JP7306897B2 - 電気化学セルおよび電気化学セルの製造方法 - Google Patents
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Description
このような電気化学セルにおいては、電池容量並びに充電電流および放電電流を大きくする観点から、電気化学セル内で対向している電極同士の面積を大きくすることが必要である。電気化学セルの構造としては、セパレータを介して互い違いに積層された負極電極と正極電極とを備えた電極体をケースに収め、電解液を電極体に含浸させた構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。
(電池の構成)
第1実施形態の電池1の構成について、図1から図6を参照して説明する。
図1は、第1実施形態の電池の斜視図である。図2は、第1実施形態の電池の断面図である。
図1および図2に示すように、電池1は、平面視円形状のいわゆるボタン形の電池である。電池1は、正極活物質および負極活物質を有する発電要素の電極構造体40と、電極構造体40に含浸される電解液(図示せず)と、電極構造体40が収容された外装体10と、を備える。
外装体10は、電池1の外郭を形成している。外装体10は、電極構造体40が収容される収容部11と、収容部11の外周11aに沿って折り曲げられた封止部12と、を備える。封止部12は、例えば絞り成形によって、収容部11の外周11aに沿って折り曲げられている。
図3は、第1実施形態の電極構造体の平面図である。図4は、図3のIV-IV線における断面図である。
図3および図4に示すように、電極構造体40は、交互に積層されたシート状の正極体50および負極体60と、正極体50と負極体60との間に介在するシート状のセパレータ70と、を備える。正極体50および負極体60は、セパレータ70を挟んで扁平に捲回されている。正極体50および負極体60は、所定の捲回軸線Oを中心として捲回されている。電極構造体40は、収容部11内の密封空間の形状に対応し、電極構造体40の厚さ方向から見た平面視で外形が円形状となるように形成されている。なお、本実施形態では、正極体50および負極体60が交互に積層された部分を電極構造体40と称し、正極リード2および負極リード3は電極構造体40に含まれないものとする。また、以下の説明では、電極構造体40の厚さ方向を単に厚さ方向といい、捲回軸線Oに沿う方向を軸方向といい、厚さ方向および軸方向に直交する方向を軸直方向という。
図5に示すように、正極体50は、捲回される前の展開状態で、全体として帯状に形成されている。正極体50は、金属材料により形成された正極集電箔と、正極集電箔の表面に配置された正極活物質と、を備える。正極集電箔は、例えばアルミニウムやステンレス等の金属箔により形成されている。正極活物質は、例えば、コバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のように、リチウムと遷移金属とを含む複合酸化物である。以下、展開状態における正極体50の長手方向を正極長手方向といい、展開状態における正極体50の短手方向を正極短手方向という。
図6に示すように、負極体60は、捲回される前の展開状態で、全体として帯状に形成されている。負極体60は、金属材料により形成された負極集電箔と、負極集電箔の表面に配置された負極活物質と、を備える。負極集電箔は、例えば銅やステンレス等の金属箔により形成されている。負極活物質は、例えば、シリコン酸化物やグラファイト、ハードカーボン、チタン酸リチウム、LiAl等である。以下、展開状態における負極体60の長手方向を負極長手方向といい、展開状態における負極体60の短手方向を負極短手方向という。
第1実施形態の電池1の製造方法について、図7から図12を参照して説明する。
図7は、第1実施形態の電極構造体の製造方法を示すフローチャートである。
図7に示すように、電極構造体40の製造方法は、捲回工程S10と、引き抜き工程S20と、切断工程S30と、溶融工程S40と、を備える。
図8から図12は、第1実施形態の電極構造体の製造方法を示す工程図である。
図8に示すように、捲回工程S10では、セパレータ用シート79を挟んで正極体50および負極体60を扁平に捲回して捲回体49を形成する。捲回工程S10では、捲回機を用いて正極体50、負極体60およびセパレータ用シート79を捲回し、捲回体49を形成する。捲回機は、巻き芯81と、一対のタッチロール82と、を備える。巻き芯81は、所定の回転軸線Pに沿って一定の幅で延びる平板状の部材である。巻き芯81は、回転軸線P回りに回転可能に設けられている。巻き芯81には、回転軸線Pに沿ってスリット81aが形成されている。スリット81aは、巻き芯81の先端部で開口している。一対のタッチロール82は、巻き芯81を挟んで互いに反対側に配置されている。各タッチロール82は、回転軸線Pに接近離間可能に形成されている。
引き抜き工程S20では、捲回体49から巻き芯81を捲回軸方向に引き抜く。なお、引き抜き工程S20を行うに際し、捲回体49の巻き解けを防止するために、捲回体49の外周面に絶縁テープを貼り付けてもよい。
図9に示すように、切断工程S30では、セパレータ用シート79のうち平面視で正極体50および負極体60よりも捲回軸方向の外側に位置する部分を切断する。具体的に、切断工程S30では、セパレータ用シート79を切断ラインCに沿って切断する。本実施形態では、切断ラインCは、正極体50および負極体60に対する捲回軸方向の両側に設定されている。切断ラインCは、平面視で捲回軸方向に直交する方向に沿って延びている。切断ラインCは、電極構造体40の軸方向の端部40a,40bが形成される位置(図3参照)に設定されている。なお、セパレータ用シート79の切断は、例えば鋏や超音波カッター等を用いることができる。
溶融工程S40では、捲回体49における捲回軸方向の端縁のセパレータ用シート79を溶融させて、捲回体49における捲回軸方向の端縁を捲回軸方向の内側に溶着ラインWまで後退させる。例えば、捲回体49に捲回軸方向の外側からヒータ90(図11および図12参照)を当てて、捲回体49における捲回軸方向の端縁を溶着ラインWまで後退させる。ヒータ90は、セパレータ用シート79の融点程度の温度に設定される。例えば、セパレータ用シート79がポリプロピレンにより形成されている場合、ヒータ90は135℃から140℃程度に設定される。
(電池の製造方法)
第2実施形態の電池1の製造方法について、図13から図17を参照して説明する。
第2実施形態の電極構造体40の製造方法は、切断工程S30を備えない点で、第1実施形態と異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第1実施形態と同様である。
図13に示すように、電極構造体40の製造方法は、捲回工程S110と、第1引き抜き工程S120と、第1溶融工程S130と、第2引き抜き工程S140と、第2溶融工程S150と、を備える。
図14から図17は、第2実施形態の電極構造体の製造方法を示す工程図である。
図14に示すように、本実施形態の捲回工程S110は、第1実施形態のセパレータ用シート79に代えて、セパレータ用シート79Aを用いる点で、第1実施形態の捲回工程S10と異なる。セパレータ用シート79Aの捲回軸方向の寸法は、セパレータ70の軸方向の寸法と等しい。セパレータ用シート79Aは、正極体50および負極体60の層間から捲回軸方向の両側に張り出す。捲回体49Aの外形は、平面視で矩形状に形成される。捲回体49Aは、一対のタッチロール82によって厚さ方向および捲回軸方向の双方向に直交する方向の両側から挟まれた状態で保持される。なお、本実施形態では、捲回軸方向のうち巻き芯81の先端部が向く方向を先端側といい、その反対方向を基端側という。
図15に示すように、第1引き抜き工程S120では、捲回体49Aから巻き芯81を引き抜くように、巻き芯81を捲回体49Aに対して捲回軸方向の基端側に変位させる。巻き芯81は、先端部が捲回体49Aにおける上述した溶着ラインWよりも内側に位置するように変位される。この際、捲回体49Aは、一対の挟持部材85によって型崩れを抑制され、かつ規制部材87によって捲回軸方向の変位を規制される。一対の挟持部材85は、捲回体49Aをその厚さ方向の両側から挟持する。一対の挟持部材85は、捲回体49Aの厚さ方向から見た平面視で、外縁の一部が溶着ラインWの全体に沿うように形成されている。規制部材87は、一対の挟持部材85に対して固定的に配置される。本実施形態では、規制部材87は、一対の挟持部材85のうち少なくともいずれか一方と一体的に形成されている。規制部材87は、捲回体49Aに対する捲回軸方向の基端側に配置される。規制部材87は、捲回軸方向から見て、捲回軸方向の基端側の溶着ラインWに重ならない位置に配置される。巻き芯81を所定の位置まで引き抜いた後、一対のタッチロール82による捲回体49Aの保持を解除する。
図16に示すように、第1溶融工程S130では、捲回体49Aにおける捲回軸方向の先端側の端縁のセパレータ用シート79Aを溶融させて、捲回体49Aにおける捲回軸方向の先端側の端縁を捲回軸方向の内側に溶着ラインWまで後退させる。具体的に、第1溶融工程S130では、捲回体49Aに捲回軸方向の外側から第1ヒータ91を当てて、セパレータ用シート79Aのうち一対の挟持部材85の間から張り出した部分を第1ヒータ91で溶融させる。
第2引き抜き工程S140では、捲回体49Aから巻き芯81を完全に引き抜くように、巻き芯81を捲回体49Aに対して捲回軸方向の基端側に変位させる。この際、捲回体49Aは、一対の挟持部材85によって型崩れを抑制される。また、捲回体49Aは、捲回体49Aに対する捲回軸方向の基端側に配置された規制部材87によって、捲回軸方向の変位を規制される。
図17に示すように、第2溶融工程S150では、捲回体49Aにおける捲回軸方向の基端側の端縁のセパレータ用シート79Aを溶融させて、捲回体49Aにおける捲回軸方向の基端側の端縁を捲回軸方向の内側に溶着ラインWまで後退させる。具体的に、第2溶融工程S150では、捲回体49Aに捲回軸方向の外側から第2ヒータ94を当てて、セパレータ用シート79Aのうち一対の挟持部材85の間から張り出した部分を第2ヒータ94で溶融させる。
以上により、溶着部72および連通部41を有する電極構造体40が形成される。
例えば、上記実施形態では、電気化学セルの一例として、二次電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、電気二重層キャパシタおよび一次電池等に上述した構成を適用してもよい。また、電池としてリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、金属リチウム二次電池等のリチウムイオン二次電池以外の二次電池であってもよい。
なお、電気二重層キャパシタに上述した構成を適用する場合、電気二重層キャパシタは機能上正負の区別がない一対の電極を備えるが、一方の電極を上記負極体と同様に構成し、他方の電極を上記正極体と同様に構成すればよい。
Claims (9)
- 交互に積層された正極体および負極体と、
前記正極体と前記負極体との間に介在するセパレータと、
を有する電極構造体を備え、
前記正極体および前記負極体は、前記セパレータを挟んで扁平に捲回され、
前記セパレータは、前記正極体および前記負極体の層間から捲回軸方向に張り出した複数層の張り出し部を有し、
前記電極構造体は、前記電極構造体における平面視の外縁上に、前記複数層の張り出し部が互いに溶着された少なくとも1つの溶着部を有し、
前記少なくとも1つの溶着部は、前記電極構造体における前記捲回軸方向の第1側の第1端部に隣接し、前記第1端部よりも前記捲回軸方向の第2側に位置する第1溶着部を有し、
前記電極構造体は、前記電極構造体の内外を連通する連通部をさらに有し、
前記連通部は、前記第1端部に設けられている、
ことを特徴とする電気化学セル。 - 前記少なくとも1つの溶着部は、前記電極構造体における前記捲回軸方向の前記第2側の第2端部に隣接し、前記第2端部よりも前記捲回軸方向の前記第1側に位置する第2溶着部を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル。 - 前記溶着部は、少なくとも平面視で前記張り出し部における前記捲回軸方向に直交する方向の端部に設けられている、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電気化学セル。 - 前記溶着部は、平面視で前記正極体および前記負極体の全体における外縁に沿って延びている、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電気化学セル。 - 交互に積層された正極体および負極体と、
前記正極体と前記負極体との間に介在するセパレータと、
を有する電極構造体を備えた電気化学セルの製造方法であって、
前記セパレータを形成するセパレータ用シートが前記正極体および前記負極体の層間から張り出すように、前記セパレータ用シートを挟んで前記正極体および前記負極体を扁平に捲回して捲回体を形成する捲回工程と、
前記捲回体の端縁のうち平面視で捲回軸方向に直交する方向の少なくとも一方の端部における前記セパレータ用シートを溶融させて前記捲回軸方向の内側に後退させつつ前記電極構造体の内外を連通する連通部を形成する溶融工程と、
を備えることを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 前記セパレータ用シートのうち平面視で前記正極体および前記負極体よりも前記捲回軸方向の外側に位置する部分を切断する切断工程を前記捲回工程と前記溶融工程との間に備える、
請求項5に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記セパレータ用シートの前記捲回軸方向の寸法は、前記セパレータの前記捲回軸方向の寸法と等しい、
請求項5または請求項6に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記溶融工程では、前記捲回体を厚さ方向の両側から挟む挟持部材によって前記捲回体を挟んだ状態で、前記セパレータ用シートのうち前記挟持部材から張り出した部分を溶融させる、
請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記捲回工程では、巻き芯に前記正極体、前記負極体および前記セパレータを巻き取り、
前記捲回体から前記巻き芯を前記捲回軸方向の一方側に引き抜く引き抜き工程を備え、
前記引き抜き工程では、前記捲回体に対する前記捲回軸方向の前記一方側に前記捲回体の前記捲回軸方向の前記一方側への変位を規制する規制部材を配置する、
請求項5から請求項8のいずれか1項に記載の電気化学セルの製造方法。
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