JP2010033922A

JP2010033922A - 積層型二次電池

Info

Publication number: JP2010033922A
Application number: JP2008195656A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Enomoto; 真介榎本; Tomokazu Kumeuchi; 友一粂内
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12
Also published as: TWI389368B; CN101640282B; US20100028769A1; KR101072681B1; TW201014009A; US8450007B2; CN101640282A; KR20100013279A

Abstract

【課題】充放電特性および放熱特性に優れた積層型二次電池を提供する。
【解決手段】平板状の正極と平板状の負極のいずれか一方を他方よりも一枚多くセパレータを介して交互に積層し、正極の正極引出端子同士および各負極の負極引出端子同士をそれぞれ接続した電池要素からなる積層体の積層方向の両端面に直接接触して配した金属製板状体の相互を結合部材で結合して前記積層体を両端面から侠圧保持し、前記金属製板状体で侠圧保持した電池要素をフィルム状外装材によって封口した積層型二次電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板状の正極および負極をセパレータを介して積層した電池要素を封口した積層型二次電池に関するものである。

携帯電話をはじめとした携帯型の電池使用機器には充放電容量が大きなリチウムイオン電池等が広く用いられている。また、電気自動車、電動自転車、電動工具、電力貯蔵等の用途においても、充放電容量が大きく、効率が優れた二次電池が求められている。

これらの高出力の電池においては、平板状の正極と負極とをセパレータを介して積層した積層型電池が用いられている。リチウムイオン電池においては、正極としては、集電体としての作用をするアルミニウム箔上にリチウム遷移金属複合酸化物粒子をカーボンブラック等の導電性付与材とともに塗布したものが用いられている。
また、負極には、集電体として作用する銅箔等の黒鉛等の炭素粒子とカーボンブラック等の導電性付与材のスラリーを塗布したものが用いられている。

リチウムイオン電池のような積層型二次電池は、平板状の正極と平板状の負極とをセパレータを介して複数枚を積層した電池要素を、フィルム状の外装材によって被覆し、電解液注液口を除いて封口した後に電解液を注液し、内部の気体を吸引し、電池内部を減圧状態で封口している。

リチウムイオン電池は充放電による活物質へのリチウムイオンの挿入放出の繰り返しによって電極の膨張、収縮を繰り返し電極が変形して電池の効率が低下することがあった。
そこで、充放電によって生じる正極、負極の変形を防止するために、正極と負極をセパレータを介して積層したものを卷回した電池要素を中央部に金属板を有し、周囲に絶縁性の樹脂を配置した板状体で圧迫した電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、前記の卷回体を扁平に変形したものは、それぞれが帯状の部材をセパレータ／正極又は負極／セパレータ／負極又は正極の順に積層した後に卷回をしたものであって、最外周部はセパレータで覆われたものであり、電池要素を狭持した板状体はセパレータを介して接触するものであって熱的接合は不十分なものであった。また、電池要素の例として板状体を積層したものが記載されているが、板状体による圧迫をいかに行うかが明記されていない。
特開２００４−３５５９１５号公報

本発明は、平板状の正極と平板状の負極とをセパレータを介して積層した積層型リチウムイオン電池のような積層型二次電池において、充放電時の発熱、あるいは外部から加熱された際にも放熱性が良好な、膨張及び収縮の充放電の繰り返しによるセパレータに生じた皺による充放電特性の低下が起こることがない充放電特性が優れた積層型二次電池を提供することを課題とするものである。

本発明は、平板状の正極と平板状の負極のいずれか一方を他方よりも一枚多くセパレータを介して交互に積層し、各正極の正極引出端子同士および各負極の負極引出端子同士をそれぞれ接続した電池要素からなる積層体の積層方向の両端面に直接接触して配した金属製板状体の相互を結合部材で結合して前記積層体を両端面から侠圧保持し、前記金属製板状体で侠圧保持した電池要素をフィルム状外装材によって封口した積層型二次電池である。
また、前記電池要素の積層体の両端面に位置する正極又は負極は、金属製板状体に接触する面には活物質層が形成されていない前記の積層型二次電池である。
積層する枚数が少ない極性の電極を袋状セパレータ内部に収納したものである前記の積層型二次電池である。
金属製板状体が銅又はアルミニウムからなる前記の積層型二次電池である。

本発明の積層型二次電池は、平板状の正極と平板状の負極のいずれか一方を他方よりも一枚多くセパレータを介して交互に積層し、各正極の正極引出端子同士および各負極の負極引出端子同士をそれぞれ接続した電池要素を有するので、電池要素の積層体の積層方向の両端面には積層枚数が多い極性の電極が位置する結果、両端面は同電位としたものである。
その結果、同電位である両端面に絶縁性部材を配することなく金属製板状体を密着して配置すると共に、両端面の金属製板状体の相互を何らの絶縁処理等を行うことなく結合部材によって結合して積層体を侠圧保持して圧迫することが可能となる。
また、電池要素の積層体の両端面には金属製板状体が配置されているので電池の放熱特性が高まり、充放電の繰り返しによる電池構成部材の形状の変化を小さくすることによって充放電特性の向上を図ることが可能となる。

本発明は、平板状の正極と平板状の負極とをセパレータを介して積層された電池要素をフィルム状外装材によって封口したリチウムイオン電池等の積層型二次電池において、正極と負極をセパレータを介して交互に積層した電池要素の積層体の積層方向の両端部に位置する平板状の正極と平板状の負極を同一の電位の電極とすることによって前記両端部には金属製板状体を密着して配し、両端面の金属製板状体を結合部材によって結合し、前記積層体を両端面から侠圧保持することによって、電池が充放電を繰り返すことによって生じる活物質層の膨張等による充放電特性の低下を防止し、更には、熱的特性を向上させた電池を提供することが可能であることを見出したものである。

本発明の電池は、平板状の正極と平板状の負極とをセパレータを介して交互に積層した積層体にあっては、正極及び負極のそれぞれを同一の枚数を積層し、正極引出端子同士、負極引出端子同士を相互に結合した場合には、積層体の両端面には、正極及び負極が位置し、極性が異なるものとなるが、正極又は負極のいずれか一方を他方よりも１枚多く用いて、セパレータを介して交互に積層した場合には、積層体の両端面には同一の極性であって電位が等しい電極が位置する点に着目したものである。
すなわち、積層体の両端面の電極が同一の電位であるので、積層体の両端面に板状体を配置して侠圧保持する場合には、積層体の両端面との間に絶縁性部材を配置したり、あるいは侠圧保持する部材の一部又は全部を絶縁性部材によって作製する必要はない。
このため、電池要素を含む積層体の両端面に配置する部材として熱的特性に優れた金属製部材を配置することができる。また、両面の金属製部材を結合する部材として金属製の部材を用いることが可能となり、電池要素を含む積層体を侠圧保持する効果も大きくなり、振動、衝撃等に対しても特性の変化が少ない電池の提供が可能となる。

以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は本発明の積層型二次電池の一実施例を説明する図であり、図１（Ａ）は断面図であり、図１（Ｂ）は、積層体を侠圧保持した電池要素を説明する斜視図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）における１Ｃの部分の拡大図である。
また、図１（Ａ）に示す断面図は、図１（Ｂ）におけるＡ−Ａ’線による切断面に相当する位置を示したものである。
積層型二次電池１は、リチウムイオン電池を例に挙げて説明しており、電池要素２がフィルム状外装材５によって封口されている。
電池要素２は正極１０と負極２０がセパレータ３０を介して積層されており、正極１０はアルミニウム箔等からなる正極集電体１２上に正極活物質層１４が形成されている。また、正極１０よりも面積が大きな負極２０は銅箔等からなる負極集電体２２上には負極活物質層２４が形成されている。

図１（Ａ）で示した積層型二次電池では、正極１０に比べて負極２０の積層枚数が一枚多く積層されており、積層体の両端面には負極２０ａ、２０ｂが位置している。
また、正極１０および負極２０は、それぞれ正極引出端子１６、負極引出端子２６を有しており、正極引出端子同士、負極引出端子同士はそれぞれ接合されており、正極引出端子に結合した正極端子１８および負極端子（図示せず）は、フィルム状外装材５の封口部７から外部へ取り出されている。

また、それぞれフィルム状外装材５の封口部７において熱融着等が行われて外部へ取り出されており、内部に電解液を注液した後に、減圧した状態で封口されており、減圧による内外の圧力差によってフィルム状外装材は、電池要素に密着している。

また、図１（Ｂ）で示すように、正極と負極をセパレータを介して積層した電池要素を有する積層体３は、積層体の両端面には金属製板状体４０が密着して配されている。また金属製板状体は、金属製板状体の周縁部に設けたねじなどの結合部材４２，４４ａ、４４ｂによって侠圧保持されている。

また、正極引出端子１６、負極引出端子２６が金属製板状体４０と接触して短絡回路が形成される可能性がある場合には、正極引出端子、負極引出端子、あるいは金属製板状体の該当個所にポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド等からなる絶縁性テープを配置するすることが好ましい。

また、図１（Ｃ）に示すように、電池要素の積層体の両端面に位置する負極２０ａ、２０ｂは、いずれもセパレータ３０側の面のみに負極活物質層が形成されているものを用いることが好ましい。
このように、セパレータ３０側の面のみに負極活物質層を形成したものを用いると、積層体の両端面には、銅箔等からなる負極集電体２２が位置するので、電池要素を含む積層体の両端面に配した金属製板状体４０との間の接触が良好なものとなり、放熱効果を向上させることが可能となる。

また、セパレータ３０は、積層した正極又は負極のうちの積層枚数が少ない側の電極の両面および両側を覆う袋状の部材としても良い。
この場合には、袋状のセパレータの外形を負極と同じ大きさとし、袋状セパレータ内に正極を挿入した場合に正極の端部が位置決めされるように、袋状セパレータの内部に正極の位置決め部を配置した場合には、正極を収納したセパレータと負極とを隣接する２辺を位置決め辺として積層することによって正極および負極の相互が位置決めされた電池要素を有する積層体を作製することができる。

図２は、本発明の他の実施態様を説明する図であり、図２（Ａ）は、積層体を侠圧保持した電池要素の断面図を示し、図２（Ｂ）は平面図である。
図１で示した積層型二次電池は電池要素の積層体３の積層方向の端面に配した金属製板状体４０の隣接する角部に位置する結合部材４４ａ、４４ｂの中心を結ぶ線の積層体の積層方向の投影部には正極又は負極が存在していない。
これに対して、図２に示した積層型二次電池にあっては、金属製板状体４０の隣接する角部に位置する結合部材４４ａ、４４ｂは、図１に示した積層型二次電池と同一の位置に存在しているが、結合部材４４ａ、４４ｂの中心を結ぶ線の積層体の積層方向の投影部４５にも正極、負極が存在している。

すなわち、結合部材４４ａ、４４ｂの中心を結ぶ積層体の積層面に垂直な面とよりも外周側に正極、負極を配置することが可能となり、結合部材の存在による正極あるいは負極の面積の減少率を小さくすることが可能となる。

図３は、本発明の他の実施態様を説明する図であり、図３（Ａ）は、積層体を侠圧保持した電池要素の断面図を示し、図３（Ｂ）は平面図である。
図３で示した積層型二次電池は、図２に示したように、積層体を侠圧保持する金属製板状体４０の隣接する角部に位置する結合部材４４ａ、４４ｂは、図１に示した積層型二次電池と同一の位置に存在しているが、結合部材４４ａ、４４ｂの中心を結ぶ線の積層体の積層方向の投影部４５には、正極、負極が存在している。

また、両面に配置した金属製板状体４０の正極又は負極の長手方向の辺の外周部の正極、負極のいずれもが存在しない部分には、結合部材４６ａ、４６ｂが取り付けられて金属製板状体を結合している。結合部材を４６ａ、４６ｂを取り付ける位置は、結合部材によって電池要素が均一に侠圧保持されるように正極又は負極の長手方向の中央部の近傍に設けることが好ましい。
このように、正極、負極の長手方向の辺の外周部にも結合部材４６ａ、４６ｂを設けた場合には、結合部材の装着のために長手方向の辺の両側に正極、負極が存在しない部分が形成されるが、正極、負極の長手方向の長さが大きくなった場合でも、金属製板状体による電池要素の積層体の侠圧保持の効果を正極及び負極の全面に均一に及ぼすことが可能となる。

図４は、本発明の積層型二次電池の電池要素の積層体を侠圧保持した金属製板状体の他の例を説明する図であり、金属製板状体で侠圧保持した電池要素を説明する斜視図である。
金属製板状体４０は、正極または負極に接触する平板部の背面に、梁状部材４８を形成したものである。このように梁状部材４８を設けることによって、質量が等しい平板を用いる場合に比べて金属製板状体の剛性を高めることが可能となる。
したがって、侠圧保持するために必要な金属製板状体の質量を小さくすることが可能となり、積層型二次電池の質量を減少する効果が得られる。

積層型二次電池がリチウムイオン電池の場合には、正極は、集電体であるアルミニウムに、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、あるいはリチウムニッケル複合酸化物等を主成分としたスラリーを塗布して正極活物質層を形成することができる。また、負極は、集電体である銅に、炭素粒子を主成分とするスラリーから形成した負極活物質層を形成したものを用いることができる。
積層体の積層方向の両端面に位置する電極が正極である場合には、電池要素を侠圧保持する金属製板状体にはアルミニウムまたはその合金を用いることができる。一方、負極には銅またはその合金を用いることが可能となる。

本発明の積層型二次電池は、平板状の正極と平板状の負極のいずれか一方を他方よりも一枚多くセパレータを介して交互に積層し、正極の正極引出端子同士および各負極の負極引出端子同士をそれぞれ接続した電池要素からなる積層体の積層方向の両端面に直接接触して配した金属製板状体の相互を結合部材で結合して前記積層体を両端面から侠圧保持した電池要素をフィルム状外装材によって封口したので、充放電時の活物質層の膨張，収縮によるセパレータの皺の発生による充放電効率の低下を防止するとともに、電池の放熱特性を向上されることが可能となる。

図１は本発明の積層型二次電池の一実施例を説明する図である。図２は、本発明の他の実施態様を説明する図である。図３は、本発明の他の実施態様を説明する図である。図４は、本発明の積層型二次電池の電池要素の積層体を侠圧保持した他の例を説明する図である。

符号の説明

１…積層型二次電池、２…電池要素、３…積層体、５…フィルム状外装材、７…封口部、１０…正極、１２…正極集電体、１４…正極活物質層、１６…正極引出端子、１８…正極端子、２０，２０ａ，２０ｂ…負極、２２…負極集電体、２４…負極活物質層、２６…負極引出端子、３０…セパレータ、４０…金属製板状体、４２，４４ａ，４４ｂ…結合部材、４５…投影部、４６ａ，４６ｂ…結合部材、４８…梁状部材

Claims

平板状の正極と平板状の負極のいずれか一方を他方よりも一枚多くセパレータを介して交互に積層し、各正極の正極引出端子同士および各負極の負極引出端子同士をそれぞれ接続した電池要素からなる積層体の積層方向の両端面に直接接触して配した金属製板状体の相互を結合部材で結合して前記積層体を両端面から侠圧保持し、前記金属製板状体で侠圧保持した電池要素をフィルム状外装材によって封口したことを特徴とする積層型二次電池。
前記電池要素の積層体の両端面に位置する正極又は負極は、金属製板状体に接触する面には活物質層が形成されていないことを特徴とする請求項１記載の積層型二次電池。
積層する枚数が少ない極性の電極を袋状セパレータ内部に収納したものであることを特徴とする請求項１又は２記載の積層型二次電池。
金属製板状体が銅又はアルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の積層型二次電池。