非水電解質(zhì)二次電池的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2010年12月3日、申請?zhí)枮?01010573125. 5、發(fā)明名稱為"電 池"的專利申請的分案申請，其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
[0002] 相關(guān)申請的參考
[0003] 本申請包含于2009年12月10日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP 2009-280752中所披露的主題，將其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及包括電池元件的電池，該電池元件中負極和正極通過其間的隔膜而層 壓。
【背景技術(shù)】
[0005] 近年來，出現(xiàn)了許多便攜式電子設備，如組合式像機（磁帶錄像機）、移動電話和 筆記本式個人計算機，并且已經(jīng)使這樣的設備小型化和輕量化。關(guān)于改善用作這樣的電子 設備的便攜式電源的電池、特別是作為關(guān)鍵設備的二次電池的能量密度的研究和開發(fā)已經(jīng) 被積極地推進。具體地，與作為現(xiàn)有水性電解液二次電池的鉛電池或鎳鎘電池相比，非水電 解質(zhì)二次電池（例如，鋰離子二次電池）可以提供更高的能量密度。因此，已經(jīng)在各個方面 考慮其改進。
[0006] 關(guān)于這樣的二次電池，已強烈要求伴隨安裝有二次電池的電子設備等的小型化的 能量密度的改善和安全性的改善。因而，已通過來自各種觀點的方法而作出了關(guān)于如何改 善二次電池的安全性的建議。例如，在日本未審查專利申請公開第2005-228537號中，未覆 蓋有活性物質(zhì)層的區(qū)域（暴露區(qū)域）中的電極中的集電體的寬度比覆蓋有活性物質(zhì)層的區(qū) 域中的窄。從而，抑制了電解液組分的移動（不均勻分布），并防止了由于電池元件的螺旋 卷繞狀態(tài)的毀壞所引起的短路。而且，在日本未審查專利申請公開第2008-34353號中，在 電池充電的狀態(tài)下，優(yōu)化了負極相對正極的尺寸。從而，鋰離子在除負極活性物質(zhì)層以外的 區(qū)域中減少，從而防止放電容量降低、短路等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 如上所述，過去，已提出了解決高能量密度的各種安全性改進措施，并確保了電池 的安全性。然而，預期將來可以實現(xiàn)電池的更高的能量密度。因而，需要能夠充分解決電池 的更高能量密度的安全性改進措施。
[0008] 鑒于前述，在本發(fā)明中，期望提供一種可確保足夠容量并具有高安全可靠性的電 池。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種電池，其包括電池元件，其中在帶狀的正極集 電體上設置有正極活性物質(zhì)層的正極和在帶狀的負極集電體上具有負極活性物質(zhì)層的負 極通過其間的隔膜而層壓。負極活性物質(zhì)層被設置成占據(jù)在負極中的第一區(qū)域及該第一區(qū) 域的周邊區(qū)域，該第一區(qū)域與正極活性物質(zhì)層設置在正極集電體上的正極活性物質(zhì)層形成 區(qū)域重疊（交疊，overlap)。在負極中與第一區(qū)域在縱向方向上相鄰的第二區(qū)域中的、未形 成負極活性物質(zhì)層且露出負極集電體的第三區(qū)域的寬度小于第一區(qū)域的寬度。
[0010] 在本發(fā)明實施方式的電池中，負極活性物質(zhì)層被設置成占據(jù)在負極中的第一區(qū)域 及其周邊區(qū)域，該第一區(qū)域與正極活性物質(zhì)層形成區(qū)域相對并重疊。因而，在充電時，緩和 了負極活性物質(zhì)層縱向方向上的邊緣中的電流（鋰離子流）集中，抑制了負極中鋰金屬的 析出，并防止了短路的發(fā)生。而且，在負極中，露出負極集電體的第三區(qū)域的寬度小于與正 極活性物質(zhì)層形成區(qū)域相對和重疊的第一區(qū)域的寬度。因而，在諸如金屬粉末的導電性雜 質(zhì)混合在電池中的情況下，足以防止短路的發(fā)生。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明實施方式的電池，負極活性物質(zhì)層被設置成充分覆蓋對應于正極活性 物質(zhì)區(qū)域的第一區(qū)域，露出負極集電體的第三區(qū)域的寬度小于設置有負極活性物質(zhì)層的第 一區(qū)域的寬度。因而，能夠充分防止伴隨充電的內(nèi)部短路的發(fā)生，而不會損害能量密度。即， 能夠同時實現(xiàn)確保充足容量并確保高安全可靠性。
[0012] 通過以下描述，本發(fā)明的其他和進一步的目的、特征和優(yōu)點將更充分地呈現(xiàn)。
【附圖說明】
[0013] 圖1是示出了作為本發(fā)明實施方式的二次電池的截面圖。
[0014] 圖2是示出了沿著圖1所示的二次電池的線II-II截取的結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0015] 圖3是圖1所示的二次電池的分解正極和分解負極的平面圖和截面圖。
[0016] 圖4是對應于實施例6-2的分解正極和分解負極的平面圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面將參考附圖來詳細地描述本發(fā)明的實施方式。對于圖中每個要素，以本發(fā)明 能夠被理解的程度而示意性地示出形狀、尺寸和配置關(guān)系，并且該形狀、尺寸和配置關(guān)系不 同于實際使用的那些。
[0018] 圖1示出了作為本發(fā)明實施方式的電池的截面結(jié)構(gòu)。例如，該電池是鋰離子二次 電池，其中負極容量是基于作為電極反應物的鋰的嵌入和脫嵌來表示的。
[0019] 該二次電池是所謂的圓柱型電池，并且在近似中空的圓柱體形狀的電池殼11內(nèi) 部具有電池元件20。圖2是沿著圖1所示的電池元件20的線II-II截取的截面圖。
[0020] 電池殼11由，例如鍍鎳（Ni)的鐵（Fe)制成。電池殼11的一端封閉，并且其另一 端開口。在電池殼11的內(nèi)部，一對絕緣板12和13分別垂直于螺旋卷繞外周面配置，使得 電池元件20夾在絕緣板12和13之間。
[0021] 在電池殼11的開口端，電池蓋14和設置在電池蓋14內(nèi)部的安全閥機構(gòu)15和 PTC(正溫度系數(shù)）裝置16通過用墊圈17嵌塞而固定。從而，電池殼11的內(nèi)部被密封。電 池蓋14例如由類似于電池殼11的材料制成。安全閥機構(gòu)15通過其間的PTC設備16電連 接至電池蓋14。在電池的內(nèi)壓由于內(nèi)部短路、外部加熱等而達到一定水平以上的情況下， 盤狀板15A翻轉(zhuǎn)從而切割電池蓋14和電池元件20之間的電連接。在溫度升高的情況下， PTC設備16通過增大電阻值限制電流從而防止由大電流引起的異常發(fā)熱。墊圈17例如由 絕緣材料制成，并用瀝青涂覆其表面。
[0022] 如圖2所示，例如，中心銷24插入在電池元件20的中心。電池元件20具有層壓 結(jié)構(gòu)，其中帶狀正極21和帶狀負極22通過其間的隔膜23層壓。該層壓結(jié)構(gòu)沿著由箭頭表 示的螺旋卷繞方向R從螺旋卷繞體的中心側(cè)螺旋卷繞到螺旋卷繞體的外周側(cè)，從而環(huán)繞中 心銷24。圖1示出了正極21和負極22的簡化層壓結(jié)構(gòu)。此外，電池元件20的螺旋卷繞數(shù) 不限于圖1和圖2所示的數(shù)字，并且能夠任意設定。在電池元件20中，由鋁（Al)等制成的 正極引線25連接到正極21，而由鎳等制成的負極引線26連接到負極22。正極引線25通 過焊接到安全閥機構(gòu)15而連接到電池蓋14。負極引線26焊接和電連接到電池殼11上。
[0023] 圖3的部分（A)和部分⑶不出了圖1和圖2所不的正極21的分解圖。具體地， 圖3的部分㈧是平面圖，而圖3的部分⑶是沿著圖3的部分㈧的線IIIB-IIIB截取 的截面圖。如圖3的部分（A)和部分（B)所示，正極21具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中正極活性物 質(zhì)層21B選擇性地設置在沿著X方向延伸的帶狀正極集電體21A的兩個面上。正極集電體 21A具有例如約5 μ m以上50 μ m以下的厚度，并且由諸如鋁箱、鎳箱和不銹鋼箱的金屬箱制 成。
[0024] 在正極21中，包括正極集電體21A用正極活性物質(zhì)層21B涂覆的涂覆區(qū)域21C和 正極集電體21A未用正極活性物質(zhì)層21B涂覆并被露出的一對暴露區(qū)域21D。暴露區(qū)域21D 位于正極21的縱向方向的兩個端部從而夾住涂覆區(qū)域21C。例如，正極引線25連接到螺旋 卷繞體的中心側(cè)的暴露區(qū)域21D中的正極集電體21A。暴露區(qū)域21D的寬度Wl小于涂覆區(qū) 域21C的寬度W2(W1〈W2)。即，在寬度方向（Y方向）上，暴露區(qū)域21D的正極21的兩個邊 緣分別從涂覆區(qū)域21C的正極21的兩個邊緣凹入距離VI。
[0025] 此外，因為以下原因，在暴露區(qū)域21D與涂覆區(qū)域21C連接的界面附近，優(yōu)選暴露 區(qū)域21D的寬度Wl隨著其位置遠離涂覆區(qū)域21C而不斷減小。在這種情況下，在暴露區(qū)域 21D與涂覆區(qū)域21C之間的界面附近，非常不容易產(chǎn)生由于重復充電和放電引起的正極集 電體21A的龜裂。界面附近是指包括在與涂覆區(qū)域21C的界面位置相距的距離Ll中的范 圍。例如，距離Ll等于距離VI。此外，在除了界面附近以外的區(qū)域中，期望寬度Wl是恒定 的。也期望涂覆區(qū)域21C的寬度W2是恒定的。
[0026] 此外，暴露區(qū)域21D的最小寬度Wl與涂覆區(qū)域21C的最小寬度W2之間的關(guān)系優(yōu) 選滿足以下條件表達式2。從而，可以更有效地抑制內(nèi)部短路的發(fā)生，并且可以避免正極集 電體2IA本身的電阻的增大。
[0027] 0. 005 ^ (W2-ffl)/W2 ^ 0. 15 2
[0028] 圖3的部分㈧和部分⑶示出了為正極集電體21A的兩個面均同等地設置有涂 覆區(qū)域21C和暴露區(qū)域21D的狀態(tài)，但正極21的狀態(tài)并不限于此。即，也可以正極集電體 21A的僅單個面具有設置有正極活性物質(zhì)層21B的區(qū)域。
[0029] 正極活性物質(zhì)層21B例如含有一種或多種能夠嵌入和脫嵌作為電極反應物的鋰 的正極材料作為正極活性物質(zhì)。如果需要，正極活性物質(zhì)層21B可以含有其他材料，如正極 粘結(jié)劑和正極導電劑。
[0030] 作為能夠嵌入和脫嵌鋰的正極材料，例如，諸如鋰氧化物、鋰硫化物、含鋰的層間 化合物和鋰磷酸鹽化合物的含鋰化合物是合適的?？梢曰旌鲜褂盟鼈冎械膬煞N或多種。具 體地，含有鋰和過渡金屬元素的復合氧化物或含有鋰和過渡金屬元素的磷酸鹽化合物是優(yōu) 選的。特別地，含有鈷（Co)、鎳、錳（Mn)、鐵、錯、釩（V)和鈦（Ti)中的至少一種作為過渡金 屬元素的化合物是優(yōu)選的。其化學式例如由Li xMIO2S Li yMIIP04表示。在該式中，MI和 MII表示一種或多種過渡金屬元素。X和y值隨著電池的充電和放電狀態(tài)而變化，并且通常 在0· 05彡X彡L 10和0· 05彡y彡L 10的范圍內(nèi)。
[0031] 含有鋰和過渡金屬元素的復合氧化物的具體實例包括鋰-鈷復合氧化物 (LixCoO 2)、鋰-鎳復合氧化物（LixNiO2)、鋰-鎳-鈷復合氧化物（LixNi 1 zC〇z02(z〈l))、 鋰-鎳-鈷-猛復合氧化物（LixNiu vw)CovMnw02(v+w〈l))、以及具有尖晶石型結(jié)構(gòu)（LiMn 2O4) 的鋰-錳復合氧化物。含有鋰和過渡金屬元素的磷酸鹽化合物的具體實例包括磷酸鐵鋰化 合物（LiFePO 4)和鋰-鐵-錳磷酸鹽化合物（LiFe1 uMnuP04(u〈l))。
[0032] 能夠嵌入和脫嵌鋰的正極材料的實例包括其他金屬化合物和高分子材料。其他金 屬化合物的實例包括氧化物，如氧化鈦、氧化釩和二氧化錳；以及二硫化物，如二硫化鈦和 二硫化鉬。高分子材料的實例包括聚苯胺和聚噻吩。
[0033] 不用說，能夠嵌入和脫嵌鋰離子的正極材料可以是不同于前述材料的材料。而且， 前述正極材料中的兩種或多種可以任意地混合使用。
[0034] 正極導電劑的實例包括碳材料，例如石墨、碳黑、乙炔黑和科琴黑（Ketjen black)?？梢詥为毷褂眠@樣的碳材料，或可以通過混合使用其中的多種。代替碳材料，正極 導電劑可以是金屬材料、導電聚合物等，只要該材料具有導電性即可。
[0035] 正極粘結(jié)劑的實例包括合成橡膠，如丁苯橡膠、氟化橡膠和三元乙丙橡膠；以及聚 合物材料，如聚偏二氟乙烯。可以單獨使用其中之一，或可以通過混合使用其中的多種。
[0036] 圖3的部分（C)和部分⑶不出了圖1和圖2所不的負極22的分解圖。具體地， 圖3的部分（C)是平面圖，而圖3的部分⑶是沿著圖3的部分（C)的線IIID-IIID截取 的截面圖。如圖3的部分（C)和（D)所示，負極22具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中負極活性物質(zhì)層 22