KR20130126579A - 비수 전해액 전지 - Google Patents

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KR20130126579A
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wound
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KR1020137002116A
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히데키 후지모토
미츠히로 기시미
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

권회체가 균일하게 팽창하고, 굴곡의 발생을 방지할 수 있는 비수 전해액 전지를 공급한다. 비수 전해액 전지(1)는, 정극(31) 및 부극(32)이 세퍼레이터(33, 34)를 개재하여 권회된 편평 형상의 권회체(30)와, 상기 부극(32)에 접합되며, 상기 권회체(30)의 권회축 방향으로 연장된 부극 탭(36)을 구비한다. 상기 정극(31)은, 띠 형상의 정극 집전체(310)와, 상기 정극 집전체(310)의 일방의 면에 형성된 제1 정극 합제층(311)과, 상기 정극 집전체(310)의 타방의 면에 형성된 제2 정극 합제층(312)을 포함하며, 상기 제1 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)는, 폭 방향(x 방향)에 있어서, 상기 부극 탭(36)보다 상기 권회체(30)의 내주 측에 위치하고, 상기 제2 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)는, 폭 방향(x 방향)에 있어서, 상기 부극 탭(36)보다 상기 권회체(30)의 외주 측에 위치하고 있다.

Description

비수 전해액 전지{NONAQUEOUS ELECTROLYTE BATTERY}
본 발명은, 비수 전해액 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 편평 형상의 권회체를 구비하는 비수 전해액 전지에 관한 것이다.
종래, 정극 및 부극이 세퍼레이터를 개재하여 권회된 권회체를 구비한 비수 전해액 전지의 구성이 알려져 있다. 또, 전지를 각형(角型) 또는 박형(薄型)으로 하기 위하여, 권회체를 편평 형상으로 한 구성이 알려져 있다.
일본 특허 공개 제2001-273881호 공보에는, 권회식의 극군(極群)을 구비한 전지, 특히 편평형의 권회식 전극을 구비한 전지에 관한 것으로서, 내부 단락의 발생을 방지하여, 신뢰성이 높은 전지를 공급하는 것을 목적으로 한 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2005-222884호 공보에는, 정극과 부극이 단락되는 것을 방지할 수 있고, 정극 리드 단자 측 및 부극 리드 단자 측의 두께를 평균화시켜, 안전하며 체적 에너지 밀도가 높은 전극 적층형 전지에 관한 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2007-26939호 공보에는, 편평한 권심에 의해 편평하게 감긴 전극체를 가지는 권회 전지이어도, 전지 특성 등에 영향을 주지 않고, 감김 종단부를 원하는 위치에 배치시킬 수 있는 권회형 전지에 관한 기술이 개시되어 있다.
권회체에 사용되는 정극 및 부극은, 띠 형상의 집전체의 적어도 편면에, 활물질을 가지는 합제층을 도포하여 형성된다. 그 때문에, 권회체는, 이들 합제층의 도포단에, 합제층의 두께에 의한 단차를 가지고 있다. 특히, 집전체의 양면에 합제층을 형성한 경우로서, 양면에 형성된 합제층의 도포단(端)의 위치가 일치하고 있을 때에는, 이 단차는 더욱 커진다.
비수 전해액 전지는, 정극과 부극 사이에서, 게스트의 수수(授受)를 행함으로써 충전을 행한다. 예를 들면 리튬 이온 전지에서는, 충전 시에 리튬 이온이 부극에 수장된다. 이것에 의해, 부극이 팽창한다. 부극의 팽창에 의해, 권회체 전체가 팽창하려고 한다. 그러나, 권회체는 통상, 전지 케이스에 거의 간극의 없는 상태로 수용되어 있다. 그 때문에, 권회체는 전지 케이스로부터, 팽창을 억제하는 방향으로 압력을 받는다.
여기서, 상기한 바와 같이 권회체에 단차가 존재하고 있으면, 이 단차의 양측에서, 전지 케이스로부터 받는 압력이 불균일해진다. 불균일한 압력을 받음으로써, 부극이 불균일하게 팽창하여, 권회체에 굴곡이 생긴다.
또한, 권회체 내부에는, 정극에 접합된 정극 탭과, 부극에 접합된 부극 탭이 존재하고 있다. 권회체의 굴곡에 의해, 집전 탭(정극 탭 또는 부극 탭)에 비틀림이 생기는 경우가 있다. 집전 탭의 비틀림은, 비수 전해액 전지를 방전시켜 권회체의 팽창을 제거하여도, 회복하지 않는 경우가 있다.
이러한 권회체의 굴곡과 집전 탭의 비틀림은, 비수 전해액 전지의 전지 특성을 악화시킨다. 또, 전지 케이스로부터의 압력에 저항하여 권회체가 국소적으로 팽창하기 때문에, 두께가 균일하며 얇은 전지를 제조할 수 없다.
본 발명의 목적은, 권회체가 균일하게 팽창하여, 굴곡의 발생을 방지할 수 있는 비수 전해액 전지를 공급하는 것이다.
여기에 개시하는 비수 전해액 전지는, 정극 및 부극이 세퍼레이터를 개재하여 권회된 편평 형상의 권회체와, 상기 부극에 접합되어, 상기 권회체의 권회축 방향으로 연장된 부극 탭을 구비한다. 상기 정극은, 띠 형상의 정극 집전체와, 상기 정극 집전체의 일방의 면에 형성된 제1 정극 합제층과, 상기 정극 집전체의 타방의 면에 형성된 제2 정극 합제층을 포함하고, 상기 권회체의 주면과 평행하며, 또한 권회축 방향과 수직한 방향을 폭 방향으로 하여, 상기 제1 정극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 부극 탭보다 상기 권회체의 내주 측에 위치하고, 상기 제2 정극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 부극 탭보다 상기 권회체의 외주 측에 위치하고 있다.
상기의 구성에 의하면, 정극 집전체의 일방의 면에 형성된 정극 합제층(제1 정극 합제층)의 권회 종단부와, 정극 집전체의 타방의 면에 형성된 정극 합제층(제2 정극 합제층)의 권회 종단부는, 권회체의 폭 방향에 있어서, 떨어져서 형성된다. 이것에 의해, 정극 합제층의 단부(端部)에 의한 단차가, 권회체의 폭 방향으로 분산된다. 따라서, 충방전 시에 권회체가 팽창할 때 전지 케이스로부터 받는 압력이 불균일해지는 것을 완화할 수 있다. 그 결과, 특히, 부극 합제층에 인가되는 힘이 균일해진다. 그 때문에, 권회체(30)의 팽창이 균일해져, 권회체(30)의 굴곡이 억제된다. 권회체(30)의 굴곡이 억제되는 것에 의해, 부극 탭(36)의 비틀림도 억제된다.
더 구체적으로는, 제1 정극 합제층의 권회 종단부는, 권회체의 폭 방향에 있어서, 부극 탭보다 권회체의 내주 측에 위치한다. 그리고, 제2 정극 합제층의 권회 종단부는, 권회체의 폭 방향에 있어서, 부극 탭보다 권회체의 외주 측에 위치한다. 즉, 부극 탭의 양측에 정극 합제층의 권회 종단부를 배치한다. 이것에 의해, 부극 탭이 받는 압력을 균일화시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 권회체가 균일하게 팽창하여, 굴곡이 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1에 있어서의 A-A 단면도이다.
도 3은, 도 1에 있어서의 B-B 단면도이다.
도 4a는, 정극 탭의 정면도로서, 정극의 권회 종단부 근방을 발출하여 나타낸 도면이다.
도 4b는, 부극 탭의 정면도로서, 부극의 권회 시단(始端)부 근방을 발출하여 나타낸 도면이다.
도 5는, 비교 형태에 관련된 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6a는, 비교 형태에 관련된 비수 전해액 전지에 있어서 발생하는 권회체의 굴곡과, 부극 탭의 비틀림을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는, 비교 형태에 관련된 비수 전해액 전지에 있어서 발생하는 권회체의 굴곡과, 부극 탭의 비틀림을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 변형예에 관련된 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 변형예에 관련된 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 변형예에 관련된 비수 전해액 전지의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 12는, 팽창량 측정에 있어서의, 두께의 측정 지점을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명한다. 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다. 또한, 각 도면 중의 부재의 치수는, 실제의 구성 부재 치수 및 각 부재의 치수 비율 등을 충실하게 나타낸 것은 아니다.
[제1 실시 형태]
[전체의 구성]
도 1은, 본 발명 제1 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지(1)의 개략 구성을 나타내는 사시도이다. 비수 전해액 전지(1)는, 바닥이 있는 통 형상의 외장캔(10)과, 외장캔(10) 개구를 덮는 덮개판(20)과, 외장캔(10) 내에 수용되는 권회체(30)를 구비하고 있다. 외장캔(10)에 덮개판(20)을 장착함으로써, 내부에 공간을 가지는 전지 케이스(C)가 구성된다. 또한, 이 전지 케이스(C) 내에는, 권회체(30) 이외에, 비수 전해액도 봉입되어 있다.
외장캔(10)은, 예를 들면, 알루미늄 합금으로 형성되어 있다. 외장캔(10)은, 바닥면(11)과, 측벽(12)을 가지고 있다. 측벽(12)은, 대향하여 배치되는 한 쌍의 평면부(121)와, 평면부(121)끼리를 접속하는 반원통부(122)를 가지고 있다.
여기서, 외장캔(10)의 바닥면(11)과 덮개판(20)을 연결하는 방향을 z 방향이라고 부르며 참조한다. z 방향과 수직한 방향으로서, 외장캔(10)의 평면부(121)와 평행한 방향을 x 방향이라고 부르며 참조한다. z 방향 및 x 방향의 양방에 수직한 방향을, y 방향이라고 부르며 참조한다. 외장캔(10)의 y 방향의 치수는, x 방향의 치수보다 작다. 즉, 외장캔(10)은, 편평 형상이다.
외장캔(10)은, 후술하는 바와 같이, 비수 전해액 전지(1)의 정극으로서의 기능을 겸하고 있다.
덮개판(20)은, 예를 들면, 외장캔(10)과 마찬가지로 알루미늄 합금으로 형성되어 있다. 덮개판(20)은, 외장캔(10)의 개구부에 감합되며, 용접에 의해 접합되어 있다.
덮개판(20)의 x 방향의 중앙 부분에는, 관통 구멍(20a)이 형성되어 있다. 관통 구멍(20a)에는, 폴리프로필렌제의 절연 패킹(21) 및 스테인리스강제의 부극 단자(22)가 삽입 통과되어 있다. 구체적으로는, 개략 기둥 형상의 부극 단자(22)가 삽입 통과된 개략 원통 형상의 절연 패킹(21)이, 관통 구멍(20a)에 삽입 통과되어 있다.
덮개(20)에는, 관통 구멍(20a)과 나란히, 비수 전해액의 주입로(20b)가 형성되어 있다. 주입로(20b)는, 봉지(封止) 마개(23)에 의해 봉지되어 있다. 주입로(20b)의 주연부와 봉지 마개(23)의 외주부는, 용접에 의해 접합되어 있다.
도 2는, 도 1에 있어서의 A-A 단면도(xz 면 단면도)이다. 권회체(30)는, 각각 띠 형상으로 형성된 정극(31), 부극(32) 및 2매의 세퍼레이터(33, 34)를 가지고 있다. 권회체(30)는, 부극(32), 세퍼레이터(33), 정극(31), 및 세퍼레이터(34)를, 이 순서로 적층하고, 부극(32)을 내측으로 하여, z 방향의 주위로 권회한 것이다. 또한, 도 2에서는, 권회체(30)의 내주 측의 도시를 생략하고 있다. 권회체(30)의 감김수는 임의이다.
권회체(30)의 y 방향의 치수는, x 방향의 치수보다 작다. 즉, 권회체(30)는, 편평 형상이다. 여기서, 권회체(30)를 직방체로 근사한 경우에 있어서의, 가장 면적이 큰 한 쌍의 면(y 방향에 수직한 면)을, 권회체(30)의 주면이라고 부르는 경우가 있다. 또, x 방향을 권회체(30)의 폭 방향, y 방향을 권회체(30)의 두께 방향이라고 부르는 경우가 있다. 또, z 방향을, 권회체(30)의 권회축 방향이라고 부르는 경우가 있다.
정극(31)의 권회 종단부 근방에, 정극 탭(35)이 접합되어 있다. 한편, 부극(32)의 권회 시단부 근방에, 부극 탭(36)이 접합되어 있다. 또한, 정극 탭(35)은, 본래는 도 2의 면 상에는 존재하고 있지 않지만, 설명의 편의을 위하여, 도 2에 일점 쇄선으로 도시하고 있다.
권회체(30), 정극 탭(35), 및 부극 탭(36)의 자세한 구성에 대해서는 후술한다.
정극 탭(35)은, 권회체(30)의 외부로 인출되어, 덮개판(20)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 정극(31)과 덮개판(20)이 도통하고 있다. 덮개판(20)과 외장캔(10)이 접합되어 있기 때문에, 정극(31)과 외장캔(10)과도 도통하고 있다. 그 때문에, 외장캔(10)은, 이미 서술한 바와 같이 정극으로서의 기능을 겸하고 있다.
부극 탭(36)은, 권회체(30)의 외부로 인출되어, 리드판(25)을 개재하여, 부극 단자(22)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 부극(32)과 부극 단자(22)가 도통하고 있다. 또한, 리드판(25)과 덮개판(20) 사이에는 절연체(24)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 리드판(25)과 덮개판(20) 사이가 절연되어 있다.
권회체(30)와 외장캔(10)의 바닥면(11) 사이에는, 폴리에틸렌 시트로 이루어지는 절연체(13)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 외장캔(10)을 개재하여 정극(31)과 부극(32)이 단락하지 않도록 되어 있다.
[권회체(30)의 구성]
이하, 도 3을 참조하여, 권회체(30)의 구성에 대하여 상세히 서술한다. 도 3은, 도 1에 있어서의 B-B 단면도(xy 면 단면도)이다. 도 3에서는, 권회체(30)의 최내주 측으로부터 약 1 주(周)분의 영역, 및 최외주 측으로부터 약 1 주분의 영역만을 도시하고, 도중은 생략하고 있다. 또, 부극(32), 세퍼레이터(33), 정극(31), 및 세퍼레이터(34)는, 실제로는 거의 간극 없이 밀착하고 있지만, 도 3에서는, 보기 쉽게 하기 위하여 이들을 각각 조금씩 떨어뜨려 나타내고 있다.
정극(31)은, 띠 형상의 정극 집전체(310)와, 정극 집전체(310)의 양면에 형성된 정극 합제층(311, 312)을 포함하고 있다. 또한, 정극 합제층(311)은, 정극 집전체(310)의 표리의 면 중, 권회체(30)의 권회 중심으로부터 먼 쪽의 면(외측의 면)에 형성되어 있다. 정극 합제층(312)은, 정극 집전체(310)의 표리의 면 중, 권회체(30)의 권회 중심에 가까운 쪽의 면(내측의 면)에 형성되어 있다.
정극 집전체(310)로서, 예를 들면, 알루미늄 또는 티탄 등의 박, 평직 금망, 익스팬드 메탈, 라스 망, 또는 펀칭 메탈 등을 사용할 수 있다. 정극 집전체(310)의 두께는, 예를 들면, 5∼30㎛이다.
정극 합제층(311, 312)은, 정극 활물질과, 도전 조제(助劑)와, 바인더를 혼합하여 형성된다. 정극 활물질로서, 망간산 리튬, 리튬 니켈 복합 산화물, 리튬 코발트 복합 산화물, 리튬 니켈 코발트 복합 산화물, 산화바나듐, 또는 산화몰리브덴 등을 사용할 수 있다. 도전 조제로서, 흑연, 카본 블랙, 또는 아세틸렌 블랙 등을 사용할 수 있다. 바인더로서, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 폴리불화비닐리덴(PVDF) 등을, 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
정극 합제층(311, 312)은, 캘린더 처리에 의해 소정의 밀도로 조정되어 있다. 정극 합제층(311, 312)의 밀도는, 2.0∼3.5g/㎤이며, 더 바람직하게는, 2.3∼3.3g/㎤이다. 정극 합제층(311, 312)의 두께는, 예를 들면, 각각 20∼200㎛이다.
정극(31)은, 권회 종단부 측에 있어서, 정극 집전체(310)의 일부가 노출되어 있고, 또한, 표리의 면에 있어서 합제층의 단부의 위치가 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서 다르게 되어 있다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정극 집전체(310)의 권회 종단부(310b)와, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)와, 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 각각 다른 위치에 있다.
한편, 정극 집전체(310)의 권회 시단부(310a)와, 정극 합제층(311)의 권회 시단부(311a)와, 정극 합제층(312)의 권회 시단부(312a)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 개략 동일한 위치에 있다. 그러나, 정극(31)의 권회 시단부측의 구성은 임의이다. 권회 시단부(310a, 311a, 312a)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 각각 다른 위치에 있어도 된다. 무엇보다, 이들이 모두 동일한 위치에 있는 경우에는, 정극 집전체(310)를 노출시킬 필요가 없기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
부극(32)은, 띠 형상의 부극 집전체(320)와, 부극 집전체(320)의 양면에 형성된 부극 합제층(321, 322)을 포함하고 있다. 또한, 부극 합제층(321)은, 부극 집전체(320)의 표리의 면 중의, 권회체(30)의 권회 중심으로부터 먼 쪽의 면(외측의 면)에 형성되어 있다. 부극 합제층(322)은, 부극 집전체(320)의 표리의 면 중의, 권회체(30)의 권회 중심에 가까운 쪽의 면(내측의 면)에 형성되어 있다.
부극 집전체(320)로서, 구리, 니켈, 또는 스테인리스 등의 박, 평직 금망, 익스팬드 메탈, 라스 망, 또는 펀칭 메탈 등을 사용할 수 있다. 부극 집전체(320)의 두께는, 예를 들면, 5∼150㎛이다.
부극 합제층(321, 322)은, 부극 활물질과, 바인더를 혼합하여 형성된다. 부극 활물질로서, 천연 흑연, 메소페즈 카본, 또는 비정질 카본 등을 사용할 수 있다. 바인더로서, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 히드록시메틸셀룰로오스(HPC)등의 셀룰로오스, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 아크릴 고무 등의 고무 바인더, PTFE,및 PVDF 등을, 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
부극 활물질로서, 상기한 탄소계의 부극 재료 대신, 금속 재료(Li, Si, Al, Ge, Pb, As, Sb 등)를 포함하는 이른바 합금계의 부극 재료, 또는 산화물(SiO, TiO2, Nb205, MoO2 등)을 포함하는 산화물계의 부극 재료를 사용해도 된다. 또, 이들을 혼합하여 사용해도 된다.
부극 합제층(321, 322)은, 캘린더 처리에 의해 소정의 밀도로 조정되어 있다. 부극 합제층(321, 322)의 밀도는, 사용하는 재료에 의해 최적으로 맞출 필요가 있다. 예를 들면 흑연 재료이면, 1.0∼1.8g/㎤이며, 더 바람직하게는, 1.2∼1.6g/㎤이다. 부극 합제층(321, 322)의 두께는, 예를 들면, 각각 20∼200㎛이다.
부극(32)은, 권회 시단부 측에 있어서, 부극 집전체(320)의 일부가 노출되어 있고, 또한, 표리의 면에 있어서 합제층의 단부의 위치가 권회체(30)의 폭 방향(x방향)에 있어서 다르게 되어 있다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 부극 집전체(320)의 권회 시단부(320a)와, 부극 합제층(321)의 권회 시단부(321a)와, 부극 합제층(322)의 권회 시단부(322a)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 각각 다른 위치에 있다.
또, 부극 집전체(320)의 권회 종단부(320b)와, 부극 합제층(321)의 권회 종단부(321b)와, 부극 합제층(322)의 권회 종단부(322b)도, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 각각 다른 위치에 있다.
권회체(30)의 최외주 측에 있어서, 정극 집전체(310)의 노출 부분에, 정극 탭(35)이 접합되어 있다. 본 실시 형태에서는, 정극 집전체(310)의, 정극 합제층(312)이 형성되는 측의 면에 정극 탭(35)이 접합되어 있다. 그러나, 정극 집전체(310)의, 정극 합제층(311)이 형성되는 측의 면에 정극 탭(35)이 접합되어 있어도 된다.
도 4a는, 정극 탭(35)의 정면도로서, 정극(31)의 권회 종단부 근방을 발출하여 나타낸 도면이다. 도 4a에 나타내는 바와 같이, 정극 탭(35)은, 권회체(30)의 권회축 방향(z 방향)으로 연장되어 있다. 정극 탭(35)으로서, 알루미늄 또는 티탄 등을 사용할 수 있다. 정극 탭(35)의 두께는, 예를 들면 2∼10㎛이다.
정극 탭(35)의 일방의 단부(35a)는, 정극(31)의 권회축 방향(z 방향)의 일방의 단부[바닥면(11) 측의 단부](31c)의 근방에 위치하고 있다. 정극 탭(35)의 단부(35a)와 정극(31)의 단부(31c) 사이의 간격(g1)은, 3mm 이하인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 1mm 이하이며 정극 집전체(310)로부터 돌출되어서는 안된다.
정극 탭(35)의 타방의 단부(35b)는, 정극(31)의 권회축 방향(z 방향)의 일방의 단부[덮개판(20) 측의 단부](31d)로부터 돌출되어 있다. 정극 탭(35)의 단부(35b)와 정극(31)의 단부(31d) 사이의 간격(g2)은, 10mm 정도인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 3∼10mm이다.
정극 탭(35)은, 정극(31)의 권회축 방향(z 방향)의 양단부 근방에서만 접합되고, 중앙 부분은 접합되어 있지 않은 것이 바람직하다. 더 구체적으로는, 정극 탭(35)과 정극(31)의 정극 집전체(310)는, 도 4a에 있어서 일점 쇄선으로 둘러싸서 나타낸 영역(S1, S2)에 있어서만 접합되어 있다.
또한, 바닥면(11) 측의 단부의 영역(S1)의 면적은, 18∼27㎟인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 20∼25㎟이다. 또, 덮개판(20) 측의 단부의 영역(S2)의 면적은, 9∼18㎟인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 12∼15㎟이다.
권회체(30)의 최내주 측에 있어서, 부극 집전체(320)의 노출 부분에, 부극 탭(36)이 접합되어 있다. 본 실시 형태에서는, 부극 집전체(320)의, 부극 합제층(322)이 형성되는 측의 면에 부극 탭(36)이 접합되어 있다. 그러나, 부극 집전체(320)의, 부극 합제층(321)이 형성되는 측의 면에 부극 탭(36)이 접합되어 있어도 된다.
도 4b는, 부극 탭(36)의 정면도로서, 부극(32)의 권회 시단부 근방을 발출하여 나타낸 도면이다. 도 4b에 나타내는 바와 같이, 부극 탭(36)은, 권회체(30)의 권회축 방향(z 방향)으로 연장되어 있다. 부극 탭(36)으로서, 구리, 니켈, 또는 스테인리스 등을 사용할 수 있다. 부극 탭(36)의 두께는, 예를 들면 2∼10㎛이다.
부극 탭(36)의 일방의 단부(36a)가, 부극(32)의 권회축 방향(z 방향)의 일방의 단부[바닥부(11) 측의 단부](32c)의 근방에 위치하고 있다. 부극 탭(36)의 단부(36a)와 부극(32)의 단부(32c) 사이의 간격(g3)은, 3mm 이하인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 1mm 이하이며 부극 집전체(320)로부터 돌출되어서는 안된다.
부극 탭(36)의 타방의 단부(36b)는, 부극(32)의 권회축 방향(z 방향)의 일방의 단부[덮개판(20) 측의 단부](32d)로부터 돌출되어 있다. 부극 탭(36)의 단부(36b)와 부극(32)의 단부(32d) 사이의 간격(g4)은, 10mm 정도인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 3∼10mm이다.
부극 탭(36)은, 부극(32)의 권회축 방향(z 방향)의 양단부 근방에서만 접합되고, 중앙 부분은 접합되어 있지 않은 것이 바람직하다. 더 구체적으로는, 부극 탭(36)과 부극(32)의 부극 집전체(320)는, 도 4b에 있어서 일점 쇄선으로 둘러싸서 나타낸 영역(S3, S4)에 있어서만 접합되어 있다.
또한, 바닥면(11) 측의 단부의 영역(S3)의 면적은, 18∼27㎟인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 20∼25㎟이다. 또, 덮개판(20) 측의 단부의 영역(S4)의 면적은, 9∼18㎟인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 12∼15㎟이다.
다시 도 3을 참조하여, 권회체(30)의 설명을 계속한다. 세퍼레이터(33, 34)로서, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 또는 폴리페닐설파이드(PPS) 등의, 다공성 필름 또는 부직포를 사용할 수 있다. 세퍼레이터(33, 34)의 두께는, 예를 들면 5∼30㎛이다. 더 바람직하게는 10∼20㎛이다.
권회체(30)와 함께 전지 케이스(C)에 봉입되어 있는 비수 전해액은, 유기용매에 리튬염을 용해시킨 용액이다. 유기 용매로서, 비닐렌카보네이트(VC), 프로필렌카보네이트(PC), 에틸렌카보네이트(EC), 부틸렌카보네이트(BC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 메틸에틸카보네이트(MEC), 또는 γ-부티로락톤 등을, 단독으로 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 리튬염으로서, LiPF6, LiBF4, 또는 LiN(CF3SO2)2 등을 사용할 수 있다.
권회체(30)에 있어서, 부극 합제층(321)은, 세퍼레이터(33)를 사이에 개재하여, 정극 합제층(312)과 대향하도록 배치되어 있다. 부극 합제층(322)은, 세퍼레이터(34)를 사이에 개재하여, 정극 합제층(311)과 대향하도록 배치되어 있다. 비수 전해액 전지(1)의 충방전에서는, 정극 합제층(311)과 부극 합제층(322)이 대향하고 있는 부분, 및 정극 합제층(312)과 부극 합제층(321)이 대향하고 있는 부분에 있어서, 게스트(예를 들면, 리튬 이온)의 수수가 행하여진다.
또한, 정극 합제층(311)과 부극 합제층(322) 쌍에 있어서, 게스트의 받이 측인 부극 합제층(322)의 면적은, 정극 합제층(311)의 면적보다 클 필요가 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 부극 합제층(322)의 권회 시단부(322a)는, 정극 합제층(311)의 권회 시단부(311a)보다, 부극 집전체(320)의 권회 시단부(320a) 측에 있다. 또, 부극 합제층(322)의 권회 종단부(322b)는, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)보다, 부극 집전체(320)의 권회 종단부(320b) 측에 있다.
마찬가지로, 부극 합제층(321)의 면적은, 정극 합제층(312)의 면적보다 클 필요가 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 부극 합제층(321)의 권회 시단부(321a)는, 정극 합제층(312)의 권회 시단부(312a)보다, 부극 집전체(320)의 권회 시단부(320a) 측에 있다. 또, 부극 합제층(321)의 권회 종단부(321b)는, 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)보다, 부극 집전체(320)의 권회 종단부(320b) 측에 있다.
비수 전해액 전지(1)에서는, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체(30)의 내주 측에 위치하고 있다. 또한, 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)는, 권회체(30)의 폭방 향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체(30)의 외주 측에 위치하고 있다. 바꾸어 말하면, 부극 탭(36)은, 권회 종단부(311b, 312b) 사이에 위치하고 있다.
[비수 전해액 전지(1)의 제조 방법]
이하에 개시하는 제조 방법은, 예시로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
정극 활물질, 도전 조제, 및 바인더를, 순수 또는 유기 용매 중에서 충분히 혼합하여, 분산체(슬러리)을 제조한다. 슬러리를, 다이 코터, 슬릿 코터, 또는 딥 코터 등을 사용하여, 정극 집전체(310)의 양면에 도포한다. 도포 후, 슬러리를 건조시키고, 계속해서, 캘린더 처리를 행하여 소정의 두께 및 밀도로 조정한다. 이것에 의해, 정극 집전체(310)에 정극 합제층(311, 312)이 형성된 정극(31)이 얻어진다. 정극(31)의, 정극 집전체(310)의 노출부에, 용접 또는 도전성 접착재 등에 의해, 정극 탭(35)을 접합한다.
부극 활물질 및 바인더를, 순수 또는 유기 용매 중에서 충분히 혼합하여, 분산체(슬러리)를 제조한다. 슬러리를, 다이 코터, 슬릿 코터, 또는 딥 코터 등을 사용하여, 부극 집전체(320)의 양면에 도포한다. 도포 후, 슬러리를 건조시키고, 계속해서, 캘린더 처리를 행하여 소정의 두께 및 밀도로 조정한다. 이것에 의해, 부극 집전체(320)에 부극 합제층(321, 322)이 형성된 부극(32)이 얻어진다. 부극(32)의, 부극 집전체(320)의 노출부에, 용접 또는 도전성 접착재 등에 의해, 부극 탭(36)을 접합한다.
부극(32), 세퍼레이터(33), 정극(31), 및 세퍼레이터(34)를, 이 순서로 적층한다. 적층체를, 원형 또는 타원형의 권심을 사용하여, 권회기로 권회한다. 권회후, 권심을 빼고, 일 방향으로 압력을 가하여 권회체(30)를 편평 형상으로 한다. 또는, 상기 적층체를, 편평 형상의 권심을 사용하여 권회기로 권회하여, 편평 형상의 권회체(30)를 제조해도 된다.
정극 탭(35)의 단부(35b)와 덮개판(20)을 용접하고, 부극 탭(36)의 단부(36b)와 리드판(25)을 용접한다. 권회체(30)를 외장캔(10)에 수용하고, 외장캔(10)과 덮개판(20)을 용접한다. 덮개판(20)의 주입구(20b)로부터, 비수 전해액을 주입한다. 주입 후, 주입구(20b)를 봉지 마개(23)에 의해 봉지하고, 주입구(20b)의 주연부와 봉지 마개(23)의 외주부를 용접한다.
[비수 전해액 전지(1)의 효과]
비수 전해액 전지(1)의 구성에 의하면, 정극 집전체(310)의 일방의 면에 형성된 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)와, 정극 집전체(310)의 타방의 면에 형성된 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 떨어져서 형성된다. 이것에 의해, 권회 종단부(311b)에 의한 단차와 권회 종단부(312b)에 의한 단차가, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서 분산된다. 따라서, 충방전 시에 권회체(30)가 팽창할 때 전지 케이스(C)로부터 받는 압력이 불균일해지는 것을 완화시킬 수 있다. 그 결과, 특히, 부극 합제층(321, 322)에 인가되는 힘이 균일해진다. 그 때문에, 권회체(30)의 팽창이 균일해져, 권회체(30)의 굴곡이 억제된다. 권회체(30)의 굴곡이 억제되는 것에 의해, 부극 탭(36)의 비틀림도 억제된다.
더 구체적으로는, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체(30)의 내주 측에 위치한다. 그리고, 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)는, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체(30)의 외주 측에 위치한다. 즉, 부극 탭(36)의 양측에 권회 종단부(311b, 312b)를 배치한다. 이것에 의해, 부극 탭(36)이 받는 압력을 균일화시킬 수 있다.
권회체(30)는, 권회축 방향(z 방향), 및 권회체 폭 방향(x 방향)으로도 팽창한다. 그 때문에, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 정극 탭(35)은, 정극(31)의 권회축 방향(z 방향)의 양단부 근방에서만 접합되고, 중앙 부분은 접합되어 있지 않은 것이 바람직하다. 전체 면을 고정하지 않음으로써, 변형을 완화시킬 수 있기 때문이다. 부극 탭(36)에 대해서도 마찬가지로, 부극(32)의 권회축 방향(z 방향)의 양단부 근방에서만 접합되고, 중앙 부분은 접합되어 있지 않은 것이 바람직하다.
본 발명은, 부극 활물질로서, 금속 또는 산화물을 포함하는 재료를 사용한 경우에, 특히 바람직하게 사용할 수 있다. 이들 부극 활물질을 포함한 부극(32)은, 충전 시의 팽창률이 특히 크기 때문이다. 일례를 들면, 탄소계의 부극 재료의 팽창률이 약 120%인 것에 대해, 금속 재료를 사용한 부극 재료에서는 팽창률이 200%에 도달하는 경우도 있다.
[비교 형태]
여기서, 본 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지(1)의 효과를 설명하기 위하여, 가상적인 비교 형태에 대하여 서술한다. 도 5는, 비교 형태에 관련된 비수 전해액 전지(9)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 비수 전해액 전지(9)는, 비수 전해액 전지(1)가 구비하고 있는 권회체(30) 대신, 권회체(90)를 구비하고 있다.
권회체(90)는, 정극 집전체(910) 및 정극 합제층(911, 912)로 이루어지는 정극(91)과, 부극 집전체(920) 및 부극 합제층(921, 922)으로 이루어지는 부극(92)과, 세퍼레이터(33, 34)를 포함하고 있다. 도 5에 있어서, 910a, 911a, 912a, 920a, 921a, 및 922a는, 각각 정극 집전체(910), 정극 합제층(911), 정극 합제층(912), 부극 집전체(920), 부극 합제층(921), 및 부극 합제층(922)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 910b, 911b, 912b, 920b, 921b, 및 922b는, 각각 정극 집전체(910), 정극 합제층(911), 정극 합제층(912), 부극 집전체(920), 부극 합제층(921), 및 부극 합제층(922)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
권회체(90)에서는, 정극 합제층(911)의 권회 종단부(911b)와 정극 합제층(912)의 권회 종단부(912b)는, 권회체(90)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 개략 동일한 위치에 있다. 그 때문에, 이 위치에 있어서, 정극 합제층(911, 912)의 두께를 합한 비교적 큰 단차가 존재한다. 또한, 권회 종단부(911b, 912b)는, 양방 모두, 권회체(90)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체(90)의 외주 측에 위치하고 있다.
도 6a 및 도 6b는, 비수 전해액 전지(9)에 있어서 발생하는 권회체(90)의 굴곡과, 부극 탭(36)의 비틀림을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a 및 도 6b는, 비수 전해액 전지(9)의 구성으로부터, 정극 합제층(911)의 권회 종단부(911b) 및 정극 합제층(912)의 권회 종단부(912b)의 주변과, 부극 탭(36)을 발출하여 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 6a 및 도 6b에서는, 정극 집전체(910), 부극 집전체(920),및 세퍼레이터(33, 34)의 도시를 생략하고 있다.
비수 전해액 전지(9)를 충전하면, 도 6a에 화살표로 나타낸 바와 같이, 부극(92)이 팽창한다. 부극(92)의 팽창에 의해, 권회체(90) 전체가 팽창하려고 한다. 그러나, 권회체(90)는 통상, 전지 케이스(C)에 거의 간극의 없는 상태로 수용되어 있다. 그 때문에, 권회체(90)는 전지 케이스(C)[도 6a에서는 전지 케이스(C)의 측벽(12)의 평면부(121)]로부터, 팽창을 억제하는 방향으로 압력을 받는다.
여기서, 권회체(90)에는, 정극 합제층(911)의 권회 종단부(911b)와, 정극 합제층(912)의 권회 종단부(912b)에 의한, 비교적 큰 단차가 존재하고 있다. 이 단차의 양측에서, 전지 케이스(C)로부터 받는 압력이 불균일해진다. 불균일한 압력을 받는 것에 의해, 부극 합제층(921, 922)은, 불균일하게 팽창한다. 그 결과, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 권회체(90)에 굴곡이 생긴다.
또한, 비수 전해액 전지(9)에서는, 권회 종단부(911b, 912b)는, 양방 모두, 권회체(90)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체(90)의 외주 측에 위치하고 있다. 그 때문에, 부극 탭(36)의 양측에서 부극 합제층(921, 922)은, 불균일하게 팽창한다. 즉, 부극 탭(36)은, 권회체(90)의 굴곡을 통하여, 권회체(90)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 불균일한 힘을 받는다. 그 결과, 부극 탭(36)에 비틀림이 생긴다. 부극 탭(36)의 비틀림은, 비수 전해액 전지(9)를 방전시켜서 권회체(90)의 팽창을 제거하여도, 회복되지 않는 경우가 있다.
이러한 권회체(90) 굴곡과 부극 탭(36)의 비틀림은, 비수 전해액 전지(9)의 전지 특성을 악화시킨다. 또, 전지 케이스(C)로부터의 압력에 저항하여 권회체(90)가 국소적으로 팽창하여, 비수 전해액 전지(9)는, 두께 사양에 대하여 만족하지 못하는 경우가 있다.
본 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지(1)의 구성에 의하면, 권회 종단부(311b)에 의한 단차와 권회 종단부(312b)에 의한 단차가, 권회체(30)의 폭 방향(x 방향)에 있어서 분산된다. 따라서, 충방전 시에 권회체(30)가 팽창할 때 전지 케이스(C)로부터 받는 압력이 불균일해지는 것을 완화할 수 있다. 또한, 부극 탭(36)의 양측에 권회 종단부(311, 312b)를 배치한다. 이것에 의해, 부극 탭(36)이 받는 압력을 균일화시킬 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 7은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지(2)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 비수 전해액 전지(2)는, 비수 전해액 전지(1)가 구비하는 권회체(30) 대신, 권회체(40)를 구비하고 있다.
권회체(40)는, 권회체(30)와 비교하여, 부극의 구성이 다르게 되어 있다. 즉, 권회체(40)는, 부극(32) 대신, 부극(42)을 포함하고 있다. 부극(42)은, 부극 집전체(420)와, 부극 합제층(421, 422)을 포함하고 있다. 도 7에 있어서, 420a, 421a, 및 422a는, 각각 부극 집전체(420), 부극 합제층(421), 및 부극 합제층(422)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 420b, 421b, 및 422b는, 각각 부극 집전체(420), 부극 합제층(421), 및 부극 합제층(422)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
본 실시 형태에서는, 부극 합제층(421)의 권회 종단부(421b)는, 권회체(40)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b)와 부극 탭(36) 사이에 위치하고 있다. 이것에 의해, 부극 합제층(421)의 권회 종단부(421b)는, 권회체(40)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)의 양단의 사이에 위치하고 있지 않다. 또한, 부극 합제층(422)의 권회 종단부(422b)는, 권회체(40)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)와 정극 탭(35) 사이에 위치하고 있다.
비수 전해액 전지(2)의 구성에 의하면, 부극 합제층(421)의 권회 종단부(421b) 및 부극 합제층(422)의 권회 종단부(422b)의 양방이, 권회체(40)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)의 양단의 사이에 위치하고 있지 않다. 바꾸어 말하면, 권회 종단부(421b, 422b)의 양방이, xz 평면에 투영했을 때, 부극 탭(36)과 겹쳐있지 않다. 이것에 의해, 부극(42)이 팽창했을 때, 권회 종단부(421b, 422b)의 양측에서의 팽창 차에 의해, 부극 탭(36)이 비틀리는 것을 방지할 수 있다.
또한 비수 전해액 전지(2)의 구성에 의하면, 부극 탭(36)은, 권회체(40)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)와 정극 합제층(312)의 권회 종단부(312b) 사이에 위치하고 있을 뿐만 아니라, 부극 합제층(421)의 권회 종단부(421b)와 부극 합제층(422)의 권회 종단부(422b) 사이에도 위치하고 있다. 이것에 의해, 부극 탭(36)의 양측에 있어서, 권회체(40)로부터 받는 압력을 대칭으로 할 수 있다. 그 때문에, 부극 탭(36)이 비틀리는 것을 방지할 수 있다.
비수 전해액 전지(2)의 구성은, 비수 전해액 전지(1)의 구성보다 바람직하다. 비수 전해액 전지(1)(도 3)에서는, 부극 합제층(321)의 권회 종단부(321b)가, xz 평면에 투영했을 때, 부극 탭(36)과 겹쳐 있기 때문이다. 또, 비수 전해액 전지(1)에서는, 부극 탭(36)은, 권회 종단부(321b, 322b) 사이에 위치하고 있지 않기 때문이다. 즉, 비수 전해액 전지(1)의 구성에서는, 부극 탭(36)의 일방 측에 하나의 권회 종단부(312b)가 존재하고, 타방 측에는 2개의 권회 종단부(311b, 322b)가 존재하고 있는 것에 대해, 비수 전해액 전지(2)의 구성에서는, 부극 탭(36)의 양측에 권회 종단부가 2개씩[(312b, 421b), (311b, 422b)] 존재한다. 이것에 의해, 비수 전해액 전지(2)에서는, 부극 탭(36)이 받는 힘이 대칭이 된다. 그 때문에, 비수 전해액 전지(2)의 구성은, 비수 전해액 전지(1)의 구성보다, 부극 탭(36)에 비틀림이 생기기 어렵다.
[제3 실시 형태]
도 8은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관련된 비수 전해액 전지(3)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 비수 전해액 전지(3)는, 비수 전해액 전지(1)가 구비하는 권회체(30) 대신, 권회체(50)를 구비하고 있다.
권회체(50)는, 권회체(30)와 비교하여, 부극의 구성이 다르게 되어 있다. 즉, 권회체(50)는, 부극(32) 대신, 부극(52)을 포함하고 있다. 부극(52)은, 부극 집전체(520)와, 부극 합제층(521, 522)을 포함하고 있다. 도 8에 있어서, 520a, 521a, 및 522a는, 각각 부극 집전체(520), 부극 합제층(521), 및 부극 합제층(522)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 520b, 521b, 및 522b는, 각각 부극 집전체(520), 부극 합제층(521), 및 부극 합제층(522)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
본 실시 형태에서는, 부극 합제층(521)의 권회 종단부(521b)는, 권회체(50)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)과 정극 탭(35) 사이에 위치하고 있다. 또한, 부극 합제층(522)의 권회 종단부(522b)는, 권회체(50)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(311)의 권회 종단부(311b)와 정극 탭(35) 사이에 위치하고 있다.
비수 전해액 전지(3)의 구성에 의하면, 비수 전해액 전지(2)와 마찬가지로, 부극 합제층(521)의 권회 종단부(521b) 및 부극 합제층(522)의 권회 종단부(522b)의 양방이, 권회체(50)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)의 양단의 사이에 위치하고 있지 않다. 바꾸어 말하면, 권회 종단부(521b, 522b)의 양방이, xz 평면에 투영했을 때, 부극 탭(36)과 겹쳐있지 않다. 이것에 의해, 부극(52)이 팽창했을 때, 권회 종단부(521b, 522b)의 양측에서의 팽창 차에 의해, 부극 탭(36)이 비틀리는 것을 방지할 수 있다.
비수 전해액 전지(3)의 구성에 의하면, 또한, 권회 종단부(521b, 522b)는, 양방 모두 정극 탭(35)과 부극 탭(36) 사이에 위치하고 있다. 정극 탭(35) 및 부극 탭(36)은 각각 일정한 두께를 가지고 있기 때문에, 정극 탭(35)과 부극 탭(36) 사이의 부분에 있어서, 권회체(50)의 두께(y 방향의 치수)는 가장 얇아진다. 이 부분에 권회 종단부(521b, 522b)를 위치시킴으로써, 권회체(50)의 가장 두꺼운 부분의 두께를 얇게 할 수 있다. 따라서, 비수 전해액 전지(3)의 구성은, 비수 전해액 전지(1, 2)의 구성보다 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 부극 집전체(520)의 권회 종단부(520b)와, 부극 합제층(521)의 권회 종단부(521b)와, 부극 합제층(522)의 권회 종단부(522b)는, 권회체(50)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 각각 다른 위치에 있다. 그러나, 부극(52)의 권회 종단부 측의 구성은 임의이다. 권회 종단부(520b, 521b, 및 522b) 중 어느 1세트 또는 전부가, 권회체(50)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 동일한 위치에 있어도 된다. 특히, 이들이 전부 동일한 위치에 있는 경우에는, 부극 집전체(520)를 노출시킬 필요가 없기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
[비수 전해액 전지(1∼3)의 변형예]
도 9∼도 11은, 비수 전해액 전지(1∼3)의 변형예에 관련된 비수 전해액 전지(4∼6)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 비수 전해액 전지(4∼6)는, 각각, 권회체(60, 70, 80)를 구비하고 있다.
권회체(60, 70, 80)는, 공통적으로, 정극(61) 및 세퍼레이터(33, 34)를 포함하고 있다. 정극(61)은, 정극 집전체(610)와, 정극 합제층(611, 612)을 포함하고 있다. 도 9∼도 11에 있어서, 610a, 611a, 및 612a는, 각각 정극 집전체(610), 정극 합제층(611), 및 정극 합제층(612)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 610b, 611b, 및 612b는, 각각 정극 집전체(610), 정극 합제층(611), 및 정극 합제층(612)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
비수 전해액 전지(4∼6)에 있어서, 정극 합제층(612)의 권회 종단부(612b)는, 권회체[60(70, 80)]의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체[60(70, 80)]의 내주 측에 위치한다. 또한, 정극 합제층(611)의 권회 종단부(611b)는, 권회체[60(70, 80)]의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체[60(70, 80)]의 외주 측에 위치한다. 바꾸어 말하면, 부극 탭(36)은, 권회체[60(70, 80)]의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 권회 종단부 611b과 612b 사이에 위치한다.
이것에 의해, 비수 전해액 전지(1∼3)와 마찬가지로, 권회 종단부(611b)에 의한 단차와 권회 종단부(612b)에 의한 단차가, 권회체[60(70, 80)]의 폭 방향(x 방향)에 있어서 분산된다. 따라서, 충방전 시에 권회체[60(70, 80)]가 팽창할 때 전지 케이스(C)로부터 받는 압력이 불균일해지는 것을 완화할 수 있다. 또한, 부극 탭(36)의 양측에 권회 종단부(611b, 612b)를 배치함으로써, 부극 탭(36)이 받는 압력을 균일화시킬 수 있다.
비수 전해액 전지(4∼6)에서는, 권회체[60(70, 80)]의 외주 측에 있는 정극 합제층(612)의 권회 종단부(612b)가, 권회체[60(70, 80)]의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)보다 권회체[60(70, 80)]의 내주 측에 위치하고 있다.
부극 탭(36)이 권회 종단부(611b, 612b) 사이에 위치하는 구성으로서는, (A)권회 종단부(612b)가 부극 탭(36)보다 외주 측에 있고, 권회 종단부(611b)이 부극 탭(36)보다 내주 측에 있는 구성, 및 (B) 권회 종단부(612b)가 부극 탭(36)보다 내주 측에 있고, 권회 종단부(611b)가 부극 탭(36)보다 외주 측에 있는 구성을 생각할 수 있다. 비수 전해액 전지(1∼3)의 구성은 (A)의 구성에 상당하며, 비수 전해액 전지(4∼6의) 구성은 (B)의 구성에 상당한다.
도 9∼도 11을 참조하면 명확한 바와 같이, (B)의 구성에서는, 권회체[60(70, 80)]의 내주 측에 있는 권회 종단부(611b)가, 그 외측에 있는 권회 종단부(612b)보다, 권회체[60(70, 80)]의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 외주 측에 위치하고 있다. 그 때문에, 정극(61), 부극[62(72, 82)], 세퍼레이터(33, 34)를 간극 없이 밀착시켜서 권회한 경우, 권회 종단부(611b)에 의해, 적어도 정극 합제층(612)에 굴곡부가 생긴다. 한편, 도 3, 도 7 및 도 8을 참조하면 명확한 바와 같이, (A)의 구성에서는, 이러한 굴곡부는 생기지 않는다. 따라서, (B)의 구성보다, (A)의 구성이 바람직하다.
도 9를 참조하여, 비수 전해액 전지(4)가 구비하는 권회체(60)는, 부극(62)을 포함하고 있다. 부극(62)은, 부극 집전체(620)와, 부극 합제층(621, 622)를 포함하고 있다. 도 9에 있어서, 620a, 621a, 및 622a는, 각각 부극 집전체(620), 부극 합제층(621), 및 부극 합제층(622)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 620b, 621b, 및 622b는, 각각 부극 집전체(620), 부극 합제층(621), 및 부극 합제층(622)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
비수 전해액 전지(1)와 마찬가지로, 부극 합제층(622)의 면적은, 대향하는 정극 합제층(611)의 면적보다 클 필요가 있기 때문에, 부극 합제층(622)의 권회 종단부(622b)는, 정극 합제층(611)의 권회 종단부(611b)보다, 부극 집전체(620)의 권회 종단부(620b) 측에 있다. 부극 합제층(621)의 면적은, 대향하는 정극 합제층(612)의 면적보다 클 필요가 있기 때문에, 부극 합제층(621)의 권회 종단부(621b)는, 정극 합제층(612)의 권회 종단부(612b)보다, 부극 집전체(620)의 권회 종단부(620b) 측에 있다.
도 10을 참조하여, 비수 전해액 전지(5)가 구비하는 권회체(70)는, 부극(72)을 포함하고 있다. 부극(72)은, 부극 집전체(720)와, 부극 합제층(721, 722)을 포함하고 있다. 도 10에 있어서, 720a, 721a, 및 722a는, 각각 부극 집전체(720), 부극 합제층(721), 및 부극 합제층(722)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 720b, 721b, 및 722b는, 각각 부극 집전체(720), 부극 합제층(721), 및 부극 합제층(722)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
부극 합제층(722)의 권회 종단부(722b)는, 권회체(70)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(611)의 권회 종단부(611b)와 부극 탭(36) 사이에 위치하고 있다. 이것에 의해, 부극 합제층(722)의 권회 종단부(722b)는, 권회체(70)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)의 양단의 사이에 위치하고 있지 않다. 또한, 부극 합제층(721)의 권회 종단부(721b)는, 권회체(70)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(612)의 권회 종단부(612b)와 정극 탭(35) 사이에 위치하고 있다.
비수 전해액 전지(5)의 구성에 의하면, 권회 종단부(721b, 722b)의 양방이, xz 평면에 투영했을 때, 부극 탭(36)과 겹쳐있지 않다. 이것에 의해, 부극(72)이 팽창했을 때, 권회 종단부(721b, 722b)의 양측에서의 팽창 차에 의해, 부극 탭(36)이 비틀리는 것을 방지할 수 있다. 또, 부극 탭(36)이, 권회 종단부(721b, 722b) 사이에 위치하고 있다. 이것에 의해, 부극 탭(36)의 양측에 있어서, 권회체(70)로부터 받는 압력을 대칭으로 할 수 있다. 따라서, 비수 전해액 전지(5)의 구성은, 비수 전해액 전지(4)의 구성보다 바람직하다. 비수 전해액 전지(4)(도 9)에서는, 부극 합제층(622)의 권회 종단부(622b)가, xz 평면에 투영했을 때, 부극 탭(36)과 겹쳐있기 때문이다. 또, 비수 전해액 전지(4)에서는, 부극 탭(36)은, 권회 종단부(621b, 622b) 사이에 위치하고 있지 않기 때문이다. 즉, 비수 전해액 전지(4)의 구성에서는, 부극 탭(36)의 일방 측에 하나의 권회 종단부(611b)가 존재하고, 타방 측에는 2개의 권회 종단부(612b, 621b)가 존재하고 있는 것에 대해, 비수 전해액 전지(5)의 구성에서는, 부극 탭(36)의 양측에 권회 종단부가 2개씩[(611b, 722b), (612b, 721b)] 존재한다. 이것에 의해, 비수 전해액 전지(5)에서는, 부극 탭(36)이 받는 힘이 대칭이 된다. 그 때문에, 비수 전해액 전지(5)의 구성은, 비수 전해액 전지(4)의 구성보다, 부극 탭(36)에 비틀림이 생기기 어렵다.
도 11을 참조하여, 비수 전해액 전지(6)가 구비하는 권회체(80)는, 부극(82)을 포함하고 있다. 부극(82)은, 부극 집전체(820)와, 부극 합제층(821, 822)을 포함하고 있다. 도 11에 있어서, 820a, 821a, 및 822a는, 각각 부극 집전체(820), 부극 합제층(821), 및 부극 합제층(822)의 권회 시단부를 나타내는 참조 부호이다. 820b, 821b, 및 822b는, 각각 부극 집전체(820), 부극 합제층(821), 및 부극 합제층(822)의 권회 종단부를 나타내는 참조 부호이다.
부극 합제층(822)의 권회 종단부(822b)는, 권회체(80)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 부극 탭(36)과 정극 탭(35) 사이에 위치하고 있다. 또한, 부극 합제층(821)의 권회 종단부(821b)는, 권회체(80)의 폭 방향(x 방향)에 있어서, 정극 합제층(612)의 권회 종단부(612b)와 정극 탭(35) 사이에 위치하고 있다.
비수 전해액 전지(6)의 구성에 의하면, 비수 전해액 전지(5)와 마찬가지로, 권회 종단부(821b, 822b)의 양방이, xz 평면에 투영했을 때, 부극 탭(36)과 겹쳐있지 않다. 이것에 의해, 부극(82)이 팽창했을 때, 권회 종단부(821b, 822b)의 양측에서의 팽창 차에 의해, 부극 탭(36)이 비틀리는 것을 방지할 수 있다.
비수 전해액 전지(6)의 구성에 의하면, 또한, 권회 종단부(821b, 822b)는, 양방 모두 정극 탭(35)과 부극 탭(36) 사이에 위치하고 있다. 정극 탭(35) 및 부극 탭(36)은 각각 일정한 두께를 가지고 있기 때문에, 정극 탭(35)과 부극 탭(36) 사이의 부분에 있어서, 권회체(80)의 두께(y 방향의 치수)는 가장 얇아진다. 이 부분에 권회 종단부(821b, 822b)를 위치시킴으로써, 권회체(80)의 가장 두꺼운 부분의 두께를 얇게 할 수 있다. 따라서, 비수 전해액 전지(6)의 구성은, 비수 전해액 전지(4, 5)의 구성보다 바람직하다.
이상을 정리하면, 본 명세서에서 개시한 실시 형태는, 바람직한 순서로, 비수 전해액 전지(3)(도 8), 비수 전해액 전지(2)(도 7), 비수 전해액 전지(1)(도 3), 비수 전해액 전지(6)(도 11), 비수 전해액 전지(5)(도 10), 비수 전해액 전지(4)(도 9)가 된다.
[그 밖의 실시 형태]
이상, 본 발명에 대한 실시 형태를 설명하였지만, 본 발명은 상기 서술한 각 실시 형태에만 한정되지 않고, 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
비수 전해액 전지(1∼6)에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관련된 비수 전해액 전지는, 일방의 정극 합제층의 권회 종단부(311b, 612b)가, 권회체의 폭 방향에 있어서, 부극 탭보다 권회체의 내주 측에 있고, 타방의 정극 합제층 권회 종단부(312b, 611b)가, 권회체의 폭 방향에 있어서, 부극 탭보다 권회체의 외주 측에 있으면 된다. 이것에 의해, 권회 종단부 단차를 분산시킬 수 있기 때문이다.
상기의 구성에 있어서, 비수 전해액 전지(1∼3)에 나타내는 바와 같이, 권회체의 폭 방향에 있어서, 부극 탭보다 권회체의 외주 측에 위치하고 있는 정극 합제층의 권회 종단부(312b)는, 타방의 정극 합제층의 권회 종단부(311b)보다, 권회체의 외주 측에 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 외측의 정극 합제층에 굴곡부가 존재하지 않게 되기 때문이다.
상기의 구성에 있어서, 비수 전해액 전지(2, 3, 5, 6)에 나타낸 바와 같이, 일방의 부극 합제층의 권회 종단부(421b, 521b, 722b, 822b)는, 권회체의 폭 방향에 있어서, 대향하는 정극 합제층의 권회 종단부와 정극 탭 사이에 위치하고, 또한, 부극 탭의 양단의 사이에 위치하지 않고, 타방의 부극 합제층의 권회 종단부(422b, 522b, 721b, 821b)는, 권회체의 폭 방향에 있어서, 대향하는 정극 합제층의 권회 종단부와 정극 탭 사이에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 부극 합제층의 권회 종단부의 양측에서의 팽창 차에 의해, 부극 탭이 비틀리는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
상기의 구성에 있어서, 비수 전해액 전지(3, 6)에서 나타낸 바와 같이, 양방의 권회 종단부가, 상기 폭 방향에 있어서, 정극 탭과 부극 탭 사이에 위치하고 있는 것이 바람직하다. 권회체의 가장 두꺼운 부분의 두께를 얇게 할 수 있기 때문이다.
본 명세서에서는, 정극 탭이 권회체의 최외주 측에 형성된 구성을 예시하고 있다. 그러나, 정극 탭은, 권회체의 최내주 측(정극의 권회 시단부 측)에 형성되어 있어도 된다.
본 명세서에서는, 권회체가 알루미늄 합금 등으로 형성된 외장캔과 덮개판으로 이루어지는 전지 케이스에 수용된 구성을 예시하고 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 권회체가 라미네이트 외장체 등에 수용되어 있는 구성이어도 된다.
본 명세서에서는, 비수 전해액 전지가, 리튬 이온 이차 전지인 경우를 예시하고 있다. 본 발명은, 비수 전해액 전지가, 리튬 이온 이차 전지인 경우에 특히 적합하게 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 발명의 범위에서 다양한 비수 전해액 전지로서 실시가 가능하다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 이 실시예는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예]
<정극의 제조>
「Li1 .0Ni0 .5Co0 .2Mn0 .3O2」와「Li1 .036Co0 .0991Al0 .004Mg0 .002Sr0 .001Ti0 .002Zr0 .00102」를 3:7의 비율(질량비)로 혼합한 정극 활물질 100질량부와, 바인더인 PVDF를 10질량%의 농도로 포함하는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용액 20질량부와, 도전 조제인 인조 흑연 1질량부 및 케첸 블랙 1질량부를, 2축 혼련기를 사용하여 혼련하고, 또한 NMP를 가하여 점도를 조절하여, 정극 합제 함유 페이스트를 조제하였다.
상기 정극 합제 함유 페이스트(슬러리)를, 두께가 15㎛의 알루미늄박(정극 집전체)의 양면에 도포한 후, 100℃에서 7시간의 진공 건조를 행하여, 알루미늄박의 양면에 정극 합제층을 형성하였다. 그 후, 프레스(캘린더) 처리를 행하여, 정극 합제층의 두께 및 밀도를 조절하고, 알루미늄박의 노출부에 니켈제의 정극 탭을 용접하여, 길이 543mm, 폭 50mm의 띠 형상의 정극을 제조하였다. 얻어진 정극에 있어서의 정극 합제층은, 편면당의 두께가 65mm이었다.
<부극의 제조>
부극 활물질인 평균 입자경 D50%가 8㎛인 SiO 표면을 탄소 재료로 피복한 복합체(복합체에 있어서의 탄소 재료의 양이 10질량%)와, 평균 입자경 D50%가 16㎛인 흑연을, SiO 표면을 탄소 재료로 피복한 복합체의 양이 3.75질량%가 되는 양으로 혼합한 혼합물 97.5질량부와, 바인더인 SBR 1.5질량부와, 증점제인 CMC 1질량부에, 물을 가하여 혼합해, 부극 합제 함유 페이스트를 조제하였다.
상기 부극 합제 함유 페이스트(슬러리)를, 두께가 8㎛인 구리박(부극 집전체)의 양면에 도포한 후, 160℃에서 24시간의 진공 건조를 행하여, 구리박의 양면에 부극 합제층을 형성하였다. 그 후, 프레스(캘린더) 처리를 행하여, 부극 합제층의 두께 및 밀도를 조절하고, 구리박의 노출부에 니켈제의 부극 탭을 용접하여, 길이 626mm, 폭 51mm의 띠 형상의 부극을 제조하였다. 얻어진 부극에 있어서의 부극 합제층은, 편면당의 두께가 60㎛이었다.
<비수 전해액의 조제>
에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸카보네이트(DEC)의 용적비 3:7의 혼합 용매에, LiPF6을 1.1mol/L의 농도로 용해시켜서, 플루오로에틸렌카보네이트(FEC)를 2.0질량%가 되는 양, 및 비닐렌카보네이트(VC)를 2.0질량%이 되는 양으로, 각각 첨가하여, 비수 전해액을 조제하였다.
<전지의 조립>
상기 띠 형상의 정극을, 두께가 16㎛인 리튬 이차 전지용 PE제 세퍼레이터를 개재하여 상기 띠 형상의 부극에 겹치고, 권회한 후, 편평 형상이 되도록 가압하였다. 권회체는, 구조가 제1 실시 형태에 관련된 권회체(30)(도 3)에 준하도록 제조하였다.
다음으로, 외형 치수가 두께 4.4mm, 폭 45.8mm, 높이 55.3mm인 알루미늄 합금제의 각형의 전지 케이스에 상기 전극 권회체를 삽입하고, 집전 탭의 용접을 행함과 함께, 알루미늄 합금제의 덮개판을 전지 케이스의 개구 단부에 용접하였다. 그 후, 덮개판에 설치한 주입구로부터 상기 비수 전해액을 주입하고, 1시간 정치(靜置)한 후 주입구를 봉지하였다. 그 후, 화성 공정을 거쳐, 도 1에 나타내는 구조의 리튬이차 전지를 얻었다.
[비교예]
권회체를, 구조가 비교 형태에 관련된 권회체(90)(도 5)에 준하도록 제조하였다. 그 이외는 실시예와 동일하게 하여, 리튬 이차 전지를 얻었다.
[팽창량 측정]
두께 측정기로서, 디지털 마이크로미터(미쯔토요제)를 사용하였다. 측정 단자는 φ6mm, 측정압은 5∼10N으로 하여, 실시예 및 비교예에서 제조한 전지 각 10개의 두께를 측정하였다.
도 12는, 팽창량 측정에 있어서의, 두께의 측정 지점을 나타내는 도면이다. 도 12(a)는 리튬 이차 전지의 정면도이고, 도 12(b)는 평면도이며, 각각 치수를 붙여 나타내고 있다. 도 12(a)에는, 정극 탭(35) 및 부극 탭(36)의 위치에, 해칭을 하여 모식적으로 나타내고 있다. 각 전지에 대하여, 부극 탭(36)의 근방의 12점(P1∼P12)의 두께를 화성 전후에 측정하였다. 각 점의 두께는, 5회 측정하여 평균값을 구하였다. 화성 전후에 두께의 차가 가장 컸던 점에 있어서의, 화성 전후의 두께의 차(팽창량)를 조사하였다.
실시예에서 제조한 전지 10개의 각각에 대하여, 상기한 바와 같이 팽창량(mm)을 구하여, 평균값을 산출하였다. 비교예에서 제조한 전지 10개의 각각에 대해서도 마찬가지로, 상기한 바와 같이 팽창량(mm)을 구하여, 평균값을 산출하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
팽창량(mm)
실시예 0.287
비교예 0.314
표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예의 리튬 이차 전지는, 비교예의 리튬 이차 전지와 비교하여, 팽창량이 작았다. 본 발명에 의해, 권회체가 균일하게 팽창하여, 굴곡의 발생을 방지할 수 있었기 때문이라고 생각된다.
본 발명은, 편평 형상의 권회체를 구비하는 비수 전해액 전지로서 산업상의 이용이 가능하다.

Claims (7)

  1. 정극 및 부극이 세퍼레이터를 개재하여 권회된 편평 형상의 권회체와,
    상기 부극에 접합되며, 상기 권회체의 권회축 방향으로 연장된 부극 탭을 구비하며,
    상기 정극은, 띠 형상의 정극 집전체와, 상기 정극 집전체의 일방의 면에 형성된 제1 정극 합제층과, 상기 정극 집전체의 타방의 면에 형성된 제2 정극 합제층을 포함하고,
    상기 권회체의 주면과 평행하고, 또한 권회축 방향과 수직한 방향을 폭 방향으로 하며,
    상기 제1 정극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 부극 탭보다 상기 권회체의 내주 측에 위치하고,
    상기 제2 정극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 부극 탭보다 상기 권회체의 외주 측에 위치하고 있는, 비수 전해액 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 정극 합제층의 권회 종단부는, 상기 제1 정극 합제층의 권회 종단부보다, 상기 권회체의 외주 측에 있는, 비수 전해액 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정극에 접합되며, 상기 권회체의 권회축 방향으로 연장된 정극 탭을 더 구비하고,
    상기 부극은, 띠 형상의 부극 집전체와, 상기 세퍼레이터를 개재하여 상기 제2 정극 합제층과 대향하도록 상기 부극 집전체의 일방의 면에 형성된 제1 부극 합제층과, 상기 부극 집전체의 타방의 면에 형성된 제2 부극 합제층을 포함하며,
    상기 제1 부극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 제2 정극 합제층의 권회 종단부와 상기 정극 탭 사이에 위치하고, 또한, 상기 부극 탭의 양단의 사이에 위치하지 않으며,
    상기 제2 부극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 제1 정극 합제층의 권회 종단부와 상기 정극 탭 사이에 위치하고 있는, 비수 전해액 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 부극 합제층의 권회 종단부는, 상기 폭 방향에 있어서, 상기 정극 탭과 상기 부극 탭 사이에 위치하고 있는, 비수 전해액 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부극 탭은, 일방의 단부가 상기 부극의 권회축 방향의 일방의 단부 근방에 위치하도록 형성되고, 타방의 단부가 상기 부극의 권회축 방향의 타방의 단부로부터 돌출되도록 형성되어 있는, 비수 전해액 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부극 탭은, 상기 부극의 권회축 방향의 양단부 근방에서만 접합되며, 중앙 부분은 접합되어 있지 않은, 비수 전해액 전지.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 부극 합제층은, 금속 또는 산화물을 포함하고 있는, 비수 전해액 전지.
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