JP2010135154A - 非水電解質電池 - Google Patents

Abstract

【課題】積層されたセルの正極同士又は負極同士を接続した際に正極と負極の短絡を防止することができる非水電解質電池を提供する。
【解決手段】非水電解質電池は、正極1と負極2、及びこれら正負極間に介在される電解質層3を有するセルSを積層した構成である。そして、積層された各セルSにおいて、負極2は、負極2同士を接続する導電性の突片20を備え、正極1は、突片20を折り曲げた際に、その突片20が正極1と接触する位置に絶縁膜10を備える。この非水電解質電池は、突片20同士を接続して負極2同士を接続する際など、突片20を正極1と接触するように折り曲げたとしても、絶縁膜10を備えることで、負極2と正極1とが短絡することを防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極と負極、及びこれら正負極間に介在される電解質層を有するセルを積層した非水電解質電池に関する。特に、積層されたセルの正極同士又は負極同士を接続した際に正極と負極の短絡を防止することができる非水電解質電池に関する。

非水電解質電池は、長寿命・高効率・高容量であり、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの電源に利用されている。非水電解質電池の代表例として、リチウムイオン二次電池（以下、単にリチウム二次電池と呼ぶ）が挙げられる。

リチウム二次電池は、正極と負極の間で電解質層を介してリチウムイオンをやり取りすることによって、充放電を行う電池である。このリチウム二次電池の一つの構造として、正極と負極、及びこれら正負極間に介在される電解質層を有するセルを積層した積層型のものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に記載のリチウム二次電池は、次の構成を備える。平面形状が長方形をした正極板と負極板とを交差させて配置すると共に、正極板と負極板の間に電解質を設けた極群を絶縁基板上に配置する。正極板の両端に備える電極取出部を正極用ストラップ電極を介して絶縁基板に形成した正極端子と接続する。負極板の両端に備える電極取出部を負極用ストラップ電極を介して絶縁基板に形成した負極端子と接続する。そして、極群を包囲するように蓋体を絶縁基板に接合して封止する。

このリチウム二次電池は回路基板上に実装されるもので、電池の全体形状が六面体であり、平面視した場合、正極端子（正極板の電極取出部）と負極端子（負極板の電極取出部）との位置関係が90°ずれている。

特開２００３‐２０３６７１号公報

特許文献１に記載のリチウム二次電池は、平面視した場合に正方形状であり、長方形の正極板と負極板とを交差させて配置することで、正極板の電極取出部を負極板に対して正方形の1辺側に突出させ、また負極板の電極取出部を正極板に対して正方形の隣の辺側に突出させている。そのため、正極用ストラップ電極が負極板に接触することがなく、また負極用ストラップ電極が正極板に接触することがない。しかし、このリチウム二次電池では、正方形の同じ1辺側に各電極端子を形成する場合、即ち正極用ストラップ電極と負極用ストラップ電極とを同じ1辺側に配置する場合、突出しない方の電極板に接続したストラップ電極が、突出する方の電極板に接触することがあり、正極板と負極板とが短絡する虞がある。また、正極板に対し負極板の突出する部分は発電要素として直接寄与することが少ないため、このリチウム二次電池はその分無駄なスペースが存在する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、積層されたセルの正極同士又は負極同士を接続した際に正極と負極の短絡を防止することができる非水電解質電池を提供することにある。

本発明の非水電解質電池は、正極と負極、及びこれら正負極間に介在される電解質層を有するセルを積層した構成である。そして、積層された各セルの正極又は負極の一方の電極は、これら一方の電極同士を接続する導電性の突片を備え、他方の電極は、前記突片を折り曲げた際に、その突片が他方の電極と接触する位置に絶縁膜を備えることを特徴とする。

この構成によれば、突片同士を接続して一方の電極同士を接続する際、或いは電池に外部から力が加わった際など、突片が他方の電極と接触するように変形したとしても、他方の電極に絶縁膜が存在することで、正極と負極の短絡を確実に防止することができる。

本発明において、負極は、活物質が金属リチウムからなり、集電体がCu又はNiからなることが好ましい。

負極の活物質としては、金属リチウム(Li金属単体)又はリチウム合金(Liと添加元素からなる合金)の他、グラファイトなどの炭素（C）や、シリコン（Si）、インジウム（In）を用いることができる。中でも、リチウムを含む材料、特に金属リチウムは、電池の高容量化、高電圧化の点で優位であり、好適である。前記リチウム合金の添加元素としては、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、亜鉛（Zn）及びインジウム(In)などを用いることができる。また、負極活物質が金属リチウムからなる場合、負極の集電体はLiと反応しない材料で構成する必要がある。このような材料としては、例えば銅(Cu)、ニッケル(Ni)が挙げられる。

他方、正極の活物質としては、コバルト酸リチウム（LiCoO₂）、ニッケル酸リチウム（LiNiO₂）、マンガン酸リチウム（LiMn₂O₄）及びオリビン型鉄リン酸リチウム（LiFePO₄）から選択される１種のリチウム金属酸化物や、酸化マンガン（MnO₂）、或いはこれらの混合物を用いることができる。その他、イオウ（S）や、硫化鉄（FeS）、二硫化鉄（FeS₂）、硫化リチウム（Li₂S）及び硫化チタニウム（TiS₂）から選ばれる１種の硫化物や、或いはこれらの混合物を用いてもよい。中でも、リチウム金属酸化物、特にLiCoO₂は、電子伝導性に優れており、好適である。また、正極の集電体としては、アルミニウム（Al）、ニッケル（Ni）、金（Au）、これらの合金、及びステンレスが好適である。

ところで、電極に上記した突片を設ける場合、集電体に突片を一体に形成する他、例えば集電体に別途用意した導電性金属箔を貼り付けることで突片を形成してもよい。

電解質層は、例えば固体電解質や有機電解液で構成することができる。電解質層を固体電解質で構成する場合、リチウムイオン伝導性の高い硫化物系固体電解質を用いることが好ましい。このような硫化物系固体電解質としては、Li-P-S系やLi-P-S-O系のものが挙げられる。その他、Li-P-O系やLi-P-O-N系の酸化物系固体電解質を用いてもよい。また、電解質層を有機電解液で構成する場合、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた有機電解液を含浸させたセパレータを用いるとよい。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、及びこれら混合溶媒などを用いることができる。リチウム塩としては、六フッ化リン酸リチウム（LiPF₆）、四フッ化ホウ酸リチウム（LiBF₄）などを用いることができる。

本発明において、絶縁膜は、酸化物セラミックスからなることが好ましい。

一般的に酸化物セラミックスは、強度、耐熱性、耐食性、及び電気絶縁性に優れており、絶縁膜として好適である。酸化物セラミックスとしては、例えばアルミナ、ジルコニアが挙げられる。絶縁膜の形成方法としては、スクリーン印刷法、スパッタリング法やパルスレーザデポジション法といった物理的蒸着（PVD）法、化学的蒸着（CVD）法などを利用することができる。また、絶縁膜の厚さは、0.5μm〜30μmとすることが好ましい。

本発明の非水電解質電池は、金属フィルムと樹脂フィルムとを積層したラミネートフィルムで外装されていることが好ましい。

非水電解質電池の外装材としてこのようなラミネートフィルムを使用することで、電池の気密性を高めることができ、また電池の薄型化、軽量化を図ることができる。ラミネートフィルとしては、例えばAlからなる金属フィルムをプラスチックフィルムで挟持した多層フィルム（アルミラミネートフィルム）が挙げられる。プラスチックフィルムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどのプラスチックフィルムを用いることができる。

本発明の非水電解質電池は、一方の電極に備える突片を折り曲げた際に突片と他方の電極とが接触する位置に絶縁膜を備えることで、正極と負極の短絡を確実に防止することができ、耐短絡性に優れる。

以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。また、図中において同一部材には同一符号を付している。

図１は、本発明に係るリチウム二次電池を構成するセルの一例を示す図であり、（A）は斜視図、（B）は平面図、（C）は縦断面図である。図２は、本発明に係るリチウム二次電池の一例を示す縦断面図である。

本発明に係るリチウム二次電池を構成するセルの基本構造は、図１に示すように、正極1、電解質層3、負極2が順に積層された構造である。ここでは、正極1及び負極2が共に平板状をしており、平面視した場合に負極2が正極1から突出しないように、正極1に対して負極2の面積が小さく形成されている（図１(B)参照）。また、負極2は、負極活物質層21上に負極集電体層22を形成することで構成され、負極集電体層22に突片20が一体に形成されている。

図２に示す本発明に係るリチウム二次電池は、図１のセルSを積層することで構成され、折り曲げた突片20同士を接続することで、積層された各セルSの負極2同士が接続されている。そして、各セルSの負極2は、突片20を介して負極集電タブリード4に接続されている。ここで、本発明に係るリチウム二次電池の最も特徴とするところは、各セルSにおいて、負極2が導電性の突片20を備えると共に、正極1がこの突片20を折り曲げた際に突片20と接触する位置に絶縁膜10を備えるところにある。そのため、このリチウム二次電池は、突片20を正極1と接触するように折り曲げて、図２の上下方向に負極集電タブリード4を引き出したとしても、絶縁膜10を備えることで、負極2と正極1とが短絡することを防止できる。この場合、突片20及び負極集電タブリード4が図２の左右方向に突出することがなく、平面視した場合の電池の面積を小さくすることが可能である。また、図２に示すリチウム二次電池では、あるセルSの負極2と、このセルと隣り合う別のセルSの正極1との間の絶縁を図るため、セル間に絶縁性のセパレータ5を介在させている。

なお、図１、２には図示していないが、積層された各セルSの正極1同士も導電性の正極用接続部材により接続され、各セルSの正極1は、正極用接続部材を介して正極集電タブリードに接続されている。このリチウム二次電池は、正極1の外縁が負極2に対して突出しているため、上記した正極用接続部材が負極2と接触することがなく、正極1と負極2とが短絡することを防止できる。

また、このリチウム二次電池は、正極集電タブリード（図示せず）及び負極集電タブリード4のそれぞれ一部が露出するように、図示しないアルミラミネートフィルムに封入されている。

（実施例１）
図１に示す、正極1、電解質層3、負極2を積層した構造のセルSを作製し、このセルSを積層したリチウム二次電池を作製した。本例では、正極1、絶縁膜10、電解質層3、負極2には、それぞれ以下の材料を用いた。

正極活物質：LiCoO₂
絶縁膜：Al₂O₃（アルミナ）
電解質層：Li₂S‐P₂S₅系固体電解質
負極活物質：金属Li
負極集電体：Cu箔

＜セル及びリチウム二次電池の作製手順＞
正極活物質（LiCoO₂）の粉末を金型に入れ、圧縮して成形した後、大気中1000℃で加熱して焼結することで、正極焼結体を作製した。次に、この正極焼結体の電解質層3が形成される面とは反対側の面に、真空蒸着法を用いてAu又はNiの金属膜（厚さ1μm）を成膜した。金属膜は正極集電体として機能し、これらを正極1とした。正極焼結体は、縦：11mm×横：11mmの略矩形状とし、厚さを60μmとした。

また、正極1の側面の一部、具体的には突片20を折り曲げた際に突片20が接触する箇所に絶縁膜10を形成した。絶縁膜10は、スクリーン印刷法を用いてアルミナ含有ペーストを印刷した後、大気中300℃で加熱することにより形成した。絶縁膜10は、幅を突片20よりも大きくし、厚さを10μmとした。なお、絶縁膜10の形成は、複数の正極1を重ねて、複数の正極1に対してまとめて行ってもよい。

次に、この正極1の上に、レーザアブレーション法を用いてLi₂S‐P₂S₅系固体電解質を成膜することで、電解質層3を形成した。電解質層3は、正極1と同じ大きさとし、厚さを7μmとした。

次いで、この電解質層3の上に、真空蒸着法を用いて金属Liからなる厚さ0.7μmの負極活物質層21を成膜した後、この負極活物質層21の上に厚さ10μmのCu箔（負極集電体層22）を圧接することで、負極2を形成した。このCu箔（負極集電体層22）には、負極2の平面外方に突出する突片20が一体に形成されている。負極2は、縦：10mm×横：10mmの略矩形状（但し、突片20を除く）とした。

ところで、リチウムを含む材料（金属Li）を負極活物質に用いた場合、負極の容量密度は正極と比較して通常高くなる。そのため、本例では、正極1に対して負極2の面積を小さくしているが、正極1と負極2とが等面積の場合と同等の充放電特性を示すことから、セルSのエネルギー密度が高く、電池の小型化を図ることができる。

以上のようにして作製したセルSを積層し、積層されたセルSの正極1同士及び負極2同士を接続することで、図２に示すリチウム二次電池を作製した。

負極2同士の接続は、突片20同士を溶接することで行い、正極1同士の接続は、別途用意したアルミ製の正極用接続部材（図示せず）を各セルSの正極1に溶接することで行った。そして、突片20に負極集電タブリード4を接合すると共に、正極用接続部材に正極集電タブリード（図示せず）を接合した。また、電池を平面視した場合において、負極集電タブリードと正極集電タブリードとが矩形の同じ一辺側に位置するように、正極用接続部材は突片20が突出する矩形の同じ一辺側であって突片20と接触しない位置に設けた。最後に、この積層したセルSをアルミラミネートフィルムに封入することで、リチウム二次電池を完成させた。

（実施例２）
実施例１と同様にして、正極1、電解質層3、負極2を積層した構造のセルSを作製し、このセルSを積層したリチウム二次電池を作製した。本例では、正極1、絶縁膜10、電解質層3、負極2には、それぞれ以下の材料を用いた。

基材：ステンレス箔（縦：11.4mm×横：11.4mm、厚さ20μm）
正極活物質：LiCoO₂
絶縁膜：ZrO₂（ジルコニア）
電解質層：Li₂S‐P₂S₅系固体電解質
負極活物質：金属Li
負極集電体：Cu箔

＜セル及びリチウム二次電池の作製手順＞
ステンレス箔上に、アルゴン雰囲気中でパルスレーザデポジション法を用いてLiCoO₂からなる正極活物質層を成膜した。ここでは、LiCoO₂の粉末を金型に入れ圧縮成形した粉末成形体（ターゲット）に、紫外レーザを照射することで、ステンレス箔に正極活物質層を形成した。ステンレス箔は正極集電体を兼ねており、これらを正極1とした。正極活物質層は、縦：11mm×横：11mmの略矩形状とし、厚さを10μmとした。

また、実施例１と同様に、正極1の側面の一部に絶縁膜10を形成した。絶縁膜10は、スクリーン印刷法を用いてジルコニア含有ペーストを印刷した後、大気中300℃で加熱することにより形成した。絶縁膜10は、幅を突片20よりも大きくし、厚さを10μmとした。

次に、実施例１と同様にして、電解質層3、及び負極2を形成した。

以上のようにして作製したセルSを積層し、積層されたセルSの正極1同士及び負極2同士を接続することで、実施例1と同様にして、図２に示すリチウム二次電池を作製した。

（変形例）
図３は、本発明に係るリチウム二次電池の別の例を示す縦断面図である。図３に示すリチウム二次電池は、セルSの積層手順が図２に示すリチウム二次電池とは異なり、その他の点は上述した実施の形態とほぼ同じである。以下、図２に示すリチウム二次電池との相違点を中心に説明する。

図３に示すリチウム二次電池は、隣り合うセルSの負極2同士、或いは隣り合うセルSの正極1同士が対向するようにセルSを積層しており、セルS間に絶縁性のセパレータを配置していない。また、このような積層を実現するため、隣り合うセルSの突片20が同じ位置にくるように、一方のセルと他方のセルの突片が図１(B)において左右対称になるように設けてある。更に、図３に示すリチウム二次電池では、負極集電タブリード4が紙面左側へ延びるように配置されている。

以上説明した本発明の非水電解質電池（リチウム二次電池）は、突片20同士を接続して負極2同士を接続する際、或いは電池に外部から力が加わった際など、突片20が正極1と接触するように変形したとしても、正極1に絶縁膜10を備えることで、負極2と正極1とが短絡することを防止できる。また、本発明の非水電解質電池（リチウム二次電池）は、耐短絡性を確保した状態で、図２及び図３に例示するように、各電極の集電タブリードを引き出す方向を自由に設計できる。

なお、本発明は、上述した実施の形態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適宜変更することが可能である。例えば、各電極の面積や、絶縁膜の厚さを適宜変更したり、負極活物質として金属リチウム以外の材料を用いてもよい。また、図２及び図３に示すリチウム二次電池において、正極用接続部材は、突片20とは反対側（図中右側）に設けてもよく、この場合、突片20と正極用接続部材が接触することをより確実に防止できる。更に、図２及び図３中、突片20及び絶縁膜10を左右両側に設け、負極集電タブリード4を左右両側に配置してもよい。その他、図３に示すリチウム二次電池において、負極2同士が対向し合うセルSのうち、一方のセルSの負極集電体層22を省略してもよい。

本発明の非水電解質電池は、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラの他、電気自動車などの電源に好適に利用することができる。

本発明に係るリチウム二次電池を構成するセルの一例を示す図であり、（A）は斜視図、（B）は平面図、（C）は縦断面図である。 本発明に係るリチウム二次電池の一例を示す縦断面図である。 本発明に係るリチウム二次電池の別の例を示す縦断面図である。

符号の説明

S セル
1 正極 10 絶縁膜
2 負極 20 突片 21 負極活物質層 22 負極集電体層
3 電解質層
4 負極集電タブリード
5 セパレータ

Claims (4)

1. 正極と負極、及びこれら正負極間に介在される電解質層を有するセルを積層した非水電解質電池であって、
   積層された各セルの正極又は負極の一方の電極は、これら一方の電極同士を接続する導電性の突片を備え、
   他方の電極は、前記突片を折り曲げた際に、その突片が他方の電極と接触する位置に絶縁膜を備えることを特徴とする非水電解質電池。
2. 前記負極は、活物質が金属リチウムからなり、集電体がCu又はNiからなることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質電池。
3. 前記絶縁膜は、酸化物セラミックスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の非水電解質電池。
4. 金属フィルムと樹脂フィルムとを積層したラミネートフィルムで外装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非水電解質電池。

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