(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の集電端子を有する薄型電極を用いた捲回電極群であり、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ正負両極の極性の端子に関して捲回電極群の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されており、かつ各極性の集電端子を結ぶ軌跡が互いに点対称の位置にあることを特徴とする捲回電極群。
【請求項２】
複数の集電端子を有する捲回電極群を用いたリチウム二次電池であって、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ少なくとも一方の極性の集電端子に関して捲回電極群の中心からの距離がｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されていることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項３】
複数の集電端子を有する捲回電極群を用いたリチウム二次電池であって、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ正負両極の極性の集電端子に関して捲回電極群の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されており、かつ正負両極性の端子群が捲回電極群の同一端面にありながらそれぞれの端子群が半円の面積内に収まって互いの半円が重複していないことを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項４】
複数の集電端子を有する捲回電極群を用いたリチウム二次電池であって、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ正負両極の極性の端子に関して捲回電極群の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されており、かつ各極性の集電端子を結ぶ軌跡が互いに点対称の位置にあることを特徴とするリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の集電端子を有する薄型電極を用いた捲回電極群に係り、特に放電容量、出力密度が大でサイクル特性に優れたリチウム二次電池用捲回電極群に関する。リチウム二次電池は、ポ−タブル機器駆動用電源あるいは据置用機器駆動用電源に応用される。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、リチウム二次電池の負極として、従来はリチウム金属およびリチウム合金が用いられてきたが、樹枝状リチウムの析出による両極の短絡やエネルギ−密度が低くなるという欠点があった。最近ではこれらの問題点を解決するために炭素材を負極に用いる研究が活発である。リチウム二次電池では電極を薄型化して捲回電極群とすることにより、電極面積を拡大して電流密度の低さを補う方式を採用することが一般的で、このような薄型電極を用いた方式では、電池の容量が小さいときには捲回電極群の正負極の集電端子がそれぞれ１本のみの構造となっている。例えば、特開平7-272764号公報などにその実例が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、薄型電極を用いた捲回電極群によって構成されるリチウム二次電池を大容量電池に適用するためには、集電端子を複数化しないと電極全体からの集電が効果的にできず、出力密度、放電容量およびサイクル特性が低下する。多端子構造にするときに、例えばニッケル−カドミウム電池等で従来用いられてきたプロジェクション構造は、薄型電極には適用できない。また、端子部分の厚さが電極の活物質塗布部分の厚さと異なるために、複数の集電端子の位置が一部分に集中すると、捲回電極群が真円になりにくいこと、大電流を通電するときに発熱が集中することなどの問題があり、適切な集電端子の配置を設計する必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の要点は、長尺の薄型電極を捲回した捲回電極群により、例えば大容量リチウム二次電池を構成する場合において、最適な集電端子の配置に関する設計および製造技術を提供することにある。本発明の特徴は、捲回電極群において集電端子を円周上の同一半径上に配置させず、少しづつズラしたことにある。しかし、そのズレが大きくなったり、不規則になったりすると、端子間の接続が長くあるいは複雑になり端子間接続の抵抗増加あるいは端子間接続が煩雑になるなどの問題が生ずるため、適切な端子配置を設定した。
【０００５】
まず、円の中心から外周部に向って捲回電極群に配置されている複数の集電端子の捲回電極群の中心からの距離がｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であることが必要である。そうであれば端子間接続の抵抗増加が抑制でき、かつ端子間接続が容易になる。このことは少なくとも一方の極性の集電端子群に関して満たされていることが望ましく、もちろん両極において満たされていることはなお望ましい。両極の集電端子群の相対的配置に関しては、正負両極のそれぞれの極性の端子群が捲回電極群の同一端面にある場合には、それぞれの端子群が半円の面積内に収まって互いの半円が重複していないことが望ましい。そうすることにより正負両極の端子が接触により短絡する可能性が少なくなり、かつ端子間を接続する作業も容易になる。また、上記の場合にそれぞれの端子群が半円の面積内に収まっていないときには、それぞれの極性の端子を結ぶ軌跡が互いに点対称の位置にあれば、互いの端子群が接触して短絡する可能性が低くなり、かつ端子間を接続する作業も容易になる。
【０００６】
集電端子を溶接する部位は、電極の捲回方向に対して平行方向の基体端部の活物質未塗布部分か、電極の捲回方向に対して垂直方向の基体の活物質未塗布部分がよい。集電端子の材料は電子伝導性があって、電解液に対して化学的に安定でかつ電極の作動電位内で電気化学的に安定である材料であればなんでも使用可能である。電極基体と同一材料の銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどが実用的な端子材料となる。端子の溶接方法は溶接される材料に応じた方法を選択すれば良いが、超音波溶接、抵抗溶接などが一般的である。端子の溶接作業は捲回時に電極ロ−ルから電極を引出して捲き取りる手前でするのが通常の方法であるが本発明はこのことに制約されるものではない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、複数の集電端子を有する薄型電極を用いた捲回電極群であって、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ正負両極の極性の端子に関して捲回電極群の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されており、かつ各極性の集電端子を結ぶ軌跡が互いに点対称の位置にあることを特徴とする。（請求項１記載の発明）
一方、複数の集電端子を有する捲回電極群を用いたリチウム二次電池であり、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ少なくとも一方の極性の集電端子に関して捲回電極群の中心からの距離がｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されていることを特徴とする。（請求項２記載の発明）
また、複数の集電端子を有する捲回電極群を用いたリチウム二次電池であり、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ正負両極の極性の集電端子に関して捲回電極群の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されており、かつ正負両極性の端子群が捲回電極群の同一端面にありながらそれぞれの端子群が半円の面積内に収まって互いの半円が重複していないことを特徴とする。（請求項３記載の発明）
更に、複数の集電端子を有する捲回電極群を用いたリチウム二次電池であり、すべての集電端子が捲回電極群の中心から伸びる同一直線上に並んでおらず、かつ正負両極の極性の端子に関して捲回電極群の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子は、(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるように配置されており、かつ各極性の集電端子を結ぶ軌跡が互いに点対称の位置にあることを特徴とする。（請求項４記載の発明）
【０００８】
【実施例】
実施例１
本発明を炭素／コバルト酸リチウムから構成される捲回式円筒形リチウム二次電池において実施した。用いた電池の外寸は外径64mm、長さ220mmである。 負極電極基体には厚さ20μmの銅箔を、正極電極基体には厚さ15μmのアルミニウム箔をそれぞれ用いた。溶媒のＮ−メチルピロリドン(ＮＭＰ)と、結着材のポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)を含む人造黒鉛粉末のスラリ−を塗布して負極を作製した。 正極は、コバルト酸リチウム(ＬiＣoＯ2)、導電剤の人造黒鉛粉末、結着材のＰＶＤＦ、および溶媒のＮＭＰからなるのスラリ−を塗布して作製した。得られた乾燥状態の電極をさらにカレンダ−ロ−ルにより成型し、所定の寸法に切断してロ−ルに捲き取った。裁断された電極に集電端子を溶接しながら、セパレ−タ(厚さ25μmのポリエチレン微孔膜) を挾んで捲回し電極群を得た。このときの集電端子の配置は、捲回電極群２の上面図としての図２に示すように、捲回電極群２の中心３からｎ番目の端子の一番近くに存在する端子が(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であるようにした。図２に示してあるのは正極端子４群のみであるのは、本実施例では円筒形の捲回電極群２の両端に正負それぞれの集電端子群を取り出す方式のためである。
【０００９】
得られた捲回電極群２を電池容器１に収納し、正極端子４を、蓋に設けた電池極柱に溶接後、電解液を所定量注入し、封口した。電解液は、カ−ボネ−ト系の混合溶媒にＬiＰＦ6を１mol/ｌの濃度になるように溶解したものである。得られた電池の充填容量は、56.8Ahであった。充放電速度は0.5CmAとし、4.2Ｖから2.8Ｖの電圧範囲で充放電サイクル試験をした。なお、充放電後の休止時間は、それぞれ１時間とした。得られた放電容量は55.0Ａｈであり、このときの体積エネルギ−密度は281Ｗｈ／ｌとなった。
【００１０】
実施例２
実施例１と同様に、炭素／コバルト酸リチウムで構成される外径64mm、長さ220mmの外寸を有する捲回式円筒形リチウム二次電池において実施した。ただし、このときの集電端子群の配置は実施例１とは異なる。その配置を図１に示す。正極端子４と負極端子５に関して、捲回電極群２の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子が(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であり、かつ正負両極性の端子群が捲回電極群２の同一端面にありながらそれぞれの端子群が半円の面積内に収まって互いの半円が重複していないようにした。
得られた捲回電極群２を上記実施例１と同様に密閉型円筒形電池とし、容量試験をした。電池の充填容量は、61.6Ahに対して、放電容量は60.3Ａｈであり、このときの体積エネルギ−密度は308Ｗｈ／ｌとなった。
【００１１】
実施例３
実施例１と同様に、炭素／コバルト酸リチウムで構成される外径64mm、長さ220mmの外寸を有する捲回式円筒形リチウム二次電池において実施した。ただし、このときの集電端子群の配置は実施例１とは異なる。その配置を図３に示す。正極端子４と負極端子５に関して、捲回電極群２の中心からの距離がそれぞれｎ番目の端子の一番近くに存在する端子が(ｎ＋１)番目または(ｎ−１)番目の端子であり、かつそれぞれの極性の端子を結ぶ軌跡が互いに点対称の位置にあるようにした。
得られた捲回電極群を上記実施例１と同様に密閉型円筒形電池とし、容量試験をした。電池の充填容量は、61.0Ahに対して、放電容量は59.8Ａｈであり、このときの体積エネルギ−密度は305Ｗｈ／ｌとなった。
【００１２】
比較例
実施例１と同様に、炭素／コバルト酸リチウムで構成される外径64mm、長さ220mmの外寸を有する捲回式円筒形リチウム二次電池において実施した。ただし、このときの集電端子群の配置は実施例１とは異なる。その配置を図４に示す。正極端子４と負極端子５に関して、捲回電極群２の中心から伸びる同一半径上に揃った配置となっている。
得られた捲回電極群を上記実施例１と同様に密閉型円筒形電池とし、容量試験をした。電池の充填容量は、52.9Ahに対して、放電容量は50.4Ａｈであり、このときの体積エネルギ−密度は257Ｗｈ／ｌとなった。
【００１３】
【発明の効果】
上述したように、本発明により得られた捲回電極群及びそれを用いたリチウム二次電池は、集電端子の位置が一ヶ所に集中しないため、捲回電極群の断面がより真円に近くなり、充填容量が増加した。また、そのときの端子間接続距離が短くなるようにしたため抵抗の増加が抑制された。その結果、コンパクトな捲回電極群が形成可能となり、一定体積の中により多くの容量の充填が可能となり、放電容量も増加し、体積エネルギ−密度の向上が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す捲回電極群の上面図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す捲回電極群の上面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す捲回電極群の上面図である。
【図４】比較例として実施した捲回電極群の上面図である。
【符号の説明】
１は電池容器、２は捲回電極群、３は捲回電極群の中心、４は正極端子、５は負極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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