JP2008159354A - コイン型リチウム一次電池、およびコイン型リチウム一次電池用正極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正極とリチウム金属からなる負極および非水電解液を収容したコイン型リチウム一次電池において、正極と電池ケースとの接触抵抗を低減させることで、放電特性を向上させたコイン型リチウム一次電池を提供する。
【解決手段】正極をエキスパンドメタル芯材上に充填したものを、エキスパンドメタル芯材側より打ち抜いた正極を電池ケース内面に配向させることにより、放電特性を向上させたコイン型リチウム一次電池を提供することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイン型リチウム一次電池の内部構造およびその電池放電特性に関するものであり、特に正極を充填した芯材に関するものである。

コイン型リチウム一次電池は、主に正極に二酸化マンガンやフッ化黒鉛を用い、負極にリチウム金属を用いた電圧３Ｖを有する非水電解液電池が一般に知られている。これらのコイン型電池は、腕時計の電源や各種電子機器のメモリーバックアップなどの用途に幅広く利用されている。

この種の電池は、二酸化マンガンやフッ化黒鉛に代表される活物質をカーボン粉末および結着剤を混練したものを打錠成形したペレットを正極に用い、負極にはリチウムまたはリチウム合金からなるペレットを用いてなり、上部開口した有底の電池ケース、開口部に配される封口板を含む電池容器に正負極を含む発電要素を収容した構造を採用している。

前述の構造では、各電池構成部材間の導電経路が接触、圧接によるものとなるため、接触抵抗により放電特性の低下を招いてしまう。この問題を解決するために正極ペレットを配する電池ケースを内部に向けて膨出する凹状に加工し、正極と電池ケースの圧接力を高め、接触抵抗を低減させる試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−７９３９８号公報

しかしながら、上記のように電池ケース内面に凹状加工し、電池内部の圧力を高めた場合、正極ペレットなどの収容部材に負荷がかかり、ペレットを破損してしまうなどの不具合の原因となってしまう。特に、コイン型電池の高さが１．２ｍｍ以下のような薄型電池の場合には、正極ペレットが十分な厚みを確保することが困難である。また、この問題を解決するために、正極ペレットの強度を増す目的で結着剤の量を増量すると、正極活物質量の減少となるため、電池容量ダウンを余儀なくされてしまう。

前記従来の課題を解決するために、本発明のコイン型リチウム一次電池は、正極が、エキスパンドメタル芯材上に充填されたものであって、かつエキスパンドメタル芯材の断面が電池外装缶の内面に配するように打ち抜かれたものであることを特徴とするコイン型リチウム一次電池というものである。

本発明のようにエキスパンドメタル芯材に正極を充填することで、薄くて、かつ割れにくい正極ペレットを作製することが可能であり、また、エキスパンドメタル芯材の破断面を、正極を充填した側と逆になるように打ち抜くことで、正極ペレットの外側に突き出たエキスパンドメタル芯材が電池ケース内面に接触することで、接触抵抗を下げることができる。

本発明によると、正極ペレットと電池ケースとの接触抵抗を低減させることができ、その結果、放電特性が向上したコイン型リチウム一次電池を得ることができる。

本発明は上記のように、エキスパンドメタル芯材に充填された正極を打ち抜いた正極ペレットを使用し、特に正極を打ち抜く際にできるエキスパンドメタル芯材を電池ケース接触面方向に配向させ、電池ケース内面に食い込むようにすることで、電池ケースとの接触抵抗を低減させることができることを見出したものである。

本発明の正極には、活物質として二酸化マンガン、フッ化黒鉛、二硫化鉄などが使用でき、これに限定されるものではない。活物質は、カーボン粉末等の導電助剤、およびポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂やスチレンブタジエンゴムなどの結着剤とともに混合・練合し、これをエキスパンドメタルに充填、圧延することにより作製される。エキスパンドメタル芯材の材質としては、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムを挙げることができ、これらに特に限定はされないが、正極活物質や電解液の組み合わせにより最適なものを選べばよい。

エキスパンドメタル芯材に充填・圧延された正極は、コイン型電池のサイズに応じて、円形に打ち抜くことで作製されるが、打ち抜く際にできる芯材端面をケース内面に食い込ませることで、接触抵抗を低減することが可能となる。破断面を配向させる方法に特に限定はないが、例えば、正極活物質を充填した面から、円形に打ち抜くことにより、エキスパンドメタル芯材の破断面を正極から外側に配向させることができる。

本発明に使用される負極には、リチウム金属またはＬｉ−Ａｌ、Ｌｉ−Ｓｎなどのリチウム合金を使用することができる。

電解液には、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）などに代表される環状カーボネート類およびガンマブチロラクトンなどのラクトン類、また１，２−ジメトキエタン（ＤＭＥ）などの低粘度溶媒から選ばれる少なくとも1種以上の溶媒に、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₂、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂などのリチウム塩を溶かしたものが使用されるが、これに限定されるものではない。

電池を構成する封口板、ケース、ガスケット、セパレータの材質、およびその形状に特に規制されるものではない。

以下、本発明を実施例に沿って説明する。なお、本実施例は本発明の一実施形態を示すものであり、その内容に限定されない。

（電池作製）
以下、図１に示す電池断面図をもとに説明する。電池は直径２０．０ｍｍ、厚み１．２ｍｍのコイン型二酸化マンガンリチウム一次電池を作製した。

正極１は、活物質として電解二酸化マンガンを４００℃の高温で１２時間熱処理したリチウム電池用電解二酸化マンガン（三井金属鉱業製焼成デンマン）と、導電助剤としてカーボン粉末（ライオン製ケッチェンブラック）、および結着剤として、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ダイキン工業製Ｄ−１）を１００：４：６の割合で混合、錬合した正極合剤を、ステンレス（ＳＵＳ４４４、日本金属加工製）製エキスパンドメタル芯材７に片面より充填し、厚み０．５ｍｍのシート状に圧延したものを、外径１４．０ｍｍに正極合剤側から打ち抜いたものである。打ち抜きの方向は、図２に示す模式図のように、打ち抜き金型８に対し、正極合剤面が下になるように配置し、打ち抜き金型９を下方に打ち抜くことにより、エキスパンドメタル芯材の破断面を全周にわたって配向させた。

負極２は、リチウム金属を外径１６．０ｍｍの円形に打ち抜いたもので、封口板５の内面に圧着した。

正極１と負極２は、ポリプロピレン製セパレータ３を介して配置し、電解液として、ＬｉＣｌＯ₄を1モル／リットルの割合でプロピレンカーボネートと１，２−ジメトキシエタンを１：１の割合で混合した溶媒に溶かしたものを注液し、前述封口板５と電池ケース６、ガスケット４とともにかしめることにより、本実施例の電池１とした。

一方、比較のために、正極合剤を充填、圧延したシートを、正極合剤側、つまり本発明の電池１とは反対側から打ち抜いた正極を使用した電池を、電池１と同様に作成し、比較電池１とした。また、正極合剤をエキスパンドメタル芯材に充填せずに、円形金型内に充填し、加圧成形することでペレット状にした正極を用いて、電池１と同様に作製した比較電池２を作製した。
（電池評価）
このようにして作製した電池１および比較電池１、２の内部抵抗を交流１ｋＨｚにて測定した。また、放電特性を比較するために、３０ｍＡの電流を１秒間流した場合の、閉路電圧を−２０℃の環境化で測定した。これらの結果を、表１にまとめて示す。

表１から明らかなように、本発明に係る電池１は、内部抵抗が低いために、閉路電圧が比較電池１、２に比べ高くなった。特に比較電池２では、正極ペレットと電池ケース内面の接触抵抗が大きく、大幅な特性低下となっている。

本発明のようにエキスパンドメタル芯材に充填、圧延した正極合剤を、正極合材側から打ち抜くことにより、エキスパンドメタル芯材の破断面が電池ケース内面に配向したために、接触抵抗が低減され、その結果、閉路電圧向上という電池特性改良につながったものといえる。

本発明による、正極がエキスパンドメタル芯材上に充填されたものであって、かつエキスパンドメタル芯材の断面が電池外装缶の内面に食い込むように配するように打ち抜かれたものであることを特徴とするコイン型リチウム一次電池は、特に放電特性に優れた薄型電池の製造を可能にするものであり、その利用価値は非常に大きい。

本発明の実施形態におけるコイン型リチウム一次電池の断面図 本発明の実施形態におけるコイン型リチウム一次電池の正極を打ち抜く方法を示す模式図

符号の説明

１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ ガスケット
５ 封口板
６ 電池ケース
７ 正極芯材
８ 正極打ち抜き金型
９ 正極打ち抜き金型

Claims (2)

1. 正極とリチウム金属からなる負極と非水電解液とを電池外装缶に収容したコイン型リチウム一次電池であって、前記正極は正極材料がエキスパンドメタル芯材上に充填されたものであり、かつ前記エキスパンドメタル芯材の破断面が電池外装缶の内面に配向するように正極が配されていることを特徴とするコイン型リチウム一次電池。
2. 正極とリチウム金属からなる負極と非水電解液とを電池外装缶に収容したコイン型リチウム一次電池用正極の製造方法であって、エキスパンドメタル芯材に正極材料を充填し、前記正極材料を充填した面とは逆方向から打ち抜いて前記エキスパンドメタル芯材の破断面を、正極材料を充填した面とは逆方向に配向させたコイン型リチウム一次電池用正極の製造方法。

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