JP4784730B2 - battery - Google Patents
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Description
本発明は、負極とセパレータで包まれた正極とを交互に積層した構造(電極積層体)を有する電池に関する。 The present invention relates to a battery having a structure (electrode laminate) in which negative electrodes and positive electrodes wrapped with separators are alternately laminated.
近年、カメラ一体型VTR(videotape recorder),携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型化および軽量化が図られている。それに伴い、これら電子機器のポータブル電源として、電池、特に二次電池について、エネルギー密度を向上させるための研究開発が活発に進められている。非水電解液を用いた電池、中でも、リチウムイオン二次電池は、従来の水溶液系電解液二次電池である鉛電池あるいはニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため、非常に期待されており、市場も著しく成長している。 In recent years, many portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (videotape recorder), a mobile phone, or a laptop computer have appeared, and their size and weight have been reduced. Accordingly, as a portable power source for these electronic devices, research and development for improving the energy density of batteries, particularly secondary batteries, are being actively promoted. Batteries that use non-aqueous electrolytes, especially lithium ion secondary batteries, are very promising because they have a higher energy density than lead or nickel cadmium batteries, which are conventional aqueous electrolyte secondary batteries. The market is also growing significantly.
とりわけ、リチウムイオン二次電池の軽量、高エネルギー密度という特徴が電気自動車やハイブリッド電気自動車用途に適することから、リチウムイオン二次電池の大型化および高出力化を目指した検討が盛んになっている。 In particular, the characteristics of lithium ion secondary batteries such as light weight and high energy density make them suitable for electric and hybrid electric vehicle applications, so studies aimed at increasing the size and output of lithium ion secondary batteries have become active. .
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池では、電解質または電解液の導電率が水溶液系電解液と比較して低いため、内部抵抗を低減し高出力化を実現するために、薄膜セパレータの採用により電極間距離を短縮したり、電極反応面積を大きくするなどの工夫がなされている。更に、特に比較的大型の電池においては、電池内部の集電抵抗低減のために、正負極集電体からのリードの数を増やすなど、さまざまな改良がなされることが普通である。 In non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium ion secondary batteries, the conductivity of the electrolyte or electrolyte is lower than that of aqueous electrolytes, so that internal resistance is reduced and higher output is achieved. The use of a thin film separator has been devised to shorten the distance between electrodes and increase the electrode reaction area. Further, in particular, in a relatively large battery, various improvements such as increasing the number of leads from the positive and negative electrode current collectors are usually made to reduce the current collecting resistance inside the battery.
通常のリチウムイオン電池では、高い生産性を実現するため、短冊状の正極と負極とをセパレータを間にして積層し、円筒形または略楕円形に巻回した電極巻回体を、電解液または電解質と共に外装材に封入した構成がとられている。しかし、このように円筒型または略楕円形に巻回された正極および負極から、高出力化のため多数のリードを取り出すようにした場合、素子形状が複雑になってしまい、工程数や部品点数の増加を招き、生産性が低下するという問題があった。 In a normal lithium ion battery, in order to achieve high productivity, a strip-like positive electrode and a negative electrode are laminated with a separator between them, and an electrode winding body wound in a cylindrical shape or a substantially elliptical shape is used as an electrolyte or The structure enclosed with exterior material with the electrolyte is taken. However, when a large number of leads are taken out from the positive electrode and negative electrode wound in a cylindrical shape or a substantially elliptical shape in order to increase the output, the element shape becomes complicated, and the number of processes and parts There has been a problem that productivity has been reduced.
この問題に対して、ガム型アルカリ蓄電池などで採用されているように、平板状の正極、セパレータおよび平板状の負極を基本積層単位とし、この基本積層単位を複数積み重ねた電極積層体を用いることが考えられる。このようにすれば、各基本積層単位から正負極リードを容易に取り出すことができるので、単純な構造および高い生産性を維持しつつ内部集電抵抗の低減を実現できる。また、電極積層体の形状はおおよそ矩形とすることができるので、外装材としてラミネートフィルムを利用でき、金属製外装材に比べて大幅な軽量化が可能となる。そのため、ハイブリッド自動車あるいは電気自動車に代表されるような、高出力かつ軽量であることが重要視される用途に適した電池を実現することができる。
しかしながら、このような電極積層体を採用した場合、大型化および高出力化により、釘刺し試験のような異常時に電池温度が極めて高くなってしまうという問題があった。特に、電極積層方向と直交する方向からの圧壊試験時に、電極エッジ部分が短絡し、電池温度を急上昇させるおそれがあった。 However, when such an electrode laminate is employed, there has been a problem that the battery temperature becomes extremely high during an abnormality such as a nail penetration test due to an increase in size and output. In particular, at the time of the crush test from the direction orthogonal to the electrode stacking direction, the electrode edge portion may be short-circuited, and the battery temperature may be rapidly increased.
ちなみに、例えば特許文献1には、電極積層体の最外層に電気化学的に不活性なバックコート層を設けることが記載されている。また、特許文献2では、電極積層体の最外層に、セパレータを介して、それぞれ正極および負極に電気的に接続された金属電極を積層することが提案されている。しかし、これらの従来構成はいずれも積層方向での短絡についてのみ言及しており、積層方向と直交する方向(側面方向)からの破壊試験については記載がない。
Incidentally, for example,
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電極積層体の側面方向から圧壊力がかかった場合に電池温度の上昇を抑えて安全性を高めることができる電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a battery capable of increasing safety by suppressing an increase in battery temperature when a crushing force is applied from the side surface direction of the electrode laminate. There is.
本発明の電池は、負極と袋状セパレータに包まれた正極とを交互に積層すると共に積層方向の両端に負極が配置された電極積層体と、両端の負極に接し、電極積層体の積層方向の両端面と、積層方向に平行な側面とを覆う導電性の外周被覆部材と、電極積層体および外周被覆部材を収容するフィルム状の外装部材とを備えたものである。 The battery of the present invention comprises an electrode laminate in which negative electrodes and positive electrodes wrapped in bag-like separators are alternately laminated and negative electrodes are arranged at both ends in the lamination direction, and in contact with the negative electrodes at both ends, and the lamination direction of the electrode laminate and both end surfaces of, those having an outer peripheral coating electrically conductive member covering the parallel side faces in the stacking direction, and a film package member for accommodating the electrode stack and the outer covering member.
この電池では、電極積層体の側面に対して圧壊力がかかると、正極が袋状セパレータを突き破って外周被覆部材に接触し、これにより正極と負極とが電気的に接続され、圧壊直後に広範囲で短絡することとなる。よって、局所的に、しかも急激に電流が集中することが抑制され、急激に温度が上昇することがなくなる。また、電極積層体の両端面および側面が外周被覆部材で覆われていることにより、熱拡散が良好になり、電池の局所的な温度上昇が更に抑えられる。 In this battery, when a crushing force is applied to the side surface of the electrode laminate, the positive electrode breaks through the bag-shaped separator and comes into contact with the outer peripheral covering member, whereby the positive electrode and the negative electrode are electrically connected, and a wide range immediately after crushing. Will cause a short circuit. Therefore, the concentration of current locally and rapidly is suppressed, and the temperature does not increase rapidly. In addition, since both end surfaces and side surfaces of the electrode laminate are covered with the outer peripheral covering member, thermal diffusion is improved and local temperature rise of the battery is further suppressed.
本発明の電池によれば、電極積層体の積層方向の両端面と、積層方向に平行な側面とを導電性の外周被覆部材で覆うと共に、この外周被覆部材を負極に電気的に接続し、電極積層体および外周被覆部材をフィルム状の外装部材に収容するようにしたので、側面方向から圧壊力がかかり、正極がセパレータを突き破った場合においても、電池温度が急激に上昇することがなく、安全性が向上する。 According to the battery of the present invention, both end faces in the stacking direction of the electrode stack, is covered by the outer peripheral coating electrically conductive member and parallel side faces in the stacking direction, electrically connected to the outer periphery covering member as a negative electrode Since the electrode laminate and the outer peripheral covering member are accommodated in the film-like exterior member, a crushing force is applied from the side surface direction, and the battery temperature does not increase rapidly even when the positive electrode breaks through the separator. , Improve safety.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、正極リード11および負極リード12が取り付けられた偏平状の電極積層体20をフィルム状の外装部材31の内部に収納した構成を有している。
FIG. 1 shows a configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. The secondary battery is, for example, a lithium ion secondary battery, and has a configuration in which a
正極リード11および負極リード12は、電極積層体20で発生した起電力を外部に取り出すためのものであり、それぞれ短冊状であり、外装部材31の内部から外部に向かい例えば同一方向にそれぞれ導出されている。正極リード11は、例えばアルミニウム(Al)などの金属材料により構成されており、負極リード12は、例えばニッケル(Ni)などの金属材料により構成されている。
The
外装部材31は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材31は、例えば、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。
The
外装部材31と正極リード11および負極リード12との間には、正極リード11および負極リード12と、外装部材31の内側との密着性を向上させ、外気の侵入を防止するための密着フィルム32が挿入されている。密着フィルム32は、正極リード11および負極リード12に対して密着性を有する材料により構成され、例えば、正極リード11および負極リード12が上述した金属材料により構成される場合には、ポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されることが好ましい。
An
図2は、図1に示した電極積層体20の外観、図3は図2のIII−III線に沿った断面構造を表すものである。電極積層体20は、正極21と負極22とを交互に積層したものであり、このうち正極21は袋状セパレータ23で包まれている。なお、図3は、側面20C,20Dで、負極の集電体22Aの端と外周被覆部材41とが接している場合を表しているが、ここにすき間があってもよい。
FIG. 2 shows an appearance of the
図4は、正極21の積層前の構成を表したものである。正極21は、集電体21Aの両面に活物質層21Bが設けられた矩形状の被覆部21Cを有している。被覆部21Cの一隅からは、短冊片状のリード取付部21Dが延長されている。このリード取付部21Dは、活物質層21Bが設けられず集電体21Aが露出しており、正極リード11(図4では省略。図2参照。)が接合されている。
FIG. 4 shows the configuration of the
集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス(SUS)箔などの金属箔により構成されている。
The
活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン(TiS2 ),硫化モリブデン(MoS2 ),セレン化ニオブ(NbSe2 )あるいは酸化バナジウム(V2 O5 )などのリチウムを含有しない金属硫化物,金属セレン化物あるいは金属酸化物など、またはリチウムを含有するリチウム含有化合物が挙げられる。 The active material layer 21B includes, for example, any one or more of positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium as an electrode reactant as a positive electrode active material, and a conductive material such as a carbon material as necessary. A binder such as a material and polyvinylidene fluoride may be included. Examples of positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium include metal sulfides and metals that do not contain lithium, such as titanium sulfide (TiS2), molybdenum sulfide (MoS2), niobium selenide (NbSe2), or vanadium oxide (V2O5). Examples include selenides, metal oxides, and lithium-containing compounds containing lithium.
中でも、リチウム含有化合物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特にコバルト(Co),ニッケルおよびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧を得ることができるからである。その化学式は、例えば、Lix MIO2 あるいはLiy MIIPO4 で表される。式中、MIおよびMIIは1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。 Among these, lithium-containing compounds are preferable because some compounds can obtain a high voltage and a high energy density. Examples of such a lithium-containing compound include a composite oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphate compound containing lithium and a transition metal element. In particular, cobalt (Co), nickel and manganese (Mn Among these, those containing at least one of them are preferred. This is because a higher voltage can be obtained. The chemical formula is represented by, for example, Lix MIO2 or Liy MIIPO4. In the formula, MI and MII represent one or more transition metal elements. The values of x and y vary depending on the charge / discharge state of the battery, and are generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10.
リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(Lix Ni1−z Coz O2 (z<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性も得ることができるからである。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えばリチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1−v Mnv PO4 (v<1))が挙げられる。 Specific examples of the composite oxide containing lithium and a transition metal element include lithium cobalt composite oxide (Lix CoO2), lithium nickel composite oxide (Lix NiO2), and lithium nickel cobalt composite oxide (Lix Ni1-z Coz O2). (Z <1)) or lithium manganese composite oxide (LiMn2O4) having a spinel structure. Among these, a composite oxide containing nickel is preferable. This is because a high capacity can be obtained and excellent cycle characteristics can also be obtained. Specific examples of the phosphate compound containing lithium and a transition metal element include, for example, a lithium iron phosphate compound (LiFePO4) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe1-vMnvPO4 (v <1)).
図5は負極22の積層前の構成を表したものである。負極22は、正極21と同様に、矩形状の被覆部22Cの一隅から、短冊片状のリード取付部22Dを延長した構成を有している。被覆部22Cでは、集電体22Aの両面に活物質層22Bが設けられている。リード取付部22Dは、活物質層22Bが設けられず集電体22Aが露出しており、負極リード12(図5では省略。図2参照。)が接合されている。なお、正極21のリード取付部21Dと、負極22のリード取付部22Dとは、電極積層体20において互いに重ならない位置に設けられている。
FIG. 5 shows the configuration of the
集電体22Aは、例えば、銅(Cu)箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
The
活物質層22Bは、例えば、負極活物質としてリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。 The active material layer 22B includes, for example, any one or more of negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a negative electrode active material, and a binder such as polyvinylidene fluoride as necessary. May be included.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,人造黒鉛,天然黒鉛などの炭素材料が挙げられる。このような炭素材料としては、例えば、難黒鉛化炭素,熱分解炭素類,コークス類,黒鉛類,ガラス状炭素繊維,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維,活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成し、炭素化したものをいう。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include carbon materials such as non-graphitizable carbon, artificial graphite, and natural graphite. Examples of such carbon materials include non-graphitizable carbon, pyrolytic carbons, cokes, graphites, glassy carbon fibers, organic polymer compound fired bodies, carbon fibers, activated carbon, and carbon blacks. Among these, coke includes pitch coke, needle coke, petroleum coke, and the like, and the organic polymer compound fired body is obtained by firing and carbonizing a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature. .
リチウムなどを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium and the like include materials capable of inserting and extracting lithium and including at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. It is done. This is because a high energy density can be obtained by using such a material. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included.
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えばリチウムと合金を形成可能なマグネシウム,ホウ素,アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ,鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛,ハフニウム(Hf),ジルコニウム,イットリウム(Y),パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of the metal element or metalloid element constituting the anode material include magnesium, boron, aluminum, gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), and tin that can form an alloy with lithium. , Lead (Pb), bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium (Y), palladium (Pd) or platinum (Pt). These may be crystalline or amorphous.
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、ポリアセチレンあるいはポリピロールなどの高分子化合物、または、酸化鉄,酸化ルテニウム,酸化モリブデン,酸化タングステンあるいは酸化チタンなどの酸化物や、またはこれら酸化物の酸素を窒素に置き換えた窒化物も挙げられる。 As a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, a polymer compound such as polyacetylene or polypyrrole, an oxide such as iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, or titanium oxide, or these A nitride obtained by replacing oxygen in the oxide with nitrogen is also included.
また、負極22は正極21よりも大きな寸法で形成されており、電極積層体20における積層方向Aから見て活物質層21Bの投影面が活物質層22Bの投影面の内側に収まるように、正極21および負極22の相対位置が調整されている。また、負極22側の活物質層22Bの単位面積あたりのリチウム吸蔵能力は、正極21側の活物質層21Bの単位面積あたりのリチウム放出能力を超えることのないように設定されている。
In addition, the
この電極積層体20では、積層方向Aの両端が負極22側の活物質層22Bとなっている。但し、これら両端の活物質層22Bは、正極21と対向しておらず電池反応には寄与するものではない。そして、この電極積層体20は、積層方向Aの両端面20A,20Bと、積層方向Aに平行な側面のうちリード取付部21D,22Dの延長方向に平行な側面20C,20Dとが導電性の外周被覆部材41で覆われている。
In this
すなわち、この電極積層体20では、外周被覆部材41が電極積層体20の両端の活物質層22Bと接して負極22に電気的に接続されており、あたかも負極が側面20C,20Dを覆った構造を有するものとなっている。これによりこの二次電池は、電極積層体20の側面方向から圧壊力がかかり正極21がセパレータ23を突き破った場合に、正極21と負極22とを短絡させ、急激な温度上昇を抑制する機能を有するものである。なお、ここでは、電極積層体20の両端に活物質層22Bが設けられているが、活物質層22Bがなく集電体22Aが外周被覆部材41と直接電気的に接続された構造となっていてもよい。
That is, in this
外周被覆部材41は、例えば負極22の集電体22Aと同一材料により形成されていることが好ましい。電位を安定させることができると共に、副反応が起こらず化学的安定性が高いからである。また、外周被覆部材41は、例えば、帯状であり、少なくとも1周巻きつけられると共にその終端部は保護テープ42で止められている。なお、側面20C,20Dにおいて、負極22の端部と外周被覆部材41とは接していてもよいし、隙間があいていてもよい。外周被覆部材41の厚みは、例えば20μm以上50μm以下であることが好ましい。薄いと熱拡散が十分でなく、厚いと高出力密度化および高エネルギー密度化が困難になるからである。
The outer
図6は、袋状セパレータ23で包まれた正極21の積層前の構成を表したものである。この袋状セパレータ23は、正極21よりも大きな2枚のセパレータ23Aの外縁部23B同士が、例えば四隅および四辺の中央の密着部23Cで、例えば熱融着により密着されたものである。各セパレータ23Aは、例えば、負極22の被覆部22Cと同じ大きさに形成されている。袋状セパレータ23は、正極21の被覆部21Cおよびリード取付部21Dの基端部分のみを包んでおり、リード取付部21Dの先端部分は袋状セパレータ23から突出した状態となっている。
FIG. 6 shows a configuration before lamination of the
このような袋状セパレータ23は、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
Such a bag-
また、袋状セパレータ23の厚みは、例えば15μm以上30μm以下であることが好ましい。薄いと正極21のエッジ部以外、例えばリード取付部21Dでショートが発生して電池が著しく高温になるおそれがあり、厚いと高出力密度化および高エネルギー密度化が困難になるからである。なお、ここで袋状セパレータ23の厚みとは、2枚のセパレータ23Aの合計厚みではなく、各セパレータ23Aの厚みをいう。
Moreover, it is preferable that the thickness of the bag-shaped
更に、袋状セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1, 2−ジメトキシエタン、1, 2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1, 3−ジオキソラン、4メチル1, 3ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。
Further, the bag-
リチウム塩としては、例えば、LiClO4 ,LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiB(C6 H5 )4 ,CH3 SO3 Li,CF3 SO3 Li,LiClあるいはLiBrが挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。
Examples of the lithium salt include LiClO 4, LiAsF 6, LiPF 6, LiBF 4, LiB (C 6 H 5) 4,
この二次電池は、例えば次のようにして製造することができる。 This secondary battery can be manufactured, for example, as follows.
まず、例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、N−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。次いで、正極合剤スラリーを集電体21Aの両面に塗布し乾燥させ、圧縮成型して活物質層21Bを形成する。このとき、活物質層21Bは、集電体21Aのうち被覆部21Cとなる部分のみに形成し、リード取付部21Dとなる部分は活物質層21Bを形成せず露出したままにする。また、活物質層21Bの塗布端の位置は、集電体21Aの両面で略同一線上となるようにする。続いて、集電体21Aを図4に示した形状に切断することにより、正極21を作製する。
First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, which is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a positive electrode mixture slurry. Next, the positive electrode mixture slurry is applied to both surfaces of the
また、例えば、負極活物質と結着剤とを混合して負極合剤を調製し、N−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。次いで、負極合剤スラリーを集電体22Aの両面に塗布し乾燥させ、圧縮成型して活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。このとき、正極21と同様に、活物質層22Bは、集電体22Aのうち被覆部22Cとなる部分のみに形成し、リード取付部22Dとなる部分は活物質層22Bを形成せず露出したままにする。また、活物質層22Bの塗布端の位置は、集電体22Aの両面で略同一線上となるようにする。続いて、集電体22Aを図5に示した形状に切断することにより、負極22を作製する。
Further, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, which is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a negative electrode mixture slurry. Next, the negative electrode mixture slurry is applied to both surfaces of the
なお、活物質層21Bおよび活物質層22Bを形成する際には、負極合剤の重量あたりのリチウム吸蔵能力、および正極合剤の重量あたりのリチウム放出能力を予め測定しておき、活物質層22Bの単位面積あたりのリチウム吸蔵能力が活物質層21Bの単位面積あたりのリチウム放出能力を超えることのないようにする。 When forming the active material layer 21B and the active material layer 22B, the lithium storage capacity per weight of the negative electrode mixture and the lithium release capacity per weight of the positive electrode mixture are measured in advance, and the active material layer The lithium storage capacity per unit area of 22B should not exceed the lithium release capacity per unit area of the active material layer 21B.
そののち、正極21よりも大きな2枚のセパレータ23Aの間に正極21を挟み、2枚のセパレータ23Aの外縁部23B同士を、例えば四隅および四辺の中央の密着部23Cで、例えば熱融着により密着する。これにより、図6に示したように正極21を袋状セパレータ23で包む。
After that, the
正極21を袋状セパレータ23で包んだのち、このように袋状セパレータ23で包まれた正極21を例えば3式と、例えば4枚の負極22とを用意し、これらを負極22,袋状セパレータ23で包まれた正極21,負極22,袋状セパレータ23で包まれた正極21,負極22,袋状セパレータ23で包まれた正極21,負極22の順に積層して電極積層体20を形成する。これにより、活物質層21B,袋状セパレータ23および活物質層22Bの基本積層単位を例えば6単位分内包する電極積層体20が形成され、その積層方向Aの両端には活物質層22Bが配置される。更に、電極積層体20を形成する際には、積層方向Aから見て、活物質層21Bの投影面が活物質層22Bの投影面の内側に収まるように、負極22と正極21との相対位置を調整する。
After the
電極積層体20を形成したのち、この電極積層体20に外周被覆部材41を少なくとも1周巻き付け、終端部を保護テープ42で止める。これにより、電極積層体20の積層方向Aの両端面20A,20Bと、側面20C,20Dとが外周被覆部材41で覆われる。続いて、正極21のリード取付部21Dに、3本同時に、正極リード11を例えば超音波溶接により接合する。また、同様にして、負極22のリード取付部22Dに、4本同時に、負極リード12を例えば超音波溶接により接合する。
After forming the
正極リード11および負極リード12を接合したのち、電解液を電極積層体20に含浸させ、外装部材31の間に電極積層体20を挟み込み、外装部材31の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード11,負極リード12と外装部材31との間には密着フィルム32を挿入する。これにより、図1に示した二次電池が完成する。
After the
この二次電池では、電極積層体20の側面20C,20Dに対して圧壊力がかかると、正極21が袋状セパレータ23を突き破り外周被覆部材41に接触し、その結果正極21と負極22とが電気的に短絡する。ここで、この外周被覆部材41は電極積層体20の外周全面を覆っているため、広範囲で短絡することとなる。よって、局所的に急激に電流が集中することがなく、急激な温度上昇を防止することができる。また、電極積層体20の両端面20A,20Bおよび側面20C,20Dが外周被覆部材41で覆われていることにより、熱拡散が良好になり、電池の温度上昇が更に抑えられる。
In this secondary battery, when a crushing force is applied to the side surfaces 20C and 20D of the
このように本実施の形態では、電極積層体20の積層方向Aの両端面20A,20Bだけでなく側面20C,20Dも含めて外周被覆部材41で覆うようにしたので、側面20C,20Dに圧壊力がかかった場合にも電池温度の急激な上昇を抑え、安全性を高めることができる。
As described above, in the present embodiment, since the outer
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail.
(実施例1〜3)
実施の形態において説明した二次電池を作製した。まず、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )42重量部と、リチウム・マンガン複合酸化物(LiMn2 O4 )42重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン4質量部と、導電剤である人造黒鉛2重量部とを混合して正極合剤を調製した。続いて、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み15μmの帯状アルミニウム箔よりなる集電体21Aの両面に塗布して乾燥させ、一定圧力で圧縮成型して活物質層21Bを形成した。このとき、活物質層21Bは、集電体21Aのうち被覆部21Cとなる部分のみに形成し、リード取付部21Dとなる部分は活物質層21Bを形成せず露出したままにした。また、活物質層21Bの塗布端の位置は、集電体21Aの両面で略同一線上となるようにした。続いて、集電体21Aを図4に示した形状に切断することにより、正極21を作製した。
(Examples 1-3)
The secondary battery described in the embodiment was manufactured. First, 42 parts by weight of lithium / cobalt composite oxide (LiCoO 2) as a positive electrode active material, 42 parts by weight of lithium / manganese composite oxide (LiMn 2 O 4), 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, A positive electrode mixture was prepared by mixing 2 parts by weight of artificial graphite as an agent. Subsequently, the positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a positive electrode mixture slurry, which was applied to both surfaces of a
また、負極活物質として、人造黒鉛90重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン10重量部とを混合して負極合剤を調製し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。この負極合剤スラリーを厚み15μmの帯状銅箔よりなる集電体22Aの両面に塗布して乾燥させたのち、一定圧力で圧縮成型して活物質層22Bを形成した。このとき、正極21と同様に、活物質層22Bは、集電体22Aのうち被覆部22Cとなる部分のみに形成し、リード取付部22Dとなる部分は活物質層22Bを形成せず露出したままにした。また、活物質層22Bの塗布端の位置は、集電体22Aの両面で略同一線上となるようにした。続いて、集電体22Aを図5に示した形状に切断することにより、負極22を作製した。
Further, as a negative electrode active material, 90 parts by weight of artificial graphite and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, which is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. Thus, a negative electrode mixture slurry was obtained. This negative electrode mixture slurry was applied to both surfaces of a
なお、活物質層21Bおよび活物質層22Bを形成する際には、負極合剤の重量あたりのリチウム吸蔵能力、および正極合剤の重量あたりのリチウム放出能力を予め測定しておき、活物質層22Bの単位面積あたりのリチウム吸蔵能力が活物質層21Bの単位面積あたりのリチウム放出能力を超えることのないようにした。 When forming the active material layer 21B and the active material layer 22B, the lithium storage capacity per weight of the negative electrode mixture and the lithium release capacity per weight of the positive electrode mixture are measured in advance, and the active material layer The lithium storage capacity per unit area of 22B was made not to exceed the lithium release capacity per unit area of the active material layer 21B.
そののち、ポリプロピレン製微多孔フィルムを、負極22の被覆部22Cと同じ大きさの矩形状に切断し、2枚のセパレータ23Aを形成した。この2枚のセパレータ23Aの間に正極21を挟み、外縁部23B同士を、四隅および四辺の中央の密着部23Cで、熱融着により密着した。これにより、図6に示したように正極21を袋状セパレータ23で包んだ。袋状セパレータ23の厚みは、実施例1および実施例2では25μm、実施例3では12μmとした。
After that, the polypropylene microporous film was cut into a rectangular shape having the same size as the covering portion 22C of the
正極21を袋状セパレータ23で包んだのち、このように袋状セパレータ23で包まれた正極21を3式と、4枚の負極22とを用意し、これらを負極22,袋状セパレータ23で包まれた正極21,負極22,袋状セパレータ23で包まれた正極21,負極22,袋状セパレータ23で包まれた正極21,負極22の順に積層して電極積層体20を形成した。これにより、活物質層21B,袋状セパレータ23および活物質層22Bの基本積層単位を6単位分内包する電極積層体20が形成され、その積層方向Aの両端には活物質層22Bが配置された。電極積層体20を形成する際には、積層方向Aから見て、活物質層21Bの投影面が活物質層22Bの投影面の内側に収まるように、負極22と正極21との相対位置を調整した。
After wrapping the
電極積層体20を形成したのち、この電極積層体20に、負極22の集電体22Aと同様に帯状銅箔よりなる外周被覆部材41を1周以上巻き付け、積層方向Aの両端面20A,20Bと、側面20C,20Dとを覆い、終端部をポリプロピレン製の保護テープ42で止めた。外周被覆部材41の厚みは、実施例1および実施例3では20μm、実施例2では15μmとした。
After the
外周被覆部材41を巻き付けたのち、正極21のリード取付部21Dに、3本同時に、アルミニウム製の正極リード11を超音波溶接により接合した。また、負極22のリード取付部22Dに、4本同時に、ニッケルよりなる負極リード12を超音波溶接により接合した。
After winding the outer
正極リード11および負極リード12を接合したのち、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの等容量混合溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1mol/l溶解させ、電解液を調製した。この電解液を電極積層体20に含浸させ、ラミネートフィルムよりなる外装部材31の間に電極積層体20を挟み込み、外装部材31の外縁部同士を熱融着などにより密着させて減圧下で封入した。その際、正極リード11,負極リード12を外装部材31の外部へ導出しつつ、これらと外装部材31との間には密着フィルム32を挿入した。以上の工程により、図1ないし図3に示した設計容量1Ahの二次電池を得た。
After joining the
また、比較例1として外周被覆部材41を設けなかったことを除き、更に、比較例2として電極積層体20の積層方向Aの両端面20A,20Bのみを外周被覆部材41で覆ったことを除き、他はそれぞれ実施例1と同様にして二次電池を作製した。
Further, except that the outer
得られた実施例および比較例の二次電池を各々10個ずつ準備し、それぞれの電池について保護回路を外した状態で、電池電圧が通常は保護回路により上昇することのない4.3Vとなるまで200mAにて定電流充電を行ったのち、充電電流値が10mAに減衰するまで4.3Vでの定電圧充電を行い、過充電状態とした。 Ten secondary batteries of the obtained examples and comparative examples were prepared, and the battery voltage normally became 4.3 V, which is not increased by the protection circuit, with the protection circuit removed for each battery. After carrying out constant current charging at 200 mA until, the constant voltage charging at 4.3 V was performed until the charging current value attenuated to 10 mA, and an overcharged state was obtained.
そののち、異常使用環境試験として平板圧壊試験を行った。その際、図7に示したように、電極積層体20の積層方向Aと直交する方向Bから平板50で圧壊を行い、各実施例および比較例において試験を行った10個中で最も温度が高くなった電池の最高温度(以下、試験時最高電池温度という。)を調べた。得られた結果を表1に示す。
After that, a flat plate crushing test was conducted as an abnormal use environment test. At that time, as shown in FIG. 7, the flat plate 50 was crushed from the direction B orthogonal to the stacking direction A of the
表1から分かるように、実施例1では、試験時最高電池温度が比較例1,2よりも低くなっており、異常環境における安全性が向上していた。すなわち、電極積層体20の積層方向Aの両端面20A,20Bと、側面20C,20Dとを外周被覆部材41で覆うようにすれば、積層方向Aと直交する方向Bから圧壊力がかかった場合に電池温度の上昇を抑え、安全性を高めることができることが分かった。
As can be seen from Table 1, in Example 1, the maximum battery temperature during the test was lower than in Comparative Examples 1 and 2, and the safety in abnormal environments was improved. That is, when both end faces 20A, 20B in the stacking direction A of the
また、外周被覆部材41の厚みを15μmとした実施例2では、20μmとした実施例1に比べて試験時最高温度が高くなっていた。これは、外周被覆部材41を薄くしたため熱拡散が十分でなかったからであると考えられる。すなわち、外周被覆部材41の厚みを20μm以上とすれば、電池温度の上昇を抑える効果を高めることができることが分かった。
Further, in Example 2 in which the thickness of the outer
同様に、袋状セパレータ23の厚みを12μmとした実施例3では、25μmとした実施例1よりも試験時最高温度が高くなっていた。これは、袋状セパレータ23が薄すぎたために、正極21のエッジ部以外、例えばリード取付部21Dでショートが発生して電池温度が上昇したからであると考えられる。すなわち、袋状セパレータ23の厚みを15μm以上とすれば、電池温度の上昇を十分に抑えることができることが分かった。
Similarly, in Example 3 in which the thickness of the bag-shaped
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電極積層体20の積層方向Aの両端面20A,20Bと、側面20C,20Dとを外周被覆部材41で覆うようにした場合について説明したが、側面20C,20D以外の側面も外周被覆部材で覆うようにしてもよい。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment and examples, the case where both end
また、例えば、上記実施の形態および実施例では、液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。 Further, for example, in the above-described embodiments and examples, the case where an electrolytic solution that is a liquid electrolyte is used has been described, but other electrolytes may be used instead of the electrolytic solution. Other electrolytes include, for example, a gel electrolyte in which an electrolyte is held in a polymer compound, a solid electrolyte having ionic conductivity, a mixture of a solid electrolyte and an electrolyte, or a solid electrolyte and a gel electrolyte. And a mixture thereof.
なお、ゲル状の電解質には電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子化合物を用いることができる。そのような高分子化合物としては、例えば、ポリビニリデンフルオロライドあるいはビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。 Note that various polymer compounds can be used for the gel electrolyte as long as it absorbs the electrolyte and gels. Examples of such a polymer compound include a fluorine-based polymer compound such as polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, an ether-based polymer such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide. A molecular compound, polyacrylonitrile, etc. are mentioned. In particular, a fluorine-based polymer compound is desirable from the viewpoint of redox stability.
固体電解質には、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた有機固体電解質、またはイオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質を用いることができる。このとき、高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または分子中に共重合させて用いることができる。また、無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを用いることができる。 As the solid electrolyte, for example, an organic solid electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, or an inorganic solid electrolyte made of ion conductive glass or ionic crystals can be used. At this time, as the polymer compound, for example, an ether polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, an ester polymer compound such as polymethacrylate, an acrylate polymer compound alone or mixed, Alternatively, it can be used by copolymerizing in the molecule. As the inorganic solid electrolyte, lithium nitride, lithium iodide, or the like can be used.
また、上記実施の形態および実施例では、積層構造をラミネートフィルムよりなる外装部材31の内部に備えた電池について説明したが、本発明は、積層構造を備えた電池であればいずれも適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。
Moreover, in the said embodiment and Example, although the laminated structure was demonstrated about the battery provided in the inside of the
更にまた、上記実施の形態および実施例では、正極21、負極22あるいは電解質などの各構成要素を構成する材料について一例を挙げて説明したが、他の材料を用いるようにしてもよい。加えて、上記実施の形態および実施例では、いわゆるリチウムイオン二次電池について説明したが、本発明は他の電極反応を利用した電池についても同様に適用することができる。他の電池としては、例えば、負極においてリチウムの析出・溶解を利用するいわゆるリチウム金属電池、あるいは負極においてリチウムの吸蔵・放出および析出・溶解を利用し、負極の容量がリチウムの吸蔵・放出による容量成分と、析出・溶解による容量成分との和で表される電池である。また、電極反応物質としてリチウム以外の他の軽金属、例えばナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの長周期型周期表における他の1族の元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの長周期型周期表における2族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属を用いた電池も挙げられる。
Furthermore, in the above-described embodiments and examples, the material constituting each constituent element such as the
11…正極リード、12…負極リード、20…電極積層体、21…正極、21A…集電体、21B…活物質層、21C,22C…被覆部、21D,22D…リード取付部、22…負極、22A…集電体、22B…活物質層、23…袋状セパレータ,23A…セパレータ、23B…外縁部、23C…密着部、31…外装部材、32…密着フィルム、41…外周被覆部材、42…保護テープ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記両端の負極に接し、前記電極積層体の積層方向の両端面と、積層方向に平行な側面とを覆う導電性の外周被覆部材と、
前記電極積層体および前記外周被覆部材を収容するフィルム状の外装部材と
を備えた電池。 An electrode laminate in which negative electrodes and positive electrodes wrapped in bag-like separators are alternately stacked and negative electrodes are arranged at both ends in the stacking direction;
Contact with the negative electrode of said end, and both end surfaces in the laminating direction of the electrode stack, and the outer covering member of the conductive covering the parallel side faces in the stacking direction,
Batteries comprising a film package member for accommodating the electrode stack and the outer peripheral cover member.
請求項1記載の電池。 The peripheral covering member, that is formed by the current collector and the same material of the negative electrode
請 Motomeko 1 battery described.
請求項1記載の電池。 The bag-like separator, the outer edges of the large two separators than the positive electrode, Ru der those in close contact with at least a portion
請 Motomeko 1 battery described.
請求項1記載の電池。 The thickness of the bag-like separator Ru der than 30μm below 15μm
請 Motomeko 1 battery described.
請求項1記載の電池。 The thickness of the outer peripheral cover member Ru der than 50μm below 20μm
請 Motomeko 1 battery described.
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