JP6264375B2 - フレキシブル二次電池、電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、フレキシブル性を有するフレキシブル二次電池、及び、このフレキシブル二次電池を備えた画像表示装置(ディスプレイ)等の各種の電子機器に係わる。
有機エレクトロルミネセンス素子等を発光素子に用いた画像表示装置(ディスプレイ)において、フレキシブル化やモバイル用途でのケーブルレス化が求められている。
画像表示装置のフレキシブル化やケーブルレス化に伴い、パワーサプライである電源部のフレキシブル化も必要になってくる。
従来から、有機エレクトロルミネッセンス素子と二次電池を組み合わせた構成が、いくつか提案されている(例えば、特許文献1〜特許文献3を参照。)。
特開平1−204388号公報 特開平10−149880号公報 特開2001−82058号公報
現在、二次電池の主流であるリチウムイオン二次電池は、フレキシブル化のためには、フレキシブル性と高い容量との両立が大きな課題である。
特許文献1〜特許文献3等の従来の文献には、電池のフレキシブル化のための具体的な構成が記載されていない。
例えば、上記の特許文献3には、シート状正極及びシート状負極を使用して外装フィルムで封止したシート状ポリマー二次電池を構成することが記載されている。しかし、特許文献3には、シート状ポリマー二次電池をどのように構成してフレキシブル化するかについては開示されていない。
リチウムイオン二次電池をフレキシブル化しようとすると、通常は、容量が一桁以上低くなってしまう。
これは、フレキシブル化のために、例えば活物質層中のバインダー(柔軟剤)の量を増やすと、電池機能に寄与する活物質の割合が低下してしまうためと考えられる。
上述した問題の解決のために、本発明においては、フレキシブル性と高い容量とを共に実現することができるフレキシブル二次電池を提供するものである。また、このフレキシブル二次電池を備えた電子機器を提供するものである。
本発明の上記目的は以下の手段により達成される。
1.フレキシブル性を有するフレキシブル二次電池であって、少なくとも一方の電極の活物質層に柔軟剤が含まれている正極及び負極と、Mnが含まれている前記正極の活物質と、を有し、内部の減圧度が100〜1000Paであるリチウムイオン二次電池によって構成され、屈曲半径が30mm〜3mmであるフレキシブル二次電池。
2.フレキシブル性を有するフレキシブル二次電池であって、少なくとも一方の電極の活物質層に柔軟剤が含まれている正極及び負極と、Mnが含まれている前記正極の活物質と、を有し、内部の減圧度が200〜800Paであるリチウムイオン二次電池によって構成されているフレキシブル二次電池。
3.前記リチウムイオン二次電池が、前記正極とセパレータと前記負極とが積層されて、周囲が封止材で封止されて構成されている前記1に記載のフレキシブル二次電池。
4.前記リチウムイオン二次電池の厚さが1.5mm以下である前記1〜3のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
5.前記正極の活物質が、Li(Mn,Co,Ni)O,LiMnO,Li(Li,Mn)1−xCo,LiMnOから選ばれる1種以上である前記1〜4のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
6.前記柔軟剤が、アクリル系の重合体、或いは、ジエン重合体である前記1〜5のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
7.前記正極の活物質がリチウム過剰のMn含有酸化物である前記1〜6のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
8.前記1〜7のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池を備え、前記フレキシブル二次電池から電力が供給されて駆動される電子機器。
9.有機エレクトロルミネセンス素子から成る発光素子を備えた前記8に記載の電子機器。
10.前記発光素子と前記フレキシブル二次電池が、貼り合わせにより接合されている前記9に記載の電子機器。
11.前記発光素子と前記フレキシブル二次電池が、積層されて一体化されている前記9に記載の電子機器。
上述の本発明のフレキシブル二次電池によれば、リチウムイオン二次電池によって構成され、正極の活物質がMnを含み、正極と負極の少なくとも一方の電極の活物質層に柔軟剤を含み、リチウムイオン二次電池の内部の減圧度が100〜1000Paであり屈曲半径が30mm〜3mmであることにより、もしくは、リチウムイオン二次電池の内部の減圧度が200〜800Paであることにより、フレキシブル性を有した薄型の構成としても、高い容量を実現することができる。
また、本発明の電子機器によれば、本発明のフレキシブル二次電池を備えて、フレキシブル二次電池から電力が供給されて駆動される構成であるので、電池が薄型でフレキシブル性を有すると共に高い容量を有する。従って、電子機器の小型化を図ることができ、電子機器の動作時間を長くすることができる。
本発明の第1の実施の形態のフレキシブル二次電池の概略構成図(断面図)である。 本発明の第2の実施の形態の電子機器の概略構成図(断面図)である。 本発明の第3の実施の形態の電子機器の概略構成図(断面図)である。
以下、発明を実施するための形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明の概要
2.第1の実施の形態(フレキシブル二次電池)
3.第2の実施の形態(電子機器)
4.第3の実施の形態(電子機器)
<1.本発明の概要>
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
薄型のリチウムイオン二次電池は、正極集電体、正極活物質層、電解質及び電解液、セパレータ、電解質及び電解液、負極活物質層、負極集電体を有し、これらの各層を積層して、外部を封止材で封止して構成されている。
正極活物質層の材料は、主に、リチウム酸化物等の活物質とバインダーと添加剤である。
従来のリチウムイオン二次電池では、正極活物質層のバインダーには、PVdF(ポリフッ化ビニリデン)等が用いられ、添加剤としては導電剤であるアセチレンブラック等が用いられている。
正極活物質層のリチウム酸化物の材料としては、従来は、LiCoO,Li(Ni,Co,Mn)O等が主流である。
負極活物質層の材料は、主に、グラファイト等の活物質とバインダーと添加剤であり、必要に応じてシリコンが加えられる。
従来のリチウムイオン二次電池では、負極活物質層のバインダーには、SBR(スチレンブタジエンラテックス)等が用いられ、添加剤としては増粘剤であるCMC(カルボキシメチルセルロース)等が用いられている。
正極活物質層や負極活物質層のバインダーを増やすと、フレキシブル性が増大するが、活物質の割合が低下するため、リチウムイオン二次電池の容量は低下してしまう。
本発明のフレキシブル二次電池では、従来の二次電池から、以下に挙げる構成を変更することにより、フレキシブル性と高い容量を、共に実現する。
(1)正極を高容量とする。
正極を高容量とするためには、Mnを含有する活物質を使用する。
Mnを含有する正極活物質としては、例えば、Li(Mn,Co,Ni)O,LiMnO,Li(Li,Mn)1−xCoやLiMnOが挙げられる。
Mnを含有する正極活物質を使用することにより、Mnを含有しない正極活物質(例えば、LiCoO等)と比較して、正極の容量を高くすることができる。
より好ましくは、リチウム過剰のMn含有酸化物を正極活物質として使用する。
Li(Mn,Co,Ni)OやLiMnOでは、理論容量は150mAh/g程度である。
これに対して、リチウムが過剰のMn含有酸化物である、Li(Li,Mn)1−xCoやLiMnOを正極活物質に使用すると、理論容量は250〜400mAh/g程度にまで向上する。
(2)パッケージの減圧度を弱める。
二次電池にフレキシブル性を持たせるには、二次電池を封止する際のパッケージ圧を弱めて、二次電池を曲げられるようにしなければならない。
従来のフレキシブル性の無いリチウムイオン二次電池の30〜50%程度のパッケージ圧にする。
本発明のフレキシブル電池では、リチウムイオン二次電池のパッケージ減圧度を、100〜1000Paとする。より好ましくは、200〜800Paの範囲であり、最も好ましくは500Paである。
フレキシブル性の基準は、屈曲半径Rが100mm以下、好ましくは、屈曲半径Rが30mm〜3mmである。
また、本発明のフレキシブル電池では、リチウムイオン二次電池の厚さを1.5mm以下、好ましくは0.5mm以下とする。
(3)活物質層にバインダー(柔軟剤)を含有させる。より好ましくは、バインダー(柔軟剤)を改良して、アクリル系重合体やジエン系重合体をバインダーに使う。
バインダー(柔軟剤)を、正極活物質層と負極活物質層のうち、少なくとも一方に使用する。
より好ましくは、バインダー(柔軟剤)に、アクリル系重合体やジエン系重合体を使用する。アクリル系重合体やジエン系重合体と、他のバインダー材料との共重合体を形成しても良い。アクリル系重合体やジエン系重合体をバインダー(柔軟剤)に用いることにより、他のバインダー材料を用いた場合よりも、柔軟性を向上することができる。
アクリル系重合体やジエン系重合体を形成するための具体的な材料としては、ブタジエン、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、VDF(フッ化ビニリデン)、TFE(テトラフルオロエチレン)等が挙げられる。
バインダーとしては、具体的には、例えば、日本ゼオン株式会社製BM−400を使用することができる。
なお、正極活物質層のバインダーは、安定性の問題から、アクリル系(アクリル酸エステルポリマー等)が好ましい。
(1)〜(3)に挙げた構成以外のフレキシブル二次電池の構成は、従来公知の薄型のリチウムイオン二次電池と同様の構成とすることができる。
ただし、フレキシブル性を有する二次電池を構成して、二次電池を曲げて使用することを想定すると、電解質層には、電解液の漏れを生じることがなく、また二次電池の曲げによる電解質層の破壊が生じないような材料を用いることが望ましい。
本発明の電子機器は、本発明のフレキシブル二次電池を備えて、フレキシブル二次電池から電力を供給して電子機器を駆動する構成である。
本発明のフレキシブル二次電池は、薄型でフレキシブル性を有するので、任意の電子機器において、駆動電源として内蔵させることにより、大きな場所を占有することがなく、電子機器の小型化を図ることが可能である。また、曲げた状態で使用することが可能であるため、使用した電子機器の設計の自由度を高めることができる。
また、本発明のフレキシブル二次電池は、リチウムイオン二次電池の構成を従来の構成から変更して高い容量を有しており、フレキシブル二次電池を備えた電子機器を、電源の無い屋外等で使用する場合に好適である。例えば、各種の所謂モバイル機器に、本発明のフレキシブル電池を使用することが可能である。
本発明の電子機器によれば、本発明のフレキシブル二次電池を備えたことにより、電子機器の小型化を図ることができ、電子機器の動作時間を長くすることができる。
本発明の電子機器を、例えばICカードに適用した場合には、アンテナや駆動回路とフレキシブル電池とを接続してICカードを構成する。
フレキシブル二次電池によって、ICカードの厚さを増大させないで、容量の高い電池をICカードに搭載させることが可能になる。
これにより、薄く、かつ、様々な機能を有するICカードを実現することが可能になる。
本発明の電子機器を、例えば薄型ディスプレイに適用した場合には、薄型の画像表示部と薄型のフレキシブル二次電池とを組み合わせて、電源部を含むディスプレイ全体を薄く構成することが可能になる。適用する薄型ディスプレイとしては、例えば、液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス素子を用いたディスプレイを挙げることができる。
特に、有機エレクトロルミネッセンス素子(OLED)では、基板に透明可撓性フィルムを用いてフレキシブル性を有する構成が提案されており、このフレキシブル性を有する有機エレクトロルミネッセンス素子を用いたディスプレイと、本発明のフレキシブル二次電池とを用いることにより、フレキシブルなディスプレイを実現することが可能である。
また、有機エレクトロルミネッセンス素子(OLED)を発光素子として照明機器に使用する構成が提案されており、本発明の電子機器をこの照明機器に適用することも可能である。
特に、基板に透明可撓性フィルムを用いてフレキシブル性を有する構成の有機エレクトロルミネッセンス素子(OLED)を照明機器の発光体として用いて、本発明のフレキシブル二次電池と接続することにより、全体としてフレキシブル性を有する照明機器を実現することが可能になる。
本発明の電子機器を、有機エレクトロルミネセンス素子(OLED)を使用した機器に適用する場合に、使用する有機エレクトロルミネセンス素子の好ましい層構成の具体例を以下に示す。
(i)基材フィルム/陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(ii)基材フィルム/陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極
(iii)基材フィルム/陰極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/正孔阻止層/陰極
(iv)基材フィルム/陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/正孔阻止層/陰極
(v)基材フィルム/陽極/正孔注入層/正孔輸送層/電子阻止層/発光層/電子輸送層/電子注入層/正孔阻止層/陰極
基材フィルムには、フレキシブル性を有する樹脂フィルムを使用する。
それぞれの層構成の各層の材料には、従来公知の材料を使用することができる。
各層構成の陰極の上には、保護フィルムを形成することが好ましい。
また、基材フィルムや保護フィルムの内面側に、ガスバリア膜を形成することが好ましい。
本発明の電子機器を、有機エレクトロルミネセンス素子(OLED)を発光素子として使用した照明機器に適用する場合には、フレキシブル二次電池を発光素子の片面に配置することが可能である。
この構成の照明機器を作製する際には、例えば、発光素子とフレキシブル二次電池を貼り合わせにより接合する、もしくは、発光素子とフレキシブル二次電池を積層して一体化させる。
また、本発明の電子機器として、本発明のフレキシブル電池と、太陽電池シート等のように、光が照射されることで電源となる電子材料のシートとを組み合わせた構成とすることが可能である。
このような構成とした場合には、光が照射されて発生した電気エネルギーを、フレキシブル電池に蓄積することが可能になる。
<2.第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態のフレキシブル二次電池の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
図1に示すフレキシブル二次電池10は、正極集電体11、正極活物質層12、電解質層13、セパレータ14、電解質層13、負極活物質層15、負極集電体16の各層が積層されて、周囲が封止材17で封止されて構成されている。正極集電体11及び負極集電体16には、取り出しタグ(電極端子)18が接続され、この取り出しタグ(電極端子)18は、封止材17の外部に延びて形成されている。
正極集電体11には、Al等、従来公知の正極集電体用の材料を使用することができる。
正極活物質層12には、Mnを含有する正極活物質とバインダーと添加剤等を使用する。正極活物質層12の添加物としては、例えば、導電剤であるアセチレンブラック等を使用することができる。
電解質層13には、LiPF等の電解質を使用することができる。
セパレータ14には、例えば、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィンを使用することができる。
負極活物質層15には、従来公知の負極活物質の材料、例えば、グラファイトとバインダーと添加物等を使用する。負極活物質層15の添加物としては、例えば、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース(CMC)を使用することができる。
負極集電体16には、Cu等、従来公知の負極集電体用の材料を使用することができる。
封止材17には、多層AlとPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム等、従来公知の封止材の材料を使用することができる。
正極活物質層12の正極活物質に使用する、Mnを含有する正極活物質としては、例えば、Li(Mn,Co,Ni)O,LiMnO,Li(Li,Mn)1−xCoやLiMnOが挙げられる。より好ましくは、Li(Mn,Co,Ni)OやLiMnO等のリチウム過剰のMn含有酸化物を正極活物質に使用する。
封止材17の内部のパッケージ減圧度は、100〜1000Paとする。より好ましくは、200〜800Paの範囲であり、最も好ましくは500Paである。
封止材17を含めた、フレキシブル二次電池10の厚さTは、1.5mm以下、好ましくは0.5mm以下とする。
より好ましくは、正極活物質層12及び負極活物質層15のうちの少なくとも一方に、アクリル系重合体やジエン系重合体を使用したバインダー(柔軟剤)を含有させる。
本実施の形態のフレキシブル二次電池10は、正極活物質層12の正極活物質にMnを含有し、封止材17の内部のパッケージ減圧度が100〜1000Paであり、正極活物質層12及び負極活物質層15にバインダー(柔軟剤)を含有することにより、高い容量と、十分なフレキシブル性を有している。
<3.第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態の電子機器の概略構成図(断面図)を、図2に示す。
本実施の形態は、本発明の電子機器を、有機エレクトロルミネセンス素子(OLED)から成る発光シートに適用したものである。
図2に示す発光シート20は、フレキシブル二次電池21が封止材22によって封止され、OLED発光素子23が封止材24によって封止され、封止材22と封止材24とが接着層25によって接着されて構成されている。
そして、OLED発光素子23がフレキシブル二次電池21の上側に配置されており、OLED発光素子23の上面から発光する構成となっている。
フレキシブル二次電池21は、本発明のフレキシブル電池により構成することができ、例えば、前述した第1の実施の形態のフレキシブル電池10の正極集電体11から負極集電体16までの積層構造と同様の積層構造とすることができる。
OLED発光素子23は、従来から提案されている、シート状のフレキシブル性を有する有機エレクトロルミネセンス素子(OLED)から成る発光素子によって構成することができる。
封止材22及び封止材24には、フレキシブル性を有する、従来公知の封止用の材料を使用することができる。また、封止材自体がガスバリア性を有する材料を含有していたり、封止材の内側にガスバリア性を有する膜を形成したりしても良い。
フレキシブル二次電池21とOLED発光素子23とは、図示しないが、電気的に接続されている。
さらに、必要に応じて、例えば、発光シート20の外部に、フレキシブル二次電池21の起電力を昇圧してOLED発光素子23に供給する、昇圧回路を設けることができる。
なお、昇圧回路をフレキシブル基板と薄膜の回路で構成することができれば、発光シート20の内部に設けることも可能である。
本実施の形態の発光シート20は、フレキシブル二次電池21とOLED発光素子23のそれぞれを封止する封止材22,24が接着され、かつ、フレキシブル二次電池21とOLED発光素子23とが電気的に接続されているので、フレキシブル二次電池21によってOLED発光素子23を駆動して、発光させることができる。
また、フレキシブル二次電池21とOLED発光素子23が、いずれもシート状でフレキシブル性を有しているため、フレキシブル性を有する発光シート20を実現することができる。そして、発光シート20を曲げた状態でも発光させることが可能になる。
<4.第3の実施の形態(電子機器)>
本発明の第3の実施の形態の電子機器の概略構成図(断面図)を、図3に示す。
本実施の形態も、本発明の電子機器を、有機エレクトロルミネセンス素子(OLED)から成る発光シートに適用したものである。
図3に示す発光シート30は、フレキシブル二次電池31の上にOLED発光素子32が積層され、全体を封止材33によって封止して構成されている。
そして、OLED発光素子32がフレキシブル二次電池31の上側に配置されており、OLED発光素子32の上面から発光する構成となっている。
フレキシブル二次電池31は、本発明のフレキシブル電池により構成することができ、例えば、前述した第1の実施の形態のフレキシブル電池10の正極集電体11から負極集電体16までの積層構造と同様の積層構造とすることができる。
OLED発光素子32は、従来から提案されている、シート状のフレキシブル性を有する有機エレクトロルミネセンス素子(OLED)から成る発光素子によって構成することができる。
封止材33には、フレキシブル性を有する、従来公知の封止用の材料を使用することができる。また、封止材自体がガスバリア性を有する材料を含有していたり、封止材の内側にガスバリア性を有する膜を形成したりしても良い。
フレキシブル二次電池31とOLED発光素子32とは、図示しないが、電気的に接続されている。
本実施の形態の発光シート30は、フレキシブル二次電池31とOLED発光素子32が積層され、かつ、フレキシブル二次電池31とOLED発光素子32とが電気的に接続されているので、フレキシブル二次電池31によってOLED発光素子32を駆動して、発光させることができる。
また、フレキシブル二次電池31とOLED発光素子32が、いずれもシート状でフレキシブル性を有しているため、フレキシブル性を有する発光シート30を実現することができる。そして、発光シート30を曲げた状態でも発光させることが可能になる。
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
10,21,31 フレキシブル二次電池、11 正極集電体、12 正極活物質層、13 電解質層、14 セパレータ、15 負極活物質層、16 負極集電体、17,22,24,33 封止材、18 取り出しタグ(電極端子)、20,30 発光シート、23,32 OLED発光素子

Claims (11)

  1. フレキシブル性を有するフレキシブル二次電池であって、
    少なくとも一方の電極の活物質層に柔軟剤が含まれている正極及び負極と、
    Mnが含まれている前記正極の活物質と、
    を有し、内部の減圧度が100〜1000Paであるリチウムイオン二次電池によって構成され、
    屈曲半径が30mm〜3mmである
    フレキシブル二次電池。
  2. フレキシブル性を有するフレキシブル二次電池であって、
    少なくとも一方の電極の活物質層に柔軟剤が含まれている正極及び負極と、
    Mnが含まれている前記正極の活物質と、
    を有し、内部の減圧度が200〜800Paであるリチウムイオン二次電池によって構成されている
    フレキシブル二次電池。
  3. 前記リチウムイオン二次電池が、前記正極とセパレータと前記負極とが積層されて、周囲が封止材で封止されて構成されている請求項1に記載のフレキシブル二次電池。
  4. 前記リチウムイオン二次電池の厚さが1.5mm以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
  5. 前記正極の活物質が、Li(Mn,Co,Ni)O,LiMnO,Li(Li,Mn)1−xCo,LiMnOから選ばれる1種以上である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
  6. 前記柔軟剤が、アクリル系の重合体、或いは、ジエン重合体である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
  7. 前記正極の活物質がリチウム過剰のMn含有酸化物である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池。
  8. 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のフレキシブル二次電池を備え、
    前記フレキシブル二次電池から電力が供給されて駆動される
    電子機器。
  9. 有機エレクトロルミネセンス素子から成る発光素子を備えた請求項8に記載の電子機器。
  10. 前記発光素子と前記フレキシブル二次電池が、貼り合わせにより接合されている請求項9に記載の電子機器。
  11. 前記発光素子と前記フレキシブル二次電池が、積層されて一体化されている請求項9に記載の電子機器。
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