JP3846286B2 - 二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池の製造方法に関し、特に極板の集電体を突出させ、その突出部に集電板を接合する二次電池の集電構造の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池の中で電動工具用などの高出力を必要とするものは、従来から集電構造が工夫されていた。その中でも、一般的なものは、タブレス構造と呼ばれるもので、正極板と負極板を互いに上下方向にずらしてセパレータを介して渦巻き状に捲回して極板群とした後、この渦巻き状極板群の正極板端縁の集電体突出部に平板状正極集電板を溶接し、負極板端縁の集電体突出部に平板状負極集電板を溶接して電極体とする。この電極体を金属製外装缶に挿入し、負極集電板を外装缶の底部にスポット溶接し、正極集電板を、正極タブにより、正極端子を兼ねた封口板に溶接した構造である。この構造にすることにより、使用時の正極板における電流分布および負極における電流分布が均一になり、高率放電特性が向上する。
【０００３】
これらタブレス構造の中でも、特開２０００−３２３１１７号公報に記載されているように、正極あるいは負極集電板を金属製外装缶と接触しない程度の大きさにしても、あるいは集電板を用いなくても極板群すべての部位の極板から集電できるようにするため、集電体突出部を内周部から外周部にむけて、順次、直角に折り曲げて平坦部を作り、そこに集電板を溶接する構造が提案されている。また、特開２０００−２９４２２２号公報に記載されているように、集電効率を高め、充放電時の温度上昇を小さくするために、集電体突出部を押圧して、突出部先端自身により平坦部を形成し、この平坦部に集電板を溶接する構造が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年のさらなる高出力化のため電極板自体が薄く長尺化し、集電体自体も薄くなり、捲回数も多くなり捲回間隔も小さくなってきた。この場合、例えば内周部から外周部にむけて、順次、直角に折り曲げて平坦部を作る方法は、間隔が短いことや、折り曲げる回数が多くなるため、実用上困難である。また、集電体突出部を押圧して、突出部先端自身により平坦部を形成する方法は、集電体が薄くなるため、不規則に座屈し、セパレータを突き破り短絡しやすくなる。
【０００５】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、安定した導電接続を簡便かつ安価に行う二次電池の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の二次電池の製造方法は、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成する際、極板群を捲回軸芯を中心に回転させ、先端部端面に芯材屈曲用治具を押し当てていくことにより、前記先端部端面を軸の中心または外周部に順次屈曲させ、平坦部を形成することを特徴とするものである。
【０００７】
この方法により、例えばリチウムイオン二次電池のように薄型の集電体を用い、捲回数が多く、捲回間隔が小さいものでも簡便かつ安価に電池の製造を行うことが出来る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池の製造法において、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成し、前記平坦部に集電板を接合する工程を含み、前記平坦部の形成工程は、前記極板群を、捲回軸芯を中心に回転させ、前記突出部の先端部端面に芯材屈曲用治具を外周部から中心部に押し当てていくことにより、前記先端部端面を軸の中心に順次屈曲させる工程を少なくとも１回行い、平坦部を形成する工程であることを特徴としたものである。
【０００９】
ここで、芯材屈曲用治具は集電体より硬い必要があり、金属、硬質プラスチックまたは硬質木材などの硬質材が好ましい。また、形状としては集電体が破損しやすい鋭角の角が無ければよい。たとえば平板状、円柱状または多角形状など様々な形状が適用できる。
【００１０】
この方法においては、極板群自体を回転することにより、突出部の先端が回転している。そして、その端面に芯材屈曲用治具を外周部から中心部に押し当てることにより突出部の先端は、まず外周部が中心部に倒れ、先端の回転につれ、らせん状に中心部まで順次屈曲して行き平坦部を形成する作用を有する。この際、若干の集電体の破損と剥れがあるため、集塵を行うのが好ましい。屈曲部分を大きくすると、抵抗が大きく、集電体の破損や剥れが非常に大きくなるため、少しづつ、数回、繰り返して行うのも好ましい。
【００１１】
この方法により、リチウムイオン二次電池のように薄型の集電体を用い、捲回数が多く、捲回間隔が小さいものでも、簡便かつ安価に屈曲した集電体からなる平坦部の形成を行うことが出来る。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の二次電池の製造方法において、前記芯材屈曲用治具は、先端がまるみを帯びた平板治具であるとしたものである。
【００１３】
図１に本実施形態における集電体の突出部に平坦部を形成する工程の模式図を示す。
【００１４】
図１において、極板群１は、旋盤２に対し、旋盤の爪３に支えられたチャック用治具４で固定されている。旋盤２が回転すると固定されている極板群１は、捲回軸芯５を中心に同じ速度で回転する。極板群１の先端には０．５から２ｍｍ程度の芯材突出部６が形成されている。芯材屈曲用治具７を、群外周部から中心部に向けて移動させ、芯材突出部６の端面に押し当てる。この際、押し当たった部分の厚みが、１回の屈曲長さとなる。全屈曲長さを、１回から数回に分けて行う。この芯材屈曲用治具７の送り速度と旋盤１の回転数の間には、平坦部を完全に形成するためには相関があり、芯材屈曲用治具７の送り速度が、１から２ｍｍ／秒の時、その回転数は、２００〜１６００ｒｐｍであるのが、実工程上、平坦部を均質に形成するためには好ましい。また、この芯材屈曲用治具７を使う場合は、若干の集電体の破損と剥れがあるため、集塵を行うのが好ましい。
【００１５】
図２に本実施の形態での芯材屈曲用治具７の斜視図を示す。
【００１６】
図２において、実際の治具はなめらかな曲面で構成されているため、図中に記されている稜線は存在しないが、治具の形態をわかりやすくするために記した仮想の線である。図２に示すように平板状の４個の角の１個が、円弧状の曲率を持った形状（Ｒ形状）になっており、さらに直方体の８個の辺のうちの二つの辺もＲ形状となっており、その交点の頂点８は、それらが複合した曲面となっている。この頂点８を回転する芯材突出部６に押し当てて、中心部に曲げる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１記載の二次電池の製造方法において、前記芯材屈曲用治具は、先端がローラーになっており、前記屈曲させる工程において、ローラーが前記先端部端面に接触することにより、前記極板群と同じか、またはそれ以下の回転速度でローラーが回転する構造であるとしたものである。
【００１８】
図３に本実施形態における集電体の突出部に平坦部を形成する工程の模式図を示す。
【００１９】
図３において、図１と同じ符号のものは、図１と同じ名称および作用効果を有する。図３においても、芯材屈曲用治具７’を、群外周部から中心部に向けて移動させ、芯材突出部６の端面に押し当てる。この芯材屈曲用治具７’の送り速度と旋盤１の回転数の間には、平坦部を完全に形成するためには相関があり、芯材屈曲用治具７’の送り速度が、１から２ｍｍ／秒の時、その回転数は、２００〜１６００ｒｐｍであるのが、実工程上、平坦部を均質に形成するためには好ましい。この芯材屈曲用治具７’は、先端がローラーになっており、屈曲形成時にローラーが極板群１に、押し付けられることで、群と同じか、またはそれ以下の速度でローラーが回転する。この芯材屈曲用治具７’を使用することで、芯材突出部６を削ることなく折り曲げることが出来るので、粉塵が発生する可能性が少なく、集塵の必要性も小さくなる。
【００２０】
図４に本実施の形態での芯材屈曲用治具７’の斜視図を示す。
【００２１】
図４においても図２と同様、実際の治具はなめらかな曲面で構成されているため、図中で記されている稜線は存在しないが、治具の形態をわかりやすくするために記した仮想の線である。この治具の先端は、円筒状のローラーとなっており、自由に回転するようになっている。さらに、ローラーの先端のコーナー部９は、Ｒ形状になっており、このコーナー部９を回転する芯材突出部６に押し当てて、中心部に曲げる。
【００２２】
本発明の請求項４に記載の発明は、正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池の製造法において、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成し、前記平坦部に集電板を接合する工程を含み、前記平坦部の形成工程は、前記極板群を、捲回軸芯を中心に回転させ、前記突出部の先端部端面に芯材屈曲用治具を中心部から外周部に押し当てていくことにより、前記先端部端面を外周部に順次屈曲させる工程を少なくとも１回行い、平坦部を形成し、さらに極板群からはみ出た部分を削除する工程からなることを特徴としたものである。
【００２３】
ここで、芯材屈曲用治具は、集電体より硬い必要があり、金属、硬質プラスチックまたは硬質木材などの硬質材が好ましい。また、形状としては、集電体が破損しやすい鋭角の角が無く、また、最初に中心部に押し付ける部分の体積は小さい必要がある。したがって、先端がまるみを帯びた突出部のある治具が好ましい。
【００２４】
この方法においては、極板群自体を回転することにより、突出部の先端が回転している。そして、その端面に芯材屈曲用治具をまず、捲回軸中心のある巻芯部に押し当て、さらに治具を中心部から外周部に押し当てることにより、突出部の先端は、まず中心部が外周部に倒れ、先端の回転につれ、らせん状に外周部まで順次屈曲して行き平坦部を形成する作用を有する。この際、若干の集電体の破損と剥れがあるため、集塵を行うのが好ましい。屈曲部分を大きくすると、抵抗が大きく、集電体の破損や剥れが非常に大きくなるため、少しづつ、数回、繰り返して行うのも好ましい。
【００２５】
この方法により、リチウムイオン二次電池のように薄型の集電体を用い、捲回数が多く、捲回間隔が小さいものでも、簡便かつ安価に屈曲した集電体からなる平坦部の形成を行うことが出来る。
【００２６】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１記載の二次電池の製造方法において、前記芯材屈曲用治具は、丸棒を折り曲げた形状であり、折れ曲がり部を前記先端部端面に押し当てる治具であるとしたものである。
【００２７】
図５に本実施形態における集電体の突出部に平坦部を形成する工程の模式図を示す。
【００２８】
図５において、図１と同じ符号のものは、図１と同じ名称および作用効果を有する。図５において、芯材屈曲用治具７’’を、まず捲回軸中心５のある巻芯部に押し当て、さらに治具を中心部から外周部に移動させ芯材突出部６を順次屈曲させる。この芯材屈曲用治具７’’の送り速度と旋盤１の回転数の間には、平坦部を完全に形成するためには相関があり、芯材屈曲用治具７’’の送り速度が、１から２ｍｍ／秒の時、その回転数は、２００〜１６００ｒｐｍであるのが、実工程上、平坦部を均質に形成するためには好ましい。
【００２９】
図６に本実施の形態での芯材屈曲用治具７’’の斜視図を示す。
【００３０】
図６においても図２と同様、実際の治具はなめらかな曲面で構成されているため、図中で記されている稜線は存在しないが、治具の形態をわかりやすくするために記した仮想の線である。この治具は、丸棒を折れ曲がり部１０で直角からやや鋭角に折り曲げた形状をしており、この折れ曲がり部１０を回転する芯材突出部６に押し当てて、中心部に曲げる。
【００３１】
【実施例】
次に、実施例を用いて本発明の具体例について説明する。
【００３２】
＜実施例１＞
以下、本実施例の二次電池の製造方法により製造したリチウムイオン二次電池について、図７を参照して説明する。
【００３３】
図７において、１１は正極板、１２は負極板で、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータ１３を介して互いに対向された状態で渦巻き状に捲回されて極板群２０が構成され、この極板群２０が電解液とともに電池容器１４内に収納配置されている。電池容器１４は負極端子となる円筒容器状の電池缶１５と正極端子となる電池蓋１６にて構成され、電池缶１５の上端開口部内周と電池蓋１６の外周との間に介装された絶縁パッキン１７にて相互に絶縁されるとともに電池容器１４が密閉されている。なお、極板群２０と電池缶１５の内周との間にもセパレータ１３は介装されている。
【００３４】
正極板１１は、正極集電体１１ｂの両面に正極材料１１ａを塗工して構成されるとともに、その正極集電体１１ｂの一側部（図示例では上側部）が正極材料１１ａの塗工部より突出されている。また、負極板１２は、負極集電体１２ｂの両面に負極材料１２ａを塗工して構成されるとともに、その負極集電体１２ｂの他側部（図示例では下側部）が負極材料１２ａの塗工部より突出されている。セパレータ１３は正極板１１及び負極板１２の塗工部の両側縁よりも外側に突出されている。
【００３５】
そして、正極集電体１１ｂのセパレータ１３より突出した部分を図１で説明した方法により正極集電体１１ｂの突出部を塑性変形させて正極平坦部２１が形成され、この平坦部２１に正極集電板１８が接合されている。同様に、負極集電体１２ｂのセパレータ１３より突出した部分を図１で説明した方法により負極集電体１２ｂの突出部を塑性変形させて負極平坦部２２が形成され、この平坦部２２に負極集電板１９が接合されている。これら正極集電板１８及び負極集電板１９はそれぞれ電池蓋１６と電池缶１５に接続されている。１８ａ、１９ａは、正極集電板１８及び負極集電板１９を電池蓋１６の内面及び電池缶１５の内底面に接合するためその外周から延出された接続片である。
【００３６】
次に、製造方法を具体的に示す。正極板１１は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ：ＭｎＯ2）と炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造した正極活物質のＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極材料１１ａとした。
【００３７】
なお、正極材料１１ａをペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはＮメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み２０μｍのアルミ箔から成る正極集電体１１ｂの両面に一側縁部に幅６．５ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は２８０μｍで、正極板１１の厚さを３００μｍとした。その後、正極板１１の厚みが２００μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は３．０ｇ／ｃｍ3であった。
【００３８】
負極板１２は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極材料１２ａとした。なお、負極材料１２ａをペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体１２ｂの両面に一側縁部に幅４ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板１２の厚みが１７０μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は１．４ｇ／ｃｍ3であった。
【００３９】
電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度に溶解したものを用いた。
【００４０】
このリチウムイオン二次電池の製造に当たっては、上記のようにして作製した正極板１１と負極板１２をセパレータ１３を介して対向させかつそれらの集電体１１ｂ、１２ｂの突出部を両端に突出させた状態で渦巻き状に捲回して極板群２０を形成した。突出部の長さは２ｍｍとした。
【００４１】
この極板群２０を、図１で説明した方法で、図２に示した芯材屈曲用治具７を用いて平坦部２１および２２を作成した。この時の治具のサイズは、短辺３０ｍｍ、長辺１２０ｍｍ、厚み３ｍｍで、頂点８の曲率（Ｒ）は１．５であった。芯材屈曲用治具７の送り速度は１．５ｍｍ／秒で旋盤１の回転数は８００ｒｐｍで行った。
【００４２】
次いで、平坦部２１、２２を形成した極板群２０を成形治具１３から取り出し、集電板１８、１９を平坦部２１、２２に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、集電板１８、１９の表面の周方向複数箇所を中心部から外周縁まで放射状にレーザビームを照射することによって集電板１８、１９と平坦部２１、２２をレーザ溶接する。その後、この集電板１８、１９を接合した極板群２０を電池缶１５内に電解液とともに収容して真空含浸させ、電池蓋１６で密閉するとともに、集電板１８、１９と電池蓋１６と電池缶１５をそれぞれレーザ溶接等にて接続する。
【００４３】
以上のような構成の電池を１００個作成した。
【００４４】
＜実施例２＞
実施例１の電池に対し、平坦部２１および２２の作成方法のみ変えたリチウムイオン二次電池を１００個作成した。
【００４５】
平坦部２１および２２の作成方法は、極板群２０を、図３で説明した方法で、図４に示した芯材屈曲用治具７’を用いて行った。この時の治具のサイズは、直径５０ｍｍ、幅１５ｍｍのローラーで、コーナー部９のＲは５であった。芯材屈曲用治具７’の送り速度は１．５ｍｍ／秒で旋盤１の回転数は８００ｒｐｍで行った。
【００４６】
＜実施例３＞
実施例１および２の電池に対し、平坦部２１および２２の作成方法のみ変えたリチウムイオン二次電池を１００個作成した。
【００４７】
平坦部２１および２２の作成方法は、極板群２０を、図３で説明した方法で、図４に示した芯材屈曲用治具７’’を用いて行った。この時の治具のサイズは、直径５ｍｍの丸棒で、折れ曲がり部１０の角度は約９０度であった。芯材屈曲用治具７’’の送り速度は１．５ｍｍ／秒で旋盤１の回転数は８００ｒｐｍで行った。その後、極板群２０の外にはみ出た部分を削除した。
【００４８】
＜比較例＞
実施例１の電池に対し、平坦部２１および２２の作成方法のみを、特開２０００−２９４２２号公報に記載されている従来の製造方法に準拠した方法に変えたリチウムイオン二次電池を１００個作成した。
【００４９】
平坦部２１および２２の作成方法は、この極板群２０を、円筒容器状の成形治具内に挿入配置し、成形治具の一端開口から押圧具にて押圧するという方法で行った。集電体１１ｂ、１２ｂの突出部が径方向外側には屈折せず、全体が略均等に逐次径方向内側に向けて折り曲げるように塑性変形されることになり、多少の皺を生じさせながらも全体として平坦部２１、２２が形成された。
【００５０】
（電池の評価）
作成した実施例１から３および比較例の電池、計４００個について、電池内で短絡が発生しているかどうかで良否判定を行った。
【００５１】
その結果、実施例１の電池では１％の不良があり、実施例２では０％、実施例３では１％の不良があり、比較例の電池では５％もの不良率であった。この理由は、比較例の電池では、平坦部２１、２２を形成する際に、集電体１１ｂ、１２ｂの一部が不規則に座屈しており、集電板１８、１９を溶接する際に、セパレータ１３を突き破ったり、溶接のレーザ光がセパレータ１３を含む極板群２０内に到達したためと考えられる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の二次電池によれば、以上の説明から明らかなように、集電体の不規則な座屈がなく、平坦部を綺麗に形成できるので安定な溶接が可能になる。これにより安定した導電接続を簡便且つ安価に行う製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における平坦部形成工程の模式図
【図２】本発明の一実施形態における芯材屈曲用治具の斜視図
【図３】本発明の別の実施形態における平坦部形成工程の模式図
【図４】本発明の別の実施形態における芯材屈曲用治具の斜視図
【図５】本発明の第３の実施形態における平坦部形成工程の模式図
【図６】本発明の第３の実施形態における芯材屈曲用治具の斜視図
【図７】本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図
【符号の説明】
１ 極板群
２ 旋盤
３ 爪
４ チャック用治具
５ 捲回軸芯
６ 芯材突出部
７，７’，７’’ 芯材屈曲用治具
８ 頂点
９ コーナー部
１０ 折れ曲がり部
１１ 正極板
１１ａ 正極材料
１１ｂ 正極集電体
１２ 負極板
１２ａ 負極材料
１２ｂ 負極集電体
１３ セパレータ
１４ 電池容器
１５ 電池缶
１６ 電池蓋
１７ 絶縁パッキン
１８ 正極集電板
１８ａ 正極接続片
１９ 負極集電板
１９ａ 負極接続片
２０ 極板群
２１ 正極平坦部
２２ 負極平坦部
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池の製造方法に関し、特に極板の集電体を突出させ、その突出部に集電板を接合する二次電池の集電構造の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池の中で電動工具用などの高出力を必要とするものは、従来から集電構造が工夫されていた。その中でも、一般的なものは、タブレス構造と呼ばれるもので、正極板と負極板を互いに上下方向にずらしてセパレータを介して渦巻き状に捲回して極板群とした後、この渦巻き状極板群の正極板端縁の集電体突出部に平板状正極集電板を溶接し、負極板端縁の集電体突出部に平板状負極集電板を溶接して電極体とする。この電極体を金属製外装缶に挿入し、負極集電板を外装缶の底部にスポット溶接し、正極集電板を、正極タブにより、正極端子を兼ねた封口板に溶接した構造である。この構造にすることにより、使用時の正極板における電流分布および負極における電流分布が均一になり、高率放電特性が向上する。
【０００３】
これらタブレス構造の中でも、特開２０００−３２３１１７号公報に記載されているように、正極あるいは負極集電板を金属製外装缶と接触しない程度の大きさにしても、あるいは集電板を用いなくても極板群すべての部位の極板から集電できるようにするため、集電体突出部を内周部から外周部にむけて、順次、直角に折り曲げて平坦部を作り、そこに集電板を溶接する構造が提案されている。また、特開２０００−２９４２２２号公報に記載されているように、集電効率を高め、充放電時の温度上昇を小さくするために、集電体突出部を押圧して、突出部先端自身により平坦部を形成し、この平坦部に集電板を溶接する構造が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年のさらなる高出力化のため電極板自体が薄く長尺化し、集電体自体も薄くなり、捲回数も多くなり捲回間隔も小さくなってきた。この場合、例えば内周部から外周部にむけて、順次、直角に折り曲げて平坦部を作る方法は、間隔が短いことや、折り曲げる回数が多くなるため、実用上困難である。また、集電体突出部を押圧して、突出部先端自身により平坦部を形成する方法は、集電体が薄くなるため、不規則に座屈し、セパレータを突き破り短絡しやすくなる。
【０００５】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、安定した導電接続を簡便かつ安価に行う二次電池の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の二次電池の製造方法は、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成する際、極板群を捲回軸芯を中心に回転させ、先端部端面に芯材屈曲用治具を押し当てていくことにより、前記先端部端面を軸の中心または外周部に順次屈曲させ、平坦部を形成することを特徴とするものである。
【０００７】
この方法により、例えばリチウムイオン二次電池のように薄型の集電体を用い、捲回数が多く、捲回間隔が小さいものでも簡便かつ安価に電池の製造を行うことが出来る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池の製造法において、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成し、前記平坦部に集電板を接合する工程を含み、前記平坦部の形成工程は、前記極板群を、捲回軸芯を中心に回転させ、前記突出部の先端部端面に芯材屈曲用治具を外周部から中心部に押し当てていくことにより、前記先端部端面を軸の中心に順次屈曲させる工程を少なくとも１回行い、平坦部を形成する工程であることを特徴としたものである。
【０００９】
ここで、芯材屈曲用治具は集電体より硬い必要があり、金属、硬質プラスチックまたは硬質木材などの硬質材が好ましい。また、形状としては集電体が破損しやすい鋭角の角が無ければよい。たとえば平板状、円柱状または多角形状など様々な形状が適用できる。
【００１０】
この方法においては、極板群自体を回転することにより、突出部の先端が回転している。そして、その端面に芯材屈曲用治具を外周部から中心部に押し当てることにより突出部の先端は、まず外周部が中心部に倒れ、先端の回転につれ、らせん状に中心部まで順次屈曲して行き平坦部を形成する作用を有する。この際、若干の集電体の破損と剥れがあるため、集塵を行うのが好ましい。屈曲部分を大きくすると、抵抗が大きく、集電体の破損や剥れが非常に大きくなるため、少しづつ、数回、繰り返して行うのも好ましい。
【００１１】
この方法により、リチウムイオン二次電池のように薄型の集電体を用い、捲回数が多く、捲回間隔が小さいものでも、簡便かつ安価に屈曲した集電体からなる平坦部の形成を行うことが出来る。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の二次電池の製造方法において、前記芯材屈曲用治具は、先端がまるみを帯びた平板治具であるとしたものである。
【００１３】
図１に本実施形態における集電体の突出部に平坦部を形成する工程の模式図を示す。
【００１４】
図１において、極板群１は、旋盤２に対し、旋盤の爪３に支えられたチャック用治具４で固定されている。旋盤２が回転すると固定されている極板群１は、捲回軸芯５を中心に同じ速度で回転する。極板群１の先端には０．５から２ｍｍ程度の芯材突出部６が形成されている。芯材屈曲用治具７を、群外周部から中心部に向けて移動させ、芯材突出部６の端面に押し当てる。この際、押し当たった部分の厚みが、１回の屈曲長さとなる。全屈曲長さを、１回から数回に分けて行う。この芯材屈曲用治具７の送り速度と旋盤１の回転数の間には、平坦部を完全に形成するためには相関があり、芯材屈曲用治具７の送り速度が、１から２ｍｍ／秒の時、その回転数は、２００〜１６００ｒｐｍであるのが、実工程上、平坦部を均質に形成するためには好ましい。また、この芯材屈曲用治具７を使う場合は、若干の集電体の破損と剥れがあるため、集塵を行うのが好ましい。
【００１５】
図２に本実施の形態での芯材屈曲用治具７の斜視図を示す。
【００１６】
図２において、実際の治具はなめらかな曲面で構成されているため、図中に記されている稜線は存在しないが、治具の形態をわかりやすくするために記した仮想の線である。図２に示すように平板状の４個の角の１個が、円弧状の曲率を持った形状（Ｒ形状）になっており、さらに直方体の８個の辺のうちの二つの辺もＲ形状となっており、その交点の頂点８は、それらが複合した曲面となっている。この頂点８を回転する芯材突出部６に押し当てて、中心部に曲げる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１記載の二次電池の製造方法において、前記芯材屈曲用治具は、先端がローラーになっており、前記屈曲させる工程において、ローラーが前記先端部端面に接触することにより、前記極板群と同じか、またはそれ以下の回転速度でローラーが回転する構造であるとしたものである。
【００１８】
図３に本実施形態における集電体の突出部に平坦部を形成する工程の模式図を示す。
【００１９】
図３において、図１と同じ符号のものは、図１と同じ名称および作用効果を有する。図３においても、芯材屈曲用治具７’を、群外周部から中心部に向けて移動させ、芯材突出部６の端面に押し当てる。この芯材屈曲用治具７’の送り速度と旋盤１の回転数の間には、平坦部を完全に形成するためには相関があり、芯材屈曲用治具７’の送り速度が、１から２ｍｍ／秒の時、その回転数は、２００〜１６００ｒｐｍであるのが、実工程上、平坦部を均質に形成するためには好ましい。この芯材屈曲用治具７’は、先端がローラーになっており、屈曲形成時にローラーが極板群１に、押し付けられることで、群と同じか、またはそれ以下の速度でローラーが回転する。この芯材屈曲用治具７’を使用することで、芯材突出部６を削ることなく折り曲げることが出来るので、粉塵が発生する可能性が少なく、集塵の必要性も小さくなる。
【００２０】
図４に本実施の形態での芯材屈曲用治具７’の斜視図を示す。
【００２１】
図４においても図２と同様、実際の治具はなめらかな曲面で構成されているため、図中で記されている稜線は存在しないが、治具の形態をわかりやすくするために記した仮想の線である。この治具の先端は、円筒状のローラーとなっており、自由に回転するようになっている。さらに、ローラーの先端のコーナー部９は、Ｒ形状になっており、このコーナー部９を回転する芯材突出部６に押し当てて、中心部に曲げる。
【００２２】
本発明の請求項４に記載の発明は、正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池の製造法において、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成し、前記平坦部に集電板を接合する工程を含み、前記平坦部の形成工程は、前記極板群を、捲回軸芯を中心に回転させ、前記突出部の先端部端面に芯材屈曲用治具を中心部から外周部に押し当てていくことにより、前記先端部端面を外周部に順次屈曲させる工程を少なくとも１回行い、平坦部を形成し、さらに極板群からはみ出た部分を削除する工程からなることを特徴としたものである。
【００２３】
ここで、芯材屈曲用治具は、集電体より硬い必要があり、金属、硬質プラスチックまたは硬質木材などの硬質材が好ましい。また、形状としては、集電体が破損しやすい鋭角の角が無く、また、最初に中心部に押し付ける部分の体積は小さい必要がある。したがって、先端がまるみを帯びた突出部のある治具が好ましい。
【００２４】
この方法においては、極板群自体を回転することにより、突出部の先端が回転している。そして、その端面に芯材屈曲用治具をまず、捲回軸中心のある巻芯部に押し当て、さらに治具を中心部から外周部に押し当てることにより、突出部の先端は、まず中心部が外周部に倒れ、先端の回転につれ、らせん状に外周部まで順次屈曲して行き平坦部を形成する作用を有する。この際、若干の集電体の破損と剥れがあるため、集塵を行うのが好ましい。屈曲部分を大きくすると、抵抗が大きく、集電体の破損や剥れが非常に大きくなるため、少しづつ、数回、繰り返して行うのも好ましい。
【００２５】
この方法により、リチウムイオン二次電池のように薄型の集電体を用い、捲回数が多く、捲回間隔が小さいものでも、簡便かつ安価に屈曲した集電体からなる平坦部の形成を行うことが出来る。
【００２６】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１記載の二次電池の製造方法において、前記芯材屈曲用治具は、丸棒を折り曲げた形状であり、折れ曲がり部を前記先端部端面に押し当てる治具であるとしたものである。
【００２７】
図５に本実施形態における集電体の突出部に平坦部を形成する工程の模式図を示す。
【００２８】
図５において、図１と同じ符号のものは、図１と同じ名称および作用効果を有する。図５において、芯材屈曲用治具７’’を、まず捲回軸中心５のある巻芯部に押し当て、さらに治具を中心部から外周部に移動させ芯材突出部６を順次屈曲させる。この芯材屈曲用治具７’’の送り速度と旋盤１の回転数の間には、平坦部を完全に形成するためには相関があり、芯材屈曲用治具７’’の送り速度が、１から２ｍｍ／秒の時、その回転数は、２００〜１６００ｒｐｍであるのが、実工程上、平坦部を均質に形成するためには好ましい。
【００２９】
図６に本実施の形態での芯材屈曲用治具７’’の斜視図を示す。
【００３０】
図６においても図２と同様、実際の治具はなめらかな曲面で構成されているため、図中で記されている稜線は存在しないが、治具の形態をわかりやすくするために記した仮想の線である。この治具は、丸棒を折れ曲がり部１０で直角からやや鋭角に折り曲げた形状をしており、この折れ曲がり部１０を回転する芯材突出部６に押し当てて、中心部に曲げる。
【００３１】
【実施例】
次に、実施例を用いて本発明の具体例について説明する。
【００３２】
＜実施例１＞
以下、本実施例の二次電池の製造方法により製造したリチウムイオン二次電池について、図７を参照して説明する。
【００３３】
図７において、１１は正極板、１２は負極板で、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータ１３を介して互いに対向された状態で渦巻き状に捲回されて極板群２０が構成され、この極板群２０が電解液とともに電池容器１４内に収納配置されている。電池容器１４は負極端子となる円筒容器状の電池缶１５と正極端子となる電池蓋１６にて構成され、電池缶１５の上端開口部内周と電池蓋１６の外周との間に介装された絶縁パッキン１７にて相互に絶縁されるとともに電池容器１４が密閉されている。なお、極板群２０と電池缶１５の内周との間にもセパレータ１３は介装されている。
【００３４】
正極板１１は、正極集電体１１ｂの両面に正極材料１１ａを塗工して構成されるとともに、その正極集電体１１ｂの一側部（図示例では上側部）が正極材料１１ａの塗工部より突出されている。また、負極板１２は、負極集電体１２ｂの両面に負極材料１２ａを塗工して構成されるとともに、その負極集電体１２ｂの他側部（図示例では下側部）が負極材料１２ａの塗工部より突出されている。セパレータ１３は正極板１１及び負極板１２の塗工部の両側縁よりも外側に突出されている。
【００３５】
そして、正極集電体１１ｂのセパレータ１３より突出した部分を図１で説明した方法により正極集電体１１ｂの突出部を塑性変形させて正極平坦部２１が形成され、この平坦部２１に正極集電板１８が接合されている。同様に、負極集電体１２ｂのセパレータ１３より突出した部分を図１で説明した方法により負極集電体１２ｂの突出部を塑性変形させて負極平坦部２２が形成され、この平坦部２２に負極集電板１９が接合されている。これら正極集電板１８及び負極集電板１９はそれぞれ電池蓋１６と電池缶１５に接続されている。１８ａ、１９ａは、正極集電板１８及び負極集電板１９を電池蓋１６の内面及び電池缶１５の内底面に接合するためその外周から延出された接続片である。
【００３６】
次に、製造方法を具体的に示す。正極板１１は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ：ＭｎＯ2）と炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造した正極活物質のＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極材料１１ａとした。
【００３７】
なお、正極材料１１ａをペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはＮメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み２０μｍのアルミ箔から成る正極集電体１１ｂの両面に一側縁部に幅６．５ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は２８０μｍで、正極板１１の厚さを３００μｍとした。その後、正極板１１の厚みが２００μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は３．０ｇ／ｃｍ3であった。
【００３８】
負極板１２は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極材料１２ａとした。なお、負極材料１２ａをペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体１２ｂの両面に一側縁部に幅４ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板１２の厚みが１７０μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は１．４ｇ／ｃｍ3であった。
【００３９】
電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度に溶解したものを用いた。
【００４０】
このリチウムイオン二次電池の製造に当たっては、上記のようにして作製した正極板１１と負極板１２をセパレータ１３を介して対向させかつそれらの集電体１１ｂ、１２ｂの突出部を両端に突出させた状態で渦巻き状に捲回して極板群２０を形成した。突出部の長さは２ｍｍとした。
【００４１】
この極板群２０を、図１で説明した方法で、図２に示した芯材屈曲用治具７を用いて平坦部２１および２２を作成した。この時の治具のサイズは、短辺３０ｍｍ、長辺１２０ｍｍ、厚み３ｍｍで、頂点８の曲率（Ｒ）は１．５であった。芯材屈曲用治具７の送り速度は１．５ｍｍ／秒で旋盤１の回転数は８００ｒｐｍで行った。
【００４２】
次いで、平坦部２１、２２を形成した極板群２０を成形治具１３から取り出し、集電板１８、１９を平坦部２１、２２に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、集電板１８、１９の表面の周方向複数箇所を中心部から外周縁まで放射状にレーザビームを照射することによって集電板１８、１９と平坦部２１、２２をレーザ溶接する。その後、この集電板１８、１９を接合した極板群２０を電池缶１５内に電解液とともに収容して真空含浸させ、電池蓋１６で密閉するとともに、集電板１８、１９と電池蓋１６と電池缶１５をそれぞれレーザ溶接等にて接続する。
【００４３】
以上のような構成の電池を１００個作成した。
【００４４】
＜実施例２＞
実施例１の電池に対し、平坦部２１および２２の作成方法のみ変えたリチウムイオン二次電池を１００個作成した。
【００４５】
平坦部２１および２２の作成方法は、極板群２０を、図３で説明した方法で、図４に示した芯材屈曲用治具７’を用いて行った。この時の治具のサイズは、直径５０ｍｍ、幅１５ｍｍのローラーで、コーナー部９のＲは５であった。芯材屈曲用治具７’の送り速度は１．５ｍｍ／秒で旋盤１の回転数は８００ｒｐｍで行った。
【００４６】
＜実施例３＞
実施例１および２の電池に対し、平坦部２１および２２の作成方法のみ変えたリチウムイオン二次電池を１００個作成した。
【００４７】
平坦部２１および２２の作成方法は、極板群２０を、図３で説明した方法で、図４に示した芯材屈曲用治具７’’を用いて行った。この時の治具のサイズは、直径５ｍｍの丸棒で、折れ曲がり部１０の角度は約９０度であった。芯材屈曲用治具７’’の送り速度は１．５ｍｍ／秒で旋盤１の回転数は８００ｒｐｍで行った。その後、極板群２０の外にはみ出た部分を削除した。
【００４８】
＜比較例＞
実施例１の電池に対し、平坦部２１および２２の作成方法のみを、特開２０００−２９４２２号公報に記載されている従来の製造方法に準拠した方法に変えたリチウムイオン二次電池を１００個作成した。
【００４９】
平坦部２１および２２の作成方法は、この極板群２０を、円筒容器状の成形治具内に挿入配置し、成形治具の一端開口から押圧具にて押圧するという方法で行った。集電体１１ｂ、１２ｂの突出部が径方向外側には屈折せず、全体が略均等に逐次径方向内側に向けて折り曲げるように塑性変形されることになり、多少の皺を生じさせながらも全体として平坦部２１、２２が形成された。
【００５０】
（電池の評価）
作成した実施例１から３および比較例の電池、計４００個について、電池内で短絡が発生しているかどうかで良否判定を行った。
【００５１】
その結果、実施例１の電池では１％の不良があり、実施例２では０％、実施例３では１％の不良があり、比較例の電池では５％もの不良率であった。この理由は、比較例の電池では、平坦部２１、２２を形成する際に、集電体１１ｂ、１２ｂの一部が不規則に座屈しており、集電板１８、１９を溶接する際に、セパレータ１３を突き破ったり、溶接のレーザ光がセパレータ１３を含む極板群２０内に到達したためと考えられる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の二次電池によれば、以上の説明から明らかなように、集電体の不規則な座屈がなく、平坦部を綺麗に形成できるので安定な溶接が可能になる。これにより安定した導電接続を簡便且つ安価に行う製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における平坦部形成工程の模式図
【図２】本発明の一実施形態における芯材屈曲用治具の斜視図
【図３】本発明の別の実施形態における平坦部形成工程の模式図
【図４】本発明の別の実施形態における芯材屈曲用治具の斜視図
【図５】本発明の第３の実施形態における平坦部形成工程の模式図
【図６】本発明の第３の実施形態における芯材屈曲用治具の斜視図
【図７】本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図
【符号の説明】
１ 極板群
２ 旋盤
３ 爪
４ チャック用治具
５ 捲回軸芯
６ 芯材突出部
７，７’，７’’ 芯材屈曲用治具
８ 頂点
９ コーナー部
１０ 折れ曲がり部
１１ 正極板
１１ａ 正極材料
１１ｂ 正極集電体
１２ 負極板
１２ａ 負極材料
１２ｂ 負極集電体
１３ セパレータ
１４ 電池容器
１５ 電池缶
１６ 電池蓋
１７ 絶縁パッキン
１８ 正極集電板
１８ａ 正極接続片
１９ 負極集電板
１９ａ 負極接続片
２０ 極板群
２１ 正極平坦部
２２ 負極平坦部
Claims (5)
- 正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池の製造法において、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成し、前記平坦部に集電板を接合する工程を含み、前記平坦部の形成工程は、前記極板群を、捲回軸芯を中心に回転させ、前記突出部の先端部端面に芯材屈曲用治具を外周部から中心部に押し当てていくことにより、前記先端部端面を軸の中心に順次屈曲させる工程を少なくとも１回行い、平坦部を形成する工程であることを特徴とする二次電池の製造方法。
- 前記芯材屈曲用治具は、先端がまるみを帯びた平板治具である請求項１記載の二次電池の製造方法。
- 前記芯材屈曲用治具は、先端がローラーになっており、前記屈曲させる工程において、ローラーが前記先端部端面に接触することにより、前記極板群と同じか、またはそれ以下の回転速度でローラーが回転する構造である請求項１記載の二次電池の製造方法。
- 正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池の製造法において、極板群の少なくとも一側部において何れかの極板の集電体を突出させ、その突出部の先端自身によって平坦部を形成し、前記平坦部に集電板を接合する工程を含み、前記平坦部の形成工程は、前記極板群を、捲回軸芯を中心に回転させ、前記突出部の先端部端面に芯材屈曲用治具を中心部から外周部に押し当てていくことにより、前記先端部端面を外周部に順次屈曲させる工程を少なくとも１回行い、平坦部を形成し、さらに極板群からはみ出た部分を削除する工程からなることを特徴とする二次電池の製造方法。
- 前記芯材屈曲用治具は、丸棒を折り曲げた形状であり、折れ曲がり部を前記先端部端面に押し当てる治具である請求項４記載の二次電池の製造方法。
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