(57)【要約】【課題】  高電位で、放電特性に優れた非水電解質二次電池を提供する。【解決手段】  第１の電極板と、前記第１の電極板とは極性の異なる第２の電極板と、がセパレータを介して渦巻状に巻回され偏平状にプレスされてなる偏平巻回電極体が、電池外装体内に収納されてなる電池において、前記第１の電極板は、１枚の電極板からなり、前記第２の電極は、大きさが同じ電極板Ａと電極板Ｂとからなり、前記電極板Ａと電極板Ｂとは、前記第１の電極板の表裏面に、電極板Ａと電極板Ｂとの巻回中心側端部同士が対向しないようにずらした状態で、セパレータを介してそれぞれ配置されており、前記偏平巻回電極体内の電極板Ａと電極板Ｂの巻回断面形状は、両電極板の巻回中心に近い側の端部を結ぶ線分の中点を点対称点とする点対称形状であることを特徴とする。【選択図】  図１
2006278266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極板と、前記第１の電極板とは極性の異なる第２の電極板と、がセパレータを介して渦巻状に巻回され偏平状にプレスされてなる偏平巻回電極体が、電池外装体内に収納されてなる電池において、
前記第１の電極板は、１枚の電極板からなり、
前記第２の電極は、大きさが同じ電極板Ａと電極板Ｂとからなり、
前記電極板Ａと電極板Ｂとは、前記第１の電極板の表裏面に、電極板Ａと電極板Ｂとの巻回中心側端部同士が対向しないようにずらした状態で、セパレータを介してそれぞれ配置されており、
前記偏平巻回電極体内の電極板Ａと電極板Ｂの巻回断面形状は、両電極板の巻回中心に近い側の端部を結ぶ線分の中点を点対称点とする点対称形状である、
ことを特徴とする扁平巻回電極体を備えた電池。
【請求項２】
請求項１に記載の扁平巻回電極体を備える電池において、
前記中点が第１の電極板の中心点であり、当該中心点に第１の電極タブが取り付けられている、
ことを特徴とする扁平巻回電極体を備える電池。
【請求項３】
１枚の帯状電極板からなる第１の電極板と、前記第１の電極板とは極性の異なる２枚の帯状電極板ＡおよびＢからなる第２の電極板と、前記第１の電極板と前記電極板ＡおよびＢとの間に介在させる２枚のセパレータと、が渦巻状に巻回され偏平状にプレスされてなる偏平巻回電極体を備える電池を製造する方法であって、
回転軸に直交する貫通穴を有する巻き芯の前記貫通穴から、前記第１の電極板とこの電極板の表裏面にそれぞれ当接配置する２枚のセパレータとを貫通させ、前記貫通穴の前後双方から前記第１の電極板と前記２枚のセパレータとが突き出た状態にする第１工程と、
前記巻き芯を一定方向に回転させ、入口側の回転始端部分に前記電極板Ａをあてがい、出口側の回転始端部分に前記電極板Ｂをあてがった状態で、前記電極板ＡおよびＢを前記巻き芯の回転方向に巻き込み巻回電極体となす第２工程と、
前記巻回電極体から巻き芯を取り除いた後に、当該巻回電極体をプレスして偏平状に成型する第３工程と、
を有する偏平巻回電極体を備えた電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池用の電極板に関し、特に偏平巻回電極体の電極特性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等の機器には、隙間空間を活用して効率よく装着できることから、角形電池やラミネート外装体を用いた電池が広く使用されている。また、正・負極の表面積を大きくでき、電池の体積エネルギー密度や高率放電特性を向上させることができることから、この種の電池には巻回型電極体が広く使用されている。さらに、この種の電池には、その形状に適合させるために、真円型の巻回型電極体ではなく、扁平状の巻回電極体が使用されている。
【０００３】
図５に基づいて扁平状の巻回電極体の製造方法について説明する。断面が円形でその直径方向にスリットが設けられた巻き芯を用い、図５（ａ）に示すようにスリットに帯状セパレータ３を通す。この後、図５（ｂ）に示すように巻き芯を１／２回転ほど回転させてセパレータ３を巻き芯に巻きつける。その後、図５（ｃ）に示すようにセパレータの各々の面に正極１及び負極２を噛み込ませながら巻き取って、円筒形の巻回電極体となし前記巻き芯を取り除き除いた後に、電極体を所定厚みとなるようにプレスして扁平形状とする。
【０００４】
ここで上記製造方法において、電池容量を増大させるためには、活物質を高密度に充填する必要があるが、活物質を高密度に充填すると電極板が硬くなり、扁平形状に加工するために強い圧力を加える必要がある。ところが、圧力を大きくすると、セパレータの空孔がつぶれて充放電に寄与するイオンがセパレータを透過しにくくなる。このため、負荷特性等の放電特性が低下するとともに、プレス後の電極体が反発、膨張して、電池厚みが増大するという問題がある。
【０００５】
このような問題に関連する技術としては、例えば特許文献１〜３がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２１７６６８号公報（特許請求の範囲、段落００１３−００１７）
【特許文献２】特開平１０−３０２８２７号公報（特許請求の範囲、段落００１１、００１２）
【特許文献３】特開平７−１５３４９０号公報（特許請求の範囲、段落０００４、０００５）
【０００７】
特許文献１は、扁平巻回電極体の巻回最内周層において、一方の電極の、他の電極と対向しない面に活物質層を形成しないことを特徴とする技術であり、この技術によると、電極反応に寄与しない構成物を無くすことにより、電池を高エネルギー密度化できるとされる。
【０００８】
特許文献２は、扁平巻回電極体を、電池缶に挿入する前に高温圧縮成形する技術であり、この技術によると、電極体中心部の空間や電極とセパレータとの隙間がなくなるので、電極反応を均一化でき、サイクル特性を向上できるとされる。
【０００９】
しかし、上記２文献に係る技術は、巻回電極体内において極板積層状態を均一とすることができないので、扁平形状となすプレスにおいて積層枚数の多い部分に強い圧力が加わり、セパレータの空孔がつぶれるので、放電特性が低下するとともに、積層枚数の多い部分の反発力が強いため、電池が膨れるという問題がある。
【００１０】
特許文献３は、電極に活物質層を形成しない部分（集電体露出部分）を複数設け、集電体露出部分を、巻回電極体の曲げの部分に配置させる技術であり、この技術によると、曲げの部分で活物質の脱離が生じないので、内部ショートの発生を防止できるとされる。
【００１１】
しかし、この技術は、曲げの部分に充放電に寄与しない空隙ができるので、エネルギー密度が低下するという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者は、以上に鑑みなされたものであって、放電特性に優れ、電池の膨れが小さい扁平巻回電極体を備えた電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明は、第１の電極板と、前記第１の電極板とは極性の異なる第２の電極板と、がセパレータを介して渦巻状に巻回され偏平状にプレスされてなる偏平巻回電極体が、電池外装体内に収納されてなる電池において、前記第１の電極板は、１枚の電極板からなり、前記第２の電極は、大きさが同じ電極板Ａと電極板Ｂとからなり、前記電極板Ａと電極板Ｂとは、前記第１の電極板の表裏面に、電極板Ａと電極板Ｂとの巻回中心側端部同士が対向しないようにずらした状態で、セパレータを介してそれぞれ配置されており、前記偏平巻回電極体内の電極板Ａと電極板Ｂの巻回断面形状は、両電極板の巻回中心に近い側の端部を結ぶ線分の中点を点対称点とする点対称形状であることを特徴とする。
【００１４】
従来の構造の電極体は、断面が円形でその直径方向にスリットが設けられた巻き芯を用い、図５（ａ）に示すようにスリットに帯状セパレータ３を通し、図５（ｂ）に示すように巻き芯を１／２回転ほど回転させてセパレータ３を巻き芯に巻きつけた後、図５（ｃ）に示すようにセパレータの各々の面に第１の電極板１及び第２の電極板２を噛み込ませながら巻き取って、円筒形の巻回電極体となし、前記巻き芯を取り除き除いた後に、図６に示すような、プレス冶具１２が降下する方式のプレス機を用いて、電極体を所望の厚みとなるようにプレスすることにより作製される。
【００１５】
従来の技術では、図４に示すように、極板の積層状態が電極体幅方向（図面左右方向）で非対称となるので、プレス時に積層枚数の多い部分（図４での右方向）に強い圧力が加わる。このため、強い圧力が加えられた部分のセパレータの孔がつぶれて、セパレータ内のイオン透過性が悪くなり、放電特性が劣化する。また、プレス後の電極体が圧力に反発して膨張し、電池厚みが増大する。
【００１６】
上記本発明では、図１に示すように、前記偏平巻回電極体内の電極板Ａと電極板Ｂの巻回断面形状は、両電極板の近い側の端部を結ぶ線分の中点（負極タブ１ｃの中心点）を点対称点とする点対称形状であるため、プレス時には電極体全体に均一な圧力が加わる。このため、上記弊害を解消でき、放電特性に優れ、膨れのない電池を実現できる。
【００１７】
また、前記中点が第１の電極板の中心点であり、当該中心点に第１の電極タブが取り付けられている構成とすることができる。
【００１８】
電流を外部に取り出すためには、電極と外部端子とを接続する電極タブを取り付ける必要がある。しかし、このタブの厚みにより、プレス時にタブ取り付け部分に強い圧力が加えられる場合がある。しかし、対称点を第１の電極の面積中心点とし、当該中心点に第１の電極タブを取り付けた場合には、積層のバランスを維持できるので、上記問題が生じない。
【００１９】
また、第２の電極タブは、電極体の最外周に、それぞれ取り付けることが好ましい。
【００２０】
また、上記構成の扁平巻回電極体を備えた電池は、１枚の帯状電極板からなる第１の電極板と、前記第１の電極板とは極性の異なる２枚の帯状電極板ＡおよびＢからなる第２の電極板と、前記第１の電極板と前記電極板ＡおよびＢとの間に介在させる２枚のセパレータと、が渦巻状に巻回され偏平状にプレスされてなる偏平巻回電極体を備える電池を製造する方法であって、回転軸に直交する貫通穴を有する巻き芯の前記貫通穴から、前記第１の電極板とこの電極板の表裏面にそれぞれ当接配置する２枚のセパレータとを貫通させ、前記貫通穴の前後双方から前記第１の電極板と前記２枚のセパレータとが突き出た状態にする第１工程と、前記巻き芯を一定方向に回転させ、入口側の回転始端部分に前記電極板Ａをあてがい、出口側の回転始端部分に前記電極板Ｂをあてがった状態で、前記電極板ＡおよびＢを前記巻き芯の回転方向に巻き込み巻回電極体となす第２工程と、前記巻回電極体から巻き芯を取り除いた後に、当該巻回電極体をプレスして偏平状に成型する第３工程とを有する製造方法により実現できる。
【００２１】
ここで、巻き芯の回転軸方向全体にわたって貫通穴が形成されていてもよいが、一方端、または両端には貫通した部分がない構造としてもよい。また、巻き芯が回転軸方向に複数部分に分割され、それらを組み合わせることで貫通穴ができるような構造としてもよい。また、入口、出口は適宜選択できる。また、巻き芯の形状は、巻回の品質を高めるため、回転軸に直交する断面形状を点対称とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
上記本発明によると、電池厚みの増加を抑制でき、放電特性に優れた特性に優れた電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を実施するための最良の形態を、非水電解質二次電池を用いた実施例により詳細に説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００２４】
（実施例１）
〈負極の作製〉
負極活物質としてのリン片状天然黒鉛１００質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース２質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム３質量部と、水とを混合して負極活物質スラリーとした。この負極活物質スラリーを銅製の負極集電体（厚み１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥・圧延して、図２（ｂ）に示す、活物質充填密度が１．７ｇ／ｃｍ3の負極板１を作製した。この負極板１は、図２（ｂ）に示すように、その中央に活物質未塗布部分１ｂがあり、この部分に負極タブ１ｃを取り付けた。
【００２５】
〈正極の作製〉
正極活物質としての平均粒径５μｍのコバルト酸リチウム８５．５質量部と、導電剤としての人造黒鉛粉末９．５質量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）5質量部と、Ｎ−メチルピロリドンとを混合して正極活物質スラリーとした。この正極活物質スラリーをアルミニウム製の正極集電体（厚み１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥・圧延して、活物質充填密度が３．７ｇ／ｃｍ3の正極板を２枚（ＡとＢ）作製した。それぞれの正極板は、図２（ａ）に示すように、その一端に活物質未塗布部分２ｂがあり、この部分に正極タブ２ｃを取り付けた。また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、正極板Ａ及びＢの大きさは、それぞれ負極板１の大きさの略半分である。
【００２６】
〈電極体の作製〉
図３（ａ）に示すように、断面が円形でその直径方向にスリット（貫通穴）が設けられた巻き芯を用い、上記負極板１と、負極板１の表裏面に当接配置された２枚の帯状セパレータ３（ポリプロピレン製微多孔膜：厚さ２０μｍ、透気度８５ｓｅｃ／１００ｍｌ）とを、両端が突き出た状態でスリットに貫通させた。この後、巻き芯を１／２回転ほど回転させ、図３（ｂ）に示すように、入口側の回転始端部分に電極板Ａをあてがい、出口側の回転始端部分に電極板Ｂをあてがった。この状態で、電極板ＡおよびＢを巻き芯の回転方向に巻き込み、図３（ｃ）に示すように電極板及びセパレータを巻き取った。この後、巻き芯を取り除き、最外周をテープ止めして円筒形巻回電極体を得た。なお、正極タブ２ｃは、それぞれ電極体の巻回末端（図示せず）に位置するようにした。
【００２７】
この巻回電極体を、図６に示すように、プレス冶具１２が降下する方式の油圧プレス機を用いて、５０℃で５秒間プレスし、扁平形状に成型して扁平巻回電極体１１を作製した。このとき、プレス設定距離Ｌを４．２６ｍｍとした。
【００２８】
〈電解液の調整〉
非水溶媒としてのエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比５０：５０（２５℃）で混合し、電解質塩としてのＬｉＰＦ6を１Ｍ（モル／リットル）となるように溶解して、電解液となした。
【００２９】
〈電池の組み立て〉
外装缶に上記電極体を挿入した後、上記電解液を注液し、外装缶の開口部を封口することにより、理論容量が７９０ｍＡｈである実施例１に係る非水電解質二次電池（幅３４ｍｍ×高さ４３ｍｍ×厚み５ｍｍ）を作製した。
【００３０】
（実施例２）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３０ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３１】
（実施例３）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３２ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例３に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３２】
（実施例４）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３４ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例４に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３３】
（実施例５）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３５ｍｍとしたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例５に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３４】
（比較例１）
上述した従来の方法を用いて電極体を巻き取ったこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る非水電解質二次電池を作製した。なお、正極板２は、図２（ｃ）に示すように、実施例１の正極板Ａの略２倍の大きさのものを１枚用い、負極板１は、図２（ｄ）に示すようにその巻回中心側端部のみに活物質未塗布部１ｂがあり、この未塗布部に負極タブ１ｃが取り付けられた、実施例１の負極板と略同じ大きさのものを１枚用い、セパレータは、実施例１のセパレータの略２倍の大きさのものを１枚用いた。また、負極タブ１ｃが巻回中心側に、正極タブ２ｃが巻回末端側に位置するようにした。また、図６に示す扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．２６ｍｍとした。
【００３５】
（比較例２）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．２８ｍｍとしたこと以外は、上記比較例１と同様にして、比較例２に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３６】
（比較例３）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３０ｍｍとしたこと以外は、上記比較例１と同様にして、比較例３に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３７】
（比較例４）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３３ｍｍとしたこと以外は、上記比較例１と同様にして、比較例４に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３８】
（比較例５）
扁平形状となすためのプレス設定距離Ｌを４．３５ｍｍとしたこと以外は、上記比較例１と同様にして、比較例５に係る非水電解質二次電池を作製した。
【００３９】
（電池特性試験）
〔透気度の測定〕
組み立て後の各電池を分解してセパレータを取り出し、洗浄した。２５℃において、このセパレータの３０ｃｍ2の範囲を１００ｍｌの空気が通過する時間（秒）を測定した。
【００４０】
〔負荷特性試験〕
充電条件：定電流  １Ｉｔ（７５０ｍＡ）で４．２Ｖまで、定電圧で０．０２Ｉｔ（１５ｍＡ）まで、２５℃
１Ｉｔ放電条件：定電流  １Ｉｔ（７５０ｍＡ）、終止電圧  ２．７５Ｖ、２５℃
負荷放電条件：定電流  ２Ｉｔ（１５００ｍＡ）、終止電圧  ２．７５Ｖ、２５℃
負荷特性（％）：（負荷放電容量／１Ｉｔ放電容量）×１００
【００４１】
〔電極体厚み増加〕
電極体をプレス後、２５℃において１００時間放置し、放置前後の厚みを測定した。
【００４２】
〔充電厚み増加〕
上記条件で充電し、充電前後の厚みを測定した。
【００４３】
【表１】
2006278266.tif 000003
【００４４】
上記表１から、図１に示すように、断面形状が負極２の中心点を対称点とする点対称である電極体を有する実施例１〜５では、電極体の厚み変化が０．０１〜０．０４ｍｍ、充電前後の厚み変化が０．２１〜０．２９ｍｍであるのに対し、図４に示す断面形状の電極体（従来の構造）を有する比較例１〜５では、電極体の厚み変化が０．０４〜０．２８ｍｍ、充電前後の厚み変化が０．４２〜０．４８ｍｍと、比較例の方が大幅に大きいことがわかる。
【００４５】
このことは、次のように考えられる。比較例では、図４に示すように、極板積層状態が不均一であり、積層枚数の多い部分にはプレス時に強い圧力が加わる。このため、電極体が反発膨張力が強くなり、電池の厚みが増大する。他方、実施例では、図１に示すように、扁平巻回電極体の断面形状が、負極の中心点を対称点とする点対称な形状であり、極板の積層バランスがよく電極体の左右の極板積層枚数に差がない。このため、このような問題が生じない。
【００４６】
また、実施例、比較例ともに、プレス設定距離Ｌを小さくするに伴い、透気度が大きくなり、且つ負荷特性が低下する傾向があることがわかる。また、プレス設定距離が同一である場合、実施例の方が比較例よりも透気度が２〜１３秒／１００ｍｌ大きいことがわかる（実施例１と比較例１、実施例２と比較例３、実施例５と比較例５）。
【００４７】
このことは、次のように考えられる。プレス設定距離Ｌを小さくすると、電極体に加えられる圧力が高まり、セパレータの空孔をつぶして透気度が大きくなる。そして、透気度が大きくなるほど、セパレータのイオン透過性が低下するため、負荷特性が低下する。また、上記に説明したように、比較例では積層枚数が多い部分があり、当該部分強い圧力が加わるので、積層バランスのよい実施例よりもセパレータの孔がつぶれやすく、透気度が大きくなる（セパレータのイオン透過性が低下する）。
【００４８】
（その他の事項）
本発明は、扁平巻回電極体を備える電池であれば十分な効果が得られるので、その用途としては一次電池、二次電池を問わない。上記実施例では非水電解質二次電池を作製したが、アルカリ蓄電池、リチウム一次電池等に利用することができる。また、扁平巻回電極体を収容する電池外装体の具体例としては、上記実施例で用いた角型外装缶以外に、ラミネート外装体等が例示できる。
【００４９】
また、上記実施例では第２の電極板を正極板とし、第１の電極板を負極板としたが、逆の構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上に説明したように、本発明によれば、充放電によっても電池が膨れることがなく、放電特性に優れた電池を実現できる。よって産業上の意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明に係る扁平巻回電極体の部分断面図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１に係る正極の平面図であり、図２（ｂ）は、実施例１に係る負極の平面図であり、図２（ｃ）は、比較例１に係る正極の平面図であり、図２（ｄ）は、比較例１に係る負極の平面図である。
【図３】図３は、実施例１に係る電池の製造方法を示す模式図である。
【図４】図４は、比較例１に係る扁平巻回電極体の部分断面図である。
【図５】図５は、比較例１に係る電池の製造方法を示す模式図である。
【図６】図６は、電極体をプレスする工程を示す模式図であって、図６（ａ）はプレス前、図６（ｂ）はプレス中を示す。
【符号の説明】
【００５２】
１  負極（第１の電極板）
２  正極（第２の電極板）
３  セパレータ
１１  電極体
１２  プレス冶具
【図１】
2006278266.tif 000004
【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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