JP4186260B2 - Thin battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極材と高分子電解質とを積層構成してなるリチウムイオン電池等の薄型電池に関し、詳細には電池構体の外装構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
電池は、化学エネルギーや物理的エネルギー或いは生物化学エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置と定義され、化学電池、生物電池或いは物理電池等に大分類される。例えば化学電池については、化学変化の過程が可逆的でないもの或いは充電可能に構成されていない一次電池と、化学変化の過程が可逆的であるもの或いは充電可能に構成されている二次電池及び反応に関与する物質を外部から供給して反応生成物を外部に取り出しながら化学反応を促進する燃料電池等に分類される。
【0003】
電池は、携帯型電子機器等の電源として汎用されている。かかる携帯型電子機器は、その多機能化に伴って電源容量の確保とともにより携帯性の確保が求められており、電源の小型化、軽量化とともに薄型化、換言すれば薄型電池の要求が高まっている。携帯型電子機器には、一般にエネルギー密度、出力密度の大きいリチウム電池が用いられている。従来のリチウム電池は、電極間の導電性物質として液体の電解液が用いられており、この電解液の液漏れを防ぐために金属缶が備えらる。従来のリチウム電池は、機械的強度を保持するために金属缶を4mm以下に構成することが困難であるために、薄型化について限界があった。
【0004】
一方、最近の電池においては、無機或いは有機の非水固体電解質や高分子ゲルからなる非水半固体化電解質を用いた電池が提案されている。これら半固体化電解質を用いた電池は、流動性が無い或いは極めて小さい電解質の特性によってその厚みが一定に保持され、またこの電解質と電極間の接着力によって電極間の距離や圧力が一定に保持されることから金属缶が不要とされて、軽量化や小型化とともに薄型化が図られると期待されている。
【0005】
例えば図6に示した薄型リチウムイオン電池100は、帯状集電体上に正極活物質を被着するとともにゲル状電解質を塗布した正極材と、帯状集電体上に負極活物質を被着するとともにゲル状電解質を塗布した負極材とをセバレータを挟んで積層した後にこれを平たく折り畳んで電池構体101を構成している。薄型リチウムイオン電池100は、この電池構体101の正極材と負極材とに導線を網目状に織ってなる正極端子102及び負極端子103とをそれぞれ接合する。
【0006】
薄型リチウムイオン電池100は、これら正極端子102及び負極端子103の先端部を外方に露呈した状態で、フィルム状のラミネート材104によって電池構体101を封装してなる。ラミネート材104は、内部に少なくとも一層以上のアルミニウム層を含む高分子多層フィルムからなり、電池構体101を包み込んだ状態で外周部に熱溶着処理が施されて熱用地着部位105が形成される。
【0007】
なお、薄型電池としては、例えば上述したリチウム電池と基本的な構成を同様としたポリマー電池も注目されている。このポリマー電池は、帯状集電体上に正極活物質を被着してなる正極材と、帯状集電体上に負極活物質を被着してなる負極材との間にポリマー電解材からなるセバレータを挟み込んで電池構体が構成される。ポリマー電池も、電池構体をラミネート材により包み込んだ状態で、このラミネート材の周囲に熱溶着処理が施されてなる。
【0008】
上述した高分子多層フィルムからなるラミネート材104は、高い気密性や軽量・薄厚にもかかわらず機械的強度が大きいといった特性を有するとともに、熱溶着等の極めて簡易な溶着処理を施すことによって電池構体101を高精度に密封することができる。したがって、従来の薄型リチウムイオン電池100は、厚み寸法が4mm程度を限界としていた金属缶を有するリチウム電池と比較して、小型軽量化とともに1mm以下に構成することが可能とされしかも防湿性にも優れていることから、様々な携帯型電子機器等の電源として使用した場合にその小型化、軽量化とともに薄型化に貢献する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の薄型リチウムイオン電池100は、上述したように高分子多層フィルムからなるラミネート材104の外周部に電池構体101を密封するために熱溶着部位105が構成される。従来の薄型リチウムイオン電池100は、用いられる非水電解質の特性から、電池構体101を密封する外装材について高い防湿性が要求される。ラミネート材104は、熱溶着部位105の幅寸法が大きい程その防湿性が高くなる。熱溶着部位105は、通常仕様の高分子多層フィルムを用いる場合に最低でも5mm以上に設定することが望ましい。
【0010】
したがって、従来の薄型リチウムイオン電池100は、上述したように全体が薄型に構成されるが、外周部にデッドスペースとしての熱溶着部位105が構成されるために、例えば一辺が数センチ以下の小型仕様とされる場合に体積エネルギー密度の効率が悪くなるといった問題があった。このため、従来の薄型リチウムイオン電池100は、金属缶を有するリチウム電池と比較して、大幅な軽量化も図られるが、体積比では1/2乃至1/3程度にすぎない。
【0011】
従来の薄型リチウムイオン電池100においては、熱溶着部位105を内側へと折り曲げることによって外形寸法を小さくする対策を講じることも考慮されるが、この熱溶着部位105が硬いために作業が面倒となりかつきれいな状態で折り曲げることが困難である。また、従来の薄型リチウムイオン電池100は、熱溶着部位105を折り曲げた場合にはその分厚み寸法も増加し、実質的な薄型化が達成されなくなるといった問題が生じる。さらに、従来の薄型リチウムイオン電池100は、隣り合う二辺の熱溶着部位105が重なり合うためにさらに厚み寸法が増加してしまうといった問題もある。
【0012】
したがって、本発明は、少なくとも正極材、負極材、高分子電解質とが積層構成されてなる薄型の電池構体を有し、体積エネルギー密度が向上されるとともに小型軽量化と長寿命化が図られた薄型電池を提供することを目的に提案されたものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明にかかる薄型電池は、少なくとも正極材と負極材と高分子電解質とが積層構成されてなる電池構体と、電極端子部材と、金属箔からなる外装材とを備えてなる。薄型電池は、外装材によって、電極端子部材の先端部を露呈させた状態で電池構体を包み込むとともに、この外装材の外周部を接合してなり、外装材を電極端子部材の先端部を外方に露呈させた状態でさらに封装材によって被覆されることにより電池構体を密封してなる。
【0014】
また、本発明にかかる薄型電池は、外装材が正極材又は負極材の集電体と電気的に接合されることによって電極端子を構成してなる。さらに、薄型電池は、電極端子部材に絶縁樹脂シートをあてがって外方へと引き出した状態で、外装材がその外周部を接合されることによって電池構体を密封する。さらにまた、薄型電池は、外装材によって密封された電池構体を、電極端子部材の先端部を外方に引き出した状態でさらに封装材によって封装されてなる。
【0015】
以上のように構成された本発明にかかる薄型電池によれば、外装材が金属箔であることからその接合部位の折曲げ処理が容易であり、電池構体を密封した状態で極めて簡単に内側に折り曲げることが可能であるとともに全体の厚みを大幅に増加させることも無い。したがって、薄型電池は、より薄型かつ小型、軽量であって体積エネルギー密度の向上が図られるとともに防湿性に優れることで長寿命化が図られる。
【0016】
また、本発明にかかる薄型電池によれば、外装材が正極電極端子部材又は負極電極端子部材のいずれか一方の電極端子部材として作用することから、構造の簡易化が図られる。薄型電池によれば、外装材を接合する際に絶縁樹脂シートを介して電極端子部材が絶縁を保持されて引き出されることから、その処理が簡易に行われるとともに引出し部における密封性も保持される。薄型電池によれば、外装材をさらに封装材によって被覆して補強されることから、機械的強度の向上が図られる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施の形態として図面に示した薄型電池1は、負極端子部材3が設けられた電池構体2を、図1に示すように負極端子部材3の先端部3aが露呈するようにして外装材4によって密封してなる薄型のリチウムイオン二次電池を示す。リチウムイオン二次電池1は、詳細を後述するが外装材4が正極端子部材に兼用される。
【0018】
リチウムイオン二次電池1は、図2に示すように、電池構体2が、正極材5と、負極材6と、これら正極材5と負極材6とによって挟み込まれたセパレータ7と、ゲル状電解質8(8a、8b)との積層体によって構成される。リチウムイオン二次電池1は、詳細を後述するが、図3に示すように負極端子部材3を絶縁シート9(9a、9b)によって挟み込むことにより外装材4に対して絶縁性を保持した状態でこの外装材4から引き出してなる。
【0019】
電池構体2は、詳細を後述するように、正極材5、負極材6、セパレータ7及びゲル状電解質8からなる積層体を、正極材5が最外層を構成するようにして折り畳まれてなる。電池構体2は、積層体を折り畳んだ状態で厚み寸法が約3.5mmとされる。なお、電池構体2は、正極材5、負極材6、セパレータ7及びゲル状電解質8の積層体を平たく折り畳んで構成するばかりでなく、例えばつづら折りしたり巻回して構成してもよい。
【0020】
セパレータ7には、厚みが25μmの多孔質ポリプロピレンフィルムが用いられる。このセパレータ7は、特に用いなくともよいが、後述するように外装材4を電極端子に兼用する場合において適宜の形状とすることで正極材5或いは負極材6と外装材4との絶縁を保持する部材としても有効に機能する。
【0021】
正極材5は、アルミニウム箔からなる正極集電体10に正極活物質11(11a、11b)を塗布してなる。正極活物質11は、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)90重量%、粉末ポリフッ化ビニリデン3重量%、粉末黒鉛7重量%を、Nメチルピロリドン(NMP)を溶媒として分散させてなる。正極材5は、帯状の正極集電体10の両面にそれぞれ正極活物質11を塗布した後、100°Cの環境で24時間の減圧乾燥処理を施し、さらに適宜の加圧力のロールプレスにより圧縮処理を施して製作される。正極材5は、これを約800mm×120mmの外形寸法を以って切り出して使用される。勿論、正極材5は、かかる構成に限定されるものでは無い。
【0022】
負極材6は、銅箔からなる負極集電体12に負極活物質13を片面に塗布してなる。負極活物質13は、人造黒鉛91重量%、粉状ポリフッ化ビニリデン9重量%を、Nメチルピロリドン(NMP)を溶媒として分散させてなる。負極材6は、帯状の負極集電体12に負極活物質13を塗布した後、120°Cの環境で24時間の減圧乾燥処理を施し、さらに適宜の加圧力のロールプレスにより圧縮処理を施して製作される。負極材6は、これを正極材5と同様に、約800mm×120mmの外形寸法を以って切り出して使用される。勿論、負極材6は、かかる構成に限定されるものでは無い。
【0023】
ゲル状電解質8には、ポリアクリロニトリル(PAN)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、六フッ化燐酸リチウム(LiPF6)からなるポリアクリロニトリル系ゲル電解質が用いられる。ゲル状電解質8は、上述した構成物が仕込みのモル組成比をPAN:EC:PC:LiPF6=12:53:27:8となるように調整されてなる。ゲル状電解質8は、所定量のECとPCとを混合して150°Cに加熱した後、PANを所定量混合して撹拌することによりこのPANが溶解して粘性を有する溶液となり、これに所定量のLiPF6を添加して溶解させる手順を経てゲル状に作成されてなる。
【0024】
上述した正極材5と負極材6とは、ゲル状電解質8を塗布した主面を互いに対向させ、セバレータ7を挟み込んで積層される。正極材5と負極材6とは、ゲル状電解質8の接着作用によって、その距離や圧力が一定に保持された状態で積層されて電池構体2を構成する。なお、セバレータ7は、後述するように外装材4によって電池構体2を包み込んだ際にこの外装材4と負極材6とが接触しないようにするために、その幅寸法が正極材5や負極材6の幅寸法よりもやや大とされている。電池構体2は、正極材5、負極材6及びセバレータ7の積層体を折り畳んで、外形寸法が全体で約80mm×130mm×3.5mmを以って構成される。
【0025】
負極端子部材3は、例えば直径が50μmの銅線が用いられ、これを75μmの間隔で網目状に織ったものを矩形に切断したものが用いられる。負極端子部材3は、その基端部3bが負極集電体12にスポット溶接等によって接合される。負極端子部材3は、引張り強度を保持するために、各網目が長手方向に対して長軸となるいわゆる縦目で構成したものを用いることが好ましい。負極端子部材3は、図3に示すように電池構体2の長手方向の一端側を端子引出し部2aとして、その先端部3aが突出される。
【0026】
外装材4には、薄厚で軽量であるとともに機械的強度や防湿性に優れ、嵩張らずに折り畳むことが可能な金属箔、具体的には厚み寸法が約40μmのアルミニウム箔が用いられる。外装材4は、外形寸法が少なくとも上述した電池構体2の外形寸法よりもやや大きいものが用いられる。外装材4は、図3に示すように折り目部位4aを電池構体2の端子引出し部2aと反対側の部位2bに位置させて長さ方向の中央部から2つ折りにされる。外装材4は、相対する先端部4b、4cが端子引出し部2a側において重ね合わされる。外装材4は、折り目部位4aと直交する両側面に沿って超音波溶接処理が施されることによって両側面接合部位4d、4eを形成して袋状に構成される。
【0027】
外装材4には、電池構体2の最外周層を構成する集電体と同一の材料の金属箔を用いることが好ましい。電池構体2は、上述したように最外周層を正極集電体10によって構成したことから、外装材4にアルミニウム箔が用いられている。アルミニウム箔は、軽量であるとともに廉価であることから好適である。勿論、外装材4としては、アルミニウムを主成分としたものであれば良く、アルミニウム合金箔や表面に蒸着等によってアルミニウム層が形成された金属箔を用いてもよい。外装材4には、上述したように厚み寸法が40μmのアルミニウム箔を用いたが、材料強度と質量、水分透過性によって適宜選択され、10μm乃至100μmの厚み寸法のものが用いられる。外装材4は、ピンホールフリーや加工性、外装としての厚みや重量を考慮すると、20μm乃至60μmの厚み寸法が好適である。
【0028】
外装材4には、先端部4b、4cの相対する内面に、絶縁樹脂シート9があてがわれる。絶縁樹脂シート9は、外装材4の幅寸法とほぼ等しい長さのポリエチレンフィルムからなり、図3に示すように外装材4の先端部4b、4cに沿って負極端子部材3と直交してあてがわれる。絶縁樹脂シート9は、外装材4がその重ね合わされた先端部4b、4cに真空加熱溶着処理が施されて先端接合部位4fを形成することによって、この外装材4と負極端子部材3との絶縁を保持するとともに先端部4b、4cを密封する。
【0029】
なお、絶縁樹脂シート9には、外装材4の幅寸法とほぼ等しい長さを有するものを用いて先端接合部4fに段差が生じないように構成したが、少なくとも負極端子部材3を被覆するに足る長さを有していればよいことは勿論である。絶縁樹脂シート9には、ポリエチレンフィルム以外にも、金属との接合性が良好であるとともに水分透過性が小さい特性を有する例えばポリオレフィン、ナイロン、アイオノマー、ポリエチレンテレフタレート等のフィルム材を用いてもよい。
【0030】
上述したリチウムイオン二次電池1においては、外装材4が正極集電体10と接合されて正極端子を構成し、基端部3bを負極集電体13に接合した負極端子部材3を設けたが、かかる構成に限定されないことは勿論である。リチウムイオン二次電池1は、正極集電体10と負極集電体13とにそれぞれ接合される一対の電極端子部材を設けてもよい。
【0031】
また、リチウムイオン二次電池1は、外装材4を負極端子として構成し、正極集電体10と接合された正極端子部材を設けるようにしてもよい。この場合、リチウムイオン二次電池1は、電池構体2の最外周層が負極集電体13となるように折り畳まれてることによってこの負極集電体13と外装材4とが電気的に接続されるようにする。正極端子部材は、外装材4に対して絶縁性を保持されてその先端部が外部へと突出露呈される。
【0032】
外装材4には、電池構体2の最外周層を負極集電体13として外装材4を負極端子として兼用した場合には、銅箔を用いることが好適である。勿論、外装材4には、ニッケル、鉄、ステンレス、アルミニウム或いはこれら金属のいずれか一種類以上からなる金属箔、若しくはこれら金属を含む合金箔やこれら金属を表面にメッキや蒸着等することによって形成した金属箔を用いてもよい。
【0033】
リチウムイオン二次電池1は、上述した各構成部材により、以下の方法で製作される。すなわち、リチウムイオン二次電池1は、電池構体2が、負極端子部材3の先端部3aを突出露呈させて外装材4によって密封されてなる。リチウムイオン二次電池1は、図3に示すように、2つ折りされた外装材4がその先端部4b、4cを負極端子部材3が引き出される引出し部2a側で重ね合わされて電池構体2を包み込んでなる。リチウムイオン二次電池1は、外装材4に、負極端子部材3を挟んでその先端部4b、4cの内面に絶縁樹脂シート9があてがわれてなる。
【0034】
リチウムイオン二次電池1は、外装材4が、電極構体2と重ならないように、折り目部位4aと直交する両側面の全域に亘って超音波溶接処理が施されることによって両側に沿ってた側面接合部位4d、4eがそれぞれ形成されて袋状に接合されてなる。リチウムイオン二次電池1は、これら側面接合部位4d、4eが、負極端子部材3を引き出す部位ではなく、溶融されたアルミニウムが再固化することにより接合されることで極めて良好な防水特性を以って強固に接合されてなる。
【0035】
リチウムイオン二次電池1は、側面接合部位4d、4eについて、従来のラミネート材と比べて大きな接合幅を必要としないが、同等の5mm幅で形成されてもよい。リチウムイオン二次電池1は、側面接合部位4d、4eが、外装材4にアルミニウム箔を用いたことにより比較的簡単に内側に折り曲げることが可能とされる。したがって、リチウムイオン二次電池1は、側面接合部位4d、4eを折り曲げられた場合においてもその厚みが極めて小さいために、その厚み寸法が電池構体2の厚みと寸法とほとんど変わらなず、有効な体積率となる。
【0036】
リチウムイオン二次電池1は、外装材4が、重ね合わせた先端部4b、4cに真空加熱溶着処理が施こされて内部を真空にする先端接合部4fが形成されてなる。リチウムイオン二次電池1は、負極端子部材3が、その網目内に溶融した絶縁樹脂シート9が溶け込むことによって外装材4との絶縁が確実に保持された状態で先端接合部4fにしっかりと接合されなる。リチウムイオン二次電池1は、負極端子部材3を引き出すために外装材4の先端接合部4fが側面接合部位4d、4eに対してその防水特性をやや劣化した状態となる。したがって、リチウムイオン二次電池1においては、負極端子部材3を部分的に絶縁する絶縁樹脂シート9を用いる場合に、この絶縁樹脂シート9が負極端子部材3の幅寸法に対して1mm程度大きい長さのものを用いることが好ましい。
【0037】
リチウムイオン二次電池1は、上述したように外装材4の先端接合部4fに、幅方向の全域に亘る長さ寸法を有する絶縁樹脂シート9を用いることで段差が無くかつ良好な防水特性を以って構成される。リチウムイオン二次電池1は、先端接合部4fを、側面接合部位4d、4eと同様に超音波溶接によって形成してもよい。リチウムイオン二次電池1は、外装材4の内部を真空にして電池構体2を密封することで、外装材4がこの電池構体2に密着した状態となる。リチウムイオン二次電池1は、電池構体2の最外周層が正極集電体10によって構成されることから、外装材4とこの正極集電体10との電気的導通が確実に保持される。リチウムイオン二次電池1は、かかる構成によって外装材4が正極端子としても安定して作用する。
【0038】
本発明は、上述したリチウムイオン二次電池1に限定されるものでは無く、例えば正極集電体にリチウムイオンを吸収できる正極活物質を塗布してなる正極材と、金属リチウムからなる負極材と、高分子電解質とを備えるリチウム一次電池にも適用可能であることは勿論である。また、本発明は、種々の電池にも適用可能であり、例えば液体電解質を用いた電池であってもよい。さらに、本発明は、正極材と負極材との間にポリマー電解質を挟み込んだいわゆるポリマー電池にも好適に実施される。
【0039】
図4に示した薄型電池20は、上述したリチウムイオン二次電池1に対してさらに機械的強度の向上を図ったものである。薄型電池20は、リチウムイオン二次電池1の外装材4を、樹脂フィルム21によって封装してなる。樹脂フィルム21は、例えばポリオレフィンやテフロン系の熱収縮性を有する樹脂によって一方を開口22とした袋状に成形されてなる。樹脂フィルム21は、リチウムイオン二次電池1の外形寸法よりもやや大きめの内部空間を有してなる。
【0040】
薄型電池20は、リチウムイオン二次電池1が、同図に示すように正極端子部材3が露呈された部位と反対側を装填側として、開口22から樹脂フィルムからなる封装材21の内部に装填される。薄型電池20は、開口22から負極端子部材3の先端部3aを露呈させた状態で、封装材21に加熱処理を施す。薄型電池20は、これによって封装材21がリチウムイオン二次電池1の外形に倣って収縮してこれを封装する。
【0041】
薄型電池20は、熱収縮性樹脂フィルムからなる封装材21によって全周を覆われることから、機械的強度の向上が図られる。薄型電池20は、封装材21が加熱処理を施されて収縮することで装填したリチウムイオン二次電池1の外周部に密着することから、外形寸法がこのリチウムイオン二次電池1とほとんど同等に構成される。
【0042】
なお、封装材21については、無駄な体積が生じないようにリチウムイオン二次電池1の装填操作に支障の無い範囲でその大きさに近い範囲で成形することが好ましい。また、封装材21は、リチウムイオン二次電池1の形状に併せて、円筒形や平たい筒状或いは封筒状等の適宜の形状に成形される。
【0043】
図5に示した薄型電池30は、上述したリチウムイオン二次電池1について、外装材4の両側面に形成された側面接合部位4d、4eを内側に折り曲げるとともにこれを封装体25によって封装した構成に特徴を有している。側面接合部位4d、4eは、上述したようにアルミニウム箔からなる外装体4に超音波溶接を施して形成される。側面接合部位4d、4eは、外装体4の材料特性から折り曲げが極めて簡単であるとともにその厚みも小さい。
【0044】
薄型電池30は、リチウムイオン二次電池1が、同図に示すように負極端子部材3が露呈された部位と反対側を装填側として、開口26から封装体25の内部に装填される。薄型電池30は、封装体25によって折り曲げられた側面接合部位4d、4eが保持される。封装体25は、側面接合部位4d、4eの保持作用とともに装填されたリチウムイオン二次電池1の保護作用も奏する。
【0045】
なお、封装体25については、上述した熱収縮性樹脂フィルムと同様に構成されてもよい。また、封装体25は、熱可塑性樹脂や熱・光硬化性樹脂によって側面接合部位4d、4eが予め折り曲げられたリチウムイオン二次電池1の外周部をモールドした部材であってもよい。
【0046】
上述したリチウムイオン二次電池1を基本として以下に示す第1の実施例薄型電池1A乃至第6の実施例薄型電池1Fと、外装材にラミネート材を用いた第1の比較例薄型電池100A乃至第3の比較例薄型電池100Cとを製作して、それぞれの評価を行った。
【0047】
第1の実施例薄型電池1Aは、上述した実施の形態に示したリチウムイオン二次電池1によって製作した。電池構体2Aは、正極材5、負極材6及びセバレータ7からなる積層体を平たく折り畳むようにして巻回し、最外周層を正極集電体10として外装材4を正極端子として構成した。電極端子部材3は、直径50μmの銅線を75μm間隔の網目で編んだ金属網を裁断し、その基端部3bを負極集電体12に接続した。外装材4には、厚みが40μmのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して5mm幅の側面接合部位4d、4eを形成した。
【0048】
第2の実施例薄型電池1Bは、電池構体2Bが正極材5、負極材6及びセバレータ7からなる積層体をつづら折りしてなり、最外周層を負極集電体12として外装材4を負極端子として構成したリチウムイオン二次電池である。電極端子部材3は、直径50μmのアルミニウム線を75μm間隔の網目で編んだ金属網を裁断し、その基端部3bを正極集電体10に接続した。外装材4には、厚みが40μmのニッケル箔を用い、超音波溶接を施して5mm幅の側面接合部位4d、4eを形成した。
【0049】
第3の実施例薄型電池1Cは、正極材5にニッケル酸リチウム(LiNiO2)が用いられるとともに負極材6に難黒鉛化炭素が用いられ、上述した第1の実施例薄型電池1Aと同様の工程によって作成したリチウムイオン二次電池である。外装材4には、厚みが40μmのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して5mm幅の側面接合部位4d、4eを形成した。
【0050】
第4の実施例薄型電池1Dは、正極材5にニッケル酸リチウム(LiNiO2)が用いられるとともに負極材6に厚みが300μmのリチウム金属が用いられ、上述した第1の実施例薄型電池1Aと同様の工程によって作成したリチウム金属二次電池である。電極端子部材3は、その基端部3bを負極材6のリチウム金属に圧着して接続した。外装材4には、厚みが40μmのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して5mm幅の側面接合部位4d、4eを形成した。
【0051】
第5の実施例薄型電池1Eは、正極材5に二酸化マンガン、負極材6に金属リチウムが用いられ、上述した第1の実施例薄型電池1Aと同様の工程によって作成したリチウム一次電池である。外装材4には、厚みが40μmのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して5mm幅の側面接合部位4d、4eを形成した。
【0052】
第6の実施例薄型電池1Fは、上述した第2の実施の形態として示したリチウムイオン二次電池20と同様であり、第1の実施例リチウムイオン二次電池1Aを製作した後にその側面接合部位4d、4eを内側に折り曲げるとともにこれを熱収縮チューブからなる封装体25によって封装したリチウムイオン二次電池である。
【0053】
第1の比較例薄型電池100Aは、上述した第1の実施例リチウムイオン二次電池1Aと同様の工程によって電池構体101を製作した後に、この電池構体101を密封する外装体として従来のラミネートフィルム104を用いたリチウムイオン二次電池である。ラミネートフィルム104は、外層が厚み寸法50μmのポリエチレンテレフタレートフィルム、中層が厚み寸法20μmのアルミニウム箔、内層が厚み寸法150μmのポリエチレンフィルムからなる。第1の比較例薄型電池100Aは、このラミネートフィルム104によって、第1の実施例リチウムイオン二次電池1Aの外装材4と同様の方法により電池構体101を包み込んだ後に、両側面に沿ってインパルスシーラによる加熱溶融処理を施して幅10mmの熱溶着部位105を形成してなる。
【0054】
第2の比較例薄型電池100Bは、上述した第4の実施例薄型電池1Dと同様の工程によって電池構体101を製作した後に、この電池構体101を密封する外装体として従来のラミネートフィルム104を用いたリチウム金属二次電池である。第2の比較例薄型電池100Bも、第1の比較例薄型電池100Aと同様にラミネートフィルム104によって電池構体101を包み込んだ後に、両側面に沿ってインパルスシーラによる加熱溶融処理を施して幅10mmの熱溶着部位105を形成してなる。
【0055】
第3の比較例薄型電池100Cは、上述した第5の実施例薄型電池1Eと同様の工程によって電池構体101を製作した後に、この電池構体101を密封する外装体として従来のラミネートフィルム104を用いたリチウム一次次電池である。第3の比較例薄型電池100Cも、第1の比較例薄型電池100Aと同様にラミネートフィルム104によって電池構体101を包み込んだ後に、両側面に沿ってインパルスシーラによる加熱溶融処理を施して幅10mmの熱溶着部位105を形成してなる。
【0056】
上述した各実施例薄型電池1A乃至1Fと比較例薄型電池100A乃至100Cとについて、それぞれの側面接合部位4d、4e及び熱溶着部位105を内側に折り曲げた状態での厚み寸法を実測した結果は次の表1のとおりであった。なお、各二次電池については、満充電時における厚み寸法を実測した。
【0057】
【表1】
【0058】
各実施例薄型電池1A乃至第6の実施例薄型電池1Fは、表1から明らかなように、第1の比較例薄型電池100A乃至第3の比較例薄型電池100Cと比較してその厚み寸法が15%程度まで薄厚に構成される。
【0059】
次に、第1の実施例薄型電池1A乃至第6の実施例薄型電池1Fと第1の比較例薄型電池100A乃至第3の比較例薄型電池100Cとについて、次の評価試験を行った。
【0060】
各実施例二次電池(1A乃至1D及び1F)と比較例二次電池(100A、100B)との評価方法は、温度60°C、湿度60%の環境条件下で、0.5Cの充放電サイクル試験を約70日間かけて300サイクル行い、その初回電池容量からの容量維持率を測定して評価した。さらに、この充放電サイクル試験試験の終了後に、各二次電池について、内部の電解質を分析して侵入した水分量を測定して評価した。なお、0.5Cとは、電池の定格容量を2時間で放電させる電流値である。
【0061】
実施例二次電池(1A乃至1D及び1F)と比較例二次電池(100A、100B)のサイクル試験結果は、次の表2のとおりであった。
【0062】
【表2】
【0063】
また、実施例一次電池1Eと比較例一次電池100Cとの評価方法は、温度60°C、湿度60%の高温多湿の環境条件下で70日間放置した場合と、常温常湿の環境条件下で70日間放置した場合とでの放電容量を測定して評価した。さらに、この放置試験の終了後に、各一次電池について、内部の電解質を分析して侵入した水分量を測定して評価した。
【0064】
実施例一次電池1Eと比較例一次電池100Cの放置試験結果は、次の表3のとおりであった。
【0065】
【表3】
【0066】
各実施例薄型電池1A乃至第6の実施例薄型電池1Fは、表2及び表3から明らかなように、第1の比較例薄型電池100A乃至第3の比較例薄型電池100Cと比較して防湿特性に優れている。したがって、各実施例薄型電池1A乃至第6の実施例薄型電池1Fは、第1の比較例薄型電池100A乃至第3の比較例薄型電池100Cと比較して電池寿命が長く、より薄型であって体積エネルギー密度が高く構成される。
【0067】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明にかかる薄型電池によれば、薄型に構成された電池構体を金属箔からなる外装材によって密封したことにより、より薄型でかつ小型、軽量であって体積エネルギー密度が高く、また防湿性に優れることで電池寿命も長く極めて高性能である。さらに、封装材によって被覆されることから、機械的強度の向上を図ることができる。したがって、薄型電池は、携帯型電子機器等の電源として好適に用いられ、その小型、軽量化と多機能化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる薄型電池の実施の形態として示すリチウム金属二次電池の構成を説明する斜視図である。
【図2】同リチウム金属二次電池に備えられる電池構体の構成を説明する要部縦断面図である。
【図3】同リチウム金属二次電池における外装材による電池構体の密封操作の説明図である。
【図4】本発明にかかる他の薄型電池の実施の形態を示し、電池構体の密封操作の説明図である。
【図5】本発明にかかる他の薄型電池の実施の形態を示し、封装材による封装操作の説明図である。
【図6】従来のリチウム金属二次電池の斜視図である。
【符号の説明】
1 リチウム金属二次電池(薄型電池)、2 電池構体、2a 端子引出し部、3 負極端子部材(電極端子部材)、4 外装体、4a 折り目部位、4d,4e 側面接合部位、4f 先端接合部位、5 正極材、6 負極材、7 セバレータ、8 ゲル状電解質(高分子電解質)、9 絶縁シート、10 正極集電体、11 正極活物質、12 負極集電体、13 負極活物質
封口材、6 封口材、7 ラミネート材、8 正極端子部材、9 負極端子部材、10 導線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin battery such as a lithium ion battery formed by laminating an electrode material and a polymer electrolyte, and more particularly to an exterior structure of a battery assembly.
[0002]
[Prior art]
Batteries are defined as devices that convert chemical energy, physical energy, or biochemical energy into electrical energy, and are broadly classified as chemical batteries, biological batteries, physical batteries, or the like. For example, for a chemical battery, a primary battery in which the process of chemical change is not reversible or not configured to be rechargeable, and a secondary battery and a reaction in which the process of chemical change is reversible or configured to be rechargeable It is classified as a fuel cell or the like that promotes a chemical reaction while supplying a substance involved in the reaction from outside and taking out a reaction product to the outside.
[0003]
Batteries are widely used as power sources for portable electronic devices and the like. Such portable electronic devices are required to have more power and more portable due to their multi-functionality, and the demand for thin batteries, in other words, the demand for thin batteries increases as the power source becomes smaller and lighter. ing. For portable electronic devices, lithium batteries having high energy density and high output density are generally used. A conventional lithium battery uses a liquid electrolyte as a conductive substance between electrodes, and a metal can is provided to prevent leakage of the electrolyte. The conventional lithium battery has a limit in reducing the thickness because it is difficult to make the metal can 4 mm or less in order to maintain the mechanical strength.
[0004]
On the other hand, in recent batteries, a battery using a non-aqueous semi-solid electrolyte made of an inorganic or organic non-aqueous solid electrolyte or a polymer gel has been proposed. Batteries using these semi-solid electrolytes have a constant thickness due to their non-fluid or extremely small electrolyte characteristics, and the distance and pressure between the electrodes are kept constant by the adhesive force between the electrolyte and the electrodes. Therefore, it is expected that a metal can is unnecessary, and that the thickness can be reduced as well as the weight and size are reduced.
[0005]
For example, in the thin
[0006]
The thin
[0007]
Note that, as a thin battery, for example, a polymer battery having the same basic configuration as the above-described lithium battery is also attracting attention. This polymer battery is composed of a polymer electrolyte material between a positive electrode material obtained by depositing a positive electrode active material on a strip-shaped current collector and a negative electrode material formed by depositing a negative electrode active material on a strip-shaped current collector. A battery assembly is formed by sandwiching the separator. The polymer battery is also formed by heat-sealing the periphery of the laminate material in a state where the battery structure is wrapped with the laminate material.
[0008]
The
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional thin
[0010]
Therefore, the conventional thin lithium-
[0011]
In the conventional thin lithium-
[0012]
Therefore, the present invention has a thin battery structure in which at least a positive electrode material, a negative electrode material, and a polymer electrolyte are laminated, and the volume energy density is improved and the size and weight are reduced and the life is extended. It has been proposed for the purpose of providing a thin battery.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A thin battery according to the present invention that achieves this object comprises at least a battery structure in which a positive electrode material, a negative electrode material, and a polymer electrolyte are laminated, an electrode terminal member, and an exterior material made of a metal foil. . A thin battery encases the battery assembly with an exterior material with the tip of the electrode terminal member exposed, and joins the outer periphery of the exterior material. The battery assembly is hermetically sealed by being covered with a sealing material in a state where the outer end of the electrode terminal member is exposed to the outside. .
[0014]
Moreover, the thin battery concerning this invention comprises an electrode terminal, when an exterior material is electrically joined with the collector of a positive electrode material or a negative electrode material. Further, the thin battery seals the battery assembly by bonding the outer peripheral portion of the exterior member with the insulating resin sheet applied to the electrode terminal member and pulled outward. Further, the thin battery is formed by sealing a battery structure sealed with an exterior material with a sealing material in a state where the tip end portion of the electrode terminal member is drawn outward.
[0015]
According to the thin battery according to the present invention configured as described above, since the exterior material is a metal foil, it is easy to bend the joint portion, and the battery assembly is sealed in a very simple manner. It can be folded and does not significantly increase the overall thickness. Therefore, the thin battery is thinner, smaller and lighter, has an improved volume energy density, and is excellent in moisture resistance, thereby extending its life.
[0016]
In addition, according to the thin battery according to the present invention, the exterior material acts as either one of the positive electrode terminal member or the negative electrode terminal member, so that the structure can be simplified. According to the thin battery, since the electrode terminal member is pulled out while being insulated through the insulating resin sheet when the exterior material is joined, the processing is easily performed and the sealing performance at the drawer portion is also maintained. . According to the thin battery, since the exterior material is further covered with the sealing material and reinforced, the mechanical strength can be improved.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A
[0018]
As shown in FIG. 2, the lithium ion
[0019]
As will be described in detail later, the
[0020]
For the
[0021]
The positive electrode material 5 is formed by applying a positive electrode active material 11 (11a, 11b) to a positive electrode current collector 10 made of an aluminum foil. The positive electrode active material 11 is made of lithium nickelate (LiNiO 2 ) 90% by weight, 3% by weight of powdered polyvinylidene fluoride and 7% by weight of powdered graphite are dispersed using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent. The positive electrode material 5 is formed by applying a positive electrode active material 11 to both sides of a belt-like positive electrode current collector 10, then subjecting it to a vacuum drying treatment for 24 hours in an environment of 100 ° C., and further compressing by a roll press with an appropriate pressure force Produced by processing. The positive electrode material 5 is used by cutting it out with an external dimension of about 800 mm × 120 mm. Of course, the positive electrode material 5 is not limited to such a configuration.
[0022]
The
[0023]
The gel electrolyte 8 includes polyacrylonitrile (PAN), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), lithium hexafluorophosphate (LiPF). 6 A polyacrylonitrile-based gel electrolyte is used. The gel electrolyte 8 has a molar composition ratio of PAN: EC: PC: LiPF in which the above-described components are charged. 6 = 12: 53: 27: 8. The gel electrolyte 8 is prepared by mixing a predetermined amount of EC and PC and heating to 150 ° C., and then mixing the predetermined amount of PAN and stirring to dissolve this PAN to form a viscous solution. Predetermined amount of LiPF 6 It is made into a gel through a procedure of adding and dissolving.
[0024]
The positive electrode material 5 and the
[0025]
As the negative
[0026]
As the exterior material 4, a metal foil that is thin and lightweight, has excellent mechanical strength and moisture resistance, and can be folded without being bulky, specifically, an aluminum foil having a thickness of about 40 μm is used. As the exterior material 4, a material whose outer dimension is slightly larger than at least the outer dimension of the
[0027]
It is preferable to use a metal foil made of the same material as that of the current collector constituting the outermost peripheral layer of the
[0028]
An insulating resin sheet 9 is applied to the exterior material 4 on the inner surfaces of the
[0029]
The insulating resin sheet 9 has a length substantially equal to the width of the exterior material 4 and is configured so as not to cause a step at the tip
[0030]
In the above-described lithium ion
[0031]
Further, the lithium ion
[0032]
When the outermost peripheral layer of the
[0033]
The lithium ion
[0034]
The lithium ion
[0035]
The lithium ion
[0036]
The lithium ion
[0037]
As described above, the lithium ion
[0038]
The present invention is not limited to the lithium ion
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
In addition, about the sealing
[0043]
The
[0044]
In the
[0045]
In addition, about the sealing
[0046]
The first embodiment thin battery 1A to the sixth embodiment thin battery 1F shown below based on the lithium ion
[0047]
The first example thin battery 1A was manufactured by the lithium ion
[0048]
In the thin battery 1B of the second embodiment, the battery assembly 2B is formed by folding a laminated body composed of the positive electrode material 5, the
[0049]
In the thin battery 1C of the third embodiment, the positive electrode material 5 is made of lithium nickelate (LiNiO). 2 ) And non-graphitizable carbon is used for the
[0050]
In the fourth embodiment thin battery 1D, the positive electrode material 5 is made of lithium nickelate (LiNiO). 2 ) Is used, and a lithium metal having a thickness of 300 μm is used for the
[0051]
The fifth embodiment thin battery 1E is a lithium primary battery using manganese dioxide as the positive electrode material 5 and metallic lithium as the
[0052]
The sixth example thin battery 1F is the same as the lithium ion
[0053]
The first comparative example thin battery 100A is a conventional laminated film as an exterior body for sealing the
[0054]
In the second comparative example thin battery 100B, after the
[0055]
The third comparative example thin battery 100C uses the
[0056]
For each of the thin battery 1A to 1F of the example and the thin batteries 100A to 100C of the comparative example, the results of the actual measurement of the thickness dimensions in a state where the side
[0057]
[Table 1]
[0058]
As is apparent from Table 1, each of the thin battery 1A through the sixth embodiment and the thin battery 1F through the sixth embodiment has a thickness dimension as compared with the first comparative thin battery 100A through the third comparative thin battery 100C. It is made thin up to about 15%.
[0059]
Next, the following evaluation tests were performed on the first example thin battery 1A to the sixth example thin battery 1F and the first comparative example thin battery 100A to the third comparative example thin battery 100C.
[0060]
The evaluation method of each example secondary battery (1A to 1D and 1F) and comparative example secondary battery (100A, 100B) is 0.5C charge / discharge under environmental conditions of temperature 60 ° C and humidity 60%. The cycle test was performed for about 70 days for 300 cycles, and the capacity retention rate from the initial battery capacity was measured and evaluated. Further, after the end of the charge / discharge cycle test, each secondary battery was evaluated by measuring the amount of moisture that had penetrated by analyzing the internal electrolyte. In addition, 0.5 C is a current value for discharging the rated capacity of the battery in 2 hours.
[0061]
The cycle test results of the example secondary batteries (1A to 1D and 1F) and the comparative example secondary batteries (100A, 100B) were as shown in Table 2 below.
[0062]
[Table 2]
[0063]
In addition, the evaluation method of the example primary battery 1E and the comparative example primary battery 100C is as follows: when it is left for 70 days in a high temperature and high humidity environment condition of a temperature of 60 ° C. and a humidity of 60%; The discharge capacity was measured and evaluated when left for 70 days. Further, after the standing test, each primary battery was evaluated by analyzing the internal electrolyte and measuring the amount of invaded water.
[0064]
Table 3 shows the results of leaving tests of the example primary battery 1E and the comparative example primary battery 100C.
[0065]
[Table 3]
[0066]
As is clear from Tables 2 and 3, the thin battery 1A through the sixth embodiment and the thin battery 1F through the sixth embodiment are moisture-proof as compared with the first comparative thin battery 100A through the third comparative thin battery 100C. Excellent characteristics. Accordingly, each of the example thin batteries 1A through the sixth example thin batteries 1F has a longer battery life and is thinner than the first comparative example thin battery 100A through the third comparative example thin battery 100C. The volume energy density is high.
[0067]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the thin battery according to the present invention, the thin battery structure is sealed with the exterior material made of metal foil, so that it is thinner, smaller, lighter and has a volume energy. The battery has a long battery life and extremely high performance due to its high density and excellent moisture resistance. Furthermore, since it is covered with the sealing material, the mechanical strength can be improved. Therefore, the thin battery is suitably used as a power source for a portable electronic device or the like, and realizes its small size, light weight, and multiple functions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of a lithium metal secondary battery shown as an embodiment of a thin battery according to the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a main part for explaining the configuration of a battery structure provided in the lithium metal secondary battery.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a sealing operation of a battery assembly by an exterior material in the lithium metal secondary battery.
FIG. 4 shows another embodiment of the thin battery according to the present invention, and is an explanatory view of the sealing operation of the battery assembly.
FIG. 5 shows another embodiment of the thin battery according to the present invention, and is an explanatory diagram of a sealing operation using a sealing material.
FIG. 6 is a perspective view of a conventional lithium metal secondary battery.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Sealing material, 6 Sealing material, 7 Laminating material, 8 Positive terminal member, 9 Negative terminal member, 10 Conductor
Claims (12)
上記外装材は、上記電極端子部材の先端部を露呈させた状態で上記電池構体を包み込むとともに外周部が接合され、正極材又は負極材の何れか一方の集電体と電気的に接合されることによって電極端子を構成してなり、
他方の極性の上記電極端子部材が絶縁樹脂シートをあてがって上記外装材の外方へと引き出され、
上記外装材を上記電極端子部材の先端部を外方に露呈させた状態でさらに封装材によって被覆されることにより上記電池構体を密封することを特徴とした薄型電池。At least a positive electrode material, a negative electrode material, and a battery structure formed by laminating a polymer electrolyte, an electrode terminal member, and an exterior material made of metal foil,
The exterior material encloses the battery assembly with the tip of the electrode terminal member exposed, and the outer peripheral portion is joined , and is electrically joined to either the positive electrode material or the negative electrode material. By configuring the electrode terminal ,
The electrode terminal member of the other polarity is applied to the insulating resin sheet and pulled out of the exterior material,
A thin battery characterized in that the battery assembly is sealed by covering the outer covering material with a sealing material in a state where the tip portion of the electrode terminal member is exposed to the outside.
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