JP2000100404A5 - - 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積層して長円渦状に巻回した発電要素とを備えた扁平状電池１個又は２個以上を電池収納容器に収納した電池パックにおいて、電池ケースの熱溶着部を電池の扁平状面に発電要素の巻回軸と平行して配するとともに、前記熱溶着部を電池収納容器の内面もしくは他の電池に接触させ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容器に収納される。
【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、電池収納容器に格納して用いられることが多い。
【０００７】従来の金属製電池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、後者は電池ケース内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に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。
【０００８】また、非水電解質電池に限らず電池を電源とする機器の場合、機器全体の軽量化及び安全化の要請は尽きることがない。さらには、電池性能が既存品以上であって、軽く、しかも安全であるほどユーザーに好まれる。このようなユーザーの要請に対応するためには、上記問題を解決しなければならず、軽量化を図るために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製電池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均一にする必要があった。
【０００９】
【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積層して長円渦状に巻回した発電要素とを備えた扁平状電池を、１個又は２個以上を電池収納容器に収納した電池パックにおいて、電池ケースの熱溶着部を電池の扁平状面に発電要素の巻回軸と平行して配するとともに、前記熱溶着部を電池収納容器の内面もしくは他の電池に接触させたことを特徴とする。
【００１０】本発明によれば、電池ケースの熱溶着部が、電池の扁平状面に発電要素の巻回軸と平行して配するとともに、熱溶着部が電池収納容器内面あるいは他の電池と接触するので、電池ケース内に収容された発電要素を圧迫し、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解消して、充放電反応における電池内での電流密度を均一にすることによって、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。
【００１１】
【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。
【００１２】
【実施例】図２は本発明の構成要素である扁平状電池の外観を示した説明図である。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、７および８は金属ラミネート樹脂フィルム電池ケースの熱溶着部、９は正極端子、１０は負極端子である。３か所ある金属ラミネート樹脂フィルムの熱溶着部のうち、６は端子を取り出す熱溶着部、７は端子を取り出さない熱溶着部、８は電池の扁平状面に６および７に対して直角方向に配された熱溶着部である。正極板、セパレータおよび負極板を積層して巻回した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に収納した。なお、熱溶着部８の方向と発電要素の巻回軸方向は平行になっている。【００１３】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を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。
【００１４】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。
【００１５】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（ＥＣ）：ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）＝４：６（体積比）の混合液とした。
【００１６】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、金属ラミネートフィルム樹脂製電池ケース５に収納した。
【００１７】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、１１は最外層の表面保護用の１２μｍのＰＥＴフィルム、１２はバリア層として９μｍのアルミニウム箔、１３は熱溶着部としての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１１と１２と１３とからなり、最外層の表面保護用のＰＥＴフィルム１１とバリア層としてのアルミニウム箔１２はウレタン系接着剤で接着している。
【００１８】また、図３において、１４は接着層、１５電解液バリア層であり、正極リード端子９および負極リード端子１０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１４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１５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。
【００１９】上記のように製作した電池を、ステンレス板と樹脂板からなる電池収納容器に収納し、電池の発電要素の巻回軸方向と平行の位置にある熱溶着部を電池収納容器の内面に接触させた電池パックを製作した。
【００２０】図１は製作した電池パックの断面を示したもので、図１において、１は電池、２はステンレス板、３は樹脂板であり、ステンレス板２と樹脂板３とで電池収納容器を構成した。また、８は電池の扁平状面に発電要素の巻回軸方向と平行の位置に配した熱溶着部であり、電池収納容器を構成するるステンレス板２の内面に接触させた。
【００２１】
【比較例】実施例で示した方法で作製した電池１を、図４に示したように、ステンレス板２と樹脂板３からなる電池収納容器に収納し、電池の発電要素の巻回軸方向と平行の位置にある熱溶着部８が電池収納容器を構成しているステンレス板の内面に接触していない電池パックを製作した。
【００２２】実施例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。
【００２３】図５は、実施例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５において、Ａは実施例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５から、本発明になる実施例の電池パックは高率放電性能に優れることがわかった。
【００２４】また、実施例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、実施例の電池パックでは、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。
【００２５】以上の結果から、本発明になる電池パックにおいては、電池の発電要素の巻回軸方向と平行の位置にある熱溶着部８が電池収納容器によって圧迫されることによって、金属ラミネート樹脂製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・負極板の極間距離が不均一になってしまうことを抑制できることが推察され、その結果、実施例の電池パックでは、高率放電性能が優れるものである。
【００２６】なお、金属ラミネート樹脂フィルム製電池ケースの溶着部８が、ラミネート単電池の発電要素の巻回軸方向と平行でない場合には、極板群全体に均一な圧力が加わらないので、正・負極板の極間距離の不均一な状態が是正されない。
【００２７】つぎに、実施例および比較例の電池を、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、負極板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、負極板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、安全化をはかることができた。
【００２８】すなわち、本発明における最大の効果は、金属ラミネート樹脂フィルム製電池ケースを備えた電池を電池収納容器に収納してなる電池パックの高率放電性能を確保することができるところにある。
【００２９】
【００３０】
【００３１】なお、実施例においては、電池収納容器の材質として、ステンレス板と樹脂板を使用したが、これ以外の金属や金属と樹脂の張り合わせなど、種々の固い板の使用が可能である。
【００３２】また、実施例においては、電池１個を電池収納容器に収納した場合について述べたが、電池を複数個積み重ねて、１つの電池収納容器に収納して電池パックとしてもよい。この場合には、積み重ねたいちばん端に位置する電池の発電要素の巻回軸方向と平行の位置にある熱溶着部は電池収納容器に接触して圧迫され、これ以外の電池の発電要素の巻回軸方向と平行の位置にある熱溶着部は他の単電池に接触して圧迫されている。
【００３３】なお、実施例においては、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、これに限定されるものではなく、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。
【００３４】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、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、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。
【００３５】また、実施例において、有機溶媒に溶解するリチウム塩としてはＬｉＰＦ6を使用したが、リチウム塩としてはこれに限定されるものではなく、ＬｉＢＦ4、 ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣＦ3ＣＯ2、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＣＯＣＦ3）2およびＬｉＮ（ＣＯＣＦ2ＣＦ3）2などの塩もしくはこれらの混合物でもよい。
【００３６】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。
【００３７】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化合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ニッケル原子の占める格子位置を少量のニッケル、マンガン、アルミニウムなどの原子で置換したものでもい。
【００３８】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。
【００３９】
【発明の効果】本発明になる電池パックは、高率放電性能に優れ、携帯用電子機器の部品として有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる実施例の電池パックの断面図。
【図２】本発明の構成要素である電池の説明図。
【図３】 上記電池のＡ−Ａ′断面図。
【図４】比較例の電池パックの断面図。
【図５】本発明になる実施例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 ステンレス板
３ 樹脂板
８ 電池の扁平状面に発電要素の巻回軸と平行に設けられた熱溶着部