(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の電池缶の内部に、充放電が可能な巻取り電極体を収容してなる非水電解液二次電池において、巻取り電極体は、第１の集電部材となる巻き芯に、２枚以上の帯状を呈する第１電極の基端部を連結し、これら第１電極の間に、対極となる帯状の第２電極と、各第２電極を包み込む様に巻き芯側の端部で折り返された帯状のセパレータとを挟み込むことによって、互いに対向する第１電極と第２電極の間にセパレータを介在させ、これらを渦巻き状に巻き取って構成され、各第２電極は第２の集電部材に接続され、前記第１の集電部材と第２の集電部材から、巻取り電極体の発生電力を外部へ取り出すことが可能であり、前記第１電極の長手方向の全長Ｌと、長手方向とは直交する方向の幅Ｗとの関係が、０.３３＜Ｗ／Ｌ＜１０の範囲に設定されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
【請求項２】
第１電極の長手方向の全長Ｌに対し、巻き芯の外周面に直接に接触して巻き付けられる基端部の長さは、２％以上である請求項１に記載の非水電解液二次電池。
【請求項３】
第１電極及び第２電極の枚数はそれぞれ、３枚乃至３０枚の範囲である請求項１又は請求項２に記載の非水電解液二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状の電池缶の内部に、充放電が可能な巻取り電極体を収容してなる非水電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非水電解液二次電池は、図１２に示す様に、筒体(11)の両開口部に蓋体(12)(12)を固定してなる電池缶(１)の内部に巻取り電極体(２)を収容して構成されている。
例えばリチウム二次電池において、巻取り電極体(２)は、図１３に示す様に、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と炭素材料を含む負極(23)の間に、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成され、正極(21)及び負極(23)からはそれぞれ複数本の集電タブ(25)(26)が引き出されている。
【０００３】
図１２の如く、各蓋体(12)にはねじ軸(13)が貫通しており、該ねじ軸(13)と蓋体(12)の間には、２枚の絶縁パッキン(15)(16)を組み合わせてなる絶縁部材(14)が介在し、ねじ軸(13)に螺合せしめた一対のナット(17)(18)によって絶縁部材(14)を挟圧している。そして、前記複数本の集電タブ(25)(26)の先端部がねじ軸(13)の端面に溶接固定されている。
該二次電池においては、両ねじ軸(13)(13)から巻取り電極体(２)の発生電力を取り出すことが出来る。
【０００４】
ところで、特に携帯型電子機器や電気自動車などの電源として用いられる二次電池においては、高率放電性能が要求される。そこで、正極を構成する帯状アルミニウム箔の表面に、その長手方向に伸びる一側縁部を除いて正極合剤を塗布し、前記一側縁部に複数の集電タブを溶接固定して、集電部材を構成した非水電解液二次電池が提案されている(特開閉9-306470［H01M4/02］)。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の巻取り電極体においては、依然として高率放電性能が十分でなく、更なる放電性能の改善が要求されている。
そこで、本発明者らが鋭気研究を行なった結果、それぞれ１枚の正極及び負極を渦巻き状に巻き取った巻取り電極体の構造では、最早、放電性能の改善に限界があることに想到し、種々の構造を有する巻取り電極体を案出して、これらについて性能比較試験を行なったところ、それぞれ複数枚の正極及び負極を渦巻き状に巻き取った巻取り電極体が優れた放電性能を発揮することを見出し、本発明の完成に至った。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る非水電解液二次電池は、筒状の電池缶の内部に、充放電が可能な巻取り電極体を収容してなり、巻取り電極体は、第１の集電部材となる巻き芯に、２枚以上の帯状を呈する第１電極(正極)の基端部を連結し、これら第１電極の間に、対極となる帯状の第２電極(負極)と、各第２電極を包み込む様に巻き芯側の端部で折り返された帯状のセパレータとを挟み込むことによって、互いに対向する第１電極と第２電極の間に帯状のセパレータを介在させ、これらを渦巻き状に巻き取って構成されている。各第２電極は第２の集電部材に接続され、前記第１の集電部材と第２の集電部材から、巻取り電極体の発生電力を外部へ取り出すことが可能である。
又、前記第１電極の長手方向の全長Ｌと、長手方向とは直交する方向の幅Ｗとの関係が、０.３３＜Ｗ／Ｌ＜１０の範囲に設定されている。
【０００７】
従来の非水電解液二次電池においては、それぞれ１枚の長い正極及び負極を渦巻き状に巻き取った構造となっていたために、仮に複数枚の集電タブを連結して集電したとしても、その集電性が電極長手方向に不均一となり、高率放電性能の改善に限界があった。これに対し、本発明に係る非水電解液二次電池においては、比較的長さの短い複数枚の正極及び負極を渦巻き状に巻き取った構造が採用されているために、電極の集電性が均一となり、電極の利用率が高くなって、高率放電性能が向上するのである。
又、第１電極(正極)の全長Ｌと幅Ｗとの関係が０.３３＜Ｗ／Ｌ＜１０の範囲に設定されているので、高い高率放電特性が得られる。
尚、第１電極及び第２電極の枚数はそれぞれ、３枚乃至３０枚の範囲で特に高い効果が得られることを実験的に確認している。
【０００８】
具体的構成において、第２の集電部材は、第２電極(負極)の長手方向の１或いは複数箇所に基端部が接続された１或いは複数本の集電タブによって構成されている。
又、電池缶は、一端が開口した筒体の開口部に蓋体を固定して構成され、巻き芯の一方の端部は蓋体を貫通して外部へ突出し、該突出部に第１の電流取り出し端子部が構成されると共に、前記１或いは複数本の集電タブの先端部は筒体に接続されて、筒体によって第２の電流取り出し端子部が構成されている。
該具体的構成によれば、それぞれ複数枚の第１電極(正極)及び第２電極(負極)の間で発生する電荷は、第１電極側は巻き芯(41)によって効率的に集電されると共に、第２電極側は複数枚の集電タブによって効率的に集電され、第１及び第２の電流取り出し端子部から巻取り電極体の発生電力を外部へ取り出すことが出来る。
【０００９】
更に具体的構成においては、第１電極(正極)の長手方向の全長Ｌに対し、巻き芯の外周面に直接に接触して巻き付けられる基端部の長さは、２％以上に設定されている。
この数値範囲で特に高率放電特性が改善されることを実験的に確認している。
【００１０】
尚、巻取り電極体において、その最外周面が第２電極(負極)によって被われる構造を採用すれば、巻取り電極体の外周面と電池缶の内周面との間で絶縁を図る必要はない。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る非水電解液二次電池によれば、電極の集電性が改善されて、従来よりも高い高率放電性能が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリチウム二次電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る二次電池は、図１に示す如く一端が開口した筒体(30)の開口部に蓋体(31)を固定してなる金属製の電池缶(３)を具え、該電池缶(３)の内部に、充放電が可能な巻取り電極体(４)を収容して構成されている。
電池缶(３)の筒体(30)の開口部と蓋体(31)の間には絶縁パッキン(47)が介在し、電気的絶縁とシールが施されている。
【００１３】
巻取り電極体(４)の中心部には金属製の巻き芯(41)が設置されており、該巻き芯(41)の頭部は、蓋体(31)を貫通して電池缶(３)の外部へ突出し、該突出部にねじ部(43)が形成されている。蓋体(31)から突出する巻き芯(41)の頭部には絶縁パッキン(46)が嵌められると共に、ねじ部(43)には締付けナット(45)が螺合し、該締付けナット(45)の締め付けによって、蓋体(31)が筒体(30)の開口部に固定されると共に、絶縁パッキン(47)(46)が挟圧されて、シール性を確保している。又、巻き芯(41)のねじ部(43)にはキャップナット(44)が螺合している。
【００１４】
巻取り電極体(４)は、図２及び図７に示す如く、巻き芯(41)の外周面に、複数枚の正極(５)の基端部を連結し、これら複数枚の正極(５)の間に、負極(７)を挟み込むと共に、互いに対向する正極(５)と負極(７)との間にセパレータ(６)を介在させ、これらを渦巻き状に巻き取って構成されている。
【００１５】
正極(５)は、図５及び図６に示す様に、アルミニウム箔(51)の両面に正極合剤(52)(52)を塗布して構成され、アルミニウム箔(51)の長手方向の一端部に正極合剤の塗布されていない未塗工部(53)が形成されており、該未塗工部(53)が前記巻き芯(41)の外周面に巻き付けられる。
一方、負極(７)は、図３及び図４に示す様に、銅箔(71)の両面に負極合剤(72)(72)を塗布して構成され、銅箔(71)の長手方向の一端部に負極合剤の塗布されていない未塗工部(73)が形成されており、該未塗工部(73)に集電タブ(８)が連結されている。
【００１６】
図１に示す如く、電池缶(３)内に巻取り電極体(４)が収容された状態で、該巻取り電極体(４)の負極(７)から伸びる複数本の集電タブ(８)は、巻き芯(41)側へ折り畳まれて、それらの先端部が筒体(30)の底面に溶接固定されている。
尚、巻き芯(41)には、前記複数本の集電タブ(８)の先端部を筒体(30)の底面に溶接する際にスポット溶接用の電極針を挿通せしめるための中央孔(42)が開設されている。
又、巻き芯(41)の下端部には、複数本の集電タブ(８)と巻き芯(41)とを電気的に絶縁するための絶縁キャップ(48)が嵌まっている。該絶縁キャップ(48)の底面には、図８に示す如く孔(49)が開設されており、前述の電極針を挿通せしめることが可能となっている。
【００１７】
図１０(ａ)(ｂ)(ｃ)及び図１１(ａ)(ｂ)(ｃ)は、本発明に係る二次電池の製造において、電池缶(３)を封口する工程を表わしている。
先ず、図１０(ａ)に示す如く筒体(30)内に巻取り電極体(４)を収容した状態で、スポット溶接用の電極針を、図１に示す巻き芯(41)の中央孔(42)から絶縁キャップ(48)の孔(49)へ挿入し、図示の如く中央部に寄せ集められた複数本の集電タブ(８)の先端部を筒体(30)の底面に溶接する。
【００１８】
その後、図１０(ｂ)の如く筒体(30)の上端から僅かに下方の首部分に絞り加工を施して、絞り部(32)を形成する。次に、同図(ｃ)の如く筒体(30)の絞り部(32)上に有底円筒状の絶縁パッキン(47)を設置する。
続いて、図１１(ａ)に示す様に絶縁パッキン(47)上に蓋体(31)を設置した後、同図(ｂ)の如く筒体(30)の上端部に絞り加工を施して、絞り部(33)を形成し、該絞り部(33)によって蓋体(31)に抜け止めを施す。
【００１９】
次に、巻き芯(41)に円板状の絶縁パッキン(46)を嵌め、更にねじ部(43)に締付けナット(45)を螺合せしめ、締め付ける。
最後に、巻き芯(41)の頭部にキャップナット(44)をねじ込んで、中央孔(42)を塞ぐ。これによって、本発明の非水電解液二次電池が完成する。
【００２０】
【実施例】
正極の作製
正極集電体としてのアルミニウム箔(厚さ２０μｍ)の両面に、正極活物質(ＬｉＣｏＯ2)、導電剤(カーボン粉末)及び結着剤(フッ素樹脂粉末)からなる正極合剤をドクターブレード法によって塗布し、１５０℃で２時間の真空乾燥を施し、図５及び図６に示す如き正極を得た。尚、図示の如く正極(５)には長手方向の端部に未塗工部(53)を形成した。
【００２１】
負極の作製
負極集電体としての銅箔(厚さ２０μｍ)の両面に、負極材料(黒鉛粉末)及び結着剤(フッ素樹脂粉末)からなる負極合剤をドクターブレード法によって塗布し、１５０℃で２時間の真空乾燥を施し、図３及び図４に示す如き負極を得た。尚、図示の如く負極(７)には長手方向の端部に未塗工部(73)を形成し、該未塗工部(73)に幅５ｍｍのニッケル製の集電タブ(８)を連結した。
【００２２】
電解液の調製
エチ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ＬｉＰＦ6溶質を溶かして、電解液を調製した。
【００２３】
電池の組立
外径６ｍｍ、内径３ｍｍのアルミニウム製の巻き芯の周囲に、所定枚数の正極を等間隔に配置して、各正極の未塗工部を巻き芯の外周面に溶接固定した。尚、正極の枚数が多い場合は、図９に示す如く複数枚(図では２枚)の正極(５)(５)の未塗工部を重ねて巻き芯(41)の外周面に溶接固定した。
そして、図７に示す如く正極(５)の間に負極(７)を挟み込むと共に、互いに対向する正極(５)と負極(７)の間にセパレータ(６)を介在せしめ、これらを図２の如く渦巻き状に巻き取って、巻取り電極体(４)を得た。
尚、セパレータ(６)としては、イオン透過性のポリプロピレン製の微多孔性膜を採用した。又、巻き芯(41)の基端部には、テフロン製の絶縁キャップ(48)を装着した。
【００２４】
この様にして得られた巻取り電極体(４)を、図１０(ａ)の如くＳＵＳ製の筒体(30)に収容した。そして、前述の如く負極(７)から伸びる集電タブ(８)の先端部を筒体(30)の底面に溶接した後、筒体(30)の内部に前記電解液を注入した。
その後、図１０(ｂ)(ｃ)及び図１１(ａ)(ｂ)(ｃ)の工程を経て、筒体(30)の開口部にＳＵＳ製の蓋体(31)を固定し、更に蓋体(31)から突出する巻き芯(41)のねじ部(43)に絶縁パッキン(46)をはめ込み、締付けナット(45)を締め付けて、本発明に係る二次電池を作製した。
【００２５】
電池特性の測定
後述の各種電池について、下記の条件で充放電実験を行ない、低率での放電に対する高率での放電の容量維持率を測定した。尚、放電容量維持率は、低率放電容量に対する高率放電容量の比率(百分率)で定義される。
［低率放電］
充電電流：４００ｍＡ、充電終止電圧：４.１Ｖ、
放電電流：４００ｍＡ、放電終止電圧：２.７Ｖ
［高率放電］
充電電流：４００ｍＡ、充電終止電圧：４.１Ｖ、
放電電流：５Ａ、放電終止電圧：２.７Ｖ
【００２６】
▲１▼  実験１
実験１では、従来の電池の高率放電特性と、本発明に係る電池の高率放電特性の比較を行なった。
本発明に係る電池Ａは１０枚の正極を具え、各正極は、幅が５０ｍｍ、全長が１５０ｍｍ、未塗工部の長さが５ｍｍに形成されている。
これに対し、従来の電池である比較電池Ｘは、１枚の正極を具え、該正極は、幅が５０ｍｍ、全長が１５００ｍｍであって、長手方向の端部に、長さ５ｍｍの未塗工部を有し、該未塗工部には、幅５ｍｍのアルミニウム製の１枚の集電タブが溶接されている。それ以外は本発明電池Ａと同様の構造を有している。又、比較電池Ｙは、１枚の正極を具え、該正極は、幅が５０ｍｍ、全長が１５００ｍｍであって、長手方向に伸びる一側縁に幅５ｍｍの未塗工部を有し、該未塗工部には、幅５ｍｍのアルミニウム製の１０枚の集電タブが溶接されている。それ以外は本発明電池Ａと同様の構造を有している。
これらの電池Ａ、Ｘ及びＹについての測定結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
0003685626.tif 000002
【００２８】
表１の結果から明らかなように、本発明電池Ａは、比較電池Ｘ、Ｙに比べて、高率での放電容量維持率が高くなっており、高率放電特性が良好である。これは、電極枚数の増加によって、各電極での反応の不均一性が緩和され、高率放電容量が増加したためと考えられる。
【００２９】
▲２▼  実験２
実験２では、本発明の二次電池に採用する電極の寸法についての最適範囲を検討した。
長さ２５０ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ０を作製した。
長さ２００ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ１を作製した。
長さ５０ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ２を作製した。
長さ２５ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ３を作製した。
長さ５ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ４を作製した。
長さ３ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ５を作製した。
幅１５０ｍｍ、長さ６５０ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｂ６を作製した。
長さ６００ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ｂ６と同様にして本発明電池Ｂ７を作製した。
長さ２５０ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ｂ６と同様にして本発明電池Ｂ８を作製した。
長さ１００ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ｂ６と同様にして本発明電池Ｂ９を作製した。
長さ５０ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ｂ６と同様にして本発明電池Ｂ１０を作製した。
長さ１５ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ｂ６と同様にして本発明電池Ｂ１１を作製した。
長さ１２ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ｂ６と同様にして本発明電池Ｂ１２を作製した。
これらの本発明電池Ｂ０〜Ｂ１２及びＡについての測定結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
0003685626.tif 000003
【００３１】
表２の結果から明らかな様に、正極の幅(５０ｍｍ／１５０ｍｍ)に拘わらず、正極の幅Ｗと長さＬの割合(Ｗ／Ｌ)が、特に０.２５〜１０の範囲で、高率放電での放電維持率が高くなっている。従って、正極の幅Ｗと長さＬの割合(Ｗ／Ｌ)は、０.２５〜１０の範囲に設定することが好ましい。
【００３２】
▲３▼  実験３
実験３では、正極の全長Ｌと未塗工部の長さの割合について、最適範囲を検討した。
未塗工部の長さが１ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｃ０を作製した。
未塗工部の長さが３ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｃ１を作製した。
未塗工部の長さが７ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｃ２を作製した。
未塗工部の長さが１５ｍｍの正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｃ３を作製した。
これらの本発明電池Ｃ０〜Ｃ３及びＡについての測定結果を表３に示す。
【００３３】
【表３】
0003685626.tif 000004
【００３４】
表３の結果から明らかな様に、正極の全長に対する未塗工部の長さの割合が、２.０％以上で高い放電容量維持率が得られ、３.３％以上では変化が無くなった。従って、正極の全長に対する未塗工部の長さの割合は２.０％以上が好ましいと言える。
【００３５】
▲４▼  実験４
実験４では、二次電池を構成する正極の枚数についての最適範囲を検討した。
２枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ０を作製した。
３枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ１を作製した。
５枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ２を作製した。
１５枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ３を作製した。
２０枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ４を作製した。
３０枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ５を作製した。
３５枚の正極を用いる以外は、本発明電池Ａと同様にして本発明電池Ｄ６を作製した。
これらの本発明電池Ｄ０〜Ｄ６及びＡについての測定結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】
0003685626.tif 000005
【００３７】
表４の結果から明らかなように、特に正極枚数が３〜３０枚の範囲で、高率放電容量維持率が高くなっており、正極枚数は３〜３０枚が最適範囲といえる。
【００３８】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば本発明は、リチウム二次電池に限らず、種々の非水電解液二次電池に実施することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非水電解液二次電池の断面図である。
【図２】本発明に係る二次電池を構成する巻取り電極体の展開図である。
【図３】負極の正面図である。
【図４】該負極の断面図である。
【図５】正極の正面図である。
【図６】該正極の断面図である。
【図７】巻取り電極体における正極、セパレータ及び負極の配置を示す平面図である。
【図８】絶縁キャップの拡大断面図である。
【図９】巻き芯に複数枚の正極を連結する他の構成例を示す平面図である。
【図１０】筒体を蓋体によって封口する工程の前半を示す図である。
【図１１】同上工程の後半を示す図である。
【図１２】従来の非水電解液二次電池の断面図である。
【図１３】該二次電池に用いられている巻取り電極体の一部を展開した斜視図である。
【符号の説明】
(３)  電池缶
(30)  筒体
(31)  蓋体
(４)  巻取り電極体
(41)  巻き芯
(48)  絶縁キャップ
(５)  正極
(51)  アルミニウム箔
(52)  正極合剤
(53)  未塗工部
(６)  セパレータ
(７)  負極
(71)  銅箔
(72)  負極合剤
(73)  未塗工部
(８)  集電タブ
【図１】
0003685626.tif 000006
【図２】
0003685626.tif 000007
【図３】
0003685626.tif 000008
【図４】
0003685626.tif 000009
【図５】
0003685626.tif 000010
【図６】
0003685626.tif 000011
【図７】
0003685626.tif 000012
【図８】
0003685626.tif 000013
【図９】
0003685626.tif 000014
【図１０】
0003685626.tif 000015
【図１１】
0003685626.tif 000016
【図１２】
0003685626.tif 000017
【図１３】
0003685626.tif 000018