JP7238372B2

JP7238372B2 - 二次電池の製造方法

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Publication number: JP7238372B2
Application number: JP2018229804A
Authority: JP
Inventors: 裕貴西川
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: JP2020092049A

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池の製造方法に関する。

従来、この種の二次電池の製造方法として、例えば特許文献１に示すものが知られている。こうした二次電池の製造方法は、正極と負極とが合成樹脂製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液をラミネートフィルムによって形成された外装体で封止して仮電池を形成する工程と、仮電池を加圧した状態で充電する工程と、充電した仮電池を高温環境下でエージングする工程とを備えている。

この場合、仮電池を形成する工程では、電池性能を確保するべく電極の表面に被膜（SEI（Solid Electrolyte Interphase））を形成するために、電極とセパレータとをできるだけ密着させることが好ましい。このため、仮電池の充電は、加圧により電極とセパレータとを密着させた状態で行われる。

特開２０１４－７１９７５号公報

ところで、上述のような二次電池の製造方法では、高温環境下で仮電池のエージングを行って被膜の形成を促進するべくエージング中においても仮電池の加圧を継続して行っている。このため、セパレータが特に熱によってクリープ変形してしまうので、セパレータの空隙率が低下する。この結果、リチウムイオンなどの陽イオンがセパレータを透過し難くなる、すなわち電気抵抗が増加するので、二次電池の出力が低下するという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、二次電池の出力が低下することを抑制できる二次電池の製造方法を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する二次電池の製造方法は、正極板と負極板とが合成樹脂製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液を、可撓性を有した外装体によって封止して仮電池を形成する仮電池形成工程と、前記仮電池形成工程で形成した前記仮電池を加圧した状態で充電する充電工程と、前記充電工程で充電した前記仮電池を高温環境下でエージングする高温エージング工程と、を備えた二次電池の製造方法であって、前記高温エージング工程のうちの少なくとも一部では、前記仮電池を前記充電工程での加圧力よりも低い加圧力で加圧するか又は前記仮電池を加圧しないことを要旨とする。

この構成によれば、高温エージング工程におけるセパレータのクリープ変形が抑制されるので、セパレータの空隙率の低下を抑制できる。したがって、二次電池の出力が低下することを抑制できる。

本発明によれば、二次電池の出力が低下することを抑制できる。

一実施形態における二次電池の斜視図。二次電池の製造工程を示すフローチャート。電極積層体の分解斜視図。電極積層体の斜視図。仮電池の平面模式図。仮電池を加圧するときの状態を示す断面模式図。仮電池の予備室を切除するときの状態を示す平面模式図。実施例１及び比較例１～３の仕様を示す表。実施例１及び比較例１～３の二次電池において、（ａ）は厚みを比較するグラフ、（ｂ）は初期容量を比較するグラフ、（ｃ）は初期出力を比較するグラフ。

以下、二次電池の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、例えばリチウムイオン電池などによって構成される二次電池１１は、矩形状をなす可撓性を有した外装体１２と、外装体１２内に封止された電極積層体１３及び電解液と、外装体１２から露出する正極端子１４及び負極端子１５とを備えている。そして、二次電池１１は、図２に示した第１～第９工程を行うことによって製造される。

次に、二次電池１１の製造方法について説明する。
二次電池１１を製造する場合には、まず、図３及び図４に示すように、矩形状の正極板１６と、正極板１６よりも一回り大きい矩形状の負極板１７とを、山折りと谷折りを交互に繰り返すつづら折りされた帯状のセパレータ１８を介して、交互に複数積層させることによって電極積層体１３を形成する（第１工程）。

この場合、セパレータ１８の一方側の対向する面同士の間に正極板１６をそれぞれ挟み、他方側の対向する面同士の間に負極板１７をそれぞれ挟む。セパレータ１８は、絶縁性を有する合成樹脂製の不織布によって構成されている。セパレータ１８における隣り合う２つの折り目間の矩形板状の部分は、負極板１７よりも一回り大きくなっている。本実施形態のセパレータ１８は、空隙率が８０％に設定されている。

正極板１６は、例えば厚さが１０～２０μｍのアルミニウム箔などの導電性材料によって構成される正極集電体１９と、正極集電体１９の両面または片面に塗布された正極活物質とを有している。正極活物質は、例えばリチウムイオンなどの陽イオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。

正極集電体１９は、略矩形板状をなしており、その長手方向の一端部から突出する矩形板状の正極タブ部２０を有している。すなわち、正極タブ部２０は、正極集電体１９と一体形成されており、セパレータ１８から露出するように突出している。各正極タブ部２０は、正極端子１４（図１参照）に電気的に接続する。正極タブ部２０には、正極活物質を塗布しない。

負極板１７は、例えば厚さが１０～２０μｍの銅箔などの導電性材料によって構成される負極集電体２１と、負極集電体２１の両面または片面に塗布された負極活物質とを有している。負極活物質は、例えばリチウムイオンなどの陽イオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。負極集電体２１は、略矩形板状をなしており、その長手方向の一端部から突出する矩形板状の負極タブ部２２を有している。

すなわち、負極タブ部２２は、負極集電体２１と一体形成されており、セパレータ１８から露出するように突出している。この場合、負極タブ部２２は、正極タブ部２０側とは反対側の方向に突出している。各負極タブ部２２は、負極端子１５（図１参照）に電気的に接続する。負極タブ部２２には、負極活物質を塗布しない。

続いて、図５に示すように、例えばアルミニウムを用いた一対の矩形状をなす可撓性のラミネートフィルムの周縁部同士を溶着することによって形成された外装体１２内に電極積層体１３を挿入する（第２工程）。このとき、正極端子１４及び負極端子１５を外装体１２から露出させるとともに、外装体１２を構成する一対のラミネートフィルムの周縁部同士の一部に溶着しない非溶着部（図示略）を形成する。なお、図５における網掛け部分は、一対のラミネートフィルム同士の溶着部分を示している。

続いて、この非溶着部（図示略）から外装体１２内に、例えば非水系溶媒に電解質を溶解した電解液を注入する（第３工程）。続いて、非溶着部（図示略）を溶着して外装体１２を仮封止することにより、仮電池２３を形成する（第４工程）。すなわち、電極積層体１３及び電解液を外装体１２内に仮封止した仮電池２３を形成する。仮封止された外装体１２は、電極積層体１３を十二分に余裕を持って収容する大きさになっている。本実施形態では、上述した第１～第４工程によって仮電池形成工程が構成される。

続いて、図６に示すように、仮電池２３を一対の加圧板２４によって挟むことによって加圧した状態で充電する（第５工程（充電工程））。この場合、一対の加圧板２４同士は、仮電池２３に一定の加圧力が付与されるように、ボルト２５とナット２６とによって一定の距離を維持した状態で締結されている。このため、セパレータ１８と正極板１６とが均一に接触し、且つセパレータ１８と負極板１７とが均一に接触する。そして、この第５工程により、負極板１７の表面に被膜（SEI（Solid Electrolyte Interphase））が形成される。

続いて、一対の加圧板２４による仮電池２３の加圧を解除した後、仮電池２３を非加圧状態で高温環境下（例えば５０～７０℃程度）において所定時間（例えば数時間～数十時間）だけエージング（放置）する（第６工程（高温エージング工程））。この第６工程では、開始から終了までの全過程にわたって仮電池２３には加圧力が付与されないので、セパレータ１８にも加圧力が付与されない。

したがって、高温でクリープ変形が生じやすい不織布によって構成されたセパレータ１８であっても、そのクリープ変形が抑制される。そして、この第６工程により、負極板１７の表面での被膜の形成が促進される。なお、この第６工程では、負極板１７の表面に被膜が形成されるときの化学反応によりガスが発生する。

続いて、仮電池２３を常温環境下で放電させる（第７工程）。この第７工程では、仮電池２３を加圧していてもよいし、仮電池２３の加圧を解除していてもよい。続いて、図７に示すように、仮電池２３の外装体１２を構成する一対のラミネートフィルム同士を本封止部２７において溶着することにより、外装体１２を本封止する（第８工程）。これにより、外装体１２内は、本封止部２７によって、電極積層体１３を収容した収容室２８と、第６工程で発生したガスなどが溜まった予備室２９とに隔絶される。なお、図７における網掛け部分は、一対のラミネートフィルム同士の溶着部分を示している。

続いて、図７に示すように、第８工程で仮電池２３の外装体１２に形成された予備室２９が切除されるように、切断線Ｓにおいて外装体１２を切断する（第９工程）。これにより、図１に示す二次電池１１が得られる。

次に、実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
上記実施形態の方法で製造した二次電池１１を実施例１とした。

（比較例１）
上記実施形態の方法において、仮電池２３を加圧した状態で第６工程（高温エージング工程）を行って製造した二次電池を比較例１とした。

（比較例２）
上記実施形態の方法において、セパレータ１８を微多孔膜（合成樹脂製の膜に細孔を多数形成したもの）に変更し、仮電池を加圧した状態で第６工程行って製造した二次電池を比較例２とした。なお、微多孔膜の空隙率は４０％とした。

（比較例３）
上記実施形態の方法において、仮電池２３を加圧しない状態で第５工程（充電工程）を行って製造した二次電池を比較例３とした。

上記した実施例１及び比較例１～３の仕様を図８の表に示す。
＜厚みの測定＞
実施例１及び比較例１～３の厚みを測定し、結果を図９（ａ）のグラフに示した。図９（ａ）から、比較例１は、第６工程（高温エージング工程）によってセパレータ１８がクリープ変形し、実施例１に比べて厚みが大幅に薄くなっていることが分かる。このことから、比較例１は、実施例１に比べてセパレータ１８の空隙率が大幅に低下していることが予想される。

＜初期容量＞
実施例１及び比較例１～３の初期容量を測定し、結果を図９（ｂ）のグラフに示した。図９（ｂ）のグラフから、比較例３は、実施例１に比べて初期容量が大きく低下していることが分かる。このことから、比較例３は、仮電池２３を加圧しない状態で第５工程（充電工程）を行っているため、セパレータ１８と、正極板１６及び負極板１７との接触状態が実施例１に比べて不均一になっていることが予想される。

＜初期出力＞
実施例１及び比較例１～３の初期出力を測定し、結果を図９（ｃ）のグラフに示した。図９（ｃ）のグラフから、比較例３は、実施例１に比べて初期出力が大きく低下していることが分かる。一方、図９（ａ）のグラフ及び図９（ｃ）のグラフから、微多孔膜によって構成されたセパレータを用いた比較例２では、第６工程（高温エージング工程）で加圧しても、実施例１に比べて厚みの低下や著しい初期出力の低下が確認できない。これは、不織布によって構成されたセパレータ１８を用いた実施例１では、第６工程（高温エージング工程）を行う際に加圧しないことによって、初期出力の低下が抑制されることを示唆している。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）二次電池１１の製造方法において、第６工程（高温エージング工程）では、開始から終了までの全過程にわたって仮電池２３を加圧しない。この構成によれば、第６工程（高温エージング工程）における不織布によって構成されたセパレータ１８のクリープ変形が効果的に抑制されるので、セパレータ１８の空隙率の低下を抑制できる。したがって、二次電池１１の出力が低下することを抑制できる。

（２）二次電池１１の製造方法において、セパレータ１８は、不織布によって構成されている。この構成によれば、セパレータ１８を合成樹脂フィルムによって構成する場合に比べて空隙率を格段に高めることができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は次のように変更してもよい。
・第６工程（高温エージング工程）では、必ずしも開始から終了までの全過程にわたって仮電池２３を加圧しないようにする必要はない。例えば、第６工程の全過程のうちの半分の時間だけ仮電池２３を加圧しないようにしてもよいし、第６工程の全過程のうちの３分の１の時間だけ仮電池２３を加圧しないようにしてもよい。

・第６工程（高温エージング工程）では、開始から終了までの全過程にわたって仮電池２３を第５工程（充電工程）での加圧力よりも低い加圧力で加圧するようにしてもよい。
・第６工程（高温エージング工程）では、第６工程の全過程のうちの一部の時間だけ第５工程（充電工程）での加圧力よりも低い加圧力で仮電池２３を加圧するようにし、第６工程の全過程のうちの残りの時間は仮電池２３を加圧しないようにしてもよい。

・セパレータ１８は、必ずしも不織布によって構成する必要はなく、例えば細孔が多数形成された合成樹脂フィルムによって構成してもよい。
・第５工程（充電工程）では、例えばバネなどの弾性部材によって仮電池２３に一定の加圧力が付与されるようにしてもよい。

１１…二次電池、１２…外装体、１３…電極積層体、１６…正極板、１７…負極板、１８…セパレータ、２３…仮電池。

Claims

正極板と負極板とが不織布の山折りと谷折りを交互繰り返すつづら折りされた帯状のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液を、可撓性を有した外装体によって封止して仮電池を形成する仮電池形成工程と、
前記仮電池形成工程で形成した前記仮電池を加圧した状態で充電する充電工程と、
前記充電工程で充電した前記仮電池を高温環境下でエージングする高温エージング工程と、
を備えた二次電池の製造方法であって、
前記正極板は、導電性材料によって構成される正極集電体と、前記正極集電体の両面または片面に塗布された正極活物質と、を有し、前記正極集電体は、前記正極集電体と一体形成され、前記セパレータから露出するように突出している正極タブ部を有しており、
前記負極板は、導電性材料によって構成される負極集電体と、前記負極集電体の両面または片面に塗布された負極活物質とを有し、前記負極集電体は、前記負極集電体と一体形成され、前記セパレータから露出するように突出している負極タブ部を有しており、
前記充電工程では、前記仮電池を一対の加圧板によって挟むことによって加圧し、前記セパレータと前記正極板を接触させ、且つ前記セパレータと前記負極板とを接触させ、
前記高温エージング工程のうち少なくとも一部では、前記仮電池を前記充電工程での加圧力よりも低い加圧力で加圧するか又は前記仮電池を加圧しないことを特徴とする二次電池の製造方法。
前記高温エージング工程では、開始から終了までの全過程にわたって前記仮電池を加圧しないことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の製造方法。