特許 7221122 電池セルの電極アセンブリの製造方法及び電池セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-03

(45)【発行日】2023-02-13

(54)【発明の名称】電池セルの電極アセンブリの製造方法及び電池セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0583 20100101AFI20230206BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALI20230206BHJP

   H01M 50/449 20210101ALI20230206BHJP

   H01M 50/457 20210101ALI20230206BHJP

   H01M 50/46 20210101ALI20230206BHJP

【ＦＩ】

H01M10/0583

H01M10/0587

H01M50/449

H01M50/457

H01M50/46

【請求項の数】 6

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019079829

(22)【出願日】2019-04-19

(65)【公開番号】P2019194978

(43)【公開日】2019-11-07

【審査請求日】2021-05-31

(31)【優先権主張番号】18168363.2

(32)【優先日】2018-04-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】516309659

【氏名又は名称】ロベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(73)【特許権者】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(74)【代理人】

【識別番号】100104662

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 智司

(72)【発明者】

【氏名】チェ ジュ・ヨン

(72)【発明者】

【氏名】ホア シャルミマーラ

【審査官】宮田 透

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５２６１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－００９９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３１７３７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１９－５３０１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１９０６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２５８４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６７４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２３７７９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１０４５６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／０５－１０／０５８７

Ｈ０１Ｍ １０／０４

Ｈ０１Ｍ ４／００－ ４／６２

Ｈ０１Ｍ ５０／４０－５０／４９７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池セル（２）の電極アセンブリ（１０）を製造する方法であって、
それぞれ第１の側及び反対側の第２の側を有する連続した第１セパレータシート（４１）及び連続した第２セパレータシート（４２）を設け、該連続した第１セパレータシート（４１）及び連続した第２セパレータシート（４２）の両方の前記第１の側に接着剤層を塗布し、
前記連続した第１セパレータシート（４１）の前記第２の側と前記連続した第２セパレータシート（４２）の前記第２の側の間に第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）を複数配置し、
前記第１セパレータシート（４１）の前記第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）とは反対の側及び前記第２セパレータシート（４２）の前記第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）とは反対の側において、前記接着剤層上に、第２電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）を連続する前記第１電極のセグメントに対して前記第１セパレータシート（４１）と前記第２セパレータシート（４２）に交互に複数配置してテープ要素（５０）を形成し、
前記テープ要素（５０）を、前記第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）及び前記第２電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）が積層方向（ｚ）に整列するように常に同じ方向に折り畳む方法において、
前記第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）は、前記第１セパレータシート（４１）又は前記第２セパレータシート（４２）に圧力をかける熱プレスローラ（６０）を用いて前記第１セパレータシート（４１）と前記第２セパレータシート（４２）の間にラミネートされる、方法。

【請求項2】

前記第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）は、前記第１セパレータシート（４１）に圧力をかける第１熱プレスローラ（６０）及び前記第２セパレータシート（４２）に圧力をかける第２熱プレスローラ（６０）を用いて、前記第１セパレータシート（４１）と前記第２セパレータシート（４２）の間にラミネートされる、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記第１セパレータシート（４１）及び／又は前記第２セパレータシート（４２）に接着剤層が塗布され、前記第１電極（２１、２２）のセグメント（３１、３２）が該接着剤層上に配置される、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の方法を用いて製造された電極アセンブリ（１０）を備えた電池セル（２）。

【請求項5】

前記電池セル（２）はリチウムイオン電池セルである、請求項４記載の電池セル（２）。

【請求項6】

電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、消費者向け電子製品又は定置用途での請求項４又は５に記載の電池セル（２）の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層方向に整列した第１電極のセグメント及び第２電極のセグメントを備えた、電池セルの電極アセンブリを製造する方法に関する。また、本発明は、本発明にかかる方法で製造された電極アセンブリを備えた電池セルに関する。

【背景技術】

【0002】

技術の現状
電気エネルギーは電池によって貯蔵することができる。電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変える。なかでも、充電池は何度も充電及び放電を行うことができることが知られている。電池又は電池モジュールは、電気的に直列又は並列に接続された複数の電池セルを備える。

【0003】

特に、充電池又は充電池システムではリチウムイオン電池セルが使われている。リチウムイオン電池セルは比較的高いエネルギー密度を有する。リチウムイオン電池セルは、例えば自動車、特に電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）及びプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）で使われている。リチウムイオン電池セルは、１つ又は複数の電極アセンブリを備えることができる。

【0004】

電極アセンブリは、カソードと呼ばれる正電極及びアノードと呼ばれる負電極を有する。アノードとカソードはセパレータによって分離されている。電池セルの電極をテープ状に形成し、セパレータを介在させて巻き、ジェリーロールとも称される電極ロールを形成することができる。或いは、電極をシート状に形成し、セパレータのシートを介在させて重ね、電極スタックを形成することができる。

【0005】

米国特許出願公開第２０１３／０１４３０８８号明細書には、電極アセンブリ及びこれを準備するためのプロセスが開示されている。該文献では、複数の第１の単位電極と第２の電極シートが、第１の単位電極と第２の電極シートがセパレータシートを介して対向するように巻かれており、第１の電極と第２の電極は反対の極性を有している。

【0006】

米国特許出願公開第２０１６／０２９３９９４号明細書には、積層／折り畳み型の電極アセンブリ及びその製造方法が開示されている。該文献では、電極アセンブリは、連続した折り畳みセパレータシートを介在させて重畳された複数の積層型単位セルを含んでいる。

【0007】

欧州特許第２７６５６３７号明細書には、多孔性コーティング層を有するセパレータ及びこれを備えた電気化学素子が開示されている。該電気化学素子は、例えば、正電極と、負電極と、これらの間に介在するセパレータとを備えたリチウム二次電池である。

【0008】

米国特許第８，５７４，７４３号明細書には、交互セパレータ機構を備えた電気化学的装置が開示されている。該文献では、電気化学的装置は、フルセル又はバイセルを多数積層した単位セルと、これらの間に配設された分離フィルムとを備えている。これにより、反対の極性を有する電極層間に分離フィルムとセパレータが交互に積層されている。

【0009】

日本特許第５２９１８１１号明細書には、二次電池を製造する方法及び装置が開示されている。該文献では、連続した第１セパレータ上に複数の正極板及び複数の負極板が所定間隔で配置される。その後、該電極板及び第１セパレータ上に別の連続したセパレータが配置される。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0010】

発明の開示
電池セル、特にリチウムイオン電池セルの電極アセンブリを製造する方法を提案する。本発明の方法によれば、連続した第１セパレータシートと連続した第２セパレータシートの間に第１電極のセグメントを複数配置する。このとき、前記第１電極のセグメントは、長手方向において隣り合う２つのセグメント間に間隙が残るように配置される。このとき、前記第１電極はアノードであってもカソードであってもよい。

【0011】

前記セパレータシートは、前記長手方向の広がりが短手方向の広がりよりも非常に大きい、例えば１００倍～１０００倍である平坦なテープである。短手方向とは、前記長手方向に直交する方向である。前記第１電極のセグメントも平坦であるが、その前記長手方向の広がりと前記短手方向の広がりは同程度である。例えば、前記第１電極のセグメントの前記長手方向の広がりは、前記短手方向の広がりの２分の１～前記短手方向の広がりの２倍である。

【0012】

その後、前記第２セパレータシートの前記第１電極のセグメントとは反対の側に第２電極のセグメントを複数配置し、同じく、前記第２セパレータシートの前記第１電極のセグメントとは反対の側に第２電極のセグメントを複数配置する。前記第１電極がアノードである場合、該第２電極はカソードである。前記第１電極がカソードである場合、該第２電極はアノードである。

【0013】

前記第２電極のセグメントも平坦であるが、その前記長手方向の広がりと前記短手方向の広がりは同程度である。例えば、前記第２電極のセグメントの前記長手方向の広がりは、前記短手方向の広がりの２分の１～前記短手方向の広がりの２倍である。前記第２電極のセグメントは前記第１電極のセグメントと同程度の広がりを有する。

【0014】

これにより、テープ要素が形成される。該テープ要素は、前記第１電極のセグメントと、前記セパレータシートと、前記第２電極のセグメントとを備えてなる。このとき、前記第１電極のセグメントが中心に配置されている。該第１電極のセグメントの周囲を前記第１セパレータシート及び前記第２セパレータシートが囲んでいる。前記第２電極のセグメントは前記セパレータシートの外側に配置されている。

【0015】

それから、前記テープ要素を、前記第１電極のセグメント及び前記第２電極のセグメントが積層方向に整列するように折り畳む。このとき、前記第１電極のセグメントと前記第２電極のセグメントの間には必ずセパレータシートが配置される。積層方向とは、前記短手方向に直交し、かつ、前記長手方向に直交する方向である。

【0016】

これにより、前記第１電極のセグメントと前記第２電極のセグメントとを交互に、都度セパレータシートを介在させて備えた電極アセンブリが形成される。このとき、前記第１電極のセグメントによって電極アセンブリの第１電極が形成され、前記第２電極のセグメントによって電極アセンブリの第２電極が形成される。

【0017】

本発明の有利な実施形態によれば、前記第１電極のセグメントは、前記第１セパレータシート又は前記第２セパレータシートに圧力をかける熱プレス部を用いて、前記第１セパレータシートと前記第２セパレータシートの間にラミネートされる。かくして、前記第１セパレータシートと前記第２セパレータシートが、特に前記第１電極のセグメント間の前記間隙において結合される。これにより、前記第１セパレータシート及び前記第２セパレータシートによって前記第１電極のセグメントを受ける袋が形成される。

【0018】

本発明の別の有利な実施形態によれば、前記第１電極のセグメントは、前記第１セパレータシートに圧力をかける第１熱プレス部及び前記第２セパレータシートに圧力をかける第２熱プレス部を用いて、前記第１セパレータシートと前記第２セパレータシートの間にラミネートされる。かくして、前記第１セパレータシートと前記第２セパレータシートが、特に前記第１電極のセグメント間の前記間隙において結合される。これにより、前記第１セパレータシート及び前記第２セパレータシートによって前記第１電極のセグメントを受ける袋が形成される。

【0019】

前記第２電極のセグメントは、前記第１セパレータシートと前記第２セパレータシートに交互に配置されることが好ましい。つまり、前記長手方向において、隣り合う前記第２電極のセグメントは前記セパレータシートの反対の側に配置される。

【0020】

本発明の有利な実施形態によれば、前記テープ要素は、常に同じ方向に、前記第１電極のセグメント及び前記第２電極のセグメントが前記積層方向に整列するように折り畳まれる。

【0021】

本発明の別の有利な実施形態によれば、前記テープ要素は、その都度反対の方向に、前記第１電極のセグメント及び前記第２電極のセグメントが前記積層方向に整列するように折り畳まれる。

【0022】

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第１セパレータシート及び／又は前記第２セパレータシートに接着剤層が塗布され、前記第１電極のセグメントは該接着剤層上に配置される。このとき、該接着剤層は、前記第１電極のセグメントが前記第１セパレータシートと前記第２セパレータシートの間に配置される前に塗布される。

【0023】

本発明の別のさらなる発展形態によれば、前記第１セパレータシート及び／又は前記第２セパレータシートに接着剤層が塗布され、前記第２電極のセグメントは該接着剤層上に配置される。このとき、該接着剤層は、前記第２電極のセグメントが前記第１セパレータシート及び前記第２セパレータシート上に配置される前に塗布される。

【0024】

さらに、本発明にかかる方法で製造された電極アセンブリを少なくとも１つ備えた電池セル、特にリチウムイオン電池セルを提案する。

【0025】

本発明にかかる電池セルは、特に電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、定置用電池又は消費者向け電子製品に有利に用いることができる。消費者向け製品とは、特に、携帯電話、タブレット、ノート型パソコン又はハンドヘルドコンピュータである。定置用途は、例えば、風力発電所である。しかしながら、その他の応用も実現可能である。

【発明の効果】

【0026】

本発明にかかる方法は、電池セルの電極アセンブリを比較的短時間でかつ安価に製造することができる。具体的には、電極ロールの作製と電極スタックの作製の有利な特徴を組わせている。ここでは、セパレータシートは、化学結合によって相互に及び電極セグメントに接続される。

【0027】

セパレータシート間の電極セグメントのラミネートによる化学結合は、誤用試験時のセパレートシートの収縮を防止する。誤用試験とは、例えば、釘刺し試験、ホットボックス試験又は外部短絡試験である。連続したセパレータシートも折り畳み方向における機械的強度による収縮を防止する。故に、ラミネート及び連続したセパレータによって安全性が向上する。セパレータシートに接着剤層を設けると、ラミネート後にセパレータシートと電極セグメントとの化学結合がなされる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

本発明の上記の実施形態並びに付加的な実施形態をより理解するために、以下の発明を実施するための形態を添付の図面と併せて参照すべきである。添付の図面は以下を示している。

【0029】

【図1】電池セルの概略図。

【図2】ラミネートプロセスの概略図。

【図3】テープ要素の概略図。

【図4】テープ要素を折り畳む際の各段階。

【図5】電極アセンブリの概略図。

【0030】

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。図面は発明の概略的な図を提供するものにすぎない。同様の参照符号は、特段の記載がない限り、全図を通して同様の部分、要素又は構成要素を指す。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１に、電池セル２の概略図を示す。電池セル２は、例えばポーチ型であり、角柱形状を有するハウジング３を備える。電池セル２は、ハウジング３内に配置された電極アセンブリ１０をさらに備える。ハウジング３は、例えば、軟質材料からなる袋又はポーチである。ハウジング３は、電極アセンブリ１０の周囲を囲む硬質材料からなることもできる。

【0032】

さらに、電池セル２は、負極端子１５及び正極端子１６を備える。端子１５、１６間に電池セル２の出力電圧が供給される。端子１５、１６は、電池セル２の充電及び放電を行うためのものである。端子１５、１６はハウジング３から突出している。電極アセンブリ１０は、アノード１１、カソード１２及び該アノード１１とカソード１２の間に配置されたセパレータ１８を備える。

【0033】

アノード１１は、アノード合材２１及びアノード集電体２３を備える。アノード合材２１とアノード集電体２３は貼り合わされている。アノード集電体２３は、電気伝導性を有しており、金属、特に銅からなる。アノード集電体２３は電池セル２の負極端子１５に電気的に接続される。アノード合材２１は活物質を含む。

【0034】

カソード１２は、カソード合材２２及びカソード集電体２４を備える。カソード合材２２とカソード集電体２４は貼り合わされている。カソード集電体２４は、電気伝導性を有しており、金属、特にアルミニウムからなる。カソード集電体２４は電池セル２の正極端子１６に電気的に接続される。カソード合材２２も活物質を含む。

【0035】

図２に、ラミネートプロセスの概略図を示す。連続した第１セパレータシート４１が第１コイル６１に設けられている。連続した第２セパレータシート４２が第２コイル６２に設けられている。セパレータシート４１、４２は、コイル６１、６２から長手方向ｘに巻き出される。セパレータシート４１、４２は、長手方向ｘの広がりが短手方向の広がりよりも非常に大きい、例えば１００倍～１０００倍である平坦なテープである。短手方向とは、投影面に直交し、かつ、長手方向ｘに直交する方向である。

【0036】

第１セパレータシート４１と第２セパレータシート４２の間にカソードセグメント３２が複数配置される。カソードセグメント３２も平坦であるが、その長手方向ｘの広がりと短手方向の広がりは同程度である。例えば、カソードセグメント３２の長手方向ｘの広がりは、短手方向の広がりの２分の１～短手方向の広がりの２倍である。カソードセグメント３２は、長手方向ｘにおいて隣り合う２つのカソードセグメント３２間に間隙３４が残るように配置される。間隙２１は図３に示す。

【0037】

カソードセグメント３２は、第１セパレータシート４１に圧力をかける熱プレス部６０を用いて、第１セパレートシート４１と第２セパレータシート４２の間にラミネートされる。かくして、第１セパレータシート４１と第２セパレータシート４２が、特にカソードセグメント３２間の間隙３４において結合される。これにより、第１セパレータシート４１及び第２セパレータシート４２によってカソードセグメント３２を受ける袋が形成される。

【0038】

その後、アノードセグメント３１がセパレータシート４１、４２に複数配置され、テープ要素５０が形成される。図３に、テープ要素５０の概略図を示す。テープ要素５０は、アノードセグメント３１と、セパレータシート４１、４２と、カソードセグメント３２とを備えてなる。このとき、カソードセグメント３２が中心に配置され、該カソードセグメント３２の周囲を第１セパレータシート４１及び第２セパレータシート４２が囲んでいる。アノードセグメント３１はセパレータシート４１、４２の外側に配置されている。

【0039】

アノードセグメント３１も平坦であるが、その長手方向ｘの広がりと短手方向の広がりは同程度である。例えば、アノードセグメント３１の長手方向ｘの広がりは、短手方向の広がりの２分の１～短手方向の広がりの２倍である。アノードセグメント３１はカソードセグメント３２と同程度の広がりを有する。

【0040】

既述の通り、カソードセグメント３２は、長手方向ｘにおいて隣り合う２つのカソードセグメント３２間に間隙３４が残るように配置される。アノードセグメント３１は、第１セパレータシート４１のカソードセグメント３２とは反対の側及び第２セパレータシート４２のカソードセグメント３２とは反対の側に配置される。

【0041】

アノードセグメント３１は、第１セパレータシート４１と第２セパレータシート４２に交互に配置される。つまり、長手方向ｘにおいて、隣り合うアノードセグメント３１はセパレータシート４１、４２の反対の側に配置される。

【0042】

図４ａ、図４ｂ及び図４ｃに、図３に挙げたテープ要素５０を折り畳む際の各段階を示す。テープ要素５０は、カソードセグメント３２及びアノードセグメント３１が積層方向ｚに整列するように折り畳まれる。積層方向ｚとは、短手方向に直交し、かつ、長手方向ｘに直交する方向である。

【0043】

図４ａから始まり、テープ要素５０の、カソードセグメント３２及びアノードセグメント３１をそれぞれ１つずつ含む第１部分が１８０°折り畳まれ、残留テープ要素５０上に配置される。折り畳み方向は矢印Ａで示す。このとき、該第１部分は、残残留テープ要素５０の第２部分上に、該第１部分のカソードセグメント３２、該第１部分のアノードセグメント３１、該第２部分のカソードセグメント３２及び該第２部分のアノードセグメント３１が積層方向ｚに整列するように配置される。

【0044】

このテープ要素５０の第１折り畳み工程後、前記第１部分は、前記第２部分上に図４ｂに示すように配置されている。このとき、隣り合うアノードセグメント３１とカソードセグメント３２の間には必ずセパレートシート４１，４２が配置されている。

【0045】

図４ｃに示した第２の折り畳み工程では、前記第１部分及び前記第２部分が１８０°折り畳まれ、テープ要素５０の第３部分上に配置される。折り畳み方向はここでも矢印Ａで示す。このようなテープ要素５０の折り畳み工程が、電極アセンブリ１０が形成されるまで複数回繰り返される。

【0046】

本実施形態では、テープ要素５０は、常に、矢印Ａで示した同じ方向に折り畳まれる。代替形態では、テープ要素５０は、その都度反対の方向に折り畳むことができる。

【0047】

図５に、図１に示した電池セル２の電極アセンブリ１０の概略図を示す。電極アセンブリ１０は、積層方向ｚに整列し、都度セパレータシート４１，４２によって分離されたアノードセグメント３１とカソードセグメント３２とを交互に備えてなる。

【0048】

このとき、アノードセグメント３１によって電極アセンブリ１０のアノード１１が形成され、カソードセグメント３２によって電極アセンブリ１０のカソード１２が形成される。第１セパレータシート４１及び第２セパレータシート４２によってセパレータ１８が形成される。

【0049】

アノードセグメント３１は、図示しないアノードタブを備えており、該アノードタブは短手方向に突出している。該アノードタブはアノード集電体２３の一部である。該アノードタブは相互に電気的かつ機械的に接続される。これにより、アノードセグメント３１は、アノード１１を形成する際、電気的に並列に接続される。

【0050】

カソードセグメント３２は、図示しないカソードタブを備えており、該カソードタブは短手方向に突出している。該カソードタブはカソード集電体２４の一部である。該カソードタブは相互に電気的かつ機械的に接続される。これにより、カソードセグメント３２は、カソード１２を形成する際、電気的に並列に接続される。

【0051】

説明を目的として、具体的な実施形態を参照しながら記述してきた。しかしながら、上記の説明的議論は、すべてを包括すること或いは発明を開示した形態そのものに限定することを意図したものではない。上記の教示及び添付の請求の範囲に包含される教示を踏まえた多くの変更形態及び変形形態が可能である。上記の実施形態は、他の当業者が本発明、並びに意図する用途に適した種々の変更を加えた種々の実施形態を利用できるように本発明の原理及びその実行可能な応用を説明するために選択して説明したものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】