CN103229344B - 锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的锂离子二次电池具有扁平型的电极卷绕体。正极端子和负极端子配置成分别与电极卷绕体连接、且一部分从电池壳体的盖向外部突出。进而，电极卷绕体的卷绕轴方向的长度为W，电极卷绕体的与卷绕轴方向垂直且与扁平面平行的方向的尺寸为H，对于正极端子和负极端子中的至少任一方的、端子与非涂敷部连接的连接范围内的距离盖部最远的位置与电极卷绕体中配置在盖部侧的边缘之间的距离为X时，按由值(X/H)和值(H/W)在(X/H，H/W)面内定义的点位于在同一面内连接(0.50，0.70)、(0.32，0.40)、(0.70，0.40)这3点而成的三角形区域内来确定W、H、X的值。

Description

锂离子二次电池
技术领域
本发明涉及具有扁平且为方形体的电极卷绕体的锂离子二次电池。更详细而言，涉及正负的电极端子分别通过焊接而固定于电极卷绕体的集电体的锂离子二次电池。
背景技术
过去已知例如专利文献1所述的具有扁平形状的电极卷绕体的二次电池。该电极卷绕体使用在包含金属箔的集电体上留着其宽度方向的一部分而涂敷电极活性物质的电极板。并且，通过将正负的电极板与隔板重叠并卷绕而形成电极卷绕体。进而，在该电极卷绕体中，正极的集电体上连接有正极的电极端子，负极的集电体上连接有负极的电极端子。专利文献1中公开了将平板状的电极端子通过焊接而与各个集电体连接的电极卷绕体。
通过对二次电池进行充放电，在二次电池的内部产生一定程度的热量。该热量留在二次电池的内部将成为电池的电性能降低的原因，所以不令人满意。因此，二次电池中，在电极卷绕体的内部产生的热量从集电体经过电极端子而向电池的外部传导。并且，还有在电池壳体的外部配置有放热部件等的二次电池。
例如，在锂离子二次电池中，作为用于正极的集电体、电极端子，优选使用铝制品，作为用于负极的集电体、电极端子，优选使用铜制品。因此，在正极中，铝制的集电体和铝制的电极端子连接。该连接大多使用超声波焊接。另外，在负极中，铜制的集电体与铜制的电极端子连接。从而，负极的连接大多使用电阻焊接。电池内部产生的热量介由这些焊接部分向电极端子传导。
专利文献1：日本特开2009-026705号公报
发明内容
但是，即便如上进行，仍然存在热量容易滞留在二次电池的内部的问题。作为其原因，可以举出从电池的内部向外部的导热路径中焊接部分的面积不太大。但是，使焊接部分的面积进一步增大与电池的省空间化等相悖，所以不太适合。因此，希望不增加焊接面积而将电极卷绕体的内部产生的热量有效率地放出。
本发明为了解决上述以往的二次电池所具有的问题而进行。即，其课题在于提供集电体和电极端子通过焊接而连接、能够将电极卷绕体的热量有效率地传导至电极端子的锂离子二次电池。
以解决该课题为目标而进行的本发明的一个方式中的锂离子二次电池是具有电极卷绕体、且将电极卷绕体与电解液一起封入电池壳体而成的锂离子二次电池；所述电极卷绕体将正极板、负极板和隔板以正极非涂敷部与负极非涂敷部互相向反方向突出的方式重叠并卷绕成扁平形状而成；所述正极板是在正极集电体上局部涂敷正极合剂层而成，并且在一端侧具有未涂敷正极合剂层的正极非涂敷部，其余部分为涂敷有正极合剂层的正极涂敷部；所述负极板是在负极集电体上局部涂敷负极合剂层而成，同时在一端侧具有未涂敷负极合剂层的负极非涂敷部，其余部分为涂敷有负极合剂层的负极涂敷部；所述隔板将正极板和负极板绝缘；所述锂离子二次电池具有正极端子和负极端子，所述正极端子连接于正极非涂敷部，所述负极端子连接于负极非涂敷部，电池壳体为扁平方形体，一面为盖部，盖部以外的面中的2面呈比其它面的面积大的扁平面，正极端子与负极端子配置成一部分贯通盖部而向外部突出，当设电极卷绕体的卷绕轴方向的长度为W，电极卷绕体的与卷绕轴方向垂直且与扁平面平行的方向的尺寸为H，对于正极端子和负极端子中的至少任一方的、端子与非涂敷部连接的连接范围内距离盖部最远的位置与电极卷绕体中配置在盖部侧的边缘之间的距离为X时，以由值(X/H)和值(H/W)在(X/H，H/W)面内定义的点位于该面内连接(0.50，0.70)、(0.32，0.40)、(0.70，0.40)这3点而成的三角形区域内的方式确定W、H、X的值。
根据上述的一个方式中的锂离子二次电池，如上所述地确定卷绕成扁平形状的电极卷绕体的大小和连接于该电极卷绕体的正极端子或负极端子的连接位置。发现如果以值(X/H)和值(H/W)位于该三角形的区域内的方式确定W、H、X的值，则可以得到能够将电极卷绕体内产生的热量有效率地排出到外部的锂离子二次电池。因此，根据上述的一个方式中的锂离子二次电池，可以有效率地放热。
进而，在本发明的一个方式中，优选电池容量为3～30Ah，并且X/H为0.3～0.4或0.6～0.7，高度H在40mm≤H≤90mm的范围内。
进而，在本发明的一个方式中，优选电池容量为3～30Ah，并且X/H为0.4～0.6，高度H在45mm≤H≤120mm的范围内。
进而，在本发明的一个方式中，优选高度H在45mm≤H≤90mm的范围内。
进而，在本发明的一个方式中，优选正极端子和正极集电体为铝或铝合金制，负极端子和负极集电体为铜或铜合金制，正极端子和正极非涂敷部的连接是通过超声波焊接而成的，负极端子和负极非涂敷部的连接是通过电阻焊接而成的。
根据本发明的上述方式中的锂离子二次电池是集电体和电极端子通过焊接而连接的锂离子二次电池，可以有效率地将电极卷绕体的热量传导到电极端子。
附图说明
图1是表示本方式的二次电池的简要立体图。
图2是表示本方式的卷绕体的说明图。
图3是表示焊接深度与纵横比的允许范围的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对将本发明具体化的最佳方式进行详细说明。本方式是在扁平且为方形体的锂离子二次电池中适用本发明的方式。
如图1所示，本方式的二次电池10是具有扁平且为方形体的电池壳体11的二次电池。另外，电池壳体11是大致呈板状的盖12和壳体本体13焊接而成的。盖12中，从图中上面突出地安装有正极端子14和负极端子15。壳体本体13中收纳有发电元件16。正极端子14和负极端子15在壳体本体13的内部分别连接于发电元件16。进而，盖12在两极端子14、15之间设有安全阀18和注液口19。
本方式的发电元件16包括图2所示的卷绕体20和电解液。本方式的卷绕体20是将带状的电极板以整体成为扁平形状的方式卷绕而形成的卷绕体。卷绕的轴在图中为左右方向的线或面。电极板相对于带状的金属箔留有宽度方向(图中左右方向)的一端侧而涂敷电极活性物质。并且，卷绕体20是将正极的电极板和负极的电极板将其涂敷范围彼此重叠而配置，且在它们之间夹有隔板进行卷绕而形成的。
如图2所示，本方式的卷绕体20中，以电极板的未涂敷的部分在宽度方向正负向相反侧突出的方式重叠。并且，该未涂敷部成为各极的集电部。即，卷绕体20在图中左右方向具有中央部分的涂敷部21、右侧的正极集电部22、左侧的负极集电部23。
另外，如图2所示，正极端子14连接于正极集电部22，负极端子15连接于负极集电部23。本方式中，正极端子14通过超声波焊接而焊接于焊接部位25。负极端子15通过电阻焊接而焊接于焊接部位26。另外，在图中，作为焊接部位25和焊接部位26的焊接区域的范围的连接范围用剖面线表示。
因此，如图2所示，正极端子14的焊接部位25与负极端子15的焊接部位26相比面积大。该方式中，两焊接部位25、26以距离端子的从电池壳体11的突出端远的一侧的端部(图中为下端部)的位置为大致相同的高度的方式进行定位。即，焊接部位25的下端部和卷绕体20的上边之间的距离与焊接部位26的下端部与卷绕体20的上边之间的距离为相等的距离。以下，将该距离称为焊接深度X。另外，该图所示的面是本方式的卷绕体20中与其它面相比为大面积的面，是宽度W×高度H的大致四边形状。另外，宽度W中，涂敷部21的范围为宽度Z。
本发明的发明人发现该焊接深度X、卷绕体20的宽度W、卷绕体20的高度H的关系对电极端子的放热性发挥重要的作用。另外，卷绕体20的纵横比(H/W)和电极端子的焊接深度X与卷绕体20的高度H之比(X/H)越均接近0.5，放热性越优异。进而，本发明的发明人通过实验发现只有X/H、H/W均在各自预先确定的范围内的情况下，二次电池10的放热性在允许范围内。
接着，对该实验的内容进行说明。为了该实验，本发明的发明人将卷绕体20的纵横比(H/W)、电极端子的焊接深度X与卷绕体20的高度H之比(X/H)进行各种变换而制造了多个二次电池。但是，在各二次电池中，正负的电极板各自的材质、电池容量、电解液的材质、正负的电极端子的材质、大小、正负的电极端子各自的连接方法等均相同。具体而言，本发明的发明人是在以下的条件下制造了各二次电池。
各二次电池中使用的正极的电极板是将在LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2中混合有导电材料、粘结材料的涂敷材料涂敷于铝箔而制造的。负极的电极板是将以石墨为主体且混合有增粘材料、粘结材料的涂敷材料涂敷于铜箔而制造的。另外，各二次电池的电解液是在碳酸亚乙酯(EC)、碳酸乙基甲酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)的混合溶剂中溶解LiPF6而得到的。
另外，各二次电池中使用的正极端子14是铝制的部件。正极端子14通过超声波焊接而连接于卷绕体20的正极集电部22，该焊接部位25的面积为50mm2。各二次电池中使用的负极端子15是铜制的部件。负极端子15通过电阻焊接而连接于卷绕体20的负极集电部23，其焊接部位26的面积为20mm2。
另外，本发明的发明人作为隔板准备了聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/PP的3层隔板和PE的单层隔板。这些隔板均是收缩开始温度为150℃左右的隔板。后述的实施例1～7和比较例1～8是针对使用PP/PE/PP的3层隔板而制造的二次电池进行实验的结果。另外，实施例8～10和比较例9～11是使用PE单层隔板的二次电池的结果。应予说明，在实验中，该隔板种类不同的二次电池之间在放射性方面没有显著差异。
进而，本发明的发明人确定正负的电极板的整体的面积，使得各二次电池的电池容量均为4Ah。另外，确定H和W的组合，使得卷绕体20的H×W的值均为相同值。从而，该实验中制造的各二次电池的卷绕体20的厚度均相等。另外，各二次电池的卷绕体20中，其宽度W与涂敷部21的宽度Z的大小关系为Z/W＝0.72。另外，在该实验中，如后述的表所示，本发明的发明人将X、H、W进行变换，使得X/H和H/W为各种值，从而制造了多个二次电池。
另外，本发明的发明人将制造的各二次电池充电至过充电状态，并调查了此后的电池的状态。得知在锂离子二次电池中由于充放电而在内部产生热量。特别是，由于充电至过充电状态，从而电池内部比通常的使用时温度高。作为实验对象的二次电池不具有适合的放热性的情况下，由于该热量留在电池的内部，从而发生隔板的收缩等。若隔板收缩，则在该部位产生正负的电极板之间的绝缘不良。从而，在放热性差的二次电池中，由于充电至过充电状态，从而电池容量降低。因此，通过达到过充电状态后测定二次电池的放电电压，可以判断是否发生了隔板的收缩。
因此，本发明的发明人对制造的各二次电池进行了以下的实验。本发明的发明人将制造的二次电池分别利用在环境温度60℃、电流55A下可以输出至上限电压10V的充电装置进行充电。该上限电压超过该二次电池的合适的满充电电压。因此，利用该充电装置持续充电时，二次电池成为过充电状态。应予说明，该实验中制造的二次电池的额定电压为3.5V。
另外，本发明的发明人利用该充电装置进行60分钟的充电后，将二次电池从充电装置取下，测定了二次电池的输出电压。放热性良好的二次电池在从充电装置取下后的输出电压为3.5V以上。它们是以下的表1所示的实施例1～10。另一方面，放热性差的二次电池的输出电压比放热性良好的二次电池的输出电压小，例如为2.5V以下。它们是表2所示的比较例1～11。
[表1]
[表2]
该实验的结果如上表1、2和图3的图表所示。在表1、2中，最右侧的栏所示的“过充电试验后的电压(V)”是上述的输出电压。其在3.5V以上的二次电池可以判断为放热性良好的二次电池。实施例1～10为良好。另外，“过充电试验后的电压(V)”为2.5V以下的二次电池是放热性差的二次电池。比较例1～11为差。
图3的图表是将横轴设为焊接位置比率(X/H)、纵轴设为纵横比(H/W)，将各实施例和比较例的(X/H、H/W)的位置进行标绘而得的图表。实施例1～10在图中用圆形表示。比较例1～11在图中用方形表示。应予说明，图中的标记所带的编号与上述表1、2中记载的例编号对应。由该图表可知，具有良好放热性的二次电池的点(X/H、H/W)在图表内分布于由点P(0.50，0.70)、点Q(0.32、0.40)、点R(0.70，0.40)这3点连结而成的三角形的区域内。特别是，在这3个顶点上也有良好的二次电池的点(X/H、H/W)。也就是说，对于任意的良好的二次电池而言，焊接深度比率(X/H)在0.32～0.70的范围内。
进而，本发明的发明人制造了点(X/H、H/W)为上述三角形的各顶点的点P、点Q或点R且与上述的实施例相比改变了高度H的若干个二次电池。这些各二次电池中，也使其电池容量为4Ah。从而，由于卷绕体20的H×W的值与上述实施例不同，所以成为了卷绕厚度不同的二次电池。除此以外的参数、部件的材质与上述实施例相同。对将高度H的值在30～130mm的范围内进行改变而制造的二次电池进行了同样的实验。将该实验的结果示于以下的表3中。
表3的左栏记载的P、Q、R表示与上述各点相当的形状。具体如下。
“P”：(X/H、H/W)＝(0.50，0.70)与实施例3、8相同。
“Q”：(X/H、H/W)＝(0.32，0.40)与实施例5、10相同。
“R”：(X/H、H/W)＝(0.70，0.40)与实施例4、9相同。
另外，表3中的“电压(V)”与表1、2的“过充电试验后的电压(V)”同义。
[表3]
与表1、2的实验相同，在该表3中，也是电压(V)为3.5V以上的二次电池为良好的二次电池。从而，由该表3可知，高度H分别在以下范围内的二次电池是放热性良好的二次电池。
形状P：45≤H≤120(mm)
形状Q：40≤H≤90(mm)
形状R：40≤H≤90(mm)
从而，本发明要求电池容量为4Ah的二次电池的情况下，至少卷绕体20的高度H(mm)在40≤H120的范围内。进而，可知高度H(mm)在45≤H≤90的范围内时，任意形状均能够得到效果。应予说明，在该表中给出数据的实验仅是电池容量为4Ah的二次电池，但确认了只要是电池容量在3～30Ah的范围内的二次电池，就显示同样的趋势。另外，确认了以上述各点P、Q、R为中心，使X/H为0.1左右，也具有同样的趋势。
如以上详细说明的那样，根据本发明的二次电池10，将卷绕体20的外形设定成使(X/H、H/W)的值在点P(0.50，0.70)、点Q(0.32，0.40)、点R(0.70，0.40)这3点和由将它们分别连结的线段围成的范围内。从而，即使由于过充电等而在内部产生热量，也可以通过正负的电极端子适当地进行放热。即，放热性优异。从而，不用担心因隔板的收缩、熔融而发生短路。从而，成为了集电体和电极端子通过焊接而连接、且能够有效率地将电极卷绕体的热量传导至电极端子的二次电池。
应予说明，本方式只不过是例示，不对本发明进行任何限定。因此，本发明当然可以在不脱离其主旨的范围内进行各种改良、变形。
符号说明
10二次电池
11电池壳体
12盖
14正极端子
15负极端子
20卷绕体
22正极集电部
23负极集电部
25焊接部位
26焊接部位

Claims (3)

1.一种锂离子二次电池，其特征在于，是具有电极卷绕体、且将所述电极卷绕体与电解液一起封入电池壳体而成的锂离子二次电池；所述电极卷绕体将正极板、负极板和隔板以正极非涂敷部与负极非涂敷部互相向反方向突出的方式重叠并卷绕成扁平形状而成；所述正极板是在正极集电体上局部涂敷正极合剂层而成，同时在一端侧具有未涂敷正极合剂层的正极非涂敷部，其余部分为涂敷有正极合剂层的正极涂敷部；所述负极板是在负极集电体上局部涂敷负极合剂层而成，同时在一端侧具有未涂敷负极合剂层的负极非涂敷部，其余部分为涂敷有负极合剂层的负极涂敷部；所述隔板将所述正极板和所述负极板绝缘；
所述锂离子二次电池具有正极端子和负极端子，
所述正极端子连接于所述正极非涂敷部，
所述负极端子连接于所述负极非涂敷部，
所述电池壳体为扁平方形体，一面为盖部，所述盖部以外的面中的2面呈比其它面的面积大的扁平面，
所述正极端子与所述负极端子配置成端子的一部分贯通所述盖部而向外部突出，
当设所述电极卷绕体的卷绕轴方向的长度为W，
所述电极卷绕体的与卷绕轴方向垂直且与所述扁平面平行的方向的尺寸为H，
对于所述正极端子和所述负极端子中的至少任一方的、端子与非涂敷部连接的连接范围内距离所述盖部最远的位置与所述电极卷绕体中配置在所述盖部侧的边缘之间的距离为X时，
以由值(X/H)和值(H/W)在(X/H，H/W)面内定义的点位于该面内连接(0.50，0.70)、(0.32，0.40)、(0.70，0.40)这3点而成的三角形区域内的方式确定所述W、H、X的值，
其中，电池容量为3～30Ah，并且X/H为0.3～0.4或0.6～0.7，尺寸H在40mm≤H≤90mm的范围内，
所述正极端子和所述正极集电体为铝或铝合金制，
所述负极端子和所述负极集电体为铜或铜合金制，
所述正极端子和所述正极非涂敷部的连接是通过超声波焊接而成的，
所述负极端子和所述负极非涂敷部的连接是通过电阻焊接而成的。
2.一种锂离子二次电池，其特征在于，是具有电极卷绕体、且将所述电极卷绕体与电解液一起封入电池壳体而成的锂离子二次电池；所述电极卷绕体将正极板、负极板和隔板以正极非涂敷部与负极非涂敷部互相向反方向突出的方式重叠并卷绕成扁平形状而成；所述正极板是在正极集电体上局部涂敷正极合剂层而成，同时在一端侧具有未涂敷正极合剂层的正极非涂敷部，其余部分为涂敷有正极合剂层的正极涂敷部；所述负极板是在负极集电体上局部涂敷负极合剂层而成，同时在一端侧具有未涂敷负极合剂层的负极非涂敷部，其余部分为涂敷有负极合剂层的负极涂敷部；所述隔板将所述正极板和所述负极板绝缘；
所述锂离子二次电池具有正极端子和负极端子，
所述正极端子连接于所述正极非涂敷部，
所述负极端子连接于所述负极非涂敷部，
所述电池壳体为扁平方形体，一面为盖部，所述盖部以外的面中的2面呈比其它面的面积大的扁平面，
所述正极端子与所述负极端子配置成端子的一部分贯通所述盖部而向外部突出，
当设所述电极卷绕体的卷绕轴方向的长度为W，
所述电极卷绕体的与卷绕轴方向垂直且与所述扁平面平行的方向的尺寸为H，
对于所述正极端子和所述负极端子中的至少任一方的、端子与非涂敷部连接的连接范围内距离所述盖部最远的位置与所述电极卷绕体中配置在所述盖部侧的边缘之间的距离为X时，
以由值(X/H)和值(H/W)在(X/H，H/W)面内定义的点位于该面内连接(0.50，0.70)、(0.32，0.40)、(0.70，0.40)这3点而成的三角形区域内的方式确定所述W、H、X的值，
其中，电池容量为3～30Ah，并且X/H为0.4～0.6，尺寸H在45mm≤H≤120mm的范围内，
所述正极端子和所述正极集电体为铝或铝合金制，
所述负极端子和所述负极集电体为铜或铜合金制，
所述正极端子和所述正极非涂敷部的连接是通过超声波焊接而成的，
所述负极端子和所述负极非涂敷部的连接是通过电阻焊接而成的。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子二次电池，其特征在于，尺寸H在45mm≤H≤90mm的范围内。
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