JP2005285691A - Nonaqueous secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、角筒形状や円筒形状のリチウムイオン二次電池などの非水二次電池に関し、正極と負極とがセパレータを介して巻回された電極巻回体を収容した非水二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous secondary battery such as a rectangular tube-shaped or cylindrical lithium-ion secondary battery, and a non-aqueous secondary battery containing an electrode winding body in which a positive electrode and a negative electrode are wound via a separator. About.
正極および負極の電極は、製造上の理由などによって巻回方向の端部で金属製の集電体がそれぞれ露出してしまう。リチウムイオン二次電池では、正極の塗膜と、露出状態の負極集電体とが向かい合うと、充放電の繰り返しで正極の塗膜に含有するリチウムが、負極集電体の表面にデンドライト(樹枝状晶)として析出する。このデンドライトが成長するとセパレータを突き破り、正極と負極とが短絡する。 In the positive electrode and the negative electrode, metal current collectors are exposed at the ends in the winding direction due to manufacturing reasons, for example. In a lithium ion secondary battery, when the coating film on the positive electrode and the exposed negative electrode current collector face each other, lithium contained in the positive electrode coating film is repeatedly charged and discharged on the surface of the negative electrode current collector. Precipitate as a crystal). When this dendrite grows, it breaks through the separator, and the positive electrode and the negative electrode are short-circuited.
このため、従来は特許文献1に示すごとく、負極の塗膜を正極の塗膜の先端よりもさらに巻回方向の先端側に延ばして、正極の塗膜と、露出状態の負極集電体とが向かい合わないようにしていた。この場合、正極集電体が負極の塗膜や負極集電体に対面することになる。 For this reason, conventionally, as shown in Patent Document 1, the negative electrode coating film is further extended to the front end side in the winding direction than the front end of the positive electrode coating film, and the positive electrode coating film, the exposed negative electrode current collector, Was not facing each other. In this case, the positive electrode current collector faces the negative electrode coating film or the negative electrode current collector.
正極集電体はアルミニウム製、負極集電体は銅製であってそれぞれ電気抵抗が小さい。さらに負極活物質の主成分は炭素であるために負極の塗膜も電気抵抗が小さい。このため、過充電などで電池が高温になってセパレータが収縮あるいは破れ、正負の集電体どうしが接触し、あるいは正極集電体が負極の塗膜に接触した場合には、過大な短絡電流が流れて電池内部で急激な発熱を生じ、電池が装着された機器などに悪影響を与えるおそれがある。 The positive electrode current collector is made of aluminum and the negative electrode current collector is made of copper, and each has a low electric resistance. Furthermore, since the main component of the negative electrode active material is carbon, the coating film of the negative electrode also has a low electrical resistance. Therefore, if the battery becomes hot due to overcharging, etc., the separator shrinks or tears, the positive and negative current collectors contact each other, or the positive current collector contacts the negative electrode coating, an excessive short circuit current May flow and suddenly generate heat inside the battery, which may adversely affect the device on which the battery is mounted.
この場合、特許文献1〜5に示すごとく、巻回方向の端部において正極あるいは負極の端部に絶縁体を配すれば前記接触を防ぐことはできる。ところが、デンドライトの生成防止のために、負極の塗膜を正極の塗膜の先端よりも巻回方向の先端側に延ばすことには変わりがないため、正極集電体が負極の塗膜や負極集電体に対面する。したがって、何らかの理由でセパレータのみならず絶縁体まで破損した場合に、正負の集電体どうしの接触や、正極集電体と負極の塗膜との接触を防止できないことになる。 In this case, as shown in Patent Documents 1 to 5, the contact can be prevented if an insulator is provided at the end of the positive electrode or the negative electrode at the end in the winding direction. However, in order to prevent the formation of dendrites, there is no change in extending the negative electrode coating film toward the front end side in the winding direction from the front end of the positive electrode coating film. Facing the current collector. Therefore, when not only the separator but also the insulator is broken for some reason, it is impossible to prevent the contact between the positive and negative current collectors and the contact between the positive electrode current collector and the negative electrode coating film.
そこで本発明の目的は、セパレータのみならず絶縁体まで破損しても正負の集電体どうしの接触や、正極集電体と負極の塗膜との接触が生じないうえ、デンドライトの生成を防止できる非水二次電池を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to prevent contact between the positive and negative current collectors and contact between the positive electrode current collector and the negative electrode coating film even when the insulator as well as the separator is damaged, and to prevent the formation of dendrites. The object is to provide a non-aqueous secondary battery that can be used.
本発明が対象とする非水二次電池は、図1に示すごとく、正極活物質を含有する塗膜17が正極集電体19の裏表両面に配された正極9と、負極活物質を含有する塗膜20が負極集電体21の裏表両面に配された負極10と、リチウムイオンが透過可能なセパレータ11とを有しており、正極9と負極10とがセパレータ11を介して巻回された電極巻回体7を収容してある。
As shown in FIG. 1, the nonaqueous secondary battery targeted by the present invention contains a
その負極10の巻回方向の先端は、それに対面する正極9の塗膜17・17の先端よりも巻回方向に後退して、負極10が露出状態の正極集電体19に対面しないようにしてある。負極10の先端部と、正極9における負極10の先端部に対面する部分との少なくとも一方に、リチウムイオン非透過性の絶縁体が介在していることを特徴とする。
The tip of the
ここでの負極10の先端は、電極巻回体7の巻回方向の外周側の先端の場合と、内周側の先端の場合とが該当し、外周側の場合には正極9の塗膜17・17の先端よりも巻回方向の内周側に後退しており、内周側の場合には正極9の塗膜17・17の先端よりも巻回方向の外周側に後退している。本発明は、製造上の理由で負極集電体21が露出してもデンドライトの生成を防止できるものであり、負極10の先端部において負極集電体21が露出している場合と、負極集電体21が露出していない場合とが含まれる。
Here, the tip of the
絶縁体は、図1に示すごとく塗料22で形成されていてもよいし、図3に示すごとくテープ23であってもよい。絶縁体の材料としては、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂あるいはアクリル樹脂などが該当する。
The insulator may be formed of a
セパレータ11には、その全体にわたってリチウムイオンが透過可能な微孔を分散状に設けられている。かかるセパレータ11において、図5に示すごとく、負極10の先端部に対面する部分11a・11aの微孔を塞いで絶縁体とすることで、その部分11a・11aではリチウムイオンが透過しないようにすることができる。ここでは前記部分11a・11aの微孔を融着する場合も含まれ、さらに前記微孔を融着するとともに負極10の先端部の外周側および内周側のセパレータ11・11どうしを融着する場合も含まれる。
The
本発明によれば、負極10が露出状態の正極集電体19に対面しないようにしてあるので、過充電などで電池が高温になってセパレータ11が収縮あるいは破れても、正負の集電体19・21どうしが接触したり、正極集電体19が負極10の塗膜20に接触したりすることがなく、過大な短絡電流が流れて電池内部で急激な発熱を生じることを確実に防止できる。このうえで、負極10の先端部で負極集電体21が露出していても、負極10の先端部と正極9との間に絶縁体が介在するので、デンドライトの生成を確実に防止できる。
According to the present invention, since the
セパレータ11において、負極10の先端部に対面する部分11a・11aの微孔を塞いでリチウムイオンが透過しないようにすると、前記部分11a・11aを加熱して微孔を融着することで塞ぐことができるので、塗料の塗布やテープの貼り付けなどに比べて絶縁体を容易に形成できるうえ、絶縁体が塗料やテープに比べて嵩張らないことになる。
In the
(実施例1) 図1および図2は、本発明が対象とする非水二次電池の実施例1を示しており、上面が開口する有底筒形状のアルミニウム製の電池ケース1と、電池ケース1の上面開口を塞ぐアルミニウム製の封口板2と、電池ケース1内の上端に配されたプラスチック製のインシュレータ3とを有する。封口板2の中央には、絶縁パッキング5を介して負極端子6が貫通状に取り付けられている。電池ケース1内には、電極巻回体7および非水電解液が収容されている。
(Example 1) FIG. 1 and FIG. 2 show Example 1 of a non-aqueous secondary battery targeted by the present invention, and a battery case 1 made of aluminum having a bottomed cylindrical shape with an open upper surface, and a battery An
電極巻回体7は、帯状の正極9と、帯状の負極10とを絶縁性を有する帯状のセパレータ11を挟んで積層し、この積層を巻回してなる。封口板2は、その外周縁が電池ケース1の上端開口周縁にレーザーで密閉状にシール溶接する。負極端子6の下端には、導電タブ13が溶接されており、この導電タブ13が負極10に接続される。電池ケース1の上端内面には、導電タブ15が溶接されており、この導電タブ15が正極9に接続される。これにより、電池ケース1が正極端子を兼ねる。セパレータ11は、厚さ寸法が20μmのポリエチレンフィルムからなり、セパレータ11の全体にわたってリチウムイオンが透過可能な微孔が分散状に設けられている。
The electrode winding body 7 is formed by laminating a strip-shaped
電極巻回体7の正極9は、図1に示すごとく正極活物質を含有する塗膜17を帯状の正極集電体19の裏表両面に配することで形成してある。負極10は、負極活物質を含有する塗膜20を帯状の負極集電体21の裏表両面に配することで形成してある。なお、正極9および負極10の巻回方向の両端では、製造上の理由などで集電体19・21がそれぞれ露出することがあり、ここでは集電体19・21の一部がそれぞれ露出している状態で説明する。
As shown in FIG. 1, the
つまり、電極巻回体7において、巻回方向の最外周側となる負極10の負極集電体21の先端21aは、その外周側の正極9の塗膜17の先端17a、および内周側の正極9の塗膜17の先端17bよりも巻回方向の内周側に後退しており、負極10が露出状態の正極集電体19に対面しないようにしてある。
That is, in the electrode winding body 7, the
負極10の最外周側の先端部には、リチウムイオンが透過しないリチウムイオン非透過性を有するポリイミド塗料22が、絶縁体としてそれぞれ塗布されている。ポリイミド塗料22は、固形成分(ポリイミド樹脂)を15重量%含有するNMP(N−メチル2ピロリロン)の溶液からなる。ポリイミド塗料22は、負極10の先端に露出している負極集電体21の全体と、負極10の裏表の塗膜20の先端部とを被覆している。ポリイミド塗料22は、塗布後にホットプレート上で加熱乾燥する。これにより、負極10の先端部で露出している負極集電体21と、正極9との間に絶縁体が介在することになる。
A
正極9は、以下のようにして作製した。正極活物質としてのLiCoO2 に、導電助剤として鱗片状黒鉛を加えて混合し、この混合物と、ポリフッ化ビニリデンをN−メチルピロリドンに溶解させた溶液とを混合して、ペースト状の正極塗料を調整した。このペースト状の正極塗料は、70メッシュの網を通過させて大きなものを取り除いた後、厚さ15μmの帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体19の裏表両面に均一に塗布し、乾燥して塗膜17を形成した。
The
前記乾燥後の帯状体は、圧縮成形されて所定の寸法に切断したのち、導電タブ15を溶接する。なお、最外周の正極9において正極集電体19の外周面と、導電タブ15の接続箇所とには、正極塗料が塗布されていない。
The dried band-like body is compression-molded and cut to a predetermined size, and then the
負極10は、以下のようにして作製した。負極活物質としての黒鉛系炭素材料を、ポリフッ化ビニリデンをN−メチルピロリドンに溶解させた溶液に混合して、ペースト状の負極塗料を調整した。このペースト状の負極塗料は、70メッシュの網を通過させて大きなものを取り除いた後、厚さ10μmの帯状の銅箔からなる負極集電体21の裏表両面に均一に塗布し、乾燥して塗膜20を形成した。なお、負極10は、導電タブ13の接続箇所には負極塗料が塗布されていない。前記乾燥後の帯状体は、圧縮成形して所定の寸法に切断したのち、これに導電タブ13を溶接した。
The
非水電解質は、エチレンカーボネート(EC)と、ジエチルカーボネート(DEC)とを体積比1:2の割合で混合した溶媒に、LiPF6 を1mol/dm3 の濃度になるように溶解して調製した。 The nonaqueous electrolyte was prepared by dissolving LiPF 6 to a concentration of 1 mol / dm 3 in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 1: 2. .
なお、巻回方向の最内周側となる負極10の負極集電体21の先端(基端)は、その外周側の正極9の塗膜17および内周側の塗膜17の先端よりも巻回方向の外周側に後退し、最内周側の負極10が露出状態の正極集電体19に対面しないようにしてもよい。この場合、負極10の最内周側の先端部にもポリイミド塗料22を塗布する。
In addition, the front-end | tip (base end) of the
(実施例2) 実施例2では、図3に示すごとく、負極10の巻回方向の最外周側の先端部に、リチウムイオン非透過性のポリイミド製の絶縁テープ23を絶縁体として貼り付けた。絶縁テープ23は、負極10の先端で露出している負極集電体21の全体と、負極10の裏表の塗膜20の先端部とを被覆している。絶縁テープ23の厚さ寸法は45μm、テープ本体の樹脂の厚さ寸法は25μmとした。その他の点は、実施例1と同じであるので説明を省略する。
(Example 2) In Example 2, as shown in FIG. 3, the insulating
(実施例3) 実施例3では、実施例2において、ポリプロピレン製の絶縁テープ23の厚さ寸法を55μmにした。テープ本体の樹脂の厚さ寸法は30μmとした。その他の点は、実施例2と同じであるので説明を省略する。
(Example 3) In Example 3, in Example 2, the thickness dimension of the
(実施例4) 実施例4では、図4に示すごとく、正極9に前記ポリイミド塗料22を塗布した。ポリイミド塗料22は、前記負極集電体21の先端部の外周側となる正極9の塗膜17の先端17a付近、および内周側となる正極9の塗膜17の先端17b付近に塗布した。その他の点は、実施例1と同じであるので説明を省略する。
(Example 4) In Example 4, the
(実施例5) 実施例5では、正極9に前記ポリイミド製の絶縁テープ23を配した。その絶縁テープ23は、前記負極集電体21の先端部の外周側となる正極9の塗膜17の先端17a付近、および内周側となる正極9の塗膜17の先端17b付近に貼り付けた。その他の点は、実施例4と同じであるので説明を省略する。
Example 5 In Example 5, the
(実施例6) 実施例6では、実施例5において、ポリプロピレン製の絶縁テープ23を配した。その絶縁テープ23の厚さ寸法は55μm、テープ本体の樹脂の厚さ寸法は30μmとした。その他の点は、実施例5と同じであるので説明を省略する。
(Example 6) In Example 6, the insulating
(実施例7) 実施例7では、実施例2と同様に負極10にポリイミド製の絶縁テープ23を貼り付けることに加えて、実施例5と同様に正極9にもポリイミド製の絶縁テープ23を貼り付けた。その他の点は、実施例1と同じであるので説明を省略する。
(Example 7) In Example 7, in addition to sticking the
(実施例8) 実施例8では、図5に示すごとく、負極10の先端部の外周側および内周側のセパレータ11・11において、負極10の先端部に対面する部分11a・11aをそれぞれ150℃に加熱して、その部分11a・11aの微孔を融着させてリチウムイオンを透過不能にした。その他の点は、実施例1と同じであるので説明を省略する。
(Example 8) In Example 8, as shown in FIG. 5, in the
(実施例9) 実施例9では、実施例7において、負極10に配するポリイミド製の絶縁テープ23の厚さ寸法を45μmにした。そのテープ本体の樹脂の厚さ寸法は25μmとした。その他の点は、実施例7と同じであるので説明を省略する。
(Example 9) In Example 9, in Example 7, the thickness dimension of the
(実施例10) 実施例10では、実施例7において、正極9に配するポリイミド製の絶縁テープ23の厚さ寸法を45μmにした。そのテープ本体の樹脂の厚さ寸法は25μmとした。その他の点は、実施例7と同じであるので説明を省略する。
(Example 10) In Example 10, in Example 7, the thickness dimension of the
(実施例11) 実施例11では、図6に示すごとく、負極10の先端部の外周側および内周側のセパレータ11・11において、負極10の先端部に対面する部分をそれぞれ150℃に加熱して、その部分11a・11aの微孔を融着させるとともに外周側および内周側のセパレータ11・11どうしを融着した。その他の点は、実施例1と同じであるので説明を省略する。
Example 11 In Example 11, as shown in FIG. 6, in the outer peripheral side and inner
(比較例1) 実施例1において、ポリイミド塗料22の塗布を省略した。その他の点は実施例1と同じである。
(Comparative example 1) In Example 1, application | coating of the
(比較例2) 比較例1において、電極巻回体7は、図7に示すごとく、巻回方向の最外周となる負極10の負極集電体21の先端21aが、その外周側の正極9の塗膜17の先端17a、および内周側の正極9の塗膜17の先端17bよりも巻回方向の外周側に位置して、負極10が露出状態の正極集電体19に対面している。ポリイミド塗料22の塗布は省略した。その他の点は、実施例1と同じである。
(Comparative example 2) In the comparative example 1, as shown in FIG. 7, the electrode winding body 7 has the
実施例1〜11および比較例1・2の各電池を、25℃で800mAの定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vに達したのちは4.2Vの定電圧で2.5時間だけ充電した。次いで800mAの定電流で終止電圧が3.0Vになるまで放電したのち、800mAの定電流で4.2Vまで充電することを、2.5時間の条件で5回繰り返し、充電状態でオーブンによって150℃で10分間の加熱を行った。 The batteries of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 and 2 were charged to 4.2 V at a constant current of 800 mA at 25 ° C. After reaching 4.2 V, the battery was constant at 4.2 V for 2.5 hours. Just charged. Next, after discharging to a final voltage of 3.0 V at a constant current of 800 mA, charging to 4.2 V at a constant current of 800 mA is repeated 5 times under the condition of 2.5 hours, and 150 times by an oven in the charged state. Heating was performed at 0 ° C. for 10 minutes.
前記加熱での各電池の温度を測定した。更に各電池を分解して、負極10の先端部でのリチウム析出の状態を確認した。表1はその結果を示す。
The temperature of each battery during the heating was measured. Furthermore, each battery was disassembled, and the state of lithium deposition at the tip of the
実施例1〜11の各電池では、最高電池温度が170℃以下であって発火もない。これは、電池内部で短絡が生じてなく、発熱がほぼ無いためと考えられる。比較例1の電池では、最高電池温度が176℃もあり、電池内部で僅かに短絡が生じて発熱が生じたためと考えられる。比較例1の電池では発火が生じた。これは、電池内部で多大な短絡が生じたためと考えられる。 In each battery of Examples 1 to 11, the maximum battery temperature is 170 ° C. or less and there is no ignition. This is presumably because no short circuit occurs inside the battery and there is almost no heat generation. The battery of Comparative Example 1 has a maximum battery temperature of 176 ° C., which is considered to be due to heat generation due to a slight short circuit inside the battery. In the battery of Comparative Example 1, ignition occurred. This is probably because a large number of short circuits occurred inside the battery.
このように、実施例1〜11の各電池では、電池温度が高温になっても発熱の小さい、安全性に優れた電池を得ることができた。 As described above, in each of the batteries of Examples 1 to 11, it was possible to obtain a battery with low heat generation and excellent safety even when the battery temperature became high.
前記実施例において、ポリイミド塗料22や絶縁テープ23を正極9に配する場合には、正極9や負極10の伸縮などを考慮して、ポリイミド塗料22や絶縁テープ23を巻回方向に長めに配する。また、前記実施例8・11において、セパレータ11・11の融着部分11a・11aも、セパレータ11の熱収縮などを考慮して巻回方向に長めに形成する。
In the above embodiment, when the
各実施例において、負極10の先端を正極9の塗膜17・17の先端よりも巻回方向に後退させ、かつ負極10および正極9の少なくとも一方を前記ポリイミド塗料22や絶縁テープ23の絶縁体で被覆することを、電極巻回体7の巻回方向の外周側の先端と、内周側の先端との双方、あるいはいずれか一方のみに行なうものであってもよい。扁平角形の電池の場合には、電極巻回体7は巻回したのちに電池ケース1に合わせて扁平状に押し潰し変形される。本発明は、負極10の先端部において、負極集電体21の先端まで塗膜20で覆われて負極集電体21が露出していない場合でも適用できる。
In each example, the tip of the
7 電極巻回体
9 正極
10 負極
11 セパレータ
17 正極塗膜
19 正極集電体
20 負極塗膜
21 負極集電体
22 ポリイミド塗料
23 絶縁テープ
7
Claims (4)
前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して巻回された電極巻回体を収容した非水二次電池であって、
前記負極の巻回方向の先端が、それに対面する前記正極の塗膜の先端よりも巻回方向に後退して、前記負極が露出状態の前記正極集電体に対面しないようにしてあり、
前記負極の先端部と、前記正極における前記負極の先端部に対面する部分との少なくとも一方に、リチウムイオン非透過性の絶縁体が介在していることを特徴とする非水二次電池。 A positive electrode in which a coating film containing a positive electrode active material is arranged on both sides of the positive electrode current collector, a negative electrode in which a coating film containing a negative electrode active material is arranged on both sides of the negative electrode current collector, and lithium ions are transmitted. A possible separator,
A non-aqueous secondary battery containing an electrode winding body in which the positive electrode and the negative electrode are wound through the separator,
The tip of the negative electrode in the winding direction is set back from the tip of the coating film of the positive electrode facing it in the winding direction so that the negative electrode does not face the exposed positive electrode current collector,
A non-aqueous secondary battery, wherein a lithium ion impermeable insulator is interposed between at least one of a tip portion of the negative electrode and a portion of the positive electrode facing the tip portion of the negative electrode.
前記正極と前記負極とが前記セパレータを介して巻回された電極巻回体を収容した非水二次電池であって、
前記負極の巻回方向の先端が、それに対面する前記正極の塗膜の先端よりも巻回方向に後退して、前記負極が露出状態の前記正極集電体に対面しないようにしてあり、
前記セパレータには、その全体にわたってリチウムイオンが透過可能な微孔を分散状に設けてあり、
前記セパレータにおいて、前記負極の先端部に対面する部分の前記微孔を塞いで絶縁体とすることで、その部分ではリチウムイオンが透過しないようにしたことを特徴とする非水二次電池。 A positive electrode in which a coating film containing a positive electrode active material is disposed on both sides of the positive electrode current collector, a negative electrode in which a coating film containing a negative electrode active material is disposed on both sides of the negative electrode current collector, and a separator. And
A non-aqueous secondary battery containing an electrode winding body in which the positive electrode and the negative electrode are wound through the separator,
The tip of the negative electrode in the winding direction is set back from the tip of the coating film of the positive electrode facing it in the winding direction so that the negative electrode does not face the exposed positive electrode current collector,
The separator is provided with fine pores that are permeable to lithium ions over the entire surface in a dispersed manner,
The non-aqueous secondary battery according to claim 1, wherein in the separator, the micropores in a portion facing the tip portion of the negative electrode are closed to form an insulator so that lithium ions do not pass therethrough.
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