JP2002246008A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JP2002246008A
JP2002246008A JP2001392806A JP2001392806A JP2002246008A JP 2002246008 A JP2002246008 A JP 2002246008A JP 2001392806 A JP2001392806 A JP 2001392806A JP 2001392806 A JP2001392806 A JP 2001392806A JP 2002246008 A JP2002246008 A JP 2002246008A
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internal electrode
battery
tabs
lithium secondary
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JP2001392806A
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Masanobu Kito
賢信 鬼頭
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Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部電極体内の電流密度の高低分布を低減し
てサイクル特性を向上させ、更に生産性の向上を図るこ
とができるリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】 集電用のタブ5が取り付けられた正極板
と負極板とをセパレータを介して捲回した内部電極体1
を電池ケースに収容し、有機電解液を用いてなるリチウ
ム二次電池であって、内部電極体1の端面において、少
なくとも1群のタブ5が、中心角45゜以内の領域21
に取付位置の中心が入るように取り付けられていること
を特徴とするリチウム二次電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、サイクル特性の
低下を抑制すると同時に、生産性を高めた、特に電気自
動車等のモータ駆動用電池として好適に使用されるリチ
ウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】 近年、環境保護運動の高まりを背景と
して、自動車業界ではガソリン車等の化石燃料を使用す
る自動車に替えて、電気自動車(EV)やハイブリッド
電気自動車(HEV)の導入を促進すべく、EV実用化
の鍵を握るモータ駆動用電池の開発が鋭意行われてい
る。
【0003】 このEV、HEV用電池として、近年、
エネルギー密度の大きいリチウム二次電池が注目されて
おり、これにより、従来の鉛蓄電池やニッケル水素電池
を使用した場合に比べて、一充電当たりの走行距離を長
くすることができる。
【0004】 リチウム二次電池は、正極活物質にリチ
ウム化合物を用い、一方、負極には種々の炭素質材料を
用いて、充電時には正極活物質中のリチウムイオンが負
極活物質中へ移動し、放電時には逆に負極に捕捉されて
いたリチウムイオンが正極へ移動することで、充放電が
行われるものである。
【0005】 このようなリチウム二次電池における電
池反応の場である内部電極体の構造は、捲回型と積層型
とに大別され、捲回型の内部電極体は、図6に示すよう
に、正極板2と負極板3とをセパレータ4を介して巻芯
11の外周に捲回しつつ、正極板2と負極板3に、それ
ぞれ集電用リード線としてのタブ5を取り付けることで
作製される。そして、この円柱状の内部電極体1を電解
液と共に筒状容器に収納して密閉することで単電池が作
製される。このような捲回型の内部電極体1を用いた単
電池の構造は、大面積の電極板(正極板及び/又は負極
板)を用いつつ、コンパクトな電池を作製するのに適し
ている。また、この捲回型の内部電極体1にあっては、
正負各電極板2、3からのタブ5の数は最低1枚あれば
よく、正負各電極板2、3からの集電抵抗を小さくした
い場合でも、タブ5の数を増加させればよい。
【0006】 一方、図7に示されるように、積層型の
内部電極体7は、正極板8と負極板9とをセパレータ1
0を介しながら交互に積層して形成され、正極板8等の
1枚当たりの面積が大きくない場合であっても、複数段
に積層することによって電池全体の電極面積を大きくす
ることができる。作製される内部電極体7の形状は、正
負各電極板8、9の形状と積層数により、直方体型や円
板型あるいは円筒型と任意に設計することができるた
め、電池形状に制約がある場合の使用に適するが、正負
各電極板8、9ごとにタブ6が必要となること等から、
電池内部の構造が複雑化し、電池の組立作業性の点から
は捲回型の方が優れる。
【0007】 いずれの電池構造を採用した場合であっ
ても、リチウム二次電池は端子電圧が約4Vあるために
水溶液系電解液が使用できず、水溶液系電解液に比べて
リチウムイオン伝導度が低い有機系電解液を使用する必
要がある。そのため、電池の内部抵抗が大きくなり易い
が、EVあるいはHEV用電池においては、電池の内部
抵抗及び出力特性が主に加速性能、登坂性能等を決定す
るため、電池の内部抵抗を小さくし、出力特性の安定化
を図ることが重要となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】 EVやHEV用電池
では、充放電サイクルに伴う放電容量の減少を抑えるこ
とが重要である。ここで、上述した捲回型の内部電極体
1においては、タブ5を複数取り付けて集電抵抗を低減
する場合であっても、タブ5の取付位置を適切なものと
しなければ、内部電極体1内部において電流密度の分布
が生じ、大電流が流れやすい部分で劣化が進み易くなる
問題を生ずる。また、複数のタブ5を取り付ける場合に
は、タブ5の取付位置が電池の組立作業性にも影響を与
えるので、生産性が高まるように、タブ5の取付位置を
決定することが重要となる。
【0009】
【課題を解決するための手段】 本発明者らは、上述し
た従来技術の問題点に鑑み、捲回型の内部電極体を用い
た場合のタブの取付位置を適切なものとすることによっ
て、サイクル特性の低下を抑制すると同時に、生産性を
も高めるに至った。
【0010】 本発明によれば、集電用のタブが取り付
けられた正極板と負極板とをセパレータを介して捲回し
た内部電極体を電池ケースに収容し、有機電解液を用い
てなるリチウム二次電池であって、前記内部電極体の端
面において、少なくとも1群の前記タブが、中心角45
゜以内の領域に取付位置の中心が入るように、取り付け
られていることを特徴とするリチウム二次電池、が提供
される。
【0011】 ここで、1群のタブが内部電極体の端面
における略同一動径上に配設されていると、タブの集合
接続が容易となって生産性が向上するとともに、タブに
加わる円周方向の応力が低減されて、タブの破損が効果
的に回避される。また、正極板及び負極板にそれぞれ取
り付けられた隣接するタブ間の、内部電極体の外周方向
に沿った距離(各電極板を平面に展開した状態で、隣り
合う集電用タブ間の距離、以下、「隣接するタブ間の距
離」という)は、内部電極体の外周長さ以下で、かつ、
その外周長さの1/4以上とすることが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】 上述の通り、本発明のリチウム
二次電池は、サイクル特性の低下が抑制されると同時
に、生産性が高いという特徴を有するため、特にEV用
電池として好適に使用することができる。以下、本発明
の実施の形態について説明するが、本発明はこれらの実
施の形態に限定されるものではない。
【0013】 本発明のリチウム二次電池に用いられる
内部電極体は、負極板と正極板とを多孔性ポリマーから
なるセパレータを介して負極板と正極板とが直接に接触
しないように捲回又は積層して構成されるもので、具体
的には、先に図6又は図7に示した構造のもの、即ち、
内部電極体1、7が挙げられる。図6及び図7からわか
るように、本発明のリチウム二次電池は、正極板2、8
及び負極板3、9を構成する集電体の複数箇所から集電
する構成を有している。
【0014】 正極板としては、正極活物質に導電性を
向上させるためのカーボン粉末を混合した正極材料を集
電体となるアルミニウム箔の両面に塗布して正極活物質
層を形成したものが好適に用いられる。ここで本発明に
おいては、正極活物質としてマンガン酸リチウム(Li
Mn24)が好適に用いられ、特に、立方晶系に属し、
スピネル型の結晶構造を有するマンガン酸リチウム又は
リチウム−マンガン複合酸化物(以下、「LiMn24
スピネル」という)を用いることが好ましく、これによ
り放電深度に対する出力の安定性の保持と内部抵抗の低
減が図られる。但し、後述する実施例に記すように、L
iCoO2を用いた場合であっても、特定の負極活物質
とを組み合わせることにより、内部抵抗と出力の放電深
度依存性が、LiMn24スピネルを用いた場合よりは
大きいが従来の電池よりも小さい電池を作製することが
可能である。
【0015】 なお、本発明のリチウム二次電池に用い
られるLiMn24スピネルは、このような化学量論組
成を有するものに限定されるものではなく、結晶構造が
維持される限度において、陽イオンが欠損しあるいは過
剰に存在し、一方、酸素イオンが欠損しあるいは過剰に
存在していても構わない。更に、Mnの一部を他のイオ
ン、例えば、Li、Fe、Mn、Ni、Mg、Zn、
B、Al、Co、Cr、Si、Ti、Sn、P、V、S
b、Nb、Ta、Mo、W等の置換元素Mの中から選ば
れた1種類以上の陽イオンで一部置換したものであって
もよい。
【0016】 また本発明においては、上述したLiM
24スピネルの中でも、特に、Li/Mn比が0.5
より大きいもの、さらに好ましくは、0.55より大き
いものを用いると、化学量論組成のものを用いた場合と
比較して、内部抵抗が更に低減され、高出力電池を得る
ことができ、好ましい。Li/Mn比が0.5、さらに
好ましくは、0.55より大きいものの例としては、M
nの一部をLiで置換したLi(LiXMn2-X)O4
マンガン酸リチウムや、Mnの一部をLi以外の前記置
換元素Mで置換したLiMXMn2-X4等のリチウム−
マンガン複合酸化物を挙げることができる。なお、前者
のLi/Mn比は(1+X)/(2−X)、後者のLi
/Mn比は1/(2−X)でそれぞれ与えられるので、
X>0の場合には両者のLi/Mn比は0.5より必ず
大きくなる。
【0017】 更に、放電時にリチウムイオンが正極活
物質中の配位サイトへ均一に拡散・配位するように、正
極活物質粉末としては、粒度分布範囲の狭い粒子であっ
て、形状の整ったものが好ましい。
【0018】 ここで、物質によっては結晶化学的性
質、例えば結晶構造の異方性から均一な形状の粒子の作
製が困難である場合が多々ある。しかし、LiMn 24
スピネルは立方晶系という対称性のよい結晶構造を有す
るため、種々の合成法、粉末処理法により、均一な粒径
の粒子を得ることが比較的容易である。
【0019】 但し、どのような形状や粒径を有する電
極活物質粉末を用いた場合であっても、それらの粉末を
金属箔に塗布して固定した場合に、結果的に単位重量当
たりの電極板として機能する電極活物質粉末と電解液と
の界面の面積が小さくなったり、あるいは、電極活物質
粉末と電解液との界面の面積は大きく取れたが、導電性
が低下して電極板の内部抵抗が大きくなってしまうとい
った状況は回避しなければならない。つまり、電極活物
質粉末の特性が電極板として十分に発現できることが必
要とされる。
【0020】 なお、上述の通り、リチウムイオンの正
極活物質粉末への拡散経路が確保されているということ
は良好な放電特性が得られることを示しているが、反対
に、正極活物質からのリチウムイオンの拡散もまた良好
に行われる、即ち、充電特性にも優れていることを示し
ている。
【0021】 こうして選定された正極活物質に添加す
るカーボン粉末としては、アセチレンブラックやグラフ
ァイト粉末等を例示することができる。また、正極板を
構成するアルミニウム箔としては、電池の電気化学反応
による腐食による電池性能の低下を防止するために、高
純度の素材を使用することが好ましい。
【0022】 次に、負極板としては、負極活物質とし
てのソフトカーボンやハードカーボンといったアモルフ
ァス系炭素質材料や天然黒鉛等の炭素質粉末を銅箔の両
面に塗布して負極活物質層を形成したものを使用するこ
とができるが、本発明においては、負極活物質として、
結晶内でのリチウムイオンの拡散が容易であり、比重が
大きく、単位重量当たりに保持できる充放電に寄与する
リチウムイオンの割合が大きい黒鉛又は人造黒鉛等の高
黒鉛化炭素材料が特に好ましい。
【0023】 なお、負極板を構成する集電体として使
用される銅箔についてもまた、正極板に使用されるアル
ミニウム箔と同様に、電気化学反応による腐食に耐える
ために、高純度の材料を使用することが好ましい。
【0024】 また、セパレータとしては、マイクロポ
アを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィル
ム(PEフィルム)を、多孔性のリチウムイオン透過性
のポリプロピレンフィルム(PPフィルム)で挟んだ三
層構造としたものが好適に用いられる。これは、内部電
極体の温度が上昇した場合に、PEフィルムが約130
℃で軟化してマイクロポアが潰れ、リチウムイオンの移
動即ち電池反応を抑制する安全機構を兼ねたものであ
る。そして、このPEフィルムをより軟化温度の高いP
Pフィルムで挟持することによって、PEフィルムが軟
化した場合においても、PPフィルムが形状を保持して
正極板と負極板の接触・短絡を防止し、電池反応の確実
な抑制と安全性の確保が可能となる。
【0025】 電解液としては、電解質としてのLiP
6をエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボ
ネート(DEC)との混合溶液に溶解したもの等が好適
に使用される。また、電池構造に特に限定はなく、小型
のリチウム二次電池の構造を相似的に拡大した構造を採
用することが可能である。また、本発明者らは先に、特
願平9−202963号明細書において種々の圧力解放
機構を適所に配設した電池構造を提案しており、このよ
うな電池構造も好適に採用され得る。
【0026】 本発明のリチウム二次電池は、特に図6
に示したような捲回型の内部電極体1を用いた場合に、
タブ5の取付位置を最適化することで、内部電極体1か
らの集電抵抗を低減し、また電流密度の高低分布を低減
してサイクル特性を向上させるとともに、生産性をも高
めることが可能となる。
【0027】 図1(a)、(b)は、内部電極体1の
端面の平面図であるが、本発明においては、図1(a)
に示されるように、内部電極体1の端面において、少な
くとも1群のタブ5が、中心角45゜以内の領域21に
取付位置の中心が入るように取り付けられることが好ま
しい。また、1群のタブ5は、図1(b)に示される複
数の群(図1(b)では4群)のように、複数ほど設け
られていても構わない。理論的はこの中心角を考える
と、8群のタブを設けることが可能であるが、電池の組
立作業性を考えると、4群以下とすることが好ましい。
【0028】 ここで、図2(a)は図1(a)と対応
する内部電極体1の端面構造の別の実施形態を示す平面
図であるが、1群のタブ5が領域21内であっても、特
に内部電極体1の端面における略同一動径(X軸におけ
る一方の半径)上に配設されていると、タブ5の集合接
続が容易となって生産性が向上するとともに、タブ5に
加わるねじれ応力が低減されて、タブ5の破損が効果的
に回避される。同様に図2(b)は図1(b)に対応す
る内部電極体1の端面構造の別の実施形態を示してお
り、ほぼX軸とY軸上に位置するようにタブ5が取り付
けられている。
【0029】 さて、正極板2に取り付けられた隣接す
るタブ5間の距離は、内部電極体1の外周長さ以下で、
かつ、その外周長さの1/4以上とすることが好まし
い。この条件は負極板3についても同様である。前述し
たように、タブ5の取付位置は内部電極体1の端面にお
ける略同一動径上にあるように設定することが好まし
く、ここでタブ5の枚数が多いほど内部抵抗が小さくな
ることは明らかである。その一方で、後述する実施例に
示すように、隣接するタブ5間の距離を概略一定とする
ことでサイクル特性における劣化が小さいことを、発明
者らは実験的に確認している。そこで、隣接するタブ5
間の距離(内部電極体1の外周に沿った間隔)は、最外
周の隣接するタブ5間の距離を基準として、なるべくそ
の他の隣接するタブ5間の距離がこの基準値と等しくな
るようにして、しかも、内部電極体1の端面における略
同一動径上に揃うようにタブ5の取付位置を決定するこ
とが望ましい。
【0030】 例えば、図2(a)に示したように、1
群のタブ5のみを設ける場合には、最外周部における隣
接するタブ5間の距離を基準とする。このとき、外周部
では1巻き当たりに1枚のタブが配設されることとな
り、隣接するタブ間の距離は、概略、内部電極体の外周
長さとなる。この場合、内周部においては、正負各電極
板2、3の1巻き当たりの捲回長さが短くなるため、複
数巻き当たりに1枚のタブ5が取り付けられることとな
る。
【0031】 また、図2(b)に示したように、4群
のタブ5を設ける場合には、隣接するタブ5間の距離は
内部電極体1の外周長さの約1/4となる。このとき内
周部においては、正負各電極板2、3それぞれについ
て、1巻き当たりに4枚のタブ5を設けることは不可能
となるので、1巻き当たりについて4群の内の少なくと
も1群にタブが設けられるか、もしくは1巻き当たりに
タブ5が取り付けられない部分も生じ得る。そして外周
に向かうにつれて1巻き当たりのタブの取付数が2から
3そして4へと増えることとなる。逆に言えば、隣接す
るタブ間の距離を内部電極体1の外周長さの1/4未満
とすると、内周部では正負各電極板2、3において、1
巻当たりに4枚のタブを取り付けることができるが、最
外周においては、4群に収まらない数のタブ5を取り付
けなければならない事態を生ずる。
【0032】
【実施例】 次に、本発明のリチウム二次電池の実施例
について説明するが、本発明はこの実施例に限定される
ものではない。
【0033】(電池の作製)化学量論組成を有するLi
Mn24スピネル(Li/Mn比=0.5)を正極活物
質として、これに導電性を向上させるための炭素粉末
(アセチレンブラック)を添加、混合したものをアルミ
ニウム箔に塗布し、電極面形状が捲回方向長さ3400
mm×幅200mmの正極板を作製した。一方、負極板
は、高黒鉛化炭素材料(繊維状粉末)を銅箔に塗布する
ことで、捲回方向長さ3600mm×幅200mmのも
のを作製した。こうして作製した正極板と負極板とをポ
リプロピレン製のマイクロポーラスセパレータを用いて
絶縁しながら捲回して内部電極体を作製した。
【0034】 次に、作製した内部電極体を円筒形の電
池ケースに嵌挿し、その一端を図3に示す封止構造によ
り封止した後、LiPF6電解質をエチレンカーボネー
ト(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合
溶液に溶解した電解液を充填し、他端もまた図3に示す
封止構造で封止することにより電池を密閉した。
【0035】 図3において、正極板又は負極板のいず
れか一方の電極板(図示せず)に接続された集電用のタ
ブ32は、電池ケース39封止用の円板34に取り付け
られた金属製のリベット33に接続される。そして、円
板34には一定圧力で破裂する放圧弁35が設けられ、
金属リング36を介して外部端子37が円板34と電気
的に接続されるように、かつ、円板34と金属リング3
6及び外部端子37が電池ケースとは電気的に絶縁され
るように、エチレンプロピレンゴム38を介して電池ケ
ース39にかしめ加工される。こうして、電池ケース3
9の一端に正負極いずれか一方の外部端子が配設された
円筒型両端端子型の電池が作製される。なお、電池ケー
ス39としては、アルミニウムからなる外径50mm、
肉厚1mm、長さ245mmの円筒形のものを用い、円
板34としては、正極側はアルミニウム製のものを、負
極側は銅製のものをそれぞれ用いた。
【0036】 なお、正負各電極板からの集電は正負各
電極板に設けられた集電用タブに溶接されたタブを用い
て行った。ここで集電用タブは、上記電池構造とするた
めに、内部電極体の各端面に分かれて形成されるよう設
けられている。そして、各電極板を平面に展開した状態
で、隣接する集電用タブ間の距離は、電池の円周長より
長くならないように約100mm前後の間隔で、図2
(a)記載の構造を有するように捲回後に各集電用タブ
が内部電極体の端面上の同一動径上にくるように設定し
た。使用したタブは30枚であり、内周部においては複
数巻き当たりに1枚のタブが配設されている。こうして
作製した電池を実施例1の電池とする。なお、実施例1
の電池は、内部抵抗等測定用とサイクル特性評価用に2
個作製した。
【0037】 更に、比較例1の電池として、実施例1
と同じ材料を用い、タブの取付についてのみ、捲回後に
各集電用タブが内部電極体の端面上の同一動径上にくる
ように、かつ、1巻き当たりに1枚のタブを取り付けた
電池を作製した。従って、使用したタブは40枚と実施
例1よりも多く、隣接するタブ間の距離は実施例1のよ
うな概略等間隔ではない。
【0038】(サイクル特性の評価)実施例1及び比較
例1の電池を用いて、図4に示される充放電サイクルを
1サイクルとして、これを繰り返すことにより耐久試験
を行った。1サイクルは50%の充電状態の電池を10
C(放電レート)相当の電流250Aにて9秒間放電し
た後18秒間休止し、その後175Aで6秒間充電後、
続いて45Aで27秒間充電し、再び50%の充電状態
とするパターンに設定した。なお、充電の2回目(45
A)の電流値を微調整することにより、各サイクルにお
ける放電深度のずれを最小限に止めた。また、この耐久
試験中の電池容量の変化を知るために、適宜、0.2C
の電流強さで充電停止電圧4.1V、放電停止電圧2.
5Vとした容量測定を行い、所定のサイクル数における
電池容量を初回の電池容量で除した値により電池容量の
変化率を求めた。
【0039】(試験結果〜サイクル特性)試験結果を図
5に示す。タブを概略等間隔に取り付けた実施例1の電
池で放電容量の低下が抑制されている。これは、実施例
1では、1枚のタブが受け持つ正極板及び負極板の集電
面積がほぼ等しいために、内部電極体内での電流分布が
生じ難い一方、比較例1では、隣接するタブ間の距離の
短い内周部において大電流が流れ易くなっているために
内部電極体内で電流分布が生じた結果、内周部における
劣化が進み、サイクル特性が低下したものと考えられ
る。
【0040】
【発明の効果】 以上、本発明のリチウム二次電池によ
れば、捲回型内部電極体を用いた場合にあっては、タブ
の取付位置を適切なものとすることで、内部電極体内の
電流密度の高低分布を低減してサイクル特性を向上さ
せ、更に生産性の向上を図ることができるという優れた
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 捲回型内部電極体の端面の構造の一の実施の
形態を示す平面図である。
【図2】 捲回型内部電極体の端面の構造の一の実施の
形態を示す平面図である。
【図3】 実施例1において作製したリチウム二次電池
の端部構造を示す断面図である。
【図4】 サイクル試験における充放電パターンを示す
説明図である。
【図5】 サイクル試験結果を示すグラフである。
【図6】 捲回型内部電極体の構造を示す斜視図であ
る。
【図7】 積層型内部電極体の構造を示す斜視図であ
る。
【符号の説明】
1…内部電極体、2…正極板、3…負極板、4…セパレ
ータ、5…タブ、6…タブ、7…内部電極体、8…正極
板、9…負極板、10…セパレータ、11…巻芯、21
…領域、32…タブ、33…リベット、34…円板、3
5…放圧弁、36…金属リング、37…外部端子、38
…エチレンプロピレンゴム、39…電池ケース。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集電用のタブが取り付けられた正極板と
    負極板とをセパレータを介して捲回した内部電極体を電
    池ケースに収容し、有機電解液を用いてなるリチウム二
    次電池であって、 前記内部電極体の端面において、少なくとも1群の前記
    タブが、中心角45゜以内の領域に取付位置の中心が入
    るように取り付けられていることを特徴とするリチウム
    二次電池。
  2. 【請求項2】 前記タブが、前記内部電極体の端面にお
    ける略同一動径上に配設されていることを特徴とする請
    求項1記載のリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】 前記正極板及び前記負極板にそれぞれ取
    り付けられた隣接する前記タブ間の、前記内部電極体の
    外周方向に沿った距離が、前記内部電極体の外周長さ以
    下、かつ、前記外周長さの1/4以上であることを特徴
    とする請求項1又は2記載のリチウム二次電池。
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