JPH08339818A - 非円形スパイラル電極体を内蔵する電池の製造方法 - Google Patents
非円形スパイラル電極体を内蔵する電池の製造方法Info
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Abstract
クル特性に優れた電池を製造する。 【構成】 電池の製造方法は、正極板2Aと負極板2B
の間に高分子微多孔膜のセパレータ2Cを介在させて、
真円ないし楕円形に巻いて筒状電極体とし、筒状電極体
を両側からプレスして非円形スパイラル電極体2として
外装缶1に入れて電池とする。筒状電極体をプレスして
非円形スパイラル電極体2とするときに、筒状電極体の
セパレータ2Cの透気度を100%として、プレスされ
た非円形スパイラル電極体2のセパレータ2Cの透気度
を110〜150%の範囲にする。
Description
スパイラル状に巻いている電極群の電池に関する。
体は、非円形のスパイラル状とする必要がある。この電
極体は、正極板と負極板の間にセパレータを挟んで、図
1の断面図に示すように、非円形のスパイラル状に巻い
て製造される。この製造方法は、能率よく非円形スパイ
ラル電極体を製造するのが難しい。とくに、この方法
は、2枚の極板とセパレータ2Cのテンションを一定に
制御して、高速で非円形に巻き取るのが難しい。非円形
の電極体は、極板とセパレータ2Cの巻き取り速度が、
回転角によって大幅に変動するからである。極板とセパ
レータ2Cのテンション変動は、巻き取られる電極体内
の正極板−セパレータ及び負極板−セパレータ間の溶着
具合(以後、「緊迫度」という。)を変動させる。極板
とセパレータ2Cは、強いテンションで引っ張って巻く
と、緊迫度が高くなる。反対に、極板とセパレータ2C
を弱いテンションで巻くと、緊迫度が低くなってしま
う。電池は緊迫度が低いと、内部抵抗が高くなり、ハイ
レート特性等が悪化する。このため、緊迫度を高く巻き
取ることが大切である。非円形スパイラル電極体2を巻
くときに、テンションの平均値を強くすると、極板とセ
パレータ2Cに最大テンションがかかるときに、極板や
セパレータ2Cが損傷する。このため、極板とセパレー
タ2Cの平均的なテンションを強くできない。このこと
は、緊迫度を低くしている。
きの平均的なテンションを強くするため、極板とセパレ
ータとを真円形に巻いて筒状電極体とし、この筒状電極
体を両面からプレスして、非円形スパイラル電極体とす
る方法を開発した。この方法は、極板およびセパレータ
を等速で巻き取して筒状電極体が製造できる。等速で巻
き取られる極板とセパレータは、テンション変動を少な
くできる。このため、テンションの平均値を大きくし
て、極板を密に巻くことができる。さらに、この製造方
法は、筒状電極体を薄く押し潰して非円形に加工するの
で、この工程においても緊迫度を高くできる。さらに、
この方法は、極板とセパレータとを等速で巻くことが可
能であるために、一定のテンションで巻き取り速度を速
くできる。このため、筒状電極体を能率よく多量生産で
きる特長がある。
法は、筒状電極体を強くプレスするほど、電池性能が低
下する。高分子微多孔膜セパレータのイオン透過性が低
下するからである。イオン透過性の低下したセパレータ
は、電池のハイレート放電特性を低下させると共に、サ
イクル寿命を短くする。図2は、電池のセパレータのイ
オン透過性がハイレート放電特性を低下させる状態を示
す。図3は、サイクル寿命を短くする状態を示す。図2
と図3の横軸は、セパレータのイオン透過性を示す透気
度である。図2と図3は、同じ条件で製作された筒状電
極体をプレスする圧力を調整して、セパレータの透気度
を変えたリチウムイオン二次電池の特性を示すグラフで
ある。
の空気が、セパレータを透過するのに要する時間であ
る。透気度の大きいセパレータは空気が通過し難く、イ
オン透過性が低いことを意味する。セパレータの透気度
は、JIS−P8117に基づいて製作された測定器を
使用して測定される。本明細書における透気度は、「株
式会社東洋精機製作所製のガーレ式デンソメータG−B
2C」を使用して測定された数値を意味するものとす
る。
気度が大きくなると、いいかえると、イオンがセパレー
タを透過し難くなると、ハイレート放電特性とサイクル
寿命が低下する。図2は、リチウムイオン二次電池を3
Cで放電させたときに実質的に放電できる容量が減少す
ることを示してる。この図は、1Cで放電させたときに
比較して、3C放電の容量がどの程度低下するかを示し
ている。したがって、1C放電の容量を100%として
いる。この図は、満充電したリチウムイオン二次電池
を、電圧が2.75Vになるまで放電させた容量を示し
てる。この図から明かなように、非円形スパイラル電極
体を内蔵するリチウムイオン二次電池は、セパレータの
透気度が大きくなるにしたがって、ハイレート放電特性
が低下する。
た後の電池の容量を示す。この図は、製造直後の電池容
量を100%として、充放電を繰り返すにしたがって容
量がどのように減少するかを示している。リチウムイオ
ン二次電池の充電は、最初に1Cで定電流充電し、電池
電圧が4.1Vになると、この電圧で定電圧充電する方
法とした。放電するときの電流は1Cとし、電池電圧が
2.75Vで放電を停止した。この図は、セパレータの
透気度が大きくなって、イオンが透過し難くなると、次
第に容量の低下が大きくなることを明示する。
く押し潰すにしたがって、ハイレート放電特性とサイク
ル寿命が低下することを明示する。このため、従来の電
池は、筒状電極体を押し潰すときに、セパレータの透気
度が低下しないように注意して、非円形スパイラル電極
体を製造していた。このため、非円形スパイラル電極体
を必ずしも充分に満足できる特性にできず、さらに電池
性能を改善することが切望されている。とくに、非円形
スパイラル電極体を内蔵するリチウムイオン二次電池
は、電池容量が大きい特長が生かされる電気機器に多用
されるので、電池容量をいかにして大きくできるかが、
極めて大切である。
円形スパイラル電極体を製造する方法について膨大な実
験を繰り返した結果、極めて限られた条件で非円形スパ
イラル電極体を製造することにより、さらに電池性能を
相当に改善することに成功した。したがって、本発明の
重要な目的は、簡単かつ容易に、しかも能率よく多量生
産して、電池性能を改善できる非円形スパイラル電極体
を内蔵する電池の製造方法を提供することにある。
ル電極体を内蔵する電池の製造方法は、前述の目的を達
成するために下記のようにして電池を製造する。本発明
の製造方法は、正極板2Aと負極板2Bの間に高分子微
多孔膜のセパレータ2Cを介在させて真円ないし楕円形
に巻いて筒状電極体とし、この筒状電極体を両側からプ
レスして非円形スパイラル電極体2とし、この非円形ス
パイラル電極体2を外装缶1に入れて電池とする。
をプレスして非円形スパイラル電極体とするときに、筒
状電極体のセパレータ2Cの透気度を100%として、
プレスされた非円形スパイラル電極体2のセパレータ2
Cの透気度を110〜150%の範囲にすることを特徴
とする。
レータ2Cのイオン透過率が低下すると、いいかえる
と、セパレータ2Cの透気度が大きくなると、電池とし
ての性能が悪化する。とくに、ハイレート放電特性は、
セパレータ2Cの透気度が大きくなると急激に悪化して
しまう。これまでに製造されている電池は、ハイレート
放電特性とサイクル寿命を悪化させないように、筒状電
極体を強く押し潰さないようにして、非円形スパイラル
電極体を製造していた。
気度を特定の範囲に制御すると、電池性能が低下するの
ではなくて、反対に著しく改善されたのである。図4と
図5は、本発明の製造方法が、非円形スパイラル電極体
2を内蔵するリチウムイオン二次電池のハイレート放電
特性とサイクル寿命を改善することを明示する。図2と
図3に示すように、筒状電極体を強くプレスしてセパレ
ータ2Cの透気度を大きくすると、電池性能はしだいに
悪化してしまう。ところが、筒状電極体を薄く押し潰し
て、非円形スパイラル電極体を製造する方法は、極板を
薄く押し潰した場合、より長い又は活物質量を多くした
極板を外装缶1に内蔵できる。好都合なことに、筒状電
極体を薄く押し潰して、内蔵する極板を長く又は活物質
量を多くした場合、セパレータ2Cの透気度を特定の範
囲に制御することによって、ハイレート放電特性の低下
よりも、さらに電池性能を改善できる。
放電特性を測定したものである。この図は、筒状電極体
を非円形状に成形して、セパレータ2Cの透気度を大き
くすると、活物質量を多く充填して電池容量を増大でき
ることを示している。このグラフは、セパレータ2Cの
透気度が低下しない100%の電池容量を100%とし
て、増加する割合を示している。この図から、セパレー
タ2Cの透気度を110〜150%に制御することによ
り、ハイレート放電特性を2〜3.5%以上も改善でき
ることがわかる。すなわち、筒状電極体を強く押し潰す
と、急激に低下すると考えられていたハイレート放電特
性が、セパレータ2の透気度を特定の範囲に制御して活
物質量を多く充填することで、著しく改善されたのであ
る。
に、ハイレート放電特性よりもさらに改善されたのであ
る。図5は図3と同じ条件で電池を300回充放電させ
たときの電池容量を示している。この図は、筒状電極体
のセパレータ透気度が特定範囲内になるようにプレス圧
を高くして、活物質量を増加させることが300サイク
ルの充放電後の電池容量を増大できることを示してい
る。このグラフは、セパレータ2Cの透気度が低下しな
い100%の電池容量を100%として、透気度を大き
くして容量を増加できる割合を示している。この図か
ら、セパレータ2Cの透気度を110〜150%に制御
することにより、本発明の電池は、300回充放電した
ときの電池容量を、3〜7%も改善できる。
する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想
を具体化するための電池を例示するものであって、本発
明は電池を下記のものに特定しない。
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、「作用の欄」、および
「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付
記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、
実施例の部材に特定するものでは決してない。
は、非円形スパイラル電極体2を内蔵するリチウムイオ
ン二次電池である。ただし、本発明は電池をリチウムイ
オン二次電池に特定しない。電池は、ニッケル−カドミ
ウム電池やニッケル−水素電池とすることもできる。こ
れ等の図に示す電池は、密閉形の角形電池である。電池
は、アルミニウム、または、アルミニウム合金の外装缶
1に非円形スパイラル電極体2を内蔵している。
m、幅を22mm、厚さを8.1mmとし、アルミニウ
ム製外装缶1の肉厚を0.5mmとした。ただ、本発明
は電池の外装缶の形状、大きさ、材質、肉厚を特定しな
い。外装缶は、鉄あるいは鉄合金製とすることもでき
る。
している。封口板3は、外周を外装缶1の内面にレーザ
ー溶接等の方法で溶着して固定している。封口板3は上
面に突出する負極端子4を有する。負極端子4は絶縁パ
ッキンで絶縁して封口板3に気密状態に固定されてい
る。負極端子4は、封口板3の下面に固定されている集
電端子に接続されている。集電端子と封口板3の間には
絶縁板が挟着され、絶縁板は集電端子を封口板3から絶
縁している。集電端子は非円形スパイラル電極体2の負
極タブ5に接続されている。非円形スパイラル電極体2
の負極板2Bは、負極タブ5と集電端子とを介して負極
端子4に接続される。
板2Aと、負極板2Bとをセパレータ2Cを介して積層
して、図1の断面図で示すように、非真円形の渦巻状に
巻回したものである。非円形スパイラル電極体2は、外
装缶1に収納される。なお、最外周は極板芯体の露出部
としており外装缶1に電気的に接触させている。非円形
スパイラル電極体2は、最外周の露出部を正極板2Aと
している。したがって、外装缶1は正極となる。非円形
スパイラル電極体2の負極板2Bは、非円形スパイラル
電極体2の中央部分で集電タブを接続している。
て製造される。 [正極板の製造工程] 正極スラリーを作成する工程 正極活物質としてLiCoO2を85重量部、人造黒鉛
粉末を5重量部、カーボンブラック5重量部とを充分混
合した後、N−メチル−2−ピロリドンに溶かしたポリ
フッ化ビニリデン(PVdF)を固形分として5重量部
となるように加えて正極スラリーとする。
さ20μmのアルミニウム箔である導電性の芯体の上に
両面塗布する。乾燥した後、ローラープレス機により圧
延する。なお、正極板2Aの片面は、芯体であるアルミ
箔の末端部から約50mmは正極スラリーを塗布しな
い、アルミニウム面の露出部とした。アルミニウム面の
露出部は、外装缶1の内面に電気的に接触される部分と
なる。これを110℃で3時間真空乾燥処理をして、帯
状の正極板2Aを作製する。芯体にはアルミニウム箔以
外の金属板も使用できる。さらに、芯体の厚みは、10
μm〜100μm、好ましくは15μm〜50μmとす
ることもできる。
95重量部(層間距離3.35オングストローム)、N
−メチル−2−ピロリドンに溶かしたPVdFを固形分
として5重量部となるように加え、負極スラリーとす
る。
さ18μmの銅箔である導電性の芯体の上に両面塗布す
る。乾燥した後、ローラープレス機により圧延する。な
お、芯体である銅箔は、末端から3mmまでは、負極ス
ラリーを塗布しない露出部分とした。この露出部分に、
ニッケル製の負極タブ(幅3mm)をスポット溶接し、
その後、110℃で3時間真空乾燥処理して、帯状の負
極板2Bとした。芯体には銅箔以外の金属も使用でき
る。さらに、芯体の膜みは18μm以外とすることもで
きる。
極板2Bの間にセパレータ2Cを挟着し、セパレータ2
Cで絶縁する状態として円筒状に巻き取りする。セパレ
ータ2Cは、ポリエチレン製の微多孔膜である。ただ、
セパレータには、ポリプロピレン製の微多孔膜など、ポ
リオレフィン系の微多孔膜も使用できる。さらに、セパ
レータには、ポリオレフィン系の繊維を使用した不織布
セパレータも使用できる。セパレータ2Cの幅は41.
5mm、厚さは34μmである。セパレータ2Cに使用
したポリエチレン製微多孔膜の透気度は140秒/10
0ccである。筒状電極体に巻き取るときは、正極板2
Aと負極板2Bとセパレータ2Cが密着するようにす
る。電極体の巻き終わり部分の表面に、ポリプロピレン
製の接着テープ6を付着して、巻き終わりを固定する。
この時、正極板2Aの巻始めは、負極板2Bの巻始めに
対して、約11mm遅らせて巻き取り始める。図1に示
すように、負極板2Bの最初の折曲部に、正極板2Aが
位置しないようにするためである。さらに、正極板2A
は、芯体のアルミニウム面露出部分を、電極体の外周部
に位置させる。アルミニウム面露出部分を外装缶1に電
気接続するためである。
プレスする工程]円筒状に巻かれた電極体は、両面をプ
レス機でプレスして、電極体の断面を、図1に示す長円
形とするように成形する。プレス時間は数秒とする。プ
レス時間が短すぎると、プレスされた非円形スパイラル
電極体2がスプリングバックで復元するからである。筒
状電極体のプレス位置は、図1に示すように、最初の折
曲部には負極板2Bのみが位置するようにする。
電極体2とするプレス圧は、セパレータ2Cの透気度で
調整する。筒状電極体のプレス圧を強くすると、セパレ
ータ2Cの透気度は大きくなる。セパレータ2Cの透気
度が大きくなると、非円形スパイラル電極体2は薄くな
る。非円形スパイラル電極体2は、筒状電極体に使用す
る正極板2Aと負極板2Bの厚さを調整して、外装缶1
に隙間なく挿入できるようにする。正極板2Aと負極板
2Bを厚くすると、プレスされた非円形スパイラル電極
体2は厚くなる。正極板2Aと負極板2Bの厚さは、芯
体に塗布するスラリー量で調整する。
になるように筒状電極体をプレスして、非円形スパイラ
ル電極体2を試作した。下記の実施例1〜実施例5のプ
レス条件で製作した非円形スパイラル電極体2を使用し
てリチウムイオン二次電池とした。プレス条件を下記の
ようにする非円形スパイラル電極体2は、外装缶1に隙
間なく挿入できるように、活物質量を調整した。非円形
スパイラル電極体2は、負極タブ5を封口体の集電端子
にスポット溶接した後、外装缶1に挿入して、電解液を
注入し、封口板3と外装缶1の境界をレーザー溶接して
封止してリチウムイオン二次電池とた。
100cc(プレスしないセパレータに対して約110
%) 実施例2…セパレータ透気度約170秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して約120%) 実施例3…セパレータ透気度約180秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して約130%) 実施例4…セパレータ透気度約195秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して約140%) 実施例5…セパレータ透気度約210秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して約150%)
めに、下記の比較例のリチウムイオン二次電池を試作し
た。 比較例1…セパレータ透気度約140秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して100%) 比較例2…セパレータ透気度約220秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して約157%) 比較例3…セパレータ透気度約225秒/100cc
(プレスしないセパレータに対して約160%)
ムイオン二次電池の容量は、セパレータ2Cの透気度を
140秒/100ccとするものを100%として、ハ
イレート放電特性と300サイクルの充放電を行った。
その後の容量は、下記の表1と図4、図5に示すように
増加した。
Bとセパレータ2Cとを積層状態で真円の筒状に巻き、
その後これを両側からプレスして非円形スパイラル状と
した。本発明の電池の製造方法は、正極板と負極板とを
必ずしも真円形に巻いて筒状電極体とする必要はない。
筒状電極体を、長径と短径の比率がほぼ1に近い楕円
形、たとえば、長径/短径を0〜1.2とする楕円形に
製作することもできる。長径と短径の比率がほぼ1に近
い楕円形は、正極板と負極板とをほぼ等速で巻くことが
できるからである。楕円形の筒状電極体は、プレスして
非円形スパイラル電極体2にできる。
する電池の製造方法は、極板とセパレータとを積層状態
に巻いて筒状電極体とし、これをプレスして非円形スパ
イラル電極体に加工する。極板とセパレータを円形ない
しは楕円形に巻く方法は、直接に角形の外装缶に入れら
れる非円形のスパイラル状に巻く方法に比較して、簡単
かつ容易に、しかも能率よく多量に製作できる。さら
に、本発明の非円形スパイラル電極体を内蔵する電池の
製造方法は、このようにして製造された筒状電極体を、
セパレータの透気度が特定の範囲となるようにプレスし
て非円形スパイラル電極体とする。透気度を特定の範囲
に調整して製作された非円形スパイラル電極体は、図4
と図5に示すように、ハイレート放電特性と充放電を繰
り返した状態での容量を大きくできる。セパレータの透
気度を特定の範囲にすることにより、セパレータのイオ
ン透過率の低下に起因する電池性能の低下よりも、活物
質増加に起因する電池性能の向上効果が上回るからであ
る。
の断面図
特性を示すグラフ
充放電後の容量変化を示すグラフ
透気度を変更するとハイレート放電特性が向上する割合
を示すグラフ
透気度を変更すると300サイクル充放電後に容量が増
加する割合を示すグラフ
2B…負極板 2C…セパレータ 3…封口板 4…負極端子 5…負極タブ 6…接着テープ
体は、非円形のスパイラル状とする必要がある。この電
極体は、正極板と負極板の間にセパレータを挟んで、図
1の断面図に示すように、非円形のスパイラル状に巻い
て製造される。この製造方法は、能率よく非円形スパイ
ラル電極体を製造するのが難しい。とくに、この方法
は、2枚の極板とセパレータ2Cのテンションを一定に
制御して、高速で非円形に巻き取るのが難しい。非円形
の電極体は、極板とセパレータ2Cの巻き取り速度が、
回転角によって大幅に変動するからである。極板とセパ
レータ2Cのテンション変動は、巻き取られる電極体内
の正極板−セパレータ及び負極板−セパレータ間の密着
具合(以後、「緊迫度」という。)を変動させる。極板
とセパレータ2Cは、強いテンションで引っ張って巻く
と、緊迫度が高くなる。反対に、極板とセパレータ2C
を弱いテンションで巻くと、緊迫度が低くなってしま
う。電池は緊迫度が低いと、内部抵抗が高くなり、ハイ
レート特性等が悪化する。このため、緊迫度を高く巻き
取ることが大切である。非円形スパイラル電極体2を巻
くときに、テンションの平均値を強くすると、極板とセ
パレータ2Cに最大テンションがかかるときに、極板や
セパレータ2Cが損傷する。このため、極板とセパレー
タ2Cの平均的なテンションを強くできない。このこと
は、緊迫度を低くしている。
さ18μmの銅箔である導電性の芯体の上に両面塗布す
る。乾燥した後、ローラープレス機により圧延する。な
お、芯体である銅箔は、末端から3mmまでは、負極ス
ラリーを塗布しない露出部分とした。この露出部分に、
ニッケル製の負極タブ(幅3mm)をスポット溶接し、
その後、110℃で3時間真空乾燥処理して、帯状の負
極板2Bとした。芯体には銅箔以外の金属も使用でき
る。さらに、芯体の厚みは18μm以外とすることもで
きる。
になるように筒状電極体をプレスして、非円形スパイラ
ル電極体2を試作した。下記の実施例1〜実施例5のプ
レス条件で製作した非円形スパイラル電極体2を使用し
てリチウムイオン二次電池とした。プレス条件を下記の
ようにする非円形スパイラル電極体2は、外装缶1に隙
間なく挿入できるように、活物質量を調整した。非円形
スパイラル電極体2は、負極タブ5を封口体の集電端子
にスポット溶接した後、外装缶1に挿入して、電解液を
注入し、封口板3と外装缶1の境界をレーザー溶接して
封止してリチウムイオン二次電池とした。
Bとセパレータ2Cとを積層状態で真円の筒状に巻き、
その後これを両側からプレスして非円形スパイラル状と
した。本発明の電池の製造方法は、正極板と負極板とを
必ずしも真円形に巻いて筒状電極体とする必要はない。
筒状電極体を、長径と短径の比率がほぼ1に近い楕円
形、たとえば、長径/短径を1〜1.2とする楕円形に
製作することもできる。長径と短径の比率がほぼ1に近
い楕円形は、正極板と負極板とをほぼ等速で巻くことが
できるからである。楕円形の筒状電極体は、プレスして
非円形スパイラル電極体2にできる。
Claims (1)
- 【請求項1】 正極板(2A)と負極板(2B)の間に高分子微
多孔膜のセパレータ(2C)を介在させて真円ないし楕円形
に巻いて筒状電極体とし、この筒状電極体を両側からプ
レスして非円形スパイラル電極体(2)とし、この非円形
スパイラル電極体(2)を外装缶(1)に入れて電池とする電
池の製造方法において、 筒状電極体をプレスして非円形スパイラル電極体(2)と
するときに、筒状電極体のセパレータ(2C)の透気度を1
00%として、プレスされた非円形スパイラル電極体
(2)のセパレータ(2C)の透気度を110〜150%の範
囲にすることを特徴とする非円形スパイラル電極体を内
蔵する電池の製造方法。
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