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図面 (7)

課題

積層型二次電池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。

概要

背景

積層型電池セル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。

概要

積層型二次電池体積損失を小さくする。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。

目的

効果

実績

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請求項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

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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絶縁部材が形成されている積層型二次電池。

請求項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。

請求項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。

技術分野

0001

本発明は、積層型二次電池及びその製造方法に関する。

背景技術

0002

積層型電池セル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。

先行技術

0003

特開2012−109275号公報

発明が解決しようとする課題

0004

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。

課題を解決するための手段

0005

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。

0006

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。

発明の効果

0007

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。

図面の簡単な説明

0008

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。

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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、絶縁性フィルム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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

<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。

0019

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。

0020

<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。

0021

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。

0022

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。

0023

正極集電体252には、アルミニウム箔孔径0.1〜10mmのアルミニウム穿孔箔、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。

0024

<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。

0025

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。

0026

<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。

0027

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。

0028

<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、Li10Ge2PS12、Li2S−P2S5などの硫化物系、Li−La−Zr−Oなどの酸化物系、イオン液体常温溶融塩などを有機高分子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、粉体圧縮結着材との混合、スラリー化した固体電解質層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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

実施例

0034

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。

0035

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

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