JP2008269819A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

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をセパレータ８ａで挟むと共に、前記正極板２又は負極板３の周囲に沿ってセパレータ８ａ同士の重合部分を設け、前記セパレータ８ａ同士の重合部分を圧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、携帯電話や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、携帯電話や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、取り回し性も良好であると共に、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セパレータで挟むと共に、前記正極板又は負極板の周囲に沿ってセパレータ同士の重合部分を設け、前記セパレータ同士の重合部分を圧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。

なお、セパレータ同士の重合部分の圧着は、断続的や連続的に行うことができ、適宜の圧着治具を用いて加圧することによって若干押し潰された状態になる。これにより、圧着部では、セパレータ厚さは元の厚さよりも薄くなる。

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、当該二次電池を用いた電池パックの組立てにおいても、セパレータの圧着部分が不用意に剥れることもなく、取り回し性が良好であり、また、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、正極板２又は負極３板の周囲に沿ってセパレータ８ａ，８ａ同士の重合部分を設け、その重合部分を所定間隔で加圧して圧着（圧着部８ｂ）させている。これにより、セパレータ８ａは、元の厚さに対して圧着部８ｂの厚さ（一枚分の厚さ）が小さくなる。

そして、２枚のセパレータ８ａ、８ａｄで挾持した正極板２を５１枚、２０ｍｍごとに圧着した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を後記する図１４に示すセパレータや図１６に示す圧着治具が有するような細かいパターニングを施しながら圧融着し、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、後記する図１４に示すセパレータや図１６に示す圧着治具が有するような細かいパターニングを施しながら圧融着し、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、捲れ上がり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。

さらに、当該二次電池を用いた電池パックの組立てにおいても、セパレータ８ａの圧着部分が不用意に剥れるようなこともなく、取り回し性が非常に良好であって、セパレータ８ａのマージン部分（余白部分）を減らしてもセパレータ８ａの圧着状態を良好に維持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、機械的強度の確保および正負極間のリチウムイオンのイオン伝導性の確保および、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、信頼性に優れた電池を提供することができる。

さらに、セパレータ８ａ，８ａ同士の重合部分を加圧して圧着する際に、圧着治具を３０〜８０℃程度に加熱しておくのがより好ましく、これにより加圧力を低くして、より均一な成型が可能になる。また、シャットダウン機能を有するセパレータは、１００℃以上で熱収縮してしわが発生する虞があるので、１００℃以下で加熱することが好ましい。

図８及び図９は、本発明の非水電解液二次電池の他の実施形態を説明する図である。図８に示す二次電池Ｃ１は、二つに折り畳んだセパレータ１８で正極板２を挟んで、正極板２の周囲すなわち上辺及び左右の辺の三辺に沿ってセパレータ１８同士の重合部分を設け、セパレータ１８の間から正極リード体１１ａを導出させてある。

そして、上記の二次電池Ｃ１は、正極板２の周囲に沿ってセパレータ１８同士の重合部分を連続的に圧着、つまり、図９に点線で示すように、セパレータ１８の三辺の重合部分を両側から加圧して圧着（圧着部Ｂ）している。なお、負極板に対して同様にセパレータを設けることも可能であるが、正極板２に設けることがより好ましい。

図１０及び図１１は、本発明の非水電解液二次電池のさらに他の実施形態を説明する図である。図１０に示す二次電池Ｃ２におけるセパレータ２８は、先の実施形態と同様に二つに折り畳んだものであるが、片側半分に正極板又は負極板を収容する矩形凹部を有している。このため、とくに図１０（ｂ）に示すように、セパレータ２８同士の重合部分は、二次電池Ｃ２の裏面（又は表面）と同一平面を成す状態になっており、図１０（ａ）に点線で示すように連続的に加圧して圧着してある。

上記の二次電池Ｃ２は、図１１に示すように、正負極板の周囲に沿ってセパレータ２８同士の重合部分を圧着した後、同重合部分を折り曲げて、重合部分が正負極板の端面に添う状態にしている。この折り曲げは、図１０（ｂ）に示すような折り曲げ型５０を用いることができる。折り曲げ型５０は、正負極板よりもに僅かに大きい成形凹部５１を備えており、この成形凹部５１に二次電池Ｃ２を入れるだけで、三辺の重合部分を一度に折り曲げることができ、生産性の向上などに貢献し得るものとなっている。

上記の二次電池Ｃ２は、セパレータ２８同士の重合部分を圧着してさらに折り曲げたことにより、周囲の機械的強度を高めることができるうえに、セパレータ２８のマージン部分（余白部分）を減らすことができるので、当該二次電池Ｃ２を用いた電池パックの組立て時において取り回し性が非常に良好であり、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。

図１２は、本発明の非水電解液二次電池のさらに他の実施形態を説明する図である。図示の二次電池Ｃ３におけるセパレータ２８は、実質的に先の実施形態と同様であるが、セパレータ２８同士の重合部分の突出量が若干大きく、正負極板の周囲に沿ってセパレータ２８同士の重合部分を圧着した後、同重合部分を二回折り曲げて、重合部分が正負極板の端面に添う状態にしている。

上記の二次電池Ｃ３は、先の実施形態と同様の効果を得ることができ、とくに、周囲の機械的強度をより高めることができるので、電池パックの組立て時の取り回し性がより一層向上し、生産性のさらなる向上などに貢献し得るものとなる。

図１３及び図１４は、本発明の非水電解液二次電池のさらに他の二つの実施形態を説明する図である。

図１３（ａ）に示す二次電池Ｃ４は、図１３（ｂ）に示す上下一対の圧着治具５５Ａ，５５Ｂを用い、セパレータ２８の重合部分を圧着治具５５Ａ，５５Ｂで上下から加圧して、図１３（ｃ）に示す如く重合部分を圧着させている。この実施形態では、加圧面が平坦である圧着治具５５Ａ，５５Ｂを用いている。

図１４（ａ）に示す二次電池Ｃ４は、図１４（ｂ）に示す上下一対の圧着治具６０Ａ，６０Ｂを用い、セパレータ２８の重合部分を圧着治具６０Ａ，６０Ｂで上下から加圧して、図１４（ｃ）及び（ｄ）に示す如く重合部分を圧着させたものであり、この実施形態では、加圧面が連続した波形状等の凹凸形状を有する圧着治具６０Ａ，６０Ｂを用いている。

ここで、本発明の非水電解液二次電池は、図１３に示す実施形態のように、重合部分を平坦な圧着治具５５Ａ，５５Ｂで圧着した場合でも、先の各実施形態と同様の効果を得ることができるが、図１４に示す実施形態のように、重合部分を連続した凹凸形状に形成する要領で圧着することにより、セパレータ２８の圧縮部と延伸部が噛み合わさる状態となって圧着強度をより高めることができる。

また、重合部分に凹凸形状を付与する場合、図１４（ｃ）に示すように、上下の山部と谷部が夫々一致するように凹凸形状を形成して、互いの接合面を平坦とした場合でも、上記の一定の効果を得ることができるが、上側の圧着治具６０Ａ又は下側の圧着治具６０Ｂを横方向に僅かにずらせて、図１４（ｄ）に示すように、上下の山部と谷部が互い違いになるように凹凸形状を形成して、互いの接合面を同様の凹凸形状とした場合には、互いの接合面積を大幅に増大させて圧着強度を向上させることができる。

さらに、上記の如く接合面を凹凸形状にすると、正負極板の周囲に沿う方向における接合長さが増大するので、重合部分の幅（圧着部の幅）を減少させても従来通り又はそれ以上の接合面積を確保して圧着強度をより高めることができ、しかも、セパレータ２８の重合部分の幅を減少すなわちマージン部分を減少させれば、組立て時の取り回し性の向上や電池のさらなる大容量化を図ることができる。

このように、セパレータ２８の圧着治具は、図１３に示す如く平板で構わないが、図１４に示す如く凹凸形状を付与すると、接合面積の増大に伴って圧着強度が増大するのでさらに好ましいものとなる。また、平板の圧着治具で圧着した場合には、セパレータ内部においてリチウムイオンを透過させる多数の微細孔が塞がったり縮んだりするために、本来のセパレータ二枚重ねでの厚みよりも圧着後は薄くなっていることを確認した。同様に、重合部分に凹凸形状を付与した場合でもセパレータの圧着部は元の厚みよりも薄くなっていることを確認した。

図１５は、セパレータの重合部分の他の圧着例を説明する図である。図１５（ａ）に示す圧着治具６５は、外周に凹凸形状を有する成形ローラ６５を備えており、セパレータ２８の重合部分に成形ローラ６６を圧接させて、正負極板の周囲に沿って成形ローラ６６を転動させることにより、図１５（ｂ）に示すように、セパレータ２８の重合部分を加圧して連続的な凹凸形状を形成しつつ圧着させることができる。これにより、先の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、図示例では、重合部分の互いの接合面が平坦であるが、成形ローラ６６の加圧力や重合部分の下側を受ける支持台の形状等を調整することで、先の実施形態のように互いの接合面を凹凸形状にして圧着することも可能である。

図１６は、圧着治具の幾つかの例を説明する図であって、ここでは、図１６（ａ）に示すように、円筒形状の凸部７１Ａを所定間隔で備えた圧着治具７１、図１６（ｂ）に示すように、立方形状の凸部７２Ａを所定間隔で備えた圧着治具７２、及び図１６（ｃ）に示すように、半円形状又は半球形状の凸部７３Ａを所定間隔で備えた圧着治具７３を例示している。

本発明の非水電解液二次電池は、セパレータの重合部分を圧着するに際して、上記の各圧着治具７１，７２，７３のほか、ジグザグ、ドット、角錐台及び三角錐等の様々な形状の凸部を備えた圧着治具を用いることができ、いずれの圧着治具を用いた場合でも、セパレータ同士の重合部分に連続的な凹凸形状を形成して同重合部分を圧着させることができ、先の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、セパレータの材質、治具の種類及び圧着幅を異ならせて実施例１〜８及び比較例１の二次電池を作製し、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。

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。

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１〜８のものは、いずれも比較例１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。

本発明の非水電解液二次電池の一実施形態における正負極板及びセパレータを説明する平面図である。 図１に示す正負極板及びセパレータの製造例を示す平面図である。 図１に示す正負極板及びセパレータを示す断面図である。 図１に示す正負極板及びセパレータから成る積層体の斜視図である。 本発明の非水電解液二次電池の一実施形態を示す断面図である。 従来の非水電解液二次電池を説明する斜視図である。 非水電解液二次電池であるリチウムイオン二次電池を説明する断面図である。 本発明の非水電解液二次電池の他の実施形態を説明する側部断面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。 図８に示すセパレータの圧着部分を説明する正面図（ａ）及び底面図（ｂ）である。 本発明の非水電解液二次電池のさらに他の実施形態を説明する正面図（ａ）及び折り曲げ型とともに示す底面図（ｂ）である。 図１０に示すセパレータの折り曲げ後の状態を説明する正面図（ａ）及び底面図（ｂ）である。 本発明の非水電解液二次電池のさらに他の実施形態を説明する正面図（ａ）及び底面図（ｂ）である。 本発明の非水電解液二次電池のさらに他の実施形態を説明する正面図（ａ）、重合部分の圧着工程を説明する側面図（ｂ）、及び圧着後の側面図（ｃ）である。 本発明の非水電解液二次電池のさらに他の実施形態を説明する正面図（ａ）、重合部分の圧着工程を説明する側面図（ｂ）、圧着後の側面図（ｃ）及び他の圧着例を示す側面図（ｄ）である。 セパレータの重合部分の他の圧着工程を説明する側面図（ａ）及び圧着後の側面図（ｂ）である。 圧着治具の幾つかの例を説明する各々側面図（ａ）〜（ｃ）である。

符号の説明

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 融着部
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
１８ 圧着部
２８ 圧着部
Ｂ 圧着部

Claims (7)

1. 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セパレータで挟むと共に、前記正極板又は負極板の周囲に沿ってセパレータ同士の重合部分を設け、前記セパレータ同士の重合部分を圧着したことを特徴とする非水電解液二次電池。
2. 前記正極板又は負極板の一辺を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に記載の非水電解液二次電池。
3. 前記正極板、負極板及びセパレータを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に記載の非水電解液二次電池。
4. 前記正極板又は負極板の周囲に沿ってセパレータ同士の重合部分を折り曲げたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池。
5. 前記正極板又は負極板の周囲に沿ってセパレータ同士の重合部分を所定間隔で圧着したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池。
6. 前記正極板又は負極板の周囲に沿ってセパレータ同士の重合部分を連続的に圧着したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池。
7. 前記正極板又は負極板の周囲に沿って前記セパレータ同士の重合部分を連続した凹凸形状に形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池。

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