JP7324405B2

JP7324405B2 - ラミネート型電池の製造方法

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Publication number: JP7324405B2
Application number: JP2020024586A
Authority: JP
Inventors: 昌義石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: JP2021128919A

Description

本発明は、ラミネート外装体の内部に発電要素を封止するラミネート型電池の製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池等の電池は、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。電池の一例として、フィルム状のラミネート外装体の内部に発電要素を封止するラミネート型電池が知られている。ラミネート型電池では、発電要素に電気的に接合される端子が、ラミネート外装体の内部から外方に突出された状態で、対向配置されたラミネート外装体の縁部同士が溶着される。その結果、発電要素がラミネート外装体の内部に封止される。例えば、特許文献１に開示されている溶着装置は、一対の金型の各々の平坦面の間に、ラミネート外装体を挟み込んで溶着する。

特開２０１１－１８１３９０号公報

ラミネート型電池を製造する場合には、前述したように、端子をラミネート外装体の内部から外方に突出させた状態で、対向配置されたラミネート外装体を溶着する必要がある。従来のように、平坦面の間にラミネート外装体を挟み込んで溶着を行う場合には、対向配置されたラミネート外装体のうち、端子が存在する部分と端子が存在しない部分の境界に隙間が生じ、溶着の品質が低下する場合があった。

本発明の典型的な目的は、端子を内部から外方に突出させた状態で、ラミネート外装体を適切に溶着することが可能なラミネート型電池の製造方法を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様のラミネート型電池の製造方法は、電極体を含む発電要素と、上記発電要素に電気的に接続される端子と、フィルム状に形成され、上記端子を外方に突出させた状態で上記発電要素を内部に封止するラミネート外装体と、を備えたラミネート型電池の製造方法であって、上記ラミネート外装体の一対の幅広面の間に、上記端子を外方に突出させた状態で上記発電要素が配置されたアセンブリを準備する準備工程と、耐熱性および弾性を有する材質によって形成され、且つ加圧された流体が導入される加圧室を備える加熱圧縮部材を、上記アセンブリに接触させて、上記アセンブリにおける上記ラミネート外装体のうち少なくとも上記端子を挟み込む縁部を溶着する溶着工程と、を含み、上記溶着工程では、上記加熱圧縮部材の上記加圧室を、上記縁部の伸長方向のうち上記端子が位置する部位の端部に対向させた状態で、加圧された上記流体を上記加圧室に導入して上記縁部を圧縮しつつ、上記縁部を加熱することを特徴とする。

本開示に係るラミネート型電池の製造方法では、溶着工程に使用される加熱圧縮部材は、耐熱性および弾性を有する材質によって形成されており、且つ、加圧された流体（以下、「加圧流体」という場合もある）が導入される加圧室を備える。加圧室に加圧流体が導入されると、弾性を有する加熱圧縮部材の加圧室が膨張する。溶着工程では、ラミネート外装体の縁部の伸長方向のうち、端子が位置する部位の端部に加圧室が対向するように、加熱圧縮部材がアセンブリに接触される。従って、加圧室が加圧流体によって膨張すると、アセンブリに接触する加圧室の壁面が、ラミネート外装体を端子側に押圧する。その結果、ラミネート外装体のうち、端子が存在する部分と端子が存在しない部分の間の境界に隙間が生じることが抑制された状態で、ラミネート外装体が溶着される。よって、端子が内部から外方に突出した状態で、ラミネート外装体が適切に溶着される。

溶着工程は、溶着する縁部に対して一対の加熱圧縮部材を両側から挟み込んで接触させた状態で実行されてもよい。この場合、各々の加熱圧縮部材の加圧室の壁面が、端子を挟み込むように対向配置されたラミネート外装体を、厚み方向両側から端子に向けて押圧する。その結果、端子近傍に隙間が生じることがさらに抑制される。ただし、溶着する縁部の両面の一方にのみ加熱圧縮部材を接触させる場合でも、隙間の発生は適切に抑制される。

加熱圧縮部材は、複数の加圧室を備えていてもよい。溶着工程は、加熱圧縮部材における複数の加圧室の間に位置する非膨張部を、アセンブリの縁部の伸長方向のうち端子の中央部に対向させた状態で実行されてもよい。この場合、端子の中央部には、非膨張部によってラミネート外装体が押圧されると共に、端子の端部には、ラミネート外装体が加圧室の壁面によって押圧される。よって、端子の端部に加えて、端子の中央部でもラミネート外装体が適切に溶着される。ただし、加熱圧縮部材に設けられる加圧室の数は１つであってもよい。加圧室は、縁部の伸長方向のうち端子の中央部および端部の両方に対向して配置されてもよい。この場合でも、ラミネート外装体の隙間の発生は適切に抑制される。

溶着工程では、加熱された流体を加圧室に導入することで、縁部が加熱されてもよい。この場合、加圧室に導入される流体の熱によって、ラミネート外装体がより適切に溶着される。

紙面手前側のラミネート外装体３０を省略した状態の、ラミネート型電池１の正面図である。縁部３１の溶着が実行される直前の、ラミネート型電池１および溶着装置５０の斜視図である。溶着が完了した状態の、ラミネート型電池１の縁部３１および溶着装置５０の、ラミネート型電池１における厚み方向の断面図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。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。本発明は、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。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、リチウムイオン二次電池をラミネート型電池として構成した場合を例示して、本開示に係るラミネート型電池の製造方法について詳細に説明する。ただし、本開示に係るラミネート型電池の製造方法を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。例えば、本開示で例示する製造方法によって、固体の電解質を用いた全固体電池、または、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子が製造されてもよい。

図１を参照して、本実施形態のラミネート型電池１の構成について説明する。本実施形態のラミネート型電池１は、電極体１０、電解質（図示せず）、外部端子（正極外部端子２０Ａおよび負極外部端子２０Ｂ）、およびラミネート外装体３０を備える。電極体１０と電解質は、ラミネート型電池１の発電要素となる。電極体１０と電解質は、ラミネート外装体３０の内部に封止される。

電極体１０の構成は従来公知の電池と同様の構成で良く、特に限定されない。本実施形態の電極体１０は積層型の電極体であり、シート状の正極体１１Ａおよび負極体１１Ｂを、それぞれ１枚以上、典型的にはそれぞれ複数備えている。正極体１１Ａと負極体１１Ｂは、互いに絶縁された状態で交互に積層されている。なお、電極体１０の構成を変更することも可能である。例えば、電極体１０は、積層された正極体１１Ａと負極体１１Ｂが捲回された捲回型の電極体であってもよい。

正極体１１Ａは、典型的には、正極集電体と、その表面に形成された正極活物質層とを備える。本実施形態の正極集電体にはアルミニウムが採用されている。正極活物質層は、正極活物質（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）を含む。負極体１１Ｂは、典型的には、負極集電体と、その表面に形成された負極活物質層とを備える。本実施形態の負極集電体には銅が採用されている。負極活物質層は、負極活物質（例えば、黒鉛等の炭素材料）を含む。正極体１１Ａと負極体１１Ｂの間には、セパレータが配置されていてもよい。セパレータは、正極活物質層と負極活物質層を絶縁する。セパレータとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂シート等を採用できる。

電解質の構成は従来公知の電池と同様の構成で良く、特に限定されない。電解質は、液状であってもよいし、ポリマー状（ゲル状）であってもよいし、固体状であってもよい。一例として、本実施形態の電解質は、非水溶媒と、電荷担体を生成するリチウム塩等の支持塩を含んでいる。

電極体１０には集電タブ（正極集電タブ１２Ａおよび負極集電タブ１２Ｂ）が設けられている。詳細には、正極集電タブ１２Ａは、正極体１１Ａ（詳細には正極集電体）から外方に延びている。負極集電タブ１２Ｂは、負極体１１Ｂ（詳細には負極集電体）から外方に延びている。集電タブ１２Ａ，１２Ｂは、活物質層（正極活物質層または負極活物質層）を具備せずに露出している。一例として、本実施形態では、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂは、電極体１０の異なる位置から同一の方向（図１における上方）に向けて延びている。ただし、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂの構成を変更することも可能である。例えば、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂは、互いに異なる方向へ（例えば反対方向へ）延びていてもよい。

外部端子２０Ａ，２０Ｂは板状に形成されている。外部端子２０Ａ，２０Ｂは、集電タブ１２Ａ，１２Ｂに接合されることで、電極体１０の集電タブ１２Ａ，１２Ｂに電気的に接続される。詳細には、正極外部端子２０Ａは、正極集電タブ１２Ａの先端部近傍からさらに外方（図１における上方）へ延び、ラミネート外装体３０の内部から外方へ突出する。本実施形態の正極外部端子２０Ａは、薄いアルミニウム板である。負極外部端子２０Ｂは、負極集電タブ１２Ｂの先端部近傍からさらに外方（図１における上方）へ延び、ラミネート外装体３０の内部から外方へ突出する。本実施形態の負極外部端子２０Ｂは、薄い銅板である。

ラミネート外装体３０は、フィルム状に形成されており、幅広面同士を対向させた状態で溶着されることで袋状に形成される。その結果、内部の空間に発電要素（電極体１０および電解質）が封止される。一例として、本実施形態では、フィルム状に形成された２枚のラミネート外装体３０が貼り合わされることで、袋状に形成される。しかし、ラミネート外装体３０の構成を変更することも可能である。例えば、フィルム状に形成された１枚のラミネート外装体が２つ折りとされ、折り目以外の部分が溶着されることで、袋状に形成されてもよい。また、フィルム状に形成された３枚以上のラミネート外装体が貼り合わされることで、袋状に形成されてもよい。

本実施形態のラミネート外装体３０は、積層構造を有する。詳細には、フィルム状であるラミネート外装体３０は、外側から順に、保護層、金属層、およびシーラント層を備える。保護層は、例えばナイロン等によって形成され、ラミネート外装体３０の耐久性および耐衝撃性を向上させる。金属層は、例えばアルミニウム等によって形成され、ラミネート外装体３０のガスバリア性および防湿性を向上させる。シーラント層は、熱溶着性を有する部材（例えばポリプロピレン（ＰＰ）等）によって形成され、隙間をシールする。なお、ラミネート外装体３０の構成を変更することも可能である。例えば、アルミニウム以外の材質（例えば鉄等）が金属層として用いられてもよい。また、ラミネート外装体３０の層の数は３つに限定されない。

ラミネート外装体３０による発電要素等の封止方法の概要について説明する。まず、電極体１０から延びる集電タブ１２Ａ，１２Ｂに、外部端子２０Ａ，２０Ｂが接合される。次いで、外部端子２０Ａ，２０Ｂを外方に突出させた状態で、電極体１０の全体を厚み方向両側から覆うように、ラミネート外装体３０が配置される。フィルム状のラミネート外装体３０のシーラント層は、内側（電極体１０側）に位置する。なお、外部端子２０Ａ，２０Ｂとラミネート外装体３０の間に、熱溶着性を有する材質（例えばポリプロピレン（ＰＰ）等）によって形成されたタブフィルムが配置されてもよい。この場合、外部端子２０Ａ，２０Ｂの近傍のシール性がさらに向上する。

次いで、対向配置されたラミネート外装体３０の間に袋状の密閉空間が形成されるように、ラミネート外装体３０の外周部におけるシーラント層が溶着される。その結果、電極体１０がラミネート外装体３０の内部に封止される。図１に示すように、本実施形態では、ラミネート外装体３０の外周部におけるシーラント層が溶着されることで、外部端子シール部３５と周縁シール部３６が形成される。外部端子シール部３５は、外部端子２０Ａ，２０Ｂの先端部を外方に露出させた状態で、外部端子２０Ａ，２０Ｂをシールする。つまり、外部端子シール部３５は、対向配置されたラミネート外装体３０のうち、外部端子２０Ａ，２０Ｂを挟み込む縁部３１（図１における上縁部）を溶着することで形成される。また、周縁シール部３６は、ラミネート外装体３０の外周部のうち、外部端子シール部３５以外の部分に形成される。

図２および図３を参照して、ラミネート型電池１の縁部３１を溶着する溶着装置５０について説明する。溶着装置５０は、ラミネート外装体３０の一対の幅広面の間に、電極体１０（図１参照）を含む発電要素が配置されたアセンブリ１００の縁部３１を溶着する。外部端子２０Ａ，２０Ｂは、縁部３１を通じてラミネート外装体３０の内部から外方に突出している。

本実施形態の溶着装置５０は、略棒状に形成された一対のヒートバー５１Ａ，５１Ｂを備える。図２に示すように、一対のヒートバー５１Ａ，５１Ｂは、アセンブリ１００における縁部３１の伸長方向Ｌに対して平行に配置され、縁部３１を厚み方向両側から挟み込む。

図３に示すように、各々のヒートバー５１Ａ，５１Ｂは、ヒートバー本体５２と加熱圧縮部材６０を備える。ヒートバー本体５２は、剛性を有し且つ熱伝導率が高い材質（例えば金属等）によって形成される。加熱圧縮部材６０は、ヒートバー５１Ａ，５２Ｂのうち、アセンブリ１００の縁部３１に接触する側に配置される。加熱圧縮部材６０の外形は略棒状である。加熱圧縮部材６０は、耐熱性および弾性を有する材質によって形成される。一例として、本実施形態の加熱圧縮部材６０はシリコンゴムによって形成されている。

加熱圧縮部材６０には、加圧された流体が導入される加圧室６１が形成されている。ヒートバー本体５２および加熱圧縮部材６０の少なくとも一方（本実施形態ではヒートバー本体５２）には、各々の加圧室６１に流体を導入する導入口６３と、各々の加圧室６１の内部から流体を排出する排出口６４が設けられている。前述したように、加熱圧縮部材６０は弾性を有する材質によって形成されているので、加圧流体が加圧室６１内に導入されると、縁部３１に接触する側の加圧室６１の壁面６２が膨張する。また、加熱圧縮部材６０の加圧室６１は、縁部３１の伸長方向Ｌのうち、外部端子２０Ａ，２０Ｂが位置する部位の端部（本実施形態では両端部）に対向して配置される。従って、加圧室６１が加圧流体によって膨張すると、加圧室６１の壁面６２が、縁部３１におけるラミネート外装体３０（図１および図２参照）を外部端子２０Ａ，２０Ｂ側に押圧する。その結果、対向配置されたラミネート外装体３０における外部端子２０Ａ，２０Ｂの端部近傍に隙間が生じることが、適切に抑制される。

本実施形態の加熱圧縮部材６０は、複数の加圧室６１を備える。加熱圧縮部材６０における複数の加圧室６１の間は、流体が導入されない非膨張部６６となる。非膨張部６６は、縁部３１の伸長方向Ｌのうち外部端子２０Ａ，２０Ｂの中央部に対向する位置に配置される。また、前述したように、非膨張部６６における伸長方向Ｌの両側に位置する加圧室６１は、外部端子２０Ａ，２０Ｂが位置する部位の端部に対向して配置される。その結果、外部端子２０Ａ，２０Ｂの中央部には非膨張部６６によってラミネート外装体３０が押圧され、外部端子２０Ａ，２０Ｂの端部には加圧室６１の壁面６２によってラミネート外装体３０が隙間なく押圧される。

なお、本実施形態では、アセンブリ１００（図２参照）の端部には２つの外部端子２０Ａ，２０Ｂが配置される。従って、加熱圧縮部材６０には、３つの加圧室６１と２つの非膨張部６６が形成されている。しかし、加圧室６１および非膨張部６６の数を変更することも可能である。例えば、ラミネート型電池１では、１つの縁部３１に１つの外部端子が配置されていてもよい。この場合、加熱圧縮部材には、２つの加圧室６１と１つの非膨張部６６が形成されていてもよい。

溶着装置５０は、ポンプ７１、圧力調整弁７２、アキュムレータ７３、安全弁７４、バルブ７６、温度センサ７８、ヒータ７９、および制御装置８０を備える。ポンプ７１は、タンク７７に貯留された流体を吸い上げて加圧する。圧力調整弁７２は、流体の圧力を調整する。アキュムレータ７３は、流体の圧力を蓄積する。安全弁７４は、流体の圧力が基準以上となった場合に開放されて、圧力を低下させる。以上の構成によって、加圧された流体は、各々の導入口６３を通じて加圧室６１内に導入される。流体は、排出口６４を通じて加圧室６１の内部から排出され、バルブ７６へ導かれる。バルブ７６が解放されている場合、流体はバルブ７６を通過してタンク７７に排出されるので、加圧室６１は膨張しない。一方で、バルブ７６が閉じられると、加圧室６１内の流体の圧力が上昇し、加圧室６１が膨張する。

なお、加圧室６１に導入される流体には、種々の流体を用いることができる。例えば、融点が常温よりも低く、且つ、ラミネート外装体３０を溶着するために必要な温度よりも沸点が高い各種物質（例えば、イオン液体または水銀等）が、流体として使用されてもよい。また、流体として気体が用いられてもよい。この場合、流体を加圧室６１に導入するための構成（例えばポンプ７１等）は、気体を導入可能な構成に変更されれば良い。

温度センサ７８は、加圧室６１内に導入される流体の温度（本実施形態では、タンク７７に貯留された流体の温度）を検出する。ヒータ７９は、加圧室６１内に導入される流体の温度（本実施形態では、タンク７７に貯留された流体の温度）を上昇させる。

制御装置８０は、溶着装置５０における各種制御を司る。例えば、制御装置８０は、ヒートバー本体５２の温度制御、加圧室６１内に導入される流体の温度制御、バルブ７６の開閉制御等を司る。

図２および図３を参照して、本実施形態におけるラミネート型電池１の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、準備工程と溶着工程を含む。準備工程ではアセンブリ１００（図２参照）が準備される。アセンブリ１００は、ラミネート外装体３０と、電極体１０（図１参照）を含む発電要素を備える。詳細には、アセンブリ１００では、ラミネート外装体３０の一対の幅広面の間に、外部端子２０Ａ，２０Ｂを端部３１から外方に突出させた状態で発電要素が配置される。溶着工程では、アセンブリ１００のうち、外部端子２０Ａ，２０Ｂを挟み込むラミネート外装体３０の縁部３１が溶着される。

溶着工程の詳細について説明する。溶着工程が実行されるよりも前に、溶着装置５０（図３参照）は、タンク７７内の流体の温度を、ラミネート外装体３０を溶着可能な温度までヒータ７９によって上昇させる。また、溶着装置５０は、バルブ７６を開いた状態で、加圧室６１内に流体を循環させる。さらに、溶着装置５０は、ヒートバー本体５２の温度を適切な温度に上昇させておく。

溶着工程では、加熱圧縮部材６０がアセンブリ１００の縁部３１に接触され、且つ、加圧室６１内に加圧流体が導入された状態で、縁部３１が加熱される。本実施形態では、バルブ７６が閉じられた状態で、ポンプ７１等によって加圧流体が加圧室６１内に導入されることで、加圧室６１が膨張する。また、加熱された流体が加圧室６１に導入され、且つ、ヒートバー本体５２が加熱されることで、縁部３１が加熱される。ここで、加熱圧縮部材６０の加圧室は、前述したように、縁部３１の伸長方向Ｌのうち外部端子２０Ａ，２０Ｂが位置する部位の端部に対向して配置される。その結果、加圧室６１の壁面６２が、縁部３１におけるラミネート外装体３０を外部端子２０Ａ，２０Ｂ側に押圧する。よって、ラミネート外装体３０が隙間なく溶着される。

本実施形態では、一対の加熱圧縮部材６０によって、アセンブリ１００の縁部３１が厚み方向両側から挟み込まれた状態で、溶着工程が実行される。従って、厚み方向の片側にのみ加熱圧縮部材６０が接触される場合に比べて、ラミネート外装体３０に隙間が生じる可能性がさらに低下する。

本実施形態では、外部端子２０Ａ，２０Ｂの中央部には非膨張部６６によってラミネート外装体３０が押圧され、外部端子２０Ａ，２０Ｂの端部には加圧室６１の壁面６２によってラミネート外装体３０が隙間なく押圧される。従って、外部端子２０Ａ，２０Ｂの端部および中央部の各々に、ラミネート外装体３０が適切に溶着される。また、本実施形態では、加圧室６１に導入する流体の温度と、ヒートバー本体５２の温度の各々を、別々に調整することが可能である。従って、外部端子２０Ａ，２０Ｂの端部および中央部の各々におけるラミネート外装体３０の溶着温度が、適切に調整される。

１ラミネート型電池
１０電極体
２０外部端子
３０ラミネート外装体
３１縁部
５０溶着装置
６０加熱圧縮部材
６１加圧室
６２壁面
６６非膨張部

Claims

電極体を含む発電要素と、
前記発電要素に電気的に接続される端子と、
フィルム状に形成され、前記端子を外方に突出させた状態で前記発電要素を内部に封止するラミネート外装体と、
を備えたラミネート型電池の製造方法であって、
前記ラミネート外装体の一対の幅広面の間に、前記端子を外方に突出させた状態で前記発電要素が配置されたアセンブリを準備する準備工程と、
耐熱性および弾性を有する材質によって形成され、且つ加圧された流体が導入される加圧室を備える加熱圧縮部材を、前記アセンブリに接触させて、前記アセンブリにおける前記ラミネート外装体のうち少なくとも前記端子を挟み込む縁部を溶着する溶着工程と、
を含み、
前記溶着工程では、前記加熱圧縮部材の前記加圧室を、前記縁部の伸長方向のうち前記端子が位置する部位の端部に対向させた状態で、前記加圧された流体として、融点が常温よりも低く、且つ前記ラミネート外装体を溶着するために必要な温度よりも沸点が高いイオン液体もしくは水銀を前記加圧室に導入して前記縁部を圧縮しつつ、前記縁部を加熱し、前記端子中央部は、前記イオン液体もしくは水銀が導入されない非膨張部によって前記ラミネート外装体が押圧されることを特徴とする、ラミネート型電池の製造方法。