JP6393487B2

JP6393487B2 - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP6393487B2
Application number: JP2014028564A
Authority: JP
Inventors: 浩児占部; 石川　祐樹; 祐樹石川
Original assignee: Maxell Holdings Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: JP2015153691A

Description

本発明は、非水電解質二次電池に関する。

従来、正極電極、負極電極、およびセパレータを捲回した電極体（捲回体）を備える非水電解質二次電池の構成が知られている。

特開２０１２−４９０８９号公報には、外装缶と、捲回体と、正極タブと、負極タブとを備える非水電解質二次電池が記載されている。この非水電解質二次電池では、捲回体は、正極と、負極と、セパレータとを含み、正極は、正極集電体と、正極活物質層とを含む。この非水電解質二次電池ではさらに、絶縁テープが、正極集電体の内周端側に位置する正極集電体の最初の屈曲部に貼付される。

上記の特許文献には、絶縁テープを貼付することによって、最初の屈曲部が鋭角で曲げられても、正極の最初の屈曲部における破損が抑制されると記載されている。また、正極タブにも絶縁テープを貼付することによって、正極タブの溶接によって生じたバリがセパレータを突き破るのを抑制できると記載されている。

特開２０１２−４９０８９号公報

上記の特許文献に記載された非水電解質二次電池は、電極体に絶縁テープを貼付する必要がある。そのため、製造設備が複雑になる。

本発明の目的は、正極と負極とが短絡することを抑制できる非水電解質二次電池の構成を得ることである。

本発明の一実施形態にかかる非水電解質二次電池は、電極体と、リードタブとを備える。電極体は、第１電極と、第２電極と、セパレータとが捲回されたものである。第１電極は、帯状の集電体と集電体の少なくとも一方の面の一部に形成される合剤層とを含む。第２電極は、第１電極と反対極性である。セパレータは、第１電極と第２電極との間に配置される。リードタブは、集電体の捲回方向の一方の端部の近傍に取り付けられる。集電体が一方の端部の近傍において折り曲げられていることによって、リードタブが厚さ方向において集電体に挟まれている。

上記の構成によれば、リードタブが厚さ方向において集電体に挟まれているので、集電体とリードタブとの接合個所、またはリードタブのエッジがセパレータに接触しない。そのため、集電体とリードタブとの接合個所、またはリードタブのエッジによってセパレータが破れるのを抑制できる。これによって、第１電極と第２電極との短絡を抑制することができる。

本発明によれば、正極と負極とが短絡することを抑制できる非水電解質二次電池の構成が得られる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる非水電解質二次電池の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、電極体の概略構成を説明するための図である。図３Ａは、正極集電体の端部の近傍の構成を説明するための図である。図３Ｂは、正極集電体の端部の近傍の構成を説明するための図である。図３Ｃは、正極集電体の端部の近傍の構成を説明するための図である。図４は、本発明の変形例の一つにかかる非水電解質二次電池が備える電極体の模式的断面図である。図５Ａは、変形例における正極集電体の端部の近傍の構成を説明するための図である。図５Ｂは、変形例における正極集電体の端部の近傍の構成を説明するための図である。図５Ｃは、変形例における正極集電体の端部の近傍の構成を説明するための図である。図６は、本発明の変形例の一つにかかる非水電解質二次電池が備える電極体の模式的断面図である。図７は、本発明の変形例の一つにかかる非水電解質二次電池が備える電極体の模式的断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［非水電解質二次電池の構成］
図１は、本発明の一実施形態にかかる非水電解質二次電池１の概略構成を示す斜視図である。非水電解質二次電池１は、外装缶１１、フタ板（トップカバー）１２、負極端子１３、封止栓１４、電極体２０、および図示しない電解液を備えている。

ここで説明の便宜のため、外装缶１１の外形に沿って、図１に示すようにｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を定める。非水電解質二次電池１は、ｙ方向の寸法がｘ方向およびｚ方向の寸法よりも小さい、扁平形状の電池である。

外装缶１１は、一方端が開口した箱型の形状であり、内部に電極体２０を収納している。外装缶１１の開口部は、フタ板１２によって塞がれている。外装缶１１およびフタ板１２は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。

フタ板１２の中央部には、負極端子１３が配置されている。負極端子１３は、例えば、ニッケル、またはニッケルメッキされた銅によって形成されている。負極端子１３は、フタ板１２を貫通している。負極端子１３は、後述する負極リードタブを介して、電極体２０の負極電極と電気的に接続されている。フタ板１２と負極端子１３とは、図示しない絶縁パッキングによって電気的に絶縁されている。

なお、電極体２０の正極電極は、後述する正極リードタブを介してフタ板１２と電気的に接続されている。この構成によって、フタ板１２およびフタ板１２と導通している外装缶１１は、正極端子として機能している。

フタ板１２には、電解液を注液するための注液口１２ａが形成されている。注液口１２ａは、フタ板１２を貫通している。注液口１２ａは、電解液が注液された後、封止栓１４によって封止される。

電解液は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液である。有機溶媒として、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、またはγ‐ブチロラクトン等を、単独でまたは２種類以上を混合して用いることができる。リチウム塩として、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、またはＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２等を用いることができる。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、電極体２０の概略構成を説明するための図である。図２では、電極体２０の最内周だけを図示し、電極体２０の外側および外装缶１１の図示を省略している。また、図２では各部材を区別しやすくするために間隔を空けて図示しているが、実際の構成では各部材はほとんど隙間なく配置されている。後述する図４、図６、および図７についても同様である。

電極体２０は、帯状の正極電極２１、帯状の負極電極２２、ならびに帯状のセパレータ２３および２４を備えている。電極体２０は、負極電極２２、セパレータ２３、正極電極２１、セパレータ２４をこの順番で重ねて、負極電極２２を内側にしてｚ方向のまわりに捲回したものである。

正極電極２１は、帯状の正極集電体２１０と、正極集電体２１０の一方の面に形成された正極合剤層２１１と、正極集電体２１０の他方の面に形成された正極合剤層２１２とを含んでいる。

正極集電体２１０は例えば、アルミニウムまたはチタン等の箔、平織金網、エキスパンドメタル、ラス網、またはパンチングメタル等によって形成される。

正極合剤層２１１および２１２は、正極活物質と、導電助剤と、バインダとを混合して形成される。正極活物質として、マンガン酸リチウム、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、酸化バナジウム、または酸化モリブデン等を用いることができる。導電助剤として、黒鉛、カーボンブラック、またはアセチレンブラック等を用いることができる。バインダとして、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を、単独または混合して用いることができる。

負極電極２２は、帯状の負極集電体２２０と、負極集電体２２０の一方の面に形成された負極合剤層２２１と、負極集電体２２０の他方の面に形成された負極合剤層２２２とを含んでいる。

負極集電体２２０は例えば、銅、ニッケル、またはステンレス等の箔、平織金網、エキスパンドメタル、ラス網、またはパンチングメタル等によって形成される。

負極合剤層２２１および２２２は、負極活物質と、バインダとを混合して形成される。負極活物質として、天然黒鉛、メソフェーズカーボン、または非晶質カーボン等を用いることができる。バインダとして、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）等のセルロース、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリルゴム等のゴムバインダ、ＰＴＦＥ、ならびにＰＶＤＦ等を、単独または混合して用いることができる。

セパレータ２３および２４は例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、またはポリフェニルサルフィド（ＰＰＳ）等の、多孔性フィルムまたは不織布である。

図２に示すように、負極合剤層２２１は、セパレータ２３を間に挟んで正極合剤層２１２と対向するように形成されている。同様に、負極合剤層２２２は、セパレータ２４を間に挟んで正極合剤層２１１と対向するように形成されている。電極体２０の最内周には、対向させる正極合剤層が存在しないため、負極合剤層２２２が形成されていない。そのため、電極体２０では、負極合剤層２２１の塗布端の位置と負極合剤層２２２の塗布端の位置とが異なっている。

正極集電体２１０の内周側の端部２１０ａの近傍には、正極合剤層２１１および２１２のいずれも形成されていない。すなわち、正極電極２１の内周側の端部では、正極集電体２１０が露出している。正極集電体２１０が露出している部分には、正極リードタブ１５が取り付けられている。正極リードタブ１５は、ｚ軸方向（捲回体の捲回軸方向）に延びるように形成され、フタ板１２（図１）に溶接される。

同様に、負極集電体２２０の内周側の端部２２０ａの近傍には、負極合剤層２２１および２２２のいずれも形成されていない。すなわち、負極電極２２の内周側の端部では、負極集電体２２０が露出している。負極集電体２２０が露出している部分には、負極リードタブ１６が取り付けられている。負極リードタブ１６は、ｚ軸方向に延びるように形成され、負極端子１３（図１）に溶接される。

正極集電体２１０は、端部２１０ａの近傍において、正極リードタブ１５側に折り曲げられている。これによって、正極リードタブ１５は、厚さ方向（ｙ方向）において、正極集電体２１０に挟まれている。

［非水電解質二次電池１の製造方法］
以下、非水電解質二次電池１の製造方法の一例を説明する。

正極活物質、導電助剤、およびバインダを、純水または有機溶媒中で十分に混合し、分散体を作製する。分散体を、ダイコータ、スリットコータ、ディップコータ等を用いて、正極集電体２１０の両面に塗布する。このとき、端部２１０ａの近傍には、分散体を塗布しないようにする。塗布後、分散体を乾燥し、カレンダ処理によって厚さおよび密度を調整して、正極合剤層２１１および２１２を形成する。これによって、正極電極２１が得られる。

正極電極２１に正極リードタブ１５を取り付ける。図３Ａ〜図３Ｃは、正極集電体２１０の端部２１０ａの近傍の構成を説明するための図である。

図３Ａに示すように、端部２１０ａから正極リートタブ１５の幅ｗ以上の間隔をおいて、正極集電体２１０に正極リードタブ１５を取り付ける。正極リードタブ１５は例えば、溶接または導電性接着材によって取り付けられる。

図３Ｂに示すように、正極集電体２１０の端部２１０ａから正極リードタブ１５の端片までの部分ｐ１を、正極リードタブ１５に覆い被せるように折り曲げる。

これによって、図２および図３Ｃに示すように、正極リードタブ１５が厚さ方向において正極集電体２１０に挟まれる。

負極活物質、およびバインダを、純水または有機溶媒中で十分に混合し、分散体を作製する。分散体を、ダイコータ、スリットコータ、ディップコータ等を用いて、負極集電体２２０の両面に塗布する。このとき、端部２２０ａの近傍には、分散体を塗布しないようにする。塗布後、分散体を乾燥し、カレンダ処理によって厚さおよび密度を調整して、負極合剤層２２１および２２２を形成する。これによって、負極電極２２が得られる。

負極集電体２２０が露出した部分に、負極リードタブ１６を取り付ける。負極リードタブ１６は例えば、溶接または導電性接着材によって取り付けられる。

正極電極２１、負極電極２２、ならびにセパレータ２３および２４を、断面形状が円形、楕円形、または菱形の巻き芯を用いて捲回した後、巻き芯を抜き、一方向に圧力をかけて偏平形状にする。あるいは、正極電極２１、負極電極２２、ならびにセパレータ２３および２４を、断面形状が扁平形状の巻き芯を用いて捲回して、扁平形状の電極体としても良い。これによって、電極体２０が得られる。

外装缶１１とフタ板１２とを準備する。外装缶１１は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金の板を深絞り加工して製造される。フタ板１２は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金の板を打ち抜いて製造される。フタ板１２には、あらかじめ負極端子１３を取り付けておく。

正極リードタブ１５とフタ板１２とを溶接し、負極リードタブ１６と負極端子１３とを溶接する。電極体２０を外装缶１１に収納し、外装缶１１の開口部にフタ板１２を嵌合する。この状態で、外装缶１１の開口部の内周とフタ板１２の外周部とを溶接する。

注液口１２ａから電解液を注液し、必要に応じて予備充電を行う。その後、注液口１２ａに封止栓１４を嵌合し、注液口１２ａの内周と封止栓１４の外周とを溶接して、注液口１２ａを密封する。その後、所定の容量まで充電することによって、非水電解質二次電池１が製造される。

［非水電解質二次電池１の効果］
正極集電体２１０と正極リードタブ１５とを溶接する際、溶接個所にバリができる場合がある。このようなバリによって、セパレータ２３または２４が破れる場合がある。また、正極集電体２１０と正極リードタブ１５とを溶接以外の方法によって接合した場合であっても、正極リードタブ１５のエッジによって、セパレータ２３または２４が破れる場合がある。セパレータ２３または２４が破れると、正極リードタブ１５と負極合剤層２２２、または正極リードタブ１５と負極集電体２２０とが接触する可能性がある。すなわち、正極電極２１と負極電極２２とが短絡する可能性がある。

本実施形態によれば、正極リードタブ１５が厚さ方向において正極集電体２１０に挟まれている。そのため、正極集電体２１０と正極リードタブ１５との溶接個所、または正極リードタブ１５のエッジがセパレータ２３および２４に接触しない。これによって、正極電極２１と負極電極２２との短絡を抑制することができる。

本実施形態によれば、正極集電体２１０を端部２１０ａの近傍において折り曲げて、厚さ方向において正極集電体２１０が正極リードタブ１５を挟む。この構成によれば、正極リードタブ１５を覆うだけの部材（絶縁テープ等）を必要としない。そのため、構成を簡潔にできる。

なお、負極集電体２２０と負極リードタブ１６との溶接個所にも、バリが発生する可能性がある。そのため、負極集電体２２０と負極リードタブ１６との溶接個所も、正極リードタブ１５の場合と同様に、負極集電体２２０によって覆っておいても良い。ただし、本実施形態では図２に示すように、負極リードタブ１６の周りには同極性の負極集電体２２０しか配置されていない。そのため、負極リードタブ１６と正極電極２１とが短絡する可能性は低い。そのため、負極集電体２２０と負極リードタブ１６との溶接個所を負極集電体２２０で覆うことは、必須ではない。

本実施形態によれば、正極リードタブ１５は、正極集電体２１０の内周側の端部２１０ａの近傍に取り付けられている。正極リードタブ１５を正極集電体２１０の内周側の端部２１０ａの近傍に取り付けた場合、正極リードタブ１５は電極体２０の中心近くに配置される。そのため、電極体２０が充放電によって膨張・収縮しても、電極体２０に加わる応力が比較的対称になる。そのため、電極体２０の歪を少なくできる。

負極リードタブ１６についても同様である。本実施形態によれば、負極リードタブ１６は、負極集電体２２０の内周側の端部２２０ａの近傍に取り付けられている。この構成によれば、電極体２０の歪を少なくできる。

本実施形態によれば、電極体２０は、負極電極２２を内側にしてｚ方向のまわりに捲回したものである。この構成では、正極集電体２１０のどちらの面に正極リードタブ１５を取り付けても、正極リードタブ１５と負極電極２２とがセパレータを挟んで対向することになる。本実施形態では、上述のように正極リードタブ１５を厚さ方向の両側から正極集電体２１０によって挟むことによって、正極リードタブ１５と負極電極２２とが短絡するのを抑制している。

［非水電解質二次電池の変形例］
非水電解質二次電池１は、電極体２０に代えて、以下に説明する電極体２０Ａ〜２０Ｃのいずれかを備えていても良い。

図４は、電極体２０の変形例の一つである電極体２０Ａの模式的断面図である。電極体２０と電極体２０Ａとは、正極リードタブ１５の近傍の構成が異なっている。電極体２０（図２）の場合、正極集電体２１０の、正極リードタブ１５が取り付けられていない部分が折り曲げられている。これに対して、電極体２０Ａ（図４）の場合、正極集電体２１０の、正極リードタブ１５が取り付けられた部分が折り曲げられている。

図５Ａ〜図５Ｃは、この変形例おける正極集電体２１０の端部２１０ａの近傍の構成を説明するための図である。図５Ａに示すように、電極体２０Ａでは正極リードタブ１５は、電極体２０の場合（図３Ａ）よりも正極集電体２１０の端部２１０ａに近い側に取り付けられている。図５Ｂに示すように、電極体２０Ａでは正極集電体２１０は、正極リードタブ１５の両端を含む部分ｐ２が、正極リードタブ１５を内側にして折り曲げられている。図４および図５Ｃに示すように、正極リードタブ１５は電極体２０Ａにおいても、厚さ方向において正極集電体２１０に挟まれている。したがって、電極体２０Ａによっても、電極体２０の場合と同様の効果が得られる。

図６は、電極体２０の変形例の一つである電極体２０Ｂの模式的断面図である。電極体２０と電極体２０Ｂとは、正極リードタブ１５の近傍の構成が異なっている。

電極体２０Ｂでは、正極集電体２１０の内周側の端部２１０ａの近傍が、電極体２０の状態から、捲回方向内側にさらに折り曲げられている。すなわち、電極体２０Ｂでは、正極集電体２１０が端部２１０ａの近傍において２回折り曲げられている。

これによって、正極リードタブ１５を挟む正極集電体２１０は、セパレータ２４側（ｙ方向プラス側）が２層になる。これによって、溶接個所のバリなどがセパレータ２４により届きにくくなる。そのため、正極電極２１と負極電極２２との短絡を、より抑制することができる。

正極集電体２１０は、さらに折り曲げられていても良い。すなわち、正極集電体２１０は、端部２１０ａの近傍において３回以上折り曲げられていても良い。

図７は、電極体２０の変形例の一つである電極体２０Ｃの模式的断面図である。電極体２０と電極体２０Ｃとは、正極リードタブ１５の近傍の構成が異なっている。

電極体２０Ｃでは、正極集電体２１０の内周側の端部２１０ａの近傍が、電極体２０Ａ（図４）の状態から、捲回方向内側にさらに折り曲げられている。すなわち、電極体２０Ｃでは、正極集電体２１０が端部２１０ａの近傍において２回折り曲げられている。

これによって、正極リードタブ１５を挟む正極集電体２１０は、セパレータ２４側（ｙ方向マイナス側）が２層になる。これによって、溶接個所のバリなどがセパレータ２４により届きにくくなる。そのため、正極電極２１と負極電極２２との短絡を、より抑制することができる。

電極体２０Ｃにおいても、正極集電体２１０は、さらに折り曲げられていても良い。すなわち、正極集電体２１０は、端部２１０ａの近傍において３回以上折り曲げられていても良い。

［その他の実施形態］
以上、本発明についての実施形態を説明した。本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

上述の実施形態では、外装缶の極性が正極である場合を説明した。しかし、外装缶の極性は負極であっても良い。あるいは、外装缶と絶縁された正極端子を別に設けて、外装缶は正極電極および負極電極の両方から絶縁されている構成としても良い。また、上述の実施形態では、電極体が金属の外装缶に収容されている場合を説明したが、電極体がラミネートフィルム等に収容されている構成としても良い。

上述の実施形態では、正極リードタブ１５が正極集電体２１０によって挟まれている場合を説明した。しかし、これに代えて、負極リードタブ１６が負極集電体２２０によって挟まれている構成としても良い。また、正極リードタブ１５が正極集電体２１０によって挟まれ、負極リードタブ１６が負極集電体２２０によって挟まれている構成としても良い。すなわち、正極リードタブ１５および負極リードタブ１６のうち、少なくとも一方が集電体によって挟まれていれば良い。

上述の実施形態では、正極リードタブ１５および負極リードタブ１６が、どちらも電極体２０の内周側にある場合を説明した。しかし、正極リードタブ１５および負極リードタブ１６の一方または両方が、電極体２０の外周側にある構成としても良い。

上述の実施形態では、正極リードタブ１５が、正極集電体２１０の２つの面のうち、セパレータ２３に近い側の面に取り付けられている場合を説明した。しかし、正極リードタブ１５は、正極集電体２１０の２つの面のうち、セパレータ２４に近い側の面に取り付けられていても良い。この場合、正極集電体２１０を図３Ｂの場合とは逆方向（図３において時計回り）に折り曲げれば良い。

以上の実施形態によって例示したように、本発明の一実施形態にかかる非水電解質二次電池は少なくとも、電極体と、リードタブとを備える。電極体は、第１電極と、第２電極と、セパレータとが捲回されたものである。第１電極は、帯状の集電体と集電体の少なくとも一方の面の一部に形成される合剤層とを含む。第２電極は、第１電極と反対極性である。セパレータは、第１電極と第２電極との間に配置される。リードタブは、集電体の捲回方向の一方の端部の近傍に取り付けられる。集電体が一方の端部の近傍において折り曲げられていることによって、リードタブが厚さ方向において集電体に挟まれている。

集電体は、一方の端部の近傍において２回以上折り曲げられていることが好ましい。この構成によれば、リードタブの周りに配置される集電体の層が厚くなるので、リードタブのバリなどがよりセパレータにより届きにくくなる。そのため、第１電極と第２電極との短絡を、より抑制することができる。

電極体は、第２電極を内側にして捲回されたものであり、リードタブは、集電体の内周側の端部の近傍に取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、リードタブが電極体の中心に近くに配置される。電極体の歪を少なくできる。

１非水電解質二次電池、１１外装缶、１２フタ板、１３負極端子、１４封止栓、１５正極リードタブ、１６負極リードタブ、２０，２０Ａ〜２０Ｃ電極体、２１正極電極、２１０正極集電体、２１１，２１２正極合剤層、２２負極電極、２２０負極集電体、２２１，２２２負極合剤層、２３，２４セパレータ

Claims

帯状の集電体と前記集電体の少なくとも一方の面の一部に形成される合剤層とを含む第１電極と、前記第１電極と反対極性の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるセパレータとが捲回された電極体と、
前記集電体の捲回方向の一方の端部の近傍に取り付けられているリードタブとを備え、
前記集電体が前記一方の端部の近傍において折り曲げられていることによって、前記リードタブが厚さ方向において前記集電体に挟まれており、
前記電極体は、前記第２電極を内側にして捲回されたものであって、
前記リードタブは、前記集電体の内周側の端部の近傍に取り付けられており、
前記合剤層の内端は、前記第１電極の最初の折り返し部よりも前記リードタブ側である、非水電解質二次電池。
前記集電体が、前記一方の端部の近傍において２回以上折り曲げられている、請求項１に記載の非水電解質二次電池。