JP2010118315A - 非水電解質電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電タブの位置ずれが少ない量産性に優れた非水電解質電池を提供する。
【解決手段】容器と、前記容器内に収納され、正極及び負極がセパレータを介して扁平の渦巻き状に捲回された電極群７と、前記電極群７の一方の端面における前記正極から複数突出した正極集電タブと、前記一方の端面における前記負極から複数突出した負極集電タブとを具備する非水電解質電池であって、前記正極における前記正極集電タブ間の距離並びに前記負極における前記負極集電タブ間の距離は、それぞれ、下記（１）式で表されることを特徴とする。
２ｎπｄ （１）
但し、ｎは前記電極群の内周側から数えた前記正極集電タブの位置または前記負極集電タブの位置で、ｄは前記正極の厚さと前記負極の厚さと前記セパレータの厚さの２倍値との合計で、πは円周率である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非水電解質電池に関するものである。

近年、急速充電および高出力放電を特徴とする非水電解質二次電池の研究が盛んになされている。電極の集電箔の一次粒径を小さくしたり、活物質の粒径を小さくしたり、活物質の厚さを薄くするなどの工夫をしている。

前記したように、非水電解質二次電池において、高容量を実現するためには、活物質を増量させる必要がある。これは捲回構造の電極群を備えた電池であれば、電極の層数を多くすることである。次に高容量が実現できた場合、そこから如何に効率よく電流を取り出せるかということが問題になってくる。大電流を取り出すとき、集電タブを溶接にて後付する場合、本数が多く必要になり、溶接箇所の厚さが厚くなり、電極群自体の厚さが厚くなることから、缶の中に入らなくなる。また電池が大きくなるといった不具合が生じる。不具合を解消するために集電タブの枚数を減らすと十分な電流が取り出せなくなる。電極群の一方の端面から正極集電タブを延出させ、かつ他方の端面から負極集電タブを延出させた場合、電極群自体が大きくなり、電池を大きくしなければならなくなる。

ところで、特許文献１には、正極集電タブ１ｄと負極集電タブ２ｄとを常に同一の間隔（タブ間隔Ｌ３＝４００ｍｍ）で配置することが記載されている。同様な記載が特許文献２にも存在する。

また、特許文献３は、大電流を放電する頻度が多いＥＶやＨＥＶ用の用途では、集電の不均一性は、電流分布の不均一性によるタブや電極活物質の劣化に影響し、電池の寿命特性に大きな影響を及ぼすことから、タブをほぼ一定の等間隔で配設することを開示している。

しかしながら、特許文献１〜３のように正極及び負極にタブを等間隔で配置すると、正極と負極をセパレータを介して扁平の渦巻状に捲回した電極群を構成した際に、タブ同士の位置がずれ、量産性に劣るという問題点を生じる。
特開平１１−１１１３４０ 特開２００６−２６０７８６ 特開２００１−８５０４２

本発明の目的は、集電タブの位置ずれが少ない量産性に優れた非水電解質電池を提供することにある。

本発明の非水電解質電池は、容器と、
前記容器内に収納され、正極及び負極がセパレータを介して扁平の渦巻き状に捲回された電極群と、
前記電極群の一方の端面における前記正極から複数突出した正極集電タブと、
前記一方の端面における前記負極から複数突出した負極集電タブと
を具備する非水電解質電池であって、
前記正極における前記正極集電タブ間の距離並びに前記負極における前記負極集電タブ間の距離は、それぞれ、下記（１）式で表されることを特徴とする。

２ｎπｄ （１）
但し、ｎは前記電極群の内周側から数えた前記正極集電タブの位置または前記負極集電タブの位置で、ｄは前記正極の厚さと前記負極の厚さと前記セパレータの厚さの２倍値との合計で、πは円周率である。

本発明によれば、集電タブの位置ずれが少ない量産性に優れた非水電解質電池を提供することができる。

本発明の実施形態で用いる正極及び負極の一例を図１に示す。図１に示すように、正極１（負極２）は、正極集電体（負極集電体）と、正極集電体（負極集電体）から複数延出した帯状の正極集電タブ３₁〜３₆（負極集電タブ４₁〜４₆）と、正極集電体（負極集電体）の両面に形成された正極活物質含有層５（負極活物質含有層６）とを具備する。正極１における正極集電タブ３₁〜３₆間の距離ｄ₁〜ｄ₅及び負極２における負極集電タブ４₁〜４₆）間の距離ｄ₁〜ｄ₅は、電極群７の内周側から外周側に向かって増加しており、下記（１）式で表される。

２ｎπｄ （１）
但し、ｎは電極群７の内周側から数えた正極集電タブ位置か、電極群７の内周側から数えた負極集電タブ位置と等しい。換言すれば、距離を規定する両端の正極（負極）集電タブのうち、電極群の外周側に位置する正極（負極）集電タブの位置をｎとする。ｄは正極１の厚さと負極２の厚さとセパレータの厚さの２倍値との合計値で、πは円周率である。正極１、負極２及びセパレータの厚さはアップライトゲージで測定される。

例えば、正極集電タブ３₁が正極１の巻き始めに位置し、正極集電タブ３₁と正極集電タブ３₂間の距離をｄ₁とする。距離ｄ₁は、ｎが２であるため、４πｄで表される。正極集電タブ３₂と正極集電タブ３₃間の距離ｄ₂は、ｎが３であるため、６πｄで表される。正極集電タブ３₃と正極集電タブ３₄間の距離ｄ₃は、ｎが４であるため、８πｄで表される。また、正極集電タブ３₄と正極集電タブ３₅間の距離ｄ₄は、ｎが５であるため、１０πｄで表される。さらに、正極集電タブ３₅と正極集電タブ３₆間の距離ｄ₅は、ｎが６であるため、１２πｄで表される。負極２の場合も同様である。

上述した図１に示す構成の正極及び負極の間にセパレータを介在して渦巻状に捲回した後、プレスにより扁平形状とし、図２，３に示すような電極群７を得ることによって、電極群７の片側の端面７ａから正極集電タブ３₁〜３₆及び負極集電タブ４₁〜４₆を突出させ、かつ正極集電タブ３₁〜３₆の位置と、負極集電タブ４₁〜４₆の位置とを揃えることができる。その結果、急速充電および高出力放電を実現できる非水電解質電池の量産性が改善される。また、電極群の周数を増やしても電極群の厚さに不具合を生じさせることも解消される。

正極集電タブ間の距離及び負極集電タブ間の距離は、３００ｍｍ以下にすることが望ましい。

正極集電タブ及び負極集電タブの幅は５ｍｍ〜１５ｍｍであることが好ましい。幅を５ｍｍ以上にすることによって、大電流が流れたときの集電タブの溶解を抑制することができる。また、幅を１５ｍｍ以下にすることによって、電極群の片側の端面から正負極集電タブを突出させた際の正極集電タブと負極集電タブとの接触を回避することができる。

正極集電タブ及び負極集電タブの厚さは１０μｍ〜２０μｍであることが好ましい。厚さを１０μｍ以上にすることによって、大電流が流れたときの集電タブの溶解を回避することができる。また、厚さを２０μｍ以下にすることによって、電極群の厚さ増加を抑えつつ、電極群を構成する周数を増加させることができる。

前述した図１では、正負極集電タブを正負極集電体から延出させているため、正負極集電タブは正負極集電体と同じ材料から構成される。この場合、正負極集電タブ及び正負極集電体はアルミニウムもしくはアルミニウム合金から形成されることが望ましい。

また、正極の正極活物質としては、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。

負極の負極活物質としては、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して０．４Ｖ以上貴となる物質である。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体および負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、リチウムチタン酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン酸化物が好ましい。

セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。

[実施例]
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１）
コバルト酸リチウムを主成分とする塗液を調製した。調製した塗液を正極集電体であるアルミニウム箔（厚さ１５μｍ）の両面に塗工し、乾燥させて、正極を作製した。

チタン酸リチウムを主成分とする塗液を調製した。調製した塗液を負極集電体であるアルミニウム箔（厚さ１５μｍ）の両面に塗工し、乾燥させて、負極を作製した。

作製した正極及び負極それぞれについて、集電タブ（幅１０ｍｍ）が成形できるように設計した型をセットしたプレス機で４０回打抜いた。このとき、正負極の移動量を２πｄで表される値で増加させながら打抜いた。打抜いた正負極をローラープレスにより、所定の密度になるようにプレスし、前述した図１に示す構造の正極及び負極を得た。正極及び負極の厚さを下記表１に示す。セパレータとして、下記表１に示す厚さの樹脂製セパレータを用意した。

正極及び負極それぞれにおいて、集電タブ間の距離は電極群の内周側から外周側に向かって２πｄで表されるピッチ量（Δ）ずつ増加している。実施例１の場合、ｄの値が０．１４ｍｍのため、２πｄで表されるピッチ量（Δ）は表１に示す通りに０．８８０ｍｍとなる。なお、４０番目の集電タブ（巻き終わりに位置する集電タブ）と３９番目の集電タブとの距離は２πｄ*４０で表される値となる。

上記正極と負極の間にセパレータを介在して４０周捲回することにより、円筒状の捲回を作製した後、約８０℃で加熱プレスすることにより扁平形状に成型し、絶縁テープで固定して電極群を作製した。

正負極集電タブを外部取出し用電流端子の付いたキャップ体にレーザー溶接にて固定した。キャップ体の付いた電極群をアウター缶に挿入し、キャップ体とアウター缶をレーザー溶接にて封口した。キャップ体に開けてある注入口より非水電解液を注液して封止栓を挿入し、レーザー溶接にて封口をし、非水電解質二次電池を作製した。

（実施例２）
セパレータの厚さを下記表１に示す値に変更し、ｄの値を０．１６ｍｍ、２πｄで表されるピッチ量（Δ）及び４０番目の集電タブ（巻き終わりに位置する集電タブ）と３９番目の集電タブとの距離を下記表１に示す値にしたこと以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な非水電解質二次電池を作製した。

（実施例３）
正極及び負極の厚さを下記表１に示す値に変更し、ｄの値を０．１２ｍｍ、２πｄで表されるピッチ量（Δ）及び４０番目の集電タブ（巻き終わりに位置する集電タブ）と３９番目の集電タブとの距離を下記表１に示す値にしたこと以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な非水電解質二次電池を作製した。

（比較例１〜３）
正極、負極及びセパレータの厚さを下記表１に示す値とし、巻き始めに位置する集電タブから４０番目の集電タブまで、集電タブ間の距離を下記表１に示す一定値（２πｄ）にすること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な非水電解質二次電池を作製した。

得られた実施例１〜３及び比較例１〜３の二次電池について、以下に説明する方法でズレ量を測定し、その結果を下記表１に示す。ズレ量は、捲回、プレスをして扁平にした電極コイルを工具顕微鏡にて観察し、最内周タブ（１個目）と最外周タブとのズレを測定することによって求めた。

表１から明らかな通りに、実施例１〜３の二次電池は、正負極集電タブに位置ずれが少なく、これに対し、比較例１〜３の二次電池では、正負極集電タブの位置ずれが大きい。

（実施例４〜８）
正負極の集電タブの数を下記表２に示すように変更すること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な非水電解質二次電池を作製した。

以上のようにして得られた電池を各５個ずつ用意し、ＵＮ試験（リチウム電池及びリチウムイオン電池の輸送に関する手引書）記載の振動試験を実施した。その結果を下記表２に示す。

表２に示すように、捲回数以上の個数の正負極集電タブを備えた実施例１，７，８において、良好な値を示した。また、捲回数より少ないタブ個数の実施例４〜６においては、集電タブに破断が発生してしまい、強度（個数）が不足していると考えられる。生産タクトを考えた場合には図３に例示されるように一周に２個のタブを成形するのが望ましい。（例：４０捲回×２個＝８０個タブ）
（実施例９〜１６）
正負極集電タブの個数を４０に固定して、正負極集電体であるアルミニウム箔の厚さおよびタブ幅を変更したこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。得られた電池を各５個ずつ用意し、ＵＮ試験（リチウム電池及びリチウムイオン電池の輸送に関する手引書）記載の振動試験を実施した。結果を表３に示す。

表３より、集電体の厚さは１０μｍから３０μｍで問題ないが、３０μｍを使用した実施例１２の場合、正負極の厚さが厚くなり、強いては電極群の厚さが厚くなってしまう。よって、厚さの上限値は２０μｍが望ましい。また、集電タブの幅は、５ｍｍから２０ｍｍで不具合ない結果となったが、幅が２０ｍｍになると、正極集電タブと負極集電タブとを分離して配置することが困難になってくることから、集電タブ幅上限値は１５ｍｍが好ましい。

次に、実施例１，４〜１６の電池に１０Ｃ充放電を行ない、集電タブへの影響（破断）を確認した。その結果を表４に示す（各電池ｎ＝５）。

表４から明らかな通りに、正負極集電タブの個数が捲回数より少ない実施例４〜６の電池、正負極集電タブの厚さが１０μｍ未満の実施例９の電池、正負極集電タブの幅が５ｍｍ以下の実施例１３，１４の電池にＵＮ振動試験同様、集電タブ破断（溶解）が確認された。

前述した実施例では非水電解液を用いた電池を例えに説明したが、非水電解液の代わりに固体電解質やポリマー電解質を用いた電池についても当然適応可能である。さらに正負極活物質に関してもこの限りでなく、他の活物質を用いることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

実施形態に係る非水電解質電池で用いられる正負極を示す平面図。 図１に示す正負極を用いて作製された電極群を示す斜視図。 別の実施形態に係る非水電解質電池で用いられる電極群を示す斜視図。

符号の説明

１…正極、２…負極、３，３₁〜３₆…正極集電タブ、４，４₁〜４₆…負極集電タブ、５…正極活物質含有層、６…負極活物質含有層、７…電極群。

Claims (5)

1. 容器と、
   前記容器内に収納され、正極及び負極がセパレータを介して扁平の渦巻き状に捲回された電極群と、
   前記電極群の一方の端面における前記正極から複数突出した正極集電タブと、
   前記一方の端面における前記負極から複数突出した負極集電タブと
   を具備する非水電解質電池であって、
   前記正極における前記正極集電タブ間の距離並びに前記負極における前記負極集電タブ間の距離は、それぞれ、下記（１）式で表されることを特徴とする非水電解質電池。
   ２ｎπｄ （１）
   但し、ｎは前記電極群の内周側から数えた前記正極集電タブの位置または前記負極集電タブの位置で、ｄは前記正極の厚さと前記負極の厚さと前記セパレータの厚さの２倍値との合計で、πは円周率である。
2. 前記正極集電タブ間の距離及び前記負極集電タブ間の距離は３００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の非水電解質電池。
3. 前記正極集電タブ及び前記負極集電タブの幅が、５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非水電解質電池。
4. 前記正極集電タブ及び前記負極集電タブの厚さが、１０μｍ〜２０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の非水電解質電池。
5. 前記正極集電タブ及び前記負極集電タブの個数が、前記電極群の捲回数と同一またはそれ以上であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の非水電解質電池。

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