JP2000277149A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軽くしかも安全かつ安価な非水電解質電池を提
供する。 【解決手段】正極板と隔離体と負極板とを有する発電要
素を備えた非水電解質二次電池において、平板短冊形状
の集電リードが極板の端部に取り付けられ、前記集電リ
ードが極板から電池外部に直線状に引き出されており、
電池の内圧が大気圧未満とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯用無線電話、携帯用パソコ
ン、携帯用ビデオカメラ等の電子機器が開発され、各種
電子機器が携帯可能な程度に小型化されている。それに
伴って、内蔵される電池としても、高エネルギー密度を
有し、且つ軽量なものが採用されている。そのような要
求を満たす典型的な電池は、特にリチウム金属やリチウ
ム合金等の活物質、又はリチウムイオンをホスト物質
（ここでホスト物質とは、リチウムイオンを吸蔵及び放
出できる物質をいう。）である炭素に吸蔵させたリチウ
ムインターカレーション化合物を負極材料とし、ＬｉＣ
ｌＯ４、ＬｉＰＦ６等のリチウム塩を溶解した非プロト
ン性の有機溶媒を電解液とする非水電解質二次電池であ
る。

【０００３】この非水電解質二次電池は、上記の負極材
料をその支持体である負極集電体に保持してなる負極
板、リチウムコバルト複合酸化物のようにリチウムイオ
ンと可逆的に電気化学反応をする正極活物質をその支持
体である正極集電体に保持してなる正極板、電解液を保
持するとともに負極板と正極板との間に介在して両極の
短絡を防止するセパレータからなっている。

【０００４】そして、上記正極板及び負極板は、いずれ
も薄いシートないし箔状に成形されたものを、セパレー
タを介して順に積層又は渦巻き状に巻回した発電要素と
する。そしてこの発電要素を、ステンレス、ニッケルメ
ッキを施した鉄、又はアルミニウム製等の金属からなる
電池ケースに収納され、電解液を注液後、蓋板で密封固
着して、電池が組み立てられる。

【０００５】ところが、金属製電池ケースを用いた場
合、気密性が高く、かつ機械的強度に優れてはいるもの
の、電池の軽量化や電池ケースの材料、デザインには大
きな制約となる。

【０００６】その問題を解決するものとして、発電要素
を袋状単電池ケースに収納する方法が提案されている。
特に、袋状単電池ケースの材質として、気密構造を有す
る金属ラミネート樹脂フィルムを使用することにより、
電解液の漏液や電池外部からの水分等の侵入がなく、か
つ電池の軽量化を図ることができる。

【０００７】また、発電要素の形状としては、巻回型、
特に断面が非円形あるいは長円形とすることにより、電
極表面積を大きくすることができ、製造工程も簡単とな
る。

【０００８】このような非水電解質二次電池を電子機器
に用いる場合、単電池又は複数個の直列接続したものと
して所望の電圧を得るようにする。この単数又は複数個
の電池は、充放電制御回路とともに樹脂もしくは金属と
樹脂からなる筐体に収納され、内容物を取り出せないよ
う封口して電池パックとして用いられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】金属製電池ケースを用
いた場合、発電要素と電池ケースの端子部を溶接やリベ
ットなどで固定したり、電池ケースの内面と接触させる
などすることによって、発電要素と外部回路との電気的
接続をおこなっている。しかしながら、端子部の材料と
発電要素から引き出している集電リードを溶接したり、
リベットで固定するなどした場合、これらの金属材料が
異なる場合が多く、その部位で腐食が起きて接続不良が
発生するという問題があった。また、金属材料が同じ場
合においても、接続表面の酸化皮膜などの不純物の存在
によって、その部位で腐食が起きて接続不良が発生する
という問題があった。電池ケースと発電要素の集電体の
接触集電をおこなった場合、発電要素の集電体の表面や
電池ケース内面に酸化皮膜が形成されるなどして、接続
不良が発生するという問題があった。さらに、溶接やリ
ベットでの固定といった工程は複雑かつ精密な作業を必
要とし、電池のコスト高の原因の一つとなっていた。

【００１０】また、金属ラミネート樹脂フィルムからな
る袋状単電池ケースを用いた場合、従来の金属製単電池
ケースを用いた電池と比較して、発電要素が受ける圧迫
力が小さい。このために、袋状単電池ケースを用いた電
池を振動がある環境下で使用した場合、単電池ケース内
にて発電要素が移動することで、熱溶着封口部で固定さ
れた部分と発電要素の間において集電リードが断絶する
という問題があった。また、発電要素が受ける圧迫力が
小さいために、これが発電要素内の電極間距離の不均一
を生じ、充放電特性が低下する原因の一つにもなってい
た。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明になる非水電解質
二次電池は、上記問題を鑑みてなされたものであり、正
極板と隔離体と負極板とを有する発電要素を備えた非水
電解質二次電池において、平板短冊形状の集電リードが
極板の端部に取り付けられ、前記集電リードが極板から
電池外部に直線状に引き出されており、電池の内圧が大
気圧未満であることを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明は、気密構造を有する袋状単
電池ケースに、長円形巻回型発電要素がその巻回中心軸
が袋状単電池ケースの開口面に垂直方向であるように収
納されていることを特徴とするものである。なお、垂直
方向とは、完全な垂直のみを意味するのではなく、おお
むね垂直な方向も意味する。

【００１３】さらに本発明は、袋状単電池ケースの材質
が金属ラミネート樹脂フィルムであることを特徴とする
ものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、、長円形
巻回型発電要素を備えた電池を例として、図面を参照し
て説明する。本発明になる非水電解質二次電池の外観は
図１に示したものであり、長円形巻回型発電要素がその
巻回中心軸が袋状単電池ケースの開口面に垂直となるよ
うに、袋状単電池ケースに収納されている。図１におい
て、１は袋状単電池ケース、２は発電要素、３は発電要
素の巻回中心軸、４は正極リード端子、５は負極リード
端子である。

【００１５】本発明になる非水電解質二次電池において
は、平板短冊形状の集電リードが極板の端部に取り付け
られ、前記集電リードが極板から電池外部に直線状に引
き出されており、電池の内圧が大気圧未満であることを
特徴とするものである。

【００１６】本発明に使用する発電要素の形状として
は、断面が長円形巻回型に限られるものではなく、断面
が円形巻回型や非円形巻回型、あるいは平板型極板をセ
パレータを介して積層するスタック型や、シート状極板
を折りたたんでセパレータを介して積層する型など、あ
らゆる形状の発電要素を使用することができる。

【００１７】また本発明においては、気密構造を有する
袋状単電池ケースを使用することができ、袋状単電池ケ
ースの材質としては金属ラミネート樹脂フィルムを使用
することが好ましい。

【００１８】本発明において、長円形巻回型発電要素を
袋状単電池ケースに収納する場合には、長円形巻回型発
電要素はその巻回中心軸が袋状単電池ケースの開口面に
垂直方向であることが好ましい。なお、垂直方向とは、
完全な垂直のみを意味するのではなく、おおむね垂直な
方向も意味する。

【００１９】金属ラミネート樹脂フィルムの金属の材質
としては、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン箔
などを使用することができる。

【００２０】金属ラミネート樹脂フィルムの熱溶着部の
材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエ
チレンテレフタレートなどの熱可塑性高分子材料であれ
ばどのような物質でもよい。

【００２１】また、金属ラミネート樹脂フィルムの樹脂
層や金属箔層は、それぞれ１層に限定されるものではな
く、２層以上であってもかまわない。

【００２２】また袋状単電池ケースとしては、金属ラミ
ネート樹脂フィルムを熱溶着することによって封筒状に
成形したラミネートケースや、２枚の金属ラミネート樹
脂シートの４辺を熱溶着したものや、一枚のシートを二
つ折りにして３辺を熱溶着したもの、金属ラミネート樹
脂シートをプレス成形してカップ状にしたものに発電要
素を入れるようなラミネートケースなど、あらゆる形状
の金属ラミネート樹脂フィルムケースを用いることがで
きる。

【００２３】本発明になる非水電解質二次電池のに使用
する電解液溶媒としては、エチレンカーボネート、プロ
ピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチル
カーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメ
チルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムア
ミド、ジメチルアセトアミド、１，２−ジメトキシエタ
ン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、
２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、メチル
アセテート等の極性溶媒、もしくはこれらの混合物を使
用してもよい。

【００２４】また、有機溶媒に溶解するリチウム塩とし
ては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓ
Ｆ６、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ
（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３）
２、ＬｉＮ（ＣＯＣＦ３）２およびＬｉＮ（ＣＯＣＦ２
ＣＦ３）２などの塩もしくはこれらの混合物でもよい。

【００２５】また、本発明になる非水電解質二次電池の
隔離体としては、絶縁性のポリエチレン微多孔膜に電解
液を含浸したものや、高分子固体電解質、高分子固体電
解質に電解液を含有させたゲル状電解質等も使用でき
る。また、絶縁性の微多孔膜と高分子固体電解質等を組
み合わせて使用してもよい。さらに、高分子固体電解質
として有孔性高分子固体電解質膜を使用する場合、高分
子中に含有させる電解液と、細孔中に含有させる電解液
とが異なっていてもよい。

【００２６】さらに、正極材料たるリチウムを吸蔵放出
可能な化合物としては、無機化合物としては、組成式Ｌ
ｉｘＭＯ２、またはＬｉｙＭ２Ｏ４（ただしＭ は遷移
金属、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦２ ）で表される、複合酸
化物、トンネル状の空孔を有する酸化物、層状構造の金
属カルコゲン化物を用いることができる。その具体例と
しては、ＬｉＣｏＯ２ 、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ
４ 、Ｌｉ２Ｍｎ２Ｏ４、ＭｎＯ２、ＦｅＯ２、Ｖ２Ｏ
５、Ｖ６Ｏ１３、ＴｉＯ２、ＴｉＳ２等が挙げられる。
また、有機化合物としては、例えばポリアニリン等の導
電性ポリマー等が挙げられる。さらに、無機化合物、有
機化合物を問わず、上記各種活物質を混合して用いても
よい。

【００２７】さらに、負極材料たる化合物としては、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等とリチウムとの合
金、ＬｉＦｅ２Ｏ３、ＷＯ２、ＭｏＯ２等の遷移金属酸
化物、グラファイト、カーボン等の炭素質材料、Ｌｉ５
（Ｌｉ３Ｎ）等の窒化リチウム、もしくは金属リチウム
箔、又はこれらの混合物を用いてもよい。

【００２８】

【実施例】次に、本発明を好適な実施例にもとづき説明
する。 ［実施例１］本発明になる非水電解質二次電池は、正極
板と隔離体と負極板とからなる長円形巻回型発電要素が
非水系の電解液（図示省略）とともに金属ラミネート樹
脂フィルムを熱溶着してなる金属ラミネート樹脂フィル
ムケースに収納されたものであり、その外観を図１に示
す。

【００２９】正極活物質にはリチウムコバルト複合酸化
物を用いた。正極板は集電体に上記のリチウムコバルト
複合酸化物が活物質として保持したものである。集電体
は厚さ２０μｍのアルミニウム箔である。正極板は、結
着剤であるポリフッ化ビニリデン６部と導電剤であるア
セチレンブラック３部とを活物質９１部とともに混合
し、Ｎ−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製し
た後、その集電体材料の両面に塗布、乾燥することによ
って製作した。

【００３０】負極板は、集電体の両面に、ホスト物質と
してのグラファイト（黒鉛）９２部と結着剤としてのポ
リフッ化ビニリデン８部とを混合し、Ｎ−メチルピロリ
ドンを加えてペースト状に調製したものを塗布、乾燥す
ることによって製作した。負極板の集電体は、厚さ１４
μｍの銅箔を用いた。

【００３１】隔離体はポリプロピレン微多孔膜とし、ま
た、電解液は、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ含むエチレン
カーボネート：ジエチルカーボネート＝４：６（体積
比）の混合液とした。

【００３２】極板の寸法は、正極板が厚さ１８０μｍ、
幅４９ｍｍ、セパレータが厚さ２５μｍ、幅５３ｍｍ、
負極板が厚さ１７０μｍ、幅５１ｍｍであり、正極板及
び負極板にそれぞれリード端子を溶接し、順に重ね合わ
せてポリエチレンの長方形状の巻芯を中心として、長辺
が発電要素の巻回中心軸と平行になるよう、その周囲に
長円渦状に巻回して、５２×３５×４ｍｍの大きさの発
電要素とした。

【００３３】そして、電極の絶縁部分をポリエチレンか
らなる巻き止め用テープ（ここでは接着剤が片面に塗布
されている）で電極幅（発電要素の巻回中心軸と平行な
発電要素の長さ）に相当する長さを、巻回中心軸と平行
な発電要素側壁部分に貼り付け、発電要素を巻き止め固
定した。

【００３４】これを金属ラミネート樹脂フィルムケース
に、長円形巻回型発電要素はその巻回中心軸が袋状金属
ラミネート樹脂フィルムケースの開口面に垂直となるよ
うに収納し、リード端子を固定して密封し、電解液を、
各電極と隔離体が十分湿潤し、発電要素外にフリーな電
解液が存在しない量を注液して、大気圧下で密閉封口し
た。

【００３５】図２は、図１に示した電池のＡ−Ａ′断面
を示したものである。図２において、１１は最外層の表
面保護用の１２μｍのＰＥＴフィルム、１２はバリア層
として９μｍのアルミニウム箔、１３は熱溶着層として
１００μｍの酸変性低密度ポリエチレン層である。気密
封口用の袋状単電池ケースとしての金属ラミネート樹脂
フィルムケースは１１と１２と１３とからなり、最外層
の表面保護用ＰＥＴフィルム１１とバリア層としてのア
ルミニウム箔１２はウレタン系接着剤で接着している。

【００３６】正極リード端子１４は厚み１００μｍのア
ルミニウムの金属導体、負極リード端子１５は、厚み１
００μｍのニッケルの金属導体である。これらの集電リ
ードは、超音波溶接またはかしめによって電極板の端部
に直接接続されたものである。また、集電リードは平板
短冊形状であり、極板から電池外部に直線状に引き出さ
れている。ここで、直線状とは、平板短冊形状の集電リ
ードが屈曲部および湾曲部を持たず、長手方向に一直線
の形状となっていることをさす。

【００３７】最後に、密封溶着をおこなって、公称容量
５００ｍAhのラミネート単電池を試作した。 ［実施例２］注液後、電池を密閉封口する時に、７００
ｍｍＨｇの圧力に調節したチャンバーの中で封口した以
外は、実施例１と同様のラミネート単電池を試作した。 ［実施例３］注液後、電池を密閉封口する時に、６００
ｍｍＨｇの圧力に調節したチャンバーの中で封口した以
外は、実施例１と同様のラミネート単電池を試作した。 ［実施例４］注液後、電池を密閉封口する時に、３００
ｍｍＨｇの圧力に調節したチャンバーの中で封口した以
外は、実施例１と同様のラミネート単電池を試作した。 ［実施例５］注液後、電池を密閉封口する時に、１７０
ｍｍＨｇの圧力に調節したチャンバーの中で封口した以
外は、実施例１と同様のラミネート単電池を試作した。 ［比較例］正極集電リードに、電極の集電基材と直接接
合されているアルミニウム製のリードに、ニッケル製の
リードを超音波溶着したものを用いたラミネート単電池
を試作した。本比較用電池の正極のリード部以外の構成
は、実施例１と同様とした。

【００３８】実施例１〜５、比較例の電池各５０セルず
つを用いて、次の試験をおこなった。すなわち、１Ｃｍ
Ａ（５００ｍＡ）／４．１Ｖ−３時間充電後、振幅を
０．８ｍｍとし、周波数を１０→１００→１０Ｈｚ→３
００Ｈｚ→１０Ｈｚ、掃引速度を１Ｈｚ／ｍｉｎで互い
に直角に交わるＸＹＺ方向に振動を加える振動試験をお
こなった。振動試験中の電池表面の温度と開路電圧（以
下、ＯＣＶ）を測定し、試験後の電池のＯＣＶと内部抵
抗を測定した。その結果を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】前記振動試験をおこなった結果、本発明に
なる実施例１〜５において、発火、発煙等の異常は見ら
れなかった。一方、比較例になる電池においては、発
煙、漏液がみられたものがあった。

【００４１】また、実施例１になる電池において、ＯＣ
Ｖや電池表面温度に変化が見られた電池を解体し、その
発電要素を目視にて観察したところ、以下のことがわか
った。すなわち、正極の集電リードが、折りたたまれる
ように変形または座屈しており、その一部が溶融してで
きたと思われる直径約０．５ｍｍの穴が空いていること
がわかった。これは、振動試験中において座屈した正極
リードが負極板の端部と接触したために形成されたもの
であると推察される。

【００４２】同様に、比較例１になる電池において、発
煙が見られた電池を解体し、その発電要素を観察したと
ころ、次のことがわかった。すなわち、正極の集電リー
ドにおいて、単電池ケースの外部に位置するニッケル製
リード片と正極板に接続されているアルミニウム製リー
ド片が接合されている箇所（超音波溶接部）が破断し、
ニッケル製リード片が発電要素の端面に突き刺さった状
態になっていた。この部分で、短絡して急激な温度上昇
とともに発煙を生じたものと推察される。

【００４３】次に、実施例１〜５、比較例の電池各５０
セルずつを用いて、次の試験をおこなった。すなわち、
１ＣｍＡ（５００ｍＡ）／４．２Ｖ−３時間充電後、６
０℃にて３０日間放置した。放置前後の内部抵抗、放電
容量の５０セルの平均値を表２に示す。

【００４４】

【表２】

【００４５】 ＊１） 充電：１ＣｍＡ（５００ｍＡ）／４．２Ｖ−３
時間、２５℃ 放電：１ＣｍＡで２．７５Ｖまで、２５℃ ＊２） 交流法：１ｋＨｚ ６０℃、３０日間の高温放置試験における放置前後の内
部抵抗の増加量を比較すると、比較例の場合が７６ｍΩ
増加したのに対して、本発明になる実施例１〜５の内部
抵抗は１３〜２５ｍΩの増加であった。

【００４６】本発明の実施例５になる電池と比較例にな
る電池において、放置後の電池を解体し、その発電要素
を目視にて観察したところ、下記のことがわかった。す
なわち、本発明になる実施例の正極集電リードの外観に
変化は見られなかった。一方、比較例の正極集電リード
はアルミニウムとニッケルを接合した部位が腐食してい
た。これが内部抵抗の増加量を大きくした原因の一つで
あると推察される。

【００４７】したがって、本発明実施例になる電池は、
振動下で使用された場合の電池の安全性を確保すること
が可能となり、かつ高温下で使用された場合の放電容量
の低下や内部抵抗の増加を抑制することが可能となる。

【００４８】

【発明の効果】前述のように、本発明の実施例になる電
池は、振動下で使用された場合の電池の安全性を確保す
ることが可能となり、かつ高温下で使用された場合の放
電容量の低下や内部抵抗の増加を抑制することが可能と
なる。また、従来の金属製の電池ケースを用いた非水電
解質電池と比較して、集電部の溶接やリベットでの固定
などの工程は複雑かつ精密な作業を一切必要とせず、電
池のコストを大幅に削減することが可能となる。

【００４９】さらに、電池の内圧が大気圧未満（好まし
くは６００ｍｍＨｇ以下）であるために、大気圧と電池
の内圧の差圧によって発電要素が圧迫を受けることにな
る。これによって、発電要素の電極間距離を均一に保つ
ことができ、充放電特性が良好な電池とすることが可能
となる。

【００５０】本発明によれば、電池特性の低下を招くこ
となく、安全性の高い、かつ製造工程における煩雑さを
招くことのない、袋状単電池ケースとしての金属ラミネ
ート樹脂フィルムケースに長円形巻回型発電要素が収納
された非水電解質電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】非水電解質二次電池の外観図。

【図２】本発明になる非水電解質二次電池の、発電要素
の巻回中心軸に垂直な面で切断した断面（図１のＡ−
Ａ′断面）を示す図。

【符号の説明】

１ 袋状単電池ケース ２ 発電要素 ３ 発電要素の巻回中心軸 ４ 正極リード端子 ５ 負極リード端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村井 哲也 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 (72)発明者 北野 真也 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 (72)発明者 湯本 博幸 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 (72)発明者 岡田 幹雄 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 Ｆターム(参考） 5H029 AJ11 AJ13 AJ14 AK02 AK03 AK05 AK16 AK18 AL01 AL02 AL03 AL06 AL07 AL12 AL18 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ04 CJ01 DJ02 DJ04 DJ05 DJ07 DJ11 EJ01 EJ12 HJ15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正極板と隔離体と負極板とを有する発電要
   素を備えた非水電解質二次電池において、平板短冊形状
   の集電リードが極板の端部に取り付けられ、前記集電リ
   ードが極板から電池外部に直線状に引き出されており、
   電池の内圧が大気圧未満であることを特徴とする非水電
   解質二次電池。
2. 【請求項２】気密構造を有する袋状単電池ケースに、長
   円形巻回型発電要素がその巻回中心軸が袋状単電池ケー
   スの開口面に垂直方向であるように収納されていること
   を特徴とする、請求項１記載の非水電解質二次電池。
3. 【請求項３】袋状単電池ケースの材質が金属ラミネート
   樹脂フィルムであることを特徴とする、請求項１または
   ２記載の非水電解質電池。