(57)【要約】【課題】接着剤や粘着テープを用いずに捲回可能な捲回形電極体の製造方法および捲回形電極体の提供。【解決手段】正極活物質を塗布した帯状の正極板３２と、負極活物質を塗布した帯状の負極板３３とを、セパレータ３１を介して軸芯２０の周りに捲回することで形成する捲回型電極体１０の製造方法において、外周面に複数の貫通小孔２３を有した筒状の軸芯２０の一端に、ディフューザー１００を接続して、セパレータ３１を軸芯２０に接触させ、ディフューザー１００により軸芯２０の内部を外部よりも低圧にすることで貫通小孔２３より外気を吸引してセパレータ３１を貫通小孔２３の付近に吸着した状態とし、セパレータ３１を軸芯２０に捲回し始め、正極板３２と負極板３３をセパレータ３１の間に配置しながら軸芯２０を中心に捲回する。【選択図】図４
2012038439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質を塗布した帯状の正極と、負極活物質を塗布した帯状の負極とを、セパレータを介して軸芯の周りに捲回することで形成する捲回型電極体の製造方法において、
外周面に複数の貫通小孔を有し、前記貫通小孔と連通する流路を備えた前記軸芯の一端に、差圧発生手段を接続して、
前記セパレータを前記軸芯に接触させ、前記差圧発生手段により前記軸芯の内部を外部よりも低圧にすることで前記貫通小孔より外気を吸引して前記セパレータを前記貫通小孔の付近に吸着した状態とし、前記セパレータを前記軸芯に捲回し始め、
前記正極と前記負極を前記セパレータの間に配置しながら前記軸芯を中心に捲回して捲回型電極体を形成することを特徴とする捲回型電極体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の捲回型電極体の製造方法において、
前記軸芯に前記正極、前記負極、及び前記セパレータを捲回した後、前記捲回型電極体より前記軸芯を抜き去ることを特徴とする捲回型電極体の製造方法。
【請求項３】
正極活物質を塗布した帯状の正極と、負極活物質を塗布した帯状の負極と、前記正極及び前記負極を分けるセパレータと、前記正極、前記負極及び前記セパレータとが捲回された軸芯を備える捲回型電極体において、
前記軸芯は、外周面に複数の貫通小孔と、前記貫通小孔と連通し、一端に差圧発生手段を接続する流路を備え、
前記貫通小孔の付近に前記セパレータを吸着した状態で、前記セパレータが前記軸芯に捲回されることを特徴とする捲回型電極体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、捲回型電極体の製造方法に関するものであり、特に捲回型電極体の軸芯とセパレータとの取り付け構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などに用いられる捲回型の電池は、正極集電体となる金属箔と負極集電体となる金属箔に活物質をそれぞれ塗工して正極と負極を形成し、正極と負極の間にセパレータを挟み、負極の外周側にもセパレータが配置されるように配置して円筒状に捲回することで形成される。
ただし、電気自動車やハイブリッド車に搭載されるためには、大容量、高出力の電池が要求されるため、様々な工夫が検討されている。
【０００３】
特許文献１には、円筒形リチウムイオン電池に関する技術が開示されている。
二次電池の捲き芯となる円筒形状軸芯に、捲き始め部にアクリル系接着剤を塗布したセパレータ２枚を軸芯の周りに一周以上捲回し、この際のアクリル系接着剤の接着面積を軸芯の外周表面積の４０％以下としている。接着剤の代わりに粘着テープを用いても良い。そして、正極となる正極活物質が塗布された圧延アルミニウム箔と、負極となる負極活物質が塗布された圧延銅箔を２枚のセパレータの間にそれぞれ挟まるように配置して、複数層巻回することで、リチウムイオン二次電池を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２６７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術を適用して二次電池を形成するにあたっては、以下に説明する課題があると考えられる。
二次電池の軸芯にセパレータを接着剤又は粘着テープを用いて固定している。しかし、このような接着剤又は粘着テープを用いた固定方法を採用する場合、接着剤又は粘着テープを施工する工程が必要となるので、二次電池のコストアップになる。
また、このセパレータの固定の際に用いる接着剤又は粘着テープの厚みがあることで、接着剤又は粘着テープを施工した部分の周囲に段差ができてしまう。このような段差はセパレータ、正極及び負極を所定のテンションで捲回していく際にテンションの差異を発生してしまい、電池性能に影響を与える可能性がある。
具体的には、段差部分の存在による面圧ムラに起因する電池反応ムラができ、リチウムが析出してしまい、電池の寿命などに影響が出る可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明はこのような課題を解決するために、接着剤や粘着テープを用いずに捲回可能な捲回型電極体の製造方法および捲回型電極体の提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の一態様による捲回型電極体の製造方法は以下のような特徴を有する。
（１）正極活物質を塗布した帯状の正極と、負極活物質を塗布した帯状の負極とを、セパレータを介して軸芯の周りに捲回することで形成する捲回型電極体の製造方法において、
外周面に複数の貫通小孔を有し、前記貫通小孔と連通する流路を備えた前記軸芯の一端に、差圧発生手段を接続して、前記セパレータを前記軸芯に接触させ、前記差圧発生手段により前記軸芯の内部を外部よりも低圧にすることで前記貫通小孔より外気を吸引して前記セパレータを前記貫通小孔の付近に吸着した状態とし、前記セパレータを前記軸芯に捲回し始め、前記正極と前記負極を前記セパレータの間に配置しながら前記軸芯を中心に捲回して捲回型電極体を形成することを特徴とする。
【０００８】
（２）（１）に記載の捲回型電極体の製造方法において、
前記軸芯に前記正極、前記負極、及び前記セパレータを捲回した後、捲回型電極体より前記軸芯を抜き去ることを特徴とする。
【０００９】
また、前記目的を達成するために、本発明による捲回型電極体は以下のような特徴を有する。
（３）正極活物質を塗布した帯状の正極と、負極活物質を塗布した帯状の負極と、前記正極及び前記負極を分けるセパレータと、前記正極、前記負極及び前記セパレータとが捲回された軸芯を備える捲回型電極体において、
前記軸芯は、外周面に複数の貫通小孔と、前記貫通小孔と連通し、一端に差圧発生手段を接続する流路を備え、前記貫通小孔の付近に前記セパレータを吸着した状態で、前記セパレータが前記軸芯に捲回されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
このような特徴を有する本発明の一態様による捲回型電極体の製造方法により、以下のような作用、効果が得られる。
上記（１）に記載される発明の態様は、正極活物質を塗布した帯状の正極と、負極活物質を塗布した帯状の負極とを、セパレータを介して軸芯の周りに捲回することで形成する捲回型電極体の製造方法において、外周面に複数の貫通小孔を有し、貫通小孔と連通する流路を備えた軸芯の一端に、差圧発生手段を接続して、セパレータを軸芯に接触させ、差圧発生手段により軸芯の内部を外部よりも低圧にすることで貫通小孔より外気を吸引してセパレータを貫通小孔の付近に吸着した状態とし、セパレータを軸芯に捲回し始め、正極と負極をセパレータの間に配置しながら軸芯を中心に捲回して捲回型電極体を形成するものである。
【００１１】
内部に流路を有する軸芯の外周面に流路と連通する貫通小孔を設け、差圧発生手段によって軸芯の内部を外部よりも低圧にすることでセパレータを軸芯に対して吸着することが可能となり、この状態でセパレータ、正極及び負極を軸芯に対して巻回することが可能となる。
従来技術に示されるように軸芯に接着剤や粘着テープを用いる必要がないので、接着剤や粘着テープの厚みにより、それらの周囲に段差が出来ることを防止することが可能となる。
セパレータを軸芯に対して巻き付けることでセパレータ、正極、及び負極のそれぞれの表面に摩擦が発生するので、軸芯に対してセパレータを数回巻き付ければ、以降は差圧発生手段による吸引も不要となる。
【００１２】
このように軸芯に対して段差無くセパレータ、正極及び負極を巻き付けることができるため、課題に示したような面圧の差の発生を抑えることが出来る。よって、リチウムの析出等による電池寿命の低下を防止することが可能となる。
また、接着剤の塗布や粘着テープの貼り付けを行う工程を削減することができるので、コストダウンに貢献することが可能である。
【００１３】
また、上記（２）に記載される発明の態様は、（１）に記載の捲回型電極体の製造方法において、軸芯に正極、負極、及びセパレータを捲回した後、捲回型電極体より軸芯を抜き去るものである。
軸芯とセパレータが接着剤や粘着テープ等で固定されていないため、軸芯を有さない電極体を容易に製造することが可能である。
【００１４】
また、このような特徴を有する本発明の態様による捲回型電極体により、以下のような作用、効果が得られる。
上記（３）に記載される発明の態様は、正極活物質を塗布した帯状の正極と、負極活物質を塗布した帯状の負極と、正極及び負極を分けるセパレータと、正極、負極及びセパレータとが捲回された軸芯を備える捲回型電極体において、軸芯は、外周面に複数の貫通小孔と、貫通小孔と連通し、一端に差圧発生手段を接続する流路を備え、貫通小孔の付近にセパレータを吸着した状態で、セパレータが軸芯に捲回されるものである。
【００１５】
したがって、軸芯に対してセパレータを接着剤や粘着テープ無しで吸着可能であり、セパレータを軸芯の貫通小孔付近に保持した状態でセパレータを巻回することで、軸芯とセパレータとを接着剤や粘着テープで接着することなく捲回型電極体を形成することが可能となる。
このことにより、捲回型電極体に接着剤や粘着テープを用いたことによる段差の発生を防ぐことが可能となり、この段差による電池の寿命の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の、捲回型電極体の断面図である。
【図２】第１実施形態の、軸芯の斜視図である。
【図３】第１実施形態の、捲回体の側面図である。
【図４】第１実施形態の、軸芯に接続したディフューザーの断面図である。
【図５】第２実施形態の、捲回体から軸芯を取り外す際の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１に、第１実施形態の捲回型電極体１０の断面図を示す。
図２に、軸芯２０の斜視図を示す。
捲回型電極体１０は、軸芯２０、捲回体３０、及び電池容器５０を有している。軸芯２０は、アルミニウム合金を用いた円筒形状の金属パイプ部２２と樹脂を用いた円筒形状の樹脂パイプ部２１とからなる。そして、軸芯２０の表面には貫通小孔２３が設けられている。貫通小孔２３は流路となる内部空間２４と接続されている。また、貫通小孔２３は直径数ｍｍ程度で複数列並べて形成されている。
なお、図面では貫通小孔２３は軸芯２０の外周面に２列になるように等間隔に設けられているが、後述するセパレータ３１を保持する力や厚み等の条件によって間隔を変更したり列を増減したりすることを妨げない。
【００１８】
図３に、捲回体３０の側面図を示す。
捲回体３０は、セパレータ３１と正極板３２及び負極板３３が軸芯２０に対して複数層巻き取られて形成されている。
セパレータ３１はリチウムイオンが通過可能な微細孔を有したポリオレフィン樹脂の多孔膜であり、その厚みは数十μｍである。正極板３２は厚み数十μｍのアルミ箔の表面にコバルト酸リチウム等のリチウム遷移金属酸化物を主体とした活物質が塗布されたものよりなる。負極板３３は厚み数十μｍの圧延銅箔の表面に炭素を主体とした活物質が塗布されたものよりなる。
【００１９】
正極板３２と負極板３３はそれぞれセパレータ３１に挟まれるように配置され、数十回捲回することで、捲回体３０が形成されている。
電池容器５０は捲回体３０を包み込む円筒状の容器であり、軸芯２０に捲回体３０が備えられた状態で内側に捲回体３０を封止する機能を有する。
なお、正極板３２及び負極板３３に用いられる活物質やセパレータ３１に用いられる材質及び厚みに関しては、現状で知られている様々な組み合わせを適宜採用することを妨げない。ここで示したものはあくまで一例である。
【００２０】
次に、捲回型電極体１０の形成過程について説明する。
セパレータ３１、正極板３２、負極板３３はそれぞれ別途製造されて巻き取られ、ロール材として用意され捲回工程に配置される。
そして軸芯２０は回転軸に固定された後、軸芯２０の開口部の一方が塞がれ、他方には差圧発生手段としてディフューザー１００が接続される。
図４に、軸芯２０に接続したディフューザー１００の断面図を示す。
一方を封止栓１５０に塞がれた軸芯２０の他端に、ディフューザー１００の真空ポート１０１が接続されている様子が図４に示されている。ディフューザー１００の構造上、供給ポート１０２に供給されるドライエアが排気ポート１０３から排出され、これの勢いで真空ポート１０１からもエアが吸引される。
【００２１】
真空ポート１０１からエアを吸引した状態で、軸芯２０の外周面にセパレータ３１を配置することで、貫通小孔２３から吸引されるエアによってセパレータ３１は軸芯２０の外周面に保持される。つまりディフューザー１００によって、軸芯２０の内部と外部に差圧が発生するので、セパレータ３１は軸芯２０の外周面に吸着して保持される。この状態で軸芯２０を芯にしてセパレータ３１を捲回する。
具体的には、ディフューザー１００を接続したままで図示しない回転軸によって軸芯２０を回転させることで、軸芯２０に対してセパレータ３１を捲回する。セパレータ３１には所定のテンションがかけられており、そのテンションに抗して軸芯２０に対してセパレータ３１が保持されることで、軸芯２０に対してセパレータ３１がずれることなく捲回が可能である。
【００２２】
また、１周以上セパレータ３１を捲回すると、セパレータ３１同士が面接触することで摩擦が発生するので数周捲回すれば、セパレータ３１にテンションがかけられている限り解けない状態とできる。
２枚目のセパレータ３１に関しても同様にして軸芯２０に吸着されるように配置し、正極板３２及び負極板３３をセパレータ３１の間に挟みながら所定の周回数捲回するまで、セパレータ３１、正極板３２、及び負極板３３の捲回を続ける。
そして、最外周に配置されるセパレータ３１を、粘着テープなどを用いて固定することで捲回体３０を形成する。
その後、軸芯２０及び捲回体３０を電池容器５０の中に納めて封止し捲回型電極体１０を形成する。
【００２３】
第１実施形態の捲回型電極体１０は上記構成であるので、以下に説明する作用及び効果を奏する。
まず、捲回型電極体１０の寿命を延ばすことに貢献することができる。
第１実施形態の捲回型電極体１０は正極活物質を塗布した帯状の正極板３２と、負極活物質を塗布した帯状の負極板３３とを、セパレータ３１を介して軸芯２０の周りに捲回することで形成する捲回型電極体１０の製造方法において、外周面に複数の貫通小孔２３を有した筒状の軸芯２０の一端に、ディフューザー１００を接続して、セパレータ３１を軸芯２０に接触させ、ディフューザー１００により軸芯２０の内部を外部よりも低圧にすることで貫通小孔２３より外気を吸引してセパレータ３１を貫通小孔２３の付近に吸着した状態とし、セパレータ３１を軸芯２０に捲回し始め、正極板３２と負極板３３をセパレータ３１の間に配置しながら軸芯２０を中心に捲回するものである。
【００２４】
軸芯２０に貫通小孔２３を設けて、差圧発生手段であるディフューザー１００を接続することで、接着剤や粘着テープを用いることなく軸芯２０にセパレータ３１を吸着して保持することができる。
課題にも示した通り、セパレータ３１の捲回開始時に接着剤や粘着テープを用いると、その上にセパレータ３１、正極板３２、及び負極板３３を数十ターン捲回することで接着部分の周囲に段差が出来てしまい、この段差が原因でリチウムの析出等が原因となる品質の劣化や寿命への影響が発生する虞がある。
【００２５】
しかしながら、第１実施形態の捲回型電極体１０においては、軸芯２０へのセパレータ３１の保持をディフューザー１００による差圧によって行い、貫通小孔２３から引かれる空気によってセパレータ３１を保持するため、このような段差ができることがない。
なお、貫通小孔２３によって保持されるために貫通小孔２３の開口部分の形状がセパレータ３１の表面に転写されてしまう可能性があるが、接着剤や粘着テープによって形成される段差に比べて捲回型電極体１０の性能には影響が軽微である。
よって、捲回型電極体１０の品質の安定化や長寿命化に貢献することが可能となる。
【００２６】
また、軸芯２０と捲回体３０とを接着剤や粘着テープを用いてセパレータ３１を保持する必要がないので、接着剤の塗布工程や粘着テープの貼り付け工程を必要とせず、捲回型電極体１０の製造コストを下げることが期待できる。
なお、軸芯２０に対してセパレータ３１を保持する際には、ディフューザー１００の真空ポート１０１から吸入するエアの量と、軸芯２０の外周面に形成された貫通小孔２３から吸入するエアの量のバランスによって、吸着力が決定されるので、セパレータ３１にかけられるテンション等を参考にして貫通小孔２３の開口面積及び個数を決定する必要がある。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
（第２実施形態）
第２実施形態の捲回型電極体１０は第１実施形態の捲回型電極体１０の構成とほぼ同じであるが、軸芯２０を有さない点で異なる。以下に異なる構成について説明する。
図５に、第２実施形態の捲回体３０から軸芯２０を取り外す際の模式断面図を示す。
第２実施形態の捲回型電極体１０は、第１実施形態に示したように軸芯２０に対してディフューザー１００を用いてセパレータ３１を保持した状態で捲回を始め、捲回体３０を形成した後に、捲回体３０の内側から軸芯２０を抜き取る工程が設けられる。
【００２８】
こうして、軸芯２０を備えない芯無しの捲回型電極体１０を形成することができる。
捲回型電極体１０を形成するにあたって、軸芯２０とセパレータ３１とを接着剤や粘着テープなどを用いて接合していないため、ディフューザー１００等の差圧発生手段を軸芯２０から外すことで、軸芯２０と捲回体３０の分離は比較的容易に可能となる。
なお、捲回型電極体１０に用いる軸芯２０は、第１実施形態とは異なりダミーの軸芯で事足りるので、捲回体３０から外しやすいように可動部を備えたり、分解可能な構成とした軸芯２０を用いたりしても良い。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
（第３実施形態）
第３実施形態の捲回型電極体１０は第１実施形態の捲回型電極体１０の構成とほぼ同じであるが、軸芯２０の構成が異なる。以下に異なる部分について説明する。
第３実施形態に用いられる軸芯２０は、中空材ではなく円柱形状の多孔体を用いる。多孔体は、焼結などによって形成される金属多孔体と、樹脂の多孔体を組み合わせて形成されている。
【００３０】
このような多孔体を用いた軸芯２０であっても、第１実施形態の円筒状の軸芯２０を用いた場合と同等の効果を得ることが可能となる。
つまり、多孔体を用いた軸芯２０の一端にディフューザー１００の真空ポート１０１を接続して吸引しながらセパレータ３１を捲回することが可能であり、軸芯２０とセパレータ３１との間に接着剤や粘着テープなどの厚みを生じる要因となるものを配置する必要がない。したがって、捲回型電極体１０の寿命を延ばすことに貢献することが可能である。
【００３１】
以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、第１実施形態では軸芯２０に円筒形状の部材を用いているが、軸材は中空であれば良いので、例えば楕円形の筒であっても角形の筒であっても扁平形状の筒であっても、軸芯として代替が可能である。正極板３２、負極板３３及びセパレータ３１を巻回できる構造であれば良い。
【００３２】
また、軸芯２０はアルミニウム合金を用いた円筒形状の金属パイプ部２２と樹脂を用いた円筒形状の樹脂パイプ部２１とからなるとしているが、さらに銅合金を用いた金属パイプを用意する等、他の構成をとることを妨げない。正極側と負極側が導通しないように、樹脂パイプ部２１等の絶縁を目的とした部材が配置される構成であればよい。また、第３実施形態に示したように軸芯２０に多孔体を用いる場合にも、同様に正極側と負極側が導通しない構成であれば、多孔体とパイプを組み合わせるなどの手法も考えられる。
【符号の説明】
【００３３】
１０      捲回型電極体
２０      軸芯
２１      樹脂パイプ部
２２      金属パイプ部
２３      貫通小孔
２４      内部空間
３０      捲回体
３１      セパレータ
３２      正極板
３３      負極板
５０      電池容器
１００      ディフューザー
１０１      真空ポート
１０２      供給ポート
１０３      排気ポート
１５０      封止栓
【図１】
2012038439.tif 000003
【図２】
2012038439.tif 000004
【図３】
2012038439.tif 000005
【図４】
2012038439.tif 000006
【図５】
2012038439.tif 000007