JP2007134060A - 積層型リチウムポリマー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部ショートがなく、ハンドリング性がよく、プリゲル溶液の電極への含浸性を改善した積層型リチウムポリマー電池を提供する。
【解決手段】 正極１、セパレータ３、負極２の積層構造からなり、ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池において、正極１または負極２の一方がセパレータ３で包囲固定され、正極１と負極２の対向面と反対側のセパレータ３に切抜き部４を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層型リチウムポリマー電池に関し、詳しくは薄型化に適した構造の積層型リチウムポリマー電池に関する。

近年、リチウムポリマー電池は、薄型化が可能であること、形状選択の自由度の高さ、液状の電解液を用いないことによる安全性の高さなどから、モバイル機器用の電源などとして注目されている。薄型化に対しては、巻回型構造では限界があるため、積層型構造が用いられている。

積層型構造では、正極、セパレータ、負極を順に重ねてセルを作製する。ゲル電解質を使用した場合、ゲル電解質は電解液よりイオン伝導度が低く、抵抗が大きくなるためセパレータの薄型化が重要な課題となっている。薄型のセパレータは、ハンドリングが難しく、積層時に位置ずれが発生し、内部ショートの原因となる。自立型のゲル電解質のシートを使用してセパレータを用いない構造が取られることもあるが、温度上昇時にゲル電解質の強度が低下するため、安全性の面で十分ではなかった。

この問題を解決するために、正極または負極の一方の電極を多孔質シートからなる支持体を袋状に加工したものに挿入し、電極と一体化する方法が提案されている（例えば特許文献１）。しかし、ゲル電解質を用いる場合には、電解液にゲル化成分を加えたプレゲル溶液は、電解液のみの場合と比較して粘度が高いことと、薄型化されたセパレータは強度を保つために気孔率が低くなっていることより、プレゲル溶液がセパレータを透過する速度が低下する。このため、電極の周囲を袋状セパレータで包囲するとプレゲル溶液の電極中への含浸性が低下する。また、プレゲル溶液を減圧含浸した場合、活物質の隙間に存在するガス層の外部への放出が必要となるが、この経路も制限されるため、ガスが残留する恐れがあった。

特開２０００−１８８１３０号公報

前述のように、積層型リチウムポリマー電池において、薄型のセパレータの採用によりハンドリング性が悪化し、積層ズレにより内部ショートの可能性が高まる。また、電極を袋状セパレータで包囲した場合はショートは起こらず、ハンドリング性も向上するが、プレゲル溶液の電極への含浸性が悪化し、電極からのガス抜け性も低下する。

このような状況下にあって、本発明の課題は、内部ショートがなく、ハンドリング性がよく、プレゲル溶液の電極への含浸性を改善した積層型リチウムポリマー電池を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の積層型リチウムポリマー電池は、正極、セパレータ、負極の積層構造からなり、ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池において、前記正極または前記負極の一方が前記セパレータで包囲固定され、前記正極と前記負極の対向面と反対側のセパレータに切抜き部を有することを特徴とする。

本発明によれば、正極または負極の一方がセパレータで包囲固定されていることにより内部ショートが起こらず、ハンドリング性も向上する。また、正極と負極の対向面と反対側のセパレータに切抜き部を有することにより、プレゲル溶液および電極の活物質間のガスの出入りが可能となるため、プレゲル溶液の電極への含浸性が向上することより、ゲル電解質が均一に行き渡り、サイクル特性も向上する等、優れた特性の積層型リチウムポリマー電池を提供することができる。

本発明の積層型リチウムポリマー電池で使用される正極は、集電体に正極活物質層を塗布、乾燥したものを圧縮し、成型したものであり、本発明の積層型リチウムポリマー電池で使用される負極は集電体に負極活物質層を塗布、乾燥したものを圧縮し、成型したものである。

本発明で使用されるセパレータは、不織布、ポリオレフィン微多孔膜などリチウムポリマー電池で一般的に使用されるものであれば特に限定はされない。材質もポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレンなど、一般的な材料が使用できる。好ましくは、ポリエチレン製の微多孔膜で膜厚が５〜２５μｍ、さらに好ましくは７〜１６μｍである。

本発明の積層型リチウムポリマー電池で使用される電極の積層方法は、薄型化のため、（１）集電体の片面もしくは両面に活物質が塗布された正極および負極各１枚ずつの２枚積層型で、正極または負極の少なくとも一方がセパレータで包囲された構造、（２）集電体の両面に活物質が塗布された負極を中心に、集電体の片面もしくは両面に活物質が塗布された正極で挟みこむ３枚積層型で、正極がセパレータで包囲された構造、または（３）集電体の両面に活物質が塗布された正極を中心に、集電体の片面もしくは両面に活物質が塗布された負極で挟みこむ３枚積層型で、負極がセパレータで包囲された構造、などが挙げられる。

本発明の電極同士の対向面側と反対側のセパレータへの切抜き部は、直線状、Ｘ字状の切抜きや、円形、矩形の穴が単数もしくは複数空いている形状など、プレゲル溶液が浸透できる形状であれば特に限定されない。また、切抜き部を入れる代わりに、網状のセパレータを用いても良い。

セパレータの包囲方法は、短冊状のセパレータと同形状の切抜き部の入ったセパレータを重ねて３辺を融着して袋状にし、電極を挿入する方法や、二つ折りにした場合に電極を包み込める大きさに切断し、その片面に対応する部分に切抜き部を入れ、電極を挟んで二つ折りにし、残りの辺を融着する方法、などがある。

積層した電極をラミネート材等の外装材に入れた後、プレゲル溶液を注入し、減圧含浸後、封止し、加熱することにより積層型リチウムポリマー電池を作製する。

実施例により本発明を図面を参照して詳しく説明するが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に、本実施例１で使用した積層型リチウムポリマー電池の電極構成を示す。まず、正極１の作製方法について説明する。活物質としてのコバルト酸リチウムと、導電材としてのグラファイトと、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９１：６：３となるように混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して正極活物質層形成用ペーストとした。このペーストを集電体である厚さ２０μｍのアルミニウム箔に乾燥後の正極活物質層の膜厚が片面あたり１１０μｍとなるように両面に塗布し、これを圧延ロールを用いて加圧し圧縮することにより、全体の膜厚１６０μｍ、縦６０ｍｍ、横６０ｍｍの正極１とした。

次に、負極２の作製方法について説明する。フェノール樹脂を不活性ガス気流中で焼成後、粉砕して得られた炭素材料とバインダとしてのポリフッ化ビニリデンを重量比で９０：１０となるように混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して負極活物質層形成用ペーストとした。その後の工程は正極と同様にして負極２を得た。集電体に用いた金属箔は厚みが２０μｍ、縦６２ｍｍ、横６２ｍｍの銅箔である。

得られた正極１を、負極２との対向面の反対側に円形の穴からなる切抜き部４を複数開けたポリエチレン製多孔質のセパレータ３を配置し、負極２との対向面は切抜き部の入っていないセパレータ３を配置し、端子取り出し部を除く３辺で熱融着することで包囲した。セパレータのサイズは、縦６３ｍｍ、横６３ｍｍ、膜厚は２０μｍ、切り抜き部はφ５ｍｍ、ピッチ１０ｍｍとした。

プレゲル溶液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合比が、体積比で３０：７０となる溶液に、リチウム塩としてＬｉＰＦ６を１Ｍの濃度で含む電解液に、ゲル化材としてトリプロピレングリコールジアクリレートを重量比で６％、重合開始剤として、ｔ−ブチルパーオキシピバレートを重量比で０．５％混合することで作製した。

正極１を負極２と重ね、アルミラミネートフィルムで作製した外装材内（図示せず）に配置し、プレゲル溶液を注入後、減圧含浸を行い、真空封止した。これを８０℃で１時間加熱することによりプレゲル溶液をゲル化させ、積層型リチウムポリマー電池を作製した。

（比較例１）
図４に、比較例１の積層型リチウムポリマー電池の電極構成を示す。セパレータ３に切抜き部を入れないこと以外は実施例１と同様にして積層型リチウムポリマー電池を作製した。

（比較例２）
図５に、比較例２の積層型リチウムポリマー電池の電極構成を示す。正極１をセパレータ３で包囲せず、正負極間にセパレータ３を配置したこと以外は実施例１と同様にして積層型リチウムポリマー電池を作製した。セパレータのサイズは、縦６３ｍｍ、横６３ｍｍ、膜厚は２０μｍとした。

（実施例２）
図２に、本実施例２で使用した積層型リチウムポリマー電池の電極構成を、図３にその断面を示す。負極２を、切抜き部の入ったセパレータ３で包囲した正極１の２枚で挟みこんだ３枚積層型にし、正極タブ同士を超音波溶接したこと以外は実施例１と同様にして積層型リチウムポリマー電池を作製した。

（比較例３）
図６に、比較例３の積層型リチウムポリマー電池の電極構成を、図７にその断面を示す。セパレータ３に切抜き部を入れないこと以外は実施例２と同様にして積層型リチウムポリマー電池を作製した。

（比較例４）
図８に、比較例４の積層型リチウムポリマー電池の電極構成を、図９にその断面を示す。正極１をセパレータ３で包囲せず、正負極間にセパレータ３を配置したこと以外は実施例２と同様にして積層型リチウムポリマー電池を作製した。

得られた積層型リチウムポリマー電池の内部ショート数と組み立て時のハンドリング性の相対比較を表１に示す。なお、ハンドリング性の基準は次のようにした。
◎：セパレータ融着時、電極積層時共に問題なし
○：セパレータ融着時開口部形成側にシワ多少発生、電極積層時は問題なし
×：電極積層時にズレ、シワ発生

表１より、電極をセパレータで包囲した実施例１、実施例２、比較例１、比較例３においては、内部ショートも起こらず、ハンドリング性も良好であったが、電極をセパレータで包囲していない比較例２、比較例４では内部ショートが発生し、ハンドリング性も劣っていることが分かった。

次に、得られた積層型リチウムポリマー電池の初期容量（測定条件：２０℃、０．２Ｃ（実施例１、比較例１，比較例２は２０ ｍＡ、実施例２，比較例３，比較例４は ４０ ｍＡ）定電流充電で４．２Ｖ到達後、定電圧で１．５時間充電）と、０．２Ｃでの充放電（条件２０℃ ０．２Ｃ定電流４．２Ｖ定電圧 １．５時間充電、終止電圧３．０Ｖ、０．２Ｃ定電流放電）３０サイクル後の容量残存率（初期容量に対する３０サイクル後の容量の割合）を表２に示す。

表２より、電極を包囲したセパレータに切抜き部を入れた実施例１、実施例２と、電極を包囲していない比較例２、比較例４では、プレゲル溶液の含浸性が良いため、初期容量も大きく、サイクル後の容量残存率も大きいが、電極を包囲したセパレータに切抜き部が入っていない比較例１、比較例３では、プレゲル溶液の含浸性が悪いため、初期容量・サイクル後の容量残存率共に低い値となった。

本発明の実施例１の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の説明図。 本発明の実施例２の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の説明図。 本発明の実施例２の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の断面図。 従来技術による比較例１の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の説明図。 従来技術による比較例２の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の説明図。 従来技術による比較例３の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の説明図。 従来技術による比較例３の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の断面図。 従来技術による比較例４の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の説明図。 従来技術による比較例４の積層型リチウムポリマー電池の電極構成の断面図。

符号の説明

１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 切抜き部

Claims (1)

1. 正極、セパレータ、負極の積層構造からなり、ゲル電解質を含むリチウムポリマー電池において、前記正極または前記負極の一方が前記セパレータで包囲固定され、前記正極と前記負極の対向面と反対側のセパレータに切抜き部を有することを特徴とする積層型リチウムポリマー電池。

Images