JP2004241250A - 電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】積層構造を有する電気化学素体16を、金属ラミネートから形成された矩形状の外装体18で被覆した電気化学デバイス10であって、厚みが3mm以下であり、所定の断面において曲率半径が0.5cmまで円弧状に湾曲可能としたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池やキャパシタなどの電気化学デバイスに関し、より詳細には外形が湾曲可能な電気化学デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
外形が湾曲された電気化学デバイスとして、例えば特許文献1には、適用される機器内のスペースの有効利用を図るため、機器の形状に対応させて外形を湾曲させたリチウムポリマー電池が開示されている。このような電池では、特許文献2に開示されているように、電池素体の外形に合わせて予め絞り加工が施された外装体が用いられている。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−222664号公報
【0004】
【特許文献2】
特開2001−167797号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特許文献1及び2に開示の電池では、外装体に施された絞り加工により、電池の湾曲化が困難であったり、湾曲状態の維持が困難であったりするといった問題があった。
【0006】
本発明は、上記した課題を解決するために為されたものであり、湾曲化及び湾曲状態の維持が容易な構造を有する電気化学デバイスを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電気化学デバイスは、積層構造を有する電気化学素体を、金属ラミネートから形成された矩形状の外装体で被覆した電気化学デバイスであって、厚みが3mm以下であり、所定の断面において曲率半径が0.5cmまで円弧状に湾曲可能としたことを特徴とするものである。
【0008】
この電気化学デバイスでは、電気化学素体は湾曲に適した積層構造を有し、この電気化学素体が外装体に被覆されている。そして、厚さが3mm以下であり、所定の断面において曲率半径が0.5cm以上に円弧状に湾曲可能に構成されている。従って、湾曲化が容易で且つ湾曲状態の維持も容易となる。また、湾曲化に際して外装体のシワやそれに伴うピンホールの発生が抑制される。さらに、円弧状に湾曲可能に構成されているため、円弧状に湾曲させたとき、湾曲している部分の素体にかかる応力が均等であり、湾曲しても電池内部の破壊を無くすことができ、ショートの発生がない電池とすることができる。また、平板型の電気化学デバイスと比較して同等の特性を得ることができる。
【0009】
さらに、本発明にかかる電気化学デバイスは、曲率半径が厚みの5倍まで湾曲可能に構成しても良い。電気化学デバイスを通常の平板状態から、厚みに応じて適便な最小曲率半径まで湾曲可能とすることにより、湾曲化が容易で且つ湾曲状態の維持も容易となる。また、湾曲化に際して外装体のシワやそれに伴うピンホールの発生が抑制され電気化学デバイスとしての一層の信頼性を担うことができる。
【0010】
また、外装体から引き出された一対の端子と平行な方向における断面が湾曲していることとしても良い。この方向に湾曲させるようにすれば、一対の端子がショートするおそれが低減される。
【0011】
また、外装体が含む金属層の厚みが10μm〜60μmであっても良い。金属層の厚みが10μmより薄ければ、金属層にピンホールが発生する傾向にあり、60μmより厚ければ、湾曲の際、不必要な応力がかかり湾曲が困難となる傾向にある。
【0012】
また、外装体は、電気化学素体の一方の主面に沿って延びる第1外装部と、電気化学素体の他方の主面に沿って延びる第2外装部とを有してなる。そして、前記第1外装部と前記第2外装部とで連続していない縁部同士が熱融着されて封止されていてもよい。さらにこの外装体の第1及び第2外装部のいずれにも絞り加工が施されていなければ好適である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、理解の容易のため図面は概念的に記載しており、寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0014】
図1は、本実施形態に係る電気化学デバイスの外観構成を示す斜視図である。ここで、本明細書において「電気化学デバイス」には、電池、キャパシタ等が含まれる。本実施形態では、電気化学デバイスとしてリチウムイオン二次電池について説明する。また、図2は図1のII−II線で切った断面図である。
【0015】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(以下、単に「電池」ともいう)10は、図1及び図2に示すように、外形が矩形状をなし、引き出された一対の端子12,14が延びる方向と平行な方向に切った断面が湾曲している。この電池10は、電池素体16と、電池素体16を収容する外装体18とを備えている。
【0016】
電池素体16は、図3に示すように、正極20と負極22とが電解質層24を介して交互に積層された積層構造を有する。この積層数は、所望の厚みに応じて任意に選択することができる。図3では、負極22、電解質層24、正極20、電解質層24、及び負極22が交互に積層された2層構造の場合を示している。ここで「積層構造」とは、上記のように正極20と負極22とが電解質層24を介して基準面(例えば第1の主面34)に沿って交互に積層された構造を指し、捲回型(円筒型)のような構造は除外される。
【0017】
正極20は、集電体層26と集電体層26上に設けられた活物質含有層28とを有している。集電体層26は、アルミニウム箔等から形成されている。活物質含有層28は、正極活物質及び結着剤を含む正極材料から形成されている。正極活物質としては、コバルト酸リチウム等のリチウムを挿入脱離する物質が挙げられる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。なお、正極20の一部はリボン状に延長され、正極20側の端子12が形成されている。
【0018】
負極22は、集電体層30と集電体層30上に設けられた活物質含有層32とを有している。集電体層30は、銅箔等から形成されている。活物質含有層32は、負極活物質及び結着剤を含む負極材料から形成されている。負極活物質としては、黒鉛等のリチウムを挿入脱離する物質が挙げられる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。なお、負極22の一部はリボン状に延長され、負極22側の端子14が形成されている。
【0019】
電解質層24は、リチウム塩を含んでいる。この電解質層24は、リチウム塩を含む固体電解質層として形成してもよく、また多孔体からなるセパレータにリチウム塩を溶解させた電解液を含浸させて形成してもよい。
【0020】
このような積層構造を有する電池素体16は、例えば特許第3297034号公報に開示の方法により好適に作製することができる。この電池素体16は全体として湾曲されており、対向する第1及び第2の主面34,36は同様に湾曲している。
【0021】
外装体18は、図4に示すように、金属層38及び金属層38を挟み込む樹脂層40を含む金属ラミネートから形成されている。金属層38は、アルミ、チタン等のガスバリア性の高い金属から形成すると好ましい。樹脂層40は、電気絶縁性を有する樹脂から形成すると好ましい。特に、金属層38を挟んで一方の樹脂層(電池素体16と対面する側の層)40は、熱融着可能な熱接着性樹脂から形成すると好ましい。
【0022】
ここで、外装体18が含む金属層38の厚みは10μm〜60μmであると好ましく、20μm〜40μmであるとより好ましい。金属層38の厚みが10μmより薄ければ、金属層にピンホールが発生する傾向にあり、60μmより厚ければ、湾曲が困難になる傾向にある。なお、後述するように外装体18をパウチ型とすることにより、金属層38の厚みを上記した程度まで薄くすることができる。また、樹脂層40の厚みは20μm〜120μmであると好ましい。このようにすれば、電池10の湾曲化が容易となる。
【0023】
例えば、熱接着性樹脂であるポリプロピレン(PP)、アルミ、ナイロン(Ny)からなる三層構造のアルミラミネートは、外装体18を形成する材料として好適であり、これら三層の典型的な厚みはそれぞれ30μm、20μm、25μmである。
【0024】
本実施形態では、図2に示すように、外装体18はパウチ型の外装体であり、電池素体16の第1の主面34に沿って延びる第1外装部18aと、第2の主面36に沿って延びる第2外装部18bとを有している。これら第1及び第2外装部18a,18bのいずれにも絞り加工は施されていない。そして、第1外装部18aと第2外装部18bとで連続していない縁部同士が熱融着されて封止される。このようなパウチ型の外装体18としては、図5に示すように、1枚のシート状の金属ラミネートを二つ折りにし、連続していない3つの縁部18c同士を熱融着して封止するタイプの外装体(図6には、一対の側方の縁部同士を熱融着した状態を示す)や、図7に示すように、2枚のシート状の金属ラミネートの4つの縁部18c同士を熱融着して封止するタイプの外装体(図8には、3つの縁部同士を熱融着した状態を示す)を好適に用いることができる。
【0025】
上記した構成の外装体18内に、前述した電池素体16が収容されている。そして、全体が湾曲可能とされている。更に、矩形状をなす外装体18の一辺から、正負両極20,22から延びる一対の端子12,14が引き出されている。
【0026】
この電池10では、厚さ(図2のd)が3mm以下、好ましくは2mm以下であると好適である。このようにすれば、平板状態からの湾曲化及び湾曲状態の維持が容易となる。また、湾曲化に際して外装体18のシワやそれに伴うピンホールの発生が抑制される。さらに、平板型の電池と比べてサイクル特性等の諸特性について同等の特性が得られる。
【0027】
またこの電池10では、外形が矩形状をなし、一対の端子12,14が引き出される辺と直交する方向、すなわち引き出された一対の端子12,14が延びる方向と平行な方向に切った断面において湾曲可能に構成されていると好ましい。この方向に湾曲させるようにすれば、一対の端子12,14がショートするおそれが低減される。
【0028】
またこの電池10では、所定の断面において円弧状に湾曲可能としていると好ましい。このような電池10は、機器内の円弧状に湾曲した部位への適用に好適である。さらに、円弧状に湾曲しているため湾曲部における電池素体16に均一に応力が掛かるため、一部に強い応力が掛かり電池素体16の破損を防止できる。このとき、曲率半径Rは、0.5cm以上で湾曲可能となっている。これにより、電池内部の破壊を無くしショートの発生がない電池となっている。また、本電池10は、厚さに応じて湾曲可能な範囲を適宜選択できる。具体的には、湾曲の曲率半径が、平板状態から電池10の厚みの5倍まで湾曲可能とすることが好ましい。
【0029】
次に、上記した構成を備えた電池10の製造方法の一例を説明する。
【0030】
まず、図9に示すように、正極20及び負極22が電解質層24を介して積層された電池素体16を作製する。
【0031】
次に、図5あるいは図7に示すような金属ラミネートを用意し、一対の端子12,14が引き出されるように、外装体18に電池素体16を配置する。
【0032】
そして、外装体18の一辺のみを未シールとして、他の辺を熱融着する。なお、図10では、未シール部とする一辺を端子12,14を備える辺とする場合について示しているが、外装体18において、未シール部とする一辺は端子12,14を備える辺以外が特に好ましい。これは、電解液注入時に端子12,14に電解液が付着するとその後の熱融着によるシール性が著しく低下するためである。
【0033】
その後、未シール部の辺から電解液を注入し、図11に示すように、減圧環境下において未シール部を熱融着して封止する。最後に、電池10を湾曲させる。このようにして、湾曲型リチウムイオン二次電池10が製造される。
【0034】
なお、予め湾曲化させた外装体18に予め湾曲した積層構造を有する電池素体16を挿入するようにしてもよい。また、電解質層24を多孔体からなるセパレータにリチウム塩を含む電解液を含浸させて形成する場合は、電池素体16を外装体18に挿入し電解液を注入する前に湾曲させたり、電解液を注入して電池化した後で湾曲させたりしてもよい。
【0035】
以上、本実施形態に係る電池10では、電池素体16は湾曲に適した積層構造を有し、この電池素体16が外装体18に被覆されている。そして、厚さが3mm以下であり、所定の断面において曲率半径が0.5cm以上に円弧状に湾曲可能に構成されている。従って、湾曲化が容易で且つ湾曲状態の維持も容易となる。また、湾曲化に際して外装体18のシワやそれに伴うピンホールの発生が抑制される。さらに、円弧状に湾曲可能に構成されているため、円弧状に湾曲させたとき、湾曲している部分の素体にかかる応力が均等であり、湾曲しても電池内部の破壊を無くすことができ、ショートの発生がない電池とすることができる。また、平板型の電池と比較して同等の特性を得ることができる。
【0036】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により、本発明を更に詳細に説明する。
(実施例1)
実施例1では、以下の手順で湾曲可能なリチウムイオン二次電池を作製した。
【0037】
まず、正極を作製した。正極の作製では、正極活物質として90重量部のLiMn0.33Ni0.33Co0.34O2(但し、式中の数字は原子比を示す)と、導電助剤として6重量部のアセチレンブラックと、バインダーとして4重量部のポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、プラネタリーミキサによって混合分散した後、適量のNMP(N−メチル−2−ピロリドン)を加えて粘度調整し、スラリー状の塗布液を得た。
【0038】
次に、得られた塗布液を集電体としてのアルミニウム箔(20μm)上にドクターブレード法により塗布して乾燥させた。このときの塗布量は、活物質担持量が26.5mg/cm2となるようにした。そして、活物質が塗布された集電体を空孔率が28%となるようにカレンダーロールによってプレスし、プレス後に83mm×102mmのサイズに打ち抜いた。このようにして、正極を作製した。そして、正極の一部をリボン状に延長して、正極側の端子を形成した。
【0039】
次に、負極を作製した。負極の作製では、負極活物質として92重量部の人造黒鉛と、バインダーとして8重量部のPVdFとを、プラネタリーミキサによって混合分散した後、適量のNMPを加えて粘度調整し、スラリー状の塗布液を得た。
【0040】
次に、得られた塗布液を集電体としての銅箔(15μm)上にドクターブレード法により塗布して乾燥させた。このときの塗布量は、活物質担持量が14.0mg/cm2となるようにした。そして、活物質が塗布された集電体を空孔率が30%となるようにカレンダーロールによってプレスし、プレス後に83mm×102mmのサイズに打ち抜いた。このようにして、負極を作製した。そして、負極の一部をリボン状に延長して、負極側の端子を形成した。
【0041】
次に、84mm×104mmのサイズに打ち抜いたポリオレフィンセパレータ(厚み25μm、ガーレ通気時間100秒)を、正極と負極の間に介在させるようにして正極と負極とを所定数だけ積層して行き、両端面を熱圧着して電極積層体を作製した。
【0042】
次に、非水電解液を以下の手順で合成した。溶媒としては、非水電解質溶媒であるエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを混合した混合溶媒を用いた。混合溶媒の混合比率はEC:DEC=30:70(体積比)とした。また、電解質塩としてはLiPF6を用い、塩濃度は1.5Mとした。
【0043】
次に、図5に示すようなアルミラミネート(アルミ層の厚みは20μm)からなる三方封止のパウチ型の外装体を用意した。そして、上記のようにして作製した電極積層体を外装体に配置し、アルミラミネートを電極積層体を挟み込むように折畳み、アルミラミネートの2辺を熱融着して、残りの1辺のみ開口状態とした。そして、この開口している1辺より外装体内に上記のようにして作製した非水電解液を注入して、電極積層体に含浸させた。次いで、減圧環境下にて外装体の未シール部分を熱融着により封止した。そして、初期充電を行って電池化した。この状態で、外形は幅が89mmであり、縦が115mmであり、厚さが1mmであった。これを外径7cmのカーブを有する容器に沿って湾曲させて、リチウムイオン二次電池を湾曲化した。
(実施例2〜4)
電極積層体の積層数を増やし、初期充電後の電池厚さを2.0mm(実施例2)、2.5mm(実施例3)、3.0mm(実施例4)とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(比較例1)
電極積層体の積層数を増やし、初期充電後の電池厚さを3.5mmとした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(比較例2)
電池を湾曲させなかった以外は、実施例1と同様にして平板型リチウムイオン二次電池を作成した。
(比較例3)
実施例1と同様な構成材料を用いて捲回型電池を作製したところ、厚さ3mm未満の電池の作製は不可能であった。また、捲回型電池においては、厚さ3mmにおいても湾曲化が困難であった。
(サイクル特性評価)
上記実施例1〜4及び比較例1に係る湾曲型リチウムイオン二次電池、並びに比較例2に係る平板型リチウムイオン二次電池に対し、1C充放電にてサイクル特性を評価した。ここで、1Cとは電池を1時間で満充電から完全放電状態(あるいはその逆)にする電流値を指す。図12は、サイクル特性の評価の結果を示すグラフである。図12において、黒丸、黒三角、黒四角、白丸及び十字印は、それぞれ実施例1〜4及び比較例1の結果を示す。また、菱形は比較例2の結果を示す。
【0044】
図12に示すように、実施例1〜3に係る湾曲型リチウムイオン二次電池では、比較例2に係る平板型リチウムイオン二次電池と比べて同等、若しくは実用上問題ない程度の容量及びサイクル特性が得られる。実施例4は、比較例2に係る平板型リチウムイオン二次電池と比べて、サイクル特性に若干の劣化が認められるものの使用に際し、特には問題とならない範囲であった。また比較例1に係る湾曲型リチウムイオン二次電池では、湾曲化及び湾曲状態の維持は容易に実現できるものの、サイクル特性の劣化が見られた。これは、厚みが3mmより厚いと活物質層のヒビや割れの発生、および、集電体からの剥離が生じやすくなるためであると推測される。このことから、電池の厚みは3mm以下であることが求められる。
(曲げ特性評価)
上記実施例1〜4に係る湾曲型リチウムイオン二次電池では、外径7cmのカーブを有する容器に沿って湾曲させていたが、容器の外径φを更に0.5cm、1cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、5cm、7cm、9cmと変えたときの、電池10の曲げ特性について評価した。この曲げ特性の評価では、同じ電池厚さで同じ湾曲径を有する電池を20個用意し、これら20個の電池中で電池内部の破壊に伴いショートが発生する電池の個数を調べた。表1は、その結果を示している。なお、曲げ特性の評価は、図13に示すように、いずれの場合も容器90の周面の半分にのみ沿うように電池10を湾曲させて行った。
【0045】
【表1】
表1に示すように、電池の厚みによらず、容器90の外径φが0.5cm(曲率半径0.25cm)の場合には、ショート発生が起きた。電池厚さが1mmの場合には、容器90の外径φが1cm(曲率半径0.5cm)以上であれば、ショートが起きなかった。電池厚さが2mmの場合には、容器90の外径φが2cm(曲率半径1cm)以上であれば、ショートが起きなかった。電池厚さが2.5mmの場合には、容器90の外径φが2.5cm(曲率半径1.25cm)以上であれば、ショートが起きなかった。電池厚さが3mmの場合には、容器の外径φが3cm(曲率半径1.5cm)以上であれば、ショートが起きなかった。しかしながら、電池厚さが3.5mmの場合には、容器90の外径φによらず、ショートが発生した。
【0046】
本結果を考察するに、電池厚が3mm以下で、電池を平板状態から電池厚の5倍の曲率半径まで、湾曲することを可能である結果となった。
【0047】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【0048】
例えば、上記した実施形態に係る電池では、一対の端子が引き出される辺と直交する方向に切った断面が湾曲していることとしたが、これに限定されることなく、一対の端子が引き出される辺と平行な方向に切った断面が湾曲していてもよい。
【0049】
また、一対の端子は互いに別の辺から引き出されていてもよい。
【0050】
また、上記した実施形態では電気化学デバイスとしてリチウム二次電池について説明したが、これに限定されることなく、外装体内に収容される電気化学素体が積層構造を有するものであれば、例えば電気二重層キャパシタ等のキャパシタ等にも本発明を適用することが可能である。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、湾曲化及び湾曲状態の維持が容易な構造を有する電気化学デバイスが提供される。従って、かかるデバイスが適用される機器の設計の自由度の拡大が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る電気化学デバイスとして、リチウムイオン二次電池の外観構成を示す斜視図である。
【図2】図1に示すII−II線で切った断面図である。
【図3】リチウムイオン二次電池が含む電池素体の構成を示す図である。
【図4】外装体を形成する金属ラミネートの構成を示す図である。
【図5】三方封止のパウチ型の外装体を説明するための図である。
【図6】三方封止のパウチ型の外装体を説明するための図である。
【図7】四方封止のパウチ型の外装体を説明するための図である。
【図8】四方封止のパウチ型の外装体を説明するための図である。
【図9】リチウムイオン二次電池の製造方法を説明するための図である(電池素体作製工程)。
【図10】リチウムイオン二次電池の製造方法を説明するための図である(挿入工程)。
【図11】リチウムイオン二次電池の製造方法を説明するための図である(封止工程)。
【図12】実施例1〜4及び比較例1〜2に係るリチウムイオン二次電池のサイクル特性を評価した結果を示すグラフである。
【図13】曲げ特性の評価をする際に、電池を容器周面に沿って湾曲させる様子を説明する図である。
【符号の説明】
10…リチウムイオン二次電池、12,14…端子、18…外装体、16…電池素体、38…金属層、34…第1の主面、36…第2の主面、40…樹脂層、18a…第1外装部、18b…第2外装部、R…曲率半径、d…厚さ。
Claims (6)
- 積層構造を有する電気化学素体を、金属ラミネートから形成された矩形状の外装体で被覆した電気化学デバイスであって、
厚みが3mm以下であり、
所定の断面において曲率半径が0.5cmまで円弧状に湾曲可能としたことを特徴とする電気化学デバイス。 - 前記曲率半径が前記厚みの5倍まで湾曲可能であることを特徴とする請求項1記載の電気化学デバイス。
- 前記外装体から引き出された一対の端子と平行な方向における断面が湾曲していることを特徴とする請求項1または2記載の電気化学デバイス。
- 前記外装体が含む金属層の厚みが10μm〜60μmであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の電気化学デバイス。
- 前記外装体は、前記電気化学素体の一方の主面に沿って延びる第1外装部と、前記電気化学素体の他方の主面に沿って延びる第2外装部とを有し、
前記第1外装部と前記第2外装部とで連続していない縁部同士が熱融着されて封止されていることを特徴とする請求項1ないし4いずれかに電気化学デバイス。 - 前記外装体の前記第1及び第2外装部のいずれにも絞り加工が施されていないことを特徴とする請求項5に記載の電気化学デバイス。
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