JP3768026B2

JP3768026B2 - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP3768026B2
Application number: JP07991399A
Authority: JP
Inventors: 礼造前田; 俊之能間; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2000277154A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池に関し、特に、高出力化に有効な集電構造を具えた非水電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電力貯蔵用や電気自動車用の電源として、急激な出力変動に対応可能な非水電解液二次電池が開発されており、その中でも、高い出力密度を得ることが出来るリチウムイオン電池が注目されている。
【０００３】
リチウムイオン電池などの非水電解液二次電池においては、密閉容器内に巻き取り電極体が収容され、巻き取り電極体は、それぞれ帯状の正極と負極の間にセパレータを介在させて、これらを渦巻き状に巻き取って構成され、セパレータには、有機電解液が含浸されている。
又、巻き取り電極体の正極側及び負極側の端部は、それぞれ集電体を介して、密閉容器に取り付けられた正負一対の電極端子部に連結されて、巻き取り電極体が発生する電力を両電極端子部から外部へ取り出すことが出来るようになっている。
【０００４】
ところで、リチウムイオン電池において、セパレータに含浸されている有機電解液は、アルカリ蓄電池や鉛蓄電池に用いられている水溶液系の電解液に比べてイオン電導性が低いため、大電流での充放電を可能とするには、電極(正極及び負極)を薄く形成して、電極面積を増大させ、エネルギー密度を高めることが必要である。そこで、電極の芯体として、薄い導電性の金属箔、具体的には電池内部で安定なアルミニウム箔や銅箔が採用されている。
【０００５】
しかしながら、芯体の材料となるアルミニウムや銅は強度が低い上に、熱伝導性が高く、巻き取り電極体に集電体を溶接する際、電極の芯体が主に溶融するため、溶接が困難である。この結果、溶接不良が生じて、充分な集電性が得られない問題があった。そこで、従来より種々の集電構造が提案されている。
【０００６】
例えば、特許第２７３５８６３号公報に開示されている非水電解液二次電池は、金属円筒を中心として巻き取り電極体を形成し、該金属円筒を集電体として利用している。特開平８−１１５７４４号公報には、正極及び負極の活物質非塗布部をそれぞれ延長し、該延長部にリード線を接続して、集電体を構成したリチウム二次電池が開示されている。
又、特開昭５０−１１２７４１号公報、特開昭５７−４６４６８号公報、特開平９−２９８０５５号公報及び特開平１１−３１４９７号公報には、アルカリ蓄電池において巻き取り電極体に集電体を接続する構造が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許第２７３５８６３号公報や特開平８−１１５７４４号公報に開示されている集電構造においては、何れも充分な集電性能が得られず、これによって出力が低くなる問題がある。
【０００８】
又、特開昭５０−１１２７４１号公報、特開昭５７−４６４６８号公報、特開平９−２９８０５５号公報及び特開平１１−３１４９７号公報に開示されている集電構造は、アルカリ蓄電池を対象としたものであって、電極に比較的厚さの大きな芯体が用いられているので、この構造をそのまま非水電解液二次電池に採用した場合、電極の芯体と集電体の間の溶接が困難となる。
即ち、非水電解液二次電池においては、電極の芯体が薄いアルミニウム箔や銅箔から形成されており、これらの材質は熱伝導率が高いため、溶接熱が周囲に放散し易いので、大きな出力で溶接を行なう必要がある。しかし、これによって芯体が大きく溶融することとなり、溶接強度に問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、巻き取り電極体と集電体の間の溶接が容易であって充分な溶接強度が得られ、然も、従来よりも高い出力が得られる非水電解液二次電池を提供することである。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る非水電解液二次電池において、巻き取り電極体(２)は、それぞれ帯状の正極(21)と負極(23)の間にセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻き取って構成され、正極(21)及び負極(23)はそれぞれ、帯状芯体の表面に電極材料を塗布して構成されている。
巻き取り電極体(２)の軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(22)の端縁よりも外方へ正極(21)の端縁が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(22)の端縁よりも外方へ負極(23)の端縁が突出し、巻き取り電極体(２)の各端部に突出した電極端縁は、集電体(３)を介して前記電極端子部に連結されている。
集電体(３)は、巻き取り電極体(２)の電極端縁に向かって突出する突起部(31)を具えて、該突起部(31)が電極端縁に溶接され、各電極の芯体の厚さｔが０ . ０１ｍｍ以上、０ . ０３ｍｍ以下であり、各電極の芯体の厚さｔに対する集電体(３)の突起部(31)の厚さＬの比(Ｌ／ｔ)は、１０以上、３０以下の範囲に設定されている。
【００１１】
本発明に係る非水電解液二次電池においては、電極の芯体が、アルミニウム、銅、若しくはこれらの合金からなる金属箔によって形成されており、アルカリ蓄電池に採用されている鉄やニッケル製の芯体に比べて、薄く且つ熱伝導率が高いので、集電体(３)の溶接が問題となるが、本発明においては、各電極の芯体の厚さｔに対する集電体(３)の突起部(31)の厚さＬの比(Ｌ／ｔ)が適正な範囲、即ち、アルカリ蓄電池の場合よりも大きい１０〜３０の範囲に設定されているので、溶接時の熱が逃げ難く、然も芯体が著しく溶融することがなく、溶接が容易である。これによって高い溶接強度が得られると共に、良好な溶接状態が得られて、溶接部の抵抗値も低くなるので、電池出力が従来よりも高くなる。
【００１２】
具体的には、集電体(３)の突起部(31)は、巻き取り電極体(２)の端面とは略直交する平板状を呈している。
該具体的構成においては、巻き取り電極体(２)の突起部(31)が、巻き取り電極体(２)の端部に突出している電極の芯体に溶接固定される。
【００１３】
又、具体的構成において、集電体(３)は、巻き取り電極体(２)の端面に沿って拡がる平板部(33)を具え、該平板部(33)の一方の表面に前記突起部(31)が突設されると共に、他方の表面に帯状のタブ部(32)が突設され、該タブ部(32)の先端が電極端子部に接続されている。
該具体的構成においては、巻き取り電極体(２)からの電流が、集電体(３)の突起部(31)から平板部(33)を経てタブ部(32)へ流れ、タブ部(32)から電極端子部へ供給される。ここで、平板部(33)を厚く形成することによって、集電体(３)の電気抵抗を下げて、高い電池出力を得ることが出来る。
【００１４】
又、正極側の集電体(３)が、アルミニウムを含む金属、特にアルミニウムを主体とする金属からなり、負極側の集電体(３)が、銅を含む金属、特に銅を主体とする金属からなる場合、集電体(３)は低抵抗となり、適している。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る非水電解液二次電池によれば、巻き取り電極体と集電体の間の溶接が容易であって充分な溶接強度が得られ、然も、従来よりも高い出力が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリチウムイオン電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係るリチウムイオン電池は、図１に示す如く負極缶(１)の内部に巻き取り電極体(２)を収容して、負極缶(１)の開口部に封口板(11)を固定したものであって、負極缶(１)と封口板(11)の間には絶縁部材(12)が介在している。又、封口板(11)には、安全弁(14)を内蔵した正極端子(13)が取り付けられている。これによって、巻き取り電極体(２)が発生する電力を正極端子(13)と負極缶(１)から外部へ取り出すことが出来る。
【００１７】
巻き取り電極体(２)は、図３に示す様に、それぞれ帯状の正極(21)、セパレータ (22)、及び負極(23)からなり、正極(21)及び負極(23)はそれぞれセパレータ(22)上に幅方向へずらして重ね合わされて、渦巻き状に巻き取られている。
正極(21)は、アルミニウム箔からなる芯体の表面に正極活物質(24)を塗布して構成され、電極長手方向に伸びる一方の端縁に沿って、正極活物質の塗布されていない非塗布部(25)が形成されている。
負極(23)は、銅箔からなる芯体の表面に負極活物質(26)を塗布して構成され、電極長手方向に伸びる他方の端縁に沿って、負極活物質の塗布されていない非塗布部(27)が形成されている。
これによって、巻き取り電極体(２)の軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(22)の端縁よりも外方へ正極(21)の端縁が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(22)の端縁よりも外方へ負極(23)の端縁が突出している。
例えば、各電極の活物質塗布部(24)(26)の幅Ａは３１ｍｍ、非塗布部(25)(27)の幅Ｂは２ｍｍ、セパレータ(22)からの突出距離Ｓは１ｍｍに形成される。
【００１８】
図１に示す如く、巻き取り電極体(２)の両端部にはそれぞれ集電体(３)が設置されている。
集電体(３)は、図２に示す如く、巻き取り電極体(２)の端面に沿って拡がる平板部(33)と、平板部(33)の一方の表面に突設された突起部(31)と、平板部(33)の他方の表面に突設されたタブ部(32)とを具え、突起部(31)は、集電体(３)の端面に対して垂直の平板状に形成され、その先端が、巻き取り電極体(２)の電極端縁に抵抗溶接によって接合されている。
又、図１に示す様に、巻き取り電極体(２)の正極(21)の端縁に接合された集電体(３)のタブ部(32)の先端部が封口板(11)の内面に抵抗溶接によって接合され、巻き取り電極体(２)の負極(23)の端縁に接合された集電体(３)のタブ部(32)の先端部が負極缶(１)の底面に抵抗溶接によって接合されている。
尚、正極(21)に接合された集電体(３)はアルミニウム製であり、負極(23)に接合された集電体(３)は銅製である。
【００１９】
例えば巻き取り電極体(２)の正極(21)の端縁に集電体(３)の突起部(31)を抵抗溶接によって接合する際、図２中に拡大して示す様に、溶接時の熱によって正極(21)の芯体の端部が僅かに溶融し、該芯体に対して突起部(31)の先端が僅かに食い込んだ状態で、正極(21)の芯体と集電体(３)の突起部(31)とが互いに溶接固定されることになる。
【００２０】
集電体(３)は、図４に示す如く、突起部(31)及び平板部(33)が形成された２枚のアングル状部材(４)(４)と、平板部(33)が形成された２枚の半円状部材(41)(41)と、タブ部(32)が形成された１枚の帯板状部材(42)とから構成され、これらの部材を板金加工によって作製した後、互い溶接固定したものである。
尚、集電体(３)の突起部(31)は、後述の如く電極芯体の厚さとの関係で、一定の厚さ範囲に形成する必要があるが、平板部(33)は電気抵抗が出来るだけ低いことが望ましい。この点で、図４の構造においては、平板部(33)がアングル状部材(４)と半円状部材(41)からなる２枚構造を有して、厚さが大きく形成されているので、電気抵抗が低く、電池出力の増大に有効である。
【００２１】
集電体(３)としては、他の構成も採用可能であって、例えば図５に示す様に、突起部(31)が形成されたチャンネル状部材(43)と、平板部(33)が形成された円板状部材(44)と、タブ部(32)が形成された帯板状部材(42)とを、それぞれ板金加工によって作製した後、互いに溶接固定して、集電体(３)を構成することが出来る。
図６に示す様に、突起部(31)(31)が形成されたチャンネル状部材(43)と、平板部(33)及びタブ部(32)が形成された円板状部材(45)とを、それぞれ板金加工によって作製した後、互いに溶接固定して、集電体(３)を構成することが出来る。
又、図７に示す様に、板金加工によって、円板状部材(46)に突起部(31)、タブ部(32)及び平板部(33)が形成された、一体の集電体(３)を構成することも可能である。
【００２２】
図８に示す様に、突起部(31)(31)が形成された２つのチャンネル状部材(43)(43)と、タブ部(32)が形成された帯板状部材(42)とを、それぞれ板金加工によって作製した後、これらを互いに溶接固定して、集電体(３)を構成することが出来る。該集電体(３)においては、２つのチャンネル状部材(43)(43)が平板部(33)を形成することになる。
又、図９に示す如く、突起部(31)(31)が形成されたチャンネル状部材(43)と、タブ部(32)が形成された帯板状部材(42)とを、それぞれ板金加工によって作製した後、これらを互いに溶接固定して、集電体(３)を構成することも可能である。
【００２３】
更に、図１０及び図１１に示す様に、突起部(31)(31)が形成された第１のチャンネル状部材(43)と、突起部(31)が形成された第２のチャンネル状部材(47)と、平板部(33)が形成された十字状部材(48)と、タブ部(32)が形成された帯板状部材(42)とを、それぞれ板金加工によって作製した後、これらを互いに溶接固定して、集電体(３)を構成することも可能である。
【００２４】
上記本発明に係る非水電解液二次電池の効果を実証するべく、図１に示す本発明電池Ａと、特許第２７３５８６３号公報に開示された比較電池Ｘ１と、特開平８−１１５７４４号公報に開示された比較電池Ｘ２とを作製して、性能比較実験を行なった。
【００２５】
先ず、各電池に共通の製造工程について説明する。
［正極の作成］
正極活物質としての平均粒径５μｍのＬｉＣｏＯ_２粉末と導電剤としての人造黒鉛とを重量比９：１で混合して、正極合剤を調製した。この正極合剤と、ポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドン(ＮＭＰ)に５重量％だけ溶解させた結着剤溶液とを、固形分重量比９５：５で混練してスラリーを調製し、このスラリーを、正極芯体となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布した。尚、活物質塗布部の幅は３１ｍｍ、活物質非塗布部の幅を２ｍｍとした。この様にして作製された電極に、１５０℃で２時間の真空乾燥を施し、更に圧延加工を施して、厚さ３００μｍの正極を得た。
【００２６】
［負極の作製］
炭素塊(ｄ_００２＝３.３５６Å；Ｌｃ＞１０００)に空気流を噴射して粉砕し、黒鉛粉末を作製した。又、結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮＭＰに溶解させてＮＭＰ溶液を調製した。そして、これらを黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンの重量比が８５：１５となるように混練してスラリーを調製し、このスラリーを負極芯体となる厚さ２０μｍの銅箔の両面にドクターブレード法により塗布した。尚、活物質塗布部の幅は３１ｍｍ、活物質非塗布部の幅を２ｍｍとした。この様にして作製された電極に、１５０℃で２時間の真空乾燥を施し、更に圧延加工を施して、厚さ３００μｍの負極を得た。
【００２７】
［電解液の調製］
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比１：１で混合した溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１Ｍの割合で溶かして、電解液を調製をした。
【００２８】
［電池の組立］
負極と正極の間に、セパレータとなるイオン透過性のポリプロピレン製の微多孔膜を挟んで、これらを渦巻き状に巻回し、直径１３ｍｍ、高さ３５ｍｍの巻き取り電極体を作製した。
【００２９】
本発明電池Ａにおいては、図１に示す如く巻き取り電極体(２)の両端部にそれぞれ集電体(３)を、銅電極を用いた抵抗溶接によって接合した。
尚、集電体(３)の突起部(31)、タブ部(32)及び平板部(33)の厚さはそれぞれ０.３０ｍｍ、０.１０ｍｍ、０.１０ｍｍである。
又、負極側の集電体(３)は銅製、正極側の集電体(３)はアルミニウム製である。但し、負極側の集電体(３)の材質としては、ニッケルやステンレス鋼を、正極側の集電体(３)の材質としては、ステンレス鋼やチタンを採用することも可能である。
【００３０】
そして、集電体(３)の接合された巻き取り電極体(２)を負極缶(１)の内部に装填して、負極側の集電体(３)を負極缶(１)の底部に溶接すると共に、正極側の集電体(３)を封口板(11)に溶接し、負極缶(１)の内部に電解液を注入した後、負極缶(１)の開口部に封口板(11)をかしめて、単３型リチウムイオン電池(本発明電池Ａ)を完成した。
【００３１】
一方、比較電池Ｘ１の作製においては、外径３ｍｍ、厚さ０.２ｍｍ、長さ３７ｍｍのステンレス鋼製の金属円筒を中心として巻き取り電極体を作製し、金属円筒を集電体として用いる以外は本発明Ａと同様にして、比較電池Ｘ１を得た。又、比較電池Ｘ２の作製においては、正極の未塗布部に０.５５μｍのアルミニウム製のリード線を溶接し、負極の未塗布部には０.５５μｍのニッケル製のリード線を溶接して、集電体を構成する以外は本発明Ａと同様にして、比較電池Ｘ２を得た。
【００３２】
性能比較実験において、先ず、本発明電池Ａと比較電池Ｘ１、Ｘ２の出力を測定したところ、下記表１の結果が得られた。尚、測定条件は次の通りである。
充電：４.１Ｖ定電圧×１時間
休止：１時間
放電１：５０ｍＡ×６時間
放電２：３Ａ×２秒
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１から明らかな様に、本発明電池Ａでは、放電２の２秒経過時点の電圧が２.７Ｖを越える高い値となっており、高出力が得られている。これに対して、比較電池Ｘ１及びＸ２では、電圧が２.７Ｖを下回っており、充分な出力が得られていない。これは、比較電池Ｘ１では、金属円筒に対する電極の巻き初め部分での集電性は改善されるものの、他の電極領域での集電性が不十分であるためであり、又、比較電池Ｘ２では、電極と集電体の間の溶接状態が悪いためであると考えられる。
【００３５】
次に、本発明に係る非水電解液二次電池において、正極(21)及び負極(23)の芯体の厚さｔに対する集電体(３)の突起部(31)の厚さＬの比(Ｌ／ｔ)を最適化するべく、この比が異なる以外は本発明電池Ａと同様にして、複数の電池Ｂ１〜Ｂ９を作製し、上記同様にして、電池出力を測定したところ、表２の結果が得られた。
【００３６】
【表２】

【００３７】
表２から明らかな様に、比(Ｌ／t)が１０〜３０の範囲で、出力電圧が３.５Ｖを上回っており、高い出力が得られている。ここで、比(Ｌ／t)が１０未満で電圧が低くなっているのは、集電体(３)の突起部(31)の厚さＬに対して巻き取り電極体(２)の電極芯体の厚さｔが過度に大きくなって、溶接時の熱放散が大きくなるため、溶接不良が発生するためである。又、比(Ｌ／t)が３０を越えると電圧が低くなっているのは、集電体(３)の突起部(31)に厚さＬに対して巻き取り電極体(２)の電極芯体の厚さｔが過度に小さくなって、溶接時の熱で芯体が主に溶融して、突起部が充分に溶融されず、溶接不良が発生するためである。
【００３８】
更に、抵抗溶接に用いる電極として、タングステン電極及び炭素電極を用いて、本発明に係るリチウム二次電池を作製し、上記同様に電池出力を測定したところ、タングステン電極や炭素電極を用いることによって、溶接時の電極への熱伝導が抑制されて、集電体と芯体の間が確実に溶着されることになり、高い出力が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非水電解液二次電池の構造を表わす断面図である。
【図２】該二次電池に装備されている巻き取り電極体と集電体の接合状態を示す斜視図である。
【図３】巻き取り電極体の一部を展開した斜視図である。
【図４】集電体の分解斜視図である。
【図５】他の集電体の分解斜視図である。
【図６】他の集電体の分解斜視図である。
【図７】他の集電体の斜視図である。
【図８】他の集電体の斜視図である。
【図９】他の集電体の斜視図である。
【図１０】更に他の集電体の斜視図である。
【図１１】図１０の集電体の分解斜視図である。
【符号の説明】
(１) 負極缶
(11) 封口板
(２) 巻き取り電極体
(21) 正極
(22) セパレータ
(23) 負極
(24) 塗布部
(25) 非塗布部
(26) 塗布部
(27) 非塗布部
(３) 集電体
(31) 突起部
(32) タブ部
(33) 平板部

Claims

密閉容器内に収容された巻き取り電極体が発生する電力を一対の電極端子部から外部へ取り出すことが出来る非水電解液二次電池において、巻き取り電極体(２)は、それぞれ帯状の正極(21)と負極(23)の間にセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻き取って構成され、正極(21)及び負極(23)はそれぞれ、帯状芯体の表面に電極材料を塗布して構成され、巻き取り電極体(２)の軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(22)の端縁よりも外方へ正極(21)の端縁が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(22)の端縁よりも外方へ負極(23)の端縁が突出し、巻き取り電極体(２)の各端部に突出した電極端縁は、集電体(３)を介して前記電極端子部に連結され、集電体(３)は、巻き取り電極体(２)の電極端縁に向かって突出する突起部(31)を具えて、該突起部(31)が電極端縁に溶接され、各電極の芯体の厚さｔが０ . ０１ｍｍ以上、０ . ０３ｍｍ以下であり、各電極の芯体の厚さｔに対する集電体(３)の突起部(31)の厚さＬの比(Ｌ／ｔ)は、１０以上、３０以下の範囲に設定されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
集電体(３)の突起部(31)は、巻き取り電極体(２)の端面とは略直交する平板状を呈している請求項１に記載の非水電解液二次電池。
集電体(３)は、巻き取り電極体(２)の端面に沿って拡がる平板部(33)を具え、該平板部(33)の一方の表面に前記突起部(31)が突設されると共に、他方の表面に帯状のタブ部(32)が突設され、該タブ部(32)の先端が電極端子部に接続されている請求項１又は請求項２に記載の非水電解液二次電池。
電極の芯体は、アルミニウム、銅、若しくはこれらの合金からなる金属箔によって形成されている請求項１乃至請求項３の何れかに記載の非水電解液二次電池。
正極側の集電体(３)は、アルミニウムを含む金属からなり、負極側の集電体(３)は、銅を含む金属からなる請求項１乃至請求項４の何れかに記載の非水電解液二次電池。