JP7035017B6 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
本開示は、非水電解質二次電池に関する。
特許文献１には、鉄製または鉄合金製の円筒形外装缶内に、正極と負極とをセパレータを介して巻回した巻回電極体と、電解液とを収容した電池が開示されている。この電池では、巻回電極体の内周側に位置する負極の巻き始め側端部と、外周側に位置する巻き終わり側端部とに、２つの負極リードを取り付けて、これらの負極リードを外装缶の底部に接続している。
特許文献１に記載された電池では、電極体の内周側に配置した負極リードの外周側に、正極及び負極が複数層で巻回される。このような電池で充放電サイクルが繰り返されると、電池内部での圧力上昇により電極体の内周側と外周側とが押し付け合うことにより、負極リードと重なり合う部分で応力集中が生じる可能性がある。これにより、正極及び負極の少なくとも一方が局所的に変形する極板変形が生じる可能性がある。特に、正極及び負極間の圧力は電極体の巻き芯側で高くなる傾向があるので、負極の巻き始め側端部に負極リードを取り付けた場合には、上記の極板変形が生じやすい。極板変形が大きくなることは内部短絡の原因となるので好ましくない。
本開示の目的は、負極集電体の巻き始め側端部に負極リードが接合されている巻回型の電極体において、充放電サイクルに伴う極板変形を抑制できる非水電解質二次電池を提供することにある。
本開示に係る非水電解質二次電池は、正極と、帯状の負極集電体の表面に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して渦巻き状に巻回された巻回型の電極体を備え、負極は、負極集電体の巻き始め側端部に接合された負極リードを含み、巻き方向内端から１周以上セパレータを介して正極に対向しない状態で巻回されており、負極リードの表面を巻き方向に跨ぐように、負極集電体に貼着された絶縁テープを含む、非水電解質二次電池である。
本開示に係る非水電解質二次電池によれば、負極リードの表面を跨ぐように、負極集電体に絶縁テープが貼着される。これにより、負極集電体の巻き始め側端部に負極リードが接合されている巻回型の電極体における充放電サイクルに伴う極板変形を抑制できる。
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、非水電解質二次電池の仕様に合わせて適宜変更することができる。また、以下において「略」なる用語は、例えば、完全に同じである場合に加えて、実質的に同じとみなせる場合を含む意味で用いられる。さらに、以下において複数の実施形態、変形例が含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
図１は、実施形態の非水電解質二次電池１０の断面図である。図２は、非水電解質二次電池１０を構成する電極体１４の斜視図である。図１及び図２に例示するように、非水電解質二次電池１０は、巻回型の電極体１４と、非水電解質（図示せず）とを備える。巻回型の電極体１４は、正極１１と、負極１２と、セパレータ１３とを有し、正極１１と負極１２がセパレータ１３を介して渦巻状に巻回されている。以下では、電極体１４の軸方向一方側を「上」、軸方向他方側を「下」という場合がある。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水電解質は、液体電解質に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。
正極１１は、帯状の正極集電体３０（図３参照）と、当該集電体に接合された正極リード１９とを有する。正極リード１９は、正極集電体３０と正極端子を電気的に接続するための導電部材であって、電極群の上端から電極体１４の軸方向αの一方側（上方）に延出している。ここで、電極群とは電極体１４において各リードを除く部分を意味する。正極リード１９は、例えば電極体１４の径方向βの略中央部に設けられている。
負極１２は、帯状の負極集電体３５（後述の図３参照）と、当該集電体に接続された２つの負極リード２０ａ，２０ｂと、絶縁テープ４０（後述の図３参照）とを有する。各負極リード２０ａ，２０ｂは、負極集電体３５と負極端子を電気的に接続するための導電部材であって、電極群の下端から軸方向αの他方側（下方）に延出している。例えば、２つの負極リード２０ａ、２０ｂの一方の負極リード２０ａは電極体１４の巻き始め側端部に設けられ、他方の負極リード２０ｂは電極体１４の巻き終わり側端部に設けられている。電極体１４の内周側または径方向内側を巻き芯側といい、外周側または径方向外側をケース側ということもできる。
正極リード１９及び各負極リード２０ａ，２０ｂは、集電体よりも厚みの大きい帯状の導電部材である。各リードの厚みは、例えば集電体の厚みの３倍～３０倍であって、一般的には５０μｍ～５００μｍである。各リードの構成材料は特に限定されない。正極リード１９はアルミニウムを主成分とする金属によって、負極リード２０ａ，２０ｂはニッケル又は銅を主成分とする金属によって、または、ニッケル及び銅の両方を含む金属によって、それぞれ構成されることが好ましい。なお、負極リード２０ａ、２０ｂのうち、巻き終わり側端部の負極リード２０ｂは省略されてもよい。
絶縁テープ４０は、負極集電体３５の巻き始め側端部において、巻き始め側端部の負極リード２０ａの表面を巻き方向に跨ぐように負極集電体３５に貼着されている。これにより、電極体１４における極板変形を抑制できる。絶縁テープ４０は、後で詳しく説明する。
図１に示す例では、ケース本体１５と封口体１６によって、電極体１４及び非水電解質を収容する金属製の電池ケースが構成されている。電極体１４の上下には、絶縁板１７，１８がそれぞれ設けられる。正極リード１９は絶縁板１７の貫通孔を通って封口体１６側に延び、封口体１６の底板であるフィルタ２２の下面に溶接される。非水電解質二次電池１０では、フィルタ２２と電気的に接続された封口体１６の天板であるキャップ２６が正極端子となる。他方、負極リード２０ａは絶縁板１８の貫通孔を通り、負極リード２０ｂは絶縁板１８の外側を通って、ケース本体１５の底部側に延び、ケース本体１５の底部内面に溶接される。非水電解質二次電池１０では、ケース本体１５が負極端子となる。
電極体１４は、上述の通り、正極１１と負極１２がセパレータ１３を介して渦巻状に巻回されてなる巻回構造を有する。正極１１、負極１２、及びセパレータ１３は、いずれも帯状に形成され、渦巻状に巻回されることで電極体１４の径方向βに交互に積層された状態となる。電極体１４において、各電極の長手方向が巻き方向γとなり、各電極の幅方向が軸方向αとなる。本実施形態では、電極体１４の巻芯を含む巻芯部に空間２８が形成されている。電極体１４は、空間２８の中央において軸方向に延伸する巻中心軸２９の周囲で渦巻き状に巻回されている。ここで、巻中心軸２９は、空間２８の直径方向における中心位置で軸方向に延伸する中心軸であり、電極体１４の巻芯である。
ケース本体１５は、有底円筒形状の金属製容器である。ケース本体１５と封口体１６の間にはガスケット２７が設けられ、電池ケース内の密閉性が確保されている。ケース本体１５は、例えば側面部を外側からプレスして形成された、封口体１６を支持する張り出し部２１を有する。張り出し部２１は、ケース本体１５の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面で封口体１６を支持する。
封口体１６は、電極体１４側から順に積層された、フィルタ２２、下弁体２３、絶縁部材２４、上弁体２５、及びキャップ２６を有する。封口体１６を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材２４を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体２３と上弁体２５とは各々の中央部で互いに接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材２４が介在している。異常発熱で電池の内圧が上昇すると、例えば下弁体２３が破断し、これにより上弁体２５がキャップ２６側に膨れて下弁体２３から離れることにより両者の電気的接続が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体２５が破断し、キャップ２６の開口部２６ａからガスが排出される。
以下、図３～図６を参照しながら、電極体１４について詳しく説明する。図３は、電極体１４を構成する正極１１及び負極１２の正面図である。図３では、各電極板を展開状態で示しており、紙面左側が電極体１４の巻き始め側、紙面右側が電極体１４の巻き終わり側である。図４は、巻芯近傍を、軸方向に垂直な平面で切断した場合の断面図である。
図３及び図４に例示するように、電極体１４では、負極１２上でのリチウムの析出を防止するため、負極１２は正極１１よりも大きく形成される。具体的には、負極１２の軸方向αの幅は、正極１１よりも広い。また、負極１２の長手方向の長さは、正極１１の長手方向の長さより大きい。これにより、電極体１４として巻回されたとき、少なくとも正極１１の正極活物質層３１が形成された部分が、セパレータ１３を介して負極１２の負極活物質層３６が形成された部分に対向配置される。なお、図４では、正極１１の正極活物質層３１及び負極１２の負極活物質層３６を省略して示している。
正極１１は、帯状の正極集電体３０と、当該集電体上に形成された正極活物質層３１とを有する。本実施形態では、正極集電体３０の両面に正極活物質層３１が形成されている。正極集電体３０には、例えばアルミニウムなどの金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等が用いられる。好適な正極集電体３０は、アルミニウム又はアルミニウム合金を主成分とする金属の箔である。正極集電体３０の厚みは、例えば１０μｍ～３０μｍである。
正極活物質層３１は、正極集電体３０の両面において、後述の無地部３２を除く全域に形成されることが好適である。正極活物質層３１は、正極活物質、導電剤、及び結着剤を含むことが好ましい。正極１１は、正極活物質、導電剤、結着剤、及びＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤を含む正極合剤スラリーを正極集電体３０の両面に塗布した後、乾燥および圧延することにより作製される。
正極活物質としては、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ等の遷移金属元素を含有するリチウム含有遷移金属酸化物が例示できる。リチウム含有遷移金属酸化物は、特に限定されないが、一般式Ｌｉ１＋ｘＭＯ２（式中、－０．２＜ｘ≦０．２、ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌの少なくとも１種を含む）で表される複合酸化物であることが好ましい。
上記導電剤の例としては、カーボンブラック（ＣＢ）、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料などが挙げられる。上記結着剤の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などが挙げられる。また、これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）又はその塩、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等が併用されてもよい。これらは、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
正極１１には、正極集電体３０を構成する金属の表面が露出した無地部３２が設けられる。無地部３２は正極リード１９が接続される部分であって、正極集電体３０の表面が正極活物質層３１に覆われていない部分である。無地部３２は、正極リード１９よりも幅広に形成される。無地部３２は、正極１１の厚み方向に重なるように正極１１の両面に設けられることが好適である。正極リード１９は、例えば、超音波溶接によって無地部３２に接合される。
図３に示す例では、正極１１の長手方向中央部に、集電体の幅方向全長にわたって無地部３２が設けられている。無地部３２は、正極１１の長手方向端部寄りに形成されてもよいが、集電性の観点から、好ましくは長手方向両端から略等距離の位置に設けられるのが好ましい。このような位置に設けられた無地部３２に正極リード１９が接続されることで、電極体１４として巻回されたとき、正極リード１９は、電極体１４の径方向中間位置で軸方向端面から上方に突出して配置される。無地部３２は、例えば正極集電体３０の一部に正極合剤スラリーを塗布しない間欠塗布により設けられる。なお、無地部３２は正極１１の上端から下端に至らない長さで設けられてもよい。
負極１２は、帯状の負極集電体３５と、当該負極集電体上に形成された負極活物質層３６とを有する。本実施形態では、負極集電体３５の両面に負極活物質層３６が形成されている。負極集電体３５には、例えば銅などの金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等が用いられる。負極集電体３５の厚みは、例えば５μｍ～３０μｍである。
負極活物質層３６は、負極集電体３５の両面において、無地部３７ａ，３７ｂを除く全域に形成されることが好適である。負極活物質層３６は、負極活物質及び結着剤を含むことが好ましい。負極１２は、例えば負極活物質、結着剤、及び水等を含む負極合剤スラリーを負極集電体３５の両面に塗布した後、乾燥および圧延することにより作製される。
負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できるものであれば特に限定されず、例えば天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと合金化する金属、又はこれらを含む合金、複合酸化物などを用いることができる。負極活物質層３６に含まれる結着剤には、例えば正極１１の場合と同様の樹脂が用いられる。水系溶媒で負極合剤スラリーを調製する場合は、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＣＭＣ又はその塩、ポリアクリル酸又はその塩、ポリビニルアルコール等を用いることができる。これらは、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
負極１２には、負極集電体３５を構成する金属の表面が露出した無地部３７ａ，３７ｂが設けられる。無地部３７ａ，３７ｂは、負極リード２０ａ，２０ｂがそれぞれ接続される部分であって、負極集電体３５の表面が負極活物質層３６に覆われていない部分である。無地部３７ａ，３７ｂは、負極１２の幅方向に沿って長く延びた正面視略矩形形状であり、各負極リード２０ａ，２０ｂよりも幅広に形成される。無地部３７ａは、負極１２の厚み方向に重なるように負極１２の両面に設けられることが好適である。このことは、無地部３７ｂについても同様である。
本実施形態では、２つの負極リード２０ａ，２０ｂのうち、巻き始め側の負極リード２０ａは、負極集電体３５の外周側の表面に例えば超音波溶接により接合されている。負極リード２０ａの一端部は無地部３７ａ上に配置され、他端部は無地部３７ａの下端から下方に延出している。
図３に示す例では、負極１２の長手方向両端部（すなわち、巻き始め側端部及び巻き終わり側端部）に、集電体の幅方向全長にわたって無地部３７ａ，３７ｂがそれぞれ設けられている。負極リード２０ａは負極１２の巻き始め側端部の無地部３７ａに設けられ、負極リード２０ｂは負極１２の巻き終わり側端部の無地部３７ｂに設けられている。このように負極リード２０ａ，２０ｂを負極１２の長手方向両端部に設けることで、集電性が向上する。負極リードの配置方法はこれに限定されるものではなく、負極１２の巻き始め側端部だけに負極リード２０ａを設けてもよい。この場合、巻き終わり側端部の無地部３７ｂをケース本体１５の内周面に直に接触させる構成とするのが好ましい。各無地部３７ａ，３７ｂは、例えば負極集電体３５の一部に負極合剤スラリーを塗布しない間欠塗布により設けられる。
セパレータ１３には、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布などが挙げられる。セパレータ１３の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂が好ましい。セパレータ１３の厚みは、例えば１０μｍ～５０μｍである。セパレータ１３は、電池の高容量化・高出力化に伴い薄膜化の傾向にある。セパレータ１３は、例えば１３０℃～１８０℃程度の融点を有する。
図４～図６を用いて絶縁テープ４０を説明する。図５は、負極１２の巻き始め側端部を拡大した展開状態で示す図である。図６は、図５のＡ－Ａ断面図である。図４～図６に示すように、絶縁テープ４０は、巻き始め側端部の負極リード２０ａの表面を巻き方向に跨ぐように負極集電体３５に貼着される。具体的には、絶縁テープ４０は、負極リード２０ａと負極集電体３５との重なり部における負極リード２０ａの表面と、負極集電体３５の外周側の表面におけるこの重なり部に隣接する部分とに、貼着される。
上述のように、負極リード２０ａは負極集電体３５よりも厚みが大きく、また巻芯近傍に設けられている。これにより、非水電解質二次電池１０で充放電サイクルが繰り返されることにより電極体１４が膨張収縮することによって、電池内部で圧力が上昇し電極体１４の内周側と外周側とが押し付け合う。このため、負極リード２０ａと径方向βに重なり合う部分で応力集中が生じる可能性がある。したがって、正極１１及び負極１２の少なくとも一方が局所的に変形する極板変形が生じる可能性がある。特に、正極１１及び負極１２間の圧力は電極体１４の巻き芯側で高くなる傾向があるので、巻き始め側端部の負極リード２０ａにより上記の極板変形が生じやすい。極板変形が大きくなることは内部短絡の原因となるので好ましくない。
本実施形態では、上記の絶縁テープ４０によって、負極集電体３５のうち負極リード２０ａに隣接する部分の強度が補強される。さらに、絶縁テープ４０は次のような理由により極板変形を抑制すると推察される。負極集電体３５には負極リード２０ａや負極活物質層３６の端部に起因して段差が形成される。そのような段差は局所的な極板変形の起点となる可能性がある。絶縁テープ４０によって負極リード２０ａや負極活物質層３６の端部に傾斜が設けられる。これにより、段差が起点となる極板変形が抑制される。したがって、図５及び図６に示すように、絶縁テープ４０は負極リード２０ａだけでなく、負極活物質層３６の巻き始め側端部を覆うことが好ましい。
絶縁テープ４０は、例えば負極リード２０ａの長手方向（負極集電体３５の幅方向）に沿って長く延びた正面視略矩形形状を有する。絶縁テープ４０の形状は、特に限定されないが、負極リード２０ａの形状に対応した形状とすることが好ましい。
また、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向中央を含む部分を被覆することが好ましい。電池の充放電時に幅方向中央部の膨張及び収縮の変化が幅方向両端部に比べて大きくなる。これにより、負極リード２０ａによる電極体１４での応力集中が幅方向中央部で大きくなりやすい。上記のように絶縁テープ４０が負極集電体３５の幅方向中央を含む部分を被覆する場合には、上記の応力集中をより効果的に抑制できる。これにより、極板変形をさらに抑制できる。
図７は、絶縁テープ４０の断面図である。絶縁テープ４０は、基材層４１と、接着剤層４２とで構成される２層テープである。
絶縁テープ４０の厚みは、例えば２０μｍ～７０μｍであり、好ましくは２５μｍ～６０μｍである。絶縁テープ４０及び各層の厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた断面観察により測定できる。また、絶縁テープ４０の厚みは、負極リード２０ａの厚みより小さいことが好ましい。この好ましい構成によれば、絶縁テープ４０を曲げやすいので、上記の応力集中を緩和できるような所望の形状に絶縁テープ４０を形成しやすい。
基材層４１は、無機粒子を含有せず、実質的に有機材料のみで構成されることが好ましい。基材層４１の構成材料に占める有機材料の割合は、例えば９０重量％以上であり、好ましくは９５重量％以上、或いは略１００重量％であってもよい。有機材料の主成分は、絶縁性、耐電解液性、耐熱性、突き刺し強度等に優れる樹脂であることが好ましい。基材層４１の厚みは、例えば１０μｍ～４５μｍであり、好ましくは１５μｍ～３５μｍである。基材層４１の厚みは、接着剤層４２よりも厚いことが好ましい。
基材層４１の主成分は、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂等とすることが好ましい。この好ましい構成によれば、絶縁テープ４０をより柔軟にできるので、絶縁テープ４０により負極リード２０ａの角部の外側を曲面形状に覆いやすくなり、上記の応力集中を緩和しやすい。なお、基材層４１の主成分は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のエステル系樹脂、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）なども採用できる。これらの樹脂は、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
接着剤層４２は、負極リード２０ａ及び負極集電体３５に対する接着性を絶縁テープ４０に付与するための層である。接着剤層４２は、基材層４１の一方の面上に接着剤を塗工して形成される。接着剤層４２は、絶縁性、耐電解液性等に優れた接着剤（樹脂）を用いて構成されることができる。接着剤層４２を構成する接着剤は、加熱することで粘着性を発現するホットメルト型又は加熱により硬化する熱硬化型であってもよいが、生産性等の観点から、室温で粘着性を有するものが好ましい。接着剤層４２は、例えばアクリル系接着剤又は合成ゴム系接着剤によって構成される。接着剤層４２の厚みは、例えば５μｍ～３０μｍである。
なお、絶縁テープ４０は、図７に示す２層テープに限定するものではなく、例えば基材層と接着剤層との間に無機粒子含有層を形成した３層テープとしてもよい。このような３層テープを用いることにより、絶縁テープの耐熱性を向上できる。無機粒子含有層は、層を構成する樹脂マトリックス中に無機粒子が分散した層構造を有することが好適である。無機粒子含有層は、例えば無機粒子を含有する樹脂溶液を基材層４１の一方の面上に塗工して形成される。無機粒子含有層の厚みは、例えば０．５μｍ～１０μｍであり、好ましくは１μｍ～５μｍである。
無機粒子含有層を構成する樹脂は、絶縁性、耐電解液性等に優れ、かつ無機粒子及び基材層４１に対する接着性が良好であることが好ましい。好適な樹脂としては、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、及びこれらのエラストマーなどが例示できる。これらは、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
上記の構成を有する正極１１、負極１２およびセパレータ１３が渦巻き状に巻回されて電極体１４が構成される。電極体１４の最外周はセパレータ１３によって構成され、セパレータ１３の巻き終わり側端部が図示しない絶縁性の巻き止めテープで固定される。
図４に示すように、電極体１４の巻芯部に略円柱状の空間２８が軸方向に延伸して形成されている。そして、負極１２は巻き方向内端１２ａから１周以上セパレータ１３を介して正極１１に対向しない状態で巻回されている。そのため、負極１２の巻き始め側端部に極板変形が生じても、その外周側での電極体１４の内部短絡が生じにくい。
図８は、実施形態の別例において、電極体の巻芯近傍を、軸方向に垂直な平面で切断した場合の断面図である。図９実施形態の別例において、負極の巻き始め側端部を拡大した展開状態で示す図である。図１０は、図９のＢ－Ｂ断面図である。
図８～１０に示す別例の構成では、負極リード２０ａが無地部３７ａの負極集電体内周側の表面に設けられている点で、上述の実施形態と異なる。この場合も、上記の実施形態と同様に、絶縁テープ４０は巻き始め側端部の負極リード２０ａを巻き方向に跨ぐように負極集電体３５に貼着される。
＜実験例＞
本開示の発明者らは、下記の表１に示す条件で、図１１に示す５種類の実施例１～４及び比較例１，２の合計６種類の電極体を作製し、所定の条件で充放電サイクル試験を行って、極板変形の発生の有無及びその変形の程度を確認した。
本開示の発明者らは、下記の表１に示す条件で、図１１に示す５種類の実施例１～４及び比較例１，２の合計６種類の電極体を作製し、所定の条件で充放電サイクル試験を行って、極板変形の発生の有無及びその変形の程度を確認した。
［実施例１］
［正極の作製］
正極活物質として、ＬｉＮｉ０．８８Ｃｏ０．０９Ａｌ０．０３Ｏ２で表されるアルミニウム含有ニッケルコバルト酸リチウムを用いた。１００質量部のＬｉＮｉ０．８８Ｃｏ０．０９Ａｌ０．０３Ｏ２と、１．０質量部のアセチレンブラックと、０．９質量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（結着剤）とを、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）の溶剤中で混合して、正極合材スラリーを調製した。次に、ペースト状の当該正極合材スラリーを厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる長尺な正極集電体の両面に均一に塗布した。次に、加熱した乾燥機中で、塗膜が形成された正極集電体を１００～１５０℃の温度で熱処理してＮＭＰを除去し、ロールプレス機により圧延して正極活物質層を形成し、その正極活物質層を２００℃に熱したローラーに５秒間接触させることで熱処理を行った。そして、正極活物質層が形成された長尺状の正極集電体を所定サイズの電極サイズに切断し、その後、アルミニウム製の正極リードを取り付けて正極を作製した。作製後の正極において、正極リードを除く部分での厚みは０．１４４ｍｍ、幅は６２．６ｍｍ、長さは８６１ｍｍである。
［正極の作製］
正極活物質として、ＬｉＮｉ０．８８Ｃｏ０．０９Ａｌ０．０３Ｏ２で表されるアルミニウム含有ニッケルコバルト酸リチウムを用いた。１００質量部のＬｉＮｉ０．８８Ｃｏ０．０９Ａｌ０．０３Ｏ２と、１．０質量部のアセチレンブラックと、０．９質量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（結着剤）とを、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）の溶剤中で混合して、正極合材スラリーを調製した。次に、ペースト状の当該正極合材スラリーを厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる長尺な正極集電体の両面に均一に塗布した。次に、加熱した乾燥機中で、塗膜が形成された正極集電体を１００～１５０℃の温度で熱処理してＮＭＰを除去し、ロールプレス機により圧延して正極活物質層を形成し、その正極活物質層を２００℃に熱したローラーに５秒間接触させることで熱処理を行った。そして、正極活物質層が形成された長尺状の正極集電体を所定サイズの電極サイズに切断し、その後、アルミニウム製の正極リードを取り付けて正極を作製した。作製後の正極において、正極リードを除く部分での厚みは０．１４４ｍｍ、幅は６２．６ｍｍ、長さは８６１ｍｍである。
［負極の作製］
負極活物質として、黒鉛粉末を９５質量部と、ケイ素酸化物を５質量部とを混合したものを用いた。そして、負極活物質を１００質量部と、バインダとしてのスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を１質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を１質量部とを混合した。そして、この混合したものを水に分散させて、負極合材スラリーを調整した。この負極合材スラリーを、厚さ８μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し負極塗工部を形成した。次いで、加熱した乾燥機中で塗膜を乾燥させた後、極板の厚みが０．１６０ｍｍになるようにロールプレス機のローラーで塗膜を圧延して負極活物質層を形成した。そして、負極活物質層が形成された長尺状の負極集電体を所定の電極サイズに切断し、その後、ニッケル－銅－ニッケル製の負極リードを取り付け、さらに負極リードを巻き方向に跨ぐように、ポリプロピレン製の絶縁テープを負極集電体に貼着して負極を作製した。この負極では、絶縁テープを負極活物質層に２ｍｍ重なるように貼り付けた。絶縁テープの幅は、６０．０ｍｍ、長さが１２ｍｍである。作製後の負極の幅は６４．２ｍｍ、長さは９５９ｍｍである。
負極活物質として、黒鉛粉末を９５質量部と、ケイ素酸化物を５質量部とを混合したものを用いた。そして、負極活物質を１００質量部と、バインダとしてのスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を１質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を１質量部とを混合した。そして、この混合したものを水に分散させて、負極合材スラリーを調整した。この負極合材スラリーを、厚さ８μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し負極塗工部を形成した。次いで、加熱した乾燥機中で塗膜を乾燥させた後、極板の厚みが０．１６０ｍｍになるようにロールプレス機のローラーで塗膜を圧延して負極活物質層を形成した。そして、負極活物質層が形成された長尺状の負極集電体を所定の電極サイズに切断し、その後、ニッケル－銅－ニッケル製の負極リードを取り付け、さらに負極リードを巻き方向に跨ぐように、ポリプロピレン製の絶縁テープを負極集電体に貼着して負極を作製した。この負極では、絶縁テープを負極活物質層に２ｍｍ重なるように貼り付けた。絶縁テープの幅は、６０．０ｍｍ、長さが１２ｍｍである。作製後の負極の幅は６４．２ｍｍ、長さは９５９ｍｍである。
［非水電解液の調製］
エチレンカーボネート（ＥＣ）と、ジメチルメチルカーボネート（ＤＭＣ）とからなる混合溶媒（体積比でＥＣ：ＤＭＣ＝１：３）の１００質量部に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を５質量部添加した。当該混合溶媒に１．５モル／Ｌの濃度になるようにＬｉＰＦ６を溶解させて、非水電解液を調製した。
エチレンカーボネート（ＥＣ）と、ジメチルメチルカーボネート（ＤＭＣ）とからなる混合溶媒（体積比でＥＣ：ＤＭＣ＝１：３）の１００質量部に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を５質量部添加した。当該混合溶媒に１．５モル／Ｌの濃度になるようにＬｉＰＦ６を溶解させて、非水電解液を調製した。
［円筒形電池の作製］
上記の正極及び負極を作製した後、ポリエチレン製のセパレータを介して正極と負極とを渦巻き状に巻回して電極体を作製した。当該電極体の上と下とに絶縁板をそれぞれ配置し、負極リードを電池ケースの底部に溶接するとともに、正極リードを内圧作動型の安全弁を有する封口体に溶接して、電池ケースのケース本体内に電極体を収容した。その後、電池ケースのケース本体の内部に非水電解液を減圧方式により注入した後、ケース本体の開口端部を、ガスケットを介して封口体にかしめるようにケース本体の開口部を封口して、円筒形の非水電解質二次電池を作製した。この非水電解質二次電池の容量は４６００ｍＡｈであった。
上記の正極及び負極を作製した後、ポリエチレン製のセパレータを介して正極と負極とを渦巻き状に巻回して電極体を作製した。当該電極体の上と下とに絶縁板をそれぞれ配置し、負極リードを電池ケースの底部に溶接するとともに、正極リードを内圧作動型の安全弁を有する封口体に溶接して、電池ケースのケース本体内に電極体を収容した。その後、電池ケースのケース本体の内部に非水電解液を減圧方式により注入した後、ケース本体の開口端部を、ガスケットを介して封口体にかしめるようにケース本体の開口部を封口して、円筒形の非水電解質二次電池を作製した。この非水電解質二次電池の容量は４６００ｍＡｈであった。
また、実施例１では表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を６０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層に重ね合わせた。表１において、「テープの負極活物質層との重なり」の欄で「有」は、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせたことを表し、「無」は絶縁テープ４０が負極活物質層３６に重ならないことを表す。また、実施例１では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向中央を被覆している。
［実施例２］
実施例２は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を２０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせた。また、実施例２では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向中央を被覆している。実施例２において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
実施例２は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を２０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせた。また、実施例２では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向中央を被覆している。実施例２において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
［比較例１］
比較例１は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を６０．０ｍｍとし、長さを６ｍｍとし、絶縁テープ４０を負極活物質層３６に重ねていない。また、比較例１では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向中央を被覆している。比較例１において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
比較例１は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を６０．０ｍｍとし、長さを６ｍｍとし、絶縁テープ４０を負極活物質層３６に重ねていない。また、比較例１では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向中央を被覆している。比較例１において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
［実施例３］
実施例３は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を２０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせた。また、実施例３では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向で上側の１／３の範囲に貼り付けて、幅方向中央は被覆していない。実施例３において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
実施例３は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を２０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせた。また、実施例３では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向で上側の１／３の範囲に貼り付けて、幅方向中央は被覆していない。実施例３において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
［実施例４］
実施例４は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を２０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせた。また、実施例４では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向で下側の１／３の範囲に貼り付けて、幅方向中央は被覆していない。実施例４において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
実施例４は、表１、図１１に示すように、絶縁テープ４０の幅を２０．０ｍｍとし、長さを１２ｍｍとし、絶縁テープ４０の一部を負極活物質層３６に重ね合わせた。また、実施例４では、絶縁テープ４０は、負極集電体３５の幅方向で下側の１／３の範囲に貼り付けて、幅方向中央は被覆していない。実施例４において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
[比較例２]
比較例２は、表１、図１１に示すように、負極集電体３５の巻き始め側端部には絶縁テープ４０を貼着していない。比較例２において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
比較例２は、表１、図１１に示すように、負極集電体３５の巻き始め側端部には絶縁テープ４０を貼着していない。比較例２において、それ以外の構成は、実施例１と同様である。
[試験方法]
上記実施例１～４及び比較例１，２を用いて、２５℃の環境において０．３Ｃ（＝１３８０ｍＡ）（０．３時間率）の充電電流で定電流充電（ＣＣ）を行い、その後、（１／５０）Ｃ（＝９２ｍＡ）の充電終止電流に達するまで４．２Ｖで定電圧充電（ＣＶ）を実施した。その後、２０分間休止後、１Ｃ（＝４６００ｍＡ）（１時間率）の放電電流で定電流放電を行い、２０分間休止する充放電サイクルを５００サイクル繰り返した。
上記実施例１～４及び比較例１，２を用いて、２５℃の環境において０．３Ｃ（＝１３８０ｍＡ）（０．３時間率）の充電電流で定電流充電（ＣＣ）を行い、その後、（１／５０）Ｃ（＝９２ｍＡ）の充電終止電流に達するまで４．２Ｖで定電圧充電（ＣＶ）を実施した。その後、２０分間休止後、１Ｃ（＝４６００ｍＡ）（１時間率）の放電電流で定電流放電を行い、２０分間休止する充放電サイクルを５００サイクル繰り返した。
［極板変形確認方法］
上記の充放電サイクルの試験を行った後の電池を、０．３Ｃ（＝１３８０ｍＡ）（０．３時間率）の充電電流で定電流充電（ＣＣ）を行い、その後、（１／５０）Ｃ（＝９２ｍＡ）の充電終止電流に達するまで４．２Ｖで定電圧充電（ＣＶ）を実施した。その後に、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置を用いて、当該電池の電極体１４の中央部の断面観察を実施し、極板変形が発生したか否か、及び極板変形が発生した場合にその程度を確認した。
上記の充放電サイクルの試験を行った後の電池を、０．３Ｃ（＝１３８０ｍＡ）（０．３時間率）の充電電流で定電流充電（ＣＣ）を行い、その後、（１／５０）Ｃ（＝９２ｍＡ）の充電終止電流に達するまで４．２Ｖで定電圧充電（ＣＶ）を実施した。その後に、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置を用いて、当該電池の電極体１４の中央部の断面観察を実施し、極板変形が発生したか否か、及び極板変形が発生した場合にその程度を確認した。
［試験結果］
表１の極板変形結果の欄に電極体１４の断面観察の結果を「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」のいずれかで示している。ここで、「Ａ」は、図１２（ａ）で示すように、上記の断面観察で極板変形が確認できなかったことを表す。「Ｂ」は、図１２（ｂ）のＥ１で囲んだ部分で示すように、上記の断面観察で極板変形が確認されたが、その変形は最内周部の負極１２のみで生じたことを表す。「Ｃ」は、図１２（ｃ）のＥ２で囲んだ部分で示すように、上記の断面観察で極板変形が確認され、かつ、その変形が最内周部の負極１２と、それ以外の部分とで生じたことを表す。
表１の極板変形結果の欄に電極体１４の断面観察の結果を「Ａ」、「Ｂ」及び「Ｃ」のいずれかで示している。ここで、「Ａ」は、図１２（ａ）で示すように、上記の断面観察で極板変形が確認できなかったことを表す。「Ｂ」は、図１２（ｂ）のＥ１で囲んだ部分で示すように、上記の断面観察で極板変形が確認されたが、その変形は最内周部の負極１２のみで生じたことを表す。「Ｃ」は、図１２（ｃ）のＥ２で囲んだ部分で示すように、上記の断面観察で極板変形が確認され、かつ、その変形が最内周部の負極１２と、それ以外の部分とで生じたことを表す。
表１が示すように、実施例１，２では、極板変形は確認されなかった。一方、実施例３，４、比較例１では、極板変形が確認されたがその程度は軽微であった。一方、比較例２では極板変形が確認され、しかもその変形が最内周部の負極１２だけでなく、それ以外の部分でも生じていた。これにより、絶縁テープ４０を負極集電体３５の巻き始め側端部に貼着した実施形態では、極板変形を抑制できることを確認できた。また、絶縁テープ４０を負極集電体３５の幅方向中央に貼着させた実施形態では、極板変形をさらに抑制できることを確認できた。
また、上記の実施形態及び実施例による効果は、正極材料、負極材料、セパレータ材料のいずれにもよらず、巻き始め側端部に負極リードを有する巻回型の電極体を持つ構成であれば、同様に効果を期待できると考えられる。
１０ 非水電解質二次電池、１１ 正極、１２ 負極、１２ａ 巻き方向内端、１３ セパレータ、１４ 電極体、１５ ケース本体、１６ 封口体、１７，１８ 絶縁板、１９ 正極リード、２０ａ，２０ｂ 負極リード、２１ 張り出し部、２２ フィルタ、２３ 下弁体、２４ 絶縁部材、２５ 上弁体、２６ キャップ、２７ ガスケット、２８ 空間、２９ 巻中心軸、３０ 正極集電体、３１ 正極活物質層、３２，３７ａ，３７ｂ 無地部、３５ 負極集電体、３６ 負極活物質層、４０ 絶縁テープ。
Claims (6)
- 正極と、帯状の負極集電体の表面に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータを介して渦巻き状に巻回された巻回型の電極体を備え、
前記負極は、
前記負極集電体の巻き始め側端部に接合された負極リードを含み、
巻き方向内端から１周以上前記セパレータを介して前記正極に対向しない状態で巻回されており、
前記負極リードの表面を前記巻き方向に跨ぐように、前記負極集電体に貼着された絶縁テープを含み、
前記絶縁テープは、一部が前記負極活物質層に重なっている、
非水電解質二次電池。 - 請求項１に記載の非水電解質二次電池において、
前記絶縁テープは、基材層と、接着剤層とで構成される２層テープである、非水電解質二次電池。 - 請求項２に記載の非水電解質二次電池において、
前記基材層の主成分は、ポリプロピレンである、非水電解質二次電池。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、
前記絶縁テープの厚みが前記負極リードの厚みより小さい、非水電解質二次電池。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、
前記電極体は、巻き芯部に空間が形成されており、
前記負極リードは、前記負極集電体の外周側の表面に接合されている、非水電解質二次電池。 - 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、
前記絶縁テープは、前記負極集電体の幅方向中央を含む部分を被覆している、非水電解質二次電池。
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