JP7405239B2 - 二次電池、電子機器及び電動工具 - Google Patents
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Description
正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層が被覆された正極活物質被覆部と正極活物質非被覆部とを有し、
負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層が被覆された負極活物質被覆部と負極活物質非被覆部とを有し、
正極活物質非被覆部は、電極巻回体の一方の端部において、正極集電板と接合され、
負極活物質非被覆部は、電極巻回体の他方の端部において、負極集電板と接合され、
電極巻回体は、正極活物質非被覆部と負極活物質非被覆部の両方が、巻回された構造の中心軸に向かって曲折し、重なり合うことによって形成された平坦面と、平坦面に形成された溝とを有し、
正極集電板は表面に正極ビードを有し、負極集電板は表面に負極ビードを有し、
正極ビードの幅は0.05mm以上0.18mm以下であり、負極ビードの幅は0.03mm以上0.12mm以下であり、
正極集電板の厚さは0.07mm以上0.20mm以下であり、負極集電板の厚さは0.05mm以上0.15mm以下であり、
正極活物質非被覆部の厚さは5μm以上20μm以下であり、負極活物質非被覆部の厚さは6μm以上20μm以下であり、
正極側での正極活物質非被覆部の重なり枚数が2以上、かつ負極側での負極活物質非被覆部の重なり枚数が2以上である二次電池である。
<1.一実施の形態><2.変形例><3.応用例>
以下に説明する実施の形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施の形態等に限定されるものではない。
まず、リチウムイオン電池の全体構成に関して説明する。図1は、リチウムイオン電池1の概略断面図である。リチウムイオン電池1は、例えば、図1に示すように、電池缶11の内部に電極巻回体20が収納されている円筒型のリチウムイオン電池1である。
電池缶11は、主に、電極巻回体20を収納する部材である。この電池缶11は、例えば、一端面が開放されると共に他端面が閉塞された円筒状の容器である。すなわち、電池缶11は、開放された一端面(開放端面11N)を有している。この電池缶11は、例えば、鉄、アルミニウム及びそれらの合金などの金属材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。ただし、電池缶11の表面には、例えば、ニッケルなどの金属材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上が鍍金されていてもよい。
絶縁板12,13は、電極巻回体20の巻回軸(図1のZ軸)に対して略垂直な面を有する皿状の板である。また、絶縁板12,13は、例えば、互いに電極巻回体20を挟むように配置されている。
電池缶11の開放端面11Nには、電池蓋14及び安全弁機構30がガスケット15を介して、かしめられており、かしめ構造11R(クリンプ構造)が形成されている。これにより、電池缶11の内部に電極巻回体20などが収納された状態において、その電池缶11は密閉されている。
電池蓋14は、主に、電池缶11の内部に電極巻回体20などが収納された状態において、その電池缶11の開放端面11Nを閉塞する部材である。この電池蓋14は、例えば、電池缶11の形成材料と同様の材料を含んでいる。電池蓋14のうちの中央領域は、例えば、+Z方向に突出している。これにより、電池蓋14のうちの中央領域以外の領域(周辺領域)は、例えば、安全弁機構30に接触している。
ガスケット15は、主に、電池缶11(折り曲げ部11P)と電池蓋14との間に介在することにより、その折り曲げ部11Pと電池蓋14との間の隙間を封止する部材である。ただし、ガスケット15の表面には、例えば、アスファルトなどが塗布されていてもよい。
安全弁機構30は、主に、電池缶11の内部の圧力(内圧)が上昇した際に、必要に応じて電池缶11の密閉状態を解除することにより、その内圧を開放する。電池缶11の内圧が上昇する原因は、例えば、充放電時において電解液の分解反応に起因して発生するガスなどである。
円筒形状のリチウムイオン電池では、帯状の正極21と帯状の負極22がセパレータ23を挟んで渦巻き状に巻回されて、電解液に含浸された状態で、電池缶11に収まっている。正極21は正極箔21Aの片面又は両面に正極活物質層を形成したものであり、正極箔21Aの材料は例えば、アルミニウムやアルミニウム合金でできた金属箔である。負極22は負極箔22Aの片面又は両面に負極活物質層を形成したものであり、負極箔22Aの材料は例えば、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金でできた金属箔である。セパレータ23は多孔質で絶縁性のあるフィルムであり、正極21と負極22とを電気的に絶縁しながら、イオンや電解液等の物質の移動を可能にしている。
電極巻回体20の詳細な構成、すなわち正極21、負極22、セパレータ23及び電解液のそれぞれの詳細な構成に関しては、後述する。
通常のリチウムイオン電池では例えば、正極と負極の一か所ずつに電流取出し用のリードが溶接されているが、これでは電池の内部抵抗が大きく、放電時にリチウムイオン電池が発熱し高温になるため、ハイレート放電には適さない。そこで、一実施の形態のリチウムイオン電池では、端面41,42に正極集電板24と負極集電板25とを配置し、端面41,42に存在する正極や負極の活物質非被覆部21C,22Cと多点で溶接することで、電池の内部抵抗を低く抑えている。端面41,42が曲折して平坦面となっていることも低抵抗化に寄与している。
正極活物質層は、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である正極材料(正極活物質)を少なくとも含み、さらに、正極結着剤及び正極導電剤などを含んでいてもよい。正極材料は、リチウム含有複合酸化物又はリチウム含有リン酸化合物が好ましい。リチウム含有複合酸化物は、例えば、層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有している。リチウム含有リン酸化合物は、例えば、オリビン型の結晶構造を有している。
負極箔22Aの表面は、負極活物質層との密着性向上のために粗面化されていることが好ましい。負極活物質層は、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である負極材料(負極活物質)を少なくとも含み、さらに、負極結着剤及び負極導電剤などを含んでいてもよい。
セパレータ23は、樹脂を含む多孔質膜であり、2種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。樹脂は、ポリプロピレン及びポリエチレンなどである。セパレータ23は、多孔質膜を基材層として、その片面又は両面に樹脂層を含んでいてもよい。正極21及び負極22のそれぞれに対するセパレータ23の密着性が向上するため、電極巻回体20の歪みが抑制されるからである。
電解液は、溶媒及び電解質塩を含み、必要に応じてさらに添加剤などを含んでいてもよい。溶媒は、有機溶媒などの非水溶媒、又は水である。非水溶媒を含む電解液を非水電解液という。非水溶媒は、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトン、鎖状カルボン酸エステル又はニトリル(モノニトリル)などである。
図4Aから図4Fを参照して、一実施の形態のリチウムイオン電池1の作製方法について述べる。まず、正極活物質を、帯状の正極箔21Aの表面に塗着させ、これを正極21の被覆部とし、負極活物質を、帯状の負極箔22Aの表面に塗着させ、これを負極22の被覆部とした。このとき、正極21の短手方向の一端と負極22の短手方向の一端に、正極活物質と負極活物質が塗着されていない活物質非被覆部21C,22Cを作製した。活物質非被覆部21C,22Cの一部であって、巻回するときの巻き始めに当たる部分に、切欠きを作製した。正極21と負極22とには乾燥等の工程を行った。そして、正極の活物質非被覆部21Cと負極の活物質非被覆部22Cが逆方向となるようにセパレータ23を介して重ね、中心軸に貫通孔26ができるように、且つ、作製した切欠きが中心軸付近に配置されるように、渦巻き状に巻回して、図4Aのような電極巻回体20を作製した。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを3とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部の厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.05mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.03mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.18mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.12mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.07mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板25の厚さを0.05mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.20mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板25の厚さを0.15mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを5μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを6μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを20μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを20μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.18mmとし、正極集電板24の厚さを0.12mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを15μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.10mmとし、負極集電板25の厚さを0.07mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを12μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを3とした。
正極のビード幅を0.05mmとし、正極集電板24の厚さを0.07mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを12μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.03mmとし、負極集電板25の厚さを0.05mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを8μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを3とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを1とし、負極のビード幅を0.10mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを1とした。
正極のビード幅を0.25mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.21mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを3とした。
正極のビード幅を0.46mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを3とし、負極のビード幅を0.41mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.69mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.63mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを3とした。
正極のビード幅を1.20mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.80mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.40mmとし、正極集電板24の厚さを0.25mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.38mmとし、負極集電板25の厚さを0.20mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを30μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを3とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを30μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.10mmとし、正極集電板24の厚さを0.05mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを2とし、負極のビード幅を0.06mmとし、負極集電板25の厚さを0.03mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを2とした。
正極のビード幅を0.02mmとし、正極集電板24の厚さを0.15mmとし、正極の活物質非被覆部21Cの厚さを10μmとし、正極側での活物質非被覆部の重なり枚数mを0とし、負極のビード幅を0.02mmとし、負極集電板25の厚さを0.08mmとし、負極の活物質非被覆部22Cの厚さを10μmとし、負極側での活物質非被覆部の重なり枚数nを0とした。
上記の実施例及び比較例について、穴あき面積比率と電池の内部抵抗と活物質非被覆部の重なり枚数を求めた。レーザー溶接を行った後に、顕微鏡(キーエンス製レーザー顕微鏡VK-Xシリーズ)を用いて集電板を観察し、レーザー溶接痕51全体の面積(すなわちビード幅と溶接長6mmと溶接本数6との積であって、穴あき面積を含む面積)を求めた。次に、貫通孔があいたと認められる全ての部分の面積を合計して穴あき面積とし、レーザー溶接痕51全体の面積に対する比率(%)を算出した。正極集電板24と正極の活物質非被覆部21Cとをレーザー溶接した結果から求めた穴あき面積比率を正極の穴あき面積比率と称し、負極集電板25と負極の活物質非被覆部22Cとをレーザー溶接した結果から求めた穴あき面積比率を負極の穴あき面積比率と称した。
電池の内部抵抗は、直流抵抗(DCR)の値であり、放電電流を5秒間で0Aから100Aまで上昇させたときの電圧値の傾きを算出したものである。電池の内部抵抗が、10.5mΩ以下である例を判定がOKであるとし、10.5mΩより大きい例を判定がNGであるとした。結果を表1に示す。
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
正極集電板24と負極集電板25は、扇形の形状をした板状部31,33を備えていたが、それ以外の形状であってもよい。
(1)電池パック
図10は、本発明の実施形態又は実施例にかかる電池1を電池パック300に適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パック300は、組電池301、充電制御スイッチ302aと、放電制御スイッチ303a、を備えるスイッチ部304、電流検出抵抗307、温度検出素子308、制御部310を備えている。制御部310は各デバイスの制御を行い、さらに異常発熱時に充放電制御を行ったり、電池パック300の残容量の算出や補正を行ったりすることが可能である。電池パック300の正極端子321及び負極端子322は、充電器や電子機器に接続され、充放電が行われる。
上述した本発明の実施形態又は実施例に係る電池1は、電子機器や電動輸送機器、蓄電装置などの機器に搭載され、電力を供給するために使用することができる。
図11を参照して、本発明が適用可能な電動工具として電動ドライバの例について概略的に説明する。電動ドライバ431には、シャフト434に回転動力を伝達するモータ433と、ユーザが操作するトリガースイッチ432が設けられている。電動ドライバ431の把手の下部筐体内に、本発明に係る電池パック430及びモータ制御部435が収納されている。電池パック430は、電動ドライバ431に対して内蔵されているか、又は着脱自在とされている。電池パック430を構成する電池に、本発明の電池1を適用できる。
本発明を電動車両用の蓄電システムに適用した例として、図12に、シリーズハイブリッドシステムを採用したハイブリッド車両(HV)の構成例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンを動力とする発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
Claims (5)
- セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、中心軸の周りに巻回された構造を有する電極巻回体と、正極集電板及び負極集電板とが、電池缶に収容された二次電池であって、
前記正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層が被覆された正極活物質被覆部と正極活物質非被覆部とを有し、
前記負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層が被覆された負極活物質被覆部と負極活物質非被覆部とを有し、
前記正極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の一方の端部において、前記正極集電板と接合され、
前記負極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の他方の端部において、前記負極集電板と接合され、
前記電極巻回体は、前記正極活物質非被覆部と前記負極活物質非被覆部の両方が、前記巻回された構造の中心軸に向かって曲折し、重なり合うことによって形成された平坦面と、前記平坦面に形成された溝とを有し、
前記正極集電板は表面に正極ビードを有し、前記負極集電板は表面に負極ビードを有し、
前記正極ビードの幅は0.05mm以上0.18mm以下であり、前記負極ビードの幅は0.03mm以上0.12mm以下であり、
前記正極集電板の厚さは0.07mm以上0.20mm以下であり、前記負極集電板の厚さは0.05mm以上0.15mm以下であり、
前記正極活物質非被覆部の厚さは5μm以上20μm以下であり、前記負極活物質非被覆部の厚さは6μm以上20μm以下であり、
正極側での前記正極活物質非被覆部の重なり枚数が2以上、かつ負極側での前記負極活物質非被覆部の重なり枚数が2以上である二次電池。 - 前記正極集電板の材質は、アルミニウム又はアルミニウム合金である請求項1に記載の二次電池。
- 前記負極集電板の材質は、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金の単体若しくは複合材(クラッド材)である請求項1又は2に記載の二次電池。
- 請求項1から3の何れかに記載の二次電池を有する電子機器。
- 請求項1から3の何れかに記載の二次電池を有する電動工具。
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