JP2008112638A

JP2008112638A - 電池の製造方法

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Publication number: JP2008112638A
Application number: JP2006294643A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yamamoto; 真治山本; Tomoyuki Shose; 知行庄瀬; Kanji Urushibara; 完二漆原; Naoki Terada; 尚樹寺田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20090113697A1

Abstract

【課題】高容量化を実現し、かつ極板が良好に巻回されてなる電極体を備えた電池の製造方法を提供する。
【解決手段】正及び負の帯状極板がセパレータを挟んで巻回されてなる巻回電極体を備えた電池の製造方法であって、前記極板の巻回前に、前記正及び負の極板のうち少なくとも一方の極板の長手方向における巻き終り予定部分に対して曲げ加工を行う加工ステップと、曲げ加工部分の先端部を内方に向けた状態で巻回する巻回ステップとを有する製造方法を用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、巻回されてなる電極体を備える電池の製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化、コードレス化が進み、これらの電源に高エネルギー密度を有するリチウム電池が広く利用されている。リチウム電池は、例えば負極にリチウム金属やリチウム合金が用いられ、正極には二酸化マンガンが用いられている。
リチウム電池の電池特性を向上させるために、種々の手法が従前から提案されている。例えば、正極板と負極板とを巻回してなる巻回電極体を有する円筒形リチウム電池においては、正負極互いの極板を薄くかつ長くすることで、正極板と負極板との対向面積を拡大させ反応性を高めることにより高出力化が図られている。しかし、極板の薄長化は、容量に寄与しない正極の極板芯体の巻回電極体に占める割合を増加させるため、電池の高容量化には繋がらない場合も生じ得る。

逆に、容量に寄与しない正極の極板芯体の占める割合を小さくするよう、正負極を厚くかつ短くし、さらに極板芯体に充填される活物質の充填密度を高めることにより、電池容量の効率的な拡大を図ることができる。
特開２００４−３１１３４９号公報

しかしながら、上記のように活物質の充填密度や充填量を高めると極板の剛性が増すため、巻回電極を作製する場合、巻回後に極板の巻き終り端部が巻回電極体の形状に合わせて円弧状とならず、当該端部が浮いた状態（「跳ね上がり状態」）となる。
この「跳ね上がり」現象を具体的に説明する。上記のような剛性の強い極板を用いた場合、極板の巻回自体を行うことはできるが、図６の断面模式図のように、巻回後に極板の巻き終り部分（極板端部）９１ａに強い復元力が作用し、当該端部９１ａは所望する位置（図中、点線部に相当）から大きく外れる。この所望位置から極板端部が外れた状態が、いわゆる「跳ね上がり」である。
このように極板端部が跳ね上がると、巻回電極体の最大径が大きくなり、作製された電極体の外装体内に収納させることができずに、電池製造における歩留の低下を招いてしまう。
本発明は以上の課題に鑑みてなされており、高容量化を実現し、かつ極板が良好に巻回されてなる電極体を備えた電池の製造方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明では上記課題の解消のために以下の方法を採る正及び負の帯状極板がセパレータを挟んで巻回されてなる巻回電極体を備えた電池の製造方法であって、前記極板の巻回前に、両極板のうち少なくとも一方の極板の長手方向における巻き終り予定部分に対して曲げ加工を行う加工ステップと、曲げ加工部分の先端部を内方に向けた状態で巻回する巻回ステップとを有する製造方法を用いる。

特に、前記巻回電極体の径方向において、前記曲げ加工部分が巻内側で接するセパレータの外表面部位から前記巻回軸までの最大距離をＲとするとき、前記加工ステップにおいて、前記曲げ加工による外力を受けた状態のときの前記巻き終り予定部分を、０．１５Ｒ以上１．００Ｒ以下の曲率半径を有した湾曲状にする。
さらに、前記正の極板を、極板芯体に活物質が充填されてなる構成とし、前記加工ステップでは、前記正の極板のみに対して、その厚み方向に前記巻き終り予定部分を押圧することで前記曲げ加工を行うこともできる。

本発明では、極板の巻回前に上記巻き終り予定部分に対して予め曲げ加工を行い、巻回ステップ時に当該巻き終わり予定部分の先端部を上記内方に向けた状態で巻回することで、巻回後にも曲げ加工部分が巻回周方向に沿って湾曲した状態となる。従って、予め加工ステップを行わない場合と比較して、巻回後における上記跳ね上がり現象の発生を抑制できる。よって、所望する巻回半径の電極体を作製でき、後工程において、電極体の外装体への収納が阻害されることもなく、電池製造の歩留低下を抑制できる。

特に、巻き終り予定部分が曲げ加工による外力を受けた状態のとき、当該巻き終り予定部分を上記のように０．１５Ｒ以上１．００Ｒ以下の曲率半径を有する湾曲状にすれば、巻回電極体における上記跳ね上がりを抑制する効果が大きい。よって、電極体の外装缶への収納における確実性が増す。
また、このような曲げ加工を行う手法として、巻き終り部分をその厚み方向に押圧する手法を用いれば、上記跳ね上がり現象の抑制を簡易に実現できる。

また、リチウム電池のように、負極の剛性が大きくない場合は、正極板のみに上記曲げ加工を行うだけで所望する電極体を作製できる。

以下、本発明に係る電池の製造方法の一例について、図を用いて説明する。
１．電池製造の全体工程
図１は本実施形態の製造方法に係る円筒型のリチウム電池（以下、単に「電池」と記す。）１００の概略製造工程図である。正負の極板を対向させて、両極板を巻回して電極体を作製する工程と、作製された電極体を用いた電池を組み立てる工程とを順に行う。

正及び負の極板１、２は、図１（ａ）のように帯状のものを用い、両極板１、２の間にはセパレータ３を介在させる。
正極板１の作製は、以下のように行う。先ず、正極活物質となる二酸化マンガンに対して適量の導電剤（グラファイト等）と結着剤（ポリテトラフルオロエチレン等）とを添付混合した正極合剤を、ステンレス製のパンチングメタルの両面に塗布し、圧延した後、所定寸法に切断して乾燥する。次に、正極合剤の所定の部分を剥離してパンチングメタルを露出させて、当該露出部分に正極タブ１２をスポット溶接する。そして、正極タブ１２の先端部分以外と、パンチングメタルの露出部分を覆うようにして絶縁テープ１３を貼り付けて正極板１とする。このとき、正極板１の寸法に関しては、長手方向長さ（Ｘ方向の長さ）を１３０ｍｍ、短手方向長さ（Ｙ方向の長さ）を３８ｍｍ、厚み（Ｚ方向の長さ）を０．６７〜０．７２ｍｍとする。また、正極活物質は３．３ｇ／ｃｍ^３の充填密度で形成している。なお、本実施形態では、上記正極板１の長手方向における端部１ａ部分に対して曲げ加工を行う。正極板１の作製工程における一手段、例えば極板芯体を所定の大きさに切断する際のせん断力を受けて端部が曲がった状態となることもあるけれども、当該曲げ加工はそのような切断工程を含むものではない。当該曲げ加工については後述する。

負極板２の作製は、金属リチウム板を所定の寸法に加工することによって行う。このとき、負極板２の寸法は、長手方向長さを１４３ｍｍ、短手方向長さを３５．５ｍｍ、厚みを０．３４ｍｍとする。なお、当該負極板にも所定の位置に負極タブ２１が形成されており、負極板２に負極タブ２１を圧着して形成する。なお、本実施例では負極板は正極のように曲げ加工を行わない。リチウム金属自体が柔らかく、事前に曲げ加工を行う必要性が無いためである。

セパレータ３としては、微多孔性のポリプロピレン製の不織布を用いる。このとき、セパレータの長手方向長さを１４３．０ｍｍ、短手方向長さを３５．５ｍｍ、厚みを０．３４ｍｍとなるようにする。
両極板１、２とセパレータ３を、図１（ａ）で示すように、正極板１、セパレータ３、負極板２、セパレータ３の順に積層させて正極板１を内側にして巻回し、図１（ｂ）で示す巻回電極体（以下、単に「電極体」と記す。）１０を作製する。なお、電極体１０における巻き終り部分又は最外周部分には、巻き止めテープ（不図示）を使用する。当該テープは、粘着テープ用の粘着剤（ゴム系のエラストマー）にエチレンカーボネート（ＥＣ）を２０重量％添加混合し、ポリエチレンテレフタレート製の生地テープに塗布してなる。

そして、図１（ｃ）のように、作製された電極体１０と、有底筒状の外装缶７と、封口体６等を用い、次のようにして電池１００を組み立てる。
正極タブ１２を上部絶縁版４の孔（不図示）に貫通させ、下部絶縁板５と電極体１０と上部絶縁板４とを外装缶７内に収納する。なお、外装缶７の内径は１５．８０ｍｍであり、収納される電極体１０の外径は最大でも１５．８０ｍｍとする。この際、負極タブ２１を外装缶７の底部にスポット溶接し、正極タブ１２を封口体６の封口板６１にスポット溶接する。その後、外装缶７内に非水電解液を注入して電極体１０に含浸させ、封口体６を外装缶７開口部に嵌合し封口体６及び外装缶７をともにカシメ加工して外装缶７の開口部を封口する。なお、非水電解液として、ＥＣ、ブチレンカーボネート、１,２−ジメトキシエタンが体積比において、１５：１５：７０の割合で混合された溶媒に、溶質としてトリフルオロメタンスルホン酸リチウムを０．５ｍｏｌ／Ｌの割合で溶解したものを用いる。
２．極板端部の曲げ加工と効果
電極体１０を作製（極板１、２を巻回）する前に、正極板１における巻き終り予定部分に対して曲げ加工を行う。当加工について、図２の模式断面図を用いて説明する。

図２（ａ）に示すように、固定された成形部材２０１上に正極板１を載置する。成形部材２０１は、湾曲した一端部（以下、「成形湾曲部」と記す。）２０１ａを有しており、正極板１は成形湾曲部２０１ａ側に長手方向端部１ａが延出した状態で載置する。このとき、端部（延出部）１ａは、曲げ加工を行おうとする予定部分であり、その長さＬ１は加工後の湾曲部分の長さに相当し、設置されている押圧ガイド２０４の下に位置するように長さ調整ガイドによって設定する。延出部１ａの長さ設定後、所定位置で固定ガイド２０２によって正極板１を固定する。

次に、図２（ｂ）で示すように、押圧ガイド２０４を下降し、押圧面を正極板１に当接する。当該押圧ガイド２０４は図示のとおり、正極板１と当接する側の端部の一部に略円弧状断面の湾曲部（以下、「押圧湾曲部」と記す。）を有する。なお、当該押圧湾曲部の表面は、上記成形湾曲部２０１ａの表面と略接触可能な形状、つまり成形湾曲部に係る曲率が略同等となるように設定されている。

そして、図２（ｃ）のように、さらに押圧ガイド２０４を下降させる。具体的には、押圧湾曲部が成形湾曲部に近接するように押圧ガイド２０４を移動させて、拡大図に示すように、正極板１の端部１ａが押圧湾曲部に押圧されて成形湾曲部２０１ａに押し当てられた状態となるまで押圧ガイド２０４を下降させる。このとき正極板１は、拡大図のように、固定ガイド２０２で固定されているので位置ずれを生じることなく成形湾曲部２０１ａ側に曲がるような外力を受ける。このように、正極板１の延出部１ａは、押圧ガイド２０４による外力（押圧力）を受けている状態のときに成形湾曲部２０１ａの表面に沿うようにして変形する。

その後、図２（ｄ）のように、押圧ガイド２０４を引き上げ、正極板１に対する圧力を解除する。このとき、拡大図で示すように、正極板１の端部１ａには復元力が作用して成形湾曲部２０１ａから若干離間するが、上述のとおり正極板１の端部１ａは成形湾曲部２０１ａに強く押し付けられたために圧力解除後でも、押圧前の状態（拡大図中、点線部分に相当）にまで戻ることはない。つまり、上記曲げ加工を受けたことで、正極板１の端部１ａは、曲げ加工部分の先端部は押圧された側に向き、延出部１ａ全体が円弧状に湾曲した状態を維持して成形される。ただし、成形された状態における曲率半径は、成形部材に沿うような状態（図２（ｃ）拡大図参照）における曲率半径よりも大きい。上記の押圧ガイド２０４の押圧力に関しては、押圧力解除後に、適切な曲率半径を有する状態に成形されるようにその大きさを適宜設定する。

上記の曲げ加工を経た後に、上記曲げ加工部分が湾曲する側、つまり曲げ加工部分の先端が向いている側が巻回半径内方に相当するようにして、正極板１と負極板２とを対向状態、かつセパレータ３を挟んだ状態で巻回する。当該巻回によって電極体１０を作製する。このように、電極体の作製前（極板を巻回する前）に予め正極板１に曲げ加工を行い、正極板１において巻き終り部に相当する端部が巻回される方向（巻回半径内方）側に曲がった状態にしておけば、正極板１の剛性が強い場合であっても巻き終り部分の跳ね上がりを抑制できるので、電極体を外装缶に収納し易くなり好適である。

なお、正極板１の延出部１ａの長さＬ１は、従来「跳ね上がり」現象の発生部分に相当する長さであり、正極板１の厚みよりも大きくなる適度な長さに設定する。本実施形態に係る当該長さＬ１は正極板１の長手方向長さに対する約２〜３％の長さにすることが好ましい。
ここで、上記成形湾曲部の円弧の曲率半径Ｒ１と曲げ加工後の延出部１ａの曲率半径Ｒ２に関して、曲率半径Ｒ１が大きいほど曲率半径Ｒ２も大きくなるという関係があるが、曲率半径Ｒ１は曲率半径Ｒ２が適当な範囲内に収まるように設定されている。曲率半径Ｒ２が大きすぎると上記跳ね上がり現象の抑制効果が小さくなることを考慮して、電極体において巻き終り部の内側に近接するセパレータ部分の巻回半径、具体的には巻回中心位置から前記近接セパレータ部分の外表面部位間での距離をＲとするとき、Ｒ１はＲ以下の大きさにすることが望ましい。一方、曲率半径Ｒ２が小さすぎると、曲げ加工された延出部が巻回電極体上で凸部となり、反って巻回電極体の外装缶への挿入を妨げたり、延出部１ａ先端が内側のセパレータや負極板等に強く接触してしまい、これらに対して損傷を与えたりするので好ましくない。従って、作製される電極体に適宜対応した曲げ加工となるように、上記成形湾曲部の曲率半径Ｒ１を設定する必要がある。
３．形状加工の検証実験
そこで、上記の曲げ加工において、成形部材２０１における成形湾曲部２０１ａの曲率半径をＲ１と規定しているが、当該曲率半径について以下のような実験を行い、正極板１における有効な曲げ加工の検証を行った。

上記Ｒ１の大きさを適宜変更して曲げ加工部分の曲率半径を調整、つまり曲げ加工における正極板１の延出部１ａが外力を受けているときの曲げ形状を調整した上で、同様の曲げ加工を正極板１の端部に施す。曲げ加工された正極板を各々用いて、電極体を作製し、外装缶７への収納の実現性を調べた。その結果を表１に示す。検証した正極板の種類は以下のとおりである。なお、下記のＲは、図３の模式図で示すように、正極板の端部１ａに対して巻回軸側に隣接するセパレータ３において、巻回中心位置からセパレータ３の外表面部位までの距離を示している。また、表中のＲ加工径に関しては、成形部材の曲率半径Ｒ１、すなわち上記曲げ加工過程において、延出部１ａが押圧を受けている状態での半径を示している。用いた正極板は次の比較例１、２と実施例１〜４に示すものである。
（比較例１）曲げ加工が行われず、湾曲形状を有していない正極板
（比較例２）湾曲形状ではなく、直角となる端部を有する成形部材を用いて成形した正極板
（実施例１）０．０５Ｒの曲率半径の湾曲面を有する成形部材を用いて成形した正極板
（実施例２）０．１０Ｒの曲率半径の湾曲面を有する成形部材を用いて成形した正極板
（実施例３）０．１５Ｒの曲率半径の湾曲面を有する成形部材を用いて成形した正極板
（実施例４）１．００Ｒの曲率半径の湾曲面を有する成形部材を用いて成形した正極板
検証内容としては、比較例１、２、実施例１〜４に係る電極体をそれぞれ１０個作製し、各々の電極体を用いて内径１５．８０ｍｍの外装缶７に対する挿入を試みる。挿入を行うことができた電極体の個数の割合を表１における「挿入状態」の欄に記載している。また、比較例１、２、実施例１〜４の各々の場合において、１０個の電極体が有する巻径（巻回半径）の大きさを「電極体の巻径（ｍｍ）」の欄に示している。

表１から明らかなように、極板１、２の巻回前に予め正極板１に対して曲げ加工が行われていない比較例１では、電極体の巻径が他の比較例、実施例よりも大きい。これは、巻回に要する外力が解除されると、巻回後に正極板１端部に強い復元力が作用し、上記復元力によって正極板1端部が巻回半径が拡がる方向に跳ね上がった状態になるためと考えられる。

一方、比較例２のように、直角な加工部による曲げ加工を行って、正極板１の曲げ加工予定部分も略直角に屈曲した状態に成形した場合では、極板１、２の巻回を行っても、外装缶への収納ができない。これは、電極体において当該曲げ加工を受けた部分が所望の形状（略円周状に沿う形状）とならないためと考えられる。特に、直角に屈曲された箇所は、極板１、２の巻回時に上記略円周状部分から突出した形状となり、電極体の巻径を大きくすることも考えられる。そのため、曲げ加工を行う場合でも直角となるまで曲げ加工を行うことは好ましくないと考えられる。

これに対して、実施例１〜４のような条件で曲げ加工を行う場合には、１０個の電極体における上記「挿入状態」の割合が良くなることが表１から明らかである。実施例１、２においては、外装缶７への収納が収納できない電極体が存在する結果も示されているが、実施例３、４のような条件で曲げ加工を行った場合には、１０個全ての電極体を外装缶７に収納することが可能となる。よって、曲げ加工、０．１５Ｒ以上１．００Ｒ以下の曲率半径を有する状態での曲げ加工であれば、特に簡易かつ確実に電極体を外装缶７内に収納できるため好ましい。

ところで、本実施形態では極板１、２を巻回する前に上記曲げ加工を行っているが、これは、極板１、２の巻回工程の中で正極板１端部１ａに対して曲げ加工を行うことが難しいためである。本実施形態の場合、正極板１とともに負極板２、セパレータ３を巻回するが、正極板１と比較して負極板２やセパレータ３の剛性は弱いため、局所的に正極板１のみを曲げることは難しく、また巻回自体の応力を適宜調整することも難しい。そのため、巻回される前の正極板１に対してだけ、予め巻き終り部に相当する部分が湾曲形状となる状態にまで曲げ加工を行えば、電極１、２を巻回して電極体を作製しても、巻き終り部が跳ね上がるような状態、つまり復元力が作用して大きく巻回時よりも巻回半径が大きくなるような状態になることを抑制できる。

以上のように、剛性が強く、かつ湾曲形状を有していない極板を用いて電極体を作製する場合には、巻回する前に既に端部を湾曲に成形しておくことで、簡易に所望の形状の電極体１０を得ることができる。よって、所望の形状の電極体１０を作製でき、外装缶７への収納も確実に実施でき、電池１００の製造工程における歩留向上に大いに貢献する。
４．その他の事項
本実施形態に係る曲げ加工では湾曲状としているが、端部に斜面状の平面を有する成形部材を用いて屈曲状にしても構わない。曲げ加工を行う曲率又は屈曲角度に関しては、巻回電極体の曲率より大きい又は小さい場合のいずれでも、所望形状の電極体が作製可能であれば構わない。

また、本実施形態では、曲げ加工の際に正極板の延出部の一部分を押圧する方法を採っているが、押圧ガイドの押圧面の形状等によって延出部全てを押圧する方法でも構わない。
さらに、正極板１の延出部分の長さＬ１に関しても、電極体の大きさ及び極板の大きさ等に基づいて適宜変更しても構わない。このとき、本実施形態の場合よりも成形部材の成形湾曲部に係る円弧長さよりも正極板１の延出部１ａ長さが長い場合に、図４の模式図で示すように、上記円弧長さよりも長い部分（図中、Ｌ３の長さ部分）も成形部材２０１に押し当てられる形状としても構わない。

また、図５の断面模式図で示すように、成形湾曲部の形状に対応した湾曲形状を有していない押圧ガイド３０４を用いて上記曲げ加工を行っても構わない。なお、この場合、少なくとも延出部の基端側は、図５（ｂ）のように成形部材の成形湾曲部に押し付けられるように押圧ガイド２０４を作用させることが必要である。
また、曲げ加工は本実施形態のとおり、極板芯体に正極活物質の充填後に行うことが望ましいが、曲げ加工を行った後に正極活物質の充填が容易な場合は、いずれの順番で行っても構わない。同様に、正極タブ形成前後のいずれに上記曲げ加工を行っても構わない。

上記曲げ加工に一例として押圧手段を用いているが、例えば端部を所定方向に引張加工する等で先端部が巻回方向内方側に向いた状態にしても構わない。また、巻回電極体次第では、正極板ではなく負極板を曲がった、又は両極板を曲がった状態としても構わない。

本発明に係る製造方法は、巻回電極体を有する電池の製造において、歩留向上の実現を成すことができるため有用であり、様々なサイズの電池に利用できる。

本実施形態に係る円筒型電池の製造工程を示す斜視図である。本実施形態に係る極板の端部に加工を行う工程が示された断面模式図である。本実施形態に係る巻回電極体の要部断面図である。本実施形態に係る極板の端部に変形例の加工が示された断面模式図である。本実施形態に係る押圧ガイドの変形例による加工が示された断面模式図である。従来の形態に係る巻回電極体の要部断面図である。

符号の説明

１正極板
２負極板
３セパレータ
４電極体
５外装缶
６封口体
７集電体
１００円筒型電池
２０１成形部材
２０２固定ガイド
２０３長さ調節ガイド
２０４押圧ガイド

Claims

正及び負の帯状極板がセパレータを挟んで巻回されてなる巻回電極体を備えた電池の製造方法であって、
前記極板の巻回前に、両極板のうち少なくとも一方の極板の長手方向における巻き終り予定部分に対して曲げ加工を行う加工ステップと、
曲げ加工部分の先端部を内方に向けた状態で巻回する巻回ステップとを有する
ことを特徴とする電池の製造方法。
前記巻回電極体の径方向において、前記曲げ加工部分が巻内側で接する前記セパレータ外表面部位から前記巻回軸までの最大距離をＲとするとき、
前記加工ステップにおいて、前記曲げ加工による外力を受けた状態のときの前記巻き終り予定部分を、０．１５Ｒ以上１．００Ｒ以下の曲率半径を有した湾曲状にする
ことを特徴とする請求項１に記載の電池の製造方法。
前記正の極板を、極板芯体に活物質が充填されてなる構成とし、
前記加工ステップでは、前記正の極板のみに対して、その厚み方向に前記巻き終り予定部分を押圧することで前記曲げ加工を行う
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電池の製造方法。