JP2002526897A - Ｐｔｃポリマーを含む複合電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 再充電可能なリチウム電池のための複合電極（１８）が記載されている。この複合電極は、炭素微粒子を含む混合されかつアニールされたポリマー混合物からなる有機ポリマー積層体（１４）に接触する集電体（１２）を備え、かつ電極活性物質を含んだ層（１６）で覆われている。上記導電性ポリマーはその一部分のみで抵抗率が可逆的に数倍変化することが可能であり、これによって、再充電可能なリチウム電池内での局部的な過電流および過熱を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の属する技術分野 本発明は、リチウム電池に関し、特に、再充電可能なリチウム電池および電気
化学セルに用いられる集電体に関するものである。

【０００２】発明の背景 リチウム電池は、単位容積または重量当たりの高いエネルギ密度が望まれるシ
ステムに用いられることが多い。リチウム電池またはセルには、ボタン型、円筒
状または角柱状に巻かれた巻回型、あるいは、プレーナ型セルまたはプレーナ型
電池として知られてる、多層からなる平坦なものがある。多くの場合、リチウム
をベースとする電気化学セルは、二次電池と呼ばれる再充電可能なものである。
リチウム電気化学セルは、リチウムを挿入可能な物質、またはリチウム金属また
はリチウム合金を負の活性成分として含む負極すなわちアノードを備えている。
カソード中の正の活性成分は通常、酸化リチウム・マンガン、酸化リチウム・コ
バルトおよびこれらと類似のタイプの化合物のような、遷移金属とリチウムとの
カルコゲニドからなる。非水電解質は、溶解可能なリチウム塩を含む有機液体を
含浸した多孔性セパレータ、または分離可能なリチウム化合物を含む固体ポ リマーとすることができ、または粒子が電極活性化合物の一つを含む粒子と混合
された粒子である分離可能なリチウム化合物を含む固体ポリマーの粒子から構成
することができる。リチウム電池には通常、その電極に近接して集電体が組み込
まれており、これら集電体は、金属性の板、ロッド、格子または箔からなり、銅
またはアルミニウム、または類似の金属またはその合金であることが最も多い。
薄い板状リチウムセルの包装には、再充電可能なリチウム電池を腐食および機械
的破損から防護するように構成された他のポリマー層に加えて、ポリマー積層体
で支持された金属箔が用いられることが多い。金属箔を支持するポリマー積層体
は絶縁体であり、通常液体および気体に対して不浸透性である。これらのリチウ
ム電池は、単一の再充電可能なリチウム電気化学セルから構成されるか、あるい
は数個のリチウムセルが積層され、折り畳まれ、あるいは既知の方法で内部接続
されて１個のリチウム電池を形成する。

【０００３】 上記集電体と電極との間の接触を良好に保つことは、通常の条件下でリチウム
電池のエネルギー供給を最大にするために重要である。セルの電極と集電体との
間の電気的接触を良くするる方法は知られている。このような方法のうちの一つ
は、金属性集電体の面上における酸化物の生成を無くすか低減させるかするよう
に図られている。他の方法では、集電体と電極との間に導電性ポリマー層が介挿
される。具体例として、導電性ポリマー層を導入したいくつかの特許を下記に挙
げる。米国特許第５,２６２,２５４号（Koksbang外）には、金属性集電体をセル
電解質による攻撃から防護することができる電子的に伝導性のポリマー層が教示
されている。米国特許第５,４４１,８３０号および第５,４６４,７０７号（1995
年 8月15日および1995年11月 7日、Moulton 外）には、炭素微粒子粉末を含む接
着促進ポリマー混合物が記載され、このポリマー混合物は、ポリマー積層体によ
って支持された金属性箔または金属性層上に被覆された後、キュアまたは乾燥さ
れる。電極ペーストは、キュアまたは乾燥された接着促進被膜上に塗布される。
米国特許第５,４６４,７０６号および５,５４７,７８２号（1995年11月 7日およ
び1996年 8月20日、Dasgupta外）には、ある粒子サイズ範囲のセラミックまたは
炭素粒子が添加された導電性ポリマー層が開示され、このポリマー層は腐食を低
減する目的で挿入されて電極および金属性集電体に接触せしめられれる。米国特
許第 ５,５５４,４５９号（1996年 9月10日、Gozdz外）には、付着性の、炭素を
含む導電性ポリマー組成物で被覆された集電体エレメント、より詳しくは金属性
格子が教示されている。米国特許第５,７２８,１８１号（1998年 3月17日、Jung
外）には、集電体面上に塗布された炭素微粒子含有長鎖ポリマーからなる導電性
インクが開示され、その上に電極層が塗布され、集電体によって支持された二つ
の層は次に輻射線または熱キュアによって一体に接着される。しかしながら、上
述の導電性ポリマー層の抵抗率は温度とともに徐々に変化し、温度によって生じ
る固体ポリマー層内部の構造変化は可逆性であるとは知られていない。

【０００４】 電池内部の過熱は充電または放電時の過電流によって生じる可能性があり、あ
るいは正常な電池動作においても、セル部品間の相互作用における局部的不揃い
によって温度上昇が引き起こされる。さらに、局部的な短絡により、セルの僅か
な部分内に過電流が流れ、これにより、電池内のトラブルを起こした領域または
ホットスポットの近傍の温度が著しく上昇する。局部的な過熱は電解質を破壊し
、セパレータの孔を減少させ、これによってイオンの通路が非可逆的に塞がれ、
最終的に爆発または発火を招き得る有害ガスを発生させるか、さもなければ電池
の安全な動作に悪影響を与える。もし局部的な過電流を減らして局部的な温度上
昇を軽減する何等かの手段が発見されれば、電池は正常な動作を持続できるはず
である。外部に取り付けたフューズまたはスイッチによって電池の充放電を停止
させることができるいくつかの方法が知られていることに注目すべきである。こ
れらフューズのうちのあるものは可逆的に動作することが知られている。しかし
ながら、このようなフューズは電池外部の回路に配置され、あるいはセルと直列
に接続され、電池またはセルを流れる総電流に応答するに過ぎない。

【０００５】 予め選択された、比較的狭い温度範囲内において可逆的な態様で、抵抗率が数
倍変化することが可能な、炭素を含有する導電性混合ポリマー組成物が知られて
いる。このような組成物は、例えば米国特許第３,７９３,７１６号（1974年 2月
26日、R.Smith-Johannsen ）および米国特許第４,２３７,４４１号（1980年12月
2日、P.van Konynenburg 外）に教示されている。このようなタイプの組成物は
、自己制限型電熱素子、正の温度係数を有するポリマーによって隔てられた電極
を備えた熱応動スイッチ、可逆的フューズ、および類似の装置に用いられる。導
電性ポリマーの特種な用途が、米国特許第４,９５７,６１２号（1990年 9月18日
、R.F.Stewart 外）に開示されており、電極の金属性コアが導電性ポリマーで被
覆され、他の導電性で電気化学的に活性な成分を含有するポリマーを支持してい
る。この導電性ポリマーの抵抗率は所定の温度において互いに異なっている。

【０００６】 再充電可能なリチウム電池において電池内部の局部的な過電流およびそれに伴
う局部的な過熱に応答して、抵抗率が可逆的に数倍変化することが可能で、これ
によって爆発と燃焼とから防護することができる、集電体と電気的活性層との間
に挿入するための薄い導電性層が必要である。

【０００７】発明の概要 含有せしめられた導電性粒子によって導電性を付与された有機ポリマー積層体
が、電極活性物質を含む電極層および集電体と結合されて複合電極を形成する改
良された再充電可能なリチウム電池が発明された。この導電性有機ポリマー積層
体は、厚さと、上記電極層および集電体にそれぞれ接触する両面とを備えている
。導電性有機ポリマー積層体は、正の温度係数を有する抵抗率と、７５℃と１２
０℃の間の抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓとを有し、かつ上記有機ポリマー積層体は、こ
の導電性有機ポリマー積層体の全体積の一部分において上記抵抗率転換温度Ｔ_{ｒ ｓ} の５°の温度帯域内において抵抗率が少なくとも２倍可逆的に変化することが
可能である。上記導電性有機ポリマー積層体内に含有せしめられた導電性粒子は
、０．１μｍ未満の粒径を有する炭素微粒子またはカーボンブラックである。

【０００８】 他の実施の形態においては、導電性有機ポリマー積層体を含む複合電極が、再
充電可能なリチウム電池における電解質に隣接する表面上に接着性層を備えてい
る。

【０００９】 本発明の好ましい実施の形態を図面および具体的な実例を参照して以下に説明
する。

【００１０】好ましい実施の形態 明瞭にするために、本明細書における用語の意味を下記に記載する。

【００１１】 導電性有機ポリマーとは、電荷担体が電子であるものの一つである。

【００１２】 抵抗率の正の温度係数とは、本明細書におけるポリマー積層体のオーム・ｃｍ
で測った抵抗率が温度とともに上昇することを意味する。温度に対してプロット
した抵抗率の値に引いた接線が抵抗率の温度係数を示す。

【００１３】 抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓ：本発明に利用されるポリマー積層体の組成は、所定の
温度の周辺で急激かつ実質的な抵抗率の変化を生じるように、この有機ポリマー
積層体内部の電子の通路および電子の易動度の性質に影響を与える。抵抗率転換
温度Ｔ_ｒｓ未満では、ポリマー組成物における抵抗率は、上記温度を超える温度
での抵抗率よりもずっと低い。温度に対する抵抗率変化は可逆的である。

【００１４】 上述のように、温度に対する抵抗率の可逆的変化に耐えることができる、導電
性炭素粒子が分散されたポリマー組成物は知られている。ポリマーの種類と混合
度合、炭素粒子のサイズと表面積、炭素粒子がポリマーと混合される方法および
それに続く熱処理、これらはすべて抵抗率の値、ならびに抵抗率スイッチの変化
の大きさおよび温度に影響を及ぼす。本発明による改良された再充電可能なリチ
ウム電池に用いられるポリマー組成物に関しては、発明として請求されていない
ことに注目すべきである。抵抗率が正の温度係数を有する既知の炭素含有ポリマ
ーの大部分は、サイズが１００ミリミクロン、すなわち０．１μｍ未満の炭素粒
子を用いている。

【００１５】 先に一寸触れたように、抵抗率が正の温度係数を有する既知の有機ポリマー組
成物の有用な利用分野は、電熱テープ、感熱電気スイッチ、感熱フューズおよび
類似の性質を有する電気素子である。このような素子では、素子内部で所望の接
点を形成するポリマーの実質的に全部の表面が同じ温度に近付くことが重要であ
り、導電性ポリマーの動作表面に対応する容積が実質的に類似の抵抗率の値を有
する。

【００１６】 ７０℃〜１２０℃の範囲における結晶化度の変化に耐えることができる既知の
ポリマー組成物に、０．１μｍ未満の粒子サイズと１５容量％未満の濃度とを有
するカーボンブラックまたはそれら類似の炭素微粒子が混入され、次いで既知の
方法で熱処理またはアニールされ、厚さ５０μｍ未満のシートに積層された場合
に、得られた導電性積層体の部分が、温度の局部的変化に反応することが判明し
た。もし上記積層体の一部分の温度Ｔ_１ が、積層体の残りの部分の温度Ｔ_２ と
異なるとすると、温度Ｔ_１の積層体部分の抵抗率は温度Ｔ_２の積層体部分の抵抗
率と異なっているであろう。Ｔ_１およびＴ_２が、積層体のポリマー組成物が可逆
的な結晶化度変化に耐え得る抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓに接近した温度範囲にある場
合、導電性積層体の一部分は、他の部分の抵抗率から大きく異なる抵抗率の値を
持ち得る。換言すれば、もしこのような組成のポリマー積層体の比較的小体積部
分がそのＴ_ｒｓを超える温度に加熱されるとすると、この体積部分の抵抗率は著
しく増大し、温度がＴ_ｒｓ未満に下降すると、より低い抵抗率の値に戻る。しか
しながらこの理論は結合を考慮していないが、サイズが０．１μｍ未満の非常に
小さい炭素粒子によりポリマー積層体内で温度に伴って急速な転位が生じ、これ
によって電荷担体の通路が変わり、ポリマー積層体の抵抗率が実質的に変化する
と考えられている。上述した結晶化度の変化は、或る種のポリマー配合タイプの
特徴であり、その配合物の融点以下で発生する固体内での変化として理解される
。ポリマー混合物を溶かすことによって生じる構造変化は上記考察から除外され
る。

【００１７】 再充電可能なリチウム電池は通常７０℃未満の温度で動作する。もし放電また
は充電中に、電池内の電流がこのリチウム電池の構成部品に許容されるレベルを
超えた場合に、電池の動作を通常の態様で停止させる外部装置が知られている。
電極表面の５０％未満の領域で起こり得る電池内での局部的な短絡、または電池
内部での電極表面の５０％未満の、より多くは電極表面の１５％未満の接触が生
じると、電池から流出される全電流が電流遮断装置を起動させる程十分には増大
しないため、電池は破壊される。極端な場合、この破壊は爆発および火災を引き
起こす。本発明の複合電極で用いられる導電性有機ポリマー積層体が存在する場
合、電池内の比較的小さい体積部分で生じる短絡は、その短絡部分近傍における
有機ポリマー積層体の小体積部分の抵抗率を増大させることができ、これによっ
て電流を減少させて、リチウム電池内での破壊発生の可能性を阻止または低減す
る。

【００１８】 ポリマー積層体は、鎖長の異なるポリエチレンの混合物、ポリエチレンとエチ
レンおよびアクリル酸エチルのコポリマーとの混合物、ポリエチレンとエチレン
およびアクリル酸のコポリマーとの混合物、エチレンおよびアクリル酸エチルの
コポリマー、エチレンおよびアクリル酸のコポリマー、ポリオレフィン、ポリエ
ステル、ポリアミド、ポリエーテル、弗素化エチレン・プロピレンのコポリマー
、ポリ弗化ビニリデン、および化学的等価物から作成され、１μｍ未満の粒子サ
イズと１５容量％未満のカーボンブラックまたはカーボン微粒子を含む。ポリマ
ー配合物と炭素を含む混合物は、既知の方法でアニールされ、次いで積層される
。好ましい積層体の厚さは４μｍから５０μｍまでで、機械的強度の要求のみに
よって選択される。上掲の配合されたポリマー混合物は、それらの抵抗率転換温
度Ｔ_ｒｓよりも少なくとも５０℃高い融点を有する。得られた導電性ポリマー積
層体は適当なリチウム電池集電体に略対応するサイズに切断される。炭素含有有
機ポリマー積層体は上記集電体の少なくとも一方の面上に配置され、電極活性物
質を含む電極層は上記導電性ポリマー積層体の自由面上に配置される。複合電極
がアノードの場合、電極活性物質は通常の負の活性材料であり、複合カソードに
対しては通常の正の活性材料が用いられる。上記アノードまたは負の活性物質は
、リチウムを挿入可能な炭素粒子、または遷移金属酸化物、またはリチウム金属
またはその合金の箔となし得る。リチウム金属または合金は、再充電工程でリチ
ウム電池内でホットスポットまたは短絡を生じる可能性のある樹枝状結晶を形成
するかもしれないことが知られている。本発明は、リチウム金属の樹枝状結晶が
生じる問題を克服するのに特に適している。カソードまたは正の活性物質は、リ
チウム遷移金属酸化物または同様の機能を果たすことができる類似の化合物とな
し得る。バインダ材料と混合される通常の微粒子状電極活性物質を用いる場合、
混合物の導電性を増大させるために炭素微粒子が添加され、電極活性物質を含む
ペーストが導電性有機ポリマー積層体上に適当な厚さに塗布されて、再充電可能
なリチウム電池の複合電極を形成する。

【００１９】 この複合電極は、次に通常のリチウムイオン導入電解質に接触せしめられる。
この電解質は解離可能なリチウムイオンを有する固体ポリマー電解質、または非
水液体を含むリチウム塩を含浸させた多孔性セパレータ層、またはリチウム電池
内の電解質として用いられる類似の物質となし得る。再充電可能なリチウム電池
の他方の電極は本発明の他の複合電極、または従来のリチウム電池の電極として
もよい。

【００２０】 他の構成では、導電性有機ポリマー積層体が金属集電体の両面を覆っており、
したがって電極活性層は導電性有機ポリマー積層体の双方の自由面に付着され、
これによって両側複合電極を形成する。

【００２１】 他の実施の形態においては、複合電極が、電極活性物質を含む電極層とリチウ
ムイオン伝導電解質との間に付加的な接着性層を備えている。この接着性層を設
ける目的は、電解質と電極との間の境界をリチウムイオンが越える媒体を提供す
るのみでなく、電極層と電解質層との間においてガスが捕捉される可能性を消滅
させることにある。上記接着性層は通常、電解質中に存在するリチウムイオンの
濃度のよりも低い濃度のリチウム塩を含む非水溶媒からなる。このような接着性
層を施す方法は既知である。

【００２２】 本発明に従って作成された複合電極、および双方が複合電極の形態を有する反
対極性の電極を備えたリチウム電池が図１ａおよび図１ｂに概略的に示されてい
る。図１ａは本発明に従って組み立てられた複合電極１０を示し、１２は金属性
集電体、１４は導電性有機ポリマー積層体、１６は電極活性物質を含む層である
。符号１８は、リチウムイオンを含む接着性層２２を随意的に設け得る組み立て
られた複合電極を示す。図１ｂはリチウム電気化学セル２０を概略的に示し、反
対極性を有する一対の複合電極を備え、複合アノード１８と複合カソード２４と
の間に電解質２６を有する。図１ｂにおける１２および１２′は金属性集電体シ
ート、１４および１４′は、組成が同一でも異なってもよい導電性有機ポリマー
層であり、１６および１７は、反対極性の電極活性成分を含む層を示す。リチウ
ムイオンを含有する接着性層（図示せず）は、各複合電極と非水電解質の適当な
面との間に介挿することができる。

【００２３】 具体例１ Ｓｈａｗｉｎｉｇａｎ Ｂｌａｃｋとして市販されている炭素微粒子を１３％
含み、低密度ポリエチレンとエチレン酢酸ビニルとが５：１の比率で混合された
配合ポリマー混合物からなる導電性組成物を調製した。上記炭素を先ずエチレン
酢酸ビニルと混合し、次いでこの最初の配合物に低密度ポリエチレンを混合した
。この３成分混合物をさらに既知の方法により高い温度で混合し、次に押出し、
かつ１８０℃の温度で１８時間アニールし、このアニールされたポリマーを銅箔
上に積層して、厚さ２７μｍの集電体シートを得た。上記アニールされたポリマ
ー混合物の抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓは９８℃であり、この温度を境に抵抗率は２倍
変化した。２層の集電体シートを６２ｍｍ×４８０ｍｍの長方形に切断し、この
長方形の一方の面にグラファイト含有アノード混合物を０．２ｍｍの厚さに塗布
した。上記アノード混合物は、“Ｌｏｎｚａ ＳＦＧ−１５”として市販されて
いるグラファイト粉末をポリ弗化ビニリデンのバインダ中に３重量％加えたもの
からなる。“Ｃｅｌｇａｒｄ”の名称で市販されている多孔性ポリプロピレン製
セパレータを、銅箔とポリエチレン・エチレン酢酸ビニル・炭素の積層体とグラ
ファイト層とから形成された複合アノードと同じサイズに切断し、アノード層の
自由面上に配置した。多孔性ポリプロピレン製セパレータの他方の面にはカソー
ド混合物をドクターブレード法で０．２ｍｍの厚さに塗布した。このカソード混
合物は酸化リチウム・コバルト粒子を含み、これに３重量％のポリ弗化ビニリデ
ンと４重量％の炭素微粒子を加えたものである。次に、カソード層の自由面には
、導電性ポリエチレン・エチレン酢酸ビニル・炭素の積層体とアルミニウム箔と
からなり、かつこのアルミニウム箔を外面に備えた別の長方形の２層の集電体を
接触させた。この組み立てられた再充電可能なリチウム電池を巻回し、次にプラ
スチックで被覆された長さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍの金属性円筒内に詰め、次い
で減圧下で電解質溶液を満たし、封止した。この電解質溶液は、エチレンカーボ
ネートとジメチルカーボネートとを１：１で混合した溶媒に濃度１モルのＬｉＰ
Ｆ_６ を含有させたものからなる。この再充電可能なリチウム電池を４．２ボル
トに充電した。このセルの開回路電圧は４．０８ボルトで、容量は１５４０ｍＡ
ｈであった。

【００２４】 具体例２ 具体例１に記載したように作成した再充電可能な巻回型リチウムセルに対し、
上記金属性円筒内に詰められた電池に直径０．５ｍｍの針を差し込むことによっ
て針貫通テストを行なった。針貫通前は４．０５ボルトの開放電圧を示したリチ
ウム電池は、針貫通テスト後は１．８６ボルトになった。開放電圧は低下したが
、針による破損後も爆発や発火は生じなかった。

【００２５】 同様の電極と電解質とによって作成されているが、導電性有機ポリマー集電体
を備えていない類似の巻回型リチウム電池について比較テストを行なった。針貫
通テストの結果、その電池は爆発して小さな発火が生じた。

【００２６】 具体例３ １２重量％のＳｈａｗｉｎｉｇａｎ Ｂｌａｃｋを含有するポリ−１−ブテン
のポリマーからなる導電性組成物を調製し、これをより高い温度で混合し、次に
押し出し、かつ１５５℃の温度で５時間アニールし、このアニールされたポリマ
ーを銅箔上に積層して、厚さ２８μｍの集電体シートを得た。上記アニールされ
たポリマー混合物の抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓは９２℃であり、この温度を境に抵抗
率は３倍変化した。２層の集電体シートを１０ｃｍ×１２ｃｍの長方形に切断し
、この長方形の一方の面にグラファイト含有アノード混合物を０．２ｍｍの厚さ
に塗布した。上記アノード混合物は、“Ｌｏｎｚａ ＳＦＧ−１５”として市販
されているグラファイト粉末をポリ弗化ビニリデンのバインダ中に３重量％加え
たものからなる。具体例１に記載されたカソード層中の正の活性成分として酸化
リチウム・コバルトを含む複合カソードを調製し、ポリ−１−ブテンとカーボン
ブラックとの導電性積層体からなる２層の集電体をアルミニウム箔上に形成した
。複合アノードと複合カソードと同じサイズに切断された濃度１モルのＬｉＰＦ _６ を含むポリエチレンオキシドからなる固体ポリマー電解質を二つの複合電極
間に配置し、組み立てられたリチウム電池を容器に詰め、かつ通常の方法で封止
した。この再充電可能なリチウム電池を４．２ボルトに充電すると４．０５ボル
トの開回路電圧を示した。

【００２７】 具体例４ 濃度０．６モルのＬｉＰＦ_６ を含むポリ弗化ビニリデンからなる付加層を設
け、かつ両電極の電極活性層を備えた面間に電解質を配置するのに先立って、固
体ポリマー電解質を両面に塗布した以外は具体例３に記載した通りにプレーナ型
リチウム電池を作成した。容器に詰められたリチウム電池を具体例３のように充
電すると、同様の開回路電圧を示した。

【００２８】 導電性有機ポリマー積層体を備えた複合電極を有する再充電可能なリチウム電
池の格別な利点は、上記導電性有機ポリマー積層体が、リチウム電池すなわちリ
チウム電気化学セルをその効率に悪影響を及ぼすことなしに防護することができ
るという点にある。したがって、数個の再充電可能なリチウムセルを含むリチウ
ム電池パックは、もしセルの一つが局部的短絡またはホットスポットによって不
良になったままであっても、エネルギーの供給を持続することができる。

【００２９】 再充電可能なリチウム電池に関して、金属性集電体と接触しかつ電極層と組み
合わせられる導電性有機ポリマー層を用いることを説明した。しかしながら、こ
のような金属と導電性有機ポリマー積層体との組合せは、局部的な過電流と過熱
とから防護するのが望まれる他の電気化学セルに用いることができる。

【００３０】 以上、本発明の原理と、好ましい実施の形態と、動作モードについて説明した
。しかしながら、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されるものではな
い。上述の実施の形態は、限定ではなく例示と考えるべきで、当業者であれば特
許請求の範囲に記載された範囲から逸脱することなしに上記実施の形態の変形が
可能であることを認識すべきであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１ａおよび１ｂは、本発明による複合電極と、この複合電極を備えた再充電
可能なリチウム電池の概略的断面図

【符号の説明】

１０ 複合電極 １２ 金属性集電体 １４ 導電性有機ポリマー積層体 １６，１７ 電極活性物質を含む層 １８ 複合アノード ２０ リチウム電気化学セル ２２ 接着性層 ２４ 複合カソード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダスガプタ，サンカー カナダ国 エム６ケー １ダブリュ９ オ ンタリオ州 トロント ハンナ アヴェニ ュー 21 ザ エレクトロフュール マニ ュファクチャリング カンパニー リミテ ッド (72)発明者 ジャコブス，ジェイムズ ケー カナダ国 エム５アール ３シー２ オン タリオ州 トロント アルバニー アヴェ ニュー 69 Ｆターム(参考） 5H029 AJ12 AK03 AL07 AL12 AM03 AM05 AM07 BJ02 BJ12 BJ14 BJ27 CJ07 DJ07 DJ08 DJ16 DJ17 EJ04 EJ12 HJ01 HJ04 HJ05 HJ07 HJ12 HJ14 HJ20 5H050 AA15 BA17 BA18 CA08 CB08 CB12 DA02 DA03 DA04 DA10 DA11 EA08 EA10 EA23 EA24 EA28 FA17 GA09 HA01 HA04 HA05 HA07 HA14 HA17

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負極、正極、非水電解質および金属性集電体を備えた再充電
   可能なリチウム電池において、 前記電極のうちの少なくとも一つは、含有せしめられた導電性粒子によって導
   電性を付与された有機ポリマー積層体と接触する金属性集電体シートを備えた複
   合電極であって、前記導電性有機ポリマー積層体は厚さおよび第１の表面ペアを
   有し、該厚さおよび第１の表面ペアによって全体の体積が定められ、前記導電性
   有機ポリマー積層体の抵抗率は正の温度係数と、７５℃と１２０℃の間の抵抗率
   転換温度Ｔ_ｒｓとを有し、前記導電性有機ポリマー積層体は、前記Ｔ_ｒｓの５°
   の温度帯域内において抵抗率が少なくとも２倍可逆的に変化することが可能であ
   り、かつ前記導電性有機ポリマー積層体は、該導電性有機ポリマー積層体の全体
   積の一部分において前記可逆的な抵抗率変化を生じることが可能であり、前記第
   １の表面ペアのうちの一方の面は前記金属性集電体に対応するサイズを有し、前
   記導電性有機ポリマー積層体の前記第１の表面ペアのうちの他方の面は、前記複
   合電極を形成する電極層に接触し、さらに該電極層が電極活性物質を含むことを
   特徴とする改良された再充電可能なリチウム電池。
2. 【請求項２】 前記電極活性物質を含む前記電極層が、第２の表面ペアを備
   え、該第２の表面ペアのうちの一方の面は前記導電性有機ポリマー積層体に接し
   、前記第２の表面ペアのうちの他方の面にはリチウムイオンを含む接着性被膜が
   付されていることを特徴とする請求項１記載の改良された再充電可能なリチウム
   電池。
3. 【請求項３】 前記導電性有機ポリマー積層体の全体積の一部分における前
   記可逆的な抵抗率変化が、前記再充電可能なリチウム電池内における局部的温度
   変化によって生じることを特徴とする請求項１記載の改良された再充電可能なリ
   チウム電池。
4. 【請求項４】 前記導電性有機ポリマー積層体の体積の一部分が前記導電性
   有機ポリマー積層体の全体積の５０容量％未満であることを特徴とする改良され
   た請求項１記載の再充電可能なリチウム電池。
5. 【請求項５】 前記抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓが前記導電性有機ポリマー積層体
   の溶融温度よりも少なくとも５０°低いことを特徴とする請求項１記載の改良さ
   れた再充電可能なリチウム電池。
6. 【請求項６】 前記導電性粒子が炭素微粒子およびカーボンブラックからな
   る群から選ばれ、該導電性粒子が０．１μｍ未満の粒径を有することを特徴とす
   る請求項１記載の改良された再充電可能なリチウム電池。
7. 【請求項７】 前記導電性有機ポリマー積層体が４μｍと５０μｍとの間の
   厚さを有することを特徴とする請求項１記載の改良された再充電可能なリチウム
   電池。
8. 【請求項８】 前記導電性有機ポリマー積層体が、ポリエチレン、エチレン
   およびアクリル酸エチルのコポリマー、エチレンおよびアクリル酸のコポリマー
   、ポリオレフィン、ポリエステル、弗化エチレン・プロピレンコポリマー、ポリ
   弗化ビニリデン、ポリエチレンと、エチレンおよびアクリル酸エチルのコポリマ
   ーとの混合物、および、ポリエチレンと、エチレンおよびアクリル酸のコポリマ
   ーとの混合物からなる群の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載
   の改良された再充電可能なリチウム電池。
9. 【請求項９】 前記導電性有機ポリマー積層体が、炭素微粒子およびカーボ
   ンブラックからなる群から選ばれた導電性粒子を１５容量％未満含んでいること
   を特徴とする請求項８記載の改良された再充電可能なリチウム電池。
10. 【請求項１０】 前記電極活性物質を含む前記電極層が、前記電極活性物質
    と炭素粒子とバインダとからなる凝集性層であることを特徴とする請求項１記載
    の改良された再充電可能なリチウム電池。
11. 【請求項１１】 前記電極活性物質が、正の活性物質と負の活性物質とから
    なる群から選ばれることを特徴とする請求項１０記載の改良された再充電可能な
    リチウム電池。
12. 【請求項１２】 前記複合電極が複合負極であり、前記電極活性物質を含む
    前記電極層がリチウムまたはリチウム合金箔であることを特徴とする請求項１記
    載の改良された再充電可能なリチウム電池。
13. 【請求項１３】 前記金属性集電体シートが２個の対向面を備え、各面が導
    電性有機ポリマー積層体に接していることを特徴とする請求項１記載の改良され
    た再充電可能なリチウム電池。
14. 【請求項１４】 改良された再充電可能なリチウム電池において、 （１）第１の金属性集電体と、 （２）含有せしめられた導電性粒子によって導電性を付与された第１の有機ポ
    リマー積層体を含む複合正極であって、前記第１の導電性有機ポリマー積層体は
    厚さおよび第１の表面ペアを有し、該厚さおよび第１の表面ペアにより全体の体
    積が定められ、前記第１の導電性有機ポリマー積層体の抵抗率は正の温度係数と
    、７５℃と１２０℃の間の抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓとを有し、前記第１の導電性有
    機ポリマー積層体は、前記Ｔ_ｒｓの５°の温度帯域内において抵抗率が少なくと
    も２倍可逆的に変化することが可能であり、前記第１の導電性有機ポリマー積層
    体は、該第１の導電性有機ポリマー積層体の全体積の一部分において前記可逆的
    な抵抗率変化を生じることが可能であり、前記第１の表面ペアのうちの一方の面
    は前記金属性集電体に対応するサイズを有し、前記第１の導電性有機ポリマー積
    層体の前記第１の表面ペアのうちの他方の面は、前記複合正極を形成する正極層
    に接触し、該正極層が正の活性物質を含むように構成された複合正極と、 （３）第３の表面ペアを備えた非水リチウムイオン伝導電解質と、 （４）含有せしめられた導電性粒子によって導電性を付与された第２の有機ポ
    リマー積層体を含む複合負極であって、前記第２の導電性有機ポリマー積層体は
    第２の厚さおよび第２の表面ペアを有し、該第２の厚さおよび第２の表面ペアに
    より全体の体積が定められ、前記第２の導電性有機ポリマー積層体の抵抗率は正
    の温度係数と、７５℃と１２０℃の間の抵抗率転換温度Ｔ_ｒｓとを有し、前記第
    ２の導電性有機ポリマー積層体は、前記Ｔ_ｒｓの５°の温度帯域内において抵抗
    率が少なくとも２倍可逆的に変化することが可能であり、前記第２の導電性有機
    ポリマー積層体は、該第２の導電性有機ポリマー積層体の全体積の一部分におい
    て前記可逆的抵抗率変化を生じることが可能であり、前記第２の導電性有機ポリ
    マー積層体の前記第２の表面ペアのうちの一方の面は負の活性物質を含む負極層
    に接触し、前記第２の表面ペアのうちの他方の面は第２の金属性集電体に対応す
    るサイズを有し、かつ接触するように構成された複合負極と、 を備えていることを特徴とする改良された再充電可能なリチウム電池。
15. 【請求項１５】 リチウムイオンを含有する接着性被膜が、前記負の活性物
    質からなる前記負極層と、前記非水リチウムイオン伝導電解質の前記第３の表面
    ペアのうちの一方の面との間に介挿されることを特徴とする請求項１４記載の改
    良された再充電可能なリチウム電池。
16. 【請求項１６】 リチウムイオンを含有する接着性被膜が、前記正の活性物
    質からなる前記正極層と、前記非水リチウムイオン伝導電解質の前記第３の表面
    ペアのうちの他方の面との間に介挿されることを特徴とする請求項１４記載の改
    良された再充電可能なリチウム電池。
17. 【請求項１７】 前記第１および第２の導電性有機ポリマー積層体が類似の
    組成を有することを特徴とする請求項１４記載の改良された再充電可能なリチウ
    ム電池。