(57)【要約】【課題】捲回した電極群を有する扁平形非水電解質二次電池において、振動や落下に対する安全性を向上させる。【解決手段】負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極端子が、絶縁ガスケットを介して嵌合され、封口された封口構造を有し、その内部に帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群と非水電解質とを内包してなる扁平形非水電解質二次電池であって、電極群を構成する帯状の正極、負極およびセパレータの各幅を、正極幅＜負極幅＜セパレータ幅とし、かつセパレータの幅を負極の幅の両側端よりそれぞれ０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ長くしたことによって、振動や落下に対して放電容量の低下、漏液、破断等を防止することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極端子が、絶縁ガスケットを介して嵌合され、さらに前記正極ケースまたは負極ケースがカシメ加工によりカシメられた封口構造を有し、その内部に帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群と非水電解質とを内包してなる扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極、負極およびセパレータの各幅が、正極幅＜負極幅＜セパレータ幅の関係を有し、かつセパレータの幅が負極の幅の両側端よりそれぞれ０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ長くなっていることを特徴とする扁平形非水電解質二次電池。
【請求項２】
電極群の最外周の露出した巻き終わり部分がテープまたは接着剤で絶縁固定されている請求項１記載の扁平形非水電解質二次電池。
【請求項３】
帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群の最外側の正極端部および負極端部が、それぞれ作用物質の存在しない導電性の構成材からなり、正極ケースおよび負極ケースに直接または電気的に接触している請求項１記載の扁平形非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は扁平形非水電解質二次電池に関し、さらに詳しくは振動や落下に対して優れた安定性を有する扁平形非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やＰＤＡなどの小型情報端末を中心に使用機器の小型化が加速化しており、それらの主電源である二次電池についても小型化を図ることが要求されている。このような状況に対し、扁平形非水電解質二次電池において正負極対向面を増加させて従来のものより正負極対向面積を大きくし、小型でかつ容量アップしたものが開発されている（例えば特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００３】
これを詳しく説明すると、上記扁平形非水電解質二次電池は、負極端子を兼ねる負極ケースと正極端子を兼ねる正極ケースが絶縁ガスケットを介して嵌合されてカシメ加工によりカシメられた封口構造をしており、その内部に少なくとも正極、セパレータ、負極を含む発電要素と非水電解液とを内包している。そして該正極と負極はセパレータを介して対向して帯状となっており、これが捲回して電極群を構成している。このように構成したことで、正負極対向面積が従来の扁平形非水電解質二次電池に比べて大幅に増加している。そして上記電池は、電極群の一方の外面に導電性を有する正極構成材を露出させて、その正極構成材を直接正極ケースに接続し、同様に他の一方の外面に導電性を有する負極構成材を露出させてその負極構成材を直接負極ケースに接続している。そのため、円筒形電池のように電極群の中心から取り出したタブ端子を複雑に曲げ加工して安全素子や封口ピン、電池缶などに溶接して集電する、という複雑な工程を必要としない。
【０００４】
しかしながら、これらの扁平形非水電解質二次電池では、上記したように電極群と電極ケースとを直接接触させて集電しているため、当該電池電圧によっては電極群の厚み方向の変化が起こったときに電池ケース内部で電極群の移動が起こり、電池ケースとのストレスにより短絡を起こすことがある。また、電池の構成上、電極群端部は中央部と比べると機械強度的に弱く、強い衝撃を与えるとセパレータを突き破り内部短絡を起こす危険性がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−０６８１６０号公報
【特許文献２】
特開２００１−０６８１４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記状況に対処してなされたもので、上記の捲回した電極群を有する正負極対向面積を増加させた扁平形非水電解質二次電池において、振動や落下に対する安全性を向上させることを目的としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の正負極対向面積を増加させた扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する正極、負極およびセパレータの各幅を正極＜負極＜セパレータとし、かつセパレータの幅を負極の幅の両端部よりそれぞれ０．５ｍｍないし２．０ｍｍ長くすることによって上記目的を達成した。
【０００８】
すなわち本発明は、負極端子を兼ねる金属製の負極ケースと、正極端子を兼ねる金属製の正極端子が、絶縁ガスケットを介して嵌合され、さらに前記正極ケースまたは負極ケースがカシメ加工によりカシメられた封口構造を有し、その内部に帯状の正極、負極およびセパレータを捲回してなる電極群と非水電解質とを内包してなる扁平形非水電解質二次電池において、電極群を構成する帯状の正極、負極およびセパレータの各幅が、正極幅＜負極幅＜セパレータ幅の関係を有し、かつセパレータの幅が負極の幅の両側端よりそれぞれ０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ長くなっていることを特徴とする。
【０００９】
正極、負極およびセパレータの幅について上記のように規定したのは、次の理由による。
セパレータは正極と負極とを絶縁することが目的であるので、少なくとも正極全面を覆う状態になっていなくてはならず、したがって正極面積よりも大きい。また、正極と負極との関係で言うと、負極は正極全面を覆う状態でなければならない。その理由は、充電時には正極内部からリチウムが放出され、負極にリチウムが挿入されるが、対向面に負極物質が存在しない場合には、負極集電体に金属としてリチウムが析出し、それによって電池の放電容量が減少し、正極と負極の容量バランスが変化し、サイクル特性が劣化するからであり、また、内部短絡が起きる可能性があるからでもある。
【００１０】
したがって電極幅は、（正極）＜（セパレータ）で、かつ（正極）＜（負極）となるのが好ましい。また、電極群の幅方向の両端はセパレータを負極より長くすることによって、より確実に絶縁できる。したがって（セパレータ）＞（負極）であることが好ましい。その際、セパレータ幅の負極幅に対する余剰分は、片側で０．５ｍｍ〜２．０ｍｍづつ、したがって幅全体では１．０ｍｍ〜４．０ｍｍであることが好ましいことがわかった。なお、片側余剰分は、より好ましくは０．７５〜２．０ｍｍである。片側余剰分が０．５ｍｍより少ないときは、電極群製造工程で微量の巻きずれが起こり不良品が発生しやすい。また、不良品にならない場合でも振動や落下で内部短絡を起こす可能性がある。２．０ｍｍを超える場合は、電池組立工程で正極と絶縁ガスケットの間にセパレータがかみこまれるおそれが生じ、また、絶縁性は高くなるがセパレータ占有面積が増加するので、エネルギー密度が低下する。
【００１１】
また、捲回した電極群の最外周の露出した部分、すなわち電極群の最外周の正負極ケースに固定されていない部分は、巻き止めテープや接着剤で絶縁固定されていることが望ましい。これは、本発明の扁平形非水電解質二次電池では電池ケースが正極端子および負極端子となっているので、電極群の巻き終わり部分をしっかり固定し、絶縁する必要があるからである。この絶縁テープの基材は電解液やリチウムイオンに安定なものであればよく、例えば絶縁性の樹脂または電子伝導性の低い無機材料で作られたものがよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図１は本実施例の電池の断面図である。この図を参照しながら本実施例の電池の製造方法を説明する。
【００１３】
まず、ＬｉＣｏＯ２  １００質量部に対し導電剤としてアセチレンブラック５質量部と黒鉛粉末５質量部を加え、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５質量部加え、Ｎ−メチルピロリドンで希釈、混合し、スラリー状の正極合剤を得た。次にこの正極合剤を、正極集電体である厚さ０．０２ｍｍのアルミ箔の両面にドクターブレード法により塗工し、乾燥して、アルミ箔表面に正極作用物質含有層を形成した。この正極作用物質含有層を形成したアルミ箔を２０ｍｍ幅に切断して正極を作製した。次に、この正極の片面の端から１０ｍｍの部分の作用物質含有層を除去してアルミ箔を剥き出しにし、これを集電部とした。このようにして、幅２０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの正極板２を作製した。
【００１４】
次に黒鉛化メソフェーズピッチ炭素繊維粉末１００質量部に結着剤としてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）をそれぞれ２．５質量部を添加し、イオン交換水で希釈、混合し、スラリー状の負極合剤を得た。得られた負極合剤を負極集電体である厚さ０．０２ｍｍの銅箔に作用物質含有層の厚さが０．１５ｍｍとなるように正極の場合と同様に塗工、乾燥を行い、銅箔表面に負極作用物質含有層を形成した。この負極作用物質含有層を形成した銅箔を２１ｍｍ幅に切断して負極を作製した。次に、この負極の片面の端から２３ｍｍの部分の作用物質含有層を除去して銅箔を剥き出しにし、これを集電部とした。このようにして、幅２１ｍｍ、長さ２２０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの負極板４を作製した。
【００１５】
次に、正負極集電部面を外周巻き終わり側とし、正極と負極との間に厚さ２５μｍで幅２３ｍｍのポリエチレン微多孔膜からなるセパレータ３を介在させて渦巻状に捲回した。このとき、セパレータは負極より幅広とし、負極の幅より両側でそれぞれ１．０ｍｍ長くなるようにした。この捲回した電極を、電池の扁平方向に正負極対向面が並ぶように加圧し、中心部の空間がなくなるまでこれを行って扁平状とした。
【００１６】
その後、正極の外周端部とその内側にあるセパレータとさらにその内側にある負極とを、ポリエステル粘着テープ７で図１のように電極群の外側面が隠れるように被覆した。同様にして負極の外周端部がある外側面についてもポリエステル粘着テープ７で被覆した。
【００１７】
絶縁ガスケット６と一体化した負極ケース５の内面にニッケル製金属ネット８を溶接し、この金属ネット８に接するように電極群を配置する。このとき電極群の負極板４の未塗工面すなわち負極板集電部が金属ネット８に接するように行う。そしてエチレンカーボネートとγ−ブチルラクトンを体積比１：３の割合で混合した溶媒に支持塩としてＬｉＢＦ４  １．５ｍｏｌ／ｌ溶解した非水電解質を注液し、０．１ｍｍのアルミニウム製金属ネット９が内面に溶接された正極ケース１（板厚０．２５ｍｍ  内面アルミニウム−外側ステンレスのクラッド材）を嵌合する。このとき電極群の正極板２の未塗工面すなわち正極板集電部が金属ネット９に接するように行う。嵌合後、上下反転し、正極ケース１をカシメて封口する。このようにして厚さ３．２ｍｍ、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００１８】
（実施例２）
正極板の幅を２１ｍｍ、負極板の幅を２２ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の両側からそれぞれ０．５ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００１９】
（実施例３）
正極板の幅を１８ｍｍ、負極板の幅を１９ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の両側からそれぞれ２ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２０】
（実施例４）
正極板の幅を１９ｍｍ、負極板の幅を２０ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の片側から１ｍｍ、他の片側から２ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２１】
（実施例５）
正極板の幅を１９．５ｍｍ、負極板の幅を２０．５ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の片側から０．５ｍｍ、他の片側から２ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２２】
（比較例１）
正極板の幅を１６ｍｍ、負極板の幅を１７ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の両側からそれぞれ３ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２３】
（比較例２）
正極板の幅を１８ｍｍ、負極板の幅を１９ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の片側から１ｍｍ、他の片側から３ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２４】
（比較例３）
正極板の幅を２１．４ｍｍ、負極板の幅を２２．４ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の両側からそれぞれ０．３ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２５】
（比較例４）
正極板の幅を１８ｍｍ、負極板の幅を１９ｍｍ、セパレータの幅を２３ｍｍとし、セパレータは負極板の片側から０．３ｍｍ、他の片側から３．７ｍｍ出るようにした。それ以外は実施例１と同様にして扁平角形非水電解質二次電池を作製した。
【００２６】
上記の実施例および比較例で作製した各２００個の電池について、４．２Ｖ、１５ｍＡの定電流定電圧で２４時間初充電を実施し、３日間室温で放置した後、開路電圧を測定した。表１に開路電圧が４．０Ｖ以下であった電池（以下、△ＯＶ不良と示す）の個数を示す。また、充電後３日間放置した電池のうち、漏液が確認された電池の個数を示す。
【００２７】
次に、開路電圧が４．０Ｖ以下であった電池および漏液が確認されなかった電池について、以下のように放電容量測定、振動試験、および落下試験を行った。いずれも結果を表１に示す。
【００２８】
放電容量測定：一旦１５ｍＡで３．０Ｖまでの放電を３サイクル行い、３回の放電の平均値を放電容量とした。
振動試験：電池を変形させないようにして確実に振動装置のプラットホームに固定する。振動は７Ｈｚから２００Ｈｚの対数掃引のサインカーブ波形とし、７Ｈｚに戻るまでを１５分間とする。対数掃引速度は、７Ｈｚから１８Ｈｚに達するまでピーク加速度を９．８ｍ／ｓｅｃ２に維持する。その後、振幅を０．８ｍｍ（合計変位１．６ｍｍ）に保ち、ピーク加速度が７８．４ｍ／ｓｅｃ２となるまで振動を増加する（約５０Ｈｚ）。その後振動が２００Ｈｚにあがるまで７８．４のピーク加速度を維持する。試験は、電池の正極ケースを上、負極ケースを上、カシメ部を上（または下）とした３種類を４回、計１２回繰り返した。試験後、電池質量の減少、漏液、破裂、破断および発火がなく、かつ開路電圧が試験前の９０％以上というすべての条件を満たした電池を合格とし、５０個中の不合格数を表１に示した。
【００２９】
落下試験：
電池を１．９ｍの高さからコンクリートの床に自由落下させた。これを１０回行い、試験後、電池質量の減少、漏液、破裂、破断および発火がなく、かつ開路電圧が試験前の９０％以上というすべての条件を満たした電池を合格とし、５０個中の不合格数を表１に示した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示すように、負極幅に対するセパレータ幅の余剰量が０．５ｍｍ未満の比較例３および４では、充電後の△ＯＶ不良が確認された。また、充電後に漏液が見られた比較例１および２の電池を分解調査したところ、セパレータが絶縁ガスケットと正極ケースの間にかみ込んでいることがわかった。
【００３２】
振動試験と落下試験では、比較例３および４で不良数が多く存在しているが、これは開路電圧が低下したものである。これらの電池を分解した結果、電極群端面のセパレータの溶融が認められた。これらの現象は、通常の使用時にはセパレータの存在により、正極と負極、正極と負極ケース、負極と負極ケース、をそれぞれ絶縁しているが、捲回軸に対して垂直な電解群端面のセパレータ余剰量が少ない場合、振動や衝撃を加えることによって短絡に至ることがあると考えられる。
【００３３】
したがって、セパレータ余剰量を多くすれば振動や衝撃に対するこのような現象は減少するが、セパレータの機械的強度が低いので、セパレータ余剰量を多くすると封口部へのかみ込みが起こる可能性が高まる。また、セパレータ余剰量を増やすためには容積の制限の問題から電極の幅を狭くしなければならず（比較例１、２）、電極面積の減少により放電容量が低下するという問題がある。
【００３４】
これらの結果から、負極幅に対するセパレータの余剰量を０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下、とすることで、電池容量が高く、製造性が良好で、振動や衝撃に強い電池が得られることがわかつた。
【００３５】
なお、上記実施例では非水電解質に非水溶媒を用いたが、非水電解質としてポリマー電解質を用いても、固体電解質を用いてもよい。また、樹脂製セパレータの代わりにポリマー薄膜や固体電解質膜を用いることも可能である。また、電池形状に関しては、正極ケースのカシメ加工による封口構造を説明したが、負極ケースのカシメ加工による封口構造でもよく、さらに電池形状も正方形以外に直方形や小判形、円形コイン形など、特殊形状を有する扁平形非水電解質二次電池に適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、捲回した電極群を有する扁平形非水電解質二次電池の衝撃や振動に対する安全性を向上させ、信頼性の高い上記扁平形非水電解質電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である扁平形非水電解質二次電池の断面図。
【符号の説明】
１…正極ケース、２…正極、３…セパレータ、４…負極、５…負極ケース、６…絶縁ガスケット、７…絶縁テープ、８…負極集電体、９…正極集電体。
【図１】
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