专利名称：卷芯及使用该卷芯的电极体的制造方法
技术领域：
本发明涉及用于制造装于锂离子(lithium ion)电池的电池壳等内的电极体的卷芯及使用其卷芯的电极体的制造方法。
背景技术：
专利文献1～5中公开了一种电极体的制造方法通过使卷芯旋转，在将带状隔膜夹在带状正极和带状负极之间的状态下，将正极和负极及隔膜卷绕到上述卷芯上以制造电极体。
专利文献1日本特开平8—153519号公报(0009—0010段、图6—10)专利文献2日本特开2003—282136号公报(0017段、图1)专利文献3日本专利第三536391号公报(0046段、图2)专利文献4日本特开2003—257475号公报(0008段、图2)专利文献5日本特开2004—127860号公报(0008—0011段、图1—3)在专利文献1、2中，在隔膜穿过贯通设置在卷芯径向的狭缝的状态下，将隔膜卷绕到卷芯上。在专利文献3中，在卷芯的外周面上直接卷绕正极和负极以及隔膜。因此，在专利文献1～3中，卷绕时隔膜滑动导致正极和负极的位置关系错位，引起电极体的品质下降。
与此相对，在专利文献4、5中，用已分割的卷芯夹住并固定隔膜以防止上述的隔膜的滑动，但在夹住隔膜时，卷芯的分开面沿隔膜的面方向动作的同时被挤压，因此隔膜有可能被拉破。并且，专利文献4、5因其结构复杂，有可能引起卷芯成本的提高(cost up)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供结构简单且不会沿隔膜的面方向移动地夹住并固定隔膜的卷芯及使用该卷芯的电极体的制造方法。
作为本发明对象物的卷芯21如图5所示，被用于在将带状的隔膜9夹在带状正极6和带状负极7之间的状态下进行卷绕以制造电极体2。如图1以及图2所示，本发明的卷芯21，包含卷绕正极6和负极7以及隔膜9的长棒状的外轴22；用于固定隔膜9的长棒状的中轴25；装卸自如地安装在外轴22一端的承接轴26。在外轴22的轴芯部分上形成延长于外轴22的轴心方向并敞开于外轴22一端的空间23，中轴25以中轴25的轴心沿着外轴22的轴心的姿势配置在空间23内。承接轴26具有在被安装在外轴22一端时装卸自如地外嵌到中轴25的前端部25b上的嵌入部35。中轴25的终端部25a固定在空间23的最内侧部分的同时，中轴25具有延长于中轴25的轴心方向并敞开于中轴25前端的中轴狭缝29，由中轴狭缝29前端侧被分成两股。外轴22具有与中轴狭缝29相对的外轴狭缝27，隔膜9通过外轴狭缝27导入到中轴狭缝29内，将承接轴26的嵌入部35外嵌到中轴25的前端部25b上时，利用嵌入部35的内周面将中轴25的前端部25b的外周面沿中轴狭缝29的间隙的宽度方向挤压，中轴狭缝29被关闭并夹住隔膜9。这里的外轴22形成菱形、椭圆形、六角形或八角形等的剖面形状。外轴22可如下设定预先将中轴25的终端部25a侧设定为与前端侧25b侧相比向外轴狭缝27的间隙的宽度方向扩大的圆锥(taper)状，将承接轴26外嵌到中轴25上时，中轴25的前端部25b侧向外侧挤压扩开，中轴25的终端部25a侧和中轴25的前端部25b侧的狭缝间隙在宽度方向的尺寸几乎相等。
外轴狭缝27通过延长于外轴22的轴心方向并敞开于外轴22的一端，使外轴22的一端侧分成两股。承接轴26的嵌入部35做成从外轴22的一端侧嵌入到空间23内并外嵌到中轴25的前端部25b上，在将承接轴26的嵌入部35从空间23内取出时，外轴22的一端成为自由端，外轴狭缝27的间隙变小。
中轴25上形成面向中轴狭缝29的一对切割面30、31，在一个切割面30上突出设置有延长于该切割面30长度方向的突起32，在另一个切割面31上形成有延长于该切割面31的长度方向并与突起32相对的凹部33。突起32只要是能将隔膜9咬入而不使隔膜9破断即可。突起32的剖面形状最好是圆弧状或三角形状。突起32和凹部33可设置为两列以上，另外，也可沿切割面30、31长度方向间断设置。
本发明的制造方法是使用了上述卷芯21的电极体的制造方法，包括以下三个步骤第一步骤是如图5所示，在从中轴25的前端部25b取出承接轴26，并使中轴25的中轴狭缝29的间隙扩大的状态下，将两片重叠的隔膜9、9插入到外轴22的外轴狭缝27及中轴狭缝29中；第二步骤是通过将承接轴26从外轴22的一端侧嵌入到外轴22的空间23内并外嵌到中轴25的前端部25b上，以便利用面对中轴25的中轴狭缝29的一对切割面30、31夹住并固定两片重叠的隔膜9、9；以及第三步骤是使卷芯21旋转，将两片重叠的隔膜9、9卷绕到卷芯21上之后，在两片重叠的隔膜9、9之间配置正极6和负极7中的任意一个电极的同时，夹持一片隔膜9并将另一个电极配置成与一个电极相对，将两电极6、7与隔膜9一同卷绕到卷芯21上。
还具有在第三步骤的卷绕结束时停止卷芯21的转动的第四步骤；第五步骤，从中轴25的前端部25b取出承接轴26，中轴狭缝29的间隙扩大，解除用一对切割面30、31对两片重叠的隔膜9、9的夹持的同时，从外轴22的空间23内抽出承接轴26，使外轴22的一端成为自由端，并使外轴狭缝27的间隙变窄；以及从卷芯21抽出结束卷绕后的电极体2的第六步骤。如上所述的外轴22采用在中轴25的终端侧25a侧比前端部25b侧沿外轴狭缝27的间隙宽度方向扩大的圆锥形状时，在第五步骤抽出承接轴26时，能够沿上述圆锥很容易地进行第六步骤中的电极体2的抽出。
外轴22其一端侧由外轴狭缝27形成两股状，中轴25其前端侧由中轴狭缝29形成两股状，在第三步骤以前，用切刀39将从外轴狭缝27及中轴狭缝29的间隙向与配置电极侧相反一侧引出的两片重叠的隔膜9、9的部分9a切断为预定长度。
在一对切割面30、31中的一个切割面30上突出设置延长于该切割面的长度方向的突起32，在另一个切割面31上形成延长于该切割面的长度方向与并突起32相对的凹部33，在第二步骤中，用一对切割面30、31夹住两片重叠的隔膜9、9时，突起32只能将隔膜9咬入在第六步骤之后，通过将电极体2压溃成端面为长圆形状，便能够容纳在薄型方筒形的电池壳1内。
根据本发明，由于仅将承接轴26外嵌到中轴25的前端部25b上，用承接轴26沿中轴狭缝29的间隙的宽度方向挤压中轴25，中轴狭缝29沿大致垂直于隔膜9的背面表面的方向关闭，用中轴25夹持并固定隔膜9，因此，在这种夹住的状态下，面对中轴狭缝29的中轴25的一对切割面30、31几乎不沿隔膜9的面方向动作，因此，在上述夹住的状态下，隔膜9很难拉破，利用卷芯21能够可靠地卷绕正极6和负极7及隔膜9。能够抑制隔膜9的卷绕起始部分的损环。卷绕时，不会发生正极6和负极7位置关系的偏离，正极6或负极7的活性物质被剥离等情况，可很好地防止电极体2品质的降低。并且，卷芯21的结构做得不太复杂。另外，卷绕起始部的隔膜能够变短，能够控制电极体2的成本。
若在中轴25的一对切割面30、31上分别设有突起32和凹部33，则突起32紧紧地咬入隔膜9，在卷绕时能够进一步可靠地防止隔膜9相对卷芯21滑动。
图1是卷芯的正视横剖面图。
图2是卷芯的侧视纵剖视图。
图3是密封方形电池的重要部分剖视图。
图4是密封方形电池的分解立体图。
图5是说明卷芯动作的简要剖面图。
图6是表示卷芯的其他实施例的正视横剖面图。
具体实施例方式
在图3及图4中，本发明的薄型密封方形电池包含上面具有左右横向较长的开口的有底方形电池壳1；容纳在电池壳1内的电极体2和非水电解液；堵住电池壳1的开口上面的左右横向较长的盖3及配置在盖3内侧的塑料制的绝缘体5。电池壳1由镍(nickel)和铝(aluminum)构成的金属包层(clad)材料经深拉深加工形成纵向较长的薄型外壳。电池壳1的左右宽度尺寸是34mm，上下高度尺寸是50mm，前后厚度尺寸是3.8mm。
电极体2是将由微多孔性聚乙烯薄膜(polyethylene film)构成的带状隔膜9夹在带状正极6和带状负极7之间的状态下卷绕成涡旋状制成的。电极体2在卷绕后压溃成形为断面为长圆形状。在正极6上将含有正极活性物质的涂膜配置在带状正极集电体的正反两面上。在负极7上将含有负极活性物质的涂膜配置在带状负极集电体的正反两面上。从正极6的正极集电体引出薄片状的正极集电引线(lead)10。从负极7的负极集电体引出薄片状的负极集电引线11。正极6的宽度比负极7小，正极6和负极7的宽度尺寸差为0.6mm。
盖3是铝合金等的板材经冲压(press)而成的成形品，用激光(laser)将盖3的外周边缘缝焊到电池壳1的开口周围边缘上。盖3的中央通过上侧的绝缘衬垫(packing)12及下侧的绝缘板13呈贯通状地安装负极端子15。在盖3左右方向的靠右端，呈上下贯通状地形成用于将电解液注入到电池壳1内的圆形的注液孔16。注液孔16在注入电解液后用塞子17堵住并封口。
在负极端子15的下端，在盖3的内面连接由左右横向较长的薄板构成的引线板19。引线板19延长到注液孔16的相反侧，用下侧的绝缘板13与盖3绝缘。将负极集电引线11激光焊接到该引线板19的下面。将正极集电引线10激光焊接到盖3的背面的绝缘板13和注液孔16之间的空间(space)位置。由此，正极集电引线10与盖3及电池壳1导通，盖3及电池壳1具有正极电位。在盖3的左右方向的靠一端(图3的靠左端)形成有开裂通气口(vent)20，开裂通气口20在电池内压异常上升时，裂开并释放电池内压。
电池组装时，如上所述，相对盖3安装负极端子15、绝缘衬垫12及引线板19，再将电极体2容纳在电池壳1内之后，按上述要求分别将负极集电引线11焊接到负极集电引线板19上、将正极集电引线板10焊接在盖3上。随后，在电池壳1的开口周围边缘用激光缝焊盖3之后，从注液孔16注入电解液，用塞子17封住注液孔16，这样就做成电池。
正极6和负极7及隔膜9用卷芯21进行卷绕。如图2(a)、图2(b)所示，该卷芯21包含卷绕正极6和负极7及隔膜9的长棒状的外轴22；配置在形成于外轴22的轴芯部分的空间23内并固定隔膜9的长棒状的中轴25；以及装卸自如地安装在外轴22一端(图2的左端)的承接轴26。
如图1所示，外轴22形成大致呈菱形的断面形状。如图2(a)所示，上述空间23在外轴22的轴心方向延长，在外轴22的一端呈开放状态。中轴25以中轴25的轴心沿着外轴22的轴心的姿势内包含在空间23内。
外轴22设有用于将隔膜9导向空间23内的外轴狭缝27。外轴狭缝27以穿过外轴22的断面的短轴方向的方式形成的同时，沿外轴22的轴心方向从外轴22的一端延长到另一端附近，并在外轴22的一端呈开放状态。外轴22由于外轴狭缝27形成两股。外轴22的另一端(图2的右端)由图外的驱动机构支撑，由该驱动机构驱动外轴22旋转。外轴22的长度比隔膜9的宽度大。
中轴25的中端部25a固定在上述空间23的最内侧部分。中轴25设有用于夹住隔膜9的中轴狭缝29。中轴狭缝29沿中轴25的轴心方向从该中轴25的前端延长到终端附近并在中轴25的前端(图2的左端)呈开放状态。中轴25由于中轴狭缝29形成两股状。中轴狭缝29与上述外轴狭缝27相对。
中轴25的前端相比外轴22的空间23的开放端靠近该空间23的内侧。中轴25的外周面利用中轴25其自身的弹力挤压到空间23的内面上。为了使承接轴26的凹部37外嵌到中轴25的前端部25b上，中轴25的前端部25b的外径比中轴25的终端侧的外径小。也就是，如图2(a)所示，在中轴25的前端部25b和外轴22的空间23的周面之间形成间隙。
如图1所示，在中轴25上形成面对中轴狭缝29的一对上下的切割面30、31。下侧的切割面30突出地设置延长于其长度方向上的断面为半圆状的突起32。上侧的切割面31形成延长于其长度方向并与上述突起32相对的凹部33。也就是，若中轴狭缝29闭合时，则突起32与凹部33嵌合。
承接轴26包含在安装到外轴22的一端时装卸自如地外嵌到中轴25的前端部25b上的嵌入部35和可转动地支撑在图外的支撑构件上的支撑部36。也就是，嵌入部35的前端面设有上述凹部37。
如图2(b)所示，将承接轴26的嵌入部35从外轴22的一端嵌入到空间23内，并将中轴25的前端部25b嵌入到承接轴26的嵌入部35的凹部37中时，用嵌入部35的凹部37的内周面将中轴25的前端部25b的外周面向中轴狭缝29的间隙的宽度方向挤压，接近中轴25的上下切割面30、31之间，中轴狭缝29关闭，并夹住两片重叠的隔膜9、9。在凹部37的开口部上形成圆锥面，在中轴25的前端部上形成圆锥面，以使中轴25的前端部25b轻松地嵌入到凹部37的开口部中。
按顺序经以下步骤来制造电极体2。
第一步骤从中轴25的前端部25b取出承接轴26，如图5(a)所示，在利用中轴25自身的弹力使中轴25的中轴狭缝29的间隙扩大的状态下，将两片重叠的隔膜9、9插入到外轴22的外轴狭缝27及中轴25的中轴狭缝29中。还有，通过外轴22及中轴25向上述隔膜9、9的宽度方向上移动，以便将上述隔膜9、9插入到外轴狭缝27及中轴狭缝29中。
第二步骤通过将承接轴26的嵌入部35从外轴22的一端侧嵌入到外轴22的空间23内，并将嵌入部35外嵌到中轴25的前端部25b中，如图5(b)所示，用中轴25的一对切割面30、31夹住并固定两片重叠的隔膜9、9。此时，由于下侧切割面30的突起32以咬入两片重叠的隔膜9、9的状态嵌入到上侧切割面31的凹部33中，因此隔膜9、9在上下切割面30、31之间不会滑动。
然后，从外轴狭缝27及中轴狭缝29的间隙，如图5(b)所示，将向与配置了两电极6、7侧相反一侧拉出的两片重叠的隔膜9、9的部分9a，用切刀39切断使得从卷芯21轴心起的尺寸达到预定长度。切刀39考虑到与卷芯21的干涉等，被配置在上述预定长度为5～30mm左右的位置上。
第三步骤使卷芯21旋转，如图5(c)所示，将两片重叠的隔膜9、9卷绕在卷芯21上仅半圈之后，在两片重叠的隔膜9、9之间配置正极6的同时，以将负极7配置成夹住一方的隔膜9并与正极6相对的状态下，如图5(d)所示，将两电极6、7连同隔膜9一同卷绕到卷芯21上。还有，设定负极7比正极6先卷绕到卷芯21上。也可将负极7配置在两片重叠的隔膜9、9之间的同时，以将正极6配置成夹住一方的隔膜9并与负极7相对的状态。
第四步骤如图2(b)所示，将正极6和负极7及隔膜9只卷绕所定的圈数，结束卷绕时便停止卷芯21的转动。将正极6及负极7切断为预定尺寸。
第五步骤从中轴25的前端部25b取出承接轴26，从外轴22的空间23内抽出承接轴26，由中轴25自身的弹力使中轴狭缝29的间隙扩大。这样，由一对切割面30、31对两片重叠的隔膜9、9的夹持得到解除，能够使电极体2向外轴22的一端侧移动。
第六步骤将结束卷绕后的电极体2从外轴22的一端侧抽出。还有，外轴22采用在中轴25的终端部25a侧比前端部25b侧向外轴狭缝27的间隙的宽度方向扩大的情况下，能够沿上述圆锥面很绒易地进行第五步骤的电极体2的移动和第六步骤的电极体2的抽出。
此后，用粘合胶带(tape)粘合并固定电极体2的最外周面。随后，为将电极体2容纳在电池壳1内，如图4所示，将其压潰成形为断面为长圆形状，这样就做成电极体2。分别将正极集电引线10焊接到正极6上，将负极集电引线11焊接到负极7上。
外轴22也可以是椭圆形、六角形或八角形等的断面形状。在电极体2的内周侧，比正极6和负极7先卷绕到卷芯21上的隔膜9、9的卷绕起始部分的长度尺寸优选电极体2长径尺寸的0.1～1.5倍，更优选0.2～1.0倍。上述卷绕起始部分的长度尺寸若比电极体2的长径尺寸的0.1倍小，则切断隔膜9、9的切刀39和卷芯21之间的距离过近，若比电极体2的长径尺寸的1.5倍大，则几乎无法得到减小卷绕起始部分的隔膜9、9的长度的效果。
用中轴25夹住隔膜9、9的宽度尺寸优选电极体2的短径尺寸的0.1～0.5倍，更优选0.2～0.4倍。夹住隔膜9、9的宽度尺寸若比电极体2的短径尺寸的0.1倍小，则很难固定隔膜9、9，若比电极体2的短径尺寸的0.5倍大，则空间23过小，中轴狭缝的可动宽度变小，很难夹住隔膜9、9。如图6所示，也可省略配置在中轴25的切割面30、31上的突起32和凹部33。
权利要求
1.一种卷芯，用于在将带状隔膜夹在带状的正极和带状的负极间的状态下进行卷绕以制造电极体，其特征在于，包含卷绕上述正极和上述负极及上述隔膜的长棒状的外轴；用于固定上述隔膜的长棒状的中轴及装卸自如地安装在上述外轴的一端上的承接轴；在上述外轴的轴芯部分上形成延长于上述外轴的轴心方向并敞开于上述外轴的一端的空间，上述中轴以上述中轴的轴心沿着上述外轴的轴心的姿势配置在上述空间内；上述承接轴具有在安装在上述外轴的一端时装卸自如地外嵌到上述中轴的前端部上的嵌入部；上述中轴做成该中轴的终端部固定在上述空间的最内侧部分的同时，具有延长于上述中轴的轴心方向并敞开于上述中轴的前端的中轴狭缝，其前端侧由于上述中轴狭缝分成两股状；上述外轴具有与上述中轴狭缝相对的外轴狭缝，上述隔膜通过上述外轴狭缝导入到上述中轴狭缝内；将上述承接轴的上述嵌入部外嵌到上述中轴的前端部上时，利用上述嵌入部的内周面将上述中轴前端部的外周面向上述中轴狭缝的间隙的宽度方向挤压，上述中轴狭缝闭并夹住上述隔膜。
2.根据权利要求1所述的卷芯，其特征在于，上述外轴狭缝通过延长于上述外轴的轴心方向并敞开于上述外轴的一端，上述外轴的一端侧分成两股状；上述承接轴的上述嵌入部做成从上述外轴的一端侧嵌入到上述空间内并外嵌到上述中轴的前端部上；从上述空间内取出上述承接轴的上述嵌入部时，上述外轴的一端成为自由端，上述外轴狭缝的间隙变小。
3.根据权利要求2所述的卷芯，其特征在于，上述中轴上形成面对上述中轴狭缝的一对切割面；在一个切割面上突出设置延长于该切割面的长度方向的上述突起；在另一个切割面上形成延长于该切割面的长度方向并与上述突起相对的凹部。
4.一种使用了卷芯的电极体的制造方法，该方法制造的电极体所使用的卷芯包含具有中轴狭缝的中轴；具有内部包含该中轴的空间的同时具有与上述中轴狭缝相对的外轴狭缝的外轴以及嵌入到设置在上述外轴一端的上述空间的开放端内并装卸自如地外嵌到上述中轴的前端部上的承接轴，上述中轴狭缝在上述中轴的前端敞开并且上述外轴狭缝在上述外轴的一端敞开；上述电极体在将带状隔膜夹在带状正极和带状负极之间的状态下进行卷绕；其特征在于，包含以下三个步骤第一步骤，在从上述中轴的前端部取出上述承接轴，并使上述中轴狭缝的间隙扩大的状态下，将两片重叠的上述隔膜插入到上述外轴狭缝及上述中轴狭缝中；第二步骤，通过将上述承接轴从上述外轴的一端侧嵌入到上述空间内并外嵌到上述中轴的前端部上，以便利用面对上述中轴的上述中轴狭缝的一对切割面夹住并固定上述两片重叠的隔膜；第三步骤，使上述卷芯旋转，将上述隔膜卷绕到上述卷芯上之后，在上述两片重叠的隔膜之间配置上述正极和上述负极中的任意一个电极的同时，将另一个电极配置成夹持一片隔膜并与上述一个电极相对的状态，将上述两电极与上述隔膜一同卷绕到上述卷芯上。
5.根据权利要求4所述的使用了卷芯的电极体的制造方法，其特征在于，还具有第四步骤，在上述第三步骤的卷绕结束时，停止上述卷芯的旋转；第五步骤，从上述中轴的前端部取出上述承接轴，上述中轴狭缝的间隙扩大，解除用上述一对切割面对上述两片重叠的隔膜的夹持的同时，从上述外轴的上述空间内抽出上述承接轴，使上述外轴的一端成为自由端，上述外轴狭缝的间隙变窄；以及第六步骤，将卷绕结束后的电极体从上述卷芯上抽出。
6.根据权利要求5所述的使用了卷芯的电极体的制造方法，其特征在于，上述外轴的一端侧因上述外轴狭缝而形成两股状，上述中轴的前端侧因上述中轴狭缝而形成两股状；在上述第三步骤以前，用切刀将从上述外轴狭缝及上述中轴狭缝的间隙将向与配置上述电极侧相反一侧引出的上述两片重叠的隔膜的部分切断为预定长度。
7.根据权利要求6所述的使用了卷芯的电极体的制造方法，其特征在于，在上述一对切割面中的一个切割面上突出设置延长于该切割面的长度方向的突起，在另一个切割面上形成延长于该切割面的长度方向并与上述突起相对的凹部；在上述第二步骤中，在用上述一对切割面夹住上述两片重叠的隔膜时，上述突起咬入上述隔膜。
8.根据权利要求7所述的使用了卷芯的电极体的制造方法，其特征在于，在上述第六步骤之后，将上述电极体压溃成形为断面为长圆形状，以便能够容纳在薄型的方筒形电池壳内。
全文摘要
本发明提供一种结构简单且能夹住并固定隔膜的卷芯。卷芯(21)包含卷绕正极(6)和负极(7)及隔膜(9)的外轴(22)；用于固定隔膜(9)的中轴(25)；嵌入部(35)外嵌到中轴(25)的前端部(25b)上的承接轴(26)。外轴(22)具有在其一端敞开的空间(23)，中轴(25)配置在空间(23)内。中轴(25)具有在其一端敞开的中轴狭缝(29)。外轴(22)具有与中轴狭缝(29)相对的外轴狭缝(27)。将两片重叠的隔膜(9、9)通过外轴狭缝(27)导入到中轴狭缝(29)内，将承接轴(26)的嵌入部(35)外嵌到中轴(25)的前端部(25b)上时，用闭合的中轴狭缝(29)夹住并固定隔膜(9)。
文档编号H01M6/16GK1848509SQ20061006670
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月3日 优先权日2005年4月4日
发明者竹轮光博, 高原知新, 服部浩 申请人:日立麦克赛尔株式会社