JP3536391B2 - 巻回電極素子体及びその製造方法並びに巻回電極素子体を用いた電池の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シート状正極とシ
ート状負極とをセパレータを介して積層した電極積層体
を巻回した巻回電極素子体及びその製造方法並びに巻回
電極素子体を用いた電池の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子技術のめざましい進歩は、電
子機器の小型、軽量化を次々と実現させている。それに
伴い、移動用電源としての電池に対してもますます小
型、軽量且つ高エネルギー密度であることが求められる
ようになっている。

【０００３】従来、一般用途の二次電池としては、鉛電
池、ニッケル・カドミウム電池等の水溶液系電池が主流
であった。しかし、これらの水溶液系電池は、サイクル
特性には優れるが、電池重量やエネルギー密度の点では
十分満足できるものとは言えない。

【０００４】一方、近年、リチウムやリチウム合金もし
くは炭素材料のようなリチウムイオンのドープ・脱ドー
プが可能な物質を負極に用い、リチウムコバルト複合酸
化物等のリチウム複合酸化物を正極に使用する非水電解
液二次電池の研究・開発が行われている。この非水電解
液二次電池は、高エネルギー密度を有し、自己放電も少
なく、軽量である等の利点を有することから注目を集め
ている。

【０００５】ところで、上述の如く電子機器の分野にお
いては、小型・軽量化が進行しており、これに対応すべ
く電池としては、機器内スペースの有効利用の観点から
薄い直方体形状の角型とされることが多くなっている。

【０００６】このような角型電池の場合、電極として
は、複数の短冊状正極と短冊状負極とを、セパレータを
介して交互に積み重ねた積層電極素子が用いられるのが
一般的である。

【０００７】しかし、積層電極素子では、その厚さの最
適化が難しいとされている。

【０００８】例えば、短冊状正極、短冊状負極として比
較的厚さを厚いものを用いると、電池缶内に収容される
これらの必要枚数が少なくなるので、電極構成が簡易に
なり、取扱いは容易になる。その反面、電極反応面積が
小さくなることから、重負荷特性が不十分になり、急速
充電に適さなくなる。

【０００９】これに対して、短冊状正極、短冊状負極を
薄くすると、電極反応面積が大きくなり、重負荷特性は
改善される。しかし、多数枚の薄い電極を用いることに
なることから電極構成が複雑になり、取扱いも極めて煩
雑になる。

【００１０】そこで、電極構成を複雑にすることなく電
極反応面積が確保できる電極として、長尺のシート状正
極、シート状負極をセパレータを介して積層し、多数回
巻回することで構成された巻回電極素子体の利用が提案
されている。この巻回電極素子体では、縦断面を見たと
きに正極、負極が多数積層された構成となっており、大
きな電極反応面積が得られる。その一方で、正極、負極
の枚数としては各１枚ずつで済むので、構成としては極
めて簡易である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この巻回電
極素子体を、角型電池に適用しようとした場合、以下の
ような問題が生じてしまう。

【００１２】すなわち、巻回電極素子体は、通常、断面
円形状または断面楕円形状の巻芯を用い、これに上述し
たような電極積層体を多数回巻回し、巻回後、巻芯を巻
回体から抜き取ることで作製されるが、この巻回電極素
子体を角形電池に適用する場合には、さらにその電池形
状に合わせて、巻回体を直径方向から押し潰して圧縮
し、断面形状を長円状にする必要がある。

【００１３】しかし、断面円形状または断面楕円形状の
巻芯を用いて巻回された巻回体では、圧縮して断面長円
状にした場合、その折り曲げ部近傍で内周部に巻き緩み
が発生し、正極、負極間に隙間が空いてしまう。その結
果、電極反応が不均一になり、電池容量の低下やバラツ
キを招くことになる。

【００１４】このため、巻回したそのままの状態が断面
長円状になるように、電極積層体の巻回を平板状の巻芯
を用いて行うことが特開平６−９６８０１号公報に提案
されている。しかし、平板状の巻芯は強度（硬性）が不
足しており、巻回している最中にたわみ、負極と正極が
互いにはみ出すといった巻きズレを生じてしまう。正極
が負極から幅方向ではみ出し、負極で被われていない状
態になると、実開平２−１５０７６０号公報に記載され
ているように、これが容量低下を引き起こす原因にな
る。

【００１５】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、巻回電極素子体に巻き緩
みや巻きズレがなく、均一で大きな容量が得られ、重負
荷特性、信頼性に優れたる巻回電極素子体及びその製造
方法並びに巻回電極素子体を用いた電池の製造方法を提
供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の巻回電極素子体の製造方法は、シート状
正極とシート状負極とをセパレータを介して積層した電
極積層体を、鋭角を有する断面略菱形状の巻芯に複数回
巻回し、菱形の鋭角に沿って折り曲げの癖をつけ、次い
で、巻芯を引き抜いて巻回電極素子体を形成し、この巻
回電極素子体を折り曲げの癖のついた部分が折り曲がる
ように断面長円状に押し潰し、断面中央にほぼ隙間がな
いようにする。

【００１７】また、本発明の巻回電極素子体は、シート
状正極とシート状負極とをセパレータを介して積層した
電極積層体を、鋭角を有する断面略菱形状の巻芯に巻回
し、菱形の鋭角に沿って折り曲げの癖をつけ、次いで、
折り曲げの癖のついた部分が折り曲がるように断面長円
状に押し潰し、断面中央にほぼ隙間がないようにされて
なる。

【００１８】更に、本発明の電池の製造方法は、シート
状正極とシート状負極とをセパレータを介して積層した
電極積層体を、鋭角を有する断面略菱形状の巻芯に複数
回巻回し、菱形の鋭角に沿って折り曲げの癖をつけ、次
いで、巻芯を引き抜いて巻回電極素子体を形成し、この
巻回電極素子体を折り曲げの癖のついた部分が折り曲が
るように断面長円状に押し潰し、断面略中央にほぼ隙間
がないように圧縮された巻回電極素子体を電池缶内に収
容する。

【００１９】また、電解液が非水電解液であることを特
徴とするものである。

【００２０】本発明は、電極構造を複雑にすることなく
電極反応面積を確保するために、シート状負極とシート
状正極とをセパレータを介して積層し、この電極積層体
を多数回巻回し、断面長円状に押し潰してなる巻回電極
素子体を用いる。そして、特に、この断面長円状の渦巻
電極素子体の巻き緩みや巻きズレを防止するために、渦
巻電極素子体の巻芯として断面略菱形状のものを用いる
こととする。

【００２１】鋭角を有する断面略菱形状の巻芯に上記電
極積層体を巻回すると、断面略菱形状の巻芯は強度に優
れ、巻回の最中にたわむといったことがないので、巻き
ズレを生ずることなく電極積層体が巻回される。また、
鋭角を有する断面略菱形状の巻芯に巻回された電極積層
体には、菱形の鋭角に沿って折り曲げの癖づけがなされ
る。このような状態の電極積層体から巻芯を引き抜き、
折り曲げの癖のついた部分が折り曲がるように押し潰す
と、巻き緩みを生ずることなく、また、断面中央にほぼ
隙間のない断面長円状に圧縮される。このように巻きズ
レや巻き緩みを生ずることなく、また、断面中央にほぼ
隙間がないように巻回された巻回電極素子体を用いる電
池では、均一で大きな容量が得られる。

【００２２】この巻芯の材質としては、強度に優れるも
のを用いるのが望ましく、ステンレス等が適当である。

【００２３】また、巻芯の断面形状である菱形は、２本
の対角線の長さが等しくないこと、すなわち鋭角を有し
ているようにする。鋭角を有していると、この鋭角で折
り曲げの癖づけが容易になされる。菱形状の２本の対角
線の最適比率は、このような癖づけ効果と巻芯の強度の
確保の点から決まり、用いる材質との兼ね合いで適宜設
定するのが望ましい。なお、菱形状の角には、電極積層
体が角と当接することによって損傷するのを防止するた
めに、面取りや円弧状の曲線仕上げを施すようにしても
良い。

【００２４】このような鋭角を有する断面略菱形状の巻
芯は、断面長円状の巻回電極素子体を用いる各種電池に
適用可能である。例えば、非水電解液二次電池では、重
負荷特性を改善するために巻回電極素子体が多く用いら
れるが、このような非水電解液二次電池にも勿論適用で
き、大きな効果を発揮する。

【００２５】非水電解液二次電池では、負極活物質、正
極活物質として以下のものが使用される。

【００２６】まず、負極活物質としては、リチウム、リ
チウム合金の他、リチウムイオンのドープ・脱ドープが
可能な材料、たとえばポリアセチレン等の導電性ポリマ
ー、コークス等の炭素材料を用いることができる。

【００２７】正極活物質としては、二酸化マンガン、五
酸化バナジウムのような遷移金属化合物、硫化鉄等の遷
移金属カルコゲン化合物、さらにはこれらとリチウムと
の複合化合物を用いることができる。

【００２８】シート状負極、シート状正極は、これら負
極活物質、正極活物質にそれぞれ結着材及び必要に応じ
て導電材を混合し、さらに分散剤に分散させて電極合剤
スラリーを調製し、これをシート状の集電体上に塗布、
乾燥、圧縮成形することで作製される。

【００２９】断面長円状の渦巻状電極素子体は、これら
シート状負極とシート状正極とをセパレータを介して積
層し、巻回、圧縮することで得られるが、このとき巻芯
として上述の断面略菱形状のものを用いると、巻き緩み
や巻きズレを生ずることなく非水電解液二次電池用の巻
回電極素子体が得られる。

【００３０】なお、非水電解液二次電池の電解液として
は、通常、用いられているものがいずれも使用可能であ
る。

【００３１】たとえば、有機溶媒としては、プロピレン
カーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボ
ネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネ
ート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシ
エタン、γーブチロラクトン、テトラヒドロフラン、
１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソ
ラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラ
ン、アセトニトリル、プロピオニトリル等が単独もしく
は２種類以上が混合されて使用される。

【００３２】また、電解質には、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡ
ｓＦ_６，ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）
_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３Ｓ
Ｏ_３Ｌｉ等が挙げられる。

【００３３】

【作用】本発明において、シート状正極とシート状負極
とを、セパレータを介して積層した電極積層体を、鋭角
を有する断面略菱形状の巻芯に巻回し、菱形の鋭角に沿
って折り曲げの癖をつけ、この折り曲げの癖のついた部
分が折り曲がるように断面長円状に押し潰し、断面中央
にほぼ隙間がないように構成された巻回電極素子体を用
いると、電極構成を複雑にすることなく電極反応面積が
確保される。

【００３４】また、特に、巻芯として鋭角を有する断面
略菱形状の巻芯を用いると、鋭角を有する断面略菱形状
の巻芯は強度に優れ、巻回の最中にたわむといったこと
がないので、巻きズレを生ずることなく電極積層体が巻
回される。また、鋭角を有する断面略菱形状の巻芯に巻
回された電極積層体には、菱形の鋭角に沿って折り曲げ
の癖づけがなされるので、折り曲げの癖のついた部分が
折り曲がるように押し潰すと巻き緩みを生ずることな
く、また、断面中央にほぼ隙間のない断面長円状の巻回
電極素子体が得られる。

【００３５】このように巻きズレや巻き緩みを生ずるこ
となく、また、断面中央にほぼ隙間がなく巻回された巻
回電極素子体を用いる電池では、断面中央に隙間がない
分電極積層体の巻回数を増やすことができ、均一で大き
な容量が得られる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について実験結
果に基づいて説明する。

【００３７】実施例１ 本実施例で作製した角型電池を図１に示す。このような
角型電池を以下のようにして作製した。

【００３８】まず、負極１は次にようにして作製した。

【００３９】出発原料として石油ピッチを用い、これに
酸素を含む官能基を１０〜２０重量％導入（いわゆる酸
素架橋）した後、不活性ガス気流中、温度１０００℃で
焼成して、ガラス状に近い性質を持った炭素質材料を得
た。この材料について、Ｘ線回折測定を行った結果、
（００２）面の面間隔は３．７６オングストロームであ
り、ピクノメータ法により測定を行ったところ、真比重
は１．５８ｇ／ｃｍ^３であった。この炭素質材料を粉砕
し、平均粒径１０μｍの炭素材料粉末とした。

【００４０】このようにして得た炭素材料粉末を負極活
物質担持体とし、これを９０重量部と、結着材としてポ
リフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）１０重量部を混合し、
負極合剤を調製した。そして、この負極合剤を、溶剤で
あるＮ−メチルピロリドンに分散させて負極合剤スラリ
ー（ペースト状）にした。

【００４１】この負極合剤スラリーを、負極集電体とな
る厚さ１０μｍの帯状の銅箔の両面に塗布、乾燥させた
後、圧縮成形して帯状負極１を作製した。なお、この帯
状負極は、合剤厚さを両面ともに８０μｍで同一とし、
幅を４１．５ｍｍ、長さを５０５ｍｍとした。

【００４２】正極２は次のようにして作製した。

【００４３】炭酸リチウム０．５モルと炭酸コバルト１
モルとを混合し、空気中、温度９００℃で５時間焼成し
てＬｉＣｏＯ_２を得た。

【００４４】このＬｉＣｏＯ_２を正極活物質とし、これ
を９１重量部と、導電剤としてグラファイト６重量部、
結着剤としてポリフッ化ビニリデン３重量部を混合し、
正極合剤を調製した。そして、この正極合剤をＮ−メチ
ルピロリドンに分散させて正極合剤スラリー（ペースト
状）にした。

【００４５】この正極合剤スラリーを、正極集電体とな
る厚さ２０μｍの帯状のアルミニウム箔の両面に均一に
塗布、乾燥させた後、圧縮成型して帯状正極２を作製し
た。なお、帯状正極は、合剤厚さを両面ともに８０μｍ
で同一とし、幅を３９．５ｍｍ、長さを４９０ｍｍとし
た。

【００４６】以上のようにして作製した帯状負極１と帯
状正極２を、厚さ３０μｍ、幅４４．０ｍｍの微多孔性
ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ３を介し
て、負極、セパレータ、正極、セパレータの順に積層
し、この電極積層体のセパレータ３を図２に示すように
鋭角を有する断面略菱形状の巻芯９に固定して、多数回
巻回した。なお、巻芯９の断面形状である菱形は２本の
対角線の長さ比ａ：ｂが１：２．５である。また、巻芯
９は、このうち短い方の対角線に沿って２分割され、各
角には円弧状の曲線仕上げが施されている。

【００４７】このように巻芯に電極積層体を巻回した
後、最外周に位置するセパレータの最終端部を、幅４０
ｍｍの粘着テープ４によって巻回体に固定した。そし
て、巻芯を巻回体から抜き取り、直径方向に押し潰すこ
とで断面長円状に圧縮し、断面中央にほぼ隙間のない電
極素子体を作製した。

【００４８】このようにして作製した電極素子体を、鉄
製電池缶５にスプリング板８とともに収納し、素子体上
下両面に絶縁板を配置した。次いで、アルミニウム製正
極リード６を正極集電体から導出して電池蓋に、ニッケ
ル製負極リード７を負極集電体から導出して電池缶５に
溶接し、電池缶５と電池蓋を、レーザ溶接により固定し
た。そして、電解液注入口よりプロピレンカーボネート
とジエチルカーボネートとの等容量混合溶媒中に、Ｌｉ
ＰＦ_６を１モル／ｌの割合で溶解した電解液を注入し、
電解液注入口を溶接することで電池内の気密性を保持さ
せた。以上の工程で、厚さ８ｍｍ、幅３４ｍｍ、高さ４
８ｍｍの角型非水電解液電池を作製した。

【００４９】実施例２ 電極積層体を巻回するに際して、断面形状である菱形の
２本の対角線の長さ比が１：１．５であって、このうち
短い方の対角線に沿って２分割された巻芯を用いること
以外は実施例１と同様にして角型非水電解液二次電池を
作製した。

【００５０】比較例１ 電極積層体を巻回するに際して、断面円形状であって、
その直径に沿って２分割された巻芯を用いること以外は
実施例１と同様にして角型非水電解液二次電池を作製し
た。

【００５１】比較例２ 電極積層体を巻回するに際して断面楕円状であって、そ
の短軸に沿って２分割された巻芯を用いること以外は実
施例１と同様にして角型非水電解液電池を作製した。

【００５２】比較例３ 電極積層体を巻回するに際して、平板状であって、短辺
方向に沿って２分割された巻芯を用いること以外は実施
例１と同様にして角型非水電解液電池を作製した。

【００５３】以上のようにして各合計５０個の電池を作
製し、上限電圧４．２Ｖ、充電電流０．７Ａの条件で定
電流充電を２．５時間行った後、負荷抵抗７．５Ω、終
止電圧２．７５Ｖの条件で定抵抗放電を行うといった充
放電サイクルを１０回繰り返し、容量を調べた。この１
０サイクル目の容量分布を図３〜図６に示す。

【００５４】図３〜図６より明らかなように、電極積層
体の巻回に鋭角を有する断面略菱形状の巻芯を用いた実
施例１、実施例２の電池は、ほとんどが８７０〜８７５
ｍＡｈの放電容量を有しており、容量バラツキが少な
い。これは、図７に示すように、電極素子体の折り曲げ
部に巻き緩みが生じていないからである。なお、若干の
容量バラツキは活物質充填量のばらつきに由来するもの
であり、問題になるものではない。

【００５５】これに対して断面略菱形状でない巻芯を用
いた比較例１、比較例２の電池では、容量が低域側に大
きくばらついている。これは、図８に示すように、電極
素子体の巻き緩みによって正極、負極間に隙間が生じ、
正常な電極間反応が行われなかったことに由来してい
る。

【００５６】このことから、電極積層体の巻回に、鋭角
を有する断面略菱形状の巻芯を用いることは、電極素子
体の巻き緩みを防止し、巻き緩みによる容量バラツキを
抑える上で有効であることがわかった。

【００５７】次に、実施例１、実施例２および比較例３
で作製された電極群素子体の巻きズレ（電極幅方向での
負極からの正極のはみ出し）発生状況を調査した。その
結果を表１に示す。

【００５８】

【表１】

【００５９】表１からわかるように、鋭角を有する断面
略菱形状の巻芯を用いて巻回された実施例１、実施例２
の電極群素子体は、５０個中１つの素子体にも巻きズレ
が発生していないのに対して、平板状の巻芯を用いて巻
回された比較例３の電極群素子体は、５０個中３個の素
子体に巻きズレの発生が認められた。この比較例３の電
極素子体で発生する巻きズレは巻回に際する巻芯のたわ
みが原因している。

【００６０】このことから、鋭角を有する断面略菱形状
の巻芯を用いると、巻き緩みや巻きズレが防止でき、容
量のバラツキや低下のない電池の製造が可能になること
がわかった。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明では、シート状正極とシート状負極とをセパレータを
介して積層された電極積層体を、鋭角を有する断面略菱
形状の巻芯に巻回し、菱形の鋭角に沿って折り曲げの癖
をつけ、この折り曲げの癖のついた部分が折り曲がるよ
うに断面長円状に押し潰し、断面中央にほぼ隙間がない
ように構成された巻回電極素子体を用いるので、巻回電
極素子体に巻き緩みや巻きズレがなく、均一で大きな放
電容量が得られ、優れた重負荷特性、信頼性が獲得でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した電池の１構成例を示す断面図
である。

【図２】巻芯の１例を示す断面図である。

【図３】２本の対角線の長さ比が１：２．５の断面略菱
形状の巻芯で巻回された巻回電極素子体を用いる電池の
容量分布を示す特性図である。

【図４】２本の対角線の長さ比が１：１．５の断面略菱
形状の巻芯で巻回された巻回電極素子体を用いる電池の
容量分布を示す特性図である。

【図５】断面円形状の巻芯で巻回された巻回電極素子体
を用いる電池の容量分布を示す特性図である。

【図６】断面楕円状の巻芯で巻回された巻回電極素子体
を用いる電池の容量分布を示す特性図である。

【図７】巻き緩みのない巻回電極素子体を示す要部断面
図である。

【図８】巻き緩みのある巻回電極素子体を示す要部断面
図である。

【符号の説明】

１ 負極、２ 正極、３ セパレータ、９ 巻芯

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 10/04 H01M 10/28 H01M 6/02 H01M 6/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シート状正極とシート状負極とをセパレ
   ータを介して積層した電極積層体を、鋭角を有する断面
   略菱形状の巻芯に複数回巻回し、菱形の鋭角に沿って折
   り曲げの癖をつけ、次いで、巻芯を引き抜いて巻回電極
   素子体を形成し、この巻回電極素子体を折り曲げの癖の
   ついた部分が折り曲がるように断面長円状に押し潰し、
   断面中央にほぼ隙間がないようにすることを特徴とする
   巻回電極素子体の製造方法。
2. 【請求項２】シート状正極とシート状負極とをセパレー
   タを介して積層した電極積層体を、鋭角を有する断面略
   菱形状の巻芯に巻回し、菱形の鋭角に沿って折り曲げの
   癖をつけ、次いで、折り曲げの癖のついた部分が折り曲
   がるように断面長円状に押し潰し、断面中央にほぼ隙間
   がないようにされてなる巻回電極素子体。
3. 【請求項３】シート状正極とシート状負極とをセパレー
   タを介して積層した電極積層体を、鋭角を有する断面略
   菱形状の巻芯に複数回巻回し、菱形の鋭角に沿って折り
   曲げの癖をつけ、次いで、巻芯を引き抜いて巻回電極素
   子体を形成し、この巻回電極素子体を折り曲げの癖のつ
   いた部分が折り曲がるように断面長円状に押し潰し、断
   面略中央にほぼ隙間がないように圧縮された巻回電極素
   子体を電池缶内に収容することを特徴とする電池の製造
   方法。
4. 【請求項４】電池缶内に非水電解液を注入することを特
   徴とする請求項３に記載の電池の製造方法。