CH663859A5

CH663859A5 - Verfahren zur herstellung eines separators einer zylindrischen batterie.

Info

Publication number: CH663859A5
Application number: CH1308/84A
Authority: CH
Inventors: Noboru Nakanome; Setsuo Matsuo; Koji Nishishita
Original assignee: Sanyo Electric Co
Priority date: 1983-03-16
Filing date: 1984-03-15
Publication date: 1988-01-15
Also published as: GB2139408A; FR2542925B1; GB8406992D0; DE3409584A1; US4565002A; FR2542925A1; CA1224243A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Separators einer zylindrischen Batterie gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1.

In Batterien, bei denen sowohl die positive als auch die negative Elektrode zylindrisch und koaxial angeordnet sind, werden Separatoren verwendet, die zuerst zylindrisch geformt und dann an einem Ende verschlossen werden.

Um den einen Schritt zur Formung des zylindrischen Separators einzusparen, wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie vorgeschlagen, wonach ein Separator mehrere Male um eine Elektrode im Zentrum der Batterie gewickelt wurde, um dann die überstehende Partie am unteren Ende des Separators nach Verdrillen zu verschweissen, wodurch der Separator einseitig verschlossen wurde (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 41690/1979).

Bezüglich der Berührungsbedingungen zwischen der Elektrode und dem Separator, wobei der Separator nur um die Elektrode herumgewickelt wurde, ist nicht genügend, so dass ein Spalt dazwischen entsteht. Als Folge davon ergaben sich Probleme, die dadurch behoben wurden, dass die Dicke des Separators vergrössert wurde, wodurch dann aber das Nutzvolumen innerhalb der Batterie verkleinert wurde, und weil dann der Abstand zwischen den beiden Elektroden grösser wurde, nahm der innere Widerstand der Batterie zu und dadurch wurde der Wirkungsgrad der Batterie verkleinert.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das obenbeschriebene Problem zu lösen. Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruches 1 erreicht. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Weil gemäss dieser Erfindung die Elektrode und der Separator in Berührung miteinander gehalten werden, wird das Eigen-5 volumen des Separators verkleinert und der Abstand zwischen positiver und negativer Elektrode wird ebenfalls verringert, wodurch Probleme von herkömmlichen Batterien gemäss der vorgenannten Art vermieden werden.

Der Ausdruck «Zwischenlage von wenigstens einem band-lo förmigen Separator» wie er im Patentanspruch 1 verwendet wurde, heisst, dass man eine bis drei Separatorschichten in Form von Bandmaterial verwenden kann.

Nachfolgend werden einige Beispiele von Batterien, die gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurden, i5 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 schematische Schnittansichten zur Darstellung eines ersten Verfahrens zur Bildung eines Separators,

Fig. 5, 10 und 13 schematische perspektivische Ansichten einer negativen Lithium-Elektrode mit einstückig geformtem Se-20 parator,

Fig. 6 und 11 schematische Vertikalschnittansichten einer Batterie mit organischem Elektrolyt,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer zylindrischen Elektrode mit eingebuchteter Verbindungspartie,

25 Fig. 7 bis 9 perspektivische Ansichten und schematische Schnittansichten einer Ausführungsform gemäss einem Verfahren zur Formung übereinanderliegender zweischichtiger Separatorblätter, und

Fig. 14 bis 19 perspektivische Ansichten zur Darstellung von 30 Verfahren zum Verschliessen einer Endpartie eines Separators.

Ein Verfahren zur Bildung eines Separators für eine Batterie gemäss der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend für eine Batterie mit organischem Elektrolyt beschrieben.

In der Batterie ist eine zylindrische positive Elektrode, die 35 aus positivem Material, das Mangandioxid enthält (z.B. Mangandioxid/Graphit eines leitenden Materials/Polytetrafluor-äthylen als Binder im Gewichtsverhältnis 85 zu 10 zu 5) verwendet und eine zylindrische negative Elektrode aus Leichtmetall wie Lithium, Natrium oder dergleichen ist in die hohle Partie 40 der zylindrischen positiven Elektrode eingesetzt und von dieser . durch einen Separator getrennt. Als Separator ist beispielsweise Fasermaterial aus Polypropylen oder Polyäthylenfasern, poröse Filme aus Polypropylen oder Polyäthylen und dergleichen verwendet, wobei diese Materialien nicht immer benötigt werden, 45 wenn der Separator aus mehreren Schichten besteht. Als Beispiel eines Elektrolyten kann eine Lösung, die einem Mol aus Lithiumperchlorat in einem Lösungsmittel aus Propylencarbo-nat und Dimethoxyäthan bei gleichen Volumina verwendet werden.

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Beispiel 1 (mit Bezug auf Fig. 1 bis 6)

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Metallform 10 mit kreisförmiger Ausnehmung 10' (halbkreisförmige Ausnehmung gemäss diesem Beispiel) benützt, auf der eine zylindrische negati-55 ve Lithiumelektrode 2 unter Zwischenlage eines Separators 1 aus einem Polypropylenflies auf die Form gelegt. Das Material für den Separator ist länger als die negative Elektrode 2. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die negative Elektrode 2 in die Ausnehmung 10' der Metallform 10 hineingedrückt, indem ein erstes Druck-6o element A verwendet wird und der Separator 1 wird dann zu einer U-Form deformiert und befindet sich in enger Berührung mit der unteren Partie der negativen Elektrode 2. Nachdem gemäss Fig. 3 das eine Ende 1' des Separators auf den Umfang der negativen Elektrode 2 mittels eines zweiten Presselementes 65 B gepresst wurde, wird dann die andere Partie 1' ' auf den Umfang der Elektrode 2 mittels eines dritten Presselementes C gedrückt. Wie Fig. 4 zeigt, wird die überlappte Partie des Separators entweder kontinuierlich oder schrittweise verschweisst, un-

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ter Verwendung einer Ultraschallschweissmaschine D, um eine negative Elektrode 2 zu bilden, die einstückig mit dem Separator 1 geformt ist wie Fig. 5 zeigt. Für die Verwendung wird dann die über die Elektrode 2 vorstehende Partie des Separators zusammengedrückt und durch thermische Verschweissung oder dergleichen versiegelt. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer zylindrischen Elektrode mit organischem Elektrolyt, bei der die negative Lithiumelektrode 2 im Separator 1 eingeschlossen ist, wobei mit 3 ein Gehäuse bezeichnet ist, das als positiver An-schluss dient und eine positive Elektrode 4 aus Mangandioxid mit der Innenfläche berührt. Eine Dichtungskappe 5 dient als negativer Anschluss, der vom Gehäuse 3 mittels eines Isolatorringes 6 isoliert ist und das eine Ende eines negativen Verbindungselementes 7, das bis zur negativen Elektrode 2 reicht, ist an der Innenseite der Dichtungskappe 5 angeschweisst, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der negativen Elektrode 2 und dem negativen Anschluss 5 zu bilden.

Gemäss dem oben beschriebenen Formverhalten ist der Separator einstückig mit der Elektrode geformt, während der Druck auf die Elektrode ausgeübt wird, wodurch die Elektrode und der Separator eng aufeinander gepresst sind. Deshalb ist der Spalt zwischen der Elektrode und dem Separator verkleinert und die Leistungsfähigkeit der Batterie wird durch Vergrösse-rung des inneren Volumens der Batterie und Verkleinerung des inneren Widerstandes verbessert. Wenn weiches Metall wie Lithium als Elektrode verwendet ist, kann die Berührung zwischen dem Separator und der Elektrode vorzüglich hergestellt werden.

Beispiel 2 (mit Bezug auf Fig. 7 bis 11)

Zwei Separatorblätter 11' und 11" aus Polypropylenflies werden in die gewünschte Form gemäss Fig. 7 geschnitten und aufeinander gelegt und die beiden Separatorblätter werden an beiden Enden 18 und 18' einer ungefähr gelegten Mittellinie durch Ultraschallschweissung und thermische Schweissung verbunden, wodurch ein zweilagiger Separator 11 erhalten wird. Das Schweissen kann kontinuierlich oder schrittweise entlang der Verbindungslinie durchgeführt werden. Danach wird der zweischichtige Separator 11 gemäss Fig. 8 auf eine Form 20 mit halbkreisförmiger Ausnehmung 20' gelegt und eine zylindrische Lithiumelektrode 12 wird in die halbkreisförmige Ausnehmung der Metallform 20 gedrückt. Der zweilagige Separator 11 befindet sich dann in der Weise in der Metallform 20, dass die Mittellinie, die die beiden geschweissten Partien 18 und 18' verbindet, parallel zur Achse der Elektrode 12 liegt. Danach wird gemäss Fig. 9 der zweischichtige Separator 11 um die zylindrische Lithiumelektrode 12 gewickelt und angepresst und die sich überlappende Partie 19 wird mittels Ultraschall- oder thermischer Schweissung verbunden, wodurch der zweischichtige Separator 11 eng am Umfang der negativen Lithiumelektrode 12 anliegt, wie Fig. 10 zeigt.

Eine untere überstehende Partie 11'" des zweischichtigen Separators 11 wird mittels herkömmlicher Verfahrenstechnik zum Beispiel durch Schweissen nach Verdrehung oder Einschnürung verschlossen. Fig. 11 zeigt eine vertikale Schnittansicht einer zylindrischen Batterie mit organischem Elektrolyt, bei der ein Separator 11 gemäss dem oben beschriebenen Verfahren verwendet ist. In Fig. 11 bedeutet 13 ein Batteriegehäuse, das als positiver Anschluss dient, in der eine positive zylindrische Elektrode 14 aus Mangandioxid eingesetzt ist. Eine Metallkappe 15 verschliesst eine Öffnung des Batteriegehäuses 13. Ein negativer Anschlussstift 17 ist an der zentralen Öffnung der

Metallkappe 15 befestigt und gegenüber der Metallkappe durch einen Isolator 16 isoliert, und eine Leiterplatte 12' ist zwischen der negativen Lithiumelektrode 12 und der inneren Fläche des Stiftes 17 befestigt.

Entsprechend diesem Verfahren werden Separatorblätter auf einfache Weise mit der oberen Fläche der Elektrode ohne eine ungewollte Verschiebung verbunden. Weil zudem die Aussen-fläche des Separators mit Ausnahme der beiden Endpunkte der Mittellinie frei liegt, können keine ungewollten Furchen entstehen, wenn der Separator mit der Oberfläche des Elektrolyts verbunden wird.

Beispiel 3 (unter Bezugnahme auf Fig. 12 und 13)

In diesen Beispielen wurde eine zylindrische negative Elektrode 22 verwendet, die eine Verbindungseinbuchtung 22' in ihrer Längsrichtung aufweist (Fig. 12). In diesem Fall befindet sich die Überlappungspartie 21' des Separators über dieser Einbuchtung 22' und der Separator wurde an dieser Stelle ver-schweisst, wie Fig. 13 zeigt.

Mit diesem Verfahren gemäss der vorangehenden Beschreibung befindet sich also die sich überlappende Partie 21' des Separators auf der Einbuchtung 22' und dadurch werden die folgenden Vorteile erhalten: Weil die überlappende Partie 21' des Separators eine geringe Permeabilität für den Elektrolyt darstellt, ist die Reaktionswirkung der Elektrodenpartie unter der überlappten Partie 21' geringer, als wenn sich die überlappende Partie 21' neben der Einbuchtung 22' befindet. Weil jedoch die Einbuchtung 22' nur weniger aktives Material aufweist,

kann die Verminderung der Reaktionswirkung der Elektrode unterdrückt werden, wenn sich die überlappende Partie auf der Einbuchtung befindet. Zudem, weil die gesamte Oberfläche der negativen Elektrode in etwa denselben gleichbleibenden Abstand bezüglich der positiven Elektrode aufweist, wird der Wirkungsgrad von beiden Elektroden vergrössert.

Beispiel 4 (mit Bezug auf Fig. 14 bis 19)

Ein Paar plattenförmiger Falter 33, 33' mit einer V-förmigen Ausnehmung an der Vorderkante sind sich gegenüberliegend bei der Endpartie 31' eines Separators 31, der um eine zylindrische negative Elektrode 32 gewickelt ist, angeordnet, wie Fig. 14 zeigt. Das Paar Falter 33, 33' wird dann in Richtung der Pfeile bewegt, so dass die Endpartie 31' des Separators geklemmt und geschlossen wird, wie Fig. 15 zeigt. Danach wird die verschlossene Partie des Separators mittels eines Ultraschallgebers 34 versiegelt, während die Falter 33, 33' den Separator geschlossen halten, wodurch eine verschlossene Partie gemäss Fig. 16 erhalten wird.

Fig. 17 bis 19 zeigen eine andere Verschlusstechnik. In Fig. 17 ist ein Paar stabförmiger Falter 35, 35' gegen eine Endpartie 31" eines Separators an sich gegenüberliegenden Seiten angedrückt. Diese stabförmigen Falter 35, 35' werden dann zurückbewegt und ein Paar plattenförmiger Falter 36, 36' werden dann in Richtung der Pfeile bewegt, wodurch die Endpartie 31" des Separators verschlossen wird. Danach wird sie mittels eines Ultraschallsenders 37, die durch die Falter 36, 36' gemäss Fig. 18 geschlossen gehalten wird, verschweisst. Als Folge davon entsteht eine verschlossene Partie gemäss Fig. 19.

Diese dargestellte Verschlusstechnik hat insofern Vorteil,

dass eine einfache Automation möglich ist, indem die Falterpaare nicht nur die Endpartie verschliessen, sondern diese während des Schweissens verschlossen halten.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Herstellung eines Separators einer zylindrischen Batterie, gekennzeichnet durch Auflegen einer zylindrischen Elektrode auf eine metallische Form mit einer kreisförmigen Vertiefung mit Zwischenlage wenigstens eines bandförmigen Separators, der breiter ist als die Länge der Elektrode, Eindrücken der Elektrode in die genannte Vertiefung, mit Berührung des genannten Separators mit einem Teil der Peripherie der genannten Elektrode, Anpressen der beiden überstehenden Enden des Separators an die verbleibende Partie der Elektrode und Verschweissen der sich überlappenden Endpartien des Separators.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1 für einen aus mehreren Schichten bestehenden Separator, gekennzeichnet durch Aufeinanderlegen der einzelnen Separatorblätter und Verschweissen jeweils aufgelegter Separatorblätter mit den schon aufliegenden Separatorblättern an beiden Enden einer ungefähr festgelegten Mittellinie.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 für einen aus mehreren Schichten bestehenden Separator, gekennzeichnet durch Aufeinanderlegen der einzelnen Separatorblätter und durch Verschweissen der Separatorblätter miteinander an beiden Enden einer ungefähr festgelegten Mittellinie.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1 mit einer Elektrode mit einer eingebuchteten Verbindungsstelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweissen der sich überlappenden Partien des Separators an dieser Verbindungsstelle erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweissen der sich überlappenden Partien des Separators ein Endstreifen, der über die Länge der Elektrode vorsteht, mittels wenigstens eines Paares von Faltern zusammengepresst und verschlossen wird, und dass danach die verschlossene Partie des Separators durch Verschweissen versiegelt wird.