JP6041394B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、正極電極と負極電極とをセパレーターを介して積層した電極積層体を外装材で封口した非水電解液二次電池に関する。
正極電極と負極電極とをセパレーターを介して積層したリチウムイオン電池等の非水電解液二次電池は、正極、負極の面積を大きくしたり、積層する正極、負極の枚数を増加することによって単位電池当たりの容量を大きくすることが容易であるので、充放電容量が大きな電池として好適である。
リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池では、正極電極、負極電極ともに、金属箔を集電体とすることが行われており、リチウムイオン電池では、集電体の帯状の金属箔面に、粒子状の活物質、導電性材料、結着剤等を混合したスラリーを部分的に塗布、乾燥した後，所定の大きさに切断することによって、活物質層を形成していない部分から引出タブを一体に形成することによって正極電極、負極電極を製造することが行われている。
リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池では、正極電極、負極電極ともに、金属箔を集電体とすることが行われており、リチウムイオン電池では、集電体の帯状の金属箔面に、粒子状の活物質、導電性材料、結着剤等を混合したスラリーを部分的に塗布、乾燥した後，所定の大きさに切断することによって、活物質層を形成していない部分から引出タブを一体に形成することによって正極電極、負極電極を製造することが行われている。
正極電極と負極電極とはセパレーターを介して積層または捲回されて電池容器に収容されるが、このとき集電体および集電体に活物質が塗布された状態の正極電極ならびに負極電極の厚さがいずれも小さいことから、集電体や電極が破れないようにすることが重要である。また、リチウムイオン電池においては、正極電極や負極電極の位置がずれないようにすることで、リチウムが電極上に析出するデンドライトの発生を防止することや、正極と負極が直接接触するような短絡を防止することも求められる。
集電箔の破れ防止として、引出タブ部分の周縁から活物質層を有する部位の周縁へかけて連続した曲線を形成することによって引出タブと電極活物質層を形成した部分との会合部における強度を高めたり、角部を形成した場合におけるバリや集電体箔の破れを防止した電池電極を有する非水電解液二次電池が提案されている（特許文献１参照）。
一方、積層位置のずれ防止として、電極やセパレーターの一部を切り欠くか、あるいは一部を折り返すことで、当該切り欠いた部分や折り返した部分を利用して積層の位置決めをしながら正極電極および負極電極をセパレーターを介して積層する積層型電池が提案されている（特許文献２参照）
一方、積層位置のずれ防止として、電極やセパレーターの一部を切り欠くか、あるいは一部を折り返すことで、当該切り欠いた部分や折り返した部分を利用して積層の位置決めをしながら正極電極および負極電極をセパレーターを介して積層する積層型電池が提案されている（特許文献２参照）
特許文献１のように、リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池の正極電極、負極電極と一体に設けた引出タブ部分の周縁から活物質層を有する部位の周縁へかけて連続した曲線を形成することによって引出タブ電極かつ物質層を形成した部分との会合部における強度を高めることや、角部における集電体箔の破れを防止する効果を得ることができるが、電池に対して強い振動が繰り返し加わった場合等には、電池電極の位置ずれにより、正極引出タブと負極電極との短絡等が生じた際に、活物質が存在しない部分に非常に大きな電流が流れるというの問題が発生する可能性がある。
また、特許文献２のように電極の一部を切り欠いた部分を利用することで電極の位置決めは容易になるが、電池容量を犠牲にすることになるので電池特性上は好ましくない。
本発明は、電池に対して強い振動が繰り返し加わった場合等であっても位置ずれによって正極引出タブと負極電極との短絡等の問題が発生する可能性が小さな電池を提供することを課題とするものである。
また、特許文献２のように電極の一部を切り欠いた部分を利用することで電極の位置決めは容易になるが、電池容量を犠牲にすることになるので電池特性上は好ましくない。
本発明は、電池に対して強い振動が繰り返し加わった場合等であっても位置ずれによって正極引出タブと負極電極との短絡等の問題が発生する可能性が小さな電池を提供することを課題とするものである。
本発明は、上記課題を解決するものであって、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極電極部と、前記正極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記正極集電体と一体に作製された正極引出タブを有する正極電極と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極電極部と、前記負極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記負極集電体と一体に作製された負極引出タブを有する負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に介在させたセパレーターとを備え、少なくとも前記正極引出タブの両側には正極活物質層が形成され、前記正極引出タブと正極集電体との会合部が曲線部を有しており、前記正極引出タブの両側の曲線部で囲まれる領域には正極活物質層が形成されており、負極電極の負極引出タブを取り出した辺の上端部の負極引出タブの外側上端部は、すべてが負極引出タブの内側上端部よりも上部にある非水電解液二次電池によって解決することができる。
また、本発明は前記正極引出タブにおける負極対向面に正極活物質層が形成された非水電解液二次電池である。
前記曲線部の曲率は、前記正極電極の前記正極引出タブの取り出し方向と垂直方向の長さの曲率半径ｒが１ｍｍ〜１０ｍｍである前記の非水電解液二次電池である。
また、前記正極電極と負極電極の複数枚をセパレーターを介して積層した積層型電池である前記の非水電解液二次電池である。
また、負極電極の負極引出タブを取り出した辺の上端部の負極引出タブの外側上端部は、の負極引出タブの内側上端部よりも上部にある前記の非水電解液二次電池である。
なお、本発明において、負極引出タブの外側上端部は、負極引出タブの正極引出タブ側とは反対側の部分を意味し、負極引出タブの外側上端部は、負極引出タブの正極引出タブ側の部分を意味する。
また、前記曲線部が円弧である前記の非水電解液二次電池である。
リチウムイオン二次電池である前記の非水電解液二次電池である。
なお、本発明において、正極電極部、または負極電極部の周縁と連続した曲線部で結合してなる曲線部は、正極電極、または負極電極を、正極集電体、または負極集電体に平行な面に投影した投影像の平面図形が曲線を描くものを意味する。
また、前記正極電極と負極電極の複数枚をセパレーターを介して積層した積層型電池である前記の非水電解液二次電池である。
また、負極電極の負極引出タブを取り出した辺の上端部の負極引出タブの外側上端部は、の負極引出タブの内側上端部よりも上部にある前記の非水電解液二次電池である。
なお、本発明において、負極引出タブの外側上端部は、負極引出タブの正極引出タブ側とは反対側の部分を意味し、負極引出タブの外側上端部は、負極引出タブの正極引出タブ側の部分を意味する。
また、前記曲線部が円弧である前記の非水電解液二次電池である。
リチウムイオン二次電池である前記の非水電解液二次電池である。
なお、本発明において、正極電極部、または負極電極部の周縁と連続した曲線部で結合してなる曲線部は、正極電極、または負極電極を、正極集電体、または負極集電体に平行な面に投影した投影像の平面図形が曲線を描くものを意味する。
本発明に係る非水電解液二次電池によれば、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極電極部と、前記正極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記正極集電体と一体に作製された正極引出タブの両側の曲線部で囲まれる領域には正極活物質層が形成され、前記正極電極部を前記負極電極部に垂直に投影した投影部分には負極活物質層が存在し、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極電極部と、前記負極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記負極集電体と一体に作製された負極引出タブを有する負極電極とを備えた非水電解液二次電池であるので、正極引出タブ、負極引出タブの強度が大きく、また、万一、振動等による大きなずれが生じて正極引出タブが負極引出タブに接触した場合でも、正極引出タブの負極対向面には正極活物質層が形成されているので、正極引出タブは直接的に負極引出タブの負極活物質を塗布していない部分と接触した場合に比べて短絡電流が小さくなるので苛酷な事態に至るのを防止することができる。
以下に、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の非水電解液二次電池の一実施形態を説明する図である。図１Ａは、正面図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’の位置における断面図であって積層方向を拡大した図を示す。
非水電解液二次電池１は、正極電極１００と負極電極２００がセパレーター３００を介して積層された電極積層体４００を形成しており、電極積層体４００から同一方向に正極引出タブ１０５および負極引出タブ（図示せず）が取り出されている。
複数枚の正極引出タブ１０５は、重ね合わせて接合部１１０において正極タブ１１５と超音波接合等によって接合されている。また、複数枚の負極引出タブも同様に負極タブ２１５と接合されている。このように、電極積層体４００と接合された正極タブ１１５、負極タブ２１５は、フィルム状外装材５００の封口部５１０から取り出されている。
また、フィルム状外装材には、アルミニウム箔の外面側にはナイロン、ポリエチレンテレフタレート等の強度、および耐熱性を有する部材を、内面側には、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱融着特性が良好な材料をそれぞれ積層したものを用いることができる。積層型二次電池の外装材には、上記したようなフィルム状外装材に限らず金属製の外装容器等を用いたものであってもよい。
図１は、本発明の非水電解液二次電池の一実施形態を説明する図である。図１Ａは、正面図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’の位置における断面図であって積層方向を拡大した図を示す。
非水電解液二次電池１は、正極電極１００と負極電極２００がセパレーター３００を介して積層された電極積層体４００を形成しており、電極積層体４００から同一方向に正極引出タブ１０５および負極引出タブ（図示せず）が取り出されている。
複数枚の正極引出タブ１０５は、重ね合わせて接合部１１０において正極タブ１１５と超音波接合等によって接合されている。また、複数枚の負極引出タブも同様に負極タブ２１５と接合されている。このように、電極積層体４００と接合された正極タブ１１５、負極タブ２１５は、フィルム状外装材５００の封口部５１０から取り出されている。
また、フィルム状外装材には、アルミニウム箔の外面側にはナイロン、ポリエチレンテレフタレート等の強度、および耐熱性を有する部材を、内面側には、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱融着特性が良好な材料をそれぞれ積層したものを用いることができる。積層型二次電池の外装材には、上記したようなフィルム状外装材に限らず金属製の外装容器等を用いたものであってもよい。
図２は、本発明の非水電解液二次電池の負極電極、正極電極の一例を説明する図である。
図２Ａは、負極電極を説明する図である。
帯状の銅箔を負極集電体上に、リチウムイオンを吸蔵、放出する炭素材料、カーボンブラック等の導電性材料、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤等をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状とし、このスラリー状の負極合剤を負極集電体上に間欠的に両面に塗布し、乾燥後、ローラープレス機等によって圧縮して成型を行って作製した負極電極基材を所定の形状に切断して作製することができる。
負極電極２００は、電池反応時において作用する負極電極部２１０と負極電極基材の負極集電体２０１から一体形成した負極引出タブ２０５を有している。また、負極引出タブ２０５は、前記負極電極部２１０の周縁と連続した曲線部２０６ａ、２０６ｂによって曲面を描いて結合している。
図２Ａは、負極電極を説明する図である。
帯状の銅箔を負極集電体上に、リチウムイオンを吸蔵、放出する炭素材料、カーボンブラック等の導電性材料、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤等をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状とし、このスラリー状の負極合剤を負極集電体上に間欠的に両面に塗布し、乾燥後、ローラープレス機等によって圧縮して成型を行って作製した負極電極基材を所定の形状に切断して作製することができる。
負極電極２００は、電池反応時において作用する負極電極部２１０と負極電極基材の負極集電体２０１から一体形成した負極引出タブ２０５を有している。また、負極引出タブ２０５は、前記負極電極部２１０の周縁と連続した曲線部２０６ａ、２０６ｂによって曲面を描いて結合している。
図２Ｂは、正極電極を説明する図である。帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体１０１上に、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物等と、カーボンブラック等の導電性材料、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤等をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状とし、このスラリー状の正極合剤を正極集電体上に間欠的に両面に塗布し、乾燥後、ローラープレス機等によって圧縮して成型を行い正極電極基材が得られる。
正極電極１００は、電池反応時において作用する正極電極部１２０と、正極電極基材の正極集電体１０１から一体形成した正極引出タブ１０５を有している。また、正極引出タブ１０５は、前記正極電極部１２０の周縁と連続した曲線部１０６ａ、１０６ｂで結合している。
また、正極引出タブ１０５の両側の曲線部１０６ａ、１０６ｂの間には、負極活物質の対向する部分にいたるまで正極活物質塗布部１０７が形成されている。少なくとも両側の曲線部１０６ａと１０６ｂの間に正極活物質を設けることで、引き出しタブと電極との境界部の強度を高めることができる。
前記の負極電極引出タブ、正極電極引出タブの両側に形成する曲線部は、曲率半径ｒは、１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜８ｍｍとすることがより好ましい。
曲率半径が１ｍｍよりも小さい場合には、引出タブと集電体との間の強度が不充分であり、正極タブ、負極タブを超音波接合する際に破断するおそれがある。また、曲率半径が１０ｍｍよりも大きい場合には塗布された活物質の脱粒が多くなり、使用状況によっては対極との短絡の可能性があるので好ましくない。
また、正極引出タブ１０５の両側の曲線部１０６ａ、１０６ｂの間には、負極活物質の対向する部分にいたるまで正極活物質塗布部１０７が形成されている。少なくとも両側の曲線部１０６ａと１０６ｂの間に正極活物質を設けることで、引き出しタブと電極との境界部の強度を高めることができる。
前記の負極電極引出タブ、正極電極引出タブの両側に形成する曲線部は、曲率半径ｒは、１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜８ｍｍとすることがより好ましい。
曲率半径が１ｍｍよりも小さい場合には、引出タブと集電体との間の強度が不充分であり、正極タブ、負極タブを超音波接合する際に破断するおそれがある。また、曲率半径が１０ｍｍよりも大きい場合には塗布された活物質の脱粒が多くなり、使用状況によっては対極との短絡の可能性があるので好ましくない。
次いで、図２Ｃに示すように、正極電極１００を袋状のセパレーター３００に入れた後に負極電極２００と積層する等の方法によって、複数の正極電極１００と複数の負極電極をセパレーター３００を介して積層して粘着テープ４１０によって一体化した後に、複数の正極引出タブ、負極引出タブをそれぞれ超音波接合等の方法によって接合して一体化して電池積層体４００が得られる。
また、図３は、本発明の電池電極の電極引出タブ側の形状を説明する図である。
本発明の積層体は、左右が線対称でないものとすることが好ましい。
すなわち、負極電極２００は、負極引出タブ２０５を取り出した辺の上端部の負極引出タブの外側上端部２０６ｃは、内側上端部２０６ｄの上端の高さに対して、偏差Ｄを有している。
この偏差Ｄは、位置あわせ時に利用可能な大きさであって、活物質が脱落して対極に触れないようにするために、セパレーターの上端部よりも下方にあることが好ましい。外形寸法の大きい電極において引き出したタブの外側を高くすることで、フィルム状外装材等のエンボス形状を有する部材によって電池積層体を外装する際には、エンボス面に電池積層体の高さが高い部分が当接して、外装体内における位置ずれを防止することができる。
本発明の積層体は、左右が線対称でないものとすることが好ましい。
すなわち、負極電極２００は、負極引出タブ２０５を取り出した辺の上端部の負極引出タブの外側上端部２０６ｃは、内側上端部２０６ｄの上端の高さに対して、偏差Ｄを有している。
この偏差Ｄは、位置あわせ時に利用可能な大きさであって、活物質が脱落して対極に触れないようにするために、セパレーターの上端部よりも下方にあることが好ましい。外形寸法の大きい電極において引き出したタブの外側を高くすることで、フィルム状外装材等のエンボス形状を有する部材によって電池積層体を外装する際には、エンボス面に電池積層体の高さが高い部分が当接して、外装体内における位置ずれを防止することができる。
以上の様にして作製した電極積層体は、フィルム状外装材によって外装したり、金属製の電池缶に収納し、電解液を注入の後に封口することによって非水電解液二次電池を作製することができる。
本発明の非水電解液二次電池は、正極電極部と、前記正極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記正極集電体と一体に作製された正極引出タブの両側の曲線部で囲まれる領域には正極活物質層が形成され、前記正極電極部を前記負極電極部に垂直に投影した投影部分には負極活物質層が存在し、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極電極部と、前記負極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記負極集電体と一体に作製された負極引出タブを有する負極電極とを備えた非水電解液二次電池であるので、正極引出タブ、負極引出タブの強度が大きく、振動等による大きなずれが生じて正極引出タブが負極引出タブに接触した場合でも、短絡電流を小さくすることができるので苛酷な事態に至ることを防止することができる。
１・・・非水電解液二次電池、１００・・・正極電極、１０１・・・正極集電体、１０５・・・正極引出タブ、１０６ａ、１０６ｂ・・・曲線部、１０７・・・正極活物質塗布部、１１０・・・接合部、１２０・・・正極電極部、２００・・・負極電極、２０１・・・負極集電体、２１０・・・負極電極部、２０５・・・負極引出タブ、２０６ａ、２０６ｂ・・・曲線部、２０６ｃ・・・外側上端部、２０６ｄ・・・内側上端部、３００・・・セパレーター、４００・・・電極積層体、４１０・・・粘着テープ、５００・・・フィルム状外装材、５１０・・・封口部
Claims (7)
- 正極集電体上に正極活物質層が形成された正極電極部と、前記正極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記正極集電体と一体に作製された正極引出タブを有する正極電極と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極電極部と、前記負極電極部の周縁と連続した曲線部で結合して前記負極集電体と一体に作製された負極引出タブを有する負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に介在させたセパレーターとを備え、少なくとも前記正極引出タブの両側には正極活物質層が形成され、前記正極引出タブと正極集電体との会合部が曲線部を有しており、前記正極引出タブの両側の曲線部で囲まれる領域には正極活物質層が形成されており、負極電極の負極引出タブを取り出した辺の上端部の負極引出タブの外側上端部は、すべてが負極引出タブの内側上端部よりも上部にあること特徴とする非水電解液二次電池。
- 前記正極電極部を前記負極電極部に垂直に投影した投影部分が負極活物質層の外形よりも内側に存在することを特徴とする請求項１項記載の非水電解液二次電池。
- 前記正極引出タブにおける負極対向面に正極活物質層が形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の非水電解液二次電池。
- 前記曲線部の曲率は、前記正極電極の前記正極タブの取り出し方向と垂直方向の長さの曲率半径ｒ：１ｍｍ〜１０ｍｍである請求項１から３のいずれか１項記載の非水電解液二次電池。
- 前記正極電極と負極電極の複数枚をセパレーターを介して積層した積層型電池である請求項１から４のいずれか１項記載の非水電解液二次電池。
- 前記曲線部が円弧であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の非水電解液二次電池。
- リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のの非水電解液二次電池、
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