JP2002042880A - 電極積層体、およびそれを用いたシート状ポリマー電池 - Google Patents

電極積層体、およびそれを用いたシート状ポリマー電池

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敏博 厨子
Mitsuhiro Marumoto
光弘 丸本
Itaru Gosho
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正極シートの位置ずれが起こりにくく、かつ
各部材間の密着性に優れる電極積層体、および各特性が
安定して得られるとともに生産性に優れるシート状ポリ
マー電池を提供する。 【解決手段】 負極活物質層7,8を有する面を対向さ
せた負極シート2,3間に、両面に正極活物質層9,1
0を有する正極シート4を、固体電解質フィルム5,6
を介して積層してなり、負極シート2,3および固体電
解質フィルム5,6は、負極活物質層7,8が固体電解
質フィルム5,6に接し、かつ固体電解質フィルム5,
6が正極シート4を包囲するように挟み、対向する固体
電解質フィルム5,6同士が互いに隣接し得るように周
縁で湾曲し、固体電解質フィルム5,6が、隣接する固
体電解質フィルム6,5および負極活物質層7,8に固
着された固着部分を有する電極積層体1、およびそれを
用いたシート状ポリマー電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極シートと負極
シートとを固体電解質フィルムを介して積層させた電極
積層体、およびそれを用いたシート状ポリマー電池に関
する。
【0002】
【従来の技術】携帯型の電話やパソコンなどの電子機器
用の電池として、放電容量の大きいリチウムイオン二次
電池が脚光を浴びている。このリチウムイオン二次電池
として、主として円柱状や箱状など、立体型電池が知ら
れている。このような立体型電池は、たとえば帯状の正
極、負極およびセパレータを、正極と負極との間にセパ
レータを介在させた状態で捲回し、この捲回物を適宜の
電池缶などに収容することで形成される。
【0003】従来、リチウムイオン二次電池としては、
上記のような立体型電池が主流であったが、近時、小型
化ならびに軽量化の点から、シート状のリチウムイオン
二次電池に関心が高まっている。図7は、シート状リチ
ウムイオン二次電池の電極積層体の一例を簡略化して示
す斜視図であり、図8は、図7の切断面線VIII−V
IIIからみた断面図であり、図9は正極シートおよび
セパレータの構造を示す簡略化した斜視図である。従来
の電極積層体51は、図7および図8に簡略化して示す
ように、正極シートがセパレータを介して必ず負極シー
トに挟まれるように配置されて積層方向Bに沿って順次
積層されてなる構造を有する。図7および図8には、便
宜上二枚の負極シート52,53と一枚の正極シート5
4しか示していないが、実際には電極積層体51は、電
池一個分となるまで積層方向Bに沿って上記のように積
層された構造を有する。この際、セパレータ55を介し
て隣り合う負極シート52,53および正極シート54
は、各々負極活物質層と正極活物質層とが必ず対向する
ように配置される。
【0004】セパレータ55は、正極シートと負極シー
トとを対向させかつ正極シートが負極シートからはみ出
さないようにするため、さらには作業の効率性を向上さ
せるため、正極シートを完全に包囲して負極シートとの
物理的接触を無くすよう袋状に形成される。正極シート
54は、図9に示すように袋状のセパレータ55内にそ
れぞれ収容される。このような袋状のセパレータ55
に、図7および図8に示すように負極シート52,53
をそれぞれ隣接させることで、負極シート52,53お
よび正極シート54が、それぞれセパレータ55を介し
た状態で積層される。上述したような構造を有する電極
積層体51は、上記のように積層された状態で粘着テー
プなどで巻いて電池一個分として固定され、たとえば図
示しない防水性の袋体に収容し、次いで該袋体内に液体
の電解質を充填して封止される。
【0005】正極シート54は、金属箔などの集電体上
に、正極活物質に導電材やバインダーなどを混合させて
なる上記正極活物質層が設けられて形成される。同様
に、負極シート52,53は、集電体上に負極活物質を
含有する負極活物質層が設けられて形成される。通常、
正極活物質としてはリチウム含有遷移金属酸化物が用い
られ、負極活物質としては黒鉛化炭素が用いられる。
【0006】このようなシート状リチウムイオン二次電
池は、上記小型化ならびに軽量化の点から良好であるこ
とに加えて、立体型電池と異なって薄型であるので放熱
性が良く、電池内に熱が籠もる程度が低いという利点が
ある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したシート状リチ
ウムイオン二次電池の電極積層体51では、正極シート
54全面が負極シート52,53に対向する必要があ
り、負極シート52,53は正極シート54よりも若干
大きな面積を有するように形成される。これは、該電池
の充電時に生じる正極活物質層からの多量の放出リチウ
ムイオンを負極活物質層にて受け留めることができない
と、受け留めきれなかった部分にデンドライト(樹枝状
晶)が発生し易くなってしまうためである。また正極シ
ート54と負極シート52,53とが物理的に接触しな
いように、セパレータ55は、正極シート54および負
極シート52,53に接する面の面積が、負極シート5
2,53よりも大きいものが用いられる。
【0008】しかしながら図9に示したように正極シー
ト54は、袋状のセパレータ55内に収容されているだ
けで該セパレータ55内で固定されている訳ではなく、
セパレータ55内で移動して位置ずれを起こし易いとい
う問題がある。またセパレータ55を袋状にしているた
め、該セパレータ55と、負極シート52,53および
正極シート54との互いに隣り合う各面の間に隙間が生
じやすい。上記のように電極積層体51は、各部材を積
層して粘着テープで固定しただけなので、上記隣り合う
面間の全面にわたった良好な接触が得られにくく、各部
材が充分に密着されない。このような電極積層体51を
用いたシート状リチウムイオン二次電池では、たとえば
充放電サイクル特性、充放電容量特性などの、電池とし
ての特性を安定して得ることができない不具合がある。
さらに該シート状リチウムイオン二次電池は、正極シー
ト、負極シートおよびセパレータを上記の配置で電池一
個分積層して電極積層体を形成し、これを粘着テープで
固定する、というように煩雑な作業を伴い、生産性に劣
る不具合がある。
【0009】本発明は、正極シートの位置ずれが起こり
にくく、かつ各部材間の密着性に優れる電極積層体、お
よび従来よりも向上した各特性が安定して得られるとと
もに生産性に優れるシート状ポリマー電池を提供するこ
とをその目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため鋭意研究を行った結果、本発明を完成す
るに至った。本発明は以下のとおりである。 (1)負極活物質層を有する面を対向させた二枚の負極
シート間に、両面に正極活物質層を有する一枚の正極シ
ートを、固体電解質フィルムを介して積層してなる電極
積層体であって、負極シートおよび固体電解質フィルム
は、負極活物質層が固体電解質フィルムに接し、かつ固
体電解質フィルムが正極シートを包囲するように挟み、
対向する固体電解質フィルム同士が互いに隣接し得るよ
うに少なくともいずれかの周縁で湾曲し、固体電解質フ
ィルムが、互いに隣接する隣接部において、隣接する固
体電解質フィルムおよび負極活物質層に固着された固着
部分を有することを特徴とする電極積層体。 (2)固体電解質フィルムが、塩と相溶性溶媒とビニリ
デンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマーとを主
体成分とすることを特徴とする上記(1)に記載の電極
積層体。 (3)固体電解質フィルムが、その周縁に上記固着部分
における負極活物質層よりも外方に突出する周縁端部分
を有することを特徴とする上記(1)または(2)に記
載の電極積層体。 (4)正極活物質層が正極活物質としてリチウム含有遷
移金属酸化物を有し、負極活物質層が負極活物質として
黒鉛化炭素を有することを特徴とする上記(1)〜
(3)のいずれかに記載の電極積層体。 (5)上記(1)〜(4)のいずれかに記載の電極積層
体を用いてなることを特徴とするシート状ポリマー電
池。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
図1は本発明の好ましい一例の電極積層体1を簡略化し
て示す断面図であり、図2は図1の電極積層体1の正面
図であり、図3は図1の領域IIIを拡大して示す図で
ある。なお図1は、図2の切断面線I−Iからみた断面
図である。電極積層体1は、基本的には、二枚の負極シ
ート2,3と、一枚の正極シート4と、二枚の固体電解
質フィルム5,6とを備え、これらの各部材を、負極シ
ート2,3間に、固体電解質フィルム5,6を介して正
極シート4を積層するように配置してなる構造を有す
る。言い換えれば、電極積層体1は、積層方向A一方側
から他方側へ向かって、負極シート2、固体電解質フィ
ルム5、正極シート4、固体電解質フィルム6、負極シ
ート3の順で積層され、正極シート4の両面に関して積
層方向Aに対称に配置される構造を有する。
【0012】各負極シート2,3は、負極活物質層7,
8を各々有する。該負極活物質層7,8は、負極活物質
にバインダーなどを混合させてなる負極活物質組成物
を、シート状の負極用集電体11,12上にそれぞれ層
状に形成してなるものである。また正極シート4は、正
極活物質に導電材やバインダーなどを混合させてなる正
極活物質組成物を、シート状の正極用集電体13の両面
にそれぞれ層状に形成してなる各正極活物質層9,10
を有する。なお本明細書中でいう負極活物質層は、該負
極活物質組成物を負極用集電体上に塗工して層状に形成
したものをさし、成形前の負極活物質組成物は含まな
い。正極活物質層についても同様であり、成形前の正極
活物質組成物は含まない。
【0013】負極シート2,3は、負極活物質層7,8
が互いに対向するように配置される。上記のようにこれ
ら負極シート2,3間には、両面に正極活物質層9,1
0を有する正極シート4が固体電解質フィルム5,6を
介して積層される。したがって本発明においては、負極
活物質層7と正極活物質層9とが対向し、かつ負極活物
質層8と正極活物質層10とが対向するように配置され
てなる。
【0014】本発明における各負極シート2,3は、後
述のように正極シート4を包囲し得るような大きさのも
のが用いられ、その形状は特には限定されないが、図2
に示すような方形状が好ましい。また負極シート2,3
の大きさも、一般的に「シート状」と呼び得る程度の大
きさならば特には限定されないが、たとえば、図3に示
す上記積層方向Aと同じ方向となる厚み方向Zにおける
厚みD1が0.05mm〜0.15mm、図2に示す第
一幅方向Xにおける長さ(第一幅)L1が2.5cm〜
22cm、図2に示す第二幅方向Yにおける長さ(第二
幅)L2が4cm〜32cmである。上記第一幅方向X
とは、図2に示す方形状の正面において互いに垂直な二
辺のうちいずれか一方の辺に概ね沿った方向をさし、上
記第二幅方向Yとは、上記二辺のうちいずれか他方の辺
に概ね沿った方向をさす。なお上記第一幅方向X、第二
幅方向Yおよび厚み方向Zは、互いに垂直に交わる三軸
に沿った方向である。
【0015】また正極シート4の形状は、特には限定さ
れないが、各負極シート2,3と同じく図2に示すよう
な方形状が好ましい。正極シート4の大きさも特には限
定されないが、たとえば、図3に示す上記厚み方向Zに
おける厚みD2が0.1mm〜0.2mmであり、図2
に示す上記第一幅方向Xにおける長さ(第一幅)L3が
2.3cm〜21.8cmであり、図2に示す上記第二
幅方向Yにおける長さ(第二幅)L4が3.8cm〜3
1.8cmである。
【0016】また図2に示すように負極用集電体11,
12および正極用集電体13には、各負極活物質層7,
8または各正極活物質層9,10が形成されていない所
定の部位に、リード22,23,24がそれぞれ溶接さ
れて設けられる。図2においては、たとえば負極用集電
体11,12および正極用集電体13の各第二幅方向Y
一方側の端部から、第二幅方向Y一方に各々突出して設
けられる。なおリード22は、図2においてリード23
の紙面に対して奥行き側に配置されており、図面には現
れない。
【0017】本発明における固体電解質フィルム5,6
は、固体電解質をフィルム状に形成したものである。該
固体電解質としては、当分野において一般的に知られて
いる固体電解質を好適に用いることができ、後述するよ
うに、それ自体がイオン伝導性を有しているものと、そ
れ自体にイオン伝導性はないが、電解液が高分子被膜に
浸透することによりイオン伝導性を獲得するものとのい
ずれであってもよい。このような固体電解質フィルム
5,6は、各々負極シート2,3と正極シート4との間
に介在されて、セパレータとしての役割を果たす。
【0018】各固体電解質フィルム5,6は、後述する
ように正極シート4を包囲し得る程度の大きさを有し、
好ましくは各負極シート2,3よりも大きな面積を有す
るものが用いられる。各固体電解質フィルム5,6も、
図2に示すような方形状が好ましく、その大きさも特に
は限定されないが、たとえば、図3に示す上記厚み方向
Zにおける厚みD3が0.005mm〜0.05mmで
あり、図2に示す上記第一幅方向Xにおける長さL5
(第一幅)が2.6cm〜22.1cmであり、図2に
示す上記第二幅方向Yにおける長さ(第二幅)L6が
4.1cm〜32.1cmである。
【0019】このような負極シート2,3、正極シート
4および固体電解質フィルム5,6は、積層方向Aに沿
ってみたときに、負極シート2,3および固体電解質フ
ィルム5,6が正極シート4の全周よりはみ出すように
配置される。このような配置で積層された状態におい
て、正極シート4からはみ出す各負極シート2,3およ
び各固体電解質フィルム5,6の各周縁14,15,1
6,17は、負極活物質層7,8が固体電解質フィルム
5,6に各々接しかつ固体電解質フィルム5,6同士が
互いに隣接し得るように湾曲して、正極シート4を包囲
する。
【0020】各固体電解質フィルム5,6は、互いに隣
接する隣接部において、それぞれが隣接する固体電解質
フィルム6,5および負極活物質層7,8に固着される
固着部分18,19をそれぞれ有する。詳しく述べる
と、図3に示すように固体電解質フィルム5は、固着部
分18の片側が負極活物質層7に、残る片側が固体電解
質フィルム6の固着部分19の片側に固着され、この固
着部分19の残る片側が負極活物質層8に固着される。
この固着は、固体電解質フィルム5が正極活物質層9に
接し、かつ固体電解質フィルム6が正極活物質層10に
接する状態で、加熱および/または加圧を施すことによ
って行われる。図1〜図3に示す態様の電極積層体1に
おける該固着部分18,19は、上述した正極シート4
のリード24の部分を除いて、正極シート4の全周にわ
たって概ね外囲するように実現される。
【0021】このように本発明の電極積層体1において
は、各固体電解質フィルム5,6および各負極シート
2,3が、各周縁において湾曲し、正極シート4を包み
込む。さらに各固体電解質フィルム5,6が、隣接部に
おいて隣り合う固体電解質フィルム6,5および負極活
物質層7,8に固着される固着部分18,19を有す
る。この固着によって、各固体電解質フィルム5,6に
は、その各中央付近から固着部分18,19に向かって
引っ張られるような力が作用する。これによって正極シ
ート4はその両面の概ね全てにわたって固体電解質フィ
ルム5,6に密着され、固体電解質フィルム5,6間に
固定される。したがって従来の電極積層体とは異なり、
固体電解質フィルム間で正極シートが位置ずれを起して
しまうというようなことがなく、かつ互いの部材間の密
着性に優れる。
【0022】また本発明においては、セパレータとして
固体電解質フィルム5,6を用いることで、電解液を固
体電解質フィルム5,6内に閉じ込めることができ、従
来の積層方式の電極積層体とは異なって、電解液を収容
するためセパレータを袋状に形成する必要がない。した
がってセパレータを袋状にしたがための隙間が生じず、
部材間の密着性に優れた電極積層体1を得ることができ
る。
【0023】またさらにセパレータとして固体電解質フ
ィルム5,6を用いているため、固体電解質フィルム同
士および固体電解質フィルムと負極活物質層とを、加熱
および/または加圧によって互いに固着することができ
る。本発明の電極積層体1では、固体電解質フィルム
5,6および負極シート2,3で正極シート4を包み込
むようにして、その外周部でこれらの部材が互いに固着
されている。したがって該電極積層体1を一つのユニッ
トとして扱うことができる。
【0024】上記のような電極積層体1を、複数個、た
とえば五個〜十個、積層方向Aに沿って電池一個分にま
で積層して、粘着テープで巻いて固定することで、本発
明のシート状ポリマー電池を得ることができる。このよ
うなシート状ポリマー電池は、一個一個の電極積層体が
ユニット化されているため、各々密着性に優れる電極積
層体1をただ積層するだけで全体としても密着性に優れ
たシート状ポリマー電池を得ることができる。このよう
なシート状ポリマー電池は、後述するようにリチウムイ
オンポリマー電池として実現された場合には、たとえば
過充電での膨れ特性、高温下での膨れ特性、低温特性な
どの電池としての特性を安定して得ることができる。ま
たさらに積層する各電極積層体1がユニット化されてい
るため、従来のように各部材を一枚一枚積層した後にこ
れらを粘着テープで固定する場合と比較して作業性に優
れ、生産上の扱いが容易である。なお本明細書におい
て、「ポリマー電池」とは、セパレータとして上記の固
体電解質フィルムを用いている電池をさす。
【0025】上述のように各固体電解質フィルム5,6
が上記の各固着部分18,19で固着された状態におい
て、図2および図3に示す正極シート4の端部4aから
各固着部分18,19の外側の最端までの直線距離D4
は、好ましくは0.5mm〜1.5mmに選ばれ、より
好ましくは0.5mm〜0.7mmに選ばれる。該直線
距離D4が0.5mm未満であると、正極シート4のエ
ッジ4a1によって固体電解質フィルム5,6が破れて
しまったり、劣化してしまう不具合があるため好ましく
ない。また該直線距離D4が1.5mmを超えると、正
極シート4の位置ずれが大きくなり、負極シート2,3
との対向がとりにくくなってしまう不具合があるため好
ましくない。なお上記端部4aは、第一幅方向Xおよび
第二幅方向Yのうちのいずれの方向の端部をも含有して
さすものとする。
【0026】また上記の状態において、図2および図3
に示す正極シート4の端部4aから各固着部分18,1
9の内側の最端までの直線距離D5は、上述した正極シ
ート4の厚みD2と同程度に選ばれる。
【0027】本発明における固体電解質フィルム5,6
は、負極シート2,3よりも大きな面積を有し、図1〜
図3に示すように電極積層体1を形成した状態で、上記
固着部分18,19における各負極活物質層よりも外方
に突出する周縁端部分25,26をそれぞれ有するよう
に配置されるのが好ましい。固体電解質フィルム5,6
がこのような周縁端部分25,26を有することで、粘
着テープで固定する際に、負極シート2,3のエッジへ
の損傷を無くすというような効果がある。該各周縁端部
分25,26は、上記の効果を達成するためには、突出
方向における直線距離D6が1.5mm以下に選ばれる
のが好ましく、1.0mm以下に選ばれるのがより好ま
しい。
【0028】また本発明の電極積層体では、固着部分は
固体電解質フィルムが隣接部の全面にわたって形成され
ていなくてもよく、図4に示す例の電極積層体31のよ
うに破線状に形成されていてもよい。なお図4に示す電
極積層体31は、固着部分の形成のされ方を除いては図
1〜図3に示した態様の電極積層体1と同様であり、同
様の構成を有する部分については同一の参照符を付して
説明は省略する。電極積層体31の固体電解質フィルム
5,6は、隣接部に破線状の固着部分32,33を有す
る。なお図4において固着部分32は、固着部分33の
紙面より奥行き側に配置され、図には現れない。
【0029】図4の態様において、固着部分32,33
の形成のされ方は、破線状に形成されるならば特に限定
はないが、たとえば図4のように、周縁のうち第一幅方
向Xに沿った部分に一個ずつ、第二幅方向Yに沿った部
分に三個ずつ形成される。このような形成のされ方の場
合において、たとえば各固着部分32,33の長さL7
は、それぞれ2mm〜20mmであり、各固着部分3
2,33同士の中心間の距離(ピッチ)D7は、それぞ
れ6mm〜30mmである。
【0030】このような電極積層体31では、電解液が
移動しにくい固着部分32,33が断続的に破線状に形
成されることによって、図1〜図3に示した場合と比較
して、負極シート2,3および正極シート4間において
電解液をより浸入、浸透し易くすることができる。この
ような電極積層体31を用いたシート状ポリマー電池
は、製造工程において、電解液注液時間を短縮すること
ができ、効率よく製造することができる。またこのよう
なポリマー電池は、性能上均一に電解液が浸透すること
によって、放電容量が良好であるというような効果があ
る。
【0031】また本発明の電極積層体においては、固体
電解質フィルムは正極シートを包囲するように挟み得る
ように形成されていればよく、このように正極シートを
挟み得る構成であるならば、その全ての周縁が湾曲する
ように形成されなくてもよい。図5は、本発明の好まし
いさらに他の例の電極積層体36を示す簡略化した正面
図であり、図6は、図5の切断面線VI−VIからみた
断面図である。なお図5および図6についても、上記の
図1〜図3と同様の構成を有する部分には同一の参照符
を付し、説明は省略する。本発明においては、図5およ
び図6に示すように、一枚の固体電解質フィルム37を
正極シート4を包み込み得るように折り曲げ、正極シー
ト4を包んだ状態で折り曲げ部分37a以外の三方で固
体電解質フィルム37が正極シート4を挟んで互いに接
し得るように該三方の周縁を湾曲させ、固着されるよう
に実現されてもよい。
【0032】図5および図6に示す電極積層体36で
は、たとえば固体電解質フィルム37を中央付近で第二
幅方向Yに概ね沿って折り曲げて、正極シート4の第一
幅方向X一方側から包み込むように配置させる。このよ
うな状態で、正極シート4の残る三辺からはみ出す固体
電解質フィルム37の三方の周縁を、上記三方において
固体電解質フィルム37が正極シート4を挟んで互いに
隣接し得るように湾曲させる。電極積層体36は、この
三方に形成された互いに隣接する隣接部において、それ
ぞれ隣接する固体電解質フィルムおよび負極シート2,
3に固着された固着部分38,39を有するように実現
される。
【0033】上記のように固着部分38,39は正極シ
ート4の四辺のうち、固体電解質フィルム37の折り曲
げ部分37aが配置される辺を除く三辺からはみ出す三
方に配置される周縁40,41の隣接部に形成される。
図5および図6に示す態様では、正極シート4の第一幅
方向X一方側に折り曲げ部分37aが配置され、残る第
一幅方向X他方側、第二幅方向Y両側の周縁を湾曲させ
てなる隣接部に固着部分38,39が形成される。固着
部分38,39は、たとえば、第一幅方向X他方側およ
び第二幅方向他方側の隣接部の全部にわたって形成され
るとともに、第二幅方向一方側(リード22〜24が突
出している方向)の隣接部の一部(中央付近から第一幅
方向他方側にわたる部分)に形成される。
【0034】このように本発明の電極積層体を、一枚の
固体電解質フィルム37を用いて実現することによっ
て、図1〜図3に示した構成の場合と比較して、固着さ
せる辺が少ないため、固着に要する余分なスペースが減
少し、その分だけ正極シートを大きくできる。したがっ
てこのような電極積層体36を用いることで、放電容量
の向上したシート状ポリマー電池を実現することができ
る。
【0035】図5および図6において用いられる固体電
解質フィルム37の寸法は、上記のように折り曲げた状
態で、図1〜図3に示した固体電解質フィルム5,6の
各寸法と同程度に形成されるならば、特には限定されな
い。また第二幅方向一方側(リード22〜24が突出し
ている方向)の隣接部に形成される固着部分38,39
の中央付近から第一幅方向他端にわたる直線距離D8
は、特には限定はないが、たとえば0.5cm〜20c
mである。このように該直線距離D8を選ぶことによっ
て、正極シート4が第二幅方向Yにずれてしまったりあ
るいは抜けてしまったりしないように適宜調整すること
ができる。また上記の態様においては、固着部分は、三
方の隣接部の全部に形成されていてもよく、また図4の
ように破線状に形成されてもよい。
【0036】本発明において用いられる固体電解質フィ
ルム5,6,37としては、加熱および/または加圧に
よって固体電解質フィルム同士および負極活物質層に固
着可能なものであれば特には限定されず、それ自体がイ
オン伝導性を有しているものと、それ自体にイオン伝導
性はないが、電解液が高分子被膜に浸透することにより
イオン伝導性を獲得するものとのいずれであってもよ
い。
【0037】該固体電解質のうち、それ自体がイオン伝
導性を有するものとしては、リチウムイオンなどを高分
子鎖に配位することが可能なドナー性の高いものが好ま
しく用いられる。このような固体電解質としては、たと
えばポリエーテル、ポリフォスファゼン、ポリエステ
ル、ポリアミン、ポリスルフィド、ポリシロキサンなど
が挙げられる。
【0038】また該固体電解質のうち、それ自体にイオ
ン伝導性はないが、塩および相溶性溶媒を含有する電解
液が高分子被膜に浸透することによりイオン伝導性を獲
得するものとしては、該電解液に対する親和性が大きい
ものが好ましく用いられる。このような固体電解質とし
ては、たとえばポリスチレン、ポリブタジエンおよびそ
れらの共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリア
クリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデ
ンカーボネートなどが挙げられる。
【0039】本発明においては、後者の固体電解質、中
でも塩と相溶性溶媒とビニリデンフルオライドを主単位
とするフッ素ポリマーとを主体成分とする固体電解質ゲ
ルをフィルム状としたものが、特に好ましく用いられ
る。上記ビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素
ポリマーとは、ビニリデンフルオライドの単独重合体、
または、ビニリデンフルオライドとその他のフッ素原子
を有するビニル系モノマーとの共重合体を意味し、これ
らは単独でも混合しても用いることができる。その他の
フッ素原子を有するビニル系モノマーとしては、ヘキサ
フルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、テ
トラフルオロエチレンなどが挙げられる。また、共重合
体の形態はランダム、ブロックのいずれの形態でもよ
い。共重合体である場合、ビニリデンフルオライド(の
単位)の割合が70モル%以上が好ましく、特に好まし
くは75モル%以上である。
【0040】また、上記ビニリデンフルオライドを主単
位とするフッ素ポリマーは、カルボキシル基(−COO
H)、スルホン酸基(−SO2OH)、カルボン酸エス
テル基(−COOR)、アミド基(−CONH2)また
はリン酸基(−PO(OH)2)などからなる官能基を
有するビニル系モノマーの重合体がグラフトされていて
もよい(カルボン酸エステル基(−COOR)における
置換基Rは、メチル基、エチル基、ブチル基などの炭素
数1〜4の低級アルキル基が好ましいものである。)。
フッ素ポリマーをかかる官能基を含有する重合体がグラ
フトした態様のポリマー形態にすると、正極シートまた
は負極シートへの固体電解質フィルムの接着性が向上す
るので好ましい。
【0041】上記官能基を有するビニル系モノマーとし
ては、官能基を除く部分の炭素数が4以下の化合物から
なるモノマーが好適である。カルボキシル基含有モノマ
ーとしては、アクリル酸、メタアクリル酸、クロトン
酸、ビニル酢酸、アリル酢酸などのカルボキシル基を1
個有するものの他、イタコン酸、マレイン酸などのカル
ボキシル基を2個以上有するものも使用可能である。ス
ルホン酸基含有モノマーとしては、スチレンスルホン
酸、ビニルスルホン酸などが好適である。カルボン酸エ
ステル基含有モノマーとしては、メチルアクリレート、
ブチルアクリレートなどが好適である。アミド基含有モ
ノマーとしては、アクリルアミドなどが好適である。リ
ン酸基含有モノマーとしては、リン酸トリフェニル、リ
ン酸トリクレシルなどが好適である。これらのうち最も
好ましいものは、アクリル酸またはメタクリル酸であ
る。
【0042】グラフト化する方法としては、特には限定
されないが、放射線法が好適である。たとえば、ポリマ
ー鎖基質(グラフトされる側のポリマー)とグラフトモ
ノマー材料とを共存させて、放射線を連続的または間欠
的に照射する。該方法では、両者を共存させる前にポリ
マー鎖基質に放射線を照射し、予備的に活性化させてお
くことが好ましい。放射線としては、電子ビーム、X線
またはγ線が使用される。放射線の照射により、ポリマ
ー鎖基質は遊離基を発生して活性化する。
【0043】グラフト化の程度は、いくつかの因子によ
り決定することができるが、最も重要なのは、活性化し
た該基質がグラフトモノマーと接触している時間の長
さ、放射線による該基質の予備活性の程度、グラフトモ
ノマーが該基質を透過できるまでの程度、および、該基
質および該モノマーが接触しているときの温度である。
グラフトモノマーが酸であるとき、該モノマーを含有す
る溶液をサンプリングして、塩基に対して滴定し、残留
するモノマー濃度を測定することにより、グラフト化の
程度を観測することができる。グラフト化の程度は最終
重量の1モル%〜30モル%が好ましく、5モル%〜1
0モル%がより好ましい。なお、グラフト化は、ポリマ
ー鎖基質を光照射または熱によって活性化(遊離基の発
生)させる方法で行ってもよい。
【0044】塩(電解質)としては、LiClO4、L
iBF4、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、L
i(CF3SO22Nなどから選ばれる一種または二種
以上が好適に使用される。また、相溶性溶媒としては、
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、エチルメチ
ルカーボネート、ジメチルスルホキシド、スルホラン、
γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、N,
N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、1,
3−ジオキソラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジ
エチルエーテルなどが例示され、これらの1種または2
種以上の混合物が使用される。溶液中の塩(電解質)濃
度は、好ましくは0.1モル/L〜2モル/L、より好
ましくは0.5モル/L〜1.5モル/Lである。塩
(電解質)の濃度が0.1モル/L未満であると、イオ
ン伝導性の低下によって電池容量が充分に得られず、ま
たハイレート特性が著しく低下する不具合があるため好
ましくない。また該濃度が2モル/Lを超えると、著し
い粘度上昇が生じ、ハイレート特性および低温特性の低
下が生じる不具合があるため好ましくない。
【0045】なお、上記相溶性溶媒とともに、電池の使
用温度(特に低温使用時)での溶液の結晶化防止などを
目的に、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、
N−メチル−ピロリドン(1−メチル−2−ピロリド
ン)、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレ
ングリコールジメチルエーテルなどの可塑剤を使用する
のが好ましい。当該可塑剤を添加することで、フッ素ポ
リマーに浸透(含浸)させた溶液の結晶化は起こらず、
固体電解質フィルムの充分なイオン伝導性が確保するこ
とができる。
【0046】上記のような固体電解質を、たとえばブレ
ードナイフ式塗工機などの装置を用いて、シート状基材
(アルミ箔、樹脂シート)などにペースト状で塗工し、
熱風炉にて乾燥させるというような条件でフィルム状に
形成する。このフィルム状のものを、上記した塩と相溶
性溶媒とを含む溶液に含浸させてゲル化することで、本
発明において用いられる固体電解質フィルム5,6,3
7を得ることができる。
【0047】該ビニリデンフルオライドを主単位とする
フッ素ポリマーに、塩および相溶性溶媒を含浸させたも
のから主としてなる固体電解質フィルムを用いて、上記
固着を加熱のみによって行う場合は、たとえば熱プレ
ス、ヒートシーラー、真空熱プレスなどの装置を用い
て、好ましくは100℃〜180℃、より好ましくは1
30℃〜160℃の温度で、固体電解質フィルム5,
6,37の各固着部分がある該電極積層体の外周部を加
熱する。また上記固着を加圧のみによって行う場合は、
たとえばプレス、プレスロールなどの装置を用いて、好
ましくは0.1MPa〜20MPa、より好ましくは5
MPa〜10MPaの圧力で、固体電解質フィルム5,
6,37の各固着部分がある該電極積層体の外周部を加
圧する。上記固着を加熱および加圧によって行う場合
は、熱プレス、ホットロールプレス、真空プレスなどの
装置を用いて、好ましくは120℃〜160℃の温度お
よび0.1MPa〜20MPaの圧力で、より好ましく
は130℃〜150℃の温度および5MPa〜10MP
aの圧力で行う。
【0048】本発明の電極積層体1において、負極活物
質および正極活物質については特には限定はないが、好
ましくはリチウムイオン二次電池の負極活物質および正
極活物質として従来から広く知られているものを用いる
のが好ましい。本発明のシート状ポリマー電池は、下記
の各材料を用いて、リチウムイオンポリマー電池として
実現されるのが好ましい。
【0049】負極活物質としては、従来公知の負極活物
質と同様の黒鉛化炭素が好適に用いられる。このような
黒鉛化炭素としては、各種の天然黒鉛や人造黒鉛、たと
えば繊維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛類が
挙げられる。負極活物質と共に用いるバインダーとして
は、従来と同様に、ポリビニリデンフルオライド、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、エチレン−プ
ロピレン−ジエン系ポリマーなどが好適なものとして挙
げられ、中でも特にポリビニリデンフルオライドが固体
電解質フィルム5,6,37との固着の点から好まし
い。上記負極活物質の使用量としては、負極活物質とバ
インダーとの合計量100重量部あたり2重量部〜20
重量部程度が好ましい。
【0050】負極用集電体11,12としては、従来と
同様の銅、ニッケル、銀、ステンレスなどで形成された
箔やエキスパンドメタルなどが挙げられ、これらは孔が
形成されていてもよい。
【0051】正極活物質としては、たとえば下記の一般
式(1)または(2)で示されるLi−遷移金属複合酸
化物が好適に用いられる。 LiA1-XMeX2 (1) LiA2-XMeX4 (2) 式(1)において、MはたとえばCo、Ni、Mn、
V、Geなどの遷移金属を示す。式(2)において、M
はたとえばMn、Fe、Niなどの遷移金属を示す。式
(1)及び(2)において、MeはM以外の、周期律表
の3〜10族元素、たとえばZr、Cr、Mo、Fe、
Co、Mn、Niなど、または13〜15族元素、たと
えばB、Al、Pb、Sn、Sbなどを示す。Meは二
種以上の元素であってもよい。
【0052】Aの値は、式(1)においては0.05〜
1.5、好ましくは0.1〜1.1である。式(2)に
おいては0.05〜2.5、好ましくは0.5〜1.5
である。Xの値は、式(1)及び(2)において、0ま
たは0.01〜0.5、好ましくは0.02〜0.2で
ある。Meが二種以上の元素である場合、Xは二種以上
の元素の合計量とする。
【0053】式(1)、(2)で示されるLi−遷移金
属複合酸化物の好ましい例を挙げると、LiCoO2
LiNiO2、LiMnO2、LiMn(1-X)MgX2
LiMn(1-X)AlX2、LiMn(1-X)CoX2、Li
Mn(1-X-Y)AlXCoY2、LiMnO4、LiMn2-X
CoX4、LiMn2-XCoXGeY4、LiNi(1-X)
AlX2、LiNi(1-X)CoX2などが挙げられる。
なお上記の例示において、X≧0.1、Y≦0.1であ
る。上記例示した中でもLi−Co系複合酸化物が好ま
しく、さらにLi−Co系複合酸化物の中でもLiCo
2がより好ましい。
【0054】正極活物質層に含有される導電材として
は、当分野において従来から広く用いられている、たと
えば繊維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの天然や人
造の黒鉛類や導電性カーボンブラックなどを用いること
ができる。導電材の使用量は、従来と同様にたとえば正
極活物質、バインダー、導電材の合計使用量100重量
部あたり、好ましくは1重量%〜10重量%、より好ま
しくは3重量%〜7重量%とすれば良い。
【0055】なお正極活物質と共に用いられるバインダ
ーとしては、従来と同様のもの、たとえばポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレ
ン、エチレン−プロピレン−ジエン系ポリマーなどが好
適なものとして挙げられる。該バインダーは、従来と同
様にたとえば正極活物質、バインダー、導電材の合計使
用量100重量部あたり、好ましくは1重量%〜7重量
%、より好ましくは2重量%〜5重量%配合される。
【0056】正極用集電体13としては、アルミニウ
ム、アルミニウム合金、チタンといった導電性金属で形
成された箔やエキスパンドメタルなどが挙げられ、これ
らは孔が形成されていてもよい。
【0057】本発明のシート状ポリマー電池は、上述し
たユニット化された電極積層体1を電池一個分積層し、
粘着テープなどを用いて固定した後、たとえば従来から
広く用いられている袋状の外装体に収容するなどして製
造される。
【0058】上記外装体としては、熱可塑性樹脂ラミネ
ートを片面または両面に有する熱可塑性樹脂ラミネート
金属薄板または熱可塑性樹脂ラミネート箔などが挙げら
れる。このような熱可塑性樹脂ラミネートを有する外装
体は、水やガスの透過に対する優れた透過防止性ならび
に電気絶縁性などの点から、さらには該層を利用して内
容物を熱融着封止できる点から好ましい。
【0059】
【実施例】以下に実施例を示し、本発明を具体的に説明
するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではな
い。 実施例1 〔負極シートの作製〕負極活物質となる繊維状黒鉛とバ
インダーとなるポリビニリデンフルオライドとをN−メ
チルピロリドン中で混合してスラリー化した負極活物質
組成物を得た。該負極活物質組成物中、バインダーは1
0重量%とした。このスラリーを負極用集電体となる厚
み15μmの銅箔の片面上に塗布した後、乾燥して圧延
を施し、負極活物質層を形成した。負極用集電体にニッ
ケル板を溶接してリードを形成して、下記寸法の二枚の
負極シートを得た。 長さ(第一幅)L1:3.1cm 長さ(第二幅)L2:4.8cm 厚みD1:0.082mm
【0060】〔正極シートの作製〕正極活物質となるL
iCoO2、導電材ならびにバインダーとなるポリビニ
リデンフルオライドをN−メチルピロリドン中で混合し
均一に分散して、スラリー化した正極活物質組成物を得
た。該正極活物質組成物中、導電材は5重量%、バイン
ダーは4重量%とした。このスラリーを正極用集電体と
なるアルミニウム板両面上に塗布した後、乾燥して圧延
を施し、正極活物質層を形成した。正極用集電体にアル
ミニウム板を溶接してリードを形成して、下記寸法の一
枚の正極シートを得た。 長さL3(第一幅):2.9cm 長さL4(第二幅):4.6cm 厚みD2:0.145mm
【0061】〔ポリビニリデンフルオライドフィルムの
作製〕基材(アルミ箔)の上に塗工、乾燥させた後、フ
ィルム状としたポリビニリデンフルオライドを該基板か
ら剥がし、所定寸法に切断して下記寸法の二枚のポリビ
ニリデンフルオライドフィルムを得た。 長さL5(第一幅):3.2cm 長さL6(第二幅):4.9cm 厚みD3:0.025mm
【0062】〔電極積層体の組立て〕上記のようにして
各々得た負極シート、正極シートおよびポリビニリデン
フルオライドフィルムを、図4に示したように二枚の負
極シート間にポリビニリデンフルオライドフィルムを介
して正極シートを積層した。このように積層した状態
で、正極シートからはみ出す負極シートおよびポリビニ
リデンフルオライドフィルムの各周縁を、負極活物質層
がポリビニリデンフルオライドフィルムに各々隣接し、
かつポリビニリデンフルオライドフィルム同士が互いに
隣接し得るように湾曲させた。プレス機構を備える装置
にヒータを取付けた破線状の突起を有する金具(熱プレ
ス)を用いて、2kg/cm2(0.196MPa)、
155℃、0.2秒間の条件で、外周部に加熱および加
圧を施し、破線状の固着部分を形成した。固着部分の形
成後、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネー
トを50体積%:50体積%の割合で混合した混合溶媒
に、LiPF6を濃度が1.0モル/L(調製後の濃
度)となるように溶解させた溶液に1分間浸漬して、ポ
リビニリデンフルオライドフィルムをゲル化して、固体
電解質フィルムとした。このようにして下記寸法の電極
積層体を作製した。 距離D4:0.5mm 距離D5:1.0mm 距離D6:0.5mm 各固着部分の長さL7:0.7cm 固着部分間の距離(ピッチ)D7:1.7cm
【0063】〔シート状リチウムイオンポリマー電池の
組立て〕上記電極積層体を八個積層し、粘着テープで巻
いて固定した後、各電極積層体の負極シート、正極シー
トにそれぞれ形成したリードを、結束してニッケル板に
溶接した。このような電池一個分の電極積層体を、内側
から順に、ヒートシール層、耐電解液性を有する絶縁
層、アルミニウム層、絶縁層の積層構造を有する袋状の
外装体内に、該ニッケル板のみ開口部からはみ出すよう
に収容した。外装体の開口部に熱融着封止を施し、シー
ト状リチウムイオンポリマー電池を完成させた。
【0064】実施例2 一枚の固体電解質フィルムを用いて、正極シートを包み
込み得るように折り曲げて、図5および図6に示した構
造の電極積層体を形成し、これを用いた以外は実施例1
と同様にして、シート状リチウムイオンポリマー電池を
作製した。固体電解質フィルムは、折り曲げ状態におけ
る各寸法が、以下のとおりであった。 固体電解質フィルムの第一幅:3.1cm 固体電解質フィルムの第二幅:4.9cm 固体電解質フィルムの厚み:0.025mm 固着部分の直線距離D8:15mm
【0065】比較例 固着部分を形成しなかった電極積層体を用いた以外は実
施例1と同様にして、シート状リチウムイオンポリマー
電池を作製した。
【0066】比較例で形成した電極積層体は、固体電解
質フィルムを介して負極シート間に挟まれた正極シート
が保持されず、互いにずれ易いものであった。このため
比較例で得られたポリマー電池は、正極シートおよび負
極シートの端部同士が接触してショートしやすいもので
あった。これに対し実施例1,2のポリマー電池は、電
極積層体として正極シートが位置ずれを起こしにくく、
互いの部材間の密着性に優れるものであった。このよう
な電極積層体を用いて得られたポリマー電池は、過充電
での膨れ特性、高温下での膨れ特性、低温特性などに優
れる高品位なものであることが判った。
【0067】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、正極シートの位置ずれが起こりにくく、かつ各
部材間の密着性に優れる電極積層体、および従来よりも
向上した各特性が安定して得られるとともに生産性に優
れるシート状ポリマー電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい一例の電極積層体1を簡略化
して示す断面図である。
【図2】図1の電極積層体1の正面図である。
【図3】図1の領域IIIを拡大して示す図である。
【図4】本発明の好ましい他の例の電極積層体31を簡
略化して示す正面図である。
【図5】本発明の好ましいさらに他の例の電極積層体3
6を簡略化して示す正面図である。
【図6】図5の切断面線VI−VIからみた断面図であ
る。
【図7】従来のシート状リチウムイオン二次電池の電極
積層体の一例を簡略化して示す斜視図である。
【図8】図4の切断面線V−Vからみた断面図である。
【図9】従来の正極シートおよびセパレータの構造を示
す簡略化した斜視図である。
【符号の説明】
1 電極積層体 2,3 負極シート 4 正極シート 5,6 固体電解質フィルム 7,8 負極活物質層 9,10 正極活物質層 14,15 (負極シートの)周縁 16,17 (固体電解質フィルムの)周縁 18,19 固着部分 25,26 周縁端部分
フロントページの続き (72)発明者 厨子 敏博 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 丸本 光弘 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 御書 至 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 Fターム(参考) 5H021 AA06 BB04 BB11 CC04 CC08 CC18 EE10 EE25 EE27 HH03 HH10 5H029 AJ03 AJ05 AJ14 AK03 AL07 AM03 AM05 AM07 AM16 BJ04 BJ12 CJ03 CJ06 DJ04 EJ12 HJ04 HJ12 5H050 AA07 AA08 AA19 BA18 CA08 CB08 DA02 DA03 DA19 FA02 GA03 GA07 GA08 HA04 HA12

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負極活物質層を有する面を対向させた二
    枚の負極シート間に、両面に正極活物質層を有する一枚
    の正極シートを、固体電解質フィルムを介して積層して
    なる電極積層体であって、 負極シートおよび固体電解質フィルムは、負極活物質層
    が固体電解質フィルムに接し、かつ固体電解質フィルム
    が正極シートを包囲するように挟み、対向する固体電解
    質フィルム同士が互いに隣接し得るように少なくともい
    ずれかの周縁で湾曲し、 固体電解質フィルムが、互いに隣接する隣接部におい
    て、隣接する固体電解質フィルムおよび負極活物質層に
    固着された固着部分を有することを特徴とする電極積層
    体。
  2. 【請求項2】 固体電解質フィルムが、塩と相溶性溶媒
    とビニリデンフルオライドを主単位とするフッ素ポリマ
    ーとを主体成分とすることを特徴とする請求項1に記載
    の電極積層体。
  3. 【請求項3】 固体電解質フィルムが、その周縁に上記
    固着部分における負極活物質層よりも外方に突出する周
    縁端部分を有することを特徴とする請求項1または2に
    記載の電極積層体。
  4. 【請求項4】 正極活物質層が正極活物質としてリチウ
    ム含有遷移金属酸化物を有し、負極活物質層が負極活物
    質として黒鉛化炭素を有することを特徴とする請求項1
    〜3のいずれかに記載の電極積層体。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の電極積
    層体を用いてなることを特徴とするシート状ポリマー電
    池。
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