JP6812971B2 - リチウムイオン二次電池の電極組立体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の一側面は、リチウムイオン二次電池の電極組立体及びその製造方法に関する。
従来の二次電池の電極組立体として、正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された電極組立体が知られている。この電極組立体の製造方法としては、金属箔の表裏両面に電極スラリーを塗布し乾燥させ、活物質層が形成された帯状電極材とする工程と、帯状電極材より個片の電極を切り出す工程と、電極を積層し、積層後に固定して電極組立体とする工程と、を備えた製造方法が知られている。電極を切り出す工程については、例えば特許文献1に記載された製造方法が知られている。この製造方法では、活物質層が間欠的に形成された帯状電極材にレーザ光を照射することにより、帯状電極材から電極を切り出す。また、特許文献2には、ロータリーカッターにより、帯状電極材から連続的に電極を切り出す方法が開示されている。特許文献3には、上下方向に進退する抜き刃により、帯状電極材から電極を切り出す方法が開示されている。
特開2012−221912号公報 特開平09−312156号広報 特開2011−204613号公報
特許文献2の如く、帯状電極材より連続的に個片の電極を切り出す方法は、各電極間に廃棄される端材が生じず、コストと省資源の点で優れる。しかしながら、このような製造方法は、リチウムイオン二次電池の電極の製造に適用するにあたり、以下の問題点が存在する。すなわち、リチウムイオン二次電池では、図13に示されるように、公知のリチウム析出という不具合を抑制するために、負極112の主面(負極活物質層の外表面)112aの面積を対向する正極111の主面111a(正極活物質層の外表面)よりも大きく設計し、正極111の主面111aを負極112の主面112aで覆う必要がある。その一方で、正極111の主面111aの面積が小さいほど、リチウムイオン二次電池の容量が低下するため、前述の条件を満たしつつ、製造誤差等も加味して可能な限り正極112aの主面を大きく設計する必要がある。このように、リチウムイオン二次電池では、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池の容量を確保することが求められている。
特に、特許文献2の如く、端材が生じないように、連続的に個片の電極を切り出すと、切断箇所の端面が傾斜し、電極の2つの主面(表裏面)の面積が、互いに異なる場合がある。ロータリーカッターは、硬質の活物質層を連続して切断できる耐久性を持たせるため、刃先角度を例えば50度以上に設定する必要があり、電極の端面の傾斜を低減することは難しい。したがって、上記のようなロータリーカッターを用いる場合、図14に示されるように、負極112の端面の傾斜を考慮して正極111の主面111aを更に小さく設計する必要があり、リチウムイオン二次電池の容量の確保が一層難しくなる。
同様に、帯状電極材から電極を切り出すにあたり、レーザ光を用いる場合も、電極の2つの主面の面積が、互いに異なる場合がある。個片の電極をレーザ光で切り出す場合、例えば、最も切れ難い金属箔に焦点を合わせる。これにより、レーザ光の熱によって、焦点の周辺は溶融する。しかし、焦点よりもレーザ光の照射側は、焦点を挟んで反対側と比べて高温になるため、レーザ光の照射側の溶融量は、焦点を挟んで反対側の溶融量よりも多くなる。このため、電極の2つの主面のうち、レーザ光の照射側の主面の面積は、他方の主面の面積よりも小さくなる。このように、レーザ光を用いる場合も、負極の端面の溶融量を考慮して正極の主面を更に小さく設計する必要があり、リチウムイオン二次電池の容量の確保が一層難しくなる。
本発明の一側面は、リチウム析出を抑制しつつ、容量を確保することができるリチウムイオン二次電池の電極組立体及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るリチウムイオン二次電池の電極組立体は、シート状の正極とシート状の負極とがセパレータを介して交互に積層されたリチウムイオン二次電池の電極組立体であって、正極は、正極集電体と、正極集電体の表裏両面にそれぞれ形成された1対の正極活物質層と、を有し、負極は、負極集電体と、負極集電体の表裏両面にそれぞれ形成された1対の負極活物質層と、を有し、1対の正極活物質層の外表面は、正極の第1主面と、当該第1主面よりも面積が小さい正極の第2主面と、を構成し、1対の負極活物質層の外表面は、負極の第1主面と、当該第1主面よりも面積が小さい負極の第2主面と、を構成し、正極の第1主面は、負極の第1主面よりも面積が小さく、正極の第2主面は、負極の第2主面よりも面積が小さく、正極及び負極の第1主面同士は、セパレータを介して互いに対向しており、正極及び負極の第2主面同士は、セパレータを介して互いに対向している。
この電極組立体では、正極及び負極の第1主面同士は、セパレータを介して互いに対向しており、正極及び負極の第2主面同士は、セパレータを介して互いに対向している。これにより、正極の設計時において、負極の第1主面及び第2主面の面積差を考慮する度合いが減るので、正極の第1主面及び第2主面のサイズを従来よりも大きくすることができる。したがって、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池の容量を確保することができる。
一実施形態において、正極は、2枚のシート状セパレータの周縁部同士を溶着してなる袋状セパレータ内に収容されており、袋状セパレータの溶着部は、正極の第1主面側に位置していてもよい。この場合、ケース内にて接地する負極の下端に、セパレータの溶着部を重ねることで、接地時における負極の下端への荷重の集中を抑制することができる。
一実施形態において、正極及び負極のそれぞれの端面には、溶融部が形成されており、溶融部は、第2主面側に位置するメイン溶融部と、第1主面側に位置し、メイン溶融部よりも溶融量が少ないサブ溶融部と、を有してもよい。この場合、例えば第1主面側からレーザ光を照射することにより、電極を容易に切り出すことができる。
一実施形態において、正極は、2枚のシート状セパレータの周縁部同士を溶着してなる袋状セパレータ内に収容されており、袋状セパレータの溶着部は、当該溶着部の縁部に向かうに連れて正極の第1主面から遠ざかるように延在していてもよい。ここで、1対の負極活物質層の外表面が、第1主面と第1主面よりも面積が小さい第2主面とによって構成されている電極組立体では、負極における第2主面の縁部に比べ第1主面の縁部から負極活物質が剥離しやすく、大きな粒子塊となりやすい。この構成では、負極の第1主面と袋状セパレータの溶着部との間に空間が相対的に大きく形成されるので、負極の第1主面の縁部から剥離する負極活物質を当該空間に収容することが容易である。この結果、剥離した負極活物質が、正極及び負極の主面間にまで侵入することを抑制できる。
一実施形態において、正極及び負極のそれぞれの端面は、第1主面及び第2主面に対して傾斜していてもよい。この場合、例えば切断刃を用いることにより、電極を容易に切り出すことができる。
本発明の一側面に係るリチウムイオン二次電池の電極組立体の製造方法は、リチウムイオン二次電池の電極組立体の製造方法であって、帯状の正極集電体の表裏両面に正極活物質を連続塗布して帯状正極体を形成する正極形成工程と、帯状の負極集電体の表裏両面に負極活物質を連続塗布して帯状負極体を形成する負極形成工程と、第1主面と当該第1主面よりも面積が小さい第2主面とを有する正極を帯状正極体から連続して切り出す正極切出し工程と、第1主面と当該第1主面よりも面積が小さい第2主面とを有する負極を帯状負極体から連続して切り出す負極切出し工程と、切り出された正極及び負極の第1主面同士がセパレータを介して互いに対向すると共に、切り出された正極及び負極の第2主面同士がセパレータを介して互いに対向するように、正極と負極とをセパレータを介して交互に積層する積層工程と、を備える。
この製造方法では、積層工程において、切り出された正極及び負極の第1主面同士がセパレータを介して互いに対向すると共に、切り出された正極及び負極の第2主面同士がセパレータを介して互いに対向する。これにより、正極の設計時において、負極の第1主面及び第2主面の面積差を考慮する度合いが減るので、正極の第1主面及び第2主面のサイズを従来よりも大きくすることができる。したがって、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池の容量を確保することができる。また、正極を帯状正極体から連続して切り出すと共に、負極を帯状負極体から連続して切り出すので、端材を生じることなく、省資源化が可能となる。
一実施形態において、正極切出し工程及び負極切出し工程では、帯状正極体及び帯状負極体を水平方向に搬送すると共に、搬送される帯状正極体及び帯状負極体を加工具によって上方から切り出し、積層工程では、切り出された正極及び負極の一方を上下反転させた後に、正極と負極とをセパレータを介して交互に積層してもよい。これにより、加工具を搬送経路の上側に配置することができるので、メンテナンス性が向上する。また、一方の電極を積層前に上下反転することで、面積の大きい正極及び負極の第1主面同士を対向させることができる。
本発明の一側面によれば、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池の容量を確保することができる。
図1は、第1実施形態の電極組立体が備えられたリチウムイオン二次電池の内部構造を示す断面図である。 図2は、図1におけるII-II線断面図である。 図3は、図1の電極組立体の一部を示す拡大断面図である。 図4は、帯状の金属箔の両面に負極活物質を塗布して帯状負極体を形成する負極形成工程を示す図である。 図5は、帯状負極体にレーザ光を照射することにより、負極を切り出す負極切出し工程を示す図である。 図6は、正極と負極とを積層する積層工程を示す図である。 図7は、第2実施形態の電極組立体の一部を示す拡大断面図である。 図8(a)は、帯状負極体を切断刃によって切断することにより、負極を切り出す負極切出し工程を示す図である。図8(b)は、帯状正極体を切断刃によって切断することにより、正極を切り出す正極切出し工程を示す図である。 図9は、図8の負極切出し工程の拡大図である。 図10は、変形例1に係る電極組立体の一部を示す拡大断面図である。 図11は、変形例2に係る電極組立体の一部を示す拡大断面図である。 図12は、図1の電極組立体の変形例の一部を示す拡大断面図である。 図13は、リチウムイオン二次電池の電極組立体の従来例の一部を示す拡大断面図である。 図14は、リチウムイオン二次電池の電極組立体の他の従来例の一部を示す拡大断面図である。
以下、図面を参照しながら、一実施形態について詳細に説明する。なお、図面において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態の電極組立体が備えられたリチウムイオン二次電池の内部構造を示す断面図である。図2は、図1におけるII-II線断面図である。図3は、図1の電極組立体の一部の拡大図である。リチウムイオン二次電池1は、例えば車載用の非水電解質二次電池として構成されている。
リチウムイオン二次電池1は、図1に示されるように、例えば略直方体形状をなす中空のケース2と、ケース2内に収容された電極組立体3と、を備えている。ケース2は、例えばアルミニウム等の金属によって形成されている。ケース2の内壁面上には、絶縁フィルム(図示省略)が設けられる。ケース2の内部には、例えば非水系有機溶媒系の電解液が注液されている。電極組立体3では、後述する正極11の正極活物質層(正極活物質)15、負極12の負極活物質層(負極活物質)18、及び袋状セパレータ(セパレータ)13が多孔質をなしており、その空孔内に、電解液が含浸されている。ケース2の上面部には、正極端子5と負極端子6とが互いに離間して配置されている。正極端子5は、絶縁リング7を介してケース2に固定され、負極端子6は、絶縁リング8を介してケース2に固定されている。
電極組立体3は、図2に示されるように、正極11及び負極12と、正極11と負極12との間に配置された袋状の袋状セパレータ13と、によって構成されている。袋状セパレータ13内には、ここでは正極11が収容されている。袋状セパレータ13内に正極11が収容された状態で、正極11と負極12とが袋状セパレータ13を介して交互に積層されている。つまり、電極組立体3は、袋状の袋状セパレータ13に正極11を収容することにより構成されるセパレータ付き正極10を有している。
正極11は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔(正極集電体)14と、金属箔14の表裏両面にそれぞれ形成された1対の正極活物質層15と、を有している。金属箔14は、略矩形の金属箔本体部14aと、金属箔本体部14aの上縁部に正極端子5の位置に対応して形成されたタブ14b(図1を参照)と、からなっている。タブ14bは、金属箔本体部14aの上縁部から上方に延び、導電部材16を介して正極端子5に接続されている。
1対の正極活物質層15の外表面は、正極11の第1主面11aと、第1主面11aよりも面積が小さい正極11の第2主面11bと、を構成している。正極活物質層15が形成されていないタブ14bの表面は、正極11の第1主面11a及び第2主面11bに含まれない。正極活物質層15は、正極活物質とバインダとを含んで形成されている多孔質の層である。言い換えれば、金属箔本体部14aの両面に、正極活物質が担持されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも1つと、リチウムとが含まれる。なお、ここで言う「主面」とは、活物質層の外表面の大半を占める主たる平面のことである。「主面」は、袋状セパレータ13を介して互いに対向し、リチウムイオンが移動する面である。
負極12は、例えば銅箔からなる金属箔(負極集電体)17と、金属箔17の表裏両面にそれぞれ形成された1対の負極活物質層18と、を有している。金属箔17は、略矩形の金属箔本体部17aと、金属箔本体部17aの上縁部に負極端子6の位置に対応して形成されたタブ17bと、からなっている。タブ17bは、金属箔本体部17aの上縁部から上方に延び、導電部材19を介して負極端子6に接続されている。
1対の負極活物質層18の外表面は、負極12の第1主面12aと、第1主面12aよりも面積が小さい負極12の第2主面12bと、を構成している。負極活物質層18は、負極活物質とバインダとを含んで形成されている多孔質の層である。言い換えれば、金属箔本体部17aの両面に、負極活物質が担持されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。
袋状セパレータ13は、例えば袋状に形成され、内部に正極11のみを収容している。袋状セパレータ13は、2枚のシート状セパレータ13aの周縁部同士を溶着してなる。袋状セパレータ13の溶着部13bは、正極11の第1主面12a側に位置している。袋状セパレータ13の形成材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、或いは、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。正極11及び負極12のタブ14b,17bは、略矩形の袋状セパレータ13から上方に突出している(図2では不図示)。
次に、図3を参照して、正極11及び負極12の構成について詳細に説明する。
正極11は、図3に示されるように、面積の異なる互いに対向する2つの第1主面11a及び第2主面11bと、第1主面11a及び第2主面11bの周囲を囲むように位置し、第1主面11a及び第2主面11bと接続される端面11cと、を有している。第1主面11a及び第2主面11bの一方は、正極11の表面であり、第1主面11a及び第2主面11bの他方は、正極11の裏面である。第1主面11aの面積は、第2主面11bの面積よりも大きい。
端面11cには、レーザ光の照射によるテーパ状の溶融部25が形成されている。溶融部25は、第2主面11b側に位置するメイン溶融部21と、第1主面11a側に位置するサブ溶融部22と、を有している。サブ溶融部22は、第1主面11aの一辺から略垂直に立ち上がっている。メイン溶融部21は、サブ溶融部22の一端から内側に傾斜して第2主面11bに達している。つまり、メイン溶融部21の傾斜角は、サブ溶融部22の傾斜角よりも大きい。溶融部25は、レーザ光の照射によって発生する熱の影響で、生じたダレに起因して形成される。正極11において、メイン溶融部21の溶融量がサブ溶融部22の溶融量よりも多い。
負極12は、面積の異なる互いに対向する2つの第1主面12a及び第2主面12bと、第1主面12a及び第2主面12bの周囲を囲むように位置し、第1主面12a及び第2主面12bと接続される端面12cと、を有している。第1主面12a及び第2主面12bの一方は、負極12の表面であり、第1主面12a及び第2主面12bの他方は、負極12の裏面である。第1主面12aの面積は、第2主面12bの面積よりも大きい。また、負極12の第1主面12aの面積は、正極11の第1主面11aの面積よりも大きく、負極12の第2主面12bの面積は、正極11の第2主面11bの面積よりも大きい。
端面12cには、レーザ光の照射によるテーパ状の溶融部26が形成されている。溶融部26は、第2主面12b側に位置するメイン溶融部23と、第1主面12a側に位置するサブ溶融部24と、を有している。サブ溶融部24は、第1主面12aの一辺から略垂直に立ち上がっている。メイン溶融部23は、サブ溶融部24の一端から内側に傾斜して第2主面12bに達している。つまり、メイン溶融部23の傾斜角は、サブ溶融部24の傾斜角よりも大きい。溶融部26は、レーザ光の照射によって発生する熱の影響で、生じたダレに起因して形成される。負極12において、メイン溶融部23の溶融量がサブ溶融部24の溶融量よりも多い。
次に、正極11及び負極12の積層状態について説明する。正極11及び負極12の第1主面11a,12a同士は、袋状セパレータ13を介して互いに対向している。正極11及び負極12の第2主面11b,12b同士は、袋状セパレータ13を介して互いに対向している。
続いて、電極組立体3の製造方法について説明する。電極組立体3の製造方法は、正極11の製造工程及び負極12の製造工程と、セパレータ付き正極10の製造工程と、セパレータ付き正極10の反転工程と、セパレータ付き正極10と負極12とを積層する積層工程と、を備えている。各工程の順序は、正極11の製造工程及び負極12の製造工程、セパレータ付き正極10の製造工程、反転工程、積層工程となっている。
正極11の製造工程及び負極12の製造工程は、混練工程、塗工工程、プレス工程、外観検査工程、減圧乾燥工程、及び切出し工程を備えている。以下、負極12の製造工程に沿って主に説明するが、正極11の製造工程も同様に行われるものとする。
まず、混練工程では、活物質層の主成分である活物質粒子と、バインダ及び導電助剤などの粒子を、混練機内の溶媒中で混練し、各粒子の分散性がよい電極合剤を製造する。続いて、塗工工程では、ロール状に巻かれた帯状の金属箔を繰り出し、その金属箔の表裏両面に、電極合剤を連続塗布する。電極合剤が塗布された金属箔は、電極合剤の塗布の直後に乾燥炉内を通過する。これにより、電極合剤に含まれる溶媒が乾燥・除去されると共に、樹脂よりなるバインダが活物質粒子同士を結合する。これにより、帯状の金属箔の表裏両面には、活物質粒子の間に微細な間隙(空孔)を有する負極活物質層が形成される。
続いて、プレス工程では、帯状の金属箔の両面に形成された負極活物質層をロールにより所定の圧力でプレスする。これにより、負極活物質層が圧縮され、活物質の密度が適切な値に高められる。続いて、外観検査工程では、負極活物質層の表面状態をカメラ等で確認し、良品及び不良品の判定を行う。続いて、減圧乾燥工程では、負極活物質層が形成された帯状の金属箔を、真空乾燥炉内に収容して減圧高温化にて乾燥する。これにより、活物質層に残留するわずかな溶媒を除去する。
上記の工程を経ることにより、図4に示されるように、帯状の金属箔17の表裏両面に負極活物質が塗布された帯状負極体62が形成される。すなわち、上記の混練工程、塗工工程、プレス工程、外観検査工程、減圧乾燥工程は、帯状の金属箔17の両面に負極活物質を連続塗布して帯状負極体62を形成する負極形成工程に含まれる。
同様に、正極11の製造工程においても、上記の工程を経ることにより、帯状の金属箔14の表裏両面に正極活物質が塗布された帯状正極体61が形成される。すなわち、上記の混練工程、塗工工程、プレス工程、外観検査工程、減圧乾燥工程は、帯状の金属箔14の両面に正極活物質を塗布して帯状正極体61を形成する正極形成工程に含まれる。
続いて、第1主面12aと第2主面12bとを有する負極12を帯状負極体62から連続して切り出す負極切出工程が実施される。負極切出工程では、帯状負極体62を水平方向に搬送すると共に、搬送される帯状負極体62を加工ヘッド(加工具)31によって上方から切り出す。具体的には、負極切出工程では、図5に示されるように、帯状負極体62に加工ヘッド31からレーザ光Lを照射することにより、複数の負極12を切り出す。加工ヘッド31は、第2主面12bの上側に配置されている。加工ヘッド31は、照射されるレーザ光Lの焦点を金属箔17に合わせ、所定形状の負極12を切出す。すなわち、レーザ光Lの焦点は、帯状負極体62の中で最も切出しづらい領域である金属箔17に合わせられている。これにより、上述した負極12を形成することができる。
同様に、第1主面11aと第2主面11bとを有する正極11を帯状正極体61から連続して切り出す正極切出工程が実施される。正極切出工程においても、特に図示はしないが、帯状正極体61を水平方向に搬送すると共に、搬送される帯状正極体61を加工ヘッド(加工具)によって上方から切り出す。これにより、上述した正極11を形成することができる。
続いて、セパレータ付き正極10の製造工程では、帯状の1対のシート状セパレータ13a間に正極11を配置し、1対のシート状セパレータ13a,13a同士を溶着することにより、1対のシート状セパレータ13a,13aで正極11を包み込む。これにより、セパレータ付き正極10が製造される。
なお、袋状セパレータ13の溶着部13bを、正極11の第1主面12a側に配置する方法は、例えば溶着作業時、上表面が平面をなす治具上にて、第1主面12a側を下にして、正極11と1対のシート状セパレータ13a,13aを配置する。この状態で、上方より溶着機のヒータを下降させ、治具の上表面を基準に、溶着を行えばよい。
続いて、反転工程が実施される。反転工程では、図6で示されるように、セパレータ付き正極10を反転装置32によって上下反転させる。すなわち、セパレータ付き正極10を構成する正極11において、上側に向けられていた第2主面11bが下側に向けられ、下側に向けられていた第1主面11aが上側に向けられる。
その後、水平方向に延びる搬送路33にセパレータ付き正極10と負極12とが交互に載置される。搬送路33は、例えばベルトコンベアである。このとき、セパレータ付き正極10は、反転工程を経たことにより、搬送路33の搬送面33a側に正極11の第2主面11bを向けている。一方で、負極12は、反転工程を経ていないため、搬送路33の搬送面33a側に負極12の第1主面12aを向けている。
続いて、積層工程が実施される。積層工程では、セパレータ付き正極10と負極12とを積層部40に交互に落下させて積層する。このとき、切り出された正極11及び負極12の第1主面11a,12a同士は、袋状セパレータ13を介して互いに対向する。また、切り出された正極11及び負極12の第2主面11b,12b同士は、袋状セパレータ13を介して互いに対向する。
なお、積層工程では、セパレータ付き正極10と負極12とを積層部40に落下させる前に、セパレータ付き正極10と負極12との落下速度を減速させる減速工程が実施される。減速工程は、搬送路33の下流端に位置するスライダ34にセパレータ付き正極10及び負極12を滑走させることにより、実施される。スライダ34は、水平方向に対して斜め下方に傾斜した傾斜面34aを有している。セパレータ付き正極10及び負極12は、この傾斜面34a上を滑走し、このとき発生する傾斜面34aとの間の摩擦によって減速する。
以上、説明したように、電極組立体3では、正極11において第1主面11aの面積が第2主面11bの面積よりも大きく、負極12において第1主面12aの面積が第2主面12bの面積よりも大きく、正極11の第1主面11aの面積が負極12の第1主面12aの面積よりも小さく、正極11の第2主面11bの面積が負極12の第2主面12bの面積よりも小さい。そして、正極11及び負極12の第1主面11a,12a同士は、袋状セパレータ13を介して互いに対向しており、正極11及び負極12の第2主面11b,12b同士は、袋状セパレータ13を介して互いに対向している。これにより、正極11の設計時において、負極12の第1主面12a及び第2主面12bの面積差を考慮する度合いが減るので、正極11の第1主面11a及び第2主面11bのサイズを従来よりも大きくすることができる。したがって、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池1の容量を確保することができる。
また、例えば図14に示される構造では、負極112の端面の傾斜、及び正極111の端面の傾斜が同一方向に連続し、隣接する電極に接していない領域の長さが長くなる。この為、例えば、負極112及び正極111を相互に固定する為に、テンションをかけた状態でテープ貼りをした場合など、図14の上下方向に力が作用すると、端部が割れやすい。これに対し、電極組立体3では、隣接する電極に接していない領域の長さが平準化され、短くなるので、相対的に割れ難くなる。
また、正極11は、2枚のシート状セパレータ13a,13aの周縁部同士を溶着してなる袋状セパレータ13内に収容されており、袋状セパレータ13の溶着部13bは、正極11の第1主面11a側に位置している。これにより、ケース2内にて接地する負極12の下端に、袋状セパレータ13の溶着部13bを重ねることで、接地時における負極12の下端への荷重の集中を抑制することができる。
また、正極11及び負極12のそれぞれの端面11c,12cには、レーザ光の照射による溶融部25,26が形成されており、溶融部25,26は、第2主面11b,12b側に位置するメイン溶融部21,23と、第1主面11a,12a側に位置し、溶融部25,26よりも溶融量が少ないサブ溶融部22,24と、を有している。これにより、第1主面11a,12a側からレーザ光を照射することにより、正極11及び負極12を容易に切り出すことができる。
電極組立体3の製造方法では、積層工程において、切り出された正極11及び負極12の第1主面11a,12a同士が袋状セパレータ13を介して互いに対向すると共に、切り出された正極11及び負極12の第2主面11b,12b同士が袋状セパレータ13を介して互いに対向する。これにより、正極11の設計時において、負極12の第1主面12a及び第2主面12bの面積差を考慮する度合いが減るので、正極11の第1主面11a及び第2主面11bのサイズを従来よりも大きくすることができる。したがって、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池1の容量を確保することができる。また、正極11を帯状正極体61から連続して切り出すと共に、負極12を帯状負極体62から連続して切り出すので、端材を生じることなく、省資源化が可能となる。
また、正極切出工程及び負極切出工程では、帯状正極体61及び帯状負極体62を水平方向に搬送すると共に、搬送される帯状正極体61及び帯状負極体62を加工ヘッド31によって上方から切り出し、積層工程では、切り出された正極11を上下反転させた後に、正極11と負極12とを袋状セパレータ13を介して交互に積層している。これにより、加工ヘッド31を搬送経路の上側に配置することができるので、メンテナンス性が向上する。また、正極11を積層前に上下反転することで、面積の大きい第1主面11a,12a同士を対向させることができる。
[第2実施形態]
本実施形態が第1実施形態の電極組立体3と相違する点は、図7に示されるように、正極11の端面11cが、第1主面11a及び第2主面11bに対して傾斜した切断面となっており、負極12の端面12cが、第1主面12a及び第2主面12bに対して傾斜した切断面となっている点である。
また、本実施形態が第1実施形態の電極組立体3の製造方法と相違する点は、負極切出工程では、図8の(a)に示されるように、帯状負極体62を切断刃51bによって切断することにより、負極12を切り出し、正極切出工程では、図8の(b)に示されるように、帯状正極体61を切断刃51bによって切断することにより、正極11を切り出す点である。
各切出工程では、切断機(加工具)50が用いられる。切断機50は、互いに対向する切断ローラ51及び支持ローラ52を備えている。切断機50では、例えばロータリーカット方式が採用されている。切断ローラ51は、ローラ本体51aと、ローラ本体51aの外周面に設けられた複数の切断刃51bと、によって構成されている。各切出工程では、切断ローラ51が所定速度で回転することにより、帯状正極体61及び帯状負極体62のそれぞれが切断刃51bによって切断される。この場合、正極11及び負極12の第2主面11b,12bは、切断ローラ51が配置された側に形成される。同様に、正極11及び負極12の第1主面11a,12aは、支持ローラ52が配置された側に形成される。切断刃51bは、いわゆる両刃であって、切断刃51bの中心線を基準に左右対称の断面V字形状となっている。
負極切出工程では、図8の(a)に示されるように、切断ローラ51が上側に位置し、支持ローラ52が下側に位置する。したがって、図9に示されるように、負極12における面積が小さい方の第2主面12bが上側を向き、負極12における面積が大きい方の第1主面12aが下側を向く。一方、正極切出工程では、図8の(b)に示されるように、支持ローラ52が上側に位置し、切断ローラ51が下側に位置する。したがって、特に図示はしないが、正極11における面積が大きい方の第1主面11aが上側を向き、正極11における面積が小さい方の第2主面11bが下側を向く。これにより、本実施形態では、反転工程を設けることなく、搬送路33の搬送面33a側に正極11の第2主面11bを向けることができる。
以上、説明したように、本実施形態の電極組立体3及びその製造方法においても、上記効果、すなわち、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池1の容量を確保する、という効果を奏することができる。
また、正極11及び負極12のそれぞれの端面11c及び端面12cは、第1主面11a,12a及び第2主面11b,12bに対して傾斜している。これにより、切断刃51bを用いることにより、正極11及び負極12を容易に切り出すことができる。
以上、一実施形態について説明したが、本発明の一側面は、上記第1及び第2実施形態に限定されない。
[変形例1]
上記第1実施形態では、図3に示されるように、袋状セパレータ13の溶着部13bが、正極11の第1主面11a側に位置している例を挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、図10に示されるように、袋状セパレータ13の溶着部13bは、当該溶着部13bの縁部13cに向かうに連れて正極11の第1主面11aから遠ざかるように延在していてもよい。なお、上記図10においては、正極11の端面11cと袋状セパレータ13とが互いに密着している例を挙げて説明したが、正極11の端面11cと袋状セパレータ13との間には多少の隙間が形成されていてもよい。
前述の如く溶着部13bを形成する方法は、例えば、シート状セパレータ13a,13aにテンションがかかった状態で、両者の間に正極11を配置し、正極11の第1主面11aと第2主面11bとの中間位置にて溶着を行う。溶着後、溶着部13bの外周縁に沿って切断し、テンションが解除されると、溶着部13bは、傾斜する端面11cに対し、直交する方向に延びる。
1対の負極活物質層18の外表面が、第1主面12aと第1主面12aよりも面積が小さい第2主面12bとによって構成されている電極組立体3では、負極12の第2主面12bの縁部12eに比べ第1主面12aの縁部12dから負極活物質粒子が剥離しやすく、大きな粒子塊にもなりやすい。変形例1の構成では、負極12の第1主面12aと袋状セパレータ13の溶着部13bとの間に相対的に大きな空間Sが形成されるので、負極12の第1主面12aの縁部12dから剥離する負極活物質を当該空間Sに収容することが容易である。この結果、剥離した負極活物質が、正極11の第1主面11aと負極12の第1主面12aとの間にまで侵入することを抑制できる。
[変形例2]
上記第2実施形態では、図7に示されるように、袋状セパレータ13の溶着部13bが、正極11の第1主面11a側に位置している例を挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、図11に示されるように、袋状セパレータ13の溶着部13bは、当該溶着部13bの縁部13cに向かうに連れて正極11の第1主面11aから遠ざかるように延在していてもよい。更に詳細には、袋状セパレータ13の溶着部13bは、正極11の端面11cに略直交する方向に延在していてもよい。なお、上記図11においては、正極11の端面11cと袋状セパレータ13とが互いに密着している例を挙げて説明したが、正極11の端面11cと袋状セパレータ13との間には多少の隙間が形成されていてもよい。
1対の負極活物質層18の外表面が、第1主面12aと第1主面12aよりも面積が小さい第2主面12bとによって構成されている電極組立体3では、負極12の第2主面12bの縁部12eに比べ第1主面12aの縁部12dから負極活物質粒子が剥離しやすく、大きな粒子塊にもなりやすい。変形例2の構成では、負極12の第1主面12aと袋状セパレータ13の溶着部13bとの間に相対的に大きな空間Sが形成されるので、負極12の第1主面12aの縁部12dから剥離する負極活物質を当該空間Sに収容することが容易である。この結果、剥離した負極活物質が、正極11の第1主面11aと負極12の第1主面12aとの間にまで侵入することを抑制できる。
上記実施形態又は変形例では、袋状セパレータ13内には、正極11が収容されているとしたが、これに限られない。例えば、図12に示されるように、正極11と負極12とがシート状のセパレータ113を介して交互に積層されていていてもよい。この場合、正極11における面積が大きい方の第1主面11aの面積は、負極12における面積が小さい方の第2主面12bの面積よりも大きくてもよい。これにより、正極11の第2主面11bの面積をAとし、正極11の第1主面11aの面積をBとし、負極12の第2主面12bの面積をCとし、負極12の第1主面12aの面積をDとすると、以下の式(1)が成立する。
D>B>C>A (1)
上記の式(1)の関係を満たすことにより、リチウム析出を一層抑制しつつ、リチウムイオン二次電池1の容量を一層確保することができる。
第1実施形態では、加工ヘッド31は、照射されるレーザ光Lの焦点を金属箔14,17に合わせていたが、例えば、レーザ光Lの焦点を正極活物質層15及び負極活物質層18に合わせてもよい。
また、第1実施形態では、各切出工程において、加工ヘッド31は、正極11及び負極12の上側に配置されているとしたが、例えば、正極切出工程では、正極11の下側に配置されていてもよい。これにより、反転工程を設けることなく、搬送路33の搬送面33a側に正極11の第2主面11bを向けることができる。
また、第2実施形態では、切断機50の切断刃51bは両刃としたが、例えば、片刃(切断刃51bの中心線を基準に左右非対称の断面直角三角形状)であってもよい。また、切断機50には、ロータリーカット方式が採用されているとしたが、これに限らず、例えば押し抜き方式等の他の方式が採用されてもよい。
また、上記実施形態では、セパレータ付き正極10と負極12とが交互に積層された電極組立体3としているが、これに限らず、例えば惓回型の電極組立体としてもよい。
以上に記載した実施形態又は変形例の少なくとも一部を、本発明の一側面の趣旨を逸脱しない範囲で任意に種々、組み合わせられてもよい。
1…リチウムイオン二次電池、3…電極組立体、11…正極、12…負極、11a,12a…第1主面、11b,12b…第2主面、11c,12c…端面、13…袋状セパレータ(セパレータ)、13a…シート状セパレータ、14…金属箔(正極集電体)、15…正極活物質層(正極活物質)、17…金属箔(負極集電体)、18…負極活物質層(負極活物質)、25,26…溶融部、21,23…メイン溶融部、22,24…サブ溶融部、61…帯状正極体、62…帯状負極体、31…加工ヘッド(加工具)、50…切断機(加工具)、113…セパレータ。

Claims (2)

  1. リチウムイオン二次電池の電極組立体の製造方法であって、
    帯状の正極集電体の表裏両面に正極活物質を連続塗布して帯状正極体を形成する正極形成工程と、
    帯状の負極集電体の表裏両面に負極活物質を連続塗布して帯状負極体を形成する負極形成工程と、
    第1主面と当該第1主面よりも面積が小さい第2主面とを有する正極を前記帯状正極体から連続して切り出す正極切出工程と、
    第1主面と当該第1主面よりも面積が小さい第2主面とを有する負極を前記帯状負極体から連続して切り出す負極切出工程と、
    切り出された前記正極及び前記負極の前記第1主面同士がセパレータを介して互いに対向すると共に、切り出された前記正極及び前記負極の前記第2主面同士が前記セパレータを介して互いに対向するように、前記正極と前記負極とを前記セパレータを介して交互に積層する積層工程と、を備える、リチウムイオン二次電池の電極組立体の製造方法。
  2. 前記正極切出工程及び前記負極切出工程では、前記帯状正極体及び帯状負極体を水平方向に搬送すると共に、搬送される前記帯状正極体及び帯状負極体を加工具によって上方から切り出し、
    前記積層工程では、切り出された前記正極及び前記負極の一方を上下反転させた後に、前記正極と前記負極とを前記セパレータを介して交互に積層する、請求項記載のリチウムイオン二次電池の電極組立体の製造方法。
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