JP2009048806A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低減できる非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】 非水電解質二次電池は、正極および負極１３がセパレータを介して積層され、正極に対して負極１３の縁部１３Ａが突き出すように配置される電池素子と、正極に接続された正極端子と、負極１３に接続された負極端子１６とを有する。非水電解質二次電池は、負極端子１６が、負極１３の縁部１３Ａの連続方向に対して交差するとともに、負極１３の面方向に対して交差する接触片３１を有し、接触片３１が複数の負極１３の縁部１３Ａに対して一括して開裂させて接触している。
【選択図】図５

Description

本発明は、セパレータを介して積層された正極および負極を備える電池素子を有し、正極に正極端子が接続されているとともに、負極に負極端子が接続された非水電解質二次電池に関する。
具体的には、本発明は、ラミネート形リチウムイオン電池、角形リチウムイオン電池、筒形リチウムイオン電池等の巻回構造や積層構造の電池素子を有し、非水電解液を用いた非水電解質二次電池に関するものである。

非水電解質二次電池は、正極集電体に正極活物質層が設けられた正極と、負極集電体に負極活物質層が設けられた負極とをセパレータを介して積層して電池素子が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６８０７９７号公報

従来の非水電解質二次電池は、正極端子および負極端子を正極および負極に接続するために、正極集電体に正極活物質を塗布しない未塗布部や、負極集電体に負極活物質を塗布しない未塗布部を必要としているため、正極および負極の製造に手間が掛かり、製造コストが高いという問題がある。

本発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、その目的は、製造コストを低減できる非水電解質二次電池を提供することにある。

本発明の非水電解質二次電池は、正極集電体に正極活物質層が設けられた正極と、負極集電体に負極活物質層が設けられた負極とがセパレータを介して積層され、前記正極の縁部に対して前記負極の縁部が面方向に沿って突き出すように配置される電池素子と、前記正極に接続された正極端子と、前記負極に接続された負極端子とを有する非水電解質二次電池であって、前記負極端子が、前記負極の縁部の連続方向に対して交差するとともに、前記負極の面方向に対して交差する接触片を有し、前記接触片が複数の前記負極の縁部に対して一括して開裂させて接触していることを特徴とする。

ここで、電池素子としては、正極および負極を積層させた状態で巻回させた巻回型電池素子や、正極および負極を交互に積層させた積層型電池素子等を例示できる。
そして、負極の縁部とは、正極に対して突き出た部分を指し、巻回型電池素子の場合、例えば同一幅寸法を有する正極および負極を互いに幅方向にずらして巻回させることにより所望の形態を得てもよく、あるいは正極より幅広の負極を用いることにより所望の形態を得てもよい。
また、接触片としては、例えば複数の負極を縁部から面方向（幅方向）に沿って一括して切り裂くような刃物形状の接触片や、あるいは複数の負極を厚み方向に一括して貫通する先細り形状の接触片等を例示できる。

このような本発明においては、負極端子の接触片により負極を開裂させるため、負極を構成する負極集電体の金属素地に接触片が確実に接触することになる。
従って、このような本発明においては、負極集電体に負極活物質層を設けるにあたって、負極集電体に負極活物質を塗布しない未塗布部を形成する必要性がなく、これにより従来に比較して製造コストを低減できることになる。

また、本発明は、前記接触片が前記負極を前記縁部から面方向に沿って開裂させて接触していることを特徴とする。

このような本発明においては、接触片が負極を縁部から面方向に沿って開裂させるため、接触片により開裂されて負極集電体の金属素地が現れた開裂部が確実に接触片の両側面に接触することになる。
これにより、本発明においては、負極集電体と接触片との接触面積を大きくできるため、集電効率を向上できることになる。

さらに、本発明は、前記接触片を複数有し、前記接触片が平行に配置されていることを特徴とする。

本発明においては、複数の接触片が平行に配置されているため、負極集電体に対する接触片の接触面積を一層大きくできる。

また、本発明は、前記接触片が前記負極を厚み方向に貫通させていることを特徴とする。

本発明においては、接触片が負極を厚み方向に貫通するため、負極に形成された貫通孔の内側面に負極集電体の金属素地が現れ、この内側面に接触面の外側面が接触することにより、負極集電体に対して接触片を確実に接触させることができ、かつ、負極集電体に対する接触片の接触面積を大きくできる。

さらに、本発明は、前記正極活物質層が前記正極集電体の片面に設けられた第１の正極および第２の正極を有するとともに、前記負極集電体の両面に前記負極活物質層が設けられ、前記セパレータを介して前記正極活物質層が前記負極活物質層に対面するように、前記第１の正極、前記負極および前記第２の正極が積層されてから巻回されていることを特徴とする。

本発明においては、片面塗布の電極を用いることで，プロセスの問題を解決する。塗り始め、塗り終わり双方においてそれぞれ異なる片側の面のみ塗布された電極を作成しようとすると、表面を塗布し後に裏面を塗布する際に、表面に活物質層が存在する場合と存在しない場合で塗り厚みが異なってしまう。そこで、どちらか一方の面は後から剥がさなければいけなくなる。これに対して、片面塗布の電極を用いれば、パターン状に塗布する必要もなく、一様に塗布した電極を切り出して組み合わせることが可能となり、サイズ違いに対する対応だけでなく、剥がし等の無駄なプロセスも排除可能となる。

本発明の非水電解質二次電池によれば、負極端子の接触片が負極を開裂させて、開裂させた部位に接触片を接触させることで、負極集電体に対して接触片を介して負極端子を確実に接続できるとともに、集電効率を向上できるという効果を有する。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池について、図面を参照して説明する。
図１〜図２に示すように、第１実施形態に係る非水電解質二次電池１０は、第１の正極１２Ａ、第２の正極１２Ｂおよび負極１３がセパレータ１４を介して積層された状態で巻回される電池素子１１と、正極１２Ａに接続された正極端子１５と、負極１３に接続された負極端子１６と、正極端子１５および負極端子１６を支持するとともに電池素子１１の一端面（図１中、左方）に対面するトップインシュレータ１７と、電池素子１１の他端面（図１中、右方）に対面するボトムインシュレータ１８とを有し、電池素子１１が筒状のラミネートパック（図示せず）により封止される。

図３に示すように、第１の正極１２Ａ、第２の正極１２Ｂは、正極集電体（アルミ箔）２１の片面に正極活物質層２２が一様に塗布されている。
負極１３は、負極集電体（銅箔）２４の両方の表面２４Ａ，２４Ｂに負極活物質層２５がそれぞれ一様に塗布されている。この負極１３は、幅寸法が第１の正極１２Ａ、第２の正極１２Ｂの幅寸法よりも大きく形成されている。
セパレータ１４は、正極１２と負極１３との間に介在された絶縁シートである。セパレータ１４は、幅寸法が負極１３の幅寸法よりも小さく、正極１２の幅寸法よりも大きく形成されている。
図１および図２に戻って、正極端子１５は、第１の正極１２Ａの正極集電体２１における正極活物質２２が塗布されていない非塗布面２１Ｂに基部１５Ａが溶接されている。

電池素子１１は、第１の正極１２Ａ、セパレータ１４、負極１３、セパレータ１４、第２の正極１２Ｂの順に積層された後、第１の正極１２Ａの正極集電体２１における非塗布面２１Ｂが最外周となって正極端子１５が露出するように巻回される。
なお、第１の正極１２Ａ、第２の正極１２Ｂは、正極活物質層２２が負極１３に対面するように配向される。

この電池素子１１は、第１の正極１２Ａの端部（巻き終わり）が接着テープ１９により固定された巻回式電池素子である。
このような電池素子１１は、負極１３の幅寸法が第１の正極１２Ａ、第２の正極１２Ｂ、セパレータ１４の幅寸法よりも大きいため、負極１３の縁部１３Ａが、第１の正極１２Ａ、第２の正極１２Ｂの縁部よりも巻回軸線に沿って突き出している。

図４に示すように、負極端子１６は略帯状とされ、互いに略直交するように折り曲げられた端子部１６Ａと、基部１６Ｂとを有している。基部１６Ｂは、当該基部１６Ｂに対して略直交するように折り曲げられた一対の接触片３１を有する略コ字状とされている。
接触片３１は、負極１３が巻回されることにより積層するように配置された縁部１３Ａのうち、複数層に跨る長さを有している。

このような負極端子１６は、各接触片３１の長手方向が負極１３の縁部１３Ａの連続方向に対して交差するとともに、負極１３の面方向（幅方向）に対して交差するように配置され、この状態から負極１３の面方向（幅方向）に沿って押圧することにより、各接触片３１が負極１３を一括して縁部１３Ａから面方向に沿って所定位置まで開裂させている（図５（Ａ）の状態）。

ここで、図５（Ｂ）に示すように、接触片３１により負極１３に形成された開裂部３３は、溝状に形成されるとともに当該開裂部３３の開裂縁部が湾曲した状態で接触片３１の両側面３１Ａに接触する。
これにより負極端子１６は、負極１３の負極集電体（銅箔）２４が露出する開裂部３３に対して接触片３１の両側面３１Ａが接触し、負極１３との導通が得られる。

以上のような第１実施形態の非水電解質二次電池１０によれば、一対の接触片３１が負極１３を縁部１３Ａから開裂させることにより、負極端子１６が負極１３の負極集電体２４に接触して導通を得るため、従来のように負極１３にあらかじめ未塗布部を設けておく必要がなく、これにより従来に比較して製造コストを低減できる。

また、第１実施形態の非水電解質二次電池１０によれば、負極端子１６の接触片３１が負極１３を縁部１３Ａから面方向に沿って、あたかもナイフにより切り裂くように開裂させるため、負極集電体２４に対して接触片３１の両側面が確実に接触し、これにより良好な集電効率が得られる。

さらに、第１実施形態の非水電解質二次電池１０によれば、負極端子１６が互いに平行な一対の接触片３１を有しているため、これらの接触片３１間において極集電体２４に対して接触片３１が確実に接触するとともに、極集電体２４に対する接触面積を一層大きくできる。

なお、第１実施形態では、一対（複数）の接触片３１を有する負極端子１６を例示したが、本発明は図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す負極端子４０のように、接触片３１を１個のみ備える形態も含むものである。
この負極端子４０の製造方法の一例を以下に説明する。
まず、帯状に形成した負極端子４０の端子部４０Ａと基部４０Ｂとの境界線に沿ってスリット４１を形成し（図６（Ａ）参照）、端子部４０Ａと基部４０Ｂとの境界から基部４０Ｂを矢印の方向に略９０°折り曲げ（図６（Ｂ）参照）、次いで基部４０Ｂにおいてスリット４１の終点から負極端子４０の長手方向に沿った線を境界線として基部４０Ｂを矢印の方向に略９０°折り曲げることにより接触片３１を得る（図６（Ｃ）参照）。

つぎに、第２実施形態〜第４実施形態を図７〜図１１に基づいて説明する。
なお、第２実施形態〜第４実施形態において、第１実施形態の非水電解質二次電池１０と同一部材については第１実施形態において用いた符合と同じ符号を付して説明を省略する。

（第２実施形態）
図７〜図８に示す第２実施形態の非水電解質二次電池５０は、負極端子５１の端部５１Ａに接触片５２が設けられている。
接触片５２は、負極端子５１の厚み方向に沿って延出され、先端部５２Ａが先細りに形成された円柱形状とされている。このような接触片５２の長手方向長さは、負極１３が巻回されることにより積層するように配置された縁部１３Ａのうち、複数層に跨る長さとなっている。

このような非水電解質二次電池５０は、負極端子５１の接触片５２が負極１３の縁部１３Ａを厚み方向に一括して貫通している。
この際、負極１３の縁部１３Ａには接触片５２により開裂部５３としての貫通孔が形成され、貫通孔の内面には負極１３の負極集電体（銅箔）２４が露出している。 従って、負極端子５１は、負極１３の負極集電体２４が露出する開裂部５３としての貫通孔の内周面に対して接触片５２の周面５２Ｂの少なくとも一部が接触し、負極１３との導通が得られる。

以上のような第２実施形態の非水電解質二次電池５０によれば、接触片５２が負極１３の縁部１３Ａを厚み方向に沿って一括して貫通することにより負極端子５１と負極１３との導通を得ているため、前述した第１実施形態と同様に、負極１３にあらかじめ未塗布部を設けておく必要がなく、これにより従来に比較して製造コストを低減できる。

また、第２実施形態の非水電解質二次電池５０によれば、接触片５２を負極１３の縁部１３Ａに貫通させているため、振動等により負極端子５１および負極１３が相対移動しても、開裂部５３としての貫通孔から接触片５２が脱落せず、これにより負極端子５１および負極１３の導通を確実に維持できる。

（第３実施形態）
図９に示す第３実施形態の非水電解質二次電池６０は、第１実施形態における一対の接触片３１に代えて一対の接触片６１，６２を備えたもので、その他の構成は第１実施形態の非水電解質二次電池１０と同じである。

接触片６１は、下辺６１Ａが端子部１６Ａ側から離れる方向に向けて上り勾配に形成され、接触片６２は、下辺６２Ａが端子部１６Ａ側に近づく方向に向けて上り勾配に形成されている。

図１０に示すように、負極端子６０は、接触片６１，６２により負極１３を縁部１３Ａから負極１３の面方向に沿って開裂させる際に、接触片６１の下辺６１Ａが負極１３の縁部１３Ａを図１０中、右向き矢印の方向に案内でき、接触片６２の下辺６２Ａが負極１３の縁部１３Ａを図１０中、左向き矢印の方向に案内する。
これにより、負極端子６０は、負極１３の縁部１３Ａを接触片６１，６２の間から外れないようにまとめることができるとともに、確実に負極１３を縁部１３Ａから開裂させて接触片６１、６２を接触させることができる。
加えて、第３実施形態の排水電解質二次電池６０によれば、第１実施形態の排水電解質二次電池１０と同様の効果が得られる。

（第４実施形態）
図１１に示す第４実施形態の非水電解質二次電池７０は、第１実施形態における接触片３１に代えて接触片７１を備えたもので、その他の構成は第１実施形態の非水電解質二次電池１０と同じである。
負極端子７０は、接触片７１の下辺７１Ａが鋸歯状に形成されているため、負極１３を縁部１３Ａから面方向に沿って一層良好に開裂させることができる。
加えて、第４実施形態の非水電解質二次電池７０によれば、第１実施形態の非水電解質二次電池１０と同様の効果が得られる。

つぎに、本発明に係る負極端子の効果を表１に基づいて説明する。

比較例１について、コバルト酸リチウムとＰＶｄＦ、グラファイト、カーボンブラックをそれぞれ９５：３：１：１の割合で、溶媒としてＮ-メチルピロリドンを用いて分散させ、塗料を作成した。
この塗料をアルミ箔の両面に所定のパターンで均一に塗布・乾燥して合剤層を形成した。これをカレンダープレスし、所定の幅に切り出した後、長さを合わせて切り出し、未塗布部に正極端子を溶接して正極とした。

一方、黒鉛、ＰＶｄＦを９０：１０の割合で、溶媒としてＮ-メチルピロリドンを用いて分散させて塗料を作成した。
この塗料を銅箔両面に所定のパターンで均一に塗布・乾燥して合剤層を形成した。これをカレンダープレスし、所定の幅に切り出した後、長さを合わせて切り出し、未塗布部に負極端子を溶接して負極とした。

正極、セパレータ、負極、セパレータを巻回して電池素子を得た。この電池素子にトップインシュレータ、ボトムインシュレータを配してラミネートパックした後、注液してラミネート形リチウムイオン電池を得た。
組み立てた電池を４．２Ｖで充電し、所定の電流で３．０Ｖまで放電した。

比較例２について、比較例１の正極用塗料をアルミ箔の片面に、所定のパターンではなく一様に塗布して正極とした。
一方、比較例１の負極用塗料を銅箔の両面に、所定のパターンではなく一様に塗布して負極とした。

正極、セパレータ、負極、セパレータ、正極の順に積層して巻回して電池素子を得た。セパレータの幅寸法は負極よりも小さく、正極よりも大きい。
この電池素子の巻回方向に垂直な方向に負極端子を負極の縁部に接するように配した。さらに、正極の裏面、すなわち、アルミ箔が露出されている部位に正極端子を接触させた。その他の構成は、比較例１と同様である。
組み立てた電池を４．２Ｖで充電し、所定の電流で３．０Ｖまで放電した。

比較例３について、正極および負極をそれぞれ比較例２と同様に作成し、正極および負極を比較例２と同様にして巻回して電池素子を得た。
電池素子は、セパレータと負極の幅寸法の関係を表１に示すように設定した以外は比較例２と同様である。
電池素子の巻回方向に垂直な方向に負極端子を負極の縁部に接するように配し、負極端子のうち、負極の縁部に接する部位をエンボス形状とした。
エンボス形状の負極端子を負極の縁部に対して食い込むように配した。
組み立てた電池を４．２Ｖで充電し、所定の電流で３．０Ｖまで放電した。

実施例１〜４について、比較例３と同様に電池素子を製造した。
電池素子は、セパレータと負極の幅寸法の関係を表１に示すように設定した以外は比較例２と同様である。

実施例１〜２は、第２実施形態の接触片を用いた。すなわち、接触片をピン型とし、ピン型の接触片で負極の縁部を突き刺すようにした。
実施例３〜４は、第１実施形態の接触片を用いた。すなわち、接触片をナイフ型とし、ナイフ型の接触片で負極の縁部を開裂するようにした。
組み立てた電池を４．２Ｖで充電し、所定の電流で３．０Ｖまで放電した。

比較例１〜３、実施例１〜４の放電特性および維持率を表１に示す。
実施例１〜４のように、片面塗布した正極２枚と両面塗布した負極１枚を組み合わせる構成とし、加えて、接触片を、第１実施形態や第２実施形態のようにピン型やナイフ型を用いて、集電構造を工夫することで、比較例１より高い性能を発揮できることが分かった。

これにより、実施例１〜４は、比較例１のように、正極端子および負極端子を正極および負極に接続するために、正極集電体に正極活物質を塗布しない部位や、負極集電体に負極活物質を塗布しない部位を設ける必要がない。
したがって、実施例１〜４は、正極集電体２１に正極活物質２２を塗布する手間の軽減が図れるとともに、負極集電体２４に負極活物質２５を塗布する手間の軽減が図れ、コストの削減や生産性を確保できる。

なお、前記第１〜第４の実施形態では、電池素子１１として巻回型を例示したが、これに限らないで、積層型（スタック型）の電池素子に適用することも可能である。

本発明は、正極および負極がセパレータを介して電池素子が積層され、正極に正極端子が接続され、負極に負極端子が接続された非水電解質二次電池への適用に好適である。

本発明に係る非水電解質二次電池（第１実施形態）を示す側面図である。 第１実施形態の非水電解質二次電池に備えた電池素子を示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施形態の負極端子を示す斜視図である。 （Ａ）は第１実施形態の負極端子で負極の縁部を開裂した一例を示す斜視図、（Ｂ）は第１実施形態の負極端子で負極の縁部を開裂したもう一つの例を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は第１実施形態の負極端子の変形例を示す斜視図である。 第２実施形態の負極端子を示す斜視図である。 本発明に係る非水電解質二次電池（第２実施形態）の負極端子で負極の縁部を開裂した状態を示す斜視図である。 本発明に係る非水電解質二次電池（第３実施形態）の負極端子を示す斜視図である。 第３実施形態の負極端子を示す側面図である。 本発明に係る非水電解質二次電池（第４実施形態）の負極端子を示す斜視図である。

符号の説明

１０，５０，６０，７０ 非水電解質二次電池
１１ 電池素子
１２Ａ 第１の正極(正極)
１２Ｂ 第２の正極（正極）
１３ 負極
１３Ａ 負極の縁部
１４ セパレータ
１５ 正極端子
１６ 負極端子
２１ 正極集電体
２２ 正極活物質層
２４ 負極集電体
２５ 負極活物質層
３１，５２，６１，６２，７１ 接触片

Claims (5)

1. 正極集電体に正極活物質層が設けられた正極と、負極集電体に負極活物質層が設けられた負極とがセパレータを介して積層され、前記正極の縁部に対して前記負極の縁部が面方向に沿って突き出すように配置される電池素子と、
   前記正極に接続された正極端子と、
   前記負極に接続された負極端子とを有する非水電解質二次電池であって、
   前記負極端子が、前記負極の縁部の連続方向に対して交差するとともに、前記負極の面方向に対して交差する接触片を有し、
   前記接触片が複数の前記負極の縁部に対して一括して開裂させて接触していることを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 前記接触片が前記負極を前記縁部から面方向に沿って開裂させて接触していることを特徴とする請求項１記載の非水電解質二次電池。
3. 前記接触片を複数有し、前記接触片が平行に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の非水電解質二次電池。
4. 前記接触片が前記負極を厚み方向に貫通させていることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池。
5. 前記正極活物質層が前記正極集電体の片面に設けられた第１の正極および第２の正極を有するとともに、前記負極集電体の両面に前記負極活物質層が設けられ、前記セパレータを介して前記正極活物質層が前記負極活物質層に対面するように、前記第１の正極、前記負極および前記第２の正極が積層されてから巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池。

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