JP4749015B2 - 電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は，電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池に係り，より詳しくは，識別表示が付いている電極タブまたは極板基材を含む電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池に関する。

近年，電子機器，特に携帯用電子機器の発達に伴い，このような電子機器の駆動電源として用いられる二次電池も目覚ましく発展している。その中でも，リチウム二次電池は，高い作動電圧，長寿命，高エネルギー密度などの優れた特性により最も注目されている電池の一つである。

リチウム二次電池は，可逆的にリチウムの挿脱が可能な物質を正極及び負極として使用し，正極と負極との間に有機電解液またはポリマー電解液を充填させて製造し，リチウムイオンが正極及び負極に対して挿脱されるときの酸化，還元反応によって電気エネルギーを生成する。

リチウム二次電池のベアセルの大部分は，正極，負極及びセパレータからなる電極組立体を，アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる缶に収納し，缶を缶組立体に仕上げた後，缶の内部に電解液を注入し密封することにより形成される。缶がアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されると，アルミニウムが有する軽量であるという属性により電池の軽量化を図ることができること，高電圧の下で長時間使用するときにも腐食しないことなどの有利な点がある。

通常，ベアセルの上部には，その周囲の部分と絶縁された電極端子が備えられ，この電極端子が，ベアセル内で電極組立体の一電極に接続されて電池の正極端子または負極端子となる。また，缶自体は，電極端子とは反対の極性を有する。

ここで，図１を参照しながら，従来の角形リチウム二次電池の構成について説明する。なお，図１は，従来の角形リチウム二次電池の概略的な構成を示した分解斜視図である。

図１に示したように，従来の角形リチウム二次電池１０は，缶１１と，缶１１の内部に収容される電極組立体１２と，缶１１に結合する缶組立体１００とを備える。

缶１１は，金属製の角形のケースである。電極組立体１２は，正極板１３と，セパレータ１４と，負極板１５とを順次積層した後，ロール状に巻き取ったもので，缶１１の内部に収納されている。正極板１３から正極タブ１６が，また，負極板１５から負極タブ１７がそれぞれ引き出されている。

キャップ組立体１００は，缶１１の上端部に結合するキャッププレート１１０と，キャッププレート１１０の中央に設けられている端子通孔１１１に挿入される電極端子１３０と，キャッププレート１１０の下面に設置される絶縁プレート１４０と，絶縁プレート１４０の下面に設置され，電極端子１３０と電気的に接続される端子プレート１５０とを備えている。電極端子１３０の外面には，電極端子１３０とキャッププレート１１０との絶縁のために，チューブ状のガスケット１２０が設置されている。

キャッププレート１１０には，缶１１の内部に電解液を注入するための通路を提供する電解液注入孔１１２が設けられており，電解液注入孔１１２にはボール１６０が電解液注入孔１１２を密閉可能に結合している。

正極タブ１６は，キャッププレート１１０の底面に接続されており，負極タブ１７は，端子プレート１５０を介して電極端子１３０に接続されている。正極タブ１６及び負極タブ１７の接続位置は，お互い変わってもよい。正極タブ１６及び負極タブ１７が電極組立体１２から引き出される部分には，正極板１３と負極板１５との間の短絡を防止するために絶縁テープ１８が巻かれている。缶１１の内部には，ジェリーロール状の電極組立体１２，及び缶組立体１００との絶縁のための絶縁ケース１７０が設置されている。

ところで，電池は，エネルギー源として多くのエネルギーを放出する可能性を有している。二次電池の場合，エネルギーが充電された状態で二次電池自体に高いエネルギーを蓄積しており，充電過程では他のエネルギー源からエネルギーの供給を受けて蓄積する。このような過程または状態で内部短絡など二次電池の異常が発生する場合，電池内に蓄積されたエネルギーが短時間に放出されながら発火，爆発などを引き起こすおそれがある，という安全上の問題がある。

このため，リチウム二次電池には，充電された状態であるいは充電する過程で電池自体の異常による発火または爆発を防ぐために，異常電流または電圧を感知して電流が流れることを防ぐ保護回路，異常電流による過熱で作動するＰＴＣ(positive temperature coefficient)素子，バイメタルなどの安全装置が備えられている。

しかしながら，電池の発火や破裂などの問題が発生したとき，熱によって電池の構成要素が大部分損傷してしまうので，その原因分析が困難である，という問題があった。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，電池の異常による問題発生の際に，電池の生産装備，生産日付，作業者，生産ラインなどの製造工程の履歴を容易に確認することができるとともに，複製品の使用を防止することが可能な，新規かつ改良された電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，少なくとも一部に正極活物質が塗布された正極集電体のうち正極活物質が塗布されていない正極無地部に正極タブが接続されている正極板と，少なくとも一部に負極活物質が塗布された負極集電体のうち負極活物質が塗布されていない負極無地部に負極タブが接続されている負極板と，正極板と負極板との間を絶縁させるために介在されたセパレータとを巻き取って形成される電極組立体において，正極タブ，負極タブの中の少なくとも一つに識別表示が付いている，電極組立体が提供される。

電池の異常により発火または爆発が発生する場合，高熱によって電池の大部分の構成要素は激しく変形するが，金属材質からなる正極タブ，負極タブ，正極無地部，及び負極無地部は殆ど変形しない。したがって，正極タブ，負極タブのうちの少なくともいずれか一つに識別表示を付すことにより，電池の発火や爆発が生じた場合でも，生産装備，生産日付，作業者，生産ラインなどの製造工程の履歴を容易に確認することができる。

本発明において，識別表示は，数字，文字，図形，突起，穿孔またはこれらを組み合わせた形態で構成できる。また，このような識別表示は，レーザー，微細打孔，またはエンボシングなどによって形成できる。

また，正極タブはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり，負極タブはニッケルまたはニッケル合金を用いて形成されることが好ましい。

また，正極集電体はアルミニウムまたはアルミニウム合金，負極集電体は銅または銅合金を用いて形成されることが好ましい。

また，正極タブ及び負極タブは，それぞれ正極無地部及び負極無地部にスポット溶接，レーザー溶接または超音波溶接によって接続してもよく，導電性接着剤によって接続してもよい。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，上述した特徴を有する電極組立体と，この電極組立体を収容する缶と，この缶の上部に結合する缶組立体とを含む，リチウム二次電池が提供される。

本発明によれば，電池の異常による問題発生の際に，電池の生産装備，生産日付，作業者，生産ラインなどの製造工程の履歴を容易に確認することができるため，問題の原因分析をより容易に行うことが可能であるとともに，製造者による固有の識別表示によって複製品の使用を防止することが可能な識別表示を有する，電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池を提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図２及び図４は，本発明の好適な実施形態に係る電極組立体の概略的な構成を示す分解斜視図である。図６ａは，図４のＡ−Ａ線に沿った断面図であって，負極タブの例を示したものである。また，図６ｂは，図６ａに示した負極タブの変形例を示した図である。

図２を参照すると，電極組立体２０は，正極板２１と負極板２３との間にセパレータ２２を介在し，これをジェリーロール（jelly roll）状に巻き取って形成する。

正極板２１は，正極集電体２１ａと，正極集電体２１ａの少なくとも一面に塗布される正極活物質層２１ｂとを備える。

正極集電体２１ａとしては，例えば，ステンレス鋼，ニッケル，アルミニウム，チタン，およびこれらの合金，さらに，アルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボン，ニッケル，チタン，銀を表面処理させたもの等を使用することができる。この場合，正極集電体としては，通常，アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。集電体の厚みは，通常１〜５０μｍ，好ましくは１〜３０μｍである。薄すぎると機械的強度が弱くなるが，厚すぎると電池が大きくなり，電池のエネルギー密度が小さくなるため，好ましくない。

正極活物質，バインダー，導電剤などを溶媒に分散させた正極スラリー組成物を正極集電体２１ａの少なくとも一面に塗布した後，乾燥及び圧延して正極活物質層２１ｂを形成することができる。正極板２１のうち正極活物質が塗布されていない正極無地部(positive electrode uncoated area)２１ｃには，正極タブ２６が取り付けられている。正極タブ２６としては，通常，アルミニウムまたはアルミニウム合金が用いられる。リチウムイオンを可逆的に挿入及び脱離することができる正極活物質としては，一般的に，遷移金属酸化物，または，リチウムカルコゲナイド化合物を使用することができ，その代表的な例としては，ＬｉＣｏ０_２，ＬｉＮｉ０_２，ＬｉＭｎ０_２，ＬｉＭｎ_２０_４，または，ＬｉＮｉ_１-ｘ-ｙＣｏ_ｘＭ_ｙ０_２（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ+ｙ≦１，ＭはＡｌ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｌａなどの金属）などの金属酸化物が挙げられる。

負極板２３は，負極集電体２３ａと，負極集電体２３ａの少なくとも一面に塗布される負極活物質層２３ｂとを備える。

負極集電体２３ａとしては，ステンレス鋼，ニッケル，銅，チタン，およびこれらの合金，さらに，銅またはステンレス鋼の表面にカーボン，ニッケル，チタン，銀を表面処理させたもの等を使用することができる。この場合，負極集電体としては，通常，銅又は銅合金が用いられる。

負極活物質，バインダー，導電剤などを溶媒に分散させた負極スラリー組成物を負極集電体２３ａの少なくとも一面に塗布した後，乾燥及び圧延して負極活物質層２３ｂを形成することができる。負極板２３のうち負極活物質が塗布されていない負極無地部(negative electrode uncoated area)２３ｃには，負極タブ２７が取り付けられている。負極タブ２７としては，通常，ニッケル又はニッケル合金が用いられる。リチウムイオンを挿入及び脱離することができる負極活物質としては，結晶質もしくは非晶質の炭素，炭素複合体の炭素系負極活物質（熱的に分解された炭素，コークス，黒鉛），燃焼された有機重合体化合物，炭素繊維，酸化スズ化合物，リチウム金属，またはリチウム合金を使用することができる。

正極集電体２１ａ及び負極集電体２３ａの形としては，例えば，ホイル，フィルム，シート，メッシュ，パンチングされたもの，多孔質体，発泡体などを採用することができる。

正極タブ２６及び負極タブ２７は，それぞれ正極無地部２１ｃ及び負極無地部２３ｃの表面に電気的に接続されており，正極無地部２１ｃ及び負極無地部２３ｃに対してスポット溶接（spot welding），レーザー溶接，超音波溶接などの溶接，または導電性接着剤によって通電可能に取り付けられている。導電性接着剤としては，例えば，接着力に優れたエポキシ樹脂，アクリル樹脂，変性ウレタン樹脂などの合成樹脂と合成ゴムに，導電性に優れた銀，ニッケルなどの金属粉とカーボンとを均一に混合および分散させた導電性ペーストを使用できる。

正極板２１と負極板２３との間にはセパレータ２２が介在されるが，セパレータ２２は，正極板と負極板とを分離させて短絡を防止し，リチウムイオンの移動通路を提供するためのもので，例えば，ポリオレフィン，ポリエチレン，ポリプロピレンなどの高分子膜またはこれらの多重膜，微細多孔性フィルム，織布，及び不織布などを使用できる。

本実施形態では，生産設備，生産ライン，作業者，生産日付などの製造工程の履歴を確認することが可能な識別表示を，正極タブ２６，及び負極タブ２７の中の少なくとも一つに付す。電池の異常により発火または爆発が発生する場合，高熱によって電池の大部分の構成要素は激しく変形するが，金属材質からなる正極タブ，負極タブ，正極無地部，及び負極無地部は殆ど変形しない。したがって，正極タブ２６，負極タブ２７の中の少なくともいずれか一つに識別表示をすることにより，後で問題が発生したとき，製造工程の履歴を確認して問題の原因をより容易に追跡することができるとともに，複製品の使用を防止することもできる。このような識別表示は，例えば，数字，文字，図形，突起，穿孔またはこれらを組み合わせた形で構成できる。また，識別表示は，その形状と材料の特性などを勘案してレーザー，微細打孔，またはエンボシングなどによって形成できる。ただし，識別表示の形状及びその形成方法は上述した例に限定されない。

図２に示した本発明の第１の実施形態においては，正極タブ２６の下端部に，図形と数字とを組み合わせた識別表示が付してあるが，この識別表示の位置は，正極タブ２６の下端部に限定されず，正極タブ２６と正極無地部２１ｃとの接触部位などを考慮して適切に選択できる。

図３に示した参考例においては，正極無地部３１ｃの下端部に，文字と図形と数字とを組み合わせた識別表示が付してあるが，この識別表示の位置は，正極無地部３１ｃの下端部に限定されず，正極タブ３６の取り付け位置などを考慮して適切に選択できる。

図２及び図３に示した識別表示は，金属板に図形や数字，文字などを刻み込むことが可能なレーザーマーキングなどによって付すことができる。レーザーマーキングは，光の波長とエネルギーに応じて物質の表面にお互い異なる形で刻印（マーキング）・食刻（エッチング）が行われる原理を用いて各種の材質の表面に文字や記号などの各種情報をレーザーで刻み込むことができるもので，レーザー光による非接触マーキング方式であって，静電気の発生がなく，高速マーキングが可能であり，耐摩耗性にも優れる。

図４は，負極タブ４７の上端部に，微細打孔またはエンボシングによって穿孔または突起の形で識別表示が付してある第２の実施形態を示している。また，図５は，負極無地部５３ｃの側面部に，微細打孔またはエンボシングによって穿孔または突起の形で識別表示が付してある参考例を示している。穿孔または突起の形は，円形，楕円形，四角形など様々な形状にすることができ，その大きさ及び個数も図示した例に限定されない。

図６ａは，図４に示した負極タブ４７をＡ−Ａ´線に沿って切断した状態を示す断面図であり，負極タブ４７の識別表示が突起の形をしている断面を示している。また，図６ｂは，図６ａに示した負極タブ４７の変形例を示す図であり，負極タブ６７の識別表示が穿孔の形をしている断面を示している。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池に適用可能であり，特に，識別表示が付いている電極タブを含む電極組立体及びこれを用いたリチウム二次電池に適用可能である。

従来の角形リチウム二次電池の概略的な構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る電極組立体の概略的な構成を示す分解斜視図である。 参考例に係る電極組立体の概略的な構成を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る電極組立体の概略的な構成を示す分解斜視図である。 参考例に係る電極組立体の概略的な構成を示す分解斜視図である。 図４のＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図で，負極タブの一例を示す図である。 図６ａに示した負極タブの変形例を示す図である。

符号の説明

２０ 電極組立体
２１ 正極板
２１ａ 正極集電体
２１ｂ 正極活物質層
２１ｃ 正極無地部
２２ セパレータ
２３ 負極板
２３ａ 負極集電体
２３ｂ 負極活物質層
２３ｃ 負極無地部
２６ 正極タブ
２７ 負極タブ

Claims (16)

1. 少なくとも一部に正極活物質が塗布された正極集電体のうち前記正極活物質が塗布されていない正極無地部に正極タブが接続されている正極板と，
   少なくとも一部に負極活物質が塗布された負極集電体のうち前記負極活物質が塗布されていない負極無地部に負極タブが接続されている負極板と，
   前記正極板と前記負極板との間を絶縁させるために介在されたセパレータとを巻き取って形成される電極組立体において，
   前記正極タブ，前記負極タブのうちの少なくとも一つに識別表示が付されており、
   前記識別表示は、製造工程の履歴を確認することが可能な識別表示であることを特徴とする，電極組立体。
2. 前記識別表示は，数字，文字，またはこれらの組み合わせで構成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記識別表示は，図形で構成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
4. 前記識別表示は，突起，穿孔，またはこれらを組み合わせで構成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
5. 前記識別表示は，レーザーにより形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
6. 前記識別表示は，微細打孔により形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
7. 前記識別表示は，エンボシングにより形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
8. 前記正極タブは，アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
9. 前記正極タブは，前記正極無地部に対して，スポット溶接，レーザー溶接，または超音波溶接により接続されていることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
10. 前記正極タブは，前記正極無地部に対して，導電性接着剤により接続されていることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
11. 前記負極タブは，ニッケルまたはニッケル合金を用いて形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
12. 前記負極タブは，前記負極無地部に対して，スポット溶接，レーザー溶接，または超音波溶接により接続されていることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
13. 前記負極タブは，前記負極無地部に対して，導電性接着剤により接続されていることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
14. 前記正極集電体は，アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
15. 前記負極集電体は，銅または銅合金を用いて形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電極組立体。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電極組立体と；
    前記電極組立体を収容する缶と；
    前記缶の上部に結合する缶組立体と；
    を含む，リチウム二次電池。
    

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