JP6558810B2 - 電気化学セル及び電気化学セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学セル及び電気化学セルの製造方法に関する。

各種デバイスの電源等には、非水電解質二次電池や電気二重層キャパシタ等の電気化学セルが利用されている。この種の電気化学セルとして、電極体を被覆する外装体にラミネートフィルムを用いる、いわゆるラミネートタイプの電気化学セルが知られている。ラミネートフィルムは、例えば金属層と、金属層を被覆する樹脂層と、を備えている。

ラミネートフィルムによって電極体を封止するには、ラミネートフィルムによって電極体を被覆した後、ラミネートフィルムのうち電極体の周囲で重ね合わされた重合部分に位置する樹脂層同士を溶着する。

しかしながら、ラミネートタイプの電気化学セルにあっては、溶着時に溶融した樹脂が外装体の内側に向けて流れ込む可能性がある。外装体の内側に流れ込んだ樹脂が電極体に接触すると、電気化学セルの信頼性を低下させる要因となる。
そこで、例えば下記特許文献１には、外装体の溶着部分（重合部分）と電極体との間の距離を、溶着時に溶融した樹脂が電極体に接触しないような長さ（シールマージン）に設定する構成が開示されている。

特表２０１６−５０６６０２号公報

しかしながら、ラミネートタイプの電気化学セルを実際に製造するにあたっては、溶着時に発生する製造誤差（例えば、加圧力、熱源の位置、熱伝導等のばらつき等）により、上述したシールマージンの範囲内に溶融した樹脂を留めることは困難である。

本発明は、溶着時に溶融した樹脂が電極体に接触するのを簡単に抑制でき、信頼性の高い電気化学セル及び電気化学セルの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電気化学セルは、電極体と、金属層及び前記金属層を被覆する樹脂層を含むラミネート材により形成された第１部材及び第２部材を有し、前記電極体を封止する外装体と、を備え、前記外装体は、前記第１部材及び前記第２部材により前記電極体を収容する収容部と、前記第１部材及び前記第２部材が重ね合わされ、前記収容部の周囲を取り囲む重合部と、を備え、前記重合部は、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が超音波溶着された溶着部と、前記溶着部と交互に配され、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が溶着されていない非溶着部と、を備え、前記重合部における最内端部は、前記非溶着部により構成されている。
本発明の一態様に係る電気化学セルの製造方法は、金属層及び前記金属層を被覆する樹脂層を含むラミネート材により形成された第１部材及び第２部材の間に電極体を配置する電極体セット工程と、前記第１部材及び前記第２部材のうち、前記電極体の周囲に位置する部分同士を重ね合わせて超音波溶着する溶着工程と、を有し、前記溶着工程では、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士を、間隔をあけて溶着することで、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が溶着された溶着部、及び前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が溶着されていない非溶着部を有する重合部を形成し、前記溶着工程では、前記重合部における最内端部を前記非溶着部とする。

本態様によれば、重合部において、非溶着部が存在することで、溶着時に溶融した樹脂の収容部への流れを非溶着部により塞き止めることができる。
また、非溶着部では、第１部材及び第２部材の樹脂層の対向面同士が溶着せずに密接することで、非溶着部が溶着部の厚さを規定するスペーサとして機能する。そのため、溶着時に重合部が押し潰されるのを抑制し、溶融した樹脂が収容部へ濡れ広がるのを抑制できる。
しかも、重合部が非溶着部を有しているため、重合部全体を溶着する場合に比べて、溶着時に溶融する樹脂の量を低減できる。これによっても、溶着時に溶融した樹脂が収容部に向けて流れるのを抑制できる。
このように、本態様では、収容部に向けて流れる樹脂の流動量自体を低減できるので、製造誤差の影響を低減した上で、溶融した樹脂が電極体に接触するのを簡単に抑制できる。これにより、信頼性の高い電気化学セルを提供できる。

本発明の一態様に係る電気化学セルにおいて、前記溶着部のうち、何れかの前記溶着部は、前記収容部回りの周方向の全周に亘って連続していてもよい。
本態様によれば、溶着部が周方向の全周に亘って連続しているため、収容部の内外が非溶着部を通じて連通するのを抑制できる。そのため、重合部のシール性を確保して、電気化学セルの信頼性を向上させることができる。

本発明の一態様に係る電気化学セルにおいて、前記溶着部及び前記非溶着部は、前記重合部の全体に亘って交互に配されていてもよい。
本態様によれば、溶着部及び非溶着部が重合部の全体に亘って配されているため、溶着時において重合部の全周から収容部に樹脂が流れ込むのを抑制できる。

本発明の一態様によれば、溶着時に溶融した樹脂が電極体に接触するのを簡単に抑制でき、信頼性の高い電気化学セルを提供することができる。

実施形態に係る二次電池の斜視図である。 実施形態に係る二次電池の斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に相当する拡大断面図である。 重合部の概略平面図である。 実施形態に係る二次電池の製造方法を説明する工程図である。 実施形態の第１変形例に係る二次電池の製造方法を説明する工程図である。 実施形態の第２変形例に係る図５に対応する概略平面図である。 実施形態の第２変形例に係る図５に対応する概略平面図である。 実施形態の第２変形例に係る図５に対応する概略平面図である。 実施形態の第２変形例に係る図５に対応する概略平面図である。 実施形態の他の構成に係る二次電池の斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本発明に係る電気化学セルとして、非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池（以下、単に「二次電池」という。）を例に挙げて説明する。以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［二次電池］
図１、図２は、実施形態に係る二次電池１の斜視図である。
図１、図２に示すように、本実施形態の二次電池１は、いわゆるボタン型である。二次電池１は、電極体２（図３参照）と、電極体２を封止する外装体３と、外装体３内に収容された電解質溶液（不図示）と、を主に備えている。

＜電極体＞
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
図３に示すように、電極体２は、負極電極５及び正極電極６がセパレータ（不図示）を挟んで積層された、いわゆる積層型とされている。本実施形態の電極体２は、負極電極５及び正極電極６が互いに交差する方向からつづら折りされることで、互い違いに積層されている。電極体２は、積層方向の第１側を向く面（図３における最上層）が正極電極６により構成され、積層方向の第２側を向く面（図３における最下層）が負極電極５により構成されている。

なお、電極体２は、積層方向から見た平面視外形が円形状に形成されている。本実施形態では、平面視において、電極体２の中心を通り積層方向に沿って延びる軸線を中心軸Ｏとする。以下の説明において、中心軸Ｏに沿う方向を軸方向といい、中心軸Ｏに直交する方向を径方向といい、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向という場合がある。但し、電極体２の平面視外形は、円形状に限らず、矩形状等、適宜変更が可能である。

電極体２の種類は、適宜変更が可能である。例えば電極体２は、つづら折り以外の積層型であってもよく、捲回型やペレット型等であってもよい。捲回型の電極体は、負極電極と正極電極とがセパレータを挟んで捲回されたものである。ペレット型の電極体は、セパレータの両側に負極電極と正極電極とを備えたものである。

＜外装体＞
図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に相当する拡大断面図である。
図４に示すように、外装体３は、２枚のラミネートフィルム（第１シート１０及び第２シート１１）が電極体２を間に挟んで軸方向に重ね合わされて構成されている。第１シート１０は、金属層２１と、金属層２１の両側に積層された内側樹脂層２２及び外側樹脂層２３と、を有している。

金属層２１は、例えばステンレスやアルミニウム等の外気や水蒸気を遮断する金属材料により形成されている。
内側樹脂層２２は、各シート１０，１１を重ね合わせた際に、外装体３の内面を構成する。内側樹脂層２２は、例えばポリオレフィンのポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂を用いて形成される。ポリオレフィンとしては、例えば高圧法低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）や低圧法高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、インフレーションポリプロピレン（ＩＰＰ）フィルム、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）フィルム、二軸延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）フィルム、直鎖状短鎖分岐ポリエチレン（Ｌ−ＬＤＰＥ、メタロセン触媒仕様）の何れかの材質を用いることができる。特に、ポロプロピレン樹脂が好ましい。
外側樹脂層２３は、各シート１０，１１を重ね合わせた際に、外装体３の外面を構成する。外側樹脂層２３は、例えば上述のポリオレフィンや、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン等を用いて形成される。内側樹脂層２２及び外側樹脂層２３は、接合層（不図示）を介して金属層２１にそれぞれ接合（熱溶着や接着剤等）される。

図１、図３に示すように、第１シート１０は、電極体２を軸方向の第１側から覆っている。第１シート１０は、有頂筒状の筒部３１と、張出部３２と、を有している。筒部３１の頂壁部３１ａにおいて、径方向の中央部には、頂壁部３１ａを軸方向に貫通する第１貫通孔３３が形成されている。

図３に示すように、頂壁部３１ａの内面には、第１シーラントリング３７を介して第１引出部３８が熱溶着されている。第１シーラントリング３７は、シーラントフィルムがリング状に形成されたものである。シーラントフィルムは、ポリオレフィンのポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂により形成されている。図示の例において、第１シーラントリング３７の内径は、第１貫通孔３３の外径よりも小さくなっている。

第１引出部３８は、例えばアルミニウムにより形成されている。第１引出部３８の内面（軸方向の第２側を向く面）は、電極体２の正極電極６に接続されている。第１引出部３８の外面（軸方向の第１側を向く面）には、正極端子３９が配設（例えば、溶接等）されている。正極端子３９は、ニッケル等により形成されている。正極端子３９は、第１シーラントリング３７の内側、及び第１貫通孔３３を通じて外装体３の外部に露出している。

張出部３２は、筒部３１の周壁部３１ｂにおいて、軸方向の第２側端縁から径方向の外側に張り出している。張出部３２は、筒部３１を全周に亘って取り囲むリング状に形成されている。

図４に示すように、第２シート１１は、金属層４１と、金属層４１の両側に積層された内側樹脂層４２及び外側樹脂層４３と、を有している。なお、第２シート１１の構成や材料等は、第１シート１０と同様である。

図２、図３に示すように、第２シート１１は、平面視外形が第１シート１０と同様に形成された円板状に形成されている。具体的に、第２シート１１は、蓋部４５と、張出部４６と、を有している。
蓋部４５は、上述した筒部３１の開口部を軸方向の第２側から覆っている。蓋部４５における径方向の中央部には、蓋部４５を軸方向に貫通する第２貫通孔４８が形成されている。

蓋部４５の内面には、第２シーラントリング５１を介して第２引出部５２が接続（例えば、熱溶着）されている。第２シーラントリング５１は、第１シーラントリング３７と同等の構成をなしている。
第２引出部５２は、例えば銅により形成されている。第２引出部５２の内面（軸方向の第１側を向く面）は、電極体２の負極電極５に接続されている。第２引出部５２の外面（軸方向の第２側を向く面）には、負極端子５５が配設（例えば、溶接等）されている。負極端子５５は、ニッケル等により形成されている。負極端子５５は、第２シーラントリング５１の内側、及び第２貫通孔４８を通じて外装体３の外部に露出している。

本実施形態の外装体３は、第１シート１０の筒部３１及び第２シート１１の蓋部４５により画成された部分が、電極体２を収容する収容部５８を構成している。収容部５８内には、電解質溶液が充填されている。
第１シート１０の張出部３２及び第２シート１１の張出部４６が、収容部５８の周囲で互いに重ね合わされた重合部５９を構成している。本実施形態では、各シート１０，１１の貫通孔３３，４８を通じて端子３９，５５を露出させる構成について説明したが、この構成に限られない。例えば、重合部５９において、第１シート１０及び第２シート１１の間を通じて径方向の外側に端子を引き出してもよい。

＜重合部＞
ここで、図４に示すように、本実施形態の外装体３は、重合部５９において内側樹脂層２２，４２同士の一部が溶着されることで、電極体２を封止している。具体的に、重合部５９では、内側樹脂層２２，４２同士が溶着された溶着部Ｓ１、及び内側樹脂層２２，４２同士が溶着されていない非溶着部Ｓ２が交互に（内側樹脂層２２，４２の面内方向に間隔をあけて）配されている。

図５は、重合部５９の概略平面図である。
図４、図５に示すように、溶着部Ｓ１は、例えば重合部５９の全周に亘って環状に延在している。溶着部Ｓ１は、径方向に間隔をあけて複数配されている。なお、溶着部Ｓ１は、少なくとも一つが環状に形成されていればよい。

非溶着部Ｓ２は、溶着部Ｓ１に対して径方向の両側に位置している。すなわち、非溶着部Ｓ２は、重合部５９の全周に亘って環状に延在するとともに、径方向に間隔をあけて複数配されている。非溶着部Ｓ２は、各シート１０，１１において、互いに対向する内側樹脂層２２，４２の対向面同士が密接している。そのため、非溶着部Ｓ２は、重合部５９において、各シート１０，１１の金属層２１，４１間の間隔（溶着部Ｓ１の軸方向における厚さ）を規定するスペーサとして機能する。

図示の例において、重合部５９における径方向の最内端部は、非溶着部Ｓ２により形成されている。但し、重合部５９における径方向の最内端部が溶着部Ｓ１により形成されていてもよい。本実施形態において、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２における径方向の幅は、同等になっている。但し、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２の幅は、重合部５９のシール性を確保できる範囲で適宜変更が可能である。

［二次電池の製造方法］
次に、上述した二次電池１の製造方法について説明する。以下の説明では、電極体２の封止工程について主に説明する。
本実施形態では、まず第１シート１０及び第２シート１１の間に電極体２を配置する（電極体セット工程）。これにより、電極体２が収容部５８内に収容される。

図６は、二次電池１の製造方法を説明する工程図である。
図６に示すように、収容部５８内に電解質溶液を充填した状態で、重合部５９において、各シート１０，１１の内側樹脂層２２，４２同士を溶着する（溶着工程）。本実施形態では、超音波溶着によって重合部５９の内側樹脂層２２，４２同士を、間隔をあけて溶着する。

溶着工程では、重合部５９に対して軸方向の両側から治具８０（ホーン）を押し当て、重合部５９を軸方向に加圧しながら、重合部５９に対して超音波振動を加える。本実施形態において、治具８０の表面（重合部５９への押し当て面）は、ローレット加工等による凸部８０ａ及び凹部８０ｂが形成されている。そのため、治具８０は、凸部８０ａにおいて重合部５９（外側樹脂層２３，４３）に接触し、凹部８０ｂにおいて重合部５９から離間している。したがって、超音波振動は、凸部８０ａを介して重合部５９に積極的に伝わる。なお、凸部８０ａは上述した溶着部Ｓ１に対応する位置に形成され、凹部８０ｂは上述した非溶着部Ｓ２に対応する位置に形成されている。

溶着工程では、重合部５９に位置する内側樹脂層２２，４２のうち、超音波振動が効果的に加わる部分（軸方向から見て凸部８０ａと重なり合う部分）が溶融する。これにより、各シート１０，１１の内側樹脂層２２，４２同士が溶着される。一方、重合部５９に位置する内側樹脂層２２，４２のうち、超音波振動が伝わりにくい部分（軸方向から見て凹部８０ｂと重なり合う部分）は、溶融しない。そのため、各シート１０，１１の内側樹脂層２２，４２同士は、互いの対向面同士が密接した状態を維持する。
その後、化成処理や脱気等を経て本実施形態の二次電池１が完成する。

本実施形態では、重合部５９において、溶着部Ｓ１と非溶着部Ｓ２とが交互に配される構成とした。
この構成によれば、重合部５９において、非溶着部Ｓ２が存在することで、溶着時に溶融した樹脂の収容部５８への流れを非溶着部Ｓ２によって塞き止めることができる。
また、非溶着部Ｓ２において、各シート１０，１１の内側樹脂層２２，４２の対向面同士が溶着せずに密接することで、非溶着部Ｓ２が溶着部Ｓ１の軸方向における厚さを規定するスペーサとして機能する。そのため、溶着時に溶着部Ｓ１が押し潰されるのを抑制し、溶融した樹脂が収容部５８へ濡れ広がるのを抑制できる。
しかも、重合部５９が非溶着部Ｓ２を有しているため、重合部５９全体を溶着する場合に比べて、溶着時に溶融する樹脂の量を低減できる。これによっても、溶着時に溶融した樹脂が収容部５８に向けて流れるのを抑制できる。

このように、本実施形態では、収容部５８に向けて流れる樹脂の流動量自体を低減できるので、製造誤差の影響を低減した上で、溶融した樹脂が電極体２に接触するのを簡単に抑制できる。これにより、信頼性の高い二次電池１を提供できる。

本実施形態では、溶着部Ｓ１が周方向の全周に亘って連続的に形成されているため、収容部５８の内外が非溶着部Ｓ２を通じて連通する（非溶着部Ｓ２が重合部５９の径方向の全長に亘って繋がる）のを抑制できる。そのため、重合部５９のシール性を確保して、二次電池１の信頼性を向上させることができる。

本実施形態では、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２が重合部５９の全体に亘って配されているため、溶着時において重合部５９の全体から収容部５８に樹脂が流れ込むのを抑制できる。

上述した実施形態では、重合部５９の全周に亘って溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２を配する構成について説明したが、この構成のみに限られない。溶着工程は、重合部５９のうち、周方向の一部のみを開口させた状態で溶着する第１溶着工程と、開口部分を閉塞する第２溶着工程と、に分けて行ってもよい。この場合には、例えば第１溶着工程においてヒータ溶着を行い、第２溶着工程において上述した超音波溶着を行ってもよい。これにより、第１溶着工程と第２溶着工程との間に重合部５９の開口部を通じて、収容部５８内に電解質溶液を充填することができる。そして、第２溶着工程において、上述した超音波溶着を行うことで、収容部５８内に充填された電解質溶液が揮発等するのを抑制できる。

（第１変形例）
上述した実施形態では、溶着工程を超音波溶着で行う構成について説明したが、この構成のみに限られない。例えばヒータ溶着により、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２を形成してもよい。この場合には、重合部５９に位置する内側樹脂層２２，４２のうち、ヒータの熱が効果的に加わる部分（軸方向から見て凸部８０ａと重なり合う部分）が溶融する。これにより、各シート１０，１１の内側樹脂層２２，４２同士が溶着される。一方、重合部５９に位置する内側樹脂層２２，４２のうち、ヒータの熱が伝わりにくい部分（軸方向から見て凹部８０ｂと重なり合う部分）は、溶融しない。

図７に示す治具１００のように、凹部８０ｂ内に断熱部材１０１を配置してもよい。この場合には、治具１００における重合部５９への押し当て面が平坦面に形成されるため、重合部５９を安定して支持（加圧）できる。なお、図７に示す構成では、重合部５９に位置する内側樹脂層２２，４２のうち、断熱部材１０１の周辺はヒータの熱が伝わり難いので、内側樹脂層２２，４２同士が溶着しない。

（第２変形例）
上述した実施形態では、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２が周方向で連続的に延在する構成について説明したが、この構成のみに限られない。
例えば、図８に示すように、径方向に延びる溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２が周方向に交互に配される構成であってもよい。
図９〜図１１に示すように、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２が周方向及び径方向に交互に配される構成であってもよい。

（第３変形例）
上述した実施形態では、重合部５９が径方向に張り出す構成について説明したが、この構成のみに限られない。例えば図１２に示すように、重合部５９を収容部５８との境界部分を起点に軸方向に折り曲げてもよい。この場合、収容部５８（周壁部３１ｂ）と重合部５９とが径方向から見て重なり合うので、二次電池１の平面視外形の小型化を図ることができる。なお、重合部５９を折り曲げる際には、溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２の何れかを折り曲げの起点に利用してもよい。

（その他の変形例）
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本発明は上述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば、上述した実施形態では、電気化学セルの一例として、二次電池１を例に挙げて説明したが、キャパシタや一次電池であってもよい。
上述した実施形態では、第１シート１０及び第２シート１１が分離している構成について説明したが、この構成のみに限られない。一枚のラミネートフィルムを折り曲げて、第１シート１０（第１部材）及び第２シート１１（第２部材）としてもよい。
上述した実施形態では、同形状の溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ２が複数配される構成について説明したが、この構成のみに限られない。溶着部Ｓ１及び非溶着部Ｓ１が異形状であってもよく、各溶着部Ｓ１同士（又は各非溶着部Ｓ２同士）がそれぞれ異形状であってもよい。
上述した実施形態では、第１シート１０を有頂筒状に形成した構成について説明したが、この構成のみに限られない。有頂筒状の第１シート１０と、有底筒状の第２シート１１を重ね合わせて収容部５８を形成してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した各変形例を適宜組み合わせても構わない。

１…二次電池（電気化学セル）
２…電極体
３…外装体
１０…第１シート（第１部材）
１１…第２シート（第２部材）
２１…金属層
２２…内側樹脂層（樹脂層）
２３…外側樹脂層（樹脂層）
４２…内側樹脂層（樹脂層）
４３…外側樹脂層（樹脂層）
５８…収容部
５９…重合部
Ｓ１…溶着部
Ｓ２…非溶着部

Claims (4)

1. 電極体と、
   金属層及び前記金属層を被覆する樹脂層を含むラミネート材により形成された第１部材及び第２部材を有し、前記電極体を封止する外装体と、を備え、
   前記外装体は、
   前記第１部材及び前記第２部材により前記電極体を収容する収容部と、
   前記第１部材及び前記第２部材が重ね合わされ、前記収容部の周囲を取り囲む重合部と、を備え、
   前記重合部は、
   前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が超音波溶着された溶着部と、
   前記溶着部と交互に配され、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が溶着されていない非溶着部と、を備え、
   前記重合部における最内端部は、前記非溶着部により構成されている電気化学セル。
2. 前記溶着部のうち、何れかの前記溶着部は、前記収容部回りの周方向の全周に亘って連続している請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記溶着部及び前記非溶着部は、前記重合部の全体に亘って交互に配されている請求項１又は請求項２に記載の電気化学セル。
4. 金属層及び前記金属層を被覆する樹脂層を含むラミネート材により形成された第１部材及び第２部材の間に電極体を配置する電極体セット工程と、
   前記第１部材及び前記第２部材のうち、前記電極体の周囲に位置する部分同士を重ね合わせて溶着する溶着工程と、を有し、
   前記溶着工程では、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士を、間隔をあけて超音波溶着することで、前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が溶着された溶着部、及び前記第１部材及び前記第２部材の前記樹脂層同士が溶着されていない非溶着部を有する重合部を形成し、
   前記溶着工程では、前記重合部における最内端部を前記非溶着部とする電気化学セルの製造方法。

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