DE69837154T2

DE69837154T2 - Lithiumsekundärzelle

Info

Publication number: DE69837154T2
Application number: DE69837154T
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Moriguchi-shi INOMATA; Naoya Moriguchi-shi Nakanishi; Mitsuzo Moriguchi-shi NOGAMI; Ikuo Moriguchi-shi YONEZU; Koji Moriguchi-shi NISHIO
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: US6376121B1; KR20010022747A; EP1020943A4; JP3547952B2; DE69837154D1; EP1020943B1; KR100449335B1; JPH11111340A; EP1020943A1; WO1999017391A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithiumsekundärzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere eine Lithiumsekundärzelle, bei der eine hohe Leistungsdichte erforderlich ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
In den vergangenen Jahren sind zylindrische Lithiumionensekundärzellen als eine Sekundärzelle erwartet worden, die eine große Kapazität und eine hohe Leistungsdichte erzielen kann.
Bei solchen Lithiumsekundärzellen sind die folgenden Nachteile bekannt geworden, insbesondere wenn es erforderlich ist, dass solche Zellen eine große Kapazität und eine hohe Leistungsdichte aufweisen.

(1) Die Länge einer folienartigen Elektrodenplatte wird groß und deshalb nimmt die Stromsammelwirkung ab, wenn die Zahl an Streifen klein ist. Im Ergebnis wird ein innerer Widerstand der Zelle groß und die Zellenleistung wird folglich verschlechtert.
(2) Um die Ungleichmäßigkeit der Potentialverteilung an den Elektroden zu vermeiden ist es erforderlich, dass die Stromabnehmerstreifen gleichmäßig in der Längsrichtung des Stromabnehmers angeordnet sind. Als Folge ist es erforderlich, um eine Ungleichmäßigkeit der Reaktion zu vermeiden, dass das aktive Material der positiven Elektrode und das Material der negativen Elektrode jeweils in einer gut ausgeglichenen Art und Weise auf jeder gegenüber befindlichen Oberfläche in jeder der Elektroden, mit einem zwischen den Elektroden angeordneten Separator, vorhanden ist. Es gilt hier zu beachten, dass der Ausdruck der „Ungleichmäßigkeit der Reaktion" so gedacht ist, dass er bedeutet, dass wenn ein aktives Material der negativen Elektrode nicht in einer Position in einer negativen Elektrodenplatte entsprechend einem aktiven Material der positiven Elektrode existiert, wegen der Verhinderung der Interkalation von Lithiumionen in der entsprechenden Position metallisches Lithium abgeschieden wird.

Um eine Lösung für die obigen Nachteile zu bieten, sind mehrere Typen von Lithiumsekundärzellen vorgeschlagen worden. Ein typisches Beispiel solch einer Zelle nach dem Stand der Technik ist in einer unveröffentlichten Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-267528 gezeigt, die eine Lithiumsekundärzelle offenbart, die die folgende Konstruktion aufweist. Die Zelle weist einen folienartigen Stromabnehmer sowohl für die positive als auch die negative Elektrode auf und bei beiden Elektroden steht ein längsgerichteter Seitenteil (d. h. sowohl der obere als auch der untere Abschnitt der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung) von einem Separator ab, wobei daran kein aktives Material aufgetragen ist, so dass eine positive und eine negative Elektrodenleitung gebildet wird, die Teile verbindet. Eine Vielzahl von positiven Elektrodenleitungen wird dann mit den die positive Elektrode verbindenden Teilen verbunden und eine Vielzahl von negativen Elektrodenleitungen wird dann mit den die negative Elektrode verbindenden Teilen verbunden.
Die obige Zelle nach dem Stand der Technik weist solche Nachteile auf, dass, da die Stromabnehmerstreifen nur an einem Ende des Stromabnehmers angeschweißt sind, die Potentialschwankung in der Breitenrichtung der Elektroden groß ist, dass keine große Ausgangsleistung möglich ist und dass eine Zyklenlebensdauer der Zelle kurz wird.
Offenbarung der Erfindung
Angesichts der oben beschriebenen Nachteile beim Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lithiumsekundärzelle bereitzustellen, bei der ein Ungleichgewicht zwischen den Kapazitäten der positiven Elektrode und der negativen Elektrode minimiert wird, eine Potentialschwankung vermindert wird, eine hohe Ausgangsleistung erreicht wird. Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausgeführt.
Erfindungsgemäß wird eine Lithiumsekundärzelle bereitgestellt, umfassend eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, bei der eine positive Elektrodenplatte und eine negative Elektrodenplatte mit einem dazwischen angeordneten folienartigen Separator spiralförmig gewickelt sind, wobei die positive Elektrodenplatte einen folienartigen Stromabnehmer der positiven Elektrode und ein aktives Material der positiven Elektrode umfasst, das auf beiden Oberflächen des Stromabnehmers der positiven Elektrode ausgebildet ist, wobei die negative Elektrodenplatte einen folienartigen Stromabnehmer der negativen Elektrode und ein aktives Material der negativen Elektrode umfasst, das auf beiden Oberflächen des Stromabnehmers der negativen Elektrode ausgebildet ist, wobei die Lithiumsekundärzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass:
eine Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode an der positiven Elektrodenplatte angebracht sind, so dass zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode ein Intervall, in einer Längsrichtung der positiven Elektrodenplatte gebildet wird;
eine Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode an der negativen Elektrodenplatte angebracht sind, so dass zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode ein Intervall in einer Längsrichtung der negativen Elektrodenplatte gebildet wird;
bei der positiven Elektrodenplatte ein Applikationsbereich, in dem ein aktives Material der positiven Elektrode aufgebracht ist, und ein Nicht-Applikationsbereich, in dem das aktive Material der positiven Elektrode nicht aufgebracht ist, abwechselnd in der Längsrichtung der positiven Elektrodenplatte ausgebildet ist; und
in einem Zustand, bei dem die positive Elektrodenplatte und die negative Elektrodenplatte zusammengewickelt sind, die Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so angeordnet sind, dass sie innerhalb des Nicht-Applikationsbereichs zueinander weisen, wobei der Separator dazwischen angeordnet ist.
Weil die Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und die Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so angeordnet sind, dass sie zueinander weisen, wobei der Separator dazwischen angeordnet ist, ist das aktive Material der negativen Elektrode gemäß dem obigen Aufbau so beschaffen, dass es in einer Position entsprechend dem aktiven Material der positiven Elektrode vorhanden ist. Im Ergebnis kann die Abscheidung von metallischem Lithium verhindert werden und eine Ladungs-Entladungs-Zyklenlebensdauer der Zelle wird verbessert.
Weil die Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so angeordnet sind, dass sie in einer Längsrichtung der positiven und negativen Elektrodenplatten zueinander weisen, kann dadurch zudem eine ungleichmäßige Potentialverteilung, die in der Längsrichtung der positiven und negativen Elektrodenplatten verursacht wird, unterdrückt werden und eine Zelle mit hoher Leistung kann erhalten werden.
Weil die Stromabnehmerstreifen in der Längsrichtung der positiven und negativen Elektrodenplatten in Vielzahl vorgesehen sind, wird darüber hinaus dadurch die Wirksamkeit der Stromabnahme gesteigert und im Ergebnis wird es ermöglicht, einen inneren Widerstand einer Zelle zu vermindern und dadurch die Zellenleistungsfähigkeit zu verbessern.
Jeder der Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode ist fest am Stromabnehmer der positiven Elektrode innerhalb deren Nicht-Applikationsbereich angebracht; und ein Verhältnis W (L4/L2) einer Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs zu einer Breite L2 des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode liegt zwischen 1,2 und 3,5.
Weil die zuvor erwähnten Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode fest am Stromabnehmer der positiven Elektrode befestigt ist, wird es gemäß dem obigen Aufbau möglich gemacht, einen Zustand zu realisieren, bei dem sich die Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode innerhalb des Nicht-Applikationsbereichs gegenüber den Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode befinden, wenn die Elektrodenanordnung zusammen aufgewickelt ist, auch wenn eine geringfügige Versetzung der positiven und negativen Elektrodenplatten stattfindet, wenn die Platten zusammen aufgewickelt werden. Demgemäß wird solch ein unerwünschtes Ergebnis vermieden, dass sich der Nicht-Applikationsbereich der positiven Elektrode und der Streifen der negativen Elektrode überlappen, und deshalb wird die Abscheidung von metallischem Lithium verhindert.
Der Grund für die Einschränkung des Verhältnisses W auf zwischen 1,2 und 3,5 ist wie folgt. Zuerst besteht die Möglichkeit, wenn das Verhältnis W kleiner als 1,2 ist, dass die Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode mit dem aktiven Material der positiven Elektrode überlappen. Demgegenüber wird der Nutzfaktor des aktiven Materials der positiven Elektrode verringert, wenn das Verhältnis W größer ist als 3,5, und dadurch kann keine hohe Ausgangsleistung erzielt werden.
Zusätzlich zu den obigen Konstruktionen kann das Intervall zwischen den Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und das Intervall zwischen den Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so beschaffen sein, dass es innerhalb des Bereichs von 20 mm bis 80 mm liegt.
Im Fall, bei dem in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Zelle eine größere Zahl von Stromabnehmerstreifen erforderlich ist, kann die Zahl von Streifen durch Verschmälern des Intervalls der Stromabnehmerstreifen gesteigert werden. In einem solchen Fall wird das Aufwickeln der negativen und positiven Elektrodenplatten erschwert, wenn das Intervall der Streifen so beschaffen ist, dass es kleiner als 20 cm ist, weil die Zahl der Streifen zu groß wird. Deshalb sollte das Intervall wenigstens 20 cm betragen. Demgegenüber tritt eine Ungleichmäßigkeit der Potentialverteilung auf, wenn das Intervall der Streifen 80 cm überschreitet, weil die Zahl der Streifen zu klein ist, und deshalb wird es bevorzugt, dass das Intervall der Streifen 80 cm oder kleiner ist.
Zusätzlich zu den obigen Konstruktionen können eine Breite des Stromabnehmerstreifens der positiven Elektrode und eine Breite des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode innerhalb des Bereichs von 10 mm bis 30 mm liegen.
Die Gründe für die Beschränkung der Breiten der Streifen sind wie folgt. Wenn eine Breite der Streifen so beschaffen ist, dass sie kleiner als 10 mm ist, wird ein zulässiger Stromwert klein und folglich muss die Zahl der Streifen erhöht werden. Wenn die Zahl der erhöht wird, wird jedoch das Aufwickeln der positiven und negativen Elektrodenplatte erschwert. Demgegenüber wird das Aufwickeln der positiven und negativen Elektrodenplatte ebenso erschwert, wenn die Breite der Streifen 30 mm überschreitet, weil die Breite der Streifen zu groß wird.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Lithiumsekundärzelle bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:
Herstellen einer positiven Elektrodenplatte durch abwechselndes Ausbilden auf beiden Oberflächen eines folienartigen Stromabnehmers der positiven Elektrode und in einer Längsrichtung davon eine Vielzahl von Applikationsbereichen, in denen ein aktives Material der positiven Elektrode aufgetragen wird, und einer Vielzahl von Nicht-Applikationsbereichen, in denen das aktive Material der positiven Elektrode nicht aufgetragen wird, und danach Anbringen einer Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode an jedem der Nicht-Applikationsbereiche;
Herstellen einer negativen Elektrodenplatte durch Ausbilden einer Schicht aktiven Materials der negativen Elektrode auf beiden Oberflächen eines folienartigen Stromabnehmers der negativen Elektrode; und
Anbringen einer Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode an der negativen Elektrodenplatte, so dass jeder der Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode jedem aus der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode gegenübersteht, und danach Einfügen eines folienartigen Separators zwischen der positiven Elektrodenplatte und der negativen Elektrodenplatte und spiralförmiges Wickeln der positiven Elektrodenplatte, der negativen Elektrodenplatte und des Separators.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines Hauptteils einer erfindungsgemäßen Lithiumsekundärzelle zeigt.
2 ist eine vergrößerte Teilansicht einer erfindungsgemäßen Lithiumsekundärzelle.
3 ist eine Draufsicht, die einen Anordnungszustand einer positiven und einer negativen Elektrodenplatte und eines Separators zeigt, nachdem sie zusammen aufgewickelt wurden.
4 ist eine Vorderansicht, die die positive Elektrodenplatte zeigt.
5 ist eine Vorderansicht, die die negative Elektrodenplatte zeigt.
6 ist eine Vorderansicht, die den Separator zeigt.
7 ist ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen einem Ladungs-Entladungs-Zyklus und einem Verhältnis W zeigt.
8 ist ein Graph, der einen Zusammenhang eines Intervalls zwischen Streifen und einer maximalen Leistungsdichte zeigt.
Bester Modus zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird der beste Modus zur Ausführung der Erfindung erläutert werden. Es sollte sich jedoch von selbst verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende Beschreibung beschränkt ist.
Nun werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus des Hauptteils einer erfindungsgemäßen Lithiumsekundärzelle. 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht davon. Eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung 10 weist einen Aufbau auf, bei dem eine folienartige positive Elektrodenplatte 1 und eine folienartige negative Elektrodenplatte 2 zusammen mit einem dazwischen angeordneten folienartigen Separator spiralförmig aufgewickelt sind. Bei der positiven Elektrodenplatte 1 ist eine Vielzahl von Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode so vorgesehen, dass in einer Aufwickelrichtung Intervalle zwischen den Streifen gebildet werden, und bei der negativen Elektrodenplatte 2 ist gleichfalls eine Vielzahl von Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode so vorgesehen, dass in der Aufwickelrichtung Intervalle zwischen den Streifen gebildet werden. Die Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode sind so angeordnet, dass sie zueinander weisen, wobei der Separator 3 (in 2 der Übersichtlichkeit wegen durch gestrichelte Linien gezeigt) dazwischen angeordnet ist. Ein oberer Endteil eines jeden Stromabnehmerstreifens 1d der positiven Elektrode ist so ausgebildet, dass er vom oberen Ende der positiven Elektrodenplatte 1 nach oben absteht, und ein unterer Endteil eines jeden Stromabnehmerstreifens 2d der negativen Elektrode ist so ausgebildet, dass er vom unteren Ende der negativen Elektrodenplatte 2 nach unten absteht. Der obere Endteil eines jeden Stromabnehmerstreifens 1d der positiven Elektrode ist elektrisch an einen Stromanschluss 12 angeschlossen, der an einem Zellendeckel 11 angebracht ist, und der untere Endteil eines jeden Stromabnehmerstreifens 2d der negativen Elektrode ist elektrisch an einen (nicht gezeigten) Stromanschluss angeschlossen, der am Zellenboden angebracht ist.
3 zeigt eine Anordnung der positiven und negativen Elektrodenplatte und des Separators, wenn sie zusammen aufgewickelt sind. (Der Übersichtlichkeit und Einfachheit in der Zeichnung wegen sind die positive Elektrodenplatte 1, die negative Elektrodenplatte 2 und der Separator 3 in 3 abgelöst, so als ob Lücken zwischen ihnen vorhanden sind.) Unter Bezugnahme auf 3 sowie die 1 und 2 wird nun der Aufbau einer spiralförmig aufgewickelten Elektrodenanordnung 10 erläutert. Auf beiden Oberflächen der oben erwähnten positiven Elektrodenplatte 1 sind abwechselnd ein Applikationsbereich 1b eines aktiven Materials, auf dem ein aktives Material der positiven Elektrode aufgetragen ist, und ein Nicht-Applikationsbereich 1c eines aktiven Materials, auf dem das aktive Material der positiven Elektrode nicht aufgetragen ist, ausgebildet, so dass der Applikationsbereich 1b und der Nicht-Applikationsbereich 1c in einer Längsrichtung der positiven Elektrodenplatte 1 abwechselnd vorhanden ist. Jeder der oben erwähnten Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode ist in jedem der Nicht-Applikationsbereiche 1c fest an einem Stromabnehmer 1a der positiven Elektrode angebracht. Auf beiden Oberflächen der oben erwähnten negativen Elektrodenplatte 2 ist ein Applikationsbereich 2b eines aktiven Materials, auf dem ein aktives Material der negativen Elektrode aufgetragen ist, auf der gesamten Oberfläche ausgebildet und ein Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode ist fest an jeder der Positionen im Applikationsbereich 2b eines aktiven Materials entsprechend den vorhin genannten Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode angebracht. Somit sind die Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode in einem Zustand, bei dem die spiralförmig aufgewickelte Elektrodenanordnung aufgewickelt ist, so angeordnet, dass sie zueinander weisen.
Folglich wird ein solch unerwünschtes Ergebnis vermieden, dass ein Applikationsbereich 1b der positiven Elektrode und ein Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode gegenüber angeordnet werden und miteinander überlappen. Deshalb kann die vorliegende Erfindung eine Lösung für solch ein Problem beim Stand der Technik bieten, dass metallisches Lithium abgeschieden wird, weil in der negativen Elektrode eine Position vorhanden ist, damit sich ein Lithiumion einfügen kann.
4 zeigt die positive Elektrodenplatte und 5 zeigt die negative Elektrodenplatte. Alle Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode sind so gefertigt, dass sie eine identische Breite L1 aufweisen, und gleicherweise sind alle Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode so gefertigt, dass sie eine identische Breite L2 aufweisen. Die Breiten der Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode und der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode sind so geschaffen, dass sie einander ungefähr identisch sind. Zudem sind die beiden Breiten L1 und L2 der Stromabnehmerstreifen auf einen Bereich von 10 mm bis 30 mm begrenzt.
Zudem ist ein Intervall L3 der Stromabnehmerstreifen auf einen Bereich von 20 cm bis 80 cm begrenzt.
Unter den oben beschriebenen Bedingungen der Breite und des Intervalls der Stromabnehmerstreifen wird es durch Erhöhen der Zahl der Stromabnehmerstreifen in Abhängigkeit von einer erforderlichen Leistung der Zelle möglich gemacht, eine Zelle bereitzustellen, die in der Lage ist, eine gleichmäßige Potentialverteilung und eine hohe Leistung zu erzielen.
Darüber hinaus ist eine Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs 1c so eingestellt, dass er größer ist als die Breite L2 des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode und ein Verhältnis W der Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs 1c zur Breite L2 der Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode (W = L4/L2) innerhalb des Bereichs von 1,2 bis 3,5 liegt. Im Ergebnis wird, auch wenn eine leichte Versetzung verursacht wird, wenn die positive und negative Elektrodenplatte zusammen aufgewickelt werden, ein solcher erwünschter Zustand erreicht, dass sich jeder der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode jeweils gegenüber der Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode innerhalb des Nicht-Applikationsbereichs 1c befindet, wenn die Elektrodenplatten aufgewickelt werden. Deshalb kann die Abscheidung von metallischem Lithium gemäß dem oben beschriebenen Aufbau wirkungsvoller verhindert werden.
Eine Lithiumsekundärzelle, die den oben beschriebenen Aufbau aufweist, wird auf die folgende Art und Weise hergestellt. Die Werte für L1 bis L4 sind beispielsweise so geschaffen, dass L1 = 20 mm, L2 = 20 mm, L3 = 40 cm und L4 = 30 mm beträgt.
Zuerst wird, wie es in 4 gezeigt ist, auf beiden Oberflächen eines folienartigen Stromabnehmers 1a der positiven Elektrode (Dicke: 18 μm) in regelmäßigen Intervallen eine Mischung der positiven Elektrode aufgetragen, die aus Aluminium besteht, so dass auf beiden Oberflächen des Stromabnehmers 1a der positiven Elektrode Applikationsbereiche 1b für aktives Material der positiven Elektrode gebildet werden. Die Mischung der positiven Elektrode wird durch Vermengen eines aktiven Materials der positiven Elektrode, das LiCoO₂ umfasst, eines Leitfähigkeitsverstärkers, der aus Kohlenstoff besteht, und eines Bindemittels, das aus Polyvinylidenfluorid (PVdF) besteht, hergestellt. Auf diese Weise wird eine positive Elektrodenplatte 1 hergestellt. Man beachte, dass bei diesem Schritt auch Nicht-Applikationsbereiche 1c des aktiven Materials (Breite L4 = 30 mm), in denen kein aktives Material der positiven Elektrode vorhanden ist, in regelmäßigen Intervallen in einer Längsrichtung des Stromabnehmers 1a der positiven Elektrode gebildet werden.
Gleichzeitig wird, wie es in 5 gezeigt ist, auf beiden Oberflächen eines folienartigen Stromabnehmers 2a der negativen Elektrode (Dicke: 15 μm) eine Mischung der negativen Elektrode aufgetragen, die aus Kupfer besteht, so dass auf beiden Oberflächen des Stromabnehmers 2a der negativen Elektrode Applikationsbereiche 2b für aktives Material der negativen Elektrode gebildet werden. Die Mischung der negativen Elektrode wird durch Vermengen eines aktiven Materials der negativen Elektrode, das aus natürlichem Graphit besteht, und eines Bindemittels, das aus PVdF besteht, hergestellt. Auf diese Weise wird eine negative Elektrodenplatte 2 hergestellt.
Zweitens wird ein Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode (Breite L1 = 20 mm), der aus Aluminium besteht, durch Ultraschallschweißen oder Laserschweißen auf jeden der der Nicht-Applikationsbereiche 1c des aktiven Materials, die auf einer Oberfläche der positiven Elektrodenplatte 1 ausgebildet sind, geschweißt, wobei sich die Oberfläche gegenüber der negativen Elektrodenplatte 2 befindet. Bei diesem Schritt sind die Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode so angeordnet, dass ein Intervall L3 zwischen den Stromabnehmerstreifen 1d 40 cm beträgt.
Anschließend wird, wie es in 6 gezeigt ist, ein Separator 3 hergestellt, dessen Breite L5 so geschaffen ist, dass sie leicht größer ist als eine Breite L6 der positiven Elektrodenplatte 1 und eine Breite L7 der negativen Elektrodenplatte 2. Der Separator 3 besteht aus porösem Polyethylen oder porösem Polypropylen.
Danach werden die positive Elektrodenplatte 1, die negative Elektrodenplatte 2 und der Separator 3 gestapelt und zusammen spiralförmig aufgewickelt.
Bei diesem Schritt des Aufwickelns werden die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode (Breite L2 = 20 mm), die aus Kupfer bestehen, auf die Applikationsbereiche 2b des aktiven Materials der negativen Elektrode, die auf der Oberfläche gegenüber der positiven Elektrodenplatte 1 in der negativen Elektrodenplatte 2 ausgebildet sind, geschweißt, so dass sich die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode gegenüber den Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode befinden, und gleichzeitig werden die positive Elektrodenplatte 1 und die negative Elektrodenplatte 2 zusammen aufgewickelt. Durch dieses Anschweißen der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode im Schritt des Aufwickelns werden die Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode akkurat so angeordnet, dass sie in einem Zustand, bei dem die positive und die negative Elektrodenplatte zusammen aufgewickelt sind, zueinander weisen. Wenn das Schweißen der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode und der negativen Elektrodenplatte 2 vor dem Aufwickeln der positiven und negativen Elektrodenplatte ausgeführt wird, tritt ein bestimmter Grad an Versetzung auf, der der Krümmung der positiven und negativen Elektrodenplatte entspricht, wenn die positive und die negative Elektrodenplatte aufgewickelt sind, wie akkurat auch immer die Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode angeordnet sind, bevor die die Elektrodenplatten aufgewickelt werden. Allerdings kann solch eine Versetzung in der negativen Elektrodenplatte 2 durch Anschweißen der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode, wenn die Elektrodenplatten aufgewickelt werden, kompensiert werden. Es darauf hingewiesen, dass das Befestigen der Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode vor dem Wickeln der Elektrodenplatten möglich ist, vorausgesetzt, dass die Krümmung der positiven und negativen Elektrodenplatte berücksichtigt wird, so dass sie kompensiert wird.
Zudem wird die Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs 1c des aktiven Materials der positiven Elektrode beim Schritt des Aufwickelns so eingestellt, dass sie 30 mm beträgt, und die Breite L2 des Stromabnehmerstreifens 2d der negativen Elektrode wird so eingestellt, dass sie 20 mm beträgt. Mit anderen Worten, ein Verhältnis W der Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs 1c des aktiven Materials der positiven Elektrode zur Breite L2 des Stromabnehmerstreifens 2d der negativen Elektrode wird so geschaffen, dass es 1,5 ist. Da die Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs 1c somit so beschaffen ist, dass sie 1,5-mal breiter ist als die Breite L2 des Stromabnehmerstreifens 2d der negativen Elektrode, kann das Anschweißen der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode mit reichlich Spielraum ausgeführt werden. Wie es vorhin erwähnt wurde, muss jeder der Applikationsbereiche 1b des aktiven Materials der positiven Elektrode zu einem Applikationsbereich 2b des aktiven Materials der negativen Elektrode weisen. Wenn ein Applikationsbereich des aktiven Materials der positiven Elektrode teilweise mit einem Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode überlappt, wenn die Elektrodenplatten aufgewickelt sind, wird die Abscheidung von metallischem Lithium hervorgerufen, da im überlappten Abschnitt kein aktives Material der negativen Elektrode vorhanden ist. Dadurch, dass die Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs 1c größer als die Breite L2 des Stromabnehmerstreifens 2d der negativen Elektrode ausgeführt wird, wird jedoch jeder der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode innerhalb eines Nicht-Applikationsbereichs 1c angeordnet, auch wenn das Aufwickeln der Elektrodenplatten ausgeführt wird, ohne dass die Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode hochakkurat positioniert werden und dadurch die Positionen der Stromabnehmerstreifen 1d der positiven Elektrode und der Stromabnehmerstreifen 2d der negativen Elektrode leicht voneinander abweichen. Demgemäß wird es möglich gemacht, solche Probleme zu vermeiden, dass der Applikationsbereich 1b des aktiven Materials der positiven Elektrode in einer Position gegenüber zu einem Bereich angeordnet wird, in dem kein aktives Material der negativen Elektrode vorhanden ist.
Somit wird eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung 4 durch Aufwickeln der positiven und negativen Elektrodenplatten auf die oben beschriebene Art und Weise gebildet. Danach werden die Streifen 1d der positiven Elektrode und die Streifen 2d der negativen Elektrode jeweils an die jeweiligen externen Anschlüsse geschweißt, die an einem Zellendeckel und an einem Zellenbecher vorgesehen sind, die aus Metall gefertigt sind. Anschließend wird ein nichtwässriger Elektrolyt, bei dem LiPF₆ in einem Verhältnis von 1 M (Mol/Liter) in einem gemischten Lösungsmittel aus Ethylencarbonat und Diethylcarbonat (das Mischungsverhältnis beträgt 1:1 im Volumenverhältnis) gelöst ist, in den Zellenbecher gefüllt und danach wird der Zellenbecher durch den Zellendeckel verschlossen. Auf diese Weise wird eine zylindrische Lithiumsekundärzelle (Höhe: 400 mm, Durchmesser: 60 mm, Zellenspannung: 3,6 V, Zellenkapazität: 70 Ah) hergestellt.
Beispiel 1
Unter Verwendung der Zellen gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, die jeweils ein unterschiedliches Verhältnis W der Breite eines Nicht-Applikationsbereichs des aktiven Materials der positiven Elektrode zur Breite eines Streifens der negativen Elektrode aufweisen, wurde ein Experiment ausgeführt, um einen Zusammenhang zwischen dem Verhältnis W und einem Ladungs-Entladungs-Zyklus zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt.
Was die Bedingungen eines Ladungs-Entladungs-Zyklus betrifft, wurde das Entladen bei 50 Ah ausgeführt, was 70% der Nennkapazität betrug. Der Ladungs-Entladungs-Strom betrug 0,4 C. Im Fall, bei dem eine Ladung nicht 50 Ah erreichte, oder im Fall, bei dem eine Ladungs-Entladungs-Effizienz kleiner als 99% wird, wurde definiert, dass eine Zyklenlebensdauer abgelaufen ist.
Wie aus 7 ersichtlich ist, ist die Zyklenlebensdauer im Fall, dass das Verhältnis W kleiner als 1,2 ist, kurz, 300 Zyklen oder weniger, und im Fall, dass das Verhältnis W größer ist als 3,5, fällt die Zyklenlebensdauer ebenso scharf ab. Im Gegensatz dazu wurde im Fall, dass das Verhältnis innerhalb des Bereichs von 1,2 bis 3,5 liegt, eine Zyklenlebensdauer von 1000 Zyklen oder mehr erreicht, welches eine zufrieden stellende Zyklenlebensdauer für eine großformatige Zelle ist.
Die obigen Testergebnisse werden dem Folgenden zugeschrieben. Im Fall, dass das Verhältnis W kleiner ist als 1,2, wird die Reaktion in an die Streifen angrenzenden Bereichen der Elektroden ungleichmäßig und deshalb beginnt eine Schädigung der Zelle leicht an diesen Bereichen. Im Fall, dass das Verhältnis W größer als 3,5 ist, ist eine Absolute Menge an aktivem Material der positiven Elektrode unzureichend und dadurch wird die Ladungs- und Entladungstiefe zu tief, was zu einer Verschlechterung der Zellenkapazität führt.
Demgemäß wird es bevorzugt, dass ein Verhältnis W der Breite eines Nicht-Applikationsbereichs des aktiven Materials der positiven Elektrode zur Breite eines Streifens der negativen Elektrode innerhalb eines Bereichs von 1,2 bis 3,5 liegt.
Beispiel 2
Um einen Zusammenhang zwischen einem Streifenintervall L3 und einer maximalen Leistungsdichte zu untersuchen, wurde ein Experiment unter Verwendung einer zylindrischen Sekundärzelle gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel durchgeführt, wobei bei der Zelle jeweils das Streifenintervall L3 variiert wurde. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
Wie aus 8 ersichtlich ist, betrug die sich ergebende maximale Leistungsdichte im Fall, dass das Streifenintervall 80 cm oder kleiner ist, 700 W/kg oder mehr, wohingegen die sich ergebende maximale Leistungsdichte im Fall, dass das Streifenintervall größer als 80 cm war, weniger als 700 W/kg betrug.
Es wird angenommen, dass das Ergebnis den folgenden Gründen zuzuschreiben ist. Im Fall, dass das Streifenintervall 80 cm oder kleiner ist, tritt nicht leicht eine Potentialschwankung in den Elektroden auf, und deshalb kann eine gewünschte Ausgangsleistung erzielt werden. Demgegenüber wird im Fall, dass das Streifenintervall L3 größer als 80 cm ist, ein innerer Widerstand der Zelle groß, weil eine Potentialschwankung in den Stromabnehmern groß wird, und im Ergebnis verschlechtert sich die Ausgangsleistung.
Im Fall, dass das Streifenintervall L3 kleiner ist als 20 cm, ist solch eine Konstruktion für eine praktische Verwendung nicht zweckmäßig, weil die Verbindung der Streifen mit den externen Anschlüssen schwierig ist.
Darüber hinaus bestätigen Experimente durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass in den Zellen mit 10 Wh bis 500 Wh ungefähr der gleiche Zusammenhang zwischen dem Streifenintervall L3 und der Leistungsdichte wie oben beschrieben erhalten werden kann. Wenn eine Zelle eine solche mit weniger als 10 Wh ist, ist ein Stromwert so klein, dass keine Notwendigkeit besteht, mehr als drei Streifen vorzusehen. Wenn eine Zelle eine solche mit mehr als 500 Wh ist, entsteht die Notwendigkeit, die Breite der Streifen zu vergrößern (wenigstens größer als 5 cm), und im Ergebnis wird das Aufwickeln der Elektroden bei der Herstellung der Zelle erschwert.
Zusätzliche Bemerkungen

(1) Das für die vorliegende Erfindung verwendbare aktive Material der positiven Elektrode ist nicht auf das vorhin erwähnte LiCoO₂ beschränkt, sondern es können auch beispielsweise LiNiO₂, LiMnO₂, LiFeO₂ und dergleichen eingesetzt werden.
(2) Das für die vorliegende Erfindung verwendbare aktive Material der negativen Elektrode ist nicht auf den vorhin erwähnten natürlichen Graphit beschränkt, sondern es sind auch andere Materialien, wie etwa Legierungen, die in der Lage sind, Lithiumionen zu absorbieren und zu desorbieren, Koks, synthetischer Graphit, metallisches Lithium und dergleichen Materialien verwendbar.
(3) Ein Beispiel eines anderen als dem hierin zuvor in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigten nichtwässrigen Elektrolyten, der für die vorliegende Erfindung verwendbar ist, ist eine Lösung, bei der LiCIO₄, LiCF₃SO₃ und dergleichen gelöster Stoff in einem Verhältnis von 0,7 bis 1,5 M (Mol/Liter) in einem organischen Lösungsmittel, wie etwa Vinylencarbonat, Propylencarbonat und dergleichen, oder in einem gemischten Lösungsmittel solcher organischen Lösungsmittel wie oben und einem Lösungsmittel mit niedrigem Siedpunkt, wie etwa Dimethylcarbonat, 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und dergleichen, gelöst.

Industrielle Anwendbarkeit
Erfindungsgemäß sind Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so angeordnet, dass sich beide Streifen einander gegenüber befinden und dadurch das aktive Material der negativen Elektrode an einer Position gegenüber dem Material der positiven Elektrode vorhanden ist. Im Ergebnis kann die Abscheidung von metallischem Lithium verhindert werden und es kann eine verbesserte Ladungs-Entladungs-Charakteristik erreicht werden.
Weil die Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so angeordnet sind, dass sie sich in einer Längsrichtung der positiven und negativen Elektrodenplatten gegenüber befinden, kann darüber hinaus eine ungleichmäßige Potentialverteilung, die in der Längsrichtung der positiven und negativen Elektrodenplatten verursacht wird, unterdrückt werden und dadurch kann eine Zelle mit hoher Leistung erhalten werden.
Zudem sind die Stromabnehmerstreifen in der Längsrichtung der positiven und negativen Elektrodenplatten in Vielzahl vorgesehen und dadurch wird die Wirksamkeit der Stromabnahme gesteigert. Im Ergebnis wird ein innerer Widerstand einer Zelle vermindert und eine Zellenleistungsfähigkeit kann verbessert werden.
Demgemäß ist die vorliegende Erfindung in der Industrie außerordentlich nützlich.

Claims

Lithiumsekundärzelle, umfassend eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung, bei der eine positive Elektrodenplatte und eine negative Elektrodenplatte mit einem dazwischen angeordneten folienartigen Separator spiralförmig gewickelt sind, wobei die positive Elektrodenplatte einen folienartigen Stromabnehmer der positiven Elektrode und ein aktives Material der positiven Elektrode umfasst, das auf beiden Oberflächen des Stromabnehmers der positiven Elektrode ausgebildet ist, wobei die negative Elektrodenplatte einen folienartigen Stromabnehmer der negativen Elektrode und ein aktives Material der negativen Elektrode umfasst, das auf beiden Oberflächen des Stromabnehmers der negativen Elektrode ausgebildet ist, wobei die Lithiumsekundärzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass: eine Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode an der positiven Elektrodenplatte angebracht sind, so dass zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode ein Intervall in einer Längsrichtung der positiven Elektrodenplatte gebildet wird; eine Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode an der negativen Elektrodenplatte angebracht sind, so dass zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode ein Intervall in einer Längsrichtung der negativen Elektrodenplatte gebildet wird; bei der positiven Elektrodenplatte eine Applikationsbereich, in dem ein aktives Material der positiven Elektrode aufgebracht ist, und ein Nicht-Applikationsbereich, in dem das aktive Material der positiven Elektrode nicht aufgebracht ist, abwechselnd in der Längsrichtung der positiven Elektrodenplatte ausgebildet ist; und in einem Zustand, bei dem die positive Elektrodenplatte und die negative Elektrodenplatte zusammengewickelt sind, die Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und die Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode so angeordnet sind, dass sie innerhalb des Nicht-Applikationsbereichs zueinander weisen, wobei der Separator dazwischen angeordnet ist.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 1, wobei: jeder der Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode am Stromabnehmer der positiven Elektrode innerhalb deren Nicht-Applikationsbereich angebracht ist; und ein Verhältnis W (L4/L2) einer Breite L4 des Nicht-Applikationsbereichs zu einer Breite L2 des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode zwischen 1.2 und 3.5 liegt.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 1, wobei das Intervall zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und das Intervall zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode beide innerhalb des Bereichs von 20 cm bis 80 cm liegen.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 2, wobei das Intervall zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode und das Intervall zwischen der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode beide innerhalb des Bereichs von 20 cm bis 80 cm liegen.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 1, wobei eine Breite des Stromabnehmerstreifens der positiven Elektrode und eine Breite des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode beide innerhalb des Bereichs von 10 mm bis 30 mm liegen.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 2, wobei eine Breite des Stromabnehmerstreifens der positiven Elektrode und eine Breite des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode beide innerhalb des Bereichs von 10 mm bis 30 mm liegen.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 3, wobei eine Breite des Stromabnehmerstreifens der positiven Elektrode und eine Breite des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode beide innerhalb des Bereichs von 10 mm bis 30 nun liegen.
Lithiumsekundärzelle nach Anspruch 4, wobei eine Breite des Stromabnehmerstreifens der positiven Elektrode und eine Breite des Stromabnehmerstreifens der negativen Elektrode beide innerhalb des Bereichs von 10 nun bis 30 mm liegen.
Verfahren zur Herstellung einer Lithiumsekundärzelle, umfassend die folgenden Schritte: Herstellen einer positiven Elektrodenplatte durch abwechselndes Ausbilden auf beiden Oberflächen eines folienartigen Stromabnehmers der positiven Elektrode und in einer Längsrichtung davon eine Vielzahl von Applikationsbereichen, in denen ein aktives Material der positiven Elektrode aufgetragen wird, und einer Vielzahl von Nicht-Applikationsbereichen, in denen das aktive Material der positiven Elektrode nicht aufgetragen wird, und danach Anbringen einer Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode an jedem der Nicht-Applikationsbereiche; Herstellen einer negativen Elektrodenplatte durch Ausbilden einer Schicht aktiven Materials der negativen Elektrode auf beiden Oberflächen eines folienartigen Stromabnehmers der negativen Elektrode; und Anbringen einer Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode an der negativen Elektrodenplatte, so dass jeder der Stromabnehmerstreifen der negativen Elektrode jedem aus der Vielzahl von Stromabnehmerstreifen der positiven Elektrode gegenübersteht, und danach Einfügen eines folienartigen Separators zwischen der positiven Elektrodenplatte und der negativen Elektrodenplatte und spiralförmiges Wickeln der positiven Elektrodenplatte, der negativen Elektrodenplatte und des Separators.