JP2013206755A - 巻回型電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】隙間なく巻き取った電極体を電池ケースに挿入し、電解液の注入時には電極体に隙間がある状態にし、電解液の含浸時間を短縮する。
【解決手段】開口部を広げたＣ字型のスリーブの中で電極体を巻き取るステップと、巻き取った電極体の外径をスリーブで保持するステップと、電極体を保持したスリーブを電池ケースに挿入するステップと、開口部を広げて、電池ケースからスリーブを抜き取るステップを有し、電池ケースに入れられた電極体の巻き終わり部が固定されていないため、スリーブの抜き取り後に電極体の巻きが緩み、電解液の注入時に電極体の間に隙間を有し、含浸時間を大幅に短縮することが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は巻回により高密度化された電極体を電池ケースに挿入する巻回型電池の製造方法に関するものである。

高出力の電池を作成する場合、極板の反応面積を増やすためにシート状の極板を巻取る巻回型の電極体を使用するのが一般的である。しかし、巻回型の電極体は巻き終わり部を固定しないと巻き緩みが生じ、外径が大きくなるためケースに挿入するのが困難である。そのため、従来は巻き終わり部の固定として、粘着テープでのテープ止め、樹脂コーティング、セパレーターの熱溶着を行う巻回型電池の製造方法がある（例えば特許文献１、２参照）。

特開平４−３４２９５９号公報 特開２００５−３０２４６６号公報

しかしながら、前記従来の製造方法では注液時には電極体が緩み無く巻かれているため、電極体である極板及びセパレーター間の隙間が無く電解液の注液に時間がかかってしまう。

特に、高容量の円筒形リチウムイオン二次電池では、単位体積当たりの容量密度が重要であり、活物質を詰め込まなければならず、電解液を充填するための空間が狭くなる。このため電解液の注液に長時間かかっており、生産能力低下の要因となっていた。

特許文献１のように電解液で溶解する樹脂コーティングや電解液で溶解する粘着材を使用したテープで巻き終わりの固定をした場合、電解液を注入すると巻き終わりの固定が解け電極体が巻き緩む。しかし、注液時点では電極体が緩みなく巻かれているため、電解液の含浸時間短縮効果は期待できない。

また、電極体の巻き取りを電極体に隙間が出来るように緩く巻いてから巻き終わりを固定すると、電極体を電池ケースに挿入する際に巻きずれが発生する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、隙間なく巻き取った電極体を電池ケースに挿入し、電解液の注入時には電極体に隙間がある状態にし、電解液の含浸時間を短縮することができる巻回型電池の製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の巻回型電池の製造方法は、開口部を広げたＣ字型のスリーブの中で電極体を巻き取るステップと、巻き取った電極体の外径をスリーブで保持するステップと、電極体を保持したスリーブを電池ケースに挿入するステップと、開口部を広げて、電池ケースからスリーブを抜き取るステップを有することを特徴とする。

この製造方法では、電池ケースに入れられた電極体の巻き終わり部が固定されていないため、スリーブの抜き取り後に電極体の巻きが緩み、電解液の注入時に電極体の間に隙間を有し、含浸時間を大幅に短縮することが可能である。

また、スリーブを付けずに巻き終わりの固定をなくすと弾性変形により電極体の径が大きくなる。このまま無理やり缶への挿入を行うと電池ケース開口部と電極体が干渉し、電極体へのダメージが発生するが、スリーブを付けることによりこれらの問題を解消することができる。

本発明によると電解液の注入時には電極体に隙間がある状態し、電解液の含浸時間の短縮が可能なため、電池の生産能力を向上させることが出来る。

本発明の実施例に用いた円筒形リチウムイオン二次電池の縦断面図 実施例、比較例に用いた電極体、電池ケース、スリーブの径方向の断面図 実施例の電極体へのスリーブ装着時の径方向断面の状態図 実施例、比較例に用いた電池ケース、スリーブ、電極体の縦断面図と、スリーブを使用して電池ケースに電極体を挿入する際の縦方向断面の状態図 比較例に用いた巻き終わりを粘着テープで固定した電極体の図 比較例と実施例の注液時の含浸時間および電極体ダメージと巻きずれ発生率の比較図

本発明の本旨は、電極体３の巻き終わり８の固定に冶具としてスリーブ１２を使用し、電極体３をスリーブ１２ごと電池ケース１に挿入した後、スリーブ１２を抜き取ることで電池ケース１に電極体３の巻き終わり部１１の固定がない電極体を挿入する巻回型電池の製造方法を実現することである。

巻き終わり１１の固定がないためスリーブ１２を抜いた直後に、電池ケース１内で電極体３が緩み、正極４、負極５とセパレーター６の間に隙間が出来る。そのため、電解液の含浸時間を大幅に短縮することが出来る。
（実施の形態）
以下、本発明を円筒形リチウムイオン二次電池に用いた実施例について図１〜図４および図６を参照して詳しく述べる。

図１は、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２、負極活物質としてカーボンを使用した巻回型電池の一種である円筒形リチウムイオン二次電池の縦断面図を示している。

図１において、本発明の電池は、鉄板を加工した電池ケース１と、封口体２と、電極体３と、正極４から引き出されて封口体２に接続された正極タブ７と、負極５から引き出されて電池ケース１の内底部に接続された負極タブ８と、電極体３の上部絶縁板９と、電極体３の下部絶縁板１０とで構成されている。

電極体３は、ＬｉＣｏＯ_２を活物質とする正極４及びカーボンを活物質とする負極５がセパレーター６を介して複数回渦巻状に巻回されている。

なお、ここでは直径１８．２ｍｍ、長さ６５ｍｍ、容量２９００ｍＡｈの１８６５０サイズの円筒形リチウムイオン二次電池を用いた。

電池ケース１に電極体３を挿入した後の電解液の注液方法は次の通りである。

電極体３を下部絶縁板１０とともに電池ケース１に挿入し、上部絶縁板９を挿入した後溝入れを行う。電解液５．５ｇを複数回分に分け、電池ケース１の開口部からの注入と減圧を繰り返す。最後の注液と減圧が終了してから電解液が上部絶縁板９よりも下に沈みこむ時間を含浸時間とした。

また、実施例１のスリーブ１２を使用した際の電極体３のダメージ、巻きずれをＸ線で確認した。電極体３のダメージは外周から２枚目まで負極が曲がっているものを不良とし、巻きずれは正極が負極に覆われていないものを不良とした。
（実施例１）
図２は、電池ケース１、スリーブ１２、電極体３の径方向断面図と縦断面図を示している。図２（ａ）は電池ケース１、図２（ｂ）はスリーブ１２、図２（ｃ）は電極体３で、図面の上側に径方向断面図、図面の下側に縦断面図を示している。図３は、電極体３の巻取り時の状態図で、図３（ａ）は巻き終わり部１１の切断時、図３（ｂ）は巻き終わり部１１の巻取り後の状態図である。

本実施例１では図２に示すように、電池ケース１は、外径φ１８．２ｍｍ、内径φ１７．９ｍｍ、肉厚０．１５ｍｍで、縦の長さは６７ｍｍである。

スリーブ１２は、無負荷状態では外径φ１７．７ｍｍ、内径φ１７．５ｍｍ、肉厚０．１０ｍｍ、縦の長さは電池ケース１や電極体３よりも長い７０ｍｍであり、６０°の角度で開口部１３を有するＣ形状である。スリーブ１２は、強度とヤング率が高いステンレス鋼、ばね鋼などで形成されているため、高い弾性特性を有している。そのため、開口部１３を広げても弾性範囲内であれば、元の大きさのＣ形状に戻ることができる。

電極体３は外径がφ１７．６ｍｍで、縦の長さは６１ｍｍになるように巻取りを行う。

図３に示すようにスリーブ１２の開口部１３をフック１４で開いて内径をφ１７．７ｍｍまで広げ、その中で電極体３を巻き取った。スリーブ１２を広げずに電極体３を巻き取ると、電極体３の径がスリーブ１２の無負荷状態の内径φ１７．５ｍｍを越えると、スリーブ１２で負極５やセパレーター６をしごきながら巻き取ることになり、電極体３へダメージを与える懸念がある。

巻き終わり部１１を所定の切断位置にセットした後、フック１４を外すことで、スリーブ１２は弾性力で電極体３を保持する方向に閉じた。このとき電極体３の外径はスリーブ１２の無負荷状態の内径を上回っており、スリーブ１２は弾性変形することで電極体３の巻き緩みを抑えている。巻き終わり部１１を切断し、電極体３を回転させることで巻き終わり部１１がスリーブ１２の開口部１３でないところまで巻き取った。この際、巻き終わり部１１はスリーブ１２でしごかれることになるが、この部分は電池としての反応に寄与しない部分であるため大きな問題にはならない。

図４にスリーブを使用して電池ケース１に電極体３を挿入する際の状態図を示す。スリーブ１２の長さは７０ｍｍのものを使用し、電極体３の長さ６１ｍｍや電池ケース１の長さ６７ｍｍよりも長くなっている。

図４（ａ）にスリーブ１２が電極体３を保持した状態図を示す。電池ケース１への挿入方向側に電極体３を寄せ、挿入方向と反対側はスリーブ１２のみになるように、スリーブ１２を装着している。

図４（ｂ）に電極体３を保持したスリーブ１２を電池ケース１に挿入した状態図を示す。電池ケース１の底部まで電極体３を挿入した際、電池ケース１の開口部側よりスリーブ１２が出ている。

図４（ｃ）に図４（ｂ）の状態から電極体３を抑えるための電極体押さえ１５とスリーブ１２を引き抜くためのスリーブ内径拡張治具１６とスリーブ外径規制治具１７をセットした状態図を示す。電極体押さえ１５の先端には、電極体３の外径φ１７．６ｍｍと同じ外径、或いは、少し小さい外径の円盤に正極タブ７が緩衝しないように穴を空けたものがついている。スリーブ内径拡張治具１６は先端がテーパー状のパイプ形状になっており、最大外径がφ１７．６５ｍｍ、テーパー先端の最小外径がφ１７．０ｍｍとなっている。スリーブ外径規制治具１７は内径がφ１７．８５ｍｍとなっている。

図４（ｄ）に図４（ｃ）の状態から電極体３と電極体押さえ１５を使用し１０Ｎで押さえ、スリーブ内径拡張治具１６を挿入してスリーブ１２の内径を拡張しながらスリーブ外径規制治具１７とで挟み込んだ状態図を示す。そして、スリーブ内径拡張治具１６とスリーブ外径規制治具１７で、スリーブ１２を挟みながら電池ケース１の外へ抜き取る。

図４（ｅ）に図４（ｄ）の状態からスリーブ１２を抜き取った状態図を示す。更に、図４（ｆ）に図４（ｅ）の状態から電極体押さえ１５を外した状態図を示す。
（比較例１）
従来の製造方法である、電極体の巻き終わり部の固定方法として、図５に示すような粘着テープ１８を貼り付けて製造する方法を比較例１とする。
（比較例２）
電極体３の巻き終わり部１１の固定用の粘着テープ１８をはがし、巻きが緩んだ状態で電池ケース１に挿入した。

次に、実施例１、比較例１、比較例２で製造したときの含浸時間と不良率について説明する。図６は、比較例と実施例の注液時の含浸時間および電極体３のダメージと巻きずれ発生率の比較図である。

実施例１は、電池ケース１からスリーブ１２を抜き取った後、Ｘ線で確認すると電極体３のダメージは０／１０００個、巻きずれ不良は０／１０００個であった。

上記の注液条件で電解液を注液したところ、含浸時間は約２０分であり、従来技術よりも大幅な含浸時間短縮を確認した。

比較例１は、実施例１と同じ注液条件で電解液を注入したところ、実施例と同様に、電極体３のダメージは０／１０００個、巻きずれ不良は０／１０００個であったが含浸時間は約６０分であった。

比較例２は、実施例１と同じ注液条件で電解液を注液したところ含浸時間は約２０分であった。電極体３単体の状態でダメージ、巻きずれがないものを電池ケース１に挿入し、その後、Ｘ線で確認すると、電極体３の群ダメージが１１／１００個、巻きずれが５３／１００個発生していた。

本実施例１は、比較例１と比較例２の両方の不具合を解消することができ、含浸時間の短縮と不良率の低減を行うことを可能にすることができる。

かかる構成によれば電極体の巻き終わり固定に径方向断面形状がＣ字型のスリーブを使用し、電極体を前記スリーブごと電池ケースに挿入した後、前記スリーブを抜き取ることにより、電極体のダメージや巻きずれの無い状態で電池ケースに挿入することができ、巻き終わりの固定がないため電極体に隙間がある状態となり電解液の含浸時間を短縮することができる。

なお、上記のような検討を円筒形リチウム一次電池において実施したところ、電池系に関わらず、巻き終わり固定なしによる含浸時間の短縮効果やスリーブによる電極体ダメージ、巻きずれ発生率の低減効果が見られた。また、１８６５０の円筒形リチウムイオン二次電池や円筒形リチウム一次電池に限定されるものではなく、電解液を注液する巻回型の電解コンデンサでもよい。

本発明にかかる巻回型電池の製造方法は、電解液の注入時には電極体に隙間がある状態し、電解液の含浸時間の短縮が可能なため、電池の生産能力を向上させることが出来るので、巻回により高密度化された電極体を電池ケースに挿入する巻回型電池の製造方法に関するものである。

１ 電池ケース
２ 封口体
３ 電極体
４ 正極
５ 負極
６ セパレーター
７ 正極タブ
８ 負極タブ
９ 上部絶縁板
１０ 下部絶縁板
１１ 巻き終わり部
１２ スリーブ
１３ 開口部
１４ フック
１５ 電極体押さえ
１６ スリーブ内径拡張治具
１７ スリーブ外径規制治具
１８ 粘着テープ

Claims (2)

1. 開口部を広げたＣ字型のスリーブの中で電極体を巻き取るステップと、
   巻き取った電極体の外径を前記スリーブで保持するステップと、
   前記電極体を保持した前記スリーブを電池ケースに挿入するステップと、
   前記開口部を広げて、前記電池ケースから前記スリーブを抜き取るステップを有することを特徴とする巻回型電池の製造方法。
2. 前記スリーブは、ステンレス鋼、或いは、ばね鋼製で、前記電池ケースよりも長いことを特徴とする請求項1に記載の巻回型電池の製造方法。