JP4899315B2

JP4899315B2 - 扁平型非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP4899315B2
Application number: JP2005003580A
Authority: JP
Inventors: 博史西山; 陽一黒澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006196206A

Description

本発明は、リチウム二次電池、ポリマー二次電池などの非水電解液二次電池に用いる電池ケースと極板群の安全性設計に関するものである。

近年、携帯電話、カムコーダ等のコードレス情報・通信機器のめざましいポータブル化に伴い、その駆動用電源とし、小型軽量で高エネルギー密度の電池が求められており、なかでも、非水電解液電池、特にリチウム二次電池は次世代電池の主力として大いに期待され、その潜在的な市場規模も非常に大きい。またその形状としては機器の薄型化、スペース有効利用の観点から薄型の密閉電池としては、これまでニッケル・カドミウム蓄電池や鉛蓄電池、ニッケル水素電池が開発され実用化されている。これらの電池系では高濃度のアルカリや酸の水溶液が電解液として用いられており、正負極板がセパレータを介して巻回されて構成されている。

ところで、リチウム二次電池に代表されるような有機電解液を主成分とする非水電解液二次電池は、その材料の性質上、熱的な安定性が低いという課題を有している。特に高温下に電池がさらされると内部の電解液がガス化して電池内圧が上昇する。

そこで、電池ケースと極板群との間に空間を設け、極板の体積変化を吸収する構成の電池が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、扁平電池などにおいては、電池ケースが変形して内部の極板群を変形させ、ケース内面と極板群とが短絡して発火する可能性があり、十分に安全性を確保できない可能性を有していた。
特開平０６−０９８４７３号公報特開２０００−１３３３００号公報

本発明は、上記のような課題を解決するものであり、高温下に電池がさらされても、安全性に優れた扁平型非水電解液二次電池を提供することを目的とする。

本発明は、正極板と負極板とがセパレータを介して巻回された極板群を、曲線部と前記曲線部に続く４つの直線部からなる面を有する電池ケースに、上記曲線部と前記曲線部に続く４つの直線部からなる面と、極板群の巻回面とを対向させて収容してなる電池において、前記ケース内面の曲線部と直線部との境界部と、極板群との距離が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、前記ケースの直線部の厚みが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であり、前記ケースの材質がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記電池の厚みが５．０ｍｍ以下、かつ前記電池の幅が３０ｍｍ以下である扁平型非水電解液二次電池であり、前記ケース内面の曲線部と直線部との境界部と、極板群との距離、前記ケースの直線部の厚み、および前記ケースの材質を設計段階において規定することにより、高温時における極板群と電池ケースとの短絡を防止し、電池の安全性を高めることができる。直線部からなる電池ケース長辺部の厚みによって、その距離を変化させることが、さらに効果的である。

本発明は、正極板と負極板とがセパレータを介して巻回された極板群を、曲線部と直線部からなる電池ケースに収容してなる電池において、高温下に電池がさらされても、安全性に優れた扁平型非水電解液二次電池を提供することが出来る。

本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介し渦巻き状に巻回してなる極板群を、曲線部と直線部からなる電池ケースに収容してなる扁平電池において、前記ケース内面の曲線部と直線部との境界部と、極板群との距離が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下にすることにより高温時での電池内部の極板群と電池ケースの短絡を防止することができ、電池の安全性を十分に確保することができる。

一般的に、曲線部と直線部からなる電池ケースの場合、製造上の理由から直線部の方が曲線部よりも薄く、高温状態になると極板群の直線部の中央部が膨れることになり、前記ケースの直線部も追随して膨れるが、前記ケース内面の曲線部と直線部との境界部は、極板群が膨れても膨れないので、電池ケース内面と極板群との距離が最も近くなる。

従って、上記距離を確保することにより、高温状態の扁平電池が膨れた際、電池ケースと極板群との間に一定のクリアランスを保つことになるため、短絡して電池が発火する挙動を起こらなくすることができる。また、極板群の厚みと電池ケース内寸によって、電池ケース内での極板群の位置は保持されるので、電池ケース変形時にも極板群と電池ケース内面の前記境界部との距離を保つことが出来るからである。

電池ケース内面の曲線部と直線部との境界部と、極板群との距離が、０．２ｍｍ未満であると距離が著しく小さくなり安全性を十分に保てない。また０．５ｍｍを超える距離を確保することは内容積を有効に使用できないので、高エネルギー密度のリチウムイオン電池の設計として好ましくない。

さらに電池ケースの変形の度合いはその材質によって異なるが、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成される電池ケースの場合、この効果は顕著に現れる。また電池ケースの直線部の厚みによっても影響し、その厚みが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の場合において、効果が発揮される。０．６ｍｍを超える電池ケースでは、電池ケース自体の強度が大きくなり、電解液のガス化により内部圧力が上昇しても大きく電池ケースが変形することがなく、電池ケース内面と極板群との距離関係に効果的でなくなる。

また、０．２ｍｍ未満の場合、電池ケース強度は著しく弱くなり、扁平電池として形状維持が困難であるといった課題を有している。また電池ケース厚みによって最適な内面と極板群との距離を規定することにより、その効果は著しく向上し、安全性の優れた高エネルギー密度のリチウムイオン電池を得ることが出来る。

以下、本発明の詳細について実施例に基づいて説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定されるものではなく、その要点を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施例１）
図１にリチウムイオン扁平電池の横断図面を示す。図中１は正極板であって、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ₃）と四酸化三コバルト（Ｃｏ₃Ｏ₄）を混合して空気中において９００℃で焼成したコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）を活物質とし、これに導電材としてアセチレンブラックを１．５質量％混合した後、結着剤としてポリ四フッ化ビニリデンを２質量％混合したペースト状とした合剤を、アルミニウム箔からなる芯材の両面に塗着、乾燥し、圧延したものである。またその合材の一部を剥離し、正極リード板４スポットを溶接している。この正極板の寸法は、幅４１ｍｍ、長さ２８７．５ｍｍ、厚さは０．１３８ｍｍである。

負極板２は、メソフェーズピッチをアルゴン雰囲気下において２８００℃で熱処理した
球状黒鉛を活物質とし、結着剤としてポリ四フッ化ビニリデン樹脂の水性ディスパージョンを５質量％混練したペースト状とした合剤を、銅箔からなる芯材の両面に塗着、乾燥し、圧延したものである。またその端部に負極リード板５をスポット溶接している。この負極板２の寸法は幅４２．１ｍｍ、長さ３７２．５ｍｍ、厚さは０．１５ｍｍである。ここで、物性、構造の異なる種々の炭素材について予備検討を進めたところ、粉末Ｘ線回折法による格子面間隔（ｄ₀₀₂）が０．３４２ｎｍ以下の炭素材が高容量であり、可逆性も優れることが分かった。ちなみに、メソフェーズピッチをアルゴン雰囲気下において２８００℃で熱処理した球状黒鉛は、粉末X線回折法による格子面間隔（ｄ₀₀₂）が０．３４２ｎｍ以下である。

セパレータ３はポリエチレン系の微多孔膜を、正極板１及び負極板２により幅広く裁断して用いた。これらの正負極板とセパレータ３を図２に示したように平板を巻芯７として巻回し、セパレータ３の終端をポリプロピレン製の粘着テープで固定した後、この平板巻芯７を抜き取り、横断面形状が長方形の極板群を構成した。次に直線部の厚みが０．２ｍｍの電池ケースに前記極板群を電池ケースの曲線部と直線部との境界部内面から０．２ｍｍになるように収容し、非電解液を注入し電池１を作製した。非水電解液はエチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）及びエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）の混合溶液に１モルの六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を溶解させたものを用いた。また上記の極板を用いて平板の巻芯寸法を短くし調整することにより、電池ケース内面の直線部と曲線部との境界部と、極板群との距離がそれぞれ０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍの極板群を作製し、上記と同様の方法で電池２、電池３、電池４を作製した。

電池ケースの材質として、ＪＩＳ３００３系のアルミニウム合金を用いた。電池の寸法は厚み５．０ｍｍ、幅３０ｍｍ、高さ４８ｍｍである。

（実施例２）
次に実施例１と同様の方法を行い、直線部の電池ケース厚みが０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍの電池ケースを用い、平板の巻芯寸法を調整することにより、電池ケース内面の曲線部と直線部との境界部と、極板群との距離がそれぞれ０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍの極板群を電池ケースに挿入し、電池を作製した。

このようにして作製した各電池１０セルを用いて、高温加熱試験を行った結果を表１に示す。なお、高温加熱試験は、２０℃、定電流１ＩｔＡで４．２５Ｖまで充電した後、各電池を恒温槽に入れ、５℃／ｍｉｎの割合で１５０℃まで温度を上昇させ、電池表面温度を時間に対しモニタリングしながら、電池の発火の有無を評価した。実施例１の電池について、電池表面温度と時間の経時変化をモニタリングした結果を図３に示す。

図３より、直線部の厚みが０．２ｍｍの電池ケースを用いた場合、電池ケース内面の直線部と曲線部との境界部と、距離極板群との距離が０．２ｍｍの電池１は電池ケースと接触して発火、また０．３ｍｍの電池２も少し遅れて発火した。逆に０．４ｍｍの電池３、０．５ｍｍの電池４の距離を確保した電池は短絡して発火する挙動は確認できなかった。この結果より、直線部の厚みが０．２ｍｍの電池ケースを用いた場合、電池ケース内面の直線部と曲線部との境界部と、極板群との距離を０．４ｍｍ以上確保することにより、安全性を確保出来ることが分かった。

同様に、表２より、直線部の電池ケース厚みが０．３〜０．４ｍｍの電池ケースを用いた場合、電池ケース内面の直線部と曲線部との境界部と、極板群との距離を０．３ｍｍ以上確保出来れば、高温加熱時における電池の安全性に優れていることが明らかになった。

また、直線部の厚みが０．４ｍｍ以上の電池ケースを用いた場合、極板群との距離を０．２ｍｍ以上確保出来れば良いことが明らかになった。

このように電池ケースの厚みによって、ケース内面の直線部と曲線部との境界部と、極板群との距離を最適化すれば、より安定した熱安定性を有する扁平型非水電解液リチウムイオンを得ることが出来る。

また、本実施例ではリチウムイオン電池について説明したが、非水電解液二次電池であるポリマー電池についても有効である。また正極には、コバルト酸リチウムを使用した実施例を示したが、ニッケル酸リチウムやマンガン酸リチウムを使用した場合でも同様の効果を発揮することができる。

本発明の扁平型非水電解液二次電池によれば、直線部と曲線部との境界部と、極板群との距離を確保することにより、高温下に電池がさらされても、安全性に優れた扁平型非水電解液二次電池を提供することができ、移動体通信機器や携帯電子機器の駆動用電源として有用である。

本発明の一実施形態に係る扁平型非水電解液二次電池の構成を示す横断図本発明の一実施形態に係る極板群の構成方法を示す概略図本発明の一実施形態に係る加熱試験時における電池表面温度と時間の経時変化を示す特性図

符号の説明

１正極板
２負極板
３セパレータ
４正極リード板
５負極リード板
６電池ケース
７平板巻芯

Claims

正極板と負極板とがセパレータを介して巻回された極板群を、曲線部と前記曲線部に続く４つの直線部からなる面を有する電池ケースに、上記曲線部と前記曲線部に続く４つの直線部からなる面と、極板群の巻回面とを対向させて収容してなる電池において、前記ケース内面の曲線部と直線部との境界部と、極板群との距離が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
前記ケースの直線部の厚みが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であり、
前記ケースの材質がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、
前記電池の厚みが５．０ｍｍ以下、かつ前記電池の幅が３０ｍｍ以下である扁平型非水電解液二次電池。