JP2003308834A

JP2003308834A - 極板切断方法

Info

Publication number: JP2003308834A
Application number: JP2002114086A
Authority: JP
Inventors: Koji Higashimoto; 晃二東本; Tomohiro Iguchi; 智博井口
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】微小短絡によるリチウム二次電池の電圧低下
を抑制する極板切断方法を提供する。【解決手段】マンガン酸リチウム粉末、炭素粉末及び
ＰＶＤＦを混合したスラリをアルミニウム箔に塗着し
て、ロール状正極板を得た。また、非晶質炭素とＰＶＤ
Ｆとを混合したスラリを銅箔に塗着して、ロール状負極
板を得た。ロール状正極板及び負極板を、材質がジルコ
ニアの円形刃２で所定幅に切断してフープ状とした。フ
ープ状の正極板及び負極板を刃の材質がジルコニアのは
さみ式カッタで所定長さに切断して電池を作製した。極
板切断時の金属性異物混入で生じる負極からの金属イオ
ンのデンドライト析出を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極板切断方法に係
り、特に、正極活物質にリチウム含有複酸化物を用いた
リチウム二次電池用正極板及び負極活物質に炭素材を用
いたリチウム二次電池用負極板の少なくとも一方を切断
するための極板切断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウム二次電池に代表される非水電解
液二次電池は、高エネルギー密度であるメリットを活か
して、主にＶＴＲカメラやノートパソコン、携帯電話な
どのポータブル機器に使用されている。特に、近年で
は、負極に炭素材等のリチウムイオンの吸蔵・放出が可
能な材料を用いたリチウムイオン二次電池が普及してい
る。通常、リチウムイオン二次電池の内部構造は捲回式
とされている。すなわち、金属箔に活物質が塗着された
正極板及び負極板がセパレータを挟んで捲回された捲回
群が、容器となる円筒形の缶に収容され、電解液が注液
された後、キャップがつけられ封口されている。

【０００３】電池組立時では、負極活物質として用いら
れる炭素材は、いわばリチウムイオンが放出しきった状
態、すなわち放電状態である。従って、通常は正極も放
電状態、すなわちリチウムイオンが吸蔵された状態の正
極活物質、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏ
Ｏ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガ
ン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）等が用いられる。そし
て、リチウムイオン二次電池は、電池を組み立てた後に
初充電をすることによって、電池としての機能が付与さ
れる。

【０００４】また、近年、リチウムと豊富で安価なマン
ガンとを含むマンガン酸リチウム等のリチウムマンガン
複酸化物を正極活物質とする非水電解液二次電池を用い
た電源システム、例えば、電気自動車や内燃機関と電気
モータとを組み合わせたハイブリッド電気自動車の電源
や、複数個の電池の負荷を平均化させるロードレベリン
グシステム等の研究、開発が盛んに行われている。この
ような用途の電源システムでは、電池は単電池で使われ
るのではなく、直列に数個から１００個程度を接続した
電池モジュールとして使われる。このため、電圧や容量
等の電池特性や、経時変化による電池特性の低下の挙動
が他の電池と異なる電池が一つでも電池モジュール内に
入っていると、その異常特性の電池が他の電池の負荷と
なって電池モジュール全体、電源システム全体の特性を
悪化させ信頼性を低下させる可能性がある。信頼性を確
保するために、電池作製後に充電してから放置して異常
特性の電池を選別する方法があるが、この方法だけでは
歩留まりも悪く、信頼性も低い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、電圧低下を起
こす原因を鋭意調査した結果、極板中に金属性異物が混
入しており、これがセパレータを貫通させたり、充放電
に伴いこれらの金属性異物が溶解して電解液中に溶出し
た金属イオンが、デンドライト状に負極から析出、成長
し正負極間で僅かな電流がリークする微小短絡を起こす
ためであることが判った。更に、リチウム二次電池の製
造工程中で、特に金属性異物が混入する工程は、極板を
切断するときであり、切断に使用する刃から混入する可
能性が高いことが判明した。

【０００６】通常、極板の切断は、刃の材質が鋼鉄のロ
ールカッタ、もしくは、はさみ式カッタで行われる。ロ
ールカッタは、極板をフープ状にしながら所定の極板幅
に切断（スリット）するときに使用され、はさみ式カッ
タは、正、負極板とセパレータとを捲回機で捲回したと
きに極板やセパレータの終端の切断に使用される。これ
らのカッタによる金属性異物の混入を防止するために、
極板幅スリット時、終端切断時には、空気を吹きつけた
り、吸引したりしている。

【０００７】しかしながら、空気を吹きつけると金属性
異物が舞い上がり別の場所で極板に付着する可能性があ
り、吸引では除去能力が足りないことが多い。更に、刃
の材質が鋼鉄である限り、磨耗粉や欠けた刃が極板中に
混入することを完全に防止することはできない、という
問題がある。

【０００８】本発明は、上記事案に鑑み、微小短絡によ
るリチウム二次電池の電圧低下を抑制する極板切断方法
を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、正極活物質にリチウム含有複酸化物を用
いたリチウム二次電池用正極板及び負極活物質に炭素材
を用いたリチウム二次電池用負極板の少なくとも一方を
切断するための極板切断方法であって、前記切断に使用
される刃の材質が金属以外であることを特徴とする。

【００１０】本発明によれば、正極板及び負極板の少な
くとも一方の切断に使用される刃の材質が金属以外のた
め、刃の摩耗粉が極板中に混入しても、作製されたリチ
ウム二次電池では、金属粉混入に起因する微小短絡の発
生が防止されるので、電圧低下を抑制することができ
る。刃の材質としては、例えば、セラミックス、レーザ
ー光線、水等を用いることが可能であるが、従来の設備
の利用や設備の小型化の点からはセラミックスとするこ
とが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明を
円筒型リチウムイオン二次電池の作製方法に適用した実
施の形態について説明する。

【００１２】（正極板）リチウム含有複酸化物（正極活
物質）としてマンガン酸リチウム粉末、導電材として炭
素粉末、及びバインダとしてポリフッ化ビニリデン（以
下、ＰＶＤＦと略す。）を、重量比８０：１５：５で混
合し、そこへ分散溶媒となるＮ−メチルピロリドン（以
下、ＮＭＰと略す。）を適量加えて十分に混練し、分散
させて、スラリとする。このスラリをロール・トゥ・ロ
ールの転写によって正極集電体となる厚さ２０μｍのア
ルミニウム箔の両面に塗着して乾燥させる。その後、８
０〜１２０°Ｃに加熱したロールを有するロールプレス
機により、プレス圧（線圧）１９６〜４９０Ｐａ・ｍ
（０．２〜０．５ｋｇｆ／ｃｍ）で、正極活物質層の密
度が約２．８ｇ／ｃｍ^３となるまで圧縮し、ロール状に
巻き取ることによりロール状の正極板（以下、ロール状
極板という。）を得る。次いで、ロール状極板から正極
板を引き出して切断装置（ロールカッタ）で所定幅に切
断してフープ状に巻き取る。

【００１３】図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、切断装
置１０は、図示しないモータの駆動力で反時計回りに回
転するカッタ軸１を有している。カッタ軸１の両側に
は、材質がジルコニアからなるセラミックスで円環状の
円形刃２が５０ｍｍの間隔を隔てて固定されている。カ
ッタ軸１の下側には、ロール状極板４から引き出された
正極板の搬送速度と同一速度で時計回りに回転する受け
ロール３が、正極板を介してカッタ軸１と平行に対置さ
れている。円形刃２の刃先に対応する受けロール３の位
置には溝が形成されている。従って、ロール状極板４か
ら引き出された正極板は、カッタ軸１と受けロール３と
の間を通過することで円形刃２で幅５０ｍｍに切断さ
れ、フープ５に巻き取られる。

【００１４】（負極板）炭素材（負極活物質）として非
晶質炭素（呉羽化学工業株式会社製、商品名：カーボト
ロンＰ）と、結着剤としてＰＶＤＦとを重量比９０：１
０で混合し、そこへＮＭＰを適量加えて十分に混練し、
分散させてスラリとする。このスラリをロール・トゥ・
ロールの転写により負極集電体となる厚さ１０μｍの銅
箔の両面に塗着して乾燥させる。その後、８０〜１２０
°Ｃに加熱したロールを有するロールプレス機により、
プレス圧（線圧）１９６〜４９０Ｐａ・ｍ（０．２〜
０．５ｋｇｆ／ｃｍ）で、負極活物質層の密度が約１．
０ｇ／ｃｍ^３となるまで圧縮し、ロール状に巻き取るこ
とによりロール状の負極板を得る。次いで、正極板を切
断する切断装置１０と同様の切断装置１０を用いること
で、ロール状の負極板から引き出された負極板を幅５０
ｍｍに切断し、フープ状に巻き取る。

【００１５】（電池組立）まず、作製したフープ状の正
極板及び負極板からそれぞれの極板を引き出し、刃の材
質がジルコニアからなるセラミックスのはさみ状カッタ
をそれぞれ使用して、フープ状の正極板及び負極板を後
述する所定長さに切断して短冊状とする。

【００１６】図２に示すように、短冊状の正極板と負極
板とを、厚さ２５μｍ、微多孔性ポリエチレンフィルム
の帯状のセパレータ１５を介して捲回し、捲回群１６を
作製する。このとき、正極板、負極板及びセパレータ１
５の長さを調節することにより捲回群１６の外径が電池
缶１７に挿入可能なように捲回する。捲回群１６を電池
缶１７に挿入し、負極集電体１３に予め溶接させておい
た負極タブ端子２１を電池缶１７の内底部に溶接する。
正極タブ端子１９は、予め正極集電体１１に溶接してお
き、正極キャップ１８に溶接する。次に、電解液５ｍｌ
を電池缶１７内に注液する。電解液には、エチレンカー
ボネートとジメチルカーボネートを体積比で１：２に混
合した溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を
１ｍｏｌ／ｌの濃度で溶解したものが用いられる。次い
で、正極キャップ１８を電池缶１７上部に配置し、絶縁
性のガスケット２０を介して電池缶１７上部をかしめて
密閉し、高さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍの円筒型リチウム
イオン二次電池２５の組立を完成させる。正極キャップ
１８内には、電池内圧の上昇に応じて作動する電流遮断
機構（圧力スイッチ）と、この電流遮断機構より高い圧
力で作動する弁機構が組み込まれている。なお、本実施
形態では、作動圧８８２ｋＰａの電流遮断機構及び作動
圧１．９６ＭＰａの弁機構を用いた。

【００１７】本実施形態では、正極板及び負極板の切断
に刃の材質がジルコニアからなるセラミックスのロール
カッタ及びはさみ式カッタが用いられるので、切断に用
いられる刃に起因する金属性異物の極板中への混入を防
止することができるため、負極からの金属イオンのデン
ドライト析出が抑えられる。このため、正負極間でデン
ドライト析出によるセパレータの微少短絡が発生しづら
くなる。また、刃の摩耗粉が混入しても、ジルコニアは
電解液には溶解しないため、金属性異物のデンドライト
析出が防止されるので、電池２５の電圧低下を抑制する
ことができる。そして、切断装置１０では、ロールカッ
タの刃を材質がジルコニアの刃に交換することで容易に
実施することができ、電池２５の作製時の歩留まりを向
上させることができる。また、作製された電池２５には
金属性異物が混入されていないので、充放電を繰り返す
使用時でも、負極からの金属イオンのデンドライト析出
が抑えられるため、長期使用上の安定性が確保される。
このため、電池２５を電池モジュールとして用いる場合
でも、電池モジュール全体の信頼性を確保することがで
きる。

【００１８】なお、本実施形態では、材質がジルコニア
からなるセラミックスの刃を用いる例を示したが、本発
明はこれに限定されるものではない。例えば、炭化物、
窒化物等の無機化合物を原料とするセラミックスや、ア
ルミナジルコニア等のように原料を複合したセラミック
スを用いることも可能である。

【００１９】また、本実施形態では、正極板及び負極板
を材質がジルコニアの刃で切断する例を示したが、正極
板及び負極板のいずれか一方又は双方を他の切断方法で
切断してもよい。この場合に用いる切断方法としては、
例えば、レーザや高圧水流による切断方法を用いるよう
にしてもよい。このような切断方法でも刃の材質に金属
を用いていないので、金属性異物の混入を防止すること
ができる。

【００２０】更に、本実施形態では、広く普及している
１８６５０型の電池２５を例示したが、本発明は、電池
の大きさ、容量等に制限されるものではない。また、本
実施形態では、捲回式の捲回群１６を例示したが、切断
した極板をセパレータを介して積層させて電池を作製す
ることも可能である。更に、電池形状についても制限さ
れるものではなく、角型、多角形型としてもよい。

【００２１】更にまた、本実施形態では、正極活物質と
して、マンガン酸リチウムを用いる例を示したが、本発
明はこれに限定されることなく、放電・充電によりリチ
ウムイオンの吸蔵・放出が可能なリチウム含有複酸化物
であればよく、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル
酸リチウム等を用いることも可能である。また、マンガ
ンやリチウムの一部が他の元素で置換されていてもよ
い。

【００２２】また更に、本実施形態では、負極活物質と
して、非晶質炭素を用いる例を示したが、本発明はこれ
に限定されることなく、充電・放電によりリチウムイオ
ンの吸蔵・放出が可能な炭素材であればよく、例えば、
天然黒鉛や人造の各種黒鉛材等を用いることも可能であ
る。また、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊
維状、塊状等、特に制限されるものではない。

【００２３】更に、本実施形態では、エチレンカーボネ
ートとジメチルカーボネートを体積比で１：２に混合し
た溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍ
ｏｌ／ｌの濃度で溶解した電解液を例示したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、一般的なリチウム塩
を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した電解液を用い
ることが可能である。例えば、電解質としては、ＬｉＣ
ｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＢ
（Ｃ₆Ｈ₅）₄、ＣＨ₃ＳＯ₃Ｌｉ、ＣＦ₃ＳＯ₃Ｌｉ等やこ
れらの混合物を用いることができる。有機溶媒として
は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、
１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタ
ン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，３
−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、
ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ア
セトニトリル、プロピオニトニル等又はこれら２種類以
上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、混合配合比に
ついても限定されるものではない。

【００２４】

【実施例】次に、上記実施形態及び極板の切断（カッ
ト）方式を代えて作製した電池２５の実施例について説
明する。なお、比較のために作製した比較例についても
併記する。

【００２５】（実施例１）下表１に示すように、実施例
１では、正、負極板を刃の材質がジルコニア製のロール
カッタで切断して電池２５を作製した。

【００２６】

【表１】

【００２７】（実施例２、３）表１に示すように、実施
例２及び実施例３では、正、負極板のカット方式を代え
た以外は、実施例１と同様に電池２５を作製した。実施
例２では、出力４ｋＷの炭酸ガスレーザを、実施例３で
は、圧力３７８ＭＰａの高圧水流をそれぞれ正、負極板
のカットに用いた。

【００２８】（比較例１）表１に示すように、比較例１
では、刃の材質が鋼鉄製のロールカッタを用いた以外
は、実施例１と同様に電池を作製した。

【００２９】（微小短絡電池の選別試験）作製した実施
例及び比較例の電池それぞれ４００セルについて、以下
の条件で充放電容量を測定した後、４．２Ｖ充電後に２
５°Ｃ中で放置して電圧低下速度を測定した。このと
き、１４日めと２１日めとの電圧差を求め、１日当りの
電圧低下速度が、２．７ｍＶ／ｄａｙ以下の電池を合格
とした。電圧低下速度の値から合格率（合格電池数／全
試験電池数×１００）を求めた。試験結果を下表２に示
す。

【００３０】（充放電条件）充電：定電圧充電４．２Ｖ、制限電流１４００ｍＡ、３
ｈ、２５°Ｃ放電：定電流放電１４００ｍＡ、２４分、２５°Ｃ充電：定電圧充電４．２Ｖ、制限電流１４００ｍＡ、３
ｈ、２５°Ｃ（充電、放電の間に、休止時間を１０分間設けた。）

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に示すように、実施例１〜実施例３の
電池では、電圧低下速度の合格率が極めて高くなった。
これに対して、比較例１の電池では、鋼鉄製の刃を用い
ているため、合格率は大きく低下した。従って、実施例
１〜実施例３の電池は、電池作製時の歩留まり及び信頼
性が向上する。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
正極板及び負極板の少なくとも一方の切断に使用される
刃の材質が金属以外のため、刃の摩耗粉が極板中に混入
しても、作製されたリチウム二次電池では、金属粉混入
に起因する微小短絡の発生が防止されるので、電圧低下
を抑制することができる、という効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能な実施形態の電池作製方法に
用いた切断装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面
図である。

【図２】実施形態の電池作製方法で作製された円筒型リ
チウムイオン二次電池の断面図である。

【符号の説明】

２円形刃（刃）１０切断装置２５円筒型リチウムイオン二次電池（リチウム二次電
池）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 10/40 Ｈ０１Ｍ 10/40 ＺＦターム(参考） 3C027 UU04 5H029 AJ14 AK03 AL06 AL07 AM03 AM04 AM05 AM07 CJ04 CJ30 5H050 AA19 BA17 CA08 CA09 CB07 CB08 GA04 GA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極活物質にリチウム含有複酸化物を用
いたリチウム二次電池用正極板及び負極活物質に炭素材
を用いたリチウム二次電池用負極板の少なくとも一方を
切断するための極板切断方法であって、前記切断に使用
される刃の材質が金属以外であることを特徴とする極板
切断方法。
【請求項２】前記刃の材質がセラミックスであること
を特徴とする請求項１に記載の極板切断方法。