JP2008077922A

JP2008077922A - 正極導電体及び偏平型非水電解質電池

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Publication number: JP2008077922A
Application number: JP2006254405A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Sugawara; 彰浩菅原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP5023634B2

Abstract

【課題】高温環境下で保存した場合において、正極合剤と正極缶との良好な接触状態を維持することができ、電池容量の低下をも阻止することが可能である正極導電体及び偏平型非水電解質電池を提供すること。
【解決手段】正極合剤５と正極缶３との間に配置される導電板部１１を具備した正極導電体１０であって、導電板部１１には、正極缶３方向に向けて突出し且つ正極缶３とは反対方向の力を付与した状態で導電板部１１と同一面内に位置し得る板ばね状突起１３を設けた。正極合剤５と、正極合剤を収容する正極缶３と、正極合剤５及び正極缶３の間に配置される導電板部１１を具備した正極導電体１０を備え、正極導電体１０の導電板部１１に、正極缶３方向に向けて突出し且つ正極缶３とは反対方向の力を付与した状態で導電板部１１と同一面内に位置し得る板ばね状突起１３を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極合剤と正極缶との間に配置されて電気的接触の向上を図る正極導電体及びこの正極導電体を具備した偏平型非水電解質電池に関するものである。

近年、上記した偏平型非水電解質電池、例えば、リチウムコイン電池に対する高温での使用要求が高まってきており、１００℃以上での駆動が要求されている。通常のリチウムコイン電池において、高温環境下に置いた場合には、正極の二酸化マンガンと電解液とが反応してガスが発生し、その結果、電池内圧が上昇して電池が膨らんでしまい、正極合剤と正極缶との接触が取れなくなって、放電不良が生じる懸念がある。

従来において、このような正極合剤と正極缶との接触不良をなくす対策を施した偏平型非水電解質電池としては、例えば、正極合剤と正極缶との間に配置される正極リングに、正極缶方向に突出する折り返し部を設けたものがあり（例えば、特許文献１参照）、この偏平型非水電解質電池では、内圧が上昇して電池が膨らんだとしても、正極リングの折り返し部が正極缶方向に突出している分だけ、正極合剤と正極缶との接触状態を維持し得ることとなる。
特開平１０−２７６１７号公報

しかしながら、上記した従来の偏平型非水電解質電池では、高温環境下に置いた場合において、正極合剤と正極缶との接触状態を維持することができるものの、この偏平型非水電解質電池を製作した段階において、すなわち、偏平型非水電解質電池が膨らんでいない段階において、正極合剤と正極缶との間に、正極リングの折り返し部の分だけ余計なスペースが必要となり、その結果、電池容量の低下を招いてしまうという問題があった。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、高温環境下で保存した場合において、正極合剤と正極缶との良好な接触状態を維持することができるのは勿論のこと、電池容量の低下をも阻止することが可能である正極導電体及び偏平型非水電解質電池を提供することを目的としている。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、正極合剤と正極缶との間に配置される正極導電体の導電板部に、正極缶方向に向けて突出し且つ正極缶とは反対方向の力を付与した状態で該導電板部と同一面内に位置し得る板ばね状突起を設けることによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の正極導電体は、正極合剤と正極缶との間に配置される導電板部を具備した正極導電体であって、該導電板部が、上記正極缶方向に向けて突出し且つ上記正極缶とは反対方向の力を付与した状態で該導電板部と同一面内に位置し得る板ばね状突起を有する構成としたことを特徴としており、この正極導電体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の偏平型非水電解質電池は、負極合剤と、この負極合剤を収容する負極カップと、正極合剤と、この正極合剤を収容する正極缶と、上記負極合剤及び上記正極合剤の間に配置されるセパレータと、上記正極合剤及び上記正極缶の間に配置される導電板部を具備した正極導電体とを備え、該正極導電体の導電板部が、上記正極缶方向に向けて突出し且つ上記正極缶とは反対方向の力を付与した状態で該導電板部と同一面内に位置し得る板ばね状突起を有する構成としたことを特徴としており、この偏平型非水電解質電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の偏平型非水電解質電池では、高温環境下で保存した場合において、内圧が上昇して電池が膨らんだとしても、正極導電体の導電板部の正極缶方向に向けて突出する板ばね状突起が正極缶の変形に追随するので、正極導電体を介して正極合剤と正極缶との接触状態が維持されることとなる。

また、正極導電体の導電板部の板ばね状突起は、正極缶とは反対方向の力を付与した状態において、すなわち、偏平型非水電解質電池を製作した状態において、導電板部と同一面内に位置して平坦になり得るので、従来必要としていた余分なスペースが不要なものととなり、その結果、電池容量の低下が回避されることとなる。

本発明によれば、上記した構成としているので、高温環境下で保存した場合において、正極合剤と正極缶との良好な接触状態を維持することができるのは言うまでもなく、電池容量の低下をも阻止することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の正極導電体については、ステンレス（ＳＵＳ）のように通電が確保できるのに加えて、リチウムコイン電池に採用した際に溶け出さない材質を用いることが好ましく、例えば、リチウムコイン電池で正極缶の材質として一般的に使用されているＳＵＳ４３０を用いることができ、ばね性が強くなる材質を用いることがより一層好ましい。

また、本発明の正極導電体において、例えば、リチウムコイン電池に採用した場合に内容積を可能な限り確保するため、導電板部をリング状とすることが望ましいが、これに限定されるものではなく、導電板部をＣ字状とすることも可能であるほか、導電板部を円盤状とすることも可能である。

この際、導電板部の厚さが０．０５ｍｍに満たないと、強度が低下し、一方、導電板部の厚さが０．５０ｍｍを超えると、リチウムコイン電池の内容積が減少することから、導電板部の厚さを０．０５〜０．５０ｍｍとすることが望ましい。

さらに、本発明の正極導電体において、板ばね状突起の導電板部の厚さ方向の突出量が０．０５ｍｍに満たないと、内部抵抗の上昇を抑える効果が低く、一方、板ばね状突起の導電板部の厚さ方向の突出量が１０．００ｍｍを超えると、リチウムコイン電池の内容積に影響を及ぼし兼ねないことから、板ばね状突起の導電板部の厚さ方向の突出量を０．０５〜１０．００ｍｍとすることが望ましく、０．１０〜３．００ｍｍとすることがより望ましい。

さらにまた、本発明の正極導電体において、板ばね状突起の導電板部に対する角度が４５°を超えると、ばねの折り曲げに大きな負荷がかかって変形する可能性が高くなることから、図４に示すように、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを４５°以内とすることが望ましく、３０°程度とすることがより望ましい。

さらにまた、図５（ａ）に示すように、本発明の正極導電体１０の導電板部１１に設ける板ばね状突起１３は少なくとも１個あればよく、数量は特に限定しない。図５（ｂ）に示すように、２個の板ばね状突起１３を互いに対向させて設けたり、図５（ｃ）に示すように、３個の板ばね状突起１３を１２０°の間隔をおいて設けたり、図５（ｄ）に示すように、４個の板ばね状突起１３を９０°の間隔をおいて設けたりすることもできる。

さらにまた、本発明の正極導電体において、導電板部に設ける板ばね状突起の幅と長さとの比率はとくに規定しないが、適宜比率、例えば、以下に示す実施例のように、板ばね状突起の幅と長さとを１：１の比率で形成し得る。また、板ばね状突起の厚さと長さとの比率もとくに規定しないが、厚さと長さとの比率が１：１ではばね性を得るのが困難であることから、少なくとも１：２以上の比率、例えば、以下に示す実施例のように、板ばね状突起の厚さと長さとを１：３０の比率で形成し得る。

一方、本発明の偏平型非水電解質電池において、正極缶の正極導電体との接触部分に、該正極導電体及び正極合剤の正極導電体との接触部分を納める収納段差を設けた構成とすることができ、この構成を採用すると、正極導電体及び正極合剤の正極導電体との接触部分が正極缶の収納段差内に納まることで、余分なスペースをなくすことができ、その結果、高容量化が図られることとなる。

そして、本発明の偏平型非水電解質電池では、リチウムコイン電池に一般的に使用される材料を使用することができ、例えば、電解液の溶媒としては、ＰＣ（プロピレン・カーボネート），ＥＣ（エチレン・カーボネート）などのカーボネート類や、ＧＢＬ（γ−ブチロラクトン）などのエステル類や、ＤＭＥ（ジメチル・カーボネート），ＤＥＣ（ジエチル・カーボネート）などのエーテル類や、ＮＭＰ（Ｎ−メチル・ピロリドン）などのアミド類や、ＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）などのスルホキシド類などを採用し得る。

また、負極カップと正極缶とを接合するガスケット材料には、ＰＰ（ポリプロピレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）などを採用することができ、負極合剤と正極合剤との間に介在させるセパレータには、ＰＰ，ＰＰＳ，ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート），ガラスなどを採用することができる。

さらに、正極の結着材としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などを採用することができ、正極の導電材としては、グラファイトやカーボンなどを採用することができるが、勿論、これらに限定されるものではない。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の一実施例による正極導伝体を示し、図２及び図３は、この正極導伝体を組み付けた本発明の一実施例による偏平型非水電解質電池としてのリチウムコイン電池を示している。

図２に示すように、このリチウムコイン電池１は、ステンレスから成る負極カップ２と、これと同じくステンレスから成る正極缶３と、φ１９ｍｍの円盤状に成型されたリチウム−アルミニウム合金から成る負極合剤４と、ペレット状に成型された正極合剤５を備えており、負極合剤４を収納した負極カップ２の環状周縁部２ａと正極合剤５を収納した正極缶３の環状周縁部３ａとをポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）から成る封口ガスケット７を介して互いに嵌合させて成っている。

この実施例において、直径φを２４．５ｍｍとし、厚さを４．９ｍｍとしており、負極カップ２及び正極缶３間の密封された内部で対向する負極合剤４と正極合剤５との間には、坪量７０ｇ／ｍ^２で且つ厚さ３００μｍのポリフェニレンサルファイドから成るセパレータ６が介在させてある。

正極合剤５は、焼成二酸化マンガン及びグラファイトを主体とする導電材とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主体とする結着材と水とを混合し、この混合液に加熱処理を施して水を蒸発乾燥させて成っている。また、電解液において、溶質として過塩素酸リチウム（０．５ｍｏｌ／ｌ）を使用し、溶媒としてプロピレンカーボネート及びジメトキシエタン（容積比１：１）を使用している。

この場合、負極カップ２及び正極缶３間の内部には、図１にも示すように、正極合剤５及び正極缶３の間に配置されるリング状を成す導電板部１１と、この導電板部１１の外周縁部に連続して形成されて正極合剤５と嵌合する環状壁部１２を具備した厚さが０．１ｍｍのステンレスから成る正極導電体１０が設けてある。この正極導電体１０の導電板部１１には、図３にも示すように、正極缶３方向に向けて突出し且つ正極缶３とは反対方向の力を付与した状態で導電板部１１と同一面内に位置し得る４個の板ばね状突起１３が互いに９０°の間隔をおいて設けてある。

この実施例では、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を０．０５ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約１°とし、板ばね状突起１３の幅Ｂ及び長さＡをいずれも３ｍｍとしてその比率を１：１とし、板ばね状突起１３の厚さＣと長さＡとの比率を１：３０として形成してある。

このリチウムコイン電池１において、正極缶３の正極導電体１０との接触部分には収納段差３ｂが設けてあり、正極導電体１０及び正極合剤５の正極導電体１０との接触部分を納め得るようにしてある。

このリチウムコイン電池１では、高温環境下で保存した場合において、図３に示すように、内圧が上昇して電池が膨らんだとしても、正極導電体１０の導電板部１１の正極缶３方向に向けて突出する板ばね状突起１３が正極缶３の変形に追随するので、正極導電体１０を介して正極合剤５と正極缶３との接触状態が維持されることとなる。

また、正極導電体１０の導電板部１１の板ばね状突起１３は、正極缶３とは反対方向の力を付与した状態において、すなわち、リチウムコイン電池１を製作した状態において、図２に示すように、導電板部１１と同一面内に位置して平坦になり得るので、従来必要としていた余分なスペースが不要なものととなり、その結果、電池容量の低下が回避されることとなる。

さらに、このリチウムコイン電池１において、正極缶３の正極導電体１０との接触部分に収納段差３ｂを設けているので、正極導電体１０及び正極合剤５の正極導電体１０との接触部分を正極缶３の収納段差３ｂ内に納めれば、余分なスペースをなくすことができ、その結果、より一層の高容量化が図られることとなる。

（実施例２）
実施例２として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を０．１０ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約２°とした以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池１を作製した。

（実施例３）
実施例３として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を０．２５ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約５°とした以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池１を作製した。

（実施例４）
実施例４として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を０．８０ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約１５°とした以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池１を作製した。

（実施例５）
実施例５として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を１．００ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約２０°とした以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池１を作製した。

（実施例６）
実施例６として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を２．００ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約４５°とした以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池１を作製した。

（実施例７）
実施例７として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を３．００ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約３０°とし、板ばね状突起１３の幅Ｂを３ｍｍとすると共に長さＡを６ｍｍとしてその比率を１：２とし、板ばね状突起１３の厚さＣと長さＡとの比率を１：６０としてリチウムコイン電池１を作製した。

（比較例１）
比較例１として、導電板部１１に板ばね状突起１３を設置していない正極導電体１０を具備する以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池を作製した。

（比較例２）
比較例２として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を０．０１ｍｍとする以外は実施例１と同じ仕様でリチウムコイン電池を作製した。

（比較例３）
比較例３として、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量を４．５０ｍｍとするべく、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約５０°とし、板ばね状突起１３の幅Ｂを３ｍｍとすると共に長さＡを６ｍｍとしてその比率を１：２とし、板ばね状突起１３の厚さＣと長さＡとの比率を１：６０としてリチウムコイン電池１を作製した。

そこで、実施例１〜７のリチウムコイン電池１及び比較例１〜３のリチウムコイン電池を１２０℃の高温環境下において１００時間保存する前後の内部抵抗値を測定したところ、表１に示す結果を得た。

表１に示す測定結果から、比較例１のリチウムコイン電池では、高温保存時に電池が膨れた場合において、正極合剤５から正極缶３が離れてしまい、内部抵抗値が上昇していることが判る。また、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量が極めて少ない比較例２のリチウムコイン電池では、高温保存時に電池が膨れた場合において、板ばね状突起１３が正極缶３の変形に追随することができず、比較例１のリチウムコイン電池と同様に内部抵抗値が上昇していることが判る。

これに対して、実施例１のリチウムコイン電池１では、高温保存時に電池が膨れた場合において、板ばね状突起１３が正極缶３の変形に追随することで、正極導電体１０を介しての正極合剤５と正極缶３との接触状態が維持されるので、内部抵抗値の上昇が抑えられていることが判るが、この実施例１のリチウムコイン電池１では、板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量が少ないので、その抑制効果は些か少ない。

そして、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを４５°の範囲内で変えることで板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量をより好ましい範囲内（０．１０〜３．００ｍｍ）の値に変更した実施例２〜６のリチウムコイン電池１では、高温保存時に電池が膨れた場合において、板ばね状突起１３が正極缶３の変形に確実に追随することで、正極導電体１０を介しての正極合剤５と正極缶３との接触状態が良好に維持されるので、いずれも内部抵抗値の上昇が非常に少なく抑えられていることが判る。

また、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約３０°とし、板ばね状突起１３の長さＡを６ｍｍとすることで板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量をより好ましい範囲上限の３．００ｍｍに変更した実施例７のリチウムコイン電池１にあっても、高温保存時に電池が膨れた場合において、板ばね状突起１３が正極缶３の変形に確実に追随することで、正極導電体１０を介しての正極合剤５と正極缶３との接触状態が良好に維持されるので、いずれも内部抵抗値の上昇が非常に少なく抑えられていることが判る。

なお、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを約５０°とし、板ばね状突起１３の長さＡを６ｍｍとすることで板ばね状突起１３の導電板部１１の厚さ方向の突出量をより好ましい範囲を超える４．５０ｍｍに変更した比較例３のリチウムコイン電池１にあっては、内部抵抗値の上昇を少なく抑え得るものの、板ばね状突起１３の導電板部１１に対する角度θを大きくそして板ばね状突起１３の長さＡを長くした分だけ、ばねの折り曲げに大きな負荷がかかって変形する可能性が高くなることから、採用し得ない。

したがって、実施例１〜７のリチウムコイン電池１では、電池容量の低下を阻止したうえで、高温環境下で保存した場合において、正極合剤５と正極缶３との良好な接触状態を維持し得ることが実証できた。

本発明の正極導電体の一実施例を示す平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。（実施例１）図１の正極導電体を組み込んだリチウムコイン電池の保存前の状態を示す部分断面説明図である。（実施例１）図１の正極導電体を組み込んだリチウムコイン電池の保存後の状態を示す部分断面説明図である。（実施例１）本発明の他の実施例による板ばね状突起の折り曲げ角度を大きくした正極導電体の断面説明図である。本発明のさらに他の実施例による板ばね状突起の数量及び寸法を違えた正極導電体の平面説明図（ａ）〜（ｄ）である。

符号の説明

１…リチウムコイン電池（扁平型非水電解質電池）、２…負極カップ、３…正極缶、３ｂ…収納段差、４…負極合剤、５…正極合剤、６セパレータ、１０…正極導電体、１１…導電板部、１３…板ばね状突起

Claims

正極合剤と正極缶との間に配置される導電板部を具備した正極導電体であって、
該導電板部が、上記正極缶方向に向けて突出し且つ上記正極缶とは反対方向の力を付与した状態で該導電板部と同一面内に位置し得る板ばね状突起を有することを特徴とする正極導電体。
上記板ばね状突起の導電板部の厚さ方向の突出量が０．０５〜１０．００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極導電体。
上記板ばね状突起の導電板部の厚さ方向の突出量が０．１０〜３．００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の正極導電体。
負極合剤と、この負極合剤を収容する負極カップと、正極合剤と、この正極合剤を収容する正極缶と、上記負極合剤及び上記正極合剤の間に配置されるセパレータと、上記正極合剤及び上記正極缶の間に配置される導電板部を具備した正極導電体とを備えた偏平型非水電解質電池において、
該正極導電体の導電板部が、上記正極缶方向に向けて突出し且つ上記正極缶とは反対方向の力を付与した状態で該導電板部と同一面内に位置し得る板ばね状突起を有することを特徴とする偏平型非水電解質電池。
上記正極缶の該正極導電体との接触部分に、該正極導電体及び正極合剤の該正極導電体との接触部分を納める収納段差を設けたことを特徴とする請求項４に記載の偏平型非水電解質電池。