(57)【要約】【課題】製造時の膨れを抑制できる捲回電池の製造方法を提供する。【解決手段】捲回電池の製造方法は、正極電極、負極電極、およびセパレータを捲回して捲回体にする工程と、前記捲回体に、巻止テープを８００ｇｆ以下の荷重を加えて貼付する工程とを備える。【選択図】図５
2015005390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極電極、負極電極、およびセパレータを捲回して捲回体にする工程と、
前記捲回体に、巻止テープを８００ｇｆ以下の荷重を加えて貼付する工程とを備える、捲回電池の製造方法。
【請求項２】
前記巻止テープを貼付する際に加える荷重は、６００ｇｆ以下である、請求項１に記載の捲回電池の製造方法。
【請求項３】
前記捲回する工程において、
捲回終了時に前記正極電極および前記負極電極に加えるテンションは、４５０ｇｆ以下である、請求項１または２に記載の捲回電池の製造方法。
【請求項４】
前記巻止テープが貼付された捲回体を、アルミニウム合金製の外装缶に収納する工程をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の捲回電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極捲回体を備える捲回電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、正極電極と負極電極とを、セパレータを介して捲回した捲回電極を備える捲回電池の構成が知られている。
【０００３】
特開２０１１−２５３７０１号公報には、それぞれ帯状をなすプラス電極箔、マイナス電極箔、および、セパレータが重ねられて巻回されてなる巻回素子の製造装置が記載されている。この装置は、自身の中心軸を回転軸として回転可能な円板状のターレットと、前記ターレットに対して出没可能であるとともに、自身の中心軸を回転軸として回転することで、外周において前記両電極箔及び前記セパレータを巻き取る巻芯と、前記ターレットの回転方向に沿って移動可能な一対のセパレータ支持部材とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５３７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、薄型の携帯機器の普及に伴って、捲回電池においても薄型の電池の需要が高まっている。このような電池は、製造工程における僅かな膨れによって規定の厚みの条件を満たさなくなるため、歩留まり良く生産することが困難である。
【０００６】
本発明の目的は、製造時の膨れを抑制できる捲回電池の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態にかかる捲回電池の製造方法は、正極電極、負極電極、およびセパレータを捲回して捲回体にする工程と、前記捲回体に、巻止テープを８００ｇｆ以下の荷重を加えて貼付する工程とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記の製造方法によれば、巻止テープを貼付する際に加える荷重を小さくして、電極捲回体が必要以上に強く巻き締まらないようにする。より具体的には、巻止テープを貼付する際に加える荷重を８００ｇｆ以下にする。これによって、充放電時に正極電極および負極電極が均一に膨張・収縮できるようになり、捲回体にうねりが生じにくくなる。その結果、捲回体のうねりによる捲回電池の膨れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態よって製造される捲回電池の一例である捲回電池の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態にかかる捲回電池の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、正極電極、負極電極、およびセパレータを捲回する工程の一例を模式的に示す図である。
【図４】図４は、捲回された正極電極、負極電極、およびセパレータに、巻止テープを貼付する工程の一例を模式的に示す図である。
【図５】図５は、製造された捲回電池の充電後厚みの分布を示す箱ひげ図（Ｂｏｘ  Ｐｌｏｔ）である。
【図６Ａ】図６Ａは、各貼付荷重で製造された捲回電池のＣＴ画像である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａを模式的に図示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者らは、製造工程における電池の膨れの原因ついて検証した。その結果、充放電によって電極捲回体にうねりが生じることが、膨れの原因の一つであることを見出した。そこで、本発明者らは、電極捲回体の製造条件と、充放電後に電極捲回体に生じるうねりとの関係について調査を行った。
【００１１】
電極捲回体は、正極電極と負極電極とを、セパレータを間に介して捲回することによって製造される。具体的にはまず、正極電極、負極電極、およびセパレータを、それぞれ所定のテンションで巻芯に巻きつける。所定の長さだけ捲回した後、正極電極、負極電極、およびセパレータが解れないように巻止テープを貼付する。
【００１２】
本発明者らは、電極捲回体のうねりは、正極電極、負極電極、およびセパレータを巻芯に巻き付けるときのテンションの大きさだけではなく、巻止テープを貼付する際に加える荷重との間により強い相関があることを見出した。そして、巻止テープを貼付する際に加える荷重を所定値以下にすることによって、電極捲回体のうねりの発生を抑制でき、これによって製造工程における電池の膨れを抑制できることを見出した。本発明者らは、この知見に基づいて本発明を完成させた。
【００１３】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化又は模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
【００１４】
［捲回電池の構成］
図１は、本発明の一実施形態によって製造される捲回電池の一例である捲回電池１０の概略構成を示す分解斜視図である。捲回電池１０は、外装缶１１、フタ板１２、負極端子１３、電極捲回体１４、封止栓１５、および図示しない電解液を備えている。
【００１５】
外装缶１１は、上部に開口にした箱型の形状であり、内部に電極捲回体１４を収納する。外装缶１１の開口部１１ａは、電極捲回体１４を収納した後、フタ板１２によって塞がれる。
【００１６】
外装缶１１およびフタ板１２は、捲回電池１０の正極端子としての機能を兼ねる。外装缶１１およびフタ板１２は、例えば、アルミニウム合金またはチタンによって形成されている。外装缶１１およびフタ板１２は、加工が容易であり比較的安価であることから、アルミニウム合金によって形成されていることが好ましい。
【００１７】
負極端子１３は、フタ板１２の中央部に配置されている。負極端子１３は、フタ板１２を貫通している。負極端子１３とフタ板１２とは、図示しない絶縁パッキングによって電気的に絶縁されている。負極端子１３は、例えばステンレス鋼によって形成されている。
【００１８】
電極捲回体１４は、帯状の正極電極１４１と、帯状の負極電極１４２とを、セパレータ１４３，１４４を間に挟んで捲回し、厚さ方向に圧縮して扁平形状にしたものである。電極捲回体１４には、正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４が解れないように、巻止テープ１４７が貼付されている。巻止テープ１４７は例えば、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、またはポリフェニルサルフィド（ＰＰＳ）等のテープである。
【００１９】
正極電極１４１にはリードタブ１４５が接続されており、負極電極１４２にはリードタブ１４６が接続されている。リードタブ１４５はフタ板１２に接続され、リードタブ１４６は負極端子１３に接続される。この構成によって、フタ板１２および外装缶１１は正極電極１４１と導通し、負極端子１３は負極電極１４１と導通する。
【００２０】
フタ板１２には、電解液を注液するための注液口１２ａが形成されている。注液口１２ａは、フタ板１２を貫通している。注液口１２ａは、電解液を注液した後、封止栓１５によって封止される。
【００２１】
正極電極１４１、負極電極１４２、セパレータ１４３，１４４、および電解液は特に限定されないが、例示すれば次の様なものである。
【００２２】
正極電極１４１は、帯状の正極集電体の片面または両面に正極合剤層が形成されたものである。正極集電体は、例えば、アルミニウム合金またはチタン等の箔、平織金網、エキスパンドメタル、ラス網、またはパンチングメタル等によって形成される。
【００２３】
正極合剤層は、正極活物質と、導電助剤と、バインダとを混合して形成される。正極活物質として、マンガン酸リチウム、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、酸化バナジウム、または酸化モリブデン等を用いることができる。導電助剤として、黒鉛、カーボンブラック、またはアセチレンブラック等を用いることができる。バインダとして、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を、単独または混合して用いることができる。
【００２４】
負極電極１４２は、帯状の負極集電体の片面または両面に負極合剤層が形成されたものである。負極集電体は、例えば、銅、ニッケル、またはステンレス等の箔、平織金網、エキスパンドメタル、ラス網、またはパンチングメタル等によって形成される。
【００２５】
負極合剤層は、負極活物質と、バインダとを混合して形成される。負極活物質として、天然黒鉛、メソフェーズカーボン、または非晶質カーボン等を用いることができる。バインダとして、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）等のセルロース、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリルゴム等のゴムバインダ、ＰＴＦＥ、ならびにＰＶＤＦ等を、単独または混合して用いることができる。
【００２６】
セパレータ１４３，１４４は、例えばＰＰ、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、またはＰＰＳ等の、多孔性フィルムまたは不織布によって形成される。
【００２７】
電解液は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液である。有機溶媒として、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、またはγ‐ブチロラクトン等を、単独でまたは２種類以上を混合して用いることができる。リチウム塩として、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、またはＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２等を用いることができる。
【００２８】
［捲回電池の製造方法］
図２は、本発明の一実施形態にかかる捲回電池の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態にかかる捲回電池の製造方法は、正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４を準備する工程（ステップＳ１）と、正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４を捲回する工程（ステップＳ２）と、捲回された正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４に巻止テープ１４７を貼付する工程（ステップＳ３）と、電池を組み立てる工程（ステップＳ４）とを備えている。
【００２９】
まず、正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４を準備する（ステップＳ１）。正極電極１４１および負極電極１４２の製造方法は特に限定されないが、例示すれば次の様なものである。
【００３０】
正極活物質、導電助剤、およびバインダを、純水または有機溶媒中で十分に混合し、分散体を作製する。分散体を、ダイコータ、スリットコータ、ディップコータ等を用いて、正極集電体の片面または両面に塗布する。塗布後、スラリーを乾燥し、カレンダ処理によって厚さおよび密度を調整する。これによって、正極電極１４１が得られる。正極電極１４１に、溶接または導電性接着材によってリードタブ１４５を取り付ける。
【００３１】
負極活物質、およびバインダを、純水または有機溶媒中で十分に混合し、分散体を作製する。分散体を、ダイコータ、スリットコータ、ディップコータ等を用いて、負極集電体の片面または両面に塗布する。塗布後、スラリーを乾燥し、カレンダ処理によって厚さおよび密度を調整する。これによって、負極電極１４２が得られる。負極電極１４２に、溶接または導電性接着材によってリードタブ１４６を取り付ける。
【００３２】
次に、正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４を捲回する（ステップＳ２）。図３は、正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４を捲回する工程の一例を模式的に示す図である。
【００３３】
図３に示す例では、負極電極１４２、セパレータ１４３、正極電極１４１、およびセパレータ１４４を、この順番で巻芯９１に巻き付けている。負極電極１４２、セパレータ１４３、正極電極１４１、およびセパレータ１４４が隙間なく巻芯９１に巻き付けられるように、負極電極１４２、セパレータ１４３、正極電極１４１、およびセパレータ１４４には、それぞれテンションＴ２，Ｔ３，Ｔ１，Ｔ４が加えられている。
【００３４】
本実施形態では、巻芯９１の形状は限定されない。巻芯９１は例えば、断面形状が丸形または菱形である。本実施形態では、テンションＴ１〜Ｔ４の大きさも限定されない。テンションＴ１〜Ｔ４の大きさは例えば、１００〜１０００ｇｆである。
【００３５】
負極電極１４２、セパレータ１４３、正極電極１４１、およびセパレータ１４４を所定の長さだけ巻芯９１に巻き付けた後、負極電極１４２、セパレータ１４３、正極電極１４１、およびセパレータ１４４を切断する。
【００３６】
次に、捲回された正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４に、巻止テープ１４７を貼付する（ステップＳ３）。このとき、巻止テープ１４７に加える荷重を、８００ｇｆ（≒７８５Ｎ）以下にする。
【００３７】
図４は、捲回された正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４に、巻止テープ１４７を貼付する工程の一例を模式的に示す図である。図４に示す例では、捲回された正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４に、巻止テープ１４７を添付した後、ローラ９２を押し当てて巻止テープ１４７を密着させている。このとき、巻止テープ１４７に加える荷重Ｆは、８００ｇｆ以下である。
【００３８】
巻止テープ１４７を貼付する際に加える荷重は、より好ましくは６００ｇｆ以下であり、さらに好ましくは４００ｇｆ以下である。
【００３９】
巻止テープ１４７を貼付する際に加える荷重の下限は特に限定されない。ただし、荷重が小さすぎると巻止テープ１４７が剥がれる場合がある。そのため、巻止テープ１４７を貼付する際に加える荷重の下限は、好ましくは１００ｇｆであり、さらに好ましくは１５０ｇｆである。
【００４０】
巻止テープ１４７を貼付した後、巻芯９１を抜き、捲回された正極電極１４１、負極電極１４２、およびセパレータ１４３，１４４に、一方向に圧力をかけて偏平形状にする。これによって、電極捲回体１４が製造される。なお、巻芯９１は、巻止テープ１４７を貼付する前に抜いておいても良い。
【００４１】
次に、電池を組み立てる（ステップＳ４）。具体的には、上記の工程によって製造した電極捲回体１４と、負極端子１３が取り付けられたフタ板１２と、外装缶１１とを準備する。そして、リードタブ１４５をフタ板１２に溶接し、リードタブ１４６を負極端子１３に溶接する。電極捲回体１４を外装缶１１に収納し、外装缶１１の開口部１１ａにフタ板１２を嵌合する。そして、外装缶１１の開口部１１ａの内周とフタ板１２の外周とを溶接する。
【００４２】
続いて、注液口１２ａから電解液を注液し、必要に応じて予備充電を行う。その後、注液口１２ａに封止栓１５を嵌合し、注液口１２ａの内周と封止栓１５の外周とを溶接して、注液口１２ａを密封する。その後、所定の容量まで充電することによって、捲回電池１０が製造される。
【００４３】
［本実施形態の効果］
本実施形態にかかる捲回電池の製造方法では、巻止テープ１４７を貼付する際に加える荷重を小さくする。具体的には、巻止テープ１４７を貼付する時に加える荷重を８００ｇｆ以下にする。
【００４４】
巻止テープ１４７を貼付する際に加える荷重が大きいと、電極捲回体１４にうねりが発生し易くなる。これは、巻止テープ１４７を貼付する際に加える荷重によって、電極捲回体１４が必要以上に強く巻き締まるためと考えられる。その結果、充放電時に、正極電極１４１および負極電極１４２の均一な膨張・収縮が妨げられて、電極捲回体にうねりが発生するものと考えられる。
【００４５】
本実施形態による捲回電池の製造方法によれば、巻止テープを貼付する際に加える荷重を小さくして、電極捲回体が必要以上に強く巻き締まらないようにする。より具体的には、巻止テープを貼付する際に加える荷重を８００ｇｆ以下にする。これによって、充放電時に正極電極および負極電極が均一に膨張・収縮できるようになり、捲回体にうねりが生じにくくなる。その結果、捲回体のうねりによる捲回電池の膨れを抑制できる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。
【００４７】
本発明者らはまず、電極捲回体の製造条件と、充電後の電池の厚みとの関係について調査を行った。具体的には、巻芯の形状、電極（正極電極および負極電極）のテンション、セパレータのテンション、および巻止テープを貼付する際に加える荷重の大きさを変えながら、電極捲回体を製造した。そして、これらの電極捲回体から捲回電池を製造し、充電後の厚みを調査した。
【００４８】
なお、幾つかの条件では、電極のテンションおよびセパレータのテンションとして、捲回開始時（スタート）の値と捲回終了時（エンド）の値とを異なる値に設定した。より具体的には、幾つかの条件では、電極のテンションおよびセパレータのテンションを、捲回開始時の設定値から捲回終了時の設定値に向かって線形に変化させた。
【００４９】
電極捲回体の製造条件、および充電後の厚みを表１に示す。
【００５０】
【表１】
2015005390.tif 000003
【００５１】
本発明者らは、どの条件が充電後の捲回電池の厚みに影響を与えているかを検証するため、相関分析を行った。表２に各条件の相間係数を示す。なお、相関係数は、具体的には充電後厚みと各パラメータ（セパレータテンション、電極テンション、または貼付荷重）との共分散を、充電後厚みの標準偏差および各パラメータの標準偏差で割った値であり、１に近いほど相間が強いことを示す。
【００５２】
【表２】
2015005390.tif 000004
【００５３】
この結果から、丸巻芯の場合および菱巻芯の場合の両方において、電極の捲回終了時のテンションおよび巻止テープ貼付の際の荷重が、充電後の捲回電池の厚みと強い相間があることが分かった。
【００５４】
次に、本発明者らは、巻止テープの貼付荷重だけを３００ｇｆ、４００ｇｆ、６００ｇｆ、８００ｇｆ、および１２００ｇｆに変化させて、それぞれ多数の捲回電池を製造し、充電後の厚みの分布を調査した。なお、巻芯は丸巻芯に、セパレータの捲回開始時のテンションは１００ｇｆに、捲回終了時のテンションは２４０ｇｆに、電極の捲回開始時のテンションは２４０ｇｆに、捲回終了時のテンションは４５０ｇｆに、それぞれ固定した。
【００５５】
図５は、製造された捲回電池の充電後厚みの分布を示す箱ひげ図（Ｂｏｘ  Ｐｌｏｔ）である。なお、図５中の「＊」は、箱の幅（第１四分位点からまで第３四分位点）の１．５倍以上外側にある「外れ値」である。図５に示すように、巻止テープの貼付荷重を８００ｇｆ以下にすることによって、製造された捲回電池の充電後厚みの分布の中央値（図５中、箱の中の横線で表示）を５．６０ｍｍ未満にすることができた。
【００５６】
図６Ａは、各貼付荷重で製造された捲回電池のＣＴ画像である。図６Ｂは、図６Ａを模式的に図示したものである。図６Ａおよび図６Ｂを参照して、貼付荷重が１２００ｇｆの捲回電池では、リードタブがねじれ、リードタブのまわりに隙間（図６Ａで黒く映っている箇所）ができていることが分かる。
【００５７】
一方、貼付荷重が８００ｇｆの捲回電池ではリードタブのねじれはある程度低減されている。また、貼付荷重が６００ｇｆの捲回電池ではリードタブのねじれはさらに低減されている。貼付荷重が４００ｇｆおよび３００ｇｆの捲回電池ではリードタブのねじれ、および電極捲回体のうねりは殆ど発生していない。したがって、巻止テープの貼付荷重は、８００ｇｆ以下であれば良く、好ましくは６００ｇｆ以下であり、さらに好ましくは４００ｇｆ以下である。
【００５８】
［その他の実施形態］
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００５９】
上述の実施例から、巻止テープを貼付する際に加える荷重を調整することによって、捲回電池の充電による膨れを抑制できることが分かった。具体的には、巻止テープを貼付する際に加える荷重を８００ｇｆ以下にすることによって、捲回電池の充電後の厚みの分布の中央値を５．６０ｍｍ未満にできることが分かった。
【００６０】
すなわち、本発明の一実施形態にかかる捲回電池の製造方法は、正極電極、負極電極、およびセパレータを捲回して捲回体にする工程と、前記捲回体に、巻止テープを８００ｇｆ以下の荷重を加えて貼付する工程とを備えていれば良い。
【００６１】
上記の製造方法によれば、巻止テープを貼付する際に加える荷重を小さくして、電極捲回体が必要以上に強く巻き締まらないようにする。これによって、充放電時に正極電極および負極電極が均一に膨張・収縮できるようになり、捲回体にうねりが生じにくくなる。その結果、捲回体のうねりによる捲回電池の膨れを抑制できる。
【００６２】
好ましくは、前記巻止テープを貼付する際に加える荷重は、６００ｇｆ以下である。
【００６３】
上記の製造方法によれば、捲回体のうねりをより抑制することができる。
【００６４】
好ましくは、前記捲回する工程において、捲回終了時に前記正極電極および前記負極電極に加えるテンションは、４５０ｇｆ以下である。
【００６５】
好ましくは、前記巻止テープが貼付された捲回体を、アルミニウム合金製の外装缶に収納する工程をさらに備える。
【００６６】
捲回電池は、加工が容易で、チタンに比べて安価なアルミニウム合金製の外装缶を用いることが好ましい。一方、アルミニウム合金は変形しやすいため、捲回体にうねりが生じることによって外装缶も膨れやすい。本実施形態は、捲回体のうねりを抑制するので、アルミニウム合金製の外装缶を用いた捲回電池に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０  捲回電池、１１  外装缶、１２  フタ板、１３  負極端子、１４  電極捲回体、１４１  正極電極、１４２  負極電極、１４３，１４４  セパレータ、１４５，１４６  リードタブ、１４７  巻止テープ、１５  封止栓、９１  巻芯、９２  ローラ
【図１】
2015005390.tif 000005
【図２】
2015005390.tif 000006
【図３】
2015005390.tif 000007
【図４】
2015005390.tif 000008
【図５】
2015005390.tif 000009
【図６Ｂ】
2015005390.tif 000010
【図６Ａ】
2015005390.tif 000011