(57)【要約】【課題】  電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは電池容量を大きくできるリチウム二次電池を提供する。【解決手段】  幅方向の一端部に活物質を塗着していない無地部４２、５２を形成した正極板４と負極板５とを、それぞれの活物質塗着部４１、５１をセパレータ６を介して対向させ、かつ前記正負両極板４、５のそれぞれの無地部４２、５２を互いに反対方向に突出させた状態で巻回して成る極板群３を備えたリチウム二次電池において、前記負極板５の活物質塗着部５１の幅は前記正極板４の活物質塗着部４１の幅より大きく設定し、前記負極板５における活物質塗着部５１と無地部５２との境界とセパレータ６の側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群３を構成した。【選択図】      図４
2005190913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向の一端部に活物質を塗着していない無地部を形成した正極板と負極板とを、それぞれの活物質塗着部をセパレータを介して対向させ、かつ前記正負両極板のそれぞれの無地部を互いに反対方向に突出させた状態で巻回して成る極板群を備えたリチウム二次電池において、前記負極板の活物質塗着部の幅は前記正極板の活物質塗着部の幅より大きく設定し、前記負極板における活物質塗着部と無地部との境界とセパレータの側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群を構成したことを特徴とするリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウム二次電池に関し、特に正極板と負極板をセパレータを介して巻回して成る極板群を備えているリチウム二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などの二次電池として、正極板と負極板をセパレータを介して巻回して成る極板群を有し、かつその極板群においては、正極板及び負極板の幅方向一端部に活物質を塗着していない無地部を形成するとともにこれら正極板と負極板の無地部を互いに反対方向に突出させ、各々の無地部の端縁に集電板を接合したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような極板群においては、図５に示すように、正極板４の活物質を塗着した活物質塗着部４１と負極板５の活物質を塗着した活物質塗着部５１をセパレータ６を介して互いに対向させ、両活物質間でリチウムイオンの吸蔵または放出を行わせることで充放電作用を得るように構成されている。さらに、正極板４の活物質塗着部４１の幅寸法ｐに比して負極板５の活物質塗着部５１の幅寸法ｎの方を大きく設定し、負極板５の活物質塗着部５１の両側縁部を正極板４の活物質塗着部４１の両側縁よりも外側にそれぞれ寸法ｅ、ｆだけ突出させることによって、負極板５の活物質塗着部５１における金属リチウムの析出が防止されている。即ち、負極板５の活物質塗着部５１に、正極板４の活物質から放出されたリチウムイオンを完全に吸蔵できない部位が発生すると、その部位に金属リチウムが針状に析出し、この金属リチウムがセパレータ６を突き破って短絡を発生する恐れがあるため、その防止が図られている。
【０００４】
また、正負極板４、５間の絶縁を確実に図るために、セパレータ６の幅寸法を、幅の広い負極板５の活物質塗着部５１の幅寸法よりも大きく設定し、セパレータ６の両側縁部が負極板５の活物質塗着部５１の両側縁よりも外側にそれぞれ寸法ｂ、ｃだけ突出するように構成されている。そして、正極板４及び負極板５の無地部４２、５２は、集電体７、８との確実な接合作業を確保するのに必要な寸法ａ、ｄだけセパレータ６の両側縁よりも外側に突出するようにその幅寸法が設定されている。
【０００５】
従って、上記のように正極板４の無地部４２のセパレータ６の側縁からの突出寸法をａ、負極板５の無地部５２とは反対側の側縁からのセパレータ６の突出寸法をｂ、負極板５の活物質塗着部５１と無地部５２の境界からのセパレータ６の突出寸法をｃ、負極板５の無地部５２のセパレータ６の側縁からの突出寸法をｄ、正極板４の活物質塗着部４１の幅寸法をｐ、負極板５の活物質塗着部５１の幅寸法をｎ、正極板４の活物質塗着部４１の両側縁からの負極板５の活物質塗着部５１の突出寸法をそれぞれｅ、ｆとして、正極板４の無地部４２の側縁から負極板５の無地部５２の側縁までの極板群３の幅寸法Ｄは、負極板５の活物質塗着部５１の幅寸法ｎを基準にすると、Ｄ＝ｎ＋（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）で与えられる。
【特許文献１】特開２００１−１８５１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、セパレータ６の両側縁部では、負極板５の活物質塗着部５１における無地部５２とは反対側の側縁と正極板４との短絡を防止し、また正極板４の活物質塗着部４１における無地部４２とは反対側の側縁と負極板５との短絡を防止する作用を持つことが求められている。そして、負極板５の活物質塗着部５１における無地部５２とは反対側の側縁と正極板４との間では、負極板５の活物質塗着部５１から寸法ｂだけセパレータ６を突出させることで短絡が防止されているが、正極板４の活物質塗着部４１における無地部４２とは反対側の側縁と負極板５との間では、負極板５の活物質塗着部５１から寸法（ｆ＋ｃ）だけセパレータ６を突出させることで短絡が防止されている。
【０００７】
しかるに、正極板４の活物質塗着部４１における無地部４２とは反対側の側縁と負極板５との間の短絡防止ためのセパレータの突出寸法としては、寸法ｃ、若しくは寸法ｆがｃよりも大きい場合には寸法ｆだけあれば十分であり、かつ通常は寸法ｃとｆはほぼ同等の大きさに設定されており、そのためセパレータ６を負極板５の活物質塗着部５１から寸法（ｆ＋ｃ）だけ突出させた状態では突出寸法が過剰となっている。その結果、極板群の幅寸法Ｄが余計に大きくなっており、その分電池サイズが大きくなり、逆に同一電池サイズとすると電池容量が相対的に小さくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは電池容量を大きくできるリチウム二次電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のリチウム二次電池は、幅方向の一端部に活物質を塗着していない無地部を形成した正極板と負極板とを、それぞれの活物質塗着部をセパレータを介して対向させ、かつ前記正負両極板のそれぞれの無地部を互いに反対方向に突出させた状態で巻回して成る極板群を備えたリチウム二次電池において、前記負極板の活物質塗着部の幅は前記正極板の活物質塗着部の幅より大きく設定し、前記負極板における活物質塗着部と無地部との境界とセパレータの側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群を構成したものである。
【００１０】
この構成によると、負極板における活物質塗着部と無地部との境界とセパレータの側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群を構成しているが、負極板の活物質塗着部の幅が正極板の活物質塗着部の幅より大きく、負極板の活物質塗着部の両側部は正極板の活物質塗着部の側縁よりも所定の幅寸法突出しているため、その側縁までセパレータの側縁を延出させていることで、このセパレータにて正極板の活物質塗着部の側縁と負極板との間の短絡を防止することができる。しかも、セパレータが負極板における活物質塗着部と無地部との境界から突出しないので、従来、負極板の活物質塗着部と無地部との境界から突出していたセパレータの突出寸法を節減でき、かつセパレータから突出させる無地部の突出寸法は変わらないので、セパレータの突出寸法の低減分だけ極板群の幅寸法を小さくでき、またそれに伴って電池サイズを小さくすることができ、若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のリチウム二次電池によれば、セパレータの側縁を負極板における活物質塗着部と無地部との境界にほぼ合致させ、この境界から突出していたセパレータの突出寸法を節減したことで、その分電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の角形電池の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００１３】
図１、図２において、１はリチウム二次電池から成る角形電池で、横断面形状が扁平な長方形、若しくは隅丸長方形ないし長円形の角筒状のケース２内に、発電要素としての極板群３が電解液とともに収容されている。
【００１４】
図３に示すように、極板群３は、帯状の正極板４とセパレータ６と負極板５とセパレータ６を順次重ねた状態で薄板状の巻芯材の外周に巻回し、巻回終了後に巻芯材を引き抜いて扁平に圧縮することで構成されており、正極板４と負極板５がそれらの間にセパレータ６を介装した状態で積層された構成となっている。正極板４はアルミ箔から成る芯材４ａに正極合剤を塗着・乾燥して構成された活物質塗着部４１を有し、負極板５は銅箔から成る芯材５ａに負極合剤を塗着・乾燥して構成された活物質塗着部５１を有し、セパレータ６は多孔性ポリプロピレンフィルムなどにて構成されている。また、この極板群３の外周は短絡防止の必要に応じて外周セパレータ（図示せず）にて覆われ、若しくはケース２の内周に絶縁樹脂層（図示せず）が形成されている。
【００１５】
極板群３において、正極板４のアルミ箔から成る芯材４ａと負極板５の銅箔から成る芯材５ａは互いに反対側に突出されてそれぞれ無地部４２、５２が形成されており、突出した正極の無地部４２に正極集電体７がレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて接合され、突出した負極の無地部５２に負極集電体８がレーザビーム溶接や電子ビーム溶接にて接合されている。
【００１６】
正極集電体７は、図１に示すように、ケース２の下端開口を閉鎖する下部蓋体を兼用しており、図２に示すように、平面形状がケース２の下端部内周に嵌合する長円形で、その外周縁の全周に環状立ち上げ部９が外側（極板群３とは反対側）に向けて立ち上げ形成されている。この正極集電体７をケース２の下端部に嵌合させ、ケース２の下端縁と環状立ち上げ部９の端縁をレーザビーム溶接などで溶接し、その溶接部１０にて密封状態で一体接合されている。また、その長辺方向の両端の半円部では周方向の略中央部に、内側（極板群３側）に向けて突出する半径方向の接合突部１１が突出形成され、両端部間では長辺方向に適当間隔置きに複数のほぼ全幅にわたる接合突部１２が突出形成され、これら接合突部１１、１２を極板群３から突出している正極板４の無地部４２に圧接させた状態で、これらの接合突部１１、１２の部分でレーザビーム溶接や電子ビーム溶接を行って正極板４の無地部４２と接合されている。
【００１７】
負極集電体８は、図１に示すように、ケース２の上端開口を閉鎖する上部蓋体１３と極板群３の上端との間の空間に配設されており、図２に示すように、平面形状がケース２内に収容配置される平面形状がほぼ長円形の平板にて構成され、その長辺方向の両端の半円部では周方向の略中央部に、内側（極板群３側）に向けて突出する半径方向の接合突部１４が突出形成され、両端部間では長辺方向に適当間隔置きに複数のほぼ全幅にわたる接合突部１５が突出形成され、これら接合突部１４、１５を極板群３から突出している負極板５の無地部５２に圧接させた状態で、これらの接合突部１４、１５の部分でレーザビーム溶接や電子ビーム溶接を行って負極板５の無地部５２に接合されている。
【００１８】
また、負極集電体８には、その長辺方向の一端近傍部に、上面が平坦な略Ω字状ないしパンタグラフ形状の緩衝部１６が一体的に屈曲成形されている。なお、この緩衝部１６は別途に成形したものを平板状の負極集電体８に一体接合しても良い。また、この緩衝部１６の上面中央部にはバーリング加工による筒状突部１７が形成され、この筒状突部１７に負極端子としての電極柱１８の下端面に形成した嵌合穴１９が嵌合され、電極柱１８が精度良く位置決めされた状態で抵抗溶接等にて緩衝部１６に一体接合されている。かくして、電極柱１８は緩衝部１６を介して水平方向及び垂直方向の変位及び水平方向の揺動を許容する状態で負極集電体８に接続されている。
【００１９】
電極柱１８の上部には、接続用平面２０ａを形成するＤカット部２０が形成され、その下方に適当距離の位置に断面円弧状の浅い密封用の環状凹部２１が形成されている。この環状凹部２１は、場合によっては形成しなくても良く、あるいは非常に浅い多条の環状溝を所定範囲にわたって形成しても良い。
【００２０】
上部蓋体１３は、平面形状がケース２の上端部内周に嵌合する長円形で、その外周縁の全周に環状立ち上げ部２２が外側（極板群３とは反対側）に向けて立ち上げ形成されており、この上部蓋体１３がケース２の上端部に嵌合され、ケース２の上端縁と環状立ち上げ部２２の端縁がレーザビーム溶接などで溶接され、その溶接部２３にて密封状態で一体接合されている。
【００２１】
上部蓋体１３には、電極柱１８が貫通する保持筒部２４が一体的に立ち上げ形成されており、保持筒部２４の内周と電極柱１８の外周との間に絶縁ガスケット２５を介装した状態で、保持筒部２４の環状溝２１に対応する部分を縮径加工して縮径変形部２６を形成し、絶縁ガスケット２５を圧縮させることで、電極柱１８と保持筒部２４の間が密封されている。また、上部蓋体１３には、図２に示すように、ケース２内の内圧が一定以上になると破断して大気に開放する安全弁２７、及びケース２内に電解液を注液する注液口２８とその封止栓２９が設けられている。
【００２２】
また、緩衝部１６がケース２と接触して短絡するのを防止するため、緩衝部１６を覆う緩衝部カバー３０が絶縁ガスケット２５と一体形成されて設けられている。なお、絶縁ガスケット２５と緩衝部カバー３０は別々に構成しても良い。また、極板群３の上端部に露出している負極板５の芯材５ａ及び負極集電体８の外周部がケース２と接触して短絡するのを防止するため、負極集電体８及び負極板５の芯材５ａの露出部の少なくとも外周部を覆う絶縁枠３１が設けられている。
【００２３】
以上の全体構成の角形電池１の極板群３において、図３、図４に示すように、正極板４の活物質を塗着した活物質塗着部４１の幅寸法ｐに比して負極板５の活物質を塗着した活物質塗着部５１の幅寸法ｎの方を大きく設定し、負極板５の活物質塗着部５１の両側縁部を正極板４の活物質塗着部４１の両側縁よりも外側に位置させることによって、負極板５の活物質塗着部５１における金属リチウムの析出が防止されている。また、正極板４と負極板５の間の介装されるセパレータ６は、その一側部が負極板５における活物質塗着部５１の無地部５２とは反対側の側縁よりも突出し、その他側縁が活物質塗着部５１と無地部５２との境界とほぼ合致するように、負極板５の活物質塗着部５１の幅寸法よりも大きく設定されるとともにその配置位置が規制されている。そして、正極板４及び負極板５の無地部４２、５２は、集電体７、８との確実な接合作業を確保するのに必要な寸法だけセパレータ６の両側縁よりも外側に突出するようにその幅寸法が設定されている。
【００２４】
従って、正極板４の無地部４２のセパレータ６の側縁からの突出寸法をａ、負極板５の無地部５２とは反対側の側縁からのセパレータ６の突出寸法をｂ、負極板５の活物質塗着部５１と無地部５２の境界及びそれとほぼ合致しているセパレータ６の側縁からの負極板５の無地部５２の突出寸法をｄ、正極板の塗着部の幅寸法をｐ、負極板の塗着部の幅寸法をｎ、正極板の活物質塗着部の両側縁からの負極板の活物質塗着部の突出寸法をそれぞれｅ、ｆとすると、正極板４の無地部４２の側縁から負極板５の無地部５２の側縁までの極板群の幅寸法Ｄは、負極板の活物質塗着部の幅寸法ｎを基準にすると、Ｄ＝ｎ＋（ａ＋ｂ＋ｄ）で与えられる。
【００２５】
なお、以上のようにセパレータ６の側縁を活物質塗着部５１と無地部５２との境界にほぼ合致させた状態で巻回しながら正極板４と負極板５の絶縁を実現できるのは、負極板５の活物質塗着部５１の厚さが、例えば従来の民生用のリチウム電池では１６０〜２００μｍ程度であったものが、８０〜１００μｍ程度と薄くなり、かつ活物質塗着部５１における活物質の脱落の恐れが少なくなったこと、及び正極板４と負極板５とセパレータ６を重ねて巻回する際の巻回精度が高くなったことによる。
【００２６】
以上の本実施形態の角形電池１によれば、負極板５における活物質塗着部５１と無地部５２との境界とセパレータ６の側縁とをほぼ合致させた状態で巻回して極板群３を構成しているが、負極板５の活物質塗着部５１の幅寸法ｎは正極板４の活物質塗着部４１の幅寸法ｐよりも大きく、負極板５の活物質塗着部５１の両側部は正極板４の活物質塗着部４１の側縁よりも所定の幅寸法ｅとｆだけそれぞれ突出している。そのため、セパレータ６の側縁を負極板５における活物質塗着部５１と無地部５２との境界までほぼ寸法ｆだけ延出させていることで、このセパレータ６にて正極板４の活物質塗着部４１の側縁と負極板５との間の短絡を防止することができる。
【００２７】
しかも、セパレータ６が負極板５における活物質塗着部５１と無地部５２との境界から突出しないので、従来、負極板５の活物質塗着部５１と無地部５２との境界から突出していたセパレータ６の突出寸法ｃを節減でき、かつセパレータ６から突出させる無地部５２の突出寸法ｄは基本的に変わらないので、極板群３の幅寸法Ｄは、上記のようにＤ＝ｎ＋（ａ＋ｂ＋ｄ）となり、従来に比してセパレータ６の突出寸法ｃの低減分だけ小さくできる。またそれに伴って電池サイズを小さくすることができ、若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができる。例えば、正極板４の活物質塗着部４１の幅寸法が３０〜５０ｍｍ程度の電池の場合で、ｂ寸法やｃ寸法は２〜３ｍｍ程度であり、従ってその場合には５％程度電池サイズの低減し若しくは電池容量を大きくすることができる。
【００２８】
また、本実施形態の角形電池１では、ケース２内に収容された極板群３の一端に接合された負極集電体８に緩衝部１６を介して電極端子としての電極柱１８を装着し、ケース２に一体固着した上部蓋体１３の電極柱貫通部に保持筒部２４を設け、保持筒部２４の内周と電極柱１８の外周との間に絶縁ガスケット２５を介装し、保持筒部２４をかしめて形成した縮径変形部２６によって電極柱１８と保持筒部２４の間に介装された絶縁ガスケット２５を圧縮させて密封性を確保しているので、ケース２や上部蓋体１３の寸法公差などによる電極柱１８と保持筒部２４の位置ずれを緩衝部１６による電極柱１８の変位によって無理なく吸収することができ、そのため電極柱１８と保持筒部２４との間に介装された絶縁ガスケット２５が不均等に圧縮されるというような不具合を生じる恐れがなく、信頼性の高い密封性を確保することができる。
【００２９】
また、電極柱１８に衝撃的な外力が作用した場合にも絶縁ガスケット２５による密封部を中心として電極柱１８が容易に揺動変位することよって吸収でき、密封性に致命的な影響を与えず、安定的に密封性を確保することができる。
【００３０】
また、緩衝部１６とケース２の接触を防止する緩衝部カバー３０を絶縁ガスケット２５と一体に設けているので、緩衝部１６がケース２と接触して短絡するのを緩衝部カバー３０にて確実に防止できるとともに、絶縁ガスケット２５と一体に設けているので部品点数が少なくて済み、部品コスト及び組み付け工数を低減することができる。
【００３１】
また、極板群３の一端に接合された負極集電体８の少なくとも外周部及び極板群３の一端部の負極板５の芯材５ａの露出部を覆うように絶縁枠３１を嵌合させているので、極板群３の負極板５の芯材５ａの露出部がケース２と接触して短絡するのを絶縁枠３１にて確実に防止できる。
【００３２】
また、正極集電体７及び負極集電体８に、接合突部１１、１２、１４、１５を突設しているので、正極板４及び負極板５の無地部４２、５２に対して集電体７、８が確実に圧接され、その部分で溶接することによって確実に接合でき、接続抵抗の小さい接続状態を確保することができ、特に両端の半円部に半径方向に接合突部１１、１４を設けているので、断面形状長円形に巻回した極板群３の折り返し部でも高い集電効率を確保することができる。
【００３３】
また、正極集電体７がケース２の下部蓋体を兼用しているので、構成が簡単で部品点数を少なくでき、かつ組み付け工数も少なくて済むのでコスト低減を図ることができ、しかもその正極集電体７に適当間隔おきにほぼ全幅にわたって形成した接合突部１２によって正極集電体７、即ち下部蓋体の面剛性を高くすることができ、正極集電体７の板厚を大きくしなくても、ケース２の内圧が上昇した時の膨張を抑制することができ、コストと重量の低減を図ることができる。
【００３４】
以上の実施形態の説明では角形電池１の例を示したが、本発明は角形電池に限らず、円筒型のリチウム電池に対しても同様に適用できるとともに、同様の作用効果を奏することは改めて説明するまでもなく明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のリチウム二次電池は、セパレータの側縁を負極板における活物質塗着部と無地部との境界にほぼ合致させているので、この境界から突出していたセパレータの突出寸法を節減でき、その分電池サイズを小さくでき若しくは同一電池サイズでは活物質塗着部の寸法を大きくできて電池容量を大きくすることができるという効果が得られ、円筒型や角形などの各種リチウム二次電池に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のリチウム二次電池の一実施形態の角形電池の全体構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断正面図である。
【図２】同実施形態の角形電池の分解斜視図である。
【図３】同実施形態の角形電池の極板群の構成を示す模式図である。
【図４】同実施形態の極板群における正極板と負極板とセパレータの寸法関係を模式的に示した説明図であって、（ａ）は展開状態の説明図、（ｂ）は断面説明図である。
【図５】従来例の極板群における正極板と負極板とセパレータの寸法関係を模式的に示した説明図であって、（ａ）は展開状態の説明図、（ｂ）は断面説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  角形電池（リチウム二次電池）
３  極板群
４  正極板
５  負極板
６  セパレータ
４１  活物質塗着部
４２  無地部
５１  活物質塗着部
５２  無地部
【図１】
2005190913.tif 000003
【図２】
2005190913.tif 000004
【図３】
2005190913.tif 000005
【図４】
2005190913.tif 000006
【図５】
2005190913.tif 000007