特開 2024-162434 ボビン型電池の製造方法およびボビン型電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024162434

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】ボビン型電池の製造方法およびボビン型電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/62 20060101AFI20241114BHJP

   H01M 6/16 20060101ALI20241114BHJP

   H01M 4/06 20060101ALI20241114BHJP

   H01M 4/08 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

H01M4/62 Z

H01M6/16 B

H01M4/06 L

H01M4/06 X

H01M4/08 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023077931

(22)【出願日】2023-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】桑村 俊行

(72)【発明者】

【氏名】花村 玲

(72)【発明者】

【氏名】野村 幸作

【テーマコード（参考）】

5H024

5H050

【Ｆターム（参考）】

5H024AA03

5H024AA12

5H024BB18

5H024CC02

5H024CC14

5H024DD17

5H024EE09

5H024FF11

5H050AA02

5H050BA05

5H050CA09

5H050CB12

5H050DA02

5H050DA11

5H050EA24

5H050FA07

5H050FA12

5H050GA06

5H050GA08

5H050HA01

(57)【要約】

【課題】放電性能の向上を図ることができるボビン型電池の製造方法を得ること。
【解決手段】ボビン型電池の製造方法は、二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含む第１の基材を混合と造粒によって第１の合剤とする工程と、二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含む第２の基材と、第１の合剤とを混合と造粒によって第２の合剤とする工程と、第２の合剤を筒状の正極１０６に成型して、一端が閉塞された筒状のケース１０１の内周面に正極１０６を接触させる工程と、ケース１０１の内側に電解液を注液する工程と、正極１０６の内側に筒状の負極とセパレータとを設ける工程と、ケース１０１の他端を塞いで封止する工程と、を有し、第１の基材に含まれるバインダの量は、第２の基材に含まれるバインダの量よりも多い。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含む第１の基材を混合と造粒によって第１の合剤とする工程と、
二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含む第２の基材と、前記第１の合剤とを混合と造粒によって第２の合剤とする工程と、
前記第２の合剤を筒状の正極に成型して、一端が閉塞された筒状のケースの内周面に前記正極を接触させる工程と、
前記ケースの内側に電解液を注液する工程と、
前記正極の内側に筒状の負極とセパレータとを設ける工程と、
前記ケースの他端を塞いで封止する工程と、を有し、
前記第１の基材に含まれるバインダの量は、前記第２の基材に含まれるバインダの量よりも多いボビン型電池の製造方法。

【請求項2】

前記第１の基材および前記第２の基材に含まれるバインダは、ポリテトラフルオロエチレンである請求項１に記載のボビン型電池の製造方法。

【請求項3】

前記負極は、リチウムを含む請求項１または２に記載のボビン型電池の製造方法。

【請求項4】

筒状のケースと、
筒状に成形されるとともに、前記ケースの内側面に接触するように設けられた正極と、
前記正極の内側に設けられた負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、
前記ケースの内側に注液された電解液と、を備え、
前記正極は、二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含み、
前記正極は、第１の領域と前記第１の領域よりもバインダの量が少ない第２の領域とを有し、
前記正極において前記第１の領域が３～５０ｗｔ％を占めるボビン型電池。

【請求項5】

前記第１の領域および前記第２の領域に含まれるバインダは、ポリテトラフルオロエチレンである請求項４に記載のボビン型電池。

【請求項6】

前記負極は、リチウムを含む請求項４または５に記載のボビン型電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ボビン型電池の製造方法およびボビン型電池に関する。

【背景技術】

【0002】

一端が閉塞された円筒状のケースの内側に円筒状の正極が設けられ、正極の内側に負極とセパレータが設けられ、ケースの内側に電解液が注液されたボビン型電池がある。正極は、二酸化マンガンと、導電材と、バインダとを含む合剤を成形して作成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－２９５３０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電池には放電性能の向上への要求があり、それはボビン型電池も同様である。ボビン型電池は、正極への電解液の染み渡りやすさの向上と、成形密度を上げることによって放電性能を向上させることができる。しかしながら、正極に含まれるバインダの量が多ければ、電解液が染み渡りやすくなるが成形密度が低下してしまう。また、正極に含まれるバインダの量が少なければ、成形密度が高くなるものの、電解液が染み渡りにくくなってしまう。このように、電解液の染み渡りやすさの向上と、成形密度を上げることを両立して放電性能を向上させることは難しかった。

【0005】

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、放電性能の向上を図ることができるボビン型電池の製造方法を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様によるボビン型電池の製造方法は、二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含む第１の基材を混合と造粒によって第１の合剤とする工程と、二酸化マンガン、導電材、およびバインダを含む第２の基材と、第１の合剤とを混合と造粒によって第２の合剤とする工程と、第２の合剤を筒状の正極に成型して、一端が閉塞された筒状のケースの内周面に正極を接触させる工程と、ケースの内側に電解液を注液する工程と、正極の内側に筒状の負極とセパレータとを設ける工程と、ケースの他端を塞いで封止する工程と、を有し、第１の基材に含まれるバインダの量は、第２の基材に含まれるバインダの量よりも多い。

【発明の効果】

【0007】

本願の開示するボビン型電池の製造方法の一態様によれば、放電性能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、一実施の形態に係るボビン型電池の断面構造を示す模式図である。

【図2】図２は、ボビン型電池の製造手順を示すフローチャートである。

【図3】図３は、正極ユニットの作成手順を説明するフローチャートである。

【図4】図４は、負極ユニットの作成手順を示すフローチャートである。

【図5】図５は、ボビン型電池の性能比較実験の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本願の開示するボビン型電池の製造方法およびボビン型電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態によって、本願の開示する電池が限定されるものではない。

【0010】

＜ボビン型電池の構成＞
図１は、一実施の形態に係るボビン型電池の断面構造を示す模式図である。図１に示すボビン型電池１００は、ケース１０１、封口板１０２、端子１０３、ガスケット１０４、ワッシャ１０５、正極１０６、セパレータ１０７、負極１０８、及び集電体１０９を有する。

【0011】

ケース１０１は、円筒形の金属容器であり、一端（図１においては下端）が閉塞されており、他端（図１においては上端）が開口となっている。ケース１０１は、正極１０６、セパレータ１０７、負極１０８及び集電体１０９などを収納する。

【0012】

封口板１０２は、ケース１０１の開口部に応じた形状の蓋体であり、ケース１０１の他端の開口にレーザ溶接で接合されてケース１０１を密閉する。図１に示すように、封口板１０２の外周は、ケース１０１の内周面に沿って立ち上がっており、封口板１０２は、全体として凹型形状となっている。封口板１０２の凹型形状の中央には端子１０３を挿通させる貫通孔が形成されており、貫通孔は、ガスケット１０４によって封止される。

【0013】

端子１０３は、封口板１０２の中央に形成された貫通孔に挿通され、一端がケース１０１の外部へ突出する一方、他端がケース１０１の内部で集電体１０９に接触する。端子１０３は、集電体１０９を介して負極１０８と電気的に接続する。すなわち、端子１０３は、負極端子として機能する。

【0014】

ガスケット１０４は、端子１０３が挿通された封口板１０２の貫通孔を封止する。すなわち、ガスケット１０４は、封口板１０２の貫通孔の周囲において封口板１０２を両面から挟むように取り付けられ、封口板１０２と端子１０３の間の隙間を充填する。

【0015】

ワッシャ１０５は、端子１０３のケース１０１内部の端部を保持し、端子１０３を固定する。図１に示すように、端子１０３とワッシャ１０５が封口板１０２及びガスケット１０４を挟持することにより、端子１０３、ガスケット１０４及びワッシャ１０５が封口板１０２に一体化される。

【0016】

正極１０６は、ケース１０１の内周面に沿った円筒形状に成形されている。正極１０６は、二酸化マンガン、導電材、バインダを含んでいる。導電材は、黒鉛、アセチレンブラック等が使用できる。バインダは、樹脂製で弾性であればよく、例えば顆粒状のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を使用することが好ましい。正極１０６がケース１０１の内周面に接して配置されるため、ケース１０１は、正極の集電体として機能する。ケース１０１内部には図示しない揮発性の非水電解液が充填されており、この非水電解液は、正極１０６に浸潤する。

【0017】

セパレータ１０７は、例えばポリプロピレンなどの透液性かつ絶縁性の材料を円筒形状に成形したものであり、正極１０６の円筒形状の内側に配置される。セパレータ１０７が絶縁性であるため、セパレータ１０７の円筒形状の内側は、正極１０６とは絶縁されている。

【0018】

負極１０８は、例えばリチウム又は亜鉛などの負極活物質を含み、セパレータ１０７の内周面に沿った円筒形状に成形されている。上述したように、セパレータ１０７の円筒形状の内側が正極１０６と絶縁されているため、負極１０８は、正極１０６と絶縁される。ただし、セパレータ１０７が非水電解液を透過させる透液性であるため、例えばリチウムイオンなどのイオンがセパレータ１０７を介して負極１０８から正極１０６へ移動する。

【0019】

集電体１０９は、負極１０８と端子１０３を電気的に接続する。集電体１０９の一端側は負極１０８の円筒形状の内側に接触し、他端側は封口板１０２の下方において端子１０３に接触する。

【0020】

ボビン型電池１００では、ケース１０１と正極１０６とを有して正極ユニット１１１が構成される。また、封口板１０２と端子１０３とガスケット１０４とワッシャ１０５とセパレータ７と負極１０８と集電体１０９とを有して負極ユニット１１２が構成される。

【0021】

＜ボビン型電池の製造方法＞
次に、ボビン型電池１００の製造方法について説明する。図２は、ボビン型電池の製造手順を示すフローチャートである。

【0022】

まず、正極ユニット１１１を作成する（ステップＳ１）。次に、負極ユニット１１２を作成する（ステップＳ２）。次に、正極ユニット１１１に電解液を注液する（ステップＳ３）。次に、正極ユニット１１１の内側に負極ユニット１１２を挿入する（ステップＳ４）。次に、ケース１０１の他端と封口板１０２の外周縁とをレーザ溶接して（ステップＳ５）、ボビン型電池１００が製造される。なお、正極ユニット１１１を作成するステップＳ１と負極ユニット１１２を作成するステップＳ２の順番は逆であってもよいし、同時に行われてもよい。

【0023】

次に、ボビン型電池１００の製造手順のうち、ステップＳ１の正極ユニット１１１の作成方法について詳細に説明する。図３は、正極ユニットの作成手順を説明するフローチャートである。

【0024】

まず、二酸化マンガンと、導電材と、バインダとを含む第１の基材を混合と造粒とによって第１の合剤とする（ステップＳ１１）。ここでは、混合した第１の基材をローラ等で圧縮して固化させ、固化された第１の基材を解砕等する造粒によって第１の合剤が作成される。

【0025】

次に、二酸化マンガンと、導電材と、バインダとを含む第２の基材と、ステップＳ１１で作成された第１の合剤とを混合と造粒とによって第２の合剤とする（ステップＳ１２）。ここでは、混合した第１の合剤と第２の基材とをローラ等で圧縮して固化させ、固化された第１の合剤と第２の基材とを解砕等する造粒によって第２の合剤が作成される。

【0026】

次に、第２の合剤を加圧成形することで円筒形状の正極１０６を作成する（ステップＳ１３）。次に、正極１０６をケース１０１の内側に挿入し、正極１０６を外周方向に広げるように圧力を加えることで、正極１０６の外周面とケース１０１の内周面とを接触させて（ステップＳ１４）、正極ユニット１１１が作成される。なお、ステップＳ１３とステップＳ１４とをまとめて行って、ケース１０１の内側で第２の合剤を円筒形状に成形してもよい。

【0027】

次に、ボビン型電池１００の製造手順のうち、ステップＳ２の負極ユニット１１２の作成方法について詳細に説明する。図４は、負極ユニットの作成手順を示すフローチャートである。まず、端子１０３とワッシャ１０５とで封口板１０２とガスケット１０４とを挟持する（ステップＳ２１）。次に、リチウムを含む負極１０８に集電体１０９の一端側を圧着する（ステップＳ２２）。次に、集電体１０９の他端側を端子１０３に溶接する（ステップＳ２３）。次に、負極１０８にセパレータ１０７を巻き付けて（ステップＳ２４）、負極ユニット１１２が作成される。

【0028】

＜性能比較実験について＞
ステップＳ１１からステップＳ１３におおける正極１０６の作成過程において、第２の合剤に混合する第１の合剤の比率を異ならせて、ボビン型電池１００の性能比較実験を行った。図５は、ボビン型電池の性能比較実験の結果を示す図である。性能比較実験における各種条件は以下のとおりである。ケース１０１の外径は１４ｍｍで高さが２５ｍｍである。正極１０６の高さは１８．５ｍｍである。第１の基材には、二酸化マンガンが９２ｗｔ％、導電材である黒鉛が３ｗｔ％、バインダであるＰＴＦＥが５ｗｔ％含まれている。第２の基材には、二酸化マンガンが９６ｗｔ％、導電材である黒鉛が３ｗｔ％、バインダであるＰＴＦＥが１ｗｔ％含まれている。すなわち、第１の基材よりも第２の基材のほうが含まれているバインダが少なくなっている。

【0029】

性能比較実験では、第２の合剤を作成する際に第２の基材に混合される第１の合剤の比率を異ならせて作成された正極１０６を有するボビン型電池１００を用意し、各ボビン型電池１００の５．６ｋΩの定抵抗放電容量を比較している。

【0030】

比較例１は、第１の合剤の混合比率が０ｗｔ％であり、第２の合剤に第１の合剤は含まれていない。実施例１から実施例４に示すように第１の合剤を混合した場合に比べて放電容量が低くなっている。これは、第１の基材で形成された第１の合剤が混合されないことでバインダの量が不足して正極１０６の成形密度が高くなり、電解液が十分に正極１０６に染み渡りにくくなり、放電容量が低くなっているものと考えられる。

【0031】

また、比較例２では第１の合剤の混合比率を８０ｗｔ％とし、比較例３では第１の合剤の混合比率を１００ｗｔ％としている。比較例２および比較例３では、第２の合剤のみで形成された比較例１の正極１０６よりも放電容量が低くなっている。これは、第１の合剤のみで正極１０６が形成されることで、電解液は染み渡りやすくなったものの、正極１０６の成形密度が低くなり、放電容量が低くなっているものと考えられる。

【0032】

一方、実施例１から実施例４に示す範囲、すなわち第１の合剤の混合比率が３ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲では、比較例１，２，３よりも放電容量が高くなっている。第１の合剤の混合比率が３ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲とされた正極１０６では、第１の合剤が存在する領域（第１の領域）によって成形密度が高くなりすぎることが抑制されて、電解液の染み渡りやすさの向上が図られている。また、第２の基材で形成された領域（第２の領域）によって成形密度を上げることが図られている。すなわち、第１の領域と第２の領域とによって電解液の染み渡りやすさの向上と、成形密度を上げることの両立が図られている。これにより、第１の合剤の混合比率を３ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲（第１の領域に比率を３ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲）とした正極１０６では放電容量の向上が図られる。なお、第１の領域は、第１の基材で形成された領域とも換言できる。

【0033】

また、第１の合剤と第２の基材を混合することに加えて造粒を行って第２の合剤とすることで、第２の合剤では混合によって凝集した粒が整えられた状態となる。

【0034】

ここで、造粒済みの合剤同士を混合して正極を作成した場合には、混合によって凝集した粒が整えられていないため、正極を成形する成形機に吸引される量にばらつきが生じて、正極の質量や高さにばらつきが生じてしまう。

【0035】

一方、第２の合剤によって作成される正極１０６は、凝集した粒が整えられているため、正極を成形する成形機に吸引される量にばらつきが生じにくく、正極の質量や高さにばらつきが生じにくくなる。

【符号の説明】

【0036】

１００ ボビン型電池
１０１ ケース
１０２ 封口板
１０３ 端子
１０４ ガスケット
１０５ ワッシャ
１０６ 正極
１０７ セパレータ
１０８ 負極
１０９ 集電体
１１１ 正極ユニット
１１２ 負極ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】