JP2011014238A - 非水電解質二次電池用電極群及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】集電抵抗が低減され、かつ充放電反応が均一化された、高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池用電極群を提供することにある。
【解決手段】正極集電体２上に正極活物質層３が形成された正極板１と、負極集電体５上に負極活物質層６が形成された負極板４とが、多孔質絶縁層７を介して扁平状に捲回されて電極群１０が構成されている。集電体２、５の幅方向の端部は、長手方向に沿って活物質層３、６が形成されていない第１の露出部２ａ、５ａを有し、第１の露出部２ａ、５ａは、多孔質絶縁層７から互いに反対方向に突出するように配置されている。正極板１及び負極板４の少なくとも一方の極板は、電極群１０の長径方向の端部にある折り曲げ部Ａにおいて、集電体２、５上に活物質層３、６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂを有している。
【選択図】図１
【解決手段】正極集電体２上に正極活物質層３が形成された正極板１と、負極集電体５上に負極活物質層６が形成された負極板４とが、多孔質絶縁層７を介して扁平状に捲回されて電極群１０が構成されている。集電体２、５の幅方向の端部は、長手方向に沿って活物質層３、６が形成されていない第１の露出部２ａ、５ａを有し、第１の露出部２ａ、５ａは、多孔質絶縁層７から互いに反対方向に突出するように配置されている。正極板１及び負極板４の少なくとも一方の極板は、電極群１０の長径方向の端部にある折り曲げ部Ａにおいて、集電体２、５上に活物質層３、６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂを有している。
【選択図】図１
Description
本発明は、リチウムイオン電池に代表される非水電解質二次電池用の電極群、及びこれを備えた非水電解質二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池は、高い作動電圧とエネルギー密度を有する。そのため、非水電解質二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン等のポータブル電子機器の駆動用電源として使用されている。さらに、近年は、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の駆動用電源としても開発が進められている。
電池の高出力化、大容量化に伴い、電池は大型化されるが、自動車などスペースが限られる用途の場合には、扁平状の捲回電極群を備えた角形非水電解質二次電池が適している。
特許文献１には、扁平状の捲回電極群を矩形状の容器に収納した二次電池において、電極群の半円部分の集電体上には活物質層を形成せず、直線部分の集電体上のみに活物質層を形成した四角形状の電極群とすることによって、容器と電極群との四隅に生じる空間を排除する技術が記載されている。
特許文献１に記載された電極群では、活物質層が形成されていない集電体の露出部に複数のリードを取り付けることで、集電抵抗の低減を図っている。しかしながら、電池の大型化に伴い、極板が長くなると、リード間のピッチも長くなるため、集電抵抗が増加する。また、集電抵抗が増加することに伴い、ピッチ間において対向する正極と負極との間に流れる電流密度にむらが生じる。その結果、電池の充放電反応が不均一となるため、充放電を繰り返すことによって電池特性が劣化するという問題が生じる。
また、扁平状に捲回された電極群において、正極板及び負極板の折り曲げ部分にかかる圧力と、直線部分にかかる圧力に差が出るため、正極、負極、及びセパレータの密着性が折り曲げ部分と直線部分とで変化する。その結果、正極と負極との間の距離に差が出ることによって、充放電反応のむらが生じ、充放電を繰り返すことによって電池特性が劣化するという問題が生じる。
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、集電抵抗が低減され、かつ充放電反応が均一化された、高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池用電極群を提供することにある。
本発明の一側面における非水電解質二次電池用電極群は、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極板と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極板とが、多孔質絶縁層を介して扁平状に捲回された電極群であって、正極集電体及び負極集電体の幅方向の端部は、長手方向に沿って正極活物質層及び負極活物質層が形成されていない第１の露出部を有し、当該第１の露出部は、多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置されており、正極板及び負極板の少なくとも一方の極板は、電極群の長径方向の端部にある折り曲げ部において、集電体上に活物質層が形成されていない第２の露出部を有していることを特徴とする。
このような構成により、集電体の長手方向に沿って形成された第１の露出部（活物質層の未形成部）を集電板に接合することによって、集電抵抗を低減することができる。加えて、電極群の長径方向の端部にある折り曲げ部に、活物質層が形成されていない第２の露出部を設けることによって、正極板と負極板の折り曲げ部及び直線部分にかかる圧力の差を低減し、充放電反応のむらを抑制することができる。これにより、高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池用電極群を実現できる。
本発明の他の側面において、上記扁平状の電極群は、捲回軸に垂直な面における断面形状が略長方形をなしており、折り曲げ部は、断面形状が略長方形をなす電極群の長辺部と短辺部の角部にある。これにより、折り曲げ部を除く長辺部及び短辺部に活物質層が形成されるため、電池のエネルギー密度を向上させることができる。その結果、より高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池用電極群を実現できる。
本発明によれば、集電抵抗を低減するとともに、充放電反応のむらを抑制することができるため、高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池用電極群を実現できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における非水電解質二次電池用電極群１０の構成を示した断面図である。また、図２及び図３は、本実施形態における非水電解質二次電池用電極群（以下、単に「電極群」という）１０を構成する正極板１及び負極板４の展開図で、図２（ａ）、図３（ａ）は平面図、図２（ｂ）、図３（ｂ）は断面図を示す。
図１は、本発明の第１の実施形態における非水電解質二次電池用電極群１０の構成を示した断面図である。また、図２及び図３は、本実施形態における非水電解質二次電池用電極群（以下、単に「電極群」という）１０を構成する正極板１及び負極板４の展開図で、図２（ａ）、図３（ａ）は平面図、図２（ｂ）、図３（ｂ）は断面図を示す。
図１に示すように、本実施形態における電極群１０は、正極集電体２上に正極活物質層３が形成された正極板１と、負極集電体５上に負極活物質層６が形成された負極板４とが、多孔質絶縁層（セパレータ）７を介して扁平状に捲回された構成をなす。
また、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、正極集電体２及び負極集電体５の幅方向の端部は、長手方向に沿って正極活物質層３及び負極活物質層６が形成されていない第１の露出部２ａ、５ａを有している。これら第１の露出部２ａ、５ａは、捲回された電極群１０において、多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置され、いわゆるタブレス構造の電極群をなしている。これら第１の露出部２ａ、５ａは、正極集電板及び負極集電板にそれぞれ接合されて、正極板１及び負極板４に流れる電流が集電される。
また、図１に示すように、正極板１及び負極板４は、電極群１０の長径方向の端部にある折り曲げ部Ａにおいて、正極集電体２及び負極集電体５上に正極活物質層３及び負極活物質層６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂを有している。
ここで、電極群１０の長径方向の折り曲げ部Ａに第２の露出部２ｂ、５ｂを形成するには、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、電極群１０の巻き始めから巻き終わりに向かって（図面の右側から左側）、第２の露出部２ｂ、５ｂの幅Ｗが徐々に大きくなるように形成すればよい。また、このような第２の露出部２ｂ、５ｂは、集電体２、５上に、活物質スラリ−を間欠的に塗布（例えば、ダイ塗工）することによって形成することができる。
このように構成された電極群１０は、集電体２、５の長手方向に沿って形成された第１の露出部２ａ、５ａを集電板に接合することによって、集電抵抗を低減することができる。加えて、電極群１０の長径方向の端部にある折り曲げ部Ａに、活物質層３、６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂを設けることによって、正極板１と負極板４の折り曲げ部Ａ及び直線部分Ｂにかかる圧力の差を低減し、充放電反応のむらを抑制することができる。これにより、高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池を実現できる。
図４は、本実施形態における電極群１０を備えた非水電解質二次電池２０の構成を示した断面図である。図４に示すように、角形電池ケース１１内に収容された電極群１０において、多孔質絶縁層（不図示）７から互いに反対方向に突出して配置された第１の露出部２ａ、５ａは、それぞれ、正極集電板８及び負極集電板９に、溶接等で接合されている。また、正極集電板８及び負極集電板９は、それぞれ、正極外部端子１２及び負極外部端子１３に、溶接等で接合されている。また、非水電解質は、注液孔１５から電池ケース１１内に注液され、注入後、注液孔１５は封止されている。
本実施形態において、図１に示したように、第２の露出部２ｂ、５ｂを、正負両方の集電体２、５に設けたが、正極板１及び負極板４の少なくとも一方の極板の折り曲げ部Ａに、活物質層が形成されていない第２の露出部を設ければよい。この場合、リチウムイオン電池において電池構成時に充放電反応源となるリチウムイオンを含んでいる正極板１の方に第２の露出部２ｂを設けることが好ましい。
また、図１及び図２（ｂ）、図３（ｂ）に示したように、第２の露出部２ｂ、５ｂを集電体２、５の両面に形成したが、少なくとも一方の面に、活物質層３、６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂを設ければよい。この場合、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、電極群１０の内周側の面に、第２の露出部２ｂを形成することが好ましい。
また、第２の露出部２ｂ、５ｂが集電体２、５の両面に形成されている場合、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電極群の内周側の面に形成された第２の露出部２ｂの幅Ｗ１は、電極群の外周側の面に形成された第２の露出部２ｂの幅Ｗ２よりも広く形成されているのが好ましい。このとき、電極群の内周側の面に形成された活物質層３ａの幅は、外周側の面に形成された活物質層３ｂの幅よりも狭くなっている。
本実施形態において、電極群１０の各構成要素については、特にその材料及び製法に制限はないが、以下に示すような材料及び製法等を用いることができる。
正極活物質としては、リチウム複合金属酸化物を用いることができる。例えば、ＬｉxＣｏＯ2、ＬｉxＮｉＯ2、ＬｉxＭｎＯ2、ＬｉxＣｏyＮｉ1-yＯ2等が挙げられる。また、正極合剤スラリーの結着剤には、例えば、ＰＶＤＦ（ポリ二フッ化ビニリデン）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。また、正極合剤スラリーの導電剤には、例えば、黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック等のカーボンブラック類等が挙げられる。
負極活物質としては、例えば、黒鉛等の炭素材料、あるいはシリコン、スズ、またはこれらの化合物からなる材料等が挙げられる。また、負極合剤スラリーの結着剤には、例えば、スチレン−ブチレン共重合ゴム、ポリアクリル酸等が挙げられる。
多孔質絶縁層（セパレータ）には、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。また、非水電解質としては、液状、ゲル状または固体（高分子固体電解質）状の物質を使用することができる。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態における非水電解質二次電池用電極群１０の構成を示した断面図である。また、図８及び図９は、本実施形態における非水電解質二次電池用電極群（以下、単に「電極群」という）１０を構成する正極板１及び負極板４の展開図で、図８（ａ）、図９（ａ）は平面図、図８（ｂ）、図９（ｂ）は断面図を示す。
図７は、本発明の第２の実施形態における非水電解質二次電池用電極群１０の構成を示した断面図である。また、図８及び図９は、本実施形態における非水電解質二次電池用電極群（以下、単に「電極群」という）１０を構成する正極板１及び負極板４の展開図で、図８（ａ）、図９（ａ）は平面図、図８（ｂ）、図９（ｂ）は断面図を示す。
図７に示すように、本実施形態における電極群１０は、正極集電体２上に正極活物質層３が形成された正極板１と、負極集電体５上に負極活物質層６が形成された負極板４とが、多孔質絶縁層（セパレータ）７を介して扁平状に捲回され、捲回軸（図７において、紙面に垂直方向）に垂直な面における断面形状が略長方形をなしている。このような断面形状を有する電極群１０の長径方向の端部にある折り曲げ部Ｃは、図７に示すように、電極群１０の長辺部と短辺部の角部（４隅）にあり、折り曲げ部Ｃにおいて、集電体２、５上に活物質層３、６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂが設けられている。換言すれば、電極群１０の長辺部及び短辺部には、それぞれ活物質層３、６が形成されている。
また、図８（ａ）、図９（ａ）に示すように、集電体２、５の幅方向の端部は、長手方向に沿って活物質層３、６が形成されていない第１の露出部２ａ、５ａを有している。これら第１の露出部２ａ、５ａは、捲回された電極群１０において、多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置され、第１の実施形態と同じタブレス構造の電極群をなしている。
ここで、電極群１０の長径方向の折り曲げ部Ｃに第２の露出部２ｂ、５ｂを形成するには、図８（ａ）、図９（ａ）に示すように、電極群１０の巻き始めから巻き終わりに向かって（図面の右側から左側）、集電体２、５の短辺部と長辺部に対応する部位上に、幅Ｌ１と幅Ｌ２の活物質層３、６を交互に間欠的に塗布（例えば、ダイ塗工）することによって形成することができる。なお、短辺部と長辺部に対応する活物質層３、６の幅Ｌ１、Ｌ２は、電極群１０の巻き始めから巻き終わりに向かって徐々に大きくなるように形成するのが好ましい。
このように構成された電極群１０は、集電体２、５の長手方向に沿って形成された第１の露出部２ａ、５ａを集電板に接合することによって、集電抵抗を低減することができる。また、電極群１０の長径方向の端部にある折り曲げ部Ｃに、活物質層３、６が形成されていない第２の露出部２ｂ、５ｂを設けることによって、充放電反応のむらを抑制することができる。加えて、折り曲げ部Ｃを除く長辺部及び短辺部に活物質層３、６を形成することによって、電池のエネルギー密度を向上させることができる。その結果、より高出力で、寿命特性に優れた非水電解質二次電池を実現できる。
なお、本実施形態において、第２の露出部２ｂ、５ｂは、正極板１及び負極板４の少なくとも一方の極板の折り曲げ部Ｃに形成されていればよい、また、第２の露出部２ｂ、５ｂは、集電体２、５少なくとも一方の面に形成されていればよい。この場合、電極群１０の内周側の面に、第２の露出部２ｂ、５ｂを形成することが好ましい。さらに、第２の露出部が集電体の両面に形成されている場合、図８（ｂ）、図９（ｂ）に示すように、電極群１０の内周側の面に形成された活物質層３ａ、６ａの幅は、電極群１０の外周側の面に形成された活物質層３ｂ、６ｂの幅よりも狭く形成されているのが好ましい。
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。
本発明の電極群を備えた非水電解質二次電池は、高い入出力特性が要求される、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の駆動用電源として好適に用いることができる。
１ 正極板
２ 正極集電体
２ａ 第１の露出部
２ｂ 第２の露出部
３ 正極活物質層
４ 負極板
５ 負極集電体
５ａ 第１の露出部
５ｂ 第２の露出部
６ 負極活物質層
７ 多孔質絶縁層（セパレータ）
８ 正極集電板
９ 負極集電板
１０ 電極群
１１ 電池ケース
１２ 正極外部端子
１３ 負極外部端子
１５ 注液孔
２０ 非水電解質二次電池
２ 正極集電体
２ａ 第１の露出部
２ｂ 第２の露出部
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４ 負極板
５ 負極集電体
５ａ 第１の露出部
５ｂ 第２の露出部
６ 負極活物質層
７ 多孔質絶縁層（セパレータ）
８ 正極集電板
９ 負極集電板
１０ 電極群
１１ 電池ケース
１２ 正極外部端子
１３ 負極外部端子
１５ 注液孔
２０ 非水電解質二次電池
Claims (5)
- 正極集電体上に正極活物質層が形成された正極板と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極板とが、多孔質絶縁層を介して扁平状に捲回された非水電解質二次電池用電極群であって、
前記正極集電体及び負極集電体の幅方向の端部は、長手方向に沿って前記正極活物質層及び負極活物質層が形成されていない第１の露出部を有し、該第１の露出部は、前記多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置されており、
前記正極板及び前記負極板の少なくとも一方の極板は、前記電極群の長径方向の端部にある折り曲げ部において、前記集電体上に前記活物質層が形成されていない第２の露出部を有している、非水電解質二次電池用電極群。 - 前記扁平状の電極群は、捲回軸に垂直な面における断面形状が略長方形をなしており、
前記折り曲げ部は、前記断面形状が略長方形をなす電極群の長辺部と短辺部の角部にある、請求項１に記載の非水電解質二次電池用電極群。 - 前記第２の露出部は、前記集電体の両面のうち、少なくとも前記電極群の内周側の面に形成されている、請求項１または２に記載の非水電解質二次電池用電極群。
- 前記第２の露出部は、前記集電体の両面に形成されており、前記電極群の内周側の面に形成された第２の露出部は、前記電極群の外周側の面に形成された第２の露出部よりも幅が広く形成されている、請求項１または２に記載の非水電解質二次電池用電極群。
- 正極板、負極板、及び多孔質絶縁層を備えた電極群が、非水電解質とともに角形電池ケース内に収納された非水電解質二次電池であって、
前記電極群は、請求項１〜４の何れかに記載された非水電解質二次電池用電極群からなり、
前記多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置された第１の露出部は、集電板に接合されている、非水電解質二次電池。
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