JP7033461B2 - リチウム電池の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、リチウム電池に関する。

リチウム電池には、有底筒状の正極缶内に、中空円筒状に成形された正極合剤、筒状のセパレータ、および筒状の負極リチウムが順次装填されて中空筒状の電極体が形成されているものが知られている（ボビン型（筒形）リチウム電池）。

例えば、特許文献１には、有底筒状の正極缶内に、中空円筒状に成形された正極合剤、筒状のセパレータ、および負極リードの一端部が接続された筒状の負極リチウムが順次装填され、上記負極リードは、その他端部が封口体を兼ねる負極端子に溶接接続されるとともにその中間部が折り曲げられた状態で正極缶内に収容され、上記正極缶は、非水電解液が注液された状態で、その開口部が上記負極端子とガスケットを用いて封口されたボビン形リチウム電池において、上記負極リチウムを上記非水電解液に対して安定な熱溶融性樹脂で上記セパレータに接着固定したことを特徴とするボビン形リチウム電池が記載されている。

特開２００９－１６２０９号公報

ところで、ボビン形リチウム電池の製造工程において、封口板を外装缶と接合させる際、外装缶中のセパレータに含侵された電解液が漏出し、ガスケットを含む封口体における封止部（封口板と外装缶が溶接される部分）に達している場合がある。すると、封止が十分に行えず工程の歩留まりが下がるという問題があった。

本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、製造工程において歩留まりを高くするリチウム電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、上部開口を有する有底円筒状の正極缶内に、中空円筒状に成形された正極合剤と、上部開口を有し、電解液が注入される円筒袋状のセパレータと、負極リチウムとが収納され、負極端子を兼ねる封口体が前記正極缶の開口に封止されてなるリチウム電池の製造方法であって、前記セパレータは、前記電解液が浸透する、前記封口体に接しない内側の層である第１のセパレータと、前記第１のセパレータより前記電解液が浸透しにくく前記封口体に接する、外側の層である第２のセパレータとからなる２層を含むように構成して前記正極缶内に設け、前記封口体を、レーザー溶接により前記正極缶と封止することを特徴とするリチウム電池の製造方法である。

本発明のように、セパレータが、電解液を浸透させるが封口体に接しない第１のセパレ
ータと、第１のセパレータより電解液が浸透しにくいが封口体に接する第２のセパレータとを含んで構成されていることで、負極で生じた物質がセパレータを超えて正極側に移動し内部短絡等が発生することを防ぐとともに、セパレータに含侵された電解液が封口体の封止部に達することを防ぐことができる。これにより、電池の製造工程（封止工程）における歩留まりを高くすることができる。また、電解液の浸透性を維持しつつ、かつ電解液の封口体への漏出を防ぐことができる。また、レーザー溶接工程における歩留まり率の低下を抑え、高品質なリチウム電池を効率よく製造することができる。

また例えば、本発明の一態様は、前記第１のセパレータを不織布により構成し、前記第２のセパレータを樹脂製のフィルムにより構成することを特徴とする。これにより、電解液の浸透性を維持しつつ、かつ電解液の封口体への漏出を防ぐことができる。

本発明によれば、製造工程において歩留まりを高くするリチウム電池を提供することができる。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態として説明するボビン形リチウム電池の断面図である。 図２は、各評価用サンプルにおける放電時間に対する電池電圧の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態として説明するボビン形リチウム電池の断面図である。同図に示すように、ボビン形リチウム電池１は、上部開口を有する有底円筒状の正極缶１１、中空円筒状に成形された正極合剤２１、有底円筒状をなす袋状のセパレータ５０、金属リチウムからなる負極リチウム２３、及び、負極端子を兼ねる封口体３０を含んで構成されている。

正極缶１１はステンレス等の金属製であって電池ケースと正極集電体を兼ねる。正極缶１１の外底面には凸状の正極端子１２がプレス加工により形成されている。他方、正極缶１１内には、中空円筒状に成形された正極合剤２１、セパレータ５０、及び負極リチウム２３が順次装填される。なお、正極合剤２１における正極活物質は、例えば、フッ化黒鉛、二酸化マンガンである。

封口体３０は、円盤状の封口板３２、負極端子３１、ガスケット３３、及び集電棒３４を含んで構成されている。封口板３２の一方の面には負極端子３１が、封口板３２の他方の面には集電棒３４が設けられ、両者は電気的に接続されている。負極端子３１及び集電棒３４は、樹脂等からなるガスケット３３によってシール（絶縁）されている。なお、集電棒３４は、例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケル等である。

封口体３０は、集電棒３４を正極缶１１内に挿入する方向で正極缶１１と封止されている。具体的には、正極缶１１の開口側の所定部及び封口板３２の正極缶１１側の所定部とを封止部（不図示）として、レーザー溶接により接合されている。

ここで、セパレータ５０は、内側の層をなす第１のセパレータ５１、及び、外側の層をなす第２のセパレータ５２の二重構造となっている。正極缶１１が封口体３０により封止された状態において、第１のセパレータ５１は、封口板３２との間に所定の距離５を設けて封口体３０に接しない状態となっている。他方、第２のセパレータ５２は、第１のセパレータ５１と異なり封口体３０に接した状態となっている。すなわち、第１のセパレータ５１の高さは、正極缶１１による封止がされた状態における、正極缶１１の内部底面から封口板３２の正極缶１１側の面までの高さより低くなるように設計され、第２のセパレータ５２の高さは、正極缶１１による封止がされた状態における、正極缶１１の内部底面から封口板３２の正極缶１１側の面までの高さと略同じになるように設計されている。

第１のセパレータ５１は、電解液（具体的には、例えば、リチウムイオン）が浸透する部材であり、例えば、セルロース、ポリエチレン、又はポリプロピレン等の樹脂製の不織布等（以下、不織布セパレータという）である。第２のセパレータ５２は、第１のセパレータ５１（不織布セパレータ）より電解液が浸透しにくい部材であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂製のフィルム（以下、フィルムセパレータという）である。

このようにセパレータ５０を構成することで、次のような効果が生じる。すなわち、ボビン形リチウム電池１の製造工程のうち封口体３０を正極缶１１と溶接する工程においては、ボビン形リチウム電池１を使用する際に負極リチウム２３から生じる物質（リチウム化合物等）が正極缶１１の正極合剤２１に移動して内部短絡等が発生することを防ぐため、負極リチウム２３と正極合剤２１を隔てるセパレータ５０の開口側の（封口体３０側の）端部を封口体３０と接するようにしておくことが必要である。しかしこの場合、セパレータ５０に含侵しておいた電解液が毛細管現象等により封口体３０に移動して正極缶１１と封口体３０との封止部に達し、この電解液が上記溶接工程における溶接を不良にするおそれがある。そしてこれは、電池の製造工程における歩留まり（レーザー歩留まり）の低下につながる。

そこで、本実施形態のセパレータ５０は、電解液を浸透させるが封口体３０に接しない第１のセパレータ５１（不織布セパレータ）と、第１のセパレータより電解液が浸透しにくいが封口体３０に接する第２のセパレータ５２（フィルムセパレータ）とを備えていることで、負極リチウム２３から生じた物質がセパレータ５０を超えて正極合剤２１側に移動し内部短絡等が発生することを防ぐとともに、セパレータ５０に含侵された電解液が溶接工程において封口体３０の封止部に達することを防ぐことができる。これにより、ボビン形リチウム電池１の製造工程（封止工程）における歩留まりを向上させることができる。

特に、封口体３０はレーザー溶接により正極缶１１と封止されているので、溶接工程における歩留まり率の低下を抑え、高品質なボビン形リチウム電池１を効率よく製造することができる。

また、第１のセパレータ５１は第２のセパレータ５２の内側に配置されているので、電解液の浸透性を維持しつつ、かつ電解液の漏出を防ぐことができる。

なお、第１のセパレータ５１と封口板３２の間の距離５は特に限られるものではないが、例えば、溶接工程において、第１のセパレータ５１に含侵された電解液が封口板３２の面に接することがない程度の距離が保たれていることが必要である。

＜＜評価試験＞＞
以上に説明したボビン形リチウム電池１により、溶接における歩留まりが改善されるか否かを検証するべく、本発明者は以下のような評価試験を行った。まず、評価試験のために作製した電池のサンプルについて説明する。

１．サンプルの作製
評価試験では、以下に説明する８種類のリチウム電池（４種類の評価用サンプル及び４種類の比較用サンプル）を作製した。

（評価用サンプルの作製）
評価用サンプルは、本実施形態のボビン形リチウム電池１に基づくものである。すなわち、評価用サンプルは、ステンレス鋼製で有底円筒状の正極缶１１内に、プレス成形をした中抜き円筒状の正極合剤２１（組成：熱処理済みマンガン90wt%、導電性黒鉛8wt%、PTFE（polytetrafluoroethylene, ポリテトラフルオロエチレン）2wt%）、セパレータ５０（不織布セパレータ及びフィルムセパレータ）、及び筒状の負極リチウム２３を順次収納したボビン形電池である（外径Φは14ｍｍ、高さは25ｍｍ）。

セパレータ５０については、ガスケット３３を含む封口体３０と、セパレータ５０における不織布セパレータの間には0.5mmの距離５を設けた。他方、フィルムセパレータは封口体３０に接触するようにした。封口体３０には、集電棒３４（筒状の負極リチウム２３が挿入される）の上部に負極端子３１が溶接されているものを用いた。

そして、正極缶１１に所定量（次述）の調和電解液を注液し、負極リチウム２３にセパレータ５０を巻き付けた負極ユニットを挿入した後にレーザー溶接により正極缶１１と封口体３０を接合した。

正極缶１１に注液する調和電解液の量は、1.30g、1.35g、1.40g、1.50gとし、それぞれの場合について評価用サンプルを作製した。

（比較用サンプルの作製）
比較用サンプルは、評価用サンプルと異なり、封口体３０と不織布セパレータの間に距離５を設けないようにすることで、不織布セパレータ及びフィルムセパレータが封口体３０に接触するようにした。その他は評価用サンプルと同様である。

２．評価試験
（１）各評価用サンプル及び各比較用サンプルの製造（それぞれ２０品製造）における歩留まりを比較した（試験１）。

（２）各評価用サンプルの放電特性（放電時間に対する電池電圧の変化）を測定した（試験２）。

３．試験結果及び検討
（試験１）
試験１の結果を以下の表に示す。

この表に示すように、評価用サンプルでは、電解液の注液量が１．３０ｇ、１．３５ｇ、１．４０ｇ、１．５０ｇの場合の歩留まりはいずれも１００％（２０品中０品不良）となり、不良品はいずれの場合も発生しなかった。

これに対して、比較用サンプルでは、電解液の注液量が１．３０ｇ、１．３５ｇ、１．４０ｇ、１．５０ｇの場合の歩留まりはそれぞれ、９０％（２０品中２品不良）、８５％（２０品中３品不良）、７０％（２０品中６品不良）、３５％（２０品中１３品不良）となり、必ず不良品が発生し、かつ電解液の注液量が多くなるにしたがって歩留まりが低下した。

このことから、本実施形態に係るボビン形リチウム電池１によれば、製造工程（封止工程）における歩留まりを確実に高くする効果が得られることがわかった。

（試験２）
図２に、試験２の結果を示す。同図は、各評価用サンプルにおける放電時間に対する電池電圧の変化を示しており、横軸は放電時間（時）、縦軸は電池電圧（Ｖ）である。図２に示すように、電解液の量が１．３０ｇ、１．３５ｇ、１．４０ｇ、１．５０ｇと増加するにしたがって、放電時間に対する電池電圧の低下は緩やかとなる傾向が読み取れる。すなわち、電解液の注液量を多くするほど放電特性を向上できることを示している。

このことから、本実施形態に係るボビン形リチウム電池１によれば、電解液の注液量をより多くすることで容易に放電特性を向上させることができることがわかる。これにより、高品質なボビン形リチウム電池１を容易に作製することが可能であるといえる。

以上に説明してきた実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに本発明にはその等価物が含まれる。

なお、本実施形態のボビン形リチウム電池１（特にセパレータ５０の構成）は、円筒形でも角形でもよく、さらには、製造工程においてその構造上、溶接部（封止部）にセパレータ５０からの電解液が漏出する可能性がある他の種類の電池にも適用可能である。

１ ボビン形リチウム電池、５ 距離、１１ 正極缶、１２ 正極端子、２１ 正極合剤、２３ 負極リチウム、３０ 封口体、３１ 負極端子、３２ 封口板、３３ ガスケット、３４ 集電棒、５０ セパレータ、５１ 第１のセパレータ、５２ 第２のセパレータ

Claims (2)

1. 上部開口を有する有底円筒状の正極缶内に、中空円筒状に成形された正極合剤と、上部開口を有し、電解液が注入される円筒袋状のセパレータと、負極リチウムとが収納され、負極端子を兼ねる封口体が前記正極缶の開口に封止されてなるリチウム電池の製造方法であって、
   前記セパレータは、前記電解液が浸透する、前記封口体に接しない内側の層である第１のセパレータと、前記第１のセパレータより前記電解液が浸透しにくく前記封口体に接する、外側の層である第２のセパレータとからなる２層を含むように構成して前記正極缶内に設け、
   前記封口体を、レーザー溶接により前記正極缶と封止する
   ことを特徴とするリチウム電池の製造方法。
2. 前記第１のセパレータを不織布により構成し、前記第２のセパレータを樹脂製のフィルムにより構成することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム電池の製造方法。

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