CN1217089A - 锂充电电池,充电器以及信息终端设备 - Google Patents

Abstract

提供作为可携带的信息终端设备的电源的,携带性出色并且易于使用的可充电电池和使用了该电池的信息终端设备以及有效且安全的充电器。作为满足上述目的的可充电电池,在电池电压4.2V－3.2V范围内具有8Wh以上的放电容量,厚度5mm,对角尺寸100－130mm的平板型电池,即对角尺寸是厚度的20倍以上的扁平锂充电电池中,作为负极活性物质使用具有金属微粒子的碳素材料。另外,为了防止伴随长期使用的电极的膨胀用杨氏模量每平方米20牛顿以上的材料包围电池容器,增加电极的密合性,延长电池寿命。

Description

锂充电电池，充电器以及信息终端设备

技术领域

本发明涉及锂充电电池，其充电器以及使用了该充电电池的信息终端设备，详细地讲涉及谋求了提高操作性的电池形状以及使用方法的改善。

背景技术

近年来，作为轻量、小型充电电池的锂充电电池正在显露头角。可以得到高能量密度的锂充电电池运用在各个领域，特别是在便携式计算机和携带电话等电子信息设备的电源用方面正在迅速地普及。现在，市场上所出售的锂充电电池从其形状能够分类为硬币形，圆柱形，方形以及集成电池。硬币形如其名称那样，是圆盘形小型电池，由于其容量不能够很大，因此限定于存储器备用等的用途中。另一方面，圆柱形是把正极和负极以缠绕轴为中心缠绕起来放入到圆柱形的容器中的形状，当前生产的最多。圆柱形的优点在于通过缠绕在电极上均匀地加上压力，因此长期使用以后由电极间的密合性下降引起的恶化也很少。方形指的是电池容器的形状组合成平面的通常具有长方形形状的电池，作为电极的收纳法有缠绕形和层叠形。方形的优点在于在高容量化的情况下能够比圆柱形减薄厚度，当前市场销售的锂充电电池中方形的最薄其厚度是6.4mm。集成电池是把多个圆柱形和方形的电池集成到一个容器内，在内部串连或者并连连接电池，形成电压或者容量大的电池。当前大多信息设备把容量大的集成电池作为电源使用。

关于充电器，通常如果把电池连接到充电器上则自动开始进行充电。作为充电电流的控制方式存在种种方式及其组合，作为向使用者通知充电结束的装置，采用使用了使指示灯点亮或者熄灭或者闪烁等的显示机构的方法。

使用锂充电电池的信息终端设备，特别是具有液晶显示器件和笔输入器件等在设备上需要二维地在某种程度扩大了面积的元件的设备，为了提高其便携性，正在呈现厚度变薄的倾向。另外，伴随着设备功能的高速化，多样化，日常用途正在扩展，使用频度与文具相当，连续使用时间加长，并且具有携带使用变得一般化，在远离电源插座的场所，仅以电池驱动进行使用的机会增多的倾向。

鉴于这一系列的倾向，对电池首先谋求高容量化。然而，电池在信息终端设备中所占有的体积以及重量方面存在限制，如果以长时间使用作为前提则还将产生携带备用电池的使用形态。以往的锂充电电池与信息设备一起携带的情况下，特别是由于厚度接近信息设备主体，体积很大，是接近于块状的形状，由此体积庞大，携带性差。例如如果放入到口袋中则由于厚度，将产生口袋的隆起，显眼，服装变形。另外，在夹入到简单的会议文件传送用的文件夹中的情况下，其厚度也非常刺眼。本发明的课题在于在与信息终端设备一起携带交换用电池并且在交换电池但长时间使用为前提的情况下，提供操作容易的电池和能够使用其电池的信息终端设备。以携带作为前提，轻量化也是课题之一。另外，如果是交换用的充电电池则为了多次反复使用，采取能够保持电极的密合性的构造是重要的课题。

关于充电器，与信息终端设备中所谋求的相同，提高操作性是重要的课题。另外，由于是以交换作为前提的电池，因而在连续的使用中将产生多个使用完毕的电池，因此实现这些电池的有效充电是一个课题。进而，在以往的充电器中通过指示灯等通知了充电结束以后，通过由电路进行的控制切断充电电流，而这时电池仍然与充电器保持连接状态。因此，如果没有把电池从充电器卸下则在充电器的电源切断以后再次投入电源，即所谓再启动的情况下，将再次开始进行充电。通常由于在充电开始初期进行电池电压等的检查，因此充电完毕的电池不会在其基础上被充电而充电结束。然而，由于有检查流过充电电流时的电压变化的方式等若干种检查流过充电电流的检查方式，因此从避开电池过充电的观点出发使得充电完毕的电池在充电器再启动以后不会被再次充电也是一个课题。

发明的公开

以上所叙述的提供容易使用形状的电池的课题通过以下的电池解决，把电池形状做成平板状，在厚度5mm以内平面部分的对角尺寸大于100mm小于130mm的外形尺寸的电池容器中充填在4.2V～3.2V的电池电压范围可贮能8Wh以上的电极活性物质的电池。换言之是对角尺寸对于厚度为20倍以上的扁平形状的电池。上述尺寸范围是与信息通信设备中使用的3.5英寸的软盘，MO盘，Zip盘等相同的尺寸，在携带时能够使用与这些记录媒体相同的搬运工具。另外，由于是扁平的，所以即使叠放也很稳定，在桌上使用的场合也很合适。向薄型化信息终端设备的装入也与记录媒体一样通过插入到插入口中能够容易地进行交换。

在制造这样的扁平电池时，通过限制相互层叠的正极和负极的层叠数来实现。或者在使用缠绕正极·负极方式的情况下，通过限制缠绕数来实现。缠绕电极的情况下，由于残留在电极上的张力保持电极的密合性，因此在延长循环寿命方面有效。这些锂充电电池的正极活性物质中使用包含镍的化合物，具有150Ah/1kg以上的重量容量密度的材料，在负极活性物质中使用具有300Ah/1kg以上的重量容量密度的材料，由此在上述容积的电池中在4.2V～3.2V电池电压范围内可以得到8Wh的放电容量。另外，在正极活性物质中使用含有锰的化合物的，具有90Ah/1kg以上的重量容量密度的材料的情况下，通过在负极活性物质中使用600Ah/1kg以上的重量容量密度的材料，在上述容积的电池中在4.2V～3.2V的电池电压范围可以得到8Wh以上的放电容量。通过在电池容器中使用比重小的铝和塑料实现便携性方面重要的轻量化。另外，伴随着长期使用，如果电极间的密合性恶化，则电池性能恶化，尤其在本发明这样的扁平电池中特别是在平面部分的中央部分其问题非常重要。因此为了防止这一点，通过用具有杨氏模量每平方米20牛顿以上的刚性的材质把电池整体或者一部分包围起来抑制电池中平面中央部分的体积膨胀，抑制电池密合性的降低。另外，使用蒸气压低的固体电解质，而且在组装时把电池内部减压，通过大气压夹住电池的平面中央部分抑制电极间的密合性的降低。或者也可以通过筋条或柱把电池容器的上下平面的一部分连接起来，提高电池容器的刚性，由此提高电极间的密合性。另外，通过把具有翘曲的板状弹簧和电极群一起收容在电池容器内，弹簧夹住电池平面中央部分能够提高电极间的密合性。

装有上述薄型电池的信息终端设备能够使用携带性良好的交换用电池。另外，在具有液晶显示器件和笔输入功能的信息终端设备中能够削减电池所占的体积，有利于这种设备中所希望的总体尺寸的薄型化。关于电池的装入，在信息设备一侧设置接受插入电池的插入口，通过采取把电池按压进插入口内部，电池端子部分与信息终端设备的端子部分连接，从电池向信息终端设备供给电源的机构使得易于进行电池交换。另外，通过预先在信息终端设备内部装入上述交换用电池以外的机器使用时间为2小时以内的容量的备用充电电池，使得在电池交换时，在取出减少了容量的电池之际存储在信息终端设备的非易失性记录媒体以外的器件中的信息内容不被复位，由此，能够不复位信息内容，并且在保持使用的状态下进行电池交换，在操作上非常有效。另外，通过在电池插入部设置用来夹住电池的例如用锟和凸片局部地在若干个点以标准大气压以上的压力固定电池的平面部分的机构能够提高电极的密合性，谋求电池的长寿命化。

另外，在对以上的薄型电池进行充电的充电器中采用具有接受电池的插入口，在把锂充电电池插入到预定深度的时刻电池的电极端子和充电器的电子部分接触，通过闭合充电器的电路自动地开始充电的构造。另外，在长时间使用的情况下，将产生多片充电完毕的电池，而通过充电器中采用能够至少同时装入2片以上的上述薄型电池的方法，能够高效地进行充电。这种情况下，即使装入多片电池由于各电池分别进行管理因而不会产生过充电等的问题，同时组装充电控制电路使得能够同时进行充电。另外，充电开始时插入的电池锁定，在充电结束时刻解除锁定，用弹簧等排出充电完毕的电池，由此充电器即使因某种理由复位也不会使充电完毕的电池中流过充电电流而被过充电，因此很安全。另外，即使在同时把上述多片电池进行充电的情况下，也能够容易地判别充电完毕的电池，便于取出，因此使用方便。

附图的简单说明

图1是本发明的锂充电电池实施例1的说明图。

图2是本发明的锂充电电池实施例2的说明图。

图3是本发明的锂充电电池实施例3的说明图。

图4是本发明的锂充电电池实施例5的说明图。

图5是本发明的锂充电电池实施例6的说明图。

图6是本发明的锂充电电池实施例7的说明图。

图7是本发明的锂充电电池实施例8的说明图。

图8是本发明的锂充电电池实施例9的说明图。

图9是本发明的锂充电电池实施例10的说明图。

图10是本发明的锂充电电池实施例11的说明图。

图11是本发明的锂充电电池实施例12的说明图。

实施发明的最佳形态

实施例1

图1示出权利要求1、权利要求2、权利要求3以及权利要求5中记述的锂充电电池的实施例。这是在图中的厚度1为4mm，对角尺寸2为130mm的电池容器3中，把隔板6夹在中间，交互层叠用粘接剂在铝箔上涂敷了重量容量密度150Ah的镍酸锂的正极4和用粘接剂在铜箔上涂敷了重量容量密度300Ah的高度结晶化了的石墨的负极5的，作为电解液注入六氟磷酸锂的碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的溶液并进行密封的实施例，在电池电压4.2V～3.2V的范围内得到8Wh的放电容量。这时平面部分的对角尺寸2是厚度1的32.5倍。这里在电池容器3中使用了深拉伸成形的铝的实施例是权利要求7记述的锂充电电池。

实施例2

图2示出权利要求1、权利要求2、权利要求4以及权利要求6中记述的锂充电电池的实施例。这是在厚度7为4.5mm，对角尺寸为130mm的电池容器9中把隔板12夹在中间，交互缠绕用粘接剂在铝箔上涂敷了重量容量密度90Ah的锂∶锰∶氧比为1∶2∶4的锰酸锂的正极10和用粘接剂在铜箔上涂敷了重量容量密度为600Ah的软石墨碳素的高温处理品的负极11的，作为电解液注入六氟磷酸锂的碳酸亚丙酯和二甲氧基乙烷并进行密封的实施例，在电池电压4.2V～3.2V的范围内可以得到8Wh的放电容量。这时平面部分的对角尺寸8大约是厚度7的28.9倍。这里电池容器9中使用了塑料的实施例是权利要求8中记述的锂充电电池。

实施例3

图3示出权利要求9中记述的锂充电电池的实施例。这是把电池容器13收入到杨氏模量每平方米53牛顿的钨碳化物的盒子14中的锂充电电池。由于抑制电池内电极的膨胀，保持电极间的密合性，所以可以谋求电池的长寿命化。

实施例4

权利要求10中记述的锂充电电池是通过在实施例1的锂充电电池中代替使电解液渗入的隔板使用聚合物电解液，从设置在电池容器的真空排气口排出内部的气体后进行密封而制做的。在该电池中大气压使电极密合，可以谋求电池的长寿命化。

实施例5

图4示出权利要求11中记述的锂充电电池中使用的电池容器的实施例。在电池容器15内部设置筋条16，是提高电池强度抑制长期使用时的电池膨胀的实施例。另外在筋条的部分电极上预先开有切槽。还有，也可以不是槽而是柱。

实施例6

图5示出权利要求12中记述的锂充电电池使用的电池容器的实施例。在电池容器17的内部为把正极·负极·隔板的电极群18夹在中间而如下地配置镍板19，即将弯曲了端部的镍板19变形使其残留残余应力。镍板19用其残余应力按压电极群18抑制电极群的膨胀，保持电极的密合性，可以谋求电池的长寿命化。

实施例7

图6示出权利要求13、权利要求14、权利要求15以及权利要求16中记述的信息终端设备的实施例。在平面形主体20上具有液晶显示器21和在其上面的笔输入器件22，具有实施例1所示的锂充电电池的插入口23，通过锂充电电池的插入，电池端子24和终端设备的端子部分25连接。

实施例8

权利要求17的信息终端设备在图6的信息终端设备内设置低容量的备用锂充电电池，如果插入到插入口23中的电池容量下降则在液晶显示器上显示这一信息，用电源切换电路把电源切换到备用电池。使用者交换插入口23的电池，如果检测到插入口的端子部分25是充分高的电压则再次用电源切换电路把电源切换为插入口的电池。

实施例9

权利要求18中记述的信息终端设备是在图6的信息终端设备的插入口中设置图7所示那样的锟或者图8所示那样的凸片，使得在电池平坦部分上局部地施加压力的例子。

实施例10

图9示出权利要求19中记述的充电器，在充电器26中具有锂充电电池插入用的插入口27，如果把锂充电电池28插入到预定深度则电池电极和充电器电极接触，开始进行充电。

实施例11

图10示出权利要求20以及权利要求21中记述的充电器，在充电器29中在2个位置具有锂充电电池插入用的插入口30，通过在内部安装用于分别检测各插入口的电池电压，控制充电电流以及充电电压的IC电路能够同时进行两片电池的充电。

实施例12

图11示出权利要求22中记述的充电器。采用当锂充电电池插入用的插入口31中插入了锂充电电池32时，充电器的卡爪33搭挂在电池的凹部锁定电池，充电结束后卡爪脱离，弹簧34把电池从插入口排出的构造。

实施例13

正极活性物质的结晶构造是六角晶格，而且在c轴的晶格常数小于1.421nm，晶格内锂位置的锂离子占有率为95％以上的正极活性物质中把聚偏氟乙烯(PVDF)的8.0wt％N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液作为粘接剂，进而作为导电材料添加9.0wt％的乙炔黑，把混练了的糊状物涂敷在厚度20μm的铝箔上以后，进行干燥，冲压，生成活性物质厚度72.5μm，活性物质密度3.0g/cm³的正极。使在碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合溶剂中溶解了1摩尔当量的六氟磷酸锂的电解液浸泡厚度25μm的聚乙烯多孔质膜的隔板，用该正极和锂金属把隔板夹在中间，进行了单极评价试验的结果，在充放电电位幅度4.3V～2.7V范围内能够得到超过180Ah/kg，在4.3V～3.3V的范围内能够得到超过160Ah/kg的重量容量密度。另外，如在日本特愿平7-15676号中记载的那样用硝酸银溶液使石墨粉悬浮，把在加入还原剂的同时通过还原反应析出到10wt％石墨表面数十nm的银微粒子的材料进行清洗后干燥，在其中作为粘接剂添加聚偏氟乙烯(PVDF)的8.0wt％N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液，把混练了的糊状物涂敷在厚度33μm的铜箔上以后，进行干燥，冲压，生成活性物质厚度80μm，活性物质密度1.5g/cm³的负极。把该负极和锂金属夹持浸泡了上述电解液的厚度25μm的聚乙烯多孔性膜，进行单极试验的结果，在充放电电位幅度10mV～100mV范围内能够得到超过350Ah/kg的重量容量密度。

用7片在厚度20μm的铝箔的8.5cm×8.5cm的面积上双面涂敷了该正极活性物质以及粘接剂的材料，8片在厚度33μm的铜箔的8.5cm×8.5cm的面积上双面涂敷了该负极活性物质以及粘接剂的材料，夹持厚度25μm、8.7cm×8.7cm面积的聚乙烯隔板的同时进行层叠，从两侧开始进行层叠使得在其外侧仅在单面涂敷了正极的涂敷面朝向负极，进而从其外侧用隔板夹住，做成如下的层叠构造。即，把隔板记为(S)，正极记为(C)，负极记为(A)时，成为

S/C(单侧)/(重复7次S/A/S/C/)S/A/S/C(单侧)/S的构造。

这时隔板以及电极群的总厚度成为2.93cm。正极活性物质重量是20g，负极活性物质重量是12.5g，重量容量密度方面若考虑负极活性物质大约是正极活性物质的2倍则成为负极过多的装入量，这是防止在过充电时负极一侧的锂析出反应的构造。把上述电极群收容在外形尺寸9cm×9.5cm×0.4cm，壁厚0.05cm的铝制方形电池容器中。间隙在宽度/高度/厚度方向分别是0.4cm/0.9cm/0.07cm。

产业上的可利用性

如以上所说明的那样，在电池电压4.2V～3.2V范围内具有8Wh以上的放电容量的厚度5mm，对角尺寸100～130mm的平板形电池，即对角尺寸是厚度的20倍以上的扁平电池作为信息终端设备的电源使用时，具有能够使设备薄型轻量化，还具有提高交换用电池的携带性和提高操作性的效果。这时，作为电池容器通过使用铝和塑料提供轻量的电池。用杨氏模量每平方米20牛顿以上的材料包围电池容器，使用固体电解质把电池容器内部减压，或者把电池容器的上下平面部分的一部分连接起来，或者通过设置保持残余应力的弹簧使得在电池容器内部在平面部分垂直地按压电极群，可以得到增加电极的密合性，延长电池寿命的效果。在信息终端设备的一侧通过夹住电池的平面部分局部地加入应力也能够得到相同的效果。在充电器中通过设置多片电池的插入口，个别地控制充电能够进行高效充电。另外，自动地移出充电完毕电池的机构在防止过充电以及提高操作性方面具有效果。

Claims (24)

1．一种锂充电电池，是把能够吸藏·释放锂离子的正极以及负极和隔板收纳在内部，注入了含有锂离子的电解液的非水充电电池或者使用含有锂的固体电解质的非水充电电池，其特征在于

在电池电压4.2V～3.2V的范围内，具有8Wh以上的放电容量，而且其容器外形具有平板状的形状，作为其外形尺寸，厚度为5mm以内，对角尺寸大于100mm小于130mm。

2．一种锂充电电池，是把能够吸藏释放锂离子的正极以及负极和隔板收纳在内部，注入了含有锂离子的电解液的非水充电电池或者使用含有锂的固体电解质的非水充电电池，其特征在于

在电池电压4.2V～3.2V的范围内，具有8Wh以上的放电容量，而且其容器外形具有平板状的形状，作为其外形尺寸，厚度为5mm以内，对角尺寸大于100mm小于130mm，而且上述负极作为活性物质包含在能够吸藏·释放锂的碳素材料中具有金属微粒子的材料。

3．一种锂充电电池，是把能够吸藏释放锂离子的正极以及负极和隔板收纳在内部，注入了含有锂离子的电解液的非水充电电池或者使用含有锂的固体电解质的非水充电电池，其特征在于

在电池电压4.2V～3.2V的范围内，具有8Wh以上的放电容量，而且其容器外形具有平板状的形状，其外形尺寸中的平面部分的对角尺寸是厚度的20倍以上。

4．一种锂充电电池，是把能够吸藏释放锂离子的正极以及负极和隔板收纳在内部，注入了含有锂离子的电解液的非水充电电池或者使用含有锂的固体电解质的非水充电电池，其特征在于

在电池电压4.2V～3.2V的范围内，具有8Wh以上的放电容量，而且其容器外形具有平板状的形状，其外形尺寸中的平面部分的对角尺寸是厚度的20倍以上，而且上述负极作为活性物质包含在能够吸藏·释放锂的碳素材料中具有金属微粒子的材料。

5．如权利要求1～4所述的锂充电电池，其特征在于

正极和负极以相互层叠的构造收容在容器内。

6．如权利要求1～4所述的锂充电电池，其特征在于

正极和负极以缠绕的构造收容在容器内。

7．如权利要求1～6所述的锂充电电池，其特征在于

作为正极活性物质包含镍或者钴的化合物，具有150Ah/1kg以上的重量容量密度，负极活性物质使用具有300Ah/1kg以上的重量容量密度的材料。

8．如权利要求1～6所述的锂充电电池，其特征在于

正极活性物质包含锰化合物，具有90Ah/1kg以上的重量容量密度，负极活性物质具有600Ah/1kg以上的重量容量密度。

9．如权利要求1～8所述的锂充电电池，其特征在于

收容电极的电池容器使用铝或者其合金。

10．如权利要求1～8所述的锂充电电池，其特征在于

收容电极的电池容器使用塑料。

11．如权利要求1～10所述的锂充电电池，其特征在于

电池容器表面整体或者一部分用具有每平方米20牛顿以上的杨式模量的材料包围。

12．如权利要求1～11所述的锂充电电池，其特征在于

使用固体电解质把电池容器内部减压。

13．如权利要求1～12所述的锂充电电池，其特征在于

电池容器的平面部分的上下两片在端部以外也部分地连接，提高电池容器的刚性。

14．如权利要求1～13所述的锂充电电池，其特征在于

在电池容器内部组装进在电池的平面部分沿着垂直方向按压电极群的具有残余应力的部件。

15．一种信息终端设备，其特征在于

使用权利要求1～14所述的锂充电电池。

16．如权利要求15所述的信息终端设备，其特征在于

具有液晶显示器件。

17．如权利要求15所述的信息终端设备，其特征在于

具有笔输入功能。

18．一种信息终端设备，其特征在于

具有接受权利要求1～14所述的锂充电电池的插入口，安装着通过把电池在插入口中压入到预定的深度，电池一侧端子和设备一侧的端子相连接的电池安装部分。

19．如权利要求15～18所述的信息终端设备，其特征在于

除去权利要求1～14所述的锂充电电池以外在内部还安装着机器使用时间为2小时以内容量的锂充电电池。

20．如权利要求15～19所述的信息终端设备，其特征在于

在权利要求1～14所述的锂充电电池的收容部分中，具有在固定锂充电电池时在锂充电电池的平面部分的整体或者一部分上加入每平方米1kg以上压力的装置。

21．一种充电器，其特征在于

具有接受权利要求1～14所述的锂充电电池的插入口，具有在把锂充电电池插入到预定深度的时刻自动地进入充电动作的机构。

22．一种充电器，其特征在于

能够至少同时装入2片权利要求1～14所述的锂充电电池。

23．如权利要求22所述的锂充电电池用充电器，其特征在于

能够在个别地控制多片锂充电电池的同时进行充电。

24．一种充电装置，其特征在于

在权利要求21～23所述的充电器中具有如果在插入口内插入锂充电电池则锁定锂充电电池，在充电结束的时刻排出充电完毕的锂充电电池的机构。

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