JP4135353B2 - ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池及びこれを内蔵した機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解液二次電池及びこれを内蔵した機器に関し、ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池と機器との固定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話、携帯情報端末等の携帯電子機器の性能は、搭載される半導体素子、電子回路だけでなく、充放電可能な二次電池の性能に大きく依存しており、搭載される二次電池の容量アップと共に、軽量・薄型化をも同時に実現し、安価であることが要望されている。これらの要望に応える二次電池として、ニッケルカドミウム蓄電池の約2倍のエネルギー密度を有するニッケル水素蓄電池が開発され、次いで、非水電解液を用いたリチウム二次電池がこれを上回るエネルギー密度を有する電池として開発され、脚光を浴びている。
【0003】
この非水電解液二次電池の形状には、円筒形、角形、扁平形のものがあり、特に樹脂フィルム主体のラミネートシートで形成された外装ケース内に電池要素を収納した非水電解液二次電池は、薄型化が可能な電池としての期待は大きくその開発が急がれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなラミネートシートを外装ケースとする電池を、電池使用機器に装着するには、前記ラミネートシートを外装ケースとする電池を樹脂製ケースに内蔵し、電池使用機器とコネクターや接続端子を勘合することにより固定しており、コストアップの要因になっていた。
【0005】
本発明は、安価で容易に精度良く、ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池と機器との固定方法を提供することを主たる目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明は、それぞれシート状またはフィルム状の正極板、電解質を保持するセパレータ及び負極板からなる扁平な電池要素を、ポリアミド樹脂層を有する樹脂フィルム主体のラミネートシートで形成された外装ケース内に収納する非水電 解液二次電池において、電池要素の正極集電部に一端が接続されその他端が前記外装ケースから導出された正極リードと、電池要素の負極集電部に一端が接続されその他端が前記外装ケースから導出された負極リードを備えており、ラミネートシートの電池要素の無い周囲4辺から選ばれた少なくとも2辺のそれぞれ1箇所に、電池使用機器に配設された突起部と嵌合する、電池使用機器との固定用開孔部及び/または切れ込み部が電池要素および正・負極集電部、正・負極リードの無い箇所に配設されている。
【0007】
また、このようにしてラミネートシートに配設されている開孔部及び/または溝部を固定する為の突起部が配設されていることを特徴とする機器である。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0009】
図1(a)、(b)はそれぞれラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池の平面図、断面図を示す。
【0010】
図1(b)において、ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池は、アルミニウム製の集電体に正極活物質と結着材を含むペーストを塗布、乾燥、プレス加工することにより正極活物質層4を作製する。
【0011】
次に、銅製の負極集電体7に負極活物質と結着材を含むペーストを塗布、乾燥、プレス加工することにより負極活物質層6を作製する。溶剤に溶解したポリマーペーストを用い製膜、乾燥し、非水電解液を吸収、保持するセパレータ5を作製する。
【0012】
このようにして、作製した正極板と負極板とをセパレータを介して積層し、正極の集電部に配設したリード取り付け部12に正極リード11を溶接し、負極の集電部に配設したリード取り付け部14に負極リード13を溶接した後、ポリオレフィン樹脂フィルムの間に金属箔を配して全体を積層一体化したラミネートシート製の袋状ケース1内に収納し、非水電解液を注液し袋状ケースの溶着シール部2で封口し、エージングして非水電解液をゲル化し、充放電することによってラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池8を作製する。
【0013】
正極集電体3は、アルミニウム製の箔、ラス加工やエッチング加工を施したアルミニウム製の箔からなり、厚みは10μm〜60μmが好ましい。また、負極集電体7は、銅製の箔、ラス加工やエッチング加工を施した銅製の箔からなり、厚みは10μm〜50μmが好ましい。
【0014】
正極活物質層4は、正極活物質と結着材、必要に応じて導電材、可塑剤を加え、溶媒に混練分散させたペーストをPETフィルム上に塗着、乾燥、プレス加工して作製される。
【0015】
負極活物質層6は、負極活物質と結着材、必要に応じて導電材、可塑剤を加え、溶媒に混練分散させたペーストを負極集電体7上に塗着、乾燥、プレス加工して作製される。
【0016】
正極活物質としては、リチウムイオンをゲストとして受け入れ得るリチウム含有遷移金属化合物が使用される。例えば、コバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄及びバナジウムから選ばれる少なくとも1種類の金属とリチウムの複合金属酸化物、LiCoO2、LiMoO2、LiNiO2、LiCoxNi(1-x)O2(0<x<1)LiCrO2、αLiFeO2、LiVO2等が好ましい。
【0017】
負極活物質としては、黒鉛、活性炭、あるいはフェノール樹脂やピッチ等を焼成炭化したものがあげられるが、特に、安全性やサイクル寿命特性等の観点から、格子面(002)の面間隔(d002)が3.350〜3.400Åである黒鉛型結晶構造を有する炭素材料が好ましい。
【0018】
結着材としては、活物質間の密着性を保つフッ素樹脂材料、ポリアルキレンオキサイド骨格を持つ高分子材料、またはスチレン−ブタジエン共重合体などがある。フッ素系樹脂材料として、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニリデン(VDF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体P(VDF−HFP)が好ましい。
【0019】
必要に応じて加える導電材、導電助剤としてはアセチレンブラック、グラファイト、炭素繊維等の炭素系導電材が好ましく、可塑剤としては、フタル酸ジイソブチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジ−n−ブチル、フタル酸ジプロピル、フタル酸ジヘキシルなどのフタル酸エステルが好ましい。
【0020】
溶剤としては、結着材が溶解可能な溶剤が適切で、有機系結着材の場合は、アセトン、シクロヘキサノン、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン(MEK)等の有機溶剤を単独またはこれらを混合した混合溶剤が好ましく、水系結着材の場合は水が好ましい。
【0021】
セパレータ5は、結着材と同様のポリマーを用いることができ、前記溶媒に溶解したポリマーペーストをポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂などの耐熱性のフィルム上に製膜し、乾燥させることによって作製するか、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン樹脂製の微多孔性膜の両面に結着材と同様のフッ素系樹脂材料を貼着したものを用いることができ、このセパレータ5を介して正極と負極とを温度と圧力をかけて積層して極板群を作製する。このときの温度は、40℃から極板群中の結着材の軟化点以下の温度に加温した状態で、0.2MPa〜5.0MPaの圧力にてプレスすることが好ましい。
【0022】
ラミネート製の袋状ケース1は、ポリオレフィン樹脂フィルムの間に金属箔を配して全体を積層一体化したラミネートシートで、積層した極板群に接する内側から接着層、金属箔、絶縁層が順次積層されている。接着層はリードとの接着性に優れた酸変性のポリオレフィン樹脂、金属層はガスバリアー性や光遮断性に優れたアルミニウム金属箔、絶縁層は機械的強度に優れたポリアミド樹脂が好ましい。
【0023】
非水電解液としては、非水溶媒と電解質からなり、非水溶媒としては、主成分として環状カーボネートおよび鎖状カーボネートが含有される。前記環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、およびブチレンカーボネート(BC)から選ばれる少なくとも一種以上であることが好ましい。また、前記鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、およびエチルメチルカーボネート(EMC)等から選ばれる少なくとも一種以上であることが好ましい。
【0024】
電解質としては、例えば、電子吸引性の強いリチウム塩を使用し、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3等が挙げられる。これらの電解質は、一種類で使用しても良く、二種類以上組み合わせて使用しても良い。これらの電解質は、前記非水溶媒に対して0.5〜1.5Mの濃度で溶解させることが好ましい。
【0025】
袋状ケース1の溶着シール部2は、熱溶着にて封口される。
【0026】
エージングするには、45℃〜90℃の温度で、0.5時間〜3時間エージングして、ポリマーをゲル化させるのが好ましい。
【0027】
充放電するには、常温にて電池容量の95%〜105%の電気容量まで充電するのが好ましい。
【0028】
このようにして作製した非水電解液二次電池のラミネートシートの電池要素の無い周囲15の4辺から選ばれた少なくとも2辺に1箇所配設されている電池使用機器との固定用開孔部及び/または切れ込み部16と、電池使用機器に配設されている位置決めし、固定できる突起部23とを嵌合することにより、容易にラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池を備えた機器を作製することができる。
【0029】
前記電池使用機器との固定用開孔部及び/または切れ込み部16の形状としては、図3の(a)円、(b)+字切れ込み、(c)−字切れ込み、(d)2孔A、(e)2孔B、(f)正方形、(g)長方形、(h)三日月などを挙げることができ、自由に組み合わせて使用することができる。その位置としては、図1(a)対向する2辺に2箇所づつ、図2の(a)2辺の対角に1箇所づつ、(b)1辺に2箇所、(c)4隅に1箇所づつ、(d)対向する2辺の同じ位置に1箇所づつなどを挙げることができる。
【0030】
また、前記固定用開孔部及び/または切れ込み部16を固定する為に、図5に示す電池使用機器に配設されている突起部23の形状としては、図4の(a)円柱、(b)先端突起のある円柱、(c)らせん状、(d)突起多数、(e)三角柱、(f)変形した円柱、(g)鍵状突起、(h)先端部テーパー、(i)四角柱などを挙げることができ、自由に組み合わせて使用することができる。
【0031】
【実施例】
本発明を実施例と比較例を用いて詳細に説明するが、これらは、本発明を何ら限定するものではない。
【0032】
(実施例1)
正極板は、正極活物質としてLiCoO2、導電材としてアセチレンブラック、結着材としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体P(VDF−HFP)、可塑剤としてフタル酸−n−ジブチル(DBP)を溶剤であるN−メチルー2−ピロリドン(NMP)に混練分散させた正極ペーストを、厚さ50μmのラス加工を施したアルミニウム製集電体3上に塗着乾燥させた後、プレス加工することにより、正極活物質層4を有する正極板を作製した。
【0033】
負極板は、負極活物質として球状黒鉛、導電助剤として気相成長炭素繊維、結着材としてP(VDF−HFP)、可塑剤としてフタル酸−n−ジブチル(DBP)を溶媒であるアセトンに混練分散させた負極ペーストを、厚さ50μm、開口率50%である銅箔をラス加工した集電体7の両面に塗着乾燥させた後、プレス加工することにより負極活物質層6を有する負極板を作製した。
【0034】
セパレータ5は、P(VDF−HFP)を溶媒であるアセトンとシクロヘキサノンからなる混合溶媒に溶解させた溶液をポリエチレンフタレート(PET)樹脂からなるフィルム上に製膜し、80℃の温度で乾燥させ混合溶媒を除去することによって作製した。
【0035】
このようにして作製した正極板と負極板とをセパレータ5を介して積層し、正極の集電部に配設したリード取り付け部12に正極リード11を溶接し、負極の集電部に配設したリード取り付け部14に負極リード13を溶接した後、130℃の温度で0.4MPaの圧力条件で1.5秒間熱圧着することにより積層一体化した極板群を作製した後、極板群を60℃の温度で20分間キシレン溶液中に浸漬し、可塑剤のDBPを除去した。
【0036】
次に、内側から厚さ30μmの酸変性したポリプロピレン樹脂層、厚さ50μmのアルミニウム箔層、厚さ20μmのポリアミド樹脂層からなるラミネート製の袋状ケース1内に、極板群を収納した。
【0037】
そして、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を2:1で混合した混合溶媒に、LiPF6を1.0Mの濃度で溶解させた非水電解液を注液した後、230℃の温度で0.3MPaの圧力条件で2.0秒間熱圧着して、溶着シール部2で封口したが、正極板および負極板に対する温度上昇は無視できる範囲であった。
【0038】
60℃の温度で3時間エージングして、正極板及び負極板中のポリマー及びセパレータをゲル化させ、非水電解液を保持させた後、常温で電池容量の10%の電流値で電池容量の100%まで充電した後、電池容量の20%の電流値で3.0Vの電圧まで放電することによって、n=5の平均値で、縦寸法が35.2mm、横寸法が61.8mm、厚みが3.32mmのラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解質二次電池8を作製した。
【0039】
このようにして作製した図1(a)に示す非水電解液二次電池のラミネートシートの周囲4辺の内2辺に2箇所づつ、電池使用機器との固定用開孔部16として図3(a)に示すような直径4.0mmの円形の孔を配設し、この孔に対応するように図5に示す電池使用機器の構成部材24を含む電池使用機器21の電池の配設位置22に配設した突起部23として図4(h)に示す先端テーパー部(先端部直径3.2mm)を有する直径3.8mm円柱とを嵌合することにより、安価で容易に精度良く、ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池を内蔵した機器を作製することができた。
【0040】
(実施例2)
正極板は、正極活物質としてLiCoO2、導電材としてアセチレンブラック、結着材としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体P(VDF−HFP)を溶剤であるN−メチルー2−ピロリドン(NMP)に混練分散させた正極ペーストを、厚さ15μmのアルミニウム箔製集電体3上に塗着乾燥させた後、プレス加工することにより、正極活物質層4と正極リード11を有する正極板を作製した。
【0041】
負極板は、負極活物質として球状黒鉛、導電助剤として気相成長炭素繊維、結着材としてP(VDF−HFP)、溶媒であるアセトンに混練分散させた負極ペーストを、厚さ12μmの銅箔をラス加工した集電体7の両面に塗着乾燥させた後、プレス加工することにより負極活物質層6と負極リード13を有する負極板を作製した。
【0042】
セパレータ5は、厚さ15μmのポリプロピレン樹脂製の微多孔性膜の両面に厚さ2.5μmのP(VDF−HFP)からなる層からなるセパレータ5を介して、上記正極板と負極板とを渦巻状に巻回した後、130℃の温度で0.4MPaの圧力条件で1.5秒間熱圧着することにより長円状の極板群を作製した。
【0043】
次に、内側から厚さ30μmの酸変性したポリプロピレン樹脂層、厚さ50μmのアルミニウム箔層、厚さ20μmのポリアミド樹脂層からなるラミネート製の袋状ケース1内に、極板群を収納した。
【0044】
そして、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を2:1で混合した混合溶媒に、LiPF6を1.0Mの濃度で溶解させた非水電解液を注液した後、230℃の温度で0.3MPaの圧力条件で2.0秒間熱圧着して、溶着シール部2で封口したが、正極板および負極板に対する温度上昇は無視できる範囲であった。
【0045】
90℃の温度で30分間エージングして、正極板及び負極板中のポリマー及びセパレータの表面に設けたポリマー層をゲル化させ、非水電解液を保持させた後、実施例1同様にして、常温で電池容量の10%の電流値で電池容量の100%まで充電した後、電池容量の20%の電流値で3.0Vの電圧まで放電することによって、n=5の平均値で、縦寸法が35.2mm、横寸法が61.8mm、厚みが3.32mmのラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解質二次電池8を作製した。
【0046】
このようにして作製した図2(a)に示す非水電解液二次電池のラミネートシートの周囲4辺の内2辺に1箇所づつ、電池使用機器との固定用開孔部16として図3(b)に示すような直径3.5mmの+字切れ込みを設け、この切れ込みに対応するように電池使用機器に配設し、固定できる突起部23として図4(d)に示す高さ0.1mmの突起を多数設けた直径3.2mmの円柱とを嵌合することにより、安価で容易に精度良く、ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池を内蔵した機器を作製することができた。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ポリアミド樹脂層を有する樹脂フィルム主体のラミネートシートの電池要素、および正・負極集電部、および正・負極リードの無い周囲に、電池使用機器に配設された突起部と嵌合する、電池使用機器との固定用開孔部及び/または切れ込み部を配設することによって、安価で容易に精度良く、ラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池を内蔵した機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)本発明の一実施形態に係る平面図
(b)本発明の一実施形態に係る断面図
【図2】 (a)〜(d)本発明の固定用開孔部及び/または切れ込み部の位置を示す例を表す図
【図3】 (a)〜(h)本発明の固定用開孔部及び/または切れ込み部の形状を示す例を表す図
【図4】 (a)〜(i)本発明の突起部の形状を示す例を表す図
【図5】 本発明の電池使用機器における電池の配設位置を示す平面概略図
【符号の説明】
1 外装ケース
2 封口部
3 正極集電体
4 正極活物質層
5 セパレータ
6 負極活物質層
7 負極集電体
8 非水電解質二次電池
11 正極リード
12 正極集電部
13 負極リード
14 負極集電部
15 外装ケースの周囲
16 固定用開孔部及び/または切れ込み部
21 電池使用機器
22 電池の配設位置
23 突起部
24 電池使用機器の構成部材
Claims (2)
- それぞれシート状またはフィルム状の正極板、電解質を保持するセパレータ及び負極板からなる扁平な電池要素を、ポリアミド樹脂層を有する樹脂フィルム主体のラミネートシートで形成された外装ケース内に収納する非水電解液二次電池において、前記電池要素の正極集電部に一端が接続されその他端が前記外装ケースから導出された正極リードと、前記電池要素の負極集電部に一端が接続されその他端が前記外装ケースから導出された負極リードを備えており、
前記ラミネートシートの電池要素の無い周囲4辺から選ばれた少なくとも2辺のそれぞれ1箇所に、電池使用機器に配設された突起部と嵌合する、電池使用機器との固定用開孔部及び/または切れ込み部が前記電池要素および正・負極集電部、正・負極リードの無い箇所に配設されていることを特徴とするラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池。 - 請求項1に記載のラミネートシートを外装ケースに用いた非水電解液二次電池及びこの非水電解液二次電池に配設されている開孔部及び/または切れ込み部を固定する為の突起部が配設されていることを特徴とする機器。
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