JP2012119080A - 二次電池および二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集電箔に複数の孔を設けることで軽量化を図った二次電池であって、活物質合剤層の脱落が防止された状態で形成された捲回電極群を有するエネルギー密度の高い二次電池を提供する。
【解決手段】長尺状の集電箔９（１０）上に活物質合剤を塗布した正極シートおよび負極シートをセパレータを介して捲回してなる捲回電極群を備えた二次電池において、集電箔９（１０）は、集電箔９（１０）の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように活物質合剤が塗工される帯状の塗工領域３を有し、帯状の塗工領域３の両長辺上を除く塗工領域３内に複数の孔２が設けられる孔加工領域６０を備えていることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等の車両に搭載する二次電池および二次電池の製造方法に関する。

近年、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等の動力源として高いエネルギー密度を有した二次電池が注目されている。

リチウムイオン電池などの二次電池においては、通常、長尺状の金属箔からなる集電箔にスラリー状の活物質合剤が塗工され、乾燥、プレス、切断されることで正極シートおよび負極シートが形成される。両極シート間に微多孔質のセパレータを介して正極シートおよび負極シートを捲回することで、捲回電極群が形成される。二次電池は、捲回電極群を収容した電池容器に電解液を注入した後、密閉することで形成される。

正極シートおよび負極シートは、活物質合剤の重量に対して正極集電箔および負極集電箔の占める重量が大きい。エネルギー密度を向上させるためには、正極集電箔および負極集電箔の軽量化が重要な課題となっている。そこで、正極集電箔および負極集電箔に複数の孔を設けることで軽量化を実現させたリチウムイオン電池用集電箔が提案されている（特許文献１）。

特開平１１−６７２２２号公報

特許文献１に記載の集電箔では、長尺状の集電箔における長辺側の周辺部を除く部分に複数の孔を設けることで、集電箔の軽量化を図ることができる。しかしながら、集電箔に孔を設ける孔加工領域と活物質合剤が塗工される塗工領域との関係については何ら示されていない。

通常、活物質合剤の塗工、乾燥、プレス、切断は、正極および負極シートに所定の張力が掛けられた状態で行われる。複数の孔が設けられた集電箔に活物質合剤が塗工されると、帯状の活物質合剤層が形成される。活物質合剤層の厚みは集電箔に比べて厚いため、活物質合剤層にローラが当接することで正極および負極シートに張力が付与される。

孔上に活物質合剤層の縁が位置してしまうと、孔内の活物質合剤層の強度が集電箔上に形成される活物質合剤層の強度に比べて弱いために、捲回電極群の製造過程において張力バランスの確保が困難となり、縁部分の活物質合剤層が脱落してしまうおそれがある。

請求項１の発明による二次電池は、長尺状の集電箔上に活物質合剤を塗布した正極シートおよび負極シートをセパレータを介して捲回してなる捲回電極群を備えた二次電池において、集電箔は、集電箔の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように活物質合剤が塗工される帯状の塗工領域を有し、帯状の塗工領域の両長辺上を除く塗工領域内に複数の孔が設けられる孔加工領域を備えていることを特徴とする。

請求項３の発明による二次電池は、長尺状の集電箔上に活物質合剤を塗布した正極シートおよび負極シートをセパレータを介して捲回してなる捲回電極群を備えた二次電池において、集電箔は、集電箔の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように活物質合剤が塗工された帯状の塗工領域と、帯状の塗工領域の両長辺に沿って設定された無孔領域と、無孔領域以外の塗工領域に複数の孔が設けられた孔加工領域とを備えていることを特徴とする。

請求項６の発明による二次電池の製造方法は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二次電池を製造する方法において、活物質合剤が塗工された塗工領域にローラを接触させて張力を付与しながら、正極シートと負極シートとセパレータとを重ね合わせつつ捲回する工程を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、集電箔に複数の孔を設けることで軽量化を図った二次電池であって、活物質合剤層の脱落が防止された状態で形成された捲回電極群を有するエネルギー密度の高い二次電池および二次電池の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る二次電池の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池の捲回電極群を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池の捲回電極群を作成する手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る正極集電箔（または負極集電箔）を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るパンチング加工が施された正極集電箔（または負極集電箔）示す平面図である。 本発明の実施形態に係る切断前の正極シート（または負極シート）を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る切断後の正極シートおよび負極シートの斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池の捲回電極群を作成するための捲回工程を示す斜視図である。

以下、本発明による二次電池を角形リチウムイオン電池に適用した実施形態を図面を参照して説明する。
［二次電池の構成］
図１〜図３を参照して、本発明の実施形態に係る二次電池４０の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る二次電池４０の外観を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る二次電池４０の分解斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る二次電池４０の捲回電極群２０を示す斜視図である。

二次電池４０は、図１に示すように、缶３８と蓋３２とからなる電池容器を備える。缶３８は、図２に示すように、絶縁シート３７で覆われた捲回電極群２０を収容するものであり、一端が開口とされた矩形箱状に形成されている。蓋３２は、矩形平板状であって、缶３８の開口を塞ぐように溶接されている。缶３８および蓋３２は、いずれもアルミニウム合金により形成されている。

図１および図２に示すように、蓋３２には、正極外部端子３１ａと、負極外部端子３１ｂと、が設けられている。正極外部端子３１ａおよび負極外部端子３１ｂは、それぞれ缶３８内に配設される正極接続板３５ａおよび負極接続板３５ｂに接続されている。正極外部端子３１ａおよび正極接続板３５ａは、いずれもアルミニウム合金により形成され、負極外部端子３１ｂおよび負極接続板３５ｂは、いずれも銅合金により形成されている。

正極接続板３５ａおよび負極接続板３５ｂは、それぞれ捲回電極群２０の接合部３６に超音波溶接により接続されている。超音波溶接に先立って、接合部３６は、捲回電極群２０の軸方向両端部における活物質合剤が塗工されていない未塗工領域の積層体を押しつぶして形成される。すなわち、接合部３６は、正極集電箔９および負極集電箔１０の露出された領域を重ね合わせた状態で押しつぶして形成される。

正極および負極外部端子３１ａ，３１ｂが正極および負極接続板３５ａ，３５ｂを介して捲回電極群２０に電気的に接続されているため、正極および負極外部端子３１ａ，３１ｂを介して外部負荷に電力が供給され、あるいは、正極および負極外部端子３１ａ，３１ｂを介して外部発電電力が捲回電極群２０に供給されて充電される。なお、正極外部端子３１ａ、正極接続板３５ａ、負極外部端子３１ｂおよび負極接続板３５ｂは、それぞれ図示しない絶縁材によって蓋３２と電気的に絶縁されている。

蓋３２には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔３３が穿設されている。注液孔３３は、電解液注入後に注液栓３０によって封止される。蓋３２には、ガス排出弁３４も設けられている。ガス排出弁３４は、二次電池４０が過充電等の異常により発熱してガスが発生し、電池容器内の圧力が上昇して所定圧力に達したときに開裂して、内部からのガスを排出して電池容器内の圧力を低減させる。

捲回電極群２０は、図３に示すように、正極シート１２および負極シート１３をセパレータ１４，１５を介して扁平状に捲回して構成されている。正極シート１２および負極シート１３は、長尺状の金属箔である正極集電箔９および負極集電箔１０のそれぞれの両面に活物質合剤が塗工されてなる。正極集電箔９は、厚さ２０μｍ程度のアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔であり、負極集電箔１０は、厚さ１５μｍ程度の銅箔もしくは銅合金箔である。セパレータ１４，１５は多孔質のポリエチレン樹脂である。

正極集電箔９には、図７に示す孔２が規則的に多数穿設されている。これらの孔２を覆うように帯状の正極活物質合剤層２３が塗工されて、図８（ａ）に示す正極シート１２が作成される。正極活物質合剤層２３は、長尺状の正極集電箔９の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように、正極活物質合剤が塗工されることで形成されている。正極活物質合剤層２３は、リチウム含有複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを重量比８５：１０：５で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを、正極集電箔９の両面に塗布し、乾燥プレスして形成されている。

負極集電箔１０には、図７に示す孔２が規則的に多数穿設されている。これらの孔２を覆うように帯状の負極活物質合剤層２４が塗工されて、図８（ｂ）に示す負極シート１３が作成される。負極活物質合剤層２４は、長尺状の負極集電箔１０の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように、負極活物質合剤が塗工されることで形成されている。負極活物質合剤層２４は、非晶質炭素粉末と、結着剤としてＰＶＤＦとを重量比９０：１０で混合し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、負極集電箔１０の両面に塗布し、乾燥プレスして形成されている。形成された正極および負極活物質合剤層２３，２４は、それぞれ片面で４０μｍ程度の厚みとされている。

正極および負極集電箔９，１０の幅方向（捲回方向に直交する方向）の一方の端部は、図３に示すように、活物質合剤が塗布されていない正極未塗工領域９ａおよび負極未塗工領域１０ａとされている。正極未塗工領域９ａおよび負極未塗工領域１０ａは、金属箔が露出する部分であって、上記したように、正極および負極接続板３５ａ，３５ｂと電気的に接続される接合部３６とされる（図２参照）。正極および負極接続板３５ａ，３５ｂは、上記したように、正極および負極外部端子３１ａ，３１ｂに接続されている。

捲回電極群２０を作製する各種工程を図４を参照して説明する。図４は、捲回電極群２０を構成する正極シート１２および負極シート１３を作製する手順Ｓ５０，Ｓ１００〜５００と、正負極シート１２，１３を捲回して捲回電極群２０を作製する手順Ｓ６００とを示すフローチャートである。正極シート１２および負極シート１３は同一手順で作製されるので図４のフローチャートは正負極シート１２，１３の作成手順として説明する。

［製造工程］
正負極シート１２，１３は、図４に示すように、電極箔素材準備工程Ｓ５０、パンチング加工工程Ｓ１００、正負極活物質合剤塗工工程Ｓ２００、乾燥工程Ｓ３００、プレス工程Ｓ４００、およびスリット工程Ｓ５００を経て作製される。

電極箔素材準備工程Ｓ５０では、図５に示すように、正負極シート１２，１３の２倍の幅を有する長尺の電極箔素材である正負極集電箔９，１０を準備する。図５の符号７０が２枚の正負極集電箔９，１０の分割線である。分割線７０は、一条の集電箔９，１０を二分するための仮想線であり、この線上で切断されると、この線が正負極シート１２，１３の一方の長辺となる。

分割線７０を挟む上下領域には幅２×ＷＫの帯状の活物質塗工領域３が設定され、活物質塗工領域３には後述するように活物質合剤が塗工される。長尺の正負極集電箔９，１０の上下の両長辺側縁部には活物質が塗工されない活物質未塗工領域１がそれぞれ設定される。未塗工領域１は、上記した接合部３６に対応する領域であり、正極接続板３５ａまたは負極接続板３５ｂとの接続のために必要な幅が確保される。

分割線７０の上下のそれぞれの領域にはそれぞれ、幅ＷＰの孔加工領域６０が設定され、各孔加工領域６０には後述するように多数の小孔２が形成される。孔加工領域６０は、分割線７０上と、塗工領域３の両長辺上を含まないように塗工領域３内において帯状に確保されている。つまり、孔加工を施さない無孔領域６１が、塗工領域３の両長辺および分割線７０に沿って設定されている。無孔領域６１の幅は、それぞれ２〜１０ｍｍとした。なお、上記したように、分割線７０は、切断後に正負極シート１２，１３の長辺となるため、切断後の正負極シート１２，１３の塗工領域３における孔加工領域６０でない両長辺側縁部が無孔領域６１とされる。

パンチング加工工程Ｓ１００では、図６に示すように正極および負極集電箔９，１０の孔加工領域６０にパンチング加工が施される。孔加工領域６０にパンチング加工が施されると、集電箔９，１０に多数の円状の孔２がマトリクス状に形成される。

活物質合剤塗工工程Ｓ２００では、図７に示すように、正負極集電箔９，１０の孔加工領域６０を含む塗工領域３に活物質合剤が塗工されて正負極シート１２，１３が形成される。正負極活物質合剤層２３，２４は孔２を覆うように形成される。つまり、活物質合剤は、集電箔９，１０の表面だけでなく孔２の中にも充填される。

乾燥工程Ｓ３００では、塗工された活物質合剤が乾燥されて、プレス工程Ｓ４００において活物質合剤層２３，２４が加圧成形される。

スリット工程Ｓ５００では、正負極シート１２，１３の素材が分割線７０に沿って、すなわち、素材が幅方向の中央で長手方向に切断されて、図８（ａ）に示す正極シート１２または図８（ｂ）に示す負極シート１３のそれぞれが同時に二条作成される。

捲回工程Ｓ６００では、図９に示すように、活物質合剤が塗工された塗工領域３をローラ（不図示）に接触させて張力を付与しながら、正極シート１２と負極シート１３とセパレータ１４，１５とを重ね合わせつつ捲回することで捲回電極群２０が作成される。

捲回に際しては、先ず、水平軸を中心に回転する捲回軸１６にセパレータ１４，１５を複数回捲回して軸芯を形成する。次に、捲回軸１６の片側からセパレータ１５の上側に正極シート１２を巻き込み、セパレータ１４の下側に負極シート１３を巻き込む。捲回軸１６を回転させることで、セパレータ１５と正極シート１２およびセパレータ１４と負極シート１３は、それぞれ水平に設置されるガイドローラ１７によって案内されつつ軸芯の周りに捲回される。

捲回時は、正極シート１２、負極シート１３、セパレータ１４，１５ともに、長手方向に１０Ｎの荷重を掛けて伸展しつつ、正極および負極シート１２，１３、セパレータ１４，１５のそれぞれの長手方向の側面端部が一定位置になるように蛇行制御される。

正負極活物質合剤塗工工程Ｓ２００〜捲回工程Ｓ６００における各処理は、正極および負極集電箔９，１０に正極および負極活物質合剤層２３，２４が塗工されてなる正極および負極シート１２，１３の長手方向に所定の張力が掛けられた状態で行われる。張力は、ローラによって付与される（図示せず）。

正極および負極シート１２，１３において、正極および負極活物質合剤層２３，２４が形成された領域の厚みは、正極および負極集電箔９，１０に比べて厚いため、正極および負極活物質合剤層２３，２４がローラと当接して正極および負極シート１２，１３に張力が付与される。

以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）塗工領域３の両長辺に沿って無孔領域６１を設けて、孔加工領域６０を含むように塗工領域３を確保した。これにより、活物質合剤塗工工程Ｓ２００〜捲回工程Ｓ６００において正極および負極活物質合剤層２３，２４に加わる張力バランスを適正に保つことができるため、正極および負極活物質合剤層２３，２４の剥離、脱落が防止できる。
つまり、本実施の形態によれば、集電箔９，１０に複数の孔２を設けることで軽量化を図った二次電池４０であって、活物質合剤層２３，２４の脱落が防止された状態で形成された捲回電極群２０を有するエネルギー密度の高い二次電池４０および二次電池４０の製造方法を提供することができる。

（２）正極または負極集電箔９，１０の幅方向中央における分割線７０上に孔２が形成されないように孔加工領域６０を確保した。これにより、スリット工程Ｓ５００において、切断部における正極および負極活物質合剤層２３，２４の剥離、脱落が防止できる。

（３）捲回工程Ｓ６００において正極および負極シート１２，１３に加わる張力バランスを適正に保つことができるため、巻ずれを防止することができる。

（４）孔加工領域６０は、塗工領域３内にあるため、未塗工領域１に孔２は形成されない。これにより、未塗工領域１である集電箔露出面を重ねてなる接合部３６を超音波溶接により容易に正極および負極接続部３５ａ，３５ｂと接続させることができる。

（５）塗工領域３の両長辺側縁部に設けた無孔領域６１の幅は、それぞれ２〜１０ｍｍとした。これにより、捲回電極群２０の作成の際に張力バランスを確実に確保して、正極および負極活物質合剤層２３，２４の剥離、脱落を防止することができる。

（６）正極および負極活物質合剤層２３，２４が、正極および負極集電箔９，１０の両面に形成されているため、エネルギー密度の高い二次電池４０を提供することができる。

なお、上記した実施形態は、以下のように変形することもできる。
［変形例］
（１）本発明は、二条取りにより正極シート１２および負極シート１３を形成する場合に限定されない。一条取りにより正極シート１２および負極シート１３を形成する場合であっても、孔２の上に活物質合剤層２３，２４の長辺が位置しないように、塗工領域３の内側に孔加工領域６０を確保するように、塗工領域３の両長辺に沿って無孔領域６１を設定することで、塗工時および捲回時に張力バランスを適正に確保して、活物質合剤層２３，２４の剥離、脱落を防止することができる。捲回時には、巻ずれも防止することができる。なお、一条取りの場合は、スリット工程Ｓ５００は省略される。

（２）上記実施形態では、角形二次電池を例に説明したが、これに限定されない。円筒型リチウムイオン二次電池の捲回電極群を作成する際にも、張力バランスを適正に確保して、活物質合剤層の剥離、脱落を防止することもできる。

（３）孔２の形状は、円状に限定されない。楕円状、矩形状など種々の形状を採用できる。
（４）孔２は、等ピッチとされるマトリクス状に設けることなく、不等ピッチで設けてもよい。
（５）捲回電極群２０を構成する正極集電箔９および負極集電箔１０の両方にパンチング加工を施す場合に限定されない。正極集電箔９または負極集電箔１０のいずれか一方にパンチング加工を施して捲回電極群２０を形成してもよい。

１ 未塗工領域、２ 孔、３ 塗工領域、９ 正極集電箔、９ａ 正極未塗工領域、１０ 負極集電箔、１０ａ 負極未塗工領域、１２ 正極シート、１３ 負極シート、１４ セパレータ、１５ セパレータ、２０ 捲回電極群、２３ 正極活物質合剤層、２４ 負極活物質合剤層、４０ 二次電池、６０ 孔加工領域、７０ 分割線

Claims (6)

1. 長尺状の集電箔上に活物質合剤を塗布した正極シートおよび負極シートをセパレータを介して捲回してなる捲回電極群を備えた二次電池において、
   前記集電箔は、前記集電箔の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように活物質合剤が塗工される帯状の塗工領域を有し、前記帯状の塗工領域の両長辺上を除く塗工領域内に複数の孔が設けられる孔加工領域を備えていることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記塗工領域において前記孔が形成されていない両長辺側縁部の幅は、それぞれ２〜１０ｍｍであることを特徴とする二次電池。
3. 長尺状の集電箔上に活物質合剤を塗布した正極シートおよび負極シートをセパレータを介して捲回してなる捲回電極群を備えた二次電池において、
   前記集電箔は、前記集電箔の一方の長辺側縁部が帯状に露出したまま残るように活物質合剤が塗工された帯状の塗工領域と、前記帯状の塗工領域の両長辺に沿って設定された無孔領域と、前記無孔領域以外の前記塗工領域に複数の孔が設けられた孔加工領域とを備えていることを特徴とする二次電池。
4. 請求項３に記載の二次電池において、
   前記無孔領域の幅はそれぞれ２〜１０ｍｍであることを特徴とする二次電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の二次電池において、
   前記活物質合剤は、正極集電箔および負極集電箔の両面に塗工されていることを特徴とする二次電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二次電池を製造する方法において、
   前記活物質合剤が塗工された塗工領域にローラを接触させて張力を付与しながら、前記正極シートと負極シートとセパレータとを重ね合わせつつ捲回する工程を少なくとも含むことを特徴とする二次電池の製造方法。

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