JP3322321B2

JP3322321B2 - 円筒形非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP3322321B2
Application number: JP14272493A
Authority: JP
Inventors: 重治大角
Original assignee: 日本電池株式会社
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH06333599A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非水電解液二次電池の改
良に関するもので、大電流での充・放電が可能な高容量
円筒形非水電解液二次電池を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の各種電子機器の小型化やポータブ
ル化により、小型軽量の高エネルギー密度二次電池の開
発が要望され、また、大気汚染や二酸化炭素等の環境問
題により、電気自動車の早期実用化が望まれており、高
出力、高効率、高エネルギー密度等の特徴を有する新規
な二次電池の開発が要望されている。特に非水電解液を
使用した二次電池は、従来の水溶液電解液を使用した電
池の数倍のエネルギー密度を有することから、その実用
化が待たれている。

【０００３】非水電解液二次電池の正極活物質には、二
硫化チタンをはじめとして、リチウムコバルト複合酸化
物、リチウムマンガン酸化物、五酸化バナジウム、二硫
化モリブデン等、種々のものが検討されている。

【０００４】非水電解液は、非プロトン性の有機溶媒に
電解質となる金属塩を溶解させたものが用いられてい
る。例えば、リチウム塩に関しては、LiCl O₄、LiP
F₆、LiBF₄、LiAs F₆、LiCF₃SO₃等をプロピレンカ
ーボネート、エチレンカーボネート、1,2-ジメトキシエ
タン、γ- ブチロラクトン、ジオキソラン、2-メチルテ
トラヒドロフラン、ジエチルカーボネート、ジメチルカ
ーボネート、スルホラン等の単独溶媒あるいは混合溶媒
に溶解させたものが使用されている。これらの非水電解
液は、電池容器に注入されて使用されるが、多孔質のセ
パレータに含浸したり、高分子量の樹脂を添加して高粘
性にしたり、ゲル化させて流動性をなくした状態で使用
されることもある。

【０００５】非水電解液電池の負極活物質として、従来
より様々な物質が検討されてきたが、高エネルギー密度
が期待されるものとして、リチウム系の負極が注目を浴
びている。特に非水電解液二次電池の負極として、リチ
ウム金属、リチウム合金、リチウムイオンを保持させた
炭素等が検討されている。

【０００６】リチウム金属は高い起電力を有し、高エネ
ルギー密度が期待できるが、その高い反応性のために電
池の安全性に問題があり、充電反応において微粒子状の
金属リチウムが発生しやすく、内部短絡や充放電効率の
低下等が起こるという大きな問題を抱えている。

【０００７】リチウム合金は、このような放電反応に関
与しない金属リチウムの発生を防止することができる
が、特性上合金の電位がリチウム電位に対して貴方向に
シフトし、放電電圧が低下するという欠点があった。ま
た成分に金属リチウムを含有しているために、安全性に
は問題を残していた。

【０００８】安全性の問題を改善するために、リチウム
イオンを保持するホスト物質として、炭素負極が検討さ
れている。充電された炭素負極は、結晶格子の層間にリ
チウムイオンを保持しており、放電反応により容易にリ
チウムイオンを放出する。炭素負極は、金属リチウムを
使用しないので安全性が高く、充放電による劣化も少な
く、長寿命の非水電解液二次電池が可能となった。

【０００９】ホスト物質として炭素を使用することによ
り、リチウム以外のアルカリ金属のイオンも使用するこ
とが可能となった。カリウムやナトリウムはリチウムよ
り安価であり、イオン状態で使用するかぎり安定であ
り、危険性はない。

【００１０】負極に用いる炭素については、各種熱分解
炭素や天然および合成のグラファイトがよく知られてい
る。ポリアクリロニトリル系やピッチ系、あるいはレー
ヨン系等の炭素繊維や、ベンゼンやプロパン等を原料と
する気相成長炭素、フェノール樹脂のような高分子化合
物の熱分解による炭素、ピッチやタールを原料とする炭
素等、種々の炭素が使用可能である。

【００１１】炭素はそれ自体で電導性があり、充放電に
ともなう電導性の変化が少ないために、電極からの集電
方法に関してはあまり考慮されなかった。また、電導性
の低い非水電解液中での使用が前提であったため、炭素
を使用した負極は、一般に低電流用、小容量の電極に限
られており、大容量や大型の電極は作成されなかった。

【００１２】しかしながら、地球の環境保全やエネルギ
ーの有効利用の観点から、夜間電力の貯蔵や電気自動車
用として、高容量、高出力の電池の要望が高まり、安全
性の高い炭素負極を使用した高容量の非水電解液二次電
池の開発が望まれるようになった。

【００１３】また、従来、非水電解液二次電池は、極板
が薄いため円筒形に構成することもあったが、高容量に
するためには極板面積を増やす必要から何回も極板を巻
くが、巻く回数が多ければ多いほど、中心部の放熱が困
難になり、せっかく高容量にしても、大電流での充・放
電ができなかった。これは、非水電解液二次電池、とく
にリチウム電池やリチウムイオン電池では、高温を避け
る必要から大電流での充・放電ができなかったためであ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来、円筒形非水電解
液二次電池の外観は図２，３に示すように、容器蓋に孔
があいていることは少なく、せっかく極板面積を増やし
高容量にしても、大電流での充・放電ができなかった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、大電流での充
・放電ができる高容量の円筒形非水電解液二次電池を提
供するもので、充電可能な正極と、アルカリ金属イオン
を含む非水電解液を含浸せしめたセパレータと、負極と
を具備する非水電解液二次電池において、電池外部と連
通しかつフィンを備えた中空部を設けたことを特徴とす
るものである。

【００１６】

【作用】セルに中空部を設け、この中空部を外部と連続
せしめるとともに、中空部にフィンを設けることによっ
て、電池の充・放電時に発生する熱を速やかに放散せし
め、これによって大電流での充・放電時にも電池の温度
上昇を防ぐことができ、大電流での充・放電が可能な高
容量非水電解液二次電池を提供することが可能になる。
なお、フィンに風があたるように送風すればさらに効果
的である。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の一実施例である円筒形電池の
外観の模式図である。

【００１８】１はステンレス鋼製の円筒形容器であり、
その内部に帯状負極と、帯状セパレータ、帯状正極を円
筒状に巻いて収納している。発泡ニッケルに球状の炭素
粉末を保持させた負極と、ＬｉＣｏＯ₂を含む正極と
が、非水電解液を含浸したポリプロピレン製の多孔質セ
パレータを介して巻回されて、円筒形容器内に挿入され
ている。２は容器蓋であり、容器１の開口部に周縁部で
溶接されている。容器蓋２の一部には安全弁３が設けら
れている。４、５はそれぞれ正極端子および負極端子で
ある。６は中空部に設けられたフィンである。

【００１９】本発明実施例電池に使用した負極は次のよ
うにして作製した。重量比で、平均粒径３０μｍの球状
炭素９８部と、結着剤のポリフッ化ビニリデン２部と溶
剤のＮ−メチル−２−ピロリドン３０部とを混練してペ
ースト状にした。このペーストを、負極板支持体である
厚さ１．０ｍｍ、平均セル開口径３００μｍ、多孔度９
８％のニッケル発泡体に塗布した後、乾燥、圧延し、電
極基板を作製した。電極基板の大きさは、高さ１０７ｍ
ｍ（内、活物質が塗布されている部分の高さは１００ｍ
ｍ）、長さ３ｍで、厚さは０．４８ｍｍであった。負極
１枚当りの活物質炭素合剤の重量は１９０ｇであった。
ここで用いた球状炭素は、球状のフェノール樹脂を熱分
解して得たものである。Ｘ線回折法により求めた物性値
は、結晶層間距離（ｄ₀₀₂）が３．３６オングストロー
ム、結晶子の長さ（Ｌ_c）が３９オングストロームであ
る。

【００２０】正極は次のようにして作製した。正極活物
質であるLiCo O₂を85部と、導電剤のアセチレンブラッ
ク８部と結着剤のPTFEディスパージョン水溶液（ポリ四
フッ化エチレン樹脂15％含有）34部を混練し、これを一
対のロール間に通してシート状にした後、正極板支持体
４’であるアルミニウム製のエキスパンドメタルの芯材
の両面に圧着して、厚さ0.62mmの正極基板を作製した。
電極基板の大きさは高さ107mm(内、活物質が塗布されて
いる部分の高さは100mm)、長さ３m であった。正極１枚
中の活物質の重量は５８０g で、４５Ahの放電容量に設
計されている。

【００２１】セパレータ３として、厚さ0.18mm、目付け
50 g/m²のポリプロピレン不織布を用いた。

【００２２】上記のポリプロピレン不織布からなるセパ
レータを正極板と負極板との間にはさみ、内部にフィン
を有するステンレス鋼製中空芯の周りにこれらの正極と
負極とセパレータを巻いた後、極板群の周囲をポリプロ
ピレンフィルムで覆うとともに固定した。

【００２３】次に正および負極からリードを取り出し、
容器に挿入した後、蓋を載せ、蓋と容器との間および蓋
とフィンを有する中空芯との間をレーザ溶接した。

【００２４】電解質には、エチレンカーボネートとジエ
チルカーボネートの１：１混合溶媒にLiPF₆を１モル／
リットルの割合で溶解したものを非水電解質として使用
し、蓋に設けておいた電解質注入口から所定量を注入し
た。注入口はその後レーザ溶接で完全に密閉した。

【００２５】実施例電池を、７．５Ａの電流で端子電圧
が4.1Vを示すまで充電した後、同じく７．５Ａの電流で
放電した。端子電圧が2.8Vに低下するまで4 時間の放電
が可能であり、この電池の放電容量は３０Ahであった。

【００２６】次にこの電池を充放電サイクル試験に供
し、電池温度の推移を調べた。

【００２７】放電４５Ａで３０分充電４．１Ｖで３時間（最大電流：１５Ａ）試験温度約３０℃（気相中）また、比較のため同じ容量ではあるが、図２に示すよう
に蓋になんら孔のあいていない円筒形電池の温度推移も
同時に調べた。

【００２８】結果は表１のとおりであった。なお、温度
は容器内のほぼ中央の極板の上部で測定した。

【００２９】

【表１】

【００３０】この表から明らかなように、従来の円筒形
電池では５サイクル目の放電終期には７５℃にも達し、
その後の充電ではさらに８０℃まで上昇して、危険な状
態になった。一方、本発明の電池は従来の電池に比べ温
度の上昇速度が非常に遅く、４５Ａ（１．５ＣＡ）もの
電流で放電しているにもかかわらず、５サイクル目の放
電終期で５０℃であった。これは電池に中空部を設け、
この中空部が外部と連続しているとともに、フィンを有
していることによって放熱特性が良好になったためと考
えられる。

【００３１】なお、上記実施例では容器の側面は平滑で
あったが、この側面にもフィンを設ければ熱の放散効果
がより一層良好となり、より大きな電流での充放電が可
能になる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、充電可能な正極と、ア
ルカリ金属イオンを含む非水電解液を含浸せしめたセパ
レータと、負極とを具備する非水電解液二次電池におい
て、電池に中空部を設け、この中空部を外部と連続せし
めるとともに、フィンを設けることによって、電池の充
・放電時に発生する熱を速やかに放散せしめ、これによ
って大電流での充・放電時にも電池の温度上昇を防ぐこ
とができ、大電流での充・放電が可能な高容量非水電解
液二次電池を提供することが可能となり、工業的価値極
めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における円筒形電池の外観の
模式図

【図２】従来の円筒形電池の外観の模式図

【図３】従来の円筒形電池の他の例の外観の模式図

【符号の説明】１容器２容器蓋３安全弁４正極端子５負極端子６フィン７中空部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】充電可能な正極と、アルカリ金属イオン
を含む非水電解液を含浸せしめたセパレータと、負極と
を具備する非水電解液二次電池において、電池外部と連
通しかつフィンを備えた中空部を設けたことを特徴とす
る円筒形非水電解液二次電池。