(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有し電解液を保持するセパレータに挟まれた第１の活物質層と第１の集電体とを備えた第１の電極の端部は第１の集電端子に接続され、電解液を保持する接着層に挟まれた第２の活物質層と第２の集電体とを備えた第２の電極の端部は第２の集電端子に接続され、前記第１の電極と前記第２の電極とを長円状に巻き込み、前記第１の電極を挟むセパレータと前記第２の電極とを、前記第２の電極を挟む接着層を介して一体化する電池であって、
前記第１の電極、あるいは第２の電極を前記長円状に巻き込む中心部には、前記第１の電極の第１の集電端子と、この第１の電極の第１の集電端子に半周遅れた位置に前記第２の電極の第２の集電端子とが配置されており、前記巻き込む中心部の前記第２の電極の端部は前記第２の活物質層と前記接着層とが形成されていない前記第２の集電体が露出した部位を有し、この露出した部位が前記長円状に巻き込まれたときの折曲部を構成することを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は渦巻型構造を持つ電池の構造に関するもので、特に正極もしくは負極を接着する渦巻き型電池の生産性と安全性とエネルギー密度を向上させるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年における携帯用電子機器の小型、薄型化のために、この電子機器の電源として用いる電池、特に繰り返し充電可能な二次電池に対しての小型、薄型化性能向上が求められてきている。電子機器をより長時間駆動する事ができ、軽量で持ち運びが容易でかつ高容量な電池としてリチウムイオン二次電池が注目されている。そこで本発明ではリチウムイオン電池を例として説明する。
【０００３】
負極、セパレータ、正極からなる電極体の構造は、ボビン型、積層型、渦巻き型が知られているが、パソコンや携帯電話等の一般の携帯機器には高パルス放電が必要であり一般的に渦巻き型の電極体構造が用いられる。
【０００４】
渦巻き型構造の電極体は通常円筒型がよく使用されるが、薄型化のためには偏平状に巻き取るか、もしくはプレスして平板化する必要がある。このとき、形状維持のためには、テープ等を巻いて固定し外装缶に封入するか、電極を接着することで電極形状を維持させる必要がある。例えば特開平１０−３０２８４３号公報に後者の構造の例が開示されている。後者は頑丈な外装缶に封入しなくても形状が維持されるというメリットを持つ。また、電極とセパレータを接着することで短絡時の安全性も増すというメリットも持つ。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
渦巻状電極体を作製する場合には、渦巻状に巻くための巻芯が必要であり、電極の一部分を巻芯に巻きつけたり挟みつけて巻状電極体を作成するが、接着しながら渦巻状に電極を巻くと、電極に塗布された接着剤が巻芯に接着剤が付着してしまうために、巻芯が汚れるだけでなく、巻芯に接着剤が付着して電極に接着剤未塗布部が生じたり、巻芯に付着した接着剤が他の部位に付着してしまうという問題が生じる。また、固まった接着剤が電極体内部に混入することで電極間に内部空間が生じたりセパレータを貫通して電極が短絡する原因となる恐れも考えられる。例えば図９に示すように正極集電端子１と正極活物質層３が近接している場合、接着剤１０は正極集電端子１上にも塗布されてしまう。そのため、接着剤を塗布した正極を巻芯に接触しないように図９のように配置すると負極の余剰分Fが生じる。
【０００６】
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、安全性および生産性が高く、高エネルギー密度が得られる電池を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる第１の電池は、絶縁性を有し電解液を保持するセパレータに挟まれた第１の活物質層と第１の集電体とを備えた第１の電極の端部は第１の集電端子に接続され、電解液を保持する接着層に挟まれた第２の活物質層と第２の集電体とを備えた第２の電極の端部は第２の集電端子に接続され、前記第１の電極と前記第２の電極とを巻き込み、前記第１の電極を挟むセパレータと前記第２の電極とを、前記第２の電極を挟む接着層を介して一体化する電池であって、前記第１の電極、あるいは第２の電極を巻き込む中心部には、前記第１の電極の第１の集電端子と、この第１の電極の第１の集電端子に半周遅れた位置に前記第２の電極の第２の集電端子とが配置されており、前記巻き込む中心部の前記第２の電極の端部は前記第２の集電体の露出した部位を有し、この露出した部位が折曲部を構成したものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態１における電池の正極の展開図、図２は図１のX−X'断面図、図３は正極の展開図であり図１の裏面を示す。図４は電池の負極の展開図、図５は図４のY−Y'断面図、図６は負極の展開図であり図４の裏面を示す。図において、１は正極集電端子、２は正極集電体、３は正極活物質層、４は負極集電端子、５は負極集電体、６は負極活物質層、７は例えば高分子多孔膜よりなるセパレータ、８は保護テープである。また、図１に示す正極において正極が巻芯と接触する部分に接着剤未塗布部分Ａを設ける。図３に示す裏面では直接巻芯とは接触しないので、接着剤未塗布Ｂは設けても設けなくてもよい。図４乃至図６に示す負極における活物質層の未塗工部分Ｃ乃至Ｅは、電極を巻いて渦巻状電極体にした場合に対向する正極活物質が存在しないため設けている。すなわち活物質層の未塗工部分Ｃ、Ｄは巻き芯に面するため、活物質層の未塗工部分Ｅは渦巻状電極体の最外層に当たるため、対向する正極が存在しない。また、この例ではあらかじめ負極の両面にセパレータ７を接着している。
【０００９】
図７、および図８は上記作成した正極と負極を巻き込んで形成した電池の断面図であり、図において、９は巻芯、１０は接着剤、１１は折曲部である。この電池では、まず、対向する１対の巻芯９でセパレータ付き負極の活物質層の未塗工部分Ｃ及びＤを挟んで巻芯９を一回折り曲げる。次に、図７に示すように、接着剤１０を両面の正極活物質層３に塗布した正極を負極間に挿入し巻き込んでいく。このとき巻芯に接触する正極には接着剤未塗布部分ＡおよびＢを設ける。最外層には負極の活物質層の未塗工部分Ｅが配置されている。その後、巻芯９を抜き取りプレスして密着させ、図８に示すような渦巻状電極体が得られる。このように電池を製造することにより、折曲部１１には接着層は形成されない。ただし、図８では接着剤層、セパレータは記載していない。図８の渦巻状電極体は中心部にセパレータ７つきの負極集電体５すなわち負極を連続して２層有し、負極の先端から半周遅れた位置に正極集電体２の先端が位置し、この外周に正極集電体２と負極集電体５すなわち正極と負極がセパレータを介して順次巻き込まれている構造となっている。また、最外層の集電体５の外側には活物質層が形成されていない。
【００１０】
本実施の形態によれば、セパレータ付き負極を巻芯９で挟み一回折り曲げられた後に、捲芯に接触する部分に接着剤１０を塗布していない正極が挿入されて巻き込まれた構造であるので、接着剤１０塗布面が巻芯９に触れず巻芯９に接着剤１０が付着しにくく、巻芯９が汚れて巻芯９に付着した接着剤１０が他の部分に付着したり、電極に接着剤１０の未塗工部が生じたり、固まった接着剤１０が電極体内部に混入して電極間に内部空間が生じたりセパレータ７を貫通して電極が短絡するなどの不都合を防止でき、信頼性の高い電池が生産性良く得られる。また、正極集電端子１を図７の位置に配置する事で正極活物質３と負極活物質６はほぼ同じ対向面積を得ることが出来、活物質の無駄が無い構造となったことでエネルギー密度を向上させることができる。
【００１１】
また、対向する正極が無く電池反応が期待できない電極（本実施の形態では負極）の巻芯９に面する部分Ａ、Ｂや電極（本実施の形態では負極）の最外層の外側は、活物質層を形成しないことで体積エネルギー密度を向上させることができる。
【００１２】
また、正極および負極の少なくとも一方（本実施の形態では負極）にセパレータを予め接着しておくことにより巻き込みの作業性が向上する。
【００１３】
なお、本実施の形態では負極を第１の電極とし、セパレータ７を予め接着し、正極を第２の電極として、２つの電極を巻き込み、中心部の折曲部に接着層を設けない例を示したが、正極を第１の電極、負極を第２の電極としてもよい。
【００１４】
【実施例】
上記のような電池の構造を形成するための具体的な実施例について説明する。
（正極の作製）
ＬｉＣｏ０２からなる正極活物質９１重量部と、導電剤としての人造黒鉛６重量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶｄＦと略す）３重量部をＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）に分散することにより調整した正極活物質ペーストを、正極集電体となる厚み２０μｍのＡｌ箔上に塗布し、正極活物質膜を形成した後乾燥した。更に裏面にも正極活物質ペーストを塗工し乾燥して、Ａｌ箔の両面に正極活物質膜を成形した後、プレスして厚さ１６０μｍの正極を作成した。上記作製した正極を、電極寸法４６ｍｍ×２５８ｍｍに切断し、集電端子を溶接するためと、接着剤未塗布部を設けるために、正極活物質ペーストの未塗工部を電極端部に４６ｍｍ×１５ｍｍ設けた。片面の正極活物質膜の厚みは７０μｍとした。正極のＡｌ箔の未塗工部分の端部にはリードとしての厚み０．１ｍｍ、幅３ｍｍのＡｌ集電端子を超音波溶接により取り付け、図１乃至図３に示すような正極を作製した。
【００１５】
（負極の作製）
メソフェーズカーボンマイクロビーズからなる負極活物質９０重量部とＰＶｄＦ１０重量部をＮＭＰに分散することにより調整した負極活物質ペーストを、負極集電体となる厚さ１０μｍのＣｕ箔の一方に図４〜６のようにパターン塗工し、負極活物質の塗工部と未塗工部を持つ負極活物質膜を形成したあと乾燥した。更に、裏面にも負極活物質ペーストをパターン塗工して乾燥し、Ｃｕ箔の両面に負極活物質膜を形成した後、プレスして負極を作成した。
次に、作製した負極を電極寸法４８ｍｍ×３４０ｍｍに切断した。未塗工部Ｃ及びＤは４８ｍｍ×２９ｍｍ、未塗工部Ｅは４８ｍ×６４ｍｍ、片面の負極活物質膜の厚さは７５μｍとした。未塗工部Ｃ及びＤは巻芯９と同じ幅で、未塗工部Ｅは巻き終えた電極体の最外周の長さである。なお、未塗工部Ｃ乃至Ｅは形成しなくてもかまわないが、電極活物質の有効利用のため形成したほうが望ましい。
次に、負極集電体であるＣｕ箔の未塗工部分Ｃの端部にリードとして厚み０．１ｍｍ、幅３ｍｍの表面をＮｉメッキしたＣｕ集電端子を超音波溶接により取り付けた。
なお、集電端子の取り付け位置は図４乃至図６の位置に限らず、例えば未塗工部Ｅ位置に取り付けてもかまわない。また、集電端子は表面をＮｉメッキしたＣｕに限らずＣｕ、Ｎｉ等の導電性金属でもよい。
【００１６】
（セパレータ付負極の作製）
セパレータとして厚さ２５μｍ、幅４８ｍｍの多孔性ポリエチレンシートを使用し、２枚のセパレータの片面ずつに接着剤を塗布した。接着剤としてはＰＶｄＦを溶解させ、酸化アルミニウム粉末を分散させたＮＭＰ溶液を用いた。この接着剤による接着層は電解液を注液した場合に電解液を保持し、イオン伝導性を有する接着層を形成する。その後、接着剤が乾燥する前に上記作製した負極の両面に密着させ、張り合わせた後乾燥することで図４乃至図６に示すようなセパレータ付負極を作製した。
なお、ここでは電極を切断してからセパレータを接着しているが、セパレータを電極に接着してから切断しても良い。
なお、接着剤は一例であり、ＰＶｄＦに限らず、例えばポリビニルアルコールやポリビニルブチラート、ポリメタクリル酸メチル等の高分子でもよい。
また、酸化アルミニウム粉末は接着層が多孔体になりやすいように添加しており、微粉末であれば黒鉛やシリカゲル等でも良いし、必ずしも添加しなくてもよい。また、溶剤もＮＭＰに限らない。
【００１７】
（渦巻状電極体の作製）
上記のように作製したセパレータ付負極の活物質未塗工部Ｃ及びＤを図７のように対向する２枚の巻芯で挟み、巻芯を半回転させて負極を固定する。接着剤として、ＰＶｄＦを溶解させ、酸化アルミニウムを分散させたＤＭＦ溶液を用いた。この接着剤による接着層は電解液を注液した場合に電解液を保持し、イオン伝導性を有する接着層を形成する。この接着剤を図１の正極のＡ，Ｂの部分以外の両面に塗布して、捲芯に巻き付けた負極の間に挿入し、接着剤を塗布した正極を巻き込みながら長円状に捲き、巻き終わりをテープで止めた。接着剤は図１の正極のＡ，Ｂの部分には塗布せず、巻芯に接着剤が付着する事を防いだ。次に、巻芯を抜き取り、接着剤が乾燥する前に、所定の圧力でプレスする事で仮成形する。その後、所定の圧力で加重をかけながら真空乾燥を行って図８ような接着平板状渦巻電極体を作製した。
このように電極やセパレータの巻芯に接触する部分には接着剤を塗布しないことにより、接着剤塗布面が巻芯に触れないようにすることで量産性の向上とエネルギー密度を向上する事が出来る。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る電池は、絶縁性を有し電解液を保持するセパレータに挟まれた第１の活物質層と第１の集電体とを備えた第１の電極の端部は第１の集電端子に接続され、電解液を保持する接着層に挟まれた第２の活物質層と第２の集電体とを備えた第２の電極の端部は第２の集電端子に接続され、前記第１の電極と前記第２の電極とを巻き込み、前記第１の電極を挟むセパレータと前記第２の電極とを、前記第２の電極を挟む接着層を介して一体化する電池であって、前記第１の電極、あるいは第２の電極を巻き込む中心部には、前記第１の電極の第１の集電端子と、この第１の電極の第１の集電端子に半周遅れた位置に前記第２の電極の第２の集電端子とが配置されており、前記巻き込む中心部の前記第２の電極の端部は前記第２の集電体の露出した部位を有し、この露出した部位が折曲部を構成する構造としたので、巻芯に接着剤が付着するのを防止して電池の生産性及び信頼性、エネルギー密度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１による電池の正極の展開図である。
【図２】  本発明の実施の形態１による電池の正極の展開図のX−X'断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態１による電池の正極の展開図であり、図１の裏面を示す。
【図４】  本発明の実施の形態１による電池の負極の展開図である。
【図５】  本発明の実施の形態１による電池の負極の展開図のY−Y'断面図である。
【図６】  本発明の実施の形態１による電池の負極の展開図であり、図４の裏面を示す。
【図７】  本発明の実施の形態１による電池の構造を説明する断面図である。
【図８】  本発明の実施の形態１による電池の構造を説明する断面図である。
【図９】  従来の渦巻状電極体の構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
１  正極集電端子、２  正極集電体、３  正極活物質層、４  負極集電端子、５負極集電体、６  負極活物質層、７  セパレータ、8  保護テープ、９  巻芯、１０  接着剤、１１  折曲部
【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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