JP4478687B2 - リチウムイオン２次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン２次電池の一種に関し、特に、空間使用効率の良好な矩形形状で積層型のリチウムイオン２次電池に関する。

科学および技術の急速な発展に伴って、電子機器と、電子装置の小型化とが、２次電池の特性に対して更なる需要を要求している。その複合的な特性から、リチウムイオン２次電池は、開発および応用の可能性が最も高く、２次電池として非常に良好な性質を有する。市場において広く使用されている電池の種類には、ベルト形状の正および負極と、セパレータとがすべて筒形状の芯に丸められて電池ケースに入れられた筒状のリチウムイオン２次電池、または、ベルト形状の正極と、負極と、セパレータとがすべて筒形状の芯に丸められて平坦化されて、矩形状の電池ケースに挿入されて矩形状のリチウムイオン２次電池を形成しているものがある。しかしながら、矩形状のリチウムイオン２次電池についてのこの種の構造での問題点は、空間使用効率が低いということである。

他の２次電池に比べて、リチウムイオン電池の内部抵抗は高い。よって、電圧は高放電中に急速に減少し、放電時間は大幅に短縮し、電池容量は非常に減少する。一般的に知られているように、電極の伝導率が低いことが、リチウムイオン２次電池の内部抵抗が高い場合があることの主な理由の１つである。現在、市販のリチウムイオン２次電池のほとんどは、単一または複数の導体（集電体とも称される）を電流伝導のための方法として使用している。しかしながら、電流充電および放電のこの方法は、充電および放電処理において電流が不均一に分散される低伝導性の溶接点が数個に限られる。

よって、リチウムイオン電池の特性を改善する際の重要な問題は、電池ケースの内部空間をいかに効率的に使用するか、電池容量密度をいかに高くするか、電池の内部抵抗をいかに減少させるか、および、リチウムイオン２次電池の大電流放電特性をいかに改善するかということである。

本発明の目的は、電池ケースの内部空間を効率的に使用するリチウムイオン２次電池を提供することである。

本発明の他の目的は、容量密度が高く、内部抵抗が低く、大電流放電特性が良好で、自己放電性能が良好で、サイクル性能が良好で、安全特性が良好で、高容量のリチウムイオン電池を提供することである。

簡潔に言えば、本発明の現時点での好ましい実施形態において、リチウムイオン２次電池を開示する。リチウムイオン２次電池は、１つ以上の正極と、セパレータと、１つ以上の負極と、電解質と、電池ケースとを備え、前記正極のうちの１つを前記セパレータによって分離された前記負極とともに交互に積層することによって電極芯が形成され、前記セパレータは、前記正極の１つと前記負極の１つとが電極芯に追加される度に前記電極芯に巻きつき、前記電極芯および前記電解質は、前記電池ケース内に配置される。

本発明のリチウムイオン２次電池の利点には、以下のものが含まれる。
（１）電池ケースの内部空間を効率的に使用することによって、電池の容量密度を増加させる。
（２）リチウムイオン２次電池の大電流放電特性、自己放電性能、安全特性、サイクル特性、および電池容量を改善する。

本発明の現時点での好ましい実施形態は、正極１と、セパレータ３と、負極２と、非水溶性の電解質とを有し、それらは電池ケース５に入れられており、その開口部が電池カバーによって封止されているリチウムイオン２次電池を開示する。

正極１は、活物質をアルミ箔体の表面に塗布することによって形成され、前記活物質は、リチウムイオンを吸収および放出することが可能なリチウムと、遷移金属の（複数の）複合酸化物とを含み、負極２は、活物質を銅箔体の表面に塗布することによって形成され、前記活物質は、リチウムイオンを吸収および放出することが可能な炭素物質を含む。

正および負極１，２は、それぞれ、集電体６，７としての導体片を有する。板形状の正および負極１，２は、セパレータ３の２つの側に配置および積層されて前記電極芯４を形成する。電池ケース５内のセパレータ３は、筒形状であり、正および負極１，２を互いに非導電であるように分離する。

正および負極１，２の上述の導体６，７は、別個に積層され、正および負極の端子に接続される。上述のセパレータ３の筒形状の層の数は、６層を超えない。正極６の上述の導体は、アルミ箔体から延在する条片である。負極７の上述の導体は、銅箔体から延在する条片である。少なくとも１つの電極群４が、電池ケース５内にある。

図１〜４に示すように、本発明の好ましい実施形態において、正極１および負極２は、板形状であり、帯形状のセパレータ３の２つの側に交互に配置されており、セパレータ３は、電池ケース５内では形状が螺旋または筒であり、正および負極を分離して、電極芯４を形成する。上述の電極芯４は、電池ケース５内に配置され、その開口部は、電池カバーによって封止されて、本発明のリチウムイオン２次電池が完成する。そこにおいて、正および負極１，２は、大きさが同じことが好ましい。電極の寸法と、電池ケースの内部寸法とを同一として、本発明の好ましい実施形態の電極芯の構成を使用することによって、電池ケースに対する空間使用が、従来の丸めた型のリチウムイオン電池よりも高まる。さらに、高いエネルギー密度を有し、電池容量が増加する。

電池が使用されている場合に、正および負極は、膨張することがある。同一の容量および同一の寸法を有する電池について、本発明の好ましい実施形態の電池構造を使用すると、電池ケース内の内部空間使用が増加する。さらに、電解質が電池内により良好に分散される場合もあり、また、電極芯内の磁気力の生成が減少する場合もあり、よって、電池の自己放電特性、安全特性、およびサイクル特性が改善される。

各正および負極１，２は、正および負導体６，７として延在する条片を有する。正および負極の導体は、正および負極の箔体から延在する条片であることが好ましい。正および負極の導体の位置は、交互に配置され、電池の正および負端子に接続される。したがって、内部抵抗は減少し、それによって、リチウムイオン２次電池の好ましい実施形態の大電流放電特性が改善される。

電池ケース５内には、少なくとも１つの電極芯４がある。図５に示すように、電池ケース内には、電極芯４の３つの群がある。そこにおいて、正および負極の電流導体は、別々に配置され、正および負極（図示せず）に接続される。

本発明の他の実施形態では、本発明の電池を作成する新規の方法が開示されている。第１の方法において、正極板が、セパレータ条片によって巻かれる。そして、２枚の負極板が、巻かれた正極の各側に追加され、その後、全積層が、同一のセパレータ条片によって再び巻かれる。この処理を、所望の板数に達するまで、２つの正反対の極性の電極板を追加する度に、かつ、セパレータ条片によって積層全体を巻く度に繰り返す。セパレータを板に巻く度の数を（セパレータ材料の）２層と数えるならば、層数と、板数との差は、典型的には２となろう。好ましい実施形態において、この差は、典型的には８以下となろう。よって、積層の大きさを最小限にするために、余分に巻きつけることはなくなる。なお、芯を始めるのに正極を使用してこの方法を説明したが、負極を使用してもよい。

本発明の電池を作成するための他の方法において、最初に、セパレータの条片を、条片の一方の端部で止め部を形成することによって用意してもよい。この止め部は、条片が最初の２枚の板間で容易に巻かれるように、瞬時に正および負極の最初の２枚の板間に条片を保持する助けとなる。従来は、この止め部がなく、条片は、２枚の電極板から容易に滑り落ちて、巻き処理を再び開始しなければならなかった。条片が最初の２枚の電極板に巻きついて、最初の芯を形成した後、極性が反対の追加の板を電極芯の各側に配置して、セパレータ条片は、再び電極芯全体に巻きつく。より特定的には、電極芯の負極を有する側に対して正極を配置し、電極芯の正極を有する側に対して負極を配置する。正および負極の組を追加して電極芯全体を巻くというこの処理は、所望の厚みに到達するまで、所定の回数繰り返される。その後、電極芯全体は、電池ケース内部に配置され、（芯の挿入前または芯の挿入後のいずれかにおいて）電解質が追加され、電池ケースは、電池カバーによって封止される。なお、最後の巻きの前に、別の負極または正極を電極芯に追加してもよい。

上述の止め部は、電極板の大部分と重なる１つの大きな折り目であってもよいし、電極板の小部分と重なる１つの小さな折り目であってもよい。さらに、折り目は、セパレータの条片が電極芯に巻きつけるために引っ張られた際に滑らないような止め部として実質的に機能する小さな巻き部であってもよい。このようにして、使用される条片の量を最小限にする。

代わりに、条片は、最初に正極または負極のいずれかに巻きついてもよく、その後に他の電極が追加されて巻かれてもよい。この方法は容易だが、より長いセパレータ条片を必要とし、電池ケース内のより多くの空間を占める。

本発明の好ましい実施形態において、正および負極板の総数は、電池全体の性能に影響を与えうる。特定的には、本発明の好ましい実施形態において、正および負極板の総数は十二（１２）を超えるべきではない。板数が増加すると、セパレータを巻く数も対応して増加する。セパレータは電池の容量に寄与しないので、板数を最小限にすることが好ましく、それにより電池内のセパレータの量を最小化することができる。

（比較目的のための現時点での好ましい実施形態）
本発明のリチウムイオン電池の製造は、以下の通りである。先行技術を使用して、図１に示すようなモデル型ＬＰ０６３４５０の積層型リチウムイオン２次電池を得る。先行技術との違いは、図３および４に示すように、正および負極が板形状であることである。正および負極は、帯形状のセパレータ３の２つの側に交互に配置され、セパレータ３は、図２に示すように、螺旋形状であって、正および負極を分離して、電極芯４を形成する。

（比較実施例）
比較目的のために、以下の比較実施例を提供する。モデル型ＬＰ０６３４５０のリチウムイオン２次電池を製造するための先行技術を使用して、正および負極ならびにセパレータは、全て帯形状であり、丸められて、図６に示す電極芯を形成する。

（機能試験）
１．電池容量試験
本実施例の電池と比較実施例の電池との容量試験を、以下のステップを使用して行う。
（１）摂氏２０度の環境において、１０００ｍＡの定電圧で充電し、電圧の上限を４．２Ｖとし、カットオフ電流を５０ｍＡとし、５分間放置する。
（２）１０００ｍＡの定放電率で３．０Ｖまで放電し、５分間放置し、本実施例および比較実施例について１Ｃの放電容量を得る。これを表１に示す。

２．電池サイクル性能試験
本実施例の電池と比較実施例の電池との容量試験を、以下のステップを使用して行う。
（１）摂氏２０度の環境において、１０００ｍＡの定電圧で充電し、電圧の上限を４．２Ｖとし、カットオフ電流を５０ｍＡとし、５分間放置する。
（２）１０００ｍＡの定放電率で３．０Ｖまで放電し、５分間放置する。
（３）上述のステップを５００回繰り返し、本実施例および比較実施例について容量維持率を得る。これを、表２に示す。

３．電池自己放電性能試験
本実施例の電池と比較実施例の電池との自己放電試験を、以下のステップを使用して行う。
（１）摂氏２０度の環境において、５００ｍＡの定電圧で充電し、電圧の上限を３．８Ｖとし、カットオフ電流を５０ｍＡとし、５分間放置して、電池電圧を正確に測定する。
（２）摂氏２０度の環境において、２８日間放置して、再び電池電圧を正確に測定する。その結果を、表３に示す。

４．電池安全試験
本実施例の電池と比較実施例の電池との安全試験を、以下のステップを使用して行う。
（１）摂氏２０度の環境において、１０００ｍＡの定電圧で充電し、電圧の上限を４．２Ｖとし、カットオフ電流を５０ｍＡとし、５分間放置する。
（２）摂氏１５０度で高温試験を行う。その結果を、表４に示す。

５．電池大電流放電特性試験
大電流放電Ｃ_３Ｃ／Ｃ_０．５Ｃで、４．２Ｖから３．０Ｖへ３Ｃで放電する場合と、４．２Ｖから３．０Ｖへ０．５Ｃで放電する場合との放電容量率を比較する。
大電流放電Ｃ_２Ｃ／Ｃ_０．５Ｃで、４．２Ｖから３．０Ｖへ２Ｃで放電する場合と、４．２Ｖから３．０Ｖへ０．５Ｃで放電する場合との放電容量率を比較する。
大電流放電Ｃ_１Ｃ／Ｃ_０．５Ｃで、４．２Ｖから３．０Ｖへ１Ｃで放電する場合と、４．２Ｖから３．０Ｖへ０．５Ｃで放電する場合との放電容量率を比較する。
互いに異なる電流放電率を使用すると、以下の結果が得られ、これを表５に列挙する。

６．電池内部抵抗試験
図６は、好ましい実施形態の電池と比較実施例の電池との電池内部抵抗を示す。

表１〜６からわかるように、リチウムイオン２次電池についての本発明の構造を使用することによって、大電流放電特性、自己放電特性、安全特性、電池サイクル特性、および電池容量はすべて、従来の構造の電池よりも本発明の電池で良好となる。

本発明をある好ましい実施形態と共に説明してきたが、本発明はそのような特定の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は、請求項によって表わされるような最も広い意味において理解および解釈されるというのが本発明者の主張である。よって、これらの請求項は、本明細書に記載された好ましい実施形態だけでなく、当業者にとって明らかなすべての他のおよびさらなる改変および修正をも取り入れて理解されるべきである。

本発明の好ましい実施形態のリチウムイオン２次電池の構造の断面図である。 本発明の好ましい実施形態のリチウムイオン２次電池の電極芯の断面図である。 本発明の好ましい実施形態のリチウムイオン２次電池の正極の平面図である。 本発明の好ましい実施形態のリチウムイオン２次電池の負極の平面図である。 本発明の好ましい実施形態のリチウムイオン２次電池の複数の電池芯の断面図である。 先行技術のリチウムイオン２次電池の電池芯の断面図である。

Claims (21)

1. リチウムイオン２次電池であって、
   １つ以上の正極と、
   セパレータ条片と、
   １つそれ以上の負極と、
   電解質と、
   電池ケースとを備え、
   前記正極および前記負極は板形状であり、
   前記正極のうちの１つを前記セパレータ条片によって分離された前記負極のうちの１つとともに交互に積層することによって電極芯が形成され、前記セパレータ条片は、反対の極性の２つの電極が前記電極芯に追加される度に、前記電極芯に巻きつき、
   前記電極芯および前記電解質は、前記電池ケース内に配置される、電池。
2. 前記電極芯は、最初に前記正極のうちの１つまたは前記負極のうちの１つを前記セパレータ条片で巻いて前記電極芯を形成し、前記電極芯の各側に反対の極性の電極を積層して前記積層された芯を前記セパレータ条片で巻き、所定の数の電極が使用されるまで、積層および巻きつけを繰り返すことによって形成される、請求項１に記載の電池。
3. 前記電極芯は、最初に前記正極のうちの１つおよび前記負極のうちの１つを前記セパレータ条片で巻いて前記電極芯を形成し、前記電極芯の各側に反対の極性の電極を積層して前記積層された芯を前記セパレータ条片で巻き、所定の数の電極が使用されるまで、積層および巻きつけを繰り返すことによって形成される、請求項１に記載の電池。
4. 前記正極および前記負極は、形状が矩形であり、同一の寸法を有する、請求項１に記載の電池。
5. 前記電池ケースは、第１の長さと、第１の幅と、第１の厚みとを有する内部寸法を有し、各前記正極および負極は、第２の長さと、第２の幅と、第２の厚みとを有し、第１の長さは、第２の長さと比較的同一であり、第１の幅は第２の幅と比較的同一である、請求項４に記載の電池。
6. １より多い数の前記電極芯が、前記電池ケース内に配置される、請求項１に記載の電池。
7. 前記セパレータ条片の層数と、前記正極および負極の数との差は、２以上であり、８以下である、請求項２に記載の電池。
8. 前記セパレータは、条片であって、当該条片が最初の２つの電極板から滑り落ちることを防止するための止め部として用意された端を有する条片である、請求項３に記載の電池。
9. 電池を製造する方法であって、
   正極を負極とともに配置して、セパレータ条片を使用して前記正極を前記負極から分離して電極芯を形成し、前記セパレータ条片を使用して前記電極芯を巻くステップと、
   前記電極芯の負極を有する側に正極を積層し、前記電極芯の正極を有する側に負極を積層し、前記セパレータ条片を前記電極芯に巻きつけるステップと、
   前記積層ステップを所定回数繰り返すステップと、
   前記電極芯を電池ケースに挿入するステップと、
   電解質を前記電池ケースに付加するステップと、
   前記電池ケースを電池カバーで封止するステップと、
   を備え、かつ前記正極および前記負極は板形状である、方法。
10. 前記正極および前記負極は、形状が矩形であり、同一の寸法を有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記電池ケースは、第１の長さと、第１の幅と、第１の厚みとを有する内部寸法を有し、各前記正極および負極は、第２の長さと、第２の幅と、第２の厚みとを有し、第１の長さは、第２の長さと比較的同一であり、第１の幅は第２の幅と比較的同一である、請求項１０に記載の方法。
12. １より多い数の前記電極芯が、前記電池ケース内に配置される、請求項９に記載の方法。
13. 前記電極芯内の前記正極および負極の数は、１２を超えない、請求項９に記載の方法。
14. 前記配置ステップの前に、前記セパレータ条片の一端に止め部を用意するための追加のステップが挿入され、前記止め部は、前記条片が前記電極から滑り落ちることを防止する、請求項９に記載の方法。
15. 前記セパレータ条片の層数と、前記正極および負極の数との差は、２以上であり、８以下である、請求項９に記載の電池。
16. 電池を製造する方法であって、
    正極または負極をセパレータ条片で巻いて、電極芯を形成するステップと、
    前記電極芯の各側に反対の極性の電極を積層し、前記セパレータ条片を前記電極芯に巻きつけるステップと、
    前記積層ステップを所定回数繰り返すステップと、
    前記電極芯を電池ケースに挿入するステップと、
    電解質を前記電池ケースに付加するステップと、
    前記電池ケースを電池カバーで封止するステップと、
    を備え、かつ前記正極および前記負極は板形状である、方法。
17. 前記正極および前記負極は、形状が矩形であり、同一の寸法を有する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記電池ケースは、第１の長さと、第１の幅と、第１の厚みとを有する内部寸法を有し、各前記正極および負極は、第２の長さと、第２の幅と、第２の厚みとを有し、第１の長さは、第２の長さと比較的同一であり、第１の幅は第２の幅と比較的同一である、請求項１７に記載の方法。
19. １より多い数の前記電極芯が、前記電池ケース内に配置される、請求項１６に記載の方法。
20. 前記電極芯内の前記正極および負極の数は、１２を超えない、請求項１６に記載の方法。
21. 前記セパレータ条片の層数と、前記正極および負極の数との差は、２以上であり、８以下である、請求項１６に記載の電池。

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