JP4806270B2

JP4806270B2 - 角形電池

Info

Publication number: JP4806270B2
Application number: JP2006043643A
Authority: JP
Inventors: 康弘山内; 直哉中西; 俊之能間
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: KR20070083415A; US20070196729A1; US7597995B2; CN101026233A; KR101304108B1; JP2007226989A

Description

本発明は、リチウムイオン電池やアルカリ電池などの角形電池に係り、特に、一方の端部に正極芯体露出部が形成され、他方の端部に負極芯体露出部が形成された電極群が直方体状の金属製外装缶内に収容された角形電池に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン、小型ビデオカメラ等の携帯用電子・通信機器等に用いられる電源、あるいはハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の電源として、エネルギー密度（Ｗｈ／Ｋｇ）の高いリチウム二次電池が開発されており、その中でも体積エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）の高い角形電池が注目されている。

この種の角形電池は、例えば、特許文献１などに示されており、以下のようにして作製されるのが一般的である。即ち、まず、正極芯体（通常は、アルミニウム箔）に正極活物質を含有する正極合剤を塗布して帯状正極板を作製するとともに、負極芯体（通常は、銅箔）に負極活物質を含有する負極合剤を塗布して帯状負極板を作製する。この後、得られた帯状正極板と帯状負極板を帯状セパレータを介して相対向させて積層した後、これらを巻回して扁平状電極群とし、これを直方体状の金属製外装缶（通常は、アルミニウム製）内に収容して、非水電解液を注液して角形電池としている。

上述のように作製される扁平状電極群２０においては、例えば、図５に示されるように、一方の端部に正極板から延出した正極芯体露出部（正極合剤の未塗布部）２１ａが形成されているとともに、他方の端部に負極板から延出した負極芯体露出部（負極合剤の未塗布部）２１ｂが形成されている。また、正極芯体露出部２１ａの側面に正極集電体２２が溶接されているとともに、負極芯体露出部２１ｂの側面に負極集電体２３が溶接されており、正極集電体２２に正極リード２２ａが溶接され、負極集電体２３に負極リード２３ａが溶接される。

そして、正極集電体２２の側部に絶縁部材２４を配置し、負極集電体２３の側部に絶縁部材２５を配置した後、正極リード２２ａおよび負極リード２３ａが溶接された扁平状電極群２０を直方体状の金属製外装缶２７内に収容する。この後、正極リード２２ａを封口板２６の正極端子部２６ａの下端部に溶接するとともに、負極リード２３ａを負極端子部２６ｂの下端部に溶接する。ついで、金属製外装缶２７の開口部に封口板２６を溶接した後、封口板２６に形成された注液孔２６ｃから所定の電解液を注液し、注液孔２６ｃを注液栓よって封止することにより角形電池が製造される。なお、封口板２６にはガス排出弁２６ｄが設けられている。
特開２００４−３０３５００号公報

ところで、上述した特許文献１にて提案された角形電池においては、扁平状電極群２０の両端部には正極芯体露出部２１ａおよび負極芯体露出部２１ｂが露出している。このため、金属製外装缶２７を介したこれらの両露出部２１ａ，２１ｂ間の内部短絡の発生を防止するためには、扁平状電極群２０の厚み方向の側面と金属製外装缶２７の厚み方向の内壁面との間にクリアランスを設ける必要がある。ところが、扁平状電極群２０の厚み方向の側面と金属製外装缶５７の厚み方向の内壁面との間に、内部短絡の発生を防止できるだけのクリアランスを設けるようにすると、電池にとって余分な空間を設けなければならないため、体積エネルギー密度が低下するという新たな問題を生じた。

また、正極集電体２２の側部に絶縁部材２４を配置し、負極集電体２３の側部に絶縁部材２５を配置するだけであるので、電池が落下する等により扁平状電極群２０が移動した場合に、正極芯体露出部２１ａおよび負極芯体露出部２１ｂが金属製外装缶２７に接触して、内部短絡が発生するという恐れも生じた。この場合、絶縁部材２４や絶縁部材２５の外周面も含めて扁平状電極群２０の外周面や金属製外装缶２７の内面に絶縁樹脂テープなどを貼着するようにすれば、内部短絡の発生を防止できるようになる。

しかしながら、絶縁樹脂テープの機械的強度は小さいため、このような絶縁樹脂テープが貼着された扁平状電極群２０を金属製外装缶２７内に挿入する際に、外装缶２７の開口部に扁平状電極群２０が接触することにより、絶縁樹脂テープの破断等の損傷が生じるという問題も生じた。また、絶縁樹脂テープの貼着箇所が多くなると、工程数も増大するという問題も生じた。この場合、正極芯体露出部２１ａを含む正極集電体２２の側部および負極芯体露出部２１ｂを含む負極集電体２３の側部を樹脂成形品により被覆することも考えられるが、樹脂成形品は大型になるため、部品コストが上昇するとともに、厚みを薄くすることが困難であるため、体積エネルギー密度も低下するようになる。

そこで、本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、構造が簡単で、しかも製造も容易な絶縁被覆部材を用いて、電極群の両端部を被覆するようにして、体積エネルギー密度が低下することなく、かつ内部短絡の発生も防止できる角形電池を提供することを目的とする。

本発明の角形電池は、一方の端部に正極芯体露出部が形成され、他方の端部に負極芯体露出部が形成された電極群が直方体状の金属製外装缶内に収容されている。そして、上記目的を達成するため、正極芯体露出部および負極芯体露出部は束ねられてそれぞれ正極集電体およびに負極集電体に溶接されているとともに、正極芯体露出部および正極集電体ならびに負極芯体露出部および負極集電体は樹脂製シートから形成された断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体により被覆されていることを特徴とする。

このように、正極芯体露出部および正極集電体ならびに負極芯体露出部および負極集電体は断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体により被覆されていると、この絶縁枠体により電極群の周囲部が保護されるため、金属製外装缶内に挿入する際に電極群が損傷することが防止できるようになる。これにより、内部短絡の発生も防止できるようになる。この場合、絶縁枠体は樹脂製シートから形成されているので、薄型化が可能となる。このため、余分な空間を設ける必要がないので、体積エネルギー密度が向上する。

また、絶縁枠体は樹脂製シートの長手方向に対して垂直方向に形成された２つの第１折目線に沿って略コ字状折り曲げられているとともに、樹脂製シートの長手方向に形成された２つの第２折目線に沿って断面形状が略コ字状折り曲げられて形成されているだけであ
るので、構造が簡単で、製造も容易となるので、この種の絶縁枠体が安価になる。なお、このような絶縁枠体を形成する樹脂製シートとしては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、ナイロンから選択された樹脂のシート状体であるのが望ましい。

上述したように、本発明の角形電池においては、樹脂製シートから形成された断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体を電極群の周囲に備えているので、体積エネルギー密度が低下することなく、かつ内部短絡の発生も防止できる角形電池を提供することが可能となる。

ついで、本発明の実施の形態を以下の図１〜図４に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は本発明の電極群を模式的に示す側面図であり、図１（ａ）は電極群の上部に封口板を溶接した状態を模式的に示す側面図であり、図１（ｂ）は正極集電体を模式的に示す平面図であり、図１（ｃ）は負極集電体を模式的に示す平面図である。図２は本発明の絶縁枠体を模式的に示す図である。
また、図２（ａ）はシート状体を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のシート状体を折り曲げて形成した絶縁枠体を模式的に示す斜視図である。図３は、図１（ａ）の上部に封口板が溶接された電極群を図２の絶縁枠体に挿入する状態を模式的に示す側面図である。図４は、周囲に絶縁枠体が装着された上部に封口板が溶接された電極群を外装缶内に挿入する状態を模式的に示す側面図である。

１．正極板
正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）粉末９４質量％と、導電剤としてのアセチレンブラックあるいはグラファイトなどの炭素系粉末３質量％とを混合して正極合剤を調製した。この正極合剤と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）からなる結着剤３質量％をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）からなる有機溶剤に溶解した結着剤溶液とを混練して、正極活物質スラリーを調製した。なお、正極活物質としては上述したＬｉＣｏＯ₂以外に、Ｌｉ_xＭＯ₂（但し、ＭはＣｏ，Ｎｉ，Ｍｎの少なくとも１種で、０．４５≦ｘ≦１．２０）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物、例えば、ＬｉＮｉＯ₂，ＬｉＮｉ_yＣｏ_1-yＯ₂（但し、０．０１≦ｙ≦０．９９），Ｌｉ_0.5ＭｎＯ₂，ＬｉＭｎＯ₂などの１種単独、もしくは複数種を混合して用いるようにしてもよい。

ついで、アルミニウム箔（例えば、厚みが２０μｍのもの）からなる正極芯体を用意し、上述のように作製した正極活物質スラリーを正極芯体の片面に均一に塗布して、正極合剤層を形成した。この場合、正極合剤層の端部に所定幅（ここで、１０ｍｍとした）の正極芯体露出部（正極活物質スラリーの未塗布部）１１（図１参照）が形成されるように塗布した。この後、乾燥機中を通過させて、スラリー作製時に必要であった有機溶剤（ＮＭＰ）を除去して乾燥させた。乾燥後、ロールプレス機により厚みが０．０６ｍｍになるまで圧延して帯状正極板を作製した。このようにして作製した帯状正極板を、幅が９６ｍｍとなる短冊状に切り出し、幅が１０ｍｍの帯状の正極芯体露出部１１を設けた正極板を得た。

２．負極板
負極活物質としての天然黒鉛粉末９８質量％と、結着剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）をそれぞれ１質量％ずつ混合し、水を加えて混練して負極活物質スラリーを調製した。なお、負極活物質としては上述した天然黒鉛以外に、リチウムイオンを吸蔵・脱離し得るカーボン系材料、例えば、人造黒鉛、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、またはこれらの焼成体等を用いてもよいし、金属リチウム、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−鉛合金、リチウム−錫合金等のリチウム合金、ＳｎＯ₂、ＳｎＯ、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₃等の電位が正極活物質に比べて卑な金属酸化物を用いてもよい。

ついで、銅箔（例えば、厚みが１２μｍのもの）からなる負極芯体を用意し、上述のように作製した負極活物質スラリーを負極芯体の片面に均一に塗布して、負極合剤層を形成した。この場合、負極合剤層の端部に所定幅（ここで、８ｍｍとした）の負極芯体露出部（負極活物質スラリーの未塗布部）１２（図１参照）が形成されるように塗布した。この後、乾燥機中を通過させて乾燥させた。乾燥後、ロールプレス機により厚みが０．０５ｍｍになるまで圧延して帯状負極板を作製した。このようにして作製した帯状負極板を、幅が９８ｍｍとなる短冊状に切り出し、幅が８ｍｍの帯状の負極芯体露出部１２を設けた負極板を得た。

３．扁平状電極群
ついで、上述のようにして作製した正極板と負極板とを用意し、これらの間にポリエチレン−ポリプロピレン−ポリエチレンの３層構造の微多孔膜（厚みが０．０３０ｍｍで、幅が１００ｍｍのもの）からなる帯状セパレータを介在させ、かつ、これらの幅方向の中心線が一致するように重ね合わせた。この後、巻取機によりこれらを渦巻状に巻回した後、最外周をテープ止めして渦巻状電極群とした。ついで、これを横断面形状が扁平状になるように押しつぶして扁平状電極群１０を作製した。なお、このようにして作製された扁平状電極群１０においては、その一端部（図１の扁平状電極群１０の右側）には正極芯体露出部１１が形成されており、その他端部（図１の扁平状電極群１０の左側）には負極芯体露出部１２が形成されている。

この後、図１（ｂ）に示すように、長方形状の本体部１３ａの下部両側に膨出部１３ｂ，１３ｂを備えたアルミニウム製の正極集電体１３を用意するとともに、長方形状の本体部１４ａの下部両側に膨出部１４ｂ，１４ｂを備えたニッケルメッキが施されたアルミニウム製の負極集電体１４を用意する。ついで、扁平状電極群１０の一端部の正極芯体露出部１１に正極集電体１３の本体部１３ａを押し当てた状態で、膨出部１３ｂ，１３ｂを折り曲げて正極芯体露出部１１の両側面に膨出部１３ｂ，１３ｂ加圧し、膨出部１３ｂ，１３ｂにレーザ光を照射して正極芯体露出部１１と膨出部１３ｂ，１３ｂとをレーザ溶接した。これにより、膨出部１３ｂ，１３ｂにレーザ溶接部１３ｃが形成されることとなる。

また、扁平状電極群１０の一端部の負極芯体露出部１２に負極集電体１４の本体部１４ａを押し当てた状態で、膨出部１４ｂ，１４ｂを折り曲げて負極芯体露出部１２の両側面に膨出部１４ｂ，１４ｂ加圧し、膨出部１４ｂ，１４ｂにレーザ光を照射して負極芯体露出部１２と膨出部１４ｂ，１４ｂとをレーザ溶接した。これにより、膨出部１４ｂ，１４ｂにレーザ溶接部１４ｃが形成されることとなる。

ついで、正極端子部１５ａと、負極端子部１５ｂとを備えるとともに注液孔やガス排気弁（図示せず）を備えた封口板１５を用意する。この後、正極集電体１３の本体部１３ａの上端部を折り曲げて正極端子部１５ａの下端部に溶接するとともに、負極集電体１４の本体部１４ａの上端部を折り曲げて負極端子部１５ｂの下端部に溶接することにより、扁平状電極群１０の上部に封口板１５を配設した。なお、封口板１５と正極端子部１５ａとの間は樹脂製絶縁体１５ｃで絶縁されているとともに、封口板１５と負極端子部１５ｂとの間も樹脂製絶縁体１５ｄで絶縁されている

４．絶縁枠体
ここで、図２（ａ）に示すように、長方形状で相対向する２対のＶ字状切欠部１６ａ，１６ａおよび１６ａ，１６ａが長辺側に形成されたポリプロピレン（ＰＰ）製のシート状体１６を用意する。ここで、これらの相対向するＶ字状切欠部１６ａ，１６ａ間には一対の第１のミシン目１６ｂ，１６ｂが形成されており、Ｖ字状切欠部１６ａ，１６ａの端部間を結ぶように直線上の一対の第２のミシン目１６ｃ，１６ｃが形成されている。この場合、第１のミシン目１６ｂ，１６ｂ間の長さＸは、扁平状電極群１０の底辺部の長さｘよりも若干長くなるように形成されているとともに、第１のミシン目１６ｂから端部までの長さＹは、扁平状電極群１０の底辺部から封口板１５の下面までの長さｙよりも若干短くなるように形成されている。

このようなシート状体１６を、まず、第２のミシン目１６ｃ，１６ｃに沿ってそれぞれ内側に９０°の角度で折り曲げる。ついで、第２のミシン目１６ｃ，１６ｃに沿って折り曲げられたものを、第１のミシン目１６ｂ，１６ｂに沿ってそれぞれ内側に９０°の角度で折り曲げる。これにより、図２（ｂ）に示すように、断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体１６が形成されることとなる。この場合、シート状体１６の材質としては、上述したポリプロピレン（ＰＰ）以外に、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、ナイロンから選択して用いるようにすればよい。

５．角形非水電解液二次電池
ついで、上述のように形成された断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体１６の枠がない部分から、上部に封口板１５が配設された扁平状電極群１０を断面形状がコ字状の枠に沿って挿入する。これにより、正極芯体露出部１１および正極集電体１３ならびに負極芯体露出部１２および負極集電体１４は断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体１６により被覆され、この絶縁枠体１６により扁平状電極群１０の周囲部が保護されるようになる。

ついで、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を３：７の容積比で混合した混合溶媒に、電解質としてＬｉＰＦ₆を１モル／リットルの割合で溶解させて非水電解液を調製した。この後、アルミニウム製の角形外装缶１７を用意し、この外装缶１７の開口部から、絶縁枠体１６により周囲部が保護され、上部に封口板１５が配設された扁平状電極群１０を挿入する。ついで、外装缶１７と封口板１５との接触部を溶接して密閉した後、上述のように調製した非水電解液を封口板１５に形成された注液孔から注液し、注液孔に液口栓により封止することにより、角形非水電解液二次電池が作製される。

なお、電解質としては、上述した六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）以外に、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄）、六フッ化珪酸リチウム（ＬｉＡｓＦ₆）、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂）などのリチウム塩を用いるようにしてもよい。また、有機溶媒に対する溶解量としては、１モル／リットルに限らず、０．５〜２．０モル／リットルとするのが好ましい。

上述したように、本発明においては、正極芯体露出部１１および正極集電体１３ならびに負極芯体露出部１２および負極集電体１４は断面形状がコ字状で外形形状がコ字状の絶縁枠体１６により被覆されている。これにより、この絶縁枠体１６により扁平状電極群１０の周囲部が保護されるため、金属製外装缶１７内に挿入する際に扁平状電極群１０が損傷することが防止できるようになる。この結果、内部短絡の発生も防止できるようになる。そして、絶縁枠体１６は樹脂製シートから形成されているので、薄型化が可能になるとともに、金属製外装缶１７内に余分な空間を設ける必要がないので、体積エネルギー密度が向上した非水電解液二次電池が得られる。

なお、上述した実施の形態においては、本発明を非水電解液二次電池に適用する例について説明したが、本発明の角形電池は、非水電解液二次電池に限らず、一方の端部に正極芯体露出部が形成され、他方の端部に負極芯体露出部が形成された電極群が直方体状の金属製外装缶内に収容された角形電池であれば、ニッケル−水素蓄電、ニッケル−カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池やその他の蓄電池に適用できることは明らかである。また、上述した実施の形態においては、渦巻状電極群を押しつぶして扁平状電極群とした電極群を用いる例について説明したが、電極群としは扁平状であれば本発明を適用することが可能であり、例えば、平板状の正・負極板をセパレータを介して積層した電極群などを適用できることも明らかである。

本発明の扁平状電極群を模式的に示す側面図であり、図１（ａ）は扁平状電極群の上部に封口板を溶接した状態を模式的に示す側面図であり、図１（ｂ）は正極集電体を模式的に示す平面図であり、図１（ｃ）は負極集電体を模式的に示す平面図である。本発明の絶縁枠体を模式的に示す図であり、図２（ａ）はシート状体を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のシート状体を折り曲げて形成した絶縁枠体を模式的に示す斜視図である。図１（ａ）の上部に封口板が溶接された扁平状電極群を図２の絶縁枠体に挿入する状態を模式的に示す側面図である。周囲に絶縁枠体が装着された上部に封口板が溶接された扁平状電極群を外装缶内に挿入する状態を模式的に示す側面図である。従来例の扁平状電極群を備えた角形電池を模式的に示す分解斜視図である。

符号の説明

１０…扁平状電極群、１１…正極芯体露出部、１２…負極芯体露出部、１３…正極集電体、１３ａ…本体部、１３ｂ…膨出部、１３ｃ…レーザ溶接部、１４…負極集電体、１４ａ…本体部、１４ｂ…膨出部、１４ｃ…レーザ溶接部、１５…封口板、１５ａ…正極端子部、１５ｂ…負極端子部、１５ｃ…樹脂製絶縁体、１５ｄ…樹脂製絶縁体、１６…シート状体（絶縁枠体）、１６ａ…Ｖ字状切欠部、１６ｂ…ミシン目、１６ｃ…ミシン目、１７…角形外装缶

Claims

一方の端部に正極芯体露出部が形成され、他方の端部に負極芯体露出部が形成された電極群が直方体状の金属製外装缶内に収容された角形電池であって、
前記正極芯体露出部および前記負極芯体露出部は束ねられてそれぞれ正極集電体およびに負極集電体に溶接されているとともに、
前記正極芯体露出部および前記正極集電体ならびに前記負極芯体露出部および前記負極集電体は樹脂製シートから形成された断面形状がコ字状でかつ外形形状がコ字状の絶縁枠体により被覆されていることを特徴とする角形電池。
前記樹脂製シートから形成された絶縁枠体は、当該樹脂製シートの長手方向に対して垂直方向に形成された２つの第１折目線に沿って略コ字状に折り曲げられているとともに、当該樹脂製シートの長手方向に形成された２つの第２折目線に沿って断面形状が略コ字状に折り曲げられて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の角形電池。
前記樹脂製シートは、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、ナイロンから選択された樹脂のシート状体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の角形電池。