JP2009193841A - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最近の電池の更なる高エネルギー化に伴うセパレータの薄膜化においても、極板群の捲芯部の空間へ溶接用の電極棒や安全部品の中芯を挿入するときにセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡することのない電池の製造方法を提供する。
【解決手段】帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して捲芯を用いて渦捲状に捲回してなる極板群１と電解液を有底ケース４に収納し、この有底ケース４の開口部を封口板５により密閉する電池の製造方法であって、前記捲芯および捲芯により挟持される極板群１の捲き始めのセパレータ部分を少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電池の製造方法に関するものである。

近年、電子機器の高性能化に伴ってそれら電子機器に搭載される電池への小型、高容量化の要望が強まっている。これら電池の形状としては、ボタン型、円筒型あるいは角型電池などがある。

円筒型や角型電池などの捲回型と呼ばれる極板群を備えた電池の製造方法においては、一般的に正極板と負極板との間を隔てるセパレータを捲回機の捲芯に捲きつけた後、セパレータの両面にそれぞれ正極板と負極板とを配置して、捲回機がセパレータと両極板を同時に捲回することで渦巻状の極板群が構成される。捲回の終了時には、この極板群を捲回機の捲芯から抜き取り、有底ケースの内部に電解液とともに収納して、有底ケースの開口部を封口板により密閉することで電池が作製される。

上記の捲芯としては、円筒型電池の場合は半円柱状の捲芯が用いられ、これらはステンレス鋼やリボン鋼を加工したものであった。しかしながらこのような捲芯を用いた場合には、渦巻状に捲回した極板群を捲芯から抜き取った後に捲芯部のセパレータが緩んだ状態で“の”字状に残る。そのため、その後の工程である、極板群の下方に設けたリードと有底ケースの内底面との溶接時に電極棒を捲芯部に挿入するときや、安全部品である金属製の中芯を捲芯部に挿入するときに、溶接棒や中芯によるセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡するおそれがあった。

この課題を解決するため、断面形状が半円形の捲芯と、極板群を捲回する部分の断面形状が半円形であり捲芯の端部の断面形状が極板群のセンター穴と同じ形状である捲芯とで極板群を捲回し、捲回後、断面形状が半円形の捲芯をまず抜き、次にもう一方の捲芯を抜くという方法がとられていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−３１５８３０号公報

しかしながら上記従来の製造方法では、最近の電池の更なる高エネルギー密度化に伴うセパレータの薄膜化により、捲芯から抜き取った後に捲芯部のセパレータが緩んだ状態で"の"字状に残るという問題点を充分には解決できなかった。そのため、その後の工程である、極板群の下方に設けたリードと有底ケースの内底面との溶接時に捲芯部の空間に電極棒を挿入するときや、安全部品である金属製の中芯を挿入するときに、この電極棒や中芯によるセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡する可能性が増していた。

本発明は上記課題を解決するためになされ、捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を、少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに所定の温度で加熱することにより、極板群の捲芯部のセパレータの形状を保持し、捲芯から抜き取った後に、捲芯部のセパレータが緩み、その後の工程である、極板群の下方に設けたリードと有底ケースの内底面との溶接時に捲芯部の空間に電極棒を挿入するときや、安全部品である金属製の中芯を挿入するときに、この電極棒や中芯によるセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡することのない電池の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して捲芯を用いて渦捲状に捲回してなる極板群と電解液を有底ケースに収納し、この有底ケースの開口部を封口板により密閉する電池の製造方法であって、前記捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を、少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱することを特徴とする。

この製造方法によれば、捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱することにより、極板群の捲芯部のセパレータの形状を保持することができる。

本発明によれば、捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱することにより、極板群の捲芯部のセパレータの形状を保持し、捲芯から抜き取った後に、捲芯部のセパレータが緩み、その後の工程である、極板群の下方に設けたリードと有底ケースの内底面との溶接時に捲芯部の空間に電極棒を挿入するときや、安全部品である金属製の中芯を挿入するときに、この電極棒や中芯によるセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡することを抑制できる効果が得られる。

本発明の形態においては、帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して捲芯を用いて渦捲状に捲回してなる極板群と電解液を有底ケースに収納し、この有底ケースの開口部を封口板により密閉する電池の製造方法であって、前記捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱することを特徴とする。

この製造方法によれば、極板群の捲芯部のセパレータの形状を保持できるため、捲芯から抜き取った後に、捲芯部のセパレータが緩み、その後の工程である、極板群の下方に設けたリードと有底ケースの内底面との溶接時に捲芯部の空間に電極棒を挿入するときや、安全部品である金属製の中芯を挿入するときに、この電極棒や中芯によるセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡することを抑制できる。

また、前記捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を、極板群を捲き取るときに加熱し、極板群を捲芯から抜き取るときに１０℃以下に冷却しても良い。

この製造方法によれば、極板群を捲き取るときに極板群の捲芯部のセパレータの形状を固定することができ、極板群を捲芯から抜き取るときにセパレータを１０℃以下に冷却し、セパレータと捲芯との摩擦抵抗を低減して極板群をスムーズに抜き取ることができる。

また、前記捲芯にスポットヒーターの温風を吹き付け、その熱伝導により捲き始めのセパレータ部分を加熱する方法が望ましい。

この製造方法によれば、極板群を捲回時もしくは捲芯から抜き取るときにスポットヒーターの温風を捲芯に容易に吹き付けることができるため、極板群を捲回時もしくは捲芯から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分を加熱する場合に適している。極板群を捲回時もしくは捲芯から抜き取るときに、捲き始めのセパレータ部分に温風を直接吹き付ける方法は容易でないが、このように捲芯に直接吹き付ける方法であれば容易に実施できる。また、スポットヒーターの温風を捲き始めのセパレータ部分に直接吹き付ける必要がない
ので、この温風の吹き付けによって捲き始めのセパレータ部分の位置がずれた状態で極板群を構成し、極板群を捲芯から抜き取るときに極板群がタケノコ状に型崩れするという心配もない。

また、前記捲き始めのセパレータ部分にスポットヒーターの温風を吹き付ける方法が望ましい。

この製造方法によれば、スポットヒーターの温風を捲き始めのセパレータ部分に直接吹き付けるので、このセパレータの温度を６０℃以上、セパレータの融点以下に効果的に短時間で加熱することができる。

また、前記捲芯が捲芯内部に配置された電熱線により加熱される方法が望ましい。

この製造方法によれば、極板群の捲芯部に均一に熱を加えることができるため、極板群を捲回時もしくは捲芯から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分を加熱する場合に適している。また、このように捲芯自体が加熱される方法であれば容易に実施できる。

以下に本発明の実施例について、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。

図１は本発明の円筒型リチウムイオン二次電池の一実施例を示した一部切欠斜視図、
図２、図３は本発明の実施例に用いた円筒型リチウムイオン二次電池の極板群の捲き始めの構成を示した模式図である。

円筒型リチウムイオン二次電池の極板群１は、コバルト酸リチウムを正極活物質として導電剤と結着剤とを混合した正極合剤をアルミニウム箔集電体に塗工、乾燥、圧延し、所定の寸法に切断して作製した帯状の正極板と、黒鉛を負極活物質として導電剤と結着剤とを混合した負極合剤を銅箔集電体に塗工、乾燥、圧延し、所定の寸法に切断して作製した帯状の負極板とをポリエチレンを材料としたセパレータを介して捲芯８を用いて捲回後、極板群１を捲芯８から抜き取る工程を経て構成する。

渦捲状の極板群１の捲き始めは正極板、負極板が存在しない捲き始めのセパレータ部分９が２枚重なり合って存在し、この２枚重なり合った捲き始めのセパレータ部分９を２枚の半円柱状の金属からなる捲芯８により挟持した状態で捲回を開始する。捲芯８の捲き始めは捲き始めのセパレータ部分９のみが数周捲回され、次いで正極板と負極板とをセパレータを介して捲回した後、極板群１を捲芯８から抜き取っている。

このように構成した極板群１は、正極リード２および負極リード３が各々正極板および負極板に電気的に接続されており、有底ケース４に収納した後、負極リード３と有底ケース４の内底面とを溶接し、有底ケース４の上方に溝入れ加工を行った後に正極リード２と封口板５とを溶接する。
次に、所定量の非水電解液を有底ケース４内に注入した後、封口板５を有底ケース４の開口部に挿入し、かしめ封口して円筒型リチウムイオン二次電池を作製する。

図２に示すように、円筒型リチウムイオン二次電池用の捲芯８は、２本の半円柱状の金属で構成されている。捲芯８の材質はステンレス鋼とし、表層部は厚さが１００μｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）層とした。この捲芯８を備えた捲回機の捲回部付近にスポットヒーターの吹き出し口１０を取り付け、捲き始めのセパレータ部分９に温風を直接吹き付けることにより、捲き始めのセパレータ部分９の表面温度を６０℃以上、セ
パレータの融点以下に加熱した。なお、捲回機周辺の環境温度は約２５℃に設定した。捲芯８はモーターによって駆動し、極板群を約３０個／分のタクトで構成する捲回機を用いた。

このようにスポットヒーターの吹き出し口１０から捲き始めのセパレータ部分９に温風を直接吹き付けるように設定した捲回機を捲回機Ａと称する。この捲回機Ａを用いて円筒型リチウムイオン電池を以下のように作製した。

まず、ポリエチレン製の微多膜からなる捲き始めのセパレータ部分９の先端部を２本の半円柱状のステンレス鋼からなる捲芯８によって挟持した状態で、スポットヒーターの吹き出し口１０から捲き始めのセパレータ部分９に温風を直接吹き付けた。

捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が設定した温度まで加熱されたことを検知してから捲回機Ａのモーターを駆動して捲芯８の捲回を開始し、捲芯８を約３回転した時点でスポットヒーターの吹き出しを停止した。このように捲芯８の捲き始めは捲き始めのセパレータ部分９のみを約３周捲回し、次いで正極板と負極板とをセパレータを介して捲回した。

所定の長さの正極板と負極板を捲回した後、両極板を切断し、外周をセパレータのみで約２周捲回してセパレータを切断し、この外周のセパレータを熱溶着して渦巻状の極板群１が解けないように固定した。

次に、極板群１を２本の半円柱状の捲芯８から抜き取った。

極板群１を捲き取るときに捲き始めのセパレータ部分９に直接吹き付けるスポットヒーターの吹き出し口１０から吹き出される温風の温度は、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が６０℃〜８０℃になるように設定した。

このように構成した極板群１を有底ケース４内に挿入し、非水電解液を注入した後、有底ケース４の開口部を封口板５で封口することにより作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例１の電池Ａとした。

極板群１を捲き取るときに捲き始めのセパレータ部分９に直接吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が８０℃〜１００℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例２の電池Ｂとした。

（比較例１）
極板群１を捲き取るときに捲き始めのセパレータ部分９に直接吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が４０℃〜６０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例１の電池Ｉとした。

（比較例２）
極板群１を捲き取るときに捲き始めのセパレータ部分９に直接吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が１００℃〜１２０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例２の電池Ｊとした。

図３に示すように、スポットヒーターの吹き出し口１０から吹き出される温風を捲芯８に吹き付け、その熱伝導により捲き始めのセパレータ部分９を加熱する構造の捲回機であって、極板群１を捲き取るときに温風を吹き出すように設定した捲回機を捲回機Ｂと称する。

捲回機Ｂを用いて極板群１を捲き取るときに温風を捲芯８に吹き付けた以外は実施例１と同様に、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が６０℃〜８０℃になるように設定した。このように作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例３の電池Ｃとした。

捲回機Ｂを用いて極板群１を捲き取るときに捲芯８に吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が８０℃〜１００℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例４の電池Ｄとした。

（比較例３）
捲回機Ｂを用いて極板群を捲き取るときに捲芯に吹き付ける温風の温度を、極板群を捲芯から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分の表面温度が４０℃〜６０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例３の電池Ｋとした。

（比較例４）
捲回機Ｂを用いて極板群を捲き取るときに捲芯に吹き付ける温風の温度を、極板群を捲芯から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分の表面温度が１００℃〜１２０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例４の電池Ｌとした。

図３に示すように、スポットヒーターの吹き出し口１０から吹き出される温風を捲芯８に吹き付け、その熱伝導により捲き始めのセパレータ部分９を加熱する構造の捲回機であって、極板群１を捲き終えた後、極板群１を捲芯８から抜き取る直前にスポットヒーターの吹き出し口１０から温風を吹き出すように設定した捲回機を捲回機Ｃと称する。

捲回機Ｃを用いて極板群１を捲芯８から抜き取る直前に温風を捲芯８に吹き付けた以外は実施例１と同様に、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が６０℃〜８０℃になるように設定した。このように作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例５の電池Ｅとした。

捲回機Ｃを用いて極板群１を捲芯８から抜き取る直前に捲芯８に吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が８０℃〜１００℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例６の電池Ｆとした。

（比較例５）
捲回機Ｃを用いて極板群１を捲芯８から抜き取る直前に捲芯８に吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が４０℃〜６０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン
二次電池を比較例５の電池Ｍとした。

（比較例６）
捲回機Ｃを用いて極板群１を捲芯８から抜き取る直前に捲芯８に吹き付ける温風の温度を、極板群１を捲芯８から抜き取るときに捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が１００℃〜１２０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例６の電池Ｎとした。

図４に示すように、捲芯８の内部に電熱線１１を通し、捲き始めのセパレータ部分９を直接加熱する構造の捲回機であって、極板群１を捲き終えた後、極板群１を捲回時に捲芯を加熱するように設定した捲回機を捲回機Ｄと称する。

捲回機Ｄを用いて極板群１を捲回時に捲芯８を加熱した以外は実施例１と同様に、極板群１を捲回時に捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が６０℃〜８０℃になるように設定した。このように作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例７の電池Ｇとした。

捲回機Ｄを用いて極板群１を捲回時に捲芯８を加熱する温度を、極板群１を捲回時に捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が８０℃〜１００℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を実施例８の電池Ｈとした。

（比較例７）
捲回機Ｄを用いて極板群１を捲回時に捲芯８を加熱する温度を、極板群１を捲回時に捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が４０℃〜６０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例７の電池Ｏとした。

（比較例８）
捲回機Ｄを用いて極板群１を捲回時に捲芯８を加熱する温度を、極板群１を捲回時に捲き始めのセパレータ部分９の表面温度が１００℃〜１２０℃になるように設定した以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例８の電池Ｐとした。

（比較例９）
捲回機にスポットヒーターや捲芯８の内部に電熱線を取り付けなかった捲回機を捲回機Ｅと称する。捲回機Ｅを用いて捲き始めのセパレータ部分を加熱しなかった以外は実施例１と同様に作製した円筒型リチウムイオン二次電池を比較例９の電池Ｑとした。なお、捲回機周辺の環境温度は実施例１と同様に約２５℃に設定した。

＜評価＞
本発明の実施例１〜８の電池Ａ〜Ｈ、および比較例１〜９の電池Ｉ〜Ｑを各１００個作製し、極板群の捲芯部のセパレータの形状が保持されているか目視確認した。また、負極リード３と有底ケース４との溶接時の不良率を調べた。

作製した各１００個の円筒型リチウムイオン二次電池は、環境温度２０℃において電圧４．２０Ｖまで定電流充電し、電圧４．２０Ｖに到達した後、充電時間の総計が２時間になるように定電圧４．２０Ｖで充電した。その後、６０℃の恒温槽に３日間保存し、６０℃の恒温槽から取り出した後、環境温度２０℃において電池温度が安定するまで６時間ほど保存した。電池温度が安定してから１回目の開路電圧を測定し、環境温度２０℃においてさらに２日間保存してから２回目の開路電圧を測定した。２回目の開路電圧が１回目の開路電圧より１００ｍＶ以上低下したものを開路電圧不良として判定した。

評価結果を（表１）に示す。

この（表１）より明らかなように、本発明の実施例１〜８の電池Ａ〜Ｈの各極板群の負極リード３と有底ケース４との溶接時の不良率は、比較例１〜９の電池Ｉ〜Ｑに比べて極めて低くなった。

また、実施例１〜８の電池Ａ〜Ｈの各極板群は捲芯部のセパレータの形状が型崩れすることなく、開路電圧不良の発生も皆無であった。一方、比較例１，３，５，７，９の電池Ｉ，Ｋ，Ｍ，Ｏ，Ｑの各極板群は捲芯部のセパレータの形状が型崩れするものが２５〜４２％あり、開路電圧不良になるものが２〜５％あった。開路電圧不良となった円筒型リチウムイオン二次電池は、全て極板群の捲芯部のセパレータの形状が型崩れし、負極リード３と有底ケース４との溶接時にセパレータをズレもしくは損傷させたものであり、電池を分解してセパレータを観察したところセパレータが大きくズレて損傷していることが確認できた。このセパレータの損傷により開路電圧不良になったと考えられる。一方、比較例２，４，６，８の電池Ｊ，Ｌ，Ｎ，Ｐの各極板群は極板群の捲回時にセパレータが溶融し、捲芯８に溶着してしまったため、電池の作成までには至らなかった。

以上のように、捲き始めのセパレータ部分９の表面温度を極板群を少なくとも捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱すれば、極板群の捲芯部のセパレータの形状を保持できるため、捲芯から抜き取った後に、捲芯部のセパレータが緩み、その後の工程である、極板群の下方に設けた負極リードと有底ケースの内底面との溶接時に捲芯部の空間に電極棒を挿入するときや、安全部品である金属製の中芯を挿入するときに、この電極棒や中芯によるセパレータのズレや損傷により正・負極板間が短絡することを抑制できることがわかった。

これは極板群の捲芯部のセパレータの形状を保持することができたため、捲芯部の空間に電極棒や中芯をスムーズに挿入できたためと考えられる。

本実施例はポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータを用いたが、このようなポリオレフィン系の微多孔膜からなるセパレータは高温で軟化するため、一度高温にすることにより形状が固定されたものと考えられる。

なお、本実施例において円筒型リチウムイオン二次電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セパレータを介して正・負極板を捲回することにより得られる渦巻状の極板群からなる電池すべての製造方法に適応しうることは明らかである。

本発明にかかる電池の製造方法は、正・負極板間が短絡することを抑制できる効果が得られ、小型、高容量の電池の製造に有用である。例えば、リチウムイオン二次電池やニカド電池、ニッケル水素電池、アルカリ乾電池などの製造に適している。

本発明の円筒型リチウムイオン二次電池の一実施例を示した一部切欠斜視図 本発明の実施例に用いた角型リチウムイオン二次電池の極板群の捲き始めの構成を示した模式図 本発明の実施例に用いた角型リチウムイオン二次電池の極板群の捲き始めの他の構成を示した模式図 本発明の実施例に用いた角型リチウムイオン二次電池の極板群の捲き始めの他の構成を示した模式図

符号の説明

１ 極板群
２ 正極リード
３ 負極リード
４ 有底ケース
５ 封口板
６ 下部絶縁板
７ 中芯
８ 捲芯
９ 捲き始めのセパレータ部分
１０ スポットヒーターの吹き出し口
１１ 電熱線

Claims (4)

1. 帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して捲芯を用いて渦捲状に捲回してなる極板群と電解液を有底ケースに収納し、この有底ケースの開口部を封口板により密閉する電池の製造方法であって、
   前記捲芯および捲芯により挟持される極板群の捲き始めのセパレータ部分を、少なくとも極板群を捲芯から抜き取るときに６０℃以上、セパレータの融点以下の温度で加熱することを特徴とした電池の製造方法。
2. 前記捲芯にスポットヒーターの温風を吹き付けることを特徴とした請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 前記捲き始めのセパレータ部分にスポットヒーターの温風を吹き付けることを特徴とした請求項１に記載の電池の製造方法。
4. 前記捲芯が捲芯内部に配置された電熱線により加熱されることを特徴とした請求項１に記載の電池の製造方法。

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