JP2008147177A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蓄電性ゴム状弾性体を用いたシート状正極1に、セパレーター3を介して部分的に負極2を設け、部分的に設けた負極2の表面の少なくとも一部の表面が、シート状正極1の表面と同一方向側に露出するように配置し、正極1の表面に正極端子4を正極と導電するように設け、負極2の表面に負極端子5を負極と導電するように設けたことを特徴とする。イオンバリア層6を異方導電膜とする事により、多数のセルを平面に配置した集積型電源とする事ができる。また上記の構成は正極と負極を逆としても良い。
【選択図】図9
Description
(1)蓄電性ゴム状弾性体を用いたシート状正極又はシート状負極に、セパレーターを介して部分的に負極又は正極を設け、前記部分的に設けた負極の表面の少なくとも一部の表面が、前記シート状正極の表面と同一方向側に露出するように配置するか、又は、前記部分的に設けた正極の表面の少なくとも一部の表面が、前記シート状負極の表面と同一方向側に露出するように配置し、前記シート状正極又はシート状負極の表面に一方の極の端子を導電可能に設け、前記部分的に設けた負極又は正極の表面に他方の極の端子を導電可能に設けたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
(2)前記一方の極の端子及び他方の極の端子は、第一のイオンバリア層を介して前記正極の表面及び負極の表面に設けたことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
(3)前記シート状正極の裏面及び側面、又はシート状負極の裏面及び側面に第二のイオンバリア層を設けたことを特徴とする前記(1)又は(2)のリチウムイオン二次電池。
(4)前記シート状正極又はシート状負極に、部分的に凹部を設けて、前記凹部に負極又は正極を配置し、正極の表面及び負極の表面を同一面としたことを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(5)前記シート状正極又はシート状負極の凹部が、格子状の溝であり、前記凹部に配置した負極又は正極が、前記格子状の溝に対応した形状の格子状の成型体であり、各格子のうちの所定の格子に一方の極の端子が設けられていることを特徴とする前記(4)のリチウムイオン二次電池。
(6)前記シート状正極又はシート状負極の凹部が、厚さ方向に形成された複数の穴であり、前記凹部に配置した負極又は正極が、前記複数の穴に対応した形状の複数のブロック状の成型体であり、各ブロックのうちの所定のブロックに一方の極の端子が設けられていることを特徴とする前記(4)のリチウムイオン二次電池。
(7)前記シート状正極又はシート状負極の表面に、部分的に負極又は正極を配置したことを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(8)前記シート状正極又はシート状負極の表面に配置した負極又は正極が、格子状の凸部を形成し、各格子のうちの所定の格子に一方の極の端子が設けられていることを特徴とする前記(7)のリチウムイオン二次電池。
(9)前記シート状正極又はシート状負極の表面に配置した負極又は正極が、複数のブロック状の凸部を形成し、各ブロックのうちの所定のブロックに一方の極の端子が設けられていることを特徴とする前記(7)のリチウムイオン二次電池。
(10)前記部分的に設けた負極又は正極が、蓄電性ゴム状弾性体であることを特徴とする前記(1)〜(9)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(11)前記セパレーターが、ゴム状弾性体であることを特徴とする前記(1)〜(10)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(12)前記第一のイオンバリア層が異方性導電部材であることを特徴とする前記(2)〜(11)のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
(13)前記第二のイオンバリア層が、アルミニウム、タンタル、ニオブ、及びチタンより選ばれる金属からなるバルブメタル板であることを特徴とする前記(3)〜(11)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(14)前記蓄電性ゴム状弾性体は、ゴム状弾性体からなる支持体に、電子伝導性の分散材、イオン導電性の分散材及び電池活物質を分散させたものであることを特徴とする前記(1)〜(13)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(15)前記ゴム状弾性体からなる支持体が、ACM(アクリルゴム)、NBR(ニトリルゴム)、H−MBR(水添加ニトリルゴム)より選ばれるゴムからなることを特徴とする前記(14)のリチウムイオン二次電池。
(16)前記電子伝導性の分散材が、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、及びグラファイト粉末から選ばれる一種以上の炭素粉末であることを特徴とする前記(14)又は(15)のリチウムイオン二次電池。
(17)前記イオン導電性の分散材が、リチウム塩と有機溶媒を含有するイオン導電性の液体を前記ゴム状弾性体からなる支持体に浸透させ、該支持体を膨潤させたものであることを特徴とする前記(14)〜(16)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(18)前記イオン導電性の分散材が、ClO4 −、BF4 −、又はPF6 −のリチウム塩を含有することを特徴とする前記(14)〜(17)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(19)前記正極に用いる蓄電性ゴムは、電池活物質が、LiMn2O4であることを特徴とする前記(14)〜(18)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(20)前記負極に用いる蓄電性ゴムは、電池活物質が、易黒鉛化性系炭素、難黒鉛化性系炭素、及び黒鉛から選ばれる負極活物質であることを特徴とする前記(14)〜(19)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
(21)前記負極に用いる蓄電性ゴムは、電池活物質が、酸化チタンであることを特徴とする前記(14)〜(19)のいずれか一項のリチウムイオン二次電池。
また、電池本体を蓄電性ゴム状弾性体を用いたシート状正極又はシート状負極で構成したため、柔軟性を具備し、耐衝撃性に優れており、このため、外部からの衝撃に対して破断などが生じに難い構造を容易に実現できる。
また、正極又は負極を、格子状若しくはブロック状に設けてリチウムイオン二次電池とした場合には、セパレーターを介して正極と負極の組み合わせが電池内に一つではなく複数存在しているので、電池内部の格子状若しくはブロック状の正極又は負極の一部やそれらの端子に衝撃等により破断が生じて当該箇所が二次電池としての機能を喪失しても、それ以外の正極及び負極やそれらの端子が健全であれば、当該箇所は二次電池としての機能を有するため、リチウムイオン二次電池として機能を確保することが可能であり、衝撃等に対しても二次電池としての信頼性を向上させることが可能となる。
なお、シート状正極の表面又はシート状負極の表面は、いずれの面を表面若しくは裏面としても良く、部分的に設けた負極又は正極が、シート状正極又はシート状負極を貫通するような場合は、一方の面だけではなく、それぞれの面に端子を設ける場合も含む。
一実施形態としては、図1、図7、図8及び図9に示すように、シート状正極又はシート状負極に、部分的に厚さ方向に形成された凹部を設けて、この凹部に負極又は正極を配置し、シート状正極の表面と凹部に配置した負極の表面(又はシート状負極の表面と凹部に配置した正極の表面)を同一面としたリチウムイオン二次電池とすることができる。この場合には、部分的に設けた負極又は正極の表面のうち上面のみが、シート状正極又はシート状負極の表面と同一方向側に露出することになる。
本発明においては、正・負極端子を同一面側に設け負荷に接続するために、シート状正極の表面及びシート状正極の凹部に配置した負極の表面、又は、シート状負極の表面及びシート状負極の凹部に配置した正極の表面を同一面とすることが重要であるが、同一面とは、同一平面だけではなく、同一曲面も含む。また、同一面とは、接続する負荷の形状に即して若干の段差がある場合も含み、シート状正極の表面と凹部に配置した負極の表面(又はシート状負極の表面と凹部に配置した正極の表面)が完全に一致しなくても良い。
また、シート状正極又はシート状負極に部分的に設けた凹部に負極又は正極を配置する方法としては、嵌合、注型、二層成形などの方法を採用することが可能である。
このリチウムイオン二次電池は、上面(電極側)をほぼ均一な面とすることができるので、単純なシート体として扱うことができ、電池としてのスペース効率に優れる。
シート状正極又はシート状負極の表面に部分的に負極又は正極を配置する方法としては、印刷、貼り合わせ、二層成形などの方法を採用することが可能である。
尚、図3〜6に示すリチウムイオン二次電池においては、図8及び図9に示すように、すべての格子毎、又は、複数のすべてのブロック毎に端子を設ける必要はなく、端子配置の有無は、必要に応じて適宜選択できるものである。
図8は、シート状正極に設けられた格子状の溝に格子状の負極を配置し、シート状正極と格子状の負極の表面を同一面としたリチウムイオン二次電池の一実施形態を示す図であり、図9は、図8に示されるリチウムイオン二次電池の要部を示す拡大図である。
本実施形態では、リチウムイオン二次電池のシート状正極(1)に蓄電性ゴムを用い、これに凹部である格子状の溝を設け、この溝にセパレーター(3)を介して格子状の負極(2)を嵌合させ、嵌合した正極(1)の表面及び負極(2)の表面を同一面として、正極(1)の表面に正極端子(4)を設け、負極(2)の表面に負極端子(5)を設けたことを特徴とする。
また、正極と負極の加工方法を逆にして、負極をシート状に加工して格子状の溝を設け、この溝にセパレーターを介して格子状の正極を嵌合させても良い。
シート状正極(1)の溝の側面は、完全に垂直でなくても、負極(2)を挿入して、嵌合させることができれば良く、やや傾斜しているものも含む。
第一のイオンバリア層は、厚み方向のみに電子を移動させ、平面横方向には電子を移動させない異方性の導電層であり、異方性導電ゴム等からなる異方性導電部材であることが好ましい。
異方性導電ゴムは、シリコーンゴムなどの中に微細な金属粒子を強磁場中で配合充填し、特定の方向にのみ導電性を持たせたものであって、本発明においては、厚み方向に導通可能な異方性導電ゴムシートを適用することが望ましい。
また、第二のイオンバリア層を柔軟性を有するケースとすれば、対象の形状に追従可能な電池とすることができ、機器の設計自由度が高くなる。
支持体に用いるゴム状弾性体の種類は限定されるものではないが、ACM(アクリルゴム)、NBR(ニトリルゴム)、H−MBR(水添加ニトリルゴム)、BR(ブタジエンゴム)、SBR(スチレン-ブタジエンゴム)、IR(イソプレンゴム)、CR(クロロプレンゴム)、IIR(ブチルゴム)、EPDM(エチレンプロピレンゴム)、CO(ヒドリンゴム)、Q(シリコーンゴム)、FKM(フッ素ゴム)、多硫化ゴム、ウレタンゴムなどを用いることができる。ACM(アクリルゴム)、NBR(ニトリルゴム)、及びH−MBR(水添加ニトリルゴム)から選ばれるゴムが好ましい。また、ゴム状の弾性を有するものであり、電子伝導性の分散材、イオン導電性の分散材及び電池活物質を分散させることができるものであれば、ゴムに限定されない。
また、正極に用いる蓄電性ゴム状弾性体には、電子伝導性の分散材を、ゴム支持体100質量%に対し60〜100質量%分散させることが好ましい。負極に用いる蓄電性ゴム状弾性体には、電子伝導性の分散材を、ゴム支持体100質量%に対し5〜40質量%分散させることが好ましい。電子伝導性の分散材が少ないと、電池として機能しなくなり、また、多すぎるとゴムへの混練が困難になるので、上記の範囲が好ましい。
ゴム支持体にイオン導電性の分散材(リチウム塩)を予め分散させる方法としては、電子伝導性の分散材及び電池活物質を分散させたゴム支持体を、有機溶媒とリチウム塩を含むイオン導電性の液体に浸漬させて膨潤させる方法を採用することができる。
ゴム支持体に浸透させることができるイオン導電性の液体としては、リチウム電池に従来から非水系電解液として使用されている有機溶媒とリチウム塩(電解質)を含む電解液が挙げられる。
このようなイオン導電性の液体としては、LiBF4/PC(プロピレンカーボネート)、LiBF4/GBL(γ−ブチロラクトン)、LiBF4/PC+DME(1,2−ジメトキシエタン)、LiBF4/GBL+DME、LiBF4/PC+EMC(エチルメチルカーボネート)、LiBF4/PC+MP(プロピオン酸メチル)、LiClO4/PC、LiClO4/GBL、LiClO4/PC+DME、LiClO4/PC+DME、LiClO4/GBL+DME、LiClO4/PC+EMC、LiClO4/PC+MP、LiPF6/PC、LiPF6/GBL、LiPF6/GBL+DME、LiPF6/PC+EMC、LiPF6/PC+MP、LiPF6/PC+DME、LiAsF6/PC、LiAsF6/GBL、LiAsF6/PC+DME、LiAsF6/GBL+DME、LiAsF6/PC+EMC、LiAsF6/PC+MP、LiCF3SO3/PC、LiCF3SO3/GBL、LiCF3SO3/PC+DME、LiCF3SO3/GBL+DME、LiCF3SO3/PC+EMC、LiCF3SO3/PC+MP、Li(CF3SO2)2N/PC、Li(CF3SO2)2N/GBL、Li(CF3SO2)2N/PC+DME、Li(CF3SO2)2N/GBL+DME、Li(CF3SO2)2N/PC+EMC、Li(CF3SO2)2N/PC+MP等がある。
また、上記のように、電解液をゴム支持体に浸透させて、このゴム支持体を膨潤させた場合には、イオンバリア層は、電解液が外界に蒸散するのを防止する作用も有する。
なお、イオン導電性の分散材をゴム支持体に分散させる方法は、上記の方法に限定されず、電子伝導性の分散材及び電池活物質と共に、ゴムに練り込む方法等も採用できる。
さらに、イオン導電性の分散材として、固体電解質を用いても良い。
負極に用いる蓄電性ゴムには、電池活物質(負極活物質)として、易黒鉛化性系炭素、難黒鉛化性系炭素、黒鉛、酸化スズ系ガラス、LiNb2O5、LiTiO2及びLi7MnN4、Li3FeN2などのリチウム・遷移金属複合窒化物、リチウムインサーション化合物、酸化チタンなどを用いることができるが、易黒鉛化性系炭素、難黒鉛化性系炭素、及び黒鉛、並びに酸化チタンから選ばれる負極活物質が好ましい。酸化チタンとしては、アナターゼ型が好ましい。酸化チタンは、充電時には、リチウムが挿入され、リチウムチタン複合酸化物を形成するが、リチウムチタン複合酸化物はリチウム基準で1.2〜1.4Vで充放電が可能でありグラファイト系より電池電圧は低くなってしまうものの平坦電位、充放電サイクル寿命の点で合理的な活物質である。
また、正極に用いる蓄電性ゴム状弾性体には、電池活物質を、ゴム支持体100質量%に対し10〜50質量%分散させたものが好ましい。負極に用いる蓄電性ゴム状弾性体には、電池活物質を、ゴム支持体100質量%に対し50〜200質量%分散させたものが好ましい。電池活物質が少ないと電池として機能しなくなり、多すぎても電池としての挙動が見られなくなるので、上記の範囲が好ましい。
上記の材料を、円板状に加工し、熱プレスを用い一次加硫を170℃で10分行い、さらにオーブン中で二次加硫を150℃で1時間行い、蓄電性ゴムからなる正極とした。
上記の材料を、円板状に加工し、中央に正極を嵌合する凹部を設け、熱プレスを用い一次加硫を170℃で10分行い、さらにオーブン中で二次加硫を150℃で1時間行い、蓄電性ゴムからなる負極とした。
負極の材料は、ゴム支持体をACM(アクリルゴム)とし、ACM100wt%に対し、負極活物質として酸化チタン(アナターゼ型、粒径0.15μm、石原産業製)を200wt%、導電助剤(電子導電性の分散材)としてKB(ケッチェンブラック)を20wt%加えたものを用いた。
上記の材料を、円板状に加工し、中央に正極を嵌合する凹部を設け、熱プレスを用い一次加硫を170℃で10分行い、さらにオーブン中で二次加硫を150℃で1時間行い、蓄電性ゴムからなる負極とした。
個別に多数の電源を必要とする電光掲示板やLED表示灯など、特に平面状の機器について適し、これらでは、直接近いところから電力供給を受けられるので、電力線を引き回す必要が無く、内部損失を低減できる。
2 負極
3 セパレーター
4 正極端子
5 負極端子
6 第一のイオンバリア層
7 第二のイオンバリア層(バルブメタル板)
Claims (21)
- 蓄電性ゴム状弾性体を用いたシート状正極又はシート状負極に、セパレーターを介して部分的に負極又は正極を設け、前記部分的に設けた負極の表面の少なくとも一部の表面が、前記シート状正極の表面と同一方向側に露出するように配置するか、又は、前記部分的に設けた正極の表面の少なくとも一部の表面が、前記シート状負極の表面と同一方向側に露出するように配置し、前記シート状正極又はシート状負極の表面に一方の極の端子を導電可能に設け、前記部分的に設けた負極又は正極の表面に他方の極の端子を導電可能に設けたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 前記一方の極の端子及び他方の極の端子は、第一のイオンバリア層を介して前記正極の表面及び負極の表面に設けたことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極の裏面及び側面、又はシート状負極の裏面及び側面に第二のイオンバリア層を設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極又はシート状負極に、部分的に凹部を設けて、前記凹部に負極又は正極を配置し、正極の表面及び負極の表面を同一面としたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極又はシート状負極の凹部が、格子状の溝であり、前記凹部に配置した負極又は正極が、前記格子状の溝に対応した形状の格子状の成型体であり、各格子のうちの所定の格子に一方の極の端子が設けられていることを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極又はシート状負極の凹部が、厚さ方向に形成された複数の穴であり、前記凹部に配置した負極又は正極が、前記複数の穴に対応した形状の複数のブロック状の成型体であり、各ブロックのうちの所定のブロックに一方の極の端子が設けられていることを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極又はシート状負極の表面に、部分的に負極又は正極を配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極又はシート状負極の表面に配置した負極又は正極が、格子状の凸部を形成し、各格子のうちの所定の格子に一方の極の端子が設けられていることを特徴とする請求項7に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記シート状正極又はシート状負極の表面に配置した負極又は正極が、複数のブロック状の凸部を形成し、各ブロックのうちの所定のブロックに一方の極の端子が設けられていることを特徴とする請求項7に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記部分的に設けた負極又は正極が、蓄電性ゴム状弾性体であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記セパレーターが、ゴム状弾性体であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記第一のイオンバリア層が異方性導電部材であることを特徴とする請求項2〜11のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記第二のイオンバリア層が、アルミニウム、タンタル、ニオブ、及びチタンより選ばれる金属からなるバルブメタル板であることを特徴とする請求項3〜12のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記蓄電性ゴム状弾性体は、ゴム状弾性体からなる支持体に、電子伝導性の分散材、イオン導電性の分散材及び電池活物質を分散させたものであることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記ゴム状弾性体からなる支持体が、ACM(アクリルゴム)、NBR(ニトリルゴム)、H−MBR(水添加ニトリルゴム)より選ばれるゴムからなることを特徴とする請求項14に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電子伝導性の分散材が、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、及びグラファイト粉末から選ばれる一種以上の炭素粉末であることを特徴とする請求項14又は15に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記イオン導電性の分散材が、リチウム塩と有機溶媒を含有するイオン導電性の液体を前記ゴム状弾性体からなる支持体に浸透させ、該支持体を膨潤させたものであることを特徴とする請求項14〜16のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記イオン導電性の分散材が、ClO4 −、BF4 −、又はPF6 −のリチウム塩を含有することを特徴とする請求項14〜17のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記正極に用いる蓄電性ゴムは、電池活物質が、LiMn2O4であることを特徴とする請求項14〜18のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極に用いる蓄電性ゴムは、電池活物質が、易黒鉛化性系炭素、難黒鉛化性系炭素、及び黒鉛から選ばれる負極活物質であることを特徴とする請求項14〜19のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極に用いる蓄電性ゴムは、電池活物質が、酸化チタンであることを特徴とする請求項14〜19のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
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