JP2007027027A

JP2007027027A - 電池

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Publication number: JP2007027027A
Application number: JP2005211037A
Authority: JP
Inventors: Takuya Endo; 琢哉遠藤; Yoshiaki Naruse; 義明成瀬; Takehiko Ishii; 武彦石井; Nobuyuki Oyagi; 信之大八木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP4784730B2

Abstract

【課題】電極積層体の側面方向から圧壊力がかかった場合に電池温度の上昇を抑えて安全性を高める。
【解決手段】袋状セパレータ２３で包まれた正極２１と、負極２２とを交互に積層し、積層方向Ａの両端を負極２２側の活物質層２２Ｂとして電極積層体２０を構成する。電極積層体２０に導電性の外周被覆部材４１を巻き付け、積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂと、積層方向Ａに平行な側面２０Ｃ，２０Ｄとを覆う。側面２０Ｃ，２０Ｄに圧壊力がかかると、正極２１が袋状セパレータ２３を突き破って外周被覆部材４１に接触し、広範囲に短絡すると共に、外周被覆部材４１により熱が拡散され、電池温度の上昇が抑えられる。外周被覆部材４１は、負極２２の集電体２２Ａと同一の材料により形成され、厚みは２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、負極とセパレータで包まれた正極とを交互に積層した構造（電極積層体）を有する電池に関する。

近年、カメラ一体型ＶＴＲ（videotape recorder），携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型化および軽量化が図られている。それに伴い、これら電子機器のポータブル電源として、電池、特に二次電池について、エネルギー密度を向上させるための研究開発が活発に進められている。非水電解液を用いた電池、中でも、リチウムイオン二次電池は、従来の水溶液系電解液二次電池である鉛電池あるいはニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため、非常に期待されており、市場も著しく成長している。

とりわけ、リチウムイオン二次電池の軽量、高エネルギー密度という特徴が電気自動車やハイブリッド電気自動車用途に適することから、リチウムイオン二次電池の大型化および高出力化を目指した検討が盛んになっている。

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池では、電解質または電解液の導電率が水溶液系電解液と比較して低いため、内部抵抗を低減し高出力化を実現するために、薄膜セパレータの採用により電極間距離を短縮したり、電極反応面積を大きくするなどの工夫がなされている。更に、特に比較的大型の電池においては、電池内部の集電抵抗低減のために、正負極集電体からのリードの数を増やすなど、さまざまな改良がなされることが普通である。

通常のリチウムイオン電池では、高い生産性を実現するため、短冊状の正極と負極とをセパレータを間にして積層し、円筒形または略楕円形に巻回した電極巻回体を、電解液または電解質と共に外装材に封入した構成がとられている。しかし、このように円筒型または略楕円形に巻回された正極および負極から、高出力化のため多数のリードを取り出すようにした場合、素子形状が複雑になってしまい、工程数や部品点数の増加を招き、生産性が低下するという問題があった。

この問題に対して、ガム型アルカリ蓄電池などで採用されているように、平板状の正極、セパレータおよび平板状の負極を基本積層単位とし、この基本積層単位を複数積み重ねた電極積層体を用いることが考えられる。このようにすれば、各基本積層単位から正負極リードを容易に取り出すことができるので、単純な構造および高い生産性を維持しつつ内部集電抵抗の低減を実現できる。また、電極積層体の形状はおおよそ矩形とすることができるので、外装材としてラミネートフィルムを利用でき、金属製外装材に比べて大幅な軽量化が可能となる。そのため、ハイブリッド自動車あるいは電気自動車に代表されるような、高出力かつ軽量であることが重要視される用途に適した電池を実現することができる。
特開２００３−２５７４９６号公報特開２００４−７１４３８号公報

しかしながら、このような電極積層体を採用した場合、大型化および高出力化により、釘刺し試験のような異常時に電池温度が極めて高くなってしまうという問題があった。特に、電極積層方向と直交する方向からの圧壊試験時に、電極エッジ部分が短絡し、電池温度を急上昇させるおそれがあった。

ちなみに、例えば特許文献１には、電極積層体の最外層に電気化学的に不活性なバックコート層を設けることが記載されている。また、特許文献２では、電極積層体の最外層に、セパレータを介して、それぞれ正極および負極に電気的に接続された金属電極を積層することが提案されている。しかし、これらの従来構成はいずれも積層方向での短絡についてのみ言及しており、積層方向と直交する方向（側面方向）からの破壊試験については記載がない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電極積層体の側面方向から圧壊力がかかった場合に電池温度の上昇を抑えて安全性を高めることができる電池を提供することにある。

本発明の電池は、負極と袋状セパレータに包まれた正極とを交互に積層すると共に積層方向の両端に負極が配置された電極積層体と、両端の負極に接し、電極積層体の積層方向の両端面と、積層方向に平行な側面のうち少なくとも一部とを覆う導電性の外周被覆部材とを備えたものである。

この電池では、電極積層体の側面に対して圧壊力がかかると、正極が袋状セパレータを突き破って外周被覆部材に接触し、これにより正極と負極とが電気的に接続され、圧壊直後に広範囲で短絡することとなる。よって、局所的に、しかも急激に電流が集中することが抑制され、急激に温度が上昇することがなくなる。また、電極積層体の両端面および側面が外周被覆部材で覆われていることにより、熱拡散が良好になり、電池の局所的な温度上昇が更に抑えられる。

本発明の電池によれば、電極積層体の積層方向の両端面と、積層方向に平行な側面のうち少なくとも一部とを導電性の外周被覆部材で覆うと共に、この外周被覆部材が負極に電気的に接続されるにしたので、側面方向から圧壊力がかかり、正極がセパレータを突き破った場合においても、電池温度が急激に上昇することがなく、安全性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、正極リード１１および負極リード１２が取り付けられた偏平状の電極積層体２０をフィルム状の外装部材３１の内部に収納した構成を有している。

正極リード１１および負極リード１２は、電極積層体２０で発生した起電力を外部に取り出すためのものであり、それぞれ短冊状であり、外装部材３１の内部から外部に向かい例えば同一方向にそれぞれ導出されている。正極リード１１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料により構成されており、負極リード１２は、例えばニッケル（Ｎｉ）などの金属材料により構成されている。

外装部材３１は、例えば、ナイロンフィルム，アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材３１は、例えば、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。

外装部材３１と正極リード１１および負極リード１２との間には、正極リード１１および負極リード１２と、外装部材３１の内側との密着性を向上させ、外気の侵入を防止するための密着フィルム３２が挿入されている。密着フィルム３２は、正極リード１１および負極リード１２に対して密着性を有する材料により構成され、例えば、正極リード１１および負極リード１２が上述した金属材料により構成される場合には、ポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されることが好ましい。

図２は、図１に示した電極積層体２０の外観、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構造を表すものである。電極積層体２０は、正極２１と負極２２とを交互に積層したものであり、このうち正極２１は袋状セパレータ２３で包まれている。なお、図３は、側面２０Ｃ，２０Ｄで、負極の集電体２２Ａの端と外周被覆部材４１とが接している場合を表しているが、ここにすき間があってもよい。

図４は、正極２１の積層前の構成を表したものである。正極２１は、集電体２１Ａの両面に活物質層２１Ｂが設けられた矩形状の被覆部２１Ｃを有している。被覆部２１Ｃの一隅からは、短冊片状のリード取付部２１Ｄが延長されている。このリード取付部２１Ｄは、活物質層２１Ｂが設けられず集電体２１Ａが露出しており、正極リード１１（図４では省略。図２参照。）が接合されている。

集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム箔，ニッケル箔あるいはステンレス（ＳＵＳ）箔などの金属箔により構成されている。

活物質層２１Ｂは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン（ＴｉＳ２），硫化モリブデン（ＭｏＳ２），セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ２）あるいは酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）などのリチウムを含有しない金属硫化物，金属セレン化物あるいは金属酸化物など、またはリチウムを含有するリチウム含有化合物が挙げられる。

中でも、リチウム含有化合物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特にコバルト（Ｃｏ），ニッケルおよびマンガン（Ｍｎ）のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。より高い電圧を得ることができるからである。その化学式は、例えば、ＬｉｘＭＩＯ２あるいはＬｉｙＭIIＰＯ４で表される。式中、ＭＩおよびＭIIは１種類以上の遷移金属元素を表す。ｘおよびｙの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０である。

リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉｘＣｏＯ２）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉｘＮｉＯ２）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（ＬｉｘＮｉ１−ｚＣｏｚＯ２（ｚ＜１））、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性も得ることができるからである。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えばリチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ４）あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ１−ｖＭｎｖＰＯ４（ｖ＜１））が挙げられる。

図５は負極２２の積層前の構成を表したものである。負極２２は、正極２１と同様に、矩形状の被覆部２２Ｃの一隅から、短冊片状のリード取付部２２Ｄを延長した構成を有している。被覆部２２Ｃでは、集電体２２Ａの両面に活物質層２２Ｂが設けられている。リード取付部２２Ｄは、活物質層２２Ｂが設けられず集電体２２Ａが露出しており、負極リード１２（図５では省略。図２参照。）が接合されている。なお、正極２１のリード取付部２１Ｄと、負極２２のリード取付部２２Ｄとは、電極積層体２０において互いに重ならない位置に設けられている。

集電体２２Ａは、例えば、銅（Ｃｕ）箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。

活物質層２２Ｂは、例えば、負極活物質としてリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素，人造黒鉛，天然黒鉛などの炭素材料が挙げられる。このような炭素材料としては、例えば、難黒鉛化炭素，熱分解炭素類，コークス類，黒鉛類，ガラス状炭素繊維，有機高分子化合物焼成体，炭素繊維，活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス，ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成し、炭素化したものをいう。

リチウムなどを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの１種または２種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。

この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えばリチウムと合金を形成可能なマグネシウム，ホウ素，アルミニウム，ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），ケイ素（Ｓｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），スズ，鉛（Ｐｂ），ビスマス（Ｂｉ），カドミウム（Ｃｄ），銀（Ａｇ），亜鉛，ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム，イットリウム（Ｙ），パラジウム（Ｐｄ）あるいは白金（Ｐｔ）が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。

中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における４Ｂ族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、ポリアセチレンあるいはポリピロールなどの高分子化合物、または、酸化鉄，酸化ルテニウム，酸化モリブデン，酸化タングステンあるいは酸化チタンなどの酸化物や、またはこれら酸化物の酸素を窒素に置き換えた窒化物も挙げられる。

また、負極２２は正極２１よりも大きな寸法で形成されており、電極積層体２０における積層方向Ａから見て活物質層２１Ｂの投影面が活物質層２２Ｂの投影面の内側に収まるように、正極２１および負極２２の相対位置が調整されている。また、負極２２側の活物質層２２Ｂの単位面積あたりのリチウム吸蔵能力は、正極２１側の活物質層２１Ｂの単位面積あたりのリチウム放出能力を超えることのないように設定されている。

この電極積層体２０では、積層方向Ａの両端が負極２２側の活物質層２２Ｂとなっている。但し、これら両端の活物質層２２Ｂは、正極２１と対向しておらず電池反応には寄与するものではない。そして、この電極積層体２０は、積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂと、積層方向Ａに平行な側面のうちリード取付部２１Ｄ，２２Ｄの延長方向に平行な側面２０Ｃ，２０Ｄとが導電性の外周被覆部材４１で覆われている。

すなわち、この電極積層体２０では、外周被覆部材４１が電極積層体２０の両端の活物質層２２Ｂと接して負極２２に電気的に接続されており、あたかも負極が側面２０Ｃ，２０Ｄを覆った構造を有するものとなっている。これによりこの二次電池は、電極積層体２０の側面方向から圧壊力がかかり正極２１がセパレータ２３を突き破った場合に、正極２１と負極２２とを短絡させ、急激な温度上昇を抑制する機能を有するものである。なお、ここでは、電極積層体２０の両端に活物質層２２Ｂが設けられているが、活物質層２２Ｂがなく集電体２２Ａが外周被覆部材４１と直接電気的に接続された構造となっていてもよい。

外周被覆部材４１は、例えば負極２２の集電体２２Ａと同一材料により形成されていることが好ましい。電位を安定させることができると共に、副反応が起こらず化学的安定性が高いからである。また、外周被覆部材４１は、例えば、帯状であり、少なくとも１周巻きつけられると共にその終端部は保護テープ４２で止められている。なお、側面２０Ｃ，２０Ｄにおいて、負極２２の端部と外周被覆部材４１とは接していてもよいし、隙間があいていてもよい。外周被覆部材４１の厚みは、例えば２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。薄いと熱拡散が十分でなく、厚いと高出力密度化および高エネルギー密度化が困難になるからである。

図６は、袋状セパレータ２３で包まれた正極２１の積層前の構成を表したものである。この袋状セパレータ２３は、正極２１よりも大きな２枚のセパレータ２３Ａの外縁部２３Ｂ同士が、例えば四隅および四辺の中央の密着部２３Ｃで、例えば熱融着により密着されたものである。各セパレータ２３Ａは、例えば、負極２２の被覆部２２Ｃと同じ大きさに形成されている。袋状セパレータ２３は、正極２１の被覆部２１Ｃおよびリード取付部２１Ｄの基端部分のみを包んでおり、リード取付部２１Ｄの先端部分は袋状セパレータ２３から突出した状態となっている。

このような袋状セパレータ２３は、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。

また、袋状セパレータ２３の厚みは、例えば１５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。薄いと正極２１のエッジ部以外、例えばリード取付部２１Ｄでショートが発生して電池が著しく高温になるおそれがあり、厚いと高出力密度化および高エネルギー密度化が困難になるからである。なお、ここで袋状セパレータ２３の厚みとは、２枚のセパレータ２３Ａの合計厚みではなく、各セパレータ２３Ａの厚みをいう。

更に、袋状セパレータ２３には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１, ２−ジメトキシエタン、１, ２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１, ３−ジオキソラン、４メチル１, ３ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。

リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４，ＬｉＡｓＦ６，ＬｉＰＦ６，ＬｉＢＦ４，ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４，ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ，ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ，ＬｉＣｌあるいはＬｉＢｒが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。

この二次電池は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。次いで、正極合剤スラリーを集電体２１Ａの両面に塗布し乾燥させ、圧縮成型して活物質層２１Ｂを形成する。このとき、活物質層２１Ｂは、集電体２１Ａのうち被覆部２１Ｃとなる部分のみに形成し、リード取付部２１Ｄとなる部分は活物質層２１Ｂを形成せず露出したままにする。また、活物質層２１Ｂの塗布端の位置は、集電体２１Ａの両面で略同一線上となるようにする。続いて、集電体２１Ａを図４に示した形状に切断することにより、正極２１を作製する。

また、例えば、負極活物質と結着剤とを混合して負極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。次いで、負極合剤スラリーを集電体２２Ａの両面に塗布し乾燥させ、圧縮成型して活物質層２２Ｂを形成し、負極２２を作製する。このとき、正極２１と同様に、活物質層２２Ｂは、集電体２２Ａのうち被覆部２２Ｃとなる部分のみに形成し、リード取付部２２Ｄとなる部分は活物質層２２Ｂを形成せず露出したままにする。また、活物質層２２Ｂの塗布端の位置は、集電体２２Ａの両面で略同一線上となるようにする。続いて、集電体２２Ａを図５に示した形状に切断することにより、負極２２を作製する。

なお、活物質層２１Ｂおよび活物質層２２Ｂを形成する際には、負極合剤の重量あたりのリチウム吸蔵能力、および正極合剤の重量あたりのリチウム放出能力を予め測定しておき、活物質層２２Ｂの単位面積あたりのリチウム吸蔵能力が活物質層２１Ｂの単位面積あたりのリチウム放出能力を超えることのないようにする。

そののち、正極２１よりも大きな２枚のセパレータ２３Ａの間に正極２１を挟み、２枚のセパレータ２３Ａの外縁部２３Ｂ同士を、例えば四隅および四辺の中央の密着部２３Ｃで、例えば熱融着により密着する。これにより、図６に示したように正極２１を袋状セパレータ２３で包む。

正極２１を袋状セパレータ２３で包んだのち、このように袋状セパレータ２３で包まれた正極２１を例えば３式と、例えば４枚の負極２２とを用意し、これらを負極２２，袋状セパレータ２３で包まれた正極２１，負極２２，袋状セパレータ２３で包まれた正極２１，負極２２，袋状セパレータ２３で包まれた正極２１，負極２２の順に積層して電極積層体２０を形成する。これにより、活物質層２１Ｂ，袋状セパレータ２３および活物質層２２Ｂの基本積層単位を例えば６単位分内包する電極積層体２０が形成され、その積層方向Ａの両端には活物質層２２Ｂが配置される。更に、電極積層体２０を形成する際には、積層方向Ａから見て、活物質層２１Ｂの投影面が活物質層２２Ｂの投影面の内側に収まるように、負極２２と正極２１との相対位置を調整する。

電極積層体２０を形成したのち、この電極積層体２０に外周被覆部材４１を少なくとも１周巻き付け、終端部を保護テープ４２で止める。これにより、電極積層体２０の積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂと、側面２０Ｃ，２０Ｄとが外周被覆部材４１で覆われる。続いて、正極２１のリード取付部２１Ｄに、３本同時に、正極リード１１を例えば超音波溶接により接合する。また、同様にして、負極２２のリード取付部２２Ｄに、４本同時に、負極リード１２を例えば超音波溶接により接合する。

正極リード１１および負極リード１２を接合したのち、電解液を電極積層体２０に含浸させ、外装部材３１の間に電極積層体２０を挟み込み、外装部材３１の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード１１，負極リード１２と外装部材３１との間には密着フィルム３２を挿入する。これにより、図１に示した二次電池が完成する。

この二次電池では、電極積層体２０の側面２０Ｃ，２０Ｄに対して圧壊力がかかると、正極２１が袋状セパレータ２３を突き破り外周被覆部材４１に接触し、その結果正極２１と負極２２とが電気的に短絡する。ここで、この外周被覆部材４１は電極積層体２０の外周全面を覆っているため、広範囲で短絡することとなる。よって、局所的に急激に電流が集中することがなく、急激な温度上昇を防止することができる。また、電極積層体２０の両端面２０Ａ，２０Ｂおよび側面２０Ｃ，２０Ｄが外周被覆部材４１で覆われていることにより、熱拡散が良好になり、電池の温度上昇が更に抑えられる。

このように本実施の形態では、電極積層体２０の積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂだけでなく側面２０Ｃ，２０Ｄも含めて外周被覆部材４１で覆うようにしたので、側面２０Ｃ，２０Ｄに圧壊力がかかった場合にも電池温度の急激な上昇を抑え、安全性を高めることができる。

更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１〜３）
実施の形態において説明した二次電池を作製した。まず、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）４２重量部と、リチウム・マンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）４２重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン４質量部と、導電剤である人造黒鉛２重量部とを混合して正極合剤を調製した。続いて、この正極合剤を溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み１５μｍの帯状アルミニウム箔よりなる集電体２１Ａの両面に塗布して乾燥させ、一定圧力で圧縮成型して活物質層２１Ｂを形成した。このとき、活物質層２１Ｂは、集電体２１Ａのうち被覆部２１Ｃとなる部分のみに形成し、リード取付部２１Ｄとなる部分は活物質層２１Ｂを形成せず露出したままにした。また、活物質層２１Ｂの塗布端の位置は、集電体２１Ａの両面で略同一線上となるようにした。続いて、集電体２１Ａを図４に示した形状に切断することにより、正極２１を作製した。

また、負極活物質として、人造黒鉛９０重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン１０重量部とを混合して負極合剤を調製し、溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。この負極合剤スラリーを厚み１５μｍの帯状銅箔よりなる集電体２２Ａの両面に塗布して乾燥させたのち、一定圧力で圧縮成型して活物質層２２Ｂを形成した。このとき、正極２１と同様に、活物質層２２Ｂは、集電体２２Ａのうち被覆部２２Ｃとなる部分のみに形成し、リード取付部２２Ｄとなる部分は活物質層２２Ｂを形成せず露出したままにした。また、活物質層２２Ｂの塗布端の位置は、集電体２２Ａの両面で略同一線上となるようにした。続いて、集電体２２Ａを図５に示した形状に切断することにより、負極２２を作製した。

なお、活物質層２１Ｂおよび活物質層２２Ｂを形成する際には、負極合剤の重量あたりのリチウム吸蔵能力、および正極合剤の重量あたりのリチウム放出能力を予め測定しておき、活物質層２２Ｂの単位面積あたりのリチウム吸蔵能力が活物質層２１Ｂの単位面積あたりのリチウム放出能力を超えることのないようにした。

そののち、ポリプロピレン製微多孔フィルムを、負極２２の被覆部２２Ｃと同じ大きさの矩形状に切断し、２枚のセパレータ２３Ａを形成した。この２枚のセパレータ２３Ａの間に正極２１を挟み、外縁部２３Ｂ同士を、四隅および四辺の中央の密着部２３Ｃで、熱融着により密着した。これにより、図６に示したように正極２１を袋状セパレータ２３で包んだ。袋状セパレータ２３の厚みは、実施例１および実施例２では２５μｍ、実施例３では１２μｍとした。

正極２１を袋状セパレータ２３で包んだのち、このように袋状セパレータ２３で包まれた正極２１を３式と、４枚の負極２２とを用意し、これらを負極２２，袋状セパレータ２３で包まれた正極２１，負極２２，袋状セパレータ２３で包まれた正極２１，負極２２，袋状セパレータ２３で包まれた正極２１，負極２２の順に積層して電極積層体２０を形成した。これにより、活物質層２１Ｂ，袋状セパレータ２３および活物質層２２Ｂの基本積層単位を６単位分内包する電極積層体２０が形成され、その積層方向Ａの両端には活物質層２２Ｂが配置された。電極積層体２０を形成する際には、積層方向Ａから見て、活物質層２１Ｂの投影面が活物質層２２Ｂの投影面の内側に収まるように、負極２２と正極２１との相対位置を調整した。

電極積層体２０を形成したのち、この電極積層体２０に、負極２２の集電体２２Ａと同様に帯状銅箔よりなる外周被覆部材４１を１周以上巻き付け、積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂと、側面２０Ｃ，２０Ｄとを覆い、終端部をポリプロピレン製の保護テープ４２で止めた。外周被覆部材４１の厚みは、実施例１および実施例３では２０μｍ、実施例２では１５μｍとした。

外周被覆部材４１を巻き付けたのち、正極２１のリード取付部２１Ｄに、３本同時に、アルミニウム製の正極リード１１を超音波溶接により接合した。また、負極２２のリード取付部２２Ｄに、４本同時に、ニッケルよりなる負極リード１２を超音波溶接により接合した。

正極リード１１および負極リード１２を接合したのち、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの等容量混合溶媒に、電解質塩としてＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ／ｌ溶解させ、電解液を調製した。この電解液を電極積層体２０に含浸させ、ラミネートフィルムよりなる外装部材３１の間に電極積層体２０を挟み込み、外装部材３１の外縁部同士を熱融着などにより密着させて減圧下で封入した。その際、正極リード１１，負極リード１２を外装部材３１の外部へ導出しつつ、これらと外装部材３１との間には密着フィルム３２を挿入した。以上の工程により、図１ないし図３に示した設計容量１Ａｈの二次電池を得た。

また、比較例１として外周被覆部材４１を設けなかったことを除き、更に、比較例２として電極積層体２０の積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂのみを外周被覆部材４１で覆ったことを除き、他はそれぞれ実施例１と同様にして二次電池を作製した。

得られた実施例および比較例の二次電池を各々１０個ずつ準備し、それぞれの電池について保護回路を外した状態で、電池電圧が通常は保護回路により上昇することのない４．３Ｖとなるまで２００ｍＡにて定電流充電を行ったのち、充電電流値が１０ｍＡに減衰するまで４．３Ｖでの定電圧充電を行い、過充電状態とした。

そののち、異常使用環境試験として平板圧壊試験を行った。その際、図７に示したように、電極積層体２０の積層方向Ａと直交する方向Ｂから平板５０で圧壊を行い、各実施例および比較例において試験を行った１０個中で最も温度が高くなった電池の最高温度（以下、試験時最高電池温度という。）を調べた。得られた結果を表１に示す。

表１から分かるように、実施例１では、試験時最高電池温度が比較例１，２よりも低くなっており、異常環境における安全性が向上していた。すなわち、電極積層体２０の積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂと、側面２０Ｃ，２０Ｄとを外周被覆部材４１で覆うようにすれば、積層方向Ａと直交する方向Ｂから圧壊力がかかった場合に電池温度の上昇を抑え、安全性を高めることができることが分かった。

また、外周被覆部材４１の厚みを１５μｍとした実施例２では、２０μｍとした実施例１に比べて試験時最高温度が高くなっていた。これは、外周被覆部材４１を薄くしたため熱拡散が十分でなかったからであると考えられる。すなわち、外周被覆部材４１の厚みを２０μｍ以上とすれば、電池温度の上昇を抑える効果を高めることができることが分かった。

同様に、袋状セパレータ２３の厚みを１２μｍとした実施例３では、２５μｍとした実施例１よりも試験時最高温度が高くなっていた。これは、袋状セパレータ２３が薄すぎたために、正極２１のエッジ部以外、例えばリード取付部２１Ｄでショートが発生して電池温度が上昇したからであると考えられる。すなわち、袋状セパレータ２３の厚みを１５μｍ以上とすれば、電池温度の上昇を十分に抑えることができることが分かった。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電極積層体２０の積層方向Ａの両端面２０Ａ，２０Ｂと、側面２０Ｃ，２０Ｄとを外周被覆部材４１で覆うようにした場合について説明したが、側面２０Ｃ，２０Ｄ以外の側面も外周被覆部材で覆うようにしてもよい。

また、例えば、上記実施の形態および実施例では、液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。

なお、ゲル状の電解質には電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子化合物を用いることができる。そのような高分子化合物としては、例えば、ポリビニリデンフルオロライドあるいはビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。

固体電解質には、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた有機固体電解質、またはイオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質を用いることができる。このとき、高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または分子中に共重合させて用いることができる。また、無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを用いることができる。

また、上記実施の形態および実施例では、積層構造をラミネートフィルムよりなる外装部材３１の内部に備えた電池について説明したが、本発明は、積層構造を備えた電池であればいずれも適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。

更にまた、上記実施の形態および実施例では、正極２１、負極２２あるいは電解質などの各構成要素を構成する材料について一例を挙げて説明したが、他の材料を用いるようにしてもよい。加えて、上記実施の形態および実施例では、いわゆるリチウムイオン二次電池について説明したが、本発明は他の電極反応を利用した電池についても同様に適用することができる。他の電池としては、例えば、負極においてリチウムの析出・溶解を利用するいわゆるリチウム金属電池、あるいは負極においてリチウムの吸蔵・放出および析出・溶解を利用し、負極の容量がリチウムの吸蔵・放出による容量成分と、析出・溶解による容量成分との和で表される電池である。また、電極反応物質としてリチウム以外の他の軽金属、例えばナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの長周期型周期表における他の１族の元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム（Ｃａ）などの長周期型周期表における２族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属を用いた電池も挙げられる。

本発明の一実施の形態に係る二次電池を分解して表す斜視図である。図１に示した電極積層体の外観を表す斜視図である。電極積層体のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。正極の積層前の構成を表す平面図である。負極の積層前の構成を表す平面図である。袋状セパレータで包まれた正極の積層前の構成を表す平面図である。実施例の平板圧壊試験の方法を説明するための平面図である。

符号の説明

１１…正極リード、１２…負極リード、２０…電極積層体、２１…正極、２１Ａ…集電体、２１Ｂ…活物質層、２１Ｃ，２２Ｃ…被覆部、２１Ｄ，２２Ｄ…リード取付部、２２…負極、２２Ａ…集電体、２２Ｂ…活物質層、２３…袋状セパレータ，２３Ａ…セパレータ、２３Ｂ…外縁部、２３Ｃ…密着部、３１…外装部材、３２…密着フィルム、４１…外周被覆部材、４２…保護テープ。

Claims

負極と袋状セパレータに包まれた正極とを交互に積層すると共に積層方向の両端に負極が配置された電極積層体と、
前記両端の負極に接し、前記電極積層体の積層方向の両端面と、積層方向に平行な側面のうち少なくとも一部とを覆う導電性の外周被覆部材と
を備えたことを特徴とする電池。
前記外周被覆部材は、前記負極の集電体と同一の材料により形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記袋状セパレータは、前記正極よりも大きな２枚のセパレータの外縁部同士を、少なくとも一部で密着したものである
ことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記袋状セパレータの厚みは１５μｍ以上３０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記外周被覆部材の厚みは２０μｍ以上５０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記電極積層体はフィルム状の外装部材の内部に収容されている
ことを特徴とする請求項１記載の電池。