JP4382431B2 - 非水電解質電池 - Google Patents

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Description

本発明は、正極と負極とをセパレータを介して扁平状に捲回した電極捲回体を含む非水電解質電池に関し、特にリチウムイオン二次電池などの小型四角形状の非水電解質電池に関する。
特許文献2−4では、正極と負極とを1枚のセパレータを介して扁平状に捲回したリチウムイオン二次電池などの非水電解質電池が開示されている。通常、リチウムイオン二次電池の正極は、アルミニウム箔などの導電性基体上にリチウム含有遷移金属化合物に代表される活物質層が塗布形成されており、負極は、銅箔などの導電性基体上に炭素質材料に代表される活物質層が塗布形成されている。
特開平11−265706号公報(段落番号0019−0020、図1−3) 特開2000−123878号公報(段落番号0007−0010、図1−3) 特開2001−229970号公報(段落番号0014、図1) 特開2003−59540号公報(段落番号0018−0020、図2−4)
製造上、導電性基体のきわまで活物質層を確実に形成することは困難であるため、負極の内周端部に、活物質層が形成されていない活物質層未形成部が形成されてしまう。また、負極の内周端部に導電タブを取り付けるために、負極の内周端部に活物質層未形成部を形成したい場合がある。
ところが、正極の活物質層が負極の活物質層未形成部に向かい合うと、充電時に正極の活物質層から放出されたリチウムイオンが、負極の活物質層未形成部に樹枝状に結晶して析出する。この結果、前記樹枝状の結晶がセパレータを貫通して、正負極間で短絡が生じるおそれがある。
この場合、負極の活物質層未形成部に向かい合う正極の内周端部の中間部分にも活物質層未形成部を形成すればよいが、負極の活物質層未形成部と向かい合うことを防ぐためだけに、正極に活物質層未形成部を形成すると、その分だけ電池容量が低下する。
また、正極の中間部分に活物質層未形成部を設ける分だけ、活物質の塗布作業が複雑になる。しかも、正極の活物質層未形成部は、抵抗値の小さい導電性基体が露出するために負極の導電性基体などと短絡しやすく、対策として絶縁作業が必要になって正極の加工が複雑になり、製造効率が低下するところに問題があった。
そこで本発明の目的は、正極の内周端部に不必要な活物質層未形成部をなくして、小型であっても電池容量の大きな密閉型電池を提供することにある。
本発明は、図1および図2に示すごとく、帯状の導電性基体5の表裏に正極活物質層6・6を有する正極7と、帯状の導電性基体8の表裏に負極活物質層9・9を有する負極10とを1枚の帯状のセパレータ11の裏表に配置した状態で、巻取軸26・26でセパレータ11を折り返し状に捲き取ることにより、正極7と負極10とをセパレータ11を介して扁平状に捲回した電極捲回体2を含む密閉型電池を対象とする。
本発明は、かかる密閉型電池において、負極10の内周端10a側の表裏に、負極活物質層9が形成されていない活物質層未形成部17・18が設けられている。図2に示す捲回前の状態でセパレータ11の捲取り中心Oから正極7の内周端7aまでの寸法が、捲取り中心Oから捲回前の状態でセパレータ11側となる負極活物質層9の内周端9aまでの寸法よりも大きくなるよう設定して、図1に示す捲回後の状態で負極10の表裏の活物質層未形成部17・18が、それぞれ正極7の内周端7aに向かい合う位置よりも負極10の内周側に位置することを特徴とする。
具体的には、負極10の活物質層未形成部17・18に、導電タブ19が固定されている。図4に示すごとく電極捲回体2の最外周部をセパレータ11で捲回することができる。電極捲回体2の最外周部のセパレータ11は、複数回重ねて捲回してもよいが、電極捲回体2の容積やコストを抑えるうえでは、電極捲回体2の最外周部のセパレータ11は1周のみ捲回しておくのが好ましい。本発明の非水電解質電池は、リチウムイオン二次電池であるものとすることができる。
本発明によれば、負極10の表裏の活物質層未形成部17・18が、それぞれ正極7の内周端7aに向かい合う位置よりも負極10の内周側に位置するので、負極10の表裏の活物質層未形成部17・18と、正極7の表裏の正極活物質層6・6とが向かい合わない。したがって、正極7の内周端7a側の中間に、負極10の活物質層未形成部17・18と向かい合うことを防ぐために活物質層未形成部を形成する必要がなく、この分だけ電池容量の低下を防止できる。
捲回前の状態で、捲取り中心Oから正極7の内周端7aまでの寸法がセパレータ11側の負極活物質層9の内周端9aまでの寸法よりも大きくなるので、正極7の内周端部まで表裏の正極活物質層6・6を形成しても、負極10の表裏の活物質層未形成部17・18と、正極7の表裏の正極活物質層6・6とが向かい合わない。したがって、正極7の導電性基体5の表裏を最大限利用して正極活物質層6・6を形成でき、電池容量に対する正極7の長さを最小限にできる。この結果、小型であっても電池容量の大きな密閉型電池を提供することができる。正極7の加工の複雑化も防止できる。
負極10の活物質層未形成部17・18を有効利用して、この活物質層未形成部17・18に導電タブ19を固定すると、負極10の途中に活物質層未形成部を形成して導電タブ19を固定する場合よりも前記電池容量の低下を抑えることができ、この点でも小型ながら電池容量の大きな密閉型電池を提供することができる。かかる電池において、電極捲回体2の最外周部をセパレータ11で捲回すると、電極捲回体2の最外周面がセパレータ11で滑りやすくなって、電極捲回体2を電池ケース1内に挿入しやすくなるうえ、正極7や負極10の最外周部がセパレータ11で保護されて損傷し難くなる効果が更に得られる。このような構成の電池としては、リチウムイオン二次電池が好ましい。
図面は本発明をリチウムイオン二次電池に適用した実施例を示しており、図3に示すごとく、上面が開口を有する有底の四角筒形状の電池ケース1と、電池ケース1内に装填される電極捲回体2および非水電解液と、電池ケース1の開口上面を塞ぐ蓋3とを有する。電池ケース1は、ステンレス鋼板にニッケルメッキした鋼板を深絞り加工して形成されており、正極側の出力端子を兼ねる。図3において、電池の左右長さ寸法は18mm、上下長さ寸法は20mm、前後長さ寸法は5mmに設定した。
電極捲回体2は、図1および図2に示すごとく、帯状の導電性基体5の表裏に正極活物質層6を有する正極7と、帯状の導電性基体8の表裏に負極活物質層9を有する負極10とを、1枚の帯状のセパレータ11の裏表に配置した状態で扁平状に捲回してある。電極捲回体2は、セパレータ11の長さ方向の中央部を巻き取り中心にして捲回されており、セパレータ11の長さ方向の両端が捲回の外周側になる。
正極7の導電性基体5は、厚さ15μmのアルミニウム箔よりなり、正極7の活物質はコバルト酸リチウムを主成分としてカーボンブラックやポリフッ化ビニリデンなどを含有する。負極10の導電性基体8は、厚さ10μmの銅箔よりなり、負極10の活物質は黒鉛を主成分としてポリフッ化ビニリデンやヘキサフルオロプロピレン共重合体などを含有する。
セパレータ11は、厚みが20μm、平均表面穴径が0.05μmで、融点が約130℃の微孔性ポリエチレンフィルムよりなる。非水電解質は、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートやジメチルカーボネートなどの混合溶媒に、LiPF6 を1.2mol/リットルの濃度になるように溶解してなる。
正極7の表裏において外周端(図2の右端)から所定寸法までは、正極活物質層6が形成されていない活物質層未形成部13・14がそれぞれ設けられている。正極7の表側の活物質層未形成部13の長さ寸法は、裏側の活物質層未形成部14よりも大きい。なお、説明の都合上、図2の上側を表側という。
正極7の裏側の活物質層未形成部14には、アルミニウム製の薄板状の導電タブ15が固定される。導電タブ15は、正極7の幅方向に長い長方形状になっており、半分を正極7から突出させた状態で裏側の活物質層未形成部14に溶接されている。導電タブ15の突出部分は、蓋3の裏面に溶接される(図3参照)。
最外周の正極7は、最外周の負極10の外側をセパレータ11を介して捲回しており、正極7の表側の活物質層未形成部13が、前記最外周の正極7の外面側に位置する。つまり、正極7の表側の活物質層未形成部13は、負極10に向かい合わない。正極7の表側の活物質層未形成部13の外側は、最外周のセパレータ11によって捲回される。
正極7の外周端に活物質層未形成部13・14を設けたのは、活物質があると正極7の外周端に導電タブ15を溶接できないからである。導電タブ15は、正極7の外周端以外の箇所に設けてもよく、これに合わせて正極7に活物質層未形成部が設けられる。表側の活物質層未形成部13を長くしたのは、ここには負極10が向かい合わないので、この部分の正極活物質層6を省略して活物質の使用量を減らすためである。
なお、製造上、正極7の内周端7aのきわまでは正極活物質層6・6を形成できないが、正極活物質層6・6は、活物質層未形成部13・14を除く正極7の表裏全体に形成される。正極7の導電性基体5を予め長めに形成しておき、正極活物質層6・6の形成後に正極7の内周側の端を切断することで、正極7の内周端7aのほぼきわまで正極活物質層6・6を設けることは可能である。
負極10の表裏において内周端10a(図2の右端)から所定寸法までは、負極活物質層9が形成されていない活物質層未形成部17・18がそれぞれ設けられている。負極10の表側の活物質層未形成部17の長さ寸法は、裏側の活物質層未形成部18よりも長くなっている。
なお、製造上、負極10の外周端のきわまでは負極活物質層9・9を形成できないが、負極活物質層9・9は、活物質層未形成部17・18を除く負極10の表裏全体に形成される。
負極10の表側の活物質層未形成部17には、ニッケル製の薄板状の導電タブ19が固定される。負極10の導電タブ19は、負極10の幅方向に長い長方形状になっており、半分を負極10から突出させた状態で表側の活物質層未形成部17に溶接されている。
負極10の導電タブ19の突出部分は、図3に示すごとく、負極端子21に接続された押さえ板22の裏面に溶接される。負極端子21は、絶縁パッキン23を介して蓋3の中央に貫通状に配置される。押さえ板22は、絶縁板24を介して蓋3の裏面側に配置される。
最内周の負極10は、図1に示すごとく最内周の正極7の内側に位置しており、負極10の表裏の活物質層未形成部17・18が、それぞれ正極7の内周端7aに向かい合う位置よりも負極10の内周側に位置する。つまり、正極7の内周端部7aの表側には、裏側の負極活物質層9の内周端9aよりも外周寄りの部分がセパレータ11を介して向かい合っており、正極7の内周端7aの裏側には、表側の負極活物質層9の内周端9bよりも外周寄りの部分がセパレータ11を介して向かい合っており、負極10の表裏の活物質層未形成部17・18と、正極7の表裏の正極活物質層6・6とは向かい合わない。
負極10の内周端側に活物質層未形成部17・18を設けたのは、活物質があると負極10の内周端側に導電タブ19を溶接できないからである。表側の活物質層未形成部17を長くしたのは、負極10の表側の活物質層未形成部17は、前述のように正極7が向かい合わないので、この部分の負極活物質層9を省略して活物質の使用量を減らすためである。負極10の幅寸法は、正極7の幅寸法よりも大きくなっている。
電極捲回体2は、次のようにして作製される。正極7は、コバルト酸リチウム:92質量部、カーボンブラック:5質量部、ポリフッ化ビニリデン:3質量部を、N−メチルピロリドンを溶媒としてプラネタリーミキサーでペースト化し、ブレードコーターにてその塗料を導電性基体5上に間欠塗布して乾燥し、プレス工程を経ることにより形成される。この後、正極7の裏側の活物質層未形成部14に導電タブ15が溶接される。
負極10は、黒鉛:95質量部、ポリフッ化ビニリデン:5質量部を、N−メチルピロリドンを溶媒としてプラネタリーミキサーでペースト化し、ブレードコーターにてその塗料を導電性基体8上に間欠塗布して乾燥し、プレス工程を経ることにより形成される。この後、負極10の表側の活物質層未形成部17に導電タブ19が溶接される。
次いで、図2に示すごとく、セパレータ11の表側、かつ長さ方向の左側に負極10をセパレータ11に沿うように配置し、セパレータ11の裏側、かつ長さ方向の右側に正極7をセパレータ11に沿うように配置する。この際、セパレータ11の捲取り中心Oから正極7の内周端7aまでの寸法は、捲取り中心Oから、捲回前の状態でセパレータ11側となる負極10の裏側の負極活物質層9の内周端9aまでの寸法よりも大きくなるよう設定して、捲回状態で負極10の裏側の負極活物質層9と、正極7の正極活物質層6とが確実に向かい合うようにしてある。
セパレータ11の中央部は、所定間隔だけ左右方向にずらした一対の巻取軸26・26で表裏から挟まれた状態に固定され、巻取軸26・26が捲取り中心Oを軸に反時計廻りに回転することで、セパレータ11が反時計廻りに折り返し状に巻き取られる。なお、図2の符号33は折り返し位置を示す。
すると、まず負極10がセパレータ11と共に捲回され、続いて正極7が負極10とセパレータ11と共に捲回される。負極10と正極7とセパレータ11とが所定回数だけ捲回され、負極10の最外周の外側が正極7とセパレータ11とで捲かれ、図4に示すごとく、電極捲回体2の最外周部がセパレータ11で捲回される。この後、最外周のセパレータ11がポリプロピレンテープ27で固定される。これにより、電極捲回体2の形成が完成する。
電池全体の組み立てに際しては、電池ケース1内に電極捲回体2とインシュレータ30とを装着する。次いで、蓋3に負極端子21などを一体的に組み付けてなる組立体において、押さえ板22の裏面に負極10の導電タブ19を溶接し、蓋3の裏面に正極7の導電タブ15を溶接する。
次に、蓋3を電池ケース1の開口に内嵌して、蓋3と電池ケース1との嵌合面を溶接してシールする。この後、注入孔31から電池ケース1内へ非水電解液を注入し、注入孔31を密封することにより、電池が完成する。
正極7の導電性基体5の内周端7aと裏側の正極活物質層6の内周端6a(図1のB部参照)とは、図1よりも内周側に延ばし、これに合わせて負極10の表側の負極活物質層9の内周端部9bを、前記裏側の正極活物質層6の内周端6aに向かい合う位置まで延ばして、電池容量の増加を図ることも可能である。
ところが、正極7の表側の正極活物質層6は、負極10の裏側の活物質層未形成部18との向かい合いを防ぐために、内周側に延ばすことができない。したがって、正極7を図1よりも内周側に延ばしても、電池容量を大きくは増加できないうえ、正極7を延ばした分だけ電池厚みの増加を招くことになる。このため、正極7の内周端部7aは、図1の位置にすることが好ましい。
電極捲回体の断面を概略的に示した概略図 捲回前の負極とセパレータと正極との位置関係を示す概略図 密閉型電池の全体の縦断面図 電極捲回体の最外周部の断面を概略的に示した概略図
符号の説明
2 電極捲回体
5 正極の導電性基体
6 正極活物質層
7 正極
7a 正極の内周端
8 負極の導電性基体
9 負極活物質層
10 負極
10a 負極の内周端
11 セパレータ
17・18 負極の活物質層未形成部
19 負極の導電タブ
26 巻取軸
O 捲取り中心

Claims (4)

  1. 帯状の導電性基体の表裏に正極活物質層を有する正極と、帯状の導電性基体の表裏に負極活物質層を有する負極とを1枚の帯状のセパレータの裏表に配置した状態で、巻取軸で前記セパレータを折り返し状に捲き取ることにより、前記正極と前記負極とを前記セパレータを介して扁平状に捲回した電極捲回体を含む非水電解質電池において、
    前記負極の内周端側の表裏に、前記負極活物質層が形成されていない活物質層未形成部が設けられており、
    前記捲回前の状態で前記セパレータの捲取り中心から前記正極の内周端までの寸法が、前記捲取り中心から前記捲回前の状態で前記セパレータ側となる前記負極活物質層の内周端までの寸法よりも大きくなるよう設定して、前記捲回後の状態で前記負極の表裏の前記活物質層未形成部が、それぞれ前記正極の前記内周端に向かい合う位置よりも前記負極の前記内周側に位置することを特徴とする非水電解質電池。
  2. 前記負極の前記活物質層未形成部に、導電タブが固定されている請求項1記載の非水電解質電池。
  3. 前記電極捲回体の最外周部が、前記セパレータで捲回されている請求項1又は2記載の非水電解質電池。
  4. 非水電解質電池が、リチウムイオン二次電池である請求項1又は2又は3記載の非水電解質電池。
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