JP2013161772A

JP2013161772A - リチウムイオン電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP2013161772A
Application number: JP2012025717A
Authority: JP
Inventors: Takuo Tamura; 太久夫田村; Daisuke Katsumata; 大介勝又; Hiroshi Kikuchi; 廣菊池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】本発明は、封止部の封着性能を低下させることなく、電池内部への水分浸入を効果的に低減させ、信頼性を向上させたリチウムイオン電池およびその製造方法を提供することを目的する。
【解決手段】本発明は、正極シートと、負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとを絶縁するセパレータと、前記正極シートと前記負極シートと前記セパレータとを外側から囲む第一の筐体と、前記第一の筐体を外側から囲む第二の筐体とを備えるリチウムイオン電池を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池及びその製造方法に関する。

リチウムイオン電池は、正極シート、負極シート、両シートの間に設けられたセパレータを、金属缶構造、あるいはアルミニウム等の金属フィルムを基体としたラミネートフィルム状の電池筐体に組み込み、電解液を注液した後、封止することによって製造するのが一般的である。缶構造、あるいはラミネートフィルム状構造によって製造方法や外観は大きく異なるが、電池を動作させるための基本的な部分は共通である。例えば、正極シートには正極活物質が、負極シートには負極活物質が両面に塗布され、セパレータは正極活物質と負極活物質が短絡するのを防ぐために挿入されている。

正負極の電極シートおよびセパレータを重ねる構造を大きくわけると、長尺の電極シートやセパレータを巻き取り、最終的には円柱や角柱に成型した、いわゆる捲回型と呼ばれる方法や、特定面積に切断した複数毎の電極シートおよびセパレータを重ねる、いわゆる積層型とよばれる構造がある。

積層型方式によるリチウムイオン電池は、各電極シートを所定の寸法・形状に打ち抜いた後、必要な電極やセパレータを重ねて積層した構造である。捲回型と比較すると、積層枚数の制御や、積層電極の選択により電池性能を簡単に調整できることや、積層する電極電池形状の自由度も大きいなどメリットも多い。

またリチウム電池部品の封止にはアルミニウム等を基体としたラミネートフィルムを用いているが、このフィルム構造は、金属缶に比べて、比較的自由に形状を規定することができるほか、軽量化、薄型化、低コスト化に対して有利である。

なお、アルミニウム等を基体としたフィルムそのもの自体は導電性であるため、表面をナイロンやポリプロピレン（通称ＰＰ）、ポリエチレン（通称ＰＥ）などの絶縁フィルムでコーティングしたものを用いるのが一般的である。電極シートやセパレータ、電解液等の電池材料を、このフィルム状の電池筺体に組み込んだ後、フィルムの外周部を熱および圧縮、いわゆる熱融着処理によって封止する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１、特許文献２がある。

特許文献１には、電池筺体内に水分吸湿物質を設けたリチウムイオン電池が記載されている。

また、特許文献２には、封止部のさらに外側に水分吸湿物質を封入する構造としたリチウムイオン電池が記載されている。

特開２０００−２４３３５７号公報特開２００３−１８７７６２号公報

リチウムイオン電池の構成材料のうち、電解液や電解液中の電解質は、水分に触れると材料が分解し劣化する。その結果として、電池の容量特性が低下するなどの電池劣化が起こる。このように、電池特性および電池信頼性向上の観点から、筺体内部に水分が浸入しないようなラミネートフィルムの封止構造が必要となってくる。

特許文献１では、電池筺体内に水分吸湿物質を設けることによって、電池内部の水分を可能な限り除去しようとしているが、吸湿物質との吸着以前に電池内部の物質と水分の反応が起こってしまえば、その効果は薄れてしまい、当初の効果を期待することはできない。

また特許文献２では、封止部のさらに外側に水分吸湿物質を封入する構造とし、同じく水分浸入防止を試みている。電池内部に水分が侵入する以前に一部の水分を吸着することができるが、ラミネートフィルムを封着する部分のうち電極リードが位置する部分には吸湿物質が配置されておらず、結果的にその部分は水分の浸入が容易であり、所望の効果は期待できない。また同じくラミネートフィルムを封着する部分のうち、電極リードがする部分上に吸湿物質を配置している実施形態も提案されているが、表裏二面ある電極リード面の片側からの水分浸入経路が遮断されているわけでなく、同じく所望の効果は期待できない。さらに、封止性能の劣る吸着物質を介して封着した場合、元来の封着性能が低下してしまうこととなり、信頼性の観点から好ましくない形態となってしまう。

上記問題点に鑑み、本発明は電池内部への水分浸入を効果的に低減させ、信頼性を向上させたリチウムイオン電池およびその製造方法を提供することを目的する。

上記課題を解決するため本発明は、正極シートと、負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとを絶縁するセパレータと、前記正極シートと前記負極シートと前記セパレータとを外側から囲む第一の筐体と、前記第一の筐体を外側から囲む第二の筐体とを備えるリチウムイオン電池を提供する。

また、本発明は、正極シートと負極シートと前記正極シートと前記負極シートとを絶縁するセパレータとを積層し、第一の筐体内に配置する工程と、電解液を前記第一の筺体に注入する工程と、前記第一の筺体を封止し、第二の筐体内に配置する工程と、前記第二の筺体内に前記第一の筐体への水の浸入を抑制する液体を注入する工程と、前記第二の筺体を封止する工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法を提供する。

本発明によれば、電池内部への水分浸入を効果的に低減させ、信頼性を向上させたリチウムイオン電池およびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施例におけるリチウムイオン電池の断面を示す図である。本発明の変形例１におけるリチウムイオン電池の断面を示す図である。本発明の変形例２におけるリチウムイオン電池の断面を示す図である。本発明の実施例における正極シートを示す図である。本発明の実施例における負極シートを示す図である。本発明の実施例における電池製造工程を示す図である。本発明の実施例における電池製造工程を示す図である。本発明の実施例における電池製造工程を示す図である。本発明の実施例における電池製造工程を示す図である。

以下、実施例において、本発明の詳細を記載する。

本実施例におけるリチウムイオン電池の構造を図１を用いて説明する。

正極シート１１、負極シート１２、正極シート１１と負極シート１２とを絶縁するセパレータ１３を積層したものが第一の筺体１５の内部に配置される。なお、説明の簡略化のため、図面上では正極シート１１、負極シート１２、セパレータ１３が１セット積層されたものが第一の筺体１５の内部に配置されているが、実際は正極シート１１、負極シート１２、セパレータ１３は複数セット積層されたものが第一の筺体１５の内部に配置される。

正極シート１１は正極用集電箔（図示せず）および正極活物質（図示せず）、また負極シート１２は負極用集電箔（図示せず）および負極用活物質（図示せず）を含んで構成されている。正極活物質および負極活物質はリチウムイオン電池反応に直接関わることにより、電力を発生させる起電物質である。一般的に電池放電時には正極活物質は自らを還元し、また負極活物質は酸化される役割を果たしている。正極用集電箔１９および、負極用集電箔２１は、電池の充放電時に外部から享受される電子を、正極活物質および負極活物質に供給するものである。

本実施例では第一の筺体１５としてアルミニウムの表面をナイロンやポリプロピレン（通称ＰＰ）、ポリエチレン（通称ＰＥ）などの絶縁フィルムでコーティングした第一のラミネートフィルム２７を用いている。第一の筐体１５の内部には電解液１４が注液されている。リチウムイオン電池における電解液１４は一般的には有機溶媒に溶質となるリチウム塩を溶解させたものであり、正極、負極間でのイオン移動をさせるためのイオン伝導体である。一般的には電気伝導率、化学安定性、温度安定性、価格などを考慮した上で有機溶媒種、溶質種を選択する。

さらに、第一の筺体１５の外側を、第二の筺体１６で囲む。第一の筐体１５と第二の筺体１６との間には所定の液体１７が注液されている。液体１７は、第二の筺体の外側から侵入する可能性のある水分をブロックする役割を果たしており、第一の筐体１５への水の浸入を抑制する有機溶媒を主成分とする液体、またはイオン性液体を用いている。

図２に本発明における変形例１を示す。図２に示すリチウムイオン電池は、少なくとも２組以上の第一の筺体１５が、第２の筺体１６に組み込まれている。変形例１によれば、実施例の効果に加え、複数の電池の動作環境温度を等温に保つことができるため、各電池間の微妙な温度環境の違いによる、電池性能変化を抑制することができる。

図３に本発明における変形例２を示す。図２に示すリチウムイオン電池は、第一の筺体１５と第二の筺体１６との間に水分吸収物質１８を配置した構造を示してある。変形例２によれば、実施例に比較して、第一の筐体１５の内部に水分が浸入するのをブロックする効果をさらに強化することができる。

次に本実施例におけるリチウムイオン電池の電極シートを図４、図５により詳細に説明する。図４は正極シート１１を、図５は負極シート１２をそれぞれ示したものである。正極シート１１は上述した通り、正極用集電箔１９、正極活物質２０により構成されている。負極シート１２は上述した通り、負極用集電箔２１、負極活物質２２により構成されている。

本発明におけるリチウムイオン電池の正極活物質２０には、Ｍｎを含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物を使用する。また正極活物質２０には、Ｍｎを含有するスピネル構造のリチウム含有複合酸化物以外にも、他の物質を併用してもよい。このような他の物質としては、例えば、オリビン型化合物や層状構造のリチウム含有遷移金属酸化物などを用いることができる。

負極活物質２２としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛材料が挙げられる。また、炭素材料の他に、リチウムやリチウム含有化合物も負極活物質２２として用いることができる。リチウム含有化合物としては、Ｌｉ−Ａｌなどのリチウム合金や、Ｓｉ、Ｓｎなどのリチウムとの合金化が可能な元素を含む合金が挙げられる。更にＳｎ酸化物やＳｉ酸化物などの酸化物系材料も用いることが可能である。

本実施例では正極用集電箔１９にアルミニウム箔を、また負極用集電箔２１に銅箔を使用している。

次に本実施例におけるラミネート型リチウムイオン電池の製造方法を図６〜図９により説明する。

まず正極材料２３または負極材料２４を、正極用集電箔１９または負極用集電箔２１上に塗布し、正極シート１１または負極シート１２を製作する（図６ａ）。ここで、正極材料２３は、例えば、正極活物質２０、導電助剤およびバインダなどを含有する正極合剤を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン(ＮＭＰ)などの有機溶剤や水に分散させて調整した、ペーストあるいはスラリー状の正極合剤含有組成物を、正極用集電箔１９に塗布して乾燥させる。負極材料２４は、例えば、負極活物質２２およびバインダ、必要に応じて導電助剤などを含有する負極合剤を、ＮＭＰなどの有機溶剤や水等に分散させて調和させた、ペーストあるいはスラリー状の負極合剤を、負極用集電箔２１に塗布して乾燥させる。製作した正極シート１１および負極シート１２は必要に応じてプレス処理を施す。なおペーストあるいはスラリー状の合材は正極用集電箔１９または負極用集電箔２１の全面に塗布するのではなく、正極用集電箔１９または負極用集電箔２１の一部がむき出しになる部分を残しておく。

次に塗布後の正極シート１１または負極シート１２を任意の形状に切断し（図６ｂ）、正極シート１１または負極シート１２の電極材料が塗布されていない部分に、正極引き出し電極２５、または負極引き出し電極２６を溶着する（図６ｃ）。ここでの溶着は超音波圧着方式を用いているが、正極シート１１、または負極シート１２との導通がとれれば上記溶着方式に限定されるものではない。

なお、本発明では正極引き出し電極２５はアルミニウム金属により形成され、また負極引き出し電極２６は銅表面をニッケルめっきした金属により形成される。

この様に製作した正極シート１１および、負極シート１２をセパレータ１３を介して対向させるように配置する（図７）。

次に、アルミニウム金属を基体とした、第一のラミネートフィルム２７に封入し、第一のラミネートフィルム２７の周辺部分３箇所（第一のラミネートフィルム封着部２８）を熱圧着により封止する（図８）。なお、第一のラミネートフィルム２７の表側と裏側面はそれぞれ非導電性膜によってコーティングされている。その後、第一のラミネートフィルムの開口部２９より電解液（図示せず）を注入し、最後に第一のラミネートフィルムの開口部２９を熱圧着により封止し第一の筺体１５が完成する。

最後に、第一の筺体１５を、第二の筺体１６によって封止する（図９）。本発明の実施例で第二の筺体１６の材料として、アルミニウム金属を基体とした第二のラミネートフィルム３０を用いている。封止する際には、例えば、まず第二のラミネートフィルム３０の周辺部分３箇所（第二のラミネートフィルム封着部３１）を熱圧着により封止する。なお、第二の筺体１６の表側と裏側面はそれぞれ非導電性膜によってコーティングされている。その後、第二のラミネートフィルムの開口部３２より液体１７を注入し、最後に第二のラミネートフィルム３０の開口部３２を熱圧着により封止し完成する。

第二の筺体１６内に水分が浸入することを防止するため、本実施例では液体１７としてエチレングリコールを注入している。液体をエチレングリコールとすることにより、水分浸入防止に加え、第一の筐体１５内の発熱を抑制することができる。本来の目的が水分浸入防止であるため、その役割を果たす液体であれば、他の材料を用いてもよく、例えば、フッ素系溶媒あるいはイオン性液体を用いても問題はない。

また、第二の筺体１６内に、水分吸着剤３３を配置することによって、さらに水分浸入のリスクを低減することが可能である。本実施例では水分吸着剤３３として、シート状に成型したゼオライトを用いているが、水分を効果的に吸着する材料ではれば、他の材料を用いてもよく、例えば、シリカゲル、五酸化リン、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、活性炭などを用いても問題はない。

以上より、本実施例によれば、正極シート１１、負極シート１２、セパレータ１３を第一の筐体１５で外側から囲み、第一の筐体１５をさらに第二の筐体で外側から囲んだため、第一の筐体１５内に水分が浸入するのを抑制することができる。さらに、第一の筐体１５と第二の筐体１６との間に水分の浸入を抑制する液体１７を配置したことにより、
第一の筐体１５の内部に水分が浸入するのをブロックする効果をさらに強化することができる。これにより、電池内部への水分浸入を効果的に低減させ、電池の信頼性を向上させることができる。

また本実施例では、一組の第一の筺体１５を第二の筺体１６によって封止しているが、電池容量を増加させるため、複数の第一の筺体１５を並列に接続する場合や、電池電圧を増加させるため、複数の第一の筺体１５を直列接続にする等、少なくとも２組以上の第一の筺体１５を、第２の筺体１６に組み込んでもなんら問題はない。この場合水分浸入防止の観点だけではなく、複数の電池の動作環境温度を等温に保つことができるため、各電池間の微妙な温度環境の違いによる、電池性能変化を抑制することができる。

なお、本実施例で示す第二の筐体１６の材料は、フィルム材料を用いているが、第一の筐体１５を密封することができるものであればよく、例えば所望の形状に加工した金属管などに封入しても問題はない。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。

１１：正極シート
１２：負極シート
１３：セパレータ
１４：電解液
１５：第一の筺体
１６：第二の筺体
１７：液体
１８：水分吸湿物質
１９：正極用集電箔
２０：正極活物質
２１：負極用集電箔
２２：負極活物質
２３：正極材料
２４：負極材料
２５：正極引き出し電極
２６：負極引き出し電極
２７：第一のラミネートフィルム
２８：第一のラミネートフィルム封着部
２９：第一のラミネートフィルム開口部
３０：第二のラミネートフィルム
３１：第二のラミネートフィルム封着部
３２：第二のラミネートフィルム開口部
３３：水分吸着剤

Claims

正極シートと、
負極シートと、
前記正極シートと前記負極シートとを絶縁するセパレータと、
前記正極シートと前記負極シートと前記セパレータとを外側から囲む第一の筐体と、
前記第一の筐体を外側から囲む第二の筐体とを備えるリチウムイオン電池。
前記第一の筺体は金属フィルムで形成された第一のラミネートフィルムであることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
前記第二の筺体は金属フィルムで形成された第二のラミネートフィルムであることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
前記正極シートと前記負極シートと前記セパレータと電解液とを外側から囲む前記第一の筐体を複数備え、前記複数の第一の筐体を前記第二の筐体が外側から囲むことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
前記第二の筺体と前記第一の筺体との間の空隙部に前記第一の筐体への水の浸入を抑制する液体が存在することを特徴とする請求項１または４に記載のリチウムイオン電池。
前記液体は、有機溶媒を主成分とする液体またはイオン性液体であることを特徴とする請求項５に記載のリチウムイオン電池。
前記液体はエチレングリコールであることを特徴とする請求項６に記載のリチウムイオン電池。
前記液体はフッ素系溶媒であることを特徴とする請求項６に記載のリチウムイオン電池。
前記第一の筺体と第二の筺体との間には空隙部が存在し、前記空隙部に水分吸着物質が存在することを特徴とする請求項１、４、５、８のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
前記水分吸着物質はゼオライト、シリカゲル、五酸化リン、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、活性炭のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載のリチウムイオン電池。
正極シートと負極シートと前記正極シートと前記負極シートとを絶縁するセパレータとを積層し、第一の筐体内に配置する工程と、
電解液を前記第一の筺体に注入する工程と、
前記第一の筺体を封止し、第二の筐体内に配置する工程と、
前記第二の筺体内に前記第一の筐体への水の浸入を抑制する液体を注入する工程と、
前記第二の筺体を封止する工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法。
前記第二の筺体と前記第一の筐体との間に水分吸着物質を配置する工程とを含むことを特徴とする請求項１１に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
前記第一の筺体は金属フィルムで形成された第一のラミネートフィルムであることを特徴とする請求項１１に記載のリチウムイオン電池の製造方法
前記第二の筺体は金属フィルムで形成された第二のラミネートフィルムであることを特徴とする請求項１１に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
前記液体は、有機溶媒を主成分とする溶剤、またはイオン性液体のいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
前記液体はエチレングリコールであることを特徴とする請求項１５に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
前記液体はフッ素系溶媒であることを特徴とする請求項１５に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
前記水分吸着物質はシリカゲル、ゼオライト、五酸化リン、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、活性炭のいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載のリチウムイオン電池の製造方法。