JP2011159491A - 扁平形非水二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 信頼性が高く、生産性が良好な扁平形非水二次電池を提供する。
【解決手段】 正極端子を兼ねる正極ケースと負極端子を兼ねる負極ケースとが絶縁ガスケットを介してカシメ封口されて形成された空間内に、複数の正極と複数の負極とをセパレータを介して積層した電極群および非水電解液を有している扁平形非水二次電池であって、正極は、本体部と、本体部から突出した集電タブ部とを有しており、全ての正極の集電タブ部が纏められて電極群の外装ケース側の外面上に折り返されて、正極ケースと電気的に接続しており、正極の各集電タブ部の両面に配置されたセパレータの張り出し部の位置を適正化したことを特徴とする扁平形非水二次電池により、前記課題を解決する。
【選択図】 図２
【解決手段】 正極端子を兼ねる正極ケースと負極端子を兼ねる負極ケースとが絶縁ガスケットを介してカシメ封口されて形成された空間内に、複数の正極と複数の負極とをセパレータを介して積層した電極群および非水電解液を有している扁平形非水二次電池であって、正極は、本体部と、本体部から突出した集電タブ部とを有しており、全ての正極の集電タブ部が纏められて電極群の外装ケース側の外面上に折り返されて、正極ケースと電気的に接続しており、正極の各集電タブ部の両面に配置されたセパレータの張り出し部の位置を適正化したことを特徴とする扁平形非水二次電池により、前記課題を解決する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、信頼性が高く、生産性が良好な扁平形非水二次電池に関するものである。
一般にコイン形電池やボタン形電池と称される扁平形の非水二次電池では、正極と負極とがセパレータを介して対向して構成された電極群と、非水電解液とを、外装ケースと封口ケースと絶縁ガスケットとで形成された空間内に収容した構造を有している（特許文献１など）。
前記のような扁平形非水二次電池では、正極および負極に、集電体の片面または両面に正極合剤層や負極剤層を形成し、かつ集電体の一部を、正極合剤層や負極剤層を形成せずに露出させ、これを集電タブとして利用し、各正極および各負極の集電タブを、それぞれ纏めて溶接などし、これらの纏めた集電タブを、端子を兼ねる外装ケースや封口ケースの内面と溶接などして電気的に接続しているものがある。
ところで、近年では、扁平形非水二次電池の適用範囲が広がるにつれて、例えば小型化などの要請がある。しかし、扁平形非水二次電池では、小型のものなどのように電池の形状によっては、電池内が非常に狭いことから、電極群に係る纏めた正極の集電タブと、正極端子を兼ねる正極ケースの内面との溶接が困難となり、電池の生産性が損なわれる場合があり、電池の信頼性を高めつつ、その生産性の向上を図ることが求められる。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性が高く、生産性が良好な扁平形非水二次電池を提供することにある。
前記目的を達成し得た本発明の扁平形非水二次電池は、正極端子を兼ねる正極ケースと負極端子を兼ねる負極ケースとが絶縁ガスケットを介してカシメ封口されて形成された空間内に、複数の正極と複数の負極とがセパレータを介して交互に、かつ前記正極ケースおよび前記負極ケースの扁平面に略平行に積層されており、最外部に位置する電極がいずれも負極である電極群、および非水電解液を有する扁平形非水二次電池であって、前記正極は、本体部と、平面視で、前記本体部から突出した、前記本体部よりも幅の狭い集電タブ部とを有しており、前記正極の本体部には、集電体の片面または両面に正極活物質を含む正極合剤層が形成されており、前記正極の集電タブ部では、前記集電体に正極合剤層が形成されておらず、正極の両面には、熱可塑性樹脂製の微多孔膜からなるセパレータが配置されており、前記２枚のセパレータは、前記正極の本体部全面を覆う主体部と、前記主体部から突出し、前記正極の集電タブ部の、少なくとも本体部との境界部を含む部分を覆う張り出し部とを有しており、かつ前記２枚のセパレータは、その主体部の周縁部の少なくとも一部において、互いに溶着された接合部を有しており、前記電極群は、前記正極の各集電タブ部が纏められ、電極群における正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返されて正極ケースと電気的に接続しており、前記電極群に係る正極ケース側の最外部に位置する負極と、該負極上に折り返された正極の集電タブ部との間には、絶縁層が介在しており、前記電極群に係る正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返された前記正極の各集電タブ部のうち、前記負極に最も近い集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部は、主体部からの突出方向の長さが、前記負極に最も近い集電タブ部以外の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部よりも長く、かつ、その端部は、電池の扁平面に垂直な方向において、前記絶縁層の位置する箇所か、それよりも正極ケース側に位置しており、前記電極群に係る正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返された前記正極の各集電タブ部のうち、前記負極に最も近い集電タブ部以外の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部の端部は、電池の扁平面に垂直な方向において、正極ケース側に隣接する負極の位置する箇所よりも正極ケース側に位置しており、かつ前記正極の正極ケース側に、間に１つの負極を挟んで位置する正極の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部の端部よりも負極ケース側に位置していることを特徴とするものである。
なお、電池業界においては、高さより径の方が大きい扁平形電池をコイン形電池と呼んだり、ボタン形電池と呼んだりしているが、そのコイン形電池とボタン形電池との間に明確な差はなく、本発明の扁平形非水二次電池には、コイン形電池、ボタン形電池のいずれもが含まれる。
本発明によれば、信頼性が高く、生産性が良好な扁平形非水二次電池を提供することができる。
図１および図２に、本発明の扁平形非水二次電池の一例を模式的に示す。図１は、扁平形非水二次電池の電池ケース（正極ケース２および負極ケース３）および絶縁ガスケット４部分の断面を表す縦断面図であり、図２は図１の要部を拡大し、更に電極群の部分を断面にしたものである。図１および図２に示すように、扁平形非水二次電池１は、正極５および負極６を、それらの平面が電池の扁平面に略平行（平行を含む）となるように積層し、最外部の２つの電極を負極６（負極６Ｂ）とした積層型の電極群と、非水電解液（図示しない）とが、正極端子を兼ねる正極ケース（図１および図２では外装ケース）２、負極端子を兼ねる負極ケース（図１および図２では封口ケース）３および絶縁ガスケット４により形成される空間（密閉空間）内に収容されている。負極ケース３は、正極ケース２の開口部に絶縁ガスケット４を介して嵌合しており、正極ケース２の開口端部が内方に締め付けられ、これにより絶縁ガスケット４が負極ケース３に当接することで、正極ケース２の開口部が封口されて電池内部が密閉構造となっている。正極ケース２および負極ケース３は、ステンレス鋼などの金属製であり、絶縁ガスケット４は、ポリプロピレンなどの絶縁性を有する樹脂製である。
図３に正極５の平面図を模式的に示しているが、正極５は、本体部５ａと、平面視で、本体部５ａから突出した、本体部５ａよりも幅（図３中上下方向の長さ）の狭い集電タブ部５ｂとを有している。
正極５の本体部５ａは、集電体（図２中５２）の片面または両面に、正極合剤層５１が形成されている。そして、正極５の集電タブ部５ｂは、集電体５２表面に正極合剤層が形成されておらず、集電体５２が露出している。
また、負極についても、正極５と同様に、本体部と、平面視で、本体部から突出した、本体部よりも幅の狭い集電タブ部とを有しており、図１や図２に示すように、負極６の本体部６ａは、集電体６２の片面または両面に、負極剤層６１が形成されている。また、負極６の集電タブ部６ｂは、集電体６２表面に負極剤層が形成されておらず、集電体６２が露出している。
図１および図２に示す電池では、電極群の上下両端が負極６Ｂ、６Ｂとなっており、これらの負極６Ｂ、６Ｂは、集電体６２の片面（電池内側の面）にのみ、負極剤層６１を有している。一方、電極群の上下両端以外に配置されている負極Ａは、集電体６２の両面に負極剤層６１、６１を有している。
図１および図２に示す電池では、電極群の最上部に位置する負極６Ｂと負極ケース３との間、および電極群の最下部に位置する負極６Ｂと正極ケース２との間に、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミドなどで形成されたテープなどからなる絶縁層（絶縁シール）８が配置されている。この絶縁層８は、主に、電極群の最下部に位置する負極６Ｂと正極ケース２（正極ケース２と電気的に接続している正極の集電タブ部５ｂ）とを絶縁するためのものであるが、この絶縁層８には、電極群に係る各構成要素（正極、負極およびセパレータ）の位置ずれを抑えるための結束テープを使用することができ、その場合、図１および図２に示すように電極群の最上部に位置する負極６Ｂと負極ケース３との間にも絶縁層８が配置されることになる。
なお、図１および図２に示す電池では、電極群の有する全ての正極５に係る集電タブ部５ｂが纏められており、かつこれらの各集電タブ部５ｂが溶接されるか、または溶接などによって互いに接合されることなく、電極群における正極ケース２側の負極６Ｂ上（図１および図２中下側の負極６Ｂ上）に折り返されて、正極ケース２と接合されることなしに直接接することで電気的に接続している。
積層型の電極群を有する通常の扁平形非水二次電池では、正極と正極ケースとの電気的接続は、例えば、正極に係る集電タブ部を纏めて互いに溶接などにより接合し、これを正極ケースの内面（電極群が配置されていない箇所の内面）に溶接したりするなどする方法が採用されている。しかしながら、例えば、絶縁ガスケットの開口面積が非常に小さな扁平形電池などでは、正極ケース内で、集電タブ部との溶接などするための領域を確保することが困難である。
これに対し、本発明の扁平形非水二次電池では、全ての正極に係る集電タブ部を纏め、これらを電極群の正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返して正極ケースと接触させることで、正極ケースにおける電極群が配置されている箇所の内面を集電に利用しており、正極ケース内での、各正極の集電タブ部との溶接のための領域を不要としている。そのため、本発明の電池では、例えば、絶縁ガスケットの開口面積を非常に小さくするなどして、従来の方法では正極と正極ケースとの接続が困難な形状としても、かかる接続を容易にして、その生産性を高めている。
なお、電極群において、纏めた正極の各集電タブ部は、互いに溶接などにより接合しないことが好ましい。各集電タブ部を互いに溶接などにより接合する場合、その作業性の問題から、電極群の最外部に位置する負極上に折り返す前に接合することとなるが、一旦接合すると、より内側に位置する集電タブ部と、より外側に位置する集電タブ部とで、互いの位置が固定されることになる。ところが、纏められた集電タブ部を電極群の最外部に位置する負極上に折り返す際には、その屈曲部（湾曲部）においては、より内側に位置する集電タブ部は短くて済み、より外側に位置する集電タブ部はより長い必要がある。よって、折り返された集電タブ部の屈曲部において、内側に位置する集電タブ部が余って、たわんでしまい、これにより折り返した正極の集電タブ部が元に戻ってしまう虞がある。
一方、纏めた正極の各集電タブ部を互いに接合しない場合には、電極群の最外部に位置する負極上に折り返した際に、その屈曲部において、内側に位置する集電タブ部と外側に位置する集電タブ部とで位置ずれが生じるために、内側に位置する集電タブ部のたわみを抑えて、電極群の最外部に位置する負極上へ折り返した後の正極の集電タブ部の戻りを良好に抑制できる。
なお、本発明の電池の有する電極群に係る負極と、負極ケース（封口ケース）との電気的接続については、例えば、下記の（１）および（２）の方法を採用することができる。
（１）電極群に係る負極ケース側の最外部に位置する負極を、集電体の片面にのみ負極剤層を形成して構成し、集電体の露出面を電極群の外面として、負極ケースと直接接触させて電気的に接続する。なお、電極群に係る負極ケース側の最外部に位置する負極と、電極群の有するその他の負極とは、各集電タブ部を纏めて溶接するなどして接合すればよい。
（２）図１に示すように、電極群に係る負極について、全ての集電タブ部を纏め、電極群の負極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返し、負極ケース内面と電気的に接続する。この場合、纏められた負極の各集電タブ部は互いに溶接などにより接合してもよく、互いに接合しなくてもよいが、正極の集電タブ部とは異なり、負極の集電タブ部の両面にはセパレータの張り出し部を配置しなくてもよいため、纏めた負極の集電タブ部を折り返しても、正極の集電タブ部よりは戻りの問題が発生し難い。よって、纏められた負極の各集電タブ部は互いに溶接することがより好ましく、この場合には、電池の組み立て時において、負極の集電タブ部同士がバラけることによる電池の生産性の低下を抑制することができる。
図４に、本発明の電池に係るセパレータの平面図を模式的に示す。なお、図４では、セパレータ７とともに、正極、負極およびセパレータが積層された積層型の電極群とした場合を想定して、セパレータ７の下に配置される正極５を点線で示し、それらの更に下側に配置される負極に係る集電タブ部６ｂを一点鎖線で示している。また、図４に示す正極５は、電極群において、その両側（両面）が負極と対向するものであり、図４では図示していないが、電極群とした場合、セパレータ７の上側（図中手前方向）には、少なくとも負極が配置される。
図４に示すように、セパレータ７と、正極５（図中点線で表示）を介してその下側（図中奥行き方向）に配置される他のセパレータとは、その周縁部において互いに溶着された接合部７ｃ（図中、格子模様で表示）を有している。すなわち、セパレータ７と、その下側に配置されたセパレータとは、周縁部で互いに溶着されて袋状となっており、その内部に正極５を収容している。
セパレータ７は、正極５の本体部５ａ全面を覆う主体部７ａ（すなわち、正極５の本体部５ａよりも平面視での面積が大きな主体部７ａ）と、主体部７ａから突出し、正極５の集電タブ部５ｂの、本体部５ａとの境界部を少なくとも含む部分を覆う張り出し部７ｂとを有している。そして、セパレータ７の主体部７ａの周縁部の少なくとも一部に、正極５の両面に配置された２枚のセパレータ（セパレータ７と、正極５の下側に配置されたセパレータ）同士を互いに溶着した接合部７ｃを設けている。
本発明の扁平形非水二次電池では、前記のように、正極の両面に配置された２枚のセパレータを接合するための接合部を、セパレータの主体部の周縁部に設けるが、セパレータの張り出し部の周縁部（セパレータの張り出し部の周縁部のうち、主体部からの突出方向に沿う部分）にも接合部を設けてもよい。
接合部７ｃは、２枚のセパレータの周縁部同士を直接溶着して形成してもよいが、２枚のセパレータの間に熱可塑性樹脂で構成される層を介在させ、この層を介して２枚のセパレータを溶着することにより形成してもよい。ただし、後者の場合、セパレータ間に介在させる層を構成する熱可塑性樹脂の種類と、セパレータを構成する熱可塑性樹脂の種類によっては、接合部の強度が小さくなる場合があるため、セパレータ間に介在させる層は、セパレータを構成する熱可塑性樹脂と同種の樹脂で構成されたものを使用することが好ましい。すなわち、セパレータ同士を直接溶着したり、セパレータを構成する熱可塑性樹脂と同種の樹脂で構成される層を介してセパレータ同士を溶着したりした場合には、接合部の強度がセパレータ自身の強度とほぼ同等となるため、例えば、電池の使用時に振動などによって生じる虞のある接合部での剥離が良好に抑制でき、より信頼性の高い電池とすることができる。
なお、セパレータの主体部に係る周縁部は、全てが接合部となっていてもよいが、例えば、図４に示すように、周縁部の一部を、セパレータ同士を溶着せずに非溶着部７ｄ、７ｄとして残してもよい。２枚のセパレータを溶着して袋状とした後に、その中に正極を収容したり、１枚のセパレータの上に正極を配置し、その正極の上に更にセパレータを配置して、セパレータの周縁部を溶着して袋状としたセパレータの中に正極を収容したりした場合、セパレータ内に空気が残留することがある。しかし、このような正極を用いて電池を製造する場合、正極ケースと負極ケースとをかしめる際に、前記の残留空気が、非溶着部７ｄ、７ｄを通じてセパレータ外へ良好に排出されるため、セパレータ内の残留空気による問題（発電時の反応が不均一になって容量が低下するなどの問題）の発生を防止できる。
セパレータの周縁部に非溶着部を設ける場合、電池の生産性の低下を抑える観点から、その個数は１〜５個程度とすることが好ましい。また、セパレータの周縁部に非溶着部を設ける場合、セパレータの主体部に係る非溶着部の外縁の長さが、セパレータの主体部に係る外縁の全長さ（張り出し部を除く外縁の全長さ）の１５〜６０％程度することが好ましい。すなわち、セパレータの主体部においては、その外縁の全長さのうちの４０％以上（好ましくは７０％以上）が接合部であることが好ましく、これにより、セパレータ同士の接合強度を良好に確保することができる。
２枚のセパレータの周縁部に接合部を形成するとともに、これらのセパレータの間に正極を収容するには、２枚のセパレータ同士を直接溶着して接合部を形成する場合では、例えば、１枚のセパレータ上に正極を重ね、更にその上にセパレータを重ねた後、これらのセパレータの周縁部を溶着する方法が採用できる。また、２枚のセパレータを重ね、これらの周縁部を溶着してセパレータ同士を接合し、その後、これらのセパレータ間に正極を挿入する方法を採用することもできる。
一方、２枚のセパレータ同士の間にセパレータの構成樹脂と同種の樹脂で構成された層を介在させ、これらを溶着して接合部を形成する場合では、例えば、１枚のセパレータ上の接合部となることが予定される箇所に前記層となるフィルムを置き、かつこのセパレータ上に正極を配置し、更にその上にセパレータを重ねた後、これらのセパレータの周縁部を溶着する方法が採用できる。また、１枚のセパレータ上の接合部となることが予定されている箇所に前記層となるフィルムを置き、このセパレータとフィルムとを予め溶着しておき、その後、このセパレータに正極、セパレータの順に重ねて周縁部を溶着する方法や、２枚のセパレータの間に前記層となるフィルムを介在させて溶着して接合部を形成した後に、これらのセパレータ間に正極を挿入する方法を採用することもできる。
セパレータの周縁部の溶着は、例えば、加熱プレスにより行うことができる。この場合、加熱温度は、セパレータを構成する熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度であればよいが、例えば、融点より１０〜５０℃高い温度で行うことが好ましい。また、加熱プレスの時間については、良好に接合部が形成できれば特に制限はないが、通常は、１〜１０秒程度とする。
なお、本発明の電池では、図１および図２に示すように、電極群に係る正極ケース２側の負極６Ｂ上に折り返された正極の各集電タブ部５ｂのうち、この負極６Ｂに最も近い集電タブ部５ｂの両側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂの端部が、電池の扁平面に垂直な方向（図１および図２中、縦方向。以下同じ。）において、電極群に係る正極ケース２側の負極６Ｂと、この負極６Ｂ上に折り返された正極の集電タブ部５ｂとの間に介在する絶縁層（絶縁シール）８の位置する箇所か、それよりも正極ケース２側に位置するようにする。これにより、正極ケース側の負極６Ｂと、これに最も近い集電タブ部５ｂとの接触による短絡を防止して、信頼性の高い電池とすることができる。
また、本発明の電池では、図１および図２に示すように、電極群に係る正極ケース２側の負極６Ｂ上に折り返された正極の各集電タブ部５ｂのうち、この負極６Ｂに最も近い集電タブ部以外の集電タブ部５ｂの両側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂの端部が、電池の扁平面に垂直な方向において、正極ケース２側に隣接する負極６Ａの位置する箇所よりも正極ケース２側に位置するようにする。これにより、電極群の最外部に位置する負極６Ｂ以外の負極６Ａと、この負極ケース３側に隣接する正極５の集電タブ部５ｂとの接触による短絡を防止して、信頼性の高い電池とすることができる。
更に、本発明の電池では、図１および図２に示すように、電極群に係る正極ケース２側の負極６Ｂ上に折り返された正極の各集電タブ部５ｂのうち、この負極６Ｂに最も近い集電タブ部５ｂの両側に配置されるセパレータの張り出し部７ｂの、主体部からの突出方向の長さを、負極６Ｂに最も近い集電タブ部以外の集電タブ部５ｂ（図１および図２中、下から２つ目および３つ目に位置している正極５の集電タブ部５ｂ）の両側に配置されるセパレータの張り出し部７ｂよりも長くし、また、負極６Ｂに最も近い集電タブ部以外の集電タブ部５ｂの両側に配置されるセパレータの張り出し部５ｂの端部を、電池の扁平面に垂直な方向において、間に１つの負極６Ａを挟んで位置する正極５（例えば、図１および図２中、下から２つ目の正極５に対しては最下部の正極５、下から３つ目の正極５に対しては下から２つ目の正極５）の集電タブ部５ｂの両側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂの端部よりも、負極ケース３側に位置するようにする。
図５に、全ての正極５の集電タブ部５ｂの両側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂの端部が、電池の扁平面に垂直な方向において、ほぼ同位置に存在している電極群（扁平形非水二次電池用の電極群）を示している。このような電極群の場合、電極群の側面方向（図中横方向）において、セパレータの張り出し部７ｂが多数重なるため、電極群における電池の扁平面に平行な方向の長さ（図中横方向の長さ。以下、「電極群の幅」という。）が長くなる。
このように、電極群の側面方向においてセパレータの張り出し部が多数重なるように、全ての正極の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの張り出し部を、正極ケース側に長くすると、正極の集電タブ部と負極との接触による短絡は良好に抑制できる一方で、前記の通り、電極群の幅が広くなる。扁平形電池では、通常、極めて限られた空間内を有効利用するために、電池内容積中の電極群の占有体積を可及的に大きくしているが、前記のようにして電極群の幅が広くなると、多数の電池を製造するうちに、電池ケース（正極ケースおよび負極ケース）内に電極群を装填できなくなるものが多く生じるようになり、電池の生産性が損なわれる虞がある。なお、サイズの小さな電池（絶縁ガスケットの開口面積の小さな電池。以下同じ。）の場合、こうした問題が特に顕著となる。
そこで、本発明の電池では、前記の構成を採用することで、電極群に係る各正極の集電タブ部の両側に配置された全てのセパレータの張り出し部が、電極群の側面（図１および図２中、縦方向の面）において極力重なり合わないようにし、電極群の側面の幅の増大を抑えて、喩えサイズの小さな電池であっても、生産性低下を良好に抑制できるようにしている。
なお、前記の理由による電極群の幅の増大をより良好に抑えて、電池の生産性低下をより良好に抑制するには、少なくとも３つの正極と少なくとも４つの負極とを用いて電極群を構成し、電極群に係る正極ケース２側から３つ目以降の正極５（例えば図１および図２では、下側から３つ目の正極５）の集電タブ部５ｂの両側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂの端部が、電池の扁平面に垂直な方向において、この正極ケース２側から３つ目以降の正極５の正極ケース２側に、間に１つの正極を挟んで位置する正極５（例えば、図１および図２では、最下部の正極５）の集電タブ部５ｂの両側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂの位置する箇所よりも、負極ケース３側に位置するようにすることが好ましい。
この場合には、電極群に係る各正極の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの張り出し部の端部が、電極群の側面（図１および図２中、縦方向の面）において、他の正極の集電タブ部に配置されたセパレータの張り出し部と重なる箇所では、２つの正極の集電タブ部に配置された前記張り出し部までとなるため、電極群の側面の幅の増大をより良好に抑制することができる。
本発明の電池では、前記の各作用によって、信頼性の向上と、生産性の低下抑制とを両立している。
なお、本発明の電池は、このように、サイズの小さな場合にも好適であるが、その場合、特に負極ケース側の正極の集電タブ部と負極ケースとの間の接触による短絡の懸念がある。そこで、本発明の電池では、図１および図２に示すように、電極群に係る最も負極ケース３側に位置する正極５の集電タブ部５ｂと、負極ケース３との間に、この正極５（最も負極ケース３側に位置する正極５）の集電タブ部５ｂの負極ケース側に配置されたセパレータの張り出し部７ｂが存在していることが好ましく、これにより、負極ケース側の正極の集電タブ部と負極ケースとの間の接触による短絡を良好に抑制できる。
本発明の電池は、そのサイズについては特に制限はないが、例えば、絶縁ガスケットの開口面積が１００ｍｍ２以下といった非常に小さなサイズの場合に、本発明の効果が特に顕著となる。ただし、絶縁ガスケットの開口面積があまり小さな電池は、それ自体生産が困難となる傾向にあるため、本発明の電池に係る絶縁ガスケットの開口面積は、例えば、２０ｍｍ２以上であることが好ましい。
本発明の電池に係る正極の正極合剤層は、正極活物質、導電助剤、バインダなどを含有する層である。
本発明の電池に係る正極活物質としては、例えば、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏｙＮｉ１−ｙＯ２、ＬｉｘＣｏｙＭ１−ｙＯ２、ＬｉｘＮｉ１−ｙＭｙＯ２、ＬｉｘＭｎｙＮｉｚＣｏ１−ｙ−ｚＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２−ｙＭｙＯ４などのリチウム遷移金属複合酸化物などが挙げられる（ただし、前記の各リチウム遷移金属複合酸化物において、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、ＡｌおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素であり、０≦ｘ≦１．１、０＜ｙ＜１．０、２．０≦ｚ≦２．２である。）。これらの正極活物質は１種単独で使用してもよく、２種以上を併用しても構わない。
また、正極の導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、鱗片状黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素などが挙げられる。更に、正極のバインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンラバーなどが挙げられる。
正極は、例えば、正極活物質と導電助剤とバインダとを混合して得られる正極合剤を水または有機溶剤に分散させて正極合剤含有ペーストを調製し（この場合、バインダは予め水または溶剤に溶解または分散させておき、それを正極活物質などと混合して正極合剤含有ペーストを調製してもよい）、その正極合剤含有ペーストを金属箔、エキスパンドメタル、平織り金網などからなる集電体の片面または両面に塗布し、乾燥した後、加圧成形することによって正極合剤層を形成して作製される。ただし、正極の作製方法は、前記例示の方法のみに限られることなく、他の方法によってもよい。
正極の組成としては、例えば、正極を構成する正極合剤１００質量％中、正極活物質を７５〜９０質量％、導電助剤を５〜２０質量％、バインダを３〜１５質量％とすることが好ましい。また、正極合剤層の厚みは、例えば、３０〜２００μｍであることが好ましい。
正極の集電体の素材としては、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましい。なお、正極の総厚みを小さくし、電池内における正極および負極の積層数を増やすことで正極合剤層と負極剤層との対向面積を大きくして、電池の負荷特性を高める観点からは、集電体には金属箔を使用することが好ましい。また、集電体の厚みは、例えば、８〜２０μｍであることが好ましい。
本発明の電池に係る負極としては、活物質に、リチウム、リチウム合金、リチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素材料、チタン酸リチウムなどを有する負極が挙げられる。
負極活物質に用い得るリチウム合金としては、例えば、リチウム−アルミニウム、リチウム−ガリウムなどのリチウムと可逆的に合金化するリチウム合金が挙げられ、リチウム含有量が、例えば１〜１５原子％であることが好ましい。また、負極活物質に用い得る炭素材料としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、低結晶性カーボン、コークス、無煙炭などが挙げられる。
負極活物質に用い得るチタン酸リチウムとしては、一般式ＬｉｘＴｉｙＯ４で表され、ｘとｙがそれぞれ、０．８≦ｘ≦１．４、１．６≦ｙ≦２．２の化学量論数を持つチタン酸リチウムが好ましく、特にｘ＝１．３３、ｙ＝１．６７の化学量論数を持つチタン酸リチウムが好ましい。前記一般式ＬｉｘＴｉｙＯ４で表されるチタン酸リチウムは、例えば、酸化チタンとリチウム化合物とを７６０〜１１００℃で熱処理することによって得ることができる。前記酸化チタンとしては、アナターゼ型、ルチル型のいずれも使用可能であり、リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、酸化リチウムなどが用いられる。
負極は、負極活物質がリチウムやリチウム合金の場合は、リチウムやリチウム合金を金属網などの集電体に圧着することで、集電体の表面にリチウムやリチウム合金などからなる負極剤層を形成して得ることができる。他方、負極活物質として炭素材料やチタン酸リチウムを用いる場合は、例えば、負極活物質としての炭素材料やチタン酸リチウムとバインダ、更には必要に応じて導電助剤を混合して得られる負極合剤を水または有機溶剤に分散させて負極合剤含有ペーストを調製し（この場合、バインダは予め水または溶剤に溶解または分散させておき、それを負極活物質などと混合して負極合剤含有ペーストを調製してもよい）、その負極合剤含有ペーストを金属箔、エキスパンドメタル、平織り金網などからなる集電体に塗布し、乾燥した後、加圧成形することによって負極剤層（負極合剤層）を形成して負極を作製することができる。ただし、負極の作製方法は、前記例示の方法のみに限られることなく、他の方法によってもよい。
なお、負極に係るバインダおよび導電助剤としては、正極に用い得るものとして先に例示した各種バインダおよび導電助剤を用いることができる。
負極活物質に炭素材料を用いる場合の負極の組成としては、例えば、負極を構成する負極合剤１００質量％中、炭素材料を８０〜９５質量％、バインダを３〜１５質量％とすることが好ましく、また、導電助剤を併用する場合には、導電助剤を５〜２０質量％とすることが好ましい。他方、負極活物質にチタン酸リチウムを用いる場合の負極の組成としては、例えば、負極を構成する負極合剤１００質量％中、チタン酸リチウムを７５〜９０質量％、バインダを３〜１５質量％とすることが好ましく、また、導電助剤を併用する場合には、導電助剤を５〜２０質量％とすることが好ましい。
負極における負極剤層（負極合剤層を含む）の厚みは、例えば、４０〜２００μｍであることが好ましい。
負極の集電体の素材としては、銅や銅合金が好ましい。なお、負極の総厚みを小さくし、電池内における正極および負極の積層数を増やすことで正極合剤層と負極剤層との対向面積を大きくして、電池の負荷特性を高める観点からは、集電体には金属箔を使用することが好ましい。また、集電体の厚みは、例えば、５〜３０μｍであることが好ましい。
セパレータには、熱可塑性樹脂製の微多孔膜で構成されたものを使用する。セパレータを構成する熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン共重合体、ポリメチルペンテンなどのポリオレフィンが好ましく、セパレータ同士を溶着したり、セパレータ間にセパレータの構成樹脂と同種の樹脂を配置して溶着したりする観点からは、その融点、すなわち、ＪＩＳ Ｋ ７１２１の規定に準じて、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて測定される融解温度が、１００〜１８０℃のポリオレフィンがより好ましい。
セパレータを構成する熱可塑性樹脂製の微多孔膜の形態としては、必要な電池特性が得られるだけのイオン伝導度を有していればどのような形態でもよいが、従来から知られている溶剤抽出法、乾式または湿式延伸法などにより形成された孔を多数有するイオン透過性の微多孔膜（電池のセパレータとして汎用されている微多孔フィルム）が好ましい。
セパレータの厚みは、例えば、５〜２５μｍであることが好ましく、また、空孔率は、例えば、３０〜７０％であることが好ましい。
前記の正極、負極およびセパレータは、図１や図２に示すように積層して積層型の電極群として使用するが、その際、各正極の集電タブ部が、電極群の平面視で同一方向を向くように配置され、かつ各負極の集電タブ部が、電極群の平面視で同一方向を向くように配置されていることが好ましい。これにより、正極および負極の集電がより容易となる。
更に、各正極の集電タブ部と、各負極の集電タブ部とは、電極群の平面視で互いに接触しないように配置されていればよいが、これらの接触をより良好に抑制し、かつ電池の生産をより良好にする観点からは、図４に示しているように、各正極の集電タブ部５ｂと各負極の集電タブ部６ｂとは、電極群の平面視で互いに対向する位置に配されていることがより好ましい。
また、正極、負極およびセパレータを積層して構成した電極群は、前記の通り、その外周を、耐薬品性を有するポリプロピレンなどで構成された結束テープで結束して、各構成要素（セパレータに包まれた正極、および負極）の位置ずれを抑制することが好ましい。
電極群に係る正極および負極は、いずれも複数であり、電極の合計層数は、少なくとも４層であるが、それ以上（５層、６層、７層、８層など）とすることも可能である。ただし、正極および負極の積層数をあまり多くすると、扁平状電池としてのメリットが小さくなる虞があることから、通常は、４０層以下とすることが好ましい。
電池に係る非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状炭酸エステル；ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネートなどの鎖状炭酸エステル；１，２−ジメトキシエタン、ジグライム（ジエチレングリコールメチルエーテル）、トリグライム（トリエチレングリコールジメチルエーテル）、テトラグライム（テトラエチレングリコールジメチルエーテル）、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシメタン、テトラヒドロフランなどのエーテル；などの有機溶媒に、電解質（リチウム塩）を０．３〜２．０ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度に溶解させることによって調製した電解液を用いることができる。前記の有機溶媒は、それぞれ１種単独で用いてもよく、２種以上を併用しても構わない。
前記電解質としては、例えば、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２などのリチウム塩が挙げられる。
本発明の扁平形非水二次電池の平面形状には特に制限は無く、従来から知られている扁平形電池の主流である円形の他、角形（四角形）などの多角形状でもよい。なお、本明細書でいう電池の平面形状としての角形などの多角形には、その角が切り落とされた形状や、角を曲線にした形状も包含される。また、正極および負極の本体部の平面形状は、電池の平面形状に応じた形状とすればよく、略円形としたり、長方形や正方形などの四角形などの多角形とすることもできるが、例えば、略円形とする場合には、対極の集電タブ部が配置される箇所に相当する部分は、対極の集電タブ部との接触を防止するために、図３に示すように切り落とした形状としておくことが好ましい。
図１や図２では、正極ケースを外装ケースとし、負極ケースを封口ケースとした例を示したが、本発明の電池はこれに限定されず、必要に応じて、負極ケースを外装ケースとし、正極ケースを封口ケースとすることもできる。
なお、図３に示す形状の正極と、図４に示す形状のセパレータ（張り出し部の、主体部からの突出方向の長さが、最も正極ケース側に配置する正極用のものが１．５ｍｍ、他の正極用のものが０．８ｍｍ）とを使用し、図１および図２に示す構造の扁平形非水二次電池（外径が１０ｍｍ、高さが２．５ｍｍ、絶縁ガスケットの開口面積が４７．８ｍｍ２、正極５の各集電タブ部５ｂおよび負極６の各集電タブ部６ｂは、それぞれ纏めた後、超音波溶接により互いに接合）を７５個製造したところ、纏めた正極の集電タブ部の折り返しが原因となる内部短絡は発生せず、また、電極群の幅が過度に増大することもなく、良好な生産性で製造することが可能であることが確認できた。
これに対し、セパレータにおける張り出し部の、主体部からの突出方向の長さを、全ての正極用のものについて０．８ｍｍとした以外は、前記の電池と同様にして扁平形非水二次電池を７５個製造したところ、４個の電池について、纏めた正極の集電タブ部の折り返し部が原因となる内部短絡が発生した。
本発明の扁平形非水二次電池は、従来から知られている扁平形非水二次電池と同様の用途に適用することができる。
１ 扁平形非水二次電池
２ 正極ケース
３ 負極ケース
４ 絶縁ガスケット
５ 正極
５ａ 正極の本体部
５ｂ 正極の集電タブ部
６、６Ａ、６Ｂ 負極
６ａ 負極の本体部
６ｂ 負極の集電タブ部
７ セパレータ
７ａ セパレータの主体部
７ｂ セパレータの張り出し部
７ｃ 接合部
８ 絶縁層
２ 正極ケース
３ 負極ケース
４ 絶縁ガスケット
５ 正極
５ａ 正極の本体部
５ｂ 正極の集電タブ部
６、６Ａ、６Ｂ 負極
６ａ 負極の本体部
６ｂ 負極の集電タブ部
７ セパレータ
７ａ セパレータの主体部
７ｂ セパレータの張り出し部
７ｃ 接合部
８ 絶縁層
Claims (3)
- 正極端子を兼ねる正極ケースと負極端子を兼ねる負極ケースとが絶縁ガスケットを介してカシメ封口されて形成された空間内に、複数の正極と複数の負極とがセパレータを介して交互に、かつ前記正極ケースおよび前記負極ケースの扁平面に略平行に積層されており、最外部に位置する電極がいずれも負極である電極群、および非水電解液を有する扁平形非水二次電池であって、
前記正極は、本体部と、平面視で、前記本体部から突出した、前記本体部よりも幅の狭い集電タブ部とを有しており、前記正極の本体部には、集電体の片面または両面に正極活物質を含む正極合剤層が形成されており、前記正極の集電タブ部では、前記集電体に正極合剤層が形成されておらず、
正極の両面には、熱可塑性樹脂製の微多孔膜からなるセパレータが配置されており、
前記２枚のセパレータは、前記正極の本体部全面を覆う主体部と、前記主体部から突出し、前記正極の集電タブ部の、少なくとも本体部との境界部を含む部分を覆う張り出し部とを有しており、かつ前記２枚のセパレータは、その主体部の周縁部の少なくとも一部において、互いに溶着された接合部を有しており、
前記電極群は、前記正極の各集電タブ部が纏められ、電極群における正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返されて正極ケースと電気的に接続しており、
前記電極群に係る正極ケース側の最外部に位置する負極と、該負極上に折り返された正極の集電タブ部との間には、絶縁層が介在しており、
前記電極群に係る正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返された前記正極の各集電タブ部のうち、前記負極に最も近い集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部は、主体部からの突出方向の長さが、前記負極に最も近い集電タブ部以外の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部よりも長く、かつ、その端部は、電池の扁平面に垂直な方向において、前記絶縁層の位置する箇所か、それよりも正極ケース側に位置しており、
前記電極群に係る正極ケース側の最外部に位置する負極上に折り返された前記正極の各集電タブ部のうち、前記負極に最も近い集電タブ部以外の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部の端部は、電池の扁平面に垂直な方向において、正極ケース側に隣接する負極の位置する箇所よりも正極ケース側に位置しており、かつ前記正極の正極ケース側に、間に１つの負極を挟んで位置する正極の集電タブ部の両側に配置されたセパレータの前記張り出し部の端部よりも負極ケース側に位置していることを特徴とする扁平形非水二次電池。 - 電極群に係る最も負極ケース側に位置する正極の集電タブ部と、負極ケースとの間には、前記正極の集電タブ部の負極ケース側に配置されたセパレータの張り出し部が存在している請求項１に記載の扁平形非水二次電池。
- セパレータを構成する熱可塑性樹脂が、ポリオレフィンである請求項１または２に記載の扁平形非水二次電池。
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| JP2010020169A JP2011159491A (ja) | 2010-02-01 | 2010-02-01 | 扁平形非水二次電池 |
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| JP2010020169A JP2011159491A (ja) | 2010-02-01 | 2010-02-01 | 扁平形非水二次電池 |
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| JP2011159491A true JP2011159491A (ja) | 2011-08-18 |
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- 2010-02-01 JP JP2010020169A patent/JP2011159491A/ja active Pending
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