JP4415300B2 - 扁平形非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は扁平形非水電解質二次電池に関し、さらに詳しくは巻きずれのない捲回電極群を有する扁平形非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やＰＤＡなどの小型情報端末を中心に使用機器の小型化が加速化しており、それらの主電源である二次電池についても小型化を図ることが要求されている。このような状況に対し、扁平形非水電解質二次電池において正負極対向面を増加させて従来のものより正負極対向面積を大きくし、小型でかつ容量アップしたものが開発されている。（例えば特許文献１および特許文献２参照。）
これを詳しく説明すると、上記扁平形非水電解質二次電池は、負極端子を兼ねる負極ケースと正極端子を兼ねる正極ケースが絶縁ガスケットを介して嵌合されてカシメ加工によりカシメられた封口構造をしており、その内部に少なくとも正極、セパレータ、負極を含む発電要素と非水電解液とを内包している。そして該正極と負極はセパレータを介して対向して帯状となっており、これが捲回して電極群を構成している。このように構成したことで、正負極対向面積が従来の扁平形非水電解質二次電池に比べて大幅に増加している。そして上記電池は、電極群の一方の外面に導電性を有する正極構成材を露出させて、その正極構成材を直接正極ケースに接続し、同様に他の一方の外面に導電性を有する負極構成材を露出させてその負極構成材を直接負極ケースに接続している。そのため、円筒形電池のように電極群の中心から取り出したタブ端子を複雑に曲げ加工して安全素子や封口ピン、電池缶などに溶接して集電する、という複雑な工程を必要としない。
【０００３】
しかしながら、これらの扁平形非水電解質二次電池では、その電池容量が電池内に内蔵される作用物質の量に制約されるので、容量を増やそうとすると作用物質の塗布されている電極の幅を大きくせざるを得なくなり、その結果セパレータとの幅の差が小さくなる。そのためこの両者を捲回すると、捲回中にセパレータから電極がはみ出てショートするという問題が発生することがわかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開2001−068160号公報
【特許文献２】
特開2001−068143号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題に対処してなされたもので、捲回電極群の巻きずれを防止し、電極群のショートを防ぐことを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の正負極対向面積を増加させた扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極または負極のいずれか一方をその電極よりも幅の広い２枚のセパレータで挟み、２枚のセパレータの電極よりはみ出した部分同士をシールしたものを用いることにより、上記目的を達成した。
【０００７】
すなわち本発明は、負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極ケースが、絶縁ガスケットを介して嵌合され、さらに前記正極ケースまたは負極ケースがカシメ加工によりカシメられた封口構造を有し、その内部に帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群と非水電解質とを内包してなる扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極または負極のいずれか一方がその電極よりも幅の広い２枚のセパレータで挟まれ、２枚のセパレータは、その電極より幅方向の両側にはみ出した部分同士でシールされており、かつシールは捲回電極群の湾曲部でなされ、直線部ではなされておらず、この２枚のセパレータで挟まれた電極ともう一方の帯状電極とが捲回されていることを特徴とする扁平形非水電解質二次電池に関する。
【０００８】
上記において、２枚のセパレータに内包される電極は正・負極いずれでもよい。セパレータの縁同士をシールする場合は、電極よりはみ出した幅広部分全部をシールしてもよいが、全部をシールすると捲回時にセパレータが皺になりやすいので、部分的にシールする方が好ましい。シールする部分を捲回後に得られた電極群の湾曲部にくるようにすると、セパレータの皺が起こりにくくなる。また、湾曲部のうちの対角線上の２点（扁平形にした電極群の左右の湾曲部の対称点、例えば図５参照）部分がシールされているのが、捲回時に皺が生じない。
【０００９】
シール方法は、熱シールが簡便でよいが、接着剤等の使用も可能である。また、電極の幅に対してかなり幅広のセパレータで包み、シールした後、不要なセパレータ部分を切り取るようにしてもよい。
【００１０】
また、上記において帯状とは、捲回できるような長い形状を意味し、必ずしも縁が直線状のもののみを意味しない。例えば電極ケースの形状に合わせた多角形の連続形状のもの等でもよい。
なお、本発明は捲回電極群の構造に主点を置いたものであり、正極作用物質、負極作用物質、電解液等については特に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例によって説明する。
（参考例）
図１は参考例の電池の断面図である。この図を参照しながら参考例の電池の製造方法を説明する。
【００１２】
まず、LiCoO2 100質量部に対し導電剤としてアセチレンブラック５質量部と黒鉛粉末５質量部を加え、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５質量部加え、N-メチルピロリドンで希釈、混合し、スラリー状の正極合剤を得た。次にこの正極合剤を、正極集電体である厚さ0.02mmのアルミ箔の両面にドクターブレード法により塗工し、乾燥して、アルミ箔表面に正極作用物質含有層を形成した。以後、正極作用物質含有層の塗膜厚さが両面で0.15mmとなるまで塗工・乾燥を繰り返し、両面塗工正極を作製した。次に、この正極の片面の端から10mmの部分の作用物質含有層を除去してアルミ箔を剥き出しにし、これを集電部とした。このようにして、幅14.5mm、長さ120mm、厚さ0.15mmの正極板２を作製した。
【００１３】
次に黒鉛化メソフェーズピッチ炭素繊維粉末100質量部に結着剤としてスチレンブタジエンゴム(SBR)とカルボキシメチルセルロース(CMC)をそれぞれ2.5質量部添加し、イオン交換水で希釈、混合し、スラリー状の負極合剤を得た。得られた負極合剤を負極集電体である厚さ0.02mmの銅箔に作用物質含有層の厚さが0.15mmとなるように正極の場合と同様に塗工、乾燥を行い、銅箔表面に負極作用物質含有層を形成した。次に、この負極の片面の端から10mmの部分の作用物質含有層を除去して銅箔を剥き出しにし、これを集電部とした。このようにして、幅15mm、長さ120mm、厚さ0.15mmの負極板４を作製した。
【００１４】
次に、幅19mmのポリエチレン製のセパレータ３を２枚用意し、この２枚のセパレータで上記の負極板４を挟み、負極板４よりはみ出た縁部分（余白部分）各２mmを85℃の熱で１分間プレスした（図２参照。７はセパレータシール部）。このときセパレータは負極板の通電部にかからないようにする。シールした後、余白部を各1.7mm切り落とした。
【００１５】
次に、上記のセパレータで内包した負極と前記正極板２とを、正負極集電部面が外周巻き終わり側となるように渦巻状に捲回した。この捲回した電極を、電池の扁平方向に正負極対向面が並ぶように加圧し、中心部の空間がなくなるまでこれを行って扁平状とした。
【００１６】
作製した電極群を85℃で12時間乾燥した後、絶縁ガスケット６と一体化した金属製負極ケース５の内面に負極板の未塗工部（通電部）が接するように、電極群を配置する。次に、エチレンカーボネートとγ−ブチルラクトンを体積比１：３の割合で混合した溶媒に支持塩としてLiBF41.5mol/l溶解した非水電解質を注液し、正極ケース１を嵌合する。このとき電極群の正極板２の未塗工面すなわち正極板通電部が正極ケース１に接するようにする。嵌合後、上下反転し、正極ケース１をカシメて封口する。このようにして厚さ３mm、直径24.5mmの扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００１７】
（実施例２）
セパレータの縁余白部の熱シールを捲回電極群の湾曲部に相当する部分だけ実施した（図３参照）。それ以外はすべて参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００１８】
（実施例３）
セパレータの縁余白部の熱シールを捲回電極群の片側湾曲部のみに実施した（図４参照）。それ以外はすべて参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００１９】
（実施例４）
セパレータの縁余白部の熱シールを、捲回電極群の片側湾曲部の一部と他の片側湾曲部の一部（相互に対角線上に位置している）とに実施した（図５参照）。それ以外はすべて参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００２０】
（比較例１）
正極板および負極板は参考例と同じものを使用し、正極板と負極板の間に幅15.6mmのセパレータを介在させて捲回した。それ以外は参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００２１】
上記の参考例、実施例および比較例で作製した各1000個の電池について、4.2Ｖ、３ｍＡの定電流定電圧で48時間充電を実施し、３日間室温で放置した後、開路電圧を測定した。表１に開路電圧が4.0Ｖ以下であった電池の個数を示す。
【００２２】
また、別に各200個の電池について、20℃の雰囲気下30ｍＡの定電流で放電を行い、閉路電圧が3.0Ｖになるまでの放電容量を測定した。この後4.2Ｖ、30ｍＡの定電流定電圧で３時間充電を行い、これを１サイクルとして100サイクル繰り返した。初期放電容量に対する100サイクル目の放電容量の維持率が70％以下であった電池の個数を表１に示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１に示されるように、実施例の電池ではいずれも捲回時の巻きずれが防止できて、電池のセミショートが起こらなくなる。また、シールを側面全体に施すよりも、湾曲部のみに施したものの方が捲回後の皺も起きにくく、充放電に関与するイオンの受け渡しの効率がよくなり、サイクル特性が向上する。
【００２５】
なお、上記実施例では非水電解質に非水溶媒を用いたが、非水電解質としてポリマー電解質を用いても、固体電解質を用いてもよい。また、樹脂製セパレータの代わりにポリマー薄膜や固体電解質膜を用いることも可能である。また、電池形状に関しては、正極ケースのカシメ加工による封口構造を説明したが、負極ケースのカシメ加工による封口構造でもよく、さらに電池形状も真円である必要はなく、小判形などの特殊形状を有する扁平形非水電解質二次電池に適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、捲回した電極群を有する扁平形非水電解質二次電池の巻きずれを防止し、信頼性の高い上記扁平形非水電解質電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である扁平形非水電解質二次電池の断面図。
【図２】 本発明の参考例における負極をセパレータで内包した状態を示す図。
【図３】本発明の実施例２における捲回した電極群のセパレータのシール部分を説明する図。
【図４】本発明の実施例３における捲回した電極群のセパレータのシール部分を説明する図。
【図５】本発明の実施例４における捲回した電極群のセパレータのシール部分を説明する図。
【符号の説明】
１…正極ケース、２…正極板、３…セパレータ、４…負極板、５…負極ケース、６…絶縁ガスケット、７…セパレータシール部。
【発明の属する技術分野】
本発明は扁平形非水電解質二次電池に関し、さらに詳しくは巻きずれのない捲回電極群を有する扁平形非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やＰＤＡなどの小型情報端末を中心に使用機器の小型化が加速化しており、それらの主電源である二次電池についても小型化を図ることが要求されている。このような状況に対し、扁平形非水電解質二次電池において正負極対向面を増加させて従来のものより正負極対向面積を大きくし、小型でかつ容量アップしたものが開発されている。（例えば特許文献１および特許文献２参照。）
これを詳しく説明すると、上記扁平形非水電解質二次電池は、負極端子を兼ねる負極ケースと正極端子を兼ねる正極ケースが絶縁ガスケットを介して嵌合されてカシメ加工によりカシメられた封口構造をしており、その内部に少なくとも正極、セパレータ、負極を含む発電要素と非水電解液とを内包している。そして該正極と負極はセパレータを介して対向して帯状となっており、これが捲回して電極群を構成している。このように構成したことで、正負極対向面積が従来の扁平形非水電解質二次電池に比べて大幅に増加している。そして上記電池は、電極群の一方の外面に導電性を有する正極構成材を露出させて、その正極構成材を直接正極ケースに接続し、同様に他の一方の外面に導電性を有する負極構成材を露出させてその負極構成材を直接負極ケースに接続している。そのため、円筒形電池のように電極群の中心から取り出したタブ端子を複雑に曲げ加工して安全素子や封口ピン、電池缶などに溶接して集電する、という複雑な工程を必要としない。
【０００３】
しかしながら、これらの扁平形非水電解質二次電池では、その電池容量が電池内に内蔵される作用物質の量に制約されるので、容量を増やそうとすると作用物質の塗布されている電極の幅を大きくせざるを得なくなり、その結果セパレータとの幅の差が小さくなる。そのためこの両者を捲回すると、捲回中にセパレータから電極がはみ出てショートするという問題が発生することがわかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開2001−068160号公報
【特許文献２】
特開2001−068143号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題に対処してなされたもので、捲回電極群の巻きずれを防止し、電極群のショートを防ぐことを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の正負極対向面積を増加させた扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極または負極のいずれか一方をその電極よりも幅の広い２枚のセパレータで挟み、２枚のセパレータの電極よりはみ出した部分同士をシールしたものを用いることにより、上記目的を達成した。
【０００７】
すなわち本発明は、負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極ケースが、絶縁ガスケットを介して嵌合され、さらに前記正極ケースまたは負極ケースがカシメ加工によりカシメられた封口構造を有し、その内部に帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群と非水電解質とを内包してなる扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極または負極のいずれか一方がその電極よりも幅の広い２枚のセパレータで挟まれ、２枚のセパレータは、その電極より幅方向の両側にはみ出した部分同士でシールされており、かつシールは捲回電極群の湾曲部でなされ、直線部ではなされておらず、この２枚のセパレータで挟まれた電極ともう一方の帯状電極とが捲回されていることを特徴とする扁平形非水電解質二次電池に関する。
【０００８】
上記において、２枚のセパレータに内包される電極は正・負極いずれでもよい。セパレータの縁同士をシールする場合は、電極よりはみ出した幅広部分全部をシールしてもよいが、全部をシールすると捲回時にセパレータが皺になりやすいので、部分的にシールする方が好ましい。シールする部分を捲回後に得られた電極群の湾曲部にくるようにすると、セパレータの皺が起こりにくくなる。また、湾曲部のうちの対角線上の２点（扁平形にした電極群の左右の湾曲部の対称点、例えば図５参照）部分がシールされているのが、捲回時に皺が生じない。
【０００９】
シール方法は、熱シールが簡便でよいが、接着剤等の使用も可能である。また、電極の幅に対してかなり幅広のセパレータで包み、シールした後、不要なセパレータ部分を切り取るようにしてもよい。
【００１０】
また、上記において帯状とは、捲回できるような長い形状を意味し、必ずしも縁が直線状のもののみを意味しない。例えば電極ケースの形状に合わせた多角形の連続形状のもの等でもよい。
なお、本発明は捲回電極群の構造に主点を置いたものであり、正極作用物質、負極作用物質、電解液等については特に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例によって説明する。
（参考例）
図１は参考例の電池の断面図である。この図を参照しながら参考例の電池の製造方法を説明する。
【００１２】
まず、LiCoO2 100質量部に対し導電剤としてアセチレンブラック５質量部と黒鉛粉末５質量部を加え、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５質量部加え、N-メチルピロリドンで希釈、混合し、スラリー状の正極合剤を得た。次にこの正極合剤を、正極集電体である厚さ0.02mmのアルミ箔の両面にドクターブレード法により塗工し、乾燥して、アルミ箔表面に正極作用物質含有層を形成した。以後、正極作用物質含有層の塗膜厚さが両面で0.15mmとなるまで塗工・乾燥を繰り返し、両面塗工正極を作製した。次に、この正極の片面の端から10mmの部分の作用物質含有層を除去してアルミ箔を剥き出しにし、これを集電部とした。このようにして、幅14.5mm、長さ120mm、厚さ0.15mmの正極板２を作製した。
【００１３】
次に黒鉛化メソフェーズピッチ炭素繊維粉末100質量部に結着剤としてスチレンブタジエンゴム(SBR)とカルボキシメチルセルロース(CMC)をそれぞれ2.5質量部添加し、イオン交換水で希釈、混合し、スラリー状の負極合剤を得た。得られた負極合剤を負極集電体である厚さ0.02mmの銅箔に作用物質含有層の厚さが0.15mmとなるように正極の場合と同様に塗工、乾燥を行い、銅箔表面に負極作用物質含有層を形成した。次に、この負極の片面の端から10mmの部分の作用物質含有層を除去して銅箔を剥き出しにし、これを集電部とした。このようにして、幅15mm、長さ120mm、厚さ0.15mmの負極板４を作製した。
【００１４】
次に、幅19mmのポリエチレン製のセパレータ３を２枚用意し、この２枚のセパレータで上記の負極板４を挟み、負極板４よりはみ出た縁部分（余白部分）各２mmを85℃の熱で１分間プレスした（図２参照。７はセパレータシール部）。このときセパレータは負極板の通電部にかからないようにする。シールした後、余白部を各1.7mm切り落とした。
【００１５】
次に、上記のセパレータで内包した負極と前記正極板２とを、正負極集電部面が外周巻き終わり側となるように渦巻状に捲回した。この捲回した電極を、電池の扁平方向に正負極対向面が並ぶように加圧し、中心部の空間がなくなるまでこれを行って扁平状とした。
【００１６】
作製した電極群を85℃で12時間乾燥した後、絶縁ガスケット６と一体化した金属製負極ケース５の内面に負極板の未塗工部（通電部）が接するように、電極群を配置する。次に、エチレンカーボネートとγ−ブチルラクトンを体積比１：３の割合で混合した溶媒に支持塩としてLiBF41.5mol/l溶解した非水電解質を注液し、正極ケース１を嵌合する。このとき電極群の正極板２の未塗工面すなわち正極板通電部が正極ケース１に接するようにする。嵌合後、上下反転し、正極ケース１をカシメて封口する。このようにして厚さ３mm、直径24.5mmの扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００１７】
（実施例２）
セパレータの縁余白部の熱シールを捲回電極群の湾曲部に相当する部分だけ実施した（図３参照）。それ以外はすべて参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００１８】
（実施例３）
セパレータの縁余白部の熱シールを捲回電極群の片側湾曲部のみに実施した（図４参照）。それ以外はすべて参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００１９】
（実施例４）
セパレータの縁余白部の熱シールを、捲回電極群の片側湾曲部の一部と他の片側湾曲部の一部（相互に対角線上に位置している）とに実施した（図５参照）。それ以外はすべて参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００２０】
（比較例１）
正極板および負極板は参考例と同じものを使用し、正極板と負極板の間に幅15.6mmのセパレータを介在させて捲回した。それ以外は参考例と同様にして扁平形非水電解質二次電池を作製した。
【００２１】
上記の参考例、実施例および比較例で作製した各1000個の電池について、4.2Ｖ、３ｍＡの定電流定電圧で48時間充電を実施し、３日間室温で放置した後、開路電圧を測定した。表１に開路電圧が4.0Ｖ以下であった電池の個数を示す。
【００２２】
また、別に各200個の電池について、20℃の雰囲気下30ｍＡの定電流で放電を行い、閉路電圧が3.0Ｖになるまでの放電容量を測定した。この後4.2Ｖ、30ｍＡの定電流定電圧で３時間充電を行い、これを１サイクルとして100サイクル繰り返した。初期放電容量に対する100サイクル目の放電容量の維持率が70％以下であった電池の個数を表１に示す。
【００２３】
【表１】
表１に示されるように、実施例の電池ではいずれも捲回時の巻きずれが防止できて、電池のセミショートが起こらなくなる。また、シールを側面全体に施すよりも、湾曲部のみに施したものの方が捲回後の皺も起きにくく、充放電に関与するイオンの受け渡しの効率がよくなり、サイクル特性が向上する。
【００２５】
なお、上記実施例では非水電解質に非水溶媒を用いたが、非水電解質としてポリマー電解質を用いても、固体電解質を用いてもよい。また、樹脂製セパレータの代わりにポリマー薄膜や固体電解質膜を用いることも可能である。また、電池形状に関しては、正極ケースのカシメ加工による封口構造を説明したが、負極ケースのカシメ加工による封口構造でもよく、さらに電池形状も真円である必要はなく、小判形などの特殊形状を有する扁平形非水電解質二次電池に適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、捲回した電極群を有する扁平形非水電解質二次電池の巻きずれを防止し、信頼性の高い上記扁平形非水電解質電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である扁平形非水電解質二次電池の断面図。
【図２】 本発明の参考例における負極をセパレータで内包した状態を示す図。
【図３】本発明の実施例２における捲回した電極群のセパレータのシール部分を説明する図。
【図４】本発明の実施例３における捲回した電極群のセパレータのシール部分を説明する図。
【図５】本発明の実施例４における捲回した電極群のセパレータのシール部分を説明する図。
【符号の説明】
１…正極ケース、２…正極板、３…セパレータ、４…負極板、５…負極ケース、６…絶縁ガスケット、７…セパレータシール部。
Claims (2)
- 負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極ケースが、絶縁ガスケットを介して嵌合され、さらに前記正極ケースまたは負極ケースがカシメ加工によりカシメられた封口構造を有し、その内部に帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群と非水電解質とを内包してなる扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極または負極のいずれか一方がその電極よりも幅の広い２枚のセパレータで挟まれ、２枚のセパレータは、その電極より幅方向の両側にはみ出した部分同士でシールされており、かつシールは捲回電極群の湾曲部でなされ、直線部ではなされておらず、この２枚のセパレータで挟まれた電極ともう一方の帯状電極とが捲回されていることを特徴とする扁平形非水電解質二次電池。
- 前記シールが捲回電極群の相互に対称位置にある片側湾曲部の一部と他の片側湾曲部の一部でなされている請求項１記載の扁平形非水電解質二次電池。
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|---|---|---|---|
| JP2003160734A JP4415300B2 (ja) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | 扁平形非水電解質二次電池 |
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|---|---|---|---|
| JP2003160734A JP4415300B2 (ja) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | 扁平形非水電解質二次電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004362967A JP2004362967A (ja) | 2004-12-24 |
| JP4415300B2 true JP4415300B2 (ja) | 2010-02-17 |
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Family Applications (1)
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