JP2003217667A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
非水電解質二次電池Info
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- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電池容器に収納された扁平巻回型電極群の形状
を規定することにより、優れた放電特性を示す大容量形
非水電解質二次電池を提供する。 【解決手段】負極集電体上に負極合材層を有する帯状負
極と、正極集電体上に正極合材層を有する帯状正極と
を、セパレータを介して扁平に巻回し、負極集電体の一
方の端縁部および正極集電体の一方の端縁部がそれぞれ
逆方向にセパレータから突出した扁平巻回型電極群を備
えた非水電解質二次電池において、電池容器に挿入され
た状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長をＸ、長軸長
をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ
／Ｚであることを特徴とする。
を規定することにより、優れた放電特性を示す大容量形
非水電解質二次電池を提供する。 【解決手段】負極集電体上に負極合材層を有する帯状負
極と、正極集電体上に正極合材層を有する帯状正極と
を、セパレータを介して扁平に巻回し、負極集電体の一
方の端縁部および正極集電体の一方の端縁部がそれぞれ
逆方向にセパレータから突出した扁平巻回型電極群を備
えた非水電解質二次電池において、電池容器に挿入され
た状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長をＸ、長軸長
をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ
／Ｚであることを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、扁平巻回型電極群
を備えた非水電解質二次電池に関する。
を備えた非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】非水電解質二次電池は軽量で高容量密度
の得られる電池であるため、携帯電話、パーソナルコン
ピュータ等のポータブル機器用電池としてその需要が増
大している。さらに近年、電力貯蔵用あるいは電気自動
車用の電池として、３Ａｈ〜２００Ａｈのような大容量
形の非水電解質電池の開発が盛んに行われている。
の得られる電池であるため、携帯電話、パーソナルコン
ピュータ等のポータブル機器用電池としてその需要が増
大している。さらに近年、電力貯蔵用あるいは電気自動
車用の電池として、３Ａｈ〜２００Ａｈのような大容量
形の非水電解質電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】このような大容量形の非水電解質二次電池
は、通常、帯状負極と帯状正極とをセパレータを介して
扁平に巻回した扁平巻回型電極群を備えた構造である
が、単電池当たりの帯状電極の長さが極めて長くなり、
かつ数十アンペア以上の大電流で充放電が繰り返され
る。そのため、集電方法としては、ポータブル機器に使
用されている従来の小型電池に採用されているような、
帯状極板の最末端部にリードを溶接して電流を取り出す
ような集電方法では、集電体の抵抗による電圧低下が大
きくなるなど、十分な電池特性を得ることができなかっ
た。
は、通常、帯状負極と帯状正極とをセパレータを介して
扁平に巻回した扁平巻回型電極群を備えた構造である
が、単電池当たりの帯状電極の長さが極めて長くなり、
かつ数十アンペア以上の大電流で充放電が繰り返され
る。そのため、集電方法としては、ポータブル機器に使
用されている従来の小型電池に採用されているような、
帯状極板の最末端部にリードを溶接して電流を取り出す
ような集電方法では、集電体の抵抗による電圧低下が大
きくなるなど、十分な電池特性を得ることができなかっ
た。
【０００４】このため、大容量形の非水電解質二次電池
では、集電についてさまざまな工夫がなされてきた。従
来の大容量非水電解質二次電池の構造の一例を図１に示
す。図１において、１は電池容器、２は帯状正極板、３
は帯状負極板、４はセパレータ、５は正極集電部材、６
は負極集電部材、７は正極集電体の正極合材層未塗布
部、８は正極合材層、９は負極集電体の負極合材層未塗
布部、１０は負極合材層、１１は正極端子、１２は負極
端子、１３は電池蓋である。
では、集電についてさまざまな工夫がなされてきた。従
来の大容量非水電解質二次電池の構造の一例を図１に示
す。図１において、１は電池容器、２は帯状正極板、３
は帯状負極板、４はセパレータ、５は正極集電部材、６
は負極集電部材、７は正極集電体の正極合材層未塗布
部、８は正極合材層、９は負極集電体の負極合材層未塗
布部、１０は負極合材層、１１は正極端子、１２は負極
端子、１３は電池蓋である。
【０００５】図１の例では、負極集電体の両面に負極合
材層１０を有する帯状負極板３と、正極集電体の両面に
正極合材層８を有する帯状正極板２とを、セパレータ４
を介して扁平に巻回し、セパレータ４の下方から負極集
電体の一方の端縁部すなわち負極集電体の負極合材層未
塗布部９を突出させ、またセパレータ４の上方から正極
集電体の一方の端縁部すなわち正極集電体の正極合材層
未塗布部７を突出させた扁平巻回型電極群を備えてい
る。
材層１０を有する帯状負極板３と、正極集電体の両面に
正極合材層８を有する帯状正極板２とを、セパレータ４
を介して扁平に巻回し、セパレータ４の下方から負極集
電体の一方の端縁部すなわち負極集電体の負極合材層未
塗布部９を突出させ、またセパレータ４の上方から正極
集電体の一方の端縁部すなわち正極集電体の正極合材層
未塗布部７を突出させた扁平巻回型電極群を備えてい
る。
【０００６】そして、扁平巻回型電極群の上方の、正極
集電体の正極合材層未塗布部７に正極集電部材５を超音
波溶接して集電を行い、扁平巻回型電極群の下方の、負
極集電体の負極合材層未塗布部９に負極集電部材６を超
音波溶接して集電を行っていた。このような集電方法で
は、扁平巻回型電極群のＲ部を除く直線部分の、極板の
集電体の一方の端縁部すなわち合材層未塗布部から集電
を行うことが可能となり、集電体の抵抗による電圧低下
を小さくすることができ、極めて大きな電流での充放電
も可能となった。
集電体の正極合材層未塗布部７に正極集電部材５を超音
波溶接して集電を行い、扁平巻回型電極群の下方の、負
極集電体の負極合材層未塗布部９に負極集電部材６を超
音波溶接して集電を行っていた。このような集電方法で
は、扁平巻回型電極群のＲ部を除く直線部分の、極板の
集電体の一方の端縁部すなわち合材層未塗布部から集電
を行うことが可能となり、集電体の抵抗による電圧低下
を小さくすることができ、極めて大きな電流での充放電
も可能となった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記のような大容量形
の非水電解質二次電池を様々な用途に適用しようとした
場合、一つの形状の電池だけでは困難な場合が多い。す
なわち、電池を収納する収納箱の大きさや、設置場所の
大きさなどによって電池の形状が様々に制限されるから
である。したがって、個々の用途の要求条件に合致した
形状の電池を製作する必要があった。
の非水電解質二次電池を様々な用途に適用しようとした
場合、一つの形状の電池だけでは困難な場合が多い。す
なわち、電池を収納する収納箱の大きさや、設置場所の
大きさなどによって電池の形状が様々に制限されるから
である。したがって、個々の用途の要求条件に合致した
形状の電池を製作する必要があった。
【０００８】電池の形状が変わると、おのずと電池容器
に挿入する電極群の形状も様々に変える必要が生じる。
この場合、例えば扁平形に巻回した電極群の断面部形状
が長円形であれば、集電体を取り付けるための直線部を
十分確保することが可能となるが、断面部形状が円形に
近くなればなるほど集電のために必要な直線部分が短く
なり、集電リードを溶接するための部位が小さくなっ
て、電池内部抵抗が大きくなっていたり、大電流放電時
などには集電部位が発熱を起こしたりしていた。
に挿入する電極群の形状も様々に変える必要が生じる。
この場合、例えば扁平形に巻回した電極群の断面部形状
が長円形であれば、集電体を取り付けるための直線部を
十分確保することが可能となるが、断面部形状が円形に
近くなればなるほど集電のために必要な直線部分が短く
なり、集電リードを溶接するための部位が小さくなっ
て、電池内部抵抗が大きくなっていたり、大電流放電時
などには集電部位が発熱を起こしたりしていた。
【０００９】また、大電流で充放電を行う場合、電極群
の高さが大きすぎると、集電部位から他方の電極末端部
までの距離が長くなり、電極の電流密度分布が不均一と
なって、電池の高率放電特性に悪い影響を及ぼしてい
た。
の高さが大きすぎると、集電部位から他方の電極末端部
までの距離が長くなり、電極の電流密度分布が不均一と
なって、電池の高率放電特性に悪い影響を及ぼしてい
た。
【００１０】そこで本発明は、電池容器に収納された電
極群の形状を規定することによって、上記の課題を解決
し、優れた放電特性を提供することを目的とする。
極群の形状を規定することによって、上記の課題を解決
し、優れた放電特性を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、非水
電解質二次電池に関するもので、負極集電体上に負極合
材層を有する帯状負極と、正極集電体上に正極合材層を
有する帯状正極とを、セパレータを介して扁平に巻回
し、負極集電体の一方の端縁部および正極集電体の一方
の端縁部がそれぞれ逆方向にセパレータから突出した扁
平巻回型電極群を備えた非水電解質二次電池において、
電池容器に挿入された状態での前記扁平巻回型電極群の
短軸長をＸ、長軸長をＹ、高さをＺとした時、２．５≦
Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ／Ｚであることを特徴とする。
電解質二次電池に関するもので、負極集電体上に負極合
材層を有する帯状負極と、正極集電体上に正極合材層を
有する帯状正極とを、セパレータを介して扁平に巻回
し、負極集電体の一方の端縁部および正極集電体の一方
の端縁部がそれぞれ逆方向にセパレータから突出した扁
平巻回型電極群を備えた非水電解質二次電池において、
電池容器に挿入された状態での前記扁平巻回型電極群の
短軸長をＸ、長軸長をＹ、高さをＺとした時、２．５≦
Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ／Ｚであることを特徴とする。
【００１２】請求項１の発明によれば、高率放電特性に
優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
【００１３】請求項２の発明は、上記非水電解質二次電
池において、放電容量が３Ａｈ以上であることを特徴と
する。
池において、放電容量が３Ａｈ以上であることを特徴と
する。
【００１４】請求項２の発明によれば、高率放電特性に
優れた大容量形非水電解質二次電池を得ることができ
る。
優れた大容量形非水電解質二次電池を得ることができ
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を説
明することにより、以下にさらに本発明について説明す
る。
明することにより、以下にさらに本発明について説明す
る。
【００１６】本発明の非水電解質二次電池は、負極集電
体上に負極合材層を有する帯状負極と、正極集電体上に
正極合材層を有する帯状正極とを、セパレータを介して
扁平に巻回し、負極集電体の一方の端縁部および正極集
電体の一方の端縁部がそれぞれ逆方向にセパレータから
突出した扁平巻回型電極群を備えたもので、電池容器に
挿入された状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長を
Ｘ、長軸長をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、
０．６≦Ｙ／Ｚであることを特徴とする。
体上に負極合材層を有する帯状負極と、正極集電体上に
正極合材層を有する帯状正極とを、セパレータを介して
扁平に巻回し、負極集電体の一方の端縁部および正極集
電体の一方の端縁部がそれぞれ逆方向にセパレータから
突出した扁平巻回型電極群を備えたもので、電池容器に
挿入された状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長を
Ｘ、長軸長をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、
０．６≦Ｙ／Ｚであることを特徴とする。
【００１７】本発明の非水電解質二次電池の構造は、図
１に示した構造とほぼ同じである。すなわち、帯状負極
板と帯状正極板とをセパレータを介して扁平に巻回し、
セパレータの下方から負極集電体の一方の端縁部を突出
させ、またセパレータの上方から正極集電体の一方の端
縁部を突出させた扁平巻回型電極群を備えており、扁平
巻回型電極群の上方の、正極集電体の端縁部に正極集電
部材を溶接し、扁平巻回型電極群の下方の、負極集電体
の端縁部に負極集電部材を溶接することにより、高率で
充放電した場合の電圧低下を防ぐことができる。すなわ
ち、このような集電方法では、集電体の抵抗による電圧
低下を小さくすることができ、極めて大きな電流での充
放電も可能となる。
１に示した構造とほぼ同じである。すなわち、帯状負極
板と帯状正極板とをセパレータを介して扁平に巻回し、
セパレータの下方から負極集電体の一方の端縁部を突出
させ、またセパレータの上方から正極集電体の一方の端
縁部を突出させた扁平巻回型電極群を備えており、扁平
巻回型電極群の上方の、正極集電体の端縁部に正極集電
部材を溶接し、扁平巻回型電極群の下方の、負極集電体
の端縁部に負極集電部材を溶接することにより、高率で
充放電した場合の電圧低下を防ぐことができる。すなわ
ち、このような集電方法では、集電体の抵抗による電圧
低下を小さくすることができ、極めて大きな電流での充
放電も可能となる。
【００１８】本発明の非水電解質二次電池は、上記のよ
うな集電方法を採用することにより、優れた高率充放電
特性を示す、放電容量が３Ａｈ以上の大容量形非水電解
質二次電池とすることが可能となる。
うな集電方法を採用することにより、優れた高率充放電
特性を示す、放電容量が３Ａｈ以上の大容量形非水電解
質二次電池とすることが可能となる。
【００１９】本発明の非水電解質二次電池に用いる扁平
巻回型電極群の外観を図２に示す。図２において、２１
は扁平巻回型電極群、Ｘは電極群の短軸長、Ｙは電極群
の長軸長、Ｚは電極群の高さである。
巻回型電極群の外観を図２に示す。図２において、２１
は扁平巻回型電極群、Ｘは電極群の短軸長、Ｙは電極群
の長軸長、Ｚは電極群の高さである。
【００２０】そして、本発明の非水電解質二次電池にお
いては、電池容器に挿入された状態での前記扁平巻回型
電極群の短軸長Ｘ、長軸長Ｙ、高さＺとの間の関係が
２．５≦Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ／Ｚであることを特徴とす
る。後述の実施例で詳しく述べるように、電池容器に収
納された扁平巻回型電極群において、短軸長Ｘと長軸長
Ｙと高さＺとを種々の値とし、それらを組み合わせて電
池を作製し、その特性を比較した結果、Ｘ、Ｙ、Ｚが上
記の関係を満たす場合に優れた高率での充放電特性を示
す非水電解質二次電池が得られるものである。
いては、電池容器に挿入された状態での前記扁平巻回型
電極群の短軸長Ｘ、長軸長Ｙ、高さＺとの間の関係が
２．５≦Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ／Ｚであることを特徴とす
る。後述の実施例で詳しく述べるように、電池容器に収
納された扁平巻回型電極群において、短軸長Ｘと長軸長
Ｙと高さＺとを種々の値とし、それらを組み合わせて電
池を作製し、その特性を比較した結果、Ｘ、Ｙ、Ｚが上
記の関係を満たす場合に優れた高率での充放電特性を示
す非水電解質二次電池が得られるものである。
【００２１】扁平巻回型電極群において、２．５≦Ｙ／
Ｘとすることにより、帯状電極の、集電に利用できる合
材層未塗布部の直線部の長さを十分に長くすることがで
き、集電部の面積を大きくすることによって、集電部の
抵抗を小さくすることができ、高率での充放電における
電圧低下を防止することができる。
Ｘとすることにより、帯状電極の、集電に利用できる合
材層未塗布部の直線部の長さを十分に長くすることがで
き、集電部の面積を大きくすることによって、集電部の
抵抗を小さくすることができ、高率での充放電における
電圧低下を防止することができる。
【００２２】また、０．６≦Ｙ／Ｚとすることにより、
いいかえると長軸長Ｙに対して電極群の高さＺを小さく
することにより、集電部と電極群末端までの距離が短く
なり、その結果放電時の電極の電流密度が均一になっ
て、結果として電極群全ての容量を取り出すことが可能
となる。
いいかえると長軸長Ｙに対して電極群の高さＺを小さく
することにより、集電部と電極群末端までの距離が短く
なり、その結果放電時の電極の電流密度が均一になっ
て、結果として電極群全ての容量を取り出すことが可能
となる。
【００２３】本発明の電池は、例えばマンガン酸リチウ
ムを正極活物質とする帯状正極と、リチウムイオンを吸
蔵放出する炭素材料を負極活物質とする帯状負極と、セ
パレータと、非水電解質とを備えてなる非水電解質二次
電池である。
ムを正極活物質とする帯状正極と、リチウムイオンを吸
蔵放出する炭素材料を負極活物質とする帯状負極と、セ
パレータと、非水電解質とを備えてなる非水電解質二次
電池である。
【００２４】本発明におけるマンガン酸リチウムは、骨
格構造としてはＬｉｘＭｎＯｙで表わされるものであっ
て、具体的にはＬｉＭｎＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＭ
ｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎ２Ｏ３等であり、これらの中では特
にＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎ ２Ｏ３で表わされるものが
好ましい。これらの基本的骨格構造においてＭｎ成分の
一部を置換する場合には、アルカリ金属元素以外の少な
くとも一種の元素で置換するのが良く、例えばＣｏ、Ｎ
ｉ、Ｖ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の遷移金属元素、Ｍ
ｇ、Ｃａ等のアルカリ土類金属元素、Ａｌ、Iｎ、Ｇ
ａ、Ｂ、Ｓｉ等の元素により置換する。
格構造としてはＬｉｘＭｎＯｙで表わされるものであっ
て、具体的にはＬｉＭｎＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＭ
ｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎ２Ｏ３等であり、これらの中では特
にＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎ ２Ｏ３で表わされるものが
好ましい。これらの基本的骨格構造においてＭｎ成分の
一部を置換する場合には、アルカリ金属元素以外の少な
くとも一種の元素で置換するのが良く、例えばＣｏ、Ｎ
ｉ、Ｖ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の遷移金属元素、Ｍ
ｇ、Ｃａ等のアルカリ土類金属元素、Ａｌ、Iｎ、Ｇ
ａ、Ｂ、Ｓｉ等の元素により置換する。
【００２５】正極は、上記マンガン酸リチウムを正極活
物質として含む以外に他の活物質を混合して含んでも良
いし、遷移金属化合物等の添加剤が加えられて構成され
ても良い。なお、本発明として好ましくは、マンガン酸
リチウムを主成分とするのが良い。また、添加物として
の遷移金属化合物を添加する場合には、Ｍｎ量１に対し
て０．００５から０．０３程度を添加するのが良く、好
ましくは、Ｃｏ、Ｎｉの化合物を添加するのが良い。
物質として含む以外に他の活物質を混合して含んでも良
いし、遷移金属化合物等の添加剤が加えられて構成され
ても良い。なお、本発明として好ましくは、マンガン酸
リチウムを主成分とするのが良い。また、添加物として
の遷移金属化合物を添加する場合には、Ｍｎ量１に対し
て０．００５から０．０３程度を添加するのが良く、好
ましくは、Ｃｏ、Ｎｉの化合物を添加するのが良い。
【００２６】導電材としては、炭素化合物、例えば天然
黒鉛、人造黒鉛、チャンネルブラック、アセチレンブラ
ック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカ
ーボンブラック類、炭素繊維等を用いることができ、結
着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド樹
脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレ
ンブタジエンゴム、フッ素ゴム、等の電解液に溶解しに
くいものを用いることができる。そして、この合材をペ
ーストとする場合には、例えば塗布液の組成は、活物質
１００重量部に対して、導電剤１〜１０重量部、結着剤
２〜２０重量部、および溶剤３０〜３００重量部とす
る。
黒鉛、人造黒鉛、チャンネルブラック、アセチレンブラ
ック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカ
ーボンブラック類、炭素繊維等を用いることができ、結
着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド樹
脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレ
ンブタジエンゴム、フッ素ゴム、等の電解液に溶解しに
くいものを用いることができる。そして、この合材をペ
ーストとする場合には、例えば塗布液の組成は、活物質
１００重量部に対して、導電剤１〜１０重量部、結着剤
２〜２０重量部、および溶剤３０〜３００重量部とす
る。
【００２７】集電体としては、アルミニウム、銅、ニッ
ケル、ステンレス鋼等の金属箔や、無機酸化物、有機高
分子材料、炭素等の導電性フィルムや金属蒸着フィルム
（例えばベースフィルムとして、ポリエチレンテレフタ
レート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドが、
蒸着金属として、金、銅、アルミニウム等があげられ
る。）を用いることができる。また、このような導電性
基材の形態は、連続シート、穴あきシート、網状シート
等のいろいろな形態とすることがきるが、特に連続シー
トとすることが好ましい。なお、このような集電体に対
する活物質を含む合材層の塗布は、片面でもよいが、両
面とするのが好ましい。
ケル、ステンレス鋼等の金属箔や、無機酸化物、有機高
分子材料、炭素等の導電性フィルムや金属蒸着フィルム
（例えばベースフィルムとして、ポリエチレンテレフタ
レート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドが、
蒸着金属として、金、銅、アルミニウム等があげられ
る。）を用いることができる。また、このような導電性
基材の形態は、連続シート、穴あきシート、網状シート
等のいろいろな形態とすることがきるが、特に連続シー
トとすることが好ましい。なお、このような集電体に対
する活物質を含む合材層の塗布は、片面でもよいが、両
面とするのが好ましい。
【００２８】本発明に用いられる負極材料としては炭素
材料が好ましい。炭素材料は、結晶化度の高い黒鉛系の
ものと、結晶化度が低く結晶構造の乱れた非黒鉛化系の
ものに大別され、前者には、天然黒鉛、人造黒鉛があ
り、後者には結晶構造が乱れているものの、２０００〜
３０００℃の加熱によって黒鉛になりやすい易黒鉛化炭
素（ソフトカーボン）と、黒鉛になりにくい難黒鉛化炭
素（ハードカーボン）がある。本発明として好ましくは
結晶化度の高い黒鉛系炭素材料を使用するのが好まし
い。特に電池のエネルギー密度を考慮すると、黒鉛系炭
素材料が好ましい。
材料が好ましい。炭素材料は、結晶化度の高い黒鉛系の
ものと、結晶化度が低く結晶構造の乱れた非黒鉛化系の
ものに大別され、前者には、天然黒鉛、人造黒鉛があ
り、後者には結晶構造が乱れているものの、２０００〜
３０００℃の加熱によって黒鉛になりやすい易黒鉛化炭
素（ソフトカーボン）と、黒鉛になりにくい難黒鉛化炭
素（ハードカーボン）がある。本発明として好ましくは
結晶化度の高い黒鉛系炭素材料を使用するのが好まし
い。特に電池のエネルギー密度を考慮すると、黒鉛系炭
素材料が好ましい。
【００２９】炭素材料を負極材料とする負極合剤は、通
常、炭素材料と結着剤とからなり、結着剤としては正極
において用いられるのと同様のものが用いられる。そし
て、このような合剤をペーストとする場合には、例え
ば、炭素材料１００重量部に対して、結着剤２〜２０重
量部、および溶媒３０〜３００重量部を混合する。
常、炭素材料と結着剤とからなり、結着剤としては正極
において用いられるのと同様のものが用いられる。そし
て、このような合剤をペーストとする場合には、例え
ば、炭素材料１００重量部に対して、結着剤２〜２０重
量部、および溶媒３０〜３００重量部を混合する。
【００３０】セパレータとしては、微多孔フィルム（例
えば、材質：ポリエチレン、ポリプロピレン）セパレー
タ、有機高分子電解質（例えば、ポリエチレンオキシド
（ＰＥＯ）等のポリエーテルとアルカリ金属塩との錯体
やポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル（ＰＡ
Ｎ）等の有機高分子に電解液を含ませたゲル状のもの
等）、無機固体電解質等を用いることができ、シート状
のものの他に、正極または負極シートの表面に直接形成
されてなる形態のもの等を用いることができる。
えば、材質：ポリエチレン、ポリプロピレン）セパレー
タ、有機高分子電解質（例えば、ポリエチレンオキシド
（ＰＥＯ）等のポリエーテルとアルカリ金属塩との錯体
やポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル（ＰＡ
Ｎ）等の有機高分子に電解液を含ませたゲル状のもの
等）、無機固体電解質等を用いることができ、シート状
のものの他に、正極または負極シートの表面に直接形成
されてなる形態のもの等を用いることができる。
【００３１】非水電解質としては、例えばプロピレンカ
ーボネート、エチレンカーボネート、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、
１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等の非
プロトン性有機溶媒の少なくとも１種以上に、種々のリ
チウム塩、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰ
Ｆ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓ
Ｆ６等を溶解したものを用いることができる。
ーボネート、エチレンカーボネート、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、
１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等の非
プロトン性有機溶媒の少なくとも１種以上に、種々のリ
チウム塩、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰ
Ｆ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓ
Ｆ６等を溶解したものを用いることができる。
【００３２】本発明の電池は、以上のような構成要素を
備えてなり、例えば、正極、負極を帯状にし、これらの
電極をセパレータを介して、扁平状に巻回した渦巻状構
造を採用することによって好適に構成される。
備えてなり、例えば、正極、負極を帯状にし、これらの
電極をセパレータを介して、扁平状に巻回した渦巻状構
造を採用することによって好適に構成される。
【００３３】帯状極板は、例えば、ペースト状の電極合
材をリバースロール式、ドクターブレード方式等によ
り、銅、アルミニウム等の金属箔集電体シート上に塗布
することで製造され、電極合材を塗布したシート状電極
は、熱風乾燥や真空乾燥した後、ロールプレス機により
均一に加圧圧縮される。そして、これらの方法で製造さ
れた帯状極板は、帯状正極、セパレータ、帯状負極を順
次積層した極板群が芯材を中心にして扁平状に巻回され
て電池の容器に収納される。以下本発明を好適な実施例
に基づき詳述する。
材をリバースロール式、ドクターブレード方式等によ
り、銅、アルミニウム等の金属箔集電体シート上に塗布
することで製造され、電極合材を塗布したシート状電極
は、熱風乾燥や真空乾燥した後、ロールプレス機により
均一に加圧圧縮される。そして、これらの方法で製造さ
れた帯状極板は、帯状正極、セパレータ、帯状負極を順
次積層した極板群が芯材を中心にして扁平状に巻回され
て電池の容器に収納される。以下本発明を好適な実施例
に基づき詳述する。
【００３４】
【実施例】帯状負極と帯状正極とをセパレータを介して
扁平に巻回し、負極集電体の一方の端縁部および正極集
電体の一方の端縁部がそれぞれ逆方向にセパレータから
突出した扁平巻回型電極群を備えた、図１に示したのと
同様の構造の非水電解質二次電池を作製した。
扁平に巻回し、負極集電体の一方の端縁部および正極集
電体の一方の端縁部がそれぞれ逆方向にセパレータから
突出した扁平巻回型電極群を備えた、図１に示したのと
同様の構造の非水電解質二次電池を作製した。
【００３５】正極活物質としてＬｉＭｎ１．９５Ａｌ
０．０５Ｏ４（ＭｎをＡｌで一部置換する場合、５％〜
７％の置換が好ましい）を９１重量％と、導電剤として
アセチレンブラックを３重量％と、結着剤としてポリフ
ッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）６重量％を混合し正極合材
とした。この正極合材にＮ−メチル−２−ピロリドンを
溶剤として添加し、混合分散してスラリー状にした。正
極集電体としては厚さ２０μｍ、幅１４０ｍｍの帯状ア
ルミニウム箔を用い、この正極集電体の両面に正極合材
スラリーを均一に塗布した。この時の正極活物質合剤層
８の集電体片面における塗布重量は２．５ｇ／１００ｃ
ｍ２であった。正極を乾燥させた後、ロールプレス機を
用いて厚さを調整して帯状正極板２を作製した。この帯
状正極板２の、長辺の一方の端縁部には、集電体を取り
付けるために１０ｍｍの幅の正極合材層未塗布部７を設
けた。
０．０５Ｏ４（ＭｎをＡｌで一部置換する場合、５％〜
７％の置換が好ましい）を９１重量％と、導電剤として
アセチレンブラックを３重量％と、結着剤としてポリフ
ッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）６重量％を混合し正極合材
とした。この正極合材にＮ−メチル−２−ピロリドンを
溶剤として添加し、混合分散してスラリー状にした。正
極集電体としては厚さ２０μｍ、幅１４０ｍｍの帯状ア
ルミニウム箔を用い、この正極集電体の両面に正極合材
スラリーを均一に塗布した。この時の正極活物質合剤層
８の集電体片面における塗布重量は２．５ｇ／１００ｃ
ｍ２であった。正極を乾燥させた後、ロールプレス機を
用いて厚さを調整して帯状正極板２を作製した。この帯
状正極板２の、長辺の一方の端縁部には、集電体を取り
付けるために１０ｍｍの幅の正極合材層未塗布部７を設
けた。
【００３６】負極活物質としては、リチウムのドープ・
脱ドープが可能なグラファイト粉末を用いた。グラファ
イト粉末９０重量％と結着剤としてのＰＶｄＦ１０重量
％とを混合して負極合材とした。この負極合材にＮ−メ
チル−２−ピロリドンを溶剤として添加し、混練してス
ラリー状にした。負極集電体としては厚さ１０μｍ、幅
１４０ｍｍの帯状銅箔を用い、この負極集電体の両面に
負極合材スラリーを均一に塗布した。負極を乾燥させた
後に上記ロールプレス機を用いて厚さを調整して帯状負
極板３を作製した。この帯状負極板３の、長辺の一方の
端縁部にも、正極と同様に１０ｍｍ幅の負極合材層未塗
布部９を設けた。
脱ドープが可能なグラファイト粉末を用いた。グラファ
イト粉末９０重量％と結着剤としてのＰＶｄＦ１０重量
％とを混合して負極合材とした。この負極合材にＮ−メ
チル−２−ピロリドンを溶剤として添加し、混練してス
ラリー状にした。負極集電体としては厚さ１０μｍ、幅
１４０ｍｍの帯状銅箔を用い、この負極集電体の両面に
負極合材スラリーを均一に塗布した。負極を乾燥させた
後に上記ロールプレス機を用いて厚さを調整して帯状負
極板３を作製した。この帯状負極板３の、長辺の一方の
端縁部にも、正極と同様に１０ｍｍ幅の負極合材層未塗
布部９を設けた。
【００３７】このようにして作製した帯状正極板２と帯
状負極板３とを、ポリエチレン製の微多孔膜よりなるセ
パレータ４を介して、ポリイミド製の扁平形の巻き芯を
中心として渦巻状に巻回して扁平巻回型電極群を得た。
この時の扁平巻回型電極群の短軸長（Ｘ）は３０ｍｍ、
長軸長（Ｙ）は１５０ｍｍ、高さ（Ｚ）は１５０ｍｍで
あった。電極群のＲ部は、短軸長を直径とする半円とな
る。そのため、正極集電部材５および負極集電部材６を
取り付けるために利用できる、電極群の上方または下方
から突出している集電体の一方の端縁部に設けた、合材
層未塗布部の直線部分の長さは１２０ｍｍとなる。
状負極板３とを、ポリエチレン製の微多孔膜よりなるセ
パレータ４を介して、ポリイミド製の扁平形の巻き芯を
中心として渦巻状に巻回して扁平巻回型電極群を得た。
この時の扁平巻回型電極群の短軸長（Ｘ）は３０ｍｍ、
長軸長（Ｙ）は１５０ｍｍ、高さ（Ｚ）は１５０ｍｍで
あった。電極群のＲ部は、短軸長を直径とする半円とな
る。そのため、正極集電部材５および負極集電部材６を
取り付けるために利用できる、電極群の上方または下方
から突出している集電体の一方の端縁部に設けた、合材
層未塗布部の直線部分の長さは１２０ｍｍとなる。
【００３８】この合材層未塗布部の直線部分に、集電体
と同じ材質で、かつ電極群の直線部の長さと同じ幅をも
つ正極集電部材５および負極集電部材６をそれぞれ装着
し、帯状正極板２の正極合材層未塗布部７と正極集電部
材５および帯状負極板３の負極合材層未塗布部９と負極
集電部材６とを、超音波溶接によって溶接した。
と同じ材質で、かつ電極群の直線部の長さと同じ幅をも
つ正極集電部材５および負極集電部材６をそれぞれ装着
し、帯状正極板２の正極合材層未塗布部７と正極集電部
材５および帯状負極板３の負極合材層未塗布部９と負極
集電部材６とを、超音波溶接によって溶接した。
【００３９】この電極群を、縦３３ｍｍ、横１６７ｍ
ｍ、高さ１８０ｍｍの電池容器１に挿入した。電池蓋１
３に設けられた正極端子１１および負極端子１２に、正
極集電部材５および負極集電部材６をそれぞれ接続した
後、電池蓋１３を電池容器１に嵌め込んで、レーザー溶
接を行った。
ｍ、高さ１８０ｍｍの電池容器１に挿入した。電池蓋１
３に設けられた正極端子１１および負極端子１２に、正
極集電部材５および負極集電部材６をそれぞれ接続した
後、電池蓋１３を電池容器１に嵌め込んで、レーザー溶
接を行った。
【００４０】次に、この電池容器内に、エチレンカーボ
ネートおよびジメチルカーボネートの１：１（体積比）
の混合溶液に１ｍｏｌ／ｌの六フッ化燐酸リチウム（Ｌ
ｉＰＦ６）を溶解した電解液を減圧注入した。これを電
池Ａとした。電池Ａの容量は３５Ａｈであった。
ネートおよびジメチルカーボネートの１：１（体積比）
の混合溶液に１ｍｏｌ／ｌの六フッ化燐酸リチウム（Ｌ
ｉＰＦ６）を溶解した電解液を減圧注入した。これを電
池Ａとした。電池Ａの容量は３５Ａｈであった。
【００４１】上記の電池Ａと同じようにして、扁平巻回
型電極群の短軸長（Ｘ）を３０ｍｍで一定とし、長軸長
（Ｙ）を変化させた電池と、使用する帯状電極板の幅を
大きくすることによって電極群の高さ（Ｚ）を変化させ
た電池を、合計１２種類作製した。長軸長を変化させた
電池の集電体には、可能な限り集電面積を大きくするた
めに、それぞれの電極群の直線部と同じ幅になるだけの
集電体を使用した。なお、各電池に使用した帯状電極の
合材層未塗布部は全て１０ｍｍとした。表１に作成した
電池の内容を示す。
型電極群の短軸長（Ｘ）を３０ｍｍで一定とし、長軸長
（Ｙ）を変化させた電池と、使用する帯状電極板の幅を
大きくすることによって電極群の高さ（Ｚ）を変化させ
た電池を、合計１２種類作製した。長軸長を変化させた
電池の集電体には、可能な限り集電面積を大きくするた
めに、それぞれの電極群の直線部と同じ幅になるだけの
集電体を使用した。なお、各電池に使用した帯状電極の
合材層未塗布部は全て１０ｍｍとした。表１に作成した
電池の内容を示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】以上のようにして作製した電池の高率放電
特性を比較するために、２５℃において、充電は１時間
率（１Ｃ）の定電流で４．１Ｖまで、さらに４．１Ｖ定
電圧で、合計３時間行い、１０分間の休止を置いた後、
１時間率（１Ｃ）の定電流で２．７５Ｖまで放電した。
引き続き、上記と同様の条件で充電を行った後、３時間
率（３Ｃ）の定放電で２．７５Ｖまで放電を行った。
特性を比較するために、２５℃において、充電は１時間
率（１Ｃ）の定電流で４．１Ｖまで、さらに４．１Ｖ定
電圧で、合計３時間行い、１０分間の休止を置いた後、
１時間率（１Ｃ）の定電流で２．７５Ｖまで放電した。
引き続き、上記と同様の条件で充電を行った後、３時間
率（３Ｃ）の定放電で２．７５Ｖまで放電を行った。
【００４４】また、放電時の集電部材の温度を測定する
ことを目的として、正極集電部材および負極集電部材に
それぞれ直結した正極端子と負極端子に熱電対を取り付
けて、放電時の温度変化を測定した。図３〜図１４は、
電池Ａ〜Ｆの１時間率放電と３時間率放電の放電曲線を
示す。
ことを目的として、正極集電部材および負極集電部材に
それぞれ直結した正極端子と負極端子に熱電対を取り付
けて、放電時の温度変化を測定した。図３〜図１４は、
電池Ａ〜Ｆの１時間率放電と３時間率放電の放電曲線を
示す。
【００４５】表２には、このとき得られた３時間率（３
Ｃ）放電時の放電容量を、１時間率（１Ｃ）放電時の放
電容量で除した値、すなわち３時間率（３Ｃ）放電時の
容量保持率（％）と、放電中の正極端子部および負極端
子部の放電時の最大到達温度を示す。
Ｃ）放電時の放電容量を、１時間率（１Ｃ）放電時の放
電容量で除した値、すなわち３時間率（３Ｃ）放電時の
容量保持率（％）と、放電中の正極端子部および負極端
子部の放電時の最大到達温度を示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】表２から、扁平巻回型電極群の短軸長Ｘと
長軸長Ｙの比Ｙ／Ｘと、放電中の正極端子および負極端
子の最高到達温度との関係を検討した。電池Ａ〜電池Ｄ
−４では、最高到達温度は３４℃以下であったのに対
し、電池Ｅおよび電池Ｆでは５０℃以上であった。ま
た、放電曲線を見ると、電池Ｅ（図１３）と電池Ｆ（図
１４）では、分極が電池Ａ（図３）〜電池Ｄ−４（図１
２）と比べて著しく大きいことがわかった。
長軸長Ｙの比Ｙ／Ｘと、放電中の正極端子および負極端
子の最高到達温度との関係を検討した。電池Ａ〜電池Ｄ
−４では、最高到達温度は３４℃以下であったのに対
し、電池Ｅおよび電池Ｆでは５０℃以上であった。ま
た、放電曲線を見ると、電池Ｅ（図１３）と電池Ｆ（図
１４）では、分極が電池Ａ（図３）〜電池Ｄ−４（図１
２）と比べて著しく大きいことがわかった。
【００４８】これらの結果から推察すると、端子部の温
度上昇の大きな電池Ｅおよび電池Ｆでは、Ｙ／Ｘが０．
２以下であるため、集電に利用できる帯状電極の、合材
層未塗布部の直線部の長さが短かいために、集電部面積
が他の電池よりも小さくなって、集電部の抵抗が大きく
なったと考えられる。その根拠として、電池ＥおよびＦ
の、３時間率放電時の分極が、他の電池よりも著しく大
きかったことが上げられる。この試験結果から考える
と、十分な高率放電特性を確保するための短軸長Ｘと長
軸長Ｙの比Ｙ／Ｘは２．５以上であることがわかった。
度上昇の大きな電池Ｅおよび電池Ｆでは、Ｙ／Ｘが０．
２以下であるため、集電に利用できる帯状電極の、合材
層未塗布部の直線部の長さが短かいために、集電部面積
が他の電池よりも小さくなって、集電部の抵抗が大きく
なったと考えられる。その根拠として、電池ＥおよびＦ
の、３時間率放電時の分極が、他の電池よりも著しく大
きかったことが上げられる。この試験結果から考える
と、十分な高率放電特性を確保するための短軸長Ｘと長
軸長Ｙの比Ｙ／Ｘは２．５以上であることがわかった。
【００４９】次に、扁平巻回型電極群の長軸長Ｙと高さ
Ｚの比Ｙ／Ｚと、３時間率（３Ｃ）放電時の容量保持率
との関係を検討した。Ｙ／Ｚが０．６以上である電池
Ａ、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−３、Ｃ、Ｄ−１、Ｄ−２、Ｄ
−３では、３時間率（３Ｃ）放電時の容量保持率はほぼ
８０％であったが、Ｙ／Ｚが０．５以下の電池Ｂ−４で
は６７％、Ｄ−４では５９％となり、いずれも極端に小
さくなった。また、電池Ｅおよび電池ＦのＹ／Ｚは１．
０であるが、Ｙ／Ｘが０．２以下であるために、３時間
率（３Ｃ）放電時の容量保持率もかなり小さくなった。
Ｚの比Ｙ／Ｚと、３時間率（３Ｃ）放電時の容量保持率
との関係を検討した。Ｙ／Ｚが０．６以上である電池
Ａ、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−３、Ｃ、Ｄ−１、Ｄ−２、Ｄ
−３では、３時間率（３Ｃ）放電時の容量保持率はほぼ
８０％であったが、Ｙ／Ｚが０．５以下の電池Ｂ−４で
は６７％、Ｄ−４では５９％となり、いずれも極端に小
さくなった。また、電池Ｅおよび電池ＦのＹ／Ｚは１．
０であるが、Ｙ／Ｘが０．２以下であるために、３時間
率（３Ｃ）放電時の容量保持率もかなり小さくなった。
【００５０】これらの結果から推察すると、Ｙ／Ｚが
０．６よりも小さくなる、いいかえると長軸長Ｙに対し
て電極群の高さＺが大きくなりすぎると、集電部と電極
群末端までの距離が大きくなり、その結果放電時の電極
の電流密度が不均一になり、結果として電極群全ての容
量を取り出すことが困難になっていることが推察され
る。
０．６よりも小さくなる、いいかえると長軸長Ｙに対し
て電極群の高さＺが大きくなりすぎると、集電部と電極
群末端までの距離が大きくなり、その結果放電時の電極
の電流密度が不均一になり、結果として電極群全ての容
量を取り出すことが困難になっていることが推察され
る。
【００５１】
【発明の効果】以上の結果を総合すると、帯状負極と帯
状正極とをセパレータを介して扁平に巻回し、負極集電
体の一方の端縁部および正極集電体の一方の端縁部がそ
れぞれ逆方向にセパレータから突出した扁平巻回型電極
群を備えた非水電解質二次電池において、電池容器に挿
入された状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長をＸ、
長軸長をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、０．
６≦Ｙ／Ｚとすることによって、優れた高率放電特性を
示す電池が得られるものである。
状正極とをセパレータを介して扁平に巻回し、負極集電
体の一方の端縁部および正極集電体の一方の端縁部がそ
れぞれ逆方向にセパレータから突出した扁平巻回型電極
群を備えた非水電解質二次電池において、電池容器に挿
入された状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長をＸ、
長軸長をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、０．
６≦Ｙ／Ｚとすることによって、優れた高率放電特性を
示す電池が得られるものである。
【図１】大容量形非水電解質二次電池の構造の一例を示
す図。
す図。
【図２】扁平巻回型電極群の外観を示す図。
【図３】電池Ａの１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放電曲
線を示す図。
線を示す図。
【図４】電池Ｂ−１の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放
電曲線を示す図。
電曲線を示す図。
【図５】電池Ｂ−２の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放
電曲線を示す図。
電曲線を示す図。
【図６】電池Ｂ−３の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放
電曲線を示す図。
電曲線を示す図。
【図７】電池Ｂ−４の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放
電曲線を示す図。
電曲線を示す図。
【図８】電池Ｃの１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放電曲
線を示す図。
線を示す図。
【図９】電池Ｄ−１の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放
電曲線を示す図。
電曲線を示す図。
【図１０】電池Ｄ−２の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の
放電曲線を示す図。
放電曲線を示す図。
【図１１】電池Ｄ−３の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の
放電曲線を示す図。
放電曲線を示す図。
【図１２】電池Ｄ−４の１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の
放電曲線を示す図。
放電曲線を示す図。
【図１３】電池Ｅの１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放電
曲線を示す図。
曲線を示す図。
【図１４】電池Ｆの１Ｃ放電時および３Ｃ放電時の放電
曲線を示す図。
曲線を示す図。
１ 電池容器
２ 帯状正極板
３ 帯状負極板
４ セパレータ
５ 正極集電部材
６ 負極集電部材
７ 正極合材層未塗布部
８ 正極合材層
９ 負極合材層未塗布部
１０ 負極合材層
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ 電池蓋
２１ 扁平巻回型電極群
Ｘ 電極群の短軸長
Ｙ 電極群の長軸長
Ｚ 電極群の高さ
Claims (2)
- 【請求項１】 負極集電体上に負極合材層を有する帯状
負極と、正極集電体上に正極合材層を有する帯状正極と
を、セパレータを介して扁平に巻回し、負極集電体の一
方の端縁部および正極集電体の一方の端縁部がそれぞれ
逆方向にセパレータから突出した扁平巻回型電極群を備
えた非水電解質二次電池において、電池容器に挿入され
た状態での前記扁平巻回型電極群の短軸長をＸ、長軸長
をＹ、高さをＺとした時、２．５≦Ｙ／Ｘ、０．６≦Ｙ
／Ｚであることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項２】 放電容量が３Ａｈ以上であることを特徴
とする請求項１記載の非水電解質二次電池。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002007592A JP2003217667A (ja) | 2002-01-16 | 2002-01-16 | 非水電解質二次電池 |
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