JP2012209072A - 電極積層型電池の電極積層体、および該電極積層体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極とセパレータを積層する電極積層構造において、電極とセパレータの位置ずれおよび、電極同士の短絡の発生を防止すること。
【解決手段】本願は、複数の電極２，３を該電極２，３の間にセパレータ４を配して積層してなる、電極積層型電池の電極積層体１に係るものである。各セパレータ４の少なくとも片側面に、電極２，３の積層方向に突出する凸部が設けられている。該凸部は、電極の積層方向とは垂直な方向に関して各電極２，３の移動を規制している。隣接するセパレータ４の該凸部が互いに接合されることで、接合部５が形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、積層された電極対を有する電気化学デバイスに関し、特に電極積層型電池を構成する電極積層体、および、該電極積層体の製造方法に関する。

携帯用電子機器の普及に伴い、小型、軽量で薄く、なおかつ長時間の連続稼働が可能なリチウム二次電池等の電気化学デバイスが求められている。従来の二次電池は金属の外装缶を使用していた。しかし最近、金属の外装缶に替えて、薄くて軽いフィルムの外装体を用いることによって、電池重量を減らし、電子機器設計の自由度を増大させることが可能になっている。このような電池に使用される外装体は、主に複数の樹脂をアルミ箔にラミネートしたフィルムであり、このアルミラミネートフィルムを使用することで、従来の金属外装缶を用いた電池よりも薄く、軽くすることができる。

外装体に収納する電極群を作製する方法として、帯状の電極を捲回する方法と多枚数の電極を積層する方法がある。

前者の捲回法は円筒型電池の発展型として設備をそのまま流用できるが、電池の形状に制限があり、立方体、直方体や円柱型以外の形の電池を作ることが困難である。また、薄形電池を作ろうとした場合、捲回の際に電極にクラックが発生したり、切れたりする可能性があるため、厚く密度の高い電極が使用できず、エネルギー密度の面で不利である。

後者の積層法は電池の形状が比較的自由にでき、また、巻く必要がないため厚く密度の高い電極が使用でき、より薄く、よりエネルギー密度の高い電池を作ることが可能である。また、積層法は正極と負極の面積比を一定できるというメリットがある。しかし、積層構造自体には電極とセパレータの位置を固定する機構がないため、位置ずれや短絡が発生する要因となっていた。このような電極の位置ずれや短絡は電池の特性劣化や故障の原因となりうる。そのため、電極の積層時に、例えば電極にテープを貼って位置ずれを防止する方法がとられている。

また、積層法で位置ずれや短絡が発生しづらい電池を設計するため、数々の提案がなされている。その一つに袋工法がある。特開平６−３６８０１号公報，特開平９−２１３３７７号公報及び特開平１０−５５７９５号公報などで開示されているように、一般的には二枚のセパレータの間に電極を挟み、続いて、両セパレータの周辺部を熱融着して袋詰め状の電極を作製する。次に、この袋詰め状の電極を積層して、金属缶または外装体に収納し電池としている。

特開平６−３６８０１号公報 特開平９−２１３３７７号公報 特開平１０−５５７９５号公報

しかしながら、従来の工法においては、以下の問題がある。

その問題点とは、電極とセパレータを交互に積層する従来の工法においては、電池特性の劣化や、短絡が発生しやすいことである。この原因は、各層を積層する工程において電極とセパレータの相対位置を固定する機構を持たないことに起因する。その理由は、電極とセパレータの位置ずれが発生し、正極と負極の正対面積の低下により電池特性が劣化する、もしくは、その位置ずれにより電極同士が接触し短絡するためである。

また、上記問題点を解決するために、従来、一方の電極（例えば正極）をセパレータで袋状に覆いそれを他方の電極（例えば負極）と交互に積層する工法が考案されている。しかし、この工法においても、位置ずれや短絡の発生は完全には解決されていない。その原因は、袋状に覆われた電極を積層する工程において、セパレータで袋状に覆った電極と該セパレータとの相対位置を固定する機構を持たない、ことに起因する。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、電極とセパレータを積層する電極積層構造において、電極とセパレータの位置ずれおよび、電極同士の短絡の発生を防止することにある。

本発明は、複数の電極を該電極の間にセパレータを配して積層してなる電極積層体を含む電極積層型電池の前記電極積層体に係るものである。その一態様では、各セパレータの少なくとも片側面に、電極の積層方向に突出する凸部が設けられており、該凸部は、電極の積層方向とは垂直な方向に関して前記電極の移動を規制している。

本発明によれば、複数の電極を該電極の間にセパレータを配して積層してなる、電極積層型電池の電極積層体において、該セパレータに設けられた凸部によって該電極の移動を該電極の積層方向とは垂直な方向に関して規制しているため、電極の位置ずれによる特性劣化および短絡の発生を防止することができる。

電極積層型電池に用いられる本発明の電極積層体の一例を示す斜視図。 図１の電極積層体の構成要素を示した分解図。 正極、負極、およびセパレータを積層し、隣接するセパレータの周辺部を接合した状態の電極積層体の断面を示した図。 接合される各セパレータの周辺部の構成例を示す平面図。 本実施例の電池を構成する電極積層体の組立フローを示す図。 本実施例による電極積層体を所定の位置で組立てる際に正極、負極、およびセパレータを該位置に供給する態様を示した図。 本実施例の、セパレータ成型部が設けられたセパレータの断面構造を示す図。 本実施例におけるセパレータ成型部の作製方法および作製装置を示す図。 本実施例における、セパレータ成型部が設けられた複数のセパレータ、複数の正極、および複数の負極を用いて電極積層体を製造する方法、および電極積層体の製造装置を示す図。 本発明の電池に用いられる電極積層体の製造方法および製造装置の別の例（袋詰めされた電極構造を用いた電極積層体）を説明するための図。 本発明の電池に用いられる電極積層体の製造方法および製造装置の別の例（袋詰めされた電極構造を用いた電極積層体）を説明するための図。 本発明の電池に用いられる電極積層体の製造方法および製造装置の別の例（袋詰めされた電極構造を用いた電極積層体）を説明するための図。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の電極積層型電池における電極積層体の一例を示す斜視図である。図２は図１の電極積層体の構成要素を示した分解図である。

本実施例の電池を構成する図１の電極積層体１は、図２に示すように四角形の平板状の正極２、負極３、およびセパレータ４が積層されてなる。セパレータ４は正極２と負極３の間を仕切るように配置されており、図２では、下から正極２、セパレータ４、負極３、セパレータ４、正極２、セパレータ４、負極３という順番で、それらが上下方向に積み重ねられている。正極２と負極３の短絡を防止するために、セパレータ４は正極２および負極４よりも大きな外形を有することが一般的である。 またセパレータ４は熱可塑性樹脂からなる。

図３は、このように正極２、負極３、およびセパレータ４を積層し、隣接するセパレータ４の周辺部を接合した状態の電極積層体１の断面を示している。この図において、正極２および負極３はセパレータ４でそれぞれ仕切られた状態で対面している。全てのセパレータ４は、各セパレータ４の周辺部にて互いに接合されており、こうして出来た接合部５によって、全セパレータ４の接合後の態様は、図３のような断面で見て梯子状に成っている。

図４には、各セパレータ４の接合における周辺部の構成例が示されている。この図のように、各セパレータ４の、接合部５にされる周辺部の一部には、セパレータ４自体を成型してなるセパレータ成型部９が設けられている。セパレータ成型部９は正極２（又は負極３）の、電極積層方向とは垂直な方向の移動を規制する形状を有する。本例のセパレータ成型部９は、四角形の正極２（又は負極３）の四隅の角を成す２辺に沿った平面視Ｌ字形の凸条部になっている。尚、セパレータ成形部９の形状については点、線、その他任意に設定することが可能であり、その位置についても任意に設定することが可能である。

本発明では、セパレータ成型部９が設けられた各セパレータ４の周辺部どうしを接合することで、袋状に覆われた電極を作製している。

次に、本発明による電極積層体１の製造方法について詳述する。

図５は、電極積層体１の組立フローを示す図である。この図に示すように、正極２の上に既に搭載されたセパレータ４の上に、負極３を搭載し、この上にセパレータ４を搭載し、さらに、この上に正極２を搭載することで、１組の電極対が得られる。このような積層を繰り返して複数組の電極対を構成することによって、電極積層体１の構造が得られる。

図６には、電極積層体１を所定の位置で組立てる際に電極（正極２と負極３）およびセパレータ４を該位置に供給する態様が示されている。この図のように、正極２、負極３、およびセパレータ４は、帯状に連続する正極２を捲回してなる正極原反１０、帯状に連続する負極３を捲回してなる負極原反１１、および帯状に連続するセパレータ４を捲回してなるセパレータ原反１２よりそれぞれ切り出されて供給される。供給された正極２、負極３、およびセパレータ４は、図５の工程フローを経て、図１に示す電極積層体１にされる。

図７に、前述したセパレータ成型部９が設けられたセパレータ４の断面構造を示す。セパレータ４の周辺部の一部にはセパレータ成型部９（図４）が設けられている。セパレータ成型部９は、セパレータ原反１２から切り出されたセパレータ４の周辺部の一部を熱圧着法で成型することによって形成されたものである。

セパレータ成型部９は、図４に例示したように四角形の正極２（又は負極３）の四隅の角を成す２辺に沿ったＬ字形に形成されており、これによって、正極２又は負極３の、電極積層方向とは垂直な方向への移動を規制することが可能となっている。セパレータ成型部９の、電極積層方向の厚さは、正極１や負極２の厚さと等しくなっていることが望ましい。

図８に、セパレータ成型部９の作製方法および作製装置を示す。

セパレータ成型部９の作製する際、まず、図８（ａ）に示すように、積層ステージ８の上面にセパレータ４を搭載する。そして、図８（ｂ）に示すように、積層ステージ８の上面に対して垂直な方向にて、セパレータ４を、セパレータ押さえ部材１３で積層ステージ８の上面に押さえつける。

続いて、図８（ｃ）に示すように、セパレータ成型機構１４が駆動される。セパレータ成型機構１４は積層ステージ８の上面に沿って移動可能に設けられており、セパレータ成型機構１４は、セパレータ成型機構１４自身の内側面とセパレータ押さえ部材１３の外周端面との間に、セパレータ成型部９を形成するための空間を確保できるようになっている。そして、駆動されたセパレータ成型機構１４とセパレータ押さえ部材１３の間に位置するセパレータ４の周辺部を、熱圧着手段によって成型し、セパレータ成型部９を形成する。この熱圧着手段はセパレータ成型機構１４に設けられることが好ましく、例えばヒータが内部に配置された金属ブロックである。

最後に、セパレータ押さえ部材１３とセパレータ成型機構１４が退避することによって、セパレータ成型部９が設けられたセパレータ４が完成する。

尚、セパレータ押さえ部材１３およびセパレータ成型機構１４は、セパレータ成型部９が電極積層方向とは垂直な方向に関して正極２（又は負極３）の移動を規制する形状（図４参照）となるように、設定されていることが望ましい。

さらに、セパレータ成型部９が設けられた複数のセパレータ４、複数の正極２、および複数の負極３を用いて電極積層体１を製造する方法、および電極積層体１の製造装置について図９を基に述べる。

まず、セパレータ成型部９が設けられたセパレータ４を、吸着搬送機構１６を用いて搬送してステージ７の上面に搭載する。そして、このセパレータ４の上に、図９（ａ）に示すように、吸着搬送機構１６を用いて負極３を搭載する。このとき、負極３は、セパレータ４に沿った方向の移動がセパレータ成型部９によって規制される。その後、セパレータ４に積層された負極３の上に、吸着搬送機構１６を用いて、セパレータ成型部９が設けられた他のセパレータ４を搭載する（図９（ｂ））。この際、他のセパレータ４の、セパレータ成型部９が設けられていない側の面が負極３に接触させられる。それから、吸着搬送機構１６に装備されている接合機構１７を用いて、重ねられたセパレータ成型部９同士を加熱し接合することで、図９（ｃ）に示すように接合部５が形成される。再び吸着搬送機構１６を用いて、他のセパレータ４の上に、図９（ｄ）〜（ｆ）に示すように正極２を搭載する。尚、接合機構１７はセパレータを熱で接合するための熱圧着手段を含むものである。また、一のセパレータ４の上に他のセパレータ４を積層する際にセパレータ同士の位置合わせが容易になるように、上下に位置するセパレータ成型部９が互いに嵌まり合う形状にされていることが望ましい。例えば、セパレータ成型部９の上面に凹部を形成し、該凹部に嵌合する凸部をセパレータ成型部９の下面に形成する。

以上の作業を正極２および負極３に対して交互に繰り返すことで、図３に示したように梯子状の断面形状を持つセパレータ構造が得られる。つまり、図３の構造は、片側面におけるセパレータ成型部９の内側に正極１もしくは負極が配置された複数のセパレータ４を、セパレータ成型部９同士を接合して接合部１２を形成しながら積層することにより形成される。

また、上記した電極積層体１の製造方法および製造装置に替えて、図１０〜図１２に示すような態様であってもよい。すなわち、一方の電極（例えば正極）をセパレータで袋状に覆いそれを他方の電極（例えば負極）と交互に積層することで電極積層体１を作製する場合において本発明を適用することができる。

図１０に、電極をセパレータで袋詰めにした構造を示す。この構造は、負極３（もしくは正極２）をセパレータ４およびセパレータ成型部９で覆って袋詰めにした構造である。電極を挟んで対向するセパレータ４は、電極積層方向の厚みが電極と等しいセパレータ成型部９において接合されていることが望ましい。また、セパレータ成型部９は、電極積層方向とは垂直な方向に関して正極２（又は負極３）の移動を規制する形状（図４参照）になっていることが望ましい。

図１１に、図１０の袋詰め状の電極構造を作製する作製方法および作製装置を示す。まず、セパレータ成型部９が設けられたセパレータ４を、図８に示したように作製する。その後、ステージ８において、セパレータ４の上に、図１１（ａ）に示すように、負極３を搭載する。このとき、負極３は、セパレータ４に沿った方向への移動がセパレータ成型部９によって規制されている。次に、セパレータ成型部９で移動が規制された負極３の上に、他のセパレータ４を、吸着搬送機構１５を用いて搭載する（図１１（ｂ））。その後、図１１（ｃ）に示すように、セパレータ成型機構１４の熱圧着手段（不図示）を用いて、負極３を挟むセパレータ４同士を接合する。最後に、セパレータ成型機構１４と吸着搬送機構１５が退避することによって、図１０に示したような袋詰め状の電極構造が形成される（図１１（ｄ））。

さらに、正極２または負極３を袋詰めしてなる電極構造、複数の正極２、および複数の負極３を用いて電極積層体１を製造する方法、および電極積層体１の製造装置について図１２を基に述べる。

まず、袋詰めされた負極３をステージ７の上面に搭載する。そして、この袋詰めされた負極３の上に正極２を搭載する。続いて、この正極２の上に、図１２（ａ）〜（ｂ）に示すように吸着搬送機構１６を用いて、他の袋詰めされた負極３を積層する。その際に、吸着搬送機構１６に装備されている接合機構１７を用いて、重ねられたセパレータ成型部９同士を加熱し接合することで、図１２（ｃ）に示すように接合部５が形成される。

なお、袋詰めされた二つの負極３を正極２を介して積層した状態において、セパレータ成型部９同士はその正極２の厚さ分だけ接触せず、ギャップが生じている。しかし、セパレータ成型部９の厚さを電極積層方向に十分に厚くしておくことにより、接合機構１７によってセパレータ成型部９が加熱された際に軟化もしくは溶融し、セパレータ成型部９同士のギャップを埋めて接合部５を形成することが可能である。

以上の動作を正極２および負極３に対して交互に繰り返すことでセパレータ梯子成型構造が形成される。

以上、本発明の実施形態を示して図とともに説明したが、本発明は、図に示した形態に限定されず、その他の形態についても、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で含まれるものである。

したがって、正極２および負極３はセパレータ４を挟んで交互に対面するように積層されればよく、積層の順序は入れ替わってもよい。

セパレータ成型部９を接合するための接合機構１７は、吸着搬送機構１６に連結されてもステージ７に連結されていてもよく、また、それらとは独立に駆動されても良い。

接合機構１７は熱圧着手段を含むものでなく、例えば接着剤を塗布して部材同士を接合するような別の手段を含んでいてもよい。

接合機構１７を、積層中の正極２、負極３およびセパレータ４をステージ７に固定する押さえとして機能させてもよい。

袋詰め状の電極構造で、セパレータ４に袋詰めされる電極は、正極１および負極２のどちらでもよい。

袋詰め状の電極構造を形成する際（図１１参照）に、セパレータ成型部９を含むセパレータ４上に電極を介して搭載する他のセパレータ４は、セパレータ成型部９を含んでいてもよい。

以上説明したような本発明の実施形態によれば、以下の効果を奏する。

第１の効果としては、電極の位置ずれによる特性劣化および短絡の発生を防止することができる。セパレータ４に設けられたセパレータ成型部９により、正極２または負極３の、該電極の積層方向とは垂直な方向への移動を規制している電極積層構造（図３、４参照）にされているからである。

第２の効果としては、電極とセパレータの積層を完了した後に電極とセパレータとの位置ずれを防止する目的で実施されていたテープ貼り等の電極固定工程を削減することができる。電極積層体の内部での正極２または負極３の移動がセパレータ４のセパレータ成型部９によって既に規制されているからである。

第３の効果としては、セパレータ成型部９を含むセパレータ４、もしくは、２枚のセパレータ４で袋詰めされた電極を用いて電極積層体の作製を行うことにより、一の電極と一のセパレータを積層する度に電極とセパレータの相対位置を固定することが可能となる。よって、電極の位置ずれおよび短絡の発生を確実に防止することができる。

第４の効果としては、セパレータ４をステージ７に搬送して吸着搬送機構１６に、積層されたセパレータ４のセパレータ成型部９どうしを接合する接合機構１７を装備したことで、ステージ７でのセパレータ４の積層と同時にセパレータ成型部９の接合を実施することができる。そのため、電極積層体の作製時間を短縮することが可能である。

１ 電極積層体
２ 正極
３ 負極
４ セパレータ
５ 接合部
７、８ ステージ
９ セパレータ成型部
１０ 正極原反
１１ 負極原反
１２ セパレータ原反
１３ セパレータ押さえ部材
１４ セパレータ成型機構
１５、１６ 吸着搬送機構
１７ 接合機構

Claims (10)

1. 複数の電極をそれぞれセパレータの間に配して積層してなる電極積層体を含む電極積層型電池の前記電極積層体であって、
   前記各セパレータの少なくとも片側面に、前記電極の積層方向に突出する凸部が設けられており、該凸部は、前記電極の積層方向とは垂直な方向に関して前記電極の移動を規制していることを特徴とする電極積層体。
2. 請求項１に記載の電極積層体において、
   前記セパレータの前記凸部が設けられた部分が、前記セパレータを積層した際に互いに嵌まり合う形状になっていることを特徴とする電極積層体。
3. 請求項１または２に記載の電極積層体であって、
   前記セパレータの前記凸部によって前記電極の移動を規制した状態で、前記電極の積層方向に隣り合う前記セパレータが前記凸部の位置で互いに接合されていることを特徴とする電極積層体。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電極積層体であって、
   前記凸部は前記セパレータの一部を用いて形成されていることを特徴とする電極積層体。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電極積層体であって、
   前記電極の積層方向における前記凸部の厚さが前記電極の厚さと等しいことを特徴とする電極積層体。
6. 複数の電極をそれぞれセパレータの間に配して積層してなる電極積層体を含む電極積層型電池の前記電極積層体を製造する方法であって、
   前記各セパレータの一部を成型して、前記各セパレータの片側面に、前記電極の積層方向とは垂直な方向に関して前記電極の移動を規制するための凸部を形成する工程と、
   一の前記セパレータの片側面に前記電極を搭載しつつ、該電極の移動を前記凸部によって前記電極の積層方向とは垂直な方向に関して規制する工程と、
   一の前記セパレータに搭載された前記電極の上に、他の前記セパレータを搭載する工程と、
   前記一のセパレータと前記他のセパレータを前記凸部の位置で互いに接合する工程と、を含む、電極積層体の製造方法。
7. 請求項６に記載の電極積層体の製造方法であって、
   一の前記セパレータに搭載された前記電極の上に、他の前記セパレータを搭載する工程と同時に、前記一のセパレータと前記他のセパレータを前記凸部の位置で接合する工程を行うことを特徴とする、電極積層体の製造方法。
8. 複数の電極をそれぞれセパレータの間に配して積層してなる電極積層体を含む電極積層型電池の前記電極積層体を製造する方法であって、
   一の前記セパレータの一部を成型して、一の前記セパレータの片側面に、前記電極の積層方向とは垂直な方向に関して前記電極の移動を規制するための凸部を形成する工程と、
   前記一のセパレータの片側面に前記電極を搭載しつつ、該電極の移動を前記凸部によって前記電極の積層方向とは垂直な方向に関して規制した後、該電極の上に他の前記セパレータを搭載して前記一のセパレータの前記凸部と接合することにより、袋詰めされた電極を複数作製する工程と、
   一の前記袋詰めされた電極の上に、袋詰めされていない前記電極を介して、他の前記袋詰めされた電極を搭載する工程と、
   前記一の袋詰めされた電極を構成している前記セパレータと前記他の袋詰めされた電極を構成している前記セパレータとを前記凸部の位置で互いに接合する工程と、を含む、電極積層体の製造方法。
9. 請求項８に記載の電極積層体の製造方法であって、
   一の前記袋詰めされた電極の上に、袋詰めされていない前記電極を介して、他の前記袋詰めされた電極を搭載する工程と同時に、
   前記一の袋詰めされた電極を構成している前記セパレータと前記他の袋詰めされた電極を構成している前記セパレータとを前記凸部の位置で互いに接合する工程を行うことを特徴とする、電極積層体の製造方法。
10. 請求項６から９のいずれか１項に記載の電極積層体の製造方法であって、
    前記セパレータどうしの接合は、熱圧着もしくは接着剤の塗布によって行われることを特徴とする電極積層体の製造方法。

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