JP4424648B2 - リチウムイオン二次電池の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池の製造方法と製造装置に関わり、さらに詳しくは、帯状の電極を巻き回す方法とそれに用いる装置に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話に代表される携帯用通信機器、ノート型パーソナルコンピュータなどへの小型化、軽量化への要求に対応するために、二次電池についても、急速に小型化が進んでいる。その中でも、リチウムイオン二次電池が、次のような優れた特徴を備えていることから、普及が著しい。
【０００３】
（１）エネルギー密度が、従来のニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較して高いため、重量、体積を半分以下にすることが可能である。（２）ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池の約３倍の高電圧が得られる。（３）充放電を繰り返した際に放電容量が減少する、いわゆるメモリー効果がない。（４）過充電や高熱に対する安全性が高い。（５）カドミウム、鉛、水銀などの環境に対する負荷が高い材料を含まない。
【０００４】
そして、リチウムイオン二次電池の一般的な製造方法は、次のようなものである。まず、正極電極及び負極電極のそれぞれについて、電極活物質、結合材、結合材を溶解する溶媒を、所要の比率で混合、攪拌し、スラリーを調製する。
【０００５】
前記スラリーを、金属箔からなる集電体の片面または両面に塗布し、溶媒を除いて必要な厚さになるように圧縮した後、所用の寸法に裁断し、帯状の正極電極及び負極電極を得る。次に、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層し、ケースの形状に合わせて巻き回し、ジェリーロールと称される巻回素子を得る。
【０００６】
次に、巻回素子をケースに挿入する。多くの場合、ケースは金属製で負極端子として機能するので、巻回素子の正極電極と負極電極にそれぞれ接続されたタブを、ケースの蓋に設けられた正極端子と、負極端子になっているケースに接続する。
【０００７】
次に、ケースと蓋をレーザー溶接で封止し、蓋に設けられた注入口から電解液を注入する。その後、注入口を溶接で塞ぎ密封し、ケース表面を洗浄してロット番号などの必要事項を印刷し、完成品となる。
【０００８】
そして、正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）などを用い、負極活物質としては、グラファイト系粉末や、コークス系粉末などの炭素材料を用いる。また、集電体には、正極側としてアルミニウム箔、負極側として銅箔が多用されていて、セパレータには、リチウムイオンが自由に透過でき、かつ電解液に侵されない材質の、多孔質高分子フィルムが用いられる。
【０００９】
図３は、このようにして得られるリチウムイオン二次電池で、ケースが角型の場合の、一部を破断した斜視図である。図３において、１は正極電極、２は負極電極、３はセパレータ、９は巻回素子、１０はケースで負極端子を兼ねている。また、１１は正極端子である。正極電極１と負極電極２は、図に示されていないタブを介して、正極端子１１とケース１０にそれぞれ接続されている。
【００１０】
また、図４は、巻回素子を形成する状態を模式的に示した図である。図４に示したように、正極電極１と負極電極２は、セパレータ３を介して積層され、積層体５を構成する。積層体は巻芯４ａ、４ｂに端部を挟み込んだ状態で巻き回され、巻回素子を形成する。
【００１１】
電極を形成するには、前記のように、粉末状の活物質、結合材となる高分子材料、溶媒を混合して得られるスラリーを、ドクターブレードなどで、集電体に塗布するという方法が用いられ、集電体とセパレータの厚さは、それぞれ２０〜３０μｍ、電極全体の厚さは、１００μｍ前後となる。従って、積層体５の全体としての厚さは、２００〜３００μｍ程度となる。
【００１２】
この積層体を巻回素子に成形する場合、巻回素子の巻き始めは、非常に小さいな曲率半径で、折り曲げる状態に近くなる。このため、図４の破線で囲んだ箇所では、大きな比率で伸ばされる部分が生じ、電極に亀裂が生じたり、破断が生じたりする結果となる。
【００１３】
このようなリチウムイオン二次電池の例として、特許文献１には、巻回素子を角型のケースに収納した、リチウムイオン電池とその製造方法についての技術が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術的な内容は、外部からの圧力や折り曲げ力が加わった場合の、短絡などの障害を避けるために、巻回素子断面の、長手方向の正極電極と負極電極の間に、絶縁体を介在させるもので、折り曲げ部分の破断などについての対策は、何ら開示されていない。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９４６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、正極電極、負極電極、セパレータからなる積層体を、巻回素子に成形する際の、電極部分の破損を未然に防止し、歩留まりが向上した、リチウムイオン二次電池の製造方法と、それに用いる製造装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決のため、正極電極、負極電極、セパレータからなる積層体に、小さな曲率半径で折り曲げても破損が生じないように、電極に可撓制や大きな伸びを付与することを検討した結果なされたものである。
【００１７】
即ち、本発明は、帯状の正極集電体の少なくとも一方の面にリチウムを含む正極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の正極電極と、帯状の負極集電体の少なくともいずれか一方の面に炭素材料を含む負極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の負極電極とを、セパレータを介して積層した積層体を形成し、該積層体を同一方向に１回以上折り曲げることで巻回素子を形成し、該巻回素子をケースに挿入して、正極端子及び負極端子への、前記正極電極及び前記負極電極の接続と、電解液の注入を行った後、ケースを封口するリチウムイオン二次電池の製造法において、前記高分子材料は共にポリフッ化ビニリデンを用い、前記積層体の折り曲げの少なくとも１回目は、折り曲げる部分にポリフッ化ビニリデンの良溶媒を塗布してから行うことを特徴とする、リチウムイオン二次電池の製造方法である。
【００１８】
また、本発明は、帯状の正極集電体の少なくともいずれか一方の面にリチウムを含む正極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の正極電極と、帯状の負極集電体の少なくともいずれか一方の面に炭素材料を含む負極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の負極電極とを、セパレータを介して積層してなる積層体を、同一方向に折り曲げる巻き回し装置を有するリチウムイオン二次電池の製造装置において、前記高分子材料は共にポリフッ化ビニリデンを用い、該巻き回し装置は前記積層体の折り曲げ部分へのポリフッ化ビニリデンの良溶媒を塗布する溶媒塗布装置を備えることを特徴とする、リチウムイオン二次電池の製造装置である。
【００１９】
前記のように、電極の形成方法は、集電体として用いる金属箔の表面に、電極活物質、結合材、結合材を溶解する溶媒からなるスラリーを塗布するという方法が多用されている。そして、一般的に結合材には高分子材料を用いるが、高分子材料は、良溶媒を塗布すると、膨潤して可塑性を有する状態となり、ある程度伸ばすことが可能となる。
【００２０】
従って、前記のように電極とセパレータの積層体を巻回素子に成形する場合においても、当該部分に予め良溶媒を塗布してから折り曲げることで、電極に結合材として含まれる高分子材料が膨潤して可撓性を発現し、電極の破損を防止することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は、巻回素子の折り曲げに際し、最も曲率半径が小さくなる部分、即ち、１回目の折り曲げ部分に、良溶媒を塗布するものであり、必要により、２回目以降の折り曲げ部分に良溶媒を塗布してもよい。良溶媒の塗布方法は、たとえば、スポンジのような多孔質の部材に良溶媒を含ませておいて、積層体の所要部分に圧接してもよいし、ノズルを用いて良溶媒を積層体の所要部分に吹き付けてもよい。
【００２２】
また、積層体を巻回素子に成形する際に、積層体を適当な長さに切断する必要があるが、切断と良溶媒の塗布は、それぞれ別個の装置で行ってもよいし、別個の装置を連動させる方法や、塗布と切断のユニットを、同一の装置に組み込んでおいて、塗布と切断を同時に行う方法で行ってもよい。
【００２３】
次に、図を参照して、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２４】
（実施例）
図１は、本発明の実施例に係る製造装置を模式的に示した図である。図１において、７は溶媒塗布ユニットで、ここでは、スポンジを用いている。また、６ａ、６ｂは、切断ユニットであり、下側の切断ユニット６ｂはフレーム８に、溶媒塗布ユニットと共に取り付けられ、積層体５への良溶媒の塗布と、積層体５の切断を同時に行うようになっている。
【００２５】
ここでは、正極側の集電体として、直径が2４μｍの銅線を平織にしたメッシュを用いた。正極側の電極活物質としてコバルト酸リチウム粉末、結合材として平均分子量が１１０００のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと記す）を用い、コバルト酸リチウム粉末とＰＶＤＦが重量で、９０／１０となるように秤量して混合し、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンを加えてスラリーを調製した。このスラリーを溶媒除去後の厚さが１００μｍとなるように、スキージを用いて集電体に塗布した。
【００２６】
また、負極側の集電体として、直径が２４μｍのアルミニウム線を平織にしたメッシュを用いた。負極側の電極活物質としてグラファイト粉末、結合材として平均分子量が１１０００のＰＶＤＦを用い、グラファイト粉末とＰＶＤＦが重量で、９０／１０となるように秤量して混合し、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンを加えてスラリーを調製した。このスラリーを溶媒除去後の厚さが１００μｍとなるように、スキージを用いて集電体に塗布した。
【００２７】
次に、セパレータとして、厚さが２０μｍの多孔質のポリプロピレンフィルムを準備し、前記のようにして得られた正極電極及び負極電極の間に挟み、積層体とした。この積層体を、角型ケースに収納可能な形状に巻き回し、巻回素子とした。図２は、この巻回素子の断面の一部を示したものである。
【００２８】
積層体の巻き始めの部分、即ち、図２における破線で囲んだ部分の曲率半径は、折り曲げた外側で、正極側が２２０μｍ、負極側が１００μｍとなる。ここでは、積層体の巻き始めに最初に折り曲げられる部分に、図１に示した装置の溶媒塗布ユニット６を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを塗布してから、折曲加工を施した。
【００２９】
その後、正極電極、負極電極を、それぞれ端子に接続するためのタブを取り付け、ケースに挿入し、タブと端子の接続、電解液の注入、ケースの封口を行い、実施例のリチウムイオン二次電池を得た。なお、電解液には、過塩素酸リチウムのプロピレンカーボネート溶液を用いた。
【００３０】
比較に供するために、積層体の巻き始めに最初に折り曲げられる部分に良溶媒を塗布しなかった他は、前記実施例と同じ条件で、比較例のリチウムイオン二次電池を調製した。実施例と比較例のリチウムイオン二次電池を、それぞれ１０個分解して、積層体の最初の巻き始め部分を顕微鏡にて観察したところ、実施例では、該当部分に亀裂などの損傷がまったく見られなかったが、比較例では、２個について、亀裂が認められた。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、リチウムイオン二次電池における、正極電極、負極電極、セパレータの積層体の巻回素子を、高い歩留まりで得る製造方法並びにそれに用いる製造装置が得られる。これによって、特に薄い角型のリチウムイオン二次電池の、製造歩留まりと信頼性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る製造装置を模式的に示した図。
【図２】巻回素子の断面の一部を示した図。
【図３】リチウムイオン二次電池でケースが角型の場合の一部を破断した斜視図。
【図４】巻回素子を形成する状態を模式的に示した図。
【符号の説明】
１ 正極電極
２ 負極電極
３ セパレータ
４ａ，４ｂ 巻芯
５ 積層体
６ａ，６ｂ 切断ユニット
７ 溶媒塗布ユニット
８ フレーム
９ 巻回素子
１０ ケース
１１ 正極端子

Claims (2)

1. 帯状の正極集電体の少なくとも一方の面にリチウムを含む正極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の正極電極と、帯状の負極集電体の少なくともいずれか一方の面に炭素材料を含む負極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の負極電極とを、セパレータを介して積層した積層体を形成し、該積層体を同一方向に１回以上折り曲げることで巻回素子を形成し、該巻回素子をケースに挿入して、正極端子及び負極端子への、前記正極電極及び前記負極電極の接続と、電解液の注入を行った後、ケースを封口するリチウムイオン二次電池の製造法において、前記高分子材料は共にポリフッ化ビニリデンを用い、前記積層体の折り曲げの少なくとも１回目は、折り曲げる部分にポリフッ化ビニリデンの良溶媒を塗布してから行うことを特徴とする、リチウムイオン二次電池の製造方法。
2. 帯状の正極集電体の少なくともいずれか一方の面にリチウムを含む正極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の正極電極と、帯状の負極集電体の少なくともいずれか一方の面に炭素材料を含む負極活物質及び結合材である高分子材料を含む層を形成した帯状の負極電極とを、セパレータを介して積層してなる積層体を、同一方向に折り曲げる巻き回し装置を有するリチウムイオン二次電池の製造装置において、前記高分子材料は共にポリフッ化ビニリデンを用い、該巻き回し装置は前記積層体の折り曲げ部分へのポリフッ化ビニリデンの良溶媒を塗布する溶媒塗布装置を備えることを特徴とする、リチウムイオン二次電池の製造装置。

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