JP2004241251A

JP2004241251A - 電池用インシュレータ及び非水電解液電池

Info

Publication number: JP2004241251A
Application number: JP2003028895A
Authority: JP
Inventors: Yukiko Haraguchi; 由紀子原口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】内部短絡を防止する。
【解決手段】外装缶５のビード部１７と電池素子２の巻回端面との間に濾過機能を有するインシュレータ３を配置させることで、非水電解液４と一緒に電池素子３の内部に入り込もうとするビード加工により生じた導電金属微粉をインシュレータ３が濾過して捕集させることから、電池素子３の内部に導電金属微粉が侵入することで起こる内部短絡を防止できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された電池素子と非水電解液と外装缶とを備え、電池素子が巻回端面で短絡することを防止する電池用インシュレータ及びこの電池用インシュレータを用いた非水電解液電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、例えばノート型パーソナルコンピュータ、携帯型電話機、カメラ一体型ＶＴＲ（ｖｉｄｅｏｔａｐｅｒｅｃｏｒｄｅｒ）、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等の電子機器の電源として、軽量で高エネルギー密度な二次電池の開発が進められている。この高いエネルギー密度を有する二次電池としては、例えば鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等といった水系電解液電池よりも大きなエネルギー密度を有する図６に示すリチウムイオン二次電池１００がある。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池２００は、発電要素となる電池素子２０１と、正極と負極との間でリチウムイオンを移動させる際の媒体となる非水電解液２０２とが、導電性金属等で形成された略円筒状の有底容器からなる外装缶２０３に収納され、外装缶２０３の開口部が封口蓋体２０４で封止されて内部が高い気密性で密閉されたものである。
【０００４】
電池素子２０１は、帯状の正極２０５と帯状の負極２０６とがセパレータ２０７を介して電極の長手方向に巻回されたものであり、巻回軸方向に挿入されるように外装缶２０３に収納される。電池素子２０１には、外装缶２０３の底面と相対する巻回端面とは反対側の巻回端面にインシュレータ２０８が配置されている。
【０００５】
このインシュレータ２０８は、例えば略円盤状の絶縁性樹脂等からなり、外装缶２０３の開口部が封口蓋体２０４で封止された際に、電池素子２０１の巻回端面を押圧する封口蓋体２０４を介して正極２０５と負極２０６とが電気的に導通して起こる内部短絡を防止するものである。また、インシュレータ２０８は、外装缶２０３の開口部を封口蓋体２０４で封止する前の状態において、外装缶２０３に収納された電池素子２０１を外部に飛び出さないように抑えるものでもある。インシュレータ２０８には、非水電解液２０２が注液された際に、非水電解液２０２が電池素子２０１に適切に染み渡るように、一方主面から他方主面に貫通する孔部２０８ａ、２０８ｂが複数設けられている。また、孔部２０８ａ、２０８ｂの形状を工夫することで非水電解液２０２の注液にかかる時間を短縮すること等が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００６】
外装缶２０３は、電池素子２０１における負極２０６と負極リード端子２０９で接続されて負極外部端子となる。このため、外装缶２０３は、例えば鉄、ニッケル、ステンレス等の導電性金属等により形成されている。特に、外装缶２０３には、廉価で絞り加工等の機械加工等がし易い鉄の表面に、防錆や、溶接等による接続信頼性を高めるためのニッケルめっきを施したものを用いる。
【０００７】
外装缶２０３には、その開口部付近に内周側面を一周するように内側にくびれるビード部２１０が設けられている。このビード部２１０は、封口蓋体２０４が外装缶２０３の開口部にガスケット２１１を介して圧入されて閉蓋する際に、封口蓋体２０４の台座となって封口蓋体２０４が外装缶２０３の開口部に配置される位置を決定する。また、ビード部２１０は、その内径がインシュレータ２０８の外径よりも小さくされることで、電池素子２０１の巻回端面に配置されたインシュレータ２０８及び、インシュレータ２０８に抑えられた電池素子２０１が外部に飛び出すことを防止させるように機能する。
【０００８】
封口蓋体２０４は、電池内圧が所定の圧力以上になるとリチウムイオン二次電池２００に流れる電流を遮断する電流遮断機構部２１２や、過電流及び過剰熱等からリチウムイオン二次電池２００を保護するＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子２１３や、リチウムイオン二次電池２００の外部正極端子となる端子板２１４等が互いに電気的に導通された状態でガスケット２１１に収納され、外装缶２０３の開口部に圧入される。そして、封口蓋体２０４は、電池素子２０１における正極２０５の正極リード端子２１５が電流遮断機構部２１２の接続板２１２ａに接続されて正極端子となる。
【０００９】
そして、リチウムイオン二次電池２００は、電池素子２０１が収納され、開口部に封口蓋体２０４がガスケット２１１を介して圧入された状態で、ビード部２１０より上方の縁部付近を内側に曲げ加工、いわゆるかしめ加工することにより封口蓋体２０４が外装缶２０３の開口部で固定されて電池素子２０１が密閉封入された構造となる。このとき、リチウムイオン二次電池２００では、外装缶２０３にかしめ加工が施された際に、かしめ加工が施された外装缶２０３の縁部全周からガスケット２１１がはみ出るようにされており、負極外部端子となる外装缶２０３と、正極外部端子となる封口蓋体２０４とが接触しないようにされている。
【００１０】
以上のような構成のリチウムイオン二次電池２００は、次のようにして製造する。先ず、正極活物質と、導電材と、結着剤とを均一に分散させた正極合剤塗液を正極集電体の両主面に均一に塗布し、乾燥した後に、圧縮することで正極合剤層を形成し、帯状に裁断して所定の位置に正極リード端子２１５を取り付けることで帯状の正極２０５を作製する。次に、負極活物質と、結着剤とを含有する負極合剤塗液を負極集電体の両主面に均一に塗布し、乾燥した後に、圧縮することで負極合剤層を形成して所定の位置に負極リード端子２０９を取り付けることで帯状の負極２０６を作製する。
【００１１】
次に、正極２０５と負極２０６とを、帯状のセパレータ２０７を介して積層し、多数回巻回することにより電池素子２０１を作製する。次に、電池素子２０１を外装缶２０３に収納し、負極リード端子２０９が外装缶２０３の底面に溶接された後に、電池素子２０１の巻回中心に位置する空間部２０１ａにセンターピン２１６が挿入される。
【００１２】
次に、電池素子２０１の外装缶２０３の開口部側の巻回端面に、中心部の孔部２０８ａに正極リード端子２１５を通した状態でインシュレータ２０８を配置する。そして、電池素子２０１及びインシュレータ２０８が収納された外装缶２０３には、開口部付近に内径全周に亘って内側に括れるビード部２１０が、後述するビード加工により設けられる。
【００１３】
次に、電池素子２０１及びインシュレータ２０８が収納され、且つビード部２１０が設けられた外装缶５には、非水電解液２０２が注液される。次に、注液が終了した電池素子２０１から導出される正極リード端子２１５を、ガスケット２１１に収納された封口蓋体２０４の接続板２１２ａに溶接する。
【００１４】
次に、外装缶２０３は、封口蓋体２０４がガスケット２１１を介して開口部に圧入されることで閉蓋され、ビード部２１０より上方の縁部付近を内側に曲げる加工、いわゆるかしめ加工することにより開口部で封口蓋体２０４が固定されて電池素子２０１を密閉封入させることになる。このようにして、リチウムイオン二次電池２００が製造される。
【００１５】
【特許文献１】
特開平９−２８３１１２号公報（第２−３頁）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような構成のリチウムイオン二次電池２００おいて、外装缶２０３にビード部２１０を形成する際は、図７に示すように、外装缶２０３の開口部からビード部２１０を加工したい位置までの深さの内周面に沿うように外装缶２０３に挿入される内周刃２１７及び外装缶２０３の縁部が当接される当接面２１８とを有するビード加工型２１９が外装缶２０３に係合される。そして、外装缶２０３には、図８に示すように、ビード加工型２１９が係合され、中心軸を中心に図７及び図８中矢印Ａで示す軸回り方向に回転している状態で、ビード部２１０を形成したい位置に外周側から略円盤状のビード加工刃２２０を押圧させながらビード加工型２１９を図８中矢印Ｂで示す外装缶２０３が軸方向に短くなる方向に押圧することで、外装缶２０３の開口部付近が内周刃２１７及びビード加工刃２２０に沿うように曲げられてビード部２１０が形成される。なお、ビード加工に用いられるビード加工刃２２０は、中心軸を中心に軸回りに回転可能にされており、中心軸を中心に回転している外装缶２０３に押圧されると外装缶２０３の回転に追従して中心軸を中心に回転するようになっている。
【００１７】
このようなビード加工法では、ビード加工刃２２０が外装缶２０３の回転に追従して回転しながら外装缶２０３に押圧されることから、ビード加工が施される際の外装缶２０３とビード加工刃２２０との間に生じる摩擦等を抑えることができ、例えばビード部２１０の外周側でニッケルめっき等が剥がれることを抑制できる。
【００１８】
しかしながら、外装缶２０３においては、ビード加工が施される際に、外装缶２０３の内周面がビード加工型２１９の内周刃２１７に当接されて扱かれることになり、ビード部２１０の内周側のニッケルめっき等が剥がれて粒径が数十ミクロン程度の大きさの導電金属微粉となってインシュレータ２０８上等に飛散してしまう。
【００１９】
そして、この導電金属微粉は、非水電解液２０２を注液した際に、非水電解液２０２と一緒にインシュレータ２０８の中心部に位置する孔部２０８ａの周囲に設けられた孔部２０８ｂ等を通って電池素子２０１の巻回端面から電池素子２０１の内部にまで入り込み、正極２０５と負極２０６とを導通させて内部短絡の原因となる虞がある。
ここで、リチウムイオン二次電池を製造する際のビード加工により、電池１個当たりでインシュレータ上に飛散した導電金属微粉の数と大きさとを測定した結果を図９に示す。なお、図９では、横軸に導電金属微粉の粒径を示し、縦軸にそれぞれの大きさの導電金属微粉のインシュレータ上に飛散した数を示している。
【００２０】
図９に示す評価結果から、リチウムイオン二次電池では、外装缶にビート加工を施すことにより、インシュレータ上に粒径を数十ミクロンから数百ミクロン程度とする導電金属微粉が大量に飛散しており、非水電解液が注液された際に、導電金属微粉が非水電解液と一緒に電池素子の内部に入り込む虞があることがわかる。
【００２１】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、内部短絡を防止させることが可能な電池用インシュレータ及びこの電池用インシュレータを用いた非水電解液電池を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る電池用インシュレータは、略帯状の正極と、略帯状の負極とがセパレータを介して長手方向に巻回された電池素子と、電解質塩と非水溶媒とを有する非水電解液と、有底筒状をなして電池素子及び非水電解液を収納し、収納した電池素子を飛び出さないように支持させるための内周側面を一周する括れ部が設けられた外装缶とを有する非水電解液電池に用いられる電池用インシュレータであって、少なくとも外装缶の括れ部と、この括れ部に相対する電池素子の巻回端面との間に配置されていると共に、その外径が外装缶における括れ部の内径より大きくされ、濾過機能を有するシート体で形成されていることを特徴としている。
【００２３】
この電池用インシュレータでは、濾過機能を有するシート体が、その外径を外装缶における括れ部の内径より大きくさせた状態で外装缶の括れ部と電池素子の巻回端面との間に配置されることで、非水電解液と一緒に電池素子内に侵入する異物を外装缶の括れ部と電池素子との間で適切に濾過して捕集させることができる。
【００２４】
この電池用インシュレータでは、濾過機能を有することから、非水電解液だけを通過させて電池素子内に侵入する異物を適切に捕集でき、且つ非水電解が通過するのに係る時間を短縮できる。
【００２５】
本発明に係る非水電解液電池は、略帯状の正極と、略帯状の負極とがセパレータを介して長手方向に巻回された電池素子と、電池素子の巻回端面に配置され、濾過機能を有するシート体で形成されている電池用インシュレータと、電解質塩と非水溶媒とを有する非水電解液と、有底筒状をなして上記電池素子、電池用インシュレータ及び非水電解液を収納し、収納した電池素子及び電池用インシュレータを飛び出さないように支持させるための内周側面を一周する括れ部が設けられた外装缶とを有し、電池用インシュレータが少なくとも外装缶の括れ部と、この括れ部に相対する電池素子の巻回端面との間に配置され、電池用インシュレータの外径が外装缶における括れ部の内径より大きくされていることを特徴としている。
【００２６】
この非水電解液電池では、その外径が外装缶における括れ部の内径より大きくされ、且つ外装缶の括れ部と電池素子の巻回端面との間に配置された濾過機能を有する電池用インシュレータにより、非水電解液と一緒に電池素子内に侵入する異物を外装缶の括れ部と電池素子との間で適切に濾過し、捕集させることが可能となる。
【００２７】
この非水電解液電池では、電池用インシュレータが濾過機能を有することから、非水電解液だけを通過させて電池素子内に侵入する異物を適切に捕集できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した電池用インシュレータ及び非水電解液電池について、図１に示す円筒形のリチウムイオン二次電池（以下、電池と記す。）１を参照にして説明する。この電池１は、発電要素となりの巻回構造を有する電池素子２と、電池素子２の巻回端面に配置され、且つ濾過機能を有するインシュレータ３と、電池内部でリチウムイオンを移動させる際の媒体となる非水電解液４とが、外装容器となる外装缶５内に収納され、外装缶５の開口部が封口蓋体６で閉蓋されたものである。
【００２９】
電池素子２は、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物等を用いる帯状の正極７と、負極活物質として炭素質材料等を用いる帯状の負極８とが、正極７と負極８とが接触しないようにこれらを互いに遮蔽する帯状のセパレータ９を介して積層され、電極の長手方向に巻回されたものである。この電池素子２は、正極７と負極８との間で後述する非水電解液４を媒体としてリチウムイオンを行き来させることで電池反応が行われることになる。
【００３０】
正極７は、正極活物質、結着剤等を含有する正極合剤塗液を正極集電体１０の主面に塗布、乾燥、加圧することにより、正極集電体１０の主面上に正極合剤層１１が圧縮形成されている。正極７には、正極リード端子１２が正極集電体１０の所定の位置に、例えば超音波溶接や抵抗溶接等の溶接方法によって電気的に接続されている。この正極リード端子１２には、例えばアルミニウム等の導電性金属等からなる短冊状金属片等を用いる。
【００３１】
正極７において、正極合剤層１１に含有される正極活物質には、リチウムイオンをドープ／脱ドープすることが可能な材料を用いる。具体的には、例えば化学式Ｌｉ_ｘＭＯ_２（リチウムの価数ｘは０．５以上、１．１以下の範囲であり、Ｍは遷移金属のうちの何れか一種又は複数種の化合物である。）等の化学式で示されるリチウム遷移金属複合酸化物、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＮｂＳｅ_２、Ｖ_２Ｏ_５等の化学式で示されるリチウムを含有しない金属硫化物、金属酸化物、或いは特定のポリマー等を用いる。これらのうち、リチウム遷移金属複合酸化物としては、例えばＬｉＣｏＯ_２といった化学式で示されるリチウム・コバルト複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２といった化学式で示されるリチウム・ニッケル複合酸化物、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＣｏ_１−ｙＯ_２（リチウムの価数ｘ、ニッケルの価数ｙは電池の充放電状態によって異なり、通常０＜ｘ＜１、０．７＜ｙ＜１．０２であり、コバルトの価数１−ｙはニッケルの価数ｙによって決定する。）といった一般的な化学式で示されるリチウム・ニッケル・コバルト複合酸化物や、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４といった化学式で示されるスピネル型のリチウム・マンガン複合酸化物等が挙げられる。そして、正極７では、正極活物質として、上述した金属硫化物、金属酸化物、リチウム遷移金属複合酸化物等のうちの何れか一種又は複数種を混合して用いることも可能である。
【００３２】
正極７では、正極合剤層１１の結着剤として、非水電解液電池の正極合剤に用いられる例えばポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等といった結着剤を用いることができる他に、正極合剤層１１に導電材として炭素質材料等を添加したり、公知の添加剤等を添加したりすることができる。また、正極７では、正極集電体１０に、例えばアルミニウム等の導電性金属からなる箔状金属や網状金属等を用いる。
【００３３】
負極８は、負極活物質、結着剤等を含有する負極合剤塗液を負極集電体１３の主面に塗布、乾燥、加圧することにより、負極集電体１３の主面上に負極合剤層１４が圧縮形成された構造となっている。負極８には、負極リード端子１５が負極集電体１３の所定の位置に接続されている。この負極リード端子１５には、例えば銅、ニッケル等の導電性金属等からなる短冊状金属片等を用いる。
【００３４】
負極８において、負極合剤層１４に含有される負極活物質には、リチウム、リチウム合金、又はリチウムイオンをドープ／脱ドープできる炭素質材料等が用いられる。リチウムイオンをドープ／脱ドープできる炭素質材料としては、例えば２０００℃以下の比較的低い温度で焼成して得られる低結晶性炭素材料、結晶化しやすい原材料を３０００℃付近の高温で焼成した人造黒鉛等の高結晶性炭素材料等を用いることが可能である。具体的には、熱分解炭素類、コークス類、黒鉛類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料を用いることが可能である。コークス類としては、例えばピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等がある。なお、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したものである。これらの炭素質材料は、電池素子２を充放電した際に、負極８側にリチウムが析出することを抑制させることが可能である。
【００３５】
また、上述した炭素質材料の他には、負極活物質として例えばリチウムと化合可能な金属、合金、元素、及びこれらの化合物等が挙げられる。負極活物質としては、例えばリチウムと化合可能な元素をＭとしたときにＭ_ｘＭ’_ｙＬｉ_ｚ（Ｍ’はＬｉ元素及びＭ元素以外の金属元素であり、Ｍの価数ｘは０より大きな数値であり、Ｍ’の価数ｙ及びリチウムの価数ｚは０以上の数値である。）の化学式で示される化合物である。この化学式においては、例えば半導体元素であるＢ、Ｓｉ、Ａｓ等も金属元素として挙げられる。具体的には、例えばＭｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｂ、Ｓｉ、Ａｓ等の元素及びこれらの元素を含有する化合物、Ｌｉ−Ａｌ、Ｌｉ−Ａｌ−Ｍ（Ｍは２Ａ族、３Ｂ族、４Ｂ族の遷移金属元素のうち何れか一種又は複数種である。）、ＡｌＳｂ、ＣｕＭｇＳｂ等が挙げられる。
【００３６】
特に、リチウムと化合可能な元素には、３Ｂ族典型元素が好ましく、これらの中でも特にＳｉ、Ｓｎが好ましく、更にはＳｉを用いることが好ましい。具体的には、Ｍ_ｘＳｉ、Ｍ_ｘＳｎ（ＭはＳｉ、Ｓｎ以外の一種以上の元素であり、Ｍの価数ｘは０以上の数値である。）の化学式で示されるＳｉ化合物、Ｓｎ化合物として、例えばＳｉＢ_４、ＳｉＢ_６、Ｍｇ_２Ｓｉ、Ｍｇ_２Ｓｎ、Ｎｉ_２Ｓｉ、ＴｉＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＮｉＳｉ_２、ＣａＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、Ｃｕ_５Ｓｉ、ＦｅＳｉ_２、ＭｎＳｉ_２、ＮｂＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＶＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＺｎＳｉ_２等が挙げられ、これらのうちの何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【００３７】
さらに、負極活物質としては、１つ以上の非金属元素を含有する炭素以外の４Ｂ族の元素化合物も利用できる。この化合物には、複数種の４Ｂ族の元素を含有していても良い。具体的には、例えばＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏ、Ｇｅ_２Ｎ_２Ｏ、ＳｉＯ_ｘ（酸素の価数ｘは０＜ｘ≦２である。）、ＳｎＯ_ｘ（酸素の価数ｘは０＜ｘ≦２である。）、ＬｉＳｉＯ、ＬｉＳｎＯ等の化学式で示される酸化物、窒化物等が挙げられ、これらのうちの何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【００３８】
負極８では、負極合剤層１４の結着剤として、非水電解液電池の負極合剤に用いられる例えばポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレン等といった結着剤を用いることができる。負極８では、負極集電体１３に、例えば銅等といった導電性金属からなる箔状金属や網状金属等を用いる。
【００３９】
セパレータ９は、正極７と負極８とを離間させるものであり、この種の非水電解液電池の絶縁性微多孔膜として通常用いられている公知の材料を用いることができる。具体的には、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の高分子フィルムが用いられる。また、リチウムイオン伝導度とエネルギー密度との関係から、セパレータ９の厚みはできるだけ薄い方が好ましく、その厚みを３０μｍ以下にして用いる。
【００４０】
このような構成の電池素子２は、正極７と負極８とがセパレータ９を介して積層され、長手方向に巻回された巻回体であり、巻回軸方向の一端面より正極リード端子１２が突出し、他端面より負極リード端子１５が突出した構造になっている。
【００４１】
また、電池素子２には、巻回中心に設けられた一方の巻回端面から他方の巻回端面に貫通する空間部２ａに、例えば電池内圧が上昇して内部のガスを外部に排出させる状態に陥った際にガスの通り道として機能するセンターピン１６が挿入されている。センターピン１６は、適切にガスの通り道として機能し、容易に潰れてしまうことがないように例えば金属や樹脂など剛性が高い材料で筒状に形成されている。
【００４２】
そして、電池素子２においては、空間部２ａに挿入されるセンターピン１６が金属等で形成された場合でも、巻回中心、すなわち空間部２ａの内壁でセパレータ９を露出するような巻回構造になっており、センターピン１６と電極とが接触して内部短絡を起こすことがないようにされている。
【００４３】
なお、ここでは、電池素子２の空間部２ａにセンターピン１６を挿入しているが、このことに限定されることはなく、例えばセンターピン１６の替わりに温度ヒューズ等の安全性保護素子等を空間部２ａに挿入させたり、空間部２ａに何も挿入させなかったりしてもよい。
【００４４】
以上のような巻回構造の電池素子２には、巻回端面に濾過機能を有する略円形上のシート体からなるインシュレータ３が配置されている。このインシュレータ３は、濾過機能の他に、例えば電池１に衝撃や振動等が加わった場合に、電池内部の電池素子２が封口蓋体６等と接触して電池素子２の巻回端面が潰れ、正極７と負極８とが接触して内部短絡を起こすような不具合を防止させる絶縁機能も有している。
【００４５】
このため、インシュレータ３には、例えば絶縁性材料等で略円形状のシート体に形成されているものであり、例えばパルプやセルロース等の絶縁性繊維材料等からなる濾紙、織布、不織布等を用いる。具体的に、インシュレータ３には、厚みが０．２６ｍｍであり、濾水時間が８０秒であり、吸収高度が８ｃｍであり、湿潤破裂強度が１．７ｋＰａであり、捕集粒子径が５μｍであり、捕集効率が８０（０．３μｍＤＯＰ％）であり、灰分が０．１％であり、耐熱温度が１２０℃であり、ｐＨ範囲が０〜１２であるアドバンテック東洋（株）社製の定性濾紙Ｎｏ．２等を用いる。
【００４６】
そして、インシュレータ３は、濾過機能を有する濾紙、織布、不織布等からなるため、後述する非水電解液４を注液した際に、非水電解液４だけを通過させて非水電解液４と一緒に電池素子２の内部に侵入する異物等を濾過して捕集することから、電池素子２内に異物が侵入することを抑制させるものでもある。
【００４７】
このインシュレータ３は、電池素子２内に非水電解液４と一緒に侵入する異物を適切に捕集するために、後述するビード部１７と電池素子２との間で、その主面が外装缶５に収納された電池素子２の外装缶５の開口部側の巻回端面と対向するように配置されている。そして、このインシュレータ３は、その外周が、電池素子２巻回端面の外周及びビード部１７の内径よりも大きくなるようにされている。これにより、インシュレータ３では、例えば上述したビード加工等で外装缶５が削れる等して発生する粒子径が数十ミクロン程度の導電金属微粉等といった異物を、巻回端面より電池素子２の内部、すなわち正極７と負極８との間等に入り込む前に電池素子２の巻回端面で捕集することが可能となる。
【００４８】
また、このインシュレータ３には、例えば略円形状のシート体からなるインシュレータ３の電池素子２の空間部２ａと対向する位置、すなわち中心付近に正極リード端子１２等を通すための孔部３ａが設けられている。この場合、インシュレータ３は、孔部３ａから電池素子２の内部に異物が入り込むことがないように、孔部３ａの径が、電池素子２の空間部２ａの内径より小さくなるようにされている。
【００４９】
すなわち、このインシュレータ３は、図２及び図３に示すように、その外径Ａが電池素子２の巻回端面の外径Ｂよりも大きくされ、孔部３ａの内径Ｃが電池素子２の空間部２ａの内径Ｄよりも小さくされている。
【００５０】
これにより、インシュレータ３では、電池素子２のビード部１７と対向する巻回端面において電極が露出する部分を適切に覆うようにされ、注液された非水電解液４と一緒に電池素子２の内部に巻回端面より侵入する虞のある異物を適切に捕集できる。そして、電池素子２においては、インシュレータ３の孔部３ａより空間部２ａに異物が侵入しても、空間部２ａの内壁はセパレータ９が露出しており電極と異物とが接触することがないことから、内部短絡や電池特性の低下を起こすことが防止される。なお、電池素子２の内部空間２ａに挿入されるセンターピン１６は、図２及び図３に示すように、その外径Ｅがインシュレータ３の孔部３ａの内径Ｃよりも小さくされている。これにより、電池製造時において、電池素子２を形成後から電池封口する前であれば、所定の工程で電池素子２の空間部２ａにセンターピン１６を挿入することが可能となり歩留まりの向上を図ることができる。
【００５１】
また、インシュレータ３は、絶縁性繊維材料等からなる濾紙、織布、不織布等のメッシュの大きさが５μｍ以上、１０μｍ以下の範囲にされている。
【００５２】
インシュレータ３のメッシュの大きさが５μｍより小さい場合、非水電解液４を注液した際に、インシュレータ３を非水電解液４が通過する速度が遅くなって注液にかかる時間が長くなり電池１を製造する際の歩留まりが悪くなる。一方、インシュレータ３のメッシュの大きさが１０μｍより大きい場合、電池素子２内に粒径が１０μｍより大きい導電金属微粉等の異物が入り込む虞がある。この場合、粒径が１０μｍより大きい導電金属微粉は、電池１の充放電により膨張する電極に延伸されてセパレータ９が薄くなった際に、正極７と負極８とを接触させて内部短絡の原因になる虞がある。
【００５３】
したがって、インシュレータ３では、メッシュの大きさが５μｍ以上、１０μｍ以下の範囲にされることにより、注液の際の非水電解液４を適切に通過させて製造歩留まりの低下を抑え、且つ１０μｍより大きな粒径の導電金属微粉等を適切に捕集して内部短絡の発生を抑制させることができる。
【００５４】
非水電解液４は、例えば非水溶媒に電解質塩を溶解させた溶液である。非水電解液４において、非水溶媒としては、例えば環状の炭酸エステル化合物、水素をハロゲン基やハロゲン化アクリル基で置換した環状炭酸エステル化合物や鎖状炭酸エステル化合物等を用いる。具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４メチル１，３ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、プロピオン酸エステル等が挙げられ、これらのうちの一種以上を用いる。特に、非水溶媒としては、電圧安定性の点から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を使用することが好ましい。
【００５５】
また、電解質塩としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣＨ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等が挙げられ、これらのうちの一種以上を用いる。
【００５６】
外装缶５は、例えば導電性金属等からなり、底面５ａが略円状にされたる略円筒状の有底容器である。この外装缶５は、負極リード端子１５が底面５ａに溶接されて負極８と導通して負極外部端子となることから、例えば鉄、ステンレス、ニッケル等といった導電性金属等で形成される。外装缶５は、例えば鉄等で形成された場合、その表面には防錆や溶接信頼性を高めるためにニッケルめっき等が施される。
【００５７】
この外装缶５には、その開口部付近に内径全周に亘って内側に括れた曲げ加工によるビード部１７が設けられている。このビード部１７は、封口蓋体６が外装缶５の開口部にガスケット１８を介して圧入されて閉蓋する際に、封口蓋体６の台座となって封口蓋体６が外装缶５の開口部に配置される位置を決定し、且つ外装缶５に収納された電池素子２やインシュレータ３が飛び出すことを防止するものである。このため、ビード部１７は、その内径が電池素子２やインシュレータ３の外径よりも小さくされている。
【００５８】
封口蓋体６は、電池素子２の電池内圧が所定の圧力以上になると電池素子２に流れる電流を遮断する電流遮断機構部１９と、電池素子２に所定の温度以上又は所定の電流値以上の電流が流れると電気抵抗を上昇させて電池素子２に流れる電流を小さくさせるＰＴＣ素子２０と、電池１の外部正極端子となる端子板２１とが順次積層されてガスケット１８に収納された状態で、外装缶５の開口部に圧入される。
【００５９】
電流遮断機構部１９は、電池内圧が所定値以上に上昇した場合に破れて電池内部のガス等を電池外部に逃がす安全弁２２と、正極リード端子１２が接続される接続板２３と、接続板２３が接続されるディスク２４と、安全弁２２とディスク２４とを絶縁するディスクホルダ２５とによって構成されている。
【００６０】
安全弁２２は、例えばアルミニウム等の導電性金属等からなり、円盤状金属板にプレス加工等を施すことで、外装缶５に収納された電池素子２側に突出する皿部２２ａと、皿部２２ａの略中央から電池素子２側に突出する凸部２２ｂとが形成されている。また、安全弁２２は、皿部２２ａに電池内圧が所定値以上に上昇した際に破れる肉薄部２２ｃが設けられている。
【００６１】
接続板２３は、例えばアルミニウム等の導電性金属等からなり、一主面には安全弁２２の凸部２２ｂが、他主面には電池素子２が突出する正極リード端子１２が超音波溶接等で溶接されることで接続されている。
【００６２】
ディスク２４は、例えば平面性を保持できるある程度の剛性を有する金属板等からなり、略中央部に安全弁２２の凸部２２ｂが挿入される孔部２４ａが設けられている。
【００６３】
ディスクホルダ２５は、例えば絶縁性樹脂材料等からなり、円環状を呈して内周側に安全弁２２の皿部２２ａと、ディスク２４とが嵌合されることで、これらを保持している。また、ディスクホルダ２５には、嵌合された安全弁２２の皿部２２ａとディスク２４とを接触しないように離間させる離間部２５ａが内周全周に亘って内側に突出するように設けられている。さらに、このディスクホルダ２５には、離間部２５ａの略中央部に安全弁２２の凸部２２ｂが挿入される孔部２５ｂが設けられている。
【００６４】
そして、電流遮断機構部１９は、ディスクホルダ２５の内周側に安全弁２２の皿部２２ａとディスク２４とがディスクホルダ２５の離間部２５ａにより接触しないように嵌合され、安全弁２２の凸部２２ｂがディスクホルダ２５の孔部２５ｂ及びディスク２４の孔部２４ａに挿入されて接続板２３に例えば抵抗溶接法や超音波溶接法等で溶接された構成になっている。すなわち、電流遮断機構部１９は、接続板２３、ディスク２４、ディスクホルダ２５、安全弁２２が順次積層され、安全弁２２の凸部２２ｂがディスクホルダ２５及びディスク２４を貫通するようにして接続板２３に接続された構成になっている。
【００６５】
このような構成の電流遮断機構部１９では、電池内圧が上昇するに従って、安全弁２２の皿部２２ａが電池素子２側とは反対の外側に膨らむように変形して行く。そして、安全弁２２の皿部２２ａの変形に伴って凸部２２ｂに接続されている接続板２３の外側に移動しようとするのをディスク２４が抑えることから、安全弁２２の凸部２２ｂと接続板２３との接続が途切れることになる。このようにして、電流遮断機構部１９では、電池内圧が上昇した際に、電池素子２と封口蓋体６との接続を遮断して、これ以上、電池素子２に電流が流れて電池内圧が更に上昇することを抑制させる。
【００６６】
ＰＴＣ素子２０は、電池温度が所定値以上に上昇したり、所定値以上の電流が流れたりして温度が上昇すると、その電気抵抗を大きくさせて、電池素子２に流れる電流を小さくさせるようにする。これにより、電池素子２では、ＰＴＣ素子２０が電流値を制御して電池内部の温度上昇を抑制させることが可能になる。
【００６７】
また、ＰＴＣ素子２０は、その電気抵抗が大きくなって電池素子２に流れる電流が小さくなり温度が下がると、その電気抵抗が小さくなって、電池素子２に再び電流が流れるようにさせる。
【００６８】
端子板２１は、例えば鉄、アルミニウム、ステンレス、ニッケル等のうちの何れか一種又は複数種を含む導電性金属等からなり、接続板２３、安全弁２２、ＰＴＣ素子２０を介して電池素子２から突出する正極リード端子１２と電気的に接続されることから、電池素子２の正極外部端子として機能する。この端子板２１には、例えば円盤状金属板にプレス加工等を施すことで、外装缶５に収納された電池素子２側とは反対側に突出する端子部２１ａが設けられる。この端子部２１ａは、正極外部端子となる端子板２１の外部に対する正極側の接続部となり、外部からの接続端子が例えば接触や溶接等により接続されることになる。また、この端子板２１には、例えば電池内圧の上昇により安全弁２２が破れて外部に放出されたガス等を逃がす図示しないガス抜け孔等が設けられている。
【００６９】
以上のような構成の電池１は、次のようにして製造される。先ず、正極７を作製する。正極７を作製する際は、正極活物質と、導電材と、結着剤とを例えばボールミル、サンドミル、二軸混練機等の分散装置で均一に分散させた正極合剤塗液を調製する。そして、この正極合剤塗液を正極集電体１０の両主面に未塗工部を設けながら例えばスライドコーティング、エクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ロッドコーター、ブレードコーター等の塗工装置で均一に塗布し、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱乾燥機等を用いて乾燥した後に、圧縮することで正極合剤層１１を形成し、帯状に裁断して未塗工部等に正極リード端子１２を例えば超音波溶接等で取り付ける。このようにして、帯状の正極７が作製される。
【００７０】
次に、負極８を作製する。負極８を作製する際は、負極活物質と、結着剤とを含有する負極合剤塗液を上述した分散装置等を用いて調製する。そして、この負極合剤塗液を負極集電体１３の両主面に未塗工部を設けながら上述した塗工装置等を用いて均一に塗布し、乾燥した後に、圧縮することで負極合剤層１４を形成し、帯状に裁断して未塗工部等に負極リード端子１５を例えば超音波溶接等で取り付ける。このようにして、帯状の負極８が作製される。
【００７１】
次に、正極７と負極８とを、帯状のセパレータ９を介して積層し、多数回巻回することにより電池素子２を作製する。
【００７２】
次に、電池素子２は、外装缶５に収納され、負極リード端子１５が外装缶５の底面５ａに例えば抵抗溶接等で溶接された後に、空間部２ａにセンターピン１６が挿入される。このとき、電池素子２においては、外装缶５の底面５ａ側の巻回端面に内部短絡を防止するためのインシュレータ２６を設置する。
【００７３】
次に、電池素子２の外装缶５の開口部側の巻回端面に、孔部３ａに電池素子２から導出される正極リード端子１２を通した状態でインシュレータ３を設置する。そして、電池素子２及びインシュレータ３が収納された外装缶５には、開口部付近に内径全周に亘って内側に括れたビード部１７が、上述したビード加工により設けられる。
【００７４】
次に、電池素子２及びインシュレータ３が収納され、且つビード部１７が設けられた外装缶５には、非水電解液４が注液される。
【００７５】
このとき、インシュレータ３は、例えばビード加工によりインシュレータ３上等に導電金属微粉等の異物が飛散し、注液された非水電解液４と一緒に電池素子２内に入り込もうとしても、導電金属微粉等をビード部１７と電池素子２との間で適切に捕集させて電池素子２内に異物が入り込むこと防止させる。
【００７６】
次に、注液が終了した電池素子２から導出される正極リード端子１２を、周囲にアスファルト等のシール剤が塗布されたガスケット１８に収納された封口蓋体６の接続板２３に例えば超音波溶接等で溶接させる。
【００７７】
次に、外装缶５の開口部は、封口蓋体６がガスケット１８を介して圧入されることで閉蓋される。そして、外装缶５は、ビード部１７より上方の縁部付近を内側に曲げる加工、いわゆるかしめ加工することにより開口部で封口蓋体６が固定されて電池素子２が密閉封入される。このとき、外装缶５は、かしめ加工が施された際に、開口部の縁部全周でガスケット１８がはみ出るようにされており、負極外部端子となる縁部と正極外部端子となる封口蓋体６とが接触しないようにされている。このようにして、電池１が製造される。
【００７８】
以上のようにして製造される電池１では、外装缶５のビード部１７と電池素子２との間に配置された濾過機能を有するインシュレータ３が、注液時に非水電解液４と一緒に電池素子２内に入り込もうとする例えばビード加工時に生じる導電金属微粉等の異物をビード部１７と電池素子２との間で適切に濾過して捕集させる。
【００７９】
これにより、電池１では、電池素子２の内部に導電金属微粉等の異物が入り込むことが抑制されることになり、従来のような電池素子内に入り込んだ導電金属微粉等の異物により発生する内部短絡や電池特性の低下を防止することができる。
【００８０】
また、この電池１では、インシュレータ３が濾過機能を有するシート体で形成されていることから、従来の略板状の絶縁性樹脂等等からなるインシュレータ等に比べて非水電解液４がインシュレータ３を通過する時間を短縮でき、製造時の歩留まりを向上できる。
ここで、電池素子の巻回端面に濾過機能を有するインシュレータ及び従来のインシュレータをそれぞれ配置して外装缶に挿入し、外装缶にビード加工を施した後に、それぞれのインシュレータ上に、粒径が３０μｍ程度の導電金属微粉を１０個、２３個、２９個づつ付着させて非水電解液を注液した際のインシュレータ上にそれぞれ残存した導電金属微粉の個数を測定した結果を図４に示す。なお、図４では、横軸に、それぞれのインシュレータ上に付着させた導電金属微粉の個数を示し、縦軸に、付着させた導電金属微粉の個数に対するそれぞれのインシュレータ上に注液後に残存した導電金属微粉の個数の比率、すなわち注液後の導電金属微粉の残存率を示している。また、図４中○印は濾過機能を有するインシュレータを示し、図４中×印は従来のインシュレータを示している。
【００８１】
図４に示す評価結果から、濾過機能を有するインシュレータを用いた場合では、従来のインシュレータを用いた場合に比べ、注液された非水電解液と一緒に電池素子内等に流れてゆくことがなく適切に濾過、捕集されてインシュレータ上に残存していることがわかる。
【００８２】
また、電池素子の巻回端面に濾過機能を有するインシュレータ及び従来のインシュレータをそれぞれ配置して製造したリチウムイオン二次電池について、初回充電後の電池電圧の変化を測定した結果を図５に示す。なお、図５では、横軸に初回充電後の経過日数を示し、縦軸に電池電圧を示している。図５中１００は、濾過機能を有するインシュレータを電池素子の巻回端面に配置させたリチウムイオン二次電池を示し、図５中１０１は従来のインシュレータを電池素子の巻回端面に配置させたリチウムイオン二次電池を示している。また、ここでは、これらのリチウムイオン二次電池の差を明確にするために、粒径が３０μｍ程度の導電金属微粉１ｍｇをそれぞれのインシュレータ上に付着させた後に注液し、リチウムイオン二次電池を完成させた。充電は、所定の電流値で４．２５Ｖまでの定電流定電圧充電で行った。
【００８３】
図５に示す評価結果から、濾過機能を有するインシュレータを用いたリチウムイオン二次電池では、従来のインシュレータを用いたリチウムイオン二次電池に比べ、初回充電後の電池電圧の低下が抑制されていることがわかる。
【００８４】
以上のことから、リチウムイオン二次電池における電池素子の巻回端面に濾過機能を有するインシュレータを配置させることは、注液時に非水電解液と一緒に電池素子内等に侵入する例えばビード加工時に生じる導電金属微粉等が適切に濾過、捕集されることから、電池素子等内に入り込んだ導電金属微粉等による内部短絡を防止する上で大変有効であることがわかる。
【００８５】
なお、以上では、電池素子２の外装缶５のビード部１７と対向する巻回端面だけにインシュレータ３を配置させたが、このことに限定されることはなく、例えば電池素子２の外装缶５の底面５ａと対向する巻回端面にもインシュレータ３を配置させることも可能である。この場合、電池素子２の両巻回端面から侵入しようとする異物を捕集することが可能となり、内部短絡の発生を更に抑制させることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、外装缶の括れ部と電池素子の巻回端面との間に濾過機能を有する電池用インシュレータを配置させることで、非水電解液と一緒に電池素子内に侵入する異物を外装缶の括れ部と電池素子との間で適切に濾過し、捕集させることが可能となる。
【００８７】
したがって、本発明によれば、電池用インシュレータにより電池素子内に異物が入り込むことが抑制されることから、従来のような電池素子内に侵入した異物による内部短絡や電池特性の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したリチウムイオン二次電池の内部構造を示す斜視図である。
【図２】同リチウムイオン二次電池を一部切り欠いて示す平面図である。
【図３】同リチウムイオン二次電池における電池素子、インシュレータ、外装缶、センターピンを示す要部断面図である。
【図４】注液後に濾過機能を有するインシュレータ上及び従来のインシュレータ上に残存した導電金属微粉の残存率を示した特性図である。
【図５】濾過機能を有するインシュレータを用いたリチウムイオン二次電池と、従来のインシュレータを用いたリチウムイオン二次電池とにおける初回充電後の経過日数と電池電圧との関係を示した特性図である。
【図６】従来のリチウムイオン二次電池の内部構造を示す斜視図である。
【図７】外装缶にビード加工を施す状態を示す斜視図である。
【図８】外装缶にビード部が加工された状態を示す斜視図である。
【図９】ビード加工によりインシュレータ上に飛散した導電金属微粉の粒径と数との関係を示した特性図である。
【符号の説明】
１リチウムイオン二次電池、２電池素子、２ａ空間部、３インシュレータ、３ａ孔部、４非水電解液、５外装缶、６封口蓋体、７正極、８負極、９セパレータ、１０正極集電体、１１正極合剤層、１２正極リード端子、１３負極集電体、１４負極合剤層、１５負極リード端子、１７ビード部、１８ガスケット

Claims

略帯状の正極と、略帯状の負極とがセパレータを介して長手方向に巻回された電池素子と、電解質塩と非水溶媒とを有する非水電解液と、有底筒状をなして上記電池素子及び上記非水電解液を収納し、収納した上記電池素子を飛び出さないように支持させるための内周側面を一周する括れ部が設けられた外装缶とを有する非水電解液電池に用いられる電池用インシュレータであって、
少なくとも上記外装缶の括れ部と、この括れ部に相対する上記電池素子の巻回端面との間に配置されていると共に、その外径が上記外装缶における括れ部の内径より大きくされ、濾過機能を有するシート体で形成されていることを特徴とする電池用インシュレータ。
上記シート体は、濾紙、織布又は不織布よりなることを特徴とする請求項１記載の電池用インシュレータ。
上記シート体は、パルプ及び／又はセルロースにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の電池用インシュレータ。
上記シート体は、上記電池素子の巻回中心に備わる一方の巻回端面から他方の巻回端面に貫通する空間部と相対する位置に孔部が設けられ、
上記孔部の内径が、上記空間部の内径よりも小さくされていることを特徴とする請求項１記載の電池用インシュレータ。
略帯状の正極と、略帯状の負極とがセパレータを介して長手方向に巻回された電池素子と、
上記電池素子の巻回端面に配置され、濾過機能を有するシート体で形成されている電池用インシュレータと、
電解質塩と非水溶媒とを有する非水電解液と、
有底筒状をなして上記電池素子、上記電池用インシュレータ及び上記非水電解液を収納し、収納した上記電池素子及び上記電池用インシュレータを飛び出さないように支持させるための内周側面を一周する括れ部が設けられた外装缶とを有し、
上記電池用インシュレータは、少なくとも上記外装缶の括れ部と、この括れ部に相対する上記電池素子の巻回端面との間に配置され、その外径が上記外装缶における括れ部の内径より大きくされている非水電解液電池。
上記電池用インシュレータが濾紙、織布又は不織布により形成されている請求項５記載の非水電解液電池。
上記電池用インシュレータがパルプ及び／又はセルロースにより形成されている請求項５記載の非水電解液電池。
上記電池素子は、巻回中心に一方の巻回端面から他方の巻回端面に貫通する空間部を備え、
上記電池用インシュレータは、上記空間部と相対する位置に孔部が設けられ、
上記孔部の内径が、上記空間部の内径よりも小さくされている請求項５記載の非水電解液電池。