JP5434143B2

JP5434143B2 - 薄型電池

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Publication number: JP5434143B2
Application number: JP2009048856A
Authority: JP
Inventors: 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2014-03-05
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Description

本発明は、薄型電池に関する。

巻型円筒電池の製造において、電解液を早く浸透させるために、電極及びセパレータの経方向の線上に貫通孔を設ける電池が知られている（特許文献１）。

特開２００１−９３５１１号公報

しかしながら、従来の二次電池の構成では、電池内のある層でガスが発生した場合に、他の層にも影響するおそれがあった。

そこで、本発明は、例え電池内のある層でガスが発生したとしても、他の層への影響を抑制する薄型電池を提供する。

本発明は、積層方向に貫通する孔を電極板に設け、当該孔の開口部が当該電極板に隣接する電極板の導電層に覆われる構成とすることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、例えばある電極板でガス等が発生した場合、当該電極板の貫通孔が隣接する電極板の導電層によって覆われており、ガスを閉じ込めやすい構成となっているため、ある電極板で生じた異常の他層への影響を抑制することができる。

発明の実施形態に係る薄型電池の平面図である。図１の薄型電池のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１の薄型電池の発電要素及びセパレータのＢ−Ｂ線に沿う断面図図１の薄型電池の正極板の平面図である。発明の他の実施形態に係る薄型電池の発電要素及びセパレータのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。発明の他の実施形態に係る薄型電池の発電要素及びセパレータのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図６の正極板の平面図である。発明の他の実施形態に係る薄型電池の貫通孔の開口面積比率−電解液の注液時間を示す図である。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、発明の実施形態に係る薄型電池１０の平面図である。図２は、図１の薄型電池の断面であって、Ａ―Ａ線に沿う断面図である。

本実施形態に係る電池１０は、リチウム系、平板状、積層タイプの薄型電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極の電極端子である正電極タブ１０４と、負極の電極端子である負電極タブ１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質とから構成されている。発電要素１０８は、正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質によって構成されている。

発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの両主面の一部にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃとを有する。この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

また、この正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンやポリフッ化ビニリデンの水性ディスパージョン等の接着剤と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤とを混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成される。

発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃとを有する。この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

また、この負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョンやポリフッ化ビニリデン等の結着剤と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤とをさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの両主面の一部に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成される。

特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。

発電要素１０８のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備える。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

なお、本実施形態に係るセパレータ１０２は、ポリオレフィン等の単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布等を積層したものでもよい。このようにセパレータ１０２を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与できる。

以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３を交互に積層する構成である。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正電極タブ１０４にそれぞれ接続される。一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負電極タブ１０５にそれぞれ接続されている。

なお、本実施形態に係る発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３は、上記の枚数に何ら限定されない。例えば１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２及び１枚の負極板１０３でも発電要素１０８を構成することができ、必要に応じて正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３の枚数を選択して構成することができる。

正電極タブ１０４も負電極タブ１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正電極タブ１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔又はニッケル箔等
を用いることができる。また、負電極タブ１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔又は鉄箔等を用いることができる。

ちなみに本実施形態では、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４、１０５まで延長することにより、電極板１０１、１０３を電極端子１０４、１０５に接続している。しかしながら、正極層１０１ｂ、１０１ｃ及び負極層１０３ｂ、１０３ｃの間に位置する集電体１０１ａ，１０３ａを構成する金属箔と、接結部材を構成する金属箔とを別の材料や部品により接続することもできる。

発電要素１０８は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも複数層から構成されている。

この構造については、特に図示しないが、薄型電池１０の内側から外側に向かって、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン又はアイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成された内側層と、アルミニウム等の金属箔から構成された中間層と、ポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成された外側層という三層構造となっている。

したがって、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、アルミニウム箔等金属箔の一方の面（薄型電池１０の内側面）をポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の樹脂でラミネートし、他方の面（薄型電池１０の外側面）をポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネート剤等の可撓性を有する材料で形成されている。

このように、外装部材１０６，１０７が樹脂層に加えて金属層を具備することにより、外装部材自体の強度向上を図ることが可能となる。また、外装部材１０６，１０７の内側層を、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の樹脂で構成することにより、外装部材同士１０６，１０７や外装部材１０６，１０７と後述するシール部材１１０，１１１との良好な融着性を確保することが可能となる。

図１及び２に示すように、封止された外装部材１０６、１０７の一方の端部から正電極タブ１０４が導出し、当該他方の端部から負電極タブ１０５が導出するので、電極タブ１０４、１０５の厚さ分だけ上部外装部材１０６と下部外装部材１０７との熱融着部に隙間が生じる。電極タブ１０４、１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分に、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシール部材１１０，１１１を介在させ、薄型電池１０内部の封止性を維持することとしている。

このシール部材１１０，１１１は、正電極タブ１０４及び負電極タブ１０５の何れにおいても、外装部材１０６、１０７を構成する樹脂と同系統の樹脂で構成することが熱融着性の観点から好ましい。

これらの外装部材１０６、１０７によって、上述した発電要素１０８、正電極タブ１０４の一部及び負電極タブ１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウムや六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して真空状態とした後に、外装部材１０６、１０７の外周端部を熱プレスにより熱融着して封止する。

本実施形態の有機液体溶媒は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）やメチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を用いるが、これに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることもできる。

なお、本例の正極板１０１、負極板１０３が本発明の電極板に相当し、また本例の正極板１０１又は負極板１０３において、導電性を有している、正極側集電体１０１a、正極層１０１ｂ、１０１ｃ、負極側集電体１０３ａ、負極層１０３ｂ、１０３ｃが、本発明の導電層に相当する。

図３は、図１の薄型電池１０の発電要素１０８とセパレータ１０２のＢ−Ｂに沿う断面図である。図４は、図１の薄型電池１０の正極板１０１の平面図である。

正極板１０１の積層方向に対して貫通する貫通孔２０が正極板１０１に設けられ、同様の貫通孔２０が負極板１０３にも設けられる。本例では、円筒状の孔である貫通孔２０を正極板１０１及び負極板１０３の積層方向に設けられている。正極板１０１の貫通孔２０は正極層１０１ｂから正極層１０１ｃに対して貫通し、負極板１０３の貫通孔２０は負極層１０３ｂから負極層１０３ｂに対して貫通する。上部開口部２０１は貫通孔２０の上方に向けて開口している部分を示し、正極板１０１の上部開口部２０１は正極層１０１ｂの上方の面と同一面上にある。下部開口部２０２は、貫通孔２０の下方に向けて開口している部分を示し、正極層１０１ｃの下方の面と同一面上にある。負極板１０３の貫通孔２０も同様に上部開口部２０１及び下部開口部２０２を有する。図４で示すように、正極板１０１の貫通孔２０は、正極層１０１ｂの主面上の中央より、やや右側に配置されている。

正極板１０１の貫通孔２０及び負極板１０３の貫通孔２０は、正極板１０１及び負極板１０３の面方向に対して重ならない位置に配置され、言い換えると、正極板１０１の下部開口部２０２と負極板２０１の上部開口部２０１が面方向で重ならない位置に配置されている。また本例において、正極板１０１の３個の貫通孔２０が積層方向に対して同一線上にそれぞれ配置され、負極板１０３の３個の貫通孔２０も積層方向に対して同一線上にそれぞれ配置されている。

これにより、正極板１０１の貫通孔２０は、セパレータ１０２を介して、当該正極板１０１に隣接する負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃに覆われ、負極板１０３の貫通孔２０は、セパレータ１０２を介して、当該負極板１０３に隣接する正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃに覆われることになる。

ただし、図３において、一番上に配置される正極板１０１の上方に、図示しない上部外装部材１０６が配置されているため、当該正極板１０１の上部開口部２０１は上部外装部材１０６に覆われている。同様に、一番下に配置される負極板１０３の下方に、図示しない下部外装部材１０７が配置されているため、当該負極板１０３の下部開口部２０２は下部外装部材１０６に覆われている。

なお、貫通孔２０は、必ずしも全ての正極板１０１又は負極板１０３に設ける必要はない。また貫通孔２０が配置される位置は、図３に示すように、正極板１０１の貫通孔２０及び負極板１０３の貫通孔２０をそれぞれ積層方向に同一線上にする必要はなく、ある正極板１０１の貫通孔２０が他の正極板１０１の貫通孔２０と積層方向の同一線上でずれていてもよい。さらに、貫通孔２０は、１個の正極板１０１又は負極板１０３に１個の貫通孔を設ける必要はなく、２個以上でもよい。

さて、この種の薄型電池において、電池の使用環境や充放電サイクルの経過により電池に含まれる電解質の組成変化、過充電や過放電による集電体の溶解反応等の原因で、ガスが薄型電池内に発生する場合がある。

その一方で、電池の製造時において、電池内に注入する電解液を正極板、負極板、セパレータに短時間で浸透させるために、正極板及び負極板に対して同一線上に並ぶよう貫通孔を空ける構成が検討された。この貫通孔は、電解液を浸透し易くするために、正極板の貫通孔に対して、当該正極板に隣接する負極板の貫通孔を重ねるように配置するもので、この構成によって、電解液が、同一線上に並ぶ貫通孔を通り抜けやすくなるため、浸透時間の短縮が期待できる。

しかし、上記構成の電池では、電池の何らかの異常により発生したガスが発生した場合、異常発生の原因となった電極板と隣接する電極板だけでなく、他の電極板にも影響を及ぼしやすい構成になっていた。すなわち、貫通孔が同一線上並ぶよう配置されているため、ガスが、貫通孔を通じて異常発生した電極板から隣接する電極板、さらに隣接する電極板へと流れ、上記従来の電池は全体的にガスの影響を受けやすい構成となっていた。

これに対し、本実施の形態に係る薄型電池１０では、正極板１０１、負極板１０３の貫通孔２０が、隣接する負極板の負極層１０１ｂ、１０１ｃ又は隣接する正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃにそれぞれ覆われているため、他の電極板へのガスによる影響を抑制することができる。すなわち、図３を参照し説明すると、例えば上から三番目の電極板である正極板１０１においてガスが発生した場合、貫通孔２０の上部開口部２０１が上から二番目の負極板１０３の負極層１０３ｃにより覆われ、下部開口部２０２が上から四番目の負極板１０３の負極層１０３ｂに覆われるため、本例の薄型電池１０は、ガスの通り道になり易い貫通孔２０が導電層で閉じられるよう構成され、他の電極板へのガスによる影響を軽減できる。その一方で、貫通孔２０は製造時において電解液の通り道として機能するため、本例の薄型電池１０は、電解液を各電極板へ浸透し易く、生産性を高めることができる。

また本例の薄型電池１０は、正極板１０１の貫通孔２０と負極板１０３の貫通孔２０が、それぞれ積層方向に同一線上に配置されている。そのため積層電池１０を製造する際、正極板１０１及び負極板１０３を交互に積層すれば、必然的に貫通孔２０の上部開口部２０１及び下部開口部２０２が導電層で覆われる構成となるため、他の電極板へのガスによる影響が軽減でき、正極及び負極の電極板のロットを統一させることで生産性が向上する。

《第２実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係る薄型電池１０の正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３の断面図であって、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、電極板に貫通孔２０を設ける構成に変わりはないが、当該貫通孔２０を正極板１０１のみに設ける点で異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を援用する。

図５において、貫通孔２０は正極板１０１のみに設けられ、負極板１０３には設けられておらず、当該貫通孔２０の上部開口部２０１及び下部開口部２０２は、セパレータ１０２を介して、隣接する負極板１０３の負極層１０３ｂ及び負極層１０３ｃに覆われている。

これにより、本例の薄型電池１０は、正極板１０１のみに貫通孔２０を設けるのみで、正極板１０１で発生したガスによる負極板１０３へ影響を抑制でき、電解液を各電極板へ浸透し易く、生産性を高める。また、本例の薄型電池１０は、正極板１０１のみに貫通孔２０を配置すればよいため、負極板１０３へ貫通孔を設ける工程を省き、より生産性を向上できる。また、正極板１０１のみに貫通孔２０を設けることにより、正極板１０１の対面は必ず負極層１０３ｂ又は負極層１０３ｃを有するため、負極板１０３の表面にリチウム金属が析出することを抑制できる。

なお、貫通孔２０は、全ての正極板１０１に設ける必要はなく、一部の正極板１０１に設けるだけでもよい。また貫通孔２０は、正極板１０１のみではなく、負極板１０３のみに設けてもよい。

《第３実施形態》
図６は、発明の他の実施形態に係る薄型電池１０の正極板１０１、セパレータ１０２及び負極板１０３の断面図であって、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。また図７は、図６の正極板１０１の平面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、電極板に貫通孔２０を設ける構成に変わりはないが、当該貫通孔２０を正極板１０１の中央に設ける点で異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を援用する。

図７に示すように、正極板１０１の貫通孔２０は、正極板１０１の主面の中央に配置されている。また、図６に示すように、負極板１０３の貫通孔２０は、負極板の中央を避けるよう配置されており、正極板１０１の貫通孔２０と負極板１０３の貫通孔２０は面方向で重ならない位置に設けられている。

本例の薄型電池１０において、貫通孔２０は正極層１０１ｂと１０１ｃ又は負極層１０３ｂと１０３ｃに覆われるため、貫通孔２０の空間は、導電層により閉じられている。そのため、本例の薄型電池１０を製造する際に、電解液が薄型電池１０内に注入されると、電解液は正極板１０１又は負極板１０３の貫通孔２０内に滞留し、その滞留する電解液が、当該貫通孔２０を有する正極板１０１又は負極板１０３において面方向に広がる。

そこで、本例の薄型電池１０のように、正極板１０１の中央に貫通孔２０を設けることで、当該貫通孔２０に滞留する電解液は、当該正極板１０１へ浸透する際に、正極板１０１の中央部から浸透し、面方向に広がって浸透する。

これにより、本例の薄型電池１０は、電解液が染み込む時、正極板１０１の面方向における染み込みの距離を短くすることができるため、より電解液の注入時間を短縮できる。また正極板１０１、負極板１０３及びセパレータ１０２に用いる材料により、電解液の染み込み速度が正極板１０１と負極板１０３とで異なる場合に、染み込み速度が遅い方の電極板の中央に貫通孔２０を設けることによって、薄型電池１０全体における電解液の染み込み速度をより速くなり、より生産性を高めることができる。

なお、本例の薄型電池１０は正極板１０１の中央に貫通孔２０を設けるが、正極板１０１の代わりに負極板１０３の面方向に中央に貫通孔２０を設けてもよい。

《第４実施形態》
図８は、発明の他の実施形態に係る薄型電池１０の貫通孔２０の開口面積比率に対する電解液の注入時間である。本例では上述した第１実施形態に対して、電極板に貫通孔２０を設ける構成に変わりはないが、当該貫通孔２０の開口面積を変える点で異なる。

図８は、本例の薄型電池１０において、貫通孔２０の開口面積の比率を変え、電解液が薄型電池１０内の発電要素１０８全体に浸透するまでの時間を計測した。つまり、開口面積比率が０．０１％の時を電解液の注液時間の最大値として、開口比率を徐々に上げていき、注入時間が当該最大値に対してどの程度下がるか計測した。

ここで、開口面積とは、上部開口部２０１又は開口部２０２の開口している開口面の面積であり、図４では上部開口部２０１の円の面積である。また図８の横軸に示す開口面積比率（％）は、電極板の主面積に対する開口面積を示している。図３及び４を用いて説明すると、電極板の主面積は、正極集電体１０１ａと正極層１０１ｂが重なる部分の面積を示している。

図８に示すとおり、本例の薄型電池１０において、貫通孔２０の開口面積が正極板１０１又は負極板１０３の主面積に対して０．１％付近を示すところで、電解液の注液時間の短縮効果が小さくなることが分かる。つまり、本例の薄型電池１０は、開口率を０．１％以上としても電解液の注入時間の短縮効果の割に、貫通孔２０の開口部が大きくなるため、発電要素１０８の電池としての実行部分の面積を小さくし、エネルギー密度を下げることとなる。よって、本例の薄型電池１０は、貫通孔２０の開口面積を電極板の主面積に対して０．０１〜０．１％とすることで、電解液の注入時間を短縮しつつ、発電要素１０８の電池として発電する実行部分の面積を確保できる。

１０…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、ｃ…負極層
１０４…正電極タブ
１０５…負電極タブ
１０６…上部外装部材
１０７…下部外装部材
１０８…発電要素
２０…貫通孔
２０１…上部開口部
２０２…下部開口部

Claims

セパレータを介して積層される正極及び負極の電極板と電解液とが外装部材の内部に封止される薄型電池において、
前記電極板の積層方向に貫通する貫通孔を有し
前記貫通孔は、前記正極及び前記負極の電極板にそれぞれ配置され、
前記正極の電極板の貫通孔は、前記負極の電極板の貫通孔と前記電極板の面方向において重ならない位置に設けられている
ことを特徴とする薄型電池。
前記正極又は前記負極のいずれか一方の電極板の前記貫通孔は、前記電極板の中央に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
前記正極の電極板を複数有し、
前記複数の正極の電極板に設けられた複数の前記貫通孔は、それぞれの前記電極板で、前記積層方向で同一線上に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄型電池。
前記負極の電極板を複数有し、
前記複数の負極の電極板に設けられた複数の前記貫通孔は、それぞれの前記電極板で、前記積層方向で同一線上に配置されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄型電池。
前記貫通孔の開口面積が電極板の主面積に対して、０．０１〜０．１％であることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄型電池。