JP2004146238A

JP2004146238A - 電池用セパレータ及び電池

Info

Publication number: JP2004146238A
Application number: JP2002310831A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kimura; 木村　健治; Tatsuya Hashimoto; 橋本　達也
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】短時間の注液工程にて生産性良く極板群に電解液を含浸させることができる電池用セパレータを提供する。
【解決手段】正極板と負極板をセパレータ４を介して巻回した極板群１を電解液とともに外装ケースに収容して成る電池におけるセパレータ４であって、少なくとも一端がセパレータの一側端縁に臨むとともに連続する線状凹溝１５を相互間にほぼ所定の間隔をあけてセパレータ４の全面にわたって形成した。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池用セパレータ、特に電解液の含浸性の高い電池用セパレータ及びそれを用いた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、軽量化が急速に進んでおり、その電源としての電池に対しても小型・軽量化と高容量化の要望が高まっており、その要望を満たし得るものとしてリチウム二次電池が提供されている。
【０００３】
従来のこの種の電池の構造について、図７を参照して説明する。１は極板群で、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して渦巻き状に巻回して構成されている。５、６は極板群１の両端面に接合された正極集電板及び負極集電板であり、負極集電板６には負極タブ６ａが溶接されている。
【０００４】
この極板群１が外装ケース７に収容され、その正極集電板５が外装ケース７の内底面に抵抗溶接されて外装ケース７が電池の正極端子となる。また、外装ケース７内に電解液が真空注入されて極板群１に含浸される。
【０００５】
８は封口部材で、中央に開口を有する受皿状の封口板９上にＯリング１０を介して防爆弁体１１を配置し、その上に中央に開口を有するスペーサ１２を介してガス排出口を形成したキャップ１３を被せ、封口板９の外周部をかしめて一体化して構成されている。防爆弁体１１は薄膜状のアルミ箔からなり、電池内圧が所定圧以上に上昇したときに破断して電池内部のガスを外部に排出するように構成されている。
【０００６】
この封口部材８に負極タブ６ａが溶接されてそのキャップ１３が電池の負極端子となる。この封口部材８の外周にガスケット１４を嵌合させた状態で外装ケース７の開口部に挿入し、ガスケット１４を介装した状態で外装ケース７の開口部をかしめることにより外装ケース７が封口されている。ガスケット１４は、正極端子の外装ケース７と負極端子の封口部材８を絶縁する機能を奏している。
【０００７】
また、正極板と負極板の間に介在されるセパレータにおいて、少なくともデントライトを生成する負極面に対向する片面に、凸部と凹部を多数有する凹凸面とすることで、電解液保持能力を向上してリチウムイオンの拡散性を向上して充放電特性を向上するとともに、凹部でデントライトを収容する余地を形成し、内部短絡を著しく減少するようにした電池が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
実開平５−５３１２６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記図７に示した構成で、極板及びセパレータの幅寸法が例えば８０〜１２０ｍｍ程度の比較的大容量の電池の場合に、極板群を収容した外装ケースを真空チャンバー内に配置し、その外装ケース内に電解液を注液して極板群に電解液を含浸させる真空注液工程において、注液後、例えば１５分経過した後の極板群に対する電解液の浸透状態を調べたところ、極板群の両端から例えば３０ｍｍ程度の領域には電解液が浸透していても中央部に未浸透領域が存在し、極板群のセパレータの全面に電解液を完全に含浸させることができず、完全に含浸させようとすると、注液工程に長時間を要し、生産性を悪化させるという問題がある。
【００１０】
なお、上記特許文献１に開示されているように、表面にデントライトの収容余地を形成するための多数の微小な凹凸を全面に分散形成したセパレータを用いることも考えられるが、このセパレータを極板間に介装して巻回したり、極板群の両面から加圧拘束すると、巻回圧力や加圧力によって凸部と凹部が同一平面になり、上記問題を解消することはできないという問題がある。また、凸部と凹部が残るように比較的大きな凹凸を形成すると、結果的にセパレータの厚さ寸法が大きくしたのと同様に作用し、極板間の抵抗が大きくなって出力特性が悪化し、また容積当たりの電池出力が低下して容積効率が低下し、また微小な凹凸を全面に分散形成するためセパレータの生産性が悪化するという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、短時間の注液工程にて生産性良く極板群に電解液を含浸させることができる電池用セパレータ及びそれを用いた電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池用セパレータは、正極板と負極板をセパレータを介して巻回した極板群を電解液とともに外装ケースに収容して成る電池におけるセパレータであって、少なくとも一端がセパレータの一側端縁に臨むとともに連続する線状凹溝を相互間に間隔をあけてセパレータの全面にわたって形成したものである。
【００１３】
以上の構成によれば、真空注液工程において電解液がセパレータの側端縁に臨んでいる線状凹溝の端からその全体に速やかに流れ込み、この線状凹溝から周囲に電解液が含浸されるため、線状凹溝が相互間に間隔をあけてセパレータの全面にわたって形成されていることで、セパレータの全面に短時間で電解液を含浸させることができる。なお、上記線状凹溝はすべてセパレータの片面に設けても、両面に適宜に分けて形成してもよい。また、線状凹溝の相互間の間隔は、所定の最大間隔以下で、後述の如くほぼ一定の間隔とするのが好ましいが、必要に応じて間隔を変えても良い。ただし、多くの間隔が小さくなり過ぎると、線状凹溝のためにセパレータの多孔性が圧壊されてイオンの流通が不可能となる部分の面積が大きくなり、電池特性を悪化させるため好ましくない。
【００１４】
また、線状凹溝は相互間にほぼ所定の間隔をあけて形成するのが、セパレータの生産能率から好ましい。ここで、「ほぼ所定の間隔」とは、必ずしも全ての線状凹溝が一定の間隔に形成されなければならないものではなく、巻回部位等に応じて間隔を、例えば±１０％程度の範囲で変えてもよいことを意味している。
【００１５】
また、線状凹溝間の所定の間隔を、セパレータの電解液浸透速度をｘ、注液工程の許容時間（所要時間）をｙとして、２ｘｙ以下に設定すると、許容時間内の注液工程にてセパレータの全体に確実に電解液を含浸させることができて好適である。また、間隔を２ｘｙに近づけることで線状凹溝の数を少なくでき、電池の出力特性に対する線状凹溝の影響を低減できる。
【００１６】
また、線状凹溝の幅寸法を、０．５〜１．５ｍｍ、好適には０．５〜１．０ｍｍ、最適には０．８〜１．０ｍｍとすると、幅寸法が０．５ｍｍ以上であることで線状凹溝への電解液の流れ込みが円滑に行われ、また幅寸法の上限を上記のように限定することで、たとえ線状凹溝の部分でセパレータの多孔性が圧壊されてイオンの流通が不可能になっていても線状凹溝の両側からのイオンの流通によって発電作用に大きな影響を与えずに済み、電池の出力特性に余り影響を与えることなく、電解液の含浸性を向上できる。
【００１７】
また、セパレータは多孔質合成樹脂フィルムから成り、線状凹溝は超音波振動を負荷しつつ加圧して形成したものであると、以上のような作用を奏するセパレータを生産性良く生産することができる。
【００１８】
なお、上記線状凹溝に代えて、細幅のセパレータを貼付けても良く、また表面から突出する突条を屈曲成形しても、同様の作用効果を奏することができる。
【００１９】
また、本発明の電池は、正極板と負極板をセパレータを介して巻回した極板群を電解液とともに外装ケースに収容して成る電池であって、セパレータの少なくとも片面の全面に、少なくとも一端がセパレータの一側端縁に臨むとともに連続する線状凹溝が相互間にほぼ所定の間隔をあけて形成されているものであり、上記作用効果を奏することができる。
【００２０】
また、線状凹溝に代えて、細幅のセパレータを貼付けたり、表面から突出する突条を屈曲成形したものでも、同様の作用効果を奏することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電池用セパレータ及び電池の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。なお、電池の構成については、図７を参照して説明した従来例と同一であるためその説明を援用して説明を省略し、主として本発明の要部である極板群のセパレータについて説明する。
【００２２】
図１において、１は、帯状の正極板２と負極板３をそれらの間にセパレータ４を介して重ねた状態で巻回して構成された極板群であり、最外周を包囲しているセパレータ４を展開して図示している。
【００２３】
正極板２はＬｉＣｏＯ_２などの正極活物質を含む正極合剤をアルミニウム箔等の集電芯材に塗着して構成され、負極板３はリチウムイオンを吸脱する炭素材料などの負極活物質を含む負極合剤を銅箔などの集電芯材に塗着して構成され、セパレータ４は微孔型ポリエチレンフィルムなどの多孔質合成樹脂フィルムにて構成されている。
【００２４】
セパレータ４には、片面の全面に、両端がセパレータ４の両側端縁に臨むとともにその両端間で連続した線状凹溝１５が、相互間にほぼ所定の間隔Ｐをあけて形成されている。セパレータ４の厚さ寸法は、２０〜１００μｍ程度であり、このセパレータ４に、図１（ｃ）に示すように、幅寸法ｗが、０．５〜１．５ｍｍ、好適には０．５〜１．０ｍｍ、最適には０．８〜１．０ｍｍの線状凹溝１５が形成されている。
【００２５】
この線状凹溝１５の形成方法としては、図２に示すように、支持テーブル２１上にセパレータ４を上記間隔Ｐで間欠走行させるとともに、その走行停止時に線状凹溝１５に対応する幅と長さの超音波ホーン２２の先端にてセパレータ４を加圧し、高周波電源２４にて駆動される超音波振動子２３にて超音波ホーン２２に超音波振動を負荷して形成するのが好適である。すると、図１（ｃ）に示すように、セパレータ４の超音波ホーン２２の先端の当接した部分が、超音波加熱されるとともに加圧されて溶融圧縮され、線状凹溝１５が形成される。
【００２６】
また、線状凹溝１５、１５間の所定の間隔Ｐは、次のように設定するのが好適である。すなわち、図３に示すように、セパレータ４の短冊片の先端部を電解液槽２５に浸漬し、セパレータ４に対する電解液の浸透速度ｘ（ｍｍ／ｓｅｃ）を求めておく。そして、注液工程で許容される時間ｙ（ｓｅｃ）として、間隔Ｐを、Ｐ＝２ｘｙ（ｍｍ）以下に設定する。例えば、セパレータとして微孔型ポリエエチレンフィルム処理温度を２０℃、電解液としてプロピレンカーボネート（ＰＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とを１：１の体積比で混合した溶媒に１ｍｏｌ／ｌの六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を溶解したもの、注液許容時間を１５分とすると、その間の電解液の浸透距離（ｘｙ）は３０ｍｍとなり、その場合間隔Ｐは６０ｍｍ、又はそれ以下で近い間隔に設定するのが好適である。
【００２７】
以上の構成のセパレータ４を用いた電池によれば、外装ケース７内に極板群１を収容した真空チャンバー内に配置した状態で、外装ケース７に電解液を注入する真空注液工程において、セパレータ４の側端縁に臨んでいる線状凹溝１５の端からその全体に電解液が速やかに流れ込み、この線状凹溝１５から周囲のセパレータ４に電解液が含浸され、かつその線状凹溝１５が相互間に所定間隔Ｐ＝２ｘｙ以下の間隔をあけてセパレータ４の全面に形成されているために、注液工程で許容される時間ｙ内に、セパレータ４の全面に確実に電解液を含浸させることができる。
【００２８】
また、線状凹溝１５の幅寸法を、０．５〜１．５ｍｍ、好適には０．５〜１．０ｍｍ、最適には０．８〜１．０ｍｍとしており、幅寸法が０．５ｍｍ以上であるため、上記線状凹溝１５への電解液の流れ込みが円滑に行われる。０．５ｍｍ以下では、電解液が線状凹溝１５の全体に円滑に流れ込み難くなる。また、幅寸法の上限を上記のように限定しているので、たとえ線状凹溝１５の部分でセパレータ４の多孔性が圧壊されてイオンの流通が不可能になっていても、線状凹溝１５の両側からのイオンの流通によって発電作用に大きな影響を与えずに済み、電池の出力特性に余り影響を与えることなく、電解液の含浸性を向上できる。特に、線状凹溝１５の間隔Ｐを２ｘｙに近づけることで線状凹溝１５の数を少なくでき、電池の出力特性に対する線状凹溝１５の影響を低減できる。
【００２９】
また、セパレータ４に対する線状凹溝１５の形成に際して、超音波振動を負荷しつつ加圧して形成しているので、以上のような作用を奏するセパレータ４を生産性良く生産することができる。
【００３０】
以上の説明では、線状凹溝１５をセパレータ４を両側端間にわたって幅方向に略垂直に横断するように形成し、線状凹溝１５の両端をセパレータ４の両側端縁に臨ませた例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば図４（ａ）に示すように、線状凹溝１５の一端だけを一側端に臨ませ、他端はセパレータ４の他側縁からｓ（ｓ≦ｘｙ）の距離の位置となるように形成してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）のような線状凹溝１５をセパレータ４の両側端縁から交互に配設してもよい。また、図４（ｃ）に示すように、線状凹溝１５をセパレータ４の側端縁に対して傾斜させて形成しても良く、さらに図４（ｄ）に示すように、交差させて形成しても良い。また、セパレータ４の片面にのみ線状凹溝１５を形成するのではなく、表裏面に１本づつ又は複数本づつ交互に形成しても良い。
【００３１】
次に、本発明の電池用セパレータの他の実施形態について、図５を参照して説明する。上記実施形態では、セパレータ４に所定間隔おきに線状凹溝１５を形成した例を示したが、本実施形態では線状凹溝１５に代えて、幅Ｗが１〜３ｍｍ程度の細幅のセパレータ１６をセパレータ４上に配置し、極板群１の巻回時に挟み込んでいる。勿論、細幅のセパレータ１６をセパレータ４に貼付けても良い。
【００３２】
本実施形態においても、細幅のセパレータ１６の両側に線状凹溝１５と同様の機能を奏する凹溝１７が形成されるので、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００３３】
次に、本発明の電池用セパレータのさらに別の実施形態について、図６を参照して説明する。上記実施形態では、セパレータ４に所定間隔おきに細幅のセパレータ１６を配置した例を示したが、本実施形態では表面から突出する突条１８をセパレータ４を屈曲成形することによって形成している。このような突条１８の形成方法としては、ドラムの外周面に周方向に所定間隔おきに突条１８に対応する凹溝を形成するとともにその凹溝部分に真空吸引手段を配設し、このドラムにセパレータ４を巻回させて間欠走行させることで、セパレータ４を凹溝に吸引して突条１８を屈曲成形し、その状態で屈曲部にレーザビーム１９などを照射して溶着部２０を形成させる方法などを適用することができる。
【００３４】
本実施形態においても突条１８の両側に凹溝１７が形成されるので、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお本実施形態において電解質の溶媒としてＰＣとＤＭＣの混合溶液を用いたが、他の非水溶媒、例えばエチレンカーボネート等の環状エーテル、ジメトキシエタン等の鎖状エーテル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル等の非水溶媒や、これらの多元系混合溶媒を用いても良く、溶質としてＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４等のリチウム塩およびこれらの混合物を用いても良い。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の電池用セパレータ及びそれを用いた電池によれば、少なくとも一端がセパレータの一側端縁に臨むとともに連続する線状凹溝を相互間に間隔をあけてセパレータの全面にわたって形成したので、真空注液工程において電解液がセパレータの側端縁に臨んでいる線状凹溝の端からその全体に速やかに流れ込み、この線状凹溝から周囲に電解液が含浸されるため、セパレータの全面に短時間で電解液を含浸させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における極板群とそのセパレータを示し、（ａ）は最外周のセパレータを展開した状態の正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部拡大断面図である。
【図２】同実施形態における線状凹溝の形成工程を示す正面図である。
【図３】同実施形態におけるセパレータの浸透速度の説明図である。
【図４】同実施形態における線状凹溝の配設状態の各種変形例を示す正面図である。
【図５】本発明の他の実施形態におけるセパレータの要部拡大断面図である。
【図６】本発明のさらに別の実施形態におけるセパレータの要部拡大断面図である。
【図７】従来例の電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１　極板群
２　正極板
３　負極板
４　セパレータ
７　外装ケース
１５　線状凹溝
１６　細幅のセパレータ
１８　突条
２２　超音波ホーン

Claims

正極板と負極板をセパレータを介して巻回した極板群を電解液とともに外装ケースに収容して成る電池におけるセパレータであって、少なくとも一端がセパレータの一側端縁に臨むとともに連続する線状凹溝を相互間に間隔をあけてセパレータの全面にわたって形成した電池用セパレータ。
線状凹溝を相互間にほぼ所定の間隔をあけて形成した請求項１記載の電池用セパレータ。
線状凹溝間の所定の間隔を、セパレータの電解液浸透速度をｘ、注液工程の許容時間をｙとして、２ｘｙ以下に設定した請求項１又は２記載の電池用セパレータ。
線状凹溝の幅寸法を、０．５〜１．５ｍｍ、好適には０．５〜１．０ｍｍ、最適には０．８〜１．０ｍｍとした請求項１〜３の何れかに記載の電池用セパレータ。
セパレータは多孔質合成樹脂フィルムから成り、線状凹溝は超音波振動を負荷しつつ加圧して形成した請求項１〜４の何れかに記載の電池用セパレータ。
請求項１〜４の何れかに記載の電池用セパレータにおける線状凹溝に代えて、細幅のセパレータを配置した電池用セパレータ。
請求項１〜４の何れかに記載の電池用セパレータにおける線状凹溝に代えて、表面から突出する突条を屈曲成形した電池用セパレータ。
正極板と負極板をセパレータを介して巻回した極板群を電解液とともに外装ケースに収容して成る電池であって、セパレータの全面にわたって、少なくとも一端がセパレータの一側端縁に臨むとともに連続する線状凹溝が相互間に間隔をあけて形成されている電池。
請求項８に記載の線状凹溝に代えて、細幅のセパレータを配置した電池。
請求項８に記載の線状凹溝に代えて、表面から突出する突条を屈曲成形した電池。