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特許5761310電池

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5761310

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】電池

(51)【国際特許分類】

H01M 10/0587 20100101AFI20150723BHJP

H01M 4/13 20100101ALI20150723BHJP

【ＦＩ】

H01M10/0587

H01M4/13

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-234745(P2013-234745)

(22)【出願日】2013年11月13日

(62)【分割の表示】特願2009-200030(P2009-200030)の分割

【原出願日】2009年8月31日

(65)【公開番号】特開2014-29880(P2014-29880A)

(43)【公開日】2014年2月13日

【審査請求日】2013年11月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(72)【発明者】

【氏名】戸塚和秀

(72)【発明者】

【氏名】松尾和明

【審査官】結城佐織

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１−１８５７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７−２７３３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１−０７６７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９−１０４８５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ１０／０５−１０／０５８７

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

合剤層と合剤層未塗布部とが形成された帯状正極板と、合剤層と合剤層未塗布部とが形成された帯状負極板とをセパレータを介して巻回した巻回型発電要素を備えた電池において、
前記帯状正極板及び前記帯状負極板は、それぞれ長さ方向の湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍとした円錐台形状に形成され、
前記巻回型発電要素は、円錐台形状に形成された前記帯状正極板のうち直径の小さい方と、円錐台形状に形成された前記帯状負極板のうち直径の小さい方とが互いに反対側に位置する非水電解質二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は帯状極板を巻回した巻回型発電要素を備えた電池に関するものである。

【背景技術】

【0002】

非水電解質二次電池の発電要素には、帯状極板を巻回した巻回型と平板状極板を積層した積層型などが使用されている。このうち、巻回型発電要素は、集電体の表面に合剤層を設けた帯状正極板および帯状負極板を、セパレータを介して巻回したものである。

【0003】

そして、集電体としてはアルミニウム箔や銅箔が用いられ、合剤層は活物質、結着剤、導電助剤などを含んでいる。

【0004】

容量が１Ａｈよりも小さい小型の非水電解質二次電池の帯状極板を、図５および図６に示す。図５はカット前の帯状極板の平面、図６はカット後の帯状極板を示したもので、図６（Ａ）は平面、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ’断面を示す。図５および図６において、２１は合剤層、２２は集電体、２３は合剤層未塗布部、Ｘは幅方向、Ｙは長さ方向を示す。

【0005】

従来の小型の非水電解質二次電池の帯状極板は、図５に示したように、金属製の帯状集電体の表面に合剤層を塗布し、乾燥した後、ロールプレスで加圧し、合剤層の厚みを調整したもので、幅方向に数枚の帯状極板が連続した状態で作製され、図５の点線で示したように、長さ方向に数枚にカットすることにより、図６に示した１枚の帯状極板が得られる。この帯状極板では、図６（Ａ）に示したように、長さ方向の一方の端部に合剤層未塗布部が設けられ、巻回して発電要素とした場合、この合剤層未塗布部に集電リードが取りつけられる。

【0006】

シート状電極において、合剤層の密度を高めるために、シート状集電体をプレスすると、シート状電極の表面に波打ちや歪が生じるという問題があり、この歪を矯正する技術が特許文献１および特許文献２に記載されている。

【特許文献1】特開２００４−３３５３７４号公報

【特許文献2】特開２００７−２７３３９０号公報

【0007】

従来の帯状極板は、図５に示したように、帯状集電体の幅方向全体に合剤層が塗布されているので、長手方向の端部の合剤層未塗布部を除いた集電体の全面に合剤層が形成された状態になる。この状態でロールプレスを行った場合、集電体の全面に均一な圧力が加わるので、集電体は変形せず、湾曲のない帯状極板を得ることができる。

【0008】

しかし、このような湾曲のない帯状極板を巻回して発電要素とする場合、巻回時に極板が幅方向にずれ、電池の容量が減少し、十分な出力が得られないという問題があった。

【0009】

また、特許文献１や特許文献２に記載されたシート状電極の歪を矯正する技術では、合剤層未塗布部の歪は矯正されるが、最終的に得られた極板にどの程度の歪が残っているのかは不明であった。

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、本発明の目的は、湾曲のある帯状極板を用いた、巻きずれの抑制された発電要素を備えた電池を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

請求項１の発明は、合剤層と合剤層未塗布部とが形成された帯状正極板と、合剤層と合剤層未塗布部とが形成された帯状負極板とをセパレータを介して巻回した巻回型発電要素を備えた電池において、前記帯状正極板及び前記帯状負極板は、それぞれ長さ方向の湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍとした円錐台形状に形成され、前記巻回型発電要素は、円錐台形状に形成された前記帯状正極板のうち直径の小さい方と、円錐台形状に形成された前記帯状負極板のうち直径の大きい方とが互いに反対側に位置することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

請求項１の発明によれば、巻きずれの抑制された発電要素を提供することができる。

【発明を実施するための最良の形態】

【0013】

（本発明の概要）
初めに、本発明に係る電池の概要について説明する。

【0014】

本発明に係る電池は、合剤層と合剤層未塗布部とが形成された帯状正極板と、合剤層と合剤層未塗布部とが形成された帯状負極板とをセパレータを介して巻回した巻回型発電要素を備えた電池において、前記帯状正極板及び前記帯状負極板は、それぞれ長さ方向の湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍとした円錐台形状に形成され、前記巻回型発電要素は、円錐台形状に形成された前記帯状正極板のうち直径の小さい方と、円錐台形状に形成された前記帯状負極板のうち直径の大きい方とが互いに反対側に位置する電池である。

【0015】

本発明に係る電池は、集電体の表面に合剤層を設けた帯状正極板および帯状負極板を、セパレータを介して巻回した巻回型発電要素を備えた非水電解質二次電池に関するもので、帯状正極板と帯状負極板の両方に、帯状集電体の幅方向の一端に合剤層未塗布部を設けて、これらの帯状集電体の長さ方向の湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍとし、この巻回型発電要素において、帯状正極板の合剤層未塗布部と帯状負極板の合剤層未塗布部とが互いに反対側から突出するように巻回しても良い。

【0016】

この場合、帯状集電体の長さ方向の湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍの範囲とした帯状極板を使用することで、巻回型発電要素の帯状電極の巻きずれが抑制され、容量と出力が安定した非水電解質二次電池を得ることができる。

【0017】

本発明の非水電解質二次電池の帯状極板を図１および図２を用いて説明する。図１はカット前の帯状極板の平面図、図２はカット後の帯状極板の平面図で、図１および図２において、１は合剤層、２は集電体の合剤層未塗布部、Ｘは幅方向、Ｙは長さ方向を示す。

【0018】

容量が５Ａｈよりも大きい、大型の非水電解質二次電池の帯状極板は、図１に示したように、金属製の帯状集電体の表面に、幅方向の両端に合剤層未塗布部２が形成されるように合剤層１を塗布し、乾燥した後、ロールプレスで加圧し、合剤層の厚みを調整する。そして、図１の点線で示したように、長さ方向に２枚にカットすることにより、図２に示した１枚の帯状極板が得られる。得られた帯状極板は、図２に示したように、幅方向の一方の端部に合剤層未塗布部が設けられ、巻回して発電要素とした場合、この合剤層未塗布部の複数個所に集電リードが取りつけられる。

【0019】

図１に示した帯状極板において、乾燥後、合剤層をロールプレスで加圧する時、合剤層１が集電体の幅方向の中央部にあり、幅方向の両端に合剤層未塗布部２が形成されているため、集電体の中央部にのみ圧力が加わり、幅方向の両端の合剤層未塗布部には圧力が加わらない。そのため、集電体の合剤層塗布部と合剤層未塗布部では、集電体の変形が異なるので、図２に示したような湾曲した帯状極板が得られる。

【0020】

すなわち、図２に示したように、帯状極板の幅方向の合剤層未塗布部の一方の端をＡ、他方の端をＢとし、合剤層未塗布部の中点をＣ、ＡとＢを直線で結んだ中点をＤとすると、ＣとＤの間に少し間隔ができ、合剤層未塗布部はＡ−Ｃ−Ｂがつながった曲線となる。

【0021】

そこで、本発明においては、「帯状集電体の長さ方向の湾曲率」（以下では単に「湾曲率」とする）を「図２において、Ａ−Ｂ間の距離を１ｍとした時のＣ−Ｄ間の距離（ｍｍ／ｍ）」と定義する。そして、本発明の非水電解質二次電池に用いる帯状極板においては、湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍの範囲とするものである。

【0022】

つぎに、図２に示した帯状集電体を用いて発電要素を作製する手順を、図３および図４を用いて説明する。図３は発電要素にする前の帯状正極板、帯状負極板、セパレータを示す図であり、図４は本発明の巻回型発電要素の外観を示す図である。図３および図４において、１１は帯状正極板、１２は正極合剤層、１３は正極の合剤層未塗布部、１４は帯状負極板、１５は負極合剤層、１６は負極の合剤層未塗布部、１７はセパレータ、１８は巻回型発電要素である。

【0023】

まず、図３に示したように、帯状正極板１１とセパレータ１７と帯状負極板１４とを、正極の合剤層未塗布部１３と負極の合剤層未塗布部１６とが、互いに帯状極板の幅方向の反対側となるようにして、下から順にセパレータ（１７）／帯状負極板（１４）／セパレータ（１７）／帯状正極板（１１）となるように積層し、巻回することにより、図４に示した円柱形状の巻回型発電要素が得られる。

【0024】

図４に示したように、巻回型発電要素１８においては、帯状正極板１１および帯状負極板１４は、共に湾曲した帯状極板を巻回したものであるため、帯状正極板１１は、合剤層未塗布部１３の端部の直径Ｅの方が、合剤層が塗布された端部の直径Ｆよりも小さい円錐台形状となる。同じように、帯状負極板１４も円錐台形状となる。

【0025】

その結果、巻回型発電要素１８においては、円錐台形状の帯状正極板１１の直径の小さい方と、円錐台形状の帯状負極板１４の直径の小さい方とが、互いに反対側に位置する。そして、円錐台形状の帯状正極板１１の直径の小さい方と円錐台形状の帯状負極板１４の直径の大きい方とが同じ方向となり、円錐台形状の帯状正極板１１の直径の大きい方と円錐台形状の帯状負極板１４の直径の小さい方とが同じ方向となるので、円錐台形状の直径の大きい方は直径の小さい方によって圧迫される構造となる。この圧迫力により、発電要素の中心軸の両端部では、摩擦力が発生し、締め付けられて、帯状正極板と帯状負極板とが、発電要素の中心軸方向へのずれが抑制される。

【0026】

本発明においては、帯状極板の湾曲率を０．４〜２．５ｍｍ／ｍの範囲とするが、湾曲率が０．４ｍｍ／ｍよりも小さい場合には、摩擦力が小さいので、ずれの抑制が低下することになり、また、湾曲率が２．５ｍｍよりも大きい場合には、巻回工程において竹の子状に巻きずれが大きくなるので、正極と負極との対向が偏ることになる。

【0027】

このようにして作製した発電要素を、電池ケースに収納し、電池蓋を溶接し、電解液を注液することにより、非水電解質二次電池を得ることができる。

【実施例】

【0028】

本発明の実施例および比較例を、非水電解質二次電池を例として説明する。ただし、本発明の発電要素は、非水電解質二次電池に限らず、その他の電池にも応用可能であることはいうまでもない。

【0029】

［実施例１］
正極板は次の手順で作製した。まず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂の粉体８７重量％と導電助剤であるアセチレンブラック５重量％と結着剤であるポリフッ化ビニリデン（以下「ＰＶｄＦ」とする）８重量％とからなる混合物にＮ−メチル−２−ピロリドン（以下「ＮＭＰ」とする）を加えてペースト状とした正極合剤ペーストを作製した。

【0030】

次に、幅２００ｍｍ、厚さ２０μｍの帯状アルミニウム製集電体の表面の中央部に、幅方向の両端に各１４ｍｍの未塗布部を残し、集電体の長さ方向に、連続的に合剤層を塗布し、乾燥した後に、合剤層をロールプレスで加圧した。

【0031】

次に、この極板を半裁した後に、真空に減圧した状態で１２０℃に加熱乾燥することによって，集電体の中央部に合剤層が塗布され、幅方向の両端に各１４ｍｍの未塗布部があるコイル状の正極板を得た。この正極板は、幅１００ｍｍで、幅方向の一方の端部に１４ｍｍの未塗布部が形成されおり、湾曲率が０．４ｍｍ／ｍであった。

負極板は次の手順で作製した。まず、負極活物質としてのグラファイト（Ｇｒ）９４重量％と結着剤であるＰＶｄＦ６重量％とからなる混合物にＮＭＰを加えてペースト状とした負極合剤ペーストを作製した。

【0032】

次に、幅１９６ｍｍ、厚さ１５μｍの帯状銅製集電体の表面の中央部に、幅方向の両端に各１０ｍｍの未塗布部を残し、集電体の長さ方向に、連続的に合剤層を塗布し、乾燥した後に、合剤層をロールプレスで加圧した。

【0033】

次に、この極板を半裁した後に、真空に減圧した状態で１２０℃に加熱乾燥することによって，集電体の中央部に合剤層が塗布され、幅方向の両端に各１０ｍｍの未塗布部があるコイル状の負極板を得た。この負極板は、幅９８ｍｍで、幅方向の一方の端部に１０ｍｍの未塗布部が形成され、湾曲率が０．４ｍｍ／ｍであった。

【0034】

そして、長さ８９００ｍｍ、幅９６ｍｍ、厚さ１５μｍのポリエチレン／ポリプロピレン製二層セパレータを用い、正極板（長さ４０００ｍｍ）と負極板（長さ４２００ｍｍ）とをセパレータを介して巻回した巻回型発電要素とした。

【0035】

つぎに、電池蓋に設けられた正極端子と発電要素の正極板とをリード線で接続し、負極端子と発電要素の負極板とをリード線で接続し、発電要素を電池ケースに収納し、電池ケースと電池蓋とをレーザー溶接する。そして、電池蓋に設けた電解液注液口から電解液を注入し、電解液注液口を封口することにより、実施例１の非水電解質二次電池Ａを得た。

【0036】

非水電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とメチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）との体積比３０：４０：３０の混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／Ｌ溶解したものを用いた。得られた電池の設計容量は６Ａｈとした。なお、正極板および負極板の作製から電池組立に至る全ての工程は、露点−５０℃以下のドライルーム中でおこなった。

【0037】

［実施例２］
ロールプレス装置のロールベンドと張力とを制御することによって、帯状正極板および帯状負極板の湾曲率を１．０ｍｍ／ｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の非水電解質二次電池Ｂを得た。なお、実施例２では、実施例１よりもロールベントを増大し、張力を低減した。

【0038】

［実施例３］
ロールプレス装置のロールベンドと張力とを制御することによって、帯状正極板および帯状負極板の湾曲率を２．５ｍｍ／ｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施例３の非水電解質二次電池Ｃを得た。なお、実施例３では、実施例２よりもロールベントを増大し、張力を低減した。

【0039】

［比較例１］
ロールプレス装置のロールベンドと張力とを制御することによって、帯状正極板および帯状負極板の湾曲率を０．２ｍｍ／ｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の非水電解質二次電池Ｄを得た。なお、比較例１では、実施例１よりもロールベントを低減し、張力を増大した。

【0040】

［比較例２］
ロールプレス装置のロールベンドと張力とを制御することによって、帯状正極板および帯状負極板の湾曲率を３．０ｍｍ／ｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例２の非水電解質二次電池Ｅを得た。なお、比較例２では、実施例３よりもロールベントを増大し、張力を低減した。

【0041】

［特性測定］
実施例１〜３および比較例１、２の電池について、つぎの方法で特性を評価した。

【0042】

電池を充電した後に放電し、さらに充電した後に、ＳＯＣ５０％の状態で、４０℃の環境で２０日間放置した。つぎに、放電と充電との履歴を経た後に、ＳＯＣを２０％に調整した状態で、２５℃の環境に２１日間放置した。

【0043】

その後、電池を振動させた。その条件は以下の通りである。電池を振動試験装置にしっかりと固定した後、正弦波の対数掃引で、７Ｈｚ→２００Ｈｚ→７Ｈｚを１５ｍｉｎ．、３方向で１２回、合計で９ｈｒ掃引した。掃引速度は７Ｈｚから１８Ｈｚまでピーク加速度を１ｇｎに維持、振幅を０．８ｍｍ保持でピークク加速度８ｇｎとなるまで振動増加させた。その後、２００Ｈｚまでピーク加速度８ｇｎ維持した。電池電圧の測定はＳＯＣ２０％、２５℃、２１日間放置前後およびその後の振動試験後に行った。

【0044】

実施例１〜３および比較例１、２の電池について、２００個ずつ前述の測定を実施した。微短絡の判定は以下の二つからおこなった。一つは各電池の放置前後の電圧差を算出し、放置前電圧の平均値から、０．３％以上の電池電圧の低下がみられるものを微短絡が生じたものとした。もう一つは各電池の振動試験前後の電圧差を算出し、放置前電圧の平均値から２％以上の電池電圧の低下がみられるものを微短絡が生じたものとした。

【0045】

特性測定結果を表１に示す。

【0046】

【表1】