JP2005216623A - ラミネート電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 タブ樹脂材の幅を狭くしても封止時にタブとラミネートフィルムの金属部分との間に短絡やスルーホールを生じることがなく、しかもタブをタブ樹脂材の部分から容易に折り返すことができるラミネート電池の製造方法を提供すること。
【解決手段】 次の（１）〜（４）の工程からなるラミネート電池の製造方法。
（１）正極タブ１２及び負極タブ１３備えた電極体を、底部を２つ折りに折り曲げたラミネートフィルム１４内部に挿入する工程、
（２）前記正極タブ及び負極タブとラミネートフィルムとの間に一部がラミネートフィルムから突出するようにタブ樹脂材１５、１６を配置する工程、
（３）前記ラミネートフィルムのトップ封止部を加熱されたゴム−ゴム金型３２、３３を用いて第１段階の封止を行う工程、
（４）次いで、加熱された前記タブ樹脂材の幅よりも広い幅のタブ逃がし段差部が設けられた金属−金属金型３４、３５を用いて第２段階の封止を行う工程。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラミネート電池及びその製造方法に関し、特にトップ封止部の形成に際し、正極及び負極のタブに具備されたタブ樹脂材の幅を狭くしても封止時にタブとラミネートフィルムの金属部分との間に短絡やスルーホールを生じることがなく、しかもタブをタブ樹脂材の部分から容易に折り返すことができるラミネート電池及びその製造方法に関する。
携帯型の電子機器の急速な普及に伴い、それに使用される電池への要求仕様は、年々厳しくなり、特に小型・薄型化され、高容量でサイクル特性が優れ、性能の安定したものが要求されている。そして、二次電池分野では他の電池に比べて高エネルギー密度であるリチウム非水電解質二次電池が注目され、このリチウム非水電解質二次電池の占める割合は二次電池市場において大きな伸びを示している。
このリチウム非水電解質二次電池は、細長いシート状のアルミニウム箔等からなる正極芯体の両面にリチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質を含む正極合剤を塗布した正極と、細長いシート状の銅箔等からなる負極芯体（集電体）の両面にリチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を含む負極合剤を塗布した負極との間に、多孔性ポリプロピレンフィルム等からなるセパレータを配置し、正極及び負極をセパレータにより互いに絶縁した状態で円柱状又は楕円形状に巻回した後、角型電池の場合は更に巻回電極体を押し潰して偏平な巻回式電極体を形成し、正極及び負極の各所定部分にそれぞれ正極タブ及び負極タブを接続し、その外側を外装で被覆することにより製造されている。
この外装としては、強度を与えるために主として金属製の外装缶が使用されているが、近年に至り重量低減、単位体積当たりの電池容量の増大等の目的でラミネートフィルムを使用したラミネート電池が製造されるようになってきた。（特許文献１参照）
以下、図５を用いて従来から慣用的に行われているラミネート電池５０の製造工程について説明する。まず最初に、前述の従来例と同様にして偏平な巻回式電極体１１を製造する。その際、この偏平な巻回式電極体１１は、正極の金属製芯体箔露出部に正極タブ１２を溶接しておくと共に、負極の金属製芯体箔露出部にも負極タブ１３を溶接しておく。
続いて、図５（ａ）に示したように、所定の大きさの周知のラミネートフィルム１４、例えばアルミラミネートフィルムを２つ折り（カップ成型）し、この内部に前記偏平な巻回式電極体１１を配置し、正極タブ１２及び負極タブ１３の導出部の両面に薄いタブ樹脂材１５、１６を配置した後、このラミネートフィルム１４のトップ部（タブ側）を加熱されたバー状の金型を用いて定位方式に制御して溶着し、トップ封止部１７を形成する。なお、この際、トップ封止部１７の外縁には、ラミネートフィルム１４から溶けたシーラント層がはみ出して金型に付着しないようにするため、未溶着部１８が設けられている。
次に、図５（ｂ）に示したように、加熱されたバー状の金型を用いて、ラミネートフィルム１４のサイド部の一方側を溶着して第１のサイド封止部１９を形成する。この場合も第１のサイド封止部１９の外縁はラミネートフィルムから溶けたシーラント層がはみ出して金型に付着しないようにするため、未溶着部２０が設けられている。次いで、液状電解質をもう一方のサイド部側２１から注入する。そうすると、この液状電解質は、偏平な巻回式電極体１１の内部へ十分に浸透する。その後、図５（ｃ）に示したように、ラミネートフィルム１４の他方のサイド部側を加熱されたバー型の金型により仮溶着して仮封止部２２を形成する。次いで、必要に応じて液状電解液をゲル化し、予備充電及びエージングした後、図５（ｄ）に示したように、ラミネートフィルム１４の他方のサイド部側を加熱されたバー型の金型で定位方式に制御して溶着して第２のサイド封止部２３を形成する。そして、前記ラミネートフィルムの不要部を切断して、両方のサイド封止部１９及び２３を折り曲げ、図５（ｅ）に示したような従来例のラミネート電池５０を得る。
この図５（ａ）に示したトップ封止部１７を形成する際の各部材の配置関係の詳細を図６を用いて説明する。なお、図６（ａ）はトップ封止部形成前の状態を示す図であり、図６（ｂ）はトップ封止部形成時の状態を示す図である。図６に示したように、タブ１２、１３とラミネートフィルム１４の金属部分との封止時の短絡やスルーホール（未溶着部）の形成を避けるために、金型２５、２６には逃がし段差部２７、２８を設けている。しかしながら、偏平な巻回式電極体１１では電極体から取り出されたタブ１２、１３の位置ずれが大きいので、封止時に短絡やスルーホールが発生しないようにするため、この位置ズレを考慮してタブ樹脂材１５、１６の幅Ｌ１はこの逃がし段差部２７、２８の幅Ｌ２よりも広く取られている。したがって、得られたラミネート電池５０は、図７に示したように、タブ樹脂材１５及び１６の幅が金型２５、２６の逃がし段差部２７、２８の存在によって生じた段差部２９及び３０の幅よりも広くなっている。
また、電池の安全対策のため、図８に示すように、トップ封止部のテラス部分に保護部品３１を具備する場合があるが、この場合、電池全体の高さを抑えるためにタブ１２、１３をタブ樹脂材１５、１６のあるところから折り返している。
特開２００２−４２８８１号公報（段落［０００２］〜［００１３］）
しかしながら、従来の構成のラミネート電池では、タブ樹脂材１５、１６の幅が広いと、この部分の折り返しに力が必要となるため、折り返しが困難であると同時にきれいに折り返されなかったタブ樹脂材１５、１６部分により電池全体の高さが高くなってしまうという問題点が存在していた。この問題点は、タブ樹脂材１５、１６の幅を狭くすれば解決し得るが、そうすると、前述のように、巻回式電極体１１から取り出されているタブ１２、１３の位置ずれが大きいので、封止時に短絡やスルーホールが発生してしまうという問題点が新たに生じてしまい、従来は両問題点を同時に解決する方法は見当たらなかった。
そこで、本発明者等は上述のような従来技術の有する問題点を解決すべく種々検討を重ねた結果、トップ封止部の封止用金型としてゴム−ゴム金型及び金属−金属金型を用いて２段階の封止を行うと、タブ樹脂材１５、１６の幅Ｌ１を金属−金属金型の逃がし段差部２７、２８の幅Ｌ２よりも狭くしてもタブ１２、１３とラミネートフィルム１４の金属部分との封止時の短絡やスルーホールの発生を避けることができ、トップ封止部のテラス部分に保護部品３１を具備するときのタブ１２、１３及びタブ樹脂材１５、１６の折り返しが容易になることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明の第１の目的は、タブ樹脂材１５、１６の幅Ｌ１を金属−金属金型２５、２６のタブ逃がし段差部２７、２８の幅Ｌ２よりも狭くしてもタブ１２、１３とラミネートフィルム１４の金属部分との封止時の短絡やスルーホールの生成を避けることができ、トップ封止部のテラス部分に保護部品を具備するときのタブ１２、１３及びタブ樹脂材１５、１６の折り返しが容易になるラミネート電池を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、前記性質を備えたラミネート電池の製造方法を提供することにある。
本発明の前記第１の目的は以下の構成により達成し得る。すなわち、本願の請求項１に記載のラミネート電池の発明は、封止部がタブ樹脂材で覆われている正極タブ及び負極タブを備えた電極体を有するラミネート電池において、前記タブ樹脂材の幅が前記封止部に形成された段差部の幅よりも狭くなっていることを特徴とする。
また、本願の請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のラミネート電池において、前記電極体は、正極と、負極とを、セパレータを介して積層巻回した後、押し潰して製造した偏平な巻回式電極体であることを特徴とする。
また、本願の請求項３に記載の発明は、前記請求項１に記載のラミネート電池において、前記正極タブ及び負極タブが前記タブ樹脂材の部分から折り返されていることを特徴とする。
また、本願の前記第２の目的は以下の構成により達成し得る。すなわち、本願の請求項４に記載のラミネート電池の製造方法の発明は、次の（１）〜（４）の工程を有することを特徴とする。
（１）正極タブ及び負極タブを備えた電極体を、底部を２つ折りに折り曲げたラミネートフィルムの内部に挿入する工程、
（２）前記正極タブ及び負極タブとラミネートフィルムとの間に一部がラミネートフィルムから突出するようにタブ樹脂材を配置する工程、
（３）前記ラミネートフィルムのトップ封止部を加熱されたゴム−ゴム金型を用いて第１段階の封止を行う工程、
（４）次いで、加熱された前記タブ樹脂材の幅よりも広い幅のタブ逃がし段差部が設けられた金属−金属金型を用いて第２段階の封止を行う工程。
また、本願の請求項５に記載の発明は前記請求項４に記載のラミネート電池の製造方法において、更に、前記正極タブ及び負極タブを前記タブ樹脂材の部分から折り返す工程を備えていることを特徴とする。
また、本願の請求項６に記載の発明は、前記請求項４に記載のラミネート電池の製造方法において、前記ゴム−ゴム金型及び金属−金属金型がＬ字状の金型であり、トップ封止と一方のサイド封止を同時に行うようになしたことを特徴とする。
本発明は上記の構成を備えることにより以下に述べるような優れた効果を奏する。すなわち、前記請求項１に記載のラミネート電池によれば、タブ樹脂材の幅が封止部に形成された段差部の幅よりも狭くなっているので、正極タブ及び負極タブをタブ樹脂材の部分から折り返しやすくなっており、きれいに折り返すことができるようになる。
また、本願の請求項２に記載のラミネート電池によれば、薄型で、高さの低いラミネート電池が得られる。
また、本願の請求項３に記載のラミネート電池によれば、正極タブ及び負極タブをタブ樹脂材の部分からきれいに折り返すことができるので、電池の安全対策のために封止部のテラス部に保護部品を配置しても、電池の高さを低くすることが容易となる。
また、本願の請求項４に記載のラミネート電池の製造方法によれば、タブ樹脂材の幅が封止部に形成された段差部の幅よりも狭くなっても、従来例のような電極体の正極タブ及び負極タブの位置ずれが大きいことに起因する正極タブないしは負極タブとラミネートフィルムの金属部分との間の短絡やスルーホールの発生が見られず、高封止信頼性を有するラミネート電池を製造することができる。
また、本願の請求項５に記載のラミネート電池の製造方法によれば、正極タブ及び負極タブをタブ樹脂材の部分からきれいに折り返すことができるので、電池の安全対策のために封止部のテラス部に保護部品を配置しても、電池の高さを低くすることが容易となる。
また、本願の請求項６に記載のラミネート電池の製造方法によれば、トップ封止部と一方のサイド封止部と同時に形成することができるので、工数を減らして製造工程を簡略化することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例及び比較例を用いて詳細に説明する。ただし、以下に示す実施例は本発明の技術思想を具体化するためのラミネート電池及びその製造方法を例示するものであって、本発明をこの実施例のラミネート電池及びその製造方法に特定することを意図するものではなく、特許請求範囲に記載された技術的範囲に含まれるものに等しく適用し得るものである。
<扁平な巻回式電極体の製造>
まず、実施例及び比較例に共通の扁平な巻回式電極体の製造方法について説明する。正極極板は、コバルト酸リチウムに炭素導電剤（例えばグラファイト）を所定量混合した後でフッ素樹脂系結着剤（例えばポリフッ化ビニリデン）と一定の割合で混合して正極合剤とし、アルミ箔の両面に塗着し、乾燥後圧延して極板とした。また、負極極板は炭素材（例えばリン片状天然黒鉛）とフッ素樹脂系結着剤を一定の割合で混合し、銅箔の両面に塗着した後、乾燥後圧延して極板とした。次いで、正極極板及び負極極板それぞれに、ポリプロピレンベースのタブ樹脂材が具備されたタブ材を取り付け、ポリエチレン製の多孔質セパレータを介して巻回状に巻き取り、押しつぶして扁平状とし、カップ成型されたアルミラミネート外装に収納した。このアルミラミネートの総厚は、約０．１００ｍｍであり、シーラント層の厚みは、約０．０３０ｍｍであった。
<実施例、比較例１〜３>
それを、以下の実施例、比較例１〜３で示す条件でトップ封止を行った。なお、トップ封止部のテラス部の長さは６ｍｍで、金型長さは、４ｍｍとした。また、実施例、比較例１〜３で使用した全ての金属金型には、タブ材とアルミラミネート外装体のＡｌ金属との短絡を防止するために、タブ逃がし段差部を設けてあり、その逃がし深さは全て０．０６０ｍｍ、幅は６．５ｍｍとした。また、タブ材の厚みは、正極用及び負極用タブ共に０．０７０ｍｍとし、また、タブ樹脂材の厚みは、０．０７０ｍｍ／枚のものを用いた。なお、本明細書においては、例えば図２に示すような電池の正面図で見たときの縦方向長さを「長さ」、横方向の長さを「幅」として表記する。
<実施例>
実施例におけるトップ封止部の形成方法を図１に示すが、図６の従来例と同一構成部分については同一の参照符号を付与してその詳細な説明は省略する。なお、図１（ａ）はトップ封止部形成前の状態を示す図であり、図１（ｂ）はゴム−ゴム金型を使用した第１段階のトップ封止部形成時の状態を示す図であり、また、図１（ｃ）は金属−金属金型を使用した第２段階のトップ封止部形成時の状態を示す図である。この実施例においては、タブ樹脂材の幅を６ｍｍとし、図１（ｂ）に示すようにゴム−ゴム金型３２、３３を使用して第１段階のトップ封止部形成を行った。このとき、封止厚みは０．３５ｍｍの厚みで封止した。次に、図１（ｃ）に示すように、金属−金属金型を用いて第２段階のトップ封止部形成を行った。封止厚みはタブ逃がし段差部で０．３５ｍｍ、それ以外の部分は０．１８ｍｍの厚みで封止した。
<比較例１>
図６に示す従来例と同様にして、タブ樹脂材の幅を９ｍｍとタブ逃がし段差部幅６．５ｍｍよりも大きくとり、金属−金属金型を用いて電池トップ部分を溶着した。封止厚みは実施例と同じである。
<比較例２>
図４に示すように、タブ樹脂材の幅を６ｍｍとし、金属−金属金型を用いて電池トップ部分を溶着した。封止厚みは実施例と同じである。
<比較例３>
実施例と同じ構成とし、図１（ｂ）に示したように、ゴム−ゴム金型による封止のみを実施した。封止厚は０．３５ｍｍの厚みで封止した。封止信頼性を高めるためには封止厚みを薄くすることが有効であるもの、ゴムの弾性により封止厚みを０．３５ｍｍ以下とすることは困難であった。
その後、実施例、比較例１〜３共に、電池のサイド側を封止した。次いで、所定の割合に混合した混合溶媒に六弗化リン酸リチウムＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌの割合で溶解した電解液とポリプロピレングリコールジアクリレート（化学式１）及びポリピロビレングリコールジメタクリレート（化学式２）を重量比で１２：１で混合した溶液に重合開始剤としてｔ−ヘキシルパーオキシピバレートを５０００ｐｐｍ添加したものを、先の電池巻回体を収納したアルミ外装体内に注液したあと、６０℃オーブン中に３時間静置し、硬化させてポリマー電解質を形成した。
Figure 2005216623
Figure 2005216623
その後、ガス抜き予備充電、最終シールを行い、寸法が厚み３．８ｍｍ、幅３５ｍｍ、長さ６２ｍｍの実施例、比較例１〜３のラミネート電池を完成させた。実施例のラミネート電池１０は、図２に示すように、タブ樹脂材１５及び１６の幅がトップ封止部１７の段差部２９及び３０の幅よりも狭くなっており、このラミネート電池１０のトップ封止部のテラス部分に図３に示すように保護部品３１を配置した場合、タブ樹脂材１５及び１６の幅が狭いので、タブ１２及び１３をタブ樹脂材１５及び１６のところから容易に折り返すことができた。
得られた実施例、比較例１〜３の電池の封止信頼性を確認するため、電池容量の４０％まで充電を行った後、８０℃、相対湿度９０％の恒温恒湿槽に投入し、２０日経過後に取出し、冷却後の電池厚み増加量、内部抵抗上昇値などを測定した。このような厳しい条件下で試験を行ったのは、封止信頼性評価として、電池膨れ、内部抵抗上昇を測定することで外部環境から電池内部への水分侵入を加速させて確認するためである。
なお、比較例１のラミネート電池は、前述の従来例のラミネート電池に対応し、封止信頼性が確認されているものである。また、封止断面形状を観察し、スルーホール（封止がされていない部分）の有無についても確認した。スルーホールがある電池は封止がされていない部分が存在するため、外部環境から電池内部への水分侵入経路ができてしまっており、封止信頼性を維持できない。結果をまとめて表１に示す。
Figure 2005216623
上記表１に示した結果によれば、実施例のラミネート電池は、電池厚み増加量及び内部抵抗上昇値ともに比較例１（従来仕様）のラミネート電池と同程度であり、また封止断面でのスルーホールもみられなかった。従って、ゴム−ゴム金型、金属−金属金型の２段階封止を行った実施例のラミネート電池は比較例１と同等の封止信頼性が得られていることが確認できた。
しかし、実施例と同様にタブ樹脂材の幅を６ｍｍとし、金属−金属金型による封止のみを行った比較例２、ゴム−ゴム金型による封止のみを行った比較例３は電池厚み増加量、内部抵抗上昇値が実施例及び比較例１のものに比して大きく、封止信頼性が劣る結果となった。
以上のことから、タブ樹脂材の幅を金型のタブ逃がし段差部幅よりも狭い構成とする場合には、ゴム−ゴム金型及び金属−金属金型を使用した２段階の封止を行う本発明が有効である。
なお、本実施例ではバー状の金型を用いてトップ部のみ封止した後に、別途サイド部を封止する方法を採用したが、Ｌ字型の金型を用いてトップ部とサイド部を一度に溶着することも可能である。また、本実施例では特定の正極活物資、ポリマー電解質を使用したが、本発明は封止部分に関する発明であるから、電池内の材料構成については周知のものを適宜選択して採用し得る。例えば正極活物質としてＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＯ２等のリチウム複合酸化物を使用した電池、液状の電解液を使用した電池などについても適用可能である。また、電解質としては、ＬｉＰＦ６の他に、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２及びこれらを混合して用いることができる。
本発明のラミネート電池の製造工程の説明図であり、図１（ａ）はトップ封止部形成前の状態を示す図であり、図１（ｂ）はゴム−ゴム金型を使用した第１段階のトップ封止部形成時の状態を示す図であり、また、図１（ｃ）は金属−金属金型を使用した第２段階のトップ封止部形成時の状態を示す図である。 本発明のラミネート電池の正面図である。 本発明のラミネート電池において、保護部品を取り付けると共に正極タブ及び負極タブを折り返した状態を示す図である。 比較例２のラミネート電池の製造工程の説明図であり、図４（ａ）はトップ封止部形成前の状態を示す図であり、図４（ｂ）はトップ封止部形成時の状態を示す図である。 従来例のラミネート電池の製造工程を順を追って説明する図である。 従来例及び比較例１のラミネート電池の製造工程の説明図であり、図６（ａ）はトップ封止部形成前の状態を示す図であり、図６（ｂ）はトップ封止部形成時の状態を示す図である。 従来例及び比較例１のラミネート電池の正面図である。 従来例及び比較例１のラミネート電池において、保護部品を取り付けると共に正極タブ及び負極タブを折り返した状態を示す図である。
符号の説明
１０、５０ ラミネート電池
１１ 偏平な巻回式電極体
１２ 正極タブ
１３ 負極タブ
１４ ラミネートフィルム
１５、１６ タブ樹脂材
１７ トップ封止部
１９ 第１のサイド封止部
２２ 仮封止部
２３ 第２のサイド封止部
２５、２６ 金属金型
２７、２８ タブ逃がし段差部
２９、３０ 段差部
３１ 保護部品
３２、３３ ゴム金型
Ｌ１ タブ樹脂材の幅
Ｌ２ タブ逃がし段差部幅

Claims (6)

  1. 封止部がタブ樹脂材で覆われている正極タブ及び負極タブを備えた電極体を有するラミネート電池において、前記タブ樹脂材の幅が前記封止部に形成された段差部の幅よりも狭くなっていることを特徴とするラミネート電池。
  2. 前記電極体は、正極と、負極とを、セパレータを介して積層巻回した後、押し潰して製造した偏平な巻回式電極体であることを特徴とする請求項１に記載のラミネート電池。
  3. 前記正極タブ及び負極タブが前記タブ樹脂材の部分から折り返されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネート電池。
  4. 次の（１）〜（４）の工程を有することを特徴とするラミネート電池の製造方法。
    （１）正極タブ及び負極タブを備えた電極体を、底部を２つ折りに折り曲げたラミネートフィルムの内部に挿入する工程、
    （２）前記正極タブ及び負極タブとラミネートフィルムとの間に一部がラミネートフィルムから突出するようにタブ樹脂材を配置する工程、
    （３）前記ラミネートフィルムのトップ封止部を加熱されたゴム−ゴム金型を用いて第１段階の封止を行う工程、
    （４）次いで、加熱された前記タブ樹脂材の幅よりも広い幅のタブ逃がし段差部が設けられた金属−金属金型を用いて第２段階の封止を行う工程。
  5. 更に、前記正極タブ及び負極タブを前記タブ樹脂材の部分から折り返す工程を備えていることを特徴とする請求項４に記載のラミネート電池の製造方法。
  6. 前記ゴム−ゴム金型及び金属−金属金型がＬ字状の金型であり、トップ封止と一方のサイド封止を同時に行うようになしたことを特徴とする請求項４に記載のラミネート電池の製造方法。
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