(57)【要約】【課題】非水電解質二次電池において、電池の内部抵抗を低減することにより高出力特性が得られるとともに、さらなる電池特性の向上を図ることが可能となる非水電解質二次電池を提供することを目的とする。【解決手段】シート上の正極板と負極版をセパレータを介して巻回されてなる極板群と、電解液と、電池ケースとを有する非水電解質二次電池において、前記電池ケースに前記極板群が複数個積層収容され、それぞれの極板群が並列接続され、隣接する極板群の間にスペーサーを有し、（スペーサーの面積／極板群の軸芯を通る縦断面積）が０．３８以上であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート上の正極板と負極版をセパレータを介して巻回されてなる極板群と、電解液と、電池ケースとを有する非水電解質二次電池において、前記電池ケースに前記極板群が複数個積層収容され、それぞれの極板群が並列接続され、隣接する極板群の間にスペーサーを有し、（スペーサーの面積／極板群の軸芯を通る縦断面積）が０．３８以上である非水電解質二次電池。
【請求項２】
前記スペーサーの少なくとも一部が前記電池ケースに接合されている請求項１に記載の非水電解質二次電池。
【請求項３】
前記スペーサーが極板群中央部に対向している請求項１または２に記載の非水電解質二次電池。
【請求項４】
前記スペーサーの厚みが０．２ｍｍ以上である請求項１から３のいずれかに記載の非水電解質二次電池
【請求項５】
前記スペーサーの材質が前記電池ケースの材質と同一である請求項１から４のいずれかに記載の非水電解質二次電池
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池に関し、特に出力特性に優れたリチウムイオン二次電池の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、軽量化が急速に進んでおり、その電源としての電池に対しても小型、軽量化、さらに高容量化の要望が高まっており、高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池が盛んに研究開発され、実用化に至っている。
【０００３】
また、これら小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用など大容量の大型電池への技術展開も加速してきており、特にハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用リチウムイオン二次電池の開発も急速に進められている。さらに、電動工具の駆動用電源など非常に高出力が求められる電池においても従来のニカド電池、ニッケル水素電池に代わって、高出力タイプのリチウムイオン二次電池の開発が急がれている。
【０００４】
ここで、電動工具の駆動用電源用リチウムイオン二次電池では、その用途、要求性能が小型民生用途のものとは大きく異なり、限られた容量で高いレベルの出力特性が求められる。そのため電池としては内部抵抗を極力最小にする必要があり、そのために活物質や電解液の開発のみならず、電極集電構造の見直しなど電池構造部品抵抗の低減や電極の薄型長尺化による電極反応面積の増加などにより大幅な高出力化が図られている。
【０００５】
従来の角形電池は、角形電池ケースに一つの極板群を収容し、正極、負極から導出した一本の集電リードから電流の経路を得る構造を取っている。しかしながら高出力が求められる電池は、小型民生用途と比較して容量が大きくまた電極が薄型長尺化であるため、一本の集電リードでは部品抵抗が高く十分な高出力特性が得られない問題があり、特許文献１では、角型ケースに極板群を複数個積層収容しこれら複数群を並列接続することにより複数の集電リードを取る方法が考案されている。
【特許文献１】特開２００３−３１２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら角形に捲回した極板群のリチウム二次電池は充放電により膨張収縮が起こり、とくに緊迫率の低い極板群中央部の膨張収縮率が高くなる。積層収容された極板群はそれぞれの膨張収縮による形状変化が相互作用し、極板の挫屈が生じることによる充放電反応の不均一化からリチウム析出を生じ、容量劣化および安全性が低下する。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、電池の内部抵抗を低減して高出力が得られ、さらに電池特性を向上させることが可能となる電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明は、シート上の正極板と負極版をセパレータを介して巻回されてなる極板群と、電解液と、電池ケースとを有する非水電解質二次電池において、前記電池ケースに前記極板群が複数個積層収容され、それぞれの極板群が並列接続され、隣接する極板群の間にスペーサーを有し、（スペーサーの面積／極板群の軸芯を通る縦断面積）が０．３８以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の非水電解質二次電池は、上記の構造を有することで、並列接続となり集電リードを複数取ることができ、その結果部品抵抗の低減と高出力特性が得られ、さらに隣接する極板群の間にスペーサーを有することで極板群の膨張収縮を抑制して極板挫屈を防止し、良好な電池特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、シート上の正極板と負極版をセパレータを介して巻回されてなる極板群と、電解液と、電池ケースとを有する非水電解質二次電池において、前記電池ケースに前記極板群が複数個積層収容され、それぞれの極板群が並列接続され、隣接する極板群の間にスペーサーを有し、（スペーサーの面積／極板群の軸芯を通る縦断面積）が０．３８以上であって、部品抵抗の低減と高出力特性を得るとともに、極板群の膨張を抑制することができるものである。
【００１１】
また、スペーサーの少なくとも一部が電池ケースに接合されることにより、スペーサー及び極板群は電池ケース内において定位置に固定される。なお、スペーサーと電池ケースの接合方法は、抵抗溶接、レーザー溶接といった各種溶接による接合、あるいは電池ケースに溝切りを行いスペーサーをはめ込む方法が用いられる。
【００１２】
さらに、スペーサーが極板群中央部と対向していることを特徴とするものである。なお、極板群中央部とは図５において極板群中央部９として示される部分であり、前記極板群中央部９は、高さ方向の中央部長さ１１が極板群高さ１０の０．５以上、幅方向の中央部長さ１３が極板群幅１２の０．５以上であることが好ましく、充放電による極板群の膨張収縮は緊迫率の低い極板群中央部で最も大きいが、この極板群中央部をスペーサーで固定することにより極板群の膨張収縮を抑制することが可能となる。
【００１３】
また、スペーサーの厚みは０．２ｍｍ以上であることが好ましい。これは、スペーサーの厚みが０、２ｍｍより薄いとスペーサーの強度が弱く極板群の膨張収縮を抑制することが不十分となるためである。
【００１４】
さらに、スペーサーの材質は電池ケースと同一の材質が好ましく、Ｆｅ、Ａｌ等を用いることができる。これは、電池ケースが電位を持つ構造の場合、ケースと接合部を持つスペーサーも電位を持つことになるためであり、材料の耐電圧の影響から電池ケースとスペーサーは同一の材質が好ましい。
【００１５】
以下本発明の非水電解質二次電池についてさらに説明する。
【００１６】
正極は集電体であるアルミ箔上に正極活物質、導電材および結着剤などを含む正極合剤層を備えることによって構成されている。まず正極活物質、導電材、結着剤さらには粘度調整等の目的で溶媒を混練して正極合剤ペーストを作製し、その正極合剤ペーストを、アルミニウム箔の集電体に塗布、乾燥させる。その後必要に応じてプレス、スリット加工をすることにより所定の寸法に加工し、シート状の正極を作製する。
【００１７】
正極活物質にはＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2やＬｉＭｎ2Ｏ4などのリチウム金属複合酸化物が使用されるが、上記Ｃｏ、ＮｉまたはＭｎの一部をさらにＣｏ、Ｍｎ、Ａｌ等で置換したもの、Ｌｉで置換したものなど、他元素置換タイプのものをも使用することが可能であり、これら正極活物質はリチウムを吸蔵、放出可能であって、充放電反応が可能である活物質であれば上記に限定されるものではない。
【００１８】
また、導電材は正極合剤の充放電反応を効率的に行うために電気伝導性を高めるためのものであり、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、または黒鉛等
の炭素材料を単体、もしくは複合して用いることができる。
【００１９】
また、結着剤は合剤同士の接着、および合剤と芯材の間の接着機能を持たせるものであり、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）などを用い、有機溶剤を溶媒とする場合にはＰＶｄＦが用いられ、水を溶媒とする場合にはＰＴＦＥの水溶性ディスパージョンが特に用いられる。
【００２０】
さらに、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などの水溶性高分子を用いることができる。
【００２１】
また、これらの材料を混練して合剤ペーストを作製するが、合剤混合比は電池の使用適性に応じて任意に調整することが可能である。
【００２２】
一方、負極は集電体である銅箔上に負極活物質と結着剤などの負極合剤層を備えることによって構成されており、正極と同様に合剤ペーストを作製し、その合剤ペーストを銅箔に塗布、乾燥させ、その後必要に応じてプレス、スリット加工することにより所定の寸法に加工し、シート状の負極を得る。
【００２３】
ここで、負極活物質にはリチウムイオンを吸蔵、放出可能な材料が用いられ、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス等の炭素材料を用いることができる。なお、金属リチウムを用いることも可能であるが充放電効率が悪いなどの問題がある。
【００２４】
また、結着剤としては、ＰＶｄＦやスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を用い、これら活物質および結着剤を分散させる溶媒にはＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の有機溶媒もしくは水を用いることができる。
【００２５】
セパレータは正極と負極間の絶縁、さらには電解液を保持するなどの機能を持つものであり、このセパレータにはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、あるいはそれら積層品等の薄い微多孔膜を用いることができ、その必要機能を得るものであればこれらに限定されるものではない。
【００２６】
電解液はリチウム塩を有機溶媒に溶解したものであり、有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等の鎖状カーボネートなどの単独もしくは混合系が用いられる。また、リチウム塩としては、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）等を用いることができる。
【実施例１】
【００２７】
本発明により具体的な実施の形態として、種々のスペーサーを用いて作製した角形電池について以下説明する。
（実施例１）
正極は活物質としてリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ2）を用い、導電剤にはＡＢ、結着剤にはＰＶｄＦを用いた。活物質、導電剤、結着剤とをそれぞれ固形分重量比率で１００：２：２の割合で調整しＮＭＰを溶媒として混練し正極合剤ペーストを作製した。合剤ペーストを厚み１５μｍのアルミニウム箔正極集電体の両面に塗布し、乾燥した後、圧延、スリット加工を施し、厚み０．１１５ｍｍ、合剤幅６５ｍｍ、長さ３３５ｍｍの正極板を作製した。
【００２８】
負極は活物質として人造黒鉛を用い、結着剤にはＳＢＲ水溶性ディスパージョンを用い
た。増粘剤にはＣＭＣを用い、活物質、結着剤、増粘剤とをそれぞれ固形分重量比率で１００：１：１の割合で調整し、さらに水を溶媒として上記固形分重量に対して１００％配合し、混練して負極合剤ペーストを作製した。これを厚み１０μｍの銅箔の両面に塗布し、乾燥した後、圧延、スリット加工を施し、厚み０．１０５ｍｍ、合剤幅７０ｍｍ、長さ３６０ｍｍの負極板を作製した。
【００２９】
上記の正極および負極にアルミニウムおよびニッケルの集電リードを接合した後、残存水分の除去を目的として、それぞれ大気中で１００℃１０時間、８０℃１０時間乾燥炉で乾燥させた。その後厚み２５μｍのＰＥ製セパレータを介して正極と負極を捲回した極板群を作製した。極板群の厚みは２．７ｍｍ、高さは７４ｍｍ、幅は４９ｍｍであった。
【００３０】
そして、肉厚が０．５ｍｍ、厚み１４ｍｍ、高さ８０ｍｍ、幅５０ｍｍのＦｅ製電池ケースに厚み０．２ｍｍ、高さ７４ｍｍ、幅４９ｍｍのＦｅ製スペーサーを３．１ｍｍ間隔で挿入しスペーサーの一辺をケース側面にレーザー溶接した。スペーサーの底辺はケースの底辺から２．５ｍｍ上部に位置する。この電池ケースに上記極板群を挿入した。電池ケースと極板群の高さ方向の隙間は上下それぞれ２．５ｍｍであった。
【００３１】
さらに、極板群高さに対する、極板群中央部に対向するスペーサーの高さ方向の長さの比が１．０であり、極板群幅に対する、極板群中央部に対向するスペーサーの幅方向の長さの比が１．０であった。
【００３２】
なお、電池ケース内には計４個の群を収容した。この電池の極板群とスペーサーの位置関係を図６に示す。
【００３３】
各極板群から導出した正極リードを正極接続端子にレーザー溶接し、各極板群から導出した負極リードを負極接続端子に抵抗溶接した。そしてケース内にＥＣとＥＭＣを体積比１：３の配合比で混合した混合溶媒に、溶質としてＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度で溶解した電解液を注入後、封口板でケースを封口し角形電池を作製し、この電池を電池Ａとした。この電池を充電条件を電圧４．２Ｖ、電流１Ｃの定電流定電圧充電、放電条件を電圧２．５Ｖ、電流０．２Ｃの定電流放電で行った時の容量は３Ａｈであった。
【００３４】
（実施例２）
厚み０．２ｍｍ、高さ３７ｍｍ、幅３７ｍｍのスペーサーを使用し、極板群高さに対する、極板群中央部に対向するスペーサーの高さ方向の長さの比が０．５であり、極板群幅に対する、極板群中央部に対向するスペーサーの幅方向の長さの比が０．５とした以外は電池Ａと同様にして作製した電池を電池Ｂとした。この電池の極板群とスペーサーの位置関係を図７に示す。
【００３５】
（比較例１）
厚み０．２ｍｍ、高さ３７ｍｍ、幅２７ｍｍのスペーサーを使用し、極板群高さに対する、極板群中央部に対向するスペーサーの高さ方向の長さの比が０．５であり、極板群幅に対する、極板群中央部に対向するスペーサーの幅方向の長さの比が０．３とした以外は電池Ａと同様にして作製した電池を電池Ｃとした。この電池の極板群とスペーサーの位置関係を図８に示す。
【００３６】
（比較例２）
厚み０．２ｍｍ、高さ２２．２ｍｍ、幅３７ｍｍのスペーサーを使用し、極板群高さに対する、極板群中央部に対向するスペーサーの高さ方向の長さの比が０．３であり、極板群幅に対する、極板群中央部に対向するスペーサーの幅方向の長さの比が０．５とした以外は電池Ａと同様にして作製した電池を電池Ｄとした。この電池の極板群とスペーサーの
位置関係を図９に示す。
【００３７】
（比較例３）
厚み０．２ｍｍ、高さ３７ｍｍ、幅１０ｍｍのスペーサーを使用し、極板群高さに対する、極板群中央部に対向するスペーサーの高さ方向の長さの比が０であり、極板群幅に対する、極板群中央部に対向するスペーサーの幅方向の長さの比が０とした以外は電池Ａと同様にして作製した電池を電池Ｅとした。この電池の極板群とスペーサーの位置関係を図１０に示す。
【００３８】
（比較例４）
スペーサーを用いないこと以外は電池Ａと同様にして作製した電池を電池Ｆとした。この電池の極板群とスペーサーの位置関係を図１１に示す。
【００３９】
これらの電池について充電条件を上限電圧４．２Ｖ、最大電流１Ｃの定電流定電圧充電、放電条件を下限電圧２．５Ｖ、電流１０Ｃの定電流放電としてサイクル寿命試験を行った。なお、容量を確認するために充電条件を上記条件、放電条件を下限電圧２．５Ｖ、電流０．２Ｃの定電流放電として行った２００サイクル目の容量維持率を測定した結果を表１に示す。
【００４０】
なお、表１における「面積比」とは、「（スペーサーの面積／極板群の軸芯を通る縦断面積）」であり、「高さ比」とは、「（極板群中央部に対向するスペーサーの高さ方向の長さ）／（極板群高さ）」であり、「幅比」とは、「（極板群中央部に対向するスペーサーの幅方向の長さ）／（極板群幅）」である。
【００４１】
【表１】
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表１の結果より、電池Ａおよび電池Ｂは高い容量維持率が得られるが、電池Ｃ〜電池Ｆの容量維持率は低い結果となった。これらの電池を分解観察すると、電池Ｃ〜Ｆでは、極板の挫屈およびリチウム析出が観察されたが、電池Ａおよび電池Ｂでは極板の挫屈は観察されなかった。したがって、極板群の中央部にスペーサーを有することで極板群の膨張収縮を抑制して極板挫屈を防止し、良好な電池特性を得ることができる。
【００４２】
次にスペーサーの厚みについて検討する。
（比較例５）
厚みが０．１ｍｍのスペーサーを使用し、電池ケース厚みを１３．７ｍｍとした以外は電池Ａと同様にして作製した電池を電池Ｇとした。
【００４３】
電池Ａと電池Ｇについて充電条件を上限電圧４．２Ｖ、最大電流１Ｃの定電流定電圧充電、放電条件を電圧下限２．５Ｖ、電流１０Ｃの定電流放電としてサイクル寿命試験を行った。なお、容量を確認するために充電条件を上記条件、放電条件を電圧下限２．５Ｖ、電流０．２Ｃの定電流放電として行った２００サイクル目の容量維持率を表２に示す。
【００４４】
【表２】
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スペーサーの厚みが０．２ｍｍである電池Ａは高い容量維持率が得られるが、スペーサーの厚みが０．１ｍｍである電池Ｇの容量維持率は低い結果となった。したがって、スペーサーの厚みが薄いと、スペーサーによる極板群の膨張収縮の抑制効果が低くなるため、０．２ｍｍ以上の厚みが効果的である。以上のことから本発明の形態により、特性の良好なリチウム二次電池を得ることができることがわかった。なお、スペーサーの厚みの上限値については、いずれの値であっても本発明の効果を奏することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の非水電解質二次電池は、高出力特性が得られ、極板の挫屈を抑制できることから電動工具やコードレス掃除機や電動車輌用等の高出力用非水電解質二次電池として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態における電池の正極端子側横断面図
【図２】本発明の実施形態における電池の負極端子側横断面図
【図３】本発明の実施形態における電池の短辺側縦断面図
【図４】本発明の実施形態における電池の長辺側縦断面図
【図５】本発明の実施形態のおける極板群の縦断面図
【図６】電池Ａの縦断面図
【図７】電池Ｂの縦断面図
【図８】電池Ｃの縦断面図
【図９】電池Ｄの縦断面図
【図１０】電池Ｅの縦断面図
【図１１】電池Ｆの縦断面図
【符号の説明】
【００４７】
１    電池ケース
２    極板群
３    スペーサー
４    正極リード接続端子
５    正極リード
６    負極リード接続端子
７    負極リード
８    電池ケースとスペーサーの接合部
９    極板群中央部
１０  極板群高さ
１１  極板群中央部の高さ方向の長さ
１２  極板群幅
１３  極板群中央部の幅方向の長さ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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