JP2009252397A - Battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池、詳しくは電解液とともに電池ケースに収容される電極体を備えた電池に関する。 The present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery including an electrode body that is accommodated in a battery case together with an electrolytic solution.
近年、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。かかるリチウムイオン電池は、一般に、正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回(或いは積層)した電池要素(電極体ユニット)を電池ケースに収納し、次いで電池ケースの注液口から電解液を注液し、続いて注液口を封止栓等で封口することによって形成されている。 In recent years, lithium-ion batteries, nickel-metal hydride batteries, and other secondary batteries have become increasingly important as power sources for vehicles or as power sources for personal computers and portable terminals. In particular, a lithium ion battery that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle. Such a lithium ion battery generally contains a battery element (electrode body unit) obtained by winding (or laminating) a positive electrode and a negative electrode through a separator in a battery case, and then an electrolytic solution from an injection port of the battery case. The liquid injection port is then sealed with a sealing plug or the like.
ところで、この種のリチウムイオン電池においては、充放電に伴う電解液分解による液枯れ(正極電極および負極電極を構成する活物質層中に局部的に電解液の存在しない部分が生じてしまうこと)や金属リチウムの析出を抑制するために、当該活物質層に電解液保持剤を導入する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、活物質粒子の表面全体を、導電剤を含む結着剤で被覆することによって、活物質粒子の周囲に電解液を保持させる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、充放電に伴う電解液分解による活物質層中の液枯れを抑制することは可能であるが、電池ケース内における内圧変化に起因する電解液の液枯れを抑制することはできない。即ち、電池の経年使用に伴って電池ケースの内圧が低下すると、比較的蒸気圧が大きな電解液は時間経過に伴い容易に揮発するため、これによって電解液の液枯れ現象が生じる場合があり得る。このように電池ケース内の内圧変化によって電解液量が減少すると、金属リチウムの析出等によって電池出力特性(例えばハイレート放電特性)が低下したり、或いは電解液の凝固点が変わって必要な温度出力特性を得ることができなかったりといった種々の不具合が生じる虞がある。 However, in the technique of Patent Document 1, it is possible to suppress the liquid withering in the active material layer due to the electrolytic solution decomposition accompanying charging and discharging, but the liquid withstanding of the electrolyte due to the change in the internal pressure in the battery case is suppressed. I can't do it. That is, when the internal pressure of the battery case decreases with the aging of the battery, the electrolyte solution having a relatively high vapor pressure volatilizes easily with the passage of time. . Thus, when the amount of the electrolyte decreases due to the change in the internal pressure in the battery case, the battery output characteristics (for example, high-rate discharge characteristics) decrease due to the deposition of metallic lithium, or the freezing point of the electrolyte changes and the required temperature output characteristics There is a possibility that various troubles such as failure to obtain the above occur.
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電池ケース内の電解液の揮発を抑制し得、電池出力特性に優れたリチウムイオン電池その他の電池(典型的には二次電池)を提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and its main purpose is to suppress the volatilization of the electrolyte in the battery case and to provide a lithium ion battery or other battery (typically, excellent battery output characteristics). Secondary battery).
本発明によって提供される電池(典型的にはリチウムイオン電池その他の二次電池)は、正極および負極を備える電極体と、上記電極体を電解液とともに収容する電池ケースとを備える。上記電極体と上記電池ケースとの間には、電解液を保持可能な細孔を有する多孔体が配置されている。そして、上記多孔体は、長尺シート状に形成され、且つ、上記電極体の外面の少なくとも一部を覆うように巻き付けられていることを特徴とする。 A battery (typically a lithium ion battery or other secondary battery) provided by the present invention includes an electrode body including a positive electrode and a negative electrode, and a battery case that houses the electrode body together with an electrolytic solution. A porous body having pores capable of holding an electrolytic solution is disposed between the electrode body and the battery case. And the said porous body is formed in the elongate sheet form, and is wound so that at least one part of the outer surface of the said electrode body may be covered.
かかる構成によれば、電極体と電池ケースとの間に、電解液を保持可能な細孔を有する多孔体シート(好ましくは該多孔体シートの平均細孔径は0.5nm〜5μmの範囲内にある。)を配置しているので、電池ケースの内圧変化に伴う電解液の揮発(延いては電池ケース内の電解液量の減少)を抑制することができる。加えて、上記多孔体シートを、電極体の外面の少なくとも一部に巻き付けて被覆しているので、電極体の外面近傍において電解液を保持することができる。これにより、電解液の液枯れ現象(電極体に対する電解液の不足部分が局所的に生じてしまう事態)を防止することができる。また、リチウムイオン電池を構成する場合には、金属リチウムの局所的な析出を偏りなく防止することができる。その結果、電池出力特性(例えばハイレート放電特性)や温度特性(例えば低温での出力特性)に優れた電池を提供することができる。 According to such a configuration, the porous sheet having pores capable of holding the electrolytic solution between the electrode body and the battery case (preferably the average pore diameter of the porous sheet is in the range of 0.5 nm to 5 μm. Therefore, the volatilization of the electrolytic solution accompanying the change in the internal pressure of the battery case (and the decrease in the amount of the electrolytic solution in the battery case) can be suppressed. In addition, since the porous sheet is wrapped around and coated on at least a part of the outer surface of the electrode body, the electrolytic solution can be held in the vicinity of the outer surface of the electrode body. Thereby, the withering phenomenon of the electrolytic solution (a situation in which an insufficient portion of the electrolytic solution with respect to the electrode body is locally generated) can be prevented. Moreover, when comprising a lithium ion battery, the local precipitation of metallic lithium can be prevented evenly. As a result, a battery excellent in battery output characteristics (for example, high rate discharge characteristics) and temperature characteristics (for example, output characteristics at a low temperature) can be provided.
好ましくは、上記多孔体シートの平均細孔径は0.5nm〜5μmの範囲内にある。このような平均細孔径(典型的には細孔径分布のピーク値に近似する細孔径)を有する多孔体シートは、電解液の保持性能に優れる。 Preferably, the average pore diameter of the porous sheet is in the range of 0.5 nm to 5 μm. A porous sheet having such an average pore size (typically a pore size approximating the peak value of the pore size distribution) is excellent in electrolyte retention performance.
なお、上記多孔体シートは独立孔又は多数の細孔の繋がりによって電極体の周囲にて電解液を保持し得る多孔質材料から構成されていればよい。細孔の形状は、電解液を保持可能な形状(例えば細孔内部にて電解液を貯液可能な形状)であればよく、スリット状、シリンダ状などのいずれであってもよい。 In addition, the said porous body sheet should just be comprised from the porous material which can hold | maintain electrolyte solution around an electrode body by the connection of an independent hole or many pores. The shape of the pores only needs to be a shape that can hold the electrolyte solution (for example, a shape that can store the electrolyte solution inside the pores), and may be any of a slit shape, a cylinder shape, and the like.
多孔体シートは、絶縁性(好ましくは導電率10−7Ω−1cm−1以下)を有する材料から構成されていることが好ましく、更に耐電解液性(特に耐電解液腐食性)をも有する材料から構成されていることが特に好ましい。このような材料としては合成樹脂材料が挙げられる。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等、或いはそれらの組み合せを好適に使用することができる。一般に、合成樹脂製(例えばポリオレフィン系の樹脂製)多孔質材料は、本発明の目的に適する程度の機械的強度と化学安定性を有しており、しかも低コストで調達することができる。 The porous sheet is preferably made of a material having an insulating property (preferably an electrical conductivity of 10 −7 Ω −1 cm −1 or less), and further has an electrolytic solution resistance (particularly an electrolytic solution corrosion resistance). It is particularly preferable that it is made of a material having it. An example of such a material is a synthetic resin material. For example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene sulfide (PPS), or a combination thereof can be suitably used. In general, a porous material made of synthetic resin (for example, made of polyolefin resin) has mechanical strength and chemical stability suitable for the purpose of the present invention, and can be procured at low cost.
また、ここで開示される電池(典型的にはリチウムイオン電池等の二次電池)の好適な一態様では、上記多孔体シートとして絶縁性(例えば合成樹脂製)の不織布シートが使用されていることを特徴とする。一般に、不織布シートは孔隙率(典型的には40%以上、例えば50〜70%)が高く、高い電解液保持性能(電解液保持容量)を実現することができる。 In a preferred embodiment of the battery disclosed here (typically a secondary battery such as a lithium ion battery), an insulating (for example, synthetic resin) nonwoven fabric sheet is used as the porous sheet. It is characterized by that. In general, the nonwoven fabric sheet has a high porosity (typically 40% or more, for example, 50 to 70%), and can realize high electrolytic solution holding performance (electrolytic solution holding capacity).
また、ここで開示される電池のある好適な一態様(典型的にはリチウムイオン電池等の二次電池)において、上記電極体は、長尺状の集電体の表面に電極活物質層が形成された正極シートおよび負極シートを捲回してなる捲回電極体である。そして、上記多孔体シートは、上記捲回電極体の捲回面(外周面)に沿って巻き付けられている。このような捲回電極体の捲回面(外周面)に沿って多孔体シートを巻き付けることにより、捲回電極体の捲回面(外周面)と電池ケース内壁との間の隙間(典型的にはデッドスペース)を有効利用することができ、多孔体シートを電池ケースの内部空間に効率的に収容することができる。これにより、電池体格を大きくすることなく本発明の目的に適する多孔体シートを備えた電池(リチウムイオン電池等)を提供することができる。また、上記構成によれば、製造段階において多孔体シートを捲回電極体の捲回面に予め巻き付けた状態で電池ケース内に収容することができ、それらの収容作業が容易となる。 In one preferable embodiment of the battery disclosed herein (typically, a secondary battery such as a lithium ion battery), the electrode body has an electrode active material layer on the surface of a long current collector. It is a wound electrode body obtained by winding the formed positive electrode sheet and negative electrode sheet. And the said porous body sheet is wound along the winding surface (outer peripheral surface) of the said winding electrode body. By winding the porous sheet along the wound surface (outer peripheral surface) of such a wound electrode body, a gap (typical) between the wound surface (outer peripheral surface) of the wound electrode body and the inner wall of the battery case is typical. Can effectively utilize the dead space, and can efficiently accommodate the porous sheet in the internal space of the battery case. Thereby, the battery (lithium ion battery etc.) provided with the porous body sheet suitable for the objective of this invention can be provided, without enlarging battery size. Moreover, according to the said structure, a porous body sheet can be accommodated in a battery case in the state wound beforehand on the winding surface of the winding electrode body in the manufacture stage, and those accommodation operations become easy.
上記捲回電極体を備えるタイプの電池(典型的にはリチウムイオン電池等の二次電池)において、好ましくは、上記正極シートおよび負極シートには、それぞれ、上記集電体表面に前記活物質層が形成されていない正極活物質層非形成部および負極活物質層非形成部が該集電体の幅方向の一端に沿って設けられている。上記捲回電極体の捲回軸方向における端部には、上記正極活物質層非形成部が上記負極シートからはみ出して捲回された正極側はみ出し部分と、上記負極活物質層非形成部が上記正極シートからはみ出して捲回された負極側はみ出し部分と、が形成されている。また、上記捲回電極体の捲回軸方向における中央部分には、上記正極シートの正極活物質層と上記負極シートの負極活物質層とが積層された捲回コア部分が形成されている。そして、上記多孔体シートは、少なくとも上記捲回コア部分の外面に対向する位置関係となるように配置されている。このように、多孔体シートを正極活物質層と負極活物質層とが積層された捲回コア部分の外面に対向する位置関係となるように配置することにより、正極活物質層および負極活物質層に対して電解液を効果的に保持することができ、正極活物質層および負極活物質層中における電解液の液枯れ現象を効果的に防止することができる。また、リチウムイオン電池の場合には金属リチウムの局所的な析出を効果的に防止することができる。 In a battery of a type including the wound electrode body (typically a secondary battery such as a lithium ion battery), preferably, the positive electrode sheet and the negative electrode sheet are each provided with the active material layer on the surface of the current collector. The positive electrode active material layer non-formed part and the negative electrode active material layer non-formed part are not provided along one end in the width direction of the current collector. At the end in the winding axis direction of the wound electrode body, the positive electrode active material layer non-formed part protrudes from the negative electrode sheet, and the positive electrode side protruding part is wound, and the negative electrode active material layer non-formed part is A negative electrode side protruding portion that is wound out from the positive electrode sheet is formed. In addition, a wound core portion in which the positive electrode active material layer of the positive electrode sheet and the negative electrode active material layer of the negative electrode sheet are stacked is formed at a central portion in the winding axis direction of the wound electrode body. And the said porous body sheet is arrange | positioned so that it may become the positional relationship facing the outer surface of the said winding core part at least. Thus, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material are disposed by arranging the porous sheet so as to face the outer surface of the wound core portion in which the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are laminated. The electrolytic solution can be effectively retained with respect to the layer, and the liquid withdrawing phenomenon of the electrolytic solution in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can be effectively prevented. Moreover, in the case of a lithium ion battery, local precipitation of metallic lithium can be effectively prevented.
以下、図面を参照しながら本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、以下、角形リチウムイオン二次電池100を例にして本発明の電池の構造について詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。また各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. Hereinafter, the structure of the battery of the present invention will be described in detail by taking the prismatic lithium ion
図1を参照しながら電池100の構成について説明する。図1は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観を模式的に示す斜視図である。図1に示すように、ここで開示されるリチウムイオン二次電池100は、正極60および負極70を備える電極体80と、該電極体80を収容する角型の電池ケース50とを備える。
The configuration of the
電池ケース50は、電池ケース本体52と蓋体54とから構成されている。電池ケース本体52は、電極体80を収容可能な形状であればよく、この実施形態では、扁平形状の電極体80を収容可能な箱型形状である。また、電池ケース本体52は、その上部に開口端(図示せず)を有しており、当該開口端を介して電極体80を収容し得るようになっている。蓋体54は、電池ケース本体52の開口端を塞ぐ板状部材であり、当該ケース本体52の開口端に取り付けられた後、その会合部が接合されている。電池ケース本体52および蓋体54の材質は、軽量で熱伝導性が良い金属材料が好ましく、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼などを好ましく使用することができる。
The
蓋体54の上面には注液口40が形成されており、当該注液口40を介して電解液を電池ケースに注入し得るようになっている。この注液口40は、通常時は封止栓42によって封口されている。電池ケース50に注入され得る電解液としては、例えば非水溶媒に電解質を溶解した非水電解液を用いることができる。この実施形態では、非水溶媒としてはジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒(例えば質量比1:1)を使用し、電解質としてはヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を使用し、その濃度は約1mol/リットルに調整されている。
A
次に、図2を加えて本実施形態に係る電池100の内部構造について説明する。図2は図1のII−II線断面を模式的に示す断面図である。電池ケース50の内部には、上述した電解液とともに電極体80が収容される。電極体80は、通常のリチウムイオン電池の電極体と同様、所定の電池構成材料(正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等)から構成されている。また、ここでは電極体80として後述する扁平形状の捲回電極体80が用いられている。
Next, the internal structure of the
捲回電極体80と電池ケース50との間には、電解液を保持可能な細孔を有する多孔体20が配置されている。多孔体20は、図示しない多数の細孔(空隙)を有するものであり、その独立した細孔(または多数の細孔の繋がりや空隙)によって電池ケース50に収容された電解液を保持し得るようになっている。細孔の形状は、電解液を保持可能な形状(例えば細孔内部にて電解液を貯液可能な形状)であればよく、スリット状、シリンダ状などのいずれであってもよい。また、この多孔体20は、シート状に形成された多孔体シートであり、且つ、捲回電極体80の外面81の少なくとも一部を覆うように巻き付けられている。この実施形態では、多孔体シート20として合成樹脂製(例えばポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂)の不織布シートが使用されており、捲回電極体80の上から捲回面81に沿って3重に(3周回)巻き付けられている。
Between the
なお、本発明の実施にあたっては、電極体の外面の少なくとも一部を覆うように多孔体シートが巻き付けられておればよく、巻き付けの程度は特に限定されない。例えば、多孔体シートの厚みや電解液保持性能(電解液保持容量)によって巻き付けの程度は異なり得る。典型的には、電極体の外面の少なくとも一部(例えば捲回電極体80における少なくとも捲回コア部分82の外周面)を覆うように電極体の外面に沿って1〜10周回巻き付ける。例えば、電極体の外面(例えば捲回面)と電池ケース内壁との間の隙間(デッドスペース)を多孔体シートで充填し得る(埋める)程度に巻き付けることも本発明の好適な一実施形態である。
In carrying out the present invention, the porous sheet may be wound so as to cover at least a part of the outer surface of the electrode body, and the degree of winding is not particularly limited. For example, the degree of winding may vary depending on the thickness of the porous sheet and the electrolytic solution holding performance (electrolytic solution holding capacity). Typically, it is wound 1 to 10 times along the outer surface of the electrode body so as to cover at least a part of the outer surface of the electrode body (for example, at least the outer peripheral surface of the
本実施形態の電池100の構成によれば、電極体80と電池ケース50との間に、電解液を保持可能な細孔を有する多孔体シート20を配置しているので、電池ケース50の内圧変化に伴う電解液の揮発(延いては電池ケース50内の電解液量の減少)を抑制することができる。加えて、上記多孔体シート20を、電極体80の外面81に巻き付けて被覆しているので、電極体80の正負極それぞれの活物質層が存在する部分82の全体に亘って電解液を偏りなく保持させることができる。これにより、電解液の液枯れ現象(電極体に対する電解液の不足部分が局所的に生じてしまう事態)を防止することができる。また、この実施形態のように、リチウムイオン電池を構成する場合には、金属リチウムの局所的な析出を偏りなく防止することができる。その結果、電池出力特性(例えばハイレート放電特性)や温度特性(例えば低温での出力特性)に優れた電池100を提供することができる。
According to the configuration of the
多孔体シート20は、絶縁性(好ましくは導電率10−7Ω−1cm−1以下)を有する材料から構成されていることが好ましく、更に耐電解液性(特に耐電解液腐食性)をも有する材料から構成されていることが特に好ましい。このような材料としては、合成樹脂材料が挙げられる。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等、或いはそれらの組み合せを好適に使用することができる。一般に、合成樹脂製(例えばポリオレフィン系の樹脂製)多孔質材料は、本発明の目的に適する程度の機械的強度と化学安定性を有しており、しかも低コストで調達することができる。
The
また、非絶縁性(導電性)の多孔体シートも使用可能であるが、その場合、当該多孔体シートの表面を絶縁処理(例えば絶縁性の皮膜、例えば樹脂コーティング層を形成するとよい。)しておくことが好ましい。 A non-insulating (conductive) porous sheet can also be used. In that case, the surface of the porous sheet may be subjected to an insulating treatment (for example, an insulating film, for example, a resin coating layer may be formed). It is preferable to keep it.
或いは、この実施形態のように、多孔体シート20として不織布シートを使用してもよい。不織布シートは孔隙率(典型的には40%以上、例えば50〜70%)が高く、高い電解液保持性能(電解液保持容量)を実現することができる。合成樹脂製の不織布シートが化学安定性や絶縁性の観点から特に好ましい。
Or you may use a nonwoven fabric sheet as the
また、多孔体シート20の平均細孔径は、好ましくは0.5nm〜5μmの範囲内にある。このような平均細孔径(典型的には細孔径分布のピーク値に近似する細孔径)を有する多孔体シートは、電解液の保持性能に優れる。詳しくは、多孔体シートの細孔径(典型的には細孔径分布のピーク値に近似する細孔径)が上記範囲よりも大きすぎると、当該細孔内に侵入した電解液分子が細孔の外部へと容易に放出されるため、当該細孔に電解液の十分な保持能力を付与することができない。したがって、多孔体シートの平均細孔径は、当該細孔内に侵入した電解液を適度に拘束し得る程度の十分な保持能力を付与することができるサイズ(好ましくは5μm以下)が望ましい。一方、多孔体シート20の細孔径(細孔径分布)がかかる範囲よりも小さすぎると、当該細孔内に電解液分子が侵入することができなくなる。したがって、多孔体シート20の細孔径は、電解液分子が侵入することができる程度のサイズ(好ましくは0.5nm以上)である必要がある。
Moreover, the average pore diameter of the
なお、ここで、多孔体シート20に形成されている細孔の平均値(平均細孔径)は、例えば窒素吸着法によって得られる。窒素吸着法による細孔径(平均細孔径や細孔径分布)の測定は、例えば市販される株式会社島津製作所製の高機能比表面積/細孔分布測定装置(例えばASAP2020)を用いて容易に行うことができる。
Here, the average value (average pore diameter) of the pores formed in the
さらに図3も加えて、本実施形態に係る電池100の構成、特に電極体80と多孔体シート20の特徴などについて説明する。上述したように、ここでは電極体80として扁平形状の捲回電極体80が用いられている。この捲回電極体80は、図3に示すように、シート状電極体90を捲回することにより形成されている。シート状電極体90は、捲回電極体80を組み立てる前段階における長尺状(帯状)のシート構造を有している。シート状電極体90は、典型的な捲回電極体と同様に正極シート60と負極シート70を計2枚のセパレータシート92、94と共に積層して形成されている。
Further, the configuration of the
正極シート60は、長尺シート状の箔状の正極集電体(以下「正極集電箔64」と称する)の両面に電池用正極活物質層62が付着されて形成されている。ただし、正極活物質層62はシート状電極体90の幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では上側の側縁部分)には付着されず、正極集電体64を一定の幅にて露出させた正極活物質層非形成部66が形成されている。負極シート70も正極シート60と同様に、長尺シート状の箔状の負極集電体(以下「負極集電箔74」と称する)の両面に電池用負極活物質層72が付着されて形成されている。ただし、負極活物質層72はシート状電極体90の幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では下側の側縁部分)には付着されず、負極集電体74を一定の幅にて露出させた負極活物質層非形成部76が形成されている。
The
捲回電極体80を構築する際には、正極シート60と負極シート70とをセパレータシート92、94を介して積層したシート状電極体90を用意する。このとき、セパレータシート92、94は正極シート60の正極活物質層非形成部(正極集電箔64の露出部分)66が外方にはみ出るように(即ち正極活物質層62とセパレータシート92、94とが対向するように)重ね合せられる。負極シート70も正極シート60と同様に積層され、負極活物質層非形成部(負極集電箔74の露出部分)76がセパレータシート92、94から外方にはみ出るように(即ち負極活物質層72とセパレータシート92、94とが対向するように)重ね合せられる。かかるシート状電極体90を捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状の捲回電極体80が得られる。
When constructing the
捲回電極体80の捲回軸方向における中央部分には、捲回コア部分82(即ち正極シート60の正極活物質層62と負極シート70の負極活物質層72とセパレータシート92、94とが密に積層された部分)が形成される。また、捲回電極体80の捲回軸方向の一方の端部には、正極活物質層非形成部66(正極集電箔64の露出部分)がはみ出して捲回された正極側はみ出し部分84(箔状の正極集電体が積層した構成の正極集電箔積層部)が形成される。そして、捲回電極体80の捲回軸方向の他方の端部には、負極活物質層非形成部76(負極集電箔74の露出部分)がはみ出して捲回された負極側はみ出し部分86(箔状の負極集電体が積層した構成の負極集電箔積層部)が形成される。
A wound core portion 82 (that is, a positive electrode
このようにして得られた捲回電極体80は、図1に示すように捲回軸方向が水平方向(図では左右方向)となるように電池ケース50に収容される。図示した例では、正極側はみ出し部分84および負極側はみ出し部分86には、それぞれ、正極集電部材32および負極集電部材34が付設されており、正極端子36および負極端子38と電気的に接続される。また、正極端子36および負極端子38は、それぞれ、ガスケット(図示せず)を介して電池ケース50の蓋体54に取り付けられている。
The
そして、本実施形態においては、多孔体シート20は、捲回電極体80の捲回面81に沿って巻き付けられている。この多孔体シート20は、少なくとも捲回コア部分82の外面81に対向する位置に配置されている。図示した例では、多孔体シート20は、捲回電極体80の両端に突設した正極集電部材32と負極端子38との間に介装され、捲回コア部分82の全面81を露出させることなく被覆している。
In the present embodiment, the
このような捲回電極体80の捲回面81に沿って多孔体シート20を巻き付けることにより、当該捲回面81と電池ケース内壁との間の隙間(典型的にはデッドスペース)を有効利用することができ、多孔体シート20を電池ケース50の内部空間に効率的に収容することができる。これにより、電池体格を大きくすることなく本実施形態の目的に適する多孔体シート20を備えた電池100(ここではリチウムイオン電池)を提供することができる。また、上記構成によれば、製造段階において多孔体シート20を捲回電極体80の捲回面(外周面)に予め巻き付けた状態で電池ケース内に収容することができ、それらの収容作業が容易となる。
By winding the
加えて、このように、多孔体シート20を、少なくとも正極活物質層62と負極活物質層72とが積層された捲回コア部分82の外面に対向する位置関係となるように配置する(即ち、少なくとも捲回コア部分82を覆うように配置する)ことにより、正極活物質層62および負極活物質層72に対して電解液を効果的に保持させることができ、正極活物質層62および負極活物質層72中における電解液の液枯れ現象を効果的に防止することができる。また、この実施形態のように、リチウムイオン電池の場合には金属リチウムの局所的な析出を効果的に防止することができる。
In addition, in this way, the
なお、捲回電極体80を構成する材料および部材自体は、従来のリチウムイオン電池の電極体と同様でよく、特に制限はない。例えば、正極シート60は長尺状の正極集電体(この実施形態ではアルミニウム箔)の上にリチウムイオン電池用正極活物質層が付与されて形成される。一方、負極シート70は長尺状の負極集電体(この実施形態では銅箔)の上にリチウムイオン電池用負極活物質層が付与されて形成される。また、正負極シート60、70間に介在する好適なセパレータシート92、94としては多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。例えば、厚さ5〜30μm、平均細孔径0.1μm程度の合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)多孔質セパレータシートを好適に使用することができる。
In addition, the material and member itself which comprise the winding
本実施形態に係る多孔体シート20を用いて電池を構築することにより、電池ケースの内圧変化に伴う電解液の揮発を抑制できることを確認するため、試験例として以下の試験を行った。即ち、平均細孔径が異なる4つの多孔体シートを用いて試験用電池をそれぞれ構築し、各電池ケースに穴(5mmφ)を開口してケースの内圧を変化させ、そのIV抵抗が初期抵抗の2倍になるまでの日数を測定して評価した。以下、詳細に説明する。
<試験例1>
正極活物質としてのリチウムニッケル酸化物(Li2NiO3)89質量%を、正極導電剤としてのアセチレンブラック5質量%、正極結着材としてのPTFE5質量%、および増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%とともに適当な溶媒(水)に分散させて正電極材ペーストを調製し、このペーストを正極集電体(アルミニウム箔、厚さ10μm、長さ2m)に塗布し、正極集電体の両面に正電極材層(密度1.8g/ml)が設けられた正極シートを作製した。一方、負極活物質としての黒鉛(C)98質量%を、負極結着材としてのスチレン−ブタジエンゴム(SBR)1質量%および増粘剤としてのCMC1質量%とともに適当な溶媒(水)に分散させて負電極材ペーストを調製し、このペーストを負極集電体(銅箔、厚さ10μm、長さ2m)に塗布し、負極集電体の両面に負電極材層が設けられた負極シートを作製した。そして、これらの正極シートおよび負極シートを、2枚のセパレータシート(多孔質ポリプロピレン(PP)、厚さ30μm、2m)を介して捲回し、該捲回した捲回電極体を側面方向から押し潰すことによって扁平状の捲回電極体を作製した。
In order to confirm that by constructing a battery using the
<Test Example 1>
89% by mass of lithium nickel oxide (Li 2 NiO 3 ) as a positive electrode active material, 5% by mass of acetylene black as a positive electrode conductive agent, 5% by mass of PTFE as a positive electrode binder, and carboxymethylcellulose (as a thickener) CMC) 1% by mass and dispersed in a suitable solvent (water) to prepare a positive electrode material paste, this paste was applied to a positive electrode current collector (aluminum foil,
次いで、このようにして得られた捲回電極体の捲回面に、平均細孔径が約2μmの多孔体シート(具体的にはポリプロピレン製不織布シート、厚さ100μm、長さ7cm)を6周回巻き付けた。次いで、該電極体を多孔体シートとともに電池ケースに収容した。その後、電池ケースの注液口から電解液を注入し、該注液口を封口することによって試験用電池(試験例1)を構築した。なお、電解液としてはエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との1:1(質量比)混合溶媒に約1MのLiPF6を溶解させたものを50ml使用した。
<試験例2〜4>
試験例2〜4として多孔体シートの細孔径を変えて電池を構築した。具体的には、試験例2〜4の順に、平均細孔径が5μm、10μm、20μmと大きくした多孔体シートを用いて試験用電池を構築した。なお、多孔体シートの細孔径を変えたこと以外は試験例1と同様の条件にて作製した。
<IV抵抗測定>
以上のように作製した試験例1〜4の試験用電池のIV抵抗を測定した。このIV抵抗の測定条件は、まず、各電池に対して0Vから4.0Vまで室温で充電を行い、次いで50℃にて40時間保持した。その後、各電池のケースに穴(5mmφ)を開口して25℃でそのまま放置した。そして、24時間毎にIV抵抗を測定し、その抵抗値が初期抵抗(最初に測定した抵抗値)の2倍になるまでの日数を評価した。その結果を図4及び表1に示す。図4において横軸は多孔体シートの平均細孔径を表し、縦軸はIV抵抗が初期抵抗の2倍になるまでに費やした日数を表している。なお、IV抵抗の初期抵抗は試験例1〜4の何れの電池においても4.2mΩであった。
Next, a porous sheet (specifically, a nonwoven fabric sheet made of polypropylene, having a thickness of 100 μm and a length of 7 cm) having an average pore diameter of about 2 μm is wound around the wound surface of the wound electrode body thus obtained 6 times. I wrapped it. Next, the electrode body was housed in a battery case together with a porous sheet. Thereafter, an electrolyte was injected from the liquid inlet of the battery case and the liquid inlet was sealed to construct a test battery (Test Example 1). As the electrolytic solution, 50 ml of about 1 M LiPF 6 dissolved in a 1: 1 (mass ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was used.
<Test Examples 2 to 4>
As Test Examples 2 to 4, batteries were constructed by changing the pore diameter of the porous sheet. Specifically, a test battery was constructed using porous sheets having an average pore diameter increased to 5 μm, 10 μm, and 20 μm in the order of Test Examples 2 to 4. In addition, it produced on the conditions similar to Test Example 1 except having changed the pore diameter of the porous sheet.
<IV resistance measurement>
The IV resistance of the test batteries of Test Examples 1 to 4 manufactured as described above was measured. The IV resistance was measured by first charging each battery from 0 V to 4.0 V at room temperature and then holding it at 50 ° C. for 40 hours. Thereafter, a hole (5 mmφ) was opened in the case of each battery and left at 25 ° C. as it was. Then, the IV resistance was measured every 24 hours, and the number of days until the resistance value was twice the initial resistance (the resistance value measured first) was evaluated. The results are shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents the average pore diameter of the porous sheet, and the vertical axis represents the number of days spent until the IV resistance becomes twice the initial resistance. The initial resistance of the IV resistance was 4.2 mΩ in any of the batteries of Test Examples 1 to 4.
図4および表1から明らかなように、5μm以下の細孔を有する多孔体シートを使用した電池(試験例1、2)は、10μm以上の細孔を有する多孔体シートを使用した電池(試験例3、4)と比較して、IV抵抗が初期抵抗の2倍になるまでに費やす日数が大幅に長くなることが分かった(この実験結果では50日以上)。これは、5μm以下の細孔を有する多孔体シートを使用した電池(試験例1、2)では、電池の密閉性が損なわれた後においても長時間に亘って電解液の揮発を抑制することができたからと考えられる。このことから、5μm以下の平均細孔径を有する多孔体シートは、電解液の保持性能に特に優れていることが確認された。 As is clear from FIG. 4 and Table 1, the batteries using the porous sheet having pores of 5 μm or less (Test Examples 1 and 2) are the batteries using the porous sheet having pores of 10 μm or more (Test). Compared to Examples 3 and 4), it was found that the number of days spent until the IV resistance doubled the initial resistance was significantly longer (50 days or more in this experimental result). This is because batteries (Test Examples 1 and 2) using a porous sheet having pores of 5 μm or less suppress the volatilization of the electrolyte over a long period of time even after the sealing performance of the battery is impaired. It is thought that it was made. From this, it was confirmed that the porous sheet having an average pore diameter of 5 μm or less is particularly excellent in electrolytic solution holding performance.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、本明細書において「電池」とは、所定の電気エネルギーを取り出し得る蓄電装置をいい、特定の蓄電機構(電極体や電解質の構成)に限定されない。リチウムイオン電池等のリチウム二次電池、ニッケル水素二次電池その他の二次電池或いは電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(即ち物理電池)は、ここでいう電池に包含される典型例である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible. For example, in this specification, the “battery” refers to a power storage device that can extract predetermined electrical energy, and is not limited to a specific power storage mechanism (configuration of an electrode body or an electrolyte). A lithium secondary battery such as a lithium ion battery, a nickel hydride secondary battery or other secondary battery, or a capacitor such as an electric double layer capacitor (that is, a physical battery) is a typical example included in the battery herein.
また、多孔体シート20が巻き付けられた電極体80を備えた電池100は、上述のように電池ケース内の電解液の揮発を抑制することによって優れた電池出力特性を発揮し得るため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。即ち、本実施形態に係る電池100を単電池として所定の方向に配列し、当該単電池をその配列方向に拘束することによって組電池を構築し、かかる組電池を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供することができる。
In addition, the
20 多孔体シート
32 正極集電部材
34 負極集電部材
36 正極端子
38 負極端子
40 注液口
42 封止栓
50 電池ケース
52 電池ケース本体
54 蓋体
60 正極シート
62 正極活物質層
64 正極集電体
66 正極活物質層非形成部
70 負極シート
72 負極活物質層
74 負極集電体
76 負極活物質層非形成部
80 捲回電極体
81 外面(捲回面)
82 捲回コア部分
84 正極側はみ出し部分
86 負極側はみ出し部分
90 シート状電極体
92、94 セパレータシート
100 リチウムイオン二次電池
20
82
Claims (8)
前記電極体を電解液とともに収容する電池ケースと
を備え、
前記電極体と前記電池ケースとの間には、電解液を保持可能な細孔を有する多孔体が配置されており、
ここで前記多孔体はシート状に形成された多孔体シートであり、且つ、前記電極体の外面の少なくとも一部を覆うように巻き付けられていることを特徴とする、電池。 An electrode body comprising a positive electrode and a negative electrode;
A battery case that houses the electrode body together with an electrolyte solution,
Between the electrode body and the battery case, a porous body having pores capable of holding an electrolytic solution is disposed,
Here, the porous body is a porous sheet formed in a sheet shape, and is wound so as to cover at least a part of the outer surface of the electrode body.
前記多孔体シートは、前記捲回電極体の捲回面に沿って巻き付けられていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の電池。 The electrode body is a wound electrode body formed by winding a positive electrode sheet and a negative electrode sheet in which an electrode active material layer is formed on the surface of a long current collector,
The battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous sheet is wound along a wound surface of the wound electrode body.
前記捲回電極体の捲回軸方向における端部には、前記正極活物質層非形成部が前記負極シートからはみ出して捲回された正極側はみ出し部分と、前記負極活物質層非形成部が前記正極シートからはみ出して捲回された負極側はみ出し部分と、が形成されており、
前記捲回電極体の捲回軸方向における中央部分には、前記正極シートの正極活物質層と前記負極シートの負極活物質層とが積層された捲回コア部分が形成されており、
前記多孔体シートは、少なくとも前記捲回コア部分の外面に対向する位置に配置されていることを特徴とする、請求項4に記載の電池。 Each of the positive electrode sheet and the negative electrode sheet has a positive electrode active material layer non-formation part and a negative electrode active material layer non-formation part in which the active material layer is not formed on the current collector surface in the width direction of the current collector. Provided along one end,
At the end of the wound electrode body in the winding axis direction, the positive electrode active material layer non-formed part is protruded from the negative electrode sheet and wound, and the negative electrode active material layer non-formed part is formed. A negative electrode side protruding portion wound out of the positive electrode sheet is formed,
In the central portion in the winding axis direction of the wound electrode body, a wound core portion in which the positive electrode active material layer of the positive electrode sheet and the negative electrode active material layer of the negative electrode sheet are laminated is formed,
The battery according to claim 4, wherein the porous sheet is disposed at a position facing at least an outer surface of the wound core portion.
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