(57)【要約】【課題】本発明の目的は、高出力密度でかつ軽量なリチウム二次電池とその組電池及びその電極を提供することにある。【解決手段】正極板、負極板、セパレータ、及びリチウム塩を含む非水電解液から構成され、集電リード片を複数枚設けたリチウム二次電池において、正極及び負極の少なくとも一方に各電極の電極面積１０〜１００ｃｍ２当たり集電リード片を１枚設けられ、該リード片の幅が隣接するリード片間の間隔のスペース幅と同等以下であることを特徴とするリチウム二次電池にある。【選択図】  図１
2004234994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属複合酸化物を主体としリチウムの吸蔵放出が可能な正極活物質が集電体箔の両面に形成された正極と、リチウムの吸蔵放出が可能な負極活物質が集電体箔の両面に形成された負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを有し、前記正極及び負極がセパレータを介して巻回又は積層されたリチウム二次電池において、前記正極及び負極は各々片面の面積１０〜１００ｃｍ２当たり集電リード片が１個設けられ、該リード片の幅が隣接するリード片間の間隔のスペース幅と同等以下であることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
請求項１において、前記正極と負極とを前記セパレータを介して捲回された円筒状であり、前記正極及び負極の幅が各々２５ｃｍ以下であることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項３】
請求項１において、前記正極と負極とが前記セパレータを介して積層された角形であることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のリチウム二次電池を直列及び並列の少なくとも一方によって接続したことを特徴とする組電池。
【請求項５】
遷移金属複合酸化物を主体としリチウムの吸蔵放出が可能な正極活物質が集電体箔の両面に形成され、その片面の面積１０〜１００ｃｍ２当たり集電リード片が１個設けられ、該リード片の幅が隣接するリード片間の間隔のスペース幅と同等以下であることを特徴とするリチウム二次電池用正極。
【請求項６】
リチウムの吸蔵放出が可能な負極活物質が集電体箔の両面に形成され、その片面の面積１０〜１００ｃｍ２当たり集電リード片が１個設けられ、該リード片の幅が隣接するリード片間の間隔のスペース幅と同等以下であることを特徴とするリチウム二次電池用負極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なリチウム二次電池とその組電池及びその正極と負極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平９−９２３３５号公報
【特許文献２】特開２００１−１４８２３８号公報
【０００３】
情報化社会の発達に伴ってパソコン、携帯電話等の普及が、今後益々増大することが予想される。リチウム二次電池は電池電圧が高く高エネルギー密度であるため、開発が盛んであり、パソコン、携帯電話等の電源として実用化されている。
【０００４】
しかしながら、携帯用機器以外の用途については、電力貯蔵用、電気自動車等の電源が考えられるが、これら用途に適用するには電池の大型化、長寿命化、高出力化、低コスト化が不可欠である。近年では、環境問題の観点から、特に電気自動車、ハイブリッド自動車へのリチウム電池の実用化が期待されている。このような自動車分野への適用には電池の高出力化及び軽量化が重要な課題である。高出力電池を得るには大電流が取れる電池構造、あるいは正極板、負極板の構造の改良が電池実用化のポイントとなる。リチウム電池の高出力化に関する技術が特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【０００５】
特許文献１では電極板の集電体箔を側縁方向に沿って電極活物質を塗布していない未塗布部を設け、この未塗布部の一部を短冊上に切断し、未塗布部の大半を複数の集電リードとした構造の電池が開示されている。
【０００６】
又、特許文献２では、電極板の集電体箔を側縁方向に沿って電極活物質を全面的に塗布していない未塗布部を設け、これに切れ目を入れ、集電リードとして大電流を得る方式が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれの特許文献においても、未塗布部の集電体箔の大部分を利用し、集電リードとした構造とするとリチウム電池の特長である軽量性が損なわれ、又出力密度が低下する恐れがある。リチウム電池で一般的に用いられる集電箔は、アルミニウム、銅であり、その密度は、それぞれ、２．７ｇ／ｃｍ３、８．９ｇ／ｃｍ３である。
【０００８】
一方、正極活物質のリチウム遷移金属複合酸化物の密度は４．３〜５．１ｇ／ｃｍ３程度であり、また負極活物質である非晶質炭素材、黒鉛は１．５〜２．２ｇ／ｃｍ３程度である。したがって、活物質層を相対密度６０％程度で集電体箔の厚さの１０倍設けたとしても、正極板での集電体箔の占める重量の割合は２０〜２５％程度となり、負極板ではその割合は実に４０〜５０％程度となり、電極板全体重量に占めるその割合は大きく、決して無視できるものではない。正負極板の側縁方向に全面的に未塗布部を設けこれを集電リードする構造、あるいは未塗布部の大部分を利用し集電リード片を設ける構造では、集電効率は良いが、さらに正負極板に占める集電箔の割合は増大し、リチウム電池の特長である軽量性が損なわれる。電池の軽量性が要求される電気自動車、ハイブリッド自動車への適用は困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、出力密度が高く、軽量なリチウム二次電池とその組電池及びその電極を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、遷移金属複合酸化物を主体としリチウムの吸蔵放出が可能な正極活物質が集電体箔の両面に形成された正極と、リチウムの吸蔵放出が可能な負極活物質が集電体箔の両面に形成された負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを有し、前記正極及び負極がセパレータを介して巻回又は積層されたリチウム二次電池において、前記正極及び負極は正極活物質及び負極活物質を有するその片面の面積１０〜１００ｃｍ２、好ましくは２０〜７０ｃｍ２、より好ましくは２０〜５０ｃｍ２当たりの正極活物質及び負極活物質が設けられていない集電リード片が１個設けられ、該集電リード片の幅は隣接する集電リード片間の間隔のスペース幅と同等以下であることを特徴とする。
【００１１】
又、本発明は、正極と負極とを前記セパレータを介して捲回され、各電極幅が２５ｃｍ以下、好ましくは５〜２０ｃｍである円筒状であること、正極と負極とが前記セパレータを介して積層された角形であることが好ましい。又、前記集電リード片は、短冊条に前記正極及び負極のいずれも３〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍの幅に前記集電体箔によって一体に形成されていること、集電リード片が正極及び負極となる各々に設けられた集電リード部に溶接によって接合されていること、正極集電リード部が電池蓋に溶接によって接合され負極集電リード部が電池缶に溶接によって接合されていることが好ましい。前述に記載のリチウム二次電池を直列及び並列の少なくとも一方によって接続した組電池が構成される。
【００１２】
集電リード片は、正極活物質及び負極活物質が設けられていない集電体箔によって一体に構成され、正極及び負極の各々に対して各片面の電極面積１０〜１００ｃｍ２当たり１個設けることにより高出力密度でかつ軽量なリチウム二次電池が提供できるものである。発明者らは、集電リード片の数と、正極及び負極に対して各面積との関係を検討した結果、電極面積が１００ｃｍ２以下では出力密度に対して影響が極めて小さく、それを過ぎると急激に出力密度が低下、特に５０  ｃｍ２以下では全く影響がないことを見出したものである。従って、集電リード片はできるだけ少なくすることが必要であり、そのため１０ｃｍ２以上であれば出力密度に対して全く影響がなく、そして、リード片の幅は隣接するリード片間の間隔のスペース幅と同等以下とすることが、軽量化に大きな効果が得られるものである。
【００１３】
集電リード片を導出する手法としては、集電体箔の一部をリード片として取り出すのが好適であり、集電リード片の幅は、製造する電池容量、出力によって適度な幅にする。特に、前記集電リード片は、集電体箔の一部をリード片として取り出し、２〜５ｃｍ当たり５〜１０ｍｍの幅のリード片を１個形成することにより軽量で且つ高い出力密度を得ることができる。
【００１４】
電解質としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジエトキシエタン等より少なくとも１種以上選ばれた非水溶媒に、例えばＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６等より少なくとも１種以上選ばれたリチウム塩を溶解させた有機電解液あるいはリチウムイオンの伝導性を有する固体電解質あるいはゲル状電解質あるいは溶融塩等、一般に炭素系材料、リチウム金属、あるいはリチウム合金を負極活物質として用いた電池で使用される既知の電解質を用いることができる。また、電池の構成上の必要性に応じて微孔性セパレータを用いることができる。
【００１５】
本発明のリチウム二次電池は、電気自動車用、ハイブリッド自動車に限らず、更に高出力が必要とされる電動工具などの電源として適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではない。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本実施例に係るリチウム二次電池用電極の平面図である。正極材料にはスピネルマンガン酸化物を、導電剤には黒鉛を、結着剤にはポリフッ化ビニリデンを用い、８５：１０：５の重量比で、混練機で３０分混練し正極合剤を得た。正極合剤を、厚さ２０μｍ、幅１３ｃｍのアルミニウム箔にアルミニウム箔の側縁部の一方に沿って未塗布部１４を約３ｃｍにして両面に塗布した。負極材料には非晶質炭素を、結着剤にはポリフッ化ビニリデンを用い、９０：１０の重量比で正極と同様に混練し、負極合剤を厚さ２０μｍの銅箔に正極板と同様に側縁部の一方に沿って未塗布部１４を約３ｃｍにして両面に塗布した。得られた正負極板は、プレス機で圧延成型した後、１５０℃で５時間真空乾燥し、正極１及び負極２を得た。本実施例では、各活物質が形成されている塗布部１５が電極幅であり、１０ｃｍとした。
【００１８】
図１に示すように、正極板の正極合剤の未塗布部１４、及び負極板の負極合剤の未塗布部１４を、正極集電リード片５、負極集電リード片６として短冊状の所定の幅とスペース間隔１６で切断した。正極集電リード片５、負極集電リード片６として、正極板及び負極板のいずれも正負極板片面の電極面積１０ｃｍ２（１−１）、２０ｃｍ２（１−２）、５０ｃｍ２（１−３）、１００ｃｍ２（１−４）、１５０ｃｍ２（１−５）、２００ｃｍ２（１−６）、３００ｃｍ２（１−７）毎に、面積１０ｃｍ２（１−１）に対しては幅５ｍｍ、他の面積に対しては幅１０ｍｍとし、等間隔に１個設けると共に、各集電リード片の幅を電極面積１０ｃｍ２（１−１）では隣接する集電リード片間の間隔のスペース幅と同等であるが、それ以外ではスペース幅以下である。これらの正負極板をセパレータとともに捲回し、捲回群を円筒形の電池缶４に挿入した。
【００１９】
負極リード片６はニッケルの集電リード部８に集めて超音波溶接し、集電リード部８を電池缶４の缶底に溶接した。一方、正極リード片５はアルミニウムの集電リード部７に超音波溶接した後、アルミニウムの集電リード部７を二枚の電池蓋９の下側に超音波溶接した。電解液を注入後、電池蓋９を電池缶４によってかしめて電池を得た。二枚の電池蓋９の下側には貫通孔１３を有し、その上に破裂片１０が弾性体のパッキン１１によって固定され、その上をもう一方の電池蓋９によって密封される。又、電池蓋９はガスケット１２を介して電池缶４によって固定される。二枚の電池蓋９には空隙が設けられる。
【００２０】
図２は、得られたリチウム二次電池の断面図である。充電終止電圧４．３Ｖ、放電終止電圧３．０Ｖ、充放電レート０．２５Ｃ（定格容量の４時間率）で充放電した後、満充電の状態で、１０秒間、電流を印加し、１０秒後の電圧を測定し、出力性能を調べた。
【００２１】
図３は、電池電圧と放電電流レートとの関係を示す線図である。電池の放電終止電圧（Ｖ）と電流電圧特性の直線を放電終止電圧まで外挿したときの電流値（Ｉ）及び電池重量（Ｗｔ）より、出力密度（Ｐ）を式Ｐ＝（Ｖ×Ｉ）／Ｗｔを用いて求めた。
【００２２】
表１は、リード片１個当たりの電極板面積と出力密度を示したものである。電池番号１−７の出力密度は１０００Ｗ／ｋｇ未満であり、十分な出力は得られなかった。一方、電池番号１−１は集電リード片を電池番号１−２に比較して２倍の数設けたにもかかわらず、出力密度は１％弱とわずかしか大きくならず、集電リード片の数を多くした効果はほとんど認められなかった。取り出せる最大電流の増加が認められないことは、電池番号１−２の集電リード片の数で十分に電池性能を引き出していることを示しており、これ以上の数の集電リード片を設けることは、電池重量を増加させるだけであり、リチウム電池の軽量化を損なう結果となる。
【００２３】
本実施例では、等間隔に集電リード片を設けたが、円筒形捲回群の同じ半径上の位置に集電リード片が揃うように、集電リード片の取り出し位置を中心部に近くなるに従って、隣接集電リード片の間隔が短くなるように配置した構成にしても良い。また、偏平状に捲回した電極群を用いて電池を構成してもその効果はなんら変わらない。
【００２４】
【表１】
2004234994.tif 000003
【００２５】
図４は、集電リード片１個当たりの出力密度と電極面積との関係を示す線図である。図４に示すように、電極面積が１００ｃｍ２以下では電極面積の増加と共に出力密度がやや低下するが大きな影響がなく、それを過ぎると急激に出力密度が低下することが明らかである。特に、電極面積が５０ｃｍ２以下では出力密度に対して極めて影響が少ないことが明らかである。従って、集電リード片はできるだけ少なくすることが必要であり、そのため１０〜１００ｃｍ２当たり集電リード片を１個としても出力密度に対して影響が極めて小さく、軽量化に大きな効果が得られるものである。
【００２６】
（実施例２）
本実施例は、実施例１と同様に正極及び負極を形成し、電極面積３０ｃｍ２を一定にし、電極幅５〜４０ｃｍに種々変えて、実施例１と同等に充放電試験を行い、電極幅と出力密度との関係を調べた。又、集電リード片の幅は、電極幅５〜３０ｃｍでは５ｍｍとし、電極幅４０ｃｍでは３．５ｍｍとした。
【００２７】
【表２】
2004234994.tif 000004
【００２８】
図５は、電極幅と出力密度との関係を示す線図である。図５に示すように、電極幅が２５ｃｍまではその幅が大きくなるに従ってやや出力密度が低下するが、１２００Ｗ／ｋｇ以上の高い出力密度を有する。しかし、それを超える幅では１０００Ｗ／ｋｇ以下の低い出力密度に急激に低下する。
【００２９】
（実施例３）
電極活物質、電極合剤などの作製法を実施例１と同様にして、電極面積３０ｃｍ２の角形の正負極板を作製し、それぞれの正負極板１枚ごとに集電リード片を１枚設けた。作製した正負極板を、セパレータを介して積層し、角形電池を製造した。実施例１と同様に出力を調べた。その結果、出力密度１４９２Ｗ／ｋｇを得た。
【００３０】
（実施例４）
正極活物質にＬｉＣｏＯ２を用い、負極活物質に黒鉛を用いて実施例１と同様に電極板を作製した。集電リード片は５０ｃｍ２毎に設け、電池を作製した。得られた電池の出力特性を実施例１と同様に調べた。その結果、出力密度１６３４Ｗ／ｋｇを得た。
【００３１】
（実施例５）
実施例１と同仕様の電池を４本直列に接続し組電池を構成した。集電リード片１個を導出した正負極板の片面の面積１０ｃｍ２、２０ｃｍ２、３０ｃｍ２、５０ｃｍ２、８０ｃｍ２、１００ｃｍ２、１３０ｃｍ２の順に組電池の番号を５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６、５−７とする。実施例１と同様に出力を調べた。ただし、放電終止電圧を１２Ｖとして出力密度を求めた。その結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】
2004234994.tif 000005
【００３３】
本実施例においても、実施例１と同様に、集電リード片１個当たりの電極面積が１００ｃｍ２以下では出力密度に対して大きな影響がなく、それを過ぎると急激に出力密度が低下することが明らかであった。
【００３４】
図６は、出力密度と電極面積との関係を示す線図である。図６に示すように、電極面積が１００ｃｍ２以下ではその面積が大きくなるにしたがって出力密度がやや低下するが、１１００Ｗ／ｋｇ以上の高い出力密度を有する。しかし、それを過ぎると急激に出力密度が低下することが明らかである。
【００３５】
従って、電極面積を１０〜１００ｃｍ２において出力密度に対して影響が極めて小さく、軽量化に大きな効果が得られるものである。又、集電リード片の幅は、各電極に対して接している長さが実施例２と同様な傾向であることが明らかであった。
【００３６】
（実施例６）
実施例３と同仕様の電池を４本直列に接続し組電池を構成した。実施例１と同様に出力を調べた。ただし、放電終止電圧を１２Ｖとして出力密度を求めた。その結果、出力密度１３１０Ｗ／ｋｇを得た。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高出力密度でかつ軽量なリチウム二次電池及びその組電池を提供できるものであり、電気自動車、ハイブリッド自動車等の大容量、高出力、かつ軽量化が要求される分野への適用、更に、電動工具等の高出力かつ軽量な性能を必要とする分野への幅広い適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリチウム二次電池の正極及び負極の平面図。
【図２】本発明に係るリチウム二次電池の断面図。
【図３】リチウム二次電池の放電電流レートと電池電圧との関係を示す線図。
【図４】出力密度と電極面積との関係を示す図。
【図５】出力密度と電極幅との関係を示す図。
【図６】出力密度と電極面積との関係を示す図。
【符号の説明】
１…正極、２…負極、３…セパレータ、４…電池缶、５…正極集電リード片、６…負極集電リード片、７…正極集電リード部、８…負極集電リード部、９…電池蓋、１０…破裂弁、１１、１２…パッキン、１４…未塗布部、１５…塗布部、１６…スペース間隔。
【図１】
2004234994.tif 000006
【図２】
2004234994.tif 000007
【図３】
2004234994.tif 000008
【図４】
2004234994.tif 000009
【図５】
2004234994.tif 000010
【図６】
2004234994.tif 000011