JP2004311117A

JP2004311117A - 電極用集電体およびそれを用いた扁平形電池

Info

Publication number: JP2004311117A
Application number: JP2003100811A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sakata; 匡阪田; Noriyuki Yabushita; 昇志籔下; Atsushi Yamano; 淳山野; Takashi Kimura; 孝史木村
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】放電にともない正極が膨潤しても導電性の低下を抑制することのできる電極用集電体を提供し、この電極用集電体を用いることにより低温での重負荷特性に優れる扁平形電池を提供する。
【解決手段】底面部１１と、底面部１１の外周部から立ち上がる側壁部１２とを備え、底面部１１は複数の開孔部１３ａ（１３ｂ）を備え、側壁部１２側の底面部１１には突起部１４が設けられている電極用集電体１０とし、この電極用集電体１０と、正極３１と、負極３３と、電解質と、正極容器３４とを備え、電極用集電体１０は正極３１と正極容器３４との間に配置され、かつ電極用集電体１０の突起部１４が正極３１内に食い込んでいる扁平形電池３０とする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極用集電体とそれを用いた扁平形電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
正極活物質に二酸化マンガン、負極活物質にリチウム金属あるいはリチウム合金を使用した扁平形電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化が可能なことから、小型携帯機器の主電源をはじめとし、据え置き型機器のバックアップ用電源などの様々な用途に使用されている。ところが、この種の電池は放電にともない正極が膨潤して厚さが増す傾向があることから、正極の導電性が低下して放電特性が悪くなるという問題がある。特に、低温で放電した場合には上記放電特性の低下が顕著になる。
【０００３】
この問題に対し、従来は正極の膨潤を防止して形状を保持するために、断面形状がＬ字型をしたリング状のいわゆる台座を正極と正極容器との間に配置して用いていた。図４は従来の台座の平面図であり、図５は図４のＢ−Ｂ’部の側断面図である。図４、図５において、従来の台座４０は、底面部４１と、底面部４１の外周部から底面部４１に対して垂直に立ち上がる側壁部４２と、開孔部４３とを備え、いわゆるリング状に形成されている。
【０００４】
また、正極の膨潤を規制することが可能で、さらに電池の内部抵抗を低く安定化させることのできる複数の連通孔を設けた正極リングを、電池ケースと正極合剤との間に介在させることも提案されている（特許文献１参照。）。この特許文献１における正極リングは、電池ケースと正極との電気的接続を行う集電体としての役割もはたしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２８４０６６号公報（段落０００６〜０００７）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の台座および特許文献１に記載の正極リングは、中央部に大きな開孔を有するいわゆるリングであるため、正極との接触面が周辺部に限定され、正極の中央付近では、広い範囲にわたってリングとの電気的接続をとることができない。このため、正極の径方向での集電が不均一になり、重負荷特性を低下させる要因となる。
【０００７】
また、一般に扁平形電池においては、比較的厚みのある合剤成形体からなる電極が用いられているため、電極の厚さ方向の集電をどのように確保するかによって電池の重負荷特性が大きく左右される。しかし、従来は電極の厚さ方向の集電については何ら考慮されていなかった。このため、低温での重負荷特性という電池にとって厳しい条件での放電特性は満足できるものではなかった。
【０００８】
特に近年では、使用機器の高機能化にともない、電源として使用される電池に対する要望も厳しくなってきており、例えば、車載用電池では−４０℃という極低温における重負荷特性が要求されているが、現状ではこのような厳しい要求に十分に対応できていないのが実状である。
【０００９】
本発明は上記問題を解消するものであり、放電にともない正極が膨潤しても導電性の低下を抑制することのできる電極用集電体を提供し、この電極集電体を用いることにより低温での重負荷特性に優れる扁平形電池を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、底面部と、前記底面部の外周部から立ち上がる側壁部とを備えた電極用集電体であって、
前記底面部は、複数の開孔部を備え、
前記側壁部側の前記底面部には、突起部が設けられていることを特徴とする電極用集電体を提供する。
【００１１】
また、本発明は、上記電極用集電体と、正極と、負極と、電解質と、正極容器とを備えた扁平形電池であって、
前記電極用集電体は、前記正極と前記正極容器との間に配置され、かつ前記電極用集電体の突起部が、前記正極内に食い込んでいることを特徴とする扁平形電池を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の電極用集電体は、側壁部側の底面部には突起部が設けられているため、この電極用集電体を正極と正極容器との間に配置することにより、電極用集電体の突起部を正極内に食い込ませることができる。これにより、正極内部での集電が可能となり、電極の厚さ方向の集電効率が向上するため、低温での重負荷特性に優れる扁平形電池を構成することができる。また、この電極用集電体の側壁部により、正極の径方向への膨潤を防止することができる。さらに、底面部の開孔部により、電解液の流動が可能となり、放電特性を向上させることができる。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明の電極用集電体の一例を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’部の側断面図である。図１、図２において、本実施形態の電極用集電体１０は、底面部１１と、底面部１１の外周部から底面部１１に対して垂直に立ち上がる側壁部１２とを備え、いわゆる略カップ状に形成されている。また、底面部１１には、大きさの異なる２種類の開孔部１３ａと１３ｂとを複数個備えている。さらに、開孔部１３ａの外周部には、側壁部１２と同じ方向に立ち上がる突起部１４が設けられている。
【００１４】
また、図３は、本発明の扁平形電池の一例を示す断面図である。図３において、本実施形態の扁平形電池３０は、活物質を含む正極合剤を成形してなる正極３１と、セパレータ３２と、負極３３とを、正極容器３４および負極端子板３５の間に配置し、正極容器３４と負極端子板３５との間に介在するパッキング３６により密封されている。また、上記電極用集電体１０が、正極３１と正極容器３４との間に配置され、かつ電極用集電体１０の突起部１４が、正極３１内に食い込んでいる。さらに、電極用集電体１０と正極容器３４とは、直接接触して電気的に接続されている。なお、扁平形電池３０の中には、液体電解質（電解液）が含まれているが図示を省略してある。
【００１５】
電極用集電体１０の底面部１１に突起部１４を設けることにより、電極の厚さ方向の集電効率が向上するため、特に低温での重負荷特性の向上を実現することができる。上記突起部１４は、正極の内部に食い込ませることができれば、特にその形状は限定されるものではないが、正極の内部に食い込ませやすい形状、例えば、針状、円錐状、角錐状、薄板状、円筒状、円弧状、十字状などの形状が好ましく用いられる。
【００１６】
上記突起部１４と開孔部１３ａ、１３ｂとは、それぞれ別々に独立して設けてもよいが、電極用集電体１０の作製工程において開孔部１３ａ、１３ｂを打ち抜いて形成する際に生じるバリを突起部１４として利用すれば、その作製工程が簡易化されるので好ましい。すなわち、開孔部１３ａ、１３ｂの形成に合わせてその外周部に突起部１４を形成することが好ましい。ただし、全ての開孔部１３ａ、１３ｂの外周部に突起部１４を設けると、電解液の流動が阻害される場合があるので、本実施形態では開口部１３ｂの外周部には突起部１４を設けていない。
【００１７】
また、突起部１４の正極３１への食い込み深さは、正極３１の厚さの１／５以上であることが好ましい。これにより、電極の厚さ方向の集電効率を向上させる効果をより大きくすることができる。ただし、突起部１４が正極３１の反対側の面に飛び出すと、セパレータ３２を貫いて負極３３とショートしてしまう可能性があるため、突起部１４の最大高さは正極３１の厚さ以下に調整する必要がある。
【００１８】
また、電極用集電体１０の形状を略カップ状とすることにより、従来の台座としても機能するだけでなく、電極の底面での集電が可能となり、集電体としても機能させることができる。さらに、底面部１１に複数の開孔部１３ａ、１３ｂを設けることにより、この開孔部１３ａ、１３ｂを通じて電解液の流動が可能となり、後述する電池の製造工程において正極合剤への電解液の吸液速度が速まるほか、開孔部１３ａ、１３ｂに電解液が貯液されることにより、電池の放電反応の進行あるいは充放電サイクルの進行にともない発生する電解液が不足する状態（液がれ）などを防ぐことができ、放電特性やサイクル特性を向上させることができる。
【００１９】
正極合剤からの集電効率を向上させるためには、上記複数の開孔部１３ａ、１３ｂは、電極用集電体１０の底面部１１にできるだけ均等に配置させることが望ましく、底面部１１の中心に対して点対称に配置するか、あるいは底面部１１の中心軸に対して線対称に配置するのが望ましい。
【００２０】
また、開孔部１３ａ、１３ｂの各面積は、０．３ｍｍ^２以上２０ｍｍ^２以下の範囲内にあることが望ましい。各面積が０．３ｍｍ^２未満の場合には、電解液が流動しにくくなり、液がれを防止する機能も減少するほか、以下のように、電池の組み立て工程において問題が生じる場合がある。すなわち、電池の組み立て工程としては、パッキングがはめ込まれた負極端子板の上に負極、セパレータ、正極を順次積み重ねた後、電解液を注入し、この状態で正極の上から集電体および正極容器をかぶせて押圧し、さらに正極容器の周囲をかしめて封止を行う工程が利用されることがある。この場合、電池の組み立て中において、正極の上部に集電体が配置されることになるため、電解液が正極合剤に吸液されるにともない、正極合剤の内部に存在する空気が正極合剤と集電体との間に気泡として放出されることになる。上記開孔部の面積が一定以上の場合は、直ちにこの開孔部を通って気泡が外部に散逸するが、その面積が小さくなると、そのまま正極合剤と集電体との間に気泡が蓄積され、正極と集電体の接触を妨げ、また、電池の封止の際に電解液を溢れさせて漏液を招くおそれがある。
【００２１】
一方、上記各面積が２０ｍｍ^２を超える場合は、集電の不均一性が大きくなるため、重負荷特性の点で問題が生じる可能性がある。
【００２２】
さらに、開孔部１３ａ、１３ｂの各面積の合計は、底面部１１の面積の５％以上８０％以下であることが望ましく、集電能力の点からは５０％以下であることがより望ましい。この範囲内であれば、電解液の吸液がスムーズとなるとともに、集電能力も低下しないため重負荷特性を向上できるからである。
【００２３】
上記電極用集電体１０の材質は、電池内で安定に存在できる導電性材料であれば特にその種類は限定されないが、一般的には電池容器などの外装体に用いられている材質と同じものが好ましく用いられる。例えば、鉄、ニッケル、アルミニウム、チタン、銅などの単独金属、またはステンレス、アルミニウム−マンガン合金などに代表される上記単独金属の合金、またはこれらの単独金属や合金を複数積層したクラッド材などを用いることができ、使用する活物質や電池系に応じて適宜選択することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明する。ただし、以下の実施例では、正極活物質に二酸化マンガン、負極活物質にリチウム金属を使用した扁平形リチウム一次電池について説明したが、本発明は下記実施例の電池系にのみ使用されるものではなく、リチウム二次電池、アルカリ電池、アルカリ蓄電池など種々の電池系に適用され得るものである。
【００２５】
（実施例１）
図１、図２に示した電極用集電体１０を用いて図３に示した扁平形電池３０を作製した。この電極用集電体１０は厚さ０．１ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）を加工して形成されたもので、直径１９．５ｍｍ、側壁部１２の高さ２．６ｍｍで、底面部１１に形成された２種類の開孔部１３ａ、１３ｂの面積がそれぞれ７．１ｍｍ^２と０．７９ｍｍ^２であり、各開孔部１３ａ、１３ｂの面積の合計は、電極用集電体１０の底面部１１の面積の２７％であって、各開孔部１３ａ、１３ｂは対称的な配置となるよう形成されている。また、上記開孔部１３ａ、１３ｂのうち大きい方の開孔部１３ａの外周部には、高さ０．７ｍｍの円筒状の突起部１４が形成されている。
【００２６】
正極端子を兼ねる正極容器３４および負極端子板３５は、ともにステンレス鋼（ＳＵＳＵ４３０）で形成され、ポリプロピレン製のパッキング３６を介して発電要素を密閉封口している。正極３１は、活物質である二酸化マンガンと、導電助剤である黒鉛と、バインダであるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョンとを、それぞれ９２：７：１の固形分質量比で混合して正極合剤を調製した後、上記電極用集電体１０とともにこの正極合剤を厚さ３ｍｍとなるようにプレス成形したものである。突起部１４の正極３１への食い込み深さは、正極合剤成形体の厚さのほぼ１／４とした。
【００２７】
負極３３は、金属リチウムから形成し、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータ３２を介して正極３１と対向して配置されている。電解液としては、溶媒としてプロピレンカーボネート（ＰＣ）と１，２−ジメトキシエタン（ＤＭＥ）との体積比１：１の混合溶媒に、溶質として過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）を０．５Ｍの濃度で溶解させたものを使用した。作製した電池の寸法は、直径２４．５ｍｍ、厚さ５．０ｍｍであり、その電池容量は、６００ｍＡｈとした。
【００２８】
（実施例２）
突起部１４の高さを正極合剤成形体の厚さの１／６とした以外は、実施例１と同様にして実施例２の扁平形電池を作製した。
【００２９】
（比較例１）
図４、図５に示した中央部に開孔部を１つのみ有し、断面形状がＬ字型をしたリング状台座（外径１９．５ｍｍ、内径１９．３ｍｍ、側壁部高さ２．６ｍｍ）を使用した以外は、実施例１と同様にして比較電池１の扁平形電池を作製した。
【００３０】
（比較例２）
図６に示すように、底面部６１に開孔部を有さず、その底面部６１の中央部に高さ０．５ｍｍの凸状部６２が形成された電極用集電体６０（外径１９．５ｍｍ、側壁部６３の高さ２．６ｍｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして比較例２の扁平形電池を作製した。
【００３１】
次に、実施例１、実施例２、実施例３、比較例１および比較例２の扁平形電池を用いて低温での重負荷試験を行った。先ず、作製した未放電の電池をそれぞれ５個準備した。次に、これとは別に８０％放電させた電池をそれぞれ５個準備した。これらの電池を雰囲気温度−４０℃中に５時間放置した後、１０ｍＡの電流で０．１秒間放電させた時の最低平均放電電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１から明らかなように、−４０℃という極低温における重負荷試験においても、実施例１および実施例２の電池は、比較例１および比較例２の電池に比べて最低平均放電電圧が高いことが分かる。特に、８０％放電の電池において、実施例１、２の電池は、比較電池１、２の電池よりも優れた放電特性を有していることが分かる。上記試験後の８０％放電の各電池を解体調査した結果、比較電池１、２の電池では正極が膨潤して厚くなっていた。このために導電性が低下して放電特性が低下したものと思われる。一方、実施例１、２の電池でも正極の膨潤が認められたが、電極用集電体の突起部により導電性の低下が抑えられ、放電特性の低下を抑制できたものと思われる。
【００３４】
また、実施例１、２から、電極用集電体の突起部の正極への食い込み深さは、正極の厚さの１／５以上が好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、放電にともない正極が膨潤しても導電性の低下を抑制することのできる電極用集電体を提供し、この電極集電体を用いることにより低温での重負荷特性に優れる扁平形電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電極用集電体の一例を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’部の側断面図である。
【図３】本発明の扁平形電池の一例を示す断面図である。
【図４】従来の台座の平面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ’部の側断面図である。
【図６】比較例２で用いた電極用集電体の側断面図である。
【符号の説明】
１０電極用集電体
１１底面部
１２側壁部
１３ａ、１３ｂ開孔部
１４突起部
３０扁平形電池
３１正極
３２セパレータ
３３負極
３４正極容器
３５負極端子板
３６パッキング
４０台座
４１底面部
４２側壁部
４３開孔部
６０電極用集電体
６１底面部
６２凸状部
６３側壁部

Claims

底面部と、前記底面部の外周部から立ち上がる側壁部とを備えた電極用集電体であって、
前記底面部は、複数の開孔部を備え、
前記側壁部側の前記底面部には、突起部が設けられていることを特徴とする電極用集電体。
前記突起部が、複数の前記開孔部から選ばれた少なくとも一つの開孔部の外周部に形成されている請求項１に記載の電極用集電体。
前記開孔部の各面積が、０．３ｍｍ^２以上２０ｍｍ^２以下である請求項１または２に記載の電極用集電体。
前記開孔部の各面積の合計が、前記底面部の面積の５％以上８０％以下である請求項１〜３のいずれかに記載の電極用集電体。
前記開孔部が、大きさの異なる２種類以上の開孔部を含む請求項１〜４のいずれかに記載の電極用集電体。
前記電極用集電体が、略カップ状に形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の電極用集電体。
請求項１〜６のいずれかに記載の電極用集電体と、正極と、負極と、電解質と、正極容器とを備えた扁平形電池であって、
前記電極用集電体は、前記正極と前記正極容器との間に配置され、かつ前記電極用集電体の突起部が、前記正極内に食い込んでいることを特徴とする扁平形電池。
前記突起部の前記正極への食い込み深さが、前記正極の厚さの１／５以上である請求項７に記載の扁平形電池。
前記電極用集電体と前記正極容器とが、直接接触して電気的に接続されている請求項７または８に記載の扁平形電池。