JPH09180761A

JPH09180761A - スパイラル形リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JPH09180761A
Application number: JP7341832A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Takada; 和夫高田; Tatsuya Yamazaki; 龍也山崎; Masanori Nakanishi; 正典中西; Yoshiro Harada; 吉郎原田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】電池外面に圧力が加わり内部の電極群が潰さ
れた場合に、発火や発煙などを防止すること。【解決手段】スパイラル形リチウムイオン二次電池
は、電池ケース内部に正極シート２２と負極シート２４
とがセパレータを介し積層捲回されて形成された電極群
を備えている。正極シート２２及び負極シート２４は矢
印Ａ方向に捲回され、それぞれ捲回終端部には正極活物
質１４あるいは負極活物質１８が塗布されていない正極
集電体３０あるいは負極集電体３２がむき出しの無塗布
部２２ｂ，２４ａを備えている。ここで、圧力で電池ケ
ースが変形し電極群が潰される際には正極シート２２及
び負極シート２４の無塗布部２２ｂ，２４ａどうしが短
絡し、ここを通じて短絡電流の大半が流れるので、リチ
ウムイオンをドープした負極活物質１８が引火される虞
はなく、発火または発煙が防止されて電池の安全性の向
上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパイラル状の電
極群を備えたリチウムイオン二次電池に係り、特に、電
池外面に圧力が加わって電極群が潰された場合に生じる
発火または発煙などを防止可能な電極群の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン二次電池では、一般的
に、正極活物質がリチウム−金属複合酸化物などからな
り、他方負極活物質がリチウムイオンをドープ（吸蔵）
して層間化合物を形成できる炭素質材料などからなる。
この電池では、充電が行われると正極活物質からリチウ
ムイオンが脱ドープ（放出）されて負極活物質にドープ
される。他方、放電時には負極活物質からリチウムイオ
ンが脱ドープされて正極活物質にドープされるようにな
っている。

【０００３】このようなリチウムイオン二次電池として
は、例えば、図８に示すように、電池ケース２の内部に
スパイラル状の電極群４を備えたスパイラル形リチウム
イオン二次電池が知られている。ここで、電極群４は、
帯状の正極シート６と負極シート８とが、例えばポリプ
ロピレンなどよりなるセパレータ１０を介して相互に積
層捲回されて形成されている。正極シート６は、アルミ
ニウム箔などからなるシート状の正極集電体１２の両面
に、前記リチウム−金属複合酸化物の粉末を主体とした
ペースト状の正極用混練剤が正極活物質１４として塗布
されて形成されている。他方、負極シート８は、銅箔な
どからなるシート状の負極集電体１６の両面に、前記炭
素質粉体材料を主体としたペースト状の負極用混練剤が
負極活物質１８として塗布されて形成されている。そし
て、この電極群４においては、セパレータ１０を間に挟
み、その両側にそれぞれ正極活物質１４及び負極活物質
１８が配置され、さらにそれらの外側にそれぞれ正極集
電体１２及び負極集電体１６が配置された多重構造とな
っていて、前述したリチウムイオンによる充放電反応が
行われ得るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記電
池にあっては、電池ケース２の外面に何らかの圧力が加
わり電池ケース２が内方に変形して、電池ケース２内部
の電極群４が潰されると、発火または発煙が生じること
があった。これは、電極群４が潰される際、セパレータ
１０が電極群４の変形に伴い伸長される形になり、そこ
に視認できないような微小な範囲で間隙のようなものが
生じて、正極シート６と負極シート８とが、前記圧力に
より極めて密着されることも相俟って、セパレータ１０
を貫通して相互に短絡されるのが原因であると推測され
ている。この短絡により、貫通箇所の正極活物質１４及
び負極活物質１８を通じて大量に急激な電流が流れるた
め、リチウムイオンをドープした負極活物質１８が引火
され、発煙または発火が引き起こされるものと考えられ
ている。

【０００５】本発明は、前記事情に鑑みなされたもの
で、その目的は、電池外面に圧力が加わり電極群が潰さ
れた場合であっても、発火や発煙などが防止されるスパ
イラル形リチウムイオン二次電池を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明に係るスパイラル形リチウム電池にあって
は、帯状の正極集電体の表面に正極活物質を塗布してな
る正極シートと、帯状の負極集電体の表面に負極活物質
を塗布してなる負極シートとがセパレータを介して積層
されてスパイラル状に捲回されてなる電極群を内部に備
えたスパイラル形リチウムイオン二次電池において、該
負極シートは、捲回終端部に該負極活物質が塗布されず
該負極集電体がむき出しの無塗布部を備え、捲回によっ
て該負極シートの該無塗布部が該セパレータを介し該正
極シートと相互に対向しながら該電極群の外周を周回し
ている構成となっている。

【０００７】これにより、電池外面に圧力が加わり内部
の電極群が潰されていくと、まず、電極群の外周を周回
している負極シートの無塗布部と正極シートとが圧力に
より極めて密着されて相互に短絡される。この短絡にあ
っては、正極集電体及び負極集電体の相互間に負極活物
質が介在しないので、ここを通じて短絡電流が流れても
発火または発煙などの虞はない。また、これに伴い、負
極活物質が塗布された負極シートの無塗布部以外の他の
部分と正極シートとが密着し、ここで短絡があった場合
でも、正極集電体及び負極集電体の相互間に正極活物質
及び負極活物質の双方が介在しているので、ここを短絡
電流が流れるにあたっては、前記無塗布部に比べ短絡抵
抗が大きくなり、そのほとんどが抑制されてしまう。従
って、短絡電流の大半は、負極活物質の介在しない部分
を通じて流れることになるので、リチウムイオンがドー
プされた負極活物質が引火することを防止でき、発火ま
たは発煙を防止できる。

【０００８】好ましくは、前記正極シートは、捲回終端
部に前記正極活物質が塗布されず前記正極集電体がむき
出しの無塗布部を備え、捲回によって該正極シートの該
無塗布部と前記負極シートの前記無塗布部とが前記セパ
レータを介して相互に対向しながら前記電極群の外周を
周回している。正極活物質及び負極活物質はセパレータ
を介して互いに対向し合っている場合に活物質として働
くため、この構成によれば、前記の場合のように負極活
物質と対向しない正極活物質が占めていたスペースを、
両活物質が対向するように利用することにより容量向上
が可能である。その上、正極シート及び負極シート双方
の無塗布部どうしが密着し、ここで正極集電体と負極集
電体とが短絡された場合には、それらの相互間には正極
活物質及び負極活物質の介在がないので、短絡電流がよ
り流れやすくなって、無塗布部以外の他の部分を流れる
短絡電流を一層抑制でき、負極活物質の引火防止をより
確実に行うことができる。

【０００９】さらに、正極シートまたは前記負極シート
の前記無塗布部のどちらか一方、あるいは両方はその表
面が粗面化されていることで、前記短絡が生じやすくな
って、負極活物質の引火防止がより確実に行われる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係るスパイラル形
リチウム二次電池の実施の形態について、添付図面に基
づき詳述する。尚、従来と同一の構成要素には同一符号
を付すものとする。本発明に係るスパイラル形リチウム
二次電池は、正極活物質がリチウム−金属複合酸化物な
どからなり、他方、負極活物質がリチウムイオンをドー
プ（吸蔵）して層間化合物を形成できる炭素質材料など
からなる。この電池では、充電が行われると正極活物質
からリチウムイオンが脱ドープ（放出）されて負極活物
質にドープされる。他方、放電時には負極活物質からリ
チウムイオンが脱ドープされ正極活物質にドープされ
る。

【００１１】図１は、本発明に係るスパイラル形リチウ
ム二次電池の内部構造を示したものである。この電池
は、非水電解液で満たされた中空円筒状の電池ケース２
の内部に電極群２０を備えている。電極群２０は、帯状
の正極シート２２と同じく帯状の負極シート２４とが、
例えばポリプロピレンなどよりなるセパレータ１０を介
して互いに積層捲回されて形成されたものである。これ
により、この電極群２０は、セパレータ１０の各相互間
に正極シート２２と負極シート２４とが交互に配された
多重構造を備える。

【００１２】また、正極シート２２及び負極シート２４
は、それぞれ正極リード板２６あるいは負極リード板２
８を備え、正極リード板２６は電極群２０の上方に突出
し正極端子側に接続され、他方、負極リード板２８は電
極群２０の下方に突出し負極端子側に接続されている。

【００１３】図２は、正極シート２２及び負極シート２
４を示したものである。ここでは、正極シート２２及び
負極シート２４は、共に紙面左端部が巻芯側となって矢
印Ａ方向に捲回される。正極シート２２は、アルミニウ
ム箔などの金属からなるシート状の正極集電体３０の表
裏両面に、リチウム−金属複合酸化物、例えばＬｉＮｉ
Ｏ₂やＬｉＣｏＯ₂などの粉末を主体としたペースト状
の正極用混練剤が正極活物質１４として塗布されて形成
されている。正極シート２２の両面には、紙面左端部、
即ち捲回始端部と、紙面右端部、即ち捲回終端部とに位
置して、正極活物質１４が塗布されず正極集電体３０が
むき出し状態の無塗布部２２ａ，２２ｂが形成されてい
る。このうち捲回始端部に位置する無塗布部２２ａに
は、前記正極リード板２６が正極集電体３０の表面に接
続されて設けられている。

【００１４】他方、負極シート２４は、銅箔などの金属
からなるシート状の負極集電体３２の両面に、炭素質粉
体材料を主体としたペースト状の負極用混練剤が負極活
物質１８として塗布されて形成されている。この負極シ
ート２４の両面には、その紙面右端部、即ち捲回終端部
に位置して、負極活物質１８が塗布されず負極集電体３
２がむき出し状態の無塗布部２４ａが形成されている。
この無塗布部２４ａには、さらに末端部に位置して前記
負極リード板２８が負極集電体３２の表面に接続されて
設けられている。

【００１５】これら正極シート２２または負極シート２
４の捲回終端部に位置する無塗布部２２ｂ，２４ａは、
共に、電極群２０として捲回されたときに、電極群２０
の外周を十分周回できる程度若しくはそれ以上の長さを
有している。尚、ここで、正極シート２２に対する無塗
布部２２ｂの形成はシート両面に対して行われている
が、片面のみであってもかまわない。

【００１６】これら正極シート２２及び負極シート２４
は、図３に示すように、セパレータ１０とともに積層捲
回されて電極群２０として形成される。そして、スパイ
ラル状の電極群２０として捲回された後、負極シート２
２及び正極シート２４の無塗布部２２ｂ，２４ａは、共
に、セパレータ１０を介して相互に対向しながら電極群
２０の最外周を周回するようになる。

【００１７】図４は、電池ケース２の内部に収装された
電極群２０の横断面外縁部を断片的に示したものであ
る。ここで、電池外面に何らかの圧力が加わり電池ケー
ス２が内方に変形して、内部の電極群２０が潰されてい
くと、まず、正極シート２２及び負極シート２４の双方
の無塗布部２２ｂ，２４ａは、圧力の加わった部分で互
いにセパレータ１０を介して極めて密着した状態にな
る。そして、セパレータ１０の伸長なども要因となっ
て、この部分で負極シート２４の負極集電体３２と正極
シート２４の正極集電体３０とが相互に短絡される。こ
のとき、正極集電体３０と負極集電体３２との間には負
極活物質１８が介在しないので、ここを通じて短絡電流
Ｂが流れたとしても発火または発煙などの虞はない。

【００１８】そして、さらに圧力が大きく加わるなどし
て、正極シート２２及び負極シート２４の無塗布部２２
ｂ，２４ａ以外の他の部分、例えば電極群２０の巻芯部
分などで短絡があったとしても、正極集電体３０及び負
極集電体３２の相互間に正極活物質１４及び負極活物質
１８の両方が介在しているので、短絡電流が流れるにあ
たり、前記無塗布部２２ｂ，２４ａ間に比べて短絡抵抗
が大きくなってしまい、短絡電流のほとんどが抑制され
てしまう。これらのことから、短絡電流の大半は、正極
シート２２及び負極シート２４の無塗布部２２ｂ，２４
ａ間を通じて流れるので、リチウムイオンがドープされ
た負極活物質１８が引火することを防止でき、発火また
は発煙などを防止して電池の安全性を向上させることが
できる。

【００１９】特に、正極シート２２及び負極シート２４
の無塗布部２２ｂ，２４ａは、電極群２０の外周を周回
しているので、何れの方向から圧力が加わっても十分な
対応が可能である。

【００２０】また、正極シート２２及び負極シート２４
において捲回終端部に形成される無塗布部２２ｂ，２４
ａにあっては、負極シート２４のみに形成され、正極シ
ート２２には形成されない場合がある。図５は、この場
合の正極シート２２及び負極シート２４を示したもので
ある。負極シート２４は前述と全く同様の態様である。
他方、正極シート２２は、従来のものと同様、その紙面
右端部、即ち捲回終端部にシート両面とも正極活物質１
４が塗布されている。これら正極シート２２及び負極シ
ート２４は、図６に示すように、前記場合と同様に、セ
パレータ１０とともに積層捲回される。

【００２１】そして、図７に示すように、電極群２０が
潰されていくと、負極シート２４の無塗布部２４ａと正
極シート２２とが極めて相互に密着されて、ここで短絡
が生じる。この場合には、正極活物質１４のみが介在し
て負極活物質１８の介在がないため、前記場合と同様
に、短絡電流Ｃが流れても、負極活物質１８の引火によ
る発火または発煙などの虞はない。そして、さらに圧力
が大きく加わって、負極シート２４の無塗布部２４ａ以
外の部分で短絡が生じた場合でも、正極集電体３０と負
極集電体３２の間に正極活物質１４及び負極活物質１８
の両方が介在して短絡抵抗が大きくなり、短絡電流が抑
制されることになる。従って、正極シート２２が前記無
塗布部２２ｂを備えていなくても、負極活物質１８の引
火を十分防止でき、電池の安全性の向上を図ることがで
きる。

【００２２】殊に、正極シート２２に無塗布部分２２ｂ
を形成する必要はないが、該部分に塗布された正極活物
質は負極活物質と対向していないため、活物質として利
用されていない。そこで、前記正極シート２２に無塗布
部２２ｂを形成し、そのスペースを両活物質が対向する
ように利用することによって、電池容量の向上が可能と
なる。

【００２３】尚、前記正極シート２２または前記負極シ
ート２４の無塗布部２２ｂ，２４ａは、その表面が粗面
化されているのが好ましい。粗面化は、例えばやすりな
どで軽く擦って少し削り取るなどして行われる。無塗布
部２２ｂ，２４ａの表面が粗面化されていれば、短絡が
生じやすくなり、負極活物質における引火防止をより確
実に行えるので、電池の安全性をさらに向上をさせるこ
とができる。

【００２４】次に、以上のスパイラル形リチウムイオン
二次電池について従来と比較するために行った圧縮試験
について詳述する。この試験で用いた電池は、以下の表
１に示すように、正極シート及び負極シート双方の捲回
終端部に前記無塗布部が形成されていない従来例と、図
２のように正極シート２２及び負極シート２４双方に無
塗布部２２ｂ，２４ａが形成されている実施例１と、図
５のようにこれが負極シート２２にのみ形成されている
実施例２と、図２に示す無塗布部２２ｂ，２４ａの双方
が粗面化されている実施例３とである。これら４種類の
電池は、共に、正極集電体として幅５４ｍｍ、厚さ２０
μｍのアルミニウムシート、また負極集電体として幅５
６ｍｍ、厚さ１２μｍの銅シートを用いて前述のような
電極群を製作し、円筒形リチウムイオン二次電池（φ１
８×６５ｍｍ）として組み立てられたものである。試験
は、４．２Ｖに充電された状態の４種の電池各々につき
１０個ずつ試験体を用意して、これらの電池全てについ
て横側から厚さ９ｍｍ程度になるまでプレス圧縮し、発
火または発煙の有無を調べた。

【００２５】

【表１】この表１より、従来例については、１０個のうち発火し
たもの５個、発煙したもの５個確認された。これに対
し、実施例１乃至３については、発火個数及び発煙個数
が共に０個で、従来例よりも安全性が高いことが認めら
れる。従って、正極シートまたは負極シートの捲回終端
部に無塗布部を形成することで、発火または発煙を防止
でき、電池の安全性の向上を図ることができることが判
る。

【００２６】

【発明の効果】以上発明の実施の形態で説明したように
本発明に係るスパイラル形リチウム電池によれば、負極
シートの捲回終端部に負極活物質が塗布されていない負
極集電体がむき出しの無塗布部が形成され、セパレータ
を介し正極シートと相互に対向しながら電極群の外周を
周回しているので、電池外面に圧力が加わり電極群が潰
される際には、負極シートの無塗布部で負極活物質を介
すことなく正極集電体と負極集電体とが短絡する。そし
て、さらに圧力が加わり、無塗布部以外の他の部分で短
絡が生じても、相互間に正極活物質及び負極活物質の両
方が介在するので短絡抵抗が大きくなり、短絡電流の大
半は負極活物質の介在しない前記無塗布部を通じて流れ
る。従って、リチウムイオンをドープした負極活物質が
引火して発火または発煙が生じることを防止でき、電池
の安全性の向上を図ることができる。

【００２７】さらに、正極シートの捲回終端部にも正極
活物質が塗布されていない無塗布部が形成され、正極シ
ート及び負極シート双方の無塗布部がセパレータを介し
て相互に対向しながら前記電極群の外周を周回していれ
ば、無塗布部の相互間には負極活物質及び正極活物質双
方の介在がなく、短絡電流がより流れやすくなって、無
塗布部以外の他の部分で流れる短絡電流を一層抑制で
き、負極活物質の引火防止を確実に防止して電池の安全
性の向上をさらに図ることができる。

【００２８】また、正極シートまたは負極シートの無塗
布部のどちらか一方、あるいは両方において表面が粗面
化されていれば、短絡が生じやすくなり、負極活物質の
引火防止を確実に行えるので、電池の安全性をさらに向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスパイラル形リチウム電池の内部
構造を示した縦断面図である。

【図２】正極シート及び負極シートを示した平面図であ
る。

【図３】正極シート、負極シート及びセパレータの積層
捲回前の配置状態を示した斜視図である。

【図４】電極群が潰される際における電極群の外縁部を
断片的に示した部分横断面図である。

【図５】正極シート及び負極シートの他の実施例を示し
た平面図である。

【図６】他の実施例に係る正極シート、負極シート及び
セパレータの積層捲回前の配置状態を示した斜視図であ
る。

【図７】電極群が潰される際における他の実施例の電極
群の外縁部を断片的に示した部分横断面図である。

【図８】従来のスパイラル形リチウム電池の内部構造を
示した縦断面図である。

【符号の説明】

２電池ケース４電極群６正極シート８負極シー
ト１０セパレータ１２正極集
電体１４正極活物質１６負極集
電体１８負極活物質２０電極群２２正極シート２２ａ無塗
布部（捲回始端部側）２２ｂ無塗布部（捲回終端部側）２４負極シ
ート２４ａ無塗布部２６正極リ
ード板２８負極リード板３０正極集
電体３２負極集電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原田吉郎東京都港区新橋５丁目36番11号富士電気化学株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯状の正極集電体（３０）の表面に正極
活物質（１４）を塗布してなる正極シート（２２）と、
帯状の負極集電体（３２）の表面に負極活物質（１８）
を塗布してなる負極シート（２４）とがセパレータ（１
０）を介して積層されてスパイラル状に捲回されてなる
電極群（２０）を内部に備えたスパイラル形リチウムイ
オン二次電池において、該負極シート（２４）はその捲
回終端部に該負極活物質（１８）が塗布されず該負極集
電体（３２）がむき出しの無塗布部（２４ａ）を備え、
捲回によって該負極シート（２４）の該無塗布部（２４
ａ）が該セパレータ（１０）を介して該正極シート（２
２）と相互に対向しながら該電極群（２０）の外周を周
回していることを特徴とするスパイラル形リチウムイオ
ン二次電池。
【請求項２】前記正極シート（２２）は、その捲回終
端部に前記正極活物質（１４）が塗布されず前記正極集
電体（３０）がむき出しの無塗布部（２２ｂ）を備え、
捲回によって該正極シート（２２）の該無塗布部（２２
ｂ）と前記負極シート（２４）の前記無塗布部（２４
ａ）とが前記セパレータ（１０）を介して相互に対向し
ながら前記電極群（２０）の外周を周回していることを
特徴とする請求項１記載のスパイラル形リチウムイオン
二次電池。
【請求項３】前記正極シート（２２）または前記負極
シート（２４）の前記無塗布部（２２ｂ，２４ａ）のど
ちらか一方、あるいは両方はその表面が粗面化されてい
ることを特徴とする請求項１または２記載のスパイラル
形リチウムイオン二次電池。