JP2008509534A - 巻回型リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
正極、負極及び分離膜で巻かれた巻回型電極コアと、電解質と、電池シェルとを備える巻回型リチウムイオン二次電池。その特徴は、電池シェルの内部に、少なくとも一つの電極ユニットを有し、この電極ユニットは多数の積層された電極コアを有する電極ホルダーからなる。正極コア及び負極コア用の集電器の端子リードはそれぞれ、上端及び下端から引かれている。カバーボード上の正端子及び負端子、並びにカバーボードの外側は、集電器の端子リードに備え付けの締め具で接続される。電池の電極コア本体と電池のカバーボードとの間に分割リングが存在する。本発明は製造技術を簡易化し、電池のエネルギー密度、機械特性及び安全性を改善し、優れた高率放電特性を有する。
Description
［発明の分野］
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。特に、巻回型電極プレートを使用するリチウムイオン二次電池に関する。
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。特に、巻回型電極プレートを使用するリチウムイオン二次電池に関する。
［相互参照］
本願は、「Winding Assembly Lithium Ion Secondary Power Batteries」と題する中国特許出願である中国出願番号第２００４２００９５２４０．６号（２００４年１１月１１日出願）による優先権を主張する。当該出願は、参照により本明細書に援用される。
本願は、「Winding Assembly Lithium Ion Secondary Power Batteries」と題する中国特許出願である中国出願番号第２００４２００９５２４０．６号（２００４年１１月１１日出願）による優先権を主張する。当該出願は、参照により本明細書に援用される。
［背景］
現在、リチウムイオン二次電池には、巻回構造が一般的に使われており、製造技術は、低容量電池に関して比較的単純である。高容量で高出力のリチウムイオン電池の研究開発において、積層プレート分布構造の使用は、長い電極プレート、大きい巻回の困難さ、及び小さい放熱領域等の特定の欠点を克服し始めている。しかしながら、この種類の電池構造を使用する上で、実際の製造技術は、比較的複雑であり、作業するのが難しく、また、生産高を改善する必要がある。また、電池の容量及び容積が増大すると、これらの電池の安全性の問題が、広く認識され、深刻に受け止められている。電池は、落下、振動及び他の大きい衝撃力に遭遇するため、電池の電極コアが移動すると、正極プレート及び負極プレートへの損傷が生じるおそれがある。このことは、電池の内部短絡を起こすおそれがあり、電池の加熱及び爆発等の一連の安全性の問題がさらに起こる。中国特許ＣＮ２４３３７３７には、電極プレート用の積層分布構造を用いたリチウムイオン電池の種類が開示されている。電池の電極プレートの両端は、接続されており、ステンレス鋼ボード又はニッケルボードで固定されている。この種類の構造を使用する上で、或る程度、電池は、何らかの改善を有するが、しかしながら、その製造技術は依然として複雑である。接続部及び固定部の重量は、比較的大きく、原料コスト及び加工コストが非常に高く、高負荷移動状況下で、この装置を電池の外側シェルの上に取り付けることは、依然として困難であり、電池に対する潜在的な安全性の問題が生じる。それゆえ、安全で製造するのが簡単な電極コアを保持する新規の電池構造を有することが望ましい。
現在、リチウムイオン二次電池には、巻回構造が一般的に使われており、製造技術は、低容量電池に関して比較的単純である。高容量で高出力のリチウムイオン電池の研究開発において、積層プレート分布構造の使用は、長い電極プレート、大きい巻回の困難さ、及び小さい放熱領域等の特定の欠点を克服し始めている。しかしながら、この種類の電池構造を使用する上で、実際の製造技術は、比較的複雑であり、作業するのが難しく、また、生産高を改善する必要がある。また、電池の容量及び容積が増大すると、これらの電池の安全性の問題が、広く認識され、深刻に受け止められている。電池は、落下、振動及び他の大きい衝撃力に遭遇するため、電池の電極コアが移動すると、正極プレート及び負極プレートへの損傷が生じるおそれがある。このことは、電池の内部短絡を起こすおそれがあり、電池の加熱及び爆発等の一連の安全性の問題がさらに起こる。中国特許ＣＮ２４３３７３７には、電極プレート用の積層分布構造を用いたリチウムイオン電池の種類が開示されている。電池の電極プレートの両端は、接続されており、ステンレス鋼ボード又はニッケルボードで固定されている。この種類の構造を使用する上で、或る程度、電池は、何らかの改善を有するが、しかしながら、その製造技術は依然として複雑である。接続部及び固定部の重量は、比較的大きく、原料コスト及び加工コストが非常に高く、高負荷移動状況下で、この装置を電池の外側シェルの上に取り付けることは、依然として困難であり、電池に対する潜在的な安全性の問題が生じる。それゆえ、安全で製造するのが簡単な電極コアを保持する新規の電池構造を有することが望ましい。
［発明の概要］
本発明の目的は、高い安全特性及び優れた高い放電率を有するために、リチウムイオン二次電池に巻回型電極コアを使用することである。
本発明の目的は、高い安全特性及び優れた高い放電率を有するために、リチウムイオン二次電池に巻回型電極コアを使用することである。
本発明の巻回型リチウムイオン二次電池は、正極、負極及び分離膜で巻かれた電極コア（巻回型構造としても知られている）と、電解質と、電池シェルとを備える。その特徴は、電池シェルの内部に、少なくとも１つの小電極群によって形成される少なくとも１つの大電極群が存在し、該小電極群は複数の電極コアにより形成されることである。電極ユニット内の電極コア群の全ての正極コア及び負極コア用の集電器の端子リードはそれぞれ、上端及び下端から引かれている。カバーボード上の正端子及び負端子、並びにカバーボードの外側を、正極及び負極用の集電器の端子リードに締め具を介して接続させる。電池の電極コア群と電池のカバーボードとの間に分割リングが存在する。
電極ユニットは、数個の矩形電極ホルダーで形成される箱型ユニットである。矩形電極ホルダーは、所定の位置に、数個の電極コアを有する電極コア群を保持している。
本発明の巻回型リチウムイオン二次電池は、科学的な設計、合理的な構造を有しており、以下の利点を含む。
１．巻回型電極コアを使用することにより、従来の積層型電極コアにおける多数の電極コアプレートの使用によって生じる潜在的な問題が軽減される。これは、製造技術を単純化し、巻回型構造を用いた電池の欠点（例えば、長い電極プレート、巻回の困難さ、小さい放出領域、電池の不適切な内部放熱、及び電池の低い高率放電特性の問題）を改善する。
２．電極ユニットを使用して、電極コアをしっかりと固定する。ユニットの接続機構が、非常に単純で適切であり、ユニットの矩形電極ホルダー１つ毎に、１つの電極コア群を保持するため、電極コアの確実な固定を保証して、電極コアの移動を有効に防止することができる。このように、電池が落下するか又は振動する際の、正極プレート及び負極プレートの歪曲により生じる電池の内部短絡が回避され、電池の機械特性が改善される。
３．電極ユニットは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、アルコキシルフルオロ樹脂又はエポキシ樹脂等の軽材料から製造され、高い耐熱性及び電池内での安定性を示す。また、ユニットを作製する製造技術は、単純且つ適切で低コストであり、また、二重絶縁効果を有しており、電池の安全性を改善する。
４．集電器の端子リード及び電極端子は並列に接続されるため、集電器の端子リードを、シェル外に拡張させる必要があり、且つカバーボード上にしっかりと固定された、直列に接続する従来の方法を変更する。それゆえ、集電器の端子リードの長さは、相当短縮され、電池内の有効スペースが省かれ、電池のエネルギー密度を改善する。
５．集電器の比較的幅の広い端子リード及び二重電極端子構造を使用することにより、電池は、大きい電流伝導領域及びわずかな接触抵抗を有し、したがって、優れた高率放電特性を有する。
本発明の巻回型リチウムイオン二次電池の特定の構造は、以下の図面及び詳細な実施形態によって示される。
［好ましい実施形態の詳細な説明］
巻回型リチウムイオン二次電池は、電池電極コア本体１、電解質及び電池シェル２から構成される。上記電池電極コア本体１は、１つ又は複数の電極ユニット５から成り、この電極ユニット５はそれぞれ、数個の巻回型電極コアを保持する４つの電極ホルダーにより形成される。
巻回型リチウムイオン二次電池は、電池電極コア本体１、電解質及び電池シェル２から構成される。上記電池電極コア本体１は、１つ又は複数の電極ユニット５から成り、この電極ユニット５はそれぞれ、数個の巻回型電極コアを保持する４つの電極ホルダーにより形成される。
上記電極ユニット５は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示される４つの同一の規格化された矩形電極ホルダー６から成る。矩形電極ホルダー６の一方の側壁上には、接続穴７が存在する。矩形電極ホルダー６の他方の側面には、矩形電極ホルダー６の側壁上の接続穴７に嵌合する突出コネクタ（又は鋲）８が存在する。全ての矩形電極ホルダー６の薄い側壁上に、相互に嵌合するように設置することができる（図２及び図３に示される）凸状コネクタ９及び凹状ノッチ１０が存在する。矩形電極ホルダー６の両端に棒状開口１１が存在する。小電極群４は、４つの矩形電極ホルダー６内にそれぞれ形成される。矩形電極ホルダー６のそれぞれの側壁上の接続穴７、突出コネクタ８、凸状コネクタ９及び凹状ノッチ１０を使用して、相互に嵌合させることで、矩形電極ホルダー６が電極コア群４を包み、電極ユニット及び最終的に電池電極コア本体１を構成する。全ての電極コア３の両端にある、正極及び負極用の集電器の端子リード１２は、電極ユニット６内に設置されており、電極ユニット５の上端及び下端の平行する棒状開口１１に通じている。正極及び負極用の集電器の端子リード１２上には接続穴１３が存在する。電池電極コア本体１の両端にある、正極及び負極用の集電器の端子リード１２は、２つの部分に分割される。カバーボード１４、カバーボードの外側にそれぞれ存在する正端子１５及び負端子１６は、嵌合される水平ボルト１７、水平ナット及び端子リード１２上の接続穴により、電池電極コア本体１に一体化される。電池電極コア本体１は、電池シェル２内に挿入される。電池電極コア本体１と電池カバーボード１４との間に分割リング１９が存在する。電池シェル２には、電解質が注入される。
本実施形態における電極コア３に対する、正極及び負極用の集電器の端子リード１２の幅比は、０．５に設定される。
電極ユニットは、数個の矩形電極ホルダーから構成される。矩形電極ホルダーの一方の側壁上には、接続穴が存在する。矩形電極ホルダーの別の側壁上には、別の矩形電極ホルダーの側壁上の接続穴に嵌合する突出コネクタが存在する。矩形電極ホルダーの両側面は、相互に嵌合する接続部を有する。上記の嵌合構造によって矩形電極ホルダーを組み立てることで、箱型電極ユニットを形成する。２つのユニットは、それらを中央で締め付けることにより互いにしっかりと接続することができる。作業は非常に簡単で且つ単純であり、有効に、所定の位置で電極コアを保持することができる。
電極コアを積層した後、電極コアを積層した後、電極ホルダーの上端及び下端に設けられる複数の平行する棒状開口が、集電器の端子リードを通す。
電極ホルダーは、安定な物理特性及び化学特性を有する軽材料から製造される。電極ホルダーは、以下の材料、すなわちポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、アルコキシルフルオロ樹脂、エポキシ樹脂、又は複数の材料の複合体から製造されていてもよい。
電極コアの幅に対する、集電器の端子リードの比率は、０．０１〜１であり、好ましい実施形態では、０．２５〜１である。比率が低すぎると、電池は小さい伝導領域を有するので、電池の性能に影響を及ぼす。比率が高すぎると、電極コアを組み立てることが困難であり、また電極コアにより集電器の端子リードに対する損傷が引き起こされやすい。
本実施形態における巻回型リチウムイオン二次電池用正極プレートの作製プロセスは、ＰＶＤＦをＮＭＰ溶液中に溶解すること、ＬｉＣｏＯ2及びブラックアセチレンを上記溶液中に添加すること、均一に混合してペースト（この組成は、ＬｉＣｏＯ2：アセチレンブラック：ＰＶＤＦ＝９２：４：４である）を形成すること、次に、上記ペーストを２０μｍのアルミニウム箔上に均等にコーティングすること、１２０℃で乾燥させること、平らにして１２０μｍ厚の正極プレートを得ること、その後、正極プレートの端部の縁部のコーティング層をスクラッチして２０ｍｍ幅のアルミニウム箔を露出させることである。
負極プレートの作製プロセスは、ＰＶＤＦをＮＭＰ溶液中に溶解すること、人工グラファイトを上記溶液中に添加すること、均一に混合してペースト（この組成は、人工グラファイト：ＰＶＤＦ＝９５：５である）を形成すること、次に、ペーストを２０μｍの銅箔上に均等にコーティングすること、１２０℃で乾燥させること、平らにして１２０μｍ厚の負極プレートを得ること、その後、負極プレートの端部の縁部のコーティング層をスクラッチして２０ｍｍ幅の銅箔を露出させることである。
図１〜図３及び図６〜図８を参照すると、上記の正極及び負極は、微細孔ポリプロピレン膜で包まれて、電極コア３を形成する。複数の電極コアは、小電極群４を形成する。図７ａを参照すると、矩形電極ホルダーの左右のスロットで、正負の集電器、及びそれぞれの電極コア３の各端の端子リードが、電極ユニットの上下で棒状開口を通る。図７ｂに示されるように、電極ユニットの薄い側壁上で、接続凸状コネクタ９及び接続凹状ノッチ１０が、対応するように接続され、図８に示される大電極群２０を形成する。大電極群の２つを使用し、且つ接続穴７及び突出コネクタ８を用いてそれらを接続する場合、電極コア本体１が形成され、これを図４に示す。
上記の正極プレート及び負極プレート、並びに微細孔ポリプロピレン膜を巻回させることで、電極コア３を得る。
電池の組立後、ＥＣ／ＤＭＣ＝１：１の溶媒混合物中にＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度で溶解することで生成される電解質を電池シェルに注入し、且つ封止して２０Ａｈリチウムイオン電池を得る。
本実施形態の巻回型リチウムイオン二次電池の特性試験は、以下の通りである。
１．放電特性試験
０．５ＣｍＡ電流を用いて、電池を４．２Ｖに充電する。電圧が４．２Ｖになった後、電池を定電圧で充電し、限流値を０．０５ＣｍＡに低減し、５分間蓄積させた後０．５ＣｍＡ電流で３．０Ｖまで放電させ、電池の初期容量及び内部抵抗を試験する。
０．５ＣｍＡ電流を用いて、電池を４．２Ｖに充電する。電圧が４．２Ｖになった後、電池を定電圧で充電し、限流値を０．０５ＣｍＡに低減し、５分間蓄積させた後０．５ＣｍＡ電流で３．０Ｖまで放電させ、電池の初期容量及び内部抵抗を試験する。
２．高率放電特性試験
０．５ＣｍＡ電流を用いて、電池を４．２Ｖに充電し、電圧が４．２Ｖになった後、電池を定電圧で充電し、限流値を０．０５ＣｍＡに低減し、５分間蓄積させた後１０ＣｍＡ電流で３．０Ｖまで放電させ、１０ＣｍＡ放電及び０．５ＣｍＡ放電で、容量維持率を試験する。
０．５ＣｍＡ電流を用いて、電池を４．２Ｖに充電し、電圧が４．２Ｖになった後、電池を定電圧で充電し、限流値を０．０５ＣｍＡに低減し、５分間蓄積させた後１０ＣｍＡ電流で３．０Ｖまで放電させ、１０ＣｍＡ放電及び０．５ＣｍＡ放電で、容量維持率を試験する。
３．耐衝撃性試験
電池を実験用衝撃試験台に置く。電池の前後２箇所に、３垂直方向にそれぞれ２０回、ピーク値が１０Ｇの加速度を用いて衝撃を与える。電圧及び内部抵抗パラメーターの急激な変化等が起こるか、又は短絡が起こるかを試験する。
電池を実験用衝撃試験台に置く。電池の前後２箇所に、３垂直方向にそれぞれ２０回、ピーク値が１０Ｇの加速度を用いて衝撃を与える。電圧及び内部抵抗パラメーターの急激な変化等が起こるか、又は短絡が起こるかを試験する。
試験結果を以下の表に示す。
本発明は、特定の好ましい実施形態を参照して記述されているが、本発明がこのような特定の実施形態に限定されないことは理解されるであろう。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲に反映されるように、最も広義の意味で理解及び解釈されることが、本発明者等の趣旨である。したがって、これらの特許請求の範囲は、本明細書に記述される好ましい実施形態のみならず、当業者にとって明らかな、それらの実施形態の他の及びさらなる代替形態及び変更形態を全て援用していると理解されるべきである。
１ 電池の電極コア本体
２ 電池シェル
３ 電極コア
４ 電極コア群（小電極群とも示される）
５ 電極ユニット
６ 矩形電極ホルダー
７ ホルダーの接続穴
８ 突出コネクタ
９ 凸状コネクタ
１０ 凹状ノッチ
１１ 棒状開口
１２ 集電器の端子リード
１３ 接続穴
１４ カバーボード
１５ 正端子
１６ 負端子
１７ 水平ボルト
１８ 水平ナット
１９ 分割リング
２０ 大電極群
２ 電池シェル
３ 電極コア
４ 電極コア群（小電極群とも示される）
５ 電極ユニット
６ 矩形電極ホルダー
７ ホルダーの接続穴
８ 突出コネクタ
９ 凸状コネクタ
１０ 凹状ノッチ
１１ 棒状開口
１２ 集電器の端子リード
１３ 接続穴
１４ カバーボード
１５ 正端子
１６ 負端子
１７ 水平ボルト
１８ 水平ナット
１９ 分割リング
２０ 大電極群
Claims (20)
- 電極コア本体、電解質及び電池シェルを備える電池であって、該電池シェルは該電極コア本体及び該電解質を保持し、
該電極コア本体は電極コア、該電極コアを保持する複数の電極ホルダー及び該複数の電極ホルダーにより形成される少なくとも１つの電極ユニットを備える電池。 - 前記電極コアが巻回型電極コアである請求項１に記載の電池。
- 前記電極ホルダーは、矩形形状であり、両端に棒状開口を有し、前記電極コアは、両端に正端子リード及び負端子リードを有し、該棒状開口は、各端子の両端を前記電極ユニットの外に通す、請求項１に記載の電池。
- 前記電極ホルダーは、複数の凸状コネクタ、凹状ノッチ、接続穴、及び突出コネクタを有し、それにより、１つ又は複数の電極ホルダーと嵌合して、前記電極ユニットを形成する、請求項１に記載の電池。
- 前記電極ホルダーは、複数の凸状コネクタ、凹状ノッチ、接続穴、及び突出コネクタを有し、それにより、１つ又は複数の電極ホルダーと嵌合して、前記電極ユニットを形成する、請求項３に記載の電池。
- 前記電極コアの前記端子リードは、正端子及び負端子をそれぞれ形成するように固定される、請求項５に記載の電池。
- 前記電極ホルダーは、良好な物理安定性及び化学安定性を有する軽材料から製造される、請求項１に記載の電池。
- 前記電極ユニット用の前記材料は、以下の材料、すなわちポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、アルコキシルフルオロ樹脂及びエポキシ樹脂の１つ又は複数とすることができる、請求項７に記載の電池。
- 前記電極コアの幅に対する、該電極コアの前記端子リードの幅の比が、０．０１〜１である、請求項１に記載の電池。
- 前記電極コアの幅に対する、該電極コアの前記端子リードの幅の比が、０．２５〜１である、請求項１に記載の電池。
- 前記電極ホルダーのそれぞれが同じものである、請求項１に記載の電池。
- 端子リードをそれぞれ有する巻回型電極コアと、該電極コアを保持する複数の矩形電極ホルダーであって、２つの対向する端に端子リードを通す棒状開口を有する複数の矩形電極ホルダー及び該複数の電極ホルダーにより形成される少なくとも１つの電極ユニットとを備える電極コア本体と、電解質並びに前記電極コア本体及び前記電解質を保持する電池シェルとを備える電池。
- 前記電極ホルダーは、複数の凸状コネクタ、凹状ノッチ、接続穴、及び突出コネクタを有し、それにより、１つ又は複数の電極ホルダーと嵌合して、前記電極ユニットを形成する、請求項１２に記載の電池。
- 前記電極コアの前記端子リードは、正端子及び負端子をそれぞれ形成するように固定される、請求項１２に記載の電池。
- 前記電極ホルダーは、良好な物理安定性及び化学安定性を有する軽材料から製造される、請求項１２に記載の電池。
- 前記電極ユニット用の前記材料は、以下の材料、すなわちポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、アルコキシルフルオロ樹脂及びエポキシ樹脂の１つ又は複数とすることができる、請求項１５に記載の電池。
- 前記電極コアの幅に対する、該電極コアの前記端子リードの幅の比が、０．０１〜１である、請求項１２に記載の電池。
- 前記電極コアの幅に対する、該電極コアの前記端子リードの幅の比が、０．２５〜１である、請求項１２に記載の電池。
- 前記電極ホルダーのそれぞれが同じものである、請求項１２に記載の電池。
- 電極コア本体、電解質及び電池シェルを備える電池であって、該電池シェルは該電極コア本体及び該電解質を保持し、
該電極コア本体は巻回型電極コア、該電極コアを保持する複数の矩形電極ホルダー及び少なくとも１つの電極ユニットを備え、
該巻回型電極コアは対向する両端に正端子リード及び負端子リードを備え、該正端子リード及び該負端子リードは、正端子及び負端子をそれぞれ形成するように固定され、該複数の矩形電極ホルダーは２つの対向する端に、端子リードを通す棒状開口を有し、さらに複数の凸状コネクタ、凹状ノッチ、接続穴、及び突出コネクタを有し、それにより、１つ又は複数の電極ホルダーと嵌合して、前記電極ユニットを形成し、以下の材料、すなわちポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、アルコキシルフルオロ樹脂及びエポキシ樹脂の１つ又は複数による、良好な物理安定性及び化学安定性を有する軽材料から製造され、且つそれぞれの電極ホルダーが同一のものである電池。
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