JP2000173578A

JP2000173578A - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP2000173578A
Application number: JP10345018A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Konno; 義人近野; Kazunari Okita; 一成大北; Toshiyuki Noma; 俊之能間; Ikuro Yonezu; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】電池缶の内部に巻き取り電極体が収納され、
巻取り電極体は、正極と負極の間にセパレータを介在さ
せてこれらを渦巻き状に巻き取って構成される非水電解
液二次電池において、大電流通電時における負荷特性を
改善して、電池の高出力密度化を図る。【解決手段】本発明に係る非水電解液二次電池におい
ては、正極及び負極の少なくとも何れか一方の電極を構
成する集電体41の未塗工部と集電タブ３の基端部32との
対向面間に、集電体41及び集電タブ３と比べて、より軟
らかく、即ち展延性が高く、且つ電気抵抗が略同等若し
くはより低い材質の導電性薄膜５が介在している。導電
性薄膜５の材料としては、例えば金、銀、若しくは、合
成樹脂中に炭素材料からなる粉末を混入させてなる導電
性樹脂層を用いることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池缶の内部に発
電要素となる電極体を収納して構成される非水電解液二
次電池に関し、特に、大電流通電時においても電極体の
発生電力を効率的に外部へ取り出すことが出来る非水電
解液二次電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車やハイブリッド車の電
源として、エネルギー密度が高く、然も高出力密度を達
成することのできるリチウム二次電池が注目されてい
る。例えば図３及び図４に示す円筒型リチウム二次電池
は、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を溶接固定してな
る円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)を
収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一
対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き
取り電極体(２)と両電極端子機構(９)(９)とが、複数本
の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極
体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)か
ら外部に取り出すことが可能となっている。又、蓋体(1
2)には安全弁(13)が取り付けられている。

【０００３】巻き取り電極体(２)は、リチウム複合酸化
物を含む正極(23)と炭素材料を含む負極(21)の間に、非
水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、こ
れらを渦巻き状に巻回して構成されている。巻き取り電
極体(２)の正極(23)及び負極(21)からは夫々複数本の集
電タブ(３)が引き出され、極性が同じ複数本の集電タブ
(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続され
ている。尚、図４においては、便宜上、一部の集電タブ
の先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態のみ
を示し、他の集電タブについては、電極端子機構(９)に
接続された先端部分の図示を省略している。

【０００４】電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(1
2)を貫通して取り付けられたネジ部材(91)を具え、該ネ
ジ部材(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋
体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋
体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が
保たれている。ネジ部材(91)には、筒体(11)の外側から
ワッシャ(94)が嵌められると共に、第１ナット(95)及び
第２ナット(96)が螺合しており、第１ナット(95)を締め
付けて、ネジ部材(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によっ
て絶縁パッキング(93)を挟圧し、シール性を高めてい
る。前記複数本の集電タブ(３)の先端部(31)は、ネジ部
材(91)の鍔部(92)に、レーザ溶接や超音波溶接によって
固定されている。

【０００５】巻取り電極体(２)の正極(23)及び負極(21)
に集電タブ(３)を接続するための構造としては、各電極
を構成する帯状の集電体の表面に、電極材料の塗布され
ている塗工部と電極材料の塗布されていない未塗工部と
を形成し、該未塗工部に集電タブの基端部をレーザ溶接
や超音波溶接等によって固定する構造が知られている
(特開平6-267528［H01M2/26］)。

【０００６】例えば正極(23)に集電タブ(３)を接続する
工程においては、図５(ａ)に示す如くアルミニウム箔か
らなる集電体(24)の表面に、リチウムコバルト複合酸化
物を含む電極材料(25)を塗布した塗工部Ｂと、電極材料
(25)の塗布されていない未塗工部Ａとを形成し、その
後、同図(ｂ)に示す如く集電体(24)の未塗工部Ａに複数
本の集電タブ(３)の基端部(32)を溶接固定するのであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電気自動車
やハイブリッド車に採用される大容量で高出力密度の二
次電池においては、発進時や急加速時に大電流を流す必
要がある。しかしながら、従来の二次電池においては、
特に大電流の通電によって放電容量が低下し、負荷特性
が悪化する問題があった。そこで本発明者らは、鋭意研
究を重ねた結果、集電体(24)の未塗工部Ａと集電タブ
(３)の基端部(32)の間の接合面にて大きな電気抵抗が生
じており、この内部抵抗による電力損失の発生が負荷特
性悪化の大きな原因となっていることを究明し、集電体
(24)と集電タブ(３)の間の接合面における電気抵抗を低
減させる接合構造を採用することによって、上記問題点
を解決した。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】即ち、本発明に係る非水電
解液二次電池においては、電極体(２)を構成する正極及
び負極の少なくとも何れか一方の電極が、帯状の集電体
(41)の表面に、電極材料(42)の塗布されている塗工部と
電極材料(42)の塗布されていない未塗工部とを形成して
おり、該未塗工部に集電タブ(３)の基端部(32)が接続さ
れ、集電タブ(３)の先端部(31)は電極端子機構(９)に接
続されている。そして、前記集電体(41)の未塗工部と集
電タブ(３)の基端部(32)の対向面間には、集電体(41)及
び集電タブ(３)よりも軟らかい、即ち展延性の高い材質
からなる導電性薄膜(５)が介在している。

【０００９】上記本発明の非水電解液二次電池によれ
ば、集電体(24)の未塗工部と集電タブ(３)の基端部(32)
の対向面間に軟らかい材質の導電性薄膜(５)が介在して
いるので、互いに接合されるべき集電体(24)の表面と集
電タブ(３)の表面に凹凸が存在して相互の密着性が悪い
場合においても、導電性薄膜(５)を形成している材料が
対向面間の隙間を埋めて、集電体(24)の未塗工部と集電
タブ(３)の基端部(32)の間の密着性を高める。この結
果、集電体(24)と集電タブ(３)の間の電気抵抗(接触抵
抗)が減少し、特に大電流通電時の電力損失及びジュー
ル熱の発生による温度上昇が抑制される。

【００１０】尚、導電性薄膜(５)は、集電体(41)及び集
電タブ(３)と略同等若しくはより低い電気抵抗を有する
材質から形成することが好ましい。これによって、集電
体(41)と集電タブ(３)の間に高い導電性を得ることが出
来る。例えば、導電性薄膜(５)の材料としては、金、
銀、若しくは、合成樹脂中に炭素材料からなる粉末を混
入させてなる導電性樹脂を採用することが出来る。又、
導電性薄膜(５)の厚さは、０.１μｍ乃至１０μｍの範
囲に設定することが好ましい。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係る非水電解液二次電池によれ
ば、特に大電流通電時における放電容量を増大させ、負
荷特性を改善することが出来、これによって電池の高出
力密度化を図ることが可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、電極集電体に集電タブ
を接合する構造の全ての二次電池に実施することが可能
であるが、特にエネルギー密度の高いリチウム二次電池
に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明す
る。

【００１３】本発明に係る円筒型リチウム二次電池は、
図３及び図４に示す従来の円筒型リチウム二次電池と同
様に、円筒状の電池缶(１)の内部に巻き取り電極体(２)
を収容し、巻き取り電極体(２)と正負一対の電極端子機
構(９)(９)とが、複数本の集電タブ(３)により互いに接
続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の
電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能と
なっており、後述する巻取り電極体(２)と集電タブ(３)
の接合構造を除き、従来と同一構成を有している。

【００１４】巻取り電極体(２)は、従来と同様に、正極
と負極の間にセパレータを介在させて、これらを渦巻き
状に巻回したものであって、図１に示す如く、正極(４)
は、アルミニウム箔からなる帯状の集電体(41)の表面
に、一部の領域を除いて、リチウムコバルト複合酸化物
を含む電極材料(42)を塗布して構成され、集電体(41)の
塗布されていない未塗工部には、厚さ１μｍの金からな
る導電性薄膜(５)を介して、アルミニウム製の集電タブ
(３)の基端部(32)が接続されている。正極(４)の厚さ
は、集電体(41)の厚さ１０〜２０μｍを含み、５０〜２
００μm程度に形成される。尚、電極材料(42)として
は、リチウムイオンの吸蔵、放出可能な金属酸化物が適
しているが、具体的には、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、
ＬｉＮｉ_1-xＣｏ_xＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、及びこれらの複
合化物からなる群から選択される少なくとも１種の材料
を採用することが出来る。

【００１５】負極も同様に、銅箔からなる帯状の集電体
の表面に、一部の領域を除いて、炭素粉末を含む電極材
料を塗布して構成され、集電体の塗布されていない未塗
工部には、厚さ０.１〜１０μｍの金からなる導電性薄
膜を介して、ニッケル製の集電タブの基端部が接続され
る(図示省略)。尚、負極としては、黒鉛、コークス等の
炭素材料、リチウム金属、リチウム合金、ＬｉxＦｅ₂Ｏ
₃、ＬｉxＷＯ₂等の金属酸化物からなる負極、ポリアセ
チレン等の電導性高分子からなる負極が挙げられ、特に
黒鉛からなる炭素材料を負極に用いた場合、優れた効果
が発揮される。又、前記炭素材料に用いられる黒鉛、コ
ークス材料としては、粉砕したものをそのまま用いても
よく、５００〜３７００℃で加熱処理したものを用いて
もよい。また、黒鉛のd₀₀₂値は、３.３５〜３.３７Å、
Ｌcは４００Å以上が好ましい。

【００１６】図２(ａ)〜(ｄ)は、正極(４)に集電タブ
(３)を接続する工程を表わしており、同図(ａ)に示す如
く集電体(41)の表面に電極材料(42)が塗布された塗工部
Ｂと電極材料(42)の塗布されていない未塗工部Ａとを形
成して、帯状の正極(４)を作成した後、同図(ｂ)に示す
如く集電体(41)の未塗工部Ａの内、集電タブ(３)を接合
すべき領域に、高導電性を有し且つ集電体や集電タブの
材質よりも軟らかい、即ち展延性の高い金属、例えば、
金、銀等からなる金属薄膜を蒸着法によって厚さ０.１
〜１０μｍに成膜して、導電性薄膜(５)とする。続い
て、図２(ｃ)(ｄ)に示す如く、各導電性薄膜(５)の表面
に集電タブ(３)の基端部(32)を重ね、集電タブ(３)の基
端部(32)と集電体(41)とを、超音波溶接、レーザ溶接、
若しくは塑性変形を利用した機械的な連結方法等によっ
て、互いに接合固定する。この際、集電タブ(３)と集電
体(41)の間には、導電性薄膜(５)が介在しているが、導
電性薄膜(５)は極めて薄いため、両者の接合固定に問題
はない。

【００１７】上記接合固定に伴って、集電タブ(３)の基
端部(32)と集電体(41)には、導電性薄膜(５)を挟圧する
力が作用し、この結果、集電タブ(３)の基端部(32)の表
面と導電性薄膜(５)の裏面とが互いに密着すると共に、
導電性薄膜(５)の表面と集電タブ(３)の基端部(32)の裏
面とが互いに密着して、集電体(41)と集電タブ(３)の間
の電気抵抗が低減される。負極についても、同様にして
集電タブを接続することが出来、これによって、負極集
電体と集電タブの間の電気抵抗を低減させることが可能
である。

【００１８】尚、導電性薄膜(５)は、金、銀、銅等の高
導電性金属の他、合成樹脂中に炭素材料等の高導電性微
粉末からなるフィラーを混入させてなる導電性樹脂から
形成することが可能である。ここで、フィラー用炭素材
料としては、炭素微粉末であるカーボンブラック、天然
黒鉛、コークスなどを採用することが出来、粒子径は３
〜６０μｍの範囲が好ましい。又、合成樹脂としては、
電解液を構成する有機溶媒中においても安定に存在する
樹脂、例えば、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶｄＦ)、ポリ
イミド(ＰＩ)系樹脂、ＳＢＲに代表されるスチレン−ブ
タジエン系樹脂、ポリプロピレンやポリエチレンに代表
されるポリオレフィン系樹脂等を採用することが出来
る。

【００１９】又、電解液、電解質、セパレータ等の電池
構成部材についても、従来のリチウム二次電池用として
実用され、或いは提案されている種々のの材料を採用す
ることが可能である。例えば、電解質としてはリチウム
イオン等の金属イオンを含むＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、
ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃等の電解質を採用することが出来る。ま
た、電解液の有機溶媒としては、エチレンカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、ジメトキシメタン、スルホ
ラン等を単独で、或いは混合して用いることが出来る。
電解液としては、これら溶媒に前記電解質を０.７〜１.
５mol/l程度の割合で溶解させた溶液を採用することが
出来る。

【００２０】

【実施例】(１) 実施例１正極の作製リチウムの水酸化物とコバルトの水酸化物を混合し、空
気中８００℃で２４時間の焼成を施すことによって、正
極材料としてのリチウムコバルト複合酸化物(ＬiＣo
Ｏ₂)を得て、この正極材料と導電剤としての人工黒鉛を
重量比９０：５で混合し、正極合剤を作製した。次に、
結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−
ピロリドン(ＮＭＰ)に溶解させて、ＮＭＰ溶液を調製し
た。そして、正極合剤とポリフッ化ビニリデンの重量比
が９５：５となる様に正極合剤とＮＭＰ溶液を混合し
て、スラリーを調製し、このスラリーを正極集電体とし
てのアルミニウム箔の表面に、所定幅(１５ｍｍ)の未塗
工部を残して、ドクターブレード法により塗布し、１５
０℃で２時間の真空乾燥を施して正極体を作製した。こ
の様にして得られた正極体を、未塗工部の幅１５ｍｍに
対して塗工部の幅が２２０ｍｍとなるように、全幅２３
５ｍｍの帯状に切断した後(図２(ａ)参照)、集電体の未
塗工部の複数の集電タブ接合領域に、厚さ１μｍの金薄
膜を成膜した(図２(ｂ)参照)。尚、複数の集電タブ接合
領域の間隔は５００ｍｍである。

【００２１】負極の作製炭素塊(ｄ₀₀₂＝３.３５６Å；Lc＞１０.０Å)に空気流
を噴射してこれを粉砕(ジェット粉砕)した後、これによ
って得られた粉末をふるいにかけて、負極材料となる粒
子径１０μmの黒鉛粉末を得た。また結着剤であるポリ
フッ化ビニリデンをＮＭＰに溶解させてＮＭＰ溶液を調
製した。そして、前記黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデン
を重量比が９０：１０となるよう混練してスラリーを調
製した。このスラリーを、負極集電体としての銅箔の両
面にドクターブレード法によって塗布し、１５０℃で２
時間の真空乾燥を施して負極を作製した。尚、集電体を
含む負極の厚さは１５０μmである。

【００２２】電解液の調製エチレンカーボネートとジメトキシメタンを体積比１：
１で混合した溶媒に、ＬiＰＦ₆を１mol／lの割合で溶解
し、電解液を調製した。

【００２３】電池の組立正極集電体の未塗工部に形成された導電性薄膜の表面
に、厚さ０.１ｍｍのアルミニウム製集電タブの基端部
を重ねて、集電体に集電タブの基端部を超音波溶接によ
って接合した。又、負極集電体の表面には、厚さ０.１
ｍｍのニッケル製集電タブの基端部を超音波溶接によっ
て接合した。そして、正極と負極の間にセパレータを挟
んで渦巻き状に巻回し、巻き取り電極体を構成した。
尚、セパレータとしては、イオン透過性のポリエチレン
製の微多孔性膜を用いた。この巻き取り電極体を電池缶
となる筒体の内部に装填し、該巻き取り電極体から伸び
る正側及び負側の集電タブを夫々、蓋体に取り付けられ
た電極端子機構に接続した後、該蓋体を筒体に溶接固定
して、本発明電池Ａ１を組み立てた。電池組立に際して
は、巻取り電極体のセパレータに前記電解液を含浸させ
た。尚、電池缶の直径は６４ｍｍ、長さは３２０ｍｍで
ある。

【００２４】(２) 実施例２導電性薄膜の材質を金に代えて銀とした以外は上記実施
例１と同様にして、本発明電池Ａ２を作製した。

【００２５】(３) 実施例３導電性薄膜の材質を金に代えて導電性樹脂とした以外は
上記実施例１と同様にして、本発明電池Ａ３を作製し
た。尚、導電性樹脂からなる薄膜の形成においては、先
ず、結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮＭＰに溶解
させてＮＭＰ溶液を調製し、この溶液に、平均粒子径１
０μｍの人造黒鉛粉末を投入し、人造黒鉛粉末とポリフ
ッ化ビニリデンの重量比が９０：１０となるよう混練し
てスラリーを調製した。そして、このスラリーを正極集
電体の未塗工部の所定領域に塗布し、乾燥させた。

【００２６】(４) 比較例導電性薄膜を具えず、集電体の表面に集電タブを直接に
接合すること以外は上記実施例１と同様にして、比較電
池Ｘを作製した。

【００２７】実験１上記の本発明電池Ａ１〜Ａ３及び比較電池Ｘを用いて充
放電実験を行ない、各電池の１Ｃでの放電容量ＱＬと、
３Ｃでの放電容量ＱＨとを測定して、両者の比(ＱＨ／
ＱＬ)で定義される負荷特性(％)を算出した。尚、実験
においては、各電池を１Ｃの充電率で電池電圧４.２Ｖ
まで充電した後、１Ｃ及び３Ｃの放電率で２.７Ｖに至
るまで放電したときの放電容量を測定した。実験結果を
表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１から明らかな様に、導電性薄膜を配設
しない比較電池Ｘの負荷特性は８４.２％と低い値とな
っているのに対し、本発明電池Ａ１、Ａ２、Ａ３の負荷
特性は何れも９０％を越える高い値を示しており、これ
は、本発明電池における導電性薄膜を用いた集電タブの
接合構造によって、大電流通電時の内部抵抗による電力
損失が効果的に抑制されたものと考えることが出来る。

【００３０】実験２実験２は、金、銀、及び導電性樹脂からなる各導電性薄
膜の厚さが電池の負荷特性に及ぼす影響を調べたもので
ある。実験においては、各材質の導電性薄膜の厚さがそ
れぞれ０.０５μm、０.１μm、１.０μm、１０.０μm、
１５.０μmであること以外は上記実施例１と同様にし
て、本発明電池Ｂ１〜Ｂ５を作製した。この様にして作
製した電池を用いて上記実験１と同様の充放電実験を行
ない、各電池の負荷特性を調べた。実験条件は上記実験
１と同一である。金からなる導電性薄膜を具えた本発明
電池Ｂ１〜Ｂ５の実験結果を表２に示す。尚、表２に
は、上記実験１で用いた本発明電池Ａ１の結果も併記し
た。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２から明らかな様に、導電性薄膜の厚さ
が０.１μm未満では、負荷特性の向上効果が顕著でな
く、また導電性薄膜の厚さが１５.０μm以上では、負荷
特性は高いが、１Ｃの放電容量が低下している。この結
果から、導電性薄膜の厚さは０.１〜１０.０μmの範囲
が好ましいと言える。又、金以外の材質からなる導電性
薄膜についても、表２と同じ傾向の結果が得られ、その
膜厚は０.１〜１０.０μmの範囲が好ましいことが明ら
かとなった。

【００３３】上述の如く本発明に係る非水電解液二次電
池によれば、導電性薄膜を用いた集電タブ(３)の接合構
造を採用することによって、電極集電体と集電タブの間
の電気的接触性を改善し、集電性を高めることが出来
る。これによって、電池の内部抵抗が低減し、大電流通
電時の電力損失、ジュール熱の発生が抑制されて、電池
の高出力密度化が実現される。

【００３４】尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に
限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の
変形が可能である。例えば、上記実施例は、本発明を円
筒形二次電池に実施しているが、これに限らず、扁平
形、角形等、種々の形状を有する非水電解液二次電池に
実施出来るのは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非水電解液二次電池に採用されて
いる正極及び集電タブの拡大断面図である。

【図２】本発明において、正極に集電タブを接合する工
程を示す工程図である。

【図３】円筒型二次電池の外観を表わす斜視図である。

【図４】該円筒型二次電池の要部を表わす断面図であ
る。

【図５】従来において、正極に集電タブを接合する工程
を表わす工程図である。

【符号の説明】

(１) 電池缶 (11) 筒体 (12) 蓋体 (２) 巻取り電極体 (３) 集電タブ (４) 正極 (41) 集電体 (42) 電極材料 (５) 導電性薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者能間俊之大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H022 AA09 AA18 CC20 CC22 EE01 EE05 EE06 EE07 5H029 AJ02 AK03 AL03 AL06 AL07 AL12 AM02 AM03 AM04 AM05 AM06 BJ02 CJ08 DJ05 DJ07 EJ01 EJ04 HJ00 HJ04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池缶(１)の内部に電極体(２)が収納さ
れ、電池缶(１)に取り付けた電極端子機構(９)から電極
体(２)の発生電力を取り出すことが可能であって、電極
体(２)を構成する正極及び負極の少なくとも何れか一方
の電極は、帯状の集電体(41)の表面に、電極材料(42)の
塗布されている塗工部と電極材料(42)の塗布されていな
い未塗工部とを形成して構成され、該未塗工部に集電タ
ブ(３)の基端部(32)が接続され、集電タブ(３)の先端部
(31)は電極端子機構(９)に接続されている非水電解液二
次電池において、前記集電体(41)の未塗工部と集電タブ
(３)の基端部(32)の対向面間には、集電体(41)及び集電
タブ(３)よりも展延性の高い材質の導電性薄膜(５)が介
在していることを特徴とする非水電解液二次電池。
【請求項２】導電性薄膜(５)は、集電体(41)及び集電
タブ(３)と略同等若しくはより低い電気抵抗を有する材
質から形成されている請求項１に記載の非水電解液二次
電池。
【請求項３】導電性薄膜(５)は金又は銀からなる請求
項１又は請求項２に記載の非水電解液二次電池。
【請求項４】導電性薄膜(５)は導電性樹脂層からなる
請求項１又は請求項２に記載の非水電解液二次電池。
【請求項５】導電性樹脂層は、合成樹脂中に炭素材料
からなる粉末を混入させてなる請求項４に記載の非水電
解液二次電池。
【請求項６】導電性薄膜(５)の厚さは０.１μｍ乃至
１０μｍである請求項１乃至請求項５の何れかに記載の
非水電解液二次電池。