WO2020013301A1 - 組立体及び蓄電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池の輸送に関する制限を解除し、低コストで熱暴走リスクのきわめて小さい蓄電池を提供する。　正極電極板と負極電極板とを含む電極体と、電解液と、を電池ケース内に有する蓄電池が生成される際に用いられる組立体であって、内部に収容された前記電極体と、前記電解液が注液される内部の領域と、を有し、前記領域に前記電解液が注液されることで、前記電池ケースとして機能する。

Description

組立体及び蓄電池の製造方法

　本発明は、可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池が形成される際に用いられる組立体に関する。

　蓄電池の中の一つであるリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いため、小型、軽量を図る必要のあるパソコン、携帯端末などのポータブル電源、車両駆動用の電源などに幅広く用いられている。また、リチウムイオン二次電池は、クリーンなエネルギー源として蓄電装置を用途とする開発も行われている。

　特に、軽量で高いエネルギー密度の得られる、ニッケル系、コバルト系のリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両の駆動用電源として普及している。また、リチウムイオン二次電池は、様々な製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－６２６１号公報

　しかしながら、上述した技術には、以下のような課題がある。

　ニッケル系、コバルト系のリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いため、容量の増大を図ることができる。しかしながら、ニッケル系、コバルト系のリチウムイオン二次電池は、不安定な二次元の結晶構造を持つため、熱暴走、発火のリスクが高いという問題を有している。また、ニッケル、コバルトは、希少資源のため、価格変動が激しくコスト優位性を保てないという問題もある。

　さらに、リチウムイオン二次電池は、可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池である。そのため、リチウムイオン二次電池は、本体そのものが危険物である。その結果、リチウムイオン二次電池は、輸送に関する制限が大きく、少量多品種の輸送が困難となり、普及の障害にもなっている。例えば、リチウムイオン二次電池は、現状において航空機を利用した輸送に適しておらず、少量多品種の商品を展開する障害になっている。

　本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池の輸送に関する制限を解除し、低コストで熱暴走リスクのきわめて小さい蓄電池を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明の一態様の組立体は、
　正極電極板と負極電極板とを含む電極体と、電解液と、を電池ケース内に有する蓄電池が生成される際に用いられる組立体であって、
　内部に収容された前記電極体と、
　前記電解液が注液される内部の領域と、
　を有し、
　前記領域に前記電解液が注液されることで、前記電池ケースとして機能する。

　本発明によれば、組立体を作製する第１の工程と、組立体に対して可燃性の電解液を注液する第２の工程と、を設けることで、可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池の輸送に関する制限を解除し、低コストで熱暴走リスクのきわめて小さい蓄電池を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン二次電池の基本フローの一例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係るリチウムイオン二次電池の生産の具体例に関する１つを例示する図である。

　以下に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本明細書の実施の形態において、蓄電池の中の一つであるリチウムイオン二次電池を一例として説明する。

　実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン二次電池の基本フローの一例を示す図である。まず、後述するリチウムイオン二次電池を実現可能とする基本フローについて説明する。

　図１に示すように、本実施の形態１に係るリチウムイオン二次電池は、正極電極板と負極電極板とを含む電極体が電池ケース内に収容され、かつ、電解液が注液されていない状態の組立体を作製する第１の工程（ステップＳ１０）、作製した組立体を輸送する輸送工程（ステップＳ２０）、第１の工程で作製した組立体に電解液を注液する第２の工程（ステップＳ３０）を備えている。

　まず、ステップＳ１０における、第１の工程について説明する。ステップＳ１０の第１の工程は、マンガンまたは鉄を含有する正極活物質層を備える正極電極板と炭素を含有する負極活物質を備える負極電極板とを用いて、電極体を作製し、作製した電極体を電池ケースに収容する。

　例えば、正極は、正極ペーストを作製して正極集電体に塗工し、乾燥することにより準備できる。正極ペーストは、典型的には、正極活物質、導電材、バインダ、溶媒などを含んでいる。なお、本明細書において「ペースト」は、「スラリー」、「インク」と呼ばれる形態のものも包含する用語として用いられる。

　正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料が用いられ、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用できる。例えば、正極活物質は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルなどの単一または複合の金属酸化物、オリビン系物質を使用することができる。

　導電材は、例えば、カーボンブラック、コークス、黒鉛などの炭素材料を使用することができる。特に、カーボンブラックは、粒径が小さく比表面積が大きいため導電材に適している。

　バインダは、非水系のペーストを用いて正極活物質層を形成する場合には、非水系溶剤に分散または溶解するポリマー材料を用いる。また、水系のペーストを用いて正極活物質層を形成する場合には、バインダは、水に分散または溶解するポリマー材料を用いる。

　溶媒は、水系と非水系とに大別される。水系溶媒は、水または水を主体とする混合溶媒のように、全体として水性を示すものであればよい。

　正極ペーストは、正極活物質、導電材、バインダ、溶媒などを、混合装置によって調整する。混合装置は、例えば、プラネタリーミキサー、ボールミルなどが使用できる。

　正極集電体は、例えば、アルミニウム、チタンなどの良好な導電性を持つ金属からなる箔状体を用いる。

　正極ペーストの正極集電体への塗工は、公知の方法に従い実施できる。例えば、スリットコーター、ダイコーターなどの塗布装置を用いて、正極集電体の上に正極ペーストを塗布する。

　塗工された正極ペーストの乾燥は、例えば、正極ペーストが塗工された正極集電体を乾燥装置で乾燥することにより、実施することができる。そして、正極活物質は、正極ペーストが塗工された正極集電体を乾燥することにより、形成される。正極活物質の厚み、密度などは、乾燥後にプレス処理を行って調整することができる。

　負極は、例えば、作製した負極ペーストを負極集電体に塗工し、乾燥することで準備できる。負極ペーストは、負極活物質、バインダ、増粘剤、溶媒などを含んでいる。

　負極活物質は、金属リチウム、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料が用いられ、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用できる。例えば、負極活物質は、黒鉛、低結晶性カーボン、ガラス状炭素類、グラファイト類などの炭素材料を用いることができる。なかでも黒鉛は、負極活物質として適している。また、負極活物質は、シリコン、チタン酸リチウムなどの合金系の材料も使用可能である。

　バインダは、ゴム系の材料が適している。溶媒は、水系溶媒が適しており、全体として水性を示すものであればよい。また、水または水を主体とする混合溶媒も用いることができる。

　負極ペーストは、負極活物質、バインダ、増粘剤、溶媒などを混合装置によって混合し調製できる。混合装置は、例えば、プラネタリーミキサー、ボールミルなどが使用できる。

　負極集電体は、例えば、銅、チタンなどの良好な導電性を持つ金属からなる箔状体を用いる。

　負極ペーストの負極集電体への塗工は、例えば、スリットコーター、ダイコーターなどの塗布装置を用いて、負極集電体の上に負極ペーストを塗布する。

　塗工された負極ペーストの乾燥は、例えば、負極ペーストが塗工された負極集電体を乾燥装置で乾燥することにより、実施することができる。そして、負極活物質は、負極ペーストが塗工された負極集電体を乾燥することにより、形成される。負極活物質の厚み、密度などは、乾燥後にプレス処理を行って調整することができる。

　電極体は、公知の方法に従い、正極電極板、負極電極板、セパレータを用いて作製する。例えば、電極体は、正極電極板および負極電極板を２枚のセパレータを介して重ね合わせた積層体を捲回させて、捲回軸に直交する方向において扁平に押し曲げて作製することができる。

　次に、上述の説明で作製した電極体は、電池ケースに収容され、第１の工程が終了する。なお、電極体は、公知の方法に従って、電池ケースへ収容することができる。電池ケースは、アルミニウムなどの比較的軽量な金属材料、樹脂材料などで構成されている。また、電池ケースは、例えば、通常の使用状態における上端に開口部を有し、開口部をふさぐ蓋体を備えている。蓋体は、電池ケースの内部で発生したガスを電池ケースの外部に排出するための安全弁を備えている。また、蓋体は、注液口を有している。

　上述したように、ステップＳ１０において、組立体は、可燃性を有する電解液が注液されていない。その結果、後述するように、輸送工程において、熱暴走、発火などの可能性を回避できる。そして、本実施の形態１に係るリチウムイオン二次電池は、組立体、電解液など、本体を構成する部品を容易にカスタマイズでき、市場のニーズに的確にあわせることができる。

　次に、ステップＳ１０の第１の工程で作製した組立体の輸送工程（ステップＳ２０）について説明する。以下では、説明を簡単にするため、ステップＳ１０の第１の工程で作製した組立体のことを、「セル」と称する場合がある。ステップＳ２０の輸送工程は、電解液を注液していない状態のセルを、例えば、海外の消費地へ航空機、船舶などの手段で輸送する。

　ステップＳ２０において、輸送するセルは、可燃性を有する電解液が注液されていない。つまり、輸送するセルは、電気エネルギーを保有していない。電気エネルギーを保有していないセルは、危険物としての輸送制限を解除されるため、これまで不可能であった航空機の利用も可能になる。

　その結果、これまで供給が困難であった、あるいは少量多品種に対応できなかった、時間とコストのかかる地域に対しても、リチウムイオン二次電池のセルが供給できることになる。

　さらに、セルは、可燃性を有する電解液が注液されていないため、輸送時における発火などの可能性を回避できる。

　次に、ステップＳ３０における、第２の工程について説明する。ステップＳ３０の第２の工程は、電池ケースの蓋体に設けられた注液口より、セルに非水電解液を注入する。

　非水電解液は、非水溶媒と指示塩を含んでいる。非水溶媒として、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のエーテル類、エステル類などの有機溶媒を特に限定なく用いることができる。

　そして、注液口に封止材を溶接して封止することにより、リチウムイオン二次電池の製造が完成する。製造したリチウムイオン二次電池は、あらかじめ設定された方法に従って初回充電などを含む検査工程を実施することができる。

　なお、ステップＳ３０における、第２の工程は、リチウムイオン二次電池の需要に応じて実施場所を適宜選択できる。つまり、ステップＳ３０を設けることにより、リチウムイオン二次電池の生産は、需要のある場所に応じて効率的に展開できる。その結果、少量多品種、低コスト化への対応も容易にできる。

　さらに、リチウムイオン二次電池は、需要のある場所に適した、電解液、セルの最適な構成に基づいてカスタマイズ可能である。

　以上、説明したように、本実施の形態１に係るリチウムイオン二次電池によれば、組立体を作製する第１の工程と、組立体に対して電解液を注液する第２の工程と、を設けることで、リチウムイオン二次電池の輸送に関する制限を解除し、低コストで熱暴走、発火の可能性を回避できるリチウムイオン二次電池を提供することができる。

　実施の形態２．
　次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２に係るリチウムイオン二次電池の生産の具体的な一例を説明する。

　図２は、本発明の実施の形態２に係るリチウムイオン二次電池の生産の具体例に関する１つを例示する図である。

　図２に示すように、本発明は、セルの作製（ステップＳ１０、第１の工程）とセルへの注液（ステップＳ３０、第２の工程）とを分離することで、少量多品種のリチウムイオン二次電池を低コストで生産できる。

　まず、リチウムイオン二次電池の生産に関して、日本の生産現場と海外の生産現場とが、長期の提携関係を持っているとした場合を例に説明する。図２に示すように、セル（組立体）に関する作製１０は、日本で実施される。

　セルに関する作製１０が日本で実施された場合には、生産に必要な部材は、日本の化学メーカ、部品メーカ、装置メーカから調達できる。その結果、日本にセルの生産現場を維持することができるため、リチウムイオン二次電池の技術ノウハウは、海外への技術流出を防止でき、日本国内に技術を維持できる。

　なお、以下では、説明を簡単にするため、日本の化学メーカ、部品メーカ、装置メーカのことを、単に「日本のメーカ」と称する場合がある。

　また、日本の生産現場が、海外生産現場との間に長期の提携関係を構築できれば、日本のメーカは、国内の需要以外に、海外の需要を取り込めることになり、業績を拡大できる可能性がある。

　日本で作製されたセル（ステップＳ１０）は、可燃性を有する電解液が注液されていない。以下では、説明を簡単にするため、電解液が注液されていない組立体（セル）のことを、単に「未注液セル２０」と称する。

　本実施の形態２は、未注液セル２０を、提携関係にある海外の生産現場に輸送する。そして、電解液は、海外の生産現場において注液３０される。この利点は、現地の需要に対応した生産が可能になることである。また、未注液セル２０は、危険物の制限が解除されるため、必要なところへ必要なだけ、容易に輸送することができる。つまり、少量多品種の現地生産が可能である。

　さらに、未注液セル２０を輸送する現地生産方式では、現地の生産指導は、未注液セル２０の受入検査、リチウムイオン二次電池の検査工程だけでよい。つまり、短期間で技術移転が完了し、現地における生産を開始できるため、リチウムイオン二次電池の普及が促進される。

　また、本発明によれば、正極は、リチウム金属酸化物であるマンガンまたは鉄を含有する材料で構成されている。それらの正極材料は、結晶構造が強固で熱的安定性が高く、かつ、資源環境にもやさしいという特徴を持っている。

　以上、説明したように、本実施の形態２に係るリチウムイオン二次電池によれば、未注液セルを輸送する現地生産方式を採用することにより、少量多品種の生産を低コストで実現することができる。また、セルの作製は、日本の生産現場で実施するため、リチウムイオン二次電池の技術ノウハウの流出も防止することができる。さらに、正極は、リチウム金属酸化物であるマンガンまたは鉄を含有する材料で構成されているため、熱的安定性が高く、かつ、資源環境にもやさしいリチウムイオン二次電池を実現することができる。

　なお、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。

　また、本実施の形態においては、リチウムイオン二次電池についてのみ説明したが、それ以外の可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池であれば、同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態は、水系電解液を用いる鉛蓄電池、ニッケル水素化物電池などに適用することでも、同様の効果を得ることができる。

　以上を換言すると、本発明が適用される組立体は、次のような構成を有していれば足り、各種各様な実施の形態を取ることができる。
　即ち、本発明が適用される組立体は、
　正極電極板と負極電極板とを含む電極体と、電解液と、を電池ケース内に有する蓄電池が生成される際に用いられる組立体であって、
　内部に収容された前記電極体と、
　前記電解液が注液される内部の領域と、
　を有し、
　前記領域に前記電解液が注液されることで、前記電池ケースとして機能する。
　これにより、可燃性を有する有機溶媒を電解液に使用する蓄電池の輸送に関する制限を解除し、低コストで熱暴走リスクのきわめて小さい蓄電池を提供することができる。

　また、前記正極電極板は、リチウム金属酸化物を有する正極活物質層を備えることができる。

　また、前記負極電極板は、炭素を含有する負極活物質層を備えることができる。

　また、前記正極電極板は、マンガンを含有する正極活物質層を備えることができる。

　また、前記正極電極板は、鉄を含有する正極活物質層を備えることができる。

　また、蓄電池の製造方法は、正極電極板と負極電極板とを含む電極体と、電解液と、を電池ケース内に有する蓄電池を製造する製造方法であって、
　前記電極体が前記電池ケース内に収容されており、かつ、前記電解液が注液されていない状態である組立体を作製する作製工程と、
　前記作成工程において作製された前記組立体を輸送する輸送工程と、
　前記輸送工程において輸送された前記組立体に対して、前記電解液を注液する注入工程と、を含むことができる。

　１０・・・組立体の作製、２０・・・未注液セル、３０・・・電解液の注液

Claims (6)

1. 　正極電極板と負極電極板とを含む電極体と、電解液と、を電池ケース内に有する蓄電池が生成される際に用いられる組立体であって、
   　内部に収容された前記電極体と、
   　前記電解液が注液される内部の領域と、
   　を有し、
   　前記領域に前記電解液が注液されることで、前記電池ケースとして機能する、
   　組立体。
2. 　前記正極電極板は、リチウム金属酸化物を有する正極活物質層を備える請求項１に記載の組立体。
3. 　前記負極電極板は、炭素を含有する負極活物質層を備える請求項１または２に記載の組立体。
4. 　前記正極電極板は、マンガンを含有する正極活物質層を備える請求項１に記載の組立体。
5. 　前記正極電極板は、鉄を含有する正極活物質層を備える請求項１に記載の組立体。
6. 　正極電極板と負極電極板とを含む電極体と、電解液と、を電池ケース内に有する蓄電池を製造する製造方法であって、
   　前記電極体が前記電池ケース内に収容されており、かつ、前記電解液が注液されていない状態である組立体を作製する作製工程と、
   　前記作成工程において作製された前記組立体を輸送する輸送工程と、
   　前記輸送工程において輸送された前記組立体に対して、前記電解液を注液する注入工程と、
   　を含む蓄電池の製造方法。

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