JP2001167793A

JP2001167793A - 固体状電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001167793A
Application number: JP35141999A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Yoshihisa; 洋悦吉久
Original assignee: Yuasa Corp; Yuasa Battery Corp
Current assignee: Yuasa Corp
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】負極にカーボンを用いたリチウムイオン電池
において、正極、セパレータ、負極が一体となったマザ
ー電池を裁断する際、短絡を導く恐れがなく、電気的特
性に優れ、生産性に優れたポリマー電解質リチウムイオ
ン電池を提供することを目的とする。【構成】正極、セパレータ、負極で構成される極群が
段差のない裁断面を有し、ポリマー電解質セパレータの
厚さが１０〜５０μｍ、圧縮破断強度が１〜１０kｇ／c
ｍ²とすることで、上記目的を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はポリマー電解質を用
いた電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子技術の大きな進歩により、一
般ユーザー向けの携帯機器の小型軽量化が進んでいる。
電池に対しては優れた電気的特性、低コスト、優れた安
全性が求められている。電解質がポリマーによって固体
化されたポリマー電解質電池は、漏液の恐れが無く、液
系に比べ安全性に優れ、形状の自由度が高い等の優位点
を有しており、小型機器用電源として注目されている。

【０００３】ポリマー電解質電池における電極とセパレ
ータのサイズの関係について、米国特許第５６７０２７
３号には、セパレータを電極より大きくし、正極と負極
の接触による短絡を防ぐ構造が示されている。このよう
な構造を実現するには、セパレータと電極を別個に作製
し、積層する必要がある。しかし、この方法では、積層
工程での位置合わせが難しく、生産性に劣るといった欠
点があった。また、電極もセパレータも固体であるの
で、両者の接触界面抵抗が大きく、ハイレート放電での
性能が劣るといった問題があった。

【０００４】電極とセパレータとの接触界面抵抗を低減
させるため、米国特許第４９２５７５１号には、未硬化
の電極上に液状のポリマー電解質前駆体をコートし、一
体化して硬化することが提案されている。また特開平１
１−４０２０１号には、電極とポリマー電解質セパレー
タとを接着剤で接着することが提案されている。

【０００５】また、生産性を高めるため、特開平１１−
９７０６５号には、大面積のマザー電池から鋭利な刃物
で所定のサイズに裁断し、電池とすることが提案されて
いる。この場合、裁断箇所において正極と負極が接触
し、短絡するが、自己回復機能により、短絡状態が継続
しないとの記載がある。しかし、前記自己回復機能が発
現するためには、負極が、正極と接触した途端に放電に
より溶解消失する性質を持った金属リチウム等である場
合に限られていた。さらに詳細に述べると、正極、セパ
レータ、負極が一体となったマザー電池を裁断する際、
これら各部品の強度が異なるため、裁断面において部品
間に段差が生じやすい。このように、段差が生じると、
短絡を導く恐れがある。このとき、負極が金属リチウム
であれば、たとえ短絡が生じても、前記溶解消失によ
り、短絡が解消される。しかしながら、負極にカーボン
を用いている場合、裁断時の段差によって短絡を導く
と、カーボンは放電により溶解消失しないので、短絡状
態が解消することがない。特に、カーボン負極に用いる
カーボン粒子は硬いため、裁断面に段差を生じやすく、
短絡発生の恐れが高くなるといった問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑み、なされたものであり、負極にカーボンを用いたリ
チウムイオン電池において、正極、セパレータ、負極が
一体となったマザー電池を裁断する際、短絡を導く恐れ
がなく、電気的特性に優れ、生産性に優れたポリマー電
解質リチウムイオン電池を提供しようとするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１は、正極、セパレータ、負極で構成さ
れる極群が裁断面を有し、前記裁断面の正極とセパレー
タ、負極とセパレータの境界に段差が無く、前記極群の
セパレータがポリマーで固化された固体状電解質であ
り、正極、固体状電解質、負極が一体に接着されて成る
ことを特徴とする固体状電池である。

【０００８】即ち、大面積の極群から所定のサイズに裁
断し、電池とする技術を、負極にカーボンを用いたリチ
ウムイオン電池に適用するため、基板上に活物質粒子を
主成分とする合剤層が担持された正極及び負極を備えた
極群の前記裁断面を段差のない状態とすることにより、
極群のエッジ部分で正極と負極が接触することによる短
絡発生を防ぐことができる。段差があっても、周縁部全
てでセパレータが電極より突出している場合は短絡の恐
れがないが、例えば図６に示すように、正極とセパレー
タの境界に段差があり、正極がセパレータよりも外側に
はみ出している場合には、エッジ部分において短絡に至
る恐れがある。一方の極が例えば金属リチウムのよう
に、放電により溶解して消失する場合には短絡が解消す
ることもあるが、正極に金属酸化物を用い、負極にカー
ボンを用いたリチウムイオン電池のように、どちらも不
溶性電極の場合、前記解消は望めない。本発明によれ
ば、このような不溶性電極の場合でもエッジ部分での短
絡発生を起こすことがない。

【０００９】また、セパレータがポリマーで固化され、
正極、固体状電解質、負極が一体に接着されているの
で、裁断時や裁断後も互いの位置がずれることがなく、
生産性に優れている。ここで用いる固体状電解質とは、
ポリマー電解質の他、リチウム燐酸塩やリチウム珪酸塩
等の無機固体電解質粉末に少量の結着剤を添加してプレ
ス成形したものや、無機固体電解質粉末にゴム等の結着
剤を相当量添加してシート化したものなどを用いること
ができる。

【００１０】本発明の第２は、前記固体状電解質がポリ
マー電解質であって、その厚さが１０〜５０μｍ、圧縮
破断強度が１〜１０kｇ／cｍ²であることを特徴とする
固体状電池である。

【００１１】即ち、発明者らは、段差がなく、短絡を生
じない裁断面を得ることを目的とし、そのための条件に
ついて鋭意検討した結果、セパレータに用いるポリマー
電解質の厚さ及び圧縮破断強度の値を上記範囲に限定す
ることで、前記目的を達成できることを見い出した。圧
縮破断強度は１kｇ／cｍ²以上であることが必要であ
り、さらに望ましくは２ｋｇ／cｍ²以上である。圧縮破
断強度が１kｇ／cｍ²未満の場合は、裁断工程やパッケ
ージングの工程において、極群エッジ部分のセパレータ
層が崩れ、短絡に至ることが多い。逆に、圧縮破断強度
が１０kｇ／cｍ²を超えると、裁断時に刃の当たる部分
のポリマー電解質が圧縮変形されるので、裁断後、ポリ
マー電解質が元の厚さに復帰することにより裁断面が歪
んでしまい、平滑な裁断面が得られない。また、裁断時
に加わる大きな押圧のため、正極及び負極合剤が裁断面
において崩壊しやすく、崩壊した合剤片が正極・負極間
を橋渡しして短絡を起こすことがある。また、厚さが１
０μｍ未満であると、セパレータ自体が押圧によって破
壊されやすく、５０μｍを超えると、電池の容積効率が
低くなる。例えば正極及び負極を１００μｍとしたと
き、セパレータの厚さが５０μｍを超えると、極群に占
めるセパレータの占有体積比率が約２０％を越え、実用
的でない。また、セパセータの電気抵抗が大きくなり、
電池の内部抵抗を増大させるので高率放電特性を低下さ
せる。

【００１２】本発明の第３は、複数の単電池が積層され
て成り、前記単電池の電極タブが表面に絶縁層を有する
ことを特徴とする固体状電池である。

【００１３】即ち、複数の単電池を積層する場合、電極
タブの表面に絶縁層を設けることで、電極タブによって
裁断面の正極と負極を短絡させることを防ぐことができ
る。

【００１４】本発明の第４は、正極、セパレータ及び負
極を積層し、ポリマーを固化して一体化し、極群の周縁
部を裁断することを特徴とする固体状電池の製造方法で
ある。

【００１５】即ち、積層してから固体化し、裁断すると
いう手順を用いることで、正極、セパレータ及び負極の
各部品が接着されて一体となっているので、裁断後も互
いの位置がずれることがなく、凹凸のない裁断面を得る
ことができ、生産性にも優れる。また、積層後にポリマ
ーを固化するので、各部品の接触界面抵抗を小さくする
ことができる。ここで、一体とは、正極、セパレータ、
負極が互いに接着され、界面での剥離を生じない状態を
いう。正極、セパレータ、負極を裁断後積層していた従
来方法では、積層工程での位置決めに高い精度が要求さ
れるので製造設備が高価となり、かつ工程も複雑であっ
たが、本発明のように大面積のマザー極群を裁断して所
定の形状、サイズの極群を作る方法により、工程が簡素
になり、安価な設備で製造ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、実施例に基づき、本発明を
詳細に説明するが、本発明は以下の記述に限定されるも
のではない。

【００１７】図１は、本発明電池の断面図である。正極
１、セパレータ２、負極３からなる極群は、パッケージ
４内に収納されている。正極端子５及び負極端子６は、
それぞれ極群の正極１の正極タブ８及び負極３の負極タ
ブ９に接続し、パッケージを貫通して外部に通じてい
る。正極１はアルミニウム箔基板上に活物質層がコート
されている。負極３は銅箔基板上に活物質層がコートさ
れている。セパレータ２は電解液を含む架橋型ポリマー
電解質であって、不織布に保持されている。前記ポリマ
ー電解質は、正極及び負極の活物質層にも含有され、そ
れぞれセパレータと連続したイオン伝導相を形成してい
る。正極、セパレータ及び負極は、前記連続相を成す固
体状電解質によって一体に接着されている。

【００１８】極群の周縁部においては、正極とセパレー
タの境界、負極とセパレータの境界に段差の無い裁断面
７を有している。

【００１９】図２もまた、本発明電池の断面図であり、
二組の単電池を、両者の負極基板同士が背中合わせにな
るように積層し、並列に接続している。このように、複
数の単電池が積層され、並列接続された電池において
は、それぞれの単電池の電極から集電を取る必要があ
る。具体的には、各電極に集電用タブを配置し、正極同
士、負極同士を各々接続し、それぞれを正極端子、負極
端子に接続する必要がある。図３に、図２の本発明電池
の端子部を拡大して示す。二個の単電池の正極タブ８同
士、負極タブ９同士を接続している。このとき、正極タ
ブ８と負極３の裁断面が近接しているが、正極タブ８及
び負極タブ９の表面が絶縁層で覆われているので、短絡
することがない。絶縁層の材質は、合成樹脂塗膜を用い
てもよく、セパレータと同じ材料のポリマー電解質塗膜
を用いてもよい。

【００２０】ポリマー電解質の前駆体には、電解液に重
合性モノマー又はマクロマーを加えた液体が用いられ
る。必要に応じて重合開始剤を加えてもよい。前記ポリ
マー電解質の前駆体は、正極、負極及びセパレータ用ス
ペーサに含浸される。含浸方法として、減圧含浸を用い
てもよい。ここで用いられるセパレータ用スペーサは、
電解質を含浸していない状態で正極と負極の間に挟まれ
たとき、短絡が生じないことが求められる。具体的に
は、孔の目が小さく、所定の厚さを有するものが好適に
用いられ、不織布の場合では、孔径２５μｍ以下、厚さ
１０μｍ以上とすることが経験的に好適である。

【００２１】電解質前駆体が含浸された正極及び負極
は、同じく前駆体が含浸されたセパレータ用スペーサを
介して活物質層同士が対向するように積層される。積層
後、電子線等の活性光線の照射または加熱処理等によ
り、電解質中の重合性モノマーまたはマクロマーを重合
架橋し、電解質を固体化させる。

【００２２】本処理により、正極、セパレータ、負極に
連続した固体状電解質の相が形成され、一体に接着され
た大面積のマザー極群を得る。前記マザー極群を所定の
サイズ、形状に裁断することにより、極群を得る。

【００２３】裁断の際、図４のように、基板の活物質未
塗工部１０を突起状に残して裁断することにより、電極
タブを形成してもよい。

【００２４】上記方法では、正極、セパレータ用スペー
サ、負極は、それぞれ電解質の前駆体を含浸してから積
層する手順をとったが、前記手順に限定されるものでは
なく、それぞれを積層してから電解質の前駆体を含浸す
る手順をとってもよい。あるいは、正極、セパレータ用
スペーサ、負極のうち、いずれか一つ、または二つをあ
らかじめ完全固化あるいは半固化させておき、これに残
りの未固化の層を積層した後、固化させる手順をとって
もよい。半固化とは、重合性モノマーまたはマクロマー
の重合が不完全で重合性官能基が残存している状態をい
う。このとき、積層する一方が完全固化状態であって
も、他方が半固化もしくは未固化であれば、連続したイ
オン伝導相を形成することができ、かつ十分な接着強度
が得られる。

【００２５】本発明はまた、セパレータのサイズを電極
のサイズより大きく設計した従来電池に比べ、体積エネ
ルギー密度を大きくできる利点がある。図５に示すよう
に、セパレータサイズを大きくした場合、極群の周縁部
の外側に、発電に寄与しない部分の容積（デッドスペー
ス）が大きく生じる。本発明においては、極群の周縁部
を段差の無い裁断面にすることができるので、デッドス
ペースを小さくでき、体積エネルギー密度の高い電池が
設計できる。また、従来電池において、短絡に至らない
程度の段差がある場合においても、はみ出た部分の活物
質は放電に寄与しないので、体積エネルギー密度を下げ
る原因になる。この点についても、本発明においては、
極群の周縁部を段差の無い裁断面にすることができるの
で、体積エネルギー密度を高める効果がある。

【００２６】以上、平板型極群を例にとって本発明を説
明したが、固化を完了した極群を巻き込んだり、折り畳
んだりする巻回式極群、折り畳み式極群に適用しても、
同様の効果が得られる。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は、サイズの
自由度が高く、電気的特性に優れ、生産性に優れた固体
状電池を提供することができるので、工業的価値の高い
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明電池の断面図である。

【図２】本発明電池の断面図である。

【図３】本発明電池の端子部拡大図である。

【図４】本発明電池の極群裁断方法の一例を示す図であ
る。

【図５】従来電池の断面図である。

【図６】従来電池の断面図である。

【符号の説明】

１正極２セパレータ３負極７裁断面８極群周縁部の裁断面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極、セパレータ、負極で構成される極
群が裁断面を有し、前記裁断面の正極とセパレータ、負
極とセパレータの境界に段差が無く、前記極群のセパレ
ータがポリマーで固化された固体状電解質であり、正
極、固体状電解質、負極が一体に接着されて成ることを
特徴とする固体状電池。
【請求項２】前記固体状電解質がポリマー電解質であ
って、その厚さが１０〜５０μｍ、圧縮破断強度が１〜
１０kｇ／cｍ²であることを特徴とする請求項１記載の
固体状電池。
【請求項３】複数の単電池が積層されて成り、前記単
電池の電極タブが表面に絶縁層を有することを特徴とす
る請求項１又は２記載の固体状電池。
【請求項４】正極、セパレータ及び負極を積層し、ポ
リマーを固化して一体化し、極群の周縁部を裁断するこ
とを特徴とする請求項１、２又は３記載の固体状電池の
製造方法。