JP5069837B2 - ポケッティング電極体及びその製造方法とこれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、リチウムイオン二次電池の技術分野に関し、特にリチウムイオン二次電池に使用されるポケッティング電極体、これを製造する方法及びこれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。本発明は、特に５ｍｍ以下の厚さの薄型リチウム二次電池の生産性及びエネルギー密度を画期的に向上するためのものである。
【０００２】
（背景技術）
携帯電話、カムコーダ、ノートブックコンピュータ等の携帯用電子機器市場が拡大し且つ多様化されることにつれ、再充電が可能な電源供給用携帯電池に対する需要も拡大しつつある。携帯用電子機器の小型化、軽量化、高性能化及び多機能化は、電力源として使用される二次電池のエネルギー貯蔵密度の継続的な向上を求めている。従って、これを満たすための多年間の研究の結果、現在、リチウムの可逆的な吸蔵・放出が可能な炭素陰極と、リチウムの可逆的な吸蔵・放出が可能な陽極物質を採用したリチウムイオン二次電池が登場した。このリチウムイオン二次電池は、既存のニッケル−カドミウム及びニッケル−水素のような水溶液系二次電池と比べる場合、単位体積及び単位重量当りのエネルギー密度及び充放電寿命が相対的に大きいため、最近、携帯用電子機器の新たなエネルギー源として急速に既存の電池を代替している。しかし、携帯用電子機器の急速な発展と多変化に伴い、より高いエネルギー密度と多様な規格の電池の選択に対する要求が急増しているところ、現在、リチウムイオン二次電池は、このような要求を満たしていない実情である。特に、電子機器の急速な薄型化と小型化は、厚さの薄い薄型角形リチウムイオン二次電池に対する需要を急速に拡大させている反面、既存の円筒形や角形リチウムイオン二次電池の組立て方法をそのまま採用する場合、薄型化に伴う体積当りのエネルギー密度の下落が大きすぎるという傾向がある。従って、通常、５ｍｍ以下の薄型角形電池を携帯電話、カムコーダ、ノートブックコンピュータ等の高性能携帯用電子機器に採用する場合、十分な駆動時間を得難い実情である。従って、体積当りのエネルギー密度が高い薄型角形リチウムイオン二次電池の開発は、多様な携帯用電子機器の小型化、軽量化、薄型化を成し遂げるのに必須的であると判断される。
【０００３】
図１は、従来の角形リチウムイオン二次電池の組立て過程を概略的に示す図である。角形リチウムイオン二次電池の陰極と陽極は、先ず分離膜を間に設けて通常、ワインディング方式と呼ばれる工程を通じて巻かれて一体化するが、これをジェリーロールと通称する。図１を参照すると、ジェリーロール１０２を角形のカン１０４に挿入した後、その上にキャップ１０６を載せてレーザー融着にて密封することによりリチウムイオン二次電池が製造される。このとき、陰極と陽極はそれぞれ銅薄板とアルミニウム薄板の両面に高分子結着剤と導電性粉末そして各電極活物質の混合剤を塗布して製造し、通常、電極タブの取付けのために非コート部を残す。陰極と陽極の非コート部には通常、それぞれニッケルとアルミニウム材質の電極タブを取付け、これを用いて両電極を電池の外部端子に接続する。このとき、非コート部に取付けられた電極タブのいずれか１つは、ジェリーロール１０２がカン１０４に挿入されるとき、カン１０４の底面や側面に取付けられ、他の１つのタブは、キャップ１０６に取付けられる。このような組立て方式及び構造が与える長所は、先ずワインディング時に分離膜に加わる張力により陽極と陰極とが物理的に均一に密着され、またカン１０４の壁により物理的に圧着されているため、電気化学的な反応により電池が充電または放電されるとき、電極面の全体が均一に活用できるということである。従って、基本的に電池性能に優れ、長期の充放電サイクルに対しても高い性能が維持される。機械的な性能が高い金属材質のカン１０４の壁が与えるもう１つの付加的な長所は、この物理的圧着力によりカン１０４の内部にジェリーロール１０２を強く圧着して充填することができ、内部の変形力により発生し得る厚さの変形を最小化できるということであって、最終的な電池の単位体積当りのエネルギー密度の向上に大きく寄与する。また、電池カン１０４とキャップ１０６とが完全に融着され、電池の内部と外部とを完全に断絶させているため、電池の内部物質が流出する恐れと電池外部の異物質の内部への浸透が防止される。
【０００４】
しかし、このような組立て方法を採用し、同一の電極を使用して５ｍｍ以下の厚さを有する薄型角形リチウムイオン二次電池を製造する場合、通常の円筒形電池に比べてエネルギー密度が約３０％ほど下落するようになる。また、厚さを更に減少させる場合、この下落幅は更に急激に増加する実情である。また、製造工程上におけるジェリーロールの挿入、電解質液の注入、電極端子の絶縁及び分離、レーザーを用いた溶接等の大部分の組立て工程がより難しくなるため、歩留まりの下落と製造コストの上昇が誘発される。前記エネルギー密度の下落の原因は、大きく以下の３つに要約できる。
【０００５】
第一に、従来の角形電池の外装材のカンは、通常低温延伸を通じて製造されるため、アルミニウムの場合大略０．４ｍｍ、スチールの場合大略０．３ｍｍの厚さをそれぞれ有するため、円筒形電池の外装材の厚さの０．２ｍｍに比べてその厚さが約１．５〜２倍程度となる。このような肉厚外装材が電池全体において占める体積分率及び重量分率は、特に５ｍｍ以下の薄型電池に対しては更に大きくなるため、従来のようなカンの使用は高いエネルギー密度の薄型電池の製造に大きな制約を与える。
【０００６】
第二に、ワインディングされ製造されたジェリーロールの形状は、真平らでなく楕円形に近いため、角形電池の内部に普く嵌め込まれ難い。従って、やむなく活用できない空の空間が発生するようになる。これによるエネルギー密度の損失は、使用されない内部空間が電池全体の内部空間において占める体積分率により決まるため、電池内部空間が相対的に少ない薄型電池であるほどその損失が急激に増加するようになる。従って、同一の電極を使用する場合、特に４ｍｍ以下の厚さの角形電池は、１０ｍｍ厚さの角形電池より通常３０％低い体積当りのエネルギー密度を有する。
【０００７】
第三に、角形電池用ワインディング工程では、円筒形の場合と異なって、電極を平たく巻き上げなければならないため、ジェリーロールの両端部分では曲率半径が小さくなり、電極がほぼ折られるようになる。このとき、電極が損傷しないようにするために電極の厚さを薄くするか、電極の柔軟性及び接着力を高めるために非活性結着剤の量を増加させなければならない。薄い電極を数回更に巻いた場合、結局は、より多くの量の分離膜と集電体が電池内に含有され、結局活性物質対非活性結着剤の比が増加し、電池のエネルギー含量を下落させるという問題をもたらす。逆に、非活性結着剤の量を高める場合も同じく、活性電極物質対非活性結着剤の含有量が増加することにより、電池のエネルギー密度は減少するようになる。
【０００８】
前記した短所は、角形電池の厚さの減少に伴って更に深刻になり、特に５ｍｍ以下の厚さの薄型電池の場合は非常に深刻であるため、通常の角形電池の組立て方式では携帯用電子機器等の薄型化の要求を十分に満たすことができない。
【０００９】
前記ジェリーロールによるエネルギー密度の下落は、既存の薄い分離膜と電極とを交互に整列積み重ねる方式を通じて防止することができる。しかし、電極と分離膜を枚葉に交互に整列積み重ねることは、分離膜が非常にフレキシブルであるため手作業では非常に難しい工程であり、特に生産性と歩留まりの側面においても適用がほぼ不可能である。また、このような従来の方式では、陽極の角を正確に陰極の角の内に位置させ難いのみならず、分離膜により陰極と陽極との短絡を徹底して防止することも非常に難しい実状である。
【００１０】
従って、このような問題を回避するために、最近、電極と分離膜との間の物理的接着性を誘発させ、電極を分離膜に接着させた状態で電極間の角を合わせ、また積層体を組立てる方式が提案されるに至った。この接着性は、通常熱と圧力により高分子電解質（これは分離膜とイオン電導性電解質としての２つの役割を果たす）全体を電極の表面に圧着させる方式、または接着性成分を電極と分離膜との間の接触面の一部に塗布する方式で達成されている。
【００１１】
米国特許第５，２９６，３１８号と第５，４７８，６６８号では、イオン電導性ゲル高分子を陰極、陽極及び分離膜に適用し、これらを熱融着することにより、外部の圧力に依存せずに自体的な密着性を維持する電池を提案した。このようなタイプの電池をリチウムイオン高分子電池、または略称して高分子電池という。しかし、この電池は、基本的にイオン電導性の低いゲル状高分子電解質を電極と分離膜のイオン伝導体として利用するため、既存のリチウムイオン電池に比べて高速充放電特性が悪いのみならず、低温での性能が大きく低下する問題を抱えている。また、その化学的構成に多少差はあるが、基本的にリチウムイオン高分子電池の電極には過量の非活性高分子が利用され、イオン電導性分離膜の低い機械的強度により分離膜の厚さを増加させなければならないという問題が発生する。従って、このような電池は、根本的にその体積当りのエネルギー密度が、通常の角形リチウムイオン電池のレベルにも及ばない実情である。
【００１２】
一方、最近、米国特許第５，４３７，６９２号、第５，５１２，３８９号、第５，７４１，６０９号、国際特許条約により出願され公開されたＷＯ ９９４８１６２では、既存のリチウムイオン電池の長所を十分に活用できるように、高分子ゲル電解質を活用せず、その代わりに薄い接着層を分離膜と陰極、そして分離膜と陽極との間に配置することで両電極と分離膜との密着性を維持する方案を提示している。このような構造では、イオン電導性の下落がゲル状高分子電解質の場合に比べて緩和され、また非活性高分子ゲルの含量も大きく減少できるため、エネルギー密度の向上と共に安定した電池性能が得られるものと期待される。しかし、このような技術も同じく、活性電極面全体に電導性を阻害する接着性物質が塗布されるため、既存のリチウムイオン電池に比べて放電性能の低下が発生しかねない。
【００１３】
従って、このような問題点を更に緩和させるために、米国特許第５，９８１，１０７号では、接着成分を電極と分離膜との界面の一部に塗布する一方、追加的にその形状が凸凹の面を形成し、電解質の含湿能力が増加するようにした。また、国際特許条約により出願され公開されたＷＯ ０００４６０１では、陰極と陽極の一部に孔を形成し、これに接着性高分子を詰め込み、これを用いて電極と分離膜との間の接着を形成する方法を提案している。しかし、このような方法は、その接着部位の形成が工程上難しくなるという短所を有しており、特に米国特許第５，９８１，１０７号の場合には、接着性高分子が接着された部位と接着されていない部位間の電池の性能差が生じる問題、そしてＷＯ ０００４６０１の場合には、陰極と陽極に形成された孔を正確に整列させなければならないという難しさを内包している。
【００１４】
一方、前記積層体の場合、外装材による圧着力がなくても既に電極と電解質層間の接着が行われているため、既存の金属外装材より薄肉で軽いアルミニウムラミネート包装材を用いて電池を密封包装する方式により薄型リチウムイオン二次電池を製造する方法が提案されている。これは、通常内部に熱融着密封が可能な高分子層と外部物質の浸透性が低い物質層、そして絶縁性外皮とからなる。このような包装材は、その特性上、既存の金属外装材に比べて薄くて軽いという長所を有しており、薄型電池の厚さ及び重量の上昇に大きな比重を占める金属外装材を代替する場合、電池の重量を下げ、厚さエネルギー密度を高めることができる。
【００１５】
また、外装材自体が電気絶縁体であるため、多層の電極スタックまたはジェリーロールを電気的短絡の恐れ無しに挿入し易い。しかし、この包装材は、薄型で軽いという長所がある反面機械的強度が落ちるという短所もあるため、前記のいかなる方法により電極と分離膜との間の接着が確保される場合でも、包装材が有している機械的脆弱性からもたらされる問題等が残存するようになる。特に、以下に並べる三つの問題は、このような電池の製造及び使用において致命的な短所として作用しかねない。
【００１６】
第一に、前記のような電池は、アルミニウムラミネート包装材の最内側高分子素材層の熱融着により密封されるため、根本的に既存の角形電池に適用されたレーザー融着密封に比べて密封強度が低い。特に、包装材の間から電極タブが引き出される部分は、高分子層と金属層との間の接着性により密封性が決まり、また金属タブの角に隙間が発生するため、通常、液漏れのような不良が発生しやすい主要組立部である。従って、正常な使用最中でも自然的に発生する電極の膨張及びガス発生による内圧の上昇により、この金属タブと高分子内皮層とからなる密封部が割れやすくなり、この割れ部に沿って電解質の液漏れの危険性と水分等の外部不純物の流入可能性が増大するという問題が発生し得る。このような危険性は、電極活物質と電極に沿って流入される不純物と電池の組立ての各段階で流入される不純物により持続的にガスが発生する場合に更にその危険性が高まるため、電池製造の各段階において不純物の流入をより厳格に防止しなければならず、これにより工程コストが上昇するという短所もある。また、接着層の割れによる液漏れの危険性は、高温で電池を使用する場合のように、電池内部の反応によるガス発生の可能性が増大し、接着層の接着が柔軟になる条件下においてより深刻である。仮に、液漏れが発生する場合には、それ自体で電池の性能に致命的な影響を及ぼし、更には電池が使用されている機器の電子回路を汚染させ、高価な電子機器の寿命を短縮しかねない。
【００１７】
第二に、既存の角形電池は、十分に機械的強度が大きい金属カンを利用するため、電池内で誘発される内圧の上昇による深刻な厚さの増加は発生しないが、アルミニウムラミネート包装材は、このような内圧に耐えなく、電池の厚さが膨張するようになる。これは、電池パックの変形を誘発するため、電池パックの正常的な取付けが不可能になるか、あるいは外観上の不満感を誘発する。このような問題点は、高容量化のために電池の面積を増加する場合に更に深刻であるため、約５ｍｍ以下の厚さの高容量電池を製造することをより難しくする。
【００１８】
第三に、アルミニウムラミネート包装材の強度の弱さのため、電池の信頼性及び安定性が低下する問題を有する。最小６カ月乃至数年間使用される電池は、広い温度範囲でのみならず多様な機械的衝撃に対しても優れた耐久性が求められる。既存の角形電池は、金属カンを外装材として使用しているため、外部の圧力や、尖った角による局所的な変形や釘のような鋭利なものによる損傷の可能性が少ないのに対し、アルミニウムラミネート外装材は、材質の厚さと強度面において既存の金属外装材より著しく低いため、このような外部からの衝撃により容易に損傷するか、発火のような安定性における問題が発生する可能性さえ有している。かかる安定性問題は、特に大容量が求められる携帯用コンピュータに使用される電池の場合や、電池パックの薄型化のために外装プラスチックを取り除くか薄型化した電池の場合にはさらに致命的である。
【００１９】
以上の考察を通じて本発明者らは、既存の様々な電池が耐久性と安定性、薄型化、製造の容易さ、高いエネルギー密度を達成するのに多くの限界を抱えていることを確認した。簡単に要約すると、既存のリチウムイオン角形電池は、ジェリーロール形状を有する電極体構造により内部容積の相当割合が活用できないという問題と、低温延伸にて製造された金属包装材の壁体の厚さの減少に対する技術的制約により、電池全体の厚さが減少することによるエネルギー密度の低下が深刻な実情である。それに対し、積層電極体をアルミニウムラミネート包装材にて密封して組立てたリチウムイオン高分子電池の場合、積層構造体の形成によりジェリーロールのために発生する空間浪費は減少する反面、電極間の密着性を与えるために高分子バインダーを過量使用するか、電極−電解質の界面に接着層を塗布しなければならないため、これによるエネルギー密度の下落と電池性能の低下が発生する実状である。また、アルミニウムラミネート包装材自体の機械的脆弱性と、高分子内皮層と金属タブとからなる接着面の接着強度不足により耐久性、安全性が悪いという問題点も内包している。
【００２０】
（発明の開示）
従って、本発明が解決しようとする技術的課題は、ポケッティングされた電極体の分離膜でのしわの発生を防止できるポケッティング電極体を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の技術的課題は、前記ポケッティング電極体を用いて高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を提供することにある。
【００２２】
本発明のまた他の技術的課題は、リチウムイオン二次電池の大量生産に適するポケッティング電極体の製造方法を提供することにある。
【００２３】
前記技術的課題を達成するための本発明のポケッティング電極体は、電極積層方式にて製造されるリチウムイオン二次電池に使用されるポケッティング電極体において、
リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部を有する電極板と
前記非コート突出部のみを露出させながら前記電極板の両面を被覆する分離膜と
前記電極板の外部縁の少なくとも一部において前記分離膜との間に位置し前記分離膜を接着、固定させる接着成分含有の絶縁性高分子フィルムとを備えてなることを特徴とする。
【００２４】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、積層された電極を持つリチウムイオン二次電池において、該電池が、
（ａ） 複数のポケッティング陽極板からなり、各陽極板が；
（ａ−１） リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部を有する電極板と；
（ａ−２） 該非コート突出部のみを露出させながら該電極板の両面を被覆する分離膜と；
（ａ−３） 該電極板の外部縁の少なくとも一部において該分離膜との間に位置し該分離膜を接着、固定させる接着成分含有の絶縁性高分子フィルムと；
を備え、
かつ、
（ｂ） 複数の陰極板からなり、各陰極板がリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる物質を含み、
該陽極板と陰極板とが交互に積層されてなることを特徴とする。
このとき、ポケッティング陽極板の大きさが陰極板の大きさと同等もしくは大きく、陰極板の面積が陽極板のコーティング層の面積より大きいことが好ましい。
【００２５】
前記のまた他の技術的課題を達成するための本発明のポケッティング電極体の製造方法は、電極積層方式にて製造されるリチウムイオン二次電池の大量生産に適用するためのものであって、
（ａ） リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部をそれぞれ有する同一形状の複数の電極板を準備する段階と；
（ｂ） 両面に接着成分が塗布された帯状の絶縁性高分子フィルムを準備する段階と；
（ｃ） 前記電極板が一定間隔を隔てて整列された状態で収納され得る空間が形成されるように両面に接着成分が塗布された帯形状の絶縁性高分子フィルムの一部を除去する段階と；
（ｄ） 前記高分子フィルムの除去領域内に前記電極板を一定間隔で整列配置する段階と；
（ｆ） 帯形状の分離膜を前記電極板が収納された高分子フィルムの両面に位置させ、前記電極板の非コート突出部のみが露出され、前記電極板のその他の部分は被覆されるようにする段階と；
（ｇ） 前記分離膜により被覆された絶縁性高分子フィルムを加熱し、加圧ロールの間を通過させる段階；及び
（ｈ） 前記圧着された絶縁性高分子フィルムを打ち抜きして分離膜／電極板／分離膜の順に積み重ね、前記電極板の外部縁の少なくとも一部において前記分離膜が前記絶縁性高分子フィルムにより接着された複数のポケッティング電極体を得る段階と；
を備えることを特徴とする。
【００２６】
（発明を実施するのに最良の形態）
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明するが、本発明のポケッティンク電極体及びその製造方法を共に説明し、ポケッティングされる電極体を陽極板に限定して説明する。
【００２７】
図２Ａ乃至２Ｇは、本発明の実施例によるポケッティング電極体の製造過程を示す図である。
【００２８】
図２Ａは、本発明のポケッティング電極体を製造するための絶縁性高分子フィルムの一例を示す図である。図２Ａを参照すると、両面に接着成分が塗布された帯形状の高分子フィルム２００にその長さ方向に沿って複数の打ち抜き空間２１０が形成されている。打ち抜き空間２１０は、同じ形状を有し同じ間隔をおいて離隔されており、それぞれの打ち抜き空間２１０は、後述する陽極板が遊びをもって収納できるように陽極板より大きく形成される。本発明のポケッティング電極体を製造するにおいて、絶縁性高分子フィルムの打ち抜き空間の具体的な形状は様々に選択することができるが、陽極板が絶縁性高分子フィルム内に遊びをもって収納され、高分子フィルムが陽極板の少なくとも一部を取り囲むことができるようにする条件さえ満たせばよい。従って、陽極板が非コート突出部を有する長方形形態を有する場合、高分子フィルムの打ち抜き空間の形状は、高分子フィルムが陽極板の少なくとも２辺以上を取り囲むようにする程度であることが好ましい。
【００２９】
図２Ｂは、本発明のポケッティング電極体を製造するための絶縁性高分子フィルムの他の例を示す図である。図２Ｂを参照すると、両面に接着成分が塗布された帯形状の高分子フィルム２００に間隔が周期的に変化する帯形状の打ち抜き空間２１０’が形成されている。
【００３０】
前記絶縁性高分子フィルムは、ポリオレフィン樹脂フィルム、ポリエステル樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、フルオロカーボン樹脂フィルム、ＡＢＳフィルム、ポリアクリル系フィルム、アセタール系フィルム、ポリカーボネートフィルムで構成された群から選ばれたいずれか一つで作製されたものを使用することが好ましい。
【００３１】
また、絶縁性高分子フィルムの両面に塗布される接着成分は、エチレンビニルアセテート、エチレンエチルアセテート、アクリル酸エチレン系化合物、アイオノマー系化合物、ポリエチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラールで構成された高温溶融型接着物質群から選ばれたいずれか一つであることが好ましい。
【００３２】
図２Ｃは、図２Ａの絶縁性高分子フィルム２００の打ち抜き空間内に陽極板と分離膜を位置させる段階を示す図である。図２Ｃを参照すると、打ち抜き空間のそれぞれには、陽極活物質のリチウム金属複合酸化物のコーティング層及び非コート突出部を有する陽極板２２０が遊びをもって収納される。このとき、陽極板の突出部での遊びが陽極板の他の部分での遊びより大きくなるように陽極板２２０の大きさまたは打ち抜き空間の大きさが調節される。次に、幅がｄの帯形状の分離膜（図示せず）を前記陽極板２２０が収納された高分子フィルム２００の両面に位置させるが、陽極板２２０の非コート突出部のみが露出され前記陽極板のその他の部分は被覆されるようにする。図２Ｃで分離膜が位置する空間は一点鎖線の間となる。一方、図２Ｃで点線Ｓの内部の領域は、後述する加圧、接着工程が完了した後にそれぞれのポケッティング電極体を得るための切断線を示したものである。前記のような方法により、底面分離膜／接着成分が塗布された絶縁性高分子フィルム及びその打ち抜き形状に収納された陽極板／上面分離膜の順に積み重ねられた帯形状の結果物を得ることができる。
【００３３】
図２Ｄは、図２Ｂの絶縁性高分子フィルム２００の打ち抜き空間内に陽極板と分離膜を位置させる段階を示す図である。図２Ｄを参照すると、幅がｄ’の帯形状の分離膜（図示せず）を前記陽極板２２０が収納された高分子フィルム２００の両面に位置させる。陽極板２２０の非コート突出部は、高分子フィルム２００を離れた位置まで突出するように陽極板の大きさまたは打ち抜き空間の大きさが予め調節される。図２Ｄにおいて、分離膜は高分子フィルムと同じ幅を有し高分子フィルムの長さ方向に沿って設けられる。図２Ｃにおいても、点線Ｓは、後述する加圧、接着工程が完了した後にそれぞれのポケッティング電極体を得るための切断線を示したものである。
【００３４】
図２Ｅは、図２Ｃの結果物を圧着する過程を示す断面図である。図２Ｅを参照すると、分離膜２３０／接着成分が塗布された絶縁性高分子フィルム２００及びその打ち抜き形状に収納された陽極板２２０／分離膜２３０とからなる図２Ｃの結果物が、連続する巻き紙形態で加圧ロール２５０によりワインディングされながら加熱、融着されている。図２Ｅにおいて図２Ｃの結果物が長さ方向の断面で示されていることが分かる。このように加圧、融着すると、絶縁性高分子フィルム２００が設けられているところでは強い接着が行われるのに対し、陽極板２２０が設けられているところではなんらの接着や変形が起こらない。
【００３５】
前記実施例に使用される分離膜は、ポリオレフィン材質の多孔性高分子フィルムであって、通常、孔隙率が２５〜６０％、厚さが１０〜３０ミクロンであるものを使用することが好ましい。また、その材質がポリエチレンの場合には、加熱、融着のための温度が１２０度以下、ポリプロピレンの場合には、約１５０度以下であることが好ましい。
【００３６】
図２Ｆは、図２Ｅの説明による圧着結果物を図２Ｃの点線に沿って打ち抜きして製造されたポケッティング電極体を示す図である。図２Ｆにおいて図示の明確化のために陽極板２２０及び絶縁性高分子フィルム２００の接着部位を透視して示した。図２Ｆを参照すると、接着部位は、陽極板２２０の外部縁のすべてを取り囲んでおり、陽極板２２０の非コート突出部のみが分離膜２３０により被覆されないまま露出されている。
【００３７】
仮に、図２Ｄに示した結果物を用いてポケッティング電極体を製造する場合、接着部位は、陽極板の外部の上、下縁のみを取り囲むようになるはずである。
【００３８】
前記のような方法にてポケッティング電極体を製造すると、ポケッティング電極体の大量生産が可能である。
【００３９】
図２Ｇは、図２ＦのＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図２Ｇを参照すると、分離膜２３０／陽極板２２０／分離膜２３０が積み重ねられた部分の厚さと、分離膜２３０／接着成分が塗布された絶縁性高分子フィルム２００／分離膜２３０が積み重ねられた部分の厚さとの差異が従来の場合より小さいため、本発明の方法にて製造されたポケッティング電極体の分離膜には、しわが少なく発生することが分かる。
【００４０】
図２Ｃは、ポケッティング電極体と陰極板の大きさを比べて示した図である。リチウムイオン二次電池を電極体積層方式にて製造する場合に陰極と陽極の活性面間の角の不一致を防止し、円滑な積層整列のために、一般に打ち抜きされたポケッティング電極体の大きさが前記陰極板の大きさと同等もしくは大きく、前記陰極板の面積が前記陽極板の陽極活物質のコーティング面積より大きいことが好ましい。従って、図３に示したように、陽極板及び陰極板の両方とも非コート突出部を有する長方形形態を有する場合、陽極板の幅Ｂとポケッティング用分離膜の幅Ａ及び陰極板の幅Ｃとが、下記式のような関係を満たすことが好ましい。
更に好ましくは、それぞれの突出部を除くポケッティング電極体と陰極の縁とを一致させると、自動的に陽極に向かい合うすべての面が陰極に覆われていなければならないという条件を満たすことができる。
【００４１】
このように製造されたポケッティング電極体と陰極板を積層型枠にて整列、積み重ねた後、陰極非コート突出部は陰極非コート突出部同士に、陽極非コート突出部は陽極非コート突出部同士に溶接する。次に、これらをそれぞれ陰極タブ及び陽極タブに接続し、金属外装材内に密封する方式にてリチウムイオン二次電池を完成するようになる。
【００４２】
このように完成したリチウムイオン二次電池の性能を簡単に要約すると、以下の通りである。
［厚さ２．４ｍｍの角形電池］
厚さ２．４ｍｍ、短直径３５ｍｍ、長直径６２ｍｍの曲率角形で製造された電池の場合、可逆容量は６２０ｍＡｈであったが、これを体積当りのエネルギー密度に換算すると４４０Ｗｈ／ｌｉｔｅｒである。
［厚さ４．０ｍｍの角形電池］
厚さ４．０ｍｍ、短直径３５ｍｍ、長直径６２ｍｍの曲率角形で製造された電池の場合、可逆容量は１１００ｍＡｈであったが、これを体積当りのエネルギー密度に換算すると４７０Ｗｈ／ｌｉｔｅｒである。
【００４３】
上述の本発明によると、ポケッティング電極体の製造においてより大きい接着強度を得ることができるのみならず、接着面積も減少することができるため、完成したリチウムイオン二次電池のエネルギー密度を増加することができる。また、連続する巻き紙形態で巻いて製造することができるため、連続生産工程の適用に有利になり、リチウムイオン二次電池の大量生産が容易になる。
【００４４】
本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者により多くの変形が可能である。従って、本実施例は、ポケッティングされる電極体を陽極板に限定して説明したが、活性物質塗布領域に対する制限条件さえ満たせば、陰極板をポケッティングしたポケッティング電極体を使用できることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、従来の角形リチウムイオン二次電池の組立て過程を概略的に示す図である。
【図２】 図２Ａ乃至２Ｇは、本発明の実施例によるポケッティング電極体の製造過程を示す図である。
【図３】 図３は、本発明の実施例に使用されるポケッティング電極体と陰極板の大きさを比べて示す図である。
（技術分野）
本発明は、リチウムイオン二次電池の技術分野に関し、特にリチウムイオン二次電池に使用されるポケッティング電極体、これを製造する方法及びこれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。本発明は、特に５ｍｍ以下の厚さの薄型リチウム二次電池の生産性及びエネルギー密度を画期的に向上するためのものである。
【０００２】
（背景技術）
携帯電話、カムコーダ、ノートブックコンピュータ等の携帯用電子機器市場が拡大し且つ多様化されることにつれ、再充電が可能な電源供給用携帯電池に対する需要も拡大しつつある。携帯用電子機器の小型化、軽量化、高性能化及び多機能化は、電力源として使用される二次電池のエネルギー貯蔵密度の継続的な向上を求めている。従って、これを満たすための多年間の研究の結果、現在、リチウムの可逆的な吸蔵・放出が可能な炭素陰極と、リチウムの可逆的な吸蔵・放出が可能な陽極物質を採用したリチウムイオン二次電池が登場した。このリチウムイオン二次電池は、既存のニッケル−カドミウム及びニッケル−水素のような水溶液系二次電池と比べる場合、単位体積及び単位重量当りのエネルギー密度及び充放電寿命が相対的に大きいため、最近、携帯用電子機器の新たなエネルギー源として急速に既存の電池を代替している。しかし、携帯用電子機器の急速な発展と多変化に伴い、より高いエネルギー密度と多様な規格の電池の選択に対する要求が急増しているところ、現在、リチウムイオン二次電池は、このような要求を満たしていない実情である。特に、電子機器の急速な薄型化と小型化は、厚さの薄い薄型角形リチウムイオン二次電池に対する需要を急速に拡大させている反面、既存の円筒形や角形リチウムイオン二次電池の組立て方法をそのまま採用する場合、薄型化に伴う体積当りのエネルギー密度の下落が大きすぎるという傾向がある。従って、通常、５ｍｍ以下の薄型角形電池を携帯電話、カムコーダ、ノートブックコンピュータ等の高性能携帯用電子機器に採用する場合、十分な駆動時間を得難い実情である。従って、体積当りのエネルギー密度が高い薄型角形リチウムイオン二次電池の開発は、多様な携帯用電子機器の小型化、軽量化、薄型化を成し遂げるのに必須的であると判断される。
【０００３】
図１は、従来の角形リチウムイオン二次電池の組立て過程を概略的に示す図である。角形リチウムイオン二次電池の陰極と陽極は、先ず分離膜を間に設けて通常、ワインディング方式と呼ばれる工程を通じて巻かれて一体化するが、これをジェリーロールと通称する。図１を参照すると、ジェリーロール１０２を角形のカン１０４に挿入した後、その上にキャップ１０６を載せてレーザー融着にて密封することによりリチウムイオン二次電池が製造される。このとき、陰極と陽極はそれぞれ銅薄板とアルミニウム薄板の両面に高分子結着剤と導電性粉末そして各電極活物質の混合剤を塗布して製造し、通常、電極タブの取付けのために非コート部を残す。陰極と陽極の非コート部には通常、それぞれニッケルとアルミニウム材質の電極タブを取付け、これを用いて両電極を電池の外部端子に接続する。このとき、非コート部に取付けられた電極タブのいずれか１つは、ジェリーロール１０２がカン１０４に挿入されるとき、カン１０４の底面や側面に取付けられ、他の１つのタブは、キャップ１０６に取付けられる。このような組立て方式及び構造が与える長所は、先ずワインディング時に分離膜に加わる張力により陽極と陰極とが物理的に均一に密着され、またカン１０４の壁により物理的に圧着されているため、電気化学的な反応により電池が充電または放電されるとき、電極面の全体が均一に活用できるということである。従って、基本的に電池性能に優れ、長期の充放電サイクルに対しても高い性能が維持される。機械的な性能が高い金属材質のカン１０４の壁が与えるもう１つの付加的な長所は、この物理的圧着力によりカン１０４の内部にジェリーロール１０２を強く圧着して充填することができ、内部の変形力により発生し得る厚さの変形を最小化できるということであって、最終的な電池の単位体積当りのエネルギー密度の向上に大きく寄与する。また、電池カン１０４とキャップ１０６とが完全に融着され、電池の内部と外部とを完全に断絶させているため、電池の内部物質が流出する恐れと電池外部の異物質の内部への浸透が防止される。
【０００４】
しかし、このような組立て方法を採用し、同一の電極を使用して５ｍｍ以下の厚さを有する薄型角形リチウムイオン二次電池を製造する場合、通常の円筒形電池に比べてエネルギー密度が約３０％ほど下落するようになる。また、厚さを更に減少させる場合、この下落幅は更に急激に増加する実情である。また、製造工程上におけるジェリーロールの挿入、電解質液の注入、電極端子の絶縁及び分離、レーザーを用いた溶接等の大部分の組立て工程がより難しくなるため、歩留まりの下落と製造コストの上昇が誘発される。前記エネルギー密度の下落の原因は、大きく以下の３つに要約できる。
【０００５】
第一に、従来の角形電池の外装材のカンは、通常低温延伸を通じて製造されるため、アルミニウムの場合大略０．４ｍｍ、スチールの場合大略０．３ｍｍの厚さをそれぞれ有するため、円筒形電池の外装材の厚さの０．２ｍｍに比べてその厚さが約１．５〜２倍程度となる。このような肉厚外装材が電池全体において占める体積分率及び重量分率は、特に５ｍｍ以下の薄型電池に対しては更に大きくなるため、従来のようなカンの使用は高いエネルギー密度の薄型電池の製造に大きな制約を与える。
【０００６】
第二に、ワインディングされ製造されたジェリーロールの形状は、真平らでなく楕円形に近いため、角形電池の内部に普く嵌め込まれ難い。従って、やむなく活用できない空の空間が発生するようになる。これによるエネルギー密度の損失は、使用されない内部空間が電池全体の内部空間において占める体積分率により決まるため、電池内部空間が相対的に少ない薄型電池であるほどその損失が急激に増加するようになる。従って、同一の電極を使用する場合、特に４ｍｍ以下の厚さの角形電池は、１０ｍｍ厚さの角形電池より通常３０％低い体積当りのエネルギー密度を有する。
【０００７】
第三に、角形電池用ワインディング工程では、円筒形の場合と異なって、電極を平たく巻き上げなければならないため、ジェリーロールの両端部分では曲率半径が小さくなり、電極がほぼ折られるようになる。このとき、電極が損傷しないようにするために電極の厚さを薄くするか、電極の柔軟性及び接着力を高めるために非活性結着剤の量を増加させなければならない。薄い電極を数回更に巻いた場合、結局は、より多くの量の分離膜と集電体が電池内に含有され、結局活性物質対非活性結着剤の比が増加し、電池のエネルギー含量を下落させるという問題をもたらす。逆に、非活性結着剤の量を高める場合も同じく、活性電極物質対非活性結着剤の含有量が増加することにより、電池のエネルギー密度は減少するようになる。
【０００８】
前記した短所は、角形電池の厚さの減少に伴って更に深刻になり、特に５ｍｍ以下の厚さの薄型電池の場合は非常に深刻であるため、通常の角形電池の組立て方式では携帯用電子機器等の薄型化の要求を十分に満たすことができない。
【０００９】
前記ジェリーロールによるエネルギー密度の下落は、既存の薄い分離膜と電極とを交互に整列積み重ねる方式を通じて防止することができる。しかし、電極と分離膜を枚葉に交互に整列積み重ねることは、分離膜が非常にフレキシブルであるため手作業では非常に難しい工程であり、特に生産性と歩留まりの側面においても適用がほぼ不可能である。また、このような従来の方式では、陽極の角を正確に陰極の角の内に位置させ難いのみならず、分離膜により陰極と陽極との短絡を徹底して防止することも非常に難しい実状である。
【００１０】
従って、このような問題を回避するために、最近、電極と分離膜との間の物理的接着性を誘発させ、電極を分離膜に接着させた状態で電極間の角を合わせ、また積層体を組立てる方式が提案されるに至った。この接着性は、通常熱と圧力により高分子電解質（これは分離膜とイオン電導性電解質としての２つの役割を果たす）全体を電極の表面に圧着させる方式、または接着性成分を電極と分離膜との間の接触面の一部に塗布する方式で達成されている。
【００１１】
米国特許第５，２９６，３１８号と第５，４７８，６６８号では、イオン電導性ゲル高分子を陰極、陽極及び分離膜に適用し、これらを熱融着することにより、外部の圧力に依存せずに自体的な密着性を維持する電池を提案した。このようなタイプの電池をリチウムイオン高分子電池、または略称して高分子電池という。しかし、この電池は、基本的にイオン電導性の低いゲル状高分子電解質を電極と分離膜のイオン伝導体として利用するため、既存のリチウムイオン電池に比べて高速充放電特性が悪いのみならず、低温での性能が大きく低下する問題を抱えている。また、その化学的構成に多少差はあるが、基本的にリチウムイオン高分子電池の電極には過量の非活性高分子が利用され、イオン電導性分離膜の低い機械的強度により分離膜の厚さを増加させなければならないという問題が発生する。従って、このような電池は、根本的にその体積当りのエネルギー密度が、通常の角形リチウムイオン電池のレベルにも及ばない実情である。
【００１２】
一方、最近、米国特許第５，４３７，６９２号、第５，５１２，３８９号、第５，７４１，６０９号、国際特許条約により出願され公開されたＷＯ ９９４８１６２では、既存のリチウムイオン電池の長所を十分に活用できるように、高分子ゲル電解質を活用せず、その代わりに薄い接着層を分離膜と陰極、そして分離膜と陽極との間に配置することで両電極と分離膜との密着性を維持する方案を提示している。このような構造では、イオン電導性の下落がゲル状高分子電解質の場合に比べて緩和され、また非活性高分子ゲルの含量も大きく減少できるため、エネルギー密度の向上と共に安定した電池性能が得られるものと期待される。しかし、このような技術も同じく、活性電極面全体に電導性を阻害する接着性物質が塗布されるため、既存のリチウムイオン電池に比べて放電性能の低下が発生しかねない。
【００１３】
従って、このような問題点を更に緩和させるために、米国特許第５，９８１，１０７号では、接着成分を電極と分離膜との界面の一部に塗布する一方、追加的にその形状が凸凹の面を形成し、電解質の含湿能力が増加するようにした。また、国際特許条約により出願され公開されたＷＯ ０００４６０１では、陰極と陽極の一部に孔を形成し、これに接着性高分子を詰め込み、これを用いて電極と分離膜との間の接着を形成する方法を提案している。しかし、このような方法は、その接着部位の形成が工程上難しくなるという短所を有しており、特に米国特許第５，９８１，１０７号の場合には、接着性高分子が接着された部位と接着されていない部位間の電池の性能差が生じる問題、そしてＷＯ ０００４６０１の場合には、陰極と陽極に形成された孔を正確に整列させなければならないという難しさを内包している。
【００１４】
一方、前記積層体の場合、外装材による圧着力がなくても既に電極と電解質層間の接着が行われているため、既存の金属外装材より薄肉で軽いアルミニウムラミネート包装材を用いて電池を密封包装する方式により薄型リチウムイオン二次電池を製造する方法が提案されている。これは、通常内部に熱融着密封が可能な高分子層と外部物質の浸透性が低い物質層、そして絶縁性外皮とからなる。このような包装材は、その特性上、既存の金属外装材に比べて薄くて軽いという長所を有しており、薄型電池の厚さ及び重量の上昇に大きな比重を占める金属外装材を代替する場合、電池の重量を下げ、厚さエネルギー密度を高めることができる。
【００１５】
また、外装材自体が電気絶縁体であるため、多層の電極スタックまたはジェリーロールを電気的短絡の恐れ無しに挿入し易い。しかし、この包装材は、薄型で軽いという長所がある反面機械的強度が落ちるという短所もあるため、前記のいかなる方法により電極と分離膜との間の接着が確保される場合でも、包装材が有している機械的脆弱性からもたらされる問題等が残存するようになる。特に、以下に並べる三つの問題は、このような電池の製造及び使用において致命的な短所として作用しかねない。
【００１６】
第一に、前記のような電池は、アルミニウムラミネート包装材の最内側高分子素材層の熱融着により密封されるため、根本的に既存の角形電池に適用されたレーザー融着密封に比べて密封強度が低い。特に、包装材の間から電極タブが引き出される部分は、高分子層と金属層との間の接着性により密封性が決まり、また金属タブの角に隙間が発生するため、通常、液漏れのような不良が発生しやすい主要組立部である。従って、正常な使用最中でも自然的に発生する電極の膨張及びガス発生による内圧の上昇により、この金属タブと高分子内皮層とからなる密封部が割れやすくなり、この割れ部に沿って電解質の液漏れの危険性と水分等の外部不純物の流入可能性が増大するという問題が発生し得る。このような危険性は、電極活物質と電極に沿って流入される不純物と電池の組立ての各段階で流入される不純物により持続的にガスが発生する場合に更にその危険性が高まるため、電池製造の各段階において不純物の流入をより厳格に防止しなければならず、これにより工程コストが上昇するという短所もある。また、接着層の割れによる液漏れの危険性は、高温で電池を使用する場合のように、電池内部の反応によるガス発生の可能性が増大し、接着層の接着が柔軟になる条件下においてより深刻である。仮に、液漏れが発生する場合には、それ自体で電池の性能に致命的な影響を及ぼし、更には電池が使用されている機器の電子回路を汚染させ、高価な電子機器の寿命を短縮しかねない。
【００１７】
第二に、既存の角形電池は、十分に機械的強度が大きい金属カンを利用するため、電池内で誘発される内圧の上昇による深刻な厚さの増加は発生しないが、アルミニウムラミネート包装材は、このような内圧に耐えなく、電池の厚さが膨張するようになる。これは、電池パックの変形を誘発するため、電池パックの正常的な取付けが不可能になるか、あるいは外観上の不満感を誘発する。このような問題点は、高容量化のために電池の面積を増加する場合に更に深刻であるため、約５ｍｍ以下の厚さの高容量電池を製造することをより難しくする。
【００１８】
第三に、アルミニウムラミネート包装材の強度の弱さのため、電池の信頼性及び安定性が低下する問題を有する。最小６カ月乃至数年間使用される電池は、広い温度範囲でのみならず多様な機械的衝撃に対しても優れた耐久性が求められる。既存の角形電池は、金属カンを外装材として使用しているため、外部の圧力や、尖った角による局所的な変形や釘のような鋭利なものによる損傷の可能性が少ないのに対し、アルミニウムラミネート外装材は、材質の厚さと強度面において既存の金属外装材より著しく低いため、このような外部からの衝撃により容易に損傷するか、発火のような安定性における問題が発生する可能性さえ有している。かかる安定性問題は、特に大容量が求められる携帯用コンピュータに使用される電池の場合や、電池パックの薄型化のために外装プラスチックを取り除くか薄型化した電池の場合にはさらに致命的である。
【００１９】
以上の考察を通じて本発明者らは、既存の様々な電池が耐久性と安定性、薄型化、製造の容易さ、高いエネルギー密度を達成するのに多くの限界を抱えていることを確認した。簡単に要約すると、既存のリチウムイオン角形電池は、ジェリーロール形状を有する電極体構造により内部容積の相当割合が活用できないという問題と、低温延伸にて製造された金属包装材の壁体の厚さの減少に対する技術的制約により、電池全体の厚さが減少することによるエネルギー密度の低下が深刻な実情である。それに対し、積層電極体をアルミニウムラミネート包装材にて密封して組立てたリチウムイオン高分子電池の場合、積層構造体の形成によりジェリーロールのために発生する空間浪費は減少する反面、電極間の密着性を与えるために高分子バインダーを過量使用するか、電極−電解質の界面に接着層を塗布しなければならないため、これによるエネルギー密度の下落と電池性能の低下が発生する実状である。また、アルミニウムラミネート包装材自体の機械的脆弱性と、高分子内皮層と金属タブとからなる接着面の接着強度不足により耐久性、安全性が悪いという問題点も内包している。
【００２０】
（発明の開示）
従って、本発明が解決しようとする技術的課題は、ポケッティングされた電極体の分離膜でのしわの発生を防止できるポケッティング電極体を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の技術的課題は、前記ポケッティング電極体を用いて高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を提供することにある。
【００２２】
本発明のまた他の技術的課題は、リチウムイオン二次電池の大量生産に適するポケッティング電極体の製造方法を提供することにある。
【００２３】
前記技術的課題を達成するための本発明のポケッティング電極体は、電極積層方式にて製造されるリチウムイオン二次電池に使用されるポケッティング電極体において、
リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部を有する電極板と
前記非コート突出部のみを露出させながら前記電極板の両面を被覆する分離膜と
前記電極板の外部縁の少なくとも一部において前記分離膜との間に位置し前記分離膜を接着、固定させる接着成分含有の絶縁性高分子フィルムとを備えてなることを特徴とする。
【００２４】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、積層された電極を持つリチウムイオン二次電池において、該電池が、
（ａ） 複数のポケッティング陽極板からなり、各陽極板が；
（ａ−１） リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部を有する電極板と；
（ａ−２） 該非コート突出部のみを露出させながら該電極板の両面を被覆する分離膜と；
（ａ−３） 該電極板の外部縁の少なくとも一部において該分離膜との間に位置し該分離膜を接着、固定させる接着成分含有の絶縁性高分子フィルムと；
を備え、
かつ、
（ｂ） 複数の陰極板からなり、各陰極板がリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる物質を含み、
該陽極板と陰極板とが交互に積層されてなることを特徴とする。
このとき、ポケッティング陽極板の大きさが陰極板の大きさと同等もしくは大きく、陰極板の面積が陽極板のコーティング層の面積より大きいことが好ましい。
【００２５】
前記のまた他の技術的課題を達成するための本発明のポケッティング電極体の製造方法は、電極積層方式にて製造されるリチウムイオン二次電池の大量生産に適用するためのものであって、
（ａ） リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部をそれぞれ有する同一形状の複数の電極板を準備する段階と；
（ｂ） 両面に接着成分が塗布された帯状の絶縁性高分子フィルムを準備する段階と；
（ｃ） 前記電極板が一定間隔を隔てて整列された状態で収納され得る空間が形成されるように両面に接着成分が塗布された帯形状の絶縁性高分子フィルムの一部を除去する段階と；
（ｄ） 前記高分子フィルムの除去領域内に前記電極板を一定間隔で整列配置する段階と；
（ｆ） 帯形状の分離膜を前記電極板が収納された高分子フィルムの両面に位置させ、前記電極板の非コート突出部のみが露出され、前記電極板のその他の部分は被覆されるようにする段階と；
（ｇ） 前記分離膜により被覆された絶縁性高分子フィルムを加熱し、加圧ロールの間を通過させる段階；及び
（ｈ） 前記圧着された絶縁性高分子フィルムを打ち抜きして分離膜／電極板／分離膜の順に積み重ね、前記電極板の外部縁の少なくとも一部において前記分離膜が前記絶縁性高分子フィルムにより接着された複数のポケッティング電極体を得る段階と；
を備えることを特徴とする。
【００２６】
（発明を実施するのに最良の形態）
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明するが、本発明のポケッティンク電極体及びその製造方法を共に説明し、ポケッティングされる電極体を陽極板に限定して説明する。
【００２７】
図２Ａ乃至２Ｇは、本発明の実施例によるポケッティング電極体の製造過程を示す図である。
【００２８】
図２Ａは、本発明のポケッティング電極体を製造するための絶縁性高分子フィルムの一例を示す図である。図２Ａを参照すると、両面に接着成分が塗布された帯形状の高分子フィルム２００にその長さ方向に沿って複数の打ち抜き空間２１０が形成されている。打ち抜き空間２１０は、同じ形状を有し同じ間隔をおいて離隔されており、それぞれの打ち抜き空間２１０は、後述する陽極板が遊びをもって収納できるように陽極板より大きく形成される。本発明のポケッティング電極体を製造するにおいて、絶縁性高分子フィルムの打ち抜き空間の具体的な形状は様々に選択することができるが、陽極板が絶縁性高分子フィルム内に遊びをもって収納され、高分子フィルムが陽極板の少なくとも一部を取り囲むことができるようにする条件さえ満たせばよい。従って、陽極板が非コート突出部を有する長方形形態を有する場合、高分子フィルムの打ち抜き空間の形状は、高分子フィルムが陽極板の少なくとも２辺以上を取り囲むようにする程度であることが好ましい。
【００２９】
図２Ｂは、本発明のポケッティング電極体を製造するための絶縁性高分子フィルムの他の例を示す図である。図２Ｂを参照すると、両面に接着成分が塗布された帯形状の高分子フィルム２００に間隔が周期的に変化する帯形状の打ち抜き空間２１０’が形成されている。
【００３０】
前記絶縁性高分子フィルムは、ポリオレフィン樹脂フィルム、ポリエステル樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、フルオロカーボン樹脂フィルム、ＡＢＳフィルム、ポリアクリル系フィルム、アセタール系フィルム、ポリカーボネートフィルムで構成された群から選ばれたいずれか一つで作製されたものを使用することが好ましい。
【００３１】
また、絶縁性高分子フィルムの両面に塗布される接着成分は、エチレンビニルアセテート、エチレンエチルアセテート、アクリル酸エチレン系化合物、アイオノマー系化合物、ポリエチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラールで構成された高温溶融型接着物質群から選ばれたいずれか一つであることが好ましい。
【００３２】
図２Ｃは、図２Ａの絶縁性高分子フィルム２００の打ち抜き空間内に陽極板と分離膜を位置させる段階を示す図である。図２Ｃを参照すると、打ち抜き空間のそれぞれには、陽極活物質のリチウム金属複合酸化物のコーティング層及び非コート突出部を有する陽極板２２０が遊びをもって収納される。このとき、陽極板の突出部での遊びが陽極板の他の部分での遊びより大きくなるように陽極板２２０の大きさまたは打ち抜き空間の大きさが調節される。次に、幅がｄの帯形状の分離膜（図示せず）を前記陽極板２２０が収納された高分子フィルム２００の両面に位置させるが、陽極板２２０の非コート突出部のみが露出され前記陽極板のその他の部分は被覆されるようにする。図２Ｃで分離膜が位置する空間は一点鎖線の間となる。一方、図２Ｃで点線Ｓの内部の領域は、後述する加圧、接着工程が完了した後にそれぞれのポケッティング電極体を得るための切断線を示したものである。前記のような方法により、底面分離膜／接着成分が塗布された絶縁性高分子フィルム及びその打ち抜き形状に収納された陽極板／上面分離膜の順に積み重ねられた帯形状の結果物を得ることができる。
【００３３】
図２Ｄは、図２Ｂの絶縁性高分子フィルム２００の打ち抜き空間内に陽極板と分離膜を位置させる段階を示す図である。図２Ｄを参照すると、幅がｄ’の帯形状の分離膜（図示せず）を前記陽極板２２０が収納された高分子フィルム２００の両面に位置させる。陽極板２２０の非コート突出部は、高分子フィルム２００を離れた位置まで突出するように陽極板の大きさまたは打ち抜き空間の大きさが予め調節される。図２Ｄにおいて、分離膜は高分子フィルムと同じ幅を有し高分子フィルムの長さ方向に沿って設けられる。図２Ｃにおいても、点線Ｓは、後述する加圧、接着工程が完了した後にそれぞれのポケッティング電極体を得るための切断線を示したものである。
【００３４】
図２Ｅは、図２Ｃの結果物を圧着する過程を示す断面図である。図２Ｅを参照すると、分離膜２３０／接着成分が塗布された絶縁性高分子フィルム２００及びその打ち抜き形状に収納された陽極板２２０／分離膜２３０とからなる図２Ｃの結果物が、連続する巻き紙形態で加圧ロール２５０によりワインディングされながら加熱、融着されている。図２Ｅにおいて図２Ｃの結果物が長さ方向の断面で示されていることが分かる。このように加圧、融着すると、絶縁性高分子フィルム２００が設けられているところでは強い接着が行われるのに対し、陽極板２２０が設けられているところではなんらの接着や変形が起こらない。
【００３５】
前記実施例に使用される分離膜は、ポリオレフィン材質の多孔性高分子フィルムであって、通常、孔隙率が２５〜６０％、厚さが１０〜３０ミクロンであるものを使用することが好ましい。また、その材質がポリエチレンの場合には、加熱、融着のための温度が１２０度以下、ポリプロピレンの場合には、約１５０度以下であることが好ましい。
【００３６】
図２Ｆは、図２Ｅの説明による圧着結果物を図２Ｃの点線に沿って打ち抜きして製造されたポケッティング電極体を示す図である。図２Ｆにおいて図示の明確化のために陽極板２２０及び絶縁性高分子フィルム２００の接着部位を透視して示した。図２Ｆを参照すると、接着部位は、陽極板２２０の外部縁のすべてを取り囲んでおり、陽極板２２０の非コート突出部のみが分離膜２３０により被覆されないまま露出されている。
【００３７】
仮に、図２Ｄに示した結果物を用いてポケッティング電極体を製造する場合、接着部位は、陽極板の外部の上、下縁のみを取り囲むようになるはずである。
【００３８】
前記のような方法にてポケッティング電極体を製造すると、ポケッティング電極体の大量生産が可能である。
【００３９】
図２Ｇは、図２ＦのＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図２Ｇを参照すると、分離膜２３０／陽極板２２０／分離膜２３０が積み重ねられた部分の厚さと、分離膜２３０／接着成分が塗布された絶縁性高分子フィルム２００／分離膜２３０が積み重ねられた部分の厚さとの差異が従来の場合より小さいため、本発明の方法にて製造されたポケッティング電極体の分離膜には、しわが少なく発生することが分かる。
【００４０】
図２Ｃは、ポケッティング電極体と陰極板の大きさを比べて示した図である。リチウムイオン二次電池を電極体積層方式にて製造する場合に陰極と陽極の活性面間の角の不一致を防止し、円滑な積層整列のために、一般に打ち抜きされたポケッティング電極体の大きさが前記陰極板の大きさと同等もしくは大きく、前記陰極板の面積が前記陽極板の陽極活物質のコーティング面積より大きいことが好ましい。従って、図３に示したように、陽極板及び陰極板の両方とも非コート突出部を有する長方形形態を有する場合、陽極板の幅Ｂとポケッティング用分離膜の幅Ａ及び陰極板の幅Ｃとが、下記式のような関係を満たすことが好ましい。
更に好ましくは、それぞれの突出部を除くポケッティング電極体と陰極の縁とを一致させると、自動的に陽極に向かい合うすべての面が陰極に覆われていなければならないという条件を満たすことができる。
【００４１】
このように製造されたポケッティング電極体と陰極板を積層型枠にて整列、積み重ねた後、陰極非コート突出部は陰極非コート突出部同士に、陽極非コート突出部は陽極非コート突出部同士に溶接する。次に、これらをそれぞれ陰極タブ及び陽極タブに接続し、金属外装材内に密封する方式にてリチウムイオン二次電池を完成するようになる。
【００４２】
このように完成したリチウムイオン二次電池の性能を簡単に要約すると、以下の通りである。
［厚さ２．４ｍｍの角形電池］
厚さ２．４ｍｍ、短直径３５ｍｍ、長直径６２ｍｍの曲率角形で製造された電池の場合、可逆容量は６２０ｍＡｈであったが、これを体積当りのエネルギー密度に換算すると４４０Ｗｈ／ｌｉｔｅｒである。
［厚さ４．０ｍｍの角形電池］
厚さ４．０ｍｍ、短直径３５ｍｍ、長直径６２ｍｍの曲率角形で製造された電池の場合、可逆容量は１１００ｍＡｈであったが、これを体積当りのエネルギー密度に換算すると４７０Ｗｈ／ｌｉｔｅｒである。
【００４３】
上述の本発明によると、ポケッティング電極体の製造においてより大きい接着強度を得ることができるのみならず、接着面積も減少することができるため、完成したリチウムイオン二次電池のエネルギー密度を増加することができる。また、連続する巻き紙形態で巻いて製造することができるため、連続生産工程の適用に有利になり、リチウムイオン二次電池の大量生産が容易になる。
【００４４】
本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者により多くの変形が可能である。従って、本実施例は、ポケッティングされる電極体を陽極板に限定して説明したが、活性物質塗布領域に対する制限条件さえ満たせば、陰極板をポケッティングしたポケッティング電極体を使用できることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、従来の角形リチウムイオン二次電池の組立て過程を概略的に示す図である。
【図２】 図２Ａ乃至２Ｇは、本発明の実施例によるポケッティング電極体の製造過程を示す図である。
【図３】 図３は、本発明の実施例に使用されるポケッティング電極体と陰極板の大きさを比べて示す図である。
Claims (10)
- 電極積層方式にて製造されるリチウムイオン二次電池に使用されるポケッティング電極体において、
リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部を有する電極板と；
該非コート突出部のみを露出させながら該電極板の両面を被覆する分離膜と；
該電極板の該非コート突出部以外の外部縁において該分離膜との間に位置し該分離膜を接着、固定させる接着成分含有の絶縁性高分子フィルムと；
を備えてなることを特徴とするポケッティング電極体。 - 前記絶縁性高分子フィルムが、ポリオレフィン樹脂フィルム、ポリエステル樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、フルオロカーボン樹脂フィルム、ＡＢＳフィルム、ポリアクリル系フィルム、アセタール系フィルム、ポリカーボネートフィルムからなる群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載のポケッティング電極体。
- 前記絶縁性高分子フィルムに塗布される接着成分が、エチレンビニルアセテート、エチレンエチルアセテート、アクリル酸エチレン系化合物、アイオノマー系化合物、ポリエチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラールからなる高温溶融型接着物質群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項２記載のポケッティング電極体。
- 前記分離膜にポケッティングされる電極板が陽極板であることを特徴とする請求項１記載のポケッティング電極体。
- 積層された電極を持つリチウムイオン二次電池において、該電池が、
（ａ） 複数のポケッティング陽極板からなり、各陽極板が；
（ａ−１） リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部を有する電極板と；
（ａ−２） 該非コート突出部のみを露出させながら該電極板の両面を被覆する分離膜と；
（ａ−３） 該電極板の該非コート突出部以外の外部縁において該分離膜との間に位置し該分離膜を接着、固定させる接着成分含有の絶縁性高分子フィルムと；
を備え、
かつ、
（ｂ） 複数の陰極板からなり、各陰極板がリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる物質を含み、
該陰極板と陽極板とが交互に積層されてなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - ポケッティング陽極板の大きさが陰極板の大きさと同等もしくは大きく、陰極板の面積が陽極板のコーティング層の面積より大きいことを特徴とする請求項５記載のリチウムイオン二次電池。
- 電極積層方式にて製造されるリチウムイオン二次電池に使用されるポケッティング電極体の製造方法において、
（ａ） リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することができる電極活物質のコーティング層及び非コート突出部をそれぞれ有する同一形状の複数の電極板を準備する段階と；
（ｂ） 両面に接着成分が塗布された帯状の絶縁性高分子フィルムを準備する段階と；
（ｃ） 前記電極板が一定間隔を隔てて整列された状態で収納され得る空間が形成されるように両面に接着成分が塗布された帯形状の絶縁性高分子フィルムの一部を除去する段階と；
（ｄ） 前記高分子フィルムの除去領域内に前記電極板を一定間隔で整列配置する段階と；
（ｆ） 帯形状の分離膜を前記電極板が収納された高分子フィルムの両面に位置させ、前記電極板の非コート突出部のみが露出され、前記電極板のその他の部分は被覆されるようにする段階と；
（ｇ） 前記分離膜により被覆された絶縁性高分子フィルムを加熱し、加圧ロールの間を通過させる段階；及び
（ｈ） 前記圧着された絶縁性高分子フィルムを打ち抜きして分離膜／電極板／分離膜の順に積み重ね、前記電極板の前記非コート突出部以外の外部縁において前記分離膜が前記絶縁性高分子フィルムにより接着された複数のポケッティング電極体を得る段階と；
を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池用ポケッティング電極体の製造方法。 - 請求項７において、分離膜とポケッティングされる電極板が陽極板であり、内抜きされた陽極板の大きさが、陰極板の大きさと同等もしくは大きく、かつ、陰極板の面積が陽極板のコーティング層の面積より大きいことを特徴とする請求項７記載のリチウムイオン二次電池用ポケッティング電極体の製造方法。
- 前記絶縁性高分子フィルムが、ポリオレフィン樹脂フィルム、ポリエステル樹脂フィルム、ポリスチレン樹脂フィルム、ポリイミドフィルム、ポリアミドフィルム、フルオロカーボン樹脂フィルム、ＡＢＳフィルム、ポリアクリル系フィルム、アセタール系フィルム、ポリカーボネートフィルムからなる群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項７記載のリチウムイオン二次電池用ポケッティング電極体の製造方法。
- 前記絶縁性高分子フィルムに塗布される接着成分が、エチレンビニルアセテート、エチレンエチルアセテート、アクリル酸エチレン系化合物、アイオノマー系化合物、ポリエチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラールからなる高温溶融型接着物質群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項９記載のリチウムイオン二次電池用ポケッティング電極体の製造方法。
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