JP4863636B2 - 渦巻式電極の角型電池 - Google Patents

Description

本発明は、電極体の渦巻式電極を角型の外装体に収納している角型電池に関する。

角型電池の電極体は、正極と負極の間にセパレータを挟んで積層している。正極と負極を積層する構造として、四角形に切断した正極と負極とをセパレータを挟んで積層するサンドイッチ構造と、帯状に細長い正極と負極との間にセパレータを挟んで渦巻状に巻き、これを両面からプレスして、両面を平坦面とする渦巻式電極とがある（特許文献１及び２参照）。
特開２００１−２６６９４６号公報 特開平９−１７１８０９号公報

これ等の公報に記載される渦巻式電極の角型電池は、薄い正極と負極の巻く回数を多くして、電池の内部抵抗を小さくしながら、能率よく多量生産できる特徴がある。このため、極板の薄いリチウムイオン二次電池等に好んで使用される。この構造の電極体は、渦巻状に巻いた状態で両面からプレスして製造されるので、好ましくは、最外周極板の終端を平坦面でなくて湾曲コーナー部に位置させる。湾曲コーナー部に終端のある電極体は、両面を理想的な状態で平面状にプレスできる。これに対して、最外周極板の終端が平坦面にあると、最外周極板の終端の内側に積層される極板が段差のある形状にプレスされる。

また、特許文献２の公報に記載されるように、最外周極板の平坦面に切欠を設け、この切欠の極板を折り返して集電体に使用する電極体は、終端を湾曲コーナー部に位置させることによって、集電体を充分な幅にできる。幅の広い集電体は、電気抵抗が小さく、外装体に確実に連結できる特徴がある。

しかしながら、最外周極板の終端を湾曲コーナー部に位置させる角型電池は、最外周極板の終端がセパレータを突き破って内部ショートしやすくなる欠点がある。とくに、最外周極板の終端がわずかに上下に巻きずれした場合、最外周極板の両側と終端との隅角にある尖ったエッジが、セパレータを突き破り、あるいはこのエッジ部において正極と負極との間に粉体や埃などが侵入して、これがセパレータを貫通して短絡しやすくなる欠点がある。また、角型電池が落下して外装体のコーナーに衝撃を受けると、外装体が電極体のコーナーに衝撃を与えて、最外周極板のエッジ部がセパレータを突き破って内部ショートしやすくなる弊害も発生する。

本発明は、さらにこのような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電極体の両面を理想的な平坦面にできることに加えて、最外周極板のエッジ部の内部ショートを有効に防止できる渦巻式電極の角型電池を提供することにある。

本発明の渦巻式電極の角型電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
渦巻式電極の角型電池は、正極と負極からなる第１極板１と第２極板２がセパレータ３を挟んで積層して巻かれた電極体１０を外装体２０に収納している。渦巻状に巻かれた電極体１０は、両面に対向する面を平坦面１１とし、両平坦面１１の両側を連結するコーナー部を所定の曲率半径で湾曲する湾曲コーナー部１２として、第１極板１と第２極板２を平坦面１１と湾曲コーナー部１２に連続するように巻回して、最外周極板６の終端を湾曲コーナー部１２に配置している。さらに、最外周極板６の終端の両側縁と先端縁との隅角であるエッジ部８に面取り部７を設けている。

本発明の渦巻式電極の角型電池は、最外周極板６の芯体４の終端を湾曲コーナー部１２に位置させている。本発明の渦巻式電極の角型電池は、最外周極板６の側縁と面取り部７との境界を電極体１０の平坦面１１に位置させている。本発明の渦巻式電極の角型電池は、非水電解質二次電池とすることができる。

本発明の渦巻式電極の角型電池は、最外周極板６の終端の位置する湾曲コーナー部１２と反対側の湾曲コーナー部１２の最外周極板６の内面に絶縁保護テープ１４を付着することができる。さらに、本発明の渦巻式電極の角型電池は、最外周極板６を、平坦面１１の一部で切断して折り返し片９を設けて、この折り返し片９を外装体２０に連結することができる。さらにまた、本発明の渦巻式電極の角型電池は、最外周極板６の終端をカバーするように、湾曲コーナー部１２に巻解防止絶縁テープ１３を付着することができる。

本発明の渦巻式電極の角型電池は、電極体の両面を理想的な平坦面にできることに加えて、最外周極板のエッジ部に起因する内部ショートを有効に防止できる特長がある。それは、本発明の渦巻式電極の角型電池が、渦巻状に巻回した電極体の最外周極板の終端を湾曲コーナー部に配置すると共に、最外周極板の終端の両側縁と先端縁との隅角であるエッジ部に面取り部を設けているからである。この構造の渦巻式電極の角型電池は、湾曲コーナー部に配置される最外周極板の終端のエッジ部を面取りしているので、最外周極板の巻きずれや、落下の衝撃等によって、最外周極板のエッジ部がセパレータを突き破るのを極減できる。したがって、本発明の渦巻式電極の角型電池は、最外周極板の終端を湾曲コーナー部に配置して、電極体の両面を理想的な平坦面としながら、最外周極板のエッジ部に起因する内部ショートを有効に防止できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための渦巻式電極の角型電池を例示するものであって、本発明は渦巻式電極の角型電池を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す渦巻式電極の角型電池は、正極と負極からなる第１極板１と第２極板２がセパレータ３を挟んで積層して巻かれた電極体１０を外装体２０に収納している。リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、図２の断面図に示すように、金属箔からなる芯体４の表面に活物質層５を積層して第１極板１と第２極板２としている。芯体４は、電気抵抗を小さくするために、アルミニウム箔や銅箔等の金属箔を使用する。たとえば、リチウムイオン二次電池は、正極の芯体４にアルミニウム箔を、負極の芯体４に銅箔を使用する。このように芯体４を金属箔とする非水電解質二次電池は、最外周極板６の芯体４がセパレータ３を突き破って内部ショートを起こす可能性がある。本発明の角型電池は、最外周極板６がセパレータ３を突き破って起こす内部ショートを有効に阻止できるので、非水電解質二次電池に適した構造である。ただ、非水電解質二次電池に限らず、最外周極板６を金属箔の芯体４とする電池の内部ショートも有効に防止できる。したがって、本発明の角型電池を非水電解質二次電池に特定するものではない。

芯体４に活物質層５を積層している第１極板１や第２極板２は、活物質ペーストを芯体４の表面に塗布し、これを乾燥して活物質層５を設ける。活物質層５は、芯体４両面の全面には設けられない。活物質層５は、第１極板１と第２極板２とが対向する面に設けられ、対向する第１極板１と第２極板２の活物質層５は、セパレータ３で絶縁される。

第１極板１と第２極板２とセパレータ３とを積層して渦巻状に巻かれた電極体１０は、対向する面を平坦面１１とし、両平坦面１１の両側を連結するコーナー部を所定の曲率半径で湾曲する湾曲コーナー部１２としている。この電極体１０は、セパレータ３を間に挟んで第１極板１と第２極板２とを渦巻状に巻き、これを両面から平面状の押圧板で挟着するようにプレスして、対向面を平坦面１１に加工する。セパレータ３は、第１極板１と第２極板２の間にあって、第１極板１と第２極板２を絶縁する。図の電極体１０は、セパレータ３の幅を第１極板１と第２極板２よりも広くしている。この電極体１０は、第１極板１と第２極板２の巻き位置が多少ずれても、セパレータ３で確実に絶縁できる。

渦巻状に巻いたものを両面からプレスして所定の厚さに加工した電極体１０は、図２ないし図４に示すように、第１極板１と第２極板２が、平坦面１１と湾曲コーナー部１２に連続するように巻回された構造となる。プレス加工は、最外周極板６の終端が湾曲コーナー部１２に配置するように渦巻状に巻いた電極体１０を両面からプレスする。それは、プレス加工するときの押圧力を全面に均一に作用させて、第１極板１と第２極板２を平面状に保持しながら所定の厚さに加工するためである。最外周極板６の終端が平坦面１１にあると、この終端の境界線に沿って、第１極板１や第２極板２が段差のある形状にプレスされるからである。

図の電極体１０は、第１極板１を最外周極板６としている。最外周極板６である第１極板１は、芯体４の表面に活物質層５を設けたものであるが、終端部には活物質層５を設けておらず、活物質層５のない芯体４の終端を湾曲コーナー部１２に位置させている。活物質層５のない金属箔の芯体４は硬い金属であるから、エッジ部８がセパレータ３を突き破る可能性がある。このため、芯体４を湾曲コーナー部１２に位置させる電極体１０は、エッジ部８がセパレータ３を突き破って内部ショートするのを阻止することが特に大切である。

最外周極板６のエッジ部８がセパレータ３を突き破るのを防止するために、最外周極板６の第１極板１は、図３ないし図５に示すように、終端の両側縁と先端縁との隅角であるエッジ部８に面取り部７を設けている。図１と図２の電極体１０は、最外周極板６の芯体４のエッジ部８に面取り部７を設けている。エッジ部８に設けた面取り部７は、芯体４がセパレータ３を突き破って内部ショートするのを有効に阻止する。尖ったエッジ部８が湾曲コーナー部１２になくなるからである。

図３ないし図５の電極体１０は、最外周極板６の側縁と面取り部７との境界を電極体１０の平坦面１１に位置するようにしている。この構造は、最外周極板６のエッジ部８がセパレータ３を突き破って内部ショートするのをもっとも有効に阻止できる特徴がある。それは、面取り部７を長く大きくしているために、面取り部７と最外周極板６の両側縁との境界にできる突出部を、衝撃で内部ショートする可能性がある湾曲コーナー部１２から平坦面１１に移動できるからである。

図３と図４の電極体１０は、最外周極板６のエッジ部８を直線状に切断して面取り部７を設けている。この形状は、エッジ部８を刃物で切断して面取り部７を簡単に設けることができる。図５の電極体１０は、エッジ部８をＬ字状に切除して面取り部７を設けている。この構造は、湾曲コーナー部１２における最外周極板６の幅を狭くするので、湾曲コーナー部１２における最外周極板６の内部ショートを有効に防止できる。図６の電極体１０は、エッジ部８を湾曲するように切除して面取り部７を設けている。この構造はエッジ部８に尖った突出部がなく、尖った部分がセパレータ３を突き破るのを有効に阻止できる特徴がある。以上のように、本発明は、最外周極板６のエッジ部８に設ける面取り部７の形状を特定するものでなく、エッジ部８の一部を切除して内部ショートを阻止できる全ての形状とすることができる。

図の電極体１０は、平坦面１１に位置する最外周極板６の芯体４の一部を切断して折り返し片９を設けている。芯体４の折り返し片９は、最外周極板６を外装体２０に接続するリードに使用される。この電極体１０は、芯体４の折り返し片９を介して、最外周極板６を低抵抗な状態で安定して外装体２０に電気接続できる。折り返し片９を設けている最外周極板６の平坦面１１は活物質層５を設けていない芯体４である。このため、折り返し片９は、活物質層５を介することなく、芯体４を直接に低抵抗な状態で外装体２０に接続できる。折り返し片９のある電極体１０は、渦巻状に巻いた電極体１０を所定の厚さにプレスした後、折り返し片９を１８０度折曲して、リードに使用できる状態とする。渦巻状の電極体１０をプレス加工するとき、芯体４の折り返し片９は平坦面１１にある。この電極体１０は、折り返し片９のある最外周極板６の平坦面１１を、均一な押圧力で平面状にプレスできる。折り返し片９は、図１に示すように、外装体２０と封口板２１との間に挟着されて、外装体２０と封口板２１とに溶接される。

図２の電極体１０は、最外周極板６の終端をカバーするように、湾曲コーナー部１２に巻解防止絶縁テープ１３を付着している。巻解防止絶縁テープ１３は、湾曲コーナー部１２の内幅のプラスチックフィルムに粘着層を設けたもので、一方の湾曲コーナー部１２に沿って電極体１０の表面に付着されて、最外周極板６の終端を電極体１０に固定する。また、この巻解防止絶縁テープ１３は、最外周極板６と外装体２０との間にあって、外装体２０の衝撃の緩衝層となる。したがってこの電極体１０は、外装体２０の湾曲コーナー部１２に作用する衝撃を巻解防止絶縁テープ１３で吸収して、電極体１０の衝撃による損傷を防止できる。

さらに、図２の断面図に示す電極体１０は、最外周極板６の終端が位置する湾曲コーナー部１２の反対側の湾曲コーナー部、図において左側の湾曲コーナー部１２に絶縁保護テープ１４を付着している。図２に示す電極体１０は、最外周極板６である第１極板１の左側の湾曲コーナー部１２の内面に絶縁保護テープ１４を付着している。さらに、図２の電極体１０は、最外周極板６より１巻き内側に巻かれた第１極板１の左側の湾曲コーナー部１２の外面にも絶縁保護テープ１４を付着している。これらの絶縁保護テープ１４も、湾曲コーナー部１２の内幅のプラスチックフィルムの内面に粘着層を設けたもので、第１極板１の表面に付着している。これらの絶縁保護テープ１４は、最外周極板６の第１極板１と対向して積層される第２極板２の終端縁をカバーする位置にある。この電極体１０は、第２極板２の終端縁と第１極板１との間に絶縁保護テープ１４があるので、この湾曲コーナー部１２において、第２極板２がセパレータ３を突き破って第１極板１に接触する内部ショートを有効に防止できる。この電極体１０は、絶縁保護テープ１４を、最外周極板６の第１極板１の内面と、最外周極板６より１巻き内側に巻かれた第１極板１の外面とに付着している。この第１極板１は、絶縁保護テープ１４を付着する状態で、セパレータ３と第２極板２に積層して渦巻状に巻いてプレスできる。ただ、絶縁保護テープは、第２極板の表面に付着することもできる。

図の角型電池は、最外周極板６の第１極板１を、折り返し片９を介して外装体２０に接続している。第２極板２は、折り返し片９から離れた位置となるように芯体４にリード１５を接続し、このリード１５を封口板２１の凸部電極２２に接続される。封口板２１は、本体部から絶縁して凸部電極２２を設けている。この角型電池は、凸部電極２２と外装体２０を正負の電極とする。リチウムイオン二次電池の場合、折り返し片９を介して第１極板１を接続している外装体２０を正極、リード１５を介して第２極板２を接続している封口板２１の凸部電極２２を負極とする。ただ、本発明の角型電池は、外装体を負極として、凸部電極を正極とすることもできる。

リチウムイオン二次電池である渦巻式電極の角型電池は、以下のようにして製造する。
［正極スラリーの作製］
正極活物質として、平均粒径５μｍのＬｉＣｏＯ_２粉末と、正極導電剤としての人造黒鉛粉末を、質量比９：１で混合して、正極合剤を調製する。この正極合剤とポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に５質量％溶かした結着剤溶液とを、固形分質量比９５：５で混練して、正極極板作製用スラリーを調製する。

［正極極板の作製］
このスラリーを、第１極板１である正極芯体４としてアルミ箔（箔厚み：１５μｍ）にドクターブレードを用いて塗布する。塗布質量は、両面塗布部の乾燥後質量で５００ｇ／ｍ^２（片面塗布２５０ｇ／ｍ^２、集電体除く）とする。塗布した後、乾燥させてその極板を加圧して圧縮し、活物質の充填密度３．７ｇ／ｃｃの正極極板を作製する。その後、極板を電池幅に合うように切断して、第１極板１となる電池用の正極極板とする。

この正極極板である第１極板１を最外周極板６とするので、この極板の最外周部アルミ箔部分のエッジ部８を、図４ないし図６に示すようにカットして、面取り部７を設ける。最外周極板６のエッジ部８に、図４の面取り部７を設けた電極体１０の角型電池を実施例１、図５の面取り部７をエッジ部８に設けた角型電池を実施例２、図６の面取り部７をエッジ部８に設けた角型電池を実施例３とする。

［負極極板の作製］
リン片状天然黒鉛（ｄ_００２値：０．３３５６ｎｍ、Ｌｃ値：１００ｎｍ、平均粒径：２０μｍ）と、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）のディスパージョン（固形分：４８％）を水に分散させて、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を添加してスラリーを調製する。なお、この負極の乾燥後の固形分質量組成比が、黒鉛：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝９５：３： ２となるように調製する。負極集電体としての銅箔（箔厚み：１０μｍ）の両面に、乾燥後質量で２００ｇ／ｍ^２（片面塗布１００ｇ／ｍ^２、集電体除く）となるよう塗布する。その後、乾燥させてその極板を加圧して圧縮し、活物質の充填密度１．７ｇ／ｃｃの負極極板を作製して第２極板２とする。その後、極板を電池幅に合うように切断して、電池用負極極板を得る。

［電解液とセパレータ］
非水電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を、体積比５０／５０の混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１モル／リットル溶かした溶液を使用する。また、セパレータとしては、ポリプロピレン製の微多孔膜を使用する。

［電池の作製］
以上のようにして得られた第１極板１の正極と、第２極板２の負極、および、セパレータ３を渦巻状に巻き取った後、加圧成型して扁平状にして、対向面を平坦面１１とし、平坦面１１の両側を湾曲コーナー部１２とする電極体１０とする。この電極体１０を外装体２０に挿入する。外装体２０は、内形を電極体１０の外形よりもわずかに大きくするアルミニウムやアルミニウム合金の金属ケースである。電極体１０を挿入した外装体２０は、開口部に封口板２１を溶接して閉塞する。その後、封口板２１に設けた注液口から外装体２０の内部に電解液を注液し、その後、注液口を気密に封止する。
以上の工程で、厚さ：１０ｍｍ、幅：３４ｍｍ、高さ：５０ｍｍ（公称容量：１７００ｍＡｈ）の角型電池を作製する。

比較例

比較例の角型電池として、最外周極板となる第１極板のエッジ部を、図４の鎖線で示すようにして、面取り部を設けない以外は、同じようにしてリチウムイオン二次電池を製作して比較例の電池とする。

［落下試験方法］
以上の工程で製造した角型電池として、実施例１、２、３と比較例の電池として、各々５個の電池を製作する。これ等の電池は、０％充電の状態で、落下試験前後の電圧を測定する。落下試験は、材質をコンクリートとする床面に向けて、高さ１．６５ｍから電池を自然落下させて、その都度、電池電圧と内部抵抗を測定する。
電池電圧が落下前の電圧に比較して、０．３Ｖ以上低下した角型電池を電圧異常と判定する。異常電圧に低下するまでの落下回数と、その落下回数における５個の電池電圧の平均値を測定すると、以下のようになる。

［落下試験結果］
実施例１の角型電池は、２８．８回の落下回数で、電池電圧が３．３８Ｖから２．２６Ｖに低下する。
実施例２の角型電池は、２７．２回の落下回数で、電池電圧が３．３８Ｖから２．３６Ｖに低下する。
実施例３の角型電池は、３２．６回の落下回数で、電池電圧が３．３８Ｖから２．５８Ｖに低下する。
比較例の角型電池は、わずかに１３．６回の落下回数で、電池電圧が３．３８Ｖから０．９６Ｖに低下する。

以上の落下試験から、本発明の角型電池は、電池電圧が０．３Ｖ以上低下するまでの落下回数が２倍以上にもなり、さらに、その落下回数における電池電圧の低下も極めて小さくなる。このことは、落下試験において内部ショートが極めて有効に阻止されたことを明確にする。

本発明の一実施例にかかる渦巻式電極の角型電池の一部断面斜視図である。 図１に示す角型電池の電極体を示す拡大水平断面図である。 図１に示す角型電池の電極体であって、最外周極板を展開した状態を示す平面図及び正面図である。 図１に示す角型電池の電極体の斜視図である。 本発明の他の実施例にかかる渦巻式電極の角型電池の電極体の斜視図である。 本発明の他の実施例にかかる渦巻式電極の角型電池の電極体の斜視図である。

１…第１極板
２…第２極板
３…セパレータ
４…芯体
５…活物質層
６…最外周極板
７…面取り部
８…エッジ部
９…折り返し片
１０…電極体
１１…平坦面
１２…湾曲コーナー部
１３…巻解防止絶縁テープ
１４…絶縁保護テープ
１５…リード
２０…外装体
２１…封口板
２２…凸部電極

Claims (5)

1. 正極と負極からなる第１極板(1)と第２極板(2)がセパレータ(3)を挟んで積層して巻かれた電極体(10)を外装体(20)に収納している渦巻式電極の角型電池であって、
   渦巻状に巻かれた電極体(10)は、両面に対向する面を平坦面(11)とし、両平坦面(11)の両側を連結するコーナー部を所定の曲率半径で湾曲する湾曲コーナー部(12)として、第１極板(1)と第２極板(2)を平坦面(11)と湾曲コーナー部(12)に連続するように巻回して、最外周極板(6)の終端を湾曲コーナー部(12)に配置しており、
   さらに、最外周極板(6)の終端の両側縁と先端縁との隅角であるエッジ部(8)に面取り部(7)を設けており、
   また、前記最外周極板(6)の芯体(4)の終端が湾曲コーナー部(12)に位置し、かつ前記最外周極板(6)の側縁と面取り部(7)との境界が電極体(10)の平坦面(11)に位置してなることを特徴とする渦巻式電極の角型電池。
2. 電池が非水電解質二次電池である請求項１に記載される渦巻式電極の角型電池。
3. 最外周極板(6)が、終端の位置する湾曲コーナー部(12)の反対側の湾曲コーナー部(12)の内面に絶縁保護テープ(14)を付着している請求項１に記載される渦巻式電極の角型電池。
4. 最外周極板(6)が平坦面(11)の一部で切断して折り返し片(9)を設けており、この折り返し片(9)を外装体(20)に連結している請求項１に記載される渦巻式電極の角型電池。
5. 最外周極板(6)の終端をカバーするように、湾曲コーナー部(12)に巻解防止絶縁テープ(13)を付着している請求項１に記載される渦巻式電極の角型電池。

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