JPH10302828A

JPH10302828A - 角型電池およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10302828A
Application number: JP9110696A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 啓介山本
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】正負両極シート間の電気的短絡の問題が解決
された蛇腹状の発電要素を有する角型電池およびその製
造方法を提供することを目的とする。【解決手段】正極シートと負極シートとを互いの活物
質層が対向するように積層した集合体シートを蛇腹状に
折り畳んでなり、且つ各折り畳みターン部の少なくとも
最内部に位置する活物質層が折り畳みターン部の先端の
実質的に全長にわたり欠落してなる発電要素を有するこ
とを特徴とする角型電池およびその製造方法。【効果】高体積エネルギー密度および長期安定性に優
れているので、携帯用のパソコンや電話などの電源とし
て有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角型電池およびそ
の製造方法に関し、特に非水液体電解質を有する各種角
型二次電池、例えば角型リチウム二次電池用として好適
な角型電池およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種電気機器、特に携帯用のパソコンや
電話などは、一層の軽量化、小型化の要求があり、この
要求からそれらに使用される電池としてもコンパクトな
小収容スペースに収め得る角型電池の開発が必要となっ
ている。角型電池に使用される正負両極シートからなる
発電要素は、普通、角型や偏平型である。

【０００３】図８は、従来の角型リチウム二次電池に使
用されている発電要素の斜視図である。図８において、
１は正極シート片、２は負極シート片である。該発電要
素は、図示はしていないが正負両極シート１、２片の間
にはセパレータが介在され、正負両極シート１、２およ
びセパレータの三片を一組として、且つ各組間にも更に
もう一層のセパレータを介在させて多数組積層した構造
を有し、且つ正極シート１片と負極シート２片とが接続
線４により電気的に接続されている。リチウム二次電池
などの二次電池において、その電池容量は正極シートが
有する正極活物質の量に比例する。したがって、正極シ
ートの正極活物質層の厚みを大きくすると、正極シート
の単位面積あたりの正極活物質の量が増大し、しかして
その場合には理論的には少ない積層組数にて必要な電池
容量を確保できる。しかし実際には、通常の正極活物質
層は電気電導性に乏しいために、厚肉とすると電気抵抗
が過大となって電池作用が逆に低下する。このために、
止むなく正極活物質層を薄くし電極面積を大きくして、
必要な電池容量を確保すべく積層組数を多くする方法が
考えられている。しかしその方法は、各シートとも現実
的に薄過ぎるために工業的に組み立てることが困難であ
り、また積層組数を多くすると手数を要する接続線４に
よる電気的接続数も多くなって電池の大量生産が困難と
なる。

【０００４】図９は、従来の角型リチウム二次電池に使
用されている他の発電要素の斜視図であって、該発電要
素は正極シート、負極シート、およびセパレータとから
なる長尺の集合体シートＡを偏平状の芯体（図示せず）
上に捲回し、ついで該芯体を除去して得られる偏平状捲
回体である。この捲回体では、捲回数を増すことにより
必要な電極面積を、しかして電池容量を確保することが
できるので、図８に示す積層物が抱える問題はない。し
かしこの偏平状捲回体からなる発電要素は、芯体を使用
して製造されるので芯体除去後に芯体体積分の空間Ｓが
残存し、この空間Ｓの存在のために発電要素の単位体積
あたりのエネルギー密度が低い問題がある。この問題を
解決するために同図の矢印の方向に圧縮し空間Ｓを消去
する方法も採られたこともあるが、集合体シートＡを構
成する各シート間には周長差があるので、圧縮後の偏平
状捲回体の直線部において該周長差に基づく弛みが生じ
て、結果的に該直線部の正負極間に隙間が生じて電池反
応を阻害すると言う新たな問題が発生する。

【０００５】特開平４−２９８９７３号公報には、前記
図８や図９に示す従来技術の問題点を克服し得る発電要
素が開示されている。その発電要素は、図９に示すよう
な長尺の集合体シートが蛇腹状に折り畳まれた構造であ
り、折り畳み回数を増すことにより電池容量を確保する
ことができ、しかも図９におけるような空間Ｓも生じな
いので高エネルギー密度を有する。しかしこの蛇腹状の
発電要素は、次に述べる重大な問題がある。

【０００６】発電要素が正常に機能するためには、一般
的に正負両極シート同士は可及的に接近していることが
望ましい。したがって良好に機能する蛇腹状発電要素を
得るには、集合体シートを蛇腹状に単に折り畳むだけで
なく、蛇腹状折畳体をその両面から圧縮して正負両極シ
ート間を接近させる必要がある。しかしこの圧縮を充分
に行った場合には、蛇腹状の各折り畳みターン部の最内
部に位置する活物質層はその折り畳みターン部の先端に
おいて高度に折り曲げられるので、活物質層が柔軟性に
欠ける材料にて形成されていると、その個所に亀裂が生
じたり、その個所の一部が剥離することがある。また剥
離した活物質層片が、正負両極シート間の電気的短絡を
惹起することもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】よって本発明は、正負
両極シート間の電気的短絡の問題が解決された蛇腹状の
発電要素を有する角型電池およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、つぎの特徴を
有する。 (1) 正極集電体の片面または両面に正極活物質層を有す
る正極シートと負極集電体の片面または両面に負極活物
質層を有する負極シートとを互いの活物質層が対向する
ように積層した集合体シートを蛇腹状に折り畳んでな
り、且つ各折り畳みターン部の少なくとも最内部に位置
する活物質層が折り畳みターン部の先端の実質的に全長
にわたり欠落してなる発電要素を有することを特徴とす
る角型電池。 (2) 正極集電体と負極集電体との合計厚みが少なくとも
１２０μｍである上記(1) 記載の角型電池。 (3) 集合体シートが、両面に正極活物質層を有する正極
シートの両側から負極シートにてサイドイッチした三層
構造である上記(1) または(2) 記載の角型電池。 (4) 活物質層欠落部を部分的に有する正極シートと活物
質層欠落部を部分的に有する負極シートとが互いの活物
質層が対向するように積層してなる集合体シートを蛇腹
状に折り畳んで各折り畳みターン部の少なくとも最内部
に位置する活物質層が折り畳みターン部の先端の実質的
に全長にわたり欠落してなる蛇腹状折畳体を得、ついで
該蛇腹状折畳体をその上下面から圧縮して発電要素を得
ることを特徴とする角型電池の製造方法。

【０００９】

【作用】各折り畳みターン部の少なくとも最内部に位置
する活物質層を予め除去しておくことにより、上記の集
合体シートを蛇腹状に折り畳み、ついで該蛇腹状折畳体
をその上下面から圧縮しても活物質層の亀裂や剥離が生
じず、しかして正負両極シート間の電気的短絡の問題が
解決される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図例により一層詳
細に説明する。図１は本発明の実施例の分解断面図、図
２は図１中の蛇腹状発電要素Ｅの概略斜視図、図３は図
１において点線で囲む部分の拡大断面図である。図４は
本発明の他の実施例の部分拡大断面図であり、図５は本
発明のさらに他の実施例の部分拡大断面図である。図６
および図７は、本発明の製造方法において用いる正極シ
ート例と負極シート例についての説明図である。なお図
４および図５に示す各実施例は、蛇腹状発電要素Ｅの内
部構造において図３のそれと異なるのみであって、図１
の分解断面図並びに図２の蛇腹状発電要素Ｅの概略斜視
図は、それら各実施例にも適用される。

【００１１】図１〜図５において、Ｃは電池缶、Ｇは電
池缶Ｃ内に設置された電気絶縁性のガスケット、Ｅは蛇
腹状発電要素、Ａは蛇腹状発電要素Ｅを形成する集合体
シート、Ｆは蓋部である。Ｌ１は正極リードであり、Ｌ
２は負極リードである。正極リードＬ１は、正極シート
１から延びて蓋部Ｆの正極端子Ｆ１の裏面に溶接されて
おり、一方、負極リードＬ２は、負極シート２から延び
て蓋部Ｆの負極端子Ｆ２の裏面に溶接されている。正極
端子Ｆ１と負極端子Ｆ２とは、円筒状の電気絶縁体Ｆ３
により互いに絶縁されている。

【００１２】図３および図４において、１は正極集電体
１１と正極活物質層１２とからなる正極シートであり、
２は負極集電体２１と負極活物質層２２とからなる負極
シートであり、３はセパレータであって、集合体シート
Ａは正極シート１、負極シート２、およびセパレータ３
の三シートが集合した構造を有する。また正極活物質層
１２と負極活物質層２２とは、中間にセパレータ３を介
して対向する状態で積層されている。

【００１３】図５においては、１は正極集電体１１とそ
の両面に設けられた正極活物質層１２および１２’とか
らなる正極シートであり、２は負極集電体２１と負極活
物質層２２とからなる負極シートであり、２’は負極集
電体２１’と負極活物質層２２’とからなる負極シート
であり、３および３’はセパレータであって、集合体シ
ートＡは正極シート１、負極シート２、負極シート
２’、セパレータ３、および３’の五シートが集合した
構造を有する。また正極シート１は、負極シート２と負
極シート２’とでサンドイッチされており、正極シート
１の正極活物質層１２と負極活物質層２２とは中間にセ
パレータ３を介して、一方、正極シート１の正極活物質
層１２’と負極活物質層２２’とは中間にセパレータ
３’を介してそれぞれ対向する状態で積層されている。
負極シート２と負極シート２’の各負極集電体２１と負
極集電体２１’とは、適当な場所例えば蛇腹状発電要素
Ｅの片端あるいは両端において、互いに電気的に導通状
態とされている。

【００１４】図１〜図５において、Ｂは折り畳みターン
部であり、Ｂ１は折り畳みターン部Ｂの先端である。図
４では、各折り畳みターン部の最内部に位置する活物質
層たる正極活物質層１２のみが、図３では正極活物質層
１２とその上の負極活物質層２２の両方が、また図５で
は最内部に位置する活物質層たる負極活物質層２２’の
みが、それぞれ折り畳みターン部Ｂの先端Ｂ１の全長、
即ち図２における両端Ｂ２〜Ｂ３間にわたり欠落してい
る。図３〜図５において、先端Ｂ１での白地部分１４お
よび２４は活物質層の欠落部である。

【００１５】図３および図４に示す集合体シートＡは、
セパレータを別にすれば、一枚の正極シートと一枚の負
極シートとからなる二層構造であるが、本発明において
使用対象とされる集合体シートは、図５の集合体シート
Ａのような三層構造のもの、あるいはそれ以上の多層構
造であってもよい。二層構造にせよ、三層以上の多層構
造にせよ、集合体シートの折り畳みターン部の先端にお
いて最も急峻に折り曲げられるのは、最内部に位置する
活物質層（以下、最内部活物質層と言う）である。最内
部活物質層の直ぐ上の、即ち第２層目の活物質層は、最
内部活物質層の存在の故に折り曲げの急峻度は最内部活
物質層のそれと比較してかなり緩く、しかして亀裂や剥
離の問題も緩和される。したがって本発明においては、
最内部活物質層の折り畳みターン部Ｂの先端Ｂ１での欠
落は必須であるが、図４に示す集合体シートＡのように
第２層目の活物質層（負極活物質層２２）の欠落までは
必須ではない。しかし第２層目の活物質層までも欠落部
を設けることは、前記した短絡問題を一層確実に防止す
る上から好ましい。

【００１６】電池の作動中において、蛇腹状発電要素Ｅ
の折り畳みターン部Ｂは電界が集中して一般的にデンド
ライトが生じ易いが、図５のように正極シート１の両面
を負極シート２、２’にてサンドイッチして正極活物質
層の両面に負極活物質層を位置せしめることは、デンド
ライトの発生を防止乃至抑制する上で特に好ましい。即
ち、折り畳みの全てのターン部Ｂの正極活物質層は、リ
チウムイオンのキャッチャーとして機能する負極活物質
層、就中、該正極活物質層より周長が大きくてリチウム
イオンのキャッチ能力の高い上側（外回り）の負極活物
質層にて取り巻かれるからである。

【００１７】図１〜図５において、蛇腹状発電要素Ｅ
内、特にセパレータ３やセパレータ３’内には液体電解
質が含浸されるが、電解質が固体の場合にはセパレータ
３、３’などに代わって固体電解質シートが用いられ
る。

【００１８】正極活物質、正極集電体、負極活物質、負
極集電体、セパレータ、および電解質などについては、
従来からリチウム二次電池などで知られているものであ
ってよい。以下にそれらの代表的乃至好ましい例の若干
を示す。

【００１９】正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ₂、Ｌｉ
ＮｉＯ₂などのＬｉと周期律表の新９〜１０族遷移金属
元素との複合酸化物類、該複合酸化物類中の遷移金属元
素の一部を他の元素、例えばＡｌ、Ｐ、などで置換した
複合酸化物類、ＬｉＭｎＯ₂、Ｌｉ_XＭｎ_(2-Y)Ｍ_YＯ
₄（ＭはＢ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎなど）、のような
Ｌｉ−Ｍｎ系複合酸化物類などである。

【００２０】正極活物質の結着剤としては、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリド、ポリエ
チレン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマーなど
である。導電剤としては、各種導電性黒鉛や導電性カー
ボンブラックなどでよい。正極活物質の使用量は、正極
活物質、結着剤、および導電剤の合計量１００重量部あ
たり８０〜９５重量部程度であり、結着剤の使用量は正
極活物質１００重量部あたり１〜１０重量部程度であ
り、また導電剤の使用量は正極活物質１００重量部あた
り３〜１５重量部程度である。

【００２１】正極シートは、正極集電体の片面（図３お
よび図４の場合）または両面（図５の場合）に正極活物
質、結着剤、および導電剤からなる混合組成物を塗布
し、充分に乾燥後、圧延して形成し、ついで図３および
図４の場合には後記するように折り畳みターン部Ｂの先
端Ｂ１にあたる部分の正極活物質層を除去して得られ
る。片面または両面の正極活物質の各厚さは、２０〜５
００μｍ程度、特に５０〜２００μｍ程度が適当であ
る。

【００２２】負極活物質としては、繊維状、鱗片状、球
状乃至擬球状の天然や人造の黒鉛などの導電性カーボ
ン、リチウム、リチウム合金、などである。導電性カー
ボンなどの負極活物質は、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリビニリデンフルオリド、ポリエチレン、エチレ
ン−プロピレン−ジエン系ポリマーなどの通常の結着剤
と混合して用いられ、その際の導電性カーボンの使用量
は、該カーボンと結着剤との合計量１００重量部あたり
８０〜９６重量部程度である。

【００２３】導電性カーボンを負極活物質として用いる
場合、負極シートは負極集電体の片面（図３〜図５の場
合）に上記導電性カーボンと結着剤とからなる混合組成
物を塗布し、充分に乾燥後、圧延して形成し、正極シー
トの場合のように必要な一部の負極活物質層を除去して
得られる。負極活物質の厚さは、２０〜５００μｍ程
度、特に５０〜２００μｍ程度が適当である。

【００２４】正極集電体の構成材料としては、例えばア
ルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどの導電性金
属の箔、穴あき箔、エキスパンドメタルなどであり、負
極集電体の構成材料としては、例えば銅、ニッケル、
銀、ＳＵＳなど箔、穴あき箔、エキスパンドメタルなど
である。

【００２５】セパレータとしては、電気絶縁性の優れた
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどのポリ
オレフィン類、ナイロン、ポリエステル、ポリ塩化ビニ
ル、ポリフッ化ビニリデンなどのその他の熱可塑性ポリ
マー類などからなり、ＪＩＳ−Ｐ８１１７により測定し
た気密度が１００〜２０００ガーレー（秒／１００ｃ
ｃ）程度で、０．０１〜０．１ｍｍ程度の厚みを有する
ものでよい。

【００２６】非水液体電解質としては、塩類を有機溶媒
に溶解させた電解液が例示される。該塩類としては、Ｌ
ｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、
ＬｉＡｌＣｌ₄、Ｌｉ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎなどが例示
され、それらの一種または二種以上の混合物が使用され
る。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピ
レンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカ
ーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルスル
ホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、１，２−
ジメトキシエタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テ
トラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、２−メチル
テトラヒドロフラン、ジエチルエーテルなどが例示さ
れ、それらの一種または二種以上の混合物が使用され
る。また電解液中における上記塩類の濃度は、０．１〜
３モル／リットル程度が適当である。

【００２７】図３〜図５に示す集合体シートＡは、例え
ば波状の断面を有する雌型と該雌型の各波間に勘合する
凸状断面を有する雄型とからなり、雌型と雄型との間に
蛇腹状の間隙を生じ得る加工装置などを用いて工業的に
且つ連続的に蛇腹加工し得る。またかくして得られる蛇
腹状体を、必要に応じてその両面から１〜１００ｋｇｆ
／ｃｍ²程度の圧力で圧縮して、正負極シート間の密接
度の一層良好な発電要素を製造することができる。

【００２８】なお集合体シートＡを蛇腹加工する際、そ
れに大きな引っ張り力と急角度の曲げ力が作用するの
で、加工中に該シートがしばしば破断することがある。
この破断を防止するために、正極集電体および／または
負極集電体として通常より厚目のものを使用することが
好ましい。具体的には、図３および図４の場合には両集
電体１１、２１の二層の合計厚みが少なくとも１２０μ
ｍ、図５の場合には集電体１１、２１および２１’の三
層の合計厚みが少なくとも１２０μｍとすることが好ま
しい。ただし図８について前記した通り、電池の容量は
正極活物質の量（同時に負極活物質の量）に比例し、し
たがって上記の合計厚みが過大となると集合体シートＡ
中に占める正負両活物質の量を減少させざるを得なくな
って必要な電池容量を確保できなくなるので、正負の両
集電体の合計厚みは５００μｍ以下、特に３００μｍ以
下とすることが好ましい。

【００２９】正極集電体と負極集電体との合計厚みが上
記した範囲内にあれば、各集電体の個々の厚みは、集電
体としての本来の機能を奏し得る限り、基本的には任意
であってよい。しかし過度に薄いと、集合体シートＡを
蛇腹加工する際に局部的な異常力が作用した場合に集電
体が切断することがあるので、各集電体とも少なくとも
１０μｍ、特に少なくとも１５μｍであることが好まし
い。一般的に、両集電体の機械的強度を同程度としてお
く方が蛇腹加工あるいはその他の面から好ましい。一
方、リチウム二次電池においては、正極集電体としてア
ルミニウムを用い負極集電体として銅を用いることが多
い。したがってそのような場合には両集電体の機械的強
度を同程度とするために、図３および図４の実施例のよ
うに正負極の両集電体をそれぞれ１層づつ用いる場合、
正極集電体１１を負極集電体２１より厚肉とした方がよ
く、具体的には正極集電体１１の厚みは２０〜４９０μ
ｍ、特に５０〜３００μｍであり、負極集電体２１の厚
みは１０〜２００μｍ、特に２０〜１００μｍであるこ
とが好ましい。一方図５の場合には、負極集電体２１と
２１’との合計厚みが上記の厚み範囲となることが好ま
しい。

【００３０】図６〜図７により、図１〜３に示す蛇腹状
発電要素Ｅを例にとってその製造方法をつぎに説明す
る。それらの図において、１は正極集電体１１とその表
面に設けられた正極活物質層１２とからなる正極シート
であり、Ｌ１は正極集電体１１の端部に溶接された正極
リードである。また２は、負極集電体２１とその表面に
設けられた負極活物質層２２とからなる負極シートであ
り、Ｌ２は負極集電体２１の端部に溶接された負極リー
ドである。図７においては、正極活物質層１２は複数の
欠落部１４を有し、負極活物質層２２も複数の欠落部２
４を有する。しかして、図６は欠落部１４、２４を形成
する前の正負極シートを示し、図７は欠落部１４、２４
を形成した後の正負極シートを示す。

【００３１】図１〜図３から明らかな通り、高度に折り
曲げられる折り畳みターン部Ｂの先端Ｂ１が活物質の欠
落を要する個所となる。したがって図７においては、そ
のように正極活物質層１２と負極活物質層２２とについ
て活物質が欠落部した欠落部１４と欠落部２４とが略等
間隔に且つ各層１２、２２の幅一杯に形成されている。
よって、図７に示す正極シート１と負極シート２とを各
欠落部１４と欠落部２４が略等間隔で且つそれらの間に
セパレータ（図示せず）を配置して積層した集合体シー
トＡを蛇腹状に折り畳むことにより目的の蛇腹状発電要
素Ｅを製造することができる。なお各欠落部１４と２４
幅Ｗは、通常、０．２〜１ｍｍ程度で十分である。図４
および図５の実施例は、図１〜図３の実施例についての
前記の方法に準じて製造することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の角型電池は、体積エネルギー密
度が高く、しかも工業的生産並びに長期安定性に優れて
いるので各種電気機器、特に携帯用のパソコンや電話な
どの電源としてすこぶる有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の分解断面図である。

【図２】図１中の蛇腹状発電要素Ｅの概略斜視図であ
る。

【図３】図１の部分拡大断面図である。

【図４】本発明の他の実施例の部分拡大断面図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例の部分拡大断面図で
ある。

【図６】本発明の製造方法において用いる正極シート例
と負極シート例についての説明図である。

【図７】本発明の製造方法において用いる正極シート例
と負極シート例についての説明図である。

【図８】従来の角型リチウム二次電池に使用されている
発電要素の斜視図である。

【図９】従来の角型リチウム二次電池に使用されている
他の発電要素の斜視図である。

【符号の説明】

Ｃ電池缶Ｇ電気絶縁性のガスケットＥ蛇腹状発電要素Ａ集合体シート１正極シート１１正極集電体１２正極活物質層１４活物質の欠落部２負極シート２１負極集電体２２、２２’ 負極活物質層２４活物質の欠落部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極集電体の片面または両面に正極活物
質層を有する正極シートと負極集電体の片面または両面
に負極活物質層を有する負極シートとを互いの活物質層
が対向するように積層した集合体シートを蛇腹状に折り
畳んでなり、且つ各折り畳みターン部の少なくとも最内
部に位置する活物質層が折り畳みターン部の先端の実質
的に全長にわたり欠落してなる発電要素を有することを
特徴とする角型電池。
【請求項２】正極集電体と負極集電体との合計厚みが
少なくとも１２０μｍである請求項１記載の角型電池。
【請求項３】集合体シートが、両面に正極活物質層を
有する正極シートの両側から負極シートにてサイドイッ
チした三層構造である請求項１または２記載の角型電
池。
【請求項４】活物質層欠落部を部分的に有する正極シ
ートと活物質層欠落部を部分的に有する負極シートとが
互いの活物質層が対向するように積層してなる集合体シ
ートを蛇腹状に折り畳んで各折り畳みターン部の少なく
とも最内部に位置する活物質層が折り畳みターン部の先
端の実質的に全長にわたり欠落してなる蛇腹状折畳体を
得、ついで該蛇腹状折畳体をその上下面から圧縮して発
電要素を得ることを特徴とする角型電池の製造方法。