JP2008204781A - 扁平角形二次電池の製造方法、扁平電極体の製造方法及び扁平電極体の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池を提供することにある。
【解決手段】集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板を用意し、正負極板をセパレータを介して巻芯１０に捲回して渦巻状の電極体１１を形成し、電極体１１を加圧治具２０で狭持した状態で、巻芯１０を電極体１１から抜き取り、電極体１１を加圧治具２０で押圧することにより扁平状の電極体１２を得る。そして、扁平状に成形された電極体１２を、角形扁平状の外装体に収容して扁平角形二次電池を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池の製造方法、扁平角形二次電池に用いる扁平電極体の製造方法及びその製造装置に関する。

近年、携帯電話等の小型電子機器の需要の高まりから、高エネルギー密度の電池が求められており、特に、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、高エネルギー密度が得られ、自己放電が少ないなどの優れた特性を有することから、需要の拡大が進んでいる。

一般に、電解液の電導度が低い非水系電解液を用いる電池にあっては、大電流を取り出すためには、正極板と負極板とが対向する面積を大きくする必要がある。そのため、非水電解質二次電池の電極構造として、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に捲回された電極体が主に使用されている。

図５は、捲回された電極体の一般的な形成方法を示した図である。円筒形の巻芯１０４のスリット１０５に、シート状のセパレータ１０３ａの端部を挟むとともに、この巻芯１０４を回転させて、シート状の正極板１０１及び負極板１０２を、セパレータ１０３ａ、１０３ｂを介して巻芯１０４に渦巻状に捲回することによって、図６に示すような円筒形の捲回された電極体１２０が形成される。

ところで、電子機器の小型化、軽量化に伴い、電子機器のスペースの有効利用の観点から、円筒形の二次電池に比べ収容効率の優れる扁平角形の二次電池が広く使用されるようになってきた。そのためには、扁平化された捲回電極体を形成し、これを扁平角形の外装体に収容する必要となる。

扁平化された捲回電極体は、平板状の巻芯にシート状の正負極板をセパレータを介して捲回し、その後、この巻芯を抜き取ることによって形成することができる（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、この方法は、円筒形の巻芯を用いて捲回する場合に比べて、極板やセパレータに加える張力を一定に制御することが難しく、過剰な張力が加わると極板が破損するおそれがあり、そのため、一定の品質を得ようとすると、巻き取り時間がかかり、製造コストが上昇してしまうという問題がある。

これに対して、円筒形の巻芯に正負極板をセパレータを介して捲回し、この巻芯を抜き取った後、円筒形の捲回電極体を軸方向と直交する方向から押圧することによって、扁平化された捲回電極体を形成する方法がある（例えば、特許文献２を参照）。この方法は、捲回電極体を押圧する工程が加わるものの、量産工程に容易に取り込むことができるため、製造コストの上昇を押さえることができる。
特開平６−９６８０１号公報 特開平８−１７１９１７号公報

円筒形の捲回電極体を押圧することによって扁平状の捲回電極体を形成する方法は、一定の品質を維持した電極体を容易に製造できるため、量産工程に適した方法と言える。

図７は、この方法を量産工程に適用した場合の、一般的な製造工程を示した工程フロー図である。

まず、集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板、及びセパレータを用意し（Ｓ１００）、正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する（Ｓ１１０）。次に、捲回された電極体を保持治具に固定して（Ｓ１２０）、電極体から巻芯を抜き取る（Ｓ１３０）。次に、巻芯を抜き取った捲回電極体を加圧治具に狭持し（Ｓ１４０）、捲回電極体を加圧して（Ｓ１５０）、扁平状の電極体を形成する（Ｓ１６０）。そして、この扁平状の電極体を角形外装体に収容して（Ｓ１７０）、角形二次電池を完成させる（Ｓ１８０）。

ところで、図６に示したように、巻芯１０４に捲回して形成された電極体１２０の最内周には、正負極板１０１、１０２の各合剤層の始端部Ｍがある。この始端部Ｍは、電極体１２０を加圧した際、扁平状に成形された電極体１２０の最内周の長手方向端部に位置していることが好ましい。これは、扁平状の電極体１２０の長手方向に正負極板１０１、１０２の合剤層を隙間なく配向させることで、一定の厚みの外装体に対して、電池容量を最大限にするためである。それ故、通常は、巻芯１０４の外径、セパレータ１０３ａの捲回開始位置、及びセパレータ１０３ａに対する正負極板１０１、１０２の各合剤層の配設位置を予め決めておくことによって、正負極板１０１、１０２の各合剤層の始端部Ｍが、電極体１２０の最内周の長手方向端部に位置するように設定されている。なお、電極体１２０の最外周における正負極板１０１、１０２の合剤層の終端部（不図示）も、同様の理由により、長手方向端部に位置するように設定されている。

しかしながら、図７の工程フロー図に示したように、捲回された電極体の巻芯は、固定治具に固定された状態で抜き取られ、その後、電極体は、加圧治具に移され、そこで押圧されて扁平状の捲回電極体が形成される。そのため、固定治具に固定されていたときの電極体１２０の位置が、加圧治具に移されて、加圧治具に狭持されたときに変わるおそれがある。すなわち、図８（ａ）に示すように、固定治具（不図示）に電極体１２０が固定されていたときの合剤層の始端部ＭがＤ１の位置にあったとき、図８（ｂ）に示すように、加圧治具２００に狭持されたときの電極体１２０の位置が変わると、押圧後の扁平化された電極体１３０における始端部Ｍが、電極体１３０の最内周の長手方向端部から外れた位置Ｄ２にずれてしまう事態が生じる。

このような事態が起きると、電極体１３０の厚みにバラツキが生じ、その結果、外装体の内寸法に不適合な電極体１３０が形成されると、電極体１３０の製造歩留まりが低下するという問題が生じる。また、このようなバラツキを考慮した設計を行うと、電池容量が低下してしまう結果を招く。加えて、以下のような安全性の面での課題もある。

通常、正負極板１０１、１０２は、集電体の両面に活物質を含む合剤層がそれぞれ形成されているが、例えば、リチウムイオン二次電池の場合、負極側が容量規制極になるため、セパレータを介して対向する負極側の面積が正極側の面積よりも大きくなるように設計されている。すなわち、捲回電極体の最内周において、負極合剤層の始端部は正極合剤層の始端部に対して突出するようにずらして配置されている。この場合、正極合剤層の始端部には正極板の集電体（例えば、アルミニウム）が露出しているため、露出した正極集電体と負極合剤層とがセパレータを介して対向する格好になっている。もし、何らかの原因でセパレータが破損し、露出した正極集電体と負極合剤層とが短絡すると、非常に大きな電流が瞬時に流れるおそれがある。

ところで、捲回電極体を押圧することによって扁平状の電極体を形成した場合、電極体の長辺方向の端部にあるセパレータには大きな張力がかかっている。それ故、セパレータが破損しにくい状態になっているため、この近傍に正極集電体が露出した部分、換言すれば、負極合剤層の始端部を配置するようにしておけば、正極集電体の露出部と負極合剤層との短絡の発生を抑制することができる。然して、始端部が電極体の最内周の長手方向端部から外れた位置にずれる事態が生じると、露出した正極集電体と負極合剤層との短絡が発生するおそれが増し、安全性が低下するという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、渦巻状の電極体を形成した後、電極体を加圧治具で狭持した状態で巻芯を電極体から抜き取り、然る後に、電極体を加圧治具で押圧することにより扁平状に成形することによって、扁平状の電極体を形成する方法を採用した。これにより、捲回後の電極体の位置がずれることなく、電極体を扁平状に成形することができるため、合剤層の始端部を、扁平化された電極体の最内周の長手方向端部に安定して配置させることができる。

本発明に係わる扁平角形二次電池の製造方法は、集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板を用意する工程（ａ）と、正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する工程（ｂ）と、電極体を加圧治具で狭持した状態で、巻芯を電極体から抜き取る工程（ｃ）と、電極体を加圧治具で押圧することにより扁平状に成形する工程（ｄ）と、扁平状に成形された電極体を角形扁平状の外装体に収容する工程（ｅ）とを含むことを特徴とする。

このような方法によれば、正負極板の合剤層の始端部が、扁平化された電極体の最内周の長手方向端部に安定して配置するため、安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池を実現することができる。

ここで、上記工程（ｃ）において、電極体は、巻芯に捲回された極板の合剤層の始端部が、加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整された後、加圧治具に狭持されることが好ましい。捲回工程のバラツキにより、捲回後の電極体における合剤層の始端部の位置がずれる場合があるが、電極体を加圧治具で狭持する前に、合剤層の始端部の位置を、加圧治具に対して所定の位相になるように調整することによって、押圧後の合剤層の始端部を、電極体の最内周の長手方向端部に安定して配置させることができる。

本発明によれば、正負極板の合剤層の始端部を、扁平化された電極体の最内周の長手方向端部に安定して配置させることができるため、安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池を提供することができる。

以下、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。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１は、本発明の実施形態における扁平角形二次電池の製造方法を示した工程フロー図である。

まず、集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板を用意し（Ｓ１０）、正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する（Ｓ２０）。次に、捲回した電極体を加圧治具で狭持し（Ｓ３０）、その状態で巻芯を電極体から抜き取り（Ｓ４０）、さらに、電極体を加圧治具で押圧することにより扁平状に成形し（Ｓ５０）、扁平化された電極体を得る（Ｓ６０）。最後に、扁平状に成形された電極体を、角形扁平状の外装体に収容して（Ｓ７０）、扁平角形二次電池を完成させる（Ｓ８０）。

図２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した工程フロー図におけるＳ３０、Ｓ４０、Ｓ５０の各ステップにおける状態を模式的に示した工程断面図である。

図２（ａ）に示すように、巻芯１０に捲回された電極体１１を加圧治具２０で狭持した状態で、図２（ｂ）に示すように、巻芯１０を電極体１１から抜き取る。なお、正負極板の合剤層の始端部Ｍは、図２（ａ）に示すように、加圧治具２０に対して所定の位置になるよう配置されるが、巻芯１０を抜き取った後も、図２（ｂ）に示すように、その始端部Ｍの位置は変わっていない。そして、図２（ｃ）に示すように、電極体１１を加圧治具２０で押圧することによって、扁平化された電極体１２を形成する。

本実施形態によれば、捲回後の電極体１１の位置をずらすことなく、電極体１１を扁平状に成形することができるため、合剤層の始端部Ｍを、扁平化された電極体１２の最内周１３の長手方向端部に安定して配置させることができる。これにより、上記の方法により得られた扁平状の電極体１２を、角形扁平状の外装体に収容することによって、安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池を実現することができる。

ここで、「所定の位相」とは、電極体１１を加圧治具２０で押圧して扁平状に成形した際、合剤層の始端部Ｍが、扁平化された電極体１２の最内周１３の長手方向端部に位置するように、電極体１１の押圧方向に対して、加圧治具２０を基準に設定された相対的な位置をいう。

（本実施形態の変形例）
ところで、図２（ａ）に示した合剤層の始端部Ｍは、正負極板の捲回工程（Ｓ２０）において、巻芯１０の外径、セパレータの捲回開始位置、及びセパレータに対する正負極板の配設位置を予め決めておくことによって、加圧治具２０に対して所定の位置になるよう配置されるが、捲回工程のバラツキにより、合剤層の始端部Ｍが、所定の位置からずれることがある。このずれた状態で電極体１１を押圧すると、合剤層の始端部Ｍの位置が、扁平化された電極体１２の最内周１３の長手方向端部からずれてしまう。

そこで、このような捲回工程のバラツキが生じても、なお、合剤層の始端部Ｍを、扁平化された電極体１２の最内周１３の長手方向端部に安定して配置させることのできる方法を、以下に説明する。

図３は、本実施形態の変形例における扁平角形二次電池の製造方法を示した工程フロー図である。図１に示した工程フロー図とは、Ｓ２１及びＳ２２の工程が追加された点が異なり、他の工程は同じである。

まず、集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板を用意し（Ｓ１０）、正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する（Ｓ２０）。次に、捲回した電極体を加圧治具で狭持する前に、合剤層の始端部が加圧治具に対して所定の位相にあるかどうかを確認する（Ｓ２１）。もし、図４（ａ）に示すように、合剤層の始端部Ｍが、加圧治具２０に対して、所定の位相から角度α（巻芯１０の中心Ｏを通り、押圧方向に直交する線分ＯＰと、巻芯１０の中心Ｏと合剤層の始端部Ｍとを結ぶ線分ＯＱとのなす角度）だけずれていた場合、図４（ｂ）に示すように、巻芯１０を矢印の方向に角度αだけ回転させて、合剤層の始端部Ｍを所定の位相に調整する（Ｓ２２）。合剤層の始端部Ｍが、加圧治具２０に対して、所定の位相にある場合（Ｓ２１での調整後も含めて）には、捲回した電極体を加圧治具で狭持し（Ｓ３０）、その状態で巻芯を電極体から抜き取り（Ｓ４０）、さらに、電極体を加圧治具で押圧することにより扁平状に成形し、扁平状の電極体を得る（Ｓ６０）。最後に、扁平状に成形された電極体を、角形扁平状の外装体に収容して（Ｓ７０）、扁平角形二次電池を完成させる（Ｓ８０）。

上記の方法によれば、極板の捲回工程におけるバラツキが生じても、合剤層の始端部Ｍを、扁平化された電極体１２の最内周１３の長手方向端部に安定して配置させることができる。これにより、上記方法により得られた扁平状の電極体１２を、角形扁平状の外装体に収容することによって、より安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池を実現することができる。

また、上記Ｓ２１の工程において、合剤層の始端部Ｍの加圧治具２０に対する位相を、自動的に検出する工程を含んでいてもよい。例えば、画像センサーを用いて合剤層の始端部Ｍの加圧治具２０に対する位相αを検出することによって、検出された位相αに基づき、合剤層の始端部Ｍを所定の位相に位置するように調整することができる。

（本実施形態における扁平電極体の製造装置）
本実施形態における扁平電極体は、図１に示した工程フローに従い製造することができるが、かかる扁平電極体の製造装置として、例えば、
（Ａ）巻芯の巻き取り部位に、正極板、負極板及びセパレータを供給する供給機構、
（Ｂ）巻芯を回転させて、正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する捲回機構、
（Ｃ）渦巻状の電極体を加圧可能に狭持する保持機構、及び
（Ｄ）巻芯を回転させて、巻芯に捲回された極板の合剤層の始端部が、保持機構に対して所定の位相に位置するように調整する調整機構
の構成を備えたものを用いることができる。そして、本製造装置は、捲回機構（Ｂ）で巻芯に捲回した極板の合剤層の始端部を、保持機構（Ｃ）に対して所定の位相に位置するように調整した後、電極体を保持機構（Ｃ）で狭持した状態で、巻芯を電極体から抜き取った後、電極体を保持機構（Ｃ）で加圧するように制御される。

なお、本製造装置において、上記調整機構（Ｄ）は、合剤層の始端部の保持機構（Ｃ）に対する位相を検出する検出部（Ｅ）をさらに備えていてもよい。これにより、渦巻状の電極体を、検出部（Ｅ）で検出された位相に基づき、合剤層の始端部を保持機構（Ｃ）に対して所定の位相に位置するように調整することが容易になる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記の実施形態において、合剤層の始端部を、加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整したが、合剤層の終端部が、始端部との関係において、電極体の最外周に配置される位置（例えば、長手方向端部）が決められていれば、始端部に代わり合剤層の終端部を、加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整してもよい。

また、例えば、リチウムイオン二次電池の場合のように、電池容量を規制する側の負極合剤層の始端部が、正極合剤層の始端部に対して突出するようにずらして配置されているときは、いずれか一方の極板の合剤層の始端部を、加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整してもよい。

なお、本発明における角形扁平二次電池は、電池内に収容された扁平状の電極体が、巻芯に捲回された電極体を押圧して形成されたものであれば、その種類は特に制限されない。例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池等の非水電解質二次電池に好適に適用することができる。

また、本発明において、電極体を構成する正負極板の集電体、合剤層、及びセパレータの各材料、並びに電解液の材料等は、特に制限されない。また、電極体の構成も、特に制限はなく、例えば、タブレス構造の電極体にも本発明は適用し得る。

以上説明したように、本発明は、安定した電池特性を備え、安全性の高い扁平角形二次電池に有用である。

本発明の実施形態における扁平角形二次電池の製造方法を示した工程フロー図 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における扁平電極体の製造工程を示した工程断面図 本実施形態の変形例における扁平角形二次電池の製造方法を示した工程フロー図 （ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例における扁平電極体の製造工程を示した工程断面図 従来の捲回された電極体の一般的な形成方法を示した模式図 従来の円筒形の捲回された電極体の構成を示した断面図 従来の扁平角形二次電池の製造方法を示した工程フロー図 （ａ）、（ｂ）は、従来の扁平電極体の製造工程を示した工程断面図

符号の説明

１０ 巻芯
１１ 捲回後の電極体
１２ 扁平化された電極体
１３ 最内周
２０ 加圧治具

Claims (13)

1. 集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板を用意する工程（ａ）と、
   前記正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する工程（ｂ）と、
   前記電極体を加圧治具で狭持した状態で、前記巻芯を前記電極体から抜き取る工程（ｃ）と、
   前記電極体を前記加圧治具で押圧することにより扁平状に成形する工程（ｄ）と、
   前記扁平状に成形された電極体を、角形扁平状の外装体に収容する工程（ｅ）と
   を含むことを特徴とする、扁平角形二次電池の製造方法。
2. 前記工程（ｃ）において、
   前記電極体は、前記巻芯に捲回された前記極板の合剤層の始端部が、前記加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整された後、前記加圧治具に狭持されることを特徴とする、請求項１に記載の扁平角形二次電池の製造方法。
3. 前記工程（ｄ）において、
   前記合剤層の始端部は、前記扁平状に成形された電極体の最内周の長手方向端部に位置することを特徴とする、請求項１または２に記載の扁平角形二次電池の製造方法。
4. 前記工程（ｃ）において、
   前記電極体は、前記巻芯を回転させることによって、前記合剤層の始端部が前記加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整されることを特徴とする、請求項２に記載の扁平角形二次電池の製造方法。
5. 前記工程（ｃ）において、
   前記合剤層の始端部の前記加圧治具に対する位相を検出する工程をさらに含み、
   前記電極体は、前記検出された位相に基づき、前記合剤層の始端部が前記加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整されることを特徴とする、請求項１に記載の扁平角形二次電池の製造方法。
6. 前記合剤層の始端部は、負極合剤層の始端部であることを特徴とする、請求項２または３に記載の扁平角形二次電池の製造方法。
7. 前記二次電池は、非水電解質二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の扁平角形二次電池の製造方法。
8. 請求項１〜５の何れかに記載の二次電池の製造方法によって製造された二次電池であって、渦巻状に捲回された極板の合剤層の始端部が、扁平状に成形された電極体の最内周の長手方向端部に位置することを特徴とする、扁平角形二次電池。
9. 扁平角形二次電池に用いる電極体の製造方法であって、
   集電体の表面に合剤層がそれぞれ形成された正負極板を用意する工程（ａ）と、
   前記正負極板をセパレータを介して巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する工程（ｂ）と、
   前記電極体を加圧治具で狭持した状態で、前記巻芯を前記電極体から抜き取る工程（ｃ）と、
   前記電極体を前記加圧治具で押圧することにより扁平状に成形する工程（ｄ）と
   を含むことを特徴とする、扁平電極体の製造方法。
10. 前記工程（ｃ）において、
    前記電極体は、前記巻芯に捲回された前記極板の合剤層の始端部が、前記加圧治具に対して所定の位相に位置するように調整された後、前記加圧治具に狭持されることを特徴とする、請求項９に記載の扁平電極体の製造方法。
11. 前記工程（ｄ）において、
    前記合剤層の始端部は、前記扁平状に成形された電極体の最内周の長手方向端部に位置することを特徴とする、請求項９または１０に記載の扁平電極体の製造方法。
12. 巻芯の巻き取り部位に、正極板、負極板及びセパレータを供給する供給機構と、
    前記巻芯を回転させて、前記正負極板を前記セパレ−タを介して前記巻芯に捲回して渦巻状の電極体を形成する捲回機構と、
    前記渦巻状の電極体を加圧可能に狭持する保持機構と、
    前記巻芯を回転させて、前記巻芯に捲回された前記極板の合剤層の始端部が、前記保持機構に対して所定の位相に位置するように調整する調整機構と
    を備え、
    前記渦巻状の電極体は、前記巻芯に捲回された前記極板の合剤層の始端部が、前記保持機構に対して所定の位相に位置するように調整された後、前記保持機構に狭持され、
    前記渦巻状の電極体を前記保持機構で狭持した状態で、前記巻芯を前記電極体から抜き取った後、前記電極体を前記保持機構で加圧することにより扁平状に成形することを特徴とする、扁平電極体の製造装置。
13. 前記調整機構は、前記合剤層の始端部の前記保持機構に対する位相を検出する検出部をさらに備え、
    前記渦巻状の電極体は、前記検出部で検出された位相に基づき、前記合剤層の始端部が前記保持機構に対して所定の位相に位置するように調整されることを特徴とする、請求項１２に記載の扁平電極体の製造装置。

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