JP7428235B2 - 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何れか一方又は両方が、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、
正極は、電極巻回体の巻回開始側にある正極の短手方向の一端に、正極切り欠き部を有し、
負極は、電極巻回体の巻回開始側にある負極の短手方向の一端に、負極切り欠き部を有し、
正極切り欠き部の端は、正極活物質非被覆部に存在し、負極切り欠き部の端は、負極活物質非被覆部に存在し、
正極の長手方向に沿った正極切り欠き部の長さ及び負極の長手方向に沿った負極切り欠き部の長さのそれぞれが、電極巻回体の内周部の1周分以上5周分以下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。
図5Aは電極巻回体20の巻回開始側にある正極の活物質非被覆部21Cの部分拡大図(巻回開始側の角の図)である。正極は、電極巻回体20の巻回開始側にある正極21の短手方向の一端に、正極の切り欠き部51を有する。図5Aに示されるように、正極21の短手方向の一端にある正極の活物質非被覆部21Cの幅はHc1であり、正極の切り欠き部51の幅はHc2である。Hc1は例えば7mmである。図5Bは電極巻回体20の巻回開始側にある負極の活物質非被覆部22Cの部分拡大図(巻回開始側の角の図)である。負極は、電極巻回体20の巻回開始側にある負極22の短手方向の一端に、負極の切り欠き部52を有する。図5Bに示されるように、負極22の短手方向の一端にある負極の活物質非被覆部22Cの幅はHa1であり、負極の切り欠き部52の幅はHa2である。Ha1は例えば4mmである。
図7Aに示されるように、正極の切り欠き部の端53の位置を正極の活物質非被覆部21Cとし、負極の切り欠き部の端54の位置を負極の活物質非被覆部22Cとし、Hc2/Hc1×100=15とし、Ha2/Ha1×100=15とし、E及びFの値を電極巻回体20の1周分とした。1mm幅(W=1mm)の活物質非被覆部22Cを負極22の長手方向の両端(巻回開始側と巻回終止側の端)に配置した。
Hc2/Hc1×100=20とし、Ha2/Ha1×100=20とした以外は、実施例1と同様にした。
Hc2/Hc1×100=30とし、Ha2/Ha1×100=30とした以外は、実施例1と同様にした。
Hc2/Hc1×100=90とし、Ha2/Ha1×100=90とした以外は、実施例1と同様にした。
Hc2/Hc1×100=95とし、Ha2/Ha1×100=95とした以外は、実施例1と同様にした。
正極21及び負極22に切り欠き部51,52を作らず、Hc2/Hc1×100=0とし、Ha2/Ha1×100=0とした。1mm幅の活物質非被覆部22Cを負極22の長手方向の両端(巻回開始側と巻回終止側の端)に配置した。
図7Bに示されるように、正極の切り欠き部の端53の位置を正極の活物質被覆部21Bとし、負極の切り欠き部の端54の位置を負極の活物質被覆部22Bとし、Hc2/Hc1×100=100とし、Ha2/Ha1×100=100とし、E及びFの値を電極巻回体の1周分とした。1mm幅の活物質非被覆部22Cを負極22の長手方向の両端(巻回開始側と巻回終止側の端)に配置した。
Hc2/Hc1×100=110とし、Ha2/Ha1×100=110とした以外は比較例2と同様にした。
実施例1から実施例5と比較例1から比較例3の電池1について、開回路電圧不良率を求めた。開回路電圧不良率は、環境温度25℃において、500mAで定電流定電圧充電を行い、4.2Vに達した直後(1時間以内)の電池1の電圧の値をV1とし、その後放置し、2週間後の電池1の電圧の値をV2としたとき、V1-V2≧50mVである電池1を開回路電圧不良とし、その数を計数して、全体に対する割合を求めたものである。試験数を各例100本とした。結果を表1に示す。
図8Aに示されるように、正極の切り欠き部の端53の位置を正極の活物質非被覆部21Cとし、負極の切り欠き部の端54の位置を負極の活物質非被覆部22Cとし、Hc2/Hc1×100=15とし、Ha2/Ha1×100=15とし、E及びFの値を電極巻回体20の1周分とした。負極22の長手方向の両端(巻回開始側と巻回終止側の端)に、負極の活物質被覆部22Bと負極の活物質非被覆部22Cが揃うように配置した。
Hc2/Hc1×100=20とし、Ha2/Ha1×100=20とした以外は、実施例11と同様にした。
Hc2/Hc1×100=30とし、Ha2/Ha1×100=30とした以外は、実施例11と同様にした。
Hc2/Hc1×100=90とし、Ha2/Ha1×100=90とした以外は、実施例11と同様にした。
Hc2/Hc1×100=95とし、Ha2/Ha1×100=95とした以外は、実施例11と同様にした。
正極21及び負極22に切り欠き部を作らず、Hc2/Hc1×100=0とし、Ha2/Ha1×100=0とした。負極22の長手方向の両端(巻回開始側と巻回終止側の端)に、負極の活物質被覆部22Bと負極の活物質非被覆部22Cが揃うように配置した。
図8Bに示されるように、正極の切り欠き部の端53の位置を正極の活物質被覆部21Bとし、負極の切り欠き部の端54の位置を負極の活物質被覆部22Bとし、Hc2/Hc1×100=100とし、Ha2/Ha1×100=100とし、E及びFの値を電極巻回体20の1周分とした。負極22の長手方向の巻回終止側の端に、負極の活物質被覆部22Bと負極の活物質非被覆部22Cが揃うように配置し、巻回開始側の端に、負極の活物質被覆部22Bを配置した。
Hc2/Hc1×100=110とし、Ha2/Ha1×100=110とした以外は比較例12と同様にした。
実施例11から実施例15と比較例11から比較例13の電池1について、上記と同様に開回路電圧不良率を求めた。同様に、試験数を各例100本とした。結果を表2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12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13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14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 (6)
- 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、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何れか一方又は両方が、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、
前記正極は、前記電極巻回体の巻回開始側にある前記正極の短手方向の一端に、正極切り欠き部を有し、
前記負極は、前記電極巻回体の巻回開始側にある前記負極の短手方向の一端に、負極切り欠き部を有し、
前記正極切り欠き部の端は、前記正極活物質非被覆部に存在し、前記負極切り欠き部の端は、前記負極活物質非被覆部に存在し、
前記正極の長手方向に沿った前記正極切り欠き部の長さ及び前記負極の長手方向に沿った前記負極切り欠き部の長さのそれぞれが、前記電極巻回体の内周部の1周分以上5周分以下である二次電池。 - 前記正極の短手方向の一端に位置する正極活物質非被覆部の幅をHc1とし、前記正極切り欠き部の幅をHc2とし、前記負極の短手方向の一端に位置する負極活物質非被覆部の幅をHa1とし、前記負極切り欠き部の幅をHa2としたとき、15≦Hc2/Hc1≦95であり、15≦Ha2/Ha1≦95を満たす請求項1に記載の二次電池。
- 前記正極の短手方向の一端に位置する正極活物質非被覆部の幅をHc1とし、前記正極切り欠き部の幅をHc2とし、前記負極の短手方向の一端に位置する負極活物質非被覆部の幅をHa1とし、前記負極切り欠き部の幅をHa2としたとき、20≦Hc2/Hc1≦90であり、20≦Ha2/Ha1≦90を満たす請求項1に記載の二次電池。
- 前記正極箔の厚さは5μm以上20μm以下であり、前記負極箔の厚さは5μm以上20μm以下である請求項1から3の何れかに記載の二次電池。
- 請求項1から4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4の何れかに記載の二次電池を有する電動工具。
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