JP4826245B2 - Winding type secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は捲回式二次電池に係り、特に、集電体に合剤をそれぞれ塗着した正負極板が軸芯の外側に捲回された電極群を有する捲回式二次電池に関する。 The present invention relates to a wound secondary battery, and more particularly, to a wound secondary battery having an electrode group in which positive and negative electrode plates each coated with a mixture are wound on the outside of a shaft core.
従来、集電体に合剤をそれぞれ塗着した正負極板が捲回された電極群を有する捲回式二次電池は、さまざまな用途で使用されている。中でも、捲回式リチウム二次電池は、高エネルギー密度であるメリットを活かして、主にVTRカメラやノート型パソコン、携帯電話等のポータブル機器に使用されている。一方、電気自動車用や電力貯蔵用として高容量、高出力、更には高出力密度を目的とする大型の捲回式リチウム二次電池の研究開発が活発に行われている。特に、自動車産業界においては、環境問題に対応すべく、動力源としてモータのみを用いる方式の電気自動車や内燃機関とモータとの両方を用いるハイブリッド方式の電気自動車の開発が進められており、その一部は既に実用化されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a wound secondary battery having an electrode group in which positive and negative electrode plates each having a mixture coated on a current collector are wound has been used in various applications. Among these, wound lithium secondary batteries are mainly used in portable devices such as VTR cameras, notebook computers, and mobile phones, taking advantage of the high energy density. On the other hand, research and development of large wound lithium secondary batteries for high capacity, high output, and high output density for electric vehicles and power storage are being actively conducted. In particular, in the automobile industry, development of electric vehicles using only a motor as a power source and hybrid electric vehicles using both an internal combustion engine and a motor is underway in order to deal with environmental problems. Some have already been put to practical use.
一般に、小型の捲回式リチウム二次電池では、電極群の捲回中心に軸芯は使用されていない。ところが、大型の捲回式リチウム二次電池では、電極面積の大型化が図られているため、電極群が大きくなると共に、安全性を確保するために安全機構等が配置されるので、電池全体が非常に重くなる。これに伴い、電池にかかる振動、衝撃等が電極群に及ぼす影響が大きくなるため、電極群を固定しておくことが重要となる。電極群の固定には、例えば、中空状の軸芯を用いる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この技術では、軸芯が中空状のため、電極群の軽量化を図ることができる。また、電極群の作製時には、軸芯の中空部分に捲回装置の捲回軸を挿入することで、軸芯の外側に正負極板をトルクをかけながら捲回することができ正負極板の捲きズレを抑制することができる。更に、軸芯の中空部分から電解液を注液することで、電解液に電極群を容易に浸潤させることもできる。 In general, in a small wound lithium secondary battery, an axis is not used at the winding center of an electrode group. However, in a large-sized wound lithium secondary battery, since the electrode area is increased, the electrode group becomes larger, and a safety mechanism or the like is arranged to ensure safety. Becomes very heavy. As a result, the influence of vibration, impact, etc. on the battery on the electrode group increases, so it is important to fix the electrode group. For example, a technique using a hollow shaft core is disclosed for fixing the electrode group (see, for example, Patent Document 1). In this technique, since the shaft core is hollow, the weight of the electrode group can be reduced. Moreover, when the electrode group is manufactured, the positive and negative electrode plates can be wound while applying torque to the outside of the shaft core by inserting the winding shaft of the winding device into the hollow portion of the shaft core. Dispersion can be suppressed. Furthermore, by injecting the electrolytic solution from the hollow portion of the shaft core, the electrode group can be easily infiltrated into the electrolytic solution.
しかしながら、中空状の軸芯を用いた捲回式リチウム二次電池が外部からの圧力で一定量以上変形した場合には、電極群の変形と軸芯の変形とが併行して起こる。このため、電極群の変形に伴い軸芯がつぶれるので、つぶれた軸芯のエッジがセパレータ及び正負極板を切断し短絡が発生する。この短絡箇所では、正負極板が、折り曲げられた状態又は切断された状態でセパレータを貫通して対極に突き刺さるため、突き刺さった部分の合剤が滑落し集電体同士が接触する。このため、短絡箇所の抵抗が小さくなり、また、捲回式リチウム二次電池が高容量、高出力であることから、短絡箇所に大電流が流れて発熱し温度が上昇する。この結果、電池構成物質の蒸発(気化)や熱分解によるガス化を連鎖的に起こすため、内圧が加速度的に上昇する、という問題がある。 However, when a wound lithium secondary battery using a hollow shaft core is deformed by a certain amount or more by external pressure, the electrode group and the shaft core are deformed in parallel. For this reason, the shaft core is crushed along with the deformation of the electrode group, so that the edge of the crushed shaft core cuts the separator and the positive and negative electrode plates to cause a short circuit. At this short-circuited location, the positive and negative electrode plates penetrate the separator and stab into the counter electrode in a folded or cut state, so that the mixture at the stabbed portion slides down and the current collectors come into contact with each other. For this reason, the resistance of the short-circuited portion is reduced, and since the wound lithium secondary battery has a high capacity and a high output, a large current flows through the short-circuited portion to generate heat and the temperature rises. As a result, there is a problem that the internal pressure rises at an accelerated rate because the vaporization (vaporization) of the battery constituent material and gasification due to thermal decomposition occur in a chained manner.
本発明は上記事案に鑑み、外部からの圧力により電池が変形する電池異常時の挙動を穏やかにすることができる捲回式二次電池を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a wound type secondary battery that can moderate the behavior at the time of battery abnormality in which the battery deforms due to external pressure.
上記課題を解決するため、本発明は、集電体に合剤をそれぞれ塗着した正負極板が軸芯の外側に捲回された電極群を有する捲回式二次電池において、前記軸芯は、円形又は非円形の中空部が形成された円管状であり、前記軸芯の中空部には、該中空部の横断面積より小さい横断面積を有し、かつ、前記軸芯の剛性と等しいか又はその剛性より大きい剛性を有する支持部材が前記軸芯の長さ全体に亘るように挿入されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a wound secondary battery having an electrode group in which positive and negative electrode plates each coated with a mixture are wound on the outside of the shaft core. Is a circular tube formed with a circular or non-circular hollow portion, and the hollow portion of the shaft core has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the hollow portion and is equal to the rigidity of the shaft core. Or a support member having a rigidity larger than that of the shaft core is inserted over the entire length of the shaft core .
本発明の捲回式二次電池では、支持部材の横断面積が軸芯の中空部の横断面積より小さいため、支持部材の軸芯への挿入を容易に行うことができ、軸芯の中空部に、軸芯の剛性と等しいか又はその剛性より大きい剛性を有する支持部材が軸芯の長さ全体に亘るように挿入されているため、軸芯の長さのほぼ全体が支持部材で占められるので、外部からの圧力で変形しても、軸芯が支持部材で支持され軸芯の破損が抑制されることから、軸芯の破損に伴って集電体同士の接触による短絡が抑制されるので、電池異常時の挙動を穏やかにすることができる。 In the wound secondary battery of the present invention, since the cross-sectional area of the support member is smaller than the cross-sectional area of the hollow portion of the shaft core, the support member can be easily inserted into the shaft core. In addition, since the support member having rigidity equal to or greater than the rigidity of the shaft core is inserted over the entire length of the shaft core, almost the entire length of the shaft core is occupied by the support member. Therefore, even if it is deformed by pressure from the outside, the shaft core is supported by the support member and the shaft core is prevented from being damaged, so that the short circuit due to the contact between the current collectors is suppressed along with the shaft core being damaged. Therefore, the behavior when the battery is abnormal can be made gentle.
この場合において、支持部材を合成樹脂又は金属としてもよい。また、支持部材を中実棒状とすれば、支持部材の内部に空間が形成されていないので、外部からの圧力が増大しても軸芯を支持することができる。更に、支持部材の外周面が軸芯の内周面に沿う形状を有していれば、軸芯の中空部のほぼ全体に支持部材が配されるので、外部のいずれの方向らの圧力に対しても軸芯を支持することができる。 In this case, the support member may be a synthetic resin or a metal. Further, if the support member is a solid rod, no space is formed inside the support member, so that the shaft core can be supported even when the pressure from the outside increases. Furthermore, if the outer peripheral surface of the support member has a shape along the inner peripheral surface of the shaft core, the support member is disposed on almost the entire hollow portion of the shaft core. Ru can be used to support the axis also for.
本発明によれば、支持部材の横断面積が軸芯の中空部の横断面積より小さいため、支持部材の軸芯への挿入を容易に行うことができ、軸芯の中空部に、軸芯の剛性と等しいか又はその剛性より大きい剛性を有する支持部材が軸芯の長さ全体に亘るように挿入されているため、軸芯の長さのほぼ全体が支持部材で占められるので、外部からの圧力で変形しても、軸芯が支持部材で支持され軸芯の破損が抑制されることから、集電体同士の接触による短絡が抑制されるので、電池異常時の挙動を穏やかにすることができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, since the cross-sectional area of the support member is smaller than the cross-sectional area of the hollow portion of the shaft core, the support member can be easily inserted into the shaft core. Since the support member having a rigidity equal to or greater than the rigidity is inserted so as to extend over the entire length of the shaft core, almost the entire length of the shaft core is occupied by the support member . Even if it is deformed by pressure, the shaft core is supported by the support member and damage to the shaft core is suppressed, so short-circuiting due to contact between current collectors is suppressed, so the behavior during battery abnormalities is moderated The effect of being able to be obtained can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明を適用した円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。 Embodiments of a cylindrical lithium ion secondary battery to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
(構成)
図1に示すように、本実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池20は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状であり、底部に内圧上昇時に作動する開裂溝(安全機構)が形成された電池容器7及び帯状の正負極板がセパレータを介して断面渦巻状に捲回された電極群6を有している。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, a cylindrical lithium ion
電極群6の捲回中心には、ポリプロピレン樹脂製で中空円筒状の軸芯1が使用されている。軸芯1の中空部には、ポリプロピレン樹脂製で中実(略円柱状)の支持部材としての棒状部材21が挿入されている。本例では、軸芯1の寸法は、外径9mm、内径7mm、高さ114.3mmに設定されており、棒状部材21の寸法は、直径6.5mm、高さ114mmに設定されている。図2に示すように、棒状部材21の外周面は、軸芯1の内周面に沿って配置されており、棒状部材21の外周面及び軸芯1の内周面間には間隙が形成されている。このため、棒状部材21の横断面積S1は、軸芯1の中空部の横断面積S2より小さくなる。棒状部材21及び軸芯1に同じ材質を用いても、棒状部材21の直径が軸芯1の内径より小さいため、棒状部材21の剛性が軸芯1の剛性より大きくなる。
A hollow
図1に示すように、電極群6の上側には、軸芯1のほぼ延長線上に正極板からの電位を集電するためのアルミニウム製の正極集電リング4が配置されている。正極集電リング4は、軸芯1の上端部に固定されている。正極集電リング4の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極リード片2の端部が超音波溶接で接合されている。正極集電リング4の上方には、正極外部端子となる円盤状の電池蓋が配置されている。電池蓋は、蓋ケース12と、蓋キャップ13と、気密を保つ弁押え14と、内圧上昇により開裂する開裂弁11とで構成されており、これらが積層されて蓋ケース12の周縁をカシメ固定することで組立てられている。正極集電リング4の上部には複数枚のアルミニウム製リボンを重ね合わせて構成した2本の正極リード9のうち1本の一端が固定されており、蓋ケース12の下面には他の1本の一端が溶接されている。2本の正極リード9の他端同士は溶接で接合されている。
As shown in FIG. 1, on the upper side of the
一方、電極群6の下側には負極板からの電位を集電するための銅製の負極集電リング5が配置されている。負極集電リング5の内周面には軸芯1の下端部外周面が固定されている。負極集電リング5の外周縁には、負極板から導出された負極リード片3の端部が溶接で接合されている。負極集電リング5の下部には電気的導通のための銅製の負極リード板8が溶接されており、負極リード板8は電池容器7の内底部に溶接で接合されている。電池容器7の寸法は、本例では、外径40mm、内径39mmに設定されている。
On the other hand, a copper negative electrode current collecting
電池蓋は、絶縁性及び耐熱性のEPDM樹脂製ガスケット10を介して電池容器7の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池20の内部は密封されている。また、電池容器7内には、非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒中にリチウム塩として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル溶解したものが用いられている。
The battery lid is caulked and fixed to the upper part of the
電極群6は、正極板と負極板とが、これら両極板が直接接触しないようにセパレータを介し、軸芯1の周囲(外側)に捲回されている。セパレータには、本例では、幅107.5mm、厚さ40μmの多孔質ポリエチレン製フィルムが使用されている。正極リード片2と負極リード片3とは、それぞれ電極群6の互いに反対側の両端面に配置されている。電極群6及び正極集電リング4の鍔部周面全周には、絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられている。粘着テープは鍔部周面から電極群6外周面に亘って一重以上巻かれている。正極板、負極板、セパレータの長さを調整することで、電極群6の直径が38±0.1mmに設定されている。
In the
電極群6を構成する負極板は、負極集電体として厚さ10μmの圧延銅箔を有している。圧延銅箔の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な非晶質炭素粉末を含む負極合剤が塗着されている。負極合剤には、例えば、非晶質炭素粉末の90重量部に対して、バインダ(結着材)のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)の10重量部が配合されている。圧延銅箔に負極合剤を塗着するときには、分散溶媒のN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する。)が用いられる。圧延銅箔の長寸方向一側の側縁には、幅30mmの負極合剤の未塗着部が形成されている。未塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部で負極リード片3が形成されている。隣り合う負極リード片3の間隔が50mm、負極リード片3の幅が5mmに設定されている。負極板は、乾燥後、厚さ70μmとなるように、加熱可能なロールプレス機でプレス加工され、幅105mmに裁断されている。
The negative electrode plate constituting the
一方、正極板は、正極集電体として厚さ20μmのアルミニウム箔を有している。アルミニウム箔の両面には、正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物を含む正極合剤が塗着されている。正極合剤には、例えば、リチウム遷移金属複酸化物の100重量部に対して、導電材の鱗片状黒鉛の10重量部及びバインダのPVDFの5重量部が配合されている。アルミニウム箔に正極合剤を塗着するときには、分散溶媒のNMPが用いられる。アルミニウム箔の長寸方向一側の側縁には、負極板と同様に幅30mmの正極合剤の未塗着部が形成されており、正極リード片2が形成されている。隣り合う正極リード片2の間隔が50mm、正極リード片2の幅が5mmに設定されている。正極板は、乾燥後、厚さ90μmとなるように、負極板と同様にプレス加工され、幅99mmに裁断されている。
On the other hand, the positive electrode plate has an aluminum foil having a thickness of 20 μm as a positive electrode current collector. A positive electrode mixture containing a lithium transition metal double oxide as a positive electrode active material is applied to both surfaces of the aluminum foil. In the positive electrode mixture, for example, 10 parts by weight of flaky graphite as a conductive material and 5 parts by weight of PVDF as a binder are blended with 100 parts by weight of lithium transition metal double oxide. When applying the positive electrode mixture to the aluminum foil, a dispersion solvent NMP is used. An uncoated portion of a positive electrode mixture with a width of 30 mm is formed on the side edge on one side in the longitudinal direction of the aluminum foil, and a positive
(電池組立)
リチウムイオン二次電池20の組立は以下の手順で行う。まず、正負極板をセパレータを介して軸芯1の周囲に捲回装置で捲回し電極群6を作製する。このとき、捲回装置の捲回軸を軸芯1の中空部に挿入して、軸芯1にトルクをかけながら捲回する。電極群6の両端面からそれぞれ導出されている正極リード片2及び負極リード片3を正極集電リング4及び負極集電リング5にそれぞれ溶接した後、電池容器7内に電極群6を挿入する。負極集電リング5に予め溶接した負極リード板8を電池容器7の内底部に溶接し、正極集電リング4及び電池蓋を正極リード9で接続する。電池容器7内に非水電解液を軸芯1の中空部から注液して電極群6を非水電解液に浸潤させた後、軸芯1の中空部に棒状部材21を挿入する。非水電解液の注液量は棒状部材21の体積分を考慮して設定する。その後、電池蓋を電池容器7の上部にかしめ固定することで、リチウムイオン二次電池20の組立を完成させる。
(Battery assembly)
The lithium ion
(作用等)
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20の作用等について説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the lithium ion
従来リチウムイオン二次電池では、電極群の捲回中心に中空状の軸芯が使用されており、軸芯の中空部には非水電解液が満たされている。この電池が側面からの外力で一定量以上変形した場合、電池内部では電極群の変形と軸芯の変形とが併行して起こる。図3に示すように、電極群36の変形に伴い中空状の軸芯31が変形してつぶれ、つぶれた軸芯31のエッジがセパレータ及び正負極板を圧迫し切断することで短絡が発生する。すなわち、外力がかかる方向を垂直(図3の矢印A方向)としたときに、短絡は水平方向で軸芯31の両側の短絡箇所P1で発生する。短絡箇所P1では、正負極板が折れ曲がった状態又は切断された状態でセパレータを貫通し対極に突き刺さる。突き刺さった正負極板では、セパレータ及び対極に突き刺さる際に正負極合剤が滑落するため、正負極集電体同士が接触する。このため、短絡箇所P1での抵抗が小さくなり、大電流が流れ短絡箇所P1の温度が急激に上昇する。温度上昇に伴い、電池構成物質の蒸発(気化)や熱分解によるガス化が連鎖的に起こるため、電池が熱暴走状態に到り電池内圧が急激に上昇する。リチウムイオン二次電池には、通常、内圧開放を目的とした安全弁が取り付けられているものの、電池内部のガス発生スピードが安全弁の能力を上回ると電池内容物を激しく放出することとなる。
In the conventional lithium ion secondary battery, a hollow shaft core is used at the center of winding of the electrode group, and the hollow portion of the shaft core is filled with a nonaqueous electrolyte. When the battery is deformed by a certain amount or more by an external force from the side surface, the deformation of the electrode group and the deformation of the shaft core occur in parallel within the battery. As shown in FIG. 3, the
これに対して、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、中空状の軸芯1に棒状部材21が挿入されており、棒状部材21及び軸芯1に同じ材質のポリプロピレン樹脂が使用されている。棒状部材21の直径が軸芯1の内径より小さいことから、棒状部材21及び軸芯1が同じ材質でも、棒状部材21の剛性が軸芯1の剛性より大きくなる。このため、リチウムイオン二次電池20が側面からの外力で変形しても、軸芯1が棒状部材21で支持されるので、軸芯1の変形が抑制される。これにより、正負極集電体同士の接触による短絡が抑制されるので、外力で変形する電池異常時でも電池挙動を穏やかに抑えることができる。
In contrast, in the lithium ion
図4に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、電極群6が変形しても軸芯1の変形が抑制されるため、軸芯1がつぶれるより先に、外力がかかる方向(図4の矢印A方向)で軸芯1の上下に位置するセパレータが変形して薄くなり絶縁を維持できなくなることで短絡が発生する。すなわち、軸芯1の上下の短絡箇所P2で短絡が発生する。セパレータの破損により短絡が発生するため、短絡箇所P2では正負極合剤同士のみが接触し正負極集電体同士は接触しない。このため、短絡箇所P2での抵抗が大きくなり、流れる電流が小さくなるので、棒状部材21を挿入していない場合と比較して、温度や内圧の上昇速度が遅くなる。従って、電池内部のガス発生スピードを安全弁の能力以下に抑えることができることから、安全弁の作動により内圧が穏やかに開放され電池の安全性を確保することができる。
As shown in FIG. 4, in the lithium ion
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、棒状部材21の横断面積S1が軸芯1の中空部の横断面積S2より小さい1本の中実の部材が用いられており、棒状部材21の外周面が軸芯1の内周面に沿って配置されている。このため、軸芯1の中空部のほぼ全体が棒状部材で占められるので、外部のいずれの方向から圧力がかかっても軸芯1の変形を抑制することができる。また、棒状部材21は、横断面積S1が横断面積S2より小さく1本のため、軸芯1への挿入を容易に行うことができる。
Further, in the lithium ion
更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、非水電解液の注液後に棒状部材21が軸芯1の中空部に挿入される。このため、棒状部材21の体積分で非水電解液の使用量を減少させることができる。非水電解液がコスト高であることから、使用量を減少させた分でコスト低減を図ることができる。また、非水電解液の注液後に棒状部材21を挿入することで、軸芯1の中空部内から非水電解液が押し出されるため、電極群6内に非水電解液を略均等に浸潤させることができる。
Furthermore, in the lithium ion
なお、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、軸芯1の中空部に挿入する棒状部材21を、軸芯1と同じ材質のポリプロピレン樹脂製とする例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。軸芯1の材質は、ポリオレフィン樹脂等で剛性が軸芯1と等しいか又は大きい樹脂であればよく、剛性が軸芯1の剛性より大きい金属を用いてもよい。例えば、図5に示すように、棒状部材21に代えて、金属部材25を用いてもよい。金属部材25は、アルミニウム製の棒材22を有している。棒材22の寸法は、直径6.5mm、高さ112mmに設定されている。棒材22の両端には厚さ1mmのポリプロピレン板23が接着剤で貼り付けられている。このため、金属部材25の寸法は直径6.5mm、高さ114mmとなる。金属部材25は、軸芯1より剛性が大きいため、電池外部からかかる圧力が増大しても、軸芯1の変形を確実に抑制することができる。また、剛性を大きくすることで、比重が大きくなるため、金属部材25を軸芯1の中空部に挿入したときに(非水電解液中で)浮き上がることを防止することができ、電池作製に手間がかからない。更に、金属部材25の両端にポリプロピレン板23が貼り付けられているため、正極リード9、負極リード板8と接触しても電気的絶縁を確保することができる。
In the lithium ion
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、円筒状の軸芯1を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、軸芯1を、例えば、扁平状等の非円形状としてもよい。この場合には、棒状部材21に扁平状で外周面が中空部の内周面に沿うような部材を使用すればよい。更に、棒状部材21、金属部材25を中空部が形成された円筒状としてもよい。棒状部材21、金属部材25の外周面が軸芯1の中空部の内周面に沿っていれば、棒状部材21、金属部材25を円筒状としても、その剛性が軸芯1より大きくなるため、軸芯1を支持して外力による変形を抑制することができる。
Moreover, in the lithium ion
更に、本実施形態では、軸芯1の中空部に挿入する棒状部材21、金属部材25を、その外周面が軸芯1の内周面に沿う形状とし、1本を挿入する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。正極リード9等の損傷を防止するために、例えば、棒状部材21、金属部材25を軸芯1の中空部に挿入後、軸芯1の端部に栓材等を配置するようにしてもよい。更に、軸芯1の中空部に挿入する棒状部材21、金属部材25を複数本、例えば、2本としてもよい。
Furthermore, in this embodiment, the rod-shaped
また更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、正極活物質にリチウム遷移金属複酸化物、負極活物質に非晶質炭素、導電材に鱗片状黒鉛、非水電解液にエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒にLiPF6を溶解させたものをそれぞれ例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、通常リチウムイオン二次電池に使用される材料を用いてもよい。
Furthermore, in the lithium ion
更にまた、本実施形態では、円筒型リチウムイオン二次電池20を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、正負極板が捲回された捲回式二次電池の一般に適用することが可能である。このような捲回式二次電池としては、例えば、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池等を挙げることができる。更に、電池の形状についても特に制限されるものではなく、例えば、円筒型以外に角型等としてもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the cylindrical lithium ion
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池20の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
Next, examples of the lithium ion
(実施例1)
実施例1では、ポリプロピレン製で中実の棒状部材21を用いた。棒状部材21の寸法を直径6.5mm、高さ114mmとし、棒状部材21の横断面の形状を軸芯1の横断面の形状と相似形とした(図2参照)。棒状部材21の横断面積は、軸芯1の中空部の横断面積の86%に相当する。
Example 1
In Example 1, a solid rod-shaped
(実施例2)
実施例2では、アルミニウム製の棒材22の両端に厚さ1mmのポリプロピレン板23を貼り付けた金属部材25を用いる以外は実施例1と同様にした。棒材22の寸法を直径6.5mm、高さ112mmとし、金属部材25の横断面の形状を軸芯1の横断面の形状と相似形とした(図5参照)。金属部材25の横断面積は、軸芯1の中空部の横断面積の86%に相当する。
(Example 2)
In Example 2, it carried out similarly to Example 1 except using the
(比較例1)
比較例1では、軸芯内に何も挿入しない以外は実施例1と同様にした。従って、比較例1のリチウムイオン二次電池は、軸芯の中空部が非水電解液で満たされた従来の電池である。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was the same as Example 1 except that nothing was inserted into the shaft core. Therefore, the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 is a conventional battery in which the hollow portion of the shaft core is filled with the nonaqueous electrolytic solution.
<試験・評価>
作製した実施例及び比較例の各電池について、以下の試験1、試験2を行い評価した。
<Test and evaluation>
Each battery of the produced example and comparative example was evaluated by performing the
(試験1)
実施例及び比較例の各電池を充電せずに変形させ、変形箇所を調査した。変形は充電していない電池を水平に寝かせて固定し、電池容器7の直径と等しい直径のステンレス製半円筒状圧壊治具を押し当てて、油圧プレス機で電池容器7の直径の1/2まで潰す圧壊による圧壊試験を実施した。変形させた電池の短絡点での抵抗(短絡抵抗)を測定した後、電極群6を取り出し、抵抗を測定しながら電極群6を捲き解き、短絡箇所を調査した。短絡点の抵抗の測定結果を下表1に示す。
(Test 1)
Each battery of the example and the comparative example was deformed without being charged, and the deformed portion was investigated. In the deformation, an uncharged battery is laid horizontally and fixed, and a stainless steel semi-cylindrical crushing jig having a diameter equal to the diameter of the
比較例1のリチウムイオン二次電池では、圧壊試験後の短絡箇所が、圧壊方向を垂直としたときの水平方向で軸芯近傍に認められた(図3参照)。このときの短絡の原因は、軸芯の中空部がつぶれたことにより軸芯が大きく変形し、変形した軸芯のエッジが正負極板及びセパレータを突き破り、正負極集電体が接触したためであった。これに対して、実施例1、実施例2のリチウムイオン二次電池20では、短絡箇所が、圧壊方向の延長線上で軸芯近傍に認められた(図4参照)。このときの短絡の原因は、セパレータが変形、破断して正負極合剤が接触したためであった。軸芯1の中空部に棒状部材21、金属部材25が挿入されているため、軸芯1の変形が小さく、圧壊方向を垂直としたときの水平方向の軸芯近傍には短絡が認められなかった。
In the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1, a short-circuited portion after the crush test was found near the axis in the horizontal direction when the crushing direction was vertical (see FIG. 3). The cause of the short circuit at this time is that the shaft core is greatly deformed due to the collapse of the hollow portion of the shaft core, the edge of the deformed shaft core breaks through the positive and negative electrode plates and the separator, and the positive and negative electrode current collectors are in contact. It was. On the other hand, in the lithium ion
表1に示すように、比較例1のリチウムイオン二次電池では、短絡抵抗が1Ω以下であった。これに対して、実施例1、実施例2のリチウムイオン二次電池20では、短絡抵抗が10〜100Ωとなり、比較例1の電池より大きいことが確認された。この結果から、比較例1の電池では正極集電体のアルミニウム箔と負極集電体の圧延銅箔とが直接接触していたのに対し、実施例1、実施例2の電池では正負極集電体同士が直接接触しておらず、正極合剤と負極合剤とが接触して短絡が発生したと考えられる。これらのことから、軸芯1の中空部に棒状部材21、金属部材25を挿入することで、短絡箇所(短絡の発生する範囲)を制御することができることが判った。また、軸芯1の中空部に棒状部材21、金属部材25を挿入することで、短絡抵抗が大きくなり、短絡点を流れる電流を小さくすることができることが判明した。
As shown in Table 1, in the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1, the short circuit resistance was 1Ω or less. On the other hand, in the lithium ion
(試験2)
実施例及び比較例の各電池について、4.1Vまで充電した後、変形させたときの安全性を評価した。変形は、充電後の電池を水平に寝かせて固定し、電池容器7の直径と等しい直径のステンレス製半円筒状圧壊治具を押し当てて、油圧プレス機で電池容器7の直径の1/2まで潰す圧壊による圧壊試験を実施した。試験は、各電池について5回ずつ実施し、開裂弁(安全弁)11、底部の開裂溝のみが作動した場合を「破裂なし」とし、電池蓋のカシメ部がはずれたり電池容器7が開裂弁11、開裂溝以外の部分で裂けたりした場合を「破裂あり」として電池数を計数した。試験2の測定結果を下表2に示す。
(Test 2)
About each battery of an Example and a comparative example, after charging to 4.1V, the safety when deform | transforming was evaluated. For deformation, the battery after charging is horizontally laid and fixed, a stainless steel semi-cylindrical crushing jig having a diameter equal to the diameter of the
表2に示すように、比較例1のリチウムイオン二次電池では、試験を行った電池の全数で破裂が発生したのに対し、実施例1、実施例2のリチウムイオン二次電池20では破裂、発火は確認されなかった。この結果から、軸芯1の中空部に棒状部材21、金属部材25を挿入することで、外部からの圧力で変形する電池異常時の安全性が向上することが判明した。
As shown in Table 2, in the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1, bursting occurred in the total number of batteries tested, whereas in the lithium ion
本発明は外部からの圧力により電池が変形する電池異常時の挙動を穏やかにすることができる捲回式二次電池を提供するため、捲回式二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 The present invention contributes to the manufacture and sale of wound secondary batteries in order to provide a wound secondary battery that can moderate the behavior of abnormal battery deformation due to external pressure. Has industrial applicability.
1 軸芯
6 電極群
20 円筒型リチウムイオン二次電池(捲回式二次電池)
21 棒状部材(支持部材)
25 金属部材(支持部材)
1
21 Bar-shaped member (support member)
25 Metal member (support member)
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