JP2007172975A

JP2007172975A - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP2007172975A
Application number: JP2005367950A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakajima; 隆志中島; Daisuke Seki; 関　　大介
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP5128769B2

Abstract

【課題】落下等の衝撃に対して耐久性があり、しかも、充放電の繰返しによる電池要素の膨張に対し、信頼性の高い非水電解質二次電池を提供すること。
【解決手段】正極電極と負極電極をセパレータを介して扁平状に巻回した巻回体４の上面あるいは下面を渡って側面の上部あるいは下部から１／３までの一部をテープ３で固定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯機器、情報機器、家電機器、特に小型で携帯可能な電子機器の電源として好適な非水電解質二次電池に関するものである。

小型の電子機器の電源として各種の電池が用いられており、携帯電話、ノートパソコン等の電源として、小型で大容量の密閉型電池が用いられ、近年は特にエネルギー密度が高いリチウムイオン電池等の非水電解質二次電池が用いられている。リチウムイオン電池は、アルミニウムまたはその合金からなる電池缶にセパレータを介して正極電極と負極電極を積層して巻回、成型した電池要素を挿入し蓋体を設け収納している。

図６は、従来の非水電解質二次電池の電池要素となる巻回体４を説明する図である。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は側面図である。図６に示した巻回体４は、アルミニウム箔等からなる正極集電体にマンガン酸リチウム等の正極活物質を形成した正極電極に正極リード２を取り付け、銅箔等からなる負極集電体にグラファイト等の負極活物質を形成した負極電極に負極リード１を取り付け、セパレータを介して扁平状に巻回したものである。

非水電解質二次電池においては、落下および衝撃に対して信頼性が要求されている。特許文献１では、耐衝撃性向上のため、巻回体と電池缶の間に断面Ｔ字状の絶縁板を配置することが提案されている。

しかしながら、電池の安全性を確認するための落下試験回数を重ねた場合、落下衝撃により電池要素の端部が巻回体であるため外周側に対して中心部分がタケノコ状に巻回体がずれを生じ、正極電極或いは負極電極に取り付けられている正極リード或いは負極リードが外れ、電池が使用不可能になる可能性があった。

巻回体の巻回後の状態を保持するために、特許文献２においては巻回体の巻き軸に平行な部分と巻き軸に垂直な部分で直交するようにテープで固定する構造が提案されている。非水電解質二次電池においては、充放電を繰り返すことにより活物質層の膨張収縮が繰り返し起こり電池缶は電池要素となる巻回体の膨れを抑えきれず変形することがあるが、巻回体上のテープが最も膨れやすい電池要素の側面の中央部に位置し、充放電サイクル後に電池缶が膨れ変形してしまい、電池使用機器への装着が困難になるという問題があった。

特開２００４−６３６３号公報特開２００１−１８５２２４号公報

従来技術による電池要素となる巻回体を収納した非水電解質二次電池においては、落下等の耐衝撃性試験において巻回体がずれる。巻回体のずれを防止するために巻回体を直交するようにテープで固定する場合には電池要素の膨張のため電池缶の膨れの原因となる。この状況において、本発明の課題は、落下等の衝撃に対して耐久性があり、しかも、充放電の繰返しによる電池要素の膨張に対し、信頼性の高い非水電解質二次電池を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の非水電解質二次電池は、正極電極と負極電極をセパレータを介して扁平状に巻回した巻回体の上面あるいは下面を渡ってそれぞれ側面の上端あるいは下端から１／３までの一部をテープで固定したことを特徴とする。

また、本発明の非水電解質二次電池は、正極リードを備えた正極電極と負極リードを備えた負極電極をセパレータを介して扁平状に巻回した巻回体を有し、前記正極リードと負極リードの間、正極リードの外側および負極リードの外側の３箇所のうちの、少なくとも１箇所の巻回体の上面を渡って側面の上端から１／３までの一部をそれぞれテープで固定したことを特徴とする。

本発明の非水電解質二次電池によれば、巻回体をテープで固定することにより落下等の衝撃に対して耐久性が向上し、充放電サイクルにより最も膨れやすい巻回体の側面の中央部にテープがないため電池の膨れを抑制することができ信頼性の高い非水電解質二次電池を提供することができる。

本発明の実施の形態による非水電解質二次電池について、以下に説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本発明の非水電解質二次電池についてリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明する。正極電極は帯状のアルミニウム箔に、リチウム複合酸化物、例えば、Ｌｉ_xＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎＯ₃、Ｌｉ_xＮｉ_yＣｏ_(1-y)Ｏ₂などを、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とを分散混練し調製した正極塗料を塗布装置によって塗布した後に、直ちに乾燥して巻き取り、片面の塗布が終了した後に、正極集電体の反対面の所定の部分に同様に正極塗料を塗布、乾燥して正極電極を作製する。

負極電極は、帯状の銅箔等の表面に、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な、熱分解炭素類、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスなどのコークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、フェノール樹脂、フラン樹脂などを焼成した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭などの炭素質材料、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性高分子材料等をカーボンブラックなどの導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤と分散混練し調製した負極塗布液を塗布装置によって塗布し、片面の塗布が終わったものは乾燥後に反対面も所定の部分に塗布、乾燥し負極電極を作製する。

このようにして得られた正極電極、負極電極を、圧縮装置により電極を所定の厚みに圧縮した後に、裁断装置によって電極を所定の形状に裁断する。その後、巻回装置により正極電極に正極リードを、負極電極に負極リードをそれぞれ接合し、セパレータを介して正極電極および負極電極の先端部を所定の位置に合わせて積層したものを巻回して電池要素となる巻回体を作製する。

次に、巻回体をテープで固定する形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の非水電解質二次電池の巻回体の一実施の形態（実施例１、実施例２）を説明する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。巻回体４においては、巻き始めの中心部で負極電極に接合した負極リード１が上部に引き出され、巻き終わりの終端部で正極電極に接合した正極リード２が上部に引き出されている。巻回体４の上部の負極リード１と正極リード２の間を通り巻回体の側面の高さの上面から１／３の長さまでの両面を粘着性のテープ３で固定する。その後、巻回体４を電池缶に収納して、外部接続端子、電池内圧の上昇によって圧力を開放する安全弁、電池温度の上昇により電気抵抗の増大で電流を遮断するＰＴＣ素子等を備えた蓋体を取り付けて、非水電解液を注入した後に、封口するか、あるいは巻回体を可撓性材料からなる外装材によって密封することによって密閉型の非水電解質二次電池電池を製造する。

巻回体４のテープによる固定に際しては、負極リード１と正極リード２の間にテープ３を配置するほか、負極リード１あるいは正極リード２の外側にテープを配置してもよく、テープの配置箇所は複数であってもよい。また、上部の他、下部においてテープで固定してもよい。さらに、巻回体の側面におけるテープの位置は上面あるいは下面から側面の高さの１／３までの長さがよく、１／４から１／３の長さがさらに好ましい。テープの幅は、巻回体の固定の際に正極リードおよび負極リードと重ならず、また、巻回体の外側にはみ出さない様に決定する。

次に、本発明の実施例について図１に基づき説明する。

幅２８ｍｍ、高さ４５ｍｍ、厚さ３．５ｍｍの巻回体４から上部に引き出された負極リード１と正極リード２の間に、幅５ｍｍ、厚さ０．１４ｍｍのＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）からなる粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１１ｍｍ（高さの１／４）まで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した。その後巻回体４を、幅３０ｍｍ、高さ４７．５ｍｍ、厚さ４．２ｍｍのアルミニウム合金製の電池缶に収容し蓋体を取り付けて非水電解質二次電池を作製した。

粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１５ｍｍ（高さの１／３）まで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例１）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から３０ｍｍ（高さの２／３）まで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例２）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から４５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

図２は、本発明の非水電解質二次電池の実施例３、実施例４の電池要素となる巻回体を説明する図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は側面図である。実施例１と同様に作製した巻回体４の負極リード１と正極リード２の間および負極リード１の外側に、幅５ｍｍ、厚さ０．１４ｍｍのＰＰＳからなる粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１１ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した。その後、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例３と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例３）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から３０ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例３と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例４）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から４５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例３と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

図３は、本発明の非水電解質二次電池の実施例５、実施例６の電池要素となる巻回体を説明する図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図、図３（ｃ）は側面図である。実施例１と同様に作製した巻回体４の負極リード１と正極リード２の間、負極リードの外側および正極リードの外側に、幅５ｍｍ、厚さ０．１４ｍｍのＰＰＳからなる粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１１ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した。その後実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例５と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例５）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から３０ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例５と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例６）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から４５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例５と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

図４は、本発明の非水電解質二次電池の実施例７、実施例８の電池要素となる巻回体を説明する図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は正面図、図４（ｃ）は側面図である。実施例１と同様に作製した巻回体４の負極リードの外側および正極リードの外側に、幅５ｍｍ、厚さ０．１４ｍｍのＰＰＳからなる粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１１ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した。その後、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例７と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例７）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から３０ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例７と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例８）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から４５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例７と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

図５は、本発明の非水電解質二次電池の実施例９、実施例１０の電池要素となる巻回体を説明する図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図、図５（ｃ）は側面図である。実施例１と同様に作製した巻回体４の負極リード１と正極リード２の間および正極リードの外側に、幅５ｍｍ、厚さ０．１４ｍｍのＰＰＳからなる粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１１ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した。その後、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

粘着性のテープ３を巻回体４の上端から１５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例９と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例９）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から３０ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例９と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例１０）
粘着性のテープ３を巻回体４の上端から４５ｍｍまで側面の両面に貼り付け巻回体４を固定した以外は実施例９と同様にして非水電解質二次電池を作製した。

（比較例１１）
実施例１と同様に作製した巻回体４を粘着性のテープで固定することなく幅３０ｍｍ、高さ４７．５ｍｍ、厚さ４．２ｍｍのアルミニウム合金製の電池缶に収容して非水電解質二次電池を作製した。

実施例１〜１０、および比較例１〜１１で作製した非水電解質二次電池について、充電状態にてコンクリート上に１．５ｍの高さから蓋体を下にして落下を繰り返す落下試験を実施した。１ｋＨｚにおけるインピーダンスが試験前に比較して５ｍΩ増加する前までの落下回数を落下限界回数とした。

また、実施例１〜１０、および比較例１〜１１で作製した非水電解質二次電池について、２０℃において充電電流７２０ｍＡで充電終止電圧４．２Ｖ、トータルの充電時間１５０分、放電電流７２０ｍＡで放電終止電圧３．０Ｖの条件で充放電を５００サイクル行い、５００サイクル後の充電状態における電池缶の缶厚最大部を測定した。落下試験における落下限界回数を表１と図７に、サイクル後の電池缶厚を表１と図８に示す。

落下限界回数においては、表１および図７に示すように、比較例１１のテープなしに比べテープで固定したものは改善されていることが確認できた。また、サイクル後、缶厚については表１および図８に示すように、比較例１１のテープなしに比べテープの長さを１１ｍｍ、および１５ｍｍすなわち巻回体の高さの１／４から１／３までテープで固定したものでは缶厚がサイクル後も変わらず膨れていないが、３０ｍｍ、および４５ｍｍ即ち巻回体の高さの２／３および３／３までテープを貼り付けたものでは膨れていることが確認された。なお、実施例では負極リード外側あるいは正極リード外側１箇所のみの場合は記載しなかったが、他の実施例と同様の効果が得られることは勿論である。

本発明の非水電解質二次電池の実施例１、２の電池要素となる巻回体を説明する図、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図。本発明の非水電解質二次電池の実施例３、４の電池要素となる巻回体を説明する図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は側面図。本発明の非水電解質二次電池の実施例５、６の電池要素となる巻回体を説明する図、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図、図３（ｃ）は側面図。本発明の非水電解質二次電池の実施例７、８の電池要素となる巻回体を説明する図、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は正面図、図４（ｃ）は側面図。本発明の非水電解質二次電池の実施例９、１０の電池要素となる巻回体を説明する図、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図、図５（ｃ）は側面図。従来の非水電解質二次電池および比較例１１の電池要素となる巻回体を説明する図、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は側面図。本発明および従来の非水電解質二次電池の落下限界回数を示す図。本発明および従来の非水電解質二次電池の充放電サイクル後の缶厚を示す図。

符号の説明

１負極リード
２正極リード
３テープ
４巻回体

Claims

正極電極と負極電極をセパレータを介して扁平状に巻回した巻回体の上面あるいは下面を渡ってそれぞれ側面の上端あるいは下端から１／３までの一部をテープで固定したことを特徴とする非水電解質二次電池。
正極リードを備えた正極電極と負極リードを備えた負極電極をセパレータを介して扁平状に巻回した巻回体を有し、前記正極リードと負極リードの間、正極リードの外側および負極リードの外側の３箇所のうちの、少なくとも１箇所の巻回体の上面を渡って側面の上端から１／３までの一部をそれぞれテープで固定したことを特徴とする非水電解質二次電池。