JP6104383B2

JP6104383B2 - 扁平捲回形二次電池

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Publication number: JP6104383B2
Application number: JP2015523768A
Authority: JP
Inventors: 飯塚　佳士; 佳士飯塚; 渡辺　聡; 聡渡辺; 稔之有賀
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: WO2014207883A1; US20160118682A1; CN105340122A; CN105340122B; JPWO2014207883A1

Description

本発明は、例えば車載用途等の高容量の扁平捲回形二次電池に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、正極電極と負極電極をセパレータを介して捲回したエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、性能の向上につれて用途も拡大し、製造工程の簡素化、低コスト化が要求されてきた。このような中で例えば電極を捲回する軸芯に、ステンレス製または合成樹脂製のシームレス円筒を用いて、この筒状の軸芯を捲回後に捲回電極体ごと押しつぶす技術が開示されている(特許文献１)。

特開2002-280055号公報

従来技術では、捲回機で捲回する前に予め筒状の軸芯を捲回機のスピンドルに差し込んで装着する作業を必要とし、自動化による生産性向上の阻害要因となる。また、筒状の軸芯として、合成樹脂のシームレス円筒を作成することはコストを考慮すると量産には適さない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構造で製造工程を簡素化できる扁平捲回形二次電池を提供することである。

上記課題を解決する本発明の扁平捲回形二次電池は、正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して捲回した扁平状の捲回群を有する扁平捲回形二次電池であって、前記捲回群は、前記正極電極と前記負極電極と前記セパレータのいずれよりも曲げ剛性の高いシート部材の捲回方向両側の先端部が互いに接近する方向にそれぞれ折り返されて先端部どうしが離間した位置に配置された構成の軸芯を有することを特徴としている。

本発明によれば、簡易な構造で製造工程を簡素化できる扁平捲回形二次電池を提供することができる。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。

扁平捲回形二次電池の外観斜視図。扁平捲回形二次電池の分解斜視図。捲回群の分解斜視図。捲回機の構成図。実施例１における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図。実施例１におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。実施例１におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。実施例２における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図。実施例２におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。実施例２における捲回群の変形例を示す図。実施例２における捲回群の変形例を示す図。実施例３における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図。実施例３におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。実施例４における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図。実施例４におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。実施例５における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図。実施例５におけるシート部材とセパレータとの溶着方法の一例を示す図。実施例５におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。実施例６における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図。実施例６におけるシート部材とセパレータとの溶着方法の一例を示す図。実施例６におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明は、正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して軸芯の周りに扁平に捲回した捲回群を有する扁平捲回形二次電池であって、軸芯は、正極電極と負極電極とセパレータのいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを一周未満捲回して構成され、２つの屈曲部を有し、且つ、屈曲部の両側に平面部を有し、さらに、樹脂シートの２つの周方向端部は隙間を有して対向する構造である。

図１は、扁平捲回形二次電池の外観斜視図、図２は、角形二次電池の分解斜視図である。

扁平捲回形二次電池１００は、電池缶１および蓋（電池蓋）６を備える。電池缶１は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面１ｂと相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面１ｃとを有する側面と底面１ｄを有し、その上方に開口部１ａを有する。

電池缶１内には、捲回群３が収納され、電池缶１の開口部１ａが電池蓋６によって封止されている。電池蓋６は略矩形平板状であって、電池缶１の上方開口部１aを塞ぐように溶接されて電池缶１が封止されている。

電池蓋６には、正極外部端子１４と、負極外部端子１２が設けられている。正極外部端子１４と負極外部端子１２を介して捲回群３に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋６には、ガス排出弁１０が一体的に設けられている。ガス排出弁１０は、電池容器内の圧力が上昇すると、開弁して内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。したがって、扁平捲回形二次電池１００の安全性が確保される。電池缶１内には、絶縁保護フィルム２を介して捲回群３が収容されている。

捲回群３は、扁平形状に捲回されており、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲面部と、これら一対の湾曲面部の間に連続して形成される平坦面部とを有している。捲回群３は、捲回軸方向が電池缶１の横幅方向に沿うように、一方の湾曲面部側から電池缶１内に挿入されて、他方の湾曲面部側が開口部１ａ側に配置される。

捲回群３の正極電極箔露出部３４ｃは、正極集電板（集電端子）４４を介して電池蓋６に設けられた正極外部端子１４と電気的に接続されている。また、捲回群３の負極電極箔露出部３２ｃは、負極集電板（集電端子）２４を介して電池蓋６に設けられた負極外部端子１２と電気的に接続されている。これにより、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回群３から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回群３へ外部発電電力が供給され充電される。

正極集電板４４と負極集電板２４、及び、正極外部端子１４と負極外部端子１２を、それぞれ電池蓋６から電気的に絶縁するために、ガスケット５および絶縁板７が電池蓋６に設けられている。また、注液口９から電池缶１内に電解液を注入した後、電池蓋６に注液栓１１をレーザ溶接により接合して注液口９を封止し、扁平捲回形二次電池１００を密閉する。

ここで、正極外部端子１４および正極集電板４４の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子１２および負極集電板２４の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板７およびガスケット５の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。

また、電池蓋６には、電池容器内に電解液を注入するための注液口９が穿設されており、この注液口９は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓１１によって封止される。ここで、電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。

正極外部端子１４、負極外部端子１２は、バスバー等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋６から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋６の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋６と平行になる構成を有している。

正極接続部１４a、負極接続部１２aは、正極外部端子１４、負極外部端子１２の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋６の正極側貫通孔４６、負極側貫通孔２６に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部１４a、負極接続部１２aは、電池蓋６を貫通して正極集電板４４、負極集電板２４の正極集電板基部４１、負極集電板基部２１よりも電池缶１の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子１４、負極外部端子１２と、正極集電板４４、負極集電板２４を電池蓋６に一体に固定している。正極外部端子１４、負極外部端子１２と電池蓋６との間には、ガスケット５が介在されており、正極集電板４４、負極集電板２４と電池蓋６との間には、絶縁板７が介在されている。

正極集電板４４、負極集電板２４は、電池蓋６の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部４１、負極集電板基部２１と、正極集電板基部４１、負極集電板基部２１の側端で折曲されて、電池缶１の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群３の正極電極箔露出部３４ｃ、負極電極箔露出部３２ｃに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部４２、負極側接続端部２２を有している。正極集電板基部４１、負極集電板基部２１には、正極接続部１４a、負極接続部１２aが挿通される正極側開口穴４３、負極側開口穴２３がそれぞれ形成されている。

捲回群３の扁平面に沿う方向でかつ捲回群３の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として前記捲回群３の周囲には絶縁保護フィルム２が巻き付けられている。絶縁保護フィルム２は、例えばＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群３の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として１周以上巻き付けることができる長さを有している。

図３は、捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。

捲回群３は、負極電極３２と正極電極３４を間にセパレータ３３、３５を介して捲回することによって構成されている。捲回群３は、最外周の電極が負極電極３２であり、さらにその外側にまでセパレータ３３、３５が捲回される。セパレータ３３、３５は、正極電極３４と負極電極３２との間を絶縁する役割を有している。

負極電極３２の負極合剤層３２ｂが塗布された部分は、正極電極３４の正極合剤層３４ｂが塗布された部分よりも幅方向に大きく構成されており、負極合剤層３２ｂの両端部が正極合剤層３４ｂの両端部よりも幅方向に突出するように重ね合わせることによって、正極合剤層３４ｂは、必ず負極合剤層に挟まれるようになっている。正極電極箔露出部３４ｃ、負極電極箔露出部３２ｃは、平面部分で束ねられて溶接等により接続される。尚、セパレータ３３、３５は幅方向で負極合剤層３２ｂが塗布された部分よりも広いが、正極電極箔露出部３４ｃ、負極電極箔露出部３２ｃで端部の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。

正極電極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電極箔露出部３４ｃが設けられている。

負極電極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有し、負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電極箔露出部３２ｃが設けられている。正極電極箔露出部３４ｃと負極電極箔露出部３２ｃは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。

負極電極３２に関しては、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）の両面に溶接部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極３２を得た。

尚、本実施形態では、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やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ_２等）、またはそれの複合材料でもよく、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。

正極電極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_２Ｏ４）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）の両面に溶接部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極３１を得た。

また、本実施形態では、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-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

また、本実施形態では、正極電極、負極電極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
捲回群３は、その中心に軸芯８０（図５を参照）を有している。

軸芯８０は、正極電極箔３１ａ、負極電極箔３２ａ、セパレータ３３のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂製のシート部材８１を折り曲げることによって構成されている。軸芯８０の詳しい構成については、後述する。

図４は、捲回機の構成例を示す図である。

捲回機２００は、装置中央にスピンドル１０１が回転可能に支持されており、図示していない回転駆動装置によって時計回りに回転駆動されるようになっている。そして、スピンドル１０１の側方には、シート部材８１、負極電極３２、セパレータ３３（第１のセパレータ）、正極電極３４、セパレータ３５（第２のセパレータ）をスピンドル１０１に供給するための供給装置が設けられている。

供給装置は、装置右上から順にシート部材８１、負極電極３２、セパレータ３３、正極電極３４、セパレータ３５をそれぞれロール状に保持しており、外周端部から繰り出してスピンドル１０１に供給するようになっている。また、各々の電極３２、３４、セパレータ３３、３５、シート部材８１を所定位置に供給する送りローラ１６０ａ〜１６０ｅと、所定の長さで切断するカッタ１６１ａ〜１６１ｄを備える。なお、シート部材８１を切断するカッタの図示は省略している。

スピンドル１０１には、扁平な巻き芯１０２が取り付けられており、巻き芯１０２に巻き掛けたシート部材８１を切断する際にほどけないように保持するための仮押さえ機構１７８を備える。

巻き芯１０２の近傍には、巻き芯１０２を回転させて捲回群３を形成した後に、捲回群３がほどけないように粘着テープ１６３を貼り付ける貼付手段１６７を備えている。貼付手段１６７は図中、破線で囲まれた部分であり、送り出し機構１６４、カッタ１６５、貼付機構１６８を有する。粘着テープ１６３は、送り出し機構１６４によって所定長さだけ繰り出され、カッタ１６５で所定長さにカットされて、貼付機構１６８により、捲回群３に貼付される。

また、スピンドル１０１の近傍には、必要に応じてシート部材８１にセパレータ３３、３５を加熱溶着するヒータヘッド１７０と、ヒータヘッド１７０を所定位置まで移動させて加圧するヒータ移動機構１７１を備える。尚、他の実施例として加熱溶着の他に粘着テープによって接合してもよい。よって、その場合には図示はしないがヒータヘッド１０７およびヒータ移動機構１７１の代わりにテープを貼る貼付手段１６７と同様の機構が別途備えられている。

捲回機２００では、巻き芯１０２に、シート部材８１とセパレータ３３、３５の少なくともいずれかが把持される。そして、巻き芯１０２の回転により、シート部材８１とセパレータ３３、３５が捲き付けられる。巻き芯１０２にシート部材８１が直接当接され、そのシート部材８１にセパレータ３３が直接当接される。

捲回機２００による電極群の製造方法の一例について以下に述べる。

まず、巻き芯１０２にシート部材８１とセパレータ３３、３５の少なくともいずれか一方を直接保持させる。そして、巻き芯１０２を回転させてシート部材８１とセパレータ３３、３５を捲き付ける。シート部材８１は、セパレータ３３、３５によって巻き芯１０２のまわりに捲き付けられて、巻き芯１０２の形に沿って扁平状に折り曲げられ、そのまわりにセパレータ３３、３５が捲回される。

そして、シート部材８１のまわりにセパレータ３３、３５を１周以上捲回した捲回体とさらにその外側に捲回されるセパレータ３３との間に負極電極３２を挿入して挟み込み、負極電極３２の挿入よりも遅いタイミングで、そのセパレータ３３とさらに外側のセパレータ３５との間に正極電極３４を挿入して挟み込み、巻き芯１０２を所定回数だけ回転させる。

そして、負極電極３２の捲き終わり端部を正極電極３４の捲き終わり端部よりも１周分以上長くして、最外周の正極電極３４の外側を最外周の負極電極３２で覆う。最外周の負極電極３２の外側は、セパレータ３３、３５に覆われており、セパレータ３３、３５の端部は捲回群３がほどけないように貼付手段１６７により粘着テープ１６３を貼り付けて固定される。その後、捲回群３は、巻き芯１０２から抜き取ることにより取り外され、厚さ方向にプレスされて最終形状とされる（図３を参照）。

巻き芯１０２にシート部材８１とセパレータ３３、３５を捲回する方法としては、例えば、巻き芯１０２にセパレータ３３、３５のみを保持させ、巻き芯１０２とセパレータ３３、３５との間にシート部材８１を挟み込んで捲回する方法や、巻き芯１０２にシート部材８１のみを保持させ、その保持されたシート部材８１にセパレータ３３、３５をヒータヘッド１７０により加熱溶着して捲回する方法、巻き芯１０２でシート部材８１、セパレータ３３、３５の両方を保持して捲回する方法、巻き芯１０２とシート部材８１でセパレータ３３、３５を保持して捲回する方法等がある。

［実施例１］
次に、本実施の形態における実施例１について説明する。

図５は、実施例１における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図、図６と図７は、実施例１における軸芯とセパレータの捲回方法を説明する図である。

捲回群３は、捲回機２００によって扁平状に捲回された後、巻き芯１０２から抜き取られて、扁平厚さ方向にプレスされて最終形状に成形される。捲回群３は、最終形状では、平坦面部の捲回方向両端部分に半円弧状の湾曲面部が形成された、断面が略トラック形状とされる（図３を参照）。

軸芯８０を形成するシート部材８１は、捲回群３の中心部に配置されており、捲回群３がプレスされる前の状態では、シート部材８１の捲回方向両側の端部を互いに接近する方向にそれぞれ折り曲げた状態となっている（図７を参照）。そして、捲回群３がプレスされた最終形状の状態では、図５に示すように、プレスにより厚さ方向に押し潰されて平板形状となる。シート部材８１は、図７に示すように、巻き芯１０２のまわりに捲回した際に、１周未満となる長さを有している。

軸芯８０は、シート部材８１の捲回方向両側の先端部８１ｃ１、８１ｃ２が互いに接近する方向にそれぞれ折り返されて先端部どうしが所定の隙間８０ａを有して離間した位置に配置された構成を有する。

具体的には、図５に示すように、捲回方向に沿って広がる平面状の基板部８１ｂと、基板部８１ｂの捲回方向一方側と他方側で互いに接近する方向に折り返される一対の屈曲部８１ａ１、８１ａ２と、一対の屈曲部８１ａ１、８１ａ２から基板部８１ｂに沿って互いに接近する方向に延出する一対の折り返し片部８１ｄ１、８１ｄ２とを有する。

次に、捲回群を形成する方法について図６及び図７を用いて説明する。

まず、図６に示すように、セパレータ３３、３５の巻き始め端部を巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に保持させる。そして、仮押さえ機構１７８で押さえながら巻き芯１０２を回転させて、巻き芯１０２の捲回方向一方側の端部にセパレータ３３、３５を巻き掛けると共に、巻き芯１０２の他方面１０２ｂとセパレータ３３との間にシート部材８１の巻き始め端部側を挟み込む。

そして、巻き芯１０２を更に回転させて、図７に示すように、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２のまわりに１周以上捲き付ける。これにより、シート部材８１は、巻き芯１０２に沿って折り曲げられて、１周未満捲回され、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に基板部８１ｂが配置され、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側に先端部８１ｃ１、８１ｃ２が配置される。

そして、仮押さえ機構１７８による押さえを解除して巻き芯１０２を回転させ、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側で最初にセパレータ３５とその外側のセパレータ３３との間に負極電極３２の巻き始め端部を挿入し、次いで少し遅れたタイミングでそのセパレータ３３とその外側のセパレータ３５との間に正極電極３４の巻き始め端部を挿入する。そして、巻き芯１０２を所定回数だけ回転させることにより、所定長さの正極電極３４と負極電極３２を有する捲回群３が形成される。

捲回群３は、最外周のセパレータ３５が粘着テープで外周面に固定された後に、巻き芯１０２によるセパレータ３３、３５の保持が解除されて、巻き芯１０２から抜き取られて取り外される。そして、厚さ方向に所定の押圧力でプレスされて最終形状に形成される（図５を参照）。

上記した捲回群３は、樹脂シート８１とセパレータ３３、３５を巻き芯１０２で保持して捲回だけで製造することができるので、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。例えば従来のような予め筒状の軸芯を捲回機２００のスピンドルに差し込む作業を省略でき、自動化による生産性の向上が図れる。また、筒状の軸芯を予め作成しておく必要がなく、その分だけコストを低減でき、量産化に適している。

本実施例においては、捲回機２００の巻き芯１０２でセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａのみを保持し、セパレータ３３、３５と巻き芯１０２との間にシート部材８１を挿入して挟み込み、保持させて巻き芯１０２に捲回させる。したがって、シート部材８１の先端部８１ｃ１を捲回機２００の巻き芯１０２に保持させる工程を省略することができ、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。

捲回群３は、図５に示すように、中心部分に、プレスにより扁平厚さ方向（図５のＺ方向）に押し潰された平板状の軸芯８０を有している。軸芯８０は、捲回方向（図５のＹ方向）に離間して捲回軸方向（図５のＸ軸方向）に延在する一対の屈曲部８１ａ１、８１ａ２を有している。したがって、軸芯８０の捲回方向（Ｙ方向）の長さを常に一定に規定することができ、製品間の誤差をなくすことができる。

また、一対の屈曲部８１ａ１、８１ａ２を設けることによって、セパレータ３３、３５、及び負極電極３２、正極電極３４が角張って折り曲げられるのを防ぎ、これらを断面が半円弧状となるように滑らかに折り曲げることができる。

特に、本実施例では、軸芯８０は、先端部８１ｃ１を有する一方の折り返し片部８１ｄ１と基板部８１ｂとが互いに直接対向しており、先端部８１ｃ２を有する他方の折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとの間には、２枚のセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが折り返されて二つ折りにされた状態で挟み込まれている。

したがって、軸芯８０の屈曲部８１ａ２の外側に巻き掛けられる負極電極３２の湾曲部分の最内周面の半径と、軸芯８０の屈曲部８１ａ１の外側に巻き掛けられる負極電極３２の湾曲部分の最内周面の半径は、いずれもセパレータの４枚分の厚さとシート部材８１の１枚分の厚さを合わせた値となり、互いに等しくなる。したがって、負極電極３２のいずれか一方の湾曲部分の最小半径が極小化するのを防ぎ、湾曲部分の負極合剤に作用する剥離方向の力を低減させることができる。したがって、負極電極３２の負極合剤層３２ｂをプレスする圧力を高くして負極合剤層３２ｂの高密度化を図り、電池の性能を向上させることができる。

本実施例では、軸芯８０と負極電極３２との間にはセパレータ３３、３５が必ず介在されている。したがって、セパレータ３３、３５を介して最内周の負極電極３２にも電解液を十分に供給することができ、電池の反応性を向上させることができる。

上記した軸芯８０の隙間８０ａは、捲回群３の中心部分に捲回軸方向に亘って形成されている。したがって、隙間８０ａに電解液を流通させて、捲回群３の中心部分に供給することができ、捲回群３の全体に亘って均一に電解液を供給することができる。したがって、電池内部の反応性向上により、電池の高性能化を図ることができる。

また、本実施の形態では、軸芯８０にセパレータ３３、３５が１周以上捲回された後に、負極電極３２が捲回されており、軸芯８０の外周全周に亘ってセパレータ３３、３５が直接当接して捲回された構成を有している。したがって、セパレータ３３、３５によって軸芯８０の先端部８１ｃ１、８１ｃ２の間をつないで隙間８０ａを塞ぎ、軸芯８０の表面上の凹凸を埋めることができる。したがって、軸芯８０に負極電極３２及び正極電極３４を捲回した場合に、負極電極３２に隙間８０ａに起因した凹凸が形成されるのを防ぐことができる。

そして、軸芯８０は、正極電極箔３１ａ、負極電極箔３２ａ、セパレータ３３のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂製のシート部材８１を折り曲げて形成されているので、一対の屈曲部８１ａ１、８１ａ２のスプリングバックにより捲回群３の中心位置で基板部８１ｂと折り返し片部８１ｄ１、８１ｄ２との間を拡げる方向に付勢する応力を発生させることができる。したがって、捲回群３の巻き緩みを防ぎ、耐振動性や耐衝撃性を確保できる。

［実施例２］
次に、本実施の形態における実施例２について説明する。

図８は、実施例２における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図、図９は、実施例２におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図である。なお、実施例１と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施例では、セパレータ３３、３５の巻き始め端部が隙間８０ａに配置された構成を有する。軸芯８０は、一方の折り返し片部８１ｄ１と基板部８１ｂとが互いに直接対向しており、また、他方の折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとが互いに直接対向している。そして、隙間８０ａにセパレータ３３、３５の巻き始め端部が配置されて、軸芯８０のまわりにセパレータ３３、３５が捲回されている。

上記した捲回機２００を用いて本実施例における軸芯８０を有する捲回群３を製造する場合、まず、図９に示すように、シート部材８１の巻き始め端部８１ｃ１とセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａとを重ね合わせて、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側からスリットに挿入して巻き芯１０２に保持させる。その際、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを、隙間８０ａに収まる分の長さだけ、シート部材８１の巻き始め端部８１ｃ１よりも長く、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に突出させておく。シート部材８１は、実施例１と同様に、巻き芯１０２のまわりに捲回した際に、１周未満となる長さを有している。

そして、巻き芯１０２を回転させて、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２のまわりに１周以上捲き付ける。これにより、シート部材８１は、巻き芯１０２に沿って折り曲げられて、１周未満捲回され、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に基板部８１ｂが配置され、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側に先端部８１ｃ１、８１ｃ２が配置される。

そして、巻き芯１０２を更に回転させて、実施例１と同様に、シート部材８１のまわりにセパレータ３３、３５を１周以上捲回した捲回体とさらにその外側に捲回されるセパレータ３３との間に負極電極３２を挿入して挟み込み、負極電極３２の挿入よりも遅いタイミングで、そのセパレータ３３とさらに外側のセパレータ３５との間に正極電極３４を挿入して挟み込み、巻き芯１０２を所定回数だけ回転させて捲回群３を形成する。捲回群３は、巻き芯１０２から取り外された後、厚さ方向に所定の押圧力でプレスされて最終形状に形成される。

本実施例によれば、捲回群３は、樹脂シート８１とセパレータ３３、３５を巻き芯１０２で保持して捲回するだけで製造することができるので、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。

そして、捲回群３は、シート部材８１の一方の先端部８１ｃ１よりも、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを突出させた状態で巻き芯１０２に保持されて捲回されている。したがって、外周側に捲回されるセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａは、内周側に捲回されるシート部材８１の先端部８１ｃ１よりも隙間８０ａ側に突出しており、隙間８０ａに収容されている。したがって、隙間８０ａをセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａによって部分的に埋めることができ、隙間８０ａによって形成される段差高さを低くすることができる。したがって、その外側に捲回される負極電極３２及び正極電極３４に、隙間８０ａによる凹凸が形成されるのを防ぐことができ、負極電極３２と正極電極３４を間にセパレータ３３、３５を介して完全に密着させた状態にすることができる。

捲回群３は、シート部材８１で形成された軸芯８０の少なくとも一部の外周にセパレータ３３、３５が当接して捲回されている。したがって、最内周の負極電極３２の内周側にもセパレータ３３、３５が配置されており、そのセパレータ３３、３５によって電解液を保持することができる。したがって、捲回群３の全体に亘って均一に電解液を供給することができ、電池の反応性を向上させることができる。

図１０、図１１は、本実施例における捲回群の変形例を示す図である。

図１０に示す変形例において特徴的なことは、図８に示す構成例よりも、隙間８０ａの位置を、捲回時に上流側（図中、左側）となる位置に偏倚させて配置した点である。捲回群３は、図１０に示す状態で時計回りに回転されて捲回される。捲回時に上流側となる一方の折り返し片部８１ｄ１は、捲回時に下流側となる他方の折り返し片部８１ｄ２よりも長く、先端部８１ｃ２は、他方の屈曲部８１ａ２に接近した位置に配置されている。したがって、セパレータ３３、３５を捲き始める際に、セパレータ３３が折り返し片部８１ｄ１に当接する当接面の面積を広くすることができる。

したがって、セパレータ３３、３５の巻き始めにおいて、軸芯８０の屈曲部８１ａ１に巻き掛ける際に、シート部材８１よりも剛性の低いセパレータ３３、３５が捲回機２００のバックテンションにより、必要以上に引っ張られることを防止できる。尚、隙間８０ａを、捲回時の下流側（図中、右側）に偏倚した位置に配置して、引っ張られるセパレータ３３、３５の長さを短くし、影響を受けるセパレータの長さを小さくすることもできる。そして、本構成例においても、シート部材８１とセパレータ３３、３５を巻き芯１０２で保持して捲回するだけなので、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。

図１１に示す変形例において特徴的なことは、図８に示す構成例と比較して、隙間８０ａの大きさを拡げたことである。本例では樹脂シート１８１の全体長さを短くすることができ、その分の材料費を節約してコスト低減が図れる。尚、前述の隙間８０ａが捲回時の下流側（図中、右側）に偏っている場合と同様に、引っ張られるセパレータ３３、５の長さを短くし、影響を受けるセパレータ３３、３５の長さを小さくすることもできる。

［実施例３］
次に、本実施の形態における実施例３について説明する。

図１２は、実施例３における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図、図１３は、実施例３におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図である。なお、上記の各実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施例における捲回群３は、セパレータ３３、３５の巻き始め端部が軸芯８０の隙間８０ａを通して基板部８１ｂと折り返し片部８１ｄ２との間に挟み込まれている構成を有している。

本実施例における捲回群３を製造する場合には、図１３に示すように、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側からスリットに、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａとシート部材８１の先端部８１ｃ１をそれぞれ挿入して保持させる。その際、セパレータ３３、３５の先端を巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に所定長さだけ突出させておく。そして、巻き芯１０２を回転させて、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２のまわりに１周以上捲き付ける。

これにより、シート部材８１は、巻き芯１０２に沿って折り曲げられて、１周未満捲回され、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に基板部８１ｂが配置され、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側に先端部８１ｃ１、８１ｃ２が配置される。そして、巻き芯１０２を回転させながら負極電極３２と正極電極３４を捲回させて捲回群３を形成し、捲回機２００から取り外して厚さ方向にプレスし、最終形状に成形する。

軸芯８０は、プレスにより厚さ方向に押し潰された平板形状を有しており、一方の折り返し片部８１ｄ１と基板部８１ｂとが対向し、他方の折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとが対向している。セパレータ３３、３５は、シート部材８１の先端部８１ｃ１よりも突出して隙間８０ａを通過し、巻き始め端部３３ａ、３５ａが軸芯８０の他方の折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとの間に挟み込まれている。

本実施例は、上記した実施例１と比較して、折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとの間でセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが二つ折りに折り返されていない点で構成が相違している。セパレータ３３、３５は、隙間８０ａを通過して、一方の折り返し片部８１ｄ１に重ねられている。

本実施例によれば、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが、折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとの間に挟み込まれており、自由端となって動くのを防ぐことができる。本実施例においては、シート部材８１の先端部８１ｃ１とセパレータ３３、３５を一括して捲回機の巻き芯１０２で保持するため、保持の工程が一回で済み、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。

なお、巻き芯１０２に捲き付けられるセパレータ３３、３５と巻き芯１０２との間にシート部材８１を挟み込んで固定して捲回する構成としてもよい。また、本実施例においても前述のように、隙間８０ａの位置や広さは、図１２の例に限定されるものではなく、図１０や図１１に示すように自由に変更することができる。

［実施例４］
次に、本実施の形態における実施例４について説明する。

図１４は、実施例４における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図、図１５は、実施例４におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図である。なお、上記の各実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施例における捲回群３は、セパレータ３３、３５の巻き始め端部が軸芯８０の隙間８０ａを通して基板部８１ｂと一方の折り返し片部８１ｄ１との間に挟み込まれている構成を有している。

本実施例における捲回群３を製造する場合には、図１５に示すように、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを折り返して、間にシート部材８１の先端部８１ｃ１を挟み込んだ状態で、巻き芯１０２のスリットに挿入して保持させる。そして、巻き芯１０２を回転させて、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２のまわりに１周以上捲き付ける。これにより、シート部材８１は、巻き芯１０２に沿って折り曲げられて、１周未満捲回され、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に基板部８１ｂが配置され、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側に先端部８１ｃ１、８１ｃ２が配置される。

そして、巻き芯１０２を回転させながら負極電極３２と正極電極３４を捲回させて捲回群３を形成し、捲回機２００から取り外して厚さ方向にプレスし、最終形状に成形する。

軸芯８０は、プレスにより厚さ方向に押し潰された平板形状を有しており、一方の折り返し片部８１ｄ１と基板部８１ｂとが対向し、他方の折り返し片部８１ｄ２と基板部８１ｂとが対向している。セパレータ３３、３５は、隙間８０ａを通過してシート部材８１の先端部８１ｃ１を挟み込むように折り曲げられており、巻き始め端部３３ａ、３５ａが軸芯８０の一方の折り返し片部８１ｄ１と基板部８１ｂとの間に挟み込まれている。

本実施例によれば、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが、折り返し片部８１ｄ１と基板部８１ｂとの間に挟み込まれており、自由端となって動くのを防ぐことができる。

本実施例においては、シート部材８１の先端部８１ｃ１とセパレータ３３、３５を一括して捲回機の巻き芯１０２で保持するため、保持の工程が一回で済み、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。また、本実施例においても前述のように、隙間８０ａの位置や広さは、図１４の例に限定されるものではなく、図１０や図１１に示すように自由に変更することができる。

［実施例５］
次に、本実施の形態における実施例５について説明する。

図１６は、実施例５における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図、図１７、図１８は、実施例５におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図である。なお、上記の各実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施例における捲回群３は、セパレータ３３、３５の巻き始め端部が軸芯８０に溶着された構成を有している。本実施例における捲回群３を製造する場合には、図１７に示すように、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側からスリットに、シート部材８１の先端部８１ｃ１を挿入して保持させる。

そして、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを、シート部材８１に加熱溶着して固定する。加熱溶着は、シート部材８１の一方の折り返し片部８１ｄ１にセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを重ね合わせて、加熱したヒータヘッド１７０を押し付けることによって行われ、シート部材８１とセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａとの間には、溶着部８３が形成される。

そして、巻き芯１０２を回転させて、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２のまわりに１周以上捲き付ける。これにより、シート部材８１は、巻き芯１０２に沿って折り曲げられて、１周未満捲回され、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に基板部８１ｂが配置され、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側に先端部８１ｃ１、８１ｃ２が配置される。そして、巻き芯１０２を回転させながら負極電極３２と正極電極３４を捲回させて捲回群３を形成し、捲回機２００から取り外して厚さ方向にプレスし、最終形状に成形する。

本実施例によれば、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを捲回機２００の巻き芯１０２で保持する工程が省略でき、簡易な構造で製造工程を簡素化できる。

本実施例によれば、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが、シート部材８１に加熱溶着して固定されているので、セパレータ３３、３５とシート部材８１との密着性を高めて、セパレータ３３、３５が外れるなどの不良を防止する。

密着性を高めてセパレータ３３、３５が外れるなどの不良を防止することができる。また、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが自由端となって動くのを防ぐことができる。

尚、本実施例では、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを巻き芯１０２で保持する必要が無いため、内周側に捲回されるシート部材８１の先端部８１ｃ１よりも隙間８０ａ側に突出する必要はない。また、本実施例においても前述のように、隙間８０ａの位置や広さは、図１６の例に限定されるものではなく、図１０や図１１に示すように自由に変更することができる。

［実施例６］
次に、本実施の形態における実施例６について説明する。

図１９は、実施例６における捲回群の捲回中心部分の構成を説明する図、図２０、図２１は、実施例６におけるシート部材とセパレータの捲回方法を説明する図である。なお、上記の各実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施例における捲回群３は、セパレータ３３、３５が軸芯８０に溶着され、かつ、巻き始め端部３３ａ、３５ａが隙間８０ａに配置された構成を有する。上記した捲回機２００を用いて本実施例における軸芯８０を有する捲回群３を製造する場合、まず、図２０に示すように、シート部材８１の巻き始め端部８１ｃ１とセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａとを重ね合わせて巻き芯１０２に保持させる。その際、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａを、隙間８０ａに収まる分の長さだけ、シート部材８１の巻き始め端部８１ｃ１よりも長く、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に突出させておく。シート部材８１は、実施例１と同様に、巻き芯１０２のまわりに捲回した際に、１周未満となる長さを有している。

そして、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側で互いに重ね合わされているシート部材８１とセパレータ３３、３５を加熱溶着して互いに固定する。加熱溶着は、セパレータ３３、３５の外側から厚さ方向にヒータヘッド１７０を押し付けることによって行われ、シート部材８１とセパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａとの間に溶着部８３が形成される。

そして、巻き芯１０２を回転させて、図２１に示すように、セパレータ３３、３５を巻き芯１０２のまわりに１周以上捲き付ける。これにより、シート部材８１は、巻き芯１０２に沿って折り曲げられて、１周未満捲回され、巻き芯１０２の一方面１０２ａ側に基板部８１ｂが配置され、巻き芯１０２の他方面１０２ｂ側に先端部８１ｃ１、８１ｃ２が配置される。そして、巻き芯１０２を回転させながら負極電極３２と正極電極３４を捲回させて捲回群３を形成し、捲回機２００から取り外して厚さ方向にプレスすることによって、上記した最終形状に成形される。

本実施例によれば、セパレータ３３、３５の巻き始め端部３３ａ、３５ａが、シート部材８１に加熱溶着して固定されているので、セパレータ３３、３５とシート部材８１との密着性を高めてセパレータ３３、３５が外れるなどの不良を防止することができる。また、本実施例においても前述のように、隙間８０ａの位置や広さは、図１９の例に限定されるものではなく、図１０や図１１に示すように自由に変更することができる。

また、溶着部８３の位置も、シート部材８１の先端部８１ｃ１側ではなく、図中、右側の屈曲部８１ａ１近傍に設定してもよい。この場合、前述のように引っ張られるセパレータの長さが短くなり、影響を受けるセパレータの長さを小さくすることもできる。

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電池缶
３捲回群
６電池蓋
３２負極電極
３３、３５セパレータ
３３ａ、３５ａ巻き始め端部
３４正極電極
８０軸芯
８０ａ隙間
８１シート部材
８１ａ１、８１ａ２屈曲部
８１ｂ基板部
８１ｃ１、８１ｃ２先端部
８１ｄ１、８１ｄ２折り返し片部
８３溶着部
１００扁平捲回形二次電池

Claims

正極電極及び負極電極を間にセパレータを介して捲回した扁平状の捲回群を有する扁平捲回形二次電池であって、
前記捲回群は、前記正極電極と前記負極電極と前記セパレータのいずれよりも曲げ剛性の高いシート部材の捲回方向両側の先端部が互いに接近する方向にそれぞれ折り返されて先端部どうしが互いの間に隙間を有して離間した位置に配置された構成の軸芯を有し、前記セパレータの捲き始め端部が前記軸芯の内部、または、前記軸芯の互いに離間する先端部の間の隙間に配置されていることを特徴とする扁平捲回形二次電池。
前記軸芯は、
捲回方向に沿って広がる平面状の基板部と、
該基板部の捲回方向一方側と他方側で互いに接近する方向に折り返される一対の屈曲部と、
該一対の屈曲部から前記基板部に沿って互いに接近する方向に延出して前記先端部をそれぞれ有する一対の折り返し片部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の扁平捲回形二次電池。
前記軸芯と前記負極電極との間に前記セパレータが介在されていることを特徴とする請求項２に記載の扁平捲回形二次電池。
前記セパレータは、前記軸芯の外周全周に亘って当接して捲回されていることを特徴とする請求項３に記載の扁平捲回形二次電池。
前記セパレータの捲き始め端部が前記一対の折り返し片部の一方と前記基板部との間に挟まれていることを特徴とする請求項３または４に記載の扁平捲回形二次電池。
前記セパレータは、該セパレータの巻き始め端部が二つ折りに折り曲げられて前記一対の折り返し片部の一方と前記基板部との間に挟まれており、前記軸芯の互いに対向する先端部の間の隙間を通過して、前記一対の折り返し片部の他方に重ね合わされて捲回されていることを特徴とする請求項３または４に記載の扁平捲回形二次電池。
前記セパレータは、該セパレータの巻き始め端部が前記一対の折り返し片部の一方と前記基板部との間に挟まれており、該一方の折り返し片部が有する前記先端部を間に介在させて折り返されていることを特徴とする請求項３または４に記載の扁平捲回形二次電池。
前記セパレータは、前記軸芯に溶着されていることを特徴とする請求項１に記載の扁平捲回形二次電池。