JP2022084168A - 電極積層体、電池、および電極積層体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電極積層体50は、第1熱プレス板210(上板)と第2熱プレス板220(下板)との間に挟みこまれる。第1熱プレス板210および第2熱プレス板220は所定温度に加熱されている。積層方向(z軸方向)に沿って、第1熱プレス板210が電極積層体50を押圧することにより、接着剤が軟化し、固化する。これによりセパレータと電極板とが接着される。押圧後、第1熱プレス板210が電極積層体50から引き離される。この時、電極積層体50が積層方向の中間付近で2つに分離することがある。電極積層体50が第1熱プレス板210と第2熱プレス板220とに貼り付くためである。分離した上半分は、その後重力により落下する。落下の衝撃により、電極板の位置がずれる可能性がある。さらにセパレータに変形(しわ、折れ等)が生じる可能性もある。
平面視において、第1活物質層および第2活物質層の各々は、四角形状の平面形状を有する。第1活物質層は、第2活物質層に比して小さい短辺と小さい長辺とを有する。第1活物質層の短辺の長さがDと定義され、第1活物質層の長辺の長さがLと定義される。第1活物質層は第1領域と第2領域とを含む。第1領域は、第1活物質層の各頂点から、短辺方向に0.4D以上0.6D以下離れ、かつ長辺方向に0.4L以上0.6L以下離れている。第2領域は、第1活物質層の任意の頂点から、短辺方向に0.05D以上0.4D未満離れ、かつ長辺方向に0.05L以上0.4L未満離れている。
第1領域は、第1接着力によりセパレータと接着されている。第2領域は、第2接着力によりセパレータと接着されている。第2接着力に対する第1接着力の比は、1以下である。
(A) セパレータを挟んで第1電極板と第2電極板とを交互に積層することにより、電極積層体を形成する。
(B) 積層方向に沿って、電極積層体に熱プレスを施すことにより、第1電極板とセパレータとを接着する。
第1電極板とセパレータとの間に接着剤が配置される。積層方向と交差する方向から、電極積層体が加熱されつつ、熱プレスが施される。
図2は、本実施形態の製造方法の概略フローチャートである。
本実施形態の製造方法は、「(A)電極積層体の形成」および「(B)熱プレス」を含む。本実施形態の製造方法は「(C)収納」をさらに含んでいてもよい。
本実施形態の製造方法は、セパレータを挟んで第1電極板と第2電極板とを交互に積層することにより、電極積層体を形成することを含む。
図3は、第1電極板および第2電極板の一例を示す概略平面図である。
複数枚の第1電極板10と、複数枚の第2電極板20とが準備される。第1電極板10は第2電極板20と異なる極性を有する。例えば、第1電極板10が正極板であり、かつ第2電極板20が負極板であってもよい。例えば、第1電極板10が負極板であり、かつ第2電極板20が正極板であってもよい。本明細書においては、一例として、第1電極板10が正極板であり、第2電極板20が負極板である形態が説明される。
1枚以上のセパレータ30が準備される。セパレータ30は多孔質シートである。セパレータ30は電気絶縁性である。セパレータ30は、例えば、実質的にポリオレフィン系樹脂からなっていてもよい。
例えば、1枚のセパレータ30が九十九折り状に折り畳まれてもよい。セパレータ30が折れる度に、第1電極板10と第2電極板20とが交互に挿入されることにより、電極積層体50が形成されてもよい。
接着剤(不図示)が準備される。接着剤は、熱プレス時の温度および圧力に応じて、接着力が変化し得る。接着剤は、例えばホットメルト接着剤等を含んでいてもよい。接着剤は、例えば、80℃から120℃の軟化点を有していてもよい。接着剤は、例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、エポキシ樹脂、およびフッ素樹脂からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
本実施形態の製造方法は、積層方向に沿って、電極積層体50に熱プレスを施すことにより、第1電極板10とセパレータ30とを接着することを含む。熱プレスは、積層方向と実質的に平行に施されてもよい。本実施形態においては、積層方向と交差する方向から、電極積層体50が加熱されつつ、熱プレスが施される。これにより平面視において、電極積層体50の四隅または周縁が強固に接着され得る。すなわち、熱プレス後に分離し難い電極積層体50が製造され得る。
熱プレス装置が準備される。熱プレス装置は、第1熱プレス板210と第2熱プレス板220とを含む。電極積層体50は、第1熱プレス板210と第2熱プレス板220との間に配置される。電極積層体50が第1熱プレス板210から剥離しやすいように、電極積層体50と第1熱プレス板210との間に、例えばフッ素樹脂シート(不図示)等が挿入されてもよい。電極積層体50と第2熱プレス板220との間にも、フッ素樹脂シート等が挿入されてもよい。
例えば平面視において、電極積層体50を取り囲むように、第1ヒータ231と、第2ヒータ232と、第3ヒータ233と、第4ヒータ234とが配置されてもよい。第1ヒータ231および第2ヒータ232は、x軸方向から電極積層体50の端面を加熱する。第3ヒータ233および第4ヒータ234は、y軸方向から電極積層体50の端面を加熱する。なお本明細書の「加熱」は、熱を加えることを示し、加熱対象物の温度上昇を伴っていなくてもよい。
第1熱プレス板210(上板)は、平面視において、電極積層体50の四隅または周縁に押圧力を集中させる構造を有していてもよい。熱プレス時に、電極積層体50の四隅または周縁の圧力が上昇することにより、四隅または周縁における接着力が高まることが期待される。
平面視において、第1熱プレス板210は、例えば、四角形状の平面形状を有していてもよい。第1熱プレス板210は中央部211と周縁部212とを含む。周縁部212は中央部211を取り囲んでいる。周縁部212は突出部213を含む。第1熱プレス板210の厚さ方向(z軸方向)において、突出部213は中央部211よりも突出している。突出部213は四隅に配置されている。熱プレスにおいては、突出部213が電極積層体50の四隅に押し当てられる。
突出部213は四隅以外にも配置されていてもよい。周縁部212において、突出部213は四隅以外の任意の位置に配置され得る。
突出部213は、周縁部全体にわたって形成されていてもよい。すなわち周縁部212が突出部213からなっていてもよい。
例えば周縁部212が端面加熱部214を含んでいてもよい。第1熱プレス板210の厚さ方向(z軸方向)において、端面加熱部214は中央部211よりも突出している。端面加熱部214は、熱プレス時に、積層方向と交差する方向から、電極積層体50を加熱する。すなわち電極積層体50の端面を加熱するためのヒータが、第1熱プレス板210と一体となっていてもよい。端面加熱部214と電極積層体50との間に、クリアランスが設けられてもよい。熱プレスの下死点において、端面加熱部214と第2熱プレス板220との間に、クリアランスが設けられていてもよい。端面加熱部214の温度は、中央部211(電極積層体50と接触する部分)の温度と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第1熱プレス板210は、突出部213および端面加熱部214の両方を含んでいてもよい。第1熱プレス板210の厚さ方向(z軸方向)において、端面加熱部214は中央部211および突出部213よりも突出している。端面加熱部214の温度は、突出部213(電極積層体50と接触する部分)の温度と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
熱プレス時に電極積層体50の周囲にガスが供給されてもよい。ガスは、空気に比して高い熱伝導率(W/m・K)を有していてもよい。高い熱伝導率を有するガスが、電極積層体50の周囲に供給されることにより、電極積層体50の端面への伝熱が促進されることが期待される。供給されるガスは、単一ガスであってもよいし、混合ガスであってもよい。ガスは、例えば、アルゴンガス、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、ネオンガス、ヘリウムガス、アンモニアガス、一酸化炭素ガス、エタンガス、エチレンガス、およびメタンガスからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。例えばヘリウムガスは、熱伝導率が高く、かつ取り扱いが比較的容易であり得る。
図12は、本実施形態の電池の構成の一例を示す概略図である。
本実施形態の製造方法は、電極積層体50と、電解液(不図示)とを外装体90に収納することにより、電池100を製造することを含んでいてもよい。本実施形態においては、電極積層体50に電解液が円滑に含浸されることが期待される。電解液は、例えば非プロトン性溶媒とリチウム塩とを含んでいてもよい。
以下、本実施形態の電池および電極積層体が説明される。
電池100(図12参照)は、任意の用途で使用され得る。電池100は、例えば電動車両において、主電源または動力アシスト用電源として使用されてもよい。複数個の電池100が連結されることにより、電池モジュールまたは組電池が形成されてもよい。
本明細書においては、第1活物質層12の短辺の長さが「D」と定義され、かつ第1活物質層12の長辺の長さが「L」と定義される。「D≦L」の関係が満たされている。「D=L」の関係が満たされる時、第1活物質層12は正方形状である。「D<L」の関係が満たされる時、第1活物質層12は長方形状である。「D」は、例えば50mmから100mmであってもよい。「L」は、例えば100mmから200mmであってもよい。
第1領域R1は、第1接着力(F1)によりセパレータ30と接着されている。第2領域R2は、第2接着力(F2)によりセパレータ30と接着されている。本実施形態における接着力比(F1/F2)は1以下である。最外電極板において、接着力比(F1/F2)は最大値をとり得る。最大値は1であり得る。接着力比(F1/F2)は、積層方向の外側から中間に向かうにつれて低下し得る。中間電極板において、接着力比(F1/F2)は、最小値をとり得る。最小値は例えば0.44から0.91であってもよい。中間電極板における接着力比(F1/F2)が小さい程、電極積層体50が分離し難い傾向がある。中間電極板における接着力比(F1/F2)は、例えば0.83以下であってもよいし、0.73以下であってもよいし、0.66以下であってもよい。中間電極板における接着力比(F1/F2)は、例えば、0.53以上であってもよい。
本実施形態においては、積層方向において、最も外側に位置する第1電極板10(最外電極板)と、中間に位置する第1電極板10(中間電極板)とにおいて接着力比(F1/F2)が測定される。最外電極板において、接着力比(F1/F2)が1以下である時、電極積層体50の全体にわたって、接着力比(F1/F2)が1以下であるとみなされる。電極積層体50が奇数枚の第1電極板10を含む時、積層方向の中間に位置する第1電極板10が中間電極板とみなされる。電極積層体50が偶数枚の第1電極板10を含む時、積層方向の中間に位置する第1電極板10が2枚になる。2枚のうち、いずれか1枚で接着力比(F1/F2)が測定される。
第1試料片310がスライドステージ320に固定される。第1試料片310において、セパレータ30の一端が剥離されることにより、掴み部31が形成される。掴み部31がデジタルフォースゲージのクリップ330に固定される。第1電極板10の表面に対して90度の方向(z軸方向)に、セパレータ30が引っ張られる。これにより、セパレータ30が第1活物質層12から剥離される。スライドステージ320は、クリップ330の上昇と連動して移動する。スライドステージ320は、引張方向には移動せず、引張方向と直交する方向(x軸方向)に移動する。スライドステージ320とクリップ330とが実質的に同一の速度で移動するように、スライドステージ320に外部から動力が付与される。外部から動力が付与されることにより、スライドステージ320の移動に伴う摩擦力が無視できる程度に小さくなり得る。セパレータ30の剥離中の最大力が測定される。最大力が第1試料片310の長さで除されることにより、第1接着力(F1)が算出される。第1接着力(F1)は、例えば0.5N/mから1.1N/mであってもよい。
平面視において、第1活物質層12は、第3領域R3と第4領域R4とをさらに含んでいてもよい(図13参照)。第3領域R3は、短辺方向(y軸方向)において、隣接する2つの第2領域R2に挟まれている。第4領域は、長辺方向(x軸方向)において、隣接する2つの第2領域R2に挟まれている。第3領域R3および第4領域R4も、第2接着力(F2)によりセパレータ30と接着されていてもよい。これにより電極積層体50が分離し難くなることが期待される。なお、第3領域R3は、第2領域R2と接触していなくてもよい。すなわち第3領域R3と、第2領域R2との間に、接着力が低い領域があってもよい。第4領域R4は、第2領域R2と接触していなくてもよい。すなわち第4領域R4と、第2領域R2との間に、接着力が低い領域があってもよい。
実験1においては、No.1-1からNo.1-8に係る電極積層体が製造された(下記表1参照)。
セパレータが準備された。セパレータの両面に接着剤が塗布された。接着剤は、目付量が略均一になるように、ドット状に散布された。セパレータが九十九折状に折り畳まれた。セパレータが折れる度に、第1電極板と第2電極板とが交互に挿入された。これにより電極積層体が形成された。電極積層体は、35枚の第1電極板(正極板)と、36枚の第2電極板(負極板)とを含んでいた。
第1熱プレス板210、第2熱プレス板220、および4個のヒータが準備された。平面視において、第1ヒータ231、第2ヒータ232、第3ヒータ233、第4ヒータ234は、電極積層体50を取り囲むように配置された(図5、図6参照)。各ヒータの発熱部235が電極積層体50に最近接した時のクリアランスは、1mmから1.5mmに設定された。実験1における第1熱プレス板210および第2熱プレス板220は、共に平板であった。下記表1に示されるように、各ヒータの温度と、各熱プレス板の温度とが調整された。電極積層体50に熱プレスが施された。プレス圧力は2MPaであった。プレス時間は30秒であった。熱プレス後、第1熱プレス板210が電極積層体50から引き離される際に、電極積層体50が分離するか否かが確認された。すなわち、第1熱プレス板210および第2熱プレス板220の外部に光学センサが設置された。熱プレスが完了した時点から、第1熱プレス板210が電極積層体50から完全に離れた時点までの間、光学センサが電極積層体50の厚さを常時計測した。計測中の厚さ変化量が0.8mm以上であった場合、「分離発生 有り」とみなされた。計測中の厚さ変化量が0.8mm未満であった場合、「分離発生 無し」とみなされた。
上記表1に示されるように、接着力比(F1/F2)が1以下である時、電極積層体が分離し難い傾向がみられる。
実験2においては、No.2-1からNo.2-4に係る電極積層体が製造された(下記表2参照)。
実験1と同様に電極積層体が準備された。
第1熱プレス板210が準備された。実験2の第1熱プレス板210において、周縁部212は端面加熱部214を含んでいた(図10参照)。下死点における、端面加熱部214と第2熱プレス板220とのクリアランスは0.5mmに設定された。実験2においては、電極積層体50の周囲に、空気またはヘリウムガスが供給されながら、熱プレスが施された(下記表2参照)。プレス圧力は2MPaであった。プレス時間は30秒であった。下記表2に示されるように、第1熱プレス板210および第2熱プレス板220の温度が調整された。実験1と同様に、電極積層体50の分離の有無と、接着力比(F1/F2)とが測定された。
上記表2に示されるように、熱プレス時に、電極積層体の周囲にヘリウムガスが供給されることにより、熱プレス板(端面加熱部)の温度が低くても、接着力比(F1/F2)が小さくなる傾向がみられる。ヘリウムガスが高い熱伝導率を有するため、電極積層体の端面への伝熱が促進されていると考えられる。
実験3においては、No.3-1、No.3-2に係る電極積層体が製造された(下記表3参照)。
実験1と同様に電極積層体が準備された。
第1熱プレス板210が準備された。実験3の第1熱プレス板210において、周縁部212は突出部213および端面加熱部214の両方を含んでいた(図11参照)。突出部213は、四隅に配置されていた。下死点における、端面加熱部214と第2熱プレス板220とのクリアランスは0.5mmに設定された。下記表3に示されるように、各熱プレス板の温度が調整された。プレス圧力は2MPaであった。プレス時間は30秒であった。実験3においては、第1熱プレス板210の突出部213が、電極積層体50の四隅を押圧するように、熱プレスが施された。下死点において、電極積層体50と、第1熱プレス板210の中央部211とのクリアランスは0.2mmに設定された。実験1と同様に、電極積層体50の分離の有無と、接着力比(F1/F2)とが測定された。
上記表3に示されるように、第1熱プレス板210の周縁部212が突出部213を含むことにより、接着力比(F1/F2)が小さくなる傾向がみられる。熱プレス時、四隅に加わる圧力が上昇するためと考えられる。
Claims (10)
- 複数枚の第1電極板と、複数枚の第2電極板と、1枚以上のセパレータと、接着剤とを含み、
前記第1電極板は、前記第2電極板と異なる極性を有し、
前記セパレータを挟んで前記第1電極板と前記第2電極板とが交互に積層されており、
前記接着剤は、前記セパレータと前記第1電極板との間に配置されており、
前記第1電極板は、第1活物質層を含み、
前記第2電極板は、第2活物質層を含み、
平面視において、
前記第1活物質層および前記第2活物質層の各々は、四角形状の平面形状を有し、
前記第1活物質層は、前記第2活物質層に比して小さい短辺と小さい長辺とを有し、
前記第1活物質層の前記短辺の長さがDと定義され、前記第1活物質層の前記長辺の長さがLと定義される時、
前記第1活物質層は、第1領域と第2領域とを含み、
前記第1領域は、前記第1活物質層の各頂点から、短辺方向に0.4D以上0.6D以下離れ、かつ長辺方向に0.4L以上0.6L以下離れており、
前記第2領域は、前記第1活物質層の任意の前記頂点から、前記短辺方向に0.05D以上0.4D未満離れ、かつ前記長辺方向に0.05L以上0.4L未満離れており、
前記第1領域は、第1接着力により前記セパレータと接着されており、
前記第2領域は、第2接着力により前記セパレータと接着されており、
前記第2接着力に対する前記第1接着力の比は、1以下である、
電極積層体。 - 前記平面視において、前記第1活物質層は、第3領域と第4領域とをさらに含み、
前記第3領域は、前記短辺方向において、隣接する2つの前記第2領域に挟まれており、
前記第4領域は、前記長辺方向において、隣接する2つの前記第2領域に挟まれており、
前記第3領域および前記第4領域も、前記第2接着力により前記セパレータと接着されている、
請求項1に記載の電極積層体。 - 積層方向の中間に位置する前記第1電極板において、
前記第2接着力に対する前記第1接着力の比が、0.44から0.91である、
請求項1または請求項2に記載の電極積層体。 - 前記接着剤の平均目付量に対する、前記接着剤の最小目付量の比は、0.7以上であり、かつ
前記接着剤の前記平均目付量に対する、前記接着剤の最大目付量の比は、1.3以下である、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電極積層体。 - 10枚以上の前記第1電極板を含む、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電極積層体。 - 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電極積層体と、電解液とを含む、
電池。 - セパレータを挟んで第1電極板と第2電極板とを交互に積層することにより、電極積層体を形成すること、
および、
積層方向に沿って、前記電極積層体に熱プレスを施すことにより、前記第1電極板と前記セパレータとを接着すること、
を含み、
前記第1電極板と前記セパレータとの間に接着剤が配置され、
前記積層方向と交差する方向から、前記電極積層体が加熱されつつ、前記熱プレスが施される、
電極積層体の製造方法。 - 前記熱プレスにおいては、熱プレス板が前記電極積層体に押し当てられ、
平面視において、
前記熱プレス板は、四角形状の平面形状を有し、
前記熱プレス板は、中央部と周縁部とを含み、
前記周縁部は、前記中央部を取り囲んでおり、
前記周縁部は、突出部を含み、
前記熱プレス板の厚さ方向において、前記突出部は前記中央部よりも突出しており、
前記突出部は、少なくとも前記周縁部の四隅に配置されており、
前記熱プレスにおいては、前記突出部が前記電極積層体に押し当てられる、
請求項7に記載の電極積層体の製造方法。 - 前記熱プレスにおいては、熱プレス板が前記電極積層体に押し当てられ、
平面視において、
前記熱プレス板は、四角形状の平面形状を有し、
前記熱プレス板は、中央部と周縁部とを含み、
前記周縁部は、前記中央部を取り囲んでおり、
前記周縁部は、端面加熱部を含み、
前記熱プレス板の厚さ方向において、前記端面加熱部は前記中央部よりも突出しており、
前記端面加熱部は、前記熱プレス時に、前記積層方向と交差する方向から、前記電極積層体を加熱する、
請求項7に記載の電極積層体の製造方法。 - 前記熱プレス時に、前記電極積層体の周囲にガスが供給され、
前記ガスは、空気に比して高い熱伝導率を有する、
請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の電極積層体の製造方法。
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