JP2007207677A - 角形電池用電極群の製造方法および角形電池用電極群 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の製造工程における極板群の形成に際して巻回式の製造方法を採用する場合に、巻回時の巻きズレを最小限に抑える製造技術を提供する。
【解決手段】正極板１における正極芯材および負極板２における負極芯材に対して活物質を充填する活物質充填工程と、正極板１および負極板２を所定の厚みとなるように圧延する圧延工程と、長方形の芯材７を中心としてその長手方向を巻回方向として正極板１および負極板２におけるそれぞれの芯材露出部４，５を露出させつつ巻回させる巻回工程とを備える。巻回工程においては、最外側に位置する正極板の芯材露出部４および負極板の芯材露出部５に対して、その内側の芯材露出部とをスポット溶接６によって接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、帯状の正極板と帯状の負極板と帯状のセパレータとが巻かれることによって形成される角形電池用電極群の製造方法および角形電池用電極群に関する。

近年、携帯電話、ノート型コンピュータなどの携帯情報機器が普及した。そして、それらの機器は更なる高性能化、軽量化、小型化を目指している。そのため、それら携帯情報機器の電源として用いられている二次電池に対しても、小型軽量化、エネルギー密度の高度化などが要求されている。

一方、ガソリン価格の高騰、地球温暖化への配慮などの外部環境から、電気自動車に対する期待が高まっている。また、動力源としてガソリンエンジンと電気モータとを併用するいわゆるハイブリッド車も市販されている。

言うまでもなく、電気自動車やハイブリッド車には、電源として二次電池が用いられている。そして、その二次電池に対しても、小型軽量化、エネルギー密度や出力の高度化、長寿命、低コスト、信頼性の向上などが要求されている。

携帯情報機器、電気自動車またはハイブリッド車とも、収納スペースが限られている。
一方、従来の二次電池は円筒形をなしたものが多く、限られた収納スペースに収納するには隙間が生じてしまうため、好ましくない。
そこで、円筒形電池に代わって、角形電池が主流となっている。角形電池に関する代表的な技術としては、たとえば特許文献１に記載されたようなものがある。

特許文献１には、『多数の正極板と多数の負極板を、セパレータを介して積層した極板群において、正極板と負極板の互いに反対側の側縁部を極板の対向部分から突出させ、突出部をリード部とすることにより、極板の全面から集電板までの平均距離を短くする。それにより、電池内部の抵抗値を低減するとともに電極活物質の利用率を高めて電池出力を向上させる。』という技術が記載されている。

また、特許文献２には、『帯状の正極板と帯状の負極板と帯状のセパレータを介して巻かれることにより形成された電極群の両端部に一対の集電体を備える。それにより、極板の対向面積を増加させ、電池内部の抵抗値を低減させる。』という技術が記載されている。

特開２００１−９３５０８号公報 特開２００１−２６６９２８号公報

前述した特許文献1（特開２００１−９３５０８号公報）に提案されている角形電池は、セパレータを介して所定寸法の正極板および負極板を積層して極板群を構成させる技術である。この技術を用いて高出力化に対する要望を実現するためには、極板の枚数を増加させることによって、正極板と負極板との反応面積を増大させることとなる。極板の枚数を増加させることは、極板加工の工程数が増えることとなり、製造コストを増大させることになってしまう。

前述した特許文献２（特開２００１−２６６９２８号公報）に提案されている技術は、巻回式の極板群を構成させる技術が開示されている。この技術がそのまま利用できれば、特許文献1に開示された技術の欠点となる極板加工の工程数を大幅に増やすことにはならず、高出力化に対する要望を低コストで実現できることとなる。

しかしながら、角形電池用の巻回式の極板群を構成させる製造工程は、巻回工程にて「巻きズレ」が発生するおそれが大きいことが把握されている。図４から図６を用いて説明する。
図４および図５には、帯状の正極板１と帯状の負極板２と帯状のセパレータ３を介して巻かれることにより形成された電極群１７を示している。また、図６には、電極群１７における芯材露出部４，５の端面に一対の集電体１２，１２を接合する様子を示している。

「巻きズレ」とは、長い帯状の正極板１，負極板２，セパレータ３が巻かれていく最中に、正極板１，負極板２，セパレータ３の長手方向に直角な方向（図５における紙面の上下方向）にずれて巻かれてしまうことである。

この巻きズレが発生してしまうと、電極群１７の芯材露出部４，５の端面には凹凸が存在するので、集電板１２，１２を接合する際に接合不良が発生してしまう。更に好ましくない状態としては、集電板１２，１２を接合する前に短絡（ショート）が発生してしまうおそれもある。

本発明が解決すべき課題は、角形電池の製造工程における極板群の形成に際して巻回式の製造方法を採用する場合に、略長円形状に巻回する際の巻回時の巻きズレを最小限に抑える製造技術を提供することである。

上記課題を解決する手段として、本出願は、以下の発明を開示する。

（請求項１）
請求項１に記載の発明は、帯状の正極板(1)と帯状の負極板(2)とを、前記正極板(1)および前記負極板(2)の間にセパレータ(3)を位置させて断面が略長円形状となるように巻回させることによって電極群を製造する角形電池用電極群の製造方法に係る。
すなわち、前記正極板(1)における正極芯材および前記負極板(2)における負極芯材に対して活物質を充填または塗着する活物質充填工程と、 前記正極板(1)および前記負極板(2)を所定の厚みとなるように圧延する圧延工程と、 前記正極板(1)および前記負極板(2)におけるそれぞれの芯材露出部(4,5)を両極板(1,2)の対向部分から互いに反対側に突出させつつ巻回させる巻回工程とを備える。
そして、前記巻回工程においては、最外側に位置する正極板(1)の芯材露出部(4)および負極板(2)の芯材露出部(5)に対して、その内側の芯材露出部(4,5)との接合をすることとしたことを特徴とする。

前記の「接合」は、巻回によって重なり合うこととなった芯材露出部(4,5)において、少なくとも最外側の芯材露出部(4,5)と、それに接する内側の芯材露出部(4,5)とが接合されればよい。すなわち、接合方法の種類によっては、最外側の芯材露出部(4,5)との接合が内側に位置する他の芯材露出部(4,5)全てと接合されてもよい。

（請求項２）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の角形電池用電極群の製造方法を限定したものであり、
前記接合は、少なくとも一巻回ごとに接合することとしたことを特徴とする。

一巻回ごとに接合する工程があると、電極群の巻ズレはほとんど防止することができる。
巻ズレの発生を抑えることができれば、電極群に対する集電体の溶接時に、接触不足などに基づく溶接のばらつきを抑えることに寄与し、最終的な角形電池の出力特性を安定させることになる。

（請求項３）
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の角形電池用電極群の製造方法を限定したものであり、
前記接合は、接合位置を毎回異ならせることとしたことを特徴とする。

接合には、芯材露出部(4,5)の変形を伴う場合がある。その変形による悪影響（例えば電極群が形成された場合における部分的変形）を分散し、最小限に抑えることができる。

（請求項４）
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の角形電池用電極群の製造方法を限定したものである。
すなわち、前記接合は、レーザ溶接、電子ビーム溶接または抵抗加熱溶接のいずれかによる溶接にて接合されていることを特徴とする。

（請求項５）
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかにに記載の角形電池用電極群の製造方法を限定したものであり、
前記正極板(1)の活物質は水酸化ニッケルを主成分とし、前記負極板(2)の活物質は水素吸蔵合金を主成分とすることを特徴とする。
すなわち、ニッケル水素電池用の角形電池用電極群の製造方法に係る。

（請求項６）
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかにに記載の角形電池用電極群の製造方法を限定したものであり、
前記正極板(1)の活物質はリチウム含有金属化合物を主成分とし、前記負極板(2)の活物質は炭素材料を主成分としたことを特徴とする。
すなわち、リチウムイオン電池用の角形電池用電極群の製造方法に係る。

（請求項７）
請求項７に記載の発明は、帯状の正極板(1)と帯状の負極板(2)とを、前記正極板(1)および前記負極板(2)の間にセパレータ(3)を位置させて巻回させることによって製造する角形電池用の電極群に係る。
すなわち、前記正極板(1)および前記負極板(2)におけるそれぞれの芯材露出部(4,5)を両極板の対向部分から互いに反対側に突出させつつ長円形状に巻回させるとともに、芯材露出部(4,5)を一巻回ごとに接合する接合部(6a,6b)を形成したことを特徴とする。

前記の接合部(6a,6b)は、その接合位置を毎回異ならせることとしてもよい。
前記正極板(1)の活物質が水酸化ニッケルを主成分とし、前記負極板(2)の活物質が水素吸蔵合金を主成分とすれば、ニッケル水素電池の角形電池用電極群となる。
また、前記正極板(1)の活物質がリチウム含有金属化合物を主成分とし、前記負極板(2)の活物質が炭素材料を主成分とすればリチウムイオン電池の角形電池用電極群となる。

本願発明によれば、角形電池の製造工程における極板群の形成に際して巻回式の製造方法を採用する場合に、巻回時において芯材露出部(4,5)を接合することとしたので、巻きズレを最小限に抑える製造技術を提供することができた。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、巻回式の電極群を示す斜視図である。所定の寸法に裁断した正極板、セパレータおよび負極板を積層させるのではなく、正極板１、セパレータ３および負極板２それぞれを帯状とし、セパレータ３を介して巻回させることによって形成する。すなわち、実質的に積層状態を連続させるのである。

正極板１は、発泡ニッケル芯材に対して、水酸化ニッケルを主成分とする正極活物質を充填することによって形成されている。発泡ニッケル芯材の幅は４５mmであり、充填部分の幅は４０mmであり、幅方向の一方の端部には正極活物質が充填されない５mmの未塗工部（芯材露出部４）を設ける。そして、その未塗工部には、ニッケル薄板からなるニッケルリードを配置する。正極板の容量は、７Ａｈ程度である。

負極板２は、金属多孔板（パンチングメタル）からなる芯材に対して、負極の活物質である水素貯蔵合金の微粉末を主成分とするペーストを塗着したものである。また、幅方向の一方の端部から５mmには負極活物質が塗布されていない未塗工部（芯材露出部５）を設ける。負極板の容量は、１０Ａｈ程度である。

本実施形態に係るセパレータ３は、スルホン化処理を施したポリプロピレン製の不織布にて形成されている。ポリアミド樹脂の不織布を採用することもできる。

正極板１と負極板２とは、セパレータ３を介して、それぞれの活物質の部分を相対向させつつ、正負の芯材露出部４，５を対向部分から互いに反対側に突出させた状態で、面取りされた巻き芯７を芯材として略長円形をなすように巻回し、巻高さ（総高）が５０mmの電極群を形成する。
図１においては、巻回の最中に、正極板１の芯材露出部４および負極板２の芯材露出部５を、スポット溶接用の電極棒６を用いて抵抗加熱溶接することによって接合する様子を示している。
一巻ごとに溶接することとすれば、巻回の工程において発生しがちな巻きズレを最小限に抑えることができる。

図２は、所定の高さにまで巻回が終了した電極群を示したものである。図２Ａは、斜視図であり、図２Ｂは、図２ＡにおいてＢ方向から見た側面図であり、図２Ｃは、図２ＡにおいてＣ方向から見た側面図である。

図２Ｂおよび図２Ｃにて明らかなように、本実施形態では接合位置を毎回異ならせている。このことにより溶接に伴う電極群の部分的変形やゆがみなどを分散し、最小限に抑えることができる。

前述した実施形態では、ニッケル水素電池を例示したが、本願発明は、リチウムイオン電池の製造技術にも用いることができる。正極板の芯材としてアルミ箔、活物質としてリチウム含有金属化合物（例えばコバルト酸リチウム）を、負極板の芯材として銅箔、活物質として炭素材料（例えば黒鉛）を用いることに相違がある以外には、基本的な電極群構造がニッケル水素電池と同一だからである。

前述の実施形態においては、巻回の一巻ごとの接合は抵抗加熱溶接法を採用した。しかし、溶接法はこれに限られるものではなく、芯材露出部の材質や製造上の様々な条件に応じて、レーザ溶接、電子ビーム溶接なども採用可能である。
また、接合は前記したような本格的な溶接に限られず、簡易的な仮止め接合でも良い。
また、前述の実施形態においては一巻毎に溶接したが、数回巻毎に溶接しても良いし、巻工程の後半に集中して溶接しても良い。

図３Ａは、前述の実施形態にて製造した電極群２０個の巻高さに関するばらつきを測定したものである。また、図３Ｂは、図４に示す従来の巻回技術による製造方法、すなわち巻回において芯材露出部４，５の溶接を行わない製造方法にて製造した電極群２０個の巻高さに関するばらつきを測定したものである。

図３Ａに示す本実施形態にて製造した電極群は、図３Ｂに示す従来の巻回技術によって製造した電極群と比較して巻高さ（総高）のバラツキ（σ）が半分以下に抑えられている。
更に、上記電極群の芯材露出部の平面度(集電板を溶接する面の凹凸)を測定した結果を、図３Ｃおよび図３Ｄに示す。前述した電極群の巻高さ（総高）に関するバラツキデータと同様、図３Ｃに示す本実施形態の電極群は、図３Ｄに示す従来の電極群に比べて、平面度のバラツキが小さく、０(mm)近傍であり、極めて平面に近いことが分かる。

以上の実施例から明らかなように、本発明に係る技術、すなわち、巻回工程において芯材露出部を溶接することにより、極板のズレが抑制された。

本発明は、主に二次電池の製造分野、および二次電池の部品、部材の製造分野において利用することができる。また、一次電池の製造分野においても利用することができる。

本発明に係る角型電池用電極群の製造手順を示す斜視図である。 本発明に係る角型電池用電極群を示す斜視図、および側面図である。 実施例による実験結果を示す棒グラフである。 従来の角型電池用電極群の製造手順を示す斜視図である。 従来の角型電池用電極群を示す斜視図、および側面図である。 従来の角型電池ユニットの製造手順を示す斜視図である。

符号の説明

１ 正極板 ２ 負極板
３ セパレータ ４ 芯材露出部（正極）
５ 芯材露出部（負極） ６ スポット溶接用の電極棒
７ 巻き芯
１２ 集電板 １２１ 集電板の上部
１２２ 溶接部
１７ 電極群

Claims (7)

1. 帯状の正極板と帯状の負極板とを、前記正極板および前記負極板の間にセパレータを位置させて断面が略長円形状となるように巻回させることによって電極群を製造する製造方法であって、
   前記正極板における正極芯材および前記負極板における負極芯材に対して活物質を充填または塗着する活物質充填工程と、
   前記正極板および前記負極板を所定の厚みとなるように圧延する圧延工程と、
   前記正極板および前記負極板におけるそれぞれの芯材露出部を両極板の対向部分から互いに反対側に突出させつつ巻回させる巻回工程とを備え、
   前記巻回工程においては、最外側に位置する正極板の芯材露出部および負極板の芯材露出部に対して、その内側の芯材露出部との接合をすることとしたことを特徴とする角形電池用電極群の製造方法。
2. 前記接合は、少なくとも一巻回ごとに接合することとした請求項１に記載の角形電池用電極群の製造方法。
3. 前記接合は、接合位置を毎回異ならせることとした請求項１または請求項２のいずれかに記載の角形電池用電極群の製造方法。
4. 前記接合は、レーザ溶接、電子ビーム溶接または抵抗加熱溶接のいずれかによる溶接にて接合されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の角形電池用電極群の製造方法。
5. 前記正極板の活物質は水酸化ニッケルを主成分とし、前記負極板の活物質は水素吸蔵合金を主成分とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の角形電池用電極群の製造方法。
6. 前記正極板の活物質はリチウム含有金属化合物を主成分とし、前記負極板の活物質は炭素材料を主成分としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の角形電池用電極群の製造方法。
7. 帯状の正極板と帯状の負極板とを、前記正極板および前記負極板の間にセパレータを位置させて断面が略長円形状となるように巻回させることによって製造する電極群であって、
   前記正極板および前記負極板におけるそれぞれの芯材露出部を両極板の対向部分から互いに反対側に突出させつつ巻回させるとともに、芯材露出部を一巻回ごとに接合する接合部を形成したことを特徴とする角形電池用電極群。
   

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