JP6868871B2 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池およびその製造方法に関するものである。

通常、二次電池は、正極層および負極層との間に中間層が配置されるとともに、これら正極層および負極層の外面にそれぞれ正極集電体および負極集電体が配置された電極体を有する。

前記電極体は、一般的に、そのままの状態で使用されず、ケーシングなどの外装に収容された上で、二次電池として使用される。

従来の二次電池のうち、非水電解質二次電池として、例えば特許文献１に開示されているように、電極体２を押し込みガイド板３でカバーして外装缶１（外装）に挿入されたものがある。この構成により、電極体２が一定の加圧力でガイド板３から押圧されることで、二次電池の電池特性が維持される。

特開平９−１２０８３６号公報

ところで、前記特許文献１に記載された非水電解質二次電池では、電極体２が挿入される開口が外装缶１に形成され、さらに、ガイド板３がこの開口側に開放した形状である。このため、前記電極体２は、前記開口側と側板接続側とで押圧が異なるので、ガイド３からの押圧が不均一になる。したがって、電極体において、正極集電体および負極集電体と正極層および負極層との接触抵抗が十分に低減しない、という問題があった。特に、このような非水電解質二次電池が真空雰囲気で使用される場合、電極体は大気圧を受けなくなるので、この問題が大きくなる。なお、このような問題は、前述した非水電解質二次電池に限らず、他の二次電池でも生ずる。二次電池において、電極体での接触抵抗が十分に低減しなければ、電池性能の低下に繋がることになる。このような二次電池で十分な電池性能を得るには、二次電池を大型化する必要がある。

そこで、本発明は、小型化が可能で電池性能を向上し得る二次電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、第１の発明に係る二次電池は、外装と、
前記外装に収容される被収容物とを備え、
前記被収容物は、電極体と、当該電極体を内部に密封するラミネートパックとを有し、
前記外装は、その弾性力により、前記被収容物の表面および裏面のそれぞれに、略均一に押圧を加えるものであり、
前記外装の内部が負圧であり、
前記外装の内部において、前記ラミネートパックの内部が外部よりも低圧であり、
前記外装の内部において、前記ラミネートパックの内部の圧力が１Ｐａ以下であり、且つ、当該ラミネートパックの外部の圧力が１０００Ｐａ以下である。

また、第２の発明に係る二次電池は、第１の発明に係る二次電池における電極体が、粉体材料で構成されているものである。

さらに、第３の発明に係る二次電池の製造方法は、第１または第２の発明に係る二次電池の製造方法において、外装に被収容物を収容する収容工程を具備し、
収容された被収容物をその表面および裏面から押圧して挟み込む前記外装の表板および裏板は、前記外装に前記被収容物が収容されていない状態において、いずれも、側板により端部で互いに接続されて、前記表板および裏板の少なくとも一方が当該外装の内部に向けて湾曲するとともに、端部よりも中央部の方が接近している。

加えて、第４の発明に係る二次電池の製造方法は、第３の発明に係る二次電池の製造方法における外装の表板または裏板が、当該外装に被収容物が収容されていない状態において、端部で平行である。

また、第５の発明に係る二次電池の製造方法は、当該二次電池が、外装と、当該外装に収容される被収容物とを備え、
前記被収容物が、電極体と、当該電極体を内部に密封するラミネートパックとを有し、
前記外装が、その弾性力により、前記被収容物の表面および裏面のそれぞれに、略均一に押圧を加えるものであり、
前記二次電池の製造方法は、前記外装に被収容物を収容する収容工程を具備し、
収容された被収容物をその表面および裏面から押圧して挟み込む前記外装の表板および裏板は、前記外装に前記被収容物が収容されていない状態において、いずれも、側板により端部で互いに接続されて、前記表板および裏板の少なくとも一方が当該外装の内部に向けて湾曲するとともに、端部よりも中央部の方が接近し、
前記外装の表板または裏板が、当該外装に被収容物が収容されていない状態において、端部で平行である。

前記二次電池およびその製造方法によると、電極体の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧が加えられるので、電極体の内部における接触抵抗が低減されて、その結果、電池性能を向上させることができる。また、電極体の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加えるのに、外装の弾性力を利用するので、前記押圧のための別途の構成が不要になる結果、小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る二次電池の概略構成図である。 同二次電池の一部を拡大した拡大概略構成図である。 同二次電池の製造方法を説明するための概略構成図であり、外装に被収容物が収容される前の、外装および被収容物を示す。 同二次電池の製造方法を説明するための概略構成図であり、被収容物を収容する前の他の形状の外装を示す。 本発明の実施例に係る二次電池の概略構成図である。 同二次電池の製造装置としてラミネートパックの内部を吸引する装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る二次電池およびその製造方法について、図面に基づき説明する。

まず、前記二次電池について、図１および図２に基づき説明する。

図１に示すように、この二次電池１は、弾性部材で構成された外装２と、この外装２に収容される被収容物３，４とを備える。この被収容物３，４は、電極体４を有する。前記外装２は、その弾性力により、前記被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに、略均一に押圧を加えるものである。ここで、略均一とは、完全な均一に限定されるのではなく、電極体４の内部における接触抵抗を増大させることが無い程度に押圧が均一であることまで含む。

前記外装２の材質は、弾性力により内部の被収容物３，４に押圧を加えるものであれば特に限定されず、例えば、樹脂または金属などの剛性部材である。前記電極体４は、表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧されることで電池性能が向上するものであれば特に限定されず、例えば、正極層と負極層との間に電解液を用いる液系のもの、または、正極層と負極層との間に固体電解質を用いる固体系のものである。

このように、前記二次電池１によると、電極体４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧が加えられるので、電極体４の内部における接触抵抗が低減されて、その結果、電池性能を向上させることができる。

また、電極体４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加えるのに、外装２の弾性力を利用するので、前記押圧のための別途の構成が不要になる結果、小型化を図ることができる。

ここで、前記二次電池１の好ましい構成について説明する。

図１および図２に示すように、前記被収容物３，４は、前記電極体４を内部に密封するラミネートパック３を有することが好ましい。これにより、ラミネートパック３で電極体４が保護されるので、電池性能を一層向上させることができる。

また、前記外装２の内部は負圧であり、前記外装２の内部において、ラミネートパック３の内部が外部よりも低圧であることが好ましい。すなわち、図２に示すように、前記外装２の内部において、ラミネートパック３の内部の圧力Ｐ１は、ラミネートパック３の外部の圧力Ｐ２よりも低圧である（Ｐ１＜Ｐ２）ことが好ましい。これにより、電極体４が前記弾性力だけでなくラミネートパック３の内部と外部との圧力Ｐ１，Ｐ２の差によっても押圧されるので、電極体４の内部における接触抵抗が一層低減されて、その結果、電池性能を一層向上させることができる。

特に、これら圧力Ｐ１，Ｐ２がいずれも真空と言える程度に低圧であることが好ましい。この場合、ラミネートパック３の内部の真空度は、ラミネートパック３の外部の真空度よりも高いとも言える。これにより、仮に、前記外装２の外部が真空の場合でも、ラミネートパック３の内部と外部との真空度の差によっても電極体４が押圧されるので、電極体４の内部における接触抵抗が一層低減されて、その結果、電池性能を一層向上させることができる。

さらに、前記電極体４は、粉体材料で構成されていることが好ましい。電極体４が粉体材料で構成されている場合、前記二次電池１は全固体二次電池であるとも言える。粉体材料は押圧されることで、接触抵抗が大幅に低減されるとともに、充放電時の膨張および収縮が抑えられるので、前記電極体４が粉体材料で構成されていることにより、電池性能を一層向上させることができる。

次に、前記二次電池１の製造方法について、図３および図４に基づき説明する。

この製造方法は、図３に示すように、外装２に被収容物３，４を収容する収容工程を具備する。この収容工程により収容された被収容物３，４は、図１に示すように、前記外装２の表板２７および裏板２８から押圧されて挟み込まれる。前記外装２の表板２７および裏板２８は、前記外装２に被収容物３，４が収容されていない状態において、図３に示すように、いずれも、側板２９により端部２５で互いに接続されて、当該外装２の内部に向けて湾曲するとともに、端部２５よりも中央部２６の方が接近している。ここで、中央部２６とは、図３に示すように、表板２７および裏板２８において、これらを接続する２つの側板２９の中間およびその近傍である。なお、収容工程として、図３では表板２７、裏板２８および側板２９を有する外装２に被収容物３，４が収容されるとして示したが、表板２７、裏板２８の間に被収容物３，４を収容した（挟んだ）後で、これら表板２７、裏板２８の端部２５を側板２９で互いに接続してもよい。

前記外装２は、仮に表板２７および裏板２８が全面で平行であれば、内部の被収容物３，４に対し、側板２９から遠い中央部２６での弾性力による押圧が小さく、側板２９に近い端部２５での弾性力による押圧が大きくなる。しかしながら、図３に示すように、前述した形状の外装２であれば、弾性力により、中央部２６で十分に被収容物３，４を押圧するので、被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに端部２５から中央部２６に亘って略均一に押圧が加えられる。

前記外装２は、その形状が図３に示すものに限られず、収容した被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加えるものであればよい。例えば、前記外装２（具体的には、表板２７および裏板２８）の湾曲は、収容した被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加える程度に設定される。また、前記湾曲の曲率も、前記外装２に収容した被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加える程度に設定される。すなわち、表板２７および裏板２８が全面で平行である場合と比べて、前記曲率は、より大きな押圧が必要な中央部２６に近いほど小さく、より小さな押圧が必要な端部２５に近いほど大きい。

このように、前記二次電池１の製造方法によると、電極体４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧が加えられるので、電極体４の内部における接触抵抗が低減されて、その結果、電池性能を向上させることができる。

また、電極体４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加えるのに、外装２の弾性力を利用するので、前記押圧のための別途の構成が不要になる結果、小型化を図ることができる。

ここで、前記二次電池１の製造方法の好ましい構成について説明する。

図４に示すように、被収容物３，４を収容する前の外装２は、その表板２７および裏板２８が端部２５で平行であることが好ましい。この構成により、押圧が大きくなりがちな端部２５において、押圧が小さくなる。これにより、電極体４の表面および裏面のそれぞれにより均一に押圧が加えられるので、電極体４の内部における接触抵抗が低減されて、その結果、電池性能を一層向上させることができる。

さらに、図示しないが、被収容物３，４を収容する前の外装２は、その表板２７および裏板２８が四次関数の曲線に沿っていることが好ましい。この構成により、押圧が大きくなりがちな端部２５において、押圧が小さくなる。これにより、電極体４の表面および裏面のそれぞれにより均一に押圧が加えられるので、電極体４の内部における接触抵抗が低減されて、その結果、電池性能を一層向上させることができる。

もちろん、前記外装２は、図３および図４も含めて前述したように、表板２７および裏板２８の両方が湾曲したものに限られない。例えば、前記外装２に収容した被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加えるのであれば、湾曲するのは、表板２７および裏板２８のいずれか一方でもよい。

以下、前記実施の形態をより具体的に示した実施例に係る二次電池１について、図５に基づき説明する。本実施例では、前記実施の形態で省略した構成に着目して説明するとともに、前記実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、本実施例に係る二次電池１の被収容物３，４、つまり、外装２に収容されるものは、電極体４と、この電極体４を内部に密封するラミネートパック３とを有する。前記電極体４は、粉体材料を積層して構成された粉体積層体４７〜４９と、この粉体積層体４７〜４９をその表面および裏面から挟み込む集電体４ｐ，４ｎとを有する。前記粉体積層体４７〜４９は、正極層４８および負極層４７と、これら正極層４８および負極層４７に挟み込まれた固体電解質層４９とを有する。前記集電体４ｐ，４ｎは、前記正極層４８に接触する正極集電体４ｐと、前記負極層４７に接触する負極集電体４ｎとを有する。これら正極集電体４ｐおよび負極集電体４ｎは、完全にラミネートパック３および外装２の内部に収容されているのではなく、粉体積層体４７〜４９から電力を取り出すための露出部４ｅが、前記ラミネートパック３および外装２の外部にまで至っている。

前記外装２は、その弾性力により、前記被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに、略均一に押圧を加えるものである。また、ラミネートパック３の内部の圧力Ｐ１、および、外装２の内部で且つラミネートパック３の外部の圧力Ｐ２は、いずれも真空と言える程度に低圧であり、Ｐ１＜Ｐ２が維持されている。

より具体的には、本実施例に係る二次電池１が使用される真空環境下の圧力をＰ’、初期状態での外装２の容積をＶ、および、前記圧力Ｐ’での外装２の容積をＶ’とした場合、次の式（１）を満たすように、外装２の選定および圧力Ｐ１，Ｐ２の設定がされる。
Ｖ’／Ｖ ＜ Ｐ２／Ｐ１ ・・・・・ （１）

前記二次電池１が大気圧環境下で使用される場合、前記圧力Ｐ２も大気圧であれば、電極体４がラミネートパック３の内部と外部との真空度の差によって十分に押圧されるので、好ましい。一方で、前記二次電池１が真空環境下の圧力Ｐ’で使用される場合、前記圧力Ｐ２は１０００Ｐａ以下であれば、電極体４がラミネートパック３の内部と外部との真空度の差によって十分に押圧されるので、好ましい。いずれの場合であっても、前記圧力Ｐ１は、Ｐ２よりも小さく、且つ、１Ｐａ以下（より好ましくは１０^−２Ｐａ以下）であれば、電極体４がラミネートパック３の内部と外部との真空度の差によって十分に押圧されるので、好ましい。

以下、前記二次電池１の製造方法について、図６に基づき説明する。

まず、正極集電体４ｐの上に正極層４８、固体電解質層４９および負極層４７の順に形成していき、この負極層４７の上に負極集電体４ｎを配置することで、電極体４を構成する。または、負極集電体４ｎの上に負極層４７、固体電解質層４９および正極層４８の順に形成していき、この正極層４８の上に正極集電体４ｐを配置することで、電極体４を構成する。なお、電極体４の構成部材の１つに絶縁部材（樹脂材料）を使用する場合は、当該絶縁部材にエンジニアリングプラスチックを採用することが好ましい。

この電極体４は、（１）含有水分値が５００ｐｐｍ以下、（２）吸水率が０．１％以下、（３）アウトガスが１０μｇ／ｃｍ^２以下、の少なくとも１つを満たすように処理されることが望ましい。また、前記電極体４は、使用される雰囲気以上の温度で乾燥されることが好ましい。

そして、この電極体４をラミネートパック３の内部に入れ、図６に示すように、このラミネートパック３の一端部４５を封止しない状態で、当該ラミネートパック３を真空チャンバＣの内部に配置する。その後、真空チャンバＣに直列に接続された高真空ポンプＨおよび真空ポンプＶで吸引することにより、真空チャンバＣの内部を真空にしていく。ラミネートパック３の内部が所定の圧力Ｐ１になると、ラミネートパック３の一端部４５を封止することで、被収容物３，４を構成する。なお、高真空ポンプＨには、ターボ分子ポンプまたは油拡散ポンプなどが採用される。

次に、被収容物３，４を収容するための外装２を準備する。この外装２は、図３または図４に示すような、収容された被収容物３，４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加える形状である。そして、収容工程として、前記外装２に被収容物３，４を収容する。その後、図示しないが、外装２の内部を別途の真空ポンプなどにより所定の圧力Ｐ２にすることで、図５に示す二次電池１が製造される。

このように、本実施例に係る二次電池１およびその製造方法によると、電極体４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧が加えられるので、電極体４の内部における接触抵抗が低減されて、その結果、電池性能を一層向上させることができる。

また、電極体４の表面および裏面のそれぞれに略均一に押圧を加えるのに、外装２の弾性力を利用するので、前記押圧のための別途の構成が不要になる結果、小型化を図ることができる。

ところで、前記実施の形態および実施例を説明するための図２および図５では、圧力Ｐ１，Ｐ２を表示するための空間を示したが、これらは理解を容易にするための表示に過ぎず、必ずしも空間が必要であることを意味するものではない。

また、前記実施例を説明するための図５および図６では、粉体積層体４７〜４９を正極層４８、固体電解質層４９および負極層４７が１層ずつ積層されたものとして示したが、複数層ずつ積層されたものでもよい。また、図５および図６では、電極体４が有する粉体積層体４７〜４９を１つとして示したが、複数でもよい。

さらに、前記実施例では、前記二次電池１のラミネートパック３の内部を吸引する装置として、図６に示すように、真空チャンバＣに直列に接続された高真空ポンプＨおよび真空ポンプＶについて説明したが、ラミネートパック３の内部を真空にすることが可能であれば、どのような装置でもよい。

加えて、前記実施の形態および実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。前記実施の形態および実施例で説明した構成のうち「課題を解決するための手段」での第１の発明として記載した構成以外については、任意の構成であり、適宜削除および変更することが可能である。

１ 二次電池
２ 外装
３，４ 被収容物
３ ラミネートパック
４ 電極体
４ｐ 正極集電体
４ｎ 負極集電体
４ｅ 露出部
２５ 端部
２６ 中央部
２７ 表板
２８ 裏板
２９ 側板
４５ 一端部
４７〜４９ 粉体積層体
４７ 負極層
４８ 正極層
４９ 固体電解質層
Ｃ 真空チャンバ
Ｈ 高真空ポンプ
Ｖ 真空ポンプ

Claims (5)

1. 外装と、
   前記外装に収容される被収容物とを備え、
   前記被収容物は、電極体と、当該電極体を内部に密封するラミネートパックとを有し、
   前記外装は、その弾性力により、前記被収容物の表面および裏面のそれぞれに、略均一に押圧を加えるものであり、
   前記外装の内部が負圧であり、
   前記外装の内部において、前記ラミネートパックの内部が外部よりも低圧であり、
   前記外装の内部において、前記ラミネートパックの内部の圧力が１Ｐａ以下であり、且つ、当該ラミネートパックの外部の圧力が１０００Ｐａ以下であることを特徴とする二次電池。
2. 電極体は、粉体材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 外装に被収容物を収容する収容工程を具備し、
   収容された被収容物をその表面および裏面から押圧して挟み込む前記外装の表板および裏板は、前記外装に前記被収容物が収容されていない状態において、いずれも、側板により端部で互いに接続されて、前記表板および裏板の少なくとも一方が当該外装の内部に向けて湾曲するとともに、端部よりも中央部の方が接近していることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池の製造方法。
4. 外装の表板または裏板は、当該外装に被収容物が収容されていない状態において、端部で平行であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池の製造方法。
5. 二次電池の製造方法であって、
   前記二次電池は、外装と、当該外装に収容される被収容物とを備え、
   前記被収容物は、電極体と、当該電極体を内部に密封するラミネートパックとを有し、
   前記外装は、その弾性力により、前記被収容物の表面および裏面のそれぞれに、略均一に押圧を加えるものであり、
   前記二次電池の製造方法は、前記外装に被収容物を収容する収容工程を具備し、
   収容された被収容物をその表面および裏面から押圧して挟み込む前記外装の表板および裏板は、前記外装に前記被収容物が収容されていない状態において、いずれも、側板により端部で互いに接続されて、前記表板および裏板の少なくとも一方が当該外装の内部に向けて湾曲するとともに、端部よりも中央部の方が接近し、
   前記外装の表板または裏板は、当該外装に被収容物が収容されていない状態において、端部で平行であることを特徴とする二次電池の製造方法。

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