JP5139647B2

JP5139647B2 - 電極体の製造方法

Info

Publication number: JP5139647B2
Application number: JP2006140985A
Authority: JP
Inventors: 明宏増田
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: JP2007311265A

Description

本発明は巻回型電池に使用する電極体の製造方法に関し、特に、巻回型リチウムイオン二次電池の電極間又は電極タブ間のショート不良を防止するのに適した電極体の製造方法に関する。

携帯機器等の小型電子機器の電源として小型で大容量のリチウムイオン二次電池等が用いられている。これらの電池の正極電極は、例えば、アルミニウム箔からなる帯状の正極集電体に正極活物質を塗布したものが用いられており、また負極電極は、銅箔からなる帯状の負極集電体に負極活物質を塗布したものが用いられている。そして、正極電極及び負極電極をセパレータを介して多数回巻回して製作した電池要素を円筒状の電池缶に収納したり、あるいは糸巻き状に巻回した電池要素を扁平状に成形して角型状の電池缶に収納し、電解液を注入した後に封口して製造されている。

そのとき、電極間のショートを防止するために絶縁フィルムが電極体の一部を覆うように貼り付けられる。また、特許文献１に開示された技術では正極板及び負極板に未塗工部を設け、そこを絶縁テープで覆うことによって、内部短絡を防止している。

このような従来技術の具体例を模式図に基づいて説明する。図５は従来例の電極体用帯状シートの切断工程を模式的に示す斜視図である。また、図６は従来例の絶縁フィルム貼り付け機構と電極の巻回工程を模式的に示し、図６（ａ）は絶縁フィルム貼り付けと電極巻回の概念を示す斜視図、図６（ｂ）は絶縁フィルムの貼り付け状態を示す平面図である。

図５の工程は、正極集電体上に正極合剤層を有する正極の電極体用塗布部３１、又は負極集体上に負極合剤を有する負極の電極体用塗布部３１が切断刃３２にて所定の電極幅に切断され、それぞれ、リールに巻き取られる工程である。図６（ａ）の工程は、図５の工程にて切断された正極集電体上に正極合剤層を有する正極と、同じく切断された負極集体上に負極合剤層を有する負極とを、絶縁用のセパレータを介して巻回する工程である。

図６（ａ）の工程では１個の電池の電極幅に切断された正極又は負極に対して、絶縁フィルム貼り付け機構３３にて所定貼り付け位置にショート防止用の絶縁フィルム３４を貼り付ける。その位置は、電極体の端部には限らず、電極タブが引き出される部分、あるいは巻回によって内部ショートが発生し易くなる部分等、それぞれの電池構造に依存して定められる。次に、図６（ａ）ではセパレータを図示しなかったが、概念的には同図のように巻回して、電極巻回体６０を作製する。

特開２００２−９３４０４号公報

既に一部説明したように、リチウムイオン二次電池の電池要素（電極巻回体）では、正極合剤層の正極と負極合剤層の負極とのショートを防止するために、テープ状の絶縁フィルムを、１個の電池素子構成に必要な電極幅（巻回前の電極長手方向に直交する方向の寸法である幅を単に電極幅と呼ぶ）に切断された後の正極及び負極に対して所定の位置に、電極幅と同じ長さに貼り付ける方法が有効である。しかし、正確な位置に、且つ電極幅より絶縁フィルムがはみ出さず、幅方向全体を覆うように貼り付けることは容易ではない。例えば、図６（ｂ）のように、電極塗布部５１の幅に対して、短すぎる絶縁フィルム３５、あるいは長すぎて、はみ出した絶縁フィルム３６が作製されがちである。電極幅に対して絶縁フィルム貼り付け長さが短いと電極塗布部の端部が露出する。また、電極幅に対して絶縁フィルム貼り付け長さが長いと電極塗布部端部から絶縁フィルムがはみ出し、図６（ａ）の工程の巻動作に悪影響を及ぼし巻ずれ等の問題を誘発する。

また、リチウムイオン二次電池の電極幅は正極より負極の方が幅広く、電池素子を形成する際、リチウム析出によるショート防止のために、正極は負極に必ず覆われるようにして渦巻き状に積層される必要がある。確実にショートを防止するために電極幅より絶縁フィルムがはみ出るよう調整すると渦巻き状に巻回する工程ではみ出た絶縁フィルムの影響により、その巻き構成を安定に保つことが困難になる。

また、電極幅と同等に調整しても、電極幅の絶縁フィルム貼り付け位置バラツキにより、はみ出た絶縁フィルムの影響で渦巻き状に巻回する工程の歩留まりを悪化させるだけでなく、更に後工程にて絶縁フィルムで正極又は負極を覆い切れず露出した電極部位にてショートが発生する。

これらの問題に対し、電極幅と同等の絶縁フィルム長さにする調整と、所定の貼り付け位置への調整を行うが、極めて困難な調整であり、且つ調整後の状態が安定しない。

この状況にあって、渦巻き状に巻回する工程の歩留まり向上と、正極と負極間、又は異極の電極タブ間のショートを防止するために、電極幅全体を同じ幅で確実に絶縁フィルムで覆う製造方法を見出すことが肝要である。

すなわち、本発明の課題は、内部ショートの発生を防止できる箇所に、絶縁体フィルムを精確に配置する電池用電極体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために正極集電体上に正極合剤が塗布されてなる正極合剤層を有する正極と、負極集体上に負極合剤が塗布されてなる負極合剤層を有する負極に対し、１個の電池素子に必要な電極幅に切断する前に所定の位置へテープ状の絶縁フィルムを貼り付け、その後で必要幅に正極及び負極の切断を行う。

また、前記絶縁フィルムを貼り付ける装置には、テープ状絶縁フィルム貼り付け用のローラー機構と、テープ状絶縁フィルムのクランプ機構と、切断機構とが一体に設けられると共に、その切断機構によって切断された絶縁フィルム端部が電極体上に落ちて貼り付くことを防止するための絶縁フィルム端部保持板が設けられる。

本発明では、電極巻回体の巻回の際に必要な幅に切断される前に予め絶縁フィルムを貼り付けることにより、所定の電極幅に正極、及び負極が切断されるのと同時に絶縁フィルムも全く同じ幅に切断することが可能になり、正極合剤層を有する正極と負極合剤層を有する負極との間にセパレータの他に絶縁フィルムを配設してなる電極構造の電池とすることにより、ショート不良を確実に防止するだけでなく、電極体巻回工程の歩留まりを向上できる。

また、正極合剤層を有する正極と、負極合剤層を有する負極に固定された電極タブとの間、及び負極合剤層を有する負極と正極合剤層を有する正極に固定された電極タブとの間に絶縁フィルムを配設してなる電極構造の電池とすることによりショート不良を確実に防止することが出来る。

また、テープ状絶縁フィルム貼り付け用のローラー機構に、テープ状絶縁フィルムのクランプ機構と切断機構を一体に付設することにより一体で移動可能となり、複数の電池用の電極体が形成された電極体帯状シート上の精確な位置にテープ状絶縁フィルムを貼り付けることが出来る。

本発明の実施の形態での電池用電極体の製造方法は次の工程からなる。第１の工程は、リールから引き出した金属箔の集電体上に矩形の電極塗布部を連続的に塗工してなる電極体用帯状シートを作製する工程である。第２の工程は、前記電極体用帯状シートの所望の位置に前記集電体の延伸方向と直交するようにテープ状の絶縁フィルムを貼り付ける工程である。第３の工程は、前記電極体用帯状シートを前記絶縁フィルムと共に前記集電体の延伸方向と平行に所定の幅で切断する工程である。これらの工程によって作製した電池用電極体である正極シート及び負極シートにセパレータを挟んで電極巻回体を作製し、電解液を含浸させ、電池缶に封入し、電池を得る。

また、本発明の絶縁フィルム貼り付け装置は、前記第２の工程で使用するものであり、矩形の電極塗布部が連続的に形成された電極体用帯状シートの延伸方向と直交する方向にテープ状の絶縁フィルムを貼り付けるための絶縁フィルム貼り付け装置であり、以下の機能を有する部分から構成される。すなわち、前記電極体用帯状シートの巻き取り方向と直交してリールに巻かれた絶縁フィルムを引き出し前記電極体用帯状シート上に直交させ、前記絶縁フィルムの先端を前記電極体用帯状シートの第１の端へ貼り付けた後、対向する第２の端へ向かってローラーで押し付けながら貼り付け、前記ローラーの移動を前記第２の端の手前で停止し、前記ローラーと共に移動した切断機構で前記絶縁フィルムを前記第２の端に合わせて切断した後、再び前記ローラーを前記第２の端まで移動させながら、前記絶縁フィルムを前記第２の端まで貼り付け、次に、前記リールから引き出されている絶縁フィルムの切断後の端を前記ローラーと共に移動したクランプで挟み持ちして、再び絶縁フィルムを前記リールから引き出しながら前記クランプを前記ローラー及び切断機構と共に前記第１の端まで戻し、前記電極体用帯状シートを所定の間隔で送り、次の貼り付けを行うように各機構を形成する。

以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明する。但し以下に示す実施例は、本発明を具現化してひとつの電極構造に適用したものであって、本発明は下記の電極構造によって限定されない。

本実施例は、既に図６に示した従来例の工程で実施していた絶縁フィルム貼り付け工程を、正極集電体上に正極合剤層を有する正極、及び負極集体上に負極合剤を有する負極を切断刃３２にて所定の電極幅に切断する図５の工程の前に実施している。

本実施例の工程を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る絶縁フィルムの貼り付け工程を模式的に示す斜視図であり、図２は本発明に係る電極体用帯状シートの切断工程を模式的に示す斜視図である。また、図３は本発明に係る電極の巻回工程を模式的に示し、図３（ａ）は電極巻回の概念を示す斜視図、図３（ｂ）は絶縁フィルムの貼り付け状態を示す平面図である。そして、図４は本発明に係る絶縁フィルム貼り付け装置の正面図である。

図１のように電極切断前工程で、絶縁フィルム貼り付け機構３７にて所望貼り付け位置へ絶縁フィルム３８の貼り付けを実施し、その後、図２の工程にて所定の電極幅に切断することにより同時に絶縁フィルムも同じ電極幅で切断する。すなわち、電極体用帯状シート３０を絶縁フィルム３８と共に集電体７０の延伸方向と平行に所定の幅で切断する。そうすると、図３の工程で処理される正極、又は負極には既に絶縁フィルム３９が必要な箇所に貼られているため絶縁フィルム３９の貼り付け位置調整の必要がない。なお、図１では、絶縁フィルム３８の貼り付け位置は、電極体用塗布部３１の端になっているが、例えば巻回後に電極タブと重なる位置に絶縁フィルムを貼り付ける場合もある。

以上のように図２の切断工程前に予め絶縁フィルムを貼り、その後所定の電極幅に切断することにより、多種に亘る電極幅寸法に関係無く必ず同等幅で絶縁フィルムが貼られている状態が確保でき、且つ安定化できる。

本実施例の絶縁フィルム貼り付け装置の概要を図４に基づいて説明する。図４が描かれた面の前後にあり、電極体巻き取り方向の一定間隔の所望位置に絶縁フィルムを貼り付けるための電極体巻出し及び巻き取り機構と、図４の絶縁フィルム貼り付けユニット１と、絶縁フィルム貼り付け開始端部２と、絶縁フィルム貼り付け部３と、絶縁フィルム貼り付け終端部４と、絶縁フィルム巻出し部５とで本実施例の絶縁フィルム貼り付け装置は構成されている。

図４の絶縁フィルム貼り付けユニット１は絶縁フィルム貼り付け開始端部２と絶縁フィルム貼り付け終端部４を１軸ロボット１３で往復するユニットで、絶縁フィルム１６（二点鎖線で表示）を押し付けながら電極体１１（図４が描かれた面の前後に延伸している）に貼り付ける絶縁フィルム貼り付けロール６と、絶縁フィルム１６を切断する絶縁フィルム切断刃７と、絶縁フィルム１６の先端部を挟み込んで絶縁フィルム１６を引き出す絶縁フィルム上側クランプ８及び絶縁フィルム下側クランプ９の構成になっている。その役割としては、絶縁フィルム１６の引き出し、電極体１１への絶縁フィルム１６の貼り付け、絶縁フィルム１６の切断を行う。

絶縁フィルム貼り付け開始端部２は、絶縁フィルム貼り付けユニット１で引き出されてきた絶縁フィルム先端２０を電極体１１に貼り付ける絶縁フィルム先端掴み板１０を有している。

絶縁フィルム貼り付け部３は、絶縁フィルム貼り付けユニット１の絶縁フィルム貼り付けロール６にて絶縁フィルム１６を押し付けながら貼り付けるための絶縁フィルム貼り付けテーブル１２を有している。

絶縁フィルム貼り付け終端部４は、絶縁フィルム貼り付けユニット１の絶縁フィルム切断刃７によって切断された絶縁フィルム端部が電極体１１上に落ちて貼り付けかないよう防止する切断後の絶縁フィルム端部保持板１４を有する。

絶縁フィルム巻出し部５は絶縁フィルムリール１９の固定部と、絶縁フィルム貼り付けユニット１にて絶縁フィルム１６が引き出された時の絶縁フィルムの弛みを防止するダンサロール１８を有している。

絶縁フィルム貼り付けの一連動作は、絶縁フィルム上側クランプ８と絶縁フィルム下側クランプ９で絶縁フィルム１６をクランプしたまま１軸ロボット１３により絶縁フィルム貼り付け開始端部２まで移動する。電極体巻出し及び巻き取り機構にて電極体巻き取り方向の一定間隔の絶縁フィルム貼り付け所望位置まで電極体１１が送られた後、絶縁フィルム貼り付けテーブル１２が上昇し、絶縁フィルム上側クランプ８と絶縁フィルム下側クランプ９が絶縁フィルム１６をクランプしたまま絶縁フィルム貼り付けテーブル１２面へ下降する。絶縁フィルム先端掴み板１０が絶縁フィルム上側クランプ８と絶縁フィルム下側クランプ９にクランプされた絶縁フィルム先端２０の上を且つ絶縁フィルム上側クランプ８寄りに移動し、絶縁フィルム先端２０を上から押さえ込むように絶縁フィルム先端掴み板１０が下降する。絶縁フィルム先端掴み板１０によって絶縁フィルム先端２０を電極体１１へ押し付けた状態のまま絶縁フィルム上側クランプ８のみ上昇し絶縁フィルム１６の挟み込みを開放する。

次に絶縁フィルム貼り付けロール６が絶縁フィルム先端掴み板１０の上に下降し、下降したまま１軸ロボット１３により絶縁フィルム貼り付け終端部４まで絶縁フィルム１６を押し付けながら移動する。絶縁フィルム貼り付け終端部４まで移動した後、絶縁フィルム下側クランプ９が上昇し、絶縁フィルム１６を挟み込む。その後、絶縁フィルム切断刃７が下降し所望の絶縁フィルム長さに切断され、切断された絶縁フィルム端部は電極体１１に貼り付けかぬよう切断後、絶縁フィルム端部保持板１４上に一旦載せられる。その絶縁フィルム切断端部の長さ分、１軸ロボット１３により絶縁フィルム貼り付けユニット１を移動させ、同時に絶縁フィルム貼り付けユニット１がストッパー１５を押すことで切断後、絶縁フィルム端部保持板１４も移動し、絶縁フィルム切断端部を最後まで貼りきる。

所望の長さの絶縁フィルムを貼り付けた後、絶縁フィルム貼り付けロール６が上昇し、再び絶縁フィルム上側クランプ８と絶縁フィルム下側クランプ９で絶縁フィルム１６を挟み込んだまま１軸ロボット１３により絶縁フィルム貼り付け開始端部２まで移動する。また、切断後に絶縁フィルム端部保持板１４はスプリング１７により絶縁フィルム貼り付けユニット１に押される前の位置まで戻る。この動作を繰り返すことで、電極体１１の所望の位置に帯状（テープ状）絶縁フィルムを貼り付ける。

本発明は集電体上に活物質の合剤層を形成した各種の電池の製造に適用することが可能であるが、リチウムイオン二次電池の正極電極及び負極電極製造の場合を例に挙げて説明すると、正極電極は帯状のアルミニウム箔にリチウム遷移金属複合酸化物、例えばＬｉ_ｘＣｏＯ_２、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_３、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＣｏ_{（１−ｙ）}Ｏ_２、等をカーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤と分散混練し調製した正極塗料が塗布される。片面塗布、乾燥後に反対側も同様に塗布し、両面塗布される。

負極電極は、集電体の銅箔等の表面に、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な熱分解炭素類、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスなどのコークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、フェノール樹脂、フラン樹脂などを焼成した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭などの炭素質材料、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性高分子材料をカーボンブラックなどの導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤と分散混練し調製した負極塗料が塗布される。片面塗布、乾燥後に反対側も同様に塗布し、両面塗布される。

本発明は巻回型電池の製造に利用できるだけでなく、巻回型電気二重層キャパシタ等の電気化学素子の製造にも利用できる。

本発明に係る絶縁フィルムの貼り付け工程を模式的に示す斜視図。本発明に係る電極体用帯状シートの切断工程を模式的に示す斜視図。本発明に係る電極の巻回工程を模式的に示し、図３（ａ）は電極巻回の概念を示す斜視図、図３（ｂ）は絶縁フィルムの貼り付け状態を示す平面図。本発明に係る絶縁フィルム貼り付け装置の正面図。従来の電極体用帯状シートの切断工程を模式的に示す斜視図。従来の絶縁フィルム貼り付け機構と電極の巻回工程を模式的に示し、図６（ａ）は絶縁フィルム貼り付けと電極巻回の概念を示す斜視図、図６（ｂ）は絶縁フィルムの貼り付け状態を示す平面図。

符号の説明

１絶縁フィルム貼り付けユニット
２絶縁フィルム貼り付け開始端部
３絶縁フィルム貼り付け部
４絶縁フィルム貼り付け終端部
５絶縁フィルム巻出し部
６絶縁フィルム貼り付けロール
７絶縁フィルム切断刃
８絶縁フィルム上側クランプ
９絶縁フィルム下側クランプ
１０絶縁フィルム先端掴み板
１１電極体
１２絶縁フィルム貼り付けテーブル
１３１軸ロボット
１４絶縁フィルム端部保持板
１５ストッパー
１６，３４，３８，３９絶縁フィルム
１７スプリング
１８ダンサロール
１９絶縁フィルムリール
２０絶縁フィルム先端
３０電極体用帯状シート
３１電極体用塗布部
３２切断刃
３３，３７絶縁フィルム貼り付け機構
３５短すぎる絶縁フィルム
３６はみ出した絶縁フィルム
５１電極塗布部
６０電極巻回体
７０集電体

Claims

電池用電極体の製造方法であって、
リールから引き出した金属箔の集電体上に矩形の電極塗布部を塗工してなる電極体用帯状シートを作製するシート作製工程と、
前記電極体用帯状シート上の前記電極塗布部と該電極塗布部でない部分との境界線であって前記集電体の延伸方向と直交する方向に沿って延びる境界線を覆うように、テープ状の絶縁フィルムを貼り付ける絶縁フィルム貼付工程と、
前記電極体用帯状シートを前記絶縁フィルムと共に前記集電体の延伸方向と平行に所定の幅で切断する工程と、を有し、
前記シート作製工程では、前記集電体上に複数の前記電極塗布部を断続的に塗工してなる電極体用帯状シートを作製し、
前記絶縁フィルム貼付工程は、リールに巻かれた絶縁フィルムを前記電極体用帯状シートの巻き取り方向と直交する方向に引き出し前記電極体用帯状シート上に配置させ、前記絶縁フィルムの先端を前記電極体用帯状シートの第１の端へ貼り付けた後、ローラーで前記絶縁フィルムを前記電極体用帯状シートに押し付けながら該ローラーを前記第１の端から前記第１の端と対向する第２の端へ向かって移動させ、前記ローラーの移動を前記第２の端の手前で停止し、前記ローラーと共に移動する切断機構で前記絶縁フィルムを前記第２の端に合わせて切断した後、再び前記ローラーを前記第２の端まで移動させて前記絶縁フィルムを前記第２の端まで貼り付けることを有しており、
前記電池用電極体の製造方法は、前記リールから引き出されている切断後の前記絶縁フィルムの端を前記ローラーと共に移動するクランプで挟み、再び前記絶縁フィルムを前記リールから引き出しながら前記クランプを前記ローラー及び前記切断機構と共に前記第１の端まで移動させて前記絶縁フィルムの次の貼り付けに備える工程と、前記電極体用帯状シートを所定の間隔で送る工程と、をさらに有する、電池用電極体の製造方法。