JP5879550B2 - 薄型二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、薄型二次電池に関する。
近年、ポータブル電子機器等に用いる駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望が高まっている。
また、電子機器の大型化、薄型化に伴い、二次電池の大型化、薄型化の要望も高まってきている。
このような要望に対して、円筒形や角形に成形した金属缶外装体ではなく、金属ラミネート外装体を用いた薄型二次電池が開発されている。この金属ラミネート外装体を用いた薄型二次電池は、可撓性を有するため、電子機器内における平面空間だけではなく、湾曲空間等に合わせて設置することができる。
図９は、従来の金属ラミネート外装体を用いた薄型二次電池の構成を示した図である。発電要素１０１は、正極集電体１１２上に正極活物質層１１１が形成された正極板１０３と、負極集電体１２２上に負極活物質層１２１が形成された負極板１０２とを、セパレータ１０４を介して捲回することにより形成されている。薄型二次電池は、外部端子１０５が接続された発電要素１０１を、電解質とともに金属ラミネート外装体１１０に収容することにより形成されている。
通常、金属ラミネート外装体は、アルミニウム箔等の金属箔の両面にポリエチレン等の樹脂層が形成されており、発電要素１０１の周縁部において、金属ラミネート外装体の内側の樹脂層を熱で溶着することで、発電要素１０１を密封している。従って、ラミネート外装体の金属箔と発電要素とは、その間に樹脂層が介在することで、電気的に非接触状態となっている。
ところで、金属缶外装体を用いた二次電池では、金属缶外装体が発電要素の正極あるいは負極と接続されている。そのため、外部からの電気的なノイズに対しても、この金属缶外装体が、シールド効果を有している。一方、金属ラミネート外装体では、ラミネート外装体の金属箔と発電要素との間に樹脂層が介在するため、電気的に非接触状態となっている。そのため、金属箔は、シールド効果を有さない。
このような問題に対し、特許文献１では、金属ラミネート外装体の封口部で、外装体の金属箔を露出させて、外部端子と接触させることにより、金属箔を外部端子と同電位にする方法が記載されている。
また、特許文献２では、金属ラミネート外装体の内側の樹脂層の一部を除去して金属箔を露出させ、正極または負極と接続するとともに、外装体の外側の樹脂層の一部を除去して金属箔を露出させ、外部端子とする方法が記載されている。
特開２０００−３５３４９６号公報 特開２００４−３１２７２号公報
金属缶外装体を用いた二次電池は、金属缶外装体が発電要素と接触しているため、発電要素から発生した熱は、金属缶外装体に吸収されて外部へ放熱しやすい構造になっている。
一方、金属ラミネート外装体を用いた二次電池では、金属箔と発電要素との間に、熱伝導率の低い樹脂層が介在しているため、発電要素から発生する熱を外部に放熱しにくい構造になっている。そのため、発電要素が異常発熱した場合、電池全体が過熱されて高温になる畏れがある。
特許文献１、２に記載された二次電池では、ラミネート外装体の金属箔が発電要素と電気的に接続されているものの、金属箔と発電要素との間には、やはり樹脂層が介在しているため、電池内部で発生した熱を効率的に外部に放熱することは難しい。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その主な目的は、電池内部で発生した熱を効率的に外部へ放熱させることができ、かつ、エネルギー密度の向上した薄型二次電池を提供することにある。
本発明の薄型二次電池は、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された複数の正極板と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された複数の負極板とが、セパレータを介して積層された発電要素を備え、複数の正極板及び負極板は、それぞれ電気的に並列接続されており、発電要素のうち、最外層にある正極板及び負極板は、それぞれ、正極集電体の外側表面には、正極活物質層の代わりに第１の樹脂層が形成され、負極集電体の外側表面には、負極活物質層の代わりに第２の樹脂層が形成されており、第１の樹脂層及び第２の樹脂層は、発電要素を覆うとともに、該発電要素の周縁部において、第１の樹脂層及び第２の樹脂層が互いに接合して、発電要素が第１の樹脂層及び第２の樹脂層のみによって密封されており、第１の樹脂層及び第２の樹脂層の厚みは、１０〜１００μｍの範囲にある。
本発明によれば、最外層の正極板及び負極板において、各集電体の外側表面には、発電要素を密封する樹脂層しか存在していない。そのため、電池内で発生した熱は、直接、最外層の集電体から樹脂層を介して外部に放熱されるため、放熱効果を高めることができる。さらに、発電要素は、最外層の正極板及び負極板の集電体に形成された樹脂層のみによって密封されている。そのため、従来の金属ラミネート外装体で密封された二次電池よりも、電池のエネルギー密度を高めることができる。
本発明によれば、電池内部で発生した熱を効率的に外部へ放熱させることができ、かつ、エネルギー密度の向上した薄型二次電池を提供することができる。
本発明の一実施形態における薄型二次電池に備わる発電要素の構成を示した分解斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、積層された正極板及び負極板の構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態における薄型二次電池の構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態における薄型二次電池の構成を示した平面図である。 本発明の変形例における発電要素の分解斜視図である。 本発明の変形例における薄型二次電池の断面図である。 本発明の他の変形例における発電要素の分解斜視図である。 本発明の他の変形例における薄型二次電池の断面図である。 従来の金属ラミネート外装体を用いた薄型二次電池の構成を示した図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
図１は、本発明の一実施形態における薄型二次電池に備わる発電要素１０の構成を示した分解斜視図である。
図１に示すように、発電要素１０は、正極板１２と負極板１４とが、セパレータ５を介して積層されている。
図２は、積層された正極板１２及び負極板１４の構成を示した断面図で、（ａ）は、最外層にある正極板１２、（ｂ）は、最外層以外にある正極板１２、（ｃ）は、最外層以外にある負極板１４、（ｄ）は、最外層にある負極板１４の構成をそれぞれ示した断面図である。
図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、最外層以外の正極板１２及び負極板１４は、それぞれ、正極集電体２の両面に正極活物質層１が形成され、負極集電体４の両面に負極活物質層３が形成されている。
また、図２（ａ）、（ｄ）に示すように、最外層にある正極板１２及び負極板１４は、それぞれ、正極集電体２の外側表面には、正極活物質層１の代わりに第１の樹脂層６ａが形成され、負極集電体４の外側表面には、負極活物質層３の代わりに第２の樹脂層６ｂが形成されている。なお、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、それぞれ、正極集電体２及び負極集電体４の外側表面全体を覆うように形成されている。
図３は、本実施形態における薄型二次電池２０の構成を示した断面図で、図４は、その平面図である。
図３及び図４に示すように、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、発電要素１０を覆うとともに、発電要素１０の周縁部（封口部）９において、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂが互いに接合して、発電要素１０を密閉している。
なお、本実施形態では、最外層にある正極板１２の正極集電体２、及び最外層にある負極板１４の負極集電体４は、それぞれ、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの周縁部９から外方に延出する外部端子７、８を有している。
本発明における発電要素１０では、最外層の正極板１２及び負極板１４において、正極集電体２及び負極集電体４の外側表面には、発電要素１０を密封する第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂしか存在していない。ここで、正極集電体２及び負極集電体４と、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂとは、広い面積に亘って互いに接触しており、かつ、接触面積に対して、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの厚みは非常に薄い。従って、電池内で発生した熱が、最外層の正極集電体２及び負極集電体４から第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂを介して外部に伝達される効率は非常に大きい。すなわち、本実施形態における薄型二次電池２０は、電池内部で発生した熱を効率的に外部へ放熱させることができる。
また、本発明における発電要素１０は、最外層の正極板１２及び負極板１４の正極集電体２及び負極集電体４の外側表面に形成された第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂのみによって密封されている。すなわち、本発明における最外層の正極板１２及び負極板１４は、見かけ上は、従来の金属ラミネート外装体と置き換わった構成をとっている。
従来の金属ラミネート外装体は、金属箔の両面に樹脂層が形成されており、発電要素の周縁部において、金属ラミネート外装体の内側の樹脂層を熱で溶着することで、発電要素を密封している。ここで、金属箔は、外装体の基材になるとともに、外部から空気や水分が電池内に侵入するのを防ぐ機能を備えている。また、樹脂層は、金属箔の強度を維持するとともに、金属ラミネート外装体の周縁部を封止して、発電要素を密閉する機能を備えている。
本発明における最外層の正極板１２及び負極板１４において、正極集電体２及び負極集電体４は、金属ラミネート外装体の金属箔に相当するものである。従って、外部から空気や水分が電池内に侵入するのを防ぐ機能を有している。また、正極集電体２及び負極集電体４自身が、正極及び負極の電位を有しているため、シールド効果も有している。さらに、正極集電体２及び負極集電体４の厚みは、典型的には、１０〜２０μｍであるので、可撓性も有している。
一方、本発明における第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、正極集電体２及び負極集電体４の外側表面に形成されているため、正極集電体２及び負極集電体４の強度を維持するとともに、発電要素１０の周縁部９を封止して、発電要素１０を密閉する機能を有している。
すなわち、本発明における最外層の正極板１２及び負極板１４は、発電要素としての機能を有しているとともに、従来の金属ラミネート外装体に備わった機能も併せ有している。そのため、本発明における二次電池２０は、従来の金属ラミネート外装体で密封された二次電池よりも、実質的に、最外層の正極板１２及び負極板１４が、発電要素として追加された構成になっている。これにより、エネルギー密度の向上した薄型二次電池を得ることができる。
本発明において、正極集電体２及び負極集電体４、並びに、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの材料は、特に限定されない。
正極集電体２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができる。また、負極集電体４は、例えば、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いることができる。また、正極集電体２及び負極集電体４の厚みは、５〜１００μｍの範囲が好ましい。
第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、フッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）、変性ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアセテート、ナイロン樹脂等を用いることができる。また、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの厚みは、１０〜１００μｍの範囲が好ましい。１０μｍより薄いと、正極集電体２及び負極集電体４の強度の維持が困難となり、１００μｍより厚いと、放熱効果が低下する。
本発明において、正極集電体２及び負極集電体４の外側表面に、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂを形成する方法は、特に限定されない。例えば、正極集電体２及び負極集電体４の外側表面に、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂを、接着剤で接着することがでる。この場合、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、予めシート状に成形されたものを用いることができる。あるいは、正極集電体２及び負極集電体４の外側表面に、半溶融状態の樹脂を塗布することにより、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂを形成してもよい。
本発明において、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、発電要素１０の周縁部（封口部）９において、互いに接合して、発電要素１０を密閉する。この接合は、例えば、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂを溶融させて、互いに溶着させることで行うことができる。この場合、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、１００〜２００℃で溶融する樹脂材料からなることが好ましく、例えば、ポリプロピレン，ポリエチレン，ポリエステル等を用いることができる。また、このような樹脂材料を用いなくても、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの周縁部９の内側表面に、１００〜２００℃で溶融する熱溶融樹脂を、別途設けておいてもよい。かかる熱溶融樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル等を用いることができる。また、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの周縁部９から、外部端子７、８が外方に延出している場合、かかる周縁部９に、熱溶融樹脂を別途設けることは有効である。この場合、外部端子７、８と重なる熱溶融樹脂が溶融することにより、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂと外部端子７、８との隙間を埋めることができ、外部端子７、８が介在する封口部の密着性をより向上させることができる。
なお、最外層の正極板１２及び負極板１４において、正極集電体２及び負極集電体４の内側表面に形成される正極活物質層１及び負極活物質層３は、通常の正極板及び負極板の形成方法により形成することができる。
図５は、本実施形態の変形例における発電要素１０の構成を示した分解斜視図で、図６は、かかる発電要素１０を備えた薄型二次電池２０の断面図である。本変形例では、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂは、連続した一体の樹脂層６からなる。
図５に示すように、最外層の正極板１２及び負極板１４のうち、いずれか一方の極板（本変形例では、負極板１４）の外側表面に、その極板の長さに対して、約２倍の長さの樹脂層６を形成する。この場合、他方の極板（本変形例では、正極板１２）の外側表面には、樹脂層６は形成されない。
本変形例における薄型二次電池２０は、図６に示すように、負極板１４の外側表面に形成された樹脂層６を、発電要素１０全体を覆うように折り曲げて、樹脂層６の端部同士が重なった領域（封口部）９を互いに接合することにより形成される。本変形例では、封口部の面積を低減でき、より密閉度の高い二次電池が得られる。
図７は、本実施形態の他の変形例における発電要素１０の構成を示した分解斜視図で、図８は、かかる発電要素１０を備えた薄型二次電池２０の断面図である。
図７に示すように、本変形例における発電要素１０は、正極板１２及び負極板１４がセパレータ５を介して積層された２層構造からなる。この場合、正極集電体２の内側表面には、正極活物質層１が形成され、正極集電体２の外側表面には、第１の樹脂層６ａが形成されている。また、負極集電体４の内側表面には、負極活物質層３が形成され、負極集電体４の外側表面には、第２の樹脂層６ｂが形成されている。
本変形例における薄型二次電池２０は、図８に示すように、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂが、発電要素１０を覆うとともに、発電要素１０の周縁部（封口部）９において、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂが互いに接合して、発電要素１０を密閉している。なお、本変形例では、正極板１２の正極集電体２、及び負極板１４の負極集電体４は、それぞれ、第１の樹脂層６ａ及び第２の樹脂層６ｂの周縁部９から外方に延出する外部端子７、８を有している。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、最外層にある正極集電体２及び負極集電体４が、第１及び第２の樹脂層６ａ、６ｂの周縁部から外方に延出する外部端子７、８を有する例を説明したが、このような外部端子７、８を設けなくても構わない。
また、図１に示したように、発電要素１０が、正極板１２及び負極板１４がセパレータ５を介して複数個積層された多層構造からなる場合、複数の正極板１２及び負極板１４は、それぞれ電気的に並列接続されていてもよい。これにより、厚みや容量の異なる薄型二次電池を容易に形成することができる。
また、上記実施形態では、発電要素１０として、正極板１２及び負極板１４をセパレータ５を介して積層したものを説明したが、正極板１２及び負極板１４をセパレータ５を介して捲回したものであってもよい。この場合、発電要素の最外周に位置する集電体の外側表面の一部を露出させ、そこに樹脂層を形成し、この樹脂層で発電要素を覆うとともに、発電要素の周縁部を封止することにより、薄型二次電池を形成することができる。
また、本発明における二次電池の種類は特に限定されず、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を使用することができる。この場合、正極活物質、負極活物質、セパレータ、及び電解質等は、電池の種類や要求される性能等によって、その材料を適宜選択することができる。
本発明の薄型二次電池は、電子機器、自動車、電動バイク等の駆動用電源として有用である。
１ 正極活物質層
２ 正極集電体
３ 負極活物質層
４ 負極集電体
５ セパレータ
６ａ 第１の樹脂層
６ｂ 第２の樹脂層
７、８ 外部端子
９ 周縁部（封口部）
１０ 発電要素
１２ 正極板
１４ 負極板
２０ 薄型二次電池

Claims (5)

  1. 正極集電体の両面に正極活物質層が形成された複数の正極板と、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された複数の負極板とが、セパレータを介して積層された発電要素を備えた薄型二次電池であって、
    前記複数の正極板及び前記負極板は、それぞれ電気的に並列接続されており、
    前記発電要素のうち、最外層にある前記正極板及び前記負極板は、それぞれ、前記正極集電体の外側表面には、前記正極活物質層の代わりに第１の樹脂層が形成され、前記負極集電体の外側表面には、前記負極活物質層の代わりに第２の樹脂層が形成されており、
    前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層は、前記発電要素を覆うとともに、該発電要素の周縁部において、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層が互いに接合して、前記発電要素が前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層のみによって密封されており、
    前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層の厚みは、１０〜１００μｍの範囲にある、薄型二次電池。
  2. 最外層にある前記正極板の前記正極集電体、及び最外層にある前記負極板の前記負極集電体は、それぞれ、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層の周縁部から外方に延出する外部端子を有している、請求項１に記載の薄型二次電池。
  3. 前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層は、それぞれ、前記発電要素の周縁部において、熱溶融樹脂が設けられており、前記第１の樹脂層及び第２の樹脂層は、前記熱溶融樹脂の熱溶着によって、互いに結合している、請求項１に記載の薄型二次電池。
  4. 前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層は、連続した一体の樹脂層からなる、請求項１に記載の薄型二次電池。
  5. 前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、四フッ化エチレン樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、変性ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアセテートおよびナイロンからなる群より選ばれる少なくとも１種からなる、請求項１に記載の薄型二次電池。
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