CN103748733B - 锂离子二次电池和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于，提供锂离子二次电池（1）和其制造方法，该锂离子二次电池（1）能够在电池容器（2）与发电元件（3）之间简单地插装绝缘保护膜（41），容易地实现绝缘保护膜（41）的安装操作的自动化，具有生产性优异的构造。本发明的锂离子二次电池（1）是电池容器（2）与发电元件（3）之间电绝缘的锂离子二次电池，其特征在于：在发电元件（3）上卷装有片状的绝缘保护膜（41）。
Description
技术领域
本发明涉及例如车辆等中使用的锂离子二次电池。
背景技术
一直以来，作为能够得到比圆筒型电池高的体积密度的电池，已知有方形电池。方形电池是在方形电池容器中容纳有作为发电元件的扁平的卷绕电极体。扁平的卷绕电极体通过将在端部形成有正极未涂敷部（正极箔露出部）的带状正极板和在端部形成有负极未涂敷部（负极箔露出部）的负极板，以正极未涂敷部和负极未涂敷部相互成为相反方向的方式，即配置于卷绕轴方向一侧和另一侧的方式，在经由隔膜被绝缘的状态下重叠卷绕而构成。
卷绕电极体在集束（形成束）了正极未涂敷部的正极集电体层叠部接合有正极连接端子，且在集束了负极未涂敷部的负极集电体层叠部接合有负极连接端子。正极连接端子和负极连接端子与例如在电池容器的外侧配置于电池盖等电池容器的同一面上的正极外部端子和负极外部端子分别导通连接，具有电池容器电中立而形成的构造，即电池容器与卷绕电极体绝缘的构造。
在这种方形电池中，提案有如下各种电池，即，为了使位于电池内部的卷绕电极体外周的正极部和负极部不会通过电池容器的内壁而短路，且为了在将卷绕电极体插入电池容器时，卷绕电极体的表面不受损伤，在卷绕电极体和电池容器的内壁之间夹装有绝缘性片材或膜而进行保护。
例如，已知下述结构，绝缘片材具有：形成与卷绕电极体的扁平面相对的一对宽幅面的一对宽幅面形成部；存在于该一对宽幅面形成部之间的部分即形成与电池壳的底面相对的底面的底面形成部；和分别存在于上述一对宽幅面形成部的两侧的部分即形成电池壳的宽幅面间的窄侧面的两对窄侧面形成部，配置在弯曲成袋状的内侧的窄侧面形成部，形成为比配置于外侧的窄侧面形成部更小，以便容易地插入电池外装罐（例如参照专利文献1）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：（日本）特开2010－287456号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，专利文献1所示的二次电池采用将绝缘性片材复杂地弯曲而形成箱状，在其中容纳卷绕电极体再容纳于外装罐中的结构。在这样箱状的绝缘性片材的情况下，需要如下工序：（1）将片材弯曲的工序；（2）容纳卷绕电极体的工序；（3）以没有位置偏差的方式插入外装罐中的工序。特别是在片材的弯曲中，存在难以自动化且生产性差的问题。
本发明是鉴于上述现有问题而开发的，其目的在于，提供一种能够在电池容器与发电元件之间简单地插装绝缘部件，容易实现绝缘部件的安装操作的自动化，具有生产性优异的构造的锂离子二次电池和其制造方法。
解决技术问题的技术方案
解决上述课题的本发明的锂离子二次电池，电池容器和容纳于电池容器的发电元件之间被绝缘，该锂离子二次电池的特征在于：在发电元件上卷装有片状的绝缘保护膜。
发明效果
根据本发明，不需要像现有技术那样复杂地弯曲绝缘部件而收纳发电元件，能够容易地确保与电池容器的绝缘并且容易地进行发电元件的保护，能够提高生产性。另外，上述以外的课题、结构和效果，通过以下实施方式的说明进行揭示。
附图说明
图1是本实施方式的锂离子二次电池的外观立体图。
图2是图1所示的锂离子二次电池的分解立体图。
图3表示图2所示的卷绕电极体的详情，是将局部展开的状态的外观立体图。
图4是说明卷装绝缘保护膜的方法的图。
图5是表示卷装有绝缘保护膜的状态的立体图。
图6是说明封闭绝缘保护膜的突出端部的方法的一例的图。
图7是从箭头A方向观察图6的发电元件组装体的图。
图8是说明封闭绝缘保护膜的突出端部的方法的一例的图。
图9是从箭头A方向观察图8的发电元件组装体的图。
具体实施方式
接着，对本发明的实施方式进行说明。
图1是本实施方式的锂离子二次电池的外观立体图，图2是图1所示的锂离子二次电池的分解立体图。
如图1和图2所示，锂离子二次电池1具有在电池容器2内容纳有发电元件3的结构。电池容器2具有：具有开口部11a的电池罐11；和将电池罐11的开口部11a封口的电池盖21。发电元件3具有以在正极板与负极板之间插入隔膜并重合的状态卷绕成扁平状的卷绕电极体31。卷绕电极体31以在其周围卷装有片状的绝缘保护膜41的状态容纳于电池容器2中。
电池罐11和电池盖21均由铝合金制作得到，电池盖21通过激光熔接被熔接于电池罐11。电池容器2由一对宽幅侧面PW、一对窄幅侧面PN、底面PB、电池盖21构成长方体形状的扁平方形容器。在电池盖21隔着绝缘部件配设有正极端子51和负极端子61（一对电极端子），构成盖组装体4。另外，除了正极端子51和负极端子61之外，在电池盖21还配置有气体排出阀71和注液口72，其中，气体排出阀71在电池容器2内的压力比规定值高时开放，排出电池容器2内的气体；注液口72用于向电池容器2内注入电解液。
正极端子51和负极端子61配置于电池盖21的长度方向一侧和另一侧的相互分离的位置。正极端子51和负极端子61具有：配置于电池盖21的外侧的外部端子52、62；和配置于电池盖21的内侧且与外部端子52、62导通连接的连接端子53、63。正极侧的外部端子52和连接端子53由铝合金制作，负极侧的外部端子62和连接端子63由铜合金制作。
连接端子53、63和外部端子52、62分别在其与电池盖21之间插入安装有未图示的绝缘部件，与电池盖21电绝缘。连接端子53、63具有从电池盖21的内侧向电池罐11的底部延伸，与卷绕电极体31导通连接的集电端子54、64。卷绕电极体31配置支承于正极端子51的集电端子54与负极端子61的集电端子64之间，由盖组装体4和卷绕电极体31构成发电元件组装体5。
图3表示图2所示的卷绕电极体的详情，是将局部展开的状态的外观立体图。
卷绕电极体31通过依次重叠负极板32、隔膜33、正极板34、隔膜35并卷绕成扁平状而构成。如图3所示，卷绕电极体31的最外周的电极板为负极板32，进而在负极板32的外侧卷绕有隔膜35。
隔膜33、35具有将正极板34和负极板32绝缘的作用。负极板32的负极涂敷部32a在宽度方向上比正极板34的正极涂敷部34a大，由此，正极涂敷部34a以必然被负极涂敷部32a夹着的方式构成。
正极未涂敷部34b、负极未涂敷部32b在卷绕后在平面部分集束（形成束）并通过熔接等与连接于外部端子52、62的各极的集电端子54、64连接。另外，隔膜33、35在宽度方向上比负极涂敷部32a宽，但由于卷绕至在正极未涂敷部34b、负极未涂敷部32b金属箔面露出的位置，因此在集束熔接时不会造成妨碍。
正极板34具有在作为正极集电体的正极电极箔的两面涂敷有正极活性物质混合剂的正极涂敷部34a，在正极电极箔的宽度方向一侧的端部，设有未涂敷正极活性物质混合剂的正极未涂敷部（箔露出部）34b。
负极板32具有在作为负极集电体的负极电极箔的两面涂敷有负极活性物质混合剂的负极涂敷部32a，在正极电极箔的宽度方向另一侧的端部，设有未涂敷负极活性物质混合剂的负极未涂敷部（箔露出部）32b。正极未涂敷部34b和负极未涂敷部32b为电极箔的金属面露出的区域，如图3所示，以配置于卷绕轴方向一侧和另一侧的位置的方式被卷绕。
在负极板32中，对作为负极活性物质的100重量份非晶质碳粉末，添加作为粘结剂的10重量份聚偏氟乙烯（以下，称为PVDF。），并向其中添加作为分散溶剂的N－甲基吡咯烷酮（以下，称为NMP。）进行混炼，制作出负极混合剂。在厚度10μm的铜箔（负极电极箔）的两面上以剩下集电部（负极未涂敷部）的方式涂敷该负极混合剂。然后，进行干燥、冲压、切割，得到不含铜箔的负极活性物质涂敷部厚度为70μm的负极板。
另外，在本实施方式中，对在负极活性物质中使用非晶质碳的情况进行了例示，但不限定于此，也可以是能够插入、脱离锂离子的天然石墨、人造的各种石墨材料、焦炭等碳质材料等，其粒子形状也可以是鳞片状、球状、纤维状、块状等，没有特别限制。
关于正极板34，对作为正极活性物质的100重量份锰酸锂（化学式LiMn2O4），添加作为导电材料的10重量份的鳞片状石墨和作为粘结剂的10重量份的PVDF，并向其中添加作为分散溶剂的NMP进行混炼，制作出正极混合剂。在厚度20μm的铝箔（正极电极箔）的两面以剩下单一的集电部（正极未涂敷部）的方式涂敷该正极混合剂。然后，进行干燥、冲压、切割，得到不含铝箔的正极活性物质涂敷部厚度为90μm的正极板。
另外，在本实施方式中对正极活性物质使用锰酸锂的情况进行了例示，但也可以使用具有尖晶石晶体结构的其它锰酸锂、将一部分用金属元素进行置换或掺杂的锂锰复合氧化物、具有层状晶体结构的钴酸锂或钛酸锂、将它们的一部分用金属元素进行置换或掺杂的锂-金属复合氧化物。
另外，在本实施方式中，对作为正极板、负极板的涂敷部的粘结材料，使用PVDF的情况进行了例示，但可以使用：聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、聚硫橡胶、硝化纤维素、氰乙基纤维素、各种胶乳、丙烯腈、氟乙烯、偏氟乙烯、氟丙烯、氟化氯丁二烯、丙烯酸类树脂等聚合物和它们的混合物等。
接着，对卷装于卷绕电极体31的外周的绝缘保护膜41的结构进行说明。另外，如图2、图6、图8所示，为了便于说明，绝缘保护膜41图示为透明的部件，但不限定于透明的部件，也可以是不透明的。
现有技术的锂离子二次电池需要将绝缘性片材复杂地弯曲而形成箱状，在其中容纳卷绕电极体，以没有位置偏差的方式插入电池罐中，存在难以自动化且生产性差的问题。
与之相对，如图2所示，本实施方式的锂离子二次电池1，在发电元件组装体5的卷绕电极体31卷装有片状的绝缘保护膜41，卷绕电极体31的外周连续且被覆盖至少一周，连同连接端子53、63一起覆盖。
绝缘保护膜41的安装能够通过在卷绕电极体31的外周卷装绝缘保护膜41而进行，能够以相对卷绕电极体31防止位置偏差的状态进行安装。由此，与现有技术相比，能够简单地进行安装，也能够简单地进行卷绕电极体31向电池罐的插入。
绝缘保护膜41由例如PP（聚丙烯）等合成树脂制成的一个片部件构成，具有能够以与卷绕电极体31的宽幅面平行的方向且与卷绕轴方向正交的方向（图4的Y轴方向）为卷装中心地卷装一周以上的长度，和在被卷装的状态下配置于电池罐11的底部侧的绝缘保护膜41的宽度方向一侧的端部（突出端部42）比卷绕电极体31更向电池罐11的底部侧筒状突出的宽度。
在本实施方式中，设定成在将卷绕电极体31的宽幅面连同连接端子53、63一起覆盖一周后，增加将绝缘保护膜41的两端部相互重叠固定的重叠部分的长度，以及从电池盖21起到比配置于电池罐11的底部的卷绕电极体31的曲面部31a的位置更向下方突出，增加用于进行密封的热熔接或弯曲的重叠部分的宽度。
而且，绝缘保护膜的厚度优选为0.01mm～0.50mm，更优选为0.03mm～0.20mm。但是，电池内部的空间体积大时不限定于此，例如，绝缘保护膜41的厚度只要是能够插装于发电元件组装体5与电池容器2之间，且能够保持绝缘，保护发电元件的厚度即可，没有特别限定。
另外，在本实施方式中，以使用PP作为绝缘保护膜41的材料的情况为例进行了表示，但不限定于此，例如，只要是PFA（聚四氟乙烯）、PPS（聚苯硫醚）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、不会由于电解液而发生反应或变质的原材料的合成树脂即可使用。另外，绝缘保护膜41的长度不限定于上述的例子，只要是覆盖至少一周以上即可，例如也可以是被卷装两周以上的长度。
绝缘保护膜41以在以不与电池盖21的侧面重叠的程度接近电池盖21的侧面的位置配置绝缘保护膜41的宽度方向一侧的端部的方式被卷装。在本实施方式中，以在绝缘保护膜的上端部和电池盖21之间形成0.5mm左右的分开距离的方式被卷装。
绝缘保护膜41在将发电元件组装体5的卷绕电极体31的外周连同连接端子53、63一起覆盖后，将绝缘保护膜41的相互重叠的部分彼此用粘接带（未图示）固定。作为固定方法，除了用粘接带固定的方法之外，也可以用粘接剂固定。另外，也可以使用例如在一方的膜面上涂敷有不会由于电解液而发生反应或变质的粘接材料的封条状的粘接膜，或膜彼此被面对面安装的包装膜，与使用粘接带或粘接剂的情况，能够更容易地进行固定。
作为卷装绝缘保护膜41的方法，能够采用例如如图4（a）所示，使卷绕电极体31或连接端子53、63的一部分与绝缘保护膜的端部紧密接触，一边施加张力一边向一个方向卷装覆盖的方法，或如图4（b）所示，使发电元件组装体5的卷绕电极体31与绝缘保护膜41的长度方向中间部分紧密接触，以从卷绕轴方向两侧将卷绕电极体31包入的方式，使绝缘保护膜41的长度方向两端部向相互接近的方向移动而进行覆盖的方法。
图5是表示卷装有绝缘保护膜的状态的立体图，图6是说明封闭绝缘保护膜的前端部的方法的一例的图，图7是从箭头A方向观察图6的发电元件组装体的图。
如图5所示，绝缘保护膜41中，与配置于电池罐11的底部的卷绕电极体31的曲面部31a的位置，突出端部42更加向下方突出，开口成筒状。突出端部42如图6和图7所示，通过热熔接被密封，彼此合在一起形成封闭的状态，覆盖卷绕电极体31的曲面部31a，成为内包卷绕电极体的袋状。绝缘保护膜41的热熔敷部43通过由未图示的热熔接机夹入加热而形成，遍及突出端部42的长度方向地被熔接。
另外，作为密封绝缘保护膜41的突出端部42的方法的一例，对热熔接的方法进行了说明，但密封的方法不限定于本例。例如，也可以如图8和图9所示，突出端部42从筒状开口的状态形成使突出端部42的相互相对的部分合在一起而封闭的状态，并以从前端卷起的方式折叠，利用折叠部44进行密封。另外，也可以在热熔接之后弯曲进行密封，也可以使用例如带等进行密封。另外，在本实施方式中，以遍及突出端部42的长度方向地进行热熔接的情况为例进行了说明，但也可以将突出端部42的一部分进行局部熔接而密封。
接着，对具有上述结构的锂离子二次电池1的制造方法进行说明。
首先，将正极板34和负极板32在中间夹装隔膜33、35后重合，卷绕成扁平状，由此，制作作为发电元件3的卷绕电极体31。接着，在电池盖21上隔着绝缘部件安装正极端子51和负极端子61，制作盖组装体4。然后，将卷绕电极体31的正极未涂敷部34b和负极未涂敷部32b与盖组装体4的正极端子51和负极端子61超声波接合使其导通连接，制作发电元件组装体5。
然后，将绝缘保护膜41卷装在发电元件组装体5的卷绕电极体31上，连同连接端子53、63一起覆盖，以解不开的方式用粘接带将绝缘保护膜41的端部固定（参照图4和图5）。而且，将绝缘保护膜41的突出端部42热熔接而密封，制成内包有卷绕电极体31的袋状（参照图6和图7）。然后，从电池罐11的开口部11a插入被容纳于绝缘保护膜41的状态的卷绕电极体31，通过激光熔接对电池盖21和电池罐11进行熔接。然后，从电池盖21的注液口72向电池容器2内注入电解液，并利用注液栓73将注液口72封闭。
电解液例如使用在碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）和碳酸二乙酯（DEC）的体积比为1：1：1的混合溶液中，以成为1mol／L的方式溶解有LiPF6（六氟化磷酸锂）而形成的溶液。
另外，关于电解质，表示了使用LiPF6的例子，但不限定于此，例如，能够使用LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiB（C6H5）4、CH3SO3Li、CF3SOLi等或它们的混合物。另外，在本实施方式中，表示了非水电解液的溶剂使用EC和DMC的混合溶剂的例子，但也可以使用碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、1，2－二甲氧基乙烷、1，2－二乙氧基乙烷、γ―丁内酯、四氢呋喃、1，3－二氧戊环、4－甲基－1，3－二氧戊环、二乙基醚、环丁砜、甲基环丁砜、乙腈、丙腈、丙腈等至少1种以上的混合溶剂，对混合配比也没有限定。
于是，经由外部端子52、62从卷绕电极体31对外部负载供给电力，或者经由外部端子52、62对卷绕电极体31充以外部发电电力。
上述本实施方式的锂离子二次电池1在发电元件组装体5的卷绕电极体31上卷装有片状的绝缘保护膜41，卷绕电极体31的外周连续且被覆盖至少一周，连同连接端子53、63一起被覆盖。
绝缘保护膜41能够夹装于卷绕电极体31和连接端子53、63与电池罐11之间，将卷绕电极体31和连接端子53、63与电池罐11之间绝缘，保护卷绕电极体31和连接端子53、63。
绝缘保护膜41的安装能够通过在卷绕电极体31的外周卷装绝缘保护膜41而进行，能够以防止了位置偏差的状态相对于卷绕电极体31安装。由此，能够减少像现有技术那样将绝缘片材复杂地弯曲而形成袋状，并在该袋中内包与电池盖一体的卷绕组，再插入电池罐中的工序。由此，与现有技术相比，能够简单地进行安装，也能够简单地进行卷绕电极体31向电池罐11的插入。由此，能够制造生产性优异的锂离子二次电池1。
另外，与薄膜或片材连续地进行覆盖的技术以及通过热熔接进行密封的技术，在电池以外通常也被广泛使用，因此，能够比较容易地实现自动化，也能够抑制设备的引进成本。另外，由于不需要像现有技术那样将绝缘片材复杂地弯曲，因此，也能够抑制绝缘片材的成本。
另外，在本实施方式中，由于是将绝缘保护膜41的突出端部42遍及长度方向地进行热熔接而密封，因此，在从电池盖21的注液口72向电池罐11内注入电解液时，能够只在内包于绝缘保护膜41的部分使电解液流动。由此，能够使卷绕电极体31积极地含浸电解液，能够提高含浸速度。另外，电解液不会在电池罐11与绝缘保护膜41之间流动，无需浪费电解液，能够实现低成本化。
另外，本发明不限定于上述实施方式，可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变更。例如，在上述实施方式中，作为向发电元件组装体的卷绕电极体上卷装绝缘保护片材的方法，对使绝缘保护膜与卷绕电极体或连接端子的至少一部分紧密接触，一边施加张力一边进行卷装的情况进行了说明，但不限定于此，例如，作为紧密接触的方法，也可以预先利用粘接带等粘接固定卷绕电极体或连接端子的至少一部分之后进行卷装。
附图标记说明
1锂离子二次电池
2电池容器
3发电元件
4盖组装体
5发电元件组装体
11电池罐
21电池盖
31卷绕电极体
41绝缘保护膜
42突出端部
43热熔接部
44折叠部
51正极端子（电极端子）
52、62外部端子
53、63连接端子
54、64集电端子
61负极端子（电极端子）
Claims (9)
1.一种锂离子二次电池，电池容器和容纳于该电池容器的发电元件之间被绝缘，该锂离子二次电池的特征在于：
所述电池容器包括：具有开口部的电池罐；封闭该电池罐的开口部的电池盖；隔着绝缘部件设于该电池盖上的一对电极端子，
所述发电元件具有将电极卷绕成扁平状而形成的连接于所述一对电极端子间的卷绕电极体，
片状的绝缘保护膜以与所述卷绕电极体的宽幅面平行的方向且与所述卷绕电极体的卷绕轴方向正交的方向作为卷装中心，在所述发电元件上卷装一周以上，所述绝缘保护膜的长度方向上的两端部相互重叠固定。
2.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：
所述绝缘保护膜从外侧覆盖所述卷绕电极体和所述一对电极端子。
3.如权利要求2所述的锂离子二次电池，其特征在于：
所述绝缘保护膜筒状突出到比所述卷绕电极体更靠所述电池罐的底部侧的突出端部被密封。
4.如权利要求3所述的锂离子二次电池，其特征在于：
所述绝缘保护膜中所述突出端部被热熔接而密封。
5.如权利要求3所述的锂离子二次电池，其特征在于：
所述绝缘保护膜中所述突出端部被折叠而密封。
6.如权利要求1～5中任一项所述的锂离子二次电池，其特征在于：
所述绝缘保护膜由在至少一方的膜面上涂敷有粘接材料的粘接膜构成。
7.一种锂离子二次电池的制造方法，该锂离子二次电池中，电池容器与容纳于该电池容器的发电元件之间被绝缘，该锂离子二次电池的制造方法的特征在于：
所述电池容器包括：具有开口部的电池罐；封闭该电池罐的开口部的电池盖；隔着绝缘部件设于该电池盖上的一对电极端子，
所述发电元件具有将电极卷绕成扁平状而形成的连接于所述一对电极端子间的卷绕电极体，
该锂离子二次电池的制造方法包括：
在所述电池容器的电池盖上隔着绝缘部件安装一对电极端子，制作盖组装体的工序；
将发电元件与该盖组装体的一对电极端子连接，制作发电元件组装体的工序；和
将绝缘保护膜以与所述卷绕电极体的宽幅面平行的方向且与所述卷绕电极体的卷绕轴方向正交的方向作为卷装中心，在所述发电元件上卷装一周以上，将所述绝缘保护膜的长度方向上的两端部相互重叠固定的工序。
8.如权利要求7所述的锂离子二次电池的制造方法，其特征在于：
在所述卷装工序中，使所述绝缘保护膜的一端部与所述发电元件紧密接触，将所述绝缘保护膜的另一端部侧卷装在所述发电元件上。
9.如权利要求7所述的锂离子二次电池的制造方法，其特征在于：
在所述卷装工序中，使所述绝缘保护膜的中间部与所述发电元件紧密接触，将所述绝缘保护膜的一端部侧和另一端部侧卷装在所述发电元件上。
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