JP2008123955A - 集電体の製造方法及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

集電体の製造方法及び蓄電装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体を低コストで、効率良く製造することを目的とする。
【解決手段】タブ２３が接合され、タブ２３から離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体２１の製造方法であって、厚み方向に直交する方向の寸法が互いに異なる複数の集電板２１ａ〜ｄを積層することにより集電体２１を形成したことを特徴とする集電体の製造方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体の製造方法に関する。
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車などの環境を意識した車両の必要性が高まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用電源の開発が盛んに行われている。この種のモータ駆動用電源として、出力密度の高いバイポーラ電池が注目されている。
バイポーラ電池を充放電すると、最外層集電体に流れる電流は、電流引き出し用のタブの接合部周辺に集中する。また、発電要素内部においては、タブの接合部の位置に応じて、流れる電流の多い部位と少ない部位とが生じる。
このような電流密度のバラツキが生じると、電流密度の高い領域において、活物質の消耗や熱の発生などによる電池劣化が進行する。この問題は発電要素に流れる電流が大きくなるほど顕著になることから、出力密度を向上させる技術開発と一体となって考慮しなければならない。
電流密度のバラツキを抑制する方法として、特許文献１には、以下の方法が開示されている。図５は従来のバイポーラ電池の断面図である。
バイポーラ電池１００は平板上の集電体１１１の一方の面に正極層１１３、他方の面に負極層１１５を形成したバイポーラ電極を電解質層１１７を介して多数積層することにより構成されており、最外層集電体１１１ｂの厚みは、負極タブ１２７との接合部１２７´から、最外層集電体の平面方向に遠ざかるにしたがい単調に減少（楔形状）している。
このように最外層集電体１１１ｂの厚み寸法を接合部１２７´から離れるにしたがい薄くすることにより最外層集電体１１１ｂに流れる電流の電流密度のバラツキを抑制し、接合部１２７´周辺の領域が熱くなり、電池劣化の進行を抑制することができる。
また、特許文献１の明細書の段落００２１、００２２には、最外層集電体の構造の変形例が開示されており、具体的には、最外層集電体の厚み寸法を接合部１２７´から離れるにしたがい、曲線状に減少させる例や、段階的に減少させる例が開示されている。
特開２００６−８５２９１号公報 特開２００６−９９９７３号公報 特開２０００−３４８７５６号公報 特開２００５−１７４６９１号公報 特開２００４−１３９７７５号公報
しかしながら、上述の従来例では平板上の集電体１１１を製造する工程と、楔状の最外層集電体１１１ｂを製造する工程とが必要となるため、製造効率が悪く、コストも増大する。
最外層集電体１１１ｂを曲線的に減少させる例についても、同様のことがいえる。また、最外層集電体１１１ｂを段階的に減少させる例については、具体的な製造方法が開示されていない。段階的に減少させる方法として、集電体１１１を階段状に切削する方法が考えられるが、この方法では切削に時間がかかり、削った集電体の材料が無駄となるたり、コストが増大する。
そこで、本願発明は、タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体を低コストで、効率良く製造することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の集電体の製造方法は、一つの観点として、タブが接合され、前記タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体の製造方法であって、前記厚み方向に直交する方向の寸法が互いに異なる複数の集電板を積層することにより前記集電体を形成したことを特徴とする。
ここで、前記複数の集電板は、帯状の母材集電箔から切り出すのが好ましい。また、各前記集電板の寸法は、前記集電体における電流密度に応じて設定するのが好ましい。
また、本願発明の集電体の製造方法は、別の観点として、タブが接合され、前記タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体の製造方法であって、集電板を折り畳むことにより前記集電体を形成したことを特徴とする集電体の製造方法。
ここで、前記集電板の折り返し位置は、前記集電体における電流密度に応じて設定するのが好ましい。
本願発明の蓄電装置の製造方法は、一つの観点として、タブが接合された集電体を有し、前記タブから離れにしたがい前記集電体の厚みが薄くなる蓄電装置の製造方法であって、
前記厚み方向に直交する方向の寸法が互いに異なる複数の集電板を積層することにより前記集電体を形成したことを特徴とする。
また、本願発明の蓄電装置の製造方法は、別の観点として、タブが接合された集電体を有し、前記タブから離れるにしたがい前記集電体の厚みが薄くなる蓄電装置の製造方法であって、集電板を折り畳むことにより前記集電体を形成したことを特徴とする。
本発明によれば、複数の集電板を積層するという極めて簡単な方法で、集電体の厚みをタブから離れるにしたがって薄くすることができる。これにより、集電板に流れる電流の電流密度のバラツキを抑制した蓄電装置を低コストで、効率良く製造することができる。
また、本発明によれば、集電板を折り畳むという極めて簡単な方法で、集電体の厚みをタブから離れるにしたがって薄くすることができる。これにより、集電体に流れる電流の電流密度のバラツキを抑制した蓄電装置を低コストで、効率よく製造することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例１である蓄電装置としてのバイポーラ電池について、図１及び図２を用いて説明する。ここで、図１は、バイポーラ電池の内部構造を示す断面図である。また、図２は、最外層集電体の概略図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が断面図である。
図１に示すように、バイポーラ電池１は、固体電解質１０を介して複数の電極体１１を積層した構成となっている。
各電極体１１は、集電体１１ａと、集電体１１ａの一方の面に形成された正極層１１ｂと、他方の面に形成された負極層１１ｃとを有する。すなわち、各電極体１１は、バイポーラ型の電極構造となっている。
ただし、バイポーラ電池１の積層方向両端に位置する電極体１１には、一方の面にのみ電極層（正極層又は負極層）が形成されている。なお、本明細書では、この一方の面にのみ電極層が形成された集電体を特に最外層集電体２１（特許請求の範囲に記載の集電体）というものとする。
図２に図示するように、最外層集電体２１は、主集電板２１ａと、この主集電板２１ａに積層される３枚の副集電板２１ｂ〜ｄとから構成される。主集電板２１ａは集電体１１ａと同じ寸法に設定されており、副集電板２１ｂ〜ｄは、集電板の平面方向の寸法が主集電板２１ａよりも小さく設定されている。
これらの副集電板２１ｂ〜ｄのうち上端に位置する第３の副集電板２１ｄには、電流引き出し用のタブ２３ａが電気的及び機械的に接合されている。タブの接合方法としては、超音波溶接、スポット溶接を例示できる。
したがって、最外層集電体２１の厚み方向の寸法は、タブ２３から最外層集電体２１の平面方向に離れるにしたがって、階段状に減少する。このように、タブ２３から離れるにしたがって、最外層集電体２１の厚み寸法を薄くすることにより、最外層集電板２１における電流密度を均一にすることができる。
なお、各副集電板２１ｂ〜ｄの平面方向の寸法は、最外層集電板２１の電流密度を計測して、この計測結果に基づき設定することができる。この電流密度の分布を求める方法は、上述の特許文献１に記載されているため、本明細書では説明を省略する。
正極層１１ｂ及び負極層１１ｃの各電極層には、正極及び負極に応じた活物質が含まれている。また、各電極層１１ｂ、１１ｃには、必要に応じて、導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるための高分子ゲル電解質、高分子電解質、添加剤などが含まれる。
正極活物質としては、例えば、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を用いることができる。具体的には、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物がある。この他にも、ＬｉＦｅＰＯ４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物や、Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＯ３などの遷移金属酸化物や硫化物や、ＰｂＯ２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどがある。一方、負極活物質としては、例えば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物、カーボンを用いることができる。
なお、本実施例では、バイポーラ型の電極体１１を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、集電体の両面に正極層を形成した電極体と、集電体の両面に負極層を形成した電極体とを用いることもできる。この場合には、正極層を備えた電極体と、負極層を備えた電極体とが、固体電解質を介して交互に配置（積層）されることになる。
また、このような電極体１１を備える１個の電池としてもよいし、その電池を複数集合させ、電池集合体としてもよい。
また、集電体１１ａとしては、一種類の金属箔を用いたり、複数の金属箔を貼り合わせた、いわゆる複合集電体を用いたりすることができる。さらに、本願発明は、電気二重層キャパシタ（蓄電装置）の集電体にも適用することができる。
固体電解質１０としては、高分子固体電解質や無機固体電解質を用いることができる。この電解質の材料としては、公知の材料を用いることができる。
高分子固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体を用いることができる。この高分子固体電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、又はこれらの混合物を用いることができる。
また、バイポーラ電池１はケース２で覆われており、ケース２は、ラミネートフィルムで形成されたフィルム部材２ａ、２ｂで構成されている。また、ケース２は、絶縁樹脂層２５を介してバイポーラ電池１を挟んでおり、この外縁側の領域において、互いに熱融着されて密閉状態となる。また、最外層集電体２１に接続されたタブ２３は、ケース２の外側に延びている。これにより、バイポーラ電池１で発生した電力を外部に取り出すことができる。
ラミネートフィルムとして、一般的には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。ここで、熱融着性樹脂フィルムは、バイポーラ電池１を収容する際のシールとして用いられ、金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を持たせるために用いられる。
熱融着性樹脂としては、例えば、ポリエチレンやエチレンビニルアセテートを用いることができる。金属箔としては、例えば、アルミニウム箔やニッケル箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやナイロンを用いることができる。
次に、図３を用いて、バイポーラ電池１の最外層集電体２１（正極用）の製造方法について説明する。ここで、図３を最外層集電体２１の製造方法を図示した工程図である。
最外層集電体２１の母材となる母材集電箔４は供給ローラ５の周りに渦巻状に巻き回されているものとする。
まず、供給ローラ５から引き出した母材集電箔４を破線Ａに沿って母材集電箔４の幅方向に切断し、平面視矩形の主集電板２１ａを得る（ステップＳ１０１）。なお、この主集電板２１ａは正極層１１ｂ上に載置される。
次に、主集電板２１ａを切り出して短くなった母材集電箔４を供給ローラ５から矢印Ｘ方向に引き出し、この引き出した母材集電箔４を破線部Ｂに沿って弧状に切断し、一端部が弧状に形成された第１の副集電板２１ｂを得る（ステップＳ１０２）。そして、この第１の副集電板２１ｂの他端部を主集電板２１ａの隅に位置決めした状態で載置する。
次に、母材集電箔４を破線部Ｃに沿って母材集電箔４の幅方向に切断する（ステップＳ１０３）。
第１の副集電板２１ｂを切り出して短くなった母材集電箔４を供給ローラ５から矢印Ｘ方向に引き出し、この引き出した母材集電箔４を破線部Ｄに沿って曲線状に切断し、一端部が曲線状に形成された第２の副集電板２１ｃを得る（ステップＳ１０４）。そして、第２の副集電板２１ｃの他端部を第１の副集電板２１ｂの他端部に位置決めした状態で載置する。
次に、母材集電箔４を破線部Ｅに沿って母材集電箔４の幅方向に切断する（ステップＳ１０５）。第２の副集電板２１ｃを切り出して短くなった母材集電箔４を供給ローラ５から矢印Ｘ方向に引き出し、この引き出した母材集電箔４を破線部Ｆに沿って曲線状に切断し、一端部が曲線状に形成された第３の副集電板２１ｄを得る（ステップＳ１０６）。そして、第３の副集電板２１ｄの他端部を第２の副集電板２１ｃの他端部の隅に位置決めした状態で載置する。なお、負極側の集電体２１も、同様の方法で製造することができる。
このように、本実施例によれば、一枚の母材集電箔４から主集電板２１ａ、副集電板２１ｂ〜ｄを順次切り出して積層するという極めて簡単な方法で、タブ２３から離れるにしたがって厚み寸法が減少する最外層集電体２１を製造することができる。これにより、製造工程が簡素化され、製造効率を向上させることができる。
また、ステップＳ１０３及びＳ１０５において、形状を整えるために母材集電箔４の一部をカットしているが、厚めの最外層集電体２１を切削して楔状に形成する場合よりも、廃棄処分となる母材集電箔４の量を少なくできる。これにより、コストを削減できる。
なお、形状を整えるための母材集電箔４のカット工程は、各集電板２１ａ〜ｄを母材集電箔４から切り出した後に行なってもよい。また、各集電板２１ａ〜ｄの形状に対応した型部を昇降移動させる昇降機構を有する型抜き機を設置し、この型部を搬送コンベア上で搬送される母材集電箔４に対して下降させることにより、各集電板２１a〜ｄを切り出してもよい。
次に、図４を参照して本発明の実施例２について説明する。ここで、図４（ａ）は、本実施例の最外層集電体２１´の母材となる帯状の母材集電箔４´の平面図であり、（ｂ）は、母材集電箔４´を折り畳んで形成した最外層集電体２１´の断面図である。本実施例の最外層集電体２１´は、実施例１の最外層集電体２１と同様に、バイポーラ電池１の電流引き出し用の集電体として使用される。また、母材集電箔４´は実施例１の母材集電箔４と同じ材料で構成されている。
母材集電箔４´には、破線で示すＧ〜Ｋからなる５本の折り目が母材集電箔４´の幅方向に形成されている。この折り目の位置は、最外層集電体２１´における電流密度の分布に基づき設定されており、具体的には、母材集電箔４´の右端から折り目Ｇまでの間隔は、折り目ＧＨ間の間隔よりも大きく設定されており、折り目ＧＨ間及びＨＩ間の間隔は、略同じに設定されている。
折り目ＧＨ間の間隔は、折り目ＩＪ間の間隔よりも大きく設定されており、折り目ＩＪ間及びＪＫ間の間隔は、略同じに設定されている。
また、母材集電箔４´の左端から折り目Ｋまで間隔は、折り目ＩＪ間の間隔よりも小さく設定されている。
次に、図４（ｂ）を参照して、母材集電箔４´を折り畳んで最外層集電体２１´を形成する際の手順について説明する。
まず、母材集電箔４´の折り目Ｇよりも左側の領域を、折り目Ｇを折り返し位置として時計回り方向に回転させ、１回目の折り畳み処理を行う。この１回目の折り畳み処理が終了すると、母材集電箔４´の折り目Ｈよりも右側の領域（つまり、折り目Ｉ〜Ｊが形成されている領域）を、折り目Ｈを折り返し位置として反時計回り方向に回転させ、２回目の折り畳み処理を行う。
ここで、折り目ＧＨ及び折り目ＨＩ間の間隔は、同じに設定されているため、２回目の折り畳み処理を行うことにより、折り目Ｉ及びＧは、母材集電箔４´の厚み方向においてオーバーラップした位置に配置される。
２回目の折り畳み処理が終了すると、母材集電箔４´の折り目Ｉよりも左側の領域（つまり、折り目Ｊ〜Ｋが形成されている領域）を、折り目Ｉを折り返し位置として時計回り方向に回転させ、３回目の折り畳み処理を行う。
３回目の折り畳み処理が終了すると、母材集電箔４´の折り目Ｊよりも右側の領域（つまり、折り目Ｋが形成されている領域）を、折り目Ｊを折り返し位置として反時計回り方向に回転させ、４回目の折り畳み処理を行う。
ここで、折り目ＩＪ及び折り目ＪＫ間の間隔は、同じに設定されているため、４回目の折り畳み処理を行うことにより、折り目Ｋ及びＩは、母材集電箔４´の厚み方向においてオーバーラップした位置に配置される。
４回目の折り畳み処理が終了すると、母材集電箔４´の折り目Ｋよりも左側の領域を、折り目Ｋを折り返し位置として時計回り方向に回転させ、５回目の折り畳み処理を行う。
５回目の折り畳み処理が終了すると、最外層集電体２１´の厚み寸法が最も大きい領域に正電極タブ２３ａを接合する。なお、負極側の最外層集電体２１´も同様の方法により製造することができる。
このように、本実施例によれば、一枚の母材集電箔４´を予め設定された折り目に沿って折り畳むだけで、タブ２３から離れるにしたがって厚み寸法が薄くなる最外層集電体２１´を製造することができる。これにより、製造工程が簡素化され、製造効率を良くすることができる。
また、製造工程において母材集電箔４´を楔状に削ったり、形状を整えるためにカットする必要がないため、母材集電箔４´の全てを集電体の材料として使用することができる。したがって、コストを削減することができる。
ここで、上述の実施例１及び２を組み合わせて最外層集電体を構成してもよい。例えば、折り畳まれた母材集電箔の上に複数の副集電板を載置した構成、副集電板の上に母材集電箔を折り畳んで載置した構成とすることもできる。
実施例１および２によって製造されたバイポーラ電池は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）におけるモータ駆動用の蓄電装置として用いることができる。
実施例１のバイポーラ電池の断面図である。 実施例１の最外層集電体の概略図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。 最外層集電体の製造手順を示した工程図である。 （ａ）が実施例２の母材集電箔の平面図であり、（ｂ）が実施例２の最外層集電体の断面図である。 従来のバイポーラ電池の断面図である。
符号の説明
１ バイポーラ電池
２ ケース
２ａ ２ｂ フィルム部材
４ ４´ 母材集電箔
１０ 固体電解質
１１ 電極体
１１ａ 集電体
１１ｂ 正極層
１１ｃ 負極層
２１ ２１´最外層集電体
２１ａ 主集電板
２１ｂ 第１の副集電板
２１ｃ 第２の副集電板
２１ｄ 第３の副集電板
２３ タブ
２５ 絶縁樹脂層

Claims (7)

  1. タブが接合され、前記タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体の製造方法であって、
    前記厚み方向に直交する方向の寸法が互いに異なる複数の集電板を積層することにより前記集電体を形成したことを特徴とする集電体の製造方法。
  2. 前記複数の集電板を、帯状の母材集電箔から切り出すことを特徴とする請求項１に記載の集電体の製造方法。
  3. 各前記集電板の寸法を、前記集電体における電流密度に応じて設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の集電体の製造方法。
  4. タブが接合され、前記タブから離れるにしたがい厚みが薄くなる集電体の製造方法であって、
    集電板を折り畳むことにより前記集電体を形成したことを特徴とする集電体の製造方法。
  5. 前記集電板の折り返し位置を、前記集電体における電流密度に応じて設定することを特徴とする請求項４に記載の集電体の製造方法。
  6. タブが接合された集電体を有し、前記タブから離れにしたがい前記集電体の厚みが薄くなる蓄電装置の製造方法であって 、
    前記厚み方向に直交する方向の寸法が互いに異なる複数の集電板を積層することにより前記集電体を形成したことを特徴とする蓄電装置の製造方法。
  7. タブが接合された集電体を有し、前記タブから離れるにしたがい前記集電体の厚みが薄くなる蓄電装置の製造方法であって、
    集電板を折り畳むことにより前記集電体を形成したことを特徴とする蓄電装置の製造方法。
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