JP3966602B2

JP3966602B2 - ポリマー電解質電池

Info

Publication number: JP3966602B2
Application number: JP07324398A
Authority: JP
Inventors: 徹夫川合; 修石田
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JPH11260343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー電解質電池に関し、さらに詳しくは、特に携帯用機器、電気自動車、ロードレベリングなどに使用するのに適したポリマー電解質電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シート状の電解質を用いることにより、Ａ４版、Ｂ５版などの大面積でしかも薄形の電池の作製が可能になり、各種薄形製品への適用が可能になって、電池の使用範囲が大きく広がっている。特にポリマー電解質を用いた電池は、耐漏液性を含めた安全性、貯蔵性が優れており、しかも薄く、フレキシブルなため、機器の形状に合わせた電池を設計できるという、今までの電池にない特徴を持っている。
【０００３】
このポリマー電解質電池は、通常、アルミニウムフィルムを芯材にしたラミネートフィルムを外装体に用い、薄いシート状の電極とシート状のポリマー電解質層とを組み合わせて、薄形電池に仕上げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このポリマー電解質電池では、電極に薄形にするため金属箔を集電体に用いていて、正極の集電体にはアルミニウム箔を用い、負極の集電体には銅箔を用いている。そして、電池の外部端子、つまり、正極端子や負極端子としては、使用機器との接続の都合上、通常、ニッケルの箔またはリボンが用いられている。
【０００５】
これら電極と外部端子との電気的接続は、通常、正極作製時にアルミニウム箔の一部に正極合剤層を形成せずにアルミニウム箔の露出部を残し、そこを外部端子としての正極端子との接続部分にするか、または上記アルミニウム箔の露出部にアルミニウム製のリード体を超音波溶接などで接続し、そのアルミニウム製のリード体の自由端側を外部端子としての正極端子との接続部分にし、負極側では負極作製時に銅箔の一部に負極合剤層を形成せずに銅箔の露出部を残し、そこを外部端子としての負極端子との接続部分にするか、または上記銅箔の露出部に接続した銅製のリード体の自由端側を外部端子としての負極端子との接続部分にしている。
【０００６】
しかし、正極側におけるアルミニウムとニッケルとの溶接は、非常に難しく、通常、抵抗溶接、超音波溶接などで溶接が行われているが、強度が低く、しかもニッケルとアルミニウムとではその間に電解液が介在するとアルミニウムの腐食が生じるという問題があった。
【０００７】
従って、本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、アルミニウム箔などと外部端子としての正極端子との接続強度の低下や腐食に基づく電池特性の低下を抑制し、信頼性の高いポリマー電解質電池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、正極のアルミニウム箔または該アルミニウム箔に接続したアルミニウム製のリード体と正極端子との接続を外装体のシール部分で行うことにより、上記課題を解決したものである。
【０００９】
すなわち、上記の構成にすることにより、アルミニウム箔または該アルミニウム箔に接続したアルミニウム製のリード体と正極端子との接続部分は外装体のシール部分で押さえられるようになるので、それらの接続強度は補強され、また正極端子にニッケル系のものを用いていても、その接続部分が外装体のシール部分内にあるので、電解液が上記接続部分に接触することがなく、従って、アルミニウムの腐食が生じない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明において、正極の集電体として用いるアルミニウム箔は、正極の厚みを薄くする関係上、厚みが２０μｍ以下のものが好ましく、本発明では、そのように薄いものであっても、その露出部が外装体のシール部分より外部に出ないので、破損するおそれが少ない。ただし、あまりにも薄すぎると、正極の作製にあたって、正極合剤ペーストを塗布した際に皺が発生したり、引っ張りにより破れが生じるおそれがあるので、その厚みは上記のように２０μｍ以下で１０μｍ以上が好ましい。なお、負極の集電体として用いる銅箔は、厚みが５〜２０μｍのものが好ましい。
【００１１】
外部端子としての正極端子には、使用機器との接続の容易さなどの関係から、ニッケルまたはニッケルメッキをした鉄、銅、ステンレス鋼などの金属の箔やリボンなどが好ましく、その厚みは５０〜２００μｍが好ましい。すなわち、それらの厚みを５０μｍ以上にすることによって、正極端子の溶接時の切断の防止、引っ張り、折り曲げによる断裂の防止を図ることができ、また、厚みを２００μｍ以下にすることによって、シール部分に隙間が生じたり、電池の総厚が厚くなりすぎて薄形電池としての特徴を失なうのを防止することができる。
【００１２】
また、アルミニウム製のリード体を用いて正極端子と接続する場合は、このアルミニウム製のリード体の厚さは、上記正極端子の場合と同様に、５０〜２００μｍが好ましい。このようなリード体は、特に正極のアルミニウム箔が薄く、強度面で直接外部端子としての正極端子と接続するのに好ましくない場合に、用いることが好ましい。
【００１３】
上記アルミニウム箔または該アルミニウム箔に接続したアルミニウム製のリード体と正極端子との接続方法としては、たとえば、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接、ハンダ、カシメ、導電性接着剤による方法など、各種の方法を採用することができるが、特に溶接が適している。
【００１４】
外装体としては、たとえば、ポリエステルフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムからなる三層構造のラミネートフィルムなどが用いられ、そのシール部分の幅は、広いほど強度面からは有利であるが、外装体のシール部分の幅を広くすると、外装体が大きくなり、電池の体積や重量が増加して、小型化への妨げとなり、また、外装体の大きさを変えずにシール部分の幅を広くすると、それにあわせて電極を小さくしなければならず、高容量化への妨げとなるので、シール部分の幅は溶接などの接続部分の中心から両側にそれぞれ１ｍｍ以上で５ｍｍ程度までにするのが好ましい。
【００１５】
本発明においては、正極の集電体であるアルミニウム箔と外部端子としての正極端子との接続に関する問題点を解決するための手段を提供することを目的としていて、負極の集電体である銅箔と外部端子としての負極端子との接続に関して特に言及していないが、これは銅箔と負極端子との接続には正極側におけるような溶接強度や腐食面での問題が生じないからである。ただし、負極の銅箔と負極端子との接続に関して、正極のアルミニウム箔または該アルミニウム箔に接続したアルミニウム製のリード体と正極端子との接続に関する場合と同様の手段を採用してもよいことはもちろんである。
【００１６】
【実施例】
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、以下においては、正極の集電体としてのアルミニウム箔と正極端子との溶接位置を変えて実施例および比較例を説明していくが、それらの説明に先立って正極、負極およびポリマー電解質層の作製について説明する。
【００１７】
正極の作製：
正極活物質であるＬｉＣｏＯ₂５０重量部、電導助剤であるアセチレンブラック１０重量部、バインダであるポリフッ化ビニリデン１０重量部を均一になるように混合し、さらに電解液４０重量部を加えて混合し、ペースト状の正極合剤を調製した。上記電解液はプロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒にＬｉＰＦ₆を１．２２モル／リットル溶解させたものである。そして、上記のように調製したペースト状の正極合剤を集電体となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔の一方の面に塗布し、加熱してゲル化させることによりアルミニウム箔上にゲル状の正極合剤層を形成して、シート状の正極を作製した。ただし、上記正極の作製にあたっては、アルミニウム箔の一部にペースト状の正極合剤を塗布せずにアルミニウム箔の露出部を残し、その露出部を外部端子としての正極端子との接続部分とした。
【００１８】
負極の作製：
負極活物質である黒鉛４０重量部とポリフッ化ビニリデン５重量部と上記正極に用いたものと同様の電解液５５重量部を混合して、ペースト状の負極合剤を調製し、このペースト状の負極合剤を集電体となる銅箔の一方の面に塗布し、加熱してゲル化させることにより銅箔上にゲル状の負極合剤層を形成して、シート状の負極を作製した。ただし、上記負極の作製にあたっても、銅箔の一部にペースト状の負極合剤を塗布せずに、銅箔の露出部を残し、その露出部を外部端子として負極端子との接続部分とした。
【００１９】
ポリマー電解質層の作製：
厚さ７０μｍのポリオレフィン不織布を支持体とし、この不織布に３種類のアクリル系モノマー混合物１５重量部とその重合開始剤である過酸化ベンゾイル０．７５重量部と前記同様の電解液８５重量部とを混合した溶液を含浸させ、加熱してモノマーを重合させるとともに全体をゲル化して、シート状のゲル状ポリマー電解質層を作製した。上記アクリル系モノマー混合物は２−エトキシエチルアクリレートとトリエチレングリコールジメタクリレートとエチレングリコールエチルカーボネートメタクリレートとを重量比５０：１３：３３の割合で混合したものである。
【００２０】
このポリマー電解質層を上記正極と負極との間に配置し、圧着してユニットセルを構成し、該ユニットセルを外装する外装体としてポリエステルフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムからなる三層構造のラミネートフィルムを準備した。
【００２１】
実施例１
正極端子、負極端子とも厚さ１００μｍのニッケルリボンを用い、上記ユニットセルを外装体で外装する際に該外装体のシール部分になる位置で、正極のアルミニウム箔と上記ニッケルリボンからなる正極端子とを超音波溶接機を用い、溶接時間７５ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ²、アンプリチュード６０％の条件下で超音波溶接し、かつ負極の銅箔と上記ニッケルリボンからなる負極端子とを溶接時間１２０ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ²、アンプリチュード６０％の条件下で超音波溶接し、その後、外装体でユニットセルを外装してポリマー電解質電池を作製した。
【００２２】
アルミニウム箔と正極端子との溶接幅は２ｍｍであり、また外装体のシール部分の幅は４ｍｍであった。
【００２３】
上記電池の概略構造を図１を参照しつつ説明すると、シート状の正極１とシート状の負極２との間にシート状のポリマー電解質層３が配置してユニットセルが構成され、そのユニットセルをラミネートフィルムからなる外装体４で外装している。正極端子５や負極端子６はこの電池における外部端子であり、この正極端子５と正極１の集電体であるアルミニウム箔との溶接による接続は外装体４のシール部分で行われている。
【００２４】
図２は上記電池の正極１の集電体であるアルミニウム箔１ａと正極端子５との溶接による接続部分およびその近傍を示すもので、この溶接による接続は外装体４のシール部分４ａで行われている。すなわち、外装体４は２枚用いられていて、そのシールは外装体４として用いられているラミネートフィルムの変性ポリオレフィンシートの熱融着によって行われるが、正極１のアルミニウム箔１ａと正極端子５との溶接による接続は上記外装体４のシール部分４ａで行われ、そのアルミニウム箔１ａと正極端子５との接続部分７は外装体４のシール部分４ａの領域内に位置している。そして、その溶接幅は前記のように２ｍｍで、シール部分４ａの幅は４ｍｍである。なお、正極１は集電体となるアルミニウム箔１ａの一方の面にゲル状の正極合剤層１ｂを形成してなり、また、負極２は集電体となる銅箔２ａの一方の面にゲル状の負極合剤層２ｂを形成してなり、この実施例１では、負極２の集電体である銅箔２ａと負極端子６との溶接による接続も正極側の場合同様に外装体４のシール部分で行われていて、その溶接幅は２ｍｍであるが、この銅箔２ａと負極端子６との溶接はシール部分で行う必要はなく、シール部分より内部側で行ってもよい。なお、図１や図２は模式的に図示したものであり、各構成部分の寸法比は必ずしも正確ではない。
【００２５】
実施例２
正極のアルミニウム箔の端部に厚さ１００μｍのアルミニウム製リード体の一端を超音波溶接し、そのアルミニウム製リード体の自由端側を正極端子と超音波溶接した以外は、実施例１と同様にポリマー電解質電池を作製した。この電池の正極のアルミニウム製リード体と正極端子との溶接による接続は、もちろん、外装体のシール部分で行われている。また、溶接条件なども実施例１の場合と同様である。
【００２６】
比較例１
正極のアルミニウム箔とニッケルリボンからなる正極端子との溶接および負極の銅箔とニッケルリボンからなる負極端子との溶接による接続を外装体のシール部分より電池内部側で行った以外は、実施例１と同様にポリマー電解質電池を作製した。
【００２７】
比較例２
正極のアルミニウム箔とニッケルリボンからなる正極端子との溶接による接続を外装体のシール部分により電池外部側で行い、かつ負極の銅箔とニッケルリボンからなる負極端子との溶接による接続を外装体のシール部分より電池内部側で行った以外は、実施例１と同様にポリマー電解質電池を作製した。
【００２８】
上記実施例１〜２および比較例１〜２の電池の落下テストによる正極のアルミニウム箔と正極端子との接続部分（溶接部分）の剥離の有無および６０℃、相対湿度９０％の雰囲気中で２０日間貯蔵後の溶接部分の腐食の有無を調べた。その結果を表１に示す。上記落下テストは電池を１８０ｃｍの高さからコンクリート上に落下させてアルミニウム箔またはアルミニウム製リード体とニッケルリボンからなる正極端子との溶接部分の剥離の有無を調べ、腐食の有無は実施例１〜２の電池と比較例１の電池を分解して調べた。上記落下テストはいずれの電池も１０個ずつについて行い、表１にはテストに供した電池個数を分母に表記し、溶接部分の剥離を生じた電池個数を分子に表記する態様で示す。
【００２９】
なお、負極の銅箔と負極端子との接続部分（溶接部分）の剥離や負極側の銅の腐食について特にテストをしていないのは、銅箔と負極端子との接続に関しては問題が生じないからである。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１〜２は、落下テストでの接続部分（溶接部分）の剥離がなく、正極のアルミニウム箔またはアルミニウム製リード体とニッケルリボンからなる正極端子とが充分な接続強度（溶接強度）を有しており、かつ溶接部分のアルミニウムの腐食もなかった。
【００３２】
なお、上記実施例では、１個のユニットセルを外装して電池に仕上げた場合を示したが、それに代えて複数個のユニットセルを積層したユニットセル積層体を外装して電池に仕上げてもよい。
【００３３】
なお、ポリマー電解質のゲル化に際しては、上記実施例で示した以外に、たとえば、ラジカル重合型の不飽和ポリエステル、または、ラジカル重合型のアクリル系エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、アルキッドアクリレート、シリコンアクリレートなどの光硬化性樹脂を紫外線あるいは電子線を用いてゲル化させるものであってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、正極のアルミニウム箔または該アルミニウム箔に接続したアルミニウム製のリード体と正極端子との接続強度を高め、かつ溶接部分のアルミニウムの腐食を防止し、信頼性の高いポリマー電解質電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポリマー電解質電池の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す電池の正極のアルミニウム箔と外部端子である正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１正極
１ａアルミニウム箔
１ｂ正極合剤層
２負極
２ａ銅箔
２ｂ負極合剤層
３ポリマー電解質層
４外装体
４ａシール部分
５正極端子
６負極端子
７アルミニウム箔と正極端子との接続部分

Claims

アルミニウム箔の少なくとも一方の面に正極合剤層を形成してなるシート状の正極、銅箔の少なくとも一方の面に負極合剤層を形成してなるシート状の負極およびシート状のポリマー電解質層を有し、それらを外装体で外装するポリマー電解質電池において、上記正極のアルミニウム箔または該アルミニウム箔に接続したアルミニウム製のリード体と正極端子との接続を外装体のシール部分で行ったことを特徴とするポリマー電解質電池。
ポリマー電解質層がゲル状ポリマー電解質層である請求項１記載のポリマー電解質電池。
アルミニウム箔の厚みが２０μｍ以下であり、正極端子がニッケルまたはニッケルメッキした銅、鉄またはステンレス鋼などの金属の箔またはリボンからなり、その厚みが５０〜２００μｍである請求項１記載のポリマー電解質電池。