JP2006093109A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼリーロール型電極型組立体において、外面の突出や屈曲を緩和することができる二次電池を提供する。
【解決手段】互いに異なる極性の２つの電極１３、１５とこれらの２つの電極間に位置するセパレータ１４、１４’とを含んでなる電極組立体が外装材内に封止され、各電極にタップ１６および１７が接合されており、タップ１６および１７は互いに異なる材質で、かつその厚さが異なるゼリーロール型電極型組立体を有する二次電池。
【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳細には、２つの電極とこれらの電極を離隔して絶縁させるセパレータを備えてなるゼリーロール型電極組立体を有する二次電池に関する。

二次電池は、再充電が可能であり、小型及び大容量化の可能性のため、移動型電子機器の電源として多く開発されて使用されている。近年開発されて使用されている二次電池のうち、代表的なものには、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）二次電池、リチウム（Ｌｉ）二次電池、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）二次電池がある。

これらの二次電池において、ベアセル（Ｂａｒｅ Ｃｅｌｌ）の多くは、陽極、陰極及びセパレータからなる電極組立体を容器（外装体）に入れて封止してなる。容器としては、パウチが使用され得るし、鉄、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属缶が使用され得る。電解質としては、完全固体型ポリマー、電解液を含浸させたゲル型ポリマー、溶媒に電解質がイオン形態で含まれる液状電解質などが使用され得る。

封止されたベアセルは、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、温度ヒューズ及び保護回路基板（ＰＣＭ： Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ）などの安全装置及びその他の電池部材などと連結された状態で別途のケースに収納されるか、成形樹脂によって間隙が満たされるか被覆されて完成された外観を持つようになる。

一方、二次電池の製造において、より小さな体積とより軽い電池に多量の電気を蓄積させることは一番重要な目標となり、単位時間当りの電力量、すなわち、電力を大きくすることも電池の利用分野によって重要な問題となる。電力を拡大させるためには、電解質に触れる電極活物質の面積を増す必要がある。通常、活物質の表面積を増すために、また、電力量に寄与する活物質の割合を上げるために、活物質は電極板に広くコーティングされる。

活物質がコーティングされた電極板は、二次電池を小さな体積で形成するために、ロール状に巻き取る方法がある。このようなロールに巻き取った形態をゼリーロールと称しているこのゼリーロール型の電池は、多数の電極板を極性によって交互に積層し、この積層された状態で同じ極性の電極板を電気的に共に連結することによって電池の２つの電極を形成することができる。この場合、他の極性の電極と電極との間はセパレータが介在させて内部の短絡を防止している。

図１は、従来のリチウム二次電池でゼリーロール型の電極組立体を形成する一つの電極を概略的に示した斜視図である。

図２は、図１のような電極が他の電極及びセパレータ１４、１４’と共に巻かれてなるゼリーロール形態の平断面図である。

図１を参照すれば、電極板１３が長く形成され、その始端と終端には活物質１３１がコーティングされていない非活物質領域が存在する。電極板１３の始端の非活物質領域には、電極板１３に蓄積された電気（電子などの荷電体）を外部の連結導線に引き出すためのタップ１７が取り付けられる。タップ１７は、短絡を防止するために絶縁テープ１８によって覆われている。電極板１３は、一つはアルミニウムホイルやメッシュからなり、他の一つは銅ホイルからなる集電体の上に、各電極の活物質を樹脂等と共に混ぜて作ったスラリーを塗布して形成する。

ところが、示されたような従来のゼリーロール型の電極組立体では、電極板１３、１５を外部とと電気的に接続するためのタップ１７および１６が電極板１３、１５に接合された状態で巻取がなされる。それゆえに、巻かれ切った状態のゼリーロールの外面（図２では外郭線）は、タップの厚さによって図２のように大きな凸状の段差Ａまたは屈曲が生じてしまう。

完成された電池の体積を最小化するために、電極組立体の容器となる缶などは、電極組立体の大きさとほぼ等しい大きさを持つように形成される。タップの厚さは、例えば０．１ｍｍ程度と極めて薄いものである。しかしながら、このような大きさも二次電池の製造過程でゼリーロール型電極組立体の外側面に起きた段差や屈曲によって、電極組立体が缶に内蔵される際に、缶の入口にかかって作業を難しくなってしまうという問題がある。

また、外側面に起きた段差や屈曲が大きいほど、ゼリーロール内部において段差や屈曲のある位置の活物質を圧迫して、その部分で電気化学反応を妨害して、電気容量を減らす原因になることもある。特に、陰極の場合、リチウム二次電池においてゼリーロールの中央部に位置することが通常であるので、このような問題点はより大きくなり得る。

本発明は、前述した問題点を解決するためのものであって、ゼリーロール型電極構造体においてタップによって生じるゼリーロールの外面の段差や屈曲を緩和することができ、タップと重なる部分の活物質に対する圧力を緩和させることのできる二次電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するための本発明は、互いに異なる極性の２つの電極と前記２つの電極の電気的短絡を防止するセパレータとを含んでなるゼリーロール型電極組立体と、前記電極組立体を収容する外装材と、前記２つの電極のうち、一方の電極に接合され前記外装材の外に突出した第１タップと、前記２つの電極のうち、他方の電極に接合され前記外装材の外に突出し、第１タップと異なる材質で、かつ、異なる厚さの第２タップと、
を有することを特徴とする二次電池である。

本発明においては、前記第１タップと第２タップのうち、引張強度がより強い材質のタップの厚さが、引張強度のより弱い材質のタップの厚さよりも薄いことを特徴とする。また、前記第１タップと第２タップの引張強度の差は、２０％以内であることを特徴とする。

本発明において、前記第１タップと第２タップのうち、一方のタップはニッケルまたはニッケル−鉄合金からなり、他方のタップはアルミニウムからなることを特徴とする。また、本発明において、前記第１タップと第２タップは、薄い方のタップの厚さが厚い方のタップの厚さの６０％以下であることを特徴とし、より好ましくは５０％以下であることを特徴とする。

また、本発明において、前記第１タップまたは第２タップのいずれか一方のタップは、ニッケルまたはニッケル−鉄合金からなり、他方のタップはアルミニウムからなることを特徴とする。

本発明において、タップらの厚さを異ならせる他の一つの形態としては、たとえば、電気伝導度または熱伝導度がより高い金属で形成した方のタップの厚さを、他のタップの厚さよりも薄くするようにしても良い。これは、一般的に、厚さを薄くすると、電気伝導度および熱伝導度は低くなるので、薄くするほうのタップにおいては、電気伝導度または熱伝導度の高い材質のものを用いることが望ましいからである。

本発明において、電極組立体の一電極のタップが中心部に位置する場合、厚さの薄いタップが電極組立体の中心部に位置することが望ましい。

本発明によれば、異なる厚さのタップを用いることで、例えば厚さの薄いタップをゼリーロール型電極組立体のロールの中心部分に設けられるようになり、タップによる活物質の作用の妨害は従来に比べて少なくなる。

また、ゼリーロールの内側に電極タップがあるほど、ゼリーロールの大きさは通常大きくなるので、引張強度が強い物質をゼリーロールの内側に設けると、ゼリーロ−ルの全ての体積を減らし、外装体内に電極組立体を投入する時の困難を少なくすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に基づいて本発明をより詳しく説明することにする。

図３は、本発明の一実施形態によりリチウム二次電池を形成する過程で作られるベアセルの構成を概略的に示した分解斜視図である。

図３を参照すれば、リチウムイオン電池のベアセルは、缶１１と、この缶１１の内部に収容される電極組立体１２と、缶１１の開放された上端と結合して、缶の上端を封止するキャップ組立体とを備えてなる。ここでは、缶１１およびキャップ組立体によって外装体が構成されている。なお、このような外装体の形態はさまざまであり本発明における外装体がここで説明する缶１１およびキャップ組立体に限定されるものではない。

電極組立体１２は、薄い板状あるいは膜状に形成された陽極板１３、セパレータ１４、陰極板１５、他のセパレータの積層体を渦型に巻き取って形成する。陽極板１３は、導電性に優れている金属薄板、例えば、アルミニウムホイルやメッシュとなった陽極集電体と、その両面あるいは片面にコーティングされたリチウム系酸化物を主成分とする陽極活物質層とを含んでいる。陽極板１３には、陽極活物質層が形成されていない陽極集電体の領域に陽極タップ１６が電気的に連結されている。

陰極板１５は、伝導性の金属薄板、例えば、銅ホイルとなった陰極集電体と、その両面にコーティングされた炭素材を主成分とする陰極活物質層とを含んでいる。陰極板１５にも、陰極活物質層が形成されていない陰極集電体の領域に陰極タップ１７が接続されている。

電極（陽極板１３および陰極板１５）に接合されたタップ１６および１７は、ゼリーロールが巻き取られる長辺方向と垂直方向に各電極集電体に連結され、ゼリーロール状態で軸方向にキャップ組立体の方へ突出されている。

キャッププレート１１０の下面には、陽極板１３から引き出された陽極タップ１６が溶接されており、電極端子１３０の下端部には、陰極板１５から引き出された陰極タップ１７が蛇行に折られた状態で溶接されて電気的、機械的に連結されるようになる。

陽極板１３及び陰極板１５と、陽極タップ及び陰極タップ１６、１７とは、極性を異ならせて配置されることもでき、陽極タップ及び陰極タップ１６、１７が電極組立体１２から引き出される境界部には、２つの電極板１３、１５間の短絡を防止するために絶縁テープ１８がそれぞれ巻かれている。

セパレータ１４は、ポリエチレンやポリプロピレンやポリエチレンとポリプロピレンとの共重合体（Ｃｏ−Ｐｏｌｙｍｅｒ）からなっている。セパレータ１４は、陽極板及び陰極板１３、１５よりも幅を広くして形成することが極板間の短絡を防止するのに有利である。

パウチ型を採択するリチウムイオンポリマー電池において、電解質は、一体としてセパレータの役割を兼ねる高分子固体電解質や、セパレータに含浸された状態で、すなわち、完全固体型とゲル（Ｇｅｌ）型で使用されるか、示された缶型リチウムイオン電池では、イオンを含む液体として電極組立体と別途に缶に注入されて使用される。

缶１１は、殆ど直方体の角形や円筒状で作られ、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄などのその他金属で形成されることができる。電極組立体１２が引き込まれた後に、入口はキャッププレート１１０を備えたキャップア組立体によって封止される。缶１１は、その自体が端子の役割を行うことができるが、この実施形態では、キャップ組立体のキャッププレート１１０が陽極端子の役割を行うようになる。

キャップ組立体には、缶１１の開放された上端に対応される大きさと形状を持つ平板状のキャッププレート１１０が設けられている。キャッププレート１１０の中央部には、電極端子が通過できるように端子用の通孔１１１が形成される。キャッププレート１１０の中央部を貫通する電極端子１３０の外側には、電極端子１３０とキャッププレート１１０との電気的絶縁のために、チューブ形状のガスケット１２０が設けられている。キャッププレート１１０の中央部、端子用の通孔１１１の近傍には、キャッププレート１１０の下面に絶縁プレート１４０が配置されている。絶縁プレート１４０の下面には、端子プレート１５０が設けられている。

電極端子１３０は、ガスケット１２０が外周面を取り巻いた状態で端子用の通孔１１１を通じて挿入されている。電極端子１３０の底面部は、絶縁プレート１４０を介在した状態で端子プレート１５０と電気的に連結されている。

一方、電極組立体１２の上面には、電極組立体１２とキャップ組立体との電気的絶縁のために、これと同時に、前記電極組立体１２の上端部をカバーできるように絶縁ケース１９０が設けられている。絶縁ケース１９０は、絶縁性を持つ高分子樹脂であり、ポリプロピレンとなったことが望ましい。電極組立体１２の中央部と陰極タップ１７とが通過できるように通孔１９１が形成され、他の側方には、電解液の通過孔１９２が形成されている。電解液の通過孔は、別途に形成されていなくてもよく、陽極タップ１６の通孔が陰極のための中央の通孔１９１の側に形成されてもよい。

キャッププレート１１０の一側には、電解液の注入孔１１２が形成されている。前記電解液の注入孔１１２には、電解液が注入された後に、電解液の注入孔を密閉させるために栓１６０が設けられる。栓１６０は、アルミニウムやアルミニウム含有金属で作ったボール型母材を電解液の注入孔の上に置いて、機械的に電解液の注入孔で圧入して形成する。

図４は、本発明の一実施形態によりなされた二次電池用ゼリーロールの平断面図である。ゼリーロール型電極組立体は、陽極板１５、陰極板１３及びセパレータら１４、１４’が巻き取られてなる。

示されたところによれば、図２の従来の場合と比較すると、陰極タップ１７の厚さの減少によって全体的なゼリーロールの厚さの減少がなされ、重なる部分の活物質に対する圧力も相対的に低く現れることが分かる。

電極タップは、電気集電体がアルミニウムとなった場合にアルミニウム材質のタップを、電気集電体が銅である場合にニッケル材質のタップを多く使う。アルミニウムのタップは、引張強度が約３０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度であり、ニッケルやニッケル−鉄合金の場合は、引張強度が約５０乃至７０ｋｇｆ／ｍｍ^２である。

従来、電極タップの厚さは、２つの電極タップ共に、例えば、１００μｍ程度とされていたが、このような従来の電極タップの厚さは、引張強度が弱い材質のものを基準に決められたものである。

一方、本発明のように、一方の電極タップの引張強度を強くすることで、電極タップが十分な機械的強度で電気端子あるいは安全装置端子と溶接することができ、たとえば、陰極板１５である銅電極と連結されるニッケルまたはニッケル−鉄合金よしなる陰極タップ１７の場合、厚さが５０μｍ程度であっても、必要な引張強度を確保することができる。したがって、従来より薄く形成することが可能である。なお、本実施形態では、陰極タップ１７が第１タップとなり、陽極タップ１６が第２タップとなっている。

タップ自体は、一定の厚さに形成されたものを使用することが原則であり、ニッケルの陰極タップ１７の引張強度がアルミニウムのタップの２倍に達する時、ニッケルのタップの厚さは、アルミニウムの陽極タップ１６の５０％程度になるようにすることが理想的である。この時、外側に突出した部分の段差Ｂは、図２の段差Ａと比較すると、低くなっている。

しかしながら、タップを加工する時に圧力を受けることができ、タップの厚さは、５０μｍあるいは１００μｍ程度の微細なものであるので、製造過程自体で厚さにバラツキが生じる。したがって、アルミニウムの陽極タップ１６とニッケルまたはニッケル−鉄合金よりなる陰極タップ１７のそれぞれの厚さの正確性は、１０％程度の誤差がある。このため異なる厚さと異なる材質を有した二つのタップの間の引張強度の差は、アルミニウムの陽極タップ１６又はニッケルの陰極タップ１７に予定された引張強度の最大２０％以内に収まるように、タップ１６および１７の具体的な厚さを決めることが望ましい。

したがって、薄くする方のニッケルまたはニッケル−鉄合金よりなる陰極タップ１７の厚さは、アルミニウムの陽極タップ１６の６０％以下、より好ましくは５０％以下であって、引張強度の差が最大２０％を超えないようにすべきである。

以上の実施形態では、引張強度の差を持つ二つのタップの厚さを互いに異ならせた場合を中心として説明したが、二つのタップの材質の差が他の特性の差を招くことがある。これらの特性の差は、二つのタップの厚さの差に反映させて、電極組立体の厚さを少なくすることができる。特に、薄いタップを使う場合、部分的に電極組立体の活物質が押される現象を従来よりも抑えることができ、タップと重なる部分の活物質に対する圧力を緩和させることができる。

従来のリチウム二次電池でゼリーロール型の電極組立体を形成する一つの電極を概略的に示した斜視図である。 図１のような電極が他の電極及びセパレータと共に巻かれてなるゼリーロール型電極組立体の従来の一例を示す平断面図である。 本発明の一実施形態によりリチウム二次電池を形成する過程で作られるベアセルの構成を概略的に示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態によりなされた二次電池用のゼリーロール型電極組立体の平断面図である。

符号の説明

１１…缶、
１２…電極組立体、
１３…陽板、
１４、１４’…セパレータ、
１５…陰極板、
１６…陽極タップ、
１７…陰極タップ、
１８…絶縁テープ、
１１０…キャッププレート、
１１１…通孔、
１１２…電解液注入孔、
１２０…ガスケット、
１３０…電極端子、
１３１…活物質（スラリー）、
１４０…絶縁プレート、
１６０…栓、
１５０…端子プレート、
１９０…絶縁ケース、
１９１…リード通孔、
１９２…電解液の通過孔。

Claims (10)

1. 互いに異なる極性の２つの電極と前記２つの電極の電気的短絡を防止するセパレータとを含んでなるゼリーロール型電極組立体と、
   前記電極組立体を収容する外装材と、
   前記２つの電極のうち、一方の電極に接合され前記外装材の外に突出した第１タップと、
   前記２つの電極のうち、他方の電極に接合され前記外装材の外に突出し、第１タップと異なる材質で、かつ、異なる厚さの第２タップと、
   を有することを特徴とする二次電池。
2. 前記第１タップと第２タップのうち、引張強度がより強い材質のタップの厚さが、引張強度のより弱い材質のタップの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記第１タップと第２タップの引張強度の差は、２０％以内であることを特徴とする請求項２記載の二次電池。
4. 前記第１タップと第２タップのうち前記引張強度がより強い材質のタップの位置が、前記ゼリーロール型電極組立体のロール中心部に位置することを特徴とする請求項２または３記載の二次電池。
5. 前記第１タップと第２タップのうち、一方のタップはニッケルまたはニッケル−鉄合金からなり、他方のタップはアルミニウムからなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の二次電池。
6. 前記第１タップと第２タップは、薄い方のタップの厚さが厚い方のタップの厚さの６０％以下であることを特徴とする請求項１記載二次電池。
7. 前記第１タップと第２タップは、薄い方のタップの厚さが厚い方のタップの厚さの５０％以下であることを特徴とする請求項６記載二次電池。
8. 前記第１タップまたは第２タップのいずれか一方のタップは、ニッケルまたはニッケル−鉄合金からなり、他方のタップはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
9. 前記ニッケルまたはニッケル−鉄合金からなるタップの厚さは、前記アルミニウムからなるタップの厚さの６０％以下であることを特徴とする請求項８記載の二次電池。
10. 前記ニッケルまたはニッケル−鉄合金よりなるタップは、前記ゼリーロール型電極組立体のロールの中心部に位置することを特徴とする請求項５または９記載の二次電池。

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