(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極、陰極およびセパレータとからなる電極ロールを含む二次電池において、
陽極板および陰極板の両面にそれぞれ陽極の活物質および陰極の活物質が塗られており、該陽極板および陰極板の少なくとも一方について、両面に塗る活物質の厚さを異ならせ、
陽極の活物質の量で陰極の活物質の量を割った陽極と陰極の容量比を、前記電極ロールのいずれの位置においても１以上にし、
前記陽極板および陰極板の各面における活物質の厚さは、各々の面ごとに均一である、陽極と陰極の容量比を補償する二次電池。
【請求項２】
前記陰極の外面の活物質の厚さを内面より厚くすることを特徴とする請求項１記載の陽極と陰極の容量比を補償する二次電池。
【請求項３】
前記電極ロールで前記陽極の両側面に隣接する陰極板の一つの面に塗った活物質の厚さをＴ／２とすると、前記陽極の内面の活物質の厚さはＴ／２より小さくて、外面の活物質の厚さはＴ／２と同一にすることを特徴とする請求項１記載の陽極と陰極の容量比を補償する二次電池。
【請求項４】
互いに隣接した陽極と陰極においての陽極と陰極の容量比が、電極ロールの中心部から外郭部になるほど、１より大きい側から１に近づくことを特徴とする、請求項１記載の陽極と陰極の容量比を補償する二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陽極と陰極の容量比を補償する二次電池に関するものである。より詳しくは陽極の活物質に対する陰極活物質の比率を調節して二次電池の電池性能を最適化させ、二次電池の安全性を確保できる二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、活物質を塗った陽極板と陰極板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）をセパレータと共に巻き取ってカンに挿入した後、このカンに電解物質を注入し、電流を印加した時に電解液と活物質の間に発生する電気化学的反応を用いる電池である。このような二次電池は一回使用に限られる既存の一次電池と異なり、製品の使用により消耗したエネルギを充電器で再充電して反復使用できる電池として、ポータブル化する電気電子製品と共に急速な発展を見せている。
【０００３】
二次電池の種類は陽極や陰極もしくは電解液としてどのような物質を使用するかにより、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池およびリチウムポリマー電池などに分けられ、形態的には円筒形、パッケージ形および角形などに区分される。
【０００４】
ここで、角形二次電池の一般的な構造は、陽極とセパレータおよび陰極を共に巻き取った電極ロールを陰極と接触するカンの内部に挿入し、このカンの上部にキャップアセンブリを設けて熔接により密封する構造になっている。カンの内部には電解物質を挿入し、電極ロールの上面と下面にはキャップアセンブリおよびカンとの接触を防止するために各々絶縁板を設ける。
【０００５】
キャップアセンブリは、カンの上部に熔接する陰極プレートとその中心に配置する陽極プレートを含み、陰極プレートと陽極プレートとの間には絶縁板を設け、陰極プレートと陽極プレートとの中心を貫通して結合するリベットを電極ロールの陽極とタップとに連結して電気的に接続させる構造からなる。ここでリベットは別途のガスケットを介して陰極プレートと絶縁する。
【０００６】
このような構造の角形二次電池において陽極と陰極（以下、電極）は、陽極板と陰極板の両面の表面に各々の活物質を一定の厚さに塗布して乾燥したのち、ロールプレスして製造する。この活物質が、内部の電子やイオンを吸収、放出して二次電池の起電力を発生させたり保存したりする。
【０００７】
このような二次電池において陽極の活物質の量で陰極の活物質の量を割った陽極と陰極の容量比（Ｎ／Ｐ  ｒａｔｅ）は通常、当業界では１．２ないし１．４を維持している。これは充放電時、陽極から放出された陽極イオンが陰極に吸収される充分なリザーブ（ｒｅｓｅｒｖｅ）を確保するためである。例えば、陽極と陰極の容量比が１より小さいと、二次電池の内部で金属リチウムが析出したり電解液の漏水現象による電池の充放電性能を低下させ、時には電池の内圧が上昇して爆発する危険性も含んでいる。
【０００８】
一方、前記陽極と陰極の間にセペレータを位置させてこれらを巻き取ることによって電極ロールをえる。このような電極ロールは図６に示すように大略楕円形の姿の横断面を有する。横断面を基準に見ると、直線部Ｓｔと曲線部Ｌとに分けられる。
【０００９】
電極ロール１００の直線部Ｓｔでは、セペレータ１０２を介して対向する陽極と陰極の活物質は同じ長さであるが、電極ロールの曲線部Ｌでは図７に示すように幾何学的特性上、陽極１００ｂと陰極１００ａに長さの差異が現れ、これは各々陽極と陰極の活物質の容量の差異に帰結する。このような陽極と陰極の活物質の容量の差異は、電極ロールを巻き取った際、陽極１００ｂが電極ロール１００の最外郭に位置するように巻き取るか、もしくは陰極１００ａが電極ロール１００の最外郭に位置するように巻き取るかにより異なって現れる。
【００１０】
このような差異を図７および図８に示している。即ち、陽極１００ｂと陰極１００ａの活物質の厚さをＴとし、電極ロールの曲線部で曲がった領域の任意の角度をθとする。曲線部の中心部から各々陽極板と陰極板までの直線の長さをＲｎと（ここでｎは電極ロールの中心部から外郭部の方向に巻き取る陽極板と陰極板の順序を示す）すれば、曲線部で隣接する各極板の円周の長さＳはそれぞれＳｎ＝θＲｎ、Ｓn-1＝θＲn-1で示すことができる。そして極板と極板との間の直線距離はセパレータの厚さを無視すると、Ｔと同一であるので、隣接する極板の間の円周長さの差異はＳｎ−Ｓn-1＝θＲｎ−θＲn-1＝θ（Ｒn-1＋Ｔ）−θＲn-1＝θＴである。即ち、隣接する極板の間の円周長さの差異は曲線部の角度に陽極と陰極の活物質の厚さを掛けた値となり、これに陽極と陰極の活物質の厚さと電極ロールの縦軸方向（紙面に垂直方向）の長さを掛けた値が隣接した陽極と陰極の活物質の量の差異となる。
【００１１】
従って、従来の二次電池は図９に示すように陰極が電極ロールの最外郭に位置した場合（Ａ）では、電極ロールの隣接した陽極と陰極の容量比は常に１以上に維持されるが、陽極が電極ロールの最外郭に位置した場合（Ｂ）は電極ロールの隣接した陽極と陰極の容量比が１以下になる領域が存在する。これは電極ロールを形成する前の陽極板と陰極板の全体の長さのうち、先端部を基準にするとほぼ７．１％の領域がこれに該当する。すなわち、電池の充放電時、電極ロールの中心部で陽極と陰極の容量比が１以下である領域が存在するが、前記陽極と陰極の容量比が１以下である領域は、極板群を巻き取る前の開けた状態で極板群の全体の長辺方向に対して電極ロールの中心部に該当する極板群の端部から他端部を向いて全体の７．１％の領域である。
【００１２】
これによって角形二次電池の充放電時、陽極と陰極の容量比が１以下となる部分で金属リチウムの析出が起き易く、これは電池の性能を低下させる原因となり、特に充放電時の電池の安全性を急激に劣化させる原因となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の問題点を解決するために本発明の目的は、二次電池の電極ロールのすべての位置で陽極と陰極の容量比が１以上になる二次電池を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、陽極、陰極およびセパレータとからなる電極ロールを含む二次電池において、陽極板および陰極板の両面にそれぞれ陽極の活物質および陰極の活物質が塗られており、該陽極板および陰極板の少なくとも一方について、両面に塗る活物質の厚さを異ならせ、陽極の活物質の量で陰極の活物質の量を割った陽極と陰極の容量比を、前記電極ロールのいずれの位置においても１以上にする、陽極と陰極の容量比を補償する。また、前記陰極の外面の活物質の厚さを内面より厚くしてもよい。また、前記電極ロールで前記陰極の両側面に隣接する陽極板の一つの面に塗った活物質の厚さをＴ／２とすると、前記陽極の内面の活物質の厚さはＴ／２より小さくて、外面の活物質の厚さはＴ／２と同一であってもよい。さらに、前記陽極板および陰極板の各面における活物質の厚さは、各々の面ごとに均一であってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好ましい実施例を添付図面によって詳細に説明する。参考に本発明の説明において、従来の技術で引用された図面と同一な発明に対しては説明の明瞭性のために同一の符号を用いた。
【００１６】
図１は本発明に関する角形二次電池の全体構造を示す。
【００１７】
角形二次電池は陽極とセパレータおよび陰極を共に巻き取った電極ロール２を陰極と接続させたカン４の内部に挿入し、そのカン４の上部にキャップアセンブリ６を設けて熔接により密封する構造である。電極ロール２の上面と下面にはキャップアセンブリ６およびカン４との接続を防止するためにそれぞれ絶縁板８を設ける。
【００１８】
キャップアセンブリ６は、カン４の上部に熔接する陰極プレート１０とその中心に絶縁板１４を介して配置する陽極プレート１２を含み、これらを貫通するリベット１６が電極ロール２の陽極とタップ１８とを繋いで電気的に接続する。リベット１６は別途のガスケット２０を介して陰極プレート１０と絶縁する。そして陰極プレートに設けた電解液注入口２２を通じて電解液を注入した後、これにプラグを挿入して熔接し密封する。また角形二次電池の内部圧力が異常上昇して発生する爆発を防止するため、キャップアセンブリ６の陰極プレート１０に機械的な方法やエッチングおよび電気鋳型法（ｅｌｅｃｔｒｏｆｏａｍｉｎｇ）などで一定の溝のような安全弁２４を設ける。
【００１９】
このような構造の角形二次電池において本発明の特徴に従う電極ロールを図２によって説明する。陽極２ｂと陰極２ａの間にセパレータ２ｃを位置させた電極を巻き取った後、圧着して電極ロール２をえる。このような電極ロール２の横断面は、ほぼ楕円型になるので横断面を基準にみると、直線部Ｓｔと曲線部Ｌに分かれる。
【００２０】
ここで、前述のように陽極２ｂが電極ロール２の最外郭部に位置するか、もしくは陰極２ａが電極ロール２の最外郭部に位置するかによって陽極と陰極の容量比が異なるので、本発明では電極ロール２の最外郭部に陽極または陰極が位置しても常に陽極と陰極の容量比が１以上で維持されるようにする。
【００２１】
まず、陽極板と陰極板の長さは従来の陽極板と陰極板の長さと同一であり、陽極が電極ロールの最外郭部に位置する場合を可視的に示す図３によって説明する。ここで陽極２ｂと陰極２ａの活物質の厚さをＴとする。電極ロールの曲線部での曲がった領域の任意角度をθとし、曲線部の中心部から各陽極板と陰極板までの直線距離をＲｎとすれば、曲線部で隣接した各極板の円周長さＳはそれぞれＳｎ＝θＲｎ、Ｓn-1＝θＲn-1と表示できる。ただし、ｎは電極ロールの中心部から外郭部の方向に巻き取る陽極と陰極の順序を示す。
【００２２】
本発明に従う構成として、陽極板の両面に塗った活物質の厚さは同一にし、陰極板の両面に塗る活物質の厚さを調節する。即ち、電極ロールで陰極の両側面に隣接する陽極板の一つの面に塗った活物質の厚さをＴ／２とすると、前記電極ロールでの陰極板の外面に塗る活物質の厚さをＴ／２より厚く塗り、内面はＴ／２より薄く塗る。この際、陰極板を基準に両面の厚さの差異は１０〜５０％位に維持し、１０％で一番良い結果が得られる。
【００２３】
このような構成で陽極と陰極の容量比を算出すると、図４に示した通り、電極ロールの曲線部の中心部で陽極と陰極の容量比が１以上になり、電極ロールの外側になればなるほど緩慢な傾きを持って陽極と陰極の容量比が上昇して、電極ロールの直線部を含む全体の電極ロールでの陽極と陰極の容量比が１以上になる。即ち、電極ロールを設けた後、極板の先端部からほぼ７．１％の長さの領域でも、陽極と陰極の容量比が１以上となる。ここで、横軸は電極ロールの巻取回数を、縦軸は陽極と陰極の容量比を示す。なお、前記陰極板に塗る活物質の厚さを前記陰極板の幅方向には同一とし、長さ方向で調節することにより、陽極と陰極の容量比を１以上に維持することもできる。
【００２４】
一方、陰極板の両面に塗った活物質の厚さを同一にし、陽極板の両面に塗る活物質の厚さを調節することもできる。この際、前記電極ロールの陽極板の内面に塗る活物質の厚さをＴ／２より薄く塗り、外面の厚さはＴ／２と同一に維持する。これによって陰極板に塗る活物質の厚さを調節する場合と同様な効果をえることができる。即ち、電極ロールの直線部を含んで全体の電極ロールで陽極と陰極の容量比が１以上に維持できる。
【００２５】
次に、陰極が電極ロールの最外郭部に位置する場合には、電極ロールの曲線部の中心部から最外郭部まで隣接した陽極と陰極の間での容量比が１以上になるが、図５のように電極ロールの全体での陽極と陰極の容量比を計算したグラフは電極ロールの中心部から外郭部になればなるほど、傾きが緩慢に減少するようになる。電極ロールの最外郭部でも陽極と陰極の容量比は１以上となる。
【００２６】
他の実施例としては陽極もしくは陰極の中でいずれかが電極ロールの最外郭部に位置するかにかかわりなく、陽極板と陰極板の両面に塗る陽極と陰極の活物質の厚さを全部変化させて、隣接する陽極と陰極の間の容量比を１ないし１．２に維持することもできる。不必要な陽極と陰極の容量比の増加を抑制したり、不足な陽極と陰極の容量比を増加させ、陽極板と陰極板に塗る活物質の量を適切な水準に維持しながら角形二次電池の充放電の性能を向上させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の特徴による角形二次電池は、従来の問題点を実質的に解消している。即ち、セパレータを介して電極ロールを形成する陽極板と陰極板に塗る活物質の量（厚さ）を適切に調節することにより、角形二次電池の陽極と陰極の容量比を１以上になるように維持することができる。
【００２８】
よって、従来の二次電池で陽極と陰極の容量比が１以下である部分で発生する金属酸化物の析出による電池の充放電性能の低下を防止し、二次電池の充放電の性能を向上させ、さらに電池の爆発による安全事故も予め防止できる効果をえる。なお、本発明は角形二次電池に限らず、電極を巻き取りして用いるすべての種類の二次電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による角形二次電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明による電極ロールの横断面を示す概略図である。
【図３】図２のＡ部分の電極長さの差異を可視的に示す概略図である。
【図４】本発明の特徴による電極ロールの陽極と陰極の容量比を示すグラフである。
【図５】本発明の特徴による電極ロールの陽極と陰極の容量比を示すグラフである。
【図６】従来の電極ロールの横断面を示す概略図である。
【図７】図６のＢ部分の拡大図である。
【図８】図６のＢ部分の電極の長さの差異を可視的に示す概略図である。
【図９】従来の電極ロールでの陽極と陰極の容量比を示すグラフである。
【符号の説明】
２    電極ロール
２ａ  陰極
２ｂ  陽極
２ｃ  セパレータ
Ｓｔ    直線部
Ｌ    曲線部
【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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