JPWO2015145852A1 - 二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

電池要素を外装材で本封止した後のガスの発生を抑制できる二次電池の製造方法を提供する。二次電池の製造方法は、複数の電極シートと、互いに隣接する電極シートの間に配置されたセパレータシートと、を有する電池要素を、外装材で包むことと、外装材内に電解液を入れることと、外装材内に電解液を入れた後に、外装材の外側から電池要素を所定の時間加圧することと、を有する。

Description

本発明は、二次電池の製造方法に関する。

近年、ハイブリットカー、電気自動車又は電動アシスト自転車などの多くの用途で、二次電池が用いられている。二次電池は、再充電可能な電池として知られている（特開２００９−１４６６０２号（以下、特許文献１と称する。）参照）。特許文献１に記載の二次電池は、電池要素と、電池要素を収容するラミネートフィルムと、を有する。電池要素は、複数の正極シートと、複数の負極シートと、正極シートと負極シートとの間に配置されたセパレータと、を有する。ラミネートフィルムは、電池要素とともに電解液を気密に収容している。

特許文献１は、二次電池の製造方法を開示している。特許文献１に記載の製造方法は、電池要素をラミネート外装材で覆った状態で、平板状の押え板で二次電池に圧力を加えつつラミネート外装材の内部へ電解液を少しずつ注入することを含む。

特開２００９−１４６６０２号公報

一般に、二次電池を製造する際、電池要素を外装材で封止した後に、エージング処理を実施することがある。このエージング処理中に外装材の内部にガスが発生することがある。気密に封止された外装材の内部にガスが発生することで、二次電池が膨張することがある。二次電池の膨張により、二次電池の体積が所定の設計値（目標体積）を超えてしまうことがある。
よって、本発明の目的は、電池要素を外装材で本封止した後のガスの発生を抑制できる、二次電池の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様における二次電池の製造方法は、複数の電極シートと、互いに隣接する電極シートの間に配置されたセパレータシートと、を有する電池要素を、外装材で包むことと、外装材内に電解液を入れることと、外装材内に電解液を入れた後に、外装材の外側から電池要素を所定の時間加圧することと、を有する。

本発明によれば、外装材の内部に発生するガスの量を抑制することができる。

図１は、一実施形態における二次電池の製造方法のフローチャートを示している。 図２は、電池要素の概略構成を示す斜視図である。 図３（ａ）は正極シートの概略平面図であり、図３（ｂ）は負極シートの概略平面図である。 図４は、外装材で包まれた電池要素を示す平面図である。 図５は、外装材内に電解液を入れるステップを示す概略平面図である。 図６は、外装材の外側から電池要素を加圧する一方法を示す概略平面図である。 図７は、図１に示すフローチャートに続くステップを示すフローチャートの一例を示している。 図８は、二次電池の斜視図である。 図９は、二次電池の体積増加率と加圧力との関係を示している。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。下記の実施形態で説明する二次電池は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池など、様々な種類の二次電池であってよい。

図１は、一実施形態における二次電池の製造方法のフローチャートを示している。まず、電池要素を準備する（ステップＳ１）。図２は、電池要素の概略構成を示している。電池要素３４は、複数の電極シート１０，２０と、互いに隣接する電極シート１０，２０の間に配置されたセパレータシート３０と、を有する。電極要素３４は、任意の数の電極シート１０，２０を有していてよい。

複数の電極シートのうちの少なくとも１つは正極シート１０であってよい。複数の電極シートのうちの残りの少なくとも１つは負極シート２０であってよい。図３（ａ）は正極シート１０の概略平面図であり、図３（ｂ）は負極シート２０の概略平面図である。正極シート１０は、集電体１２としての金属板又は金属箔と、集電体１２上に塗布された正極合材１４と、を含んでいてよい。負極シート２０は、集電体２２としての金属板又は金属箔と、集電体２２上に塗布された負極合材２４と、を含んでいてよい。各電極シート１０，２０における集電体１２，２２の一部が端子１６，２６を形成している。正極シート１０の端子１６には、正極用のリード１８が接続される。負極シート２０の端子２６には、負極用のリード２８が接続される。

セパレータシート３０は、多孔性フィルム又は微多孔性フィルムであってよい。セパレータシート３０は、例えば、ポリエチレン又はポリプロピレンなどの合成樹脂から形成することができる。また、セパレータシート３０はセラミックス製の多孔質膜から形成されていてもよい。その一例として、セパレータシート３０は、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックが塗布された多孔質基材から形成されていてよい。

次に、図４に示すように、電池要素３４を外装材４０で包む（ステップＳ２）。外装材４０は、可撓性フィルムから形成されていてよい。一例では、外装材４０は、ラミネートフィルムであってよい。ラミネートフィルムは、例えば、金属箔の両面を絶縁性の樹脂層で覆った形態を有する。

具体的一例では、電池要素３４は、２枚のラミネートフィルムで挟み込まれる。それから、２枚のラミネートフィルムの一辺４４を除き、２枚のラミネートフィルムの周囲を熱融着することができる。熱溶着された部分は、図４にでは符号４２で示されている。これにより、電極要素３４が外装材４０で包まれる。ただし、リード１８，２８は外装材４０から引き出された状態にする。ここで、外装材４０の一辺４４は、封着されておらず、開口を形成している。この開口を介して外装材４０の内部にアクセス可能となっている。

次に、図５に示すように、外装材４０の内部へ電解液６０を入れる（ステップＳ３）。このとき、外装材４０の開口が重力方向Ｇとは反対の方向へ向けられていることが好ましい。電解液６０を外装材４０に入れるステップにおいて、一定の時間、例えば４時間程度、二次電池を放置しても良い。電解液６０を注入した後、好ましくは真空状態にて、外装材４０の、封着されていない一辺４４を一時的に封着する（ステップＳ４）。これによって電極要素３４を外装材６０の全周で仮封止する（仮封止工程）。今後、仮封止工程で封着された外装材の一辺４４を「仮封止部」と呼ぶことがある。この後、任意に、外装材４０のしわをのばすステップを実施してもよい。

外装材４０内に電解液を入れた後、外装材４０の外側から電池要素３４を所定の時間加圧する（ステップＳ５。以下、「加圧ステップ」と称することがある。）。電解液６０の漏れを防ぐため、電極要素３４を外装材４０で仮封止した状態で電池要素３４を加圧することが好ましい。具体的一例では、図６に示すように、１対の押し付け板７０により二次電池５０を挟み込み、これによって外装材４０の外側から電池要素３４を押圧することができる。なお、図６は、図５に示す矢印６Ａの方向から見た二次電池５０を示している。

外装材４０の外側から外装材４０及び電池要素３４を加圧することで、電極シート１０，２０とセパレータシート３０との間の隙間の大きさや、セパレータシート３０の微細孔の大きさを小さくすることができる。これにより、セパレータシート３０への電解液６０の浸み込みを促進することができると考えられる。特に、毛細管現象の毛管力が向上することによりセパレータシート３０への電解液６０の浸み込みを促進することができると考えられる。このように、セパレータシート３０へ電解液６０が十分に浸み込むことで、後の製造ステップ中でのガスの発生が抑制される。

セパレータシート３０の細孔へ電解液６０を十分に染み込ませるために、電池要素３４を１８時間以上加圧することが好ましい。さらに、セパレータシート３０の細孔へ電解液６０を十分に染み込ませるため、複数の電極シート１０，２０が積層された方向Ｌにおいて最も大きい厚みを有する二次電池５０の部分（エンボス部）４８の、８５％〜１００％の面積の領域が加圧されることが好ましい（図８も参照）。

次に、図７に示すように、電池要素を仮充電する（ステップＳ６）。任意に、仮充電後に放電を行ってもよい。なお、充電及び放電を、所定の回数繰り返してもよい。次に、外装材４０の仮封止部４６を解いて、外装材４０内に発生したガスを除去する（ステップＳ７）。外装材４０内に電解液６０を入れてから、ステップＳ７でガスを除去するまでの間、二次電池５０の姿勢を維持することが好ましい。より具体的には、外装材４０内に電解液６０を入れてから、ステップＳ７でガスを除去するまでの間、二次電池５０を、仮封止部４６を重力方向Ｇとは反対向き、すなわち鉛直上向きに保持した状態に維持する。これにより、外装材４０の内部で発生したガスは仮封止部４６付近に貯まる。したがって、仮封止部４６を開放したときに、外装材４０の内部のガスを効率的に除去することができる。

次に、電池要素３４を外装材４０で本封止する（ステップＳ８）。ここでは、外装材４０が再び開かないように、電池要素３４を気密に完全に封止することが好ましい。次に、電池要素３４を充電する（ステップＳ９）。次に、二次電池５０に対してエージング処理を実施する（ステップＳ１０）。具体的には、二次電池５０を所定の温度に加熱した状態で所定の時間放置する。このようにして、図８に示す二次電池５０が得られる。

一般に、エージング処理中に外装材の内部にガスが発生することがある。このガスは、セパレータシート３０への電解液６０の染み込みが不十分であるときに発生すると考えられる。上記製造方法によれば、仮封止後に所定の時間、電池要素３４を加圧することにより、セパレータシート３０へ電解液６０を十分に浸み込ませることができる。その結果、エージング処理中に外装材４０の内部に発生するガスの量を抑制することができる。

［実施例］
本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池と、比較例におけるリチウムイオン二次電池について、エージング処理後に発生したガスの量を比較した結果を以下に示す。本発明の実施例におけるリチウムイオン二次電池は、上述の方法により製造された。本実施例の二次電池は、外装材内に電解液を入れた後、外装材のエンボス部の面積の８５％の領域を所定時間加圧した。一方、比較例の二次電池は、外装材内に電解液を入れた後、二次電池を加圧しなかった。実施例及び比較例ともに、複数のサンプルについて実験した。

表１は、エージング処理前の二次電池の体積とエージング処理後の二次電池の体積との比を示している。すなわち、表１は、エージング処理後の二次電池の体積増加率を示している。二次電池の体積増加は、主に、外装材の内部に発生したガスの量に起因する。

二次電池を加圧するステップを含む製造方法では、エージング処理中に発生したガスの量が抑制されていることがわかる。また、発生したガスの量のばらつきも小さくなった。これにより、加圧ステップを含む製造方法が、加圧ステップを有しない製造方法よりも有利であることがわかる。

図９は、加圧ステップでの二次電池の加圧力と、エージング処理前後の二次電池の体積変化率との関係を示すグラフである。なお、加圧工程では、二次電池の外装材のエンボス部の８５％の領域を１８時間加圧した。図９に示すグラフから、６．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の力で二次電池を加圧すると、エージング処理前後の二次電池の体積変化率が著しく低下することがわかる。この体積変化率の低下は、外装材内のガスの発生が抑制されたことを意味している。したがって、加圧ステップでは、６．５ｋｇｆ／ｃｍ^２（約０．６４Ｎ／ｍｍ^２）以上の力で外装材の外側から電池要素を加圧することが好ましい。また、外装材の強度の限界という観点から、加圧力は７．３ｋｇｆ／ｃｍ^２（約０．７２Ｎ／ｍｍ^２）以下の力であることが好ましい。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

この出願は、２０１４年３月２５日に出願された日本国特許出願番号第２０１４−６１８７３号を基礎とする優先権を主張し、参照によりその開示の全てをここに取り込む。

１０ 正極シート
２０ 負極シート
３０ セパレータシート
３４ 電池要素
４０ 外装材
５０ 二次電池
６０ 電解液

Claims (10)

1. 複数の電極シートと、互いに隣接する前記電極シートの間に配置されたセパレータシートと、を有する電池要素を、外装材で包むことと、
   前記外装材内に電解液を入れることと、
   前記外装材内に前記電解液を入れた後に、前記外装材の外側から前記電池要素を所定の時間加圧することと、を有する二次電池の製造方法。
2. 前記電池要素は、前記電池要素を前記外装材の全周で仮封止した状態で前記所定の時間加圧される、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
3. 前記所定の時間は１８時間以上の時間である、請求項１又は２に記載の二次電池の製造方法。
4. 前記電池要素は、０．６４Ｎ／ｍｍ^２以上の力で前記外装材の外側から加圧される、請求項１から３のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
5. 前記電池要素と前記電池要素を包む前記外装材とを含む二次電池の、前記複数の電極シートが積層された方向において最も大きい厚みを有する部分の８５％〜１００％の面積の領域が、加圧される、請求項１から４のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
6. 前記セパレータは多孔性フィルムから構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
7. 前記外装材は、可撓性を有するラミネートフィルムである、請求項１から６のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
8. 前記電池要素を所定の時間加圧した後に、前記電池要素を仮充電することと、
   前記外装材の仮封止を解いて、前記外装材の内部に生じたガスを除去することと、
   前記電池要素を前記外装材の全周で本封止することと、をこの順にさらに有する、請求項２に記載の二次電池の製造方法。
9. 前記電解液は、前記電池要素及び前記外装材が前記外装材の開いた一辺を鉛直上向きに向けて保持された状態で前記外装材の内部へ入れられ、
   前記外装材内に電解液を入れてから、前記外装材の内部に生じたガスを前記外装材へ除去するまでの間、前記電池要素及び前記外装材の姿勢を維持する、請求項８に記載の二次電池の製造方法。
10. 前記電池要素を前記外装材で本封止した後に、前記二次電池に対してエージング処理を実施することをさらに有する、請求項８又は９に記載の二次電池の製造方法。
    

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