专利名称：方形电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于使方形电池的容量提高的技术。
背景技术：
近年来，一直在快速促进AV设备或个人计算机等电气设备的便携化及无线化。并且，便携电话等便携型通信设备的普及也很迅速。以往，作为这些便携型电气设备的驱动用电源，主要使用镍镉电池及镍氢电池。但是，伴随着便携型电气设备的高性能化及高功能化，需要更高电压和更高容量的二次电池作为它们的电源。为此，目前，体积能量密度及重量能量密度均高的、以锂离子电池为代表的非水电解质电池作为便携型电气设备的电源正成为主流。非水电解质电池可进行快速充电，并且在具有高安全性的方面也是有利的。非水电解质电池一般具有电极组，所述电极组是在正极板与负极板之间介入隔板 (separator)并将它们卷绕成涡旋状进行层叠而成的。并且，由于适合于设备的薄型化且空间使用效率高，因而促进了非水电解质电池的扁平方形化。随之，长度、宽度及厚度不同的各种尺寸的方形电池可被使用。此外，对电极组的层叠方法也作了各种改进。图5中用截面图放大表示以往的方形电池的电极组的一部分。图示例的电极组 100通过在带状的正极121和负极122之间夹持带状的隔板123并将它们卷绕成涡旋状而构成。正极121及负极122分别具有由导体形成的带状的正极芯材(集电体)121a及负极芯材122a、和在其两面形成的正极活性物质层121b及负极活性物质层122b。电极组100 的卷绕按在2片隔板123间夹持负极122然后对其附加正极121的方式来实行。另外，图5中，在电极组100的内部产生有空隙101a。但是，由于正极121、负极 122及隔板123具有挠性，因此实际上空隙IOla坍塌。在图示例的电极组100中，正极121的卷绕开始端部(第1层PlOl的左端部)相比负极122的卷绕开始端部(第1层moi的左端部)位于内侧(图的右侧)。负极122的卷绕开始端部仅在负极芯材12 的单面形成有负极活性物质层122b。 负极芯材12 的未形成负极活性物质层122b的面上，负极芯材12 露出。该露出面上焊接有负极引线124。另一方面，虽然未图示，但是，正极121在电极组100的卷绕结束端部(位于靠电极组100的右端部)，正极芯材121a的单面露出。在该露出面上焊接有正极引线。正极121的第1层PlOl及负极122的第1层附01在位于电极组100的未图示的右端部的折回部处折回。在该折回部处折回的第1层Pioi及moi与第2层P102及m02 连续。第2层P102及附02在位于电极组100的左端部的折回部125处折回。在这些折回部中，正极121及负极122弯曲。在电极组100的左端部的折回部125处折回的第2层 P102及附02与第3层P103及附03连续。如上所述，将正极121及负极122涡旋状地卷绕而层叠。
在图示例的电极组100中，在负极122的焊接负极引线IM的部分、负极122的第1 层moi的上侧的负极活性物质层(moia)、第2层m02的下侧的负极活性物质层(m02a) 处不存在成对的正极活性物质层121b。因此，这些负极活性物质层122b对电池的发电没有贡献。因此，如图6所示，提出了下述方案负极126的第1层mil及第2层附12仅在负极芯材126a的单面形成负极活性物质层U6b，从第3层mi3开始在负极芯材126a的两面形成负极活性物质层(例如参照专利文献1)。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2003-257406号公报
发明内容
发明所要解决的课题但是，在图6的构成中，在电极组110的左端部的折回部127中，最内层单独由仅在负极芯材126a的单面形成有活性物质层126b的部分(以下称为单面活性物质层部)构成。另一方面，电极组110的未图示的右端部的折回部中，最内层由正极121和负极126的单面活性物质层部所成的对构成。根据以上理由，在图6的构成中，在电极组中，正极及负极第2次折回侧的端部 (在图6中为左端部)的折回部与其相反侧的折回部相比曲率半径整体减小。其结果是，在电极组的一对端部之间折回部的电极总面积产生差异。若在各折回部之间电极总面积产生差异，则在电极组的一对端部之间厚度产生差异。因此，在电极组的宽度方向上产生厚度不均，从而无法最大限度地利用电池壳的容积。 也就是说，相同容量的电池壳中可收容的电极的总面积、即活性物质量减少。其成为将方形电池高容量化时的阻碍。用于解决课题的手段本发明的一个方式涉及一种方形电池，其是具备电极组和收容所述电极组的电池壳的方形电池，所述电极组包括包含带状的正极芯材及在所述正极芯材的两面上形成的正极活性物质层的正极、包含带状的负极芯材及在所述负极芯材的两面上形成的负极活性物质层的负极、以及介于所述正极与负极之间的带状的隔板；所述电极组通过将所述正极、所述负极及所述隔板沿长度方向卷绕而构成，并且具有平坦部和折回部，所述平坦部通过将所述正极、所述负极及所述隔板以平面状层叠而成，所述折回部通过将所述正极、所述负极及所述隔板边弯曲边折回而成，所述折回部与所述平坦部邻接；所述负极在卷绕开始端部具有仅在所述负极芯材的一面上设有所述负极活性物质层的单面活性物质层部；所述单面活性物质层部在所述负极第2次折回的位置与第3次折回的位置之间的第1规定位置结束。发明效果根据本发明，通过抑制电极组的宽度方向上的厚度不均，能够容易地实现方形电池的高容量化。
图1是表示本发明的一实施方式涉及的方形电池的外观的立体图。图2是沿图1的II-II线得到的向视放大截面图。图3是沿图1的III-III线得到的向视放大截面图。图4是表示电极组的详情的该电极组的局部放大截面图。图5是表示以往的电极组的详情的该电极组的局部放大截面图。图6是表示以往的电极组的详情的该电极组的局部放大截面图。
具体实施例方式本发明的一个方式涉及方形电池，其具备电极组和收容电极组的电池壳，所述电极组包括包含带状的正极芯材及在正极芯材的两面上形成的正极活性物质层的正极、包含带状的负极芯材及在负极芯材的两面上形成的负极活性物质层的负极、以及介于正极与负极之间的带状的隔板。电极组通过将正极、负极及隔板沿长度方向卷绕而构成。电极组具有平坦部和折回部，所述平坦部通过将正极、负极及隔板以平面状层叠而成，所述折回部通过将正极、负极及隔板边弯曲边折回而成，并与平坦部邻接。这里，负极在卷绕开始端部具有单面活性物质层部，所述单面活性物质层部仅在负极芯材的一面上设有负极活性物质层。单面活性物质层部在负极第2次折回的位置与第 3次折回的位置之间的第1规定位置结束。根据以上构成，能防止负极在第1次和第3次折回的一侧的折回部的曲率半径整体上比相反侧的折回部的曲率半径小。其结果是，能够减小一方的折回部的电极总面积与另一方的折回部的电极总面积的差异。因此，能够防止在电极组的一对端部间产生厚度差异。因而，能够减小电极组的宽度方向的厚度不均。因而，能使可收容在相同的容积的电池壳中的电极总面积增大。因而，能够以最大限度利用电池壳的容积的方式将电极组收容在电池壳中。因而，能容易地使方形电池高容量化。在本发明的另一方式中，在负极第1次折回的位置，单面活性物质层部的负极活性物质层位于负极芯材的外侧。根据该构成，能够一边使正极在折回部位于负极的外侧一边卷绕电极组。因而，正极的曲率半径整体上增大，能够抑制正极活性物质的脱落。在本发明的又一方式中，正极的卷绕开始端部与单面活性物质层部的负极活性物质层以在它们之间夹着隔板的方式相邻，并且正极的卷绕开始位置对应于在负极第1次折回的位置与第2次折回的位置之间的第2规定位置。通过该构成，从电极组的平坦部开始正极的卷绕，因此能够尽可能地增大在将正极第1次折回时的曲率半径。因而，能够抑制正极活性物质的脱落，并实现方形电池的高容量化。对以上方式进行详细说明，如果将正极板的卷绕开始位置配置在电极组的折回部，则该卷绕开始部的曲率半径减小，因此该部分的正极活性物质层容易脱落。因此，正极的卷绕开始位置优选配置在电极组的平坦部处。但是，如果这样设定正极的卷绕开始位置，则在正极2次折回而成为1周之前，即使在负极芯材的两面上设置负极活性物质层，一个负极活性物质层不存在与其有效地对置的正极活性物质层。并且，该部分的负极活性物质层对发电没有贡献。根据以上理由，以往，在经过正极第2次折回的折回部(图5及图6的折回部125 及127)之前，仅在负极芯材的单面上设置有负极活性物质层。由此，过去一直希望减少对发电没有贡献的负极活性物质层来提高电池壳的容积的使用效率。但是，根据本发明人们的最近的研究，如果想在经过正极第2次折回的折回部之前仅在负极芯材的单面设置负极活性物质层，则该折回部的曲率半径整体上减小。其结果表明，在电极组的宽度方向产生厚度不均，从而电池壳的容积的使用效率降低，有时方形电池的容量反而降低。本发明根据这样的见解，从正极第2次折回的折回部的跟前，虽然一部分对发电没有贡献，但是，还是在负极芯材的两面设置负极活性物质层。由此，正极第2次折回的折回部的曲率半径整体上增大。其结果是，电极组的宽度方向上的厚度不均减小，对发电有贡献的电极总面积的总计增大。因而，能使电池容量增加。本发明的又一方式中，负极的卷绕开始位置与第1规定位置一致，正极的卷绕开始位置比第1规定位置更靠近负极第2次折回的位置。根据该构成，能够不会对正极及负极产生大的应力地将电极组卷绕。因此，能够抑制活性物质层的脱落。在本发明的又一方式中，正极的卷绕开始位置位于距离负极第1次折回侧的折回部与平坦部的边界为1 4mm的位置。根据该构成，能够不会对正极及负极产生大的应力地将电极组卷绕，并且能够将对发电没有贡献的负极活性物质层的面积控制成最小限度。折回部与平坦部的边界为包含负极第1次折回的线的面(图4中双点划线IOa所示的面)。 该面是与平坦部的面方向及电极组的卷绕方向(图1的左右方向)垂直的面。在本发明的又一方式中，第1规定位置位于距离负极第1次折回侧的折回部与平坦部的边界为0. 3 3. 5mm的位置。由此，能够防止在单面活性物质层部结束的位置、即开始在负极芯材的两面上形成负极活性物质层的位置对负极产生大的应力，能抑制负极活性物质层的脱落。此外，能将对发电没有贡献的负极活性物质层的面积控制成最小限度。
下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1中通过立体图表示本发明的一实施方式涉及的方形电池的外观。图2是沿图 1的II-II线得到的向视放大截面图。图3是沿图1的III-III线得到的向视放大截面图。方形电池1具备具有开口的矩形的电池壳2和将该开口封口的封口板3。电池壳 2及封口板3例如由铝或铝合金构成。封口板3的周缘部通过激光而焊接到电池壳2的开口部处。在封口板3上设置与封口板3绝缘的负极外部端子4。电池壳2及封口板3作为正极外部端子发挥功能。如图2所示，在电池壳2的内部收容有未图示的电解质和电极组10。电极组10包含正极12、负极14及隔板16。负极外部端子4与负极内部端子如连接。在负极内部端子如与电极组10之间配设由绝缘体形成的框体5。在框体5的中央部设置有用于插通负极引线6的负极引线插通孔fe。利用从负极引线插通孔5a通过的负极引线6，将负极内部端子如与负极14连接。如图3所示，在框体5的端部设置有用于插通正极引线7的正极引线插通间隙恥。 利用通过正极引线插通间隙恥的正极引线7，将封口板3与正极12连接。图4中通过局部放大截面图来示出电极组的详情。电极组10包含带状的正极12、带状的负极14、配置在正极12与负极14之间的带状的隔板16。正极12、负极14及隔板16卷绕成涡旋状。电极组10包含平坦部18和折回部，所述平坦部18通过将正极12、负极14及隔板16以平面状层叠而成，所述折回部通过将正极12、负极14及隔板16边弯曲边折回而成。折回部形成为在平坦部18的一对端部处分别与平坦部18邻接。在图1中仅示出了一对折回部中的一个折回部(以下称为一个折回部)20。正极12包含带状的由导体形成的正极芯材(集电体)1 和在正极芯材12a的两面上形成的正极活性物质层12b。负极14包含带状的由导体形成的负极芯材(集电体)1 和在负极芯材14a的两面上形成的负极活性物质层14b。负极14在平坦部18的内部从靠近该平坦部18与一个折回部20的边界IOa的位置开始卷绕。该卷绕开始位置Sl与边界IOa的距离Ll可以设为0. 3 3. 5mm。距离Ll的更优选的范围为0. 5 2. 5mm。负极14的卷绕开始端部成为仅在负极芯材1 的一面上形成有负极活性物质层14b的单面活性物质层部14c。负极14在一个折回部20处边弯曲边进行第1次折回。进行了第1次折回的负极 14再次经过卷绕开始位置Sl后，与正极12的卷绕开始端部重叠，开始与正极12 —起卷绕。 正极12的卷绕开始位置S2与上述边界的距离L2优选设定为1 4mm。并且，位置Sl与位置S2的距离L3优选设定为0. 5 3. 2mm。通过将距离L3设定在该范围内，能够避免对正极12及负极14产生大的应力。因而，能够抑制活性物质层的脱落。此外，在负极14的卷绕开始端部，能将未与正极活性物质层12b有效地对置的负极活性物质层14b的长度控制成最小限度。然后，正极12及负极14在未图示的另一折回部(以下称为另一折回部)处边弯曲边折回。将在另一折回部处第1次折回前的正极12设为第1层Pl。将在与正极12重叠后在另一折回部处第2次折回前的负极14设为第1层m。在另一折回部处进行了第1次折回的正极12成为第2层P2，在另一折回部处进行了第2次折回的负极14成为第2层N2。进而，正极12在一个折回部20处第2次折回而成为第3层P3，负极14在一个折回部20处第3次折回而成为第3层N3。另外，在图4中，正极12的第1层Pl与负极14的第3层N3之间存在空隙，但是，实际上正极12的第1层Pl 与负极14的第3层N3以在它们之间夹着隔板16的方式邻接。负极14的单面活性物质层部Hc在第2层N2的一个折回部20的附近、更具体而言在与负极的卷绕开始位置Sl对应的位置结束，由此处开始，负极14在负极芯材1 的两面上形成负极活性物质层14b。S卩，负极14在从卷绕开始第3次折回时，以在负极芯材1 的两面上形成有负极活性物质层14b的状态折回。下面对本发明的实施例进行详细说明。本发明并不限定于以下的实施例，在不变更其要旨的范围内可进行适当变更来实施。(实施例1)
(1)正极的制作按以下的顺序制作正极。将正极活性物质(LiNia8Coai5Alaci5O2^作为导电剂的乙炔黑、和作为粘合剂的 PVdF(PolyVinylidene Fluoride 聚偏氟乙烯)按重量比成为90 5 5的方式进行配合，边添加作为分散剂的NMP (N-甲基吡咯烷酮)边用双臂式炼合机进行搅拌。由此调制成正极浆料。将该正极浆料涂布到由厚度为15 μ m的铝箔形成的正极芯材(集电体)的两面上。将其在120°C的气氛下干燥而将NMP除去后，用辊压机压延至厚度为115μπι(正极活性物质层的单面的厚度为50 μ m)为止，切断成规定的尺寸而制作正极。正极芯材的厚度可以设为10 15 μ m的范围。正极的厚度可以设为100 150 μ m的范围。然后，在设置于正极的卷绕结束端部的未形成正极活性物质层的正极芯材的露出部上焊接宽2. 5mm、厚0. Imm的正极引线。(2)负极的制作按以下的顺序制作负极。作为负极活性物质，使用在精制天然石墨上被覆来自于浙青的非晶质层而得到的材料。将该负极活性物质、作为增稠剂的CMC(CarboxyMethylCellulose 羧甲基纤维素)、 作为粘合剂的SBRGtyrene-Butadiene RiAber 丁苯橡胶)按重量比成为100 2 2的方式配合。边在其中添加作为分散剂的水边用双臂式炼合机进行搅拌，制成负极浆料。将该负极浆料涂布到厚度为10 μ m的由铜箔形成的负极芯材(集电体)的两面上，在200°C的气氛下进行干燥而除去水。将其用辊压机压延至厚度为150μπι(负极活性物质层的单面的厚度为80 μ m)为止，切断成规定的尺寸而制作负极。负极芯材的厚度可以设为7 10 μ m的范围。负极活性物质层的单面的厚度可以设为100 180 μ m的范围。然后，将宽3. 0mm、厚0. Imm的负极引线焊接到在负极的卷绕开始端部的单面活性物质层部中露出的负极芯材上。(3)非水电解质的调制作为非水电解质，在按EC(Ethylene carbonate 碳酸亚乙酯)与EMC(Ethyl Methyl Carbonate 碳酸甲乙酯)的体积比成为2 8的方式混合而成的非水溶剂中，将作为电解质的LiPF6以1. lmol/L的浓度溶解而调制非水电解质。(4)方形电池的组装将如上所述得到的正极与负极以在它们之间夹入厚度为20 μ m的由PE(聚乙烯) 制的微多孔膜形成的隔板的方式按图4所示卷绕成涡旋状，构成了横截面形状形成为扁平方形的电极组。隔板的厚度可以设定为12 20 μ m的范围。电极组从平坦部开始负极的卷绕，将从该卷绕开始位置至平坦部与第1次折回时的折回部的边界为止的长度Ll (参照图4)设为2mm。负极的卷绕开始端部设定为仅在负极芯材的单面上形成有负极活性物质层的单面活性物质层部。单面活性物质层部以负极芯材为内侧、以负极活性物质层为外侧进行折回。使单面活性物质层部在将负极第3次折回时的折回部的跟前的位置结束，从该位置开始在负极芯材的内侧的面上也形成负极活性物质层。该位置与负极的卷绕开始位置一致。即，在负极芯材的内侧的面上开始形成负极活性物质层的位置也设定为距离平坦部与折回部的边界为2mm的位置。在负极开始卷绕而第1次折回后，正极沿着单面活性物质层部的形成有负极活性物质层的一侧开始卷绕。正极的卷绕开始位置与上述边界的距离L2设定为3. 5mm。将如上所述构成的电极组收容到有底方形的电池壳中。通过激光将向电极组上方突出的负极引线焊接到负极内部端子上。通过激光将向电极组上方突出的正极引线焊接到封口板上。接着，将如上所述得到的非水电解质注入到电池壳中，利用封口板将电池壳的开口部封口。如上所述，制作5个纵36mm、横34mm、宽8. 5mm的方形的锂离子二次电池。(实施例2)除了将长度Ll(参照图4)设为0.5mm之外，与实施例1同样地制作5个锂离子二次电池。(实施例3)除了将长度Ll(参照图4)设为2. 5mm之外，与实施例1同样地制作5个锂离子二次电池。(实施例4)除了将长度Ll (参照图4)设为3. 5mm、将距离L2设为4mm之外，与实施例1同样地制作5个锂离子二次电池。(实施例5)除了将长度Ll(参照图4)设为0.3mm之外，与实施例1同样地制作5个锂离子二次电池。(比较例1)如图6所示，制作下述电极组，该电极组中，负极的卷绕开始端部的单侧活性物质层部的结束位置位于第3层M13的左端部。使用该电极组与实施例1同样地制作5个锂离子二次电池。< 评价 >对于实施例1 5及比较例1的各5个电池，通过以下方法确认厚度、放电容量及活性物质层有无脱落。首先，在25 °C的气氛下，将充电终止电压设为4. 20V，以250mA进行恒定电流充电。 然后，在25°C的气氛下，将放电终止电压设为2. 50V,以250mA进行恒定电流放电。将其作为1个循环并重复250个循环后，测定第251个循环的放电容量。在刚进行了放电容量的测定后，用游标卡尺测定电池的中央部的厚度。在测定放电容量和厚度之后，在露点为-30°c的低湿度的气氛下将电池分解，从电池壳取出电极组，确认负极活性物质层的卷绕开始位置。以上的结果示于表1中。[表1]
权利要求
1.一种方形电池，其具备电极组和收容所述电极组的电池壳，所述电极组包括包含带状的正极芯材及在所述正极芯材的两面上形成的正极活性物质层的正极、包含带状的负极芯材及在所述负极芯材的两面上形成的负极活性物质层的负极、以及介于所述正极与负极之间的带状的隔板；所述电极组通过将所述正极、所述负极及所述隔板沿长度方向卷绕而构成，并且具有平坦部和折回部，所述平坦部通过将所述正极、所述负极及所述隔板以平面状层叠而成，所述折回部通过将所述正极、所述负极及所述隔板边弯曲边折回而成，所述折回部与所述平坦部邻接；所述负极在卷绕开始端部具有仅在所述负极芯材的一面上设有所述负极活性物质层的单面活性物质层部；所述单面活性物质层部在所述负极第2次折回的位置与第3次折回的位置之间的第1 规定位置结束。
2.根据权利要求1所述的方形电池，其中，在所述负极第1次折回的位置，所述单面活性物质层部的所述负极活性物质层位于所述负极芯材的外侧。
3.根据权利要求2所述的方形电池，其中，所述正极的卷绕开始端部与所述单面活性物质层部的所述负极活性物质层以将隔板夹在之间的方式相邻，并且所述正极的卷绕开始位置对应于在所述负极第1次折回的位置与第2次折回的位置之间的第2规定位置。
4.根据权利要求3所述的方形电池，其中，所述负极的卷绕开始位置与第1规定位置一致，所述正极的卷绕开始位置比所述第1 规定位置更靠近所述负极第2次折回的位置。
5.根据权利要求3所述的方形电池，其中，所述正极的卷绕开始位置位于距离所述负极第1次折回侧的所述折回部与所述平坦部的边界为1 4mm的位置。
6.根据权利要求1所述的方形电池，其中，所述第1规定位置位于距离所述负极第1次折回侧的所述折回部与所述平坦部的边界为0. 3 3. 5mm的位置。
全文摘要
方形电池(1)具备电极组(10)，所述电极组(10)包含在带状的正极芯材(12a)的两面上形成正极活性物质层(12b)而成的正极(12)、在带状的负极芯材(14a)的两面上形成负极活性物质层(14b)而成的负极(14)、以及带状的隔板(16)。电极组通过将正极、负极及隔板沿长度方向卷绕而构成。负极在卷绕开始端部具有仅在负极芯材的一面上设置有负极活性物质层的单面活性物质层部。单面活性物质层部在负极第2次折回的位置与第3次折回的位置之间的规定位置结束。
文档编号H01M10/0587GK102257667SQ201080003660
公开日2011年11月23日 申请日期2010年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者森川敬元, 高井彻 申请人:松下电器产业株式会社