JP2005209638A - 電極群からなる捲回形電気化学素子および電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】捲回形電気化学素子であって、セパレータを介して捲回した第1および第2電極板からなる電極群を有し、第1電極板は、第1集電体とその表面に担持された活物質とを含み、第2電極板は、第2集電体とその表面に担持された活物質とを含み、第1集電体の幅方向における2つの端部のうちの少なくとも一方には、第1集電部を形成されており、第2集電体の幅方向における2つの端部のうちの少なくとも一方には、第2集電部が形成されており、第1集電部および第2集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有する。
【選択図】図1
Description
態様Aにおいて、集電部の最外周部が、さらに切り取られていてもよい。
態様Aにおいて、集電部の切り取られていない残部には、波形のうねりを形成したり、縁側から始まる複数の幅方向の切り込みを形成したりすることが好ましい。
態様Aにおいて、集電部の切り取られていない残部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みを形成する場合、前記残部の少なくとも最内周側に位置する隣接する2つの切り込みの間隔は、前記残部の他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっていることが好ましい。また、隣接する2つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくしてもよい。
なお、切り込みは、折り畳まれた集電体露出部のうち、最表面の一層だけに入れてもよく、内部の一部の層に入れてもよく、最表面から内部の層に跨って入れてもよく、全ての層に入れてもよい。以下の態様B〜Dにおいても同様である。
態様Bにおいて、切り込みのない部分には、波形のうねりを形成してもよい。
態様Bにおいて、集電部の最外周部が、切り取られていてもよい。
態様Bにおいて、隣接する2つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっていることが好ましい。
態様Cにおいて、集電部の最外周部が、切り取られていてもよい。
態様Cにおいて、集電部の切り取られていない残部に縁側から始まる複数の幅方向の切り込みを形成してもよい。その場合、前記残部の少なくとも最内周側に位置する隣接する2つの切り込みの間隔は、前記残部の他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっていることが好ましい。また、隣接する2つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくしてもよい。
態様Cにおいて、切り欠きや切り込みのない部分には、波形のうねりを形成してもよい。
態様Dにおいて、集電部の最外周部が、切り取られていてもよい。
態様Dにおいて、切り欠きや切り込みのない部分には、波形のうねりを形成してもよい。
態様Dにおいて、最内周側に位置する隣接する2つの切り込みの間隔は、他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっていることが好ましい。また、隣接する2つの切り込みの間隔は、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくしてもよい。
この構造によれば、電極群の最内周部には集電部がないため、すなわち集電部の抵抗が除かれているため、集電部における鋭角部の形成が起こらず、捲回が容易になり、内部短絡が防止される。
この構造によれば、捲回されたときに最内周部に鋭角部が形成されず、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防止される。
この構造によれば、捲回されたときに最内周部に鋭角部が形成されず、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防止される。
この構造によれば、捲回されたときに最内周部に鋭角部が形成されず、集電部に形成される鋭角部による内部短絡は防止される。
図1において、帯状の正極集電体1aおよびこれに担持された活物質1bからなる正極板1と、帯状の負極集電体2aおよびこれに担持された活物質2bからなる負極板2とが、微多孔ポリエチレンフィルムからなるセパレータ3を間に配して互いに対向された状態で渦巻き状に巻かれており、電極群4を構成している。電極群4は、電解液とともに電池容器5内に収納されている。
セパレータ3は、正極板1および負極板2の活物質塗布部の両端縁よりも上下の外側に端部が突出している。
正極板1は、電解二酸化マンガン(MnO2)と炭酸リチウム(Li2CO3)とをLi/Mn=1/2となるように混合し、800℃で20時間大気中で焼成して製造されるLiMn2O4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で92:3:5の割合で混合したものを正極活物質1bとする。なお、正極活物質1bをペースト状に混練するため、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンは溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解した液を用いる。上記混合比率は固形分としての割合である。
この正極集電板10と負極集電板11を接合させた電極群4を、電池缶6内に収容して、負極集電板11と電池缶6の底部を抵抗溶接する。また、正極接続片10aを電池蓋7に押し当てて、接触させた状態でレーザ溶接した後に、電極群4の入った電池缶6内に電解液を注入して真空含浸させ、その後、電池蓋7で密閉する。
図2に、実施形態1に係る正極板1の製造工程図を示す。
まず、図2(a)に示すように、帯状の正極板1は、帯状のアルミニウム箔製正極集電体1aの両面に正極活物質1bが塗布されて形成されており、その長手方向に沿って、活物質端部と集電体との間に境界線12が形成されている。なお、図2(a)において、X方向は、長手方向であり、Y方向は短手方向(幅方向)である。
負極板2は、およそ幅61mm、長さ600mmの寸法となるように作製される。負極集電部15は、負極板2の負極集電体2aを、図2(c)で説明した方法で1回折り畳むことにより、幅約2.5mmになるように形成される。
電極群4の最内周部の負極集電部15の除去は、正極板1と同様に切断して除去される。
図3に、実施形態2に係る正極板1の平面図を示す。
本実施形態では、正極板1の正極集電部9において、正極集電部9の縁側(端縁)から帯状の正極板1の短手方向(幅方向)に向けて、切り込み14が複数形成され、捲回された時の電極群4の内周部の円の1周が少なくとも4つの切り込みを有し、かつ、隣接する2つの切り込み14の間隔が、他の部分の切り込み14の間隔より小さくなるように設けられている。内周部には、最内周部が含まれ、鋭角部を形成する可能性のある最内周部に隣接するいくつかの円も含まれる。具体的には、正極集電部9の縁側から帯状の正極板1の短手方向に向け、つまり、正極活物質1bの塗布部と正極集電体1aとの境界線12に向かって、切断刃で切り込みを入れる。切り込み14の間隔は、電極群4の内周部の正極集電部9では約5mm間隔、その他の正極集電部9では約15mm間隔とする。
上述の極板を用いてリチウムイオン二次電池を構成することによって、集電体の端部には1回折り畳まれた集電部が形成されているので、溶接時に集電板へ加圧力が加えられても集電部は潰れず、セパレータを突き破る程に座屈することが無いため、内部短絡の可能性を軽減することができる。また、集電部が大きく座屈しないため、集電板との電気的な接続も確実で安定したものにできる。
図4に、実施形態3に係る正極板1の平面図を示す。
本実施形態では、正極集電部9のうち、捲回時に電極群4の最内周部に位置する部分には、正極集電部9が設けられていないようにする。具体的には、正極集電部9を形成した後に、最内周部の正極集電部9を切除するか、予め最内周部に相当する正極集電体1aの部分を除去しておくようにすればよい。そして、正極集電部9の縁側から帯状の正極板1の短手方向に向けて、切り込み14が複数設けられている。
また、帯状の負極板2についても、これと同様に作製することができる。
図5に、実施形態4の正極板1の平面図を示す。
本実施形態では、捲回された時の電極群4の内周部の切り込み14の間隔が、他の部分の切り込み14の間隔よりも、小さくなるように設けられている。一方、正極集電部9のうち、捲回時に電極群4の最内周部に位置する部分には、正極集電部9が設けられていないようにする。具体的には、正極集電部9を形成した後に、最内周部の正極集電部9を切除するか、予め最内周部に相当する正極集電体1aの部分を除去しておくとよい。
また、帯状の負極板2についても、これと同様に作製することができる。
図6に、実施形態5に係る正極板1の斜視図を示す。
本実施形態では、正極板1の正極集電部9に、その長手方向と直交する波状のうねりを形成している。具体的には、波形の金型で正極集電部9を挟んでプレスすることにより、波状のうねりを設けることができる。
また、帯状の負極板2についても、これと同様に作製することができる。
図7(a)〜(d)に、実施形態6に係る各種正極板1の平面図をそれぞれ示す。
本実施形態では、図2(d)、図3、図4もしくは図5に示すような正極集電部9のうち、捲回時に電極群4の最外周部に位置する部分(図中、矢印Bで指し示す部分)には、正極集電部9が設けられていないようにしたものである。具体的には、図2(a)〜(c)のようにして、正極集電部9を形成した後に、最外周部の正極集電部9を切除するか、予め最外周部に相当する正極集電体1aの部分を除去して、図7(a)〜(d)に示すような構成を得ることができる。
また、帯状の負極板2についても、これと同様に作製することができる。
図8に、実施形態7に係る正極板1の平面図を示す。
本実施形態では、正極板1の正極集電部9において、正極集電部9の縁側から帯状の正極板1の短手方向(幅方向)に向けて、切り込み14が複数形成され、隣接する2つの切り込みの間隔が、捲回された時の電極群4の内周部から外周部に向かって、対数的に次第に大きくなるように設けられている。
また、帯状の負極板2についても、これと同様に作製することができる。
図9に、実施形態8に係る正極板1の平面図を示す。
本実施形態では、正極板1の正極集電部9において、正極集電部9の縁側から帯状の正極板1の短手方向(幅方向)に向けて、最内周部の最端から約5mmのところから幅約15mmに亘って、切り欠き16が形成されている。切り欠き16よりも内周側の幅約5mmの領域は、ストリップ状の集電細片17を形成している。
本実施形態では、最内周部に幅の広い切り欠き16を1つ設けたが、複数の切り欠き16を設けてもよい。この場合、最内周部以外の切り欠きは、切り込みであってもよく、切り欠きと切り込みとを併用してもよい。
また、帯状の負極板2についても、これと同様に作製することができる。
以上のような構成を有する電池のうち、実施形態1の電池を100個用意した。
比較例1に用いたリチウムイオン二次電池においては、正極板1および負極板2において、電極群の最内周部から最外周部の全体に渡って、集電体の端部に金属薄板を溶接し、厚みが増した正極集電部9および負極集電部15を形成し、両集電部には等間隔に切り込み14を設けた。このような正極板1と負極板2を用い、正極集電板10および負極集電板11に、それぞれ正極集電部9および負極集電部15を溶接した。その後の製造工程は、実施例1の製造方法と同様にして、100個の電池を用意した。
比較例2に用いたリチウムイオン二次電池においては、正極板1および負極板2において、電極群の最内周部から最外周部の全体に渡って、正極集電部9および負極集電部15を形成し、各集電部には切り込み14も設けなかった。このような正極板1と負極板2を用い、正極集電板10および負極集電板11に、それぞれ正極集電部9および負極集電部15を溶接した。その後の製造工程は、実施例1の製造方法と同様にして、100個の電池を用意した。
実施例1および比較例1、2の各々100個ずつの電池について、落下衝撃試験を行った。落下位置の高さ75cmとした。落下時の電池の状態が、正立状態、倒立状態および側立状態となるように、それぞれ一回ずつ落下させることを1サイクルとした。
その結果を表1に示す。
1a 正極集電体
1b 正極活物質
2 負極板
2a 負極集電体
2b 負極活物質
3 セパレータ
4 電極群
5 電池容器
6 電池缶
7 電池蓋
8 絶縁パッキング
9 正極集電部
10 正極集電板
10a 正極接続片
11 負極集電板
11a 負極接続片
12 活物質端部と集電体との間の境界線
13 折り曲げ位置を示す直線
14 切り込み
15 負極集電部
16 切り欠き
17 ストリップ状の集電細片
Claims (28)
- 電極群からなる捲回形電気化学素子であって、
前記電極群は、第1電極板、第2電極板およびセパレータからなり、
前記セパレータは、前記第1電極板と、前記第2電極板との間に位置し、
前記第1電極板、前記第2電極板および前記セパレータは、長さ方向にロール状に捲回されており、
前記第1電極板は、第1集電体と、前記第1集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記第2電極板は、第2集電体と、前記第2集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記第1集電体の幅方向における2つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない第1露出部が形成され、前記第1露出部が第1集電部を形成しており、
前記第2集電体の幅方向における2つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない第2露出部が形成され、前記第2露出部が第2集電部を形成しており、
前記第1集電部および前記第2集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも前記電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有する電気化学素子。 - 前記第1集電部が、前記第1露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されており、前記第2集電部が、前記第2露出部が幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されている請求項1記載の電気化学素子。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部を切り取ることにより形成されている請求項1記載の電気化学素子。
- 前記集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項3記載の電気化学素子。
- 前記集電部の切り取られていない残部に、波形のうねりが形成されている請求項3記載の電気化学素子。
- 前記集電部の切り取られていない残部に、縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されている請求項3記載の電気化学素子。
- 前記集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項6記載の電気化学素子。
- 前記集電部の切り取られていない残部に、縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されており、前記残部の少なくとも最内周側に位置する隣接する2つの切り込みの間隔が、前記残部の他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっているか、もしくは、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっている請求項3記載の電気化学素子。
- 前記集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項8記載の電気化学素子。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部に、縁側から始まる少なくとも4つの幅方向の切り込みを形成することにより形成されている請求項1記載の電気化学素子。
- 前記集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項10記載の電気化学素子。
- 隣接する2つの切り込みの間隔が、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっているか、もしくは、少なくとも最内周部に位置する隣接する2つの切り込みの間隔が、他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっている請求項10記載の電気化学素子。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも1つの切り欠き部と、少なくとも1つのストリップ状の集電細片を形成することにより形成されている請求項1記載の電気化学素子。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも1つの切り欠き部または前記集電部を形成する層の少なくとも1つに少なくとも4つの切り込みを形成することにより形成されている請求項2記載の電気化学素子。
- 電極群を含む電池であって、
前記電極群は、正極板、負極板およびセパレータからなり、
前記セパレータは、前記正極板と、前記負極板との間に位置し、
前記正極板、前記負極板および前記セパレータは、長さ方向にロール状に捲回されており、
前記正極板は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記負極板は、負極集電体と、前記負極集電体の表面に担持された活物質とを含み、
前記正極集電体の幅方向における2つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない露出部が形成され、前記露出部が正極集電部を形成しており、
前記負極集電体の幅方向における2つの端部のうちの少なくとも一方には、所定幅を有し、活物質を担持しない露出部が形成され、前記露出部が負極集電部を形成しており、
前記正極集電部には、正極集電板が電気的に接続されており、
前記負極集電部には、負極集電板が電気的に接続されており、
前記正極集電部および前記負極集電部のうちの少なくとも一方が、少なくとも前記電極群の最内周部に、鋭角部の形成を妨げる構造を有する電池。 - 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電体および/または前記負極集電体の露出部が、幅方向に沿って折り畳まれることにより形成されている請求項15記載の電池。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電部および/または前記負極集電部の少なくとも最内周部を、切り取ることにより形成されている請求項15記載の電池。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項17記載の電極群。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の切り取られていない残部に、波形のうねりが形成されている請求項17記載の電池。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の切り取られていない残部に、縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されている請求項17記載の電池。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項20記載の電池。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の切り取られていない残部に、縁側から始まる複数の幅方向の切り込みが形成されており、前記残部の少なくとも最内周側に位置する隣接する2つの切り込みの間隔が、前記残部の他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっているか、もしくは、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっている請求項17記載の電池。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項22記載の電池。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電部および/または前記負極集電部の少なくとも最内周部に、縁側から始まる少なくとも4つの幅方向の切り込みを形成することにより形成されている請求項15記載の電池。
- 前記正極集電部および/または前記負極集電部の最外周部が、さらに切り取られている請求項24記載の電池。
- 隣接する2つの切り込みの間隔が、内周側から外周側に向かって、対数的に次第に大きくなっているか、もしくは、少なくとも最内周部に位置する隣接する2つの切り込みの間隔が、他の部分に位置する隣接する2つの切り込みの間隔よりも小さくなっている請求項24記載の電池。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電部および/または前記負極集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも1つの切り欠き部と、少なくとも1つのストリップ状の集電細片を形成することにより形成されている請求項15記載の電池。
- 前記鋭角部の形成を妨げる構造が、前記正極集電部および/または前記負極集電部の少なくとも最内周部に、少なくとも1つの切り欠き部または前記集電部を形成する層の少なくとも1つに少なくとも4つの切り込みを形成することにより形成されている請求項16記載の電池。
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