【手続補正書】
【提出日】平成20年1月22日(2008.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】              明細書
【発明の名称】          非水電解質二次電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】  正極板および負極板は集電体と合剤層とからなり、正極板とセパレータと負極板とセパレータとが順に重なり合った電極群であって、これらを２５回以上巻回された巻回型の発電要素を備え、正極合剤層の厚みが０．１０５ｍｍ以上、０．１２５ｍｍ以下、負極合剤層の厚みが０．０６５ｍｍ以上、０．０８５ｍｍ以下、正極板とセパレータと負極板とセパレータとの合計厚みが０．２８ｍｍ以下、負極合剤層の厚みに対する正極合剤層の厚みの比が１．２４以上、１．９２以下の範囲にあることを特徴とする非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力が要求される用途に適した非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非水電解質二次電池に用いる長円筒形の巻回型の発電要素１の構造を図２に示す。この発電要素１は、帯状の正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５とが順に重なり合った電極群６を長円筒形に巻回したものである。正極板２は、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム等の正極活物質を含む正極合剤を帯状の集電体に担持させたものであり、負極板４は、グラファイト等の負極活物質を含む負極合剤を帯状の集電体に担持させたものである。また、セパレータ３，５は、微多孔フィルムセパレータ等を用いる。
【０００３】
上記非水電解質二次電池は、高容量密度が得られる二次電池であるために、比較的低出力の電源を長時間にわたって供給し続けることが要求される携帯電話機等の携帯用電子機器の電源として広く利用されるだけでなく、電気自動車の電源としても利用できるように開発が盛んに進められている。そして、従来の非水電解質二次電池は、正極板２や負極板４の集電体に活物質を含む合剤を厚く担持させて、この集電体に対する合剤の割合をできるだけ多くすることによって、より一層の高容量密度化を図るようにしていたので、正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５からなる電極群６の厚さは、０．４ｍｍ前後を超え、発電要素１の巻回数も十数回程度の少ないものとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばハイブリット電気自動車で用いる二次電池は、高容量密度であることに加えて、高出力を有することが要求される。しかしながら、高出力を得るには、正極板２と負極板４との極間距離を狭くすると共に、対抗面積もできるだけ広くする必要がある。このため、高容量密度化だけを図った従来の非水電解質二次電池をそのまま使用したのでは、十分な高率放電特性や大きな出力特性を得ることができないという問題があった。しかも、この従来の非水電解質二次電池は、電極群６が厚いために、発電要素１に釘等が刺さると、正極板２と負極板４との間に非常に大きな短絡電流が流れるので、ジュール熱の発生が局所的に激しくなり、電池の熱逸走が誘発され易いという問題もあった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、発電要素の電極群の厚さを０．３ｍｍ以下にすると共に、この電極群の巻回数や積層数も２５回や２５組以上とすることにより、高出力化を図り安全性も高い非水電解質二次電池を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の非水電解質二次電池は、正極板および負極板は集電体と合剤層とからなり、正極板とセパレータと負極板とセパレータとが順に重なり合った電極群であって、これらを２５回以上巻回された巻回型の発電要素を備え、正極合剤層の厚みが０．１０５ｍｍ以上、０．１２５ｍｍ以下、負極合剤層の厚みが０．０６５ｍｍ以上、０．０８５ｍｍ以下、正極板とセパレータと負極板とセパレータとの合計厚みが０．２８ｍｍ以下、負極合剤層の厚みに対する正極合剤層の厚みの比が１．２４以上、１．９２以下の範囲にあることを特徴とする。
【０００７】
請求項１の発明によれば、電極群の厚さが０．２８ｍｍ以下であるために、電極間の極間距離を十分に狭くすることができ、また、この電極群を２５回以上巻回するために、電極の対抗面積も十分に広くすることができるので、高出力を得ることができるようになる。しかも、負極合剤層の厚み（Ｎ）に対する正極合剤層の厚み（Ｐ）の比（Ｐ／Ｎ比）を１．２４以上、１．９２以下とすることにより、両極の容量バランスを図り、両極活物質の利用率を高め、高容量でエネルギー密度の大きい電池を得ることができる。なお、両極の容量バランスは、合剤層中の活物質含有量にもよるが、電池においては、単位体積あるいは単位重量当りのエネルギー密度を大きくするために、合剤層中の活物質含有量を可能な限り大きくするものであり、非水電解質二次電池においては、正極及び負極とも合剤層中の活物質含有量は９０ｗｔ％以上のものを使用する。さらに、電極群の厚さが薄いために、発電要素に釘等が刺さった場合にも、各電極間に流れる短絡電流が比較的小さくなり、また、電極群の巻回回数が多いために、このような短絡電流によるジュール熱の発生個所も分散されるので、電池の安全性を高めることができる。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池に用いられる長円筒形の巻回型の発電要素の構造を示す平面図である。
【００１２】
本実施形態は、図２に示したものと同様に、非水電解質二次電池に用いる長円筒形の巻回型の発電要素１について説明する。この発電要素１は、帯状の正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５とが順に重なり合った電極群６を長円筒形に巻回したものである。正極板２は、正極活物質に導電補助剤と結着剤とを添加した正極合剤を帯状の集電体に担持させたものである。正極活物質には、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム等のリチウム化合物が用いられる。導電補助剤は、正極活物質合剤の導電性を高めるための添加剤であり、カーボンブラック等が用いられる。結着剤は、正極活物質合剤のバインダであり、ポリフッ化ビニリデン等のように非水電解質に溶解し難いものが用いられる。集電体には、厚さが約０．０２ｍｍのアルミニウム箔等が用いられる。そして、このように正極活物質に導電補助剤と結着剤とを添加した正極合剤は、溶剤を加えることによりペースト状にして、集電体の両面に塗布し乾燥させることにより担持される。この際、正極合剤は、正極板２の厚さが０．１５ｍｍ以下となるような厚さに塗布する。
【００１３】
負極板４は、負極活物質に結着剤を添加した負極合剤を帯状の集電体に担持させたものである。負極活物質には、カーボンブラック等の炭素材料が用いられるので、導電補助剤は不要となる。結着剤は、正極活物質合剤に用いたものと同様に、ポリフッ化ビニリデン等のように非水電解質に溶解し難いものが用いられる。集電体には、厚さが約０．０１ｍｍの銅箔等が用いられる。そして、このように負極活物質に結着剤を添加した負極合剤は、溶剤を加えることによりペースト状にして、この集電体の両面に塗布し乾燥させることにより担持される。この際、負極合剤も、負極板４の厚さが０．１１ｍｍ以下となるような厚さに塗布する。
【００１４】
セパレータ３，５は、微多孔フィルム等のシート状のものでもよいし、正極板２や負極板４の表面に直接形成した膜であってもよい。ただし、このセパレータ３，５の厚さは、０．０３ｍｍ以下のものを用いる。
【００１５】
巻回型の電極群６においては、正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５との合計厚みを単位厚みとすると、フリーな状態での単位厚みをＡｍｍ、巻回数をＢ回とした場合、巻き芯部分を除いた電極部分の合計厚みの計算値はＸｍｍ（＝Ａｍｍ×Ｂ）となるが、実際には巻回時に必ず弛みが生じるため、実測値をＹｍｍとすると、１．０＜Ｙ／Ｘ＜１．０８となる。また、巻回型電極群が電池缶内に収納されるためには、巻き芯部分の直径をＣｍｍとし、電池缶の内寸をＺｍｍとした場合、０．９０＜（２Ｙ＋Ｃ）／Ｚ＜０．９９が成り立つ必要がある。
【００１６】
上記正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５とを順に重ね合わせた電極群６は、その厚さが０．３ｍｍ以下とする。そして、この電極群６を長円筒形に２５回以上巻回することにより、図１に示すような発電要素１が形成される。この図１では、正極板２の厚さを０．１３ｍｍ（合剤層０．１１ｍｍ、集電体０．０２ｍｍ）、負極の厚さを０．０８ｍｍ（合剤層０．０７ｍｍ、集電体０．０１ｍｍ）、セバレータの厚さを０．０３ｍｍとした電極群６を用い、この電極群６が３０回巻回された例を示す。また、最外周の電極群６を拡大して、この電極群６を構成する正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５の厚さが０．２８ｍｍとなっていることを示している。なお、この発電要素１の巻回始端や巻回終端では、例えば負極板４とセパレータ３，５やこれらのセパレータ３，５だけがさらに余分に巻回されていてもよい。
【００１７】
上記構成の発電要素１は、長円筒形の電池容器に収納され、非水電解質が充填されて密閉されることにより非水電解質二次電池となる。非水電解質は、リチウム塩を有機溶媒で溶解したものが用いられる。
【００１８】
上記構成の非水電解質二次電池によれば、０．３ｍｍ以下の薄い電極群６で正極板２と負極板４とがセパレータ３，５を介して重なり合うので、これら正極板２の合剤と負極板４の合剤との極間距離を全体に狭くすることができる。また、これら正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５とからなる電極群６が２５回以上巻回されるので、正極板２と負極板４の対抗面積を広げることができる。従って、この非水電解質二次電池は、本来の特徴である高容量密度を有すると共に、十分な高率放電特性や大きな出力特性を得ることができるようになる。しかも、本発明の非水電解質二次電池においては、負極合剤層の厚み（Ｎ）に対する正極合剤層の厚み（Ｐ）の比（Ｐ／Ｎ比）を１．２以上、２．０以下としているため、両極の容量バランスが最適値に近く、両極活物質の利用率が高くなり、高容量でエネルギー密度の大きい電池を得ることができる。さらに、この発電要素１に釘が刺さったとしても、正極板２の正極活物質合剤や負極板４の負極活物質合剤が薄いために、正極板２と負極板４の間に流れる短絡電流が比較的小さくなり、また、この電極群６の巻回回数が多いので、短絡によるジュール熱の発生個所が各巻回層に分散されるので、局所的に異常な高温になって電池が熱逸走を起こすようなおそれがなくなり、電池の安全性を向上させることができる。
【００１９】
なお、本実施形態では、長円筒形に巻回した発電要素１について説明したが、円筒形等の他の形状に巻回した発電要素１にも同様に実施することができる。また、本実施形態では、巻回型の発電要素１について説明したが、積層型の発電要素１であっても同様に実施することができる。ただし、巻回型の場合には、電極群６が巻回中心を挟んでそれぞれ２５層以上ずつにわたって重なり合うことになるので、積層型の場合には、この電極群６を５０組以上積層する必要がある。
【００２０】
【実施例】
［実施例１］
正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を使用した。正極は、ＬｉＣｏＯ２９０ｗｔ％と、導電剤としてのアセチレンブラック５ｗｔ％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）５ｗｔ％とを混合して正極合剤とし、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に分散させることによりペーストを製造し、この正極ペーストを厚さ０．０２ｍｍのアルミニウム集電体に均一に塗布して、１００℃で乾燥してＮＭＰを蒸発させた後、ロールプレスで圧縮成型することにより作製した。正極の大きさは、幅７７ｍｍ、長さ３７７０ｍｍとし、正極合剤層の厚さは０．１２ｍｍとした。
【００２１】
負極活物質としてグラファイトを使用した。負極は、グラファイト９３ｗｔ％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）７ｗｔ％とを混合して負極合剤とし、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に分散させることによりペーストを製造し、この負極ペーストを厚さ０．０１ｍｍの銅箔に均一に塗布して、１００℃で乾燥してＮＭＰを蒸発させた後、ロールプレスで圧縮成型することにより作製した。負極の大きさは、幅７７ｍｍ、長さ３９００ｍｍとし、負極合剤層の厚さは０．０７ｍｍとした。
【００２２】
セパレータとしては、幅８０ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍ程度の微多孔性ポリエチレンフィルムを用いた。
【００２３】
そして、正極リード端子と負極リード端子がともに巻き始め部となるようにし、正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５とをこの順序で交互に重なり合うようにして厚さが０．２８ｍｍの電極群６とした。この電極群６をポリエチレンの長方形状の巻芯を中心とし、その周囲に長円筒形に３０回巻回し、高さ８０ｍｍ×幅５５．８ｍｍ×厚さ２３．６ｍｍの大きさの巻回型の発電要素１とした。
【００２４】
この発電要素１を、高さ９５ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ２６ｍｍのステンレスケース中に挿入して、長円筒形電池を組み立てた。そして、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比率１：１で混合し、１ｍｏｌ／ｌのＬｉＰＦ６を加えた電解液を注液した。その後電池を密閉して、公称容量３．５Ａｈの、本発明の非水電解質二次電池を製作し、これを電池Ａとした。
【００２５】
［比較例１］
正極合剤層の厚みを０．１９ｍｍ、負極合剤層の厚みを０．１１ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、比較例の非水電解質二次電池を製作し、これを電池Ｂとした。なお、電池Ｂにおいては、正極板２とセパレータ３と負極板４とセパレータ５とから構成される電極群６の厚さは０．３９ｍｍであり、この電極群６を１９回巻回した発電要素１を使用した。
【００２６】
そして、本発明の電池Ａおよび比較例の電池Ｂを完全充電した後、釘刺し試験を行なった結果、比較例の電池Ｂは、釘刺しの直後に開路電圧が０Ｖまで低下し、２５秒後に安全弁から電解液が噴出すると共に、電池容器の表面温度が３９０°Ｃまで上昇した。これに対して本発明の電池Ａは、釘刺しから開路電圧が０Ｖになるまでに３２分間を要し、電池容器の表面温度も最大が１０９°Ｃであり、電解液の噴出も生じなかった。これにより、実施例の非水電解質二次電池の安全性が高いことが確認された。
【００２７】
［実施例と比較例］
負極合剤層の厚み（Ｎ）に対する正極合剤層の厚み（Ｐ）の比が異なる以外は実施例１と同様にして、公称容量３．５Ａｈの６種の非水電解質電池を各５個作製した。次にこれらの電池を、充電１Ｃ定電流、４．１Ｖ定電圧で合計５時間、放電１Ｃ定電流、終止電圧２．７５Ｖという条件で１５０サイクルの充放電を行った。各セルのＰ／Ｎ比、初期容量（Ａｈ）および放電容量保持率（％）を表１に示した。なお表１において、初期容量および放電容量保持率は各セルの５セルの平均値とし、「放電容量保持率」は、初期放電容量に対する１５０サイクル目の放電容量の比率とした。
【表１】
2002231312.tif 000001
【００２８】
表１から明らかなように、負極合剤層の厚み（Ｎ）に対する正極合剤層の厚み（Ｐ）の比（Ｐ／Ｎ比）が１．２〜２．０の範囲にある電池記号Ｃ２〜Ｃ５（実施例）では、良好な寿命特性を示したのに対し、Ｐ／Ｎ比が本発明の範囲からはずれた電池記号Ｃ１およびＣ６（比較例）の寿命特性はＣ２〜Ｃ５に比べて悪かった。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の非水電解質二次電池によれば、電極群が薄く、この電極群の巻回回数も多いので、優れた高率放電特性や出力特性を得ることができるようになり、電池の安全性を高めることもできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池に用いられる長円筒形の巻回型の発電要素の構造を示す平面図である。
【図２】
非水電解質二次電池に用いられる長円筒形の巻回型の発電要素の構造を示す分解斜視である。
【符号の説明】
１  発電要素
２  正極板
３  セパレータ
４  負極板
５  セパレータ
６  電極群