JP6402525B2

JP6402525B2 - 電極組立体の製造方法

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Publication number: JP6402525B2
Application number: JP2014155093A
Authority: JP
Inventors: 信司鈴木
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: JP2016031909A

Description

本発明は、電極組立体の製造方法に関するものである。

リチウムイオン二次電池等の蓄電装置は電極組立体を有し、電極組立体は、正極および負極がセパレータを介在する状態で複数枚積層して配置されている。積層枚数が増えると、積層時に位置ズレが発生し易くなる為、位置ズレ等を抑えるために予め電極とセパレータを重ねて配置してある程度アッシィ化（アッセンブリー化、又はユニット化）したものを用意し、これを積層して配置する技術がある（例えば特許文献１）。特許文献１には、第１極性電極・分離膜・第２極性電極・分離膜・第１極性電極よりなる第１スタック型セルと、分離膜・第２極性電極・分離膜・第１極性電極・分離膜・第２極性電極・分離膜よりなる第２スタック型セルを、複数交互に積層することが記載されている。

特表２０１３−５２４４６０号公報

ところで、一般的な積層型の電極組立体では、正極と負極及びセパレータを、所定枚数積層した後、粘着テープなどで拘束し、固定する。これに対し、特許文献１では、アッシィ化の為に、第１極性電極と分離膜、分離膜と第２極性電極との間を個々に接着剤を用いて固定している。この為、固定作業の回数が大幅に増加し、積層に要する工数及び時間が増大する。

本発明の目的は、アッシィ化を採用する場合において、工程の短縮を図ることができる電極組立体の製造方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、正極と負極とを、間にセパレータを介在させた状態で積層してなる電極組立体の製造方法において、負極とセパレータと正極とセパレータを重ねて配置した状態から、正極の周囲においてセパレータ同士を熱溶着または超音波溶着により溶着して正極の周囲に負極が固定された積層配置型アッシィを作製する積層配置型アッシィ作製工程と、前記積層配置型アッシィ作製工程により作製された積層配置型アッシィを複数積層して配置する積層工程と、を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、積層配置型アッシィ作製工程において、負極とセパレータと正極とセパレータを重ねて配置した状態から、正極の周囲においてセパレータ同士を熱溶着または超音波溶着により溶着して正極の周囲に負極が固定された積層配置型アッシィが作製される。積層工程において、積層配置型アッシィ作製工程により作製された積層配置型アッシィが複数積層されて配置される。よって、積層配置型アッシィは正極の周囲においてセパレータ同士が溶着されて正極の周囲に負極が固定されるので、セパレータ同士が溶着されて負極が固定されるとともに正極もセパレータ内に位置決めされた状態で固定される。つまり、セパレータ同士、負極、正極を一括で固定することが可能となり、アッシィ化を行う場合の工程の短縮を図ることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電極組立体の製造方法において、１つの負極とセパレータを重ねた状態から接合して端部用アッシィを作製する端部用アッシィ作製工程と、前記端部用アッシィ作製工程により作製された端部用アッシィを、前記積層配置型アッシィを複数積層したものの端に積層して配置する積層工程と、を有するとよい。
請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の電極組立体の製造方法において、前記負極と前記セパレータと前記正極と前記セパレータは、台上に重ねて配置され、前記正極には正極リードが延出形成されているとともに、前記負極には負極リードが延出形成されており、前記台上に設けられたガイドピンに前記正極リードが接触することにより、前記正極は位置決めされるとよい。

本発明によれば、アッシィ化を採用する場合において、工程の短縮を図ることができる。

（ａ）は実施形態の電極組立体の概略平面図、（ｂ）は電極組立体の概略側面図。電極組立体の概略分解図。（ａ）は第１のアッシィの概略平面図、（ｂ）は第１のアッシィの概略側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での概略縦断面図。（ａ）は製造工程を説明するための概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での概略縦断面図。（ａ）は製造工程を説明するための概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での概略縦断面図。（ａ）は製造工程を説明するための概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での概略縦断面図。（ａ）は製造工程を説明するための概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での概略縦断面図。（ａ）は製造工程を説明するための概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での概略縦断面図。（ｃ）は（ｂ）のＢ部拡大図。別例の電極組立体の概略分解図。別例の第１のアッシィの概略平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池は電極組立体１０を有している。電極組立体１０はケース内に配置されている。また、ケース内には、電極組立体１０に含浸されるのに十分な量の電解液が注入されている。

図１，２に示すように、電極組立体１０は、正極２０と負極３０とを、間にセパレータ４１，４２を介在させた状態で積層してなる。図３に示すように、正極２０は、集電体としての矩形の金属箔２１の両面に正極用活物質層２２が形成されている。負極３０は、集電体としての矩形の金属箔３１の両面に負極用活物質層３２が形成されている。正極２０の金属箔２１は、例えばアルミニウムからなり、負極３０の金属箔３１は、例えば銅からなる。

また、正極２０の金属箔２１の一辺には、矩形をなす正極リード２５が延出形成されている。負極３０の金属箔３１の一辺には、正極リード２５と重ならない位置に、矩形をなす負極リード３５が延出形成されている。リード２５，３５の表面には、活物質層が形成されていない。セパレータ４１，４２は、外周縁が接合された袋状セパレータ４０を形成し、正極２０は、袋状セパレータ４０内に正極リード２５が外部に延びるように収納されている。セパレータ４１，４２は樹脂（例えばポリプロピレン）からなり、多孔質のシート状をなしている。

正極２０と負極３０と袋状セパレータ４０は矩形に形成されている。面積の大小関係は正極２０より負極３０が大きいとともに正極２０よりセパレータ４１，４２が大きくなっており、正極と負極の短絡を防止するとともにリチウムの析出を防止している。

図２に示すように、電極組立体１０は、複数の第１のアッシィＡｓ１と、１つの第２のアッシィＡｓ２と、１枚のセパレータ４４を備えている。
図３に示すように、積層配置型アッシィとしての第１のアッシィＡｓ１は、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置して構成されている。第１のアッシィＡｓ１の正極２０の周囲には、セパレータ４１，４２の端部が位置するとともに負極３０の端部が位置し、正極２０の周囲においてはセパレータ４１，４２の端部と負極３０の端部とが重なった状態で配置されている。第１のアッシィＡｓ１は、正極２０の周囲に、セパレータ４１，４２同士が溶着されてそれに伴い負極３０に固定された固定部４５を有する。つまり、固定部４５においては、セパレータ４１とセパレータ４２とが接合されるとともにセパレータ４１と負極３０とが接合されている。固定部（溶着部）４５は、正極２０の周囲に連続して形成されている。

図２に示すように、第２のアッシィＡｓ２は、１つの負極３０とセパレータ４３を重ねて接合されている。詳しくは、１つの負極３０の一面側にセパレータ４３が位置決めした状態で重ねて配置され、セパレータ４３を加熱して溶融させることにより接合されている。

図１（ｂ）に示すように、電極組立体１０は、複数（例えば３０個）の第１のアッシィＡｓ１が積層して配置されている。また、第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものに対し、積層方向の一端に、端部用アッシィとしての第２のアッシィＡｓ２を積層して配置している。つまり、積層作業時、最も上の第１のアッシィＡｓ１における正極２０には正極から出たリチウムを受け取る負極３０を対向させるべく第２のアッシィＡｓ２がその上に配置されている。即ち、正極と対向する負極がないことによりセパレータにリチウムが析出するのを防止すべく最も上の第１のアッシィＡｓ１の上に第２のアッシィＡｓ２が配置されている。

次に、図４を用いて第１のアッシィＡｓ１の製造装置について説明する。
図４に示すように、台（ベースプレート）５０を有する。台５０は水平に配置され、上面が第１のアッシィＡｓ１の配置面である。

台５０の上面には、複数の位置決め用のガイドピン（円柱）５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４が立設されている。セパレータガイドピン５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８により、図５に示すように矩形のセパレータ４１が位置決めされる。つまり、ガイドピン５１，５２が、矩形のセパレータ４１の第１の隅部における２つの辺の外面に接触する。ガイドピン５３，５４が、矩形のセパレータ４１の第２の隅部における２つの辺の外面に接触する。ガイドピン５５，５６が、矩形のセパレータ４１の第３の隅部における２つの辺の外面に接触する。ガイドピン５７，５８が、矩形のセパレータ４１の第４の隅部における２つの辺の外面に接触する。

負極ガイドピン５９，６０，６１により、図４に示すように負極３０が位置決めされる。つまり、ガイドピン５９が矩形のリード３５の第１の側面に接触し、ガイドピン６０が矩形のリード３５の第２の側面に接触し、ガイドピン６１が矩形のリード３５の先端面に接触する。

正極ガイドピン６２，６３，６４により、図６に示すように正極２０が位置決めされる。つまり、ガイドピン６２が矩形のリード２５の第１の側面に接触し、ガイドピン６３が矩形のリード２５の第２の側面に接触し、ガイドピン６４が矩形のリード２５の先端面に接触する。

次に、作用を製造工程とともに説明する。
電極とセパレータを積層する際に、例えば、ＥＶ（電気自動車）やＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）の駆動用電源として利用される電池では、電極及びセパレータの枚数が、各々２０〜６０枚といった多数に及ぶ。このような場合、電極とセパレータを１枚ずつ積層すると、積層回数が多いため位置ズレが生じやすく、また位置ズレが大きくなるので予めアッシィとして作製しておき、複数のアッシィを積層する。

まず、第１のアッシィＡｓ１の作製について説明する。
図４に示すように、台５０の上面に負極３０を配置する。このとき、ガイドピン５９，６０，６１により負極３０を位置決めする。

次に、図５に示すように、台５０の上面における負極３０の上に、矩形のセパレータ４１を配置する。このとき、ガイドピン５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８により矩形のセパレータ４１を位置決めする。

次に、図６に示すように、台５０の上面におけるセパレータ４１の上に、正極２０を配置する。このとき、ガイドピン６２，６３，６４により正極２０を位置決めする。
次に、図７に示すように、台５０の上面における正極２０の上に、矩形のセパレータ４２を配置する。このとき、ガイドピン５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８により矩形のセパレータ４２を位置決めする。

このようにして、セパレータ４１，４２の位置合わせは、台５０の上面において四隅に対応する部位に設置したガイドピン５１〜５８で行い、正極２０および負極３０の位置合わせは、台５０の上面においてそれぞれのリード２５，３５に対応する部位に設置したガイドピン５９〜６４で行う。この状態においては正極２０の周囲にはセパレータ４１，４２の端部が位置するとともに負極３０の端部が位置している。

次に、台５０の上面におけるセパレータ４２の上に、図８に示すように、溶着用加熱器であるヒータ７０を配置する。ヒータ７０は、矩形のセパレータ４１，４２の縁に対応するような四角枠状をなしている。そして、このヒータ７０が正極２０の周囲におけるセパレータ４２の上面に接触し、かつ、押圧する状態において、ヒータ７０の発する熱によりセパレータ４１，４２を溶着する。また、溶融したセパレータ４１の一部が、負極用活物質層３２の表面の小孔内に侵入することで、セパレータ４１，４２は、負極３０に固定される。つまり、図８に示すように、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置した状態から、正極２０の周囲においてセパレータ４１，４２同士を熱溶着により溶着してそれに伴って正極２０の周囲に負極３０が固定された第１のアッシィＡｓ１を作製する。これによって、正極２０がセパレータ４１，４２内で包まれるとともに負極３０の端部にセパレータ４１，４２が接合されて固定される。このとき、溶着と同時に位置合わせが行われる。

このようにして第１のアッシィＡｓ１が作製される。第１のアッシィＡｓ１は、１種類で済み、かつ、１回の溶着で４つの部品（２つのセパレータ４１，４２、正極２０、負極３０）の位置決めを行うことができる。

一方、図２に示すように、１つの負極３０とセパレータ４３を重ねた状態からセパレータ４３の外周部を加熱して溶融することにより接合して第２のアッシィＡｓ２を作製する。このとき、負極３０側の接合部位は活物質層であり、接合と同時に位置合わせが行われる。

そして、上述したように第１のアッシィＡｓ１を必要な数だけ作製して、第１のアッシィＡｓ１を複数積層して配置するとともに、１つの第２のアッシィＡｓ２を、第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものの上端に積層して配置し、さらに、セパレータ４４を、第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものの下端に積層して配置する。これにより、電極組立体１０が作製される。このようにして、事前に２種類のアッシィＡｓ１，Ａｓ２を作製し、２種類のアッシィＡｓ１，Ａｓ２を積層することで最終的な電極組立体１０を作製することにより位置ズレを低減することができる。特に、第１のアッシィＡｓ１において、正極２０の周囲で溶着し、セパレータ４１，４２と負極３０も固定させれば、全ての位置決めが可能となる。つまり、製造の際に、負極３０、セパレータ４１、正極２０、セパレータ４２を積層して第１のアッシィＡｓ１を作製するとき負極３０の端部での溶着のみで負極３０／セパレータ４１／正極２０／セパレータ４２の積層体の位置決めが可能となる。

詳しくは、第１のアッシィＡｓ１は正極２０の周囲においてセパレータ４１，４２同士が溶着されて正極２０の周囲に負極３０が固定される。これにより、セパレータ４１，４２同士が溶着されて負極３０が固定されるとともに正極２０もセパレータ４１，４２内に位置決めされた状態で固定される。よって、セパレータ４１，４２同士、負極３０、正極２０を一括で固定することが可能となり、アッシィ化を行う場合の工程の短縮を図ることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電極組立体１０の構成として、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置した第１のアッシィＡｓ１が複数積層して配置され、第１のアッシィＡｓ１は、正極２０の周囲に、セパレータ４１，４２同士が溶着されて負極３０に固定された固定部４５を有する。よって、第１のアッシィＡｓ１は、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２が重ねて配置されており、この第１のアッシィＡｓ１が複数積層して配置される。ここで、第１のアッシィＡｓ１は、正極２０の周囲に、セパレータ４１，４２同士が溶着されて負極３０に固定された固定部４５を有するので、セパレータ４１，４２同士が溶着されて負極３０が固定されるとともに正極２０もセパレータ４１，４２内に位置決めされた状態で固定される。つまり、セパレータ４１，４２同士、負極３０、正極２０を一括で固定することが可能となり、アッシィ化を行う場合の工程の短縮を図ることができる。

より詳しくは、特許文献１の技術において、２枚のセパレータと正極と負極を積層して配置してアッシィにする場合、少なくとも３回の接合固定する工程が必要となる。即ち、負極とセパレータを接着剤により接合し（第１の工程）、これに、正極を積層して接合し（第２の工程）、これに、セパレータを積層して接合する（第３の工程）。これに対し本実施形態では、正極２０の周囲においてセパレータ４１，４２同士が溶着されて正極２０の周囲に負極３０が固定されることによりセパレータ４１，４２同士、負極３０、正極２０を一括で（１回で）固定して工程の短縮が図られる。

（２）さらに、電極組立体１０の構成として、第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものに対し、端に、１つの負極３０とセパレータ４３を重ねて接合した第２のアッシィＡｓ２を積層して配置した。よって、最も上の第１のアッシィＡｓ１における正極２０には正極から出たリチウムを受け取る負極３０が対向して配置されるのでリチウムの析出を防止することができる。

（３）電極組立体１０の製造方法として、積層配置型アッシィ作製工程と積層工程を有する。積層配置型アッシィ作製工程では、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置した状態から、正極２０の周囲においてセパレータ４１，４２同士を熱溶着により溶着して正極２０の周囲に負極３０が固定された第１のアッシィＡｓ１を作製する。積層工程では、積層配置型アッシィ作製工程により作製された第１のアッシィＡｓ１を複数積層して配置する。よって、セパレータ４１，４２同士、負極３０、正極２０を一括で固定することが可能となり、アッシィ化を行う場合の工程の短縮を図ることができる。

（４）さらに、電極組立体１０の製造方法として、端部用アッシィ作製工程と積層工程を有する。端部用アッシィ作製工程では、１つの負極３０とセパレータ４３を重ねた状態から接合して第２のアッシィＡｓ２を作製する。積層工程では、端部用アッシィ作製工程により作製された第２のアッシィＡｓ２を、第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものの端に積層して配置する。よって、最も上の第１のアッシィＡｓ１における正極２０には正極から出たリチウムを受け取る負極３０が対向して配置されるのでリチウムの析出を防止することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものに対し、端に、１つの負極３０とセパレータ４３を重ねて接合した第２のアッシィＡｓ２を積層して配置した。これに代わり、図９に示すようにしてもよい。

図９において、アッシィＡｓ３は、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置しているが、正極２０の金属箔２１の上面に活物質層が形成されていない。そして、第１のアッシィＡｓ１を複数積層したものに対し、端に、アッシィＡｓ３を積層して配置する。よって、アッシィＡｓ３における正極２０の金属箔２１の上面側からリチウムが出ることはなく、リチウムの析出を防止することができる。

・図１０に示すように、積層配置型アッシィとしての第１のアッシィＡｓ１における固定部Ｚ１〜Ｚ１０は、正極２０の周囲に非連続で形成されている。この場合には連続である場合に比べ、注液時に電解液を入り込みやすくすることができる。

・上記（３）での積層配置型アッシィ作製工程においては、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置した状態から、正極２０の周囲においてセパレータ４１，４２同士を熱溶着により溶着して正極２０の周囲に負極３０が固定された第１のアッシィＡｓ１を作製した。これに代わり、積層配置型アッシィ作製工程において、負極３０とセパレータ４１と正極２０とセパレータ４２を重ねて配置した状態から、正極２０の周囲においてセパレータ４１，４２同士を超音波溶着により溶着して正極２０の周囲に負極３０が固定された第１のアッシィＡｓ１を作製してもよい。

・図４で示したように台５０の上面に配したガイドピン５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４で位置決めしたが、これに限るものではない。例えば、カメラでモニタしながらセパレータ４１，４２、正極２０、負極３０を位置決めしつつアッシィＡｓ１を作製してもよい。

１０…電極組立体、２０…正極、３０…負極、４１，４２，４３…セパレータ、Ａｓ１…第１のアッシィ、Ａｓ２…第２のアッシィ。

Claims

正極と負極とを、間にセパレータを介在させた状態で積層してなる電極組立体の製造方法において、
負極とセパレータと正極とセパレータを重ねて配置した状態から、正極の周囲においてセパレータ同士を熱溶着または超音波溶着により溶着して正極の周囲に負極が固定された積層配置型アッシィを作製する積層配置型アッシィ作製工程と、
前記積層配置型アッシィ作製工程により作製された積層配置型アッシィを複数積層して配置する積層工程と、を有することを特徴とする電極組立体の製造方法。
１つの負極とセパレータを重ねた状態から接合して端部用アッシィを作製する端部用アッシィ作製工程と、
前記端部用アッシィ作製工程により作製された端部用アッシィを、前記積層配置型アッシィを複数積層したものの端に積層して配置する積層工程と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
前記負極と前記セパレータと前記正極と前記セパレータは、台上に重ねて配置され、
前記正極には正極リードが延出形成されているとともに、前記負極には負極リードが延出形成されており、
前記台上に設けられたガイドピンに前記正極リードが接触することにより、前記正極は位置決めされる請求項１又は２に記載の電極組立体の製造方法。