(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板材料を用いて複数の正極積層面を連結片で連結して帯状に形成した正極板と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板材料を用いて複数の負極積層面を連結片で連結して帯状に形成した負極板とを、前記正極積層面と前記負極積層面とがセパレータを介して交互に積層されるように前記連結片で折り曲げて扁平に巻回した極板群が、封口ケースにガスケットを介してキャップケースを被せて形成される内部空間に収容されてなる扁平形電池において、
前記負極板の巻き始め側端部が最内周部分に配置され、該負極板の巻き始め側端部を包み込むように前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片が配置されて、前記負極板と前記正極板とが巻回されてなり、
前記負極板の巻き始め側端部を包み込む前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片の内面側に前記連結片の幅より広い絶縁性の樹脂テープが貼着されてなることを特徴とする扁平形電池。
【請求項２】
樹脂テープは、正極板の巻回方向の約１／２が連結片に粘着しない非粘着面に形成されてなる請求項１に記載の扁平形電池。
【請求項３】
正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板材料を用いて複数の正極積層面を連結片で連結して帯状に形成した正極板と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板材料を用いて複数の負極積層面を連結片で連結して帯状に形成した負極板とを、前記正極積層面と前記負極積層面とがセパレータを介して交互に積層されるように前記連結片で折り曲げて扁平に巻回した極板群が、封口ケースにガスケットを介してキャップケースを被せて形成される内部空間に収容されてなる扁平形電池において、
前記負極板の巻き始め側端部が最内周部分に配置され、該負極板の巻き始め側端部を包み込むように前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片が配置されて、前記負極板と前記正極板とが巻回されてなり、
前記負極板の巻き始め側端部を包み込む前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片と、これに対向する負極板の巻き始め側端部との間に介在するセパレータに、セパレータに存在する細孔を塞ぐ細孔封止処理が施されてなることを特徴とする扁平形電池。
【請求項４】
細孔封止処理は、セパレータの一部分の細孔に侵入して、細孔を塞ぐ塗剤を塗布する請求項３に記載の扁平形電池。
【請求項５】
細孔封止処理は、セパレータの一部分を熱溶融させて細孔を塞ぐ請求項３に記載の扁平形電池。
【請求項６】
細孔封止処理は、セパレータの一部分に樹脂テープを貼着する請求項３に記載の扁平形電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイン形電池及びその製造方法に関し、特に、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した巻回構造の極板群を用いて放電電流の増加を図ったコイン形電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コイン形電池は、図９に示すように、円盤状に形成された正極ペレット３２と負極ペレット３３とをセパレータ３４を介して対向配置した極板構造のものが一般的に採用されている。このコイン形電池は円形半殻体に形成された封口ケース３５内に正極ペレット３２と負極ペレット３３とをセパレータ３４を介して対向配置し、電解液を注入し、封口ケース３５の側周部にガスケット３６を配設し、この上にキャップケース３１を被せ、キャップケース３１の開口端を内側に折り曲げるカシメ加工により内部空間を密閉し、コイン形の外観を呈する電池に形成される。
【０００３】
上記のような正極ペレット３２と負極ペレット３３とを１：１で対面させた極板構造では、正極板と負極板とが対極する反応面積が小さいことなどの要因によって大きな放電容量を得ることはできなかった。大きな放電容量を得るには正極板と負極板との対向面積を増加させる必要があり、コイン形電池以外の比較的大型の電池では複数枚の正極板と負極板とをセパレータを介して積層した積層構造や、帯状の正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した巻回構造により、反応面積を拡大させて高率放電におけるエネルギー密度の向上を図った構造が広く用いられている。このような積層構造や巻回構造の極板を、コイン形の扁平なケース内に収容することができればコイン形電池の放電容量を増大化させることができる。コイン形のような扁平なケースに巻回構造の極板群を収容した電池は、本願出願人が特願２０００−２４１６７８号、特願２０００−２４１６７９号他として提案している。
【０００４】
この巻回構造の極板群は、図７に示すように、円形のケースにそれを収容するために、複数の正極積層面１７ａ〜１７ｅを連結片１９ａ〜１９ｄで連結した正極板７と、正極積層面１７ａ〜１７ｅより大きな面積に形成された複数の負極積層面１８ａ〜１８ｆを連結片２０ａ〜２０ｅで連結した負極板８とを、図８に模式的に示すように、セパレータ９を介して扁平に巻回して極板群１に形成している。この極板群１を用いることにより、小型扁平でありながら大きな放電電流を取り出すことができる電池として携帯電子機器等の小型化、高機能化に寄与できるものとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、正極板７と負極板８とを扁平に巻回すると、最も巻き始め側の折り曲げ位置となる正極板７の連結片１９ａ、負極板８の連結片２０ａでは小さい折り曲げ半径で１８０度に折り曲げられるため、極板の芯材である集電体に折損が生じる場合がある。特に、正極板７では集電体としてアルミニウム箔が用いられており、破断強度が低いため折損が生じやすくなる。
【０００６】
正極板７は、正極集電体の両面に正極活物質層が塗着されたものであり、これが連結片１９ａで小さい折り曲げ半径で１８０度に折り曲げられると、内側の正極活物質層は圧縮され、外側の正極活物質層は引き伸ばされるため、正極集電体にも引き伸ばす方向に力が作用して、破断強度が低いアルミニウム箔の正極集電体は破断する恐れがあった。
【０００７】
また、扁平形電池をリチウムイオン二次電池として構成した場合に、正極活物質としてコバルト酸リチウム等の遷移金属酸化物が、負極活物質としてリチウムイオンの吸蔵、放出が可能な黒鉛等の炭素材料が用いられる。このような正極活物質及び負極活物質を用いた二次電池では、充電時における黒鉛系材料の電位はリチウム析出が生じる電位とほぼ変わらないような低電位で使用されている。このため充放電サイクルの繰り返し等により負極活物質に劣化が生じた二次電池では、充電時に負極活物質に挿入されるリチウムイオンが電解液と不活性化反応を起こし、負極板８の表面にデンドライト状のリチウム金属が析出する現象が生じ、これに起因する内部短絡により二次電池の安全性及び寿命低下をまねくことが知られている。正極板と負極板とを円筒状に巻回した円筒形電池の場合に比して、本願発明の扁平形電池のように扁平に巻回して極板群を構成した場合に、上記リチウムデンドライトが充放電サイクルが少ない状態で発生することを発見された。
【０００８】
極板群が円筒状に巻回されている場合でも、扁平に巻回されている場合でも対向する極板の面積がほぼ等しい状態にあり、正極−負極間の容量はほぼ同一に保たれている。しかし、極板群を扁平に形成した場合には、負極板８の巻き始め側の端部は正極板７の巻き始め側の連結片１９ａに包み込まれるように対峙しており、前記端部に限定すると正極−負極間の容量バランスは正極側に大きく傾いている。このため、充電時に正極から離脱したリチウムイオンは負極の炭素材料の層間に吸蔵しきれず、過剰なリチウムイオンが負極表面上に析出するとの知見を得た。
【０００９】
本発明は扁平に巻回して極板群を構成した場合に生じる上記課題に鑑みて創案されたもので、巻回時の集電体に生じる破断及びリチウムデンドライトの発生を防止する構造を備えた扁平形電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願第１発明は、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板材料を用いて複数の正極積層面を連結片で連結して帯状に形成した正極板と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板材料を用いて複数の負極積層面を連結片で連結して帯状に形成した負極板とを、前記正極積層面と前記負極積層面とがセパレータを介して交互に積層されるように前記連結片で折り曲げて扁平に巻回した極板群が、封口ケースにガスケットを介してキャップケースを被せて形成される内部空間に収容されてなる扁平形電池において、前記負極板の巻き始め側端部が最内周部分に配置され、該負極板の巻き始め側端部を包み込むように前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片が配置されて、前記負極板と前記正極板とが巻回されてなり、前記負極板の巻き始め側端部を包み込む前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片の内面側に前記連結片の幅より広い絶縁性の樹脂テープが貼着されてなることを特徴とするものである。
【００１１】
上記第１発明によれば、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平に巻回すると、最も巻き始め側に位置する連結片は小さい折り曲げ半径で折り曲げられることになり、極板の芯材である集電体、特に正極板では集電体にアルミニウム箔を用いた場合に、折り曲げによる引っ張りにより集電体が折損する恐れがあるが、連結片を折り曲げる内面側に樹脂テープが貼着されているので、樹脂テープの厚さ分だけ折り曲げ半径が大きくなり、鋭角に折り曲げられることがなくなるので、正極板の集電体としてアルミニウム箔を用いた場合にも折り曲げによる集電体の折損が防止できる。また、正極板の巻き始め側の連結片は負極板の巻き始め端部を包み込むように配置されるので、端部に限定すれば、この端部は集電体の切断加工によって切断面が露出しているので正極−負極間の容量バランスは正極側に大きく傾き、充電時に正極から離脱したリチウムイオンが負極に吸蔵しきれず、過剰になったリチウム金属が負極表面上に析出する問題点があったが、正極板の連結片に樹脂テープが貼着されていることにより、正極から離脱するリチウムイオンを減少させることができ、対向する負極にリチウム金属が析出することが抑制される。また、たとえ析出があった場合にもテープで強固に絶縁できるので短絡が生じない。
【００１２】
上記構成において、樹脂テープは、正極板の巻回方向の約１／２が連結片に粘着しない非粘着面に形成することにより、正極活物質層に樹脂テープが粘着したことによって折り曲げ時に正極活物質層の移動を拘束することがなく、折り曲げ時に連結片内側の正極活物質層は圧縮されて瘤状にならず、集電体に引き延ばし方向の力が加わることが抑制される。
【００１３】
また、本願第２発明は、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板材料を用いて複数の正極積層面を連結片で連結して帯状に形成した正極板と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板材料を用いて複数の負極積層面を連結片で連結して帯状に形成した負極板とを、前記正極積層面と前記負極積層面とがセパレータを介して交互に積層されるように前記連結片で折り曲げて扁平に巻回した極板群が、封口ケースにガスケットを介してキャップケースを被せて形成される内部空間に収容されてなる扁平形電池において、前記負極板の巻き始め側端部が最内周部分に配置され、該負極板の巻き始め側端部を包み込むように前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片が配置されて、前記負極板と前記正極板とが巻回されてなり、前記負極板の巻き始め側端部を包み込む前記正極板の最も巻き始め側に位置する連結片と、これに対向する負極板の巻き始め側端部との間に介在するセパレータに、セパレータに存在する細孔を塞ぐ細孔封止処理が施されてなることを特徴とするものである。
【００１４】
上記第２発明によれば、正極板の巻き始め側の連結片は負極板の巻き始め端を包み込むように配置されるので、正極−負極間の容量バランスは正極側に大きく傾き、充電時に正極から離脱したリチウムイオンが負極に吸蔵しきれず、過剰になったリチウム金属が負極表面上に析出する問題点があったが、正極板の連結片に対向する部分のセパレータの細孔を塞ぐことにより、正極から離脱したリチウムイオンがセパレータを通過しないので、負極板の巻き始め端に吸蔵されるリチウムイオンが減少し、負極板にリチウム金属が析出することが抑制される。従って、リチウム金属の析出に起因する充放電サイクル寿命の低下や内部短絡の発生を改善することができる。
【００１５】
上記構成における細孔封止処理は、セパレータの一部分に細孔に侵入して、細孔を塞ぐ塗剤を塗布する処理、セパレータの一部分を熱溶融させて細孔を塞ぐ処理、セパレータの一部分に樹脂テープを貼着する処理のいずれかを適用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１７】
本実施形態に係るコイン形電池は、図１に示すように、円形半殻体に形成された封口ケース５内に極板群１０を収容し、極板群１０から引き出された正極リード２６をキャップケース４に、負極リード２７を封口ケース５にそれぞれ溶接し、封口ケース５内に電解液を注入し、封口ケース５の側周部に配設されたガスケット６上にキャップケース４を被せ、キャップケース４の開口端を内側に折り曲げるカシメ加工により内部空間を封止して構成されたものである。
【００１８】
前記極板群１０は、図２（ａ）に示すように、銅箔である負極集電体の両面に負極活物質層を形成した負極板材料を用いて、図２（ａ）に示すように、６枚の負極積層面２３ａ〜２３ｆを負極連結片２５ａ〜２５ｅで連結し、巻き終り端に負極リード２７が形成された負極板１２と、アルミニウム箔である正極集電体の両面に正極活物質層を形成した正極板材料を用いて、図２（ｂ）に示すように、負極積層面２３ａ〜２３ｆの面積より小さい面積に形成された５枚の正極積層面２２ａ〜２２ｅを正極連結片２４ａ〜２４ｄで連結し、巻き終り端に正極リード２６が形成された正極板１１とをセパレータを介して扁平に巻回して構成される。正極積層面２２ａ〜２２ｅと負極積層面２３ａ〜２３ｆとがセパレータを介して交互に積層されるように巻回するために、正極連結片２４ａ〜２４ｄ及び負極連結片２５ａ〜２５ｅは、図示するように巻き始め側から巻き終わり側に向けて幅が順次増加するように形成されている。また、負極板１２の巻き始め側と巻き終わり側とには小さい径の負極位置ずれ検出孔４３、４４が形成され、負極位置ずれ検出孔４３、４４が形成された負極積層面２３ａ、２３ｆに対面する正極板１１の正極積層面２２ａ、２２ｂ、２２ｅには大きい径の正極位置ずれ検出孔４１ａ、４１ｂ、４２が形成されており、巻回後に負極位置ずれ検出孔４３、４４と正極積層面２２ａ、２２ｂ、２２ｅの一致をＸ線検査することにより、扁平に巻回したときの巻きずれが検出できるようにしている。
【００１９】
図３は、上記正極板１１と負極板１２とをセパレータ１３を介して扁平に巻回した状態を模式図として示すもので、正極板１１の各正極連結片２４ａ〜２４ｄと負極板１２の各負極連結片２５ａ〜２５ｅとを折り曲げて巻回することにより、正極積層面２２ａ〜２２ｅと負極積層面２３ａ〜２３ｆとがセパレータ１３を介して交互に積層されている。このように正極板１１と負極板１２とを扁平に巻回したとき、正極板１１の巻き始め側に位置する正極連結片２４ａと、負極板１２の巻き始め側に位置する負極連結片２５ａとは、小さい曲げ半径で１８０度に折り曲げられることになる。前述したように正極板１１の正極集電体として用いられるアルミニウム箔は曲げ強度、引っ張り強度が低く、小さい曲げ半径で折り曲げられると、折り曲げの内側にある正極活物質層が圧縮され、その外側の正極集電体には引っ張り方向の力が加わって破断する恐れがあった。
【００２０】
この正極集電体の破断を防止し、加えてデンドライトの発生を抑制し、また絶縁性を高めるために、図２（ｂ）に示すように、正極板１１の巻き始め側の正極連結片２４ａには、これが折り曲げられたときに内側となる面に絶縁性樹脂により形成された樹脂テープ４５が貼着されている。樹脂テープ４５が貼着された正極連結片２４ａは、図４に示すように、負極板１２の巻き始め端を包み込むように折り曲げられるので小さい折り曲げ半径となり、鋭角に折り曲げられると、正極連結片２４ａの内側に存在する正極活物質層１１ｂは圧縮され、正極集電体１１ａであるアルミニウムに引き延ばし方向に力が作用するため、正極集電体１１ａが破断する恐れがある。しかし、内側に存在する正極活物質層１１ｂの表面に樹脂テープ４５が貼着されていることにより、樹脂テープ４５の厚さ分だけ正極連結片２４ａの折り曲げ半径が大きくなり、また、鋭角に折り曲げられることがなくなるので、正極集電体１１ａの破断を防止し、加えてデンドライトの発生を抑制し、また、絶縁性を高めることができる。
【００２１】
樹脂テープ４５の貼着は、正極板１１の長さ方向の約１／２に粘着面がない状態にすることが好ましく、貼着によって正極活物質層１１ｂを拘束することがなく、正極連結片２４ａの折り曲げ時に正極活物質層１１ｂが圧縮されて瘤状に膨らむことを規制しない。正極活物質層１１ｂが圧縮されて逃げ場がない状態では、正極集電体１２ａに引っ張り方向の力が及んで破断させることになるが、粘着面を少なくすることによって正極活物質層１１ｂの動きを規制することがない。樹脂テープ４５の粘着面を部分的に無くす方法は、樹脂テープ４５に部分的に粘着剤を塗布する方法でも可能であるが、図５に示すように、樹脂テープ４５をその一方端から粘着面側に折り返し、約１／２が粘着面どうしで粘着して粘着面を覆ってしまう方法が適している。
【００２２】
また、樹脂テープ４５は、その材質としてリチウムイオンの透過を阻害するイオン不透過性を有するもので、非水溶媒に対する化学的な安定性を有するものが望ましい。この樹脂テープ４５が正極連結片２４ａ上に貼着されていることによって、正極連結片２４ａから離脱するリチウムイオンを減少させることができる。負極板１２の巻き始め側の端部は正極連結片２４ａに包み込まれているため、容量バランスが正極側に大きく傾き、充電時に正極から離脱したリチウムイオンが負極に吸蔵しきれず、過剰なリチウムイオンがリチウム金属として負極表面上に析出し、リチウム金属の析出に起因する充放電サイクル特性及び安全性の低下が問題となるが、負極板１２の端部を包み込む正極連結片２４ａに樹脂テープ４５が貼着されていることにより、正極連結片２４ａから離脱するリチウムイオンを減少させ、対向する負極板１２にリチウム金属が析出することを抑制することができる。
【００２３】
上記リチウム金属の析出は、図６に示すように、セパレータ１３の負極板１２の巻き始め側の端部と正極板１１の正極連結片２４ａとの間に位置する部分４７に、細孔封止処理を施すことによっても抑制することができる。セパレータ１３は電解液を保持し、イオン導電性を阻害しないため充分な開孔面積を有するポリオレフィン系樹脂による微多孔膜が用いられているので、セパレータ１３の負極板１２の巻き始め側の端部と正極板１１の正極連結片２４ａとの間に位置する部分の細孔を閉じることにより、正極連結片２４ａから負極板の端部に移動するリチウムイオンを制限することができ、負極板１２上にリチウム金属が析出することを抑制することができる。
【００２４】
前記細孔封止処理は、セパレータ１３に侵入して、細孔を塞ぐ塗剤をセパレータ１３の負極板１２の巻き始め側の端部と正極板１１の正極連結片２４ａとの間に位置する部分４７に塗布する方法、セパレータ１３の負極板１２の巻き始め側の端部と正極板１１の正極連結片２４ａとの間に位置する部分４７を熱溶融させて細孔を塞ぐ方法、セパレータ１３の負極板１２の巻き始め側の端部と正極板１１の正極連結片２４ａとの間に位置する部分４７に樹脂テープを貼着する方法を適用することができる。但し、これらの細孔封止処理によって正極板１１の巻き始め側の正極連結片２４ａに破断が生じるのを防止する作用は期待できない。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、巻回構造の極板群を用いて扁平形状に二次電池を構成するとき、扁平に極板群を巻回すると巻き始め側の極板の折り曲げ部分に破断が生じる問題を、樹脂テープを貼着する簡単な手段で解決することができる。また、樹脂テープの貼着によりリチウムデンドライトの発生も抑制することができる。このリチウムデンドライトの発生はセパレータの細孔を樹脂テープの貼着や樹脂の塗布などの細孔封止処理によっても抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】扁平形電池の構成を示す断面図。
【図２】（ａ）は負極板、（ｂ）は正極板を示す展開図。
【図３】極板群の巻回状態を示す模式図。
【図４】樹脂テープの貼着状態を示す部分断面図。
【図５】樹脂テープの貼着方法を示す部分断面図。
【図６】セパレータに細孔封止処理を施した構成を示す部分断面図。
【図７】従来の（ａ）は負極板、（ｂ）は正極板を示す展開図。
【図８】従来の極板群の巻回状態を示す模式図。
【図９】従来のコイン形電池の断面図。
【符号の説明】
１０  極板群
１１  正極板
１２  負極板
１３  セパレータ
２２ａ〜２２ｅ  正極積層面
２３ａ〜２３ｆ  負極積層面
２４ａ〜２４ｄ  正極連結片
２５ａ〜２５ｅ  負極連結片
４５  樹脂テープ
【図１】
0004060576.tif 000002
【図２】
0004060576.tif 000003
【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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