JP4483387B2

JP4483387B2 - リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JP4483387B2
Application number: JP2004115305A
Authority: JP
Inventors: 一郎松村; 一朗安岡; 勝久和田崎; 敏之柿花
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: JP2005302466A

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の電極群構造に関し、特に電極群最外周における群固定に関するものである。

従来、リチウムイオン二次電池の正極板と負極板とセパレータとからなる電極群の形状を維持する方法に関しては、一般に、電極体の最外周に粘着テープを貼付することにより、電極群を固定していた（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、粘着テープにより固定する方法では、粘着テープを構成する粘着テープの基材および糊剤が、非水電解液中で溶解や分解したり、電解液の分解を促進する等により、電池特性に悪影響を及ぼすといった課題や部品点数が増えることにより生産コストが大きくなるという課題があった。

そこで、外周のセパレータ終端部の中央部にて、下層に位置するセパレータと熱溶着する提案がある（例えば、特許文献２参照）が、セパレータを溶着した電池は、高温保存後の充放電サイクルによる容量劣化に課題があった。

すなわち、正極板と負極板の内部には、充放電のされやすさにばらつきが存在し、さらにそのばらつきが高温保存後の充放電サイクルによる容量劣化に関係しており、充電深度が深くなる電極板の幅方向中央部に、セパレータ溶着時に電極群内周部に伝わる溶着熱により生じる内周部セパレータの目詰まりが存在すると、充電時に、対向する電極板の目詰まりを囲む部分の充電深度が局所的に深くなり、高温保存時にその部分での電解液の分解反応が促進され、高温保存後の充放電サイクルによる容量が劣化するためである。
特開平９−２７０２７２号公報特開２００１−１６７７９９号公報

本発明は、電池特性に悪影響を与えることがなく、高温保存後の充放電サイクルによる容量劣化が少なく、生産コストを抑制したリチウム二次電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、正極活物質を有する正極板と、負極活物質を有する負極板とを、セパレータを介して捲回し、最外周のセパレータを溶着することにより固定してなる電極群と、非水電解液とを外装缶に収納してなるリチウムイオン二次電池において、前記電極群の最外周セパレータの溶着部分が、前記最外周セパレータの幅方向での端部から８分の１以内に位置することにより、電極群最外周のセパレータを溶着により固定する位置を特定することを特徴とする。

セパレータを溶着する部分が、セパレータの幅方向に対して、端から８分の１以内とすることにより、充放電深度が深くなる電極板の幅方向中央部と、目詰まりにより局所的に充電深度が深くなる部分とが、重ならなくすることにより高温保存後の充放電サイクルによる容量劣化を少なくすることができる。

好ましくは、溶着する部分は隣接した負極板と重なる方が、溶着時にセパレータ溶着部が溶着機のヒートブロックと負極板により挟まれ固定されるため、生産工程での溶着不良を少なくできる。

以上の説明から明らかなように、本発明により、高温保存後の充放電サイクルによる容量劣化を少なくし、生産コストを抑制したリチウムイオン二次電池を提供することができる。

本発明の請求項１に記載のリチウムイオン二次電池は、正極活物質を有する正極板と、負極活物質を有する負極板を、セパレータを介して捲回し、最外周のセパレータを溶着することにより固定してなる電極群と、非水電解液とを外装缶に収納してなるリチウムイオン二次電池において、前記電極群の最外周セパレータの溶着部分が、前記最外周セパレータの幅方向での端部から８分の１以内に位置することを特徴としたものである。

溶着する箇所は、セパレータの幅方向での端部から８分の１以内に位置すれば、一箇所
でも複数箇所設けても構わない。

本構成において、正極活物質および負極活物質等は従来公知のものが使える。
セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル（ポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシド）、セルロース（カルボキシメチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロース）、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリ（メタ）アクリル酸エステル等の高分子からなる微多孔フィルムが好ましく用いられる。また、これらの微多孔フィルムを重ね合わせた多層フィルムも用いられる。なかでも溶着し易いポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン等からなる微多孔フィルムが好適であり、厚みは１５μｍ〜２５μｍが好ましい。

また、本発明における溶着の方法は、セパレータの融点以上の温度に維持したヒートブロックを、電極群最外周のセパレータに押し当てることにより溶着を行う。また、高温度に維持した半田ごてを電極群最外周のセパレータに押し当てることにより溶着することも可能である。

溶着部分の形状は、どのような形状でも良く、大きさは電極群の形状を維持できる範囲で小さい方が良い。

さらに、本発明の請求項２に記載のリチウムイオン二次電池は、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池において、前記溶着部分が、隣接する負極板と重なることを特徴としたものである。

溶着部分は、端から８分の１以内であれば、充放電深度が深くなる電極板の幅方向中央部と、目詰まりにより局所的に充電深度が深くなる部分を、重ならなくすることにより高温保存時の充放電サイクルによる容量劣化を少なくすることができるが、溶着する部分は隣接した負極板と重なる方が、溶着時にセパレータ溶着部が溶着機のヒートブロックと負極板により挟まれ固定されるため、生産工程での溶着不良を少なくできるため、より好ましい。

すなわち、セパレータ溶着部分が、セパレータの上端部および／または下端部より２ｍｍ〜４ｍｍの位置から８分の１以内に位置するように溶着する。

本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（参考例１）
図１は、本発明のリチウムイオン電池の縦断面図である。

図１において、１は耐非水電解液性のステンレス鋼板を加工した円筒型外装缶、２は安全弁を設けた封口板、３は絶縁パッキングを示す。正極板５及び負極板６がセパレータ７を介して複数回渦巻状に捲回されて電極群４が形成されている。そして正極板５からは正極リード５ａが引き出されて封口板２に接続され、負極板６からは負極リード６ａが引き出されて円筒型外装缶１の底部に接続されている。８は絶縁リングで電極群４に接してそれぞれ設けられている。

正極板５は次のようにして作製した。

正極活物質としてＬｉＣｏＯ₂の粉末１００質量部、導電剤としてアセチレンブラック
３質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースの１％水溶液、結着剤としてフッ素樹脂系結着剤であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の６０％水性ディスパージョンとを混練分散させた正極ペーストを、厚さ０．０２０ｍｍのアルミニウム箔製の正極集電体に塗工し、乾燥させることにより、正極集電体上に正極活物質層を形成させた後、圧延することにより、正極活物質層の厚さを０．１６ｍｍに高密度化した。次に、正極活物質層の巻き取り方向の長さ４００ｍｍ、幅２６ｍｍとなるように切り出して正極板５を作製した。

負極板６は次のようにして作製した。

負極活物質としてコークスを加熱処理して得られた炭素粉末１００質量部、結着剤としてスチレン−ブタジエンゴム系結着剤３質量部とを、カルボキシメチルセルロースの１％水溶液に混練分散させて作製した負極ペーストを、厚さ０．０１４ｍｍの銅箔製の負極集電体に塗工し、乾燥させることにより、負極集電体上に負極活物質層を形成させた後、圧延することにより、負極活物質層の厚さを０．１８ｍｍに高密度化した。次に、負極活物質層の巻き取り方向の長さが４５０ｍｍ、幅２８ｍｍとなるように切り出して負極板６を作製した。

正極板、負極板それぞれに正極リード５ａ、負極リード６ａを取り付け、３２ｍｍ幅のセパレータを介し、直径４ｍｍの巻芯に捲きつけて渦巻状に捲回した。

セパレータ最外周のセパレータ上下端よりそれぞれ７ｍｍの位置で負極板が重なる位置を中央にして、幅２ｍｍ、長さ６ｍｍのニクロム線を配した銅製のヒートブロックを１６０℃に維持し、１秒間最外周に押し当てることにより溶着を行い、セパレータの上下端より、６ｍｍ〜８ｍｍの位置に幅２ｍｍ、長さ６ｍｍの溶着部分を形成した電極群４を作製した。

この電極体を内径１６．５ｍｍ、高さ３９ｍｍの円筒型外装缶１内に収納した。

非水電解液には炭酸エチレンと炭酸ジエチルの等容積混合溶媒に、６フッ化リン酸リチウム１モル／リットルの割合で溶解したものを用い、その所定量を電極群４に注入した後、電池を密封口して、電池を作製した。

この円筒型電池のサイズは、直径１７ｍｍ、高さ３７ｍｍで、電池容量が７００ｍＡｈである。

（実施例１）
参考例１と同様に、正極板と負極板とをセパレータを介し、渦巻状に捲回した後、セパレータ最外周の上下端より２ｍｍ〜４ｍｍの位置が溶着部分となるように、セパレータ上下端より３ｍｍの位置で負極板が重なる位置を中央にして、幅２ｍｍ、長さ６ｍｍの溶着を行ない電極群を作製した以外は参考例１と同様にして、実施例１の円筒型電池を作製した。

（参考例２）
参考例１と同様に、正極板と負極板とをセパレータを介し、渦巻状に捲回した後、セパレータ最外周の上下端より２ｍｍ〜４ｍｍの位置および６ｍｍ〜８ｍｍの位置が溶着部分となるように、セパレータ上下端より３ｍｍの位置と７ｍｍの位置で負極板が重なる位置を中央にして、それぞれ幅２ｍｍ、長さ６ｍｍの溶着を行ない電極群を作製した以外は、参考例１と同様にして、参考例２の円筒型電池を作製した。

（実施例２）
参考例１と同様に、正極板と負極板とをセパレータを介し、渦巻状に捲回した後、セパレータ最外周の上下端から〜２ｍｍの位置が溶着部分となるように、セパレータ上下端より１ｍｍの位置で、負極板上下端部より外側で負極板が重ならない位置を中央にして、幅２ｍｍ、長さ６ｍｍの溶着を行ない電極群を作製した以外は参考例１と同様にして、実施例２の円筒型電池を作製した。

（比較例１）
参考例１と同様に、正極板と負極板とをセパレータを介し、渦巻状に捲回した後、セパレータ最外周の上下端から６ｍｍ〜８ｍｍの位置および１５ｍｍ〜１７ｍｍの位置が溶着部分となるように、セパレータ上下端より７ｍｍの位置と中央部である１６ｍｍの位置で、負極板が重なる位置を中央にして、幅２ｍｍ、長さ６ｍｍの溶着を行ない電極群を作製した以外は参考例１と同様にして、比較例１の円筒型電池を作製した。

（比較例２）
参考例１と同様に、正極板と負極板をセパレータを介し、渦巻状に捲回した後、セパレータ最外周の上下端から９ｍｍ〜１１ｍｍの位置が溶着部分となるように、セパレータ上下端より１０ｍｍの位置で、負極板が重なる位置を中央にして、幅２ｍｍ、長さ６ｍｍの溶着を行ない電極群を作製した以外は参考例１と同様にして、比較例１の円筒型電池を作製した。

このようにして作製した実施例１〜実施例２、参考例１〜参考例２、および比較例１〜比較例２の円筒型電池各５セルを用いて、高温保存後の充放電サイクル試験を行った結果の平均値を表１に示す。なお、試験は室温にて７００ｍＡの定電流で４．２Ｖに達するまで充電した後、４．２Ｖを維持したまま、電流値が３５ｍＶまで低下するまで充電を行い、８５℃雰囲気下にて３日間保存後、室温にて前記充電条件と７００ｍＡの定電流にて３．０Ｖの終止電圧までの放電を繰り返し、３００サイクル目の容量と１サイクル目の容量を比較した。

表１から明らかなように、セパレータ外周部の溶着部分が上下端部より４分の１内の場合、溶着部分の数、位置によらず、高温保存後の充放電サイクル特性に優れていることがわかった。一方、セパレータ外周部の溶着部分が上下端部より４分の１を越える場合、劣化度合いが大きくなり、比較例２に示す中央部が溶着されている場合は、さらに劣化度合いが大きくなることがわかった。

この理由は、充放電深度が深くなる電極板の幅方向中央部と、溶着による目詰まりにより局所的に充電深度が深くなる部分とが重なるために、高温保存時にその部分での電解液の分解反応が促進されることにより、高温保存後の充放電サイクルが劣化するためである。

本発明のリチウムイオン二次電池は、高温保存後の充放電サイクルによる容量劣化が少ないポータブル用電源等として有用である。

本発明の実施例で用いた円筒型電池の縦断面図

１円筒型外装缶
２封口板
３絶縁パッキング
４電極群
５正極板
５ａ正極リード
６負極板
６ａ負極リード
７セパレータ
８絶縁リング

Claims

正極活物質を有する正極板と、負極活物質を有する負極板とを、セパレータを介して捲回し、最外周のセパレータを溶着することにより固定してなる電極群と、非水電解液とを外装缶に収納してなるリチウムイオン二次電池において、前記電極群の最外周セパレータの溶着部分が、前記最外周セパレータの幅方向での端部から８分の１以内に位置することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
前記溶着部分が、隣接する負極板と重なることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。