JPH11233148A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JPH11233148A
JPH11233148A JP10037494A JP3749498A JPH11233148A JP H11233148 A JPH11233148 A JP H11233148A JP 10037494 A JP10037494 A JP 10037494A JP 3749498 A JP3749498 A JP 3749498A JP H11233148 A JPH11233148 A JP H11233148A
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negative electrode
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electrode
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Junichi Shigetomi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極長を長くした場合でも、集電抵抗が低く
抑えられ、高出力が得られる非水電解液二次電池を提供
する。 【解決手段】 負極3に接続されるリード12a,12
b,12cの本数または正極6に接続されるリード13
a,13bの本数の少なくともいずれかが、式1または
式2の条件を満たすようにする。 Xa≧〔(1.72×10-4×La)/(Wa×t
a)〕1/2・・・式1 (但し、Laは負極の長さ、Waは負極の幅、taは負
極集電体の厚さである。また、Xaのうち整数に対応す
る数が負極のリードの本数である。) Xc≧〔(2.75×10-4×Lc)/(Wc×t
c)〕1/2・・・式2 (但し、Lcは正極の長さ、Wcは正極の幅、tcは正
極集電体の厚さである。また、Xcのうち整数に対応す
る数が正極のリードの本数である。)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は非水電解液二次電池
に関し、特にハイブリッド型電気自動車用の電源のよう
な大きな出力密度で用いられる電源として好適な非水電
解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】ニッケルカドミウム電池等の水溶液二次
電池に代わるものとして、エネルギー密度が高く、また
軽量であることから非水電解液二次電池の開発が進めら
れている。
【0003】この非水電解液二次電池は、リチウムをド
ープ・脱ドープすることが可能な負極と正極、及び非水
溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液を用いる電池で
ある。負極の材料としては例えば炭素材料等が用いら
れ、正極の材料としては例えばLiCoO2等のリチウ
ム遷移金属複合酸化物が用いられる。
【0004】この非水電解液二次電池には、コイン型や
円筒型等、各種形態のものがあり、電極の形状はその電
池形態に応じて選択される。例えば、円筒型の非水電解
液二次電池の場合には、負極集電体の両面または片面に
負極合剤層が形成されてなる帯状の負極と、正極集電体
の両面または片面に正極合剤層が形成されてなる帯状の
正極とを、セパレータを介して積層し、この積層体を巻
回した巻回電極体が用いられる。ここで、負極集電体,
正極集電体にはそれぞれ負極リード,正極リードが1箇
所に取り付けられ、これらリードを通じて電流が取り出
されるようになっている。
【0005】ところで、電池の容量や出力密度は電極の
形状によって異なる。例えば電極合剤層の厚さを厚くす
れば、電池内に充填される活物質量が増えるため、電池
容量は大きくなる。しかし、電極合剤層の厚さを厚くす
ると、電池内に収容できる電極の長さが短くなるため反
応表面積は小さくなり、出力密度は小さくなる。
【0006】ここで、これまでの円筒型非水電解液二次
電池では、片面での正極合剤層の厚さが80〜90μm
と比較的厚めとされている。これは、非水電解液二次電
池が、主にポータブル機器の電源として用いられている
ためである。ポータブル機器に用いられる電源として
は、使用時間が長いこと、すなわち放電容量が大きいこ
とが重視される。
【0007】これに対して、最近、非水電解液二次電池
の軽量性に着目して、ハイブリッド型電気自動車用やエ
ンジン始動用の電源に、非水電解液二次電池を利用する
ことが検討されている。これらに用いられる電源は、放
電・充電がともに数秒程度の短時間で且つ大電力で行わ
れることが多く、容量よりも出力密度が大きいことが重
要になる。したがって、この場合には、反応表面積が大
きくなるように、電極合剤層の厚さを薄くして電池内に
収容される電極の長さを長くすることが必要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような巻回電極体において、電極の長さをそのまま長く
した場合、集電体での電気抵抗が増加し、出力が低下す
るといった問題が生じてしまう。集電体の電気抵抗を低
減する方法として集電体の厚さを厚くすることも考えら
れるが、そうすると、電池内に充填できる活物質量が減
少して電池容量が小さくなったり、電池重量が増加する
等の不都合を招いてしまう。
【0009】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、集電抵抗が低く抑えら
れ、高い出力が得られる非水電解液二次電池を提供する
ことを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の非水電解液二次電池は、Cuよりなる帯
状負極集電体上に、負極合剤層が形成されてなる負極
と、Alよりなる帯状正極集電体上に、正極合剤層が形
成されてなる正極とを有し、これら負極と正極の長手方
向に並列してリードが接続され、これらリードの本数
が、式1または式2の少なくともいずれかの条件を満た
すことを特徴とするものである。
【0011】 Xa≧〔(1.72×10-4×La)/(Wa×ta)〕1/2・・・式1 (但し、Laは負極の長さ(cm)、Waは負極の幅
(cm)、taは負極集電体の厚さ(cm)である。ま
た、Xaのうち整数に対応する数が負極のリードの本数
である。) Xc≧〔(2.75×10-4×Lc)/(Wc×tc)〕1/2・・・式2 (但し、Lcは正極の長さ(cm)、Wcは正極の幅
(cm)、tcは正極集電体の厚さ(cm)である。ま
た、Xcのうち整数に対応する数が正極のリードの本数
である。) 非水電解液二次電池において、負極,正極に接続するリ
ードの本数を、式1または式2を満たすように負極,正
極の寸法や集電体の厚さに応じて規定すると、集電抵抗
が低く抑えられ、高い出力が得られるようになる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施の形
態について説明する。
【0013】本発明にかかる非水電解液二次電池の一例
を図1に示す。
【0014】この非水電解液二次電池は、図1に示すよ
うに、負極集電体1の両面に負極合剤層2を形成してな
る負極3と、正極集電体4の両面に正極合剤層5を形成
してなる正極6とを、ポリプロピレンやポリエチレン等
よりなる微多孔膜セパレータ7を介して巻回し、この巻
回体の上下に絶縁体8を載置した状態で電池缶9に収納
してなるものである。
【0015】前記電池缶9には、電池蓋10が封口ガス
ケット11を介してかしめることによって取付けられ、
それぞれ負極リード12及び正極リード13を介して負
極あるいは正極と電気的に接続され、電池の負極あるい
は正極として機能するように構成されている。
【0016】但し、この電池では、安全装置として電流
遮断用薄板が設けられ、上記正極リード13は、この電
流遮断用薄板14に溶接されて取り付けられ、この電流
遮断用薄板14を介して電池蓋10との電気的接続が図
られている。
【0017】このような構成を有する電池においては、
電池内部の圧力が上昇すると、前記電流遮断等薄板14
が押し上げられて変形する。すると、正極リード13が
電流遮断用薄板14と溶接された部分を残して切断さ
れ、電流が遮断される。
【0018】ここで、上記負極3及び正極6の展開図を
図2に示す。上記負極3及び正極6には、上述の如く電
流を取り出すための負極リード12a,12b,12
c、正極リード13a,13bがそれぞれ接続されてい
る。この負極リード12a,12b,12c、正極リー
ド13a,13bの接続部分は、合剤層が形成されずに
集電体が露出しており、この露出している集電体に負極
リード12a,12b,12c、正極リード13a,1
3bは直接溶接されている。
【0019】そして、この非水電解液二次電池では特
に、負極リード12a,12b,12cは式1で示され
るXaのうち整数に対応する本数で負極の長手方向に並
列に接続され、 Xa≧〔(1.72×10-4×La)/(Wa×ta)〕1/2・・・式1 (但し、Laは負極の長さ(cm)、Waは負極の幅
(cm)、taは負極集電体の厚さ(cm)である。) また、正極リード13a,13bは、次式で示されるX
cのうち整数に対応する本数で正極の長手方向に並列し
て接続されている。
【0020】 Xc≧〔(2.75×10-4×Lc)/(Wc×tc)〕1/2・・・式2 (但し、Lcは正極の長さ(cm)、Wcは正極の幅
(cm)、tcは正極集電体の厚さ(cm)である。) このように電極の寸法や集電体の厚さに応じた本数で負
極リード12a,12b,12c、正極リード13a,
13bが接続されていると、電極の長さを長くした場合
でも集電抵抗が5mΩ以下に低減し、電流密度の向上を
図りながら大きな出力を得ることができる。なお、この
ような負極リード12a,12b,12cと正極リード
13a,13bの接続条件は、いずれか一方が満たされ
ていても効果は得られるが、両方の条件が満たされてい
るとより効果が高い。
【0021】ここで、集電抵抗を5mΩ以下にすること
は、特に動力源としてガソリンと電気を用いるハイブリ
ッド型車両に使用する電池において必要条件となる。
【0022】すなわち、ハイブリッド型車両に使用する
電池は、できる限り小型且つ高出力であることが望まし
い。ここで、一般的に小型車の場合、車両として20k
W程度の出力が必要とされる。また、必要とされる電圧
は、モーターの動作電圧から決まり、このことと電流効
率や安全性などを考慮するとセルの直列数は約100セ
ルとなる。したがって、車両に使用する電池は、セルあ
たりで約200Wの出力が必要となる。
【0023】一方、電池の開放電圧は約3.8Vであ
り、この場合200Wの出力を得るためには、内部抵抗
が16mΩ以下であることが必要である。
【0024】ここで、電池の内部抵抗は、電池反応に係
る反応抵抗と、電解液やセパレータに由来する抵抗と、
集電抵抗に分けられ、このうち反応抵抗は約7〜8m
Ω、電解液やセパレータに由来する抵抗は約4mΩであ
り、これらを変えずに電池の内部抵抗を16mΩ以下に
するためには集電抵抗はおおよそ5mΩ以下であること
が必要である。このように、ハイブリッド型車両に使用
する電池では、集電抵抗が5mΩ以下であることが必要
である。
【0025】負極リード12a,12b,12c、正極
リード13a,13bはこのように所定の本数で接続さ
れるが、この場合、これらの接続位置も重要になる。例
えば、負極のリード本数を正極のリード本数よりも1本
多くし、図2に示すように、負極では負極リード12
a,12b,12cを等間隔で接続し、そのうち2本は
電極端部3a,3bに接続する。一方、正極リード13
a,13bは、負極リード同士の間の中点Ca,Cbに
対応する位置に接続すれば良い。この場合、隣り合った
正極13a,13b同士の間の中点Ccと正極リード1
3aまたは13bとの距離、及び電極端部6aまたは6
bと前記正極リード13aまたは13bとの距離が等し
いことになる。
【0026】なお、ここでは負極リードを3本、正極リ
ードを2本接続した場合を例にしているが、上記条件を
満たす範囲であれば、この他のリード数にした場合でも
同様である。
【0027】本発明では、このような条件で負極3,正
極6にそれぞれ負極リード12と正極リード13を接続
するが、負極3,正極6を構成する合剤層や集電体には
通常用いられている材料がいずれも使用可能である。
【0028】まず、負極合剤層は、リチウムイオンをド
ープ・脱ドープすることが可能な負極材料と結着剤を含
有して構成される。
【0029】負極材料としては、例えば、炭素質材料等
が用いられる。この炭素質材料としては、熱分解炭素
類、コークス類(ピッチコークス、ニードルコークス、
石油コークス等)、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分
子を前駆体とした炭素類(フラン樹脂などを適当な温度
で焼成したもの等)、炭素繊維、活性炭等が挙げられ
る。
【0030】負極材料を正極集電体に保持するための結
着剤及び正極集電体としては通常用いられているものが
使用できる。例えば、結着剤としてはポリフッ化ビニリ
デン等のフッ素系樹脂、集電体としては銅箔等が使用さ
れる。
【0031】また、正極合剤層は、リチウムイオンをド
ープ・脱ドープすることが可能な正極材料と導電剤及び
結着剤を含有して構成される。
【0032】正極材料としては、例えばLixMO2(但
し、Mは1種以上の遷移金属、好ましくはMn、Co、
Ni、Feの少なくとも1種である。また、0.05≦
x≦1.10である)で表されるリチウム遷移金属複合
酸化物が使用される。
【0033】正極に導電性を付与するための導電剤、正
極材料を正極集電体に保持するための結着剤及び正極集
電体としては通常用いられているものが使用できる。
【0034】例えば導電剤としてはグラファイト,カー
ボンブラック、結着剤としてはポリフッ化ビニリデン等
のフッ素系樹脂、正極集電体としてはアルミニウム箔が
それぞれ使用される。
【0035】また、この電池では、非水溶媒に電解質塩
を溶解させた非水電解液が用いられる。
【0036】非水溶媒としては、炭酸プロピレン,炭酸
エチレン,炭酸ブチレン等の環状カーボネート、炭酸ジ
メチル,炭酸ジエチル,炭酸ジプロピル,炭酸エチルメ
チル等の鎖状カーボネート、ジメトキシエタン,テトラ
ヒドロフラン等のエーテル化合物、γ−ブチロラクトン
等の環状エステル類、スルホラン類等が単独もしくは混
合して用いられる。
【0037】また、電解質塩としてはLiPF6、Li
BF4、LiCF3SO3、LiClO4、LiAsF6
のリチウム塩が使用される。
【0038】
【実施例】本発明の実施例について実験結果に基づいて
説明する。
【0039】〔実験例1〕実施例1 この実施例1は、負極の長さLa:485.5cm、負
極の幅Wa:7.65cm、負極集電体の厚さta:
0.0015cmとし、負極に負極リードを3本取り付
け、正極の長さLc:470.0cm、正極の幅Wc:
7.25cm、正極集電体の厚さtc:0.0020c
mとし、正極に正極リードを2本取付けた非水電解液二
次電池の例である。
【0040】この非水電解液二次電池は以下のようにし
て作製した。
【0041】まず、負極は次のようにして作製した。
【0042】石油ピッチを、不活性ガス気流中で焼成す
ることによって炭素材料を合成し、この炭素材料を粉砕
することによって平均粒径20μmの炭素材料粉末を得
た。
【0043】この炭素材料粉末90重量部と、結着剤と
なるフッ化ビニリデン樹脂10重量部を混合することで
負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチルピロリド
ンに分散させることで負極合剤スラリーを得た。次に、
この負極合剤スラリーを、厚さ0.0015cmの銅箔
よりなる負極集電体の両面にリード溶接部を除いて塗布
した。そして、この負極集電体をロールで両面から圧縮
することによって負極原板を作製し、幅7.65cm、
長さ485.0cmに裁断した。ここで、〔(1.72
×10-4×La)/(Wa×ta)〕1/2は2.70で
ある。この負極に、図2に示すように両端部と両端部同
士の間の中点位置の3箇所に負極リードを溶接した。な
お、負極リードは、幅13mm、厚さ0.1mmのCu
製リードである。
【0044】正極は次のようにして作製した。
【0045】平均粒径10μmのLiCoO2粉末95
重量部と、導電剤となるグラファイト1.5重量部とカ
ーボンブラックを0.5重量部及び、結着材となるフッ
化ビニリデン樹脂3重量部を混合することによって正極
合剤を調製し、この正極合剤をN−メチルピロリドンに
分散させることで正極合剤スラリーを得た。そして、こ
の正極合剤スラリーを厚さ0.0020cmのアルミ箔
よりなる正極集電体の両面にリード溶接部を除いて塗布
した。そして、この正極集電体をロールで両面から圧縮
することによって正極原板を作製し、幅7.25cm、
長さ470.0cmに裁断した。ここで、〔(2.75
×10-4×Lc)/(Wc×tc)〕1/2は2.99で
ある。この正極に、図2に示すように2本の正極リード
同士の間の中点と前記正極の距離及び、電極端部と前記
電極端部側の正極の距離が等しくなるように2箇所に正
極リードを溶接した。なお、正極リードは、幅15m
m,厚さ0.2mmのAl製リードである。
【0046】このようにして作製された負極と正極及び
セパレータを、負極・セパレータ・正極・セパレータの
順で重ね、正極よりも負極が内側となるようにポリプロ
ピレン製の内芯(外径:7mm、長さ81mm)に巻取
ることで電極素子を作製した。セパレータは、幅80.
5mm、長さ5100mmのポリプロピレン製の微多孔
性シートであり、このセパレータを電極間に2枚重ねて
配するようにした。
【0047】なお、負極の負極合剤が塗布されていない
部分(リード溶接部)と対向する正極部分には、ポリイ
ミド製テープを貼り、電極間のイオンの移動が疎外され
るようにした。また、負極リードと正極リードは、それ
ぞれ電極素子の異なる端面から導出した。
【0048】次に、作製された電極素子の上下にインシ
ュレータを配し、これをニッケルめっきが施された鉄製
円筒缶に挿入した。そして、負極リードを缶底に溶接す
るとともに、正極リードを電流遮断用薄板に溶接した。
【0049】続いて、円筒缶の中に、プロピレンカーボ
ネートとジエチルカーボネートの混合溶媒にLiBF4
を1.5モル/リットルなる濃度で溶解させた電解液を
注入した。そして、円筒缶の開放側にトップカバーを載
せ、絶縁封口用のガスケットを介してかしめ、密閉する
ことで円筒型非水電解液二次電池(直径40mm、高さ
90mm)を作製した。
【0050】比較例1 図3に示すように、負極14に溶接する負極リード15
の本数を1本、正極16に溶接する正極リード17の本
数を1本にし、負極リード15を負極14の端部に溶接
し、正極リード17を正極16の反対側の端部に溶接し
たこと以外は実施例1と同様にして非水電解液二次電池
を作製した。
【0051】比較例2 図4に示すように、負極18に溶接する負極リード19
a,19bの本数を2本、正極20に溶接する正極リー
ド21の本数を1本にし、負極リード19a,19bを
負極18の両端部に溶接し、正極リード21を正極20
の中央部に溶接したこと以外は実施例1と同様にして非
水電解液二次電池を作製した。
【0052】以上のようにして作製された電池につい
て、電池の出力特性と内部抵抗解析を行った。その結果
を表1に示す。
【0053】
【表1】
【0054】表1に示すように、負極リードの本数が所
定の条件を満たす実施例1の電池は、比較例1や比較例
2の電池に比べて集電抵抗が小さく、電池の内部抵抗が
小さく抑えられ、大きな出力密度が得られる。
【0055】このことから、リードの本数を、電極の長
さや幅、集電体の厚さに応じて設定することは、電池の
内部抵抗を下げ、大きな出力密度を得る上で有効である
ことがわかった。
【0056】さらに、負極リードと正極リードの両者を
3本とし、実施例1と同様にして非水電解二次電池を作
製した。なお、正極リードも負極リードと同様にして正
極に取り付けることとした。そして、この非水電解二次
電池の集電抵抗を測定したところ、前述の実施例1より
も更に1(mΩ)程度低下して約2(mΩ)となり、負
極リードと正極リードの本数の両方が所定の条件を満た
す場合には、集電抵抗を更に抑えることが可能となるこ
とが確認された。
【0057】〔実験例2〕次に、正極リードの本数を1
本に固定し、負極リードの本数を変更する以外は、実施
例1と同様にして非水電解二次電池を作製し、これらの
電池の集電抵抗、総抵抗、電池容量比を調査した。
【0058】結果を図5に示す。図5中横軸はリード本
数を示し、縦軸は抵抗と電池容量比を示す。そして、図
5中○は集電抵抗を示し、□は総抵抗を示し、△は電池
容量比を示す。ただし、上記電池容量比は、負極リード
が1本である電池の電池容量を1とした場合の比で示
す。
【0059】図5の結果を見てわかるように、リード本
数を多くするほど、集電抵抗は低下している。しかしな
がら、リード本数の増加に伴って電池容量は低下してい
る。これは、電池内で電池反応に寄与しない部分が増加
してしまうためである。そして、総抵抗はこれらの相関
で増減し、リード数3本の場合に最小値をとり、それ以
上の本数ではあまり変化がない。ただし、リード本数を
更に増やすと、反応抵抗等の上昇によって総抵抗は上昇
してしまう。
【0060】すなわち、これらの結果からリード本数を
多くするほど集電抵抗を下げる効果があることが確認さ
れた。また、このリード本数は、総抵抗が上昇しない範
囲とされることが好ましいことが確認された。
【0061】なお、ここでは、負極リードの本数を変更
して調査を行ったが、正極リードの本数を変更して調査
を行っても同様の結果が得られ、さらに、負極リードと
正極リードの両者の本数を増加させれば、集電抵抗を低
下させる効果がさらに顕著となる。
【0062】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の非水電解液二次電池では、正極または負極に接続す
るリードの本数を規制するので、内部抵抗が小さく抑え
られ、高い出力を得ることができる。したがって、同じ
出力を得るのに要する電池質量が従来のものに比べて小
さくて済む。また、内部抵抗が低いことによって、充放
電のエネルギー効率が非常に高くなり、さらに充放電に
伴うジュール熱の発生も小さいため、放熱処理が容易に
なる。しかも、リード本数をいたずらに多くすることに
よる電池質量の増加、容量低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した非水電解液二次電池の一例を
示す縦断面図である。
【図2】負極に3本の負極リードを取付け、正極に2本
の正極リードを取り付けた様子を示す平面図である。
【図3】負極に1本の負極リードを取付け、正極に1本
の正極リードを取り付けた様子を示す平面図である。
【図4】負極に2本の負極リードを取付け、正極に1本
の正極リードを取り付けた様子を示す平面図である。
【図5】リード本数と抵抗、電池容量比の関係を示す特
性図である。
【符号の説明】
3 負極、6 正極、12a,12b,12c 負極リ
ード、13a,13b正極リード

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Cuよりなる帯状負極集電体上に、負極
    合剤層が形成されてなる負極と、Alよりなる帯状正極
    集電体上に、正極合剤層が形成されてなる正極とを有
    し、これら負極と正極の長手方向に並列してリードが接
    続され、 これらリードの本数が、式1または式2の少なくともい
    ずれかの条件を満たすことを特徴とする非水電解液二次
    電池。 Xa≧〔(1.72×10-4×La)/(Wa×ta)〕1/2・・・式1 (但し、Laは負極の長さ(cm)、Waは負極の幅
    (cm)、taは負極集電体の厚さ(cm)である。ま
    た、Xaのうち整数に対応する数が負極のリードの本数
    である。) Xc≧〔(2.75×10-4×Lc)/(Wc×tc)〕1/2・・・式2 (但し、Lcは正極の長さ(cm)、Wcは正極の幅
    (cm)、tcは正極集電体の厚さ(cm)である。ま
    た、Xcのうち整数に対応する数が正極のリードの本数
    である。)
  2. 【請求項2】 負極合剤は、炭素材料を含有することを
    特徴とする請求項1記載の非水電解液二次電池。
  3. 【請求項3】 正極合剤層は、LixMO2(但し、Mは
    Co,Ni,Mn,Cr,Fe,V,Alのいずれか1
    種類以上であり、1.1≧x≧0.4である。)で表さ
    れるリチウム遷移金属複合酸化物を含有することを特徴
    とする請求項1記載の非水電解液二次電池。
  4. 【請求項4】 負極に3本以上の負極リードが等間隔で
    接続され、そのうち2本は負極端部に接続され、 正極に2本以上の正極リードが接続され、隣合う正極リ
    ード同士の間の中点と前記正極リードとの距離と、正極
    端部と前記正極端部側の正極リードとの距離が等しくな
    されていることを特徴とする請求項1記載の非水電解液
    二次電池。
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