JP4359961B2

JP4359961B2 - 薄型電池

Info

Publication number: JP4359961B2
Application number: JP13782999A
Authority: JP
Inventors: 武義野阪; 泰造原田
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: JP2000331670A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電池、特に、薄型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、携帯電話やパーソナルコンピュータ等の電子機器類の小型化が目覚しく、これらの電子機器類の電源となる電池においても高性能を維持しつつ小型化、特に薄型化が求められている。
このような電子機器類用の電池は、金属製の電槽缶を用いた円筒型や角型のものがこれまでは一般的であったが、この種の電池は電槽缶を用いることから薄型化に限界がある。このため、近頃は、電槽缶に代えてラミネートフイルムのような軟包装材を用い、正極、負極および電解質等の発電要素を当該軟包装材により包んで封入した薄型電池が提案されている（例えば、特開昭５５−３５４６９号公報参照）。また、携帯用の電子機器類用の電池として軽量なリチウム電池やリチウムイオン電池が注目されており、このようなリチウム電池等の発電要素を軟包装材で包装したものも提案されている（例えば、特開昭６２−５５８６５号公報参照）。
【０００３】
ところで、上述のような軟包装材を用いた薄型電池において、発電要素からの電流を取り出すための端子は、正極や負極に通常用いられるアルミニウムや銅からなる場合が多い。すなわち、正極用の端子としてアルミニウムが用いられ、負極用の端子として銅が用いられる場合が多い。しかし、アルミニウムからなる端子は、半田が溶着しにくく、電子機器類の電源回路部分に対して半田付けにより安定に接続するのが困難である。また、このような端子は、強度が小さく切れ易いという不具合もある。さらに、正極用の端子の材質と負極用の端子の材質とが異なる場合、半田付けの最適条件が両端子において異なるため、両端子を同じ半田付け条件で電源回路部分に対して同時に接続するのは困難である。
【０００４】
本発明の目的は、電気・電子機器類の電源回路に対して容易に接続することができる薄型電池を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄型電池は、偏平状の正極端子を有する板状の正極と、偏平状の負極端子を有する板状の負極と、正極端子および負極端子の一端が外部に突出するよう正極および負極を収容するための、軟包装材を重ねてその周辺部を接着した接着部位を有する外装体とを備えている。正極端子および負極端子は、それぞれニッケルとは異なる金属材料からなる本体部と、当該本体部と一体に形成されたニッケルからなる接続部位とからなり、正極端子は、外装体から突出する一端から接着部位にかけて接続部位が形成されている。
【０００６】
ここで、正極および負極は、例えば、それぞれ正極集電基板および負極集電基板を有しており、正極集電基板は正極端子の本体部と同じ金属材料からなりかつ負極集電基板は負極端子の本体部と同じ金属材料からなる。この場合、正極集電基板が例えばアルミニウムからなりかつ負極集電基板が例えば銅からなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１および図２を参照して、本発明の実施の一形態に係る薄型電池を説明する。なお、図２は、図１の縦断面図である。図において、薄型電池１は、平板状のリチウム電池であり、正極２、負極３、セパレータ４および外装体５を主に備えている。
【０００８】
正極２は、金属箔、エキスパンドメタルまたはパンチングメタルなどの板状金属体からなる正極集電基板２ａと、当該正極集電基板２ａの両面に形成された正極活物質層２ｂとを有している。正極集電基板２ａを構成する金属材料は、特に限定されるものではないが、例えばアルミニウムやその合金である。また、正極活物質層２ｂを構成する正極活物質は、例えばＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＶＯ₅などのリチウム含有遷移金属酸化物やスルフィドなどであるが、高電位を達成できるものであればこれらに限定されるものではない。
【０００９】
このような正極２は、正極端子６を一体的に有している。正極端子６は、図３に示すように、偏平な短冊状に形成されており、正極集電基板２ａと同じ金属材料、すなわち例えばアルミニウムやその合金からなる本体部６ａと、ニッケルからなる接続部位６ｂとが複合されたクラッド材である。接続部位６ｂは、正極端子６の片面側の長手方向の一端部から中央部にかけて形成されている。
【００１０】
このような正極端子６は、例えば、アルミニウムやその合金からなる短冊状の部材を形成し、それに対して短冊状のニッケル板を圧接すると製造することができる。正極端子６の厚さは、通常、１０〜２００μｍに設定するのが好ましく、５０〜１００μｍに設定するのがより好ましい。また、接続部位６ｂの厚さは、通常、５〜１００μｍに設定するのが好ましく、１０〜５０μｍに設定するのがより好ましい。
【００１１】
なお、正極端子６は、通常、スポット溶接や超音波溶接等の手法により、本体部６ａ部分が正極２の正極集電基板２ａに対して接合されている。
【００１２】
一方、負極３は、金属箔、エキスパンドメタルまたはパンチングメタルなどの板状金属体からなる負極集電基板３ａと、当該負極集電基板３ａの両面に形成された負極活物質層３ｂとを有している。負極集電基板３ａを構成する金属材料は、特に限定されるものではないが、例えば銅やその合金である。また、負極活物質層３ｂを構成する負極活物質は、例えば黒鉛質カーボン、リチウム金属、リチウム合金、難黒鉛化炭素、低温焼成カーボンなどであるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１３】
このような負極３は、負極端子７を一体的に有している。負極端子７は、図４に示すように、偏平な短冊状に形成されており、負極集電基板３ａと同じ金属材料、すなわち例えば銅やその合金からなる本体部７ａと、ニッケルからなる接続部位７ｂとが積層されて複合された２層構造のクラッド材である。このような負極端子７は、例えば、銅やその合金からなる短冊状の本体部７ａを形成し、その片面に対して短冊状のニッケル板からなる接続部位７ｂを圧接すると製造することができる。
【００１４】
負極端子７の厚さは、通常、本体部７ａと接続部位７ｂとの合計で１０〜２００μｍになるよう設定するのが好ましく、５０〜１００μｍになるよう設定するのがより好ましい。このうち、接続部位７ｂの厚さは、通常、５〜１００μｍになるよう設定するのが好ましく、１０〜５０μｍになるよう設定するのがより好ましい。
【００１５】
なお、負極端子７は、通常、スポット溶接や超音波溶接等の手法により、本体部７ａ側が負極３の負極集電基板３ａに対して接合されている。
【００１６】
セパレータ４は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂などの絶縁性材料を用いて形成された多孔質の膜であり、正極２と負極３との間に挟まれている。
【００１７】
外装体５は、正極２、負極３およびセパレータ４を電解液と共に収容するためのものであり、軟包装材を重ねてその周辺部５ａを接着したものである。図５（図１のＶ−Ｖ断面図）に示すように、ここで用いられる軟包装材１１は、金属層８と、その両面にそれぞれ積層された外側樹脂層９および内側樹脂層１０とを有する３層構造に形成されている。金属層８は、アルミ箔や各種の金属の蒸着層からなる可撓性を有する薄膜である。また、外側樹脂層９は、強度が高く破れ難い樹脂材料、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂やポリアミド樹脂などからなる薄膜であり、可撓性を有している。さらに、内側樹脂層１０は、金属層８、正極端子６および負極端子７との接着性、すなわち金属材料との接着性に優れた樹脂材料、例えば酸変性ポリオレフィン樹脂、アイオノマー、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、アクリル酸共重合体（ＥＡＡ）などからなる薄膜であり、可撓性を有している。
【００１８】
上述の軟包装材１１は、正極２、負極３およびセパレータ４からなる積層体を挟んで内側樹脂層１０同士が対向するように配置されており、図５に示すように、周辺部５ａにおいて内側樹脂層１０側が互いに液密に接着されて外装体５を形成している。このような外装体５内に収容された正極２の正極端子６および負極３の負極端子７は、それぞれ一部が外装体５から外部に突出している。ここで、正極端子６は、図６（図１のＶＩ−ＶＩ断面図）に示すように、本体部６ａと接続部位６ｂとの境界部分６ｃが周辺部５ａ、すなわち、軟包装材１１の接着部位に位置するように配置されており、接続部位６ｂを有する側が外装体５の外部に突出している。一方、負極端子７は、図７（図１のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図）に示すように、接続部位７ｂが正極端子６の接続部位６ｂと同じ側に位置するよう、軟包装材１１間に挟まれて一部が外装体５から外部に突出している。
【００１９】
外装体５内に収容される電解液は、リチウム電池用に用いられるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、プロピレンカーボネート，γ−ブチロラクトンなどの環状カーボネート，ジメチルカーボネートやジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートなどのカーボネート類、テトラヒドロフランや１，２−ジメトキシエタンなどのエーテル類、およびプロピオン酸メチルなどのエステル類またはこれらの混合物にＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆などの電解質を１種または２種以上溶解させた非水電解液である。
【００２０】
上述の薄型電池１は、正極端子６および負極端子７が携帯電話や小型パーソナルコンピュータ等の携帯電子機器類の電源回路の所定部位に半田付けされる。この際、正極端子６は、接続部位６ｂにより所定部位に対して半田付けされ、また、負極端子７は、接続部位７ｂにより所定部位に対して半田付けされる。ここで、正極端子６および負極端子７は、接続部位６ｂおよび接続部位７ｂがいずれも半田が溶着し易いニッケルからなるため、それぞれの本体部６ａ、７ａの材質が互いに異なるにも拘わらず、同じ材質の半田を用い、しかも半田の溶着条件を同じに設定しつつ電源回路に対して同時にかつ安定に接続することができる。
【００２１】
また、正極端子６および負極端子７は、上述のように強度が大きなニッケルからなる接続部位６ｂ、７ｂを有しているため、端子そのものが高強度であり、上述のような電源回路に対する接続工程において無理な力が加わった場合であっても切断されにくい。
【００２２】
なお、上述の薄型電池１の正極端子６は、正極２が高電位であるため、接続部位６ｂが電解質（電解液）に触れると溶解してしまう場合がある。しかし、正極端子６は、上述のように本体部６ａと接続部位６ｂとの境界部分６ｃが外装体５の周辺部５ａに位置しており、本体部６ａのみが外装体５内に位置しかつ接続部位６ｂ側が外装体５の外部に露出するように設定されている（すなわち、接続部位６ｂが電解質に直接触れないように設定されている）ため、このような不具合を有効に回避することができる。
【００２３】
〔他の実施の形態〕
（１）上述の実施の形態では、外装体５を構成する軟包装材１１として、内側樹脂層１０を、金属材料との接着性に優れた樹脂材料を用いて形成したが、この内側樹脂層１０は、ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂を用いて形成されていてもよい。但し、この場合、内側樹脂層１０は、正極端子６および負極端子７と接触する部分において、金属材料との接着性が良好な樹脂材料からなる層を部分的に有している必要がある。
【００２４】
（２）上述の実施の形態では、外装体５内に電解液を封入する場合について説明したが、電解液に代えてリチウムイオンを伝導し得る固体電解質や上述の電解液を保持したゲル電解質を使用する場合も本発明を同様に実施することができる。
【００２５】
（３）上述の実施の形態は、本発明をリチウム電池について適用した場合について説明したが、本発明は、リチウム電池以外の他の電池についても同様に実施することができる。
【００２６】
【実施例】
実施例
上述の実施の形態に係る薄型電池１を３０個製造した。ここでは、正極２として、ＬｉＣｏＯ₂（活物質）、アセチレンブラック（導電材）およびポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ：バインダー樹脂）を含む正極合材からなる正極活物質層２ｂをアルミニウムからなる正極集電基板２ａの両面に形成したものを用い、また、負極３として、人造黒鉛（活物質）、アセチレンブラック（導電材）およびポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ：バインダー樹脂）を含む負極合材からなる負極活物質層３ｂを銅からなる負極集電基板３ａの両面に形成したものを用いた。
【００２７】
また、正極２の正極端子６として、本体部６ａが正極集電基板２ａと同じくアルミニウムからなりかつ接続部位６ｂがニッケルからなるものを用いた。この正極端子６は、全体の厚さが１００μｍ、接続部位６ｂの厚さが３０μｍになるよう設定し、スポット溶接により本体部６ａを正極集電基板２ａに対して接合した。一方、負極３の負極端子７として、本体部７ａが負極集電基板３ａと同じく銅からなりかつ接続部位７ｂがニッケルからなるものを用いた。この負極端子７は、本体部７ａおよび接続部位７ｂの厚さがそれぞれ５０μｍでありかつ全体の厚さが１００μｍになるよう設定し、スポット溶接により本体部７ａ側を負極集電基板３ａに対して接合した。
【００２８】
さらに、セパレータ４としてポリプロピレン樹脂からなる微多孔膜を用い、電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを１：１の体積割合で混合したものにＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌの濃度になるよう溶解したものを用いた。外装体５を構成する軟包装材１１としては、アルミニウム箔からなる厚さ５０μｍの金属層８、ポリエチレンテレフタレート樹脂からなる厚さ１２μｍの外側樹脂層９および酸変性ポリオレフィン樹脂からなる厚さ５０μｍの内側樹脂層１０を備えた総厚さが１１５μｍのものを用いた。外装体５は、この軟包装材１１の内側樹脂層１０同士を重ね、その周辺部をインパルスシール機を用いて接着することにより形成した。
【００２９】
比較例１
正極端子６および負極端子７をそれぞれ厚さが１００μｍの短冊状のニッケルを用いて構成した点を除き、実施例と同様の薄型電池を３０個製造した。
【００３０】
比較例２
正極端子６を厚さが１００μｍの短冊状のアルミニウムを用いて構成し、また、負極端子７を厚さが１００μｍの短冊状の銅を用いて構成した点を除き、実施例と同様の薄型電池を３０個製造した。
【００３１】
評価１
実施例および比較例１、２でそれぞれ得られた３０個ずつの薄型電池について、放置試験を実施した。ここでは、先ず、各薄型電池を０．２ＣｍＡの定電流で４．１Ｖまで充電し、４．１Ｖに到達したところで電池電圧が４．１Ｖを維持するようにさらに定電圧で充電した。そして、全充電時間が８時間になった時点で充電を中止した。このようにして充電された薄型電池を１時間放置した後、放電終止電圧を２．７Ｖとして、０．２ＣｍＡで定電流放電した。この操作を各薄型電池について３サイクル繰返した後、再度充電し、電圧が４．０Ｖ以上であることを確認してから２０℃の恒温槽内で４週間放置した。そして、各薄型電池について、放置後の電圧を測定した。そして、電圧が４．０Ｖ以上のもの、４．０Ｖ未満０．５Ｖ超のものおよび０．５Ｖ以下のものの３つのグループに分け、実施例および比較例１、２のそれぞれについて各グループの割合を求めた。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１より、比較例１の薄型電池は、放置後の電圧が０．５Ｖ以下のものが大半を占めていることがわかる。また、０．５Ｖ以下の電圧のもののうちの大部分は、電圧が０Ｖであった。これに対し、実施例および比較例２の薄型電池は、殆どが放置後も４．０Ｖ以上の電圧を維持していることがわかる。放置後の電圧が低下している比較例１の薄型電池を解体し、正極集電基板と正極端子との接合部を観察したところ、正極端子が当該接合部で溶解しており、両者が断絶しているか、もしくは略断絶していることが確認された。
【００３４】
評価２
実施例および比較例１、２で得られた薄型電池の正極端子および負極端子に対して半田付けをし、これらに対する半田の溶着性を調べた。ここでは、各薄型電池の正極端子および負極端子に対して直径が０．５ｍｍのニッケル線を５０本ずつ半田付けし、各ニッケル線の接続状況を観察して接続状況が良好なものと不良なものとの割合を求めた。なお、実施例の薄型電池については、正極端子６の接続部位６ａ側および負極端子７の接続部位７ａ側に対してそれぞれニッケル線を半田付けした。因みに、半田付けは、全ての端子に対して同じ条件、すなわち、ニッケル材同士を半田付けする際の最適条件に設定して実施した。結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表２より、実施例および比較例１の薄型電池は、ニッケル線が安定に半田付けされていることがわかる。これに対し、比較例２の薄型電池では、正極端子および負極端子のいずれについても、ニッケル線を安定に半田付けし難いことがわかる。これは、正極端子についてはその材質であるアルミニウムに対する半田の溶着性が低いためであり、また、負極端子については、その材質が銅であるため、上述の半田付け条件が不適当であったためと考えられる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の薄型電池は、上述のように正極端子および負極端子が、それぞれニッケルとは異なる金属材料からなる本体部と、当該本体部と一体に形成されたニッケルからなる接続部位とからなり、正極端子において、外装体から突出する一端から接着部位にかけて接続部位が形成されているため、電気・電子機器類の電源回路に対して容易に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る薄型電池の正面図。
【図２】前記薄型電池の縦断面図。
【図３】前記薄型電池で用いられる正極端子の斜視図。
【図４】前記薄型電池で用いられる負極端子の斜視図。
【図５】図１のＶ−Ｖ断面図。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ断面図。
【図７】図１のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図。
【符号の説明】
１薄型電池
２正極
３負極
５外装体
６正極端子
６ｂ接続部位
７負極端子
７ｂ接続部位

Claims

偏平状の正極端子を有する板状の正極と、
偏平状の負極端子を有する板状の負極と、
前記正極端子および前記負極端子の一端が外部に突出するよう前記正極および前記負極を収容するための、軟包装材を重ねてその周辺部を接着した接着部位を有する外装体とを備え、
前記正極端子および前記負極端子は、それぞれニッケルとは異なる金属材料からなる本体部と、前記本体部と一体に形成されたニッケルからなる接続部位とからなり、前記正極端子は、前記外装体から突出する前記一端から前記接着部位にかけて前記接続部位が形成されている、
薄型電池。
前記正極および前記負極は、それぞれ正極集電基板および負極集電基板を有しており、前記正極集電基板は前記正極端子の前記本体部と同じ前記金属材料からなりかつ前記負極集電基板は前記負極端子の前記本体部と同じ前記金属材料からなる、請求項１に記載の薄型電池。
前記正極集電基板がアルミニウムからなりかつ前記負極集電基板が銅からなる、請求項２に記載の薄型電池。