JP6491548B2 - 二次電池の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は二次電池の製造方法および製造装置に関する。

携帯型電子機器や電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）等の電源として広く用いられている二次電池は、２種類の電極、すなわち正極と負極がセパレータを介して交互に積層された電極積層体が、電解液とともに、ラミネートフィルムからなる外装容器内に収容された構成を有するものが一般的である。

特許文献１には、電極積層体から外装容器の外側に向けて延びている電極端子の表面に熱接着性樹脂が配置されており、外装容器を構成するラミネートフィルムの外周縁部の一部が熱接着性樹脂を介して電極端子に接合された構成が記載されている。この構成によると、電極端子の両面に設けられた熱接着性樹脂と、それらに接するラミネートフィルムの外周縁部とをそれぞれ熱融着させることによって、電極端子が外装容器の内側から外側に向かって延びている部分において電極端子の周囲に隙間を生じることなく封止することができる。ラミネートフィルムは、アルミニウム等からなる金属層が内側樹脂層と外側樹脂層とで挟み込まれた多層構造である。

特開2000-285903号公報

本発明者は、研究開発の結果、以下の知見を得た。ラミネートフィルムと熱接着性樹脂が熱封止された領域の近傍において、ラミネートフィルムと熱接着性樹脂とが部分的に接している場合には、封止時の熱によってその部分が熱融着されてしまう恐れがある。その後に、振動などの外力が加わった時に、ラミネートフィルムの内側樹脂層が部分的に剥がれる等の損傷が生じるおそれがあり、その結果、ラミネートフィルムを構成する金属層が露出するか、あるいは金属層が内側樹脂層で十分に被覆されなくなると、絶縁性が低下するという課題が生じる恐れがある。

そこで本発明の目的は、ラミネートフィルムの内側樹脂層が部分的に剥がれる等の損傷が生じることを抑え、それによって絶縁性の低下を抑えることができる、二次電池の製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明の特徴は、２種類の電極がセパレータを介して交互に重ね合わせられた電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器の内部に収容されており、電極に接続された電極端子が、外装容器の内側から外側に延びている、二次電池の製造方法が、外装容器の外周部において、電極端子とラミネートフィルムとが熱接着性樹脂を介して対向する部分と、電極積層体の端部との間の位置で、ラミネートフィルムを、二次電池の厚さ方向において外装容器の外側から内側に向かって押圧する工程と、押圧した状態で、電極端子とラミネートフィルムとが熱接着性樹脂を介して対向する部分を加熱する工程と、を含むところにある。

本発明のもう１つの特徴は、２種類の電極がセパレータを介して交互に重ね合わせられた電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器の内部に収容されており、電極に接続された電極端子が、外装容器の内側から外側に延びている、二次電池の製造装置が、ラミネートフィルムの外周部分を加熱して、電極端子に予め設けられた熱接着性樹脂を介して電極端子に熱融着させるヒータヘッドと、ラミネートフィルムが熱接着性樹脂を介して電極端子に熱融着される部分と、電極積層体の端部との間の位置で、ラミネートフィルムを、二次電池の厚さ方向において外装容器の外側から内側に向かって押圧する押圧部材と、を有するところにある。

本発明によると、ラミネートフィルムと熱接着性樹脂の熱封止領域の近傍においてラミネートフィルムと熱接着性樹脂とが部分的に接してしまったために、熱封止時の熱で部分的に融着された箇所において、ラミネートフィルムの内側樹脂層が部分的に剥がれる等の損傷が生じることを抑え、それによって絶縁性の低下を抑えることができる。

（ａ）は本発明により製造された二次電池の平面図、（ｂ）はその二次電池の一部を示すＡ−Ａ線断面図である。 本発明の二次電池の製造方法のフローチャートである。 本発明の二次電池の製造方法における押圧工程を模式的に示す断面図である。 本発明の二次電池の製造方法における熱融着工程を模式的に示す平面図である。 （ａ）は押圧工程を行わない場合のラミネートフィルムと電極端子上の熱接着性樹脂との接触状態を模式的に示す断面図、（ｂ）はラミネートフィルムの内側樹脂層が引き剥がされた状態を模式的に示す断面図である。 本発明の二次電池の製造方法における押圧工程を行った場合のラミネートフィルムと電極端子上の熱接着性樹脂との接触状態を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、本発明によって製造される二次電池の基本構造について説明する。図１（ａ）はこの二次電池の平面図、図１（ｂ）はその二次電池の一部を示すＡ−Ａ線断面図である。

図１に示す二次電池１は、シート状の２種類の電極、すなわち正極２と負極３とが、セパレータ４を介して交互に積層された電極積層体（電池素子）５が、電解液６とともに、ラミネートフィルム７からなる外装容器１８内に収容された構成である。電極積層体５の各電極（正極２および負極３）にはそれぞれ電極端子（正極端子８および負極端子９）が接続されている。具体的には、正極２は、正極集電体１０と、その両面に形成された正極活物質層１１とを含み、正極集電体１０の正極活物質層１１が形成されていない部分がリード１０ａになっている。負極３は、負極集電体１２と、その両面に形成された負極活物質層１３とを含み、負極集電体１２の負極活物質層１３が形成されていない部分がリード１２ａになっている。各正極２のリード１０ａは正極端子８の上に重ねられて、超音波溶接等によって互いに接合されている。同様に、各負極３のリード１２ａは負極端子９の上に重ねられて、超音波溶接等によって互いに接合されている。図１（ａ）には超音波溶接部（接合部）１９を模式的に示している。正極端子８と負極端子９は外装容器１８の内側から外側に延びている。

電極積層体５を挟み込んで互いに重なり合うラミネートフィルム７同士が、互いに接合されて外装容器１８が構成されている。図１（ｂ）に拡大して示すように、ラミネートフィルム７は、内側樹脂層７ａ（例えばポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン）と外側樹脂層７ｃ（例えばＰＥＴ：poly-ethylene-terephthalate）の間に金属層７ｂ（例えばアルミニウム箔）が挟み込まれた多層構造であり、厚さは50〜500μm程度が好ましい。ラミネートフィルム７同士が直接重なり合う部分では、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａ同士が熱融着によって接合されている。そして、ラミネートフィルム７同士が電極端子８，９を介して重なり合う部分では、電極端子８，９の表面に予め設けられている熱接着性樹脂（熱融着性樹脂。例えばポリプロピレン。厚さは10〜300μmが好ましい）１４を介して、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａと電極端子８，９とがそれぞれ接合されている。こうして、外周縁部が封止された外装容器１８が形成されている。本実施形態の外装容器１８は、カップ状に予め成形されていない平坦なラミネートフィルム７から形成されている。

次に、本発明による二次電池の製造方法について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。まず、正極集電体１０と正極活物質層１１とからなる複数の正極２と、負極集電体１２と負極活物質層１３とからなる複数の負極３とを、セパレータ４を間に挟みながら交互に積層して、電極積層体５を形成する（ステップＳ１）。この時、各正極２のリード１０ａを正極端子８の一端側の熱接着性樹脂１４（例えば熱融着性樹脂）が形成されていない領域の上に重ねて、超音波溶接等によって一括して接合する。同様に、各負極３のリード１２ａを、負極端子９の一端側の熱接着性樹脂１４が形成されていない領域の上に重ねて、超音波溶接等によって一括して接合する。

電極積層体５を外装容器１８の内部に格納する（ステップＳ２）。具体的には、外装容器１８を構成する２枚の矩形状のラミネートフィルム７を、電極積層体５を間に介在させつつ重ね合わせる。この時、ラミネートフィルム７の外周縁部が熱接着性樹脂１４の上に重なるように配置している。次に、外装容器１８の外周縁部のうちの少なくとも１辺を除く辺、本実施形態では３辺において、重なり合うラミネートフィルム７の両側からヒータヘッドにより加熱して熱融着させて接合する。これにより、矩形状の外装容器の４辺のうちの３辺が封止される（ステップＳ３）。この封止方法の詳細については後述する。

本方法の変形例として、電極積層体５の形成（ステップＳ１）と並行して外装容器１８の３辺の封止（ステップＳ３）を行って、その後に外装容器１８内への電極積層体５の挿入（ステップＳ２）を行っても構わない。また、大面積の１枚のラミネートフィルム７を折り曲げて外装容器１８を形成することも可能である。その場合には、矩形状の外装容器１８の１辺はラミネートフィルム７の折り曲げ部であるので、他の２辺をステップＳ３で封止すればよい。外装容器１８の平面形状が矩形以外である場合には、後で注液口として用いられる少なくとも１辺を除いて、その他の辺をステップＳ３で封止すればよい。

前述したように電極積層体５が格納され、かつ３辺が封止された外装容器１８の未封止の１辺から、外装容器１８の内部へ電解液６を注入する（ステップＳ４）。電解液６の注入が完了したら、注液口として用いられた未封止の１辺を封止して（ステップＳ５）、二次電池１を完成させる。

本発明の大きな特徴は、前述した二次電池の製造方法の外装体の３辺を封止する工程（ステップＳ２）のうちの、電極端子８，９が配置されている辺を封止する工程にある。そこで、この電極端子８，９が配置されている辺を封止する工程について説明する。図３では、この封止工程を正極端子８の位置において示しているが、負極端子９の位置においても図３と同様の状態になる。

図３に示すように、予め電極端子８，９に熱接着されている熱接着性樹脂１４を介してラミネートフィルム７と電極端子８，９が対向する部分と、電極積層体５の電極端子８，９側の端部との間の位置で、押圧部材１５によってラミネートフィルム７を、二次電池１の厚さ方向において外装容器１８の外側から内側に向かって押圧する。押圧部材１５に押圧されることによって、ラミネートフィルム７の一部が、熱接着性樹脂１４に押し付けられる。押圧部材１５は、熱融着工程で用いられるヒータヘッド１７よりも、平面的に見て外装容器１８の内側に位置している。ラミネートフィルム７の、押圧部材１５によって押圧される部分（押圧部分）２０は、平面的に見て、ヒータヘッド１７に当接して直接加熱される部分（直接加熱部分）２１よりも外装容器１８の中央部側（内側）であって、電極積層体５の電極端子８，９側の端部よりも外側の位置である。そして、一例としては、ラミネートフィルム７の押圧部分２０は、直接加熱部分２１よりも電極積層体５の電極端子８，９側の端部に近い位置にある。押圧部材１５による押圧は、押圧部材１５の駆動手段であるシリンダ１６の示す圧力が所定の値になるまで行われる。そして、シリンダ１６の圧力が所定の圧力に到達したら、押圧した状態のまま、図３，図４に示すように、ラミネートフィルム７の、予め電極端子８，９に熱接着されている熱接着性樹脂１４を介して電極端子８，９と対向する部分の一部（直接加熱部分２１）に、上方および下方からヒータヘッド１７をそれぞれ当接させて加熱し、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａを、予め電極端子８，９に熱接着されている熱接着性樹脂１４に熱融着させる。その後、ヒータヘッド１７、次に押圧部材１５を元の位置に戻す。ラミネートフィルム７は熱融着の前に押圧部材１５によって押圧されて弛みなく延ばされることにより、ヒータヘッド１７に直接当接する直接加熱部分２１のみならず、直接加熱部分２１に近接する部分（近接部分）２２も熱接着性樹脂１４に密着する。それによって、熱融着時の熱による、近傍部分２２の熱接着性樹脂１４との接合強度が、押圧部材１５による押圧を行わない場合に比べて大きくなる。また、熱接着性樹脂１４以外の部分では、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａ同士が直接重なり合って、ヒータヘッド１７から付与された熱によって互いに熱融着する。その結果、ラミネートフィルム７同士が直接重なり合う部分においては内側樹脂層７ａ同士が互いに強固に熱融着し、ラミネートフィルム７が電極端子８，９を介して対向する部分においては、内側樹脂層７ａが電極端子８，９上の熱接着性樹脂１４に強固に熱融着して隙間が生じないように封止される。

なお、電極端子８，９が配置されていない各辺は、押圧部材１５による押圧は行わず、図４に示されているのと同様なヒータヘッド１７によってそれぞれ加熱して、直接重なり合うラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａ同士を強固に熱融着させる。

この製造方法に用いられる製造装置は、一般的な製造装置と同様に外装容器の各辺に対応する位置にそれぞれ配置されているヒータヘッド１７に加えて、電極端子８，９が配置されている辺に対応する位置に配置されている押圧部材１５およびシリンダ１６を有する。

以上説明した本発明の二次電池の製造方法の、図３に示す押圧工程の技術的意義についてさらに詳しく説明する。
仮に、本発明の押圧工程を行わない場合には、図５（ａ）に示すように、ラミネートフィルム７の、ヒータヘッド１７が当接して直接加熱された直接加熱部分２１は、熱接着性樹脂１４に密着しているが、ヒータヘッド１７が直接当接していない部分において、薄いラミネートフィルム７が波打った状態で熱接着性樹脂１４に部分的に接触したような場合には、ヒータヘッド１７の熱によって部分的に熱融着し、その接触面積は小さい。従って、振動などの外力が加わりラミネートフィルム７と熱接着性樹脂１４とが相対的に移動する（例えばラミネートフィルム７が外側に引っ張られる）と、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａの一部が熱接着性樹脂１４に熱融着した状態で剥がれるおそれがある。例えば、図５（ｂ）に示すように、熱接着性樹脂１４に熱融着している部分（直接加熱部分２１）の周囲で、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａの熱接着性樹脂１４に付着している部分が、熱接着性樹脂１４に付着していない部分から引き剥がされて、内側樹脂層７ａによる金属層７ｂの被覆が不十分になるおそれがある。その結果、絶縁性が低下するおそれがある。

仮に、ヒータヘッド１７を大きくして、ラミネートフィルム７と熱接着性樹脂１４とが対向する部分の全体を加熱すると、ヒータヘッド１７と熱接着性樹脂１４との接合強度は大きくなる。しかし、ヒータヘッド１７による加熱時にラミネートフィルム７を介して熱接着性樹脂１４に圧力が加わり、その結果、加熱されて溶融した熱接着性樹脂１４とラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａが横方向にはみ出すおそれがある。このようにはみ出した熱接着性樹脂１４は、割れ等の不具合を生じる可能性がある。

そこで、本発明では、図３，６に示すように、二次電池１の厚さ方向において外装容器１８の外側から内側に向かってラミネートフィルム７を押圧することにより、ラミネートフィルム７と熱接着性樹脂１４との接触面積を大きくする。その状態でヒータヘッド１７によりラミネートフィルム７を加熱すると、ヒータヘッドに直接接触する直接加熱部分２１のみならず、ヒータヘッド１７で押圧加熱していない、ラミネートフィルムの内側樹脂層１７ａと熱接着性樹脂１４が接している部分（近接部分２２）での接触面積が大きくなるため、ヒータヘッド１７の熱が伝達して熱融着されて接合強度が大きくなる。その結果、振動などの外力が加わっても、熱接着性樹脂１４に熱融着したラミネートフィルム７が熱接着性樹脂１４に対して相対的に移動することが抑えられ、内側樹脂層７ａの一部が熱接着性樹脂１４によって引き剥がされるおそれが低減する。従って、内側樹脂層７ａによる金属層７ｂの被覆が不十分になるおそれが小さくなり、絶縁性の低下を抑えることができる。

押圧部材１５による押圧部分２０は、ラミネートフィルム７が熱接着性樹脂１４を介して電極端子８，９と対向する部分と、電極積層体５の電極端子８，９側の端部との間の位置であることが好ましい。ここでいう電極積層体５の電極端子８，９側の端部とは、たとえば、負極３の負極活物質層１３の端部である。一般に、負極活物質層１３の平面形状はセパレータ４の平面形状よりも小さく正極活物質層１１の平面形状よりも大きいため、負極活物質層１３の端部は、セパレータ４の端部と正極活物質層１１の端部の間に位置する。負極活物質層１３の端部の上方でラミネートフィルム７を押圧部材１４によって押圧すると、その位置には正極活物質層１１が存在しないため、正極活物質層１１の厚さの分だけ各負極３およびセパレータ４が下方に押し下げられる。その結果、ラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａを熱接着性樹脂１４に押しつけることができる。

リード１０ａ，１２ａと電極端子８，９との超音波溶接部（接合部）１９に近い位置でラミネートフィルム７を押圧すると、超音波溶接時にリード１０ａ，１２ａの一部に凸状部分や反りが生じている場合に、その凸状部分や反りがラミネートフィルム７の内側樹脂層７ａを傷つける可能性がある。従って、リード１０ａ，１２ａと電極端子８，９との接合部１９から離れた位置で、押圧部材１５によってラミネートフィルム７を押圧することが好ましい。すなわち、押圧工程（ステップＳ４）でラミネートフィルム７を押圧する押圧部分２０は、超音波溶接による接合部１９よりも電極積層体５側の位置であることが好ましい。

図３に示すように、ラミネートフィルム７の上方から押圧部材１５によって押圧すれば、下方に押圧部材を設ける必要性は小さい。その理由は、電極端子８，９の下側にはリード１０ａ，１２ａを重ねて配置するためのスペースが不要なので、電極端子８，９とラミネートフィルム７との間隔が、電極端子８，９の上側に比べて近く、ラミネートフィルム７と接着性樹脂１４との密着性が良いことである。もう１つの理由は、押圧工程では外装容器１８は不図示の台上に置かれるため、図３に示すように重力によって電極端子８，９が下降した位置にあるため、電極端子８，９の下面に接するラミネートフィルム７は水平に近い状態になり、ラミネートフィルム７と熱接着性樹脂１４の密着性が良く、不要な歪みが生じにくいことである。

図示した実施形態は、正極端子８と負極端子９が外装容器１８の同一の辺から外部に延びている構成であるが、正極端子８と負極端子９が外装容器１８の異なる辺からそれぞれ外部に延びている構成であってもよい。その場合には、正極端子８または負極端子９が配置された２つの辺のいずれにおいても、図３に示すような押圧工程を行ってから、図４に示す接合工程（熱融着工程）を行う。

１ 二次電池
２ 正極（電極）
３ 負極（電極）
４ セパレータ
５ 電極積層体（電池素子）
６ 電解液
７ ラミネートフィルム
７ａ 内側樹脂層
７ｂ 金属層
７ｃ 外側樹脂層
８ 正極端子（電極端子）
９ 負極端子（電極端子）
１０ 正極集電体
１０ａ リード
１１ 正極活物質層
１２ 負極集電体
１２ａ リード
１３ 負極活物質層
１４ 熱接着性樹脂（熱融着性樹脂）
１５ 押圧部材
１６ シリンダ（駆動手段）
１７ ヒータヘッド
１８ 外装容器
１９ 超音波溶接部（接合部）
２０ 押圧部分
２１ 直接加熱部分
２２ 近接部分

Claims (4)

1. ２種類の電極がセパレータを介して交互に重ね合わせられた電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器の内部に収容されており、前記電極に接続された電極端子が、前記外装容器の内側から外側に延びている、二次電池の製造方法であって、
   前記外装容器の外周部において、前記電極端子と前記ラミネートフィルムとが熱接着性樹脂を介して対向する部分と、前記電極積層体の端部との間の位置で、前記ラミネートフィルムを、前記二次電池の厚さ方向において前記外装容器の外側から内側に向かって押圧する工程と、
   前記押圧した状態で、前記電極端子と前記ラミネートフィルムとが前記熱接着性樹脂を介して対向する部分を加熱する工程と、
   を含む二次電池の製造方法。
2. 前記２種類の電極は、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された構成の正極と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された構成の負極であり、平面的に見て前記負極活物質層は前記正極活物質層よりも大きく、
   前記電極積層体の端部は前記負極活物質層の端部である、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
3. 前記ラミネートフィルムを押圧する工程の前に、前記電極の集電体の一部を前記電極端子に重ね合わせて超音波溶接により互いに接合させる工程をさらに含み、
   前記ラミネートフィルムを押圧する工程では、前記超音波溶接による接合部よりも前記電極積層体側の位置を押圧する、請求項１または２に記載の二次電池の製造方法。
4. ２種類の電極がセパレータを介して交互に重ね合わせられた電極積層体が、ラミネートフィルムからなる外装容器の内部に収容されており、前記電極に接続された電極端子が、前記外装容器の内側から外側に延びている、二次電池の製造装置であって、
   前記ラミネートフィルムの外周部分を加熱して、前記電極端子に予め設けられた熱接着性樹脂を介して前記電極端子に熱融着させるヒータヘッドと、
   前記ラミネートフィルムが前記熱接着性樹脂を介して前記電極端子に熱融着される部分と、前記電極積層体の端部との間の位置で、前記ラミネートフィルムを、前記二次電池の厚さ方向において前記外装容器の外側から内側に向かって押圧する押圧部材と、
   を有する二次電池の製造装置。

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