JP2022055562A - ボタン型電気化学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】シール性に優れたボタン型電気化学素子を提供する。【解決手段】ボタン型電気化学素子は、正負いずれかの電極端子を構成する有底筒状の第１外装缶と、他方の電極端子を構成する第２外装缶と、第１外装缶と第２外装缶によって構成された電池ケースと、電池ケースの内壁面に沿って配置されるガスケットと、電池ケースの内側空間内に収容される電気化学要素と、第１外装缶の側壁縁部と、第２外装缶とを、前記ガスケットを介して封口する構造が巻締構造である。【選択図】図２
Description
本発明はボタン型電気化学素子に関し、シール性に優れたボタン型電気化学素子に関する。
近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴い、電子機器の電源となる電池に対し、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれており、電解質として固体電解質を用いる固体電解質二次電池が注目されている。従来の一方の電極端子を兼ねる第１外装缶、他方の電極端子を兼ねる第２外装缶およびその間に内在するガスケットを含むボタン型電気化学素子のシール性を確保するためには、加締めが必要である。すなわち、前記第２外装缶を前記第１外装缶の方向に強く荷重を掛ける（加締める）ことにより、その間に内在するガスケットを強く圧縮し、第１外装缶、第２外装缶およびガスケットの弾性力により、第１外装缶とガスケットとの間および第２外装缶とガスケットの間が機械的に強くシールされる。このような構造により、ボタン型電気化学素子内部からの電解液の蒸発、漏液、または、大気中からボタン型電気化学素子内部への水分、二酸化炭素などのガスの侵入を抑制していた。
しかし、上述した構造ではボタン型電気化学素子のシール性は十分ではなかった。また、加締めるときには、第１外装缶、ガスケットおよび第２外装缶には大きな荷重がかかる。この大きな荷重を支えるために、ガスケット底部は多くの場合は第１外装缶の内底または電極ペレット上に載置されていた。このガスケット底部が電気化学素子の内容積に占める割合は大きく、ガスケットは電気化学エネルギーを生み出さないのでその体積の分、電気化学素子の容量が増えない原因になっていた。特許文献１には、２重巻締め方式もしくはプレス方式によって気密封口された角形電池であって、電池ケースおよび電池ケース蓋は片面もしくは両面が樹脂皮膜でコーティングされた金属板を成形して成る角形電池が開示されている。特許文献２の図６には、チューブ外装方式マンガン乾電池の封口部における巻締構造が示されている。特許文献３の図１には、上蓋、下蓋およびガスケットを用意した後、電気化学素体を下蓋内に収容し、ガスケットを間に挟んで上蓋を重ね合わせ、次に上蓋の端部を折り曲げて下蓋に対してかしめ密封して製造した電気化学素子が開示されている。しかし、上記特許文献に記載の電気化学素子のシール性はまだ十分ではなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シール性に優れたボタン型電気化学素子を提供することを目的とする。
本発明によるボタン型電気化学素子は、正負いずれかの電極端子を構成する有底筒状の第１外装缶と、他方の電極端子を構成する第２外装缶によって構成された電池ケースと、前記電池ケースの内壁面に沿って、前記第１外装缶と前記第２外装缶の間に配置されるガスケットと、前記電池ケースの内側空間内に収容される電気化学要素とを備え、前記第１外装缶の縁部と前記第２外装缶の縁部を、前記ガスケットを介して封口する構造が巻締構造である。この構成によれば、シール性に優れたボタン型電気化学素子を提供することができる。
また、本発明によるボタン型電気化学素子は、巻締構造を有する巻締部が平面視で電気化学要素と重なっていても構わない。この構成によれば、電気化学要素の電極体積を大きく構成することが可能となり、放電容量が大きいボタン型電気化学素子を提供することができる。
本発明によれば、シール性に優れたボタン型電気化学素子を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら、各実施形態にかかるボタン型電気化学素子１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）について説明する。なお、各実施形態の説明において、図に示されるように、第２外装缶側を上方向、第１外装缶側を下方向として説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、図１から図４はボタン型電気化学素子１の縦断面の右側を示しているが、全体の断面図は左右対称であり、左側の構成は各図を左右反転させればよい。
（第1実施形態）
以下に、本発明の第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａについて説明する。図１は、第１実施形態によるボタン型電気化学素子１Ａの概略構成を示す１部縦断面図である。ボタン型電気化学素子としては、アルカリ電池、リチウム１次または２次電池、リチウムイオン２次電池、酸化銀電池などが知られている。ボタン型電池は直径１２ｍｍ未満のものを言う場合が多く、コイン型電池は直径１２ｍｍ以上のものを言う場合が多い。なお、実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａは、いわゆるコイン型電気化学素子も含む。
以下に、本発明の第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａについて説明する。図１は、第１実施形態によるボタン型電気化学素子１Ａの概略構成を示す１部縦断面図である。ボタン型電気化学素子としては、アルカリ電池、リチウム１次または２次電池、リチウムイオン２次電池、酸化銀電池などが知られている。ボタン型電池は直径１２ｍｍ未満のものを言う場合が多く、コイン型電池は直径１２ｍｍ以上のものを言う場合が多い。なお、実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａは、いわゆるコイン型電気化学素子も含む。
第1実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａは、第２外装缶１０、第１外装缶１２、およびガスケット２０を備えている。ガスケット２０は、第２外装缶１０と第１外装缶１２との間に、電池ケースの内壁面に沿って配置される。ガスケット２０は、電池内部の気密を保つためのシール材であり、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＥＫ（ピリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルフィド）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）などの樹脂により形成されている。
第２外装缶１０は有蓋無底の蓋型形状を備える金属製蓋体であり、天井部１０１を有し、下方が開口する開口部を備えている。第１外装缶１２は有底筒状の金属製容器であり、上方が開口する開口部を備えている。第２外装缶１０と第１外装缶１２は、対面して配置され、外周縁部においてガスケット２０を介在させた状態で気密に巻締め固定されて封口されている。
第２外装缶１０と第１外装缶１２とは、その間にガスケット２０を介在させることにより絶縁されている。ガスケット２０は、第２外装缶１０が、正極１８、および第１外装缶１２に電気的に接触しないように、第２外装缶１０と第１外装缶１２との間に配置されている。また、ガスケット２０の立ち上がり部の内側に正極１８を配置する。こうすることで、正極１８の位置決めをすることができる。また、第２外装缶１０と正極１８との間の電気的接触を防止することもできる。
ボタン型電気化学素子１Ａは、第２外装缶１０および第１外装缶１２により構成された内部空間に、電解質またはセパレータ１６を挟むようにして配置された負極１４、および、正極１８を収納している。電解質またはセパレータ１６は、固体電解質または微多孔膜からなるセパレータにより構成されている。セパレータの場合には、セパレータの微多孔膜構造が備える空隙中に、液体電解質または固体電解質が充填されている。また、セパレータと固体電解質を併用する態様とすることもできる。負極１４は第２外装缶１０に接触している。正極１８は第１外装缶１２に接触している。第２外装缶１０は負極の電極端子としての機能を兼ねている。第１外装缶１２は正極の電極端子としての機能を兼ねている。
第２外装缶１０、および第１外装缶１２は、例えば、鉄、ステンレスまたはニッケルなどにより形成されている。鉄またはステンレス缶の場合には、電気化学素子とこれを装着するデバイスとの間の接触抵抗を低下させるために、表面に例えばニッケルメッキが施されている。ニッケルメッキには、例えば、湿式法、乾式法、ＣＶＤ、ＰＶＤ、圧着によるクラッド化、塗布等などの手法が用いられる。
ボタン型電気化学素子１Ａの電気化学要素は、正極、負極および電解質からなる。以下に説明するボタン型電気化学素子１Ａは、リチウム電池またはリチウムイオン電池である。
（正極）
図７に示すように、正極１８は、板状（箔状）の正極集電体１８Ａ上に、正極合剤層１８Ｂが設けられたものである。なお、正極集電体はなくても良い。
（正極集電体）
正極集電体１８Ａは、充電時の酸化に耐え腐食しにくい電子伝導性の材料であれば良く、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、チタンなどの金属、または、伝導性樹脂を用いることができる。正極集電体１８Ａは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
（正極合剤層）
正極合剤層１８Ｂは、正極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダーおよび導電助剤を含む。
図７に示すように、正極１８は、板状（箔状）の正極集電体１８Ａ上に、正極合剤層１８Ｂが設けられたものである。なお、正極集電体はなくても良い。
（正極集電体）
正極集電体１８Ａは、充電時の酸化に耐え腐食しにくい電子伝導性の材料であれば良く、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、チタンなどの金属、または、伝導性樹脂を用いることができる。正極集電体１８Ａは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
（正極合剤層）
正極合剤層１８Ｂは、正極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダーおよび導電助剤を含む。
（正極活物質）
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出、挿入・脱離（インターカレーション・デインターカレーション）を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質を使用できる。正極活物質としては、例えば、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化物などが挙げられる。
リチウム含有金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、および、一般式：ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶＯＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３）、オリビン型ＬｉＭＰＯ４（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅから選択される少なくとも１種を示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）などが挙げられる。
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出、挿入・脱離（インターカレーション・デインターカレーション）を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質を使用できる。正極活物質としては、例えば、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化物などが挙げられる。
リチウム含有金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、および、一般式：ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶＯＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３）、オリビン型ＬｉＭＰＯ４（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅから選択される少なくとも１種を示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）などが挙げられる。
また、リチウムを含有していない正極活物質も使用できる。このような正極活物質としては、リチウム非含有金属酸化物（ＭｎＯ２、Ｖ２Ｏ５など）、リチウム非含有金属硫化物（ＭｏＳ２など）、リチウム非含有フッ化物（ＦｅＦ３、ＶＦ３など）などが挙げられる。
これらのリチウムを含有していない正極活物質を用いる場合、あらかじめ負極にリチウムイオンがドープした負極、リチウム金属またはリチウム金属合金を用いればよい。
これらのリチウムを含有していない正極活物質を用いる場合、あらかじめ負極にリチウムイオンがドープした負極、リチウム金属またはリチウム金属合金を用いればよい。
（バインダー）
正極合剤層１８Ｂを構成する正極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、正極合剤層１８Ｂと正極集電体１８Ａとを接着するために、正極合剤層１８Ｂにはバインダーが含まれていることが好ましい。バインダーに要求される特性としては、耐酸化性があること、接着性が良いことが挙げられる。
正極合剤層１８Ｂを構成する正極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、正極合剤層１８Ｂと正極集電体１８Ａとを接着するために、正極合剤層１８Ｂにはバインダーが含まれていることが好ましい。バインダーに要求される特性としては、耐酸化性があること、接着性が良いことが挙げられる。
正極合剤層１８Ｂに用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアクリル酸（ＰＡ）およびその共重合体、ポリアクリル酸（ＰＡ）およびその共重合体の金属イオン架橋体、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン（ＰＰ）、無水マレイン酸をグラフト化したポリエチレン（ＰＥ）、または、これらの混合物などが挙げられる。これらの中でも、バインダーとしては、特にＰＶＤＦを用いることが好ましい。
正極合剤層１８Ｂにおける固体電解質の含有率は、特に限定されないが、正極活物質、固体電解質、導電助剤およびバインダーの質量の総和を基準にして、１体積％～５０体積％であることが好ましく、５体積％～３０体積％であることがより好ましい。
正極合剤層１８Ｂにおけるバインダーの含有率は、特に限定されないが、正極活物質、固体電解質、導電助剤およびバインダーの質量の総和を基準にして、１質量％～１５質量％であることが好ましく、３質量％～５質量％であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度の正極１８を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、一般的なバインダーは電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。
（導電助剤）
導電助剤は、正極合剤層１８Ｂの電子伝導性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス、鉄、アモルファス金属などの金属、ＩＴＯなどの伝導性酸化物、またはこれらの混合物が挙げられる。
前記導電助剤は、粉体、繊維の各形態であっても良い。
導電助剤は、正極合剤層１８Ｂの電子伝導性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス、鉄、アモルファス金属などの金属、ＩＴＯなどの伝導性酸化物、またはこれらの混合物が挙げられる。
前記導電助剤は、粉体、繊維の各形態であっても良い。
正極合剤層１８Ｂにおける導電助剤の含有率は、特に限定されないが、導電助剤を添加する場合には通常、正極活物質、固体電解質、導電助剤およびバインダーの質量の総和を基準にして、０．５質量％～２０質量％であることが好ましく、１質量％～５質量％とすることがより好ましい。
（負極）
図７に示すように、負極１４は、負極集電体１４Ａ上に、負極合剤層１４Ｂが設けられたものである。なお、負極集電体はなくても良い。
（負極集電体）
負極集電体１４Ａは、伝導性であれば良く、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属、または、伝導性樹脂箔を用いることができる。負極集電体１４Ａは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
（負極合剤層）
負極合剤層１４Ｂは、負極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダーおよび導電助剤を含む。
図７に示すように、負極１４は、負極集電体１４Ａ上に、負極合剤層１４Ｂが設けられたものである。なお、負極集電体はなくても良い。
（負極集電体）
負極集電体１４Ａは、伝導性であれば良く、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属、または、伝導性樹脂箔を用いることができる。負極集電体１４Ａは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。
（負極合剤層）
負極合剤層１４Ｂは、負極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、バインダーおよび導電助剤を含む。
（負極活物質）
負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵および放出、リチウムイオンの挿入および脱離を可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質を使用することができる。
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー（ＭＣＦ）、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体などの炭素材料、Ｓｉ、ＳｉＯｘ、Ｓｎ、アルミニウムなどのリチウムと化合できる金属、これらの合金、これら金属と炭素材料との複合材料、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、ＳｎＯ２などの酸化物、金属リチウム、金属リチウム合金などが挙げられる。
負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵および放出、リチウムイオンの挿入および脱離を可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質を使用することができる。
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー（ＭＣＦ）、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体などの炭素材料、Ｓｉ、ＳｉＯｘ、Ｓｎ、アルミニウムなどのリチウムと化合できる金属、これらの合金、これら金属と炭素材料との複合材料、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、ＳｎＯ２などの酸化物、金属リチウム、金属リチウム合金などが挙げられる。
（バインダー）
負極合剤層１４Ｂを構成する負極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、負極合剤層１４Ｂと負極集電体１４Ａとを接着するために、負極合剤層１４Ｂには、バインダーが含まれていることが好ましい。バインダーに要求される特性としては、耐還元性があること、接着性が良いことが挙げられる。
負極合剤層１４Ｂを構成する負極活物質と固体電解質と導電助剤とを相互に結合するとともに、負極合剤層１４Ｂと負極集電体１４Ａとを接着するために、負極合剤層１４Ｂには、バインダーが含まれていることが好ましい。バインダーに要求される特性としては、耐還元性があること、接着性が良いことが挙げられる。
負極合剤層１４Ｂに用いられるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはそのコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリル酸（ＰＡ）および共重合体、ポリアクリル酸（ＰＡ）および共重合体の金属イオン架橋体、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン（ＰＰ）、無水マレイン酸をグラフト化したポリエチレン（ＰＥ）、またはこれらの混合物などが挙げられる。これらの中でもバインダーとしては、ＳＢＲ、ＣＭＣ、ＰＶＤＦから選ばれる１種または２種以上を用いることが好ましい。
負極合剤層１４Ｂにおける固体電解質の含有率は、特に限定されないが、負極活物質、固体電解質、導電助剤およびバインダーの質量の総和を基準にして、１体積％～５０体積％であることが好ましく、５体積％～３０体積％であることがより好ましい。
負極合剤層１４Ｂにおけるバインダーの含有率は、特に限定されないが、負極活物質、導電助剤およびバインダーの質量の総和を基準にして、１質量％～１５質量％であることが好ましく、１．５質量％～１０質量％であることがより好ましい。バインダー量が少な過ぎると、十分な接着強度を有する負極１４を形成できなくなる傾向がある。逆にバインダー量が多過ぎると、バインダーは一般には電気化学的に不活性なので放電容量に寄与せず、十分な体積または質量エネルギー密度を得ることが困難となる傾向がある。
（導電助剤）
負極合剤層１４Ｂに含まれてもよい導電助剤としては、炭素材料など、正極合剤層１８Ｂに含まれてもよい上述した導電助剤と同様のものを用いることができる。
負極合剤層１４Ｂに含まれてもよい導電助剤としては、炭素材料など、正極合剤層１８Ｂに含まれてもよい上述した導電助剤と同様のものを用いることができる。
負極合剤層１４Ｂにおける導電助剤の含有率は、特に限定されないが、導電助剤を添加する場合には通常、負極活物質に対して０．５質量％～２０質量％であることが好ましく、１質量％～１２質量％とすることがより好ましい。
（電解質）
電解質は液体電解質（以降、電解質溶液と呼ぶ）であっても、固体電解質であっても良い。電解質溶液（図示せず）はボタン型電気化学素子１Ａの内部空間に充填され、その一部は、負極１４、正極１８、およびセパレータ１６の内部に含有されている。電解質溶液は、リチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解質溶液が使用される。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＣＯ）２等の塩が使用される。なお、これらの塩は１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。また、電解質溶液は、高分子等を添加することによりゲル状としてもよい。
電解質は液体電解質（以降、電解質溶液と呼ぶ）であっても、固体電解質であっても良い。電解質溶液（図示せず）はボタン型電気化学素子１Ａの内部空間に充填され、その一部は、負極１４、正極１８、およびセパレータ１６の内部に含有されている。電解質溶液は、リチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解質溶液が使用される。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＣＯ）２等の塩が使用される。なお、これらの塩は１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。また、電解質溶液は、高分子等を添加することによりゲル状としてもよい。
リチウム塩を溶解する有機溶媒は、例えば、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、ラクトン類、エステル類などの単独溶媒または混合溶媒を使用することができる。より具体的には、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、および、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。
固体電解質は、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ３．３ＰＯ３．８Ｎ０．２２（ＬＩＰＯＮと略記）、ＬｉＩ、Ｌｉ３Ｎ、Ｌｉ－β―アルミナ、Ｌｉ１．０７Ａｌ０．６９Ｔｉ１．４６（ＰＯ４）３、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ１．７（ＰＯ４）３、Ｌｉ０．３４Ｌａ０．５１ＴｉＯ２．９４、Ｌｉ９．５４Ｓｉ１．７４Ｐ１．４４Ｓ１１．７Ｃｌ０．３、Ｌｉ１０ＧｅＰ２Ｓ１２（ＬＧＰＳ）、Ｌｉ４ＧｅＳ４－Ｌｉ３ＰＳ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４－Ｌｉ３ＢＯ３、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｏ－ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ－Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ６ＰＳ５Ｃｌ、Ｌｉ６ＰＯ５Ｃｌ、Ｌｉ６ＰＯ５Ｂｒ、ＬｉＢＨ４－ＬｉＩ、Ｌｉ３ＹＣｌ６、Ｌｉ３ＹＢｒ６、Ｌｉ３ＳｃＣｌ６、Ｌｉ２ＺｒＣｌ６、Ｌｉ２ＺｒＯＣｌ４、Ｌｉ２Ｚｒ（ＣＯ３）Ｃｌ４、Ｌｉ２ＺｒＳＯ４Ｃｌ４、ＬｉＢＨ４、３ＬｉＢＨ４－ＬｉＩなどが挙げられる。
セパレータは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの微多孔膜または不織布が用いられる。
セパレータの機能は、正極と負極とが物理的に接触しないようにするためであるが、イオン伝導性はない。従って、セパレータにイオン伝導性を付与するために、セパレータに液体電解質または固体電解質を充填する。
図１に示されるように、ボタン型電気化学素子１Ａは外周縁部において巻締部２２Ａを備えている。ボタン型電気化学素子１Ａは、巻締部２２Ａにおいて、第２外装缶１０と第１外装缶１２がガスケット２０を介在させた状態で、先端部が巻締部２２Ａの内側に配置されるようにして巻回された構造を備えて圧接されることにより、気密に巻締め固定されて封口されている。このようにして、第２外装缶１０と第１外装缶１２は、ボタン型電気化学素子１Ａの発電要素をその内側空間に収納する電池ケースを構成している。
巻締部２２Ａにおいて、第２外装缶１０は、天井部１０１から連続してＲ部を経て下方に延伸する側面部１０２、側面部１０２から連続してＲ部を経て発電要素から離間する方向（図における右方向）に延伸する底面部１０３、底面部１０３から連続してＲ部を経て上方向に延伸する第１屈曲部１０４、第１屈曲部１０４から連続してＲ部を経て発電要素に近接する方向（図における左方向）に延伸する第２屈曲部１０５、および、第２屈曲部１０５に連続してＲ部を経て下方向に延伸して終端する第３屈曲部１０６を備える。巻締部２２Ａは発電要素の右端に接する側面部１０２の右側に接して配置される。側面部１０２、底面部１０３および屈曲部１０４～１０６は、第２外装缶１０の縁部を構成する。
また、巻締部２２Ａにおいて、第１外装缶１２は、ボタン型電気化学素子１Ａの底面となる底面部１２１を備えている。底面部１２１はボタン型電気化学素子１Ａの底部から発電要素から離間する方向（図における右方向）に延伸している。第１外装缶１２は、底面部１２１から連続してＲ部を経て上方に延伸する側壁縁部１２２、側壁縁部１２２から連続してＲ部を経て発電要素に近接する方向（図における左方向）に延伸する第１屈曲部１２３、第１屈曲部１２３から連続してＲ部を経て下方向に延伸して終端する第２屈曲部１２４を備える。側壁縁部１２２および屈曲部１２３，１２４は、第１外装缶１２の縁部を構成する。
底面部１０３と底面部１２１、第１屈曲部１０４と側壁縁部１２２、第２屈曲部１０５と第１屈曲部１２３、第３屈曲部１０６と第２屈曲部１２４は、ガスケット２０を介在させて対向している。第３屈曲部１０６の先端と第２屈曲部１２４の先端の位置は略一致している。また、第２屈曲部１２４と側面部１０２はガスケット２０を介在させて対向している。ガスケット２０は第１外装缶１２の底面部１２１に接する底部２０ａを備えている。底部２０ａは、底面部１０３と底面部１２１との間に挟まれている。
このように、ボタン型電気化学素子１Ａは、その周縁部においてガスケット２０を介して、第２外装缶１０の縁部と第１外装缶１２の縁部を巻締構造により封口した巻締部２２Ａを備えている。巻締部２２Ａにおいて、第２外装缶１０と第１外装缶１２とは、先端の位置を一致させた状態で巻回されており、第３屈曲部１０６と第２屈曲部１２４の積層部は、側壁縁部１２２と第１屈曲部１０４の積層部と、負極１４の側面に配置された側面部１０２との間に挟まれている。この状態を一重巻締構造と称する。
上記に説明したボタン型電気化学素子１Ａによれば、第２外装缶１０と第１外装缶１２が巻締構造により封口されているため、シール性に優れたボタン型電気化学素子を提供することができる。
（第２実施形態）
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂについて説明する。第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂが第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａと異なる点は、巻締部２２Ｂにおける巻締構造が二重巻締構造となっている点である。ボタン型電気化学素子１Ｂにおいて、巻締部２２Ｂは、第１実施形態の巻締部２２Ａに追加されて、第３屈曲部１０６を巻回するようにして、第２屈曲部１２４から連続してＲ部を経て発電要素から離間する方向（図における右方向）に延伸する第３屈曲部１２５、および、第３屈曲部１２５から連続してＲ部を経て上方向に延伸して終端する第４屈曲部１２６を備えている点である。側壁縁部１２２および屈曲部１２３～１２６は、第１外装缶１２の縁部を構成する。その他の構成は第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａと同様の構成を備えている。
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂについて説明する。第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂが第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａと異なる点は、巻締部２２Ｂにおける巻締構造が二重巻締構造となっている点である。ボタン型電気化学素子１Ｂにおいて、巻締部２２Ｂは、第１実施形態の巻締部２２Ａに追加されて、第３屈曲部１０６を巻回するようにして、第２屈曲部１２４から連続してＲ部を経て発電要素から離間する方向（図における右方向）に延伸する第３屈曲部１２５、および、第３屈曲部１２５から連続してＲ部を経て上方向に延伸して終端する第４屈曲部１２６を備えている点である。側壁縁部１２２および屈曲部１２３～１２６は、第１外装缶１２の縁部を構成する。その他の構成は第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａと同様の構成を備えている。
ここで、二重巻締構造とは、図６に示されるように、第１屈曲部１０４、第２屈曲部１０５、および第３屈曲部１０６で構成される断面コの字構造と、第２屈曲部１２４、第３屈曲部１２５、および第４屈曲部１２６で構成される断面コの字構造が、入れ子になって組み合わされた構造を意味するものとする。第２実施形態の巻締部２２Ｂの二重巻締構造では、第２屈曲部１２４に連続して設けられた第３屈曲部１２５および第４屈曲部１２６が第３屈曲部１０６の左右両側を取り巻くように配置された状態で巻締められる。このため、第１実施形態の巻締部２２Ａの一重巻締構造よりも、より強固に封口することが可能となる。このため、さらにシール性に優れたボタン型電気化学素子を提供することができる。
（第３実施形態）
次に、図３を参照して本発明の第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃについて説明する。ボタン型電気化学素子１Ｃにおいては、第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａ、および、第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂと異なり、ガスケット２０は第２外装缶１０と第１外装缶１２との間に配置され、第２外装缶１０と第１外装缶１２との間を絶縁している。ボタン型電気化学素子１Ｃにおいて、セパレータ１６の端部は第１外装缶１２の側壁縁部１２２に配置されている。負極１４の上部は第２外装缶１０の天井部１０１が接触して配置されている。負極１４の右端にはガスケット２０が配置されている。
次に、図３を参照して本発明の第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃについて説明する。ボタン型電気化学素子１Ｃにおいては、第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａ、および、第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂと異なり、ガスケット２０は第２外装缶１０と第１外装缶１２との間に配置され、第２外装缶１０と第１外装缶１２との間を絶縁している。ボタン型電気化学素子１Ｃにおいて、セパレータ１６の端部は第１外装缶１２の側壁縁部１２２に配置されている。負極１４の上部は第２外装缶１０の天井部１０１が接触して配置されている。負極１４の右端にはガスケット２０が配置されている。
負極１４の右端において、第１外装缶１２（側壁縁部１２２）と負極１４との間にガスケット２０が介在し、両者を絶縁している。ガスケット２０は、負極１４の右端部に配置している。ガスケット２０は、負極１４と第１外装缶１２との絶縁を図ればよいので、左右方向に延伸する底部がない。第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃの巻締部２２Ｃは、第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａと同様に一重巻締構造となっている。巻締部２２Ｃは電気化学要素の右端上部に配置される。巻締部２２Ｃが配置される下方に負極１４が配置しており、第１実施形態および第２実施形態の場合よりも、ボタン型電気化学素子の放電容量を大きくすることができる。巻締部２２Ｃの上面は第２外装缶１０の天井部１０１の上面に連続するように構成されているが、天井部１０１の上面高さ＞巻締部２２Ｃの上面高さであっても良い。
第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃによれば、第１実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａと同様の効果を奏する。また第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃによれば、ガスケット２０の底部がなく、巻締部２２Ｃが平面視で負極１４、正極１８および固体電解質またはセパレータ１６からなる発電要素と重なっていることから、その分、電気化学要素の電極体積を大きく構成することが可能となり、放電容量を大きくすることができる。
（第４実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第４実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｄについて説明する。第４実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｄにおいて、第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃと異なる点は、ボタン型電気化学素子１Ｄの巻締部２２Ｄが、第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂの巻締部２２Ｂと同様に、二重巻締構造となっている点である。その他の構成は第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃと同様の構成を備えている。
次に、図４を参照して、本発明の第４実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｄについて説明する。第４実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｄにおいて、第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃと異なる点は、ボタン型電気化学素子１Ｄの巻締部２２Ｄが、第２実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｂの巻締部２２Ｂと同様に、二重巻締構造となっている点である。その他の構成は第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｃと同様の構成を備えている。
第４実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ｄによれば、第１から第３実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａ、１Ｂ、および１Ｃと同様の効果を奏する。
（第１外装缶の各部の厚さによる効果）
次に、図５を参照して、第１外装缶１２の各部の厚さによるシール効果について説明する。ボタン型電気化学素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄの第１外装缶１２の各部の厚さを以下のように定義する。
側壁縁部１２２の厚さ ＝ｔ１
第２屈曲部１２４の厚さ＝ｔ２
第４屈曲部１２６の厚さ＝ｔ３
次に、図５を参照して、第１外装缶１２の各部の厚さによるシール効果について説明する。ボタン型電気化学素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄの第１外装缶１２の各部の厚さを以下のように定義する。
側壁縁部１２２の厚さ ＝ｔ１
第２屈曲部１２４の厚さ＝ｔ２
第４屈曲部１２６の厚さ＝ｔ３
ここでｔ１、ｔ２、ｔ３の厚さの関係を図５に示すように設定する。図５は、ボタン型電気化学素子１の６０℃、９０％の相対湿度での３０日保存後の容量保持率および初期放電容量を比較している。なお、容量維持率は下式（１）で定義する。
容量維持率（％）＝（初期放電容量―６０℃９０％相対湿度下３０日保管後の放電容量）／初期放電容量×１００ ・・・（１）
容量維持率（％）＝（初期放電容量―６０℃９０％相対湿度下３０日保管後の放電容量）／初期放電容量×１００ ・・・（１）
なお、電池の放電条件は１次電池の場合には、ＪＩＳ８５１５：２０１７を参考にすれば良い。これによるとＣＲ２０３２というボタン型電池の場合、放電負荷抵抗が１５ＫΩ、放電カットオフ電圧は２Ｖである。２次電池の場合には規格はなく、各２次電池において異なる条件での充放電条件となる。例えば、リチウムイオン２次電池の場合は、公称容量をＣ（ｍＡｈ）とした場合、０．５Ｃの電流値すなわち０．５Ｃ（ｍＡ）の充電電流で充電カットオフ電圧まで定電流充電を行い、前記充電カットオフ電圧において電流値が０．０５Ｃ（ｍＡ）になるまで定電圧充電を行ういわゆるＣＣＣＶ（定電流定電圧充電）を行い、放電は０．２Ｃ（ｍＡ）の放電電流で放電カットオフ電圧まで放電する。
図５の実施例１は第１実施形態のボタン型電気化学素子１Ａに対応している。実施例２は第２実施形態のボタン型電気化学素子１Ｂに対応している。実施例３は第３実施形態のボタン型電気化学素子１Ｃに対応している。実施例４は第４実施形態のボタン型電気化学素子１Ｄに対応している。比較例は一般的な加締め構造の場合を示している。全ての実施例において、６０℃９０％相対湿度下３０日保管後の容量維持率が大きく、シール性が向上した。
また、ガスケット２０の底部なし構造（実施例３および４）の場合では電気化学要素の電極体積を大きくすることができたため放電容量が大きくなった。
さらに、ｔ１＞ｔ２である実施例１の変形例において、放電容量が実施例１に比較して増加した。これは、ｔ１＞ｔ２とすることで電気化学要素の電極体積を大きくすることができたため放電容量が大きくなった。
さらに、ｔ１＞ｔ２である実施例１の変形例において、放電容量が実施例１に比較して増加した。これは、ｔ１＞ｔ２とすることで電気化学要素の電極体積を大きくすることができたため放電容量が大きくなった。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上述した第１から第４実施形態にかかるボタン型電気化学素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄにおいて、負極１４と正極１８とを入れ替えてもよい。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ボタン型電気化学素子
１０ 第２外装缶
１０１ 天井部
１０２ 側面部
１０３ 底面部
１０４ 第１屈曲部
１０５ 第２屈曲部
１０６ 第３屈曲部
１２ 第１外装缶
１２ａ 上面
１２１ 底面部
１２２ 側壁縁部
１２３ 第１屈曲部
１２４ 第２屈曲部
１２５ 第３屈曲部
１２６ 第４屈曲部
１４ 負極
１４Ａ 負極集電体
１４Ｂ 負極合剤層
１６ 固体電解質またはセパレータ
１８ 正極
１８Ａ 正極集電体
１８Ｂ 正極合剤層
２０ ガスケット
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ 巻締部
１０ 第２外装缶
１０１ 天井部
１０２ 側面部
１０３ 底面部
１０４ 第１屈曲部
１０５ 第２屈曲部
１０６ 第３屈曲部
１２ 第１外装缶
１２ａ 上面
１２１ 底面部
１２２ 側壁縁部
１２３ 第１屈曲部
１２４ 第２屈曲部
１２５ 第３屈曲部
１２６ 第４屈曲部
１４ 負極
１４Ａ 負極集電体
１４Ｂ 負極合剤層
１６ 固体電解質またはセパレータ
１８ 正極
１８Ａ 正極集電体
１８Ｂ 正極合剤層
２０ ガスケット
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ 巻締部
Claims (3)
- 正負いずれかの電極端子を構成する有底筒状の第１外装缶と、他方の電極端子を構成する第２外装缶によって構成された電池ケースと、
前記電池ケースの内壁面に沿って、前記第１外装缶と前記第２外装缶の間に配置されるガスケットと、
前記電池ケースの内側空間内に収容される電気化学要素と、を備え、
前記第１外装缶の縁部と前記第２外装缶の縁部を、前記ガスケットを介して封口する構造が巻締構造であるボタン型電気化学素子。 - 側壁縁部１２２の厚さｔ１＞第２屈曲部１２４の厚さｔ２、第４屈曲部１２６の厚さｔ３である請求項１に記載のボタン型電気化学素子。
- 前記巻締構造を有する巻締部は、平面視で前記電気化学要素と重なることを特徴とする請求項１または２に記載のボタン型電気化学素子。
Priority Applications (1)
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| JP2020163051A JP2022055562A (ja) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | ボタン型電気化学素子 |
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- 2020-09-29 JP JP2020163051A patent/JP2022055562A/ja active Pending
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