JPH11135105A

JPH11135105A - 電池

Info

Publication number: JPH11135105A
Application number: JP9316262A
Authority: JP
Inventors: Naruaki Okuda; 匠昭奥田; Takahiko Honma; 隆彦本間
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】部品点数の増加によるコスト上昇を招くこと
なく、高容量でかつ耐高負荷性を併せ有する電池を提供
する。【解決手段】正極１１と負極１３とをそれぞれ金属箔
よりなる集電層１１１，１３１の両面に相対的に厚い電
極層１１４，１３５と相対的に薄い電極層１１５，１３
４を形成して構成する。これら正極１１と負極１３の間
にセパレータ１２，１４を介設してこれらを巻回して、
正極１１と負極１３の相対的に厚い電極層１１４，１３
５を複数対それぞれセパレータ１２を介して対向させる
とともに、正極１１と負極１３の相対的に薄い電極層１
１５，１３４を複数対それぞれセパレータ１４を介して
対向させ、かつ集電層１１１，１３１にはその両面の電
極層１１４，１１１５，１３４，１３５を導通させる通
孔１１１，１３１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電池に関し、特にそ
の電極構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車（ＥＶ）の動力源として、エ
ネルギー密度が高くかつ使用温度範囲が広い等の特質を
有するリチウム二次電池が注目されている。円筒型のリ
チウム二次電池では図４に示すように、負極缶２の内部
に電解液に浸漬された状態で電極体１が渦巻き状に収納
され、電極体１中の正極と電池頂面の正極端子３がリー
ド３１で接続され、また、電極体１中の負極と負極缶２
がリード２１で接続されている。

【０００３】電極体１は図５に示すように、可撓性のあ
る帯状の正極１１、セパレータ１２、負極１３、セパレ
ータ１４の組を積層巻回したもので、このような電極体
１の断面は、図６に示すように、セパレータ１２，１４
を挟んで正極１１と負極１３が交互に繰り返すものとな
る。正極１１は、Ａｌ等の金属箔を使用した集電層１１
１の両面に同一厚の電極層１１２，１１３を形成した三
層構造で、電極層１１２，１１３は例えばＬｉＭｎ2 Ｏ
4 、および導電材としてのカーボン、結着材等の混合物
である。また負極１３は、Ｃｕ等の金属箔を使用した集
電層１３１の両面に、カーボンや結着材等よりなる同一
厚の電極層１３２，１３３を形成した三層構造である。
なお、上記各リード３１，２１はそれぞれ正極１１およ
び負極１３の集電層１１１，１３１に接続されている。

【０００４】ちなみに、各層の厚みの一例は以下の通り
である。

【０００５】このような構造により、セパレータを介し
て正極と負極の電極層の対が多数近接して対向し、これ
らの間でＬｉイオンがやり取りされることによって、電
池の充電および放電がなされる。なお、電池の容量は電
極層厚が大きいほど大きく、また、対向する正極と負極
のそれぞれの電極層厚は、各電極層の単位層厚当りの放
電容量、および放電容量比より決定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＥＶの動力
源として使用される電池は、長い航続距離を保証するた
めに高容量であるとともに、加速時の急速放電や制動時
の急速回生充電を可能とする耐高負荷性をも要求され
る。しかし、上記従来の電池構造では、高容量と耐高負
荷性の要求を同時に満足させることは困難であった。そ
の理由は、高容量を達成すべく電極層を厚くすると、こ
の部分での電極抵抗が増大して急速な充放電が困難にな
り、一方、電極抵抗を小さくして急速な充放電を可能に
すべく電極層を薄くすると、高容量が達成できないから
である。そこで、例えば急速充放電に適したキャパシタ
を高容量の電池に並列に接続して上記要求に応える試み
がなされているが、部品点数の増加とこれに伴うコスト
上昇が問題になっている。

【０００７】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るもので、部品点数の増加によるコスト上昇を招くこと
なく、高容量でかつ耐高負荷性をも併せ有する電池を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、正極（１１）と負極（１３）とをそれ
ぞれ集電層（１１１，１３１）の両面に電極層（１１
４，１１５，１３４，１３５）を設けて構成するととも
に、正極（１１）と負極（１３）の電極層（１１４と１
３５、１３４と１１５）を複数対それぞれセパレータ
（１２，１４）を介して対向させ、対向する複数対の電
極層のうち少なくとも一対の電極層の厚みを残る他の電
極層の厚みと異ならせるとともに、厚みの異なる電極層
に両面が接する集電層にはその両面の電極層を導通させ
る通孔（１１６，１３６）を形成する。

【０００９】本発明においては、セパレータを介して対
向する複数対の電極層のうち少なくとも一対の電極層の
厚みを残る他の電極層の厚みと異ならせている。例え
ば、少なくとも一対の電極層の厚みを残る他の電極層の
厚みより薄くしておくと、電極抵抗の小さい薄い電極層
において高電流密度でエネルギーの出し入れがなされる
ことにより急速充放電が可能となる。そして、残る他の
電極層の厚みを、電池全体の電極層厚が十分確保される
ように厚くしておけば、十分大きな電池容量も確保され
る。なお、急速充放電時に薄い電極層内のＬｉイオン濃
度が急速に上昇ないし下降して厚い電極層内のＬｉイオ
ン濃度と不平衡になるが、この不平衡状態は長時間の低
負荷作動時に集電層の通孔を経てＬｉイオンが拡散する
ことにより解消される。

【００１０】本発明はまた、以下の構成によっても実現
される。すなわち、正極（１１）と負極（１３）とをそ
れぞれ帯状可撓性部材よりなる集電層（１１１，１３
１）の両面に相対的に厚い電極層（１１４，１３５）と
相対的に薄い電極層（１１５，１３４）を形成して構成
し、これら正極（１１）と負極（１３）の間にセパレー
タ（１２，１４）を介設してこれらを巻回して、正極
（１１）と負極（１３）の相対的に厚い電極層（１１
４，１３５）を複数対それぞれセパレータ（１２）を介
して対向させるとともに、正極（１１）と負極（１３）
の相対的に薄い電極層（１１５，１３４）を複数対それ
ぞれセパレータ（１４）を介して対向させ、かつ集電層
（１１１，１３１）にはその両面の電極層（１１４，１
１１５，１３４，１３５）を導通させる通孔（１１１，
１３１）を形成する。このような構成によれば、コンパ
クトかつ高容量を実現する筒状電池に適用して、上述し
た作用効果を得ることができる。なお、本構成において
は、薄い電極層と厚い電極層が同数形成されることにな
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の電池の全体構造は既に説
明した従来のものと同一であり、以下、従来とは異なる
電極構造について説明する。図１には電極体１の断面を
示し、正極１１は三層構造で、Ａｌ等の金属箔を使用し
た集電層１１１の両面に電極層１１４，１１５が形成さ
れている。電極層１１４，１１５は例えばＬｉＭｎ2 Ｏ
4 、導電材としてのカーボン、結着材等の混合物であ
り、集電層１１１の一方の面に形成された電極層１１４
は厚く、他方の面に形成された電極層１１５は薄くして
ある。

【００１２】負極１３も三層構造で、Ｃｕ等の金属箔を
使用した集電層１３１の両面に電極層１３４，１３５が
形成され、これら電極層１３４，１３５は例えばカーボ
ン、結着材等の混合物である。そして、セパレータ１４
を介して正極１１の薄い電極層１１５に対向する電極層
１３４は薄くし、一方、セパレータ１２を介して正極の
厚い電極層１１４に対向する電極層１３５は厚くしてあ
る。また、集電層１１１，１３１を構成する金属箔には
０．５ｍｍφの通孔１１６，１３６が開口率５０％で多
数設けてあり、この通孔１１６，１３６を経て集電層１
１１，１３１の両面の電極層１１４，１１５と１３４，
１３５が互いに導通している。

【００１３】ちなみに、各層の厚みの一例は以下の通り
である。

【００１４】すなわち、正極１１、負極１３共に、その
厚み、幅、長さは従来例で示したものと同一とし、集電
層１１１，１３１を挟んだ電極層１１４，１１５と１３
４，１３５の厚みの比のみを従来の１：１から１：９と
する。このように設定すると、正極１１、負極１３はい
ずれも電極層厚／集電層厚が従来例で示したものと同一
であるから、電池の全体容量は同一となる。そこで、耐
高負荷性を比較するためにパワー密度Ｐd （Ｗ／Ｋｇ）
を算出する。

【００１５】このパワー密度の算出は以下のように行
う。すなわち、評価する電池を０．２Ａ程度の低電流で
１００％充電（ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇ
ｅ）＝１００％）する。この状態から、１Ａで一定時間
Ｔ（例えば２０秒間）放電した直後の電圧Ｖ1 を測定す
る（図２）。その後、放電した条件で充電してＳＯＣを
理論上１００％に戻す。次に３ＡでＴ時間放電した直後
の電圧Ｖ3 を測定し（図２）、放電した条件で再び充電
してＳＯＣを理論上１００％に戻す。さらに、５ＡでＴ
時間放電した直後の電圧Ｖ5 を測定する（図２）。その
後、放電した条件で充電し、ＳＯＣを理論上１００％に
戻す。そして、放電電流と電圧Ｖ1 〜Ｖ5の関係から、
放電直後の電圧が限界電圧の３Ｖになる電流値Ｉx （x
＝１００）を推定する。

【００１６】次に、ＳＯＣ＝７５％の状態まで０．２Ａ
程度の低電流で電池を放電させる。この状態から、上記
と同様に放電とＳＯＣ＝７５％までの充電を繰り返して
電圧Ｖ1 〜Ｖ5 を得、放電電流と電圧Ｖ1 〜Ｖ5 の関係
から、放電直後の電圧が限界電圧の３Ｖになる電流値Ｉ
x （x ＝７５）を推定する。

【００１７】同様の測定をＳＯＣ＝５０％、２０％につ
いても行ってそれぞれ電流値Ｉx （x ＝５０，２０）を
推定する。そして、推定された各電流値Ｉx から下式
（１）で各ＳＯＣにおけるパワー密度Ｐd を算出する。
これを図３に示す。図３中の線ｘは前述の電極体仕様を
有する本発明電池の特性であり、線ｙは前述の電極体仕
様を有する従来電池の特性である。図３より明らかなよ
うに、いずれの充電状態においても、本発明電池のパワ
ー密度Ｐd が従来電池を上回っており、急速充放電を可
能とする耐高負荷性に優れていることがわかる。

【００１８】Ｐd ＝３（Ｖ）×Ｉx （Ａ）／Ｗｔ…（１）ここで、x ＝１００，７５，５０，２０、Ｗｔは電池重
量である。

【００１９】このような特性が発揮されるのは次のよう
な理由によると思われる。すなわち、厚い電極層１１
４，１３５が存在することによって、全体として電極層
厚は大きく保たれ、十分な電池容量が確保される。一
方、急速充放電時には電極抵抗の小さい薄い電極層１１
５，１３４によって高電流密度でエネルギーの出し入れ
が行われて、十分な耐高負荷性が発揮される。この時、
薄い電極層１１５，１３４と厚い電極層１１４，１３５
とで一時的にＬｉイオン濃度が不平衡になるが、この不
平衡は長時間の低負荷使用時に集電層１１１，１３１の
通孔１１６，１３６を経てイオンが拡散することによっ
て緩和される。

【００２０】なお、上記実施形態では薄い電極層１１
５，１３４と厚い電極層１１４，１３５の厚みの比を
１：９としたが、これに限られるものではなく、実用的
には１：５０〜４：５の範囲で適宜選択することができ
る。また、集電層１１１，１３１における通孔１１６，
１３６は、実用的には孔径が０．０５〜５ｍｍφ程度、
開口率が５〜９０％程度の範囲で適宜選択することがで
きる。

【００２１】上記実施形態では、電極体１を円筒状に巻
回して構成する円筒型電池に本発明を適用した場合につ
いて説明した。この場合の厚い電極層１１４，１３５と
薄い電極層１１５，１３４の形成比率は５０％づつにな
るが、本発明はこのような筒型電池以外にも適用するこ
とが可能であり、この場合の厚い電極層と薄い電極層の
形成比率は目的に応じて適宜変更することができる。

【００２２】また、上記実施形態における正極および負
極の材料や厚み等はあくまで一例であり、これらに限定
されるものではない。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明の電池は、高容量
でかつ耐高負荷性を併せ有するとともに、外付けのキャ
パシタが不要であるから、部品点数の増加やこれに伴う
コスト上昇を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す、電池の電極部横断
面図である。

【図２】放電電流と電池電圧の関係を示すグラフであ
る。

【図３】ＳＯＣとパワー密度の関係を示すグラフであ
る。

【図４】円筒型電池の透視斜視図である。

【図５】電極体の部分斜視図である。

【図６】従来電池の電極部横断面図である。

【符号の説明】

１…電極体、１１…正極、１１１…集電層、１１４，１
１５…電極層、１１６…通孔、１２，１４…セパレー
タ、１３…負極、１３１…集電層、１３４，１３５…電
極層、１３６…通孔、２…負極缶、３…正極端子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極と負極とをそれぞれ集電層の両面に
電極層を設けて構成するとともに、正極と負極の電極層
を複数対それぞれセパレータを介して対向させ、対向す
る複数対の電極層のうち少なくとも一対の電極層の厚み
を残る他の電極層の厚みと異ならせるとともに、厚みの
異なる電極層に両面が接する集電層にはその両面の電極
層を導通させる通孔を形成したことを特徴とする電池。