JP2016103376A

JP2016103376A - 電池

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Publication number: JP2016103376A
Application number: JP2014240551A
Authority: JP
Inventors: 暁宏茂出木; Akihiro Motegi
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: US20170331091A1; EP3226326A1; WO2016084410A1; EP3226326A4; JP6511693B6; CN107004814A; CN107004814B; JP6511693B2; US10938009B2

Abstract

【課題】互いに貼り合わされた２つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を有する電池において、新規な構造で、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設ける。【解決手段】第１セパレータ１３０は、カソード電極１１０の第１面を覆っている。第１セパレータ１３０は、融点が第１温度である。第２セパレータ１４０は、カソード電極１１０の第２面を覆っている。第２セパレータ１４０は、融点が第１温度よりも高い第２温度である。接着層１３２は、第１セパレータ１３０の一部を溶融することにより形成されている。そして接着層１３２は、第１セパレータ１３０と第２セパレータ１４０を互いに貼り合せている。【選択図】図４

Description

本発明は、電池に関する。

電池では、カソード電極、セパレータ、及びアノード電極を積層させることがある。例えば、特許文献１及び特許文献２には、カソード電極又はアノード電極を２つのセパレータで挟むことが記載されている。具体的には、特許文献１では、２つのセパレータの間に熱可塑性樹脂を設けている。この場合、セパレータを加熱することで熱可塑性樹脂が溶融する。そしてこの熱可塑性樹脂を介して２つのセパレータは互いに貼り付けられる。

さらに、特許文献３には、互いに貼り合わされた２つの第１セパレータの間にカソード電極を位置させた場合において電池の温度が上昇しても、これらの第１セパレータが縮むことを抑制する方法が記載されている。具体的には、特許文献３では、各第１セパレータとアノード電極の間に第２セパレータを設けている。そして第２セパレータは、第１セパレータよりも融点が低い。特許文献３には、この場合、電池の温度が上昇しても第１セパレータが縮むことが抑制されると記載されている。

特開昭６１−８０７５２号公報特開２００７−２８７７２４号公報特開２０１２−１５１０３６号公報

上記したように、電池では、互いに貼り合わされた２つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を位置させることがある。このような構造を有する電池においてカソード電極とアノード電極の間の耐熱性を高いものにするには、高融点のセパレータをカソード電極とアノード電極の間に設けることが望ましい。本発明者は、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設けるための構造を検討した。

本発明の目的は、互いに貼り合わされた２つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を有する電池において、新規な構造で、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設けることにある。

本発明によれば、
第１面を有し、前記第１面とは反対側の面である第２面を有する第１電極と、
前記第１面を覆っており、融点が第１温度である第１セパレータと、
前記第２面を覆っており、融点が前記第１温度よりも高い第２温度である第２セパレータと、
前記第１セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第１セパレータと前記第２セパレータを互いに貼り合せる第１接着層と、
を備える電池が提供される。

本発明によれば、互いに貼り合わされた２つのセパレータの間にカソード電極又はアノード電極を有する電池において、新規な構造で、カソード電極とアノード電極の間に高融点のセパレータを設けることができる。

第１の実施形態に係る電池の構成を示す平面図である。図１のＡ−Ａ´断面図である。図２に示した単位セルの構成を示す分解斜視図である。（ａ）は、図３に示したカソード電極を含む積層体の構成を示す平面図である、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。図４（ｂ）の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。図４の第１の変形例を示す図である。図４の第２の変形例を示す図である。図４の第３の変形例を示す図である。図４に示した積層体の製造方法の一例を示す図である。第２の実施形態に係る電池に用いられる単位セルの構成を示す分解斜視図である。（ａ）は、図１０に示したカソード電極を含む積層体の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。図１１（ｂ）の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。図１１に示した積層体の製造方法を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電池の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´断面図である。この電池は、積層体１０、カソードタブ２０、アノードタブ３０、カバー部材４０、及び電解液５０を備えている。

カバー部材４０は、互いに対向するカバー４２，４４を備えている。カバー部材４０の平面形状は、長辺及び短辺を有する矩形である。そしてカバー４２，４４は、カバー部材４０の各辺に沿って位置する封止領域４６を有している。カバー４２，４４は、封止領域４６において互いに貼り合わされている。これにより、カバー４２，４４によって挟まれた領域は、外部の領域から封止される。なお、カバー４２，４４は、例えば、アルミニウムフィルムを用いて形成されている。

積層体１０及び電解液５０は、カバー部材４０によって封止された空間に位置している。積層体１０は、互いに積層された複数の単位セル１００（図３を用いて詳細を後述）を含んでいる。電解液５０は、非水電解液である。具体的には、電解液５０は、リチウム塩及び有機溶媒を含んでいる。

上記したリチウム塩は、例えば、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＢ（Ｃ_２Ｈ_５）_４、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、又は低級脂肪酸カルボン酸リチウムである。

上記した有機溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、及びビニレンカーボネート（ＶＣ）等のカーボネート類；γ−ブチロラクトン及びγ−バレロラクトン等のラクトン類；トリメトキシメタン、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、及び２−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類；ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類；１，３−ジオキソラン及び４−メチル−１，３−ジオキソラン等のオキソラン類；アセトニトリル、ニトロメタン、ホルムアミド、及びジメチルホルムアミド等の含窒素溶媒；ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、及びプロピオン酸エチル等の有機酸エステル類；リン酸トリエステル等のエステル類；ジグライム類；トリグライム類；スルホラン及びメチルスルホラン等のスルホラン類；３−メチル−２−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類；１，３−プロパンスルトン、１，４−ブタンスルトン、及びナフタスルトン等のスルトン類である。上記した有機溶媒は、これらのうちの１種のみを含んでいてもよいし、又はこれらのうちの２種以上を含んでいてもよい。

図１に示す例において、カソードタブ２０及びアノードタブ３０は、平面視において、カバー部材４０の同一の短辺から外側に突出している。さらに、カソードタブ２０及びアノードタブ３０は、この辺に沿って互いに逆側に位置している。これにより、カソードタブ２０及びアノードタブ３０の短絡を防止することができる。なお、カソードタブ２０及びアノードタブ３０は、それぞれ、カソードリード２００及びアノードリード３００（図３を用いて後述）を介して単位セル１００に電気的に接続している。

図３は、図２に示した単位セル１００の構成を示す分解斜視図である。本図に示すように、単位セル１００は、カソード電極１１０、アノード電極１２０、第１セパレータ１３０、第２セパレータ１４０、カソードリード２００、及びアノードリード３００を備えている。カソードリード２００は、カソード電極１１０に電気的に接続している。同様に、アノードリード３００は、アノード電極１２０に電気的に接続している。

本図に示す例では、第１セパレータ１３０、アノード電極１２０、第２セパレータ１４０、第１セパレータ１３０、カソード電極１１０、及び第２セパレータ１４０がこの順で積層されている。詳細には、図４を用いて後述するように、カソード電極１１０は、互いに貼り合わされた第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の間に位置している。同様に、アノード電極１２０は、互いに貼り合わされた第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の間に位置している。

本図に示す例では、図２に示した積層体１０において、第１セパレータ１３０、アノード電極１２０、第２セパレータ１４０、第１セパレータ１３０、カソード電極１１０、及び第２セパレータ１４０がこの順で繰り返し積層されることになる。この場合において積層体１０からカソード電極１１０及びアノード電極１２０を取り除くと、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０が交互に積層されることになる。この場合、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の偏在を防止ことができる。

本図に示す例において、カソード電極１１０を挟む第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０、並びにアノード電極１２０を挟む第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０は、いずれも同一の平面形状を有している。そして、カソード電極１１０を挟む第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０は、平面視でカソード電極１１０を内側に含んでいる。そしてカソードリード２００の一部は、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０と重なる領域の外側に突出している。同様に、アノード電極１２０を挟む第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０は、平面視でアノード電極１２０を内側に含んでいる。そしてアノードリード３００の一部は、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０と重なる領域の外側に突出している。

本図に示す例では、平面視において、カソード電極１１０は、アノード電極１２０の内側に含まれている。この場合、カソード電極１１０の配置が若干ずれても、カソード電極１１０とアノード電極１２０が互いに重なっている領域の面積が変化することが防止される。

カソード電極１１０は、カソード活物質を含んでいる。具体的には、カソード活物質は、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、及びリチウム−マンガン−ニッケル複合酸化物等のリチウムと遷移金属との複合酸化物；ＴｉＳ_２、ＦｅＳ、及びＭｏＳ_２等の遷移金属硫化物；ＭｎＯ、Ｖ_２Ｏ_５、Ｖ_６Ｏ_１３、及びＴｉＯ_２等の遷移金属酸化物、又はオリビン型リチウムリン酸化物である。アノード電極１２０は、アノード活物質を含んでいる。具体的には、アノード活物質は、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、及びカーボンナノホーン等の炭素材料；リチウム金属材料；シリコン及びスズ等の合金系材料；Ｎｂ_２Ｏ_５及びＴｉＯ_２等の酸化物系材料；又はこれらの複合物である。カソードリード２００及びアノードリード３００は、金属（例えば、銅又はアルミニウム）を用いて形成されている。

図４（ａ）は、図３に示したカソード電極１１０を含む積層体の構成を示す平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。図５は、図４（ｂ）の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。

図４（ｂ）及び図５に示すように、第１セパレータ１３０と第２セパレータ１４０は、接着層１３２を介して互いに貼り合わされている。接着層１３２は、第１セパレータ１３０を溶融することにより形成された接着層である。詳細には、第１セパレータ１３０は、融点が第１温度である。これに対して第２セパレータ１４０は、融点が第１温度よりも高い第２温度である。そして詳細を後述するように、接着層１３２は、第２セパレータ１４０を介して第１セパレータ１３０の反対側から第２セパレータ１４０を第１温度以上第２温度未満である第３温度に加熱しつつ第２セパレータ１４０を第１セパレータ１３０に押し付けることで形成される。

図４（ｂ）及び図５に示す例では、カソード電極１１０は、厚さ方向に互いに対向する第１面及び第２面の一方が第２セパレータ１４０によって覆われている。これにより、カソード電極１１０のうち第２セパレータ１４０によって覆われている面は、第２セパレータ１４０を介してアノード電極１２０（図３）と対向するようになる。そして上記したように、第２セパレータ１４０は、融点が高い。このため、カソード電極１１０とアノード電極１２０の間の耐熱性を高いものにすることができる。

第１温度は、例えば、１２０℃以上２５０℃以下の温度である。これに対して、第２温度は、例えば、２７０℃以上４００℃以下の温度である。さらに、第１セパレータ１３０は、多孔性樹脂を用いて形成されており、例えば、ポリプロピレン又はポリエチレンを用いて形成されている。これに対して、第２セパレータ１４０は、多孔性樹脂を用いて形成されており、例えば、ポリアミド又はポリイミドを用いて形成されている。

図４（ａ）に示す例において、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の平面形状は、長辺及び短辺を有する矩形である。本図に示す例では、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の短辺の一辺からカソードリード２００が突出している。そして接着層１３２は、カソードリード２００が突出している辺以外の３辺に配置されている。本図（ａ）に示す例では、平面視において、複数の接着層１３２が各辺に沿って一列に配置されている。

なお、図３においてアノード電極１２０を含む積層体の構造は、カソード電極１１０がアノード電極１２０になっている点を除いて、図４及び図５に示す例と同様である。

図６は、図４の第１の変形例を示す図である。本図（ａ）に示すように、接着層１３２は、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の４辺に配置されていてもよい。そして本図（ａ）に示す例では、複数の接着層１３２が第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の各辺に沿って一列に配置されている。なお、本図（ａ）に示す例では、カソードリード２００と平面視で重なる領域には、接着層１３２は形成されない。

図７は、図４の第２の変形例を示す図である。本図（ａ）に示すように、接着層１３２は、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の２辺のみに配置されていてもよい。具体的には、本図（ａ）に示す例では、接着層１３２は、カソードリード２００が突出している短辺に対向する短辺に配置され、かつ残りの２辺のうちの１辺に配置されている。そして複数の接着層１３２が各辺に沿って一列に配置されている。

図８は、図４の第３の変形例を示す図である。本図（ａ）に示すように、接着層１３２は、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の各辺に沿って連続的に形成されていてもよい。さらに、本図（ａ）に示す例では、各辺に沿って連続的に形成された接着層１３２が互いに繋がっている。さらに、本図（ａ）に示す例では、長辺に沿って形成された接着層１３２の一端は、カソードリード２００が突出している短辺に達している。

図９は、図４に示した積層体の製造方法の一例を示す図である。まず、本図（ａ）に示すように、第１セパレータ１３０、カソード電極１１０、及び第２セパレータ１４０をこの順で積層する。次いで、本図（ｂ）に示すように、第２セパレータ１４０を介して第１セパレータ１３０の反対側からプレス６００を第２セパレータ１４０に押し付ける。これにより、第２セパレータ１４０の一部を第１セパレータ１３０に接触させる。プレス６００の先端は、第１温度以上第２温度未満である第３温度に加熱されている。この場合、第２セパレータ１４０は、溶融しない。一方、プレス６００の先端の熱（第３温度）は、第２セパレータ１４０を介して第１セパレータ１３０に伝わる。これにより、第１セパレータ１３０は、第２セパレータ１４０に接触している部分が溶融する。これにより、接着層１３２（図４）が形成される。なお、第１温度をＴ１［℃］としたとき、第３温度は、例えば、（Ｔ１＋５）℃以上（Ｔ１＋５０）℃以下の温度である。より具体的には、第３温度は、例えば、１２５℃以上３００℃以下の温度である。

以上、本実施形態によれば、融点が低い第１セパレータ１３０及び融点が高い第２セパレータ１４０を互いに貼り合せている。この場合、第１セパレータ１３０を溶融することにより形成された接着層１３２を介して第１セパレータ１３０と第２セパレータ１４０を互いに貼り合せることができる。そしてこれら第１セパレータ１３０と第２セパレータ１４０の間には、カソード電極１１０が位置している。この場合、第２セパレータ１４０を介してカソード電極１１０の反対側に位置するアノード電極１２０は、第２セパレータ１４０を介してカソード電極１１０に対向するようになる。これにより、カソード電極１１０とアノード電極１２０の間の耐熱性を高いものにすることができる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る電池に用いられる単位セル１００の構成を示す分解斜視図であり、第１の実施形態の図３に対応する。本実施形態に係る電池は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る電池と同様の構成である。

本図に示す例では、アノード電極１２０、第１セパレータ１３０、第２セパレータ１４０、カソード電極１１０、第１セパレータ１３０、及び第２セパレータ１４０がこの順で積層されている。詳細には、図１１を用いて後述するように、カソード電極１１０は、互いに貼り合わされた第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の間に位置している。さらに、カソード電極１１０の一方の面を覆う第１セパレータ１３０には、第２セパレータ１４０が貼り合わされている。さらに、カソード電極１１０の他方の面を覆う第２セパレータ１４０には、第１セパレータ１３０が貼り合わされている。

本図に示す例では、図２に示した積層体１０において、アノード電極１２０、第１セパレータ１３０、第２セパレータ１４０、カソード電極１１０、第１セパレータ１３０、及び第２セパレータ１４０がこの順で繰り返し積層されることになる。この場合において積層体１０からカソード電極１１０及びアノード電極１２０を取り除くと、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０が交互に積層されることになる。この場合、第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０の偏在を防止ことができる。

図１１（ａ）は、図１０に示したカソード電極１１０を含む積層体の構成を示す平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。図１２は、図１１（ｂ）の破線αで囲んだ領域を拡大した図である。

図１１（ｂ）及び図１２に示すように、カソード電極１１０を挟む第１セパレータ１３０及び第２セパレータ１４０は、接着層１３２を介して互いに貼り合わされている。さらに、この積層体の最上層に位置する第２セパレータ１４０は、他の接着層１３２を介して第１セパレータ１３０に貼り合わされている。さらに、この積層体の最下層に位置する第１セパレータ１３０は、他の接着層１３２を介して第２セパレータ１４０に貼り合わされている。図１３を用いて後述するように、いずれの接着層１３２も、第１セパレータ１３０を溶融することにより形成された接着層である。

図１３は、図１１に示した積層体の製造方法を示す図である。まず、本図（ａ）に示すように、第１セパレータ１３０、第２セパレータ１４０、カソード電極１１０、第１セパレータ１３０、及び第２セパレータ１４０をこの順で積層する。次いで、本図（ｂ）に示すように、プレス６００をこの積層体の最上層に位置する第２セパレータ１４０に押し付ける。プレス６００の先端は、第１温度以上第２温度未満である第３温度に加熱されている。この場合、プレス６００で押し付けられている部分では、第２セパレータ１４０が溶融する。これにより、互いに隣り合っている第１セパレータ１３０と第２セパレータ１４０の間では、接着層１３２（図１１）が形成される。

なお、本図に示す例では、プレス６００と平面視で重なる領域に位置するいずれの接着層１３２（例えば、カソード電極１１０を挟む第１セパレータ１３０と第２セパレータ１４０の間の接着層１３２、及び最上層の第２セパレータ１４０とカソード電極１１０の一方の面を覆う第１セパレータ１３０の間の接着層１３２）も、ほぼ同時に形成されることになる。そしてこれらの接着層１３２は、平面視で互いに重なることになる。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０積層体
２０カソードタブ
３０アノードタブ
４０カバー部材
４２カバー
４４カバー
４６封止領域
５０電解液
１００単位セル
１１０カソード電極
１２０アノード電極
１３０第１セパレータ
１３２接着層
１４０第２セパレータ
２００カソードリード
３００アノードリード
６００プレス

Claims

第１面を有し、前記第１面とは反対側の面である第２面を有する第１電極と、
前記第１面を覆っており、融点が第１温度である第１セパレータと、
前記第２面を覆っており、融点が前記第１温度よりも高い第２温度である第２セパレータと、
前記第１セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第１セパレータと前記第２セパレータを互いに貼り合せる第１接着層と、
を備える電池。
請求項１に記載の電池において、
前記第１電極とは極性が異なっており、第３面を有し、前記第３面とは反対側の面である第４面を有する第２電極と、
前記第３面を覆っており、融点が前記第１温度である第３セパレータと、
前記第４面を覆っており、融点が前記第２温度である第４セパレータと、
前記第３セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第３セパレータと前記第４セパレータを互いに貼り合せる第２接着層と、
を備える電池。
請求項２に記載の電池において、
前記第１セパレータは、前記第４セパレータ上に積層されており、又は
前記第３セパレータは、前記第２セパレータ上に積層されている電池。
請求項１に記載の電池において、
前記第２セパレータを介して前記第１電極の反対側に位置しており、融点が前記第１温度である第３セパレータと、
前記第１セパレータを介して前記第１電極の反対側に位置しており、融点が前記第２温度である第４セパレータと、
前記第１セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第１セパレータと前記第４セパレータを互いに貼り合せる第２接着層と、
前記第３セパレータの一部を溶融することにより形成され、前記第２セパレータと前記第３セパレータを互いに貼り合せる第３接着層と、
を備える電池。
請求項４に記載の電池において、
前記第１接着層、前記第２接着層、及び前記第３接着層は、平面視で互いに重なる電池。