JP4368843B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に係り，より詳しくは，電極板間における電気的短絡の発生および電池容量の減少を防止することができる二次電池に関する。

最近，携帯用電話，ラップトップコンピュータ，ビデオレコーダなど，小型かつ軽量の携帯用電気・電子機器が，盛んに開発生産されている。このような携帯用電気・電子機器は，固定電源を得られない場所でも作動できるように電池パックを内装している。電池パックは，携帯用電気・電子機器の一定期間の駆動に必要とされる所定水準の電圧を出力するために，少なくとも１つの電池を備える。

最近の電池パックには，経済的な観点から，充放電可能な二次電池が用いられている。二次電池としては，例えば，ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池，リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池，リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）ポリマー電池が挙げられる。

特に，リチウム二次電池は，携帯用電子機器の電源として広範に利用されているニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池と比べて，３倍の作動電圧（３．６Ｖ）を有し，かつ単位重量当りエネルギー密度が高いという特徴から，その工業的用途が急速に拡大している。

リチウムイオン二次電池は，陽極電極板，陰極電極板，セパレータからなる電極組立体を，アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるケースに収容し，ケースを蓋体組立体で密閉した後，ケースの内部に電解液を注入することにより形成されたベアセル（bare cell）を含む。

ポリマー電池においては，電極板またはセパレータが高分子化合物で形成されることにより，セパレータが電解質として機能する，あるいはセパレータに電解液成分を含浸させて用いられるため，電解質の漏洩が殆ど生じず，ケースの代替品としてパウチが用いられることもある。

リチウムイオン二次電池において，一般に電極板は，金属箔からなる電極集電体の表面に電極活物質（陽極電極板にはリチウム酸化物，陰極電極板には炭素質物）を含むスラリー（以下，電極活物質層を成す物質の意味として使用）を塗布して形成される。

スラリーは，溶媒，可塑材，電極活物質，結合材などを混合して形成される。電極集電体としては，陰極電極板に銅，陽極電極板にアルミニウムが主に用いられ，結合材としては，ポリフッ化ビニリデン，スチレンブタジエンゴム，溶媒としては，アセトン，Ｎ−メチルピロリドンなどを用いることができる。一方，溶媒としては，水を用いることができる。

電極組立体は，陽極電極板，陰極電極板およびセパレータがそれぞれ１枚のストリップ状に形成された後，陽極電極板，セパレータ，陰極電極板の順に積層され，ジェリーロール状に巻回されてなる。

ここで，陽極電極板または陰極電極板をなす電極集電体には，スラリーを供給するスリットダイにより，電極集電体の少なくとも一面に所定厚さの電極活物質層が形成される。

スリットダイに供給されるスラリーは，多量の溶媒を含み流動状態にあるが，乾燥工程を通じて溶媒が揮発され，結合材の作用により電極集電体に高い強度で塗着される。

電極集電体に電極活物質を塗布する際，電極活物質は一電極の形成に必要な長さ毎に塗布され，電極活物質層の間には，電極タブの溶接などに必要とされる無地部，すなわち電極活物質の塗布されていない部分が介在される。よって，電極集電体には，電極活物質層と電極無地部が形成される。

スラリー塗工装置により異なるが，一般的に電極集電体上に形成されるスラリーの塗布始端と塗布終端とには，電極活物質層が連続する部分と比べて，塗布されたスラリーが集まり突出する。このような突出部は，陽極電極板と陰極電極板において，スラリーを塗布して形成された電極活物質層の両端に形成される。

そして，電極組立体の巻回時の圧力など，製作工程中の圧力またはそれ以外の外部圧力が，この突出部に集中することにより，陽極電極板と陰極電極板とを電気的に絶縁させるセパレータに損傷を及ぼすこともある。さらに，損傷したセパレータを介してこの突出部で陽極電極板と陰極電極板との間の電気的短絡が生じれば，二次電池の生産効率が低下し，感電事故などを引起す恐れもある。

よって，従来より，陽極電極板および陰極電極板の少なくとも一面に形成される電極活物質層の突出部を含む部分に絶縁層を形成することにより，陽極電極板と陰極電極板との接触，あるいは突出部と接触するセパレータの損傷が防止されてきた。

一方，結果として絶縁層が電極活物質層の一部を遮ることになるため，電極活物質層の反応面積が減少し，二次電池の容量が減少する。

すなわち，二次電池の容量は，陽極と陰極で互いに反応する電極活物質層の容積に比例するため，絶縁層の形成により電極活物質層の反応面積が減少し，二次電池の容量が減少するという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので，その目的は，電極板間における電気的短絡の発生および電池容量の減少を防止することができる，新規かつ改良された二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，第１電極集電体の少なくとも一面に第１電極活物質が塗布された第１電極活物質層と，第１電極集電体の両端に配された第１電極無地部とを備え，第１電極活物質層の少なくとも一端に突出部が形成された第１電極板と，第２電極集電体の少なくとも一面に第２電極活物質が塗布された第２電極活物質層と，第２電極集電体の両端に配された第２電極無地部とを備え，第２電極活物質層の少なくとも一端に突出部が形成された第２電極板と，第１電極板と第２電極板との間に介在され，両電極板を絶縁させるセパレータと，電極活物質層の始端または終端の少なくともいずれか一端の不均一部に形成された突出部を取り囲むように第１電極板または第２電極板に設けられ，電解液の移動を可能とする少なくとも一つの絶縁部材とを含む二次電池が提供される。

かかる構成によれば，絶縁部材は，第１電極板と第２電極板との接触，あるいは突出部との接触によるセパレータの損傷を防止することにより，両電極板を電気的に絶縁する一方で，電解液の移動を容易ならしめる。このことにより，両電極板間における電気的短絡の発生および電池容量の減少を防止することができる。

上記絶縁部材は，第１電極板および第２電極板の全面に設けられるようにしてもよい。

また，上記絶縁部材は，第１および第２電極活物質層の両端の少なくともいずれか一端の突出部の上部に設けられるようにしてもよい。

また，上記絶縁部材は，部材幅が１０〜２０ｍｍに形成されるようにしてもよい。

また，上記絶縁部材は，基材基板と，基材基板の少なくとも一面に形成された接着材層とからなるようにしてもよい。

上記基材基板は，変形温度１５０℃以上の物質からなるようにしてもよい。

また，上記基材基板は，多孔質材で形成されるようにしてもよい。

また，上記基材基板は，気孔率１％以上であるようにしてもよい。

また，上記基材基板は，多孔性ポリエチレン，多孔性ポリプロピレン，多孔性ポリウレタン，多孔性シリカ，ポリフェニレンサルファイド，ポリフェニレンアセチレンのうちいずれかの材質からなるようにしてもよい。

また，上記基材基板は，弱熱により接着可能な熱融着テープであるようにしてもよい。

上記熱融着テープは，ポリプロピレンまたはポリエチレンの材質からなるようにしてもよい。

また，上記熱融着テープは，接着材層が設けられていない無接着材型であるようにしてもよい。

上記基材基板は，厚さ２０μｍ以下であるようにしてもよい。

上記接着材層は，電解液と反応しないとともに，接着力を有する物質からなるようにしてもよい。

また，上記接着材層は，ホットメルト接着材からなるようにしてもよい。

上記ホットメルト接着材は，ゴム系，シリコン系，およびアクリル系のうちいずれかの材質からなるようにしてもよい。

また，上記接着材層は，基材基板に所定間隔で形成されるようにしてもよい。

また，上記接着材層は，縞状に形成されるようにしてもよい。

また，上記接着材層は，基材基板に格子状に形成されるようにしてもよい。

また，上記接着材層は，厚さ１０μｍ以下であるようにしてもよい。

上記絶縁部材は，厚さ５０μｍ以下であるようにしてもよい。

また，上記絶縁部材には，複数の貫通孔が形成されるようにしてもよい。

上記貫通孔は，総面積が第１または第２電極活物質層の上部に接着される絶縁部材面積の３０〜９０％となるように形成されるようにしてもよい。

また，上記貫通孔は，第１または第２電極活物質層の上部に接着される絶縁部材に五つ以上形成されるようにしてもよい。

上記絶縁部材は，網目状に形成されるようにしてもよい。

上記第１電極板は，陰極であるようにしてもよい。

本発明によれば，電極板間における電気的短絡の発生および電池容量の減少を防止することができる二次電池を提供することができる。

以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する発明特定事項については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は，本発明の第１の実施形態にかかる二次電池を説明する分解斜視図である。図１に示すとおり，二次電池１００は，ケース１１０と，ケース１１０に収容されるジェリーロール型の電極組立体２００と，ケース１１０の上部に装着される蓋体組立体３００とを含む。

ケース１１０は，一側が開口した略四筒形状を有する金属物質からなり，それ自体が端子として機能する。

電極組立体２００は，第１電極タブ２１５を備える第１電極板２１０と，第２電極タブ２２５を備える第２電極板２２０と，第１，第２電極板２１０，２２０の間に介在されたセパレータ２３０とを積層し，巻回することにより形成される。

蓋体組立体３００には，ケース１１０の開口部に対応する寸法形状を有する金属板からなる蓋板３１０が装着される。蓋板３１０の中央には，所定寸法の端子通孔３１１が形成され，蓋板３１０の一側には，電解液を注入するための電解液注入孔３１２が形成され，この電解液注入孔３１２は，ボールピン３１５が押入されることにより密閉される。

端子通孔３１１は，電極端子３２０，例えば陰極端子が挿通される位置に形成される。電極端子３２０の外周には，蓋板３１０との電気的絶縁のため，管状のガスケット３３０が装着される。

蓋板３１０の下面には絶縁板３４０が装着され，この絶縁板３４０の下面には端子板３５０が装着される。

蓋板３１０の下面には，第１電極板２１０に備えられた第１電極タブ２１５が溶接され，電極端子３２０の下端には，第２電極板２２０に備えられた第２電極タブ２２５が溶接される。

一方，電極組立体２００の上面には，電極組立体２００と蓋体組立体３００とを電気的に絶縁させるとともに，電極組立体２００の上端を覆う絶縁ケース３６０が装着される。絶縁ケース３６０は，蓋板３１０の電解液注入孔３１２に対応する位置に電解液注入孔３６２を備え，電解液の注入を容易ならしめる。

図２は，第１の実施形態にかかる電極組立体を示す側面図，図３と図４は，第１の実施形態にかかる電極集電体を示す断面図および側面図である。図２〜図４に示すとおり，電極組立体２００においては，第１電極板２１０，第２電極板２２０およびセパレータ２３０がそれぞれ１枚のストリップ状に形成される。第１電極板２１０と第２電極板２２０の極性は，それぞれ陰極または陽極のいずれかに設定されるが，以下では，第１電極板２１０を陽極電極板，第２電極板２２０を陰極電極板として説明する。

すなわち，陽極電極板２１０は，導電性に優れた金属薄板，例えばアルミニウム箔からなる陽極集電体２１１と，この陽極集電体２１１の少なくとも一面に形成された陽極活物質層２１３とを含む。陽極活物質としては，カルコゲナイド化合物が用いられ，例えば，ＬｉＣｏＯ_２，ＬｉＭｎ_２０_４，ＬｉＮｉ０_２，ＬｉＮｉ_１−xＣｏ_ｘＯ_２（０＜ｘ＜１），ＬｉＭｎＯ_２などの複合金属酸化物が用いられるが，本実施形態でこれら物質を限定するものではない。

陽極電極板２１０の両末端には，陽極活物質層２１３が形成されない陽極集電体領域，すなわち陽極無地部２１７を有し，陽極無地部２１７の一側には陽極タブ２１５が電気的に連結される。

陰極電極板２２０は，導電性に優れた金属薄板，例えば銅箔またはニッケル箔からなる陰極集電体２２１と，この陰極集電体２２１の少なくとも一面に形成された陰極活物質層２２３とを含む。陰極活物質としては，炭素系物質，ケイ素，スズ，酸化スズ，スズ合金複合体，遷移金属酸化物，リチウム金属窒化物またはリチウム金属酸化物などが用いられるが，本実施形態でこれら物質を限定するものではない。

陰極電極板２２０の両末端には，陰極活物質層２２３が形成されない陰極集電体領域，すなわち陰極無地部２２７を有し，陰極無地部２２７の一側には陰極タブ２２５が電気的に連結される。

また，陽極電極板２１０と陰極電極板２２０は，電極活物質の塗布始端および塗布終端の少なくともいずれか一端の不均一部に形成された突出部ａを取り囲むように設けられる絶縁部材２４０を含む。

すなわち，絶縁部材２４０は，電極板２１０，２２０の電極集電体２１１，２２１の少なくとも一面に形成された電極活物質層２１３，２２３の始端および終端の少なくともいずれか一端の不均一部に形成された突出部ａを取り囲むように設けられ，電極板２１０，２２０の全面または電極活物質層２１３，２２３の両端の突出部ａのうち少なくとも一端を取り囲むように設けられる。

また，絶縁部材２４０は，その幅（ｄ）が１５ｍｍ程度に形成されることが望ましい。すなわち，絶縁部材２４０は，その幅（ｄ）が１０〜２０ｍｍより大きければ，電解液の移動を妨げ，１０〜２０ｍｍより小さければ，電解液の移動時の流体力により電極集電体２１１，２２１から離脱される。

一方，絶縁部材２４０は，基材基板２４１と，この基材基板２４１の少なくとも一面に形成された接着材層２４３とからなる。二次電池１００の過充電時には，電池内部の温度が約１５０℃まで上昇するため，基材基板２４１は，収縮変形などをきたさないように変形温度１５０℃以上の物質でからなることが望ましい。

さらに，基材基板２４１は，電解液が透過可能なように多孔質材で形成されることが望ましい。

ここで，多孔質材としては，電解液が透過可能なように，気孔率１％以上の材質，例えばポリフェニレンサルファイド，多孔性ポリプロピレン，多孔性ポリエチレン，多孔性ポリウレタン，多孔性二酸化ケイ素，ポリフェニレンアセチレンのうちいずれかの材質が望ましいが，本実施形態でこれら材質を限定するものではない。

また，基材基板２４１としては，弱熱で接着可能な熱融着テープも適用可能であり，ポリプロピレンまたはポリエチレン材質が望ましい。ここで，熱融着テープとしては，接着材層を有しない無接着材型を適用できるため，熱融着テープは弱熱による積層により，電極板２１０，２２０に密着させることもできる。また，基材基板２４１の厚さ（Ｈ）を２０μｍ以下にすることにより，絶縁部材２４０の厚さを最小化することが望ましい。

接着材層２４３は，電解液と反応することなく接着力を有する物質からなり，グリューガンにより塗着されるホットメルト接着材を用いてもよい。ホットメルト接着材としては，ゴム系，シリコン系，アクリル系のいずれかの材質を用いることができるが，本実施形態でこれら材質を限定するものではない。

また，ホットメルト接着材は，グリューガンにより塗着されるため，接着材層２４３の配置が自在となり，水や溶剤を全く用いずに１００％熱可塑性樹脂を用いて，高温の液状のまま基材基板２４１に塗布されることにより，塗着後数秒以内で冷却，固化して接着力を発揮する。

図５ａ，図５ｂおよび図５ｃは，本発明の実施形態にかかる基材基板の変形例を示す斜視図である。図５ａ，図５ｂおよび図５ｃに示すとおり，接着材層２４３は，電解液の移動を可能とするため，基材基板２４１に所定間隔で形成されるが，横方向または縦方向の縞状２４３ａ，２４３ｂ，または格子状２４３ｃに形成されることもできる。ここで，格子状２４３ｃの場合，図５ｃに示すような六角形状に限定するものではない。

接着材層の厚さ（ｈ）は，電極組立体２００の体積を最小化するため，１０μｍ以下の最小量で形成されることが望ましい。

図６と図７は，本発明の実施形態にかかる絶縁部材の変形例を示す斜視図である。絶縁部材２４０は，その上面で電解液の透過を可能とするため，図６に示すような基材基板２４１の上下に貫通する複数の貫通孔２４５，または図７に示すような網目状に形成することもできる。このことのより，絶縁部材２４０は，イオン非透過性材で形成されても，電解液を透過できる。

図６においては，貫通孔２４５が所定間隔で規則的に配列形成されているが，本実施形態でこの配列を限定するものではなく，Ｚ字型などに形成されてもよい。貫通孔２４５は，その総面積が電極活物質層２１３，２２３の上部に接着される基材基板２４１の面積の３０〜９０％となるように，五つ以上に形成されることが望ましい。

また，絶縁部材２４０の厚さは，電極組立体２００の体積を最小化するため，５０μｍ以下に形成される。

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，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，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疇に属するものと了解される。

本発明の第１の実施形態にかかる二次電池を説明する分解斜視図である。 第１の実施形態にかかる電極組立体を示す側面図である。 第１の実施形態にかかる電極集電体を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる電極集電体を示す側面図である。 本発明の実施形態にかかる基材基板の第１の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる基材基板の第２の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる基材基板の第３の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる絶縁部材の第１の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる絶縁部材の第２の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１００ 二次電池
１１０ ケース
２００ 電極組立体
２１０，２２０ 電極板
２１１，２２１ 電極集電体
２１３，２２３ 電極活物質層
２１５，２２５ 電極タブ
２１７，２２７ 電極無地部
２３０ セパレータ
２４０ 絶縁部材
２４１ 基材基板
２４３ 接着材層
３００ 蓋体組立体

Claims (26)

1. 第１電極集電体の少なくとも一面に第１電極活物質が塗布された第１電極活物質層と，前記第１電極集電体の両端に配された第１電極無地部とを備え，前記第１電極活物質層の少なくとも一端に突出部が形成された第１電極板と；
   第２電極集電体の少なくとも一面に第２電極活物質が塗布された第２電極活物質層と，前記第２電極集電体の両端に配された第２電極無地部とを備え，前記第２電極活物質層の少なくとも一端に突出部が形成された第２電極板と；
   前記第１電極板と前記第２電極板との間に介在され，両電極板を絶縁させるセパレータと；
   前記第１および第２電極活物質層の始端または終端の少なくともいずれか一端の不均一部に形成された前記突出部を取り囲むように前記第１電極板または前記第２電極板に設けられ，電解液の移動を可能とする少なくとも一つの絶縁部材と；
   を含むことを特徴とする，二次電池。
2. 前記絶縁部材は，前記第１電極板および前記第２電極板の全面に設けられることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
3. 前記絶縁部材は，前記第１および第２電極活物質層の両端の少なくともいずれか一端の前記突出部の上部に設けられることを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記絶縁部材は，部材幅が１０〜２０ｍｍに形成されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記絶縁部材は，基材基板と，前記基材基板の少なくとも一面に形成された接着材層とからなることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記基材基板は，変形温度１５０℃以上の物質からなることを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
7. 前記基材基板は，多孔質材で形成されることを特徴とする，請求項５または６に記載の二次電池。
8. 前記基材基板は，気孔率１％以上であることを特徴とする，請求項５〜７のいずれかに記載の二次電池。
9. 前記基材基板は，多孔性ポリエチレン，多孔性ポリプロピレン，多孔性ポリウレタン，多孔性シリカ，ポリフェニレンサルファイド，ポリフェニレンアセチレンのうちいずれかの材質からなることを特徴とする，請求項５〜８のいずれかに記載の二次電池。
10. 前記基材基板は，弱熱により接着可能な熱融着テープであることを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
11. 前記熱融着テープは，ポリプロピレンまたはポリエチレンの材質からなることを特徴とする，請求項１０に記載の二次電池。
12. 前記熱融着テープは，接着材層が設けられていない無接着材型であることを特徴とする，請求項１０または１１に記載の二次電池。
13. 前記基材基板は，厚さ２０μｍ以下であることを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
14. 前記接着材層は，電解液と反応しないとともに，接着力を有する物質からなることを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
15. 前記接着材層は，ホットメルト接着材からなることを特徴とする，請求項１４に記載の二次電池。
16. 前記ホットメルト接着材は，ゴム系，シリコン系，およびアクリル系のうちいずれかの材質からなることを特徴とする，請求項１５に記載の二次電池。
17. 前記接着材層は，前記基材基板に所定間隔で形成されることを特徴とする，請求項１４〜１６のいずれかに記載の二次電池。
18. 前記接着材層は，縞状に形成されることを特徴とする，請求項１４〜１７のいずれかに記載の二次電池。
19. 前記接着材層は，前記基材基板に格子状に形成されることを特徴とする，請求項１４〜１７のいずれかに記載の二次電池。
20. 前記接着材層は，厚さ１０μｍ以下であることを特徴とする，請求項１４〜１９のいずれかに記載の二次電池。
21. 前記絶縁部材は，厚さ５０μｍ以下であることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池。
22. 前記絶縁部材には，複数の貫通孔が形成されることを特徴とする，請求項１〜５，２１のいずれかに記載の二次電池。
23. 前記貫通孔は，総面積が前記第１または第２電極活物質層の上部に接着される前記絶縁部材面積の３０〜９０％となるように形成されることを特徴とする，請求項２２に記載の二次電池。
24. 前記貫通孔は，前記第１または第２電極活物質層の上部に接着される前記絶縁部材に五つ以上形成されることを特徴とする，請求項２２または２３に記載の二次電池。
25. 前記絶縁部材は，網目状に形成されることを特徴とする，請求項１〜５，２１のいずれかに記載の二次電池。
26. 前記第１電極板は，陰極であることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。

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