JP4124972B2 - 積層型リチウムイオン電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型二次電池に関し、複数枚の正極電極および負極電極をセパレータを介在させて積層し、それぞれの正極電極の集電用タブおよび負極電極の集電用タブを並列に結線した積層型二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池には各種のものが知られているが、エネルギー密度が大きな電池として、リチウムイオン電池等の非水電解液電池の利用が進められている。
非水電解液電池には、帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回して製造した円筒状の電池要素を電池缶に収納した円筒型電池、あるいは巻回して製造した電池要素を扁平に成形した後に角型の電池缶に収納した角型電池が、パソコン、携帯電話等の携帯型の機器の電源として広く用いられている。
また、こうした帯状の正極電極および負極電極を用いた電池とともに、複数の平板状の正極電極および負極電極をセパレータを介して積層し、それぞれの電極に接続した集電用タブを並列に接続した積層型二次電池が知られている。
【０００３】
帯状の正極電極および負極電極を用いた巻回型の電池要素を有する二次電池では、負極電極および正極電極に集電用タブを接合した後に、セパレータ／負極電極／セパレータ／正極電極の順に積層して巻回することによって電池要素を製造することができるので、電池要素の製造が容易であるという特徴を有している反面、巻回時に折り曲げられたり、曲率半径が小さくなる部分には、電池活物質層の厚みが厚くなったり、あるいは電流が集中する部分が生じる等の問題点があった。また、巻回体は巻回とは反対方向へ作用する力が働くので、それが戻らないようにすることが必要であった。また、巻回型の電池要素において、大電流での充放電を行うために各電極に複数個の集電用タブを取り付けて巻回した場合には、巻回体の形状がいびつなものとなったり、あるいは集電用タブと外部接続用端子との接続等において問題が生じることがあった。
【０００４】
これに対して、平板状の多数の電極を積層した積層型二次電池にあっては、充放電時の活物質の容積変化に伴う変形は、積層方向に及ぶのみであるので容積変化に伴う電池への影響が小さいという特徴を有している。また、電池要素の個々の電極に設けた集電用タブを正確に接続することが容易であるので、小型の電流容量の小さな電池から、大型の大電流での充放電が可能な電池に至るまで広く適用することが可能である。また、導電面積が大きな集電タブを用いるならば大電流による充放電が可能となるので、大型の電池においては積層型二次電池は極めて有望な電池構造であると言うことができる。
【０００５】
図１０は、従来の積層型二次電池を説明する斜視図である。
積層型二次電池３０は、複数個の正極電極３１と負極電極３２が、セパレータ３３を介して対向して配置されており、正極電極および負極電極のそれぞれに接続した正極集電タブ３４および負極集電タブ３５を並列に接続した後に、電池の蓋体３６に設けた正極端子３７および負極端子３８に導電接続を行った後に、電池缶３９に収納し、電池缶３９と蓋体３６の間をレーザー溶接等によって封口している。
【０００６】
ところが、積層型二次電池は、複数個の平板状の正極電極と負極電極をセパレータを介在させて積層するるためには個々の極板が位置ずれを生じないように正確に位置決めを行った状態で積層して組み立てることが必要であり、個々の電極の位置決めと組立工程に手数を要していた。
また、リチウムイオン電池のように、充電時の電流の集中によって負極表面への金属リチウムの析出の防止のために正極電極の面積に比べて負極電極の面積を大きな電極を用いるとともに、正極電極が対向する部分には全ての部分に負極電極の活物質を存在させて負極電極の端部での電流の集中による金属リチウムの析出を防止することが不可欠である。
【０００７】
したがって、リチウムイオン電池において、大きさが異なる正極電極と負極電極を正確に位置決めして積層することは極めて重要であり、位置ずれは電池の性能に悪影響を及ぼすのみではなく、金属リチウムの析出による正極との短絡等の危険性が生じることがあった。
また、積層型二次電池においては、電池容器内には正極電極および負極電極に取り付けた集電タブを電池蓋体等に設けた導電接続端子に接合した後に、電池蓋体を電池缶の開口部に嵌合しているので、集電タブは電池蓋体を嵌合した状態での電極と導電接続端子の距離に比べて長いものとすること必要である。長さが長い集電タブを用いると極性が異なる集電タブ相互の接触、あるいは集電タブと極性の異なる電極との接触等によって短絡が生じる可能性があった。特に移動用電源として用いられる電池においては、外部からの振動、衝撃によって短絡が生じる可能性が大きなものであった。
【０００８】
集電用タブとの短絡を防止するためには、集電用タブを絶縁性部材によって被覆する方法が考えられるが、集電用タブに絶縁性部材を被覆するための組立工数が増加すると共に、電池容器内における電池活物質の量が相対的に減少することとなり、エネルギー密度が大きな電池にとってはそのような対策を採ることは問題であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、リチウムイオン電池のように、大きさが異なる正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層型二次電池において、正極電極と負極電極を正確に位置決めすることができ、容量密度が大きく、電池内部での短絡の可能性がなく、しかも組立が容易な電池を提供することを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、面積が異なる正極電極と負極電極をセパレータを介して対向して積層した積層型リチウムイオン電池において、面積が小さな正極電極はセパレータ本体の外周部から等しい間隔を設けて中央部に配置されて該セパレータ本体の周囲が間欠的に熱融着されて被覆されたものであり、面積が大きな負極電極の外周部は面積が小さな正極電極を被覆したセパレータ本体の外周部と等しい大きさであり、負極電極には正極電極の集電タブに対向して、該集電タブの幅よりも大きな切除部を有し、該切除部に対向するセパレータ本体には連続した線状の熱融着部を形成した積層型リチウムイオン電池によって解決することができる。
また、面積が小さな正極電極に設けた集電タブは、セパレータ本体と一体に形成された保護部によって被覆された前記の積層型リチウムイオン電池である。
【００１１】
面積が小さな電極が多角形であり、それぞれの角部を曲面とした前記の積層型二次電池である。
電極の外形が曲面を有する前記の積層型二次電池である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、面積が異なる正極電極と負極電極とをセパレータとを介して積層した積層型リチウムイオン電池において、セパレータで被覆した面積が小さな電極の外周部の大きさを面積が大きな電極の外周部の大きさを同じ大きさとし、面積が大きな電極の特定の領域に切除部を設けることによって面積が小さな電極に取り付けた集電タブと対極との間の短絡を防止することが可能であり、その結果、電池の組立時の位置あわせが正確に行うことが可能で、信頼性が大きな積層型二次電池が得られることを見いだしたものである。
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明を説明する。以下の説明においては、面積が大きな電極を正極電極として説明する。
図１は、積層型リチウムイオン電池を説明する断面図である。
本発明の積層型リチウムイオン電池１は、電池缶２内に、正極電極３と負極電極４の複数個が対向して配置されている。
セパレータ５によって覆われた正極電極３は、負極電極４に比べて大きさが小さく、正極電極３の外周部にはセパレータのみが存在し、正極電極の中心と負極電極の中心は一致するように配置されており、負極電極４の外周部とセパレータ５の外周部とは等しい大きさである。また、負極電極には正極電極の集電タブに対向して、該集電タブの幅よりも大きな切除部を有し、該切除部に対向するセパレータ本体には連続した線状の熱融着部が形成されている。
このため、セパレータ５で被覆した正極電極３と負極電極４は、端部の位置決めのみで正確に位置決めした状態で積層することができる。
【００１４】
また、正極電極３に接合された複数個の正極集電タブ６は、重ね合わされて接合された後に、蓋体７に絶縁性部材８を介して取り付けられた正極端子９の蓋体の内側の部分に接合されて導電接続が形成されている。
同様にそれぞれの負極電極４に接合された複数個の負極集電タブ１０も重ね合わされて接合された後に、蓋体７に取り付けられた負極端子１１の電池缶の内側の部分に導電接続されている。
以上のように、本発明の積層型二次電池は、大きさが異なる正極電極と負極電極を所定の位置で正確に対向させて積層することができる。
【００１５】
図２は、参考例の正極電極と負極電極の一例を示す平面図である。
図２（Ａ）に示すように、負極電極４に比べて面積が小さな正極電極は、セパレータ５で被覆されており、
Ｌｃ：正極の幅方向の長さ
Ｌｍ：正極の高さ方向の長さ
Ｌａ：負極の幅方向の長さ
Ｌｎ：負極の高さ方向の長さ
Ｌｓ：セパレータの幅方向の長さ
Ｌｔ：セパレータの高さ方向の長さ
Ｌｄ：正極の外周部に位置するセパレータの幅
には、
Ｌｎ＝Ｌｍ＋２Ｌｄ＝Ｌｔ
Ｌｓ＝Ｌａ
の関係が存在している。
【００１６】
また、図２（Ｂ）は、セパレータで被覆した正極電極と、負極電極とを積層した状態を説明する図であり、セパレータで被覆した正極の少なくとも一辺と負極電極の一辺とを位置決めすることによって、正極電極の中心と負極電極の中心を一致させ、正極電極の投影面には常に負極が存在した状態で積層することができる。このように正極電極と負極電極とは、正確に位置決めした状態で積層されるので、各電極に取り付けた正極集電タブ６および負極集電タブ１０は、位置ずれを生じないので正確に重ね合わせて接合するものである。
【００１７】
図３は、本発明の積層型リチウムイオン電池の正極電極を説明する図である。
図３（Ａ）に示した正極電極３において、正極集電タブ６はセパレータ本体１２と一体に形成された保護部１３によって覆われたものである。
正極集電タブ６が保護部１３によって覆われている。その結果、図３（Ｂ）に示すように、正極電極３を負極電極と積層した場合には、正極電極よりも大きさが大きな負極電極４の端部と正極集電タブ６が短絡する危険をなくすことができる。
また、図３の説明では、正極集電タブ６および負極集電タブ１０は、同一の端面に設ける例について述べたが、正極集電タブと負極集電タブが互いに反対方向に取り出されているもの、あるいは正極集電タブと負極集電タブが９０度の角度で交わる端面に配置したものであっても良い。
【００１８】
なお、本発明において、セパレータ本体は、以下の図４に示すように、正極電極と負極電極との間に位置し、セパレータ本来の機能である両者を区画する作用を果たしている部分と、集電タブの保護を行っている部分とを区別するために用いているが、保護部を有さないものにあっては、セパレータ本体はセパレータ本体と同義である。
【００１９】
図４は、本発明の実施例を説明する図である。
図４（Ａ）に示すセパレータ５で被覆された正極電極３と負極電極４とを図４（Ｂ）に示すように対向させて積層したものである。
正極集電タブ６が対向する負極電極４は、正極集電タブの対向する部分およびその近傍に切除部１４を有するものである。
図４において、
Ｌｗ：負極電極の切除部の横方向の長さ
Ｌｈ：負極電極の切除部の縦方向の長さ
Ｌｂ：正極タブの幅
Ｌｄ：正極の外周部に位置するセパレータの幅
の間には、
Ｌｗ＞Ｌｂ および Ｌｈ＜Ｌｄ
の関係が存在しており、負極電極は、対向する正極電極よりも大きいという関係を満たしている。
【００２０】
切除部の形状は、任意の形状で良いが、端部ほど広がった台形等の形状であることが好ましい。
このように正極タブの対向部の負極を切除し、切除部１４を形成したので正極集電タブに絶縁性部材を被覆する等の処理をすることなく、正極集電タブと負極との短絡の危険性をなくすことができる。
【００２１】
図５は、本発明の他の実施例を説明する図である。
図５（Ａ）に示すセパレータ５で被覆された正極電極３と切除部１４を形成した負極電極４とを図５（Ｂ）に示すように対向させて積層したものである。
正極集電タブ６が対向する負極電極４は、正極集電タブの対向する辺の全部が一定の大きさで横方向に切除されたものであり、
Ｌｈ：負極電極の切除部の縦方向の長さ
Ｌｄ：正極の外周部に位置するセパレータの幅
は、 Ｌｈ＜Ｌｄ の関係を満足している。
また、図５に示した例では、正極集電タブ６および負極集電タブ１０は、同一の端面に設ける例について述べたが、正極集電タブと負極集電タブが互いに反対方向に取り出されているもの、あるいは正極集電タブと負極集電タブが９０度の角度で交わる端面に配置したものであっても良い。
【００２２】
図６は、本発明の他の実施例を説明する図である。
図６（Ａ）は、セパレータで被覆した正極電極と、負極電極とを積層した図であり、正極集電タブ６と負極集電タブ１０が同一の端面に設けられておらず、正極集電タブ６と負極集電タブ１０が互いに反対方向に取り出されている例を示すものであり、正極集電タブ６が対向する負極電極には切除部１４が形成されている。
【００２３】
また、図６（Ｂ）は、正極集電タブ６と負極集電タブ１０が９０度の角度で交わる端面に配置した接続した例を説明する図であり、負極電極には切除部１４が形成され、切除部１４に対向して正極集電タブ６が設けられている。
このように、本発明の積層型二次電池は、電池の使用目的、設置場所等に応じて任意の個所に集電タブを取り付けることでき、その個数も１個に限らず複数個を設けても良い。
【００２４】
図７は、セパレータで被覆された電極を説明する図である。
図７（Ａ）は、セパレータの周囲に線状の熱融着部１５を形成したものであり、また図７（Ｂ）は、間欠的な熱融着部１６を形成したものである。また、図７（Ｃ）は、一部に線状の熱融着部１５を設け、その他の部分には間欠的に熱融着部１６を設けたものである。
これらはいずれも、正極電極の両面に２枚のセパレータを正極電極の両側に配置して、所定の個所を熱融着することによって製造することができる。
【００２５】
一方、熱融着部は、セパレータの開孔が塞がれるので、熱融着部を通じたイオンフラックスは小さくなる。したがって、対向する負極電極に切除部が形成された場合には、切除部に対向する部分でのイオンフラックスを減少させるために連続した線状の熱融着部を形成することが好ましい。
【００２６】
また、以上の説明では、電極形状が矩形のものについて説明したが、電池の設置個所、使用目的等に応じて多角形、円形、楕円形等の各種の形状の電極を用いることができる。
【００２７】
図８に、他の実施例の斜視図を示すように、図８に示すように、セパレータ５で被覆した正極電極３が４角に丸みを帯びたものであっても良く、これにより正極電極３の角部によってセパレータ５に傷が生じることを防止することができる。
【００２８】
本発明の積層型二次電池の正極電極および負極電極に設ける正極集電タブおよび負極集電タブは、それぞれ正極電極および負極電極とは別の部材を溶接して製造することができるが、それぞれの電極の集電体と一体に作製することによって、電極の電池反応に寄与する面積を大きくすることができ、また集電タブの溶接工程が不要となる。
【００２９】
電極と集電タブを一体に形成した電極を作製する場合について以下に図面を参照して説明する。
図９は、電池電極の作製工程を説明する図である。
図９（Ａ）に示すように、集電体用の帯状の金属箔２０を移動させながら、間欠塗布装置によって、所定の電極活物質層２１を形成する。片面に電極活物質層を形成した後には、反対側にも同様に活物質層を形成する。
次いで、電池活物質層をロール掛けによって圧縮処理した後に、図９（Ｂ）に示すように、集電タブ２２を非塗布部に位置するように任意の電極形状に応じて電池電極２３を作製することができる。
【００３０】
ところが、以上のように集電体用の帯状の金属箔を長手方向にロール掛けによって圧縮処理した場合には、活物質層を形成している部分と、活物質層を形成していない部分がロール方向２４に伸びの差が生じ、電池電極の電池活物質層の形成した部分と形成していない部分の間には歪みが生じることがあった。そのために図９（Ｂ）に示す、活物質塗布層の幅方向端部２５であった部分は、歪みによって電池特性としては好ましくない部分が生じる可能性があった。
【００３１】
これに対して、図９（Ｃ）に示すように片面に電極活物質層２１を形成した後に反対側にも同様に活物質層を形成し、次いで、電池活物質層をロール掛けによって圧縮処理し、図９（Ｄ）に示すように、電池の集電タブ２２を帯状の電池箔の活物質塗布層の長手方向の活物質非塗布部２６から切り出すことによって、歪みのない電池電極を作製することができる。
【００３２】
本発明の積層型二次電池の発電要素を収納する容器は、金属製の電池缶、可撓性の合成樹脂材料のいずれを用いても良い。
金属製の電池缶を用いた場合には、電池缶内部において、同極性の複数個の集電タブを超音波溶接等の方法によって溶接した後に、電池缶、あるいは電池缶を封口する蓋体に設けた電池缶の内部に位置する電極端子に溶接を行った後に、電池缶を封口することによって製造することができる。
【００３３】
また、可撓性の外装材を用いた場合には、同極性の複数個の集電タブを超音波溶接等の方法によって溶接した後に、集電タブを外部へ取り出し、可撓性の外装材を熱融着することによって封口を行うことによって製造することができる。
【００３４】
本発明のリチウムイオン電池の場合について以下に説明する。
正極活物質は、リチウムイオンのドープ、脱ドープが可能な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、コバルト・ニッケル酸リチウムの遷移金属リチウム複合酸化物、リチウムチタン硫化物、リチウムモリブデン硫化物、リチウムセレン化ニオブなどの金属カルコゲナイド、ポリピロ−ル、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセン化合物、ポリアセチレン、ポリアリレンビニレン、ジチオ−ル誘導体、ジスルフィド誘導体などの有機化合物、およびこれらの混合体を挙げることができる。
【００３５】
そして、正極の集電体として、アルミニウムまたはその合金、チタン等の金属を用いることができる。
また、負極には、リチウムイオンのドープ、脱ドープが可能な、グラファイト、不定形炭素などの炭素系材料、すず系複合酸化物等を用いることができる。負極集電体には、銅、ニッケルその合金等を用いることができる。
また、本発明の正極電極を被覆するセパレータには、多孔性のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等のフィルムを用いることができる。
【００３６】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を説明する。
【００３７】
実施例１
アルミニウム箔に、マンガン酸リチウム（Ｌｉ1+xＭｎ2-xＯ4 ）粉末９２重量部、カーボンブラック５重量部、ポリフッ化ビニリデン３重量部からなる混合物を、アルミニウム箔に塗布乾燥してロール掛けを行った後に、正極集電タブを一体に形成した縦１２０ｍｍ、横６５ｍｍ、厚さ２００μｍ、正極集電タブの幅１０ｍｍの正極電極の両面に縦１２５ｍｍ、横７０ｍｍ、厚さ３０μｍの微多孔性ポリプロピレン膜のセパレータを配置して周囲を熱融着し、セパレータ被覆正極電極を作製した。
【００３８】
また、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ（大阪ガス製 ＭＣＭＢ）９１重量部、カーボンブラック１重量部、ポリフッ化ビニリデン８重量部からなる混合物を銅箔上に塗布乾燥してロール掛けを行った後に、負極集電タブを一体に形成した縦１２５ｍｍ、横７０ｍｍ、厚さ２００μｍ、負極集電タブの幅１０ｍｍの負極電極を作製した。次いで、正極集電タブに対向する部分に端部から２．５ｍｍの深さ、幅１５ｍｍで切除した。
【００３９】
次いで、セパレータで被覆した正極電極と負極電極の、直角方向の二つの端面を保持する治具によって一致させた状態で、負極電極は３１層、正極電極は３０層を積層し、同極性の集電タブを束ねて超音波溶接によって接合した後に、蓋体に取り付けた正極端子および負極端子にそれぞれ結合した後に蓋体を溶接した。次いで、蓋体に設けた注液口から、エチレンカーボネート３０容量部、ジエチルカーボネート７０容量部からなる混合溶媒に濃度１．０ｍｏｌ／ｌとなるようにＬｉＰＦ6 を溶解して作製した電解液を注入した後に注液口を封口してリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた電池の１００個の電池について、充電を行い電池特性を測定したところ、電極の短絡を生じたものはなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の積層型リチウムイオン電池は、正極電極と負極電極の大きさが異なる電池の平板状の電極を、面積が小さな電極をセパレータで被覆し、セパレータの外周部の大きさと、対極の大きさを一致させて積層するとともに、面積が小さな電極に取り付けた集電タブにセパレータと一体の保護部を設けたり、あるいは対向する電極に切除部を設けたので、集電タブと対向する電極との間で短絡が生じることがない積層型リチウムイオン電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、積層型リチウムイオン電池を説明する断面図である。
【図２】 図２は、参考例の正極電極と負極電極の一例を示す平面図である。
【図３】 図３は、本発明の積層型リチウムイオン電池の正極電極を説明する図である。
【図４】 図４は、本発明の実施例を説明する図である。
【図５】 図５は、本発明の他の実施例を説明する図である。
【図６】 図６は、本発明の他の実施例を説明する図である。
【図７】 図７は、セパレータで被覆された電極を説明する図である。
【図８】 図８に、他の実施例を説明する図である。
【図９】 図９は、電池電極の作製工程を説明する図である。
【図１０】 図１０は、従来の積層型二次電池を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１…積層型リチウムイオン電池、２…電池缶、３…正極電極、４…負極電極、５…セパレータ、６…正極集電タブ、７…蓋体、８…絶縁性部材、９…正極端子、１０…負極集電タブ、１１…負極端子、１２…セパレータ本体、１３…保護部、１４…切除部、１５…線状の熱融着部、１６…間欠的な熱融着部、２０…帯状の金属箔、２１…電極活物質層、２２…集電タブ、２３…電池電極、２４…ロール方向、２５…幅方向端部、２６…活物質非塗布部、３０…積層型二次電池、３１…正極電極、３２…負極電極、３３…セパレータ、３４…正極集電タブ、３５…負極集電タブ、３６…蓋体、３７…正極端子、３８…負極端子、３９…電池缶
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型二次電池に関し、複数枚の正極電極および負極電極をセパレータを介在させて積層し、それぞれの正極電極の集電用タブおよび負極電極の集電用タブを並列に結線した積層型二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池には各種のものが知られているが、エネルギー密度が大きな電池として、リチウムイオン電池等の非水電解液電池の利用が進められている。
非水電解液電池には、帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回して製造した円筒状の電池要素を電池缶に収納した円筒型電池、あるいは巻回して製造した電池要素を扁平に成形した後に角型の電池缶に収納した角型電池が、パソコン、携帯電話等の携帯型の機器の電源として広く用いられている。
また、こうした帯状の正極電極および負極電極を用いた電池とともに、複数の平板状の正極電極および負極電極をセパレータを介して積層し、それぞれの電極に接続した集電用タブを並列に接続した積層型二次電池が知られている。
【０００３】
帯状の正極電極および負極電極を用いた巻回型の電池要素を有する二次電池では、負極電極および正極電極に集電用タブを接合した後に、セパレータ／負極電極／セパレータ／正極電極の順に積層して巻回することによって電池要素を製造することができるので、電池要素の製造が容易であるという特徴を有している反面、巻回時に折り曲げられたり、曲率半径が小さくなる部分には、電池活物質層の厚みが厚くなったり、あるいは電流が集中する部分が生じる等の問題点があった。また、巻回体は巻回とは反対方向へ作用する力が働くので、それが戻らないようにすることが必要であった。また、巻回型の電池要素において、大電流での充放電を行うために各電極に複数個の集電用タブを取り付けて巻回した場合には、巻回体の形状がいびつなものとなったり、あるいは集電用タブと外部接続用端子との接続等において問題が生じることがあった。
【０００４】
これに対して、平板状の多数の電極を積層した積層型二次電池にあっては、充放電時の活物質の容積変化に伴う変形は、積層方向に及ぶのみであるので容積変化に伴う電池への影響が小さいという特徴を有している。また、電池要素の個々の電極に設けた集電用タブを正確に接続することが容易であるので、小型の電流容量の小さな電池から、大型の大電流での充放電が可能な電池に至るまで広く適用することが可能である。また、導電面積が大きな集電タブを用いるならば大電流による充放電が可能となるので、大型の電池においては積層型二次電池は極めて有望な電池構造であると言うことができる。
【０００５】
図１０は、従来の積層型二次電池を説明する斜視図である。
積層型二次電池３０は、複数個の正極電極３１と負極電極３２が、セパレータ３３を介して対向して配置されており、正極電極および負極電極のそれぞれに接続した正極集電タブ３４および負極集電タブ３５を並列に接続した後に、電池の蓋体３６に設けた正極端子３７および負極端子３８に導電接続を行った後に、電池缶３９に収納し、電池缶３９と蓋体３６の間をレーザー溶接等によって封口している。
【０００６】
ところが、積層型二次電池は、複数個の平板状の正極電極と負極電極をセパレータを介在させて積層するるためには個々の極板が位置ずれを生じないように正確に位置決めを行った状態で積層して組み立てることが必要であり、個々の電極の位置決めと組立工程に手数を要していた。
また、リチウムイオン電池のように、充電時の電流の集中によって負極表面への金属リチウムの析出の防止のために正極電極の面積に比べて負極電極の面積を大きな電極を用いるとともに、正極電極が対向する部分には全ての部分に負極電極の活物質を存在させて負極電極の端部での電流の集中による金属リチウムの析出を防止することが不可欠である。
【０００７】
したがって、リチウムイオン電池において、大きさが異なる正極電極と負極電極を正確に位置決めして積層することは極めて重要であり、位置ずれは電池の性能に悪影響を及ぼすのみではなく、金属リチウムの析出による正極との短絡等の危険性が生じることがあった。
また、積層型二次電池においては、電池容器内には正極電極および負極電極に取り付けた集電タブを電池蓋体等に設けた導電接続端子に接合した後に、電池蓋体を電池缶の開口部に嵌合しているので、集電タブは電池蓋体を嵌合した状態での電極と導電接続端子の距離に比べて長いものとすること必要である。長さが長い集電タブを用いると極性が異なる集電タブ相互の接触、あるいは集電タブと極性の異なる電極との接触等によって短絡が生じる可能性があった。特に移動用電源として用いられる電池においては、外部からの振動、衝撃によって短絡が生じる可能性が大きなものであった。
【０００８】
集電用タブとの短絡を防止するためには、集電用タブを絶縁性部材によって被覆する方法が考えられるが、集電用タブに絶縁性部材を被覆するための組立工数が増加すると共に、電池容器内における電池活物質の量が相対的に減少することとなり、エネルギー密度が大きな電池にとってはそのような対策を採ることは問題であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、リチウムイオン電池のように、大きさが異なる正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層型二次電池において、正極電極と負極電極を正確に位置決めすることができ、容量密度が大きく、電池内部での短絡の可能性がなく、しかも組立が容易な電池を提供することを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、面積が異なる正極電極と負極電極をセパレータを介して対向して積層した積層型リチウムイオン電池において、面積が小さな正極電極はセパレータ本体の外周部から等しい間隔を設けて中央部に配置されて該セパレータ本体の周囲が間欠的に熱融着されて被覆されたものであり、面積が大きな負極電極の外周部は面積が小さな正極電極を被覆したセパレータ本体の外周部と等しい大きさであり、負極電極には正極電極の集電タブに対向して、該集電タブの幅よりも大きな切除部を有し、該切除部に対向するセパレータ本体には連続した線状の熱融着部を形成した積層型リチウムイオン電池によって解決することができる。
また、面積が小さな正極電極に設けた集電タブは、セパレータ本体と一体に形成された保護部によって被覆された前記の積層型リチウムイオン電池である。
【００１１】
面積が小さな電極が多角形であり、それぞれの角部を曲面とした前記の積層型二次電池である。
電極の外形が曲面を有する前記の積層型二次電池である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、面積が異なる正極電極と負極電極とをセパレータとを介して積層した積層型リチウムイオン電池において、セパレータで被覆した面積が小さな電極の外周部の大きさを面積が大きな電極の外周部の大きさを同じ大きさとし、面積が大きな電極の特定の領域に切除部を設けることによって面積が小さな電極に取り付けた集電タブと対極との間の短絡を防止することが可能であり、その結果、電池の組立時の位置あわせが正確に行うことが可能で、信頼性が大きな積層型二次電池が得られることを見いだしたものである。
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明を説明する。以下の説明においては、面積が大きな電極を正極電極として説明する。
図１は、積層型リチウムイオン電池を説明する断面図である。
本発明の積層型リチウムイオン電池１は、電池缶２内に、正極電極３と負極電極４の複数個が対向して配置されている。
セパレータ５によって覆われた正極電極３は、負極電極４に比べて大きさが小さく、正極電極３の外周部にはセパレータのみが存在し、正極電極の中心と負極電極の中心は一致するように配置されており、負極電極４の外周部とセパレータ５の外周部とは等しい大きさである。また、負極電極には正極電極の集電タブに対向して、該集電タブの幅よりも大きな切除部を有し、該切除部に対向するセパレータ本体には連続した線状の熱融着部が形成されている。
このため、セパレータ５で被覆した正極電極３と負極電極４は、端部の位置決めのみで正確に位置決めした状態で積層することができる。
【００１４】
また、正極電極３に接合された複数個の正極集電タブ６は、重ね合わされて接合された後に、蓋体７に絶縁性部材８を介して取り付けられた正極端子９の蓋体の内側の部分に接合されて導電接続が形成されている。
同様にそれぞれの負極電極４に接合された複数個の負極集電タブ１０も重ね合わされて接合された後に、蓋体７に取り付けられた負極端子１１の電池缶の内側の部分に導電接続されている。
以上のように、本発明の積層型二次電池は、大きさが異なる正極電極と負極電極を所定の位置で正確に対向させて積層することができる。
【００１５】
図２は、参考例の正極電極と負極電極の一例を示す平面図である。
図２（Ａ）に示すように、負極電極４に比べて面積が小さな正極電極は、セパレータ５で被覆されており、
Ｌｃ：正極の幅方向の長さ
Ｌｍ：正極の高さ方向の長さ
Ｌａ：負極の幅方向の長さ
Ｌｎ：負極の高さ方向の長さ
Ｌｓ：セパレータの幅方向の長さ
Ｌｔ：セパレータの高さ方向の長さ
Ｌｄ：正極の外周部に位置するセパレータの幅
には、
Ｌｎ＝Ｌｍ＋２Ｌｄ＝Ｌｔ
Ｌｓ＝Ｌａ
の関係が存在している。
【００１６】
また、図２（Ｂ）は、セパレータで被覆した正極電極と、負極電極とを積層した状態を説明する図であり、セパレータで被覆した正極の少なくとも一辺と負極電極の一辺とを位置決めすることによって、正極電極の中心と負極電極の中心を一致させ、正極電極の投影面には常に負極が存在した状態で積層することができる。このように正極電極と負極電極とは、正確に位置決めした状態で積層されるので、各電極に取り付けた正極集電タブ６および負極集電タブ１０は、位置ずれを生じないので正確に重ね合わせて接合するものである。
【００１７】
図３は、本発明の積層型リチウムイオン電池の正極電極を説明する図である。
図３（Ａ）に示した正極電極３において、正極集電タブ６はセパレータ本体１２と一体に形成された保護部１３によって覆われたものである。
正極集電タブ６が保護部１３によって覆われている。その結果、図３（Ｂ）に示すように、正極電極３を負極電極と積層した場合には、正極電極よりも大きさが大きな負極電極４の端部と正極集電タブ６が短絡する危険をなくすことができる。
また、図３の説明では、正極集電タブ６および負極集電タブ１０は、同一の端面に設ける例について述べたが、正極集電タブと負極集電タブが互いに反対方向に取り出されているもの、あるいは正極集電タブと負極集電タブが９０度の角度で交わる端面に配置したものであっても良い。
【００１８】
なお、本発明において、セパレータ本体は、以下の図４に示すように、正極電極と負極電極との間に位置し、セパレータ本来の機能である両者を区画する作用を果たしている部分と、集電タブの保護を行っている部分とを区別するために用いているが、保護部を有さないものにあっては、セパレータ本体はセパレータ本体と同義である。
【００１９】
図４は、本発明の実施例を説明する図である。
図４（Ａ）に示すセパレータ５で被覆された正極電極３と負極電極４とを図４（Ｂ）に示すように対向させて積層したものである。
正極集電タブ６が対向する負極電極４は、正極集電タブの対向する部分およびその近傍に切除部１４を有するものである。
図４において、
Ｌｗ：負極電極の切除部の横方向の長さ
Ｌｈ：負極電極の切除部の縦方向の長さ
Ｌｂ：正極タブの幅
Ｌｄ：正極の外周部に位置するセパレータの幅
の間には、
Ｌｗ＞Ｌｂ および Ｌｈ＜Ｌｄ
の関係が存在しており、負極電極は、対向する正極電極よりも大きいという関係を満たしている。
【００２０】
切除部の形状は、任意の形状で良いが、端部ほど広がった台形等の形状であることが好ましい。
このように正極タブの対向部の負極を切除し、切除部１４を形成したので正極集電タブに絶縁性部材を被覆する等の処理をすることなく、正極集電タブと負極との短絡の危険性をなくすことができる。
【００２１】
図５は、本発明の他の実施例を説明する図である。
図５（Ａ）に示すセパレータ５で被覆された正極電極３と切除部１４を形成した負極電極４とを図５（Ｂ）に示すように対向させて積層したものである。
正極集電タブ６が対向する負極電極４は、正極集電タブの対向する辺の全部が一定の大きさで横方向に切除されたものであり、
Ｌｈ：負極電極の切除部の縦方向の長さ
Ｌｄ：正極の外周部に位置するセパレータの幅
は、 Ｌｈ＜Ｌｄ の関係を満足している。
また、図５に示した例では、正極集電タブ６および負極集電タブ１０は、同一の端面に設ける例について述べたが、正極集電タブと負極集電タブが互いに反対方向に取り出されているもの、あるいは正極集電タブと負極集電タブが９０度の角度で交わる端面に配置したものであっても良い。
【００２２】
図６は、本発明の他の実施例を説明する図である。
図６（Ａ）は、セパレータで被覆した正極電極と、負極電極とを積層した図であり、正極集電タブ６と負極集電タブ１０が同一の端面に設けられておらず、正極集電タブ６と負極集電タブ１０が互いに反対方向に取り出されている例を示すものであり、正極集電タブ６が対向する負極電極には切除部１４が形成されている。
【００２３】
また、図６（Ｂ）は、正極集電タブ６と負極集電タブ１０が９０度の角度で交わる端面に配置した接続した例を説明する図であり、負極電極には切除部１４が形成され、切除部１４に対向して正極集電タブ６が設けられている。
このように、本発明の積層型二次電池は、電池の使用目的、設置場所等に応じて任意の個所に集電タブを取り付けることでき、その個数も１個に限らず複数個を設けても良い。
【００２４】
図７は、セパレータで被覆された電極を説明する図である。
図７（Ａ）は、セパレータの周囲に線状の熱融着部１５を形成したものであり、また図７（Ｂ）は、間欠的な熱融着部１６を形成したものである。また、図７（Ｃ）は、一部に線状の熱融着部１５を設け、その他の部分には間欠的に熱融着部１６を設けたものである。
これらはいずれも、正極電極の両面に２枚のセパレータを正極電極の両側に配置して、所定の個所を熱融着することによって製造することができる。
【００２５】
一方、熱融着部は、セパレータの開孔が塞がれるので、熱融着部を通じたイオンフラックスは小さくなる。したがって、対向する負極電極に切除部が形成された場合には、切除部に対向する部分でのイオンフラックスを減少させるために連続した線状の熱融着部を形成することが好ましい。
【００２６】
また、以上の説明では、電極形状が矩形のものについて説明したが、電池の設置個所、使用目的等に応じて多角形、円形、楕円形等の各種の形状の電極を用いることができる。
【００２７】
図８に、他の実施例の斜視図を示すように、図８に示すように、セパレータ５で被覆した正極電極３が４角に丸みを帯びたものであっても良く、これにより正極電極３の角部によってセパレータ５に傷が生じることを防止することができる。
【００２８】
本発明の積層型二次電池の正極電極および負極電極に設ける正極集電タブおよび負極集電タブは、それぞれ正極電極および負極電極とは別の部材を溶接して製造することができるが、それぞれの電極の集電体と一体に作製することによって、電極の電池反応に寄与する面積を大きくすることができ、また集電タブの溶接工程が不要となる。
【００２９】
電極と集電タブを一体に形成した電極を作製する場合について以下に図面を参照して説明する。
図９は、電池電極の作製工程を説明する図である。
図９（Ａ）に示すように、集電体用の帯状の金属箔２０を移動させながら、間欠塗布装置によって、所定の電極活物質層２１を形成する。片面に電極活物質層を形成した後には、反対側にも同様に活物質層を形成する。
次いで、電池活物質層をロール掛けによって圧縮処理した後に、図９（Ｂ）に示すように、集電タブ２２を非塗布部に位置するように任意の電極形状に応じて電池電極２３を作製することができる。
【００３０】
ところが、以上のように集電体用の帯状の金属箔を長手方向にロール掛けによって圧縮処理した場合には、活物質層を形成している部分と、活物質層を形成していない部分がロール方向２４に伸びの差が生じ、電池電極の電池活物質層の形成した部分と形成していない部分の間には歪みが生じることがあった。そのために図９（Ｂ）に示す、活物質塗布層の幅方向端部２５であった部分は、歪みによって電池特性としては好ましくない部分が生じる可能性があった。
【００３１】
これに対して、図９（Ｃ）に示すように片面に電極活物質層２１を形成した後に反対側にも同様に活物質層を形成し、次いで、電池活物質層をロール掛けによって圧縮処理し、図９（Ｄ）に示すように、電池の集電タブ２２を帯状の電池箔の活物質塗布層の長手方向の活物質非塗布部２６から切り出すことによって、歪みのない電池電極を作製することができる。
【００３２】
本発明の積層型二次電池の発電要素を収納する容器は、金属製の電池缶、可撓性の合成樹脂材料のいずれを用いても良い。
金属製の電池缶を用いた場合には、電池缶内部において、同極性の複数個の集電タブを超音波溶接等の方法によって溶接した後に、電池缶、あるいは電池缶を封口する蓋体に設けた電池缶の内部に位置する電極端子に溶接を行った後に、電池缶を封口することによって製造することができる。
【００３３】
また、可撓性の外装材を用いた場合には、同極性の複数個の集電タブを超音波溶接等の方法によって溶接した後に、集電タブを外部へ取り出し、可撓性の外装材を熱融着することによって封口を行うことによって製造することができる。
【００３４】
本発明のリチウムイオン電池の場合について以下に説明する。
正極活物質は、リチウムイオンのドープ、脱ドープが可能な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、コバルト・ニッケル酸リチウムの遷移金属リチウム複合酸化物、リチウムチタン硫化物、リチウムモリブデン硫化物、リチウムセレン化ニオブなどの金属カルコゲナイド、ポリピロ−ル、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセン化合物、ポリアセチレン、ポリアリレンビニレン、ジチオ−ル誘導体、ジスルフィド誘導体などの有機化合物、およびこれらの混合体を挙げることができる。
【００３５】
そして、正極の集電体として、アルミニウムまたはその合金、チタン等の金属を用いることができる。
また、負極には、リチウムイオンのドープ、脱ドープが可能な、グラファイト、不定形炭素などの炭素系材料、すず系複合酸化物等を用いることができる。負極集電体には、銅、ニッケルその合金等を用いることができる。
また、本発明の正極電極を被覆するセパレータには、多孔性のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等のフィルムを用いることができる。
【００３６】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を説明する。
【００３７】
実施例１
アルミニウム箔に、マンガン酸リチウム（Ｌｉ1+xＭｎ2-xＯ4 ）粉末９２重量部、カーボンブラック５重量部、ポリフッ化ビニリデン３重量部からなる混合物を、アルミニウム箔に塗布乾燥してロール掛けを行った後に、正極集電タブを一体に形成した縦１２０ｍｍ、横６５ｍｍ、厚さ２００μｍ、正極集電タブの幅１０ｍｍの正極電極の両面に縦１２５ｍｍ、横７０ｍｍ、厚さ３０μｍの微多孔性ポリプロピレン膜のセパレータを配置して周囲を熱融着し、セパレータ被覆正極電極を作製した。
【００３８】
また、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ（大阪ガス製 ＭＣＭＢ）９１重量部、カーボンブラック１重量部、ポリフッ化ビニリデン８重量部からなる混合物を銅箔上に塗布乾燥してロール掛けを行った後に、負極集電タブを一体に形成した縦１２５ｍｍ、横７０ｍｍ、厚さ２００μｍ、負極集電タブの幅１０ｍｍの負極電極を作製した。次いで、正極集電タブに対向する部分に端部から２．５ｍｍの深さ、幅１５ｍｍで切除した。
【００３９】
次いで、セパレータで被覆した正極電極と負極電極の、直角方向の二つの端面を保持する治具によって一致させた状態で、負極電極は３１層、正極電極は３０層を積層し、同極性の集電タブを束ねて超音波溶接によって接合した後に、蓋体に取り付けた正極端子および負極端子にそれぞれ結合した後に蓋体を溶接した。次いで、蓋体に設けた注液口から、エチレンカーボネート３０容量部、ジエチルカーボネート７０容量部からなる混合溶媒に濃度１．０ｍｏｌ／ｌとなるようにＬｉＰＦ6 を溶解して作製した電解液を注入した後に注液口を封口してリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた電池の１００個の電池について、充電を行い電池特性を測定したところ、電極の短絡を生じたものはなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の積層型リチウムイオン電池は、正極電極と負極電極の大きさが異なる電池の平板状の電極を、面積が小さな電極をセパレータで被覆し、セパレータの外周部の大きさと、対極の大きさを一致させて積層するとともに、面積が小さな電極に取り付けた集電タブにセパレータと一体の保護部を設けたり、あるいは対向する電極に切除部を設けたので、集電タブと対向する電極との間で短絡が生じることがない積層型リチウムイオン電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、積層型リチウムイオン電池を説明する断面図である。
【図２】 図２は、参考例の正極電極と負極電極の一例を示す平面図である。
【図３】 図３は、本発明の積層型リチウムイオン電池の正極電極を説明する図である。
【図４】 図４は、本発明の実施例を説明する図である。
【図５】 図５は、本発明の他の実施例を説明する図である。
【図６】 図６は、本発明の他の実施例を説明する図である。
【図７】 図７は、セパレータで被覆された電極を説明する図である。
【図８】 図８に、他の実施例を説明する図である。
【図９】 図９は、電池電極の作製工程を説明する図である。
【図１０】 図１０は、従来の積層型二次電池を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１…積層型リチウムイオン電池、２…電池缶、３…正極電極、４…負極電極、５…セパレータ、６…正極集電タブ、７…蓋体、８…絶縁性部材、９…正極端子、１０…負極集電タブ、１１…負極端子、１２…セパレータ本体、１３…保護部、１４…切除部、１５…線状の熱融着部、１６…間欠的な熱融着部、２０…帯状の金属箔、２１…電極活物質層、２２…集電タブ、２３…電池電極、２４…ロール方向、２５…幅方向端部、２６…活物質非塗布部、３０…積層型二次電池、３１…正極電極、３２…負極電極、３３…セパレータ、３４…正極集電タブ、３５…負極集電タブ、３６…蓋体、３７…正極端子、３８…負極端子、３９…電池缶
Claims (2)
- 面積が異なる正極電極と負極電極をセパレータを介して対向して積層した積層型リチウムイオン電池において、面積が小さな正極電極はセパレータ本体の外周部から等しい間隔を設けて中央部に配置されて該セパレータ本体の周囲が間欠的に熱融着されて被覆されたものであり、面積が大きな負極電極の外周部は面積が小さな正極電極を被覆したセパレータ本体の外周部と等しい大きさであり、負極電極には正極電極の集電タブに対向して、該集電タブの幅よりも大きな切除部を有し、該切除部に対向するセパレータ本体には連続した線状の熱融着部を形成したことを特徴とする積層型リチウムイオン電池。
- 面積が小さな正極電極に設けた集電タブは、セパレータ本体と一体に形成された保護部によって被覆されたことを特徴とする請求項１記載の積層型リチウムイオン電池。
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