JP2020024778A - 積層型二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型二次電池の体積損失を小さくする。【解決手段】正極は正極タブを有し、負極は負極タブを有し、電池ユニット中で正極タブ同士および負極タブ同士が接合され、正極、電解質層、および負極で構成される電極体が積層されて、電池ユニット中で並列接続が構成され、複数の電池ユニットは積層され、複数の電池ユニットは直列に接続され、積層方向で隣接する電池ユニットの一方の正極タブおよび他方の負極タブは、バスバーとの接合部を有し正極タブおよびバスバーの接合部と負極タブおよびバスバーの接合部とは、積層方向に並んでいる積層型二次電池。【選択図】図１

Description

本発明は、積層型二次電池及びその製造方法に関する。

積層型電池セルを直列接続する技術として、特許文献１がある。特許文献１では、組電池５０は、直列接続された複数の電池セル２０Ａ〜２０Ｄを有する。電池セル２０Ａからの電極タブ２５ａはバスバー４１の上面に接合され、電池セル２０Ｂからの電極タブ２５ｂはバスバーの側面に接合されている。まず、第１の溶接工程として、電池セル２０単体の状態で一方の電極タブ２５ａにバスバー４１が接合される。次いで第２の溶接工程として、バスバー付きの電池セルが重ね合わせられた状態で、電極タブ２５ｂとバスバー側面との接合が行われる、技術が開示されている。

特開２０１２−１０９２７５号公報

特許文献１では、溶接部がバスバーの上面と側面に形成されているため、電極タブ接合部にデッドスペースが生じ、組電池の体積損失が大きくなる。本発明は、積層型二次電池の体積損失を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

複数の電池ユニットおよびバスバーを有し、電池ユニットは、正極、負極、および電解質層を有し、正極は正極タブを有し、負極は負極タブを有し、電池ユニット中で正極タブ同士および負極タブ同士が接合され、正極、電解質層、および負極で構成される電極体が積層されて、電池ユニット中で並列接続が構成され、複数の電池ユニットは積層され、複数の電池ユニットは直列に接続され、積層方向で隣接する電池ユニットの一方の正極タブおよび他方の負極タブは、バスバーとの接合部を有し正極タブおよびバスバーの接合部と負極タブおよびバスバーの接合部とは、積層方向に並んでいる積層型二次電池。

本発明により、積層型二次電池の体積損失を小さくできる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の模式図である。積層型二次電池２０００は、複数の電池ユニット１０００、バスバー６００を有する。積層型二次電池２０００中で、複数の電池ユニット１０００は積層されて構成されている。複数の電池ユニット１０００は、それぞれ負極タブ１５４および正極タブ２５４を有する。複数の電池ユニット１０００が積層されている方向を積層方向、積層方向の垂面内の方向を面内方向とする。

積層方向で隣接する電池ユニット１０００のうち、一方の電池ユニット１０００の負極タブ１５４および他方の電池ユニット１０００の正極タブ２５４はバスバー６００と共に超音波接合されており、負極タブ１５４、バスバー６００、正極タブ２５４により複数の電池ユニット１０００は、積層方向で電気的に直列に接続される。以下では、正極タブ２５４または負極タブ１５４を電極タブと称する場合がある。

複数の電池ユニット１０００は、ケース３０００に収納されている。複数の電池ユニット１０００の最上段の電池ユニット１０００の上方には接続端子４０００が形成されている。複数の電池ユニット１０００の最下段の電池ユニット１０００の下方にも接続端子が形成されており（図示せず）、ある積層型二次電池２０００の最上段の接続端子４０００と別の積層型二次電池２０００の最下段の接続端子を接続させることにより、隣接する積層型二次電池２０００を直列に接続できる。

複数の電池ユニット１０００のうち最上段の電池ユニット１０００の正極タブは、最上段の電池ユニット１０００の上方に配されたアルミニウム合金製の接続板５０００と超音波接合されている。また、複数の電池ユニット１０００のうち最下段の電池ユニット１０００の負極タブは、最下段の電池ユニット１０００の下方に配された銅合金製の接続板６０００と超音波接合されている。

図２は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。電池ユニット１０００は、複数の電極体４００の積層体が外装体５００に包まれることによって構成されている。換言すれば、電極体４００の外周が絶縁性部材である外装体５００で覆われている。外装体５００は、図２のように複数の電極体４００の積層体を収納するための開口を備えた樹脂製の箱でもよいし、絶縁性のフィルムを周回させたものであってもよい。このように電池ユニット１０００を機械的に略一体化させることにより、電池ユニット１０００同士の電極タブを溶接した後に一方の電池ユニット１０００を回転させて、もう一方の電池ユニット１０００の上に積層させる場合に電池ユニット１０００中の電極体４００がばらつくことを抑制できる。

図３は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。電池ユニット１０００は、正極２５０、電解質層３００、負極１５０を有する。以下では、正極２５０または負極１５０を電極と称する場合がある。

正極２５０は、正極合材層２５１、二つの正極集電体２５２を有する。正極２５０において、正極集電体２５２の両面に正極合材層２５１が形成されている。負極１５０は、負極合材層１５１、負極集電体１５２を有する。負極１５０において、負極集電体１５２の両面に負極合材層１５１が形成されている。

正極２５０、電解質層３００、負極１５０が積層されて電極体４００が構成される。複数の電極体４００が積層され、電極体４００中の正極集電体２５２同士および負極集電体１５２が接続されることで、電池ユニット１０００は電気的に並列接続される構成を有する。複数の電極体４００が積層されて電池ユニット１０００が構成される。

＜正極合材層２５１＞
正極合材層２５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系複合酸化物などが上げられる。正極合材層２５１中に、正極合材層２５１内の電子伝導性を担う導電材や、正極合材層２５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合材層２５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合材層２５１を作製する方法として、正極合材層２５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電体２５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合材層２５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合材層２５１が形成する。

＜正極集電体２５２＞
正極集電体２５２は、正極塗工部２５３および正極タブ２５４を有する。正極塗工部２５３上に正極合材層２５１が形成されている。正極タブ２５４には正極合材層２５１が形成されていない。正極タブ２５４は、発電した電気を外部に取り出すために配置されており、正極２５０の一辺から突出している。図３では、正極タブ２５４は後述する負極タブ１５４と同じ方向に突出している。正極タブ２５４および負極タブ１５４が同方向に突出していることにより、電池ユニット１０００中の正極タブ２５４および負極タブ１５４の占有面積を小さくすることができ、電池ユニット１０００のエネルギー密度を向上できる。

電池ユニット１０００中のそれぞれの正極タブ２５４は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳している。電池ユニット１０００中の複数の正極タブ２５４同士は、例えば超音波接合で接合される。電池ユニット１０００を個別に作製する場合、超音波接合時に他の電池ユニット１０００が干渉しない。また、同じ部材同士が超音波接合で接合され、異材を含まずに超音波接合で接合されるため、接続信頼性が高い。

図３では、隣接する電池ユニット１０００中の複数の正極タブ２５４同士は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳している。隣接する電池ユニット１０００中の複数の正極タブ２５４同士（または複数の正極タブ２５４と複数の負極タブ１５４）を、電池ユニット１０００を積層方向から見たときに重畳させることにより、電池ユニット１０００を樹脂成型体で収納する場合、同一の樹脂成型体でそれぞれの電池ユニット１０００を収納できる。

正極集電体２５２には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電体２５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合材層１５１＞
負極合材層１５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な負極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合材層１５１中に、負極合材層１５１内の電子伝導性を担う導電材や、負極合材層１５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合材層１５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合材層１５１を作製する方法として、負極合材層１５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを負極集電体１５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、負極合材層１５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、負極合材層１５１が形成する。

＜負極集電体１５２＞
負極集電体１５２は、負極塗工部１５３および負極タブ１５４を有する。負極塗工部１５３および負極タブ１５４の構成は、概ね正極塗工部２５３および正極タブ２５４の構成と同様である。

負極集電体１５２には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電体１５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜電解質層３００＞
電解質層３００には固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型、半固体電解質等、全固体電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。電解質層３００は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した固体電解質層の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。電解質層３００の厚さは全固体電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズとなる。

図４、図５は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程の一部である。図５は、図４における超音波接合後の積層型二次電池の図である。図４、図５において、負極タブ１５４および正極タブ２５４の上にバスバー６００が形成されている。面内方向において負極タブ１５４および正極タブ２５４は接しておらず、積層方向において、負極タブ１５４およびバスバー６００、正極タブ２５４およびバスバー６００は接している。

図４において、バスバー６００はアンビル６１０に支持されており、ホーン６２０を正極タブ２５４およびバスバー６００の接触部分に近付けて、ホーン６２０を超音波で振動させることにより、正極タブ２５４およびバスバー６００を接合させる。負極タブ１５４およびバスバー６００の接触部も同様にホーン６２０を近付けて、ホーン６２０を超音波で振動させることにより、負極タブ１５４およびバスバー６００を接合させる。このように、先に超音波接合された電極タブが後の超音波接合プロセスでアンビル６１０、ホーン６２０に干渉することがないので、電池ユニット１０００ごとに電極タブの位置を変えたりする必要がない。このため、全ての電極体４００を比較的同じ形状に統一できる。また、バスバー６００を介して電池ユニット１０００を直列に接続させることにより、集電体を積層して束ねる場合に比べて、積層型二次電池２０００の生産性を向上できる。

図４では、正極タブ２５４およびバスバー６００の接合部の数と負極タブ１５４および前記バスバー６００の接合部の数は２となっているが、１でもよい。接合部の数を２とすることで、負極タブ１５４および正極タブ２５４それぞれに最適な超音波溶接を制御できる。バスバー６００として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、アルミニウムと銅のクラッド材等を用いることができる。バスバー６００としてアルミニウムと銅のクラッド材を用いることにより、先述の最適な超音波溶接を制御できる。

図４では、負極タブ１５４および正極タブ２５４の上にバスバー６００が形成されているが、負極タブ１５４および正極タブ２５４の下にバスバー６００が形成されていてもよい。負極タブ１５４および正極タブ２５４の上にバスバー６００が形成されることにより、直列接続する電池ユニット１０００の一方の電池ユニット１０００を反転させて他方の電池ユニット１０００の上に積層した際、面内方向において、電極タブと電池ユニット１０００との間にバスバー６００が形成されることになる。これにより、バスバー６００は、電極タブが電池ユニット１０００に接触する際の短絡を防止できる。

図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）、図６（ｆ）は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程の一部である。図６（ａ）のように、バスバー６００で接続された電池ユニット１０００の一方の電池ユニット１０００を反転させて、図６（ｂ）のように、他方の電池ユニット１０００の上に一方の電池ユニット１０００を積層させる。次に、図６（ｃ）および図６（ｄ）のように、新たな電池ユニット１０００を用意して、図４と同様に上側にある電池ユニット１０００に対して、バスバー６００と電極タブを超音波接合して、電池ユニット１０００中の電極タブを接合する。図６（ｅ）および図６（ｆ）は、図６（ａ）および図６（ｂ）と同様である。以上により、図６（ｆ）のように三つの直列接続された電池ユニット１０００が積層された構成される。図６（ａ）〜図６（ｆ）の工程を繰り返すことにより、図１の積層型二次電池２０００が構成される。

以上のように積層型二次電池２０００を作製することにより、負極タブ１５４およびバスバー６００の接続部と正極タブ２５４とバスバー６００の接続部とが積層方向に並ぶ。これにより、二つの接続部がバスバーの上面と側面に形成される場合に比べて、電極タブによるデッドスペースを小さくでき、積層型二次電池２０００の体積損失を小さくできる。

１５０ 負極
１５１ 負極合材層
１５２ 負極集電体
１５３ 負極塗工部
１５４ 負極タブ
２５０ 正極
２５１ 正極合材層
２５２ 正極集電体
２５３ 正極塗工部
２５４ 正極タブ
３００ 電解質層
４００ 電極体
５００ 外装体
６００ バスバー
６１０ アンビル
６２０ ホーン
１０００ 電池ユニット
２０００ 積層型二次電池
３０００ ケース
４０００ 接続端子
５０００ 接続板
６０００ 接続板

Claims (7)

1. 複数の電池ユニットおよびバスバーを有し、
   前記電池ユニットは、正極、負極、および電解質層を有し、
   前記正極は正極タブを有し、
   前記負極は負極タブを有し、
   前記電池ユニット中で前記正極タブ同士および前記負極タブ同士が接合され、前記正極、前記電解質層、および前記負極で構成される電極体が積層されて、前記電池ユニット中で並列接続が構成され、
   前記複数の電池ユニットは積層され、
   前記複数の電池ユニットは直列に接続され、
   積層方向で隣接する前記電池ユニットの一方の前記正極タブおよび他方の前記負極タブは、前記バスバーとの接合部を有し
   前記正極タブおよび前記バスバーの接合部と前記負極タブおよび前記バスバーの接合部とは、積層方向に並んでいる積層型二次電池。
2. 請求項１の積層型二次電池において、
   前記正極タブおよび前記バスバーの接合部の数と前記負極タブおよび前記バスバーの接合部の数は２である積層型二次電池。
3. 請求項２の積層型二次電池において、
   前記バスバーはアルミニウムおよび銅のクラッド材である積層型二次電池。
4. 請求項１の積層型二次電池において、
   前記電池ユニットは前記電極体の外周が絶縁性部材で覆われることで一体化されている積層型二次電池。
5. 請求項１の積層型二次電池において、
   面内方向において、前記正極タブおよび前記負極タブの付け根に絶縁部材が形成されている積層型二次電池。
6. 請求項１の積層型二次電池において、
   面内方向において、前記バスバーは前記正極タブおよび前記負極タブと前記電解質層との間に形成されている積層型二次電池。
7. 複数の電池ユニットおよびバスバーを有する積層型二次電池の製造方法であって、
   前記電池ユニットは、正極、負極、および電解質層を有し、
   前記正極は正極タブを有し、
   前記負極は負極タブを有し、
   前記電池ユニット中で前記正極タブ同士および前記負極タブ同士が接合され、前記正極、前記電解質層、および前記負極で構成される電極体が積層されて、前記電池ユニット中で並列接続が構成され、
   前記複数の電池ユニットは積層され、
   前記複数の電池ユニットは直列に接続され、
   積層方向で隣接する前記電池ユニットの一方の電池ユニットの前記正極タブおよび他方の電池ユニットの前記負極タブと前記バスバーとを接合する工程と、
   積層方向で隣接する前記電池ユニットの一方の電池ユニットを反転させて他方の電池ユニットの上に積層させることにより、前記正極タブおよび前記バスバーの接合部と前記負極タブおよび前記バスバーの接合部とを積層方向に並ばせる工程と、を含む積層型二次電池の製造方法。

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