JP2000277158A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軽くしかも安全かつ安価な非水電解質電池を提
供する。 【解決手段】正極板と隔離体と負極板とを有する長円形
巻回型発電要素を収納した非水電解質二次電池におい
て、長円形発電要素の最外周部にあたる極板で、隔離体
を挟んで対向する対極板に面していない電極面に合剤層
が保持していない部分を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電要素が袋状単
電池ケースに収納された非水電解質二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯用無線電話、携帯用パソコ
ン、携帯用ビデオカメラ等の電子機器が開発され、各種
電子機器が携帯可能な程度に小型化されている。それに
伴って、内蔵される電池としても、高エネルギー密度を
有し、且つ軽量なものが採用されている。そのような要
求を満たす典型的な電池は、特にリチウム金属やリチウ
ム合金等の活物質、又はリチウムイオンをホスト物質
（ここでホスト物質とは、リチウムイオンを吸蔵及び放
出できる物質をいう。）である炭素に吸蔵させたリチウ
ムインターカレーション化合物を負極材料とし、ＬｉＣ
ｌＯ４、ＬｉＰＦ６等の電解質塩を溶解した非プロトン
性の有機溶媒を電解液とする非水電解質二次電池であ
る。

【０００３】この非水電解質二次電池は、上記の負極材
料をその支持体である負極集電体に保持してなる負極
板、リチウムコバルト複合酸化物のようにリチウムイオ
ンと可逆的に電気化学反応をする正極活物質をその支持
体である正極集電体に保持してなる正極板、電解液を保
持するとともに負極板と正極板との間に介在して両極の
短絡を防止するセパレータからなっている。

【０００４】そして、上記正極板及び負極板は、いずれ
も薄いシートないし箔状に成形されたものを、セパレー
タを介して順に積層又は渦巻き状に巻回した発電要素と
する。そしてこの発電要素を、ステンレス、ニッケルメ
ッキを施した鉄、又はアルミニウム製等の金属からなる
電池容器に収納され、電解液を注液後、蓋板で密封固着
して、電池が組み立てられる。

【０００５】ところが、金属製電池容器を用いた場合、
気密性が高く、かつ機械的強度に優れてはいるものの、
電池の軽量化や電池容器の材料、デザインには大きな制
約となる。

【０００６】その問題を解決するものとして、発電要素
を袋状単電池ケースに収納する方法が提案されている。
特に、袋状単電池ケースの材質として、気密構造を有す
る金属ラミネート樹脂フィルムを使用することにより、
電解液の漏液や電池外部からの水分等の侵入がなく、か
つ電池の軽量化を図ることができる。

【０００７】また、発電要素の形状としては、巻回型、
特に断面が非円形あるいは長円形とすることにより、電
極表面積を大きくすることができ、製造工程も簡単とな
る。

【０００８】このような非水電解質二次電池を電子機器
に用いる場合、単電池又は複数個の直列接続したものと
して所某の電圧を得るようにする。この単数又は複数個
の電池は、充放電制御回路とともに樹脂もしくは金属と
樹脂からなる筐体に収納され、内容物を取り出せないよ
う封口して電池パックとして用いられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】正負極基材に合剤が両
面塗布された正極板及び負極板を、セパレータを介して
渦巻き状に巻回した場合、最外周部にあたる極板におい
て、正極あるいは負極と対向していない活物質が存在す
ると、その合剤層の厚み分だけ電池厚みが増加し、エネ
ルギー密度が低くなるという問題があった。

【００１０】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、高エネ
ルギー密度な非水電解質電池を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題を鑑み
てなされたものであり、正極板と隔離体と負極板とを有
する長円形巻回型発電要素を袋状単電池ケースに収納し
た非水電解質二次電池において、前記長円形発電要素の
最外周部にあたる極板で、隔離体を挟んで対向する対極
板に面していない電極面に合剤層を保持していないこと
を特徴とする。

【００１２】また本発明は、長円形巻回型発電要素の最
外周部にあたる極板が負極板であることを特徴とする。

【００１３】さらに本発明は、袋状単電池ケースが気密
構造を有し、長円形巻回型発電要素がその巻回中心軸が
袋状単電池ケースの開口面に垂直方向であるように収納
されていることを特徴とする。

【００１４】また本発明は、袋状単電池ケースの材質が
金属ラミネート樹脂フィルムであることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面を参
照して説明する。本発明になる非水電解質二次電池の外
観は図２に示したものであり、長円形巻回型発電要素の
巻回中心軸が、袋状単電池ケースの開口面に垂直方向と
なるように、袋状単電池ケースに収納されている。図２
において、１は袋状単電池ケース、２は発電要素、３は
発電要素の巻回中心軸、４は正極リード端子、５は負極
リード端子である。

【００１６】本発明になる非水電解質二次電池の長円形
巻回型発電要素を、巻回中心軸に垂直な断面を図１に示
す。図１において、４は正極リード端子、５は負極リー
ド端子、９は正極合剤層、１０は正極基材、１１は負極
合剤層、１２は負極基材、１３セパレータである。本発
明になる非水電解質二次電池においては、図１に示した
ように、長円形発電要素の最外周部にあたる極板で、隔
離体を挟んで対向する対極板に面していない電極面に合
剤層が保持していないことを特徴とする。

【００１７】本発明において、長円形巻回型発電要素を
袋状単電池ケースに収納する場合には、長円形巻回型発
電要素はその巻回中心軸が袋状単電池ケースの開口面に
垂直方向であることが好ましい。なお、垂直方向とは、
完全な垂直のみを意味するのではなく、おおむね垂直な
方向も意味する。

【００１８】本発明においては、袋状単電池ケースの材
質として、金属ラミネート樹脂フィルムを使用するもの
である。

【００１９】金属ラミネート樹脂フィルムの金属の材質
としては、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン箔
などを使用することができる。

【００２０】金属ラミネート樹脂フィルムの熱溶着部の
材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱
可塑性高分子材料であればどのような物質でもよい。

【００２１】また、金属ラミネート樹脂フィルムの樹脂
層や金属箔層は、それぞれ１層に限定されるものではな
く、２層以上であってもかまわない。

【００２２】また袋状単電池ケースとしては、金属ラミ
ネート樹脂フィルムを熱溶着することによって封筒状に
成形したラミネートケースや、２枚の金属ラミネート樹
脂シートの４辺を熱溶着したものや、一枚のシートを二
つ折りにして３辺を熱溶着したもの、金属ラミネート樹
脂シートをプレス成形してカップ状にしたものに発電要
素を入れるようなラミネートケースなど、あらゆる形状
の金属ラミネート樹脂フィルムケースを用いることがで
きる。

【００２３】本発明になる非水電解質二次電池に使用す
る電解液の溶媒としては、エチレンカーボネート、プロ
ピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチル
カーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメ
チルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムア
ミド、ジメチルアセトアミド、１，２−ジメトキシエタ
ン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、
２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、メチル
アセテート等の極性溶媒、もしくはこれらの混合物を使
用してもよい。

【００２４】また、有機溶媒に溶解する電解質塩として
は、ＬｉＰＦ6、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ
６、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（Ｓ
Ｏ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３）２、Ｌ
ｉＮ（ＣＯＣＦ３）２およびＬｉＮ（ＣＯＣＦ２ＣＦ
３）２などの塩もしくはこれらの混合物でもよい。

【００２５】また、本発明になる非水電解質二次電池の
隔離体としては、絶縁性のポリエチレン微多孔膜に電解
液を含浸したものや、高分子固体電解質、高分子固体電
解質に電解液を含有させたゲル状電解質等も使用でき
る。また、絶縁性の微多孔膜と高分子固体電解質等を組
み合わせて使用してもよい。さらに、高分子固体電解質
として有孔性高分子固体電解質膜を使用する場合、高分
子中に含有させる電解液と、細孔中に含有させる電解液
とが異なっていてもよい。

【００２６】さらに、正極材料たるリチウムを吸蔵放出
可能な化合物としては、無機化合物としては、組成式Ｌ
ｉｘＭＯ２、またはＬｉｙＭ２Ｏ４（ただしＭ は遷移
金属、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦２ ）で表される、複合酸
化物、トンネル状の空孔を有する酸化物、層状構造の金
属カルコゲン化物を用いることができる。その具体例と
しては、ＬｉＣｏＯ２ 、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ
４ 、Ｌｉ２Ｍｎ２Ｏ４、ＭｎＯ２、ＦｅＯ２、Ｖ２Ｏ
５、Ｖ６Ｏ１３、ＴｉＯ２、ＴｉＳ２等が挙げられる。
また、有機化合物としては、例えばポリアニリン等の導
電性ポリマー等が挙げられる。さらに、無機化合物、有
機化合物を問わず、上記各種活物質を混合して用いても
よい。

【００２７】さらに、負極材料たる化合物としては、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等とリチウムとの合
金、ＬｉＦｅ２Ｏ３、ＷＯ２、ＭｏＯ２等の遷移金属酸
化物、グラファイト、カーボン等の炭素質材料、Ｌｉ５
（Ｌｉ３Ｎ）等の窒化リチウム、もしくは金属リチウム
箔、又はこれらの混合物を用いてもよい。

【００２８】

【実施例】次に、本発明を好適な実施例にもとづき説明
する。

【００２９】［実施例１］本発明になる非水電解質二次
電池は、正極板と隔離体と負極板とからなる長円形巻回
型発電要素が非水系の電解液（図示省略）とともに金属
ラミネート樹脂フィルムを熱溶着してなる袋状単電池ケ
ースに収納されたものであり、その外観を図１に示す。

【００３０】正極活物質にはリチウムコバルト複合酸化
物を用いた。正極板は集電体に上記のリチウムコバルト
複合酸化物が活物質として保持したものである。集電体
は20μmのアルミ箔を用いた。正極板は、結着剤である
ポリフッ化ビニリデン７部と導電剤であるアセチレンブ
ラック４部とを活物質８９部とともに混合し、適宜Ｎ−
メチルピロリドンを加えてペースト状に調製した後、合
剤をその集電体材料の両面に塗布、乾燥することによっ
て製作した。

【００３１】負極板は、集電体の両面に、ホスト物質と
してのグラファイト（黒鉛）９１部と結着剤としてのポ
リフッ化ビニリデン９部とを混合し、適宜Ｎ−メチルピ
ロリドンを加えてペースト状に調製したものを塗布、乾
燥することによって製作した。負極板の集電体は、厚さ
１４μｍの銅箔を用いた。

【００３２】隔離体はポリエチレン微多孔膜とし、ま
た、電解液は、ＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ含むエチレン
カーボネート：ジエチルカーボネート＝４：６（体積
比）の混合液とした。

【００３３】極板の寸法は、正極板が厚さ２０４μｍ、
幅４９ｍｍ、セパレータが厚さ２５μｍ、幅５３ｍｍ、
負極板が厚さ２０４μｍ、幅５１ｍｍであり、正極板及
び負極板にそれぞれリード端子を溶接し、順に重ね合わ
せてポリエチレンの長方形状の巻芯を中心として、長辺
が発電要素の巻回中心軸と平行になるよう、その周囲に
長円渦状に巻回して、６０×３５×３．５ｍｍの大きさ
の発電要素とした。

【００３４】そして、電極の絶縁部分をポリプロピレン
からなる巻き止め用テープ（ここでは接着剤が片面に塗
布されている）で電極幅（発電要素の巻回中心軸と平行
な発電要素の長さ）に相当する長さを、巻回中心軸と平
行な発電要素側壁部分に貼り付け、発電要素を巻き止め
固定した。

【００３５】これを金属ラミネート樹脂フィルムケース
に、長円形巻回型発電要素はその巻回中心軸が袋状金属
ラミネート樹脂フィルムケースの開口面に垂直となるよ
うに収納し、リード端子を固定して密封し、電解液を、
各電極と隔離体が十分湿潤し、発電要素外にフリーな電
解液が存在しない量を真空注液した。

【００３６】図３は、図２に示した電池の、リード端子
取り出し部分の拡大断面（図２のＡ−Ａ′断面）を示し
たものである。図３において、６は最外層の表面保護用
である１２μｍのＰＥＴフィルム、７はバリア層として
９μｍのアルミニウム箔、８は熱溶着層として１００μ
ｍの酸変性低密度ポリエチレン層である。気密封口用の
袋状単電池ケースとしての金属ラミネート樹脂フィルム
ケースは６と７と８とからなり、最外層の表面保護用Ｐ
ＥＴフィルム６とバリア層としてのアルミニウム箔７は
ウレタン系接着剤で接着している。また、正極リード端
子４および負極リード端子５は、厚み５０〜１００μｍ
の銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属導体である。

【００３７】最後に、密封溶着を行って、公称容量５０
０ｍAhの単電池を試作した。

【００３８】［実施例２］本実施例の、長円形巻回型発
電要素を巻回中心軸に垂直な断面を図１に示す。長円形
発電要素の最外周部にあたる極板である負極板におい
て、正極と対向していない最外周部に合剤層が保持され
ていないことを示す。本発明の負極板を用いて上記のよ
うな公称容量５００ｍAhのラミネート単電池を５０個試
作した。このとき５０個の電池厚みの平均とエネルギー
密度を表１に示す。

【００３９】［比較例１］正極と対向していない最外周
部にも合剤が保持されている負極板を用いて公称容量５
００ｍAhのラミネート単電池を５０個試作した。このと
きの電池厚みとエネルギー密度を表１に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１に示すように、比較例１の電池に比べ
て、本発明の電池は、最外周部の負極活物質の合剤層に
相当する分だけ電池厚みを薄くすることができるため、
一層の高エネルギー密度化が可能になる。

【００４２】次に、５００ｍＡｈのラミネート単電池の
比較例１と実施例１について、温度２５℃で電流５００
ｍＡで電圧１０Ｖまで充電することにより、過充電状態
での電池の安全性について試験を行った結果を表２に示
す。

【００４３】また、電流５００ｍＡ／電圧１０Ｖの条件
で３時間定電流／定電圧充電を行った後、内部短絡を模
擬するためにφ１ｍｍの針を電池に刺した場合の安全性
について試験をおこなった結果を表２に示す。なお、表
中の数字は破裂、発火に至った確率である。

【００４４】

【表２】

【００４５】表２から明らかなように、比較例１は、破
裂、発火を伴うような危険な状態に陥ったのに対し、実
施例１では、破裂、発火を引き起こすことなく、非常に
安全な結果が得られた。また、過充電試験を行った際の
電池表面温度も比較例では、最高５００℃以上まで上が
った電池があったのに対し、実施例では、最高で１２０
℃にまで電池表面温度を押さえることができた。

【００４６】

【発明の効果】非水電解質二次電池は、過充電や内部短
絡といった異常状態になると、電池内部で生じる発熱の
ため異常な温度上昇が起こり、熱逸走を引き起こして破
裂、発火に至る。しかし、本発明になる非水電解質二次
電池は、長円形発電要素の最外周部にあたる極板で、隔
離体を挟んで対向する対極板に面していない電極面に合
剤層が保持していないために、放熱性に優れ、熱逸走を
抑えることができたと考えられる。以上の結果より、正
極リード端子と負極リード端子をともに発電要素の中心
部の正極板および負極板に取り付けた発電要素を用いる
ことにより、発熱を伴うような異常状態においても安全
な電池を供給することができる。

【００４７】また本発明によれば、電池厚みを薄くする
ことができ、エネルギー密度が高く、さらに安全性に優
れた非水電解質電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】長円形巻回型発電要素の巻回中心軸に垂直な断
面図。

【図２】非水電解質二次電池の外観図。

【図３】本発明になる非水電解質二次電池の、リード端
子取り出し部分の拡大断面図（図１のＡ−Ａ′断面）。

【符号の説明】

１ 袋状単電池ケース ２ 発電要素 ３ 発電要素の巻回中心軸 ４ 正極リード端子 ５ 負極リード端子 ６ ＰＥＴフィルム ７ アルミニウム箔 ８ 酸変性低密度ポリエチレン層 ９ 正極合剤層 １０ 正極基材 １１ 負極合剤層 １２ 負極基材 １３ セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村井 哲也 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 (72)発明者 北野 真也 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 (72)発明者 湯本 博幸 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 (72)発明者 岡田 幹雄 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 １番地 日本電池株式会社内 Ｆターム(参考） 5H011 AA13 CC02 CC06 CC10 DD13 EE04 FF02 GG09 HH13 JJ25 5H014 AA04 CC01 EE01 EE05 EE08 EE10 5H029 AJ12 AK02 AK03 AK05 AK16 AL02 AL03 AL06 AL07 AL08 AL12 AL16 AM03 AM04 AM07 BJ01 BJ14 DJ02 DJ07 EJ01 EJ11 HJ12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極板と隔離体と負極板とを有する長円
   形巻回型発電要素を袋状単電池ケースに収納した非水電
   解質二次電池において、前記長円形発電要素の最外周部
   にあたる極板で、隔離体を挟んで対向する対極板に面し
   ていない電極面に合剤層を保持していないことを特徴と
   する非水電解質二次電池。
2. 【請求項２】 長円形発電要素の最外周部にあたる極板
   が負極板であることを特徴とする、請求項１記載の非水
   電解質二次電池。
3. 【請求項３】 袋状単電池ケースが気密構造を有し、長
   円形巻回型発電要素がその巻回中心軸が袋状単電池ケー
   スの開口面に垂直方向であるように収納されていること
   を特徴とする、請求項１または２記載の非水電解質二次
   電池。
4. 【請求項４】 袋状単電池ケースの材質が金属ラミネー
   ト樹脂フィルムであることを特徴とする、請求項１〜３
   記載の非水電解質電池。