JP2013232439A - 扁平捲回形二次電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着部の凹凸により電極に発生するしわを抑制することができる扁平捲回形二次電池およびその製造方法を得ること。
【解決手段】本発明の二次電池（１）は、正極電極（３４）および負極電極（３２）をセパレータ（３３、３５）を介して軸芯（８０）の周りに扁平に捲回した捲回電極体（３）と、その捲回電極体（３）を収納する電池容器（２）を有する二次電池（１）であって、軸芯（８０）は、正極電極（３４）と負極電極（３２）とセパレータ（３３、３５）のいずれよりも厚さが厚い樹脂シート（８１）を捲回して構成される。
【選択図】図８Ｂ

Description

本発明は、例えば車載用途等の高容量の扁平捲回形二次電池およびその製造方法に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、正極電極と負極電極をセパレータを介して捲回したエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、性能の向上につれて用途も拡大し、製造工程の簡素化、低コスト化が要求されてきた。このような中で例えば電極を捲回する軸芯をステンレス製または合成樹脂のシームレス円筒とし、このリング状の軸芯を捲回後に捲回電極体ごと押しつぶす技術が開示されている(特許文献１)。

特開2002-280055号公報

従来技術では、捲回機で捲回する前に予め筒状の軸芯を捲回装置のスピンドルに差し込んで装着する作業を必要とし、自動化による生産性向上の阻害要因となる。また、樹脂製の軸芯にセパレータを溶着した場合に、溶着部の凹凸により電極にしわが発生し、電極間の隙間の発生源となる恐れがある。

本発明は、上記問題点に鑑み、簡易な構造で製造工程を簡素化でき、溶着部の凹凸により電極に発生するしわを抑制することができる扁平捲回形二次電池およびその製造方法の提供を目的としている。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して軸芯の周りに扁平に捲回した捲回電極体を有する扁平捲回形二次電池であって、軸芯は、正極電極と負極電極とセパレータのいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成され、軸芯の最内周を形成する最内周部と、最内周部よりも捲き終わり端部側に延長された延長部とを有し、セパレータは、延長部に接合された接合部と、接合部に連続して軸芯の周りにセパレータのみを１周以上捲回したセパレータ捲回部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、簡易な構造で製造工程を簡素化でき、信頼性の高い扁平捲回形二次電池およびその製造方法の提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態に係わるリチウムイオン二次電池の外観斜視図。 図１に示されるリチウムイオン二次電池の分解斜視図。 図２に示された発電要素組立体の分解斜視図。 図３に示された捲回電極体の展開斜視図。 軸芯の構成を説明する図であり、図４ＡのＢ方向から矢視した状態を示す模式図。 軸芯を押し潰した状態を示す図。 捲回巻き始めにおける樹脂シートとセパレータ、負極板、正極板との位置関係を示した図。 捲回装置の構成図。 巻き芯に樹脂シートを巻きつけた状態を説明する模式図。 第１の実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図。 第１の実施形態における軸芯に対する捲回方法を説明する図。 第１の実施形態における軸芯とセパレータの接合方法の一例を示す断面概念図。 第２の実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図。 第２の実施形態における軸芯とセパレータの接合方法を示す断面概念図。 第３の実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図。 第３の実施形態における軸芯とセパレータの接合方法を示す断面概念図。 第４の実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図。 第５の実施形態における軸芯に対する捲回方法を説明する図。 第５の実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図。

以下、図１から図１５Ｂを参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

本発明は、正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して軸芯の周りに扁平に捲回した捲回電極体を有する扁平捲回形二次電池であって、軸芯は、正極電極と負極電極とセパレータのいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成され、軸芯の最内周を形成する最内周部と、最内周部よりも捲き終わり端部側に延長された延長部とを有し、セパレータは、延長部に接合された接合部と、接合部に連続して軸芯の周りにセパレータのみを１周以上捲回したセパレータ捲回部とを有することを特徴としている。

［第１の実施形態］
本実施形態では、扁平捲回形二次電池がリチウムイオン二次電池である場合を例に説明する。

図１は、本実施形態に係わるリチウムイオン二次電池の外観斜視図、図２は、図１に示されるリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。

リチウムイオン二次電池１は、図１及び図２に示すように、電池容器２内に捲回電極体３を収容した構成を有している。電池容器２は、開口部１１ａを有する電池缶１１と、電池缶１１の開口部１１ａを封口する電池蓋２１とを有する。捲回電極体３は、図４Ａに示すように、正極板３４と負極板３２との間にセパレータ３３、３５を介在させて重ね合わせた状態で捲回装置１００の巻き芯１１０に巻きつけた樹脂シート８１周りに扁平状に捲回した構造を有している。捲回電極体３は、その周りに、シート状の絶縁保護フィルム４１が配置された状態で電池容器２に収容されている。

電池容器２は、電池缶１１と電池蓋２１によって構成されている。電池缶１１及び電池蓋２１は、共にアルミニウム合金で製作されており、電池蓋２１は、レーザ溶接によって電池缶１１に溶接される。電池容器２は、一対の幅広側面ＰＷと、一対の幅狭側面ＰＮと、底面ＰＢと、電池蓋２１とで直方体形状の扁平角形容器を構成する。電池蓋２１には、絶縁部材を介して正極端子５１と負極端子６１（一対の電極端子）が配設されており、蓋組立体４を構成している。なお、電池蓋２１には、正極端子５１及び負極端子６１の他に、電池容器２内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて電池容器２内のガスを排出するガス排出弁７１と、電池容器２内に電解液を注入するための注液口７２が配置されている。

正極端子５１及び負極端子６１は、電池蓋２１の長手方向一方側と他方側の互いに離れた位置に配置されている。正極端子５１及び負極端子６１は、電池蓋２１の外側に配置される外部端子５２、６２と、電池蓋２１の内側に配置されて外部端子５２、６２に導通接続される接続端子５３、６３を有している。正極側の外部端子５２と接続端子５３は、アルミニウム合金で製作され、負極側の外部端子６２と接続端子６３は、銅合金で製作されている。

接続端子５３、６３と外部端子５２、６２は、それぞれ電池蓋２１との間に図示していない絶縁部材が介在されており、電池蓋２１から電気的に絶縁されている。接続端子５３、６３は、電池蓋２１の内側から電池缶１１の底部に向かって延出して捲回電極体３に導通接続される集電端子５４、６４を有している。捲回電極体３は、正極端子５１の集電端子５４と負極端子６１の集電端子６４との間に配置されて支持されており、蓋組立体４及び捲回電極体３によって、発電要素組立体５が構成されている。

次に、発電要素組立体５と電池缶１１の絶縁を図るために、絶縁保護フィルム４１を発電要素組立体５と電池缶１１との間に配置するように、捲回電極体３を電池缶１１の開口部１１ａから挿入し、電池蓋２１と電池缶１１をレーザ溶接により溶接する。その後、電池蓋２１の注液口７２から電池容器２内に電解液を注入して、注液栓７３によって注液口７２を閉塞する。注液栓７３は、電池蓋２１にレーザ溶接により溶接される。

電解液は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（DEC）の体積比１：１：１の混合溶液中にＬｉＰＦ_６（六フッ化リン酸リチウム）を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解したものを用いる。

尚、電解質は、ＬｉＰＦ_６を使用した例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯＬｉなどやこれらの混合物を用いることができる。また、本実施形態では、非水電解液の溶媒にＥＣとＤＭＣとの混合溶媒を用いた例を示したが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、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、γ―ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、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、プロピオニトリルなど少なくとも１種以上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、また混合配合比についても限定されるものではない。そして、外部端子５２、６２を介して捲回電極体３から外部負荷に電力が供給され、あるいは、外部端子５２、６２を介して外部発電電力が捲回電極体３に充電される。

図３は、図２に示された発電要素組立体の詳細を示した分解斜視図である。

発電要素組立体５は、電池蓋２１に絶縁部材を介して正極端子５１と負極端子６１を取り付けて蓋組立体４を作製した後、蓋組立体４の正極端子５１と負極端子６１に、捲回電極体３の正極未塗工部３４ｂと負極未塗工部３２ｂを超音波接合して導通接続することによって作製される。

図４Ａは、図３に示された捲回電極体の詳細を示し、一部を展開した状態の外観斜視図、図４Ｂは、軸芯８０の構成を説明する図であり、図４ＡのＢ方向から矢視した状態を示す模式図、図４Ｃは軸心を押し潰した状態を示す図である。図５は、捲回巻き始めにおける樹脂シートとセパレータ、負極板、正極板との位置関係を示した展開図である。

捲回電極体３は、負極板（負極電極）３２と正極板（正極電極）３４を間にセパレータ３３、３５を介して軸芯８０の周りに扁平状に捲回することによって構成されている。捲回電極体３は、図４Ａに示すように、最外周の電極板が負極板３２であり、さらにその外側にセパレータ３５が捲回される。セパレータ３３、３５は、正極板３４と負極板３２との間を絶縁する役割を有している。

負極板３２の負極塗工部３２ａは、図５に示すように、正極板３４の正極塗工部３４ａよりも幅方向に大きく、これにより正極塗工部３４ａは、必ず負極塗工部３２ａに挟まれるように構成されている。正極未塗工部３４ｂ、負極未塗工部３２ｂは、平面部分で束ねられて溶接等により外部端子５２、６２につながる各極の集電端子５４、６４に接続される。尚、セパレータ３３、３５は、幅方向で負極塗工部３２ａよりも広いが、正極未塗工部３４ｂ、負極未塗工部３２ｂで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

正極板３４は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を塗布した正極塗工部３４ａを有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極未塗工部（箔露出部）３４ｂが設けられている。

負極板３２は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を塗布した負極塗工部３２ａを有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極未塗工部（箔露出部）３２ｂが設けられている。正極未塗工部３４ｂと負極未塗工部３２ｂは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向（図４のＸ方向）の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。

負極板３２に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に集電部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断して銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極板を得た。

なお、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ_２等）、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

正極板３４に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に無地の集電部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断してアルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極板を得た。

また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

また、本実施形態では、正極板、負極板における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。

軸芯８０は、正極板３４と負極板３２とセパレータ３３、３５のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シート８１を捲回して構成されており、図４Ｂに示すように、軸芯８０の最内周を形成する最内周部８２と、最内周部８２よりも捲き終わり端部側に延長された延長部８３とを有している。

樹脂シート８１は、負極板３２、正極板３４、セパレータ３３、３５のいずれよりも厚さが厚く、剛直な絶縁性の樹脂材料を用いて形成されている。樹脂シート８１は、負極塗工部３２aが軸芯８０の最外周面全面に亘って接面して捲回できるように、捲回軸方向（Ｘ方向）の幅を負極塗工部３２aの幅と同等以上の幅とすることが望ましい。また、正極未塗工部３４ｂおよび負極未塗工部３２ｂをそれぞれ厚さ方向（Ｚ方向）に束ねて溶接する際に、金属箔間を絶縁しない幅が好ましい。本実施形態では、樹脂シート８１の幅は、セパレータ３３、３５と同じ幅に設定されている。

軸芯８０は、負極板３２、正極板３４やセパレータ３３、３５より曲げ剛性が大きい樹脂シート８１を捲回することによって構成されている。したがって、軸芯８０の弾性力によって、セパレータ３３、３５および負極板３２を軸芯８０の外周面に密着して沿わせることができ、さらにその外周に位置する正極板３４も沿わせることが可能になる。したがって、これらセパレータ３３、３５、負極板３２、正極板３４の捲き始め端部側が捲回中心に向かって巻き緩むのを防ぐことができる。

軸芯８０は、本実施形態では、厚さが150μmのＰＰシートを樹脂シート８１として用いた。樹脂シート８１は、電池内部に用いても劣化などの支障が無く、負極板３２よりも曲げ剛性が大きくて、セパレータ３３、３５を介して負極板３２を軸芯８０の外周に密着して沿わせることが可能であり、絶縁性を有するものであればよく、上記した材質や寸法等に限定されるものではない。

図６は、捲回装置１００の構成例を示す図である。

捲回装置１００は、装置中央にスピンドル１０１が回転可能に支持されており、図示していない回転駆動装置によって時計回りに回転駆動されるようになっている。そして、スピンドル１０１の側方には、正極３４、セパレータ３３（第１のセパレータ）、負極３２、セパレータ３５（第２のセパレータ）、樹脂シート８１をスピンドル１０１に供給するための供給装置が設けられている。

供給装置は、装置右上から順に正極３４、セパレータ３３、負極３２、セパレータ３５、樹脂シート８１をロール状に保持しており、外周端部から繰り出してスピンドル１０１に供給するようになっている。また、各々の電極３４、３２、セパレータ３３、３５、樹脂シート８１を所定長さ供給する送りローラ１６０ａ〜１６０ｅと、所定の長さで切断するカッタ１６１ａ〜１６１ｅを備える。

スピンドル１０１は、樹脂シート８１の捲き始め端部を把持する把持部１０３を備えた扁平な巻き芯１０２を有している。そして、巻き芯１０２の近傍には、巻き芯１０２を回転させて捲回電極体３を形成した後に、捲回電極体３がほどけないように粘着テープ１６３を貼り付ける貼付手段１６７を備えている。粘着テープ１６３は、送り出し機構１６４によって所定長さだけ繰り出され、カッタ１６５で所定長さにカットされて、捲回電極体３に貼付される。

また、スピンドル１０１の近傍には、巻き芯１０２に巻きつけた樹脂シート８１にセパレータ３３、３５を加熱溶着するヒータヘッド１７０と、ヒータヘッド１７０を所定位置まで上昇させて加圧するヒータ昇降機構１７１を備える。

また、巻き芯１０２に巻きつけた樹脂シート８１を切断する際にほどけないように保持するための仮押さえ機構１７８を備える。尚、他の実施形態として加熱溶着の他に粘着テープによって接合してもよい。よって、その場合には図示はしないがヒータヘッド１０７およびヒータ昇降機構１７１の代わりにテープを貼る貼り付け手段１６７と同様の機構が別途備えられている。

図７は、巻き芯に樹脂シートを巻きつける方法を説明する図である。

巻き芯１０２は、樹脂シート８１を捲回して軸芯８０を形成するためのものであり、樹脂シート８１よりも大きな横幅の扁平板形状を有している。巻き芯１０２は、スピンドル１０１の回転中心に捲回軸が一致するように、スピンドル１０１に一体に回転可能に固定されている。

巻き芯１０２は、樹脂シート８１の捲き始め端部を把持する把持部１０３を有している。把持部１０３は、捲回軸方向に沿って延在して形成された差し込み溝１０３ａの溝幅を拡大または縮小可能な構成を有しており、差し込み溝１０３ａに樹脂シート８１の端部を差し込み、溝幅を縮小させることによって、樹脂シート８１の捲き始め端部を把持するようになっている。

樹脂シート８１は、捲き始め端部が差し込み溝１０３ａに差し込まれて、把持部１０３に把持される。そして、巻き芯１０２の回転により巻き芯１０２の周りに１周以上巻きつけられる長さのところでカッタ１６１ｅを用いて切断される。そして、仮押さえ機構１７８の仮押さえローラで樹脂シート８１を巻き芯１０２に押し付けることによって、ほどけないように保持される。

図８Ａは、本実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図、図８Ｂは、本実施形態における軸芯に対する捲回方法を説明する図である。

軸芯８０は、図８Ａに示すように、樹脂シート８１の捲き始め端部を把持部１０３に把持させて巻き芯１０２を１回転させることによって形成されている。軸芯８０は、軸芯８０の最内周を形成する最内周部８２と、最内周部８２の外周に対向配置されて重ね代となる延長部８３とを有する。なお、延長部８３は、最内周部８２の外側を１周以上捲回する長さを有していてもよい。

そして、延長部８３とヒータヘッド１７０との間に、セパレータ３３の捲き始め端部とセパレータ３５の捲き始め端部を送り込み、ヒータ昇降機構１７１によりヒータヘッド１７０を上昇させて、ヒータヘッド１７０により、延長部８３の外周面に、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部を互いに重ね合わせた状態で加熱溶着して、軸芯８０の延長部８３に一体に接合する。

本実施形態では、巻き芯１０２に、樹脂シート８１を１周以上（最内周部８２の分と延長部８３の分とを加えた長さ）巻きつけて、軸芯８０の延長部８３の外周面に、セパレータ３３、３５を加熱溶着して一体に接合した。

その後、巻き芯１０２を回転させて、図８Ｂに示すように、軸芯８０の周りにセパレータ３３、３５のみを１周以上捲回して、セパレータ捲回部を形成する。そしてさらに、負極板３２及び正極板３４の各捲き始め端部をセパレータ３３、３５の間に挟み込んで接合し、さらに捲回して所定の厚さを有する捲回電極体３を作製する。

捲回電極体３は、把持部１０３の差し込み溝１０３ａを拡げて、回転軸方向に抜き取ることにより、巻き芯１０２から取り外される。それから、捲回電極体３は、捲回厚さ方向（Ｚ方向）に圧縮されて、図４Ｃに軸芯８０のみを示すように、捲回電極体３の軸芯８０が捲回厚さ方向に押し潰された扁平状態とされる。

セパレータ３３、３５を軸芯８０の延長部８３に加熱溶着すると、その接合部には、樹脂シート８１やセパレータ３３、３５の溶けにより凹凸が生じる。このような凹凸を有する接合部の上に負極板３２や正極板３４を捲回すると、負極板３２や正極板３４がきれいに捲回されず、シワや不均一な段差が形成され、電極間の隙間の発生源となり、電池寿命が低下するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、セパレータ捲回部と軸芯８０との協働により、接合部における凹凸を吸収して緩和している。

セパレータ捲回部は、セパレータ３３、３５を軸芯８０に熱溶着して接合した後に、その接合部に連続してセパレータ３３、３５のみを一周以上捲回することによって、接合部の凹凸を吸収して緩和することができる。

一方、軸芯８０は、樹脂シート８１によって構成されており、ある程度の弾力性を有している。したがって、セパレータ捲回部を形成することによって、接合部の凹凸部分全体を軸中心側に凹ませるように軸芯８０を変形させることができ、なだらかな表面にすることができる。したがって、接合部の上に負極板３２や正極板３４をきれいに捲回して、シワや不均一な段差が形成されるのを防止でき、電極間の隙間の発生や電池寿命の低下を防ぐことができる。

図９は、本実施形態における軸芯とセパレータの接合方法の一例を示す断面概念図である。

この接合方法では、１周以上の長さ（最内周部８２の分と延長部８３の分とを加えた長さ）の樹脂シート８１を、巻き芯１０２に半回転分だけ巻きつけて、図９に示すように、延長部８３を最内周部８２から離れる方向に向かって突出させた状態に保持する。そして、延長部８３とヒータヘッド１７０との間に、セパレータ３３の捲き始め端部とセパレータ３５の捲き始め端部を重ね合わせた状態で送り込む。そして、ヒータ昇降機構１７１によりヒータヘッド１７０を上昇させて、ヒータヘッド１７０により、延長部８３の外周面に、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部を加熱溶着して、軸芯８０の延長部８３に一体に接合する。その際、図６の捲回装置１００には図示していない、押さえ機構２６８がヒータヘッド１７０に樹脂シート８１とセパレータ３３、３５を介して対向する位置に配置されて、ヒータヘッド１７０の裏押さえとして用いられる。

本実施形態では、巻き芯１０２に、樹脂シート８１を巻きつけて、巻き芯１０２から突出した延長部８３の外周面に、セパレータ３３、３５を加熱溶着して一体に接合した。その後、巻き芯１０２を回転することで、図８と同様の捲回電極体３を作製することができる。これにより、巻き芯１０２が薄く剛性が低いものであっても、捲回電極体３を作製することが可能となる。また、図示はしないが加熱溶着ではなくテープ貼り付けによる接合でも同様の効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
図１０は、本実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図である。

本実施形態において特徴的なことは、軸芯８０の延長部８３の内周面にセパレータ３３の捲き始め端部を熱溶着し、かつ、軸芯８０の延長部８３の外周面にセパレータ３５の捲き始め端部を熱溶着して、軸芯８０とセパレータ３３、３５を接合した構成としたことである。

巻き芯１０２に巻きつけた樹脂シート８１の捲き終わり端部を間に挟み込むように、セパレータ３３、３５を、巻き芯１０２とヒータヘッド１７０との間に送り込み、セパレータ３３の捲き始め端部を延長部８３の内周面に対向配置し、かつ、セパレータ３５の捲き始め端部を延長部８３の外周面に対向配置する。

そして、ヒータ昇降機構１７１によりヒータヘッド１７０を上昇させて、ヒータヘッド１７０により、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部で延長部８３を挟み込んだ状態で加熱溶着して、セパレータ３３、３５を軸芯８０の延長部８３に一体に接合する。

その後、巻き芯１０２を回転させて、軸芯８０の周りにセパレータ３３、３５のみを１周以上捲回してセパレータ捲回部を形成した後、負極板３２及び正極板３４の各捲き始め端部をセパレータ３３、３５の間に挟み込んで接合し、さらに捲回して所定の厚さを有する捲回電極体３を作製する。捲回電極体３は、第１の実施形態と同様に、巻き芯１０２から取り外され、捲回厚さ方向（Ｚ方向）に圧縮され、軸芯８０が捲回厚さ方向に押し潰された扁平状態とされる。

例えばセパレータ３３と３５が正極板に対向する面に耐熱性の高い材料をコーティングした場合に、第１の実施形態では樹脂シート８１との加熱溶着による接合が困難となる可能性がある。しかし、本実施形態によれば、樹脂シート８１に対面するセパレータ３３、３５の面は、加熱溶着可能な面となるので、確実かつ容易に接合することができ、特に有効である。

図１１は、本実施形態における軸芯とセパレータの接合方法の一例を示す断面概念図である。

この接合方法では、巻き芯１０２の１周以上の長さ（最内周部８２の分と延長部８３の分とを加えた長さ）を有する樹脂シート８１を、巻き芯１０２に半回転分だけ巻きつけて、延長部８３を最内周部８２から離れる方向に向かって突出させた状態に保持する。そして、延長部８３の内周面側にセパレータ３３の捲き始め端部を対向して配置し、延長部８３の外周面側にセパレータ３５の捲き始め端部を対向して配置する。

そして、ヒータ昇降機構１７１によりヒータヘッド１７０を上昇させて、ヒータヘッド１７０により、延長部８３の内周面と外周面に、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部をそれぞれ加熱溶着して、軸芯８０の延長部８３に一体に接合する。

その際、図６の捲回装置１００には図示していない、押さえ機構２６８がヒータヘッド１７０に樹脂シート８１とセパレータ３３、３５を介して対向する位置に配置されて、ヒータヘッド１７０の裏押さえとして用いられる。

また、一対のヒータヘッド１７０を用意して、内周側と外周側の両面から挟み込み、加熱溶着する構成としてもよい。これによれば、例えばセパレータ３３と３５が正極に位置する面に耐熱性が高くまた伝熱性も悪い材料がセパレータ３３と３５の片面に各々塗布されてコーティングされている場合でも、樹脂シート８１に対面するセパレータ３３、３５の面は、加熱溶着可能な面となるので、確実かつ容易に接合することができる。

［第３の実施形態］
図１２は、本実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図である。

本実施形態において特徴的なことは、軸芯８０の延長部８３の内周面にセパレータ３３、３５の捲き始め端部を熱溶着して、軸芯８０とセパレータ３３、３５を接合した構成としたことである。

軸芯８０は、図１２に示すように、樹脂シート８１の捲き始め端部を把持部１０３に把持させて巻き芯１０２を１回転させることによって形成されている。軸芯８０は、最内周部８２と、最内周部８２の外周に重ねられて重ね代となる延長部８３とを有する。延長部８３は、最内周部８２の外周に対向配置されている。

そして、延長部８３のうちの樹脂シート８１の捲き終わり端部と、その内周面に対向する樹脂シート８１の外周面（本実施の形態では最内周部８２の外周面）との間にセパレータ３５の捲き始め端部を送り込む。

それから、ヒータ昇降機構１７１によりヒータヘッド１７０を上昇させて、ヒータヘッド１７０により、延長部８３の内周面に、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部を互いに重ね合わせた状態で加熱溶着して、軸芯８０の延長部８３に一体に接合する。

本実施形態では、巻き芯１０２に、樹脂シート８１を１周以上（最内周部の分と延長部の分とを加えた長さ）巻きつけて、軸芯８０の延長部８３の内周面に、セパレータ３３、３５を加熱溶着して一体に接合した。そして、巻き芯１０２を回転させて、軸芯８０の周りにセパレータ３３、３５を１周以上捲回した後、負極板３２及び正極板３４の各捲き始め端部をセパレータ３３、３５の間に挟み込んで接合し、さらに捲回して所定の厚さを有する捲回電極体３を作製する。捲回電極体３は、把持部１０３の差し込み溝１０３ａを拡げて、回転軸方向に抜き取ることにより、巻き芯１０２から取り外される。そして、捲回電極体３は、捲回厚さ方向（Ｚ方向）に圧縮されて、捲回電極体３の軸芯８０が捲回厚さ方向に押し潰された扁平状態とされる。

本実施形態によれば、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部は、延長部８３の内周面と、その内周面に対向する樹脂シート８１の外周面（本実施の形態では、最内周部８２の外周面）との間に挟まれているので、溶着による接合に加えて、樹脂シート８１に挟まれていることによる摩擦で接合される。したがって、セパレータ３３、３５を軸芯８０に対して、より強固に接合することができる。

図１３は、本実施形態における軸芯とセパレータの接合方法の一例を示す断面概念図である。

この接合方法では、１周以上の長さ（最内周部８２の分と延長部８３の分とを加えた長さ）の樹脂シート８１を、巻き芯１０２に半回転分だけ巻きつけて、延長部８３を最内周部８２から離れる方向に向かって突出させた状態に保持する。そして、延長部８３の内周面に対向する位置にセパレータ３３、３５の各捲き始め端部を送り込む。そして、ヒータ昇降機構１７１によりヒータヘッド１７０を上昇させて、ヒータヘッド１７０により、延長部８３の内周面に、セパレータ３３、３５の各捲き始め端部を互いに重ね合わせた状態で加熱溶着して、軸芯８０の延長部８３に一体に接合する。その際、図６の捲回装置１００には図示していない、押さえ機構２６８がヒータヘッド１７０に樹脂シート８１とセパレータ３３、３５を介して対向する位置に配置されて、ヒータヘッド１７０の裏押さえとして用いられる。

本実施形態では、巻き芯１０２に、樹脂シート８１を巻きつけて、巻き芯１０２から突出した樹脂シート８１の部分、すなわち、軸芯８０の延長部８３の内周面に、セパレータ３３、３５を加熱溶着して一体に接合した。その後、巻き芯１０２を回転することで、図８と同様の捲回電極体３を作製することができる。これにより、巻き芯１０２が薄く剛性が低いものであっても、捲回電極体３を作製することが可能となる。また、図示はしないが加熱溶着ではなくテープ貼り付けによる接合でも同様の効果を得ることができる。なお、図６の捲回装置１００に配置された押さえ機構２６８とヒータヘッド１７０に位置関係は、上下が逆であってもよい。

［第４の実施形態］
図１４は、本実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図である。

本実施形態において特徴的なことは、軸芯８０の延長部８３の内周面と、該内周面に対向する樹脂シート８１の外周面（本実施の形態では最内周部８２の外周面）との間に、セパレータ３３、３５の捲き始め端部を挟み込んで、軸芯８０とセパレータ３３、３５を接合した構成としたことである。

軸芯８０は、図１４に示すように、樹脂シート８１の捲き始め端部を把持部１０３に把持させて巻き芯１０２を１回転させることによって形成されている。軸芯８０は、最内周部８２と、最内周部８２の外周に重ねられて重ね代となる延長部８３とを有する。延長部８３は、最内周部８２の外周に対向配置されている。

そして、樹脂シート８１の捲き終わり端部の内周面に対向する位置に、セパレータ３３の捲き始め端部とセパレータ３５の捲き始め端部を送り込む。そして、巻きほどけ防止用のタッチローラ１７９を上昇させて、セパレータ３３、３５を、延長部８３と、延長部８３の内周面に対向する樹脂シート８１の外周面との間に挟み込んで、摩擦力を利用してセパレータ３３、３５の抜けを防ぎ、軸芯８０に一体に接合する構成を有する。

本実施形態では、巻き芯１０２に樹脂シート８１を１周以上巻きつけて、延長部８３の内周面側に第１のセパレータ３３と第２のセパレータ３５を重ねて位置させ、巻きほどけ防止用のタッチローラで固定する。その後、巻き芯１０２を１回転させて、軸芯８０の外側に少なくとも一周分のセパレータ３３、３５を捲回する。そして、タッチローラ１７１を退避させて、巻き芯１０２をさらに回転させて捲回を行う。

軸芯８０とセパレータ３３、３５は、各々の摩擦力を利用して接合されているので、樹脂シート８１は摩擦係数が大きいものが好ましい。延長部８３は、その内周面と、内周面に対向する樹脂シート８１の外周面との間にセパレータ３３、３５を挟み込む長さが長いほど、大きな摩擦力を得ることができ、例えば、最内周部８２の周りを少なくとも半周以上、好ましくは、１周以上捲回する長さとすることが好ましい。

本実施形態によれば、加熱溶着による接合の必要が無いため、接合部に加熱溶着による凹凸が発生しない。したがって、接合部の上に負極板３２や正極板３４を捲回しても、シワや不均一な段差が発生しない。また、加熱溶着の工程も削減できるので生産タクト向上が期待できる。

［第５の実施形態］
図１５Ａは、本実施形態における軸芯に対する捲回方法を説明する図、図１５Ｂは、本実施形態における軸芯とセパレータの接合構造を示す断面概念図である。

本実施形態において特徴的なことは、上記までの実施の形態と異なり、巻き芯１０２の把持部１０３にセパレータ３３、３５の巻き始め側の一部が把持されており、このセパレータ３３の上部に樹脂シート８１が配置された状態で、巻き芯１０２を１回転させることにより、軸芯８０の延長部８３の内周面と、該内周面に対向する樹脂シート８１の外周面（本実施の形態では最内周部８２の外周面）との間に、セパレータ３３、３５の捲き始め端部側を挟み込み、挟持して軸芯８０に接合させ、さらに、セパレータ３３、３５の捲き始め端部が軸芯８０の内側に位置する構成としたことである。

まず、セパレータ３３と３５を重ねた状態で把持部１０３の差し込み溝１０３ａに挿通し、セパレータ３３、３５の捲き始め端部が巻き芯１０２から所定長さ突出した状態で差し込み溝１０３の溝幅を縮小させて、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２の把持部１０３に把持させる。

そして、図１５Ａに示すように、把持部１０３に把持させたセパレータ３３の上部に、樹脂シート８０を配置する。次に、巻きほどけ防止用のタッチローラ１７９を上昇させて、巻き芯１０２を１回転させることによって、図１５Ｂに示すように、巻き芯１０２の周囲に、最内周部８２と、最内周部８２の外周に重ねられて重ね代となる延長部８３とを有する軸芯８０を形成する。延長部８３は、最内周部８２の外周に対向配置され、樹脂シート８１の捲き終わり端部の内周面に対向する位置に、セパレータ３３の捲き始め側の一部とセパレータ３５の捲き始め側の一部が配置される。セパレータ３３、３５は、軸芯８０に倣いながら、軸芯８０に挟持され、軸芯８０に一体に接合される。セパレータ３３、３５の巻き始め端部は、最内周部８２と延長部８３との間から軸芯８０の中心側に突出して、軸芯８０の内面側に配置される。

本実施形態では、捲き始め端部側の例として、巻き芯１０２の把持部１０３にセパレータ３３、３４の巻き始め側の一部を把持させたが、これに限定されるわけではなく、セパレータ３３、３４の巻き始め端部を把持させても構わない。また、本実施形態では、軸芯８０およびセパレータ３３，３５を巻き芯１０２に倣わせる目的で、巻ほどけ防止用のタッチローラ１７９を用いたが、これに限定されるわけではなく、使用しなくても、捲回電極体３を作製することが可能である。また、本実施形態では、巻き芯１０２の把持部１０３、１０３aにセパレータ３３、３４の巻き始め側の一部のみを把持させたが、これに限定されるわけではなく、軸芯８０の端部ないし一部を、セパレータ３３、３５と同時ないし個々に把持しても構わない。

本実施形態によれば、加熱溶着による接合の必要が無く、また、第４の実施の形態と異なり、巻ほどけ防止用のタッチローラ１７９は、軸芯８０およびセパレータ３３，３５を巻き芯１０２に倣わせるために用い、セパレータ３３、３５の固定を目的としないため、安定して生産することが可能であり、巻き始めの巻き芯１０２の回転速度も上げることができるので、生産タクト向上が期待できる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ リチウムイオン二次電池
２ 電池容器
３ 捲回電極体
４ 蓋組立体
５ 発電要素組立体
１１ 電池缶
２１ 電池蓋
３２ 負極板（負極電極）
３３ セパレータ（第１のセパレータ）
３４ 正極板（正極電極）
３５ セパレータ（第２のセパレータ）
４１ 絶縁保護フィルム
５１ 正極端子（電極端子）
５２、６２ 外部端子
５３、６３ 接続端子
５４、６４ 集電端子
６１ 負極端子（電極端子）
７１ ガス排出弁
７２ 注液口
７３ 注液栓
８０ 軸芯
８１ 樹脂シート
８２ 最内周部
８３ 延長部
１００ 捲回装置
１０１ 巻き芯
１７０ ヒータヘッド

Claims (16)

1. 正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して軸芯の周りに扁平に捲回した捲回電極体を有する扁平捲回形二次電池であって、
   前記軸芯は、前記正極電極と前記負極電極と前記セパレータのいずれよりも厚さの厚い樹脂シートを捲回して構成されることを特徴とする扁平捲回形二次電池。
2. 前記軸芯は、前記軸芯の最内周を形成する最内周部と、該最内周部よりも捲き終わり端部側に延長された延長部とを有し、
   前記セパレータは、前記延長部に接合された接合部と、該接合部に連続して前記軸芯の周りに前記セパレータのみを１周以上捲回したセパレータ捲回部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の扁平捲回形二次電池。
3. 前記セパレータは、前記延長部の外周面に熱溶着により接合される第１のセパレータと第２のセパレータを有することを特徴とする請求項２に記載の扁平捲回形二次電池。
4. 前記セパレータは、前記延長部の内周面に熱溶着により接合される第１のセパレータと、前記延長部の外周面に熱溶着により接合される第２のセパレータを有することを特徴とする請求項２に記載の扁平捲回形二次電池。
5. 前記セパレータは、前記延長部の内周面に熱溶着により接合される第１のセパレータと第２のセパレータを有することを特徴とする請求項２に記載の扁平捲回形二次電池。
6. 前記セパレータは、前記延長部の内周面と該延長部の内周面に対向する前記樹脂シートの外周面との間に前記セパレータの捲き始め端部側を挟み込むことによって接合されていることを特徴とする請求項２に記載の扁平捲回形二次電池。
7. 前記セパレータは、該セパレータの捲き始め端部が前記最内周部と前記延長部との間から前記軸芯の中心側に突出していることを特徴とする請求項６に記載の扁平捲回形二次電池。
8. 正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して軸芯の周りに扁平に捲回した捲回電極体を有する扁平捲回形二次電池の製造方法であって、
   前記正極電極と前記負極電極と前記セパレータのいずれよりも厚さの厚い樹脂シートを捲回して前記軸芯を形成する工程と、
   前記軸芯の最内周を形成する最内周部よりも捲き終わり端部側に延長された延長部に前記セパレータを接合する工程と、
   前記延長部との接合部分に連続して前記セパレータのみを前記軸芯の周りに１周以上捲回してセパレータ捲回部を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする扁平捲回形二次電池の製造方法。
9. 前記セパレータを接合する工程では、
   前記延長部が前記最内周部の外周に対向配置された状態で、前記延長部の外周面に前記セパレータの捲き始め端部を熱溶着することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
10. 前記セパレータを接合する工程では、
    前記延長部が前記最内周部から離れる方向に向かって突出した状態で、前記延長部の外周面に前記セパレータの捲き始め端部を熱溶着することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
11. 前記セパレータを接合する工程では、
    前記延長部が前記最内周部の外周に対向配置された状態で、前記延長部の内周面に第１のセパレータの捲き始め端部を対向配置し、かつ、前記延長部の外周面に第２のセパレータの捲き始め端部を対向配置して熱溶着することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
12. 前記セパレータを接合する工程では、
    前記延長部が前記最内周部から離れる方向に向かって突出した状態で、前記延長部の内周面に第１のセパレータの捲き始め端部を対向配置し、かつ、前記延長部の外周面に第２のセパレータの捲き始め端部を対向配置して熱溶着することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
13. 前記セパレータを接合する工程では、
    前記延長部が前記最内周部の外周に対向配置された状態で、前記延長部の内周面に前記セパレータの捲き始め端部を熱溶着することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
14. 前記セパレータを接合する工程では、
    前記延長部が前記最内周部から離れる方向に向かって突出した状態で、前記延長部の内周面に前記セパレータの捲き始め端部を熱溶着することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
15. 前記セパレータを接合する工程では、
    前記延長部が前記最内周部の外周に対向配置された状態で、前記延長部の内周面と該延長部の内周面に対向する前記樹脂シートの外周面との間に前記セパレータの捲き始め端部側を挟み込むことにより接合することを特徴とする請求項８に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。
16. 前記セパレータは、該セパレータの捲き始め端部が前記最内周部と前記延長部との間から前記軸芯の中心側に突出していることを特徴とする請求項１５に記載の扁平捲回形二次電池の製造方法。

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