JP4418185B2 - 電池、コンデンサ、キャパシタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正・負極が積層された構造を有する電池、コンデンサ、キャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池、コンデンサ、キャパシタには、集電可能な長尺な基材の両面に、コータによって活物質を含む膜（以下、成膜部ということがある）が連続的に成膜された電極を使用することがある。このような電極は所望の大きさに裁断された後に、例えば、電池の場合には、特許文献１に記載されているように、正極／セパレータ／負極／セパレータの順に重ねられて電池ケース内に収納されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２―１９８０９８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極が一枚ずつに裁断された電池では、電極がスパイラル状に巻き取られてつながっている電池とは異なり、振動などの外的要因で電極同士がずれやすかった。その結果、小型の電池（例えば、１Ａｈ級のリチウム二次電池）を作製する場合には、電極も小型になり、基材の一部を集電タブなどに溶接するだけで生産時のハンドリングや輸送時の振動に対しても十分にずれを抑えることができるものの、大型の電池（例えば、１００Ａｈ級のリチウム二次電池）の場合には、積層後のハンドリングや輸送時などの振動に耐えられないことがあった。すなわち、大型の電池では、それぞれの電極も大きいため、製造時のハンドリング時や輸送時などで激しく振動した際に、積層した電極やセパレータがずれて、性能低下や短絡などの問題が発生することがあった。
また、このような問題は、電池に限らず、電極をケース内に収納するコンデンサ、キャパシタにも生じていた。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、ハンドリング時や輸送時などで激しく振動した際にも電極がずれない電池、コンデンサ、キャパシタを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１の電池又はコンデンサ又はキャパシタは、集電体上に活物質を含む膜が成膜された成膜部と、膜が成膜されていない非成膜部とが交互に設けられた矩形状の電極と、矩形状のセパレータとを備え、この電極およびセパレータが、各々、複数枚積層されている電池又はコンデンサ又はキャパシタであって、
積層された電極の一辺側の非成膜部同士が接合されていると共に、積層されたセパレータの、電極の非成膜部同士が接合された辺と反対側の辺同士が接合されていることを特徴している。
このような電池又はコンデンサ又はキャパシタにあっては、少なくとも一部の電極の非成膜部同士が接合されているので、電池製造時にハンドリングで積層電極を運ぶ際に電極がずれにくい。電池又はコンデンサ又はキャパシタは、正・負極の重なった部分の面積に応じて充放電量が変化するため、ずれにくいものは性能低下を防止できる。また、製品の輸送時などで振動した場合でも、電極のずれに伴う内部短絡が起こりにくく、性能を維持できる。さらに、基材が集電の役目をしている場合には、基材のみからなる非成膜部同士を接合することにより、集電の電気抵抗が低下するので、製品の性能が向上する。
また、上述した電池又はコンデンサ又はキャパシタにおいては、接合された電極の厚みの合計が２０〜２０００μｍであることが好ましい。
なお、本明細書において、「積層」とは、必ずしも接触して積み重ねられていなくてもよい。すなわち、電極間にセパレータなどの中間層が配置されていてもよい。
【０００６】
また、上述した電池又はコンデンサ又はキャパシタにおいては、電極が非成膜部で裁断されていることが好ましい。電極が非成膜部で裁断されていれば、裁断時に成膜部から機能材料が剥離しにくくなり、機能材料がセパレータ等を突き破って短絡を引き起こすことを防止できる。
【０００７】
また、本願請求項１の電池又はコンデンサ又はキャパシタは、セパレータを備え、このセパレータが複数枚積層され、これらセパレータの周縁の少なくとも一部同士が接合されたことを特徴としている。
このような電池又はコンデンサ又はキャパシタにあっては、セパレータの周縁の少なくとも一部同士が接合されているので、セパレータ同士が固定されて製造時や製品の輸送時などで振動した際にもセパレータのずれに伴うトラブルが起こりにくくなり性能を維持できる。
上述した電池又はコンデンサ又はキャパシタにおいては、接合されたセパレータの厚みの合計が２０〜２０００μｍであることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の電池又はコンデンサ又はキャパシタの実施形態例について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態例）
図１に、本発明の第１の実施形態例であるリチウム二次電池を示す。このリチウム二次電池１ａは、成膜部と非成膜部とが交互に設けられた電極２を、セパレータ３を介して備え、この電極２が複数枚積層されたものであって、電極２の非成膜部同士が接合されたものである。ここで、電極とは、正極４または負極５のことであるが、図示例では、正極４のみが接合されている。
以下、このリチウム二次電池１ａの各構成要素について詳しく説明する。
【０００９】
図２に、電極の構造を示す。この電極２は、中央に成膜部１１が形成され、両端に非成膜部１２が形成されたものである。ここで、成膜部１１とは、基材上に、機能材料である活物質を含む膜が形成された部分のことである。また、非成膜部１２とは、膜が成膜されていない部分、つまり、基材のみの部分のことである。
【００１０】
この電極２の基材は、通常、集電体として用いられるため、金属薄膜が使用され、金属薄膜の例としては、アルミや銅等の薄膜などが挙げられる。
また、成膜部１１をなす機能材料としては、電極２が正極である場合には、例えば、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、鉄酸リチウム、酸化バナジウム、バナジン酸リチウム等の正極活物質が挙げられる。一方、電極２が負極である場合には、例えば、黒鉛、チタン酸リチウム等の負極活物質が挙げられる。
【００１１】
セパレータ３としては、通常、多孔質性の樹脂フィルムが使用され、中でも、多孔質性のポリプロピレンフィルムが好適である。
【００１２】
なお、非成膜部１２には、電極２と外部とを接続する電極リードを接合することができる。非成膜部１２に電極リードを接合すれば、非成膜部を有効活用できるようになる。
【００１３】
次に、上述した電極２を製造する製造方法について説明する。この製造方法では、まず、成膜部形成工程において、長尺の基材の両面に、コータを用いて機能材料を含む電極形成用スラリーを間欠的に塗工する。続いて、電極形成用スラリーが間欠的に塗工された基材を加熱し、電極形成用スラリー中の溶媒を蒸発させる。そして、図３，図４に示すように、基材１３上に、電極形成用スラリーが塗工された部分が成膜部１１になり、塗工されていない部分が非成膜部１２になる。次いで、裁断工程において、裁断機によって非成膜部を基材の幅方向に裁断し、次いで、圧縮工程において、成膜部が形成された基材を、図５に示すようなロールプレス３０で挟み込んで圧縮して最終的な電極を得る。
【００１４】
この製造方法において、電極形成用スラリーには機能材料である活物質が含まれる。すなわち、正極を製造する場合には、電極形成用スラリーに正極活物質とバインダと溶媒とが含まれる。また、負極を製造する場合には、電極形成用スラリーに負極活物質とバインダと溶媒とが含まれる。ここで、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂や、イミド樹脂、アミド樹脂等を用いることができる。また、溶媒としては、バインダを溶解させることができるものが使用され、Ｎ−メチルピロリドンが好適に用いられる。
【００１５】
上述した製造方法のように、非成膜部で裁断することで、裁断時の応力によって機能性材料を含有する成膜部の膜が剥離することが防止できる。そして、成膜部の膜の剥離が防止されたことにより、成膜部の膜がセパレータを突き破って正・負極間の短絡が起こすことがなくなり、製品の歩留まりが向上する。
また、ロールプレスで圧縮することで、しわや反りの発生を防止できる。
【００１６】
次に、このリチウム二次電池の製造方法について説明する。
まず、積層工程において、図６に示すように、正極４、セパレータ３、負極５の順で所定の枚数積層し、全ての正極の非成膜部すなわち正極の基材同士を溶接などの方法で接合する。そして、これらを電池ケース内に収納し、電池ケース内に電解液を充填する。
この際、接合された非成膜部（基材）の合計厚さは２０〜１０００μｍであることが好ましく、１００〜６００μｍであることが更に好ましい。複数の非成膜部を接合するためには，超音波溶接や電気溶接、レーザー溶接などの方法が用いられ、いずれも外部から入熱されるが、非成膜部の合計厚さが２０μｍ未満であると、精度良く入熱できず、接合時に穴が開きやすい。一方、非成膜部の合計厚さが１０００μｍを超えると、全体に入熱することが困難になり、接合されない箇所が生じることがある。
【００１７】
なお、上述した第１の実施形態例では、正極および負極の両方に非成膜部が設けられていたが、本願請求項１はこれに限定されず、少なくとも一部の電極に非成膜部が設けられていればよい。すなわち、正極または負極の一方に非成膜部が設けられていればよいし、一部の正極、一部の負極に非成膜部が設けられていてもよい。さらには、上述した実施形態例では、全ての正極の非成膜部同士を接合したが、本願請求項１では、全ての負極の非成膜部同士を接合してもよいし、一部の正極または負極の非成膜部同士を接合してもよい。ただし、電池として機能しなくなるので、正極と負極とを接合することはない。このように、少なくとも一部の電極の非成膜部を接合すれば、電極のずれを防止できる。
【００１８】
（第２の実施形態例）
図７に、本発明の第２の実施形態例であるリチウム二次電池を示す。このリチウム二次電池１ｂは、電極２（正極４、負極５）がセパレータ３を介して複数枚積層されて備えられたものであって、セパレータ３の周縁の一部同士が接合されたものである。
第２の実施形態例においては、電極に制限はなく、第１の実施形態例で使用した非成膜部が設けられたものを使用できるし、非成膜部が形成されていない電極を使用することもできる。なお、非成膜部が設けられていない電極は、基材上に電極形成用スラリーを連続的に塗工すること以外は第１の実施形態例で示した電極の製造方法によって作製できる。
【００１９】
次に、このリチウム二次電池の製造方法について説明する。
まず、積層工程において、図６に示すように、正極４、セパレータ３、負極５の順で所定の枚数積層し、セパレータ３の周縁の一部同士を接合する。そして、これらを電池ケース内に収納し、電池ケース内に電解液を充填する。
この際、接合されたセパレータの合計厚さは２０〜２０００μｍであることが好ましく、４０〜１０００μｍであることが更に好ましい。セパレータの合計厚さが２０μｍ未満であると、一枚のセパレータの厚さが薄くなってセパレータとして十分に機能しなくなるおそれがある。また、セパレータの接合には、通常、電熱線による熱圧着法が採用されるが、セパレータは熱伝導率が低いためその合計厚さが２０００μｍを超えると、全体を溶融することが困難になり、接合されない箇所が生じることがある。
なお、上述した第２の実施形態例では、セパレータの周縁の一部を接合したが、周縁の全部を接合してもよい。
【００２０】
このような第２の実施形態例では、電極間に配置されたセパレータの周縁の一部同士が接合されているので、電極のずれを防止できる。さらに、第１の実施形態例のように、電極に非成膜部が設けられ、非成膜部で接合されていれば電極のずれをより一層防止できることは言うまでもない。
【００２１】
なお、本発明は上述した第１の実施形態例および第２の実施形態例に限定されない。例えば、上述した第１の実施形態例および第２の実施形態例は、リチウム二次電池であったが、他の電池であってもよいし、コンデンサ、キャパシタなどであってもよい。他の電池又はコンデンサ又はキャパシタであっても、リチウム二次電池と同様の効果が発揮される。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
リチウム二次電池の正極を次のようにして作製した。まず、正極活物質であるマンガン酸リチウム粒子とカーボンブラックとを、ポリフッ化ビニリデンが溶解したＮ−メチルピロリドン中に加え、１時間混合して正極形成用スラリーを調製した。次いで、幅１４０ｍｍ、厚さ２０μｍのアルミ箔の両面に、乾燥時の片面側の膜の厚さが１００μｍになるように、上記正極用スラリーをコータによって間欠的に塗工した。続いて、加熱乾燥して、正極活物質を含む膜からなる成膜部を形成すると同時に、非成膜部を形成させた。次いで、成膜部および非成膜部が形成されたアルミ箔をロールプレスに送り込んで、片面側の膜の厚さが厚さ８０μｍになるように圧縮して、図３に示すような正極を得た。
その際、成膜部１１の長さおよび成膜部１１の幅が１００ｍｍになるようにし、非成膜部における成膜部１１，１１間の距離（非成膜部１２におけるアルミ箔の長手方向の長さ）を４０ｍｍになるようにした。ここで、成膜部１１の長さとは、成膜部１２におけるアルミ箔の長手方向に沿った長さＡのことであり、成膜部１１の幅とは、成膜部１１におけるアルミ箔の幅方向に沿った長さＢのことである。
そして、正極の非成膜部を、トムソン刃によって幅方向に裁断して図２のような形状の電極を得た。
【００２３】
また、負極活物質である黒鉛を、ポリフッ化ビニリデンが溶解したＮ−メチルピロリドン中に加え、１時間混合して負極形成用スラリーを調製した。次いで、厚さ１０μｍの銅箔の両面に、上記負極用スラリーをコータによって間欠的に塗工した。続いて、加熱乾燥し、負極活物質を含む膜からなる成膜部を形成すると同時に、非成膜部を形成させた。次いで、成膜部および非成膜部が形成された銅箔をロールプレスに送り込んで、片面側の膜の厚さが厚さ４０μｍになるように圧縮して、図３のような負極を得た。そして、その電極の非成膜部分を、幅方向にトムソン刃によって裁断して図２のような形状の電極を得た。
【００２４】
次いで、図６に示すように、正極４と負極５の間にセパレータ３を挟んで積層した。その際、正極４および負極５をそれぞれ１００枚積層し、正極の非成膜部の合計の厚さは２０００μｍになった。また、セパレータ１７としては、一辺１１０ｍｍの正方形の多孔質ポリプロピレンフィルムを使用した。
次いで、正極において、集電タブ側に位置する辺の非成膜部の両サイドを超音波溶接で数カ所溶接して全ての正極を接合し、次いで、積層された電極およびセパレータを電池ケース内に収納して、図１に示すようなリチウム二次電池を得た。
【００２５】
（実施例２）
実施例１と同様にして、正極および負極を作製した。次いで、図６に示すように、正極４と負極５の間にセパレータ３を挟んで積層した。その際、正極４および負極５をそれぞれ１００枚積層した。また、セパレータ３としては、縦１２０ｍｍ，横１１０ｍｍの多孔質ポリプロピレンフィルムを使用した。一辺１１０ｍｍの正方形の多孔質ポリプロピレンフィルムを使用した。
次いで、正極において、集電タブ側に位置する辺の非成膜部の両サイドを超音波溶接で数カ所溶接して全ての正極を接合した。さらに、その後、ヒートシール機を用いて、セパレータの、集電タブ側と反対側の辺付近を１２０℃で１０秒間加熱して、全てのセパレータを接合し、次いで、積層された電極およびセパレータを電池ケース内に収納してリチウム二次電池を得た。
【００２６】
実施例１のリチウム二次電池は、正極同士が接合されて固定され、電池製造時におけるハンドリングや製品輸送時などの振動で電極がずれることがなく、高い容量が得られた上に、内部短絡に伴う歩留まり低下を生じなかった。また、実施例２のリチウム二次電池では，正極同士とセパレータ同士がそれぞれ接合されて固定され、製造時や製品輸送時に正極だけでなくセパレータもずれることがなく、内部短絡に伴う歩留まり低下を生じなかった。
【００２７】
（比較例１）
アルミ箔上にコータにより正極形成用スラリーを連続的に塗工し、銅箔上に負極形成用スラリーを連続的に塗工し、正・負極の非成膜部を超音波溶接しなかったこと以外は実施例１と同様にして、１００枚の正・負極を積層した積層型リチウム二次電池を１０個作製した。
作製の際、正極および負極のハンドリングで電極がずれやすいため積層が困難であった。また、積層体を電池ケースに収納して得られた１０個の電池のうち、２個は正・負極が微短絡して自己放電率が大きかった。さらに電池の上下方向に３Ｇの振動を１０分間かけると、全数の電池の電極が微短絡して自己放電率がさらに大きくなった。これは、電極がずれて正極と負極が接触したためと考えられる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、電池製造時のハンドリングや製品完成後の振動時に電極がずれにくくなる。その結果、電極のずれに伴う製造歩留まりの低下や製品性能の低下が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電池の第１の実施形態例を示す概略構成図である。
【図２】 本発明における電極の一例を示す上面図である。
【図３】 裁断前の電極を示す上面図である。
【図４】 裁断前の電極を示す側面図である。
【図５】 電極を製造する際の一工程を示す斜視図である。
【図６】 本発明の電池を製造する際の一工程を示す側面図である。
【図７】 本発明の電池の第２の実施形態例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ リチウム二次電池（電池）
２ 電極
３ セパレータ
１１ 成膜部
１２ 非成膜部
１３ 基材

Claims (4)

1. 集電体上に活物質を含む膜が成膜された成膜部と、膜が成膜されていない非成膜部とが交互に設けられた矩形状の電極と、矩形状のセパレータとを備え、この電極およびセパレータが、各々、複数枚積層されている電池又はコンデンサ又はキャパシタであって、
   積層された電極の一辺側の非成膜部同士が接合されていると共に、積層されたセパレータの、電極の非成膜部同士が接合された辺と反対側の辺同士が接合されていることを特徴とする電池又はコンデンサ又はキャパシタ。
2. 接合された電極の合計厚みが２０〜２０００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電池又はコンデンサ又はキャパシタ。
3. 電極が非成膜部で裁断されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池又はコンデンサ又はキャパシタ。
4. 接合されたセパレータの合計厚みが２０〜２０００μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池又はコンデンサ又はキャパシタ。

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