專利名稱：具有扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法
技術領域：
本發明涉及具有抑制由充放電引起的極板彎曲和隨之產生的電池膨脹、循環惡化的扁平螺旋電極體的二次電池的制造方法。
背景技術：
近年來，便攜電話、筆記本電腦、PDA等移動信息終端的小型、輕量化正在快速發展，要求作為其驅動電源的二次電池能夠容易安裝到上述機器的內部并且容易輸出大電流。
為此，將正負極的相對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器內部的方型外殼和層狀(laminate)外包裝中的非水電解質二次電池，廣泛地用于上述用途。
這種非水電解質二次電池，由于因充放電引起的鋰離子的吸藏·脫吸使得極板反復膨脹·收縮。可是，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劑(粘結帶)的限制，因此如圖8所示極板朝向扁平螺旋電極體的內部方向膨脹，使極板產生彎曲。由于這種彎曲，存在使得電池厚度增大，同時在正極和負極之間產生間隙而加重循環惡化這樣的問題。
為了解決上述問題，使用截面為扁平形狀(橢圓形、多邊形等)的卷芯，并且降低卷繞時施加在極板上的張力(tension)，在扁平螺旋電極體的極板之間設置空隙，使極板的膨脹在空隙中得以吸收，通過以上措施來嘗試著抑制極板的彎曲。然而，存在下述問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降低，生產率惡化。
在此，專利文獻1～3中提出了涉及非水電解質二次電池的技術。
專利文獻1的技術中，為了吸收極板的變形應力，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軸線上相鄰的兩個帶狀層疊體之間設置有空隙部分。
根據該技術，因為空隙部分吸收了極板的變形應力，所以就可以消除因極板的膨脹和收縮而引起的歪扭。然而，雖然在該技術中需要使用隔離物來制造圓柱形電極體，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下難以卷繞極板，并且存在生產率惡化這樣的問題。
專利文獻2的技術中，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劑。
根據該技術，因為粘結劑膨脹、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成材料的應力，可以避免由這些因素引起的電池特性的降低。
然而，在該技術中，由于電池元件的卷繞松馳，從而存在電池元件中正負極的相對狀態變差，循環特性等電池特性惡化這樣的問題。
專利文獻3的技術中，作為電池元件(螺旋電極體)的固定用粘結劑，所使用的材料在電解液中實質上不溶解、不分解，并且與電解液接觸后使電池元件固定能力降低。
根據該技術，因為粘結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成材料的應力，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劑溶解在電解液中而污染電解液。然而，該技術也與上述專利文獻2中涉及的技術一樣，存在循環特性等電池特性惡化這樣的問題。
專利文獻1特開號公報(權利要求范圍，0005-0009段)；專利文獻2特開平11-121044號公報(0004段、0005段)；專利文獻3特開平11-176476號公報(0004-0009段)。

發明內容
本發明正是鑒于上述問題而提出的，其目的在于抑制由充放電引起的極板彎曲。
為了解決上述問題，本發明的特征在于，具有第一工序，通過使用卷芯，卷繞正極、負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對大致圓柱形電極體進行推壓，使得變形為截面大致為橢圓形，另一方面對變形之后的電極體沿與卷繞方向相同的方向進行旋轉，從而使卷繞狀態松動；以及第三工序，在所述第二工序之后，對所述電極體進行壓制，從而制得扁平螺旋電極體。
在上述構成中，具有一方面沿垂直方向對卷繞末端固定的大致圓柱形電極體進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行旋轉的工序。通過該工序，能夠在不喪失電極體的卷繞末端的固定狀態的情況下而僅松動極板的卷繞狀態。此后，當通過壓制形成扁平螺旋電極體時，在扁平螺旋電極體的拐角部分附近移動松動(游隙)，在極板膨脹的情況下，極板朝向填補該松動的方向變形，因此可以防止極板的彎曲。由此，能夠抑制電池厚度增大，由于即使反復進行充放電循環，在正負極之間也不會生成間隙，所以減弱了循環的惡化。
另外，因為在電極體卷繞末端的固定功能沒有喪失，因此正負極的相對狀態沒有變差。
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行旋轉這樣簡便的通常的方法，所以生產率優良。
在此，除了大致為圓柱形和正圓柱形之外，還包括長軸和短軸之比為1.5以內的橢圓形以及其他與之類似的形狀。另外，卷繞時使用的卷芯除了截面為正圓形之外，也可以使用截面的長軸和短軸之比為1.5以內的形狀。
在上述構成中，可以在除去所述卷芯之后進行所述第二工序。
在上述構成中，可以在所述卷芯的直徑變小之后進行所述第二工序。
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，但是卷繞時使用的卷芯會起到妨礙變形的作用。然而，上述兩種構成中，因為卷繞時使用的卷芯部分可以是中空的，所以不會產生這樣的問題。
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，通過使用具有空隙的卷芯卷繞之后，產生形變使得填充卷芯的空隙，也可以使直徑變小。
在上述構成中，所述第二工序，一方面通過用平行的兩個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電極體以使卷繞狀態松動。
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，當使用兩個平行的部件夾持推壓電極體的結構時，就可以廉價且很容易地制得扁平螺旋電極體了。
另外，在上述構成中，所述兩個平行的部件是旋轉體。
如果所述兩個平行的部件是旋轉體，則可以很容易地進行上述第二工序。
另外，在上述構成中，沿垂直于中心軸的方向切斷所述扁平螺旋電極體時，其截面形狀中從位于長軸上螺旋電極體最內周的內側面到長軸上最外周表面的距離D1，和從所述最內周螺旋電極體內側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。
參考附圖對上述構成進行說明。圖1是表示有關本發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的截面圖，圖1(b)為圖1(a)的部分放大圖。
在圖1(b)中，從長軸上螺旋電極體最內周的內側面A到長軸上最外周表面B的距離為D1，從上述內側面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(游隙)1b變大。
當上述D1/D2不足1.1時，則拐角部分1a的極板間存在的松動1b過小，極板可能會彎曲。上述D1/D2優選為1.1以上，更優選為1.15以上。
根據上述本發明，可得到能夠防止極板彎曲，并且抑制電池厚度增大和循環惡化的二次電池。


圖1是表示有關本發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為本發明中使用的松動加工裝置的概略圖。
圖3為表示通過松動加工引起的負極片(tab)移動的移動量的立體圖。
圖4為表示本發明電池的極板膨脹形態的概念圖。
圖5為表示本發明電池充滿電之后的扁平螺旋電極體的狀態的截面圖。
圖6為表示其他形式的松動加工裝置的概略圖。
圖7為表示有關比較例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的截面圖。
圖中1-電極體；2-負極片；10-松動加工；11-旋轉輥。
具體實施例方式
根據附圖以非水電解質二次電池為例對用于實施本發明的最佳方式進行說明。而且，本發明并不局限于下述形式，可以在不改變其主旨的范圍內做出適當變更來實施。
圖1是有關本發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，本發明的扁平螺旋電極體1在其拐角部分1a處僅有一點點的松動(游隙)1b。而且，D1/D2為1.14。
上述非水電解質電池可以由公知材料、方法制作。例如，單獨使用或混合兩種以上使用鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰等含鋰過渡金屬復合氧化物作為正極材料，單獨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極材料，單獨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-丁內酯等酯類、1，2-二甲氧基乙烷等醚類作為非水溶劑，單獨使用或混合兩種以上使用LiN(CF3SO2)2、LiPF6等作為電解質鹽。
下面，利用實施例對本發明進行更詳細的說明。
(實施例1)
<電極體的制作>
使用截面為圓形的卷芯，卷繞通過公知方法制得的正極和安裝有負極片2的負極以及介于二者之間的隔離物，然后通過帶子(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置的兩個旋轉輥11的松動加工裝置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(松動加工)該電極體1。此時，圖3中示出的負極片2的移動距離(松動量)為6.2mm。
此后，沿著與負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34.6mm×寬23.8mm×厚5.9mm的鋁制外殼內，注入公知的電解液，然后對其封口，制作5個有關實施例1的非水電解質二次電池。而且，D1/D2平均為1.14(標準離差1.12～1.18)。
(比較例1)除進行松動加工之外，其他與上述實施例1相同，制作5個有關比較例1的非水電解質二次電池。而且，D1/D2平均為1.05(標準離差1.01～1.07)。
〔電池厚度增大量試驗〕對通過上述方式制作的各個電池進行0％、50％、100％的充電，測定其厚度。其試驗結果在下面的表1中示出。而且，檢測個數分別為5。
〔循環電池厚度增大量試驗〕對通過上述方式制作的各個電池，按照以下條件進行充放電循環，500次循環完成后，進行0％、100％充電，測定其厚度。其結果在下面的表1中示出。而且，檢測個數分別為3。
<充放電循環條件>
充電以恒定電流1It(600mA)充電到4.2V，以恒壓4.2V充電總計2.5小時，放電以恒定電流1It(600mA)放電到2.75V終止。
〔循環特性〕測定500次循環結束之后電池的放電容量，通過下式1測定循環特性。該試驗結果在下面的表1中示出。而且，檢測個數分別為3。
循環特性(％)＝500次循環后的放電容量÷初始放電容量×100。


上述表1中，括號外的數值表示平均值，括號內的數值表示標準離差。
從上述表1可以看到，實施例1中電池的厚度比比較例1中電池的厚度薄0.02～0.11mm。
這是接下來要考慮的事情。在實施例1中，因為進行松動加工，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(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，充電后的極板沒有產生彎曲。因此，電池厚度沒有因彎曲而增大。
另一方面，在比較例1中沒有進行松動加工，如圖7所示，由于在極板之間沒有松動(游隙)，所以通過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，可以看出實施例1的循環特性為90.1％，比比較例1的87.2％高出2.9％。
這是接下來要考慮的事情。在實施例1中，如圖5中所示，極板沒有彎曲，正負極之間沒有間隙地相對。因此，充放電順利地進行，循環惡化變小。
另一方面，在比較例1中，如圖9所示極板彎曲，在彎曲部分中正負極之間產生了間隙X。因為該間隙X阻礙了充放電的進行，所以使循環特性惡化嚴重。
(其他事項)本發明可以適用于使用層狀外包裝的電池。
另外，本發明可以適用于使用聚合物電解質等的固體電解質的電池。
另外，也可以安裝正極片，來代替負極片。
另外，可以通過考慮極板厚度、卷繞圈數、由充放電引起的極板厚度的變化量來調節松動加工中的松動量，使得充放電循環不產生彎曲。
另外，松動加工中推壓引起的變形量優選為相對大致圓柱形的電極體直徑的70～95％的范圍內。
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，用兩個張力輥(tension roller)將電極體推壓成截面大致橢圓形，同時沿著卷繞方向旋轉卷芯，張力輥能夠從動于該旋轉，由此可以進行電極體的松動加工。
此外，如果是具有扁平螺旋電極體并且充放電時極板體積發生變化這樣的二次電池，本發明的制造方法也可以得到很好的效果。雖然在上述實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。
產業上的可利用性如以上說明所述，根據本發明，用公知的方法制作大致圓柱形的電極體，通過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、同時朝著與卷繞方向相同的方向旋轉這樣簡單的方法，就能夠獲得可以防止極板彎曲并且可以抑制隨之產生的電池厚度增大、循環惡化這樣的優良效果。因而，具有很大的產業可利用性。
權利要求
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，通過使用卷芯，卷繞正極、負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對大致圓柱形電極體進行推壓，使得變形為截面大致為橢圓形，另一方面對所述變形之后的電極體沿與卷繞方向相同的方向進行旋轉，從而使卷繞狀態松動；以及第三工序，在所述第二工序之后，對所述電極體進行壓制，從而制得扁平螺旋電極體。
2.根據權利要求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行。
3.根據權利要求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行。
4.根據權利要求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，一方面通過用平行的兩個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電極體以使卷繞狀態松動。
5.根據權利要求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，其截面形狀中從位于長軸上螺旋電極體最內周的內側面到長軸上最外周表面的距離D1，和從所述最內周螺旋電極體內側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，通過使用卷芯，卷繞正極、負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對大致圓柱形電極體進行推壓，使得變形為截面大致為橢圓形，另一方面對所述變形之后的電極體沿與卷繞方向相同的方向進行旋轉，從而使卷繞狀態松動；以及第三工序，在所述第二工序之后，對所述電極體進行壓制，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生的電池膨脹、循環惡化。
文檔編號H01M10/04GK1808759SQ20051000345
公開日2006年7月26日 申請日期2005年10月26日 優先權日2004年11月12日
發明者山內康弘, 山中友和 申請人:三洋電機株式會社