JP4361445B2 - リチウム２次電池 - Google Patents

Description

本発明はリチウム２次電池に係り，より詳しくは電極組立体の陰極板と陽極板とを互いに絶縁させるリチウム２次電池用セパレータを用いたリチウム２次電池に関するものである。

一般に，電池は，充電と放電が繰り返し行われる２次電池と，再充電が不可能で１回限り使用して廃棄される１次電池とに大別される。また，必要とする機器の形状に応じて円筒形，角形，パウチ形など様々な形状に製造される。

従来，２次電池は，陰極板と陽極板とがセパレータを介してロール状（以下ゼリーロール：ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ状という）に巻き回されて形成される電極組立体と，この電極組立体が挿入される缶（外装缶）と，前記缶の上部に組み立てられるキャップ組立体とから構成される。

電極組立体の陽極板は，陽極リードを介してキャップ組立体に電気的に連結され，電極組立体の陰極板は陰極リードを介して缶に電気的に連結される。リチウムイオン２次電池においては，陽極板をなす陽極活物質としては，リチウム複合酸化物を用い，陰極板をなす陰極活物質としては，炭素を用い，リチウムイオンの陽極と陰極との間の移動により，充放電がなされる。

リチウムイオン２次電池は，高電圧，高電池容量が可能であって，携帯機器用電源として優れた特性を有する一方で，電解液として有機電解液を使用するため，安全に注意を要する。したがって，安全性を確保するため，ほかの非水系２次小型電池とは異なるセパレータ特性を必要とし，化学的安定性，厚さ，機械的強度，電流遮断特性などを考慮して電池の設計システムに最適のセパレータを適用することが，電池の性能及び安全性の確保に非常に重要である。

セパレータの基本的な機能は，陽極と陰極を分離して短絡を防止することであって，ひいては電池反応に必要な電解液を吸入して高いイオン伝導度を維持することが重要である。特に，リチウムイオン２次電池の場合には，さらに，電池反応を阻害する物質の移動を防止し，異常発生の際には，安全性を確保しえる機能が要求される。

また，充放電が行われるに従い，セパレータを介して陰極板と陽極板とからなる電極組立体の厚さ増加を抑制する機能もセパレータの重要な機能の一つである。前述した２次電池の充放電による電極組立体の厚さの増加（電極組立体の膨張）は，信頼性に深刻な問題点を引き起こすが，これを解決するためには，主として活物質微粉の除去，電解液の添加剤などにより，電池内部での気体発生を抑制するように，電池を設計することが必要となる。

しかし，このような活物質微粉の除去，電解液の添加剤などを用いる方法により，２次電池内部の電極組立体の膨張を防止するのは限界がある。また，リチウムイオン２次電池の高容量化，及び薄形化につれて，セパレータの厚さをさらに薄くする必要があるため，セパレータはさらに大きく変形するが，そうなると，繰り返される充放電サイクルによる活物質の膨張を効果的に収容することができなくなって，電極組立体の膨張が，さらに加速することになる。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，充放電サイクルが繰り返される場合にも，電極組立体の厚さ増加を抑制することができる，リチウム２次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，リチウム２次電池の外装缶に収容される電極組立体の陰極板と陽極板とを互いに絶縁させるリチウム２次電池用セパレータであって，２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下の縦弾性係数（ヤング率）を有することを特徴とするリチウム２次電池用セパレータが提供される。

セパレータの縦弾性係数が大きいほど，ロール状に巻き込まれた電極組立体の膨張に敏感であるという点に着眼し，縦弾性係数を一定範囲内に制限したセパレータを使用することにより，充放電サイクルが繰り返される場合にも，電極組立体の膨張増加を最大限に抑制することができる。

この時，セパレータの縦弾性係数が０．２ｋｇｆ／ｍｍ^２未満の場合は，小さい力による変形でも形状が復元せず，取扱いが難しくなるので，リチウム２次電池用セパレータの縦弾性係数は，０．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２であることが，より好ましい。

また，本発明の別の観点によれば，陰極板と陽極板とが，長手方向に１．６〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ ^２ の縦弾性係数を有するセパレータを介してロール状に巻き込まれて形成された電極組立体と，電極組立体及び電解液を内部に収容し，陰極板または陽極板が，電気的に接続される外装缶と，外装缶の上部に取り付けられ，陽極板または陰極板が，電気的に接続されるキャップ組立体と，を備えることを特徴とするリチウム２次電池が提供される。

上記の縦弾性係数を得るためのセパレータの材質としては，ポリエチレン単層，ポリエチレン／ポリエチレン複層，またはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレン複層のいずれかを用いることができる。

ここで，電極組立体は，陰極板，セパレータ，及び陽極板が積層され，ロール状に巻き込まれて形成されており，巻き込まれた電極組立体は，プレスされることにより，厚さが薄くなるよう形成されていることが好ましい。

こうして，弾性係数の小さいセパレータを使用することにより，プレス効果が十分に得られ，電極組立体から成る積層シートの初期厚さを従来に比べておよそ０．０５ｍｍ程度薄く維持することができ，電池の小型化ができる。また，充放電回数の増加による電極組立体の積層シートの厚さ増加を最大限に抑制することができ，３００回後にはおよそ１．５ｍｍ程度の厚さ増加が抑制される効果があり，電池の信頼性をも増大させることができる。

また，キャップ組立体は，外装缶の開口部に取り付けられるキャッププレートと，キャッププレートに，キャッププレートと絶縁されるべく，ガスケットを介して取り付けられた陰極端子と，キャッププレートに形成され，電解液注入口を密封するプラグと，を備えて構成することができる。

以上詳述したように本発明によれば，縦弾性係数の小さいセパレータを使用することにより，陰極板，セパレータ，及び陽極板がロール状に巻き込まれて形成された電極組立体を薄膜化でき，さらに充放電回数の増加による電極組立体の膨張を最大限に抑制することができる効果があり，リチウム２次電池の小型化，及び信頼性の向上を可能とすることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施の形態によるリチウム２次電池は，図１及び図２に示すように，陰極板１４と陽極板１２とが，縦弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下であるセパレータ１３を介在して，ゼリーロール形態に巻き回されてなる電極組立体１０と，電極組立体１０及び電解液（図示せず）とを内部に収納し，電極組立体１０の陽極板１２に電気的に連結される外装缶である缶２０と，電極組立体１０を収納した缶２０の上部に取り付けられ，電極組立体１０の陰極板１４に電気的に連結されるキャップ組立体３０とを含んでなる。

セパレータ１３の縦弾性係数は，およそ０．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２の範囲に設定する。電極組立体１０は，陰極板１４，セパレータ１３，陽極板１２及びセパレータ１３を順次重ねて配置した後，ロール状に巻き込まれて（ゼリーロール形状に巻き回されて）形成される。

また，角形電池においては，ゼリーロール形状に巻き回された形状の電極組立体１０を角形の缶２０に挿入するが，電極組立体１０の外形を小さくするため，電極組立体１０にプレス工程を施して積層シートとし，積層シートの厚み（電極組立体１０の厚さ）を薄くする。

セパレータ１３を縦弾性係数の大きい材質で形成した場合は，プレス工程後に復元し，元の膨らんでいる形状を維持するので，プレスの効果が低下するが，縦弾性係数の小さい材質で形成した場合には，プレス工程後にも，電極組立体１０が平たくなった状態を維持できるので，電極組立体１０の初期の全厚さを薄くするためには効果的である。

本実施の形態によるリチウム２次電池においては，セパレータ１３を長手方向弾性係数が小さく，およそ０．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２の範囲である材質から形成するので，プレス工程後にも，平たくなった状態を維持することができ，電極組立体１０の初期の全厚さを薄くできる。

セパレータ１３の縦弾性係数が０．２ｋｇｆ／ｍｍ^２未満の場合は，手で押し付ける程度の小さい力による変形でも，形状が復元しないので，取扱いに注意が必要となり，製造工程の管理が難しい。

また，セパレータ１３の縦弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２を越える場合は，プレス工程後，形状が復元してプレス工程前の形状に戻ってしまうので，電極組立体１０の初期の全厚さを薄く維持することが難しい。

セパレータ１３の材質としては，ＰＥ（ポリエチレン：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）単層，ＰＥ／ＰＥ複層，ＰＰ（ポリプロピレン：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）／ＰＥ／ＰＰ複層などから，選定して使用することができる。セパレータ１３は，前記材質を用い，縦弾性係数がおよそ０．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２の範囲となるように製造して使用することが好ましい。

その後，電極組立体１０の陽極板１２には陽極リード１５が連結され，陰極板１４には陰極リード１６が連結される。

また，キャップ組立体３０は，図１に示すように，缶２０の開口部に取り付けられるキャッププレート３２と，キャッププレート３２にガスケット３５を介して絶縁状態に取り付けられる陰極端子３４と，キャッププレート３２に形成された電解液注入口３６を介して電解液が注入された後，電解液注入口３６を密封するプラグ３８と，を備えることが好ましい。

さらに，陰極端子３４には陰極リード１６が連結され，陽極リード１５は前記キャッププレート３２に連結される。

こうして，縦弾性係数の小さいセパレータを使用することにより，プレス効果が十分に得られ，電極組立体の初期の厚さを薄くして，リチウム２次電池の外形を小さくすることができ，また，充放電回数の増加による電極組立体の厚さ増加を最大限に抑制して，電池の信頼性を増大させることができる。

つぎに，本発明によるリチウム２次電池の実施例１及び実施例２と，従来のリチウム２次電池の比較例１を用い，充電後の電極組立体１０の厚さと，充放電回数による厚さの変化を測定した結果を，表１及び図３に示す。

電極活物質が塗布された陽極板１４と陰極板１２とを，縦弾性係数が０．２〜１．２ｋｇｆ／ｍｍ^２であるセパレータ１３を介在して隔離するように，ゼリーロール形状に巻き回して電極組立体１０を形成した。このように製造された電極組立体１０を角形の缶２０に挿入し，電解液のＥＣ（エチレンカーボネイト）とＥＭＣ（エチルメチルカーボネイト）との容量比が３：７である混合溶媒に，１ＭのＬｉＰＦ_６（六フッ化リン酸リチウム）を溶解させた電解液を注入することで，実施例１を製造した。

縦弾性係数が１．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２であるセパレータ，一例として縦弾性係数が１．６ｋｇｆ／ｍｍ^２であるセパレータ１３を用い，前記実施例１と同様な方法で実施例２を製造した。

比較例１

縦弾性係数が２．０〜４．０ｋｇｆ／ｍｍ^２であるセパレータ，一例として縦弾性係数が３．２ｋｇｆ／ｍｍ^２であるセパレータを用い，前記実施例１と同様な方法で比較例１を製造した。

このように製造した実施例１，実施例２及び比較例１によるリチウム２次電池において，陰極板１４，セパレータ１３，陽極板１２及びセパレータ１３を順次重ねてゼリーロール形状に巻き回して形成した電極組立体１０に，プレス工程を施す前後での，電極組立体１０の厚さを測定した。その後，角形の缶２０に電極組立体１０を挿入して角形電池を製造し，標準的に化成充電した後，再び電極組立体１０の厚さを測定した。その結果を表１に示す。

そして，実施例１，実施例２及び比較例１によるリチウム２次電池に対して，それぞれ充放電を繰り返しながら，初期，１００回時，２００回時，３００回時の電極組立体１０の厚さを測定した結果を図３に示す。

表１から分かるように，実施例１及び実施例２においては，プレス工程の前後におよそ０．０３ｍｍの厚さ減少があったが，比較例１においては，０．０１ｍｍの厚さ減少であったことから，実施例１及び実施例２におけるプレス工程による厚さ減少が，より大きいことが確認できる。これは，セパレータの弾性係数が大きい比較例１の場合には，プレス工程後，セパレータの弾性が大きくて元の厚さに回復してしまうからである。

したがって，初期の電極組立体１０の厚さは，縦弾性係数の小さい材質からなったセパレータ１３を使用した方が薄くできるので，リチウム２次電池を小型化して製造するのに有利であることが確認された。

そして，表１から，化成充電後の厚さを比較すると，最小弾性係数のセパレータ１３を使用した実施例１，及び比較的大きい弾性係数のセパレータを使用した比較例１においては，実施例１の電極組立体１０の厚さがおよそ０．０８ｍｍだけ薄いことが確認できる。

また，図３から分かるように，弾性係数の小さいセパレータ１３を使用した実施例１及び実施例２の充放電回数による電極組立体１０の厚さ変化が，弾性係数の大きいセパレータを使用した比較例１に比べて小さいことが確認できる。

さらに，充放電回数による厚さ変化においては，セパレータ１３の縦弾性係数が大きいものが，充放電回数の増加に従って，より大きく変化することが確認された。つまり，実施例１及び実施例２においては，充放電を繰り返すことによる厚さの変化を縦弾性係数の小さいセパレータ１３が緩和させるため，セパレータ１３の縦弾性係数をより小さくした方が，電極組立体１０の厚さ増加を抑制する効果が大きいことが分かる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明はリチウム２次電池に適用可能であり，特に電極組立体の厚さを薄くするためのリチウム２次電池に関するものである。

本実施の形態によるリチウム２次電池を示す断面図である。 本実施の形態によるリチウム２次電池の電極組立体の構成を示す斜視図である。 本実施の形態によるリチウム２次電池の実施例１及び実施例２と，従来のリチウム２次電池の比較例１において，充放電サイクルの繰り返しによる電極組立体の厚さ変化を示す説明図である。

符号の説明

１０ 電極組立体
１２ 陽極板
１３ セパレータ
１４ 陰極板
２０ 缶
３０ キャップ組立体

Claims (4)

1. 陰極板と陽極板とが，長手方向に１．６〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ ^２ の縦弾性係数を有するセパレータを介してロール状に巻き込まれて形成された電極組立体と，
   前記電極組立体及び電解液を内部に収容し，前記陰極板または前記陽極板が，電気的に接続される外装缶と，
   前記外装缶の上部に取り付けられ，前記陽極板または前記陰極板が，電気的に接続されるキャップ組立体と，
   を備えることを特徴とするリチウム２次電池。
2. 前記セパレータが，ポリエチレン単層，ポリエチレン／ポリエチレン複層，またはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレン複層のいずれかの材質からなることを特徴とする請求項１に記載のリチウム２次電池。
3. 前記電極組立体は，前記陰極板，前記セパレータ，及び前記陽極板が積層され，ロール状に巻き込まれて形成されており，前記電極組立体は，プレスされることにより，厚さが薄く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム２次電池。
4. 前記キャップ組立体は，
   前記外装缶の開口部に取り付けられるキャッププレートと，
   前記キャッププレートに，前記キャッププレートと絶縁されるべく，ガスケットを介して取り付けられた陰極端子と，
   前記キャッププレートに形成され，電解液注入口を密封するプラグと，
   を備えることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載のリチウム２次電池。

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