JPH0696802A - 薄型非水電解液電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リチウム一次電池、二次電池などの有機電解
液を主成分とする非水電解液を利用した電池であり、群
構成の方式により小型軽量、高エネルギー密度で高負荷
特性に優れ、容量バラツキの少ない薄型非水電解液電
池、急速充電特性に優れ、充放電容量の安定した薄型非
水電解液二次電池を提供するものである。 【構成】 シート状の正極、負極をセパレータを介し
て、横断面が基本的に円形、若しくは楕円形である棒状
の巻芯に巻回し、巻芯より取り外した後、直径方向に圧
縮して横断面形状を長円形に形成することにより薄型非
水電解液電池の極板群を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高負荷特性の求められ
る薄型非水電解液電池に関し、特に極板群構成の改良に
関するものである。

【０００２】近年、携帯電話、カムコーダ等のコードレ
ス情報・通信機器の目覚ましいポータブル化、インテリ
ジェンス化に伴い、その駆動用電源として、小形軽量
で、高エネルギー密度の電池が求められており、なかで
も、非水電解液電池、特にリチウム二次電池は次世代電
池の主力として大いに期待され、その潜在的な市場規模
も非常に大きい。また、その形状としては機器の薄型
化、スペースの有効利用の観点から薄型の密閉電池に要
望が集まりつつある。

【０００３】

【従来の技術】薄型の密閉電池としては、これまでニッ
ケル・カドミウム蓄電池や鉛蓄電池、最近ではニッケル
・水素蓄電池が開発され実用化されている。これらの電
池系では高濃度のアルカリや酸の水溶液が電解液として
用いられており、極板群は短冊状の極板をセパレータを
介し正負極交互に重ね合わせて構成されている。

【０００４】しかしながら、リチウム電池に代表される
ような有機電解液を主成分とする非水電解液を利用した
電池では電解液の電導度が低いため、上記電池系と同程
度の厚さを有した極板により極板群を構成すると十分な
高負荷特性が得られず、また、二次電池の場合、急速充
電できないという課題があった。

【０００５】これらの課題を解決するために極板を薄く
して枚数を増やし有効反応面積を大きくして電流密度を
下げることが考えられるが、多枚数のシート状極板は取
扱い難く、極板群の構成が極めて困難である。

【０００６】上記の課題を解決するために我々は、シー
ト状の正極、負極をセパレータを介して、平板を巻芯と
して巻回することにより極板群を構成することを提案し
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、平板を
巻芯として巻回することにより極板群を構成すると群の
平面部では、極板、セパレータは両方向には張力がかか
るが、面と垂直な方向には力がかからないために極板、
セパレータが均一に密着しない。このため極間距離にバ
ラツキができ、正負極の反応が不均一となり、二次電池
の場合は充放電初期に所定の充放電容量が得られず、一
次電池の場合は放電容量のバラツキが大きいという課題
を有していた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の薄型非水電解液電池は、シート状の正極、負
極をセパレータを介して、横断面が基本的に円形、若し
くは楕円形である棒状の巻芯に巻回し、巻芯より取り外
した後、直径方向に圧縮して横断面形状を長円形に形成
することにより極板群を構成するものである。

【０００９】

【作用】このような極板群構成方法により、高負荷特性
に優れ、容量バラツキの少ない薄型非水電解液電池、急
速充電特性に優れ、充放電容量の安定した薄型非水電解
液二次電池を得ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図を参照
しながら説明する。 実施例１，２（二次電池） 図１に本発明の薄型リチウム二次電池の横断面図を示
す。

【００１１】図中１は正極板を示し、炭酸リチウム（Ｌ
ｉＣＯ₃ ）と四酸化三コバルト（Ｃｏ₃ Ｏ₄ ）を混合し
て空気中において９００℃で焼成したコバルト酸リチウ
ム（ＬｉＣｏＯ₂ ）を活物質とし、これに導電剤として
アセチレンブラックを３重量％混合した後、結着剤とし
てポリ四フッ化エチレン樹脂の水性ディスパージョンを
７重量％練合してペースト状とした合剤を、アルミニウ
ム箔からなる芯材の両面に塗着、乾燥し、圧延したもの
である。またその合剤の一部を剥離し、正極リード板４
をスポット溶接している。正極板１の寸法は、幅３４ｍ
ｍ、長さ９５ｍｍ、厚さは０．１７０ｍｍである。

【００１２】また負極板２は、メソフェーズピッチをア
ルゴン雰囲気下において２８００℃で熱処理した球状黒
鉛を活物質とし、結着剤としてポリ四フッ化エチレン樹
脂の水性ディスパージョンを５重量％練合してペースト
状とした合剤を、銅箔からなる芯材の両面に塗着、乾燥
し、圧延したものである。またその端部に負極リード板
５をスポット溶接している。負極板２の寸法は、幅３６
ｍｍ、長さ１３２ｍｍ、厚さは０．２０５ｍｍである。

【００１３】ここで、物性、構造の異なる種々の炭素材
について予備検討を進めたところ、粉末Ｘ線回折法によ
る格子面間隔（ｄ₀₀₂ ）が、０．３４２ｎｍ以下の炭素
材が高容量であり、可逆性にも優れることがわかった。
ちなみに、メソフェーズピッチをアルゴン雰囲気下にお
いて２８００℃で熱処理した球状黒鉛は、粉末Ｘ線回折
法による格子面間隔（ｄ₀₀₂ ）が、０．３４２ｎｍ以下
である。

【００１４】セパレータ３はポリプロピレンからなる多
孔性フィルムを、正極板１および負極板２よりも幅広く
裁断して用いた。

【００１５】これらの正負極板１，２とセパレータ３を
図２（ａ）に示したように、横断面形状が基本的には円
形の棒の周上に段部を設けた巻芯７を用い、この段部に
ピン８を配し、ピン８でセパレータ３を固定して巻回
し、セパレータ３の終端をポリプロピレン製の粘着テー
プで固定した後、ピン８を抜き、巻芯７から抜き取り、
さらに直径方向に圧縮して横断面形状を長円形に形成す
ることにより極板群を構成し、この極板群を用いたもの
を実施例１とした。

【００１６】また図２（ｂ）に示したように、横断面形
状が基本的には楕円形の棒を二分割した巻芯９の溝部に
セパレータ３を固定して巻回し、セパレータ３の終端を
ポリプロピレン製の粘着テープで固定した後、巻芯９か
ら抜き取り、さらに直径方向に圧縮して横断面形状を長
円形に形成することにより極板群を構成し、この極板群
を用いたものを実施例２とした。

【００１７】次に、図示していないが、下部絶縁板を電
池ケース６に挿入した後、極板群を収容し、さらに上部
絶縁リングを挿入した。電池ケース６の上部に溝入れし
た後、正負極のリード板４，５はそれぞれ、封口板に設
けられた互いに絶縁された端子にスポット溶接し、非水
電解液を注入した。非水電解液は、エチレンカーボネー
ト（ＥＣ）およびジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）を
体積比で１：１に混合し、六フッ化リン酸リチウム（Ｌ
ｉＰＦ₆ ）を１モル／リットル溶解させたものを用い
た。然る後、封口して電池をそれぞれ構成した。これら
の電池の寸法は、厚み６ｍｍ、幅１７ｍｍ、高さ４８ｍ
ｍである。

【００１８】以上のようにして構成した薄型密閉式のリ
チウム二次電池の初期の充放電における容量を評価し
た。また比較例１として実施例１、２と同様の部品を用
い、平板を巻芯として構成した極板群を用いた電池を構
成し、評価した。

【００１９】図３に実施例１、２および比較例１の初期
１５サイクルの放電容量の変化を示す。充放電電流は４
０ｍＡで、充電終始電圧は４．１Ｖ、放電終始電圧は
２．５Ｖとした。図３より明らかなように実施例１、２
の放電容量が３、４サイクルで安定するのに対し、比較
例１では当初約７０％程度しか充放電せず、１３サイク
ルでようやく安定する。この理由は極板の均一密着度の
差によるものと考えられる。すなわち図１（ｂ）に示す
ように、実施例では円形あるいは楕円形に巻回して群構
成後、直径方向に圧縮しているため、極板群に応力が残
留しこの応力により群平面部も微視的には湾曲して極板
同志が密着しやすくなっている。一方、比較例において
は、図４に示すように、群の平面部では、極板、セパレ
ータは面方向には張力がかかるが、面と垂直な方向には
力がかからないために極板、セパレータが均一に密着し
ない。このため極間距離にバラツキができ、正負極の反
応が不均一となる。充放電を行い、極板が膨張、収縮を
繰り返すうちに反応は均一になって行くが、容量が安定
するまでには１０サイクル以上かかる。 実施例３，４（一次電池） 基本的な構造は図１と同様である。正極活物質として二
酸化マンガンを用い実施例１、２と同様にして正極板を
作製した。寸法は幅３６ｍｍ、長さ１３２ｍｍ、厚さは
０．２２５ｍｍである。

【００２０】負極は金属リチウムに実施例１、２と同様
の負極リード板を圧着して作製した。負極板の寸法は幅
３４ｍｍ、長さ９５ｍｍ、厚さは０．１５０ｍｍであ
る。

【００２１】セパレータはポリプロピレンからなる多孔
性フィルムを、正極板および負極板よりも幅広く裁断し
て用いた。

【００２２】これらの正負極、セパレータを用い、実施
例３は実施例１と、実施例４は実施例２とそれぞれ同様
の方法で群構成し、電池を５０個づづ構成した。電解液
としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）およびジメ
トキシエタン（ＤＭＥ）を体積比で１：１に混合し、過
塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄ ）を１モル／リットル溶
解させたものを用いた。これらの電池の寸法は、厚み６
ｍｍ、幅１７ｍｍ、高さ４８ｍｍである。

【００２３】また比較例２として実施例３、４と同様の
部品を用い、平板を巻芯として構成した極板群を用いた
電池を構成し、評価した。

【００２４】図５に実施例３、４および比較例２の２０
℃での２０ｍＡ定電流放電の放電容量の分布を示す。終
始電圧は２Ｖである。図６より明らかなように実施例
３、４は活物質充填量のバラツキに基づく、比較的小さ
な容量バラツキがあるのに対し、比較例２では小容量側
へ偏った比較的大きな分布をしている。

【００２５】以上のようにシート状の正極、負極をセパ
レータを介して、横断面が基本的に円形、若しくは楕円
形である棒状の巻芯に巻回し、巻芯より取り外した後、
直径方向に圧縮して横断面形状を長円形に形成すること
により極板群を構成する構造を採用すれば高負荷特性に
優れ、容量バラツキの少ない薄型非水電解液電池、急速
充電特性に優れ、充放電容量の安定した薄型非水電解液
二次電池を得ることができる。

【００２６】なお実施例ではリチウムイオンのインター
カレーション／デインターカレーションを利用したリチ
ウム二次電池と金属リチウムを負極とする一次電池につ
いて説明したが、ナトリウム、カルシウム等、他のアル
カリ金属、アルカリ土類金属のイオンを利用した非水電
解液二次電池、リチウム、ナトリウム、カルシウム等の
アルカリ金属、アルカリ土類金属を負極とする非水電解
液二次電池、ナトリウム、カルシウム等のアルカリ金
属、アルカリ土類金属を負極とする非水電解液一次電池
でも有効である。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、シート状
の正極、負極をセパレータを介して、横断面が基本的に
円形、若しくは楕円形である棒状の巻芯に巻回し、巻芯
より取り外した後、直径方向に圧縮して横断面形状を長
円形に形成することによって極板群を構成することによ
り、高負荷特性に優れ、容量バラツキの少ない薄型非水
電解液電池、急速充電特性に優れ、充放電容量の安定し
た薄型非水電解液二次電池を得ることができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の薄型非水電解液電池の構成を示
す横断面図 （ｂ）同上の極板群拡大図

【図２】本発明の薄型非水電解液電池に収容する極板群
の構成方法を示す概略図 （ａ）横断面が円形の巻芯を使用した実施例１、３の場
合 （ｂ）横断面が楕円形の巻芯を使用した実施例２、４の
場合

【図３】実施例１、２および比較例１の初期充放電にお
ける放電容量の変化を示す図

【図４】比較例１の極板群拡大図

【図５】実施例３、４および比較例２の放電容量の分布
を示す図

【符号の説明】

１ 正極板 ２ 負極板 ３ セパレータ ４ 正極リード板 ５ 負極リード板 ６ 電池ケース ７ 横断面が円形の巻芯 ８ ピン ９ 横断面が楕円形の巻芯

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シート状の正極、負極をセパレータを介
   して、横断面が基本的に円形、若しくは楕円形である棒
   状の巻芯に巻回し、巻芯より取り外した後、直径方向に
   圧縮して横断面形状を長円形に形成した極板群を収容し
   たことを特徴とする薄型非水電解液電池。