JP2011134525A - 積層型二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】 特定の方向の応力が外部から加わってもセパレータが破膜せず、正極負極間での短絡が生じることのない安全性に優れた積層型二次電池を提供する。
【解決手段】 正極電極シートと負極電極シートと2枚のセパレータの周縁部を接合した袋状セパレータ19を備える積層型二次電池であって、セパレータのマシンダイレクションに対する他方のセパレータのマシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下である袋状セパレータ19を少なくとも一つ備え、袋状セパレータ19の内部には正極電極シートまたは負極電極シートのいずれかを配設するとともに、正極電極シートと負極電極シートを交互に積層する。
【選択図】図1

Description

本発明は、積層型二次電池に関するものである。
近年、携帯電話やノートパソコンに代表される携帯端末に使用される電池は軽量かつ高容量のものが必要とされる例が増大しており、比較的形状の自由度が高いラミネートフィルムを用いて電極や電解質等の電池要素を密閉した積層型二次電池が採用されるようになってきた。また、積層型二次電池は2個以上を積層させて複数のセルを直列接続した電池パックや電池モジュールの構造をとりやすく、それらが電動アシスト自転車や電動工具、電気自動車のように大電流が必要となる機器に使用される例が増大している。
図5は、積層型二次電池を示す図であり、図5(a)は構成を示す斜視図、図5(b)は積層体の内訳を示す斜視図である。
正極電極シート13にはアルミリード16が接続されており、負極電極シート14にはニッケルリード17が接続されている。セパレータ15は、フィルム樹脂の引き取り方向(Machine Direction:マシンダイレクション、以下MDと略す)を揃えた2枚が対向して袋状に加工されており、その中に正極電極シート13が収納されている。
積層型二次電池は、正極電極シート13を収納した袋状のセパレータ15と負極電極シート14を交互に積層した積層体18をアルミラミネートフィルム11に収納し、電解液12を注液後に密封している。
正極電極シートと負極電極シートを電気的に隔離するセパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン等の合成樹脂製の微多孔性フィルムを用いるのが一般的である。それらのセパレータは、製造時におけるフィルム樹脂の引き取り方向であるMDと直交するフィルム樹脂の幅方向(Transverse Direction:トランスバースダイレクション、以下TDと略す)に方向性を有し、TDの破断強度がMDの破断強度よりも小さい値となるものが、熱収縮の点からより好ましく用いられている。
特許文献1には、正極電極と負極電極とをセパレータを介して対向して積層した積層型二次電池において、正極電極または負極電極の少なくともいずれか一方は、両面がセパレータで覆われるとともにセパレータは正極電極または負極電極の周囲に間隔を設けて融着した融着接合部によって接合されており、融着接合部の内周部、外周部、もしくは隣接する融着接合部の間には連続的に融着した融着封止部が設けられて正極電極または負極電極を収容した内部とセパレータ外部とが封止された積層型二次電池が記載されている。
このセパレータは、袋状に加工し、導電接続用のタブを引き出した正極電極シート(あるいは負極電極シート)を挿入する工法で製作されている。
図4は、従来の袋状セパレータを示す図であり、図4(a)は袋状セパレータ製作方法を示す概念図、図4(b)は製作した袋状セパレータのダイレクションを示す模式図である。
この袋状セパレータの加工は、図4(a)に示すように、リール状に巻き取られた2本のセパレータロール21で電極シート22を収納し、MDをそろえて重ね合わせ熱融着する方法が用いられる。
特許文献2には、リードピンを有するフィルム状電極と積層捲回されて用いられるフィルム状の電池用セパレータであって、前記リードピンと接触する部分に補強層が形成されている電池用セパレータが記載されている。
セパレータが破膜する対策として、セパレータ自体の破断強度を高める方法があり、その一例として特許文献2では、2枚のセパレータを貼りあわせて1枚のセパレータにして強度を増す方法が公開されている。とくにMDを80〜100度で交差させて積層接着し1枚のセパレータする方法が良いとされている。
特許第3934888号公報 特開平11−135099号公報
しかしながら、特許文献1のようにセパレータのMDが一致したセパレータ袋で積層された電池素子をもつ電池は、図4(b)のようにMDとTDが一定方向にまとまっているため、外部からTDの破断方向(MDと並行方向)と一致している物理的な力が加わり電池が変形した場合、セパレータが破膜することにより正負極間が短絡する可能性は否めない。
セパレータが破膜する対策として、セパレータ自体の破断強度を高める方法がある。その一例として特許文献2では、2枚のセパレータを貼りあわせて1枚のセパレータにして強度を増す方法が公開されている。とくにMDを80〜100度で交差させて積層接着し1枚のセパレータにする方法が良いとされているが、この方法は、積層接着する際にセパレータの機能である微多孔性が損なわれる恐れがある。
また、安全性の観点から言って、構成部品同士による危険性の回避だけでなく、外力に対しても有効な、より信頼性の高い積層型二次電池を提供するためには更なる改善が求められている。
すなわち、本発明の技術的課題は、特定の方向の応力が外部から加わってもセパレータが破膜せず、正極負極間での短絡が生じることのない安全性に優れた積層型二次電池を提供することにある。
本発明の積層型二次電池は、正極電極シートと負極電極シートを、セパレータを介して積層する積層型二次電池であって、少なくとも1組の隣接する前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記マシンダイレクションに対する他方の前記セパレータの前記マシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下であることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、隣接する前記セパレータの前記交差角度がそれぞれ異なることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、隣接する前記セパレータの前記交差角度が90度であることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、正極電極シートと負極電極シートを、2枚のセパレータを介して積層する積層型二次電池であって、少なくとも1組の前記2枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記マシンダイレクションに対する他方の前記セパレータの前記マシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下であることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、前記2枚の前記セパレータを複数備え、前記2枚の前記セパレータの前記交差角度がそれぞれ異なることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、2枚の前記セパレータの前記マシンダイレクションの前記交差角度がすべて90度であることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、正極電極シートと負極電極シートと2枚のセパレータの周縁部を接合した袋状セパレータを備える積層型二次電池であって、前記2枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記マシンダイレクションに対する他方の前記セパレータの前記マシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下である前記袋状セパレータを少なくとも一つ備え、前記袋状セパレータの内部には前記正極電極シートまたは前記負極電極シートのいずれかを配設するとともに、前記正極電極シートと前記負極電極シートを交互に積層することを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、前記交差角度が0度で接合された前記袋状セパレータと、前記交差角度が45度以上、135度以下で接合された前記袋状セパレータを、交互に積層することを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、前記袋状セパレータを複数備え、前記交差角度が45度以上、135度以下であり、それぞれの前記袋状セパレータの一方の前記セパレータは、前記マシンダイレクションが同じであることを特徴とする。
本発明の積層型二次電池は、前記袋状セパレータを複数備え、前記袋状セパレータは、前記交差角度が45度以上、135度以下で接合されていて、前記交差角度がそれぞれ異なることを特徴とする。
本発明により、特定の方向の応力が外部から加わってもセパレータが破膜せず、正極負極間での短絡が生じることのない安全性に優れた積層型二次電池の提供が可能となる。
袋状セパレータのMDを示す図であり、図1(a)は一方のセパレータのMDを示す図、図1(b)は他方のセパレータのMDを示す図。 本発明の袋状セパレータを示す図であり、図2(a)は袋状セパレータの製作方法を示す概念図、図2(b)は製作した袋状セパレータのダイレクションを示す模式図。 おもりを落下させる衝突試験を示す図。 従来の袋状セパレータを示す図であり、図4(a)は袋状セパレータ製作方法を示す概念図、図4(b)は製作した袋状セパレータのダイレクションを示す模式図。 積層型二次電池を示す図であり、図5(a)は構成を示す斜視図、図5(b)は積層体の内訳を示す斜視図。
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
上記の課題を解決するために、本発明では、1枚のセパレータを介して隣接するセパレータのMDの交差角度を変える、または2枚のセパレータを介してセパレータのMDの交差角度を変える、または2枚のセパレータを貼り合わせて1枚のセパレータにするのではなく、2枚のセパレータのMDを揃えずに袋状に加工し、その中に正極電極シートまたは負極電極シートを入れて積層するものである。
正極電極シートまたは負極電極シートの一方は、袋状に加工されたセパレータ内に挿入されているとともに、その袋状に加工された各層のセパレータは破断強度の弱い方向が揃っていないため、積層型二次電池に何らかの原因で外力が加わった場合であっても、内部短絡を防止する積層型二次電池を提供できることを見出した。
セパレータとしては、織布、不織布、多孔膜等を用いることができる。特にポリプロピレン、ポリエチレン系の多孔膜が、薄膜かつ大面積であり、膜強度や膜抵抗の面で好ましく用いられる。
図2は、本発明の袋状セパレータを示す図であり、図2(a)は袋状セパレータの製作方法を示す概念図、図2(b)は製作した袋状セパレータのダイレクションを示す模式図である。リール状に巻き取られた2本のセパレータロール24を、ある角度で交差させて熱融着し袋状に加工する。
交差させる角度については、内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで45度以上、135度以下であるのが好ましく、75度以上、105度以下であるのが特に好ましい。
袋状セパレータの少なくともひとつはセパレータのMDが互いに異なる角度で接合しており、一方のセパレータのMDに対する他方のセパレータのMDの交差角度が45度以上、135度以下であるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
MDが同じ角度で接合された袋状セパレータと、MDが互いに異なる角度で接合された袋状セパレータとが、交互に積層しているのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
袋状セパレータは、セパレータのMDが互いに異なる角度で接合しているのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
袋状セパレータは、セパレータのMDが互いに異なる角度で接合していて、それぞれの袋状セパレータの一方のセパレータは、MDが同じであるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
袋状セパレータは、セパレータのMDが互いに異なる角度で接合されていて、接合する交差角度がそれぞれ異なるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
袋状セパレータのダイレクションは、ひとつのセパレータのダイレクションを基準として、他のセパレータのダイレクションとの交差角度が他方向であるのが好ましい。セパレータの破断方向がランダムとなるので、どの方向から外力が加わっても破膜しにくくなるからである。
本発明の積層型二次電池は、正極電極シートと負極電極シートを、2枚のセパレータを介して積層する構成でも破膜しにくくなる。2枚のセパレータのMDは互いに異なる角度で対向しており、一方のセパレータのMDに対する他方のセパレータのMDの交差角度が45度以上、135度以下であるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
2枚のセパレータのMDの交差角度は、それぞれ異なることが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
2枚のセパレータのMDの交差角度は、すべて90度であるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで特に好ましい。
本発明の積層型二次電池は、正極電極シートと負極電極シートを、セパレータを介して積層する構成でも破膜しにくくなる。隣接するセパレータのMDは互いに異なる角度で配設しており、一方のセパレータのMDに対する他方のセパレータのMDの交差角度が45度以上、135度以下であるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
隣接するセパレータのMDの交差角度がそれぞれ異なるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで好ましい。
隣接するセパレータのMDの交差角度がすべて90度であるのが内部短絡を防止し、衝突試験による電池の凹み量を少なくするうえで特に好ましい。
以下に本発明の実施例を詳述する。
(実施例1)
まず初めに、請求項7に関して説明を行う。マンガン酸リチウム(LiMn)粉末92重量部、カーボンブラック5重量部、ポリフッ化ビニリデン3重量部からなる混合物を、アルミニウム箔に塗布乾燥してロール掛けを行なって、長さ105mm、幅55mmの正極を作製した。アルミリードは幅10mm、厚さ200μmであった。アルミリードを一体に形成した正極を作製した。
また、グラファイト91重量部、カーボンブラック1重量部、ポリフッ化ビニリデン8重量部からなる混合物を、銅箔上に塗布乾燥してロール掛けを行ない、長さ109mm、幅59mmの負極を作製した。ニッケルリードは幅10mm、厚さ200μmであった。ニッケルリードを一体に形成した負極を作製した。
図1は、袋状セパレータのMDを示す図であり、図1(a)は一方のセパレータのMDを示す図、図1(b)は他方のセパレータのMDを示す図である。
正極を2枚のセパレータで挟み、アルミリードだけを引き出して周囲を接合し、袋状セパレータ19を作製した。負極は単独で使用した、すなわち袋状セパレータ19内に挿入しなかった。
セパレータは、TD破断強度160kgf/cm、MD破断強度900kgf/cmの、ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの三層構造をもつものを使用し、全体寸法は幅59mm、高さ111mmであった。
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度は、図1に示すとおり全て45度とした。図1に示す41は実施例1のセパレータの交差角度で、45度である。正極電極シートを収納した袋状セパレータ10枚と、負極電極シートを交互に積層して電極積層体を作製した。
アルミラミネートフィルムに電極積層体を収納し、電解液を含浸させてからアルミラミネートフィルムを密封して積層型二次電池を作製した。得られた積層型二次電池の外形寸法はアルミリード、ニッケルリード部を除いて幅72mm、高さ130mm、厚さ5mmであった。
(実施例2)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を60度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(実施例3)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を75度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(実施例4)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を90度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(比較例1)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を0度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(比較例2)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を5度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(比較例3)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を15度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(比較例4)
袋状セパレータを作製する際の、2枚のセパレータのMD交差角度を30度とした以外は実施例1と同様にして積層型二次電池を作製した。
(衝突試験)
図3は、おもりを落下させる衝突試験を示す図である。電池33の上に、直径15.8mmの金属製の丸棒32を電池の幅方向と平行に乗せている。この衝突試験は、高さ610mmから9.1kgのおもり31を自由落下させるもので、電池に出来る丸棒による凹み量と、正極と負極間の短絡有無を調査した。
セパレータのMDの交差角度に対する電池の凹み量と内部短絡の有無を表1に示す。
Figure 2011134525
表1から、従来技術を用いた比較例1は明らかに凹み量が大きく、正極と負極間が内部短絡しているのに対して、セパレータのMDの交差角度が実施例1の45度から実施例4の90度では凹み量も小さく、内部短絡しないことがわかった。
実施例1ではセパレータのMDの交差角度が45度であるが、一方のセパレータをMDが水平な方向に配設し、MDと垂直な軸と線対称な角度である交差角度が135度の場合についても衝突試験を行った。実施例2〜3、比較例2〜4に関しても同様の試験を行った。
すなわちセパレータのMDの交差角度を、実施例1の45度を135度に、実施例2の60度を120度に、実施例3の75度を105度に、比較例2の5度を175度に、比較例3の15度を165度に、比較例4の30度を150度に変更して衝突試験を行った。試験後の電池の凹み量と内部短絡の有無は、それぞれ実施例1、実施例2、実施例3、比較例2、比較例3、比較例4と同様の結果となった。
これらの結果から、一方のセパレータのMDに対する他方のセパレータのMDの角度が45度以上、135度以下であれば、試験後の電池の凹み量が小さく、内部短絡が発生しないことが確認できた。
(実施例5〜8、比較例5〜8)
続いて、請求項4に関して説明を行う。正極電極シートと負極電極シートを、2枚のセパレータを介して積層する積層型二次電池を作製した。袋状セパレータを作製せずに正極電極シートと負極電極シート間にそれぞれ2枚のセパレータを介する以外は実施例1と同様にした。なお、得られた積層型二次電池の外形寸法はアルミリード、ニッケルリード部を除いて幅72mm、高さ130mm、厚さ5.5mmであった。この2枚のセパレータは、溶接等の接合は行っておらず、互いに隣接して配設した。2枚のセパレータのMDの交差角度をすべて45度、60度、75度、90度、0度、5度、15度、30度とした積層型二次電池を、それぞれ作製して、実施例5、実施例6、実施例7、実施例8、比較例5、比較例6、比較例7、比較例8とした。それぞれの積層型二次電池について衝突試験を行った。
2枚のセパレータのMDの交差角度に対する電池の凹み量と内部短絡の有無を表2に示す。
Figure 2011134525
2枚のセパレータのMDの交差角度を、実施例5の45度を135度に、実施例6の60度を120度に、実施例7の75度を105度に、比較例6の5度を175度に、比較例7の15度を165度に、比較例8の30度を150度に変更して衝突試験を行った。試験後の電池の凹み量と内部短絡の有無は、それぞれ実施例5、実施例6、実施例7、比較例6、比較例7、比較例8と同様の結果となった。
これらの結果から、正極電極シートと負極電極シートを介する2枚のセパレータのMDの角度が45度以上、135度以下であれば、試験後の電池の凹み量が小さく、内部短絡が発生しないことが確認できた。
(実施例9〜12、比較例9〜12)
さらに、請求項1に関して説明を行う。正極電極シートと負極電極シートを、1枚のセパレータを介して積層する積層型二次電池を作製した。袋状セパレータを作製せずに正極電極シートと負極電極シート間にそれぞれ1枚のセパレータを介する以外は実施例1と同様にした。なお、得られた積層型二次電池の外形寸法はアルミリード、ニッケルリード部を除いて幅72mm、高さ130mm、厚さ5mmであった。隣接するセパレータのMDの交差角度をすべて45度、60度、75度、90度、0度、5度、15度、30度とした積層型二次電池を、それぞれ作製して、実施例9、実施例10、実施例11、実施例12、比較例9、比較例10、比較例11、比較例12とした。それぞれの積層型二次電池について衝突試験を行った。
隣接するセパレータのMDの交差角度に対する電池の凹み量と内部短絡の有無を表3に示す。
Figure 2011134525
隣接するセパレータのMDの交差角度を、実施例9の45度を135度に、実施例10の60度を120度に、実施例11の75度を105度に、比較例10の5度を175度に、比較例11の15度を165度に、比較例12の30度を150度に変更して衝突試験を行った。試験後の電池の凹み量と内部短絡の有無は、それぞれ実施例9、実施例10、実施例11、比較例10、比較例11、比較例12と同様の結果となった。
これらの結果から、隣接するセパレータのMDの交差角度が45度以上、135度以下であれば、試験後の電池の凹み量が小さく、内部短絡が発生しないことが確認できた。
これより、特定の方向の応力が外部から加わってもセパレータが破膜せず、正極負極間での短絡の生じることのない安全性に優れた積層型二次電池の提供が可能であることが確認できた。
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
11 アルミラミネートフィルム
12 電解液
13 正極電極シート
14 負極電極シート
15 セパレータ
16 アルミリード
17 ニッケルリード
18 積層体
19 袋状セパレータ
21、24 セパレータロール
22、25 電極シート
23、26、33 電池
31 おもり
32 丸棒
41 実施例1のセパレータのMDの交差角度
42 実施例2のセパレータのMDの交差角度
43 実施例3のセパレータのMDの交差角度
44 実施例4のセパレータのMDの交差角度
51 比較例1のセパレータのMDの交差角度
52 比較例2のセパレータのMDの交差角度
53 比較例3のセパレータのMDの交差角度
54 比較例4のセパレータのMDの交差角度

Claims (10)

  1. 正極電極シートと負極電極シートを、セパレータを介して積層する積層型二次電池であって、少なくとも1組の隣接する前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記マシンダイレクションに対する他方の前記セパレータの前記マシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下であることを特徴とする積層型二次電池。
  2. 隣接する前記セパレータの前記交差角度がそれぞれ異なることを特徴とする請求項1に記載の積層型二次電池。
  3. 隣接する前記セパレータの前記交差角度が90度であることを特徴とする請求項1に記載の積層型二次電池。
  4. 正極電極シートと負極電極シートを、2枚のセパレータを介して積層する積層型二次電池であって、少なくとも1組の前記2枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記マシンダイレクションに対する他方の前記セパレータの前記マシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下であることを特徴とする積層型二次電池。
  5. 前記2枚の前記セパレータを複数備え、前記2枚の前記セパレータの前記交差角度がそれぞれ異なることを特徴とする請求項4に記載の積層型二次電池。
  6. 前記2枚の前記セパレータの前記交差角度が90度であることを特徴とする請求項4に記載の積層型二次電池。
  7. 正極電極シートと負極電極シートと2枚のセパレータの周縁部を接合した袋状セパレータを備える積層型二次電池であって、前記2枚の前記セパレータは、一方の前記セパレータの前記マシンダイレクションに対する他方の前記セパレータの前記マシンダイレクションの交差角度が45度以上、135度以下である前記袋状セパレータを少なくとも一つ備え、前記袋状セパレータの内部には前記正極電極シートまたは前記負極電極シートのいずれかを配設するとともに、前記正極電極シートと前記負極電極シートを交互に積層することを特徴とする積層型二次電池。
  8. 前記交差角度が0度で接合された前記袋状セパレータと、前記交差角度が45度以上、135度以下で接合された前記袋状セパレータを、交互に積層することを特徴とする請求項7に記載の積層型二次電池。
  9. 前記袋状セパレータを複数備え、前記交差角度が45度以上、135度以下であり、それぞれの前記袋状セパレータの一方の前記セパレータは、前記マシンダイレクションが同じであることを特徴とする請求項7に記載の積層型二次電池。
  10. 前記袋状セパレータを複数備え、前記袋状セパレータは、前記交差角度が45度以上、135度以下で接合されていて、前記交差角度がそれぞれ異なることを特徴とする請求項7に記載の積層型二次電池。
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