JP2005293859A

JP2005293859A - 非水電解液電池

Info

Publication number: JP2005293859A
Application number: JP2004102599A
Authority: JP
Inventors: Reiko Masukichi; 令子益吉; Atsushi Yamano; 淳山野; Mitsutoshi Watanabe; 光俊渡辺
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】電極捲回体を正負極やセパレータの位置ずれなく、少ない手間で簡単に作製できるものとし、したがって当該電極捲回体を組み込んでなる非水電解液電池の高品質化と、製造コストの削減化を図る。
【解決手段】負極５に、金属リチウム箔２５が無く、負極集電体２６が露出する部分３０を設け、この露出部分３０にセパレータ６を固着する。固着方法としては、粘着テープ３１による方法のほか、熱溶融性のフィルムを用いた熱溶着を挙げることができる。そして、露出部分３０を捲回中心として、正負極４・５およびセパレータ６を捲回して、電極捲回体３を作製する。
【選択図】図１

Description

集電体上に正極活物質を含有する活物質層を形成してなるシート状の正極と、集電体上に負極活物質を含有する活物質層を形成してなるシート状の負極とを含み、これら正・負極をセパレータを介して渦巻き状に捲回してなる電極捲回体を備える非水電解液電池に関する。

筒形の非水電池には、メモリーバックなどの高容量ではあるが軽負荷用のボビンタイプの電池と、カメラの電源など重負荷対応の捲回式電池とが広く知られている。前者のボビンタイプの電池は、構造が簡単で低コストでの製造が可能であり、多くの活物質を充填することができる反面、電極面積が小さく負荷特性に劣ることから、大きな電流での放電を行おうとすると、容量が低下する不利がある。

後者の重負荷特性の捲回式電池は、薄い長尺の電極を捲回してなる渦巻電極体を電池要素とするため、大きな電極面積を確保でき、大電流で放電しても大きな容量を取り出すことができる。但し、電池特性向上に直接的に寄与しないセパレータや集電体を電極体内に多く備えるため、活物質の充填量が低くならざるを得ず、電池容量が低下することは避けられない。また、大電流が取り出せる反面、短絡等の異常が起こった場合には発熱が激しく、発火の危険性があり、種々の安全対策が必要で、電池構造が複雑で製造コストの上昇を招く不利もある。

最近の応用機器の多様化により、メモリーバックなどの軽負荷用途、カメラ用などの重負荷用途だけでなく、データの発信、受信など中負荷での用途が増加しつつあり、中負荷で特徴を発揮する電池の開発が要望されていた。そこで、特許文献１および２には、厚い電極を数回巻いた電極捲回体を電池要素とする電池が提案されている。かかる電極捲回体を電池要素とする電池によれば、厚い電極を用いることで、従来の重負荷特性の電池に比べて、セパレータや集電体などの使用量を減らして活物質の充填性の向上を図ることができ、したがって高容量な電池を得ることができる。また、極端な大電流を流せなくすることで、安全性、信頼性に優れ、中負荷特性に優れた電池が得られる利点もある。

特開平６−２６７５８３号公報（段落番号００１７、図１、図３）特開平９−１９０８３６号公報（段落番号００１９、図１）

問題は、上記のような中負荷用途向けの電池においても、正負極およびセパレータを捲回して電極体を作製しているため、捲回工程時において巻きずれや位置ずれなどを生じやすいことにある。

例として、図５および図６に２種類の捲回方式を示す。どちらの捲回方式においても、正極４としては、正極合剤をシート状に成形してなる二枚の正極シート２０・２１の間に集電体２２を挟み込んだのち、それらの一端をプレス固定したものを用いている。図５に示す捲回方式においては、まず、セパレータ６を捲回芯３３の横割溝３５の間に挿入してから（図５（ａ））、該セパレータ６を捲回芯３３の外周に一周巻く（図５（ｂ））。次に負極５を捲回芯３３の外周に半周程度巻いてから、セパレータ６上に正極４を載置し（図５（ｃ））、これら正負極４・５およびセパレータ６を捲回芯３３で捲回して、電極捲回体を作製する。なお、ここで用いる負極５は、長さの異なる二枚の金属リチウム箔２５・２５の間に、集電体２６である金属箔を挿入・圧嵌してなるものであって、図５（ｂ）に示すように、短尺のみの一層部分から捲回芯３３で捲回される。

図６に示す捲回方式では、まず、図６（ａ）に示すように、負極集電体２６である銅箔を捲回芯３３の横割溝３５の間に挿入してから、これを半周巻く（図６（ｂ））。次いで、金属リチウム箔２５とセパレータ６と正極４とからなる積層体４０を負極集電体２６上に載置して、これらを捲回芯３３で捲回して、電極捲回体を作製する。

前者の捲回方式では、負極５の構造が複雑で作製に手間が掛かり、また、捲回時においても各々の電極をそれぞれ巻芯に向けて挿入する必要があるため、電極の位置合せ作業が必要で、捲回に時間が掛かる。後者の捲回方式では、負極５を構成する金属リチウム箔２５と負極集電体２６である銅箔とが分かれているため、負極作製の手間はなく、しかも捲回時の位置合せは捲回始めに一度合せればよいだけであるので捲回工程を簡素化できるように思われるが、正負極４・５およびセパレータ６がフリーの状態となっているため、捲回前に電極の位置ずれが生じやすく、捲回前の電極の扱いが難しく、結局のところ捲回に手間が掛かる。

本発明の目的は、電極捲回体を正負極やセパレータの位置ずれなく、しかも少ない手間で簡単に作製できるものとし、したがって当該電極捲回体を組み込んでなる非水電解液電池の高品質化と、製造コストの削減化とを図ることにある。

本発明は、図３および図４に示すごとく、集電体２２上に正極活物質を含有する活物質層２０（２１）を形成してなるシート状の正極４と、集電体２６上に負極活物質を含有する活物質層２５を形成してなるシート状の負極５とを含み、これら正・負極４・５をセパレータ６を介して渦巻き状に捲回してなる電極捲回体３を備える非水電解液電池１である。

そして、図１ないし図３に示すごとく、正極３又は負極４の集電体２２・２６の少なくとも一方には、前記活物質層２０（２１）・２５の無い集電体２２・２６が露出する部分３０が設けられており、この露出部分３０にセパレータ６が固着されていることを特徴とする。図１ないし図３には、負極４の集電体２６に露出部分３０が設けられていて、そこにセパレータ６が固着された形態を示す。

ここで活物質層２０（２１）・２５とは、活物質、導電助剤、バインダからなる正極または負極合剤をシート状に成形してなる形態のほか、金属リチウム箔のような活物質となる金属薄体をも含む概念である。

具体的には、セパレータ６が、露出部分３０に粘着テープ３１を介して固着された形態を採ることができる。セパレータ６は、熱溶融性のフィルム又は粘着テープ３１を用いた熱溶着により露出部分３０に固着されていてもよい。

電極捲回体３は、露出部分３０を捲回中心として、正・負極４・５およびセパレータ６を捲回してなるものとすることが好ましい。

本発明に係る非水電解液電池によれば、集電体２６（２２）の露出部分３０にセパレータ６を固着したうえで、捲回作業を行って電極捲回体３を作製するようにしたので、捲回時にセパレータ６が正負極４・５に対して位置ずれすることをよく防止できる。したがって、かかる電極捲回体３を組み込んでなる非水電解液電池１の高品質化に貢献できる。また、捲回作業に先立って、セパレータ６の厳密な位置合せ作業を廃することができるので、その分だけ電極捲回体３の作製作業を簡便に進めることができる。これは非水電解液電池１の製造コストの削減化に資する。

セパレータ６を、露出部分３０に粘着テープ３１を介して固着してあると、簡単且つ確実にセパレータ６を固着できる。熱溶着により固着した場合にも同様の効果が得られる。

捲回中心以外の個所でセパレータ６が固着されていると、当該セパレータ６に皺などができるおそれがある。これはセパレータ６の空孔率や空孔径が歪になることを意味し、製造された電池間での放電特性のばらつきを引き起こす。最悪の場合には、捲回作業を進めることができない。その点、露出部分３０を捲回中心として、正負極４・５およびセパレータ６を捲回してあると、セパレータ６に皺ができるといった不具合は一切無く、非水電解液電池１の品質向上を図ることができる。また、支障なく捲回作業を進めることができる。

図３および図４に、本発明に係る非水電解液電池の構造を示す。図３において、非水電解液電池１は、上方開口部を有する有底円筒状の外装缶２と、外装缶２内に装填された電極捲回体３と、外装缶２の上方開口部を封止する封口構造とからなる。電極捲回体３は、シート状の正極４および負極５をセパレータ６を介して渦巻き状に捲回してなるものであり、電解液とともに外装缶２内に収容されている。外装缶２は、鉄やステンレスなどを素材とする。

封口構造は、外装缶２の上方開口部の内周縁に固定された蓋板８と、蓋板８の中央部に開設された開口に、ゴム製の絶縁パッキン９を介して装着された端子体１０と、蓋板８の下部に配置された絶縁板１１とからなる。絶縁板１１は、円盤状のベース部１２の周縁に環状の側壁１３を立設した上向きに開口する丸皿形状に形成されており、ベース部１２の中央にはガス通口１４が開設されている。蓋板８は、側壁１３の上端部に受け止められた状態で、外装缶２の上方開口部の内周縁に、レーザ溶接若しくはパッキンを介したクリンプシールで固定されている。蓋板８もしくは外装缶２の缶底２ａには薄肉部を設け、内圧が急激に上昇したときの対策としてのベントを設けることができる。正極４と端子体１０の下面とは、正極リード１５で接続されており、負極５と外装缶２の内面とは負極リード１６で接続されている。

図３に示すごとく、電極捲回体３は、正極４の捲回始端部Ｓと捲回末端部Ｅとで規定される捲回数が、1.５周以上、2.５周以下となるように正・負極４・５およびセパレータ６を捲回してなるものであって、側面視で略円柱形状に形成される。なお、図１には捲回数が1.７周程度の形態を示す。電極捲回体３の中心部は、正負極活物質のない捲回中心部Ｃとされている。

正極４は、同一の厚み寸法を有する２枚の正極シート２０・２１と、これら正極シート２０・２１の間に介在された集電体２２とを含み、電極捲回体３の作製時においては、正極シート２０・２１と集電体２２とは、捲回始端部Ｓのみを固定した状態で捲回される（図３参照）。より詳しくは、集電体２２が、正極シート２０・２１よりも数mm内側にくるように三者を重ね合わせたうえで、長さ方向の端部から３〜１０mmをプレスにより固定して、捲回作業に先立って三者を一体化している。

各正極シート２０・２１は、正極活物質、導電助剤、バインダからなる正極合剤を0.７mm以上、２mm以下の厚み寸法を有するシート状に成形してなる。正極活物質としては、例えば二酸化マンガン、フッ化カーボン、リチウムコバルト複合酸化物、スピネル形リチウムマンガン複合酸化物などを挙げることができる。導電助剤としては、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックから選択される一種、又は二種以上の複合物を用いることができる。正極のバインダとしては、テフロンディスパージョンや、粉末のテフロン（登録商標）、ゴム系バインダなどを用いることができるが、テフロンディスパージョンを用いることが好ましい。

集電体２２としては、ステンレス３１６や、４３０、４４４などからなる平織り金網、エキスパンドメタル、ラス網、パンチングメタル、金属箔などの各種金属薄体を用いることができる。集電体２２の表面には、ペースト状の導電材が塗布されている。集電体２２として立体構造を有する網状の集電体２２を用いた場合も、金属箔やパンチングメタルなどの本質的に平板からなる材料を用いた場合と同様に、導電材の塗布により集電効果の著しい改善が認められる。これは網状の集電体２２の金属部分が正極シート２０・２１と直接的に接触する経路のみならず、網目内に充填された導電材を介しての経路が有効に利用されていることに拠ると推定される。

導電材の具体例としては、銀ペーストやカーボンペーストなどを挙げることができる。とくにカーボンペーストは、銀ペーストに比べて材料費が安く済み、しかも銀ペーストと略同等の接触効果が得られるため、非水電解液電池の製造コストの低減化を図るうえで好適である。導電材のバインダとしては、水ガラスやイミド系のバインダなどの耐熱性の材料を用いることが好ましい。これは正極シート２０・２１中の水分を除去する際に、２００℃を超える高温で乾燥処理するためである。

負極５は、負極活物質である金属リチウム箔２５と、負極集電体２６である金属箔とで構成される。金属リチウム箔２５の材料としてはリチウム金属のみならず、リチウムとアルミニウムなどの合金を挙げることができる。負極集電体２６の素材としては、銅、ニッケル、鉄、ステンレスなどを挙げることができる。負極集電体２６の厚み分だけ外装缶２の内部体積が減少するため、負極集電体２６の厚み寸法は可及的に小さいことが好ましい。なお、図１および図２は、電極捲回体３の構造を概念的に示したものであり、とくに負極集電体２６の厚み寸法などは実際とは異なる。

電解液としては、溶質としてＬｉＰＦ₆ 、ＬｉＣｌО₄ 、ＬｉＣＦ₃ ＳО₃ などを0.３〜1.５ｍоｌ溶解した溶媒として、ＰＣ、ＥＣなどの環状エステルにＤＭＥなどの鎖状エーテル、ジメチルカーボネートなどの鎖状エステルを混合した電解液が用いられる。

セパレータ６としては、ＰＰ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＰＳなどの不織布、微孔性フィルムなどを用いることができる。

電極捲回体３は、図１および図２に示すような手順で作製する。まず、図１に示すように、負極集電体２６の長さ方向の中央部の上面に、熱溶融性のテープ３１、次いでセパレータを載置する。次いで、この状態からテープ３１を加熱して、該テープ３１を介して金属箔２６にセパレータ６を不離一体的に溶融固着させる。テープ３１は、片面あるいは両面の粘着テープを用いることができる。次に、セパレータ６の固着部分を挟む負極集電体２６の長さ方向の前後位置に、二枚の金属リチウム箔２５・２５を圧着固定する。換言すれば、負極集電体２６の片側面に、負極活物質である金属リチウム箔２５の無い負極集電体２６が露出する部分を設けて、この露出部分３０にセパレータ６を固着する。かくして、負極集電体２６と金属リチウム箔２５、およびセパレータ６とが不離一体的に結合された積層体３２を得ることができる。

次に図２（ａ）に示すように、捲回芯３３の横割溝３５の間に積層体３２を挿入する。ここでは、先の露出部分３０、つまりテープ３１によるセパレータ６の固着部分が、捲回芯３３の横割溝３５の間に来るように位置合わせする。捲回芯３３を一方向（図２では時計まわり方向）に半周程度回転させて、図２（ｂ）に示すように積層体３２を捲回芯３３の外周面に巻き付ける。次に、正極シート２０・２１と集電体２２とからなる正極４をセパレータ６上に載置して、積層体３２とともに、捲回芯３３で捲回する。積層体３２と正極４とを捲回芯で巻き取ったのち、該捲回芯３１を捲回中心部Ｃから抜き取り、最後に金属箔２６の捲回終端部Ｅを固定テープで固定する。以上より、図３に示すように、露出部分３０を捲回中心部Ｃとして、正・負極４・５を捲回してなる電極捲回体３を得ることができる。

（実施例１）
正極合剤をシート状に成形して、幅３６mm、長さ５１mmと、幅３６mm長さ６１mmの二枚の正極シート２０・２１を作製した。集電体２２としては、カーボンペーストを塗布した厚さ0.２mm、幅３２mm、長さ５６mmのＳＵＳ集電網を用いた。正極シート２０・２１の間に、集電体２２を挟み込み、捲回始端部Ｓ側をプレス固定して、図２（ｂ）に示すような正極４を作製した。

負極集電体２６として長さ２００mm、幅３９mmの銅箔を用いた。また、セパレータ６として、長さ１６０mm、幅４４mmのＰＰ不織布を用いた。負極集電体２６の所定位置に、ＰＰテープ３１を貼り付け、その上にセパレータ６を載せ熱シールして負極集電体２６とセパレータ６とを固定した。次に、長さ５１mm、幅３７mmと長さ８２mm、幅３７mmの二枚の長さの異なる金属リチウム箔２５を負極集電体２６に圧着させて、図１に示すような積層体３２を得た。

露出部分３０、すなわち積層体３２の熱シールした部分を捲回芯３３の横割溝３５内に挟み込み、一周巻き込んだ。次いで、捲回芯３３に向けて正極４を挿入して、これら積層体３２と正極４とを捲回芯３３で捲回した。これらを捲回芯３３で巻き取ったのち、該捲回芯３３を捲回中心部Ｃから抜き取り、最後に金属リチウム箔２６の捲回終端部Ｅを固定テープで固定して、図３に示すような、捲回中心部Ｃに露出部分３０が位置する電極捲回体３を得た。

（比較例１）
図６に示す手順で、電極捲回体を作製した。具体的には、まず長さ１６０mm、厚さ0.０１mmの負極集電体２６としての銅箔を捲回芯３３に１周巻き込んだ。次に、正負極４・５とセパレータ６とからなる積層体４０を負極集電体２６上に載置して、捲回芯３３で捲回して電極捲回体を作製した。ここでの正極４は、実施例１と同じものを用いた。負極５は、長さ１３０mm、幅３７mmの金属リチウム箔２５を用いた。セパレータ６は、幅４４mm、長さ0.０２５mm、長さ１６０mmのＰＰ不織布を用いた。

（比較例２）
負極集電体２６である銅箔とセパレータ６とを、該銅箔の幅方向の端部の全部にわたって結合したこと以外は、実施例１と同様にして、電極捲回体を作製した。

実施例および比較例１、２に係る電極捲回体を夫々１００個ずつ作製し、これら各電極捲回体に対して、巻きずれの有無を観察した。具体的には、電極捲回体の最外周の負極集電体である銅箔とその内側のセパレータとの間に上下１mm以上の巻きずれがあるものを不良品として、その個数をカウントした。また、捲回体端面から銅箔が露出しているものも不良として、その個数をカウントした。その結果を表１に示す。

表１より、本発明に係る実施例１の捲回方法で電池を作製すると、最外周のセパレータと銅箔の位置ずれが一切無く、したがって捲回途中でセパレータと銅箔がずれることなく電極捲回体を作製できることがわかる。これに対して、比較例１のように正極を負極リチウムで挟み込んで捲回を行うと、各々部品がフリーな状態となっているため捲回時に巻きずれやゆがみが生じやすく、最外周のセパレータと銅箔の位置ずれを生じる電池が幾つか見受けられた。それらの中でも、特に巻きずれが大きいものは捲回体端面から銅箔が露出するものがあり、短絡の恐れがあった。また、比較例２のように電極の横方向の端部を固定すると、捲回時にセパレータに皺が入り捲回できず電極捲回体を作製することができなかった。

本発明に係る非水電解液電池を構成する電極捲回体の作製方法を説明するための図である。本発明に係る非水電解液電池を構成する電極捲回体の作製方法を説明するための図である。非水電解液電池の横断平面図である。非水電解液電池の縦断側面図である。従来の電極捲回体の作製方法を示す図である。従来の電極捲回体の作製方法を示す図である。

符号の説明

１非水電解液電池
３電極捲回体
４正極
５負極
６セパレータ
２０正極シート
２１負極シート
２２集電体
２５金属リチウム箔
２６負極集電体
３０露出部分
３１粘着テープ
３３捲回芯

Claims

集電体上に正極活物質を含有する活物質層を形成してなるシート状の正極と、集電体上に負極活物質を含有する活物質層を形成してなるシート状の負極とを含み、これら正・負極をセパレータを介して渦巻き状に捲回してなる電極捲回体を備える非水電解液電池において、
前記正極又は負極の集電体の少なくとも一方には、前記活物質層の無い前記集電体が露出する部分が設けられており、この露出部分に前記セパレータが固着されていることを特徴とする非水電解液電池。
前記露出部分に、前記セパレータが粘着テープを介して固着されている請求項１記載の非水電解液電池。
前記セパレータが、熱溶着により前記露出部分に固着されている請求項１又は請求項２記載の非水電解液電池。
前記電極捲回体が、前記露出部分を捲回中心として、正・負極およびセパレータを捲回してなるものである請求項１乃至３のいずれかに記載の非水電解液電池。