JP2009134931A - リチウムイオン電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 巻回体の中心部における巻きしろ等によるふくらみのないリチウムイオン電池を提供する。
【解決手段】 正極電極および負極電極をセパレータを介して巻回した電池要素からなり、負極電極のセパレータ面への垂直投影で形成される投影像は、正極電極のセパレータ面への垂直投影で形成される投影像を超えて広がっており、該セパレータは巻回体の中心部において連続した１枚の部材から構成されているリチウムイオン電池。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池に関するもので、特に巻回型の電池要素を構成するセパレータの巻回構造、及び巻回方法に関する。

近年、小型で軽量な携帯電話、携帯ゲーム機、デジタルカメラのような小型電子機器の普及により、その電子機器を駆動するための二次電池としてニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池が開発されてきた。なかでもリチウムイオン電池は、小型かつ軽量であり、エネルギー密度が高く、自己放電率が低くて、サイクル寿命が長いといった特徴を備えており、さらに小型化する開発が進められている。

携帯電話等に用いられている小型の角型状のリチウムイオン電池は、一般に帯状の正極電極と負極電極を、セパレータ／正極電極／セパレータ／負極電極と積層して巻回した後に扁平状に成形することによって作製されている。

図６は、巻回型の電池要素を用いたリチウムイオン電池の断面を説明する図である。
リチウムイオン電池１は、電池外装容器２の内部に電池要素３が収納されたものであり、正極電極５、負極電極４がセパレータ６を介して積層されており、正極電極および負極電極はセパレータ６に挟まれたものである。
そして、電池要素の巻回体の中心部には、巻回する際に２枚のセパレータの間に正極電極及び負極電極を挿入する際に、セパレータのつかみしろとなったセパレータの先端部が折り返し部６Ｄとして存在している。
折り返し部６Ｄは、巻回体を扁平に押圧する際に、巻き中心部で折れ曲がるために、巻回体から扁平体を形成する際には、巻回体の中心部でセパレータの折り目分だけ、厚みが増加し、厚みが不均一になるという不具合が生じる。

そこで、厚肉化を抑制し、肉厚の均一化を図るために、巻回体を巻き取る装置として、巻芯にはスリットを設け、巻き取られた部材を扁平形状に押し潰す際に折れ曲がりの基点となる部分に対応する一対の契機部とを備え、巻芯に沿って一方の契機部から他方の契機部に至るまでの長さと、巻芯に沿って前記一方の契機部から前記スリットを通って前記他方の契機部に至るまでの最短長さとがほぼ同等である巻取装置を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、巻芯に２枚のセパレータを通して巻回するものであって、形成された巻回体の中心部には、従来のものと同様に正極電極と負極電極との分離には不要なセパレータが存在することになり、容積効率あるいは部材の有効利用の面からは好ましいものではなかった。
特開２００３−１２３８３１号公報

本発明は、正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した電池要素を備えたリチウムイオン電池において、巻回体の中心部に存在するセパレータの折り返し部分等によって電池要素の厚みの不均一が生じることを防止するとともに、巻回体の中心部において正極電極材料と負極電極材料とが接触して短絡することを防止した、特性が良好で安全性が大きな電池を提供することを課題とするものである。

本発明の課題は、正極電極および負極電極をセパレータを介して巻回した電池要素からなり、負極電極のセパレータ面への垂直投影で形成される投影像は、正極電極のセパレータ面への垂直投影で形成される投影像を超えて広がっており、該セパレータは巻回体の中心部において連続した１枚の部材から構成されているリチウムイオン電池によって解決することができる。
また、電池要素の１個分を作製するのに必要な長さのセパレータを、巻芯の回転軸と直角であって回転軸の中心を通過する隙間を有した巻芯の前記隙間からはみ出すように案内してセパレータに張力を印加し、前記巻芯の隙間に面する二つの角部にセパレータが当接する第一の巻き取り角度まで巻き取った後に、巻芯の前記隙間に面する側とセパレータの間に形成された空間に負極電極の先端を挿入し、次いで既に巻き取られたセパレータと次に巻き取られるセパレータによって挟まれた空間が形成される第二の巻き取り角度まで巻芯を回転してセパレータ及び負極電極を巻き取り、前記セパレータで挟まれた空間に正極電極の先端を挿入して、負極電極、セパレータ、及び正極電極の巻き取りを行い、得られた巻回体を巻芯から抜き取った後に、巻回体を扁平状に成形して電池外装容器に収納する前記のリチウムイオン電池の製造方法である。
巻芯を構成する巻き取り部材は、巻き取り時に巻き取られる電池要素の一周分が、巻芯の回転軸に対して点対称となるように配置されている前記のリチウムイオン電池の製造方法である。
前記巻芯は二つ以上の巻き取り部材によって構成されており、巻き取り終了後に巻芯の一回転によって巻き取られるセパレータの巻き取り長さが、巻芯の最初の一回転によって巻き取られたセパレータの長さよりも短くなるように少なくともいずれか一方の巻き取り部材を移動した後に巻回体を抜き取る前記のリチウムイオン電池の製造方法である。

本発明のリチウムイオン電池は、従来のように、正極電極／セパレータ／負極電極／セパレータと帯状の電極を積層して巻回することに代えて、巻回の方法を工夫することによって１枚の連続したセパレータによって巻回を可能としたものである。その結果、正極電極、負極電極を２枚のセパレータとともに積層して巻回した場合に生じていた巻回体の中央部でのセパレータの重なり部の形成をなくし、巻回体の中央部での厚みの増加と厚みの不均一が生じることを防止し、更に、２枚のセパレータの端部が開放していることに起因して巻回体の中心部において正極電極材料と負極電極材料とが接触して短絡することを防止することができる。

本発明は、巻回型の電池要素を有するリチウムイオン電池において、正極電極と負極電極とを分離するセパレータとして２枚のセパレータを巻芯に巻き付けて巻回した場合には、巻回体の中心部においてセパレータが二重に存在するために厚みが厚くなったり、電池の厚みが不均一となると言う問題点を、連続した一様な１枚のセパレータを正極電極及び負極電極と巻回することによって解決することが可能であることを見いだしたものである。

以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のリチウム電池の一実施例を説明する図である。図１（Ａ）は、電池外装容器内部を透視した斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における水平方向断面を説明する図である。
リチウムイオン電池１は、電池外装容器２内に電池要素３が収容されており、電池要素３は、負極電極４と正極電極５とが１枚の連続したセパレータ６を介して対向して巻回されたものであって、負極電極４に接続した負極タブ７は電池外装容器２の内面の導電接合部８に接合されている。また、正極電極に接続した正極タブ９は、電池外装容器２の開口部を封口する電池ヘッダ１０に、絶縁物質を介して取り付けられた正極端子１１に接続されている。

本発明のリチウムイオン電池の電池要素３は、負極電極４と正極電極５とを１枚の連続したセパレータ６を介在させて巻回したものである。すなわち、電池要素の中心部に位置するセパレータ６Ｃは連続したものであって、図１では電池要素３の中心部において負極電極端部４Ａを覆っている。それによって、巻回体の中心部には、従来の巻回体に見られるような巻芯に２枚のセパレータを装着して巻回した場合のように格別の作用をしない部分が中心部に存在することはなくなる。
また、一枚のセパレータの両端部６Ａおよび６Ｂは、電池要素３の外周部に位置して電池要素に、巻止めテープ等によって固定されている。
このように、本発明のリチウムイオン電池においては、負極電極端部４Ａは、セパレータ６によって被覆されており、中心部において負極側との短絡等は生じることはなく、また中心部にセパレータの実質的に不要な部分は存在しないので、厚みの増大等の問題か生じることはない。

また、本発明においては、１枚の連続したセパレータは、１枚の多孔性合成樹脂フィルムのみからなるもの以外にも、複数の合成樹脂フィルムを積層したものをはじめ一体として巻回することが可能なセパレータをも意味する。図では巻回体の中央部の構造を説明するために中央部に空間が形成されているように図示しているが、実際には扁平状に押圧されており実質的に空間は生じていない。

以下に、本発明のリチウムイオン電池の製造方法を説明する。図２は、電池要素の巻回工程の第一段階を説明する図である。
図２（Ａ）に示すように、リール１５に巻かれているセパレータ６が、ロール１６Ａ、１６Ｂの間に位置するダンサーロール１７の上下動によって張力を調整しながらチャック１８で把持してロール１６Ｃから引き出される。次いで、図２（Ｂ）に示すように、前記セパレータ６は電池要素の１個分の作製に必要な長さとなるまで引き出される。

図３は、電池要素の巻回工程の第二段階を説明する図である。
図３（Ａ）に示すように自由ロール１６Ｃとチャック１８との中間の位置のセパレータ６を巻芯１９の隙間２０に通過させて巻き取りの準備を行う。
図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に巻芯１９の詳細を示すように、巻芯は巻回時に巻回の中心となる回転軸２１を有しており、この例では、巻芯１９は、隙間２０を挟んで複数個の巻き取り部材１９Ａおよび巻き取り部材１９Ｂから構成されている。
巻き取り部材１９Ａおよび巻き取り部材１９Ｂは、高さ方向が回転軸２１の軸方向と一致するように配置された柱状の部材であって、巻き取り部材１９Ａおよび１９Ｂの外形線によって回転軸２１と直角方向の面に形成される図形は、半円状等の形状であっても良いが、多角形２２、２３の方が巻回の初期の段階で挿入した電極の位置ずれが生じにくいので好ましい。この例では、巻芯１９は２個の巻き取り部材１９Ａおよび１９Ｂから構成されているが、より多くの巻き取り部材に分割されるものであっても良い。また、多角形も三角形に限らずその他の形状を有するものであっても良い。

また、巻き取り部材１９Ａ、１９Ｂは同形であることが好ましく、これによって左右対称な形状の巻回体が得られるので扁平に押しつぶした際の形状が安定する。
更に、巻き取り部材は、断面が円形よりも一方の径が短い巻回体が得られるように、巻芯の一方の径方向に広がるようにすることが好ましい。例えば、巻き取り部材を断面形状が三角形とする場合には、直角、あるいは鈍角を有する三角形を、巻芯の隙間に面する側に三角形の最も長い辺が位置するように配置することが好ましい。

図３（Ｂ）に示す巻芯１９の巻き取り部材１９Ａ、１９Ｂについては、巻き取り部材の外形線によって回転軸２１と直角方向の面に形成される多角形は、頂点２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃおよび２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを結ぶ板状体によって形成されている。
そして、少なくとも一方の巻き取り部材１９Ａは、支持体３０面上を点線で示す抜き取り位置２５まで移動可能とされており、巻き取り部材の相互の位置を近づけることが可能となる。すなわち、巻き取り部材１９Ａを支持体面を抜き取り位置２５まで移動すると、巻き取り部材１９Ａおよび１９Ｂによって構成される巻芯の一回転によって巻き取られるセパレータの巻き取り長さが、巻芯の最初の一回転によって巻き取られたセパレータの長さよりも短くすることができるので、巻芯からの巻回体の抜き取りを容易に行うことができる。

一方、図３（Ｃ）に示す巻芯１９は、巻き取り部材１９Ａおよび１９Ｂの外形を位置決め棒２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃを設けることによって形成している。この図では位置決め棒の外周を結ぶ線が回転軸に垂直な面で形成する図形は三角形である。
また、図３（Ｃ）では、巻き取り部材１９Ａは、図３（Ｂ）と同様に、巻き取りの終了後に移動可能であることを示している。すなわち、巻回体を巻芯から抜き取る際には位置決め棒を、支持体３０面上の抜き取り位置２５まで移動が可能である。これによって、図３（Ｂ）で示したものと同様に巻き取りの終了した巻回体の巻芯からの抜き取りを容易に行うことができる。なお、抜き取り位置まで移動可能な位置決め棒は、すべての位置決め棒を移動することに限らず一部の位置決め棒のみを移動しても良い。また、巻き取り部材１９Ａ、１９Ｂのいずれか一方のみを移動可能としても両者を移動可能としても良い。

図４は、電池要素の巻回工程の第三段階を説明する図である。
図４（Ａ）に示す様に、ロール１６Ｄおよび１６Ｅを通じてセパレータに張力を印加した状態で、巻芯１９の回転軸２１の周りに時計方向に回転し、隙間を隔てて対向する巻き取り部材の二つの角にセパレータが当接した第一の巻き取り角度まで巻き取り、セパレータ６と巻芯１９の隙間に面する部分との間に形成された空間に負極電極供給ロール３５から負極電極４の先端を挿入する。
第一の巻き取り角度は、図４（Ａ）に示す例では、垂直方向の巻芯の隙間にセパレータを通してから９０度回転させた状態で負極電極４を挿入したが、これは、巻き取り部材の形状、各部材の相対的な位置関係によって適宜設定することができる。

次いで図４（Ｂ）に示すように、巻芯に既に巻き取られたセパレータと次に巻き取られるセパレータによって、セパレータの間に空間が形成される第二の巻き取り角度まで巻芯を回転軸の周りに回転し、形成されたセパレータの間の空間に正極電極供給ロール４０から正極電極５の先端を挿入する。正極電極５の先端位置は、形成された電池要素の中心部において負極電極の先端位置より中心部からより離れた位置に配置することが好ましい。このように配置することによって電池特性が安定した電池要素を得ることができる。
図４（Ｂ）では、第二の巻き取り角度が１８０度である例について説明したが、第二の巻き取り角度も、第一の巻き取り角度と同様に、巻き取り部材の形状、正極電極供給ロール、負極電極供給ロールの相対位置等によって変化するものである。

図５は、電池要素の巻回工程の第四段階を説明する図である。
図５（Ａ）に示すように、負極電極供給ロール３５および正極電極供給ロール４０から、それぞれ負極電極４及び正極電極５を供給しながら、電池要素１個分の作製に必要な長さの巻き取りを完了した後に、セパレータ６を切断刃４５によって切断する。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、巻芯を構成する二つの巻き取り部材１９Ａおよび１９Ｂを巻芯の中心方向へ平行に移動し、巻芯の一回転によって巻き取られるセパレータの巻き取り長さが、巻芯の最初の一回転によって巻き取られたセパレータの長さよりも短くなるようにした後に巻回体の巻芯からの抜き取りを行う。このように、巻芯を構成する巻き取り部材の相対位置を近づけることによって巻回体を巻き取り部材から容易に抜き取ることができる。
巻芯から抜き取った巻回体は、緩み止めテープによって巻回体が緩むのを防止した後に、電池外装容器に合致した形状に押しつぶし、電池外装容器に挿入して各導電タブを電池外装容器および電池ヘッダに導電接続を行った後に、電解液を注液し封口を行って密閉型電池を製造することができる。

本発明のリチウムイオン電池において正極電極は帯状のアルミニウム箔に、Ｌｉ_xＭＯ₂（ただしＭは、少なくとも一つ遷移金属を表す。）である複合酸化物、例えば、Ｌｉ_xＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎＯ₃、Ｌｉ_xＮｉ_yＣｏ_(1-y)Ｏ₂などを、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とを分散混練した調製した正極用組成物を塗布、乾燥することによって製造したものが用いられる。

また、負極電極は、帯状の銅箔等の表面に、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な、熱分解炭素類、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスなどのコークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、フェノール樹脂、フラン樹脂などを焼成した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭などの炭素質材料、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性高分子材料、あるいは金属リチウム、リチウム−アルミ合金等のリチウム合金をカーボンブラックなどの導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とを分散混練した調製した負極用組成物をを塗布、乾燥することによって製造したものが用いられる。
また、セパレータには、多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム等の多孔性合成樹脂フィルムを一層、あるいは複数を積層したものを用いることができる。

本発明のリチウムイオン電池電池は、１枚の連続したセパレータを正極電極、負極電極とともに巻回して製造したものであるので、正極電極、負極電極を２枚のセパレータとともに積層して巻回した場合に生じていた巻回体の中央部でのセパレータの重なり部の形成をなくし、巻回体の中央部での厚みの増加、あるいは厚みの不均一の形成を防止し、巻回体の中心部において正極電極材料と負極電極材料とが接触して短絡した安全性に優れた電池を提供することができる。

図１は、本発明のリチウム電池の一実施例を説明する図である。 図２は、電池要素の巻回工程の第一段階を説明する図である。 図３は、電池要素の巻回工程の第二段階を説明する図である。 図４は、電池要素の巻回工程の第三段階を説明する図である。 図５は、電池要素の巻回工程の第四段階を説明する図である。 図６は、巻回型の電池要素を用いたリチウムイオン電池の断面を説明する図である。

符号の説明

１…リチウムイオン電池、２…電池外装容器、３…電池要素、４…負極電極、４Ａ…負極電極端部、５…正極電極、６…セパレータ、６Ａ，６Ｂ…セパレータの両端部、６Ｃ…中心に位置するセパレータ、７…負極タブ、８…導電接合部、９…正極タブ、１０…電池ヘッダ、１１…正極端子、１５…リール、１６Ａ，１６Ｂ、１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｅ…ロール、１７…ダンサーロール、１８…チャック、１９…巻芯、２０…隙間、２１…回転軸、１９Ａ，１９Ｂ…巻き取り部材、２２，２３…多角形、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…頂点、２５…抜き取り位置、２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ…位置決め棒、３０…支持体、３５…負極電極供給ロール、４０…正極電極供給ロール、４５…切断刃

Claims (4)

1. 正極電極および負極電極をセパレータを介して巻回した電池要素からなり、負極電極のセパレータ面への垂直投影で形成される投影像は、正極電極のセパレータ面への垂直投影で形成される投影像を超えて広がっており、該セパレータは巻回体の中心部において連続した１枚の部材から構成されていることを特徴とするリチウムイオン電池。
2. 電池要素の１個分を作製するのに必要な長さのセパレータを、巻芯の回転軸と直角であって回転軸の中心を通過する隙間を有した巻芯の前記隙間からはみ出すように案内してセパレータに張力を印加し、前記巻芯の隙間に面する二つの角部にセパレータが当接する第一の巻き取り角度まで巻き取った後に、巻芯の前記隙間に面する側とセパレータの間に形成された空間に負極電極の先端を挿入し、次いで既に巻き取られたセパレータと次に巻き取られるセパレータによって挟まれた空間が形成される第二の巻き取り角度まで巻芯を回転してセパレータ及び負極電極を巻き取り、前記セパレータで挟まれた空間に正極電極の先端を挿入して、負極電極、セパレータ、及び正極電極の巻き取りを行い、得られた巻回体を巻芯から抜き取った後に、巻回体を扁平状に成形して電池外装容器に収納することを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法。
3. 巻芯を構成する巻き取り部材は、巻き取り時に巻き取られる電池要素の一周分が、巻芯の回転軸に対して点対称となるように配置されていることを特徴とする請求項２記載のリチウムイオン電池の製造方法。
4. 前記巻芯は二つ以上の巻き取り部材によって構成されており、巻き取り終了後に、巻芯の一回転によって巻き取られるセパレータの巻き取り長さが、巻芯の最初の一回転によって巻き取られたセパレータの長さよりも短くなるように少なくともいずれか一方の巻き取り部材を移動した後に巻回体を抜き取ることを特徴とする請求項２または３記載のリチウムイオン電池の製造方法。

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