JP2005222887A - 電極捲回型電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電極を渦巻き状に捲回する電池の電池容量を増加させる。
【解決手段】 電解質を介して正極(正極集電体1、正極活剤層2)と、負極(負極集電体7、負極合剤層)とが渦巻き状に捲回される。捲回電極群の巻き終わり側の端部の近傍に正極側のリード端子8と負極側のリード端子9とが固着される。リード端子8および9がリード導出側の側面22の中央部ではなく、面23側に偏った位置から外部に導出される。ここで、面23は、外装材31に形成された凹部32の開口側に露出する面である。したがって、電池素子21がアルミラミネートの外装材31の凹部32に挿入される場合に、リード端子8および9を折り曲げることが不要となり、直線状に外装材31の外部に導出でき、短絡防止のための絶縁材を不要とできる。
【選択図】 図1
【解決手段】 電解質を介して正極(正極集電体1、正極活剤層2)と、負極(負極集電体7、負極合剤層)とが渦巻き状に捲回される。捲回電極群の巻き終わり側の端部の近傍に正極側のリード端子8と負極側のリード端子9とが固着される。リード端子8および9がリード導出側の側面22の中央部ではなく、面23側に偏った位置から外部に導出される。ここで、面23は、外装材31に形成された凹部32の開口側に露出する面である。したがって、電池素子21がアルミラミネートの外装材31の凹部32に挿入される場合に、リード端子8および9を折り曲げることが不要となり、直線状に外装材31の外部に導出でき、短絡防止のための絶縁材を不要とできる。
【選択図】 図1
Description
この発明は、電極捲回型電池に関し、特に、電解質層と正電極と負電極とが捲回等により積層された構造を有するリチウムイオンポリマー二次電池などの電極捲回型電池に関する。
近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistants) 等の携帯型電子機器が普及し、電源として高電圧、高エネルギー密度、軽量といった利点を有するリチウムイオン電池が広く使用されている。
さらに、液系電解液を用いた場合に問題となる液漏れの対策として、例えば電解質として、ポリマーに非水電解液を含浸させてなるゲル状高分子膜を用いたもの、或いは全固体状の電解質を用いた、リチウムイオンポリマー二次電池が実用化されている。
ポリマーリチウムイオン電池は、正極、負極、ポリマー電解質を有し、正極および負極からそれぞれリードが導出された電池素子が外装材例えばアルミラミネートで被覆されたセルの構成とされている。さらに、セルが回路部がマウントされた配線基板と共に、上下のケースからなる箱型のプラスチックモールドケース内に収納される構成とされている。
ポリマーリチウムイオン電池は、反応面積を大きくして内部抵抗を下げる構造とする必要がある。したがって、ポリマーリチウムイオン電池を形成する場合には、形成する電池の厚みに応じて複数枚の電極を渦巻き状に捲回して反応面積を大きくしている。本明細書では、このような複数枚の電極を渦巻き状に捲回した構造を有する電池を電極捲回型電池と称する。
図4は、この発明を適用できる従来の捲回型電池の一例であるポリマーリチウムイオン二次電池を示す。リチウムイオンポリマー二次電池は、電解質を介した正極と負極とが捲回によって交互に積層された構成とされている。正極は、正極集電体1と、正極集電体1に形成された正極活剤層2とから構成されている。負極は、負極集電体7と、負極集電体7に形成された負極合剤層6とから構成されている。
電解質は、セパレータ4によって正極側の電解質層3と負極側の電解質層5とに分かれた構造とされている。また、正極側のリード端子8および負極側のリード端子9と、被覆材(保護テープ)10a,10b,10c,10d,10e,10f,10gとを、その内部の主要構造として有している。
図5は、図4に示すリチウムイオンポリマー二次電池の積層部分を拡大したものである。正極11および負極12は、それぞれ電池正極および電池負極である。正極11は、正極集電体1および正極活剤層2によって構成されている。正極集電体1は、アルミニウムなどを材料とする金属箔である。正極活剤層2は、リチウム、コバルト、マンガン、ニッケル、カドミウム、黒鉛グラファイト等の活物質や正極集電体1に被着するための結着剤などを含む膜材である。
負極12は、負極集電体7および負極合剤層6によって構成されている。負極集電体7は、銅などを材料とする金属箔である。負極合剤層6は、炭素材料等の活物質や負極集電体7に被着するための結着剤などを含む膜材である。
電解質13を構成する電解質層3および電解質層5は、ゲル状の高分子で構成され、電解質層として好適な電気化学的特性を有すると共に、電解質が液状になって漏洩することなく、かつ折り曲げや撓みに対して許容性のあるゲル状の材料で構成されている。このような特質を満たすものとしては、例えば高分子マトリックス中に電解質を均質に分散させたものなどが好適である。なお、電解質13は、セパレータ4によって、電解質層3と電解質層5とに分けられている。
セパレータ4は、電解質層3と電解質層5とが入り交じることのないように両者を分離するものであって、かつ正極11と負極12との間でイオンを実用上十分自由に移動させることができるような材質のもので、例えば微多孔性ポリプロピレンなどが使用される。
上述した被覆材(保護テープ)10a,10b,10c,10d,10e,10f,10gは、経年変化や外部から押圧力が印加されたことなどに起因して正電極と負電極とが電気的に短絡することを防止するために設けられている。
下記の特許文献1には、正電極および負電極のうち少なくともいずれか一方の電極の端部の位置のうち少なくとも電解質層からその外部に露出している位置に対向する他方の電極上を覆う絶縁性の被覆材を備えた構造のリチウムイオン電池が記載されている。
図6に示すように、複数の電極を渦巻き状に巻回した電極群に対して正負のリード電極が固着され、さらに、偏平状に作成した電池素子41がアルミラミネートの外装材31によって被覆される。外装材31は、打ち出し成形で形成された凹部32およびテラス部33を有する。図示を省略しているが、凹部32の開口を覆うように、外装材31の未加工部分が折り返される。外装材31の凹部32に対して電池素子51が挿入され、凹部32の開口を図示を省略した折り返し部で覆い、開口外周部において、折り返し部が熱溶着される。
従来では、正極側のリード端子8が正極集電体1の巻き始め側の正極活剤層2の未塗布部に固着され、負極側のリード端子9が負極集電体7の巻き始め側の負極活剤層2の未塗布部に固着されていた。負極側のリード端子9は、負極集電体7の巻き終わり側の負極活剤層2の未塗布部に固着される場合もあった。いずれの場合でも、少なくとも正極リード端子8が渦巻き状電極群の中心付近から外へ突出したものとなる。
外装材31の凹部32に挿入する密封構造の場合では、中心付近から突出されているリード端子8,9を凹部32の外へ導出するために、図6および図7に示すように、電池素子41のリード導出側の側面42の近傍でL字型に折り曲げる必要があった。参照符号43は、電池素子41は、凹部32に挿入されたときに凹部32の開口側に位置する面を示す。
このように折り曲げられたリード端子例えば正極リード端子8は、電池素子51を凹部32に挿入する際に捲回電極群側に押し込まれ、側面42において電極群と接触し、リード端子および捲回電極群の短絡が生じるおそれがあった。
短絡を防止するために、従来では、図8Aおよび図8Bに示すように、正極集電体1の巻き始め側の正極活剤層2の未塗布部に固着されるリード端子8に対して、絶縁材としての保護テープ51を重ねるようにしていた(図4参照)。または、図8Bに示すように、側面42を覆う絶縁板52を設けるようにしていた。
このような従来の構成では、リード端子8をL字に折り曲げる空間を必要とした。また、保護テープ51を重ねるために、電池素子41の厚みの増加を招き、制約された厚みの条件下では、捲回数の減少、すなわち、電池容量の低下を引き起こす問題があった。また、絶縁板52を配置する場合には、リード端子8をL字に折り曲げる空間に加えて絶縁板52のための空間が必要となり、電池の長さ(幅)が制約されている条件下では、電極群の幅が減少し、電池容量の低下を引き起こす問題があった。
したがって、この発明の目的は、リード電極をL字形に折り曲げること、リード電極と捲回電極群の短絡を防止するために、保護テープまたは絶縁板を設けることに起因して、電池容量が低下することをを防止することができる電極捲回型電池を提供することにある。
上述した課題を解決するために、この発明は、渦巻き状に捲回された電極群を有する電池素子が外装材に作成された凹部に挿入され、凹部の開口を外装材で覆うようにした電極捲回型電池において、
正極リード端子および負極リード端子が電極群の最外周側であって、開口から露呈する側に配置され、直線状に外部に外装材の外部に導出された電極捲回型電池である。
正極リード端子および負極リード端子が電極群の最外周側であって、開口から露呈する側に配置され、直線状に外部に外装材の外部に導出された電極捲回型電池である。
この発明では、外装材に形成された凹部に電池素子を挿入する場合、リード電極を折り曲げずに直線状に外装材の外部に導出できる。したがって、リード電極と捲回された電極群との短絡を防止するために、絶縁テープをリード電極に重ねたり、電池素子の側面に絶縁板を配置する必要がなくなる。それによって、電池容量の低下を防止することができる。
以下、この発明の実施の形態による電極捲回型電池について図面を参照して説明する。この発明の実施形態における電極捲回型電池とは、正極と負極とが電解質を介して交互に積層された状態で捲回された構造を有する電池のことをいう。以下、リチウムイオンポリマー二次電池を例にして、一実施形態について説明する。
図1は、捲回により電極が積層されたリチウムイオンポリマー二次電池の一例を示す。図1に示すリチウムイオンポリマー二次電池は、電解質を介した正極と負極とが渦巻き状に捲回されることによって交互に積層された構成とされている。正極は、正極集電体1と、正極集電体1に形成された正極活剤層2とから構成されている。負極は、負極集電体7と、負極集電体7に形成された負極合剤層6とから構成されている。電解質は、セパレータ4によって正極側の電解質層3と負極側の電解質層5とに分かれた構造とされている。また、電極間の短絡の防止のための被覆材(保護テープ)10a,10b,10c,10d,10e,10f,10gとを有している。
一実施形態では、捲回電極群の巻き終わり側の端部の近傍に正極側のリード端子8と負極側のリード端子9とを固着している。正極リード端子8は、正極集電体1の未塗布部に対して溶接等で固着される。負極リード端子9は、負極集電体7の未塗布部に対して溶接等で固着される。
リード端子8およびリード端子9は、共に捲回構造で発生した起電力を外部に取り出すためのものである。リード端子8およびリード端子9は、従来のリチウムイオンポリマー二次電池と同様の構成であり、導電性が良好でかつ積層構造内部の化学反応に対して耐久性を備えたアルミニウム、アルミニウム含有合金、白金、白金含有合金、金、金含有合金などを材料とする薄板で構成されている。リード端子8は、正極集電体1の捲回終了側の端部に溶接などにより接合されて設けられている。リード端子9は、負極集電体7の捲回終了側の端部に溶接などにより接合されて設けられている。捲回終了側とは、捲回の巻き終わりとなる外周側のことをいう。
このように、巻き終わり側にリード端子8および9を固着することによって、図2に示すように、リード端子8および9がリード導出側の側面22の中央部ではなく、面23側に偏った位置から外部に導出されることになる。ここで、面23は、外装材31に形成された凹部32の開口側に露出する面である。
したがって、図3に示すように、複数の電極を渦巻き状に巻回した電極群にリード端子を設け、さらに、偏平状に作成した電池素子21がアルミラミネートの外装材31の凹部32に挿入される場合に、リード端子8および9を折り曲げることが不要となり、直線状で外装材31の外部に導出できる。したがって、リードを折り曲げるための空間、リードと電極群との短絡防止のための絶縁材を不要とでき、電池の体積エネルギー密度を従来に比して向上させることができる。
従来と同様に、図示を省略した折り返し部(リード端子導出面と反対面、または側面の少なくとも一方と連結した外装材)で凹部32の開口を覆い、テラス部33を含む開口外周部において、折り返し部が熱溶着される。なお、凹部32に挿入された電池素子21を封止するために、折り返し部以外の外装材を使用しても良い。また、熱溶着以外の接着等の方法を使用しても良い。
外装材31は、接着層としてのポリプロピレン(PP)層、金属層としてのアルミ金属層および表面保護層としてのナイロン層またはPET(ポリエチレンテレフタレート)層を有する。ポリプロピレン層は、ポリマー電解質の変質を防ぐ機能を有する。ポリプロピレン層として、無軸延伸ポリプロピレン(CPP)等が使用される。アルミ金属層は、内部への水分の侵入を防ぐ機能を有する。ナイロン層またはPET層は、表面保護の機能を有する。
この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、上述した実施形態では、電極を反物状に捲回する偏平型の電池について説明したが、これに限らず、円筒状に捲回する筒形の電池や角状に捲回する角形の電池などに適用してもよい。また、正極および負極の一方のリード端子のみが捲回電極群の中心付近から導出された構成の電池に対してこの発明を適用しても良い。
また、上述した実施形態では、電極積層型電池として電解質がゲル状のリチウムイオンポリマー二次電池を例にして説明したが、これに限らず、上述したような概要構成の電池であれば、再充電および再放電を行わない一次電池や電解質が液状のリチウムイオン二次電池などにも適用することができる。例えば電解質層が高分子固体電解質以外の材質からなるものであっても、材質がゲル状または可塑性の電解質や、可撓性の良好な材質からなる電極等を備えたものなどであれば、どのようなものでも適用可能である。あるいは正電極や負電極の材質、リード端子に用いられる金属材料等についても、上述した実施形態に示したもののみには限定されないことは言うまでもない。
1・・・正極集電体、2・・・正極活剤層、3・・・正極側電解質層、4・・・セパレータ、5・・・負極側電解質層、6・・・負極合剤層、7・・・負極集電体、8・・・正極側リード端子、9・・・負極側リード端子、10a,10b,10c,10d,10e,10f,10g・・・被覆材(保護テープ)、11・・・正極、12・・・負極、13・・・電解質、21・・・電池素子、31・・・外装材
Claims (2)
- 渦巻き状に捲回された電極群を有する電池素子が外装材に作成された凹部に挿入され、上記凹部の開口を外装材で覆うようにした電極捲回型電池において、
正極リード端子および負極リード端子が上記電極群の最外周側であって、上記開口から露呈する側に配置され、直線状に外部に外装材の外部に導出された電極捲回型電池。 - 請求項1記載において、
電池素子は、電解質として固体電界質を使用する電極捲回型電池。
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