JP4382431B2 - 非水電解質電池 - Google Patents

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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