JP2007026939A

JP2007026939A - 捲回型電池とその製造方法

Info

Publication number: JP2007026939A
Application number: JP2005208494A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Arakawa; 洋荒川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-19
Also published as: JP4984450B2

Abstract

【課題】扁平な巻き芯によって扁平に巻かれた電極体を有する捲回型電池であっても，電池特性等に影響を与えることなく，巻き終わり端部を所望の位置に配置させることができる捲回型電池とその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明のリチウムイオン二次電池１０は，正極活物質２４を塗工した正極板２１と負極活物質２６を塗工した負極板２２とをセパレータで絶縁しつつ捲回した電極体１１と，電極体１１を電解質とともに収容するケース１２とを有し，正極板２１と負極板２２との少なくとも一方の巻き終わり端２１ｅ，２２ｅに隣接する領域に，活物質２４，２６が塗工されていない未塗工領域Ｌ２，Ｌ４が形成されているものである。
【選択図】図２

Description

本発明は，正極板と負極板とをそれぞれセパレータで絶縁しつつ捲回してなる捲回型の電池とその製造方法に関する。さらに詳細には，角形ケース等に封入されて使用される扁平型の捲回型電池とその製造方法に関するものである。

従来より，正極板と負極板とがセパレータを挟んで捲回された電極体を有する電池が使用されている。このような捲回型の電池では，電極体の巻き終わり端部の箇所ではわずかに外形に段差ができる。もし，段差部分に集中的に力が加わった場合には，その段差位置の内部に局所的に大きい圧力が加わるおそれがある。そのため，この巻き終わり端部が適切な位置に来るようにすることが必要である。

ここで，捲回型電池の製造方法の１つとして，略円筒型に捲回した電極積層体を直径方向に押しつぶすことにより，扁平型の電極体を形成する方法がある。この製造方法では，巻き終わり端部をほぼ所望の位置に配置させることができる。例えば特許文献１には，ケースと電極体との間に加圧板を設けて，圧力が集中しないようにした電池が開示されている。この文献に記載の電池では，加圧板による加圧部と電極体側部のＲ部との間に巻き終わり端部が配置されている。あるいは，特許文献２には，電極体の端部を電極体側面の湾曲部において絶縁テープや接着剤によって固定した電池が開示されている。この文献に記載の電池では，電極体側部のＲ部に巻き終わり端部が配置されている。

これに対し，捲回時のテンションを一定にして，扁平な巻き芯を軸に初めから扁平に捲回することによる電極体の製造方法がある。一般に電池の正極板や負極板は，金属箔等にそれぞれの活物質を塗工して形成され，その長さは電池容量等の特性によって決定されている。従って，このような電池の電極体は，所定の長さの電極板を所定のテンションをかけつつ扁平に捲回することにより製造される。
特開２０００−３５７５３５号公報特開２００２−２８９２５７号公報

しかしながら，前記した扁平な巻き芯によって捲回される電池では，同じ長さの電極板を巻いて製造した電極体であっても，その巻き終わり端部は必ずしも同じ場所に来るとは限らないという問題点があった。電極板は剛体ではないため，同一の製造条件によって製造しても微妙な差が出てくることが避けられないのである。

このため，巻き終わり端部による段差が電極体の捲回平面部に来てしまうと，例えば事故等の原因により部分的に大きな力が加わった場合には，電流集中によるデンドライトが発生するおそれがあった。特にポール側突等の悪条件では，この段差部分からセパレータに亀裂が生じ，短絡するおそれがあるという問題点があった。そのため，巻き終わり端部を確実に両側のＲ部に配置させたいという要望があった。

本発明は，前記した従来の捲回型電池とその製造方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，扁平な巻き芯によって扁平に巻かれた電極体を有する捲回型電池であっても，電池特性等に影響を与えることなく，巻き終わり端部を所望の位置に配置させることができる捲回型電池とその製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の捲回型電池は，正極活物質を塗工した正極板と負極活物質を塗工した負極板とをセパレータで絶縁しつつ捲回した電極捲回体と，電極捲回体を電解質とともに収容する容器とを有する捲回型電池であって，正極板と負極板との少なくとも一方の巻き終わり端に隣接する領域に，活物質が塗工されていない未塗工領域が形成されているものである。

本発明の捲回型電池によれば，電極捲回体は，正極活物質を塗工した正極板と負極活物質を塗工した負極板とがセパレータで絶縁されつつ捲回されている。捲回型電池は，その電極捲回体が電解質とともに容器に収容されている。ここで，正極板と負極板との少なくとも一方の巻き終わり端に隣接する領域に，活物質が塗工されていない未塗工領域が形成されていれば，この未塗工領域の大きさは比較的自由に変化させることができる。これは，未塗工領域の大きさは電池特性には影響を与えないものだからである。従って，本発明では，未塗工領域を形成することにより，正極板あるいは負極板の巻き終わり端の位置を調整できる。これにより，電池特性等に影響を与えることなく，巻き終わり端部を所望の位置に配置させることができる捲回型電池となっている。

さらに本発明では，正極板および負極板の双方に未塗工領域が形成されていることが望ましい。このようなものであれば，正極板も負極板もともにその巻き終わり端の位置調整が可能である。

さらに本発明では，未塗工領域の周方向の長さが，電極捲回体の外周長の２分の１を超えない長さであることが望ましい。このようなものであれば，塗工領域が電極捲回体の外周のどの位置で終了しても，未塗工領域の終端部すなわち電極板の巻き終わり端の配置を所望の位置とすることができる。

さらに本発明では，容器が，非円形断面形状のものであり，正極板と負極板の少なくとも一方の巻き終わり端が，電極捲回体と容器の内面との間に隙間がある範囲内に位置することが望ましい。容器が非円形断面形状であるので，その内径は一定ではない。そのため，電極捲回体と容器の内面との間の隙間も一定ではない。そこで，この間にある程度の隙間がある範囲内に，巻き終わり端が位置すれば，電極捲回体が膨張しても巻き終わり端が容器の内面に圧接されないようにすることができる。従って，電極捲回体の内部に集中して圧力が加えられるおそれはない。

さらに本発明では，電極捲回体および容器が扁平形状のものであり，正極板と負極板の少なくとも一方の巻き終わり端が，電極捲回体の外周と容器の内面との間に隙間があるＲ部内に位置することが望ましい。電極捲回体が扁平形状であるとは，その巻き中心に対して径が一定でなく，短径＜長径となっているものである。また，容器が扁平形状とは，側面形状が略長方形で，側面に比較して大面積の１組の平面部を有するものであり，角部は丸められているものも含む。容器に挿入された電極捲回体の巻き中心は，容器の平面部に平行に配置される。従って，電極捲回体の長径端部はＲ部となり，そのＲ部に巻き終わり端が位置すれば，容器の内面等によって圧接されることが無い。

また，本発明の捲回型電池の製造方法は，正極板と負極板との少なくとも一方に，活物質が塗工されていない未塗工領域を，電極捲回体の周長の２分の１以上の長さにわたって設けておき，正極板と負極板とをセパレータで絶縁しつつ捲回し，正極板または負極板の未塗工領域の少なくとも一部が電極捲回体の外周の所望の領域上に来たときに，その極板の未塗工領域内でかつ所望の領域上の位置を切断することにより，その極板の切断後の巻き終わり端を所望の領域内に配置する捲回型電池の製造方法である。

本発明の製造方法によれば，正極板と負極板との少なくとも一方に，活物質が塗工されていない未塗工領域が，電極捲回体の周長の２分の１以上の長さにわたって設けられる。さらに，この正極板と負極板とをセパレータで絶縁しつつ捲回し，正極板または負極板の未塗工領域の少なくとも一部が電極捲回体の外周の所望の領域上に来たときに，その極板の未塗工領域内でかつ所望の領域上の位置を切断する。これにより，その極板の切断後の巻き終わり端は，所望の領域内に配置される。

さらに本発明では，電極捲回体の捲回形状が扁平形であり，所望の領域が，電極捲回体を扁平容器に収容したときに電極捲回体の外周と容器の内面との間に隙間ができるＲ部であることが望ましい。このようにすれば，電極捲回体の巻き終わり端を容器の内面との間に隙間ができるＲ部に位置させることができる。

本発明の捲回型電池とその製造方法によれば，扁平な巻き芯によって扁平に巻かれた電極体を有する捲回型電池であっても，電池特性等に影響を与えることなく，巻き終わり端部を所望の位置に配置させることができる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，捲回型のリチウムイオン二次電池に本発明を適用したものである。

本形態のリチウムイオン二次電池１０は，図１に示すように，扁平に捲回された電極体１１が電解液とともに角形のケース１２に封入されたものである。ケース１２の上部には，正極端子１３と負極端子１４が突出して固定されている。ここで，電極体１１は，正極板と負極板とがセパレータを挟んで，扁平な巻き芯を利用して初めから扁平型に捲回されたものである。また以下では，ケース１２のうち図中手前と奥側の面積の大きい面を平面部と言う。

本形態の二次電池１０の断面の一例を図２〜図４に示す。これらは，同一仕様の電池の個体差を表している。これらの図では，最外周以外の内部の状態およびセパレータは省略し，図１とは縦横を変更して示している。従って，図２に示すように，図中の上下がケース１２の平面部に相当している。また，いずれの例においても，最外周の正極板２１の巻き終わり端部２１ｅおよび負極板２２の巻き終わり端部２２ｅは，左右のＲ部に配置されている。

ここで，図２に示すように，電極体１１の扁平面はケース１２の両平面部にほぼ接して挿入されており，電極体１１の左右端部はケース１２との間にやや隙間がある。これは，二次電池１０ではその充放電によって電極体１１が膨張・収縮を繰り返すため，あらかじめある程度の余裕を設けておくのである。この電極体１１では，膨張したときにその外周のさらに広い部分がケース１２の両平面部に圧接されて，より扁平な形状へと変化する。そして，上記のＲ部とは，このように膨張した状態においてもケース１２に圧接されない部分のことである。

また，図２に示す電極体１１の正極板２１は，図５に伸ばして示すように，アルミニウム箔２３に正極活物質２４が途中まで塗工されている。図５中左端が巻き初め位置であり，そこから電池特性等から決定されている所定の塗工領域Ｌ１まで正極活物質２４が塗工され，続いて正極活物質２４が塗工されていない未塗工領域Ｌ２が形成されている。図中右端が未塗工領域Ｌ２の終端であり，この位置が正極板２１の巻き終わり端部２１ｅでもある。また，本形態の負極板２２は，図６に示すように，銅箔２５に負極活物質２６が途中まで塗工されている。負極活物質２６の塗工領域Ｌ３は，正極活物質２４の塗工領域Ｌ１と同様に電池特性等から決定される。図中右端が未塗工領域Ｌ４の終端であり，負極板２２の巻き終わり端部２２ｅでもある。

ここで，課題欄にも記載したように扁平な巻き芯によって捲回される捲回体では，同一の長さの帯を同一のテンションをかけて同じように捲回しても，その巻き終わりの位置は必ずしも同一とはならない。そのため，図２に示した電極体１１と同一の塗工領域Ｌ１を有する正極板２１と同一の塗工領域Ｌ３を有する負極板２２とを使用して捲回しても，それらの塗工領域Ｌ１，Ｌ３の終端は，図３や図４に黒く示しているように個体差により異なる位置となるのである。

そこで，本形態の電極体１１では，正極板２１の未塗工領域Ｌ２と負極板２２の未塗工領域Ｌ４との長さを変えることにより，巻き終わり端部２１ｅ，２２ｅを常にＲ部に配置させている。正極板２１の未塗工領域Ｌ２や負極板２２の未塗工領域Ｌ４は，電極体１１の巻き終わり状態での外周長の半分をＬ０としたとき，０≦Ｌ２≦Ｌ０，０≦Ｌ４≦Ｌ０の範囲内である。これにより，本形態の電極体１１では，この未塗工領域Ｌ２，Ｌ４により，電池特性等を狙い通りとしつつ，正極板２１と負極板２２との巻き終わり端部２１ｅ，２２ｅを所望の位置に配置させることができる。

すなわち，図２〜図４の例において，各塗工領域Ｌ１，Ｌ３は全て等しく，各未塗工領域Ｌ２，Ｌ４はそれぞれ異なっている。このようにすることにより，図２〜図４の電極体１１を封入した二次電池１０の電池特性は全て等しく，しかも，巻き方の個体差にかかわらず，いずれの電極体１１の巻き終わり端部２１ｅ，２２ｅもＲ部に位置している。ここで，未塗工領域Ｌ２の長さと未塗工領域Ｌ４の長さとは，必ずしも同じぐらいであるとは限らない。

なお，本形態の電極体１１は，ケース１２の両平面部にのみ圧接されるとしたが，ケース１２の側面部（図２中左右面）にも圧接されるものでは，左右の端部を除いて，ケース１２の四隅に相当する部分に，正極板２１および負極板２２の巻き終わり端部２１ｅ，２２ｅを配置すると良い。この部分であれば，電極体１１が膨張したときにもケース１２に圧接されることはないからである。

次に，本形態の電極体１１の製造方法を説明する。本形態の製造方法は，（１）正極板，負極板の製造工程，（２）捲回工程，（３）正極板，負極板の終端部設定工程，（４）セパレータ固定工程の各工程を有している。

まず，（１）正極板，負極板の製造工程では，図７に示すように正極板２１を，また，図８に示すように負極板２２を，それぞれ製造する。正極板２１の製造工程では，帯状のアルミニウム箔２３に，正極活物質２４を塗工領域Ｌ１にわたって塗工する。次に，未塗工領域Ｌ０を残して，次の塗工領域Ｌ１に塗工する。これを繰り返して帯状の正極板２１を製造する。未塗工領域Ｌ０は，上記の電極体１１の巻き終わり状態での外周長の半分である。

また同様に，負極板２２の製造工程では，帯状の銅箔２５に，負極活物質２６を塗工領域Ｌ３にわたって塗工する。次に，未塗工領域Ｌ０を残して，次の塗工領域Ｌ３に塗工する。これを繰り返して帯状の負極板２２を製造する。なお，塗工領域Ｌ１と塗工領域Ｌ３は，電池特性等により決定される１セル分の長さ範囲であり，一般的には正負極で同じ長さにされる。また，この両極板の製造工程には，金属箔にペースト状の活物質を塗り，乾燥・圧延する各工程を含んでいる。

次に，（２）捲回工程では，それぞれ製造された正極板２１と負極板２２とをセパレータを挟んで捲回する。内側から順に，正極板２１，内側セパレータ２７，負極板２２，外側セパレータ２８の端部を，扁平状の巻き芯にそれぞれ固定する。この巻き初めの端部には未塗工領域は不要である。そして，それぞれに所定のテンションをかけつつ巻き芯を回転させることにより，図９と図１０に示すように，扁平状に捲回する。図１０は，図９の捲回軸に垂直な方向の断面を模式的に示したものであり，ここでは，既に１セル分の正極板２１と負極板２２とのほとんどが捲回された状態を示している。

次に，（３）正極板，負極板の終端部設定工程では，内周側の正極板２１から処理を行う。まず，図１１に示すように，正極板２１の塗工領域Ｌ１の正極活物質２４が完全に巻き取られた後，未塗工領域Ｌ０のうち，Ｒ部からはみ出ている部分を切り落として仮止めする。これにより，正極板２１の巻き終わり端部２１ｅは電極体１１のＲ部に配置される。次に，巻き芯を半回転させ，図１２に示すように，負極板２２の塗工領域Ｌ３の負極活物質２６が完全に巻き取られた後，未塗工領域Ｌ０のうち，Ｒ部からはみ出ている部分を切り落として仮止めする。これにより，負極板２２の巻き終わり端部２２ｅは電極体１１のＲ部に配置される。このとき，内側セパレータ２７は折り返しておく。

次に，（４）セパレータ固定工程では，折り返しておいた内側セパレータ２７と外側セパレータ２８とを重ね合わせて，１〜３周程度巻き付け，図１３に示すようにＲ部において接着テープ２９で固定する。これで，本形態の電極体１１が完成した。

さらに，上記のように製造した電極体１１をケース１２に封入して本形態のリチウムイオン二次電池１０ができる。まず，電極体１１の正極板２１に正極端子１３を，負極板２２に負極端子１４を，それぞれ接着テープ２９側に突出するように接続する。そして，両極端子１３，１４が接続された電極体１１を，ケース１２内に挿入する。このとき，両極端子１３，１４は図１中上方向に向けられるので，接着テープ２９も上側に配置される。さらに，電解液を充填して蓋を固定することにより，封入する。これにより，図１に示した本形態の二次電池１０が完成した。

次に，このように製造された二次電池１０に対して，図１４に示すように，ポール側突を想定した縦方向の圧壊試験を実施した。この試験では，二次電池１０の中央付近へ，図中縦方向の圧壊バー３１を所定の荷重で衝突させた。比較のために，ケースの平面部に対向する位置に正極板と負極板の巻き終わり端部が配置されている他は，本形態と同様の二次電池を製造し，比較例とした。その結果は，図１５に示すように，比較例では荷重２．４トンで短絡が発生したのに対し，本形態の二次電池１０では，荷重３．０トンまでは短絡が発生しなかった。従って，本形態の二次電池１０では，ポール側突等の事故に対する耐圧が向上していると言える。

以上詳細に説明したように，本形態の二次電池１０によれば，正極板２１と負極板２２とにあらかじめ未塗工領域を設けているので，扁平型の巻き芯を使用して捲回した後，未塗工領域内で切り落とすことにより巻き終わり端部２１ｅ，２２ｅを所望の位置に配置させることができる。従って，扁平な巻き芯によって扁平に巻かれた電極体１１を有する捲回型電池であっても，電池特性等に影響を与えることなく，巻き終わり端部を所望の位置に配置させることができる捲回型電池とその製造方法となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の形態では，正極板２１の巻き終わり端部２１ｅと負極板２２の巻き終わり端部２２ｅとは左右別の側のＲ部に配置されているが，これらがともに同じ側のＲ部に配置されるようにしても良い。
また例えば，リチウムイオン二次電池に限らず，捲回型電池であれば適用可能である。

本形態のリチウムイオン二次電池の外観形状を示す斜視図である。リチウムイオン二次電池の電極体を示す断面図である。リチウムイオン二次電池の電極体を示す断面図である。リチウムイオン二次電池の電極体を示す断面図である。電極体の正極板を示す説明図である。電極体の負極板を示す説明図である。電極体の正極板を示す説明図である。電極体の負極板を示す説明図である。電極体の捲回方法を示す説明図である。電極体の捲回方法を示す説明図である。電極体の捲回方法を示す説明図である。電極体の捲回方法を示す説明図である。電極体の捲回方法を示す説明図である。ポール側突試験を示す説明図である。ポール側突試験の結果を示す説明図である。

符号の説明

１０リチウムイオン二次電池（捲回型電池）
１１電極体（電極捲回体）
１２ケース（容器）
２１正極板
２２負極板
２４正極活物質
２６負極活物質

Claims

正極活物質を塗工した正極板と負極活物質を塗工した負極板とをセパレータで絶縁しつつ捲回した電極捲回体と，前記電極捲回体を電解質とともに収容する容器とを有する捲回型電池において，
前記正極板と前記負極板との少なくとも一方の巻き終わり端に隣接する領域に，活物質が塗工されていない未塗工領域が形成されていることを特徴とする捲回型電池。
請求項１に記載の捲回型電池において，
前記正極板および前記負極板の双方に未塗工領域が形成されていることを特徴とする捲回型電池。
請求項１または請求項２に記載の捲回型電池において，
前記未塗工領域の周方向の長さが，前記電極捲回体の外周長の２分の１を超えない長さであることを特徴とする捲回型電池。
請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の捲回型電池において，
前記容器が，非円形断面形状のものであり，
前記正極板と前記負極板の少なくとも一方の巻き終わり端が，前記電極捲回体と前記容器の内面との間に隙間がある範囲内に位置することを特徴とする捲回型電池。
請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の捲回型電池において，
前記電極捲回体および前記容器が扁平形状のものであり，
前記正極板と前記負極板の少なくとも一方の巻き終わり端が，前記電極捲回体の外周と前記容器の内面との間に隙間があるＲ部内に位置することを特徴とする捲回型電池。
正極板と負極板との少なくとも一方に，活物質が塗工されていない未塗工領域を，電極捲回体の周長の２分の１以上の長さにわたって設けておき，
前記正極板と前記負極板とをセパレータで絶縁しつつ捲回し，
前記正極板または前記負極板の前記未塗工領域の少なくとも一部が電極捲回体の外周の所望の領域上に来たときに，その極板の前記未塗工領域内でかつ前記所望の領域上の位置を切断することにより，その極板の切断後の巻き終わり端を前記所望の領域内に配置することを特徴とする捲回型電池の製造方法。
請求項６に記載の捲回型電池の製造方法において，
前記電極捲回体の捲回形状が扁平形であり，
前記所望の領域が，前記電極捲回体を扁平容器に収容したときに前記電極捲回体の外周と前記容器の内面との間に隙間ができるＲ部であることを特徴とする捲回型電池の製造方法。