JP5325796B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池に係り、さらに詳しくは、タブ形状を改善して安全性および電気的特性を向上させることが可能なリチウム二次電池に関する。

一般に、化学電池とは、陽極、陰極および電解質を含むことにより、化学反応を用いて電気エネルギーを発生させる電池をいい、これは使い捨て用として使用する一次電池と、充放電が可能であって反復使用が可能な二次電池に分けられる。充放電可能な利点により、二次電池の使用が益々増えている趨勢である。

二次電池の中でも、リチウム二次電池は、単位重量当りのエネルギー密度が高いため、電子通信機器の電源として採用されたり、高出力のハイブリッド自動車などに広く用いられている。

このようなリチウム二次電池は、陽極、陰極、および前記陽極と前記陰極との間に位置するセパレーターからなる電極群、並びに前記陽極および前記陰極にそれぞれ接続され、所定の幅を有する四角形状の陽極タブおよび陰極タブを含んでなる。

ここで、陽極および陰極は集電体に活物質を塗布して形成され、陽極タブおよび陰極タブは陽極および陰極のうち活物質が塗布されていない部分に接続される。このように陽極および陰極には、活物質が塗布されている部分と活物質が塗布されていない部分が一緒に形成され、活物質境界線が存在する。

活物質はコーティングなどの方法により塗布されるが、一般に活物質境界線でさらに厚くコートされる。これにより、活物質コーティングによって電極が全体的に撓むおそれがある。

これを防止するために、電極をプレスする方法が適用されているが、この場合には活物質境界線付近で電極に皺が発生するおそれがある。このような皺の発生は一般に延伸率の高い物質からなる電極において相対的に大きく現れ得る。

このように電極が撓み或いは電極に皺が発生すると、複数の電極が積層された電極群において、電極同士は均一に密着せず隙間ができるなど、電極同士は不均一に密着するおそれがある。

これにより、電極群が全体的に歪むこともあり、電池反応も不均一に起る可能性がある。これはリチウム二次電池の寿命を低減させ且つ電気的特性を低下させる主要な要因となれる。

また、電極同士の密着が不均一な部分を根源として不均一が加速化されてリチウムが析出できるが、これはリチウム二次電池の安全性に致命的な悪影響を及ぼす。

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたもので、その目的は、優れた電気的特性、安全性および長寿命を有するリチウム二次電池を提供することにある。

本発明に係るリチウム二次電池は、第１電極、第２電極、および前記第１電極と前記第２電極との間に位置するセパレーターからなる電極群と、前記第１電極に接続される第１電極タブと、前記第２電極に接続される第２電極タブとを含んでなる。ここで、前記第１電極タブは、前記第１電極に接続する部分である第１部分と、前記第１部分以外の部分である第２部分とを含み、前記第１部分の幅が前記第２部分の幅よりさらに狭くてもよい。

前記第１電極には、前記第１部分に接続するタブ接合部が突設されてもよい。

前記第１電極のタブ接合部の幅は前記第２部分の幅よりさらに狭くてもよい。

前記第２部分の幅に対する前記第１部分の幅の比率は０．３５〜０．６であってもよい。

前記第２部分は前記第１部分を基準として一方に突出してもよい。

前記リチウム二次電池は、前記第１電極タブおよび前記第２電極タブの端部を露出させながら前記電極群を取り囲んで密封する外装材をさらに含み、前記外装材の接着部は前記第２部分に位置してもよい。

前記第１電極がカソード電極であってもよく、前記第１電極の延伸率が前記第２電極の延伸率より高くてもよい。

前記第２電極タブは、前記第２電極に接続する部分である第３部分と、前記第３部分以外の部分である第４部分を含み、前記第３部分の幅が前記第４部分の幅よりさらに狭くてもよい。

上述したように、本発明に係るリチウム二次電池によれば、陽極または陰極に接続される陽極タブまたは陰極タブが相異なる幅の２つの部分を含むことにより、互いに異なる特性を同時に向上させることができる。

特に、電極に接続される部分である第１部分または第３部分は、相対的に狭い幅に形成し、電極が撓み或いは電極に皺が発生することを効果的に防止することができる。これにより、電極群において、電極同士が均一に密着して電極群の歪み現象およびリチウム析出現象を効果的に防止しながら、電池反応が均一に起るようにすることができる。結果として、リチウム二次電池の安全性向上および長寿命を図ることができ、電気的特性を向上させることができる。

また、電極に接続されない部分である第２部分または第４部分は、相対的に広い幅に形成することにより、電極群からの電気エネルギーが円滑に伝達されるようにするとともに、発熱特性が向上するようにする。結果として、リチウム二次電池の安定な作動を確保することができる。

以上、本発明の好適な実施例を例示の目的で開示したが、当業者であれば、本発明の技術的精神内において、多様な変形、付加および代替ができることが理解可能であろう。

本発明に係るリチウム二次電池の斜視図である。 本発明に係るリチウム二次電池の平面図である。 本発明に係るリチウム二次電池の陽極と陽極タブを示す平面図である。 本発明に係るリチウム二次電池の陰極と陰極タブを示す平面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明に係るリチウム二次電池について詳細に説明する。

図１は本発明に係るリチウム二次電池の斜視図、図２は本発明に係るリチウム二次電池の平面図である。

図１および図２に示すように、本発明に係るリチウム二次電池１０は、第１電極２２（カソード電極、以下「陽極」という）、第２電極２４（アノード電極、以下「陰極」という）、および陽極と陰極との間に位置するセパレーター（図１）２６からなる電極群２０、陽極２２および前記陰極２４にそれぞれ接続される第１電極タブ３２（以下「陽極タブ」という）および第２電極タブ３４（以下「陰極タブ」という）、並びに陽極タブ３２と陰極タブ３４の端部を露出させながら前記電極群２０、前記陽極タブ３２および前記陰極タブ３４を内部に収容する外装材４０を含んでなる。

電池の種類によって、電解質が液体状態として外装材４０の内部に充填されてもよく、セパレーターが電解質の役割を果たしてもよい。また、電解質を液体状態として外装材４０の内部に充填した後、重合可能な成分を添加して最終的にポリマー状態の電解質となるようにしてもよい。

本発明では、複数の陽極２２と複数の陰極２４がそれぞれ備えられて積層される積層型電池を例示としたが、本発明はこれに限定されない。したがって、一つの陽極電極と一つの陰極電極とをセパレーターを介して巻回した巻回型電池が本発明に適用できるが、これも本発明の範囲に属する。

本発明において、外装材４０は、接着部４２によって接着されるパウチ(pouch)から構成されたが、本発明はこれに限定されない。金属またはプラスチックからなる円形または角形のケースを外装材として使用することができ、これも本発明の範囲に属する。

次に、図１、図２および図３を参照して、本発明に係るリチウム二次電池１０の電極群２０、陽極タブ３２および陰極タブ３４をさらに詳しく説明する。

図３は本発明に係るリチウム二次電池の陽極２２と陽極タブ３２を示す平面図、図４は本発明に係るリチウム二次電池の陰極２４と陰極タブ３４を示す平面図である。さらに明確な理解のために、図３および図４では外装材４０を示していない。

図３を参照すると、本発明に係る陽極２２は、伝導性物質からなる集電体２２ａと、この集電体２２ａの少なくとも一面に形成された陽極活物質２２ｂとを含んでなる。ここで、陽極２２の集電体２２ａは一例としてアルミニウムからなってもよく、陽極活物質２２ｂはリチウム系遷移金属酸化物からなってもよい。ところが、本発明はこれに限定されず、陽極２２の集電体２２ａと陽極活物質２２ｂが前記に提示した物質以外の物質から構成されてもよく、これも本発明の範囲に属する。

この際、集電体２２ａのみが陽極２２の長い側面から外方へ突出することにより、陽極タブ接合部２２ｃが形成される。陽極タブ接合部２２ｃは陽極タブ３２が接続される部分であって、陽極タブ３２が溶接によって陽極２２に円滑に接合され得るように、陽極活物質２２ｂが形成されていない無地部からなることが好ましい。

このように陽極タブ接合部２２ｃが無地部からなるため、陽極２２内には、陽極活物質２２ｂが形成されている部分と陽極活物質２２ｂが形成されていない部分との境界である活物質境界線２２ｄが存在する。このような活物質境界線２２ｄは、その長さが最小化されるように陽極タブ接合部２２ｃ上に存在する。

この陽極２２に接続される陽極タブ３２は、陽極タブ接合部２２ｃに接続する部分である第１部分３２ａと、陽極タブ接合部２２ｃに接続しない部分である第２部分３２ｂとを含んでなる。このような陽極タブ３２は、一例としてアルミニウムからなってもよい。ところが、本発明はこれに限定されず、陽極タブ３２がアルミニウム以外の他の物質からなってもよい。

この際、陽極タブ３２の第１部分３２ａの幅Ａ１は、陽極タブ３２の第２部分３２ｂの幅Ｂ１よりさらに狭く形成される。陽極タブ接合部２２ｃの幅はこれに接続される陽極タブ３２の第１部分３２ａの幅Ａ１と略同一なので、陽極タブ接合部２２ｃの幅は陽極タブ３２の第２部分３２ｂの幅Ｂ１よりさらに狭く形成される。

このように、本実施例では、陽極タブ３２の第１部分３２ａの幅Ａ１を相対的に減らすことにより、陽極タブ３２が接続される部分である陽極２２の陽極タブ接合部２２ｃの幅を減らすことができる。これにより、陽極タブ接合部３２ｃの上に形成される活物質境界線２２ｄの長さを大幅減らすことができる。この活物質境界線２２ｄが長いほど、陽極２２が撓んだり或いは陽極２２に皺が発生したりし易いが、本発明では、その長さを大幅減らすことにより、陽極２２が撓んだり陽極に皺が発生したりする問題を最小化することができる。

これにより、複数の陽極２２と陰極２４とが積層された電極群２０が全体的に歪むという問題を防止することができ、陽極２２と陰極２４とを均一に密着させて電池反応も均一に起る。これにより、リチウム二次電池１０の安全性を向上させることができ、リチウム二次電池１０の寿命を延ばすことができる。

陽極タブ３２の第２部分３２ａの幅Ｂ１は、相対的に広く形成し、電極群２０からの電気エネルギーが第２部分３２ａを介して円滑に伝達できるようにし、リチウム二次電池１０の作動の際に熱を広い面積へ放出して発熱特性を向上させることができる。

本発明では、陽極タブ３２を、第１部分３２ａと第２部分３２ｂが相異なる幅を持つように形成することにより、陽極２２の撓みまたは皺発生問題を最小化すると同時に、リチウム二次電池１０の電気的特性および発熱特性を向上させることができる。

ここで、第２部分３２ｂの幅Ｂ１に対する第１部分３２ａの幅Ａ１の比率（Ａ１／Ｂ１）は、０．３５〜０．６であることが好ましい。これは、前記比率（Ａ１／Ｂ１）が０．３５未満であれば、第１部分３２ａの幅Ａ１があまり狭くなって陽極タブ３２の形状が歪むなどの問題が発生するおそれがあり、前記比率（Ａ１／Ｂ１）が０．６超過であれば、活物質境界線２２ｄが長くなって電極が撓んだり電極に皺が発生したりするためである。

同様に、図４を参照すると、陰極２４は、伝導性物質から構成される集電体２４ａと、この集電体２４ａの少なくとも一面に形成された陰極活物質２４ｂとを含んでなる。ここで、陰極２４の集電体２４ａは一例として銅からなってもよく、陰極活物質２４ｂは炭素系物質からなってもよい。ところが、本発明は、これに限定されず、陰極２４の集電体２４ａと陰極活物質２４ｂが前記に提示した物質以外の物質から構成されてもよく、これも本発明の範囲に属する。

この際、集電体２４ａのみが陰極２４の長い側面から外方に突出することにより、陰極タブ接合部２４ｃが形成される。陰極タブ接合部２４ｃは、陰極タブ３４が接続される部分であって、陰極タブ３４が溶接によって陰極２４に円滑に接合できるように、陰極活物質２４ｂが形成されない無地部からなることが好ましい。

このように陰極タブ接合部２４ｃが無地部からなるため、陰極２４内には、陰極活物質２４ｂが形成されている部分と陰極活物質２４ｂが形成されていない部分との境界である活物質境界線２４ｄが存在する。本発明では、活物質境界線２４ｄは、その長さが最小化されるように陰極タブ接合部２４ｃ上に位置する。

この陰極２４に接続される陰極タブ３４は、陰極タブ接合部２４ｃに接続する部分である第３部分３４ａと、陰極タブ接合部２４ｃに接続しない第４部分３４ｂとを含んでなる。このような陰極タブ３４は、一例として銅、ニッケル、またはニッケルめっきを施した銅からなってもよい。ところが、本発明は、これに限定されず、陰極タブ３４が前記物質以外の他の物質からなってもよい。

ここで、第３部分３４ａの幅Ａ２および陰極タブ接合部２４ｃの幅は、第４部分３４ｂの幅Ｂ２よりさらに狭く形成される。

第４部分３４ｂの幅Ｂ２に対する第３部分３２ａの幅Ａ２の比率（Ａ２／Ｂ２）は、０．３５〜０．６であることが好ましい。前記比率（Ａ２／Ｂ２）は、陽極タブ３２と同様に、陰極タブ３４を安定的に形成しながらリチウム二次電池１０の発熱問題を考慮した前記範囲に決定されたのである。

本発明では、陰極タブ３４を、第３部分３４ａと第４部分３４ｂが相異なる幅を持つように形成することにより、陰極２４の撓みミまたは皺発生問題を最小化すると同時に、リチウム二次電池１０の電気的特性および発熱特性を向上させることができる。

本発明では、接着部４２は、陽極タブ３２の第２部分３２ｂと陰極タブ３４の第４部分３４ｄに形成されてもよい。

前述したように、陽極タブ３２と陰極タブ３４の両方ともが相異なる幅の２つの部分を含んでもよく、陽極タブ３２と陰極タブ３４のいずれか一つのみが相異なる幅の２つの部分を含んでもよい。この際には、陽極２２と陰極２４のうち構成物質の延伸率が高いため、撓みまたは皺が発生し易い電極のタブが前述の構造を持つことが好ましい。一例として、陽極２２がアルミニウムからなり且つ陰極２４が銅からなる場合には、陽極タブ３２が前述の構造を持つことが好ましい。

図面では、第１部分３２ａの幅Ａ１を第２部分３２ｂの幅Ｂ１より狭めるために、第２部分３２ｂが第１部分３２ａを基準として一方に突出することを示したが、本発明はこれに限定されない。同様に、図面では第４部分３４ｂが第３部分３４ａを基準として一方に突出することを示したが、本発明はこれに限定されない。

また、陽極タブ接合部２２ｃと陰極タブ接合部２４ｃはそれぞれ陽極２２と陰極２４の長い側面から突出した形状をすると図示および説明したが、本発明はこれに限定されない。したがって、陽極タブ接合部２２ｃまたは陰極タブ接合部２４ｃは、陽極２２と陰極２４の短い側面に形成されるか、或いは突出した形状をしないなど、様々に変形できる。

１０…リチウム二次電池、 ２０…電極群
２２…陽極、 ２４…陰極
２６…セパレーター、 ３２…陽極タブ
３４…陰極タブ、 ４０…外装材
４２…接着部

Claims (7)

1. 第１電極、第２電極、および前記第１電極と前記第２電極との間に位置するセパレーターを含む電極群と、
   前記第１電極に接続される第１電極タブと、
   前記第２電極に接続される第２電極タブとを含んでなり、
   前記第１電極タブは、前記第１電極に接続する部分である第１部分と、前記第１部分以外の部分である第２部分とを含み、前記第１部分の幅が前記第２部分の幅より狭く、
   前記第２部分の幅に対する前記第１部分の幅の比率が０．３５乃至０．６であり、
   前記第１電極タブ接続部は、前記第１電極タブが溶接によって前記第１電極に円滑に接合できるように陽極活物質が形成されない無地部からなり、
   前記第１電極のタブ接合部の幅が前記第２部分の幅より狭いことを特徴とする、リチウム二次電池。
2. 前記第１電極には、前記第１部分に接続するタブ接合部が突設されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記第２部分は前記第１部分を基準として一方に突出することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
4. 前記リチウム二次電池は、前記第１電極タブおよび前記第２電極タブの端部を露出させながら前記電極群を取り囲んで密封する外装材をさらに含み、前記外装材の接着部は前記第２部分に位置することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
5. 前記第１電極がカソード電極であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
6. 前記第１電極の延伸率が前記第２電極の延伸率より高いことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
7. 前記第２電極タブは、前記第２電極に接続する部分である第３部分と、前記第３部分以外の部分である第４部分を含んでなり、前記第３部分の幅が前記第４部分の幅よりさらに狭いことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。

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