JP2012022862A

JP2012022862A - 捲回式電池

Info

Publication number: JP2012022862A
Application number: JP2010159262A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Naito; 匡内藤; Kenji Nakai; 賢治中井; Akinori Tada; 明徳多田
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】円筒形二次電池の捲回群を電池缶に挿入する際において、電池缶に挿入される側の最外周のセパレータのめくれを防止し、めくれに起因する内部短絡を防止する。
【解決手段】本発明では金属箔の両面に合剤を塗布した正極及び負極と、前記正極及び負極の間に配置され、両電極間を絶縁するセパレータと、前記正極及び負極及びセパレータを捲回した捲回群を電池缶に封入して構成される二次電池において、最外周のセパレータの角部をめくれにくい形状にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、捲回式二次電池の構造に関する。

地球温暖化や枯渇燃料の問題から電気自動車（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）が各自動車メーカーで開発され、その電源として高容量で高出力な二次電池が求められるようになってきた。

車両用の二次電池は大電流を流すため、より信頼性，安全性の高い二次電池が求められている。捲回式電池における捲回群を電池缶に挿入する際において、捲回群を構成する電極の緩みを防止するために、捲回群の最外周をテープで覆う技術が（特許文献１）が提案されている。

特開平５−４７４１９号公報

二次電池は正極と負極の間に絶縁層であるセパレータを有する捲回群を持つ構造になっており、捲回群の最外周はセパレータで覆われている。この捲回群を電池缶に挿入する際、電池缶に捲回群が接触し、捲回群のセパレータがめくれ上がるおそれがある。その場合、電極がむき出しになり、内部短絡が発生する可能性がある。上述の特許文献１では、電極の緩みを防止することを目的としており、セパレータのめくれに関しては一切考慮していない。本発明は簡便にセパレータのめくれを防止することを目的とする。

本発明では金属箔の両面に合剤を塗布した正極及び負極と、前記正極及び負極の間に配置され、両電極間を絶縁するセパレータと、前記正極及び負極及びセパレータを捲回した捲回群を電池缶に封入して構成される二次電池において、最外周のセパレータの角部をめくれにくい形状にする。

本発明によれば捲回群を電池缶に挿入する際における、最外周のセパレータのめくれを防止でき、めくれに起因する内部短絡を防ぎ、信頼性を向上させることができる。

円筒形二次電池の構造を示す分解斜視図である。円筒形二次電池の構造を示す断面図である。本実施形態の捲回群の側面図（１）である。比較例の捲回群の側面図である。本実施形態の捲回群の側面図（２）である。本実施形態の捲回群の側面図（３）である本実施形態のセパレータの固定方法を示す側面図（１）である。本実施形態のセパレータの固定方法を示す側面図（２）である。

以下、図１から図８により本発明を実施するための形態を説明する。

図１は車両用二次電池の１つである円筒形リチウムイオン二次電池の構造を示す分解斜視図である。正極１４はアルミニウム等の金属薄膜の両面に正極合剤１６が塗布されている。図１において上方の長辺部には正極タブ１２が複数設けられている。負極１５は銅等の金属薄膜の両面に負極合剤１７が塗布されている。図１において下方の長辺部には負極タブ１３が複数設けられている。

これら正極１４と負極１５を樹脂製の軸芯７の周囲に多孔質で絶縁性を有するセパレータ１８を介して捲回し（軸芯７に近い方から、正極１４，第１のセパレータ１８，負極１５，第２のセパレータ１８の順に捲回する）、最外周のセパレータ１８をテープ１９で止めて、電極群８を構成する。ここで、セパレータ１８は、第１のセパレータ１８，第２のセパレータ１８の２つが存在する。

管状の軸芯７の両端には正極集電板（正極集電部品）５と負極集電板（負極集電部品）６が嵌め合いにより固定されている。正極集電板５には正極タブ１２が、例えば、超音波溶接法により溶接されている。同様に負極集電部品６には負極タブ１３が、例えば、超音波溶接法により溶接されている。負極の端子を兼ねる電池缶１の内部には、樹脂製の軸芯７を軸として捲回された電極群８に、正極集電板５，負極集電板６が取り付けられた捲回群２０が、収納されている。この際、負極集電板６は負極リード（図示せず）を介して電池缶１に電気的に接続される。その後、非水電解液が電池缶１内に注入される。また、電池缶１と上蓋ケース４との間にはガスケット２が設けられ、このガスケット２により電池缶１の開口部を封口するとともに電気的に絶縁する。正極集電板５の上には電池缶１の開口部を封口するように設けられた電導性を有する上蓋部があり、上蓋部は上蓋３と上蓋ケース４からなる。上蓋ケース４に正極リード９の一方が溶接され、他方が正極集電板５に溶接されることによって上蓋部と電極群８の正極１４が電気的に接続される。

正極合剤１６は、正極活物質と、正極導電材と、正極バインダを有する。正極活物質は、リチウム酸化物が好ましい。例として、コバルト酸リチウム，マンガン酸リチウム，ニッケル酸リチウム，リン酸鉄リチウム，リチウム複合酸化物（コバルト，ニッケル，マンガンから選ばれる２種類以上を含むリチウム酸化物）、などが挙げられる。正極導電材は、正極合剤１６中におけるリチウムイオンの吸蔵放出反応で生じた電子の正極金属薄膜への伝達を補助できる物質であれば制限はない。正極導電材の例として、黒鉛やアセチレンブラックなどが挙げられる。正極バインダは、正極活物質と正極導電材、及び正極合剤１６と正極金属薄膜を結着させることが可能であり、非水電解液との接触により大幅に劣化しなければ特に制限はない。正極バインダの例としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やフッ素ゴムなどが挙げられる。正極合剤１６の形成方法は、正極金属薄膜上に正極合剤１６が形成される方法であれば制限はない。正極合剤１６の形成方法の例として、正極合剤１６の構成物質の分散溶液を正極金属薄膜上に塗布する方法が挙げられる。塗布方法の例として、ロール塗工法，スリットダイ塗工法、などが挙げられる。分散溶液の溶媒例として、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）や水が挙げられる。正極合剤１６の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。

負極合剤１７は、負極活物質と、負極バインダと、増粘剤とを有する。なお、負極合剤１７は、アセチレンブラックなどの負極導電材を有しても良い。本実施形態では、負極活物質として、黒鉛炭素を用いることが好ましい。黒鉛炭素を用いることにより、大容量が要求されるプラグインハイブリッド自動車や電気自動車向けのリチウムイオン二次電池が作製できる。負極合剤１７の形成方法は、負極金属薄膜上に負極合剤１７が形成される方法であれば制限はない。負極合剤１７の形成方法の例として、負極合剤１７の構成物質の分散溶液を負極金属薄膜上に塗工する方法が挙げられる。塗工方法の例として、ロール塗工法，スリットダイ塗工法、などが挙げられる。負極合剤１７の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。

非水電解液は、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩の例として、フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆），フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₆）、などが挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート（ＥＣ），ジメチルカーボネート（ＤＭＣ），プロピレンカーボネート（ＰＣ），メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、或いは上記溶媒の１種類以上から選ばれる溶媒を混合したもの、が挙げられる。

テープ１９はテープ及び粘着材の材質が電解液に対して溶解，溶出及び粘着性の低下をおこさないことを考慮し選択できる。代表として、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニル，フッ素樹脂系のテープが望ましい。

図２に円筒形電池の概略断面図を示す。樹脂製の軸芯７の周囲に捲回された電極群８には、正極集電板５，負極集電板６が取り付けられて、電池缶１内に収納されている。電極群８のうち、負極１５は負極集電板６に溶接等で接続され、負極リード１０を介して、電池缶１に電気的に接続されている。

電池缶１内に電極群８と正極集電板５，負極集電板６が収納された後、軸芯７の中央に溶接治具を通して、電池缶１の缶底と負極リード１０を溶接する。その後、電池缶１内に電解液が注入される。正極集電板５の上には電池缶１の開口部を封口するように設けられた電導性を有する上蓋部があり、上蓋部は上蓋３と上蓋ケース４からなる。上蓋ケース４に正極リード９の一方が溶接され、他方が正極集電板５に溶接されることによって上蓋部と電極群８の正極１４が電気的に接続される。電池缶１と上蓋ケース４との間にはガスケット２が設けられ、このガスケット２により電池缶１の開口部を封口するとともに電池缶１と上蓋ケース４とを電気的に絶縁する。これにより、二次電池１１が構成される。

図３は本実施形態に係る捲回群２０の側面図（１）を示す。最外周のセパレータ１８は中央部でテープ１９により止められている。最外周のセパレータ１８は、捲回群２０の電池缶１に挿入される側（捲回群２０が電池缶１に収容された場合の電池缶１の底部側）であって、巻き終わり端において、捲回群２０の捲回軸に沿った部分１８ａと、捲回群２０の捲回軸を横切る部分１８ｂと、これらを直線で結んだ直線部分１８ｃで構成する角部２１（丸の点線で囲った部分）を有する。直線部分１８ｃは、捲回軸に沿った部分１８ａと、捲回群２０の捲回軸を横切る部分１８ｂとを、捲回群２０の捲回軸に対して斜め方向に結んでいる。本実施形態では、角部２１を上記の構成にしており、従来の円筒形リチウムイオン二次電池において電池缶１と接触しやすかった捲回群２０の最外周のセパレータ１８の巻き終わり端の角部２１の領域が小さくなり、最外周のセパレータ１８のめくれを防止することができる。

なお、ここでは捲回群２０の捲回軸に沿った部分１８ａと、捲回群２０の捲回軸を横切る部分１８ｂとを直線で結んでいるが、曲線や少し複雑な線であっても、捲回群２０の最外周のセパレータ１８の巻き終わり端の角部２１の領域を小さくできれば問題ない。

図４では比較例として最外周のセパレータ１８′に何ら加工を施していない円筒形リチウムイオン二次電池の捲回群２０′の側面図を示す。この二次電池においては、捲回群２０′の最外周のセパレータ１８′の巻き終わり端の角部２１′が、捲回軸に沿った部分と捲回群２０′の捲回軸を横切る部分とがほぼ直角に交わる構成（丸の点線で囲った部分）となっていた。そのため、捲回群２０′を電池缶に挿入する際に、電池缶と捲回群２０′の最外周のセパレータ１８′の巻き終わり端の角部２１′とが接触し、最外周のセパレータ１８′がめくれあがりやすい構成となっている。セパレータ１８′がめくれる結果として、複数回折れ曲がってしまう箇所ができると、局所的に正極１４又は負極１５を圧迫してしまい、内部短絡を引きしてしまうおそれがある。本実施形態はこの問題を解決するものである。

図５に本実施形態に係る捲回群２０の側面図（２）を、図６に本実施形態に係る捲回群２０の側面図（３）を示す。捲回群２０を電池に挿入する際には、捲回群２０を回転させず、電池缶１を捲回群２０の巻き方向と同じ方向に回転させることで、電池缶１と最外周のセパレータ１８との間の摩擦の大きさを小さく抑えることが可能となり、最外周のセパレータ１８がめくれる可能性をさらに低減できる。また、電池缶１を回転させず、捲回群２０を捲回群２０の巻き方向と逆方向に回転させることでも同様に最外周のセパレータ１８がめくれる可能性をさらに低減できる。

なお、この角部２１は最外周のセパレータ１８の端部（図５の斜線部）を切り取ることで作成できる。また、角部２１は図６のように最外周のセパレータ１８の端部（図６の斜線部）を捲回群２０の内側に折り曲げることでも作成できる。

図７は電池缶１に挿入される側の最外周のセパレータ１８の角部２１を固定化する方法を示す。最外周のセパレータ１８は中央部でテープ１９により止められている。セパレータ１８の直線部分１８ｃより内側に位置する最外周のセパレータ１８の端部付近１８ｄを加熱よる溶着、もしくは接着剤を用いることで最外周のセパレータ１８を固定すると、より確実にめくれを防止できる。図８は別の実施の形態における電池缶１に挿入される側の最外周のセパレータ１８の角部２１を固定化する方法を示す。最外周のセパレータ１８は中央部でテープ１９により止められている。これに加えて最外周のセパレータ１８の角部２１の一部、若しくは全てを覆うようにテープ２２を貼ることで、最外周のセパレータ１８を固定し、めくれを防止できる。またこの際、セパレータ１８の角部２１の直線１８ｃが存在することで、セパレータ１８のめくれを防止する目的のテープ２２を貼る位置の自由度が増している。すなわち、セパレータ１８の角部２１の直線部分１８ｃの存在するいずれかの位置にテープ２２を結べば、セパレータ１８のめくれをより効果的に防止できる。

テープ２２はテープ及び粘着材の材質が電解液に対して溶解，溶出及び粘着性の低下をおこさないことを考慮し選択できる。代表として、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニル，フッ素樹脂系のテープが望ましい。

１電池缶
２ガスケット
３上蓋
４上蓋ケース
５正極集電板
６負極集電板
７軸芯
８電極群
９正極リード
１０負極リード
１１二次電池
１２正極タブ
１３負極タブ
１４正極
１５負極
１６正極合剤
１７負極合剤
１８セパレータ
１９，２２テープ
２０捲回群
２１セパレータの角部

Claims

金属薄膜の両面に活物質を塗布した正極及び負極と、正極及び負極の間に配置され、両電極間を絶縁するセパレータを捲回して構成される捲回群を有する捲回式電池において、
前記捲回群の最外周のセパレータは、前記最外周のセパレータの巻き終わり端の捲回軸に沿った部分と、捲回軸を横切る部分とを直線又は曲線で結ぶ角部を有することを特徴とする捲回式電池。
請求項１記載の捲回式電池において、
前記捲回群を収容する電池缶を備え、
前記捲回群の最外周のセパレータの角部は、前記電池缶の底部側に設けられたことを特徴とする捲回式電池。
請求項１記載の捲回式電池において、
前記最外周のセパレータの角部は、前記最外周のセパレータの端部を内側に折り込こむことにより形成されることを特徴とする捲回式電池。
請求項１記載の捲回式電池において、
前記最外周のセパレータの角部は、前記最外周のセパレータの端部を切り取ることにより形成されることを特徴とする捲回式電池。
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の捲回式電池において、
前記最外周のセパレータを前記捲回群に固定したことを特徴とする捲回式電池。
請求項５記載の捲回式電池において、
前記最外周のセパレータは、加熱により溶着することにより前記捲回群に固定されたことを特徴とする捲回式電池。
請求項５記載の捲回式電池において、
前記最外周のセパレータは、テープにより前記捲回群に固定されたことを特徴とする捲回式電池。
請求項５記載の捲回式電池において、
前記最外周のセパレータは、接着剤を用いて接着され前記捲回群に固定されたことを特徴とする捲回式電池。