JP5470335B2 - 捲回式二次電池 - Google Patents

Description

本発明は捲回式の電池に係り、特に正極と負極とがセパレータを介して捲回された電極群から成る捲回式電池およびその製造方法に関する。

電池容器の形状が規格化された電池あるいは容積が決められた電池において、高容量化や高出力化を図るための一手段としては、電極面積をできるだけ大きくなるように限られた容積内に配置することが有効である。できるだけ大きな電極面積となるように配置するには、フィルム状のセパレータを介し、帯状の正極と負極とを渦巻状に捲回した電極群とするのが一般的である。

この捲回式電極群は、捲回装置に具備された捲回軸の周りに直接セパレータを数周分捲回した後、正極と負極とがセパレータを介して対向するように捲回し、最後にセパレータのみ数周分捲回して終端部を保護テープ等で接着固定し、捲回軸が引き抜かれて作製される。また、専用の軸芯を捲回装置に取り付け、この軸芯にセパレータの先端を熱融着やテープ止めして数回分捲回後、正極と負極を挿入して捲回群を作製する方法や、捲回装置に具備された捲回軸に互いに嵌合した１対の部材で構成された軸芯を取り付け、この軸芯の外周にセパレータを介して正極と負極とを捲回して繁雑な熱圧着やテープ貼り操作を排除して電極群を作製する方法もある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２２６５００号公報

しかしながら、捲回装置の捲回軸に直接巻き付けて作成した電極群では、電池容器内で電極面積を大きくとれるものの捲回軸を抜いた部分が中空となっており、しかもセパレータが数周分捲回された後に電極が捲回された構成のため、充放電サイクル経過時の電極の膨張と収縮により電極群の捲き始め部分で変形することが知られている。この電極の変形を防止するには、電極群の中心に軸芯を設けることで回避することが可能である。しかし、軸芯を設けるには、それぞれの電池に応じた専用の軸芯、軸芯に応じた捲回装置の捲回軸、軸芯と捲回物の固定冶具等が必要となるとともに捲回操作工程が増え、生産効率が低下するという問題があった。

これらの問題を解決するため、特許文献１では、互いに嵌合した１対の部材で軸芯を構成し、その嵌合部分にセパレータを挟み込んで固定し、捲回する方式を提案して生産性の向上を図っている。しかしながら、この方式では、１対の嵌合部材がリング状と半割円筒体が一体化された複雑な形状であること、また捲回操作時には半割れの１対の捲回軸にそれぞれ半割れの軸芯を装荷しなければならないことなどから、さらなる作業性の効率向上が必要であった。

本発明が解決しようとする課題は、専用の軸芯部材を捲回装置に装着しなくとも具備された捲回軸による通常の捲回操作で軸芯機能を発現させることにあり、軸芯機能を備えた捲回式電池の生産性を向上させることにある。

上記課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）電極と、セパレータと、軸芯と、を有する電極群からなる捲回式二次電池において、電極は、電極合剤層および集電体を有し、電極およびセパレータは軸芯の周りに捲回され、集電体は、電極合剤層が塗工されていない電極合剤未塗工部を有し、電極合剤未塗工部は、軸芯への電極の捲き始めに設けられ、軸芯は、電極合剤未塗工部が捲回された構造である捲回式二次電池。
（２）上記において、電極は、正極または負極の少なくともいずれか一方である捲回式二次電池。
（３）上記において、軸芯は、電極合剤未塗工部とセパレータとが一緒に捲回して形成された構造である捲回式二次電池。
（４）上記において、軸芯は、電極合剤未塗工部のみを捲回して形成された構造であり、
軸芯の外表面にセパレータが接合される捲回式二次電池。
（５）上記において、電極合剤未塗工部に補強板が取り付けられている捲回式二次電池。
（６）上記において、補強板が電極の導電リードを兼ねている捲回式二次電池。
（７）上記において、補強板の厚みは集電体の厚みより大きい捲回式二次電池。
（８）上記において、電極合剤未塗工部の捲き始め先端部と補強板の捲き始め先端部の位置がずれている捲回式二次電池。
（９）上記において、正極合剤未塗工部の捲き始め先端部に補強板が設けられ、集電体と補強板とが保護テープで貼り付けされ、保護テープによって集電体と補強板とが絶縁されている捲回式電池。
（１０）上記において、電極合剤層に電極活物質が含まれ、電極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出する捲回式電池。
（１１）電極と、セパレータと、軸芯と、を有する電極群からなる捲回式電池の製造方法であって、電極は、電極合剤層および集電体を有し、電極およびセパレータは軸芯の周りに捲回され、集電体は、電極合剤層が塗工されていない電極合剤未塗工部を有し、軸芯は、電極合剤未塗工部が捲回された構造であり、以下の工程を含む捲回式電池の製造方法。
（Ａ）捲回軸の半割れ部分にセパレータを挟み込み、セパレータを捲回軸の周りに捲回する工程、（Ｂ）（Ａ）の工程後に、電極合剤未塗工部をセパレータと一緒に捲回軸の周りに捲回する工程、（Ｃ）（Ｂ）の工程後に、電極をセパレータと一緒に捲回軸の周りに捲回する工程、（Ｄ）（Ｃ）の工程後に、セパレータの端部を電極群に貼り付ける工程、（Ｅ）（Ｄ）の工程後に、捲回軸を引き抜く工程。

本発明によれば、電極部材の集電体を捲回することによって電極群の捲き始め部分に軸芯機能が発現できるため、専用の軸芯と捲回軸を装荷しなくとも捲回式電池の生産性を大幅に向上できる効果が得られる。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。

円筒型リチウムイオン二次電池の長手方向断面図。 図１のＡ−Ａ水平断面図。 捲回装置で電極群を作製する時の構成材配置を説明する模式図。 捲回軸を中心にセパレータ、正極および負極の捲回状態を説明する正面図。 軸芯を形成するための変形例を示す図。 軸芯を形成するための他の変形例を示す図。 図６で軸芯形成用の補強板が導電リードを兼ねていることを示す図。 軸芯を形成するための他の変形例を示す図。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明の一実施形態は、捲回装置の捲回作業によって電極群の捲き始め部に軸芯機能を発現させることにある。具体的には、正極あるいは負極の少なくともどちらか一方の電極群捲き始め部分において、捲回によって軸芯機能の発現に必要な長さの電極合剤未塗工の集電体を設け、この集電体の部分をセパレータと一緒に捲回することで軸芯機能を発現させた後、電極群を捲回するものである。

捲回操作による軸心機能を発現させるには、正極あるいは負極の捲き始め部に設けた集電体を複数回先巻きすることも可能であり、集電体のみ捲回軸に先巻きして軸芯機能を発現させた後、この軸芯にセパレータを接着あるいは融着させて数回捲回し、さらに電極合剤が塗工された部分を捲回することによって電極群を形成すれば、セパレータの融着または接着工程が増えるものの、集電体のみで形成したより強固な軸芯機能を発現できる。

また、強固な軸芯機能を発現するには前記集電体の厚みを増す手段、集電体に補強板を取り付ける手段、あるいは前記補強板と導電リードを兼ねる手段も適用可能であり、いずれも専用の軸芯と捲回冶具を用いなくとも既存の捲回装置による捲回操作で軸芯機能を有する捲回式電池を効率良く生産することが可能となる。

図１の縦断面図と図２の水平断面図に示すように、本実施形態の円筒型リチウムイオン電池１は、正極と負極とがセパレータを介して対向するように捲回された電極群３と電解液が電池缶４の内部に収納された捲回式の電池である。電極群３の捲き始め部には軸芯２、上端と下端には電気絶縁板５が備えられており、正極の導電リード７は電池蓋６、また負極の導電リード８は電池缶４の底部に接合され、除湿雰囲気あるいは不活性雰囲気に制御されたところで電解液が注入され、電池缶４と電池蓋６の間に電気絶縁とガスシールを兼ねたガスケット９が施されて密閉されている。正極活物質および負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵、放出して膨張・収縮を繰り返すもの以外に、マグネシウムイオンやナトリウムイオンを吸蔵、放出して膨張・収縮を繰り返すものを用いても良い。

軸芯２は、電極群３の捲回時に形成したもので、軸芯２の形成方法を図３および図４により説明する。図３は、正極３３、負極３４およびセパレータ３２の捲回装置への配置例（真上から見たもの）を示したもので、図４は捲回操作を正面から見たように示したものである。

図３の捲回軸３１は長手方向に半割れになっており、矢印の方向にスライドでき開いた状態でセパレータ３２を間に通し、閉じることにより半割れの間に挟み込めるようになっている。同図は捲回軸３１にセパレータ３２を挟み込んだ状態を示している。

一方、図４に示す電極である正極３３はセパレータ３２より上に配置し、負極３４は下に配置されている。正極３３は、正極合剤層１３３および集電体３５で構成される。正極合剤層１３３には正極活物質が含まれている。負極３４は、負極合剤層１３４および集電体３５で構成される。負極合剤層１３４には負極活物質が含まれている。正極３３の集電体３５には、合剤層を形成した正極合剤塗工部１３５および塗工していない正極合剤未塗工部２３５を有する。

捲回軸３１を矢印方向に回転させ、捲回軸３１にセパレータ３２を数回巻いた後、正極３３の捲き始めに設けた正極合剤未塗工部２３５を巻いて軸芯を形成する。軸芯５１を形成するための集電体３５の正極合剤未塗工部２３５と集電体３５の正極合剤塗工部１３５をカプトンテープ等で接続し、電気的に絶縁してもよい。

次に、正極３３が捲き始まる前に負極３４を捲き始め、正極３３と負極３４とがセパレータ３２を介して対向するように捲回する。電極群３は、所定の長さの正極３３と負極３４を捲回後、さらにセパレータ３２を巻いて電極を覆い、セパレータ３２を切断して端部を電極群３に重ね、保護テープで止めて作製される。作製した電極群３は、捲回装置の捲回軸３１を半割れ部分で開くようにスライドして引き抜き、捲回装置から取り出される。軸芯２の内部には、捲回軸３１の形状に応じた中空部分が形成されている。軸芯２の中空部分には捲回軸３１に挟み込んだセパレータ３２が残っている。

本発明の捲回式電池は、電池の充放電によって可逆的にリチウムイオンを吸蔵、放出して膨張・収縮を繰り返す正極および負極の捲回体内側に、正極合剤層１３３あるいは負極合剤層１３４の塗工されていない集電体等の捲回体を設けて軸芯を形成しているため、電極群３の内側の変形を防止できるという作用がある。

軸芯２として負極３４の集電体を用いてもよい。一般的に、正極３３の集電体３５には板厚１５〜２０μｍのＡｌ箔、負極３４の集電体には板厚１０μｍ程度のＣｕ箔が用いられる。正極３３の合剤密度が負極３４の合剤密度より大きく、塗工した正極３３の合剤の重さも負極３４より重くなる。このため、負極３４の集電体の厚みより正極３３の集電体３５の厚みを大きくして、機械的な強度を確保している。従って、Ｃｕ製の負極３４の集電体よりＡｌ製の正極３３の集電体３５で軸芯を形成するほうが機械的な強度を確保できる。また、ＡｌはＣｕに比べコストの面でも有利である。

軸芯２として正極３３の集電体３５および負極３４の集電体を用いる場合は、正極３３および負極３４の電気的な短絡が発生する可能性があるので、正極３３の集電体３５および負極３４の集電体の間にセパレータなどの絶縁材をはさむ必要がある。

本発明による捲回式二次電池の用途は、特に限定されない。例えば、パーソナルコンピュータ、ワープロ、コードレス電話子機、電子ブックプレーヤ、携帯電話、自動車電話、ハンディターミナル、トランシーバ、携帯無線機等の携帯情報通信機器の電源として使用することができる。また、携帯コピー機、電子手帳、電卓、液晶テレビ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ポータブルＣＤプレーヤ、ビデオムービー、電気シェーバー、電子翻訳機、音声入力機器、メモリーカード等の各種携帯機器の電源として使用できる。その他、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、オーブン電子レンジ、食器洗い機、乾燥器、洗濯機、照明器具、玩具等の家庭用電気機器として使用できる。また、家庭用、業務用を問わずに、電動工具や介護用機器（電動式車いす、電動式ベッド、電動式入浴設備など）の用電池としても利用可能である。さらに、産業用途として、医療機器、建設機械、電力貯蔵システム、エレベータ、無人移動車両などの電源として、さらには電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、ゴルフカート、ターレット車などの移動体用電源として、本発明を適用することができる。さらには、太陽電池や燃料電池から発生させた電力を本発明の電池モジュールに充電し、宇宙ステーション、宇宙船、宇宙基地などの地上以外で利用可能な蓄電システムとして用いることも可能である。

上記した図１から図４を用いて本発明の実施例１を以下に説明する。

まず、図３で示した正極３３は、アルミニウム箔製の集電体３５の両面に正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極合剤がほぼ均等に塗工されたものを帯状に切断して用いた。正極３３の長手方向のほぼ半分の位置には電流が流れる正極の導電リード７を設けてある（図では省略）。

一方、負極３４は銅箔製の集電体の両面に負極活物質としてリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出可能な黒鉛等からなる炭素粉末材料を含む負極合剤をほぼ均等に塗工したものを帯状に切断して用いた。負極３４の長手両端には、電流が流れる負極の導電リード８を設けてある（図では省略）。これら帯状電極の幅は、正極３３の幅より負極３４の幅を大きめとし、捲回時に多少巻ずれが生じても対向するようにした。

また、セパレータ３２は、ポリエチレン製の微多孔性で、厚さが１５〜５０μｍ程度の範囲から３０μｍのもの、捲回時に電極がはみ出さないように負極３４の幅よりさらに大きなものを選定した。セパレータとして、ポリエチレン以外にポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリアミド、ポリアミドイミドなどを用いてもよい。

捲回装置の捲回軸３１は直径が約４mmで、半割れ構造のものを用いた。捲回軸３１としてセパレータを仮止めできる機能が備わっていれば良く、切り欠き溝に引っ掛けるタイプや、間に挟んで仮止めする半割れタイプでもよい。

次に、図４を用いて電極群３の作製手順を説明する。捲回軸３１の半割れ部分に２本のセパレータ３２を挟み込み、矢印の方向に数回回転させた後、正極３３の集電体３５を挿入して捲回した。セパレータ３２を挟み込むことにより、捲回操作で軸芯を形成した後のセパレータの貼り付けが不要になる。集電体３５の長さは捲回軸３１の外周をセパレータ３２と一緒に何周させるかで決まるが、今回は１０周程度と定め、肉厚約１mmの軸芯２を形成した。その後、負極３４をセパレータ３２の間に挿入して捲き始め、直後に正極３３がセパレータ３２の間に挿入して所定の長さ分を捲回後、さらにセパレータ３２を複数回巻いて切断し、端部を保護テープで止めて電極群３を作製した。なお、正極３３、負極３４およびセパレータ３２には、捲回軸３１と反対方向に所定の張力が加えられ、捲回中の巻きずれや緩み発生を防止した。

作製した電極群３は、図１に示したように負極３４側を下に、正極３３側を上にして上下に電気絶縁板５を取り付け、表面がニッケルメッキされた電池缶４内に収納し、以下の手順で組立てた。電極群３の中央の中空を利用して溶接棒を挿入し、電池缶４の缶底に負極の導電リード８を溶接した。次に、電池缶４の上部に電池蓋６を取り付けるための溝を付け、その溝の上側にガスケット９を入れた後、正極の導電リード７と電池蓋６を溶接した。組立てたものを真空乾燥器に入れ、６０℃の真空雰囲気で約１６時間保持し、電極群３や電池缶４に付着している水分を除去した。次に、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内に写し、電解液を注入した。電解液には、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の混合溶媒中に六フッ化燐酸リチウムを１mol／Ｌの濃度で溶解したものを用いた。電解液を注入後、電池缶４上部のガスケット９に電池蓋６を軽く入れ、かしめ機に装着して電池缶４をかしめて密封した。

本実施例では、直径１８mmで長さ６５mmのいわゆる円筒１８６５０型リチウムイオン電池を取り上げたが、これに限定されるものでは無く、例えば、多角形状や大型の捲回式リチウム電池にも適用可能である。多角形状の捲回式リチウム電池に適用する場合、円筒型捲回軸に所望の多角形状パーツを取り付け、そのパーツ形状に軸芯２を形成して電極群を作製する。電極群作製後に捲回軸を引き抜き、パーツを電極群から取り外す。これにより、電極群形状に応じた専用の軸芯と、それを取り付けるための捲回装置を改造することなく、軸芯形成用の１個のパーツをそろえるだけで、円筒形状から多角形状の電極群が容易に作製できる。

また、本実施例の電池では、捲回張力と充放電時の電極の膨張・圧縮で発生する面圧に応じて電極群３の捲き始めに設ける集電体長さを適切に選択し、これを通常の捲回操作で捲回することにより電極群３の内側に最適な強度を有する軸芯を発現できるという効果があった。

以下、図５を用いて本発明の第２の実施例を説明する。実施例２では、電極群３の作製を対象に、実施例１と同一部材には同一番号を付して説明する。

捲回装置の捲回軸３１の半割れ部分にセパレータでは無く、正極３３の集電体３５の先端を挟み込み、まず集電体３５のみ捲回して軸芯５１を形成した。正極３３の集電体３５には、肉厚２０μｍのアルミニウム箔を使用し、正極合剤の未塗工長さを約２７０mmとした。この正極３３の集電体３５部を捲回軸３１で巻き、ノギスで厚みを測定したところ約０.５mmで、軸芯５１として良好な圧縮強度が得られた。集電体３５を巻いて軸芯５１を形成したところで、その外表面の２ヶ所にセパレータ５２を接着してさらに捲回し、正極合剤を塗工した正極３３の捲回が始まる前に、負極３４をセパレータ３２とセパレータ３２の間に挿入して捲回した。その後、所定の長さの正極３３と負極３４とをセパレータを介して捲回し、さらにセパレータ３２のみ数回巻いた後に切断し、端部をポリイミド製の保護テープで止めて電極群３を作製した。

実施例２では、捲回操作で軸芯を形成した後、セパレータの貼り付けが伴うもののアルミニウムだけで軸芯が形成できるため、より圧縮強度の高い軸芯が得られるという効果があった。

図６を用いて第３の実施例を示す。実施例３では、電極群３の作製を対象に、実施例１と同一部材には同一番号を付して説明する。

実施例３は、電極の集電体をそのまま利用して捲回操作により軸芯機能を発現させると、集電体長さが長くなることから、短くする手段を開示するものである。捲回操作で形成する軸芯は、集電体３５の長さを長くして捲回数を多くすることにより強度が増す。捲回数を多くすることは、集電体３５の厚みを厚くすることによって達成できる。局所的に厚い集電体を採用することも可能であるが、現実的で無い。

そこで、集電体３５に補強板６１を貼り付けて集電体３５の長さを短くするとともに、図７のように、正極の導電リード７を兼ねた構成とした。補強板６１が、正極の導電リード７ではなく、負極の導電リード８を兼ねた構成としてもよい。図７では、正極の導電リード７を設けた補強板６１を集電体３５の正極合剤未塗工部２３５に接合している。集電体３５の正極合剤未塗工部２３５および補強板６１の表面を電気絶縁性の保護テープ７０で覆っている。円筒捲回型の場合、一般に負極３４を電池缶４と接続し、正極３３を電池蓋６と接続することから、正極の導電リード７は電池缶４から離れた捲き始め部分に設けている。このため、軸芯５１形成のための導電リードを兼ねた補強板６１は、負極３４よりも正極３３側に適用しやすい。

集電体３５の長さを短くするための補強板６１は、必ずしも導電リードを兼ねる必要はない。導電リードの製作方法として、正負極の集電体に合剤の未塗工部を設け導電リード形状に加工する方法と、専用の導電リードを別に製作して電極に接合する方法がある。前者は電極加工用の複雑な裁断機が必要となるが、後者の方法では通常の電池製作機器である溶接機で対応できる。上記のように導電リードを兼ねる方法の場合、従来の製作法を変えずに本発明を適用できる。

補強板６１の捲き始め先端部をテーパ状にすることで、滑らかな曲線を描いて捲回集電体３５を捲回できる。図６のように、集電体３５の正極合剤未塗工部２３５の捲き始め先端部と補強板６１の捲き始め先端部の位置をずらすことで、補強板６１の捲き始め先端部をテーパ状にしなくても、滑らかな曲線を描いて集電体３５を捲回できる。

補強板６１の厚みを正極合剤層１３３の厚みと略同じにすることで、正極合剤塗工部１３５および正極合剤未塗工部２３５で生じる段差の数を抑えることができる。補強板６１の厚みを集電体３５の厚みより大きくすることで、正極合剤未塗工部２３５を短くできる。補強板６１の厚みを集電体３５の厚みより小さくすることで、捲回時の段差が小さくなり電気的な短絡を防止できる。

厚み２０μｍのアルミニウム集電体３５に、厚み１００μｍで長さ約２７mmのアルミニウム製補強板６１を超音波溶接機で接合した。集電体３５への補強板６１の接合面は、捲回内側面とし、肉厚の違いによって生じる段差をできるだけ緩和するようにして電極群３を作製した。

実施例３の補強板６１は、集電体３５と同じアルミニウムや銅の他に、ニッケル、ステンレス鋼などの剛性の強いものでも捲回装置の捲回軸で捲回可能であれば適用可能である。ニッケル、ステンレス鋼は集電体３５に用いられるアルミニウムや銅よりも剛性が強いので、薄い肉厚の軸芯を形成できる。また、導電リードを兼ねない補強板であればポリプロピレン製やポリエチレン製などでも良く、かつ実施例１および実施例２のどちらにも適用可能であり、短い集電体を捲回することにより所望の圧縮強度を有する軸芯を形成することができるという効果がある。

図６の変形例として、図８のように、集電体３５の正極合剤未塗工部２３５の捲き始め先端部に補強板６１を電気絶縁性の保護テープ７０で貼り付けた構造とし、捲回時に補強板６１を先巻きして軸芯を形成し、その後、電極群３を形成してもよい。図８の構造により、軸芯２部分が電気的に絶縁された構成となるため、内部短絡等の発生を緩和できる。

１ 円筒型リチウムイオン電池
２，５１ 軸芯
３ 電極群
４ 電池缶
５ 電気絶縁板
６ 電池蓋
７ 正極の導電リード
８ 負極の導電リード
９ ガスケット
３１ 捲回軸
３２，５２ セパレータ
３３ 正極
３４ 負極
３５ 集電体
６１ 補強板
７０ 保護テープ
１３３ 正極合剤層
１３４ 負極合剤層
１３５ 正極合剤塗工部
２３５ 正極合剤未塗工部

Claims (3)

1. 電極と、セパレータと、軸芯と、を有する電極群からなる捲回式二次電池において、
   前記電極は、電極合剤層および集電体を有し、
   前記電極および前記セパレータは前記軸芯の周りに捲回され、
   前記集電体は、前記電極合剤層が塗工されていない電極合剤未塗工部を有し、
   前記電極合剤未塗工部は、前記軸芯への前記電極の捲き始めに設けられ、
   前記電極合剤未塗工部の捲き始め先端部に補強板が設けられ、
   前記集電体と前記補強板とが保護テープで貼り付けされ、
   前記保護テープによって前記集電体と前記補強板とが絶縁されており、
   前記軸芯は、前記補強板が捲回された構造である捲回式二次電池。
2. 請求項１において、
   前記電極は正極または負極の少なくともいずれか一方である捲回式二次電池。
3. 請求項１乃至２のいずれかにおいて、
   前記電極合剤層に電極活物質が含まれ、
   前記電極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出する捲回式二次電池。