JP3533117B2 - フィルム外装電池の製造方法 - Google Patents

フィルム外装電池の製造方法

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JP3533117B2 JP20940199A JP20940199A JP3533117B2 JP 3533117 B2 JP3533117 B2 JP 3533117B2 JP 20940199 A JP20940199 A JP 20940199A JP 20940199 A JP20940199 A JP 20940199A JP 3533117 B2 JP3533117 B2 JP 3533117B2
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極、負極および
セパレーターを含む発電要素を熱融着性フィルムで外装
したフィルム外装電池の製造方法に関し、詳しくは繰り
返し使用による充放電によっても変形が少なく安定性に
優れたフィルム外装電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ノート型パソコン、携帯電話などの急速
な市場拡大に伴い、これらに用いられる高出力で安定性
に優れた電池への要求が高まっている。この要求に応え
るために、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷
電担体としてその電荷授受に伴う電気化学反応を利用し
た二次電池が開発されている。このような二次電池では
陽極及び負極の活物質層を多孔質フィルムからなるセパ
レーターで隔絶し、巻回もしくは積層して金属缶等に封
入して電池を構成している。
【0003】また、各種電子機器に効率的に搭載できる
角型の二次電池も開発されている。この角型電池は電極
/セパレーター層を扁平に巻回した後、平板を用いて加
圧成形し、角型の金属缶に封入して形成されている。し
かし、近年の電子機器の小型化、軽量化への要求は外装
材にも及び、パッケージの薄型化や軽量化も求められて
いる中で、金属缶で外装した電池では自立した缶の厚さ
が必要なために重量が大きく、また、缶の成形上の問題
から4mm以下の薄型化も難しいため、このような要求
に答えることは難しかった。
【0004】そこで、熱融着性フィルムによる外装が検
討されている。このフィルムはアルミニウム等の金属箔
の外面にナイロンやポリエステル等の力学的強度の大き
な樹脂を、内面にポリエチレンやポリプロピレン等の熱
融着性に優れ、化学的にも安定な樹脂を配置したもので
ある。そして内部に正極および負極の活物質層を多孔質
フィルムからなるセパレーターで隔絶し、巻回もしくは
積層して構成した電池を入れ、内面どうしを重ね合わ
せ、熱融着することで電池を製造する。
【0005】しかしながら、熱融着性フィルムで外装し
た電池では金属缶ケースに比べてフィルム自体で発電要
素の変形を抑える力が無く、僅かな発電要素の膨張や内
圧の上昇でも変形が引き起こされるという問題点があっ
た。一般に、エネルギー密度や容量、電流密度、インピ
ーダンス、サイクル寿命等の電池の特性は、正極活物質
と負極活物質とが、セパレーターを介して密接、かつ均
一に接していることが重要である。そのため、発電要素
の膨張や変形が生じると、インピーダンスが上昇し、放
電容量が低下したり、充放電のサイクル特性が劣化した
りする。
【0006】この問題に対し、例えば特開平5−182
649号公報には、熱融着性フィルム内を大気圧以下に
保持することで正極、負極、電解質、セパレーターから
なる発電要素の密接性を維持し、変形を抑制する方法が
開示されている。しかし、熱融着フィルム内を大気圧以
下に保持しても、発電要素を押さえる力は高々1気圧で
あるために変形を防止するには不十分であり、また、ガ
ス発生等によって内圧が上昇した場合にも効果はなくな
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題点を解決するためになされたもので、充放電による
変形が少なく内圧が上昇した場合にも電池の変形や破壊
の可能性が小さい安定性に優れ、特に薄型軽量のものに
適したフィルム外装電池の簡便な製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、正極、負極、
電解質およびセパレーターを少なくとも含む発電要素を
フィルムで外装したフィルム外装電池の製造方法におい
て、前記発電要素をフィルムで外装した後、圧力を加え
ながら充電する予備充電工程を少なくとも1回含むこと
を特徴とするフィルム外装電池の製造方法に関する。
【0009】本発明者らの検討によれば、発電要素を熱
融着性フィルムで外装した後に、少なくとも1回以上圧
力を加えながら充電すると、その後の使用による充放電
による変形が少ないことが判った。これは、本発明の方
法で製造したフィルム外装電池は充電に伴う内部歪みが
電池全体で平均化され、それ以降の充放電においても変
形が抑えられていると考えられる。このため、発電要素
の変形に起因する集電体と電極層、あるいは電極層とセ
パレーターの剥離やセパレーターの破壊、およびそれら
の結果として生ずるインピーダンスの上昇、容量や充放
電効率の低下、内部短絡等の可能性を低減することがで
きる。
【0010】このように本発明によれば、使用によって
内圧が上昇した場合にも電池の変形や破壊の可能性が小
さい安定性、安全性に優れたフィルム外装電池を簡便に
製造することができる。本発明の製造方法は、特に薄型
軽量の電池を製造するときに極めて効果的に用いられ
る。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明において、発電要素は、正
極、負極およびセパレーターを含み、それぞれ二次電池
の構成として従来公知の材料が用いられる。
【0012】例えば、正極としては放電時に正イオンを
吸収するもの、もしくは負イオンを放出するものであれ
ば特に限定されず、LiMnO2、LiMn24、Li
CoO2、LiNiO2等の金属酸化物やポリアセチレ
ン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポ
リパラフェニレン等の導電性高分子やその誘導体、ジス
ルフィド化合物等の二次電池の正極材料として従来公知
のものが使用できる。
【0013】また、負極としては、カチオンを吸蔵・放
出可能な材料であれば特に限定されず、天然黒鉛、石炭
・石油ピッチ等を高温で熱処理して得られる黒鉛化炭素
等の結晶質カーボン、石炭、石油ピッチコークス、アセ
チレンピッチコークス等を熱処理して得られる非晶質カ
ーボン、金属リチウムやAlLi等のリチウム合金な
ど、二次電池の負極活物質として従来公知のものが使用
できる。
【0014】さらに本発明では電極を形成する際に、こ
れらの電極活物質を適当な結着剤や機能性材料と混合
し、電極層を形成することもできる。この結着剤として
はポリフッ化ビニリデン等のハロゲン含有高分子等が用
いられ、また機能性材料としては電子伝導性を確保する
ためのアセチレンブラックやポリピロール、ポリアニリ
ン等の導電性高分子、イオン伝導性を確保するための高
分子電解質、それらの複合体等が挙げられる。
【0015】本発明では集電体は特に限定されないが、
例えば導電率が高く、展性に優れた金属箔または金属メ
ッシュ等が用いられる。このような集電体としては、例
えば正極の場合はアルミニウム箔、負極の場合は銅箔が
好ましく、厚さは、例えば5〜50μmである。これら
の集電体に対して活物質が結着剤によって接着されてい
る。
【0016】本発明の発電要素に含まれる電解質は、例
えば電解質溶液、高分子固体電解質、および高分子ゲル
電解質等の二次電池の電解質として従来公知の材料を用
いることができる。電解質中に含まれる電解質塩として
はClO4 -、BF4 -、PF6 -、CF3SO3 -、(CF3
22-、(C25SO22-、(CF3SO2
3-、(C25SO23-等のハロゲン含有化合物ア
ニオンのLi、K、Na等のアルカリ金属塩が挙げられ
る。これらの電解質塩は、単独または複数組み合わせて
用いることができる。
【0017】電解質溶液としては、エチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、
ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジ
エチルカーボネート、アセトニトリル、ジメトキシエタ
ン、スルホラン、テトラヒドロフラン、γ−ブチロラク
トン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムア
ミド等の非水系溶媒に、上記の電解質塩を溶解した溶液
が挙げられる。
【0018】高分子固体電解質としては、上記の電解質
塩を含むポリエチレンオキシドおよびポリプロピレンオ
キシド等のポリエーテル系高分子を挙げることができ
る。
【0019】また、高分子ゲル電解質としては、上記の
電解質塩と、前述の電解質溶液に使用可能な非水系溶媒
として列挙したような溶媒を、ポリフッ化ビニリデン、
ポリヘキサフルオロプロピレンおよびポリテトラフルオ
ロエチレン等のフッ素系ポリマー;ポリメチルメタクリ
レート、ポリメチルアクリレート等のアクリレート系ポ
リマー;ポリアクリロニトリル等の高分子に含ませたも
のを挙げることができる。これらの溶媒または高分子
は、単独で、あるいは複数組み合わせて用いることがで
きる。特に高分子は共重合等によって複合化したものを
用いることもできる。
【0020】また本発明で用いられる多孔質セパレータ
は、一般的にはマイクロポーラスセパレータを用いる
が、本発明の効果が得られれば織布、不織布を用いるこ
ともできる。マイクロポーラスセパレータとしては、例
えば孔径0.1〜5μm、空孔率30〜70%、厚さ1
〜50μmのものを用いることができる。セパレータの
材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフ
ィン系樹脂、ポリエステルなどを用いることができる。
【0021】本発明において、発電要素の形状は特に制
限はなく、円筒形であってもよいが、薄型・軽量化のた
めと封口のしやすさ等の理由から平板な形状が好まし
く、図1に示したように角形のものが好ましい。角形に
は、セパレータを挟んで正極と負極を多数積層した積層
型、正極、負極およびセパレータを巻き回した巻回型等
が含まれる。
【0022】本発明により製造される電池は、このよう
な発電要素をフィルムで外装した薄型軽量の電池であ
る。外装に用いられるフィルムとしては、発電要素を中
に入れてから周囲を封じることができるものが好まし
く、少なくとも封着部分が熱融着できるフィルムが好ま
しい。例えば、フィルム全体をポリエチレンおよびポリ
プロピレン等のポリオレフィン系樹脂等からなる熱融着
性フィルムで形成しても、フィルムを必要により多層構
造にして最内層を熱融着性の樹脂層としてもよい。この
ような多層フィルムの好ましいものとしては、表面保護
層、中間金属層、熱融着層の少なくとも3層からなり、
表面保護層には熱融着温度で溶融しない樹脂、例えばポ
リエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリイミド等の
樹脂層が用いられる。また、中間金属層は、クラックま
たはピンホール等が少なく、各種ガスを透過しない金
属、例えばアルミニウム、ニッケル、金等の箔を用いる
ことが好ましい。本発明では中間金属層の厚みは特に限
定されないが、あまり薄くなるとピンホールが発生しや
すくなるので、一般には0.015〜0.1mmの範囲
で用いる。熱融着層としては、電解質溶液に侵され難
く、熱可塑性であって150〜250℃の範囲で熱融着
できるものであれば特に限定されず、ポリエチレンおよ
びポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリイミ
ド樹脂、アイオノマー等が用いられる。
【0023】また、本発明では接着剤層を用いたり金属
箔の表面修飾処理を行って熱可塑性樹脂フィルムと金属
箔との接着力を上げることもできる。
【0024】次に、本発明の製造方法の1例を図面を参
照しながら説明する。
【0025】この例では、図1、図2に示すように、ま
ず正極4、負極5およびセパレーター6を含む発電要素
1を外装フィルム2で外装し、周囲(熱融着領域4)を
熱融着する。そのとき正極4および負極5から外部に外
部引き出し電極3a、3bがそれぞれ引き出されるよう
にする。
【0026】本発明の予備充電工程では、このように形
成した充電前の電池に圧力を加えながら充電する。
【0027】その1例を図3に示す。この方法では発電
要素を外装フィルムで外装した電池(充電前)7を、対
向する2枚の平板8で挟み、その平板にバネ9を介して
圧力を加えながら、外部引き出し電極に定電流・定電圧
で充電を行う。
【0028】電池(充電前)を挟む平板に使用される材
質は特に限定されず、金属、ガラス、プラスチック等の
平板が用いられるが、端子とのショートの可能性を低減
する観点から絶縁性のガラス、プラスチック、およびプ
ラスチックで被覆した金属板等が好ましい。また、本発
明ではこれらの平板の厚さおよび形状は特に限定され
ず、発電要素の形状または変形しようとする力に対応し
て適宜選択することができる。
【0029】本発明で電池に加える圧力は、電池の容量
および形状等によって選択できる。充電時の発電要素の
変形を抑えるのに十分で、しかも発電要素内のセパレー
ターを破壊しない範囲で行われる。一般に、発電要素の
変形がし易いものについては大きな圧力を加えるのが好
ましく、例えば電極の積層数が多い電池ほど大きな圧力
を適用する。発電要素の変形を抑えるためには、通常、
0.05MPa以上の圧力が必要であり、また10MP
a以下が好ましい。
【0030】具体的な圧力としては、発電要素の変形が
少ない例えば携帯電話等に使用される容量600mAh
でサイズ30×60mm程度の電池では、0.05MP
a〜1MPaの圧力範囲が好ましい。また、発電要素の
変形し易い例えばノート型パソコン等に使用される容量
1600mAhでサイズ35×65mm程度の電池で
は、0.5MPa〜10MPaの圧力範囲が好ましい。
【0031】また、充電している間に、発電要素に過剰
な圧力がかかり、その結果電極層やセパレーターが破壊
することのないように、過剰な圧力の上昇に対して緩和
できる手段を設けておくことが好ましい。例えば、電池
が膨張しても過剰な圧力が加わらないように平板間の隙
間は固定されていないことが望ましく、そのためには、
平板と圧力発生装置の間に、油圧シリンダー、バネ等の
ように弾性体を介在させておくことが好ましい。
【0032】予備充電工程における加圧方法として、こ
のような平板を用いる方法の他にも、静水圧を利用する
方法でもよい。即ち、流体を用いて電池に対して流体と
の界面から垂直方向に圧力をかける方法である。例え
ば、充電前の電池を圧力容器等の中に入れて液体や気体
を充填し、加圧することによって行うことができる。加
える圧力は、このような他の方法の場合でも、平板を用
いるときと同様であり、電池の容量/形状等によって適
宜変更することができるが、変形を抑えることができる
だけの圧力を用いることが必要であり、0.05MPa
以上が好ましい。また、同時に、発電要素内のセパレー
ターをつぶさない程度の圧力であることが必要である。
例えば携帯電話等に使用される容量600mAhでサイ
ズ30×60mm程度での電池では、同様に0.05M
Pa〜1MPaの範囲の圧力範囲で行われる。静水圧を
かけるために用いる液体は電池を製造する温度で安定な
液体であれば特に限定されないが、実施の容易さから、
シリコンオイル、超純水等の絶縁性液体が好ましい。そ
して、このような液体中に浸漬し静水圧を加えながら、
外部引き出し電極に対して所定の電流・電圧を供給して
充電すればよい。
【0033】
【実施例】以下、本発明の詳細について実施例を用いて
具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではない。
【0034】<実施例1>平均粒径5μmのコバルト酸
リチウム、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデ
ン、N―メチル−2−ピロリドンを10:1:1:30
の重量比で混合、分散した。これをワイヤーバーを用い
てアルミ箔の片面に均一に塗布し、100℃で2時間真
空乾燥させ、溶媒を除去した。得られた薄層を、適当な
大きさとなるようにカットして約25mAhの容量を持
つ正極層を作製した。この正極層に厚さ25μm、空孔
率50%のポリエチレン製セパレーターフィルムを積層
した。さらに、その上にポリフッ化ビニリデン、N―メ
チル−2−ピロリドン(以下、NMP)、粉末石油コー
クス、及びアセチレンブラックを1:30:20:1の
重量比で混合したスラリーを流延し、ワイヤーバーによ
って均一に成形して、100℃で2時間真空乾燥して負
極層とした。次に、集電体として正極のアルミ箔と同じ
面積の銅箔を負極層の上に載せ、巻回してリード端子を
接続し、リチウムイオン二次電池の電極積層体とした。
【0035】その後、厚さ25μmのアルミニウム箔の
表裏に、表面保護層としてナイロンフィルム、熱融着層
としてポリプロピレンフィルム積層したラミネートフィ
ルムで前記電極積層体を挟み、外周から1cmの範囲で
200℃のヒーターバーを圧着し、熱融着を行った。こ
のとき、最後の辺を封口する前に電解質塩としてLiP
6を含むエチレンカーボネート−プロピレンカーボネ
ート混合溶液(混合比50/50)からなる電解質溶液
を含浸させて、予備充電前の薄型電池を得た。
【0036】このようにして組み立てた薄型電池(充電
前)に対して、平板を用いて電池の両面に1kg/cm
2の圧力を加えながら、112mAの定電流で4.2V
まで充電し、次に4.2Vの一定電圧で合計10時間の
充電を実施し、薄型電池を完成させた。
【0037】得られた薄型電池の充放電試験を行ったと
ころ、初期放電容量は685mAhで設計値通りであ
り、150サイクル後の放電容量も625mAと、10
%の低下に抑えることができた。また、電池の厚さも1
0サイクル後で5%増と、安定性に優れたものであるこ
とがわかった。
【0038】<実施例2>スピネル構造を持つマンガン
酸リチウム粉末、炭素質導電性付与材、およびポリフッ
化ビニリデンを90:5:5の重量比でNMPに混合分
散、攪拌してスラリーとした。NMPの量はスラリーが
適当な粘度になるように調整した。このスラリーをドク
ターブレードを用いて、正極集電体となる厚さ20μm
のアルミニウム箔の片面に均一に塗布し、100℃で2
時間真空乾燥させた。同様にもう一方の面にもスラリー
を塗布し、真空乾燥させた。このシートをロールプレス
し、正極用活物質層を形成した。
【0039】次に、アモルファスカーボン粉末、ポリフ
ッ化ビニリデンを91:9の重量比でNMPに混合、分
散、攪拌してスラリーとした。NMPの量はスラリーが
適当な粘度になるように調整した。このスラリーをドク
ターブレードを用いて、負極集電体となる厚さ10μm
の銅箔の片面に均一に塗布し、100℃2時間真空乾燥
した。このとき負極層の単位面積あたりの理論容量と正
極層の単位面積あたりの理論容量を1:1となるように
調整した。同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し真
空乾燥した。このシートをロールプレスし、負極集電体
の両面に接着した負極活物質層を形成した。
【0040】これらの正極と負極の間にポリプロピレン
/ポリエチレン/ポリプロピレンの3層構造を持つマイ
クロポーラスセパレーター(ヘキストセラニーズ社製、
セルガード2300)を挟み、正極/セパレーター/負
極を一体としてワインディングし、電極積層体を形成し
た。
【0041】この電極積層体を実施例1と同様にして電
解液を注入しフィルムで外装して充電前の薄型電池を得
た。
【0042】組み立てた薄型電池に対して、平板を用い
てその両面に1kg/cm2の圧力を加えながら、11
2mAの定電流で4.2Vまで充電し、次に4.2Vの
一定電圧で合計10時間の充電を実施して薄型電池を完
成した。
【0043】得られた薄型電池の充放電試験を行ったと
ころ、図4に示すように、初期放電容量は設計値通りの
645mAhであり、150サイクル後の放電容量も5
89mAと、10%の低下に抑えることができた。ま
た、電池の厚さも図5に示すように10サイクル後で5
%増であり、安定性に優れていることがわかった。
【0044】<比較例1>実施例2において、予備充電
する前の電池を試料とし、この薄型電池に対して圧力を
加えることなく、充放電試験を行った。図4に示すよう
に初期容量が400mAhと設計値の60%に低下し、
さらに150サイクル後の容量も330mAhとなっ
た。また、電池の厚さも図5に示すように、10サイク
ル後に15%増加した。充放電による変形が不均一であ
るため、密着面の剥離等が生じていることによると考え
られる。
【0045】尚、発電要素をフィルムで外装した薄型電
池に対して圧力を加えながら充電する工程を含むことを
特徴とする薄型電池の製造方法は、二次電池の製造の他
にも電圧または電流を印加する際に変形等が生じる可能
性のある分野において応用が可能であり、電気二重層コ
ンデンサ、電解コンデンサ、各種センサー等の製造方法
においても、圧力を加えながら電圧または電流を印加し
て形成することで安定性の優れた製品を製造することが
できる。
【0046】
【発明の効果】本発明によれば、使用によって内圧が上
昇した場合にも電池の変形や破壊の可能性が小さく、諸
特性の劣化、特にサイクル特性の劣化の少ない安定性、
安全性に優れたフィルム外装電池を簡便に製造すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電要素を熱融着フィルムで外装した様子を示
す図である。
【図2】発電要素を熱融着フィルムで外装した様子を示
す断面図である。
【図3】予備充電の際に、電池の両面から圧力を加えな
がら充電している状態を示す図である。
【図4】本発明の製造方法で得られた電池と従来の電池
の、放電容量の繰り返しサイクル特性を示すグラフであ
る。
【図5】本発明の製造方法で得られた電池と従来の電池
の、厚さの繰り返しサイクル数依存性を比較して示すグ
ラフである。
【符号の説明】
1 フィルム外装電池電池素子 2 外装フィルム 3a、3b 外部引き出し電極 4 正極 5 負極 6 セパレーター 7 電池(充電前) 8 平板 9 バネ
フロントページの続き (72)発明者 大山 宣英 神奈川県横浜市港北区新横浜2丁目5番 5号 エヌイーシーモリエナジー株式会 社内 (72)発明者 白方 雅人 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 粂内 友一 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平11−144715(JP,A) 特開 平5−82126(JP,A) 特開 平8−153542(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/04 H01M 10/40

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極、負極、電解質およびセパレーター
    を少なくとも含む発電要素をフィルムで外装したフィル
    ム外装電池の製造方法において、前記発電要素をフィルムで外装した後、 圧力を加えなが
    ら充電する予備充電工程を少なくとも1回含むことを特
    徴とするフィルム外装電池の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記予備充電工程において圧力を加える
    方法が、対向する2枚の平板の間に電池を挟んで両側か
    ら圧力を加える方法であることを特徴とする請求項1記
    載のフィルム外装電池の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記の対向する2枚の平板の間に電池を
    挟んで両側から圧力を加える際に、電池を挟んだ平板に
    対して弾性体を介して圧力を加えることを特徴とする請
    求項2記載のフィルム外装電池の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記予備充電工程において圧力を加える
    方法が、静水圧を利用する方法であることを特徴とする
    請求項1記載のフィルム外装電池の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記静水圧を利用する方法が、予備充電
    前の電池を絶縁性の液体の中に入れて圧力を加えること
    を特徴とする請求項4記載のフィルム外装電池の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 前記予備充電工程において加える圧力
    が、0.05MPa以上であることを特徴とする請求項
    1〜5のいずれかに記載のフィルム外装電池の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 前記正極と負極がセパレーターを介して
    巻回したものであることを特徴とする請求項1〜5のい
    ずれかに記載のフィルム外装電池の製造方法。
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