(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸芯の周りに正負電極がセパレータを介して捲回された電極群を有する捲回式電池の製造方法であって、前記正負電極の捲回前に、前記セパレータの捲回先端部を前記軸芯に熱溶着した後に、該捲回先端部の先端で前記セパレータを溶断することで、前記先端を含む捲回先端部が前記軸芯との熱溶着部を形成することを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は捲回式電池の製造方法に係り、特に、軸芯の周りに正負電極がセパレータを介して捲回された電極群を有する捲回式電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、捲回式電池は家電製品に汎用されており、近年では、捲回式電池の中でも特にリチウム二次電池が数多く用いられるに至っている。また、リチウム二次電池はエネルギ密度が高いことから、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）の車載電源としても開発が進められ、一部実用化されている。
【０００３】
通常、リチウムイオン二次電池では、以下のような捲回式の内部構造を有している。すなわち、金属箔に活物質をそれぞれ塗着した正負極板が帯状に形成され、該正負極板をセパレータを介して直接接触しないように軸芯の周りに捲回した電極（捲回）群が形成されている。この電極群が円筒状の電池容器に収容され、電解液注液後、電池容器が電池蓋で封口されている。
【０００４】
電極群の形成時（正負極板の捲回時）には、セパレータの捲回先端部が軸芯に固定され、セパレータを介して正負極板が対向するように捲回される。このとき、正負極板の捲きズレを防止するため、正負極板がテンションをかけながら捲回される。セパレータを軸芯に固定するときは、通常、熱源を用いて切断（溶断）したセパレータを軸芯に押し当てることで、セパレータが部分的に軸芯に溶着される。また、軸芯にセパレータを確実に接合するために、例えば、セパレータの捲回先端部を粘着テープにより軸芯に固定する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２９９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、セパレータを軸芯に固定するときに従来の溶着方法を用いた場合は、切断したセパレータを軸芯に押し当てて溶着するため、セパレータの捲回先端部に未溶着部分が残されることがある。この未溶着部分が正負極板の捲回時に折れ曲がりを生じることがあり、また、セパレータが未溶着部分から剥離することもある。セパレータの折れ曲がりや剥離が生じると、正負電極の損傷や捲きズレを生じ、電極群ひいては電池の不良を引き起こすこととなる。また、セパレータの材質によっては溶着が不十分となることもあり、溶着の良否を判別しにくい、という問題もある。一方、特許文献１の技術では、セパレータの固定に粘着テープを用いることで確実性を高めることはできるものの、固定作業が繁雑となり粘着テープを用いる分で高コストとなってしまう。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、正負電極を損傷させることなく電極群の捲きズレを抑制した捲回式電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、軸芯の周りに正負電極がセパレータを介して捲回された電極群を有する捲回式電池の製造方法であって、前記正負電極の捲回前に、前記セパレータの捲回先端部を前記軸芯に熱溶着した後に、前記捲回先端部の先端で前記セパレータを溶断することで、前記先端を含む捲回先端部が前記軸芯との熱溶着部を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セパレータの捲回先端部が軸芯に熱溶着され、該先端で溶断されており、先端を含む捲回先端部が軸芯との熱溶着部を形成したことで、捲回時にセパレータの捲回先端部の折れ曲がりや剥離が低減するので、正負電極を損傷させることなく電極群の捲きズレを抑制することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明を適用した円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
【００１４】
（構成）
図１に示すように、本実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池２０は、正極板Ｗ１および負極板Ｗ３がセパレータＷ５を介して対向するように断面渦巻状に捲回された電極群６を有している。すなわち、リチウムイオン二次電池２０は捲回式電池である。電極群６は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器７に収容されている。
【００１５】
電極群６の捲回中心には、ポリプロピレン樹脂製で円筒状の軸芯１が使用されている。電極群６の上側には、軸芯１のほぼ延長線上に正極板Ｗ１からの電位を集電するための円環状の正極集電リング４が配置されている。正極集電リング４は、軸芯１の上端部に固定されている。正極集電リング４の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板Ｗ１から導出された正極リード片２の端部が超音波溶接で接合されている。正極集電リング４の上方には、安全弁を内蔵し正極外部端子となる円盤状の電池蓋１４が配置されている。正極集電リング４の上部には正極リード９の一端が接合されており、正極リード９の他端は電池蓋１４の下面に接合されている。
【００１６】
一方、電極群６の下側には負極板Ｗ３からの電位を集電するための円環状の負極集電リング５が配置されている。負極集電リング５の内周面には軸芯１の下端部外周面が固定されている。負極集電リング５の外周縁には、負極板Ｗ３から導出された負極リード片３の端部が溶接で接合されている。負極集電リング５の下部は、負極リード８を介して負極外部端子を兼ねる電池容器７の内底部に溶接で接合されている。
【００１７】
電池蓋１４は、ガスケット１０を介して電池容器７の上部にカシメ固定されている。ガスケット１０には、ポリプロピレン樹脂等の絶縁性および耐熱性を有する材質が用いられている。このため、リチウムイオン二次電池２０の内部は密封されている。また、電池容器７内には、非水電解液（不図示）が注液されている。非水電解液には、エチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の混合溶媒中に６フッ化リン酸リチウムを１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解したものが用いられている。
【００１８】
電極群６は、正極板Ｗ１と負極板Ｗ３とが、これら両極板が直接接触しないようにセパレータＷ５を介し、軸芯１の周囲に捲回されている。セパレータＷ５は、幅寸法（軸芯１の長手方向の長さ）が正極板Ｗ１および負極板Ｗ３の幅寸法より大きく設定されている。図２に示すように、セパレータＷ５は、２枚のポリエチレン製等の微多孔性フィルムが重ね合わされて用いられている。２枚の微多孔性フィルムは、平滑な面同士が互いに対向するように重ね合わされ、捲回（開始）先端部、すなわち、捲き始めの端部（始端となる部分）が溶着されて一体化されている。本例では、一体化されたセパレータＷ５の２組が用いられており、捲回先端部が軸芯１の２ヶ所に熱源を用いてそれぞれ熱溶着されている。熱溶着された捲回先端部は熱溶着部Ｈを形成しており、セパレータＷ５は熱溶着部Ｈの先端ｈで溶断されている。換言すれば、熱溶着部Ｈの先端ｈも軸芯１に熱溶着されており、この先端ｈでセパレータＷ５が溶断されている。また、熱溶着部ＨではセパレータＷ５が透明ないし半透明を呈しており、熱溶着部ＨがセパレータＷ５の幅寸法に対して面積割合で９５％以上を占めている。すなわち、熱溶着部Ｈの９５％以上の面積が透明ないし半透明を呈している。なお、図２では、一体化されたセパレータＷ５の２組のうち、１組を捨象して示している。
【００１９】
電極群６では、正極リード片２と負極リード片３とが、それぞれ電極群６の互いに反対側の両端面に配置されている。電極群６および正極集電リング４の鍔部周面全周には、電極群６と電池容器７との電気的接触を防止するために絶縁被覆が施されている。電極群６の最大径部が絶縁被覆存在部となるように捲き数が調整され、該最大径が電池容器７の内径より僅かに小さく設定されている。
【００２０】
正極板Ｗ１は、正極集電体としてアルミニウム箔を有している。アルミニウム箔の厚さは、本例では、２０μｍに設定されている。アルミニウム箔の両面には、正極活物質としてマンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複酸化物を含む正極合剤Ｗ２が略均等に塗着されている。正極合剤Ｗ２には、正極活物質以外に、炭素材料等の導電材およびポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）等のバインダ（結着材）が配合されている。アルミニウム箔への正極合剤Ｗ２の塗着時には、Ｎ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）等の分散溶媒で粘度調整される。正極板Ｗ１は、乾燥後ロールプレスで密度が調整され薄膜状に形成されている。アルミニウム箔の長寸方向一側の側縁には、正極合剤Ｗ２の未塗着部が形成されている。この未塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部で正極リード片２が形成されている。
【００２１】
一方、負極板Ｗ３は、負極集電体として銅箔を有している。銅箔の厚さは、本例では、１０μｍに設定されている。銅箔の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを可逆に吸蔵、放出可能な黒鉛等の炭素材料の粉末を含む負極合剤Ｗ４が略均等に塗着されている。負極合剤Ｗ４には、負極活物質以外に、アセチレンブラック等の導電材およびＰＶＤＦ等のバインダが配合されている。銅箔への負極合剤Ｗ４の塗着時には、ＮＭＰ等の分散溶媒で粘度調整される。負極板Ｗ３は、乾燥後ロールプレスで密度が調整され薄膜状に形成されている。銅箔Ｗ３の長寸方向一側の側縁には、正極板Ｗ１と同様に負極合剤Ｗ４の未塗着部が形成されており、負極リード片３が形成されている。なお、負極板Ｗ３の長さは、正極板Ｗ１および負極板Ｗ３を捲回したときに、捲回最内周及び最外周で捲回方向に正極板Ｗ１が負極板Ｗ３からはみ出すことがないように、正極板Ｗ１の長さより長く設定されている。また、負極合剤Ｗ４塗着部の幅は、軸芯１の長手方向において正極合剤Ｗ２塗着部が負極合剤Ｗ４塗着部からはみ出すことがないように、正極合剤Ｗ２塗着部の幅より長く設定されている。
【００２２】
（電池組立）
リチウムイオン二次電池２０の組立では、まず、作製した正負極板をセパレータを介して軸芯１の周囲に捲回し電極群６を作製する。２枚のセパレータＷ５の捲回先端部同士を溶着して一体化する。一体化された２組のセパレータＷ５を軸芯１の２箇所にそれぞれ熱溶着する。すなわち、２組のセパレータＷ５を軸芯１に対して対称となるように配置し、一体化された捲回先端部を熱溶着部Ｈで熱溶着する。このとき、熱溶着部ＨがセパレータＷ５の幅寸法に対して面積割合で９５％以上を占めるように熱溶着する。換言すれば、熱溶着部Ｈでの熱溶着されたセパレータＷ５の幅寸法に対する面積割合が９５％以上となるように設定される。セパレータＷ５の捲回先端側に未溶着部分が残らないように、２組のセパレータＷ５をそれぞれ熱溶着部Ｈの先端ｈで溶断する（図２参照）。
【００２３】
図３に示すように、２ヶ所の熱溶着部Ｈで軸芯１に熱溶着された２組のセパレータＷ５を、捲き始めにセパレータＷ５のみを２〜３周程度捲回する。負極板Ｗ３を軸芯１に対して一側（図４の左側）のセパレータＷ５の下側から軸芯１に向かう方向（矢印Ｎ方向）に挿入する。軸芯１を捲回方向（矢印Ａ方向）に回転させ、負極板Ｗ３が半周程度捲回されたとき（負極板Ｗ３の先端部が右側に達したとき）に、正極板Ｗ１を挿入する。正極板Ｗ１を、軸芯１に対して他側（図４の右側）のセパレータＷ５の上側から軸芯１に向かう方向（矢印Ｐ方向）に挿入する。このとき、正極リード片２と負極リード片３とがそれぞれ電極群６の互いに反対側の両端面に位置するように捲回する。このため、正極合剤Ｗ２塗着面と負極合剤Ｗ４塗着面とがセパレータＷ５を介して適切に対向した電極群６が形成される。換言すれば、電極群６は、軸芯１に熱溶着された２組のセパレータＷ５を介して正極板Ｗ１と負極板Ｗ３とが対向するように軸芯１の両側からそれぞれ供給され捲回されたものである。
【００２４】
正極板Ｗ１、負極板Ｗ３を全て捲回した後、電極群６の最外周で正負極板が露出しないように、捲き終わりにセパレータＷ５のみを２〜３周程度捲回する。この状態で捲きがほどかれないように、最外周のセパレータの継ぎ目部分に粘着テープ等で捲き止めをして電極群６の作製を完了する。
【００２５】
作製した電極群６の両端面からそれぞれ導出されている正極リード片２および負極リード片３をそれぞれ正極集電リング４および負極集電リング５に溶接した後、負極集電リング５を底側に向けて電池容器７内に電極群６を挿入する。軸芯１の中空部分に溶接棒を挿入し、負極集電リング５に予め溶接しておいた負極リード板８を電池容器７の内底部に抵抗溶接で接合する。電池容器７の開口部上端より若干底側にグルービングを施し、正極集電リング４に予め一端を溶接しておいた正極リード９の他端を電池蓋１４の下面に溶接で接合する。電池容器７内に非水電解液を注液した後、グルービングを施した部分の上側にガスケット１０を装着し電池蓋１４を電池容器７の上部にかしめ固定することで、リチウムイオン二次電池２０の組立を完成させる（図１参照）。
【実施例】
【００２６】
次に、本実施形態に従い、熱溶着部Ｈでの熱溶着されたセパレータＷ５の幅寸法に対する面積割合を変えて作製したリチウムイオン二次電池２０の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
【００２７】
（実施例１）
実施例１では、軸芯１にセパレータＷ５を幅寸法に対して９５％の面積割合で熱溶着させ、熱溶着部Ｈの先端ｈでセパレータＷ５を溶断した。すなわち、熱溶着部Ｈでの熱溶着割合を９５％に設定した。
【００２８】
（実施例２）
実施例２では、熱溶着部ＨでセパレータＷ５を幅寸法に対して１００％の面積割合で熱溶着する以外は実施例１と同様にした。
【００２９】
（比較例１、比較例２）
比較例１、比較例２では、熱溶着部Ｈでの軸芯１に対する熱溶着された面積割合を変える以外は実施例１と同様にした。面積割合は、比較例１では８０％、比較例２では９０％に設定した。
【００３０】
（比較例３）
比較例３では、図４に示すように、セパレータＷ５を切断（溶断）した後、熱溶着部ＨでセパレータＷ５を幅寸法に対して８０％の面積割合で熱溶着する（熱溶着された面積割合を８０％に設定した）以外は実施例１同様にした。セパレータＷ５には、熱溶着部Ｈより捲回先端側に未溶着部分が残されている。すなわち、比較例３は従来のリチウムイオン二次電池である。
【００３１】
（評価）
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、電極群作製時の不良発生率および熱溶着部Ｈの状態を判定した。すなわち、電極群を作製するときに、セパレータＷ５の未溶着部分の折れ曲がり、または、切断（溶断）時のセパレータＷ５の剥がれが起きた場合を不良と判断し、それぞれの発生率を百分率で求めた。熱溶着部Ｈの状態は、セパレータＷ５の透明性を目視にて判定した。なお、熱溶着部ＨがセパレータＷ５の幅寸法に対して７０％以下のものはセパレータＷ５の切断時に剥がれが起きたため不良とした。
【００３２】
【表１】
0005274059.tif 000002
【００３３】
表１に示すように、比較例１〜比較例２では、折れ曲がりの発生率が５〜１０％、剥がれの発生率が１０〜２０％と高くなっている。また、比較例３では、始めにセパレータＷ５を切断しているため切断時の剥がれは認められなかったが、面積割合を８０％としたため、比較例１、比較例２と比べて、捲回時のセパレータ折れ曲がりの発生率がやや高くなっており好ましくない。これに対して、熱溶着部Ｈの先端ｈでセパレータＷ５を溶断した実施例１、実施例２では、セパレータＷ５の折れ曲がりや剥がれが認められなかった。
【００３４】
また、比較例１〜比較例３では、熱溶着部Ｈがいずれも部分的には半透明であるものの白色を呈しているため、目視では熱溶着されているか否かを判断しにくかった。これに対して、実施例１、実施例２では、熱溶着部Ｈがそれぞれ半透明、透明を呈しており、熱溶着されていることを目視にて容易に判断することができた。従って、実施例１、実施例２では、比較例１〜比較例３と比べて、セパレータＷ５の熱溶着状態を容易に判断することができ、セパレータＷ５の折れ曲がりによる不良率を低減することができることが判明した。
【００３５】
（作用等）
次に、本実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池２０の作用等について、軸芯１とセパレータＷ５との熱溶着部Ｈの作用を中心に説明する。
【００３６】
本実施形態では、セパレータＷ５が、捲回先端部を軸芯１に熱溶着部Ｈで熱溶着されており、この熱溶着部Ｈの先端ｈで溶断されている。このため、熱溶着部Ｈより先端側に未溶着部分が形成されないので、正極板Ｗ１、負極板Ｗ３およびセパレータＷ５の捲回時にセパレータの捲回先端部の折れ曲がりや剥がれ（剥離）が低減する。これにより、正極板Ｗ１、負極板Ｗ３を損傷させることなく電極群６を作製することができ、電極群６の捲きズレを抑制することができる。
【００３７】
また、本実施形態では、熱溶着部Ｈが透明ないし半透明を呈している。樹脂製のセパレータでは、加熱しても熱溶融が生じていないときには白色を呈する場合が多いことから、透明ないし半透明を呈することで熱溶融が生じていることを目視にて容易に判断することができる。このため、熱溶着部ＨではセパレータＷ５が熱溶融を生じて熱溶着されており、セパレータＷ５と軸芯１とが確実に固定（熱溶着）されていると判定することができる。このことは、樹脂の材質が異なる場合でも同様に生じるため、セパレータＷ５の材質によらず熱溶着の良否を目視にて容易に判定することができる。換言すれば、セパレータＷ５を軸芯１に熱溶着する際に先端部を熱溶着し、その部分が透明ないし半透明を呈するようにすることで、セパレータＷ５の材質変更による熱溶着不具合を低減することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、セパレータＷ５として、２枚のポリエチレン製フィルムを重ねて用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ポリプロピレンのポリオレフィン製フィルム等を用いてもよい。また、材質の異なるフィルムを重ねて用いてもよく、３枚以上を重ねることも可能である。１枚のフィルムを用いてもよいことはもちろんである。更に、本実施形態では、軸芯１の材質をポリプロピレン製とする例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セパレータＷ５を熱溶着することができる材質であればよい。また、本実施形態では、２組のセパレータＷ５を軸芯１に対して対称となるように熱溶着させる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２箇所に熱溶着させればよい。
【００３９】
また、本実施形態では、正極活物質としてリチウム含有遷移金属複合酸化物、負極活物質として黒鉛をそれぞれ例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池２０に通常用いられる正極活物質、負極活物質を用いることができる。非水電解液やバインダについても特に制限はなく、通常リチウムイオン二次電池に使用される材料を用いることができる。
【００４０】
更に、本実施形態では、電極群６を有底円筒状の電池容器７に収容した円筒型リチウムイオン二次電池を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、正負極板を捲回した電極群を有する捲回式の電池に適用することができる。また、電池形状としても円筒型に限定されず、例えば、角形、その他の多角形状の電池にも適用可能である。更に、本発明の適用可能な電池の構造としては、例えば、正負極外部端子が電池蓋を貫通し電池容器内で軸芯を介して押し合っている構造の電池を挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は正負電極を損傷させることなく電極群の捲きズレを抑制した捲回式電池の製造方法を提供するため、捲回式電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を適用した実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図２】実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池におけるセパレータの先端部分と軸芯との熱溶着部分を模式的に示す斜視図である。
【図３】円筒型リチウムイオン二次電池の電極群を作製するときのセパレータおよび正負極板と軸芯との位置関係を模式的に示す断面図である。
【図４】比較例３のリチウムイオン二次電池におけるセパレータの先端部分と軸芯との熱溶着部分を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  軸芯
６  電極群
７  電池容器
２０  円筒型リチウムイオン二次電池（捲回式電池）
Ｗ１  正極板
Ｗ３  負極板
Ｗ５  セパレータ
Ｈ  熱溶着部（捲回先端部）
ｈ 先端
【図１】
0005274059.tif 000003
【図２】
0005274059.tif 000004
【図３】
0005274059.tif 000005
【図４】
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