(57)【要約】【課題】異常高温時に巻回電極体と封口板との間に配置された絶縁スペーサに起因する短絡故障を抑制すると共に、注液時間が長くなりすぎないようにした角形密閉電池を提供すること。【解決手段】本発明の角形密閉電池１０は、正極タブ１１と負極タブ１２とが導出された偏平状の巻回電極体１３を備えた角形密閉電池に１０おいて、封口板１７と前記巻回電極体との間に配置される絶縁スペーサ１５と、を備え、前記絶縁スペーサ１５は、少なくとも２つの開口を備えており、前記開口の１つは前記絶縁スペーサの長辺中心に対して片側に配置されて正極タブ１１及び負極タブ１２のうちの一方が通されており、残りの開口は前記絶縁スペーサの長辺中心に対するもう片側に配置され、前記残りの開口側の絶縁スペーサの端から長辺方向に１／４部分を短辺方向に２Ｎで引っ張ったとき、伸び率が２５％以下である、ことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を備える有底角形の外装缶と、
前記開口部を封口する封口板と、
正極タブを備える正極極板及び負極タブを備える負極極板がセパレータを介して巻回され、前記正極タブ及び負極タブが前記封口板の方向に導出するように前記外装缶に収納された偏平状の巻回電極体と、
前記封口板と前記巻回電極体との間に配置される絶縁スペーサと、
を備える角形密閉電池であって、
前記絶縁スペーサは、
少なくとも２つの開口を備えており、
前記開口の１つは前記絶縁スペーサの長辺中心に対して片側に配置されて前記正極タブ及び負極タブのうちの一方が通されており、
残りの開口は前記絶縁スペーサの長辺中心に対するもう片側に配置され、他方のタブの折り曲げ部が前記残りの開口の上及び封口板の間に形成されており、前記残りの開口側の絶縁スペーサの端から長辺方向に１／４部分を短辺方向に２Ｎで引っ張ったとき、伸び率が２５％以下である、
ことを特徴とする角形密閉電池。
【請求項２】
前記絶縁スペーサはポリプロピレン製であり、厚みが０．５ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の角形密閉電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一方向に正極タブと負極タブとが導出された偏平状の巻回電極体を備えた角形密閉電池に関する。更に詳しくは、本発明は、特に同一方向に正極タブと負極タブとが導出された偏平状の巻回電極体を備えた角形密閉電池において、異常高温時に巻回電極体と封口板との間に配置された絶縁スペーサに起因する短絡故障を抑制すると共に、注液時間が長くなりすぎないようにした角形密閉電池に関する。
【０００２】
今日の携帯電話機、携帯型パーソナルコンピュータ、携帯型音楽プレイヤー等の携帯型電子機器の駆動電源として、高エネルギー密度を有し、高容量であるリチウムイオン二次電池に代表される密閉電池としての非水電解質二次電池が広く利用されている。中でも、負極活物質として黒鉛粒子を用いた非水電解質二次電池は、安全性が高く、かつ、高容量であるために広く用いられている。
【０００３】
この種の密閉電池が使用される機器においては、電池を収容するスペースが角形（偏平な箱形）であることが多いことから、電極体を角形外装缶に収容して形成した角形の密閉電池が多く使用されている。このような角形の密閉電池の概略的構成を図３及び図４を用いて説明する。
【０００４】
なお、図３Ａは従来から作製されている角形の密閉電池としての非水電解質二次電池の内部構造を示す平面図であり、図３Ｂは図３ＡのIIIB−IIIB線に沿った概略断面図である。図４は絶縁スペーサの平面図である。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおいては偏平状の巻回電極体は概略的に示されている。
【０００５】
この非水電解質二次電池１０は、正極タブ１１を有する正極板と負極タブ１２を有する負極板とがセパレータを介して巻回された偏平状の巻回電極体１３を有し、この偏平状の巻回電極体１３が角形の電池外装缶１４内に収容されている。偏平状の巻回電極体１３の上部には、絶縁性材料からなる絶縁スペーサ１５が配置され、更に角形の電池外装缶１４の開口部は、内面に絶縁板１６が形成されている封口板１７が嵌合され、角形の電池外装缶１４と封口板１７との嵌合部が例えばレーザ溶接により溶接され、密閉されている。
【０００６】
この巻回電極体１３からは、正極タブ１１及び負極タブ１２が同一方向（図３Ａ及び図３Ｂにおいて上方向）に突出され、負極タブ１２は絶縁スペーサ１５に形成されたスリット状の開口１８（図４参照）内を通され、絶縁板１６上の負極集電タブ（図示省略）に接続され、負極集電タブは負極端子１９に電気的に接続されている。また、正極タブ１１は、絶縁スペーサ１５と電池外装缶１４との間を通され、絶縁スペーサ１５及び絶縁板１６との間で折り曲げ部１１'（図３Ｂ参照）が形成され、端部が電池外装缶１４と封口板１７との間に挟まれて電池外装缶１４及び封口板１７と一体に溶接されている。なお、正極タブ１１の折り曲げ部１１'は、非水電解質二次電池１０に衝撃が加わった場合、電極体１３が電池外装缶１４内部で動いたとしても、正極タブ１１にかかる衝撃を吸収するために形成されるものである。
【０００７】
この非水電解質二次電池１０の絶縁スペーサ１５は、ポリプロピレンやポリエチレン等の結晶性樹脂やその他樹脂・ゴム等で作製されており、通常は電池外装缶１４の内面に沿うように偏平状に形成されるが、筒状に形成したり、リブを形成したりする場合もある（下記特許文献１及び２参照）。この絶縁スペーサ１５は、巻回電極体１３を押し下げて上にずれるのを防止するため、及び、正極タブ１１と巻回電極体１３との間の電気的絶縁のために形成される。なお、絶縁スペーサ１５の負極タブ１２が通されるスリット状の開口１８の反対側の開口（図４参照）は非水電解液を注液する際に巻回電極体１３内に非水電解液が浸透する時間が短くなうようにするための注液性促進用として形成されるものである。なお、正極タブ１１及び負極タブ１２が逆に配置される場合もある。
【特許文献１】特開平１１−  ２５９９３号公報
【特許文献２】特開２００６−  ８００６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のような角形密閉電池としての非水電解質二次電池１０は、過充電状態のような異常な状態で電池が異常な方法で使用された場合、希に異常な高温状態となり、絶縁スペーサ１５が軟化して、絶縁スペーサ１５のスリット状の開口１８及び２０の幅が広がってしまうことがある。このような熱変形した絶縁スペーサの平面図を図５に示す。このように、絶縁スペーサ１５が熱変形すると、スリット状の開口２０を介して絶縁スペーサ１５上に配置されている正極タブ１１と偏平状の巻回電極体１３とが短絡を起こし、非水電解質二次電池１０が燃焼することがある。
【０００９】
上述のような問題点は、絶縁スペーサ１５に形成されている注液性促進用の開口２０の存在によるものであるので、この注液性促進用の開口２０を無くせば、上述のような問題点を生じないようにできるが、非水電解液の注液時間が長くなりすぎるために実用的ではない。
【００１０】
本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏平状の巻回電極体を備えた角形密閉電池において、絶縁スペーサの構成を変えることにより、異常高温時に巻回電極体と封口板との間に配置された絶縁スペーサに起因する短絡故障を抑制すると共に、注液時間が長くなりすぎないようにした角形密閉電池を提供することにある。
【００１１】
なお、上記特許文献２には、巻回電極体と封口板との間に配置する絶縁スペーサとして引っ張り強度が大きい材料からなるものを使用することにより、衝撃を受けた際の電池の短絡を防止し、電池の安全性を向上させることが示されているが、電池が高温に曝された際の影響を示唆する記載はない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の角形密閉電池は、
開口部を備える有底角形の外装缶と、
前記開口部を封口する封口板と、
正極タブを備える正極極板及び負極タブを備える負極極板がセパレータを介して巻回され、前記正極タブ及び負極タブが前記封口板の方向に導出するように前記外装缶に収納された偏平状の巻回電極体と、
前記封口板と前記巻回電極体との間に配置される絶縁スペーサと、
を備える角形密閉電池であって、
前記絶縁スペーサは、
少なくとも２つの開口を備えており、
前記開口の１つは前記絶縁スペーサの長辺中心に対して片側に配置されて前記正極タブ及び負極タブのうちの一方が通されており、
残りの開口は前記絶縁スペーサの長辺中心に対するもう片側に配置され、他方のタブの折り曲げ部が前記残りの開口の上及び封口板の間に形成されており、前記残りの開口側の絶縁スペーサの端から長辺方向に１／４部分を短辺方向に２Ｎで引っ張ったとき、伸び率が２５％以下である、
ことを特徴とする。
【００１３】
電池は、過充電状態のような異常な状態で電池が異常な方法で使用された場合等、稀に異常な高温状態となることがある。本発明の角形密閉電池によれば、使用時に異常な高温となることがあっても、絶縁スペーサは伸び率が小さいものが使用されているので、絶縁スペーサに形成された開口の幅が大きく広がることがなくなり、この絶縁スペーサに起因する短絡故障を抑制することができ、安全性の高い角形密閉電池が得られる。加えて、残りの開口は、前記絶縁スペーサの端から長辺方向に１／４部分を短辺方向に２Ｎで引っ張ったとき、伸び率が２５％以下とされているので、必ずしも残りの開口の大きさを極限まで小さくしなくても済むため、電解液の注液時間が長くなりすぎることがなくなる。なお、前記伸び率が２５％を超えると、角形密閉電池が異常な高温となった場合の絶縁スペーサの開口の幅が広くなるので、偏平状の巻回電極体と前記一方の電極タブとの間の短絡故障が起こりやすくなるので、好ましくない。
【００１４】
そして、絶縁スペーサと封口板の間に折り曲げ部が形成されているので、電池に衝撃が加わった場合に電極体が外装缶内部で移動しても、正極タブに直接衝撃が伝わらず、正極タブの破断を防止することができる。また、前記正極タブ及び負極タブのうちの他方の端部が前記封口板及び電池外装缶の間に一体に溶接されているので、溶接部の機械的強度が大きくなる。
【００１５】
また、本発明の角形密閉電池においては、前記絶縁スペーサはポリプロピレン製であり、厚みが０．５ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましい。
【００１６】
ポリプロピレンは、従来から角形密閉電池の絶縁スペーサとして安価で加工性に優れ、汎用的に使用されているものであるが、厚みが０．５ｍｍ〜２ｍｍであると、絶縁スペーサの端から長辺方向に１／４部分を短辺方向に２Ｎで引っ張ったとき、伸び率が２５％以下とすることができる。厚みが０．５ｍｍ未満であると伸び率が２５％を超えてしまうので好ましくなく、また、厚みが２ｍｍ以上であると伸び率は２５％以下ではあるが、厚すぎるので電池容量の低下に繋がるので好ましくない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本願発明を実施するための最良の形態を各種実施例、比較例及び図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための角形密閉電池としての非水電解質二次電池の例を示すものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。
【００１８】
なお、図１Ａ〜図１Ｆは比較例１〜３及び実施例１〜３で使用したそれぞれの絶縁スペーサ平面図である。図２は絶縁スペーサの引っ張り試験を行う方法の説明図である。
【００１９】
最初に、実施例及び比較例に共通する偏平状の巻回電極体及び角形密閉電池としての非水電解質二次電池の製造方法について説明する。
［正極の作製］
正極板は次のようにして作製した。まず、正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）粉末と、正極導電剤としてのアセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）粉末とを、正極活物質：アセチレンブラック：ＰＶｄＦ＝９４：３：３の質量比でＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に投入、混練してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム箔製の正極集電体の両面にドクターブレード法により塗布した後、乾燥させて、正極集電体の両面に正極活物質層を形成した。その後、圧縮ローラを用いて圧縮し、正極を作製した。そして、この正極集電体の露出部に略コ字状の切り込みを入れて正極タブとなる部分を成形した。
【００２０】
［負極の作製］
負極活物質としての黒鉛粉末と、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）（スチレン：ブタジエン＝１：１）のディスパージョンを水に分散させ、更に、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を添加して負極活物質合剤スラリーを調製した。なお、この負極活物質合剤スラリーの乾燥質量比は、黒鉛：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝９５：３：２となるように調製した。この負極活物質合剤スラリーを厚みが８μｍの銅箔製の負極集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、乾燥した後、圧縮ローラで圧縮して負極を作製した。そして、この負極集電体の露出部にニッケル金属製の負極タブを溶接した。
【００２１】
［電解質の作製］
エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）からなる混合溶媒（体積比でＥＣ：ＥＭＣ：ＤＥＣ＝３０：５０：２０）にＬｉＰＦ６を１モル／リットル溶解して有機電解液を調製した。
【００２２】
［巻き取り電極体の作製］
上記の正極及び負極を用い、正極タブ１１及び負極タブ１２が同一方向に導出されるようにして、両電極間にセパレータを介在させて円筒状に巻回し、その後押し潰すことにより偏平状の巻回電極体とした。
【００２３】
［絶縁スペーサの作製］
比較例１〜３及び実施例１の絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆとして、何れも短辺寸法：４．５ｍｍ、長さ３３ｍｍ、厚さ１ｍｍポリプロピレン性の絶縁スペーサを用いた。それぞれの絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆの形状を図１にしめした。
【００２４】
図１Ａに示した比較例１の絶縁スペーサ１５ａは、図２Ａに示したように、負極タブ側の開口１８及び注液性促進用の開口２０ａともに幅１ｍｍ×長さ１５ｍｍのスリット状に形成されているものを使用した。この注液性促進用の開口２０ａの面積は１５ｍｍ２となっている。この比較例１で採用した絶縁スペーサ１５ａは、近年多く採用されている形状のものである。そして、比較例２、３及び実施例１〜３の絶縁スペーサ１５ｂ〜１５ｆでは、負極タブ側のスリットの開口１８は全て同じ寸法のものが採用されている。また、図１Ｂに示した比較例２の絶縁スペーサ１５ｂでは、注液性促進用の開口２０ｂが２つに分けて設けられている。この開孔２０ｂの１つの大きさは、幅１ｍｍ×長さ７ｍｍであり、注液性促進用の開口２０ｂの総面積は１４ｍｍ２となっている。また、図１Ｆに示した比較例３の絶縁スペーサ１５ｆは注液性促進用の開口を備えていない。
【００２５】
更に、図１Ｃに示した実施例１の絶縁スペーサ１５ｃは、注液性促進用の開口２０ｃが４つに分けて設けられている。この開孔２０ｃの１つの大きさは、幅１ｍｍ×長さ３ｍｍであり、注液性促進用の開口２０ｃの総面積は１２ｍｍ２となっている。また、図１Ｄに示した実施例２の絶縁スペーサ１５ｄは、注液性促進用の開口２０ｄが８つに分けて設けられている。この開孔２０ｃの１つの大きさは、１ｍｍ×１ｍｍの正方形であり、注液性促進用の開口２０ｄの総面積は８ｍｍ２となっている。更に、図１Ｅに示した実施例３の絶縁スペーサ１５ｅは、注液性促進用の開口２０ｅが４つに分けて設けられているが、大きさは実施例２のものと同じ１ｍｍ×１ｍｍの正方形であり、数は実施例１のものと同じ４個となっており、注液性促進用の開口２０ｅの総面積は４ｍｍ２となっている。
【００２６】
［絶縁スペーサの伸び試験］
このようにして作製された比較例１〜３及び実施例１〜３の絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆについて、それぞれ注液性促進用の開口２０ａ〜２０ｅ側（比較例３については注液性促進用の開口が形成されていない側）において、端部から１／４の部分を引っ張り試験機に固定し、短辺方向に２Ｎの力を加えた際の伸び率を測定した。結果をそれぞれの注液促進用開口の面積と共に、まとめて表１に示した。
【００２７】
［密閉電池の作製］
上述のようにして作製された比較例１〜３及び実施例１〜３の絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆと偏平状の巻回電極体１３を用いて、以下のようにして比較例１〜３及び実施例１〜３の角形密閉電池としての非水電解質二次電池を作製した。まず、負極タブ１１をそれぞれの絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆの負極タブ側の開口１８に通し、封口板１７の負極集電タブに溶接し、負極端子１９に電気的に接続した。その後、正極集電体の露出部に成形した正極タブ１１をそれぞれの絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆの外側に沿って伸ばすと共にそれぞれの絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆの上部側に所定長さの弛みを持たせて配置し、巻回電極体１３及びそれぞれの絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆを電池外装缶１４内に挿入し、次いで封口板１７を電池外装缶１４の開口部に嵌合させた。
【００２８】
このとき、正極タブ１１は、封口板１７とそれぞれの絶縁スペーサ１５ａ〜１５ｆとの間に折り曲げられて折り曲げ部１１'が形成された状態となると共に、端部が封口板１７と電池外装缶１４の間に挟まれた状態で外部に飛び出している。飛び出している正極タブ１１を切断後、封口板１７と電池外装缶１４との間をレーザ溶接した。このとき、正極タブ１１の端部は封口板１７及び電池外装缶１４と一体に溶接される。次いで、封口板１７に形成されている電解液注液口（図示せず）から、上述のようにして調製された所定量の非水電解液を注液し、その後注液口を封止して図１に示したものと同様の構成の比較例１〜３及び実施例１〜３の角形密閉電池としての非水電解質二次電池を作製した。作製されたそれぞれの非水電解質二次電池は、厚さ５ｍｍ×幅３４ｍｍ×高さ４３ｍｍであり、公称容量は９００ｍＡｈである。
【００２９】
［過充電試験］
上述のようにして作製された比較例１〜３及び実施例１〜３の非水電解質二次電池のそれぞれについて、各１０個ずつ、６０℃の雰囲気下で、１Ｉｔ＝９００ｍＡの定電流で充電を継続して過充電状態となっても充電を継続した。そして、３時間後、過充電状態の各電池について、発煙ないし燃焼したものの個数を調べた。結果をまとめて表１に示した。
【００３０】
［注液性試験］
非水電解液の注液性は、上述のようにして作製された比較例１〜３及び実施例１〜３の非水電解質二次電池のそれぞれに３０個ずつについて、電解液注液口に非水電解液が注入された微小ピペットを挿入し、電池内圧を−０．８ＭＰａに減圧してから２．３ｇの非水電解液を注液し終えるまでの時間を測定した。結果をまとめて表１に示した。なお、表１における注液時間のカッコ外の数値は平均値を示し、カッコ内の数値はバラツキ範囲を示す。
【００３１】
【表１】
2009224094.tif 000003
【００３２】
表１に示した結果から以下のことが分かる。すなわち、過充電試験の結果によると、絶縁スペーサの注液性促進用開口総面積が１２ｍｍ２以下であると、伸び率が２５％以下になり、過充電試験で発煙ないし燃焼した電池の数が「０」になっている。また、絶縁スペーサの注液性促進用開口総面積が４ｍｍ２以上であると、注液時間が１５分以下と実用範囲に入る。しかし、絶縁スペーサの注液性促進用開口がない比較例３の電池では、過充電試験では良好な結果が得られているが、注液時間が平均２３．８分と非常に長くなっている。従って、過充電試験結果及び注液性の両者について良好な結果が得られるのは、実施例１〜３の絶縁スペーサの注液性促進用開口総面積が４ｍｍ２〜１２ｍｍ２の範囲であることが分かる。この絶縁スペーサの注液性の測定結果から上述した伸び率試験の結果を対照すると、伸び率は２５％以下が好ましいことが分かる。
【００３３】
なお、上記比較例１〜３及び実施例１〜３では、絶縁スペーサとして厚さ１ｍｍのポリプロピレン製のものを用いた例を示したが、より厚いものでも使用し得る。このようにより厚い絶縁スペーサを使用すると、注液性促進用開口総面積は変わらないため、注液時間はあまり変化せず、しかも伸び率は小さくなるのでより良好な結果が得られる。しかしながら、絶縁スペーサの厚さが厚くなるとその分だけ角形密閉電池の有効容積が減少して電池容量の低下に繋がるので、絶縁スペーサの厚さは２ｍｍ以下とすることが好ましい。また絶縁スペーサ材料として、ポリプロピレンに限らず、ポリエチレンなどの結晶性樹脂やその他の樹脂・ゴム等も用いることが可能である。これらの材料は非水電解液に耐性を持つものが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１Ａ〜図１Ｆは比較例１〜３及び実施例１〜３で使用したそれぞれの絶縁スペーサ平面図である。
【図２】絶縁スペーサの引っ張り試験を行う方法の説明図である。
【図３】図３Ａは従来から作製されている角形の密閉電池としての非水電解質二次電池の内部構造を示す平面図であり、図３Ｂは図３ＡのIIIB−IIIB線に沿った概略断面図である。
【図４】絶縁スペーサの平面図である。
【図５】熱変形した絶縁スペーサの平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：非水電解質二次電池  １１：正極タブ  １１'：（正極タブの）折り曲げ部  １２：負極タブ  １３：巻回電極体  １４：電池外装缶  １５、１５ａ〜１５ｆ：絶縁スペーサ  １６：絶縁板  １７：封口板  １８、２０、２０ａ〜２０ｅ：開口  １９：負極端子  
【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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