JP2007095499A - 密閉型電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極板と外装缶との電気的接続を維持したまま、気密性の劣化を抑制することのできる密閉型電池の製造方法を提供する。
【解決手段】外装缶３０に収納された正極板１１及び負極板１３の一方の極板から延出する集電リード４０の延出端縁部を、封口ガスケット２２及び外装缶３０の間に狭設するステップと、集電リード４０の延出端縁部が狭設された領域を縮径するステップとを含む密閉型電池の製造方法であって、集電リード４０として、延出端縁部が面取り加工されたものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉型電池の製造方法、特に封口部分の製造方法に関する。

近年、電子機器の分野では一層のポータブル化に伴って、その電源電池に小型化が求められる一方で、低コスト化を実現するような製造工程の簡易化が求められる。そこで、例えば図７に示すピン形電池９００には以下の製造方法が用いられている。
セパレータ９１３を挟んで正極板９１１及び負極板９１２を巻回した電極体９１０を、有底筒状の外装缶９３０に収納し、外装缶９３０の開口部を封口ガスケット９２２を介して封口する。

この封口の際、図７（ｂ）のように封口ガスケット９２２と外装缶９３０との間に、正極板１１から延出した集電リード９４０を挟み、外装缶９３０と正極板９１１とを電気的に接続させる。このとき、集電リード９４０が挟まれている領域に対して、外装缶９３０を押圧により縮径させて、上記電池９００の気密性及び集電性を向上させる。なお、上記押圧は、電極体９１０を収納した外装缶９３０を負極ピン９２１を中心軸として回転させ、その回転状態の外装缶９３０に一定の圧力を加える方法を採る。

ところで上記集電リード９４０は、電池が封口された状態でその延出端縁部がどの位置に配されるかにより、電池特性に影響を及ぼす。これを図７（ｂ）を用いて説明する。
まず、集電リード９４０の延出端縁部が上記縮径部の頂点よりも缶底側にある場合、集電リード９４０の固定が不十分で外装缶９３０との接触が不安定となり、電池の内部抵抗が大きくなるという問題が発生する。これは、集電リード９４０と外装缶９３０の間に電解液が浸透し、集電リード９４０上で絶縁性の皮膜を形成するためであると考えられる。

逆に、集電リード９４０の延出端縁部が上記負極ピン９２１の鍔部９２３よりも缶口側にある場合、気密性が阻害され、電解液が漏出するという問題が生じる。これは、このピン形電池９００は、縮径による封口ガスケット２２の反発力、特に負極ピン９２１の鍔部９２３と外装缶９３０の間の封口ガスケット９２２の反発力により気密性を保持しており、そこに集電リード９４０が位置すると僅かな隙間が生じるためであると考えられる。

そこで、集電リード９４０の延出先端部が上記縮径部の頂点から裾部に至る範囲に入るように、つまり図７（ｂ）中Ａ部分（集電リード端縁部の「配設領域」）に上記先端部が入るように集電リード９４０の配設位置を設定して電池製造を行う必要がある。
実開平３−１００３５８号公報

しかしながら、製造されたピン形電池９００において、Ｄ１（図７（ｂ））の方向からみた集電リード９４０は、図７（ｃ）のように、縮径前には仮想線９４１で示した矩形状を有していた延出先端部９４０ａの角部分が延伸する。
これは、縮径工程中に外装缶９３０に対して中心方向に押圧力を加えるとともに外装缶９３０の回転方向と回転軸方向にも押圧力が加えられることによって、集電リード９４０が上記回転方向等に延伸されたことが要因と考えられる。このような場合、延伸部Ｂが上記配設領域を超えて缶口側に延出すると、ピン形電池９００における気密性が低下し、電池性能の劣化を招いてしまう。

本発明は以上の課題に鑑みてなされており、極板と外装缶との電気的接続を維持したまま、気密性の劣化を抑制することのできる密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明では上記課題の解消のために以下のような製造方法を用いる。
外装缶に収納された正極板又は負極板から延出する集電リードの延出端縁部を、封口ガスケット及び前記外装缶の間に狭設するステップと、前記集電リードが狭設された領域を縮径するステップとを含む密閉型電池の製造方法であって、前記集電リードとして、延出端縁部が面取り加工されたものを用いる。

ここで、前記面取り加工とは、先端部が矩形状の集電リードの角部を取り除くこと、つまり、先端部の幅が小さくなっているような状態にすることを意味する。例えば、前記集電リードの延出端縁部を半円形状にすることである。

本発明のように、延出端縁部が面取り加工された集電リードを用いた製造方法とすることで、その先端角部分は取り除かれているので、外装缶に収納されている電極体の巻回軸を中心として回転させながら押圧する縮径工程を行っても、集電リードの先端部分は殆ど延伸せず、その延伸部が集電リード端縁部の配設領域を越えることを抑制できるので、製造された密閉型電池の気密性が劣化することを抑制できる。

本発明に係る実施の形態について、ピン形のリチウムイオン電池を用いて図面を参照しながら説明する。なお、当電池は一例であり、本発明はこれに限定を受けるものではない。
１．リチウムイオン電池の製造方法
（１−１）全体の製造工程
図１は、ピン形リチウムイオン電池（以下、単に「電池」と記す。）１００の概略製造工程図である。

電極体１０を作製して外装缶３０に収納し、外装缶３０の一部を縮径加工し、外装缶３０の頂部にかしめ加工を行うことで電池１００を製造する。
図１（ａ）のように、電極体１０は、負極ピン２１を軸として、セパレータ１２を挟んで正極板１１及び負極板１３を巻回して作製する。
（正極製法）
ここで、正極板１１は、次のように作製する。

正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）と、導電剤としてのアセチレンブラックを３重量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン樹脂のＮ−メチルピロリドン１０重量％溶液とを混合してスラリー状態とし、そのスラリーを厚み２０μｍのＡｌ箔の両面に塗布、乾燥し、厚みが１６０μｍになるように圧縮する。
その後、幅４０ｍｍ、長さ８０ｍｍに切断して正極板１１とする。このとき、正極板１１の幅方向に延出するように、厚み７０μｍ、幅４ｍｍ、長さ５０ｍｍのＡｌ製（ＪＩＳ：１０６０−０）集電リード４０１を超音波溶接する。
（負極製法）
一方、負極板１３は、負極活物質としての平均粒径２０μｍの人造黒鉛と、カルボキシメチルセルロースの水性ディスパージョンを１重量％と、結着剤としてスチレンブタジエンラテックス（ＳＢＲ）質量比において１重量％となるＳＢＲ水溶液とを混練してスラリー状とする。そのスラリーを厚み１５μｍのＣｕ箔の両面に塗布、乾燥し、厚みが１４０μｍになるように圧縮する。その後、幅４２ｍｍ、長さ８０ｍｍに切断して負極板１３とする。
（電極体製法）
上記正極板１１及び上記負極板１３の間に、厚み２７μｍで幅４４ｍｍ、長さ１６０ｍｍのポリエチレンからなる微多孔性フィルムのセパレータ１２を挟み、負極板１３にＮｉメッキされたステンレス製の負極ピン２１を超音波溶接する。なお、この負極ピン２１は、図２に示すように、負極と接続するピンの軸心部分の直径は１．５ｍｍで、封口ガスケット２２が配される封口蓋部の直径は２．５ｍｍであり、負極ピン２１の全長は５２．５ｍｍである。また、鍔部２３は負極ピン２１の上端部より３．０ｍｍの部分に位置し、その直径は５．４ｍｍである。

更にこの負極ピン２１には、超音波溶接の前に負極ピン２１の一端部に四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ樹脂）による封口ガスケット２２を装着させておく。本実施の形態において、この封口ガスケット２２は直径が５．９ｍｍ、全高が４．８ｍｍで、その底面は負極ピン上端部より５．５ｍｍの部分に位置している。
（巻回）
これらの極板群を負極ピン２１を軸として巻回し、最外周をＰＥＴ製テープ（不図示）で固定して電極体１０を作製する。なお電極体１０は、リード４０１の一端が、巻回された正極板１３の一端面から封口ガスケット２２側に延出している。また、巻回された正極１１の端部は封口ガスケット２２の底面と４．０ｍｍ離れて位置するように巻回される。

その後、本実施形態の製造方法に係る特徴部として、正極板１１に溶接されている集電リード４０１の延出端縁部に対して、円弧状にカットする面取り加工を実施する。当該面取り加工に関しては後述する。なお、この面取り加工が行われた集電リードに関しては、面取り加工前の集電リード４０１に対して面取り加工を経たことを明確化するために、「集電リード４０」と記す。こうして作製した電極体１０を真空条件下（１００℃）で乾燥する。
（注液・封口）
次に電極体１０を、エチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）を重量比で３：７に混合し、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏｌ／Ｌ溶解させた非水電解液中に入れ、上記電極体内に当該電解液を十分に染込ませ、図１（ｂ）に示すように、厚み０．３ｍｍのＡｌ合金（ＪＩＳ：３００３−０）からなる有底筒状の外装缶３０（内径６．０ｍｍ、全長５２ｍｍ）の内方に収納し、外装缶３０の開口部を、負極ピン２１に固着されている封口ガスケット（ＰＦＡ樹脂）２２で封口する。なお、このとき、当該封口ガスケット２２と外装缶３０とで正極板１１から延出している集電リード４０、特にその延出端縁部を含むように挟みこむ。

そして、封口後、図１（ｃ）に示すように、外装缶３０の上方部であり、封口ガスケット２２と外装缶３０とで集電リード４０が挟まれている領域（封口ガスケット底面部から１．５ｍｍ缶口側）を押圧して縮径する。なお、当該縮経工程に関しては後述する。縮径工程が終了後、外装缶３０の上端部をかしめ加工し（図１（ｄ））、電池１００を作製する。
（１−２）面取り加工
上述した集電リード４０１の延出縁端部をカットする工程について、集電リード４０１の延出部が示されている図３を用いて具体的に説明する。

極板群１１、１３を巻回した後、延出している集電リード４０１に対して、断面Ｕ字状でその端部４５０ａが刃形状である切断部材４５０を仮想線４０２に沿うようにして当接する。
そして、切断部材をさらに押して、集電リード４０１の先端部を押し切り、先端部が円弧形状である集電リード４０を作製する。

なお、本実施形態に係る面取り加工は、封口ガスケット２２の底面から集電リード４０の頂部までの高さＨが２ｍｍとなるように設定して行うものとする。こうして作製された集電リード４０は、図３（ｂ）に示すように、先端部４０ａがＲ＝２ｍｍの円弧形状となっている。
（１−３）縮径工程
次に、上記面取り加工が行われた集電リード４０を配した状態で行う縮径工程について、図４において示されている外装缶３０の部分拡大断面図を用いて具体的に説明すると、以下のとおりである。

集電リード４０が封口ガスケット２２と外装缶３０とに挟まれた状態で、負極ピン２１を中心軸として外装缶３０を回転させる。このような回転状態の外装缶３０に対して、負極ピン２１の突出方向（Ｚ方向）と垂直な方向（Ｙ方向）に加圧する押圧部材５０を接触させる。なお、本実施の形態の場合、封口ガスケット２２の底面から１．５ｍｍ缶口側の部分に押圧部材５０を接触させる。このようにすれば、集電リード４０の延出端縁部を集電リード４０の配設領域（図６中のA部に相当）に位置させることができる。これにより、本縮径工程において、押圧部材５０が外装缶３０の周囲を回転しながら押圧する押圧力によって外装缶３０を縮径し、封口ガスケット２２と外装缶３０とによる電池１００の気密性を向上させ、且つ、集電リード４０と外装缶３０とによる集電性の向上も実現させることができる。

特に、本実施形態では、極板群１１、１３を巻回した後に上記面取り加工が集電リード４０１に施されている。集電リード４０が電極に取り付けられた後に巻回する場合、巻回の際に巻きズレなどによって誤差が生じることにより、集電リード４０の先端部が配設領域よりはみ出る場合があった。しかしこのような製造方法によれば、面取り加工後の集電リード４０に関して、確実に配設領域に集電リード４０の端縁部を位置させることができる。そのため、仮に巻回に誤差が発生しても上記配設領域から集電リード４０の端縁部がはみ出ることがない。

上記縮経工程によって製造された集電リード４０の先端端縁部は、図５に示すように回転初期時（縮径加工前）における円弧形状４１と比較して、その端縁部の一部が上記回転の向きとは逆向きに延伸している。この延伸は、外装缶３０の回転力と押圧部材５０の押圧力の影響を受けたためと思われる。ただし、上記延伸部は配設領域を超えてはいない。
２．評価試験
本実施形態に係る製造方法によって作製された電池１００の気密性の劣化について評価試験を行った。当該試験における試料となる電池は以下のとおりである。なお、下記実施例２及び比較例の電池１０２、２００はそれぞれ実施例１の電池１００とは集電リードの先端形状が異なるのみであり、他の部材及び製造方法は同じである。

また、実施例２で用いられる集電リード４２は、図６に示すとおり、幅４ｍｍの矩形状から角部がそれぞれ１ｍｍの長さを有する三角形状を切り欠く面取り加工が行われたものを用いている。比較例に係る集電リードに関しては、図６において仮想線（一点鎖線）で示すような矩形状のものを用いている。
（実施例１）本実施形態に係る電池１００
（実施例２）上記実施例１とは異なり、先端部がＣカットされた集電リード４２を用いて製造された電池１０２
（比較例）実施例１及び２と異なり、先端部に面取り加工が施されていない矩形状の集電リードを用いて製造された電池２００
実施する評価試験の内容は、実施例１、２及び比較例のそれぞれにおいて１０個の電池を用い、各電池を７０℃±２℃で３０分間保存し、その後すぐに−３０℃で３０分間保存することを１サイクルとして、１２０サイクル及び２４０サイクル行うものである。

上記評価試験によって得られた結果を表１に示す。なお、良品・不良品判定は同試験を２回繰り返し、試験の前後で質量減少が０．００３ｇ以下であるものを良品とし、それ以上のものを不良品としている。

表１から分かるように、上述の面取り加工が施されている集電リード４０、４２を用いて製造された電池１００、１０２においては、１２０サイクル及び２４０サイクル終了後も「良品」判定が示されており、各電池における気密性の劣化はみられない。従って、電池性能の劣化が抑制されていると判断できる。

一方、面取り加工が施されていない集電リードを用いて製造されている比較例２の電池２００においては、１２０サイクル終了後に４割が「不良品」判定され、２４０サイクル終了後には「不良品」判定の割合が上がっている。つまり、電池２００の気密性が劣化して内部の電解液の漏出等を招き、電池性能が劣化していると考えられる。
実施例１の上記優位性は、製造後の電池１００における集電リード４０の形状が延伸変形しているが、本実施形態における集電リード４０の面取り加工によって、その延伸部が電池１００における集電リード４０の配設領域を越えることなく、封口ガスケット２２と外装缶３０とにおける気密性を阻害するにまで至っていないためと考えられる。これは、実施例１の場合と比較して面取り領域は小さいが、上述したような面取り加工が行われている実施例２の場合にも同様の効果をもたらしている。従って、このような面取り加工は、集電リード４０、４２と外装缶３０との集電性を確保できれば、それ以上の大きさで施されていても構わない。一方で、例えば上記のような矩形の集電リード４０、４２（幅Ｗ＝４ｍｍ）に対して、Ｃカットで０．５ｍｍ以上の面取り加工が施されていれば、上述した有効性を得ることができるので望ましい。
３．その他の事項
なお、上記実施形態では、集電リード４０、４２に上記カット工程のような面取り加工を行うことが極板群１１、１３を巻回した後となっているが、面取り加工を行う時期は、これだけに限定せず、外装缶３０の縮経工程前であれば、例えば極板に取り付ける前に面取り加工を行っておいても構わないし、集電リードを予め、面取り加工しておいても良い。

面取り加工が行われた集電リード４０、４２の形状に関しては、集電リード４０１の幅全体に渡って円弧形状となるものでなくても、例えば、角部の一部分がＲカットされているようなものであっても構わない。また、その作製された集電リードの先端中央部が尖状となるようにカットされていても構わない。
その他にも、先端部における両隅部が取り除かれているが、縮径工程における外装缶３０の回転方向が一方向のみであれば、その回転方向の上流側の隅部のみに面取り加工を行っていても構わない。この回転方向に関しても、巻回された電極体１０の巻回方向と同一方向に設定しているが、その逆方向であっても構わない。また、リチウムイオン電池だけでなくアルカリ蓄電池や他の電池も適用可能であり、さらに円筒型電池だけでなくボタン型電池や他形状の電池にも適用可能である。

本発明は、電子・通信機器分野で用いられる小型化された密閉型電池だけではなく、車載用やさらに大きな電力機器用の電力源にも適用できる。

本実施形態に係るピン形リチウムイオン電池の概略製造工程図である。 本実施形態に係る負極ピン及び封口ガスケットの断面図である。 本実施形態に係る集電リードに対する面取り加工の概略図である。 本実施形態に係るピン形リチウムイオン電池における縮径加工を示す断面図である。 本実施形態に係る製造方法によって製造されたリチウムイオン電池における集電リードの模式図である。 実施例２に係る集電リードの模式図である。 従来例におけるピン形リチウムイオンの切り欠き正面図である。

符号の説明

１０ 電極体
１１ 正極板
１２ セパレータ
１３ 負極板
２１ 負極ピン
２２ ＰＦＡ樹脂
３０ 外装缶
４０ 集電リード
１００ ピン形リチウムイオン電池

Claims (1)

1. 外装缶に収納された正極板又は負極板の一方の極板から延出する集電リードの延出端縁部を、封口ガスケット及び前記外装缶の間に狭設するステップと、
   前記集電リードの延出端縁部が狭設された領域を縮径するステップとを含む密閉型電池の製造方法であって、
   前記集電リードとして、前記延出端縁部が面取り加工されたものを用いることを特徴とする密閉型電池の製造方法。

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