JP2001028275A

JP2001028275A - 立体自由形状バッテリー装置

Info

Publication number: JP2001028275A
Application number: JP2000179577A
Authority: JP
Inventors: Denis G Fauteux; ジーフォトーデニス; Iii Robert Rounds; ラウンズザ・サードロバート
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2001-01-30

Abstract

(57)【要約】【課題】バッテリー容器の内部空間を最大限に利用
し、バッテリー装置の全体サイズを増加することなく容
量および電力発生能を増大させ、軽量かつ薄肉のケース
を使用したバッテリー装置を提供する。【解決手段】不均一内周縁を有するケースと、当該ケ
ース内に配置されたリチウムイオン電池スタックとから
成る立体自由形状バッテリー装置であって、上記リチウ
ムイオン電池スタックは２つ以上のリチウムイオン電池
を積重ねて形成され、且つ、ケースの内周縁を最大限に
利用するような形状を有し、上記リチウムイオン電池
は、電池サイクル及び貯蔵中にケースの偶発的変形を実
質的に防止する手段を有することを特徴とするバッテリ
ー装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバッテリー装置に関
し、詳しくは、本発明は、立体（３次元）自由幾何学形
状を有し、軽量ケースだけで形成可能な、スタッカブル
（積重ね可能）リチウムイオン電池から成るバッテリー
装置に関する。本発明は、更に、上記の製造方法にも関
する。

【０００２】

【従来の技術】あらゆる分野で使用可能なリチウムイオ
ン二次バッテリーは公知である。一般に、リチウムイオ
ンバッテリーは、特に軽量、エネルギー密度および全体
効率に優れるため、ニッケルカドミウム及び水素化ニッ
ケル金属バッテリー等の他の充電可能なバッテリーに比
して好適に使用される。

【０００３】一般に、バッテリーはできる限り軽量であ
ることが好ましい。現在製造されているリチウムイオン
バッテリーは、これに限定されないが、携帯電話および
ラップトップ型コンピューター等のあらゆる電力消費装
置に適した容量およびサイクル性を有している。しかし
ながら、現在のバッテリーは、比較的大きな重量を有す
る取扱いの困難なケースを使用している。

【０００４】バッテリー容器は、通常、円筒形または角
柱状の剛性かつ重量のある材料から形成される。剛性材
料の使用により、内圧に起因するケースの座屈が防止さ
れる。前記内圧は、電解質またはバッテリー内の種々の
構成成分の分解によるガス発生に起因して生起する。更
に、ケースは、腐食を防止するため、代表的には、ニッ
ケルメッキ鋼から形成されている。

【０００５】更に、角柱状電池の場合、バッテリーを構
成する個々の電池は、通常、スプリングプレートを使用
して互いに強く押圧（バイアス）されている。スプリン
グプレートの使用はバッテリー重量の増加を招く。更
に、スプリングプレートはバッテリー内の空間を占有す
るため、更なる電池を付加してバッテリー容量を増加す
ることが困難となる。

【０００６】また、従来のバッテリーは、電池に均一な
押圧力を加えるために必要なハウジング及びスプリング
プレートに起因して、通常、円筒形、角柱形、立方形ま
たは他のボックス形状等の共通の単純形状の形でしか入
手できない。このため、従来技術において、バッテリー
容器が上記共通形状以外の場合、不均一形状のバッテリ
ー容器内で従来形状のバッテリーを使用している。この
結果、バッテリー容器の内部空間の一部は、空き空間と
なり、デッドスペースを形成してしまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、バッ
テリー容器の内部空間を最大限に利用することにより、
バッテリー装置の全体サイズを増加することなく容量お
よび電力発生能を増大させ、軽量かつ薄肉のケースを使
用したバッテリー装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成すべく鋭意検討した結果、リチウムイオン電池を厚
さ方向に積層してなるリチウムイオン電池スタックを用
いて、ケースの内周縁を最大限に利用するような形状を
有するようにすることにより上記課題が解決できること
を見い出し、本発明を完成するに至った。

【０００９】本発明は上記の知見に基づき完成されたも
のであり、その第１の要旨は、不均一内周縁を有するケ
ースと、当該ケース内に配置されたリチウムイオン電池
スタックとから成る立体自由形状バッテリー装置であっ
て、上記リチウムイオン電池スタックは２つ以上のリチ
ウムイオン電池を積重ねて形成され、且つ、ケースの内
周縁を最大限に利用するような形状を有し、上記リチウ
ムイオン電池は、電池サイクル及び貯蔵中にケースの偶
発的変形を実質的に防止する手段を有することを特徴と
するバッテリー装置に存する。

【００１０】本発明の第２の要旨は、前記変形防止手段
が、電池サイクル及び貯蔵中に電池内の化学成分の分解
によるガス発生を実質的に防止する手段である第１の要
旨に記載のバッテリー装置に存する。

【００１１】本発明の第３の要旨は、前記最大限に利用
するような形状が、ケースの内周縁形状に総体的に一致
した形状である第１又は２の要旨に記載のバッテリー装
置に存する。

【００１２】本発明の第４の要旨は、前記２つ以上のリ
チウムイオン電池の各々が、ケースの内周縁に追従する
自由幾何形状を有する第３の要旨に記載のバッテリー装
置に存する。

【００１３】本発明の第５の要旨は、前記２つ以上のリ
チウムイオン電池の少なくとも一方が、他方の電池の形
状と異なり、ケースの内周縁に追従する自由幾何形状を
有する第３又は４の要旨に記載のバッテリー装置に存す
る。

【００１４】本発明の第６の要旨は、前記リチウムイオ
ン電池スタックが、２つ以上のリチウムイオン電池を積
重ねた２つ以上のグループから成り、当該電池が、ケー
スの内周縁形状に総体的に一致した形状を有する第１〜
５の何れかの要旨に記載のバッテリー装置に存する。

【００１５】本発明の第７の要旨は、前記２つ以上のリ
チウムイオン電池を積重ねたグループの一方が他方のグ
ループの形状と異なり、ケースの内周縁に追従する自由
形状を有する第６の要旨に記載のバッテリー装置に存す
る。

【００１６】本発明の第８の要旨は、平板状のリチウム
イオン電池を厚さ方向に２つ以上積層してなるリチウム
イオン電池スタックを、ケースに収納してなるバッテリ
ー装置において、前記ケースは不均一内周縁を有し、且
つ前記リチウムイオンスタックは、前記ケースの内周面
を最大限に利用するような形状を有していることを特徴
とするバッテリー装置に存する。

【００１７】本発明の第９の要旨は、前記最大限に利用
するような形状が、ケースの内周縁に総体的に一致した
形状である第８の要旨に記載のバッテリー装置に存す
る。

【００１８】本発明の第１０の要旨は、前記リチウムイ
オン電池の各々が、ケースの内周縁に追従する自由幾何
形状を有する第９の要旨に記載のバッテリー装置に存す
る。

【００１９】本発明の第１１の要旨は、前記２つ以上の
リチウムイオン電池の少なくとも一方が、他方の電池の
形状とは異なり、ケースの内周縁に追従する自由幾何形
状を有する第８又は９の要旨に記載のバッテリー装置に
存する。

【００２０】本発明の第１２の要旨は、平板状のリチウ
ムイオン電池要素を厚さ方向に積層して成るリチウムイ
オン電池スタックを、ケースに収納して成るバッテリー
装置であって、前記ケースは、厚さ方向の少なくとも１
つの断面において、不均一幾何断面形状を有し、且つ前
記リチウムイオン電池スタックは、前記断面に追従した
不均一断面形状を有するように、前記少なくとも２つの
リチウムイオン電池の少なくとも一方が、他方の電池の
形状とは異なることを特徴とするバッテリー装置に存す
る。

【００２１】本発明の第１３の要旨は、リチウムイオン
電池スタックを収容し、不均一内周縁を有するケースを
形成する工程と、リチウムイオン電池スタックを製造す
る工程とから成るバッテリー装置の製造方法であって、
上記リチウムイオン電池スタックを製造する工程が、電
池サイクル及び貯蔵中に電池に起因するケースの偶発的
変形を実質的に防止する機能をリチウムイオン電池に付
与する工程と、ケースの内周縁を最大限に利用する形状
に上記リチウムイオン電池を付形する工程と、ケース内
周縁に密に追従するように上記リチウムイオン電池を２
つ以上積重ねて電池スタックを形成する工程と、電池ス
タックをケース内に配置する工程とから成る、前記バッ
テリー装置の製造方法に存する。

【００２２】本発明の第１４の要旨は、前記リチウムイ
オン電池を付形する工程が、リチウムイオン電池を自由
形状に形成する工程を含む第１３の要旨に記載のバッテ
リー装置の製造方法に存する。

【００２３】本発明の第１５の要旨は、前記リチウムイ
オン電池が、炭素質表面を有する第１電極と、第２電極
と、溶剤を含む電解質とから成り、偶発的変形を実質的
に防止する機能をリチウムイオン電池に付与する工程
が、第１電極の炭素質表面に添加剤を関連させて電解質
の溶剤と炭素質表面との関連を実質的に防止する不働体
層を形成する工程と、電池サイクル及び貯蔵中に重大な
量のガスの発生なく電解質を分解して不働体層を形成す
る工程とから成る第１３又は１４の要旨に記載の方法に
存する。

【００２４】

【発明の実施の態様】以下本発明を図面を使用して説明
する。本発明は様々な実施態様が可能であるため、本発
明は以下に図示された実施態様や説明に限定されない。

【００２５】図１に本発明に係わるバッテリー装置の斜
視図、図２に図１の線２−２におけるバッテリー装置の
断面図、図３に図１の線３−３におけるバッテリー装置
の厚さ方向の断面図、図４に図３のバッテリーに使用す
るケースの断面図、図５に本発明に係わるリチウムイオ
ン電池の自由幾何学形状の上面図をそれぞれ示す。

【００２６】図１〜３及び５に示すバッテリー装置１０
は、積重ねリチウムイオン電池スタック１４及びケース
１２から成る。リチウムイオン電池スタック１４は、電
池サイクル及び貯蔵中にリチウムイオン電池の変形を実
質的に防止する手段を有する。図３に示すように、リチ
ウムイオン電池スタック１４は積重ね構成を有し、平板
状の電池グループ１０２、１０４、１０６及び１０８か
ら成り、各グループは、外周縁４７（図１及び５）及び
リード５５、５６（図１）を備えており、２つ以上のリ
チウムイオン電池を積重ねた構造になっていてもよい。

【００２７】リチウムイオン電池グループ１０２−１０
８の異なる幾何学形状および異なる形状の外周縁４７
を、図１、４及び５に例示する。特に、これら電池の形
状はいかなる自由幾何学形状であってもよく、従来の均
一幾何断面の他、いかなる不均一幾何断面形状でもよ
い。かかる自由幾何形状の一例は、図１及び５で示さ
れ、この場合、いずれの電池も特定の同一幾何形状を有
していない。更に、リチウムイオン電池の自由幾何形状
は、平坦形状であっても、非平坦形状であってもよい。
つまり、上述したように、電池は変形防止手段を有する
ため、多数の異なる配置、形状および配向のいかなる自
由幾何形状を有していてもよい。

【００２８】更に、図１に示すように、各電池グループ
１０２−１０８は、隣接電池グループと異なる外周形状
を有していてもよい。このように、電池スタックを組み
立てた際、電池スタック全体の外周形状を変化させるだ
けでなく、各電池グループ１０２−１０８の外周形状を
それぞれ変化させて、得られる電池スタックの全体形状
を所望の３次元形状とすることができる。各電池の外周
形状を変化させるために、ケースの内周縁３２を最大限
に利用するような形状にする。

【００２９】比較のため、図６に従来バッテリーの断面
図を示す。図６に示すように従来バッテリー１２０は電
池１１５及びケース１１２から成る。図より明らかなよ
うに、従来電池は共通の均一幾何形状を有するため、ケ
ース１１５内に適合するバッテリーサイズはケースの最
薄領域１３０の厚さに制限される。この結果、内部領域
１２５が、領域１４０において追加の電池を収容して容
量を増大するのに充分な寸法を有するにもかかわらず、
ケース内部領域１２５に（未使用空間１１０等の）無駄
空間が生じてしまう。

【００３０】図７に別の従来バッテリーの断面図を示
す。この従来電池において、バッテリーケース１１２の
内部空間は、より短くかつより厚みのあるバッテリー電
池（又は電池群）１１５により占有されている。この従
来電池も、同様に、共通の均一幾何形状を有するため、
領域１２５及び１２６に示されるような相当量の無駄空
間が生じる。この場合も、これら未使用空間は、追加の
電池を付設して容量を増加するのに充分なものである。
つまり、従来バッテリーはいずれも、本発明の不均一３
Ｄバッテリー配置を適用することができない。

【００３１】図３に示す本発明のバッテリー装置は上記
の従来バッテリーと相違し、ケース内周縁を最大限に利
用しており、スタック内の各電池は所望の外周形状を有
することができ、ケース内周縁３２の実質的に全部を電
池の領域として占有することができる。この利点は、不
均一形状のケースの場合にも得られ、いかなる３次元幾
何形状にも適用できる。

【００３２】本発明のバッテリー装置においては、種々
のリチウムイオン系電池が使用可能であり、種々の電極
及び電解質成分を有する充電式及び非充電式電池が使用
可能である。例えば、本発明で使用できるバッテリーと
しては、特願平１０−２５０８７４に記載の電池（米国
特許出願第０８／８１２，０２１号に対応）が挙げら
れ、その開示内容も本願に参照される。

【００３３】図１〜３に示すケース１２は、外形３０及
び内周縁３２（図２及び３）を有する。内周縁３２は、
積重ねリチウムイオン電池１４を適切に受入れ可能であ
ればいかなる形状であってもよい。このように、ケース
内周部は特定形状に限定されず、例えば、リチウムイオ
ン電池の外周／外形に内周縁を密に追従させることによ
り、ケース内周縁を電池外周縁と適合させてもよい。電
池グループ１０２−１０８をケース内に配置した際、各
電池グループは、異なる外周縁を有し、内部領域のデッ
ドスペース及び／又は未使用スペースを最小限とするこ
とができる。ケースの材料としては、種々の材料を使用
することができ、例えば、金属材料、プラスチック材料
又は積層金属／プラスチック材料等が挙げられる。ケー
ス厚は、非常に薄くすることができ、通常０．３〜０．
４ｍｍ、好ましくは０．２５〜０．３５ｍｍの範囲であ
る。このため、ケースの重量は比較的軽量となる。

【００３４】変形防止手段は、電池サイクル及び貯蔵中
にガス発生を実質的に防止する手段であり、その一例と
しては、特願平１０−２５０８７４（米国特許出願第０
８／８１２，０２１号に対応）に記載の手段が挙げられ
る。この実質的ガス発生防止手段によって、電池はそれ
ぞれ所望の配置に保持され、通常、外部剛性構造および
スタック電池に対する均一圧の付加を必要とせずに、そ
の一体性を保持することができる。このような変形防止
手段によって、ワイヤー巻き付け具を備えたケース、強
金属ケース及び押圧スプリングを備えたケース等を使用
する必要がなく、電池の所望の配置を保持しケースの変
形を防止することができる。

【００３５】この結果、剛性重量部材の必要なく、軽量
かつ比較的薄肉ケースを使用することができる。更に、
バッテリー装置の全重量を減少できるだけでなく、従来
ワイヤー結合具、金属ケース及び押圧スプリングにより
占有されていた空間を、更なるスタックリチウムイオン
電池またはより大型の個別電池を収容するために使用す
ることができる。このように、バッテリー装置の全体サ
イズを増加することなく、容量及び電力発生能を増大す
ることができる。

【００３６】更に、電池内に過剰圧が生起しないので、
積重ねリチウムイオン電池に対し均一圧を付加する必要
がない。このように、積重ねリチウムイオン電池１４の
外周形状は、共通の正方形および矩形ボックス形状に限
定されず、図１及び５で示した通り、いかなる自由幾何
形状に形成することもできる。更に、電池１４の各グル
ープ１０２−１０８を異なる外周形状に形成することも
できる。

【００３７】図１〜５に示したバッテリー装置において
は、ケースの内周面を最大限に利用するような形状を有
するリチウムイオン電池スタックを用いているので、無
駄な空間なく電池スタックを収容することができる。即
ち、図１及び５から解るように、電池グループ１０２〜
１０８は、それぞれ、ケース１２の内周縁３２に追従す
る自由幾何形状を有している一方で、図３より解るよう
に、相互に他の電池形状と異なるような自由幾何形状を
有している（換言すれば、厚さ方向の少なくとも１つの
断面において不均一幾何断面形状を有するケースの前記
断面に追従した不均一断面形状を有するように、リチウ
ムイオン電池の形状を隣接する電池相互に異ならせる）
ので、ケースの内周縁形状に総体的に一致した電池スタ
ック形状となっている。

【００３８】しかも、図１〜５のバッテリー装置におい
ては、変形防止手段として、電池サイクル及び貯蔵中に
電池内の化学成分の分解によるガス発生を実質的に防止
するための不働体層が、電極または電解質に添加された
添加剤の作用によって電極表面上に形成されているの
で、一体性を保持することもできる。

【００３９】なお、上記の態様においては、ケースの前
記断面に追従した不均一断面形状を有するように、リチ
ウムイオン電池の形状をグループ間相互に全て異ならせ
ているが、電池の断面形状に応じて、少なくとも２つの
リチウムイオン電池相互間において形状が異なっていれ
ばよい。

【００４０】バッテリー装置１０の製造に際し、特定用
途のためのケース１２の所望形状ならびに積重ねリチウ
ムイオン電池１４の容量および形状を、先ず、決定す
る。次いで、内周縁３２及び外形３０を有するケース１
２を、積重ねリチウムイオン電池を収容し得るように形
成する。ケースの内周縁３２を積重ねリチウムイオン電
池の外周縁４７に追従させる必要はないが、ケースは、
積重ねリチウムイオン電池を収容し得るサイズを有する
必要がある。

【００４１】ケースを形成した後、リチウムイオン電池
スタック１４を電池グループ１０２−１０８から製造す
る。各電池グループ１０２−１０８は、全体としてケー
スの内周縁の形状に総体的に一致するようにそれぞれ所
望の外周形状に形成する。各グループの形成後、電池グ
ループ１０２−１０８を積み重ね、リチウムイオン電池
スタック１４を形成する。それぞれ所望の外周形状を有
する任意の数の電池グループ１０２−１０８を形成し
て、積み重ねることができる。更に、各電池グループ１
０２−１０８は、所望の数の電池から成るモノリシック
（一体型）構成であってもよい。上述したように、電池
グループの各形状は、隣接電池グループの形状と同一で
ある必要はない。

【００４２】電池の製造に際し、変形防止手段を付与す
る。一実施態様として、変形防止手段は各リチウムイオ
ン電池内に包含された添加物であり、かかる添加物の包
含によって、電池サイクル及び貯蔵中に関連する電極上
で不働体層が形成される際に電解質の分解によるガス発
生が防止され、これによって、ケースの偶発的変形を実
質的に防止することができる。

【００４３】添加物としては、２種の特殊な開環スピロ
−ケトン（ｒｉｎｇｏｐｅｎｉｎｇｓｐｉｒｏ−ｋ
ｅｔｏｎｅ）から成る化合物として例示されるが、開環
スピロ又はシクロ有機化合物を包含する類似の官能基を
有する化合物、中でも、１）電解質中の溶媒よりも先に
炭素質電極と反応し、２）以下に説明する特定の範囲の
相対厚み指数と相対リチウムイオン含有指数を有する不
動体層を、炭素質表面上に形成し、３）その結果、電解
質中のガス発生能を有する溶媒が炭素質表面と接触する
のを実質的に防止し、４）充放電や貯蔵の際の分解によ
る電池１０内でのガス発生を実質的に防止する、化合物
もまた考えられる。具体的には、特願平１０−２５０８
７４（米国特許出願第０８／８１２，０２１号に対応）
に記載されており、本願にその開示内容も本願に参照さ
れる。

【００４４】かかるスタッカブルリチウムイオン電池お
よびその製造法の一例は、特願平１０−２５０８７４
（米国特許出願第０８／８１２，０２１号に対応）に記
載されている。具体的には、かかる電池は、炭素質表面
を有する第１電極と、第２電極と、溶剤を含む電解質と
から成る。上記添加物を、第１電極の炭素質表面と関連
させる。次いで、電解質中の溶剤と第１電極の炭素質表
面との関連を実質的に防止する不働体層を形成する。こ
のように形成された電池では、電池サイクル及び貯蔵中
に不働体層が形成される際の電解質分解時にガス発生が
実質的に起こらない。それ故、電池の一体性が保持さ
れ、バッテリーケースは、ケース内に電池を収容するた
めに、電解質分解時にガス発生を伴う電池において必要
であった内部または外部要素を全く必要としない。

【００４５】リチウムイオン電池を形成した後、リチウ
ムイオン電池をケース内に配置し、適当なリード５５、
５６を電池に取り付けてバッテリー装置の接点を形成す
る。上述したように、リチウムイオン電池は変形防止手
段を有することにより、ケース及びリチウムイオン電池
１４の各グループ１０２−１０８は、いかなる自由形状
にも形成でき、得られた電池スタックは、押圧スプリン
グ、ワイヤーラップ及び重量のある金属ケース等の取り
扱い難い保持構造を必要とすることなく、いかなる３次
元形状及び配置にも形成することができる。更に、ケー
ス内のデッドスペース及び／又は未使用スペースを、最
小限とすることができる。

【００４６】以下、リチウムイオン電池の構成について
説明する。リチウムイオン電池は、通常、正極及び負極
に対応する第１及び第２電極とそれらの間に介装された
電解質層とからなる。第１電極及び第２電極は、通常、
集電体基板上に活物質を結着させてなる。

【００４７】集電体基板：集電体基板の材料としては、
銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス等各種の金属
やこれらの合金を例示することができる。好ましくは、
正極の集電体基板としてアルミニウムを使用し、負極の
集電体基板として銅を使用する。

【００４８】集電体の厚みは適宜選択されるが好ましく
は１〜３０μｍ、さらに好ましくは１〜２０μｍであ
る。薄すぎると機械的強度が弱くなる傾向にあり、生産
上問題になる。厚すぎると電池全体としての容量が低下
する。

【００４９】これら集電体表面には予め粗面化処理を行
うと電極材の接着強度が高くなるので好ましい。表面の
粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法または
化学研磨法が挙げられる。機械的研磨法としては、研磨
剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線な
どを備えたワイヤーブラシなどで集電体表面を研磨する
方法が挙げられる。また接着強度や導電性を高めるため
に、集電体表面に中間層を形成してもよい。

【００５０】また、集電体の形状は、金属メッシュ以外
に、板状であってもよい。

【００５１】活物質：第１電極又は第２電極に使用する
活物質は、製造する電池の種類や特性に応じて適宜選択
すればよい。

【００５２】リチウムイオン電池の場合、正極活物質と
しては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能であれば無機
化合物でも有機化合物でも使用できる。無機化合物とし
て、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化
物、遷移金属硫化物等のカルコゲン化合物等が挙げられ
る。ここで遷移金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等
が用いられる。具体的には、ＭｎＯ、Ｖ₂Ｏ₅、Ｖ
₆Ｏ₁₃、ＴｉＯ₂等の遷移金属酸化物、ニッケル酸リチウ
ム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどのリ
チウムと遷移金属との複合酸化物、ＴｉＳ₂、ＦｅＳ、
ＭｏＳ₂などの遷移金属硫化物等が挙げられる。これら
の化合物はその特性を向上させるために部分的に元素置
換したものであってもよい。有機化合物としては、例え
ばポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフ
ィド系化合物、ポリスルフィド系化合物等が挙げられ
る。正極活物質として、これらの無機化合物、有機化合
物を混合して用いてもよい。好ましくは、コバルト、ニ
ッケル及びマンガンからなる群から選ばれる少なくとも
１種の遷移金属とリチウムとの複合酸化物である。

【００５３】正極活物質の粒径は、それぞれ電池の他の
構成要素とのかねあいで適宜選択すればよいが、通常１
〜３０μｍ、特に１〜１０μｍとするのが初期効率、サ
イクル特性等の電池特性が向上するので好ましい。

【００５４】負極に用いることができるリチウムイオン
の吸蔵放出可能な負極活物質としては、通常、グラファ
イトやコークス等の炭素質粒子が挙げられる。斯かる炭
素系物質は、金属、金属塩、酸化物などとの混合体や被
覆体の形態で利用することもできる。また、負極活物質
としては、ケイ素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル
等の酸化物や硫酸塩、金属リチウム、Ｌｉ−Ａｌ、Ｌｉ
−Ｂｉ−Ｃｄ、Ｌｉ−Ｓｎ−Ｃｄ等のリチウム合金、リ
チウム遷移金属窒化物、シリコン等も使用できる。負極
活物質の平均粒径は、初期効率、レイト特性、サイクル
特性などの電池特性の向上の観点から、通常３０μｍ以
下、好ましくは２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下
とする。この粒径が大きすぎると電子伝導性が悪化する
傾向にある。また、粒径は通常は０．５μｍ以上、好ま
しくは７μｍ以上である。

【００５５】電極のその他の構成：活物質を集電体上に
結着させるため、バインダーを使用することが好まし
い。バインダーとしてはシリケート、ガラスのような無
機化合物や、主として高分子からなる各種の樹脂が使用
できる。

【００５６】樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリ−１，１−ジメチルエチレンなどの
アルカン系ポリマー；ポリブタジエン、ポリイソプレン
などの不飽和系ポリマー；ポリスチレン、ポリメチルス
チレン、ポリビニルピリジン、ポリ−Ｎ−ビニルピロリ
ドンなどの環を有するポリマー；ポリメタクリル酸メチ
ル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチ
ル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポ
リアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド
などのアクリル系ポリマー；ポリフッ化ビニル、ポリフ
ッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ
素系樹脂；ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシア
ニドなどのＣＮ基含有ポリマー；ポリ酢酸ビニル、ポリ
ビニルアルコールなどのポリビニルアルコール系ポリマ
ー；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲ
ン含有ポリマー；ポリアニリンなどの導電性ポリマーな
どが使用できる。また上記のポリマーなどの混合物、変
性体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラ
フト共重合体、ブロック共重合体などであっても使用で
きる。

【００５７】活物質１００重量部に対するバインダーの
配合量は好ましくは０．１〜３０重量部、さらに好まし
くは１〜１５重量部である。樹脂の量が少なすぎると電
極の強度が低下することがある。樹脂の量が多すぎると
容量が低下したり、レイト特性が低下したりすることが
ある。

【００５８】電極中には必要に応じて導電材料、補強材
など各種の機能を発現する添加剤、粉体、充填材などを
含有していてもよい。導電材料としては、上記活物質に
適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限
は無いが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラッ
ク、黒鉛などの炭素粉末や、各種の金属のファイバー、
箔などが挙げられる。添加剤としてはトリフルオロプロ
ピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、１，６−
Ｄｉｏｘａｓｐｉｒｏ〔４，４〕ｎｏｎａｎｅ−２，７
−ｄｉｏｎｅ、１２−クラウン−４−エーテルなどが電
池の安定性、寿命を高めるために使用することができ
る。補強材としては各種の無機、有機の球状、繊維状フ
ィラーなどが使用できる。

【００５９】電極を集電体上に形成する手法としては、
例えば、粉体状の活物質をバインダーとともに溶剤と混
合し、ボールミル、サンドミル、二軸混練機などにより
分散塗料化したものを、集電体上に塗布して乾燥する方
法が好適に行なわれる。この場合、用いられる溶剤の種
類は、電極材に対して不活性であり且つバインダーを溶
解しうる限り特に制限されず、例えばＮ−メチルピロリ
ドン等の一般的に使用される無機、有機溶剤のいずれも
使用できる。

【００６０】また、活物質をバインダーと混合し加熱す
ることにより軟化させた状態で、集電体上に圧着、ある
いは吹き付ける手法によって電極材層を形成することも
できる。さらには活物質を単独で集電体上に焼成するこ
とによって形成することもできる。

【００６１】活物質層の厚さは、通常１μｍ以上であ
り、好ましくは１０μｍ以上である。また、通常２００
μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下である。薄すぎる
と、活物質層の均一性が確保しにくくなり、また容量が
低下する傾向にある。また、厚すぎると、レート特性が
低下する傾向にある。

【００６２】集電基板と活物質層との間にプライマー層
を設けることができる。その結果、集電基板と活物質層
の接着性をさらに向上させることができる。プライマー
層は、導電性材料とバインダーと溶剤とを含む塗料を、
集電基板上に塗布後、乾燥することによって形成させる
ことができる。

【００６３】プライマー層に使用する導電性材料として
は、カーボンブラック、グラファイト等の炭素質粒子
や、金属粉体、導電性高分子等各種のものを使用でき
る。プライマー層に使用するバインダーや溶剤は、活物
質層に使用するものと同様のものを使用できる。プライ
マー層の厚さは、通常０．０５μｍ以上、好ましくは
０．１μｍ以上であり、また通常２０μｍ以下、好まし
くは１０μｍ以下である。薄すぎると、プライマー層の
均一性が確保しにくくなる傾向にある。また、厚すぎる
と、電池の容量レート特性が低下する傾向にある。

【００６４】電解質：電解質は、第１電極及び第２電極
と相互に関連して、電極間のイオン移動に関与する。電
解質は、通常電極相互の間に電解質層として存在すると
共に、活物質層内にも存在し、活物質の少なくとも一部
の表面と接触する。

【００６５】電解質は、通常、流動性を有する電解液
や、ゲル状電解質や完全固体型電解質等の非流動性電解
質等の各種の電解質を含む。電池の特性上は電解液また
はゲル状電解質が好ましく、また、安全上は非流動性電
解質が好ましい。特に、非流動性電解質を使用した場
合、従来の電解液を使用した電池に対してより有効に液
漏れが防止できる。さらに、本発明においては、ケース
が不均一内周縁を有するので、電解液の液漏れが起こり
やすく、その点、非流動性電解質を使用する効果が大き
い。

【００６６】電解質として使用される電解液は、通常支
持電解質を非水系溶媒に溶解してなる。

【００６７】支持電解質としては、電解質として正極お
よび負極に対して安定であり、かつリチウムイオンが正
極活物質あるいは負極活物質と電気化学反応をするため
の移動をおこない得る非水物質であればいずれのもので
も使用することができる。具体的にはＬｉＰＦ₆、Ｌｉ
ＡｓＦ₆、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、Ｌｉ
Ｉ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌ、ＬｉＡｌＣｌ、ＬｉＨＦ₂、
ＬｉＳＣＮ、ＬｉＳＯ₃ＣＦ₂等のリチウム塩が挙げられ
る。これらのうちでは特にＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄が好
適である。

【００６８】これら支持電解質を非水系溶媒に溶解した
状態で用いる場合の濃度は、一般的に０．５〜２．５ｍ
ｏｌ／Ｌである。これら支持電解質を溶解する非水系溶
媒は特に限定されないが、比較的高誘電率の溶媒が好適
に用いられる。具体的にはエチレンカーボネート、プロ
ピレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチル
カーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカ
ーボネートなどの非環状カーボネート類、テトラヒドロ
フラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエ
タン等のグライム類、γ−ブチロラクトン等のラクトン
類、スルフォラン等の硫黄化合物、アセトニトリル等の
ニトリル類等が挙げられる。またこれらの１種または２
種以上の混合物を使用することができる。

【００６９】これらのうちでは、特にエチレンカーボネ
ート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート
類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エ
チルメチルカーボネートなどの非環状カーボネート類か
ら選ばれた１種または２種以上の溶媒が好適である。ま
たこれらの分子中の水素原子の一部をハロゲンなどに置
換したものも使用できる。またこれらの溶媒に、添加剤
などを加えてもよい。添加剤としては例えば、トリフル
オロプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、
１，６−Ｄｉｏｘａｓｐｉｒｏ〔４，４〕ｎｏｎａｎｅ
−２，７−ｄｉｏｎｅ、１２−クラウン−４−エーテル
などが電池の安定性、性能、寿命を高める目的で使用で
きる。

【００７０】電解質として使用できるゲル状電解質は、
通常、上記電解液を高分子によって保持してなる。即
ち、ゲル状電解質は、通常電解液が高分子のネットワー
ク中に保持されて全体としての流動性が著しく低下した
ものである。このようなゲル状電解質は、イオン伝導性
などの特性は通常の電解液に近い特性を示すが、流動
性、揮発性などは著しく抑制され、安全性が高められて
いる。ゲル状電解質中の高分子の比率は好ましくは１〜
５０重量％である。低すぎると電解液を保持することが
できなくなり、液漏れが発生することがある。高すぎる
とイオン伝導度が低下して電池特性が悪くなる傾向にあ
る。

【００７１】ゲル状電解質に使用する高分子としては、
電解液と共にゲルを構成しうる高分子であれば特に制限
はなく、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネー
ト、ポリイミドなどの重縮合によって生成されるもの、
ポリウレタン、ポリウレアなどのように重付加によって
生成されるもの、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリ
ル誘導体系ポリマーやポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニ
ル、ポリフッ化ビニリデンなどのポリビニル系などの付
加重合で生成されるものなどがある。好ましい高分子と
しては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン
を挙げることができる。ここで、ポリフッ化ビニリデン
とは、フッ化ビニリデンの単独重合体のみならず、ヘキ
サフルオロプロピレン等他のモノマー成分との共重合体
をも包含する。また、アクリル酸、アクリル酸メチル、
アクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メト
キシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアク
リレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、
エトキシエチルメタクリレート、メトキシエチルメタク
リレート、エトキシエトキシエチルメタクリレート、ポ
リエチレングリコールモノメタクリレート、Ｎ，Ｎ−ジ
エチルアミノエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ−ジメチルア
ミノエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、ア
リルアクリレート、アクリロニトリル、Ｎ−ビニルピロ
リドン、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエ
チレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリ
コールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアク
リレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、ト
リエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレ
ングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコー
ルジメタクリレートなどのモノマーを重合して得られる
アクリル誘導体系ポリマーも好ましく用いることができ
る。

【００７２】上記高分子の重量平均分子量は、通常１０
０００〜５００００００の範囲である。分子量が１００
００未満ではゲルを形成しにくくなる。分子量が５００
００００を超えると粘度が高くなりすぎて取り扱いが難
しくなる。高分子の電解液に対する濃度は、分子量に応
じて適宜選べばよいが、好ましくは０．１重量％から３
０重量％である。濃度が低すぎるとゲルを形成しにくく
なり、電解液の保持性が低下して流動、液漏れの問題が
生じることがある。濃度が高すぎると粘度が高くなりす
ぎて工程上困難を生じるとともに、電解液の割合が低下
してイオン伝導度が低下しレート特性などの電池特性が
低下することがある。

【００７３】電解質として完全固体状の電解質を用いる
こともできる。このような固体電解質としては、これま
で知られている種々の固体電解質を用いることができ
る。例えば、上述のゲル状電解質で用いられる高分子と
支持電解質塩を適度な比で混合して形成することができ
る。この場合、伝導度を高めるため、高分子は極性が高
いものを使用し、側鎖を多数有するような骨格にするこ
とが好ましい。

【００７４】不働体層：本発明においては、変形防止手
段として、電極、特に炭素質粒子の表面に不働体層（Ｓ
ＥＩ層）を形成するのが好ましい。不働体層は、活物質
粒子表面の少なくとも一部に形成され、電池の特性の向
上に寄与する。不働体層は、活物質層の形成前又は後
に、活物質表面に適当な添加剤を存在させ、熱処理や初
期充電処理等の手段によって形成することができる。こ
の際、添加剤は分解、重合、活物質との反応、電解質成
分との反応等によって、不働体層形成に作用する。

【００７５】添加剤としては、前述の各種添加剤の外、
ビニレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボ
ネート、カテコールカーボネート等のカーボネート類、
前記１，６−Ｄｉｏｘａｓｐｉｒｏ［４，４］ｎｏｎａ
ｎｅ−２，７−ｄｉｏｎｅ等の環状又は鎖状エステル
類、１２−クラウン−４−エーテル等の環状エーテル、
無水グルタル酸、無水コハク酸等の酸無水物、シクロペ
ンタノン、シクロヘキサノン等の環状ケトン、１，３−
プロパンスルトン、１，４−ブタンスルトン等のスルト
ン類やチオカーボネート類を含む含硫黄化合物、イミド
類を含む含窒素化合物を挙げることができる。中でも、
酸無水物やエステル類が好ましい。これら添加剤の分子
量は、通常１０００以下、好ましくは５００以下、さら
に好ましくは３００以下である。分子量が大きすぎる
と、充放電へ阻害要因の影響が高まり、イオン伝導を阻
害し逆効果となることがある。

【００７６】本発明の好ましい態様において、リチウム
イオン電池は、炭素質表面を有する第１電極と第２電極
と溶剤を含む電解質とから構成し、この際、第１電極の
炭素質表面に前記添加剤を存在させて、その結果添加剤
及び電解質の作用により不働体層を形成させることによ
って、ケースの偶発的変形を防止する。

【００７７】上記の記載と図面は、単に発明の例示であ
り、本発明はその要旨を逸脱することなく、種々の修正
と変更を行なうことが可能である。

【００７８】

【発明の効果】本発明のバッテリー装置は、バッテリー
容器の内部空間を最大限に利用されており、バッテリー
装置の全体サイズを増加することなく容量および電力発
生能を増大させることができ、軽量かつ薄肉のケースを
使用することができ、本発明の工業的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるバッテリー装置の斜視図

【図２】図１の線２−２におけるバッテリー装置の断面
図

【図３】図１の線３−３におけるバッテリー装置の厚さ
方向の断面図

【図４】図３のバッテリーに使用するケースの断面図

【図５】本発明に係わるリチウムイオン電池の自由幾何
学形状の上面図

【図６】従来バッテリーの断面図

【図７】別の従来バッテリーの断面図

【符号の説明】

１０：バッテリー装置１２：ケース１４：積重ねリチウムイオン電池３０：外形３２：内周縁４７：外周縁５５：リード５６：リード１０２：電池グループ１０４：電池グループ１０６：電池グループ１０８：電池グループ１１０：未使用空間１１２：ケース１１５：電池１２０：従来バッテリー１２５：ケース内部領域１２６：領域１３０：ケースの最薄領域１４０：領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不均一内周縁を有するケースと、当該ケ
ース内に配置されたリチウムイオン電池スタックとから
成る立体自由形状バッテリー装置であって、上記リチウ
ムイオン電池スタックは２つ以上のリチウムイオン電池
を積重ねて形成され、且つ、ケースの内周縁を最大限に
利用するような形状を有し、上記リチウムイオン電池
は、電池サイクル及び貯蔵中にケースの偶発的変形を実
質的に防止する手段を有することを特徴とするバッテリ
ー装置。
【請求項２】前記変形防止手段が、電池サイクル及び
貯蔵中に電池内の化学成分の分解によるガス発生を実質
的に防止する手段である請求項１に記載のバッテリー装
置。
【請求項３】前記最大限に利用するような形状が、ケ
ースの内周縁形状に総体的に一致した形状である請求項
１又は２に記載のバッテリー装置。
【請求項４】前記２つ以上のリチウムイオン電池の各
々が、ケースの内周縁に追従する自由幾何形状を有する
請求項３に記載のバッテリー装置。
【請求項５】前記２つ以上のリチウムイオン電池の少
なくとも一方が、他方の電池の形状と異なり、ケースの
内周縁に追従する自由幾何形状を有する請求項３又は４
に記載のバッテリー装置。
【請求項６】前記リチウムイオン電池スタックが、２
つ以上のリチウムイオン電池を積重ねた２つ以上のグル
ープから成り、当該電池が、ケースの内周縁形状に総体
的に一致した形状を有する請求項１〜５の何れかに記載
のバッテリー装置。
【請求項７】前記２つ以上のリチウムイオン電池を積
重ねたグループの一方が他方のグループの形状と異な
り、ケースの内周縁に追従する自由形状を有する請求項
６に記載のバッテリー装置。
【請求項８】平板状のリチウムイオン電池を厚さ方向
に２つ以上積層してなるリチウムイオン電池スタック
を、ケースに収納してなるバッテリー装置において、前
記ケースは不均一内周縁を有し、且つ前記リチウムイオ
ンスタックは、前記ケースの内周面を最大限に利用する
ような形状を有していることを特徴とするバッテリー装
置。
【請求項９】前記最大限に利用するような形状が、ケ
ースの内周縁に総体的に一致した形状である請求項８に
記載のバッテリー装置。
【請求項１０】前記リチウムイオン電池の各々が、ケ
ースの内周縁に追従する自由幾何形状を有する請求項９
に記載のバッテリー装置。
【請求項１１】前記２つ以上のリチウムイオン電池の
少なくとも一方が、他方の電池の形状とは異なり、ケー
スの内周縁に追従する自由幾何形状を有する請求項９又
は１０に記載のバッテリー装置。
【請求項１２】平板状のリチウムイオン電池要素を厚
さ方向に積層して成るリチウムイオン電池スタックを、
ケースに収納して成るバッテリー装置であって、前記ケ
ースは、厚さ方向の少なくとも１つの断面において、不
均一幾何断面形状を有し、且つ前記リチウムイオン電池
スタックは、前記断面に追従した不均一断面形状を有す
るように、前記少なくとも２つのリチウムイオン電池の
少なくとも一方が、他方の電池の形状とは異なることを
特徴とするバッテリー装置。
【請求項１３】リチウムイオン電池スタックを収容
し、不均一内周縁を有するケースを形成する工程と、リ
チウムイオン電池スタックを製造する工程とから成るバ
ッテリー装置の製造方法であって、上記リチウムイオン
電池スタックを製造する工程が、電池サイクル及び貯蔵
中に電池に起因するケースの偶発的変形を実質的に防止
する機能をリチウムイオン電池に付与する工程と、ケー
スの内周縁を最大限に利用する形状に上記リチウムイオ
ン電池を付形する工程と、ケース内周縁に密に追従する
ように上記リチウムイオン電池を２つ以上積重ねて電池
スタックを形成する工程と、電池スタックをケース内に
配置する工程とから成る、前記バッテリー装置の製造方
法。
【請求項１４】前記リチウムイオン電池を付形する工
程が、リチウムイオン電池を自由形状に形成する工程を
含む請求項１３に記載のバッテリー装置の製造方法。
【請求項１５】前記リチウムイオン電池が、炭素質表
面を有する第１電極と、第２電極と、溶剤を含む電解質
とから成り、偶発的変形を実質的に防止する機能をリチ
ウムイオン電池に付与する工程が、第１電極の炭素質表
面に添加剤を関連させて電解質の溶剤と炭素質表面との
関連を実質的に防止する不働体層を形成する工程と、電
池サイクル及び貯蔵中に重大な量のガスの発生なく電解
質を分解して不働体層を形成する工程とから成る請求項
１３又は１４に記載の方法。