WO2024048145A1 - 円筒形電池 - Google Patents

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WO2024048145A1
WO2024048145A1 PCT/JP2023/027314 JP2023027314W WO2024048145A1 WO 2024048145 A1 WO2024048145 A1 WO 2024048145A1 JP 2023027314 W JP2023027314 W JP 2023027314W WO 2024048145 A1 WO2024048145 A1 WO 2024048145A1
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positive electrode
exposed portion
negative electrode
electrode core
core exposed
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一樹 松下
悠介 蒲野
信也 森
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パナソニックエナジー株式会社
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    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
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    • H01M10/0587Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present disclosure relates to cylindrical batteries.
  • Patent Document 1 Conventionally, as a cylindrical battery, there is one described in Patent Document 1.
  • This cylindrical battery has a core exposed portion where the positive electrode core is exposed only at one end in the width direction in the longitudinally intermediate portion of the region where the positive electrode active material is provided in the elongated positive electrode core.
  • a positive electrode lead is connected to the exposed portion of the core.
  • the core exposed portion is provided only at one end in the width direction in the longitudinal intermediate portion of the region where the positive electrode active material is provided, so that one side in the width direction and the other end in the width direction in the intermediate portion The strength changes depending on the side. Therefore, during charging and discharging of a cylindrical battery, the expansion and contraction that occur in the electrode body may become non-uniform in the axial direction, leading to a risk of deterioration of battery characteristics.
  • an object of the present disclosure is to provide a cylindrical battery that suppresses uneven expansion and contraction in the axial direction of an electrode body during charging and discharging, and in which battery characteristics are less likely to deteriorate.
  • a cylindrical battery includes a long positive electrode having a positive electrode core and a positive electrode mixture layer, a long negative electrode having a negative electrode core and a negative electrode mixture layer, and a separator.
  • the positive electrode When the positive electrode is provided with an electrode body wound through the width direction, and one end of the widthwise ends of the positive electrode is a first end and the other end is a second end, the positive electrode has an electrode body wound in the longitudinal direction.
  • a first positive electrode is located between the end of the positive electrode mixture layer on the winding start side and the end of the positive electrode mixture layer on the winding end side, the first positive electrode is located at the first end, the positive electrode core is exposed, and the positive electrode lead is connected.
  • the length in the width direction between the first exposed positive electrode core part and the second exposed positive electrode core part is the length in the width direction of the positive electrode.
  • FIG. 1 is an axial cross-sectional view of a cylindrical battery according to an embodiment of the present disclosure. It is a perspective view of the electrode body of the said cylindrical battery.
  • (a) is a plan view of the inner surface of the positive electrode developed into a long shape
  • (b) is a plan view of the outer surface of the positive electrode developed into a long shape
  • (c) is a plan view of the outer surface of the positive electrode developed into a long shape.
  • FIG. 3(d) is a plan view of the inner surface of the negative electrode developed into a long shape;
  • FIG. It is a schematic plan view when a part of electrode body is seen from one side in the axial direction.
  • the shaded area is the mixture layer forming area.
  • the cylindrical battery is a lithium ion secondary battery, but the cylindrical battery of the present disclosure is not limited to a lithium ion secondary battery, Cylindrical batteries other than ion secondary batteries may be used.
  • constituent elements that are not described in the independent claim indicating the most significant concept are optional constituent elements and are not essential constituent elements.
  • FIG. 1 is an axial cross-sectional view of a cylindrical battery 10 according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a perspective view of an electrode body 14 of the cylindrical battery 10.
  • a cylindrical battery (hereinafter simply referred to as a battery) 10 includes a wound electrode body 14, a nonaqueous electrolyte (not shown), and a bottomed cylinder that houses the electrode body 14 and the nonaqueous electrolyte.
  • a metal outer can 16 having a shape and a sealing body 17 for closing an opening of the outer can 16 are provided.
  • the electrode body 14 has a wound structure in which an elongated positive electrode 11 and an elongated negative electrode 12 are wound with two elongated separators 13 in between.
  • the negative electrode 12 is formed to be one size larger than the positive electrode 11 in order to prevent precipitation of lithium. That is, the negative electrode 12 is formed longer than the positive electrode 11 in the longitudinal direction and the width direction (short direction). Further, the two separators 13 are formed to be at least one size larger than the positive electrode 11, and are arranged so as to sandwich the positive electrode 11 therebetween.
  • the negative electrode 12 may constitute the winding start end of the electrode body 14. However, in general, the separator 13 extends beyond the winding start side end of the negative electrode 12, and the winding start side end of the separator 13 becomes the winding start end of the electrode body 14.
  • the non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
  • the non-aqueous solvent for example, esters, ethers, nitriles, amides, and mixed solvents of two or more of these may be used.
  • the non-aqueous solvent may contain a halogen-substituted product in which at least a portion of the hydrogen atoms of these solvents are replaced with halogen atoms such as fluorine.
  • the non-aqueous electrolyte is not limited to a liquid electrolyte, and may be a solid electrolyte using a gel-like polymer or the like.
  • a lithium salt such as LiPF 6 is used as the electrolyte salt.
  • the positive electrode 11 has a positive electrode core 41 and positive electrode mixture layers 42 formed on both sides of the positive electrode core 41 (see FIGS. 3(a) and 3(b)).
  • a metal foil such as aluminum or an aluminum alloy that is stable in the potential range of the positive electrode 11, a film having the metal disposed on the surface layer, or the like can be used.
  • the positive electrode mixture layer 42 includes a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder.
  • the positive electrode 11 is made by, for example, applying a positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, etc. onto a positive electrode core 41, drying the coating film, and then compressing it to form a positive electrode mixture layer 42. It can be manufactured by forming on both sides of the positive electrode core 41.
  • the positive electrode active material is composed of a lithium-containing metal composite oxide as a main component.
  • Metal elements contained in the lithium-containing metal composite oxide include Ni, Co, Mn, Al, B, Mg, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Sr, Zr, Nb, In, and Sn. , Ta, W, etc.
  • An example of a preferable lithium-containing metal composite oxide is a composite oxide containing at least one of Ni, Co, Mn, and Al.
  • Examples of the conductive agent contained in the positive electrode mixture layer 42 include carbon materials such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, graphite, and carbon nanotubes.
  • Examples of the binder included in the positive electrode mixture layer 42 include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyimide resins, acrylic resins, and polyolefin resins. can. These resins may be used in combination with cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose (CMC) or its salts, polyethylene oxide (PEO), and the like.
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • PEO polyethylene oxide
  • the negative electrode 12 has a negative electrode core 51 and negative electrode mixture layers 52 formed on both sides of the negative electrode core 51 (see FIGS. 3(c) and 3(d)).
  • a metal foil such as copper or a copper alloy that is stable in the potential range of the negative electrode 12, a film with the metal disposed on the surface, or the like can be used.
  • the negative electrode mixture layer 52 includes a negative electrode active material and a binder.
  • the negative electrode 12 is produced by, for example, applying a negative electrode mixture slurry containing a negative electrode active material, a binder, etc. onto a negative electrode core 51, drying the coating film, and then compressing the negative electrode mixture layer 52 onto the negative electrode core. It can be produced by forming it on both sides of 51.
  • a carbon material that reversibly occludes and releases lithium ions is generally used as the negative electrode active material.
  • Preferred carbon materials include natural graphite such as flaky graphite, lumpy graphite, and earthy graphite, and graphite such as artificial graphite such as lumpy artificial graphite and graphitized mesophase carbon microbeads.
  • the negative electrode mixture layer 52 may contain a Si material containing silicon (Si) as a negative electrode active material.
  • a metal other than Si that is alloyed with lithium, an alloy containing the metal, a compound containing the metal, etc. may be used as the negative electrode active material.
  • the binder contained in the negative electrode mixture layer 52 may be fluororesin, PAN, polyimide resin, acrylic resin, polyolefin resin, etc., but preferably styrene-butadiene rubber ( SBR) or its modified form.
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • the negative electrode mixture layer 52 may contain, for example, in addition to SBR or the like, CMC or a salt thereof, polyacrylic acid (PAA) or a salt thereof, polyvinyl alcohol, or the like.
  • porous sheet having ion permeability and insulation properties is used.
  • porous sheets include microporous thin films, woven fabrics, and nonwoven fabrics.
  • Preferable materials for the separator 13 include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, cellulose, and the like.
  • the separator 13 may have either a single layer structure or a laminated structure. A heat-resistant layer or the like may be formed on the surface of the separator 13.
  • a positive electrode lead 20 is connected to the positive electrode 11, and a negative electrode lead 21 is connected to the negative electrode 12.
  • the battery 10 has an insulating plate 18 above the electrode body 14 and an insulating plate 19 below the electrode body 14.
  • the positive electrode lead 20 passes through the through hole of the insulating plate 18 and extends toward the sealing body 17
  • the negative electrode lead 21 extends through the through hole of the insulating plate 19 toward the bottom 68 of the outer can 16 .
  • the positive electrode lead 20 is connected to the lower surface of the sealing plate 23 of the sealing body 17 by welding or the like.
  • a terminal cap 27 constituting the top plate of the sealing body 17 is electrically connected to the sealing plate 23, and the terminal cap 27 becomes a positive terminal.
  • the negative electrode lead 21 is connected to the inner surface of the bottom 68 of the metal outer can 16 by welding or the like, and the outer can 16 serves as a negative electrode terminal.
  • the positive electrode lead 20 is electrically connected to an intermediate portion of the positive electrode core 41 such as a central portion in the winding direction.
  • the negative electrode lead 21 is electrically connected to an intermediate portion of the negative electrode core 51 such as the center in the winding direction, and the outermost periphery of the electrode body 14 is constituted by the negative electrode core 51.
  • the outermost negative electrode core 51 is brought into contact with the inner surface of the outer can 16. In this way, by electrically connecting both the longitudinal center portion and the winding end side of the negative electrode 12 to the negative electrode terminal, the current collection path through which the current flows is shortened and the internal resistance of the battery 10 is reduced. It is decreasing.
  • the outermost circumferential surface of the electrode body in the winding direction may be formed of a separator so that the winding end side end of the negative electrode 12 may not be electrically connected to the negative electrode terminal.
  • the battery 10 further includes a resin gasket 28 disposed between the outer can 16 and the sealing body 17.
  • the sealing body 17 is caulked and fixed to the opening of the exterior can 16 via a gasket 28 . Thereby, the internal space of the battery 10 is sealed.
  • the gasket 28 is sandwiched between the outer can 16 and the sealing body 17 and insulates the sealing body 17 from the outer can 16.
  • the gasket 28 has the role of a sealing material for maintaining airtightness inside the battery and the role of an insulating material for insulating the outer can 16 and the sealing body 17.
  • the outer can 16 accommodates the electrode body 14 and the nonaqueous electrolyte, and has a shoulder portion 38, a grooved portion 34, a cylindrical portion 30, and a bottom portion 68.
  • the grooved portion 34 can be formed, for example, by spinning a part of the side surface of the outer can 16 radially inward to create an annular depression radially inward.
  • the shoulder 38 is formed by bending the upper end of the outer can 16 inward toward the peripheral edge 39 of the seal 17 when caulking and fixing the seal 17 to the outer can 16 .
  • the sealing body 17 has a structure in which a sealing plate 23, a lower valve body 24, an insulating member 25, an upper valve body 26, and a terminal cap 27 are laminated in order from the electrode body 14 side.
  • Each member constituting the sealing body 17 has, for example, a disk shape or a ring shape, and each member except the insulating member 25 is electrically connected to each other.
  • the sealing plate 23 has at least one through hole 23a. Further, the lower valve body 24 and the upper valve body 26 are connected at their respective central portions, and an insulating member 25 is interposed between their respective peripheral portions.
  • the lower valve body 24 deforms and breaks so as to push the upper valve body 26 toward the terminal cap 27, causing the lower valve body 24 and the upper valve body 26 to become separated. The current path between the two is cut off.
  • the upper valve body 26 breaks and gas is discharged from the through hole 27a of the terminal cap 27. By discharging this gas, it is possible to prevent the battery 10 from bursting due to an excessive increase in the internal pressure of the battery 10, thereby increasing the safety of the battery 10.
  • FIG. 3(a) is a plan view of the inner surface 11a of the positive electrode 11 developed into a long shape
  • FIG. 3(b) is a plan view of the outer surface 11b of the positive electrode 11 developed into a long shape
  • FIG. 3(c) is a plan view of the inner surface 12a of the negative electrode 12 developed into a long shape
  • FIG. 3(d) is a plan view of the outer surface 12b of the negative electrode 12 developed into a long shape. be.
  • the inner surface 11a of the positive electrode 11 is an example of the first surface of the positive electrode 11, and the outer surface 11b of the positive electrode 11 is an example of the second surface of the positive electrode 11.
  • the ⁇ direction indicates the longitudinal direction of the positive electrode 11 when the positive electrode 11 is unfolded into a long shape
  • the ⁇ direction indicates the longitudinal direction of the positive electrode 11 when the positive electrode 11 is developed into a long shape.
  • the width direction of the positive electrode 11 is shown.
  • the ⁇ direction indicates the longitudinal direction of the negative electrode 12 when the negative electrode 12 is developed into a long shape
  • the ⁇ direction indicates the longitudinal direction of the negative electrode 12 when the negative electrode 12 is developed into a long shape
  • the width direction of the negative electrode 12 is shown.
  • the positive electrode 11 includes a positive electrode core 41 and a positive electrode mixture layer 42 disposed on the positive electrode core 41.
  • the winding inner surface 11a of the positive electrode 11 has a first positive electrode core exposed portion 45 and a second positive electrode core exposed portion 46 at the intermediate portion in the ⁇ direction of the region where the positive electrode mixture layer 42 is formed. has. More specifically, the winding inner surface 11a of the positive electrode 11 has a first positive electrode core exposed between a starting end 42a on the winding start side of the positive electrode mixture layer 42 and a terminal end 42b on the winding end side of the positive electrode mixture layer 42 in the ⁇ direction. portion 45 and a second positive electrode core exposed portion 46.
  • the first positive electrode core exposed portion 45 is a portion where the positive electrode core 41 is exposed, and is located at a first end that is one end in the ⁇ direction (coinciding with the upper end in the axial direction).
  • the positive electrode lead 20 is connected to the first positive electrode core exposed portion 45 .
  • the first positive electrode core exposed portion 45 is extended from 40% to 60% of the length in the ⁇ direction from the starting end 42a of the positive electrode mixture layer 42 to the terminal end 42b of the positive electrode mixture layer 42 in the ⁇ direction. It is preferable to provide between the positions because the current collection path can be shortened and the internal resistance of the battery 10 can be reduced.
  • the second positive electrode core exposed portion 46 is a portion where the positive electrode core 41 is exposed, and is located at a second end that is the other end in the ⁇ direction (coinciding with the lower end in the axial direction). At least a portion of the second positive electrode core exposed portion 46 faces the first positive electrode core exposed portion 45 in the ⁇ direction with the positive electrode mixture layer 42 interposed therebetween. That is, a portion 42c of the positive electrode mixture layer 42 is arranged between the first positive electrode core exposed portion 45 and the second positive electrode core exposed portion 46 in the ⁇ direction.
  • the length a in the ⁇ direction between the first positive electrode core exposed portion 45 and the second positive electrode core exposed portion 46 is 10 times the length b of the positive electrode 11 in the ⁇ direction. % or more.
  • FIG. 3B at a position on the outer surface 11b of the positive electrode 11 that overlaps the first positive electrode core exposed portion 45 in the thickness direction of the positive electrode 11, there is a third positive electrode core in which the positive electrode core 41 is exposed. An exposed portion 47 is provided.
  • the third positive electrode core exposed portion 47 like the first positive electrode core exposed portion 45, is provided only at the first end in the ⁇ direction.
  • the negative electrode 12 includes a negative electrode core 51 and a negative electrode mixture layer 52 disposed on the negative electrode core 51.
  • the negative electrode 12 has the negative electrode core 51 exposed at a position facing the second positive electrode core exposed portion 46 via the separator 13 (opposed in the radial direction of the electrode body 14). It has a first negative electrode core exposed portion 55 to which the negative electrode lead 21 is connected.
  • a second negative electrode core exposed portion 56 through which the negative electrode core 51 is exposed is provided at a position overlapping the first negative electrode core exposed portion 55 in the thickness direction of the negative electrode 12.
  • the first negative electrode core exposed portion 55 and the second negative electrode core exposed portion 56 are preferably provided only at one end in the ⁇ direction (lower end in the axial direction).
  • a fourth positive electrode core exposed portion 48 in which the positive electrode core 41 is exposed at a position facing the second negative electrode core exposed portion 56 with the separator 13 in between on the outer surface 11b of the positive electrode 11 will be provided.
  • insulating tape 60 is pasted on the positive electrode core exposed portions 45, 46, 47, and 48 to prevent short circuits, and the negative electrode core exposed portion 55, Insulating tape 70 is also attached to 56.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of a part of the electrode body 14 viewed from one side in the axial direction, and is a schematic plan view showing the positional relationship between the positive electrode lead 20 and the negative electrode lead 21 in the winding direction of the electrode body 14.
  • the positive electrode lead 20 faces the negative electrode lead 21 with only the separator 13 in between.
  • the positive electrode lead 20 and the negative electrode lead 21 are spaced apart from each other in the axial direction of the electrode body 14, which is a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 4, and do not overlap in the radial direction of the electrode body 14.
  • the second positive electrode core exposed portion 45 to which the positive electrode lead 20 is connected on the inner surface 11a of the positive electrode 11 is at least partially opposed to the first positive electrode core exposed portion 45 in the ⁇ direction with the positive electrode mixture layer 42 in between.
  • a positive electrode core exposed portion 46 is provided. Therefore, the strength on the other side in the ⁇ direction of the winding inner surface 11a of the positive electrode 11 can be made comparable to the strength on one side in the ⁇ direction, so that uneven expansion in the ⁇ direction (axial direction) of the electrode body 14 during charging and discharging can be prevented. Shrinkage is suppressed and battery characteristics can be improved.
  • the positive electrode 11 In the ⁇ direction since the length a in the ⁇ direction between the first positive electrode core exposed portion 45 and the second positive electrode core exposed portion 46 is 10% or more of the length b in the ⁇ direction of the positive electrode 11, the positive electrode 11 In the ⁇ direction, the strength of the portion where the first positive electrode core exposed portion 45 exists among the portions where the positive electrode mixture layer 42 is formed does not become excessively smaller than the strength of other portions. Therefore, variations in expansion and contraction of the electrode body 14 in the winding direction of the electrode body 14 during charging and discharging can be suppressed, and battery characteristics can be further improved.
  • the length of the portion 42c of the positive electrode mixture layer 42 disposed between the first positive electrode core exposed portion 45 and the second positive electrode core exposed portion 46 in the ⁇ direction is the length of the positive electrode 11 in the ⁇ direction. Since it is 10% or more of b, the capacity of the battery 10 can also be increased.
  • a third positive electrode core exposed portion 47 is provided at a position facing the first positive electrode core exposed portion 45 in the thickness direction on the outer surface 11b of the positive electrode 11. Thereby, the positive electrode lead 20 can be easily connected.
  • the positive electrode 11 has a second positive electrode core exposed portion 46 at a position opposite to the first negative electrode core exposed portion 55 to which the negative electrode lead 21 is connected, with the separator 13 in between. Furthermore, the positive electrode 11 has a fourth positive electrode core exposed portion 48 at a position facing the second negative electrode core exposed portion 56 with the separator 13 in between. This prevents lithium from being deposited on the negative electrode core exposed portions 55 and 56.
  • the area of the second positive electrode core exposed portion 46 is 1.0 times or more and 1.4 times or less than the area of the first positive electrode core exposed portion 45, which increases the widthwise strength of the winding inner surface 11a of the positive electrode 11. It is preferable because it can be made symmetrical with respect to the center in the width direction, and the area of the second positive electrode core exposed portion 46 is 1.1 times or more and 1.3 times or less than the area of the first positive electrode core exposed portion 45. It is more preferable.
  • the length in the width direction (the length in the ⁇ direction) of the first positive electrode core exposed portion 45 and the length in the width direction of the second positive electrode core exposed portion 46 are approximately the same.
  • the width direction length of the second positive electrode core exposed portion 46 is preferably 0.8 times or more and 1.2 times or less, and 0.9 times or more and 1.2 times or less, the width direction length of the first positive electrode core exposed portion 45. It is more preferable that it is .1 times or less.
  • the length in the longitudinal direction (the length in the ⁇ direction) of the second positive electrode core exposed portion 46 is longer than the length in the longitudinal direction of the first positive electrode core exposed portion 45, and all of the first positive electrode core exposed portion 45 is It is preferable that the second positive electrode core exposed portion 46 be opposed to the second positive electrode core exposed portion 46 in the width direction ( ⁇ direction). Further, it is preferable that the longitudinal position (alpha direction position) of the longitudinal center of the second positive electrode core exposed part 46 substantially coincides with the longitudinal position of the longitudinal center of the first positive electrode core exposed part 45 .
  • the first surface is the inner surface 11a of the positive electrode 11 and the positive electrode lead 20 is connected to the inner surface 11a of the positive electrode 11.
  • the first surface may be the outer surface of the positive electrode, and the positive electrode lead may be connected to the outer surface of the positive electrode.
  • the negative electrode lead 21 is connected to the outer winding surface 12b of the negative electrode 12, the negative electrode lead may be connected to the inner winding surface of the negative electrode.
  • the third positive electrode core exposed portion 47 is provided at a position opposite to the second positive electrode core exposed portion 46 in the thickness direction of the positive electrode 11 on the outer winding surface 11b, which is the second surface of the positive electrode.
  • a first negative electrode core exposed portion where the negative electrode lead 21 is connected to a position where the negative electrode 12 faces the second positive electrode core exposed portion 46 via the separator 13 (a position facing the electrode body 14 in the radial direction) 55 has been described.
  • the negative electrode does not need to have the negative electrode core exposed portion at a position facing the second positive electrode core exposed portion.

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Abstract

正極(11)が、α方向における正極合剤層(42)の巻き始め側の端(42a)と正極合剤層(42)の巻き終わり側の端(42b)との間に、β方向の一方の端部に位置して正極リード(20)が接続された第1正極芯体露出部(45)と、β方向の他方の端部に位置して少なくとも一部が第1正極芯体露出部(45)にβ方向に正極合剤層(42)の一部(42c)を介して対向する第2正極芯体露出部(46)を有する。正極合剤層(42)の一部(42c)が、β方向における第1正極芯体露出部(45)と第2正極芯体露出部(46)の間に配置される。第1正極芯体露出部(45)と第2正極芯体露出部(46)の間の幅方向長さaは、正極(11)のβ方向長さbの10%以上である。

Description

円筒形電池
 本開示は、円筒形電池に関する。
 従来、円筒形電池としては、特許文献1に記載されているものがある。この円筒形電池は、長尺状の正極芯体において正極活物質が設けられている領域の長手方向の中間部における幅方向の一端部のみに、正極芯体が露出する芯体露出部を有し、正極リードがその芯体露出部に接続されている。
特開2003-68271号公報
 上記円筒形電池では、正極において正極活物質が設けられている領域の長手方向の中間部における幅方向の一端部のみに芯体露出部が設けられるので、当該中間部における幅方向一方側と他方側で強度が変わる。よって、円筒形電池の充放電の際に、電極体に生じる膨張、収縮が、軸方向で不均一になって、電池特性が低下する虞がある。
 そこで、本開示の目的は、充放電の際の電極体の軸方向の不均一な膨張、収縮を抑制して、電池特性が低下しにくい、円筒形電池を提供することにある。
 上記課題を解決するため、本開示に係る円筒形電池は、正極芯体及び正極合剤層を有する長尺状の正極と負極芯体及び負極合剤層を有する長尺状の負極がセパレータを介して巻回された電極体を備え、正極の幅方向の両端部のうち一方の端部を第1端部、他方の端部を第2端部とした場合に、正極が、長手方向における正極合剤層の巻き始め側の端と正極合剤層の巻き終わり側の端との間に、第1端部に位置して正極芯体が露出すると共に正極リードが接続された第1正極芯体露出部と、第2端部に位置して正極芯体が露出する第2正極芯体露出部と、を有し、正極合剤層の一部が、正極の幅方向における第1正極芯体露出部と第2正極芯体露出部の間に配置され、第1正極芯体露出部と第2正極芯体露出部の間の幅方向の長さが、正極の幅方向の長さの10%以上である。
 本開示に係る円筒形電池によれば、充放電の際の電極体の軸方向における不均一な膨張、収縮が抑制され、電池特性が低下しにくい。
本開示の一実施形態に係る円筒形電池の軸方向の断面図である。 上記円筒形電池の電極体の斜視図である。 (a)は、長尺状に展開した正極の巻内面の平面図であり、(b)は、長尺状に展開した正極の巻外面の平面図であり、(c)は、長尺状に展開した負極の巻内面の平面図であり、(d)は、長尺状に展開した負極の巻外面の平面図である。 電極体の一部を軸方向片側からみたときの模式平面図である。
 以下、図面を参照しながら、本開示に係る円筒形電池の実施形態について詳細に説明する。以下で説明する実施形態や変形例の特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。以下の実施形態では、図面において同一構成に同一符号を付し、重複する説明を省略する。複数の図面は、模式図であり、異なる図間において、各部材における、縦、横、高さ等の寸法比は、必ずしも一致しない。本明細書では、円筒形電池10の軸方向の封口体17側を「上」とし、軸方向の外装缶16の底部68側を「下」とする。
 以下の図3(a)~(d)の電極(負極,正極)の平面図において、斜線で示す領域は、合剤層形成領域である。以下の説明では、円筒形電池がリチウムイオン二次電池である場合を例に本開示の技術的思想について説明するが、本開示の円筒形電池は、リチウムイオン二次電池に限定されず、リチウムイオン二次電池以外の円筒形電池でもよい。また、以下で説明される構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素であり、必須の構成要素ではない。
 図1は、本開示の一実施形態に係る円筒形電池10の軸方向の断面図であり、図2は、円筒形電池10の電極体14の斜視図である。図1に示すように、円筒形電池(以下、単に電池という)10は、巻回型の電極体14、非水電解質(図示せず)、電極体14及び非水電解質を収容する有底筒状の金属製の外装缶16、及び外装缶16の開口部を塞ぐ封口体17を備える。図2に示すように、電極体14は、長尺状の正極11と長尺状の負極12が長尺状の2枚のセパレータ13を介して巻回された巻回構造を有する。
 負極12は、リチウムの析出を防止するために、正極11よりも一回り大きな寸法で形成される。即ち、負極12は、正極11より長手方向及び幅方向(短手方向)に長く形成される。また、2枚のセパレータ13は、少なくとも正極11よりも一回り大きな寸法で形成され、正極11を挟むように配置される。負極12は、電極体14の巻き始め端を構成してもよい。しかし、一般的には、セパレータ13が負極12の巻き始め側端を超えて延出し、セパレータ13の巻き始め側端が電極体14の巻き始め端となる。
 非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの2種以上の混合溶媒等を用いてもよい。非水溶媒は、これら溶媒の水素原子の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有してもよい。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。電解質塩には、LiPF等のリチウム塩が使用される。
 正極11は、正極芯体41と、正極芯体41の両面に形成された正極合剤層42を有する(図3(a),(b)参照)。正極芯体41には、アルミニウム、アルミニウム合金など、正極11の電位範囲で安定な金属箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合剤層42は、正極活物質、導電剤、及び結着剤を含む。正極11は、例えば正極芯体41上に正極活物質、導電剤、及び結着剤等を含む正極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して正極合剤層42を正極芯体41の両面に形成することにより作製できる。
 正極活物質は、リチウム含有金属複合酸化物を主成分として構成される。リチウム含有金属複合酸化物に含有される金属元素としては、Ni、Co、Mn、Al、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、In、Sn、Ta、W等が挙げられる。好ましいリチウム含有金属複合酸化物の一例は、Ni、Co、Mn、Alの少なくとも1種を含有する複合酸化物である。
 正極合剤層42に含まれる導電剤としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ等の炭素材料が例示できる。正極合剤層42に含まれる結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂などが例示できる。これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース(CMC)又はその塩等のセルロース誘導体、ポリエチレンオキシド(PEO)などが併用されてもよい。
 負極12は、負極芯体51と、負極芯体51の両面に形成された負極合剤層52を有する(図3(c),(d)参照)。負極芯体51には、銅、銅合金など、負極12の電位範囲で安定な金属箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合剤層52は、負極活物質、及び結着剤を含む。負極12は、例えば負極芯体51上に負極活物質、及び結着剤等を含む負極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して負極合剤層52を負極芯体51の両面に形成することにより作製できる。
 負極活物質には、一般的に、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する炭素材料が用いられる。好ましい炭素材料は、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛などの黒鉛である。負極合剤層52には、負極活物質として、ケイ素(Si)を含有するSi材料が含まれていてもよい。また、負極活物質には、Si以外のリチウムと合金化する金属、当該金属を含有する合金、当該金属を含有する化合物等が用いられてもよい。
 負極合剤層52に含まれる結着剤には、正極11の場合と同様に、フッ素樹脂、PAN、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂等を用いてもよいが、好ましくはスチレン-ブタジエンゴム(SBR)又はその変性体を用いる。負極合剤層52には、例えばSBR等に加えて、CMC又はその塩、ポリアクリル酸(PAA)又はその塩、ポリビニルアルコールなどが含まれていてもよい。
 セパレータ13としては、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ13の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、セルロース等が好ましい。セパレータ13は、単層構造、積層構造のいずれでもよい。セパレータ13の表面には、耐熱層等が形成されてもよい。
 図1に示すように、正極11には、正極リード20が接合され、負極12には、負極リード21が接合される。電池10は、電極体14の上方に絶縁板18を有し、電極体14の下方に絶縁板19を有する。正極リード20は、絶縁板18の貫通孔を通って封口体17側に延び、負極リード21は、絶縁板19の貫通孔を通って外装缶16の底部68側に延びる。正極リード20は、封口体17の封口板23の下面に溶接等で接続される。封口体17の天板を構成する端子キャップ27が封口板23と電気的に接続され、端子キャップ27が正極端子となる。また、負極リード21は、金属製の外装缶16の底部68の内面に溶接等で接続され、外装缶16が負極端子となる。
 正極リード20は、正極芯体41における巻回方向の中央部等の中間部に電気的に接続される。また、図1に示すように、負極リード21を、負極芯体51における巻回方向の中央部等の中間部に電気的に接続すると共に、電極体14の最外周を負極芯体51で構成して、この最外周の負極芯体51を外装缶16の内面に当接させている。このようにして、負極12における長手方向の中央部と巻き終わり側の端部の両方を負極端子に電気的に接続することで、電流が流れる集電経路を短縮して電池10の内部抵抗を低減している。但し、電極体における巻回方向の最外周面をセパレータで構成して、負極12における巻き終わり側の端部を負極端子に電気的に接続しなくてもよい。
 電池10は、外装缶16と封口体17との間に配置される樹脂製のガスケット28を更に備える。封口体17は、ガスケット28を介して外装缶16の開口部にかしめ固定される。これにより、電池10の内部空間が密閉される。ガスケット28は、外装缶16と封口体17に挟持され、封口体17を外装缶16に対して絶縁する。ガスケット28は、電池内部の気密性を保つためのシール材の役割と、外装缶16と封口体17を絶縁する絶縁材としての役割を有する。
 外装缶16は、電極体14と非水電解質を収容し、肩部38、溝入れ部34、筒状部30、及び底部68を有する。溝入れ部34は、例えば、外装缶16の側面の一部を、径方向内側にスピニング加工して径方向内方側に環状に窪ませることで形成できる。肩部38は、封口体17を外装缶16にかしめ固定する際に、外装缶16の上端部を封口体17の周縁部39に向かって内側に折り曲げて形成される。
 封口体17は、電極体14側から順に、封口板23、下弁体24、絶縁部材25、上弁体26、及び端子キャップ27が積層された構造を有する。封口体17を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材25を除く各部材は互いに電気的に接続されている。封口板23は、少なくとも1つの貫通孔23aを有する。また、下弁体24と上弁体26は、各々の中央部で接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材25が介在している。
 電池10が異常発熱して、電池10の内圧が上昇すると、下弁体24が上弁体26を端子キャップ27側に押し上げるように変形して破断し、下弁体24と上弁体26の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体26が破断して、端子キャップ27の貫通孔27aからガスが排出される。このガスの排出により、電池10の内圧が過度に上昇して電池10が破裂することを防止でき、電池10の安全性を高くできる。
 図3(a)は、長尺状に展開した正極11の巻内面11aの平面図であり、図3(b)は、長尺状に展開した正極11の巻外面11bの平面図である。また、図3(c)は、長尺状に展開した負極12の巻内面12aの平面図であり、図3(d)は、長尺状に展開した負極12の巻外面12bの平面図である。
 正極11における巻内面11aは、正極11の第1面の一例であり、正極11における巻外面11bは、正極11の第2面の一例である。また、図3(a)及び(b)において、α方向は、正極11を長尺状に展開したときの正極11の長手方向を示し、β方向は、正極11を長尺状に展開したときの正極11の幅方向を示す。また、図3(c)及び(d)において、γ方向は、負極12を長尺状に展開したときの負極12の長手方向を示し、δ方向は、負極12を長尺状に展開したときの負極12の幅方向を示す。
 図3(a)及び(b)に示すように、正極11は、正極芯体41及び正極芯体41上に配置された正極合剤層42を有する。図3(a)に示すように、正極11の巻内面11aは、正極合剤層42の形成領域のα方向における中間部に第1正極芯体露出部45と第2正極芯体露出部46を有する。より詳しくは、正極11の巻内面11aは、α方向における正極合剤層42の巻き始め側の始端42aと正極合剤層42の巻き終わり側の終端42bとの間に第1正極芯体露出部45と第2正極芯体露出部46を有する。
 第1正極芯体露出部45は、正極芯体41が露出する部分であって、β方向の一方の端部(軸方向上側端部に一致)である第1端部に位置する。第1正極芯体露出部45には、正極リード20が接続される。第1正極芯体露出部45を、α方向に関して、正極合剤層42の始端42aから正極合剤層42の終端42bまでのα方向長さの40%の長さ位置から60%の長さ位置の間に設けることが、集電経路を短縮して電池10の内部抵抗を低減できるため好ましい。
 第2正極芯体露出部46は、正極芯体41が露出する部分であって、β方向の他方の端部(軸方向下側端部に一致)である第2端部に位置する。第2正極芯体露出部46の少なくとも一部は、第1正極芯体露出部45にβ方向に正極合剤層42を介して対向する。つまり、正極合剤層42の一部42cが、β方向における第1正極芯体露出部45と第2正極芯体露出部46の間に配置される。第1正極芯体露出部45と第2正極芯体露出部46の間のβ方向の長さa(上記一部42cの幅方向長さ)は、正極11のβ方向の長さbの10%以上になっている。図3(b)に示すように、正極11の巻外面11bにおいて第1正極芯体露出部45に正極11の厚さ方向に重なる位置には、正極芯体41が露出する第3正極芯体露出部47が設けられる。第3正極芯体露出部47は、第1正極芯体露出部45と同様に、β方向の第1端部のみに設けられる。
 図3(c)及び(d)に示すように、負極12は、負極芯体51及び負極芯体51上に配置された負極合剤層52を有する。図3(d)に示すように、負極12は、第2正極芯体露出部46にセパレータ13を介して対向(電極体14の径方向に対向)する位置に負極芯体51が露出すると共に負極リード21が接続された第1負極芯体露出部55を有する。図3(c)に示すように、第1負極芯体露出部55に負極12の厚み方向に重なる位置に、負極芯体51が露出する第2負極芯体露出部56が設けられる。第1負極芯体露出部55及び第2負極芯体露出部56は、δ方向の一方の端部(軸方向下側端部)のみに設けられることが好ましい。図3(b)に示すように、正極11の巻外面11bにおいて第2負極芯体露出部56にセパレータ13を介して対向する位置に正極芯体41が露出する第4正極芯体露出部48が設けられる。図3(a)~(d)に示すように、短絡を防止するため、正極芯体露出部45,46,47,48上には、絶縁テープ60が貼付され、負極芯体露出部55,56にも、絶縁テープ70が貼付される。
 図4は、電極体14の一部を軸方向片側からみたときの模式平面図であり、電極体14の巻回方向における正極リード20と負極リード21の位置関係を示す模式平面図である。図4に示す平面図において、正極リード20の少なくとも一部は、セパレータ13のみを挟んで負極リード21と対向する。但し、正極リード20と負極リード21は、図4の紙面に垂直な方向である電極体14の軸方向に間隔をおいて位置しており、電極体14の径方向に重ならない。
 本開示によれば、正極11の巻内面11aにおいて正極リード20が接続される第1正極芯体露出部45に正極合剤層42を挟んでβ方向に少なくとも一部が対向するように第2正極芯体露出部46が設けられる。したがって、正極11の巻内面11aにおけるβ方向他方側の強度をβ方向一方側の強度と同程度にできるので、充放電の際の電極体14のβ方向(軸方向)における不均一な膨張、収縮が抑制され、電池特性を良好なものにできる。
 また、第1正極芯体露出部45と第2正極芯体露出部46の間のβ方向の長さaが、正極11のβ方向の長さbの10%以上であるため、正極11のα方向において、正極合剤層42が形成された部分のうち、第1正極芯体露出部45が存在する部分の強度が、他の部分の強度よりも過度に小さくなることがない。よって、充放電の際の電極体14の膨張、収縮の電極体14の巻回方向におけるばらつきも抑制でき、電池特性を更に良好なものにできる。また、β方向における第1正極芯体露出部45と第2正極芯体露出部46の間に配置される正極合剤層42の一部42cの長さが、正極11のβ方向の長さbの10%以上であるため、電池10の容量も大きくできる。
 正極11の巻外面11bにおける第1正極芯体露出部45に厚さ方向に対向する位置に第3正極芯体露出部47が設けられている。これにより、正極リード20を容易に接続することができる。
 正極11は、負極リード21が接続された第1負極芯体露出部55にセパレータ13を介して対向する位置に第2正極芯体露出部46を有する。さらに、正極11は、第2負極芯体露出部56にセパレータ13を介して対向する位置に第4正極芯体露出部48を有する。これにより、負極芯体露出部55,56でのリチウムの析出が防止される。
 なお、第2正極芯体露出部46の面積が第1正極芯体露出部45の面積の1.0倍以上1.4倍以下であることが、正極11の巻内面11aにおける幅方向強度を幅方向の中心に対して対称に近づけることができるため好ましく、第2正極芯体露出部46の面積が第1正極芯体露出部45の面積の1.1倍以上1.3倍以下であることがより好ましい。
 第1正極芯体露出部45の幅方向長さ(β方向長さ)と、第2正極芯体露出部46の幅方向長さは、同程度の長さであることが好ましく、例えば、第2正極芯体露出部46の幅方向長さが、第1正極芯体露出部45の幅方向長さの0.8倍以上1.2倍以下であることが好ましく、0.9倍以上1.1倍以下であることがより好ましい。
 第2正極芯体露出部46の長手方向長さ(α方向長さ)が、第1正極芯体露出部45の長手方向長さよりも長いことが好ましく、第1正極芯体露出部45の全てが第2正極芯体露出部46に幅方向(β方向)に対向することが好ましい。また、第2正極芯体露出部46の長手方向中心の長手方向位置(α方向位置)が、第1正極芯体露出部45の長手方向中心の長手方向位置に略一致することが好ましい。
 なお、本開示は、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。
 例えば、上記実施形態では、第1面が正極11の巻内面11aであって、正極リード20が正極11の巻内面11aに接続される場合について説明した。しかし、第1面が正極の巻外面であって、正極リードが正極の巻外面に接続されてもよい。また、負極リード21が負極12の巻外面12bに接続される場合について説明したが、負極リードは負極の巻内面に接続されてもよい。
 また、正極の第2面である巻外面11bにおいて第2正極芯体露出部46に正極11の厚さ方向に対向する位置に第3正極芯体露出部47を設ける場合について説明した。しかし、正極の第2面において正極の第1面に設けられる第2正極芯体露出部に厚さ方向(正極の厚さ方向)に対向する位置に第3正極芯体露出部を設けなくてもよい。
 また、負極12が、第2正極芯体露出部46にセパレータ13を介して対向する位置(電極体14の径方向に対向する位置)に負極リード21が接続される第1負極芯体露出部55を有する場合について説明した。しかし、負極は、第2正極芯体露出部に対向する位置に負極芯体露出部を有さなくてもよい。
 10 円筒形電池、 11 正極、 11a 正極の巻内面(第1面)、 11b 正極の巻外面(第2面)、 12 負極、 12a 負極の巻内面、 12b 負極の巻外面、 13 セパレータ、 14 電極体、 16 外装缶、 17 封口体、 18,19 絶縁板、 20 正極リード、 21 負極リード、 23 封口板、 23a 貫通孔、 24 下弁体、 25 絶縁部材、 26 上弁体、 27 端子キャップ、 27a 貫通孔、 28 ガスケット、 30 筒状部、 34 溝入れ部、 38 肩部、 39 周縁部、 41 正極芯体、 42 正極合剤層、 42a 正極長手方向における正極合剤層の巻き始め側の端、 42b 正極長手方向における正極合剤層の巻き終わり側の端、 42c 正極幅方向における第1正極芯体露出部と第2正極芯体露出部の間に配置される正極合剤層部分、 45 第1正極芯体露出部、 46 第2正極芯体露出部、 47 第3正極芯体露出部、 48 第4正極芯体露出部、 51 負極芯体、 52 負極合剤層、 55 第1負極芯体露出部、56 第2負極芯体露出部、 60,70 絶縁テープ、 68 底部。

Claims (4)

  1.  正極芯体及び正極合剤層を有する長尺状の正極と負極芯体及び負極合剤層を有する長尺状の負極がセパレータを介して巻回された電極体を備え、
     前記正極の幅方向の両端部のうち一方の端部を第1端部、他方の端部を第2端部とした場合に、前記正極が、前記正極の第1面の長手方向における前記正極合剤層の巻き始め側の端と前記正極合剤層の巻き終わり側の端との間に、前記第1端部に位置して前記正極芯体が露出すると共に正極リードが接続された第1正極芯体露出部と、前記第2端部に位置して前記正極芯体が露出する第2正極芯体露出部と、を有し、
     前記正極合剤層の一部が、前記幅方向における前記第1正極芯体露出部と前記第2正極芯体露出部の間に配置され、
     前記第1正極芯体露出部と前記第2正極芯体露出部の間の前記幅方向の長さが、前記正極の前記幅方向の長さの10%以上である、円筒形電池。
  2.  前記正極の第1面とは反対側の第2面における前記第1正極芯体露出部に前記正極の厚さ方向に重なる位置に前記正極芯体が露出する第3正極芯体露出部が設けられる、請求項1に記載の円筒形電池。
  3.  前記負極は、前記第2正極芯体露出部に前記セパレータを介して対向する位置に前記負極芯体が露出する第1負極芯体露出部と、前記第1負極芯体露出部に前記負極の厚み方向に重なる位置に前記負極芯体が露出する第2負極芯体露出部と、を有し、
     前記第1負極芯体露出部及び前記第2負極芯体露出部のいずれか一方に負極リードが接続され、
     前記第2面において前記第2負極芯体露出部に前記セパレータを介して対向する位置に前記正極芯体が露出する第4正極芯体露出部が設けられる、請求項2に記載の円筒形電池。
  4.  前記第1負極芯体露出部に前記負極リードが接続されている、請求項3に記載の円筒形電池。
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