JP2012185976A

JP2012185976A - 積層型電池

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Publication number: JP2012185976A
Application number: JP2011047573A
Authority: JP
Inventors: Kengo Matsuo; 研吾松尾; Yoshiharu Kaneshima; 義治金島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-27

Abstract

【課題】電池性能的に余分な部材を用いずに、電池性能のバラツキを抑制することができる積層型電池の提供。
【解決手段】正極Ｐと負極ＮとがセパレータＳを間に挟んで交互に積層された積層構造を有する積層型電池であって、負極Ｎは、正極Ｐよりも大きく、負極Ｎと正極Ｐとの大きさの差分は、上記積層するときの負極Ｎと正極Ｐとの位置決め精度と、負極Ｎの端縁が正極Ｐの端縁に対してずれて配置されたときの当該端縁における負極Ｎと正極Ｐとの間の電気容量と、に基づいて設定されているという構成を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型電池に関するものである。

電池の形態は、円筒型電池と積層型電池とに大別され、後者の電池は、矩形状の正極と負極とをセパレータを挟んで交互に積層した積層構造を有する。このように、矩形状の電極を積層して電池を構成する場合、電極の端縁における短絡を防止するためには、電極よりも一回り大きな面積を有するセパレータを用いることが好ましい。しかしながら、電極と大きさの異なるセパレータを用いる場合、当該セパレータを挟んで隣り合う電極同士を位置決めして積層するのが困難となる。また、電極の位置がずれると電池性能のバラツキを引き起こす。

下記特許文献１には、電極間の積層ずれを抑制して、サイクル特性の向上等を図ることができる積層式リチウムイオン電池が開示されている。この電池は、セパレータ、正極、セパレータ、負極からなる積層電極体を、複数重ねる際、各積層電極体を跨ぐように、ずれ防止用テープを貼付し、電極の移動を阻止する構成となっている。

特開２００８−９１０９９号公報

しかしながら、上記従来技術では、ずれ防止用テープという電池性能的には余分な部材を必要とする。また、上記従来技術では、ずれ防止用テープを貼付するための機械も別途必要となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電池性能的に余分な部材を用いずに、電池性能のバラツキを抑制することができる積層型電池の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、極性の異なる電極がセパレータを間に挟んで交互に積層された積層構造を有する積層型電池であって、上記電極のうち、一方の極性を有する第１の電極は、他方の極性を有する第２の電極よりも大きく、上記第１の電極と上記第２の電極との大きさの差分は、上記積層するときの上記第１の電極と上記第２の電極との位置決め精度と、上記第１の電極の端縁が上記第２の電極の端縁に対してずれて配置されたときの当該端縁における上記第１の電極と上記第２の電極との間の電気容量と、に基づいて設定されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、位置決め精度及び電気容量に基づいて第１の電極を第２の電極よりも大きくし、過剰に第１の電極を大きくせずに、積層後、第１の電極によって第２の電極の全てを覆わせ、電池性能を一定にさせる。

また、本発明においては、上記第１の電極は、負極であり、上記第２の電極は、正極であるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、正極よりも比較的材料コストが安価な負極を大きくする。

また、本発明においては、上記負極は、少なくとも一方の面にカーボンを含む活物質を有し、上記正極は、少なくとも一方の面にリチウム化合物を含む活物質を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、レアメタルであるリチウム化合物を含む活物質を有する正極よりも材料コストが安価なカーボンを含む活物質を有する負極を大きくする。

本発明によれば、極性の異なる電極がセパレータを間に挟んで交互に積層された積層構造を有する積層型電池であって、上記電極のうち、一方の極性を有する第１の電極は、他方の極性を有する第２の電極よりも大きく、上記第１の電極と上記第２の電極との大きさの差分は、上記積層するときの上記第１の電極と上記第２の電極との位置決め精度と、上記第１の電極の端縁が上記第２の電極の端縁に対してずれて配置されたときの当該端縁における上記第１の電極と上記第２の電極との間の電気容量と、に基づいて設定されているという構成を採用することによって、位置決め精度及び電気容量に基づいて第１の電極を第２の電極よりも大きくし、過剰に第１の電極を大きくせずに、積層後、第１の電極によって第２の電極の全てを覆わせ、電池性能を一定にさせる。
したがって、本発明では、電池性能的に余分な部材を用いずに、電池性能のバラツキを抑制することができる。

本発明の実施形態における電極積層装置を示す構成図である。本発明の実施形態における積層型電池の積層構造を示す平面図である。本発明の実施形態における積層型電池の積層構造を示す断面構成図である。本発明の実施形態における位置決め精度に基づく大きさの差分の設定を説明するための図である。本発明の実施形態における電気容量に基づく大きさの差分の設定を説明するための図である。

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。
先ず、本発明の積層型電池に係るリチウム２次電池を製造する電極積層装置について説明する。

図１は、本発明の実施形態における電極積層装置１を示す構成図である。
電極積層装置１は、正極シートＰＳを繰り出す正極ロール２を有する。正極ロール２は、活物質としてリチウム含有金属酸化物が両面に印刷された（付着した）、例えば厚さ８〜２０μｍ程度の金属箔の正極シートＰＳを繰り出す構成となっている。正極シートＰＳは、例えばアルミニウム箔を基材に用い、粉末状のリチウム含有金属酸化物を基材の面上に配置する等して形成されている。

電極積層装置１は、正極ロール２の下流側に、正極シートＰＳから正極（第２の電極）Ｐを切り出すカッター装置３を有する。カッター装置３は、正極Ｐを切り出すと共に、正極シートＰＳの幅方向の一端部の一部を切り落とし、正極Ｐのタブを形成する。なお、切り落とし片は、トレイ４に落下する。

電極積層装置１は、カッター装置３の下流側に、切り出された正極Ｐを支持するセパレータシートＳＳを繰り出すセパレータロール１１を有する。セパレータロール１１は、例えば厚さ８〜２５μｍ程度の絶縁性樹脂材のセパレータシートＳＳを繰り出す構成となっている。セパレータシートＳＳは、例えば多孔質のポリエチレンやポリエステルから形成されている。

電極積層装置１は、セパレータロール１１の下流側に、セパレータシートＳＳ上の正極Ｐを検査する検査カメラ１２を有する。検査カメラ１２は、正極Ｐを上方から撮像し、当該撮像により取得したデータを不図示の制御装置に伝送する構成となっている。不図示の制御装置では、撮像データを画像処理し、正極Ｐの姿勢、形状、活物質の剥がれ、穴等の不良状態の有無を検査する。

電極積層装置１は、検査カメラ１２の下流側に、正極Ｐを挟み込むセパレータシートＳＳを繰り出すセパレータロール１３を有する。セパレータロール１３は、セパレータロール１１と同様に、例えば厚さ８〜２５μｍ程度の絶縁性樹脂材のセパレータシートＳＳを繰り出す構成となっている。

電極積層装置１は、セパレータロール１３の下流側に、正極Ｐを挟んだ上下のセパレータシートＳＳを検査する検査カメラ１４，１５を有する。検査カメラ１４，１５は、セパレータシートＳＳを撮像し、当該撮像により取得したデータを不図示の制御装置に伝送する構成となっている。不図示の制御装置では、撮像データを画像処理し、セパレータシートＳＳの縒れ、シワ、欠損（ピンホールや破れ）等の不良状態の有無を検査する。

電極積層装置１は、検査カメラ１４，１５の下流側に、正極Ｐと上下のセパレータシートＳＳとを固定する加熱溶融固定装置１６を有する。加熱溶融固定装置１６は、加熱によって、上下のセパレータシートＳＳを溶かし張り合わせると共に、正極Ｐをシート内で固定する。

電極積層装置１は、加熱溶融固定装置１６の下流側に、正極Ｐ毎に、セパレータシートＳＳを切断し、セパレータＳ、正極Ｐ、セパレータＳからなるセルＣを形成するカッター装置１７を有する。カッター装置１７は、セパレータシートＳＳを焼き切るヒートカッターを有する。カッター装置１７の切断によって形成されたセルＣは、コンベア装置２０によって下流側に搬送される。

電極積層装置１は、負極Ｎを切り出すもう一つのラインを有する。電極積層装置１のもう一つのラインには、負極シートＮＳを繰り出す負極ロール２２が設けられている。負極ロール２２は、活物質として炭素材料が両面に印刷された（付着した）、例えば厚さ８〜２０μｍ程度の金属箔の負極シートＮＳを繰り出す構成となっている。負極シートＮＳは、例えば銅箔を基材に用い、粉末状の炭素を基材の面上に配置する等して形成されている。

電極積層装置１は、負極ロール２２の下流側に、負極シートＮＳから負極（第１の電極）Ｎを切り出すカッター装置２３を有する。カッター装置２３は、負極Ｎを切り出すと共に、負極シートＮＳの幅方向の一端部の一部を切り落とし、負極Ｎのタブを形成する。なお、切り落とし片は、トレイ２６に落下する。

電極積層装置１は、カッター装置２３の下流側に、切り出された負極Ｎを下流側に搬送するコンベア装置２４と、コンベア装置２４上の負極Ｎを検査する検査カメラ２５を有する。検査カメラ２５は、負極Ｎを上方から撮像し、当該撮像により取得したデータを不図示の制御装置に伝送する構成となっている。不図示の制御装置では、撮像データを画像処理し、負極Ｎの姿勢、形状、活物質の剥がれ、穴等の不良状態の有無を検査する。

電極積層装置１は、コンベア装置２０上のセルＣと、コンベア装置２４上の負極Ｎとを交互に積層するロボットハンド３０を有する。ロボットハンド３０は、不図示の制御装置の下に駆動し、検査カメラ１２，１４，１５，２５における検査をクリアしたものを積層する。なお、検査カメラ１２，１４，１５，２５における検査で不良状態と判断されたものは、積層せずに廃棄する。これにより、欠陥品のみを積層前に廃棄でき、電池セル生産の歩留まりを向上させることができる。

電極積層装置１は、この重ね合わせを繰り返し、セパレータＳ、正極Ｐ、セパレータＳ、負極Ｎを１セットとして、このセットを複数（例えば１００セット程度）積層することにより、トレイ上に、正極Ｐと負極ＮとをセパレータＳを間に挟んで積層した電極積層体を形成する。

その後、この電極積層体を載置したトレイを他の場所に移動させ、所定の処理をする。具体的には、正極Ｐ及び負極Ｎのタブをそれぞれ溶接し、この電極積層体を例えばアルミニウムからなるラミネートフィルムに入れ、電解液を注液し、電極積層体を含浸させる。この後、シールして密閉することにより、ラミネート型のリチウム２次電池セル（積層型電池）が得られる。

図２は、本発明の実施形態における積層型電池の積層構造を示す平面図である。図３は、本発明の実施形態における積層型電池の積層構造を示す断面構成図である。
図２及び図３において、符号Ｐ１は正極Ｐのタブを示し、符号Ｐ２は正極Ｐの活物質（リチウム含有金属酸化物）を示し、符号Ｐ３は正極Ｐの集電体（アルミニウム箔）を示し、また、符号Ｎ１は負極Ｎのタブを示し、符号Ｎ２は負極Ｎの活物質（炭素材料）を示し、符号Ｎ３は負極Ｎの集電体（銅箔）を示す。

図２及び図３に示すように、負極Ｎは、正極Ｐよりも大きい構成となっている。より詳しくは、負極Ｎの活物質Ｎ２の印刷領域（面積）が、正極Ｐの活物質Ｎ２の印刷領域（面積）よりも大きい構成となっている。

負極Ｎの一辺（Ｘ軸方向の一辺）の大きさをＡと、負極Ｎのもう一辺（Ｙ軸方向の一辺）の大きさをＢとし、また、正極Ｐの一辺（Ｘ軸方向の一辺）の大きさをＣと、正極Ｐのもう一辺（Ｙ軸方向の一辺）の大きさをＤとすると、負極Ｎの大きさは、下記の式（１）、式（２）で示すことができる。

Ａ＝Ｃ＋２ΔＸ＋α …（１）
Ｂ＝Ｄ＋２ΔＹ＋β …（２）

ここで、ΔＸ及びΔＹは、ロボットハンド３０による積層の際の負極Ｎと正極Ｐとの位置決め精度に基づく値である。一方、α及びβは、負極Ｎの端縁が正極Ｐの端縁に対してずれて配置されたときの当該端縁における負極Ｎと正極Ｐとの間の電気容量に基づく値である。なお、本実施形態では、積層の際に、ロボットハンド３０を２回使用するため、ΔＸ及びΔＹを２倍している。

図４は、本発明の実施形態における位置決め精度に基づく大きさの差分の設定を説明するための図である。
図４に示すように、正極Ｐの四隅のうちの一つの角部の座標であるＰ点を基準として、位置決め精度を考えると、移動ズレとしてΔｘ，Δｙがあり、回転ズレとしてΔθがある。

Ｐ点の座標は、Ｐ（Ｃ／２，Ｄ／２）で示すことができる。これに、位置ズレを加算すると、Ｐ´点の座標は、Ｐ´（Ｃ／２＋Δｘ，Ｄ／２＋Δｙ）となる。これに、回転ズレを加算すると、Ｐ´点の座標は、下記の式（３）、式（４）で示すことができる。なお、式（３）は＋側に回転ズレが生じた場合の式を示し、式（４）は−側に回転ズレが生じた場合の式を示す。

位置ズレとしては、移動ズレとしてΔｘ，Δｙがあることを前提に、さらに、回転ズレとしてΔθがあった場合が最大のズレとなる。Ｘ軸方向の最大のズレは、回転ズレとして−Δθがあった場合であり、Ｙ軸方向の最大のズレは、回転ズレとして＋Δθがあった場合であることを考慮すると、位置決め精度に基づくΔＸ及びΔＹの値は、下記式（５）、式（６）によって示すことができる。

図５は、本発明の実施形態における電気容量に基づく大きさの差分の設定を説明するための図である。
電池性能で電極面寸法に依存するのは、負極Ｎの活物質Ｎ２の印刷領域（面積）のみである。したがって、図５に示すように、負極Ｎの端縁が正極Ｐの端縁に対してずれて配置されたとき、当該端縁においても電界が生じ、電気容量がその分増加する。

電気容量に基づく大きさの差分であるα及びβは、積層された正極Ｐの集電体Ｐ３と負極Ｎの集電体Ｎ３との間の距離をＬで示すと、以下の式で示すことができる。
α ＝Ｌ×ｔａｎ（ａ） …（７）
β ＝Ｌ×ｔａｎ（ａ） …（８）
ａは、負極Ｎと正極Ｐとがずれた端縁に生じる電界に基づく値である。本実施形態のａは、例えば４５度に設定している。

上述の式（５）、式（７）を式（１）に代入し、また、式（６）、式（８）を式（２）に代入すると、正極Ｐに対して設定すべき負極Ｎの大きさが求められる。
電極積層装置１においては、当該大きさの差分に基づいて、正極Ｐ、負極Ｎを切り出し、積層する。これにより、負極Ｎによって正極Ｐの全てを覆わせると共に電池性能を一定にさせ、電池性能のバラツキの少ないリチウム２次電池セル（積層型電池）を製造できる。また、この電池によれば、電池性能的に余分なずれ防止用テープや当該テープを貼付する機械、さらには、高精度な位置決め装置を用いることなく、セルの電池性能のバラツキを抑えることができる。また、負極Ｎの大きさも必要最小源に設定できるため、過剰に負極Ｎの材料を用いることもなくなる。

したがって、上述の本実施形態によれば、正極Ｐと負極ＮとがセパレータＳを間に挟んで交互に積層された積層構造を有する積層型電池であって、負極Ｎは、正極Ｐよりも大きく、負極Ｎと正極Ｐとの大きさの差分は、上記積層するときの負極Ｎと正極Ｐとの位置決め精度と、負極Ｎの端縁が正極Ｐの端縁に対してずれて配置されたときの当該端縁における負極Ｎと正極Ｐとの間の電気容量と、に基づいて設定されているという構成を採用することによって、電池性能的に余分な部材を用いずに、電池性能のバラツキを抑制することができる。また、本実施形態では、レアメタルであるリチウム化合物を含む活物質Ｐ２を有する正極Ｐよりも材料コストが安価なカーボンを含む活物質Ｎ２を有する負極Ｎを大きく設定することで、電池全体のコストの増加を抑制することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、負極Ｎを正極Ｐよりも大きくする構成について説明したが、原理的には正極Ｐを負極Ｎよりも大きくする構成であっても良い。

また、例えば、上記実施形態では、積層型電池として、リチウム２次電池を例示したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えばリチウム電池やニカド電池、ニッケル水素電池等にも適用できる。

Ｎ…負極（第１の電極）、Ｐ…正極（第２の電極）、Ｎ２…活物質、Ｐ２…活物質

Claims

極性の異なる電極がセパレータを間に挟んで交互に積層された積層構造を有する積層型電池であって、
前記電極のうち、一方の極性を有する第１の電極は、他方の極性を有する第２の電極よりも大きく、
前記第１の電極と前記第２の電極との大きさの差分は、前記積層するときの前記第１の電極と前記第２の電極との位置決め精度と、前記第１の電極の端縁が前記第２の電極の端縁に対してずれて配置されたときの当該端縁における前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気容量と、に基づいて設定されていることを特徴とする積層型電池。
前記第１の電極は、負極であり、前記第２の電極は、正極であることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
前記負極は、少なくとも一方の面にカーボンを含む活物質を有し、
前記正極は、少なくとも一方の面にリチウム化合物を含む活物質を有することを特徴とする請求項２に記載の積層型電池。