JP2007048662A

JP2007048662A - 補助電源装置

Info

Publication number: JP2007048662A
Application number: JP2005233430A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Iijima; 剛飯島; Kazuya Ogawa; 和也小川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-22
Also published as: CN1913544A; US20070037049A1

Abstract

【課題】十分に小型化が可能でありながら、携帯機器の専用充電器を用いて充電しても容量の劣化を十分に抑制できる安全な補助電源装置を提供する。
【解決手段】本発明の補助電源装置１００は、補助用リチウムイオン二次電池２０と、補助用リチウムイオン二次電池２０と接続され外部の充電器２００から電力を受け入れる充電用コネクタ４０と、補助用リチウムイオン二次電池２０と接続され補助用リチウムイオン二次電池２０の電力を外部の携帯機器１に供給する供給用コネクタ５０と、を備え、補助用リチウムイオン二次電池２０は正極活物質層及び負極活物質層の厚みがそれぞれ１０〜４０μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、補助電源装置に関する。

近年のリチウムイオン二次電池の高機能化により、リチウムイオン二次電池により駆動される携帯電話、ＰＤＡ、ノート型ＰＣ等の様々な携帯機器の需要が拡大している。このような携帯機器のメイン用リチウムイオン二次電池を充電するには、通常、各携帯機器のメイン用リチウムイオン二次電池専用の充電器と携帯機器とを互いに接続するとともに、この充電器をＡＣ電源により駆動する必要がある。しかしながら、出先でこのような充電を行うことは通常困難である。したがって、出先で携帯機器に簡易に電力を供給できる補助電源装置が求められている。

そして、例えば、特許文献１に開示されているように、補助用リチウム二次電池に、この補助用チウム二次電池を充電するための充電用コネクタと、補助用リチウム二次電池の電力を携帯機器に供給するための供給用コネクタとを備えた補助電源装置が知られている。このような補助電源装置では、補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池から携帯機器に電力を供給可能である一方、補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池自体を外部の充電器により充電することにより、補助電源装置の繰返し利用が可能となっている。
特開２００４−１１１２２７号公報

しかしながら、補助電源装置は携帯機器にも増して小型化が要請されるため、補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池の定格容量Ｃｓは、携帯機器に内蔵されるメイン用リチウムイオン二次電池の定格容量Ｃｍよりも小さくなるものと考えられる。

そして、このような補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池を、メイン用リチウムイオン二次電池用の充電器で充電しようとすると、以下のような問題が発生する。すなわち、この充電器は定格容量の大きなメイン用リチウムイオン二次電池の充電に最適化されており、例えば、メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量Ｃｍに対して最大１Ｃｍの電流が流れるように設定されている。そして、この充電器で定格容量Ｃｍよりも定格容量の小さな補助用リチウムイオン二次電池を充電すると、補助用リチウムイオン二次電池にはこの補助用リチウムイオン二次電池に対して不適切な大電流が流れることとなる。

このため、上述の補助電源装置において、充電時に負極に金属リチウムが析出しやすくなり、繰返して使用すると補助電源装置の容量の劣化が著しくなる上、安全性にも問題を生じる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、十分に小型化が可能でありながら、携帯機器の専用充電器を用いて充電しても容量の劣化を十分に抑制できるより安全な補助電源装置を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意検討した結果、補助電源装置のリチウムイオン二次電池における負極活物質層及び正極活物質の厚みを従来よりも薄く、すなわち、１０〜４０μｍとすると、大電流での充電を繰り替えしても容量の劣化を十分に抑制できることを見出して本発明に想到した。

本発明に係る補助電源装置は、補助用リチウムイオン二次電池と、補助用リチウムイオン二次電池と接続され、外部の充電器から電力を受け入れる充電用コネクタと、補助用リチウムイオン二次電池と接続され、補助用リチウムイオン二次電池の電力を外部の携帯機器に供給する供給用コネクタと、を備える。補助用リチウムイオン二次電池は、正極活物質層及び負極活物質層及び電解液を有し、正極活物質層及び負極活物質層の厚みがそれぞれ１０〜４０μｍである。

ここで、携帯機器はメイン用リチウムイオン二次電池を有するものであり、充電器はメイン用リチウムイオン二次電池用の充電器であり、補助用リチウムイオン二次電池の定格容量は、メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量の１／３以下であることが好ましい。このような場合に、特に、メイン用リチウムイオン二次電池用の充電器で補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池を充電した場合でも、充放電サイクルの経過に伴う容量劣化を極めて十分に抑制できる。

また、補助用リチウムイオン二次電池を収容する箱型形状の筐体をさらに備え、充電用コネクタ及び供給用コネクタは筐体の側面に配置されると共に、充電用コネクタ及び供給用コネクタは筐体を挟んで互いに反対側に配置されていることが好ましい。

これにより、薄型かつコンパクトな補助電源装置を十分に実現できる。

本発明によれば、十分に小型化が可能でありながら、携帯機器の専用充電器を用いて充電しても容量の劣化を十分に抑制できるより安全な補助電源装置が実現できる。

まず、本発明の補助電源装置を用いた携帯機器電力供給システムについて図１を参照して説明する。

本システムは、メイン用リチウムイオン二次電池２を有する携帯電話（携帯機器）１と、携帯電話１に対して補助用電力を供給する補助電源装置１００と、携帯電話１のメイン用リチウムイオン二次電池２を好適に充電できるように設定された充電器２００とを備える。

携帯電話１は、携帯電話１を駆動するためのメイン用リチウムイオン二次電池２と、このメイン用リチウムイオン二次電池２を充電するためのコネクタ３とを備えている。また、この携帯電話１は、携帯電話としての機能を発揮させるために必要な制御コンピュータ４に加え、図示は省略するが、ディスプレイ、キーボード、マイク、スピーカ、充電制御回路等を備えている。

メイン用リチウムイオン二次電池２は特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池を採用できる。

また、充電器２００は、交流アウトレットＡＣに接続するためのプラグ７０と、ＡＣ電圧をＤＣに変換すると共に携帯電話１のメイン用リチウムイオン二次電池２を好適に充電すべく電流及び電圧を制御する充電制御回路７２、携帯電話１のコネクタ３と接続可能なコネクタ７５を備えている。

充電制御回路７２は、いわゆる、定電流−定電圧充電を行うものであり、電圧が４．２Ｖに達するまではメイン用リチウムイオン二次電池２に流れる電流が、メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量Ｃｍ[Ah]に対して１Ｃｍ[A]となるように制御し、電圧が４．２Ｖに達した後は電圧を４．２Ｖで一定となるように制御する。これにより、メイン用リチウムイオン二次電池２に対して、短時間でかつ容量を劣化させずに充電ができる。例えば、定格容量Ｃが１３５０mAhの電池に対する１Ｃの電流とはは1.35Aに相当する。

このように、充電器２００は、携帯電話１のメイン用リチウムイオン二次電池２の充電用に最適化されているものである。

コネクタ７５は、携帯電話１のコネクタ３と接続可能となっており、これによりメイン用リチウムイオン二次電池２の充電が可能となっている。

そして、本実施形態にかかる補助電源装置１００は、筐体１０、充電用コネクタ４０、供給用コネクタ５０、補助用リチウムイオン二次電池２０、及び、充電放電制御回路３０を主として有している。

充電用コネクタ４０は、充電器２００のコネクタ７５と接続可能となっている。また、供給用コネクタ５０は、携帯電話１のコネクタ３と接続可能となっている。

筐体１０は、プラスチックや金属製であり、補助用リチウムイオン二次電池２０及び充電放電制御回路３０を内部に収容している。筐体１０は中空箱形状をなしており、充電用コネクタ４０は筐体１０の側面１０ａ上に配置されると共に、供給用コネクタ５０は筐体１０の側面１０ｂ上に配置されている。すなわち、充電用コネクタ４０及び供給用コネクタ５０は筐体１０を挟んで互いに反対側に配置されている。これにより、薄型かつコンパクトな補助電源装置１００が実現できる。

なお、コネクタ４０，５０の形状等は特に限定されず、携帯電話１のコネクタ３及び充電器のコネクタ７５に応じて変形可能である。

続いて、補助電源装置１００の回路図について図２を参照して説明する。

供給用コネクタ５０は、端子５２及び端子５３を有する。充電用コネクタ４０は、端子４２及び端子４３を有する。

補助用リチウムイオン二次電池２０の負極２０−と端子５３とはラインＬ０により電気的に接続されている。さらに、負極２０−と端子４３とは、ラインＬ０及びラインＬ０から分岐するラインＬ３により電気的に接続されている。

一方、補助用リチウムイオン二次電池２０の正極２０＋と端子５２とは、ラインＬ１を介して電気的に接続されている。ラインＬ１には、温度ヒューズ２５及び充電放電制御回路３０が直列に接続されている。充電放電制御回路３０には、ラインＬ３から分岐するラインＬ４も接続されている。また、正極２０＋と端子４２とは、ラインＬ１及びラインＬ１から分岐するラインＬ５により電気的に接続されており、正極２０＋と端子４２とは、充電放電制御回路３０及び温度ヒューズ２５を介して電気的に接続されている。ラインＬ５には、さらに、端子４２から正極２０＋に向かってのみ電流を流すべくダイオード９が接続されている。

充電放電制御回路３０は、補助用リチウムイオン二次電池２０からの過放電を防止すべく、補助用リチウムイオン二次電池２０の電圧が所定の最低しきい値を下回ったら回路を遮断して放電を中止させると共に、補助用リチウムイオン二次電池２０への過充電を防止すべく補助用リチウムイオン二次電池２０の電圧が所定の最大しきい値を上回ったら回路を遮断して充電を中止させるものである。

また、温度ヒューズ２５は、所定の高温、例えば、９０℃になったら、ラインＬ１を遮断するものである。

続いて、補助用リチウムイオン二次電池２０の実施形態について詳細に説明する。

図３は補助用リチウムイオン二次電池２０を示す部分破断斜視図である。また図４は、図３の積層構造体１８５、リード１１２及びリード１２２のＺＸ断面矢視図である。

本実施形態に係る補助用リチウムイオン二次電池２０は、図３及び図４に示すように、主として、積層構造体１８５と、積層構造体１８５を密閉した状態で収容するケース（外装体）１５０と、積層構造体１８５とケース１５０の外部とを接続するためのリード１１２及びリード１２２とから構成されている。積層構造体１８５は、上から順に、正極集電体１１５、二次電池要素１６１、負極集電体１１６、二次電池要素１６２、正極集電体１１５、二次電池要素１６３、負極集電体１１６、二次電池要素１６４、及び、正極集電体１１５を有し、それぞれ板状を呈している。

（二次電池要素）
二次電池要素１６１，１６２，１６３，１６４は、図４に示すように、それぞれ、互いに対向する板状の正極活物質層１１０及び板状の負極活物質層１２０と、正極活物質層１１０と負極活物質層１２０との間に隣接して配置される板状の電気絶縁性のセパレータ１４０と、電解質を含み正極活物質層１１０、負極活物質層１２０、及び、セパレータ１４０中に含有された電解液（図示せず）と、から各々構成されている。

ここで、各二次電池要素１６１〜１６４の負極活物質層１２０は負極集電体１１６の表面上に形成され、各二次電池要素１６１〜１６４の正極活物質層１１０は正極集電体１１５の表面上にそれぞれ形成されている。

（負極活物質層）
負極活物質層１２０は、負極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下負極活物質層１２０について説明する。

負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入、又は、リチウムイオンと、そのリチウムイオンのカウンターアニオン（例えば、ＣｌＯ_４ ⁻）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられているものと同様の材料を使用することができる。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー（ＭＣＦ）、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体等の炭素材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと化合することができる金属、ＳｉＯ_２、ＳｎＯ_２等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、等が挙げられる。

本実施形態においては、特に、負極活物質層１２０の厚みが１０〜４０μｍであることが必要である。また、負極活物質層１２０における負極活物質の担持量は、2.0〜5.0ｍｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。ここで、担持量とは、負極集電体１１６の表面単位面積あたりの負極活物質の重量である。

導電助剤は、負極活物質層１２０の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。

結着剤は、上記の負極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを負極集電体１１６に結着することができれば特に限定されず、公知の結着剤を使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（FEP）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビ
ニルエーテル共重合体（PEA）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ETFE）、
ポリクロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共
重合体（ECTFE）、ポリフッ化ビニル（PVF）等のフッ素樹脂及びスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が挙げられる。

負極活物質層１２０と結着する負極集電体１１６の材料はリチウムイオン二次電池の負極活物質層用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えば、銅やニッケル等が挙げられる。負極集電体１１６の端には、図３及び図４に示すように、各集電体がそれぞれ外側に向かって延びてなる舌状部１１６ａが形成されている。

（正極活物質層）
正極活物質層１１０は、正極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下正極活物質層１１０について説明する。

正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入（インターカレーション）、又は、リチウムイオンと、そのリチウムイオンのカウンターアニオン（例えば、ＣｌＯ₄ ⁻）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、及び、一般式：ＬｉＮｉ_xＣｏ_yＭｎ_ｚＯ₂（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ₂Ｏ₅）、オリビン型ＬｉＭＰＯ₄（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ又はＦｅを示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）等の複合金属酸化物が挙げられる。

ここで、本実施形態においては、特に、正極活物質層１１０の厚みが１０〜４０μｍであることが必要である。また、正極活物質層１１０における正極活物質の担持量は、負極活物質層１２０の負極活物質の担持量に対応して任意好適に設定できるが、例えば、3.0〜10.0ｍｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。

正極活物質層１１０に含まれる正極活物質以外の各構成要素は、負極活物質層１２０を構成するものと同様の物質を使用することができる。また、正極活物質層１１０においても、負極活物質層１２０と同様の導電助剤を含有させることが好ましい。

正極活物質層１１０と結着する正極集電体１１５はリチウムイオン二次電池の正極活物質層用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム等が挙げられる。正極集電体１１５の端には、図３及び図４に示すように、各集電体がそれぞれ外側に向かって延びてなる舌状部１１５ａが形成されている。

（セパレータ）
負極活物質層１２０と正極活物質層１１０との間に配置されるセパレータ１４０は、電気絶縁性の多孔体から形成されている。セパレータ１４０の材料は特に限定されず、公知のセパレータ材料を使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。

ここで、図４に示すように、各二次電池要素１６１〜１６４について、セパレータ１４０、負極活物質層１２０、正極活物質層１１０の順に面積が小さくなっており、負極活物質層１２０の端面は正極活物質層１１０の端面よりも外側に突出し、セパレータ１４０の端面は負極活物質層１２０及び正極活物質層１１０の端面よりも外側に突出するようになっている。

これによって、製造時の誤差等によって、各層が積層方向と交差する方向に多少位置ずれを起こした場合でも、各二次電池要素１６１〜１６４において、正極活物質層１１０の全面を負極活物質層１２０に対向させることが容易となる。従って、正極活物質層１１０から放出されたリチウムイオンがセパレータ１４０を介して負極活物質層１２０に十分に取り込まれる。リチウムイオンが負極活物質層１２０に十分に取り込まれない場合には、負極活物質層１２０に取り込まれなかったリチウムイオンが析出して電気エネルギーのキャリアが減少するため、電池のエネルギー容量が劣化する場合がある。さらに、セパレータ１４０が正極活物質層１１０や負極活物質層１２０より大きく、正極活物質層１１０や負極活物質層１２０の端面から突出しているので、正極活物質層１１０と負極活物質層１２０とが接触することによる短絡も低減されている。

（電解液）
電解液は、負極活物質層１２０及び正極活物質層１１０、及びセパレータ１４０の孔の内部に含有されている。電解液は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられている、リチウム塩を含む電解液（電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解液）を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解液（非水電解液）であることが好ましい。二次電池要素の電解液としては、リチウム塩を非水溶媒（有機溶媒）に溶解したものが好適に使用される。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃、ＣＦ₂ＳＯ₃、ＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＣＦ₂ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）（Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₂）、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＯ）₂等の塩が使用される。なお、これらの塩は１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

また、有機溶媒としては、公知の二次電池要素に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。

なお、本実施形態において、電解液は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解液に代えて、固体電解質（固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質）が含有されていてもよい。

（リード）
リード１１２及びリード１２２は、図３に示すように、リボン状の外形を呈してケース１５０内からシール部１５０ｃを通って外部に突出している。

リード１１２は、金属等の導体材料より形成されている。この導体材料としては、例えば、アルミニウム等を採用することができる。リード１１２のケース１５０内の端部は、図３に示すように、各正極集電体１１５，１１５，１１５の各舌状部１１５ａ、１１５ａ，１１５ａと抵抗溶接等によって接合されており、リード１１２は各正極集電体１１５を介して各正極活物質層１１０と電気的に接続されている。

一方、リード１２２も、金属等の導体材料より形成されている。この導体材料としては、例えば、銅やニッケル等の導電材料を利用できる。リード１２２のケース１５０内の端部は、負極集電体１１６，１１６の舌状部１１６ａ、１１６ａと溶接されており、リード１２２は各負極集電体１１６を介して各負極活物質層１２０に電気的に接続されている。

また、リード１１２、１２２においてケース１５０のシール部１５０ｃに挟まれる部分は、図３及び図４に示すように、シール性を高めるべく、樹脂等の絶縁体１１４によって被覆されている。絶縁体１１４の材質は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていることが好ましい。リード１１２とリード１２２とは積層構造体１８５の積層方向と直交する方向に離間している。

なお、本実施形態においては、リード１１２及びリード１２２が、それぞれ、正極２０＋及び負極２０−に対応する。

（ケース）
ケース１５０は、積層構造体１８５を密封し、ケース内部へ空気や水分が進入するのを防止できるものであれば特に限定されず、公知の二次電池要素に用いられているケースを使用することができる。例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂や、アルミニウム等の金属シートを樹脂ラミネートしたものを使用することができる。ケース１５０は図３に示すように、矩形状の可撓性のシート１５１Ｃを長手方向の略中央部で２つ折りにして形成したものであり、積層構造体１８５を積層方向（上下方向）の両側から挟み込んでいる。２つ折りにされたシート１５１Ｃの端部のうち、折り返し部分１５０ａを除く３辺のシール部１５０ｂ、１５０ｂ、１５０ｃがヒートシール又は接着剤により接着されており、積層構造体１８５が内部に密封されている。また、ケース１５０は、シール部１５０ｃにおいて絶縁体１１４と接着することによりリード１１２，１２２をシールしている。

なお、このような補助電源装置１００及び補助用リチウムイオン二次電池２０は、携帯電話１に比べて十分小さいことが要求されるため、補助用リチウムイオン二次電池２０の定格容量Ｃｓは、携帯電話１のメイン用リチウムイオン二次電池２の定格容量Ｃｍよりも小さいことが好ましく、特にメイン用リチウムイオン二次電池２の定格容量Ｃｍの１／３以下となることが好ましい。

続いて、図１を参照して、このような補助電源装置１００の使用方法について説明する。

予め、プラグ７０を交流アウトレットＡＣに接続すると共に、充電器２００のコネクタ７５を補助電源装置１００の充電用コネクタ４０と接続し、補助用リチウムイオン二次電池２０の充電を行う。充電完了後、コネクタ７５と充電用コネクタ４０とを分離し、携帯電話１と共に補助電源装置１００を携帯する。

そして、携帯電話１を使用することにより、携帯電話１のメイン用リチウムイオン二次電池２の容量が少なくなってきた場合等に、補助電源装置１００の供給用コネクタ５０を、携帯電話１のコネクタ３と接続する。これにより、補助電源装置１００の補助用リチウムイオン二次電池２０からの電力により、携帯電話１をメイン用リチウムイオン二次電池２ののみの場合よりも長時間駆動することができる。

そして、補助電源装置１００の使用後に、補助電源装置１００を、携帯電話１から切り離し、再び、充電用コネクタ４０を、充電器２００のコネクタ７５と接続し、補助電源装置１００の補助用リチウムイオン二次電池２０を充電すればよい。なお、充電器２００のコネクタ７５と補助電源装置１００の充電用コネクタ４０とを接続すると共に、補助電源装置１００の供給用コネクタ５０と携帯電話１のコネクタ３とを接続して、メイン用リチウムイオン二次電池２及び補助用リチウムイオン二次電池２０を同時に充電することも可能である。

そして、本実施形態に係る補助電源装置１００によれば、補助用リチウムイオン二次電池２０は正極活物質層１１０及び負極活物質層１２０の厚みがそれぞれ１０〜４０μｍとされているので、メイン用リチウムイオン二次電池２の充電用の充電器２００を用いても充放電サイクル経過後の補助用リチウムイオン二次電池２０の容量劣化が起こりにくい。

くわしくは、メイン用リチウムイオン二次電池２の充電器２００の充電制御回路７２は、充電対象となるメイン用リチウムイオン二次電池２の定格容量Ｃmに応じた電流値、例えば、１Ｃmで充電を行うように設定されていることが多い。ところが、この充電器２００で補助電源装置１００の補助用リチウムイオン二次電池２０を充電しようとすると、この補助用リチウムイオン二次電池２０の定格容量Ｃｓはメイン用リチウムイオン二次電池２の定格容量Ｃmよりも小さいことから、補助用リチウムイオン二次電池２０の定格容量に対する１Ｃｓよりも極めて大きな電流が流れる。そして、従来のリチウムイオン二次電池では、このような大電流での充電を行うと電極への金属リチウムの析出等が起りやすく、充放電サイクル経過後の容量の劣化が著しくなる等の問題があった。

しかしながら、本実施形態のように、正極活物質層１１０及び負極活物質層１２０の厚みが従来に比して薄い１０〜４０μｍとされているので、メイン用リチウムイオン二次電池２用の充電器２００を用いて充電しても、容量の劣化が極めて抑制される。

このような効果が得られる理由は例えば以下のように考えられる。正極活物質層１１０及び負極活物質層１２０の厚みが従来に比べて薄くなると、従来に比して各活物質層と電解液との界面の面積が実質的に広げられる。これによって、正極活物質層１１０や負極活物質層１２０内でのＬｉの濃度分極が低減されるため、負極活物質層１２０上にリチウムイオンのデンドライト析出が起こりにくくなる。

このような補助用リチウムイオン二次電池２０に対しては、補助用リチウムイオン二次電池２０の定格容量Ｃｓに対して９Ｃｓ以上に相当する電流を供給する充電器での充電も十分に可能である。

なお、負極活物質層１２０や正極活物質層１１０の厚みを１０μｍ未満とすると、電池の積層数や捲回数が増え、電池のコストアップに繋がってしまう。

（製造方法）
次に、上述した補助用リチウムイオン二次電池２０の作製方法の一例について説明する。

まず、負極活物質層１２０及び正極活物質層１１０となる電極層を形成するための構成材料を含む塗布液（スラリー）を各々調整する。負極活物質層用塗布液は、前述の負極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤であり、正極活物質層用塗布液は、前述の正極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤である。塗布液に用いる溶媒としては、結着剤を溶解可能とし、活物質及び導電助剤を分散可能とするものであれば特に限定されるものではない。例えば、N−メチル−２−ピロリドン、N，N−ジメチルホルムアミド等を用いることができる。

次に、アルミニウム等の正極集電体１１５、及び、銅やニッケル等の負極集電体１１６を用意する。そして、図４に示すように、正極集電体１１５の表面に正極活物質層用塗布液を塗布し乾燥させて正極活物質層１１０を形成する。また、負極集電体１１６の表面に負極活物質層用塗布液を塗布し乾燥させて表面に負極活物質層１２０を形成する。

ここで、集電体に塗布液を塗布する際の手法は特に限定されるものではなく、集電体用金属板の材質や形状等に応じて適宜決定すればよい。例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。塗布後、必要に応じて、平版プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行う。

ここでは、正極活物質層１１０及び負極活物質層１２０の厚みが１０〜４０μｍを満たすようにする。また、舌状部１１５ａ，１１６ａの両面には、正極活物質層１１０や負極活物質層１２０を形成しない。

続いて、セパレータ１４０を用意する。セパレータ１４０は、絶縁性の多孔質材料を３層積層体１４１の負極活物質層１２０の矩形よりも大きな矩形に切り抜いて作成する。

続いて、正極活物質層１１０を有する正極集電体１１５及び負極活物質層１２０を有する負極集電体１１６を、セパレータ１４０を各間に挟むようにして図４の順番のように積層し、その後積層方向の両側の面内中央部分を挟んで加熱することにより、図４のような積層構造体１８５を得る。

そして、図３に示すようなリード１１２，１２２を用意し、長さ方向中央部を樹脂等の絶縁体１１４でそれぞれ被覆する。続いて、図４に示すように、各舌状部１１５ａとリード１１２の端部とを溶接し、各舌状部１１６ａとリード１２２の端部とを溶接する。これにより、リード１１２及びリード１２２が接続された積層構造体１８５が完成する。

次に、アルミニウムの両面を熱接着性樹脂層でラミネートした矩形状のシート１５０Ｃを用意し、シート１５０ｓの中央で折り曲げて重ね合わせ、図３に示すように、両サイド２辺のシール部１５０ｂ、１５０ｂのみを、例えばシール機等を用いて所定の加熱条件で所望のシール幅だけヒートシールする。続いて、シールされていないシール部１５０ｃからケース１５０の内部に積層構造体１８５を挿入する。続いて、真空容器内でケース１５０内に電解液を注入して積層構造体１８５を電解液に浸漬させる。その後、リード１１２、リード１２２の一部をそれぞれケース１５０内から外部に突出させ、ヒートシール機を用いて、ケース１５０のシール部１５０ｃをシールする。このとき、リード１１２，１２２の絶縁体１１４に覆われた部分をシール部１５０ｃで挟み込んでシールする。これにより、補助用リチウムイオン二次電池２０の作製が完了する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されずさまざまな変形態様を取ることが可能である。

例えば、上記実施形態においては、積層構造体１８５は単セルとしての二次電池要素
６１〜１６４を４つ有するものであったが、二次電池要素を４つより多く有していてもよく、又、３つ以下、例えば、１つでもよい。

また、携帯機器は、携帯電話に限られず、例えば、ＰＤＡ、ノートパソコン等が挙げられる。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

ここでは、正極活物質層の厚み及び負極活物質層の厚みを異ならせて種々のリチウムイオン二次電池を作成し、これらのリチウムイオン二次電池を用いて上述の図１の如き補助電源装置を作成した。

（実施例１）
まず、正極活物質層を以下の手順により作製した。まず、正極活物質としてＬｉＭｎ_０．３３Ｎｉ_０．３３Ｃｏ_０．３４Ｏ_２（下付き数字は原子比）、導電助剤としてカーボンブラック、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を用意し、これらの重量比が正極活物質：導電助剤：結着剤＝９０：６：４となるようにプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのＮメチルピロリドン（ＮＭＰ）を適量混合して粘度調整し、スラリー状の正極活物質層用塗布液（スラリー）を調整した。

続いて、アルミニウム箔（厚さ２０μｍ）を用意し、そのアルミニウム箔に正極活物質層用塗布液をドクターブレード法により塗布して乾燥させて正極活物質層を形成した。次に、塗布した正極活物質層層をカレンダーロールによってプレスし、これを正極活物質層面が２３×１９ｍｍの大きさとなりかつ所定の舌状端子を有する形状に打ち抜いた。ここでは、片面のみに正極活物質層１１０が形成された正極集電体と、両面に正極活物質層が形成された正極集電体を作成した。ここでは、正極活物質層１１０の厚みを２０μｍとした。

続いて、負極活物質層を以下の手順により作製した。まず、負極活物質として、人造黒鉛、導電助剤としてカーボンブラック、結着剤としてＰＶｄＦを用意し、これらの重量比が負極活物質：導電助剤：結着剤＝９０：２：８となるように配合してプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてＮＭＰを適量投入して粘度調節することにより、スラリー状の負極活物質層用塗布液を調整した。

次に、集電体としての銅箔（厚さ：１６μｍ）を用意し、負極活物質層用塗布液をドクターブレード法により銅箔の両面に塗布して乾燥させて負極活物質層を形成した。その後、負極活物質層をカレンダーロールを用いてプレスし、これを負極活物質層面の大きさが２３×１９ｍｍとなりかつ舌状端子を有する形状に打ち抜いた。ここでは、両面に負極活物質層が形成された負極集電体を作成した。ここでは、負極活物質層１１０の厚みを２０μｍとした。

次に、ポリオレフィン製の多孔膜を２４ｍｍ×２０ｍｍの大きさに打ち抜いてセパレータとした。

続いて、負極活物質層を有する負極集電体と、正極活物質層を有する正極集電体との間にセパレータを挟むように積層して、二次電池要素を１４層有する積層構造体とし、両端面から中央部を熱圧着して固定した。ここでは、積層構造体の最外層に、片面に正極活物質層が担持された正極集電体が配置されるように積層した。

つぎに、非水電解液を以下のようにして調整した。プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を、体積比がこの順に、２：１：７となるように混合して溶媒とした。次に、ＬｉＰＦ_６を濃度が１．５ｍｏｌ／ｄｍ^３となるように溶媒に溶かした。

次に、アルミラミネートフィルムを袋状に形成したケースを用意し、積層構造体を挿入し、真空槽中で非水電解液を注入して積層構造体を非水電解液に含浸させた。その後、減圧状態のままで、舌状端子の一部が外装体から突き出るようにして外装体の入り口部をシールし、初期充放電を行うことにより２０４３サイズ（20mm x 43mm）で定格容量１００ｍＡｈの積層型リチウムイオン二次電池を得た。

そして、得られた補助用リチウムイオン二次電池に充放電回路や充電用コネクタ及び供給用コネクタを接続して補助電源装置を得た。そして、この補助電源装置に対して、定格容量６００ｍＡｈの携帯電話のリチウムイオン二次電池用の充電器（最大電圧５Ｖ，電流６００ｍＡ）と同等の条件で定電流−定電圧充電を行う充電工程と、１００ｍＡで放電し端子電圧が２．５Ｖとなるまで放電する工程と、を繰り返す充放電サイクルを繰返し、補助電源装置の補助用リチウム二次電池の容量が初期容量の８０％になるまでのサイクル回数を調べた。なお、サイクル回数の最大値は１０００サイクルとした。また、充電時の最大電流値は６Ｃとなる。

（実施例２）
実施例２では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ３０μｍとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例１と同様とした。

（実施例３）
実施例３では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ４０μｍとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例１と同様とした。

（比較例１）
比較例１では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ５０μｍとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例１と同様とした。

（比較例２）
比較例２では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ６０μｍとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例１と同様とした。

これらのリチウムイオン二次電池の、初期容量の８０％を維持できる充放電サイクル数を図５に示す。実施例１〜３では、少なくとも４００サイクル経過するまでは初期容量の８０％を維持できたが、比較例１、２では１５０サイクル又はそれ以下の回数しか初期容量の８０％を維持できなかった。

図１は、実施形態に係る携帯機器電力供給システムを示す概略斜視図である。図２は、図１中補助電源機器の回路図である。図３は、図１中の補助用リチウムイオン二次電池の一部破断斜視図である。図４は、図３の補助用リチウムイオン二次電池のＸＺ平面に沿った断面図である。図５は、実施例１〜３、比較例１〜２の条件及び結果を示す表である。

符号の説明

１…携帯電話（携帯機器）、２…メイン用リチウムイオン二次電池、１０…筐体、２０…補助用リチウムイオン二次電池、４０…充電用コネクタ、５０…供給用コネクタ、１１０…正極活物質層、１１５…正極集電体、１１６…負極集電体、１２０…負極活物質層、１４０…セパレータ、１５０…ケース、１６１，１６２，１６３，１６４…二次電池要素、１８５…積層構造体、１００…補助電源装置、２００…充電器。

Claims

補助用リチウムイオン二次電池と、
前記補助用リチウムイオン二次電池に接続され、外部の充電器から電力を受け入れる充電用コネクタと、
前記補助用リチウムイオン二次電池に接続され、前記補助用リチウムイオン二次電池の電力を外部の携帯機器に供給する供給用コネクタと、を備え、
前記補助用リチウムイオン二次電池は、正極活物質層、負極活物質層、及び、電解液を有し、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の厚みがそれぞれ１０〜４０μｍである補助電源装置。
前記携帯機器はメイン用リチウムイオン二次電池を有するものであり、
前記充電器は前記メイン用リチウムイオン二次電池用の充電器であり、
前記補助用リチウムイオン二次電池の定格容量は、前記メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量の１／３以下である請求項１に記載の補助電源装置。
前記補助用リチウムイオン二次電池を収容する箱型形状の筐体をさらに備え、
前記充電用コネクタ及び前記供給用コネクタはそれぞれ前記筐体の側面に配置されると共に、前記充電用コネクタ及び前記供給用コネクタは前記筐体を挟んで互いに反対側に配置されている請求項１又は２に記載の補助電源装置。