WO2017057012A1

WO2017057012A1 - 非水電解液二次電池

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Publication number: WO2017057012A1
Application number: PCT/JP2016/077215
Authority: WO
Inventors: 小島　亮
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: JPWO2017057012A1; JP6505859B2

Abstract

本発明の課題は、正極金属箔の切り残し幅を広くすることなく、正極タブ部の切断エッジに起因した負極との短絡を防ぐことができる構造の非水電解液二次電池を得ることである。本発明の非水電解液二次電池（１）は、正極電極（３１）と負極電極（４１）を間にセパレータ（５１）を介して交互に配置して積層された電極群（４）を有する。そして、正極電極（３１）は、正極金属箔（３２）の両面に正極合剤層（３３）が設けられた正極基部（３４）と、正極基部（３４）から突出して正極金属箔（３２）が露出する正極タブ部（３５）とを有している。そして、正極タブ部（３５）の基端部でかつ隣接する負極電極（４１）と対向する領域に保護層（３６）が設けられている。

Description

非水電解液二次電池

　本発明は、非水電解液二次電池に関する。

　特許文献１には、円筒型リチウムイオン電池の電極捲回群において、正極リードの切断エッジが負極活物質塗布部分と重ならないようにすることで短絡の防止を図る技術が提案されている。

特許第4305035号公報

　しかしながら、特許文献１の技術では集電リードとして使用しない部分の基材箔の切り残し幅を広くする必要があり、正極合剤を高密度で圧延した場合には電極の湾曲が生じ、本来正極合剤密度を高くするための方法であるところの効果を減じるものとなっている。

　本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、正極金属箔の切り残し幅を広くすることなく、正極タブ部の切断エッジに起因した負極との短絡を防ぐことができる構造の非水電解液二次電池を提供することにある。

　上記課題を解決する本発明の非水電解液二次電池は、正極電極と負極電極を間にセパレータを介して交互に配置して積層された電極群を有する非水電解液二次電池であって、前記正極電極は、正極金属箔の両面に正極合剤層が設けられた正極基部と、該正極基部から突出して前記正極金属箔が露出する正極タブ部とを有し、該正極タブ部の基端部に保護層が設けられていることを特徴とする。

　本発明によれば、正極タブ部における正極金属箔のバリを介して正極電極と負極電極とが短絡するのを防ぐことができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の角形二次電池の外観斜視図。電極群を蓋組立体に取り付けた状態を示す分解斜視図。電極群の一つの具体例を示す斜視図。電極群の他の具体例を示す斜視図。正極電極と負極電極とセパレータの位置関係を説明する図。図５ＡのＢ－Ｂ線断面図。図５ＡのＡ部を拡大して示す図。図５ＢのＢ部を拡大して示す図。正極合剤層と保護層を形成する工程を模式的に示す図。正極タブ部を形成する工程を模式的に示す図。実施例２に係わる非水電解液二次電池の外観斜視図。図９のＡ部を拡大して示す図。

　以下、本発明の非水電解液二次電池を角形二次電池に適用した場合の実施の形態について、図面を参照して説明する。

　非水電解液二次電池では、容量密度の向上のために活物質合剤の密度を高くすることが求められている。この密度を上げるために、金属箔に塗布された活物質合剤をロールプレス装置で圧延する工程が一般的である。このとき、捲回式の電極群を持つ電池であり、集電のために活物質が塗布されない金属箔が一端に、活物質合剤がもう一端に塗布されている電極の場合、強い線圧で圧延した場合は、活物質が塗布されている部分が強く圧延される一方で、塗布されていない部分はそれに比べて弱い圧延となるので金属箔の伸びに差が生じ、電極に湾曲が生じる。

　これを回避するために、例えば、活物質が塗布されない金属箔部分を、集電タブとなる部分を残して切り取ることが提案されている。この場合、集電タブとして使用しない部分は活物質合剤の塗布境界最近傍まで切断し、金属箔の露出幅を極力少なくすることが、上記の湾曲回避のためには有効である。

　一方で、一般に非水電解液二次電池では、正極のすべてが負極と対向するように電極を配置することで、充電時に正極から負極に移動するＬｉイオンが針状析出して短絡するなどの危険を回避している。上述のようにリードとして使用しない部分の金属箔の幅を狭くした構成の場合、正極活物質塗工部が全て負極活物質塗工部に対向するように配置すると、切り残したリードとして使用する部分の金属箔の切断エッジが負極活物質と対向する位置に配置されることになる。

　正極金属箔の切断エッジは、セパレータを介して負極と隔絶されているが、集電部品への溶接等のためにリード部分を束ねて折り曲げる等した場合、セパレータを傷つけて短絡を引き起こすことが懸念される。すなわち、非水電解液二次電池の正極活物質材料を含む正極電極合剤の密度を上げるために高強度で圧延するが、かかる工程で電極が湾曲するのを防止するために活物質が塗布されない金属箔部分を集電のためのリードとなる部分を残して切り取る構成を採用した場合に、金属箔リードの切断エッジは、加工時の応力によりバリや返りが生じやすく、これを原因とするセパレータの破断により、負極と正極との間に短絡が起きることが懸念される。

　これに対し、本発明の非水電解液二次電池は、正極タブ部の基端部でかつ隣接する負極電極と対向する領域に保護層が設けられており、正極タブ部における正極金属箔のバリを介して正極電極と負極電極とが短絡するのを防ぐことができる。
［実施例１］
　図１は、実施例１の角形二次電池の外観斜視図、図２は、電極群を蓋組立体に取り付けた状態を示す分解斜視図である。

　本発明が適用される実施例１の非水電解液二次電池は、角形二次電池１であり、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の動力源として用いられるリチウムイオン二次電池である。角形二次電池１は、電極群４を収容する角形の電池缶２と、電池缶２の開口部を閉塞する電池蓋３とからなる電池容器を有する。電池缶２および電池蓋３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料にプレス加工等を施すことによって形成されている。電池缶２は、深絞り加工による角形の箱形状を有しており、電池蓋３は、電池缶２の開口部を塞ぐ長方形の平板形状を有している。電池蓋３は、電池缶２に溶接されて開口部を封口している。

　電池蓋３の長辺に沿った方向の両端側の位置には、正極外部端子１１および負極外部端子２１が配設されている。電池蓋３の長辺方向中央寄りの位置には、ガス排出弁５が配設されている。そして、ガス排出弁５の側方位置には、電池内に電解液を注入するための注液孔６が配設されている。注液孔６は、電解液を注入した後に、注液栓７を電池蓋３に溶接することによって封止される。電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。

　電池蓋３の裏面側には、正極集電体１２及び負極集電体２２が固定されている。正極集電体１２は、電池蓋３を貫通する正極接続端子によって正極外部端子１１と一体に電池蓋３にかしめ固定されており、正極外部端子１１と電気的に接続されている。負極集電体２２は、電池蓋３を貫通する負極接続端子によって負極外部端子２１と一体に電池蓋３にかしめ固定されており、負極外部端子２１と電気的に接続されている。

　また、特に図示していないが、正極接続端子および負極接続端子と電池蓋３との間、および、正極集電体１２および負極集電体２２と電池蓋３との間には、それぞれ絶縁樹脂が介在されて絶縁されている。このように、電池蓋３に正極外部端子１１および負極外部端子２１、正極集電体１２および負極集電体２２等が固定されて蓋組立体が構成される。そして、この蓋組立体に電極群４が取り付けられている。

　蓋組立体に取り付けられた電極群４は、絶縁ケース（図示せず）に覆われた状態で電池缶２に収容される。絶縁ケースの材質は、ポリプロピレン等の絶縁性を有する樹脂である。これにより、電池缶２の内面と、電極群４とは電気的に絶縁されている。

　電極群４は、正極電極３１と負極電極４１とを、間にセパレータ５１を介在させて扁平状に捲回して積層した構造を有している。電極群４の捲回軸方向一方側の端部には、複数の正極タブ部３５が配置され、他方の端部に負極タブ部４５が配置されている。正極タブ部３５と負極タブ部４５は、電極群４の厚さ方向中央位置に束ねられて、それぞれ超音波溶接によって正極集電体１２と負極集電体２２に一体に接合される。この際、正極タブ部３５および負極タブ部４５が超音波による振動で切裂しないように、正極リボン１３と負極リボン２３を当接してこれらと一体に溶接している。

　図３に示す具体例では、電極群４の平坦部と湾曲部のうち、平坦部のみに正極タブ部３５と負極タブ部４５が設けられているが、図４に示す他の具体例のように、電極群４の平坦部と湾曲部の両方に正極タブ部３５と負極タブ部４５を設けて、それぞれ正極集電体１２および負極集電体２２に接合してもよい。

　図５Ａは、正極電極と負極電極とセパレータの位置関係を説明する図、図５Ｂは、図５ＡのＢ－Ｂ線断面図、図６Ａは、図５ＡのＡ部を拡大して示す図、図６Ｂは、図５ＢのＢ部を拡大して示す図である。

　正極電極３１は、正極金属箔３２の両面に正極合剤層３３が設けられた正極基部３４と、正極基部３４から突出して正極金属箔３２が露出する正極タブ部３５を有している。正極基部３４は、長辺と短辺を有する帯形状を有しており、正極タブ部３５は、正極基部３４の幅方向一方側の長辺３４ａにおいて複数が互いに等間隔をおいて設けられている。正極合剤層３３の幅方向一方側の端縁３３ａは、正極基部３４の長辺３４ａとの間に所定の距離ｘ１を有して離れた位置に設けられており、正極合剤層３３の幅方向他方側の端縁３３ｂは、正極基部３４の長辺３４ｂと同じ位置に設けられている。なお、本実施例では、正極タブ部３５と正極基部３４とが一体に設けられているが、別体に設けたものを後で接続する構成としてもよい。

　負極電極４１は、負極金属箔４２の両面に負極合剤層４３が設けられた負極基部４４と、負極基部４４から突出して負極金属箔４２が露出する負極タブ部４５とを有している。負極基部４４は、長辺と短辺を有する帯形状を有しており、負極タブ部４５は、負極基部４４の幅方向一方側の長辺４４ａにおいて複数が互いに等間隔をおいて設けられている。負極合剤層４３の幅方向一方側の端縁４３ｂは、負極基部４４の幅方向一方側の長辺４４ｂと同じ位置に設けられており、負極合剤層４３の幅方向他方側の端縁４３ａは、負極基部４４の長辺４４ａとの間に所定の間隔を有して離れた位置に設けられている。

　正極電極３１は、例えば図５Ｂに示すように、負極電極４１の負極基部４４よりも正極基部３４の方が幅狭に形成されている。正極電極３１と負極電極４１は、セパレータ５１を間に介して捲回された状態では、正極基部３４の一対の長辺３４ａ、３４ｂが負極基部４４の一対の長辺４４ａ、４４ｂよりもそれぞれ幅方向外側（捲回軸方向外側）の位置に配置される。

　正極電極３１は、図６Ａに示すように、正極合剤層３３から突出した正極金属箔３２のうち、正極タブ部３５以外の部分を正極合剤層３３の近傍まで切除して形成されている。そして、正極合剤層３３から正極基部３４の長辺３４ａまでの幅ｘ１が、電極群４の幅方向一方側における負極合剤層４３の端縁４３ｂの位置と正極合剤層３３の端縁３３ａの位置との距離差ｘ２よりも小さくなるように形成されている。

　正極金属箔３２は、厚さ２０～３０μｍ程度のアルミニウム合金箔により構成され、負極金属箔４２は、厚さ１５～２０μｍ程度の銅合金箔により構成されている。正極合剤層３３に含まれる正極活物質は、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複酸化物であり、負極合剤層４３に含まれる負極活物質は、リチウムイオンを可逆に吸蔵、放出可能な黒鉛等の炭素材である。セパレータ５１の素材は多孔質のポリエチレン樹脂である。

　正極タブ部３５は、図６Ａに示すように、正極基部３４の長辺３４ａから正極電極３１の幅方向外側に向かって略一定のタブ幅で突出している。正極タブ部３５は、正極基部３４の長辺３４ａから正極タブ部３５の先端部に向かって移行するにしたがって正極タブ部３５のタブ幅が漸次狭くなるように円弧状に形成されたＲ部３５ａと、Ｒ部３５ａに連続して先端部に向かって直線状に形成された直線部３５ｂを有している。正極タブ部３５のＲ部３５ａは、正極基部３４と正極タブ部３５の切損および断裂を防止するために正極基部３４との境界部に設けられている。

　Ｒ部３５ａは、負極電極４１の負極合剤層４３と重なる位置に配置される。正極タブ部３５は、後述するように、ロータリーカッターで切断して形成した場合、正極金属箔３２の切断エッジにバリが発生するおそれがあり、Ｒ部３５ａにおいて最もバリが発生しやすい。Ｒ部３５ａは、通常１５μｍ程度の正極金属箔３２の端部であり、正極タブ部３５の形成時にバリが生じた場合には、例えば束ねた際に、通常３０μｍ程度の多孔質樹脂膜であるセパレータ５１を貫通して短絡の原因となるおそれがある。

　本実施例では、正極タブ部３５の基端部でかつ隣接する負極電極４１と対向する領域に保護層３６を設けている。保護層３６は、少なくとも正極タブ部３５のＲ部３５ａに相当する幅に設けられており、本実施例では、保護層３６の端部は、負極合剤層４３の端縁４３ｂよりも幅方向外側に位置するように設けられている。

　保護層３６は、例えば絶縁部材を正極金属箔３２の上に塗布することによって形成される。絶縁部材は、ポリフッ化ビニリデンをNMPに溶解させた樹脂を塗布乾燥したものとするのが簡便であるが、アルミナ等の無機フィラーを含有したり、炭酸リチウム等の導電性のない無機物を含有させることも可能であり、絶縁部材の組成を限定するものではない。

　保護層３６は、所定の厚みを有しており、正極金属箔３２にバリが発生した場合に、保護層３６からのバリの突出高さを低くすることができる。したがって、Ｒ部３５ａの正極金属箔３２のバリがセパレータを突き破って短絡するのを防止することができる。

　本実施例では、正極タブ部３５の基端部だけでなく、正極合剤層３３の端縁３３ａから正極基部３４の長辺３４ａとの間の領域にも絶縁部材を塗布して保護層３６を設けている。すなわち、保護層３６は、正極合剤層３３の端縁３３ａから、正極タブ部３５の基端部で且つ隣接する負極電極４１の負極合剤層４３の端縁４３ｂよりも幅方向外側の位置までの幅ｘ３に亘って設けられている。保護層３６の塗布幅ｘ３は、電極群４の幅方向一方側における負極合剤層４３の側端位置と正極合剤層３３の側端位置との距離差ｘ２よりも大きくするのが好ましい。

　正極合剤層３３の端縁３３ａから正極基部３４の長辺３４ａとの間の領域にも保護層３６を設けることによって、長辺３４ａの切断エッジにバリが発生した場合に、正極合剤層３３からのバリの突出高さを低くすることができる。したがって、正極金属箔３２のバリがセパレータ５１を突き破って隣接する負極電極４１との間で短絡するのを防止することができる。

　図７は、正極合剤層と保護層を形成する工程を模式的に示す図、図８は、正極タブ部を形成する工程を模式的に示す図である。

　正極電極３１を形成する方法は、正極金属箔３２の両面に正極合剤を塗工する工程と、正極金属箔３２の一方の長辺を切断して正極タブ部３５を形成する工程を有する。

　本実施例では、正極合剤を塗布する際に、同時に保護層３６を形成するための絶縁部材の塗布も行う。このように正極合剤と同時に絶縁部材を塗布することで製造タクトを短縮することができる。絶縁部材の塗工はダイコーターで行われる。例えば図７に示すように、塗工方向に移動される正極金属箔３２に対して、正極合剤を塗布するノズル６１とは別に、絶縁部材を塗布するノズル６２を使用して、正極合剤に隣接する位置に絶縁部材を塗布する。

　そして、例えば図８に示すように、加工方向に回転するロータリーカッター６３を用いて正極金属箔３２の幅方向一方側の端部を切断することによって正極タブ部３５を形成する。正極タブ部３５の形成は、塗工部分両端に対して行い、その状態で圧延加工をすることにより、巻取り方向左右の伸びを均等化して電極の湾曲を防止する。

　本実施例によれば、正極タブ部３５の基端部でかつ隣接する負極電極４１と対向する領域に保護層３６を設けているので、正極金属箔３２の切断エッジにバリが発生した場合に、バリがセパレータを突き破って負極電極４１との間で短絡するのを防止することができる。
［実施例２］
　次に、実施例２について図９および図１０を用いて説明する。

　図９は、実施例２に係わる非水電解液二次電池の外観斜視図、図１０は、図９のＡ部を拡大して示す図である。なお、実施例１と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

　本実施例において特徴的なことは、正極基部３４の正極合剤層３３を正極タブ部３５の基端部でかつ隣接する負極電極４１と対向する領域まで延ばして保護層を構成したことである。

　本実施例では、正極合剤層３３は、正極基部３４の全面に亘って設けられており、更に連続して正極タブ部３５の基端部にも設けられている。正極タブ部３５の基端部における正極合剤層３３は、Ｒ部３５ａに相当する幅に亘って設けられており、保護層を形成している。正極タブ部３５の基端部における正極合剤層３３は、隣接する負極電極４１と対向する領域の全てを覆うことが好ましいが、かかる構成に限定されるものではなく、最もバリが発生しやすいＲ部３５ａに相当する幅だけを覆うように設けてもよく、短絡の可能性を低減させるという効果を有する。

　保護層は、正極タブ部３５における正極合剤層３３の端縁３３ｃが負極合剤層４３の端縁４３ｂよりも正極電極３１の幅方向内側に位置している。正極電極３１と負極電極４１は、正極タブ部３５の基端部における正極合剤層３３の端縁３３ｃが負極合剤層４３の端縁４３ｂよりも幅方向内側に位置するように互いに積層配置されており、充電時に正極から負極に移動してくるＬｉイオンが固形析出しないようになっている。

　正極タブ部３５の基端部に設けられた正極合剤層３３は、所定の厚みを有しており、正極金属箔３２の切断エッジにバリが発生した場合に、正極合剤層３３からのバリの突出高さを低くすることができる。また、正極合剤層３３は、正極基部３４の長辺３４ａまで設けられているので、長辺３４ａの切断エッジにバリが発生した場合に、正極合剤層３３からのバリの突出高さを低くすることができる。したがって、正極金属箔３２のバリがセパレータ５１を突き破って隣接する負極電極４１との間で短絡するのを防止することができる。

　尚、上述の実施例１、２では、負極電極４１が負極タブ部４５を有する場合を例に説明したが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、負極電極４１の圧延に要する圧力が小さく、このような複数の負極タブ部４５を設けた形状でなくとも負極電極４１が湾曲する懸念のない場合は、このような複数の負極タブ部４５を形成する加工の必要はなく、一定幅の負極金属箔を以って集電部とする構成も可能である。

　また、上述の実施例１、２では、本発明の非水電解液二次電池を角形二次電池１に適用した場合を例に説明したが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、円筒形の電極群を有する円筒形二次電池に適用することもできる。また、電極群４は、捲回式のものに限定されるものではなく、例えば矩形シート状の正極電極と負極電極を交互に重ね合わせて積層させた積層式のものに適用することもできる。また、上述の実施例１、２では、正極タブ部３５の基端部にＲ部３５ａを有する場合を例に説明したが、Ｒ部３５ａを設けることは必須ではなく、Ｒ部３５ａを設けなくてもよい。

　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１　角形二次電池（非水電解液二次電池）
４　電極群
３１　正極電極
３２　正極金属箔
３３　正極合剤層
３３ａ、３３ｂ　端縁
３４　正極基部
３４ａ　長辺
３５　正極タブ部
３５ａ　Ｒ部
３６　保護層
４１　負極電極
４２　負極金属箔
４３　負極合剤層
４３ａ、４３ｂ　端縁
４４　負極基部
４４ａ　長辺
５１　セパレータ

Claims

　正極電極と負極電極を間にセパレータを介して交互に配置して積層された電極群を有する非水電解液二次電池であって、
　前記正極電極は、正極金属箔の両面に正極合剤層が設けられた正極基部と、該正極基部から突出して前記正極金属箔が露出する正極タブ部とを有し、該正極タブ部の基端部に保護層が設けられていることを特徴とする非水電解液二次電池。
　前記正極基部と前記正極タブ部は一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非水電解液二次電池。
　前記保護層は、少なくとも前記正極タブ部の基端部でかつ隣接する前記負極電極と対向する領域に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の非水電解液二次電池。
　前記保護層は、絶縁部材により構成されていることを特徴とする請求項３に記載の非水電解液二次電池。
　前記保護層は、前記正極合剤層により構成されていることを特徴とする請求項３に記載の非水電解液二次電池。
　前記絶縁部材と前記正極合剤層とは同じ工程で前記正極金属箔に塗布されることを特徴とする請求項４に記載の非水電解液二次電池。
　前記正極タブ部は、前記正極基部との境界部にＲ部を有しており、
　前記保護層は、少なくとも前記Ｒ部に相当する幅に設けられることを特徴とする請求項３に記載の非水電解液二次電池。
　前記負極電極は、負極金属箔の両面に負極合剤層が設けられた負極基部と、該負極基部から突出して前記負極金属箔が露出する負極タブ部とを有し、
　前記保護層は、前記正極合剤層の端縁が前記負極合剤層の端縁よりも前記正極電極の幅方向内側に位置することを特徴とする請求項５に記載の非水電解液二次電池。