(57)【要約】  【課題】  電池内のインダクタンス成分を低減することにより、急激な電流断時の過電圧の発生を防止する電池構造を提供する。  【解決手段】  電極巻回体の作製時に、正電極箔と負電極箔をセパレータを解して重ねた後、各電極箔の長手方向中央部分より巻回し、正極、負極の各電極箔端部分が巻き終わりにくるようにして巻回電極体を作製する。また、従来どおり電極箔の端部分より螺旋状に巻回することにより電極巻回体を作製し、正電極箔および負電極箔に正極リードおよび負極リードを設置する際、できるだけ近い位置になるよう配置する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の金属箔よりなる正極集電体に正極活物質を塗布することにより作製した正極と、シート状の金属箔よりなる負極集電体に負極活物質を塗布することにより作製した負極とを、セパレータを介して重ね、これを巻回することにより作製した円筒型巻回電極体を外装体に収納してなる電池装置において、
上記円筒型巻回電極体は、上記正極および上記負極の長手方向中央部分より巻回し、正極、負極の各電極箔端部分が巻き終わりにくるようにして作製することを特徴とする電池装置。
【請求項２】
シート状の金属箔よりなる正極集電体に正極活物質を塗布することにより作製した正極と、シート状の金属箔よりなる負極集電体に負極活物質を塗布することにより作製した負極とを、セパレータを介して重ね、これを巻回することにより作製した円筒型巻回電極体を外装体に収納してなる電池装置において、
上記正極集電体に接続した正極リードと上記負極集電体に接続した負極リードの距離が、極小になるよう配置することを特徴とする電池装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電池装置において、
上記正極集電体および上記負極集電体のそれぞれのほぼ同一位置から上記正極リードおよび負極リードを導出することを特徴とする電池装置。
【請求項４】
シート状の金属箔よりなる正極集電体に正極活物質を塗布することにより作製した正極と、シート状の金属箔よりなる負極集電体に負極活物質を塗布することにより作製した負極とを、セパレータを介して重ね、これを巻回することにより作製した円筒型巻回電極体を外装体に収納してなる電池装置において、
上記正極集電体から正極リードを導出するとともに、上記負極集電体から負極リードを導出し、上記正極リードおよび上記負極リードの少なくとも一方を複数とすることを特徴とする電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一次電池、二次電池の電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パソコン、携帯電話機等、携帯用電子機器の発達にともない、電池の需要が急速に伸びており、また電池の用途も拡大されている。そのような中、電池設計は小型化、かつ高容量化へ向かっており、それと伴に電池の使用時における、より高い安全性が求められている。
【０００３】
現在、小型化・高容量化という要求に応える電池として、リチウムおよびリチウムイオンを構成材料とする一次および二次電池（以下、リチウムイオン電池と適宜称する）が注目されている。
【０００４】
リチウムイオン電池は、負極にカーボンあるいはグラファイトを使用し、各種セラミック正極剤を組み合わせたものであり、電解質として非水溶媒を用いて作製される。
【０００５】
また、リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンのドープ／脱ドープを利用した非水電解液電池である。リチウムイオン二次電池は、主として、リチウムイオンをドープ／脱ドープ可能な正極および負極と、非水電解液(リチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる液)と、正極と負極との間に介在されたセパレータとから構成される。電極は、集電体と、この集電体上に形成された活物質層とからなる。この活物質層は、活物質と、導電剤と、これらの材料を集電体に結着させる結着剤とから構成される。
【０００６】
リチウムイオン電池は、小型・軽量であり、エネルギー密度が高く長期保存にも耐えうるという利点がある。これを生かし、現在では円筒形や角型、コイン型等が製造されており、様々な電子機器に用いられている。
【０００７】
従来から、電池の過充電や外部短絡等に対する安全対策として、保護回路が設けられている。電池の保護回路の一例としては、熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：以下、ＰＴＣ素子と適宜称する）が挙げられる。ＰＴＣ素子は通常は極めて小さな抵抗を有する素子であるが、過剰な電流が流れた場合、あるいは高温になった場合に抵抗値が増大し、電池に流れる電流を制限する特性を有する。電池にＰＴＣ素子を備えることによって、例えば外部短絡が生じたときでも、一定温度に達するとＰＴＣ素子が働き、電池の電流を停止させるため、電池に過電流が流れることを防ぐことができる。
【０００８】
下記の特許文献１では、電池に流れる電流値が増大した場合であっても、電池が劣化・損傷する前に、電流値を減少させることができる保護回路が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−９２８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のリチウムイオン電池の内部構造は、帯状電極を重ね、螺旋状に巻いた巻回電極体である。このため、図１に示すように、概念的な等価回路はＣ（電池容量）、Ｒ（内部抵抗成分）、Ｌ（内部のインダクタンス成分）の直列回路であると考えられ、電池の両端に対応する。このため、電極から引き出されるリードの位置によってはインダクタンス成分を持つ。電池から大電流を断続的に取り出すような使用方法をした場合、インダクタンス成分によりｄｉ／ｄｔによる逆起電力が生じるため、電池の出力端子間に大きな電圧が発生する。特に電流を低減させた時に電池の出力端子が開放される構造を持った、例えば電動工具や玩具等の電気回路への使用において、過電圧の発生が著しい。
【００１１】
例えば、図２に、電気回路に断続的に電流を流した場合に電池端子に生じる電圧の計算例を示す。図２において、実線で示される波形は電池端子に生じる電圧を示し、点線で示される波形は負荷回路に加わる電圧を示す。
【００１２】
電流を流し始めると、電池端子に徐々に電圧が加わり、その後一定の電圧となる。ところが、電流を０にした場合、インダクタンス成分に蓄えられたエネルギーによって電池端子に急激に大電圧が生じてしまう。
【００１３】
また、特に高周波数域において電池のインダクタンス成分によりインピーダンスが増加し、負荷電流が急激に変化した場合は電池の電圧が不安定になる。例えば、図３は、円筒型のリチウムイオン二次電池のインピーダンス特性を示すグラフである。実線で示す波形は電池のインピーダンス特性であり、点線で示す波形は測定時のバックグラウンドである。実際のインピーダンスは実線で示す値と点線で示す値の差で求めることができる。高周波数域になる程、インピーダンスが増加している。
【００１４】
図４は、円筒型のリチウムイオン二次電池の電圧特性を示すグラフであり、負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を一例として示す。負荷電流を１０Ａから０Ａへ急激に切り替えた時、４Ｖであった電池の電圧は８Ｖにまで上昇する。過電圧の程度によっては、電池の保護用のＦＥＴ（Field Effect Transistor）、使用機器側の制御回路等の耐電圧性を超えてしまうため、ＦＥＴ、制御回路等が破壊される恐れがあった。このようなことから、過電圧が発生することは危険であり、過電圧防止の要求が高まっている。
【００１５】
従来は機器へ接続するセル数も少なく、負荷電流の変動が少ないような使用方法をとっていたため、上述したような過電圧の問題は比較的少なかった。しかし近年、電池の用途が拡大し、接続するセル数も多くなるにしたがって、過電圧の対策必要性が増している。使用機器側の制御回路の耐電圧性を向上させることで過電圧への対策をすることも可能ではあるが、耐電圧値の著しく高い制御回路が必要となり、コストが高くなるため、機器側ではなく電池側で過電圧への対策をすることが必要である。
【００１６】
したがって、この発明の目的は、電池内のインダクタンス成分を低減することにより、急激な電流断時の過電圧の発生を防止する電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、シート状の金属箔よりなる正極集電体に正極活物質を塗布することにより作製した正極と、シート状の金属箔よりなる負極集電体に負極活物質を塗布することにより作製した負極とをセパレータを介して重ね、これを巻回することにより作製した円筒型巻回電極体を外装体に収納してなる電池装置において、円筒型巻回電極体は、正極および負極の長手方向中央部分より巻回し、正極、負極の各電極箔端部分が巻き終わりにくるようにして作製することを特徴とする電池装置である。
【００１８】
また、この発明の第２の態様は、シート状の金属箔よりなる正極集電体に正極活物質を塗布することにより作製した正極と、シート状の金属箔よりなる負極集電体に負極活物質を塗布することにより作製した負極とをセパレータを介して重ね、これを巻回することにより作製した円筒型巻回電極体を外装体に収納してなる電池装置において、正極集電体に接続した正極リードと負極集電体に接続した負極リードの距離が、極小になるよう配置することを特徴とする電池装置である。
【００１９】
また、この発明の第３の態様は、シート状の金属箔よりなる正極集電体に正極活物質を塗布することにより作製した正極と、シート状の金属箔よりなる負極集電体に負極活物質を塗布することにより作製した負極とをセパレータを介して重ね、これを巻回することにより作製した円筒型巻回電極体を外装体に収納してなる電池装置において、正極集電体から正極リードを導出するとともに、負極集電体から負極リードを導出し、正極リードおよび負極リードの少なくとも一方を複数とすることを特徴とする電池装置である。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、特に、電動工具、電動玩具等の断続的に大電流を流すアプリケーションにおいて、急激な電流断による過電圧の発生を防止することが可能である。また、二次電池における充電制御等の負荷回路設置時における過電圧による誤動作、破壊等を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図５は、この発明の一実施形態によるリチウムイオン電池の構成の一例を示す断面図である。このリチウムイオン電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１の内部に、帯状の正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介して巻回された巻回電極体１０を有している。電池缶１は、例えば、ニッケルめっきが施された鉄（Ｆｅ）により構成されており、一端部が閉鎖され、他端部が開放されている。電池缶１の内部には、巻回電極体１０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板２，３がそれぞれ配置されている。
【００２３】
電池缶１の開放部には、電池蓋４と、この電池蓋４の内側に設けられた安全弁機構５およびＰＴＣ素子６とが、ガスケット７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１の内部は密閉されている。電池蓋４は、例えば、電池缶１と同様の材料により構成されている。安全弁機構５は、熱感抵抗素子６を介して電池蓋４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板５ａが反転して電池蓋４と巻回電極体１０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発生を防止するものであり、例えば、チタン酸バリウム系半導体セラミックスにより構成されている、ガスケット７は、例えば絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【００２４】
巻回電極体１０は、例えばセンターピン１４を中心にして巻回されている。巻回電極体１０の正極１１には、アルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード１５が接続されている。正極リード１５は、安全弁機構５に溶接されることにより電池蓋４と電気的に接続されている。負極リード１６は、電池缶１に溶接され電気的に接続されている。
【００２５】
＜正極１１＞
正極１１は、例えば、帯状の形状を有する正極集電体と、この正極集電体の片面または両面に形成された正極合剤層とからなる。正極集電体は、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００２６】
正極合剤層は、正極活物質と結着剤とから構成される。正極合剤層の具体例としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2が挙げられる。また、この正極合剤層に含有される結着剤としては、通常この種の電池に使用されている公知の結着剤を用いることができる。この結着剤として、例えばポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂を挙げることができる。
【００２７】
また、正極合剤層には、必要に応じて導電材料、各種機能を発現する添加剤等を含有するようにしてもよい。この導電材料は、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はされず、例えば、グラファイト、カーボンブラック等の炭素粉末が挙げられる。
【００２８】
正極活物質層の形成方法としては、例えば、粉体状の正極活物質を結着剤（バインダー）とともに溶剤と混合し、必要に応じてボールミル、サンドミル、二軸混練機等により分散塗料化した後、正極集電体上に塗布して乾燥する方法が好適に用いられる。この場合、用いられる溶剤の種類は、正極集電体に対して不活性であり、且つバインダーを溶解しうる限り、特に制限されず、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン等の一般に使用される無機、有機溶剤の何れも使用できる。塗布装置は、特に限定されるものではないが、例えばスライドコーティングやエクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ロッドコーター、ブレードコーター等を挙げることができる。乾燥方法は特に制限されず、例えば放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機等を挙げることができる。
【００２９】
＜負極１２＞
負極１２は、例えば、帯状の形状を有する負極集電体と、この負極集電体の片面または両面に形成された負極合剤層とからなる。負極集電体は、例えば、銅箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００３０】
負極合剤層は、負極活物質と結着剤とからなる。負極合剤層の具体例としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料を挙げることができる。
【００３１】
この正極合剤層に含有される結着剤としては、通常この種の電池に使用されている公知の結着剤を用いることができる。この結着剤として、例えばポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂を挙げることができる。
【００３２】
負極活物質層の形成方法としては、上述の正極活物質層と同様の方法を用いることができる。
【００３３】
＜セパレータ１３＞
セパレータ１３は、正極合剤層１１ｂと負極合剤層１２ｂとを離間するものである。このセパレータ１３は、例えば、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料からなる多孔質膜、またはセラミック製の材料の不織物などの無機材料よりなる多孔質膜であり、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造としてもよい。
【００３４】
このような構造のリチウムイオン電池において、過電圧を防止するために以下のような構成を用いる。
【００３５】
この発明による第１の実施形態である過電圧防止策として、過電圧の発生を防止することが可能である電極の巻回構造について説明する。
【００３６】
図６に、既存のリチウムイオン電池における電極の巻回構造を模式的に示す。また、図７に、この発明を適用して作製した電池における電極の巻回構造を模式的に示す。なお、正電極箔、負電極箔の巻回構造を分かりやすく示すために、図６、図７ともに正電極箔、負電極箔間に配置されるセパレータ等の図示は省略する。
【００３７】
図６に示す既存のリチウムイオン電池における電極の巻回構造は、参照符号２１で示される正電極箔と、参照符号２２で示される負電極箔を重ね、電極箔の端部分より螺旋状に巻回することにより作製されている。
【００３８】
この発明を適用して作製した巻回電極体の一例を図７に示す。この巻回電極体は、参照符号３１で示される正電極箔と参照符号３２で示される負電極箔を、セパレータを介して重ねた後、各電極箔の長手方向中央部分より巻回し、正極、負極の各電極箔端部分が巻き終わりにくるようにして作製する。
【００３９】
この構成をとることにより、従来インダクタンス成分を発生していた部分について、電極箔内に生じる電流の方向を逆方向とすることができる。これにより、インダクタンス成分により発生する磁束の向きが逆となり、実質的にインダクタンス成分を減少させることができる。
【００４０】
図８は、図７に示す巻回電極体を用いて作製したリチウムイオン電池において、負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を示す。負荷電流を１０Ａから０Ａへ急激に切り替えた時、従来のリチウムイオン電池では４Ｖであった電池の電圧は８Ｖにまで上昇するが、この発明を用いて作製したリチウムイオン電池の場合は５．８Ｖ程度の電圧上昇で抑えることが可能である。
【００４１】
次に、この発明による第２の実施形態である過電圧防止策として、電極リードの引き出し位置を変更することにより過電圧の発生を防止する方法について説明する。
【００４２】
図９に、既存のリチウムイオン電池の電極箔を展開した様子を模式的に示す。参照符号４１で示すのは正電極箔であり、参照符号４２で示すのは負電極箔である。この正電極箔４１および負電極箔４２の各電極箔に、電極箔と電池外装体を接続するための正極リード４１ａおよび負極リード４２ａを設置する。既存のリチウムイオン電池では、各電極箔の逆端部に正極リード４１ａ、負極リード４２ａを設置することにより巻回電極体を作製している。
【００４３】
図１０に、正極リード４１ａおよび負極リード４２ａを設置した場合の電流の流れを模式的に示す。なお、正電極箔４１および負電極箔４２間に配置されるセパレータの図示は省略し、また正電極箔４１および負電極箔４２の周囲には電解液が満たされているものとする。
【００４４】
この場合、負極リード４２ａから導入された電流は負電極箔４２から正電極箔４１へ、電解液を通して流れ、正極リード４１ａを伝わって外部の電気回路に流れる。
【００４５】
図１１に、この発明を適用して作製したリチウムイオン電池の電極箔を展開した様子を示す。参照符号５１で示すのは正電極箔であり、参照符号５２で示すのは負電極箔である。図９に示す既存のリチウムイオン電池と異なり、正電極箔５１および負電極箔５２から接続される正極リード５１ａおよび負極リード５２ａの引き出し位置の距離をできるだけ小さくするように構成されている。
【００４６】
この場合の電流の流れを、図１２に模式的に示す。なお、正電極箔５１および負電極箔５２２間に配置されるセパレータは省略し、また正電極箔５１および負電極箔５２の周囲には電解液が満たされているものとする。
【００４７】
この発明を適用した場合、負極リード５２ａから正極リード５１ａまで電流が流れるためには、大まかに経路Ａ、経路Ｂ、経路Ｃの３経路に分けることができる。この場合、経路Ｂおよび経路Ｃは、負電極箔５２側を流れる電流と正電極箔５１側を流れる電流が逆方向となり、インダクタンス成分が抑制される。したがって、経路Ａにおける電流によるインダクタンス成分のみが発生する。
【００４８】
したがって、正電極箔５１および負電極箔５２から接続される正極リード５１ａおよび負極リード５２ａの引き出し位置の距離を極小にすることにより、インダクタンス成分を抑えることが可能である。
【００４９】
また、第３の実施形態として、図１３に示すように、正電極箔５１および負電極箔５２から引き出す正極リード５１ａおよび負極リード５２ａを複数本設置することにより、インダクタンス成分を抑制するような構成も可能である。
【００５０】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５１】
例えば、第３の実施例において、一方の電極リードを複数本とし、他方の電極リードを１本とするだけでなく、正極リード、負極リードの両方が複数本導出されるような構成を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】リチウムイオン電池内の概念的な等価回路の一例を示す略線図である。
【図２】電気回路に断続的に電流を流した場合に電池端子に生じる電圧の計算例を示す略線図である。
【図３】円筒型のリチウムイオン二次電池のインピーダンス特性を示す略線図である
【図４】負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を示す略線図である。
【図５】この発明を適用することが可能であるリチウムイオン電池の構成の一例を示す断面図である。
【図６】既存のリチウムイオン電池における電極の巻回構造を示す模式図である。
【図７】この発明の第１の実施形態による電池における電極の巻回構造を示す模式図である。
【図８】図７に示す巻回電極体を用いて作製したリチウムイオン電池において、負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を示す略線図である。
【図９】既存のリチウムイオン電池の電極箔を展開した様子を示す略線図である。
【図１０】既存のリチウムイオン電池の電流の流れを示す模式図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態による電池の電極箔を展開した様子を示す略線図である。
【図１２】この発明を適用して作製したリチウムイオン電池の電流の流れを示す模式図である。
【図１３】この発明の第３の実施形態による電池における、正極リードを複数設置した場合の電極箔を展開した様子を示す略線図である。
【図１４】正極リードを２本設置して作製したリチウムイオン電池の電流の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
２１・・・正電極箔
２２・・・負電極箔
３１・・・正電極箔
３２・・・負電極箔
４１・・・正電極箔
４１ａ・・・正極リード
４２・・・負電極箔
４２ａ・・・負極リード
５１・・・正電極箔
５１ａ・・・正極リード
５２・・・負電極箔
５２ａ・・・負極リード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006032052.tif 000012
【図１１】
2006032052.tif 000013
【図１２】
2006032052.tif 000014
【図１３】
2006032052.tif 000015
【図１４】
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