JP5535465B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、巻回型の非水電解液二次電池に関するものである。
携帯機器等の小型電子機器の電源として巻回型のリチウムイオン二次電池が用いられている。これらの電池の正極には、例えば、アルミニウム箔からなる帯状の正極集電体に正極活物質を塗布したものが用いられており、また負極には、銅箔からなる帯状の負極集電体に負極活物質を塗布したものが用いられている。そして正極及び負極を、セパレータを介して多数巻回して製作した電池要素を円筒状の電池缶に収納し、あるいは糸巻き状に巻回した電池要素を扁平状に成形して角型状の電池缶に収納し、電解液を注入した後に封止して非水電解液二次電池が製造される。
電極製造の際には、活物質を集電体に塗布した後にロールプレスにより塗布部を圧縮するが、活物質に伸びが生じ、内部応力が発生する。これを電極幅に切断すると、残留応力が作用して電極全体に反りが生じてしまう問題があった。
この問題を解決し反りを生じなくするために、ロールプレス後に塗布部の幅方向の端部を切断除去してリード部を形成するとともに残留応力を除去して反りを防いでいることが特許文献１に記載されている。
従来、巻回型のリチウムイオン二次電池を製造する場合は、一度反った電極を巻回する際に、反りを矯正するのは困難なので、電極合剤層未塗布部の全体をガイドしながら電極を巻回部に挿入していた。
電極タブが溶接された電極を有する巻回型電池においては、電極合剤層塗布部の幅方向の端部を切断除去して内部応力を除去しているが、その切断幅を広げて残留応力を完全に除去することは、生産性を下げることになり対応に苦慮していた。
電極合剤層塗布部の幅方向端部の切断除去が不十分な場合には、電極合剤層塗布部の幅方向の端部を切断除去しても残留応力が完全には除去されない恐れがあるので、電極に力が加わっていない状態では、重量の軽い電極合剤層未塗布部が反る可能性があった。そして電極を巻回部に挿入する工程では、電極タブが溶接されていない電極合剤層未塗布部が反る現象が発生し、巻回の際に電極が巻きずれて不良品となり、歩留まりが低下する問題があった。
図２は、従来工法の電極の平面図である。電極は、電極合剤層未塗布部１、電極合剤層片面塗布部２と電極合剤層両面塗布部４で構成される。電極合剤層未塗布部１には巻回後に缶ケース蓋に接続する為の電極タブ５が溶接されており、電極タブ５は電極タブ引き出し部５ａと電極タブ接続部５ｂからなっている。電極を巻回装置の巻回部に挿入する方向が電極挿入方向Ｃである。電極が反っている場合には、電極合剤層未塗布部の全体をガイドしながら電極を電極挿入方向Ｃに挿入していた。
図３は、図２のＡ（右側面）方向から見た側面図である。電極タブ５が溶接されている側と逆の左側の電極合剤層未塗布部が上方に反っている。集電体に電極合剤層８を塗布した後にロールプレスを行い所望の厚さにする際、電極合剤層８の塗布部の幅方向の端部を切断除去することによって残留応力を除去するが、完全に除去されないと、電極タブが溶接されていない電極合剤層未塗布部が反る現象が発生し易い。
図４は、図２のＢ（正面）方向から見た反りのない状態を示す正面図である。集電体６に電極合剤層８が塗布されていて、電極には電極合剤層未塗布部１、電極合剤層片面塗布部２と電極合剤層両面塗布部４がある。電極合剤層未塗布部１には巻回後に缶ケース蓋に接続する為の電極タブ５が溶接されている。
巻回装置に電極を挿入する場合は、通常、反りに該当する電極合剤層未塗布部全体をガイドしながら巻回部に挿入しているが、設備調整に大幅な工数がかかっており、工数削減のため電極構造を改善することが求められていた。また、電極に反りがあると、反った部分がガイドやセパレータに触れ真っ直ぐに挿入されない場合がしばしばあり、真っ直ぐに挿入されなければ巻きずれ不良となり、歩留り低下を招いていた。
すなわち、本発明の技術的課題は、電極合剤層未塗布部に反りが無く、巻回部への電極挿入が容易に行われることにより、巻回の際に電極が巻きずれない非水電解液二次電池を提供することにある。
本発明の非水電解液二次電池は、集電体の両面に電極合剤層が形成され、前記集電体の長さ方向の一方の端部に電極合剤層の未塗布部を有し、前記未塗布部の集電体幅方向の上部に電極タブが溶接され引き出され、前記未塗布部のうち、集電体幅方向に関し前記未塗布部の下端から前記電極タブの下端までの下部領域にのみポリプロピレン絶縁テープを貼付した正極と負極を、セパレータを介して巻回し外装体に収納してなる。前記ポリプロピレン絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍以上、１．０倍以下であり、前記ポリプロピレン絶縁テープの厚みは、前記電極タブの厚みの０．３倍以上、１．０倍以下であることを特徴とする。
本発明によれば、電極合剤層未塗布部に反りが無く、巻回部への電極挿入が容易に行われることにより、巻回の際に電極が巻きずれない非水電解液二次電池が得られる。
本発明の実施の形態を説明する。
本発明の非水電解液二次電池は、負極活物質、負極結着剤、場合によって導電助剤を含む負極合剤層を負極集電体上に形成した負極と、正極活物質、正極結着剤、導電助剤を含む正極合剤層を正極集電体上に形成した正極を、セパレータを介して巻回し外装体に収納して非水電解液を注液したのち封止して製造する。なお正極には正極タブを、負極には負極タブを巻回する前にそれぞれ溶接しておく。
図１は、本発明の電極合剤層未塗布部に絶縁テープを貼り付けた電極の平面図である。電極タブ５は電極タブ引き出し部５ａと電極タブ接続部５ｂからなっており、電極タブ５の下方の電極合剤層未塗布部１に絶縁テープ３が貼り付けられている。
絶縁テープは、正極または負極の電極合剤層未塗布部に貼付することができる。絶縁テープの貼り付けは、電極合剤層未塗布部であって、電極タブと重ならず、電極からはみ出さない位置にするのが好ましい。電極タブと重なった位置に絶縁テープを貼り付けた場合は、重なった絶縁テープの厚みが製品の厚みに直接影響を及ぼす為に、巻回した電池要素の厚みが厚くなったり、厚みのバラツキが大きくなったりし、歩留まりが低下するためである。また、電極からはみ出さない位置に貼付するのは、ゴミ等が絶縁テープ粘着部に付着するのを防止するためである。
絶縁テープの材質に関しては、耐熱性と耐電解液性を考慮してポリプロピレン又はポリイミドが好適である。
絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍以上、１．０倍以下であるのが好ましい。絶縁テープの集電体幅方向のサイズが集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍より小さい場合には、反りが抑制されない恐れがあり、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の１．０倍より大きい場合には、電極タブと重なるか又は電極からはみ出すからである。なお、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅が３０ｍｍである場合、絶縁テープの集電体幅方向のサイズは１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下が特に好ましい。
絶縁テープの集電体長さ方向のサイズは、電極が反らず、電極合剤層未塗布部に貼付されるサイズであればよい。
絶縁テープの厚みは、電極タブの厚みの０．３倍以上、１．０倍以下であることが好ましい。絶縁テープの厚みが電極タブの厚みの０．３倍より薄い場合には、絶縁テープは電極の反りを抑制出来ない恐れがあり、電極タブの厚みの１．０倍より厚い場合には、電池要素が厚くなり製品設計上好ましくないからである。電極タブの厚みが７０μm以上、１００μｍ以下の場合には、絶縁テープの厚みは３０μm以上、６０μｍ以下であるのが特に好ましい。
このように、絶縁テープを貼り付けることにより電極の反りを抑制するためには、絶縁テープの重量と絶縁テープのこしが重要である。すなわちテープの面積を増やすことで、重量を増やして、また許容できる範囲で厚みを増やすことで、こしを強くして反りを抑制することができる。その結果、巻回部への電極挿入が容易に行われることにより、巻回の際に電極が巻きずれない非水電解液二次電池を作製することができる。
設備上の対応としては、電池素子の巻回装置にて絶縁テープ貼付機能を付加することが効果的であり、生産性を向上させることができる。
以下に本発明の実施例を詳述する。
（実施例１）
コバルト酸リチウムを９４質量部と、ＰＶｄＦを３質量部と、導電性カーボン３質量部を混合して、正極材料とした。この正極材料をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状とした。得られたスラリーを厚さ１５μｍのアルミ箔上に塗布し、乾燥後、厚さ１６０μｍの正極体を得た。
コバルト酸リチウムを９４質量部と、ＰＶｄＦを３質量部と、導電性カーボン３質量部を混合して、正極材料とした。この正極材料をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状とした。得られたスラリーを厚さ１５μｍのアルミ箔上に塗布し、乾燥後、厚さ１６０μｍの正極体を得た。
炭素材料粉末を９６質量部と、ＰＶｄＦを３質量部と、導電性カーボン１質量部を混合して、負極材料とした。この負極材料をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状とした。得られたスラリーを厚さ１０μｍの銅箔上に塗布し、乾燥後、厚さ１３０μｍの負極体を得た。
正極体に４×２０ｍｍ、厚さ７０μｍのアルミタブを溶接し、さらに１５×１５ｍｍ、厚さ５０μｍのポリプロピレン絶縁テープを、アルミタブに接触しないアルミ箔部に貼付して正極とした。負極体に４×２０ｍｍ、厚さ７０μｍのニッケルタブを溶接し、さらに１５×１５ｍｍ、厚さ５０μｍのポリプロピレン絶縁テープを、ニッケルタブに接触しない銅箔部に貼付して負極とした。なお集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅は、正負極ともに３３ｍｍであり、絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．４５倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの０．７倍であった。正極と負極を、セパレータを介して、電極合剤層未塗布部をガイドせずに巻回部に挿入して巻回し巻き止めテープを重ねて電池素子を作製した。
次いで、電池缶に電池素子を収納し、電解液を注液後に封止して非水電解液二次電池を作製した。
巻回装置にて電極を巻回して非水電解液二次電池３００個を作製したが、巻きずれは発生せず、巻回に起因する不良はなかった。
（実施例２）
正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの大きさを１０×１０ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。なお絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの０．７倍であった。
正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの大きさを１０×１０ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。なお絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの０．７倍であった。
巻回装置にて電極を巻回して非水電解液二次電池３００個を作製したが、巻きずれは発生せず、巻回に起因する不良はなかった。
（実施例３）
正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの大きさを１０×１０ｍｍとし、正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの厚みを２０μｍとした以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。なお絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの０．３倍であった。
正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの大きさを１０×１０ｍｍとし、正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの厚みを２０μｍとした以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。なお絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの０．３倍であった。
巻回装置にて電極を巻回して非水電解液二次電池３００個を作製したが、巻きずれは発生せず、巻回に起因する不良はなかった。
（実施例４）
正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの大きさを１０×３０ｍｍとし、正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの厚みを７０μｍとした以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。なお絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．９倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの１．０倍であった。
正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの大きさを１０×３０ｍｍとし、正極体及び負極体に貼付した絶縁テープの厚みを７０μｍとした以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。なお絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．９倍であり、絶縁テープの厚みは電極タブの厚みの１．０倍であった。
巻回装置にて電極を巻回して非水電解液二次電池３００個を作製したが、巻きずれは発生せず、巻回に起因する不良はなかった。
（比較例）
正極体及び負極体に絶縁テープを貼付しない以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。
正極体及び負極体に絶縁テープを貼付しない以外は実施例１と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。
巻回装置にて電極を巻回して非水電解液二次電池３００個を作製したところ、巻きずれが４個発生し、不良となった。
以上に示したように、本発明により、反りの無い電極が得られるので、電極を巻回装置に挿入することが容易になり、セパレータに触れる事は無く、真っ直ぐに挿入された。
すなわち、電極合剤層未塗布部に反りが無く、巻回部への電極挿入が容易に行われることにより、巻回の際に電極が巻きずれない非水電解液二次電池が得られた。
１ 電極合剤層未塗布部
２ 電極合剤層片面塗布部
３ 絶縁テープ
４ 電極合剤層両面塗布部
５ 電極タブ
５ａ 電極タブ引き出し部
５ｂ 電極タブ接続部
６ 集電体
７ 反り
８ 電極合剤層
Ｃ 電極挿入方向
２ 電極合剤層片面塗布部
３ 絶縁テープ
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５ａ 電極タブ引き出し部
５ｂ 電極タブ接続部
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７ 反り
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- 集電体の両面に電極合剤層が形成され、前記集電体の長さ方向の一方の端部に電極合剤層の未塗布部を有し、前記未塗布部の集電体幅方向の上部に電極タブが溶接され引き出され、前記未塗布部のうち、集電体幅方向に関し前記未塗布部の下端から前記電極タブの下端までの下部領域にのみポリプロピレン絶縁テープを貼付した正極と負極を、セパレータを介して巻回し外装体に収納してなる非水電解液二次電池であって、
前記ポリプロピレン絶縁テープの集電体幅方向のサイズは、集電体幅から電極タブ接続部を除いた幅の０．３倍以上、１．０倍以下であり、
前記ポリプロピレン絶縁テープの厚みは、前記電極タブの厚みの０．３倍以上、１．０倍以下であることを特徴とする非水電解液二次電池。
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