JP2015115124A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、セパレータを介在させて正極シートと負極シートを扁平形状に巻回した電極体を有する非水電解質二次電池に関する。 The technology disclosed in the present specification relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery having an electrode body in which a positive electrode sheet and a negative electrode sheet are wound in a flat shape with a separator interposed therebetween.
セパレータを介在させた正極シートと負極シートの積層体を扁平形状に巻回した電極体を有する非水電解質二次電池が知られている、その技術の例として、下記特許文献1に開示される技術がある。扁平形状に巻回された電極体は、その巻回軸からみた両端には弧形状部が形成される(特許文献1;図1B)。電極体は、例えば、図5(A)に示すように、セパレータ110を挟んで、負極シート130、セパレータ110、正極シート120、…というように、正極シート120及び負極シート130が交互に積層されて巻回される。正極シート120は、正極板121とその両面に塗工された正極合剤層123により構成される。負極シート130は、負極板131とその両面に塗工された負極合剤層133により構成される。正極シート120と負極シート130は、図5(B)に示すように、それらの幅方向に所定幅ずらして積層される。この所定幅の範囲には、正極集電部や負極集電部を取り付け可能に、負極合剤又は正極合剤を塗工しない正極合剤未塗工部120aや負極合剤未塗工部130aが形成される。
A non-aqueous electrolyte secondary battery having an electrode body in which a laminate of a positive electrode sheet and a negative electrode sheet with a separator interposed therebetween is wound in a flat shape is known. An example of the technique is disclosed in
図6(A)及び(B)に示すように、電極体100では、セパレータ110等の巻き終わり(巻回端)において、正極集電部140が正極シート120の正極合剤未塗工部120aに溶接固定される(符号143)。また、負極集電部150が負極シート130の負極合剤未塗工部130aに溶接固定される(符号153)。正極集電部140は正極外部端子170に接続され、負極集電部150は負極外部端子180に接続される。正極集電部140及び負極集電部150は、セパレータ110とともに正極シート120及び負極シート130の巻回端が解けないようにこれらを固定している。
As shown in FIGS. 6A and 6B, in the
ここで、電極体100の巻回端において、負極シート130に着目すると、負極シート130の幅方向一方側は負極集電部150によって固定されても、負極シート130の幅方向他方側Kは何かに固定されているわけではない。そのため、負極シート130の幅方向他方側Kでは負極シート130に巻き緩みが生じる場合がある。例えば、充放電において電極体100は熱膨張と収縮を繰り返す。その場合、セパレータ110に緩みが生じて、セパレータ110とともに負極シート130の巻回も緩み得る。特に、扁平形状の両端に形成される弧形状部のうち、巻回端がつながる弧形状部の幅方向他方側Kにおいて、負極シート130が緩み易い(符号Xで示す一点鎖線範囲)。このような負極シート130の緩みは、負極シート130と正極シート120の間に隙間SPを形成し得る(図6(A)参照)。例えば、非水電解質二次電池がリチウムイオン電池である場合には、隙間SPに起因した充放電時の酸化還元反応のバラツキによりリチウムが析出することがある。本明細書は、充放電時の酸化還元反応のバラツキを抑制する技術を提供する。
Here, when attention is paid to the
本明細書が開示する非水電解質二次電池は、セパレータを介在させた正極シートと負極シートの積層体を扁平形状に巻回した電極体を有する。電極体は、扁平形状の両端(巻回の軸線方向からみた両端)に弧形状部を有しており、電極体の両端の弧形状部のうち巻回端(巻き終わり)がつながる方の弧形状部における最外周の積層体が、負極集電部が固定される負極シートの幅方向一方側に対する幅方向他方側に、正極シートに塗工された正極活物質の活性を失わせる失活領域を備えている。失活領域の位置は、別言すれば、巻回端につながる弧形状部の積層体において、正極シートと負極シートとセパレータが重なっている領域の正極集電部側の端部である。正極シートと負極シートとセパレータが重なっている領域は、一般に塗工部とよばれ、正極シートと負極シートのこの領域に対応する部位に活物質が塗布される。 The nonaqueous electrolyte secondary battery disclosed in this specification has an electrode body in which a laminate of a positive electrode sheet and a negative electrode sheet with a separator interposed therebetween is wound in a flat shape. The electrode body has arc-shaped portions at both ends of the flat shape (both ends as viewed from the axial direction of the winding), and the arc that is connected to the winding ends (winding ends) of the arc-shaped portions at both ends of the electrode body. Deactivation region where the outermost laminate in the shape part loses the activity of the positive electrode active material applied to the positive electrode sheet on the other side in the width direction with respect to one side in the width direction of the negative electrode sheet to which the negative electrode current collector is fixed It has. In other words, the position of the deactivation region is the end portion on the positive electrode current collector portion side of the region where the positive electrode sheet, the negative electrode sheet, and the separator overlap in the stack of arc-shaped portions connected to the winding end. A region where the positive electrode sheet, the negative electrode sheet, and the separator overlap is generally referred to as a coating portion, and an active material is applied to a portion corresponding to this region of the positive electrode sheet and the negative electrode sheet.
上記した失活領域では充放電時に酸化還元反応が生じない。例えば、非水電解質二次電池がリチウムイオン電池の場合には、リチウムイオンの授受が阻止される。これにより、巻回端がつながる方の弧形状部において、負極集電部が固定されていない負極シートの幅方向他方側に巻き緩みが生じても、巻き緩みが生じた部分は失活領域であることから元より酸化還元反応がない。そのため、負極シートの幅方向他方側に巻き緩みが生じても、充放電時の酸化還元反応に影響がない。したがって、このような弧形状部の巻き緩みによる充放電時の酸化還元反応のバラツキを抑制する。なお、典型的には、積層体の負極シートは、正極シートよりも外側に巻回されている。また、電極体は、電極体の巻回軸に交差する方向の両端に扁平形状を有する。正極活物質の活性を失わせる構造の典型は、上記の範囲(正極シートと負極シートとセパレータが重なっている領域の正極集電部の側の端部)において、正極シートに活物質を塗布しないこと、あるいは、正極シートにイオンの移動を妨げる表面処理を施すこと、である。 In the deactivation region described above, no oxidation-reduction reaction occurs during charge / discharge. For example, when the nonaqueous electrolyte secondary battery is a lithium ion battery, transfer of lithium ions is blocked. As a result, in the arc-shaped portion where the winding end is connected, even if winding looseness occurs on the other side in the width direction of the negative electrode sheet where the negative electrode current collector portion is not fixed, the portion where the winding looseness occurs is an inactive region. There is no redox reaction from the beginning. Therefore, even if winding looseness occurs on the other side in the width direction of the negative electrode sheet, there is no influence on the oxidation-reduction reaction during charge / discharge. Therefore, the variation of the oxidation-reduction reaction at the time of charging / discharging due to such loosening of the arc-shaped portion is suppressed. In addition, typically, the negative electrode sheet of a laminated body is wound outside the positive electrode sheet. The electrode body has a flat shape at both ends in a direction intersecting the winding axis of the electrode body. The typical structure for losing the activity of the positive electrode active material is that the active material is not applied to the positive electrode sheet in the above range (the end on the positive electrode current collector side of the region where the positive electrode sheet, the negative electrode sheet, and the separator overlap). Alternatively, the positive electrode sheet is subjected to a surface treatment that prevents the movement of ions.
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。 Details of the technology disclosed in this specification and further improvements will be described in the embodiments of the present invention.
本明細書は、非水電解質二次電池において充放電時の酸化還元反応のバラツキを抑制する技術を提供する。 The present specification provides a technique for suppressing variation in oxidation-reduction reaction during charge / discharge in a non-aqueous electrolyte secondary battery.
図面を参照して実施例の非水電解質二次電池を説明する。まず、図1及び図2を参照して非水電解質二次電池1の構成概要を説明する。図1に、非水電解質二次電池1の外観構成の例を示す斜視図を示す。図2に、非水電解質二次電池1の内部構成の例を示す断面図を示す。
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the embodiment will be described with reference to the drawings. First, with reference to FIG.1 and FIG.2, the structure outline | summary of the nonaqueous electrolyte
非水電解質二次電池1の外観は、主に、底の深い長細薄箱形状をなす電池ケース2と、電池ケース2の上方から突出する正極外部端子7及び負極外部端子8と、これらの端子7,8を支えるスリーブ9により構成されている。本実施例では、非水電解質二次電池1は、角形密閉式のリチウムイオン二次電池である。電池ケース2は、例えば、金属板を深絞り成形により有底の直方体形状に形成した収容部2aと、収容部2aの開口を密閉する金属製の蓋部2bと、によって構成されている。
The external appearance of the nonaqueous electrolyte
図2に示すように、電池ケース2の内部には、電極体10等が収容されている。正極外部端子7及び負極外部端子8は、電極体10から電気エネルギを外部に取り出したり、外部から電極体10に電気エネルギを供給したりする際に用いられる丸棒形状の金属端子である。スリーブ9は、正極外部端子7及び負極外部端子8と電池ケース2との間に介在してこれらの端子7,8を機械的に支える円筒形状の保持体である。本実施例では、電池ケース2が金属製であるため、スリーブ9は電気的に絶縁可能な樹脂材料等により形成されている。なお、図2(A)は、図1に表す座標系において、YZ平面で、正極外部端子7と負極外部端子8のほぼ中間部分から電池ケース2を短手方向に切断したX方向矢視の断面図である。図2(B)は、図2(A)に示す2B−2B線に沿ってXZ平面で電池ケース2を長手方向に切断したY方向矢視の断面図である。
As shown in FIG. 2, the
電極体10は、セパレータ11を介在させた正極シート12と負極シート13の積層体を扁平形状に巻回した積層巻回体である。電極体10は、[背景技術]の欄で図5を参照して説明したように、セパレータ11を挟んで、負極シート13、セパレータ11、正極シート12、…というように、正極シート12及び負極シート13が交互に積層されて巻回されている。巻回の径方向外側から内側に向けて、セパレータ11、負極シート13、セパレータ11及び正極シート12の一組が積層体の最小単位である。
The
ここからは、図1及び図2に加えて図5も参照しながら説明する。なお、括弧内の数字は、図5に示す符号に対応する。正極シート12及び負極シート13は、図5(A)を参照して説明した正極シート120及び負極シート130と同様に構成されている。即ち、正極シート12(120)は、正極板(121)とその両面に塗工された正極合剤層(123)により、また負極シート13(130)は、負極板(131)とその両面に塗工された負極合剤層(133)により、それぞれ構成されている。また、図5(B)に示すように、正極シート12(120)及び負極シート13(130)は、それらの幅方向に所定幅ずらして積層されている。この所定幅の範囲には、負極合剤又は正極合剤を塗工しない未塗工部12a,13aが形成されている。未塗工部12a、13aは、セパレータ110と重なっていない。逆に言えば、正極シート120及び負極シート130は、セパレータ110と重なる領域に合剤(活物質)が塗工されている。合剤が塗工されている領域は塗工部と呼ばれる。
From here, it demonstrates, referring FIG. 5 in addition to FIG.1 and FIG.2. The numbers in parentheses correspond to the symbols shown in FIG. The
このように電極体10は、巻回軸方向の一端側に正極合剤を塗工しない未塗工部12aを備えている。本実施例では、電極体10の平坦部10cに位置する未塗工部12aには、正極集電部4が溶接部4aにより溶接固定されており、正極シート12は正極集電部4を介して正極外部端子7に電気的に接続されている。他方、巻回軸方向の他端側には、負極合剤を塗工しない未塗工部13aが存在している。平坦部10cに位置する未塗工部13aには、負極集電部5が溶接部5aにより溶接固定されており、負極シート13は負極集電部5を介して負極外部端子8に電気的に接続されている。正極集電部4及び負極集電部5は、短冊状の金属板であり、逆L字形状に折り曲げられている(図2(A)参照)。これらの集電部4,5の形状は、電極体10の巻回厚さと正極外部端子7及び負極外部端子8の突出位置との関係により決定される。
Thus, the
電極体10は、このように巻回される積層体内に非水電解液を含んでいる。例えば、EC(エチレンカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)及びEMC(エチルメチルカーボネート)を混合した非水溶媒中に六フッ化リン酸リチウムを溶かした溶解液を非水電解液として用いる。また、正極シート12の正極合剤層に塗工される正極活物質は、例えばニッケル酸リチウムである。負極シート13の負極合剤層に塗工される負極活物質は、例えば黒鉛である。セパレータ11は、例えばポリプロピレンからなる多孔質シートである。
The
扁平形状の電極体10は、巻回軸に交差する方向の両端に弧形状部10a,10bを備えており、その径方向の断面形状は長細の小判形状をなしている(図2(A)参照)。ところで、このように構成される電極体10は、積層体の巻き終わり、つまり巻回端において、セパレータ11が最も外側(最外周)に位置する。図3に、電極体10の構成概要を表す斜視図を示す。また、図4(A)に、電極体10の構成詳細を示す説明図、図4(B)に、図4(A)に表す破線領域4Bの拡大図、をそれぞれ示す。これらの図からわかるように、セパレータ11は、その巻回端11aが電極体10の一方の弧形状部10aまで延びているのに対して、正極シート12の巻回端12bや負極シート13の巻回端13bは、電極体10の平坦部10cまでで留まり、一方の弧形状部10aまでは延びていない。これは、前述したように、正極シート12においては、その巻回端12bを正極集電部4の溶接部4aにより固定し、また負極シート13においては、その巻回端13bを負極集電部5の溶接部5aにより固定するためである。なお、図3において、符号Jが指す一点鎖線は、電極体10の巻回軸を示す。
The
このように最外周に位置するセパレータ11は、その巻回端11aを負極シート13の巻回端13bを超えて弧形状部10aの方向に延ばすことによって、負極シート13の巻回が緩み難くなるように構成している。しかしながら、負極シート13の幅方向一方側は負極集電部5によって固定されてはいるものの、負極シート13の幅方向他方側Lは何かに固定されているわけではない。そのため、セパレータ11の幅方向他方側Lに位置する負極シート13は、セパレータ11に拘束されるだけであることから、巻回による密着はこのセパレータ11による拘束力に留まる。したがって、負極シート13の幅方向他方側Lでは負極シート13に巻き緩みが生じる場合があり、積層体の巻回端11a,12b,13bがつながる弧形状部10bの幅方向他方側Lが特に緩み易い(符号Yで示す一点鎖線範囲)。なお、幅方向他方側Lとは、別言すれば、正極シート12と負極シート13とセパレータ11が重なっている領域の正極集電部4の側の端部である。
Thus, the
例えば、非水電解質二次電池1の初期充電時において、電極体100が膨張と収縮を繰り返した場合には、幅方向他方側Lでセパレータ11に緩みが生じて、セパレータ11とともに負極シート13の巻回も緩み得る。このような負極シート13の緩みは、[発明が解決しようとする課題]で述べたように、負極シート13と正極シート12の間に形成される隙間SP(図6(A)参照)によって、充放電時の酸化還元反応のバラツキによるリチウムの析出を招く虞がある。なお、負極シート13の緩みは、例えば、最外周のセパレータ11及び負極シート13を余分にもう1周巻く(二重巻き)ことにより生じ難くし得る。しかしこのような二重巻きは、電極体10の厚さ、重量及びコストの増加を招く。
For example, when the
そこで、本実施例の電極体10では、電極体10の弧形状部10bにおいて、正極シート12に塗工された正極合剤(正極活物質)の活性を失わせる失活領域20を備える(図3及び図4に示すクロスハッチングの範囲)。これにより、失活領域20では、リチウムイオンの授受が阻止されるため、放電時における酸化反応や充電時における還元反応が生じない。そのため、弧形状部10bの幅方向他方側Lにおいて負極シート13に巻き緩みが生じても、充放電時の酸化還元反応に影響がないことから、弧形状部10bの巻き緩みによる充放電時の酸化還元反応のバラツキを抑制可能にする。
Therefore, in the
失活領域20は、電極体10の両端の弧形状部10a,10bのうち巻回端11a,12b,13bがつながる方の弧形状部10bにおいて、電極体10の幅方向他方側Lに位置する。別言すれば、失活領域20は、巻回端11a,12b,13bにつながる弧形状部10bの積層体において、正極シート12と負極シート13とセパレータ11が重なっている領域の正極集電部4の側(正極の未塗工部12aの側)の端部である。例えば、最外周に位置する負極シート13に対向する正極シート12において、正極活物質の塗工部(図4(B)に示す点状塗りつぶし範囲)と未塗工部12aの境界線の一部と、弧形状部10bの曲面部最外側縁に沿う線の一部と、を辺にする三角形状の範囲を失活領域20に設定する。境界線の「一部」とは、例えば、弧形状部10bによる曲面の範囲に含まれる部分のことである。曲面部最外側縁に沿う線の「一部」とは、少なくともセパレータ11の幅方向他方側Lの範囲に含まれる部分のことである。なお、これらの辺を含む矩形状の範囲や、このような矩形状が内接する楕円形状の範囲等を失活領域20に設定してもよい。
The
本実施例では、正極シート12に塗工された正極合剤(正極活物質)の活性を失わせる構成例として、例えば、未塗工部12aと同様に、失活領域20においても正極合剤(正極活物質)を塗工しない構成を採用する。これにより、失活領域20においては、リチウムイオンの授受に必要な正極活物質が存在しないことから、巻き緩みの有無にかかわらず、非水電解質二次電池1の充放電時に酸化還元反応が生じない。
In this example, as a structural example for losing the activity of the positive electrode mixture (positive electrode active material) applied to the
また、正極シート12に塗工された正極合剤(正極活物質)の活性を失わせる他の構成例として、例えば、失活領域20においては、塗工された正極合剤(正極活物質)の表面を、リチウムイオンの移動を妨げる被膜、塗膜又はテープによって覆う構成を採用してもよい。これにより、失活領域20においては、リチウムイオンの授受に必要な正極活物質が存在しても表面を覆う被膜等によってリチウムイオンの授受が妨げられることから、巻き緩みの有無にかかわらず、非水電解質二次電池1の充放電時に酸化還元反応が生じない。
Further, as another configuration example for losing the activity of the positive electrode mixture (positive electrode active material) applied to the
これらの構成のうち、(1)失活領域20において正極合剤(正極活物質)を塗工しない構成と、(2)塗工された正極合剤(正極活物質)の表面を被膜等によって覆う構成と、について、リチウムの析出に関する効果検証試験を行ったところ、次のような結果を得た。試験では、周囲温度0℃の環境下において、SOC(State Of Charge;満充電(100%)に対する充電率)20%時の非水電解質二次電池に125A(アンペア)の定電流充電を30秒間加えるパルス充電を行った。その結果、上記(1)及び(2)のいずれの構成においても、電極体10の弧形状部10b、特に失活領域20にリチウムの析出は確認されなかった。これに対して、失活領域20を設けない従来の構成では、電極体10の弧形状部10bにリチウムの析出が確認された。
Among these configurations, (1) a configuration in which the positive electrode mixture (positive electrode active material) is not applied in the deactivated
以上説明したように、非水電解質二次電池1では、電極体10の両端の弧形状部10a,10bのうち巻回端11a,12b,13bがつながる方の弧形状部10bにおける最外周の積層体が、負極集電部5が固定される負極シート13の幅方向一方側に対する幅方向他方側に、正極シート12に塗工された正極合剤(正極活物質)の活性を失わせる失活領域20を備えている。このような失活領域20では充放電時に酸化還元反応が生じないため、弧形状部10bにおいて、負極集電部5が固定されていない負極シート13の幅方向他方側に巻き緩みが生じても、巻き緩みが生じた部分は失活領域20であることから元より酸化還元反応がない。そのため、負極シート13の幅方向他方側に巻き緩みが生じても、充放電時の酸化還元反応に影響がない。したがって、このような弧形状部10bの巻き緩みによる充放電時の酸化還元反応のバラツキを抑制する。
As described above, in the nonaqueous electrolyte
実施例技術に関する留意点を述べる。弧形状部10bが「巻回端につながる方の弧形状部」の一例に相当する。
Points to be noted regarding the example technology will be described. The arc-shaped
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. Further, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Moreover, the technique illustrated in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
1:非水電解質二次電池
2:電池ケース
4:正極集電部
4a、5a:溶接部
5:負極集電部
7:正極外部端子
8:負極外部端子
9:スリーブ
10:電極体
10a、10b:弧形状部
10c:平坦部
11:セパレータ
11a:巻回端
12:正極シート
13:負極シート
12a、13a:未塗工部
12b、13b:巻回端
20:失活領域
1: Nonaqueous electrolyte secondary battery 2: Battery case 4: Positive electrode
Claims (1)
電極体は、扁平形状の両端に弧形状部を有しており、
電極体の両端の弧形状部のうち巻回端がつながる方の弧形状部における最外周の積層体が、負極集電部が固定される負極シートの幅方向一方側に対する幅方向他方側に、正極シートに塗工された正極活物質の活性を失わせる失活領域を備えていることを特徴とする非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery having an electrode body obtained by winding a laminate of a positive electrode sheet and a negative electrode sheet with a separator interposed therebetween in a flat shape,
The electrode body has arc-shaped portions at both ends of the flat shape,
Of the arc-shaped portions at both ends of the electrode body, the outermost laminate in the arc-shaped portion to which the winding ends are connected is on the other side in the width direction with respect to one side in the width direction of the negative electrode sheet to which the negative electrode current collector is fixed. A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a deactivation region that loses the activity of a positive electrode active material applied to a positive electrode sheet.
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CN111193075A (en) * | 2018-11-14 | 2020-05-22 | 精工电子有限公司 | Electrochemical cell |
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2013
- 2013-12-10 JP JP2013254646A patent/JP2015115124A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN111193075A (en) * | 2018-11-14 | 2020-05-22 | 精工电子有限公司 | Electrochemical cell |
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