JP7011779B2

JP7011779B2 - ラミネート型電池の製造方法

Info

Publication number: JP7011779B2
Application number: JP2018049624A
Authority: JP
Inventors: 晃一谷本; 聡美山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: JP2019160740A

Description

本発明は、外装体にラミネートフィルムを使用したラミネート型電池の製造方法に関する。

電池の一形態として、ラミネートフィルム外装体に電極体が収容されて構成されているラミネート型電池が知られている（特許文献１、２参照）。ラミネートフィルム外装体は厚みが薄く、形状が容易に変形する。また一般に、表面が平滑で、摩擦が小さい。このため、ラミネート型電池は、組立時にラミネートフィルム外装体に対する電極体の位置がずれ易く、組み立てが難しい。言い換えれば、組立性が悪い。これに関連して、例えば特許文献１には、ラミネートフィルム外装体に接着テープで電極体を固定することにより、電極体の移動を抑えてラミネート型電池の組立性を向上し得る旨が記載されている。

特開２０１６－１７０９６６号公報特開２０１７－０３３９２１号公報

しかし、上記方法では接着テープの分だけ電池の重量や体積が増加する課題がある。このため、ラミネート型電池の組み立てにあたっては、重量や体積の増加を回避しつつ組立性を向上する新たな技術が求められていた。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、重量や体積の増加を回避しつつ組立性を向上することのできるラミネート型電池の製造方法を提供することにある。

本発明によって、ラミネートフィルム外装体に電極体が収容されてなるラミネート型電池の製造方法が提供される。かかる製造方法は、上記ラミネートフィルム外装体の上記電極体と接する部分に親水化処理を施した後、上記ラミネートフィルム外装体と上記電極体とを重ね合わせた状態で加熱しながら押圧して、上記ラミネートフィルム外装体と上記電極体とを接合することを包含する。

上記製造方法では、ラミネートフィルム外装体と電極体とを相互に接合して、物理的に一体化する。このことにより、ラミネートフィルム外装体に対して電極体の位置が固定され、電極体の位置がずれ難くなる。また、上記製造方法では、電極体をラミネートフィルム外装体に固定するための部材（例えば接着テープ）が不要となる。そのため、電池の重量や体積の増加を回避しつつ、組立性を向上することができる。

一実施形態に係るラミネート型電池の外形を模式的に示す側面図である。図１の（II）の部分を拡大して模式的に示す要部断面図である。

以下、適宜図面を参照しながら、ここに開示される製造方法の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここに開示される製造方法は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は、必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。
また、本明細書において範囲を示す「Ａ～Ｂ（ただし、Ａ，Ｂは任意の値。）」の表記は、Ａ以上Ｂ以下を意味するものとする。

ここでは、まずラミネート型電池の構成について説明し、次いで一実施形態に係るラミネート型電池の製造方法について説明する。
なお、本明細書において、「ラミネート型電池」とは、ラミネートフィルムを外装体として利用し、その内部に電極体を収容した構成の電池全般をいう。ラミネート型電池は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等の蓄電池（二次電池）であってもよく、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子であってもよい。

＜ラミネート型電池＞
図１は、一実施形態に係るラミネート型電池（以下、単に「電池」ということがある。）１の外形を模式的に示す側面図である。図２は、図１の（II）の部分を拡大して模式的に示す要部断面図である。なお、図２では電極体２０の構造についての図示を省略している。電池１は、ここでは全固体電池である。電池１は、ラミネートフィルム外装体１０と、ラミネートフィルム外装体１０に収容されている電極体２０と、を備えている。ラミネートフィルム外装体１０は、袋状であり、電極体２０を収容する収容空間の周縁が熱溶着（ヒートシール）されることにより封止されている。ラミネートフィルム外装体１０の外部には、正極端子１ａと図示しない負極端子とが突出している。正極端子１ａと負極端子とは、ラミネートフィルム外装体１０の内部から外部に延びている。正極端子１ａと負極端子とは外部端子である。

ラミネートフィルム外装体１０は、電極体２０を収容する絶縁性の容器である。ラミネートフィルム外装体１０の構成は従来公知と同様でよく、特に限定されない。ラミネートフィルム外装体１０は、典型的には多層構造を有するラミネートフィルムで構成されている。本実施形態のラミネートフィルム外装体１０は３層構造であり、電極体２０に近い側から、シーラント層１１と、ガスバリア層１２と、保護層（外層）１３と、がこの順に積層されて構成されている。

シーラント層１１は、熱溶着を可能にするための層である。シーラント層１１は、ラミネートフィルム外装体１０の最内層、すなわち、電極体２０に最も近い側に位置している。シーラント層１１は、例えば、熱可塑性樹脂で構成されている。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル；等の結晶性樹脂や、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等の非結晶性樹脂が挙げられる。なかでも、ここに開示される技術の効果をより高いレベルで発揮する観点から、結晶性樹脂、特にはポリオレフィンが好ましい。

ガスバリア層１２は、電池１の内外で、湿気や空気あるいは電池１の内部で発生したガスの出入りを遮断する層である。ガスバリア層１２は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属材料で構成されている。なかでも、コストや軽量化の観点から、アルミニウムが好ましい。ガスバリア層１２は、例えば、アルミニウム箔やアルミニウム蒸着層であってもよい。

保護層１３は、ラミネートフィルム外装体１０の耐久性を向上するための層である。保護層１３は、ガスバリア層１２よりも外表面側に位置している。保護層１３は、ラミネートフィルム外装体１０の最外層であってもよい。保護層１３は、例えば、ＰＥＴ等のポリエステル、ポリアミド（ナイロン）等で構成されている。

なお、本実施形態では、一例として、ラミネートフィルム外装体１０が、シーラント層１１とガスバリア層１２と保護層１３とで構成される３層構造である場合について説明した。ただし、ラミネートフィルム外装体１０の多層構造は、４層以上、例えば４～１０層であってもよい。一例として、上記した層と層との間に、両層を相互に接着するための接着層を備えていてもよい。接着層は、例えばポリアミド（ナイロン）等の樹脂で構成されていてもよい。また、他の一例として、保護層１３の上に、例えば最外層として、さらに印刷層、難燃層、表面保護層等を備えていてもよい。

電極体２０は、図示しない正極と負極と固体電解質層とを備えている。固体電解質層は、正極と負極との間に介在されている。電極体２０の構成は従来公知と同様でよく、特に限定されない。電極体２０は、典型的には、矩形状の正極と矩形状の負極とが固体電解質層を介して積み重ねられている積層型の電極体（積層電極体）である。ただし、電極体２０は、帯状の正極と帯状の負極とが固体電解質層を介して積み重ねられ、長手方向に捲回されてなる捲回型の電極体（捲回電極体）であってもよい。また、電極体２０は、例えば正極および／または負極の表面に、さらに絶縁層等の層を備えていてもよい。

正極は、正極集電体と当該正極集電体に固着された正極活物質層とを備えていてもよい。正極集電体は、導電性の良好な金属、例えばアルミニウムからなる導電性部材である。正極活物質層は、少なくとも電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な正極活物質を含んでいる。正極活物質は、例えばリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物である。正極活物質層は、さらに他の成分、例えば後述する固体電解質材料や、導電材、バインダ等を含んでいてもよい。

負極は、負極集電体と当該負極集電体に固着された負極活物質層とを備えていてもよい。負極集電体は、導電性の良好な金属、例えば銅からなる導電性部材である。負極活物質層は、少なくとも電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な負極活物質を含んでいる。負極活物質は、例えば黒鉛等の炭素材料である。負極活物質層は、さらに他の成分、例えば後述する固体電解質材料や、バインダ、増粘剤等を含んでいてもよい。

固体電解質層は、イオン伝導性を有する固体電解質材料を含んでいる。固体電解質材料は、結晶質であっても非晶質（ガラス質）であってもよい。電池１がリチウムイオン二次電池である場合、固体電解質層は、Ｌｉイオン伝導性を有する固体電解質材料を含んでいる。Ｌｉイオン伝導性を有する固体電解質材料としては、例えば、Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５系、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２系等の硫化物系固体電解質や、Ｌａ_０．５１Ｌｉ_０．３４ＴｉＯ_２．９４、Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３等の酸化物系固体電解質等が挙げられる。

なお、本実施形態では、一例として、電池１が全固体電池である場合について説明した。ただし、電池１は、例えば液状の電解質（電解液）を有する液系の二次電池であってもよい。その場合、電極体２０は、正極と負極とがセパレータ等の絶縁部材を介して対向された構成であってもよい。また、ラミネートフィルム外装体１０の内部には、電極体２０に加えて電解液が収容されていてもよい。電解液は、例えば、カーボネート類やエステル類等の非水溶媒と、電荷担体を生成するリチウム塩等の支持塩とを含んでいてもよい。

本実施形態では、ラミネートフィルム外装体１０の電極体２０と接する側の表面、具体的にはシーラント層１１の表面に、親水部１１ａが設けられている。そして、電極体２０とラミネートフィルム外装体１０とが、親水部１１ａを介して接合されている。このことにより、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とが物理的に一体化されている。言い換えれば、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とが接合体となっている。なお、本明細書において「接合」とは、上下を反転させたときに落下しない程度の一体性を有することをいう。以下、このような電池１の製造方法について説明する。

＜ラミネート型電池の製造方法＞
ここに開示される製造方法は、ラミネートフィルム外装体１０の電極体２０と接する部分に親水化処理を施した後、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを重ね合わせた状態で加熱しながら押圧して、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを接合することを特徴とする。このこと以外は、従来の一般的な構築プロセスを適宜採用し得る。本実施形態の製造方法は、以下の３つの工程：（１）ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを用意する用意工程；（２）ラミネートフィルム外装体１０を親水化処理する親水化処理工程；（３）ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを加熱しながら押圧する加熱押圧工程；を包含する。なお、これら工程に加えて、任意の段階で他の工程を含むことは妨げられない。以下、各工程について順に説明する。

（１）用意工程では、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを用意する。ラミネートフィルム外装体１０は、例えば、市販品を購入することで用意することができる。ラミネートフィルム外装体１０は、典型的には、平面視において電極体２０よりも大きい面積を有する、矩形状の平面シートである。また、電極体２０は、例えば、次の工程：正極活物質と固体電解質材料と溶媒とを含んだ正極スラリーを正極集電箔上に塗工し、乾燥して、正極を作製する工程；負極活物質と固体電解質材料と溶媒とを含んだ負極スラリーを負極集電箔上に塗工し、乾燥して、負極を作製する工程；上記作製した正極および／または負極、あるいはキャリアシートの表面に、固体電解質材料を含んだ固体電解質層を成形する工程；上記正極と上記負極とを、上記固体電解質層を介在させた状態で積層し、積層方向から押圧プレスする工程；を包含する製造方法によって、作製することができる。そして、電極体２０の正極には正極端子１ａが、負極には負極端子が、それぞれ取り付けられる。

（２）親水化処理工程では、ラミネートフィルム外装体１０の電極体２０と接する側の表面、具体的にはシーラント層１１の表面を親水化処理する。なお、本明細書において「親水化処理」とは、シーラント層１１の表面を改質して、親水性を高める処理全般をいう。すなわち、当該処理を施すことによって、処理前よりもシーラント層１１の親水性が高められる処理をいう。親水化処理は、例えば、水酸基やカルボキシル基のような酸素（Ｏ）を含む酸素含有基をシーラント層１１の表面に導入する化学的処理である。なお、シーラント層１１の親水性は、例えば、水の静止接触角（濡れ性）によって把握し得る。

本工程において、親水化処理を施す領域（範囲）は、後述する加熱押圧工程で電極体２０と接する領域を含むように設定する。平面視において、親水化処理を施す領域は、電極体２０のシーラント層１１と接する側の表面の大きさ以上、具体的には、正極あるいは負極の表面積以上に設定するとよい。ただし、親水化処理を施す領域は、正極あるいは負極の表面積よりも小さく設定してもよい。平面視において、親水化処理は、例えば、シーラント層１１の全面に施してもよいし、対向する正極あるいは負極の表面積と同じサイズで施してもよい。親水化処理は、シーラント層１１の表面に連続的に施してもよく、ドット状、縞状のように不連続に施してもよい。

親水化処理の方法は従来公知と同様でよく、特に限定されない。親水化処理は、例えば、酸素ガス（Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）、酸化物イオン（Ｏ^２－）、酸素ラジカル、酸素プラズマ等の酸素を含む化学種をシーラント層１１の表面に供給することを含む処理である。親水化処理の具体例として、コロナ放電処理、プラズマ処理、紫外線照射処理、オゾン処理等が挙げられる。なかでもコロナ放電処理が簡便で好ましい。

コロナ放電処理は、例えば、スパークギャップ方式、真空管方式、ソリッドステート方式等の一般的なコロナ放電処理装置を用いて行うことができる。コロナ放電処理装置の一例では、放電電極と、接地された対極誘電体ロールとの間に電圧を印加して、コロナ放電を生じさせる。コロナ放電処理の条件は、シーラント層１１の表面に所望の親水性が付与されるように適宜調整すればよく、特に限定されない。一例として、シーラント層１１がＰＰ等のポリオレフィンで構成されている場合は、コロナ放電密度を、概ね５０～１５０Ｗ／ｍ^２／ｍｉｎに設定するとよく、例えば８０±２０Ｗ／ｍ^２／ｍｉｎとし得る。また、他の一例として、シーラント層１１がＰＥＴ等のポリエステルで構成されている場合は、コロナ放電密度を、概ね５～５０Ｗ／ｍ^２／ｍｉｎに設定するとよく、例えば１０±５Ｗ／ｍ^２／ｍｉｎとし得る。また、処理時間は、生産性やコストの観点から、概ね１０分以内、典型的には５分以内、例えば０．１秒～１分とし得る。
以上のようにして、ラミネートフィルム外装体１０のシーラント層１１に親水化処理を施して、親水部１１ａを形成することができる。

（３）加熱押圧工程では、まず、ラミネートフィルム外装体１０のシーラント層１１の側を電極体２０と対向させて、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを重ね合わせる。このとき、シーラント層１１の親水部１１ａが、電極体２０と接触するように配置する。電極体２０は、正極側がシーラント層１１に対向するように配置してもよく、負極側がシーラント層１１に対向するように配置してもよい。また、例えば電池１が液系の二次電池である場合等には、セパレータ等の絶縁部材がシーラント層１１に対向するように配置してもよい。次に、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを加熱しつつ、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを重ね合わせた方向（図２のＸ方向）から押圧する。加熱や押圧の条件は、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とが接合されるように適宜調整すればよく、特に限定されない。一例として、加熱温度は、概ね４０℃以上、典型的には４０～８０℃、例えば６０±１０℃とし得る。また、押圧時の圧力（プレス圧）は、概ね５ＭＰａ以上、典型的には１０～１００ＭＰａ、例えば３０±１０ＭＰａとし得る。
以上のようにして、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを接合して、これらが物理的に一体化された接合体を得ることができる。

次に、接合体の電極体２０の側に、もう１枚の（親水化処理の施されていない）ラミネートフィルム外装体を被せて、電極体２０の全体をラミネートフィルム外装体で覆う。そして、ラミネートフィルム外装体の収容空間の周縁を熱溶着する。
以上のようにして、電池１を作製することができる。

このように、上記製造方法では、シーラント層１１に親水部１１ａを形成した後、当該親水部１１ａを介してラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とを接合し、物理的に一体化する。このことにより、電極体２０をラミネートフィルム外装体１０に固定するための接着テープや接着剤等の固定部材が不要となる。したがって、電池１の重量や体積の増加を回避しつつ組立性を向上することができる。その結果、電池１の生産性を高めて、生産コストを低減することができる。また、電池１を軽量化あるいは省スペース化して、単位重量あたり、あるいは単位体積あたりの電池特性（例えば電池容量）を向上することができる。さらには、電池１の状態において、ラミネートフィルム外装体１０の内部で電極体２０の移動が抑制され、安定的に電池性能を発揮することができる。

なお、上記した実施態様では、電極体２０のＸ方向の片側の面のみをラミネートフィルム外装体１０と接合するようにしていたが、これには限定されない。例えば、（２）親水化処理工程において、２枚のラミネートフィルム外装体１０のシーラント層１１にそれぞれ親水化処理を施し、（３）加熱押圧工程において、親水化処理を施した２枚のラミネートフィルム外装体１０の間に電極体２０を挟み込んで、加熱押圧してもよい。これにより、ラミネートフィルム外装体１０と電極体２０とラミネートフィルム外装体１０とをこの順に接合して、これらが物理的に一体化された接合体を得ることができる。電極体２０のＸ方向の両面をラミネートフィルム外装体１０と接合することで、ラミネートフィルム外装体１０に対する電極体の位置が一層安定する。このため、ここに開示される技術の効果をより高いレベルで発揮することができる。

電池１は、各種用途に利用可能であるが、例えば車両に搭載されるモーター用の動力源（駆動用電源）として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等が挙げられる。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１ラミネート型電池（電池）
１０ラミネートフィルム外装体
１１シーラント層
１１ａ親水部
２０電極体

Claims

ラミネートフィルム外装体に電極体が収容されてなるラミネート型電池の製造方法であって、前記ラミネートフィルム外装体の前記電極体と接する部分に親水化処理を施した後、前記ラミネートフィルム外装体と前記電極体とを重ね合わせた状態で加熱しながら押圧して、前記ラミネートフィルム外装体と前記電極体とを接合することを包含する、ラミネート型電池の製造方法。