JP4590667B2

JP4590667B2 - 電池

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Publication number: JP4590667B2
Application number: JP35618299A
Authority: JP
Inventors: 和宏野田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JP2001176467A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極と共に電解質を備えた電池素子が外装部材により覆われてなる電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年になって、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどの携帯用電子機器が急速に普及しつつあり、このような電子機器のデバイスとして、電気化学デバイスの更なる高性能化が必要とされている。
【０００３】
従来、二次電池などの電気化学デバイスでは、イオン伝導を司る物質として、水または可燃性の有機溶媒などに電解質塩を溶解させた液状の電解質（以下、電解液という。）が用いられてきた。
【０００４】
図７は、従来の二次電池の構造の一例を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状で、一端部が閉鎖され他端部が開放された電池缶１１１の内部に、帯状の正極１２１と負極１２２とが電解液（図示せず）を含浸したセパレータ１２３を介して巻回された巻回電極体１２０を有している。電池缶１１１の内部には、巻回電極体１２０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板１１２，１１３がそれぞれ配置されている。電池缶１１１の開放端部には、電池蓋１１４と、この電池蓋１１４の内側に設けられた安全弁機構１１５およびＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子１１６とが、ガスケット１１７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１１１の内部は密閉されている。
【０００５】
巻回電極体１２０は、センターピン１２４を中心に巻回されており、正極１２１からは正極リード１２５が引き出され、負極１２２からは負極リード１２６が引き出されている。正極リード１２５は安全弁機構１１５に溶接されることにより電池蓋１１４と電気的に接続されており、負極リード１２６は電池缶１１１に溶接され電気的に接続されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の二次電池では、電解液が用いられるために漏液などの問題があり、金属製の電池缶１１１および電池蓋１１４を用いて気密性を厳重に確保する必要があった。また、そのために、溶接などの煩雑な工程を経て、正極リード１２５および負極リード１２６を取り付けていた。すなわち、一般に、従来の二次電池は重量が大きく、また、製造工程が煩雑であり、形状の自由度も低いという問題があった。
【０００７】
そこで、最近活発に研究がなされている、いわゆる固体電解質などを用いて、煩雑な製造工程を必要としない簡便な構造を有する電池を開発することが望まれている。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡便な構造を有する電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えた電池素子が、外装部材により覆われてなる電池であって、正極および前記負極はそれぞれ集電体層を有し、正極集電体層および負極集電体層が外装部材を介して外部に導出されると共に、正極集電体層の露出部と負極集電体層の露出部との間に封止材が充填され、封止材を介して正極集電体層と負極集電体層とが密着されている、ものである。
【００１０】
本発明による電池では、正極および負極の少なくとも一方に設けられた集電体層が外装部材を介して外部に導出され、露出しているので、この集電体層の露出部分を電極端子として利用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、負極においてリチウム（Ｌｉ）を吸蔵・離脱する二次電池の例を挙げて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る電池の平面構造を表すものであり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構造を表すものである。この電池は、外装部材１０と、外装部材１０により覆われた電池素子２０とを備えている。電池素子２０は、例えば、正極２１と負極２２とが電解質２３を介して積層されたものである。
【００１３】
外装部材１０は、例えば、高分子化合物膜と金属膜と高分子化合物膜とをこの順に張り合わせたラミネートフィルムにより形成されている。この外装部材１０は、端部が融着あるいは接着剤によりシールされて袋状となっており、後述する正極集電体層２１ａおよび負極集電体層２２ａが導出される集電体導出端部Ｅを有している。なお、高分子化合物膜の構成材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂，ナイロン（ポリアミド系の合成樹脂），酢酸ビニル系樹脂，アクリル樹脂あるいはエポキシ樹脂が挙げられる。また、金属膜は、外装部材１０の内部に外気が侵入することを防止する機能を有することが好ましく、アルミニウム（Ａｌ）箔などが適当である。
【００１４】
正極２１は、例えば、正極集電体層２４の電解質２３側の面に正極合剤層２５が設けられた構造を有している。
【００１５】
正極集電体層２４は、例えば、外装部材１０の内部から、外装部材１０の集電体導出端部Ｅを介して外部に向かって導出されており、部分的に露出している（図１および図２の露出部２４ａ）。この正極集電体層２４の露出部２４ａは、外部と電気的に接続可能であり、正極端子として機能するようになっている。
【００１６】
正極集電体層２４は、例えば厚さ３０μｍ以下のアルミニウム箔により形成されており、外気（特に、水分）の侵入が防止されるように外装部材１０と十分に密着している。また、この正極集電体層２４は、メッシュ状のアルミニウム箔により形成されていることが好ましい。外装部材１０との密着性をより向上させることができるからである。ちなみに、外気の侵入を防止するのは、外気に含まれる水や窒素とリチウムとの反応による電池性能の低下を防ぐためである。
【００１７】
なお、正極集電体層２４の露出部（すなわち、正極端子）２４ａの幅、長さあるいは形状などは、適宜に設定することができる。図１では外装部材１０の一端面の一部のみにおいて正極集電体層２４を導出させた例を示したが、例えば図３に示したように、外装部材１０の一端面のほぼ全体を集電体導出端部Ｅ′とし、この集電体導出端部Ｅ′を介して正極集電体層２４′を外部に導出させ、露出部２４ａ′の幅を広くするようにしてもよい。また、露出部２４ａ，２４ａ′の形状は、矩形に限らず、円形などの他の形状であってもよい。
【００１８】
正極合剤層２５は、例えば、正極活物質と、黒鉛などの導電剤と、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含有して構成されている。正極活物質としては、例えば、リチウム複合酸化物もしくはリチウム複合硫化物が好ましい。特に、エネルギー密度を高くするには、Ｌｉ_xＭＯ₂を主体とするリチウム複合酸化物が好ましい。Ｍは一種以上の遷移金属が好ましく、具体的には、コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）およびマンガン（Ｍｎ）のうちの少なくとも１種が好ましい。
ｘの値は、通常、０．０５≦ｘ≦１．１２である。
【００１９】
なお、正極２１は、図２に示したような構造に限らず、正極集電体層２４が外装部材１０の外部に導出されていれば、他の構造であってもよい。例えば、図４に示したように、正極集電体層２４および正極合剤層２５に加えて、正極合剤層２５の電解質側に、更に、正極集電体層２８および正極合剤層２９が交互に設けられた構造の正極２１Ａとしてもよい。ちなみに、図４には、正極集電体層２８および正極合剤層２９をそれぞれ２層ずつ設けた例を示したが、正極集電体層２８および正極合剤層２９は、それぞれ１層ずつであってもよいし、それぞれ３層以上ずつ設けられていてもよい。また、正極集電体層２４の外装部材側に設けられていてもよい。
【００２０】
負極２２は、例えば、負極集電体層２６の電解質２３側の面に負極合剤層２７が設けられた構造を有している。
【００２１】
負極集電体層２６は、外装部材１０の内部から、外装部材１０の集電体導出端部Ｅを介して外部に向かって導出されており、部分的に露出している（図１および図２の露出部２６ａ）。この負極集電体層２６の露出部２６ａは、外部と電気的に接続可能であり、負極端子として機能するようになっている。なお、負極集電体層２６の露出部（すなわち、負極端子）２６ａの幅、長さあるいは形状などについても、正極集電体層２４の露出部２４ａと同様に、適宜に設定することができる。
【００２２】
負極集電体層２６は、例えば厚さ２０μｍ以下の銅（Ｃｕ）箔により形成されており、外気の侵入が防止されるように外装部材１０と十分に密着している。また、この負極集電体層２６は、メッシュ状の銅箔により形成されていることが好ましい。外装部材１０との密着性をより向上させることができるからである。
【００２３】
ちなみに、正極集電体層２４の露出部２４ａと負極集電体層２６の露出部２６ａとの間には、封止材３０が充填されており、封止材３０を介して正極集電体層２４と負極集電体層２６とが密着している。これにより、各露出部間から外装部材内部への外気の侵入が防止される。
【００２４】
負極合剤層２７は、例えば、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な材料と、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含んで構成されている。リチウムを吸蔵および離脱することが可能な材料としては、例えば、炭素質材料，金属酸化物，あるいは高分子材料のいずれか１種または２種以上を含んで構成されたものが挙げられる。中でも炭素質材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少ないので好ましい。なお、炭素質材料としては、例えば、熱分解炭素類、ピッチコークス，ニードルコークス，石油コークスもしくは石炭コークスなどのコークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類，有機高分子化合物焼成体（例えば、フェノール樹脂またはフラン樹脂を焼成したもの）、炭素繊維あるいは活性炭などが挙げられる。また、金属酸化物としては酸化スズ（ＳｎＯ₂）などが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンやポリピロールなどが挙げられる。ちなみに、これらの負極材料に代えて、リチウム金属あるいはリチウム合金により構成することも可能である。
【００２５】
なお、負極２２も図２に示したような構造に限らず、正極２１と同様に、負極集電体層２６が外装部材１０の外部に導出されていれば、他の構造のものであってもよい。
【００２６】
電解質２３は、例えば、マトリクス高分子化合物に電解質塩としてリチウム塩を分散させたもの（いわゆる、高分子固体電解質）である。この高分子固体電解質は、優れたフィルム成型性を有しているので、これを用いれば形状選択性の自由度が高くなるという利点がある。
【００２７】
マトリクス高分子化合物としては、例えば、ポリビニリデンフルオロライド，ビニリデンフルオロライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体，ビニリデンフルオロライドとテトラフルオロエチレンとの共重合体あるいはビニリデンフルオロライドとトリフルオロエチレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはその架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、またはアクリレート系高分子化合物が適当であり、これらのうちの１種または２種以上が混合して用いられる。
【００２８】
リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ₆，ＬｉＢＦ₄，ＬｉＣｌＯ₄，ＬｉＡｓＦ₆，ＬｉＢ（Ｃ₆Ｈ₅）₄，ＬｉＣｌ，ＬｉＢｒ，ＬｉＣＨ₃ＳＯ₃，ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃，ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₃）₂，ＬｉＣ₄Ｆ₉ＳＯ₃，ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂，ＬｉＮ（ＣＦ₃ＣＯ₂）₂が適当であり、これらのうちの１種または２種以上が混合して用いられる。
【００２９】
次に、この電池の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、正極活物質と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、Ｎ−メチルピロリドンなどの溶剤に分散して正極合剤スラリーとしたのち、この正極合剤スラリーを例えばアルミニウム箔からなる正極集電体層２４の片面の、一端部を除いた領域に塗布し乾燥させ、圧縮成型して正極合剤層２５を形成することにより、正極２１を作製する。このとき、正極集電体の形状および正極集電体層２４の正極合剤を塗布しない部分を適宜に設定して、正極端子の大きさ、位置あるいは形状などを調整するようにする。
【００３１】
次いで、例えばリチウムを吸蔵および離脱することが可能な材料と結着剤とを混合し、Ｎ−メチルピロリドンなどの溶剤に分散して負極合剤スラリーとしたのち、この負極合剤スラリーを例えば銅箔からなる負極集電体層２６の片面の、一端部を除いた領域に塗布し乾燥させ、圧縮成型して負極合剤層２７を形成することにより、負極２２を作製する。このとき、負極集電体の形状および負極集電体層２１ａの負極合剤を塗布しない部分を適宜に設定して、負極端子の大きさ、位置あるいは形状などを調整するようにする。
【００３２】
なお、図４に示したような複数の合剤層および集電体層を有する構造の正極２１Ａを作製する場合には、更に、正極合剤層２５の正極集電体層２４の反対側の面に、正極集電体層２８および正極合剤層２９を順次形成する。
【００３３】
正極２１および負極２２を作製したのち、例えば、ポリエチレンオキサイドなどのエーテル系高分子化合物と、リチウム塩と、溶媒とを用意する。続いて、これらを混合し、得られた混合溶液を、正極合剤層２５および負極合剤層２７にそれぞれ塗布して所定の時間放置したのち、例えば８０℃で１０分間真空乾燥することにより溶媒を除去し、高分子化合物にリチウム塩が分散されたいわゆる高分子固体電解質（電解質２３）を得る。ここで、混合溶液を塗布する際に、正極合剤層２５および負極合剤層２７に混合溶液を含浸させることが好ましい。これにより、電解質の一部が正極合剤層２５および負極合剤層２７の内部に入り込み、正極２１および負極２２と電解質２３との密着強度が高くなるので、正極２１および負極２２と電解質２３との電気的な接触状態が良好になるからである。
【００３４】
なお、エーテル系高分子化合物としては、オリゴ・オキシエチレンなどの側鎖を有する化合物またはエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとのランダム共重合体などの結晶性の低いアモルファスポリマを用いることが好ましい。更には、高分子鎖の末端に、アクリレート基，活性水素基あるいはアリル基などの架橋可能な官能基を有しているものを用いることが好ましい。
【００３５】
電解質２３を形成したのち、正極２１の電解質２３を形成した面と負極２２の電解質２３を形成した面とが対向するようにこれらを重ね合わせ、更に圧着する。これにより、正極２１と負極２２とが電解質２３を介して積層された電池素子２０が作製される。
【００３６】
次いで、外装部材１０としての例えば矩形状のラミネートフィルムを二つ折りにし、折り曲げ辺に隣接する両方の辺を融着する。なお、融着方法としては、外装部材１０に熱を加えるかまたは超音波を伝播させて熱融着する方法が簡便で好ましい。続いて、正極集電体層２４および負極集電体層２６が外装部材１０の外部に導出されるように、外装部材１０の折り曲げ辺に対向する開放されている端部から電池素子２０を外装部材１０の間に挿入する。
【００３７】
次いで、外装部材１０の内部を例えば減圧雰囲気として外装部材１０を電池素子２０に圧着させたのち、外装部材１０の開放されている端部を融着する。最後に、正極集電体層２４の露出部２４ａと負極集電体層２６の露出部２６ａとの間に封止材３０を充填することにより、封止材３０を介して各露出部同士を密着させる。これにより、図１および図２に示した電池が完成する。
【００３８】
次に、この電池の作用について説明する。
【００３９】
この電池では、充電を行うと、正極２１からリチウムがイオンとなって離脱し、電解質２３を介して負極２２に吸蔵される。放電を行うと、負極２２からリチウムがイオンとなって離脱し、電解質２３を介して正極２１に吸蔵される。ここでは、正極集電体層２４が正極端子として、負極集電体層２６が負極端子としてそれぞれ機能するので、充電の際には、外部からのエネルギーが正極集電体層２４または負極集電体層２６から電池素子２０に供給され、放電の際には、正極集電体層２４または負極集電体層２６を介してエネルギーが取り出される。
【００４０】
このように本実施の形態に係る電池によれば、電解質２３として漏液のおそれがないいわゆる高分子固体電解質を用いると共に、正極集電体層２４および負極集電体層２６を外装部材１０を介して外部に導出させることにより、正極集電体層２４および負極集電体層２６を部分的に露出させるようにしたので、正極集電体層２４および負極集電体層２６をそれぞれ電極端子として利用することができる。よって、従来の電池のようにリード線を備える必要がなく、簡便な構造とすることができる。また、製造時に煩雑な端子形成工程を必要としないので、容易に製造することができ、生産性を向上させることができる。
【００４１】
更に、リード線を備える必要がないので、電池の小型化を図ることができると共に、体積エネルギー密度を向上させることができる。
【００４２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、１枚の袋状とされた外装部材１０により電池素子２０を覆うようにしたが、２枚以上のフィルムを外装部材１０として、これにより覆うようにしてもよい。なお、図５は参考例であり、正極集電体層２４および負極集電体層２６を、外装部材１０ａおよび外装部材１０ｂの対向する端部からそれぞれ逆方向に向かって導出したものである。
【００４３】
また、上記実施の形態では、マトリクス高分子化合物にリチウム塩を分散させた電解質を用いるようにしたが、固体状の無機電解質を用いるようにしてもよい。更に、高分子化合物に電解液を保持させたゲル状に電解質を用いることもできる。但し、その場合には、水分が少なく、粘度の高いものであることが好ましい。
【００４４】
また、上記実施の形態では、正極集電体層２４をアルミニウム箔により構成し、負極集電体層２６を銅箔により構成するようにしたが、各集電体層は、電気化学的に安定な他の導電性材料により構成するようにしてもよい。このような材料としては、例えば、ニッケルおよびステンレスが挙げられる。
【００４５】
また、上記実施の形態では、外装部材１０としてラミネートフィルムを用いるようにしたが、ラミネートフィルムに代えて他の絶縁材料を用いるようにしてもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態では、正極２１および負極２２の両方において、集電体層を外部に露出させる場合について説明したが、正極２１または負極２２のいずれか一方のみを外部に露出させるようにしても本発明の効果は得られる。
【００４７】
また、上記実施の形態では、負極においてリチウムを吸蔵・離脱する二次電池（リチウムイオン二次電池）を例に挙げて説明したが、本発明は、リチウムイオン以外の電荷担体を用いた電池についても広く適用される。
【００４８】
また、上記実施の形態では、正極集電体層２４および負極集電体層２６を電極端子とする構造について説明したが、図６に示したように、正極２１に電気的に接続された導電体層４１および負極２２に電気的に接続された導電体層４２を設け、これらの導電体層４１，４２の一部を外装部材１０の外部に露出させる構造としても、本発明と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電池によれば、正極および負極のうちの少なくとも一方に設けられた集電体層を外部に導出するようにしたので、集電体層の露出部分を電極端子として利用することができる。よって、電極端子としてのリード線などを備える必要がなく、簡便な構造とすることができる。また、電池の小型化を図ることができると共に、体積エネルギー密度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電池の構成を表す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示した電池の変形例に係る電池の構造を表す平面図である。
【図４】図１に示した電池の正極の変形例に係る正極の構造を表す断面図である。
【図５】図１に示した電池の他の変形例に係る電池の構造を表す断面図である。
【図６】図１に示した電池の応用例に係る電池の構造を表す断面図である。
【図７】従来の電池の一構成例を表す断面図である。
【符号の説明】
１０…外装部材、２０…電池素子、２１，２１Ａ…正極、２２…負極、２３…電解質、２４，２８…正極集電体層、２４ａ，２４ａ′，２６ａ…露出部、２５，２９…正極合剤層、２６…負極集電体層、２７…負極合剤層、３０…封止材、４１，４２…導電体層、Ｅ…集電体導出端部

Claims

正極および負極と共に電解質を備えた電池素子が、外装部材により覆われてなる電池であって、
前記正極および前記負極はそれぞれ集電体層を有し、正極集電体層および負極集電体層が前記外装部材を介して外部に導出されると共に、
前記正極集電体層の露出部と前記負極集電体層の露出部との間に封止材が充填され、前記封止材を介して前記正極集電体層と前記負極集電体層とが密着されている、電池。
前記正極集電体層および前記負極集電体層の外部に導出された部分が、外部と電気的に接続可能な電極端子として機能する請求項１記載の電池。
前記電解質は、高分子化合物と電解質塩とを含有する請求項１記載の電池。
前記正極集電体層および前記負極集電体層は、それぞれ金属箔により形成されている請求項１記載の電池。
前記正極集電体層および前記負極集電体層は、それぞれメッシュ状の金属により形成されている請求項１記載の電池。