JP2005190913A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はリチウム二次電池に関し、特に正極板と負極板をセパレータを介して巻回して成る極板群を備えているリチウム二次電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly to a lithium secondary battery including an electrode plate group formed by winding a positive electrode plate and a negative electrode plate through a separator.
リチウムイオン二次電池などの二次電池として、正極板と負極板をセパレータを介して巻回して成る極板群を有し、かつその極板群においては、正極板及び負極板の幅方向一端部に活物質を塗着していない無地部を形成するとともにこれら正極板と負極板の無地部を互いに反対方向に突出させ、各々の無地部の端縁に集電板を接合したものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。 A secondary battery such as a lithium ion secondary battery has an electrode plate group in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are wound through a separator, and one end in the width direction of the positive electrode plate and the negative electrode plate in the electrode plate group It is known that a plain part not coated with an active material is formed on the part, the plain parts of the positive electrode plate and the negative electrode plate protrude in opposite directions, and a current collector plate is joined to the edge of each plain part. (For example, refer to Patent Document 1).
このような極板群においては、図5に示すように、正極板4の活物質を塗着した活物質塗着部41と負極板5の活物質を塗着した活物質塗着部51をセパレータ6を介して互いに対向させ、両活物質間でリチウムイオンの吸蔵または放出を行わせることで充放電作用を得るように構成されている。さらに、正極板4の活物質塗着部41の幅寸法pに比して負極板5の活物質塗着部51の幅寸法nの方を大きく設定し、負極板5の活物質塗着部51の両側縁部を正極板4の活物質塗着部41の両側縁よりも外側にそれぞれ寸法e、fだけ突出させることによって、負極板5の活物質塗着部51における金属リチウムの析出が防止されている。即ち、負極板5の活物質塗着部51に、正極板4の活物質から放出されたリチウムイオンを完全に吸蔵できない部位が発生すると、その部位に金属リチウムが針状に析出し、この金属リチウムがセパレータ6を突き破って短絡を発生する恐れがあるため、その防止が図られている。
In such an electrode plate group, as shown in FIG. 5, an active
また、正負極板4、5間の絶縁を確実に図るために、セパレータ6の幅寸法を、幅の広い負極板5の活物質塗着部51の幅寸法よりも大きく設定し、セパレータ6の両側縁部が負極板5の活物質塗着部51の両側縁よりも外側にそれぞれ寸法b、cだけ突出するように構成されている。そして、正極板4及び負極板5の無地部42、52は、集電体7、8との確実な接合作業を確保するのに必要な寸法a、dだけセパレータ6の両側縁よりも外側に突出するようにその幅寸法が設定されている。
Further, in order to ensure insulation between the positive and
従って、上記のように正極板4の無地部42のセパレータ6の側縁からの突出寸法をa、負極板5の無地部52とは反対側の側縁からのセパレータ6の突出寸法をb、負極板5の活物質塗着部51と無地部52の境界からのセパレータ6の突出寸法をc、負極板5の無地部52のセパレータ6の側縁からの突出寸法をd、正極板4の活物質塗着部41の幅寸法をp、負極板5の活物質塗着部51の幅寸法をn、正極板4の活物質塗着部41の両側縁からの負極板5の活物質塗着部51の突出寸法をそれぞれe、fとして、正極板4の無地部42の側縁から負極板5の無地部52の側縁までの極板群3の幅寸法Dは、負極板5の活物質塗着部51の幅寸法nを基準にすると、D=n+(a+b+c+d)で与えられる。
ところで、セパレータ6の両側縁部では、負極板5の活物質塗着部51における無地部52とは反対側の側縁と正極板4との短絡を防止し、また正極板4の活物質塗着部41における無地部42とは反対側の側縁と負極板5との短絡を防止する作用を持つことが求められている。そして、負極板5の活物質塗着部51における無地部52とは反対側の側縁と正極板4との間では、負極板5の活物質塗着部51から寸法bだけセパレータ6を突出させることで短絡が防止されているが、正極板4の活物質塗着部41における無地部42とは反対側の側縁と負極板5との間では、負極板5の活物質塗着部51から寸法(f+c)だけセパレータ6を突出させることで短絡が防止されている。
By the way, at both side edges of the
しかるに、正極板4の活物質塗着部41における無地部42とは反対側の側縁と負極板5との間の短絡防止ためのセパレータの突出寸法としては、寸法c、若しくは寸法fがcよりも大きい場合には寸法fだけあれば十分であり、かつ通常は寸法cとfはほぼ同等の大きさに設定されており、そのためセパレータ6を負極板5の活物質塗着部51から寸法(f+c)だけ突出させた状態では突出寸法が過剰となっている。その結果、極板群の幅寸法Dが余計に大きくなっており、その分電池サイズが大きくなり、逆に同一電池サイズとすると電池容量が相対的に小さくなるという問題がある。
However, as the protruding dimension of the separator for preventing a short circuit between the side edge of the active material coated
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは電池容量を大きくできるリチウム二次電池を提供することを課題とする。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that can reduce the battery size or increase the battery capacity with the same battery size.
本発明のリチウム二次電池は、幅方向の一端部に活物質を塗着していない無地部を形成した正極板と負極板とを、それぞれの活物質塗着部をセパレータを介して対向させ、かつ前記正負両極板のそれぞれの無地部を互いに反対方向に突出させた状態で巻回して成る極板群を備えたリチウム二次電池において、前記負極板の活物質塗着部の幅は前記正極板の活物質塗着部の幅より大きく設定し、前記負極板における活物質塗着部と無地部との境界とセパレータの側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群を構成したものである。 In the lithium secondary battery of the present invention, a positive electrode plate and a negative electrode plate, which are formed with a plain portion not coated with an active material at one end in the width direction, are opposed to each other with a respective active material coated portion interposed therebetween. In addition, in the lithium secondary battery including the electrode plate group formed by winding the plain portions of the positive and negative electrode plates in a state of protruding in opposite directions, the width of the active material coating portion of the negative electrode plate is Set larger than the width of the active material coated portion of the positive electrode plate, and wind the electrode plate group in a state where the boundary between the active material coated portion and the plain portion of the negative electrode plate and the side edge of the separator are substantially matched. It is composed.
この構成によると、負極板における活物質塗着部と無地部との境界とセパレータの側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群を構成しているが、負極板の活物質塗着部の幅が正極板の活物質塗着部の幅より大きく、負極板の活物質塗着部の両側部は正極板の活物質塗着部の側縁よりも所定の幅寸法突出しているため、その側縁までセパレータの側縁を延出させていることで、このセパレータにて正極板の活物質塗着部の側縁と負極板との間の短絡を防止することができる。しかも、セパレータが負極板における活物質塗着部と無地部との境界から突出しないので、従来、負極板の活物質塗着部と無地部との境界から突出していたセパレータの突出寸法を節減でき、かつセパレータから突出させる無地部の突出寸法は変わらないので、セパレータの突出寸法の低減分だけ極板群の幅寸法を小さくでき、またそれに伴って電池サイズを小さくすることができ、若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができる。 According to this configuration, the electrode plate group is configured by winding in a state in which the boundary between the active material coated portion and the plain portion in the negative electrode plate and the side edge of the separator are substantially matched, but the active material of the negative electrode plate The width of the coated portion is larger than the width of the active material coated portion of the positive electrode plate, and both side portions of the active material coated portion of the negative electrode plate protrude a predetermined width dimension from the side edge of the active material coated portion of the positive electrode plate. Therefore, by extending the side edge of the separator to the side edge, a short circuit between the side edge of the active material coating portion of the positive electrode plate and the negative electrode plate can be prevented by this separator. In addition, since the separator does not protrude from the boundary between the active material coated portion and the plain portion of the negative electrode plate, it is possible to reduce the protruding dimension of the separator that has conventionally protruded from the boundary between the active material coated portion and the plain portion of the negative electrode plate. In addition, since the protruding dimension of the plain portion protruding from the separator does not change, the width dimension of the electrode plate group can be reduced by the reduction of the protruding dimension of the separator, and the battery size can be reduced accordingly, or the same battery With the size, the size of the active material application part can be increased and the battery capacity can be increased.
本発明のリチウム二次電池によれば、セパレータの側縁を負極板における活物質塗着部と無地部との境界にほぼ合致させ、この境界から突出していたセパレータの突出寸法を節減したことで、その分電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができる。 According to the lithium secondary battery of the present invention, the side edge of the separator is substantially matched with the boundary between the active material coated portion and the plain portion of the negative electrode plate, and the protruding dimension of the separator protruding from the boundary is reduced. Therefore, the battery size can be reduced accordingly, or the same battery size can increase the size of the active material coating portion and increase the battery capacity.
以下、本発明の角形電池の一実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the prismatic battery of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1、図2において、1はリチウム二次電池から成る角形電池で、横断面形状が扁平な長方形、若しくは隅丸長方形ないし長円形の角筒状のケース2内に、発電要素としての極板群3が電解液とともに収容されている。
1 and 2,
図3に示すように、極板群3は、帯状の正極板4とセパレータ6と負極板5とセパレータ6を順次重ねた状態で薄板状の巻芯材の外周に巻回し、巻回終了後に巻芯材を引き抜いて扁平に圧縮することで構成されており、正極板4と負極板5がそれらの間にセパレータ6を介装した状態で積層された構成となっている。正極板4はアルミ箔から成る芯材4aに正極合剤を塗着・乾燥して構成された活物質塗着部41を有し、負極板5は銅箔から成る芯材5aに負極合剤を塗着・乾燥して構成された活物質塗着部51を有し、セパレータ6は多孔性ポリプロピレンフィルムなどにて構成されている。また、この極板群3の外周は短絡防止の必要に応じて外周セパレータ(図示せず)にて覆われ、若しくはケース2の内周に絶縁樹脂層(図示せず)が形成されている。
As shown in FIG. 3, the
極板群3において、正極板4のアルミ箔から成る芯材4aと負極板5の銅箔から成る芯材5aは互いに反対側に突出されてそれぞれ無地部42、52が形成されており、突出した正極の無地部42に正極集電体7がレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて接合され、突出した負極の無地部52に負極集電体8がレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて接合されている。
In the
正極集電体7は、図1に示すように、ケース2の下端開口を閉鎖する下部蓋体を兼用しており、図2に示すように、平面形状がケース2の下端部内周に嵌合する長円形で、その外周縁の全周に環状立ち上げ部9が外側(極板群3とは反対側)に向けて立ち上げ形成されている。この正極集電体7をケース2の下端部に嵌合させ、ケース2の下端縁と環状立ち上げ部9の端縁をレーザビーム溶接などで溶接し、その溶接部10にて密封状態で一体接合されている。また、その長辺方向の両端の半円部では周方向の略中央部に、内側(極板群3側)に向けて突出する半径方向の接合突部11が突出形成され、両端部間では長辺方向に適当間隔置きに複数のほぼ全幅にわたる接合突部12が突出形成され、これら接合突部11、12を極板群3から突出している正極板4の無地部42に圧接させた状態で、これらの接合突部11、12の部分でレーザビーム溶接や電子ビーム溶接を行って正極板4の無地部42と接合されている。
As shown in FIG. 1, the positive electrode
負極集電体8は、図1に示すように、ケース2の上端開口を閉鎖する上部蓋体13と極板群3の上端との間の空間に配設されており、図2に示すように、平面形状がケース2内に収容配置される平面形状がほぼ長円形の平板にて構成され、その長辺方向の両端の半円部では周方向の略中央部に、内側(極板群3側)に向けて突出する半径方向の接合突部14が突出形成され、両端部間では長辺方向に適当間隔置きに複数のほぼ全幅にわたる接合突部15が突出形成され、これら接合突部14、15を極板群3から突出している負極板5の無地部52に圧接させた状態で、これらの接合突部14、15の部分でレーザビーム溶接や電子ビーム溶接を行って負極板5の無地部52に接合されている。
As shown in FIG. 1, the negative electrode
また、負極集電体8には、その長辺方向の一端近傍部に、上面が平坦な略Ω字状ないしパンタグラフ形状の緩衝部16が一体的に屈曲成形されている。なお、この緩衝部16は別途に成形したものを平板状の負極集電体8に一体接合しても良い。また、この緩衝部16の上面中央部にはバーリング加工による筒状突部17が形成され、この筒状突部17に負極端子としての電極柱18の下端面に形成した嵌合穴19が嵌合され、電極柱18が精度良く位置決めされた状態で抵抗溶接等にて緩衝部16に一体接合されている。かくして、電極柱18は緩衝部16を介して水平方向及び垂直方向の変位及び水平方向の揺動を許容する状態で負極集電体8に接続されている。
The negative electrode
電極柱18の上部には、接続用平面20aを形成するDカット部20が形成され、その下方に適当距離の位置に断面円弧状の浅い密封用の環状凹部21が形成されている。この環状凹部21は、場合によっては形成しなくても良く、あるいは非常に浅い多条の環状溝を所定範囲にわたって形成しても良い。
A D-
上部蓋体13は、平面形状がケース2の上端部内周に嵌合する長円形で、その外周縁の全周に環状立ち上げ部22が外側(極板群3とは反対側)に向けて立ち上げ形成されており、この上部蓋体13がケース2の上端部に嵌合され、ケース2の上端縁と環状立ち上げ部22の端縁がレーザビーム溶接などで溶接され、その溶接部23にて密封状態で一体接合されている。
The
上部蓋体13には、電極柱18が貫通する保持筒部24が一体的に立ち上げ形成されており、保持筒部24の内周と電極柱18の外周との間に絶縁ガスケット25を介装した状態で、保持筒部24の環状溝21に対応する部分を縮径加工して縮径変形部26を形成し、絶縁ガスケット25を圧縮させることで、電極柱18と保持筒部24の間が密封されている。また、上部蓋体13には、図2に示すように、ケース2内の内圧が一定以上になると破断して大気に開放する安全弁27、及びケース2内に電解液を注液する注液口28とその封止栓29が設けられている。
A holding
また、緩衝部16がケース2と接触して短絡するのを防止するため、緩衝部16を覆う緩衝部カバー30が絶縁ガスケット25と一体形成されて設けられている。なお、絶縁ガスケット25と緩衝部カバー30は別々に構成しても良い。また、極板群3の上端部に露出している負極板5の芯材5a及び負極集電体8の外周部がケース2と接触して短絡するのを防止するため、負極集電体8及び負極板5の芯材5aの露出部の少なくとも外周部を覆う絶縁枠31が設けられている。
Further, in order to prevent the
以上の全体構成の角形電池1の極板群3において、図3、図4に示すように、正極板4の活物質を塗着した活物質塗着部41の幅寸法pに比して負極板5の活物質を塗着した活物質塗着部51の幅寸法nの方を大きく設定し、負極板5の活物質塗着部51の両側縁部を正極板4の活物質塗着部41の両側縁よりも外側に位置させることによって、負極板5の活物質塗着部51における金属リチウムの析出が防止されている。また、正極板4と負極板5の間の介装されるセパレータ6は、その一側部が負極板5における活物質塗着部51の無地部52とは反対側の側縁よりも突出し、その他側縁が活物質塗着部51と無地部52との境界とほぼ合致するように、負極板5の活物質塗着部51の幅寸法よりも大きく設定されるとともにその配置位置が規制されている。そして、正極板4及び負極板5の無地部42、52は、集電体7、8との確実な接合作業を確保するのに必要な寸法だけセパレータ6の両側縁よりも外側に突出するようにその幅寸法が設定されている。
In the
従って、正極板4の無地部42のセパレータ6の側縁からの突出寸法をa、負極板5の無地部52とは反対側の側縁からのセパレータ6の突出寸法をb、負極板5の活物質塗着部51と無地部52の境界及びそれとほぼ合致しているセパレータ6の側縁からの負極板5の無地部52の突出寸法をd、正極板の塗着部の幅寸法をp、負極板の塗着部の幅寸法をn、正極板の活物質塗着部の両側縁からの負極板の活物質塗着部の突出寸法をそれぞれe、fとすると、正極板4の無地部42の側縁から負極板5の無地部52の側縁までの極板群の幅寸法Dは、負極板の活物質塗着部の幅寸法nを基準にすると、D=n+(a+b+d)で与えられる。
Therefore, the protruding dimension of the
なお、以上のようにセパレータ6の側縁を活物質塗着部51と無地部52との境界にほぼ合致させた状態で巻回しながら正極板4と負極板5の絶縁を実現できるのは、負極板5の活物質塗着部51の厚さが、例えば従来の民生用のリチウム電池では160〜200μm程度であったものが、80〜100μm程度と薄くなり、かつ活物質塗着部51における活物質の脱落の恐れが少なくなったこと、及び正極板4と負極板5とセパレータ6を重ねて巻回する際の巻回精度が高くなったことによる。
As described above, the insulation between the
以上の本実施形態の角形電池1によれば、負極板5における活物質塗着部51と無地部52との境界とセパレータ6の側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群3を構成しているが、負極板5の活物質塗着部51の幅寸法nは正極板4の活物質塗着部41の幅寸法pよりも大きく、負極板5の活物質塗着部51の両側部は正極板4の活物質塗着部41の側縁よりも所定の幅寸法eとfだけそれぞれ突出している。そのため、セパレータ6の側縁を負極板5における活物質塗着部51と無地部52との境界までほぼ寸法fだけ延出させていることで、このセパレータ6にて正極板4の活物質塗着部41の側縁と負極板5との間の短絡を防止することができる。
According to the
しかも、セパレータ6が負極板5における活物質塗着部51と無地部52との境界から突出しないので、従来、負極板5の活物質塗着部51と無地部52との境界から突出していたセパレータ6の突出寸法cを節減でき、かつセパレータ6から突出させる無地部52の突出寸法dは基本的に変わらないので、極板群3の幅寸法Dは、上記のようにD=n+(a+b+d)となり、従来に比してセパレータ6の突出寸法cの低減分だけ小さくできる。またそれに伴って電池サイズを小さくすることができ、若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができる。例えば、正極板4の活物質塗着部41の幅寸法が30〜50mm程度の電池の場合で、b寸法やc寸法は2〜3mm程度であり、従ってその場合には5%程度電池サイズの低減し若しくは電池容量を大きくすることができる。
Moreover, since the
また、本実施形態の角形電池1では、ケース2内に収容された極板群3の一端に接合された負極集電体8に緩衝部16を介して電極端子としての電極柱18を装着し、ケース2に一体固着した上部蓋体13の電極柱貫通部に保持筒部24を設け、保持筒部24の内周と電極柱18の外周との間に絶縁ガスケット25を介装し、保持筒部24をかしめて形成した縮径変形部26によって電極柱18と保持筒部24の間に介装された絶縁ガスケット25を圧縮させて密封性を確保しているので、ケース2や上部蓋体13の寸法公差などによる電極柱18と保持筒部24の位置ずれを緩衝部16による電極柱18の変位によって無理なく吸収することができ、そのため電極柱18と保持筒部24との間に介装された絶縁ガスケット25が不均等に圧縮されるというような不具合を生じる恐れがなく、信頼性の高い密封性を確保することができる。
Further, in the
また、電極柱18に衝撃的な外力が作用した場合にも絶縁ガスケット25による密封部を中心として電極柱18が容易に揺動変位することよって吸収でき、密封性に致命的な影響を与えず、安定的に密封性を確保することができる。
Further, even when a shocking external force is applied to the
また、緩衝部16とケース2の接触を防止する緩衝部カバー30を絶縁ガスケット25と一体に設けているので、緩衝部16がケース2と接触して短絡するのを緩衝部カバー30にて確実に防止できるとともに、絶縁ガスケット25と一体に設けているので部品点数が少なくて済み、部品コスト及び組み付け工数を低減することができる。
In addition, since the
また、極板群3の一端に接合された負極集電体8の少なくとも外周部及び極板群3の一端部の負極板5の芯材5aの露出部を覆うように絶縁枠31を嵌合させているので、極板群3の負極板5の芯材5aの露出部がケース2と接触して短絡するのを絶縁枠31にて確実に防止できる。
Further, the insulating
また、正極集電体7及び負極集電体8に、接合突部11、12、14、15を突設しているので、正極板4及び負極板5の無地部42、52に対して集電体7、8が確実に圧接され、その部分で溶接することによって確実に接合でき、接続抵抗の小さい接続状態を確保することができ、特に両端の半円部に半径方向に接合突部11、14を設けているので、断面形状長円形に巻回した極板群3の折り返し部でも高い集電効率を確保することができる。
Further, since the
また、正極集電体7がケース2の下部蓋体を兼用しているので、構成が簡単で部品点数を少なくでき、かつ組み付け工数も少なくて済むのでコスト低減を図ることができ、しかもその正極集電体7に適当間隔おきにほぼ全幅にわたって形成した接合突部12によって正極集電体7、即ち下部蓋体の面剛性を高くすることができ、正極集電体7の板厚を大きくしなくても、ケース2の内圧が上昇した時の膨張を抑制することができ、コストと重量の低減を図ることができる。
Further, since the positive electrode
以上の実施形態の説明では角形電池1の例を示したが、本発明は角形電池に限らず、円筒型のリチウム電池に対しても同様に適用できるとともに、同様の作用効果を奏することは改めて説明するまでもなく明らかである。
In the above description of the embodiment, the example of the
本発明のリチウム二次電池は、セパレータの側縁を負極板における活物質塗着部と無地部との境界にほぼ合致させているので、この境界から突出していたセパレータの突出寸法を節減でき、その分電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができるという効果が得られ、円筒型や角形などの各種リチウム二次電池に有用である。 In the lithium secondary battery of the present invention, the side edge of the separator is substantially matched with the boundary between the active material coated portion and the plain portion of the negative electrode plate, so that the protruding dimension of the separator protruding from this boundary can be reduced, Therefore, the battery size can be reduced or the same battery size can increase the size of the active material coated part and increase the battery capacity, which is useful for various types of lithium secondary batteries such as cylinders and prisms. It is.
1 角形電池(リチウム二次電池)
3 極板群
4 正極板
5 負極板
6 セパレータ
41 活物質塗着部
42 無地部
51 活物質塗着部
52 無地部
1 Square battery (lithium secondary battery)
3
Claims (1)
A positive electrode plate and a negative electrode plate on which a solid portion not coated with an active material is formed at one end in the width direction are opposed to each other through a separator, and each of the positive and negative bipolar plates In the lithium secondary battery including the electrode plate group formed by winding the plain portions in the opposite directions, the width of the active material coating portion of the negative electrode plate is the width of the active material coating portion of the positive electrode plate. The electrode plate group is constructed by winding the electrode plate in a state where the width is set larger than the width and the boundary between the active material coated portion and the uncoated portion in the negative electrode plate is substantially matched with the side edge of the separator. Next battery.
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