DE69937078T2

DE69937078T2 - Batterie mit nichtwässrigem Elektrolyt mit gewickelten Elektrodenstrukturen

Info

Publication number: DE69937078T2
Application number: DE1999637078
Authority: DE
Inventors: Ken Shinagawa-ku Segawa; Shigeru Shinagawa-ku Fujita; Hideaki Shinagawa-ku Ojima; Takashi Shinagawa-ku Tomita
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2019-02-13
Also published as: EP0936690B1; KR100321946B1; JPH11233149A; EP0936690A3; EP0936690A2; US20020006543A1; US7527892B2; KR19990072664A; DE69937078D1; TW410486B; CN1226755A; US20020182484A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten, enthaltend nichtwässeriges Lösungsmittel als Lösungsmittel eines Elektrolyten hiervon.
Diesbezüglicher Hintergrund-Stand der Technik
Eine Lithiumsekundärbatterie, enthaltend nichtwässerigen Elektrolyten, bezieht eine positive Elektrode ein, die in der Regel durch Aufbringen eines Metalloxids und dergleichen, das als ein aktives Material für die positive Elektrode dient, auf einer Aluminiumfolie gebildet wird. Darüber hinaus wird die negative Elektrode der Batterie durch Crimpen von Lithium, das als ein aktives Material für die negative Elektrode dient, auf eine Kupferfolie gebildet. Zusätzlich wird ein Separatur durch einen feinporösen Film, hergestellt aus Polyethylen, angeordnet zwischen den zwei Elektroden, die wie oben beschrieben erhalten wurden, gebildet. Eine Spule, gebildet durch Wickeln und Stapeln der erhaltenen Struktur, wird in einer Büchse, hergestellt aus rostfreiem Stahl, untergebracht und dient als externe Elektrode (beispielsweise eine externe negative Elektrode).
Die oben erwähnte Lithiumsekundärbatterie weist Charakteristika einer großen Kapazität, hoher Spannung und großer Ausgabeleistung auf. Wenn die Schaltung oder dergleichen unter unnormalen Bedingungen bewirkt, dass die positive Elektrode und die negative Elektrode der Batterie kurzgeschlossen werden, wird die Temperatur der Batterie unerwünschterweise erhöht. Um einen Anstieg der Temperatur der Batterie zu verhindern, werden eine Vielzahl von Schutzmitteln, wie eine Temperatursicherung, eine elektrische Stromsicherung und eine PTC-Vorrichtung für die Batterie bereitgestellt. Zusätzlich wird ein Sicherheitsventil zur Verhinderung eines Anstiegs des Drucks in der Batterie vorgesehen.
Jedoch wird angenommen, dass eine Vielzahl von unnormalen Zuständen auftreten, genau so wie ein Kurzschluss der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der Batterie, verursacht aus einem unnormalen Zustand des Stromkreises der Batterie. Wenn die Batterie durch externen Druck durch einen Unfall eingedrückt wird, wird der Separatur zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode zerbrochen oder geschmolzen. Somit werden die positive Elektrode und die negative Elektrode kurzgeschlossen. Wenn die positive Elektrode und die negative Elektrode kurzgeschlossen werden, besteht die Befürchtung, dass die Batterie durch Wärme, Rauch oder dergleichen zerstört wird.
Die japanische Patentanmeldung JP 09180761 A (Fuji Electrochem Co. Ltd oder Patent Abstracts of Japan, Band 1997, Nov. 28, 1997 (28.11.1997) und die europäische Patentanmeldung EP-A-0780920 (Asahi Chemical Int.) offenbaren jeweils eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das Vorangehende ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyt bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Beschädigung hiervon zu minimieren, selbst wenn die Batterie durch Einwirkung von Druck eingedrückt wird.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyt bereitgestellt, umfassend: eine spiralförmige Spule, gebildet durch Aufwickeln einer positiven Elektrode, die einen länglichen positiven Elektrodenkollektor aufweist, mit zwei Seiten, wobei auf jeder hiervon ein Aktivmaterial für die positive Elektrode gebildet wurde, und einer negativen Elektrode, die einen länglichen negativen Elektrodenkollektor aufweist, mit zwei Seiten, wobei auf jeder hiervon ein Aktivmaterial für die negative Elektrode gebildet wurde, um einen bzw. mit einem Separator, wobei die positive Elektrode ein längliches Ende mit zwei Seiten aufweist, die beide einen freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors bereitstellen, wo der positive Elektrodenkollektor freiliegt, wobei die negative Elektrode ein längliches Ende mit zwei Seiten aufweist, die beide einen freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors bereitstellen, wo der negative Elektrodenkollektor freiliegt, und wobei der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors und der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors die Spule ein oder zweimal durch den Separator bedecken.
Die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Spule, bedeckt mit dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors. Daher, selbst wenn die Batterie eingedrückt wird, werden zuerst der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors und der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors kurzgeschlossen. Die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass Wärme, erzeugt durch Kurzschluss zwischen dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors, abgeführt wird.
Daher wird jede kritische Beeinflussung der aktiven Materialien für die Elektroden vermieden. Folglich kann eine Beschädigung des Gesamtkörpers der Batterie verhindert werden.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, beschrieben im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Struktur der erfindungsgemäßen Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Struktur einer positiven Elektrode zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Struktur einer negativen Elektrode zeigt;
4 ist eine laterale Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Struktur einer Spule zeigt und
5 ist eine laterale Querschnittsansicht, die Kreis A, gezeigt in 4, zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Struktur einer erfindungsgemäßen Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten zeigt.
Die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 umfasst eine spiralförmige Spule 5, gebildet in einem hermetischen Zustand durch Aufwickeln einer länglichen positiven Elektrode 2 und einer länglichen negativen Elektrode 3 um beziehungsweise mit den Separatoren 4a und 4b. Die spiralförmige Spule 5 wird in einer Batteriebüchse 6 untergebracht.
Wie in 2 gezeigt, weist die positive Elektrode 2 einen positiven Elektrodenkollektor 7 mit zwei Seiten auf, wobei auf jeder eine positive Elektrodenaktivmaterialschicht 8 gebildet wird. Wenn die positive Elektrode 2 hergestellt wird, werden 91 Gew.-% MnO₂, das ein Material für die positive Elektrode darstellt, 6 Gew.-% eines leitfähigen Materials und 3 Gew.-% eines Bindemittels miteinander gemischt. Somit wird eine positive Elektrodenmischung hergestellt. Es ist bevorzugt, dass das Material für die positive Elektrode Li in einer ausreichen großen Menge enthält. Beispielsweise sind ein Metallmischoxid sowie eine Zwischenschichtverbindung, enthaltend Li, geeignete Materialien, wobei das Metallmischoxid aus Lithium aufgebaut ist, ausgedrückt beispielsweise durch LiMO₂ (worin M mindestens ein Typ eines Materials, ausgewählt aus Co, Ni, Mn, Fe, Al, V und Ti, darstellt) sowie ein Übergangsmetall.
Das leitfähige Material, um der positiven Elektrode Leitfähigkeit zu verleihen, sowie das Bindemittel zum Binden des Materials der positiven Elektrode an den positiven Elektrodenkollektor können herkömmliche Materialien sein.
Das leitfähige Material kann Graphit oder Carbon Black beziehungsweise Russ darstellen, während das Bindemittel aus Fluorharz, wie Polyvinylidenfluorid, aufgebaut sein kann.
Dann wird die positive Elektrodenmischung in N-Methyl-2-pyrrolidon dispergiert, um aufgeschlämmt zu werden. Die aufgeschlämmte positive Elektrodenmischung wird gleichmäßig auf jede der zwei Oberflächen einer Aluminiumfolie aufgebracht, die zu einem positiven Elektrodenkollektor 7 gebildet wird, und die eine Dicke von beispielsweise 20 μm aufweist und dann getrocknet wird. Somit wird eine positive Elektrodenaktivmaterialschicht 8 gebildet, so dass die positive Elektrode 2 hergestellt wird.
Die positive Elektrode 2 weist einen freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 auf, gebildet an einem länglichen Ende hiervon. Der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 weist zwei Oberflächen auf, wobei auf keiner hiervon die positive Elektrodenaktivmaterialschicht 8 gebildet wird, so dass der positive Elektrodenkollektor 7 freiliegt.
Der im freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 gebildete Endabschnitt dient als ein äußerer Abschnitt der spiralförmigen Spule 5, gebildet durch den Aufwickelvorgang. Der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 deckt die spiralförmige Spule 5 mindestens einmal ab. Angenommen, dass der äußere Durchmesser der spiralförmigen Spule 5d beträgt, so ist die Länge L des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors 9 πd oder länger.
Wie in 3 gezeigt umfasst die negative Elektrode 3 den negativen Elektrodenkollektor 10, der zwei Oberflächen aufweist, wobei auf jeder hiervon ein negatives Elektrodenaktivmaterial 11 gebildet wird. Die negative Elektrode 3 wird hergestellt durch Binden beispielsweise einer Metalllithiumfolie, die als negatives Elektrodenaktivmaterial 11 dient, an eine Kupferfolie, die als der negative Elektrodenkollektor 10 dient und die eine Dicke von beispielsweise 10 μm aufweist. Die negative Elektrode 3 kann eine Struktur aufweisen, erhalten durch Aufbringen eines Materials für eine negative Elektrode auf den negativen Elektrodenkollektor 10, welches ein Dotieren/Entdotieren von Lithiumionen erlaubt, sowie dem Bindemittel.
Das Material für die negative Elektrode kann beispielsweise ein Kohlenstoffmaterial sein. Das Kohlenstoffmaterial kann veranschaulicht werden durch thermisch zersetzten Kohlenstoff, Koks (Pechkoks, Nadelkoks, Petroleumkoks oder dergleichen), Graphit, glasartiger Kohlenstoff, eine calcinierte organische Polymerverbindung (ein Material, erhalten durch Calcinieren von Phenolharz, Furanharz oder dergleichen), Kohlenstofffaser und Aktivkohle. Das Material für die negative Elektrode kann ein kristallines oder amorphes Metalloxid sein, das ein Dotieren/Entdotieren von Lithiumionen erlaubt, genau so wie das Kohlenstoffmaterial.
Das Bindemittel zum Binden des Materials für die negative Elektrode an den negativen Elektrodenkollektor kann ein herkömmliches Material darstellen. Beispielsweise kann das Bindemittel Fluorharz wie Polyvinylidenfluorid sein.
Die negative Elektrode 3 weist einen freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 auf, gebildet an einem Ende in Längsrichtung hiervon. Der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 weist zwei Oberflächen auf, wobei auf keiner hiervon das negative Elektrodenaktivmaterial 11 gebildet wird, so dass der negative Elektrodenkollektor 10 freiliegt.
Der auf dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 gebildete Endabschnitt dient als ein äußerer Abschnitt der spiralförmigen Spule 5, gebildet durch den Aufwickelvorgang. Der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 deckt die spiralförmige Spule 5 mindestens einmal ab. Angenommen, dass der äußere Durchmesser der spiralförmigen Spule 5d beträgt, ist die Länge L₂ des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors 12 πd oder länger.
Die spiralförmige Spule 5 wird durch spiraliges Aufwickeln eines Bauteils, gebildet durch Stapeln in dieser sequentiellen Reihenfolge: der positiven Elektrode 2, dem Separator 4a, der negativen Elektrode 3 und dem Separator 4b gebildet.
Jeder der Separatoren 4a und 4b ist aus einem isolierenden Material mit einer relativ hohen spezifischen Wärme hergestellt. Jeder der Separatoren 4a und 4b wird durch einen feinporösen Polypropylenfilm mit einer Dicke von etwa 25 μm gebildet.
Der Separator ist nicht besonders beschränkt. Der Separator kann ein gewebtes Textil, ein ungewebtes Textil oder ein feinporöser Film, hergestellt aus synthetischem Harz oder dergleichen, sein. Von den vorangehenden Materialien ist ein feinporöser Film, hergestellt aus Polyolefin, ein bevorzugtes Material vom Gesichtspunkt der Verwirklichung einer erforderlichen Dicke, Festigkeit des gebildeten Films und Beständigkeit des Films. Speziell kann irgendein feinporöser Polyethylenfilm, ein feinporöser Polypropylenfilm, ein feinporöser Film und deren Mischung eingesetzt werden.
4 ist eine laterale Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Struktur der spiralförmigen Spule 5 zeigt. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Kreis A, der in 4 gezeigt ist, zeigt.
Die spiralförmige Spule 5 ist mit dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 sowie dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 ein oder zweimal bedeckt. Darüberhinaus wird der äußerste Abschnitt der spiralförmigen Spule 5 im Separator 4b gebildet. Die negative Elektrode 3 der spiralförmigen Spule 5 wird weiter außen als die positive Elektrode 2 positioniert. Der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 bedeckt den freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9. Da die negative Elektrode 3 weiter außen als die positive Elektrode 2 positioniert wird, kann ein Kurzschluss in der Batterie, wie später beschrieben wird, verhindert werden.
Die Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten 1 weist die Struktur auf, dass die spiralförmige Spule 5 in der Batteriebüchse 6, wie in 1 gezeigt, untergebracht wird.
Um die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyt 1 zu bilden, indem die spiralförmige Spule 5 in der Batteriebüchse 6 untergebracht wird, wird eine isolierende Platte 13, hergestellt aus beispielsweise Eisen und zuvor mit Nickel platiert, in den Boden der Batteriebüchse 6 eingeführt. Somit wird die spiralförmige Spule 5 aufgenommen.
Um von der negativen Elektrode 3 elektrischen Strom abzunehmen, wird ein Ende eines negativen Elektrodenanschlusses 14, hergestellt aus beispielsweise Nickel, an die negative Elektrode 3 gecrimped. Ein anderes Ende des negativen Elektrodenanschlusses 14 wird an die Batteriebüchse 6 geschweißt. Folglich ist die Batteriebüchse 6 mit der negativen Elektrode 3 elektrisch verbunden, um in eine externe negative Elektrode der Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 gebildet zu werden. Um von der positiven Elektrode 2 elektrischen Strom abzunehmen, wird ein Ende eines positiven Elektrodenanschlusses 15, hergestellt aus beispielsweise Aluminium, mit der positiven Elektrode 2 verbunden. Ein anderes Ende des positiven Elektrodenanschlusses 15 wird mit einer Batterieabdeckung 17 durch eine stromunterbrechende dünne Platte 16 elektrisch verbunden. Die stromunterbrechende dünne Platte 16 unterbricht den elektrischen Strom, um dem Innendruck der Batterie zu entsprechen. Folglich werden die Batterieabdeckung 17 und die positive Elektrode 2 miteinander elektrisch verbunden, um in die externe positive Elektrode der Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 gebildet zu werden.
Die negative Elektrode 3 der spiralförmigen Spule 5 wird weiter außen als die positive Elektrode 2 positioniert. Daher kann ein Kurzschluss zwischen der Batteriebüchse 6, elektrisch verbunden mit der negativen Elektrode 3, und der positiven Elektrode 2, der in der Batterie auftritt, verhindert werden, selbst wenn der Separator 4b, welcher das äußerste Element der spiralförmigen Spule 5 darstellt, sich verzieht. Folglich kann der Herstellungsertrag verbessert werden.
Dann wird ein nichtwässeriger Elektrolyt in die Batteriebüchse 6 injiziert. Der nichtwässerige Elektrolyt wird durch Lösen von LiPF₆, was einen Elektrolyten darstellt, in gemischtem Lösungsmittel, hergestellt durch Mischen von 50 Vol.-% Propy lencarbonat, welches ein organisches Lösungsmittel darstellt, und 50 Vol.-% Dimethoxyethan, hergestellt. Das Auflösungsverhältnis im Hinblick auf das gemischte Lösungsmittel beträgt 1 Mol/l.
Das organische Lösungsmittel, das nicht besonders beschränkt ist, wird veranschaulicht durch Propylencarbonat, Ethylencarbonat, 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Diethylcarbonat, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan, 4-Methyl-1,3-dioxolan, Diethylether, Sulfolan, Methylsulfolan, Acetonitril und Propionitril. Das vorangehende Material wird allein oder zwei oder mehr Typen des Materials werden als gemischtes Lösungsmittel verwendet.
Der Elektrolyt, der nicht besonders beschränkt ist, wird veranschaulicht durch LiClO₄, LiAsF₆, LiPF₆, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiCl, LiBr, LiSO₃CH₃ und LiSO₃CF₃.
Schließlich wird die Batteriebüchse 6 mit einer isolierenden Dichtung 18, aufgebracht mit Asphalt, so dass die Batteriebadeckung 17 gesichert wird, gecrimped. Folglich kann die zylindrische Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 hergestellt werden.
Die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 weist einen Zentrumsstift 19 auf, der mit dem positiven Elektrodenanschluss 15 und dem negativen Elektrodenanschluss 14 verbunden ist. Darüber hinaus wird eine Sicherheitsventileinheit 20 zum Entfernen von Gas in der Batterie, wenn der Druck in der Batterie auf ein Niveau höher als ein vorbestimmtes Niveau ansteigt, für die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 vorgesehen. Zusätzlich wird eine PTC-Vorrichtung (positive Temperaturkoeffizient) 21 zur Verhinderung eines Anstiegs der Temperatur in der Batterie für die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 vorgesehen.
Das Problem von Wärme und Rauch, verursacht durch Quetschen der Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten durch äußeren Druck, wird nun beschrieben. Wenn die Batteriebüchse durch äußeren Druck eingedrückt wird, wird zu Beginn der Separator zerbrochen. Somit werden die positive Elektrode und die negative Elektrode in der Batterie kurzgeschlossen, was die Erzeugung von Wärme verursacht. Die Wärme verursacht, dass Reaktionen stattfinden und somit wird Rauch erzeugt.
Wenn die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 einem abnormalen Zustand wie einem Quetschen des Batteriekörpers ausgesetzt wird, werden der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 an der äußeren Peripherie der spiralförmigen Spule 5 zu Beginn kurzgeschlossen. Der Kurzschluss zwischen dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 tritt an einer Position, getrennt von der positiven Elektrodenaktivmaterialschicht 8 und der negativen Elektrodenaktivmaterialschicht 11, auf. Darüber hinaus werden die Separatoren 4a und 4b, jeweils mit einer relativ hohen spezifischen Wärme, um die Position angeordnet, an der der Kurschluss stattgefunden hat. Daher, selbst wenn Wärme aufgrund des Kurzschlusses zwischen dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 erzeugt wird, kann die Wärme abgeleitet werden. Folglich wird keine kritische Beeinflussung auf die aktive Materialschicht der Elektrode ausgeübt.
Daher kann ein Schaden, wie Wärme und Rauch, die einen Effekt auf den Gesamtkörper der Batterie bewirken, in befriedigender Weise verhindert werden. Folglich kann eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1, die ausgezeichnete Sicherheit zeigt, erhalten werden.
Wenn die Länge des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors 9 oder diejenige des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors 12 kürzer als πd ist, können der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 nicht die spiralförmige Spule 5 ein oder mehrmals bedecken. Ein Zustand, in dem die spiralförmige Spule 5 nicht durch den freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und den freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 ein oder zweimal bedeckt wird, wird nun beschrieben. Wenn die Batterie in einer Position, die nicht mit dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 bedeckt ist, eingedrückt wird, werden der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 nicht zuerst kurzgeschlossen. Daher kann der Schaden nicht minimiert werden.
Wenn der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 oder der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 für nur eine Seite bereitgestellt wird, kann zwischen dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors 9 und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors 12 kein Kurzschluss verursacht werden, der an einer Position ausreichend getrennt vom aktiven Material für die Elektrode stattfindet. Daher kann der nachteilige Einfluss auf das aktive Material für die Elektrode nicht minimiert werden.
Daher werden die freiliegenden Abschnitte des Elektrodenkollektors auf den zwei Seiten der Elektroden angeordnet und ihre Längen werden mit πd bis 2 πd ausgelegt. Somit kann die Sicherheit der Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten 1 weiter verbessert werden.
Obwohl die Lithiumsekundärbatterie in der oben erwähnten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auf eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten genauso wie die Lithiumsekundärbatterie angewendet werden.
BEISPIELE
Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten mit der oben erwähnten Struktur wurden hergestellt, um sie Druck-Quetschtests zu unterziehen.
Beispiel 1
Zunächst wurde eine positive Elektrode hergestellt. Zu Beginn wurden 91 Gew.% MnO₂, 6 Gew.-% leitfähiges Material und 3 Gew.-% Bindemittel gemischt, so dass eine positive Elektrodenmischung hergestellt wurde. Das leitfähige Material war Graphit, während das Bindemittel Polyvinylidenfluorid war.
Dann wurde die positive Elektrodenmischung in N-Methyl-2-pyrrolidon dispergiert, um aufgeschlämmt zu werden. Die Aufschlämmung wurde gleichmäßig auf die zwei Seiten einer Aluminiumfolie aufgebracht, die als positiver Elektrodenkollektor diente und eine Dicke von 20 μm hatte. Dann wurde die Aufschlämmung getrocknet und dann die Aluminiumfolie durch eine Walzenpressvorrichtung komprimiert und geformt. Somit wurde die positive Elektrode hergestellt.
Zu diesem Zeitpunkt wurde auf keiner der zwei Seiten eines Endes der positiven Elektrode eine aktive Materialschicht für die positive Elektrode gebildet. Daher wurde der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors, in dem der positive Elektrodenkollektor freiliegt, gebildet. Die Länge des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors wurde mit πd ausgelegt.
Dann wurde eine negative Elektrode gebildet.
Die negative Elektrode wurde durch Aufbringen einer Metalllithiumfolie, welche ein aktives Material für die negative Elektrode war, auf eine Kupferfolie, die ein negativer Elektrodenkollektor war und die eine Dicke von 10 μm hatte, hergestellt.
Zu diesem Zeitpunkt wurde auf keiner der zwei Seiten eines Endes der negativen Elektrode eine aktive Materialschicht für die negative Elektrode gebildet. Daher wurde ein freiliegender Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors, in dem der negative Elektrodenkollektor freiliegt, gebildet. Die Länge des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors wird mit πd ausgelegt.
Die positive Elektrode, der Separator, die negative Elektrode und der Separator wurden sequentiell hermetisch in dieser sequentiellen Reihenfolge gestapelt. Dann wurde die gestapelte Struktur spiralförmig mehrfach aufgewickelt, so dass eine Spule gebildet wurde. Der Separator wurde aus feinporösem Polypropylenfilm mit einer Dicke von 25 μm hergestellt.
Dann wurde eine isolierende Platte in den Boden einer Batteriebüchse, die aus Eisen hergestellt und zuvor mit Nickel platiert wurde, eingeführt. Dann wurde die oben erwähnte Spule in die Batteriebüchse aufgenommen. Um von der negativen Elektrode den elektrischen Strom abzunehmen, wurde ein Ende des negativen Elektrodenanschlusses an die negative Elektrode gecrimped. Ein anderes Ende des negativen Elektrodenanschlusses wurde an die Batteriebüchse geschweißt.
Um von der positiven Elektrode elektrischen Strom abzunehmen, wurde ein Ende eines positiven Elektrodenanschlusses, hergestellt aus Aluminium, mit der positiven Elektrode verbunden. Ein anderes Ende des positiven Elektrodenanschlusses wurde durch eine stromunterbrechende dünne Platte mit der Batterieabdeckung elektrisch verbunden.
Dann wurde ein nichtwässeriger Elektrolyt in die Batteriebüchse injiziert. Der nichtwässerige Elektrolyt wurde hergestellt durch Lösen von LiPF₆ in einem gemischten Lösungsmittel, hergestellt durch Mischen von 50 Vol.-% Propylencarbonat und 50 Vol.-% Dimethoxyethan. Das Lösungsverhältnis im Hinblick auf das gemischte Lösungsmittel betrug 1 Mol/l.
Schließlich wurde die Batterie durch eine isolierende Abdichtdichtung, aufgebracht mit Asphalt, gecrimped, so dass die Batterieabdeckung gesichert war. Folglich wurde eine zylindrische Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten mit einem Durchmesser von etwa 18 mm und einer Höhe von etwa 65 mm hergestellt.
Beispiel 2
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für eine Struktur, wobei die Länge von jedem der freiliegenden Abschnitte des positiven Elektrodenkollektors und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors mit 2πd ausgelegt wurde. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Verfahren, ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für die Struktur, dass der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors nicht für die positive Elektrode bereitgestellt wurde und der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors nicht für die negative Elektrode bereitgestellt wurde. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für die Struktur, dass der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors nur auf einer Seite der positiven Elektrode bereitgestellt wurde. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyt hergestellt.
Vergleichsbeispiel 3
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für die Struktur, dass der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors nicht für die negative Elektrode vorgesehen wurde. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Vergleichsbeispiel 4
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt, außer für die Struktur, dass der freiliegende Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors nur auf einer Seite der negativen Elektrode vorgesehen wurde. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Vergleichsbeispiel 5
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für die Struktur, dass die Länge jeweils des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors und des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors auf 0,5πd ausgelegt waren. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Vergleichsbeispiel 6
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für die Struktur, dass die Länge des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors auf 0,5πd ausgelegt war und diejenige des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors auf πd ausgelegt war. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Vergleichsbeispiel 7
Ein Verfahren ähnlich zu demjenigen gemäß Beispiel 1 wurde durchgeführt außer für die Struktur, dass die Länge des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors mit πd ausgelegt war und diejenige des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors mit 0,5πd ausgelegt war. Somit wurde eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten hergestellt.
Eine vorbestimmte Anzahl der derart hergestellten Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß der Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 bis 7 wurden hergestellt. Jede der Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten wurde 100 Zyklen geladen/entladen in einem Spannungsbereich von 1,5 bis 3,0 V. Dann wurde die Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten auf 3,0 V geladen und dann ein Druck/Quetschtest durchgeführt.
Die Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 umfassten die Elektroden mit keinem freiliegenden Abschnitt des Elektrodenkollektors, nur eine der Elektroden, bereitgestellt mit dem freiliegenden Abschnitt des Elektrodenkollektors oder eine Elektrode mit einem freiliegenden Abschnitt des Elektrodenkollektors, bereitgestellt auf einer der Oberflächen hiervon. Ein Abschnitt der vorangehenden Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten war einer Schädigung ausgesetzt, wie Wärme und/oder Rauch, über den gesamten Körper der Batterien.
Die Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß der Beispiele 1 und 2 und mit der Struktur, dass der freiliegende Abschnitt des Elektrodenkollektors auf jeder der zwei Seiten der zwei Elektroden bereitgestellt war, waren frei von Schaden, wie Wärme und/oder Rauch, über den gesamten Körper der Batterien.
Daher wurde die Struktur, dass die freiliegenden Abschnitte des Elektrodenkollektors für die zwei Seiten der zwei Elektroden bereitgestellt war, hinsichtlich der Sicherheit der Batterie der nichtwässerigen Elektrolyten verbessert.
In den Beispielen 1 und 2 und Vergleichsbeispielen 1 und 5 bis 7 wurden Versuche durchgeführt, derart, dass die Länge des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors oder desjenigen des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors geändert wurde.

Die Anzahl der Batterien, die den Versuchen unterzogen wurden und die Batterien, die Hitze und/oder Rauch entwickelten, sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	Länge des freiliegenden Abschnitts des positiven Elektrodenkollektors	Länge des freiliegenden Abschnitts des negativen Elektrodenkollektors	Anzahl der getesteten Batterien	Anzahl der Batterien, die Rauch erzeugten
Beispiel 1	πd	πd	5	0
Beispiel 2	2πd	2πd	5	0
Vergleichsbeispiel 1	0	0	5	5
Vergleichsbeispiel 5	0,5πd	0,5πd	5	3
Vergleichsbeispiel 6	0,5πd	πd	5	2
Vergleichsbeispiel 7	πd	0,5πd	5	3

Wie aus Tabelle 1 verstanden werden kann, unterlagen die Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß der Vergleichsbeispiele 1 und 5 bis 7 jeweils mit der Struktur, dass die Länge des freiliegenden Abschnitts des Elektrodenkollektors kürzer als πd war, einer Schädigung, wie Wärme und Rauch, über den gesamten Körper der Batterie.
Andererseits waren Batterien mit nichtwässerigem Elektrolyten gemäß den Beispielen 1 und 2, jeweils mit der Struktur, dass die Länge des freiliegenden Abschnitts des Elektrodenkollektors länger als πd war, frei von irgendwelchen Schäden des gesamten Körpers der Batterien.
Wenn daher die Länge des freiliegenden Abschnitts des Elektrodenkollektors nicht kürzer als πd ist, kann die Sicherheit der Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten weiter verbessert werden.
Die erfindungsgemäße Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten ist derart strukturiert, dass Kurzschluss zwischen dem freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors und dem freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors, vorgesehen auf zwei Seiten der Elektroden, stattfindet. Daher kann die Hitze verteilt werden. Folglich wird kein kritischer Einfluss auf die aktiven Materialien für die positive Elektrode und die negative Elektrode ausgeübt. Darüber hinaus können Wärme und Rauch verhindert werden.
Die erfindungsgemäße Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten weist die Struktur auf, dass die freiliegenden Abschnitte des Elektrodenkollektors für die zwei Seiten der zwei Elektroden bereitgestellt werden. Darüber hinaus bedeckt der freiliegende Abschnitt des Elektrodenkollektors die Spule ein oder mehrfach. Daher können Wärme und Rauch, die erzeugt werden, wenn die Batterie eingequetscht wurde, weiterhin in befriedigender Weise verhindert werden.
Daher kann ein Schaden für die Batterie und ein negativer Einfluss auf die Umgebung minimiert werden. Folglich kann eine Batterie mit nichtwässerigem Elektrolyten, die ausgezeichnete Sicherheit und Verlässlichkeit zeigt, bereitgestellt werden.

Claims

Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten, umfassend: eine spiralförmige Spule (5), gebildet durch Aufwickeln einer positiven Elektrode (2), die einen länglichen positiven Elektrodenkollektor (7) aufweist, mit zwei Seiten, wobei auf jeder hiervon ein Aktivmaterial (8) für die positive Elektrode gebildet wurde, und einer negativen Elektrode, die einen länglichen negativen Elektrodenkollektor (10) aufweist, mit zwei Seiten, wobei auf jeder hiervon ein Aktivmaterial (11) für die negative Elektrode gebildet wurde, um einen bzw. mit einem Separator; wobei der äußerste Abschnitt der spiralförmigen Spule (5) in den Separator gebildet wird; worin die negative Elektrode der spiralförmigen Spule weiter außen als die positive Elektrode angeordnet ist; wobei die positive Elektrode ein längliches Ende mit zwei Seiten aufweist, die beide einen freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors (9) bereitstellen, wo der positive Elektrodenkollektor freiliegt, wobei die negative Elektrode ein längliches Ende mit zwei Seiten aufweist, die beide einen freiliegenden Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors (12) bereitstellen, wo der negative Elektrodenkollektor freiliegt, und wobei der freiliegende Abschnitt des negativen Elektrodenkollektors den freiliegenden Abschnitt des positiven Elektrodenkollektors bedeckt; und der freiliegende Abschnitt des positiven Kollektors und der freiliegende Abschnitt des negativen Kollektors die Spule ein oder mehrmals den Separator bedecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jedes des freiliegenden Abschnitts des positiven Kollektors und des freiliegenden Abschnitts des negativen Kollektors πd bis 2πd beträgt, wobei d den äußere Durchmesser der spiralförmigen Spule darstellt.
Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten nach Anspruch 1, worin das Aktivmaterial der positiven Elektrode ein Metallmischoxid darstellt, ausgedrückt durch LiMO₂ (worin M mindestens eines von Co, Ni, Mn, Fe, Al und Ti darstellt).
Batterie mit nicht-wässerigem Elektrolyten nach Anspruch 1, worin das Aktivmaterial der negativen Elektrode eines von einem Kohlenstoffmate rial, einem kristallinen oder amorphen Metalloxid darstellt, das das Dotieren/Entdotieren von Lithiumionen erlaubt.