電池製造的方法

2023-05-20 20:34:11

專利名稱：電池製造的方法
技術領域：
本發明涉及用於製造電池的方法。
背景技術：
在電池製造過程中，存在卷繞電極組合件並且然後通過壓制扁平化的技術，並且存在公開了這種技術的文獻(參考例如日本專利申請公開2010-198987 (JP2010-198987A))。此外，已有文獻公開了在卷繞電極組合件時，將棒狀間隔物平行於卷繞的電極組合件的軸心方向插入以在卷繞之後在電極組合件中形成間隔的技術(參考例如日本專利申請公開2003-157888 (JP2003-157888A))。在如JP2010-198987A中形成的電極組合件的情況下，在壓制期間在電極組合件中產生的應力可集中在一個區域中，結果在電極組合件中可產生折皺和應變。當這種折皺和應變保持存在時，由於充電/放電期間電極組合件的膨脹和收縮，所以電池的形狀可能發生變形，並且電池的品質例如體積能量密度和循環特性可能劣化。另一方面，在根據JP2003-157888A在電極組合件中插入間隔物以在卷繞之後在電極組合件中形成間隔的技術的情況下，因為壓制是在電極組合件中插入有間隔物的情況下進行的，所以不可能有效防止在壓制期間在電極組合件中產生折皺和應變。

發明內容
本發明提供一種有效防止在電極組合件中產生折皺和應變的電池製造方法。以下將描述本發明的各方面。因此，本發明的一個方面是一種電池製造方法，其包括:圍繞卷繞芯軸卷繞電極組合件的卷繞步驟，沿與電極組合件的軸向方向正交的方向壓制在卷繞步驟中卷繞的電極組合件以形成其中所卷繞的電極組合件沿與所述壓制的方向和所述軸向方向正交的方向被扁平化的扁平化形狀的扁平化步驟，其中在卷繞步驟中，將棒狀間隔物平行於所述軸向方向插入到在圍繞卷繞芯軸卷繞電極組合件的過程中卷繞的電極組合件中，和其中在所述卷繞步驟和所述扁平化步驟之間將所述間隔物從所卷繞的電極組合件中拔出。在前述方面中，在所述卷繞步驟中，可以將間隔物布置在穿過所述電極組合件的軸心並且垂直於所述扁平化方向的平面上。此外，在前述方面中，在所述卷繞步驟中，可以將一組或者更多組的兩個間隔物以使每組的兩個間隔物相對於所卷繞的電極組合件的軸心對稱的方式設置。此外，在前述方面中，在所述卷繞步驟中，可以將間隔物設置在大致等分所卷繞的電極組合件沿徑向方向的厚度的位置處。本發明的前述方面獲得以下效果。前述方面通過有效地減少電極組合件中的折皺和應變的產生而可以在電極組合件卷繞之後扁平化時的壓制期間防止電池的形狀發生變形以及電池品質如體積能量密度和循環特性劣化。


下面將參考附圖，在本發明的示例性實施方案的以下詳細說明中描述本發明的特徵、優點和技術以及工業重要性，附圖中相同的附圖標記表示相同的要素，其中:圖1是顯示根據本發明第一實施方案在卷繞步驟中電極組合件被卷繞的狀態的圖；圖2A是顯示根據第一實施方案的在間隔物插入位置和卷繞之前的電極組合件之間的關係的圖；圖2B是根據第一實施方案的在卷繞之後的電極組合件沿與軸心垂直的平面截取的橫截面的圖；圖3A是根據第一實施方案的在卷繞期間的電極組合件沿與軸心垂直的平面截取的橫截面的圖；圖3B是根據第一實施方案的在壓制之後的電極組合件沿與軸心垂直的平面截取的橫截面的圖；圖4是顯示根據第一實施方案的電池製造方法的結果的圖；圖5A和5B分別顯示根據第一實施方案的電池製造方法在壓制之後的反彈量和折皺水平；圖6是顯示根據本發明第二實施方案的電池製造方法的結果的圖；和圖7A和7B分別顯示根據第二實施方案的電池製造方法在壓制之後的反彈量和折皺水平。
具體實施例方式根據本發明第一實施方案的電池製造方法具有:如圖1所示的將待容納在電池殼(未顯示)中的電極組合件21卷繞在卷繞芯軸11的外周上的卷繞步驟、以及如圖3A和3B所示的使卷繞的電極組合件21扁平化的扁平化步驟。電極組合件21通過堆疊正電極板和負電極板而構造為帶狀構件，多孔固體的隔離器介於所述正電極板和負電極板之間。如圖1中的箭頭R所示，在卷繞步驟中，電極組合件21在圓柱形卷繞芯軸11的外周上卷繞多次以形成圓柱形卷繞件，使得圓柱形卷繞件的軸向方向與卷繞芯軸11的軸向方向(圖1中的箭頭所示方向的垂直方向)重合。將包含正電極活性材料或負電極活性材料的混合物分別負載於正電極板或負電極板的堆疊區域中。即，在電極組合件21中，正電極板的負載混合物的部分和負電極板的負載混合物的部分相互堆疊，隔離器介於其間，並且電極組合件21構建為通過在對應堆疊區域中的正電極板和負電極板之間的化學反應而充電/放電。在本實施方案中，正電極板通過如下形成:以89: 8: 3的比例混合Li (N1-Mn-Co)O2活性材料、聚偏二氟乙烯粘合劑和乙炔黑導電材料；將該混合物施加到厚度為15 μ m的導電鋁箔的一部分表面上；然後加工所述混合物以獲得在152 μ m的厚度下的
期望寬度。在本實施方案中，負電極板通過如下形成:將通過以98: I: I的比例混合石墨活性材料、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)粘合劑和用作增稠劑的羧甲基纖維素(CMC)製備的混合物施加到厚度為10 μ m的導電銅箔的一部分表面上，然後加工所述混合物以獲得在155 μ m的厚度下的期望寬度。此外,使用厚度為28 μ m的隔離器。電極組合件21構建為使得每一層中的正電極板、負電極板和隔離器的厚度之和為335 μ m。然後，在扁平化步驟中，將如上所述已經在卷繞步驟中被卷繞的電極組合件21與卷繞芯軸11分離(將卷繞芯軸11從卷繞的電極組合件21中取出)，並且通過在圖3A中的箭頭P的方向上的壓制裝置(未顯示)沿與其軸向垂直的方向(圖3A中的箭頭所示的壓制方向)壓制電極組合件21。當該操作完成時，卷繞的電極組合件21 ( 「卷繞的電極組合件21」在下文視情況被稱為「卷繞件」)呈現扁平化的形狀，其中它在與壓制方向和軸向方向垂直的方向(圖3B中的箭頭所示的扁平化方向)上被扁平化。電池通過將如圖3B中顯示的扁平化卷繞件容納在電池殼中來構建，所述電池殼自身已經被形成為比電極組合件21稍大的扁平化形狀。在本實施方案中，電池被構建為使得通過將從電池殼突出到外部的正電極和負電極分別與正電極板和負電極板電連接來將由所述卷繞件產生的電力從電池殼取出。在根據本實施方案的電池製造方法中，如圖1、2A和2B所示，在卷繞步驟中將電極組合件21卷繞到卷繞芯軸11上的過程期間，將棒狀間隔物25平行於被卷繞的電極組合件21的軸向方向插入電極組合件21中。具體地，在卷繞電極組合件21的過程中，通過使間隔物25接近電極組合件21和隨後繼續進行電極組合件21的卷繞而將間隔物25插入電極組合件21中(參考圖2B)。結果，由於電極組合件21通過卷繞而堆疊，所以每個間隔物25變得介於電極組合件21和電極組合件21之間。在此之後，將間隔物25從通過卷繞電極組合件21所提供的卷繞件中拔出，然後在扁平化步驟中壓制電極組合件21 (參考圖3A)。在根據本實施方案的電池製造方法中，當從卷繞件中拔出間隔物25時，在電極組合件21的其中曾經插入有間隔物25的卷繞件的區域內產生間隔S，如圖3A所示。這使得在扁平化步驟中壓制卷繞件時在電極組合件21中產生的應力能夠得到分散。因此，通過防止卷繞件的電極組合件21上的應力集中在一個區域中，可以防止在電極組合件21中產生折皺和應變。通過防止這種折皺和應變，可以抑制電池形狀的變形和電池品質如體積能量密度和循環特性的劣化，甚至當電極組合件21在充電/放電期間經歷膨脹和收縮時也是如此。如上所述，根據本實施方案的電池製造方法在電極組合件21已經被卷繞形成卷繞件之後的被扁平化時的壓制期間有效地減少了在電極組合件21中產生折皺和應變。這使得能夠防止電池形狀發生變形和電池品質如體積能量密度及循環特性劣化。順便提及，當如上所述通過壓制使卷繞件扁平化時，必須要避免產生不必要的間隔。為此，間隔物25的直徑優選設定為合適的尺寸。此外，在根據本實施方案的電池製造方法中，在卷繞步驟中，間隔物25布置在穿過被卷繞的電極組合件21的軸心25a並且垂直於扁平化方向的平面Ps上，如圖2B所示。結果，通過在扁平化步驟中壓制所述卷繞件，在卷繞件的電極組合件21內產生的間隔S在扁平化方向(圖3B中的左-右方向)上得到均勻分散。結果，由於在電極組合件21中產生的應力可以在扁平化方向上得到均勻分散，所以可以有效防止在電極組合件21中產生折皺和應力。此外，在根據本實施方案的電池製造方法中，在卷繞步驟中，一組(兩個)間隔物25布置為相對於被卷繞的電極組合件21的軸心25a對稱，即，布置為提供距軸心25a大致相等的距離。結果，由於在卷繞件的電極組合件21中產生的應力可以在夾持軸心25a的壓制方向(圖3A中的垂直方向)上得到相等地分散，所以可以有效地防止在電極組合件21中產生折皺和應力。雖然本實施方案具有其中布置一組間隔物25的結構，但是也可以使用其中布置兩組(四個間隔物)或更多組間隔物的結構。此外，在根據本實施方案的電池製造方法中，在卷繞步驟中，間隔物25布置在大致等分卷繞件的沿卷繞件的徑向方向的厚度C(圖2B中顯示的寬度C)的位置處。S卩，間隔物25布置在卷繞件中，使得在比間隔物25更靠內的內側上的內側厚度E (在圖2B中顯示的寬度E)與比間隔物25更靠外的外側的厚度大致相同。結果，由於在卷繞件的電極組合件21內的一側上產生的應力可以在夾持間隔物25的徑向方向(在圖3中的上-下方向)上得到相等地分散，所以可以有效地防止在電極組合件21中產生折皺和應變。在本實施方案中，將一組間隔物25布置在等分卷繞件沿卷繞件的徑向方向的厚度C的位置處；同時，當例如提供兩組間隔物(四個間隔物)時，可以將間隔物設置在三等分卷繞件沿卷繞件的徑向方向的厚度C的位置處。下文利用圖4和圖5描述根據本實施方案的電池製造方法中利用不同間隔物25布置構造來進行的比較試驗的結果。在該比較試驗中，如上所述的卷繞結構中的正電極板的長度為1490mm ;卷繞芯軸11的軸心的直徑B (在圖2B中顯示的寬度B)為28.5mm ;以及卷繞件的沿卷繞件的徑向方向的厚度C為5.4mm。此外，顯示A作為間隔物25的直徑(圖2B中顯示的寬度A)、顯示D作為插入間隔物25之後卷繞件的沿卷繞件的徑向方向的厚度(圖2B中顯示的寬度D)、顯示E作為卷繞件的比間隔物25更靠內的內側厚度、顯示Xl作為從電極組合件21的卷繞起點(內側)起沿長度方向的第一間隔物的位置、以及顯示X2作為從電極組合件21的卷繞起點起沿長度方向的第二間隔物的位置(圖2A中的寬度Xl和X2)，使用如圖4所示的用於前述變量的不同的數值來製造卷繞件作為實施例1-4。在對比例中，對通過在沒有插入間隔物25的情況下卷繞電極組合件製造的卷繞件進行相同的試驗。在實際試驗中，在扁平化步驟中，使用SOOkgf用於壓制載荷，並且通過在特定卷繞件具有10.5mm厚度的狀態下保持10秒來進行壓制。圖5A給出在沒有間隔物的對比例中的卷繞件和實施例1-4中的卷繞件的間隔物位置比E/D和壓制反彈量之間的關係的試驗結果。間隔物位置比E/D是比間隔物25更靠內的內側上的內側厚度E與插入間隔物25之後卷繞件的厚度D之比。對於沒有間隔物的對比例的卷繞件，間隔物位置比E/D定義為100%。壓制反彈量是在扁平化步驟中已經壓制卷繞件之後5分鐘測量卷繞件的厚度時厚度增加(反彈)的量所測量的數值。如圖5A所示，根據本實施方案的電池製造方法的實施例1-4中所有的卷繞件都能夠提供比沒有間隔物的對比例中的卷繞件更小的壓制反彈量。特別地，在實施例2中可以獲得甚至更小的壓制之後的反彈量，在實施例2中第一和第二間隔物位置Xl和X2小，並且間隔物25相比其它實施例位於更向內的位置處。此外，其中使用間隔物直徑A為2.0的實施例4能夠提供比其中使用間隔物直徑A為1.5的實施例1更小的壓制之後的反彈量。圖5B給出沒有間隔物的對比例中的卷繞件和實施例1-4中的卷繞件的間隔物位置比E/D和折皺水平之間的關係的試驗結果。對於折皺水平，對在扁平化步驟中已經壓制卷繞件之後在卷繞件的電極組合件21中產生的折皺按多個水平進行視覺評分。具體地，當可以視覺觀察到折皺並且正電極板或負電極板的芯材料(鋁箔或銅箔)摺疊為Z形時賦予I的水平。當可以視覺觀察到折皺並且正電極板或負電極板的芯材料摺疊為V形時賦予2的水平。當可以視覺觀察到折皺並且正電極板或負電極板的芯材料雖然沒有摺疊但是具有U形曲率時賦予3的水平。當在光照下能夠觀察到折皺時賦予4的水平。當不能視覺觀察到折皺時賦予5的水平。如圖5B所示，根據本實施方案的電池製造方法的實施例1-4中的所有卷繞件都能夠提供比沒有間隔物的對比例中的卷繞件更好的折皺水平(更大的數值)。特別地，在實施例2和實施例4中能夠獲得比其他實施例中更好的折皺水平，在實施例2中第一和第二間隔物位置Xl和X2小，並且間隔物25位於比其它實施例中更向內的位置處，在實施例4中使用的間隔物直徑A為2.0。下文利用圖6和圖7描述根據第二實施方案的電池製造方法中利用不同間隔物25布置構造來進行比較試驗的結果。在該比較試驗中，如第一實施方案那樣構建的卷繞件的正電極板的長度設定為5470mm ;卷繞芯軸11的軸心的直徑B設定為34.0mm ;以及卷繞件的沿卷繞件的徑向方向的厚度C設定為12.3mm。在本實施方案中使用的正電極板具有126 μ m的厚度；負電極板具有131 μ m的厚度；並且隔離器具有26 μ m的厚度。電極組合件21構建為具有每層183 μ m的正電極板、負電極板和隔離器的厚度之和。此外，顯示A作為間隔物25的直徑、顯示D作為插入間隔物25之後卷繞件的沿卷繞件的徑向方向的厚度、顯示E作為卷繞件的比間隔物25更靠內的內側厚度、顯示Xl作為從電極組合件21的卷繞起點(內側)起第一間隔物的位置、以及顯示X2作為從電極組合件21的卷繞起點起第二間隔物的位置，使用如圖6所示前述變量的不同的數值來製造卷繞件作為實施例1-3。在對比例中，對沒有插入間隔物25製造的卷繞件進行相同的試驗。此夕卜，對布置有兩對間隔物25 (四個間隔物)的實施例3進行試驗。在對比試驗中，在扁平化步驟中，使用IOOOkgf用於壓制載荷，並且通過在各個卷繞件具有24.5mm厚度的狀態下保持10秒來進行壓制。圖7A給出在沒有間隔物的卷繞件和實施例1-3以及對比例中的卷繞件的間隔物位置比E/D和壓制反彈量之間的關係的試驗結果。如圖7A所示，根據本實施方案的電池製造方法的實施例1至3中的所有卷繞件都能夠提供比沒有間隔物的對比例的卷繞件更小的壓制反彈量。特別地，在其中設置有兩對間隔物25(四個間隔物)的實施例3中能夠獲得比在其它實施例中甚至更小的反彈量。圖7B給出沒有間隔物的對比例中的卷繞件和實施例1至3中的卷繞件的間隔物位置比E/D和折皺水平之間的關係的試驗結果。折皺水平與上述針對第一實施方案描述的相同。如圖7B所示，在根據該第二實施方案的電池製造方法的實施例1至3中的所有卷繞件都能夠提供比沒有間隔物的對比例中的卷繞件更好的折皺水平(更大的數值)。特別地，在其中設置有兩對間隔物25(四個間隔物)的實施例3中能夠獲得比其它實施例中更好的折皺水平。
如前文所述，根據第一和第二實施方案的電池製造方法的實際試驗表明，通過使得在壓制期間在卷繞件的電極組合件21中產生的應力得到分散並由此防止在電極組合件21中的應力集中在一個區域中，能夠有效地減少電極組合件21中的折皺和應變的產生。
權利要求
1.一種製造電池的方法，其特徵在於包括以下步驟: 圍繞卷繞芯軸(11)的外周卷繞電極組合件(21)的卷繞步驟；和 沿與所述電極組合件(21)的軸向方向正交的方向壓制在所述卷繞步驟中卷繞的所述電極組合件(21)以形成其中所卷繞的電極組合件(21)沿與所述壓制的方向和所述軸向方向正交的方向被扁平化的扁平化形狀的扁平化步驟，其中 在所述卷繞步驟中，將至少一個棒狀間隔物(25)平行於所述軸向方向插入到在圍繞所述卷繞芯軸(11)卷繞所述電極組合件(21)的過程中卷繞的所述電極組合件(21)中，和在所述卷繞步驟和所述扁平化步驟之間將所述間隔物(25)從所卷繞的電極組合件(21)中拔出。
2.根據權利要求1所述的製造電池的方法，其中在所述卷繞步驟中，將至少一個間隔物(25)布置在穿過所述電極組合件(21)的軸心並且垂直於所述扁平化的方向的平面上。
3.根據權利要求1或2所述的製造電池的方法，其中在所述卷繞步驟中，將一組或者更多組的兩個間隔物(25)以使每組的兩個間隔物相對於所卷繞的電極組合件(21)的軸心對稱的方式設置。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的製造電池的方法，其中在所述卷繞步驟中，將所述間隔物(25)設置在大致等分所卷繞的電極組合件(21)沿所述徑向方向的厚度的位置處。
全文摘要
根據本發明的一種製造電池的方法，其包括圍繞卷繞芯軸(11)卷繞電極組合件(21)的卷繞步驟；和沿與電極組合件(21)的軸向方向正交的方向壓制在卷繞步驟中卷繞的電極組合件(21)以形成其中所卷繞的電極組合件(21)沿與壓制的方向和軸向方向正交的方向被扁平化的扁平化形狀的扁平化步驟，其中在卷繞步驟中，將棒狀間隔物(25，25)平行於軸向方向插入到在圍繞卷繞芯軸(11)卷繞電極組合件(21)的過程中卷繞的電極組合件(21)中，以及其中在卷繞步驟和扁平化步驟之間將間隔物(25，25)拔出。
文檔編號H01M10/04GK103151551SQ20121051500
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月4日 優先權日2011年12月6日
發明者小野田祐介 申請人:豐田自動車株式會社