JP2006278184A

JP2006278184A - 角型電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006278184A
Application number: JP2005096847A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 広一佐藤; Tomohiko Yokoyama; 智彦横山; Naoya Nakanishi; 直哉中西; Takaaki Ikemachi; 隆明池町
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】巻き取り時や圧縮成型時の作業時間を短縮することにより、製造コストの低減を図りつつ、圧縮成型後の巻き取り電極体の復帰力を抑制することにより、電池缶が膨れるのを抑えることができる角型電池及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】正極３１と負極３３とがセパレータ３２を介して巻回、加圧された長円形状の巻き取り電極体３が、外装缶１内に収納された角型電池において、
上記巻き取り電極体３における幅狭方向の電極厚みＬ５に対する幅広方向の電極厚みＬ４の比率（Ｌ４／Ｌ５）が、１．２未満に規制されることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、正極と負極とがセパレータを介して巻回、加圧された長円形状の巻き取り電極体が、外装缶内に収納された角型電池及びその製造方法に関するものである。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の電子機器の小型軽量化が進んでおり、これに伴って、電子機器に用いられる電池の小型軽量化が求められるようになってきた。この場合、角型電池は円筒型電池と比べて収納効率に優れるので、広く使用されるようになってきた。
ここで、上記角型電池の角型外装缶内に収納される巻き取り電極体の作製方法としては、以下に示すような方法が知られている。

（１）下記特許文献１に示されるように、長尺シート状の正極と、長尺シート状の負極と、これら両極を絶縁するセパレータとを、平板状の巻き芯を用いて巻回し、その後この巻き芯を抜き取る事により長円状の巻き取り電極体を作製する方法。
（２）上記（１）と同様の正負両極と、セパレータとを、断面円形状の巻き芯を用いて巻回し、この巻き芯を抜き取った後、電極体を直径方向から押しつぶして断面形状を長円状にして、巻き取り電極体を作製する方法。また、下記特許文献２に示すように、巻き取り電極体を直径方向から押しつぶす際に、高温圧縮成型する方法も知られている。

特開平６−９６８０１号公報

特開平１０−３０２８２７号公報

しかしながら、上記従来技術では、以下に示すような課題を有していた。
（１）の技術の課題
（１）の技術では、テンションコントロールが困難であるということから、円筒形状に巻き取る場合に比べて巻き取り速度が遅くなるため、巻き取り時間がかかってしまい、角型電池の製造コストが高騰するという課題を有していた。

（２）の技術の課題
（２）の技術では、円形状の巻き取り電極体をダイレクトに長円形状にするため、所定の厚みにまで圧縮成型するのに長時間を要すると共に、圧縮成型後の巻き取り電極体が円形状に復帰しようとする力が働いて、巻き取り電極体を収納している電池缶が膨れるという課題を有していた。このような課題は、特に、巻き数が多く大電流充放電が必要な大型電池において顕著である。

本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、巻き取り時や圧縮成型時の作業時間を短縮することにより、製造コストの低減を図りつつ、圧縮成型後の巻き取り電極体の復帰力を抑制することにより、電池缶が膨れるのを抑えることができる角型電池及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、正極と負極とがセパレータを介して巻回、加圧された長円形状の巻き取り電極体が、外装缶内に収納された角型電池において、上記巻き取り電極体における幅狭方向の電極厚みに対する幅広方向の電極厚みの比が、１．２未満に規制されることを特徴とする。
上記構成であれば、長円形状の巻き取り電極体の空洞部分における形状がより幅広形状となるので、円筒形状に復帰しようとする力が小さくなって、電池缶膨れが緩和されることになる。

請求項２記載の発明は請求項１記載の発明において、上記巻き取り電極体における巻回数が４０回以上であることを特徴とする。
上記構成の如く、大容量電池では、高出力を達成するために塗布厚みを薄くしているが、巻回数が多い（通常、４０回以上）ためにより膨らみの影響が出る可能性が高いが、請求項１記載の構成であれば、円筒形状に復帰しようとする力が小さくなって、電池缶膨れが緩和される。

また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項３記載の発明は、中心部に空洞部を残した状態で、正極と負極とをセパレータを介して巻回して渦巻状の巻き取り電極体を作製する第１ステップと、上記巻き取り電極体の軸から離れる方向に上記空洞部を広げる第２ステップと、上記巻き取り電極体を外方から圧縮して、巻き取り電極体を長円形状に成型する第３ステップと、上記巻き取り電極体を外装缶内に収納する第４ステップと、を有することを特徴とする角型電池の製造方法。

上記方法の如く、中心部に空洞部を残した状態で渦巻状の巻き取り電極体を作製する第１ステップの後に、巻き取り電極体の軸から離れる方向に空洞部を広げる第２ステップを有しているので、第３ステップの圧縮成型時には、巻き取り電極体の最内周部が長円形状となっている。したがって、第４ステップにおいて巻き取り電極体を外装缶内に収納した後において、巻き取り電極体が円筒形状に復帰しようとする力が小さくなるので、電池缶膨れが緩和される。

請求項４記載の発明は請求項３記載の発明において、上記第１ステップにおける巻回数が４０回以上であることを特徴とする。
上記方法であれば、請求項２記載の作用効果と同様の作用効果を奏する。

請求項５記載の発明は請求項３又は４記載の発明において、上記第２ステップにおいて、２本の押し広げ部材を空洞部内の巻き取り電極体に当接し、上記巻き取り電極体の軸から離れる方向に上記空洞部を広げることを特徴とする。
２本の押し広げ部材により巻き取り電極体を押し広げるだけで、巻き取り電極体の最内周部が長円形状となるので、第２ステップの工程を容易に実行することができる。

請求項６記載の発明は請求項５記載の発明において、上記押し広げ部材における巻き取り電極体と接触する部分が円弧又は楕円状をなすことを特徴とする。
上記の如く、押し広げ部材における巻き取り電極体と接触する部分が円弧又は楕円状であれば、第２ステップにおいて巻き取り電極体が破損するのを抑制できる。

本発明によれば、巻き取り時や圧縮成型時の作業時間を短縮することにより、製造コストの低減を図りつつ、圧縮成型後の巻き取り電極体の復帰力を抑制することにより、電池缶が膨れるのを抑えることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の内容を、図１〜図４に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の最良の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。

図１は本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は巻き取り電極体の分解斜視図、図４（ａ）〜（ｄ）は巻き取り電極体の製造工程説明図である。
図１に示すように、有底方形筒状をなす外装缶１とこの外装缶１の開口部にレーザ溶接法により固定された封口板２とにより構成される収納空間内には、長円形状の巻き取り電極体３が配置されている。

上記巻き取り電極体３は、図３に示すように、それぞれ帯状の正極３１と負極３３の間に帯状のセパレータ３２を介在させて、これらを渦巻き状に巻回し、更に広げ工程、加圧肯定等を経て長円形状になるように構成されている。上記正極３１は、アルミニウム箔からなる帯状芯体３５の両面にリチウム複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）からなる正極活物質３４を塗布して構成され、上記負極３３は、銅箔からなる帯状芯体３７の両面に炭素材料を含む負極活物質３６を塗布して構成されている。また、上記セパレータ３２には、非水電解液が含浸されている。

ここで、上記正極３１には、正極活物質３４の塗布されている塗工部と、正極活物質の塗布されていない非塗工部とが形成されている。又、負極３３にも、負極活物質３６の塗布されている塗工部と、負極活物質の塗布されていない非塗工部とが形成されている。正極３１及び負極３３は、それぞれセパレータ３２上に幅方向へずらして重ね合わせ、正極３１及び負極３３の前記非塗工部をセパレータ３２の両端縁からそれぞれ外側へ突出させた状態で、これらを渦巻き状に巻き取ることによって巻き取り電極体３が構成される。

この結果、該巻き取り電極体３においては、巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、正極３１の非塗工部の芯体３８が、セパレータ３２の一方の端縁よりも外方へ突出し（以下、このような正極における突出した芯体部分を正極側突出芯体３９ａと称することがある）、他方の端部では、負極３３の非塗工部の芯体３９が、セパレータ３２の他方の端縁よりも外方へ突出した（以下、このような負極における突出した芯体部分を負極側突出芯体３９ｂと称することがある）構造となっている。

上記正極側突出芯体３９ａには、図２に示すように、正極集電部材４が取り付けられており、この正極集電部材４は前記封口板２に固定された正極端子１０と正極リード板１８を介して電気的に接続されている一方、上記負極側突出芯体３９ｂは、負極集電部材５が取り付けられており、この負極集電部材５は前記封口板２に固定された負極端子１１と負極リード板１９を介して電気的に接続されている。尚、上記正極端子１０は絶縁パッキング６を介してナット７により封口板２に固定され、上記負極端子１１は絶縁パッキング８を介してナット９により封口板２に固定されている。

上記封口板２は板状をなし、略中央部には安全弁１５と注液口１６とが設けられている。上記安全弁１５は、他の部位より薄肉となっているドーム状をなし、電池内圧力が所定値を超えた場合には、安全弁１５が破砕して、電池内のガスを電池外に放出する構成である。また、上記注液孔１６には、電池内を密閉するための注液栓１７が嵌め込まれている。

ここで、上記構造のリチウムイオン二次電池を、以下のようにして作製した。
・正極の作製
先ず、正極活物質としての平均粒径５μｍを有するリチウム複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）の粉末と導電剤としての人造黒鉛とを質量比９:１で混合して、正極合剤を得た。次に、粘着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解させて、ＮＭＰ溶液を調製した後、上記正極合剤と上記ポリフッ化ビニリデンとの質量比が９５：５となるように、上記正極合剤と上記ＮＭＰ溶液とを混合して、スラリーを調製した。その後、このスラリーを正極芯体となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布し（但し、アルミニウム箔の幅方向の端部には、スラリーを塗布しない一定幅の非塗工部を設けている）、更に、１５０℃で２時間の真空乾燥を施すことにより正極３１を作製した。

・負極の作製
先ず、炭素塊（ｄ₀₀₂値＝３．３５６Å；Ｌｃ値＞１０００)に空気流を噴射して粉砕し、炭素粉末を作製した。次に、結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮＭＰに溶解させてＮＭＰ溶液を調製し、上記炭素粉末と上記ポリフッ化ビニリデンとの質量比が８５:１５となるように混練してスラリーを調製した。次いで、このスラリーを負極芯体となる厚さ２０μｍの銅箔の両面にドクターブレード法により塗布し（但し、銅箔の幅方向の端部には、スラリーを塗布しない一定幅の非塗工部を設けている）、更に、１５０℃で２時間の真空乾燥を施すことにより負極３３を作製した。

・電解液の調製
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比１：１の割合で混合した溶媒に、ＬｉＰＦ₆をｌｍｏｌ／Ｌの割合で溶解させて、電解液を調製した。

・電池の組立
先ず、図４（ａ）に示すように、直径Ｌ１＝２０ｍｍの巻芯２１に、イオン透過性のポリプロピレン製微多孔膜からなるセパレータ３２を数回巻いた後、セパレータ３２が正極３１と負極３３との間に介在する様に、セパレータ３２、正極３１、セパレータ３２及び負極３３の４枚を重ね合わせて、これらを渦巻き状に６０回巻回した後、巻芯２１を抜き取って、巻き取り電極体３を作製した（巻き取り電極体の直径Ｌ２＝４０ｍｍ）。この際、正極３１及び負極３３は、それぞれセパレータ３２上に幅方向へずらして重ね合わせ、正極３１及び負極３３の非塗工部をセパレータ３２の両端縁からそれぞれ外側へ突出させた状態で、これらを巻き取った。次に、同図（ｂ）に示すように、押し広げ部材である２本の円柱状の軸２２（直径Ｌ３＝５ｍｍ）を巻き芯穴２３に挿入し、２本の軸を左右に広げる事により、同図（ｃ）に示すように、円筒状の巻き取り電極体３を長円形状にした。その後、同図（ｄ）に示すように、圧縮成型を行って、所定の寸法にした。

しかる後、上記巻き取り電極体３における正極側突出芯体３９ａに正極集電部材４を取り付けると共に、負極側突出芯体３９ｂに負極集電部材５を取り付けた。これと並行して、絶縁パッキング６を介してナット７により正極端子１０を封口板２に固定すると共に、絶縁パッキング８を介してナット９により負極端子１１を封口板２に固定した後、両端子１０、１１に、各々、正極リード板１８、負極リード板１９を取り付けた。

この後、これら正極リード板１８と負極リード板１９とに、各々、上記正極集電部材４と負極集電部材５とを溶接した。次いで、この状態の巻取り電極体３を外装缶１内に収納するとともに、封口板２を外装缶１の開口部に被せて、封口板２を外装缶１に溶接した。最後に、封口板２の注液孔１６から電解液を注入した後、注液孔１６を注液栓１７によって封止することにより、図１に示す状態のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例）
実施例としては、前記発明を実施するための最良の形態で示したリチウムイオン二次電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａと称する。

（比較例）
図５（ａ）（ｂ）に示すように、巻き取り電極体３を作製した後に圧縮成型を行う（圧縮成型を行う前に軸を用いて巻き取り電極体３を左右に広げる工程を設けない）こと以外は本発明電池と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘと称する。

（実験１）
上記本発明電池Ａと比較電池Ｘとにおいて、各電池における電池作製直後の電池缶の厚みと、１日経過後の電池缶の厚みとを測定し、１日経過後の電池缶の膨れ量を算出したので、その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、本発明電池Ａは電池膨れ量が０．１ｍｍで、殆んど膨れなかったのに対して、比較電池Ｘは電池膨れ量が０．６ｍｍで、大きく膨れていることが認められる。これは、本発明電池Ａの巻き取り電極体では、圧縮成型する前に巻き取り電極体を巻き芯穴部から左右に広げ長円形状にしているため、圧縮成型後の厚み復帰が緩和されるのに対して、比較電池Ｘの巻き取り電極体では、円筒状の巻き取り電極体を作製した後に直接圧縮成型しているので、圧縮成型後の厚み復帰が緩和されないという理由によるものと考えられる。また、本発明電池Ａは比較電池Ｘに比べて、圧縮成型して所定の厚みにする時間も短縮できるという利点もある。

（実験２）
上記本発明電池Ａと比較電池Ｘにおいて、圧縮成型後の巻き取り電極体における幅狭方向の電極体厚み（図６におけるＬ５）に対する幅広方向の電極体厚み（図６におけるＬ４）の比率（Ｌ４／Ｌ５であり、以下、電極体厚み比率と称することもある）について調べたので、その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、本発明電池Ａでは、電極体厚み比率が１．０５と小さいのに対して、比較電池Ｘでは、電極体厚み比率が１．２〜１．２５と大きくなっていることが認められる。これは、比較電池Ｘでは、圧縮成型する前に巻き取り電極体を巻き芯穴部から左右に広げ長円形状にしていないため、圧縮成型時に幅広方向の内周部における電極に緩みが生じるのに対して、本発明電池Ａでは、圧縮成型する前に巻き取り電極体を巻き芯穴部から左右に広げ長円形状にしているため、圧縮成型時に幅広方向の内周部における電極に緩みが生じ難くなるという理由によるものと考えられる。
また、上記のような電極体厚み比率であれば、本発明電池Ａは比較電池Ｘに比べて、長円形状の巻き取り電極体の空洞部分における形状がより幅広となるので（図６におけるＬ６が大きくなるので）、円筒形状に復帰しようとする力が小さくなる。したがって、電池の膨れが抑制されることになる。

（実験３）
上記本発明電池Ａと比較電池Ｘにおいて、圧縮成型直後の幅狭方向の電極体総厚み（図７におけるＬ７）と、１日経過後の幅狭方向の電極体総厚みとを測定し、下記式（１）で示す厚み復帰率について調べたので、その結果を表３に示す。
厚み復帰率＝（１−[圧縮成型直後の幅狭方向の電極体総厚み／１日経過後の幅狭方向の電極体総厚み]）×１００（％）・・・（１）

表３から明らかなように、本発明電池Ａでは、厚み復帰率が８％と小さいのに対して、比較電池Ｘでは、厚み復帰率が１５％と大きくなっていることが認められる。これは、実験２と同様の理由であるが、別言すれば、比較電池Ｘでは、圧縮成型する前に巻き取り電極体を巻き芯穴部から左右に広げ長円形状にしていないため、圧縮成型後に幅広方向のストレスが緩和されないのに対して、本発明電池Ａでは、圧縮成型する前に巻き取り電極体を巻き芯穴部から左右に広げ長円形状にしているため、圧縮成型後に幅広方向のストレスが緩和されるという理由によるものと考えられる。
上記の如く、本発明電池Ａは比較電池Ｘに比べて厚み復帰率が小さいので、電池の膨れが抑制される。

〔その他の事項〕
（１）上記実施例では、押し広げ部材（軸２２）として円柱状のものを用いたが、このようなものに限定するものではなく、板状のものであっても良い。但し、板状のものを用いる場合には、巻き取り電極体の破損を防止すべく、巻き取り電極体と接触する部分が円弧又は楕円状であることが望ましい。また、押し広げ部材が円柱状である場合には、直径は５ｍｍに限定するものではなく、３〜６ｍｍ程度であれば良い。

（２）本発明を適用できる電池としては、上記リチウムイオン二次電池に限定するものではなく、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池といった他の種類の二次電池、或いは、乾電池、リチウム電池などの一次電池に対しても幅広く適用することができる。

本発明は、例えば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の駆動電源のみならず、電気自動車やハイブリッド自動車の車載用電源等の大型電池に適用することもできる。

本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の斜視図である。図１のＡ−Ａ線矢視断面図である巻き取り電極体の分解斜視図である。巻き取り電極体の製造工程説明図である。比較電池の巻き取り電極体の製造工程説明図である。幅狭方向の電極体厚みと幅広方向の電極体厚みとを示す説明図である。幅狭方向の電極体総厚みを示す説明図である。

符号の説明

１：外装缶
３：巻き取り電極体
３１：正極
３２：セパレータ
３３：負極

Claims

正極と負極とがセパレータを介して巻回、加圧された長円形状の巻き取り電極体が、外装缶内に収納された角型電池において、
上記巻き取り電極体における幅狭方向の電極厚みに対する幅広方向の電極厚みの比が、１．２未満に規制されることを特徴とする角型電池。
上記巻き取り電極体における巻回数が４０回以上である、請求項１記載の角型電池。
中心部に空洞部を残した状態で、正極と負極とをセパレータを介して巻回して渦巻状の巻き取り電極体を作製する第１ステップと、
上記巻き取り電極体の軸から離れる方向に上記空洞部を広げる第２ステップと、
上記巻き取り電極体を外方から圧縮して、巻き取り電極体を長円形状に成型する第３ステップと、
上記巻き取り電極体を外装缶内に収納する第４ステップと、
を有することを特徴とする角型電池の製造方法。
上記第１ステップにおける巻回数が４０回以上である、請求項３記載の角型電池の製造方法。
上記第２ステップにおいて、２本の押し広げ部材を空洞部内の巻き取り電極体に当接し、上記巻き取り電極体の軸から離れる方向に上記空洞部を広げる、請求項３又は４記載の角型電池の製造方法。
上記押し広げ部材における巻き取り電極体と接触する部分が円弧又は楕円状をなす、請求項５記載の角型電池の製造方法。