JPH05101830A - 電 池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、急速充電、大電流放電可能な高エネ
ルギー密度の電池の構造を提供することを目的とする。 【構成】帯状の正極と負極が、セパレータを介して相対
して配置し、正極は正極に、又は、負極は負極に、又
は、正極は正極に且つ負極は負極に重なるように、少な
くとも１回以上折り畳んでなる電極体の構造を採る。 【効果】本発明によれば、薄く面積の広い正極と負極を
セパレータを介して相対せしめることができ、角形電池
に適した電極体の構造を容易に実現し、急速充電、大電
流放電が可能な高エネルギー密度の電池の構造を提供す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電池の電極体の構造に
関し、特に、急速充電、大電流放電が可能な高エネルギ
ー密度の電池の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、大電流で充電および放電するた
めには、正極と負極の相対する面積を広くとる必要あ
り、また、電池を機器に組み込んだ状態で、電池の体積
エネルギー密度を高めるためには、角形の電池外装缶に
正極と負極を対にして高密度に充填するのが有利であ
る。特に、近年薄型の携帯機器用途の需要から扁平な形
状の高エネルギー密度の電池に対する要望が強い。

【０００３】電解液の電導度が高い水系の電解液の電
池、例えば、ニッケル−カドニウム電池等では、電極面
積が比較的狭くとも大きな電流が取り出すことができ、
厚さが比較的厚い電極を用いてスパイラル構造の円筒形
電池が作られている。さらに、鉛蓄電池、ニッケル−カ
ドニウム電池等では、板状の正極と負極をセパレータを
介して重ね合わせ、角形の電池が作られている。

【０００４】一方、一般に電解液の電導度が低い非水系
の電解液の電池等では、電極の単位面積あたりから取り
出せる電流の大きさは小さい。すなわち、大電流を取り
出すためには、正極と負極の相対する面積を広くとる必
要性があり、通常、薄く大面積の正極と負極をセパレー
タを介してうず巻き状に巻き込んだスパイラル構造が採
られており、円筒形電池ばかりではなく、特開昭５７−
１６３９６５、特開昭５８−２１８７６８等には楕円形
渦巻電極体を用いた電池が提案されている。

【０００５】ところで、薄く大面積の電極を製作する方
法の中でも薄い金属箔を集電体とし、これに活物質を添
着せしめてなる極薄い電極が有効である。例えば、特開
昭６０−２５３１５７には厚さ１〜１００μｍのアルミ
ニウム箔を用いた非水系二次電池が開示されており、特
開昭５５−１３６１３１号公報で開示されている正極活
物質にリチウム複合酸化物を用いた非水系電解液電池、
もしくは、特開昭６２−９０８６３号公報、特開昭６３
−２９９０５６号公報で開示されている非水系電解液電
池、すなわち、正極活物質にリチウム複合酸化物を用
い、負極活物質に炭素質材料を用いる非水系電解液の電
池において、急速充電、大電流放電が可能な高エネルギ
ー密度の電池が開発されている。

【０００６】そこで、薄く大面積の正極と負極をセパレ
ータを介して相対して電極体を形成し、角形の電池外装
缶に充填するためには、短冊状の電極を積層して電極体
を形成するのがよいが、薄い電極では電極自体に剛性が
なく、枚数が増加して電極の接続が繁雑になるために、
電極体の形成が難しく、さらに、形成した電極体を電池
外装缶に高い充填率で挿入するのが容易ではなかった。
そのため、短冊状の電極を積層して電極体を形成する方
法に比べて充填率は低下するにもかかわらず、扁平な形
状の電池を製作するためには、通常、楕円形状の芯体に
正極と負極をセパレータを介して相対して巻き込んだス
パイラル構造の電極体、もしくは、太軸の巻軸で捲回し
て中空の大きい円筒形のスパイラル構造のコイルを形成
した後に押し潰して形成した扁平な長円の断面のスパイ
ラル構造の電極体を、角形の電池外装缶、もしくは、扁
平な長円の断面の電池外装缶に挿入する方法等が採られ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、急速充電、
大電流放電が可能な高エネルギー密度の電池の構造を提
供することを目的とする。すなわち、薄く大面積の正極
と負極をセパレータを介して相対し、且つ、角形の電池
外装缶に高い充填率で充填するための電極体の構造およ
び電池の内部構造を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、かかる目的
を達成するために、セパレータを介して相対して配置
し、正極は正極に、または、負極は負極に、または、正
極は正極に且つ負極は負極に重なるように、少なくとも
一回以上折り畳んでなる電極体の構造を採る。従って、
帯状の正極と帯状の負極が、セパレータを介して相対し
て配置したものを正極は正極に、または、負極は負極に
重なるように二つ折りにした電極体を、更に、正極は正
極に、又は、負極は負極に重なるように、折り畳んでな
る電極体の構造も本発明の電池の構造の一つである。本
発明で用いられるセパレータの縦横共の幅は、少なくと
も一方の極の縦横共の幅より広いことが好ましい。すな
わち、電極体の折り畳み構造を採ることによって、薄く
面積の広い正極と負極をセパレータを介して相対せし
め、且つ、電極体として取り扱いが容易で、角形の電池
に適した構造を提供できる。

【０００９】本発明には電極体の三種類の基本となる構
造がある。まず、第１の構造は帯状の正極と帯状の負極
がセパレータを介して相対して配置する構造である。第
２の基本となる構造は、第１の基本となる構造をもとに
した最も簡単な折り畳み構造でもあり、第１の基本とな
る構造の電極体を、正極もしくは負極いずれかの極が重
なり合うように半分に折る構造である。第３の構造は第
２の基本となる構造の電極体の内側に折り畳まれ二重層
状になる電極を単層の電極に置き換えた構造であり、す
なわち、最初の二つ折りの際に、結果的には、単層であ
る帯状の電極の両面をセパレータで介し、当該電極の対
極である帯状の一枚の電極を二つ折りして覆う構造とな
る。本発明は上記基本構造を更に折り畳む事によって成
るものである。尚、上記にいう二つ折り等は、必ずしも
厳密な意味では無く、容器の形状等により多少ずらすこ
とも可能である。

【００１０】電極としては、第１の基本構造および第２
の基本構造においては、金属箔の片面にのみ活物質を添
着せしめた電極を、活物質を添着せしめた面が相対する
ように使用するのが好ましい。しかしながら、片方の面
からイオンの授受が可能であれば、集電体の両面に活物
質を添着せしめた構造であっても構わない。すなわち、
活物質自体が集電体を兼ねる場合、もしくは、集電体が
メッシュ構造等を採り、片方の面からイオンの授受が可
能であって、且つ、活物質層の伝導性がある程度高く、
もしくは、活物質層がある程度薄ければ良い。例えば、
ニッケル、水素吸蔵合金等の焼結金属、発泡金属もしく
は金属繊維等、もしくは、リチウム、ナトリウム等の金
属箔等を電極として使用する場合である。

【００１１】また、第３の基本構造においては、内側の
電極に電極の両面で電極反応が可能である電極を使用す
る必要性がある。すなわち、ニッケル、水素吸蔵合金等
の焼結金属、発泡金属もしくは金属繊維等、もしくは、
リチウム、ナトリウム等の金属箔等を電極として使用す
る場合は、第３の基本構造をもとに出発するほうが、第
１の基本構造および第２の基本構造をもとに出発する場
合よりも、むしろ構造が簡単になって好ましい場合もあ
る。また、第三の構造をもとに出発する場合には、外側
の電極を２枚に分割して、内側に位置する電極をセパレ
ータを介して両側から挟み込む構造を基本構造としても
差し支えない場合もあるが、構造安定性、電流の取り出
し方法等の面からみて、第三の構造をもとに出発するほ
うが好ましい。

【００１２】また、電極の折り畳み方は様々なパターン
があるが、電極の折り畳み方として最も簡単な折り畳み
方は、九十九折りの構造を採ることであるが、詳しくは
実施例にて図を用いて説明する。ところで、第１の基本
構造をもとにして出発する場合では、正極もしくは負極
いずれかの電極一方のみを露出させることも可能である
が、正極が露出する部分と負極が露出する部分に分割す
ることができる。

【００１３】しかしながら、第２の基本構造もしくは第
３の基本構造をもとにする場合では、折り畳んでなる電
極体の外側に露出する電極は、必ず基本構造において外
側に位置する電極のみとなる。ところで、電極体の作成
の手順は特に限定されない。すなわち、まず所定のサイ
ズの正極と負極をセパレータを介して相対して全体の位
置を合わせて重ねた後に、所定の構造に折り畳んでいっ
てもよいし、電極の一方の端から位置を合わせ、折り畳
みながら重ねていってもよい。

【００１４】さらに、折り畳んで構成された電極体の端
面に絶縁粘着テープを貼り付けると、電極体の形状がよ
り安定し好ましい。電池缶の形状は特に制限されるもの
ではないが、一般に、角形の電池外装容器に本発明によ
る電極体を充填することによって、電池容器の容積に占
める電極体の割合を大きくとることができるので、角形
の電池外装容器を用いるのが好ましいことは前述の通り
である。

【００１５】また、外装缶の材質は特に限定されない
が、鋼、ニッケルメッキを施した鋼、ステンレススチー
ル等金属を有利に用いることができる。さらに、ポリエ
チレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂等の熱
可塑性樹脂に電極引き出し用のリードを埋め込んだ構造
の容器が使用可能であり、この場合、超音波溶接を用い
て容器を密閉するのが特に好ましい。

【００１６】すなわち、本発明の電池は基本的構造要素
として、正極、負極およびセパレータから構成されれ
ば、特に、制限されるものではないが、高エネルギー密
度の電池が容易に得られる観点からは、非水系電解液の
電池に適用できる公知の各要素が適宜使用できる。例え
ば、正極活物質としては、リチウムを脱ドープし、且
つ、ドープし得るものが使用できる。例えば、ＬｉＣｏ
Ｏ₂ のようなリチウムコバルト酸化物、ＬｉＭｎＯ₂ 、
ＬｉＭｎ₂ Ｏ₂ のようなリチウムマンガン酸化物等の複
合金属酸化物等が有利に用いることができる。

【００１７】この種の正極に対しては、リチウムをドー
プし、且つ、脱ドープし得るものが負極活物質として有
利に使用でき、例えば、グラファイト、熱分解炭素、ピ
ッチコークス、ニードルコークス、有機高分子の焼結体
（フェノール樹脂、アクリル樹脂等の焼結体）等の炭素
質材質、もしくは、金属酸化物、金属硫化物、セレン化
物等の金属カルコゲン化合物等が使用できるが、リチウ
ム等の金属、もしくは、リチウムアルミニュウム合金の
リチウム合金等も同様に負極活物質として利用できる。

【００１８】また、リチウム等の金属をドープし、且
つ、脱ドープし得る金属酸化物、金属硫化物、セレン化
物等の金属カルコゲン化合物、もしくは、フッ化黒鉛等
を正極活物質として使用する場合には、リチウム等の金
属、もしくは、リチウムアルミニュウム合金のリチウム
合金等を負極活物質として使用できる。集電体としての
金属箔としては、厚さ１〜５０μｍであり、銅、ニッケ
ル、アルミニュウム、ステンレススチール等を用いるこ
とができる。

【００１９】本発明に用いる電解液としては、例えば、
ＬｉＣｌＯ₄ 、ＬｉＢＦ₄ 、ＬｉＡｓＦ₆ 、ＬｉＰ
Ｆ₆ 、ＬｉＣＦ₃ ＳＯ₃ 、ＬｉＮ（ＣＦ₃ ＳＯ₂ ）₂ 等
のアルカリ金属塩を単独もしくは組み合わせて、プロピ
レンカーボネイト、エチレンカーボネイト、１，２−ジ
メトキシメタン、１，２−ジメトキシエタン、γ−２ブ
チルラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、
ギ酸ビニル等の１種もしくは２種以上を混合した溶媒に
溶解したもの等を用いることができる。

【００２０】セパレータとしては、ポリエチレン、ポリ
プロピレン等のポリオレフィン微多孔膜の１種の単独
膜、もしくは、それら１種もしくは２種の貼り合わせ膜
を使用できる。また、ポリオレフィン、ポリエステル、
ポリアミド、セルロース等の不織布も単独あるいは上記
微多孔膜等と組み合わせて用いることができる。また、
ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、もしくは、ＰＥＯ
−ＰＰＯ（ポリプロピレンオキサイド）−ＰＥＯの共重
合体等とＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ₄ 、ＬｉＢＦ₄ 、ＬｉＡｓ
Ｆ₆ 、ＬｉＰＦ₆ 、ＬｉＣＦ₃ ＳＯ₃ 、ＬｉＮ（ＣＦ_3.
ＳＯ₂ ）2 等のアルカリ金属塩との複塩等を固体電解質
として用いてもよい。固体電解質を用いる場合について
は、本発明でいうセパレータを固体電解質層で置き換え
る構造を採る。

【００２１】

【作用】本発明によれば、薄く面積の広い正極と負極を
セパレータを介して相対せしめることのできる、角形の
電池に適した電極体の構造を容易に実現できることによ
って、急速充電、大電流放電が可能な高エネルギー密度
の電池の構造を提供することができる。

【００２２】

【実施例】次に、実施例を挙げて本発明を説明する。正
極は活物質ＬｉＣｏＯ₂に対して、５％の炭素系導電フ
ィラーを加えてなるコンパウンドに、ポリビニリデンフ
ルオライドの５％ＤＭＦ溶液を等量加えて懸濁液とし、
これを厚さ１５μｍのアルミニウム箔の片面に均一に塗
布して作成する。正極塗膜の総厚さは１１６μｍであ
る。

【００２３】負極は活物質として、真比重２．３の炭素
質材料を平均粒径１０μｍ前後に粉砕したものに、ポリ
ビニリデンフルオライドの５％ＤＭＦ溶液を等量加えて
懸濁液とし、これを厚さ１０μｍの銅箔あるいはニッケ
ル箔に均一に塗布し作成する。負極塗膜の総厚さは１３
９μｍである。セパレータは３５μｍのポリエチレン微
多孔膜を用いる。

【００２４】以下の実施例において、特に断りがなけれ
ば、上記正極と負極を上記セパレータを介して活物質塗
工面を対向して重ね合わせ、折り畳んで電極体を構成
し、電解液として１ｍｏｌ／ｌのＬｉＣｌＯ₄ −プロピ
レンカーボネイト溶液を使用して電池を作成する。

【００２５】

【実施例１】本発明による電極体の基本となる第１の構
造は、帯状の正極と帯状の負極がセパレータを介して相
対して配置する構造であり、図１にその断面構造を示
す。図の上では、正極、負極、セパレータ等の厚さは誇
張して書いてあり、比率も実際とは異なっている。以下
に示す図においても、同様である。

【００２６】本発明による最も簡単な構造は、図１に示
す構造の電極体を１回折る構造であり、図２にその断面
構造を示す。この図２に示す構造は、図１に示す構造と
共にフィルム状の電池を製作するのに適しており、図２
に示す構造においては、内側に正極、外側に負極がくる
ように折り畳んでいるが、内側もしくは外側いずれの位
置に正極もしくは負極のいずれの電極を配置するかは、
正極および負極の活物質の構成、電池外装容器の構造等
を性能、安全性等の面から考慮のうえ決定するのが好ま
しい。また、図２の構造が第２の基本構造でもある。

【００２７】ところで、図２においてはちょうど半分に
折っているが、必ずしもきっちりと重ねる必要性はな
い。電池外装缶の構造によっては、逆に、少しずらして
折り畳むことによって、内側の電極からの電流の取り出
しを容易にすることができる場合もある。図２に示す構
造において、内側の折り畳まれた電極を一体の電極に置
き換えた場合の基本構造を図３に示す。この図３に示す
構造が第３の基本構造である。この構造から出発したほ
うが有利であり、電極の組み合わせとしては、例えば、
外側の電極を正極とし、正極活物質として複合金属酸化
物、金属酸化物、金属硫化物、セレン化物等の金属カル
コゲン化合物、もしくは、フッ化黒鉛等を金属箔の片面
に添着せしめた電極を用い、内側の電極を負極とし、リ
チウム等の金属、もしくは、リチウムアルミニュウム合
金のリチウム合金等用いた場合等であるが、これらの組
み合わせであっても、第１の基本構造もしくは第２の基
本構造から出発しても差し支えはない。

【００２８】

【実施例２】図１の構造を基本構造とした場合につい
て、折り畳み回数が奇数回の場合の九十九折りの例の断
面構造を図４に示す。さらに、図５、図６および図７
は、図４の構造の電極体の折り畳み方を変えて、電極体
の外最周における正極と負極の露出する割合、電極の端
の位置等の変更を行った例である。

【００２９】図４の九十九折り構造を採った電極体をも
とに、電池にした場合の例を図８に示す。角形の金属製
の外装缶に図４のＢの方向が底になるように挿入し、負
極の集電体と電池外装缶との接触によって負極からの電
流の取り出しを行い、Ａの側に露出した正極の集電体か
ら、電池外装蓋のガラス−メタルハウメチックシールの
正極リードピンに抵抗溶接して取り付けたスプリング状
の正極集電リードを介して電流の取り出しを行ってい
る。もちろん、正極と正極リードピンを正極リードタブ
等を用いて接続してもよい。電池の外装缶と外装蓋はレ
ーザー溶接にて密閉している。

【００３０】外装缶として角形の１４ｍｍ×４１ｍｍ×
６６ｍｍのステンレススチール製の深絞り缶を用いて試
作した電池は、１６００ｍＡに電流値を制限した４．２
Ｖの定電圧充電５時間後、１６００ｍＡ定電流で２．７
Ｖまで放電した場合、２５℃で初期容量は３２００ｍＡ
ｈを有し、６４００ｍＡで放電した場合でも、１６００
ｍＡの放電容量の約８５％の容量がある。同様に、６４
００ｍＡに電流値を制限した４．２Ｖの定電圧充電１時
間で、１６００ｍＡに電流値を制限した４．２Ｖの定電
圧充電５時間に比べて、約９０％の充電が可能である。

【００３１】

【実施例３】次に、図１の構造を基本構造とした場合に
ついて、折り畳み回数が偶数回の場合の九十九折りの例
の断面構造を図９に示す。図１０は図９の構造の電極体
の折り畳み方を変えて、外最周における正極と負極の露
出する割合、電極の端の位置等の変更を行った１例であ
る。

【００３２】図９の九十九折り構造を採った電極体をも
とに、角形の電池にした場合の例を図１１に示す。電極
引き出し用の金属製のリードを埋め込んだ構造のポリプ
ロピレンを主成分とする材質でなる角形の２０ｍｍ×５
０ｍｍ×８０ｍｍの電池外装容器を超音波溶接で密閉し
ている。容器の最も広い面に金属製のリードを埋め込む
ことによって、容器の最も広い面の強度を補強でき肉厚
を薄くすることが可能であり、高エネルギー密度の電池
の構造として有効である。また、容器の一部分の肉厚を
薄くしておくことによって、電池内部の圧力が上昇した
場合の安全弁として機能させることができる。このよう
にして試作した電池は、初期容量は２５℃で３３００ｍ
Ａｈを有し、充電特性および放電特性に関しては、実施
例２の場合とほとんど差異はない。

【００３３】

【実施例４】図１２は図２の構造を基本構造とした場合
について、九十九折りにした場合の例の断面構造であ
る。電極体の外周は正極もしくは負極のいずれかの電極
で覆われる構造となっている。図１２の九十九折り構造
を採った電極体をもとに、電池にした場合の例を図１３
に示す。負極の集電体と電池外装缶との接触によって負
極からの電流の取り出しを行っており、電池外装蓋のガ
ラス−メタルハウメチックシールの正極リードピンと正
極の集電体を正極リードタブで、抵抗溶接にて接続し、
正極からの電流の取り出しを行っており、図１２には示
してないが、正極リードタブには絶縁粘着テープを貼り
付けてある。また、電池の外装缶と外装蓋はレーザー溶
接にて密閉している。

【００３４】

【実施例５】図１４は図３の構造を基本構造とした場合
に九十九折りにした例の断面構造である。正極としては
前記正極を用い、負極としてはステンレススチール製の
ネットにリチウムメタルを貼り付けた総厚さ１００μｍ
のものを用いており、セパレータとしては上記セパレー
タに負極側に８０μｍのポリプロピレン製の不織布を追
加している。図１４の九十九折り構造を採った電極体を
もとに、電池にした場合の例を図１５および図１６に示
す。図１５が電池の縦断面図であり、図１６が電池の横
断面図である。正極からの電流の取り出しは正極の集電
体と電池外装缶との接触によって行っており、電池外装
蓋のガラス−メタルハウメチックシールの負極リードピ
ンと負極の集電体を負極リードタブで接続して負極から
の電流の取り出しを行っており、図１５には示してない
が、負極リードタブには絶縁粘着テープを貼り付けてあ
る。また、電池の外装缶と外装蓋はレーザー溶接にて密
閉している。

【００３５】外装缶として角形の１４ｍｍ×４１ｍｍ×
６６ｍｍのステンレススチール製の深絞り缶を用いて試
作した電池の初期容量は、２５℃で３３００ｍＡｈを有
する。充電特性および放電特性に関しては、実施例２の
場合とほとんど差異はない。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、薄く面積の広い正極と
負極をセパレータを介して相対せしめることのできる、
角形の電池に適した電極体の構造を容易に実現できるこ
とによって、急速充電、大電流放電が可能な高エネルギ
ー密度の電池の構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電極の第１の基本構造の断面図を示
す。

【図２】第１の基本構造をもとにする、実施例１に従う
電極体の断面図であり、本発明の電極の第２の基本構造
である。

【図３】本発明の電極の第３の基本構造の断面図を示
す。

【図４】第１の基本構造をもとにする、実施例２に従う
折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図５】第１の基本構造をもとにする、実施例２に従う
折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図６】第１の基本構造をもとにする、実施例２に従う
折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図７】第１の基本構造をもとにする、実施例２に従う
折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図８】第１の基本構造をもとにする、実施例２に従う
折り畳み構造の角形の電池の縦断面図を示す。

【図９】第１の基本構造をもとにする、実施例３に従う
折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図１０】第１の基本構造をもとにする、実施例３に従
う折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図１１】第１の基本構造をもとにする、実施例３に従
う折り畳み構造の角形の電池の縦断面図を示す。

【図１２】第２の基本構造をもとにする、実施例４に従
う折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図１３】第２の基本構造をもとにする、実施例４に従
う折り畳み構造の角形の電池の縦断面図を示す。

【図１４】第３の基本構造をもとにする、実施例５に従
う折り畳み構造の電極体の断面図を示す。

【図１５】第３の基本構造をもとにする、実施例５に従
う折り畳み構造の角形の電池の縦断面図を示す。

【図１６】第３の基本構造をもとにする、実施例５に従
う折り畳み構造の角形の電池の横断面図を示す。

【符号の説明】

１．負極。 ２．セパレータ。 ３．正極。 ４．電池外装缶。 ５．ガラス−メタルハウメチックシール付きの電池外装
蓋。 ６．絶縁板。 ７．スペーサ。 ８．正極リードピン。 ９．正極集電リード。 １０．負極集電リード。 １１．正極リードタブ。 １２．負極リードタブ。 １３．負極リードピン。 １４．絶縁粘着テープ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】帯状の正極と帯状の負極が、セパレータを
   介して相対して配置し、正極は正極に、または、負極は
   負極に、または、正極は正極に且つ負極は負極に重なる
   ように、少なくとも１回以上折り畳んでなる電極体の構
   造を特徴とする電池。