JPWO2014024316A1 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
活物質層に発生する欠落部に起因するマイクロショートの発生を抑制し、信頼性の高い二次電池およびその製造方法を提供する。金属箔131の表面131aに形成される活物質層31aは、貫通部81や金属箔131側とは反対側の表面31abに形成された凹部85を有しており、その貫通部81や凹部85のうち所定深さよりも深い凹部85には、活物質層31aと組成の異なる充填物が充填されることによって充填層91、95が形成されている。
Description
本発明は二次電池およびその製造方法に関し、例えば車両に搭載される二次電池およびその製造方法に関する。
従来から、例えば電気自動車等の動力源として、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。このリチウムイオン二次電池は、金属箔に活物質層を塗布して形成した正極と負極からなる電極をセパレータを介して交互に配置したものであり、大別して積層形と捲回形とが知られている。
前記活物質層は、活物質や導電助剤、バインダー等からなるスラリーを金属箔に塗布することによって形成されるものであり、その活物質層上にセパレータ用塗布液を塗布することによってセパレータ層を形成する構造なども知られている(特許文献1)。
特開2011−243344号公報
ところで、金属箔に活物質層を塗布して電極を形成する場合、塗布装置の目詰まりや異物或いは気泡の混入、更には活物質層の脱落等に起因して、活物質層に欠落部(例えば窪み、凹部、貫通部など)が発生し、場合によっては金属箔が露出してしまう。
図12で示すように、例えば負極電極Aの負極金属箔Kの表面に形成された活物質層Kaに欠落部Fが発生した場合、この負極電極Aの使用に際して欠落部Fを起点として金属が析出する可能性があり、この金属析出部Cが針状や柱状に成長し、正極電極Bとの間に配置されるセパレータSを貫通してマイクロショートを引き起こす可能性がある。また、前記金属析出部は正極および負極のいずれの電極においても発生する可能性があり、そのように生じた金属析出部はマイクロショートの要因となるといった課題がある。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、活物質層に発生する欠落部に起因するマイクロショートの発生を抑制し、信頼性の高い二次電池およびその製造方法を提供することにある。
上記する課題を解決するために、本発明に係る二次電池は、金属箔の表面に活物質層が形成された電極を備えた二次電池であって、前記活物質層は、貫通部および/または前記金属箔側とは反対側の表面に形成された凹部を有しており、前記貫通部および/または前記凹部のうち所定深さよりも深い凹部には、前記活物質層と組成の異なる充填物が充填されているものである。
また、本発明に係る二次電池の製造方法は、金属箔の表面に活物質層が形成された電極を備えた二次電池の製造方法であって、金属箔の表面に活物質層を形成する工程と、前記活物質層の貫通部、および/または、前記活物質層の前記金属箔側とは反対側の表面に形成された凹部を検出する工程と、前記貫通部および/または前記凹部のうち所定深さよりも深い凹部に、前記活物質層と組成の異なる充填物を充填する工程と、を有している方法である。
本発明によれば、活物質層に発生する欠落部に起因するマイクロショートの発生を抑制することができ、二次電池の耐久性や信頼性を効果的に高めることができる。
上記した以外の課題、手段及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
1 リチウムイオン二次電池
2 電池容器
11 電池缶
11a 開口部
12 軸芯
13 保護板
20 捲回体
21 電池蓋
31 負極電極
31a 負極活物質層
31b 負極未塗工部
41 正極電極
41a 正極活物質層
41b 正極未塗工部
60 セパレータ
71 正極端子
72 正極板
73 負極端子
74 負極板
76 注液口
77 ガス排出弁
80 注液栓
81 貫通部(貫通形状の欠落部)
81a 貫通部の内周面
82 凹部
85 凹部(凹形状の欠落部)
85a 凹部の表面
91、95 充填層
91a、95a 充填層の表面
131 負極金属箔
131a 負極金属箔の表面
141 正極金属箔
201 電極ロール(供給側)
202、203、205、206、207、211 ガイドローラ
204、208 乾燥炉
209、210 プレスローラ
221 電極ロール(巻取り側)
231、241 補修装置
232、242 カメラ
233、243 画像処理部
234、244 演算部
235、245 制御部
236、246 補修ヘッド
301 芯材
D 凹部の深さ
2 電池容器
11 電池缶
11a 開口部
12 軸芯
13 保護板
20 捲回体
21 電池蓋
31 負極電極
31a 負極活物質層
31b 負極未塗工部
41 正極電極
41a 正極活物質層
41b 正極未塗工部
60 セパレータ
71 正極端子
72 正極板
73 負極端子
74 負極板
76 注液口
77 ガス排出弁
80 注液栓
81 貫通部(貫通形状の欠落部)
81a 貫通部の内周面
82 凹部
85 凹部(凹形状の欠落部)
85a 凹部の表面
91、95 充填層
91a、95a 充填層の表面
131 負極金属箔
131a 負極金属箔の表面
141 正極金属箔
201 電極ロール(供給側)
202、203、205、206、207、211 ガイドローラ
204、208 乾燥炉
209、210 プレスローラ
221 電極ロール(巻取り側)
231、241 補修装置
232、242 カメラ
233、243 画像処理部
234、244 演算部
235、245 制御部
236、246 補修ヘッド
301 芯材
D 凹部の深さ
以下、本発明に係る二次電池およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
[二次電池の実施の形態]
まず、図1〜図4を参照して、本発明に係る二次電池をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について詳細に説明する。
まず、図1〜図4を参照して、本発明に係る二次電池をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明に係る角形のリチウムイオン二次電池の外観を示したものである。
図示するリチウムイオン二次電池1は、電池容器2内に発電要素を収容した構成を有しており、電池容器2は、電池缶11と電池蓋21とを有している。電池缶11と電池蓋21はそれぞれ、アルミニウム合金で製作されており、電池蓋21は、レーザ溶接によって電池缶11に溶接されている。また、電池容器2は、一対の幅広側面PWと、一対の幅狭側面PNと、底面PBと、を有する電池缶11と電池蓋21とが溶接されて略直方体形状の扁平角形容器を構成している。
前記電池蓋21には、不図示の絶縁部材を介して正極端子71と負極端子73(一対の電極端子)が配設されており、リチウムイオン二次電池1の充電及び放電を行なうようになっている。また、電池蓋21には、正極端子71及び負極端子73のほか、電池容器2内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて電池容器2内のガスを排出するガス排出弁77と、電池容器2内に電解液を注入するための注液口76(図2参照)を封止する注液栓80とが配置されている。
図2は、図1に示す角形のリチウムイオン二次電池を分解して示したものである。
図示するリチウムイオン二次電池1は、正極板72と負極板74との間にセパレータ60(図3参照)を介在させて重ね合わせた状態で扁平状に捲回した捲回体20を有している。また、電池缶11は開口部11aを有しており、前記捲回体20は、絶縁シート(不図示)を介して開口部11aから電池缶11に挿入されるようになっている。
また、正極端子71と負極端子73は、電池蓋21の長手方向の一方側と他方側で相互に離れた位置に配置されており、それぞれが、電池蓋21の内側に配置される正極板72と負極板74と導通接続されている。ここで、正極端子71と正極板72は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で製作され、負極端子73と負極板74は、銅または銅合金で製作されている。正極端子71と正極板72、負極端子73と負極板74のそれぞれと電池蓋21との間には不図示の絶縁部材が介在されており、それぞれが電池蓋21から電気的に絶縁されている。
なお、上記するように、電池缶11の開口部11aは電池蓋21によって封口され、注液口76から電池容器2内に電解液を注入した後、この注液口76は注液栓80によって封止されるようになっている。
図3は、図1に示す角形のリチウムイオン二次電池の捲回体を分解して示したものであり、一部を展開して示したものである。なお、図3は、正極電極及び負極電極の未塗工部を束ねて溶接する前の状態を示している。
図示するように、捲回体20は、セパレータ60、負極電極31、セパレータ60、正極電極41がその順に重ねて扁平状に軸芯12の周りで捲回されることによって構成されている。また、捲回体20は、最内周と最外周の電極が負極電極31であり、その最内周の内側と最外周の外側にそれぞれセパレータ60が捲回されている。
前記正極電極41は、正極集電体である正極金属箔141(図4参照)の両面に正極の活物質層41aが形成され、正極金属箔141の幅方向の一方側の端部には、正極活物質層41aが形成されない正極未塗工部(箔露出部)41bが設けられている。
また、前記負極電極31は、負極集電体である負極金属箔131(図4参照)の両面に負極の活物質層31aが形成され、負極金属箔131の幅方向の他方側(正極金属箔141の幅方向の一方側とは反対側)の端部には、負極活物質合層31aが形成されない負極未塗工部(箔露出部)31bが設けられている。
前記正極未塗工部41bと負極未塗工部31bは、金属箔の金属面が露出した領域であり、図3に示すように、正極未塗工部41bと負極未塗工部31bが捲回体20の捲回軸方向の一方側と他方側に配置されるように正極電極41と負極電極31が捲回体20の捲回軸周りに捲回されている。
ここで、負極電極31の活物質層31aは、正極電極41の活物質層41aよりも幅方向で大きく塗工されており、正極電極41の活物質層41aは、必ず負極電極31の活物質層31aに挟まれるように構成されている。
なお、正極電極41の正極未塗工部41bと負極電極31の負極未塗工部31bとはそれぞれ、その平面部分で束ねられて溶接等により正極端子71と負極端子73に繋がる各極の正極板72と負極板74に接続される(図2参照)。
セパレータ60は、前記正極電極41と負極電極31を絶縁する役割を有しており、幅方向で負極電極31の活物質層31aよりも広いものの、正極電極41の正極未塗工部41bと負極電極31の負極未塗工部31bで金属箔面が露出する位置に捲回され、正極電極41の正極未塗工部41bと負極電極31の負極未塗工部31bを束ねて溶接する際の支障とはならない。その際、各電極31、41は、軸芯12に取り付けられた保護板13によってその中央から二つに分けて束ねられている。
ここで、各電極の作製方法を概説すると、負極電極31の場合には、負極活物質層31aを構成する非晶質炭素粉末に対して、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF:PolyVinylidene DiFluoride)を質量比10:1で添加し、更に分散溶媒としてのN−メチルビロリドン(NMP:N-methylpyrrolidone)を添加して混練することによって負極合剤を作製する。この負極合剤を厚さ10μmの銅箔(負極金属箔131)の両面に集電部(負極未塗工部31b)を残して塗布した後、乾燥、プレス、裁断して銅箔を含まない厚さ70μmの負極電極31を作製する。
なお、本実施の形態では、負極活物質層31aを構成する負極活物質として非晶質炭素を用いる場合について説明したが、例えばリチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や人工の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等でもよく、その粒子形状は、例えば鱗片状、球状、繊維状、塊状等であってもよい。
また、正極電極41の場合には、正極活物質層41aを構成するマンガン酸リチウム(LiMn2O4)に対して、導電材としての鱗片状黒鉛と結着剤としてのPVDFとを質量比10:1:1で添加し、更に分散溶媒としてのNMPを添加して混練することによって正極合剤を作製する。この正極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔(正極金属箔141)の両面に無地の集電部(正極未塗工部41b)を残して塗布した後、乾燥、プレス、裁断してアルミニウム箔を含まない厚さ90μmの正極電極を作製する。
なお、本実施の形態では、正極活物質層41aを構成する正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いる場合について説明したが、例えば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、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てもよい。
また、本実施の形態では、正極電極41と負極電極31における塗工部の結着剤としてPVDFを用いる場合について説明したが、例えばポリテトラフルオロエチレン、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及びこれらの混合体などを用いてもよい。
上記するように作製した負極電極31や正極電極41では、塗布装置の目詰まりや異物或いは気泡の混入、更には活物質層の脱落等に起因して、活物質層31a、41aに凹形状や貫通形状などの欠落部が発生することがある。そこで、本実施の形態では、そのような欠落部に活物質層と組成の異なる充填物を充填し、欠落部の表面にマイクロショートの要因となる金属の析出を抑制する充填層を形成している。
図4Aは、図3に示す捲回体の内部の一例を示したものであり、図4Bは図3に示す捲回体の内部の他例を示したものである。なお、図4A及び図4Bでは、負極金属箔131の表面に形成された負極活物質層31aに凹形状や貫通形状などの欠落部が形成される場合について説明するが、正極金属箔141の表面に形成された正極活物質層41aに凹形状や貫通形状などの欠落部が形成される場合についても同様である。また、負極活物質層31aに形成される欠落部の形状は、凹形状や貫通形状などであれば如何なる形状であってもよい。
図4Aに示す例では、負極金属箔131の表面に形成された負極活物質層31aに、負極金属箔131側の表面31aaから前記表面31aaとは反対側の表面31abに亘って貫通部(貫通形状の欠落部)81が形成されるものの、その貫通部81の内部に負極活物質層31aと組成の異なる充填物が充填され、貫通部81の内周面81aと負極金属箔131の表面131aとで構成される凹部82の表面に、負極活物質層31aと組成の異なる充填層91が形成されている。
また、図4Bに示す例では、負極金属箔131の表面に形成された負極活物質層31aの表面31abに凹部(凹形状の欠落部)85が形成されるものの、その凹部85のうち負極活物質層31aの表面31abから表面31aaへ向かう方向(図中、Z方向)での深さDが所定の深さよりも深い凹部85の内部に負極活物質層31aと組成の異なる充填物が充填され、その凹部85の表面85aに、負極活物質層31aと組成の異なる充填層95が形成されている。
ここで、前記充填層91、95の形成素材としては、たとえば絶縁材や、前記負極活物質層31aを構成する活物質合剤よりも平均粒子径が小さい活物質合剤、前記負極活物質層31aを構成する活物質合剤よりも溶媒を多く含む活物質合剤などを挙げることができる。
このような構成とすることで、金属箔の表面に形成される活物質層の凹形状や貫通形状などの欠落部を起点とする金属の析出を抑制することができ、マイクロショートの発生を効果的に抑制することができる。
なお、図示例では、前記充填層91、95によるセパレータ60の押圧を防止するため、充填層91、95の表面91a、95aが、負極活物質層31aの表面31abよりも負極金属箔131側へ窪んだ形状を呈している。
[二次電池の製造方法の実施の形態]
次に、図5〜図11を参照して、本発明に係る二次電池の製造方法の実施の形態について詳細に説明する。なお、図5〜図11では、主に二次電池1を構成する電極のうち負極電極31に関する工程について説明するが、正極電極41に関する工程についても同様である。
次に、図5〜図11を参照して、本発明に係る二次電池の製造方法の実施の形態について詳細に説明する。なお、図5〜図11では、主に二次電池1を構成する電極のうち負極電極31に関する工程について説明するが、正極電極41に関する工程についても同様である。
図5は、本発明に係る二次電池の製造方法を説明した図であって、金属箔の表面に活物質層を塗工する工程を説明したものである。
図示するように、本実施の形態では、芯材301に巻かれた長尺の負極金属箔131を前記芯材301から巻き出しながら、その幅広の負極金属箔131の両面に間隔を置いて三列の活物質層31aを形成し、活物質層31a同士の間と負極金属箔131の幅方向の両端に負極未塗工部31bを形成する。
このように負極金属箔131の両面に三列の活物質層31aを形成した原反シートを、活物質層31aの略中央部C1と活物質層31a同士の間に形成された負極未塗工部31bの略中央部C2で裁断することによって、一つの原炭シートから負極電極31を形成する六つの連続シートを作製することができる。そして、裁断後の負極電極31や正極電極41などを軸芯12に捲回し、必要な長さで裁断することによって捲回体20(図3参照)を作製することができる。例えば、図5に示す連続シートの長手方向長さが10mであり、捲回体20の作製に必要な電極の長手方向長さが2mの場合には、原反シートの幅方向で六つの連続シートを得ることができ、連続シートの長手方向で五つの電極を得ることができるため、図示する一つの原反シートから6×5=30の負極電極31を作製することができる。
図6は、図5に示す金属箔の表面に塗工された活物質層の一部を拡大して示したものである。
図示する負極活物質層31aは、スラリー化した負極合剤をダイコータ等の塗布装置によって負極金属箔131の表面に塗布し、負極金属箔131上で乾燥されてプレスされて形成される。
図示するように、負極金属箔131の両面に負極活物質層31aを塗工する際には、塗布装置の目詰まりや異物或いは気泡の混入、更には活物質層の脱落等に起因して、負極活物質層31aに欠落部(例えば窪み、凹部、貫通部など)が発生する。より詳細には、主として、異物或いは気泡の混入、活物質層の脱落、瞬間的なダイコータ等の塗布装置の目詰まり等に起因して、平面視で点状の孤立した欠落部81、85が発生し、連続的なダイコータ等の塗布装置の目詰まり等に起因して、平面視で線状の欠落部86が発生する。例えば、点状の欠落部81、85の平面視での外径は数百μmから数mm程度であり、その平面視での面積は0.5mm2程度である。また、線状の欠落部86の平面視での長さは数mmから数十mm程度である。なお、図示例では、一つの原反シートに複数の欠落部が発生しているが、欠落部の発生頻度は低く、上記する原反シートの1ロール中で30分割した電極の全てに発生する訳ではない。
図7Aは、図6のA−A矢視図であり、図7Bは、図6のB−B矢視図である。
図7Aに示す例では、貫通形状の欠落部81が負極金属箔131の表面に形成された負極活物質層31aの表面31abから負極金属箔131側の表面31aaに亘って形成され(貫通部81)、負極金属箔131の表面131aが欠落部81の箇所で露出している。
また、図7Bに示す例では、凹形状の欠落部85が負極金属箔131の表面に形成された負極活物質層31aの表面31abに形成され(凹部85)、負極金属箔131の表面131aは欠落部85の箇所では露出していない。
このように負極金属箔131の表面に形成された負極活物質層31aに活物質層の欠落部が発生した状態で当該電極を使用すると、この欠落部81、85、86を起点として金属が析出し、この金属析出部が針状や柱状に成長してマイクロショートを引き起こす可能性がある。そこで、本実施の形態では、図8A及び図8Bに示すように、活物質層に発生した欠落部に活物質層と組成の異なる充填物を充填し、欠落部の表面にマイクロショートの要因となる金属の析出を抑制する充填層を形成する。
図8Aは、図7Aに示す欠落部の表面に充填層を形成する工程の一例を説明したものであり、図8Bは、図7Bに示す欠落部の表面に充填層を形成する工程の一例を説明したものである。
図8Aに示す例では、活物質層31aに形成された貫通部81をカメラ等によって検出し、検出された貫通部81の内周面81aと露出した負極金属箔131の表面131aとで構成される凹部82の表面に、負極活物質層31aと組成の異なる充填層91を形成する。
また、図8Bに示す例では、活物質層31aに形成された凹部85をカメラ等によって検出し、その凹部85のうち負極活物質層31aの表面31abから表面31aaへ向かう方向での深さDが所定の深さよりも深い凹部85の表面85aに、負極活物質層31aと組成の異なる充填層95を形成する。ここで、前記所定の深さとしては、例えば活物質層31aの表面粗さよりも深く、負極金属箔131の表面131aが露出するまでの任意の深さを設定することができる。
前記充填層91、95の形成素材の一例としては絶縁材が挙げられ、より具体的には、例えばポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂等が挙げられる。
このように前記充填層91、95の形成素材として絶縁材を適用した場合には、活物質層31aの欠落部での金属の析出を確実に抑制することができるため、充填層91、95の表面91a、95aを負極活物質層31aの表面31abと面一に形成する必要はなく、図示するように、充填層91、95の表面91a、95aを負極活物質層31aの表面31abよりも負極金属箔131側へ窪んだ形状で形成することができる。このように、充填層91、95の表面91a、95aを負極活物質層31aの表面31abよりも負極金属箔131側へ窪んだ形状で形成した場合には、負極活物質層31aの表面31ab側へセパレータ60を配置した際(図4A及び図4B参照)に充填層91、95によるセパレータ60の押圧を抑止することができるため、例えばポリエチレン樹脂から構成されるセパレータ60の変形や損傷を抑制することができる。
また、前記充填層91、95の形成素材の他例としては活物質合剤が挙げられるが、活物質層31aに選択的(スポット的)に充填層91、95を形成する手段としては、例えばインクジェットやディスペンサ等が好ましいため、充填層91、95の形成素材としての活物質合剤は、負極活物質層31aを構成する活物質合剤よりもスラリー状態で粘度が低いことが好ましい。したがって、充填層91、95の形成素材としては、負極活物質層31aを構成する活物質合剤よりも平均粒子径が小さい活物質合剤や、負極活物質層31aを構成する活物質合剤よりも溶媒を多く含む活物質合剤などを適用することができる。なお、負極活物質層31aを構成する活物質合剤の粒子のうち比較的大きな粒子は例えば数μm程度の粒子径を有しており、インクジェットを用いて形成される充填層91、95を構成する活物質合剤の粒子は例えば略1μm程度よりも小さい粒子径を有している。
なお、上記するように、前記充填層91、95の形成素材として活物質合剤を適用した場合には、例えば活物質層31aに形成された貫通部81や凹部85に充填層を形成しない場合や充填層91、95の形成素材として絶縁材を適用した場合などと比較して、二次電池1の電気的性能を高めることができ、特に充填層91、95の表面91a、95aを負極活物質層31aの表面31abと面一に形成した場合には二次電池1の電気的性能をより一層高めることができる。
また、図9Aは、図7Aに示す欠落部の表面に充填層を形成する工程の他例を説明したものであり、図9Bは、図7Bに示す欠落部の表面に充填層を形成する工程の他例を説明したものである。
図9A及び図9Bに示す例では、活物質層31aに形成された貫通部81の内周面81aと露出した負極金属箔131の表面131aとで構成される凹部82や凹部85の表面に形成された充填層92、96の表面92a、96aが、負極活物質層31aの表面31abから突出している。これにより、負極活物質層31aの表面31ab側へセパレータ60を配置した際(図4A及び図4B参照)に充填層92、96の表面92a、96aとセパレータ60を密着させることができ、活物質層31aに形成された貫通部81や凹部85などの欠落部による空隙を充填物で埋めることができるため、二次電池1の捲回体20の剛性や耐久性を高めることができる。なお、セパレータ60は、例えば多孔質のポリエチレン樹脂から構成されているため、充填層92、96の表面92a、96aの負極活物質層31aの表面31abに対する突出量は、セパレータ60の厚みよりも十分小さいことが好ましく、例えば5μm以下であることが望ましい。
図10は、本発明に係る二次電池の製造方法を説明した図であって、活物質層の欠落部の表面に充填層を形成する工程を説明したものである。
図示するように、ダイコータ等の塗布装置によって負極金属箔131の両面に活物質層31aが塗布された負極電極31(図4及び図6参照)は、供給側の電極ロール201に巻き取られており、電極ロール201が矢印R1方向に回転すると、前記負極電極31は矢印A1方向へ搬送される。
電極ロール201から搬送された負極電極31は、ガイドローラ202、203にガイドされて第1の乾燥炉204へ搬送され、その後、ガイドローラ205、206、207にガイドされて第2の乾燥炉208へ搬送される。
第1の乾燥炉204と第2の乾燥炉208で乾燥された負極電極31は、一対のプレスローラ209、210によって所定の厚さにプレスされ、ガイドローラ211にガイドされて矢印A2方向へ搬送され、その後、矢印R2方向に回転する巻取り側の電極ロール221に巻き取られる。
ここで、本実施の形態では、電極ロール201と第1の乾燥炉204との間、第1の乾燥炉204と第2の乾燥炉208との間にそれぞれ補修装置231、241が配設されていて、当該補修装置231、241によって負極金属箔131の各面に形成された活物質層31aに発生する欠落部に充填物を充填し、その欠落部の表面に充填層を形成して活物質層31aの補修を行う。
具体的には、前記補修装置231、241はそれぞれ、カメラ232、242と、画像処理部233、243と、演算部234、244と、制御部235、245と、補修ヘッド236、246と、を備えている。
供給側の電極ロール201から搬送された負極電極31は、第1の補修装置231において、カメラ232によって負極電極31の活物質層31aのうち矢印a1側の活物質層31aが撮像され、その活物質層31aの欠落部(貫通部81や凹部85)の有無などが検査される。より具体的には、カメラ232によって取得された活物質層31aの表面の画像データが画像処理部233へ送信され、この画像処理部233で欠落部(貫通部81や凹部85)の有無や位置、大きさ、深さなどが求められる。
次いで、これら活物質層31aの欠落部(貫通部81や凹部85)に関するデータが演算部234へ送信され、この演算部234で活物質層31aの補修のための条件が演算される。ここで、活物質層31aの補修のための条件としては、補修の要否や、補修部位の位置(充填層の形成部位の位置)、充填層の形成素材の充填量等が挙げられる。なお、補修の要否の判定を行う際には、例えば欠落部(貫通部81や凹部85)の大きさや深さなどが所定値よりも大きい場合に補修要と判定することができ、その他の要件を要否判定条件に付加してもよい。
次に、これら活物質層31aの補修のための条件に関するデータが制御部235へ送信され、この制御部235で補修ヘッド236の位置や充填量を制御し、活物質層31aの所定の欠落部(貫通部81や凹部85)の表面に充填層を形成してガイドローラ203近傍で活物質層31aの補修を行う。
なお、負極電極31の矢印a1側の活物質層31aの所定の欠落部(貫通部81や凹部85)の表面に充填層が形成され、補修装置231から送出された負極電極31は、上記するように第1の乾燥炉204へ搬送され、矢印a1側の活物質層31aと充填層の乾燥が行なわれる。
第1の乾燥炉204から送出された負極電極31は、第2の補修装置241において、カメラ242によって負極電極31の活物質層31aのうち矢印a2側の活物質層31aが撮像され、その活物質層31aの欠落部(貫通部81や凹部85)の有無などが検査される。より具体的には、カメラ242によって取得された活物質層31aの表面の画像データが画像処理部243へ送信され、この画像処理部243で欠落部(貫通部81や凹部85)の有無や位置、大きさ、深さなどが求められる。
次いで、これら活物質層31aの欠落部(貫通部81や凹部85)に関するデータが演算部244へ送信され、この演算部244で活物質層31aの補修のための条件が演算される。ここで、活物質層31aの補修のための条件としては、補修の要否や、補修部位の位置(充填層の形成部位の位置)、充填層の形成素材の充填量等が挙げられる。
次に、これら活物質層31aの補修のための条件に関するデータが制御部245へ送信され、この制御部245で補修ヘッド246の位置や充填量を制御し、活物質層31aの所定の欠落部(貫通部81や凹部85)の表面に充填層を形成してガイドローラ207近傍で活物質層31aの補修を行う。
なお、負極電極31の矢印a2側の活物質層31aの所定の欠落部(貫通部81や凹部85)の表面に充填層が形成され、補修装置241から送出された負極電極31は、上記するように第2の乾燥炉208へ搬送され、矢印a2側の活物質層31aと充填層の乾燥が行なわれる。そして、両面の活物質層31aが補修された負極電極31は、プレスローラ209、210によって所定の厚さにプレスされ、ガイドローラ211にガイドされて矢印A2方向へ搬送されて巻取り側の電極ロール221に巻き取られる。
なお、図示例では、ダイコータ等の塗布装置によって負極金属箔131の両面に活物質層31aを塗布した負極電極31を電極ロール201に巻き取った後に負極電極31の活物質層31aを補修する形態について説明したが、例えばダイコータ等の塗布装置によって負極金属箔131の両面に活物質層31aを塗布した負極電極31を直接、補修装置231へ搬送して負極電極31の活物質層31aを補修してもよい。
図11は、本発明に係る二次電池の製造方法を説明した図であって、電極を作製する工程を説明したフロー図である。
まず、S301では、ダイコータ等の塗布装置によって負極金属箔131の表面に活物質層31aを形成する。
次いで、S302では、補修装置231、241のカメラ232、242によって活物質層31aの欠落部(貫通部81や凹部85)の有無を検査する。
次いで、S302で欠落部(貫通部81や凹部85)があると判定された場合には、S303でその欠落部の補修の要否を判定する。なお、S302で欠落部(貫通部81や凹部85)がないと判定された場合には、S305で乾燥・プレスして負極電極31を作製する。
次いで、S303でその欠落部の補修が必要と判定された場合には、S304で当該欠落部の表面にインクジェットやディスペンサ等によって活物質層31aと組成の異なる充填層91、95を形成する。なお、S302で欠落部(貫通部81や凹部85)があると判定されたにも関わらず、S303でその欠落部の補修が不要(不可)と判定された場合には、S306でマーキングを行い、その後このマーキングされた負極電極31の部分を裁断工程等で廃棄する。
そして、S304で欠落部の表面に充填層91、95を形成した後、S305で乾燥・プレスして負極電極31を作製する。
なお、このように作製した負極電極31や正極電極41、セパレータ60を軸芯12の周りに捲回して捲回体20を作製し、捲回体20を正極板72や負極板74と導通接続して電池容器2内に収容することによって二次電池1を製造することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、活物質層に発生する貫通形状や凹形状の欠落部を充填物で補修し、前記欠落部に起因するマイクロショートの発生を抑制して、信頼性の高い二次電池を製造することができる。
なお、上記する実施の形態では、捲回体が扁平形状を呈する場合について説明したが、例えば捲回体は円筒形状であってもよい。また、発電要素が捲回体である場合について説明したが、例えば発電要素は積層体であってもよい。発電要素が積層体である場合、電極を作製する工程は発電要素が捲回体である場合と同様であり、活物質層を補修した後に裁断して積層させるシートを作製する。なお、このようにシートの場合には活物質層を補修する前に裁断し、1台の補修装置を用いてシートを反転させてそのシートの両面の活物質層の検査と補修を行なってもよい。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施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。また、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。
Claims (7)
- 金属箔の表面に活物質層が形成された電極を備えた二次電池であって、
前記活物質層は、貫通部および/または前記金属箔側とは反対側の表面に形成された凹部を有しており、
前記貫通部および/または前記凹部のうち所定深さよりも深い凹部には、前記活物質層と組成の異なる充填物が充填されていることを特徴とする二次電池。 - 前記充填物は絶縁材から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記充填物は、前記活物質層を構成する活物質合剤よりも平均粒子径が小さい、および/または、前記活物質層を構成する活物質合剤よりも溶媒を多く含む活物質合剤から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記充填物の表面は、前記活物質層の前記金属箔側とは反対側の表面よりも金属箔側へ窪んでいることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記充填物の表面は、前記活物質層の前記金属箔側とは反対側の表面から突出していることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 金属箔の表面に活物質層が形成された電極を備えた二次電池の製造方法であって、
金属箔の表面に活物質層を形成する工程と、
前記活物質層の貫通部、および/または、前記活物質層の前記金属箔側とは反対側の表面に形成された凹部を検出する工程と、
前記貫通部および/または前記凹部のうち所定深さよりも深い凹部に、前記活物質層と組成の異なる充填物を充填する工程と、を有していることを特徴とする二次電池の製造方法。 - 前記充填物が充填された前記電極を乾燥させてプレスする工程を更に有していることを特徴とする請求項6に記載の二次電池の製造方法。
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