JPWO2011001639A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

正極集電体１１上に正極活物質層１２が形成された正極板１と、負極集電体１３上に負極活物質層１４が形成された負極板２とが、多孔質絶縁層１５を介して捲回された電極群が、電池ケース１６内に収容されている。正極集電体１１および負極集電体１３は、同じ材料の金属箔からなる。正極集電体１１の端部は、正極活物質層１２が形成されていない第１の露出部１ａを有し、負極集電体１３の端部は、負極活物質層１４が形成されていない第２の露出部２ａを有する。第１の露出部１ａと第２の露出部２ａとは、多孔質絶縁層１５から互いに反対方向に突出するように配置されており、第１の露出部１ａは正極集電板１７に接続され、第２の露出部２ａは負極集電板１８に接続されている。

Description

本発明は、いわゆるタブレス構造の電極群を備えた非水電解質二次電池に関する。

産業用機器または業務用機器のバックアップ電源や、自動車のスタータ用電源として、鉛蓄電池が広く用いられている。

近年、バックアップ電源に用いられている鉛蓄電池を、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池に置き換えるための開発が活発化している。鉛蓄電池をニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池に置き換えることにより、高エネルギー密度化による電源の小型化や、鉛を用いないことによる環境負荷の低減が期待される。

一方、現在のところ、自動車のスタータ用電源として用いられている鉛蓄電池を、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池に置き換える動きは少ない。しかし、自動車のスタータ用電源としても、鉛を含有しない電池に置き換えることは、環境負荷を低減できる点から望ましい。また、自動車のスタータ用電源として用いる場合には、ニッケル水素電池よりも軽量なリチウムイオン二次電池がより有望である。

ところで、より大きな出力特性を得るための技術として、いわゆるタブレス構造（リードレス構造）の電極群が知られている。これは、正極板と負極板とがセパレータを介して捲回された電極群において、正極板の端部（正極合剤層の未塗工部）と負極板の端部（負極合剤層の未塗工部）とが、セパレータから互いに反対方向に突出して配置された構成をなし、正極板の端部および負極板の端部を、正極集電板および負極集電板にそれぞれ接合することによって、極板全体から集電することが可能となるため、大電流での放電特性を向上させることができる。

一方、軽量化技術の一つとして、耐電圧に優れた金属材料の中で、比較的に比重の小さなアルミニウム箔を、正極板および負極板の集電体として使用することが知られている（特許文献１）。

特開２００２−４２８８９号公報

従来のリードを介して極板からの集電を行う電極群では、正極板に接続されたリードと、負極板に接続されたリードは、接続箇所や本数等が異なるため、電極群を外観から観察して、正負極の判断を容易にすることができる。

また、タブレス構造の電極群においても、正極板の集電体（例えば、アルミニウム箔）と負極板の集電体（例えば、銅箔）の材料が異なれば、反対方向から突出する正極板の端部と負極板の端部が対称的であっても、色の違いによって、電極群を外観から観察しても、正負極の判断をすることができる。

しかしながら、正極板および負極板の集電体を同じ材料で構成したタブレス構造の電極群においては、電極群を外観から観察しても、正負極の判断をすることが難しい。

ところで、電池の組立工程において、集電体上に合剤層を形成して極板を製造する工程、正極板および負極板をセパレータを介して捲回して電極群を製造する工程、電極群を集電板に溶接する工程、電極群を電池ケースに挿入して、電池ケースの開口部を封止する工程等が、一連の流れ作業として行われるので、電極群の正負極の判別は、通常問題にならない。

しかしながら、一連の組立工程において、電池の品質等を管理する目的で、各工程における部品の検査が行われた場合、電極群の製造工程において製造された電極群が、検査のために、一連の組立工程から一旦抜かれ、検査後に、再び次の組立工程に戻されるとき、電極群を外観から観察しても、正負極の判別が困難となる。これが、電池の組立時間を長くしてしまう要因となる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、高出力で、生産性の高い非水電解質二次電池を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、タブレス構造の電極群を備えた非水電解質二次電池において、正負極の集電体を同じ金属材料で構成するとともに、電極群に、反対方向から突出する集電体露出部の正負を判別する判別手段を設けた構成を採用する。

すなわち、本発明の一側面における非水電解質二次電池は、正極集電体上に正極活物質層が形成された正極板と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極板とが、多孔質絶縁層を介して捲回または積層された電極群を備え、正極集電体および負極集電体は、同じ材料の金属箔からなり、正極集電体の端部は、正極活物質層が形成されていない第１の露出部を有し、負極集電体の端部は、前記負極活物質層が形成されていない第２の露出部を有し、電極群は、正極集電体の第１の露出部と負極集電体の第２の露出部とが、多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置されており、かつ、多孔質絶縁層から突出する露出部が、第１の露出部か第２の露出部かを判別する判別手段を備えている。

このような構成により、正負極の集電体を同じ材料で構成したタブレス構造の電極群を外観から観察しても、多孔質絶縁層から反対方向に突出する露出部の正負極の判断を容易に行うことができるため、電池の組立時間を短縮することができる。

本発明の他の側面において、上記判別手段は、第１の露出部と第２の露出部とを、その形態または色彩を異ならせた構成からなることが好ましい。

ここで、上記判別手段は、第１の露出部の幅と第２の露出部の幅とを異ならせた構成からなるものであってもよい。また、第１の露出部の形状と第２の露出部の形状とを異ならせた構成からなるものであってもよい。あるいは、第１の露出部または第２の露出部の少なくとも一方に、打ち抜き部を設けた構成からなるものであってもよい。

本発明の他の側面において、上記電極群は、正極板および負極板が多孔質絶縁層を介して捲回されて、最外周を固定部材で固定されており、上記判別手段は、第１の露出部側に設けられた固定部材と、第２の露出部側に設けられた固定部材とを、その形態、色彩、または個数を異ならせた構成からなることが好ましい。

本発明の他の側面において、上記正極集電体および負極集電体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属箔で構成されていることが好ましい。

本発明によれば、正負の集電体を同じ材料で構成したタブレス構造の電極群において、反対方向から突出する集電体露出部の正負を判別する判別手段を設けたことによって、電極群の外観から正負極の判断を容易に行うことができる。これにより、電池の組立時間を短縮することができ、高出力で、生産性の高い非水電解質二次電池を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態における非水電解質二次電池の構成を示した断面図である。 非水電解質二次電池の一般的な組立工程を示したフローチャートである。 フープ状集電体のスリット処理を示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、正極板および負極板の構成をそれぞれ示した平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態における正極板および負極板の構成を示した平面図である。 本発明の他の実施形態における正極板または負極板の構成を示した平面図である。 本発明の他の実施形態における電極群の構成を示した斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図１は、本発明の一実施形態における非水電解質二次電池の構成を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、正極集電体１１上に正極活物質層１２が形成された正極板１と、負極集電体１３上に負極活物質層１４が形成された負極板２とが、多孔質絶縁層（セパレータ）１５を介して捲回された電極群が、電池ケース１６内に収容されている。ここで、正極集電体１１および負極集電体１３は、同じ材料の金属箔からなる。

正極集電体１１の端部は、正極活物質層１２が形成されていない第１の露出部１ａを有し、負極集電体１３の端部は、負極活物質層１４が形成されていない第２の露出部２ａを有している。そして、正極集電体１１の第１の露出部１ａと、負極集電体１３の第２の露出部２ａとは、多孔質絶縁層１５から互いに反対方向に突出するように配置されており、正極集電体１１の第１の露出部１ａは、正極集電板１７に接続され、負極集電体１３の第２の露出部２ａは、負極集電板１８に接続されている。また、電池ケース１６の開口部は、封口板１９で封口されている。

図２は、非水電解質二次電池の一般的な組立工程を示したフローチャートである。

図２に示すように、フープ状の正極集電体を用意する（ステップＳ１）。次に、フープ状正極集電体上に、正極活物質、結着剤、および導電材を含む正極合剤スラリーを塗布する（ステップＳ２）。このとき、図３に示すように、フープ状の集電体２０の長手方向に沿って、正極合剤スラリー２１が塗布されていない集電体２０の露出部２２、２３を形成しておく。

次に、フープ状正極集電体上に塗布された正極合剤スラリーを乾燥させた後、フープ状正極集電体を圧延処理する（ステップＳ３）。次に、図３に示すように、フープ状集電体２０を、長手方向のＡ_１−Ａ_１、Ａ_２−Ａ_２、Ａ_３−Ａ_３、及Ｂ_１−Ｂ_１、Ｂ_２−Ｂ_２に沿って、さらに、幅方向のＣ_１−Ｃ_１、Ｃ_２−Ｃ_２に沿ってスリットし（ステップＳ４）、所定の幅と長さと有する正極板１を作製する。なお、フープ状正極集電体２０上に正極合剤スラリー２１を塗布するパターンは、図３に示したパターンに限定されるものでなく、正極板１の取れ数等により、適宜変更することができる。

負極板２も、正極板１の作製と同様に、フープ状負極集電体に負極合剤スラリーを塗布したのち（ステップＳ５、Ｓ６）、圧延処理（ステップＳ７）およびスリット処理（ステップＳ８）をすることによって、所定の幅と長さと有する負極板２を作製する。

図４（ａ）、（ｂ）は、このような方法により作製した正極板１および負極板２の構成をそれぞれ示した平面図である。正極板１は、正極集電体１１上に正極活物質層１２が形成された塗工部１ｂと、正極活物質層１２が形成されずに正極集電体１１が露出した第１の露出部１ａとを有している。また、負極板２は、負極集電体１３上に負極活物質層１４が形成された塗工部２ｂと、負極活物質層１４が形成されずに負極集電体１３が露出した第２の露出部２ａとを有している。

次に、作製した正極板１および負極板２を、多孔質絶縁層（セパレータ）１５を介して捲回してタブレス構造の電極群を作製する（ステップＳ９）。このとき、正極集電体１１の第１の露出部１ａと、負極集電体１３の第２の露出部２ａとは、多孔質絶縁層１５から互いに反対方向に突出するように配置される。

次に、正極集電体１１の第１の露出部１ａを、正極集電板１７に溶接するとともに、負極集電体１３の第２の露出部２ａを、負極集電板１８に溶接する（ステップＳ１０）。その後、電極群を非水電解質とともに電池ケース１６内に挿入した後（ステップＳ１１）、電池ケース１６の開口部を封口して（ステップ１２）、非水電解質二次電池を完成する。

図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における正極板１および負極板２の構成を示した平面図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、正極集電体１１の第１の露出部１ａの幅Ｗ_１と、負極集電体１３の第２の露出部２ａの幅Ｗ_２とを異ならせている。このように構成された正極板１および負極板２を多孔質絶縁層１５を介して捲回してタブレス構造の電極群を作製したとき、多孔質絶縁層１５から突出する露出部が、第１の露出部１ａか第２の露出部２ａかは、それぞれの幅Ｗ_１、Ｗ_２の違いから、容易に判別することができる。すなわち、多孔質絶縁層１５から反対方向に突出する露出部の正負極を判別する判別手段として、第１の露出部１ａの幅Ｗ_１と、第２の露出部２ａの幅Ｗ_２とを異ならせた構成を取ることができる。

このような判別手段を備えた電極群が、検査のために一旦組立工程から抜かれても、検査後に、再び次の組立工程に戻すとき、電極群を外観から観察して、電極群の正負極の判別を容易に行うことができる。

相互に幅の異なる第１の露出部１ａの幅Ｗ_１と、第２の露出部２ａの幅Ｗ_２とは、図３に示したスリット処理（ステップＳ４、Ｓ８）において、合剤スラリー２１が塗布されていない集電体２０の露出部２２、２３の幅を調整することによって、容易に形成することができる。すなわち、図２に示した一連の組立工程において、多孔質絶縁層１５から突出する露出部が、第１の露出部１ａか第２の露出部２ａかを判別する判別手段を付与することができる。従って、かかる判別手段を付与することによる製造上のコストアップはほとんど生じない。

なお、かかる判別手段による電極群の正負極の判別は、目視により容易に行うことができるが、カメラによる撮影画像を画像処理することによって、自動で判別するようにしてもよい。

上記の判別手段は、第１の露出部１ａの幅Ｗ_１と、第２の露出部の幅Ｗ_２とを異ならせた構成を採用したが、これに限らず、図２に示した一連の組立工程において、第１の露出部１ａと、第２の露出部２ａとを、その形態（形状、大きさ、または模様等）または色彩を異ならせた構成にすることによって、タブレス構造の電極群に、第１の露出部１ａか第２の露出部２ａかを判別する判別手段を付与することができる。

例えば、図６に示すように、上記の判別手段を、正極板１または負極板２の第１の露出部１ａまたは第２の露出部２ａの少なくとも一方に、打ち抜き部５０を設けた構成にしてもよい。この打ち抜き部５０は、図３に示したスリット処理（ステップＳ４、Ｓ８）に引き続いて、抜き打ち加工を行うことにより、容易に形成することができる。

なお、抜き打ち部５０の形状は特に限定されず、丸形、角形、その他の形状にすることができる。また、抜き打ち部５０は、第１の露出部１ａと第２の露出部２ａの両方に形成してもよく、この場合、両方に形成する抜き打ち部５０の形状または個数等を異にすることによって、正負極の判別手段とすることができる。

また、上記の判別手段を、第１の露出部１ａまたは第２の露出部２ａの少なくとも一方に、エッチングやメッキを施すことによって、露出部表面に凹凸を設けた構成にしてもよい。あるいは、第１の露出部１ａまたは第２の露出部２ａの少なくとも一方に、セラミックスや樹脂などの絶縁層で被覆した構成にしてもよい。

図７は、本発明の他の実施形態における電極群３０の構成を示した斜視図である。

図７に示すように、正極板１および負極板２が多孔質絶縁層１５を介して捲回された電極群３０は、その最外周３１を固定部材４０ａ、４０ｂ、４０ｃで固定されている。第１の露出部１ａ側に設けられた固定部材４０ａの個数と、第２の露出部２ａ側に設けられた固定部材４０ｂ、４０ｃの個数を異ならせることによって、多孔質絶縁層１５から突出する露出部が、第１の露出部１ａか第２の露出部２ａかを判別する判別手段とすることができる。

相互に個数の異なる固定部材を設けることは、図２に示した電極群作製（ステップＳ９）の工程において、容易に実施することができる。従って、かかる判別手段を付与することによる製造上のコストアップはほとんど生じない。

ここで、固定部材は、特にその材料は限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等を主成分とする絶縁テープや、エポキシ系やアクリル系の接着剤などを用いることができる。

なお、第１の露出部１ａ側と第２の露出部２ａ側とに、個数の異なる固定部材を設ける代わりに、両方の側に設ける固定部材を、その形態（形状、大きさ、または模様等）または色彩を異ならせたものにしてもよい。

本実施形態において、正極集電体１１および負極集電体１３は、同じ材料の金属箔からなるが、その材料は特に制限されず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、銅等を用いることができる。

なお、本実施形態において、非水電解質二次電池の各構成要素については、特にその材料及び製法に制限はないが、以下に示すような材料及び製法等を適用し得る。

正極活物質としては、リチウム複合金属酸化物を用いることができる。例えば、Ｌｉ_xＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎＯ₂、Ｌｉ_xＣｏ_yＮｉ_1-yＯ₂等が挙げられる。また、
正極合剤スラリーの結着剤には、例えば、ＰＶＤＦ（ポリ二フッ化ビニリデン）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。また、正極合剤スラリーの導電剤には、例えば、黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック等のカーボンブラック類等が挙げられる。

負極活物質としては、例えば、黒鉛等の炭素材料、あるいはシリコン、スズ、またはこれらの化合物からなる材料等が挙げられる。また、負極合剤スラリーの結着剤には、例えば、スチレン−ブチレン共重合ゴム、ポリアクリル酸等が挙げられる。

セパレータには、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。また、非水電解質としては、液状、ゲル状または固体（高分子固体電解質）状の物質を使用することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、多孔質絶縁層１５から突出する露出部が、第１の露出部１ａか第２の露出部２ａかを判別する判別手段として、集電体の露出部の形態または色彩、あるいは、電極群の最外周を固定した固定部材の形態、色彩または個数を異ならせた構成にしたが、例えば、第１の露出部１ａ側に表出する多孔質絶縁層１５と、第２の露出部２ａ側に表出する多孔質絶縁層１５との形状または色彩を異ならせたものであってもよい。

本発明の非水電解質二次電池は、民生用機器、電気自動車、大型工具等の電源に有用である。

１ 正極板
１ａ 第１の露出部
１ｂ 塗工部
２ 負極板
２ａ 第２の露出部
２ｂ 塗工部
１１ 正極集電体
１２ 正極活物質層
１３ 負極集電体
１４ 負極活物質層
１５ 多孔質絶縁層
１６ 電池ケース
１７ 正極集電板
１８ 負極集電板
１９ 封口板
２０ フープ状集電体
２１ 合剤スラリー
２２、２３ 露出部
３０ 電極群
３１ 最外周
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ 固定部材
５０ 抜き打ち部

Claims (10)

1. 正極集電体上に正極活物質層が形成された正極板と、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極板とが、多孔質絶縁層を介して捲回または積層された電極群を備えた非水電解質二次電池であって、
   前記正極集電体および前記負極集電体は、同じ材料の金属箔からなり、
   前記正極集電体の端部は、前記正極活物質層が形成されていない第１の露出部を有し、
   前記負極集電体の端部は、前記負極活物質層が形成されていない第２の露出部を有し、
   前記電極群は、
   前記正極集電体の第１の露出部と前記負極集電体の第２の露出部とが、前記多孔質絶縁層から互いに反対方向に突出するように配置されており、かつ、
   前記多孔質絶縁層から突出する露出部が、前記第１の露出部か前記第２の露出部かを判別する判別手段を備えている、非水電解質二次電池。
2. 前記判別手段は、前記第１の露出部と、前記第２の露出部とを、その形態または色彩を異ならせた構成からなる、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記判別手段は、前記第１の露出部の幅と、前記第２の露出部の幅とを異ならせた構成からなる、請求項２に記載の非水電解質二次電池。
4. 前記判別手段は、前記第１の露出部の形状と、前記第２の露出部の形状とを異ならせた構成からなる、請求項２に記載の非水電解質二次電池。
5. 前記判別手段は、前記第１の露出部または前記第２の露出部の少なくとも一方に、打ち抜き部を設けた構成からなる、請求項２に記載の非水電解質二次電池。
6. 前記電極群は、前記正極板および前記負極板が多孔質絶縁層を介して捲回されて、最外周を固定部材で固定されており、
   前記判別手段は、前記第１の露出部側に設けられた前記固定部材と、前記第２の露出部側に設けられた前記固定部材とを、その形態、色彩、または個数を異ならせた構成からなる、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
7. 前記固定部材は、絶縁テープからなる、請求項６に記載の非水電解質二次電池。
8. 前記正極集電体および前記負極集電体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属箔で構成されている、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
9. 前記正極集電体の前記第１の露出部は、正極集電板に接続され、
   前記負極集電体の前記第２の露出部は、負極集電板に接続されている、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
10. 前記非水電解質二次電池は、リチウムイオン二次電池である、請求項１〜９の何れかに記載の非水電解質二次電池。

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