、積層方向から見て、第２電極の本体部分の外周よりも外側に設けられている。

本発明の電池の溶着部は、セパレータ同士が直接接合される領域にのみ形成されており、袋詰正極内において、正極のタブ部分とセパレータの内面とが両面テープにより相互に接着されている。また、本発明の電池の溶着部は、セパレータ同士が直接接合される領域にのみ形成されており、袋詰電極内において、第１電極のタブ部分とセパレータの内面とが両面テープにより相互に接着されている。

上記電池、電池製造方法によれば、袋詰正極と負極を積層した時に、負極の外縁よりも溶着部が外側に位置するので、少なくとも溶着部から負極の端部までの距離以上は、溶着部から正極までの距離が離れる。熱溶着により発生する熱による正極の劣化等を回避できる。加えて、負極がセパレータの溶着部と重ならないので、溶着部を通じた短絡が起こることがない。

また上記電池によれば、袋詰電極に第２電極を積層した時に、第２電極の外縁よりも溶着部が外側に位置するので、少なくとも溶着部から第２電極の端部までの距離以上は、溶着部から第１電極までの距離が離れる。熱溶着により発生する熱による第１電極の劣化等を回避できる。加えて、第２電極がセパレータの溶着部と重ならないので、溶着部を通じた短絡が起こることがない。

リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。 リチウムイオン二次電池の分解斜視図である。 負極の平面図である。 袋詰正極の平面図である。 袋詰正極における正極の位置関係を示す図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 正極およびセパレータを位置合わせする様子を示す図である。 袋状のセパレータの他の実施形態を示す図である。 正極の一部にテープを取り付けた様子を示す図である。 図９に示す正極をセパレータで袋詰めした形態を示す図である。 図１０に示す袋詰正極に負極を積層した様子を示す図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１はリチウムイオン二次電池（積層型電池）の外観を表した斜視図、図２はリチウムイオン二次電池の分解斜視図、図３は負極の平面図、図４は袋詰正極の平面図である。

図１に示すとおり、リチウムイオン二次電池１０は、扁平な矩形形状を有しており、正極リード１１および負極リート１２が外装材１３の同一端部から導出されている。外装材１３の内部には、充放電反応が進行する発電要素（電池要素）２０が収容されている。

図２に示すとおり、発電要素２０は、負極３０と袋詰正極４０とが交互に積層されて形成される。負極３０は、図３に示すように、ごく薄いシート状の負極集電体の両面に負極活物質層３２が形成されてなる。負極３０は、タブ部分３４以外の部分に負極活物質層３２が形成されている。

正極５０が、セパレータ６０により挟み込まれてなる。正極５０は、シート状の正極集電体の両面に正極活物質層５２が形成されてなる。正極活物質層５２は、正極５０のタブ部分５４以外に形成されている。正極５０は、タブ部分５４がセパレータ６０の袋から引き出されている。正極活物質層５２は、負極３０の負極活物質層３２よりも一回り小さく形成されている。２枚のセパレータ６０は、図４に示すように、端部において溶着部６２より相互に溶着されて、袋状に形成されている。溶着部６２は、たとえば、熱溶着により形成される。

なお、負極３０と袋詰正極４０とを交互に積層してリチウムイオン二次電池を製造する方法自体は、一般的なリチウム二次電池の製造方法であるため、詳細な説明は省略する。

次に、袋詰正極４０における正極５０の位置について説明する。

図５は袋詰正極における正極の位置関係を示す図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図５では、負極３０が袋詰正極４０に積層されたときの位置を一点鎖線により示している。

図５に示すように、本実施形態の袋詰正極４０において、セパレータ６０同士を溶着する溶着部６２は、負極３０を積層した状態で積層方向から見て、負極３０の外周よりも外側に設けられている。正極５０は、セパレータ６０と重なる範囲において、負極３０よりも小さいので、負極３０よりも内側に形成される。

つまり、図６に示すように、セパレータ６０と重なる範囲において、負極３０は、セパレータ６０の溶着部６２よりも内側に形成され、さらに、正極５０は、負極３０の外縁よりも内側に形成される。したがって、少なくとも、溶着部６２と負極３０の外縁、さらに、負極３０の外縁から正極５０の外縁までの距離だけ、正極５０の外縁が溶着部６２から離間されている。このように、負極３０、正極５０および溶着部６２の大きさを定義しているので、熱溶着により溶着部６２を形成する際には、正極５０が溶着部６２から十分に離間される。したがって、熱溶着により発生した熱による正極５０の劣化を低減または防止できる。加えて、負極３０と袋詰正極４０とを積層しても、負極３０がセパレータ６０の溶着部６２と重ならないので、溶着部を通じて負極３０が短絡しない。

なお、二次電池１０の製造方法は、次の通りである。

図７は、正極およびセパレータを位置合わせする様子を示す図である。

負極３０、正極５０および溶着部６２の上記の位置関係を満たすように、負極３０、正極５０およびセパレータ６０を形成する。詳細には、セパレータ６０よりも、負極３０がタブ部分３４を除いて小さく、タブ部分３４を除く負極３０よりも正極５０がタブ部分５４を除いて小さくなる大きさに、それぞれ形成する。正極５０およびセパレータ６０を形成したら、正極５０とセパレータ６０を位置合わせする。

正極５０とセパレータ６０の位置合わせでは、たとえば、図６に示すように、それぞれの中心線を特定して、中心線を合わせる。これにより幅方向の位置合わせができる。長さ方向の位置合わせは、たとえば、正極５０の活物質層５２が設けられている部分（塗工部分）を検出し、セパレータ６０の長さ方向の端部から所定の位置に塗工部分を合わせる。

位置合わせした状態で、２枚セパレータ６０間に正極５０を挟んで、図５に示す溶着位置により溶着部６２を形成する。これにより、正極５０がセパレータ６０の袋内に配置される。形成された袋詰正極４０は、負極３０と、図５に示す位置関係に位置合わせされ、複数が積層される。積層されてできた発電要素２０は、外装材に収納され、電池１０が形成される。

以上のように、図５に示す負極３０、正極５０、セパレータ６０および溶着部６２の位置関係および大小関係に基づいて、正極５０の端部がセパレータ６０の溶着部６２から離れるように、溶着部６２を形成する。換言すると、負極３０と袋詰正極４０を積層した時に、負極３０の外縁よりも溶着部６２が外側に位置するので、少なくとも溶着部６２から負極３０の端部までの距離以上は、溶着部６２から正極５０の距離が離れる。したがって、熱溶着により発生する熱による正極５０の劣化等を回避できる。また、熱溶着前には、正極５０とセパレータ６０とを位置合わせするので、正確に正極５０をセパレータ６０内に配置できる。

なお、上記実施形態では、図１に示すように、正極リード１１および負極リード１２が外装材１３の同一端部から導出されている場合について説明した。しかし、これに限定されない。正極リード１１および負極リード１２がたとえば反対の端部から導出されてもよい。この場合、二次電池１０の発電要素２０を形成する際には、タブ部分３４、５４が相互に反対向きになるように負極３０と袋詰正極４０が積層される。

また、上記実施形態では、正極５０がセパレータ６０に袋詰めされる例について説明した。しかし、これに限定されない。セパレータ６０に負極３０を袋詰めしてもよい。この場合、負極３０の方が正極５０よりも小さく形成される。

（袋状のセパレータの作成）
図８は、袋状のセパレータの他の実施形態を示す図である。

上記実施形態では、２枚のシート状のセパレータ６０の端部の一部を熱溶着して、袋状のセパレータを形成していた。しかし、これに限定されない。図８に示すように、１枚のシート状のセパレータを折り返して、重なった端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成してもよい。図８に示す形態によると、１枚の縦長のセパレータ６０の間に正極５０を挟み、縦方向に折り返している。したがって、図４に示す形態と比べると、セパレータ６０の両側を熱溶着により接合するだけでよい。すなわち、図８中だと、左右の側辺に溶接部６２が形成される。

あるいは、図示していないが、図４の１枚のセパレータ６０に比べて、約２倍の横幅を有する１枚のセパレータ６０を用意し、間に正極５０を挟んで横方向に折り返してもよい。この場合、図８中の側辺の一方と、下辺に溶接部６２が形成される。

（正極の固定）
図９〜図１２を参照して、袋詰正極４０内において正極５０の位置を固定した形態について説明する。

図９は正極の一部にテープを取り付けた様子を示す図、図１０は図９に示す正極をセパレータで袋詰めした形態を示す図、図１１は図１０に示す袋詰正極に負極を積層した様子を示す図、図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

図９に示すように、正極５０の正極タブ部分５４の一部には表面に接着性を有するテープ（接着部材）６３が取り付けられている。テープ６３は、たとえば両面に粘着性を有する両面テープである。テープ６３は、正極タブ部分５４の積層方向の両平面に取り付けられている。

図１０に示すにように、正極５０にテープ６３が取り付けられた状態で、セパレータ６０が正極５０の両面に積層される。セパレータ６０は、外縁が溶着部６２により溶着されて袋状に形成される。できた袋詰正極４０では、正極５０の正極タブ部分５４に取り付けられたテープ６３は、セパレータ６０の袋内において、セパレータ６０の内面と接着する。これにより、正極５０は、セパレータ６０に固定され、すなわち、セパレータ６０と一体化される。特に、図９、図１０に示す形態では、テープ６３は正極タブ部分５４に取り付けられているので、正極タブ部分５４のセパレータ６０に対する位置がズレない。

袋詰正極４０を搬送等しても、正極５０は袋状のセパレータ６０内で位置がズレない。したがって、図１１に示すように、負極３０および袋詰正極４０を積層する際に、負極３０と袋詰正極４０とを位置合わせすれば、負極３０と袋詰正極４０内の正極５０との位置も画一的に決まる。負極３０と袋詰正極４０とを積層したときのテープ６３の断面図は図１２に示す通りである。テープ６３は、正極タブ部分５４の両面を、セパレータ６０の一部６４の内面と接着し、正極５０の位置を固定している。

以上のように、正極５０を固定することによって、袋詰正極４０内で正極５０が動いて、負極３０と袋詰正極４０との積層時に、負極３０と正極５０とが接触することがない。負極３０と袋詰正極４０を多数積層して組電池を形成し、組電池を製造工程において運搬したり、あるいは、組電池を車両に搭載したりして、外部の振動や衝撃が伝わる環境下でも、正極５０は袋詰正極４０内で安定的に相対位置が保たれる。正極５０の位置が次第にズレて、負極３０と接触し、短絡するようなことはない。

なお、上記形態では、正極５０の正極タブ部分５４の両面に接着性を有するテープ６３を取り付ける形態について説明したが、これに限定されない。正極５０の相対位置がセパレータ６０に対して固定されれば、正極タブ部分５４の片面にだけテープ６３を取り付けてもよい。また、テープ６３を取り付ける位置も、セパレータ６０の縁に沿わず、多少セパレータ６０の袋内あるいは袋外であってもよい。

また、上記形態では、袋詰電極として、セパレータ６０内に正極５０を固定する形態を示したが、これに限定されない。セパレータ６０内に負極３０を固定してもよい。

１０ 二次電池、
２０ 発電要素、
３０ 負極、
３２ 負極活物質層、
３４ 負極タブ部分、
４０ 袋詰正極、
５０ 正極、
５２ 正極活物質層、
５４ 正極タブ部分、
６０ セパレータ、
６２ 溶着部、
６３ テープ。

Claims (12)

1. セパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成し、当該袋内に矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する正極を配置した、前記袋同士が互いに分離された複数の袋詰正極と、
   前記複数の袋詰正極と交互に積層され、前記正極の本体部分よりも大きい矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する複数の負極と、
   を有し、
   前記熱溶着により前記セパレータに形成される溶着部の全部は、積層方向から見て、前記負極の本体部分の外周よりも外側に設けられている電池。
2. 前記溶着部は、前記セパレータ同士が直接接合される領域にのみ形成されており、
   前記袋詰正極内において、前記正極のタブ部分と前記セパレータの内面とは両面テープにより相互に接着されている請求項１に記載の電池。
3. 前記溶着部の内側端部を、積層方向から見て、前記負極の本体部分の外周よりも外側に設けることにより、前記負極の本体部分の外周が前記溶着部から離れており、
   前記正極の本体部分は、積層方向から見て、前記負極の本体部分の外周よりも面方向内側に位置することにより、前記正極の本体部分の外周と前記溶着部との距離が、前記負極の本体部分の外周と前記溶着部との距離よりも大きい請求項１または２に記載の電池。
4. 矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する正極を２枚のセパレータ間に挟み、前記セパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して、袋詰正極を複数形成する工程（ａ）と、
   前記正極の本体部分よりも大きい矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する負極を複数用意する工程（ｂ）と、
   前記工程（ａ）において形成された複数の前記袋詰正極と、前記工程（ｂ）において用意された複数の前記負極とを交互に積層する工程（ｃ）と、
   を含み、
   前記工程（ａ）では、前記熱溶着により前記セパレータに形成される溶着部の全部が、後の工程（ｃ）で前記負極が積層されたときに当該負極の本体部分の外周よりも外側に設けられるように、予め前記正極から離れた位置において前記セパレータの端部を熱溶着する電池製造方法。
5. 前記工程（ａ）では、前記溶着部が、前記セパレータ同士が直接接合される領域にのみ形成されるように、前記セパレータの端部を熱溶着し、
   前記電池製造方法は、
   前記正極のタブ部分と前記セパレータの内面とを両面テープにより相互に接着する工程（ｄ）をさらに含む請求項４に記載の電池製造方法。
6. 前記溶着部の内側端部を、積層方向から見て、前記負極の本体部分の外周よりも外側に設けることにより、前記負極の本体部分の外周が前記溶着部から離れており、
   前記正極の本体部分は、積層方向から見て、前記負極の本体部分の外周よりも面方向内側に位置することにより、前記正極の本体部分の外周と前記溶着部との距離が、前記負極の本体部分の外周と前記溶着部との距離よりも大きい請求項４または５に記載の電池製造方法。
7. 前記工程（ａ）において、前記セパレータ間に前記正極を挟む際には、前記正極の中心線を検出し、当該中心線を前記セパレータの中心線に合わせる請求項４〜６のいずれか１項に記載の電池製造方法。
8. 前記袋詰正極は、２枚のセパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成している請求項４〜７のいずれか１項に記載の電池製造方法。
9. 前記袋詰正極は、１枚のセパレータを折り返して、重なった端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成している請求項４〜７のいずれか１項に記載の電池製造方法。
10. セパレータの端部の少なくとも一部を熱溶着により接合して袋を形成し、当該袋内に矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する第１電極を配置した、前記袋同士が互いに分離された複数の袋詰電極と、
    前記複数の袋詰電極と交互に積層され、前記第１電極の本体部分よりも大きい矩形状の本体部分と当該本体部分から突出するタブ部分とを有する複数の第２電極と、
    を有し、
    前記熱溶着により前記セパレータに形成される溶着部の全部は、積層方向から見て、前記第２電極の本体部分の外周よりも外側に設けられている電池。
11. 前記溶着部は、前記セパレータ同士が直接接合される領域にのみ形成されており、
    前記袋詰電極内において、前記第１電極のタブ部分と前記セパレータの内面とは両面テープにより相互に接着されている請求項１０に記載の電池。
12. 前記溶着部の内側端部を、積層方向から見て、前記第２電極の本体部分の外周よりも外側に設けることにより、前記第２電極の本体部分の外周が前記溶着部から離れており、
    前記第１電極の本体部分は、積層方向から見て、前記第２電極の本体部分の外周よりも面方向内側に位置することにより、前記第１電極の本体部分の外周と前記溶着部との距離が、前記第２電極の本体部分の外周と前記溶着部との距離よりも大きい請求項１０または１１に記載の電池。