JP2006040878A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極組立体の電極活物質層の両端部に形成された突出部に電極板間の内部短絡の可能性を減らすための絶縁層を形成し，かつ，電池の容量の減少を最小化できるリチウムイオン二次電池を提供すること。
【解決手段】少なくとも一面に電極活物質層が形成された正極板及び負極板と，上記正極板及び負極板を絶縁させるセパレータが巻き取られて形成された電極組立体と，上記正極板及び負極板中の少なくとも一つの電極活物質層の両端部に形成される突出部４６の少なくとも一つを覆いかぶせるように形成される絶縁層３０と，を含むリチウムイオン二次電池において，上記絶縁層３０は所定の形状の貫通ホール３２を含むことを特徴とする。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は，リチウムイオン二次電池に関し，より詳しくは，電極組立体の電極活物質層の両端部に形成された突出部に電極板間の内部短絡の可能性を減らすための絶縁層を形成し，かつ，電池の容量の減少を最小化できるリチウムイオン二次電池に関する。

二次電池は再充電が可能で，かつ，小型及び大容量化の可能性が高い。近来ではカムコーダ，携帯用コンピュータ，携帯電話等，携帯用電子機器の電源に多く使われている。近来に使われている代表的なものとしては，ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池とリチウム（Ｌｉ）イオン電池及びリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）ポリマー電池がある。

上記の二次電池の中で，リチウムイオン二次電池は，正極板と，負極板と，セパレータからなる電極組立体を，アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる缶に格納し，缶をキャップ組立体で仕上げた後，缶の内部に電解液を注入し，封入することにより形成されたベアセルを含む。電極板あるいはセパレータがポリマーで形成されるポリマー電池の場合，セパレータが電解液の役割を共に遂行したり，セパレータに電解液成分を含浸させて使用したりする。その際電解液の漏液の問題がない，もしくは少ないということより，缶の代わりにパウチが使われることもある。

リチウムイオン二次電池において，電極板は概ね金属箔からなった電極集電体の表面に電極活物質（正極の場合にはリチウム酸化物，負極の場合には炭素材）を含むスラリー（以下，活物質層をなす物質の意味に使用）を塗布することによりなされる。スラリーは溶媒と可塑剤，電極活物質，バインダーなどを混ぜる方法により形成される。電極集電体としては，負極板の場合は銅，正極板の場合はアルミニウムが主に使われ，バインダーとしてはＰＶＤＦ（ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）とＳＢＲ（ｓｔｙｌｅｎｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ）が，溶媒としてはアセトン，ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）などが使われることができる。一方，溶媒として水が使われることもある。

上記電極集電体の少なくとも一面には，スラリーが供給されるスリットダイが上記電極集電体の上面を所定の速度で通過することにより，所定の厚さの電極活物質層が形成される。その際，スリットダイに供給されるスラリーは，溶媒をたくさん含む流動状態であり，乾燥過程を通じてスラリーの溶媒が揮発される。そしてスラリーはバインダーの作用により電極集電体に相当な強度で取り付けられる。

電極集電体に活物質層をコーティングする際，電極活物質層は一つの電極を形成するのに必要とする長さだけずつコーティングされる。電極活物質層間にはタップを熔接する等の必要性により‘無地部'という電極活物質層がコーティングされないストリップ部分が介される。従って，電極集電体の全体から見ると，電極活物質層と電極無地部とが形成される。

ところが，スラリーコーティング装備によって差はあるが，通常，電極集電体にスラリーがコーティングされ始める開始部とスラリーコーティングが終了される終端部には，電極活物質層が連続する部分に比べてコーティングされたスラリーが固まって多少突出する過度現象が表れる。このように，スラリーが固まって突出した突出部は，負極板と正極板とでスラリーがコーティングされた電極活物質層の両端部に全て表れる。電極組立体の巻取り時の圧力等，工程過程での圧力，その他の外部的な圧力を受ければ，上記突出部に圧力が集中して負極板と正極板とを電気的に絶縁させるセパレータに損傷を加えることがある。損傷されたセパレータを介してこれら部分で負極板と正極板との内部的な短絡が発生すれば電池の歩留まりが低下し，安全上の事故までも発生することがあるので問題である。

図１ａは，従来の電極集電体として電極集電体の一面にコーティングされた電極活物質層の両端部の突出部に絶縁層が付加形成されたことを概略的に示す断面図であり，図１ｂはその平面図である。図１ａ及び図１ｂは，正極板または負極板中，いずれかの一つの電極板を示しており，正極板と負極板とに，全て絶縁層が形成されることができることは勿論である。

従って，このような問題点を解決するために，図１ａ及び図１ｂに示すように，正極板または負極板１０の少なくとも一面に形成される電極活物質層１４の突出部１６を含む部分に絶縁層２０を形成して内部短絡を防止する方法が使われている。一般に，上記絶縁層２０は，絶縁テープを電極活物質コーティング層１４の突出部１６を覆いかぶせるように接着させて形成することになる。上記絶縁層２０は電解液に耐性のある材質で形成された絶縁テープやラミネーティングテープ（ｌａｍｉｎａｔｉｎｇ ｔａｐｅ）を使用することになる。

しかし，このような場合には上記絶縁層２０が上記電極活物質コーティング層１４の一部を分けることになるので，上記電極活物質層１４の反応面積が減少し，従って，電池の容量がその分減少するという問題がある。即ち，リチウムイオン二次電池の容量は正極と負極とで互いに反応する電極活物質層の容積に比例することになるが，上記絶縁層２０が接着すると，電極活物質層１４の反応面積が減ることになって，二次電池の容量が減少することになる。特に，正極活物質層の反応面積の減少は，電池の容量の減少に影響を及ぼす問題がある。

このように，従来の二次電池では，スラリーが固まって突出した突出部をコーテンィングする絶縁層が必要なため，電極活物質層の反応面積が減り電池の容量が減少するという問題があった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，電極組立体の電極活物質層の両端部に形成された突出部に電極板間の内部短絡の可能性を減らすための絶縁層を形成し，かつ，電池の容量の減少を最小化できるリチウムイオン二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，少なくとも一面に電極活物質層が形成された正極板及び負極板と，上記正極板及び上記負極板を絶縁させるセパレータとが巻き取られて形成された電極組立体と；上記正極板及び上記負極板のうち少なくともいずれかの上記電極活物質層の両端部に形成された突出部の少なくとも一つに覆いかぶさるように形成される絶縁層と；を含むリチウムイオン二次電池において：上記絶縁層は，所定の形状の貫通ホールを含むことを特徴とする，リチウムイオン二次電池が提供される。

また，上記絶縁層は，上記正極板の上記正極活物質層の両端部の突出部のうち，少なくとも一つの突出部の上部に形成されてもよい。

また，上記絶縁層は，上記電極活物質層の上部に形成される部位のみに上記貫通ホールが形成されてもよい。

また，上記絶縁層は，絶縁テープを取り付けることによって形成されてもよい。

また，上記絶縁テープは，ラミネーティングテープであってもよい。

また，上記絶縁テープは，上記正極板または上記負極板との接触面に接着剤が塗布された接着テープであってもよい。

また，上記絶縁テープは，ＰＩ，ＰＰＳまたはＰＰ材質で形成されてもよい。

また，上記絶縁テープの厚さは，５〜２００μｍであってもよい。

また，上記貫通ホールの総面積が，上記電極活物質層の上部に配置された上記絶縁テープの面積の３０％〜９０％となってもよい。

また，上記貫通ホールは，上記電極活物質層の上部に配置された上記絶縁テープの部分において，少なくとも５個形成されてもよい。

また，上記貫通ホールは，略円形状を有してもよい。

また，上記貫通ホールは，略多角形状を有してもよい。

以上説明したように，本発明によれば，電極集電体の電極活物質層の両端部に形成された突出部を絶縁体で覆いかぶせて，２つの電極間の内部短絡の可能性を低減させ，かつ，二次電池の容量減少を最小化できる。

以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する発明特定事項については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図２ａは，本発明の第１の実施形態に係り，正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の平面図を示す。図２ｂは，図２ａの断面図を示す。図３ａは，図２ａ及び図２ｂの絶縁層に使われる絶縁テープの平面図を示す。図３ｂは，図３ａの断面図を示す。図４は，本発明の第２の実施形態に係る絶縁テープの平面図を示す。図５は，本発明の第３の実施形態に係る絶縁テープの平面図を示す。図６ａは，本発明の第４の実施形態により正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の平面図を示す。図６ｂは，本発明の第４の実施形態により正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の断面図を示す。図７は，図６ａの絶縁層に使われる絶縁テープの平面図を示す。

本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池は，電極集電体の少なくとも一面に電極活物質層が形成された正極板及び負極板，上記正極板及び負極板を絶縁させるセパレータが巻き取られて形成された電極組立体（図示せず。）と上記正極板及び負極板中に少なくとも一つにおいて，電極活物質層の両端部中，少なくとも一端部をカバーするように形成される絶縁層を含んで形成される。

上記電極組立体の正極板と負極板の電極集電体，電極無地部及び電極タップの一般的な構成は従来と同一であり，上記で説明したので，ここでは省略する。以下では，正極板について説明し，負極板についても同一に適用できることは勿論である。

上記絶縁層３０は，図２ａ〜図２ｂを参照すれば，上記正極板４０の正極集電体４２の一面に形成された正極活物質層４４の開始部と終端部４６とを覆いかぶせるように所定の幅で形成される。上記絶縁層３０は所定の形状の貫通ホール３２が少なくとも一つ形成され，好ましくは，上記貫通ホール３２は小形のホールを複数個形成されるようにする。即ち，上記貫通ホール３２があまり大きくなれば上記絶縁層３０が上記突出部４６を十分カバーできなくなるので，電極板間に短絡が発生する可能性があることになる。従って，上記貫通ホール３２は上記正極活物質層４４の上部で適正な数のホールからなり，好ましくは，少なくとも５個形成されるようにする。また，貫通ホール３２の総面積は正極活物質層４４の上部に形成された絶縁層３０の面積の３０％〜９０％となるように形成される。貫通ホール３２の総面積が，正極活物質層４４の上部に配置された絶縁層３０の面積の３０％より少なくなれば，電池容量の減少を效果的に防止できなくなる。また，貫通ホール３２の総面積が正極活物質層４４上に形成される絶縁層３０の面積の９０％より大きくなれば，絶縁層３０を形成する目的である上記正極活物質層４４の突出部４６による正極板と負極板との間の短絡の防止が不十分となる可能性がある

上記絶縁層３０は，絶縁テープまたは樹脂コーティングで形成されることができ，上記絶縁テープの場合にはラミネーティングテープまたは接着テープで形成されることができる。即ち，上記ラミネーティングテープは別途の接着剤なしに，熱により接着させるテープであり，接着テープは下部に接着剤が塗布されて接着剤により接着するテープである。

上記絶縁層３０はリチウムイオン二次電池に使われる電解液に耐性があり，耐熱性が強くて，１５０℃以上でも収縮等の変形のないＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ），ＰＩ（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ），ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のような材質で形成され，厚さは，好ましくは，５〜２００μｍで形成される。上記絶縁層３０の厚さが５μｍより薄ければ上記正極活物質層４４の突出部４６をカバーするのは難しくて，電極板間で短絡が生じる可能性があり，上記絶縁テープの厚さが２００μｍを超して，あまり厚ければ，電極組立体の厚さが部分的に厚くなることになる。

符号４８は，上記正極集電体４２の正極無地部４７（図２ｂ参照）に熔接される正極タップを示す。

図３ａ〜図３ｂを用いて絶縁層の第１の実施形態として絶縁層３０ａ，貫通ホール３２ａについて説明する。

絶縁層３０ａは，所定の幅を有するテープとして所定の大きさの貫通ホール３２ａが形成されている。図３ａから示すように，絶縁層３０ａには上下に貫通される貫通ホール３２ａが一定の間隔で形成されているが，ここで，その配列形態に限るのではない。従って，貫通ホール３２は，一定の間隔または一定の配列で形成されないこともある。

図４に第２の実施形態として示すように，貫通ホール３２ｂを交錯するように配置して形成した例を示す。貫通ホール３２ｂが，図４のように，互いに交錯して形成されれば，貫通ホール３２ｂが正極活物質層４４の突出部４６に位置する場合にも效果的に突出部４６をカバーできることになる。

貫通ホール３２ａ，３２ｂの総面積は，上記で説明したように，絶縁層３０ａ，３０ｂの全体面積中から正極活物質層４４の上部に配置された面積の３０％〜９０％にするのが好ましい。

図５は，本発明の第３の実施形態に係る絶縁テープの平面図を示す。

上記絶縁層３０ｃの貫通ホール３２ｃは四角形状で形成されており，五角形等，多様な形状の多角形で形成できることは勿論である。

図６ａと図６ｂは，本発明の第４の実施形態により正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の平面図と断面図を示す。

上記絶縁層３０ｄは，図６ａと図６ｂを参照して見ると，上記正極活物質層４４の上部に形成された領域のみに貫通ホール３２ｄが形成され，上記正極板４４の正極無地部４７の領域に形成された絶縁層には上記貫通ホール３０ｄが形成されない。即ち，上記絶縁層３０ｄの貫通ホール３２ｄは，正極活物質層４４において絶縁層３０ｄにより正極活物質層４４が遮られることを防止し，上記負極活物質層と反応する面積を増加させることをその目的とするので，正極無地部４７の上部に形成される絶縁層３０ｄには貫通ホール３２ｄが形成されなくても可能である。従って，正極無地部４７の領域では絶縁層が完全に形成されるので，絶縁効果を正常に維持できることになる。

図７は，図６ａの絶縁層に使われる絶縁テープの平面図を示す。

上記絶縁層３０ｄは，図７を参照すると，上記正極活物質層４４に接着する片側領域のみに貫通ホール３２ｄが形成され，正極無地部４７に接着する領域には貫通ホールが形成されなくなる。従って，上記絶縁層３０ｄが使われる本実施形態では上記正極板４０の正極活物質層４４では反応面積の減少を最小化し，電池の容量の減少を最小化することになり，正極無地部４７の領域では絶縁層３２ｄが正常に形成され，絶縁効果を維持できることになる。上記絶縁層３２ｄの上記貫通ホール３２ｄも上記正極活物質層４４の上部で適正な数のホールで構成され，好ましくは，少なくとも５個形成されるようにする。また，上記貫通ホール３２ｄの総面積は，上記正極活物質層４４の上部に配置された上記絶縁層３０ｄの面積の３０％〜９０％の面積を有するように形成される。

本実施形態に係る絶縁層を形成するテーピング過程は電極を形成する過程において，正極活物質層の塗布，乾燥に続いて一貫的になされることができ，上記正極活物質層の両端部を記憶する自動装備により自動になされることができる。

以上説明したように，上記絶縁層は上記正極板だけでなく負極板にも形成できる。また，上記絶縁層は上記正極板と負極板において，各電極活物質層の端部の少なくとも一端に形成されたり，全ての端部に形成されたりすることができる。即ち，電極活物質層のどの部分の突出部上に上記絶縁層を形成するかは，２つの電極板と各電極板の両面あるいは断面の電極活物質層の開始部及び終端部に形成された突出部が，ゼリーロール形態の電極組立体でどこに位置するかなどを総合的に考慮してモデル毎に個別に決定できる。

次に，本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の作用について説明する。

上記絶縁層３０が形成された正極板と負極板は，間にセパレータが介されてゼリーロール形態で巻き取られる。上記絶縁層３０は，上記正極板４０（または，負極板）の突出部４６に取り付けられて，上記正極板４０の正極活物質層４４の終端部に形成された突出部４６を覆いかぶせることになるので，上記突出部４６が上記セパレータに損傷を与えることを防止することになる。従って，上記突出部４６による正極板と負極板との間の短絡を防止できることになる。また，上記絶縁層３０には所定の間隔で貫通ホール３２が形成されているので，絶縁層３０が形成された領域でも正極活物質層４４が反応に参加できることになる。従って，上記絶縁層３０は正極板と負極時との間の短絡の可能性を減らしながら，
電極活物質層の反応面積が減少することを防止できることになる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，上述した実施形態においては，１行あたりの貫通ホールの個数が同じである場合について説明したが，１行目に３個，２行目に４個，３行目に５個などであってもよい。

また，貫通ホールの形状は，円形，多角形の場合について説明したが，楕円形，略四角形，略５角形のような形状にすることもできる。

本発明は，リチウム二次電池に適用可能である。

従来の電極集電体であって，電極集電体の少なくとも一面にコーティングされた電極活物質層の両端部の突出部に絶縁層が形成されたことを概略的に示す断面図である。 従来の電極集電体であって，電極集電体の少なくとも一面にコーティングされた電極活物質層の両端部の突出部に絶縁層が形成されたことを 概略的に示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の平面図である。 図２ａの断面図である。 図２ａの絶縁層に使われる絶縁テープの平面図である。 図３ａの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る絶縁テープの平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る絶縁テープの平面図である。 本発明の第４の実施形態により正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の平面図である。 本発明の第４の実施形態により正極活物質層の突出部に絶縁層が形成された正極板の断面図である。 図６ａの絶縁層に使われる絶縁テープの平面図である。

符号の説明

３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ 絶縁層
３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ 貫通ホール
４０ 正極板
４２ 正極集電体
４４ 正極活物質層
４６ 突出部

Claims (12)

1. 少なくとも一面に電極活物質層が形成された正極板及び負極板と，前記正極板及び前記負極板を絶縁させるセパレータとが巻き取られて形成された電極組立体と；前記正極板及び前記負極板のうち少なくともいずれかの前記電極活物質層の両端部に形成された突出部の少なくとも一つに覆いかぶさるように形成される絶縁層と；を含むリチウムイオン二次電池において：
   前記絶縁層は，所定の形状の貫通ホールを含むことを特徴とする，リチウムイオン二次電池。
2. 前記絶縁層は，前記正極板の前記正極活物質層の両端部の突出部のうち，少なくとも一つの突出部の上部に形成されることを特徴とする，請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
3. 前記絶縁層は，前記電極活物質層の上部に形成される部位のみに前記貫通ホールが形成されることを特徴とする，請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池。
4. 前記絶縁層は，絶縁テープを取り付けることによって形成されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
5. 前記絶縁テープは，ラミネーティングテープであることを特徴とする，請求項４に記載のリチウムイオン二次電池。
6. 前記絶縁テープは，前記正極板または前記負極板との接触面に接着剤が塗布された接着テープであることを特徴とする，請求項４に記載のリチウムイオン二次電池。
7. 前記絶縁テープは，ＰＩ，ＰＰＳまたはＰＰ材質で形成されることを特徴とする，請求項４〜６のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
8. 前記絶縁テープの厚さは，５〜２００μｍであることを特徴とする，請求項４〜７のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
9. 前記貫通ホールの総面積が，前記電極活物質層の上部に配置された前記絶縁テープの面積の３０％〜９０％となるように，前記貫通ホールが形成されることを特徴とする，請求項４〜８のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
10. 前記貫通ホールは，前記電極活物質層の上部に配置された前記絶縁テープの部分において，少なくとも５個形成されることを特徴とする，請求項４〜９のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
11. 前記貫通ホールは，略円形状を有することを特徴とする，請求項４〜１０のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
12. 前記貫通ホールは，略多角形状を有することを特徴とする，請求項４〜１０のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
    

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