JP2005302529A - 角形非水電解液電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極面積が大きくて負荷特性に優れているうえ、製造に要する手間を省いて低コスト化できる、電極構造が積層型である角形の非水電解液電池を提供する。
【解決手段】２個以上の電池要素１と、電池缶２と、電池蓋３とを備えている。電池要素１は、集電体６を含むシート状の正極体７と、正極体７の外面をＵ字状に覆うセパレーター９と、セパレーター９の外面をＵ字状に覆うシート状の負極体１０とで、積層構造のユニットになっている。２個の電池要素１を重ねたうえで、その外面を絶縁シート４で覆って、電池缶２に収容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極体や負極体などの電極体が断面四角形状の電池缶内に積層配置された非水電解液型の電池に関する。

電子機器の小形化および高機能化に伴い、その電源となる電池の小形化と、高容量化とが求められている。この種の電池は筒形（円筒形）電池と、角形電池、および積層型電池とに大別される。筒形電池における電極体の構造にはボビン型と捲回型とがある。ボビン型の電池は、電極体の構造が簡単で低コストで製造できる利点を持つ。しかし、電極面積が小さく負荷特性が劣る点に不満がある。捲回型の電池は、ボビン型に比べて電極面積を大きくして、充分な負荷特性を発揮させることができる。問題は、長尺の電極体をずれなく均一に巻き込むのが困難で、その製造にコストが掛かるうえ、電池缶内においてセパレーターおよび集電体などの占めるスペースが増加し、電池容量の向上に寄与しない部材が多い分だけ、電池の容積効率が低くなるのを避けられない。

積層型電池は、角形の電池缶の内部に短冊状の電極体を積層配置するので、電極面積が大きく負荷特性に優れた電池が得られる。電池容量を一定とする場合には、筒形の電池に比べて電池の占有スペースを小さくできる利点もある。しかし、短冊状の電極体をずれのない状態で積層し、積層姿勢を維持した状態のままで電池缶内に挿入して位置決めする必要があるので、正負の電極体を積層する作業、および電池缶内に適正に装填する作業に多くの手間を要し、製造コストが嵩む点に問題がある。

積層型電池の電極構造を簡素化するために、電極体が積層された電池要素を予め形成しておき、複数個の電池要素を電池缶に収容することが提案されている（特許文献１参照）。電池要素は、断面Ｕ字状の芯体と、芯体の対向壁の表裏に形成される多孔質の金属焼結層と、その内部に充填される活物質とを一方の電極体とし、対向する金属焼結層の間に他方の電極体をセパレーターと共に配置して構成してある。他方の電極体は芯体の表面に形成される多孔質の金属焼結層と、その内部に充填される活物質とで形成する。なお、集電体を兼ねる芯体は、パンチングメタルで形成してあり、その屈曲壁が底壁と接触するように電池缶に収容されている。

特開平７−１４７１５５号公報（段落番号００１１、図１）

特許文献１の積層型電池においては、芯体を含む前記電極体を次の要領で形成している。平板状の芯体の表裏に、スラリー状の焼結材を塗布したのち、長手方向中央部分の折り曲げ個所に塗布したスラリーを掻き落として除去し、全体を加熱して焼結する。得られた前段電極体の芯体露出部分に曲げ加工を施して、全体をＵ字状に形成する。このように、芯体の対向壁の表裏に金属焼結層を形成する電極構造によれば、一対の金属焼結層が芯体によって繋がっているので、両金属焼結層と、これら金属焼結層間に介装される他方の電極体との位置ずれをよく防止できる。しかし、電池缶の内部において、芯体これ自体が占める体積、あるいは芯体の折り曲げ部分が占める空間量が大きいので、電池の容積効率の向上に限界がある。芯体を可能な限り薄い素材で形成すると、電池の容積効率を向上できるが、強度が不足するおそれが出る。また、電池要素の外面の金属焼結層は露出しているので、電池要素を電池缶に装填する際に、金属焼結層が傷付いたり変形したりするおそれがあり、その分だけ電池組み立て時の取り扱いが容易ではない。

本発明の目的は、電極面積が大きくて負荷特性に優れていること、積層型の角形電池電池の製造に要する手間を省いて低コスト化できること、電池缶内における空間の無駄を省いて電池の容積効率を向上することを同時に実現できる、電極体が電池缶内に積層配置してある非水電解液型の角形電池を提供することにある。本発明の目的は、中程度の負荷がかかる用途に好適な非水電解液型の角形電池を提供することにある。

本発明の角形非水電解液電池は、複数個の電池要素１と、これらの電池要素１および非水電解液を収容する角形の電池缶２と、電池缶２の開口を塞ぐ電池蓋３とを備えている。電池要素１は、集電体６を含んでシート状に形成される正極体７と、正極体７の外面および底面を連続してＵ字状に覆うシート状のセパレーター９と、セパレーター９の外面および底面を連続してＵ字状に覆うシート状の負極体１０とで、積層構造のユニットとして構成する。そのうえで積層構造のユニットは、当該ユニットの外面をシートで覆う状態で電池缶２に収容する（請求項１）。

ここでのシートは、絶縁シート４であってもよいが、導電性を有する金属箔であってもよい（請求項２）。金属箔の素材としては、銅、ニッケル、鉄およびステンレス鋼などが挙げられ、銅が最も好ましい。金属箔の厚み寸法は５〜１００μｍが好ましい。金属箔の厚み寸法が５μｍ未満であると、金属箔の強度が小さくなり過ぎて破れやすくなる。金属箔の厚み寸法が１００μｍを越えると、電池缶２に収容できるリチウムなどの量が相対的に少なくなり、電池容量の低下などを招いてしまう。金属箔の幅は、負極体１０の幅と同じかそれ以上であることが好ましい。これにより、金属箔の周囲に沿って負極体１０が切れて電気的接続が絶たれることが防がれる。

正極体７は、正極合材を加圧成形して得られる一対の合材シート８と、両合材シート８の間に密着状に配置される集電体６とで構成することができる（請求項３）。合材シート８の厚みは、0.５mm以上、２mm以下に設定すればよい（請求項４）。負極体１０はリチウム箔で形成し、そのリチウム箔の厚みは、0.１mm以上、0.７mm以下に設定することができる（請求項５）。

本発明では、集電体６を含むシート状の正極体７と、これの外面を覆うシート状のセパレーター９と、セパレーター９の外面を覆うシート状の負極体１０とで電池要素１を積層構造体として構成するので、この種の従来電池に比べて、積層構造が著しく簡素化して、正負の電極体７・１０を積層する作業や、積層体を電池缶２内に装填する作業を簡便化でき、目的とする電池、すなわち電極体が積層配置してある角形非水電解液電池をより低コストで製造できる。正極体７の外面は、セパレーター９およびシート状の負極体１０でＵ字状に覆って正負の電極体７・１０を正対させ、電池缶２内における正極体７と負極体１０との位置ずれを防止するので、電極面積を充分に確保し、常に安定した電池性能を発揮できる角形非水電解液電池が得られる。

正極体７の外面をセパレーター９およびシート状の負極体１０でＵ字状に覆うことにより電池要素１を構成して、電池容量の向上に寄与しない部材を極力排除し、さらに電池缶２内にデッドスペースが生じるのを防止できるので、従来例に比べて電池の容積効率が向上する。したがって、本発明によれば、電極面積が大きくて負荷特性に優れ、しかも製造に要する手間を省いて低コスト化でき、さらに電池缶２内における空間の無駄を省いて電池の容積効率を向上できる角形非水電解液電池を提供できる。

上記のように、各電池要素１における正極体７と負極体１０との位置ずれを防止できるので、個々の電池要素１が位置ずれしたとしても、安定した状態で電池性能が発揮され、電池要素１の位置決めを厳密に行う必要がない点で電池の組み立てが簡便に行える利点もある。電池要素１の最外層に位置する負極体１０がシート４で覆われるので、電池要素１を電池缶２に装填する際に、負極体１０が傷付いたり、変形したりするのを物理的に保護でき、その分だけ電池組み立て時の電池要素１の取り扱いを容易化し良品率の向上が図れる（請求項１）。

ユニットの外面を覆うシートが金属箔であると、当該シートが負極側の集電体を兼ねることができる。したがって、負極側の導電タブ１４を前記シートに溶接することで当該導電タブと負極体１０とが導通し、負極体１０に導電タブ１４を溶接する場合よりも溶接作業を容易に行なえる。また、電池缶２が負極側の出力端子を兼ねる場合には、シートを電池缶２の内面に接触させるだけで負極体１０と電池缶２とが導通するので、負極体１０と電池缶２との接続作業を容易に行なえる（請求項２）。正極合材を加圧成形して得られる一対の合材シート８と、両合材シート８の間に密着配置した集電体６とで構成した正極体７によれば、正極体７と負極体１０との対向面積を合材シート８の面積の倍にできるので、その分だけ有効な電極面積を増加して電池容量を向上できる（請求項３）。

合材シート８の厚みを0.５〜２mmに設定したのは、合材シート８の厚み寸法が0.５mm未満であると、負荷特性に優れた電池要素１にはなるが、電池容量が小さく、電池の適用対象が低負荷の用途に限られるからである。合材シート８の厚み寸法が２mmを越えると、充分に大きな電池容量が得られるが、合材シート８の厚みが大きい分だけ、セパレーター９と接する側のシート面と集電体６との距離が大きくなり、負荷特性が低下するからである（請求項４）。

負極体１０をリチウム箔で形成し、その厚みを0.１〜0.７mmに設定したのは、リチウム箔の厚み寸法が0.１mm未満であると、加工および組み立て時に薄い箔を扱うために高度の取り扱い精度を要することになるからである。素材コストも高く付く。リチウム箔の厚み寸法が0.７mmを越えると、分厚すぎて加工および組み立て時の取り扱いが困難になるからである（請求項５）。また、リチウム箔は、正極の電気量に対して負極の電気量が0.９５〜1.３倍の比率になるような厚み寸法に設定することが好ましい。

（実施例） 図１ないし図４は本発明に係る角形非水電解液電池の実施例を示す。図１において電池は、２個の電池要素１と、これらの電池要素１および非水電解液を収容する角形の電池缶２と前記電池缶２の開口を塞ぐ電池蓋３と、電池要素１・１と電池缶２との間に配置される絶縁シート４と絶縁プラスチック材で形成した内蓋５とを含む。

各電池要素１は、集電体６を含んでシート状に形成される正極体７と、正極体７の外面および底面を連続してＵ字状に覆うシート状のセパレーター９と、セパレーター９の外面および底面を連続してＵ字状に覆うシート状の負極体１０とで、積層構造のユニット体として構成されている。

図４において正極体７は、活物質を主成分とする正極合材を加圧成形して得られる縦に長い長方形状の合材シート８・８と、両合材シート８・８間に密着状に配置される集電体６とで構成する。合材シート８を構成する活物質としては、二酸化マンガンやフッ化カーボンなどを適用できるが、これは負極体１０の形成素材に応じて適宜変更することができる。集電体６は、ステンレス製の網体で形成してあり、その上端一側にステンレスリボンの切片を溶接して正極側の導電タブ１３を形成してある。ステンレス製の網体で形成した集電体６は、骨材の機能を発揮して正極体７の構造強度を高められるうえ、集電体６これ自体の占有スペースを小さくできる。

セパレーター９は先の合材シート８の左右幅より僅かに広幅の帯状シートからなり、微孔性ポリエチレンフィルムを素材にして形成する。負極体１０はリチウム箔を素材とする、セパレーター９と同様の帯状シートからなり、その一端にステンレスリボンの切片を溶接して負極側の導電タブ１４を形成してある。なお、負極体１０の全長は、セパレーター９の全長より僅かに大きく寸法設定されている。

電池缶２は、ステンレスあるいはアルミニウムを素材とする深絞り成形品からなり、上面のみが開口する四角箱状に形成してある。電池缶２は負極側の出力端子を兼ねる。電池蓋３はステンレス板材、あるいはアルミニウム板材を素材とする板状のプレス成形品からなり、図３に示すごとくその板面中央部分に、正極側の出力端子１７が絶縁パッキン１８を介してかしめ固定されている。電池蓋３の内面に配置した接続端子１９は、出力端子１７で共締め固定され、絶縁板２０で電池蓋３と絶縁してある。電池要素１は、正極側の導電タブ１３を接続端子１９に溶接し、さらに負極側の導電タブ１４を電池蓋３の内面に溶接することにより電池蓋３と一体化される。

電池は以下の要領で製造する。合成シート８・８間に集電体６を密着状に配置して正極体７を構成し、その前後面および底面をセパレーター９でＵ字状に覆う。さらに、セパレーター９の前後面および底面を負極体１０でＵ字状に覆って、積層構造のユニットからなる電池要素１を得る。このとき、正負の導電タブ１３・１４は、それぞれ幅方向両端寄りに位置させておく（図１参照）。２個の電池要素１・１の導電タブ１３・１４を内蓋５の通口に通した後、接続端子１９および電池蓋３に溶接して、電池要素１・１と内蓋５と電池蓋３とを一体化する。

上記の電池要素１・１をそれぞれの負極体１０が隣接する状態（図２参照）で重ね、両者の前後面および底面を絶縁シート４でＵ字状に覆ったうえで、電池要素１・１を絶縁シート４ごと電池缶２内に装填する。缶内における電池要素１・１の装填姿勢を整え、内蓋５を電池缶２に嵌め込んで電池要素１・１を遊動不能に固定する。この状態で非水電解液を電池缶２に注入し、電池缶２の開口に嵌めこんだ電池蓋３の周囲をレーザー溶接して密封する。

絶縁シート４は、ポリオレフィン、ポリテトラフロロエチレン、ポリエステルなどのフィルムないしシートを適用できる。電池要素１の最外層に位置するリチウム箔製の負極体１０が絶縁シート４で覆われるので、電池要素１を電池缶２に装填する際に、負極体１０が傷付いたり、あるいは変形したりするのを物理的に保護でき、その分だけ電池組み立て時の電池要素１の取り扱いを容易化し良品率が向上する。

合材シート８の厚み寸法は、0.５mm以上、２mm以下に設定することが好ましい。合材シート８の厚み寸法が0.５mm未満であると、負荷特性に優れた電池要素１とすることができるが、電池容量が小さく、電池の適用対象が低負荷の用途に限られる。合材シート８の厚み寸法が２mmを越えると、充分に大きな電池容量が得られるが、合材シート８の厚みが大きい分だけ、セパレーター９と接する側のシート面と集電体６との距離が大きくなり、負荷特性が低下する。電池を設計する際の設計の自由度が狭くなる不利もある。

負極体１０を形成するリチウム箔の厚み寸法は、0.１mm以上、0.７mm以下であることが好ましい。リチウム箔の厚み寸法が0.１mm未満であると、加工および組み立て時に薄い箔を扱うために高度の取り扱い精度が必要となる。素材コストも高く付く。また、リチウム箔の厚み寸法が0.７mmを越えると、分厚すぎて加工および組み立て時の取り扱いが困難になるからである。

（性能比較）上記構成の角形非水電解液電池の性能を確認するために電池を作成し、既存の２種の筒形電池を比較対象として、三者の放電容量を比較した。

供試電池は、先の実施例で説明した電池構造と同じであるが、合材シート８を次のように形成した。
二酸化マンガン（活物質） ９３重量部
カーボンブラック（導電助剤） ３重量部
ポリテトラフロロエチレン（バインダー） ４重量部
上記組成の正極合材を加圧成形して、厚さ0.９mm、密度2.５ｇ／cm³ の原材シートを形成した。この原材シートを裁断して幅２９mm、長さ４２mmの合材シート８を得た。集電体６として、厚さ0.２mmのステンレス製の網体を、幅２８mm、長さ４１mmに切断して、その周縁一側に導電タブ１３を溶接した。導電タブ１３は、厚さ0.１mm、幅３mmのステンレスリボンを切断して形成した。

２個の合材シート８の間に集電体６を配置し、これら三者を密着して正極体７を形成した。得られた正極体７の前後面および底面をセパレーター９でＵ字状に覆った。図示していないが、セパレーター９は粘着テープで拘束して、被覆姿勢が解離するのを防止した。さらに、セパレーター９の前後面および底面を負極体１０でＵ字状に覆って、積層構造のユニットからなる電池要素１を形成した。

セパレーター９は、厚さ２５μｍの微孔性ポリエチレンフィルムを幅２９mm、長さ８６mmに切断して形成した。負極体１０は、厚さ0.３mmのリチウム箔を幅２８mm、長さ８５mmに切断して形成した。得られた電池要素１を２個重ね、その前後面および底面を絶縁シート４でＵ字状に覆った。絶縁シート４は、厚さ0.１mmのポリオレフィン製のシートを幅２９mm、長さ８５mmに切断して形成した。絶縁シート４は、セパレーター９と同様に粘着テープで拘束して、被覆姿勢が解離するのを防止した。

上記の電池要素１・１および絶縁シート４を、先に説明した要領で電池缶２に収容し、非水電解液を缶内に注入し、電池蓋３で電池缶２を封止して試験用のリチウム−二酸化マンガン電池を得た。電池缶２はステンレス製の深絞り成形品を用いた。非水電解液は、体積比が１対２のプロピレンカーボネイトとジメトキシエタンの混合溶液に、ＬｉＣｌＯ₄ を0.５モル／リットル溶解させて調整し、電池缶２に３ｍｌ注入した。

（比較例１） 上記の供試電池とほぼ同じ体積で、電極構造が捲回型の円筒形電池（型式番号ＣＲ１７４５０）を比較例１の非水電解液電池とした。正極体の捲回数は６周巻きである。
（比較例２） 比較例１と同じ円筒形電池で、電極構造をボビン型に変更した電池を比較例２の非水電解液電池とした。

供試電池と、比較例１および比較例２の各電池を、２０℃、４０ｍＡで2.０Ｖまで放電させて放電容量を測定し、各電池の放電容量を比較した。その結果を表１に示す。表１から理解できるように、供試電池は４０ｍＡ程度の軽負荷容量において、比較例１・２の円筒形電池と同等か、もしくはそれ以上の特性を発揮し、１Ａ程度のパルス特性についても、円筒形電池と同等の特性を発揮した。因みに、本発明に係る非水電解液電池は、負荷電流が２Ａないし３Ａのカメラ用電池に代表される、高負荷型の電池として使用するには不向きで、負荷電流が３００ｍＡ以下の中程度の負荷がかかる用途に使用するのが好適である。

上記の実施例以外に、本発明の電池は、電池缶２内に３個以上の電池要素１を収容して構成することができる。絶縁シート４を袋状に形成しておき、その内部に電池要素１を収容して電池缶２内に装填することができる。展開状態における絶縁シート４の長辺部に沿ってフラップを設けておき、電池要素１を絶縁シート４でＵ字状に包んだのち、フラップを折り込んで電池要素１の側面を覆い隠すことができる。

非水電解液電池の分解斜視図である。 非水電解液電池の縦断側面図である。 非水電解液電池の縦断正面図である。 電池要素の分解斜視図である。

符号の説明

１ 電池要素
２ 電池缶
３ 電池蓋
４ 絶縁シート
６ 集電体
７ 正極体
８ 合成シート
９ セパレーター
１０ 負極体

Claims (5)

1. 複数個の電池要素と、これらの電池要素および非水電解液を収容する角形の電池缶と、前記電池缶の開口を塞ぐ電池蓋とを備えている角形非水電解液電池であって、
   前記電池要素が、集電体を含んでシート状に形成される正極体と、前記正極体の外面および底面を連続してＵ字状に覆うシート状のセパレーターと、前記セパレーターの外面および底面を連続してＵ字状に覆うシート状の負極体とで、積層構造のユニットとして構成されており、
   前記積層構造のユニットが、当該ユニットの外面をシートで覆う状態で電池缶に収容されている請求項１記載の角形非水電解液電池。
2. 前記シートが、金属箔である請求項１記載の角形非水電解液電池。
3. 前記正極体が、正極合材を加圧成形して得られる一対の合材シートと、両合材シートの間に密着状に配置される集電体とで構成されている請求項１または２記載の角形非水電解液電池。
4. 前記合材シートの厚みが、0.５mm以上、２mm以下に設定されている請求項３記載の角形非水電解液電池。
5. 前記負極体がリチウム箔で形成されており、前記リチウム箔の厚みが、0.１mm以上、0.７mm以下に設定されている請求項１または２または３記載の角形非水電解液電池。

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