CN100495802C - 具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法，其特征在于，具有：第一工序，通过使用卷芯，卷绕正极、负极和介于两极板之间的隔离物，并固定卷绕末端，从而制作大致圆柱形的电极体；第二工序，在所述第一工序之后，一方面沿着垂直于卷轴的方向对大致圆柱形电极体进行推压，使得变形为截面大致为椭圆形，另一方面对所述变形之后的电极体沿与卷绕方向相同的方向进行旋转，从而使卷绕状态松动；以及第三工序，在所述第二工序之后，对所述电极体进行压制，制得扁平螺旋电极体。从而，可以抑制由充放电引起的极板弯曲以及随之产生的电池膨胀、循环恶化。

Description

具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法
技术领域
本发明涉及具有抑制由充放电引起的极板弯曲和随之产生的电池膨胀、循环恶化的扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法。
背景技术
近年来，便携电话、笔记本电脑、PDA等移动信息终端的小型、轻量化正在快速发展，要求作为其驱动电源的二次电池能够容易安装到上述机器的内部并且容易输出大电流。
为此，将正负极的相对面积大且容易输出大电流的扁平螺旋电极体容纳在容易安装在上述机器内部的方型外壳和层状(laminate)外包装中的非水电解质二次电池，广泛地用于上述用途。
这种非水电解质二次电池，由于因充放电引起的锂离子的吸藏·脱吸使得极板反复膨胀·收缩。可是，由于极板的膨胀·收缩受到固定扁平螺旋电极体的卷绕末端的粘结剂(粘结带)的限制，因此如图8所示极板朝向扁平螺旋电极体的内部方向膨胀，使极板产生弯曲。由于这种弯曲，存在使得电池厚度增大，同时在正极和负极之间产生间隙而加重循环恶化这样的问题。
为了解决上述问题，使用截面为扁平形状(椭圆形、多边形等)的卷芯，并且降低卷绕时施加在极板上的张力(tension)，在扁平螺旋电极体的极板之间设置空隙，使极板的膨胀在空隙中得以吸收，通过以上措施来尝试着抑制极板的弯曲。然而，存在下述问题：由于卷芯的形状是扁平的，因而不能提高卷绕速度，并且由于降低了张力因而使卷绕的品质降低，生产率恶化。
在此，专利文献1～3中提出了涉及非水电解质二次电池的技术。
专利文献1的技术中，为了吸收极板的变形应力，在与扁平状极板组(扁平螺旋电极体)的卷轴呈直角方向的截面长轴线上相邻的两个带状层叠体之间设置有空隙部分。
根据该技术，因为空隙部分吸收了极板的变形应力，所以就可以消除因极板的膨胀和收缩而引起的歪扭。然而，虽然在该技术中需要使用隔离物来制造圆柱形电极体，压成扁平状之后拔出隔离物的工序，但是在使用隔离物的状态下难以卷绕极板，并且存在生产率恶化这样的问题。
专利文献2的技术中，使用与电解液接触后膨胀、溶解或者分解的材料作为电池元件(螺旋电极体)的卷绕末端的固定用粘结剂。
根据该技术，因为粘结剂膨胀、溶解或分解而引起电池元件的卷绕松驰，因此降低了施与元件构成材料的应力，可以避免由这些因素引起的电池特性的降低。
然而，在该技术中，由于电池元件的卷绕松驰，从而存在电池元件中正负极的相对状态变差，循环特性等电池特性恶化这样的问题。
专利文献3的技术中，作为电池元件(螺旋电极体)的固定用粘结剂，所使用的材料在电解液中实质上不溶解、不分解，并且与电解液接触后使电池元件固定能力降低。
根据该技术，因为粘结剂与电解液接触后降低了电池元件的固定能力，引起电池元件的卷绕松驰，所以降低了施与元件构成材料的应力，由此可以避免由这些因素引起的电池特性的降低，并且能够防止因粘结剂溶解在电解液中而污染电解液。然而，该技术也与上述专利文献2中涉及的技术一样，存在循环特性等电池特性恶化这样的问题。
专利文献1：特开2003—157888号公报(权利要求范围，0005—0009段)；
专利文献2：特开平11—121044号公报(0004段、0005段)；
专利文献3：特开平11—176476号公报(0004—0009段)。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于抑制由充放电引起的极板弯曲。
为了解决上述问题，本发明的特征在于，具有：第一工序，通过使用卷芯，卷绕正极、负极和介于两极板之间的隔离物，并且固定卷绕末端，从而制作圆柱形的电极体；第二工序，在所述第一工序之后，一方面沿着垂直于卷轴的方向对圆柱形电极体进行推压，使得变形为截面为椭圆形，另一方面对变形之后的电极体沿与卷绕方向相同的方向进行旋转，从而使卷绕状态松动；以及第三工序，在所述第二工序之后，对所述电极体进行压制，从而制得扁平螺旋电极体。
在上述构成中，具有一方面沿垂直方向对卷绕末端固定的大致圆柱形电极体进行压制使其截面变形成大致为椭圆形、另一方面沿着与卷绕方向相同的方向进行旋转的工序。通过该工序，能够在不丧失电极体的卷绕末端的固定状态的情况下而仅松动极板的卷绕状态。此后，当通过压制形成扁平螺旋电极体时，在扁平螺旋电极体的拐角部分附近移动松动(游隙)，在极板膨胀的情况下，极板朝向填补该松动的方向变形，因此可以防止极板的弯曲。由此，能够抑制电池厚度增大，由于即使反复进行充放电循环，在正负极之间也不会生成间隙，所以减弱了循环的恶化。
另外，因为在电极体卷绕末端的固定功能没有丧失，因此正负极的相对状态没有变差。
另外，由于采用了由通常方法制得卷绕成圆柱形的电极体之后，在与卷绕方向相同的方向上进行旋转这样简便的通常的方法，所以生产率优良。
在此，除了大致为圆柱形和正圆柱形之外，还包括长轴和短轴之比为1.5以内的椭圆形以及其他与之类似的形状。另外，卷绕时使用的卷芯除了截面为正圆形之外，也可以使用截面的长轴和短轴之比为1.5以内的形状。
在上述构成中，可以在除去所述卷芯之后进行所述第二工序。
在上述构成中，可以在所述卷芯的直径变小之后进行所述第二工序。
在第二工序中，虽然需要沿着垂直于卷轴的方向推压电极体以使其截面变形为大致椭圆形，但是卷绕时使用的卷芯会起到妨碍变形的作用。然而，上述两种构成中，因为卷绕时使用的卷芯部分可以是中空的，所以不会产生这样的问题。
在此，为了使卷芯直径变小，也可以替换卷绕后直径小的卷芯，通过使用具有空隙的卷芯卷绕之后，产生形变使得填充卷芯的空隙，也可以使直径变小。
在上述构成中，所述第二工序，一方面通过用平行的两个部件夹持推压电极体使其变形成截面大致为椭圆形，另一方面沿着与卷绕方向相同的方向旋转电极体以使卷绕状态松动。
在第二工序中，作为沿着垂直于卷轴的方向推压电极体以使截面变形成大致为椭圆形的方法，当使用两个平行的部件夹持推压电极体的结构时，就可以廉价且很容易地制得扁平螺旋电极体了。
另外，在上述构成中，所述两个平行的部件是旋转体。
如果所述两个平行的部件是旋转体，则可以很容易地进行上述第二工序。
另外，在上述构成中，沿垂直于中心轴的方向切断所述扁平螺旋电极体时，其截面形状中从位于长轴上螺旋电极体最内周的内侧面到长轴上最外周表面的距离D1，和从所述最内周螺旋电极体内侧面到所述截面形状中短轴上的最外周表面的最短距离D2之间，满足D1/D2≥1.1。
参考附图对上述构成进行说明。图1是表示有关本发明电池的扁平螺旋电极体的图，图1(a)为沿垂直于中心轴的方向切断时的截面图，图1(b)为图1(a)的部分放大图。
在图1(b)中，从长轴上螺旋电极体最内周的内侧面A到长轴上最外周表面B的距离为D1，从上述内侧面A到上述截面形状中短轴上最外周表面C的最短距离为D2。而且，D1/D2的值变大，则意味着松动(游隙)1b变大。
当上述D1/D2不足1.1时，则拐角部分1a的极板间存在的松动1b过小，极板可能会弯曲。上述D1/D2优选为1.1以上，更优选为1.15以上。
根据上述本发明，可得到能够防止极板弯曲，并且抑制电池厚度增大和循环恶化的二次电池。
附图说明
图1是表示有关本发明电池的扁平螺旋电极体的图，图1(a)为截面图，图1(b)为图1(a)的部分放大图。
图2为本发明中使用的松动加工装置的概略图。
图3为表示通过松动加工引起的负极片(tab)移动的移动量的立体图。
图4为表示本发明电池的极板膨胀形态的概念图。
图5为表示本发明电池充满电之后的扁平螺旋电极体的状态的截面图。
图6为表示其他形式的松动加工装置的概略图。
图7为表示有关比较例1的扁平螺旋电极体的图，图7(a)为截面图，图7(b)为图7(a)的部分放大图。
图8为表示比较例1的极板膨胀形态的概念图。
图9为表示比较例1充满电之后的扁平螺旋电极体的状态的截面图。
图中：1—电极体；2—负极片；10—松动加工；11—旋转辊。
具体实施方式
根据附图以非水电解质二次电池为例对用于实施本发明的最佳方式进行说明。而且，本发明并不局限于下述形式，可以在不改变其主旨的范围内做出适当变更来实施。
图1是有关本发明电池的扁平螺旋电极体的示意图，图1(a)为截面图，图1(b)为扁平螺旋电极体的拐角部分的部分放大图。
如图1所示，本发明的扁平螺旋电极体1在其拐角部分1a处仅有一点点的松动(游隙)1b。而且，D1/D2为1.14。
上述非水电解质电池可以由公知材料、方法制作。例如，单独使用或混合两种以上使用钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等含锂过渡金属复合氧化物作为正极材料，单独使用或混合两种以上使用石墨、焦炭等含碳材料、锂合金、金属氧化物等作为负极材料，单独使用或混合两种以上使用碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯等碳酸酯类、γ—丁内酯等酯类、1，2—二甲氧基乙烷等醚类作为非水溶剂，单独使用或混合两种以上使用LiN(CF3SO2)2、LiPF6等作为电解质盐。
下面，利用实施例对本发明进行更详细的说明。
(实施例1)
<电极体的制作>
使用截面为圆形的卷芯，卷绕通过公知方法制得的正极和安装有负极片2的负极以及介于二者之间的隔离物，然后通过带子(tape)固定卷绕末端，除去卷芯，从而制得圆柱形电极体1(直径16.5mm)。如图2所示，一方面使用具有平行设置的两个旋转辊11的松动加工装置10，将该电极体1推压成其截面为短径为15.0mm(约为原直径的91％)的大致的椭圆形，另一方面沿与卷绕方向相同的方向旋转(松动加工)该电极体1。此时，图3中示出的负极片2的移动距离(松动量)为6.2mm。
此后，沿着与负极片的宽度方向垂直的方向压制得到扁平螺旋电极体之后，插入到长34.6mm×宽23.8mm×厚5.9mm的铝制外壳内，注入公知的电解液，然后对其封口，制作5个有关实施例1的非水电解质二次电池。而且，D1/D2平均为1.14(标准离差1.12～1.18)。
(比较例1)
除进行松动加工之外，其他与上述实施例1相同，制作5个有关比较例1的非水电解质二次电池。而且，D1/D2平均为1.05(标准离差1.01～1.07)。
〔电池厚度增大量试验〕
对通过上述方式制作的各个电池进行0％、50％、100％的充电，测定其厚度。其试验结果在下面的表1中示出。而且，检测个数分别为5。
〔循环电池厚度增大量试验〕
对通过上述方式制作的各个电池，按照以下条件进行充放电循环，500次循环完成后，进行0％、100％充电，测定其厚度。其结果在下面的表1中示出。而且，检测个数分别为3。
<充放电循环条件>
充电：以恒定电流1It(600mA)充电到4.2V，以恒压4.2V充电总计2.5小时，
放电：以恒定电流1It(600mA)放电到2.75V终止。
〔循环特性〕
测定500次循环结束之后电池的放电容量，通过下式1测定循环特性。该试验结果在下面的表1中示出。而且，检测个数分别为3。
循环特性(％)＝500次循环后的放电容量÷初始放电容量×100。
[表1]
Figure C200510003452D00091
上述表1中，括号外的数值表示平均值，括号内的数值表示标准离差。
从上述表1可以看到，实施例1中电池的厚度比比较例1中电池的厚度薄0.02～0.11mm。
这是接下来要考虑的事情。在实施例1中，因为进行松动加工，所以如图1所示，压制后在扁平螺旋电极体的拐角部分1a的极板之间有松动(游隙)1b。因此，如图4所示极板朝向填充空隙的方向膨胀。因此，如图5所示，充电后的极板没有产生弯曲。因此，电池厚度没有因弯曲而增大。
另一方面，在比较例1中没有进行松动加工，如图7所示，由于在极板之间没有松动(游隙)，所以通过固定电极体的卷绕末端的带子，如图8所示限制了极板朝向电极体的内部方向膨胀，并且如图9所示极板弯曲。由于该弯曲使得电池厚度增大。
另外，可以看出实施例1的循环特性为90.1％，比比较例1的87.2％高出2.9％。
这是接下来要考虑的事情。在实施例1中，如图5中所示，极板没有弯曲，正负极之间没有间隙地相对。因此，充放电顺利地进行，循环恶化变小。
另一方面，在比较例1中，如图9所示极板弯曲，在弯曲部分中正负极之间产生了间隙X。因为该间隙X阻碍了充放电的进行，所以使循环特性恶化严重。
(其他事项)
本发明可以适用于使用层状外包装的电池。
另外，本发明可以适用于使用聚合物电解质等的固体电解质的电池。
另外，也可以安装正极片，来代替负极片。
另外，可以通过考虑极板厚度、卷绕圈数、由充放电引起的极板厚度的变化量来调节松动加工中的松动量，使得充放电循环不产生弯曲。
另外，松动加工中推压引起的变形量优选为相对大致圆柱形的电极体直径的70～95％的范围内。
另外，如图6所示，在使用有间隙的卷芯卷绕电极体之后，卷芯的直径变小，用两个张力辊(tension roller)将电极体推压成截面大致椭圆形，同时沿着卷绕方向旋转卷芯，张力辊能够从动于该旋转，由此可以进行电极体的松动加工。
此外，如果是具有扁平螺旋电极体并且充放电时极板体积发生变化这样的二次电池，本发明的制造方法也可以得到很好的效果。虽然在上述实施例中制作了锂离子电池，但是也可以用于镍镉电池、镍氢电池等。
产业上的可利用性
如以上说明所述，根据本发明，用公知的方法制作大致圆柱形的电极体，通过沿着与卷轴垂直的方向推压该电极体使得截面变形成大致椭圆形、同时朝着与卷绕方向相同的方向旋转这样简单的方法，就能够获得可以防止极板弯曲并且可以抑制随之产生的电池厚度增大、循环恶化这样的优良效果。因而，具有很大的产业可利用性。

Claims (5)

1、一种具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法，其特征在于，具有：
第一工序，通过使用卷芯，卷绕正极、负极和介于两极板之间的隔离物，并且固定卷绕末端，从而制作圆柱形的电极体；
第二工序，在所述第一工序之后，一方面沿着垂直于卷轴的方向对圆柱形电极体进行推压，使得变形为截面为椭圆形，另一方面对所述变形之后的电极体沿与卷绕方向相同的方向进行旋转，从而使卷绕状态松动；以及
第三工序，在所述第二工序之后，对所述电极体进行压制，从而制得扁平螺旋电极体。
2、根据权利要求1所述的具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法，其特征在于：
所述第二工序，在除去所述卷芯之后进行。
3、根据权利要求1所述的具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法，其特征在于：
所述第二工序，在所述卷芯直径变小之后进行。
4、根据权利要求1所述的具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法，其特征在于：
所述第二工序，一方面通过用平行的两个部件夹持并推压电极体使其变形成截面为椭圆形，另一方面沿着与卷绕方向相同的方向旋转电极体以使卷绕状态松动。
5、根据权利要求1所述的具有扁平螺旋电极体的二次电池的制造方法，其特征在于：
在沿垂直于中心轴的方向切断所述扁平螺旋电极体时，其截面形状中从位于长轴上螺旋电极体最内周的内侧面到长轴上最外周表面的距离D1，和从所述最内周螺旋电极体内侧面到所述截面形状中短轴上的最外周表面的最短距离D2之间，满足D1/D2≥1.1。
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