JP4359941B2

JP4359941B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery

Info

Publication number: JP4359941B2
Application number: JP03749498A
Authority: JP
Inventors: 潤一重富
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JPH11233148A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非水電解液二次電池に関し、特にハイブリッド型電気自動車用の電源のような大きな出力密度で用いられる電源として好適な非水電解液二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケルカドミウム電池等の水溶液二次電池に代わるものとして、エネルギー密度が高く、また軽量であることから非水電解液二次電池の開発が進められている。
【０００３】
この非水電解液二次電池は、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な負極と正極、及び非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液を用いる電池である。負極の材料としては例えば炭素材料等が用いられ、正極の材料としては例えばＬｉＣｏＯ₂等のリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。
【０００４】
この非水電解液二次電池には、コイン型や円筒型等、各種形態のものがあり、電極の形状はその電池形態に応じて選択される。例えば、円筒型の非水電解液二次電池の場合には、負極集電体の両面または片面に負極合剤層が形成されてなる帯状の負極と、正極集電体の両面または片面に正極合剤層が形成されてなる帯状の正極とを、セパレータを介して積層し、この積層体を巻回した巻回電極体が用いられる。ここで、負極集電体，正極集電体にはそれぞれ負極リード，正極リードが１箇所に取り付けられ、これらリードを通じて電流が取り出されるようになっている。
【０００５】
ところで、電池の容量や出力密度は電極の形状によって異なる。例えば電極合剤層の厚さを厚くすれば、電池内に充填される活物質量が増えるため、電池容量は大きくなる。しかし、電極合剤層の厚さを厚くすると、電池内に収容できる電極の長さが短くなるため反応表面積は小さくなり、出力密度は小さくなる。
【０００６】
ここで、これまでの円筒型非水電解液二次電池では、片面での正極合剤層の厚さが８０〜９０μｍと比較的厚めとされている。これは、非水電解液二次電池が、主にポータブル機器の電源として用いられているためである。ポータブル機器に用いられる電源としては、使用時間が長いこと、すなわち放電容量が大きいことが重視される。
【０００７】
これに対して、最近、非水電解液二次電池の軽量性に着目して、ハイブリッド型電気自動車用やエンジン始動用の電源に、非水電解液二次電池を利用することが検討されている。これらに用いられる電源は、放電・充電がともに数秒程度の短時間で且つ大電力で行われることが多く、容量よりも出力密度が大きいことが重要になる。したがって、この場合には、反応表面積が大きくなるように、電極合剤層の厚さを薄くして電池内に収容される電極の長さを長くすることが必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような巻回電極体において、電極の長さをそのまま長くした場合、集電体での電気抵抗が増加し、出力が低下するといった問題が生じてしまう。集電体の電気抵抗を低減する方法として集電体の厚さを厚くすることも考えられるが、そうすると、電池内に充填できる活物質量が減少して電池容量が小さくなったり、電池重量が増加する等の不都合を招いてしまう。
【０００９】
そこで、本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、集電抵抗が低く抑えられ、高い出力が得られる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の非水電解液二次電池は、帯状負極集電体上に、負極合剤層が形成されてなる負極と、帯状正極集電体上に、正極合剤層が形成されてなる正極とを有し、上記負極及び上記正極の長手方向にリードが接続されており、上記負極又は上記正極のいずれか一方の電極に３本以上の第１リードが等間隔で接続され、そのうち２本は電極端部に接続され、他方の電極に２本以上の第２リードが接続され、隣合う第２リード同士の間の中点と当該第２リードとの第１距離と、上記他方の電極端部と上記他方の電極端部側の第２リードとの第２距離と、上記一方の電極に接続された隣合う第１リード同士の間の中点と当該第１リードとの第３距離とが等しくなされている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
【００１３】
本発明にかかる非水電解液二次電池の一例を図１に示す。
【００１４】
この非水電解液二次電池は、図１に示すように、負極集電体１の両面に負極合剤層２を形成してなる負極３と、正極集電体４の両面に正極合剤層５を形成してなる正極６とを、ポリプロピレンやポリエチレン等よりなる微多孔膜セパレータ７を介して巻回し、この巻回体の上下に絶縁体８を載置した状態で電池缶９に収納してなるものである。
【００１５】
前記電池缶９には、電池蓋１０が封口ガスケット１１を介してかしめることによって取付けられ、それぞれ負極リード１２及び正極リード１３を介して負極あるいは正極と電気的に接続され、電池の負極あるいは正極として機能するように構成されている。
【００１６】
但し、この電池では、安全装置として電流遮断用薄板が設けられ、上記正極リード１３は、この電流遮断用薄板１４に溶接されて取り付けられ、この電流遮断用薄板１４を介して電池蓋１０との電気的接続が図られている。
【００１７】
このような構成を有する電池においては、電池内部の圧力が上昇すると、前記電流遮断等薄板１４が押し上げられて変形する。すると、正極リード１３が電流遮断用薄板１４と溶接された部分を残して切断され、電流が遮断される。
【００１８】
ここで、上記負極３及び正極６の展開図を図２に示す。上記負極３及び正極６には、上述の如く電流を取り出すための負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、正極リード１３ａ，１３ｂがそれぞれ接続されている。この負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、正極リード１３ａ，１３ｂの接続部分は、合剤層が形成されずに集電体が露出しており、この露出している集電体に負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、正極リード１３ａ，１３ｂは直接溶接されている。
【００１９】
そして、この非水電解液二次電池では特に、負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃは式１で示されるＸａのうち整数に対応する本数で負極の長手方向に並列に接続され、
Ｘａ≧〔（１．７２×１０^-4×Ｌａ）／（Ｗａ×ｔａ）〕^1/2・・・式１
（但し、Ｌａは負極の長さ（ｃｍ）、Ｗａは負極の幅（ｃｍ）、ｔａは負極集電体の厚さ（ｃｍ）である。）
また、正極リード１３ａ，１３ｂは、次式で示されるＸｃのうち整数に対応する本数で正極の長手方向に並列して接続されている。
【００２０】
Ｘｃ≧〔（２．７５×１０^-4×Ｌｃ）／（Ｗｃ×ｔｃ）〕^1/2・・・式２
（但し、Ｌｃは正極の長さ（ｃｍ）、Ｗｃは正極の幅（ｃｍ）、ｔｃは正極集電体の厚さ（ｃｍ）である。）
このように電極の寸法や集電体の厚さに応じた本数で負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、正極リード１３ａ，１３ｂが接続されていると、電極の長さを長くした場合でも集電抵抗が５ｍΩ以下に低減し、電流密度の向上を図りながら大きな出力を得ることができる。なお、このような負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃと正極リード１３ａ，１３ｂの接続条件は、いずれか一方が満たされていても効果は得られるが、両方の条件が満たされているとより効果が高い。
【００２１】
ここで、集電抵抗を５ｍΩ以下にすることは、特に動力源としてガソリンと電気を用いるハイブリッド型車両に使用する電池において必要条件となる。
【００２２】
すなわち、ハイブリッド型車両に使用する電池は、できる限り小型且つ高出力であることが望ましい。ここで、一般的に小型車の場合、車両として２０ｋＷ程度の出力が必要とされる。また、必要とされる電圧は、モーターの動作電圧から決まり、このことと電流効率や安全性などを考慮するとセルの直列数は約１００セルとなる。したがって、車両に使用する電池は、セルあたりで約２００Ｗの出力が必要となる。
【００２３】
一方、電池の開放電圧は約３．８Ｖであり、この場合２００Ｗの出力を得るためには、内部抵抗が１６ｍΩ以下であることが必要である。
【００２４】
ここで、電池の内部抵抗は、電池反応に係る反応抵抗と、電解液やセパレータに由来する抵抗と、集電抵抗に分けられ、このうち反応抵抗は約７〜８ｍΩ、電解液やセパレータに由来する抵抗は約４ｍΩであり、これらを変えずに電池の内部抵抗を１６ｍΩ以下にするためには集電抵抗はおおよそ５ｍΩ以下であることが必要である。このように、ハイブリッド型車両に使用する電池では、集電抵抗が５ｍΩ以下であることが必要である。
【００２５】
負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、正極リード１３ａ，１３ｂはこのように所定の本数で接続されるが、この場合、これらの接続位置も重要になる。例えば、負極のリード本数を正極のリード本数よりも１本多くし、図２に示すように、負極では負極リード１２ａ，１２ｂ，１２ｃを等間隔で接続し、そのうち２本は電極端部３ａ，３ｂに接続する。一方、正極リード１３ａ，１３ｂは、負極リード同士の間の中点Ｃａ，Ｃｂに対応する位置に接続すれば良い。この場合、隣り合った正極１３ａ，１３ｂ同士の間の中点Ｃｃと正極リード１３ａまたは１３ｂとの距離、及び電極端部６ａまたは６ｂと前記正極リード１３ａまたは１３ｂとの距離が等しいことになる。
【００２６】
なお、ここでは負極リードを３本、正極リードを２本接続した場合を例にしているが、上記条件を満たす範囲であれば、この他のリード数にした場合でも同様である。
【００２７】
本発明では、このような条件で負極３，正極６にそれぞれ負極リード１２と正極リード１３を接続するが、負極３，正極６を構成する合剤層や集電体には通常用いられている材料がいずれも使用可能である。
【００２８】
まず、負極合剤層は、リチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な負極材料と結着剤を含有して構成される。
【００２９】
負極材料としては、例えば、炭素質材料等が用いられる。この炭素質材料としては、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子を前駆体とした炭素類（フラン樹脂などを適当な温度で焼成したもの等）、炭素繊維、活性炭等が挙げられる。
【００３０】
負極材料を正極集電体に保持するための結着剤及び正極集電体としては通常用いられているものが使用できる。例えば、結着剤としてはポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、集電体としては銅箔等が使用される。
【００３１】
また、正極合剤層は、リチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な正極材料と導電剤及び結着剤を含有して構成される。
【００３２】
正極材料としては、例えばＬｉ_xＭＯ₂（但し、Ｍは１種以上の遷移金属、好ましくはＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくとも１種である。また、０．０５≦ｘ≦１．１０である）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物が使用される。
【００３３】
正極に導電性を付与するための導電剤、正極材料を正極集電体に保持するための結着剤及び正極集電体としては通常用いられているものが使用できる。
【００３４】
例えば導電剤としてはグラファイト，カーボンブラック、結着剤としてはポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、正極集電体としてはアルミニウム箔がそれぞれ使用される。
【００３５】
また、この電池では、非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液が用いられる。
【００３６】
非水溶媒としては、炭酸プロピレン，炭酸エチレン，炭酸ブチレン等の環状カーボネート、炭酸ジメチル，炭酸ジエチル，炭酸ジプロピル，炭酸エチルメチル等の鎖状カーボネート、ジメトキシエタン，テトラヒドロフラン等のエーテル化合物、γ−ブチロラクトン等の環状エステル類、スルホラン類等が単独もしくは混合して用いられる。
【００３７】
また、電解質塩としてはＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆等のリチウム塩が使用される。
【００３８】
【実施例】
本発明の実施例について実験結果に基づいて説明する。
【００３９】
〔実験例１〕
実施例１
この実施例１は、負極の長さＬａ：４８５．５ｃｍ、負極の幅Ｗａ：７．６５ｃｍ、負極集電体の厚さｔａ：０．００１５ｃｍとし、負極に負極リードを３本取り付け、正極の長さＬc：４７０．０ｃｍ、正極の幅Ｗc：７．２５ｃｍ、正極集電体の厚さｔc：０．００２０ｃｍとし、正極に正極リードを２本取付けた非水電解液二次電池の例である。
【００４０】
この非水電解液二次電池は以下のようにして作製した。
【００４１】
まず、負極は次のようにして作製した。
【００４２】
石油ピッチを、不活性ガス気流中で焼成することによって炭素材料を合成し、この炭素材料を粉砕することによって平均粒径２０μｍの炭素材料粉末を得た。
【００４３】
この炭素材料粉末９０重量部と、結着剤となるフッ化ビニリデン樹脂１０重量部を混合することで負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチルピロリドンに分散させることで負極合剤スラリーを得た。次に、この負極合剤スラリーを、厚さ０．００１５ｃｍの銅箔よりなる負極集電体の両面にリード溶接部を除いて塗布した。そして、この負極集電体をロールで両面から圧縮することによって負極原板を作製し、幅７．６５ｃｍ、長さ４８５．０ｃｍに裁断した。ここで、〔（１．７２×１０^-4×Ｌａ）／（Ｗａ×ｔａ）〕^1/2は２．７０である。この負極に、図２に示すように両端部と両端部同士の間の中点位置の３箇所に負極リードを溶接した。なお、負極リードは、幅１３ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのＣｕ製リードである。
【００４４】
正極は次のようにして作製した。
【００４５】
平均粒径１０μｍのＬｉＣｏＯ₂粉末９５重量部と、導電剤となるグラファイト１．５重量部とカーボンブラックを０．５重量部及び、結着材となるフッ化ビニリデン樹脂３重量部を混合することによって正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチルピロリドンに分散させることで正極合剤スラリーを得た。そして、この正極合剤スラリーを厚さ０．００２０ｃｍのアルミ箔よりなる正極集電体の両面にリード溶接部を除いて塗布した。そして、この正極集電体をロールで両面から圧縮することによって正極原板を作製し、幅７．２５ｃｍ、長さ４７０．０ｃｍに裁断した。ここで、〔（２．７５×１０^-4×Ｌｃ）／（Ｗｃ×ｔｃ）〕^1/2は２．９９である。この正極に、図２に示すように２本の正極リード同士の間の中点と前記正極の距離及び、電極端部と前記電極端部側の正極の距離が等しくなるように２箇所に正極リードを溶接した。なお、正極リードは、幅１５ｍｍ，厚さ０．２ｍｍのＡｌ製リードである。
【００４６】
このようにして作製された負極と正極及びセパレータを、負極・セパレータ・正極・セパレータの順で重ね、正極よりも負極が内側となるようにポリプロピレン製の内芯（外径：７ｍｍ、長さ８１ｍｍ）に巻取ることで電極素子を作製した。セパレータは、幅８０．５ｍｍ、長さ５１００ｍｍのポリプロピレン製の微多孔性シートであり、このセパレータを電極間に２枚重ねて配するようにした。
【００４７】
なお、負極の負極合剤が塗布されていない部分（リード溶接部）と対向する正極部分には、ポリイミド製テープを貼り、電極間のイオンの移動が疎外されるようにした。また、負極リードと正極リードは、それぞれ電極素子の異なる端面から導出した。
【００４８】
次に、作製された電極素子の上下にインシュレータを配し、これをニッケルめっきが施された鉄製円筒缶に挿入した。そして、負極リードを缶底に溶接するとともに、正極リードを電流遮断用薄板に溶接した。
【００４９】
続いて、円筒缶の中に、プロピレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒にＬｉＢＦ₄を１．５モル／リットルなる濃度で溶解させた電解液を注入した。そして、円筒缶の開放側にトップカバーを載せ、絶縁封口用のガスケットを介してかしめ、密閉することで円筒型非水電解液二次電池（直径４０ｍｍ、高さ９０ｍｍ）を作製した。
【００５０】
比較例１
図３に示すように、負極１４に溶接する負極リード１５の本数を１本、正極１６に溶接する正極リード１７の本数を１本にし、負極リード１５を負極１４の端部に溶接し、正極リード１７を正極１６の反対側の端部に溶接したこと以外は実施例１と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【００５１】
比較例２
図４に示すように、負極１８に溶接する負極リード１９ａ，１９ｂの本数を２本、正極２０に溶接する正極リード２１の本数を１本にし、負極リード１９ａ，１９ｂを負極１８の両端部に溶接し、正極リード２１を正極２０の中央部に溶接したこと以外は実施例１と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【００５２】
以上のようにして作製された電池について、電池の出力特性と内部抵抗解析を行った。その結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】

【００５４】
表１に示すように、負極リードの本数が所定の条件を満たす実施例１の電池は、比較例１や比較例２の電池に比べて集電抵抗が小さく、電池の内部抵抗が小さく抑えられ、大きな出力密度が得られる。
【００５５】
このことから、リードの本数を、電極の長さや幅、集電体の厚さに応じて設定することは、電池の内部抵抗を下げ、大きな出力密度を得る上で有効であることがわかった。
【００５６】
さらに、負極リードと正極リードの両者を３本とし、実施例１と同様にして非水電解二次電池を作製した。なお、正極リードも負極リードと同様にして正極に取り付けることとした。そして、この非水電解二次電池の集電抵抗を測定したところ、前述の実施例１よりも更に１（ｍΩ）程度低下して約２（ｍΩ）となり、負極リードと正極リードの本数の両方が所定の条件を満たす場合には、集電抵抗を更に抑えることが可能となることが確認された。
【００５７】
〔実験例２〕
次に、正極リードの本数を１本に固定し、負極リードの本数を変更する以外は、実施例１と同様にして非水電解二次電池を作製し、これらの電池の集電抵抗、総抵抗、電池容量比を調査した。
【００５８】
結果を図５に示す。図５中横軸はリード本数を示し、縦軸は抵抗と電池容量比を示す。そして、図５中○は集電抵抗を示し、□は総抵抗を示し、△は電池容量比を示す。ただし、上記電池容量比は、負極リードが１本である電池の電池容量を１とした場合の比で示す。
【００５９】
図５の結果を見てわかるように、リード本数を多くするほど、集電抵抗は低下している。しかしながら、リード本数の増加に伴って電池容量は低下している。これは、電池内で電池反応に寄与しない部分が増加してしまうためである。そして、総抵抗はこれらの相関で増減し、リード数３本の場合に最小値をとり、それ以上の本数ではあまり変化がない。ただし、リード本数を更に増やすと、反応抵抗等の上昇によって総抵抗は上昇してしまう。
【００６０】
すなわち、これらの結果からリード本数を多くするほど集電抵抗を下げる効果があることが確認された。また、このリード本数は、総抵抗が上昇しない範囲とされることが好ましいことが確認された。
【００６１】
なお、ここでは、負極リードの本数を変更して調査を行ったが、正極リードの本数を変更して調査を行っても同様の結果が得られ、さらに、負極リードと正極リードの両者の本数を増加させれば、集電抵抗を低下させる効果がさらに顕著となる。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の非水電解液二次電池では、正極または負極に接続するリードの本数を規制するので、内部抵抗が小さく抑えられ、高い出力を得ることができる。したがって、同じ出力を得るのに要する電池質量が従来のものに比べて小さくて済む。また、内部抵抗が低いことによって、充放電のエネルギー効率が非常に高くなり、さらに充放電に伴うジュール熱の発生も小さいため、放熱処理が容易になる。しかも、リード本数をいたずらに多くすることによる電池質量の増加、容量低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した非水電解液二次電池の一例を示す縦断面図である。
【図２】負極に３本の負極リードを取付け、正極に２本の正極リードを取り付けた様子を示す平面図である。
【図３】負極に１本の負極リードを取付け、正極に１本の正極リードを取り付けた様子を示す平面図である。
【図４】負極に２本の負極リードを取付け、正極に１本の正極リードを取り付けた様子を示す平面図である。
【図５】リード本数と抵抗、電池容量比の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
３負極、６正極、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ負極リード、１３ａ，１３ｂ正極リード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery suitable as a power source used at a large output density such as a power source for a hybrid electric vehicle.
[0002]
[Prior art]
As an alternative to an aqueous solution secondary battery such as a nickel cadmium battery, non-aqueous electrolyte secondary batteries are being developed because of their high energy density and light weight.
[0003]
This non-aqueous electrolyte secondary battery is a battery that uses a negative electrode and a positive electrode capable of doping and dedoping lithium, and a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent. For example, a carbon material or the like is used as the material of the negative electrode, and a lithium transition metal composite oxide such as LiCoO ₂ is used as the material of the positive electrode.
[0004]
There are various types of nonaqueous electrolyte secondary batteries such as a coin type and a cylindrical type, and the shape of the electrode is selected according to the battery type. For example, in the case of a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery, a strip-shaped negative electrode in which a negative electrode mixture layer is formed on both sides or one side of a negative electrode current collector, and a positive electrode on both sides or one side of a positive electrode current collector A wound electrode body is used in which a belt-like positive electrode formed with a mixture layer is laminated via a separator and the laminate is wound. Here, each of the negative electrode current collector and the positive electrode current collector is provided with a negative electrode lead and a positive electrode lead at one location, and current is taken out through these leads.
[0005]
By the way, the capacity and output density of the battery vary depending on the shape of the electrode. For example, when the thickness of the electrode mixture layer is increased, the amount of the active material filled in the battery is increased, so that the battery capacity is increased. However, when the thickness of the electrode mixture layer is increased, the length of the electrode that can be accommodated in the battery is reduced, so that the reaction surface area is reduced and the output density is reduced.
[0006]
Here, in the conventional cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery, the thickness of the positive electrode mixture layer on one side is relatively thick at 80 to 90 μm. This is because the nonaqueous electrolyte secondary battery is mainly used as a power source for portable devices. As a power source used for a portable device, it is important that the usage time is long, that is, the discharge capacity is large.
[0007]
On the other hand, recently, focusing on the light weight of non-aqueous electrolyte secondary batteries, the use of non-aqueous electrolyte secondary batteries as power sources for hybrid electric vehicles and engine starting has been studied. Yes. The power source used for these is often discharged and charged in a short time of about several seconds and with high power, and it is important that the output density is larger than the capacity. Therefore, in this case, it is necessary to reduce the thickness of the electrode mixture layer and increase the length of the electrode accommodated in the battery so as to increase the reaction surface area.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described wound electrode body, when the length of the electrode is increased as it is, there arises a problem that the electrical resistance at the current collector increases and the output decreases. Although it is conceivable to increase the thickness of the current collector as a method of reducing the electrical resistance of the current collector, in that case, the amount of active material that can be filled in the battery decreases, the battery capacity decreases, and the battery weight decreases. Inconvenience such as increase will be caused.
[0009]
Therefore, the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and an object thereof is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery in which current collection resistance is kept low and high output can be obtained.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, on the strip-shaped negative electrode current collector, a negative electrode mixture layer is formed, on the strip positive electrode current collector, the positive electrode A positive electrode in which a mixture layer is formed, and leads are connected in the longitudinal direction of the negative electrode and the positive electrode, and three or more first leads are connected to either the negative electrode or the positive electrode. They are connected at equal intervals, two of which are connected to the electrode end, two or more second leads are connected to the other electrode, and the midpoint between adjacent second leads and the second lead A first distance, a second distance between the other electrode end and the second lead on the other electrode end side, and a midpoint between adjacent first leads connected to the one electrode The third distance from the first lead is equal .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.
[0013]
An example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is shown in FIG.
[0014]
As shown in FIG. 1, the non-aqueous electrolyte secondary battery includes a negative electrode 3 in which a negative electrode mixture layer 2 is formed on both surfaces of a negative electrode current collector 1 and a positive electrode mixture on both surfaces of a positive electrode current collector 4. The positive electrode 6 formed with the layer 5 is wound through a microporous membrane separator 7 made of polypropylene, polyethylene or the like, and stored in a battery can 9 with insulators 8 placed on the upper and lower sides of the wound body. It is made.
[0015]
A battery lid 10 is attached to the battery can 9 by caulking through a sealing gasket 11 and is electrically connected to the negative electrode or the positive electrode via a negative electrode lead 12 and a positive electrode lead 13, respectively. Is configured to function as
[0016]
However, in this battery, a current interrupting thin plate is provided as a safety device, and the positive electrode lead 13 is welded and attached to the current interrupting thin plate 14, and is connected to the battery lid 10 via the current interrupting thin plate 14. Electrical connections are made.
[0017]
In the battery having such a configuration, when the internal pressure of the battery increases, the thin plate 14 such as the current interruption is pushed up and deformed. Then, the positive electrode lead 13 is cut leaving a portion welded to the current interrupting thin plate 14, and the current is interrupted.
[0018]
Here, a development view of the negative electrode 3 and the positive electrode 6 is shown in FIG. The negative electrode 3 and the positive electrode 6 are connected to the negative electrode leads 12a, 12b, 12c and the positive electrode leads 13a, 13b, respectively, for taking out current as described above. At the connecting portions of the negative electrode leads 12a, 12b, 12c and the positive electrode leads 13a, 13b, the current collector is exposed without forming a mixture layer, and the negative electrode leads 12a, 12b are exposed to the exposed current collector. 12c and the positive leads 13a and 13b are directly welded.
[0019]
And in this non-aqueous electrolyte secondary battery, in particular, the negative electrode leads 12a, 12b, and 12c are connected in parallel in the longitudinal direction of the negative electrode in the number corresponding to the integer among Xa represented by Formula 1,
Xa ≧ [(1.72 × 10 ⁻⁴ × La) / (Wa × ta)] ^1/2 Formula 1
(However, La is the length (cm) of the negative electrode, Wa is the width (cm) of the negative electrode, and ta is the thickness (cm) of the negative electrode current collector.)
Further, the positive leads 13a and 13b are connected in parallel in the longitudinal direction of the positive electrode in a number corresponding to an integer among Xc represented by the following equation.
[0020]
Xc ≧ [(2.75 × 10 ⁻⁴ × Lc) / (Wc × tc)] ^1/2 Formula 2
(However, Lc is the length (cm) of the positive electrode, Wc is the width (cm) of the positive electrode, and tc is the thickness (cm) of the positive electrode current collector.)
Thus, when the negative electrode leads 12a, 12b, 12c and the positive electrode leads 13a, 13b are connected in a number corresponding to the dimensions of the electrodes and the thickness of the current collector, even if the length of the electrodes is increased, the current collecting resistance Can be reduced to 5 mΩ or less, and a large output can be obtained while improving the current density. In addition, although the effect is acquired even if either of these connection conditions of the negative electrode leads 12a, 12b, 12c and the positive electrode leads 13a, 13b is satisfied, the effect is more effective when both conditions are satisfied. high.
[0021]
Here, the current collection resistance of 5 mΩ or less is a necessary condition particularly in a battery used in a hybrid vehicle using gasoline and electricity as power sources.
[0022]
That is, it is desirable that the battery used in the hybrid vehicle is as small and high output as possible. Here, generally in the case of a small vehicle, the output of about 20 kW is required as a vehicle. The required voltage is determined by the operating voltage of the motor, and considering this, current efficiency, safety, etc., the number of cells in series is about 100 cells. Therefore, the battery used for the vehicle needs an output of about 200 W per cell.
[0023]
On the other hand, the open circuit voltage of the battery is about 3.8 V. In this case, in order to obtain an output of 200 W, the internal resistance needs to be 16 mΩ or less.
[0024]
Here, the internal resistance of the battery is divided into a reaction resistance related to the battery reaction, a resistance derived from the electrolytic solution and the separator, and a current collecting resistance. Among these, the reaction resistance is about 7 to 8 mΩ, derived from the electrolytic solution and the separator. The resistance to be applied is about 4 mΩ, and the current collecting resistance needs to be about 5 mΩ or less in order to reduce the internal resistance of the battery to 16 mΩ or less without changing these. Thus, the battery used for the hybrid vehicle needs to have a current collecting resistance of 5 mΩ or less.
[0025]
The negative electrode leads 12a, 12b, 12c and the positive electrode leads 13a, 13b are connected in a predetermined number as described above. In this case, the connection positions are also important. For example, the number of negative electrode leads is increased by one from the number of positive electrode leads, and as shown in FIG. 2, the negative electrode leads 12a, 12b, 12c are connected at equal intervals in the negative electrode, two of which are electrode end portions 3a, Connect to 3b. On the other hand, the positive leads 13a and 13b may be connected to positions corresponding to the midpoints Ca and Cb between the negative leads. In this case, the distance between the midpoint Cc between the adjacent positive electrodes 13a and 13b and the positive electrode lead 13a or 13b and the distance between the electrode end 6a or 6b and the positive electrode lead 13a or 13b are equal.
[0026]
Here, a case where three negative leads and two positive leads are connected is taken as an example, but the same applies to other leads as long as the above conditions are satisfied.
[0027]
In the present invention, the negative electrode lead 12 and the positive electrode lead 13 are connected to the negative electrode 3 and the positive electrode 6, respectively, under such conditions. However, the negative electrode 3 and the positive electrode 6 are usually used as a mixture layer or a current collector. Any material can be used.
[0028]
First, the negative electrode mixture layer includes a negative electrode material capable of doping and dedoping lithium ions and a binder.
[0029]
As the negative electrode material, for example, a carbonaceous material or the like is used. Suitable carbonaceous materials include pyrolytic carbons, cokes (pitch coke, needle coke, petroleum coke, etc.), graphites, glassy carbons, and carbons with organic polymer precursors (furan resin, etc.) Etc.), carbon fiber, activated carbon and the like.
[0030]
As the binder and the positive electrode current collector for holding the negative electrode material on the positive electrode current collector, those commonly used can be used. For example, a fluorine resin such as polyvinylidene fluoride is used as the binder, and a copper foil or the like is used as the current collector.
[0031]
The positive electrode mixture layer includes a positive electrode material that can be doped / undoped with lithium ions, a conductive agent, and a binder.
[0032]
Examples of the positive electrode material include Li _x MO ₂ (where M is one or more transition metals, preferably at least one of Mn, Co, Ni, and Fe. Also, 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Lithium transition metal composite oxide represented by
[0033]
As the conductive agent for imparting conductivity to the positive electrode, the binder for holding the positive electrode material on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, those commonly used can be used.
[0034]
For example, graphite and carbon black are used as the conductive agent, a fluorine resin such as polyvinylidene fluoride is used as the binder, and an aluminum foil is used as the positive electrode current collector.
[0035]
In this battery, a nonaqueous electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent is used.
[0036]
Non-aqueous solvents include cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate and butylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate and ethyl methyl carbonate, ether compounds such as dimethoxyethane and tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, etc. These cyclic esters and sulfolanes are used alone or in combination.
[0037]
As the electrolyte salt _{_{_{LiPF 6, LiBF 4, LiCF 3}}} SO 3, LiClO 4, lithium salt LiAsF ₆ or the like is used.
[0038]
【Example】
Examples of the present invention will be described based on experimental results.
[0039]
[Experimental Example 1]
Example 1
In this example 1, the negative electrode length La: 485.5 cm, the negative electrode width Wa: 7.65 cm, the negative electrode current collector thickness ta: 0.0015 cm, three negative electrode leads were attached to the negative electrode, An example of a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the length Lc is 470.0 cm, the positive electrode width Wc is 7.25 cm, the positive electrode current collector thickness tc is 0.0020 cm, and two positive electrode leads are attached to the positive electrode. is there.
[0040]
This non-aqueous electrolyte secondary battery was produced as follows.
[0041]
First, the negative electrode was produced as follows.
[0042]
Carbon material was synthesized by firing petroleum pitch in an inert gas stream, and the carbon material was pulverized to obtain carbon material powder having an average particle size of 20 μm.
[0043]
A negative electrode mixture was prepared by mixing 90 parts by weight of the carbon material powder and 10 parts by weight of vinylidene fluoride resin as a binder, and the negative electrode mixture was dispersed in N-methylpyrrolidone to thereby prepare a negative electrode mixture. A slurry was obtained. Next, this negative electrode mixture slurry was applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of a copper foil having a thickness of 0.0015 cm, excluding lead welds. And this negative electrode collector was compressed from both sides with the roll, the negative electrode original plate was produced, and it cut | judged to width 7.65cm and length 485.0cm. Here, [(1.72 × 10 ⁻⁴ × La) / (Wa × ta)] ^1/2 is 2.70. As shown in FIG. 2, the negative electrode lead was welded to the negative electrode at three locations at the midpoint position between the two end portions. The negative electrode lead is a Cu lead having a width of 13 mm and a thickness of 0.1 mm.
[0044]
The positive electrode was produced as follows.
[0045]
Mix 95 parts by weight of LiCoO ₂ powder having an average particle size of 10 μm, 1.5 parts by weight of graphite as a conductive agent, 0.5 parts by weight of carbon black, and 3 parts by weight of vinylidene fluoride resin as a binder. A positive electrode mixture slurry was prepared by dispersing the positive electrode mixture in N-methylpyrrolidone. And this positive mix slurry was apply | coated except for the lead welding part on both surfaces of the positive electrode electrical power collector which consists of 0.0020-cm-thick aluminum foil. And this positive electrode electrical power collector was produced from both surfaces with the roll, the positive electrode original plate was produced, and it cut | judged to width 7.25cm and length 470.0cm. Here, [(2.75 × 10 ⁻⁴ × Lc) / (Wc × tc)] ^1/2 is 2.99. In this positive electrode, as shown in FIG. 2, the distance between the midpoint between the two positive electrode leads and the positive electrode and the distance between the electrode end and the positive electrode on the electrode end side are equal to each other at two locations. The lead was welded. The positive electrode lead is an Al lead having a width of 15 mm and a thickness of 0.2 mm.
[0046]
The thus produced negative electrode, positive electrode and separator are stacked in the order of negative electrode / separator / positive electrode / separator, and an inner core made of polypropylene (outer diameter: 7 mm, length 81 mm) so that the negative electrode is inside the positive electrode. ) To produce an electrode element. The separator was a polypropylene microporous sheet having a width of 80.5 mm and a length of 5100 mm, and two separators were stacked between the electrodes.
[0047]
In addition, a polyimide tape was applied to the positive electrode portion facing the portion where the negative electrode mixture of the negative electrode was not applied (lead welded portion) so that the movement of ions between the electrodes was excluded. Moreover, the negative electrode lead and the positive electrode lead were respectively derived from different end faces of the electrode elements.
[0048]
Next, insulators were arranged above and below the produced electrode element, and this was inserted into an iron cylindrical can on which nickel plating was applied. Then, the negative electrode lead was welded to the bottom of the can, and the positive electrode lead was welded to the current interrupting thin plate.
[0049]
Subsequently, an electrolytic solution in which LiBF ₄ was dissolved in a mixed solvent of propylene carbonate and diethyl carbonate at a concentration of 1.5 mol / liter was injected into the cylindrical can. Then, a top cover was placed on the open side of the cylindrical can, caulked through an insulating sealing gasket, and sealed to prepare a cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery (diameter 40 mm, height 90 mm).
[0050]
Comparative Example 1
As shown in FIG. 3, the number of the negative electrode lead 15 welded to the negative electrode 14 is one, the number of the positive electrode lead 17 welded to the positive electrode 16 is one, the negative electrode lead 15 is welded to the end of the negative electrode 14, and the positive electrode A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the lead 17 was welded to the opposite end of the positive electrode 16.
[0051]
Comparative Example 2
As shown in FIG. 4, the number of negative electrode leads 19 a and 19 b welded to the negative electrode 18 is two, the number of positive electrode leads 21 welded to the positive electrode 20 is one, and the negative leads 19 a and 19 b are attached to both ends of the negative electrode 18. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that welding was performed and the positive electrode lead 21 was welded to the central portion of the positive electrode 20.
[0052]
The battery produced as described above was subjected to battery output characteristics and internal resistance analysis. The results are shown in Table 1.
[0053]
[Table 1]

[0054]
As shown in Table 1, the battery of Example 1 in which the number of negative electrode leads satisfies the predetermined condition has a lower current collecting resistance than the batteries of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the internal resistance of the battery is kept small. A large output density can be obtained.
[0055]
From this, it was found that setting the number of leads according to the length and width of the electrodes and the thickness of the current collector is effective in reducing the internal resistance of the battery and obtaining a large output density. .
[0056]
Further, the number of both the negative electrode lead and the positive electrode lead was three, and a nonaqueous electrolytic secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. The positive electrode lead was attached to the positive electrode in the same manner as the negative electrode lead. Then, when the current collecting resistance of this non-aqueous electrolytic secondary battery was measured, it was further reduced by about 1 (mΩ) from the above-mentioned Example 1 to about 2 (mΩ), and both the number of negative electrode leads and positive electrode leads were It has been confirmed that the current collecting resistance can be further suppressed when the above condition is satisfied.
[0057]
[Experiment 2]
Next, a non-aqueous electrolysis secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the number of positive electrode leads was fixed to one and the number of negative electrode leads was changed. The resistance and battery capacity ratio were investigated.
[0058]
The results are shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the number of leads, and the vertical axis indicates the resistance and battery capacity ratio. In FIG. 5, ◯ indicates the current collecting resistance, □ indicates the total resistance, and Δ indicates the battery capacity ratio. However, the battery capacity ratio is a ratio when the battery capacity of a battery having one negative electrode lead is 1.
[0059]
As can be seen from the results of FIG. 5, the current collection resistance decreases as the number of leads increases. However, as the number of leads increases, the battery capacity decreases. This is because the portion of the battery that does not contribute to the battery reaction increases. The total resistance increases or decreases depending on these correlations, takes a minimum value when the number of leads is three, and does not change much when the number of leads is more than that. However, when the number of leads is further increased, the total resistance increases due to an increase in reaction resistance and the like.
[0060]
That is, from these results, it was confirmed that the effect of lowering the current collecting resistance was increased as the number of leads was increased. Further, it was confirmed that the number of leads is preferably in a range where the total resistance does not increase.
[0061]
Here, the investigation was carried out by changing the number of the negative electrode leads, but the same result was obtained even if the investigation was carried out by changing the number of the positive electrode leads, and the number of both the negative electrode lead and the positive electrode lead was obtained. If the value is increased, the effect of reducing the current collecting resistance becomes more remarkable.
[0062]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the number of leads connected to the positive electrode or the negative electrode is regulated, so that the internal resistance can be kept small and a high output can be obtained. . Therefore, the battery mass required to obtain the same output is smaller than that of the conventional one. Moreover, since the internal resistance is low, the energy efficiency of charging / discharging becomes very high, and further, the generation of Joule heat accompanying charging / discharging is small, so that the heat dissipation process becomes easy. In addition, an increase in battery mass and a decrease in capacity due to an unnecessarily large number of leads can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a non-aqueous electrolyte secondary battery to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a plan view showing a state in which three negative electrode leads are attached to the negative electrode and two positive electrode leads are attached to the positive electrode.
FIG. 3 is a plan view showing a state in which one negative electrode lead is attached to the negative electrode and one positive electrode lead is attached to the positive electrode.
FIG. 4 is a plan view showing a state in which two negative leads are attached to the negative electrode and one positive lead is attached to the positive electrode.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of leads, resistance, and battery capacity ratio.
[Explanation of symbols]
3 negative electrode, 6 positive electrode, 12a, 12b, 12c negative electrode lead, 13a, 13b positive electrode lead

Claims

A strip-shaped negative electrode current collector on, a negative electrode mixture layer is formed, on the strip positive electrode current collector, and a positive electrode mixture layer is formed, the longitudinal of the negative electrode and the positive electrode Lead in the direction ,
Three or more first leads are connected to either the negative electrode or the positive electrode at regular intervals, two of which are connected to the electrode end, and two or more second leads to the other electrode. And
A first distance between a midpoint between adjacent second leads and the second lead, a second distance between the other electrode end and the second lead on the other electrode end, and the one A non-aqueous electrolyte secondary battery in which a midpoint between adjacent first leads connected to the electrode of the first electrode and a third distance between the first leads are equal .

The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the one electrode is a negative electrode and the other electrode is a positive electrode.

The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 2 , wherein the negative electrode mixture layer contains a carbon material.

The positive electrode mixture layer is Li _x MO ₂ (where M is one or more of Co, Ni, Mn, Cr, Fe, V, and Al, and 1.1 ≧ x ≧ 0.4). The non-aqueous-electrolyte secondary battery of Claim 3 containing the lithium transition metal complex oxide represented by this.