JP5664068B2

JP5664068B2 - 積層型電池、および積層型電池の製造方法

Info

Publication number: JP5664068B2
Application number: JP2010212747A
Authority: JP
Inventors: 悠介竪山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012069360A

Description

本発明は、積層型電池、および積層型電池の製造方法に関する。

近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、および燃料電池車（ＦＣＶ）の開発が進められている。これらのモータ駆動用電源として、繰り返し充放電可能な積層型電池が注目されている。積層型電池は、一般的に、正極集電体の両面に正極活物質を塗布した正極と、負極集電体の両面に負極活物質を塗布した負極とが、電解質を含むセパレータ（離隔膜）を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。

特許文献１に記載された双極型電池の製造方法では、正極および負極の位置ずれを防止するために、正極集電体をなす正極板および負極集電体をなす負極板を接着剤によってセパレータに固定させる技術を採用している。正極および負極の位置ずれを抑制することによって、正極および負極の接触に伴う内部短絡の発生を防止している。

特開２００１−２２９９７９号公報

しかしながら、経年変化等によって接着剤の接着力が弱まると、正極および負極に位置ずれが生じ内部短絡が発生してしまう虞がある。そこで、積層型電池には、正極および負極の位置ずれ防止対策とは別に、位置ずれ時に内部短絡が発生することを防止し得る対策を設けることが要請される。

本発明は、積層型電池の製造技術に関し、正極および負極の位置ずれに伴って生じ得る内部短絡の発生を好適に防止する積層型電池、および積層型電池の製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る積層型電池は、帯状のセパレータ材を折り曲げることにより葛折り状に形成された第１と第２のセパレータが、正極と負極との間で互いが重なるように積層されている。また、第１と第２のセパレータが積層方向から見て互いに直交して配置されている。

本発明によれば、葛折り状に形成した２つのセパレータを互いに直交する方向に重ね合わせて積層することによって、正極および負極の移動方向を規制して正極および負極が互いに接近する方向へ移動することを防止することができる。これにより、正極および負極の位置ずれに伴う内部短絡の発生を好適に防止することができる。

図１は、実施形態に係る積層型電池の外観図であり、（Ａ）は、平面図、（Ｂ）は、斜視図である。図１（Ａ）の矢印２Ａ側から見た積層型電池の一部断面図である。図１（Ａ）の矢印３Ａ−３Ａ線に沿う断面図である。図１（Ａ）の矢印４Ａ−４Ａ線に沿う断面図である。セパレータを重ね合わせる方向を説明するための概念図である。図６は、実施形態に係る積層型電池の作用を説明するための断面図であり、（Ａ）は、図３の矢印６Ａ−６Ａ線に沿う断面図、（Ｂ）は、図３の矢印６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面図である。変形例に係る積層型電池を示す図であり、図１（Ａ）の矢印２Ａ側から見た一部断面図である。変形例に係る積層型電池を示す図であり、図１（Ａ）の矢印３Ａ−３Ａ線に沿う断面図である。変形例に係る積層型電池を示す図であり、図１（Ａ）の矢印４Ａ−４Ａ線に沿う断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

まず、実施形態に係る積層型電池の全体構造について説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）を参照して、リチウムイオン二次電池として構成された積層型電池１０は、充放電反応が進行する略矩形の発電要素２０を外装体９０の内部に封止させた構造を備えている。

図３を参照して、発電要素２０は、正極集電体４１に正極活物質層４３を形成した正極４０と、電解質層（図示省略する）の一部をなす２枚のセパレータ６０、７０と、負極集電体５１に負極活物質層５３を形成した負極５０とを積層して構成している。より詳細には、一の正極活物質層４３と、これに隣接する一の負極活物質層５３とがセパレータ６０、７０を介して対向するように配置されている。正極４０および負極５０は、電池に用いられる公知の接着剤によってセパレータ６０、７０に対して固定させている。なお、理解の容易のため各構成部材間には空間的な隙間を図示しているが、この隙間は適宜省略することが可能なものである。

２枚のセパレータ６０、７０と、２枚のセパレータ６０、７０を挟み込むように積層させた正極活物質層４３および負極活物質層５３とによって、１つの単電池層３０を構成させている。複数の単電池層３０を電気的に接続させることによって、発電要素２０を構成させている。

正極集電体４１、および負極集電体５１には、発電した電気を外部に取り出すための集電板８０を取り付けている。集電板９０の一端部が外部に導出するように外装体９０によって集電板８０を挟み込ませている。

次に、積層型電池の各構成部材について説明する。

正極集電体４１および負極集電体５１としては、いずれも電池用の集電体材料として従来用いられている部材が適宜採用されうる。一例を挙げると、正極集電体および負極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、または銅が挙げられる。中でも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、正極集電体としてはアルミニウムが好ましく、負極集電体としては銅が好ましい。

正極活物質層４３は、正極活物質を含み、必要に応じて電気伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、電解質（ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など）、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩（リチウム塩）などを含む。正極活物質は、たとえば、リチウムの吸蔵、放出が可能な材料であれば特に限定されず、リチウムイオン二次電池に通常用いられる正極活物質を利用することができる。正極活物質は、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ−Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＦｅＰＯ_４などのＬｉ−Ｆｅ系複合酸化物が挙げられる。

負極活物質層５３は、負極活物質を含み、必要に応じて電気伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、電解質（ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など）、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩（リチウム塩）などを含む。負極活物質は、たとえば、リチウムの吸蔵、放出が可能な材料であれば特に限定されず、リチウムイオン二次電池に通常用いられる負極活物質を利用することができる。負極活物質には、たとえば、ＳｉやＳｎなどの金属、あるいはＴｉＯ、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、もしくはＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＳｎＯ_２などの金属酸化物、Ｌｉ_４／３Ｔｉ_５／３Ｏ_４もしくはＬｉ_７ＭｎＮなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Ｌｉ−Ｐｂ系合金、Ｌｉ−Ａｌ系合金、Ｌｉ、またはグラファイト、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどの炭素材料などが挙げられる。

電解質層は、正極活物質層４３と負極活物質層５３との間の空間的な隔壁（スペーサ）として機能する。また、これと併せて、充放電時における正極４０、負極５０間でのリチウムイオンの移動媒体である電解質を保持する機能をも有する。電解質層を構成する電解質に特に制限はなく、液体電解質、ならびに高分子ゲル電解質および高分子固体電解質などのポリマー電解質などを適宜用いることが可能である。

セパレータには、電解質を吸収保持ないし担持するポリマーからなる多孔性シートセパレータを利用している。ポリエチレン（ＰＥ）を材料とする第１のセパレータ６０と第２のセパレータ７０の２つのセパレータを準備している。セパレータには、その他の多孔性シートセパレータや、不織布セパレータなどを用いることも可能である。多孔性シートセパレータとしては、たとえば、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製微多孔膜、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造をした積層体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミドなどが挙げられる。不織布セパレータの材質としては、たとえば、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリイミド、またはアラミド樹脂など従来公知のものを用いることができる。

図５に示すように、各セパレータ６０、７０は、帯状に準備された素材としてのセパレータ材を複数回折り曲げて葛折り状に形成している。第１のセパレータ６０は、正極４０および負極５０を積層させる平板部６１と、正極４０および負極５０の移動方向を規制する縦壁状の第１の折り曲げ部６３、第２の折り曲げ部６５とを有している。第２のセパレータ７０も第１のセパレータ６０と同様に、正極４０および負極５０を積層させる平板部７１と、正極４０および負極５０の移動方向を規制するための縦壁状の第１の折り曲げ部７３、第２の折り曲げ部７５とを有している。明細書の説明において、葛折り状とは、折り曲げられた折り曲げ部と、折り曲げ部に連なる平板部とが積層方向に繰り返されるように連続する形状を意味するものである。

図３に示すように、隣接する正極４０および負極５０の間には、第１のセパレータ６０と第２のセパレータ７０の２枚のセパレータが積層されている。このため、電解液の浸透性や、ガスの排出性を考慮し、例えば、セパレータ６０、７０には通常のセパレータの半分程度の厚みを備えるものを準備することが好ましい。

集電体を葛折り状に加工すると、電極の粉落ちによって内部短絡が発生する虞がある。このため、折り返す部分を未塗工にするなどの対策を講じることが必要となり、発電に寄与しない無駄なスペースを形成させる虞がある。積層型電池１０にあっては、正極活物質層４３が形成された正極４０、および負極活物質層５３が形成された負極５０には、矩形形状に形成された公知の形態のものを利用することが可能になっており、葛折り状に加工したものを準備する必要がない。正極４０および負極５０の製造時に粉落ち、および粉落ちに伴う内部短絡の発生という問題が生じる虞がなく、電極に未塗工部を形成する必要がない。よって、発電に寄与しない無駄なスペースが正極４０および負極５０に形成されることがない。

セパレータ６０、７０には、葛折り状に予め製造されたものを準備することが可能であるし、製造後に葛折り状に加工されたものを準備することも可能である。

集電板８０には、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス、これらの合金などの高導電性部材を利用することが可能である。

外装体９０は、軽量化および熱伝導性の観点から、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなどのシート材によって構成したものを利用できる。シート材の外周部の一部を熱融着により接合することによって外装体９０を封止し、外装体９０の内部に発電要素２０を収納させている。

次に、実施形態に係る積層型電池の積層形態について説明する。

図２〜５に示すように、各セパレータ６０、７０は、積層させた正極４０および負極５０の間において互いに平板部６１、７１が重なり合うように積層されている。また、第１のセパレータ６０の平板部６１が第１の折り曲げ部６３および第２の折り曲げ部６５に伸びる方向（図５中矢印ａ−ａ′方向）と、第２のセパレータ７０の平板部７１が第１の折り曲げ部７３および第２の折り曲げ部７５に伸びる方向（図５中矢印ｂ−ｂ′方向）とが、積層方向（図５中矢印Ａ方向）から見て互いに直交するようにセパレータを配置させている。より詳細には、第２のセパレータ７０の第１の折り曲げ部７３が第１のセパレータ６０の隣接する平板部６１の間に位置するようにセパレータ６０、７０同士を重ね合わせて積層している（図４を参照）。

図６（Ａ）に示すように、第１のセパレータ６０の第１の折り曲げ部６３と第２のセパレータ７０の第１の折り曲げ部７３とは、互いが向かい合わないように、かつ、それぞれの第１の折り曲げ部６３、７３によって正極４０の隣接する２辺が囲まれるように配置している。積層させた正極４０は、第１のセパレータ６０の第１の折り曲げ部６３によって図中右方向への移動が規制されることになる。さらに、正極４０は第２のセパレータ７０の第１の折り曲げ部７３によって図中下方向への移動が規制されることになる。

図６（Ｂ）に示すように、第１のセパレータ６０の第２の折り曲げ部６５と第２のセパレータ７０の第２の折り曲げ部７５とは、互いが重なり合わないように、かつ、それぞれの第２の折り曲げ部６５、７５によって負極５０の隣接する２辺が囲まれるように配置している。積層させた負極５０は、第１のセパレータ６０の第２の折り曲げ部６５によって図中左方向への移動が規制されることになる。さらに、負極５０は第２のセパレータ７０の第２の折り曲げ部７５によって図中上方向への移動が規制されることになる。

このように、実施形態に係る積層型電池１０によれば、葛折り状に形成した２つのセパレータ６０、７０を互いに直交する方向に重ね合わせて積層することによって、正極４０および負極５０の移動方向を規制して正極４０および負極５０が互いに接近する方向へ移動することを防止することができる。これにより、正極４０および負極５０に位置ずれが生じた場合においても、位置ずれに伴う正極４０および負極５０の接触を防止して内部短絡が発生することを好適に防止することができる。

また、第１のセパレータ６０の平板部６１および第２のセパレータ７０の平板部７１において正極４０、負極５０をそれぞれ安定的に保持させつつ正極４０および負極５０の移動方向の規制を行うことができる。

ここで、例えば、袋状に加工されたセパレータ内に電極板を収納し、これを複数回折り畳んだ構造とすることによって、電極板自体が位置ずれすることを防止することが可能になるとも考えられる。しかしながら、袋状に加工したセパレータ内に電極板を収納させる作業や、セパレータとともに電極板を折り畳む作業が必要になるため、製造作業が煩雑なものとなる。積層型電池１０にあっては、正極４０、負極５０、および葛折状に形成した２枚のセパレータ６０、７０を重ね合わせて積層させる簡単な作業によって内部短絡の発生が防止されるため、内部短絡の防止対策に伴う製造作業の煩雑化を抑制することができる。

（変形例）
次に、上述した実施形態の変形例について説明する。説明中において上述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を一部省略する。

図７〜９に示すように、変形例にあっては、第１のセパレータ６０の隣接する平板部６１の間に、第２のセパレータ７０の平板部７１と、正極４０または負極５０とが位置するように第１のセパレータ６０と第２のセパレータ７０とを積層している。また、上述した実施形態と同様に、各セパレータ６０、７０は、積層させた正極４０および負極５０の間において互いに平板部６１、７１が重なり合うように積層させている。そして、第１のセパレータ６０の平板部６１が第１の折り曲げ部６３および第２の折り曲げ部６５に伸びる方向と、第２のセパレータ７０の平板部７１が第１の折り曲げ部７３および第２の折り曲げ部７５に伸びる方向とが、積層方向から見て互いに直交するようにセパレータ６０、７０を配置している。

変形例に示す積層形態を採用することにより、上述した実施形態と同様に積層した２つのセパレータ６０、７０によって正極４０および負極５０の移動方向を規制し、正極４０および負極５０が互いに接近する方向へ移動することを防止することができる。これにより、正極４０および負極５０の位置ずれに伴う内部短絡の発生を好適に防止することができる。

セパレータを折り返す回数や、セパレータを折り曲げる角度等は、適宜変更することが可能であり、実施形態に示したものに特に限定されるものではない。例えば、折り曲げ部が平板部に対して直角に折り曲げられた葛折り状のセパレータなどを利用することが可能である。

１０積層型電池、
２０発電要素、
３０単電池層、
４０正極、
４１正極集電体、
４３正極活物質層、
５０負極、
５１負極集電体、
５３負極活物質層、
６０第１のセパレータ、
６１平板部、
６３第１の折り曲げ部（折り曲げ部）、
６５第２の折り曲げ部（折り曲げ部）、
７０第２のセパレータ、
７１平板部、
７３第１の折り曲げ部（折り曲げ部）、
７５第２の折り曲げ部（折り曲げ部）、
８０集電板、
９０外装体。

Claims

帯状のセパレータ材を折り曲げることにより葛折り状に形成された第１と第２のセパレータが、正極と負極との間で互いが重なるように積層され、かつ、前記第１と第２のセパレータが積層方向から見て互いに直交して配置されたことを特徴とする積層型電池。
前記葛折り状は、前記セパレータ材が折り曲げられた折り曲げ部と前記折り曲げ部に連なる平板部とが繰り返された形状を有し、
前記第１のセパレータの平板部と前記第２のセパレータの平板部とが互いに重なるように積層され、かつ、前記第１のセパレータの平板部が前記第１のセパレータの折り曲げ部に伸びる方向と前記第２のセパレータの平板部が前記第２のセパレータの折り曲げ部に伸びる方向とが積層方向から見て互いに直交するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
帯状のセパレータ材を折り曲げることにより葛折り状に形成された第１と第２のセパレータを、それぞれが正極と負極の間で互いに重なるように、かつ、積層方向から見て互いに直交するように積層する工程を含む積層型電池の製造方法。