JP2015053220A - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】厚み調整部材を用いつつも電極組立体の積層ずれを抑制することができる蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法を提供すること。【解決手段】二次電池１０では、正極電極２１と負極電極２２とがセパレータ２３を間に介在させた状態で積層された電極組立体１４がケース１１内に収容され、電極組立体１４の積層方向の一端に位置する端面４４と、容器１２の長側壁１２ｄとの間に厚み調整部材５０が配置されている。二次電池１０は、正極電極２１、負極電極２２、及びセパレータ２３を一体に保持する第１の保持テープ４５，４７を有するとともに、電極組立体１４と厚み調整部材５０を一体に保持する第２の保持テープ４８を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、電極組立体の積層方向の端面とケースの壁部との間に厚み調整部材が配置された蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。二次電池は、例えば両面に活物質層が形成された矩形状の正極電極と負極電極がセパレータを間に挟んだ状態で積層された電極組立体を備える。

二次電池のうち、角型の二次電池の製造時には、正極電極、セパレータ、及び負極電極を積層して電極組立体を形成した後、電極組立体は、その積層方向に荷重を加えた状態で拘束され、その拘束状態での積層方向への長さが測定される。そして、積層方向への長さが所定の値の範囲内にあるか否かが判断される。電極組立体の積層方向への長さが所定の値の範囲内にないと、例えば、ケース内にて、電極組立体の積層方向の端面と、端面に対向するケースの壁部の内面との間の隙間が大きくなりすぎ、電極組立体がケース内で積層方向へ移動したりし、好ましくない。

このため、角型の二次電池では、電極組立体とケースとの隙間に対し、電極組立体に厚み調整部材を重ねて挿入し、隙間を無くす構造も提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−１０８４５７号公報

ところで、製造工程の初期、正極電極又は負極電極は、長尺の帯状をなしており、巻芯に巻き取られたロールの状態で保管又は搬送される。このため、正極電極又は負極電極は、非拘束状態において、反りを有している。厚み調整部材を用いる場合は、厚み調整部材を重ねるためには、電極組立体に荷重を加えた状態を一度解除しなければならない。このため、電極組立体に荷重を加えた状態を解除する際や、解除した後に厚み調整部材を重ねる際に、正極電極、セパレータ、及び負極電極が、前述の反りなどに起因し、活物質層の面に沿う方向へずれてしまう積層ずれが生じてしまう虞がある。

本発明は、厚み調整部材を用いつつも電極組立体の積層ずれを抑制することができる蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する端面と該端面に対向した前記ケースの壁部との間に厚み調整部材が配置された蓄電装置であって、前記正極電極、前記負極電極、及び前記セパレータを一体に保持する第１の保持テープを有するとともに、前記電極組立体と前記厚み調整部材を一体に保持する第２の保持テープを有することを要旨とする。

これによれば、電極組立体は、第１の保持テープにより積層ずれが抑制されている。また、電極組立体と厚み調整部材は、第２の保持テープにより積層ずれが抑制されている。よって、電極組立体に厚み調整部材を重ねる構成としても、電極組立体は第１の保持テープにより独立して保持されているため、厚み調整部材を重ねる際の電極組立体の積層ずれが抑制できる。

また、前記蓄電装置は二次電池である。
また、蓄電装置の製造方法は、正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する端面と該端面に対向した前記ケースの壁部との間に厚み調整部材が配置された蓄電装置の製造方法であって、前記正極電極、前記セパレータ、及び前記負極電極を積層し、前記電極組立体の積層方向に荷重を加えた状態で前記電極組立体を第１の保持テープで保持して電極組立体とした後、前記電極組立体の少なくとも一方の前記端面に前記厚み調整部材を重ね、かつ前記厚み調整部材及び前記電極組立体に前記荷重を加えた状態で、前記電極組立体と前記厚み調整部材を第２の保持テープで保持することを要旨とする。

これによれば、蓄電装置の製造時、正極電極、セパレータ、及び負極電極を積層して電極組立体を形成した後、電極組立体は、その積層方向に荷重を加えた状態で拘束される。この拘束状態で第１の保持テープにより電極組立体を保持し、積層ずれを抑制した状態で積層方向への長さが測定される。そして、積層方向への長さが所定の値の範囲内にない場合は、電極組立体に加えた荷重を解除し、電極組立体に厚み調整部材を重ねる。荷重を解除するとき、及び厚み調整部材を重ねるとき、第１の保持テープにより、電極組立体の積層ずれが抑制できる。そして、厚み調整部材を重ねた後、再度、積層方向に荷重を加えた状態で電極組立体と厚み調整部材を積層方向に拘束する。この拘束状態で第２の保持テープにより、電極組立体と厚み調整部材を一体に保持し、積層ずれを抑制する。このため、荷重を解除したとき、第１の保持テープによって電極組立体の積層ずれが抑制でき、しかも、第２の保持テープによって厚み調整部材の積層ずれも抑制できる。

また、蓄電装置の製造方法について、前記第２の保持テープの保持力と、前記第１の保持テープの保持力とを異ならせた。
これによれば、第１の保持テープと第２の保持テープに分けることで、それぞれを、保持するのに適した保持力で電極組立体及び厚み調整部材を保持することが可能になる。

本発明によれば、厚み調整部材を用いつつも電極組立体の積層ずれを抑制することができる。

二次電池を示す分解斜視図。 二次電池の外観を示す斜視図。 電極組立体及び厚み調整部材を示す分解斜視図。 電極組立体と厚み調整部材を一体化した状態を示す斜視図。 二次電池内を示す図２の５−５線断面図。 （ａ）は電極組立体に荷重を加えた状態を示す側面図、（ｂ）は電極組立体に荷重を加え、第１の保持テープで保持した状態を示す側面図。 （ａ）は厚み調整部材を電極組立体に重ねた状態を示す側面図、（ｂ）は厚み調整部材を第２の保持テープで保持した状態を示す側面図。

以下、蓄電装置、及びその製造方法を二次電池、及び二次電池の製造方法に具体化した一実施形態を図１〜図７にしたがって説明する。
図１、図２及び図５に示すように、二次電池１０はリチウムイオン二次電池であり、その外郭を構成する金属製のケース１１を備えている。ケース１１は、一面に開口部１２ａを備える有底直方体状の容器１２と、開口部１２ａを塞ぐ蓋１３とを備えている。容器１２は、長方形状の底板１２ｂと、底板１２ｂの対向する一対の短側縁から立設された短側壁１２ｃと、底板１２ｂの対向する一対の長側縁から立設された長側壁１２ｄとを備える。ケース１１には、電極組立体１４及び電解質としての電解液（図示略）が収容されている。電極組立体１４は、容器１２の内部空間が直方体形状であることに対応させて、全体として直方体形状である。

図３に示すように、電極組立体１４は、矩形シート状の正極電極２１、及び矩形シート状の負極電極２２と、樹脂製にて、電気伝導に係るイオン（リチウムイオン）が通過可能な多孔質膜で形成されたセパレータ２３とを備えている。正極電極２１は、矩形状の正極用金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）２１ａと、その正極用金属箔２１ａの両面（表面）に設けられた矩形状の正極活物質層２１ｂと、を有する。正極活物質層２１ｂの周囲には、正極用金属箔２１ａ表面に活物質を有しない未塗工部（本実施形態では未塗工部は僅かであるため図示を略している）が形成される。正極電極２１の第１の辺（上辺）２１ｃの一部には、正極集電タブ４１が、正極用金属箔２１ａの一部を突出する状態に形成して設けられている。正極電極２１において、正極集電タブ４１が設けられた第１の辺２１ｃの対辺を第２の辺２１ｅとし、第１の辺２１ｃと第２の辺２１ｅを繋ぐ一対の辺を第３の辺２１ｆとする。

負極電極２２は、矩形状の負極用金属箔（本実施形態では銅箔）２２ａと、その負極用金属箔２２ａの両面（表面）に設けられた矩形状の負極活物質層２２ｂと、を有する。負極活物質層２２ｂの周囲には、負極用金属箔２２ａ表面に活物質を有しない未塗工部（本実施形態では未塗工部は僅かであるため図示を略している）が形成される。負極電極２２の第１の辺（上辺）２２ｃ一部には、負極集電タブ４２が、負極用金属箔２２ａの一部を突出する状態に形成して設けられている。

負極電極２２において、負極集電タブ４２が設けられた第１の辺（上辺）２２ｃの対辺を第２の辺２２ｅとし、第１の辺２２ｃと第２の辺２２ｅを繋ぐ一対の辺を第３の辺２２ｆとする。また、セパレータ２３において、正極集電タブ４１及び負極集電タブ４２側に配置される辺を、第１の辺２３ｃとし、第１の辺２３ｃの対辺を第２の辺２３ｅとする。また、セパレータ２３において、第１の辺２３ｃと第２の辺２３ｅを繋ぐ一対の辺を第３の辺２３ｆとする。

負極用金属箔２２ａ及び正極用金属箔２１ａは、各タブ４１，４２を除き、セパレータ２３と同じ大きさに形成されている。しかしながら、負極活物質層２２ｂの隣り合う２辺の各辺の長さ（長手方向の長さ及び短手方向の長さ）は、正極活物質層２１ｂの隣り合う２辺の各辺の長さ（長手方向の長さ及び短手方向の長さ）よりも長く設定されている。つまり、負極活物質層２２ｂは、正極活物質層２１ｂの面を覆うことが可能な大きさに設定されている。また、正極活物質層２１ｂ及び負極活物質層２２ｂの周りには未塗工部が形成されているため、セパレータ２３は、負極活物質層２２ｂの面及び正極活物質層２１ｂの面の双方を覆うことが可能である。

図１及び図４に示すように、正極電極２１と、負極電極２２と、セパレータ２３は、正極集電タブ４１が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極集電タブ４１と重ならない位置にて負極集電タブ４２が積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、電極組立体１４は、各第１の辺２１ｃ，２２ｃ，２３ｃが寄せ集められて形成されたタブ側端面３６を備え、このタブ側端面３６では、各正極集電タブ４１及び各負極集電タブ４２は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内で集められた（束ねられた）状態で折り曲げられている。各正極集電タブ４１が重なっている箇所を溶接することによって各正極集電タブ４１が電気的に接続されるとともに、正極集電タブ４１に正極導電部材６１が接続されている。正極導電部材６１には、電極組立体１４から電気を取り出すための正極端子５１が接続されている。

同様に、各負極集電タブ４２が重なっている箇所を溶接することによって各負極集電タブ４２が電気的に接続されるとともに、負極集電タブ４２に負極導電部材６２が接続されている。負極導電部材６２には、電極組立体１４から電気を取り出すための負極端子５２が接続されている。正極端子５１及び負極端子５２は蓋１３を貫通してケース１１外に突出するとともに、正極端子５１及び負極端子５２は絶縁リング１３ａによって蓋１３から絶縁されている。

電極組立体１４の積層方向の長さＬは、ケース１１の内寸より僅かに小さい。これは、正極電極２１と、負極電極２２と、セパレータ２３とを所定枚数積層する際に、実際の厚みが製造公差の最大値を取っても、電極組立体１４がケース１１内に収まるように、各々の厚みが設定されていることによる。

また、電極組立体１４は、各第２の辺２１ｅ，２２ｅ，２３ｅが寄せ集められた底面３７を備え、底面３７は電極組立体１４を挟んでタブ側端面３６の反対側に位置している。さらに、電極組立体１４は、各第３の辺２１ｆ，２２ｆ，２３ｆを寄せ集めた一対の側面３８を備える。一対の側面３８は、電極組立体１４において、底面３７に繋がる面のうち、積層方向の両方の端面４４を除く２つの面である。

図１に示すように、電極組立体１４では、多数の正極電極２１と負極電極２２とセパレータ２３が、第１の保持テープ４５，４７により、相互に固定されている。電極組立体１４の底面３７側には、２つの第１の保持テープ４５が底面３７側から取り付けられている。各第１の保持テープ４５は帯状で、かつ断面Ｕ字型に貼付されている。第１の保持テープ４５は、長手方向の両端部が電極組立体１４の両端面４４に貼付されるとともに、底面３７の一部を覆っている。電極組立体１４において、底面３７に沿って積層方向に直交する方向を幅方向とすると、２つの第１の保持テープ４５は、電極組立体１４の幅方向に離間している。

電極組立体１４の幅方向の両側である各側面３８側には、別の第１の保持テープ４７が各側面３８を覆うように取り付けられている。各第１の保持テープ４７は帯状で、かつ断面Ｕ字型に貼付されている。第１の保持テープ４７は、長手方向の両端部が電極組立体１４の両端面４４に貼付されるとともに、側面３８の一部を覆っている。

そして、第１の保持テープ４５，４７によって、正極電極２１、負極電極２２、及びセパレータ２３が積層方向、幅方向、及び端面４４に沿った全方位への移動（積層ずれ）が抑制された状態で一体に保持されている。よって、電極組立体１４では、正極活物質層２１ｂと負極活物質層２２ｂがセパレータ２３を挟んで対向している。

また、第１の保持テープ４５，４７はポリプロピレン（ＰＰ）やポリフィニレンサルファイド（ＰＰＳ）製の基材の一面に粘着層が設けられたものであり、破れにくい材質のものが使用される。

図５に示すように、電極組立体１４の一方の端面４４と、一方の長側壁１２ｄとの間には、厚み調整部材５０が介装されている。厚み調整部材５０は、所定の厚みの樹脂製のフィルムにて、電極組立体１４の積層方向の長さＬに対応し、１〜複数枚が重ねられる。図５では、１枚の厚み調整部材５０で記載されている。

図４に示すように、厚み調整部材５０は、第２の保持テープ４８によって、電極組立体１４と一体に保持されている。第２の保持テープ４８は、電極組立体１４の対向する面であるタブ側端面３６側と底面３７側から、電極組立体１４と厚み調整部材５０に貼付されている。第２の保持テープ４８は帯状で、かつ断面Ｕ字型に貼付されている。第２の保持テープ４８は、長手方向の一端部が電極組立体１４の他方の端面４４に貼付されるとともに、長手方向の他端部が厚み調整部材５０に貼付されている。なお、第２の保持テープ４８はポリプロピレン（ＰＰ）やポリフィニレンサルファイド（ＰＰＳ）製の基材の一面に粘着層が設けられたものであり、破れにくい材質のものが使用される。

そして、厚み調整部材５０を用いることで、電極組立体１４と厚み調整部材５０を合わせた積層方向への長さが、予め決められた所定の値の範囲内に調整されている。厚み調整部材５０が一体化された電極組立体１４は、ケース１１内では、厚み調整部材５０により、積層方向への移動が規制されるとともに、積層方向へ拘束されている。

次に、二次電池１０の製造方法を作用とともに記載する。
図６（ａ）に示すように、載置台７０上に、正極電極２１、セパレータ２３、及び負極電極２２を交互に積層する。所定枚数の正極電極２１、セパレータ２３、及び負極電極２２が積層されたら、電極組立体１４の一方の端面４４に、積層方向へ荷重Ｋを加える。

次に、図６（ｂ）に示すように、荷重Ｋを電極組立体１４に加えた状態で、電極組立体１４の両端面４４に第１の保持テープ４５，４７を貼付し、それら第１の保持テープ４５，４７によって電極組立体１４を保持し、積層ずれを抑制した状態とする。このとき、電極組立体１４を両端面４４側から積層方向に挟持するために、第１の保持テープ４５，４７は、後述する第２の保持テープ４８と比較し、強いテンションをかけながら貼付される。

次に、荷重Ｋが加えられ、かつ積層方向に拘束された電極組立体１４の積層方向への長さＬを測定する。そして、測定された電極組立体１４の積層方向への長さＬに基づき、厚み調整部材５０として用いるフィルムの枚数を決定する。

次に、厚み調整部材５０を電極組立体１４に重ねる。このとき、第１の保持テープ４５，４７は、電極組立体１４の両端面４４に対し、一部に貼付されるのに対し、厚み調整部材５０は、電極組立体１４の両端面４４において、各集電タブ４１，４２を除く全面に接する。そこで、図７（ａ）に示すように、電極組立体１４に荷重Ｋを加えた状態を解除し、次に、電極組立体１４の一方の端面４４に厚み調整部材５０を重ねる。このとき、厚み調整部材５０は、第１の保持テープ４５，４７上に重ねられる。

その後、図７（ｂ）に示すように、厚み調整部材５０に、積層方向への荷重Ｋを加え、荷重Ｋを加えた状態で、厚み調整部材５０及び電極組立体１４の他方の端面４４に第２の保持テープ４８を貼付し、厚み調整部材５０を電極組立体１４に固定する。すると、電極組立体１４と厚み調整部材５０が第２の保持テープ４８により一体化され、電極組立体１４と厚み調整部材５０を合わせた積層方向への長さが、所定の値の範囲内の長さとなったか、確認される。

その後、厚み調整部材５０が一体化された電極組立体１４を、開口部１２ａから容器１２内に挿入し、開口部１２ａを蓋１３で塞いで二次電池１０が製造される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）電極組立体１４を積層し、荷重Ｋを加えた状態で第１の保持テープ４５，４７で電極組立体１４を保持した。このため、電極組立体１４に厚み調整部材５０を重ねるために、電極組立体１４に加えた荷重Ｋを解除したときや、厚み調整部材５０を重ねるときに、第１の保持テープ４５，４７により電極組立体１４の積層ずれを抑制することができる。

（２）電極組立体１４と厚み調整部材５０を重ね、荷重Ｋを加えた状態で第２の保持テープ４８で電極組立体１４と厚み調整部材５０を保持した。このため、厚み調整部材５０を重ねて荷重Ｋを加えた後、その荷重を解除したときに、第２の保持テープ４８により厚み調整部材５０の積層ずれを抑制することができる。

したがって、厚み調整部材５０を用いた場合に、電極組立体１４の積層ずれを抑制できる。また、厚み調整部材５０を用いるため、電極組立体１４の積層方向の両端面４４と、対向する長側壁１２ｄとの間に隙間が形成されず、電極組立体１４の積層方向へ移動が抑制されるとともに、活物質層２１ｂ，２２ｂ同士をいずれの場所でもセパレータ２３を挟んで対向させることができる。

（３）電極組立体１４を保持する第１の保持テープ４５，４７とは別に設けた第２の保持テープ４８により、厚み調整部材５０を電極組立体１４に固定した。このため、第１の保持テープ４５，４７と第２の保持テープ４８とで、保持力（テンション）を異ならせることが可能になる。したがって、電極組立体１４での積層ずれを抑制するために、第１の保持テープ４５，４７は保持力を強くすることができる。一方、樹脂フィルム製の厚み調整部材５０では、貼付に伴うシワの発生や撓みを抑制するために、第２の保持テープ４８は保持力を弱くして貼付することができる。

（４）電極組立体１４を第１の保持テープ４５，４７で保持し、その電極組立体１４に厚み調整部材５０を第２の保持テープ４８で一体に保持した。このため、電極組立体１４と厚み調整部材５０を一体化して容器１２に挿入でき、電極組立体１４と厚み調整部材５０を別々に容器１２に挿入する場合と比べて、挿入作業を簡単に行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１の保持テープ４５，４７を貼付する位置は、適宜変更してもよい。
○ 第２の保持テープ４８を貼付する位置は、適宜変更してもよい。

○ 厚み調整部材５０は、異なる厚みのフィルムを用いてもよい。実施形態では、一定の厚みのフィルムを１〜複数枚用いて厚みを調整したが、例えば、厚みの異なるフィルムを複数枚用い、電極組立体１４の積層方向の長さＬに応じて、隙間に収まる適切なフィルムを選択するようにしてもよい。

○ 厚み調整部材５０は、樹脂製でなく金属製であってもよく、１枚の金属板であってもよいし、複数枚の金属シートを積層して構成されていてもよい。
○ 実施形態では、二次電池１０において、電極組立体１４の積層方向一方の端面４４と、一方の長側壁１２ｄとの間に厚み調整部材５０を配置したが、これに限らない。例えば、電極組立体１４の積層方向両方の端面４４と、各長側壁１２ｄとの間に厚み調整部材５０を配置してもよい。この場合、両方の厚み調整部材５０が、第２の保持テープ４８によって電極組立体１４に一体化される。

○ 電極組立体１４を構成する正極電極２１、及び負極電極２２の枚数は適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、正極電極２１は、正極用金属箔２１ａの両面に正極活物質層２１ｂを有するとしたが、正極用金属箔２１ａの片面のみに正極活物質層２１ｂを有していてもよい。同様に、負極電極２２は、負極用金属箔２２ａの両面に負極活物質層２２ｂを有するとしたが、負極用金属箔２２ａの片面のみに負極活物質層２２ｂを有していてもよい。

○ 蓄電装置としてのニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタとして具体化してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について記載する。

（イ）前記厚み調整部材は樹脂フィルム製である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。

Ｋ…荷重、１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２ｄ…壁部としての長側壁、１４…電極組立体、２１…正極電極、２２…負極電極、２３…セパレータ、４４…端面、４５，４７…第１の保持テープ、４８…第２の保持テープ、５０…厚み調整部材。

Claims (4)

1. 正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する端面と該端面に対向した前記ケースの壁部との間に厚み調整部材が配置された蓄電装置であって、
   前記正極電極、前記負極電極、及び前記セパレータを一体に保持する第１の保持テープを有するとともに、
   前記電極組立体と前記厚み調整部材を一体に保持する第２の保持テープを有することを特徴とする蓄電装置。
2. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１に記載の蓄電装置。
3. 正極電極と負極電極とがセパレータを間に介在させた状態で積層された電極組立体がケース内に収容され、前記電極組立体の積層方向の少なくとも一端に位置する端面と該端面に対向した前記ケースの壁部との間に厚み調整部材が配置された蓄電装置の製造方法であって、
   前記正極電極、前記セパレータ、及び前記負極電極を積層し、前記電極組立体の積層方向に荷重を加えた状態で前記電極組立体を第１の保持テープで保持して電極組立体とした後、
   前記電極組立体の少なくとも一方の前記端面に前記厚み調整部材を重ね、かつ前記厚み調整部材及び前記電極組立体に前記荷重を加えた状態で、前記電極組立体と前記厚み調整部材を第２の保持テープで保持することを特徴とする蓄電装置の製造方法。
4. 前記第２の保持テープの保持力と、前記第１の保持テープの保持力とを異ならせた請求項３に記載の蓄電装置の製造方法。