JP6908056B2 - 電池の製造方法および巻回装置 - Google Patents
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Description
1枚の帯状セパレータの中間部を、巻芯が周面に有する複数の孔部により吸着し、
巻芯により帯状セパレータと共に帯状の正極および負極を巻取ることにより、巻回体を作製し、
孔部による吸着を解除し、巻芯を巻回体から抜き取ることにより電極体を作製し、
電極体を電池容器内に収納して電池を構成し、
孔部は、中空構造の巻芯に内部に通じており、
巻芯の外径が0.8mm以上2mm以下であり、
孔部の幅は、0.2mm以上、巻芯の外径の1/4以下である
電池の製造方法である。
巻芯を有する巻軸部と、
巻軸部を該巻軸部の軸方向に移動可能に支持する支持部と
を備え、
巻芯は、外径が0.8mm以上2mm以下であり、複数の孔部を周面に有し、
孔部の幅は、0.2mm以上、巻芯の外径の1/4以下であり、
巻芯および巻軸部は、複数の孔部と繋がる中空部を有している巻回装置である。
<1.一実施形態>
<2.変形例>
以下に説明する実施形態等は本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
[電池の構成]
図1A、図1B、図1Cは、本技術の一実施形態に係る電池の外観の一例を示す。図2は、本技術の一実施形態に係る電池の構成の一例を示す。本技術の一実施形態に係るフィルム外装型電池(以下単に「電池」という。)は、所謂リチウムイオン二次電池であり、略円柱状の巻回型電極体(以下単に「電極体」という。)1と、電極体1を収容する略円柱状の収容部2W、および収容部2Wの周囲のうち周面側にある折り返し部2Dを除く3方に設けられたシール部2P、2Q、2Rを有するフィルム状の外装材2と、電極体1に接続された正極リード3および負極リード4とを備えている。本技術の一実施形態に係る電池は、全体としてはピン形状の小型の電池である。
正極リード3の一端は電極体1の正極に電気的に接続され、正極リード3の他端はシール部2Pを介して外装材2の外側に導出されている。また、負極リード4の一端は電極体1の負極に電気的に接続され、負極リード4の他端はシール部2Qを介して外装材2の外側に導出されている。
外装材2は、図2に示すように、同一方向に延設され、この延設の方向に直交する方向に並ぶ、深さが異なる2つの略部分円柱状の収容部2X、2Yと、この収容部2X、2Yの両端面側および周面側(側面側)の3方に設けられた周縁部2A、2B、2Cとを有する。ここで、略部分円柱状とは、略円柱状の形状をその軸方向に切断して2分割した形状のことをいう。収容部2Xの略部分円柱状は、上記のように2分割された一方の形状であり、収容部2Yの略部分円柱状は、上記のように2分割された他方の形状である。
電極体1は、それぞれ長尺の矩形状を有する正極と負極とセパレータとを有し、正極と負極とをセパレータを介して、その長手方向に巻回した巻回構造を有している。正極は、例えば、アルミニウムなどの金属箔を正極集電体とし、その両面に正極活物質を有する正極活物質層を備えるものである。負極は、例えば、銅などの金属箔を負極集電体とし、その両面に負極活物質を有する負極活物質層を備えるものである。なお、正極集電体および負極集電体の材料として、ニッケルまたはステンレスなども用いることができる。
正極活物質は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料であり、例えば、リチウム酸化物、リチウムリン酸化物、リチウム硫化物またはリチウムを含む層間化合物などのリチウム含有化合物が適当であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。エネルギー密度を高くするには、リチウムと遷移金属元素と酸素とを有するリチウム含有化合物が好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、層状岩塩型構造を有するリチウム複合遷移金属酸化物、またはオリビン型構造を有するリチウム複合リン酸塩などが挙げられる。リチウム含有化合物としては、遷移金属元素として、コバルト、ニッケル、マンガン、または鉄からなる群のうち少なくとも1種を含むものが好ましい。リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、これらの他にも、MnO2、V2O5、V6O13、NiS、MoSなどのリチウムを含まない無機化合物も挙げられる。
負極活物質は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料であり、例えば、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、または活性炭などの炭素材料が挙げられる。黒鉛としては、球形化処理などを施した天然黒鉛、または略球状の人造黒鉛などを用いることが好ましい。人造黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)を黒鉛化した人造黒鉛、コースク原料を黒鉛化、または粉砕した人造黒鉛などが好ましい。コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークス、または石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。この高分子材料としては、ポリアセチレンまたはポリピロールなどがある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。
セパレータは、正負極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるもので、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、これらの混合物もしくは共重合物などよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜であり、これらの2種以上の多孔質膜を積層したものであってもよい。中でもポリオレフィン製の多孔質膜は、短絡防止効果に優れ、かつ高温時のシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましく、特にポリエチレン製の多孔質膜が好ましい。
電極体1は、非水電解液を含んでいる。なお、非水電解液とこれを保持する高分子化合物とを含む電解質層をセパレータと共に正負極間に備えるようにしてもよい。この場合、電解質層をセパレータの代わりとし、セパレータを備えないようにしてもよい。非水電解液は、溶媒と電解質塩とを含んでいる。なお、電池特性を向上するために、非水電解液が、公知の添加剤をさらに含むようにしてもよい。
次に、図5を参照して、本技術の一実施形態に係る電池の製造に用いられる深絞り加工装置の構成の一例について説明する。
d1>d2 ・・・(1a)
(但し、式(1a)中、d1、d2はそれぞれ、成形部32、33の高さである。)
r1=r2 ・・・(2a)
(但し、式(2a)中、r1、r2はそれぞれ、成形部32、33の半径である。)
w1=w2 ・・・(3a)
(但し、式(3a)中、w1、w2はそれぞれ、成形部32、33の幅である。)
d1>d2 ・・・(1b)
r1>r2 ・・・(2b)
w1>w2 ・・・(3b)
次に、図6、図7A、図7Bを参照して、本技術の一実施形態に係る電極体1の製造に用いられる巻回装置の構成の一例について説明する。図6は、巻回装置60の断面構造を示す図であり、図7A、図7Bは、巻芯61の形状例を説明するための図である。
次に、図5、図8A〜図8D、図9A〜図9Cを参照して、本技術の一実施形態に係る電池の製造方法の一例について説明する。
図5に示した深絞り加工装置を用いて、以下のようにしてエンボス加工により外装材2を成形する。まず、下ダイ42の載置面42Bと上ダイ43の押え面43Bとで外装材2を挟持する。次に、パンチ31を下降させて孔部41Aに押し込み、成形部32、33により外装材2の内側面(第1面)を押圧するとともに、境界部34の位置において外装材2の外側面(第2面)を支持部材44により支持しつつ、外装材2を変形させる。成形部32、33が所定の深さまでに押し込まれたら、パンチ31を上昇させて孔部41Aから抜き出す。これにより、図8Aに示すように、外装材2に収容部2X、2Yが形成される。
D1>D2 ・・・(1A)
(但し、式(1A)中、D1、D2はそれぞれ、周縁部2A、2B、2Cの内側面を基準にした収容部2X、2Yの深さである。)
R1=R2 ・・・(2A)
(但し、式(2A)中、R1、R2はそれぞれ、収容部2X、2Yの半径である。)
W1=W2 ・・・(3A)
(但し、式(3A)中、W1、W2はそれぞれ、収容部2X、2Yの幅である。)
D1>D2 ・・・(1B)
R1>R2 ・・・(2B)
W1>W2 ・・・(3B)
以下のようにして、収容部2Wの周囲のうち周面側にある折り返し部2Dを除く3方をシールして、電極体1を外装材2により封止する。まず、図8Bに示すように、収容部2X、2Yのうち、より深さの深い収容部2Xに、正極リード3および負極リード4が取り付けられた電極体1を収納する。次に、図8Cに示すように、収容部2X、2Y間の折り返し部2Dで外装材2を折り返し、図8Dに示すように、収容部2X、2Yの周囲のうち両端面側および周面側(側面側)の3方を囲む周縁部2A、2B、2C同士を重ね合わせるとともに、収容部2X、2Yを組み合わせることにより、収容部2Wを形成する。この際、正極リード3と外装材2との間にはシーラント材5Aが配置されているとともに、負極リード4と外装材2との間にはシーラント材5Bが配置されていることが好ましい。
次に、本技術の一実施形態に係る電極体1の製造方法の一例について説明する。
始めに、図10A〜図10Fを参照して、製造方法の全体の流れについて説明する。なお、以下の説明において、図中左側を前方と称し、前方への移動を前進と称する。また、図中右側を後方と称し、後方への移動を後退と称する。
次に、図11A〜図11Gを参照して、巻取り処理の流れについて説明する。なお、図11A〜図11Gでは、図示が煩雑となることを防止するため、各構成を簡略化して示しているが、各構成は適宜な駆動機器や支持装置に接続されている。
以上、本技術の一実施形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
PE単層の微多孔膜
厚みは10μm、幅(短手方向の長さ)は30mm、目付は5.6g/m2、通気度は200sec/100ml
正極を次にようにして作製した。まず、炭酸リチウム(Li2CO3)と炭酸コバルト(CoCO3)とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中において900℃で5時間焼成することにより、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)を得た。次に、上述のようにして得られたリチウムコバルト複合酸化物91質量部と、導電剤としてグラファイト6質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合することにより正極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとした。次に、帯状のアルミニウム箔(12μm厚)からなる正極集電体の両面に正極合剤スラリーを塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、正極活物質層を形成した。
負極を次のようにして作製した。まず、負極活物質として人造黒鉛粉末97質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して負極合剤としたのち、N−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の負極合剤スラリーとした。次に、帯状の銅箔(15μm厚)からなる負極集電体の両面に負極合剤スラリーを塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、負極活物質層を形成した。
始めに、巻芯の形状、外径、セパレータの巻取開始位置を変化させた時に得られる電極体について評価した。電極体の外径は、外径の最大値に設定した。電極体は、正極(240mm)、負極(210mm)、セパレータ(205mm(全長では倍の410mm))を巻き付けることにより作製した。巻芯のたわみは、セパレータに50gの張力を与え、正極および負極と共に巻き取ったときの巻芯のたわみ量である。巻芯の長さは75mmに設定し、孔部(長穴)の長さを8mm、孔部の幅を0.2mm、孔部間の距離を3mmに、孔部の数を2個に設定した。各サンプルにおけるサンプル数NはN=10とした。結果を表1に示す。
巻芯の外径が1.5mm以下の割巻芯では、巻芯のたわみが大きく、巻ずれが生じたり巻芯が破損してしまうことが確認された。また、巻芯の外径が2.0mmの割巻芯は、巻ずれは生じないものの、真円度が低下することが確認された。サンプル1−1、2−1、3−1、4−1に示される吸着巻芯では、巻ずれが発生せずに、0.99以上の高い真円度となった。サンプル5−1の吸着巻芯では、巻ずれが10%発生することが確認された。以上から、巻芯の外径は0.8〜2mmが好ましく、真円度の観点からは1.0〜2mmがさらに好ましいことが確認された。
次に、巻芯に形成される吸着部(孔部)の形状を変化させて吸着力を測定した。サンプル6は、実施形態における孔部と同様に吸着部の形状を長穴とした。長穴の数は2個とし、それぞれの長穴の幅を0.2mmとし、それぞれの長穴の長手方向の長さを8mmとした。長穴間の距離は1mm以上とし、本例では3mmに設定した。巻芯の外径は2mmとした。サンプル7は、吸着部の形状を多孔タイプとした。巻芯に径(φ)が0.25mmの孔部を0.5mmのピッチで32個形成した。サンプル8、9は、吸着部の形状をポーラスとした。サンプル8は、巻芯の全周をポーラスとした。サンプル9は、巻芯の外径の中心角90度の弦長に対応する箇所をポーラスとした。結果を表2に示す。
表2に示す結果から、サンプル6では2Nの吸着力が測定された。サンプル7〜9では吸着力が0(吸着しない)ことが確認された。したがって、吸着部の形状は、長穴であることが好ましい。
表3に示すように、サンプル10では、巻芯が破損することが確認された。また、サンプル11では、全サンプルの10%に巻ずれが発生することが確認された。巻芯の外径が0.8mm以上であり、巻芯の内径が0.5mm以上であると、巻ずれが生じないことが確認された。また、0.99以上の真円度が確認された。ただし、サンプル16では、巻芯の抜け性が34Nと大きくなることが確認された。したがって、巻芯の外径は2mm以下であることが好ましい。
次に、吸着部を構成する長穴の長さ、個数、長穴間の距離、セパレータの幅に対する長穴の全長(長穴の長さの合計)の比率を変え、吸着力を測定し、吸着の可否に対して評価した。セパレータの幅は30mmに設定し、作製対象の電極体の外径は8mmに設定した。巻芯の外径は1mmに設定し、巻芯の内径は0.7mmに設定した。長穴の幅は0.2mmに設定した。各サンプルにおけるサンプル数NはN=10に設定した。吸着力の評価は、吸着力が0Nの場合は「×(不可)」とし、吸着力が0〜1N未満の場合は「△(許容範囲)」とし、吸着力が1N以上の場合は「○(良好)」とした(後記実施例5についても同様)。結果を表5に示す。
表5に示すように、サンプル31では、吸着力が0である(吸着しない)ことが確認された。サンプル30、33では、吸着するものの吸着力が1N未満と低いことが確認された。表5に示す結果から、セパレータの幅に対する長穴の全長の比率が20%より大きいことが好ましく、より好ましくは30%以上であり、80%以下が好ましいことが確認された。また、巻芯の軸方向における孔部の間隔は、2mm以上でセパレータの幅の半分以下であることが好ましいことが確認された。
次に、吸着部を構成する長穴の幅を変化させた際の吸着の可否、巻ずれの有無について評価した。セパレータの幅は30mmに設定し、作製対象の電極体の外径は8mmに設定した。巻芯の内径は0.7mmに設定した。長穴(吸着穴)の長さは8mmに設定した。長穴の数は2個に設定し、長穴間の距離は3mmに設定した。各サンプルにおけるサンプル数Nは、N=10に設定した。巻芯の外径が1mmのときの結果を表6に示し、巻芯の外径が2mmのときの結果を表7に示す。
表6のサンプル35(長穴の幅が0.7mm)、36(長穴の幅が0.6mm)では巻芯が破損若しくは変形することが確認された。また、サンプル40(長穴の幅が0.1mm)では吸着力が低く、サンプル41(長穴の幅が0.08mm)では、吸着しないことが確認された。また、表7のサンプル47(長穴の幅が0.1mm)では吸着力が低く、サンプル48(長穴の幅が0.08mm)では、吸着しないことが確認された。したがって、巻芯の外径が2mm以下の場合、長穴の幅は0.1mm以上、好ましくは0.2mm以上であり、さらに好ましくは0.2mm以上、巻芯の外径の半分以下であることが確認された。
(1)
1枚の帯状セパレータの中間部を、巻芯が周面に有する複数の孔部により吸着し、
前記巻芯により前記帯状セパレータと共に帯状の正極および負極を巻取ることにより、巻回体を作製し、
前記孔部による吸着を解除し、前記巻芯を巻回体から抜き取ることにより電極体を作製し、
前記電極体を電池容器内に収納して電池を構成し、
前記孔部は、中空構造の前記巻芯に内部に通じており、
前記巻芯の外径が2mm以下である
電池の製造方法。
(2)
前記複数の孔部は、前記巻芯の軸方向に沿って1列に並んで配置されている(1)に記載の電池の製造方法。
(3)
前記複数の孔部は、前記巻芯の外周に1列のみ配置されている(2)に記載の電池の製造方法。
(4)
前記孔部の幅は、0.2mm以上、前記巻芯の外径の1/4以下である(1)〜(3)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(5)
複数の前記孔部の長さの合計は、前記セパレータの幅の30%以上、前記セパレータの幅の80%以下である(1)〜(4)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(6)
前記孔部の長さは、2mm以上12mm以下である(1)〜(5)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(7)
前記巻芯の軸方向における前記孔部の間隔は、2mm以上、セパレータの幅の半分以下である(1)〜(6)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(8)
前記巻芯は、中空円柱状を有し、
前記複数の孔部は、前記巻芯の中空部と繋がっている(1)〜(7)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(9)
前記巻芯の一端は、閉じている(8)に記載の電池の製造方法。
(10)
前記巻芯は、ステンレス鋼、超硬、セラミックおよびチタンのいずれか含んでいる(1)〜(9)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(11)
前記巻回体の作製後、前記吸着の解除前に、前記セパレータを切断することをさらに含む(1)〜(10)のいずれかに記載の電池の製造方法。
(12)
円柱状に巻回され、中心に中空部を有する電極体を備え、
前記電極体の外径が10mm以下であり、
前記電極体の内径が2mm以下であり、
前記電極体の外径の最大値に対する前記電極体の外径の最小値の割合が、0.99以上1.00以下である電池。
(13)
巻芯を有する巻軸部と、
前記巻軸部を該巻軸部の軸方向に移動可能に支持する支持部と
を備え、
前記巻芯は、外径が2mm以下であり、複数の孔部を周面に有し、
前記巻芯および前記巻軸部は、前記複数の孔部と繋がる中空部を有している巻回装置。
1A・・・巻回体
60・・・巻回装置
61・・・巻芯
61A・・・巻芯の先端
61B、61C・・・孔部
71・・・セパレータ
72・・・正極
73・・・負極
Claims (11)
- 1枚の帯状セパレータの中間部を、巻芯が周面に有する複数の孔部により吸着し、
前記巻芯により前記帯状セパレータと共に帯状の正極および負極を巻取ることにより、巻回体を作製し、
前記孔部による吸着を解除し、前記巻芯を巻回体から抜き取ることにより電極体を作製し、
前記電極体を電池容器内に収納して電池を構成し、
前記孔部は、中空構造の前記巻芯に内部に通じており、
前記巻芯の外径が0.8mm以上2mm以下であり、
前記孔部の幅は、0.2mm以上、前記巻芯の外径の1/4以下である
電池の製造方法。 - 前記複数の孔部は、前記巻芯の軸方向に沿って1列に並んで配置されている請求項1に記載の電池の製造方法。
- 前記複数の孔部は、前記巻芯の外周に1列のみ配置されている請求項2に記載の電池の製造方法。
- 複数の前記孔部の長さの合計は、前記セパレータの幅の30%以上、前記セパレータの幅の80%以下である請求項1から3までの何れかに記載の電池の製造方法。
- 前記孔部の長さは、2mm以上12mm以下である請求項1から4までの何れかに記載の電池の製造方法。
- 前記巻芯の軸方向における前記孔部の間隔は、2mm以上、セパレータの幅の半分以下である請求項1から5までの何れかに記載の電池の製造方法。
- 前記巻芯は、中空円柱状を有し、
前記複数の孔部は、前記巻芯の中空部と繋がっている請求項1から6までの何れかに記載の電池の製造方法。 - 前記巻芯の一端は、閉じている請求項7に記載の電池の製造方法。
- 前記巻芯は、ステンレス鋼、超硬、セラミックおよびチタンのいずれかを含んでいる請求項1から8までの何れかに記載の電池の製造方法。
- 前記巻回体の作製後、前記吸着の解除前に、前記セパレータを切断することをさらに含む請求項1から9までの何れかに記載の電池の製造方法。
- 巻芯を有する巻軸部と、
前記巻軸部を該巻軸部の軸方向に移動可能に支持する支持部と
を備え、
前記巻芯は、外径が0.8mm以上2mm以下であり、複数の孔部を周面に有し、
前記孔部の幅は、0.2mm以上、前記巻芯の外径の1/4以下であり、
前記巻芯および前記巻軸部は、前記複数の孔部と繋がる中空部を有している巻回装置。
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