JP4313992B2

JP4313992B2 - 角型二次電池の設計方法

Info

Publication number: JP4313992B2
Application number: JP2002204562A
Authority: JP
Inventors: 耕野崎; 哲鈴木; 学山田; 覚鈴木
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004047332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏平な角型二次電池の設計方法に関するものであり、特に、好ましい寸法を選択する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
角型二次電池は、正極シートと絶縁シートと負極シートと絶縁シートの組を多層に積層した偏平電極体を、角型容器内に収容して構成される。一般に、偏平電極体を角型容器に収容して電解液を含浸させると偏平電極体が積層高さ方向に膨張する。また充電すると偏平電極体が膨張する。
角型容器の場合、一対の偏平面の中央部では両者間の距離が広がり易いのに対し、辺ないし角に近い部分では広がりにくい。このために、偏平電極体が膨張すると、角型容器によって、偏平面の中央部では弱く圧縮され、辺に近い部分では強く圧縮されがちである。
圧縮力が弱い部分では電極体の内部抵抗が増加しがちであり、その結果、圧縮力が強い部分に偏って電池反応が進行することがある。電池反応が偏って進行すると、電池性能が短時間で低下しやすい。例えば、充電完了後の電池容量が、充放電サイクルを繰返すことによって急速に低下してしまう。偏平電極体が均一に圧縮されて均一に電池反応が進行すると、充電完了後の電池容量が充放電サイクルを繰返すことによって低下していく速度を遅くすることができるのに対し、不均一に圧縮されると、電池反応が不均一に進行して充電完了後の電池容量が充放電サイクルを繰返すことによって急速に低下してしまう。
偏平電極体の寸法と角型容器の内寸の関係は、偏平電極体の圧縮状態に密接に関係するために電池性能を維持する上で極めて重要であり、正しく選択する必要がある。
【０００３】
正極シートと絶縁シートと負極シートと絶縁シートの組を巻回して積層した偏平電極体が多用される。図１に、巻回された偏平電極体１０を例示する。巻回された偏平電極体１０の場合には、コーナー部（幅Ｈ方向の両端に位置する部分）では、シート群が積層高さＴ方向に向いて伸びており、積層高さＴ方向に膨張しづらい。一方、電極体の平坦面の中央部（幅Ｈ方向の中央付近に位置する部分）では比較的フリーな状態にある。この特性の差が、偏平電極体の圧縮状態を不均一にしやすく、電池性能の低下速度を早めやすい。
【０００４】
偏平電極体の圧縮状態の均一化を図る技術が、特開２００１−６７８２１号公報に記載されている。この技術では、角型容器に偏平電極体を挿入した後に、角型容器の偏平面を内側へ押込んで凹んだ形状とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−６７８２１号公報に記載されているように、偏平電極体の偏平面と角型容器の内面との間のクリアランスを調整することによって、偏平電極体の圧縮状態の均一化を図ることができることがわかっていても、そのクリアランスをいくらにすればよいのかがわからない。クリアランスを大きくしすぎると、偏平電極体の圧縮状態の均一化が図られない。クリアランスを小さくしすぎても、偏平電極体の圧縮状態の均一化が図られない。さらには、角型容器が変形してしまうこともある。
現状では、新しい種類の電池を設計するたびに、多数回の実験を繰返して試行錯誤的に最適クリアランスを探索しており、最適クリアランスを探索するまでに多くの工数と時間を費やしている。
電池性能に密接に関係する偏平電極体の偏平面と角型容器の内壁との間の良好なクリアランス（Ｃ）の大きさを短時間に探索する技術が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用】
本発明では、偏平電極体を角型容器内に収容した角型二次電池の設計に際して、偏平電極体の幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）の大きさを短時間で決定できる方法を創作した。
本発明者らの研究によって、角型二次電池の偏平電極体の幅（Ｈ）が５０〜１００ｍｍであり、奥行（Ｗ）が１００〜１５０ｍｍであり、その偏平電極体の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２の押圧力をかけた状態で測定した積層高さ（Ｔ）が１０〜４０ｍｍであり、幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）が−２〜＋２ｍｍである場合には、電池の種類によって、偏平電極体の幅（Ｈ）と、奥行（Ｗ）と、積層高さ（Ｔ）が種々に変わっても、ＷＨＣ／Ｔの値が−５．６≦ＷＨＣ／Ｔ≦４６．９となるという条件下で偏平電極体の幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）の大きさを選択すると、電池種類によらないで、良好な結果をもたらすクリアランスの大きさを選択できることが判明した。
【０００７】
請求項１に係る角型二次電池の設計方法では、偏平電極体の幅（Ｈ）と、奥行（Ｗ）と、偏平電極体の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２の押圧力をかけた状態で測定した積層高さ（Ｔ）と、その偏平電極体の幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）を、ＷＨＣ／Ｔの値が−５．６≦ＷＨＣ／Ｔ≦４６．９となるという条件下で選択する。即ち、図１（ａ）と図１（ｂ）に例示するように、設計する角型二次電池に用いる偏平電極体１０の幅（Ｈ）と奥行（Ｗ）と積層高さ（Ｔ）を、幅（Ｈ）が５０〜１００ｍｍであり、奥行（Ｗ）が１００〜１５０ｍｍであり、その偏平電極体の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２の押圧力をかけた状態で測定した積層高さ（Ｔ）が１０〜４０ｍｍであり、幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）が−２〜＋２ｍｍである範囲内で求め、それから計算される｛４６．９×Ｔ／ＷＨ｝の値よりも小さく、｛−５．６×Ｔ／ＷＨ｝よりも大きい範囲内で偏平電極体の幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）の大きさを求めると、良好な結果をもたらすクリアランスを選択することができる。
本方法によると、最適クリアランス（Ｃ）を探索する範囲が絞り込まれるために、最適クリアランス（Ｃ）を探索するための実験数が少なくてすみ、短時間で最適クリアランス（Ｃ）を探索することができる。
【０００８】
上記の方法によると、最適クリアランス（Ｃ）を探索する範囲が明確に絞り込まれるために、最適クリアランス（Ｃ）を探索するための実験数が少なくてすみ、短時間で最適クリアランス（Ｃ）を探索することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明はまた、下記の形態で好適に実施される。
（形態１）本発明の角型二次電池がリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池では、電池反応の偏りに起因して電池性能が低下しやすいという問題がある。このため本発明の適用効果が大きい。
【００１０】
（形態２）偏平電極体の幅（Ｈ）は５０〜１００mmの範囲から選択し、奥行（Ｗ）は１００〜１５０mmの範囲から選択し、積層高さ（Ｔ）は１０〜４０mmの範囲から選択し、偏平電極体の偏平面と角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）は−２〜＋２mmの範囲から選択される。
この電池は、電池性能（容量等）や各種装置（車両等）への搭載性等の観点から実用性が高い。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を具現化した一実施例を説明する。なお下記の記載は例示であり、発明を説明するものでない。
図２は、実施例の設計方法で設計することができる二次電池を例示する斜視図であり、図３はその中央縦断面図である。図示するように、この二次電池１は、正極シートと絶縁シートと負極シートと絶縁シートの組が偏平状に巻回された偏平電極体１０と、偏平電極体１０を収容する偏平な角型容器２０とを備える。
【００１２】
まず、偏平電極体１０の構成および作製方法を説明する。偏平電極体１０を構成する正極シート１２の巻回前の平面図を図４に示す。長尺状アルミニウム箔からなる正極集電体１２ａの両面に正極活物質を含有するペーストを塗布して、正極集電体１２ａの両面に正極活物質層１２ｂが形成されている。ここで、正極シート１２の一方の長辺には、いずれの面にも正極活物質層１２ｂが形成されていない活物質未塗工部１２ｃが設けられている。
【００１３】
負極シート１４の構造は正極シート１２と同様であるので、この負極シート１４についても図４を用いて説明する。図４において括弧内に記された符号は負極シート１４に対応するものである。長尺状銅箔からなる負極集電体１４ａの両面に負極活物質を含有するペーストを塗布して、負極集電体１４ａの両面に負極活物質層１４ｂが形成されている。負極シート１４の一方の長辺には、いずれの面にも負極活物質層１４ｂが形成されていない活物質未塗工部１４ｃが設けられている。
【００１４】
なお、偏平電極体１０の製造に使用する正極活物質としては、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等の従来のリチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。負極活物質としては、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等の従来のリチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。このような活物質を含有するペーストを調製するにあたっては、従来公知の結着剤、導電化剤、溶剤等を適宜使用することができる。これらペーストの集電体への塗布は、コンマコーター、ダイコーター等を用いて行うことができる。
【００１５】
絶縁シート１６としては多孔質ポリプロピレン樹脂シートを使用した。絶縁シート１６の材質は、ポリプロピレン樹脂の他、ポリエチレン樹脂もしくはポリプロピレン樹脂とポリエチレン樹脂の混合物も用いることができる。この絶縁シート１６の平面形状は、図４に示す正極シート１２の正極活物質層１２ｂ、および負極シート１４の負極活物質層１４ｂが形成されている領域よりも幅、長さともに大きな形状とする。
図５に示すように、負極シート１４と絶縁シート１６と正極シート１２と絶縁シート１６を重ね合わせる。このとき、負極シート１４の負極活性物質１４ｂが塗布されている領域は、正極シート１２の正極活性物質１２ｂが塗布されている領域よりも幅、長さともに大きく、絶縁シート１６は負極シート１４の負極活性物質１４ｂが塗布されている領域よりもさらに大きくなるようにしておく。ここで、正極シート１２の活物質未塗工部１２ｃと負極シート１４の活物質未塗工部１４ｃとが、絶縁シート１６の一方の長辺および他方の長辺からそれぞれはみ出すように、両シート１２，１４を配置する。次いで、重ね合わせたシート１２，１６，１４，１６の組を巻回機等を用いて長辺方向に巻回する。この巻回体を径方向にプレスして、図１（ａ）に例示した横断面が偏平状の電極体１０を作製する。ここで、偏平電極体１０の幅（Ｈ）は５０〜１００mm、奥行（Ｗ）は１００〜１５０mm、積層高さ（Ｔ）は１０〜４０mm、その電極体１０の偏平面と角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）は−２〜＋２mmの範囲で適当に組み合わせる。
なお、積層高さ（Ｔ）は、得られた偏平電極体１０の厚さ方向に所定の（例えば１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２（９．８×１０^４〜４．９×１０^５Ｐａ）、ここでは３ｋｇｆ／ｃｍ^２（２．９４×１０^５Ｐａ）の）押圧力をかけた状態で測定した値を用いる。したがって、積層高さ（Ｔ）の測定時よりも大きな押圧力を偏平電極体１０に加えながら角型容器２０に収容した場合には、クリアランス（Ｃ）がマイナスの値となり得る。
【００１６】
図２に示すように、角型容器２０はアルミニウム製であって、有底四角筒状の電極体ケース２２と、電極体ケース２２の上端開口部を封止する蓋２４とを備える。この容器２０は６つ（３対）の平面部２０１〜２０６からなる直方体状である。平面部２０１と２０２、平面部２０３と２０４、平面部２０５と２０６（この平面部２０６は蓋２４により形成されている）とはそれぞれ対向している。
図３に示すように、偏平電極体１０は、その巻回中心（巻回軸）Ｇが横倒しとなるように容器２０に収容されている。容器２０の有する６つの平面部のうち最も面積の広い一対の平面部（最大平面部）２０１、２０２の内壁に、偏平電極体１０の積層方向の両面（偏平面）が対面している。
この偏平電極体１０には図示しない電解液が含浸されている。電解液としてはジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの７：３（体積比）混合溶媒に１ｍｏｌ/リットルのＬｉＰＦ_６を溶解させたもの等を用いることができる。
偏平電極体１０を構成する正極シート１２は、活物質未塗工部を利用して、角型容器２０から突出する正極端子２６に接続されている。負極シート１４は、活物質未塗工部を利用して、負極端子２８に接続されている。
【００１７】
上記構成を有するリチウムイオン二次電池であって、その各部の寸法（Ｈ，Ｔ，ＷおよびＣのうち一または二以上）が異なる何種類かのものにつき、それらの最大面圧（電池の満充電時において、電極体の偏平面中央付近と容器内壁との間に生じた面圧をいう。）と容量維持率Ｒとの関係を検討した。その結果、図６に示す特性図が得られた。ここで容量維持率Ｒとは、初期の充電完了後の電池容量を１００％として、充放電を５００サイクル繰返した後での充電完了後の電池容量の比率を示すものであって、電池性能の低下速度の目安とすることができる。
【００１８】
円筒型に巻回された電極体を円筒容器に収容した電池の場合、偏平巻電極体のコーナー部や平坦面に相当する部分がなく、電極体に加わる圧縮力を均一化しやすい傾向にある。円筒型電極体を用いた電池では、偏平電極体を用いた電池に比べて電池反応の偏りが起こり難い。円筒型電池の場合、充放電を５００サイクル繰返した後における容量維持率はほぼ８０％程度である。角型電池の場合、５００サイクル後の容量維持率をほぼ７０％以上（より好ましくは８０％以上）とすることができれば、円筒型電池と同等程度に電池反応が均一化されていると言える。
【００１９】
この結果によれば、図６に示すように、最大面圧と容量維持率との間には一義的な関係がみられる。すなわち、最大面圧を４００ｇｆ／ｃｍ^２（３．９２×１０^４Ｐａ）程度以上とすると５００サイクル後の容積維持率が７０％に達する。最大面圧が４００ｇｆ／ｃｍ^２（３．９２×１０^４Ｐａ）未満であると、５００サイクル後の容積維持率が７０％に満たないことがわかる。
【００２０】
上記構成を有するリチウムイオン二次電池の寸法を様々に変えて実験した結果を表１に示す。偏平電極体の幅（Ｈ）と、奥行（Ｗ）と、積層高さ（Ｔ）と、偏平電極体の偏平面と角型容器の内壁とのクリアランス（Ｃ）は、mmの単位である。本発明者らの研究によって、ＷＨＣ／Ｔの値が重要であるとの知見が得られたので、表１には、ＷＨＣ／Ｔの値が整理されている。それぞれの電池に対して５００回の充放電サイクルを繰返して行い、サイクル試験前の電池容量（満充電後の電池容量）を１００とし、サイクル試験後の電池容量（満充電後の電池容量）の比を求めるという方法で、容量維持率（Ｒ）を測定した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
図７には、式（ＷＨＣ／Ｔ）により算出される形状係数（Ｆ）の値と、容量維持率（Ｒ）の関係がプロットされている。
実施例１〜４では、ＷＨＣ／Ｔの値が５０以下であり、ＷＨＣ／Ｔの値が５０以下であれば容量維持率（Ｒ）が７０％以上となる。実施例１で用いた電池では８７％という高い数値が得られた。一般に、容量維持率（Ｒ）が７０％以上となれば、実用上十分な耐久性を有しているといえる。比較例１〜４では、ＷＨＣ／Ｔの値が５０以上であり、ＷＨＣ／Ｔの値が５０以上であれば容量維持率（Ｒ）が７０％以下にしかならない。
式（ＷＨＣ／Ｔ）により算出される形状係数（Ｆ）が５０以下であれば、容量維持率（Ｒ）が７０％以上となり、電池反応が均一化され、電池として優れた特性を有することがわかる。ＷＨＣ／Ｔの値を指標とし、これが基準値以下となる条件で各寸法を決定すると、電池性能の低下速度が遅くて耐久性が長い電池を設計できることがわかる。
【００２３】
これらの実験例ではリチウムイオン二次電池を用いたが、本発明はニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の他の種類の二次電池にも適用することができる。正極および負極の活物質、集電体および端子ならびに絶縁シート等の材質や電解液の組成等は、二次電池の種類に応じて適当に選択される。
【００２４】
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。例えば、偏平電極体を、カットされた電極シートを多層に積層して形成することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わ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み合わせに限定されるものではない。また、本明細書また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。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ偏平電極体を例示する斜視図である。
【図２】本実施例に係る二次電池を示す斜視図である。
【図３】図２の中央縦断面図である。
【図４】電極体を構成する正極シートを示す平面図である。
【図５】巻回前の電極体シート配置を示す断面図である。
【図６】偏平型電極体における最大面圧と容量維持率の関係を示す図である。
【図７】形状係数Ｆと容量維持率Ｒの関係を示す図である。
【符号の説明】
１：二次電池
１０：偏平電極体
１２：正極シート
１４：負極シート
１６：絶縁シート
２０：容器
２０１，２０２：最大平面部（平坦面）
Ｈ：偏平電極体の幅
Ｗ：偏平電極体の奥行
Ｔ：偏平電極体の積層高さ
Ｃ：偏平電極体の偏平面と角型容器の内壁との間のクリアランス

Claims

正極シートと絶縁シートと負極シートと絶縁シートの組を多層に積層した偏平電極体を角型容器内に収容した角型二次電池の設計方法であって、
その角型二次電池の偏平電極体は、幅（Ｈ）が５０〜１００ｍｍであり、
奥行（Ｗ）が１００〜１５０ｍｍであり、
その偏平電極体の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２の押圧力をかけた状態で測定した積層高さ（Ｔ）が１０〜４０ｍｍであり、
幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）が−２〜＋２ｍｍであり、
その角型二次電池の設計方法は、
その偏平電極体の幅（Ｈ）と、奥行（Ｗ）と、その偏平電極体の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２の押圧力をかけた状態で測定した積層高さ（Ｔ）と、幅（Ｈ）および奥行（Ｗ）によって規定される偏平面とその偏平面に対向する角型容器の内壁との間のクリアランス（Ｃ）を、ＷＨＣ／Ｔの値が−５．６≦ＷＨＣ／Ｔ≦４６．９となるという条件下で選択することを特徴とする角型二次電池の設計方法。