JP2019197613A - Bobbin-type lithium primary battery - Google Patents
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Description
本発明は、ボビン形リチウム一次電池に関する。 The present invention relates to a bobbin-type lithium primary battery.
ボビン形リチウム一次電池は、リチウム金属またはリチウム合金を負極活物質として用い、エネルギー密度が高く高容量であるという特徴を有する。そのため、各種計測器や電子機器のメモリーバックアップ用の電池など、長期間にわたって無保守で使い続けるような用途に広く利用されている。 The bobbin-type lithium primary battery has a feature that it uses lithium metal or a lithium alloy as a negative electrode active material and has high energy density and high capacity. For this reason, it is widely used for applications that continue to be used without maintenance for a long period of time, such as batteries for memory backup of various measuring instruments and electronic devices.
一般的なボビン形リチウム一次電池の構造は、上方に開口する有底円筒状の電池缶内に、中空円筒状の正極合剤と、当該正極合剤の内方にセパレータを介して配備される負極リチウムとが電解液とともに収納されており、前記電池缶の開口が封口体によって封口されてなるものである(例えば特許文献1、2)。 A general bobbin-type lithium primary battery has a hollow cylindrical positive electrode mixture and a hollow cylindrical positive electrode mixture, and a separator inside the positive electrode mixture. Negative electrode lithium is accommodated together with the electrolytic solution, and the opening of the battery can is sealed by a sealing body (for example, Patent Documents 1 and 2).
正極合剤の材料としては、ボビン形リチウム一次電池において通常使用されている物質であれば特に限定はされない。例えば、正極活物質としては二酸化マンガンなどを用いることができる。また、炭素材料などの導電助剤も適宜用いることができる。 The material of the positive electrode mixture is not particularly limited as long as it is a substance usually used in a bobbin-type lithium primary battery. For example, manganese dioxide or the like can be used as the positive electrode active material. In addition, a conductive aid such as a carbon material can be used as appropriate.
負極リチウムは、板状のリチウム金属またはリチウム合金が中空円筒状に成形され、中空円筒状の前記負極リチウムの内面に、金属製薄板からなる負極集電体が取り付けられている。負極集電体は帯状あるいは矩形状の金属薄板からなり、例えばその一端が中空円筒状の負極リチウムの内面側に圧着されている。 In the negative electrode lithium, a plate-like lithium metal or lithium alloy is formed into a hollow cylindrical shape, and a negative electrode current collector made of a thin metal plate is attached to the inner surface of the hollow cylindrical negative electrode lithium. The negative electrode current collector is made of a strip or rectangular thin metal plate, and one end of the negative electrode current collector is bonded to the inner surface side of the hollow cylindrical negative electrode lithium.
ここで、電池に収納される電解液量は、放電末期の特性を左右するので、極力多い方が好ましい。しかしながら、電池を封口する際に電解液量が飛散する可能性があり、このことが電池特性のバラつき要因の一つとなっている。 Here, since the amount of the electrolyte solution accommodated in the battery affects the characteristics at the end of discharge, it is preferable that the amount is as large as possible. However, when sealing the battery, there is a possibility that the amount of the electrolytic solution is scattered, which is one of the causes of variation in battery characteristics.
また、放電末期では、負極集電体周縁部のエッジ部でリチウムが切れ、電圧が急降下することにより、電池の容量を使いきれなくなってしまう課題がある。 In addition, at the end of discharge, there is a problem that the capacity of the battery cannot be used due to the fact that lithium is cut off at the edge portion of the peripheral edge of the negative electrode current collector and the voltage drops rapidly.
そこで本発明は、電池内に収納した電解液が、封口時に飛散することを抑止し、電池特性のバラつきをなくす手段を提供することを目的とする。また、放電末期でのリチウム切れを抑制する手段を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a means for preventing the electrolyte contained in the battery from scattering at the time of sealing and eliminating the variation in battery characteristics. It is another object of the present invention to provide a means for suppressing lithium shortage at the end of discharge.
上記目的を達成するための本発明の一態様は、上方に開口する有底円筒状の電池缶内に、中空円筒状の正極合剤と、当該正極合剤の内方にセパレータを介して配備される負極リチウムとが電解液とともに収納されており、前記電池缶の開口が封口体によって封口されてなるボビン形リチウム一次電池であって、複数の前記正極合剤が、上下方向に同軸となるように互いに間隙を有して積層され、前記負極リチウムは、板状のリチウム金属またはリチウム合金が中空円筒状に成形され、中空円筒状の前記負極リチウムの内面に、金属製薄板からなる負極集電体が取り付けられ、前記負極集電体は、その下端が前記正極合剤の前記間隙の領域に対向していることを特徴とする、ボビン形リチウム一次電池である。 One aspect of the present invention for achieving the above object is to provide a hollow cylindrical positive electrode mixture in a bottomed cylindrical battery can opened upward and a separator inside the positive electrode mixture. Is a bobbin-type lithium primary battery in which an opening of the battery can is sealed with a sealing body, and a plurality of the positive electrode mixtures are coaxial in the vertical direction. The negative electrode lithium is formed by forming a plate-like lithium metal or lithium alloy into a hollow cylindrical shape, and forming a negative electrode assembly made of a thin metal plate on the inner surface of the hollow cylindrical negative electrode lithium. The bobbin type lithium primary battery is characterized in that an electric body is attached, and the negative electrode current collector has a lower end facing the gap region of the positive electrode mixture.
また、本発明は、最下層に位置する正極合剤と、その一つ上の層に位置する正極合剤との間隙に、前記負極集電体の下端が存在することを特徴とする、上記ボビン形リチウム一次電池、および、前記間隙に、吸液性を有するスペーサーを設けることを特徴とする、上記ボビン形リチウム一次電池にも及んでいる。 Further, the present invention is characterized in that the lower end of the negative electrode current collector exists in the gap between the positive electrode mixture located in the lowermost layer and the positive electrode mixture located in the layer above it. The present invention also extends to the bobbin-type lithium primary battery, wherein the bobbin-type lithium primary battery is provided with a liquid-absorbing spacer in the gap.
正極合剤間に間隙が存在する本発明によると、正極合剤間に間隙が存在しない従来技術と同じ量の電解液を入れた場合、液面の高さが低くなり、電解液の飛散を抑止することができる。その結果、電池内の電解液の保液量が多くなり、バラつきも少なくなるため、放電末期での電池特性がより安定的になる。 According to the present invention in which there is a gap between the positive electrode mixture, when the same amount of the electrolytic solution as in the prior art in which there is no gap between the positive electrode mixture is put, the height of the liquid level becomes low and the scattering of the electrolytic solution is prevented. Can be deterred. As a result, the amount of the electrolyte solution in the battery increases and the variation decreases, so that the battery characteristics at the end of discharge become more stable.
さらには、負極集電体の下端を正極合剤の間隙の領域に対向させることにより、リチウム切れも抑制することができ、この点においても電池特性の安定性に寄与することができる。 Further, by causing the lower end of the negative electrode current collector to face the gap region of the positive electrode mixture, it is possible to suppress lithium breakage, which also contributes to the stability of battery characteristics.
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明の範囲は、実施例を含めた当該記載に限定されるものではない。 Hereinafter, although embodiment of this invention is described, the range of this invention is not limited to the said description including an Example.
本発明に係るボビン形リチウム一次電池においては、複数の中空円筒状の正極合剤が、上下方向に同軸となるように互いに間隙を有して積層されていることを特徴とする。 The bobbin-type lithium primary battery according to the present invention is characterized in that a plurality of hollow cylindrical positive electrode mixtures are stacked with a gap therebetween so as to be coaxial in the vertical direction.
課題であった、電池の封口時の電解液の飛散は、電解液の液面の高さに起因しているものと考えられる。本発明においては、液面を下げる一つの手段として、正極合剤間に間隙を設けた。 It is considered that the scattering of the electrolytic solution at the time of sealing the battery, which was a problem, is caused by the height of the liquid surface of the electrolytic solution. In the present invention, as one means for lowering the liquid level, a gap is provided between the positive electrode mixture.
ここで、ボビン形リチウム一次電池の断面図を用いて、本発明を説明する。 Here, the present invention will be described using a cross-sectional view of a bobbin-type lithium primary battery.
図1は、本実施形態に係るボビン形リチウム一次電池1の断面図である。上方に開口する有底円筒状の電池缶7内に、中空円筒状の正極合剤2が複数個保持され、その内方にセパレータ8を介し、負極リチウム4が電解液(図示しない)とともに収納されている。電池缶7の開口は、封口体10によって封口されている。封口体10は、具体的には、金属製の負極端子板11と封口板12とからなる。なお、符号9は、正極端子部を示す。本発明においては、正極合剤2が、上下方向に同軸となるように互いに間隙3を有して積層されている。さらに、負極リチウム4は、板状のリチウム金属またはリチウム合金が中空筒状に成形されているものであって、負極リチウム4の内面に、金属製薄板からなる負極集電体5が取り付けられ、負極集電体5は、下端6が、正極合剤間の間隙3の領域に対向している。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a bobbin-type lithium primary battery 1 according to this embodiment. A plurality of hollow cylindrical
図2は、図1に係るボビン形リチウム一次電池1を上下軸に沿って90度回転させたボビン形リチウム一次電池20の断面図である。なお、正極合剤をはじめとした構成要素の符号は、図1と同様である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a bobbin-type lithium
図3は、従来技術に係るボビン形リチウム一次電池100の断面図である。図1の正極合剤2は102、負極リチウム4は104、負極集電体5は105、電池缶7は107、セパレータ8は108、正極端子部9は109、封口体10、金属製の負極端子板11、および封口板12は110、111、および112に、それぞれ相当する。即ち、図3に例示する従来のボビン形リチウム一次電池100には、図1の間隙3が存在しない。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a bobbin-type lithium
本実施形態のように、正極合剤間に間隙を設けた場合は、正極合剤の内円部分に加え、正極合剤の底面あるいは天面も電解液の吸水に寄与するので、正極合剤の電解液の吸液スピードが向上する。それに対して、従来技術(例えば特許文献1、特許文献2)のように、正極合剤間に間隙を設けずに、正極合剤同士を詰めて電池缶内に圧入した場合、電解液を吸収する部位は、正極合剤の内円部分にとどまる。 When a gap is provided between the positive electrode mixture as in this embodiment, the bottom surface or top surface of the positive electrode mixture also contributes to water absorption of the electrolyte solution in addition to the inner circle portion of the positive electrode mixture. The liquid absorption speed of the electrolyte is improved. On the other hand, as in the prior art (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2), when the positive electrode mixture is packed and pressed into the battery can without providing a gap between the positive electrode mixtures, the electrolyte is absorbed. The part to do stays in the inner circle part of the positive electrode mixture.
すなわち、電解液を電池内に入れてから封口するまでの時間(エージング時間)が同じである場合、液面が正極合剤間に間隙を設けない場合より下がっているので、封口時の電解液の飛散を抑止することができる。これによって、放電末期での電解液枯渇状態の出現をより遅らせることが可能となり、より安定した電池特性を得ることが可能となる。 That is, when the time from when the electrolytic solution is put into the battery to sealing (aging time) is the same, the liquid level is lower than when no gap is provided between the positive electrode mixture. Can be prevented. As a result, the appearance of the electrolyte depleted state at the end of discharge can be further delayed, and more stable battery characteristics can be obtained.
また、間隙3に、吸液性を有するスペーサーを設けることによっても、同様の効果が期待できる。吸液性を有するスペーサーとしては、例えばセパレータを用いても良い。
Further, the same effect can be expected by providing a spacer having liquid absorbency in the
さらに、放電末期の電圧の急降下の原因の一つとして、いわゆる上述したような負極リチウム切れが挙げられる。具体的には、負極リチウム切れは下端から起こる。ここで、正極合剤2間の間隙3に対向する部分は、負極リチウム4が反応しにくい。このことに着目して、負極集電体5の下端部を正極合剤2の間隙3の領域に対向させることによって、リチウムの反応を抑制することができる。そして、経時で下端のリチウムが膨張してくるので、負極リチウムが切れる時間を延ばすことができ、さらに安定的な電池特性を得ることが可能である。
Furthermore, as one of the causes of the sudden drop of the voltage at the end of discharge, there is a so-called negative electrode lithium shortage as described above. Specifically, the negative electrode lithium shortage occurs from the lower end. Here, in the portion facing the
なお、負極リチウム4と負極集電体5との接触面積を大きくするため、負極集電体5の下端6は、最下層に位置する正極合剤2と、その一つ上の層に位置する正極合剤2との間隙3に存在することが好ましい。
In order to increase the contact area between the
ここで、正極合剤2間の間隙3の寸法は、上記効果を良好に得るために当業者が適宜調整することが可能であるが、間隙3を大きく広げすぎると、正極と負極の反応性に偏りが生じ、かえって電池特性にバラつきが生じることがある。また、電池の設計上、一定空間内に電池部材を入れる必要があるため、容量面でロスが生じてしまう。
Here, the dimension of the
その他、ボビン形リチウム一次電池1を作製する際に用いられるバインダーや溶剤なども、従来のボビン形リチウム一次電池に使用されていた公知のものを用いることができる。 In addition, as the binder, the solvent, and the like used when producing the bobbin-type lithium primary battery 1, known ones used in conventional bobbin-type lithium primary batteries can be used.
===本発明の実施例===
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるべきものではない。
=== Embodiment of the Invention ===
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention should not be limited to these examples.
<電解液保液率の測定>
以下に示す手順により、CR17450サイズの電池を準備した。
<Measurement of electrolyte retention rate>
A CR17450 size battery was prepared by the following procedure.
(1)実施例として、図1と同等の構造のボビン形リチウム一次電池を、電解液を入れない状態で5本準備した。比較例として、正極合剤間に間隙が存在しない、図3と同等の構造のボビン形リチウム一次電池を、電解液を入れない状態で5本準備した。
(2)上記10本の電池にそれぞれ注入するための同一重量の電解液を10種類準備した上で、上記10本の各電池の重量を測定した。この各電池の重量と電解液の重量との合計を、「封口前重量」とする。
(3)上記10本の各電池に電解液を入れて、封口した。
(4)上記封口後の10本の各電池の重量を測定した。この各電池の重量を、「封口後重量」とする。
(5)上記10本の各電池について、(封口後重量/封口前重量)×100 の計算式で、電解液の電池内保液率を測定した。
(1) As an example, five bobbin-type lithium primary batteries having a structure equivalent to that shown in FIG. As a comparative example, five bobbin-type lithium primary batteries having a structure equivalent to that shown in FIG.
(2) After preparing 10 types of electrolytes having the same weight to be injected into the 10 batteries, the weights of the 10 batteries were measured. The total of the weight of each battery and the weight of the electrolyte is defined as “weight before sealing”.
(3) The electrolyte solution was put into each of the 10 batteries and sealed.
(4) The weight of each of the 10 batteries after the sealing was measured. The weight of each battery is referred to as “weight after sealing”.
(5) For each of the 10 batteries, the liquid retention rate in the battery of the electrolyte was measured by the following formula: (weight after sealing / weight before sealing) × 100.
上記電池内保液率を、表1に示す。なお、σは、標準偏差である。 Table 1 shows the liquid retention ratio in the battery. Note that σ is a standard deviation.
表1の結果から、実施例に係る、正極合剤間に間隙が存在するボビン形リチウム一次電池の方が、比較例に係る正極合剤間に間隙が存在しないボビン形リチウム一次電池と比べて、電解液の飛散による重量減が少なく、標準偏差、すなわちバラつきも小さいという結果を得た。 From the results in Table 1, the bobbin-type lithium primary battery according to the example in which a gap exists between the positive electrode mixtures is compared with the bobbin-type lithium primary battery in which no gap exists between the positive electrode mixtures according to the comparative example. As a result, the weight loss due to scattering of the electrolyte was small, and the standard deviation, that is, the variation was small.
<定抵抗放電試験>
上記封口後の10本の各電池について、さらに1kΩの条件で定抵抗放電試験を行った。充填容量(正極と負極との合計の理論容量)を100とした時の放電容量を、表2に示す。
<Constant resistance discharge test>
For each of the 10 batteries after the sealing, a constant resistance discharge test was further performed under the condition of 1 kΩ. Table 2 shows the discharge capacity when the filling capacity (the total theoretical capacity of the positive electrode and the negative electrode) is 100.
表2の結果から、実施例に係る、正極合剤間に間隙が存在するボビン形リチウム一次電池の方が、比較例に係る、正極合剤間に間隙が存在しないボビン形リチウム一次電池よりも優れた放電性能を示した。 From the results of Table 2, the bobbin-type lithium primary battery according to the example in which a gap exists between the positive electrode mixtures is more than the bobbin-type lithium primary battery according to the comparative example in which there is no gap between the positive electrode mixtures. Excellent discharge performance was shown.
1,20,100・・・ボビン形リチウム一次電池
2,102・・・正極合剤
3・・・正極合剤間の間隙
4,104・・・負極リチウム
5,105・・・負極集電体
6・・・負極集電体の下端
7,107・・・電池缶
8,108・・・セパレータ
9,109・・・正極端子部
10,110・・・封口体
11,111・・・負極端子板
12,112・・・封口板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,20,100 ... Bobbin-type lithium primary battery 2,102 ...
Claims (3)
複数の前記正極合剤が、上下方向に同軸となるように互いに間隙を有して積層され、
前記負極リチウムは、板状のリチウム金属またはリチウム合金が中空円筒状に成形され、
中空円筒状の前記負極リチウムの内面に、金属製薄板からなる負極集電体が取り付けられ、
前記負極集電体は、その下端が前記正極合剤の前記間隙の領域に対向していることを特徴とする、ボビン形リチウム一次電池。 Inside the bottomed cylindrical battery can that opens upward, the hollow cylindrical positive electrode mixture, and the negative electrode lithium disposed through the separator inside the positive electrode mixture are stored together with the electrolyte, A bobbin-type lithium primary battery in which the opening of the battery can is sealed by a sealing body,
A plurality of the positive electrode mixture is laminated with a gap so as to be coaxial in the vertical direction,
The negative electrode lithium is a plate-like lithium metal or lithium alloy formed into a hollow cylindrical shape,
A negative electrode current collector made of a thin metal plate is attached to the inner surface of the hollow cylindrical negative electrode lithium,
The bobbin-type lithium primary battery, wherein the negative electrode current collector has a lower end facing the gap region of the positive electrode mixture.
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