JP2008084567A

JP2008084567A - 円筒型非水電解質電池及びその製造方法

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Publication number: JP2008084567A
Application number: JP2006260321A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Fukase; 康夫深瀬
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP5070784B2

Abstract

【課題】部品点数や製造工程を増やさずに、電極層に対する電解液の充分な含浸性と異物侵入の防止機能の両立を実現し得る円筒型非水電解質電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】帯状正極１や帯状負極２よりも大きい幅を有するセパレータ３を用い、上記セパレータ３、上記帯状正極１及び上記帯状負極２から成る積層体を巻回して、上記セパレータ３の一部が上下にはみ出した巻回電極体Ａを作製した後、上記巻回電極体Ａの両端面において、上記セパレータ３のはみ出した部分を内側又は外側に折り曲げると共に、上記セパレータ３のはみ出した部分の一部を互いに熱溶着する円筒型非水電解質電池の製造方法。
【選択図】図７

Description

本発明は、円筒型の電池缶内に巻回電極体を収納して成る円筒型非水電解質電池及びその製造方法に関するものである。

この種の円筒型非水電解質電池としては、帯状正極及び帯状負極とこれらを分離するセパレータを積層し、積層体を渦巻状に巻回して上下にセパレータがはみ出した状態の巻回電極体を作製し、はみ出したセパレータの一部を加熱成型により内側又は外側に折り曲げ、この巻回電極体を電解液とともに電池缶に収納したものがあった。

上記の円筒型非水電解質電池は、帯状正極及び帯状負極からはみ出したセパレータの一部を加熱成型によって内側又は外側に折り曲げたことで、セパレータから帯状正極及び帯状負極がはみ出して互いに接触することもなく、電極の実質的な充填量を増大させ、容量の大きい電池を高い生産性をもって製造することを可能にした（特許文献１）。
特開平７−１５３４８８号公報

ところで、円筒型非水電解質電池は、その製造において、電池缶に巻回電極体を収納した後に電解液の注入を行なうが、この際、導電性を有する微細な異物が電極層間に侵入し、その異物がセパレータを貫通して内部短絡を起こすことがある。また、円筒型非水電解質電池は、電池缶が金属製であることから、微細な金属異物を完全に除去するのは不可能に近いのが実情であった。

そこで、従来の円筒型非水電解質電池には、巻回電極体の端面を絶縁シートで塞いだものもあったが、この場合には、電極層に電解液を充分に含浸させることが困難になると共に、部品点数や製造工程が増えるという問題点があった。

これに対して、先述した従来の円筒型非水電解質電池は、帯状正極及び帯状負極からはみ出したセパレータの一部を内側又は外側に折り曲げているので、ある程度の異物の侵入を防止し得るのであるが、折り曲げ部分のスプリングバックや振動等の影響により、その効果は必ずしも充分ではなかった。つまり、従来の円筒型非水電解質電池は、部品点数や製造行程を増やさずに、電極層に対する電解液の充分な含浸と異物の侵入の防止とを両立させることが望まれていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、部品点数や製造工程を増やさずに、電極層に対する電解液の充分な含浸を実現することができると共に、電極層間への異物侵入の防止機能をより高めることができる円筒型非水電解質電池及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の円筒型非水電解質電池の製造方法は、帯状正極及び帯状負極とこれらを分離するセパレータを積層し、この積層体を巻回して巻回電極体を作製し、この巻回電極体を電解液とともに電池缶に収納した円筒型非水電解質電池を製造するに際し、上記帯状正極や上記帯状負極よりも大きい幅を有するセパレータを用い、上記セパレータ、上記帯状正極及び上記帯状負極から成る積層体を巻回して、上記セパレータの一部が上下にはみ出した巻回電極体を作製した後、上記巻回電極体の両端面において、上記セパレータのはみ出した部分を内側又は外側に折り曲げると共に、上記セパレータのはみ出した部分の一部を互いに熱溶着する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の円筒型非水電解質電池は、帯状正極及び帯状負極とこれらを分離するセパレータを積層した積層体を巻回して成る巻回電極体を備え、この巻回電極体を電解液とともに電池缶に収容した円筒型非水電解質電池であって、上記巻回電極体が、上記帯状正極や上記帯状負極よりも大きい幅を有する上記セパレータを用いることで上記セパレータの一部が上下にはみ出した状態を成すと共に、両端面において、上記セパレータのはみ出した部分を内側又は外側に折り曲げてその一部を熱溶着してある構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

なお、上記構成において、セパレータは少なくとも２枚用いられ、帯状正極、一方のセパレータ、帯状負極及び他方のセパレータを積層し、この積層体を巻回して巻回電極体を作製する。

本発明の円筒型非水電解質電池及びその製造方法によれば、部品点数や製造工程を増やさずに、電極層に対する電解液の充分な含浸を実現することができると共に、電極層間への異物侵入の防止機能をより高めることができる。

本発明の円筒型非水電解質電池において、セパレータは、通常、非水電解質電池において用いているものが使用可能であり、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブチレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン等よりなる微多孔性フィルムが用いられ、単層にしたり複層にしたりすることができる。

帯状正極や帯状負極は、帯状の集電体に電極活物質を含有する電極合剤を塗布したものである。帯状正極の集電体には例えばアルミニウム箔が用いられ、帯状負極の集電体には例えば銅箔が用いられる。

負極活物質としては、例えば、リチウム、リチウム合金、ポリアセチレン等の導電性ポリマー及びコークス等の炭素材料を用いることができる。

正極活物質としては、例えば、二酸化マンガン、五酸化バナジウムのような遷移金属化合物や、硫化鉄等の遷移金属カルコゲン化合物、さらにはこれらとリチウムとの複合化合物を用いることができる。

また、電解液としては、例えばリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解したものが用いられる。有機溶媒としては、とくに限定されるものではないが、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ｒ−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−ジエキソラン、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、プロピオニトリル等の単独もしくは二種類以上の混合溶媒が使用できる。電解質は、従来既知のものがいずれも使用でき、ＬｉＣｌＯ_４，ＬｉＡｓＦ_６，ＬｉＰＦ_６，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４，ＬｉＣｌ，ＬｉＢｒ，ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ，ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ等がある。

ここで、円筒型非水電解質電池は、電解液の注入時に、正負両極における電極合剤の塗膜面と集電体との段差部から微細な異物が侵入し易く、巻回電極体の最内周と最外周において、正極の集電体（Ａｌ箔）と負極の電極合剤の塗膜面とが対向する箇所、又は正極の集電体（Ａｌ箔）と負極の集電体（Ｃｕ箔）とが対向する箇所で内部短絡した場合、大きな電流リークを伴うことが分かっている。本発明は、上記した異物が侵入し易い部位に対して巻回電極体の端面を熱溶着し、電解液の注入時の異物侵入を防止することで内部短絡を未然に防止して電池の安全性を確保するものである。

また、本発明の円筒型非水電解質電池では、巻回電極体の両端面において、熱溶着を施す範囲が端面全体の５０％を超えると、電極層に対する電解液の含浸性が著しく低下することから、熱溶着を施す範囲を端面全体の５０％以下にするのが望ましく、これにより電極層への電界液の充分な含浸性が確保される。

さらに、本発明の円筒型非水電解質電池では、巻回電極体の両端面において熱溶着した部分はセパレータ同士が固着しており、帯状正極や帯状負極を袋状に閉じた構造になっている。

さらに、本発明の円筒型非水電解質電池では、熱溶着したセパレータ同士の引っ張り強度をＮ／ｍｍ^２未満にすると、電解液の加圧注入時に溶着部が剥がれる可能性があるので、引っ張り強度を１Ｎ／ｍｍ^２以上にすることが望ましい。

さらに、本発明の円筒型非水電解質電池では、帯状負極とセパレータのクリアランス（帯状負極端面からのセパレータのはみ出し量）は、０．３ｍｍ未満であると、セパレータを溶着して袋状に閉じることができないので、同クリアランスを０．３ｍｍ以上にするのが望ましく、また、帯状正極及び帯状負極からのセパレータのはみ出し部分の折り曲げ角度は、１０度未満であると、溶着し難いので、折り曲げ角度を１０度以上にすることが望ましい。

図７は、本発明の円筒型非水電解質電池の製造方法に適用可能な成形装置の一例を示す図である。

図７（ａ）に示す巻回電極体Ａは、帯状正極１及び帯状負極２よりも大きい幅を有するセパレータ３を用いると共に、帯状正極１、一方のセパレータ３、帯状負極２及び他方のセパレータ３の順で積層し、セパレータ３が外側になるようにして積層体を巻回して成るものであって、図中で上下面となる両端面において、帯状正極１及び帯状負極２からセパレータ３の一部がはみ出した状態になっている。

また、図示例の巻回電極体Ａは、最内周にもセパレータ３が設けてあり、帯状正極１の内周部に正極集電リード４を設けると共に、帯状負極２の外周部に負極集電リード５が設けてある。

上記の巻回電極体Ａに熱溶着を施す成形装置は、互いに近接離間可能に配置した上型１１と下型１２を備えている。上型１１は、セラミックス、樹脂あるいはＡｌ等の放熱性の大きい材料から成る概略円柱形のインナブロック１３と、ステンレスや鉄等から成り且つヒーター１４を内蔵した円筒形のアウタブロック１５を備え、内側の低温部（インナブロック１３）と外側の高温部（アウタブロック１５）を有する二重構造となっている。

下型１２は、上型１１と同様に、インナブロック１６と、ヒーター１７を内蔵したアウタブロック１８を備え、内側の低温部と外側の高温部を有するものとなっている。なお、上型１１のインナブロック１３には、その中心に、正極集電リード４が入り込む下向きの逃げ穴１３ａが設けてある。他方、下型１２のインナブロック１６には、その中心に、巻回電極体Ａの中心孔Ｂに入り込む突出部１６ａが設けてあり、アウタブロック１８には、負極集電リード５が入り込む逃げ穴１８ａが設けてある。

上記の成形装置は、図７（ａ）に示す如く上型１１と下型１２の間に巻回電極体Ａをセットすると共に、各アウタブロック１５，１８を夫々のヒーター１４，１７により所定温度まで加熱した後、上型１１と下型１２を接近させて巻回電極体Ａに所定の圧力で接触させる。

これにより、巻回電極体Ａの両端面において、セパレータ３のはみ出した部分を内側に折り曲げると共に、高温部である上下のアウタブロック１５，１８により、図７（ｂ）に示すように、セパレータ３のはみ出した部分の一部（図示例では外周部）を互いに熱溶着（熱溶着部分Ｃ）する。

このとき、巻回電極体Ａの両端面において、熱溶着部分Ｃの範囲は、端面全体の５０％以下であることがより望ましく、これにより、巻回電極体Ａを電池缶に収容して電解液を注入する後行程において、従来使用していた絶縁シート等の別部材を全く用いずに、電極層に対する微細な異物侵入の防止機能と電解液の充分な含浸性の両方を実現することができる。例えば、本発明の円筒型非水電解質電池では、５０μｍレベルの微細な異物の侵入をも防止し得る。

また、熱溶着部分Ｃの範囲は、図示例の如く円周方向に連続していることがより望ましく、これにより、円周方向にわたって異物侵入防止の効果が均一に得られ、しかも、機械的強度も円周方向にわたって均一となる。

さらに、本発明の円筒型非水電解質電池は、上記した異物侵入の防止機能向上に伴って、電流リークを起こすような内部短絡を未然に防ぐことができ、安全で活信頼性の高い電池を提供することができる。

なお、図７に示す例では、回電極体Ａの両端面の最外周に熱溶着を施した場合を示したが、最内周、最外周及び最内周の両方若しくはそれ以外の範囲に熱溶着を施すことも可能である。これに対応して、成形装置にあっても、内周側を高温部とし且つ外周側を低温部とした二重構造のものや、内周側から外周側に向けて高温部、低温部及び高温部を配置した三重構造のものとすることができ、図示例の如き一工程又はそれ以上の複数工程で熱溶着部分を形成するようにしても良い。

図１に示す実施例１の巻回電極体Ａは、両端面において、最内周のセパレータを熱溶着したものである。また、図２に示す実施例２の巻回電極体Ａは、両端面において、最外周のセパレータを熱溶着したものである。さらに、図３に示す実施例３の巻回電極体Ａは、両端面において、最内周及び最外周のセパレータを熱溶着したものである。すなわち、これらの巻回電極体Ａは、正極の集電体と負極の電極合剤の塗膜面とが対向する箇所、又は正極の集電体と負極の集電体とが対向する箇所における正極の集電体（Ａｌ箔）を介した低抵抗の内部短絡を阻止するために、その箇所に対応するセパレータの端面を溶着したものである。

図４に示す実施例４の巻回電極体Ａは、両端面において、最内周及び最外周のセパレータを熱溶着し、熱溶着の範囲を端面全体の３０％としたものである。また、図５に示す実施例５の巻回電極体Ａは、両端面において、最内周及び最外周のセパレータを熱溶着し、熱溶着の範囲を端面全体の５０％としたものである。さらに、図６に示す実施例６の巻回電極体Ａは、両端面において、最内周及び最外周のセパレータを熱溶着し、熱溶着の範囲を端面全体の７０％としたものである。

そして、実施例１〜６の巻回電極体Ａを用いた円筒型非水電解質電池を夫々１００個作製し、電解液の未含浸範囲と、４．２Ｖに充電して常温で１ヶ月放置した後の電圧を測定した。なお、電解液の未含浸範囲が１０％以上の本数、放置後の電圧が４Ｖ以下となった本数、放置後の電圧が３Ｖ以下になった本数を表１に示す。

表１から明らかなように、巻回電極体Ａの端面における熱溶着部分の範囲が端面全体の５０％以下であれば、実施例１〜４に示すように、電解液の含浸性が充分に得られることが判明した。また、熱溶着部分の範囲が最内周及び最外周であって、同範囲が大きくなるほど、異物侵入の防止効果が高まるので、実施例３〜６に示すように、充電後の電圧不良も少ない又は無いことが判明した。

これにより、電解液の充分な含浸性と異物侵入の防止機能との両立を実現するには、巻回電極体Ａの端面における熱溶着部分の範囲が、端面全体の一部であって、より望ましくは端面全体の５０％以下とするのが望ましく、また、端面の最内周及び最外周の少なくとも一方を含むものとするのがより望ましいことが判明した。

本発明の円筒型非水電解質電池を構成する巻回電極体の実施例１を示す斜視図である。巻回電極体の実施例２を示す斜視図である。巻回電極体の実施例３を示す斜視図である。巻回電極体の実施例４を示す斜視図である。巻回電極体の実施例５を示す斜視図である。巻回電極体の実施例６を示す斜視図である。本発明の円筒型非水電解質電池の製造方法に適用可能な成形装置の一例を示す断面図（ａ）及び成形後の巻回電極体を説明する断面図（ｂ）である。

符号の説明

Ａ…巻回電極体１…帯状正極２…帯状負極３…セパレータ

Claims

帯状正極及び帯状負極とこれらを分離するセパレータを積層し、この積層体を巻回して巻回電極体を作製し、この巻回電極体を電解液とともに電池缶に収納した円筒型非水電解質電池を製造するに際し、
上記帯状正極や上記帯状負極よりも大きい幅を有するセパレータを用い、上記セパレータ、上記帯状正極及び上記帯状負極から成る積層体を巻回して、上記セパレータの一部が上下にはみ出した巻回電極体を作製した後、
上記巻回電極体の両端面において、上記セパレータのはみ出した部分を内側又は外側に折り曲げると共に、上記セパレータのはみ出した部分の一部を互いに熱溶着することを特徴とする円筒型非水電解質電池の製造方法。
帯状正極及び帯状負極とこれらを分離するセパレータを積層した積層体を巻回して成る巻回電極体を備え、この巻回電極体を電解液とともに電池缶に収容した円筒型非水電解質電池であって、
上記巻回電極体が、上記帯状正極や上記帯状負極よりも大きい幅を有する上記セパレータを用いることで上記セパレータの一部が上下にはみ出した状態を成すと共に、両端面において、上記セパレータのはみ出した部分を内側又は外側に折り曲げてその一部を熱溶着してあることを特徴とする円筒型非水電解質電池。
上記巻回電極体の両端面において、熱溶着を施す範囲が端面全体の５０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の円筒型非水電解質電池。
上記巻回電極体の両端面において、最内周及び最外周の少なくとも一方に熱溶着が施してあることを特徴とする請求項２に記載の円筒型非水電解質電池。