JP2008130360A - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】セパレータにしわ等を発生させずに生産性良く作製することができると共に、大容量化を図ることができる非水電解液二次電池を提供する。
【解決手段】正極板2と負極板3とがセパレータ8aを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板2又は負極板3を2枚のセパレータ8aで挟むと共に、2枚のセパレータ8aの正極板2又は負極板2の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着した非水電解液二次電池。
【選択図】図1
【解決手段】正極板2と負極板3とがセパレータ8aを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板2又は負極板3を2枚のセパレータ8aで挟むと共に、2枚のセパレータ8aの正極板2又は負極板2の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着した非水電解液二次電池。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば、電気自動車等の電源に使用するのに好適なリチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池に関するものである。
近年、電気自動車等の電源に好適な二次電池として、リチウムあるいはリチウム合金を用いた非水電解液二次電池であるリチウムイオン二次電池が提案されている。
リチウムイオン二次電池は、図6に示すように、正極板2と負極板3とを袋状セパレータ8に収納して交互に重ね合わせることにより形成される。そして、正極板2と負極板3と袋状セパレータ8とより成る積層体を、一方が開口した長方体状のバッテリーケースに挿入し、バッテリーケースに電解液を充填することにより二次電池として機能する。
正極板2は、例えば図6及び図7に示すように、厚さが略20μmの矩形状のアルミニウムAl箔より成る集電体5の両面に、リチウムLiと遷移金属の複合酸化物例えばLiCoO2を正極活物質4として被着したものである。
負極板3は、図6及び図7に示すように、例えば、厚さが略10μmの矩形状の銅Cu箔(又はニッケルNi箔)より成る集電体7の両面に、リチウムLiをドープ、脱ドープ可能なカーボン例えばグラファイト構造を有する炭素や難黒鉛化炭素材料等の炭素Cを負極活物質6として被着したものである。
袋状セパレータ8は、例えば、厚さ25μmの微多孔性ポリエチレンフィルムやポリプロピレンフィルム等を袋状としたものである。また、電解液9には、プロピレンカーボネートやジエチルカーボネートの混合溶媒中に、LiPF6を1モル/1の割合で溶解した有機電解液を使用する。
ここで、従来における非水電解液二次電池の袋状セパレータとしては、正極板や負極板の周囲となる部分を連続的に熱融着した後、切り込みを入れることでしわの発生を軽減するようにしたものがあった(特許文献1参照)。
特開2003−9210号公報
ところで、この種の非水電解液二次電池では、大容量化の要望に伴ってセパレータの薄型化が進み、製造過程において、セパレータの取り回しや熱によるダメージが非常に大きな問題となってきている。
これに対して、上記したような従来の非水電解液二次電池にあっては、袋状セパレータの製造において、周囲に熱融着及び切り込みを施していたため、セパレータが熱収縮してしわが発生する虞があるほか、取り回しの際にセパレータの周囲に捲れ上がりやずれが生じやすいことから、これらを積層する作業に手間がかかるという問題点があった。
さらに、従来の非水電解液二次電池にあっては、上記したようにセパレータの周囲にしわ等の不具合が生じ易いので、電池の端部の厚みが大きくなり、しかも、セパレータの周囲に熱融着を施すためのマージン部分(余白部分)を充分に確保しておく必要があるうえに、充電スタートの電池では容量を決定する正極の面積を負極に対して小さくせざるを得ないことから、電池の容量を大きくするのが難しいという問題があり、これらの問題点を解決することが課題となっていた。
本発明は、上記したような従来の状況に鑑みて成されたもので、セパレータにしわ等を発生させずに生産性良く作製することができると共に、大容量化を図ることができる非水電解液二次電池を提供することを目的としている。
本発明の非水電解液二次電池は、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板又は負極板を2枚のセパレータで挟むと共に、2枚のセパレータの正極板又は負極板の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
本発明の非水電解液二次電池によれば、セパレータにしわ等を発生させずに生産性良く作製することができると共に、セパレータのしわ等の発生防止に伴って電池の端部の厚肉化を阻止し得るうえに、セパレータのマージン部分を減らすことができるので、電池の大容量化を図ることができる。
以下、図面に基づいて、本発明の非水電解液二次電池の一実施形態について説明する。図1〜図5は本発明の非水電解液二次電池をリチウムイオン二次電池に適用した例を説明する図である。図1〜図5において、先に説明した図6及び図7に対応する部分は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図5において、符号10は密閉型の偏平角型電池容器であって、この偏平角型電池容器10は、例えば厚さ300μmのステンレス板より成ると共に、横方向の長さが300mm、縦方向の長さが100mm、厚さが25mmの諸寸法を有し、51枚の正極板2及び52枚の負極板3をセパレータ8aを介して交互に積層した積層体14を収納する。
正極板2は、図1、図2、図3及び図7に示すように、偏平角型電池容器10の内部形状とほぼ等しい矩形状で且つ厚さが20μmのアルミニウムAl箔より成る集電体5の両面に、リチウムLiと遷移金属の複合酸化物例えばLiCoO2を正極活物質4として被着したものである。
負極板3は、同じく図1、図2、図3及び図7に示すように、偏平角型電池容器10の内部形状とほぼ等しい矩形状で且つ厚さが10μmの銅Cu箔(又はにニッケルNi箔)より成る集電体7の両面に、リチウムLiをドープ、脱ドープ可能なカーボン例えばグラファイト構造を有する炭素や難黒鉛化炭素材料等の炭素Cを負極活物質6として被着したものである。
セパレータ8aは、図1、図2及び図3に示すように、正極板2及び負極板3よりやや大きめの矩形状で且つ厚さが7μmの微多孔性ポリエチレンフィルムやポリプロピレンフィルム等のフィルムであって、2枚のセパレータ8a、8aにより正極板2及び負極板3を夫々挾むと共に、2枚のセパレータ8a、8aの正極板2及び負極板3の周囲を後記する表1に示す接着剤又は粘着テープを用いて接着(接着部8b)したものである。
そして、2枚のセパレータ8a、8aで挾持した51枚の正極板2の周囲を20mmごとに直径1Φの面積で接着した。2枚のセパレータ8a、8aで挾持した負極板3を52枚用意して、正極板51及び負極板52を図4に示す如く交互に積層し、矩形状の積層体14を形成する。
また、この実施形態においては、図4に示すように、矩形状の積層体14の一辺側すなわち正極板2の一辺に、セパレータ8aから所定幅で露出した露出部2bを設けると共に、この露出部2bに、後記する表1に示す接着剤又は粘着テープを用いて、銅Cuから成り且つ正極板2の縦方向の長さである約100mmの長さを有する正極リード体11aをその全長さにわたって接着した。
さらに、矩形状の積層体14の一辺側に対向する辺側すなわち負極板3の一辺に、セパレータ8aから所定幅で露出した露出部3bを設けると共に、この露出部3bに、後記する表1に示す接着剤又は粘着テープを用いて例えば銅Cuから成り且つ負極板3の縦方向の長さである約100mmの長さを有する負極リード体12aをその全長さにわたって接着した。
そして、上記の如く正極リード体11a及び負極リード体12aを接続した積層体14を偏平角型電池容器10に収納し、この偏平角型電池容器10に、プロピレンカーボネートやジエチルカーボネートの混合溶媒の中にLiPF6を1モル/1の割合で溶解した有機電解液9を注入し、正負極板2,3の正極活物質4及び負極活物質6間に有機電解液9を充填する。
さらに、上記の如く正極板2の露出部2b及び負極板3の露出部3bに夫々接着した正極リード体11a及び負極リード体12aを外部正極端子(リード端子)11及び外部負極端子(リード端子)12に夫々接続する。これにより、各露出部2b、3bは正負極のリード体11a,12aを介して外部の正負極端子(リード端子)11,12に接続されている。なお、図5において、13はこの密閉型の偏平角型電池容器10の内圧が所定値より高くなったときに内部の気体を抜く安全弁である。
このように、上記の実施形態で説明した非水電解液二次電池(リチウムイオン二次電池)は、セパレータが熱収縮するようなこともないので、セパレータの周囲にしわ、捲れ上が及びずれなどが生じるのを防ぐことができ、これにより積層作業等も容易になる。また、しわ等の発生防止に伴って電池の端部の厚肉化を阻止し得るうえに、セパレータのマージン部分(余白部分)を減らしてもセパレータを充分に接着することができるので、正負極板の面積を充分に確保して電池の大容量化を図ることができる。
また、当該非水電解液二次電池は正負極板2,3の一辺を2枚のセパレータ8a,8aから露出させて外部の正負極端子(リード端子)11,12に接続したことにより、正負極界面を電池の投影面積の最大範囲で確保すると共に、正負極間の短絡をセパレータで完全に防ぐことができる。
さらに、当該非水電解液二次電池は、正極板2、負極板3及びセパレータ8aをラミネートフィルムで包装したものとすることができ、この場合、セパレータ8aの材質をポリエチレンやポリプロピレンなどの非極性、オレフィン系樹脂を含むものとすることにより、異常時にも正負極間の短絡を防ぐ電気化学的耐性や機械的強度の確保、正負極間のリチウムイオンのイオン伝導性の確保、及び電池の異常高温時にセパレータがシャットダウンすることにより電流を遮断することで、電池特性や信頼性に優れた電池を提供することができる。
さらに、前記接着剤及び粘着テープの少なくとも一方による接着の前に、コロナ放電処理、紫外線照射処理、プライマー処理及び溶剤処理のうちの少なくとも1つの処理を行うことにより、接着強度がさらに増し、取り回し性やマージン部分の縮小の面でより有効となる。
さらに、本発明の非水電解液二次電池では、セパレータ8aの接着に用いる接着剤や粘着テープの接着剤として、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の中から選択したものを用いている。
ここで、上記の接着剤や粘着テープに用いる接着剤として、アクリル樹脂エマルション接着剤、α−オレフィン系接着剤、ウレタン樹脂エマルション接着剤、エーテル系セルロ−ス、エチレン−酢酸ビニル樹脂エマルション接着剤、エポキシ樹脂エマルション接着剤、酢酸ビニル樹脂エマルション接着剤、水性高分子−イソシアネート系接着剤、スチレン−ブタジエンゴム系ラテックス接着剤、ポリアミド樹脂ホットメルト接着剤及びポリビニルアルコール系接着剤などを用いると、所望の接着強度や良好な取り回し性を実現するうえで適当ではない。
これに対して、上記の接着剤や粘着テープに用いる接着、すなわち、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の接着剤であれば、所望の接着強度や良好な取り回し性が得られることを確認した。
中でも、アクリル樹脂系粘着テープ、エポキシ樹脂系接着剤、クロロプレンゴム系接着剤クロロプレンゴム系接着剤及び変性シリコーン系接着剤は、とくに好ましく、安定した品質と生産性を満足する一方、正負極のマージン部分を減らすことができるので、従来では達成できなかった電池の大容量化に貢献し得ることを確認した。
セパレータの材質、接着剤の種類及び接着幅を異ならせて実施例1〜9及び比較例1〜12の二次電池を作製した。図8(a)〜(i)は、実施例1〜9の二次電池におけるセパレータSの接着部Bを示す図であって、後記する表1にも示すように、点状の接着部Bと、連続的な接着部Bと、断続的な接着部Bの組み合わせや配置を異ならせている。図中の符号Lはリード体である。なお、セパレータSで包装するのは正極板及び負極板のいずれでもよいが、より望ましくは正極板の方が良い。
そして、これらの二次電池について、23℃で充放電を行い、定格容量および300サイクル目の放電容量維持率を求めた。充電は、100mAの定電流定電圧充電を上限4.2Vまで15時間行い、放電は100mAの定電流放電を終止電圧2.5Vまで行った。定格容量は1サイクル目の放電容量とし、定格エネルギー密度(Wh/l)
及び生産タクトを求めた。
及び生産タクトを求めた。
定格エネルギー密度(Wh/l)は、平均放電電圧(V)×定格容量(mAh)/電池体積(l)の式により求めた。
一例を挙げると、平均放電電圧3.7Vの383450サイズの800mAh定格容量の電池は、
0.38(cm)×3.4(cm)×5.0(cm)/1000 =0.00646lとなり、
3.7(V)×0.8(Ah)/0.00646=458 Wh/l
となる。
一例を挙げると、平均放電電圧3.7Vの383450サイズの800mAh定格容量の電池は、
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3.7(V)×0.8(Ah)/0.00646=458 Wh/l
となる。
生産タクトは、1個の電池を積層するのに要した工程の時間(秒)である。ここで、定格エネルギー密度は、巻回では65Wh/l以上、積層では490Wh/l以上を良品とした。また、負荷特性は70%以上を良品とした。さらに、生産タクトは1セル40秒以下を良品とした。その結果を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例1〜9のものは、いずれも比較例1〜12によりも高い定格エネルギー密度が得られることが判明し、また、いずれの生産タクトも短時間であって、生産性が非常に良好であることを確認した。
なお、本発明の非水電解液二次電池は、その詳細な構成が上記の実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他種々の構成を採用することができる。
2 正極板
3 負極板
4 6 活物質
5 7 集電体
8a セパレータ
8b 接着部
10 偏平角型電池容器
11 外部正極端子
11a 正極リード体
12 外部負極端子
12a 負極リード体
B 接着部
L リード体
S セパレータ
3 負極板
4 6 活物質
5 7 集電体
8a セパレータ
8b 接着部
10 偏平角型電池容器
11 外部正極端子
11a 正極リード体
12 外部負極端子
12a 負極リード体
B 接着部
L リード体
S セパレータ
Claims (6)
- 正極板と負極板とがセパレータを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板又は負極板を2枚のセパレータで挟むと共に、2枚のセパレータの正極板又は負極板の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着したことを特徴とする非水電解液二次電池。
- 前記正極板又は負極板の一辺を2枚のセパレータから露出させてリード端子に接続したことを特徴とする請求項1記載の非水電解液二次電池。
- 前記正極板、負極板及びセパレータをラミネートフィルムで包装した非水電解質二次電池であって、前記セパレータの材質が、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの非極性、オレフィン系樹脂を含むことを特徴とする請求項2記載の非水電解液二次電池。
- 前記接着剤及び粘着テープの少なくとも一方による接着の前に、コロナ放電処理、紫外線照射処理、プライマー処理及び溶剤処理のうちの少なくとも1つの処理を行うことを特徴とする請求項3記載の非水電解液二次電池。
- 前記接着剤が、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の中から選択したものであることを特徴とする請求項3記載の非水電解液二次電池。
- 前記粘着テープの接着剤が、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の中から選択したものであることを特徴とする請求項3記載の非水電解液二次電池。
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