JP2005056854A - 薄型カード電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、電極間の密着性が向上し、電池内部抵抗を低く抑えることができるとともに、安定した放電特性を得ることができる薄型カード電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、フレキシブルなフィルムよりなる外装材１内に、積層された正極２、セパレータ３、及び負極４、並びに、電解液を収容した薄型カード電池に関するものである。ここで、この外装材１内は減圧されている。また、フレキシブルなフィルムには、ポリエチレン／アルミニウム／ポリエチレンの構成からなるラミネートフィルムを用いている。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明は、フレキシブルなフィルムよりなる外装材１内に、積層された正極２、セパレータ３、及び負極４、並びに、電解液を収容した薄型カード電池に関するものである。ここで、この外装材１内は減圧されている。また、フレキシブルなフィルムには、ポリエチレン／アルミニウム／ポリエチレンの構成からなるラミネートフィルムを用いている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、電池内部抵抗を効果的に低抑させた薄型カード電池に関するものである。さらに詳しくは、電池内部を減圧密閉させて放電特性を向上させた薄型カード電池に関する発明である。
最近の電子産業における進歩に伴い、各種機器の小型化、省電力作動化が進んできた。またこれに伴い、電源として搭載される電池の軽量小型化の要求も高まりを見せており、各方面で精力的に開発が行なわれている。
そして、これまでに軽量薄型の電池、所謂カード電池が開示されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。
一般的にこの種の電池は、高度に部品が集積された電子機器等の僅かな空間に装着されるために、電池本体は塑性変形せず、あらゆる応力に対する柔軟性に富む外装材を用いることが望ましい。
実開昭５８−１７６３６６号
特開昭６１−６８８６０号
特開昭６１−２７７１５１号
特開平１−２３９７５９号
特開平５−９４８０８号
しかしながら、これまでに開示されているカード電池の大半は、金属薄板間に発電素子を設置した後に、熱融着法により作製されている（特許文献３）。これは正負極の接触を均一にし、放電特性を安定化させるためであるが、外装材が金属であるがゆえに、あらゆる応力に対する柔軟性を満足するものではない。
それゆえ、カード電池の放電特性においても、応力が印加された際は、均一な放電曲線とはならず、電池特性が不均一化してしまう問題があった。
それゆえ、カード電池の放電特性においても、応力が印加された際は、均一な放電曲線とはならず、電池特性が不均一化してしまう問題があった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、電極間の密着性が向上し、電池内部抵抗を低く抑えることができるとともに、安定した放電特性を得ることができる薄型カード電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の薄型カード電池は、フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、正極は、正極材料が少なくともＬｉＣｏＯ２を有し、負極は、負極材料が少なくとも炭素を有し、正極と負極の間にポリエチレンからなるセパレータが介在され、外装材は、熱可塑性樹脂、金属箔、および熱可塑性樹脂を順次積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、外装材内は、減圧されていることを特徴とする。
本発明の薄型カード電池は、フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、正極は、正極材料がＬｉＣｏＯ２を有し、負極は、負極材料が炭素を有し、外装材は、少なくとも金属箔を積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、外装材内は、減圧されていることを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、電極間の密着性が向上し電池内部抵抗を低く抑えることができる。
また、二次電池特性における放電容量維持率も著しく向上させることができる。
さらに、減圧処理した電池の放電特性は安定しており、製品の歩留まりを向上させることができる。
また、二次電池特性における放電容量維持率も著しく向上させることができる。
さらに、減圧処理した電池の放電特性は安定しており、製品の歩留まりを向上させることができる。
以下、薄型カード電池にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明の薄型カード電池は、フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、正極は、正極材料が少なくともＬｉＣｏＯ２を有し、負極は、負極材料が少なくとも炭素を有し、正極と負極の間にポリエチレンからなるセパレータが介在され、外装材は、熱可塑性樹脂、金属箔、および熱可塑性樹脂を順次積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、外装材内は、減圧されている電池である。
本発明の薄型カード電池は、フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、正極は、正極材料が少なくともＬｉＣｏＯ２を有し、負極は、負極材料が少なくとも炭素を有し、正極と負極の間にポリエチレンからなるセパレータが介在され、外装材は、熱可塑性樹脂、金属箔、および熱可塑性樹脂を順次積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、外装材内は、減圧されている電池である。
本発明の薄型カード電池は、フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、正極は、正極材料がＬｉＣｏＯ２を有し、負極は、負極材料が炭素を有し、外装材は、少なくとも金属箔を積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、外装材内は、減圧されている電池である。
上述の構成から、我々は外装材にポリエチレンとアルミニウムからなるラミネートフィルムを用いた電池が優れた特性を示すことを見いだした。
そして更に鋭意検討を加えた結果、ラミネート外装材中に発電素子を挿入した後、内部を減圧後封止することにより、あらゆる応力に対して柔軟性に優れ、且つ安定した電力の供給可能なカード電池が得られることを見いだした。
そして更に鋭意検討を加えた結果、ラミネート外装材中に発電素子を挿入した後、内部を減圧後封止することにより、あらゆる応力に対して柔軟性に優れ、且つ安定した電力の供給可能なカード電池が得られることを見いだした。
本発明の薄型カード電池によれば、電極間の密着性が向上し、電池内部抵抗を低く抑えることができるとともに、安定した放電特性を得ることができる。
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
以下、本発明薄型カード電池の実施例について図１〜図５を参照しながら説明する。
実施例１
本例では、電池内部を減圧した薄型塩化亜鉛一次電池を作製した。
内部減圧した薄型塩化亜鉛一次電池の作製方法は以下に示すとおりである。
本例では、電池内部を減圧した薄型塩化亜鉛一次電池を作製した。
内部減圧した薄型塩化亜鉛一次電池の作製方法は以下に示すとおりである。
作製した薄型塩化亜鉛一次電池の電極面積は、正極及び負極とも４ｃｍ2 である。
また、正極は、電解二酸化マンガン：カーボンブラック：塩化アンモニウム：塩化亜鉛：水をそれぞれ５７重量部：２１重量部：９重量部：１重量部：１２重量部の配合比で混合した正極合剤をカーボンフィルム上に電極活物質密度が１０ｍｇ／ｃｍ2 となるように塗布したものである。
また、正極は、電解二酸化マンガン：カーボンブラック：塩化アンモニウム：塩化亜鉛：水をそれぞれ５７重量部：２１重量部：９重量部：１重量部：１２重量部の配合比で混合した正極合剤をカーボンフィルム上に電極活物質密度が１０ｍｇ／ｃｍ2 となるように塗布したものである。
電解液は、塩化アンモニウムおよび塩化亜鉛の混合水溶液を用い、それぞれ溶媒に対する濃度が３５重量部、１０重量部となるように調整した。またこの電解液には、粘りけを出すために、コーンスターチおよび小麦を加えた。
負極には、特に鉛とカドニウムを、それぞれ０．１重量部、０．１重量部固溶した亜鉛板を用いた。
セパレータには、ナイロンの不織布を使用した。
セパレータには、ナイロンの不織布を使用した。
電池作製工程の一例を以下に記す。
アルミニウム金属箔の表面と裏面にそれぞれポリエチレンフィルムを密着させた（ポリエチレン／アルミニウム／ポリエチレン）厚さ３０ミクロンのフレキシブルなラミネートフィルムを外装材として用いた。この外装材中に、上述の電池構成物質を挿入した後、真空ポンプに電池内部を接続し減圧した。
アルミニウム金属箔の表面と裏面にそれぞれポリエチレンフィルムを密着させた（ポリエチレン／アルミニウム／ポリエチレン）厚さ３０ミクロンのフレキシブルなラミネートフィルムを外装材として用いた。この外装材中に、上述の電池構成物質を挿入した後、真空ポンプに電池内部を接続し減圧した。
１０秒間電池内部を減圧したのち、１２０℃ヒーターで外装材ラミネートフィルム端の熱封止を行い、図１のような厚さ２００ミクロンの薄型塩化亜鉛一次電池を作製した。
なお、上述の減圧工程は一例であり、本件の減圧処理法はこれに限定されるものではない。また使用した電池材の構成比、添加物の濃度等は、これに限定されないのは勿論のことである。
比較例１
実施例１と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇの圧力（２５０ｇ／ｃｍ2 ）をかけた後、溶着封止した薄型塩化亜鉛一次電池を比較のために作製した。
実施例１と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇの圧力（２５０ｇ／ｃｍ2 ）をかけた後、溶着封止した薄型塩化亜鉛一次電池を比較のために作製した。
実施例２
実施例１と同様な方法により、厚さ２００ミクロンの内部減圧した薄型リチウム一次電池を作製した。本例の一次電池の電池構成は以下に示すとおりである。
実施例１と同様な方法により、厚さ２００ミクロンの内部減圧した薄型リチウム一次電池を作製した。本例の一次電池の電池構成は以下に示すとおりである。
リチウム一次電池構成
正極 ：電解二酸化マンガン：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：リチウム金属
セパレータ ：ポリプロピレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：４０％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
正極 ：電解二酸化マンガン：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：リチウム金属
セパレータ ：ポリプロピレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：４０％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
比較例２
実施例２と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム一次電池を比較のために作製した。
実施例２と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム一次電池を比較のために作製した。
実施例３
以下に示した電池構成で、実施例１と同様な減圧処理によるリチウム一次電池を作製した。
以下に示した電池構成で、実施例１と同様な減圧処理によるリチウム一次電池を作製した。
リチウム一次電池構成
正極 ：電解二酸化マンガン：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：リチウム金属
セパレータ ：ポリエチレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：３８％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
正極 ：電解二酸化マンガン：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：リチウム金属
セパレータ ：ポリエチレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：３８％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
比較例３
実施例３と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム一次電池を比較のために作製した。
実施例３と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム一次電池を比較のために作製した。
上述のように作製した電池、すなわち実施例１〜３及び比較例１〜３について、電池性能と減圧処理の相関関係を評価する目的で、各サンプルの開回路電圧と内部抵抗を試験数１０で評価した。
その結果は、表１に示すとおりである。表１中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ開回路電圧、内部抵抗の最大値と最小値の差である。
その結果は、表１に示すとおりである。表１中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ開回路電圧、内部抵抗の最大値と最小値の差である。
表から明らかなように、比較例１〜３に比較して実施例１〜３において、その効果は顕著である。
すなわち、実施例１〜３のように電池内部が減圧状態にある薄型電池は、大気圧により電極集電体間に均一な圧力が加わる為に、電極間の密着性が向上し電池内部抵抗を低く抑えることが可能となる。
すなわち、実施例１〜３のように電池内部が減圧状態にある薄型電池は、大気圧により電極集電体間に均一な圧力が加わる為に、電極間の密着性が向上し電池内部抵抗を低く抑えることが可能となる。
一方、実施例１および比較例１の放電特性を図２に示した。図示した放電曲線は、それぞれ２３℃における３０ｋΩ定抵抗放電試験時のものである。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例１）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例１）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
また、実施例２、３および比較例２、３の放電特性を図３に示した。図示した放電曲線は、それぞれ２３℃における３０ｋΩ定抵抗放電試験時のものである。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例２、３）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例２、３）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
実施例４
以下に記した電池構成で、実施例１と同様な減圧処理によるリチウム二次電池を作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が３．３Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は１．５Ｖとした。
以下に記した電池構成で、実施例１と同様な減圧処理によるリチウム二次電池を作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が３．３Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は１．５Ｖとした。
リチウム二次電池構成
正極 ：二酸化マンガン：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：リチウム金属
セパレータ ：ポリエチレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：３８％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
正極 ：二酸化マンガン：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：リチウム金属
セパレータ ：ポリエチレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：３８％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
比較例４
実施例４と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム二次電池を比較のために作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が３．３Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は１．５Ｖとした。
実施例４と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム二次電池を比較のために作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が３．３Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は１．５Ｖとした。
実施例５
以下に示した電池構成で、実施例１と同様な減圧処理によるリチウム二次電池を作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が４．２Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は３．０Ｖとした。
以下に示した電池構成で、実施例１と同様な減圧処理によるリチウム二次電池を作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が４．２Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は３．０Ｖとした。
リチウム二次電池構成
正極 ：ＬｉＣｏＯ2 ：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：難黒鉛化炭素
セパレータ ：ポリエチレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：３８％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
正極 ：ＬｉＣｏＯ2 ：カーボンブラック：バインダー
（配合比８０重量部：１５重量部：５重量部）
負極 ：難黒鉛化炭素
セパレータ ：ポリエチレン
（膜厚：２０ミクロン、空孔率：３８％）
電解溶液 ：過塩素酸リチウム／プロピレンカーボネート（ＰＣ）の
１ｍｏｌ／ｌ溶液
比較例５
実施例５と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム二次電池を比較のために作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が４．２Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は３．０Ｖとした。
実施例５と同様な電池構成において、減圧処理を施さず、機械的に１ｋｇ（２５０ｇ／ｃｍ2 ）の圧力をかけた後、溶着封止したリチウム二次電池を比較のために作製した。
また作製した電池は、１００ｍＡで充電し終了条件は電圧が４．２Ｖに達した時点とした。一方、放電は１００ｍＡで放電し終了条件は３．０Ｖとした。
上述のように作製した電池、すなわち実施例４、５及び比較例４、５について、電池性能と減圧処理の相関関係を評価する目的で、各サンプルの開回路電圧と内部抵抗を試験数１０で評価した。
その結果は表２に示すとおりである。
ここで、実施例４および比較例４は、１００ｍＡの定電流充電し、３．３Ｖで充電終了した時の値である。
また、実施例５および比較例５は、１００ｍＡの定電流充電し、４．２Ｖで充電終了した時の値である。また表中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ開回路電圧、内部抵抗の最大値と最小値の差である。
ここで、実施例４および比較例４は、１００ｍＡの定電流充電し、３．３Ｖで充電終了した時の値である。
また、実施例５および比較例５は、１００ｍＡの定電流充電し、４．２Ｖで充電終了した時の値である。また表中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ開回路電圧、内部抵抗の最大値と最小値の差である。
表から明らかなように、比較例４、５に比較して実施例４、５において、その効果は顕著である。
すなわち、実施例４、５のように電池内部が減圧状態にある薄型電池は、大気圧により電極集電体間に均一な圧力が加わる為に、電極間の密着性が向上し電池内部抵抗を低く抑えることが可能となる。
すなわち、実施例４、５のように電池内部が減圧状態にある薄型電池は、大気圧により電極集電体間に均一な圧力が加わる為に、電極間の密着性が向上し電池内部抵抗を低く抑えることが可能となる。
一方、実施例４および比較例４の５サイクル目の放電特性を図４に示した。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例４）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例４）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
また、実施例５および比較例５の５サイクル目の放電特性を図５に示した。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例５）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
図より明らかなように、減圧処理した電池（実施例５）は電極間に絶えず均一な圧力が加わっている為に、電池内部抵抗が低減され、結果的に良好な放電特性が得られた。
次に、実施例４、５および比較例４、５について、充放電サイクル５０、１００回目の放電容量維持率（％）を表３に示した。
ここで、放電容量維持率（％）は、サイクル２回目の容量を基準とし、次式により算出した。
ここで、放電容量維持率（％）は、サイクル２回目の容量を基準とし、次式により算出した。
放電容量維持率＝１００×（各サイクルにおける放電容量）／（２サイクル目の
放電容量）
放電容量）
表から明らかなように、電池内部が減圧状態にある薄型電池（実施例４、５）は、大気圧により電極集電体間に均一な圧力が加わる為に、電極間の密着性が向上し、二次電池特性における放電容量維持率も著しく向上している。
なお、本発明は上述の実施例に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１‥‥外装材、２‥‥正極、３‥‥セパレータ、４‥‥負極、５‥‥封止剤、６‥‥リード線
Claims (6)
- フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、
上記正極は、正極材料が少なくともＬｉＣｏＯ２を有し、
上記負極は、負極材料が少なくとも炭素を有し、
上記正極と上記負極の間にポリエチレンからなる上記セパレータが介在され、
上記外装材は、熱可塑性樹脂、金属箔、および熱可塑性樹脂を順次積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、
上記外装材内は、減圧されていることを特徴とする薄型カード電池。 - ５０回目の放電容量維持率が、９９．９％以上であることを特徴とする請求項１記載の薄型カード電池。
- １００回目の放電容量維持率が、９９．２％以上であることを特徴とする請求項１記載の薄型カード電池。
- フレキシブルなフィルムよりなる密閉外装材内に、積層された正極、セパレータ、および負極、並びに、電解液からなる電池構成物質を収容した薄型カード電池において、
上記正極は、正極材料がＬｉＣｏＯ２を有し、
上記負極は、負極材料が炭素を有し、
上記外装材は、少なくとも金属箔を積層した構成からなるラミネートフィルムとされ、
上記外装材内は、減圧されていることを特徴とする薄型カード電池。 - ５０回目の放電容量維持率が、９９．９％以上であることを特徴とする請求項４記載の薄型カード電池。
- １００回目の放電容量維持率が、９９．２％以上であることを特徴とする請求項４記載の薄型カード電池。
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|---|---|
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