(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池缶(１)の内部に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間に非水電解液を含むセパレータ(42)を介在させてこれらを渦巻き状に巻き取った巻き取り電極体(４)が収納され、正極(41)及び負極(43)の両電極はそれぞれ、帯状の芯体と、該芯体の表面に塗布された活物質とから構成され、芯体の表面に活物質を塗布した後に厚さ方向に圧延されており、巻き取り電極体(４)が発生する電力を一対の電極端子部から外部へ取り出すことが出来る非水電解液二次電池において、
正極(41)及び負極(43)の各電極の表面には、活物質の塗布された塗工部(Ａ)が芯体の長手方向に形成されると共に、該塗工部(Ａ)を挟んで両側に、活物質の塗布されていない第１非塗工部(Ｂ１)と第２非塗工部(Ｂ２)がそれぞれ芯体端縁に沿って形成され、巻き取り電極体(４)の巻き軸方向の両端部に突出する両電極の第１非塗工部(Ｂ１、Ｂ１)が前記一対の電極端子部に連結されており、第１非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ１と第２非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ２との比(Ｌ１／Ｌ２)は、１.５以上、３以下であり、第２非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ２と塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｗとの比(Ｌ２／Ｗ)は、０.０５以上であることを特徴とする非水電解液二次電池。
【請求項２】
巻き取り電極体(４)の両端部には、両電極の芯体の端縁(48)(48)が突出し、両端縁(48)(48)にはそれぞれ集電板(５)が接合され、両集電板(５)(５)が前記一対の電極端子部と連結されている請求項１に記載の非水電解液二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の内部に二次電池要素となる巻き取り電極体が収容され、電池缶に設けた一対の電極端子部から巻き取り電極体の発生電力を取り出すことが出来る非水電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の電源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池が注目されている。例えば電気自動車に用いられる比較的大きな容量の円筒型リチウムイオン二次電池は、図３及び図４に示す様に、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(40)を収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(40)の両極と両電極端子機構(９)(９)とが互いに接続されて、巻き取り電極体(40)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。又、各蓋体(12)には圧力開閉式のガス排出弁(13)が取り付けられている。
【０００３】
巻き取り電極体(40)は、図５に示す様に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間に帯状のセパレータ(42)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。正極(41)は、アルミニウム箔からなる帯状芯体(45)の両面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質(44)を塗布して構成され、負極(43)は、銅箔からなる帯状芯体(47)の両面に炭素材料を含む負極活物質(46)を塗布して構成されている。セパレータ(42)には、非水電解液が含浸されている。
【０００４】
ここで、正極(41)及び負極(43)はそれぞれセパレータ(42)上に幅方向へずらして重ね合わされ、渦巻き状に巻き取られている。これによって、巻き取り電極体(40)の巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(42)の端縁よりも外方へ正極(41)の芯体(45)の端縁(48)が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(42)の端縁よりも外方へ負極(43)の芯体(47)の端縁(48)が突出している。そして、巻き取り電極体(40)の両端部にはそれぞれ円板状の集電板(32)が抵抗溶接され、該集電板(32)がリード部材(33)を介して図４に示す電極端子機構(９)の基端部に接続される。
尚、正極側の集電板(32)はアルミニウム製、負極側の集電板(32)はニッケル製である。
【０００５】
電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられた電極端子(91)を具え、該電極端子(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。電極端子(91)には、蓋体(12)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、第１ナット(95)及び第２ナット(96)が螺合している。そして、第１ナット(95)を締め付けて、電極端子(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。
尚、前記リード部材(33)の先端部は、電極端子(91)の鍔部(92)に、スポット溶接或いは超音波溶接によって固定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３〜図５に示す円筒型リチウムイオン二次電池においては、巻き取り電極体(40)の製造工程にて、各電極の芯体(45)(47)の表面に活物質(44)(46)を塗布した後、活物質層の厚さが均一となる様、圧延が施される。ここで、各電極の芯体(45)(47)の表面には、活物質(44)(46)の塗布された塗工部Ａ′が形成されると共に、電極巻き軸方向の一方の端部には、活物質の塗布されていない非塗工部Ｂ′が形成されているため、圧延時の芯体の伸び率が塗工部と非塗工部で異なり、この結果、芯体には、図６(ａ′)(ｂ′)に示す様にゆがみが生じることになる。
【０００７】
この様にゆがみを生じた電極を巻き取って巻き取り電極体(40)を作製した場合、巻き取り電極体(40)の巻き圧が巻き軸方向に変化し、この結果、巻き取り電極体(40)の充放電時の反応が電極面全域で不均一となる。芯体のゆがみが更に顕著な場合は、電極巻き取り時に芯体に大きなしわが発生して、電池としての機能に支障を来たす虞がある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、巻き取り電極体の製造工程で芯体に発生するゆがみを防止することが出来る非水電解液二次電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る非水電解液二次電池においては、電池缶(１)の内部に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間に非水電解液を含むセパレータ(42)を介在させてこれらを渦巻き状に巻き取った巻き取り電極体(４)が収納されており、正極(41)及び負極(43)の両電極はそれぞれ、帯状の芯体と、該芯体の表面に塗布された活物質とから構成され、芯体の表面に活物質を塗布した後に厚さ方向に圧延されており、巻き取り電極体(４)が発生する電力を一対の電極端子部から外部へ取り出すことが出来る。
ここで、正極(41)及び負極(43)の各電極の表面には、活物質の塗布された塗工部(Ａ)が芯体の長手方向に形成されると共に、該塗工部(Ａ)を挟んで両側に、活物質の塗布されていない第１非塗工部(Ｂ１)と第２非塗工部(Ｂ２)がそれぞれ芯体端縁に沿って形成されている。そして、巻き取り電極体(４)の巻き軸方向の両端部に突出する両電極の第１非塗工部(Ｂ１、Ｂ１)が前記一対の電極端子部に連結されている。又、第１非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ１と第２非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ２との比(Ｌ１／Ｌ２)は、１.５以上、３以下に設定されており、第２非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ２と塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｗとの比(Ｌ２／Ｗ)は、０.０５以上に設定される。
【００１０】
上記本発明の非水電解液二次電池においては、巻き取り電極体(４)を構成する各電極の巻き軸方向の一方の端部のみならず、他方の端部にも非塗工部が形成されているので、巻き取り電極体の製造工程にて、芯体の表面に活物質を塗布して圧延を施したとき、芯体の伸び率が両非塗工部でバランスして、芯体に大きなゆがみが発生することはない。この結果、巻き取り電極体(４)は巻き圧が巻き軸方向に均等となって、巻き取り電極体の充放電時の反応が電極面全域で均一となり、従来よりも優れた出力特性が得られる。
【００１１】
尚、第１非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ１と第２非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ２との比(Ｌ１／Ｌ２)が１未満では、集電に利用される第１非塗工部に比べて、集電及び電極反応の何れにも利用されない第２非塗工部が拡大することとなって、出力特性が低下する。又、前記比が４を上回った場合、第１非塗工部と第２非塗工部の伸び率のバランスが崩れて、芯体にゆがみが生じるため、出力特性が低下する。
【００１２】
また、第２非塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｌ２と塗工部の電極巻き軸方向の幅Ｗとの比（Ｌ２／Ｗ）が０.０５未満では、第２非塗工部によって第１非塗工部との伸び率のバランスをとる効果が充分に得られないため、出力特性が低下する。
【００１３】
【発明の効果】
本発明に係る非水電解液二次電池によれば、巻き取り電極体の製造工程において巻き圧が巻き軸方向に均等となるため、芯体のゆがみを防止することが出来、この結果、巻き取り電極体の充放電時の反応が電極面全域で均一となって、優れた出力特性が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を円筒型リチウムイオン二次電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、図１に示す如く、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を溶接固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(４)を収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられている。尚、電極端子機構(９)は、従来と同一の構成を具えている。又、各蓋体(12)には圧力開閉式のガス排出弁(13)が取り付けられている。
【００１５】
巻き取り電極体(４)の両端部にはそれぞれ集電板(５)が設置され、芯体端縁(48)にレーザ溶接されている。該集電板(５)の端部に突設されたリード部(55)の先端は、電極端子機構(９)を構成する電極端子(91)の鍔部(92)に、スポット溶接、超音波溶接或いはレーザ溶接によって接合されている。
【００１６】
巻き取り電極体(４)は、図２に示す様に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間に帯状のセパレータ(42)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。正極(41)は、アルミニウム箔からなる帯状芯体(45)の両面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質(44)を塗布して構成され、負極(43)は、銅箔からなる帯状芯体(47)の両面に炭素材料を含む負極活物質(46)を塗布して構成されている。セパレータ(42)には、非水電解液が含浸されている。
【００１７】
正極(41)の両面には、正極活物質(44)の塗布されている塗工部Ａが形成されると共に、該塗工部の両側には、正極活物質の塗布されていない第１非塗工部Ｂ１及び第２非塗工部Ｂ２がそれぞれ芯体端縁(48)に沿って形成されている。又、負極(43)の両面にも、負極活物質(46)の塗布されている塗工部Ａが形成されると共に、該塗工部Ａの両側には、負極活物質の塗布されていない第１非塗工部Ｂ１及び第２非塗工部Ｂ２がそれぞれ芯体端縁(48)に沿って形成されている。
【００１８】
正極(41)及び負極(43)は、それぞれセパレータ(42)上に幅方向へずらして重ね合わせ、正極(41)及び負極(43)の前記非塗工部をセパレータ(42)の両端縁からそれぞれ外側へ突出させる。そして、これらを渦巻き状に巻き取ることによって巻き取り電極体(４)が構成される。該巻き取り電極体(４)においては、巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、正極(41)の非塗工部の芯体端縁(48)が、セパレータ(42)の一方の端縁よりも外方へ突出し、他方の端部では、負極(43)の非塗工部の芯体端縁(48)が、セパレータ(42)の他方の端縁よりも外方へ突出している。
【００１９】
集電板(５)は、図２及び図３に示す如く、円形の平板状本体(51)を具え、該平板状本体(51)には、放射状に伸びる複数本の円弧状凸部(52)が一体成型され、巻き取り電極体(４)側に突出している。又、平板状本体(51)には、中央孔(54)が開設されると共に、該中央孔(54)の周囲に、複数の注液孔(53)が開設されている。更に平板状本体(51)の端部には、短冊状のリード部(55)が一体に形成されている。
【００２０】
上記円筒型リチウムイオン二次電池の製造工程においては、先ず、図１に示す電池缶(１)、電極端子機構(９)、図２に示す巻き取り電極体(４)、及び集電板(５)をそれぞれ作製する。
巻き取り電極体(４)の製造工程では、各電極の芯体(45)(47)の表面に活物質(44)(46)を塗布した後、活物質層の厚さが均一となる様、圧延が施されるが、正極(41)及び負極(43)には、図６(ａ)(ｂ)に示す如く活物質塗工部Ａを挟んで、電極巻き軸方向の両端部に、活物質の塗布されていない非塗工部Ｂ１、Ｂ２が形成されているので、圧延時の芯体の伸び率が両非塗工部でバランスし、芯体に大きなゆがみが生じることはない。従って、巻き取り電極体(４)の巻き圧は巻き軸方向に均等となる。
【００２１】
その後、巻き取り電極体(４)の各端部に形成されている芯体端縁(48)に集電板(５)を押し付ける。これによって、集電板(５)の円弧状凸部(52)は、巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に食い込み、円弧状凸部(52)と芯体端縁(48)の間には、円筒面からなる接合面が形成される。
この状態で、集電板(５)の円弧状凸部(52)の内周面に向けてレーザビームを照射し、レーザ溶接を施す。この結果、集電板(５)の円弧状凸部(52)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)とが、大きな接触面積で互いに接合されることになる。
【００２２】
【実施例】
本発明電池１
アルミニウム箔からなる芯体の表面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質を塗布してなる正極において、図６(ａ)に示す幅Ｗが１５ｃｍの塗工部の両側に、幅Ｌ１が３ｃｍの第１非塗工部と、幅Ｌ２が１ｃｍの第２非塗工部を形成した正極を作製した。又、銅箔からなる芯体の表面に炭素材料を含む負極活物質を塗布してなる負極において、幅Ｗが１５.５ｃｍの塗工部の両側に、幅Ｌ１が４ｃｍの第１非塗工部と、幅Ｌ２が１ｃｍの第２非塗工部を形成した負極を作製した。そして、正極と負極の間にセパレータを挟んでこれらを渦巻き状に巻き取って、巻き取り電極体を作製し、該巻き取り電極体を用いて、図１及び図２に示す構造を有する本発明電池1を組み立てた。
【００２３】
比較電池Ａ
正極及び負極を構成する各芯体に第１非塗工部のみを形成して、第２非塗工部を形成しないこと以外は本発明電池１と同様にして、比較電池Ａを組み立てた。
【００２４】
本発明電池３、４及び比較電池２、５〜８
正極を構成する芯体に、幅Ｌ２がそれぞれ３.０ｃｍ、２.０ｃｍ、１.５ｃｍ、０.７５ｃｍ、０.７３ｃｍ、０.６０ｃｍ、０.５ｃｍの第２非塗工部を形成したこと以外は本発明電池１と同様にして、比較電池２、本発明電池３、４、比較電池５〜８を作製した(下記表２参照)。
【００２５】
出力特性実験
各電池を４.１Ｖまで５Ａで充電した後、２.７Ｖまで５Ａで放電を行なった場合の放電容量を１００％として、４.１Ｖまで充電を行ない、続いて前記放電容量の５０％分を５Ａで放電し、そのときの放電深度を５０％とした。その後、２５Ａ、５０Ａ、７５Ａで１０秒間の放電を行ない、放電終了時の電圧値と電流値をプロットして、その３点を直線近似した場合の傾きを電池抵抗とした。
各電池の放電深度５０％における電池抵抗の測定結果を表１及び表２に示す。
【００２６】
【表１】
0003920549.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003920549.tif 000003
【００２８】
表１及び表２から明らかなように、電極の両端部に非塗工部が形成されている本発明電池１、３、４及び比較電池２、５〜８においては、電極の一方の端部にのみ非塗工部が形成されている比較電池Ａに比べて、電池抵抗が低く、優れた出力特性が得られている。これは、本発明電池１、３、４及び比較電池２、５〜８においては、各電極の両端部に非塗工部が形成されているので、巻き取り電極体の製造工程にて、芯体の表面に活物質を塗布して圧延を施したとき、芯体の伸び率が両非塗工部でバランスして、芯体に大きなゆがみが発生することがなく、この結果、巻き取り電極体は巻き軸方向の巻き圧が均等となって、巻き取り電極体の充放電時の反応が電極面全域で均一となるからである。
【００２９】
又、本発明電池１、３、４及び比較電池２、５〜８の比較から、第１非塗工部の幅Ｌ１と第２非塗工部の幅Ｌ２との比(Ｌ１／Ｌ２)が１以上、４以下の範囲で、特に電池抵抗が低くなっており、この範囲が好ましいことが分かる。これは、前記比が１未満では、集電に利用される第１非塗工部に比べて、集電及び電極反応の何れにも利用されない第２非塗工部が拡大することとなって、出力特性が低下し、前記比が４を上回った場合、第１非塗工部と第２非塗工部の伸び率のバランスが崩れて、芯体にゆがみが生じるため、出力特性が低下するからである。
そして、本発明電池１、３、４の如く、比(Ｌ１／Ｌ２)が１.５以上、３以下の範囲では更に電池抵抗が低くなっている。
【００３０】
更に又、本発明電池１、３、４及び比較電池２、５〜８の比較から、第２非塗工部の幅Ｌ２と塗工部の幅Ｗとの比(Ｌ２／Ｗ)が０.０５以上で、特に電池抵抗が低くなっており、この範囲が好ましいことが分かる。これは、前記比が０.０５未満では、第２非塗工部によって第１非塗工部との伸び率のバランスをとる効果が充分に得られないため、出力特性が低下するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリチウムイオン二次電池の一部破断正面図である。
【図２】該二次電池に装備されている巻き取り電極体の一部展開斜視図である。
【図３】リチウムイオン二次電池の外観を示す斜視図である。
【図４】従来のリチウムイオン二次電池の一部破断正面図である。
【図５】該二次電池に装備されている巻き取り電極体の一部展開斜視図である。
【図６】従来の巻き取り電極体製造工程と本発明の巻き取り電極体製造工程を比較した説明図である。
【符号の説明】
(１)  電池缶
(４)  巻き取り電極体
(41)  正極
(42)  セパレータ
(43)  負極
(44)  正極活物質
(45)  芯体
(46)  負極活物質
(47)  芯体
Ａ  塗工部
Ｂ１  非塗工部
Ｂ２  非塗工部
(５)  集電板
(９)  電極端子機構
【図１】
0003920549.tif 000004
【図２】
0003920549.tif 000005
【図３】
0003920549.tif 000006
【図４】
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【図５】
0003920549.tif 000008
【図６】
0003920549.tif 000009