JPWO2014136714A1 - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 充電時の負極へのリチウムの形成を防止し、温度上昇時のセパレーターの収縮よる、正極と負極との短絡を防止した非水電解液二次電池を提供する。【解決手段】 負極集電体に負極活物質層を形成した負極と、前記負極とセパレーターを介して積層した、正極集電体に正極活物質層を形成した正極を有し、前記正極集電体から引き出した正極タブ面には、対向する負極活物質層を垂直投影した部分を越えて正極タブの引出方向へ延びた、先端部ほど正極活物質の存在量が減少した領域を有する非水電解液二次電池。【選択図】 図１
Description
本発明は、非水電解液二次電池に関し、衝撃が加わったり、高温度状態でも信頼性が高く充放電容量が優れた非水電解液二次電池に関するものである。
充放電容量等の特性が優れたリチウムイオン二次電池は、小型化、軽量化が可能であって、エネルギー密度が大きいので、携帯機器の電源、電動自転車、電気自動車等の電源、あるいは商用電源のバックアップ用途等で用いられており、性能向上のための様々な提案が行われている。
リチウムイオン二次電池では、充電時には正極電極側からリチウムイオンが負極電極側に移行するが、負極電極の周辺部にリチウムがデンドライト状に析出して対極と短絡等が生じないようにするために、正極電極の外周部が対向する負極電極の外周部よりも内側となるように配置することが提案されている（例えば、特許文献１，２参照)。
また、正極合剤の終端部の傾斜によって厚みが減少している部分に絶縁テープを貼着することで電極の周辺部から活物質が脱落して内部リークの原因となることを防止することが提案されている（例えば、特許文献３参照)。
また、正極合剤の終端部の傾斜によって厚みが減少している部分に絶縁テープを貼着することで電極の周辺部から活物質が脱落して内部リークの原因となることを防止することが提案されている（例えば、特許文献３参照)。
リチウムイオン二次電池は、充放電時を通じて電池内部にはリチウムが金属状態では存在しない実用的非水電解液二次電池として広く用いられている。
ところが、充電時に正極電極側からのリチウムイオンを負極電極側で受け入れることができなかった場合には負極電極の周辺部に金属リチウムがデンドライト状に析出することがある。
図８は、従来のリチウムイオン電池を説明する図である。
図８Ａは、正極電極１００、負極電極２００の位置関係を説明する平面図であって、負極電極上に正極電極を配置した状態を正極電極上から見た図である。また、図８Ｂは、図８ＡのＡ−Ａ’線の断面をセパレーターを含めて示す図であり、厚み方向を拡大して示した図である。
正極電極１００の外形は、負極電極２００の外形よりも小さく、正極電極にセパレーター５０を介して対向するすべての部分には負極電極が存在するような大きさとしている。
このように、正極電極と負極電極の大きさを特定することで、充電時に正極電極の周辺部にリチウムがデンドライト状に析出することを防止することがリチウムイオン電池の設計において不可欠の条件とされている。
ところが、充電時に正極電極側からのリチウムイオンを負極電極側で受け入れることができなかった場合には負極電極の周辺部に金属リチウムがデンドライト状に析出することがある。
図８は、従来のリチウムイオン電池を説明する図である。
図８Ａは、正極電極１００、負極電極２００の位置関係を説明する平面図であって、負極電極上に正極電極を配置した状態を正極電極上から見た図である。また、図８Ｂは、図８ＡのＡ−Ａ’線の断面をセパレーターを含めて示す図であり、厚み方向を拡大して示した図である。
正極電極１００の外形は、負極電極２００の外形よりも小さく、正極電極にセパレーター５０を介して対向するすべての部分には負極電極が存在するような大きさとしている。
このように、正極電極と負極電極の大きさを特定することで、充電時に正極電極の周辺部にリチウムがデンドライト状に析出することを防止することがリチウムイオン電池の設計において不可欠の条件とされている。
一方、正極電極に比べて負極電極を大きくした場合には、正極電極と負極電極の間に配置したセパレーターが高温時に収縮すると、正極電極と負極電極との間、とりわけ正極活物質を塗布していない正極引出タブ等と負極電極との間で短絡が生じると大きな電流が流れる可能性がある。
このような短絡は、特許文献３に記載のように、正極活物質の塗布終端部のテーパー部に絶縁テープを配置することで防止が可能と考えられている。
このような短絡は、特許文献３に記載のように、正極活物質の塗布終端部のテーパー部に絶縁テープを配置することで防止が可能と考えられている。
しかしながら、充電時にリチウムイオンが絶縁テープで被覆された部分から被覆されていない部分へと移行し、絶縁テープで覆われていない部分からのリチウムイオンの移行量が多くなって負極電極周辺部にリチウムがデンドライト状に析出する可能性も考えられる。
本発明は、非水電解液二次電池の充電時に正極電極の周辺部からのリチウムイオンの拡散量を小さくし、更に正極引出タブの表面の導電性を低下させることで、正極引出タブと負極活物質層との短絡を抑制しながらリチウムの析出をも同時に抑制し、信頼性を向上したリチウムイオン電池を提供することを課題とするものである。
本発明は、非水電解液二次電池の充電時に正極電極の周辺部からのリチウムイオンの拡散量を小さくし、更に正極引出タブの表面の導電性を低下させることで、正極引出タブと負極活物質層との短絡を抑制しながらリチウムの析出をも同時に抑制し、信頼性を向上したリチウムイオン電池を提供することを課題とするものである。
本発明の課題は、負極集電体に負極活物質層を形成した負極電極と、前記負極電極とセパレーターを介して積層した、正極集電体に正極活物質層を形成した正極電極を有し、前記正極集電体から引き出した正極タブ面には、対向する負極活物質層を垂直投影した部分を越えて正極タブの引出方向へ延びた、先端部に正極活物質の存在量が減少した領域を有する非水電解液二次電池によって解決することができる。
また、前記正極活物質の存在量が少ない領域は、前記正極タブの引出方向に沿って厚みが薄くなる傾斜面、または正極活物質の存在割合が減少した領域である前記の非水電解液二次電池である。
また、正極タブと負極タブは引出方向が互いに逆方向であって、前記正極引出タブの正極活物質の存在量が減少する部分から正極タブの引出方向に延びる絶縁部材を接着し、前記絶縁部材の正極タブの引出方向と逆方向の端部は、前記正極タブの積層方向に隣接する負極電極の負極活物質層の表面を越えて、負極集電体に達するまでの厚さを有する前記の非水電解液二次電池である。
また、前記正極活物質の存在量が少ない領域は、前記正極タブの引出方向に沿って厚みが薄くなる傾斜面、または正極活物質の存在割合が減少した領域である前記の非水電解液二次電池である。
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本発明の正極集電体から引き出した正極引出タブ面には、対向する負極活物質層を垂直投影した部分を越えて正極活物質層が正極引出タブの引出方向へ延び、前記正極タブの引出方向へ延びる正極活物質層は、正極引出タブの先端部ほど正極活物質の存在量が減少している。
したがって、充電時に対向する負極電極の外周部分に移行するリチウムイオンの量を減少させることでリチウムがデンドライト状に析出することを防止することができる。
また、セパレーターが温度上昇時に収縮した場合にも、正極タブ面に形成した正極活物質層は、アルミニウム面に比べて導電性が小さいので負極電極との直接接触時に大きな短絡電流が流れることを防止して信頼性が高い電池を提供することができる。
したがって、充電時に対向する負極電極の外周部分に移行するリチウムイオンの量を減少させることでリチウムがデンドライト状に析出することを防止することができる。
また、セパレーターが温度上昇時に収縮した場合にも、正極タブ面に形成した正極活物質層は、アルミニウム面に比べて導電性が小さいので負極電極との直接接触時に大きな短絡電流が流れることを防止して信頼性が高い電池を提供することができる。
以下に、図面を参照して本発明を説明する。
図１Ａに外観の平面図を示す。本発明の非水電解液二次電池１０は、フィルム状外装材２０等によって、正極電極と負極電極をセパレーターを介して対向して配置した単位電池の少なくとも１個を封口したものであって、フィルム状外装材２０から正極端子３０および負極端子４０が取り出されている。
図１Ａに外観の平面図を示す。本発明の非水電解液二次電池１０は、フィルム状外装材２０等によって、正極電極と負極電極をセパレーターを介して対向して配置した単位電池の少なくとも１個を封口したものであって、フィルム状外装材２０から正極端子３０および負極端子４０が取り出されている。
図１Ｂは、正極電極と負極電極の配置を説明する図であり、正極電極１００と負極電極２００とセパレーター（図示しない）の相互の位置関係を説明する図であり、図１Ｃは、図１ＢにおけるＡ−Ａ’線の断面を説明する図であって、正極電極１００、セパレーター５０、負極電極２００の相互の関係を説明する図である。また、図１Ｄは、図１ＢにおけるＢ−Ｂ’線の断面を説明する図であって、正極電極１００、セパレーター５０、負極電極２００の相互の関係を説明する図である。
本発明の正極電極１００は、正極集電体１０１の表面に正極活物質層１０３を有しており、負極電極２００は、負極集電体２０１の表面に負極活物質層２０３を有している。
正極活物質層１０３には、圧縮によって活物質層の充填密度を高めた電池の充放電を担う高密度領域１０５と、正極集電体１０１から引き出した正極引出タブ１０９の活物質を塗布していない非塗布領域１０２に隣接して高密度領域１０５に比べて活物質の存在量が少ない領域１０７を有している。
活物質の存在量が少ない領域１０７は、隣接した高密度領域に比べて段差を設けて活物質の塗布量を少なくするか、あるいは非塗布領域１０２から高密度領域１０５に向けて厚みが増加するように活物質を塗布したテーパー部１０８によって形成することができる。
正極活物質層１０３には、圧縮によって活物質層の充填密度を高めた電池の充放電を担う高密度領域１０５と、正極集電体１０１から引き出した正極引出タブ１０９の活物質を塗布していない非塗布領域１０２に隣接して高密度領域１０５に比べて活物質の存在量が少ない領域１０７を有している。
活物質の存在量が少ない領域１０７は、隣接した高密度領域に比べて段差を設けて活物質の塗布量を少なくするか、あるいは非塗布領域１０２から高密度領域１０５に向けて厚みが増加するように活物質を塗布したテーパー部１０８によって形成することができる。
負極電極２００は、負極集電体２０１の表面に負極活物質層２０３を有しており、負極集電体２０１から負極集電引出タブ２０９を引き出している。
正極引出タブと対向する負極部以外の負極電極２００の負極活物質塗布層２０３は、正極活物質層よりも面積が大きく、セパレーターを介して正極電極に対向する部分には負極電極が存在するように配置することで、負極電極の周辺部において電流密度が大きくなることを防止している。
これによって、充電時に負極電極側へ移行したリチウムイオンが負極電極の周辺部において受け入れができなくなって、デンドライト状の金属リチウムが析出することを防止している。
正極引出タブと対向する負極部以外の負極電極２００の負極活物質塗布層２０３は、正極活物質層よりも面積が大きく、セパレーターを介して正極電極に対向する部分には負極電極が存在するように配置することで、負極電極の周辺部において電流密度が大きくなることを防止している。
これによって、充電時に負極電極側へ移行したリチウムイオンが負極電極の周辺部において受け入れができなくなって、デンドライト状の金属リチウムが析出することを防止している。
一方、正極引出タブ近傍では、図１Ｂ、図１Ｃで示す様に、正極引出タブ１０９に設けた活物質の存在量が少ない領域１０７は、セパレーターを介して配置して対向する負極電極の周囲まで延びている。
本発明の正極引出タブ１０９に設けた活物質の存在量が少ない領域１０７の負極電極側の面には負極電極が存在しない領域まで広がっているが、電池の充電時に負極電極の周辺部へ移行するリチウムイオンは他の部分に比べて少ないので、負極電極の外周部よりも延びた部分から移行するリチウムイオンによって金属リチウムが析出することを防止することができる。
本発明の正極引出タブ１０９に設けた活物質の存在量が少ない領域１０７の負極電極側の面には負極電極が存在しない領域まで広がっているが、電池の充電時に負極電極の周辺部へ移行するリチウムイオンは他の部分に比べて少ないので、負極電極の外周部よりも延びた部分から移行するリチウムイオンによって金属リチウムが析出することを防止することができる。
図２は、正極引出タブに設けた正極活物質の存在量が少ない領域と負極電極との位置関係を説明する図である。図２Ａは、正極活物質の存在量が少ない領域１０７をテーパー状に設けた例を説明する図である。
正極活物質の存在量が少ない領域１０７は、作製する電極の形状（非塗布領域の幅、集電体の厚さ）や圧縮後の活物質層の空隙率等によっても異なるが、リチウムイオンを挿入脱離する量よりも、対面する領域の負極活物質のリチウムイオンを挿入脱離する量が大きいことが、本発明の効果を発するためには必要となる。
さらに正極活物質の存在量が少ない領域１０７の正極引出タブの引出方向の先端部から、対向する負極電極の先端部までの距離Ｄは、８ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、距離Ｄが８ｍｍ以下では負極電極の先端部でのリチウム析出が十分に抑制されるからである。一方、正極引出タブと負極活物質層との短絡を防止するためには、Ｄは３ｍｍよりも大きいことが好ましい。また、距離Ｄは、正極活物質の存在量が少ない領域１０７よりも短かくすることが必要である。
正極活物質の存在量が少ない領域１０７は、作製する電極の形状（非塗布領域の幅、集電体の厚さ）や圧縮後の活物質層の空隙率等によっても異なるが、リチウムイオンを挿入脱離する量よりも、対面する領域の負極活物質のリチウムイオンを挿入脱離する量が大きいことが、本発明の効果を発するためには必要となる。
さらに正極活物質の存在量が少ない領域１０７の正極引出タブの引出方向の先端部から、対向する負極電極の先端部までの距離Ｄは、８ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、距離Ｄが８ｍｍ以下では負極電極の先端部でのリチウム析出が十分に抑制されるからである。一方、正極引出タブと負極活物質層との短絡を防止するためには、Ｄは３ｍｍよりも大きいことが好ましい。また、距離Ｄは、正極活物質の存在量が少ない領域１０７よりも短かくすることが必要である。
また、図２Ｂは、正極活物質の存在量が少ない領域１０７を段差部によって形成した例を説明する図である。図２Ａで示したテーパー状の場合と同様に、正極活物質の存在量が少ない領域１０７の正極引出タブの引出方向の先端部から、対向する負極電極の先端部までの距離Ｄは、８ｍｍ以下とすることが好ましい。
一方、正極引出タブと負極活物質層との短絡を防止するためには、Ｄは３ｍｍよりも大きいことが好ましい。また、距離Ｄは、正極活物質の存在量が少ない領域１０７よりも短かくすることが必要である。
一方、正極引出タブと負極活物質層との短絡を防止するためには、Ｄは３ｍｍよりも大きいことが好ましい。また、距離Ｄは、正極活物質の存在量が少ない領域１０７よりも短かくすることが必要である。
以上の様に、正極引出タブの表面時に正極活物質の存在量が少ない領域１０７を設けることで、セパレーターが熱収縮を起こした場合に、正極引出タブの正極活物質塗布面と対極の負極活物質面とが接触した場合であっても、正極活物質の導電率はアルミニウムに比べて遙かに小さいので正極引出タブのアルミニウム面と負極電極面とが接触した場合に比べて流れる電流はわずかである。
したがって、正極引出タブのアルミニウム面と負極電極面とが直接接触した場合に比べても安全性を高めることが可能となる。特に、正極活物質としてリチウムマンガン複合酸化物を使用した場合は、リチウムコバルト複合酸化物に比べて導電性が小さいので、より安全性が高いリチウムイオン電池を提供することができる。
したがって、正極引出タブのアルミニウム面と負極電極面とが直接接触した場合に比べても安全性を高めることが可能となる。特に、正極活物質としてリチウムマンガン複合酸化物を使用した場合は、リチウムコバルト複合酸化物に比べて導電性が小さいので、より安全性が高いリチウムイオン電池を提供することができる。
図３は、本発明の電池の一例を説明する図であり、図３Ａは、外装材の内部に収容した電池要素の積層体を積層面上から見た平面図であり、図３Ｂは、図３ＡのＣ-Ｃ’線での断面図である。
非水電解液電池１０は、仮想線で示すフィルム状外装材２０の内部に電池要素の積層体７０を有している。
正極電極１００と負極電極２００から、正極引出タブ１０９と負極引出タブ２０９を互いに反対方向に取り出した電池であり、この例では、４対の正極電極１００と負極電極２００とをセパレーター５０を介して積層している。
各正極電極の正極引出タブ１０９の引出部から正極活物質の存在量が少ない領域１０７まで、絶縁性の粘着テープ等の絶縁部材６０を接着している。
非水電解液電池１０は、仮想線で示すフィルム状外装材２０の内部に電池要素の積層体７０を有している。
正極電極１００と負極電極２００から、正極引出タブ１０９と負極引出タブ２０９を互いに反対方向に取り出した電池であり、この例では、４対の正極電極１００と負極電極２００とをセパレーター５０を介して積層している。
各正極電極の正極引出タブ１０９の引出部から正極活物質の存在量が少ない領域１０７まで、絶縁性の粘着テープ等の絶縁部材６０を接着している。
電池要素の積層体７０は、正極電極、負極電極をセパレーターを介して積層した後に、正極引出タブ１０９の複数個と、負極引出タブ２０９の複数個を、超音波溶接等によってそれぞれ正極端子３０，負極端子４０に、正極側接合部１１０、負極側接合部２１０において接合した後に、結束テープ７２を複数個所に貼り付けることで積層体を一体化することができる。
前記絶縁部材の正極タブの引出方向と反対方向の端部には、前記正極引出タブの積層方向に隣接する負極電極の負極活物質層の端面、あるいは更に前記負極電極の負極集電体の端面に達するまでの厚みを有している。
前記絶縁部材の正極タブの引出方向と反対方向の端部には、前記正極引出タブの積層方向に隣接する負極電極の負極活物質層の端面、あるいは更に前記負極電極の負極集電体の端面に達するまでの厚みを有している。
このように、負極電極２００の端部にまで達する厚みが厚い絶縁部材６０を正極電極に接着することで、負極電極の端部も保持することが可能となる。
したがって、電池が正極引出タブ方向への大きな衝撃を受けて負極引出タブ２０９が切断して、負極電極が正極引出タブ側へ移動した場合にも正極タブと負極電極との接触を防止することができるので、より安全性が高い非水電解液二次電池を提供することができる。
したがって、電池が正極引出タブ方向への大きな衝撃を受けて負極引出タブ２０９が切断して、負極電極が正極引出タブ側へ移動した場合にも正極タブと負極電極との接触を防止することができるので、より安全性が高い非水電解液二次電池を提供することができる。
また、本発明の電池は、積層体の両端部には同極性の電極を配置している。図示する例では、負極電極２００を両端部に配置している。したがって、万が一フィルム状外装材２０が破断した場合でも外部の導電性部材によって短絡電流が流れるのを防止することができるので安全性を高めることができる。
図４は、本発明の絶縁部材による負極電極移動の抑制構造を説明する図であり、図４Ａは、負極電極移動の抑制構造の一例を説明する図であり、図４Ｂは、負極電極移動の抑制構造の他の例を説明する図である。
図４Ａに示すように、正極電極１００の正極引出タブ１０９面に正極活物質の存在量が少ない領域１０７との間に、絶縁性の粘着テープ等の絶縁部材６０を接着している。
絶縁部材６０は、電池積層体の積層方向に延びて、負極電極２００の端面方向の厚さの２分の１を越えない部分にまで達している。
具体的には、隣接する絶縁部材６０の間隔ｓと、負極電極２００の厚みｔとの間には、０≦ｓ≦０．８ｔの関係を満たす様に配置することで、衝撃が加わった際に負極電極移動を抑制することができる。
また、絶縁部材の幅Ｗは、４ｍｍ≦ｗ≦１２ｍｍとすることが好ましい。４ｍｍよりも小さい場合には、移動抑止効果が十分ではなく、１２ｍｍよりも大きい場合には、電池容量に関係しない電池体積が増えるので好ましくない。
図４Ａに示すように、正極電極１００の正極引出タブ１０９面に正極活物質の存在量が少ない領域１０７との間に、絶縁性の粘着テープ等の絶縁部材６０を接着している。
絶縁部材６０は、電池積層体の積層方向に延びて、負極電極２００の端面方向の厚さの２分の１を越えない部分にまで達している。
具体的には、隣接する絶縁部材６０の間隔ｓと、負極電極２００の厚みｔとの間には、０≦ｓ≦０．８ｔの関係を満たす様に配置することで、衝撃が加わった際に負極電極移動を抑制することができる。
また、絶縁部材の幅Ｗは、４ｍｍ≦ｗ≦１２ｍｍとすることが好ましい。４ｍｍよりも小さい場合には、移動抑止効果が十分ではなく、１２ｍｍよりも大きい場合には、電池容量に関係しない電池体積が増えるので好ましくない。
また、図４Ｂに示す例は、正極活物質の存在量が少ない領域１０７のテーパー部の一部を絶縁部材６０が覆う例を示している。
正極活物質の存在量が少ない領域１０７のテーパー部の一部の絶縁部材が覆う接着部分には、電解液不浸透部１０７ａを形成している。
このように、電解液不浸透部１０７ａを形成することで、充電時に前記テーパー状の部分の絶縁性部材で被覆した部分から、絶縁部材で被覆していない部分へのリチウムイオンの移行を防止することができる。
その結果、絶縁部材で被覆した部分との境界部からの負極電極側へ移行するリチウムイオンの量を減少することで、負極側でリチウムが析出することを防止することができる。
電解液不浸透部１０７ａは、電池の電解液に安定な絶縁性材料を含浸、あるいは充填することで形成することができるが、一例を挙げると、正極電極を作製する際にポリプロピレン等の熱可塑性樹脂材料を加圧、加熱しながら充填することで形成することが可能である。
正極活物質の存在量が少ない領域１０７のテーパー部の一部の絶縁部材が覆う接着部分には、電解液不浸透部１０７ａを形成している。
このように、電解液不浸透部１０７ａを形成することで、充電時に前記テーパー状の部分の絶縁性部材で被覆した部分から、絶縁部材で被覆していない部分へのリチウムイオンの移行を防止することができる。
その結果、絶縁部材で被覆した部分との境界部からの負極電極側へ移行するリチウムイオンの量を減少することで、負極側でリチウムが析出することを防止することができる。
電解液不浸透部１０７ａは、電池の電解液に安定な絶縁性材料を含浸、あるいは充填することで形成することができるが、一例を挙げると、正極電極を作製する際にポリプロピレン等の熱可塑性樹脂材料を加圧、加熱しながら充填することで形成することが可能である。
以下に、本発明の非水電解二次電池の製造方法の一例を挙げる。
リチウムマンガン複合酸化物等の正極活物質主材粒子（レーザ回折式粒度分布測定装置で測定した、体積平均径１０μｍ）、導電性付与剤であるカーボンブラック、および結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、有機溶剤であるＮ−メチルピロリドン中に分散したスラリーを、後述のダイヘッドを用いて厚さ２０μｍのアルミニウム集電体上に両端１８ｍｍを非塗布部分として連続的に帯状に塗布した後、乾燥炉を通してＮ−メチルピロリドンを蒸発させて乾燥し、正極合剤層を形成した。
正極中の固形分比率は正極活物質：導電性付与剤：ＰＶＤＦ＝８９：４：７（質量％）とした。
非塗布部分に隣接する塗布領域には、段差状に塗布厚さが変化した領域、すなわち圧縮時に圧力が加わらないために活物質の存在量が少ない領域が形成されている。
この段差部の長さは、ダイヘッドのシムを変えることで制御できる。この正極合剤層の圧縮前の電極空隙率は、約５０％であった。次にこの電極を、圧縮機を用いて圧縮することで高密領域を形成することができる。
リチウムマンガン複合酸化物等の正極活物質主材粒子（レーザ回折式粒度分布測定装置で測定した、体積平均径１０μｍ）、導電性付与剤であるカーボンブラック、および結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、有機溶剤であるＮ−メチルピロリドン中に分散したスラリーを、後述のダイヘッドを用いて厚さ２０μｍのアルミニウム集電体上に両端１８ｍｍを非塗布部分として連続的に帯状に塗布した後、乾燥炉を通してＮ−メチルピロリドンを蒸発させて乾燥し、正極合剤層を形成した。
正極中の固形分比率は正極活物質：導電性付与剤：ＰＶＤＦ＝８９：４：７（質量％）とした。
非塗布部分に隣接する塗布領域には、段差状に塗布厚さが変化した領域、すなわち圧縮時に圧力が加わらないために活物質の存在量が少ない領域が形成されている。
この段差部の長さは、ダイヘッドのシムを変えることで制御できる。この正極合剤層の圧縮前の電極空隙率は、約５０％であった。次にこの電極を、圧縮機を用いて圧縮することで高密領域を形成することができる。
図５は、ダイコーターによる塗布工程を説明する図であり、図５Ａは、ダイコーターの動作を説明する図であり、図５Ｂは、図５Ａのヘッド部のＢ−Ｂ’の断面図である。
ダイコーター１５０は、帯状の正極集電体１０１の長手方向に連続的に活物質層を塗布する装置である。
スロットダイ１６０のダイヘッド１６１から、リチウムマンガン複合酸化物等の正極活物質主材粒子に、導電性付与剤であるカーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤をＮ−メチルピロリドン等の有機溶剤に分散したスラリー１６２を所定の圧力によって吐出することで、バックアップローラー１５２上を移動する帯状の正極集電体１０１面に連続的に塗布を行うことができる。
ダイコーター１５０は、帯状の正極集電体１０１の長手方向に連続的に活物質層を塗布する装置である。
スロットダイ１６０のダイヘッド１６１から、リチウムマンガン複合酸化物等の正極活物質主材粒子に、導電性付与剤であるカーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤をＮ−メチルピロリドン等の有機溶剤に分散したスラリー１６２を所定の圧力によって吐出することで、バックアップローラー１５２上を移動する帯状の正極集電体１０１面に連続的に塗布を行うことができる。
図５Ｂは、ダイヘッド１６１のＢ−Ｂ'切断面での断面を説明する図である。
ダイヘット１６１は、スラリーが吐出する吐出口１６４の両端部に、吐出口１６４の間隔調整のシム１６６ａ、１６６ｂを有している。また、それぞれのシムは、吐出口１６４の中央部に向かって厚みが減少するテーパー部、または段差部からなる流路制限部材１６６ｃ、１６６ｄを備えている。
このようにダイヘッド１６１の両端部には各流路制限部材を装着しているために両端部から吐出するスラリーの量が減少する結果、塗布層の両端部には集電体の露出面に向かってテーパー状、あるいは段差状に厚みが減少する塗布層を形成することができる。
以上の説明では、ダイコーターによる塗布層の形成の例を説明したが、ダイコーターに限らずナイフコーティング等の他の方式の塗布装置を用いてもよい。
ダイヘット１６１は、スラリーが吐出する吐出口１６４の両端部に、吐出口１６４の間隔調整のシム１６６ａ、１６６ｂを有している。また、それぞれのシムは、吐出口１６４の中央部に向かって厚みが減少するテーパー部、または段差部からなる流路制限部材１６６ｃ、１６６ｄを備えている。
このようにダイヘッド１６１の両端部には各流路制限部材を装着しているために両端部から吐出するスラリーの量が減少する結果、塗布層の両端部には集電体の露出面に向かってテーパー状、あるいは段差状に厚みが減少する塗布層を形成することができる。
以上の説明では、ダイコーターによる塗布層の形成の例を説明したが、ダイコーターに限らずナイフコーティング等の他の方式の塗布装置を用いてもよい。
図６は、本発明の正極電極の製造工程を説明する図であり、集電体面に形成した活物質層の圧縮工程を説明する図である。図６Ａは、塗布層の端部がテーパー状の電極を製造する場合を説明する図であり、図６Ｂは、端部に段差を形成して厚さが薄い塗布層へと連なる塗布層を形成した電極を説明する図である。
図６Ａで示す圧縮工程１７０は、ロールプレス１７２ａ，１７２ｂの通過後のロールプレスの回転軸をとおる面に平行な面で正極活物質層を切断した断面図である。
正極集電体１０１の長手方向に連続的に塗布した正極活物質層１０３は、ロールプレス１７２ａ、１７２ｂによって、連続的に圧縮されて、高密度領域１０５が形成されるが、正極集電体１０１の露出面１０２に隣接する領域の活物質層は、テーパー部１０８が形成されている。
圧縮時には、圧縮圧力を調節することでテーパー部の一部には、圧縮圧力が作用しない活物質の存在量が少ない領域１０７を形成することができる。
正極集電体１０１の長手方向に連続的に塗布した正極活物質層１０３は、ロールプレス１７２ａ、１７２ｂによって、連続的に圧縮されて、高密度領域１０５が形成されるが、正極集電体１０１の露出面１０２に隣接する領域の活物質層は、テーパー部１０８が形成されている。
圧縮時には、圧縮圧力を調節することでテーパー部の一部には、圧縮圧力が作用しない活物質の存在量が少ない領域１０７を形成することができる。
図６Ｂで示す圧縮工程１７０は、図５Ａと同様に、ロールプレス１７２ａ，１７２ｂ通過後のロールプレスの回転軸をとおる面に平行な面で活物質層を切断した断面図である。
図６Ａでは活物質層は、集電体の露出面へ向かって厚さが薄くなるテーパー状であるのに対して、図６Ｂは、段差部１１１、および厚みの薄い薄層部１１３を有している点が異なっている。集電体の露出面に隣接する活物質層の厚みの薄い部分およびその隣接する段差部を除いてロールプレスによって圧縮されるように圧縮圧力の調節を行うことで、高密度領域１０５と活物質の存在量が少ない領域１０７とを形成することができる。
以上の説明では、ロールプレスによって集電体の長手方向に連続的に圧縮する方法について説明したが、平板プレスをはじめとする各種の圧縮装置を使用して圧縮を行ってもよい。
図６Ａでは活物質層は、集電体の露出面へ向かって厚さが薄くなるテーパー状であるのに対して、図６Ｂは、段差部１１１、および厚みの薄い薄層部１１３を有している点が異なっている。集電体の露出面に隣接する活物質層の厚みの薄い部分およびその隣接する段差部を除いてロールプレスによって圧縮されるように圧縮圧力の調節を行うことで、高密度領域１０５と活物質の存在量が少ない領域１０７とを形成することができる。
以上の説明では、ロールプレスによって集電体の長手方向に連続的に圧縮する方法について説明したが、平板プレスをはじめとする各種の圧縮装置を使用して圧縮を行ってもよい。
図７は、本発明の電極の切り出し工程を説明する図である。
図７Ａは、帯状の集電体の一部を切り欠いた図である。
帯状の正極集電体１０１の長手方向に沿って、活物質層を塗布した後に、図６で示したようにロールプレスによって圧縮することで中央部に高密度領域１０５を形成するとともに、両端部には、ロールプレスによって圧縮されない活物質の存在量が少ない領域１０７を形成する。
次いで、電極引出タブ１０９、各単位電極の周囲の切断線１８０、および中心線１７３に沿って打ち抜くことで、図７Ｂに示す正極電極を効率的に製造することができる。
図７Ａは、帯状の集電体の一部を切り欠いた図である。
帯状の正極集電体１０１の長手方向に沿って、活物質層を塗布した後に、図６で示したようにロールプレスによって圧縮することで中央部に高密度領域１０５を形成するとともに、両端部には、ロールプレスによって圧縮されない活物質の存在量が少ない領域１０７を形成する。
次いで、電極引出タブ１０９、各単位電極の周囲の切断線１８０、および中心線１７３に沿って打ち抜くことで、図７Ｂに示す正極電極を効率的に製造することができる。
本発明の非水電解液二次電池は、正極集電体から引き出した正極引出タブ面には、対向する負極活物質層を垂直投影した部分を越えて正極活物質層が正極タブの引出方向へ延び、前記正極タブの引出方向へ延びる正極活物質層は、先端部ほど正極活物質の存在量が減少しているので、充電時に対向する負極電極の外周部分に移行するリチウムイオンの量を減少させることでリチウムがデンドライト状に析出することを防止し、セパレーターが温度上昇時に収縮した場合にも、正極タブのアルミニウムと負極電極との直接接触を防止した信頼性が高い電池の提供が可能となる。
１０・・・非水電解液二次電池、２０・・・フィルム状外装材、３０・・・正極端子、４０・・・負極端子、５０・・・セパレーター、６０・・・絶縁部材、７０・・・電池要素の積層体、７２・・・結束テープ、１００・・・正極電極、１０１・・・正極集電体、１０２・・・非塗布領域、１０３・・・正極活物質層、１０５・・・高密度領域、１０７・・・活物質の存在量が少ない領域、１０８・・・テーパー部、１０９・・・正極引出タブ、１１０・・・正極側接合部、１１１・・・段差部、１１３・・・薄層部、１５０・・・ダイコーター、１５２・・・バックアップローラー、１６０・・・スロットダイ、１６１・・・ダイヘッド、１６２・・・スラリー、１６４・・・吐出口、１６６ａ，１６６ｂ・・・間隔調整のシム、１６６ｃ，１６６ｄ・・・流路制限部材、１７０・・・圧縮工程、１７２ａ，１７２ｂ・・・ロールプレス、２００・・・負極電極、２０１・・・負極集電体、２０３・・・負極活物質層、２０９・・・負極引出タブ、２１０・・・負極側接合部
Claims (3)
- 負極集電体に負極活物質層を形成した負極と、前記負極とセパレーターを介して積層した、正極集電体に正極活物質層を形成した正極を有し、前記正極集電体から引き出した正極タブ面には、対向する負極活物質層を垂直投影した部分を越えて正極タブの引出方向へ延びた、先端部に正極活物質の存在量が減少した領域を有することを特徴とする非水電解液二次電池。
- 前記正極活物質の存在量が少ない領域は、前記正極タブの引出方向に沿って厚みが薄くなる傾斜面、または正極活物質の存在割合が減少した領域であることを特徴とする請求項１記載の非水電解液二次電池。
- 正極タブと負極タブは引出方向が互いに逆方向であって、前記正極引出タブの正極活物質の存在量が減少する部分から正極タブの引出方向に延びる絶縁部材を接着し、前記絶縁部材の正極タブの引出方向と逆方向の端部は、前記正極タブの積層方向に隣接する負極電極の負極活物質層の表面を越えて、負極集電体に達するまでの厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の非水電解液二次電池。
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