JP2006079942A

JP2006079942A - 電池

Info

Publication number: JP2006079942A
Application number: JP2004262840A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Teranishi; 正寺西; Shoichi Inamine; 正一稲嶺; Tetsuya Yamashita; 哲哉山下; Tatsuyuki Kuwabara; 達行桑原; Akihiro Yamamoto; 晃大山本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Energy Tottori Co Ltd
Current assignee: FDK Corp; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】
極板の捲回時において、巻きズレが生じたとしても各極板が対向範囲からはみ出すことのないように工夫された電池を提供する。
【解決手段】
帯状をした正極板10及び負極板がセパレータを挟んで配された状態で捲回されてなる電極体を備えた電池であって、両極板の対向領域が存在する捲回方向の範囲において、一方の極板の幅と他方の極板の幅との差分が、巻き始め側よりも巻き終わり側の方で大きくなるように調整されている構成とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、正極板と負極板が捲回された電極体を有する電池に関する。

近年における電子機器のポータブル化、コードレス化は急速に進展しており、これらの駆動用電源となる二次電池には、小型かつ軽量に加え、高エネルギー密度の特性を備えていることが望まれている。正極板と負極板が捲回されてなる円筒型電池は低コストで製造され、その中でも高容量化を実現する代表的な電池であるリチウムイオン電池などは、更なる普及を図るために、その特徴に加えて低コスト化が図られている。

電池製造における低コスト化を図るためには、各製造工程における歩留の向上が重要な要素となる。一般的に、電池は正極板と負極板が対向する構成を有し、正極板からの電荷が負極板に受け取られることで電流が流れる。極板が捲回されてなる電極体において、正極板が負極板に対してはみ出るような巻きズレが生じる場合、正極板が電池構成要素の中で例えば負極性を有している巻き軸体などと接触して短絡が発生する。また、負極板からはみ出ている正極板部分からの電荷が負極板に到達しないので、充放電を繰り返すと電池の容量維持が困難となる。特に、リチウムイオン電池の場合は、巻きズレにより正極板が負極板からはみ出してしまうと、充放電時に負極側へ金属リチウムが析出してしまう。金属リチウムは水などに接触した場合の反応性が高く、発熱や発火の危険性を有しているので、金属リチウムの析出は電池の安全性を低下させてしまう。

このように、正極板が負極板からはみ出してしまうような状況下では、電池の不良率の上昇を招くこととなり、電池の低コスト化を図る上で大きな問題となる。そこで、この問題を解消するために、極板の捲回時における巻きズレを防止することが考えられる。その具体例として、両極板に挟まれるセパレータを2枚としてそのクッション性を増加させることで、捲回時において極板がずれないように設定する方法（例えば、特許文献1）などが提案されている。
特開2001-229974号公報

しかしながら、特許文献1の場合、セパレータを2枚用いる点で、製造上制約を受けることとなる。そこで、他の取り組みも考えられるが、このような巻きズレの十分な防止を実施しようとすれば、捲回に関わる機械精度の向上などが必要となり、コスト面や設置環境などから考えると困難であると思われる。
本発明は以上の点に鑑みて、捲回時における極板のズレが生じた場合にも、その巻きズレを許容した上で、電池性能が低下しない電池を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために以下の手段を用いている。
（請求項の内容を記載）

従来、捲回時に一方の極板が他方の極板からはみ出してしまうことの要因として、巻き始めにおいて極板の幅方向は適切に位置合わせが行われ、はみ出さないが、捲回方向において各極板の中心線同士が互いに傾いているために巻き終わり部分ではみだしてしまうことが考えられる。
そこで本発明に係る電池では、両極板の対向領域が存在する捲回方向の範囲において、一方の極板の幅と他方の極板の幅との差分を、巻き始めよりも巻き終わりの方が大きい構成としているので、捲回時に巻き始めの位置において一方の極板が他方の極板に対して捲回方向に中心線同士が互いに傾いた場合にも、巻き終わり側で極板がはみ出すことを防ぐことができる。

これにより、捲回時に一方の極板が他方の極板からはみ出さないような状態とすることができ、両極板の対向面積が減少することもないので、電池の充放電容量を十分に確保でき、さらに電池の安全性の低下を防ぐことにもなり、電池性能の低下を防止できる。同時に、捲回されてなる電極体において、規定される領域から極板がはみ出さないので、その極板が逆極性を有する電池の構成要素との不要な接触を防ぐこととなり短絡防止に繋がる。また、上記従来技術のようにセパレータを2枚用いる必要性もない。

以下、本発明の電池に係る実施の形態について、電極板が捲回されてなる電極体を備えるリチウムイオン電池を用いて図面を参照しながら説明する。なお、ここで用いるリチウムイオン電池については、本発明の構成上の特徴及び作用などを説明するための一例として用いるものであって、本発明はこれに限定を受けるものではない。
（実施例1）
（全体構成）
図1は本実施の形態におけるリチウムイオン電池1の一部切り欠き正面図である。このリチウムイオン電池1は、負極ピン22を巻き軸として、正極板10と負極板20がセパレータ30を挟んだ状態で捲回されてなる電極体2が、有底筒状のアルミニウム製外装体（以下、「外装体」と記す。）40によって覆われている。外装体40の開口部は、外装体40と共に溝入れ加工されている絶縁性のガスケット21によって密閉され、上記負極ピン22と外装体40の底部との間には短絡防止のために樹脂からなる薄い平板状の絶縁体50が配置されている。上記電極群が捲回されてなる電極体2の捲回軸方向の長さは、図1、及びその拡大図に示されているように、負極板20の方が正極板10よりも長く、セパレータ30は正極板10及び負極板20よりも長い。なお、その電極群の形状に関しては、負極板20及びセパレータ30は帯状（捲回軸方向が短手方向）であり、正極板10は略帯状である。
（正極板10の形状）
正極板10の形状について図2を用いて説明する。図2は、正極板10の形状を示す平面図である。正極板10は、アルミニウム箔からなる正極芯体の両面に正極活物質スラリーが塗布される領域（以下、「正極活物質領域」と記す。）10aと塗布されていない領域（以下、「正極露出領域」と記す。）10bを有している。この正極活物質スラリーは、コバルト酸リチウム（LiCoCO₂）からなる正極活物質と、アセチレンブラックまたはグラファイトなどの炭素系導電剤と、ポリビニリデンフルオライド（PVDF）からなる結着剤とを、質量比90：5：5の割合で量りとり、これらをN-メチルピロリドンからなる有機溶剤などに溶解させた後、混合して、調製されたものである。

先ず、正極板10は図2に示されているように長手方向（X方向）の長ささがL1となる台形の形状であり、捲回軸側、つまり巻き始めとなる左端の幅Wp1は、巻き終わりとなる右端の幅Wp2よりも長い。詳細な形状は、短手方向の両端部からそれぞれ微小幅Dだけ短いとした場合、L1：D＝85：1程度の割合となるものである。その正極板10の表面では図示するように、長手方向において巻き終わり側から1/4L1程度の範囲を正極露出領域10bとし、裏面では巻き終わり側から1/2L1程度の範囲を正極露出領域10bとしている。

そして、この正極板10は図3(a)で示すように、正極露出領域10bに集電タブ11を抵抗溶接される。なお、負極板20は、図3(b)で示すような帯形状を有しており、長手方向の長さL2が正極板10の長さL1より若干短く設定されており、幅Wn2は正極板10の幅Wp1よりも1mm程度大きく設定されており、負極板20の幅に対する正極板10の幅との差分が巻き始め側よりも巻き終わり側で大きくなる。また、負極板20は、負極活物質スラリーの塗布領域（以下、「負極活物質領域」）20aと負極芯体の露出領域（以下、「負極露出領域」）20bからなり、負極板20の長手方向における負極露出部20bの長さは1/4L2程度である。この負極活物質スラリーは、平均粒径20の人造黒鉛からなる負極活物質と、スチレンブタジエンゴムからなる結着剤と、カルボキシメチルセルロースからなる増粘剤とを質量比98：1：1の割合で量りとり、これらを適量の水と混合したものである。

また、セパレータ30の長手方向の長さは正極板10及び負極板20と比較して十分大きく、幅は負極板20よりも若干大きいものである。
なお、上記長さ及び幅に関しては一例であり、他の範囲における数値を用いた場合も適用可能である。
（電池の作製）
以上の極板群を用いて捲回電極体を作製し、リチウムイオン電池1が作製される。そこで、次に、リチウムイオン電池1の作製方法について図4(a)、図4(b)、図5(c)、図5(d)を順に用いて説明する。

先ず、ステンレス鋼（SUS）からなる負極ピン22（最大外径1.5mm）の上端部近傍にはポリプロピレン製の絶縁ガスケット（以下、「ガスケット」と記す。）21が接合されており、ガスケット21が接合されていない部分は、図4(a)に示すように、負極板20の負極露出領域と抵抗溶接されている。そして、これらをセパレータ30の上に載置して、図4(a)のように負極露出部分20bと負極ピン22とセパレータ30の各々の一部分が覆われるようにしてポリプロピレン製の絶縁テープ（以下、「テープ」と記す。）100を付着することで、負極板20と負極ピン22とセパレータ30を仮止めする。

次に、図4(b)で示すように、セパレータ30の負極板20が仮止めされた面の裏側には、正極板10をテープ100を利用して同様に仮止めする。その際に、各極板の短手方向の中心線が一致するようにし、かつ正極活物質領域10aの端部が、負極ピン22の配設位置の近傍に位置するようにする。
このようにして一体化した極板群を、図5(c)のようにして負極ピン22の位置で折り返す。そして、上記極板群を図5(d)に示すように負極ピン22を軸として巻き取り機によって捲回し、その最外周をテープ100で固定する。

電極10、20を捲回する際に、巻き始めの位置では幅方向に両極板10、20を適切に配置したが、各極板10、20の中心線同士が捲回方向に互いに多少傾いてしまうことがある。そのような場合、本実施形態とは異なり長方形を有する正極板1000が用いられていれば図6(a)のように巻き始めにおける正極板10の中心線10lが負極板20の中心線20lに対して微小角度eだけ傾いている影響により、巻き終わり付近で正極板10aが負極板20からはみ出してしまう部分（以下、「非対向部分」と記す。）1000dが生じてしまう。しかし、このような微小角度eが存在する場合でも、本実施形態における形状の正極板10であれば、巻きとりが進むにつれても、図6(b)に示されるように、正極板10が負極板20からはみ出すことがなく、確実に負極板20と対向状態を保ったまま捲回されるので、対向面積を十分に維持することができ、電池性能を低下させることはない。

このようにして、作製した捲回電極体を、有底筒状の外装体40に挿入し、100℃の真空下で放置してその内部を乾燥させる。そして、この外装体40内部に非水電解液を0.5g注入する。この非水電解液は、エチレンカーボネート10質量部と、プロピレンカーボネート10質量部とジエチルカーボネート80質量部とからなる混合溶媒に、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムを溶解し、その溶液の濃度が1.0mol/lとなるようにしたものである。

非水電解液が注入された外装体40の開口部をガスケット21を介したかしめ加工により封止し、リチウムイオン電池1（図1参照）を作製する。
（実施例2）
次に、（実施例1）とは異なるリチウムイオン電池1aについて説明する。ただし、異なるのは正極板10の形状だけであり、他の部分についての説明を省略する。

本実施例における正極板10は、図2に示されているように（実施例1）と同じように台形状である。ただし、長手方向における幅の変化に関してはL：D＝85：2程度となるように設定し、他については（実施例1）と同一である。
（実施例3）
（実施例1）及び（実施例2）とは異なるリチウムイオン電池1bについて説明する。本実施例においても、（実施例1）の正極板10と同様に台形状を有している。その長手方向における幅の変化に関してはL：D＝17：1程度であり、他の寸法及び他の部分については（実施例1）と同じであり、その説明を省略する。
（実施例4）
本実施例においても、他の実施例と異なるのは正極板101の形状部分だけであり、当該部分についてのみ説明する。

正極板101は、図7に示されるように、極板の幅がWp1、長さがLsで示される矩形状のものと、上辺及び下辺の長さがそれぞれW4及びWp1、高さがLs2で示される台形状のものが組み合わされた形状を有している。（実施例1）と同様、この正極板101は正極活物質領域101aと正極露出領域101bからなる。なお、この正極板101における台形状部分における幅の変化に関してはLs2：d1＝20：1程度となるように設定されている。
（実施例5）
本実施例においても、他の実施例と異なるのは正極板102の形状部分だけであり、当該部分についてのみ説明する。

正極板102は、図8に示されるように、正極板102の幅がそれぞれWp1とW5となる2つの矩形状のものが組み合わされている。ただし、当該短手方向における2つの矩形の中心線は一致しており、W1：d2＝20：1程度となるように設定されている。
（比較例）
ここでも（実施例1）〜（実施例5）と異なるのは正極板1000の形状のみであり、他の部分についての説明は省略している。

その正極板1000の形状は帯状（図9）であり、その幅Wp1及び長さL1などは各実施例と同じである。
（確認実験）
上述した6種類の形状を有する正極板10を用いて、以下の実験を行うことにより、各リチウムイオン電池1の有効性について検討している。

6種類のリチウムイオン電池を各々100個作製し、初期放電容量と初期充放電効率及び満充電状態において70℃雰囲気下で10日間保存した後の放電容量（復帰容量）調べている。その結果を表1に示す。なお、充電は定電流定電圧充電とし、120mAの定電流で4.2Vまで充電し、4.2V到達後は定電圧充電に変換しトータル3時間で充電が終了するようにしている。放電は120mAの定電流で2.8Vまで行っている。

（比較例に対する実施例1〜5の優位性）
上記確認実験の結果を基にして、（実施例1）〜（実施例5）と（比較例）とを比較すると、各実施例は（比較例）に対して正極板10における活物質の塗布面積は減少していることにも関わらず、初期充放電効率は高い値を示している。これは、（比較例）では、極板の巻きズレの影響により電池の性能劣化を招いてしまっているが、各実施例においては、同様に巻きズレが生じた場合にも、正極板10が負極板20に対して確実に対向しているために、電池の性能劣化が抑制されているからと考えられる。

リチウムイオン電池1の場合、このように巻きズレが発生することにより、正極板10が負極板20と対向せずにはみ出してしまうと、そのはみ出している非対向部分10dから金属Liが析出されてしまう。当該金属Liは粉末状であり活性が非常に高く、例えば水などに触れると発熱及び発火の危険性を生じるため、リチウムイオン電池自体が高温時などの異常状態に曝された場合に、安全性を大きく低下させてしまう恐れがあるが、本実施の形態のような正極板10の形状を用いることにより懸念される安全低の低下を回避することに繋がるため優位である。これらのことは電池製造における歩留の低下を大きく抑制することであり、電池コストの低減に役立つものである。

正極板10の巻き初め部分の幅に対して巻き終わり部分における幅を各実施例で示した大きさ、つまり、巻き初め部分の幅に対する巻き終わり部分の幅が80%〜95%程度であれば上記優位性を得られることが分かる。特に、正極板10の幅が、巻き始め部分から巻き終わり部分にかけて一律に減少する形状を用いれば（例えば実施例1〜3）、正極板10と負極板20間における巻きズレが生じた場合にも、確実に正極板10を負極板20に対向させることができるので好ましい。
（その他の事項）
本実施の形態では、円筒型のリチウムイオン電池を用いているが、捲回されてなる構成の電極体を有するものであれば、捲回数が異なっていても構わないし、角型電池やその他の形状、又はニッケル-カドミウム電池などの他の種類のものであっても構わない。また、電池の異常温度時の安全性などが考慮されて正極板10と負極板、及びセパレータ30との相対的な大きさが規定されているが電池であれば、例えば、巻き始めの幅の大きさが同一であるような形態を用いても構わない。さらには上記実施の形態では、正極板10の幅が巻き終わり側を小さく設定されていたが、その代わりに正極板10は幅が均一な帯状を有して、負極板20の幅が巻き初め位置よりも巻き終わり位置の方が大きくなっているような形状を有していても構わない。
また、各実施例及び比較例における極板の形状寸法についても他の値も適用可能である。

本発明に係る電池は、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯機器を始めとする様々な機器に適用でき、さらに低コスト化に大いに役立つものとであり有用である。

本実施の形態に係るリチウムイオン電池の正面図及び断面図である。本実施の形態に係る正極板の形状を示す平面図である。本実施の形態に係る捲回電極体を構成する電極群の平面図である。本実施の形態に係る捲回電極体の形成順序を示す工程図である。本実施の形態に係る捲回電極体の形成順序を示す工程図である。極板の対向状態を示す平面図である。実施例4に係る正極板の形状を示す平面図である。実施例5に係る正極板の形状を示す平面図である。比較例に係る正極板の形状を示す平面図である。

符号の説明

1 リチウムイオン電池
10 正極板
11 集電タブ
20 負極板
21 負極ピン
22 ガスケット
30 セパレータ
40 外装体
50 絶縁体
100 絶縁テープ

Claims

帯状をした正極板及び負極板がセパレータを挟んで配された状態で捲回されてなる電極体を備えた電池であって、
両極板の対向領域が存在する捲回方向の範囲において、一方の極板の幅と他方の極板の幅との差分が、巻き始め側よりも巻き終わり側の方で大きくなるように設定されている
ことを特徴とする電池。
帯状をした正極板及び負極板の各々には活物質が塗布され、前記正極板と負極板とがセパレータを挟んで配された状態で捲回されてなる電極体を備えた電池であって、
両極板の活物質の対向領域が存在する捲回方向の範囲において、一方の極板の幅と他方の極板の幅との差分が、巻き始め側よりも巻き終わり側の方で大きくなるように設定されている
ことを特徴とする電池。
前記一方の極板において、巻き始めの幅に対する巻き終わりの幅の比率は、80％以上95％以下である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電池。
前記一方の極板における最大幅は、他方の極板における最小幅よりも狭い
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電池。
前記一方の極板の幅は、巻き始め位置で最も広い
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電池。
前記一方の極板の幅は、捲回方向に沿って巻き始めから巻き終わりに向かって狭くなる
ことを特徴とする請求項5に記載の電池。