JP7087920B2 - 積層電池の製造方法 - Google Patents

Description

本願は積層電池の製造方法を開示するものである。

近年、電池に要求される出力を満足する電子伝導性及びイオン伝導性を確保するために活物質層の厚みを厚くし、さらに電池の容量密度を向上させるために集電箔及び絶縁層（電解質層）の厚みを極力薄くすることが求められている。しかしながら、絶縁層を薄くすると正極層と負極層との間の短絡が懸念される。そのため、図１のように正極活物質層及び負極活物質層の層間方向の長さよりも、絶縁層の層間方向の長さを長くし、絶縁性を向上させる積層構造（異径構造）とすることが一般的に採用されている。

一方で、図１のような積層電池では、集電箔が活物質層に接している面積のみ電池として機能するため、集電箔の層間方向の長さよりも外側に位置する部分は余剰であり、このような余剰部位の長さ（余剰寸法）が長くなるほど、電池の容量密度が低下する。そのため、図２に示されているように、余剰部位が切断され、全層同一な面積で積層されている電池（同径構造）が求められている。

特許文献１には、図２のような同径構造の積層電池の製造方法が開示されており、電極材料を積層しプレスした後に、積層体の端部を切断することにより積層電池を作製することが記載されている。また、切断方法については、積層体の積層方向に沿って切断することが記載されており、これにより加工時間を短縮することが図られている。
特許文献２にも、図２のような同径構造の積層電池の製造方法が開示されており、同文献には、切断部材の刃を層構造体の層方向に略平行な方向に移動させて層構造体を切断することにより、層構造体の電気的短絡を抑制できることが記載されている。

特開２０００－９０９４０号公報 特開２００８－２０７６０号公報

特許文献１に記載の方法では、積層体の積層方向に沿って切断することになるため、切断面に生じたバリや電極崩れが絶縁層を超えて正極層から負極層、又は負極層から正極層に延びてしまい、短絡する虞がある。
特許文献２に記載の方法では、切断部材の刃を層構造体の層方向に略平行な方向に移動させて層構造体を切断しているため、層構造体の電極間における短絡は抑制可能であるが、切断時間が長くなる問題が生じる。また、このような切断方法では、切断部材の刃の単位幅に対して掛かる力が大きくなり、切断部材の寿命に影響する問題がある。

そこで本願では、短絡を抑制することが可能な積層電池の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、切断時の切り取り刃と電極積層体との関係を所定の式を満たすように設定することにより、切断時の短絡を抑制し、かつ、切断時間を低減することが可能なことを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本願は上記した課題を解決するための一つの手段として、
正極層と、負極層と、正極層及び負極層の間に配置される絶縁層とを有する電極積層体を切り取り刃で切断する工程を備え、切断する工程は、切断時の切り取り刃の進行方向と電極積層体の層間方向との成す角をθ_１、絶縁層の厚みをｔ、電極積層体を切断する際に切り取り刃に発生する振動の振幅をＡ、切り取り刃に発生する振動の方向と電極積層体の層間方向との成す角をθ_２とし、さらに、θ_１＝９０°において電極積層体を切り取り刃で切断したときの最大バリ崩れ寸法をｈとしたとき、
下記式（１）を満たすことを特徴とする、積層電池の製造方法を開示する。
ｔ＞ｈｓｉｎθ_１＋Ａｓｉｎθ_２・・・（１）

上記積層電池の製造方法によれば、電極積層体切断時の短絡を抑制することができる。また、電極積層体の層間方向に沿って切断した場合に比べて、切断時間を低減することができ、さらに切り取り刃の単位幅に対して掛かる力が小さくなるため、切り取り刃の寿命を延長させることができる。

異径構造の積層電池の断面概略図である。 同径構造の積層電池の断面概略図である。 積層電池の製造方法１０のフローチャートである。 電極積層体１の断面概略図である。 切断工程Ｓ１の様子を説明する図である。 バリ崩れを説明する図である。

本開示の積層電池の製造方法について、一実施形態である積層電池の製造方法１０（以下、「製造方法１０」ということがある。）を用いて説明する。

＜製造方法１０＞
図３に示したとおり、製造方法１０は電極積層体１を切り取り刃で切断する切断工程Ｓ１を備えており、電極積層体１を切断することにより積層電池が製造される。
以下において、切断工程Ｓ１について詳しく説明するが、まずは電極積層体１から説明する。

（電極積層体１）
電極積層体１は、正極層２と、負極層３と、正極層２及び負極層３の間に配置される絶縁層４とを有している。図４に電極積層体１の断面図を示した。
図４に示されているように、正極層２は正活物質層２ａと正極集電箔２ｂとを有し、正極活物質層２ａの面のうち絶縁層４が配置されている側とは反対側の面に正極集電箔２ｂが積層されている。負極層３も同様に、負極活物質層３ａと負極集電箔３ｂとを有し、負極活物質層３ａの面のうち絶縁層４が配置されている側とは反対側の面に負極集電箔３ｂが積層されている。
正極活物質層２ａ、正極集電箔２ｂ、負極活物質層３ａ、負極集電箔３ｂ、絶縁層４を構成する材料は、公知の材料を採用することができる。

以上、電極積層体１について説明したが、本開示の積層電池の製造方法に用いることができる電極積層体は、上記の電極積層体１に限定されず、公知の電極積層体の構造を採用することができる。
例えば、電極積層体１の積層構造の各層間に他の層が積層されていてもよい。また、図４の電極積層体１では正極層、負極層、絶縁層がそれぞれ１つずつ積層されている形態を示したが、これに限定されず、正極層、負極層、絶縁層が２つ以上積層されている形態であってもよい。さらに、図４の電極積層体１は異径構造であるが、これに限定されず、同径構造であってもよい。

（切断工程Ｓ１）
次に切断工程Ｓ１について説明する。
切断工程Ｓ１は電極積層体１を切り取り刃５で切断する工程であり、切断時の切り取り刃５の進行方向と電極積層体１の層間方向との成す角をθ_１、絶縁層４の厚みをｔ、電極積層体１を切断する際に切り取り刃５に発生する振動の振幅をＡ、切り取り刃５に発生する振動の方向と電極積層体１の層間方向との成す角をθ_２とし、さらに、θ_１＝９０°において電極積層体を切り取り刃５で切断したときの最大バリ崩れ寸法をｈとしたとき、下記式（１）を満たすことを特徴としている。
ｔ＞ｈｓｉｎθ_１＋Ａｓｉｎθ_２・・・（１）

以下、式（１）の各要素について、図５を用いて詳しく説明する。図５は切断工程Ｓ１において電極積層体１を切り取り刃５で切断する様子を示した図であり、図５に示されている電極積層体の図は図４のＶの方向から見た図である。

図５に記載されているように、切断時の切り取り刃５の進行方向と電極積層体１の層間方向との成す角がθ_１である。ここで「層間方向」とは、切断する電極積層体１の断面における電極積層体１の各層間の界面に沿った方向であり、具体的には切断する電極積層体１の断面における電極積層体１の積層方向に直交する方向である。角度θ_１は０°＜θ１＜９０°であることが好ましい。
絶縁層４の厚みｔは、電極積層体１の積層方向における絶縁層４の長さである。
電極積層体１を切断する際に切り取り刃５に発生する振動の振幅Ａとは、例えば電極積層体１を切断する際に、超音波等を用いて切り取り刃５を振動させた場合の該振動の振幅である。
また、切り取り刃５に発生する振動方向と電極積層体１の層間方向との成す角がθ_２である。角度θ_２は０°＜θ_２＜９０°であることが好ましい。なお、切り取り刃５に発生する振動の方向とは、上記超音波等によって発生する切り取り刃５の振動の方向である。図５には切り取り刃５が紙面左右方向に振動している例を示している。

また、θ_１＝９０°において電極積層体を切り取り刃５で切断したときの最大バリ崩れ寸法ｈとは、切り取り刃５を電極積層体１の積層方向に沿った方向（θ_１＝９０°）に進行させて電極積層体１を切断したときの最大バリ崩れ寸法ｈであり、切断工程Ｓ１の前に予め試験をして求めておくものである。
「バリ崩れ」とは、切断時における集電箔（正極集電箔、負極集電箔）のバリ、及び活物質層（正極活物質層、負極活物質層）の崩れの総称である。図６にバリ崩れを説明する図を示した。図６に示したように、電極積層体１を切断すると、このようなバリ崩れＡやバリ崩れＢが発生する場合がある。そして、例えばバリ崩れＢのように、正極活物質層２ａが絶縁層４を超えて負極活物質層３ａに接触すると電池が短絡する。このように、正極層２及び負極層３が絶縁層４を超えて接触すると、電池に短絡が発生する。切断工程Ｓ１では、このようなバリ崩れによる電池の短絡を抑制することができる。
ここで「バリ崩れ寸法」とは、絶縁層４の面のうち切り取り刃５に最初に接触する面を基準として、該基準からバリ崩れの先端までの積層方向の長さであり、「最大バリ崩れ寸法」とは、得られたバリ崩れ寸法のうち最大のものである。

以上に説明した要素を、式（１）を満たすように設定することにより、電極積層体１を切断する際の短絡を抑制することができる。理由は次のとおりである。
式（１）のｈｓｉｎθ_１は切り取り刃５の進行によるバリ崩れの絶縁層の厚み方向成分（積層方向成分）の最大寸法を表している。Ａｓｉｎθ_２は、切り取り刃５の振動によるバリ崩れの絶縁層の厚み方向成分の最大寸法を表している。振動の影響によって発生するバリ崩れが、切り取り刃５の振動範囲よりも広い範囲で発生しないためである。よって、ｈｓｉｎθ_１、Ａｓｉｎθ_２の和は切断によって発生する、絶縁層の厚み方向成分のバリ崩れ寸法の最大値を表している。そのため、これらの和が絶縁層の厚みｔよりも小さくなることにより、必ずバリ崩れ寸法よりも絶縁層の厚みが厚くなることから、バリ崩れが起きたとしても、正極層２及び負極層３が接触することが抑制される。従って、製造方法１０によれば、積層電池の短絡を抑制することが可能となる。

また、製造方法１０によれば、電極積層体１の層間方向に沿って切断した場合に比べて、切断時間を低減することができ、さらに切り取り刃５の単位幅に対して掛かる力が小さくなるため、切り取り刃５の寿命を延長させることができる。

なお、式（１）においてＡｓｉｎθ_２の項は０であってもよい。すなわち、切り取り刃５は電極積層体１の切断時に振動していなくてもよい。この場合であっても、上記の効果を奏することが、発明者らによって確認されている。切り取り刃５を振動させる理由は、切断性向上のためである。このような切り取り刃５としては、超音波カッター等を挙げることができる。

また、電極積層体１を切断する部位は特に限定されないが、電極積層体１が図４のように余剰部位を有する場合、当該余剰部位が無くなるように切断することが好ましい。

さらに、切断工程Ｓ１は、電極積層体１の切断を１回のみ行っても良く、複数回行ってもよい。

１ 電極積層体
２ 正極層
２ａ 正極活物質層
２ｂ 正極集電箔
３ 負極層
３ａ 負極活物質層
３ｂ 負極集電箔
４ 絶縁層
５ 切り取り刃

Claims (1)

1. 正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に配置される絶縁層とを有する電極積層体を切り取り刃で切断する工程を備え、
   前記切断する工程は、
   切断時の前記切り取り刃の進行方向と前記電極積層体の層間方向との成す角をθ_１、前記絶縁層の厚みをｔ、前記電極積層体を切断する際に前記切り取り刃に発生する振動の振幅をＡ、前記切り取り刃に発生する前記振動の方向と前記電極積層体の前記層間方向との成す角をθ_２とし、
   θ _１ は０°＜θ _１ ＜９０°であり、θ _２ は０°＜θ _２ ＜９０°であり、
   さらに、θ_１＝９０°において前記電極積層体を前記切り取り刃で切断したときの最大バリ崩れ寸法をｈとしたとき、
   下記式（１）を満たすことを特徴とする、
   積層電池の製造方法。
   ｔ＞ｈｓｉｎθ_１＋Ａｓｉｎθ_２・・・（１）

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