專利名稱：具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有抑制由充放電引起的極板彎曲和隨之產(chǎn)生的電池膨脹、循環(huán)惡化的扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，便攜電話、筆記本電腦、PDA等移動(dòng)信息終端的小型、輕量化正在快速發(fā)展，要求作為其驅(qū)動(dòng)電源的二次電池能夠容易安裝到上述機(jī)器的內(nèi)部并且容易輸出大電流。
為此，將正負(fù)極的相對(duì)面積大且容易輸出大電流的扁平螺旋電極體容納在容易安裝在上述機(jī)器內(nèi)部的方型外殼和層狀(laminate)外包裝中的非水電解質(zhì)二次電池，廣泛地用于上述用途。
這種非水電解質(zhì)二次電池，由于因充放電引起的鋰離子的吸藏·脫吸使得極板反復(fù)膨脹·收縮?？墒?，由于極板的膨脹·收縮受到固定扁平螺旋電極體的卷繞末端的粘結(jié)劑(粘結(jié)帶)的限制，因此如圖8所示極板朝向扁平螺旋電極體的內(nèi)部方向膨脹，使極板產(chǎn)生彎曲。由于這種彎曲，存在使得電池厚度增大，同時(shí)在正極和負(fù)極之間產(chǎn)生間隙而加重循環(huán)惡化這樣的問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題，使用截面為扁平形狀(橢圓形、多邊形等)的卷芯，并且降低卷繞時(shí)施加在極板上的張力(tension)，在扁平螺旋電極體的極板之間設(shè)置空隙，使極板的膨脹在空隙中得以吸收，通過(guò)以上措施來(lái)嘗試著抑制極板的彎曲。然而，存在下述問(wèn)題由于卷芯的形狀是扁平的，因而不能提高卷繞速度，并且由于降低了張力因而使卷繞的品質(zhì)降低，生產(chǎn)率惡化。
在此，專利文獻(xiàn)1～3中提出了涉及非水電解質(zhì)二次電池的技術(shù)。
專利文獻(xiàn)1的技術(shù)中，為了吸收極板的變形應(yīng)力，在與扁平狀極板組(扁平螺旋電極體)的卷軸呈直角方向的截面長(zhǎng)軸線上相鄰的兩個(gè)帶狀層疊體之間設(shè)置有空隙部分。
根據(jù)該技術(shù)，因?yàn)榭障恫糠治樟藰O板的變形應(yīng)力，所以就可以消除因極板的膨脹和收縮而引起的歪扭。然而，雖然在該技術(shù)中需要使用隔離物來(lái)制造圓柱形電極體，壓成扁平狀之后拔出隔離物的工序，但是在使用隔離物的狀態(tài)下難以卷繞極板，并且存在生產(chǎn)率惡化這樣的問(wèn)題。
專利文獻(xiàn)2的技術(shù)中，使用與電解液接觸后膨脹、溶解或者分解的材料作為電池元件(螺旋電極體)的卷繞末端的固定用粘結(jié)劑。
根據(jù)該技術(shù)，因?yàn)檎辰Y(jié)劑膨脹、溶解或分解而引起電池元件的卷繞松馳，因此降低了施與元件構(gòu)成材料的應(yīng)力，可以避免由這些因素引起的電池特性的降低。
然而，在該技術(shù)中，由于電池元件的卷繞松馳，從而存在電池元件中正負(fù)極的相對(duì)狀態(tài)變差，循環(huán)特性等電池特性惡化這樣的問(wèn)題。
專利文獻(xiàn)3的技術(shù)中，作為電池元件(螺旋電極體)的固定用粘結(jié)劑，所使用的材料在電解液中實(shí)質(zhì)上不溶解、不分解，并且與電解液接觸后使電池元件固定能力降低。
根據(jù)該技術(shù)，因?yàn)檎辰Y(jié)劑與電解液接觸后降低了電池元件的固定能力，引起電池元件的卷繞松馳，所以降低了施與元件構(gòu)成材料的應(yīng)力，由此可以避免由這些因素引起的電池特性的降低，并且能夠防止因粘結(jié)劑溶解在電解液中而污染電解液。然而，該技術(shù)也與上述專利文獻(xiàn)2中涉及的技術(shù)一樣，存在循環(huán)特性等電池特性惡化這樣的問(wèn)題。
專利文獻(xiàn)1特開(kāi)2003-157888號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求范圍，0005-0009段)；專利文獻(xiàn)2特開(kāi)平11-121044號(hào)公報(bào)(0004段、0005段)；專利文獻(xiàn)3特開(kāi)平11-176476號(hào)公報(bào)(0004-0009段)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述問(wèn)題而提出的，其目的在于抑制由充放電引起的極板彎曲。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的特征在于，具有第一工序，通過(guò)使用卷芯，卷繞正極、負(fù)極和介于兩極板之間的隔離物，并且固定卷繞末端，從而制作大致圓柱形的電極體；第二工序，在所述第一工序之后，一方面沿著垂直于卷軸的方向?qū)Υ笾聢A柱形電極體進(jìn)行推壓，使得變形為截面大致為橢圓形，另一方面對(duì)變形之后的電極體沿與卷繞方向相同的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使卷繞狀態(tài)松動(dòng)；以及第三工序，在所述第二工序之后，對(duì)所述電極體進(jìn)行壓制，從而制得扁平螺旋電極體。
在上述構(gòu)成中，具有一方面沿垂直方向?qū)砝@末端固定的大致圓柱形電極體進(jìn)行壓制使其截面變形成大致為橢圓形、另一方面沿著與卷繞方向相同的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的工序。通過(guò)該工序，能夠在不喪失電極體的卷繞末端的固定狀態(tài)的情況下而僅松動(dòng)極板的卷繞狀態(tài)。此后，當(dāng)通過(guò)壓制形成扁平螺旋電極體時(shí)，在扁平螺旋電極體的拐角部分附近移動(dòng)松動(dòng)(游隙)，在極板膨脹的情況下，極板朝向填補(bǔ)該松動(dòng)的方向變形，因此可以防止極板的彎曲。由此，能夠抑制電池厚度增大，由于即使反復(fù)進(jìn)行充放電循環(huán)，在正負(fù)極之間也不會(huì)生成間隙，所以減弱了循環(huán)的惡化。
另外，因?yàn)樵陔姌O體卷繞末端的固定功能沒(méi)有喪失，因此正負(fù)極的相對(duì)狀態(tài)沒(méi)有變差。
另外，由于采用了由通常方法制得卷繞成圓柱形的電極體之后，在與卷繞方向相同的方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)這樣簡(jiǎn)便的通常的方法，所以生產(chǎn)率優(yōu)良。
在此，除了大致為圓柱形和正圓柱形之外，還包括長(zhǎng)軸和短軸之比為1.5以內(nèi)的橢圓形以及其他與之類似的形狀。另外，卷繞時(shí)使用的卷芯除了截面為正圓形之外，也可以使用截面的長(zhǎng)軸和短軸之比為1.5以內(nèi)的形狀。
在上述構(gòu)成中，可以在除去所述卷芯之后進(jìn)行所述第二工序。
在上述構(gòu)成中，可以在所述卷芯的直徑變小之后進(jìn)行所述第二工序。
在第二工序中，雖然需要沿著垂直于卷軸的方向推壓電極體以使其截面變形為大致橢圓形，但是卷繞時(shí)使用的卷芯會(huì)起到妨礙變形的作用。然而，上述兩種構(gòu)成中，因?yàn)榫砝@時(shí)使用的卷芯部分可以是中空的，所以不會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題。
在此，為了使卷芯直徑變小，也可以替換卷繞后直徑小的卷芯，通過(guò)使用具有空隙的卷芯卷繞之后，產(chǎn)生形變使得填充卷芯的空隙，也可以使直徑變小。
在上述構(gòu)成中，所述第二工序，一方面通過(guò)用平行的兩個(gè)部件夾持推壓電極體使其變形成截面大致為橢圓形，另一方面沿著與卷繞方向相同的方向旋轉(zhuǎn)電極體以使卷繞狀態(tài)松動(dòng)。
在第二工序中，作為沿著垂直于卷軸的方向推壓電極體以使截面變形成大致為橢圓形的方法，當(dāng)使用兩個(gè)平行的部件夾持推壓電極體的結(jié)構(gòu)時(shí)，就可以廉價(jià)且很容易地制得扁平螺旋電極體了。
另外，在上述構(gòu)成中，所述兩個(gè)平行的部件是旋轉(zhuǎn)體。
如果所述兩個(gè)平行的部件是旋轉(zhuǎn)體，則可以很容易地進(jìn)行上述第二工序。
另外，在上述構(gòu)成中，沿垂直于中心軸的方向切斷所述扁平螺旋電極體時(shí)，其截面形狀中從位于長(zhǎng)軸上螺旋電極體最內(nèi)周的內(nèi)側(cè)面到長(zhǎng)軸上最外周表面的距離D1，和從所述最內(nèi)周螺旋電極體內(nèi)側(cè)面到所述截面形狀中短軸上的最外周表面的最短距離D2之間，滿足D1/D2≥1.1。
參考附圖對(duì)上述構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示有關(guān)本發(fā)明電池的扁平螺旋電極體的圖，圖1(a)為沿垂直于中心軸的方向切斷時(shí)的截面圖，圖1(b)為圖1(a)的部分放大圖。
在圖1(b)中，從長(zhǎng)軸上螺旋電極體最內(nèi)周的內(nèi)側(cè)面A到長(zhǎng)軸上最外周表面B的距離為D1，從上述內(nèi)側(cè)面A到上述截面形狀中短軸上最外周表面C的最短距離為D2。而且，D1/D2的值變大，則意味著松動(dòng)(游隙)1b變大。
當(dāng)上述D1/D2不足1.1時(shí)，則拐角部分1a的極板間存在的松動(dòng)1b過(guò)小，極板可能會(huì)彎曲。上述D1/D2優(yōu)選為1.1以上，更優(yōu)選為1.15以上。
根據(jù)上述本發(fā)明，可得到能夠防止極板彎曲，并且抑制電池厚度增大和循環(huán)惡化的二次電池。


圖1是表示有關(guān)本發(fā)明電池的扁平螺旋電極體的圖，圖1(a)為截面圖，圖1(b)為圖1(a)的部分放大圖。
圖2為本發(fā)明中使用的松動(dòng)加工裝置的概略圖。
圖3為表示通過(guò)松動(dòng)加工引起的負(fù)極片(tab)移動(dòng)的移動(dòng)量的立體圖。
圖4為表示本發(fā)明電池的極板膨脹形態(tài)的概念圖。
圖5為表示本發(fā)明電池充滿電之后的扁平螺旋電極體的狀態(tài)的截面圖。
圖6為表示其他形式的松動(dòng)加工裝置的概略圖。
圖7為表示有關(guān)比較例1的扁平螺旋電極體的圖，圖7(a)為截面圖，圖7(b)為圖7(a)的部分放大圖。
圖8為表示比較例1的極板膨脹形態(tài)的概念圖。
圖9為表示比較例1充滿電之后的扁平螺旋電極體的狀態(tài)的截面圖。
圖中1-電極體；2-負(fù)極片；10-松動(dòng)加工；11-旋轉(zhuǎn)輥。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)附圖以非水電解質(zhì)二次電池為例對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式進(jìn)行說(shuō)明。而且，本發(fā)明并不局限于下述形式，可以在不改變其主旨的范圍內(nèi)做出適當(dāng)變更來(lái)實(shí)施。
圖1是有關(guān)本發(fā)明電池的扁平螺旋電極體的示意圖，圖1(a)為截面圖，圖1(b)為扁平螺旋電極體的拐角部分的部分放大圖。
如圖1所示，本發(fā)明的扁平螺旋電極體1在其拐角部分1a處僅有一點(diǎn)點(diǎn)的松動(dòng)(游隙)1b。而且，D1/D2為1.14。
上述非水電解質(zhì)電池可以由公知材料、方法制作。例如，單獨(dú)使用或混合兩種以上使用鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰等含鋰過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合氧化物作為正極材料，單獨(dú)使用或混合兩種以上使用石墨、焦炭等含碳材料、鋰合金、金屬氧化物等作為負(fù)極材料，單獨(dú)使用或混合兩種以上使用碳酸亞乙酯、碳酸二乙酯等碳酸酯類、γ-丁內(nèi)酯等酯類、1，2-二甲氧基乙烷等醚類作為非水溶劑，單獨(dú)使用或混合兩種以上使用LiN(CF3SO2)2、LiPF6等作為電解質(zhì)鹽。
下面，利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。
(實(shí)施例1)
<電極體的制作>
使用截面為圓形的卷芯，卷繞通過(guò)公知方法制得的正極和安裝有負(fù)極片2的負(fù)極以及介于二者之間的隔離物，然后通過(guò)帶子(tape)固定卷繞末端，除去卷芯，從而制得圓柱形電極體1(直徑16.5mm)。如圖2所示，一方面使用具有平行設(shè)置的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輥11的松動(dòng)加工裝置10，將該電極體1推壓成其截面為短徑為15.0mm(約為原直徑的91％)的大致的橢圓形，另一方面沿與卷繞方向相同的方向旋轉(zhuǎn)(松動(dòng)加工)該電極體1。此時(shí)，圖3中示出的負(fù)極片2的移動(dòng)距離(松動(dòng)量)為6.2mm。
此后，沿著與負(fù)極片的寬度方向垂直的方向壓制得到扁平螺旋電極體之后，插入到長(zhǎng)34.6mm×寬23.8mm×厚5.9mm的鋁制外殼內(nèi)，注入公知的電解液，然后對(duì)其封口，制作5個(gè)有關(guān)實(shí)施例1的非水電解質(zhì)二次電池。而且，D1/D2平均為1.14(標(biāo)準(zhǔn)離差1.12～1.18)。
(比較例1)除進(jìn)行松動(dòng)加工之外，其他與上述實(shí)施例1相同，制作5個(gè)有關(guān)比較例1的非水電解質(zhì)二次電池。而且，D1/D2平均為1.05(標(biāo)準(zhǔn)離差1.01～1.07)。
〔電池厚度增大量試驗(yàn)〕對(duì)通過(guò)上述方式制作的各個(gè)電池進(jìn)行0％、50％、100％的充電，測(cè)定其厚度。其試驗(yàn)結(jié)果在下面的表1中示出。而且，檢測(cè)個(gè)數(shù)分別為5。
〔循環(huán)電池厚度增大量試驗(yàn)〕對(duì)通過(guò)上述方式制作的各個(gè)電池，按照以下條件進(jìn)行充放電循環(huán)，500次循環(huán)完成后，進(jìn)行0％、100％充電，測(cè)定其厚度。其結(jié)果在下面的表1中示出。而且，檢測(cè)個(gè)數(shù)分別為3。
<充放電循環(huán)條件>
充電以恒定電流1It(600mA)充電到4.2V，以恒壓4.2V充電總計(jì)2.5小時(shí)，放電以恒定電流1It(600mA)放電到2.75V終止。
〔循環(huán)特性〕測(cè)定500次循環(huán)結(jié)束之后電池的放電容量，通過(guò)下式1測(cè)定循環(huán)特性。該試驗(yàn)結(jié)果在下面的表1中示出。而且，檢測(cè)個(gè)數(shù)分別為3。
循環(huán)特性(％)＝500次循環(huán)后的放電容量÷初始放電容量×100。


上述表1中，括號(hào)外的數(shù)值表示平均值，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示標(biāo)準(zhǔn)離差。
從上述表1可以看到，實(shí)施例1中電池的厚度比比較例1中電池的厚度薄0.02～0.11mm。
這是接下來(lái)要考慮的事情。在實(shí)施例1中，因?yàn)檫M(jìn)行松動(dòng)加工，所以如圖1所示，壓制后在扁平螺旋電極體的拐角部分1a的極板之間有松動(dòng)(游隙)1b。因此，如圖4所示極板朝向填充空隙的方向膨脹。因此，如圖5所示，充電后的極板沒(méi)有產(chǎn)生彎曲。因此，電池厚度沒(méi)有因彎曲而增大。
另一方面，在比較例1中沒(méi)有進(jìn)行松動(dòng)加工，如圖7所示，由于在極板之間沒(méi)有松動(dòng)(游隙)，所以通過(guò)固定電極體的卷繞末端的帶子，如圖8所示限制了極板朝向電極體的內(nèi)部方向膨脹，并且如圖9所示極板彎曲。由于該彎曲使得電池厚度增大。
另外，可以看出實(shí)施例1的循環(huán)特性為90.1％，比比較例1的87.2％高出2.9％。
這是接下來(lái)要考慮的事情。在實(shí)施例1中，如圖5中所示，極板沒(méi)有彎曲，正負(fù)極之間沒(méi)有間隙地相對(duì)。因此，充放電順利地進(jìn)行，循環(huán)惡化變小。
另一方面，在比較例1中，如圖9所示極板彎曲，在彎曲部分中正負(fù)極之間產(chǎn)生了間隙X。因?yàn)樵撻g隙X阻礙了充放電的進(jìn)行，所以使循環(huán)特性惡化嚴(yán)重。
(其他事項(xiàng))本發(fā)明可以適用于使用層狀外包裝的電池。
另外，本發(fā)明可以適用于使用聚合物電解質(zhì)等的固體電解質(zhì)的電池。
另外，也可以安裝正極片，來(lái)代替負(fù)極片。
另外，可以通過(guò)考慮極板厚度、卷繞圈數(shù)、由充放電引起的極板厚度的變化量來(lái)調(diào)節(jié)松動(dòng)加工中的松動(dòng)量，使得充放電循環(huán)不產(chǎn)生彎曲。
另外，松動(dòng)加工中推壓引起的變形量?jī)?yōu)選為相對(duì)大致圓柱形的電極體直徑的70～95％的范圍內(nèi)。
另外，如圖6所示，在使用有間隙的卷芯卷繞電極體之后，卷芯的直徑變小，用兩個(gè)張力輥(tension roller)將電極體推壓成截面大致橢圓形，同時(shí)沿著卷繞方向旋轉(zhuǎn)卷芯，張力輥能夠從動(dòng)于該旋轉(zhuǎn)，由此可以進(jìn)行電極體的松動(dòng)加工。
此外，如果是具有扁平螺旋電極體并且充放電時(shí)極板體積發(fā)生變化這樣的二次電池，本發(fā)明的制造方法也可以得到很好的效果。雖然在上述實(shí)施例中制作了鋰離子電池，但是也可以用于鎳鎘電池、鎳氫電池等。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如以上說(shuō)明所述，根據(jù)本發(fā)明，用公知的方法制作大致圓柱形的電極體，通過(guò)沿著與卷軸垂直的方向推壓該電極體使得截面變形成大致橢圓形、同時(shí)朝著與卷繞方向相同的方向旋轉(zhuǎn)這樣簡(jiǎn)單的方法，就能夠獲得可以防止極板彎曲并且可以抑制隨之產(chǎn)生的電池厚度增大、循環(huán)惡化這樣的優(yōu)良效果。因而，具有很大的產(chǎn)業(yè)可利用性。
權(quán)利要求
1.一種具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法，其特征在于，具有第一工序，通過(guò)使用卷芯，卷繞正極、負(fù)極和介于兩極板之間的隔離物，并且固定卷繞末端，從而制作大致圓柱形的電極體；第二工序，在所述第一工序之后，一方面沿著垂直于卷軸的方向?qū)Υ笾聢A柱形電極體進(jìn)行推壓，使得變形為截面大致為橢圓形，另一方面對(duì)所述變形之后的電極體沿與卷繞方向相同的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使卷繞狀態(tài)松動(dòng)；以及第三工序，在所述第二工序之后，對(duì)所述電極體進(jìn)行壓制，從而制得扁平螺旋電極體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法，其特征在于所述第二工序，在除去所述卷芯之后進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法，其特征在于所述第二工序，在所述卷芯直徑變小之后進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法，其特征在于所述第二工序，一方面通過(guò)用平行的兩個(gè)部件夾持推壓電極體使其變形成截面大致為橢圓形，另一方面沿著與卷繞方向相同的方向旋轉(zhuǎn)電極體以使卷繞狀態(tài)松動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法，其特征在于在沿垂直于中心軸的方向切斷所述扁平螺旋電極體時(shí)，其截面形狀中從位于長(zhǎng)軸上螺旋電極體最內(nèi)周的內(nèi)側(cè)面到長(zhǎng)軸上最外周表面的距離D1，和從所述最內(nèi)周螺旋電極體內(nèi)側(cè)面到所述截面形狀中短軸上的最外周表面的最短距離D2之間，滿足D1/D2≥1.1。
全文摘要
一種具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法，其特征在于，具有第一工序，通過(guò)使用卷芯，卷繞正極、負(fù)極和介于兩極板之間的隔離物，并固定卷繞末端，從而制作大致圓柱形的電極體；第二工序，在所述第一工序之后，一方面沿著垂直于卷軸的方向?qū)Υ笾聢A柱形電極體進(jìn)行推壓，使得變形為截面大致為橢圓形，另一方面對(duì)所述變形之后的電極體沿與卷繞方向相同的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使卷繞狀態(tài)松動(dòng)；以及第三工序，在所述第二工序之后，對(duì)所述電極體進(jìn)行壓制，制得扁平螺旋電極體。從而，可以抑制由充放電引起的極板彎曲以及隨之產(chǎn)生的電池膨脹、循環(huán)惡化。
文檔編號(hào)H01M10/04GK1808759SQ20051000345
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者山內(nèi)康弘, 山中友和 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社