JP5269296B2

JP5269296B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP5269296B2
Application number: JP2006133812A
Authority: JP
Inventors: 昌幸星野; 則雄高見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: JP2007305464A

Description

本発明は、二次電池に関し、特に、セパレータをつづら折りにした複数の電極群を用いて、二次電池の劣化を抑制する技術に関する。

一般に、薄型リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを挟んで積層した積層電極群をラミネートフィルム外装に納めた構成となっている（特許文献１参照）。

特許文献１における電極群の構成例を図７に示す。図７における積層電極群は、正極１００と負極２００との間にセパレータ３００ｆを挟んで渦巻き状に捲回した後、径方向に加圧されている。

また特許文献１における別の電極群の構成例を図８に示す。図８に記載された積層電極群は、正極１００と負極２００との間にセパレータ３００ｇを挟んでつづら折りにした構造を有する。電極群の製造を簡素化することができると共に、電極群の機械的強度を向上することができる。

これらのような薄型リチウムイオン二次電池の容量を増加するためには正極と負極の積層枚数を増加させることが必要となり、積層電極群が厚くなる。したがって、容量を増加するために厚くした積層電極群の中央部分の冷却が悪くなるため、積層電極群の周囲に比べて中央部分の温度が高くなり積層電極部分の中央部分の劣化が速く進む問題があった。

この積層電極群の温度を制御するため積層電極群の間に熱媒介部を設けた二次電池が特許文献２に開示されている。ただし、特許文献２における熱媒介部の役割は主として加熱である。この熱媒介部を設けることにより、冬季や寒冷地で二次電池を使用する場合にも、低温による内部抵抗の上昇を回避し、高出力を速やかに確保することが可能となる。
特開２００４−４７４７９号公報特開２００３−１７１２７号公報

しかしながら、図７のような構成の電極群を用いた場合、電解液の対流が起こりにくい形状であるため、積層電極群の中心部の冷却が充分に行われず、積層電極群の周囲に比べて温度が高くなるため、劣化が速く進む。

また図８のような構成の電極群を用いた場合も図７の構成と同様に、電解液の対流が起こりにくく、冷却が充分に行われないため、劣化が速く進む。

一方、特許文献１における図７のように、セパレータ、電極を１枚ずつ積層した場合には、積層後の一体性が無く、ラミネートフィルム外装への収納作業の作業性が悪いという問題点がある。

特許文献２における薄型リチウムイオン二次電池の場合は、容量を増加するために厚くした積層電極群の中央部分の冷却を確保するため、中央部分に熱媒介部を設けると、積層電極群の密度が低くなり二次電池としての出力密度やエネルギー密度が低くなるという問題点がある。

そこで本発明は、出力密度やエネルギー密度を低下させることなく電池の劣化を抑制することができる二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る二次電池は、電気的に並列に接続された偏平形状の複数の電極群と、前記複数の電極群に含浸される液状の非水電解質と、前記複数の電極群と前記非水電解質が収納される外装材とを備え、前記複数の電極群の各々は、平面形状の１以上の正極と、平面形状の１以上の負極と、交互に積層された前記正極と前記負極との間に設けられ、つづら折り状に繋がったセパレータとを有し、前記セパレータの折り目部分に方形の開口を有し、前記折り目部分が前記開口の略中央に配置されることを特徴とする。

本発明に係る二次電池によれば、電極群同士はセパレータも含めてつながっていないため、セパレータによる阻害も無く電解液は自由に電極群間に通過する。したがって、電解液の対流が容易に起き、積層電極群の中央付近も冷却され、高温になるのを抑えることができ、電池の劣化を抑制するため寿命が長くなる。また１電極群中のセパレータはつづら折りでつながっているため、積層後の一体性があり、外装材への収納作業の作業性が良い。

さらに、冷却のためだけに熱媒介部といった装置や複雑な構成を必要としないため、薄型の電極群を構成することが可能となる。したがって、出力密度やエネルギー密度を低下させることなく電池の劣化を抑制することができる二次電池を提供することができる。

以下、本発明の二次電池の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

最初に図１（ａ）、図２を用いて実施例１を説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１に係る二次電池の基本構成を示す図である。この二次電池は、外装６００、電解液４００、電極群５００で構成されている。外装６００は、本発明の外装材に対応する。電解液４００は、本発明の非水電解質に対応し、外装材６００内部に収納されている。電極群５００は、複数個並列に電気的に接続され、電解液４００に浸されたうえで、外装材６００内部に収納されている。

また電極群５００は、正極１００、負極２００、セパレータ３００ａにより構成されており、主として偏平形状である。平面形状の１以上の正極１００と平面形状の１以上の負極２００は、間にセパレータ３００ａを介して交互に積層されている。またセパレータ３００ａは、一つの電極群５００内で全てつづら折り状に繋がっている。

図２は、本発明の実施例１に係る二次電池の１例を示す鳥瞰図である。この二次電池は、複数の積層電極群、すなわち積層電極群５２０ａと、積層電極群５２０ｂと、これらの積層電極群を収納するラミネートフィルム外装６００ａと、ラミネートフィルム外装６００ｂと、積層電極群からラミネートフィルム外装の外へ正極集電体１２０を介して電力を取り出す正極端子１５０ａと、負極集電体２２０ａを介する負極端子２５０ｂとから構成されている。

また実施例２において詳しく説明するが、積層電極群の構成は図４（ｂ）のようになっている。ここでは、図４（ｂ）における負極集電体２２０ｂと負極端子２５０ｂは、図２における負極集電体２２０ａと負極端子２５０ａに対応し、同一のものとして説明する。図４（ｂ）に示すように、積層電極群５２０ａ及び積層電極群５２０ｂは、正極１００と負極２００の間にセパレータ３００ｃを挟みこんだ電極を複数積層して構成され、ラミネートフィルム外装６００ａ及びラミネートフィルム外装６００ｂ内で電解液に浸されている。また、積層電極群５２０ａ及び積層電極群５２０ｂの負極２００は負極集電体２２０ａを介して負極端子２５０ａに接続され、正極１００は正極集電体１２０を介して正極端子１５０ａに接続されている。

なお、それぞれの構成要件の材質等については様々なものが考えられる。以下、負極、正極、セパレータ、非水電解質及び外装材について説明する。

（１）負極
この負極は、負極集電体と、負極集電体の片面もしくは両面に担持され、負極材料及び結着剤を含む負極層とを有する。

負極材料には、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物が好ましい。炭素質物としては、（Ｉ）黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、粒状炭素などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料や、（II）熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェースピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長系炭素繊維、メソフェーズ小球体などに５００〜３０００℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料等を挙げることができる。熱処理が施された炭素質物のうち好ましいのは、メソフェーズピッチ系炭素繊維の黒鉛質材料または炭素質材料、メソフェーズ小球体の黒鉛質材料または炭素質材料、粒状の黒鉛質材料である。

集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。

前記負極材料には、前述したリチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物の他に、金属酸化物か、金属硫化物か、もしくは金属窒化物や、リチウム金属またはリチウム合金を用いることができる。

（２）正極
この正極は、正極集電体と、正極集電体片面もしくは両面に担持され、活物質及び結着剤を含む正極層とを有する。

正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、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、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。中でも、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、リチウムマンガン複合酸化物を用いると、高電圧が得られるために好ましい。

正極層は、さらに導電剤を含んでいてもよい。かかる導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。

（３）セパレータ
セパレータには多孔質セパレータを用いる。

多孔質セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、または両者からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため、好ましい。

（４）非水電解質
この非水電解質は、少なくともセパレータに保持される。特に、非水電解質は、電極群全体に分散されていることが好ましい。この非水電解質としては、電解質が溶解された非水溶媒（以下、非水溶液と称す）からなる液状非水電解質、非水溶液が保持された高分子材料、または固体非水電解質を用いることができる。非水溶液が保持された高分子材料としては、非水溶液がゲル化しているゲル状非水電解質、前記非水溶液が一部がゲル化し、残りが液状のままであるもの、前記非水溶液が液状のまま保持されているものなどを挙げることができる。中でも、液状非水電解質を用いることが好ましい。液状非水電解質は、電極群のイオン伝導度を高くすることができるため、正極とセパレータの界面抵抗並びに負極とセパレータの界面抵抗を小さくすることができる。

（５）外装材
この外装材は、例えば、金属缶、または水分を遮断する機能を有するシートを用いることができる。金属缶は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウムから形成することができる。シートとしては、例えば、２種類以上の樹脂層から形成され、片面または両面が熱可塑性樹脂である多層シート、又は可撓性を有する金属層の片面または両面に保護層を形成したものからなる多層シートを挙げることができる。

また、樹脂層を含む外装材を用いることもできる。樹脂層は、例えば、熱可塑性樹脂から形成することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等を挙げることができる。

樹脂層を含む外装材としては、例えば、金属層と、金属層の両面に形成された樹脂層とからなる多層シートを挙げることができる。外装材の内面となる樹脂層は、ヒートシール面としての機能と、金属層が非水電解質により腐食されるのを防止する機能を有する。また、外装材の外面となる樹脂層は、金属層の損傷を防止する役割をなす。各樹脂層は、１種類の樹脂から形成されていても、あるいは２種類以上の樹脂から形成されていても良い。各樹脂層は、熱可塑性樹脂から形成されることが望ましい。

次に、本実施の形態の二次電池の作用について説明する。本実施例において複数の電極群５００は、外装６００内に収納されているが、各々の電極群間においてセパレータ３００ａはつながっていない。したがって、図１（ａ）の矢印である電解液の流れ５０ａで示すように、電解液４００は、自由に電極群間を流れることができる。すなわち、図１（ｂ）のように、電極群５００ａと電極群５００ｂの中央部分を通過するように電解液４００が循環することができる。したがって、電解液の流れ５０ｂに示すように、電解液４００による対流が容易に発生し、電極群５００ａおよび５００ｂの中央部分が冷却されて、高温になることを抑えることができる。また図１（ｂ）において電極群は２つ記載されているが、２つとは限らず複数の電極群を収納することが可能である。

一方、セパレータ３００ａをつづら折に繋げることなく、１枚づつ正極１００と負極２００の間に挟んで積層する構成とすることもできるが、できあがった積層電極群は、ばらばらとなり易く組立が困難となる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る二次電池によれば、各々の電極群間において、セパレータ３００ａはつながっていないため、電解液４００の対流が起きやすく、積層電極群５００ａおよび５００ｂの中央付近も冷却され、高温になるのを抑えることができ、電池の劣化を抑制するため寿命が長くなる。

すなわち、一つの厚い電極群ではなく、複数の薄い電極群を収納することにより、一つの厚い電極群を用いた場合と同じエネルギー密度及び出力密度を維持したまま、冷却効果を高めることができる。

なお、電極群内の構造についても、つづら折りされているセパレータの各折り目部分以外は開放されており電解液が通過できる。このように３方向が開放されている構造のため、構造的にも図７や図８に示すようにセパレータ部が２方向のみしか開放されていない構造と比して、対流が起こりやすい構造となっているため、冷却効果を高めることができ、ひいては電池の劣化を回避して寿命を長くすることができる。

また、電極群を複数収納するという簡単な構造であるため、特許文献２のように、温度調節のために電極群間に熱媒介部を設置する必要が無い。したがって、電池の厚さを増すことなく積層電極群５００ａおよび５００ｂの中央部分を冷却することができ、出力密度やエネルギー密度の低下を招くことなく電池の劣化を抑制することができる。

さらに、セパレータ３００ａがつづら折りでつながっているため、積層後の一体性があり、外装材への収納作業の作業性が良い。

また図８のような構成の電極群を用いた場合は、負極２００同士が接触するため、その部分に負極活物質を塗布しても、その活物質は電池としてほとんど機能しないという問題点があるが、セパレータのみをつづら折り構造とすることにより、正極同士もしくは負極同士が接触する部分は無く、電極の両側の活物質を充放電に活用できる。すなわち活物質の比率を高くすることができ、電池のエネルギー密度を高くすることができる。

図３（ａ）は本発明の実施例２に係る二次電池の基本構成を示す図である。実施例１と異なるのは、電極群５００ｃが複数ではなく一つである点のみである。したがって重複した説明は省略する。

図４（ａ）は、本発明の実施例２に係る二次電池の１例を示す鳥瞰図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ部を拡大した図である。この二次電池は、積層電極群５２０ｃと、この積層電極群５２０ｃを収納するラミネートフィルム外装６００ｃと、積層電極群５２０ｃからラミネートフィルム外装６００ｃの外へ電力を取り出す正極端子１５０ｂと、負極端子２５０とから構成されている。

図４（ｂ）に示すように、積層電極群５２０ｃは、正極１００と負極２００の間にセパレータ３００ｃを挟みこんだ電極を複数積層して構成され、ラミネートフィルム外装６００ｃ内で電解液に浸されている。また、積層電極群５２０ｃの負極２００は、負極集電体２２０ｂを介して負極端子２５０ｂに接続され、正極１００は同様に図示されていない正極集電体を介して正極端子１５０ｂに接続されている。

次に、本実施の形態の二次電池の作用について説明する。図３（ａ）に示すように、いずれの正極１００および負極２００も片側の端のセパレータ３００ｂが開いた構造となっており、３方向が開放された構成となっている。したがって、捲回した電極群や、正極および負極もつづら折りした電極群のように２方向しか開放されていない電極群に比べて電解液４００の対流が起こりやすい。

ただし、本実施例においては電極群が一つであるため、図３（ｂ）の電解液の流れ５０ｄに示すように、電解液４００は電極群５００ｄの外周を回るように流れることは容易であるが、電極群５００ｄの中央部分を通過して流れることは困難である。

一方、セパレータ３００ｂをつづら折に繋げることなく、１枚づつ正極１００と負極２００の間に挟んで積層する構成とした場合には、できあがった積層電極群は、ばらばらとなり易く組立が困難となる。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る二次電池によれば、セパレータ３００ｂがつづら折りでつながっているため、積層後の一体性があり、外装材への収納作業の作業性が良い。

また３方向が開放されているおり、従来の図７や図８に示すような構造と比して、対流が起こりやすい構造となっているため、冷却効果を高めることができ、ひいては電池の劣化を回避して寿命を長くすることができる。

さらに、冷却のためだけに熱媒介部といった装置や複雑な構成を必要としないため、薄型の電極群５００ｃを構成することが可能となる。したがって、出力密度やエネルギー密度を低下させることなく電池の劣化を抑制することができる。

また特許文献１における図８のような構成の電極群を用いた場合は、負極２００同士が接触するため、その部分に負極活物質を塗布しても、その活物質は電池としてほとんど機能しないという問題点があるが、セパレータのみをつづら折り構造とすることにより、正極同士もしくは負極同士が接触する部分は無く、電極の両側の活物質を充放電に活用できる。すなわち活物質の比率を高くすることができ、電池のエネルギー密度を高くすることができる。これは最小限の電極で最大のエネルギー密度を得ることができることを意味し、コストの削減にも寄与しうる。

図５は本発明の実施例３に係る二次電池の電極群の構造を示す図である。実施例１及び実施例２と異なるのは、セパレータ３００ｄの折り目部分に開口７００ａを設けた点のみである。その他の構成は、実施例１及び実施例２と同様である。

この開口７００ａの幅は、負極および正極より短くする。このようにすることにより、このセパレータ３００ｄの開口部より負極および正極が外側へはみ出すことを防ぐことができる。

次に、本実施の形態の二次電池の作用について説明する。電解液４００は、セパレータ３００ｄの折り目部分に設けられた開口７００ａを抵抗無く通過することができるため、積層電極群の中央部分を冷却することができる。

以上説明したように、本発明の実施例３に係る二次電池によれば、セパレータ３００ｄの折り目部分に開口７００ａを有することにより、電解液４００は自由に開口７００ａを通過することができる。したがって、電解液４００の対流が起き易く、電極群の中央部分における電流による発熱を抑え、冷却するため、電池の劣化を抑制し寿命を長くすることができる。また冷却のための熱媒介部や複雑な構成を必要としないため、実施例１や実施例２と同様に、電池の電力密度やエネルギー密度の低下を招くことなく冷却が可能である。

また実施例１のように複数の電極群に分けずとも、電解液４００が積層電極群の中央部分を通過して循環することができるため、積層電極群は１つであっても良い。したがって、電極群全体がセパレータ３００ｄがつづら折りでつながっているため、積層後の一体性があり、外装材への収納作業の作業性が良い。

また、開口７００ａの幅が正極１００及び負極２００の幅よりも短いため、正極１００及び負極２００が開口７００ａより外側へはみ出すことを防ぐ。したがって、一体性を維持し、外装材への収納作業の作業性を良くするとともに、正極負極間の短絡を防ぐことができる。

図６は本発明の実施例４に係る二次電池の電極群の構造を示す図である。実施例３と異なるのは、セパレータ３００ｅの少なくとも一つの折り目部分の一辺中に複数の開口７００ｂを設けた点のみである。その他の構成は、実施例３と同様である。

次に、本実施の形態の二次電池の作用について説明する。電解液４００は、実施例３の場合と同様、セパレータ３００ｅの折り目部分に設けられた開口７００ｂを抵抗無く通過することができるため、電解液４００の対流が起きやすく、積層電極群の中央部分を冷却することができる。

以上説明したように、本発明の実施例４に係る二次電池によれば、実施例３と同様の効果を得ることができる。

また、折り目部分の一辺中に複数の開口７００ｂを有することにより、実施例３と同様に電極群全体の冷却効果に寄与しうる。また、一辺中に小さな幅の開口７００ｂを複数個有するため、正極１００、負極２００が外側にはみ出すことはなく、一体性の維持、短絡防止に寄与しうる。

さらに、実施例３及び実施例４において、セパレータの全ての折り目部分に開口を形成することで、より確実に電極群全体の冷却を均一に効果的に行うことができる。

本発明は、リチウムイオン二次電池に適用可能である。

本発明の実施例１に係る二次電池の基本構成を示す図である。本発明の実施例１に係る二次電池の１例を示す鳥瞰図である。本発明の実施例２に係る二次電池の基本構成を示す図である。本発明の実施例２に係る二次電池の１例を示す鳥瞰図である。本発明の実施例３に係る二次電池の電極群の構成図である。本発明の実施例４に係る二次電池の電極群の構成図である。従来の二次電池の捲回型電極群の構成図である。従来の二次電池のつづら折り型電極群の構成図である。

符号の説明

５０ａ,５０ｂ,５０ｃ,５０ｄ電解液の流れ
１００正極
１２０正極集電体
１５０ａ,１５０ｂ正極端子
２００負極
２２０ａ,２２０ｂ負極集電体
２５０,２５０ａ,２５０ｂ負極端子
３００ａ,３００ｂ,３００ｃ,３００ｄ,３００ｅ,３００ｆ,３００ｇセパレータ
４００電解液
５００電極群
５００ａ積層電極群
５００ｂ,５００ｃ電極群
５００ｄ,５００ｅ積層電極群
６００外装
６００ａ,６００ｂ,６００ｃラミネートフィルム外装
７００ａ,７００ｂ開口

Claims

偏平形状の複数の電極群と、
前記複数の電極群に含浸される液状の非水電解質と、
前記複数の電極群と前記非水電解質が収納される外装材とを備え、
前記複数の電極群の各々は、
平面形状の１以上の正極と、
平面形状の１以上の負極と、
交互に積層された前記正極と前記負極との間に設けられ、つづら折り状に繋がったセパレータと、
を有し、
前記セパレータの折り目部分に方形の開口を有し、前記折り目部分が前記開口の略中央に配置されることを特徴とする二次電池。
前記開口の幅は、前記正極および前記負極の幅よりも短く、前記正極に接続される正極端子と前記負極に接続される負極端子とは、互いに略１８０度反対から出力されることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
前記方形の開口は、前記セパレータの少なくともひとつの折り目部分の一辺中に複数個形成されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
前記開口は、前記セパレータの全ての折り目部分に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の二次電池。