(57)【要約】【課題】外部短絡に対して確実な遮断特性を発揮することができる非水電解質巻回電池を提供する。【解決手段】非水電解質巻回電池１０は、帯状の正極およびＬｉ金属負極２１がセパレータを介して巻回された巻回電極体１１と、電解液とともに巻回電極体１１を収容し負極端子を兼ねる電池缶容器１６と、電池缶容器１６と巻回電極体１１のＬｉ金属負極２１とを電気的に導通される負極集電タブ１５とを備えている。負極集電タブ１５は、Ｌｉ金属負極２１との双方の重合部分が、長辺と短辺または等辺を有する四角形であって、短辺または等辺の一方の長さが１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極およびＬｉ金属負極がセパレータを介して巻回された巻回電極体と、
電解液とともに前記巻回電極体を収容し負極端子を兼ねる電池缶容器と、
該電池缶容器と前記巻回電極体の前記Ｌｉ金属負極とを電気的に導通させる負極集電タブと、を備えた非水電解質巻回電池であって、
前記負極集電タブは、前記Ｌｉ金属負極との双方の重合部分が、長辺と短辺または等辺を有する四角形であり、当該短辺または当該等辺の一方の長さが１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする非水電解質巻回電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質巻回電池に関し、更に詳しくは、電池缶容器と巻回電極体のＬｉ金属負極とを電気的に導通される負極集電タブを備えた非水電解質巻回電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解質巻回電池の一例として、図５に示すように負極板５１に使用される負極リード５２の幅を極板群直径に対して、１／４〜１／２とした非水電解質巻回電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
非水電解質巻回電池の他の一例として、エキスパンドメタルの右半分に負極合金を被覆するとともに、左半分にリチウム金属板を圧着し、中央部ニッケル製のリード片を溶接した非水電解質巻回電池が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
非水電解質巻回電池のさらに他の一例として、負極板に、セパレータに接する面の長手方向に連続するとともに負極リード板と当接したリチウムと他の金属との合金部分を、超音波を付加することにより、１箇所設けた非水電解質巻回電池が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
非水電解質巻回電池のさらに他の一例として、延在する陰極部分の端にタブを位置させた非水電解質巻回電池が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３２９９５７号公報
【特許文献２】特開昭６１−５４１６５号公報
【特許文献３】特開平５−２９９０９８号公報
【特許文献４】特開平２−３０９５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｌｉ−二酸化マンガン電池、Ｌｉ−硫化鉄電池、Ｌｉ−フッ化黒鉛電池等のＬｉ金属を用いた非水電解質巻回電池は、高い容量に加え、高い保存性、低温特性、負荷特性等を有して広範囲に利用されている。
これらの非水電解質巻回電池は、非水系の溶剤を電解液に用いるため、万が一の場合に対処するためにＰＴＣ素子を設置したり、シャットダウン機構を有するポリオレフィン微多孔質セパレータを設置したりしている。これらは、安全のために複合させて配置させるようにしているが、単独で用いられた場合にも十分な特性が得られるようにする必要がある。
【０００８】
これに対して、上記特許文献１〜４に開示された従来の非水電解質巻回電池では、９０度程度の高温環境下で外部短絡が起きた場合に、従来のシャットダウン機構のみでは、その電流を制御し難い場合がある。
【０００９】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部短絡に対して確実な遮断特性を発揮することができる非水電解質巻回電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明に係る非水電解質巻回電池は、帯状の正極およびＬｉ金属負極がセパレータを介して巻回された巻回電極体と、電解液とともに前記巻回電極体を収容し負極端子を兼ねる電池缶容器と、該電池缶容器と前記巻回電極体の前記Ｌｉ金属負極とを電気的に導通させる負極集電タブと、を備えた非水電解質巻回電池であって、  前記負極集電タブは、前記Ｌｉ金属負極との双方の重合部分が、長辺と短辺または等辺を有する四角形であり、当該短辺または当該等辺の一方の長さが１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴としている。
【００１１】
上記構成の非水電解質巻回電池によれば、Ｌｉ金属負極との双方の重合部分が、長辺と短辺または等辺を有する四角形であって、短辺または等辺の一方の長さが１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定された負極集電タブは、外部短絡が起きた際に電池缶容器と巻回電極体のＬｉ金属負極とを遮断する。これにより、ＰＴＣ素子やシャットダウン機構に加えて、外部短絡に対して確実な遮断特性を発揮することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の非水電解質巻回電池によれば、外部短絡に対して確実な遮断特性を発揮することができる非水電解質巻回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】
【００１３】
以下、図１〜図４を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態の非水電解質巻回電池の断面図、図２は図１に示す非水電解質巻回電池のＬｉ金属負極と負極集電タブとの組付け関係を説明する側面図、図３は図１に示す非水電解質巻回電池の変形例のＬｉ金属負極と負極集電タブとの組付け関係を説明する側面図、図４は本発明の一実施例である外部短絡試験の電圧特性を示すグラフである。
【００１５】
図１に示すように、本発明の一実施形態である非水電解質巻回電池１０は、内部に不図示の電解液を注液したリチウムイオン二次電池である。この非水電解質巻回電池１０は、巻回電極体１１と、正極絶縁板１２と、正極集電タブ１３と、負極絶縁板１４と、負極集電タブ１５と、電池缶容器の負極側を構成する外装缶１６と、電池缶容器の正極側を構成する正極端子１７と、ＰＴＣ素子１８と、ガスケット１９と、安全弁２０と、から構成されている。
【００１６】
巻回電極体１１は、アルミニウム（Ａｌ）製で厚さが１５μｍ〜４０μｍの正極集電体の両面に、ＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎ２Ｏ４の活物質と、導電剤と、バインダーと、からなる正極活物質が塗布された帯状の正極板を備えている。また、鉄やニッケルやニッケル鍍金した鉄や銅、銅合金製で厚さが１５μｍ〜４０μｍの負極集電体の両面に、ハードカーボン，黒鉛と、バインダーと、からなる負極活物質が塗布された帯状のＬｉ金属負極板２１を備えている（図２参照）。この正極板と負極板とが、イオン透過性のポリエチレン（ＰＥ）やポリスチレン（ＰＳ）製微多孔質膜を用いたセパレータを介して対向配置させて渦巻き状に積層又は巻回されている。
【００１７】
正極絶縁板１２は、巻回電極体１１の正極側に組み付けられており、巻回電極体１１の正極側一端部の正極活物質が未塗布部分にアルミニウム製で電気的に接続された正極集電タブ１３が安全弁２０側に導出されている。
【００１８】
負極絶縁板１４は、巻回電極体１１の負極側に組み付けられており、巻回電極体１１の負極側一端部の負極活物質が未塗布部分にニッケル製で電気的に接続された負極集電タブ１５が外装缶１６の底部に抵抗溶接等の接合手段で電気的に接続されている。
【００１９】
外装缶１６は、導電性のあるニッケルメッキした鉄又はステンレス鋼等を用いてプレス成形にて有底の円筒形状に形成されており、正極側が開口されている。
【００２０】
正極端子１７は、外装缶１６と同様に、導電性のあるニッケルメッキした鉄又はステンレス鋼等を用いてプレス成形にて中央部が突出した円盤形状に形成されている。
【００２１】
ＰＴＣ素子１８は、高分子材料にカーボンブラック等の導電粒子を混入した複合抵抗器である。ＰＴＣ素子１８は、中空の円板形状に形成されて正極端子１７と安全弁２０とに挟まれて組み付けられている。ＰＴＣ素子１８は、内部温度の上昇に伴い抵抗値が大きくなることで短絡時に電流を遮断させる。
【００２２】
ガスケット１９は、樹脂成形品であり、正極端子１７と安全弁２０とを内側に組み込んでから外装缶１６がかしめられることで、外装缶１６の内側に正極端子１７と安全弁２０とを絶縁させて配置させる。
【００２３】
電解液は、溶質として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を用い、溶媒としてエチレンカーボネイト（ＥＣ）、プロピレンカーボネイト（ＰＣ）、ジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）等の非水溶媒単独、若しくはそれらの混合溶媒を用い、０．５ｍｏｌ／ｄｍ３〜２ｍｏｌ／ｄｍ３の濃度にしたものを使用している。
【００２４】
安全弁２０は、ディスクホルダー２２を挟んでセーフティカバー２３とストリッパーディスク２４とが一体成形されており、ＰＴＣ素子１８の反正極端子１７側に組み付けられている。
【００２５】
図２に示すように、負極集電タブ１５は、Ｎｉ金属を用いて、長さＬ１の長辺２５と、長さＬ２の短辺２６と、を有する長方形の板形状に形成されている。そして、Ｌｉ金属負極板２１の金属箔を切り出した側端縁２７、即ちＬｉ金属負極板２１の巻回方向（Ｍ方向）に直交するＴ方向に沿って長さを有するように圧接されている。この重合部分は、長さＬ３の長辺２８と、長さＬ４の短辺２９と、を有する四角形であり、短辺２９の長さＬ４が１ｍｍ〜０．５ｍｍに設定されている。なお、負極集電タブ１５は、Ｌｉ金属負極板２１との重合部分が正方形である場合、重合部分の等辺の長さが１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に設定される。
【００２６】
負極集電タブ１５は、雰囲気温度が９０℃〜１２５℃の範囲内で外部短絡が起きた際に、自ら生じたジュール熱により変形することでＬｉ金属負極板２１から離れて導通を遮断するとともに、再立ち上がりを生じることがない。
【００２７】
図３に示すように、非水電解質巻回電池１０の変形例においては、負極集電タブ１５が、長さＬ５の長辺３０と、長さＬ６の短辺３１と、を有する長方形の板形状に形成されている。そして、Ｌｉ金属負極板２１の下端縁３２、即ちＬｉ金属負極板２１の巻回方向（Ｍ方向）に沿って長さを有するように圧接されている。この重合部分が、長さＬ７の長辺３３と、長さＬ８の短辺３４と、を有する四角形であり、短辺３４の長さＬ８が１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２８】
（実施例）
次に、本発明に係る非水電解質巻回電池１０の作用効果を確認するために行った外部短絡試験について説明する。
【００２９】
（外部短絡試験１）
比較例１として、Ｌｉ金属負極板のリチウム金属箔を切り出し、厚さ０．１ｍｍ、幅３ｍｍのＮｉ負極集電タブを、Ｌｉ金属負極板との重合部分において、長辺（接触長さ）を１５ｍｍに、短辺（接触幅）を３ｍｍにして圧着したものを用意した。
比較例２として、比較例１と同様に成形したＮｉ負極集電ダブを、Ｌｉ金属負極板との重合部分において、長辺（接触長さ）を１５ｍｍに、短辺（接触幅）を２ｍｍにして圧着したものを用意した。
比較例３として、比較例１と同様に成形したＮｉ負極集電タブを、Ｌｉ金属負極板との重合部分において、長辺（接触幅）を３ｍｍに、短辺（接触長さ）を３ｍｍにして圧着したものを用意した。
【００３０】
実施例１として、本発明の負極集電タブ１５を、Ｌｉ金属負極板２１との重合部分において、長辺（接触長さ）を１５ｍｍに、短辺（接触幅）を１ｍｍにして圧着したものを用意した。
実施例２として、本発明の負極集電タブ１５を、Ｌｉ金属負極板２１との重合部分において、長辺（接触長さ）を１５ｍｍに、短辺（接触幅）を０．５ｍｍにして圧着したものを用意した。
実施例３として、本発明の負極集電タブ１５を、Ｌｉ金属負極板２１との重合部分において、長辺（接触幅）を３ｍｍに、短辺（接触長さ）を１ｍｍにして圧着したものを用意した。
実施例４として、本発明の負極集電タブ１５を、Ｌｉ金属負極板２１との重合部分において、長辺（接触幅）を３ｍｍに、短辺（接触長さ）を０．５ｍｍにして圧着したものを用意した。
そして、これら７種類を、同一のむき出し長さとタブ幅として、９０℃程度からの環境温度で外部短絡が起きた際の遮断温度変化と再立ち上がりの有無を調べた。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１より明らかなように、比較例１は、１３３℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりが起きた。比較例２は、１３３℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりが起きた。比較例３は、１２４℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりが起きた。
【００３３】
これに対して、実施例１は、比較例１，２，３よりも低い１１８℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりは起きなかった。実施例２は、比較例１，２，３よりも低い１１６℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりは起きなかった。実施例３は、比較例１，２，３よりも低い１１７℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりは起きなかった。実施例４は、比較例１，２，３よりも低い１１５℃の最大温度で遮断され、その後に再立ち上がりは起きなかった。
【００３４】
（外部短絡試験２）
次に、比較例として、比較例１と同様に成形したＮｉ負極集電タブを、Ｌｉ金属負極板との重合部分において、長辺（接触長さ）を１５ｍｍに、短辺（接触幅）を３ｍｍにして圧着したものを用意した。
実施例として、実施例１と同様に成形した負極集電タブ１５を、Ｌｉ金属負極板との重合部分において、長辺（接触長さ）を１５ｍｍに、短辺（接触幅）を１ｍｍにして圧着したものを用意した。そして、これら２種類を９０℃程度からの環境温度で外部短絡が起きた際の時間経過に伴う電圧変化を調べた。
【００３５】
図４は本発明の一実施例である外部短絡試験の電圧特性を示すグラフである。
図４より明らかなように、比較例は、時間の経過に伴い、１４０℃をピークとして温度が上昇し、時間の経過に伴い、電圧が９Ｖから、１４０秒経過時に一旦遮断が起き、その後の１７０秒経過時に電流の再立ち上がりが起きた。
実施例は、時間の経過に伴い、１４０℃よりも十分に低い１２０℃をピークとして温度が上昇し、時間の経過に伴い、電圧が９Ｖから一旦上昇し、１４０秒よりも十分に短い７０秒経過時に遮断が起き、その後電流の再立ち上がりは起きなかった。
【００３６】
これは、本発明の負極集電タブ１５が、Ｌｉ金属負極板２１との重合部分において、長さＬ３の長辺２８と、長さＬ４の短辺２９と、を有する四角形であり、短辺２９の長さＬ４が１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定されていることにより、雰囲気温度が９０℃〜１２５℃の範囲内で外部短絡が起きた際に、Ｌｉ金属負極板２１から離れて導通を遮断したことによることがわかる。その後、再立ち上がりを生じることはなかった。
【００３７】
以上、説明したように、非水電解質巻回電池１０によれば、Ｌｉ金属負極板２１との双方の重合部分が、長辺２８と短辺２９とを有する四角形であって、短辺２９の長さＬ４が１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定された負極集電タブ１５は、外部短絡が起きた際に、外装缶１６と巻回電極体１１のＬｉ金属負極板２１とを遮断する。これにより、ＰＴＣ素子１８や安全弁２０に加えて、外部短絡に対して確実な遮断特性を発揮することができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の非水電解質巻回電池の断面図である。
【図２】図１に示した非水電解質巻回電池におけるＬｉ金属負極と負極集電タブとの組付け関係を説明する側面図である。
【図３】図１に示した非水電解質巻回電池における変形例のＬｉ金属負極と負極集電タブとの組付け関係を説明する側面図である。
【図４】本発明の一実施例である外部短絡試験の電圧特性を示すグラフである。
【図５】従来の負極リードの側面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０        非水電解質巻回電池
１１        巻回電極体
１５        負極集電タブ
１６        外装缶（電池缶容器）
２１        Ｌｉ金属負極板（Ｌｉ金属負極）
２８，３３  長辺
２９，３４  短辺
【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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