JP2001229970A

JP2001229970A - 円筒形リチウムイオン電池

Info

Publication number: JP2001229970A
Application number: JP2000037470A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Iguchi; 智博井口; Koji Higashimoto; 晃二東本; Kenji Hara; 賢二原; Katsunori Suzuki; 克典鈴木
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】捲回時にセパレータ、正極板、負極板の位置合
わせが容易であり、巻ずれや短絡が起こりにくい円筒形
リチウムイオン電池を提供する。【解決手段】ポリエチレン製のセパレータ24を２枚重ね
た後にその先端部分を溶着して一体化する。そして、軸
芯21の異なる場所に前記一体化したセパレータ24の２組
の先端部分を溶着して接合する。そして、正極板22及び
負極板23の間のセパレータを２枚とした状態で捲回して
捲回群6を作製し、該捲回群6を用いて円筒形リチウムイ
オン電池を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円筒形リチウムイ
オン電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン電池は高エネルギー密度
であるメリットを活かして、主にＶＴＲカメラやノート
型パソコン、携帯電話などのポータブル機器に使用され
ている。近年は電気自動車用や電力貯蔵用を目的とす
る、大形のリチウムイオン電池の研究開発が活発に行わ
れている。特に、自動車産業界においては環境問題に対
応すべく、動力源としてモータを用いる方式の電気自動
車や、動力源として内燃機関とモータの両方を用いるハ
イブリッド方式の電気自動車の開発が進められており、
その一部はすでに実用化されている。

【０００３】しかしながら、これらに使用する大形のリ
チウムイオン電池は、高容量、高出力であるとともに、
安全性が強く要求されている。従来の円筒形リチウムイ
オン電池において、高容量化が強く要求されるため、正
極板及び負極板間のセパレータは１枚であった。しかし
ながら、１枚のセパレータでは、正極板と負極板とが短
絡を起こす場合が認められた。すなわち、円筒形リチウ
ムイオン電池の作製時において、正極板とセパレータと
の間又は負極板とセパレータとの間に異物が混入する
と、それが突起物となり、捲回時にセパレータを突き破
り正極板と負極板との間で短絡を起こす場合が認められ
た。また、円筒形リチウムイオン電池の使用時におい
て、セパレータにあらかじめ形成されているピンホール
から短絡を起こす場合も認められた。

【０００４】これらの問題点を解決するために、セパレ
ータの厚みを厚くするという方法が検討されている。し
かしながら、セパレータを厚くした場合には、異物の混
入による短絡は防止できるものの、あらかじめ形成され
ているピンホールによる短絡を抑えることはできない。

【０００５】そこで、セパレータを複数枚重ねにするこ
とによりピンホールの短絡を抑える手法が検討されてい
る。しかしながら、この方法を用いると、セパレータ、
正極板、負極板の位置合わせが難しくなることや、また
捲回時には巻ずれを起こしやすいため、生産効率が落ち
るという問題点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、セパ
レータ、正極板、負極板の位置合わせが容易であり、捲
回時に巻ずれや短絡が起こりにくい円筒形リチウムイオ
ン電池を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、上記した課題を
解決するために、第一の発明は、正極板、負極板をセパ
レータを介して軸芯のまわりに捲回して捲回群を作成
し、該捲回群を円筒形電池容器に収納した円筒形リチウ
ムイオン電池において、前記捲回群は、前記正極板と前
記負極板との間に２枚重ねをしたセパレータを２組用
い、該セパレータのそれぞれの先端部分は溶着により一
体化されており、該一体化された先端部分のそれぞれは
前記軸芯の異なる位置に接合されていることを特徴とし
ている。

【０００８】第二の発明は、前記セパレータの一体化さ
れた先端部分は、前記軸芯に溶着により接合されている
ことを特徴とし、第三の発明は、前記セパレータの一体
化された先端部分は、前記軸芯に粘着テープにより接合
されていることを特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】１．正極板の作製正極用活物質であるマンガン酸リチウム（LiMn₂O₄）粉
末と、導電剤として鱗片状黒鉛（平均粒径：20μｍ）
と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを、質量比が
90：4.5：5.5で混合し、この混合物に分散溶媒としてＮ
−メチル−２−ピロリドンを添加した後、混練してスラ
リを作成する。このスラリを厚み20μｍのアルミニウム
箔（正極集電体）の両面に塗布して正極合剤層とした。
スラリの塗布の際には、アルミニウム箔の長寸方向に対
して、側縁の一方に幅50mmの未塗布部分を残した。その
後、乾燥、プレス、裁断して幅300mm、長さが5500mmの
正極板を得た。なお、正極合剤層の厚さ（ただし、集電
体の厚さは含まない）を260μｍ、集電体片面あたりの
正極活物質塗布量を344g/m²とした。

【００１０】上記した、正極板に形成した幅50mmの未塗
布部の一部を除去し、矩形状の部分を形成して集電用の
リード片9として用いた。なお、リード片9の幅を約10m
m、隣り合うリード片9の間隔を約20mmにした。

【００１１】２．負極板の作製負極用活物質として、非晶質炭素であるカーボトロンＰ
（商品名：呉羽化学工業株式会社製）87.6質量部に、導
電助剤として気相成長炭素繊維（商品名：ＶＧＣＦ、昭
和電工（株）社製、以下ＶＧＣＦと略す）を4.8質量
部、結着剤として7.6質量部のポリフッ化ビニリデンを
添加し、これに分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン
を添加後、混練してスラリを作成する。このスラリを、
厚みが10μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両面に塗布し
た。スラリの塗布の際には、銅箔の長寸方向に対して、
側縁の一方に幅50mmの未塗布部を残した。その後乾燥、
プレス、裁断して幅305mm、所定長さの負極板を得た。
負極合剤層の厚さ（集電体厚さは含まない。）を167μ
ｍ、長さを5680mm、集電体片面あたりの負極活物質塗布
量を81.8g/m²とした負極板を作製した。負極合剤層のか
さ密度は0.98g/cm³とした。

【００１２】上記した、負極板に形成した幅50mmの未塗
布部に切り欠きを入れて、その一部を除去し、矩形状の
部分を形成して集電用のリード片9として用いた。な
お、リード片9の幅を約10mm、隣り合うリード片9の間隔
を約20mmにした。

【００１３】なお、正極板と負極板の幅方向において
も、正極用活物質の塗布部と負極用活物質の塗布部と対
向に位置ズレが起きないように、負極用活物質の塗布部
の幅は、正極用活物質の塗布部の幅よりも大きくした。

【００１４】３．電池の作製上記した正極板と負極板を、後述する作成方法で厚みが
40μｍのポリエチレン製セパレータを挟んだ状態で捲回
して捲回群6を作成する。正極板のリード片9と負極板の
リード片9が、それぞれ捲回群6の反対側に位置するよう
に捲回した。捲回時に正極板、負極板又はセパレ−タを
適当な長さで切断することにより、前記捲回群6の直径
を65±0.1mmとした。

【００１５】図１に示すように、正極板から導出されて
いるリード片9は、集めて束にした状態で折り曲げて変
形させた後、正極外部端子1aに形成した鍔部7に接触さ
せる。そして、リード片9と鍔部7とを、超音波溶接装置
を用いて溶接して電気的に接続する。なお、負極板につ
いても同様に、リード片9と負極外部端子1bに形成した
鍔部7とを超音波溶接して電気的に接続した。

【００１６】その後、正極外部端子1aの鍔部7、負極外
部端子1bの鍔部7及び捲回群6の外周面全体を絶縁被覆8
で覆う。この絶縁被覆8として、片面にヘキサメタアク
リレートからなる粘着剤を塗布したポリイミド製の粘着
テープを用いた。捲回群6の外周部分が絶縁被覆8で覆わ
れ、ステンレス製の電池容器5の内径よりも僅かに小さ
くなるように前記粘着テープの巻き数を調整した後、前
記捲回群6を電池容器5内に挿入する。なお、電池容器5
は、外形が67mm、内径が66mmの円筒形状をしたものであ
る。

【００１７】次に、電池蓋4の外側の面と当接する部分
の厚さが2mm、内径が16mm、外径が25mmの第２のセラミ
ックワッシャ3bを、正極外部端子1a及び負極外部端子1b
のそれぞれの先端に嵌め込む。そして、第１のセラミッ
クワッシャ3aを電池蓋4に載置し、正極外部端子1a、負
極外部端子1bのそれぞれを第１のセラミックワッシャ3a
に通す。

【００１８】その後、円盤状をした電池蓋4の周端面を
電池容器5の開口部に嵌合し、電池蓋4と電池容器5の接
触部分の全域をレ−ザ溶接する。このとき正極外部端子
1a、負極外部端子1bは、電池蓋4の中心にある穴を貫通
して外部に突出している。そして、厚みが2mm、内径が1
6mm、外径が28mm平板状の第１のセラミックワッシャ3
a、ナット2底面よりも平滑な金属ワッシャ11を、この順
に正極外部端子1a、負極外部端子1bのそれぞれ嵌め込
む。電池蓋4には、電池の内部圧力の上昇に応じて開裂
する開裂弁10が設けられており、その開裂圧力は13〜18
kg/cm²とした。なお、上記したように本電池には、電池
内部の圧力上昇に応じて作動する電流遮断機構は設けら
れていない。

【００１９】金属製のナット2を、正極外部端子1a、負
極外部端子1bにそれぞれ螺着し、第２のセラミックワッ
シャ3b、第１のセラミックワッシャ3aを介して電池蓋4
を鍔部7とナット2の間で締め付けて固定する。この時の
締め付けトルク値は、6.86N・mである。電池蓋4の裏面と
鍔部7の間に介在させたゴム製（ＥＰＤＭ製）のＯリン
グ12を締め付け時に圧縮することにより、電池容器内部
の発電要素等は外気から遮断される。

【００２０】電池蓋4に設けた注液口13から、所定量の
電解液を電池容器5内に注入した後、注液口13を封止す
ることにより円筒形リチウムイオン電池が完成する。電
解液は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネー
ト、ジエチルカ−ボネ−トを体積比が１：１：１で混合
した後、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１mol
/l溶解した有機電解液を用いた。

【００２１】４．充放電サイクル試験作製した円筒形リチウムイオン電池は、25℃にて、以下
の条件で初期の充放電試験をして初期の放電容量を測定
する。充電条件：4.2V（定電圧充電）、90A（制限電流）、3.5
h、25℃ 放電条件：30A（定電流放電）、終止電圧2.7V、25℃ 初期の放電容量を測定した円筒形リチウムイオン電池の
一部は、25℃にて、上記した条件で充放電サイクル試験
をし、200サイクル目の放電容量を測定した。また、200
サイクル充放電をした後、満充電状態で放置することに
より微少な短絡発生の状況についても測定した。

【００２２】５．放置試験初期の放電試験をした円筒形リチウムイオン電池の一部
は、50℃、満充電状態にて４週間放置した後、25℃にて
30A（定電流放電）、終止電圧2.7Vまで放電する。そし
て、以下の条件で充放電試験をして放電容量を測定し
た。充電条件：4.2V（定電圧充電）、90A（制限電流）、3.5
h、25℃ 放電条件：30A（定電流放電）、終止電圧2.7V、25℃

【００２３】

【実施例】以下に本発明を実施した結果を詳細に説明す
る。（比較例１）図３に示すように、前記ポリエチレン製の
セパレータ24を折った状態で使用した。そして、軸芯21
にこのセパレータ24の先端部分を接触させ、正極板22及
び負極板23の間のセパレータ24を１枚とした状態で捲回
して捲回群6を作製した。その他の円筒形リチウムイオ
ン電池の作製条件や試験条件は上記したものである。（比較例２）図４に示すように、前記ポリエチレン製の
セパレータ24を２枚重ねた状態で使用した。そして、軸
芯21にこのセパレータ24の先端部分を接触させ、正極板
22及び負極板23の間のセパレータ24を１枚とした状態で
捲回して捲回群6を作製した。その他の円筒形リチウム
イオン電池の作製条件や試験条件は上記したものであ
る。なお、従来はこの手法で捲回群を作製していた。（比較例３）図５に示すように、前記ポリエチレン製の
セパレータ24を４枚重ねた状態で使用した。そして、軸
芯21にこのセパレータ24の先端部分を接触させ、正極板
22及び負極板23の間のセパレータ24を２枚とした状態で
捲回して捲回群6を作製した。その他の円筒形リチウム
イオン電池の作製条件や試験条件は上記したものであ
る。（実施例１）前記ポリエチレン製のセパレータ24を２枚
重ねた後に、その先端を溶着して一体化したものを２組
用いる。そして、図１に示すように、軸芯21の２ヶ所に
前記一体化したそれぞれのセパレータ24の先端部分を溶
着して接合した後、正極板22及び負極板23を挿入した状
態で捲回して捲回群6を作製した。その他の円筒形リチ
ウムイオン電池の作製条件や試験条件は上記したもので
ある。（実施例２）前記ポリエチレン製のセパレータ24を２枚
重ねた後に、その先端を溶着して一体化したものを２組
用いる。そして、図２に示すように、軸芯21の２ヶ所に
前記一体化したそれぞれのセパレータ24の先端部分を粘
着テープ27で接合した後、正極板22及び負極板23を挿入
した状態で捲回して捲回群6を作製した。その他の円筒
形リチウムイオン電池の作製条件や試験条件は上記した
ものである。

【００２４】表１に上記した条件で試験した結果を示
す。表１より、比較例１のセパレータ24を折り込んだも
のよりも、比較例２、３のセパレータ24を２枚重ねた方
が、捲回時の巻きずれが少なくなっている。しかしなが
ら、詳細に比較すると比較例３は比較例２に比べて、捲
回時の巻きずれの発生率がやや高くなっており好ましく
ない。

【００２５】また、比較例２のセパレータ24を２枚重ね
たものよりも、比較例３のセパレータ24を４枚重ねたも
のの方が200サイクル充放電後及び４週間放置後におけ
る短絡の発生が少ない。これらの理由は、それぞれのセ
パレータ24のピンホールの位置が異なっており、２枚重
ねることにより微少な短絡が起こりにくくなっているた
めと考えられる。

【００２６】本発明を用いた実施例１、２は、比較例１
〜３に比べて、セパレータ24、正極板22、負極板23の捲
回時における位置合わせが容易であるとともに、捲回時
の巻きずれや短絡率が少なく、きわめて優れている。ま
た、本発明を用いると200サイクル充放電後及び４週間
放置後における短絡の発生を大幅に抑えることができる
とともに放電容量が高い。この理由は、２枚重ねたセパ
レータ24のそれぞれを軸芯21の異なる位置に接合して作
製したため、捲回時の巻きずれが少なくなったこと及
び、セパレータ24を２枚重ねて用いることによって、そ
れぞれのセパレータ24が有するピンホールの位置がずれ
てくるため、正極板22と負極板23との間の微少な短絡が
起こりにくくなったためと考えられる。

【００２７】

【表１】

【００２８】また本実施例では、大形の円筒形リチウム
イオン電池の例を示したが、有底筒状の電池容器を用
い、上蓋をかしめによって封口する比較的小形のリチウ
ムイオン電池でも同様の良好な結果が得られた。

【００２９】また本実施例では、片面にヘキサメタアク
リレートからなる粘着剤を塗布したポリイミド製の粘着
テープを絶縁被覆8に用いたが、これに制限されるもの
ではない。すなわち、ポリプロピレンやポリエチレン等
のポリオレフィンの片面又は両面にヘキサメタアクリレ
ートやブチルアクリレート等のアクリル系粘着剤を塗布
した粘着テープや、粘着剤を塗布しないポリオレフィン
やポリイミドからなるテープなども同様に使用できる。

【００３０】本実施例では、正極活物質としてマンガン
酸リチウムを用いた例を示したが、リチウム・コバルト
複合酸化物やリチウム・ニッケル複合酸化物なども使用
できる。また、負極用活物質として、天然黒鉛、人造黒
鉛、コークスなどの炭素質材料等も使用でき、それらの
粒子形状においても特に制限されるものではない。

【００３１】本実施例では結着剤としてポリフッ化ブニ
リデンを使用したが、テフロン、ポリエチレン、ポリス
チレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、
スチレン・ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロ
ース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アク
リロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ
化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体やこれら
の混合物も使用できる。

【００３２】電解質としては、本実施例以外でもLiCl
O₄、LiAsF₆、LiBF₄、LiB(C₆H₅)₄、CH₃SO₃Li、CF₃SO₃Li
等やこれらの混合物を用いることができる。なお、有機
溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカー
ボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエ
タン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,3
−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエ
チルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセト
ニトリル、プロピオニトニル、または、これらの２種類
以上の混合溶媒も用いられる。

【００３３】

【発明の効果】本発明を用いた円筒形リチウムイオン電
池は、セパレータ、正極板、負極板の位置合わせが容易
であり、捲回時に巻ずれを起こりにくくできる。さら
に、捲回時や200サイクル充放電後及び４週間放置後に
おける短絡の発生を大幅に抑えることができるととも
に、200サイクル後や４週間放置後における放電容量を
高くすることができ優れたものである。

【００３４】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の捲回開始時における概略図である。

【図２】実施例２の捲回開始時における概略図である。

【図３】比較例１の捲回開始時における概略図である。

【図４】比較例２の捲回開始時における概略図である。

【図５】比較例３の捲回開始時における概略図である。

【図６】電気自動車用の円筒形リチウムイオン電池の断
面図である。

【符号の説明】

1a：正極外部端子、１ｂ：負極外部端子、２：ナッ
ト、３ａ：第１のセラミックワッシャ、３ｂ：第２の
セラミックワッシャ、４：電池蓋、５：電池容器、
６：捲回群、７：鍔部、９：リード片、１０：開裂
弁、１１：金属ワッシャ、１２：Oリング、１３：注
液口、２０：円筒形リチウムイオン電池、２１：軸
芯、２２：正極板、２３：負極板、２４：セパレー
タ、２５：溶着部、２６：接着部、２７：粘着テー
プ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木克典東京都中央区日本橋本町２丁目８番７号新神戸電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H029 AJ14 AK03 AL06 AM03 AM05 AM07 BJ02 BJ14 CJ05 CJ07 HJ12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極板、負極板をセパレータを介して軸芯
のまわりに捲回して捲回群を作成し、該捲回群を円筒形
電池容器に収納した円筒形リチウムイオン電池におい
て、前記捲回群は、前記正極板と前記負極板との間に２
枚重ねをしたセパレータを２組用い、該セパレータのそ
れぞれの先端部分は溶着により一体化されており、該一
体化された先端部分のそれぞれは前記軸芯の異なる位置
に接合されていることを特徴とする円筒形リチウムイオ
ン電池。
【請求項２】前記セパレータの一体化された先端部分
は、前記軸芯に溶着により接合されていることを特徴と
する請求項１記載の円筒形リチウムイオン電池。
【請求項３】前記セパレータの一体化された先端部分
は、前記軸芯に粘着テープにより接合されていることを
特徴とする請求項１記載の円筒形リチウムイオン電池。