JP2006085939A

JP2006085939A - 巻回型電池

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Publication number: JP2006085939A
Application number: JP2004267075A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Umehara; 将一梅原; Masanori Machida; 昌紀町田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】釘などが刺される異常状態にあっても、急激な発熱をより確実に抑えることができるようにする。
【解決手段】巻回型電池は、扁平状を有する巻回型電極体を外装材に収容してなる。巻回型電極体は、帯状の正極集電体１１ａの両主面に正極合剤層１１ｂを設けてなる正極１１と、帯状の負極集電体１２ａの両主面に負極合剤層１２ｂを設けてなる負極１２とをセパレータ１３を介して巻回した構造を有し、正極１１および負極１２は、セパレータ１３を介して互いに対向する正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃを内周部に有し、互いに対向する正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃは、一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂に至るように１周未満設けられている。これにより、外装材を巻き込むようにして釘などが刺された場合にも、正極集電体露出１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃを確実に短絡することができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、電極を巻回した構造を有する巻回型電池に関する。

従来、リチウムイオン二次電池などの巻回型電池では、保護回路などで過充電を防止することにより内部短絡を起こさないようにする対策がとられている。また、通常の内部短絡では電池が発熱するだけで熱暴走には至らないようになっている。しかしながら、釘などが刺される異常使用では温度が急激に上昇し熱暴走してしまう。実際、このような急激な温度上昇が生じることが、異常使用を想定した釘刺し試験により確認されている。

そこで、筒型および角型などの巻回型電池では、最外周部に正極集電体露出部と負極集電体露出部とをセパレータを介して配置させることにより、異常発熱の発生を防止することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

一般に短絡部位の抵抗が十分小さい場合には流れる電流が大きくなるが、ジュールの法則よればこの場合には発熱量は小さくなる。電池系で短絡部位の抵抗が大きいのは正負極の活物質を介した短絡であり、抵抗が小さいのは正負極の集電体同士の短絡である。従って、抵抗が小さい正極集電体と負極集電体とを短絡することができれば、釘などが電池を貫通する場合にも、異常発熱を防止し、電池の安全性を確保することができる。

特開平１１−２３３１４９号公報

しかしながら、アルミラミネートフィルムのように延性を有する外装材に巻回型電極体を収容してなる巻回型電池では、上述のように最外周に正極集電体露出部と負極集電体露出部とを配置させても、異常発熱を防止する効果が得られないことがある。すなわち、延性を有する外装材が釘刺しなどに伴ってその孔へと巻き込まれてしまうため、最外周部で正負極の集電体露出部同士を短絡できないことがある。

したがって、この発明の目的は、釘などが刺される異常使用にあっても、急激な発熱をより確実に抑えることができる巻回型電池を提供することにある。

上述の課題を解決するために、この発明は、扁平状を有する巻回型電極体を外装材に収容してなる巻回型電池において、
巻回型電極体は、帯状の正極集電体の両主面に正極合剤層を設けてなる正極と、帯状の負極集電体の両主面に負極合剤層を設けてなる負極とをセパレータを介して巻回した構造を有し、
正極および負極は、互いに対向する正極集電体露出部および負極集電体露出部を内周部に有し、
互いに対向する正極集電体露出部および負極集電体露出部は、一方のターン部から他方のターン部に至るように１周未満設けられていることを特徴とする巻回型電池である。

この発明において、互いに対向する正極集電体露出部および負極集電体露出部は、一方のターン部から他方のターン部まで設けることが好ましい。

この発明では、釘などが巻回型電極体に刺された場合に、内周部に設けられた正極集電体露出部と負極集電体露出部とを短絡させることができる。

以上説明したように、この発明によれば、釘などが外装材を巻き込むようにして刺された場合にも、内周部に設けられた正極集電体露出部および負極集電体露出部を確実に短絡することができる。よって、釘などが刺されるような異常使用にあっても急激な電池の発熱をより確実に抑えることができる。

また、対向する正極集電体露出部および負極集電体露出部を内周部に１周未満設けるだけで異常使用における急激な発熱を抑えることができるので、正極集電体露出部および負極集電体露出部を外周部に１周以上設ける必要がある従来の巻回型電池に比べて、容量密度を向上することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。

図１は、この発明の一実施形態による巻回型電池の外観を示す斜視図である。図２は、この発明の一実施形態による巻回型電池の一構成例を示す分解斜視図である。この巻回型電池は、扁平状を有する巻回型電極体１を防湿性ラミネートフィルムからなる外装材２に収容し、巻回型電極体１の周囲を溶着してなる。巻回型電極体１には、正極リード３および負極リード４が備えられ、これらの正極リード３および負極リード４は、外装材２に挟まれて外部へと引き出される。以下では、巻回型電池がリチウムポリマー二次電池である場合を例として説明するが、この発明はこの例に限られるものではなく、扁平状を有する巻回型電極体を外装材に収容した構造を有する電池であれば本発明を適用することは可能である。

外装材２は、矩形状の形状を有し、その中央から折り返し可能に構成されている。また、中央から折り返される外装材２の一方には、巻回型電極体１を収容するための収容部２ａが設けられている。収容部２ａは、上述の巻回型電極体１の形状に応じた形状を有し、例えば深絞り成形により形成される。

外装材２は、延性を有する材料から構成され、例えば、接着層、金属層、表面保護層を順次積層した積層構造を有する。接着層は、例えば高分子フィルムからなり、この高分子フィルムを構成する材料としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）が挙げられる。金属層は、例えば金属箔からなり、この金属箔を構成する材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。表面保護層を構成する材料としては、例えばナイロン（Ｎｙ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。なお、接着層側の面が、巻回型電極体１を収容する側となる。

図３は、巻回型電極体１の一構成例を模式的に示す断面図である。図４は、巻回型電極体１の一構成例を模式的に示す拡大断面図である。巻回型電極体１は、ゲル電解質層１４が両面に形成された帯状の正極１１と、ゲル電解質層１４が両面に形成された帯状の負極１２とを、帯状のセパレータ１３を介して長手方向に多数回巻回してなる。

また、巻回型電極体１は、その内周部にセパレータ１３を介して互いに対向する正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃを有する。この正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向する部分は、好ましくは一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂に至るように１周未満、より好ましくは一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まで設けられている。

正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが互いに対向する部分を一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂に至るように１周未満、例えば一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂に至るように半周以上１周未満設けた場合には、外周部に集電体露出部を１周以上設ける必要がある従来の巻回型電池に比して、釘などが刺される異常使用にあっても急激な発熱をより確実に抑えることができ、且つ、容量密度をより向上することができる。

また、正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが互いに対向する部分を一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まで設けた場合には、すなわち、正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが互いに対向する部分をおよそ半周設けた場合には、上述の効果に加えて巻回型電池をより薄型化できるという効果を更に得ることができる。

ここで、ターン部Ｔ₁，Ｔ₂とは、セパレータ１３を介して正極１１および負極１２を扁平状に巻回するときに正極１１および負極１２を折り返す端部である。

＜正極＞
正極１１は、帯状の正極集電体１１ａと、この正極集電体１１ａの両面に形成された正極合剤層１１ｂとからなる。正極１１は、内周部側の一端部に正極集電体１１ａが露出した正極集電体露出部１１ｃを備える。

正極集電体１１ａは、例えばアルミニウムなどからなる金属箔である。正極合剤層１１ｂは、例えば、正極活物質と、結着剤（バインダ）と、導電剤とからなる。

正極活物質としては、例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物であるリチウム遷移金属複合酸化物を使用することができ、具体的には例えば、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＦｅＰＯ₄等を使用することができる。また、遷移金属を１種類のみだけではなく、２種類以上使用するようにしてもよく、このようなリチウムイオン複合酸化物としては、例えば、ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.5Ｏ₂、ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.3Ｍｎ_0.2Ｏ₂、ＬｉＦｅ_0.5Ｍｎ_0.5ＰＯ₄を使用できる。

結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリエチレンなどを用いることができる。導電剤としては、例えばグラファイト、カーボンブラック等の炭素粉末を用いることができる。

＜負極＞
負極１２は、帯状の負極集電体１２ａと、この負極集電体１２ａの両面に形成された負極合剤層１２ｂとからなる。また、負極１２は、内周部側の一端部に負極集電体１１ｂが露出した負極集電体露出部１２ｃを有する。

負極集電体１２ａは、例えば銅などからなる金属箔である。負極合剤層１２ｂは、例えば、負極活物質と、結着剤と、導電剤とからなる。

負極活物質としては、リチウムをドープ脱ドープする材料を使用することができる。このような材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等）、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック類等の炭素質材料を挙げることができる。

＜ゲル電解質層＞
ゲル電解質１４は、マトリクス高分子に非水溶媒と電解質塩とを含浸させてなる。非水溶媒としては、この種の電池に用いられるものであればいずれも使用可能である。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトン、１,２−ジメトキシエタン、１,２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１,３−ジオキソラン、４メチル１,３ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、酢酸エステル、酪酸エステル、プロピオン酸エステル等を使用できる。これらは、単独で使用しても、複数種混合して用いてもよい。

ゲル電解質のマトリックスとしては、上述の非水溶媒を吸収してゲル化する種々の高分子を使用できる。例えば、ポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）などのフッ素系高分子、ポリ（エチレンオキシド）や同架橋体などのエーテル系高分子、またはポリ（アクリロニトリル）などを使用できる。

電解質塩としては、この種の電池に用いられるものであればいずれも使用可能である。例えば、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆，ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＢ（Ｃ₆Ｈ₅）₄、ＣＨ₃ＳＯ₃Ｌｉ、ＣＦ₃ＳＯ₃Ｌｉ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂等を使用できる。

この発明の一実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
角型等の巻回型電池は、扁平状を有する巻回型電極体１をアルミラミネート等の外装材２に収容してなる。巻回型電極体１は、帯状の正極集電体１１ａの両主面に正極合剤層１１ｂを設けてなる正極１１と、帯状の負極集電体１２ａの両主面に負極合剤層１２ｂを設けてなる負極１２とをセパレータ１３を介して巻回した構造を有し、正極１１および負極１２は、セパレータ１３を介して互いに対向する正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃを内周部に有し、この正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃは、一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂に至るように１周未満設けられている。これにより、電池全面どこに釘等を刺しても正極集電体露出部１１ｃと負極集電体露出部１２ｃとを確実に短絡することが可能となり巻回型電池の安全性を高めることができるとともに、外周部には余分な集電体とセパレータとが不要であることから高容量密度も実現できる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。図５，６はそれぞれ、実施例１，２の巻回型電極体の構成を模式的に示す断面図を示す。図７，８はそれぞれ、比較例１，２の巻回型電極体の構成を模式的に示す断面図を示す。

実施例１
まず、正極合剤層１１ｂを帯状のアルミニウム（Ａｌ）箔１１ａの両主面に形成して正極１１を得た。なお、長手方向の両端部には正極集電体露出部１１ｃを設けた。

次に、負極合剤層１２ｂを帯状の銅（Ｃｕ）箔１２ａの両主面に形成して負極１２を得た。なお、長手方向の両端部には負極集電体露出部１２ｃを設けた。

次に、エチレンカーボネート（ＥＣ）とプロピレンカーボネート（ＰＣ）とが体積混合比６：４の割合で混合されている混合溶液に、ＬｉＰＦ₆を０．７ｍｏｌ／ｋｇ溶解して非水電解液を得た。そして、この非水電解液に対して、フッ化ビニリデン（ＶｄＦ）とヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）との共重合体であるＰＶｄＦ−ＨＦＰを溶解させた。なお、共重合体全体に対するＨＦＰの重量比は６．９％とした。次に、これを正極１１および負極１２の両面に均一に塗布して含浸させてゲル電解質層１４を得た。

次に、ゲル電解質層１４が両面に形成された正極１１と、ゲル電解質層１４が両面に形成された負極１２とをセパレータ１３を介して巻回して巻回型電極体１を得た。なお、この巻回型電極体１では、図５に示すように、内周部には、セパレータ１３を介して正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まで存在するようにし、外周部には、正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂までの長さの５％以下存在するようにした。

次に、上述のようにして得られた巻回型電極体１を外装材２の収溶部２ａに収容し周囲を熱溶着して、巻回型電極体１を真空包装した。以上の工程により、厚さ３．８ｍｍ、幅３５ｍｍ、高さ６２ｍｍを有するリチウムポリマー二次電池（巻回型電池）を得た。

実施例２
図６に示すように、内周部には、セパレータ１３を介して正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まで存在するようにし、外周部には、正負集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂までの長さの５％以下存在するようにする以外は実施例１と同様にしてリチウムポリマー二次電池を得た。

比較例１
図７に示すように、内周部には、セパレータ１３を介して正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が他方のターン部Ｔ₂から中心部まで存在するようにし、外周部には、正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂までの長さの５％以下存在するようにする以外のことは実施例１と同様にしてリチウムポリマー二次電池を得た。

比較例２
図８に示すように、内周部には、セパレータ１３を介して正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が他方のターン部Ｔ₂から中心部まで存在するようにし、外周部には、セパレータ１３を介して正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が１周存在するようにする以外のことは実施例１と同様にしてリチウムポリマー二次電池を得た。

[釘刺し安全性試験]
次に、上述の各実施例および比較例それぞれ１０個の電池を、環境温度２５℃において、１Ｃの電流で４．５Ｖまで定電流充電し、その後４．５Ｖで定電圧充電して、合計３時間の定電流定電圧充電を行った。その後、各電池に対して、図５〜８の（１）に示す位置に鉄釘を貫通させて、電池の状態を観察した。そして、１５０℃以上に電池温度が上昇した電池の個数を数えた。

次に、上述の釘刺し安全性試験と同様にして電池に充電し、図５〜８の（２）〜（６）に示す位置に鉄釘を貫通させて、電池の状態を観察した。そして、１５０℃以上に電池温度が上昇した電池の個数を数えた。

表１に、釘刺し安全性試験の結果を示す。各欄における数値は、１５０℃以上に電池温度が上昇した電池の個数を示す。また、各欄における（１）〜（６）はそれぞれ図５〜８に示した釘刺し位置（１）〜（６）に対応している。

なお、釘刺し試験では、圧壊や外部短絡に比べて短絡面積が小さいため電流が集中し、発熱速度が大きくなるので、通常の使用条件では生じ得ないような安全性の欠如も見出すことができる。すなわち、苛酷な安全性試験である釘刺し試験において安全性を確認できれば、異常使用に遭遇した場合でも安全性を確保できると考えられる。

表１より、比較例１，２では急激な発熱が生じるのに対して、実施例１，２では急激な発熱が抑えられていることが分かる。すなわち、内周部において正極集電体露出部１１ｃと負極集電体露出部１２ｃとを一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まで対向させることで、内部短絡などの異常時にも電池の急激な発熱を防ぐことができ、電池の安全性を向上させることが可能となることが分かる。

より具体的に表１を検討すると以下のことが分かる。
（１）実施例１，２では、内周部において正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が、一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まで存在するため、電池全面どこに釘を刺しても正極集電体１１ａと負極集電体１２ａとを確実に短絡させることができ、内部短絡などの異常時にも急激な発熱を防止することができることが分かる。

（２）比較例１では、内周部において正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が、他方のターン部Ｔ₂から中心部まで設けられているため、他方のターン部Ｔ₂から中心部までの領域では釘刺しによる急激な発熱を抑えることができるのに対して、内周部において正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが対向している部分が、中央部から一方のターン部Ｔ₁までには設けられていないため、中央部から一方のターン部Ｔ₁までの領域では釘刺しによる急激な発熱が発生してしまうことが分かる。

（３）比較例２では、外周部において正極集電体露出部１１ｃおよび負極集電体露出部１２ｃが１周巻回されているが、他方のターン部Ｔ₂から中心部までの領域では釘刺しによる急激な発熱を抑えられているのに対して、中央部から一方のターン部Ｔ₁までの領域では釘刺しによる急激な発熱が抑えられていないことが分かる。この領域での釘刺しによる急激な発熱は、釘刺しによって外装材がその孔へと巻き込まれることによって、外周部に設けられた正極集電体露出部１１ｃと負極集電体露出部１２ｃとが短絡していないために生じていると考えられる。

[電池容量]
次に、各実施例および比較例のリチウムポリマー二次電池の容量を算出した。表２に、各実施例および比較例のリチウムポリマー二次電池の容量の算出結果を示す。なお、表２において、余分なパーツの数量は比較例１を基準として以下のように数えたものである。

Ａｌ泊、Ｃｕ泊：比較例１を基準として余分なＡｌ箔（正極）、Ｃｕ箔（負極）が一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まである場合を「１」とした。
セパレータ：比較例１を基準として余分なセパレータが一方のターン部Ｔ₁から他方のターン部Ｔ₂まである場合を「１」とした。

また、表２における容量は、比較例１の容量を基準として以下の式により算出した。
比較例１の容量−（余分なパーツ数量）×５／ｍＡｈ
ここで、比較例１の容量は７００／ｍＡｈである。

上述の表１を参照しながら表２を検討すると以下のことが分かる。
比較例１では、釘刺しによる急激な発熱を防止できず、比較例２では、釘刺しによる急激な発熱を防止できないばかりではなく、比較例１に比して大幅な容量低下を招いてしまう。これに対して、実施例１および２では、比較例１に比して大幅な容量低下を招くことなく、釘刺しによる急激な発熱を防止できる。すなわち、互いに対向する正極集電体露出部および負極集電体露出部を内周部におよそ半周設けることで、電池容量を大幅に低下することなく、安全性を向上できることが分かる。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

この発明の一実施形態による非水電解質二次電池の外観を示す斜視図である。この発明の一実施形態による非水電解質二次電池の一構成例を示す分解斜視図である。巻回型電極体の一構成例を模式的に示す断面図である。巻回型電極体の一構成例を模式的に示す拡大断面図である。実施例１の巻回型電極体の構成を模式的に示す断面図である。実施例２の巻回型電極体の構成を模式的に示す断面図である。比較例１の巻回型電極体の構成を模式的に示す断面図である。比較例２の巻回型電極体の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１・・・巻回型電極体、２・・・外装材、３・・・正極リード、４・・・負極リード、１１・・・正極、１１ａ・・・正極集電体、１１ｂ・・・正極合剤層、１２・・・負極、１２ａ・・・負極集電体、１２ｂ・・・負極合剤層、１３・・・セパレータ、１４・・・ゲル電解質層

Claims

扁平状を有する巻回型電極体を外装材に収容してなる巻回型電池において、
上記巻回型電極体は、帯状の正極集電体の両主面に正極合剤層を設けてなる正極と、帯状の負極集電体の両主面に負極合剤層を設けてなる負極とをセパレータを介して巻回した構造を有し、
上記正極および負極は、互いに対向する正極集電体露出部および負極集電体露出部を内周部に有し、
互いに対向する上記正極集電体露出部および負極集電体露出部は、一方のターン部から他方のターン部に至るように１周未満設けられていることを特徴とする巻回型電池。
互いに対向する上記正極集電体露出部および負極集電体露出部は、一方のターン部から他方のターン部まで設けられていることを特徴とする請求項１記載の巻回型電池。