JP2011138633A - 円筒形リチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電タブがセパレータを損傷させることなく、かつ渦巻電極体の体積を増加させることなく、しかも集電における内部抵抗が増加させない集電タブ構造を案出し、もって体積エネルギー密度が高く且つ大電流を取り出すことが可能な円筒形リチウムイオン電池を提供する。
【解決手段】渦巻電極体２を収容する円筒形リチウムイオン電池において、第２電極板４の長辺上端が、第１電極板３の長辺上端よりも長辺直交方向に突出しており、第１電極板３の板状集電タブ３ａが、足部と、足部よりも幅広の胴部と、足部から胴部に向かって広がった繋ぎ部とを有し、平面視において足部と繋ぎ部との間および繋ぎ部と胴部との間に９０°以下の鋭角が存在しない形状であり、足部のみが、第1電極板芯体に通電可能に固定され、繋ぎ部の一部または全部が、第１電極板３に重ならないで第２電極板４に重なる位置に位置し、胴部が、渦巻電極体２の一方端面から外方に突出している。
【選択図】図４

Description

本発明は、円筒形リチウムイオン電池に関し、詳しくは板状の集電タブを取付けた電極板を巻回してなる渦巻電極体を電池缶に収納してなる円筒形リチウムイオン電池に関する。

リチウムイオン電池は、高容量、高エネルギー密度の電池であり、従前より携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の駆動電源として汎用されているが、近年は電気自動車など大容量、大電流を必要とする分野においても利用されつつある。

渦巻電極体を用いた円筒形リチウムイオン電池は、体積エネルギー密度が大きく、生産性にも優れるという長所を有する。このような円筒形リチウムイオン電池の渦巻電極体は、板状の集電タブを取付けた正負電極板同士をセパレータを介して巻回する方法で作製され、集電タブは、集電効率を高める点で幅が広いほど好ましい。

しかしながら、集電タブ幅を広げると、巻回時における巻き取り抵抗が増加する。また、巻取後の形状がいびつになり、渦巻電極体の最大径が大きくなるという問題がある。

リチウムイオン電池等の集電タブに関する技術としては下記先行技術がある。

特開２００３―２８８８８２号公報（００１８） 特開２００６―２２８５９１号公報（００１２）

特許文献１は、電池要素の内部に位置する部分の幅が電池要素の外部に位置する部分の幅よりも小さい導電接続タブを提案している。この技術によると、正極電極および負極電極をセパレータを介して巻回した電池要素を圧縮する際に導電接続タブに接するセパレータへの圧力の集中によるセパレータの劣化を防止することができるので、電池特性の劣化を防止することが可能となるとされる。

特許文献２は、厚さが薄い部分と厚さが厚い部分からなる２段構造の導電タブを備える非水電解液二次電池を提案している。この技術によると、正電極導電タブ及び負電極導電タブの電池要素に占める占有体積を抑制することができ、小型・軽量電池に必要な電池容量を確保することができるとされる。

上記特許文献１は、角を有する集電タブを用いる。よって、角がセパレータを損傷し内部短絡を発生させる恐れがある。上記特許文献２は、厚さが薄い部分と厚さが厚い部分からなる２段構造の導電タブを用いている。この構造の集電タブは、板状集電タブに比較し、加工コストが高くなるなどの問題がある。

本発明の目的は、コスト上昇を招かない集電構造の改善によって、集電タブがセパレータを損傷させることなく、かつ渦巻電極体の体積を増加させることなく、しかも集電における内部抵抗を増加させない集電タブ構造を案出し、もって体積エネルギー密度が高く且つ大電流を取り出すことが可能な円筒形リチウムイオン電池を実現することにある。

上記課題を解決するための本発明は、次のように構成されている。電極板長辺から外方に突き出た状態で電極板芯体に板状集電タブが取付けられた帯状の第1電極板と、前記第1電極板とは電気極性が異なる帯状の第２電極板とが、セパレータを介在させた状態で巻回されてなる渦巻電極体が、円筒形電池缶に収容された円筒形リチウムイオン電池において、前記第２電極板の長辺上端が、前記第１電極板の長辺上端よりも長辺直交方向に突出しており、前記第１電極板の板状集電タブが、足部と、前記足部よりも幅広の胴部と、前記足部と前記胴部の間にあって前記足部から前記胴部に向かって末広がりに広がった繋ぎ部と、を有し、平面視において前記足部と前記繋ぎ部との間および前記繋ぎ部と前記胴部との間に９０°以下の鋭角が存在しない形状であり、前記足部のみが、前記第1電極板芯体に通電可能に固定され、前記繋ぎ部の一部または全部が、前記第１電極板に重ならないで前記第２電極板に重なる位置に位置し、前記胴部が、前記渦巻電極体の一方端面から外方に突出している、ことを特徴とする。

上記構成にかかる板状集電タブは、末広がりに広がった繋ぎ部を有し、足部のみが第1電極板芯体に通電可能に固定され、繋ぎ部の一部または全部が第１電極板に重ならないで第２電極板に重なる位置に位置するように配置されている。この配置であると、少なくとも、末広がりな繋ぎ部の最大幅部分である上端（繋ぎ部と胴部との境界）が、第1電極板の外側に位置することになる。言い換えると、第１電極板の長辺上端には胴部よりも幅の狭い部分（集電タブ繋ぎ部）が位置するように、集電タブが配置されている。それゆえ、全てが胴部幅である従来型集電タブに比較し、巻回抵抗が小さくなり、巻き取り時の最大径が小さくなる。

更に、第1電極用の板状集電タブは、足部と繋ぎ部との間および繋ぎ部と胴部との間に、９０°以下の鋭角が存在しない形状としてあるので、巻き取りの際または巻き取り後に、板状集電タブの角がセパレータを突き破って第２電極板と接触する事故が防止できる。更にまた、電流取り出し路である集電体胴部の幅を足部及び繋ぎ部よりも幅広にしてあるので、足部が集めた電気を外部側に円滑に導電させることができる。

以上から、上記構成によると、渦巻電極体の体積を増加させることなく、内部抵抗を低減し得た円筒形リチウムイオン電池を実現することができる。

上記本発明にかかる円筒形リチウムイオン電池においては、前記第1電極板が正極板であり、前記板状集電タブがアルミニウム製である構成とすることができる。

リチウムイオン電池の正極芯体としては、耐食性やコストを考慮して通常アルミニウム箔が用いられ、そこに接続する正極用集電タブとして、溶接性を考慮してアルミニウム製箔が好ましく用いられる。

本発明は、渦巻電極体の体積を無用に増加させず、しかも内部抵抗を高めない集電タブ構造を案出し、これを用いることによって、高体積エネルギー密度で大電流出力が可能な円筒形リチウムイオン電池をコスト上昇を伴うことなく提供するという顕著な効果を実現した。

図１は、本発明にかかる電池の断面部分解体斜視図である。 図２は、実施例１の円筒形リチウムイオン電池に用いた正極集電タブの形状を示す平面図である。 図３は、実施例１の円筒形リチウムイオン電池に用いる集電タブ付き正負電極板を示す平面図である。 図４は、渦巻電極体の概略を示す部分展開図である。 図５は、本発明にかかる集電タブの他の形態を示す平面図である。 図６は、比較例１にかかる正極集電タブの平面図である。 図７は、比較例２にかかる正極集電タブの平面図である。

実施例および比較例により、本発明の内容を説明する。
〈実施例1〉
図１は実施例１にかかる円筒形リチウムイオン電池の断面部分解体斜視図であり、図２は実施例１にかかる円筒形リチウムイオン電池の主要要素である第1電極板用集電タブ（正極集電タブ）を示す平面図である。図３（ａ）は第1電極板用集電タブ付きの第1電極板（正極板）の平面図であり、図３（ｂ）は第２電極板用集電タブ付きの第２電極板（負極板）の平面図である。図４は、渦巻型電極体の巻回状態を示す部分展開図である。これら図面に基づいて、実施例１にかかる円筒形リチウムイオン電池の作製方法を説明する。

図１に示すように、本発明にかかる電池は、正極板３と負極板４とセパレータ５とを備える渦巻電極体２が、円筒形の電池缶１内に挿入されている。電池缶１の開口部は封口体６により封口されている。また、負極板４は負極集電タブ４ａを介して電池缶１と電気的に接続されており、正極板３は正極集電タブ３ａを介して封口体６と電気的に接続されている。すなわち、電池缶１が負極外部端子を兼ね、封口体６が正極外部端子を兼ねる構造である。また、電池缶１内には、非水電解質が注液されている。

〈正極板〉
幅５５ｍｍ、長さ８８０ｍｍ、厚み０.１０ｍｍのアルミニウム箔からなる正極芯体を用意し、この正極芯体に正極活物質合剤層を形成した。具体的には次のようにして作製した。

正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂ （平均粒径：５μｍ）と、導電剤としての人造黒鉛と、を質量比で９：１の割合で混合し正極合剤となし、この正極合剤に、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合してスラリーを調製した。このスラリーを、集電タブ取付け予定領域を除き、正極芯体としてのアルミニウム箔の両面にドクターブレード法で塗布した。この後、スラリー層を乾燥し、スラリー層をローラーで加圧して、片面厚み５０μｍの正極活物質合剤層付き正極板３を作製した。

〈正極集電タブ〉
アルミニウム箔を用意し、図２に示すように、足部１１と胴部１３と、両者の中間に位置する繋ぎ部１２とを有する形状に裁断加工した。足部１１は長さ５０ｍｍ、幅Ｗ２は３ｍｍ、胴部１３は長さ１３ｍｍ、幅Ｗ１は５ｍｍとした。繋ぎ部１２は、足部１１の上端（足部幅Ｗ２）と胴部１３の下端（胴部幅Ｗ１）とを繋ぐ曲線部分（角落ち部分）であり、その長さは２ｍｍとした。

〈正極集電タブの取付け〉
正極集電タブ３ａを、上記正極電極板３の集電タブ取付け予定領域（芯体露出部分）に超音波溶接法を用いて溶接固定した。具体的には次のように行った。正極集電タブ３ａの繋ぎ部１２の下端（下端仮想線）と芯体の長辺上端を合わせた状態で、正極集電タブ３ａの足部１１を芯体露出部に当接させ、胴部１３を正極板３の長手方向に直交する方向に突出させた。この状態で、足部１１が当接した電極板部分に表裏両面側から超音波を当て、足部１１を正極板３に溶接固定した（図３（ａ）参照）。

〈負極板〉
幅５７ｍｍ、長さ９６０ｍｍ、厚み０.０９ｍｍの銅箔からなる負極芯体を用意し、この負極芯体に負極活物質合剤層を形成した。具体的には次のように行った。負極活物質としての黒鉛粉末（平均粒径１８μｍ）と、結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）のディスパージョン（固形分：４８％）と、を水に分散させ、更に、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を添加して、スラリーを調製した。このスラリーを、集電タブ取付け予定領域を除き、負極芯体としての銅箔の両面にドクターブレード法で塗布し乾燥した。この後、合剤層面をローラーで加圧し乾燥して、合剤層の片面厚みが５０μｍの負極板４を作製した。

なお、黒鉛粉末とＳＢＲとＣＭＣとの混合割合は、負極乾燥後の質量比で１００：３：２とした。

〈負極集電タブ〉
厚み０.１０ｍｍの銅箔を図３（ｂ）の符号４ａに示す形状（幅３ｍｍ、長さ５０ｍｍ）に裁断加工し、負極集電タブ４ａとした。

〈負極集電タブの取付け〉
上記正極集電タブの場合と同様な方法で、負極集電タブ４ａを負極板４の集電タブ取付け予定領域に溶接固定した（図３（ｂ）参照）。ただし、負極集電タブ４ａは、変化のない帯状であり、足部や胴部、繋ぎ部を有さないので、正極集電タブの場合のように特別な位置合わせはしなかった。

〈セパレータ〉
セパレータとして、幅５９ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、厚み０.０２２ｍｍのイオン透過性のポリエチレン製微多孔膜を用いた。

〈渦巻電極体の作製〉
図４に示すように、集電タブ３ａ付き正極板３と集電タブ４ａ付き負極板４とを両者の間にセパレータ５を介在させ、負極板４の上下端が正極板３よりも外側に突出するようにして両電極板を重ね合わせ、３者を渦巻状に巻回し渦巻電極体２を作製した。

〈電池の組み立て〉
上記渦巻電極体２を高さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍの円筒形電池缶１に収容し、正極電極タブ３ａを外部電極端子を兼ねる封口体６に接続し、負極集電タブ４ａを負極端子を兼ねる電池缶１にスポット溶接した。この後、電池缶内に非水溶媒と電解質塩を含む非水電解液を注液し、電池缶を密閉して実施例１の円筒形リチウムイオン電池を完成させた。

なお、実施例１の円筒形リチウムイオン電池には、安全弁や内部短絡を防止するための絶縁性部材など、上記で説明しなかった要素を組み込むことができる。

〈比較例1〉
実施例１の正極集電タブ３ａに代えて、幅（ａ１）３ｍｍ，長さ（ｂ1）６５ｍｍ、厚み３ｍｍの変化のない帯状集電タブ（図６参照）を用い、下方５０ｍｍ部分を正極芯体にあてがって溶接したこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１にかかる渦巻電極体および円筒形リチウムイオン電池を作製した。

〈比較例２〉
実施例１の正極集電タブ３ａに代えて、幅（ａ2）５ｍｍ，長さ（ｂ2）６５ｍｍ、厚み３ｍｍの変化のない帯状集電タブ（図７参照）を用い、下方５０ｍｍ部分を正極芯体にあてがって溶接したこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１にかかる渦巻電極体および円筒形リチウムイオン電池を作製した。

〈電池の評価〉
実施例１、比較例２及び３にかかる渦巻電極体を３個づつ作製し、それぞれの巻き取り後の渦巻電極体最大径および最小径を測定した。また、これら渦巻電極体を用いた円筒形リチウムイオン電池の内部抵抗を測定した。内部抵抗は、測定電流周波数1kHzの日置電機製ACミリオームハイテスターにて測定した。これらの結果を表１，２に示す。

表１において、足部幅が３ｍｍで胴部幅が５ｍｍの集電タブを用いた実施例１の渦巻電極体と、幅が３ｍｍ均一の帯状集電タブを用いた比較例１の渦巻電極体と間には、最大径および最小径の何れにおいても差が認められなった。その一方、表２において、実施例１の電池は、比較例１の電池よりも内部抵抗が小さかった（１２.８ｍΩ：１３.５ｍΩ）。

他方、実施例１の渦巻電極体と、幅が５ｍｍ均一の帯状集電タブを用いた比較例２の渦巻電極体との比較においては、渦巻電極体の最小径には実質的な差が認められなかったが、最大径には差が認められ、実施例１よりも比較例２の方が大きかった（表１；１６.９６ｍｍ：１７.０１ｍｍ）。しかし、内部抵抗については、両者間に差がなかった（表２参照）。

また、実施例１の渦巻電極体において、正極集電タブ３ａの繋ぎ部の下端によりセパレータ表面が傷つけられていないことや、セパレータ表面が突かれた状態になっていないことを目視で確認した。

以上の結果から、胴部幅よりも足部幅を小さくし、かつ足部と胴部を末広がり形状とし角を存在させない形状の集電タブを用いる本発明によると、集電における内部抵抗を高めることなく、渦巻電極体の体積を小さくすることができることが判る。また、胴部幅よりも足部幅を小さくしても、足部と胴部の間に９０度以下の鋭角な角が存在する形状であると、巻回時または巻回後に角がセパレータを突き破り、対向する負極板と接触する恐れが高まる。この恐れを除去するためには、足部と胴部の間には、９０度以下の鋭角な角が存在しない形状とする必要がある。

〔追記事項〕
（１）上記実施例１では、足部と胴部の間に曲線状末広がりな繋ぎ部を有する集電タブを用いたが、これに代えて、図５に示すような、ハの字状末広がりな繋ぎ部を有する集電タブを用いることもできる。また、繋ぎ部の末広がり形状には、Ｌ字の角を落としたいわゆる角落ち形状も含まれる。

（２）上記実施例１では、正極集電タブ１の繋ぎ部１２の下端（下端仮想線）と正極芯体の長辺上端を合わせたが、繋ぎ部１２の下端を芯体の長辺より若干上方に位置させてもよく、この場合においても繋ぎ部１２の下端は、第２電極板である負極板と重なり合う位置に位置させる。なお、繋ぎ部１２の上端は必ずしも第２電極板と重なり合う位置に位置させる必要はない。

本発明によると、従前と殆ど変わらない製造方法を用い、コスト上昇を伴うことなく、高体積エネルギー密度で大電流出力が可能な円筒形リチウムイオン電池を実現することができる。よって、本発明の産業上の利用可能性は高い。

1 電池缶
２ 渦巻電極体
３ 第1電極板（正極板）
３ａ 第1電極板用集電タブ（正極集電タブ）
４ 第２電極板（負極板）
４ａ 第２電極板用集電タブ（負極集電タブ）
５ セパレータ
６ 封口体
１１ 足部
１２ 繋ぎ部
１３ 胴部

Claims (2)

1. 電極板長辺から外方に突き出た状態で電極板芯体に板状集電タブが取付けられた帯状の第1電極板と、前記第1電極板とは電気極性が異なる帯状の第２電極板とが、セパレータを介在させた状態で巻回されてなる渦巻電極体が、円筒形電池缶に収容された円筒形リチウムイオン電池において、
   前記第２電極板の長辺上端は、前記第１電極板の長辺上端よりも長辺直交方向に突出しており、
   前記第１電極板の板状集電タブは、足部と、前記足部よりも幅広の胴部と、前記足部と前記胴部の間にあって前記足部から前記胴部に向かって末広がりに広がった繋ぎ部と、を有し、平面視において前記足部と前記繋ぎ部との間および前記繋ぎ部と前記胴部との間に９０°以下の鋭角が存在しない形状であり、
   前記足部のみが、前記第1電極板芯体に通電可能に固定され、
   前記繋ぎ部の一部または全部が、前記第１電極板に重ならないで前記第２電極板に重なる位置に位置し、
   前記胴部が、前記渦巻電極体の一方端面から外方に突出している、
   ことを特徴とする円筒形リチウムイオン電池。
2. 請求項１に記載の円筒形リチウムイオン電池において、
   前記第1電極板が正極板であり、前記板状集電タブがアルミニウム製である、
   ことを特徴とする円筒形リチウムイオン電池。