JP2019145349A - Lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極にリチウム金属あるいはリチウム合金を用いたリチウム電池に関する。 The present invention relates to a lithium battery using lithium metal or a lithium alloy as a negative electrode.
特許文献1には、負極にリチウム金属あるいはリチウム合金を用いたボビン形リチウム一次電池に関して記載されている。ボビン形リチウム一次電池は、開口が負極端子板を兼ねる封口体によって封止されてなる中空筒状の電池缶内に中空筒状の負極リチウムを中空筒状の正極合剤の内方にセパレータを介して配置されて電解液とともに収納され、負極リチウムには、内面に接触する集電領域の上縁辺から上方に向かって帯状に延長する負極リード部が一体的に形成された金属製薄板からなる負極集電体が取り付けられ、負極リード部は、先端側が封口体の下面に接続されているともに、延長途上に機械加工によって他の領域より強度が低い強度低下部が形成されている。 Patent Document 1 describes a bobbin-type lithium primary battery using lithium metal or a lithium alloy as a negative electrode. A bobbin-type lithium primary battery has a hollow cylindrical negative electrode lithium in a hollow cylindrical battery can whose opening is sealed by a sealing body that also serves as a negative electrode terminal plate, and a separator inside the hollow cylindrical positive electrode mixture. The negative electrode lithium is made of a thin metal plate integrally formed with a negative electrode lead portion extending upwardly from the upper edge of the current collecting region contacting the inner surface. A negative electrode current collector is attached, and the negative electrode lead portion has a tip end side connected to the lower surface of the sealing body, and a strength reduction portion having a lower strength than other regions is formed by machining on the way of extension.
強制放電(過放電含む)や異常充電モードに対する安全性を高めるために、リチウム電池には負極及び正極の表面積に対する負極集電体の面積占有率を高くすることが求められる。また特許文献1に記載のボビン形リチウム一次電池のように薄板状の負極集電体を用いる場合は負極の内径を負極集電体の外径に合わせて大きくする必要があるが、この形状は放電末期まで維持されるためデンドライト(樹枝状の金属リチウム)のセパレータ貫通リスクを低減するには極間距離を大きくする必要があり放電性能に影響が生じる。また負極材料の切断に伴う内部着火の発現リスクを防ぐために負極集電体の全体に亘って集電効率を確保する必要もある。 In order to enhance safety against forced discharge (including overdischarge) and abnormal charge mode, the lithium battery is required to have a high area occupation ratio of the negative electrode current collector with respect to the negative electrode and the surface area of the positive electrode. Moreover, when using a thin plate-like negative electrode current collector like the bobbin-type lithium primary battery described in Patent Document 1, it is necessary to increase the inner diameter of the negative electrode in accordance with the outer diameter of the negative electrode current collector. Since it is maintained until the end of discharge, it is necessary to increase the distance between the electrodes in order to reduce the risk of penetrating dendrites (dendritic lithium metal) through the separator, which affects the discharge performance. Moreover, in order to prevent the risk of internal ignition due to the cutting of the negative electrode material, it is also necessary to ensure the current collection efficiency over the entire negative electrode current collector.
本発明はこうした背景に鑑みてなされたものであり、安全性、放電特性、及び生産性に優れた筒形リチウム電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a background, and it aims at providing the cylindrical lithium battery excellent in safety | security, discharge characteristics, and productivity.
上記目的を達成するための本発明は、リチウム電池であって、一端が開口する有底筒状の電池缶と、前記電池缶に収納される、中空筒状の正極合剤、セパレータ、負極、及び電解液と、前記電池缶の開口を封口する封口体と、前記封口体に立設固定された棒状の負極集電体と、を含み、前記負極は、リチウム金属またはリチウム合金を成形した板状の部材からなり、前記正極合剤の内方に、前記負極集電体の周囲に巻回された状態で配置される。 The present invention for achieving the above object is a lithium battery, a bottomed cylindrical battery can opened at one end, a hollow cylindrical positive electrode mixture, a separator, a negative electrode, And an electrolyte, a sealing body that seals the opening of the battery can, and a rod-shaped negative electrode current collector that is erected and fixed to the sealing body, and the negative electrode is a plate formed of lithium metal or a lithium alloy And is disposed inside the positive electrode mixture in a state of being wound around the negative electrode current collector.
本発明の他の一つは、上記リチウム電池であって、前記板状の部材は前記負極集電体の周囲にスパイラル状に巻回され、前記板状の部材の少なくとも最外周端部の内周面は、前記板状の部材の前記最外周端部の直下の内層の外周面と接触している。 Another aspect of the present invention is the above lithium battery, wherein the plate-like member is spirally wound around the negative electrode current collector, and at least the outermost peripheral end portion of the plate-like member is included. The peripheral surface is in contact with the outer peripheral surface of the inner layer immediately below the outermost peripheral end portion of the plate-like member.
本発明の他の一つは、上記リチウム電池であって、前記電池缶、前記封口体、及び前記負極集電体の少なくともいずれかが、筒形アルカリ電池の部材を用いて構成されている。 Another aspect of the present invention is the lithium battery, wherein at least one of the battery can, the sealing body, and the negative electrode current collector is configured using a member of a cylindrical alkaline battery.
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。 In addition, the subject which this application discloses, and its solution method are clarified by the column of the form for inventing, and drawing.
本発明によれば、安全性、放電特性、及び生産性に優れた筒形リチウム電池を提供することができる。 According to the present invention, a cylindrical lithium battery excellent in safety, discharge characteristics, and productivity can be provided.
以下、発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or similar parts may be denoted by the same reference numerals and redundant description may be omitted.
図1に一実施形態として示すボビン形リチウム一次電池(以下、リチウム電池1と称する。)の構成を示している。同図はリチウム電池1の円筒軸50の延出する方向を上下(縦)方向とした場合における縦断面図である。同図に示すリチウム電池1は、金属等の導体を素材とする有底円筒状の電池缶2内に発電要素を収納するとともに電池缶2の開口を金属等の導体からなる負極端子板7で封口することにより製造される。
FIG. 1 shows a configuration of a bobbin-type lithium primary battery (hereinafter referred to as a lithium battery 1) shown as an embodiment. This figure is a longitudinal sectional view when the extending direction of the
同図に示すように、リチウム電池1は、電池缶2、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛(カーボンブラック)等の導電助剤とともに中空円筒状に成形してなる正極合剤3、金属リチウム又はリチウム合金からなる負極4、有底円筒状のセパレータ5、金属(真鍮等)の導電体からなる負極集電体6、負極端子板7、ナイロンやポリオレフィン等の樹脂からなる封口ガスケット10を含む。
As shown in the figure, a lithium battery 1 includes a battery can 2, a
電池缶2は、電池ケース及び正極集電体として機能する。電池缶2には正極端子8が下方に突出して形成されている。電池缶2には、正極合剤3、セパレータ5、及び負極4が収納されるとともに、図示しない電解液が充填されている。同図に示すように、負極4は、正極合剤3の内方にセパレータ5を介して配置される。後述するように、負極4は、板状の部材41からなり、この板状の部材41は負極集電体6の周囲にスパイラル状(螺旋状)に巻回された状態で電池缶2に収納される。尚、同図では負極4の構成を簡略化して描いている。
The battery can 2 functions as a battery case and a positive electrode current collector. A
同図に示すように、負極端子板7は、円形の平板状部71と、当該平板状部71の周囲に形成されたフランジ部72とを有する。負極端子板7は、封口ガスケット10とともに電池缶2の缶口を封口する封口体20を構成する。負極集電体6は、少なくとも電池缶2の長手方向の長さの半分以上の長さを有する円柱状の棒状部61と、棒状部61の上端に形成された円盤状部62とを有する。
As shown in the figure, the negative
同図に示すように、円盤状部62の上面は溶接等により負極端子板7の下面に電気的に接続されており、それにより棒状部61は負極端子板7の平板状部71の中央から電池缶2の長手方向に立設固定されている。
As shown in the figure, the upper surface of the disk-
図2は、本実施形態のリチウム電池1の負極4の構成並びに製造方法を説明する図である。図2(a)に示すように、本実施形態のリチウム電池1は、負極4の材料として、金属リチウムやリチウム合金等を圧延して得られる平面矩形状の板状の部材41を用いる。そして図2(b)、(c)に示すように、この板状の部材41を負極集電体6の棒状部61にスパイラル状(螺旋状)に巻回することにより負極4が構成されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration and manufacturing method of the
板状の部材41の平面形状、板状の部材41の厚さ、及び板状の部材41を負極集電体6の棒状部61への巻き付け回数は、リチウム電池1の安全性、放電特性、及び生産性等の観点、リチウム電池1の大きさ、正極合剤3の形状や大きさ、負極集電体6の直径等に基づき設定される。
The planar shape of the plate-
負極集電体6の棒状部61の直径は、上記板状の部材41の巻き付けが可能な程度の寸法範囲とし、負極端子板7への溶接の容易性、強度確保等の観点を考慮して設定される。例えば、単三サイズのリチウム電池1であれば、上記直径は例えば1mm程度となる。
The diameter of the rod-
強制放電(過放電含む)や異常充電モードに対する安全性を向上する観点からすれば、負極4は、少なくとも負極集電体6の棒状部61の正極合剤3と対向する部分の全体を覆うように負極集電体6に巻回することが好ましい。また内部着火等を引き起こす要因となる過放電時の負極4の切断を防ぐ観点からすれば、負極4は、負極集電体6の棒状部61の正極合剤3と対向する部分の全体を丁度覆う程度に負極集電体6に巻回することが好ましい。また負極集電体6の棒状部61を長くすることで、負極及び正極の表面積に対する負極集電体6の面積占有率を高めることができ、強制放電(過放電含む)や異常充電モードに対する安全性を高めることができる。
From the viewpoint of improving safety against forced discharge (including overdischarge) and abnormal charge mode, the
図3は、図2(c)の負極集電体6と負極4の構成を同図のA−A’線で切断して得られる断面図である。同図に示すように、この例では板状の部材41を負極集電体6の周囲に2周程巻き付けている。同図に示すように、負極集電体6に巻回された板状の部材41(負極4)の層間に隙間Sが存在するが、この隙間Sは負極4と電解液との間の接触面積の増大に寄与する。
FIG. 3 is a cross-sectional view obtained by cutting the configurations of the negative electrode
同図に示すように、板状の部材41の少なくとも最外周端部42の内周面は、板状の部材41の直下の内層の外周面と接触(電気的に接続)していることが好ましい。そのようにすることで、例えば、過放電等により板状の部材41が途中で切断した場合でも、切断後の板状の部材41の一部が負極集電体6と電気的に切断されてしまうのを防ぐことができ、負極4の切断によって生じる内部着火のリスクを低減することができる。
As shown in the figure, at least the inner peripheral surface of the outermost
以上に示した本実施形態のリチウム電池1は、その構成部材(電池缶2、正極合剤3、セパレータ5、負極集電体6、封口体20(負極端子板7、封口ガスケット10))として、筒形アルカリ電池の製造に用いられている部材(部品)を用いる(利用する)ことができる。そのため、材料コストの低減や製造工程の簡素化を図ることができ、安価なリチウム電池1を提供することができる。
As described above, the lithium battery 1 of the present embodiment includes the battery can 2, the
図4は、比較例として示す、特許文献1に記載されている従来のリチウム電池の負極4’と負極集電体6’の構成図である。同図から理解されるように、従来のリチウム電池の場合、負極4’の内径を負極集電体6’の外径に合わせる必要があり、この形状は放電末期まで維持されデンドライト(樹枝状の金属リチウム)のセパレータ貫通リスクを低減するために極間距離を大きくする必要があり放電性能に影響が生じる。また従来のリチウム電池の場合、負極4’と負極集電体6’との間の圧着強度を確保するために圧着面を工夫する必要もあり、工程が複雑化して集電不良が生じる可能性がある。
FIG. 4 is a configuration diagram of a
これに対し図3に示した構成からなる本実施形態のリチウム電池1の場合、負極4(板状の部材41)の減少とともに負極4とセパレータ5及び正極合剤3との間の距離(間隔)が広がっていく。そのため、残存容量が異なる電池同士を接続したときの転極過放電や誤使用による充電により生じるセパレータの貫通リスクは低減される方向となる。また構造上、極間距離の確保が容易であり、高負荷パルス特性を確保し易い。また負極4に負極集電体6を巻き付ける際に負極4と負極集電体6との間の圧着強度を確保し易く集電不良も生じにくい。
On the other hand, in the case of the lithium battery 1 of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 3, the distance (interval) between the
尚、本実施形態のように負極集電体6の周囲に負極4(板状の部材41)を巻回するのではなく、負極材料(金属リチウムやリチウム合金)に負極集電体6を差し込む(突き刺す)ようにすることも考えられるが、負極材料の抗力に逆らって負極集電体6を差し込む際に強度的なリスクが伴い、とくに電池が高背である場合は製造が困難となる。また差し込み方式の場合は負極材料と電解液との間の接触面積の確保が難しく、その結果、極間距離を広げる必要があり、高負荷パルス特性に影響が生じる。
Instead of winding the negative electrode 4 (plate-like member 41) around the negative electrode
=性能検証=
以上の構成からなるリチウム電池1の性能を検証すべく、図3に示す断面構造の本実施形態のボビン形リチウム一次電池(以下、「実施例」と称する。)、及び図4に示す断面構造のボビン形リチウム一次電池(以下、「比較例」と称する。)を作成して試験を行った。試作したボビン形リチウム一次電池はいずれも単三サイズ(直径14.5mm,高さ50.0mm)とした。
= Performance verification =
In order to verify the performance of the lithium battery 1 having the above-described configuration, the bobbin-type lithium primary battery (hereinafter referred to as “Example”) having the cross-sectional structure shown in FIG. 3 and the cross-sectional structure shown in FIG. A bobbin-type lithium primary battery (hereinafter referred to as “comparative example”) was prepared and tested. All of the prototype bobbin-type lithium primary batteries were AA size (14.5 mm in diameter and 50.0 mm in height).
<安全性試験>
安全性について試験を行った結果を表1に示す。また表1に示した各モードA〜Dの詳細を表2に示す。尚、試験数(サンプル数)は、実施例及び比較例のいずれについても5つとした。
Table 1 shows the results of testing for safety. Details of the modes A to D shown in Table 1 are shown in Table 2. The number of tests (number of samples) was set to 5 for both the examples and comparative examples.
<放電性能試験>
放電性能について行った試験の結果を表3に示す。連続放電特性(23℃、1kΩ負荷での連続放電)、パルス放電特定(23℃、1秒毎オン(オン時電流40mA))の夫々について試験を行った。尚、表中の数値は比較例の放電特性を100としたときの相対値である。
Table 3 shows the results of tests conducted on the discharge performance. Tests were conducted for each of continuous discharge characteristics (continuous discharge at 23 ° C. and 1 kΩ load) and pulse discharge specification (23 ° C., ON every second (on-state current 40 mA)). In addition, the numerical value in a table | surface is a relative value when the discharge characteristic of a comparative example is set to 100.
尚、上記の比較例に加え、さらに負極材料に負極集電体6を差し込んだ(突き刺した)構造(他の構造は実施例と同様)の比較例のボビン形リチウム一次電池を試作して放電性能を検証した。表4にその結果を示す。表中の数値は比較例の放電特性を100としたときの相対値である。
<高温保存特性(耐漏液性)試験>
高温保存特性(耐漏液性)について試験を行った結果を表5に示す。尚、試験数(サンプル数)は、実施例及び比較例のいずれについても5つとした。
Table 5 shows the results of testing for high temperature storage characteristics (leakage resistance). The number of tests (number of samples) was set to 5 for both the examples and comparative examples.
=効果=
以上のように、本実施形態のリチウム電池1によれば、負極4及び正極(電池缶2)の表面積に対する負極集電体6の面積占有率を確保することができる。また本実施形態のリチウム電池1によれば、負極4の減少に伴い負極4とセパレータ5及び正極合剤3との間の距離が広がるため、残存容量が異なる電池同士を接続したときの転極過放電や誤使用による充電により生じるセパレータの貫通リスクを低減することができる。
= Effect =
As described above, according to the lithium battery 1 of the present embodiment, the area occupation ratio of the negative electrode
また本実施形態のリチウム電池1は極間距離を確保しやすく、負極集電体6に巻回された板状の部材41(負極4)の層間に存在する隙間Sにより負極4と電解液との間の接触面積を確保することができ、高負荷パルス特性が損なわれることもない。
Moreover, the lithium battery 1 of this embodiment is easy to ensure the distance between the electrodes, and the
また本実施形態のリチウム電池1は負極集電体6に負極4に巻回する方式であるため、負極4と負極集電体6との間の圧着強度を確保しやすく、集電不良が生じにくい。
Moreover, since the lithium battery 1 of this embodiment is a system which winds around the
また本実施形態のリチウム電池1は、その構成部材として、筒形アルカリ電池の製造に用いられる部材(部品)を用いる(利用する)ことができる。そのため、材料コストの低減や製造工程の簡素化を図ることができ、安価なリチウム電池1を提供することができる。 Moreover, the lithium battery 1 of this embodiment can use (utilize) the member (component) used for manufacture of a cylindrical alkaline battery as the structural member. Therefore, the material cost can be reduced and the manufacturing process can be simplified, and the inexpensive lithium battery 1 can be provided.
尚、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。 In addition, the above description is for making an understanding of this invention easy, and does not limit this invention. It goes without saying that the present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and that the present invention includes equivalents thereof.
1 リチウム電池、2 電池缶、3 正極合剤、4 負極、41 板状の部材、42 最外周端部、5 セパレータ、6 負極集電体、61 棒状部、62 円盤状部、7 負極端子板、71 平板状部、72 フランジ部、10 封口ガスケット、20 封口体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium battery, 2 Battery can, 3 Positive electrode mixture, 4 Negative electrode, 41 Plate-shaped member, 42 Outermost peripheral edge part, 5 Separator, 6 Negative electrode current collector, 61 Rod-shaped part, 62 Disc-shaped part, 7 Negative
Claims (3)
前記電池缶に収納される、中空筒状の正極合剤、セパレータ、負極、及び電解液と、
前記電池缶の開口を封口する封口体と、
前記封口体に立設固定された棒状の負極集電体と、
を含み、
前記負極は、リチウム金属またはリチウム合金を成形した板状の部材からなり、前記正極合剤の内方に、前記負極集電体の周囲に巻回された状態で配置される
ことを特徴とするリチウム電池。 A bottomed cylindrical battery can with one end open;
A hollow cylindrical positive electrode mixture, a separator, a negative electrode, and an electrolyte solution housed in the battery can,
A sealing body for sealing the opening of the battery can;
A rod-shaped negative electrode current collector standingly fixed to the sealing body;
Including
The negative electrode is composed of a plate-shaped member formed of lithium metal or a lithium alloy, and is disposed inside the positive electrode mixture in a state of being wound around the negative electrode current collector. Lithium battery.
前記板状の部材の少なくとも最外周端部の内周面は、前記板状の部材の前記最外周端部の直下の内層の外周面と接触している
ことを特徴とする請求項1に記載のリチウム電池。 The plate-like member is wound in a spiral around the negative electrode current collector,
The inner peripheral surface of at least the outermost peripheral end portion of the plate-shaped member is in contact with the outer peripheral surface of the inner layer immediately below the outermost peripheral end portion of the plate-shaped member. Lithium battery.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム電池。 The lithium battery according to claim 1, wherein at least one of the battery can, the sealing body, and the negative electrode current collector is configured using a cylindrical alkaline battery member.
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