JP5503882B2 - Lithium ion battery - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン電池に係り、特に、正極板と負極板とが多孔質セパレータを介して軸芯を中心に捲回された電極群と、突出部と端子部と正極リード片が周縁に接合され一面側が軸芯の一側端面に当接する鍔部とを有する正極極柱と、突出部と端子部と負極リード片が周縁に接合され一面側が軸芯の他側端面に当接する鍔部とを有する負極極柱とを備えたリチウムイオン電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion battery, and in particular, an electrode group in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are wound around a shaft core via a porous separator, and a protruding portion, a terminal portion, and a positive electrode lead piece are joined to the periphery. A positive pole column having a flange portion whose one surface side is in contact with one end surface of the shaft core, and a flange portion in which the projecting portion, the terminal portion, and the negative electrode lead piece are joined to the peripheral edge and one surface side is in contact with the other end surface of the shaft core; The present invention relates to a lithium ion battery including a negative electrode pole having
リチウムイオン電池は、高電圧・高エネルギー密度であり、かつ、貯蔵性能や低温作動性能に優れ、広く民生用の携帯型電気製品に使用されている。また、この電池を大型化し、電気自動車用や家庭用の夜間電力貯蔵装置として活用するための研究、開発が盛んに行われている。 Lithium ion batteries have high voltage and high energy density, and are excellent in storage performance and low-temperature operation performance, and are widely used in portable electric products for consumer use. In addition, research and development for increasing the size of this battery and using it as a nighttime power storage device for electric vehicles and homes are actively conducted.
このような大型リチウムイオン電池(例えば、容量が5Ah以上)は、一般に、リチウムマンガン複合酸化物を活物質とした正極板と炭素材を活物質とした負極板とが多孔質セパレータを介して円筒状樹脂製軸芯を中心に捲回された電極群を備えており、電極群は非水電解液に浸潤されている。また、この種の電池の中には、電極群を介して互いに反対側の位置に正極極柱と負極極柱とを備えているものがある。正極極柱は、正極板から導出された正極リード片が周縁に接合され一面側が軸芯の一側端面に当接する鍔部、軸芯内に挿入された突出部および該突出部の反対側で電池蓋から露出した端子部を有し、これら鍔部、突出部および端子部は一体形成されている。一方、負極極柱は、負極板から導出された負極リード片が周縁に接合され一面側が軸芯の他側端面に当接する鍔部、正極極柱の突出部とは反対側で軸芯内に挿入された突出部および該突出部の反対側で電池蓋から露出した端子部を有し、これら鍔部、突出部および端子部は一体形成されている。なお、高出力特性が求められる電池(例えば、電気自動車用電池)では、内部抵抗を下げるため、鍔部の周縁に、集電体を切り欠いて形成したリード片が接合されている。 Such a large lithium ion battery (for example, having a capacity of 5 Ah or more) generally has a positive electrode plate using a lithium manganese composite oxide as an active material and a negative electrode plate using a carbon material as an active material through a porous separator. The electrode group wound around the shaft axis made of the resin-like resin is provided, and the electrode group is infiltrated with the non-aqueous electrolyte. Some types of batteries include a positive electrode pole and a negative electrode pole at positions opposite to each other via an electrode group. The positive pole is composed of a positive electrode lead piece led out from the positive electrode plate and joined to the periphery, one side of which is in contact with one end surface of the shaft core, a protrusion inserted into the shaft core, and a side opposite to the protrusion A terminal portion exposed from the battery lid is included, and the flange portion, the protruding portion, and the terminal portion are integrally formed. On the other hand, the negative electrode pole column has a negative electrode lead piece led out from the negative electrode plate joined to the peripheral edge, one side of which is in contact with the other end surface of the shaft, and a portion opposite to the protruding portion of the positive electrode pole in the shaft core. An inserted protrusion and a terminal part exposed from the battery lid on the opposite side of the protrusion are provided, and the flange part, the protrusion part, and the terminal part are integrally formed. In addition, in a battery (for example, an electric vehicle battery) that requires high output characteristics, a lead piece formed by cutting out a current collector is joined to the periphery of the collar portion in order to reduce internal resistance.
リチウムイオン電池は、例えば、充電時に電池制御部または充電器で異常が生じ過充電等の電池異常状態に陥ると、電池温度の上昇、とりわけ、電極群の捲回中心部の温度上昇でセパレータが溶解して短絡が起こり、電解液の分解ガスにより電池内圧が異常に上昇する。 For example, when an abnormality occurs in the battery control unit or the charger during charging and the battery is in an abnormal state such as overcharging, the lithium ion battery rises in battery temperature, in particular, the separator rises due to the temperature rise in the center of the electrode group. When dissolved, a short circuit occurs, and the internal pressure of the battery rises abnormally due to the decomposition gas of the electrolyte.
この問題を防止するために、従来、分解ガスによる内圧上昇を利用して、電池缶に設けられた開裂弁や電流遮断弁を作動させることで、電池が破裂する前に内圧を下げたり、発火する前に電流を遮断したりするなどの対策がなされている(例えば、特許文献1、2参照)。また、電池温度の上昇を抑制するために、例えば、電極群の捲回中心部に金属製軸芯を配置することで電池内部の熱を電池外部に放熱する技術が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
In order to prevent this problem, the internal pressure rise due to cracked gas has been used to operate the cleaving valve and current shutoff valve provided on the battery can to reduce the internal pressure before the battery ruptures or Measures are taken such as cutting off the current before starting (see, for example,
大型リチウムイオン電池の場合には、非水電解液の使用量が多く電池異常時の電池の挙動も激しくなるため、電池の安全性の確保が求められている。また、従来技術のように電極群の捲回中心部に金属製軸芯を配置した場合には、金属製軸芯と正極板および負極板との間にセパレータしか存在しないため、電極群の捲回開始時にセパレータが破損して短絡するおそれがある。さらに、金属製軸芯はセパレータと材質が異なるため、セパレータの捲回先端部と金属製軸芯とを熱溶着により一体化しにくく、正極板、負極板およびセパレータの位置合わせが難しく、電極群の捲回時に巻きズレを招くおそれがある。 In the case of a large-sized lithium ion battery, since the amount of nonaqueous electrolyte used is large and the behavior of the battery when the battery is abnormal becomes severe, ensuring the safety of the battery is required. In addition, when a metal shaft core is arranged at the center of winding of the electrode group as in the prior art, only a separator exists between the metal shaft core and the positive electrode plate and the negative electrode plate. There is a possibility that the separator breaks at the start of rotation and short-circuits. Furthermore, since the metal shaft core is made of a material different from that of the separator, it is difficult to integrate the winding tip of the separator and the metal shaft core by heat welding, and it is difficult to align the positive electrode plate, the negative electrode plate and the separator. There is a risk of winding misalignment during winding.
本発明は上記事案に鑑み、電池異常時の温度上昇を抑制でき捲回時の巻きズレを防止可能なリチウムイオン電池を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a lithium ion battery that can suppress a temperature rise when the battery is abnormal and prevent winding deviation during winding.
上記課題を解決するために、本発明は、リチウムイオン電池であって、リチウムマンガン複合酸化物を活物質とした正極板と炭素材を活物質とした負極板とが多孔質セパレータを介して円筒状金属製軸芯を中心に捲回された電極群と、前記軸芯内に挿入された突出部と、該突出部の反対側で電池蓋から露出した端子部と、該突出部と端子部との間に一体形成されており、前記正極板から導出された正極リード片が周縁に接合され一面側が前記軸芯の一側端面に当接する鍔部とを有する正極極柱と、前記正極極柱とは前記軸芯を介して反対側で前記軸芯内に挿入された突出部と、該突出部の反対側で電池蓋から露出した端子部と、該突出部と端子部との間に一体形成されており、前記負極板から導出された負極リード片が周縁に接合され一面側が前記軸芯の他側端面に当接する鍔部とを有する負極極柱と、を備え、前記軸芯は、前記正極極柱と同種材質のアルミニウムもしくはアルミニウム合金製または前記負極極柱と同種材質の銅もしくは銅合金製であり、その表面が前記正負極極柱のうち前記軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面を除いて前記セパレータと同一材質の部材でコーティングされており、前記コーティングの厚さが0.3mm以上であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a lithium ion battery, in which a positive electrode plate using a lithium manganese composite oxide as an active material and a negative electrode plate using a carbon material as an active material are cylindrically interposed via a porous separator. An electrode group wound around a metal-made shaft core, a protrusion inserted into the shaft core, a terminal portion exposed from the battery lid on the opposite side of the protrusion, and the protrusion and the terminal portion And a positive electrode pole column having a flange portion in which a positive electrode lead piece led out from the positive electrode plate is joined to a peripheral edge and one surface abuts against one end surface of the shaft core, and the positive electrode The pillar is a projecting portion inserted into the shaft core on the opposite side through the shaft core, a terminal portion exposed from the battery lid on the opposite side of the projecting portion, and between the projecting portion and the terminal portion. It is integrally formed, and the negative electrode lead piece led out from the negative electrode plate is joined to the peripheral edge to one side A negative pole pole having a flange portion that contacts the other end face of the shaft core, and the shaft core is made of aluminum or aluminum alloy of the same kind as the positive pole pole or of the same kind of material as the negative pole pole. It is made of copper or a copper alloy, and its surface is coated with a member of the separator and the same material except for an end face of the side abutting the flange portion of the pole columns of the axis of the same kind material among the positive and negative gulp pillar the thickness of the coating is characterized in der Rukoto than 0.3 mm.
本発明では、軸芯は、正極極柱と同種材質のアルミニウムもしくはアルミニウム合金製または負極極柱と同種材質の銅もしくは銅合金製であり、高い熱伝導性を有している。また、軸芯の表面は正負極極柱のうち軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングされている。すなわち、軸芯の材質がアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の場合は、その表面が正極極柱の鍔部と当接する一側端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングされており、銅もしくは銅合金製の場合は、その表面が負極極柱の鍔部と当接する他側端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングされており、このコーティングの厚さは0.3mm以上に設定されている。 In the present invention, the shaft core is made of aluminum or aluminum alloy of the same kind as that of the positive electrode pole column, or made of copper or copper alloy of the same kind of material as that of the negative electrode pole pole, and has high thermal conductivity. Further, the surface of the shaft core is coated with a member made of the same material as that of the separator except for the end surface of the positive and negative electrode poles on the side contacting the collar portion of the same kind of material as the shaft core. That is, when the material of the shaft core is made of aluminum or an aluminum alloy, its surface is coated with a member made of the same material as that of the separator except for one side end face that comes into contact with the collar portion of the positive electrode pole. In the case of the product, its surface is coated with a member made of the same material as the separator except for the other end face that comes into contact with the collar portion of the negative electrode pole , and the thickness of this coating is set to 0.3 mm or more. .
本発明によれば、軸芯は正負極極柱のいずれかと同種材質の熱伝導性の高い金属製であり、正負極極柱のうち軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面はコーティングされていないため、電池異常時における電極群の捲回中心部の温度は軸芯から極柱の鍔部を経て電池蓋の外に配置された端子部に熱伝導し、電池内部の熱を電池外部に放熱することができるので、セパレータの溶解に起因する短絡や非水電解液の分解による内圧上昇を抑制できるとともに、軸芯の外周面はセパレータと同一材質の部材でコーティングされているので、セパレータの捲回先端部と軸芯とを熱溶着により一体化しやすく、正極板、負極板およびセパレータの位置合わせが容易で、電極群の捲回時の巻きズレを防止することができ、軸芯のコーティングの厚さを0.3mm以上としたので、軸芯と正負極極柱の突出部との間の短絡を防止することができ、また、軸芯の表面を正負極極柱のうち軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングする際に、このコーティングをどぶ漬けで行う場合に、生産性の向上を図ることができる。 According to the present invention, the shaft core is made of a metal having a high thermal conductivity, which is the same material as any of the positive and negative electrode pole columns, and the end surface on the side contacting the flange of the pole column of the same material as the shaft core among the positive and negative electrode pole columns. Is not coated, the temperature at the center of winding of the electrode group when the battery is abnormal is conducted from the shaft core to the terminal part outside the battery cover through the pole part of the pole, and the heat inside the battery Can be radiated to the outside of the battery, so that short circuit due to dissolution of the separator and increase in internal pressure due to decomposition of the non-aqueous electrolyte can be suppressed, and the outer peripheral surface of the shaft core is coated with a member made of the same material as the separator. Therefore, it is easy to integrate the winding tip of the separator and the shaft core by heat welding, the positioning of the positive electrode plate, the negative electrode plate and the separator is easy, and the winding deviation at the time of winding the electrode group can be prevented . Shaft core coating thickness 0.3 mm or more, it is possible to prevent a short circuit between the shaft core and the projecting portion of the positive and negative electrode poles, and the surface of the shaft core is a pole column made of the same material as the shaft core of the positive and negative electrode pole columns. when coated with members of the same material as the separator except for the end surface of the side the flange portion abuts, and in the case of performing the coating in grooves pickled, Ru can be improved in productivity.
本発明において、軸芯は、正極極柱と同一材質のアルミニウムもしくはアルミニウム合金製または前記負極極柱と同一材質の銅もしくは銅合金製であり、軸芯の材質がアルミニウムもしくはアルミニウム合金製の場合は、その表面が正極極柱の鍔部と当接する一側端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングされており、銅もしくは銅合金製の場合は、その表面が負極極柱と当接する他側端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングされているようにしてもよい。また、セパレータおよび軸芯のコーティングの材質は、例えば、ポリオレフィン系の樹脂であってもよい。さらに、巻きズレを防止するために、電極群は、捲回当初にセパレータの捲回先端部と軸芯とを熱溶着により一体化し、正極板、負極板およびセパレータの位置を合わせることで捲回されたものであることが望ましい。 In the present invention, the shaft core is made of the same material aluminum or aluminum alloy as the positive electrode pole column or the same material as the negative electrode pole column copper or copper alloy, and the shaft core material is made of aluminum or aluminum alloy. The surface is coated with a member made of the same material as the separator except for one end face that abuts the flange of the positive electrode pole. If the surface is made of copper or copper alloy, the surface is in contact with the negative electrode pole It may be coated with a member made of the same material as the separator except for the side end face. The material of the separator and the axial center of the coating, for example, may be a resin of polyolefin. Furthermore, in order to prevent winding misalignment, the electrode group is wound by integrating the winding leading end portion and the shaft core of the separator by heat welding at the beginning of winding and aligning the positions of the positive electrode plate, the negative electrode plate and the separator. It is desirable that
本発明によれば、軸芯は正負極極柱のいずれかと同種材質の熱伝導性の高い金属製であり、正負極極柱のうち軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面はコーティングされていないため、電池異常時に、電池内部の熱を外部に露出した端子部により電池外部に放熱することができるので、セパレータの溶解に起因する短絡や非水電解液の分解による内圧上昇を抑制できるとともに、軸芯の周面はセパレータと同一材質の部材でコーティングされているので、セパレータの捲回先端部と軸芯とを熱溶着により一体化がしやすく電極群の捲回時の巻きズレを防止することができ、軸芯のコーティングの厚さを0.3mm以上としたので、軸芯と正負極極柱の突出部との間の短絡を防止することができ、また、軸芯の表面を正負極極柱のうち軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面を除いてセパレータと同一材質の部材でコーティングする際に、このコーティングをどぶ漬けで行う場合に、生産性の向上を図ることができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, the shaft core is made of a metal having a high thermal conductivity, which is the same material as any of the positive and negative electrode pole columns, and the end surface on the side contacting the flange of the pole column of the same material as the shaft core among the positive and negative electrode pole columns. Is not coated, the battery internal heat can be dissipated to the outside by the terminal part exposed to the outside when the battery is abnormal, so the internal pressure rises due to short circuit due to the dissolution of the separator or decomposition of the non-aqueous electrolyte Since the peripheral surface of the shaft core is coated with the same material as the separator, it is easy to integrate the winding tip of the separator and the shaft core by heat welding. Winding misalignment can be prevented , and the coating thickness of the shaft core is 0.3 mm or more, so that a short circuit between the shaft core and the projecting portion of the positive and negative electrode pole columns can be prevented. The surface of the positive and negative pole pole When coated with members of the separator and the same material except for an end face of the side abutting the flange portion of the pole core and the same type material, in the case of this coating in the groove pickled, it is possible to improve the productivity Can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明を純正電気自動車(PEV)用のリチウムイオン電池に適用した実施の形態ついて説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a lithium ion battery for a genuine electric vehicle (PEV) will be described with reference to the drawings.
(概要)
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン電池20は、ケーシングとして、無底円筒状の電池容器5と、電池容器5の両端部に配置された2つの円盤状の電池蓋4とを有している。ケーシング内には、中空円筒状の軸芯11を中心に正極板および負極板がセパレータを介して配置された電極群6が後述する非水電解液に浸潤されて収容されている。
(Overview)
As shown in FIG. 1, the
また、リチウムイオン電池20は、電極群6を介して互いに上下方向反対側の位置に配置されたアルミニウム製の正極極柱13および銅製の負極極柱13’を備えている。正極極柱13は、正極板から導出された正極リード片9が周縁に接合され一面側(図1では底面側)が軸芯11の一側端面(図1では上側端面)に当接する鍔部7、軸芯11内に挿入された突出部18および該突出部18の反対側で電池蓋4から露出した端子部1を有し、これら鍔部7、突出部18および端子部1は一体形成されている。一方、負極極柱13’は、負極板から導出された負極リード片9’が周縁に接合され一面側(図1では上面側)が軸芯11の他側端面に当接する鍔部7’、正極極柱13の突出部18とは反対側で軸芯11内に挿入された突出部18’および該突出部18’の反対側で電池蓋4から露出した端子部1’を有し、これら鍔部7’、突出部18’および端子部1’は一体形成されている。
The
軸芯11は、正極極柱13と同一材質のアルミニウム製であり、その表面は正極極柱13の鍔部7と当接する一側端面(図1では上側端面)を除いて、セパレータ24(図2参照)と同一材質の部材(後述するようにポリオレフィン系の樹脂)でコーティングされている。
The
(作製手順)
以下、図1および図2を参照して、本実施形態のリチウムイオン電池20についてさらに詳しく説明するとともに、リチウムイオン電池20の作製手順について説明する。
(Production procedure)
Hereinafter, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the
(正極板の作製)
電極群6を構成する正極板22(図2参照)を以下の方法で作製した。正極用活物質としてマンガン酸リチウム(LiMn2O4)粉末と、導電剤として燐片状黒鉛(平均粒径:20μm)と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを混合し、この混合物に分散溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加した後、混練してスラリを作成した。このスラリを厚み20μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布して正極合剤層とした。スラリの塗布の際に、アルミニウム箔の長寸方向に対して、側縁の一方に幅50mmの未塗布部分を残した。その後、乾燥、プレス、裁断して幅389mm、長さが5100mmの正極板を得た。なお、正極合剤層の厚さ(ただし、集電体の厚さは含まない)を275μm、集電体片面あたりの正極活物質塗布量を350g/m2とした。
(Preparation of positive electrode plate)
A positive electrode plate 22 (see FIG. 2) constituting the
正極板に形成した幅50mmの未塗布部に切り欠きを入れてその一部を除去し、矩形状(櫛状)の部分を形成して集電用の正極リード片9として用いた。なお、正極リード片9の幅を約10mm、隣り合う正極リード片9の間隔を約20mmとした。
A not-applied portion having a width of 50 mm formed on the positive electrode plate was cut out and a part thereof was removed to form a rectangular (comb-shaped) portion, which was used as a positive
(負極板の作製)
一方、電極群6を構成する負極板23(図2参照)を以下の方法で作製した。負極用活物質として人造黒鉛粉末と、結着剤としてPVDFとを混合し、この混合物に分散溶媒としてNMPを添加した後、混練してスラリを作成した。このスラリを厚みが10μmの圧延銅箔(負極集電体)の両面に塗布して負極合剤層を形成した。スラリの塗布の際には、銅箔の長寸方向に対して、側縁の一方に幅50mmの未塗布部を残した。その後乾燥、プレス、裁断して幅395mm、長さ5290mmの負極板を得た。負極合剤層の厚さ(集電体厚さは含まない。)を201μm、集電体片面あたりの負極活物質塗布量を130.8g/m2とした。
(Preparation of negative electrode plate)
On the other hand, the negative electrode plate 23 (see FIG. 2) constituting the
負極板に形成した幅50mmの未塗布部に切り欠きを入れてその一部を除去し、矩形状の部分を形成して集電用の負極リード片9’として用いた。なお、負極リード片9’の幅を約10mm、隣り合う負極リード片9’の間隔を約20mmとした。
A non-coated portion with a width of 50 mm formed on the negative electrode plate was cut out and a part thereof was removed to form a rectangular portion, which was used as a negative electrode lead piece 9 'for current collection. The width of the negative
正極板22と負極板23の幅方向においても、正極用活物質の塗布部と負極用活物質の塗布部との対向に位置ズレが起きないように、負極用活物質の塗布部の幅は、正極用活物質の塗布部の幅よりも大きくした。
Also in the width direction of the
(電極群の作製)
正極板22と負極板23を厚みが36μmのポリオレフィン系のポリプロピレンを主体とした2枚の多孔質セパレータ24で挟んだ状態で捲回して電極群6を作成した。上述したように、この電極群6の捲回中心には正極極柱13と同一材質(アルミニウム製)の軸芯11が配置されており、図2に示すように、軸芯11の表面には、軸芯11の上側端面を除いて、セパレータ24と同一材質のポリオレフィン系のポリプロピレンを主体とした材料がコーティングされている。コーティングの厚みは0.3mm以上とした。
(Production of electrode group)
The
また、捲回は最初にセパレータ24の先端部分21と軸芯11を熱溶着により一体化し、正極板22、負極板23、セパレータ24の位置を合わせて巻きズレの可能性を低減させた上で、これら正極板22、負極板23、セパレータ24を捲回した。なお、正極リード片9と負極リード片9’とは、それぞれ電極群6の反対側に位置するように配置した。捲回時に正極板22、負極板23またはセパレータ24を適当な長さで切断することにより、電極群6の直径を63.6±0.1mmとした。
In winding, the
(電池の作製)
正極板22から導出されている正極リード片9を集めて束にした状態で折り曲げて変形させた後、正極極柱13の鍔部7の周縁に接触させ、正極リード片9と鍔部7の周縁とを、超音波溶接装置を用いて溶接(接合)して電気的に接続した。なお、負極板についても同様に、負極リード片9’と負極極柱13’の鍔部7’の周縁とを超音波溶接して電気的に接続した。
(Production of battery)
The positive
その後、正極極柱13の鍔部7、負極極柱13’の鍔部7’および電極群6の外周面全体を絶縁被覆8で覆った。この絶縁被覆8として、片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗布したポリイミド製の粘着テープを用いた。電極群6の外周部分が絶縁被覆8で覆われ、ステンレス製の電池容器5の内径よりも僅かに小さくなるように粘着テープの巻き数を調整した後、電極群6を電池容器5内に挿入した。なお、本実施形態の電池容器5は、外径が67mm、内径が66mmである。
Thereafter, the
次に、電池蓋4の外側の面と当接する部分に第2のセラミックワッシャ3’を、(正極)端子部1および(負極)端子部1’のそれぞれの先端に嵌め込んだ。そして、平板状の第1のセラミックワッシャ3を電池蓋4に載置し、端子部1、端子部1’のそれぞれを第1のセラミックワッシャ3に通した。
Next, a second
その後、電池蓋4の周縁を電池容器5の開口部に嵌合させ、電池蓋4と電池容器5の接触部分の全域をレーザ溶接した。このとき、端子部1、端子部1’は、電池蓋4の中心に形成された穴を貫通して外部に突出している。そして、第1のセラミックワッシャ3に当接するように、金属製のナット2の底面よりも平滑な金属ワッシャ14を端子部1、端子部1’のそれぞれ嵌め込んだ。一方(図1の上側)の電池蓋4には、電池の内部圧力の上昇に応じて開裂する開裂弁10が設けられており、その開裂圧力は13〜18kg/cm2に設定されている。なお、本実施形態のリチウムイオン電池20には、いわゆる小型民生用リチウムイオン電池のように電池内部の圧力上昇に応じて作動する電流遮断機構は設けられていない。
Thereafter, the periphery of the battery lid 4 was fitted into the opening of the
ナット2を、端子部1、端子部1’、にそれぞれ螺着し、金属ワッシャ14、第2のセラミックワッシャ3’、第1のセラミックワッシャ3を介して電池蓋4を鍔部7とナット2の間で締め付けて固定した。このときの締め付けトルク値は、6.86N・mとした。電池蓋4の裏面と突出部18の間に介在させたゴム製(EPDM製)のOリング16を締め付け時に圧縮することにより、電池容器内部の発電要素等は外気から遮断される。
The
次いで、他方(図1の下側)の電池蓋4に形成された注液口から、所定量の非水電解液を電池容器5内に注入した後、注液口を注液栓15で封止することにより円筒形リチウムイオン電池を完成させた。なお、非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)を体積比が2:3で混合した後、電解質として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル溶解したものを用いた。
Next, after injecting a predetermined amount of non-aqueous electrolyte into the
(効果等)
次に、本実施形態のリチウムイオン電池20の効果等について説明する。
(Effects etc.)
Next, effects and the like of the
本実施形態のリチウムイオン電池20では、軸芯11が正極極柱13と同一材質のアルミニウム製で高い熱伝導性を有しており、軸芯11の表面は正極極柱13の鍔部7に当接する側の端面を除いてセパレータ24と同一材質のポリオレフィン系のポリプロピレンでコーティングされている。このため、電極群6の捲回中心部の温度は軸芯11から正極極柱13の鍔部7を経て電池蓋4の外に露出した端子部1に熱伝導し、電池内部の熱を電池外部に放熱することができる。従って、電池異常時において、セパレータの溶解に起因する短絡や非水電解液の分解による内圧上昇を抑制できる。
In the
また、リチウムイオン電池20では、軸芯11の表面は正極極柱13の鍔部7に当接する側の端面以外はセパレータ24と同一材質のポリオレフィン系のポリプロピレンでコーティングされている。このため、セパレータ24の捲回先端部と軸芯11とを熱溶着により一体化しやすく、正極板、負極板およびセパレータの位置合わせが容易で(図2参照)、電極群の捲回時の巻きズレを防止することができる。
Further, in the
さらに、リチウムイオン電池20では、電池異常時以外の通常時でも電池内部の熱を電池外部に放熱することができるので、高温下(例えば、50°C)で劣化が進みやすい正極活物質等の劣化を予防することができる。
Further, in the
また、リチウムイオン電池20では、軸芯11のコーティングの厚みを0.3mm以上としたので、軸芯11と負極極柱13’の突出部18’との間の短絡を防止することができる。リチウムイオン電池20が車載された場合の振動や経年変化に対する信頼性を考慮すると、負極極柱13’の突出部18’もコーティングしたり、軸芯11と突出部18’との間に他の絶縁部材を介在させたりするようにしてもよい。
Further, in the
なお、本実施形態では、軸芯11の材質を突出部18と同一材質のアルミニウム製とし、軸芯11を突出部18に嵌合する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム合金等の(同種)材質を用いても同様の効果を得ることができる。さらに、軸芯の材質を銅製の負極極柱13’と同種材質の銅製または銅合金等の材質とし、銅製樹脂コート軸芯の下側端面を負極極柱13’の鍔部7’に当接させるようにしてもよい。このときには、軸芯を、銅製樹脂コート軸芯の下側端面を除いてセパレータ24と同一材質のポリオレフィン系のポリプロピレンをコーティングすればよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、アルミニウム製の軸芯11のコーティングにポリプロピレン樹脂を用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンやポリテトラフルオロエチレンなどのポリオレフィン系の材料やポリアミド樹脂などのように非水電解液に溶解せずアルミニウムの軸芯11と溶着が可能なものならば用いることができる。なお、非水電解液に難燃化剤が混入されているときには、難燃化剤にも溶解しないものを用いればよい。
Moreover, in this embodiment, although the example which uses a polypropylene resin for the coating of the
また、本実施形態では、軸芯11の表面が正極極柱13の鍔部7に当接する側の上側端面を除いてセパレータ24と同一材質のポリオレフィン系のポリプロピレンでコーティングされている例を示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、例えば、上側端面の近傍の軸芯11の表面もコーティングが除かれているようにしてもよい。このような態様は、軸芯11に対していわゆるどぶ漬けでコーティングを行う場合に生産性の向上を図ることができる。
Further, in the present embodiment, an example is shown in which the surface of the
さらに、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを、負極活物質に黒鉛をそれぞれ例示したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、正極活物質としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム等のリチウム遷移金属複酸化物であればよく、複数種の遷移金属を含む複合酸化物としてもよい。また、リチウムやマンガンの一部をそれら以外の元素で置換またはドープした材料を用いることもできる。本実施形態以外で用いることのできる負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、天然黒鉛、コークス等の炭素材を挙げることができ、その形状としても、球状、燐片状、繊維状、塊状等特に制限されるものではない。 Further, in this embodiment, lithium manganate is exemplified as the positive electrode active material and graphite is exemplified as the negative electrode active material, but the present invention is not limited to these. For example, the positive electrode active material may be a lithium transition metal double oxide such as lithium cobaltate or lithium nickelate, or may be a composite oxide containing a plurality of types of transition metals. In addition, a material in which a part of lithium or manganese is substituted or doped with an element other than these may be used. Examples of the negative electrode active material that can be used other than the present embodiment include carbon materials such as amorphous carbon, natural graphite, and coke, and the shape thereof is also spherical, flake shaped, fibrous, It is not particularly limited to a lump shape.
また、本実施形態では、非水電解液として、ECとDMCの混合溶媒中にLiPF6を1モル/リットル溶解したものを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的なリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解して用いることができる。用いられるリチウム塩や有機溶媒にも特に制限はない。例えば、電解質としては、LiC1O4、LiAsF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、CH3SO3Li、CF3SO3Li等やこれらの混合物を用いてもよい。また、有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル等、またはこれら2種以上の混合溶媒を用いてもよい。また、混合配合比についても制限されるものではない。 In the present embodiment, an example in which a non-aqueous electrolyte solution in which 1 mol / liter of LiPF 6 is dissolved in a mixed solvent of EC and DMC is used is shown, but the present invention is not limited to this. A general lithium salt can be used as an electrolyte and dissolved in an organic solvent. There are no particular limitations on the lithium salt or organic solvent used. For example, LiC1O 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, or a mixture thereof may be used as the electrolyte. Examples of the organic solvent include propylene carbonate, diethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3- Dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, or a mixed solvent of two or more of these may be used. Also, the mixing ratio is not limited.
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン電池20の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例の電池についても併記する。
Next, examples of the
(実施例)
実施例1では、電極群6の捲回中心に、上側端面を除いてポリプロピレンでコーティングしたアルミニウム製の軸芯11を配置し、軸芯11の上側端面を鍔部7の底面に当接させた電池を作製した。実施例2では、電極群6の捲回中心に、下側端面を除いてポリプロピレンでコーティングした銅製の軸芯11を配置し、軸芯11の下側端面を鍔部7’の上面に当接させた電池を作製した。
(Example)
In Example 1, an
(比較例)
比較例1では、電極群6の捲回中心に、コーティングがされていないポリプロピレン製の軸芯11を用いた以外は実施例1と同様に電池を作製した。
(Comparative example)
In Comparative Example 1, a battery was produced in the same manner as in Example 1 except that an uncoated
(試験)
実施例および比較例の各電池について、以下の測定、試験を行った。温室下で充電後に放電して放電容量を測定した。充電条件は、4.1V定電圧、制限電流50A、5時間とした。放電条件は、100A定電流、終止電圧3Vとした。その後、室温下にて50A定電流でSOC100%から150%まで連続充電試験を行い、SOCが150%になった時点での電池挙動を観察した。結果を表1に示す。
(test)
The following measurements and tests were performed on the batteries of the examples and comparative examples. After charging in a greenhouse, the battery was discharged and the discharge capacity was measured. The charging conditions were 4.1V constant voltage, limiting current 50A, 5 hours. The discharge conditions were a constant current of 100A and a final voltage of 3V. Thereafter, a continuous charge test was performed from 100% to 150% SOC at a constant current of 50A at room temperature, and the behavior of the battery when the SOC reached 150% was observed. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、ポリプロピレン製の軸芯を用いた比較例1の電池では、SOC150%で開裂弁の開裂後、開裂弁からガスを放出した。このことから、比較例1の電池では、電極群6の中心部から電池外への放熱が悪く、電極群6の中心部の温度が上昇して電解液が分解し、電解液の分解ガスによって電池内の圧力が上がったために開裂弁の開裂およびガス噴出が起こったと考えられる。
As shown in Table 1, in the battery of Comparative Example 1 using a polypropylene shaft core, gas was released from the cleavage valve after the cleavage valve was opened at SOC 150%. For this reason, in the battery of Comparative Example 1, the heat radiation from the center of the
これに対して、電極群6の捲回中心に、上側端面を除いてポリプロピレンでコーティングしたアルミニウム製の軸芯11を配置し、軸芯11の上側端面を鍔部7の底面に当接させた実施例1、および、電極群6の捲回中心に、下側端面を除いてポリプロピレンでコーティングした銅製の軸芯11を配置し、軸芯11の下側端面を鍔部7’の上面に当接させた実施例2の電池では、それぞれSOC150%時点でのガス噴出が見られなかった。このことから、実施例1、実施例2のリチウムイオン電池20では、電極群6の中心部から電池外への放熱が良く、電極群6の中心部の温度上昇が緩やかなためにSOC150%時点での電解液の分解が抑制されていると考えられる。
On the other hand, an
本発明は電池異常時の温度上昇を抑制でき捲回時の巻きズレを防止可能なリチウムイオン電池を提供するものであるため、リチウムイオン電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 Since the present invention provides a lithium ion battery that can suppress a temperature rise at the time of battery abnormality and can prevent winding deviation at the time of winding, it contributes to the manufacture and sale of lithium ion batteries, and thus can be used industrially. Have sex.
1、1’ 端子部
6 電極群
7、7’ 鍔部
11 軸芯
13 正極極柱
13’ 負極極柱
18、18’ 突出部
20 リチウムイオン電池
22 正極板
23 負極板
24 セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記軸芯内に挿入された突出部と、該突出部の反対側で電池蓋から露出した端子部と、該突出部と端子部との間に一体形成されており、前記正極板から導出された正極リード片が周縁に接合され一面側が前記軸芯の一側端面に当接する鍔部とを有する正極極柱と、
前記正極極柱とは前記軸芯を介して反対側で前記軸芯内に挿入された突出部と、該突出部の反対側で電池蓋から露出した端子部と、該突出部と端子部との間に一体形成されており、前記負極板から導出された負極リード片が周縁に接合され一面側が前記軸芯の他側端面に当接する鍔部とを有する負極極柱と、
を備え、
前記軸芯は、前記正極極柱と同種材質のアルミニウムもしくはアルミニウム合金製または前記負極極柱と同種材質の銅もしくは銅合金製であり、その表面が前記正負極極柱のうち前記軸芯と同種材質の極柱の鍔部に当接する側の端面を除いて前記セパレータと同一材質の部材でコーティングされており、前記コーティングの厚さが0.3mm以上であることを特徴とするリチウムイオン電池。 An electrode group in which a positive electrode plate using a lithium manganese composite oxide as an active material and a negative electrode plate using a carbon material as an active material are wound around a cylindrical metal shaft core via a porous separator;
The protrusion part inserted into the shaft core, the terminal part exposed from the battery lid on the opposite side of the protrusion part, and the protrusion part and the terminal part are integrally formed and are led out from the positive electrode plate. A positive electrode pole piece having a flange portion bonded to the peripheral edge and having a flange portion in contact with one end surface of the shaft core;
The positive electrode pole is a projecting portion inserted into the shaft core on the opposite side through the shaft core, a terminal portion exposed from the battery lid on the opposite side of the projecting portion, the projecting portion and the terminal portion, A negative electrode pole having a negative electrode lead piece led out from the negative electrode plate and having a flange portion whose one side is in contact with the other end surface of the shaft;
With
The shaft core is made of aluminum or aluminum alloy of the same kind as the positive electrode pole column, or made of copper or copper alloy of the same kind of material as the negative pole pole, and the surface thereof is made of the same kind material as the shaft core of the positive and negative pole poles. of which is coated with a member of the separator and the same material to the flange portion except for the end face of the side abutting the pole columns, lithium-ion batteries the thickness of the coating is characterized in der Rukoto than 0.3 mm.
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