JP4568123B2

JP4568123B2 - 非水電解質電池

Info

Publication number: JP4568123B2
Application number: JP2005005681A
Authority: JP
Inventors: 吉久三宮本; 亘　　幸洋; 亘廣瀬
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-01-12
Also published as: US20060154138A1; CN1805204B; JP2006196276A; CN1805204A

Description

本発明は、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された発電要素を外装体に収容してある非水電解質電池に関する。

リチウムイオン二次電池などの非水電解質電池は、シート状又は箔状の正極板及び負極板がセパレータを介して巻回されるなどして積層された発電要素をケース（外装体）に収納、又は、発電要素全体に対しラミネートフィルム（外装体）を巻着している。発電要素の端面は、正極板及び負極板の端面を含んでおり、高温環境下でセパレータが収縮した際、正極板及び負極板の端面とケース内面とが短絡する可能性がある。そのため、発電要素の端面周辺に絶縁性のテープを貼着することが行われている。例えば、発電要素の表面端部に、端面からはみ出すようにテープを貼着することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３０９３８号公報

しかし、発電要素の表面端部に、端面からはみ出すようにテープを貼着した場合、発電要素をケースに収容する際にテープが変形し、変形の状態によっては発電要素の端面と外装体内面との絶縁を維持できないことがあるなど、絶縁性が安定しないという問題を有する。また、発電要素を外装体に挿入する際にテープが外装体に付着するという問題が生じることがある。さらに、発電要素の端面にテープを貼着した場合は、電解液の浸透性が低下するという問題が生じる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、発電要素の端面及び表面の該端面近傍に、巻回方向に沿うように貼着された絶縁性テープを備えることにより、発電要素を外装体に挿入する際にテープが変形することはなく、発電要素の端面と外装体内面とが短絡することを確実に防止することができる非水電解質電池を提供することを目的とする。

また、本発明は、発電要素の端面に、テープが貼着されていない部分を設けることにより、電解液の浸透性を向上させた非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、テープと対向する外装体部分に絶縁体を備えることにより、発電要素の端面と外装体との短絡を防止しつつ、電解液の注入作業の効率を向上させることができる非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、前記テープの接着層の厚さを１０μｍ以下、テープの厚さを１５μｍ以上３０μｍ以下にしたことにより、テープが貼着された発電要素の外装体への挿入作業を効率的に行うことができる非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、発電要素の端面を挟んで対向するように２枚に分けてテープを貼着したことにより、テープの貼着を容易に行える非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、テープの熱収縮率がセパレータの熱収縮率よりも小さいことにより、高温環境下の発電要素の端面と外装体内面との短絡を抑制することができる非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、テープの接着層とは反対の基材表面に、所定温度以上で接着性が生じる熱活性接着層を設けることにより、高温環境下のテープの収縮による発電要素の端面と外装体内面との短絡を抑制することができる非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、発電要素を端面が外装体の側壁と対向するように収容したことにより、電池の組立の作業性を向上させた非水電解質電池を提供することを他の目的とする。

第１発明に係る非水電解質電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された発電要素を外装体に収容してある非水電解質電池において、前記発電要素の端面及び表面の該端面近傍に、巻回方向に沿うように貼着された絶縁性のテープを備え、前記テープは、基材と、接着剤を含む接着層とを有し、前記接着層の厚さは５μｍ以上１０μｍ以下であり、テープの厚さは１５μｍ以上３０μｍ以下であり、前記外装体は底及び底外周の側壁を有し、前記発電要素は端面が外装体の側壁と対向するように収容されていることを特徴とする。

第２発明に係る非水電解質電池は、第１発明において、前記発電要素の端面は、前記テープが貼着されていない部分を有することを特徴とする。

第３発明に係る非水電解質電池は、第２発明において、前記外装体は、前記テープと対向する部分に絶縁体を備えることを特徴とする。

第４発明に係る非水電解質電池は、第１〜第３発明の何れかにおいて、前記テープは、前記端面を挟んで対向するように２枚に分けて貼着されていることを特徴とする。

第５発明に係る非水電解質電池は、第１〜第４発明の何れかにおいて、前記テープの熱収縮率は、前記セパレータの熱収縮率よりも小さいことを特徴とする。

第６発明に係る非水電解質電池は、第１〜第４発明の何れかにおいて、前記テープは、接着層とは反対の基材表面に、所定温度以上で接着性が生じる熱活性接着層を有することを特徴とする。

第１発明においては、発電要素の端面及び表面の該端面近傍に、巻回方向に沿うように貼着された絶縁性テープにより、発電要素の端面と外装体内面とが短絡することを防止できる。テープは、発電要素の端面及び表面の両方に貼着されているため、発電要素を外装体に挿入する際にテープが変形することはない。そのため、発電要素の端面と外装体内面とを安定して絶縁させることができ、また、テープが変形して外装体に貼着すること等がないため、発電要素の外装体への挿入作業を効率的に行うことができる。また、テープは巻回方向に沿うように貼着されており、発電要素の端面にはテープの端部が貼着されるため、テープの中央部を端面に貼着する場合と比べて、電解液が浸透する隙間が存在する。そのため、電解液の浸透を効率的に行うことができる。
そして、本発明においては、テープは、基材と、接着剤を含む接着層とを有し、接着層の厚さは５μｍ以上１０μｍ以下であり、テープの厚さは１５μｍ以上３０μｍ以下であるため、発電要素の外装体への挿入作業を効率的に行うことができる。テープ厚さが３０μｍよりも大きい場合、発電要素の総厚さが増加して外装体への挿入が困難になるため、テープ厚さは３０μｍ以下にする必要がある。テープ厚さが１５μｍよりも小さい場合、テープの強度が低下してシワが生じる等の問題が発生するため、テープ厚さは１５μｍ以上にする必要がある。また、接着層の厚さは接着効果を得るために５μｍ以上が必要であり、接着層の厚さが１０μｍよりも大きい場合、接着剤がはみ出して外装体に付着するなどの問題が生じるため、接着層の厚さは５μｍ以上１０μｍ以下にする必要がある。
さらに、本発明においては、外装体は底及び底外周の側壁を有し、発電要素は端面が外装体の側壁と対向するように収容されているため、巻回によって曲面となった滑らかな表面部分を外装体の底へ向けて発電要素を挿入することになり、テープが貼着された端面を外装体の底へ向けて挿入する場合よりもスムーズに挿入を行え、組立の作業性が向上する。

第２発明においては、発電要素の端面は、テープが貼着されていない部分を有しており、前記部分から電解液を浸透させることができる。そのため、電解液の浸透性が向上し、電解液の注入作業を効率的に行うことができる。

第３発明においては、テープと対向する外装体部分に絶縁体を備えるため、テープが貼着されていない端面部分が外装体と短絡することを防止できる。発電要素の端面と外装体との短絡を防止しつつ、電解液の注入作業の効率を向上させることができる。

第４発明においては、テープは発電要素の端面を挟んで対向するように２枚に分けて貼着されているため、１枚のテープを巻着するよりも、テープの貼着を容易に行える。特に機械を用いてテープを貼着する場合は、１枚の長いテープを巻着させるよりも、２枚の短いテープを対向するように貼着させる方が実施が容易になる。その際、２枚同時に貼着することにより、生産性を向上させることができる。

第５発明においては、テープの熱収縮率がセパレータの熱収縮率よりも小さいため、高温環境下でセパレータが収縮した場合であっても、テープはセパレータほど収縮せず、発電要素の端面と外装体内面との短絡を抑制することができる。

第６発明においては、テープは、接着層とは反対の基材表面に、所定温度以上で接着性が生じる熱活性接着層を有するため、前記所定温度以上の高温環境下においては、電池膨れによってテープの熱活性接着層が外装体内面に接触し、貼着される。外装体内面に熱活性接着層が貼着されたことにより、テープの収縮は起こり難くなり、テープの収縮による発電要素の端面と外装体内面との短絡を抑制することができる。

第１発明によれば、発電要素を外装体に挿入する際にテープが変形することはなく、発電要素の端面と外装体内面とが短絡することを確実に防止できる。
そして、本発明によれば、テープが貼着された発電要素の外装体への挿入作業を効率的に行うことができる。
また、本発明によれば、電池の組立の作業性を向上させることができる。

第２発明によれば、電解液の浸透性が向上し、電解液の注入作業を効率的に行うことができる。

第３発明によれば、発電要素の端面と外装体との短絡を防止しつつ、電解液の注入作業の効率を向上させることができる。

第４発明によれば、テープの貼着を容易に行える。特に機械を用いてテープを貼着する場合、実施が容易になる。

第５発明によれば、高温環境下における発電要素の端面と外装体内面との短絡を抑制することができる。

第６発明によれば、高温環境下におけるテープの収縮による発電要素の端面と外装体内面との短絡を抑制することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（実施例１）
図１は本発明に係るリチウムイオン二次電池（非水電解質電池）の構成の一部を示す模式図であり、図１（ａ）は角型のリチウムイオン二次電池（以下、電池という）の広い方の側面（以下、長側面という）側から見た模式図であり、図１（ｂ）は狭い方の側面（以下、短側面という）側から見た模式図であり、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された扁平状の発電要素１０が、直方体状のアルミ製のケース１６に収納されている。

正極板は、例えばＬｉＣｏＯ₂９０質量％と、アセチレンブラック５質量％と、ポリフッ化ビニリデン５質量％とを混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させてペーストを調製し、調製したペーストをアルミニウム集電体に均一に塗布・乾燥させて作製する。

負極板は、例えば炭素材料９７．０質量％と、スチレンブタジエンゴム１．５質量％と、カルボキシメチルセルロース１．５質量％とを混合し、水に分散させてペーストを調製し、調製したペーストを銅集電体に均一に塗布・乾燥させ、水を蒸発させて作製する。

セパレータとしては、例えば厚さ２０μｍ程度の微多孔性ポリエチレンフィルムを用いる。セパレータの熱収縮率は、常温を基準として１３０℃において２０〜３０％である。また、電解質としては、例えばエチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートの体積比３：７混合溶媒にＬｉＰＦ₆を１．１ｍｏｌ／ｌ溶解させたものを用いる。

発電要素１０の両端面１２，１２及び側面（表面）の該端面１２近傍には絶縁性のテープ１４、１４が貼着されている。図２及び図３は発電要素１０へのテープ１４の貼着方法を示す斜視図である。まず、図２に示すように、発電要素１０の端面１２からテープ１４幅の半分程度がはみ出すように、発電要素１０の両長側面及び片方の短側面にわたってテープ１４を巻着する。次に、図３に示すように、発電要素１０の端面１２からはみ出しているテープ１４部分を折り曲げて、端面１２に貼着する。ただし、発電要素１０は、端面１２の一部分にテープ１４が貼着されており、他部分にはテープ１４が貼着されていない（以下、貼り方αという）。

テープ１４としては、基材と、接着剤を含む接着層とを有し、基材の厚さが１０μｍ、接着層の厚さが５μｍ、テープ１４全体の厚さが１５μｍのもの（テープの種類Ｂ）を用いた。また、テープ１４の熱収縮率は、セパレータの熱収縮率よりも小さい。例えば、テープ１４の熱収縮率は、常温を基準として１３０℃において２０〜３０％より小さい。

ケース１６の内面には、絶縁処理が行われている。図４はケースの構成を示す模式図であり、図４（ａ）はケース１６の短側面側から見た模式図であり、図４（ｂ）は長側面側から見た模式図である。ケース１６の両短側面部分の内面には、絶縁シート（絶縁体）１８，１８が貼着されている。発電要素１０をケース１６に収容した際、発電要素１０の端面１２は絶縁シート１８と対向するため、端面１２がケース１６内面と接触（短絡）することはない。

ケース１６の開口部は、電解液（電解質）が注入された後、図示しない負極端子及び安全弁が設けられた電池蓋をレーザー溶接することにより密封される。負極板は図示しない負極リードを介して前記負極端子と接続され、正極板は図示しない正極リードを介してケース１６と接続される。電池のサイズは、例えば横幅３０ｍｍ、高さ４０ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、容量は８００ｍＡｈである。また、テープ１４とケース１６内面（絶縁シート１８は含まず）との間隔は０．３５ｍｍである。

（実施例２）
テープ１４の貼り方が異なり、ケース１６に絶縁シート１８を設けていないこと以外は、実施例１と同様の電池を作成した。図５及び図６は発電要素１０へのテープ１４の貼着方法を示す斜視図である。まず、図５に示すように、発電要素１０の端面１２からテープ１４幅の半分程度がはみ出すように、両長側面及び両短側面の１周にわたってテープ１４を貼着する。次に、図６に示すように、発電要素１０の端面１２からはみ出しているテープ１４部分を折り曲げて、端面１２に貼着する。ただし、発電要素１０は、端面１２の全体にテープ１４が貼着されている（以下、貼り方βという）。なお、端面１２の全体にテープ１４が貼着されているため、ケース１６に絶縁シート１８を設ける必要はない。

（実施例３）
テープ１４として、基材の厚さが１０μｍ、接着層の厚さが１０μｍ、テープ１４全体の厚さが２０μｍのもの（テープの種類Ｃ）を用いた以外は、実施例２と同様の電池を作製した。

（実施例４）
テープ１４として、基材の厚さが２０μｍ、接着層の厚さが１０μｍ、テープ１４全体の厚さが３０μｍのもの（テープの種類Ｄ）を用いた以外は、実施例２と同様の電池を作製した。

（実施例５）
テープ１４として、基材と、基材裏面の接着層と、基材表面の熱活性接着層とを有し、基材の厚さが１０μｍ、接着層の厚さが５μｍ、熱活性接着層の厚さが５μｍ、テープ１４全体の厚さが２０μｍのもの（テープの種類Ｂ＋）を用いた以外は、実施例２と同様の電池を作製した。図７は、基材表面に熱活性接着層を有するテープを示す模式図である。基材１５ａ裏面の接着層１５ｂは発電要素１０の端面１２に貼着され、基材１５ａ表面の熱活性接着層１５ｃはケース１６内面と対向している。

（比較例１）
テープ１４として、基材の厚さが５μｍ、接着層の厚さが５μｍ、テープ１４全体の厚さが１０μｍのもの（テープの種類Ａ）を用いた以外は、実施例２と同様の電池を作製した。

（比較例２）
テープ１４として、基材の厚さが１５μｍ、接着層の厚さが１５μｍ、テープ１４全体の厚さが３０μｍのもの（テープの種類Ｅ）を用いた以外は、実施例２と同様の電池を作製した。

（比較例３）
テープ１４として、基材の厚さが３０μｍ、接着層の厚さが１０μｍ、テープ１４全体の厚さが４０μｍのもの（テープの種類Ｆ）を用いた以外は、実施例２と同様の電池を作製した。

（比較例４）
テープ１４の貼り方以外は、実施例２と同様の電池を作成した。図８は発電要素１０へのテープ１４の貼着方法を示す斜視図である。まず、発電要素１０の端面１２全体に、端面１２よりも大きなテープ１４の中央部分を貼着し、次に、図８に示すように、発電要素１０の長側面からはみ出しているテープ１４端部を折り曲げて、長側面に貼着する（以下、貼り方γという）。

（比較例５）
発電要素１０の端面１２にテープ１４を貼着しておらず、ケース１６に絶縁シート１８を設けていないこと以外は、実施例１と同様の電池を作成した。

上述した各実施例及び各比較例の電池に対して、オーブン試験、電解液浸透時間の測定、製造作業性の確認を行った。オーブン試験は、４．２Ｖまで充電した状態の電池がおかれている環境を５℃／分で１５０℃又は１８０℃まで昇温させ、１５０℃又は１８０℃で３時間放置した後、各電池を解体して、発電要素１０の端面１２とケース１６内面との絶縁性を目視で確認した。電解液浸透時間は、２ｇの電解液を浸透させるのに要する時間を測定した。製造作業性は、発電要素１０をケース１６に挿入する際の作業性を確認した。

オーブン試験結果、電解液浸透時間の測定結果、製造加工性の確認結果を表１に示す。また、表１中の各テープの種類の詳細を表２に示す。ここで、表１のオーブン試験の“○”は絶縁されていることを表し、“×”は短絡していることを表す。また、製造作業性の“◎”は作業を良好に行えることを表し、“○”は特に問題がないことを表す。

表１の１５０℃のオーブン試験に関しては、ケース１６に絶縁シート１８を設けた実施例１、及び、発電要素１０の端面１２全体にテープ１４を貼着した実施例２〜５及び比較例１〜４では、発電要素１０の端面１２とケース１６内面とは絶縁されている。また、テープ１４の熱収縮率をセパレータの熱収縮率よりも小さくすることにより、高温環境下でセパレータが収縮した場合であっても、テープ１４による絶縁性を維持することが可能となる。

また、表１の１８０℃オーブン試験に関しては、ケース１６に絶縁シート１８を設けた実施例１、及び、テープ１４表面に熱活性接着層を有する実施例５では、発電要素１０の端面１２とケース１６内面とは絶縁されている。一方、実施例２〜４及び比較例１〜４では、高温によりテープ１４が収縮したために、ケース１６内面と発電要素１０の端面１２とが短絡している。実施例５では、高温時にテープ１４表面の熱活性接着層が接着層として機能すると共に、高温時の電池膨れによってテープ１４表面の熱活性接着層がケース１６内面と接触するため、テープ１４はケース１６内面に貼着される。テープ１４がケース１６内面に貼着されることにより、テープ１４は収縮し難くなり、端面１２とケース１６内面との短絡は起こり難くなる。

表１の電解液浸透時間に関しては、テープ１４を発電要素１０の端面１２に貼着していない比較例５が最も短時間であり、テープ１４を端面１２の一部にしか貼着していない実施例１が次に短時間である。また、端面１２全体にテープ１４の中央部分を貼着し、端面１２に電解液が浸透する隙間が全く存在しない比較例４が最も長時間であり、端面１２全体にテープ１４の端部を貼着し、端面１２に電解液が浸透する隙間が存在する実施例２〜４及び比較例１〜３が次に長時間である。

電解液の浸透性の点では、発電要素１０の端面１２全体にテープ１４を貼着しないことが好ましい。ただし、端面１２全体にテープ１４を貼着しない場合は、ケース１６に絶縁シート１８を設ける必要が生じる。一方、端面１２全体にテープ１４を貼着する場合は、ケース１６に絶縁シート１８を設ける必要はないが、電解液の浸透性の点から、電解液が浸透する隙間が生じるようにテープ１４を貼着することが好ましい。

表１の製造作業性に関しては、テープ１４の厚さが小さい比較例１では、テープ１４にシワが生じている。また、テープ１４の厚さが大きい比較例３では、発電要素１０が挿入不可能となっている。よって、テープ１４の厚さは１５μｍ〜３０μｍにする必要があるが、比較例２に示すように、接着層の厚さが大きい場合は、接着剤がはみ出すため、はみ出した接着剤がケース１６に付着したり、作業機械又は作業者の指などに付着するため、作業性が低下する。よって、接着層の厚さは１０μｍ以下にする必要がある。なお、接着層の厚さは、接着効果を得るために５μｍ以上が必要である。

図２及び図３に示した貼り方αでは、１枚のシートを巻回するようにして発電要素１０の側面端部に貼着したが、２枚のシートを対向するように両長側面端部に貼着することも可能である。図９及び図１０は発電要素１０へのテープ１４の貼着方法を示す斜視図である。まず、図９に示すように、発電要素１０の端面１２からテープ幅の半分程度がはみ出すように、両長側面端部に対向するように２枚のテープ１４、１４を夫々貼着する。次に、図１０に示すように、発電要素１０の端面１２からはみ出しているテープ１４部分を折り曲げて、端面１２に貼着する。

図９及び図１０の貼り方は、テープ枚数が２枚になっているが、１枚のテープを巻着する場合と比べて、テープの貼着が容易になると考えられる。特に機械を用いてテープを貼着させる場合は、１枚のテープを巻着させる場合よりも、２枚のテープを対向するように貼着する方が容易に実施できると考えられる。また、２枚のテープを同時に貼着することにより、生産性を向上させることができる。

また、図６に示した貼り方は、発電要素１０の端面１２全体にテープ１４が貼着されるが、図１１の発電要素１０へのテープ１４の貼着方法を示す斜視図のように、端面１２の一部分にテープ１４を貼着することも可能である。ただし、テープ１４が貼着されていない部分があるため、図４に示すように、ケース１６内面に絶縁シート１８を設ける必要がある。上述したように、テープ１４は、端面１２全体又は一部分に任意に貼着することが可能である。

上述した実施の形態においては、発電要素１０の端面１２をケース１６の側面に向けて収納したが、発電要素１０の端面１２をケース１６の底に向けて収納することも可能である。しかし、テープ１４が貼着された端面１２をケース１６の底に向けて発電要素１０を収納するよりも、端面１２をケース１６の側面に向け、巻回によって曲面となった滑らかな表面をケース１６の底に向けて発電要素１０を収容する方が、挿入がスムーズに行え、作業性が向上する。

本発明に係るリチウムイオン二次電池（非水電解質電池）の構成の一部を示す模式図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。ケースの構成を示す模式図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。基材表面に熱活性接着層を有するテープを示す模式図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。発電要素へのテープの貼着方法を示す斜視図である。

符号の説明

１０発電要素
１２端面
１４、１５テープ
１５ａ基材
１５ｂ接着層
１５ｃ熱活性接着層
１６ケース
１８絶縁シート

Claims

正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された発電要素を外装体に収容してある非水電解質電池において、
前記発電要素の端面及び表面の該端面近傍に、巻回方向に沿うように貼着された絶縁性のテープを備え、
前記テープは、基材と、接着剤を含む接着層とを有し、
前記接着層の厚さは５μｍ以上１０μｍ以下であり、テープの厚さは１５μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記外装体は底及び底外周の側壁を有し、前記発電要素は端面が外装体の側壁と対向するように収容されていることを特徴とする非水電解質電池。
前記発電要素の端面は、前記テープが貼着されていない部分を有することを特徴とする請求項１記載の非水電解質電池。
前記外装体は、前記テープと対向する部分に絶縁体を備えることを特徴とする請求項２記載の非水電解質電池。
前記テープは、前記端面を挟んで対向するように２枚に分けて貼着されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の非水電解質電池。
前記テープの熱収縮率は、前記セパレータの熱収縮率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の非水電解質電池。
前記テープは、接着層とは反対の基材表面に、所定温度以上で接着性が生じる熱活性接着層を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の非水電解質電池。