JP2000090897A5 - - Google Patents

Description

【書類名】明細書
【発明の名称】 電池パック
【特許請求の範囲】
【請求項１】 金属ラミネート樹脂フィルムを熱溶着封口した気密構造を有する電池ケースと正極板、セパレータおよび負極板を有する発電要素とを備えた電池１個又は２個以上を、少なくとも２枚の板状部材に挟み電池パックケースに収納したことを特徴とする電池パック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、携帯用無線電話、携帯用パソコン、携帯用ビデオカメラ等の電子機器が開発され、各種電子機器が携帯可能な程度に小型化されている。それに伴って、内蔵される電池としても、高エネルギー密度を有し、且つ軽量なものが採用されている。そのような要求を満たす典型的な電池は、特にリチウム金属やリチウム合金等の活物質、又はリチウムイオンをホスト物質（ここでホスト物質とは、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる物質をいう。）である炭素に吸蔵させたリチウムインターカレーション化合物を負極材料とし、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6等のリチウム塩を溶解した非プロトン性の有機溶媒を電解液とする非水電解質二次電池である。
【０００３】この非水電解質二次電池は、上記の負極材料をその支持体である負極集電体に保持してなる負極板、リチウムコバルト複合酸化物のようにリチウムイオンと可逆的に電気化学反応をする正極活物質をその支持体である正極集電体に保持してなる正極板、電解液を保持するとともに負極板と正極板との間に介在して両極の短絡を防止するセパレータを有する発電要素を備えている。
【０００４】そして、上記正極板、セパレータ及び負極板は、いずれも薄いシートないし箔状に成形されたものを順に積層、又は螺旋状に巻いて、気密構造を有する金属ラミネート樹脂フィルムからなる電池ケースに収納される。
【０００５】この非水電解質二次電池を電子機器に用いる場合、１個又は複数個を直列接続したものとして所某の電圧を得るようにする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】金属ラミネート樹脂フィルムを熱溶着してなる電池ケースを用いた電池は、使用中の物理衝撃対策として、また取り扱う際の利便性向上のために、電池パックケースに格納した電池パックとして用いられることが多い。この電池パックケースとしては、従来、樹脂製、金属製または樹脂と金属のハイブリッド製等が提案されている。
【０００７】
【０００８】 従来の金属ケースを用いた電池と金属ラミネート樹脂フィルム製電池ケースを用いた電池とを比較すると、金属ラミネート樹脂フィルムからなる電池ケースは、内部に収容された発電要素を圧迫する能力に劣り、その発電要素自体の変形や正極板と負極板の電極間の不均一を生じやすい問題があった。その結果、充放電反応における電池内での電流は、正極板および負極板の電極間距離が相対的に短い部分に集中してしまい、局部的に電流密度が高くなり、その結果高率放電性能が劣るという問題があった。また、急速充電時には、電流が集中してしまう部分に金属リチウムが析出し、内部短絡等の安全面においても大きな問題が生じた。
【０００９】
【００１０】
【００１１】 金属ラミネート樹脂フィルムを電池ケースに用いた場合でも、高率放電性能を金属ケースを用いた電池と同等かそれ以上とする必要がある。すなわち、何らかの手段を施すことによって、正極板および負極板間の距離を一定にする必要があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明になる電池パックは、上記問題を鑑みてなされたものであり、金属ラミネート樹脂フィルムを熱溶着封口した気密構造を有する電池ケースと正極板、セパレータおよび負極板を有する発電要素とを備えた電池１個又は２個以上を、少なくとも２枚の板状部材に挟み電池パックケースに収納したことを特徴とする。
【００１３】本発明になる電池パックは、金属ラミネート樹脂フィルムケースを用いた電池１個又は２個以上を少なくとも２枚の板状部材に挟むことにより、金属ラミネート樹脂フィルムケース中の発電要素全体にわたって圧迫し、正・負極板の電極間距離が均一に保つことができる。その結果、電池パックの高率放電性能を向上させ、充電時における金属リチウムの析出を抑制し、安全性を確保することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。
【００１５】
【実施例１】図２は本発明の構成要素である電池の外観を示した図である。図２において、４は非水電解質二次電池であり、５は金属ラミネート樹脂フィルム製電池ケース、６および７は金属ラミネート樹脂フィルムケースの熱溶着部、８は正極端子、９は負極端子である。正極板、セパレータおよび負極板を有する発電要素が非水系の電解液（図示省略）とともに金属ラミネート樹脂フィルムを熱溶着してなる電池ケース５に収納されている。
【００１６】正極活物質にはリチウムコバルト複合酸化物を用いた。正極板は集電体に上記のリチウムコバルト複合酸化物が活物質として保持したものである。集電体は厚さ１０μｍのアルミニウム箔である。正極板は、結着剤であるポリフッ化ビニリデン６部と導電剤であるアセチレンブラック３部とを活物質９１部とともに混合し、適宜Ｎ−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製した後、その集電体材料の両面に塗布、乾燥することによって製作した。
【００１７】負極板は、集電体の両面に、ホスト物質としてのグラファイト（黒鉛）９２部と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン８部とを混合し、適宜Ｎ−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製したものを塗布、乾燥することによって製作した。負極板の集電体は厚さ１４μｍの銅を用いた。
【００１８】隔離体はポリエチレン微多孔膜とし、また、電解液は、ＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｌ含むエチレンカーボネート：ジエチルカーボネート＝４：６（体積比）の混合液とした。
【００１９】極板の寸法は、正極板が厚さ１８０μｍ、幅４９ｍｍ、セパレータが厚さ２５μｍ、幅５３ｍｍ、負極板が厚さ１７０μｍ、幅５１ｍｍであり、順に重ね合わせてポリエチレンの長方形状の巻芯を中心として、その周囲に長円渦状に巻いた後、金属ラミネート樹脂フィルム製電池ケース５に収納した。
【００２０】図３は、図２に示した非水電解質二次電池のＡ−Ａ′断面を示したものである。図３において、１０は最外層の表面保護用の１２μｍのＰＥＴフィルム、１１はバリア層として９μｍのアルミニウム箔、１２は熱溶着層として１００μｍの酸変性ポリエチレン層であり、気密封口用のラミネートフィルムケースは１０と１１と１２からなり、最外層の表面保護用ＰＥＴフィルム１０とバリア層としてのアルミニウム箔１１はウレタン系接着剤で接着している。
【００２１】また、図３において、１３は接着層、１４は電解液バリア層であり、正極リード端子８および負極リード端子９は、５０から１００μｍの銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属導体に金属との接着層１３を形成する５０μｍの酸変性ＰＥ層を接着し、その外側に電解液バリア層１４として７０μｍのエバール樹脂（クラレ製のエチレンビニルアルコール共重合樹脂）層を設けたものである。これらを図３のように重ねて接着すると良好な気密性が得られる。
【００２２】上記のようにして製作した電池を２枚の板状部材の間にはさみ、熱収縮チューブに収め、１５０℃で２分暖めて熱収縮チューブを収縮させて電池パックケースとした電池パックを製作した。
【００２３】図１は製作した上記電池パックの断面を示したもので、１は電池、２は板状部材としての厚さ０．３ｍｍのステンレス板、３は熱収縮チューブである。
【００２４】なお、実施例では電池１個を収納した電池パックについて説明したが、本発明になる電池パックは、使用目的の電圧に応じて複数個の電池を収納してもよい。その一例として、図４は電池３個を収納した電池パックの断面を示したもので、図４における記号１、２、３は図１と同じものを示しており、２′は２と同じ板状部材としてのステンレス板である。ただし、板状部材２は必ず必要であるが、板状部材２′は使用してもよいし、場合によっては使用しなくてもよい。
【００２５】
【実施例２】図５に示したように、板状部材としてのステンレス板の端部を折り曲げて、電池全体を覆うようにした以外は、実施例１と同様の電池パックを製作した。
【００２６】
【実施例３】板状部材としてのステンレス板を穿孔板として軽量化した以外は、実施例１と同様の電池パックを製作した。
【００２７】
【実施例４】板状部材としてのステンレス板の機械的強度を向上させるため、ステンレス板にハニカム構造を有するものを用いた他は、実施例１と同様の電池パックを製作した。
【００２８】
【実施例５】板状部材として、電池の形状にあわせた形状のステンレス板を用いた他は、実施例１と同様の電池パックを製作した。その斜視図を図６に示す。図６において、４は電池であり、図２で示した非水電解質二次電池と同じ形状である。１５は単電池の上部を覆う板状部材としてのステンレス板、１６は電池の下部を覆う板状部材としてのステンレス板である。ここでは、電池４を２枚のステンレス板１５と１６の間にはさみ、全体を熱収縮チューブでつつんで、電池パックとした。
【００２９】
【比較例】実施例1に記載した電池を、従来より用いられているポリブチレンフタレート（ＰＢＴ）製の電池パックケースに収納した電池パックを作製した。
【００３０】実施例１の電池パックと比較例の電池パックを、１ＣｍＡ／４．２Ｖ−３時間の条件で充電後、２５℃において０．２〜３ＣｍＡの各放電率で２．７５Ｖまで放電した。
【００３１】図７は、実施例１の電池パックと比較例の電池パックの、放電率と放電容量の関係を示したものである。図７において、Ａは実施例１の電池パックの特性を、またＢは比較例の電池パックの特性を示す。図７から、本発明になる実施例１の電池パックは高率放電特性に優れていることがわかった。なお、実施例２〜５の電池パックの特性は、実施例１の電池パックとまったく同じであった。
【００３２】また、実施例１〜５の電池パックおよび比較例の電池パックを樹脂で固めた後、巻回方向において切断して、電池の断面を観察したところ、比較例の電池パックでは、正極板と負極板の極間距離は、電池中央部で広く、Ｒ部では狭くなっていた。一方、実施例１〜５の電池パックでは、すべての電池パックにおいて、どの部分においても正極板と負極板の極間距離は均一であった。
【００３３】以上の結果から、本発明になる電池パックにおいては、電池が複数の板状部材ではさまれるので、電池ケースに収納された発電要素が圧迫を受け、巻回された発電要素が膨らんで正極板と負極板の極板間隔が不均一になることを抑制することができる。その結果、本発明になる電池パックでは、高率放電性能が優れるものである。
【００３４】次に、実施例１〜５の電池パックおよび比較例の電池パックを２ＣｍＡ／４．２Ｖ−３時間充電後に解体して、発電要素を観察した。比較例の電池パックでは、負極表面に金属リチウムが析出していることが確認されたが、本発明になる実施例１〜５の電池パックにおいては、金属リチウムの析出はまったく見られなかった。この結果から、本発明になる電池パックは、急速充電時においても、負極表面での金属リチウムの析出を抑制することが可能となり、電池パックの安全化をはかることができる。
【００３５】また、本発明になる実施例１〜５の電池パックはいずれも電池を薄いシート状のソフトケースに収納しているので、シーリング工程の煩雑さを解消することができ、もって安価な製造が可能となる。
【００３６】
【００３７】本発明に使用する電池の発電要素としては、実施例で述べた正極板・セパレータ・負極板を巻回した形状に限定されるものではなく、箔状に成形した平板状の極板を積層した形状等も使用可能である。
【００３８】なお、実施例においては、電池を１個使用し、板状部材２枚で電池を両側から挟んだ場合について述べたが、電池を複数個使用する場合には２枚以上の板状部材を使用してもよい。すなわち、電池を複数個積層する場合には、両端から２枚の板状部材で挟み、さらに各電池間に板状部材を使用することもできる。ただし、各電池間の板状部材は使用してもよいし、使用しなくてもよい。
【００３９】また、板状部材の形状は、軽量化と強度の向上が可能である形状であれば、どのような形状のものを使用してもよいし、板状部材の材料は金属や樹脂あるいは金属と樹脂を組み合わせたもの等、機械的強度の優れたものならどのような材料を使用してもよい。
【００４０】なお、実施例において、ラミネート樹脂フィルムの熱溶着部の材質としてポリエチレンを例として述べたが、これは、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性高分子材料であればどのような物質でもよい。
【００４１】また、実施例では、電池パックケース部材としては、熱収縮チューブを使用したが、これにかぎるものではなく、ゴム材料とくに耐熱性ゴム等の高分子材料も使用できる。
【００４２】電解液溶媒として、実施例ではエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶液を用いているが、これに限定されるものではなく、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、メチルアセテート等の極性溶媒、もしくはこれらの混合物を使用してもよい。
【００４３】また、実施例では、セパレータとしては絶縁性のポリエチレン微多孔膜を使用し、これに電解液を含浸したものを使用したが、これ以外にも高分子固体電解質、高分子固体電解質に電解液を含有させたゲル状電解質等も使用できる。また、絶縁性の微多孔膜と高分子固体電解質等を組み合わせて使用してもよい。さらに、高分子固体電解質として有孔性高分子固体電解質膜を使用する場合、高分子中に含有させる電解液と、細孔中に含有させる電解液とが異なっていてもよい。
【００４４】さらに、前記実施例においては、正極材料たるリチウムを吸蔵放出可能な化合物としてリチウムコバルト複合酸化物を使用しているが、これに限定されるものではなく、この化合物の結晶中においてコバルト原子の占める格子位置をニッケル、マンガン、アルミニウムなどの原子で置換したものでもよい。
【００４５】さらに、前記実施例においては、負極材料たる化合物としてグラファイトを使用しているが、その他に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｃｄ等とリチウムとの合金、ＬｉＦｅ2Ｏ3、ＷＯ2、ＭｏＯ2等の遷移金属酸化物、グラファイト、カーボン等の炭素質材料、Ｌｉ5（Ｌｉ3Ｎ）等の窒化リチウム、もしくは金属リチウム箔、又はこれらの混合物を用いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば高率放電性能および急速充電時の安全化を高めた電池パックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる実施例１の電池パックの断面図。
【図２】本発明に使用される電池の説明図。
【図３】 図に示した電池のＡ−Ａ′断面図。
【図４】本発明になる電池パックの他の例の断面図。
【図５】本発明になる実施例２の電池パックの断面図。
【図６】本発明になる実施例５の電池パックの断面図。
【図７】本発明になる実施例１および比較例の電池パックの各率放電性能を示した図。
【符号の説明】
１ 電池
２ 板状部材
３ 電池パックケース