JP2013251084A

JP2013251084A - 角形二次電池の製造方法

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Publication number: JP2013251084A
Application number: JP2012123829A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Ono; 雄介大野; Takashi Sasaki; 孝佐々木
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: JP5860344B2

Abstract

【課題】電池缶内に電解液を容易に注入できる角形二次電池の製造方法を提供する。
【解決手段】扁平状の発電要素と、該発電要素を収容する有底の電池缶と、電池缶の開口部を封口する電池蓋とを有する角形二次電池の製造方法であって、電池缶に外力を付加して電池缶の縦壁部ＰＷが発電要素から離反する方向に電池缶を弾性変形させる第１の工程Ｓ２と、電池蓋の注液口から電池缶内に電解液を注液する第２の工程Ｓ３と、電池缶に対する外力の付加を解除する第３の工程Ｓ４とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、扁平状の発電要素を角形の電池缶に収容した角形二次電池の製造方法に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、高エネルギー密度な電池であるリチウムイオン二次電池の開発が進められている。車載用途としては体積効率のよい角形二次電池があり、扁平に捲回した電極群を、捲回軸を横にして深絞りの電池缶に収納した構造が開示されている(特許文献１)。この構造では、電池缶内に電解液を注入する注液口が正極端子と負極端子の間で、概ね、電池缶を封口する蓋の中央寄りに設けられている。

特開２０１１-１６５４３６号公報

角形二次電池では小型化、或いは高容量化を図ると直方体の電池缶内における電極群の体積割合が大きくなる傾向にある。言い換えると電池缶内部で電極群や構造体が存在しない空間が少なくなる。角形二次電池の製造においては、電池缶を封口する蓋に設けられた注液口から、電極群に含浸させる電解液を注入するが、電池缶内部の空間が少ないと、電解液の注入が困難であり、特に性能向上のために粘性の高い電解液を注入する場合は困難さが増す。

上記課題に対して本発明は、電池缶内に電解液を容易に注入できる角形二次電池の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決する本発明の角形二次電池の製造方法は、扁平状の発電要素と、該発電要素を収容する有底の電池缶と、該電池缶の開口部を封口する電池蓋と、を有する角形二次電池の製造方法であって、前記電池缶に外力を付加して前記電池缶の縦壁部を前記発電要素から離反する方向に凸状に弾性変形させる第１の工程と、前記電池蓋の注液口から前記電池缶内に前記電解液を注液する第２の工程と、前記電池缶に対する前記外力の付加を解除する第３の工程と、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、電池缶の縦壁部と発電要素との間に隙間を形成することができる。したがって、注液口から電池缶内に電解液を注液した場合に、かかる隙間を通過させて電解液を電池缶の上部から缶底に円滑に流れ込ませることができ、電解液の注液速度を高めることができる。したがって、注液口から電解液が溢れるのを防止して、電池缶内部への注液時間を短縮でき、角形二次電池の生産性を向上させることができる。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。

角形二次電池の外観斜視図。角形二次電池の分解斜視図。捲回電極体の一部を展開して示す分解斜視図。角形二次電池の製造方法を説明するフローチャート。弾性変形させる前の状態を示す斜視図。弾性変形させた状態を示す斜視図。電池缶を弾性変形させた状態を断面で示す図。電解液の流れを説明する斜視図。電解液の流れを説明する平面図。第２実施の形態における弾性変形前の状態を示す斜視図。第２実施の形態における弾性変形させた状態を示す斜視図。

次に、本実施の形態について図１〜図９Ｂを用いて以下に詳細に説明する。
本発明は、扁平状の発電要素と、発電要素を収容する有底の電池缶と、電池缶の開口部を封口する電池蓋と、を有する角形二次電池の製造方法であって、電池缶に外力を付加して電池缶の縦壁部を発電要素から離反する方向に凸状に弾性変形させる第１の工程と、電池蓋の注液口から電池缶内に電解液を注液する第２の工程と、電池缶に対する外力の付加を解除する第３の工程とを含むことを特徴とする角形二次電池の製造方法である。

＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態に係わる角形二次電池の外観斜視図、図２は、図１に示される角形二次電池の分解斜視図である。

角形二次電池１は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載される車載用のリチウムイオン二次電池であり、図１及び図２に示すように、電池缶１１内に発電要素３を収容した構成を有している。電池缶１１は、開口部１１ａを有しており、電池蓋２１によって開口部１１ａが封口されている。発電要素３は、負極板と正極板との間にセパレータを介在させて重ね合わせた状態で扁平状に捲回した捲回電極体３１を有している。捲回電極体３１は、絶縁シート４１を介して電池缶１１内に収容されている。

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。電池缶１１は、長方形の底部ＰＢと、底部ＰＢの長辺で折曲されて立ち上がり対峙する一対の幅広縦壁部ＰＷと、底部ＰＢの短辺で折曲されて立ち上がり対峙する一対の幅狭縦壁部ＰＮと、を有しており、電池蓋２１で開口部１１ａを封口することによって、直方体形状を有する扁平角形の電池容器２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。

そして、電池蓋２１には、正極端子５１及び負極端子６１の他に、電池缶１１内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて電池缶１１内のガスを排出するガス排出弁７１と、電池缶１１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。ガス排出弁７１は、電池蓋２１の長辺方向中央位置に設けられており、注液口７２は、負極端子６１側に偏位した位置に設けられている。

正極端子５１及び負極端子６１は、電池蓋２１の長辺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ＰＢに向かって延出して捲回電極体３１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３１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３１によって、発電要素組立体５が構成されている。

図３は、図２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である。

捲回電極体３１は、負極板３２、セパレータ３３、正極板３４、セパレータ３５の順に重ねて扁平状に捲回することによって構成される。捲回電極体３１は、図３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、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、図３に示すように、捲回軸方向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においては、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、本実施の形態では、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等でもよく、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、本実施の形態では、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る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、斜方晶オリビン構造を有するリン酸鉄リチウムやリン酸マンガン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、本実施の形態では、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。

図４は、角形二次電池の製造方法を説明するフローチャート、図５Ａは、電池缶の弾性変形前の状態を示す斜視図、図５Ｂは、電池缶を弾性変形させた状態を示す斜視図、図６は、電池缶の変形状態を断面で示す図、図７は、電解液の流れを説明する斜視図、図８は、電解液の流れを説明する平面図である。

角形二次電池１の製造方法は、図４に示すように、電池缶１１に発電要素３を収容し、電池缶１１及び電池蓋２１をレーザ溶接によって溶接する工程Ｓ１と、電池缶１１に外力を付加して弾性変形させる工程Ｓ２（第１の工程）と、電池缶１１内に電解液を注液する工程Ｓ３（第２の工程）と、外力の付加を解除する工程Ｓ４（第３の工程）と、電池缶１１内に電解液を注液して注液口７２を注液栓７３で封止する工程Ｓ５を含んでいる。

溶接する工程Ｓ１では、電池缶１１に捲回電極体３１を収容し、電池缶１１の開口部１１ａに電池蓋２１を取り付けて、電池缶１１と電池蓋２１をレーザ溶接により接合させ、電池容器２を作製する。

弾性変形させる工程Ｓ２では、電池缶１１の一対の幅狭縦壁部ＰＮを互いに接近する方向に押圧する。ここでは、図５Ａに示すように、幅狭縦壁部ＰＮと接触する部分が湾曲している一対の押圧付与治具８１を用いて、電池缶１１の一対の幅狭縦壁部ＰＮの一部を押圧する。そして、図５Ｂに示すように、捲回電極体３１の平面部が対向する電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷを、幅広縦壁部ＰＷの中央部分が捲回電極体３１から離反する方向である外側に向かって凸状に湾曲する形状に弾性変形させる。

これにより、図６に示すように、電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷと捲回電極体３１の平面部との間に隙間を形成することができ、かかる隙間により、電池缶１１内の上方空間部Ａ１と下方空間部Ａ２との間を連通させることができる。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図６、図７、図８では、理解容易のため、変形状態を誇張して示しており、実際には、押圧する距離は、１〜１０ミクロンであり、幅広縦壁部ＰＷの中央部分に１ｍｍの隙間を形成する程度の変形となる。

注液工程Ｓ３では、注液口７２から電池缶１１内に電解液を注液する。電解液は、図７および図８に示すように、電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷと捲回電極体３１の平面部との間に形成された隙間を通過して、電池缶１１の上方空間部から下方空間部に流れ込み、電池缶１１の缶底に貯留される。そして、液面レベルが漸次上昇して所定高さ位置となるように予め設定された量が注液される。

外力付加解除工程では、注液後に、治具８１を外して電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷを外側に弾性変形させている押圧を解除することで電池缶１１を元の形状に戻す。そして、封止工程Ｓ５により、注液口７２に注液栓７３を組み込んでレーザ溶接によって溶接封止する。以上の一連の工程Ｓ１〜Ｓ５によって、電池缶１１内に電解液が封入される。

図５Ｂに示すように、電池缶１１を弾性変形させるための押圧は、電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷの中央部分の間の距離が最大で２ｍｍ程度（片側で１ｍｍ程度）増加させるのに必要な圧力を任意に用いればよいが、内部の構造物と幅狭縦壁部ＰＮとが接触しない程度であれば、押圧の圧力を強くして電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷの中央部分の間の距離を２ｍｍ以上にしてもよい。

また、電池缶１１の内部には、電池缶１１の弾性変形前における一対の幅広縦壁部ＰＷの内壁間の距離と同等の厚さを有する捲回電極体３１が存在しているため、電池缶１１に押圧をかけた場合に、幅広縦壁部ＰＷが変形する方向は、電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷの中央部分が互いに離反してその間の距離が増加する方向となる。

また、本実施形態では、捲回電極体３１の厚さが電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷの内壁間の距離と同等である場合を示したが、捲回電極体３１の厚さは電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷの内壁間の距離よりも薄くてもよく、その場合、電池缶１１に弾性変形させるための押圧を加えるときに注液口７２からガスを注入して電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷの中央部分の間の距離が増加する方向に補正してもよい。

このときに注入するガスは、水分を含まないガスであって、電池缶１１に封入された内容物が腐食されない成分のガスであることが望ましく、例えば、窒素、二酸化炭素、ヘリウムやアルゴンといった各種希ガスを用いることができる。幅広縦壁部ＰＷの中央部分の変形する方向が定まった後、大気開放により、注入したガスを排出し、その後、電解液を注入する。

図６に示すように、注液口７２から注入した電解液は、外側に膨らんだ電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷの内壁と捲回電極体３１の平面部との間に生じた隙間を流路として、電池缶１１の底部ＰＢまで流れることができるので、押圧による変形を施さない場合に比べて短い時間で必要な電解液を電池缶１１内に注入することが可能となる。電解液は、電池缶１１の底部ＰＢに達すると、捲回電極体３１の底部ＰＢ側の湾曲部でかつ捲回軸方向両側の開放部分から捲回電極体３１の内部に浸透していく。

本実施の形態によれば、電池缶１１を弾性変形させずに電解液を注入した場合と比較して、流速を４倍以上にすることができる。また、電池性能向上のために粘性の高い電解液を、より短い時間で注液することができる。したがって、注液工程の時間を短縮することができ、角形二次電池の生産性を向上させることができる。

＜第２実施の形態＞
次に、第２実施の形態について、図９Ａ、図９Ｂを用いて以下に説明する。
本実施の形態において特徴的なことは、電池缶１１を弾性変形させる方法として、一対の幅広縦壁部ＰＷの中央部分を吸盤治具８２で引っ張る方法を採用したことである。

変形工程Ｓ２では、電池缶１１の一対の幅広縦壁部ＰＷを互いに離反する方向に引っ張って弾性変形させる処理が行われる。本実施の形態では、図９Ａに示すように、幅広縦壁部ＰＷに吸着する吸盤治具８２を用いて、幅広縦壁部ＰＷの中央部分を外側に引っ張る。

そして、図９Ｂに示すように、電池缶１１を弾性変形させて、捲回電極体３１の平面部が対向する電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷを、幅広縦壁部ＰＷの中央部分が捲回電極体３１から離反する方向である外側に向かって凸状に湾曲する形状に変形させる。

これにより、電池缶１１の幅広縦壁部ＰＷと捲回電極体３１の平面部との間に隙間を形成することができ、かかる隙間により、電池缶１１の上方空間部Ａ１と下方空間部Ａ２との間を連通させることができる。したがって、注液口７２から注液した電解液を、隙間に通過させて、電池容器２の上方空間部から下方空間部に円滑に流れ込ませることができる。

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、前記した実施の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 角形二次電池
2 電池容器
3 発電要素
4 蓋組立体
5 発電要素組立体
11 電池缶
21 電池蓋
31 捲回電極体
32 負極板
33 セパレータ
34 正極板
35 セパレータ
41 絶縁シート
51 正極端子
52 正極側外部端子
53 正極接続端子
54 正極集電端子
61 負極端子
62 負極外部端子
63 負極接続端子
64 負極集電端子
71 ガス排出弁
72 注液口
73 注液栓
81 押圧付与治具
82 吸盤治具
ＰＷ幅広縦壁部（縦壁部）
ＰＮ幅狭縦壁部

Claims

扁平状の発電要素と、該発電要素を収容する有底の電池缶と、該電池缶の開口部を封口する電池蓋と、を有する角形二次電池の製造方法であって、
前記電池缶に外力を付加して前記電池缶の縦壁部が前記発電要素から離反する方向に前記電池缶を弾性変形させる第１の工程と、
前記電池蓋の注液口から前記電池缶内に前記電解液を注液する第２の工程と、
前記電池缶に対する前記外力の付加を解除する第３の工程と、を含むことを特徴とする角形二次電池の製造方法。
前記発電要素は、正極電極と負極電極とを間にセパレータを介して捲回した扁平状の捲回電極体であり、
前記電池缶は、前記捲回電極体の平面部と対向する一対の幅広縦壁部と、前記捲回電極体の捲回軸方向両側の端面と対向する一対の幅狭縦壁部とを有しており、
前記第１の工程では、前記電池缶に外力を付加して前記一対の幅広縦壁部が前記捲回電極体の平面部から離反する方向に前記電池缶を弾性変形させることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池の製造方法。
前記第１の工程では、前記一対の幅狭縦壁部を互いに接近する方向に押圧することによって前記電池缶を弾性変形させることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池の製造方法。
前記第１の工程では、前記一対の幅広縦壁部を互いに離反する方向に引っ張ることによって前記電池缶を弾性変形させることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池の製造方法。