(57)【要約】【課題】電池の性能劣化を抑制する。【解決手段】電極体成型装置２００は、正極板１０１、セパレータ１０３、および負極板１０２が積層して巻回された電極体１０を扁平形状に成型する。電極体成型装置２００は、圧縮部２０１，２０２と、規制部２０３，２０４とを備える。圧縮部２０１，２０２は、電極体１０を径方向に圧縮して電極体１０に平面部１３と曲面部１１，１２とを形成する。圧縮部２０１，２０２は、曲面部１１側から電極体１０を挟んで圧縮する。規制部２０３，２０４は、電極体の圧縮時に曲面部１１における電極体１０の内周面と外周面との間の距離を規制する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板、セパレータ、および負極板が積層して巻回された電極体を扁平形状に成型するための電極体成型装置であって、
前記電極体を径方向に圧縮して前記電極体に平面部と曲面部とを形成する圧縮部を備え、
前記圧縮部は、一方の前記曲面部側から前記電極体を挟んで圧縮し、
前記電極体成型装置は、
前記電極体の圧縮時に前記一方の曲面部における前記電極体の内周面と外周面との間の距離を規制するための規制部をさらに備える、電極体成型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電極体成型装置に関し、特に、正極板、セパレータ、および負極板が積層して巻回された電極体を扁平形状に成型するための電極体成型装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１３−８４４４５号公報（特許文献１）は、二次電池に用いられる扁平形状をした巻回型の電極体を製造する電極体製造方法を開示している。この製造方法では、対向して設けられた第１および第２プレスヘッドで、中空円筒形状に巻回された電極体を両側から挟みこんで押圧して扁平形状を形成する。第１および第２プレスヘッドには、電極体の外周面の曲面部を圧迫するＲ押さえ面が設けられている。Ｒ押さえ面が扁平形状をした電極体の曲面部を圧迫して変形させることによって、スプリングバックを低減することができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８４４４５号公報
【特許文献２】特開２００１−４３８８９号公報
【特許文献３】特開２００９−２２４０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の方法では、押圧時に電極体の曲面部における内周面と外周面との間の距離、すなわち極間距離が広がってしまう。極間距離が広いと、電池が放電する際に正極において電位が局所的に高くなる部分が生じる。この部分では、局所的な電位の上昇に加えて温度の上昇が発生すると、正極金属の溶出が促進されて、電池の性能が劣化してしまう。そのため、２つの局面部のうちの放熱性が低い曲面部においては、局所的な電位の上昇を抑制する必要がある。
【０００５】
それゆえに、この発明の目的は、電池の性能劣化を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明によれば、電極体成型装置は、正極板、セパレータ、および負極板が積層して巻回された電極体を扁平形状に成型する。電極体成型装置は、圧縮部と、規制部とを備える。圧縮部は、電極体を径方向に圧縮して電極体に平面部と曲面部とを形成する。圧縮部は、一方の曲面部側から電極体を挟んで圧縮する。規制部は、電極体の圧縮時に一方の曲面部における電極体の内周面と外周面との間の距離を規制する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明においては、規制部が設けられることによって、圧縮部による押圧時に電極体の曲面部における極間距離が広がることを抑制でき、その結果、正極金属の溶出を抑制することができる。したがって、この発明によれば、電池の性能劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】電極体の使用態様の一例を説明する図である。
【図２】図１に示す電極体の平面部の拡大図である。
【図３】電極体の充電時の作用を説明する図である。
【図４】電極体の放電時の作用を説明する図である。
【図５】拘束圧に対する正極電位および極間距離の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態に従う電極体成型装置を示す概略構成図である。
【図７】この発明の実施の形態に従う電極体成型装置を示す概略構成図である。
【図８】挟む距離と正極金属溶出量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１０】
図１は、電極体の使用態様の一例を説明する図である。図１を参照して、電極体１０は、扁平形状をした巻回型の電極体である。電極体１０は、正極板１０１、負極板１０２およびセパレータ１０３が積層して巻回される。
【００１１】
正極板１０１は、集電体の表面に正極活物質層が形成される。集電体は、たとえば、アルミニウム箔である。正極活物質層は、たとえば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）などのリチウムイオンを吸蔵および放出することができる正極活物質を含んで構成される。
【００１２】
負極板１０２は、集電体の表面に負極活物質層が形成される。集電体は、たとえば、銅箔である。負極活物質層は、たとえば、炭素系材料、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム遷移金属複合窒化物などのリチウムイオンを吸蔵および放出することができる負極活物質を含んで構成される。
【００１３】
セパレータ１０３は、正極板と負極板との短絡を防止し、リチウムイオンを透過させる。セパレータ１０３は、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの多孔質部材を含んで構成される。
【００１４】
電極体１０は、たとえば、正極板１０１、負極板１０２、およびセパレータ１０３を中空の円筒形状に巻回した後に、これを直径方向に両側から押しつぶすようにプレスすることによって扁平形状に成型される。扁平形状に成型された電極体１０は、曲面部１１，１２と平面部１３とを含む。曲面部１１，１２は、電極体１０のうちの曲面を有している部分である。平面部１３は、電極体１０のうちの平面を有し、曲面部１１，１２間の部分である。なお、扁平形状は、平面を有する平板形状を指す。
【００１５】
図２は、図１に示す電極体１０の平面部１３の拡大図である。図２を参照して、平面部１３は、正極板１０１、負極板１０２、およびセパレータ１０３が積層されて構成される。正極板１０１と、負極板１０２との間には、短絡を防止するためにセパレータ１０３が配置される。平面部１３は、厚みＤを有する。
【００１６】
再び図１を参照して、電極体１０の使用態様の一例として、地面ＧＮＤに対して電極体１０の曲面部１１が電極体１０の曲面部１２よりも上方に配置される。そして、電極体１０が電解液とともに電池ケースに収容されて電池が構成される。正極板１０１は電池ケースの外部に露出する正極端子に接続され、負極板１０２は電池ケースの外部に露出する正極端子に接続される。電池は、正極端子および負極端子を介して、充電および放電が行われるように構成される。
【００１７】
図３は、電極体１０の充電時の作用を説明する図である。図４は、電極体１０の放電時の作用を説明する図である。図３および図４では、電極体１０の曲面部１１の領域Ｘ（図１）の拡大図が示される。なお、図３および図４における矢印は、リチウムイオンの動きを示す。図３および図４を参照して、曲面部１１においては、電極体１０が曲面を有しているために、正極板１０１の長さと、それに隣接する負極板１０２の長さとの間に差が生じる。負極板１０２において正極板１０１に対向しない箇所に相当する部分は、未対向部１０２ａとして示される。
【００１８】
図３に示されるように、電池の充電時には、未対向部１０２ａにおいてリチウムイオンの緩和が生じやすい。一方、図４に示されるように、電池の放電時には、未対向部１０２ａのリチウムイオンが正極板１０１の端部の領域Ｒに挿入される。このため、領域Ｒにおいて正極電位の局所的な上昇が発生する。
【００１９】
正極板１０１においては、正極電位が上昇し、かつ、充放電によって温度が上昇した場合に、正極金属の溶出が促進される。正極板１０１から溶出した正極金属は、電池の充電時に、負極板１０２に析出して針状の析出物を形成する。負極板１０２に形成された針状の析出物は、セパレータ１０３を貫通して正極板１０１と負極板１０２との間の短絡を引き起こす可能性がある。
【００２０】
図５は、拘束圧に対する正極電位および極間距離の関係を示すグラフである。拘束圧は、正極板１０１および負極板１０２間を圧縮する力である。図５を参照して、電極体１０の拘束圧が低い領域では、極間距離が大きくなるため、正極電位が高くなる。そして、拘束圧が上昇するにつれて、極間距離が小さくなり、正極電位も低下する。このように、極間距離を小さくすることによって、正極電位を低下させ得ることが分かる。
【００２１】
再び図１を参照して、一方、曲面部１２は、電極体１０のうち鉛直方向下側に位置するため、電解液に十分に浸かっている状態となる。このため、曲面部１２における熱は、電解液によって放熱されるため、曲面部１２の温度上昇は、曲面部１１に比べて少ない。よって、正極電位が高い状態であっても、温度上昇が少ないため、正極金属の溶出が促進されにくい。したがって、曲面部１２は、曲面部１１に比べて極間距離が広がることを許容することができる。
【００２２】
そこで、本実施の形態においては、曲面部１１の極間距離Ｐ１を曲面部１２の極間距離Ｐ２よりも小さくするように電極体１０を成型する。これにより、正極金属の溶出を抑制することができる。
【００２３】
図６および図７は、この発明の実施の形態に従う電極体成型装置を示す概略構成図である。図６は、電極体１０が圧縮される前の状態を示し、図７は、電極体１０が圧縮された後の状態を示す。図６および図７を参照して、電極体成型装置２００は、圧縮部２０１，２０２と、規制部２０３，２０４とを備える。
【００２４】
圧縮部２０１，２０２は、電極体１０を径方向に圧縮して平面部１３と曲面部１１，１２とを形成するための部分である。圧縮部２０１，２０２は、平板状に構成され、互いに対向するように配置される。圧縮部２０１，２０２は、所定の軸を中心に回動するように構成される。
【００２５】
圧縮部２０１，２０２は、図示されない駆動装置によって駆動される。電極体１０は、圧縮部２０１と、圧縮部２０２との間に挟まれ、圧縮部２０１，２０２が互いの距離が狭くなるように回動しながら圧縮力が与えられる。このとき、圧縮部２０１，２０２が回動するために、電極体１０は上記所定の軸に近い側から圧縮され始める。圧縮部２０１，２０２は、たとえば、プレス板を含んで構成される。
【００２６】
圧縮部２０１，２０２は、さらに互いの距離が狭くなると、所定の間隔を空けて平行に位置するように構成される。所定の間隔は、電極体１０の厚みＤに設定される。
【００２７】
規制部２０３，２０４は、電極体１０の圧縮時に曲面部１１における内周面と外周面との間の距離を規制するためのものである。規制部２０３，２０４は、たとえば、棒形状を有する部材である。なお、規制部２０３，２０４の形状は棒形状に限定されず、他の任意の形状であってもよい。
【００２８】
規制部２０３，２０４は、所定の間隔（以下、「挟む距離」とも称する）Ｐを空けて、電極体１０の軸方向に平行に配置される。規制部２０３は、電極体１０の外周面のうちの上記所定の軸に最も近い位置に配置される。規制部２０４は、電極体１０の内周面側において、規制部２０３から挟む距離Ｐを空けて配置される。電極体１０の圧縮中においては、規制部２０３，２０４の位置は固定される。
【００２９】
次に、電極体１０の成型方法について説明する。
図６に示される電極体１０は、正極板１０１、負極板１０２、およびセパレータ１０３を重ね合わせて巻回され、中空の円筒形状に形成される。円筒形状の電極体１０は、圧縮部２０１と、圧縮部２０２との間に配置される。このとき、電極体１０の上記所定の軸側に規制部２０３，２０４が固定される。
【００３０】
圧縮部２０１，２０２間の距離が狭められると、電極体１０のうちの規制部２０３，２０４に挟まれた部分における内周面と外周面との間の距離が維持されて電極体１０の圧縮が開始される。このとき、電極体１０のうち規制部２０３，２０４に挟まれた部分側から圧縮が開始される。
【００３１】
電極体１０の圧縮が完了すると、電極体１０に曲面部１１，１２と平面部１３とが形成される。曲面部１１では、規制部２０３，２０４によって内周面と外周面との間の距離が維持されるため、極間距離Ｐの広がりが抑制される。一方、曲面部１２では、曲面部１１よりも極間距離が広がる。
【００３２】
以上のように、この実施の形態においては、圧縮部２０１，２０２は、電極体１０を径方向に圧縮して電極体１０に平面部１３と曲面部１１，１２とを形成する。そして、規制部２０３，２０４は、電極体１０の圧縮時に曲面部１１における電極体１０の内周面と外周面との間の距離を規制する。よって、押圧時に電極体１０の曲面部１１における極間距離Ｐが広がることを抑制することによって、正極金属の溶出を抑制することができる。したがって、この実施の形態によれば、電池の性能劣化を抑制することができる。
【実施例】
【００３３】
実施例では、異なる挟む距離Ｐにおいて電極体１０を成型した場合の正極金属溶出量を計測した。具体的には、挟む距離Ｐを任意の値に設定して、電極体成型装置２００によって電極体１０を扁平形状に成型した。次に、成型された電極体１０を用いて電池を構成して、電池の充放電を実行した。その後、電池の自己放電検査を実行して、電極体１０に短絡が生じているか否かを検査した。さらに、電池を解体し、ＩＣＰ（Inductively  Coupled  Plasma）分析装置を用いて電極体１０の曲面部１１における最外周部の正極金属の溶出量を測定した。
【００３４】
図８は、挟む距離Ｐと正極金属溶出量との関係を示すグラフである。図８に示されるように、挟む距離Ｐが電極体１０の厚みＤ以下である領域では、正極金属溶出量は低く、化学微短が発生していないことが分かった。一方、挟む距離Ｐが電極体１０の厚みＤよりも大きい領域では、挟む距離Ｐが増加するにつれて、正極金属溶出量が増大する結果となり、化学微短が発生していることが分かった。
【００３５】
実施例から明らかなように、挟む距離Ｐが電極体１０の厚みＤ以下である場合には、より効果的に正極金属の溶出を抑制できることが分かる。
【００３６】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３７】
１０  電極体、１１，１２  曲面部、１３  平面部、１０１  正極板、１０２  負極板、１０２ａ  未対向部、１０３  セパレータ、２００  電極体成型装置、２０１，２０２  圧縮部、２０３，２０４  規制部、ＧＮＤ  地面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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