JP4149349B2 - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄型化と、落下などの衝撃に対する信頼性向上を図った、二次電池及びその製造方法に関わるものである。

近年、携帯電話に代表される携帯用通信機器、ノート型パーソナルコンピュータなどへの小型化、軽量化への要求に対応するため、電源として用いられる二次電池についても、小型化の検討が盛んに行われている。このため、従来多用されていた、鉛電池やニッケル・カドミウム電池に替わる二次電池として、リチウムやリチウム合金を負極に用いた非水電解液二次電池が実用化されている。

前記二次電池の一般的な製造方法は、導電材料のシートからなる集電体の表面に、粉末状の電極活物質、結合材、結合材を溶解または分散させることが可能な溶媒を、所要の比率で混合したペーストを塗布して、正極、負極の電極を作製し、セパレータを介して重ね、金属製のケースに挿入した後、電解液を注入し、正極及び負極の電極を、それぞれ端子に接続して、ケースを封口するというものである。

そして、二次電池としての容量を大きくするために、電極はなるべく面積を広くする必要があり、複数対の正極及び負極の電極をセパレータを介して積層したり、電極を帯状に作製して、セパレータを介して重ね、ロール状に巻き回したりして電極の素子を調製することが行われている。

図３は、従来の二次電池に用いられている、積層素子の例を示す斜視図である。図３において、６ａは正極電極、６ｂは負極電極、７ａは正極電流取出部、７ｂは負極電流取出部、８はセパレータである。図３に示した積層素子は、電流取出部を電極の極性毎に、接合一体化し、それぞれ端子に電気的に接続する。多くの場合、正極は角柱形のケースの底面に取り付けられた端子に接続し、負極はケースにおける正極の端子が設けられた底面以外の部分に接続する。

また、図４は、従来の電池に用いられている、巻回素子の例を示す斜視図である。図４において、９ａは正極電極、９ｂは負極電極、１０ａは正極電流取出部、１０ｂは負極電流取出部、１１はセパレータである。電流取出部は電極の巻き始めの部分に接続され、この場合も、電流取出部を積層素子の場合と同様に正極及び負極の端子に接続する。

巻回素子は、電流取出部が正極、負極、各１枚で構成されるので、端子との接続が比較的容易である。一方で、電極の薄型化や大容量化を目的として、集電体に電極活物質層を形成した後、電極活物質層の空隙率を減少するためにプレスを行うことがあるが、この工程の後、電極の可撓性が減少するので、薄型化には、積層素子の方が比較的適している。

しかし、積層素子では、電流取出部を端子に接続するのに、極毎に一体化するか、各電極の電流取出部を個々に接続する必要があり、それだけ工程が複雑になる。このような電流取出部の接続方法として、特許文献１には、集電板と称する金属板に、レーザー溶接により電流取出部を接続する技術が開示されている。

しかし、レーザー溶接は、条件設定の複雑さなどから、作業効率向上が困難で、製造コスト増加の要因となる。また、この構造では、落下などで外部から衝撃を受けると、集電板と電極との間で短絡による不良が発生する可能性がある。

また、前記のように、電極活物質層は、電極活物質の粉末と結合材から構成されているが、結合材として用いられる高分子化合物は、電解液を構成する溶媒により膨潤することがあり、これが電極の薄型化を妨げる要因となる。しかし、二次電池においては、この現象に対処するための技術が何ら開示されていない。

特開２００１−９３５０４号公報

従って、本発明の課題は、簡略な製造工程で外部からの衝撃に対する信頼性が高く、薄型化が可能な二次電池、及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、前記課題の解決のため、電流取出部と端子の接続構造を再検討し、また、一般に結晶性高分子化合物においては、非晶質領域よりも結晶領域の方が溶媒による膨潤が少ないことと、結晶化度が熱処理などの方法で調整可能であることに着目し、結晶化の条件を検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、シート状の集電体の表面に電極活物質層が形成された正極及び負極の電極が、セパレータを介して交互に積層され、ケースに収納されてなる二次電池において、前記集電体に設けられた電流取出部が、正極及び負極の集電ブロックに設けられた少なくとも１箇所のスリットに、正極及び負極毎に挿入されて電気的に接続され、前記正極及び負極の集電ブロックは、前記スリットの内面側を除く部分に絶縁層が形成され、それぞれ正極端子及び負極端子に電気的に接続されてなることを特徴とする二次電池である。

また、本発明は、前記集電体が、厚みが１〜１０μｍの金属箔であることを特徴とする、前記の二次電池である。

また、本発明は、前記セパレータが、正極または負極のいずれか一方の電極を包む袋状に、周縁が接合されてなることを特徴とする、前記の二次電池である。

また、本発明は、電流取出部を有するシート状の集電体の表面に電極活物質層を形成して、少なくとも１対の正極及び負極の電極を作製する工程、前記電極をセパレータを介して正負交互に積層する工程、前記セパレータのうちの２枚を１対として周縁を接合して袋を形成する工程、前記電流取出部を正極及び負極毎に、正極及び負極の集電ブロックに設けられた少なくとも１箇所のスリットに挿入して電気的に接続する工程、前記正極及び負極の集電ブロックの、前記スリットの内面側を除く部分に絶縁層を形成する工程を含むことを特徴とする、前記の二次電池の製造方法である。

また、本発明は、前記電極活物質層が、粉末状の活物質と結晶性高分子を含む結合材からなるペーストを塗布した後、減圧下における加熱と加圧プレスにより、前記結晶性高分子を結晶化することで形成されることを特徴とする、前記の二次電池の製造方法である。

また、本発明は、前記正極及び負極の集電ブロックと電流取出部の電気的な接続を、かしめまたはレーザー溶接の少なくともいずれかによって行うことを特徴とする、前記の二次電池の製造方法である。

本発明においては、電流取出部を集電ブロックのスリットに挿入するので、かしめ加工で容易に電気的な接続を行うことが可能である。また、レーザー溶接を行うにしても、電流取出部を集電ブロックのスリットに挿入した状態で行えるので、作業性が向上し、溶接不良を極めて少なくすることが可能である。

また、本発明に用いる集電ブロックは、電流取出部が接するスリットの部分以外に絶縁層が設けられているので、外部からの衝撃で、ケース内で積層素子の位置ずれが起こっても、異なる極の集電ブロックと電極の接触による短絡が極めて少なく、信頼性が向上する。

さらに、本発明における電極活物質層を構成する結合材は、結晶化処理を施された結晶性高分子を主成分とすることから、電解液を構成する溶媒による膨潤が抑制され、電極自体の薄型化、延いては二次電池としての大容量化が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る、積層素子と集電ブロックを示す斜視図である。図１において、１ａは正極電極、１ｂは負極電極、２ａは正極電流取出部、２ｂは負極電流取出部、３はセパレータ、４ａは正極集電ブロック、４ｂは負極集電ブロック、５はスリットである。

図１に示した集電体は、１辺の延長面に突出した形で電流取出部が設けられ、略長方形の形状である。集電体の厚みを１〜１０μｍに限定したのは、１μｍ未満の厚みでは、機械的強度の不足により、各製造工程における作業性が低下し、長期間に亘る使用に際しての信頼性が確保できないからであり、１０μｍを超える厚みでは、電極の薄型化を妨げるからである。

また、集電体の材料は一定以上の導電性を有し、電解液と反応しないものであれば特に限定されないが、機械的強度や可撓性が必要であることを考慮すると、金属箔が好ましい。正極には、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、チタン、またはこれらの合金を、負極には、銅、ステンレス、ニッケル、チタンまたはこれらの合金を用いることができる。

集電ブロックは、集電体と同じ材質で構成するのが望ましく、正極にはアルミニウムなどが、負極には銅などが用いられる。スリットの内面以外の部分に設ける絶縁層は、絶縁性を確保できれば、特に材質的な限定はなく、各種の高分子材料などが用いられる。

次に、電極活物質層について説明する。たとえばリチウムイオン二次電池の場合では、正極として、リチウム−コバルト複合酸化物など、リチウム含有遷移金属酸化物とグラファイトなどの導電材料の混合物が用いられ、負極として、グラファイト、コークス、高分子材料の焼成物などの炭素質材料、金属酸化物などが用いられる。

電解液には、溶媒として、プロピレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、プロピオン酸メチルなどの有機溶媒が用いられ、電解質として、過塩素酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、低級脂肪酸リチウムなどの塩を用いることができる。

また、結合材には、結晶性高分子を用いる必要があり、具体的には、高密度ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。一般に、結晶性高分子は、融点以上の温度から徐冷することで、結晶化度を向上することが可能なので、本発明では、集電体に電極活物質層を形成した後、熱処理を施す。

ただし、熱処理の際に過度に昇温すると熱劣化が起こるので、その温度は、融点より１０〜３０℃高く設定する。たとえば高密度ポリエチレンでは、１５０〜１６０℃が好ましい温度である。

また、高密度ポリエチレンにおいては、融点近傍で、かつ融点より低い温度領域で、３００ＭＰａ以上の圧力に保持することで、結晶の相転移が起こることが知られているので、結晶性高分子においては、高圧を負荷することが、結晶化向上に寄与すると考えられる。

セパレータには、ポリプロピレンの不織布など、電解液と反応したり、電解液に溶解したりしない材質から構成される多孔質フィルムを用いることが可能で、周縁を接合して袋状にすることで、電極の絶縁性を向上できる。

次に、具体的な実施例に基づき、本発明について、さらに詳しく説明する。なお、ここでは図１を参照して説明する。

まず、正極電極の作製工程について説明する。集電体として、厚みが８μｍのアルミニウム箔を準備し、１辺に正極電流取出部２ａを設けた形状に打ち抜いた。

次に、炭酸リチウムと炭酸コバルトを、リチウムとコバルトのモル比が１：１になるように混合し、空気中で９００℃、５時間焼成した。この焼成体を、乳鉢を用いて粉砕し、平均粒径が６μｍの焼成粉末とした。さらに得られた焼成粉末と炭酸リチウム粉末を、重量比で９５／５となるように混合した。

前記混合粉末と、導電材としてのグラファイトと、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９１／６／３となるように秤量混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して正極電極活物質層形成用ペーストとした。集電体の正極電流取出部１ａの部分を除き、両面に前記ペーストを塗布し、正極電極活物質層（図示せず）を形成した。なお、乾燥によりＮ−メチル−２−ピロリドンを除いた後の、全体の厚みが２００μｍとなるように塗布量を制御した。

次いで、１０ｈＰａの減圧下、温度が１５０℃、圧力が５ＧＰａという条件でプレス処理を行い、全体の厚みが１３０μｍの正極電極１ａを得た。

次に、負極電極の作製工程について説明する。集電体として、厚みが８μｍの銅箔を準備し、１辺に正極電流取出部２ｂを設けた形状に打ち抜いた。

次に、フェノール樹脂を不活性ガス気流中で焼成後、粉砕して得られた平均粒径７μｍの炭素材料と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９０／１０となるように秤量混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して負極電極活物質層形成用のペーストとした。

この後は、正極電極と同様にして、負極電極１ｂを得た。そして、厚みが１２μｍのポリプロピレン不織布を折り畳んで負極電極１ｂの両面に配置し、熱融着により周縁を接合し、袋状のセパレータ３を形成し、正極電極１ａと負極電極１ｂを積層した。

次に、図１に示した形状の集電ブロックを調製した。材質は、正極がアルミニウム、負極が銅である。これらの集電ブロックの、図１における下側の面には、フッ素樹脂の電着、焼き付けによる絶縁層（図示せず）が設けられている。

そして、正極集電ブロック４ａのスリット５には正極電流取出部２ａを、負極集電ブロック４ｂのスリット５には負極電流取出部２ｂを、それぞれ挿入し、かしめ加工を施した。引き続き、かしめ加工を施した部分にレーザービームを照射してレーザー溶接を行った。ただし、かしめ加工だけでも電気的な接続は確保されるので、レーザー溶接は省略してもよい。

次に、この積層素子をアルミニウム製のケースに挿入し、集電ブロックを端子に接続した後、電解液を注入して封口を行った。電解液には、プロピレンカーボネートに、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩を、１モル／Ｌの濃度で溶解した溶液を用いた。

このようにして得られた二次電池について、電極の厚みを測定したところ、厚みの増加は殆ど認められず、結合材の膨潤が生じていないと判断できた。また、比較のため、減圧下の加熱、加圧処理を電極に施さないで調整した二次電池では、電極の厚みが平均値で１１％増加しているのが認められた。また、電極を前記の方法で薄くすることにより、結果的に、同一体積で、二次電池としての容量が、約１０％増加できることが確認できた。

なお、図２は、本発明に用いる、別形状の集電ブロックの例を示す斜視図である。集電部ブロックを、図２に示したような櫛歯形状とすることで、スリットを形成する加工が簡略になり、電流取出部の挿入も効率向上が可能となる。

本発明の実施の形態に係る積層素子と集電ブロックを示す斜視図。 本発明に用いる別形状の集電ブロックの例を示す斜視図。 従来の積層素子の例を示す斜視図。 従来の巻回素子の例を示す斜視図。

符号の説明

１ａ，６ａ，９ａ 正極電極
１ｂ，６ｂ，９ｂ 負極電極
２ａ，７ａ，１０ａ 正極電流取出部
２ｂ，７ｂ，１０ｂ 負極電流取出部
３，８，１１ セパレータ
４ａ 正極集電ブロック
４ｂ 負極集電ブロック
５ スリット

Claims (6)

1. シート状の集電体の表面に電極活物質層が形成された正極及び負極の電極が、セパレータを介して交互に積層され、ケースに収納されてなる二次電池において、前記集電体に設けられた電流取出部が、正極及び負極の集電ブロックに設けられた少なくとも１箇所のスリットに、正極及び負極毎に挿入されて電気的に接続され、前記正極及び負極の集電ブロックは、前記スリットの内面側を除く部分に絶縁層が形成され、それぞれ正極端子及び負極端子に電気的に接続されてなることを特徴とする二次電池。
2. 前記集電体は、厚みが１〜１０μｍの金属箔であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記セパレータは、正極または負極のいずれか一方の電極を包む袋状に、周縁が接合されてなることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載の二次電池。
4. 電流取出部を有するシート状の集電体の表面に電極活物質層を形成して、少なくとも１対の正極及び負極の電極を作製する工程、前記電極をセパレータを介して正負交互に積層する工程、前記セパレータのうちの２枚を１対として周縁を接合して袋を形成する工程、前記電流取出部を正極及び負極毎に、正極及び負極の集電ブロックに設けられた少なくとも１箇所のスリットに挿入して電気的に接続する工程、前記正極及び負極の集電ブロックの、前記スリットの内面側を除く部分に絶縁層を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
5. 前記電極活物質層は、粉末状の活物質と結晶性高分子を含む結合材からなるペーストを塗布した後、減圧下における加熱と加圧プレスにより、前記結晶性高分子を結晶化することで形成されることを特徴とする、請求項４に記載の二次電池の製造方法。
6. 前記正極及び負極の集電ブロックと電流取出部の電気的な接続は、かしめまたはレーザー溶接の少なくともいずれかによって行うことを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の二次電池の製造方法。

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