JP3980757B2

JP3980757B2 - 薄型電池

Info

Publication number: JP3980757B2
Application number: JP18659298A
Authority: JP
Inventors: 聡一花房; 正夫川口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: JP2000021383A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄型電池に係り、さらに詳しくは複数個の薄型発電要素を一体的に内蔵し、高容量化を図った薄型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯型の電話機やテレビカメラなどの電源としては、小形、軽量、薄型化や大容量、高電圧などが求められており、たとえば、正極層、ポリマ−電解質層および負極層を重ね合わせ、シート状（薄型）に一体化した構成の電極要素（発電要素）を備えた厚さ 0.5mm程度のリチウム非水溶媒電池も知られている（たとえば米国特許第 5,296,318号明細書）。
【０００３】
図４(a) は透視平面的に、また、図４(b) は(a) のA-A 線に沿って断面的に、従来の薄型電池の要部構成例を示したものである。図４(a) ，(b) において、１は電解液を担持するシート状セパレーター、２は前記シート状セパレーター１の一主面に積層・配置されたリチウム含有金属酸化物を活物質とし、かつ正極集電体を有するシート状正極、３は前記シート状セパレーター１の他主面に積層・配置されたリチウム金属もしくはリチウムを吸蔵・放出する炭素質材を活物質とし、かつ負極集電体を有するシート状負極である。
【０００４】
ここで、シート状セパレーター１は、電解質保持性のポリマ、たとえばヘキサフロロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体などのポリマ−電解質系である。また、シート状の正極２は、リチウムを含む金属酸化物などの活物質、電解質保持性ポリマーおよび正極集電体で構成されており、さらに、シート状の負極は、たとえばリチウムイオンを吸蔵・放出する活物質、電解質保持性ポリマーをおよび負極集電体で構成されている。
【０００５】
なお、シート状正極２は、正極集電体にアルミニウム箔片の一端を溶接・接続して正電極端子2aが、シート状負極３は、負極集電体に銅箔片の一端を溶接・接続して負電極端子3aがそれぞれ配設されている。そして、これら各シート状電極２，３およびシート状セパレーター１は、積層体化して発電要素単位４を形成している。
【０００６】
また、５，６は、前記シート状電極２，３およびシート状セパレーター１の積層体から成る発電要素を液密ないし気密に封装する外装樹脂フィルムであり、電池容量を高める場合は、前記発電要素４を複数個組み込み、かつ正・負両電極端子2a，3aを一括的に液密ないし気密に封止しながら、外装樹脂フィルム５，６で形成する封装体外に導出されている。
【０００７】
なお、この種の軽量、フレキシブルな薄型電池の製造は、前記シート状正極２、シート状セパレータ（ポリマー−電解質系）１およびシート状負極３を積層状に組み合わせて成る複数個の発電要素４を用意する。その後、それら複数個の発電要素４を、各電極端子2a，3aを位置合わせ・溶接し、その両面側に外装樹脂フィルム５，６を積層・配置（１枚の樹脂フィルムを折り曲げ、両主面を包むように）し、集電体に接続する各電極端子2a，3aを集合的に外部に導出しながら、前記外装樹脂フィルム５，６の周縁部5a，6a同士を熱溶着、もしくは接着剤層を介して気密に接合・一体化させ封装している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の薄型電池の場合、次のような不都合がある。すなわち、複数個の発電要素４を内蔵する薄型電池においては、発電要素４の各集電体に、それぞれ一端を接続した電極端子2a，3aが、そのまま延設した形でかつ集合的ないし集団的に封止・導出されている。
【０００９】
換言すると、発電要素４ごとに延設されている両電極端子2a，3aは、それら電極端子2a同士、あるいは電極端子3a同士を単純に重ねた状態（集合化した状態）で、外装樹脂フィルム５，６の封止部から封止・導出されている。ところで、前記両電極端子2a，3aの封止・導出においては、小形化を図るために外装樹脂フィルム５，６の溶着・接合封止部を小さく設定すると、両電極端子2a，3aを集合的に封止・導出する部分から液漏れなどを招来し易い傾向がある。また、外装樹脂フィルム５，６の溶着・接合封止に要する面積を比較的大きく採ると、その分、薄型電池のコンパクト化が損なわれるか、あるいは電池容量の低減となるなどの問題がある。
【００１０】
なお、上記いずれの場合も、両電極端子2a，3aを、それぞれ単純に重ね・集合化した状態で封止・導出した構成においては、剥きだし状の電極端子2a，3aが損傷を起こし易いので、電気的な接続の信頼性なども損なわれ恐れがある。
【００１１】
本発明は、このような事情に対処してなされたもので、よりコンパクト化もしくはより高容量化が図られた薄型電池の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、正極活物質を付着担持し、かつ外部用接続端子部を突設させた正極集電体を有するシート状正極、およびこのシート状正極主面にイオン伝導性を有するシート状セパレーターを介して積層・配置された負極活物質を付着担持し、かつ外部接続用端子部を突設させた負極集電体を有するシート状負極から成る薄型発電要素の複数個と、前記複数個の薄型発電要素を一体的、かつ液密に封装する外装樹脂フィルムと、一端側が前記シート状正極の外部接続用端子部に接続され、他端側が外装樹脂フィルム外に封止・導出された正電極端子と、一端側が前記シート状負極の外部接続用端子部に接続され、他端側が外装樹脂フィルム外に封止・導出された負電極端子とを有する薄型電池であって、前記複数個の薄型発電要素は、同じ極性の外部接続用端子部同士が位置合わせされ、かつ同じ極性の外部接続用端子部同士が一つの筒体内で電気的に接続固定されて前記正電極端子および前記負電極端子をそれぞれ構成していることを特徴とする薄型電池である。請求項２の発明は、請求項１記載の薄型電池において、外装樹脂フィルムによる液密な封装が外装樹脂フィルム端縁部同士の熱融着で行われていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１もしくは請求項２記載の薄型電池において、外部接続用端子部同士の一筒体内での電気的な接続が筒体の圧着で行われていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１〜３の発明において、正極集電体は、たとえばアルミニウム箔、アルミニウムメッシュ、アルミニウム製エキスバンドメタル、アルミニウム製パンチメタルなどであり、この正極集電体は、外部接続用端子部が突設されている。なお、外部接続用端子部は、一般的に、正極集電体の延設部で、かつ正極活物質が不塗布な領域で形成されているが、正極集電体にアルミニウム箔片などを溶接した構成としてもよい。
【００１５】
一方、負極集電体は、銅箔、銅製エキスバンドメタル、銅製パンチメタルなどであり、この負極集電体も、外部接続用端子部が突設されている。そして、負極集電体の外部接続用端子部も、一般的には負極集電体の延設部で、かつ負極活物質が不塗布な領域で形成されているが、負極集電体に銅箔片などを溶接した構成としてもよい。
【００１６】
請求項１〜３の発明において、正極集電体が付着担持する正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出するリチウム含有金属酸化物、たとえばリチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物、リチウムを含む非晶質五酸化バナジウムや、二酸化マンガン、カルコゲン化合物などが挙げられる。
【００１７】
また、負極集電体が付着担持する負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出するもので、たとえばビスフェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、セルローズなどの焼成物、コークスやピッチの焼成物が挙げられ、これらは天然もしくは人工グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック，ケッチェンブラック、ニッケル粉末などを含有した形態を採ってもよい。
【００１８】
さらに、上記シート状の正極および負極の間に介挿配置されたセパレーターに、含浸・担持されてイオン伝導体を形成する電解液は、たとえばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの非水溶媒に、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、ホウ四フッ化リチウム、六フッ化ヒ素リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムなどを 0.2〜 2mol/ l程度に溶解させたものが挙げられる。ここで、セパレーターの機能をする電解質保持性のポリマ−電解質系としては、たとえばヘキサフロロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体などのポリマーが挙げられる。
【００１９】
請求項１〜３の発明において、正極および負極の各外部接続用端子部群ごとに、すなわち同じ極性の外部接続用端子部同士をまとめ端部を挿入し、一体的に電気的な接続を行いながら、正・負の電極端子をそれぞれ構成する筒体は、たとえば正極がアルミニウム製、負極が銅製であり、その内径、長さ、肉厚などは、発電要素の積層数や外部接続用端子部の幅、長さなどによって適宜選択・設定される。なお、前記同極性の外部接続用端子部同士をまとめ端部を挿入し、一体的に電気的な接続を行うに当たっては、端部を挿入した筒体を加圧して、挿入端部を圧着的に一体化・固定することによって、電気的な接続の信頼性向上など図れるが、たとえば半田や導電性ペーストの充填によって一体化・固定してもよい。
【００２０】
請求項１〜３の発明において、積層配置された複数個の発電要素を一体的に封装する外装樹脂フィルムとしては、たとえば厚さ0.02〜 0.5mm程度のポリエチレン樹脂フィルム、ポリプロピレン樹脂フィルムなどが挙げられる。そして、外装樹脂フィルムによる液密な封装は、発電要素の両面側に位置決め配置した外装樹脂フィルムの端縁部同士を加熱やビーム照射などで、熱融着させることが容易な手段といえるが、熱融着の代りに接着剤を介挿させて行ってもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１ (a)， (b)、図２および図３ (a)， (b)を参照して実施例を説明する。
【００２２】
図１ (a)， (b)は、実施例に係る薄型電池の要部構成を示す透視的な平面図、および (a)のB-B 線に沿った断面図である。図１ (a)， (b)において、６は正極活物質を付着担持し、かつ外部用接続端子部6aを突設させた正極集電体を有するシート状正極、７は前記シート状正極６の主面にイオン伝導性を有するシート状セパレーター８を介して積層・配置された負極活物質を付着担持し、かつ外部接続用端子部7aを突設させた負極集電体を有するシート状負極であり、この積層型が薄型発電要素９を構成している。
【００２３】
また、10，11は前記薄型発電要素９の複数個を、同じ極性の外部接続用端子部6a，7aをそれぞれ位置合わせ・積層した状態で、その端縁部 10a， 11aを熱融着によって一体的、かつ液密に封装する折り曲げられた外装樹脂フィルムである。さらに、 12a， 12bは前記各シート状電極６，７の各外部接続用端子部6a，7aに接続し他端側が外装樹脂フィルム10，11外に封止・導出された正・負両電極端子である。ここで、同じ極性の外部接続用端子部6a，7aは、同じ極性の外部接続用端子部6a，7a同士がそれぞれ一括的に、それぞれ一つの筒体内に一端側が挿入され、かつ超音波溶接により電気的に接続されて正・負両電極端子12a ， 12bを構成している。
【００２４】
次に、上記構成の薄型電池の製造・組み立て例を説明する。
【００２５】
シート状正極の作製
ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（商品名； KYNAR2801，エルファトケム社製）粉末をアセトンに溶解した後、このアセントン溶液に、ジブチルフタレートおよびリチウム含有コバルト酸化物（ LiCoO₂）を添加混合して正極用ペーストを調製した。次に、予め用意しておいたアルミニウム製ラスメタルから成る多孔質集電体の一端部に、未塗工部幅10mmを残しながら、ナイフコーターを用いて、前記正極用ペーストを塗工し、乾燥空気で乾燥を行った。その後、正極用ペースト塗工部分の外形寸法40×60mm、未塗工分の寸法10×10mmに裁断し、両面に電解液未含浸正極層を有し、かつ外部接続用端子部6aと成る未塗工部分が突設（延設）されたシート状正極６を作製した。
【００２６】
シート状負極の作製
ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（商品名； KYNAR2801，エルファトケム社製）粉末をアセトンに溶解した後、このアセントン溶液に、ジブチルフタレートおよびメソフューズピッチ系炭素繊維（ペトカ社製）を添加混合して負極用ペーストを調製した。次に、予め用意しておいた銅製ラスメタルから成る多孔質集電体の一端部に、未塗工部幅10mmを残しながら、ナイフコーターを用いて、前記負極用ペーストを塗工し、乾燥空気で乾燥を行った。その後、負極用ペースト塗工部分の外形寸法40×60mm、未塗工部分の寸法10×10mmに裁断し、両面に電解液未含浸負極層を有し、かつ外部接続用端子部7aと成る未塗工部分が突設（延設）されたシート状負極７を作製した。
【００２７】
固体ポリマー電解質素材の作製
ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（商品名； KYNAR2801，エルファトケム社製）粉末をアセトンに溶解した後、このアセントン溶液に、ジブチルフタレートを添加混合して電解質用ペーストを調製した。次に、予め用意しておいた平滑なガラス板面に塗工し、乾燥空気で乾燥を行った。その後、ガラス板から剥がして外形寸法40×60mmに裁断し、電解液未含浸固体ポリマー電解質素材８を作製した。
【００２８】
非電解液の調製
体積比 1： 1のエチレンカーボネートおよびジメチルカーボネート混合溶媒（非水溶媒）に、LiPF₆（電解質）を1mol/lの割合で溶解させ、非電解液を調製した。
【００２９】
図２に斜視的に示すごとく、上記作製したシート状負極７の両主面側に、固体ポリマー電解質素材８およびシート状正極６を順次、位置決め積層した後、 130℃に加熱した剛性ローラ間を通過させ、加熱加圧して厚さ 1.0mmの薄型発電要素９を作製した。その後、薄型発電要素９をメタノール中に浸漬し、シート状正極６、シート状負極７および固体ポリマー電解質素材８中のジブチルフタレートを溶出・除去し、多孔質構造化させた。
【００３０】
次いで、前記多孔質構造化させた２個の薄型発電要素９を、同じ極性の外部接続用端子部6aが同じ位置に位置する用に積層し、外部接続用端子部6a同士を超音波溶接で接合した。その後、図３(a) に斜視的に示すごとく、接合一体化した外部接続用端子部6aにアルミニウム製の肉厚 1mm，外径11mm，長さ20mmの筒体 12aを嵌合装着し、また、外部接続用端子部7aに銅製の肉厚 1mm，外径11mm，長さ20mmの筒体 12bを嵌合装着する。引き続き、図３(b) に斜視的に示すごとく、前記嵌合装着した筒体 12aと外部接続用端子部6aとを、また、筒体 12bと外部接続用端子部7aとを、それぞれ超音波溶接して電極端子化した。
【００３１】
一方、アイオノマー樹脂フィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンテレフタレート樹脂フィルムを積層・一体化して成る厚さ 0.1mm，外形寸法70× 153mmの外装樹脂フィルムを用意した。その後、前記アイオノマー樹脂フィルムを内側とし、長辺方向の中央部で折り曲げ（折り返し）10，11、幅方向の２辺をそれぞれ幅10mmに亘って熱融着させ、一端が開口する外装本体を作製した。
【００３２】
上記外装本体内に、前記薄型発電要素９の積層体をその一端が開口部から電極端子 12a， 12bの先端部が延出するように収納配置し、さらに、前記非水電解液を注入した。この非水電解液注入後、外装本体の開口部（電極端子 12a， 12b先端部の延出部）を幅10mmに亘って熱融着させ、薄型発電要素９の積層体を気密に封装するとともに、電極端子 12a， 12bを気密に導出させて成る厚さ 2.2mm，外形寸法70×75mmの薄型電池を作製した。
【００３３】
上記構成において、薄型発電要素の外形寸法を40×50mmとし、また、外部接続用端子部6a、7aに筒体 12a， 12bを嵌合する代りに、電極端子2a，3aとして厚さ 0.1mm，外形寸法10×30mmのアルミニウム箔片、銅箔片を超音波溶接し、電極端子2aを重ね合わせた状態で気密に導出させた他は、同様の条件で厚さ 2.2mm，外形寸法70×75mmの薄型電池を作製した（比較例）。ここで、電極端子2a，3aを成すアルミニウム箔片、銅箔片が応力などにより損傷するのを防止するため、長く設定される。したがって、外形寸法70×75mmとした場合は、発電要素の外形寸法が小さくなる。
【００３４】
上記薄型電池の作製・組み立て条件でそれぞれ作製した、実施例に係る薄型電池 100個、および比較例に係る薄型電池 100個について、平均電池容量を求めた結果、および平均動作電圧 3.7 Vとしたときの電極端子部分を除く体積効率は、表１に示すごとくであった。
【００３５】

表１から分かるように、この発明に係る薄型電池の場合は、外形寸法を同一に設定した従来の薄型電池（比較例）に比べて、電池容量および体積効率などが大きくなるので、同一電池容量などとしたときは、小形化が図られることになる。
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。たとえば、発電要素の構成において、シート状正極およびシート状負極を対に設定してもよいし、発電要素を 3以上積層した構成を採ることもできる。また、外装樹脂フィルムも例示以外の多層型あるいは単層型でもよく、端縁部の封装・封止も接着剤などによって行ってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１〜３の発明によれば、ポリマー薄型電池の正・負の両電極端子は、その電極端子として機能する各筒体に、対応する外部接続用端子部が一括的に挿入され、かつ電気的および機械的に固定された状態で、外装樹脂フィルムが封止・導出されているため、その低減部分の小形化を図ることができる。または、前記低減化領域に対応して電極要素を大きく設定できるので、その分、リチウムポリマー電池の大容量化を図ることができる。しかも、外装樹脂フィルムから導出される電極端子は、振動などによる断線も起こり難くなるので、信頼性の高いリチウムポリマー電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a) は実施例の薄型電池の要部構成を示す透視平面図、(b) は(a) のB-B 線に沿った断面図。
【図２】実施例の薄型電池の発電要素の構成手順を示す斜視図。
【図３】実施例の薄型電池の発電要素に電極端子を装着する手順を示すための説明図で、(a) は外部接続用端子部に電極端子を成す筒体を装着する前の斜視図、(b) は装着固定後の斜視図。
【図４】 (a) は従来の薄型電池の要部構成を示す透視平面図、(b) は(a) のA-A 線に沿った断面図。
【符号の説明】
１，８……セパレーター
２，６……シート状の正極
2a， 12a……正極端子
３，７……シート状の負極
3a， 12b……負極端子
４，９……発電要素単位
6a，7a……外部接続用端子部
５，６，10，11……外装樹脂フィルム
5a，6a，10a ，11a ……外装樹脂フィルム端縁部（封止部）

Claims

正極活物質を付着担持し、かつ外部用接続端子部を突設させた正極集電体を有するシート状正極、およびこのシート状正極主面にイオン伝導性を有するシート状セパレーターを介して積層・配置された負極活物質を付着担持し、かつ外部接続用端子部を突設させた負極集電体を有するシート状負極から成る薄型発電要素の複数個と、
前記複数個の薄型発電要素を一体的、かつ液密に封装する外装樹脂フィルムと、
一端側が前記シート状正極の外部接続用端子部に接続され、他端側が外装樹脂フィルム外に封止・導出された正電極端子と、
一端側が前記シート状負極の外部接続用端子部に接続され、他端側が外装樹脂フィルム外に封止・導出された負電極端子と
を有する薄型電池であって、
前記複数個の薄型発電要素は、同じ極性の外部接続用端子部同士が位置合わせされ、かつ同じ極性の外部接続用端子部同士が一つの筒体内で電気的に接続固定されて前記正電極端子および前記負電極端子をそれぞれ構成していることを特徴とする薄型電池。
前記外装樹脂フィルムによる液密な封装が、外装樹脂フィルム端縁部同士の熱融着で行われていることを特徴とする請求項１記載の薄型電池。
前記外部接続用端子部同士の一筒体内での電気的な接続が、筒体の溶接で行われていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の薄型電池。