JP5288452B2

JP5288452B2 - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP5288452B2
Application number: JP2008132719A
Authority: JP
Inventors: 稔之有賀; 龍大渥美; 正孝厚木; 昌明木部
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: JP2009283218A

Description

本発明は、体積エネルギー密度を向上した非水電解液二次電池に関するものである。

近年、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラなどの小型電子機器の電源としてリチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池が爆発的に普及している。

現在では技術の進歩と共に小型機器がより高性能になり、リチウムイオン二次電池はより高容量化が求められている。また、リチウムイオン二次電池の爆発的な普及により世界中の多くの人が使用する機会が増えているため、安全性に対し、より信頼性の高い電池の供給が求められている。

リチウムイオン二次電池は、一般に、正極板及び負極板と、その両極板の間にセパレータを介して巻回した渦巻状の電池素子（以下ジェリーロールと表記）を作製し、これを電池缶またはラミネートフィルム外装体に収納することにより製造している。通常このジェリーロールには、電池外部へ接続するリード端子が接続されている。

Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ等を基材とするリード端子は、一般的に、電極合剤層を集電体へ間欠塗布し、その後短冊状にスリットした電極板の両面未塗布部の集電体に、アーク溶接、スポット溶接、抵抗溶接、超音波溶接、ハンダ付け、針カシメ等の手段で固着されているか、又は集電体の両面未塗布部を折り曲げて接続されている。

上記方法で両面未塗布部が必要な理由としては、集電体にリード端子を接合させる際、集電体の接続面の背面に電極合剤層がある場合、物理溶接であると、電極合剤層の脱落を招く恐れがあるからである。

特許文献１に示されているように導電性の粘着材を使用して、集電体と接着させている例もあるが、集電体を挟む構造となっているため高容量化には適さない。

また、導電性テープもしくは導電性粘着材を使用している例として、特許文献２に、リチウムイオン電池についてではないが、電極の最外周部の負極板を導電性テープで固定した技術も開示されているが、集電体とリード端子を接合するものではない。

特開２０００−１６４１９６号公報特開２００３−１６８４１３号公報

リチウムイオン電池の製造方法において、従来の技術による集電体とリード端子の接続方法では、集電体両面に電極合剤層を塗布していない部位が必要であって、両面未塗布部で集電体とリード端子を接続させており、その面積分、電極合剤層の塗布が限定されるため、体積エネルギー密度的に不利が生じていた。

すなわち、本発明の技術的課題は、電極合剤層の有効塗布面積を広げ体積エネルギー密度を向上させた非水電解液二次電池を提供することにある。

本発明の非水電解液二次電池は、正極板、負極板、セパレータ、および電解液を備え、正極板および負極板にはそれぞれリード端子が接続され、正極板と負極板との間にセパレータを介して電池素子とし、電解液とともにケースに収容された非水電解液二次電池であって、正極板及び負極板の少なくとも一方は、集電体の表面および裏面ともに電極合剤層を塗布した両面塗布部と、集電体の表面および裏面の片方だけに電極合剤層を塗布した片面塗布部とを備え、リード端子が、片面塗布部における電極合剤層未塗布部に接続されており、正極板及び負極板の少なくとも一方には、集電体の表面および裏面ともに電極合剤層を塗布していない両面未塗布部が存在せず、正極板及び負極板の少なくとも一方と、リード端子とを、導電性テープを用いて貼り付けており、導電性テープは、巻回した電池素子の巻き止めテープを兼ねていることを特徴とする。

本発明の非水電解液二次電池は、正極板及び負極板の少なくとも一方には、集電体の表面および裏面ともに電極合剤層を塗布していない両面未塗布部が存在しないので、容量上好ましい。

本発明の非水電解液二次電池の導電性テープは、尿素樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ケイ素樹脂、またはアクリル樹脂を含む導電性粘着層を備えたものであってよい。そして、正極板に貼り付ける導電性テープについてはアルミニウムまたはアルミニウム合金を基材とし、負極板に貼り付ける導電性テープについては銅とニッケルのいずれか、またはそれらの合金を基材とするのが好ましい。

本発明により、片面塗布部の電極合剤層未塗布部側に導電性テープを使用してリード端子を貼り付けることにより、リード端子を貼り付ける面の裏面に電極合剤層の塗布部があっても、電極合剤層の脱落の心配が無い為、両面とも電極合剤層の塗布していない部分である両面未塗布部がない電極板を作製することができるので、電極合剤層の有効塗布面積が増え、体積エネルギー密度が向上した非水電解液二次電池の提供が可能となった。

また、本発明による構造であると、表面は間欠塗布の必要がなく、塗布方法が従来と比較して簡素化でき、裏面は間欠塗布が必要であるが、表面と裏面の電極合剤層塗布部の位置合わせの必要が無くなる為、電極板の製造を容易にすることができる。

図１は、本発明の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板を説明する図であり、図１（ａ）は表面の、図１（ｂ）は裏面の模式図である。

正極板又は負極板の集電体上に、電極合剤層を塗布した部分は電極合剤層塗布部１であり、電極合剤層を塗布しない部分は電極合剤層未塗布部２である。集電体の表面、裏面ともに電極合剤層を塗布した部分は両面塗布部２１であり、表面、裏面のうち片面にだけ電極合剤層を塗布した部分は片面塗布部２２である。

正極板、負極板ともに、表面または裏面のうち片面は、全て電極合剤層塗布部１という構成であり、両面とも電極合剤層未塗布部２という部分は存在しないのが好ましい。これによって電極合剤層の有効塗布面積が増え、体積エネルギー密度を向上させることができる。

表面または裏面のうち片面が全て電極合剤層塗布部１である面は、間欠塗布の必要がなく塗布方法が容易であり、また表面と裏面の電極合剤層塗布部１の位置合わせにおける管理が容易になるので、製造方法が簡単になる。

図２は、本発明の非水電解液二次電池に用いるジェリーロールの構成図である。ジェリーロールは、正極板と負極板がセパレータ５を介して巻回されており、最外周に巻き止めテープの機能を兼ねた導電性アルミ箔粘着テープ９を重ねてなり、正極板にはアルミリード端子８が導電性アルミ箔粘着テープ９により、負極板には銅リード端子１０が導電性銅箔粘着テープ１１により、貼り付けられている。

図３は、本発明の非水電解液二次電池に用いる正極板にアルミリード端子を導電性アルミ箔粘着テープで貼り付けた模式図である。図４は、本発明の非水電解液二次電池に用いる負極板に銅リード端子を導電性銅箔粘着テープで貼り付けた模式図である。

図３において正極集電体の電極合剤層未塗布部３にアルミリード端子８を導電性アルミ箔粘着テープ９にて貼り付けた。アルミリード端子８と正極集電体の電極合剤層未塗布部３が接触する幅は、正極集電体の幅の１／２以上が好ましい。これは十分な接触面積を保ち且つ、電池内部で電池素子が動いたとしても接触部を十分確保できる為である。導電性アルミ箔粘着テープ９は、正極集電体の電極合剤層未塗布部３の上にあるアルミリード端子８を十分覆い且つ、正極集電体の電極合剤層未塗布部３の長さ方向外部に出ているのが好ましい。これは、ジェリーロールを構成する際に、導電性アルミ箔粘着テープ９がジェリーロールの巻き止めテープを兼ねる構成にするためである。

図４において負極集電体の電極合剤層未塗布部４に銅リード端子１０を導電性銅箔粘着テープ１１にて貼り付けた。銅リード端子１０と負極集電体の電極合剤層未塗布部４が接触する幅は、負極集電体の幅の１／２以上が好ましい。これは十分な接触面積を保ち且つ、電池内部で電池素子が動いたとしても接触部を十分確保できる為である。導電性銅箔粘着テープ１１は、負極集電体の電極合剤層未塗布部４の上にある銅リード端子１０を十分覆い、負極集電体の電極合剤層未塗布部４の外部に出ていないのが好ましい。

本発明で使用する各電極板にリード端子を接続する際の導電性テープは、アルミニウムまたはその合金、銅またはその合金、ニッケルまたはその合金のいずれかの基材上に、尿素樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、エポキシ系樹脂、ケイ素系樹脂、アクリル系樹脂のいずれかを粘着層としているのが好ましい。

導電性テープを使用するのは、電池として組み立てた場合、落下等による衝撃が加わっても脱離してしまう可能性がない為である。また、導電性テープであれば、リード端子−集電体間、リード端子−導電性テープ−集電体間の２つの経路で導電性を確保できるという利点もある。

次に、使用する導電性テープの物性について説明する。

正極板側には、アルミ箔基材層が８０μｍ以下、導電性粘着層が５０μｍ以下、粘着力が引き剥がし強度測定で５．０Ｎ／２５ｍｍ以上、引っ張り強度が５０Ｎ／２５ｍｍ以上、厚さ方向の電気抵抗が０．１０Ω／ｃｍ²以下の導電性テープを使用するのが好ましい。

正極板側の導電性テープの選定の理由としては、アルミ箔基材層及び導電性粘着層が上記の値より厚いと、厚すぎてしまい、体積エネルギー密度の観点から不利になるためである。また引き剥がし強度及び引っ張り強度が上記の値より弱いと、工程内で扱いにくくなるためである。さらに、電気抵抗が上記の値より大きいと、電池としての抵抗が高くなる恐れがあるためである。

負極板側には、銅箔基材層が圧延銅箔５０μｍ以下、導電性粘着層が７０μｍ以下、粘着力が引き剥がし強度測定で５．０Ｎ／２５ｍｍ以上、引っ張り強度が５０Ｎ／２５ｍｍ以上、厚さ方向の電気抵抗が０．１０Ω／ｃｍ²以下の導電性テープを使用するのが好ましい。

負極板側の導電性テープの選定の理由としては、正極側の導電性テープの選定と同様に、銅箔基材層及び導電性粘着層が上記の値より厚いと、厚すぎてしまい、体積エネルギー密度の観点から不利になるためである。また引き剥がし強度及び引っ張り強度が上記の値より弱いと、工程内で扱いにくくなるためである。さらに、電気抵抗が上記の値より大きいと、電池としての抵抗が高くなる恐れがあるからである。

以下に本発明の実施例を詳述する。

（実施例１）
本発明の実施例１として非水電解液二次電池について図２を参照して説明する。ジェリーロールは、正極板と負極板がセパレータ５を介して巻回されており、最外周に巻き止めテープの機能を兼ねた導電性アルミ箔粘着テープ９を重ねてなる。正極板にはアルミリード端子８が導電性アルミ箔粘着テープ９にて、負極板には銅リード端子１０が導電性銅箔粘着テープ１１にて、貼り付けられている。

ジェリーロールは、缶ケースに収納され、電解液を注液後に封止され、非水電解液二次電池が製造される。

正極板は、アルミ箔上に、正極活物質であるＬｉＣｏＯ₂、導電助剤およびバインダーをＮ−メチル−２−ピロリドン（以下ＮＭＰと表記）に混合分散し、スラリー状にしたものを両面塗布し、乾燥させて作製した。負極板は、銅箔上に、Ｌｉイオンが層間挿入・脱挿入（インターカレート・デインターカレート）できる負極活物質である炭素、導電助剤およびバインダーをＮＭＰに混合分散し、スラリー状にしたものを両面塗布し、乾燥させて作製した。

電極幅は、負極集電体の幅が正極集電体の幅よりも約２ｍｍ広くなるようにスリットした。

正極板の電極合剤層未塗布部に、厚さ０．１ｍｍ、長さ４．０ｍｍ、幅４８．０ｍｍのアルミリード端子を導電性アルミ箔粘着テープにて貼り付けた。

導電性アルミ箔粘着テープには、粘着層がアクリル系粘着材であり、アルミ箔基材層が５０μｍ、導電性粘着層が３５μｍ、粘着力が引き剥がし強度で９．８１Ｎ／２５ｍｍ、引っ張り強度が８０．９Ｎ／２５ｍｍ、厚さ方向の電気抵抗が０．０８Ω／ｃｍ²であるものを使用した。導電性アルミ箔粘着テープの寸法は、長さ５２．０ｍｍ、幅４１．０ｍｍである。

また、負極板の電極合剤層未塗布部に、厚さ０．１ｍｍ、長さ４．０ｍｍ、幅４８．０ｍｍの銅リード端子を導電性銅箔粘着テープにて貼り付けた。

導電性銅箔粘着テープには、粘着層がアクリル系粘着材であり、銅箔基材層が圧延銅箔３５μｍ、導電性粘着層が３５μｍ、粘着力が引き剥がし強度で８．５８Ｎ／２５ｍｍ、引っ張り強度が９８．１Ｎ／２５ｍｍ、厚さ方向の電気抵抗が０．０４Ω／ｃｍ²であるものを使用した。導電性銅箔粘着テープの寸法は、長さ８．０ｍｍ、幅４３．０ｍｍである。

正極板及び負極板と、その両極の間にセパレータを介して巻回した渦巻状の電池素子を作製した。これを缶ケースに収納し、電解液を注液後に封止して二次電池を作製し、容量を測定した。

（実施例２）
図５は、本発明の非水電解液二次電池に用いる実施例２によるジェリーロールの構成図である。実施例１と同様の方法で、正極、負極の集電体の長さと、正極、負極の電極合剤層の塗布長と、セパレータの長さとをそれぞれ３８ｍｍ長くした事、缶ケースの厚さを０．２ｍｍ厚くした事以外は実施例１と同様の二次電池を作製し、容量を測定した。

（比較例）
図６は、従来の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板を説明する図であり、図６（ａ）は表面の、図６（ｂ）は裏面の模式図である。集電体上に、電極合剤層を塗布したところは電極合剤層塗布部１であり、電極合剤層を塗布しないところは電極合剤層未塗布部２である。集電体の表面、裏面ともに電極合剤層を塗布したところは両面塗布部２１、表面、裏面のうち片面だけ電極合剤層を塗布したところは片面塗布部２２、表面、裏面ともに電極合剤層を塗布しないところは両面未塗布部２３である。従来方法では、各電極のリード端子は抵抗溶接で接続するため、両面未塗布部２３が存在する。

図７は、従来の非水電解液二次電池に用いるジェリーロールの構成図である。ジェリーロールは、正極板と負極板がセパレータ５を介して巻回されており、最外周に巻き止めテープ１２としてＰＰＳ基材アクリル系粘着材のテープを重ねてなる。正極板にはアルミリード端子８が、負極板には銅リード端子１０が、抵抗溶接により接続されている。

アルミ箔及び銅箔の両面未塗布部がそれぞれ４３ｍｍ、６ｍｍ存在する、正極集電体が３７ｍｍ長い、リード端子は抵抗溶接で接続して導電性テープは使用しない、ＰＰＳ基材アクリル系粘着材のテープを巻き止めテープとして使用する、以外は実施例１と同様の二次電池を作製し、容量を測定した。

実施例１、実施例２及び比較例の表裏合計塗布長、表裏合計未塗布長、正負極合計電極長、容量および単位体積あたり容量を比較した結果を表１に示す。数値は、比較例の値を１００％とした場合の比率で示している。

まず、実施例１と比較例を比べると、実施例１は、ジェリーロール内周側においてリード端子接続の際、抵抗溶接のために必要としていた両面未塗布部が無くなった分、表裏合計塗布長が２％広がっており、缶ケースの大きさが同じなので体積エネルギー密度的に有利であった。また、外周側も同様にリード端子接続の際、抵抗溶接のために必要としていた両面未塗布部を無くすことができたため、表裏合計未塗布長が比較例の４３％、正負極合計電極長が比較例の９１％となり、体積エネルギー的にもコスト的にも有利であることがわかった。

次に実施例２と比較例を比べると、実施例２は、ジェリーロール内周側においてリード端子接続の際、抵抗溶接のために必要としていた両面未塗布部が無くなった分、表裏合計塗布長が１４％広がった。また、外周側はリード端子溶接に必要であった両面未塗布部を無くすことができ、それに伴い正負極合計電極長が６％長くなっているが、結果として大幅な電極の塗布面積を増やすことができ、容量が１４％向上した。

単位体積あたりの容量で比べると、比較例に対して実施例１、２の値は、それぞれ２％、９％大きく、体積エネルギー密度が向上していることがわかる。

以上より、片面塗布部の電極合剤層未塗布部側に導電性テープを使用して集電体にリード端子を貼り付けることにより、両面とも電極合剤層の塗布していない部分である両面未塗布部を生じない電極板を作製することができるので、電極合剤層の有効塗布面積が増え、体積エネルギー密度が向上した非水電解液二次電池の提供が可能であることがわかる。

また上記実施例１、２の塗布方法は、正極板、負極板ともに片面がすべて電極合剤層塗布部であるので、間欠塗工の必要がなく、両面未塗布部がない為比較例と比べて塗布方法が容易であり、また表面と裏面の電極合剤層塗布部の位置合わせにおける管理が容易になるので、製造工程が簡単になる。

以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

本発明の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板の模式図。図１（ａ）は、本発明の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板を説明する表面の模式図。図１（ｂ）は、本発明の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板を説明する裏面の模式図。本発明の非水電解液二次電池に用いるジェリーロールの構成図。本発明の非水電解液二次電池に用いる正極板にアルミリード端子を導電性アルミ箔粘着テープで貼り付けた模式図。本発明の非水電解液二次電池に用いる負極板に銅リード端子を導電性銅箔粘着テープで貼り付けた模式図。本発明の非水電解液二次電池に用いる実施例２によるジェリーロールの構成図。従来の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板の模式図。図６（ａ）は、従来の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板を説明する表面の模式図。図６（ｂ）は、従来の非水電解液二次電池に用いる正極板又は負極板を説明する裏面の模式図。従来の非水電解液二次電池に用いるジェリーロールの構成図。

符号の説明

１電極合剤層塗布部
２電極合剤層未塗布部
３正極集電体の電極合剤層未塗布部
４負極集電体の電極合剤層未塗布部
５セパレータ
６正極合剤層
７負極合剤層
８アルミリード端子
９導電性アルミ箔粘着テープ
１０銅リード端子
１１導電性銅箔粘着テープ
１２巻き止めテープ
２１両面塗布部
２２片面塗布部
２３両面未塗布部

Claims

正極板、負極板、セパレータ、および電解液を備え、
前記正極板および前記負極板にはそれぞれリード端子が接続され、
前記正極板と前記負極板との間に前記セパレータを介して電池素子とし、電解液とともにケースに収容された非水電解液二次電池であって、
前記正極板及び前記負極板の少なくとも一方は、集電体の表面および裏面ともに電極合剤層を塗布した両面塗布部と、前記集電体の表面および裏面の片方だけに前記電極合剤層を塗布した片面塗布部とを備え、
前記リード端子が、前記片面塗布部における電極合剤層未塗布部に接続されており、
前記正極板及び前記負極板の少なくとも一方には、前記集電体の表面および裏面ともに電極合剤層を塗布していない両面未塗布部が存在せず、
前記正極板及び前記負極板の少なくとも一方と、前記リード端子とを、導電性テープを用いて貼り付けており、該導電性テープは、巻回した前記電池素子の巻き止めテープを兼ねている
非水電解液二次電池。
前記導電性テープは、尿素樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ケイ素樹脂、またはアクリル樹脂を含む導電性粘着層を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の非水電解液二次電池。
前記正極板に貼り付ける前記導電性テープはアルミニウムまたはアルミニウム合金を基材とし、前記負極板に貼り付ける前記導電性テープは銅とニッケルのいずれか、またはそれらの合金を基材とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の非水電解液二次電池。