JP2011146181A

JP2011146181A - 扁平捲回式二次電池

Info

Publication number: JP2011146181A
Application number: JP2010004573A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Takimoto; 一樹瀧本; Mikio Oguma; 幹男小熊
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP5406733B2

Abstract

【課題】蓄電素子の充放電に伴う電極の膨張により発生する応力を緩和することによって、電極芯材及び電池容器の変形を抑制し、優れた寿命特性を有する扁平捲回式二次電池を提供する。
【解決手段】正極と、負極と、これらの間に挟まれたセパレータとを絶縁性芯材１１に捲回して形成した電極捲回群を容器に収容した扁平捲回式蓄電素子であって、該芯材に薄肉部、切り欠き部又は切り抜き部２０３等を設けて、電極の膨張を吸収する機能を持たせる。
【選択図】図４

Description

本発明は、扁平捲回式二次電池に関する。

扁平捲回式二次電池は、電池の充放電における電極の膨張の影響により、電池の平坦部に膨れが生じ、電極対向不良による電池容量の低下や、電極間距離の増加による抵抗の増大が問題となる。

この問題を解決する技術の１つとして、特許文献１には、正極、負極及びこれらの間に介在配置されたセパレータが捲回され、横断面が扁平な形状を有する捲回体を備え、該捲回体の中心部に板状の芯材を配置した非水電解液二次電池が開示されている。この非水電解液二次電池によれば、正極及び負極等は芯材の周りに隙間なく捲回されているため、電極の膨張に起因する応力を芯材が受け止めることができ、座屈などの電極の変形が抑制できると記載されている。

特開２００８−４７３０４号公報

本発明の目的は、電池の充放電による芯材及び電池容器の変形を抑制するとともに、優れた寿命特性を有する扁平捲回式二次電池を提供することにある。

本発明の扁平捲回式二次電池は、正極と、負極と、これらの間に挟まれたセパレータとを芯材に捲回して形成した電極捲回群を収容している。そして、前記芯材は、薄肉部、切り欠き部又は切り抜き部を有することを特徴とする。

本発明によれば、電池の充放電に伴って電極捲回群に生じる応力を緩和することができ、電池缶の膨れを抑制し、扁平捲回式二次電池の寿命を長くすることができる。

実施例の扁平捲回式二次電池の電極捲回群を示す斜視図である。実施例の扁平捲回式二次電池を示す外観斜視図である。実施例の扁平捲回式二次電池を示す縦断面図である。実施例である扁平捲回式二次電池の芯材を示す斜視図である。実施例である扁平捲回式二次電池の芯材を示す斜視図である。実施例である扁平捲回式二次電池の芯材を示す斜視図である。実施例である扁平捲回式二次電池の芯材を示す斜視図である。実施例である扁平捲回式二次電池の芯材を示す斜視図である。実施例である扁平捲回式二次電池の充電前の状態を示す断面図である。実施例である扁平捲回式二次電池の充電後の状態を示す断面図である。実施例及び比較例の扁平捲回式二次電池の充放電サイクルにおける電池厚さの変化を示すグラフである。実施例及び比較例の扁平捲回式二次電池の充放電サイクルにおける直流抵抗の変化を示すグラフである。

本発明は、電気自動車（ＥＶ）や駆動の一部を電気モーターで補助するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等に使用する扁平捲回式二次電池に関する。

以下、本発明の実施形態である扁平捲回式二次電池について説明する。

（構成）
本実施形態は、基本的に次のように構成する。

前記扁平捲回式二次電池は、正極と、負極と、これらの間に挟まれたセパレータとを芯材に捲回して形成した電極捲回群を収容している。そして、芯材は、薄肉部、切り欠き部又は切り抜き部を有する。

前記扁平捲回式二次電池は、芯材が樹脂で形成され、絶縁性を有することが望ましい。

前記扁平捲回式二次電池は、薄肉部、切り欠き部又は切り抜き部を芯材の幅広部の中心部に設けてあることが望ましい。

前記扁平捲回式二次電池は、芯材の捲回軸方向の端部領域における厚さを芯材の厚さのうち最も厚くしてあることが望ましい。ここで、端部領域とは、芯材の捲回軸方向の端部に位置する幅広部のうち、一定の面積を有する領域をいう。

以下、図を用いて本実施形態を説明する。

図１は、実施例の扁平捲回式二次電池の電極捲回群を示す斜視図である。

本図において、帯状の正極シート１０６及び負極シート１０８がセパレータ１０ａ、１０ｂを介して対向するように芯材１１の周りにロール状に捲回され、電極捲回群５を形成している。セパレータ１０ａ、１０ｂは、厚さが１５〜５０μｍ程度の範囲であり、幅が正極シート１０６及び負極シート１０８の幅より大きくしてある。

ここで、芯材１１は、樹脂で形成され、絶縁性を有することが望ましい。ここで用いる樹脂は、電池の使用条件における耐熱性も要求されるため、ポリプロピレン（ＰＰ）等が望ましい。また、ガラス繊維等で強化されたポリプロピレン等が更に望ましい。

正極シート１０６には、正極合剤を塗工した正極合剤塗工部６ａ及び正極合剤を塗工していない正極合剤未塗工部６ｂが形成されている。また、負極シート１０８には、負極合剤を塗工した負極合剤塗工部８ａ及び負極合剤を塗工していない負極合剤未塗工部８ｂが形成されている。

正極合剤未塗工部６ｂ及び負極合剤未塗工部８ｂを切り欠くことによって複数の正極集電タブ７（正極リード片とも呼ぶ。）及び負極集電タブ９（負極リード片とも呼ぶ。）を形成する。正極集電タブ７及び負極集電タブ９はそれぞれ、互いに電極捲回群５の反対側の両端面に配置してある。また、電極捲回群５の最外周部には、電極捲回群５と電池缶１との電気的接触を防止するために絶縁被覆が設けてある。

正極合剤未塗工部６ｂ及び負極合剤未塗工部８ｂに正極集電タブ７及び負極集電タブ９を形成しない場合、電極シート（正極シート１０６及び負極シート１０８）をプレス（加圧）する際に電極合剤塗工部（正極合剤塗工部６ａ及び負極合剤塗工部８ａ）と電極合剤未塗工部（正極合剤未塗工部６ｂ及び負極合剤未塗工部８ｂ）におけるプレス圧の差異によって電極に歪みが発生し、捲回不良の原因となる。

電極捲回群５を構成する正極シート１０６は、リチウムイオン電池の場合には正極集電体としてアルミニウム箔を用いている。アルミニウム箔の厚さは、５〜２０μｍ程度が望ましい。

アルミニウム箔の両面には、例えば、リチウム複合酸化物等の活物質に黒鉛等の導電剤及びポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）等のバインダ（結着剤）を配合し、Ｎ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）等の分散溶媒で粘度を調整した正極合剤を塗工する。

正極合剤を塗工した後、乾燥し、ロールプレスで密度が調整される。

正極合剤の密度は、使用する活物質及び導電剤によって最適値が異なるが、概ね２．０〜３．５ｇ／ｃｍ^３とするとよい。

一方、負極シート１０８には、負極集電体として銅箔を用いている。銅箔の厚さは、５〜１５μｍが望ましい。

銅箔の両面には、例えば、黒鉛等の活物質にアセチレンブラック等の炭素系導電剤及びＰＶＤＦ等のバインダを配合し、ＮＭＰ等の分散溶媒で粘度を調整した負極合剤を塗工する。

負極合剤を塗工した後、乾燥し、ロールプレスで密度が調整される。

負極合剤の密度は、使用する活物質等によって最適値が異なるが、概ね１．０〜２．０ｇ／ｃｍ^３とするとよい。

正極シート１０６及び負極シート１０８を捲回した後、電極捲回群５の最内周部及び最外周部において捲回周方向に正極シート１０６が負極シート１０８からはみ出して重ならないことがないように、負極シート１０８の長さは、正極シート１０６の長さより長くしてある。

また、負極シート１０８の負極合剤塗工部８ａの幅は、デンドライトの析出等を考慮して、電極捲回群５の捲回周方向において正極合剤塗工部６ａの幅よりも広くしてある。

図２は、実施例の扁平捲回式二次電池を示す外観斜視図である。

本図に示す電池１００は、図１に示した電極捲回群５をアルミ製の扁平筒型の電池缶１に収容したものである。また、外部端子として正極端子２及び負極端子３が設けてあり、正極端子２及び負極端子３と電池缶１とを絶縁するためのガスケット（図示せず）、電極捲回群５を固定するナット（図示せず）、及び、電解液を電池１００の内部に注入するための注液口４が設けてある。

図３は、実施例の扁平捲回式二次電池を示す縦断面図である。

本図において、電池１００の正極集電タブ７は、超音波溶接により正極集電板１２に溶接されている。同様に、負極集電タブ９は、超音波溶接により負極集電板１３に溶接されている。

なお、本実施例においては、超音波溶接を例示したが、溶接方法はこれに限定されるものではなく、レーザー溶接等の溶接方法も適用することができる。

本図においては、電池蓋１６を用いて捲回軸方向の両端部を密封してある。電池蓋１６は、電池缶１にレーザー溶接等で固定してある。

電池蓋１６には、外部端子として正極端子２及び負極端子３を電池１００の外部に取り出すための開口部が設けてあり、正極端子２及び負極端子３と電池蓋１６とを絶縁するためのガスケット１４、正極端子２及び負極端子３の部位で電極捲回群５を固定するナット１５、及び、電解液を電池１００の内部に注入するための注液口４が設けてある。

注液口４から電解液を注入した後、合成樹脂製のスリーブを介してブラインドリベットにより密閉されている。リチウムイオン電池の場合、電解液としては、エチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の混合溶媒中に六フッ化リン酸リチウムを１ｍｏｌ／Ｌ（モル／リットル）の濃度となるように溶解した非水電解液が用いられる。

電極捲回群５は、正極シート１０６と負極シート１０８とが直接接触しないようにポリエチレン等の多孔性のセパレータ１０を介して芯材１１の周囲に捲回してある。

図４〜８は、実施例である扁平捲回式二次電池の芯材を示す斜視図である。

図４においては、芯材１１の外枠部２０１及び中心部２０２を残して切り抜いた構造を有し、２か所の切り抜き部２０３を有している。この２か所の切り抜き部２０３で電極の膨張を吸収する。

図５においては、芯材１１の捲回軸方向の上端部２１１及び下端部２１２と中心部２０２を残して切り欠いた構造（切り欠き部２０４）を有する。この２か所の切り欠き部２０４で電極の膨張を吸収する。

図６においては、芯材１１の捲回軸方向の上端部２１１及び下端部２１２の間に芯材１１の厚さが薄くなった部分（薄肉部２２１）を有している。この薄肉部２２１により形成された凹部で電極の膨張を吸収する。

図７においては、芯材１１の外枠部２０１を残して切り抜いた構造を有し、１か所の切り抜き部２０３を有している。この１か所の切り抜き部２０３で電極の膨張を吸収する。

図８においては、芯材１１の外枠部２０１を残して円形状に切り抜いた構造を有し、１か所の切り抜き部２０３を有している。この１か所の切り抜き部２０３で電極の膨張を吸収する。本図の場合、切り抜き部２０３に角がないため、芯材１１が力を受けた場合に応力集中が生じにくくなり、芯材１１の強度を高めることができる。

図４〜８においては、いずれも芯材１１の捲回軸方向の上端部及び下端部における一定領域（端部領域）の厚さを薄肉部２２１に比べて厚くしてある。言い換えると、芯材１１の捲回軸方向の上端部及び下端部に芯材１１の厚さのうち最も厚い領域を設けている。これにより、芯材１１の幅広部に位置する電極（電極シート）が膨張した際、上記の上端部及び下端部に位置する電極を支持して変形を抑制し、芯材１１の幅広部に位置する電極全体が切り欠き部２０４、切り抜き部２０３又は薄肉部２２１に進入して電極を構成する金属箔の破断又は座屈を防止することができる。ここで、芯材１１の幅広部とは、芯材１１の表面のうち、芯材１１の捲回周方向の幅が最も広い平面部をいう。この平面部には、切り欠き部２０４、切り抜き部２０３又は薄肉部２２１等によって形成される凹凸があってもよい。

なお、電極を支持して変形を抑制する作用が得られるならば、上記の上端部及び下端部に位置する芯材１１のうち、いずれか一方の端部領域を厚くすることで足りる。

（電池の組立て）
扁平捲回式二次電池の組立てについて図１及び３を用いて説明する。

まず、芯材１１にセパレータ１０の一端（巻き始め部）をテープ等で固定する。

巻き始めにセパレータ１０のみを２〜３周程度捲回した後、正極シート１０６及び負極シート１０８を、正極シート１０６の電極幅が負極シート１０８の電極幅の内側に位置するように対向し、かつ正極集電タブ７と負極集電タブ９とが互いに反対方向に位置するように捲回する。

正極シート１０６と負極シート１０８とを捲回した後に電極捲回群５の最外周部で電極が露出しないように、巻き終わりにセパレータ１０を２〜３周程度捲回する。

以下、図３を用いて説明する。

作製した電極捲回群５の捲回軸方向の端部に設けてある正極集電タブ７及び負極集電タブ９をそれぞれ、正極集電板１２及び負極集電板１３に超音波溶接した後、電極捲回群５の最外周部に電極捲回群５と電池缶１を絶縁するための被覆を施し、電極捲回群５を電池缶１に挿入する。

電池蓋１６を電池缶１にはめ込み、ガスケット１４を介してナット１５により固定する。電池蓋１６と電池缶１との接合部は、レーザー溶接等により溶接する。この状態で６０℃、２０時間の真空乾燥を施す。

真空乾燥後、電池蓋１６に備えられた注液口４から電解液を注入する。電解液を注入した後、注液口４に合成樹脂製のスリーブを介してブラインドリベットを装着することにより電池１００を密閉して組立てを完成させる。

（作用等）
以下、本実施形態の扁平捲回式二次電池の作用等について説明する。

図４〜８に示すように、本実施形態の扁平捲回式二次電池においては、薄肉部、切り欠き部又は切り抜き部を有する芯材１１を用いている。

図９Ａは、実施例である電極捲回群の充電前の状態を示す断面図であり、図９Ｂは、実施例である電極捲回群の充電後の状態を示す断面図である。ここで、芯材１１は、図７のものを用いている。

図９Ａの充電前においては、芯材１１の幅広部の電極シート４０１（正極シート又は負極シート）が変形せず、真っ直ぐな状態である。これに対して、図９Ｂの充電後においては、電極シート４０１が膨張して生じた変形部分を切り抜き部２０３に逃がすことができる。このため、電池の充放電に伴う電極の膨張により発生する電池缶への応力を緩和することができ、電池の寿命を長くすることができる。

本実施形態においては、リチウムイオン電池を例示したが、これに限定されることはなく、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等のあらゆる電極捲回式二次電池（蓄電デバイス）に適用できる。このため、電池に使用される電極活物質、導電剤及び電解液等に関しても、特に例示したものに限定されるものではなく、上記の蓄電デバイスに通常用いられるいずれのものも使用可能である。

以下、扁平捲回式二次電池の実施例について説明する。なお、比較例についても併記する。

実施例１は、図４に示す芯材を用いたものである。

（比較例１）
比較例１は、切り抜き等の加工を行っていない平板状の芯材を使用したものである。芯材以外の部分については実施例と同様とした。

（電池評価試験）
実施例及び比較例の扁平捲回式二次電池について寿命特性を評価した。

充放電試験は、２５℃の恒温槽内において充電の終止電圧を４．２Ｖ、電流値を１ＣＡとして１．５時間定電流・定電圧充電し、同様の電流値で３．０Ｖまで定電流放電する試験を５００サイクル繰り返した。また、１００サイクルごとに電池の厚さ及び直流抵抗（ＤＣＲ）を測定した。

図１０は、実施例及び比較例の扁平捲回式二次電池の充放電サイクルにおける電池厚さの変化を示すグラフである。

横軸にサイクル数Ｎをとり、縦軸に電池厚さ変化量をとっている。

本図に示すように、実施例１の電池厚さ変化量は、比較例１と比較して小さいことがわかる。

図１１は、実施例及び比較例の扁平捲回式二次電池の充放電サイクルにおける直流抵抗の変化を示すグラフである。

横軸にサイクル数Ｎをとり、縦軸にＤＣＲ変化をとっている。

本図に示すように、ＤＣＲについても実施例１の場合、比較例１と比較して変化が小さいことがわかる。

以上より、芯材に切り抜き部を設けることにより、電池厚さ変化量及びＤＣＲ変化を抑制することができ、寿命特性を改善する（長寿命化する）ことができることが確認された。

本発明によれば、電池の充放電における電極の膨張により芯材及び電池缶に加わる応力を低減することができ、芯材及び電池缶の変形や電極の座屈を防止することができる。

また、本発明によれば、芯材の質量を低減することができ、電池全体の軽量化にも寄与し得る。

さらに、本発明によれば、集電効率、エネルギー密度及び出力密度が高く、かつ、信頼性及び生産性の高い扁平捲回式二次電池を提供することができる。

本発明は、扁平捲回式の二次電池を適用することができる。

１：電池缶、２：正極端子、３：負極端子、４：注液口、５：電極捲回群、７：正極集電タブ、９：負極集電タブ、１０：セパレータ、１１：芯材、１２：正極集電板、１３：負極集電板、１４：ガスケット、１５：ナット、１６：電池蓋、１００：電池、１０６：正極シート、１０８：負極シート、２０３：切り抜き部、２０４：切り欠き部、２２１：薄肉部。

Claims

正極と、負極と、これらの間に挟まれたセパレータとを芯材に捲回して形成した電極捲回群を収容した扁平捲回式二次電池であって、前記芯材は、薄肉部、切り欠き部又は切り抜き部を有することを特徴とする扁平捲回式二次電池。
前記芯材が樹脂で形成され、絶縁性を有することを特徴とする請求項１記載の扁平捲回式二次電池。
前記薄肉部、前記切り欠き部又は前記切り抜き部を前記芯材の幅広部の中心部に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の扁平捲回式二次電池。
前記芯材の捲回軸方向の端部領域における厚さを前記芯材の厚さのうち最も厚くしてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の扁平捲回式二次電池。