(57)【要約】      （修正有）【課題】  扁平状に捲回した発電要素の捲回ずれを防止し、複雑な製造工程を必要としなくても、電気化学的性能の安定した捲回式電池を提供する。【解決手段】  帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを介して対向させ扁平状に捲回した発電要素を備えた電池において、セパレータ３は、帯状正極１及び帯状負極のうち少なくとも一方の電極を内包した袋状構造を有している。特に、セパレータは、帯状正極及び帯状負極のうち、短辺の長さが短い方の電極のみを内包し、内包している帯状電極の長辺の外側部分のセパレータが長辺に沿うように間欠状に融着された熱融着部３１を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを介して対向させ扁平状に捲回した発電要素を備えた電池において、前記セパレータは、前記帯状正極及び前記帯状負極のうち少なくとも一方の電極を内包した袋状構造を有していることを特徴とする電池。
【請求項２】
前記セパレータは、前記帯状正極及び前記帯状負極のうち、短辺の長さが短い方の電極のみを内包した袋状構造を有していることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項３】
前記セパレータは、該セパレータが内包している帯状電極の長辺の外側部分のセパレータが前記長辺に沿うように融着されることにより袋状構造を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の電池。
【請求項４】
前記セパレータは、帯状に熱融着されることにより袋状構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【請求項５】
前記セパレータは、間欠状に熱融着されることにより袋状構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【請求項６】
正極端子及び負極端子は、捲回末端部に、帯状電極の長さ方向に沿うように設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は捲回式電池に関し、さらに詳しくは、捲回式電池の発電要素の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ＰＨＳ、小型パーソナルコンピュータなどの携帯機器類は、エレクトロニクス技術の進展に伴って小型化、軽量化が著しく、これらの機器類に用いられる電源としての電池においても小型、軽量でエネルギー密度の高い電池が求められる。軽量でエネルギー密度の高い電池としてリチウム電池がある。特に、従来のリチウムイオン二次電池は円筒形あるいは角形が中心であるのに対し、金属樹脂複合フィルムに代表されるフィルム状の外装体を用い、さらなる電池の小型化、軽量化を実現した薄型形状のリチウムイオン二次電池やリチウムポリマー二次電池が提案されている。
【０００３】
このような捲回式電池（例えば、特許文献１参照）は、例えば、図６及び図７に示すように、帯状の正極集電体12に正極合剤11を配してなる帯状の正極1の一部に正極集電体端子13を帯状の該正極1の幅方向に突出するように取り付け、帯状の該正極1に帯状のセパレータ3を重ね合わせ、さらに同様に負極集電体端子23が取り付けられた帯状の負極（図示せず）を重ね合わせ、捲回して発電要素5を得る。このようにして得られた発電要素は、正極集電体端子13及び負極集電体端子23が発電要素5の捲回軸方向に沿うように突出している。該発電要素5をフィルム状の外装体6で内包し、密封して捲回式電池が作製される。
【０００４】
このような捲回式発電要素は、一般に、充放電を繰り返すことにより負極の周縁部に金属リチウムが析出することを防止するために、正極が負極の電極面内に位置するように、正極の面積を負極の面積よりも小さくなるように設計している。また、セパレータは、捲回時、充放電時、および過充電による電池の異常発熱や高温雰囲気下での放置などの誤用時における電池内でのショートを防止するために、負極の面積よりもさらに大きくなるように設計している。
【特許文献１】特開２００４−１４３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、帯状正極、帯状負極及び帯状セパレータを捲回する際、各種の捲回ずれが生じることがあった。
【０００６】
第一に、これら帯状の捲回要素の、捲回軸方向へのずれが生じることがあった。この種のずれは、上記したように正極が負極よりも小さく、しかも負極に正極を捲回あるいは積層するための基準となる部分が実質的に存在しないため、生じやすいものであった。この種のずれが高じると、充放電の繰り返しによる電極端部へのリチウム析出、サイクル特性の低下、あるいは電池内でのショートの発生、安全性の低下等、電池の信頼性を大きく低下させる現象が起こりやすくなるという問題があった。このため、積層ずれの検査工程や修正工程などの工程が必要となり、製造工程が繁雑となるという問題があった。
【０００７】
第二に、これら帯状の捲回要素同士の、捲回方向への相対的なずれが生じることがあった。ここで、前記したように正極端子は帯状正極に、負極端子は帯状負極にそれぞれ接続されているので、帯状正極と帯状負極との間に捲回方向への相対的なずれが生じると、図７におけるｂ−ｂ間の距離が変動する結果となる。従ってこれを防止するために捲回のテンションを精密に制御する必要があり、製造工程が繁雑となるという問題があった。
あった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、扁平状に捲回した発電要素の捲回ずれを防止し、複雑な製造工程を必要としなくても、電気化学的性能の安定した捲回式電池を提供することを一の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを介して対向させ扁平状に捲回した発電要素を備えた電池において、前記セパレータは、前記帯状正極及び前記帯状負極のうち少なくとも一方の電極を内包した袋状構造を有していることを特徴とする電池である。
また、前記セパレータは、前記帯状正極及び前記帯状負極のうち、短辺の長さが短い方の電極のみを内包した袋状構造を有していることを特徴とする電池である。
また、前記セパレータは、該セパレータが内包している帯状電極の長辺の外側部分のセパレータが前記長辺に沿うように融着されることにより袋状構造を有していることを特徴とする電池である。
また、前記セパレータは、帯状に熱融着されることにより袋状構造を有していることを特徴とする電池である。
また、前記セパレータは、間欠状に熱融着されることにより袋状構造を有していることを特徴とする電池である。
また、正極端子及び負極端子は、捲回末端部に、帯状電極の長さ方向に沿うように設けられていることを特徴とする電池である。
【００１０】
帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを介して対向させ扁平状に捲回した発電要素を備えた電池において、前記セパレータが正極または負極のうち少なくとも一方を内包した袋状構造を有していることにより、内包された電極がセパレータに対して位置ずれを起こすことがないため、ひいては正極と負極の位置ずれを起こすことがない。よって捲回ずれを起こすことなく容易に扁平状に捲回することができ、充放電の繰り返しによる電極端部へのリチウム析出、サイクル特性の低下、あるいは電池内でのショートの発生、安全性の低下等、電池の信頼性を大きく低下させる現象が防止できるため、高エネルギー密度で高信頼性である捲回式電池を提供することができる。さらに、過充電による電池の異常発熱や高温雰囲気下での放置などの高温誤用時においては、セパレータが熱により収縮・溶融するため、電極端部でのショートの発生、安全性の低下等、電池の信頼性を大きく低下させる要因が防止できるため、高信頼性である捲回式電池を提供することができる。その上、発電要素の巻軸の中心線が集電体端子の向きと直角に位置するように配置されていることにより、発電要素の捲回ずれによる端子位置のずれや、セパレータの位置ずれによる電池内でのショートの発生を防止できるため、高エネルギー密度で高信頼性である捲回式電池を提供することができる。
【００１１】
このとき、前記セパレータが、内包する正極または負極の長手方向の二辺を熱融着することにより袋状構造を有していることにより、セパレータ自体の巻きずれが防止できるだけでなく、特に高温誤用時におけるセパレータの幅方向の収縮を抑制できるため、電極端部でのショートの発生がより発生しにくくなり、より高信頼性である捲回式電池を提供することができる。
【００１２】
また、前記セパレータが、帯状正極及び帯状負極の内、幅方向の長さが短い方の帯状電極のみを内包した袋状構造を有していることにより、セパレータにより内包された電極と内包されていない電極との位置決めが容易であり、捲回ずれを起こすことなくさらに容易に扁平状に捲回することができ、高エネルギー密度で高信頼性である捲回式電池を容易に提供することができる。また、セパレータが幅方向の長さが長い方の帯状電極のみを内包した袋状構造を有する場合よりも矩形セパレータの幅方向の長さが短くて済むため、捲回後の発電要素の体積が小さくなり、より高エネルギー密度の捲回式電池を提供することができる。
【００１３】
さらに、前記セパレータは、帯状に熱融着されることにより袋状構造を有していることにより、セパレータ自体の巻きずれが容易に防止できるだけでなく、特に高温誤用時におけるセパレータの幅方向の収縮を抑制できるため、電極端部でのショートの発生がより発生しにくくなり、より高信頼性である捲回式電池を提供することができる。
【００１４】
また、袋状構造を有したセパレータの熱融着部を間欠状に設けることにより、セパレータ自体の巻きずれの防止効果、高温誤用時におけるセパレータの幅方向の収縮抑制効果、電極端部でのショートの発生防止効果に加え、捲回時において内輪差によるセパレータのしわの発生を容易に防止することができる。即ち、扁平捲回中に、袋状セパレータを構成し帯状電極の両面を覆っている２枚のセパレータの、内輪差から生じる該２枚のセパレータがずれようとする方向の応力が、間欠融着部の非融着部分がずれることによって吸収されるため、前記応力によって引き続く捲回に供される残りのセパレータに歪みを生じさせる虞を大幅に低減できる。従って、より信頼性の高い捲回式電池を提供することができる。なお、前記内輪差によるセパレータのしわの発生の防止効果は、捲回が円筒状ではなく扁平状であることで特に高まる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、扁平状に捲回した発電要素の捲回ずれを防止し、複雑な製造工程を必要としなくても、電気化学的性能の安定した捲回式電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明について、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの記述により限定されるものではない。
【００１７】
本発明に係る捲回式電池の一例として、長手方向の二辺を帯状に熱融着された袋状セパレータに内包された正極の斜断面図を図４に、長手方向の二辺を間欠状に熱融着された袋状セパレータに内包された正極の斜断面図を図５に示す。さらに、長手方向の二辺を熱融着されていないセパレータに内包された正極の斜断面図を図６、７に示す。また、捲回式電池の断面図を図１に、発電要素の巻軸の中心線が集電体端子の向きと直角に位置するように外装体へ収納される状態を示した概念図を図２に示す。また比較例として、発電要素の巻軸の中心線が集電体端子の向きと平行に位置するように外装体へ収納される状態を示した概念図を図３に示す。
【００１８】
本実施例に係る捲回式電池は、正極１、負極２、セパレータ３および電解質４とからなる発電要素５と、金属樹脂複合フィルムからなる外装体６から構成されている。正極１は、正極合剤１１が正極集電体１２上に塗布されてなる。また、負極２は、負極合剤２１が負極集電体２２上に塗布されてなる。電解質４は、主に正極１、負極２およびセパレータ３内の空隙内に含浸されている。外装体６は、発電要素５を覆い、その四方を熱溶着により封止されている。
【００１９】
（実施例１）
正極１は次のようにして得た。まず、ＬｉＣｏＯ2と、導電剤であるアセチレンブラックを混合し、さらに結着剤としてポリフッ化ビニリデンのＮ−メチル−２−ピロリドン溶液を混合し、この混合物をアルミニウム箔からなる正極集電体１２の両面に塗布した後、乾燥し、正極合剤１１の厚さが０．１ｍｍとなるようにプレスし、帯状に切断した。以上の工程により正極１を得た。
【００２０】
また、負極２は、次のようにして得た。まず、負極活物質であるグラファイトと、結着剤であるポリフッ化ビニリデンのＮ−メチル−２−ピロリドン溶液を混合し、この混合物を銅箔からなる負極集電体２２の両面に塗布した後、乾燥し、負極合剤２１厚さが０．１ｍｍとなるようにプレスし、帯状に切断した。以上の工程により負極２を得た。なお、正極１と負極２は、短手方向の長さが正極１の方が短くなるように切断した。
【００２１】
一方、セパレータ３にはポリエチレン製微多孔膜（厚さ２５μｍ、開孔率５０％）を用い、図４に示すように、短手方向の内一辺を、長尺のセパレータを折り返すことにより正極１を内包し、その長手方向の二辺を帯状に熱融着することにより得た。
【００２２】
電解質は、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比６：２：２の割合で混合した混合溶媒１リットルに、１モルのＬｉＰＦ6を溶解させることにより得た。
【００２３】
発電要素５は、正極１を袋状にしたセパレータ３に内包されるように配置し、正極合剤１１と負極合剤２１とを対向させ、正極１、セパレータ３、負極２の順に積層後捲回したものを、電解質中に浸漬することにより得た。
【００２４】
さらに、発電要素５を外装体６で覆い、その四方を熱溶着により封止することにより、設計容量６００ｍＡｈの捲回式電池を得た。このとき、図２に示すように、発電要素５の巻き軸の中心線ａが、正極集電体端子１３および負極集電体端子１４の向きｂと直角に位置するように配置した。これを本発明電池Ａとした。
【００２５】
（実施例２）
セパレータ３を図５に示すように、短手方向の内一辺を、長尺のセパレータを折り返すことにより正極１を内包し、その長手方向の二辺を間欠状に熱融着したものを用いたことを除いては、実施例１と同一の原料および製法により、捲回式電池を作製した。これを本発明電池Ｂとした。
【００２６】
（比較例１）
セパレータ３を図６に示すように、短手方向の内一辺を、長尺のセパレータを折り返すことにより正極１を内包し、その長手方向の二辺を熱融着していないものを用いたことを除いては、実施例１と同一の原料および製法により、捲回式電池を作製した。これを比較電池Ｃとした。
【００２７】
（比較例２）
図３に示すように、発電要素５の巻き軸の中心線ａが、正極集電体端子１３および負極集電体端子１４の向きｂと平行に位置するように配置したことを除いては、実施例１と同一の原料および製法により、捲回式電池を作製した。これを比較電池Ｄとした。
【００２８】
（捲回状態の確認）
これらの本発明電池Ａ、Ｂおよび比較電池Ｃ、Ｄをそれぞれ１００個作製し、軟エックス線により捲回状態を観察し、捲回ずれの発生している個数を確認した。
【００２９】
（電池性能試験）
次に、これらの本発明電池Ａ、Ｂおよび比較電池Ｃ、Ｄをそれぞれ２０個準備し、充放電サイクル試験を行った。試験温度は２０℃とした。充電は電流６００ｍＡ、終止電圧４．２Ｖ、２時間の定電流定電圧充電とし、放電は電流６００ｍＡｈ、終止電圧２．７Ｖの定電流放電として２００サイクル充放電した。１サイクル目の放電容量に対する２００サイクル目の放電容量の比率（％）を求めた。
【００３０】
以上の結果を表１に示す。なお、放電容量の値は、それぞれ２０個の電池の平均である。
【００３１】
【表１】
2006040545.tif 000003
【００３２】
表１において、捲回ずれの発生している個数を比較すると、比較電池Ｃでは１００個中１０個に、比較電池Ｄでは１００個中７個に捲回ずれが発生していたのに対し、本発明電池ＡおよびＢでは捲回ずれは発生していないことがわかった。
【００３３】
また、表１において、２００サイクル後における各電池の放電容量を比較すると、比較電池Ｃでは設計容量の８５％前後まで低下したのに対し、本発明電池Ａ、Ｂおよび比較電池Ｄでは設計容量の９０％前後の放電容量が得られることがわかった。
【００３４】
以上の結果を総合すると、本発明電池Ａ、Ｂは、比較電池Ｃ、Ｄに比較して、電池性能、信頼性に優れていると言える。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例に係る捲回式電池に用いる、長手方向の二辺を帯状に熱融着された袋状セパレータに内包された正極の斜断面図である。
【図２】実施例に係る捲回式電池に用いる、長手方向の二辺を間欠状に熱融着された袋状セパレータに内包された正極の斜断面図である。
【図３】実施例に係る発電要素の巻軸の中心線が集電体端子の向きと直角に位置するように外装体へ収納される状態を示した概念図である。
【図４】実施例に係る捲回式電池の断面図である。
【図５】比較例に係る捲回式電池に用いる、長手方向の二辺を熱融着されていないセパレータに内包された正極の斜断面図である。
【図６】比較例に係る捲回式電池に用いる、長手方向の二辺を熱融着されていないセパレータに内包された正極の斜断面図である。
【図７】比較例に係る発電要素の巻軸の中心線が集電体端子の向きと平行に位置するように外装体へ収納される状態を示した概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    正極
１１  正極合剤
１２  正極集電体
１３  正極端子
２    負極
２１  負極合剤
２２  負極集電体
２３  負極端子
３    セパレータ
３１  熱溶着部
４    電解質
５    発電要素
６    外装体
【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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