JP2014238958A

JP2014238958A - 非水系電池

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Publication number: JP2014238958A
Application number: JP2013120545A
Authority: JP
Inventors: 眞一郎坂口; Shinichiro Sakaguchi; 水田　政智; Masatomo Mizuta; 政智水田
Original assignee: Automotive Energy Supply Corp
Current assignee: Automotive Energy Supply Corp
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-18
Also published as: US9786886B2; CN104241573B; US20140363732A1; CN104241573A

Abstract

【課題】正極板と負極板とセパレータを積層した非水系電池において、セパレータの積層を容易化又はセパレータの積層精度を向上させると共に電池用セパレータの外力耐性を向上させる。
【解決手段】ＭＤ方向に対して平行方向および垂直方向に切断されて４つの辺部を有する正方形または長方形のセパレータ４３を形成する。ＭＤ方向に対して垂直方向の辺部６１ａ，６１ｂは熱が加えられ、ＭＤ方向に対して平行方向の辺部６２ａ，６２ｂは熱が加えられていない辺とする。その結果、ＭＤ方向に対して垂直方向の辺部６１ａ，６１ｂは、熱により溶解して空孔を閉塞し、外力耐性が向上して破損を抑制する。また、熱を加えられていない辺部６２ａ，６２ｂは直線状となり、辺部６２ａ，６２ｂを基準として位置合わせすることができ、セパレータ４３の積層を容易化又はセパレータ４３の積層精度を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池用セパレータを用いた非水系電池に関する。

金属層の表面に合成樹脂層がラミネートされたラミネートフィルムを外装体として用い、正極板、負極板およびセパレータを複数積層してなる電極積層体を、電解液とともに内部に収容した偏平形状をなす非水系電池が知られている。

電極積層体を構成するセパレータは、ポリオレフィン等から構成された微多孔性樹脂膜を切断して形成されたものが知られている。

特開２００６−２８７１７６号公報

しかしながら、電池用セパレータは巻き出し方向（ＭＤ方向：ＭａｃｈｉｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）の引っ張り強度は強いが、ＴＤ（ＴｒａｎｖｅｒｓｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）方向（ＭＤ方向に対し垂直方向）の引っ張り強度は弱い。すなわち、セパレータをＴＤ方向に機械的に切断すると、その辺は裂けやすい。

このセパレータをたとえば電池に格納した際にその辺は外力に対する耐性が低くなることを意味する。外力によって裂けたセパレータは絶縁体としての役割を十分に果たすことができず、非水系電池としての性能が低下するおそれがある。

以上示したようなことから、外力耐性に優れた電池用セパレータを使用した非水系電池を提供することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、正極板と負極板とセパレータとを積層した非水系電池であって、前記セパレータは、微多孔樹脂膜のＭＤ方向に対して平行方向および垂直方向に切断されて４つの辺部を有する正方形または長方形に形成され、ＭＤ方向に対して垂直な辺は熱が加えられ、ＭＤ方向に対して平行方向の辺には熱が加えられていないことを特徴とする。

好ましい一つの態様では、ＭＤ方向に対して平行な辺は機械切断により形成し、ＭＤ方向に対して垂直な辺は熱切断とすることを特徴とする。

好ましい別の態様では、ＭＤ方向に対して平行方向の辺は機械切断により形成し、ＭＤ方向に対して垂直な辺は切断後に熱が加えられることを特徴とする。

また、好ましい一つの態様では、ＭＤ方向に対して垂直方向の辺は、透明になるまで熱が加えられることを特徴とする。

さらに、好ましい一つの態様では、セパレータおよび正極板および負極板を複数枚積層して発電要素としての積層電極体を構成し、電極積層体をラミネートフィルムからなる外装体の内部に格納したことを特徴とする
さらに、好ましい一つの態様では、正極板と接続された正極端子および負極板と接続された負極端子が外装体の一辺から引き出され、かつ端子の引き出し方向がＭＤ方向と同方向であることを特徴とする。

本発明によれば、電池用セパレータ使用した非水系電池において、電池用セパレータの積層を容易化又は電池用セパレータの積層精度を向上させる共に電池用セパレータの外力耐性を向上させることが可能となる。

実施形態における非水系電池を示す斜視図である。実施形態における非水系電池を示す断面図である。実施形態におけるセパレータを示す概略断面図である。

以下、本願発明に係る電池用セパレータ（以下、セパレータと称する）を用いた非水系電池における実施形態を図１〜図３に基づいて詳述する。

なお、以下の実施形態において、「電極積層体」とは正極板，負極板が複数積層されたものを意味する。

また、本発明において、「正方形または長方形の微多孔性樹脂膜」には、微多孔性樹脂膜をその膜の厚み方向から見た場合の形状が厳密に正方形または長方形であるものだけでなく、端部に凸部や凹部がある場合、更には寸法誤差がある場合、微細な切り欠きがある場合など微多孔性樹脂膜をその膜厚み方向からみた場合の形状が略正方形または長方形であるものを含む。

［実施形態］
初めに、図１および図２に基づいて、この発明による非水系電池１の一例を説明する。非水系電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、導電性金属箔からなる一対の正極端子２，負極端子３を備えている。

図２に示すように、非水系電池１は、長方形をなす発電要素としての電極積層体４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体５の内部に収容したものである。上記電極積層体４は、セパレータ４３を介して交互に積層された複数の正極板４１および負極板４２からなり、例えば、３枚の負極板４２と、２枚の正極板４１と、これらの間の４枚のセパレータ４３と、を含んでいる。つまり、この例では、電極積層体４の両面に負極板４２が位置している。但し、電極積層体４の最外層に正極板４１が位置する構成も可能である。なお、図２における各部の寸法は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。

正極板４１は、長方形をなす正極集電体４１ａの両面に正極活物質層４１ｂ、４１ｃを形成したものである。正極集電体４１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。また、正極活物質層４１ｂ、４１ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ₂）、または、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）等のリチウム複合酸化物からなる正極活物質と、バインダと、を混合したものを、正極集電体４１ａの主面に塗布することにより形成されている。

負極板４２は、長方形をなす負極集電体４２ａの両面に負極活物質層４２ｂ、４２ｃを形成したものである。負極集電体４２ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。負極活物質層４２ｂ、４２ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、バインダを混合したものを、負極集電体４２ａの主面に塗布することにより形成されている。

負極集電体４２ａの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層４２ｂ、４２ｃを具備しない延長部４２ｄとして延びており、その先端が負極端子３に接合されている。また、図２には示されていないが、同様に上記正極集電体４１ａの長手方向の端縁の一部が、正極活物質層４１ｂ、４１ｃを具備しない延長部４１ｄとして延びており、その先端が正極端子２に接合されている。

また、電解液としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。

上記のような構成の電極積層体４を電解液とともに収容する外装体５は、図２に一部を拡大して示すように、熱融着層５１と金属層５２と保護層５３との三層構造を有するラミネートフィルムからなる。中間の金属層５２は、例えばアルミニウム箔からなり、その内側面を覆う熱融着層５１は、熱融着が可能な合成樹脂例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなり、金属層５２の外側面を覆う保護層５３は耐久性に優れた合成樹脂例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる。なお、さらに多数の層を有するラミネートフィルムを用いることもできる。また、上記の例では金属層５２の両面に合成樹脂層（熱融着層５１，保護層５３）をラミネートしているが、金属層５２の外側の合成樹脂層（保護層５３）は必ずしも必須のものではなく、内側表面にのみ合成樹脂層（熱融着層５１）を備えた構成であってもよい
外装体５は、一つの例では、図２の電極積層体４の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなし、これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。図示例は、このような２枚構造の外装体５を示している。また、他の一つの例では、外装体５は１枚の比較的大きなラミネートフィルムからなり、２つ折りとした状態で内側に電極積層体４を配置した上で、周囲の３辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。

長方形をなす非水系電池１の短辺側に位置する一対の正極端子２、負極端子３は、ラミネートフィルムを熱融着する際に、ラミネートフィルムの接合面を通して外部へ引き出されている。

上記の非水系電池１の製造手順としては、以下の通りである。まず、負極板４２、セパレータ４３、正極板４１及びセパレータ４３を順次積層し、かつ正極集電体４１ａ，負極集電体４２ａの延長部４１ｄ，４２ｄをそれぞれ正極端子２、負極端子３にスポット溶接等により取り付けて電極積層体４を構成する。次に、この電極積層体４を外装体５となるラミネートフィルムで覆い、比較的小さな充填口を残して周囲の４辺（上記の２つ折りの場合は３辺）を熱融着する。次に、上記充填口を通して外装体５の内部に電解液を充填し、その後、充填口を熱融着して外装体５を密閉状態とする。これにより非水系電池１が完成する。

ここで、セパレータ４３について説明する。セパレータ４３は、正極板４１と負極板４２との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有するものであって、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性樹脂膜からなる。なお、セパレータ４３としては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造のもの等、後述する熱切断又は熱を加えた際に溶解するものが挙げられる。

本実施形態におけるセパレータ４３は、ＭＤ方向に対して平行に予め設定された間隔で切断して帯状に形成されたあと、ＭＤ方向に対して垂直方向に予め設定された間隔で切断して、図３に示すような長方形状または正方形状のセパレータ４３を形成する。

ここで、図３に示すように、ＭＤ方向に対して平行方向の切断は機械切断とする。この機械切断は例えば、カッター等が使用される。一方、ＭＤ方向に対して垂直方向の切断は熱切断とする。この熱切断は例えば、レーザ等が使用され、その温度は、セパレータ４３がポリオレフィン系の場合は、約１７０°とする。

このように、ＭＤ方向に対して平行方向の切断を機械切断とすることにより、辺部６２ａ，６２ｂは直線状となる。その結果、電極積層体４を積層する際に、機械切断した辺部６２ａ，６２ｂを基準として位置合わせをすることができ、容易に電極積層体４を積層することが可能となると共に、正極と負極の積層精度が向上することで積層ずれによる電池の容量低下を抑制することができる。

また、ＭＤ方向に対して垂直方向の切断は機械切断ではなく熱切断とすることにより、セパレータ４３の辺部６１ａ，６１ｂは熱により溶解して空孔を閉塞する。そのため、辺部６１ａ，６１ｂの外力に対する耐性が向上し、辺部６１ａ，６１ｂの破損を抑制することができる。その結果、セパレータ４３は絶縁体としての役割を維持し、セパレータ４３を用いた非水系電池１は電池としての性能低下を抑制することが可能となる。

また、巻回方式の非水系電池の場合、セパレータ４３の切断辺はテープで止められるのが一般的であるため、切断辺に対する外力耐性は必要ない。そのため、積層電極体４を用いた非水系電池１に本実施形態におけるセパレータ４３を用いると、その効果は顕著となる。

また、たとえば、ＭＤ方向に対して垂直方向の辺部６１ａから正極端子２が，辺部６１ｂから負極端子３が引き出されている場合は、両側で電極積層体４が固定されるため、電極積層体4の移動が規制される。しかしながら、本実施形態は、ＭＤ方向に対して垂直方向の辺部６１ａ，６１ｂのうち一方向の辺部６１ａから正極端子２および負極端子３を引き出しているため、電極積層体４は辺部６１ａ側の外装体５にのみ固定される。その結果、電極積層体４は、外装体５内において辺部６１ｂ方向への移動は規制されるが、辺部６１ａ方向への移動は規制されないこととなる。

そのため、例えば、辺部６１ｂから外力が与えられた場合、電極積層体４は外装体５内で辺部６１方向へ移動し、電極積層体４が正極端子２，負極端子３に接触し、セパレータ４３の辺部６１ａが破損する恐れがある。しかし、本実施形態では、延伸方向に対して垂直方向の辺部、特に６１ａは熱切断されることによって外力に対する耐性が向上しているため、正極端子２，負極端子３と接触して破損することが抑制される。その結果、セパレータ４３は絶縁体としての役割を維持し、非水系電池１の性能劣化を抑制することが可能となる。

実施形態におけるＭＤ方向に垂直方向の辺６１ａ，６１ｂについては、辺の切断時に熱を加える方法について説明したが、切断した後に熱を加えても良い。また、セパレータ４３のＭＤ方向を揃えて積層し積層後の電極積層体４に対しＭＤ方向に対して垂直方向になる辺にヒーター等で熱を印加するようにしてもよい。さらに、切断する前に、セパレータ４３のＭＤ方向に対して垂直方向の切断箇所に熱を加え、熱を加えた後に切断してもよい。また、熱を加える際には、ＭＤ方向に垂直方向の辺が透明になる程度まで行うと良い。透明になる程度まで熱を加えることで十分溶融し外力に対する耐性が向上する。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…非水系電池
２…正極端子
３…負極端子
４…積層電極体
５…外装体
４１…正極板
４２…負極板
４３…電池用セパレータ
６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ…辺部

Claims

正極板と負極板とセパレータとを積層した非水系電池であって、
前記セパレータは、微多孔樹脂膜のＭＤ方向に対して平行方向および垂直方向に切断されて４つの辺部を有する正方形または長方形に形成され、ＭＤ方向に対して垂直な辺は熱が加えられ、ＭＤ方向に対して平行方向の辺には熱が加えられていないことを特徴とする非水系電池。
ＭＤ方向に対して平行な辺は機械切断により形成し、ＭＤ方向に対して垂直な辺は熱切断とすることを特徴とする請求項１記載の非水系電池。
ＭＤ方向に対して平行方向の辺は機械切断により形成し、ＭＤ方向に対して垂直な辺は切断後に熱が加えられることを特徴とする請求項１記載の非水系電池。
ＭＤ方向に対して垂直方向の辺は、透明になるまで熱が加えられることを特徴とする請求項１乃至３に記載の非水系電池。
セパレータおよび正極板および負極板を複数枚積層して発電要素としての積層電極体を構成し、電極積層体をラミネートフィルムからなる外装体の内部に格納したことを特徴とする請求項１乃至４に記載の非水系電池。
正極板と接続された正極端子および負極板と接続された負極端子が外装体の一辺から引き出され、かつ端子の引き出し方向がＭＤ方向と同方向であることを特徴とする請求項５に記載の非水系電池。