JP4880224B2 - 二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は密閉型の二次電池の製造方法に関し、特に薄型で角形の密閉型二次電池に好適な二次電池の製造方法に関する。
小型の電子機器の電源として、携帯電話機、デジタルカメラなどでは、小型で大容量の密閉型二次電池が使用されている。従来から、帯状の正極電極および負極電極をセパレータを介して巻回した電極を角形の缶に収容した二次電池は広く用いられている。その一例として図４に内側から外側へ巻く渦巻き状の積層構造の電極を示す。図４（ａ）はその断面図であり、図４（ｂ）はその帯状の積層シートの構造を示す断面図である。図４の電極巻回体は、正極集電体４１ｂの両面に正極活物質４１ａを塗布して作製された帯状の正極電極４１と、その両側に重ねられた２枚のセパレータ４３ａ，４３ｂと、負極集電体４２ｂの両面に負極活物質４２ａを塗布して作製された帯状の負極電極４２を一方のセパレータ４３ｂの側に積層して積層シートを作製し、さらに巻回して巻回体とした電極である。その電極巻回体を缶ケースに収めて図５のような角形かつ薄型の密閉型二次電池が作製される。図５はその模式的な断面図であり、５１は電極巻回体、５２は角形の缶ケース、５３は電解液を示す。このような構造は特許文献１などに示されているとおりである。
従来技術による巻回型の電極を用いた二次電池は体積効率の高い電池として知られている。しかし、一方で、薄型かつ角形の密閉型二次電池を得ようとするとき、充電時の缶ケースの膨れが問題になっている。その様子を図５に基づいて説明する。図５では、缶ケースの幅方向をｘ方向、厚さ方向をｙ方向とする。なお、図５では、複雑化を避けるために、模式的に示したが、実際には２０層程度の巻回体が用いられる。そのとき、例えば、１層あたり、充電時に０．０２ｍｍの膨張があったとしても、両側の全体では、１ｍｍに近い膨張が起こる。その際、缶ケースの構造は薄型化の要請から、ｙ方向の余裕が少なく、ｘ方向では比較的余裕のある寸法となっている。その結果、充電時において、缶ケース５２の中央部を膨らませる力が働き、信頼性の点で好ましくなかった。
この状況において、本発明の課題は充放電による電極物質の膨張収縮に対して、信頼性が高く角形かつ薄型の密閉型二次電池の製造方法を提供することにある。
本発明においては、セパレータを介して積層した帯状の正極電極と負極電極とを、つづら折りにしてケース内に収めることにより、充電時の膨張をほぼ一方向に限定し、その作製に最適な電池用電極の製造方法を提供する。
前記連続くさび形状を加圧転写する工程では、連続くさび形状の面を有する２つの型ブロックの間に前記積層シートを挟んで加圧するとよい。
前記連続くさび形状を加圧転写する工程では、前記積層シートを２つの歯車のかみ合わせ部に通して、前記歯車の加圧力により前記連続くさび形状を形成してもよい。
前記連続くさび形状を加圧転写する工程の後で、前記連続シートの長手方向の長さを圧縮するように加圧して前記くさび形状の先端の角度を小さくする工程を含むとよい。
前記くさび形状の先端の角度を小さくする工程の後で、不活性雰囲気中の熱処理によって、電極内部の歪みを除去するとよい。
本発明によれば、つづら折り形状の電極を作製する工程を提供することができ、その電極を角形かつ薄型のケースに収容したとき、充電時の膨張方向をケースの幅方向にほぼ限定することができ、薄型化された厚さ方向へのケースの膨張を防止することが可能となり、信頼性の高い密閉型二次電池とすることができる。
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るつづら折り電極の作製方法を示し、図１（ａ）は積層シートの一部を示す断面図、図１（ｂ）は加圧転写を行う様子を示す断面図、図１（ｃ）は連続くさび形状を加圧転写されたの積層シートを示す模式図、図１（ｄ）はつづら折り電極を示す模式図である。
まず、積層シート１１の作製方法を説明する。図１（ａ）のように、積層シート１１は正極電極３１の帯状シートにセパレータ３３を介して負極電極３２の帯状シートを積層したものであり、その正極電極３１はアルミニウム箔の正極集電体３１ｂにＬiＭnＯ2を含む正極活物質３１ａの形成用ペーストを塗布して形成され、セパレータ３３は多孔質のポリプロピレンフィルムからなり、負極電極３２は銅箔の負極集電体３２ｂにコークス系の負極活物質３２ａの形成用ペーストを塗布して作製される。
次に、図１（ｂ）のように、連続くさび形状がかみ合うように配置された上型ブロック１２と下型ブロック１３の間に積層シート１１を挟んで上下方向に加圧して、連続くさび形状を積層シート１１に転写して、図１（ｃ）の形状を作製する。次いで、左右方向から２つの平板ブロックで加圧して、図１（ｄ）のような鋭角のくさび形状を得て、全長を圧縮し、つづら折り電極を得る。この工程において、図１（ｃ）の連続くさび形状のくさび角度は、後の平板ブロックによる圧縮行程との関係で、最終的に過剰な歪み残さないように最適値を選択するとよい。
このように作製した、つづら折り電極の一部を模式的な断面図で示すと図３（ａ）のようであり、３１ｂは正極集電体、３１ａは正極活物質、３３はセパレータ、３２ａは負極活物質、３２ｂは負極集電体である。
次に、作製したつづら折り電極に、Ｎ2ガスを用いた不活性雰囲気中で、２００℃、３０分間の熱処理を行い、上下ブロックまたは２つの平板ブロックによる加圧によって電極内部の活物質および集電体の付近に蓄積した過剰な歪みを除去した。このとき、熱処理温度は１６０℃であっても、熱処理時間を長くすれば、歪みとりの効果は確認できるが、工程時間が長くなるので、１６０℃未満は好ましくない。また、２４０℃を超えると、活物質の変性が起き、好ましくない。なお、平板ブロックによる加圧状態において、不活性雰囲気中で昇温して、その後、加圧力を解除して歪みとりの熱処理をしてもよい。
次いで、このつづら折り電極を、プロピレンカーボネートにテトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩を１モル／Ｌの濃度で溶解した電解液と共に缶ケースに収容する。このときの配置状況を、図３（ｂ）に缶ケースの一部を除去した斜視図で示す。なお、缶ケースの蓋部分はレーザ溶接により封止して密閉構造とし、寸法が３４×４０×５ｍｍのリチウムイオン二次電池を作製した。このような配置でつづら折り電極３４を収容することで、充電時の電極の膨張は図３（ｂ）のｘ方向にほぼ限定され、缶ケース３５のｙ方向での電極の膨張は積層シートの単位層分のみであり、無視できるほど小さい。その結果、充電時の電極物質の膨張によって、缶ケース３５の上面または下面の中央部が膨らむことはなくなった。同時に、充放電による電極物質の膨張収縮に伴ない缶ケースから電極に加えられる応力をなくしたことによって、信頼性の向上を図ることができた。
次に本発明の他の実施の形態を説明する。図２は本発明の他の実施の形態での歯車による連続くさび形状の転写の様子を示す模式図である。同図のように、かみ合った上歯車２２と下歯車２３の間に図１（ａ）に示した構造の積層シート１１を通して、連続くさび形状を転写するように積層シートを変形させる。このとき、得られた形状は図１（ｃ）と同様であり、それ以降の工程では上記の実施の形態と同じ工程によって、つづら折り電極を作製した。その電極を用い、薄型で角形の密閉型リチウムイオン二次電池を作製した。その結果、充電時の缶ケースの膨らみを防止できるようになった。
本実施の形態によれば、積層シートの長さに関係なく、連続くさび形状の転写が可能になる。また、連続くさび形状の転写後の歪みを少なくするためには、上歯車２２と下歯車２３の中心軸間距離を調整することと回転トルクの調整をすることによって可能となるが、その後の左右からの平板ブロックによる圧縮行程がより重要であり、歯車による連続くさび形状の転写では、くさび形状の先端部分（折り曲げ部）に過度の歪みを与えないようにすることが肝心である。
以上、本発明の実施の形態では、シート状の電極集電体の一面に電極活物質の形成用ペーストを塗布して作製した正極電極および負極電極を、セパレータを介して重ね合わせた積層シートについて、つづら折り電極の作製方法を説明したが、本発明は、帯状の積層シートの積層構造に関わらず、平坦な積層シートからつづら折り電極を作製するのに適用することができる。
１１ 積層シート
１２ 上型ブロック
１３ 下型ブロック
２２ 上歯車
２３ 下歯車
３１，４１ 正極電極
３１ａ，４１ａ 正極活物質
３１ｂ，４１ｂ 正極集電体
３２，４２ 負極電極
３２ａ，４２ａ 負極活物質
３２ｂ，４２ｂ 負極集電体
３３，４３ａ，４３ｂ セパレータ
３４ つづら折り電極
３５，５２ 缶ケース
５３ 電解液
１２ 上型ブロック
１３ 下型ブロック
２２ 上歯車
２３ 下歯車
３１，４１ 正極電極
３１ａ，４１ａ 正極活物質
３１ｂ，４１ｂ 正極集電体
３２，４２ 負極電極
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３２ｂ，４２ｂ 負極集電体
３３，４３ａ，４３ｂ セパレータ
３４ つづら折り電極
３５，５２ 缶ケース
５３ 電解液
Claims (5)
- シート状の正極集電体に正極活物質層を形成して正極電極を作製する工程と、シート状の負極集電体に負極活物質層を形成して負極電極を作製する工程と、前記正極電極および負極電極の間にシート状のセパレータを配して積層シートを作製する工程と、前記積層シートの両面にくさび形状を１つの単位とする周期構造が繰り返されてなる連続くさび形状を加圧転写する工程と、前記連続くさび形状をなす前記積層シートが有する、前記正極電極、前記セパレータ及び前記負極電極が積層された平面部分を、角形かつ薄型の密閉型二次電池の缶ケースの幅広な面と直交にさせた状態で、前記缶ケース内に前記積層シートを収容する工程と、を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
- 前記連続くさび形状を加圧転写する工程では、連続くさび形状の面を有する２つの型ブロックの間に前記積層シートを挟んで加圧することを特徴とする請求項１記載の二次電池の製造方法。
- 前記連続くさび形状を加圧転写する工程では、前記積層シートを２つの歯車のかみ合わせ部に通して、前記歯車の加圧力により前記連続くさび形状を形成することを特徴とする請求項１記載の二次電池の製造方法。
- 前記連続くさび形状を加圧転写する工程の後で、前記連続シートの長手方向の長さを圧縮するように加圧して前記くさび形状の先端の角度を小さくする工程を含むことを特徴とする請求項２または３記載の二次電池の製造方法。
- 前記くさび形状の先端の角度を小さくする工程の後で、不活性雰囲気中の熱処理によって電極内部の歪みを除去する工程を含むことを特徴とする請求項４記載の二次電池の製造方法。
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