JP2004031272A - 電極積層型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を減少させ、構造を簡素化する。
【解決手段】正極板１７と負極板１９とをセパレータ２１を間に挟んで積層した電極積層体１３を、ラミネートフィルム１５ａ，１５ｂからなる外装ケース１５で密閉して電池単体Ｂを構成する。ラミネートフィルム１５ａ，１５ｂは、アルミニウム層２７の両面に絶縁体からなる外側樹脂層２９および内側樹脂層３１を備えて、全体を積層一体化している。内側樹脂層３１の一部を剥がしてアルミニウム層２７が露出した正極集電体接触部３３および負極集電体接触部３５を形成し、この正，負極集電体接触部３３，３５に、正，負極板１７，１９から引き出された正，負極集電体２３，２５をそれぞれ接続する。一方、外側樹脂層２９の一部を剥がしてアルミニウム層２７が露出した正極端子接触部３７および負極端子接触部３９をそれぞれ形成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、正極板と負極板とがセパレータを間に挟んで積層される電極積層体の両面を、導電性の金属層の両面を絶縁体からなる樹脂層で被覆した一対のラミネートフィルムで挟み、この一対のラミネートフィルムの周縁を互いに密着固定して内部を封止する電極積層型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の排ガスによる大気汚染が問題となっている中で、電気を動力源とする電気自動車や、エンジンとモータとを組み合わせて走行する、いわゆるハイブリッドカーが注目を集めており、これらに搭載する高エネルギ密度、高出力密度の電池の開発が産業上重要な位置を占めている。
【０００３】
このような用途の電池の構成としては、正極板と負極板とをセパレータを間に挟んで順次積層して電極積層体を形成し、この電極積層体の両面を、導電性の金属層で被覆した一対のラミネートフィルムで挟み、この一対のラミネートフィルムの周縁を溶着して内部を封止するものがある（特開平１１−２２４６５２号公報）。
【０００４】
図４は、このような電極積層型電池の平面図で、電極積層体１が一対のラミネートフィルムからなる外装ケース３に収容されている。外装ケース３は、一対のラミネートフィルムの周縁が溶着によりシールされており、内部の電極積層体１の正極板および負極板には、正極集電体５および負極集電体７がそれぞれ接続され、さらに正極集電体５および負極集電体７には、一対のラミネートフィルム相互間から外部に引き出される正極タブ９および負極タブ１１がそれぞれ接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の電極積層型電池は、正極集電体５および負極集電体７から、外部の電極端子への電気的接続を行うために、正極タブ９および負極タブ１１が必要となっていることから、部品点数が多く、構造も複雑化し、改善が望まれている。
【０００６】
そこで、この発明は、部品点数を減少させ、構造を簡素化することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、正極板と負極板とがセパレータを間に挟んで積層される電極積層体の両面を、導電性の金属層の両面を絶縁体からなる樹脂層により被覆した一対のラミネートフィルムで挟み、この一対のラミネートフィルムの周縁を互いに密着固定して内部を封止する電極積層型電池において、前記一対のラミネートフィルムの各内面側の前記樹脂層の一部を除去して前記金属層を露出させ内面金属露出部をそれぞれ形成するとともに、前記一対のラミネートフィルムの各外面側の前記樹脂層の一部を除去して前記金属層を露出させ外面金属露出部をそれぞれ形成し、前記各内面金属露出部を前記正極板および負極板にそれぞれ接続する一方、前記各外面金属露出部をそれぞれ外部への正極端子および負極端子とする構成としてある。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、電極積層体を両側から挟むようにして覆う一対のラミネートフィルムの内外両面の樹脂層の一部をそれぞれ除去して金属層を露出させ、この金属露出部を電気的な接続部となるようにしたので、一対のラミネートフィルム相互間から外部へ引き出す正極タブおよび負極タブが不要となり、部品点数が減少し、構造を簡素化することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す電極積層型電池の断面図である。この電極積層型電池は、例えばエンジンとモータとを組み合わせて走行する車両としてのハイブリッドカーに搭載されるリチウムイオン二次電池である。
【００１１】
ハイブリッドカー（ＨＥＶ）は、モータ・コントローラ、エネルギ蓄電システムとともに、発電パワーユニットを搭載する車両システムである。通常の電気自動車（ＥＶ）が、電池のエネルギ密度の制限から、限られた距離しか走行できないのに対して、ＨＥＶは発電によりエネルギを供給することから、より少ない電池搭載で出力の供給が可能となる。
【００１２】
図１に示す電極積層型電池は、電極積層体１３が、一対のラミネートフィルム１５ａ，１５ｂを互いに重ね合わせてその周縁を溶着接合して密封した外装ケース１５内に収容されている。電極積層体１３は、正極板１７と負極板１９とを、セパレータ２１を間に挟んで交互に積層したものである。なお、図１では、電極積層体１３と、外装ケース１５との間に空間が形成されているが、実際には両者間はほぼ密着した状態となっている。
【００１３】
このような正極板１７および負極板１９には、それぞれ正極集電体２３および負極集電体２５の一端が接続されている。
【００１４】
上記した各ラミネートフィルム１５ａ，１５ｂは、導電性の金属であるアルミニウム層２７を中心としてその外側にナイロンかならなる外側樹脂層２９が、電極性積層体１３に対向する内側にポリエチレンやポリプロピレンからなる内側樹脂層３１がそれぞれ形成されている。
【００１５】
そして、各ラミネートフィルム１５ａおよび１５ｂの内側樹脂層３１における電極積層体１３の端部付近のそれぞれの一部を剥がしてアルミニウム層２７を露出させ、内面金属露出部としての正極集電体接触部３３および負極集電体接触部３５をそれぞれ形成してある。この正極集電体接触部３３および負極集電体接触部３５に、前記した正極集電体２３および負極集電体２５の各他端を接続してあうる。
【００１６】
また、各ラミネートフィルム１５ａおよび１５ｂの外側樹脂層２９における電極積層体１３にほぼ対応する部分付近のそれぞれの一部を剥がしてアルミニウム層２７を露出させ、外面金属露出部としての正極端子接触部３７および負極端子接触部３９をそれぞれ形成してある。
【００１７】
これにより、正極板１７は、正極集電体２３を経てアルミニウム層２７における正極集電体接触部３３および正極端子接触部３７を介して外部の図示しない正極端子に接続されることになる。同様にして負極板１９は、負極集電体２５を経てアルミニウム層２７における負極集電体接触部３５および負極端子接触部３９を介して外部の図示しない負極端子に接続されることになる。
【００１８】
このように、上記した第１の実施形態によれば、ラミネートフィルム１５ａ，１５ｂにおける内側樹脂層３１および外側樹脂層２９のそれぞれの一部を剥がすことで、正，負極集電体接触部３３，３５および正，負極端子接触部３７，３９を形成している。これにより、ラミネートフィルム１５ａ，１５ｂの一部であるアルミニウム層２７が、正，負各電極板１７，１９から外部へ通じる電流通路となり、したがって従来使用していたラミネートフィルム１５ａ，１５ｂ相互間から外部へ引き出す正，負各電極タブを設ける必要がなく、部品点数が減少し、構造も簡素化する。
【００１９】
なお、図１では、理解しやすくするために、ラミネートフィルム１５ａ，１５ｂを構成するアルミニウム層２７，外側樹脂層２９および内側樹脂層３１の厚さを実際より厚くして示してある。このため、正極集電体接触部３３，負極集電体接触部３５および正極端子接触部３７，負極端子接触部３９が、内側樹脂層３１および外側樹脂層２９に対して段差を形成するよう凹んだ状態となっている。
【００２０】
しかしながら、実際にはラミネートフィルム１５ａ，１５ｂは、厚さ極めて薄く、したがってアルミニウム層２７，外側樹脂層２９および内側樹脂層３１の厚さも極めて薄いので、上記した段差はほとんど無視できる状態となっている。
【００２１】
図２は、この発明の第２の実施形態を示す電極積層型電池の断面図である。この実施形態は、図１に示した電池単体Ｂを複数積層して直列接続し、組電池とした例である。各電池単体Ｂを積層することで、隣接する電池単体Ｂ相互の正極端子接触部３７と負極端子接触部３９とが互いに接触して、直列接続されることになる。
【００２２】
上記した第２の実施形態によれば、電池単体Ｂを複数積層することで、直列接続される組電池を、簡易な構成で容易に組み立てることができる。
【００２３】
図３は、この発明の第３の実施形態を示す電極積層型電池の断面図である。この実施形態は、上記した図１の電池単体Ｂをほぼ同一平面上に複数並列配置してある。このとき、各電池単体Ｂは、図中で上部側が正極端子接触部３７となり、同下部側が負極端子接触部３９となるようにしてある。すなわち、正極端子接触部３７および負極端子接触部３９は、電池単体Ｂ相互でいずれも同一方向を向く状態となっている。
【００２４】
この状態で上下両側から一対の導電性の金属板４１，４３で挟むようにして押さえ付け、さらに各金属板４１，４３に正極端子４５，４７をそれぞれ設ける。このとき、各金属板４１および４３は、各電池単体Ｂの正極端子接触部３７および負極端子接触部３９にそれぞれ接触し、電池単体Ｂ相互が互いに並列接続されることになる。
【００２５】
上記した第３の実施形態によれば、並列配置した複数の電池単体Ｂを、一対の金属板４１，４３で両側から挟むようにして固定することで、並列接続される組電池を、簡易な構成で容易に組み立てることができる。この場合、２枚の金属板４１，４３は、電極として機能するほか、電池単体Ｂを押さえ付ける押さえ板の役目も果たす。
【００２６】
なお、前記図２のように直列接続した組電池を複数並列配置し、この並列配置した複数の直列電池を、図３のように上下両側から２毎の金属板で挟んで並列接続してもよい。また、図３のように並列接続した組電池を、複数直列に接続してもよい。
【００２７】
そして、このような部品点数が減少し、構造が簡素化された電極積層型電池を車両に搭載することで、動力源のコスト低下を達成できるとともに、車両全体の製造コストを低下させることができる。
【００２８】
上記した電極積層型電池における正極板１７は、その基材表面に設ける正極活物質が、リチウムニッケル複合酸化物、具体的には一般式ＬｉＮｉ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物を含有する。
【００２９】
また、正極活物質は、リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質を含有することも可能である。リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質としては、例えば一般式ＬｉｙＭｎ_２−ｚＭ’ｚＯ_４（但し、０．９≦ｙ≦１．２、０．０１≦ｚ≦０．５であり、Ｍ’はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表される化合物であるリチウムマンガン複合酸化物などが挙げられる。
【００３０】
また、一般式ＬｉＣｏ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物であるリチウムコバルト複合酸化物を含有してもよい。
【００３１】
上記したリチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物などは、例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気中において６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物、硝酸塩、有機酸塩などからも同様に合成可能である。
【００３２】
なお、リチウムニッケル複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などの正極活物質の平均粒径は、３０μｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
一方、負極板１９における負極活物質としては、比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ以上、２ｍ^２／ｇ以下の範囲であるものを使用する。これにより、負極表面上におけるＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：固体電解質界面）と呼ばれる皮膜の形成を充分に抑制することができる。
【００３４】
負極活物質の比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ未満である場合、リチウムの出入り可能な場所が小さすぎるため、充電時において負極活物質中にドープされたリチウムが、放電時において負極活物質中から充分に脱ドープされず、充放電効率が低下する。一方、負極活物質の比表面積が２ｍ^２／ｇを越える場合、負極表面上におけるＳＥＩ形成を制御することができない。
【００３５】
負極活物質としては、対リチウム電位が２．０Ｖ以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には、難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークス、石油コークスなどのコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラックなどの炭素質材料を使用することが可能である。
【００３６】
また、リチウムと合金を形成可能な金属、およびその合金も使用可能であり、具体的には、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スズなどの比較的低電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物やその窒化物、３Ｂ族典型元素の他、ＳｉやＳｎなどの元素、または例えばＭｘＳｉ、ＭｘＳｎ（但し、式中ＭはＳｉまたはＳｎを除く１つ以上の金属元素を表す。）で表されるＳｉやＳｎの合金などを使用することができる。これらの中でも、特にＳｉまたはＳｉ合金を使用することが好ましい。
【００３７】
正極板１７および負極板１９の各基材は、電池の電気化学反応時での腐食による電池性能の低下を防止するために、純度の高い素材を使用することが好ましい。例えば、純アルミニウムや純銅、純ニッケルを用いる場合には、純度が９９％以上のものが好ましい。但し、この純度に対する要求は、合金化するために添加される他の成分（合金成分）を排除するものではない。
【００３８】
また、電解質としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のいわゆる電解液であってもよいし、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよい。非水電解質としてはポリマーゲル電解質を用いる場合、使用する高分子材料としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
【００３９】
非水溶媒としては、この種の非水電解質二次電池においてこれまで使用されている非水溶媒であれば何でも使用可能であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル等が挙げられる。なお、これらの非水溶媒は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００４０】
特に、非水溶媒は不飽和カーボネートを含有することが好ましく、具体的には、ビニレンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロプロピリデンカーボネート、プロピリデンカーボネートなどを含有することが好ましい。また、これらの中でも、ビニレンカーボネートを含有することが最も好ましい。非水溶媒として不飽和カーボネートを含有することにより、負極活物質に生成するＳＥＩの性状（保護膜の機能）に起因する効果が得られ、耐過放電特性がより向上すると考えられる。
【００４１】
また、この不飽和カーボネートは電解質中に０．０５重量％以上、５重量％以下の割合で含有されることが好ましく、特に０．５重量％以上、３重量％以下の割合で含有されることが最も好ましい。不飽和カーボネートの含有量を上記範囲とすることで、初期放電容量が高く、エネルギ密度の高い非水二次電池となる。
【００４２】
電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉなどが使用可能である。これらの電解質塩は、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を混合して用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す電極積層型電池の断面図である。
【図２】この発明の第２の実施形態を示す電極積層型電池の断面図である。
【図３】この発明の第３の実施形態を示す電極積層型電池の断面図である。
【図４】従来例を示す電極積層型電池の平面図である。
【符号の説明】
Ｂ　電池単体
１５ａ，１５ｂ　ラミネートフィルム
１７　正極板
１９　負極板
２１　セパレータ
２７　アルミニウム層（導電性の金属）
２９　外側樹脂層
３１　内側樹脂層
３３　正極集電体接触部（内面金属露出部）
３５　負極集電体接触部（内面金属露出部）
３７　正極端子接触部（外面金属露出部）
３９　負極端子接触部（外面金属露出部）
４１，４３　導電性の金属板

Claims (6)

1. 正極板と負極板とがセパレータを間に挟んで積層される電極積層体の両面を、導電性の金属層の両面を絶縁体からなる樹脂層により被覆した一対のラミネートフィルムで挟み、この一対のラミネートフィルムの周縁を互いに密着固定して内部を封止する電極積層型電池において、前記一対のラミネートフィルムの各内面側の前記樹脂層の一部を除去して前記金属層を露出させ内面金属露出部をそれぞれ形成するとともに、前記一対のラミネートフィルムの各外面側の前記樹脂層の一部を除去して前記金属層を露出させ外面金属露出部をそれぞれ形成し、前記各内面金属露出部を前記正極板および負極板にそれぞれ接続する一方、前記各外面金属露出部をそれぞれ外部への正極端子および負極端子とすることを特徴とする電極積層型電池。
2. 前記一対のラミネートフィルムで前記電極積層体を挟んで構成した電池単体の複数を、前記正極板に内面金属露出部を介して接続される外面金属露出部と、前記負極板に内面金属露出部を介して接続される外面金属露出部とが互いに接触するよう積層して直列接続したことを特徴とする請求項１記載の電極積層型電池。
3. 前記一対のラミネートフィルムで前記電極積層体を挟んで構成した電池単体の複数を、前記正極板に内面金属露出部を介して接続される外面金属露出部および、前記負極板に内面金属露出部を介して接続される外面金属露出部が、電池単体相互でいずれも同一方向を向くよう並列配置し、これら複数の電池単体を、一対の導電性の金属板により前記外面金属露出部に接触させた状態で挟んで並列接続したことを特徴とする請求項１記載の電極積層型電池。
4. 前記複数の電池単体を直列接続した直列電池の複数を、積層方向両端における電池単体の前記正極板に内面金属露出部を介して接続される外面金属露出部および、前記負極板に内面金属露出部を介して接続される外面金属露出部が、前記直列電池相互でいずれも同一方向を向くよう並列配置し、これら並列配置した複数の直列電池を、一対の導電性の金属板により前記外面金属露出部に接触させた状態で挟んで並列接続したことを特徴とする請求項２記載の電極積層型電池。
5. 前記複数の電池単体を並列接続した並列電池を、複数直列に接続したことを特徴とする請求項３記載の電極積層型電池。
6. 車両に搭載されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電極積層型電池。

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