JP6050066B2 - 双極型二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、双極型二次電池およびその製造方法に関する。本発明の双極型二次電池は例えば、電気自動車における走行用駆動源モータを駆動するために用いられる。

近年、電気自動車の普及に伴って様々な車載用電池が開発されており、例えば下記特許文献１では、片面のみに正極材層を配した電子伝導性を有する基板と、少なくとも一枚の、片面に正極材層、他の面に負極材層を配した電子伝導性を有する基板と、片面のみに負極材層を配した電子伝導性を有する基板とを、リチウムイオン伝導性電解質層を介して全ての正極材層が負極材層と対向し、且つそれぞれの基板同士及び正極材層と負極材層が直接接触しないよう積層した積層体を備え、前記積層体の少なくとも正極材層、負極材層、電解質層を外気から遮断する双極型二次電池が提案されている。

特開平９−２３２００３号公報

車載用電池に求められる特性のひとつとして、電池の小型軽量化がある。車載用電池が小型軽量化されれば、電池搭載量が増え、これに伴って走行可能距離が延びる。

その中にあって双極型二次電池は、多数のスタック構成部品を積層する構造であるため、電池を小型軽量化しようとすると、各構成部品の厚みが薄肉化される傾向となる。一方、双極型二次電池はその内部に電解液が封入される。したがって各構成部品の厚みが薄肉化される状況下で、電解液の漏れが十分に抑制されなければならない。

本発明は以上の点に鑑みて、電池内部に封入される電解液の漏れを十分に抑制することができる双極型二次電池とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による双極型二次電池の製造方法は、集電体の一面に正極を設けるとともに他面に負極を設けた双極型電極と、正極および負極の間に挟まれたセパレータと、正極、負極およびセパレータによって構成された単電池の周囲を取り囲むとともに集電体の間に圧着された枠状のシール材とを含み、電解液を封入する双極型二次電池の製造方法であって、前記枠状のシール材は、前記単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された高圧着部位と他の部位とを含み、前記高圧着部位を前記他の部位より高い圧力で加圧圧着することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による双極型二次電池の製造方法は、上記した請求項１記載の双極型二次電池の製造方法において、前記双極型電極および枠状のシール材は平面四角形であって、その４辺のうち３辺で連続する高圧着部位を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項３による双極型二次電池は、集電体の一面に正極を設けるとともに他面に負極を設けた双極型電極と、正極および負極の間に挟まれたセパレータと、正極、負極およびセパレータによって構成された単電池の周囲を取り囲むとともに集電体の間に圧着された枠状のシール材とを含み、電解液を封入する双極型二次電池であって、前記枠状のシール材は、前記単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された高圧着部位と他の部位とを含み、前記高圧着部位は、前記他の部位より厚みを減じられた立体形状として形成されていることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の双極型二次電池においては、電池内部の電解液をシールする枠状のシール材に、単電池の周囲を取り囲む高圧着部位が設けられているために、この高圧着部位が発揮するシール作用により電解液の漏れを十分に抑制することが可能とされる。ここで高圧着部位とは、他の部位より高い圧力で加圧圧着された部位のことを云う。ただし高圧着部位の形成は一般に電解液の注入前に行なわれるため、単電池の周囲全周に亙って高圧着部位を設けると電解液の注入作業を行なうことができない。そこで本発明では、高圧着部位を一部（単電池の周囲全周の一部）が分断された形状で設けることにし、一部が分断された部位を電解液注入時の電解液注入口として用いることにした。双極型電極や枠状のシール材が平面四角形である場合、高圧着部位はその４辺のうちの３辺で連続するように設けるのが製造工程および設備上好適であり、この場合、残る１辺が電解液注入時の電解液注入口とされる。

枠状のシール材は、単電池の周囲を取り囲むとともに集電体の間に圧着された状態で組み付けられるため、この集電体の間に圧着されることにより電解液に対するシール作用を一応発揮する。しかしながらこの組み付けのための圧着は多数のスタック構成部品を積層一体化することを目的として行なわれるものであって、その圧着時のプレス圧力の大きさはこれらを一体化できる範囲内で設定されているところ、このようなプレス圧力の大きさでは電解液の漏れを十分に抑制するには不足することが懸念される。そこで本発明では、この組み付けのための圧着に加えて新たに高圧着部位を設けることにしたものであって、組み付けのための圧着によるシール作用に加えて新たに高圧着部位によるシール作用が発揮されるため、この加重的なシール作用の発揮によって電解液の漏れを十分に抑制することが可能とされる。高圧着部位は、他の部位より高いプレス圧力で形成されるので、他の部位よりシール材の厚みが減じられた形状として形成されることが多い。

双極型二次電池の製造方法としては、枠状のシール材を双極型電極に溶着する圧着工程を行なう際に、単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された部位を他の部位より高い圧力で加圧圧着することにより高圧着部位を形成するのが好適であり、これによれば上記組み付けのための圧着と高圧着部位の形成が同時に行なわれるため、作業効率が良い。圧着に用いる熱プレス金型としては、単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された部位に対応する位置に突起部を備えた金型を用いるのが好適であり、これによれば上記組み付けのための圧着と高圧着部位の形成が同時に行なわれるため、作業効率が良い。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち本発明においては上記したように、電池内部の電解液をシールする枠状のシール材に単電池の周囲を取り囲む高圧着部位が設けられているため、この高圧着部位が発揮するシール作用により電解液の漏れを十分に抑制することができる。高圧着部位は一部が分断されているため、電解液の注入作業を妨げることがない。また本発明の製造方法によれば、組み付けのための圧着と高圧着部位の形成を同時に行なうことができ、作業効率が良い。

本発明の実施例に係る双極型二次電池における双極型電極、第１シール材および第２シール材の平面図、ならびにこれらを組み合わせた電極シートの平面図 電極シートの断面図 双極型二次電池の積層構造を示す断面図 双極型二次電池の平面図 高圧着部位の加工工程説明図 双極型二次電池の製造工程説明図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）双極型電極（電極付き集電箔）の厚み方向両面にシール材を貼り合わせて電極シートとし、複数の前記電極シートをセパレータを挟んだ状態で重ね合わせて積層品とし、前記積層品における電解液注入口以外の周縁部を熱プレス溶着（圧着）して積層品スタックとした双極型二次電池（リチウムイオン電池）において、前記熱プレス溶着した前記積層品スタックの周縁部は、前記積層品スタックの内部に注入する電解液の漏れをシールするための高圧着部位（シールライン）を備えることを特徴とする双極型二次電池（リチウムイオン電池）。
（２）上記（１）項記載の双極型二次電池（リチウムイオン電池）において、前記高圧着部位（シールライン）は、前記熱プレス溶着（圧着）のプレス圧力が他の部位より大きく設定されることにより前記他の部位より厚みを減じられた立体形状として形成されていることを特徴とする双極型二次電池（リチウムイオン電池）。
（３）上記（１）項または（２）項記載の双極型二次電池（リチウムイオン電池）を製造する方法において、前記高圧着部位（シールライン）に対応する部位に金型突起部分を備えた熱プレス金型をもって前記熱プレス溶着（圧着）を行なうことを特徴とする双極型二次電池（リチウムイオン電池）の製造方法。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

当該実施例は、双極型二次電池の一種であるリチウムイオン電池に係る。当該実施例に係るリチウムイオン電池は以下のように構成されている。

全体構成・・・・
すなわち図１および図２に示すように、双極型電極（電極付き集電箔）１２の厚み方向両面にそれぞれ枠状のシール材１６，１７が貼り合わされることにより電極シート１１が構成されており、図３に示すように、複数の電極シート１１が間にセパレータ１８を挟んだ状態で重ねられることにより電極シート１１の積層品２１Ａが構成されており、図４に示すように、積層品２１Ａにおける電解液注入口２３以外の周縁部が熱プレス溶着（圧着）されることにより電極シート１１の積層品スタック２１Ｂが構成されている。積層品２１Ａは熱プレス溶着する前の双極型二次電池であり、積層品スタック２１Ｂは熱プレス溶着した後の双極型二次電池である。単電池としては図３に示すように、互いに重ねられる２組の電極シート（例えば１１Ｄと１１Ｃ）における一方の電極シート１１Ｄの正極１４、他方の電極シート１１Ｃの負極１５および両極１４，１５間のセパレータ１８Ｃによって１つの単電池が構成されている。また図４に示すように、熱プレス溶着された積層品スタック２１Ｂの周縁部に、積層品スタック２１Ｂの内部に注入する電解液（図示せず）の漏れをシールするための高圧着部位（シールライン）２４が形成されている。

電極シート１１の構成・・・
図１および図２に示す双極型電極１２は、集電体（集電箔）１３の厚み方向一方の面に正極１４を配置するとともに他方の面に負極１５を配置したものである。集電体１３は、導電性ポリイミドに金属薄膜（Ｃｕ等）を被着した素材によって平面四角形（長方形）のフィルム状（約３００×３５０×０．０５ｍｍ）に成形され、その厚み方向一方の面の平面中央に正極１４が固定されるとともに他方の面の平面中央に負極１５が固定されている。

一方のシール材１６は、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂によって集電体１３より一回り大きな平面四角形（長方形）のフィルム状に成形され、平面中央に厚み方向に貫通する中空部１６ｂが形成されて枠状とされ、正極１４の周りを囲むようにして集電体１３の厚み方向一方の面に固定されている。他方のシール材１７は、熱可塑性樹脂によって集電体１３より一回り大きな平面四角形（長方形）のフィルム状に成形され、平面中央に厚み方向に貫通する中空部１７ｂが形成されて枠状とされ、負極１５の周りを囲むようにして集電体１３の厚み方向他方の面に固定されている。これら枠状のシール材１６，１７は単電池の周囲を取り囲むとともに集電体１３の間に溶着される。

双極型電極１２およびシール材１６，１７の平面上にはそれぞれ、これらを互いに重ねるときに平面上の位置合わせをするための、厚み方向に貫通する円形小穴状の位置決め穴１２ａ，１６ａ，１７ａが複数個所（２箇所）に亙って設けられており、双極型電極１２およびシール材１６，１７はこの位置決め穴１２ａ，１６ａ，１７ａで位置を合わせて重ねられている。双極型電極１２に対するシール材１６，１７の固定は例えば、複数個所におけるピンポイント溶着によって仮止め式に行なわれる。

積層品（溶着前の積層品）２１Ａの構成・・・
図３に示す積層品２１Ａは、４枚の電極シート１１および３枚のセパレータ１８が交互に重ねられることにより３層に亙る積層品として構成されている。電極シート１１の平面上にはそれぞれ上記位置決め穴１２ａ，１６ａ，１７ａが重ねられたことによる電極シート１１としての位置決め穴１１ａ（図１参照）が設けられているので、電極シート１１同士はこの位置決め穴１１ａで位置を合わせて重ねられている。一方、セパレータ１８は平面積が比較的小さいので、電極シート１１の平面上中央位置に配置されることにより位置合わせされており、位置決め穴による位置合わせには加えられていない。尚、積層数について上記３層としたのは単なる例示であって、４層以上例えば８層であっても良い。電極シート１１には重ね合わせに先立ってそれぞれ、電圧監視用端子（ＦＰＣ）２５が取り付けられている。

積層品スタック（溶着後の積層品）２１Ｂの構成・・・
図４に示す積層品スタック２１Ｂは、図３の積層品２１Ａを熱プレス溶着することによって作製されている。上記したように電極シート１１およびこれを複数重ね合わせた積層品２１Ａは平面四角形（長方形）であって、その周縁部の４辺のうちの１辺は電解液注入口２３とされ開口したままとされるので、積層品２１Ａは残りの３辺において熱プレス溶着され、図４では、この熱プレス溶着された領域を点々を付して示している。溶着領域内におけるシール材１７は、双極型電極１２と重なる部分において双極型電極１２の集電体１３に溶着され、双極型電極１２と重ならない部分においてシール材１６に溶着されている。

また、図４では、高圧着部位２４を黒太線をもって示しており、その配置から明らかなように高圧着部位２４は、熱プレス溶着された周縁部の３辺に亙って連続する１本のライン状（帯状）に形成されている。高圧着部位２４はシール材１６，１７の枠形状に沿ってシール材１６，１７の平面上に設けられ、単電池の周囲を取り囲むとともにその一部（単電池の周囲全周の一部、電解液注入口２３に対応する部位）が分断された平面形状とされている。

また、この高圧着部位２４は、図５に示すように、熱プレス溶着時におけるプレス圧力が他の部位より大きく設定されることにより、他の部位より厚みを減じられた立体形状として形成されている。したがって高圧着部位２４は、積層品スタック２１Ｂの厚み方向一方の面で溝状に凹んだ形状とされ、または積層品スタック２１Ｂの厚み方向一方の面で溝状に凹むとともに他方の面で畝状に隆起した形状とされ、または積層品スタック２１Ｂの厚み方向一方および他方の面双方で溝状に凹んだ形状とされている。

また、高圧着部位２４は、図５に示すように、高圧着部位２４に対応する部位に突起部３２を備えた熱プレス金型３１をもって熱プレス溶着を行なうことにより形成されている。突起部３２は、電池における単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された部位に対応する位置に設けられている。また突起部３２は、熱プレス金型３１における一方の分割型に設けられ、または一方および他方の分割型の双方に設けられている。

つぎに、上記リチウムイオン電池の製造方法を説明する。

図６（Ａ）に示すように、所定の大きさの平面形状（四角形）にカットした集電体１３を用意し、この集電体１３の厚み方向一方の面に正極１４を塗工するとともに他方の面に負極１５を塗工して双極型電極１２を作製する（図６（Ｂ））。
その一方で、図６（Ｃ）に示すように、所定の大きさの平面形状（四角形）にカットしたシール材１６，１７を用意し、このシール材１６，１７を打ち抜きプレスして枠状に加工する（図６（Ｄ））。

次いで、図６（Ｅ）に示すように、上記双極型電極１２と２枚のシール材１６，１７を重ね合わせ、熱プレス溶着で仮止めして電極シート１１を作製する（図６（Ｆ））。重ね合わせ時にはその位置精度を確保して位置ズレ誤差を可及的に小さくするため、画像処理による位置合わせ手段を用いる。位置合わせには上記位置決め穴１２ａ，１６ａ，１７ａを用いる。

次いで、図６（Ｇ）に示すように、複数の電極シート１１を間にセパレータ１８を挟んだ状態で重ね合わせて積層品２１Ａとし、積層品２１Ａにおける電解液注入口２３以外の周縁部３辺を金型３１で熱プレス溶着して積層品スタック２１Ｂを作製し（図６（Ｈ））、このとき同時に高圧着部位２４を形成する。重ね合わせ時にはその位置精度を確保して位置ズレ誤差を可及的に小さくするため、画像処理による位置合わせ手段を用いる。位置合わせには上記位置決め穴１１ａを用いる。高圧着部位２４は上記したように、高圧着部位２４に対応する位置に突起部３２を備えた熱プレス金型３１をもって熱プレス溶着を行なうことにより形成する。また高圧着部位２４は積層品２１Ａの熱プレス溶着を行なう際に、単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断されたライン状の部位を他の部位より高い圧力で加圧圧着することにより形成する。次いで、図示はしないが、積層品スタック２１Ｂの各層内に電解液を注入し、注入口２３を閉塞し、完成に至る。

尚、上記工程中、図６（Ｅ）から図６（Ｇ）に示す工程によって、「集電体の一面に正極を設けるとともに他面に負極を設けた複数の双極型電極と、前記複数の双極型電極の間に挟まれるセパレータと、前記正極、負極およびセパレータによって構成される単電池の周囲を取り囲むとともに前記集電体の間に圧着される枠状のシール材とを積層する積層品形成工程」が実施される（当該実施例では、シール材１６，１７が双極型電極１２に仮止めされている）。また図６（Ｈ）に示す工程によって、「前記枠状のシール材を双極型電極に溶着する圧着工程」が実施される（当該実施例では、シール材１６，１７が双極型電極１２に本止めされる）。

上記構成を備えるリチウムイオン電池においては、電池内部の電解液をシールする枠状のシール材１６，１７に単電池の周囲を取り囲む高圧着部位２４が設けられているため、この高圧着部位２４が発揮するシール作用によって電解液の漏れを十分に抑制することができる。高圧着部位２４はその一部が分断されているため、電解液の注入作業を妨げることがない。

また、リチウムイオン電池の製造方法として、積層品２１Ａの熱プレス溶着を行なう際に、単電池の周囲を取り囲むライン状の部位を他の部位より高い圧力で加圧圧着することにより高圧着部位２４を形成するようにしたため、積層品２１Ａの熱プレス溶着と高圧着部位２４の形成を同時に行なうことができる。したがって新たな工程を増やすことなく、シール性に優れた電池製品を製造することができる。

１１ 電極シート
１１ａ，１２ａ，１６ａ，１７ａ 位置決め穴
１２ 双極型電極
１３ 集電体
１４ 正極
１５ 負極
１６，１７ シール材
１６ｂ，１７ｂ 中空部
１８ セパレータ
２１Ａ 積層品
２１Ｂ 積層品スタック
２３ 電解液注入口
２４ 高圧着部位
２５ 端子
３１ 熱プレス金型
３２ 突起部

Claims (3)

1. 集電体の一面に正極を設けるとともに他面に負極を設けた双極型電極と、正極および負極の間に挟まれたセパレータと、正極、負極およびセパレータによって構成された単電池の周囲を取り囲むとともに集電体の間に圧着された枠状のシール材とを含み、電解液を封入する双極型二次電池の製造方法であって、
   前記枠状のシール材は、前記単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された高圧着部位と他の部位とを含み、前記高圧着部位を前記他の部位より高い圧力で加圧圧着することを特徴とする双極型二次電池の製造方法。
2. 前記双極型電極および枠状のシール材は平面四角形であって、その４辺のうち３辺で連続する高圧着部位を有することを特徴とする請求項１記載の双極型二次電池の製造方法。
3. 集電体の一面に正極を設けるとともに他面に負極を設けた双極型電極と、正極および負極の間に挟まれたセパレータと、正極、負極およびセパレータによって構成された単電池の周囲を取り囲むとともに集電体の間に圧着された枠状のシール材とを含み、電解液を封入する双極型二次電池であって、
   前記枠状のシール材は、前記単電池の周囲を取り囲むとともにその一部が分断された高圧着部位と他の部位とを含み、
   前記高圧着部位は、前記他の部位より厚みを減じられた立体形状として形成されていることを特徴とする双極型二次電池。

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