CN1716658A - 电化学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明将极板组(4)收容在电池壳体内而构成电池等电化学元件，其中极板组(4)是将在形成为带状的正极集电体(1a)宽度方向的一端侧形成有没有涂覆活性物质的正极集电体露出部(1c)且安装有正极导线(9)的正极板(1)和在负极集电体(2a)宽度方向的另一端侧形成有没有涂覆活性物质的负极集电体露出部(2c)且安装有负极导线(10)的负极板(2)隔着隔膜(3)卷绕而成的，并且一端侧的正极集电体露出部(1c)受到夹压而被焊接接合在一起，另一端侧的负极集电体露出部(2c)也受到夹压而被焊接接合在一起。由此提供一种可以简便地进行稳定且高品质的导电连接的集电结构，这种集电结构适用于需要高输出功率的电化学元件。

Description

电化学元件
技术领域
本发明涉及将扁平卷绕着正负极板的极板组与电解液一起收容在容器内、并将外形形状成形为矩形的电池和双电层电容器等电化学元件，特别涉及具有可以与高输出功率相适应的集电结构的电化学元件。
背景技术
在电池、双电层电容器等电化学元件中，为增加每单位面积的反应面积，广泛使用的是使用了如下极板组的元件，其中该极板组具有卷绕通过隔膜分隔的正极板和负极板的卷绕结构。将该极板组与电解质一起收容在金属容器内进行密封，并将正极板和负极板分别连接在成为正极外部接线端子和负极外部接线端子的部位上，便形成了可以进行外部连接的电化学元件。
正极板和负极板是在采用箔状或网状的金属薄板形成的集电体上涂覆活性物质而形成的，所以，如果将正、负各集电体分别用导线连接在成为正极外部接线端子和负极外部接线端子的部位上，则可以形成电流通路。此时，如果从集电体的1个地点连接到成为外部接线端子的部位上，则卷绕的带状集电体来自于离开连接地点的部位的电流通路变长，因而在以比较大的电流进行充放电的情况下，就会存在发生损耗和使温度升高的问题。特别地，为了有效地利用像双电层电容器那样可以在短时间内进行能量充放电的特性，进一步提高了降低电流通路内阻的必要性。
为解决涉及上述极板组与正极、负极的各外部接线端子部位之间的连接的课题，在将通过隔膜分隔的正极板和负极板卷绕为圆筒形而形成极板组时，为人所知的电池结构(参照特开2000-294222号公报)是：构成正极板或负极板的集电体的一部分形成为从极板组的一端突出出来的结构，在从端部突出出来的集电体上从圆筒轴心方向施加平面挤压力使突出出来的集电体向内侧弯曲，从而形成平坦部，然后将集电板焊接在该平坦部上，由此谋求集电效率的提高。
另外，为人所知的电池结构(参照特开2000-040501号公报)还有：将从带状的宽度方向的端边使集电体露出来的正极板和负极板向安装有作为正极端子和负极端子的金属板材的扁平卷绕轴心的周围卷绕，再将正极板的集电体露出部焊接在正极端子上，将负极板的集电体露出部焊接在负极端子上，从而形成扁平卷绕电极，然后将上述正极端子和负极端子的端部引向电池容器的外部，这样的结构适于构成电动汽车等高输出功率的电池组。
上述2个例子都属于电池的情况，但在卷绕着正负极板的双电层电容器中，为人所知的结构(参照特开平10-050556号公报)是：形成极板组使多个集电接头(tab)在半径方向的同一直线上从卷绕的正极板和负极板的集电体突出出来，然后将半径方向的多个集电接头捆扎起来并在用同一材料的端子构件夹持的状态下进行焊接，从而形成引出端子部。
但是，将从端部突出出来的集电体折弯而形成平坦面，然后在其上与集电板进行焊接，这种特开2000-294222号公报所示的结构在图谋高容量化并减薄极板集电体的情况下，其焊接条件是不稳定的，由耐热性差的隔膜的熔融所引起的不良的短路现象频频发生。在将薄的箔状金属用作集电体的锂离子电池中，这种现象尤其显著，因而存在生产成品率低下的课题。
另外，特开2000-040501号公报所公开的在卷绕轴心的周围扁平卷绕正负极板的结构，虽然在适用电动汽车等设置空间比较大的装置方面是有效的，但因为需要卷绕轴心，所以难于减少作为扁平矩形电池的厚度，由此存在的课题是：在适用要求小型化的装置时以及在构成将多个电池组合成一体的电池组时，阻碍电池的小型化。
另外，在卷绕成圆筒形的正极板和负极板的半径方向形成多个集电接头的特开平10-050556号公报所示的结构，因为处于多个集电接头在切成带状的极板上突出出来的状态，所以极板形成的材料裁取性能差，由此存在的课题是缺乏生产效率。
发明内容
于是，本发明是鉴于上述现有技术的课题而创造出来的，其目的在于：提供一种电化学元件，其中该元件具有能够提高源于极板组的集电效率的连接结构。
为达成上述目的，本发明的第1发明提供一种电化学元件，其将极板组与电解液一起收容在容器内，其中极板组是将在形成为带状的正极集电体上涂覆有正极活性物质的正极板和在形成为带状的负极集电体上涂覆有负极活性物质的负极板隔着隔膜卷绕而成的，并且将与正极板接合的正极导线连接在成为正极外部接线端子的部位上，将与负极板接合的负极导线连接在成为负极外部接线端子的部位上，所述电化学元件的特征在于：所述正极板至少在宽度方向的一端侧形成没有涂覆正极活性物质的集电体露出部，所述负极板至少在宽度方向的另一端侧形成没有涂覆负极活性物质的集电体露出部；正极板和负极板使隔膜介于两极板之间而被形成为卷绕的极板组，其中隔膜的宽度尺寸比正极板和负极板的宽度方向尺寸为小，卷绕后的极板组的断面形状为椭圆形；极板组形成之后，较之于隔膜从一端向外突出出来的正极板的集电体露出部在椭圆形断面的短轴方向受到夹压并被焊接接合在一起，较之于隔膜从另一端向外突出出来的负极板的集电体露出部在椭圆形断面的短轴方向受到夹压并被焊接接合在一起。
根据上述的结构，形成为带状的正极板和负极板扁平卷绕而形成极板组后，在极板组的一端，较之于隔膜向外侧突出出来的正极板的正极集电体露出部以夹压且相互压焊的状态进行焊接，在极板组的另一端，较之于隔膜向外侧突出出来的负极板的负极集电体露出部以夹压且相互压焊的状态进行焊接，所以正极板处于在多个地点与正极导线相连接的状态，同样，负极板也处于在多个地点与负极导线相连接的状态。因此，正极板和负极板取得了可以从带状的多个地点进行集电的状态，因而可以构成内阻小且集电效率高的电化学元件，特别是进行大的充放电时，可以抑制损耗和温度上升。
另外，本发明的第2发明提供一种电化学元件，其将极板组与电解液一起收容在容器内，其中极板组是将在形成为带状的正极集电体上涂覆有正极活性物质的正极板和在形成为带状的负极集电体上涂覆有负极活性物质的负极板隔着隔膜卷绕而成的，并且将与正极板接合的正极导线连接在成为正极外部接线端子的部位上，将与负极板接合的负极导线连接在成为负极外部接线端子的部位上，所述电化学元件的特征在于：所述正极板或负极板至少在宽度方向的一端侧形成没有涂覆活性物质的集电体露出部；正极板和负极板使隔膜介于两极板之间而被形成为卷绕的极板组，其中隔膜的宽度尺寸比正极板和负极板的宽度方向尺寸为小，卷绕后的极板组的断面形状为椭圆形；极板组形成之后，较之于隔膜从正极板或负极板的一端向外突出出来的集电体露出部在椭圆形断面的短轴方向受到夹压并被焊接接合在一起。
根据上述的结构，正极板或负极板被扁平卷绕而形成极板组后，形成有集电体露出部的一端侧受到夹压并被焊接在一起，所以正极板或负极板处于在多个地点被连接的状态，可以构成内阻小且集电效率高的电化学元件。
在上述各结构中，通过调整隔膜的宽度尺寸以及在正极板和负极板之间的分隔位置，使隔膜较之于其端边受到夹压而焊接在一起的集电体露出部位于内侧，而较之于没有夹压焊接在一起的极板的端边位于外侧，则可以防止集电体露出部受到夹压时因极板的变形而导致正极板和负极板之间发生短路。
另外，正极导线与正极板的连接以及负极导线与负极板的连接可以按如下方式构成，即正极导线接合在正极板的长度方向一端侧形成的集电体露出部上，而负极导线接合在负极板的长度方向的另一端侧形成的集电体露出部上。再者，正极导线或负极导线也可以接合在受到夹压而焊接在一起的集电体露出部上，这样可以使正极板和负极板的结构变得简单。
本发明的上述及其以外的目的和特色参照以下的详细说明和附图可以变得更加明了。
附图说明
图1是表示实施方案的锂离子二次电池的结构的剖面图。
图2A是上述电池的正极板的结构的平面图；图2B是表示上述电池的负极板的结构的平面图。
图3A～图3B是用剖面表示使用了上述极板的极板组的结构的示意图。
图4是表示极板组的结构的立体图。
图5是表示作为实施方案的比较例适用现有技术的极板结构的原理图。
图6是表示作为实施方案的其它比较例适用现有技术的极板结构的原理图。
具体实施方式
本实施方案表示的是将本发明的连接结构适用于作为电化学元件一个例子的锂离子二次电池。如图1所示，本实施方案的锂离子二次电池的外形形状形成为扁平的矩形，该电池将极板组4收容在电池壳体12内，其中极板组4是用通过隔膜分隔的正极板和负极板卷绕而成的，卷绕后的极板组的断面形状为椭圆形，并且将从正极板引出的正极导线9连接在正极外部接线端子21上，其中所述正极外部接线端子21以电绝缘的方式设置在用于对电池壳体12的开口部进行封口的封口板14上，而从负极板引出的负极导线10则连接在封口板14上。
如图2A所示，上述极板组4的正极板1是这样形成的，即在形成为所要长度和宽度的带状的正极集电体1a上，于其宽度方向的一端及长度方向的一端留出正极集电体露出部1c而在两面涂覆有正极活性物质1b，然后将正极导线9焊接在长度方向的一端形成的正极集电体露出部1c上。更具体地说，正极活性物质1b使用的是如下所述的液体：按Li/Mn＝1/2的比例混合电解二氧化锰(MnO2)和碳酸锂(Li2CO3)，于800℃烧成20小时而得到LiMn2O4，然后分别将该LiMn2O4、作为导电剂的乙炔黑和作为粘结剂的聚偏氟乙烯以重量比计按92∶3∶5的比例进行混合，为了将其混炼成浆料状，上述混合物在作为聚偏氟乙烯溶剂的n-甲基吡咯烷酮(NMP)中进行了溶解。在用15μm厚的铝箔制成的正极集电体1a上，以其宽度方向的一端侧和长度方向的一端侧留出预定宽度的正极集电体露出部1c的状态将该正极活性物质1b的浆料涂覆在两面并进行干燥，从而形成正极活性物质1b的层，干燥后两面膜厚的总和为280μm，然后对正极活性物质1b进行压缩成形，以便使其厚度为200μm。
另外，如图2B所示，负极板2是这样形成的，即在形成为所要长度和宽度的带状的负极集电体2a上，于其宽度方向的一端及长度方向的一端留出负极集电体露出部2c而在两面涂覆有负极活性物质2b，然后将负极导线10焊接在长度方向的一端形成的负极集电体露出部2c上。更具体地说，负极活性物质2b是将人造石墨和作为粘结剂的丁苯橡胶(SBR)以重量比为97∶3的比例进行混合而成的，为了将负极活性物质2b混炼成浆料状，丁苯橡胶使用水溶性分散液。另外，上述混合比例是作为固体成分的比例。在用14μm厚的铜箔制成的负极集电体2a上，以其宽度方向的另一端侧和长度方向的另一端侧留出预定宽度的集电体露出部的状态将该负极活性物质2b的浆料涂覆在两面并进行干燥，然后进行压缩成形使其厚度为170μm。
成为上述结构的正极板1和负极板2使采用微多孔性聚乙烯薄膜的隔膜3介于其间而被重叠在一起，并卷绕成螺旋形而形成为断面形状呈椭圆形的极板组4。此时，正如图3A所示的那样，可以按如下方式调整正极板1及负极板2的重叠位置和隔膜3的宽度尺寸，即在形成有正极板1宽度方向的正极集电体露出部1c的一端侧，使正极集电体露出部1c较之于隔膜3的一端边位于外侧，使负极板2的一端边较之于隔膜3的一端边位于内侧，而在形成有负极板2宽度方向的负极集电体露出部2c的另一端侧，使负极集电体露出部2c较之于隔膜3的另一端边位于外侧，使正极板1的另一端边较之于隔膜3的另一端边位于内侧。
其次，如图3B及图4所示，在卷绕的极板组4的短边方向夹压正极集电体露出部1c，通过负极板2和隔膜3的分隔而使相互毗邻的多个正极板1的正极集电体露出部1c压焊在一起，并在焊接点S进行焊接接合。同样地，在负极板2中，在卷绕的极板组4的短边方向夹压负极集电体露出部2c，通过正极板1和隔膜3的分隔而使相互毗邻的多个负极板2的负极集电体露出部2c压焊在一起，并在焊接点S进行焊接接合。该焊接点S可以是1个，但优选在多个地点进行焊接。
如图1所示，成为上述结构的极板组4被插入形成为扁平有底方筒的电池壳体12内，一端接合在构成极板组4的正极板1之长度方向的正极集电体露出部1c上的正极导线9的另一端，与通过绝缘构件15进行绝缘且安装在封口板14上的正极外部接线端子21焊接接合在一起，一端接合在负极板2之长度方向的负极集电体露出部2c上的负极导线10的另一端焊接接合在封口板14上。接合有正极导线9和负极导线10的封口板14装配在电池壳体12的开口部，其周边部分采用激光焊接方法焊接在电池壳体12上，由此使电池壳体12被封口。往电池壳体12内从封口板14上形成的注液口18注入电解液，对极板组4进行过浸渍处理后，将封栓19焊接接合在上述注液口18上，从而使电池壳体12内得以密封。从而完成了扁平方形的锂离子二次电池。此外，所使用的电解液是：在以体积比为1∶1的配比混合有碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂中，以1mol/dm3的浓度溶解作为溶质的六氟磷酸锂(LiPF6)。
成为上述结构的锂离子二次电池，其外形形状形成为方形，且具有也可以与大的充放电电流相适应的集电结构，所以即使构成组合多个电池的电池组，其空间效率也高，从而适于用作电动工具和电动车辆的电池电源。
为了验证以上说明的极板结构的效果，采用实施例的结构以及现有技术的结构制作了宽为50mm、高为95mm、厚为10mm、设计容量为3000mAh的矩形锂离子二次电池，并就两者进行了比较验证。
实施例1为适用作为实施方案说明的集电结构的电池；实施例2为只在负极板上适用实施方案的集电结构的电池；比较例1为如下的现有技术结构，如图5所示，该结构分别将集电板焊接在从极板组的一端突出出来的正极板的集电体露出部和从另一端突出出来的负极板的集电体露出部上，其中极板组是将在宽度方向的一端形成有集电体露出部的正极板和负极板进行扁平卷绕而成的。比较例2为下述的现有技术结构，如图6所示，该结构的形成方法是分别将正极导线或负极导线焊接在于长度方向的一端形成的集电体露出部上，然后将这样的正极板和负极板进行扁平卷绕。各实施例和比较例分别对100个电池进行绝缘情况检查，再对检查合格的25个进行内阻检查。
(绝缘情况检查)
采用各自的结构形成极板组后，将绝缘电阻计连接在正极板和负极板的各导线上以测定直流电阻值，将电阻值低于1MΩ的极板组判定为不良，结果得到了表1所示的结果。从表1可知：虽然实施例1、2以及比较例2的电池没有产生绝缘不良的情况，但比较例1的电池的绝缘不良情况是20/100个，这一般认为是在焊接工序中产生的。观察抽出的绝缘不良品，由于焊接时的热影响作用，在正极集电端子周边的隔膜上有穿孔，从而使负极板和正极板产生接触。由此可以判定：在像锂离子电池那样使用薄的极板集电体的情况下，焊接端面的结构是不适当的。
                        表1
Figure A20051007633400121
(内阻检查)
使用绝缘情况检查合格的极板组构成电池，之后进行活化，即以1500mA的恒电流充电至4.2V，再以1500mA的恒电流放电至3.0V，将这样的循环进行3次。然后用测定频率为1kHz的交流电测定内阻，其结果如表2所示。
                                         表2
    实施例1     实施例2     比较例1     比较例2
    电池No     内阻(mΩ)     内阻(mΩ)     内阻(mΩ)     内阻(mΩ)
    1     4.42     9     4.32     15.1
    2     4.32     9.02     4.3     15.9
    3     4.4     9.12     4.41     15.7
    4     4.45     9.1     4.42     15.8
    5     4.45     9.19     4.43     15.5
    6     4.4     9.14     4.45     15.5
    7     4.35     9.05     4.49     15.4
    8     4.41     9.21     4.4     15.3
    9     4.42     9.01     4.25     15.1
    10     4.42     9.01     4.68     15.2
    11     4.43     9     4.5     15.5
    12     4.4     9.13     4.51     15.5
    13     4.51     9.16     4.56     14.9
    14     4.5     9.13     4.41     14.7
    15     4.55     9     4.33     14.6
    16     4.31     9     4.37     14.8
    17     4.32     9     4.45     15
    18     4.37     9.17     4.45     15.5
    19     4.41     9.1     4.39     15.7
    20     4.41     9.06     4.56     15.2
    21     4.43     9.06     4.3     15.9
    22     4.5     9.06     4.33     15.7
    23     4.49     9.06     4.39     15.2
    24     4.47     9.21     4.37     15.3
    25     4.45     9.05     4.5     15.4
从表2的结果可知：实施例1、2以及比较例1的电池的内阻较小，平均为4.5～9.0mΩ左右，与此相对照，比较例2的电池表现出较大的值，平均为15.5mΩ左右。一般认为比较例2的电池从导线集电体相反一侧的极板部位难以进行电传导，与此相对照，其它电池则形成为可以缩短到导线集电体的距离的结构，因而可以降低电阻。另外，从实施例2的结果可以明确：本发明的集电结构的效果也可以随着电池反应平衡的改变而改变，但即使只在正负极的任一电极中展开，也可以在某种程度上发挥效果。
以上说明的实施方案所表现的例子是将具有本发明特征的集电结构适用于锂离子二次电池，但它可以同样适用于镍氢蓄电池等其它具有卷绕结构极板组的电池和双电层电容器。
正如上面所说明的那样，适用本发明的极板结构，则能够以高的成品率构成内阻小且输出功率高的电化学元件，因而可以提供一种适用于特别要求以大电流进行充放电的、电动汽车和电动车辆等的驱动电源的电化学元件。
以上说明的本发明的具体的实施方案意在明确本发明的技术内容，并非是对技术范围进行的限定，可以在以下权利要求书所叙述的范围内，变换各种形式加以实施。

Claims (5)

1、一种电化学元件，其将极板组与电解液一起收容在容器内，其中极板组是将在形成为带状的正极集电体上涂覆有正极活性物质的正极板和在形成为带状的负极集电体上涂覆有负极活性物质的负极板隔着隔膜卷绕而成的，并且将与正极板接合的正极导线连接在成为正极外部接线端子的部位上，将与负极板接合的负极导线连接在成为负极外部接线端子的部位上，所述电化学元件的特征在于：所述正极板至少在宽度方向的一端侧以预定的宽度形成没有涂覆正极活性物质的集电体露出部，所述负极板至少在宽度方向的另一端侧以预定的宽度形成没有涂覆负极活性物质的集电体露出部；正极板和负极板使隔膜介于两极板之间而被形成为卷绕的极板组，其中隔膜的宽度尺寸比正极板和负极板的宽度方向尺寸为小，卷绕后的极板组的断面形状为椭圆形；极板组形成之后，较之于隔膜从一端向外突出出来的正极板的集电体露出部在椭圆形断面的短轴方向受到夹压并被焊接接合在一起，较之于隔膜从另一端向外突出出来的负极板的集电体露出部在椭圆形断面的短轴方向受到夹压并被焊接接合在一起。
2、一种电化学元件，其将极板组与电解液一起收容在容器内，其中极板组是将在形成为带状的正极集电体上涂覆有正极活性物质的正极板和在形成为带状的负极集电体上涂覆有负极活性物质的负极板隔着隔膜卷绕而成的，并且将与正极板接合的正极导线连接在成为正极外部接线端子的部位上，将与负极板接合的负极导线连接在成为负极外部接线端子的部位上，所述电化学元件的特征在于：所述正极板或负极板至少在宽度方向的一端侧形成没有涂覆活性物质的集电体露出部；正极板和负极板使隔膜介于两极板之间而被形成为卷绕的极板组，其中隔膜的宽度尺寸比正极板和负极板的宽度方向尺寸为小，卷绕后的极板组的断面形状为椭圆形；极板组形成之后，较之于隔膜从正极板或负极板的一端向外突出出来的集电体露出部在椭圆形断面的短轴方向受到夹压并被焊接接合在一起。
3、根据权利要求1或2所述的电化学元件，其中，通过调整隔膜的宽度尺寸以及在正极板和负极板之间的分隔位置，使隔膜较之于其端边受到夹压而焊接在一起的集电体露出部位于内侧，而较之于没有夹压焊接在一起的极板的端边位于外侧。
4.根据权利要求1或2所述的电化学元件，其中，正极导线接合在正极板的长度方向一端侧形成的集电体露出部上，而负极导线接合在负极板的长度方向的另一端侧形成的集电体露出部上。
5、根据权利要求1或2所述的电化学元件，其中，正极导线或负极导线接合在受到夹压而焊接在一起的集电体露出部上。
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