JP2008042003A - Lithium ion accumulation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン蓄電素子に関し、とくに、アニオンの吸蔵・放出及び吸着・脱着が可能な正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と、リチウム塩を含む非水電解液を用いて、充放電の可逆動作を行わせるようにしたものに関する。 The present invention relates to a lithium ion storage element, and in particular, using a positive electrode capable of occluding / releasing and adsorbing / desorbing anions, a negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. The present invention relates to a device that performs a reversible operation of charge / discharge.
近年、電子機器は高性能化により、小型の機器でも取り扱うデータ量が飛躍的に増大している。これにともない、そのデータを停電から保護するために、小型の無停電電源装置の必要性が増している。 In recent years, electronic devices have dramatically increased the amount of data handled by small devices due to high performance. Along with this, the need for a small uninterruptible power supply is increasing in order to protect the data from a power failure.
無停電電源装置は、従来から鉛蓄電池を用いるものが提供されているが、鉛蓄電池はエネルギー密度が低く、大容積のものしか実用化されていない。このため、鉛蓄電池を用いた無停電電源装置は大型の外付け用しか商品化されていない。 As the uninterruptible power supply, a device using a lead storage battery has been conventionally provided. However, the lead storage battery has a low energy density, and only a large-capacity power supply device has been put into practical use. For this reason, the uninterruptible power supply using a lead storage battery has been commercialized only for large external use.
機器への内蔵が可能な小型の無停電電源装置は、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の登場によって商品化されるようになった。 Small uninterruptible power supply units that can be built into equipment have been commercialized due to the advent of lithium-ion secondary batteries with high energy density.
リチウムイオン二次電池は、コバルトなどの遷移金属とリチウムの複合酸化物(たとえば、コバルト酸リチウム)を用いた正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを用いて構成され、電解液を介して行われる正極と負極間でのリチウムイオンのやりとりによって充放電の可逆動作が行われる。 A lithium ion secondary battery is a positive electrode using a composite oxide of lithium and other transition metals such as cobalt (for example, lithium cobaltate), a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolysis containing a lithium salt. The reversible operation of charging / discharging is performed by the exchange of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, which is performed using an electrolyte solution.
しかし、上記リチウムイオン二次電池は充放電を繰り返すうちに特性が劣化して行く性質があって、充放電可能なサイクル数に制限があった。つまり、充放電サイクル特性が良くないという問題があった。これは、鉛蓄電池等を含む二次電池に共通する問題でもあるが、このことにより、この種の二次電池を利用した無停電電源システムでは、その二次電池の点検や交換等のメンテナンスを定期的に行う必要があった。 However, the lithium ion secondary battery has a property of deteriorating as charging and discharging are repeated, and the number of cycles that can be charged and discharged is limited. That is, there is a problem that the charge / discharge cycle characteristics are not good. This is also a problem common to secondary batteries including lead-acid batteries, etc., but this makes it possible to perform maintenance such as inspection and replacement of secondary batteries in an uninterruptible power supply system using this type of secondary battery. It was necessary to do it regularly.
また近年は、環境負荷の小さなクリーンエネルギー源として、風力発電や太陽電池などが注目されているが、これらから供給される電力は、風や日照などの自然条件に左右されて不安定なため、そのままでは電力としての利用価値が低い。 In recent years, wind power generation and solar cells have attracted attention as a clean energy source with a small environmental load, but the power supplied from these sources is unstable depending on natural conditions such as wind and sunshine. As it is, the utility value as electric power is low.
この不安定な電力をいったん蓄え、いつでも必要に応じて放出させることができれば、同じエネルギー量でも利用価値の高い電力とすることができる。このためには、電力を随時放出可能に蓄えることができる蓄電手段が必要となる。 If this unstable electric power can be stored once and released at any time as needed, it is possible to obtain electric power with high utility value even with the same amount of energy. For this purpose, power storage means capable of storing electric power so that it can be released at any time is required.
この蓄電手段には、メンテナンス負担が大きい上記リチウムイオン二次電池ではなく、充放電サイクル特性が良好で上記のようなメンテナンスが不要な電気二重層キャパシタが適している。しかし、電気二重層キャパシタは、キャパシタとしては非常に大きな容量を持つことができるが、充放電可能な電気容量は上記リチウムイオン二次電池に比べて、かなり見劣りする。 An electrical double layer capacitor that has good charge / discharge cycle characteristics and does not require maintenance as described above is suitable for the power storage means, not the lithium ion secondary battery that places a heavy maintenance burden. However, the electric double layer capacitor can have a very large capacity as a capacitor, but the chargeable / dischargeable electric capacity is considerably inferior to the lithium ion secondary battery.
そこで、電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池を折衷させたような構成を有するリチウムイオン蓄電素子が提案されている。この蓄電素子は、アニオンの吸蔵・放出及び吸着・脱着が可能な正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と、リチウム塩を含む非水電解液を用いて構成される(特許文献1,2参照)。 Therefore, a lithium ion storage element having a configuration in which an electric double layer capacitor and a lithium ion secondary battery are compromised has been proposed. This power storage element is configured using a positive electrode capable of occluding / releasing and adsorbing / desorbing anions, a negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt (Patent Document 1). , 2).
上記リチウムイオン二次電池では正極にリチウムを含む複合酸化物を用いていたが、リチウムイオン蓄電素子では正極に黒鉛や活性炭などの炭素材料を用いる。その正極でのアニオンの吸蔵・放出と、負極でのリチウムイオンの吸蔵・放出とによって充放電の可逆動作が行われる。 In the lithium ion secondary battery, a composite oxide containing lithium is used for the positive electrode. In the lithium ion storage element, a carbon material such as graphite or activated carbon is used for the positive electrode. The reversible operation of charging / discharging is performed by occlusion / release of anions at the positive electrode and occlusion / release of lithium ions at the negative electrode.
このリチウムイオン蓄電素子は、上記リチウムイオン二次電池と上記電気二重層キャパシタがそれぞれに有する利点を兼ね備えたような性質を有する。すなわち、充放電サイクル特性は上記リチウムイオン二次電池よりも各段にすぐれ、充放電容量(充放電可能な電気容量)は上記電気二重層キャパシタよりも各段に大きい、といった利点がある。 This lithium ion storage element has such a property that the lithium ion secondary battery and the electric double layer capacitor have both advantages. That is, the charge / discharge cycle characteristics are superior to each stage as compared with the lithium ion secondary battery, and the charge / discharge capacity (capacity capable of being charged / discharged) is greater than each stage of the electric double layer capacitor.
このリチウムイオン蓄電素子は、高性能の二次電池としても好適に利用できるが、上記無停電電源システムに利用すれば、小型化および高性能化とともに、メンテナンスフリーの無停電電源装置を実現させることができる。 This lithium-ion storage element can be suitably used as a high-performance secondary battery, but if used in the uninterruptible power supply system, it is possible to realize a maintenance-free uninterruptible power supply with downsizing and higher performance. Can do.
上記リチウムイオン蓄電素子では、負極にあらかじめリチウムイオンを吸蔵させることにより、充放電の可逆プロセスをクーロン効率の高い領域で行わせることができるようになる。つまり、負極にリチウムイオンを予備吸蔵させることによって充放電の容量および効率を高めることができる。 In the above lithium ion storage element, the lithium ion is occluded in advance in the negative electrode, whereby the reversible process of charge / discharge can be performed in a region having high Coulomb efficiency. That is, the capacity and efficiency of charge / discharge can be increased by preliminarily storing lithium ions in the negative electrode.
また、上記予備吸蔵を行っていないリチウムイオン蓄電素子では、高温(たとえば60℃)で浮動充電を行ったときに、負極および正極電位が上昇して電解液の分解反応が引き起こされる。電解液が分解してガス発生が起きると、素子内圧が異常上昇して液漏れや変形等が生じる。 Further, in the lithium ion storage element that has not been preliminarily occluded, when floating charging is performed at a high temperature (for example, 60 ° C.), the negative electrode and positive electrode potentials rise to cause a decomposition reaction of the electrolytic solution. When the electrolytic solution is decomposed and gas is generated, the internal pressure of the element is abnormally increased to cause liquid leakage or deformation.
しかし、上記予備吸蔵を行うことにより、負極電位をリチウム電位付近に固定して正極電位の上昇を抑えることができる。これにより、上記分解反応を抑制して電池の安全性を確保することができる。 However, by performing the pre-occlusion, the negative electrode potential can be fixed in the vicinity of the lithium potential and an increase in the positive electrode potential can be suppressed. Thereby, the said decomposition reaction can be suppressed and the safety | security of a battery can be ensured.
この予備吸蔵は、正極と負極とセパレータからなる電極体が電解液とともに収容された素子容器内にリチウム金属を設置し、これを負極と電気接続(短絡)させることによって行わせることができる。負極に電気接続されたリチウム金属は非水電解液中にリチウムイオンとなって溶出し、負極に移動して吸蔵される。
本発明者等は、スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成のリチウムイオン蓄電素子において、上述した予備吸蔵を行わせることを検討した。 The inventors have performed the above-described pre-occlusion in a lithium ion storage element having a configuration in which a cylindrical electrode body wound in a spiral shape is accommodated in a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte. It was considered to make it.
このタイプのリチウムイオン蓄電素子では、予備吸蔵用リチウム金属の配置方法として、負極集電体または負極にリチウム金属箔を貼着する、負極缶の内底面にリチウム金属箔を貼着する、などが提案されている。 In this type of lithium ion storage element, as a method for arranging the pre-occlusion lithium metal, a lithium metal foil is attached to the negative electrode current collector or the negative electrode, or a lithium metal foil is attached to the inner bottom surface of the negative electrode can. Proposed.
上記タイプのリチウムイオン蓄電素子の構造および生産工程は、従来のリチウムイオン二次電池のそれと共通するところが多い。したがって、従来のリチウムイオン二次電池と同様の生産ラインおよび工程プロセスにより、高い生産性が期待される。 The structure and production process of the lithium ion storage element of the above type are often in common with those of conventional lithium ion secondary batteries. Therefore, high productivity is expected by the same production line and process as the conventional lithium ion secondary battery.
しかしながら、リチウム金属は反応性がきわめて高い金属なので、その取り扱いには特別の注意を要する。とくに、箔状に薄く圧延された状態のリチウム金属は、空気中のわずかな水分に触れるだけで激しく反応してしまう。 However, since lithium metal is a highly reactive metal, special handling is required for its handling. In particular, lithium metal that has been thinly rolled into a foil shape reacts violently only by touching slight moisture in the air.
このようなリチウム金属を、負極集電体または負極に貼着すること、あるいは負極缶の内底面に貼着することは、リチウム金属が自然的に反応して劣化しないよう、特別に対策された工程および設備が新たに必要となる。このため、生産工程が煩雑になって生産性が低下してしまう、という問題が生じる。 Adhering such lithium metal to the negative electrode current collector or the negative electrode, or adhering to the inner bottom surface of the negative electrode can, has been specially treated so that the lithium metal does not naturally react and deteriorate. New processes and equipment are required. For this reason, the problem that a production process will become complicated and productivity will fall arises.
たとえば、負極集電体にリチウム金属箔を貼着すると、それ以後の工程はすべて、そのリチウム金属箔が反応しないような特別な対策が必要となって、生産性が著しく阻害されてしまう。負極缶の内底面にリチウム金属を貼着する場合も、反応性の高いリチウム金属を作業性の悪い筒底に貼着しなければならないため、工程が煩雑になって生産性が阻害されてしまう。 For example, when a lithium metal foil is attached to the negative electrode current collector, a special measure is required for the subsequent steps so that the lithium metal foil does not react, and productivity is significantly hindered. Even when lithium metal is attached to the inner bottom surface of the negative electrode can, the highly reactive lithium metal must be attached to the bottom of the cylinder with poor workability, which complicates the process and hinders productivity. .
また、リチウム金属を用いて負極への予備吸蔵を行う場合は、その吸蔵が均一かつ円滑に行われるようにする必要がある。しかし、スパイラル状に巻回された筒状の電極体の負極集電体または負極にリチウム金属箔を貼着した場合は、リチウム金属から溶出したリチウムイオンが、スパイラル状に巻回されたセパレータに沿って移動しながら拡散することになるため、リチウム金属に近いところと遠いところとで吸蔵状態にバラツキが生じてしまう。さらに、電極体内部に巻き込まれたリチウム金属は溶出が遅く、完全に溶出するまでの時間が長くかかる、という問題もあった。 Further, when pre-occlusion in the negative electrode using lithium metal, it is necessary to perform the occlusion uniformly and smoothly. However, when a lithium metal foil is attached to the negative electrode current collector or negative electrode of a cylindrical electrode body wound in a spiral shape, lithium ions eluted from the lithium metal are applied to the spirally wound separator. Since it diffuses while moving along, the occlusion state varies between a location close to and far from the lithium metal. Furthermore, there has been a problem that the lithium metal entrained inside the electrode body has a slow elution and it takes a long time to completely elute.
本発明は、以上のような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成を有するリチウムイオン蓄電素子において、生産性にすぐれるとともに、負極へのリチウムイオンの予備吸蔵を均一かつ円滑に行わせることが可能なリチウムイオン蓄電素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to form a cylindrical electrode body wound in a spiral shape into a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte. An object of the present invention is to provide a lithium ion storage element having a housed configuration, which is excellent in productivity and capable of uniformly and smoothly preliminarily storing lithium ions in a negative electrode.
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。 Other objects and configurations of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。 The solution provided by the present invention is as follows.
(1)アニオンの吸蔵・放出及び吸着・脱着が可能な正極が集電体上に形成されたシート状の正極部と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極が集電体上に形成されたシート状の負極部を、間にセパレータを介在させた状態でスパイラル状に巻回してなる筒状の電極体と、リチウム塩を溶解させた非水電解液と、上記電極体を上記非水電解液とともに同軸状に収容する有底筒状の金属製負極缶と、この負極缶の開口を気密封止する封口部とを備えたリチウムイオン蓄電素子であって、上記負極にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属を、上記電極体の巻回端面に重なるように形成された金属製のリチウム保持板の片面に層状に貼着し、この保持板を、リチウム金属面が上記巻回端面に平行対面するともに上記負極に電気接続した状態で、上記電極体の端部に配置したことを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。 (1) A sheet-like positive electrode portion on which a positive electrode capable of occluding / releasing and adsorbing / desorbing anions is formed on a current collector, and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions are formed on the current collector. A cylindrical electrode body formed by spirally winding a sheet-like negative electrode portion with a separator interposed therebetween, a non-aqueous electrolyte solution in which lithium salt is dissolved, and the electrode body in the non-aqueous solution A lithium ion storage element comprising a bottomed cylindrical metal negative electrode can accommodated coaxially with an electrolyte and a sealing portion that hermetically seals the opening of the negative electrode can, wherein lithium ions are preliminarily reserved in the negative electrode Lithium metal for occlusion is stuck in a layer on one side of a metal lithium holding plate formed so as to overlap the winding end face of the electrode body, and the lithium metal surface is attached to the winding end face of the holding plate. In parallel with the In state, the lithium ion electric storage device, characterized in that arranged on the end of the electrode body.
(2)上記手段(1)において、上記電極体が上記負極缶内で上記リチウム保持板により位置規制されていることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(3)上記手段(1)または(2)において、上記リチウム保持板は、上記負極缶の内底面に配置される底板をなすとともに、その内底面側に溶接用突起部が形成されていることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(4)上記手段(3)において、上記リチウム保持板は上記電極体の中心孔に対応する位置に、その中心孔に嵌入する筒部を有し、この筒部の内側に位置する負極缶内底部にて、上記負極を負極缶に電気接続するための導電リードが溶接接続されていることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(5)上記手段(1)〜(5)のいずれかにおいて、上記リチウム保持板は、上記電極体を負極缶の封口部側から位置規制する電極押え部材をなすことを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(2) In the above means (1), the position of the electrode body is regulated by the lithium holding plate in the negative electrode can.
(3) In the above means (1) or (2), the lithium holding plate forms a bottom plate disposed on the inner bottom surface of the negative electrode can, and a welding projection is formed on the inner bottom surface side. A lithium ion energy storage device.
(4) In the above means (3), the lithium holding plate has a cylinder portion fitted into the center hole at a position corresponding to the center hole of the electrode body, and the inside of the negative electrode can located inside the cylinder portion A lithium ion storage element, wherein a conductive lead for electrically connecting the negative electrode to the negative electrode can is connected by welding at the bottom.
(5) In any one of the above means (1) to (5), the lithium holding plate serves as an electrode pressing member for regulating the position of the electrode body from the sealing portion side of the negative electrode can. element.
スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成を有するリチウムイオン蓄電素子において、生産性にすぐれるとともに、負極へのリチウムイオンの予備吸蔵を均一かつ円滑に行わせることが可能なリチウムイオン蓄電素子を提供することができる。 In a lithium ion storage element having a configuration in which a cylindrical electrode body wound in a spiral shape is housed in a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte, the productivity is improved and lithium to the negative electrode It is possible to provide a lithium ion storage element capable of performing ion preocclusion uniformly and smoothly.
上記以外の作用/効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。 Operations / effects other than those described above will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
図1は、本発明の技術が適用されたリチウムイオン蓄電素子の一実施形態を示す断面図である。同図に示すリチウムイオン蓄電素子は、リチウムイオン二次電池としても利用可能な蓄電素子であって、まず、スパイラル状に巻回された円筒状の電極体20を有底円筒状の金属製負極缶10に非水電解液(図示省略)とともに収容した構成を有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a lithium ion storage element to which the technology of the present invention is applied. The lithium ion storage element shown in the figure is a storage element that can also be used as a lithium ion secondary battery. First, a
同図において、負極缶10は電池缶に相当するものであって、ニッケルメッキ鋼板などの深絞りプレス等によって作製される。電極体20は、正極部21と負極部23がそれぞれシート状に形成されるとともに、両電極部21と23が間にセパレータ22を挟んでスパイラル状に巻回されることにより作製される。
In the figure, a negative electrode can 10 corresponds to a battery can and is manufactured by a deep drawing press such as a nickel-plated steel plate. The
正極部21は、アニオンの吸蔵・放出及び吸着・脱着が可能な炭素材料を用いた正極211が、金属箔(Al)の集電体212の両面に塗布等により層状に付着されて、全体がシート状に形成されている。負極部23は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極231が金属箔(Cu)の集電体232の両面に塗布等により層状に付着されて、全体がシート状に形成されている。
The
集電体212,232は非水電解液に対して不活性の良導体であれば、その形態はとくに限定されず、たとえば金属ネットなども使用可能であるが、電極体20の巻回密度や集電効率などを考慮した場合、金属箔の使用がとくに好ましい。また、材質については、正極集電体212にアルミニウム(Al)を使用し、負極集電体232に銅(Cu)を使用するとよい。
The shape of the
正極211は充電時に電解液中のアニオンを吸蔵し、放電時にそれを放出する。負極231は充電時に電解液中のリチウムイオン(カチオン)を吸蔵し、放電時にそれを放出する。このアニオンとリチウムイオンの可逆的な吸蔵・放出により、充放電の可逆動作が行われるようになっている。 The positive electrode 211 occludes anions in the electrolyte during charging and releases them during discharging. The negative electrode 231 occludes lithium ions (cations) in the electrolyte during charging and releases them during discharging. The reversible operation of charging / discharging is performed by reversible occlusion / release of the anion and lithium ion.
正極211および負極231の材料としては炭素材料が適し、とくに、正極211は黒鉛質材料、負極231は難黒鉛化炭素質材料がそれぞれ好適である。 As the material of the positive electrode 211 and the negative electrode 231, a carbon material is suitable. In particular, the positive electrode 211 is preferably a graphite material, and the negative electrode 231 is preferably a non-graphitizable carbonaceous material.
上記電極体20は負極缶10内に非水電解液とともに同軸状に収容されている。負極缶10は封口部30にて気密封止されている。その封口部30は、正極端子板31、隔壁導電板33、固定導電板34、および電気絶縁性の樹脂製封口ガスケット38などを用いて構成されている。
The
正極端子板31は皿状またはハット状の金属部品であって、外側面が正極端子面をなし、周縁部が隔壁導電板34に着座して導電接触している。隔壁導電板33は円盤状の金属部品であって、正極端子板31と固定導電板34の間に介在して両者31,34間を電気接続するとともに、両者31,34間を気密隔離する。この隔壁導電板33は、負極缶10の内圧が異常上昇したときに破裂してその内圧を逃がす安全弁として動作する。
The positive
固定導電板34は皿状の金属部品であって、上記電極体20の正極集電体212に導電リード35を介して電気接続するとともに、その周縁部が正極端子板31と固定導電板34の周縁部を包み込んだ状態で内方に折り返されている。これにより、正極端子板31、隔壁導電板33、固定導電板34は互いに導電状態で集合・一体化されている。
The fixed
封口ガスケット38は、固定導電板34の周縁部と負極缶10の開口部との間に介在するとともに、その負極缶10に形成したビード部12とかしめ加工部11の間に被圧縮状態で挟持されることにより、負極缶10内を気密封止している。
The sealing
封口部30と電極体20の間には、環状の電極押え部材60が配設されている。この押え部材60は、負極缶10内に配置された後、ビード部12の加工によって上方移動を係止規制される。これにより、押え部材60は、電極体を負極缶10の封口部30側から位置規制する位置決め機能をなす。
An annular electrode pressing member 60 is disposed between the sealing
上述した構成に加えて、上記負極缶10の内底面に金属製のリチウム保持板50が設置されている。このリチウム保持板50は、上記電極体20、上記負極缶10および上記封口部30等から独立して作製された単独部品(ディスクリート)であって、上記電極体20の巻回端面に重なるように形成されている。このリチウム保持板50の片面(図では上面)に、負極231にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属41が層状に貼着されている。
In addition to the above-described configuration, a metal
このリチウム保持板50は、リチウム金属41側面が上記巻回端面に平行対面するともに上記負極231に電気接続した状態で、上記電極体20の端部に配置されている。
The
図2は、上記リチウム保持板50の斜視図(a)および断面図(b)を示す。同図に示すリチウム保持板50は、負極缶10の内底面に配置される底板を兼ねている。この底板の上面には、図1に示すように、リチウム金属41が貼着される。その下面には溶接用突起部(プロジェクション)51がパンチング加工により一体に形成されている。
FIG. 2 shows a perspective view (a) and a sectional view (b) of the
このリチウム保持板50は、その突起部51にて負極缶10の内底面に溶接・固定されている。負極缶10の内底面には、電極体20の負極集電体232に接続する導電リード42の端部が溶接接続されている。この上から上記リチウム保持板50が設置されて溶接されている。これにより、リチウム保持板50がリチウム金属41とともに負極231に電気接続されている。
The
さらに、上記リチウム保持板50は、上記電極体20の中心孔25に対応する位置に、その中心孔25に嵌入する筒部52を有する。この筒部52は、上記電極体20の中心を位置決めするとともに、その内側孔53が、上記導電リード42を負極缶10の内底面に溶接接続するための作業空間を提供する。
Further, the
すなわち、筒部52の内側孔53が電極体20の中心孔25と一直線に連絡することにより、電極体20の上方から棒状の溶接電極を差し込んで導電リード42を負極缶10の内底面に溶接するという作業工程を円滑に行わせることができる。
That is, the inner hole 53 of the cylindrical portion 52 is in line with the
しかし、ここでさらに注目すべきことは、予備吸蔵用のリチウム金属41が上記リチウム保持板50に貼着された状態で用意されることにより、生産工程でリチウム金属を扱う頻度が少なくなり、これに伴ない、生産性の向上が可能になることである。
However, what should be further noted here is that the lithium metal 41 for pre-occlusion is prepared in a state of being adhered to the
リチウム金属箔を負極集電体や負極缶の内底面に貼着する従来提案の構成では、リチウム金属を安全に扱うために工程が煩雑化して生産性が阻害されるが、リチウム金属を上記リチウム保持板50に貼着・保持させて使用することにより、リチウム金属41を扱うことにともなう工程の煩雑さを大幅に軽減できるようになる。
In the configuration of the conventional proposal in which the lithium metal foil is attached to the inner bottom surface of the negative electrode current collector or the negative electrode can, the process becomes complicated and the productivity is hindered in order to handle the lithium metal safely. By sticking and holding on the holding
有底筒状の負極缶10の場合、その筒底にリチウム金属箔を貼着する作業が非常に煩雑となるが、上記保持部品50の場合は、その作業を煩雑にするような形状的必要性はまったくなく、リチウム金属41の貼着は平坦な板面に対して簡単かつ効率良く行うことができる。
In the case of the bottomed cylindrical negative electrode can 10, the work of attaching the lithium metal foil to the bottom of the cylinder becomes very complicated, but in the case of the holding
上記リチウム保持板50に貼着されたリチウム金属41は、電極体20の巻回端面に平行対面した状態で配置されるが、これにより、そのリチウム金属41から溶出したリチウムイオンは、その巻回端面から負極231の各部へ移動し、吸蔵される。この場合、リチウムイオンは、距離の長い電極体20の巻回方向に沿ってではなく、距離の短い幅方向に沿って移動し、吸蔵される。これにより、負極231へのリチウムイオンの吸蔵を均一かつ円滑に行わせることができる。
The lithium metal 41 adhered to the
以上のように、上述したリチウムイオン蓄電素子では、生産性にすぐれるとともに、負極へのリチウムイオンの予備吸蔵を均一かつ円滑に行わせることができる。 As described above, the above-described lithium ion storage element is excellent in productivity, and can preliminarily store lithium ions in the negative electrode uniformly and smoothly.
図3は、本発明に係るリチウムイオン蓄電素子の別の実施形態を示す断面図である。上述した実施形態との相違点に着目して説明すると、同図に示すリチウムイオン蓄電素子は、上記リチウム保持板50が、上記電極体20を負極缶10の封口部30側から位置規制する環状の電極押え部材60を利用して構成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the lithium ion storage element according to the present invention. If it demonstrates paying attention to difference with embodiment mentioned above, the lithium ion electrical storage element shown to the same figure is the cyclic | annular form which the said lithium holding |
この押え部材60は金属製の板状リング部品であって、電極体20の巻回端面に重なるような形状を有し、その片面にリチウム金属41が層状に貼着されている。
The pressing member 60 is a metal plate-shaped ring component, and has a shape that overlaps with the winding end surface of the
この押え部材60が配置された部分は、前記ビード部12の加工(ビーディング)にともなう負極缶10の内径絞り込みにより、押え部材60の外周が負極缶10に圧接した状態で安定に電気接続されている。これより、リチウム金属41は、押え部材60すなわち保持板50と負極缶10と集電リード42を介して負極231に電気接続されている。
The portion where the presser member 60 is disposed is stably electrically connected in a state where the outer periphery of the presser member 60 is in pressure contact with the negative electrode can 10 by narrowing the inner diameter of the negative electrode can 10 as the bead 12 is processed (beading). ing. Thus, the lithium metal 41 is electrically connected to the negative electrode 231 through the pressing member 60, that is, the holding
この実施形態では、電極体20の収容状態を安定化させるために使用されている押え部材60を利用するため、新たに部品を用意する必要がない。さらに、この押え部材60は形状が単純で、これにリチウム金属41を貼着する作業は、負極缶10の筒底に貼着することに比べると、非常に簡単に行うことができる。
In this embodiment, since the pressing member 60 used for stabilizing the accommodation state of the
これにより、生産性を向上させることができるとともに、部品コストも低減させることができる。そして、リチウム金属41が電極体20の巻回端面に平行対面した状態で配置されることにより、負極231へのリチウムイオンの吸蔵を均一かつ円滑に行わせることができる。
Thereby, productivity can be improved and component costs can also be reduced. The lithium metal 41 is arranged in a state of facing the winding end surface of the
<<実施例>>
図1に示した構成のリチウムイオン蓄電素子を作製した実施例を比較例とともに以下に示す。
<< Example >>
An example in which the lithium ion energy storage device having the configuration shown in FIG. 1 was manufactured is shown below together with a comparative example.
(1)蓄電素子の作製
正極の作製:正極材料である黒鉛粉末(TIMCAL製 SFG44)と結着剤であるカルボキシメチルセルロースを96:4の重量比で混合し、イオン交換水を加えてペースト状の合剤を調製した。この合剤を、集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布した。これに乾燥および圧延操作を行った後、幅54mmに切断して帯状のシート電極を作製した。
(1) Production of electricity storage device Production of positive electrode: Graphite powder (SFG44 manufactured by TIMCAL) as positive electrode material and carboxymethyl cellulose as binder are mixed at a weight ratio of 96: 4, and ion-exchanged water is added to form a paste. A mixture was prepared. This mixture was applied to both surfaces of a 20 μm thick aluminum foil serving as a current collector. This was dried and rolled, and then cut to a width of 54 mm to produce a strip-shaped sheet electrode.
このシート電極に形成された合剤の一部をシートの長手方向に対して垂直に掻き取ることによりアルミニウム箔の一部を露出させ、この露出部にアルミニウム製導電リード板を超音波溶接によって取り付けた。 A part of the mixture formed on the sheet electrode is scraped perpendicularly to the longitudinal direction of the sheet to expose a part of the aluminum foil, and an aluminum conductive lead plate is attached to the exposed part by ultrasonic welding. It was.
負極の作製:負極材料である難黒鉛化炭素材料(呉羽化学製 PIC)と結着剤であるポリフッ化ビニリデン樹脂を80:20の重量比で混合し、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンを加えてペースト状の合剤を調製した。この合剤を、集電体となる厚さ14μmの銅箔の両面に塗布した。これに乾燥および圧延操作を行った後、幅56mmに切断して帯状のシート電極を作製した。 Production of negative electrode: A non-graphitizable carbon material (PIC manufactured by Kureha Chemical), which is a negative electrode material, and a polyvinylidene fluoride resin, which is a binder, are mixed at a weight ratio of 80:20, and N-methyl-2-pyrrolidone is used as a solvent. In addition, a paste-like mixture was prepared. This mixture was applied to both sides of a 14 μm thick copper foil serving as a current collector. This was dried and rolled, and then cut to a width of 56 mm to produce a strip-shaped sheet electrode.
このシート電極に形成された合剤の一部をシートの長手方向に対して垂直に掻き取ることにより銅箔の一部を露出させ、この露出部にニッケル製導電リード板を抵抗溶接によって取り付けた。 A portion of the copper foil was exposed by scraping a part of the mixture formed on the sheet electrode perpendicularly to the longitudinal direction of the sheet, and a nickel conductive lead plate was attached to the exposed portion by resistance welding. .
電極体の作製:作製した負極と正極のシート電極を、間にポリエチレン製セパレータを介在させてスパイラル状に巻回し、円筒状の電極体を作製した。 Production of electrode body: The produced negative electrode sheet and positive electrode sheet electrode were spirally wound with a polyethylene separator interposed therebetween to produce a cylindrical electrode body.
リチウム金属の配置:図2に示した形状の金属製リチウム保持板50の上面に、0.04gのドーナッツ型に打ち抜いたリチウム金属箔を貼着した。リチウム金属が貼着された保持板を有底円筒状の金属製負極缶の内底面に抵抗溶接した。保持板の溶接は下側面の溶接用突起部にて行われている。これにより、保持板は負極缶内底面との間に若干の隙間を形成した状態で溶接・固定されている。
Arrangement of lithium metal: 0.04 g of a doughnut-shaped lithium metal foil was stuck on the upper surface of a metallic
この後、電極体を負極缶に挿入するが、この挿入の際に、負極の集電体に接続されている導電リード板をリチウム保持板と負極缶内底面の間に差し入れる。そして、電極体の中心孔から棒状の溶接電極を挿入し、負極缶内底面の中央部にて上記リード板を抵抗溶接した。 Thereafter, the electrode body is inserted into the negative electrode can. At the time of this insertion, the conductive lead plate connected to the negative electrode current collector is inserted between the lithium holding plate and the bottom surface of the negative electrode can. Then, a rod-shaped welding electrode was inserted from the center hole of the electrode body, and the lead plate was resistance welded at the center of the bottom surface of the negative electrode can.
以上のようにして実施例のリチウムイオン蓄電素子を作製した。 As described above, the lithium ion storage element of the example was manufactured.
比較例としては、上記リチウム保持板を使用せずに、ドーナッツ型に打ち抜いたリチウム金属箔を負極缶内底面に直接貼着した。その上に絶縁板を配置した。この後、電極体を負極缶に挿入するとともに、負極導電リード板を絶縁板と負極缶内底面の間に差し入れ、負極缶内底面の中央部にて上記リード板を抵抗溶接した。 As a comparative example, a lithium metal foil punched out in a donut shape was directly attached to the bottom surface of the negative electrode can without using the lithium holding plate. An insulating plate was disposed thereon. Thereafter, the electrode body was inserted into the negative electrode can, the negative electrode conductive lead plate was inserted between the insulating plate and the bottom surface of the negative electrode can, and the lead plate was resistance welded at the center of the bottom surface of the negative electrode can.
(2)評価
まず、実施例および比較例について、7日間放置した後のリチウム金属の溶出状態を調べたところ、実施例のものはリチウム金属の溶け残りが認められなかったが、比較例のものはリチウム金属が溶け残っていた。
(2) Evaluation First, for the examples and comparative examples, the elution state of lithium metal after being left for 7 days was examined. In the examples, no undissolved lithium metal was found, but the comparative examples were The lithium metal remained undissolved.
次に、実施例および比較例について、室温での容量確認を行った後に、60℃の恒温槽内で浮動充電試験を行った。試験は、恒温槽に入れてから5時間放置した後、所定電圧にて浮動充電を開始した。浮動充電を500時間行った後、恒温槽から取り出し、室温にて放電容量の測定を行うとともに外観の検査を行った。この結果を表1に示す。 Next, about the Example and the comparative example, after confirming the capacity | capacitance at room temperature, the floating charge test was done in a 60 degreeC thermostat. The test was allowed to stand for 5 hours after being placed in a thermostatic bath, and then started floating charging at a predetermined voltage. After performing floating charging for 500 hours, the battery was taken out from the thermostat, and the discharge capacity was measured at room temperature and the appearance was inspected. The results are shown in Table 1.
表1の結果のとおり、リチウム保持板を使用して作製した実施例の蓄電素子は、浮動充電後も放電容量に大きな劣化はなかった。外観の変形も確認されなかった。 As shown in the results of Table 1, the storage element of the example manufactured using the lithium holding plate did not greatly deteriorate in the discharge capacity even after floating charge. No deformation of the appearance was confirmed.
一方、リチウム保持板を使用せずに作製した実施例の蓄電素子は、外観の変形は確認されなかったが、初期放電容量および浮動充電後の放電容量が共に実施例のものよりも大きく劣っていた。 On the other hand, in the electricity storage device of the example manufactured without using the lithium holding plate, the deformation of the appearance was not confirmed, but both the initial discharge capacity and the discharge capacity after the floating charge were greatly inferior to those of the example. It was.
また、比較例ではリチウム金属の溶け残りがあったが、溶け残ったリチウム金属は、何らかの原因で水分が侵入した場合に、激しく反応してガス発生の原因となるので、素子の安全性や信頼性の低下原因となる。 Moreover, in the comparative example, the lithium metal remained undissolved, but the lithium metal that remained undissolved reacts violently and causes gas generation when moisture invades for some reason. Cause a decline in sex.
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、本発明は、円筒型以外の角型など、種々の筒形形状の蓄電素子に適用可能である。 As described above, the present invention has been described based on the typical embodiments. However, the present invention can have various modes other than those described above. For example, the present invention can be applied to power storage elements having various cylindrical shapes such as a square shape other than the cylindrical shape.
スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成を有するリチウムイオン蓄電素子において、生産性にすぐれるとともに、負極へのリチウムイオンの予備吸蔵を均一かつ円滑に行わせることが可能なリチウムイオン蓄電素子を提供することができる。 In a lithium ion storage element having a configuration in which a cylindrical electrode body wound in a spiral shape is housed in a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte, the productivity is improved and lithium to the negative electrode It is possible to provide a lithium ion storage element capable of performing ion preocclusion uniformly and smoothly.
10 負極缶
11 かしめ加工部 12 ビード部
20 電極体 21 正極部
211 正極 212 正極集電体
22 セパレータ 23 負極部
231 負極 232 負極集電体
25 中心孔 30 封口部
31 正極端子板 33 隔壁導電板
34 固定導電板 35 導電リード(正極)
38 封口ガスケット 41 リチウム金属
42 導電リード(負極) 50 リチウム保持板
51 溶接用突起部 52 筒部
53 内側孔
DESCRIPTION OF
38 Sealing Gasket 41 Lithium Metal 42 Conductive Lead (Negative Electrode) 50 Lithium Retaining Plate 51 Welding Protrusion 52 Tube Part 53 Inner Hole
Claims (5)
5. The lithium ion storage element according to claim 1, wherein the lithium holding plate serves as an electrode pressing member that regulates the position of the electrode body from the sealing portion side of the negative electrode can. 6.
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