JP7434222B2 - 電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池 - Google Patents

電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池 Download PDF

Info

Publication number
JP7434222B2
JP7434222B2 JP2021117995A JP2021117995A JP7434222B2 JP 7434222 B2 JP7434222 B2 JP 7434222B2 JP 2021117995 A JP2021117995 A JP 2021117995A JP 2021117995 A JP2021117995 A JP 2021117995A JP 7434222 B2 JP7434222 B2 JP 7434222B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
active material
negative electrode
core
electrode plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021117995A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2023013655A (ja
Inventor
健太郎 塚本
佳文 曲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Prime Planet Energy and Solutions Inc
Original Assignee
Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Prime Planet Energy and Solutions Inc filed Critical Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority to JP2021117995A priority Critical patent/JP7434222B2/ja
Priority to EP22182815.5A priority patent/EP4119282A1/en
Priority to US17/860,199 priority patent/US20230021118A1/en
Priority to KR1020220086098A priority patent/KR20230012988A/ko
Priority to CN202210835158.5A priority patent/CN115700936A/zh
Publication of JP2023013655A publication Critical patent/JP2023013655A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7434222B2 publication Critical patent/JP7434222B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/533Electrode connections inside a battery casing characterised by the shape of the leads or tabs
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/362Laser etching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/38Removing material by boring or cutting
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058Construction or manufacture
    • H01M10/0587Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • H01M4/661Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36Electric or electronic devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36Electric or electronic devices
    • B23K2101/38Conductors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12Copper or alloys thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30Organic material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1393Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Description

本発明は、電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、例えば、セパレータを介して正極板と負極板とが対向した電極体を備えている。以下、これらの正極板と負極板をまとめて「電極板」と称する。この電極板は、例えば、箔状の金属部材である電極芯体と、当該電極芯体の表面に付与されて電極活物質を含む電極活物質層とを備えている。かかる構成の電極板の製造では、まず、大型の電極芯体の表面に電極活物質層を付与する。これによって、電極板の前駆体(以下「電極前駆体」という)が作製される。そして、レーザ等を用いて電極前駆体から所望のサイズの電極板を切り出す。かかる電極板の切り出しに関する技術の一例が特許文献1、2に開示されている。
ところで、上記構成の電極前駆体では、電極活物質層が付与された領域(活物質付与領域)の外周縁部において、電極活物質層の厚みが不均一になりやすい。このため、電極前駆体から電極板を切り出す際には、通常、活物質付与領域の外周縁部をレーザで切除している。また、通常の電極板では、電極端子等の導電部材との接続のために電極芯体(金属箔)が露出した部分を設ける必要がある。このため、電極板の切り出しでは、電極活物質層が付与されておらず、電極芯体用基材が露出している領域(芯体露出領域)を一部切り出して電極タブを形成することも行われる。以上の通り、電極板の製造では、活物質付与領域を切断する工程と、芯体露出領域を切断する工程が実施される(例えば、特許文献1参照)。
特開2010-34009号公報 特開2016-33912号公報
しかしながら、上述の製造方法で製造した電極板は、電極活物質層の破片や微細な金属片(スパッタ)が脱落・剥離しやすいという特徴があった。そして、これらの導電性の異物が二次電池内部で脱落・剥離すると、内部短絡が発生する原因になり得る。
本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、製造後の電極板から導電性の異物が脱落・剥離することを防止し、二次電池の安全性の改善に貢献できる技術を提供することを目的とする。
本発明者は、上述の課題を解決するために種々の検討を行った結果、電極活物質層の破片の脱落・剥離と、スパッタの脱落・剥離のそれぞれが発生する原因を見出した。
まず、電極活物質層の破片が脱落・剥離する原因について説明する。上述の通り、電極板の製造では、活物質付与領域の外周縁部をレーザで切除している。このとき、レーザの熱によって電極芯体が溶融して電極活物質層の一部と混ざり合うことがある。そして、この溶融金属が混ざった電極活物質層は、粘着性が大きく低下するため、僅かな衝撃によって容易に脱落・剥離する。本発明者は、この溶融金属の混入による電極活物質層の粘着性低下を抑制するには、パルスレーザを用いて活物質付与領域を切断すればよいと考えた。かかるパルスレーザは、スポット照射を非常に短い時間幅で繰り返し、切断部分に大きなエネルギーを集中して加えることができるため、溶融量が少ない状態で電極芯体を速やかに切断できる。
次に、微細な金属片(スパッタ)が脱落・剥離する原因について説明する。上述の通り、電極板の製造では、電極タブを形成するために、芯体露出領域の一部を切り出すことが求められる。しかし、芯体露出領域のような金属部材が露出した部分に高エネルギーのレーザを照射すると、照射部分からスパッタが飛散する可能性がある。そして、このスパッタが電極板に付着すると、僅かな衝撃で容易に脱落・剥離する微細な金属片となる。本発明者は、このスパッタの飛散を抑制するには、連続発振レーザ(CWレーザ:continuous wave laser)を用いて芯体露出領域を切断すればよいと考えた。このCWレーザは、低エネルギーのレーザを連続的に照射して電極芯体を溶融切断するため、スパッタの飛散を抑制しながら電極タブを形成できる。
以上の通り、本発明者の検討によると、電極活物質層の破片の脱落・剥離を防止するには活物質付与領域の切断にパルスレーザを使用する必要があり、スパッタの脱落・剥離を防止するには芯体露出領域の切断にCWレーザを使用する必要がある。しかしながら、使用するレーザを切り替えて活物質付与領域と芯体露出領域を別々に切断するという方法は、製造効率が大幅に低下する原因になるため、実際の製造現場で採用することが難しい。また、活物質付与領域と芯体露出領域を別々に切断した場合、各々の領域に形成した切断線をズレなく繋げることが求められるため、切断不良が多発する原因にもなり得る。かかる点を考慮し、本発明者は、上記2種類の導電性の異物の各々の発生を防止しつつ、活物質付与領域と芯体露出領域を連続的に切断できる方法について検討した。
ここに開示される電極板の製造方法は、上述の知見に基づいてなされたものであり、金属箔である電極芯体と、電極芯体の表面に付与されて電極活物質を含む電極活物質層とを備えた電極板を製造する。そして、かかる電極板の製造方法は、電極芯体の表面に電極活物質層が付与された活物質付与領域と、電極活物質層が付与されずに電極芯体が露出した芯体露出領域を備えた電極前駆体を準備する前駆体準備工程と、活物質付与領域をパルスレーザで切断する活物質付与領域切断工程と、芯体露出領域をパルスレーザで切断する芯体露出領域切断工程とを備えている。そして、ここに開示される電極板の製造方法では、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザの周波数を、活物質付与領域切断工程におけるパルスレーザの周波数よりも大きくし、かつ、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザのラップ率を90%以上にする。
上記構成の電極板の製造方法では、活物質付与領域を切断する際にパルスレーザを用いている。これによって、電極芯体由来の溶融金属が電極活物質層に混入することを抑制できるため、製造後の電極板から電極活物質層の破片が脱落・剥離することを防止できる。一方、ここに開示される製造方法では、製造効率の大幅な低下や切断不良の発生を防止するために、芯体露出領域の切断にもパルスレーザを使用し、活物質付与領域と芯体露出領域を連続的に切断している。但し、ここに開示される製造方法では、芯体露出領域を切断するパルスレーザの状態をCWレーザに近づけている。具体的には、ここに開示される製造方法では、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザの周波数を、活物質付与領域切断工程におけるパルスレーザの周波数よりも大きくしている。これによって、パルスレーザを使用しているにもかかわらず、レーザ切断時の衝撃を小さくできる。さらに、ここに開示される製造方法では、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザのラップ率を90%以上にしている。これによって、電極芯体の溶融量がCWレーザと同程度まで増加し、電極芯体を溶融切断できるようなる。以上の通り、ここに開示される製造方法によると、レーザ切断時の衝撃を小さくし、かつ、溶融切断の溶融量を大きくできるため、スパッタの飛散を抑制できる。以上の通り、ここに開示される電極板の製造方法によると、製造後の電極板から導電性の異物が脱落・剥離することを防止できるため、二次電池の安全性の改善に貢献できる。
また、ここに開示される電極板の製造方法の好適な一態様では、活物質付与領域切断工程におけるパルスレーザの周波数が100kHz~2000kHzである。これによって、電極活物質層の破片の脱落・剥離をより適切に防止できる。
また、ここに開示される電極板の製造方法の好適な一態様では、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザの周波数が450KHz~4000KHzである。これによって、スパッタの脱落・剥離をより好適に防止できる。
また、ここに開示される電極板の製造方法の好適な一態様では、活物質付与領域切断工程におけるパルスレーザのラップ率は、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザのラップ率よりも小さい。これによって、電極活物質層の破片とスパッタの各々の脱落・剥離をより適切に防止できる。
ここに開示される技術の他の側面として二次電池の製造方法が提供される。具体的には、ここに開示される技術では、セパレータを介して一対の電極板が対向する電極体を備えた二次電池を製造する二次電池の製造方法において、上記構成の電極板の製造方法を用いて一対の電極板の少なくとも一方を製造することを特徴とする。かかる製造方法によると、二次電池の内部で電極板から導電性の異物(電極活物質層の破片、スパッタ)が脱落・剥離することを抑制できるため、安全性に優れた二次電池を得ることができる。
また、ここに開示される電極板の製造方法によると、下記の構成の電極板が製造され得る。具体的には、製造後の電極板は、箔状の金属部材である電極芯体と、電極芯体の表面に付与されて電極活物質を含む電極活物質層とを備えている。そして、この電極板は、電極芯体の表面に電極活物質層が付与された極板本体部と、電極活物質層が付与されておらず、電極芯体が露出している領域であって、極板本体部の外周縁部の一部から外側に向かって突出する電極タブとを備えている。そして、ここに開示される電極板は、電極タブの外周縁部に、電極タブの中央部よりも厚みが厚い第1厚肉部が形成され、かつ、電極タブの厚み方向に沿った断面視における第1厚肉部のアスペクト比が0.85以上である。さらに、極板本体部の外周縁部の少なくとも一辺における電極芯体の端部に、極板本体部の中央部における電極芯体よりも厚みが大きい第2厚肉部が形成され、かつ、第2厚肉部の表面に電極活物質を含む被覆層が付着している。
上記構成の電極板は、電極タブの外周縁部に第1厚肉部が形成されている。かかる第1厚肉部は、レーザ切断を行った痕跡である。そして、上記構成の電極板の製造方法では、電極タブの切り出し(芯体露出領域の切断)を行う際に、パルスレーザの条件をCWレーザに近づけている。このようなパルスレーザで溶融切断した場合、電極芯体の溶融量がCWレーザと同程度になるため、切断痕(第1厚肉部)の断面形状が略円形(アスペクト比が0.85以上)になり得る。一方、上記構成の電極板の製造方法では、極板本体部の切り出し(活物質付与領域の切断)を行う際に、溶融金属の混入による電極活物質層の粘着性低下を抑制するために、高エネルギーのパルスレーザを使用する。このため、極板本体部の外周縁部に形成されたレーザ切断痕(第2厚肉部)には、電極活物質を含む被覆層が付着し得る。かかる被覆層は、溶融金属が混入した電極活物質層と異なり、電極芯体から剥離・脱離し難い。
また、ここに開示される電極板の好適な一態様では、第2厚肉部は、厚さ方向の両側または片側に突出した笠部と、当該笠部と電極芯体との間に形成された凹部とを備えた鉤爪形状を有している。上述した通り、第2厚肉部は、高エネルギーのパルスレーザによって形成されたレーザ切断痕である。高エネルギーのパルスレーザを用いると、切断中の金属溶融量が非常に少なくなるため、上述のような鉤爪形状の切断痕(第2厚肉部)が形成されることがある。この鉤爪形状の第2厚肉部は、優れたアンカー効果を発揮するため、電極活物質層の脱落・剥離をさらに好適に防止できる。
また、ここに開示される電極板の好適な一態様では、第2厚肉部の表面に付着した被覆層の厚みが1μm~20μmである。これによって、電極活物質の被覆層で第2厚肉部を適切に被覆できるため、第2厚肉部によって他の部材(例えば、二次電池のセパレータ)が破損することを好適に防止できる。
また、ここに開示される電極板の好適な一態様では、電極タブの中央部の各表面から延びる一対の延長線の間に、第1厚肉部の中心点が配置されている。かかる構成の電極板は、電極タブの曲げ加工が容易なため、二次電池の製造効率の向上に貢献できる。このような第1厚肉部は、上述のようにCWレーザに条件を近似させたパルスレーザで電極タブを切り出した際に形成され得る。
また、ここに開示される電極板の好適な一態様では、第1厚肉部は、相対的に厚みが厚い第1領域と、相対的に厚みが薄い第2領域を有しており、電極タブの外周縁部に沿って第1領域と第2領域とが交互に形成されている。上記構成の電極板の製造方法では、ラップ率が90%以上のパルスレーザで電極芯体(負極タブ)を溶融切断している。この場合、溶融した電極芯体は、表面張力によって略球形に変形するため、溶融金属が集まった箇所である第1領域と、溶融金属が疎になった箇所である第2領域とが交互に形成される。
また、ここに開示される二次電池の製造方法によると、下記の構成の二次電池が製造され得る。具体的には、ここに開示される技術では、セパレータを介して一対の電極板が対向する電極体を備えた二次電池において、一対の電極板の少なくとも一方に、上記構成の電極板を使用することを特徴とする。これによって、電極板から導電性の異物(電極活物質層の破片、スパッタ)が遊離することを抑制できるため、二次電池の安全性の改善に貢献できる。
一実施形態に係る電極板の製造方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る電極板の製造方法において作製される負極板を模式的に示す平面図である。 一実施形態に係る電極板の製造方法を説明する平面図である。 パルスレーザのラップ率を説明する図である。 図2中のV-V矢視断面図である。 図2中のVI-VI矢視断面図である。 一実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。 図7中のVIII-VIII線に沿う模式的な縦断面図である。 図7中のIX-IX線に沿う模式的な縦断面図である。 図7中のX-X線に沿う模式的な横断面図である。 封口板に取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。 正極第2集電部と負極第2集電部が取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。 一実施形態に係る二次電池の電極体を説明する斜視図である。 一実施形態に係る二次電池の電極体の正面図である。 例1の負極板の負極タブの断面SEM写真(1000倍)である。 例1の負極板の極板本体部の側縁部の断面SEM写真(1000倍)である。 例3の負極板の負極タブの断面SEM写真(1000倍)である。 例3の負極板の極板本体部の側縁部の断面SEM写真(1000倍)である。 例6の負極板の負極タブの断面SEM写真(1000倍)である。 例6の負極板の極板本体部の側縁部の断面SEM写真(370倍)である。
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術の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、ここで開示される技術の実施に必要な事柄(例えば、電池の一般的な構成および製造プロセス)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。ここで開示される技術は、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、本明細書において範囲を示す「A~B」の表記は、A以上B以下の意と共に、「好ましくはAより大きい」および「好ましくはBより小さい」の意を包含するものとする。
なお、本明細書において「二次電池」とは、電解質を介して一対の電極(正極と負極)の間で電荷担体が移動することによって充放電反応が生じる蓄電デバイス一般をいう。かかる二次電池は、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の他に、電気二重層キャパシタ等のキャパシタなども包含する。以下では、上述した二次電池のうち、リチウムイオン二次電池を対象とした場合の実施形態について説明する。
<電極板の製造方法>
ここに開示される電極板の製造方法は、金属箔である電極芯体と、該電極芯体の表面に付与されて電極活物質を含む電極活物質層とを備えた電極板を製造する方法である。以下、ここに開示される電極板の製造方法の一実施形態として、二次電池の負極側の電極板(負極板)を製造する方法を説明する。図1は、本実施形態に係る電極板の製造方法を示すフローチャートである。図2は、本実施形態に係る電極板の製造方法において作製される負極板を模式的に示す平面図である。図3は、本実施形態に係る電極板の製造方法を説明する平面図である。また、図4は、パルスレーザのラップ率を説明する図である。図5は、図2中のV-V矢視断面図である。また、図6は、図2中のVI-VI矢視断面図である。なお、図2、3、5、6中の符号Lは負極板20(又は負極前駆体20A)の「長手方向」を示し、符号Sは「短手方向」を示し、符号Tは「厚み方向」を示す。
図1に示すように、本実施形態に係る電極板の製造方法は、前駆体準備工程S1と、活物質付与領域切断工程S2と、芯体露出領域切断工程S3とを備えている。これによって、図2に示す構成の負極板20が作製される。以下、作製対象である負極板20の概要を説明した後に、図1に示す各工程について説明する。
(負極板の概要)
図2に示すように、負極板20は、長尺な帯状の部材である。負極板20は、箔状の金属部材である負極芯体22と、負極芯体22の表面に付与された負極活物質層24とを備えている。なお、電池性能の観点から、負極活物質層24は、負極芯体22の両面に付与されていることが好ましい。そして、この負極板20は、平面視において、極板本体部20bと、負極タブ22tという2つの領域を有している。極板本体部20bは、負極芯体22の表面に負極活物質層24が付与された領域である。一方、負極タブ22tは、負極活物質層24が付与されておらず、負極芯体22が露出している領域である。また、負極タブ22tは、極板本体部20bの外周縁部20b1の一部から外側(図2では短手方向Sの上方)に向かって突出している。また、図2に示す負極板20は、複数の負極タブ22tを有している。これらの複数の負極タブ22tは、負極板20の長手方向Lにおいて所定の間隔を空けて設けられている。
負極板20を構成する各部材には、従来の一般的な二次電池で使用され得る材料を特に制限なく使用できる。例えば、負極芯体22には、所定の導電性を有した金属材料を好ましく使用できる。かかる負極芯体22は、例えば、銅または銅合金製であることが好ましい。また、負極芯体22の厚みは、2μm~30μmが好ましく、3μm~20μmがより好ましく、5μm~15μmがさらに好ましい。
負極活物質層24は、負極活物質を含む層である。負極活物質には、正極活物質との関係において、電荷担体を可逆的に吸蔵・放出できる材料が用いられる。かかる負極活物質としては、炭素材料、シリコン系材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、非晶質炭素等を使用し得る。また、黒鉛の表面が非晶質炭素で被覆された非晶質炭素被覆黒鉛などを使用することもできる。一方、シリコン系材料としては、シリコン、シリコン酸化物(シリカ)などが挙げられる。また、シリコン系材料は、他の金属元素(例えばアルカリ土類金属)や、その酸化物を含有していてもよい。また、負極活物質層24は、負極活物質以外の添加剤を含んでいてもよい。かかる添加剤の一例として、バインダ、増粘剤等が挙げられる。バインダの具体例として、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系のバインダが挙げられる。また、増粘剤の具体例としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。なお、負極活物質層24の固形分全体を100質量%としたときの負極活物質の含有量は、概ね30質量%以上であり、典型的には50質量%以上である。なお、負極活物質は、負極活物質層24の80質量%以上を占めていてもよいし、90質量%以上を占めていてもよい。また、負極活物質層24の厚みは、10μm~500μmが好ましく、30μm~400μmがより好ましく、50μm~300μmがさらに好ましい。
上記構成の負極板20は、図1に示すように、前駆体準備工程S1と、活物質付与領域切断工程S2と、芯体露出領域切断工程S3とを実施することによって製造される。以下、各々の工程について説明する。
(前駆体準備工程S1)
本工程では、電極板の前駆体である電極前駆体を準備する。図3に示す電極前駆体は、負極板の前駆体(負極前駆体20A)である。この負極前駆体20Aは、帯状の金属箔である負極芯体22を備えている。この負極前駆体20Aの負極芯体22の面積は、製造後の負極板20(図2参照)の面積よりも広い。そして、当該負極芯体22の表面には、負極活物質層24が付与されている。なお、負極活物質層24は、短手方向Sにおける負極芯体22の中央部に、長手方向Lに沿って延びるように付与される。本明細書では、この負極活物質層24が付与された領域を「負極活物質付与領域A1」と称する。一方、負極前駆体20Aの両側縁部(短手方向Sにおける負極活物質層24の外側の領域)は、負極活物質層24が付与されておらず、負極芯体22が露出している。本明細書では、かかる負極芯体22が露出した領域を「負極芯体露出領域A2」と称する。上記構成の負極前駆体20Aを準備する手段は、特に限定されず、従来公知の種々の手法を特に制限なく採用できる。例えば、負極活物質等を含む原料ペーストを負極芯体22の表面に塗布した後に乾燥させることによって負極前駆体20Aを作製できる。また、本工程は、負極前駆体20Aを準備できれば、特に限定されない。例えば、別途作製された負極前駆体20Aを購入して準備してもよい。なお、負極前駆体は、図2に示される構造に限定されない。例えば、負極前駆体は、片方の側縁部のみに負極芯体露出領域が形成されているような構造を採用することもできる。
(活物質付与領域切断工程S2)
本工程では、負極前駆体20Aの負極活物質付与領域A1をパルスレーザで切断する。具体的には、活物質付与領域切断工程S2では、図3中の点線LN1に示すように、負極活物質付与領域A1の側縁部A1aに沿うように、負極活物質付与領域A1上にパルスレーザを走査させる。これによって、負極活物質層24の厚みが不均一な負極活物質付与領域A1の側縁部A1aを切除し、負極活物質層24の厚みが均一な負極板20を作製できる。ここで、上記点線LN1に示すように負極活物質付与領域A1をレーザで切断すると、レーザの熱で溶融した負極芯体22の一部が負極活物質層24に混入する可能性がある。そして、かかる溶融金属が負極活物質層24内で固化すると、負極活物質層24の粘着性が大幅に失われるため、僅かな衝撃で負極活物質層24の破片が容易に脱落・剥離するおそれがある。ここで、本実施形態における活物質付与領域切断工程S2では、かかる溶融金属の混入による粘着性の低下を防止するために、負極活物質付与領域A1を切断する際にパルスレーザを使用し、当該活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザの周波数を、後述する芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの周波数よりも小さくしている。このような周波数が小さいパルスレーザは、短い時間幅で大きなエネルギーを集中して加えることができる(ピーク出力が高い)ため、溶融量が少ない状態で負極芯体22を速やかに切断できる。これによって、溶融金属の混入による負極活物質層24の粘着性低下を抑制できるため、負極活物質層24の破片の脱落・剥離を防止できる。
なお、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザの具体的な周波数は、2000KHz以下が好ましく、1500KHz以下がより好ましく、1000KHz以下がさらに好ましい。これによって、負極活物質付与領域A1を切断する際のピーク出力をさらに高めることができるため、溶融した負極芯体22が負極活物質層24に混入することを防止しつつ、負極前駆体20Aをより容易に切断できる。一方、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザの周波数の下限値は、100KHz以上が好ましく、150KHz以上がより好ましく、200KHz以上がさらに好ましい。このようにパルスレーザの周波数を大きくすることによって、ピーク出力が小さくなるため、レーザが照射された負極活物質層24の一部が吹き飛ばされることを防止できる。
なお、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザの条件は特に限定されず、負極前駆体20Aの構造(典型的には、負極活物質層24や負極芯体22の厚みや材料)に応じて適宜調節することが好ましい。例えば、本工程におけるパルスレーザの平均出力は、70W~1000Wが好ましく、100W~900Wがより好ましく、150W~800Wがさらに好ましい。これによって、負極活物質層24の脱落・剥離を防止しつつ、負極前駆体20Aを容易に切断できる。具体的には、パルスレーザの平均出力が大きくなるにつれて、負極前駆体20Aの切断が容易になる傾向がある。一方、パルスレーザの平均出力が小さくなるにつれて、レーザ照射時の衝撃が小さくなるため、レーザの衝撃によって負極活物質層24の一部が吹き飛ばされることを防止できる。また、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザのスポット径は、10μm~60μmが好ましく、20μm~50μmがより好ましく、25μm~40μmがさらに好ましい。これによって、負極前駆体20Aから負極板20を容易に切り出すことができる。
さらに、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザのラップ率は、後述する芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのラップ率よりも小さいことが好ましい。パルスレーザのラップ率を小さくするにつれて、溶融量が少ない状態で負極芯体22を切断しやすくなる傾向がある。一方、ラップ率を大きくするにつれてパルスレーザの状態がCWレーザに近づくため、後述するスパッタの発生を抑制しやすくなる傾向がある。このため、溶融した負極芯体22の混入が問題となりやすい活物質付与領域切断工程S2では、ラップ率が小さなパルスレーザを使用することが好ましい。活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザの具体的なラップ率は、40%~95%が好ましく、50%~90%がより好ましく、70%~90%がさらに好ましい。
次に、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザの走査速度は、5000mm/sec以下が好ましく、3000mm/sec以下がより好ましい。このように走査速度を遅くすることによって負極芯体22の切断不良を抑制できる。一方、パルスレーザの走査速度の下限値は、特に限定されず、20mm/sec以上であってもよい。なお、切断時間の短縮による製造効率の向上という観点から、パルスレーザの走査速度の下限値は、200mm/sec以上が好ましく、500mm/sec以上がより好ましい。また、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザのパルス幅は、30ns~240nsであることが好ましく、60ns~120nsがより好ましい。これによって、溶融した負極芯体22が負極活物質層24に混入することをより好適に防止できる。具体的には、パルスレーザのパルス幅が短くなるにつれてピーク出力が向上する傾向があるため、レーザ切断時の負極芯体22の溶融量を低減させやすくなる。一方、パルス幅が長くなるにつれて負極活物質層24に加わる衝撃が小さくなるため、レーザ照射時に負極活物質層24の一部が吹き飛ばされることを防止できる。
(芯体露出領域切断工程S3)
本工程では、負極前駆体20Aの負極芯体露出領域A2をパルスレーザで切断する。具体的には、芯体露出領域切断工程S3では、まず、図3中の点線LN2に示すように、負極活物質付与領域A1から負極芯体露出領域A2に向かうように、負極前駆体20Aの短手方向Sに沿ってパルスレーザを走査させる。その後、負極前駆体20Aの長手方向Lに沿うようにパルスレーザを一定距離を走査させた後に、再び負極活物質付与領域A1に向かうように短手方向Sに沿ってパルスレーザを走査させる。これによって、負極芯体露出領域A2の一部が凸状に切り出されて負極タブ22t(図2参照)が形成される。そして、本実施形態では、活物質付与領域切断工程S2(図3中の点線LN1)と、芯体露出領域切断工程S3(図3中の点線LN2)を一定の周期毎に繰り返す。これによって、負極活物質付与領域A1の側縁部A1aを切除すると共に、複数の負極タブ22tを切り出すことができる。
ここで、本実施形態に係る電極板の製造方法では、芯体露出領域切断工程S3において負極芯体露出領域A2に照射されるパルスレーザの状態をCWレーザに近づけている。まず、本実施形態では、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザ(図3中の点線LN2参照)の周波数を、活物質付与領域切断工程S2におけるパルスレーザ(図3中の点線LN1参照)の周波数よりも大きくしている。上述した通り、パルスレーザの周波数が大きくなるにつれて、ピーク出力が小さくなる傾向がある。この結果、負極芯体露出領域A2(負極芯体22)をレーザ切断する際の衝撃が小さくなるため、スパッタの飛散が生じにくくなる。なお、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの具体的な周波数は、450KHz以上が好ましく、1000KHz以上がより好ましく、2000KHz以上が特に好ましい。これによって、スパッタの飛散をより好適に防止できる。一方で、一定以上のピーク出力を確保し、負極芯体露出領域A2の切断効率を確保するという観点から、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの周波数は、4000KHz以下が好ましく、3500KHz以下がより好ましく、3000KHz以下が特に好ましい。
次に、本実施形態に係る電極板の製造方法では、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの状態をCWレーザに近づけるために、当該パルスレーザのラップ率を90%以上に制御する。具体的には、パルスレーザのラップ率が大きくなるにつれて、レーザの照射が連続的な照射に近づくため、CWレーザのような溶融量が多い切断が生じやすくなり、スパッタの飛散が抑制される。なお、スパッタの飛散をさらに好適に抑制するという観点から、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのラップ率は、90.5%以上が好ましく、91%以上がより好ましく、91.5%以上がさらに好ましく、92%以上が特に好ましい。一方、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのラップ率の上限は、特に限定されず、99%以下であってもよい。但し、ラップ率が少なくなるにつれて、パルスレーザの走査速度を上昇させやすくなるため製造効率が向上する傾向がある。かかる観点から、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのラップ率は、98.5%以下が好ましく、98%以下がより好ましく、97.5%以下がさらに好ましく、97%以下が特に好ましい。
なお、図4に示すように、パルスレーザを用いたレーザ切断では、複数のスポットR1、R2を所定の走査方向Dに向かって少しずつずらしながら照射する。これによって、隣接したスポットR1、R2が重なって照射される重複照射領域A3と、単一のスポットR1、R2が照射される単一照射領域A4が生じる。本明細書における「ラップ率」とは、かかるパルスレーザの照射において、隣接したスポットR1、R2が重なる程度を示す値である。かかるラップ率Yは、スポット径をW1とし、隣接するスポットの照射間隔をW2としたとき、以下の式(1)に基づいて求めることができる。なお、上記スポット径W1および照射間隔W2は、何れもパルスレーザの走査方向Dに沿った方向における長さである。すなわち、図4に示すような楕円形のスポットR1、R2を照射する場合には、スポット径W1は、走査方向Dに沿ったスポットR1、R2の径のことをいう。また、楕円形のスポットを照射する場合、各々のスポットが走査方向Dに対して傾いていてもよい。この場合であっても、走査方向Dに沿った長さを各々のスポットのスポット径W1および照射間隔W2として測定する。なお、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの具体的なスポット径W1は、10μm~60μmが好ましく、20μm~50μmがより好ましく、25μm~40μmがさらに好ましい。
ラップ率Y(%)=(W1-W2)/W1×100 (1)
なお、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザは、上述した周波数とラップ率を満たしていればよく、他の条件は特に限定されない。例えば、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの他の条件は、負極芯体露出領域A2の構造(典型的には、負極芯体22の厚みや材料)に応じて適宜調節することが好ましい。例えば、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのパルス幅は、10ns以上が好ましく、30ns以上がより好ましく、120ns以上がさらに好ましい。パルスレーザのパルス幅が長くなるにつれて金属部材に加わる熱影響時間が長く、溶融部が広がるため、スパッタが発生しにくくなる傾向がある。一方、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのパルス幅の上限値は、300ns以下でもよく、240ns以下でもよい。パルスレーザのパルス幅が短くなるにつれて、負極芯体露出領域A2が切断されやすくなる傾向がある。
また、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの平均出力は、70W~2000Wでもよく、100W~1800Wでもよく、200W~1500Wでもよい。パルスレーザの平均出力が大きくなるにつれて負極芯体露出領域A2の切断が容易になる傾向がある。一方、パルスレーザの平均出力が小さくなるにつれて、レーザ照射時の衝撃が小さくなるため、スパッタの飛散が生じにくくなる傾向がある。
次に、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザの走査速度は、5000mm/sec以下が好ましく、3000mm/sec以下がより好ましい。走査速度を遅くするにつれて負極芯体22の切断不良が生じにくくなる傾向がある。一方、パルスレーザの走査速度の下限値は、特に限定されず、20mm/sec以上であってもよい。なお、切断時間の短縮による製造効率の向上という観点から、パルスレーザの走査速度の下限値は、200mm/sec以上が好ましく、500mm/sec以上がより好ましい。なお、パルスレーザの走査速度は、活物質付与領域切断工程S2と芯体露出領域切断工程S3とで同等程度であってもよい。
(他の工程)
上述した通り、本実施形態に係る製造方法では、活物質付与領域切断工程S2(図3中の点線LN1)と、芯体露出領域切断工程S3(図3中の点線LN2)を一定の周期毎に繰り返すことによって、負極活物質層24の厚みが不均一になりやすい負極活物質付与領域A1の側縁部A1aを切除すると共に、複数の負極タブ22tを形成する。さらに、本実施形態に係る製造方法では、図3中の二点鎖線LN3に示すように、負極前駆体20Aの短手方向Sの中央部を長手方向Lに沿って裁断する。これによって、図2に示すように、極板本体部20bの外周縁部20b1の一辺のみに負極タブ22tが形成された負極板20を作製できる。また、本実施形態では、二点鎖線LN4に示すように、長さ方向Lにおいて所定の間隔を空けて、負極前駆体20Aを短手方向Sに沿って裁断している。これによって、所望の長さの負極板20を製造できる。なお、二点鎖線LN3、LN4に沿った負極前駆体20Aの裁断には、レーザ切断を使用しなくてもよく、切断刃、金型、カッター等を使用してもよい。なお、二点鎖線LN3、LN4に沿った裁断においてレーザ切断を使用する場合には、上記活物質付与領域切断工程S2(点線LN1)と同様の条件のパルスレーザを使用することが好ましい。これによって、負極活物質層24の破片の剥離・脱落をより好適に抑制できる。また、これらの二点鎖線LN3、LN4に沿った切断は、製造後の負極板の形状に応じて適宜実施すればよく、ここに開示される技術を限定するものではない。
以上の通り、本実施形態に係る電極板の製造方法では、負極活物質付与領域A1を切断する際(点線LN1参照)にパルスレーザを用いている。これによって、溶融金属が負極活物質層24に混入して負極活物質層24の粘着性を低下させることを抑制できるため、作製後の負極板20から負極活物質層24の破片が脱落・剥離することを防止できる。一方、本実施形態に係る製造方法では、負極芯体露出領域A2を切断する際にもパルスレーザを使用し、負極活物質付与領域A1と負極芯体露出領域A2を連続的に切断している。これによって、レーザの種類を切り替えることによる製造効率の大幅な低下や切断不良の発生を防止できる。そして、本実施形態では、負極芯体露出領域A2を切断する際のパルスレーザの周波数を、負極活物質付与領域A1を切断する際のパルスレーザよりも大きくすると共に、芯体露出領域切断工程S3におけるパルスレーザのラップ率を90%以上に制御している。これによって、レーザ切断時の衝撃を小さくする共に、当該レーザ切断時の電極芯体の溶融量をCWレーザと同程度まで高めることができるため、負極芯体露出領域A2を切断する際のスパッタの飛散を抑制することができる。以上の通り、本実施形態によると、製造後の負極板20から導電性の異物が脱落・剥離することを防止できるため、二次電池の安全性の改善に貢献できる。
<負極板>
次に、ここに開示される電極板の製造方法を用いて製造した電極板の一例として、リチウムイオン二次電池用の負極板を説明する。
(負極板の概要)
まず、図2に示す通り、本実施形態に係る負極板20は、負極芯体22と、負極活物質層24とを備えている。また、この負極板20は、負極芯体22の表面に負極活物質層24が付与された領域である極板本体部20bと、負極活物質層24が付与されておらず、負極芯体22が露出した領域である負極タブ22tとを備えている。これらについては、既に説明したため、重複する説明を省略する。
(第1厚肉部)
そして、図5に示すように、本実施形態に係る負極板20は、負極タブ22tの外周縁部22t1に、負極タブ22tの中央部22t2よりも厚みが厚い第1厚肉部23が形成されている。この第1厚肉部23は、上記芯体露出領域切断工程S3におけるレーザ切断の痕である。具体的には、本実施形態に係る電極板の製造方法では、上述の通り、スパッタの飛散を抑制するために、負極芯体露出領域A2(図3参照)を切断する際のパルスレーザの状態をCWレーザに近似させている。このようなパルスレーザで切断された負極タブ22tの外周縁部22t1には、CWレーザで切断した場合と同様に、金属箔を溶融切断した痕である断面円形に近い第1厚肉部23が形成され得る。なお、ここでの「断面円形に近い」とは、図5に示すような負極タブ22tの厚み方向Tに沿った断面における第1厚肉部23のアスペクト比が1に近い(例えば0.8以上、典型的には0.85以上)ことをいう。かかる第1厚肉部23のアスペクト比は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて取得した電極タブの断面写真(図15参照)に基づいて算出される。かかる第1厚肉部23のアスペクト比の具体的な算出手段は次の通りである。まず、図15に示すような負極タブの断面写真を取得する。次に、この断面写真において、負極芯体の表面に沿った二辺を有する四角形で第1厚肉部を囲む。そして、この第1厚肉部を囲む長方形の長辺と短辺を測定し、長辺を短辺で除した値(短辺/長辺)をアスペクト比とする。なお、本明細書における「アスペクト比」は、複数の視野(典型的には1視野以上)で確認した第1厚肉部のアスペクト比の平均値である。なお、第1厚肉部の断面形状は、円形や楕円形に限定されず、一部に欠けや歪みがあってもよい。このような欠けや歪みを有する第1厚肉部であっても、上述の手順に従ってアスペクト比を算出できる。
なお、第1厚肉部23の断面形状が円形に近づくと、負極タブ22tの外周縁部22t1に他の部材(例えば図13に示すセパレータ30)が接触した際に、当該他の部材を破損させることを防止できる。このため、第1厚肉部23のアスペクト比は、0.88以上が好ましく、0.90以上がより好ましい。一方、第1厚肉部23のアスペクト比の上限は、特に限定されず、1.00以下でもよい。また、第1厚肉部23は、負極タブ22tの中央部22t2よりも厚くなっていればよく、その具体的な厚みは特に限定されない。例えば、中央部22t2の厚みt2に対する第1厚肉部23の厚みt1の割合(t1/t2)は、1.1以上でもよく、1.2以上でもよく、1.4以上でもよく、1.5以上でもよい。一方、上記t1/t2の上限は、7以下でもよく、6以下でもよく、5以下でもよく、3以下でもよい。
また、本実施形態に係る電極板の製造方法では、上述した通り、負極芯体露出領域A2(図3参照)を切断する際のパルスレーザのラップ率を90%以上に制御している。このようなラップ率の高いパルスレーザで負極芯体露出領域A2を溶融切断すると、溶融した電極芯体は、表面張力によって略球形に変形するため、溶融金属が集まった箇所と、溶融金属が疎になった箇所が交互に形成される。このため、本実施形態に係る負極板20の負極タブ22tの外周縁部22t1には、相対的に厚みが厚い第1領域と、相対的に厚みが薄い第2領域とが交互に形成されることがあり得る。
また、パルスレーザを使用して負極芯体露出領域A2を切断した場合、レーザを照射した時点で負極タブ22tと負極芯体露出領域A2とを切り離すことができるため、CWレーザを使用した場合のように、負極芯体露出領域A2から負極タブ22tを引き剥がす処理を行う必要がない。この結果、製造後の負極板20では、CWレーザによって形成された切断痕(図19参照)と異なり、負極タブ22tの中央部22t2の各表面(上面および下面)から延びる一対の延長線E1、E2の間に、第1厚肉部23の中心点Cが配置されやすい。このように第1厚肉部23の中心点Cが負極タブ22tの厚み方向の中心近傍に配置されると、負極タブ22tの曲げ加工が容易になるため、二次電池の製造効率の向上に貢献することができる。
(第2厚肉部)
一方、図6に示すように、本実施形態では、極板本体部20bの外周縁部20b1における負極芯体22の端部に、極板本体部20bの中央部20b2における負極芯体22よりも厚い第2厚肉部25が形成されている。かかる第2厚肉部25は、上記活物質付与領域切断工程S2において、負極前駆体20Aの負極活物質付与領域A1にパルスレーザを照射した痕跡である。この第2厚肉部25は、高エネルギーのパルスレーザによって負極芯体22が切断されることによって形成される。また、この第2厚肉部25の表面には、被覆層25bが付着している。この被覆層25bは、パルスレーザが照射された後の負極活物質層24であり、負極活物質を含んでいる。また、負極活物質層24には、負極活物質などの焼結物も含まれ得る。そして、図6に示すように、被覆層25bの厚みは、負極活物質層24の厚みよりも薄くなる。かかる被覆層25bは、溶融金属が混入した負極活物質層と比較すると、負極芯体22(第2厚肉部25)の表面に対する密着性に優れているため、導電性の異物の剥離・脱落を好適に防止できる。なお、上述の第2厚肉部25および被覆層25bは、極板本体部20bの外周縁部(図2参照)の少なくとも一辺に形成されていればよい。具体的には、本実施形態では、負極タブ22tの間に位置する極板本体部20bの外周縁部20b1がパルスレーザで切断されているため、この負極タブ22tの間の領域に、第2厚肉部25と被覆層25bが形成されている。
また、第2厚肉部25は、負極芯体22の厚さ方向Tの両側または片側に突出した笠部25a1と、当該笠部25a1と負極芯体22との間に形成された凹部25a2とを備えた鉤爪形状を有している。上述した第1厚肉部23と異なり、第2厚肉部25は、出力が大きなパルスレーザによって形成されるため、負極芯体22の溶融量が少なく、上述のような鉤爪形状になることがある。かかる鉤爪形状の第2厚肉部25の凹部25a2の内部には、被覆層25bが入り込んでいる。これによって、優れたアンカー効果が発揮されるため、被覆層25bがさらに強固に保持されるため、負極活物質層24の破片の脱落・剥離をさらに好適に防止できる。なお、このような鉤爪形状の第2厚肉部25が形成されると、他の部材(例えば、二次電池のセパレータ)が破損する原因になり得る。しかし、本実施形態では、被覆層25bによって第2厚肉部25が被覆されているため、鉤爪形状の第2厚肉部25によって他の部材が破損することを好適に防止できる。なお、第2厚肉部25による他の部材の破損をより好適に防止するという観点から、第2厚肉部25の表面に付着した被覆層25bの厚みは、1μm以上が好ましく、2.5μm以上がより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。一方、被覆層25bの厚みの上限は、得意限定されず、20μm以下でもよく、17.5μm以下でもよく、15μm以下でもよい。
なお、上記第2厚肉部25の笠部25a1の厚みは、1μm以上が好ましく、2.5μm以上がより好ましく、4μm以上がさらに好ましい。これによって、より好適なアンカー効果を発揮させることができる。なお、上記「笠部の厚み」は、芯体表面を基準とした際の笠部25a1の片側の厚みである。また、他の部材の破損をより確実に防止するという観点から、笠部25a1の厚みの上限値は、30μm以下が好ましく、25μm以下がより好ましく、20μm以下がさらに好ましい。一方、笠部25a1の幅(負極板の短手方向Sにおける寸法)は、特に限定されない。例えば、当該笠部25a1の幅は、1μm~30μmでもよく、5μm~25μmでもよく、10μm~20μmでもよい。さらに、第2厚肉部25の凹部25a2の入口の高さ(厚み方向Tにおける寸法)は、1μm~10μmが好ましく、2.5μm~7.5μmがより好ましい。一方、第2厚肉部25の凹部25a2の奥行(負極板の短手方向Sにおける寸法)は、0.1~10μmが好ましく、2.5μm~7.5μmがより好ましい。これによって、凹部25a2の内部に適切な量の被覆層25bを保持させ、より好適なアンカー効果を発揮させることができる。また、負極芯体22の表面から笠部25a1が立ち上がる角度は、0°超90°以下が好ましい。
また、第2厚肉部25のアスペクト比は、第1厚肉部23のアスペクト比よりも小さい値になり得る。上述した通り、第2厚肉部25は、高エネルギーのパルスレーザによって形成された切断痕であるため、第1厚肉部23と異なり、断面形状が略円形になり難い。具体的には、第2厚肉部25のアスペクト比の上限値は、0.85以下(典型的には0.82以下、例えば0.80以下)になり得る。一方、第2厚肉部25のアスペクト比の下限値は、0.40以上(典型的には0.45以上、例えば0.50以上)になり得る。なお、第2厚肉部のアスペクト比は、上述した第1厚肉部のアスペクト比と同様の手順に従って測定することができる。
<二次電池>
次に、本実施形態に係る負極板20を用いて作製した二次電池について説明する。図7は、本実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。図8は、図7中のVIII-VIII線に沿う模式的な縦断面図である。図9は、図7中のIX-IX線に沿う模式的な縦断面図である。図10は、図7中のX-X線に沿う模式的な横断面図である。図11は、封口板に取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。図12は、正極第2集電部と負極第2集電部が取り付けられた電極体を模式的に示す斜視図である。図13は、本実施形態に係る二次電池の電極体を説明する斜視図である。図14は、本実施形態に係る二次電池の電極体の正面図である。なお、図7~14における符号Xは、二次電池100の「厚み方向」を示し、符号Yは「幅方向」を示し、符号Zは「上下方向」を示す。また、厚み方向XにおけるFは「前」を示し、Rrは「後」を示す。幅方向YにおけるLは「左」を示し、Rは「右」を示す。そして、上下方向ZにおけるUは「上」を示し、「D」は下を示す。但し、これらの方向は説明の便宜上の定めたものであり、二次電池100の設置形態を限定することを意図したものではない。
図7~10に示すように、この二次電池100は、捲回電極体40と、電池ケース50と、正極端子60と、負極端子65と、正極集電部70と、負極集電部75と、を備えている。また、図示は省略するが、この二次電池100の電池ケース50の内部には、捲回電極体40の他に、非水電解液も収容されている。この非水電解液は、非水系溶媒に支持塩を溶解させることによって調製される。非水系溶媒の一例として、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート系溶媒が挙げられる。支持塩の一例として、LiPF等のフッ素含有リチウム塩が挙げられる。
(電池ケース)
電池ケース50は、捲回電極体40を収容する筐体である。電池ケース50は、ここでは扁平かつ有底の直方体形状(角形)の外形を有する。電池ケース50の材質は、従来から使用されているものと同じでよく、特に制限はない。電池ケース50は、金属製であることが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金等からなることがより好ましい。電池ケース50は、外装体52と、封口板54と、を備えている。
外装体52は、上面に開口52hを有する扁平な有底角型の容器である。図7に示すように、外装体52は、平面略矩形の底壁52aと、底壁52aの長辺から上下方向Zに延びる一対の長側壁52bと、底壁52aの短辺から上下方向Zに延びる一対の短側壁52cとを備えている。一方、封口板54は、外装体52の開口52hを塞ぐ、平面略矩形の板状部材である。そして、封口板54の外周縁部は、外装体52の開口52hの外周縁部と接合(例えば溶接)されている。これによって、内部が気密に封止(密閉)された電池ケース50が作製される。また、封口板54には、注液孔55と、ガス排出弁57とが設けられている。注液孔55は、外装体52と封口板54とを接合した後の電池ケース50の内部に、非水電解液を注液するために設けられている。なお、注液孔55は、非水電解液の注液後に封止部材56によって封止される。また、ガス排出弁57は、電池ケース50内で大量のガスが発生した際に、予め定められた圧力で破断(開口)し、電池ケース50内のガスを排出するように設計された薄肉部である。
(電極端子)
また、二次電池100の長辺方向Yにおける封口板54の一方(図7、図8中の左側)の端部には正極端子60が取り付けられている。かかる正極端子60は、電池ケース50の外側において、板状の正極外部導電部材62と接続されている。一方、二次電池100の長辺方向Yにおける封口板54の他方(図7、図8中の右側)の端部には、負極端子65が取り付けられている。かかる負極端子65にも、板状の負極外部導電部材67が取り付けられている。これらの外部導電部材(正極外部導電部材62および負極外部導電部材67)は、外部接続部材(バスバー等)を介して、他の二次電池や外部機器と接続される。なお、外部導電部材は、導電性に優れた金属(アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等)で構成されていることが好ましい。
(電極集電部)
二次電池100には、電池ケース50の内部に複数個(図では3個)の捲回電極体40が収容されている。正極端子60は、電池ケース50内に収容された正極集電部70を介して、複数の捲回電極体40の各々と接続されている。具体的には、電池ケース50の内部には、正極端子60と捲回電極体40とを接続する正極集電部70が収容されている。図8、11に示すように、正極集電部70は、封口板54の内側面に沿って延びた板状の導電部材である正極第1集電部71と、上下方向Zに沿って延びた板状の導電部材である複数の正極第2集電部72とを備えている。そして、正極端子60の下端部60cは、封口板54の端子挿通孔58を通って電池ケース50の内部に向かって延び、正極第1集電部71と接続される(図8参照)。図11、12に示すように、正極第2集電部72は、複数の捲回電極体40の各々の正極タブ群42に接続される。そして、図10に示すように、捲回電極体40の正極タブ群42は、正極第2集電部72と捲回電極体40の一方の側面40aとが対向するように折り曲げられている。これによって、正極第2集電部72の上端部と正極第1集電部71とが電気的に接続される。
一方、負極端子65は、電池ケース50内に収容された負極集電部75を介して、複数の捲回電極体40の各々と接続される。かかる負極側の接続構造は、上述した正極側の接続構造と略同一である。具体的には、負極集電部75は、封口板54の内側面に沿って延びた板状の導電部材である負極第1集電部76と、上下方向Zに沿って延びた板状の導電部材である複数の負極第2集電部77とを備えている。そして、負極端子65の下端部65cは、端子挿通孔59を通って電池ケース50の内部に延びて負極第1集電部76と接続される(図8参照)。負極第2集電部77は、複数の捲回電極体40の各々の負極タブ群44と接続される(図11、12参照)。そして、負極タブ群44は、負極第2集電部77と捲回電極体40の他方の側面40bとが対向するように折り曲げられている(図10参照)。これによって、負極第2集電部77の上端部と負極第1集電部76とが電気的に接続される。
(絶縁部材)
また、本実施形態に係る二次電池100では、捲回電極体40と電池ケース50との導通を防止する種々の絶縁部材が取り付けられている。具体的には、正極外部導電部材62(負極外部導電部材67)と封口板54の外側面との間には、外部絶縁部材92が介在している(図7参照)。これによって、正極外部導電部材62や負極外部導電部材67が封口板54と導通することを防止できる。また、封口板54の端子挿通孔58、59の各々にはガスケット90が装着されている(図8参照)。これによって、端子挿通孔58、59に挿通された正極端子60(又は負極端子65)が封口板54と導通することを防止できる。また、正極第1集電部71(又は負極第1集電部76)と封口板54の内側面との間には、内部絶縁部材94が配置されている。この内部絶縁部材94は、正極第1集電部71(又は負極第1集電部76)と封口板54の内側面との間に介在する板状のベース部94aを備えている。これによって、正極第1集電部71や負極第1集電部76が封口板54と導通することを防止できる。さらに、内部絶縁部材94は、封口板54の内側面から捲回電極体40に向かって突出する突出部94bを備えている。これによって、上下方向Zにおける捲回電極体40の移動を規制し、捲回電極体40と封口板54が直接接触することを防止できる。加えて、捲回電極体40は、絶縁性の樹脂シートからなる電極体ホルダ98(図9参照)に覆われた状態で電池ケース50の内部に収容されている。これによって、捲回電極体40と外装体52が直接接触することを防止できる。なお、上述した各々の絶縁部材の材料は、所定の絶縁性を有していれば特に限定されない。一例として、ポリオレフィン系樹脂(例、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE))、フッ素系樹脂(例、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))等の合成樹脂材料を使用できる。
(捲回電極体)
次に、本実施形態に係る二次電池100に用いられる電極体について説明する。本実施形態では、図13に示す構成の捲回電極体40が電極体として使用されている。捲回電極体40は、セパレータ30を介して一対の電極板(正極板10、負極板20)が対向した状態で捲回されている。この捲回電極体40を作製する際には、まず、長尺な帯状のセパレータ30を介在させつつ、長尺な帯状の正極板10と長尺な帯状の負極板20とを積層させた積層体を形成する。そして、この積層体を長手方向に沿って捲回した後に、最外周に配置されたセパレータ30の終端部30aに巻止めテープ38(図14参照)を貼り付ける。これによって、捲回電極体40を作製できる。そして、本実施形態では、この捲回電極体40の作製において、上記構造の負極板20が用いられる。以下、本実施形態における捲回電極体40について説明する。
まず、セパレータ30は、正極板10と負極板20との接触を防止すると共に、電荷担体を通過させる機能を有したシート状の部材である。かかるセパレータ30の一例として、電荷担体が通過し得る微細な孔が複数形成された樹脂シートが挙げられる。かかる樹脂シートは、ポリオレフィン樹脂(例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP))からなる樹脂層を含むことが好ましい。また、上記樹脂シートの表面には、アルミナ、ベーマイト、水酸化アルミニウム、チタニア等の無機フィラーを含む耐熱層が形成されていてもよい。
正極板10は、箔状の金属部材である正極芯体12と、正極芯体12の表面に付与された正極活物質層14と、正極板10の側縁部10aに隣接するように正極芯体12の表面に付与された保護層16と、を備えている。さらに、この正極板10の側縁部10aには、短手方向Sの外側(図13中の左側)に向かって突出する正極タブ12tが、正極板10の長手方向Lにおいて所定の間隔を空けて複数設けられている。この正極タブ12tは、正極活物質層14や保護層16が付与されておらず、正極芯体12が露出した領域である。なお、電池性能の観点から、正極活物質層14と保護層16は、正極芯体12の両面に付与されていることが好ましい。また、保護層16は、その一部が正極活物質層14の側縁部を覆うように付与されていてもよい。なお、正極板10を構成する各部材(正極芯体12、正極活物質層14、保護層16)の材料は、一般的な二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池)で使用され得る従来公知の材料を特に制限なく使用でき、ここに開示される技術を限定するものではないため詳細な説明を省略する。
一方、本実施形態に係る二次電池100で使用される負極板20の構成は上記のとおりである。かかる負極板20は、負極前駆体20Aの負極活物質付与領域A1(図3参照)から極板本体部20bを切り出す際にパルスレーザを使用している。このため、本実施形態に係る負極板20は、溶融金属の混入による負極活物質層24の粘着性低下が抑制されている。この結果、二次電池100を構築した後に、負極活物質層24の破片が脱落・剥離して内部短絡の原因となることを防止できる。さらに、この負極板20は、負極前駆体20Aの負極芯体露出領域A2(図3参照)から負極タブ22tを切り出す際に、CWレーザに近似したパルスレーザを使用している。このため、本実施形態に係る負極板20は、微細な金属片(スパッタ)の付着が抑制されている。この結果、二次電池100を構築した後に、スパッタが脱落・剥離して内部短絡の原因となることを防止できる。すなわち、本実施形態に係る二次電池100では、種々の導電性の異物が負極板20から脱落・剥離することが防止されているため、高い安全性を有している。
<他の実施形態>
以上、ここに開示される技術の一実施形態について説明した。なお、上述の実施形態は、ここに開示される技術が適用される一例を示したものであり、ここに開示される技術を限定するものではない。
例えば、図5に示されるアスペクト比が0.85以上の第1厚肉部23を有する負極板20は、ここに開示される電極板の製造方法を用いて製造された電極板の一例であり、ここに開示される技術を限定することを意図したものではない。具体的には、ここに開示される電極板の製造方法は、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザの状態をCWレーザに近づけることによって、スパッタの飛散を抑制し、製造後の電極板から導電性の異物が脱落・剥離することを防止する。しかし、レーザ切断痕(第1厚肉部)の形状は、切断対象である電極芯体の材料や厚みによって変化し得るため、ここに開示される電極板の製造方法を適用してスパッタの飛散を適切に抑制した場合であっても第1厚肉部のアスペクト比が0.85未満になることもあり得る。すなわち、ここに開示される電極板の製造方法は、芯体露出領域切断工程におけるパルスレーザの状態をCWレーザに近づけて、スパッタの発生量を従来よりも低減させる方法であり、アスペクト比が0.85以上の第1厚肉部を有する負極板を製造する方法に限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、ここに開示される電極板の製造方法の製造対象を負極板としている。しかし、ここに開示される電極板の製造方法の製造対象は、負極板に限定されず、正極板であってもよい。かかる正極板を製造対象とした場合であっても、製造後の電極板(正極板)から導電性の異物(正極活物質層の破片やスパッタ)が脱落・剥離することを防止できる。なお、上述の実施形態で製造した負極板は、正極板と比べて、溶融金属の混入による電極活物質層の粘着性低下が生じやすい傾向がある。これに対して、ここに開示される電極板の製造方法によると、かかる溶融金属の混入を適切に抑制できる。このため、ここに開示される電極板の製造方法は、負極板の製造に特に好適に適用できる。
また、上述の実施形態では、電極体として捲回電極体を使用している。しかし、電極体は、セパレータを介して正極板と負極板が対向していればよく、捲回電極体に限定されない。電極体の構造の他の例として、セパレータを介在させながら、複数枚の正極板と負極板とを順次積層させた積層電極体が挙げられる。この種の積層電極体用の負極板を作製するには、図3中の二点鎖線LN4に示すような短手方向Sに沿った裁断を、1つの負極タブ22t毎に実施するとよい。詳細な説明は省略するが、正極板の作製も同様である。そして、正極タブが同じ位置に積層され、かつ、負極板の負極タブが同じ位置に積層されるように、セパレータを介在させながら複数枚の正極板と複数枚の負極板を積層する。これによって積層電極体を作製できる。
また、上述の実施形態では、電池ケース50の内部に3個の捲回電極体40が収容された高容量の二次電池100を対象としている。しかし、1つの電池ケース内に収容される電極体の数は、特に限定されず、2つ以上(複数)であってもよいし、1つであってもよい。さらに、上述の実施形態に係る二次電池100は、リチウムイオンが電荷担体であるリチウムイオン二次電池である。しかし、ここに開示される二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されない。他の二次電池(例えばニッケル水素電池など)の製造工程においても、電極前駆体の活物質付与領域と芯体露出領域をレーザで切断する工程が存在しているため、ここに開示される技術を特に制限なく適用することができる。
また、上述の実施形態に係る二次電池100は、電解質として非水電解液を用いた非水電解液二次電池である。しかし、ここに開示される技術は、非水電解液二次電池以外の電池に適用することもできる。二次電池の構造の他の例として、全固体電池が挙げられる。この全固体電池では、正極板と負極板との間に介在させるセパレータとして、固体電解質をシート状に成形した固体電解質層が用いられる。この全固体電池では、セパレータと電解質とが一体化され、電極体の内部に含まれるため、電解液の漏出などを防止できる。この種の全固体電池の製造工程においても、電極前駆体の活物質付与領域と芯体露出領域をレーザで切断する工程が存在しているため、ここに開示される技術を特に制限なく適用することができる。
[試験例]
以下、本発明に関する試験例を説明する。なお、以下に記載する試験例の内容は、本発明を限定することを意図したものではない。
1.サンプルの用意
(例1)
例1では、負極前駆体の負極活物質付与領域と芯体露出領域とで異なる条件のパルスレーザを使用し、リチウムイオン二次電池用の負極を製造した。まず、厚み8μmの負極芯体(銅箔)の両面に、厚さ80μmの負極活物質層が付与された負極前駆体を準備した。この負極前駆体の負極活物質層には、負極活物質と、増粘剤と、バインダとが98.3:0.7:1.0の割合で含まれている。なお、負極活物質には黒鉛(グラファイト)を使用し、増粘剤にはカルボキシメチルセルロース(CMC)を使用し、バインダにはスチレンブタジエンゴム(SBR)を使用した。次に、負極前駆体を所定の形状に切断して負極板を切り出した。
具体的には、例1における負極活物質付与領域の切断では、パルス幅が240ns、ラップ率が92%、周波数が400kHzのパルスレーザを使用した。一方、芯体露出領域の切断では、パルス幅が240ns、ラップ率が90%、周波数が450kHzのパルスレーザを使用した。また、パルスレーザのスポット径は30μmに統一した。
(例2~例5)
例2~例5では、芯体露出領域の切断におけるパルスレーザのラップ率と周波数を異ならせた点を除いて、上述した例1と同じ条件でリチウムイオン二次電池用の負極を製造した。なお、各例におけるパルスレーザのラップ率と周波数は後述の表1に示す。
(例6)
例6では、負極活物質付与領域と芯体露出領域とで同じ条件のCWレーザを使用した。まず、例6で準備した負極前駆体は、例1~例5で準備した負極前駆体と同じものである。そして、例6では、出力が1000W、かつ、走査速度が6000mm/secのCWレーザを使用し、負極活物質付与領域と芯体露出領域の両方を切断した。なお、例6で使用したCWレーザのスポット径は20μmである。
2.評価試験
本試験では、まず、各例で製造した負極板のレーザ切断箇所を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。なお、本試験では、各例の負極板に対して、負極タブの側縁部と極板本体の側縁部の二箇所のSEM観察を行った。図15は、例1の負極タブの断面SEM写真(1000倍)である。図16は、例1の極板本体部の断面SEM写真(1000倍)である。図17は、例3の負極タブの断面SEM写真(1000倍)である。図18は、例3の極板本体部の断面SEM写真(1000倍)である。図19は、例6の負極タブの断面SEM写真(1000倍)である。図20は、例6の極板本体部の断面SEM写真(370倍)である。
次に、上記断面SEM写真に基づいて、作製後の負極板について以下の点を評価した。まず、各例の負極タブの断面SEM写真に基づいて、レーザ切断痕(第1厚肉部)のアスペクト比を測定した。次に、負極タブの外周縁部の付近の状態を確認し、スパッタが付着していなかったものを「○」と評価し、1個以上のスパッタが付着していたものを「×」と評価した。そして、極板本体の側縁部の状態を確認し、溶融金属が混入した負極活物質層が生じていなかったものを「○」と評価し、溶融金属が混入した負極活物質層が生じていたものを「×」と評価した。
3.評価結果
上述の評価試験の結果を以下の表1に示す。
Figure 0007434222000001
(1)芯体露出領域の切断結果
まず、各例における負極タブの外周縁部の付近(すなわち、レーザ切断された芯体露出領域の付近)の状態を比較検討する。例1では、負極タブの外周縁部の付近に金属片(スパッタ)の付着が観察されなかった(図15参照)。また、この負極タブの外周縁部には、負極タブの中央部よりも厚みが大きい第1厚肉部が形成されていた。この第1厚肉部は、溶融した負極芯体が固化したものと推測される。そして、この例1の負極タブに形成された第1厚肉部は、アスペクト比が0.95であった。図示は省略するが、かかる結果は、例2、例6も同様であり、負極タブへのスパッタの付着が抑制され、かつ、アスペクト比が大きな第1厚肉部が形成されていた。一方、例3では、負極タブの外周縁部の付近に多量のスパッタが付着していることが確認された(図17参照)。また、例3の負極タブに形成された第1厚肉部は、アスペクト比が0.82と小さくなっていた。図示は省略するが、例4、5も同様の結果となり、負極タブに多量のスパッタが付着し、第1厚肉部のアスペクト比が小さくなっていた。これらの結果から、芯体露出領域を切断する差異のパルスレーザの周波数を大きくし、かつ、ラップ率を90%以上にすると、パルスレーザの状態をCWレーザに近似させてスパッタの発生を抑制できることが分かった。
また、例6では、断面略円形の第1厚肉部の中心が、負極芯体の厚み方向の中心から下方にずれていた。これは、CWレーザを使用した例6では、レーザ照射直後の時点で負極タブが芯体露出領域から完全に切り離されておらず、負極タブを芯体露出領域から引き剥がす必要があり、レーザ切断痕(第1厚肉部)が当該負極タブの引き剥がしに引っ張られたためと推測される。
(2)活物質層付与領域の切断結果
次に、各例における極板本体部の側縁部の付近(すなわち、レーザ切断された活物質層付与領域の付近)の状態を比較検討する。まず、図20に示すように、CWレーザを使用して活物質層付与領域を切断した例6では、切断後の極板本体部の側縁部に、溶融金属が混入した負極活物質層が付着していた。そして、この極板本体部の側縁部に付着した負極活物質は、小さな衝撃によって容易に脱離・剥離することがわかった。一方、例1および例3では、負極活物質層への溶融金属の混入が確認されなかった(図16および図18参照)。そして、例1及び例3では、負極板本体部の側縁部における負極芯体の端部に、極板本体部の中央部における負極芯体よりも厚みが大きい第2厚肉部が形成されていた。また、この第2厚肉部の表面には、負極活物質を含む被覆層が付着していた。図示は省略するが、かかる結果は、例2、例4、例5も同様であった。以上の点から、活物質層付与領域を切断する際にパルスレーザを使用することによって、負極活物質層への溶融金属の混入を防止できることが分かった。
以上、本発明を詳細に説明したが、上述の説明は例示にすぎない。すなわち、ここで開示される技術には上述した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
10 正極板
12 正極芯体
12t 正極タブ
14 正極活物質層
16 保護層
20 負極板
20A 負極前駆体
20b 極板本体部
22 負極芯体
22t 負極タブ
23 第1厚肉部
24 負極活物質層
25 第2厚肉部
25b 被覆層
30 セパレータ
38 巻き止めテープ
40 捲回電極体
42 正極タブ群
44 負極タブ群
50 電池ケース
60 正極端子
65 負極端子
70 正極集電部
75 負極集電部
100 二次電池
A1 負極活物質付与領域
A2 負極芯体露出領域
A3 重複照射領域
A4 単一照射領域
S1 前駆体準備工程
S2 活物質付与領域切断工程
S3 芯体露出領域切断工程

Claims (10)

  1. 金属箔である電極芯体と、前記電極芯体の表面に付与されて電極活物質を含む電極活物質層とを備えた電極板を製造する方法であって、
    前記電極芯体の表面に前記電極活物質層が付与された活物質付与領域と、前記電極活物質層が付与されずに前記電極芯体が露出した芯体露出領域を備えた電極前駆体を準備する前駆体準備工程と、
    前記活物質付与領域をパルスレーザで切断する活物質付与領域切断工程と、
    前記芯体露出領域をパルスレーザで切断する芯体露出領域切断工程と
    を備えており、
    前記芯体露出領域切断工程における前記パルスレーザの周波数を、前記活物質付与領域切断工程における前記パルスレーザの周波数よりも大きくし、かつ、
    前記芯体露出領域切断工程における前記パルスレーザのラップ率を90%以上にすることを特徴とし、
    前記電極芯体は銅または銅合金製であり、前記電極活物質は炭素材料を含む、電極板の製造方法。
  2. 前記活物質付与領域切断工程における前記パルスレーザの周波数が100kHz~2000kHzである、請求項1に記載の電極板の製造方法。
  3. 前記芯体露出領域切断工程における前記パルスレーザの周波数が450KHz~4000KHzである、請求項1または2に記載の電極板の製造方法。
  4. 前記活物質付与領域切断工程における前記パルスレーザのラップ率は、前記芯体露出領域切断工程における前記パルスレーザのラップ率よりも小さい、請求項1~3のいずれか一項に記載の電極板の製造方法。
  5. セパレータを介して一対の電極板が対向する電極体を備えた二次電池の製造方法であって、
    請求項1~4のいずれか一項に記載の電極板の製造方法を用いて、前記一対の電極板の少なくとも一方を製造することを特徴とする、二次電池の製造方法。
  6. 箔状の金属部材である電極芯体と、前記電極芯体の表面に付与されて電極活物質を含む電極活物質層とを備えた電極板であって、
    前記電極芯体の表面に前記電極活物質層が付与された極板本体部と、
    前記電極活物質層が付与されておらず、前記電極芯体が露出している領域であって、前記極板本体部の外周縁部の一部から外側に向かって突出する電極タブと
    を備え、
    前記電極タブの外周縁部に、前記電極タブの中央部よりも厚みが厚い第1厚肉部が形成され、かつ、前記電極タブの厚み方向に沿った断面視における前記第1厚肉部のアスペクト比が0.85以上であり、
    前記極板本体部の外周縁部の少なくとも一辺における前記電極芯体の端部に、前記極板本体部の中央部における前記電極芯体よりも厚みが大きい第2厚肉部が形成され、かつ、前記第2厚肉部の表面に、前記電極活物質を含む被覆層が付着しており、
    前記電極芯体は銅または銅合金製であり、前記電極活物質は炭素材料を含み、かつ、
    前記第1厚肉部は、相対的に厚みが厚い第1領域と、相対的に厚みが薄い第2領域を有しており、前記電極タブの外周縁部に沿って前記第1領域と前記第2領域とが交互に形成されている、電極板。
  7. 前記第2厚肉部は、厚さ方向の両側または片側に突出した笠部と、当該笠部と電極芯体との間に形成された凹部とを備えた鉤爪形状を有している、請求項6に記載の電極板。
  8. 前記第2厚肉部の表面に付着した前記被覆層の厚みが1μm~20μmである、請求項6または7に記載の電極板。
  9. 前記電極タブの中央部の各表面から延びる一対の延長線の間に、前記第1厚肉部の中心点が配置されている、請求項6~8のいずれか一項に記載の電極板。
  10. セパレータを介して一対の電極板が対向する電極体を備えた二次電池であって、
    前記一対の電極板の少なくとも一つが請求項6~9のいずれか一項に記載の電極板であることを特徴とする、二次電池。
JP2021117995A 2021-07-16 2021-07-16 電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池 Active JP7434222B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021117995A JP7434222B2 (ja) 2021-07-16 2021-07-16 電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池
EP22182815.5A EP4119282A1 (en) 2021-07-16 2022-07-04 Manufacturing method of electrode plate, manufacturing method of secondary battery, electrode plate, and secondary battery
US17/860,199 US20230021118A1 (en) 2021-07-16 2022-07-08 Manufacturing method of electrode plate, manufacturing method of secondary battery, electrode plate, and secondary battery
KR1020220086098A KR20230012988A (ko) 2021-07-16 2022-07-13 전극판의 제조 방법, 이차 전지의 제조 방법, 전극판 및 이차 전지
CN202210835158.5A CN115700936A (zh) 2021-07-16 2022-07-15 电极板的制造方法、二次电池的制造方法、电极板及二次电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021117995A JP7434222B2 (ja) 2021-07-16 2021-07-16 電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023013655A JP2023013655A (ja) 2023-01-26
JP7434222B2 true JP7434222B2 (ja) 2024-02-20

Family

ID=82547609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021117995A Active JP7434222B2 (ja) 2021-07-16 2021-07-16 電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230021118A1 (ja)
EP (1) EP4119282A1 (ja)
JP (1) JP7434222B2 (ja)
KR (1) KR20230012988A (ja)
CN (1) CN115700936A (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021202644A1 (de) * 2021-03-18 2022-09-22 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Ableiterfolie für Batterien
CN117733374B (zh) * 2024-02-07 2024-05-10 蔚来电池科技(安徽)有限公司 极片分切设备及极片分切设备的控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007014993A (ja) 2005-07-08 2007-01-25 Toyota Motor Corp レーザを用いたワーク切断方法とレーザ加工装置
JP2012221912A (ja) 2011-04-14 2012-11-12 Nissan Motor Co Ltd 電極製造方法および電極製造装置
JP2014504429A (ja) 2010-12-03 2014-02-20 リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー シート状あるいはプレート状のオブジェクトを切断する方法およびシステム
JP2016033912A (ja) 2014-07-30 2016-03-10 三星エスディアイ株式会社Samsung SDI Co.,Ltd. 二次電池およびその製造方法
WO2016208686A1 (ja) 2015-06-24 2016-12-29 株式会社豊田自動織機 切断装置
WO2021085202A1 (ja) 2019-11-01 2021-05-06 三洋電機株式会社 極板、非水電解質二次電池、及び極板の製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101093306B1 (ko) * 2007-05-18 2011-12-14 주식회사 엘지화학 파이버 펄스형 레이저를 이용한 리튬 이차전지 전극의제조방법
JP5354646B2 (ja) 2008-07-31 2013-11-27 Necエナジーデバイス株式会社 積層型二次電池およびその製造方法
JP7559563B2 (ja) * 2020-01-28 2024-10-02 東レ株式会社 無線通信デバイス、およびその製造方法
JP7275173B2 (ja) * 2021-01-29 2023-05-17 プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 二次電池の製造方法および二次電池
JP7225277B2 (ja) * 2021-01-29 2023-02-20 プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 電極板および二次電池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007014993A (ja) 2005-07-08 2007-01-25 Toyota Motor Corp レーザを用いたワーク切断方法とレーザ加工装置
JP2014504429A (ja) 2010-12-03 2014-02-20 リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー シート状あるいはプレート状のオブジェクトを切断する方法およびシステム
JP2012221912A (ja) 2011-04-14 2012-11-12 Nissan Motor Co Ltd 電極製造方法および電極製造装置
JP2016033912A (ja) 2014-07-30 2016-03-10 三星エスディアイ株式会社Samsung SDI Co.,Ltd. 二次電池およびその製造方法
WO2016208686A1 (ja) 2015-06-24 2016-12-29 株式会社豊田自動織機 切断装置
WO2021085202A1 (ja) 2019-11-01 2021-05-06 三洋電機株式会社 極板、非水電解質二次電池、及び極板の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20230021118A1 (en) 2023-01-19
EP4119282A1 (en) 2023-01-18
KR20230012988A (ko) 2023-01-26
CN115700936A (zh) 2023-02-07
JP2023013655A (ja) 2023-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7275173B2 (ja) 二次電池の製造方法および二次電池
JP7434222B2 (ja) 電極板の製造方法、二次電池の製造方法、電極板および二次電池
US20090004562A1 (en) Sealed battery and manufacturing method therefor
EP4053933A1 (en) Electrode plate, nonaqueous electrolyte secondary battery, and method for producing electrode plate
US11870040B2 (en) Electrode plate and secondary battery
JP7350051B2 (ja) 電極板及びその製造方法、二次電池及びその製造方法
KR20230012987A (ko) 전극판의 제조 방법, 이차 전지의 제조 방법, 전극판 및 이차 전지
JP7545898B2 (ja) 二次電池用の電極板及びそれを用いた二次電池
US20230207981A1 (en) Manufacturing method of electrode plate, manufacturing method of secondary battery, electrode plate, and secondary battery
JP7518767B2 (ja) 二次電池用の電極板及びそれを用いた二次電池
JP7356455B2 (ja) 二次電池用の電極板及びそれを用いた二次電池
JP7398392B2 (ja) 二次電池用の電極板及びそれを用いた二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220808

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230622

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230803

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230927

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240111

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240207

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7434222

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150