JP6527321B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。または、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、電子機器に関する。
なお、本明細書中において電子機器とは、二次電池を有する装置全般を指し、二次電池を有する電気光学装置、二次電池を有する情報端末装置、二次電池を有する車両などは全て電子機器である。
近年、スマートフォンに代表される携帯情報端末が活発に開発されている。電子機器の一種である携帯情報端末は軽量、小型であることが使用者の要望が大きい。
場所を選ばず、なおかつ両手の自由が束縛されることなく、視覚を通して情報が得られるウェアラブルデバイスの一例として、特許文献1が開示されている。特許文献1には、通信が可能であり、CPUを含むゴーグル型表示装置が開示されている。特許文献1のデバイスも電子機器の一種に含む。
ウェアラブルデバイスや携帯情報端末は、繰り返し充電または放電が可能な二次電池を搭載することが多く、ウェアラブルデバイスや携帯情報端末は、その軽量、小型であるがゆえに搭載される電池の容量が制限されるため、ウェアラブルデバイスや携帯情報端末の操作時間が限られてしまう問題がある。ウェアラブルデバイスや携帯情報端末に搭載する二次電池としては、軽量、且つ、小型であり、長時間の使用が可能であることが求められている。
二次電池としては、ニッケル水素電池や、リチウムイオン二次電池などが挙げられる。中でも、リチウムイオン二次電池は、高容量、且つ、小型化が図れるため、開発が盛んに行われている。
リチウムイオン二次電池において、正極或いは負極として機能する電極としては、リチウム金属、炭素系材料、合金系材料等を用いる。
特開2005−157317号公報
携帯情報端末に適した二次電池を提供することを課題の一とする。
または、ウェアラブルデバイスに適した二次電池を提供することを課題の一とする。または、新規な蓄電装置を提供することを課題の一とする。
または、新規な構造の電子機器を提供する。具体的には、さまざまな外観形状にすることができる新規な構造の電子機器を提供する。または、さまざまな外観形状を有する新規な構造の電子機器、及びその形状に適した形状の二次電池を提供することも課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
電子機器を複雑な外観形状にする場合、筐体を複雑な外観形状に設計し、その筐体の内部空間に電子部品(電源、配線、トランジスタ、抵抗、コンデンサなど)を配置する。この電子機器が大型のものであり、重量が重くても問題ないのであれば、比較的筐体の内部空間の体積が大きいため、比較的自由に電子部品を配置することができる。
複雑な外観形状を有する電子機器が小型であり、軽量化が求められる場合には、筐体の内部空間の体積が小さく、その体積に合わせて電子部品及びそのサイズを選定し、配置する。この場合、電子部品のサイズが小さくなればなるほど高価となり、製造コストが増大してしまう。
また、二次電池においては、二次電池の体積または重量が増えれば増えるほど容量が大きい傾向があり、小型の電子機器に内蔵する場合、二次電池のサイズや配置に制限がある。
また、電気自動車やハイブリッド自動車などの二次電池を有する車両は、1回の充電あたりの走行距離を長くしようとすればするほど、二次電池の占める体積や重量が増えてしまう。
そこで、形状を変化させることのできる二次電池を電子機器に用い、その電子機器の筐体の内部空間に効率よく二次電池およびその他の電子部品を配置させる。
外部から力を加えて二次電池の形状を変化させた場合、二次電池の外装体に用いるフィルムなどの物体に外部から力が加わり、物体に応力がかかり、一部が変形または一部破壊が生じる恐れがある。
応力によって生じるひずみを緩和する構造を有する二次電池とする。ひずみとは物体の基準(初期状態)長さに対する物体内の物質点の変位を示す、変形の尺度である。二次電池の外部から力を加えて生じる変形の尺度、即ち、ひずみによる影響を許容範囲内に抑える二次電池を提供する。応力によって生じるひずみを緩和する構造とすることで、二次電池を曲げたり変形させたりするときに(外装体などが)破損することなく、長期信頼性を確保することができる。
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、外力が加えられて発生するフィルムの応力を緩和する凹部または凸部を有するフィルムを有し、フィルムの中央部と端部で凹部または凸部の高さが異なり、フィルムの端部が接着層で封止された二次電池である。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、表面の一部に凹部または凸部で形成される模様を有するフィルムを有し、フィルムの中央部と端部で凹部または凸部の高さが異なり、フィルムの端部が接着層で封止された二次電池である。
上記構成において、フィルムの模様は視認可能な幾何学模様であり、二方向の斜めの線が交差した幾何学模様である。二方向の斜めの線が交差した幾何学模様とする場合には少なくとも二方向の曲げへの応力を緩和することができる。また、凹部や凸部の配置が規則的に配置された模様に限らず、凹部や凸部の配置が不規則に配置されてもよい。不規則に配置された場合には、二次元の曲げだけでなく、三次元の不規則な曲げまたは捩じりへの応力を緩和することができる。また、フィルムの箇所によって模様の異なる領域を複数有していてもよい。また、曲げられる部分のみに凹部や凸部を設けてもよく、その他の部分は平坦な面を有するフィルムでもよい。
フィルムの凹部または凸部は、プレス加工、例えばエンボス加工により形成される。エンボス加工によりフィルム表面(または裏面)に形成された凹部または凸部は、フィルムを封止構造の壁の一部とする空間の容積が可変な閉塞空間を形成する。この閉塞空間は、フィルムの凹部または凸部が蛇腹構造、ベローズ構造となって形成されるとも言える。フィルムを用いる封止構造により防水及び防塵の効果がある。また、プレス加工の一種であるエンボス加工に限らず、フィルムの一部に浮き彫り(レリーフ)が形成できる手法であればよい。また、それらの組み合わせ、例えばエンボス加工と、他のプレス加工とを1枚のフィルムに対して行ってもよい。また、複数回のエンボス加工を1枚のフィルムに行ってもよい。
二次電池の構造としては、様々な構造があるが、外装体をフィルムとする構造とする。なお、外装体に用いるフィルムは金属フィルム(アルミニウム、ステンレス、ニッケル鋼など)、有機材料からなるプラスチックフィルム、有機材料(有機樹脂や繊維など)と無機材料(セラミックなど)とを含むハイブリッド材料フィルム、炭素含有フィルム(カーボンフィルム、グラファイトフィルムなど)から選ばれる単層フィルムまたはこれら複数からなる積層フィルムを用いる。金属フィルムは、エンボス加工を行いやすく、エンボス加工を行って凹部または凸部を形成すると外気に触れるフィルムの表面積が増大するため、放熱効果に優れている。
また、二次電池の封止構造は、1枚の長方形のフィルムを中央で折り曲げて、四隅のうち、曲げる箇所を挟む2つの端部を重ね、3辺を接着層で固定して閉塞させる構造や、2枚のフィルムを重ね、フィルムの4辺を接着層で固定して閉塞させる構造とする。
接着層は、熱可塑性フィルム材料、熱硬化型接着剤、または嫌気型接着剤、紫外線硬化型接着剤など光硬化型の接着剤、反応硬化型接着剤を用いることができる。これらの接着剤の材質としてはエポキシ樹脂やアクリル樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。
接着層とフィルムを接着し、固定して封止構造を形成する際に圧着を行い、圧着する部分であるフィルムの端部とフィルムの中央部で凹部または凸部の高さを異ならせる。フィルムの中央部に比べてフィルムの端部の凹部または凸部の高さを小さくすると、ひずみによる影響を許容範囲内に抑えることができる。
中央部に凹部または凸部を設け、圧着する部分であるフィルムの端部に凹部または凸部を設けない場合には、中央部において二次電池の内容物に体積膨張があっても閉塞空間も大きく膨らむことができる。従って、二次電池の破裂を防止する効果を有する。一方、端部において凹部または凸部がないため、中央部に比べて端部のフレキシブル性、応力の緩和効果が低下する。従って、フィルムの端部にも凹部または凸部を設けることは、ひずみによる影響を許容範囲内に抑えることを助長する。
また、電子機器を複雑な外観形状にするとは幾通りもの解釈をすることができる。一つは、電子機器の外観を複雑な形状、例えば曲面を有する形状とし、固定するものである。固定する場合には、二次電池を一度曲げ、その曲がった状態で固定することとなる。さらに、複雑な外観形状の電子機器の外部から力がかけられても変形しないものと、力をかけて変化するものに分けることができる。また、他には、単純な外観形状の電子機器を外部から力をかけて変形させるものである。電子機器に力をかけて変形するものとする場合には、力が加わる度に二次電池も変形できることが望ましい。
本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、一部に曲面を有する筐体と、曲面を有する二次電池を有し、二次電池の外装体は、表面の一部に凹部または凸部で形成される模様を有するフィルムである電子機器である。
また、本明細書で開示する発明の構成の他の一形態は、筐体と、筐体の一部に接する二次電池を有し、二次電池の外装体は、表面の一部に凹部または凸部で形成される模様を有するフィルムであり、筐体の一部が変形する電子機器である。
上記構成において、二次電池の外装体は、曲率半径10mm以上好ましくは曲率半径30mm以上曲率半径150mm以下の範囲で変形することができる。二次電池の外装体であるフィルムは、1枚または2枚で構成されている。積層構造の二次電池である場合、湾曲させて二次電池の断面形状を円弧とすると、二次電池はその内容物がフィルムの2つの曲面で挟まれた構造となる。
面の曲率半径について、図19を用いて説明する。図19(A)において、曲面1700を切断した平面1701において、曲面の形状である曲線1702の一部を円の弧に近似して、その円の半径を曲率半径1703とし、円の中心を曲率中心1704とする。図19(B)に曲面1700の上面図を示す。図19(C)に、平面1701で曲面1700を切断した断面図を示す。曲面を平面で切断するとき、切断する平面により、曲線の曲率半径は異なるものとなるが、曲面を、最も曲率半径の小さい曲線を有する平面で切断したときにおいて、曲線の曲率半径を面の曲率半径とする。
2枚のフィルムを外装体として電極及び電解液などを含む内容物1805を挟む二次電池を湾曲させた場合には、二次電池の曲率中心1800に近い側のフィルム1801の曲率半径1802は、曲率中心1800から遠い側のフィルム1803の曲率半径1804よりも小さい(図20(A))。二次電池を湾曲させて断面を円弧状とすると曲率中心1800に近いフィルムの表面には圧縮応力がかかり、曲率中心1800から遠いフィルムの表面には引っ張り応力がかかる(図20(B))。外装体の表面に凹部または凸部で形成される模様を形成すると、このように圧縮応力や引っ張り応力がかかったとしても、ひずみによる影響を許容範囲内に抑えることができる。そのため、二次電池は、曲率中心に近い側の外装体の曲率半径が10mm以上好ましくは30mm以上となる範囲で変形することができる。
なお、二次電池の断面形状は、単純な円弧状に限定されず、一部が円弧を有する形状にすることができ、例えば図20(C)に示す形状や、波状(図20(D))、S字形状などとすることもできる。二次電池の曲面が複数の曲率中心を有する形状となる場合は、複数の曲率中心それぞれにおける曲率半径の中で、最も曲率半径が小さい曲面において、2枚の外装体の曲率中心に近い方の外装体の曲率半径が、10mm以上好ましくは30mm以上となる範囲で変形することができる。
二次電池の断面から見た場合、曲率中心を内側にして二次電池を曲げると、外側表面が引っ張られ、内側表面が圧縮される。即ち、外側が伸び、内側が縮む。言い換えると曲がる二次電池とは、伸び縮みする二次電池とも呼べる。
2枚のフィルムを外装体として電解液などを挟む二次電池を湾曲させた場合には、第1のフィルムの曲率半径は、第2のフィルムの曲率半径よりも小さい。さらに、二次電池の第1のフィルム表面の模様と、第2のフィルム表面の模様は異なる。二次電池を湾曲させて断面を円弧状とすると曲率中心に近いフィルム表面は圧縮応力がかかり、曲率中心に遠いフィルム表面は引っ張り応力がかかる。このように圧縮応力や引っ張り応力がかかったとしても、外装体の表面に凹部または凸部で形成される模様を有しているため、ひずみによる影響を許容範囲内に抑えることができる。
時計などのように、デバイスの一部を使用者の身体の一部(手首や腕など)に接触させる、即ちデバイスを使用者が装着させることで、使用者が実際の重量よりも軽量なものに感じさせることができる。使用者の身体の一部に沿った曲面を有する外観形状の電子機器にフレキシブルな二次電池を用いることで、二次電池を電子機器に適した形状に固定して設置することができる。
また、使用者が電子機器を装着した部分を動かした場合、身体の一部に沿った曲面を有していても違和感を覚え、その電子機器を邪魔なものと認識し、ストレスを与える恐れがある。そこで、その身体の動きに合わせて電子機器の少なくとも一部が変形する構成とすると、使用者が違和感を覚えることのない電子機器とすることができ、電子機器の変形する部分にフレキシブルな二次電池を設けることもできる。
または、電子機器の外観形状が曲面や複雑な形状である場合に限定されず、シンプルな外観形状の電子機器であってもよい。例えばシンプルな外観形状の電子機器の内部において、電子機器に内蔵できる部品の数や大きさは、電子機器の筐体で形成される空間の体積で決定される場合が多い。二次電池以外の部品の隙間にフレキシブルな二次電池を設けることで、電子機器の筐体で形成される空間を有効利用することができ、小型化することもできる。
なお、ウェアラブルデバイスとは、ウェアラブルカメラ、ウェアラブルマイク、ウェアラブルセンサなどのウェアラブルな入力端末や、ウェアラブルディスプレイ、ウェアラブルスピーカーなどのウェアラブルな出力端末や、それらの機能を併せもつウェアラブルな入出力端末を含む。また、ウェアラブルデバイスとは、各装置の制御やデータの計算または加工を行う装置、代表的にはCPUを有するウェアラブルコンピュータを含む。また、ウェアラブルデバイスとは、データの記憶、データの送信、データの受信を行う装置、代表的には携帯情報端末、メモリなども含む。
新規な構造の二次電池を実現できる。または、新規な蓄電装置を実現できる。
二次電池の形状を自在に設計できるため、例えば曲面を有する二次電池を用いることにより、デバイス全体の自由度があがり、いろいろなデザインを有するデバイスを実現する。また、曲面を有するデバイス内の隙間に無駄なスペースを作ることなく、デバイスの表面の曲面に沿ってデバイスの曲面の内側に二次電池を設けることでデバイス内の空間を有効に利用することができる。
従って、新規な構造の電子機器を実現できる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様を示す上面図である。 本発明の一態様を示す斜視図である。 本発明の一態様を示すエンボス加工の説明図である。 本発明の一態様を示す上面図である。 本発明の一態様を示す斜視図である。 本発明の一態様を示す斜視図である。 本発明の一態様を示す上面図である。 本発明の一態様を示す斜視図である。 本発明の一態様を示す二次電池の外観写真およびその模式図である。 本発明の一態様を示す二次電池の一部X線写真およびその模式図である。 本発明の一態様を示す電子機器の断面図および外観写真図である。 本発明の一態様を示す電子機器の外観写真図である。 フレキシブルな二次電池を有する電子機器を説明する図である。 二次電池を有する車両を説明する図。 本発明の一態様を示す電子機器の外観斜視図である。 電子機器を説明する図。 本発明の一態様を示す電子機器の外観写真図である。 図12(A)の断面模式図。 面の曲率半径について説明する図である。 曲率中心について説明する図である。 曲げ試験装置の写真図である。 X線CT写真図及び外観写真図及び充放電特性を示す図である。 X線CT写真図及び外観写真図及び充放電特性を示す図である。 充電特性及び放電特性を示す図である。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限はない。
図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
「第1」、「第2」、「第3」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものである。
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。
(実施の形態1)
本実施の形態では、フィルム表面にエンボス加工を行い、模様を有するフィルムを用いてリチウムイオン二次電池を作製する例を示す。
まず、可撓性基材からなるシートを用意する。シートは、積層体を用い、金属フィルムの一方の面または両方の面に接着層(ヒートシール層とも呼ぶ)を有するものを用いる。接着層は、ポリプロピレンやポリエチレンなどを含む熱融着性樹脂フィルムを用いる。本実施の形態では、シートとして、アルミニウム箔の表面にナイロン樹脂を有し、アルミニウム箔の裏面に耐酸性ポリプロピレン膜と、ポリプロピレン膜の積層が設けられている金属シートを用いる。このシートをカットして図1に示すフィルム10を用意する。
そして、このフィルム10にエンボス加工を行い、図1(B)に示すようにフィルム表面に凹凸を形成し、視認可能な模様を形成する。なお、ここではシートをカットした後、エンボス加工を行う例を示すが、特に順序は限定されず、シートをカットする前にエンボス加工を行い、その後カットして、図1(B)に示す状態としてもよい。また、シートを折り曲げて熱圧着を行った後にカットしてもよい。
以下に、プレス加工の一種であるエンボス加工の説明をする。
図3は、エンボス加工の一例を示す断面図である。なお、エンボス加工とは、プレス加工の一種であり、表面に凹凸のあるエンボスロールをフィルムに圧接させ、エンボスロールの凹凸に対応する凹凸をフィルム表面に形成する処理のことを指している。エンボスロールは、表面に模様を彫刻したロールである。
図3(A)は、フィルムの片方の面にエンボス加工を行う例である。
図3(A)において、フィルムの一方の面に接するエンボスロール53と、もう一方の面に接するロール54との間にフィルム50が挟まれ、フィルム50がフィルムの進行方向58に送り出されている途中を示している。圧力または熱によってフィルム表面に模様を形成している。
図3(A)は、片面エンボス加工とも呼ばれ、エンボスロール53とロール54(金属ロールまたは弾性ロール(ゴムロールなど))の組み合わせである。
また、図3(B)はフィルムの両面にエンボス加工を行う例である。
図3(B)において、フィルムの一方の面に接するエンボスロール53と、もう一方の面に接するエンボスロール55との間にフィルム51が挟まれ、フィルム51がフィルムの進行方向58に送り出されている途中を示している。
図3(B)は、両面エンボス加工とも呼ばれ、雄柄のエンボスロールであるエンボスロール53とエンボスロール55(雌柄)の組み合わせである。
また、フィルム51の表面の一部を浮き上がらせるエンボスと、表面をへこましたエンボスが連続している凸凹により、フィルム51の表面に模様を形成している。
図3(C)において、フィルムの一方の面に接するエンボスロール56と、もう一方の面に接するエンボスロール57との間にフィルム52が挟まれ、フィルム52がフィルムの進行方向58に送り出されている途中を示している。
図3(C)は、Tip to Tipの両面エンボス加工とも呼ばれ、エンボスロール56と、そのエンボスロール56と同じ柄のエンボスロール57の組み合わせである。同一のエンボスロールの凸部と凹部の位相を合わせたものであり、フィルム52の表裏に差のほとんど無い模様を形成することができる。
また、エンボスロールを用いることに限定されず、エンボスプレートを用いてもよい。また、エンボス加工に限定されず、フィルムの一部に浮き彫り(レリーフ)が形成できる手法であればよい。
本実施の形態では、フィルム11の両面に凹凸を設けて模様を形成し、フィルム11を中央で折り曲げて、四隅のうち、曲げる箇所を挟む2つの端部を重ね、3辺を接着層で封止する構造とする。
次いで、フィルム11を図1(B)の点線で示した部分で折り、図2(A)に示す状態とする。
また、図2(B)に示すように二次電池を構成する正極集電体12、セパレータ13、負極集電体14を積層したものを用意する。また、正極集電体12や負極集電体14などの集電体としては、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、タンタル等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高く、リチウムイオン等のキャリアイオンと合金化しない材料を用いることができる。また、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。また、集電体は、箔状、板状(シート状)、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。集電体は、厚みが10μm以上30μm以下のものを用いるとよい。なお、ここでは説明を簡略にするため、正極集電体12、セパレータ13、負極集電体14の積層の組み合わせを1つにして外装体で包み収納する例を示したが、二次電池の容量を大きくするために組み合わせを複数重ねて外装体で包み収納してもよい。
そして図2(C)に示す封止層15を有するリード電極16を2つ用意する。リード電極16はリード端子とも呼ばれ、二次電池の正極または負極を外装フィルムの外側へ引き出すために設けられる。
そして、一つのリード電極と、正極集電体12の突出部を超音波溶接などにより、電気的に接続する。正極集電体12の突出部と接続するリード電極は、材料としてアルミニウムを用いる。そしてもう一つのリード電極と、負極集電体14の突出部を超音波溶接などにより、電気的に接続する。負極集電体14の突出部と接続するリード電極は、材料としてニッケルメッキを施した銅を用いる。
そして、電解液を入れるための一辺を残すため、フィルム11の2辺に対して熱圧着を行って封止する。熱圧着の際、リード電極に設けられた封止層15も溶けてリード電極とフィルム11との間を固定される。そして、減圧雰囲気下、或いは不活性雰囲気下で所望の量の電解液をフィルム11が袋状となった内側に滴下する。そして、最後に、熱圧着をせずに残していたフィルムの周縁に対して熱圧着を行って封止する。
こうして図2(D)に示す二次電池40を作製することができる。
得られた二次電池40は、外装体となるフィルム11の表面に凹凸を有する模様を有している。また、図2(D)中の点線と端面の領域は熱圧着領域17であり、その部分にも表面に凹凸を有する模様を有する。中央部に比べると熱圧着領域17の凹凸は小さいが、二次電池を曲げた時に加わる応力を緩和することができる。応力によって生じるひずみを緩和する構造とすることで、二次電池を曲げたり変形させたりするときに(外装体などが)破損することなく、長期信頼性を確保することができる。
また、図2(D)中の鎖線A−Bで切断した断面の一例を図2(E)に示す。
図2(E)に示すように、フィルム11の凹凸は、正極集電体12と重なる領域と、熱圧着領域17で異なる。なお、図2(E)に示すように、正極集電体12、正極活物質層18、セパレータ13、負極活物質層19、負極集電体14の順で積層されたものが、折り曲げたフィルム11に挟まれ、さらに端部において接着層30で封止されており、その他の空間には電解液20を有している。
正極活物質層18に用いる正極活物質としては、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、またはスピネル型の結晶構造を有する複合酸化物等がある。正極活物質として、例えばLiFeO、LiCoO、LiNiO、LiMn、V、Cr、MnO等の化合物を用いる。
または、複合材料(一般式LiMPO(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上))を用いることができる。一般式LiMPOの代表例としては、LiFePO、LiNiPO、LiCoPO、LiMnPO、LiFeNiPO、LiFeCoPO、LiFeMnPO、LiNiCoPO、LiNiMnPO(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFeNiCoPO、LiFeNiMnPO、LiNiCoMnPO(c+d+eは1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFeNiCoMnPO(f+g+h+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等のリチウム化合物を材料として用いることができる。
または、一般式Li(2−j)MSiO(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上、0≦j≦2)等の複合材料を用いることができる。一般式Li(2−j)MSiOの代表例としては、Li(2−j)FeSiO、Li(2−j)NiSiO、Li(2−j)CoSiO、Li(2−j)MnSiO、Li(2−j)FeNiSiO、Li(2−j)FeCoSiO、Li(2−j)FeMnSiO、Li(2−j)NiCoSiO、Li(2−j)NiMnSiO(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、Li(2−j)FeNiCoSiO、Li(2−j)FeNiMnSiO、Li(2−j)NiCoMnSiO(m+n+qは1以下、0<m<1、0<n<1、0<q<1)、Li(2−j)FeNiCoMnSiO(r+s+t+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等のリチウム化合物を材料として用いることができる。
また、正極活物質として、A(XO(A=Li、Na、Mg、M=Fe、Mn、Ti、V、Nb、Al、X=S、P、Mo、W、As、Si)の一般式で表されるナシコン型化合物を用いることができる。ナシコン型化合物としては、Fe(MnO、Fe(SO、LiFe(PO等がある。また、正極活物質として、LiMPOF、LiMP、LiMO(M=Fe、Mn)の一般式で表される化合物、NaFeF、FeF等のペロブスカイト型フッ化物、TiS、MoS等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物、テルル化物)、LiMVO等の逆スピネル型の結晶構造を有する酸化物、バナジウム酸化物系(V、V13、LiV等)、マンガン酸化物、有機硫黄等の材料を用いることができる。
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンの場合、正極活物質として、リチウムの代わりに、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカリウム等)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム、マグネシウム等)を用いてもよい。
セパレータ13としては、セルロース(紙)、または空孔が設けられたポリプロピレン、ポリエチレン等の絶縁体を用いることができる。
電解液は、電解質として、キャリアイオンであるリチウムイオンを有する材料を用いる。電解質の代表例としては、LiPF、LiClO、LiAsF、LiBF、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等のリチウム塩がある。これらの電解質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いてもよい。
また、電解液の溶媒としては、キャリアイオンの移動が可能な材料を用いる。電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。また、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性等に対する安全性が高まる。また、蓄電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の代表例としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等がある。また、電解液の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体(常温溶融塩)を一つまたは複数用いることで、蓄電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、蓄電池の破裂や発火などを防ぐことができる。なお、イオン液体は、流動状態にある塩であり、イオン移動度(伝導度)が高い。また、イオン液体は、カチオンとアニオンとを含む。イオン液体としては、エチルメチルイミダゾリウム(EMI)カチオンを含むイオン液体、またはN−メチル−N−プロピルピペリジニウム(PP13)カチオンを含むイオン液体などがある。
また、電解液の代わりに、硫化物系や酸化物系等の無機物材料を有する固体電解質や、PEO(ポリエチレンオキシド)系等の高分子材料を有する固体電解質を用いることができる。固体電解質を用いる場合には、セパレータやスペーサの設置が不要となる。また、電池全体を固体化できるため、漏液のおそれがなくなり安全性が飛躍的に向上する。
また、負極活物質層19の負極活物質としては、リチウムの溶解・析出、又はリチウムイオンの挿入・脱離が可能な材料を用いることができ、リチウム金属、炭素系材料、合金系材料等を用いることができる。
リチウム金属は、酸化還元電位が低く(標準水素電極に対して−3.045V)、重量及び体積当たりの比容量が大きい(それぞれ3860mAh/g、2062mAh/cm)ため、好ましい。
炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等がある。
黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス系人造黒鉛、ピッチ系人造黒鉛等の人造黒鉛や、球状化天然黒鉛等の天然黒鉛がある。
黒鉛はリチウムイオンが黒鉛に挿入されたとき(リチウム−黒鉛層間化合物の生成時)にリチウム金属と同程度に卑な電位を示す(0.1〜0.3V vs.Li/Li)。これにより、リチウムイオン二次電池は高い作動電圧を示すことができる。さらに、黒鉛は、単位体積当たりの容量が比較的高い、体積膨張が小さい、安価である、リチウム金属に比べて安全性が高い等の利点を有するため、好ましい。
負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な合金系材料も用いることができる。キャリアイオンがリチウムイオンである場合、合金系材料としては、例えば、Al、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ag、Au、Zn、Cd、In、Ga等のうち少なくとも一つを含む材料がある。このような元素は炭素に対して容量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200mAh/gと飛躍的に高い。このため、負極活物質にシリコンを用いることが好ましい。このような元素を用いた材料としては、例えば、SiO、MgSi、MgGe、SnO、SnO、MgSn、SnS、VSn、FeSn、CoSn、NiSn、CuSn、AgSn、AgSb、NiMnSb、CeSb、LaSn、LaCoSn、CoSb、InSb、SbSn等がある。なお、SiOとは、ケイ素リッチの部分を含むケイ素酸化物の粉末を指しており、SiO(2>y>0)とも表記できる。例えばSiOは、Si、Si、またはSiOから選ばれた単数または複数を含む材料や、Siの粉末と二酸化ケイ素SiOの混合物も含む。また、SiOは他の元素(炭素、窒素、鉄、アルミニウム、銅、チタン、カルシウム、マンガンなど)を含む場合もある。即ち、単結晶Si、アモルファスSi、多結晶Si、Si、Si、SiO、SiOから選ばれる複数を含む材料を指しており、SiOは有色材料である。SiOではないSiO(Xは2以上)であれば無色透明、或いは白色であり、区別することができる。ただし、二次電池の材料としてSiOを用いて二次電池を作製した後、充放電を繰り返すなどによって、SiOが酸化した場合には、SiOに変質する場合もある。
また、負極活物質として、二酸化チタン(TiO)、リチウムチタン酸化物(LiTi12)、リチウム−黒鉛層間化合物、(Li)、五酸化ニオブ(Nb)、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン(MoO)等の酸化物を用いることができる。
また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の複窒化物である、LiN型構造をもつLi3−xN(M=Co、Ni、Cu)を用いることができる。例えば、Li2.6Co0.4は大きな充放電容量(900mAh/g、1890mAh/cm)を示し好ましい。
リチウムと遷移金属の複窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、正極活物質としてリチウムイオンを含まないV、Cr等の材料と組み合わせることができ好ましい。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも、あらかじめ正極活物質に含まれるリチウムイオンを脱離させておくことで負極活物質としてリチウムと遷移金属の複窒化物を用いることができる。
また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)等の、リチウムと合金化反応を行わない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反応が生じる材料としては、さらに、Fe、CuO、CuO、RuO、Cr等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn、CuN、Ge等の窒化物、NiP、FeP、CoP等のリン化物、FeF、BiF等のフッ化物でも起こる。なお、上記フッ化物の電位は高いため、正極活物質として用いてもよい。
また、負極活物質層19には、上述した負極活物質の他、活物質の密着性を高めるための結着剤(バインダ)、負極活物質層19の導電性を高めるための導電助剤等を有してもよい。
二次電池の構成は、例えば、セパレータ13の厚さは約25μm、正極集電体12は約20μm以上約40μm以下、正極活物質層18は約100μm、負極活物質層19は約100μm、負極集電体14は約20μm以上約40μm以下である。フィルム11の厚さは、0.113mmである。また、フィルム11へのエンボス加工深さは、約500μmである。フィルム11へのエンボス加工深さが2mm以上の場合には、二次電池全体の厚さが厚すぎてしまうため、エンボス加工深さは1mm以下、好ましくは500μm以下とする。なお、図2(E)では接着層30を部分的にしか図示していないが、フィルムにはポリプロピレンからなる層がフィルム11表面に設けられ、熱圧着した部分のみが接着層30となる。
また、図2(E)では、フィルム11の下側を固定して圧着している例を示している。この場合には上側が大きく曲げられ、段差が形成されるため、折り曲げたフィルム11の間に上記積層の組み合わせを複数、例えば8つ以上設ける場合には、その段差が大きくなり、上側のフィルム11に応力がかかりすぎる恐れがある。また、そのため、上側のフィルムの端面と、下側のフィルムの端面の位置ずれが大きくなる恐れもある。その場合、端面に位置ずれがないように、下側のフィルムにも段差を設け、熱圧着領域17が二次電池の厚さ方向における中央となるように圧着し、応力を均等化する構成としてもよい。
ここで図2(F)を用いて二次電池の充電時の電流の流れを説明する。リチウムを用いた二次電池を一つの閉回路とみなした時、リチウムイオンの動きと電流の流れは同じ向きになる。なお、リチウムを用いた二次電池では、充電と放電でアノード(陽極)とカソード(陰極)が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆パルス電流を流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、正極は「正極」または「+極(プラス極)」と呼び、負極は「負極」または「−極(マイナス極)」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード(陽極)やカソード(陰極)という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード(陽極)やカソード(陰極)という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード(陽極)やカソード(陰極)という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極(プラス極)と負極(マイナス極)のどちらに対応するものかも併記することとする。
図2(F)に示す2つの端子には充電器が接続され、二次電池40が充電される。二次電池40の充電が進めば、電極間の電位差は大きくなる。図2(F)では、二次電池40の外部の端子から、正極集電体12の方へ流れ、二次電池40の中において、正極集電体12から負極集電体14の方へ流れ、負極集電体14から二次電池40の外部の端子の方へ流れる電流の向きを正の向きとしている。つまり、充電電流の流れる向きを電流の向きとしている。
本実施の形態では、携帯情報端末などに用いる小型の電池の例を示したが、特に限定されず、車両などに搭載する大型の電池にも適用することができる。
なお、本実施の形態では、リチウムイオン二次電池に適用した場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。様々な二次電池、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池、固体電池、空気電池、などに適用することも可能である。または、様々な蓄電装置に適用することが可能であり、例えば、一次電池、コンデンサ、リチウムイオンキャパシタなどに適用することも可能である。さらに、太陽電池、光センサ、タッチセンサ、表示装置、FPC(フレキシブルプリント基板)、光学フィルム(偏光板、位相差板、プリズムシート、光反射シート、光拡散シートなど)などに適用することも可能である。
(実施の形態2)
本実施の形態では、折り曲げたフィルム11の間に実施の形態1とは一部異なる積層の組み合わせを複数収納する例を示す。
図4(A)に正極集電体12、図4(B)に負極集電体14、図4(C)にセパレータ13、図4(D)にリード電極16、図4(E)にフィルム11のぞれぞれの上面図を示す。
図4においてそれぞれの寸法が概略等しく、図4(E)中の鎖線で囲んだ領域21は、図4(C)のセパレータの寸法とほぼ同一である。また、図4(E)中の点線と端面との間の領域は、熱圧着領域17となる。
図5(A)には、負極と正極の対を2つ組み合わせた構造の斜視図を示している。なお、正極集電体12には両面に正極活物質層が設けられた例である。詳細に説明すると、負極集電体14、負極活物質層、セパレータ13、正極活物質層、正極集電体12、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層、負極集電体という順に配置されている。なお、図5(A)においてセパレータは2つ図示している例を示しているが、1枚のセパレータを折り曲げてその間に正極集電体12を配置する構造とすることも可能である。
また、負極集電体の両面にも負極活物質層を設けることも可能であり、図5(B)には、片面のみに負極活物質層を有する2つの負極集電体の間に、両面に負極活物質層を有する3つの負極集電体と、両面に正極活物質層を有する4つの正極集電体と、8枚のセパレータを挟んだ二次電池を構成する例を示している。
このように積層する場合、4つの正極集電体を全て固定して電気的に接続する場合、一度に接合のできる超音波溶接を行う。さらに、4つの正極集電体に加えて、リード電極とも重ねて超音波溶接を行うと効率よく、電気的に接続を行うことができる。
正極集電体の突出部はタブ部ともよばれ、その部分を他の正極集電体のタブ部と重ねて圧力をかけながら超音波を照射することで、超音波溶接を行うことができる。
また、タブ部は、二次電池の作製後に外から外力が加えられ生じる応力により、ヒビや切断が生じる箇所となりやすい。
そこで、本実施の形態では、図6(A)に示すボンディングダイを有する超音波溶接装置を用いる。なお、図6(A)では、簡略化のため、超音波溶接装置のうち、上下のボンディングダイのみを図示する。
突起24を有する第1のボンディングダイ22と、第2のボンディングダイ23との間に、4つの正極集電体12のタブ部と、リード電極を配置する。溶接したい領域が突起24と重なるように超音波溶接を行い、圧力が加えられると、図6(B)に示すように、溶接領域26とセパレータ13の端部から突出しているタブ部の領域との間に湾曲部25が形成できる。
この湾曲部25を設けることによって、二次電池の作製後に外から外力が加えられ生じる応力を緩和することができる。応力によって生じるひずみを緩和する構造とすることで、二次電池を曲げたり変形させたりするときに(外装体などが)破損することなく、長期信頼性を確保することができる。
また、図6(A)に示すボンディングダイを有する超音波溶接装置は、超音波溶接と湾曲部25の形成を同時に行うことができるため、工程数も増やすことなく二次電池を作製することができる。また、超音波溶接と湾曲部25の形成は別々に行ってもよい。
また、5つの負極集電体のタブ部も上記超音波溶接を同様に行って、全て溶接して電気的に接続する。
また、タブ部に湾曲部25を形成することに限定されず、正極集電体のタブ部の形状を改良することでも応力を緩和させることもできる。応力によって生じるひずみを緩和する構造とすることで、二次電池を曲げたり変形させたりするときに(外装体などが)破損することなく、長期信頼性を確保することができる。
例えば、その一例として、図7(A)に正極集電体12aの上面図の一例を示す。正極集電体12aのタブ部にスリット27を設け、二次電池の作製後に外から外力が加えられ生じる応力を緩和する構成としてもよい。応力によって生じるひずみを緩和する構造とすることで、二次電池を曲げたり変形させたりするときに(外装体などが)破損することなく、長期信頼性を確保することができる。
また、他の一例として、図7(B)に正極集電体12bの上面図の一例を示す。正極集電体12bのタブ部の点線で囲んだ領域28の角を丸めて応力集中を緩和させた正極集電体12bとしている。また、領域28の角は、他の角よりも丸めて、曲率半径の大きい形状とすることが好ましい。
また、他の一例として、正極集電体の材料をステンレスなどの強度のあるものとし、正極集電体の膜厚を10μm以下とすることで二次電池の作製後に外から外力が加えられ生じる応力を緩和する構成としてもよい。
勿論、これらを複数組み合わせてタブ部の応力集中を緩和してもよいことは言うまでもない。
なお、本実施の形態は実施の形態1と組み合わせることが可能である。
(実施の形態3)
本実施の形態では、二次電池を作製し、曲率半径40mm以上曲率半径150mm以下相当の曲げを繰り返し湾曲させても問題ないことを確認した実験を以下に示す。
まず、実施の形態1に従って、エンボス加工を行ったフィルム10を用い、二次電池を作製する。
本実施の形態において、図8(A)に示すように、正極集電体12と、セパレータ13と、負極集電体14を重ねた組み合わせを6つ用い、それらを外装フィルムで包み収納する。片面に正極活物質層を形成した正極と、片面に負極活物質層を形成した負極を用い、具体的には、片面に正極活物質層を形成した正極、該正極活物質層に接するセパレータ、該セパレータに接する負極活物質層を形成した負極、該負極の負極活物質層に接する負極集電体というように積層させる。なお、図8(B)にはセパレータが12枚あるが、1枚のセパレータを折り曲げてその間に正極集電体12を挟む構造とする場合は、セパレータは6枚でよい。
実施の形態2に従って、図6(A)に示すボンディングダイを有する超音波溶接装置を用いて、6つの正極集電体とリード電極を超音波溶接する。また、6つの負極集電体とリード電極を超音波溶接する。
その後、実施の形態1に従って、電解液を入れるための一部を残して、外装フィルムの周縁に対して熱圧着を行い、不活性雰囲気下で所望の量の電解液を内部に滴下し、熱圧着をせずに残していた外装フィルムの周縁に対して熱圧着を行って封止する。こうして得られたリチウムイオン二次電池の最も厚い部分(外装体を含めての合計膜厚)は約3mmである。
こうして得られたリチウムイオン二次電池を湾曲させた状態で写真を撮影した図が図9(A)であり、その模式図が図9(B)である。また、得られたリチウムイオン二次電池の曲げ試験を行った結果、曲率半径40mm以上曲率半径150mm以下相当の曲げを1万回繰り返しても問題なく、二次電池の充電または放電が確認できている。勿論、外装体などが破損することもなく、電解液の漏洩なども生じない。外装体であるフィルムに複数の凹凸を表面に有しているため、曲げて変形した際に、しわの形成が抑えられ、応力の集中が抑えられることによってフィルムの破壊が生じにくい。そうでない場合、曲げて変形した際に、大きなサイズのしわが曲げた箇所に集中してしまい、そこに穴が開いて電解液が漏洩する恐れや、しわが集中した箇所の接着層にダメージが与えられ、接着層に隙間が生じて電解液が漏洩する恐れがあった。
また、得られたリチウムイオン二次電池に曲率半径40mm以上曲率半径150mm以下まで曲げを1万回繰り返した後、リチウムイオン二次電池の端部の断面をX線CT装置で観察したX線CT画像が図10(A)であり、その模式図が図10(B)である。図10(A)では、曲げを1万回繰り返しても破壊している箇所は見当たらず、問題なく充電と放電が行えることを確認できている。なお、X線CT装置は、被写体に対してX線を曝射し、被写体を透過または被写体で散乱したX線をX線検出器で検出し、そのX線検出出力(X線のフォトン数)に基づいて被写体の断層像を撮像する装置である。X線CT装置は非破壊で二次電池の断面を観察できる。
図10(A)において、外装フィルム11、正極集電体12、負極集電体14は金属材料から構成され、X線を透過しないため、二次電池の断層像において明確な画像を得ることができる。また、セパレータや正極活物質層や負極活物質層はX線を通過するため、図10(A)において確認することが困難である。
また、リチウムイオン二次電池を曲げたことによってフィルムの表面の凹凸が変化し、十分に応力が緩和されていることもX線CT装置での観察で確認できている。応力によって生じるひずみを緩和する構造とすることで、リチウムイオン二次電池を曲げたり変形させたりするときに(外装体などが)破損することなく、長期信頼性を確保することができる。
(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1乃至3のいずれか一を用いて得られるリチウムイオン二次電池を組み込んだ電子機器の一例を示す。
実施の形態1乃至3のいずれか一を用いて得られる二次電池は、外装体として薄く柔軟性を有するフィルムを有しているため、曲面を有する支持構造体であっても、支持構造体の曲面に追随して変形させて貼り付けることができる。
次いで、二次電池上に貼り付ける表示モジュールを用意する。表示モジュールとは少なくともFPCまで取り付けられた表示パネルのことを指している。図11(A)に電子機器の断面模式図を示す。図11(A)に示す電子機器は、表示部102とFPCと駆動回路を有し、さらに二次電池103から給電するためのコンバータを設けることが好ましい。支持構造体101の形状は、帯状の構造物を湾曲させた腕輪型とする。また、支持構造体101は少なくとも一部が柔軟性を有しており、矢印105の方向に動かすことによって手首にはめ込むことができる。
表示モジュールは、表示部102が可撓性を有し、柔軟性を有するフィルム上に表示素子を有する。可撓性を有し、柔軟性を有するフィルムとしては有機材料を含むプラスチックフィルムや無機材料を含む無機フィルムを用いる。無機フィルムとしては、可撓性を有する程度の厚さ、具体的には、20μm以上200μm以下、好ましくは25μm以上100μm以下のガラスを用いる。ガラスとしては、例えば、無アルカリガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス等を用いることができる。柔軟性を有するフィルムとしてガラスを用いると、水や酸素に対するバリア性を向上させることができるため、有機EL素子の寿命を長くすることができ、信頼性の高い発光パネルとすることができる。また、ガラス繊維に有機樹脂を含浸した基板や、無機フィラーを有機樹脂に混ぜて熱膨張係数を下げた基板を使用することもできる。このような材料を用いた基板は、重量が軽いため、該基板を用いた発光パネルも軽量にすることができる。また、二次電池103と表示部102が一部重なる位置に配置することが好ましく、一部または全部が重なる位置に配置することで、二次電池103から表示部までの電力経路を短縮、即ち配線距離を短縮し、消費電力を低減する。
柔軟性を有するフィルム上に表示素子を作製する方法としては、柔軟性を有するフィルム上に表示素子を直接作製する方法や、ガラス基板などの剛性を有する基板上に表示素子を含む層を形成した後、基板をエッチングや研磨などにより除去した後、その表示素子を含む層と柔軟性を有するフィルムを接着する方法や、ガラス基板などの剛性を有する基板上に剥離層を設け、その上に表示素子を含む層を形成した後、剥離層を利用して剛性を有する基板と表示素子を含む層を分離し、その表示素子を含む層と柔軟性を有するフィルムを接着する方法などがある。剥離層としては、酸化タングステン膜などの金属酸化膜やポリイミド膜などの有機樹脂膜や、アモルファスシリコン膜を用いることができる。ポリイミド膜などの有機樹脂膜や、アモルファスシリコン膜を剥離層として用いる場合、レーザー光を照射してアブレーションを生じさせて剥離を行う。
また、図11(B)は、表示部に映像を表示できる電子機器を撮影した写真図である。図11(B)に示す電子機器は、腕(前腕など)に装着した時に軽く、外観もデザイン性に優れており、アクセサリー(装身具)しての利用もできる。
また、図12(A)は電子機器の側面からの写真図であり、図12(B)は二次電池が見える側から撮影した写真図である。図12(B)に示すように、電子機器は、支持構造体101を、透光性を有するプラスチック基板で形成したため、電子機器の背面側から二次電池103が視認でき、エンボス加工されたフィルム表面を観察できる。
図12(A)に示す電子機器は、支持構造体101、二次電池103、制御基板107、カバー104を有する。制御基板107は、配線基板であり、半導体素子や抵抗や容量などを搭載する絶縁基板であり、酸化アルミニウムや、酸化珪素や、酸化カルシウムなどのセラミック粉末を、有機ポリマー材料で結合したものである。具体的には、支持構造体101に二次電池103を有し、二次電池103上に制御基板107を有し、制御基板107上にカバー104を有している。また、電子機器はワイヤレス充電のためのアンテナ(図示せず。)を有し、Qi規格によるワイヤレス充電を行うことができる。
また、支持構造体101は可撓性を有している。よって、支持構造体101は、容易に湾曲させることができる。なお、支持構造体101としてプラスチック以外の材料を用いることもできる。
制御基板107は、曲げるためのスリットを有し、Bluetooth(登録商標。IEEE802.15.1に同じ。)規格の通信装置、マイコン、記憶装置、FPGA、DAコンバータ、充電制御IC、レベルシフタなどを設けた構成を有する。また、制御基板107は、入出力コネクタを介して表示部を有する表示モジュールと接続する。
また、表示部にタッチパネルを搭載し、そのタッチパネルで電子機器への情報入力や操作などが可能となるようにしてもよい。表示部の構成として第1のフィルムに発光素子を形成し、第2のフィルムにタッチセンサを形成し、封止板として第2のフィルムを用い、第1のフィルムと第2のフィルムを貼り合わせ、第1のフィルムと第2のフィルムの間に発光素子及びタッチセンサが配置される構成としてもよい。また、表示部とは別にタッチパネルを設ける場合には、曲げることのできるフィルムにタッチセンサを形成したタッチパネルとする。また、タッチパネルと表示部の間に樹脂層などのバッファ層を設けてもよい。タッチパネルへの傷を防止するためにタッチパネル表面に保護フィルムや樹脂層などの保護層を設けてもよい。
また、電子機器を使用者の腕に装着した時の写真を図17(A)に示す。表示部はアクティブマトリクス型表示装置であり、酸化物半導体層を用いたトランジスタを用い、該トランジスタと電気的に接続する有機EL素子を有している。図17(A)に示すように電子機器は外観もデザイン性に優れており、アクセサリー(装身具)しての利用もできる。また、電子機器の裏面から撮影した写真を図17(B)に示す。また、図17(C)は両手で電子機器を変形させて撮影した写真である。
図18は、電子機器を側面から見たときの構造模式図である。従って、図12(A)に示した写真の拡大模式図と対応している。
図18に示す電子機器は、支持構造体101、二次電池103、制御基板107、表示部102、保護部材813、カバー812を有する。具体的には、支持構造体101に二次電池103を有し、二次電池103上に制御基板107を有し、制御基板107上に支持構造体101よりも厚さが3分の1程度薄い保護部材813を有し、保護部材813上に表示部102、およびカバー812を有している。また、電子機器はワイヤレス充電のためのアンテナ815を有し、Qi規格によるワイヤレス充電を行うことができる。また、電子機器は表示に用いるデータを外部の機器と無線通信するための通信装置817を有している。
実施の形態1を用いて得られる二次電池103は、外装体が薄く柔軟性を有するフィルムであり、フィルムはエンボス加工される。二次電池は、曲面を有する支持構造体101に載せ(曲面を有する支持構造体101に接着材などで貼り付けてもよい)、支持構造体101の曲率半径の大きい領域の曲面部分に追随して変形させることができる。
また、支持構造体101は可撓性を有している。よって、支持構造体101は、容易に湾曲させることができる。なお、支持構造体101としてプラスチック以外の材料を用いることもできる。支持構造体101の形状は、帯状の構造物を湾曲させた腕輪型とする。支持構造体101の形状は、曲率半径が一定である断面形状であってもよいが、腕に装着するため、断面において曲率半径が異なる湾曲を有する支持構造体とすることが好ましく、図18に示すように支持構造体の断面形状において曲率半径が大きい領域、即ち表示部と重なる領域を挟むように曲率半径の小さい領域が2箇所あり、前腕の断面形状(楕円形)に沿った形状とする。また、支持構造体101は少なくとも一部が柔軟性を有しており、支持構造体101を変形させながら手首にはめ込むことができる。変形させる場合には、支持構造体101と、表示部102との位置ずれ、或いは支持構造体101と保護部材813との位置ずれが生じる場合がある。変形させる場合、位置ずれが生じても表示部102と支持構造体101が互いに固定されておらず、保護部材813は、制御基板107と表示部102とが接触しないように空間を維持しており、制御基板107と保護部材813の間に設けられたバッファ層として空気緩衝層を有しているともいえる。また、防水及び防塵のため、電子機器の側面から水が入らないように支持構造体と接するシール材を設けることが好ましい。このシール材は、変形させる場合にも防水及び防塵を維持することが好ましいため、フレキシブルな材料(弾性を有する樹脂、例えば、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエンを主成分とする樹脂など)とすることが好ましい。
保護部材813は外部からの予期せぬ衝撃から電子機器の内部の構造物、特に制御基板107を保護する。保護部材813には、FPC819を通過させる開口を有している。また、保護部材813は表示部が薄いため、表示面の曲率を保つための表示部の支持体としても機能する。保護部材813は、電子機器の一部として変形するため、支持構造体101と同様の材料を用いることができる。但し、保護部材813の材料に、支持構造体101とは異なる材料を用いてもよい。
カバー812は、一方の面に接着剤が塗布された遮光性を有するフィルムで、電子機器の一部を包み、各構造物を一体とする機能を有し、表示部102と重なる開口を有する。カバー812は遮光性を有するため内部構造を隠すことができ、電子機器のデザイン性を向上することができる。ただし、電子機器は、外部から内部構造を視認できることを意図したデザインとすることも可能であり、そのデザインを採用する場合、カバー812は遮光性を有していなくてもよい。また、保護部材813が遮光性を有する場合にも、カバー812は遮光性を有していなくてもよい。
制御基板107は、曲げるためのスリットを有し、Bluetooth(登録商標)規格の通信装置817、マイコン、記憶装置、FPGA、DAコンバータ、充電制御IC、レベルシフタなどを設けた構成を有する。図18に示すように制御基板107のスリットとスリットの間の平坦な面にIC820a、820b、820c(マイコン、記憶装置、FPGA、DAコンバータ、充電制御IC、レベルシフタなど)などを実装している。また、制御基板107は、入出力コネクタ814を介して表示部102を有する表示モジュールと接続する。また、制御基板107は、配線818を介してアンテナ815と接続されており、リード電極803及び接続部810を介して二次電池103と接続されている。電源制御回路816が二次電池103の充放電を制御する。
表示モジュールは少なくともFPC819まで取り付けられた表示パネルのことを指している。図18に示す電子機器は、表示部102とFPC819と駆動回路を有し、さらに二次電池103から給電するためのコンバータを有する。
二次電池103と表示部が一部重なる位置に配置することが好ましく、一部または全部が重なる位置に配置することで、二次電池103から表示部102までの電力経路を短縮、即ち配線距離を短縮し、消費電力を低減する。また、保護部材813とカバー812の間に表示モジュールを設けることにより、しわや捩れ等の予期せぬ変形から表示モジュールを保護することができ、電子機器の製品としての寿命を向上させることができる。
また、他の電子機器の例を図13に示す。
フレキシブルな形状を備える蓄電装置を適用した電子機器として、例えば、ヘッドマウントディスプレイやゴーグル型ディスプレイのような頭部装着型表示装置、腕装着型表示装置、据え置き型表示装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、デスクトップ型やノート型等のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、玩具、マイクロフォン等の音声入力機器、電気シェーバ、電動歯ブラシ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、加湿器や除湿器やエアコンディショナ等の空気調和設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、懐中電灯、電動工具、煙感知器、ガス警報装置や防犯警報装置等の警報装置、産業用ロボット、補聴器、心臓ペースメーカ、X線撮影装置、放射線測定器、電気マッサージ器や透析装置等の健康機器や医療機器、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、照明装置、ヘッドホン、ステレオ、リモートコントローラ、置き時計や壁掛け時計等の時計、コードレス電話子機、トランシーバ、歩数計、電卓、デジタルオーディオプレーヤ等の携帯型又は据置型の音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
また、フレキシブルな形状を備える蓄電装置を、家屋やビルの内壁または外壁や、自動車の内装または外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。
図13(A)は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機7400は、筐体7401に組み込まれた表示部7402の他、操作ボタン7403、外部接続ポート7404、スピーカ7405、マイク7406などを備えている。なお、携帯電話機7400は、蓄電装置7407を有している。
図13(B)は、携帯電話機7400を湾曲させた状態を示している。携帯電話機7400を外部の力により変形させて全体を湾曲させると、その内部に設けられている蓄電装置7407も湾曲される。また、その時、曲げられた蓄電装置7407の状態を図13(C)に示す。蓄電装置7407はラミネート構造の蓄電池(積層構造電池、フィルム外装電池とも呼ばれる)である。蓄電装置7407は曲げられた状態で固定されている。なお、蓄電装置7407は集電体7409と電気的に接続されたリード電極7408を有している。例えば、蓄電装置7407の外装体のフィルムにエンボス加工を行っており、蓄電装置7407が曲げられた状態での信頼性が高い構成となっている。さらに、携帯電話機7400は、SIMカードを挿入するためのスロットや、USBメモリなどUSBデバイスを接続するコネクタ部などを設けてもよい。
図13(D)は、曲げることのできる携帯電話の一例を示している。前腕に巻くような形状に曲げれば、図13(E)に示すバングル型の携帯電話にすることができる。図13(E)に示すバングル型の携帯電話は、腕装着型表示装置とも言える。携帯電話7100は、筐体7101、表示部7102、操作ボタン7103、及び蓄電装置7104を備える。また、図13(F)に曲げることのできる蓄電装置7104の状態を示す。蓄電装置7104は曲げられた状態で使用者の腕への装着時に、筐体が変形して蓄電装置7104の一部または全部の曲率が変化する。具体的には、曲率半径が10mm以上150mm以下の範囲内で筐体または蓄電装置7104の主表面の一部または全部が変化する。なお、蓄電装置7104は集電体7106と電気的に接続されたリード電極7105を有している。例えば、蓄電装置7104の外装体のフィルムの表面に複数の凹凸を形成するプレス加工を行っており、蓄電装置7104が曲率を変化させて曲げられる回数が多くとも高い信頼性を維持できる構成となっている。さらに、携帯電話7100は、SIMカードを挿入するためのスロットや、USBメモリなどUSBデバイスを接続するコネクタ部などを設けてもよい。また、図13(D)に示す携帯電話の中央部分を折り曲げると、図13(G)に示すような形状にすることもできる。また、携帯電話の中央部分をさらに折り曲げて図13(H)に示すように携帯電話の端部が重なるようにして小型化させ、使用者のポケットなどに入れるサイズにできる。このように、図13(D)に示す携帯電話は、複数の形状に変化することのできるデバイスであり、それを実現するためには少なくとも筐体7101、表示部7102、及び蓄電装置7104が可撓性を有することが望ましい。
また、図16(A)は、掃除機の一例を示している。掃除機に二次電池を備えることでコードレスとすることができ、掃除機内部はゴミを吸い取り収納する集塵スペースを確保するため、蓄電装置7604の占める空間は小さければ小さいほど好ましい。従って、薄型であり、外側表面と集塵スペースとの間に曲げることのできる蓄電装置7604を配置することは有用である。
掃除機7600は、操作ボタン7603、及び蓄電装置7604を備える。また、図16(B)に曲げることのできる蓄電装置7604の状態を示す。蓄電装置7604は、外装体のフィルムにエンボス加工を行っており、蓄電装置7604が曲げられた状態での信頼性が高い構成となっている。蓄電装置7604は負極と電気的に接続されたリード電極7601と、正極と電気的に接続されたリード電極7602を有する。
また、外装体の一つの短辺に2つのリード電極を露出させている蓄電装置7604の他の例として、図16(C)に曲げることのできる蓄電装置7605の状態を示す。蓄電装置7605は、外装体の2つの短辺にそれぞれ集電体またはリード電極を露出される構成である。蓄電装置7605の外装体のフィルムにもエンボス加工を行えば、曲げることができ、信頼性が高い。
また、蓄電装置7605の内部構成の一例を図16(D)に示す。図16(D)に示すように、正極集電体12、セパレータ13、2つの負極集電体14で構成されている。2つの負極集電体14は切れ目を有しており、その切れ目は、蓄電装置7605の曲げる方向に垂直な方向に伸びている。また、セパレータ13は折り曲げており、その間に正極集電体12を有している。また、正極集電体12の両面には正極活物質層を有している。
薄型の蓄電装置7604は実施の形態1及び実施の形態2に示したラミネート構造の二次電池の作製方法を用いて作製することができる。
薄型の蓄電装置7604はラミネート構造であり、曲げられて固定されている。また、掃除機7600は、薄型の蓄電装置7604の電力残量などを表示する表示部7606を有しており、掃除機の外表面の形状に合わせて表示面も湾曲されている表示部7606である。また、掃除機はコンセントに接続するための接続コードを有し、薄型の蓄電装置7604に十分な電力が充電されれば、接続コードを外して掃除機を使用することもできる。また、薄型の蓄電装置7604の充電は接続コードを用いず、ワイヤレスで無線充電を行ってもよい。
また、曲げることのできる蓄電装置を車両に搭載すると、ハイブリッド車(HEV)、電気自動車(EV)、又はプラグインハイブリッド車(PHEV)等の次世代クリーンエネルギー自動車を実現できる。また、農業機械、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、電動カート、小型又は大型船舶、潜水艦、固定翼機や回転翼機等の航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などの移動体に曲げることのできる蓄電装置を搭載することもできる。
図14において、本発明の一態様を用いた車両を例示する。図14(A)に示す自動車8100は、走行のための動力源として電気モーターを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーターとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。ラミネート構造の二次電池を車両に搭載する場合、複数のラミネート構造の二次電池を集積させたバッテリーモジュールを一箇所または複数個所に設置する。本発明の一態様を用いることで、蓄電装置自体を小型軽量化することができ、例えば、タイヤの内側に曲面を有する蓄電装置を設け、航続距離の長い車両を実現することができる。また、様々な形状とした蓄電装置を車両の隙間に配置することができ、トランクのスペースや車内の乗車スペースを確保できる。また、自動車8100は蓄電装置を有する。蓄電装置は電気モーター8106を駆動するだけでなく、ヘッドライト8101やルームライト(図示せず)などの発光装置に電力を供給することができる。
また、蓄電装置は、自動車8100が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、蓄電装置は、自動車8100が有するナビゲーションゲーションシステムなどの半導体装置に電力を供給することができる。
図14(B)に示す自動車8200は、自動車8200が有する蓄電装置にプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図14(B)に、地上設置型の充電装置8021から自動車8200に搭載された蓄電装置に、ケーブル8022を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法やコネクタの規格等はCHAdeMO(登録商標)やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置8021は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車8200に搭載された蓄電装置8024を充電することができる。充電は、ACDCコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。
また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、2台の車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に蓄電装置の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
本発明の一態様によれば、蓄電装置の設置場所の自由度が上がり、車の車両設計を効率よく行うことができる。また、本発明の一態様によれば、蓄電装置の特性を向上することができ、よって、蓄電装置自体を小型軽量化することができる。蓄電装置自体を小型軽量化できれば、車両の軽量化に寄与するため、航続距離を向上させることができる。また、車両に搭載した蓄電装置を車両以外の電力供給源として用いることもできる。この場合、電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。
本実施の形態は実施の形態1乃至3のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
(実施の形態5)
蓄電装置を適用した電子機器の他の例として、生体情報を採取できる医療用の電子機器の例を示す。図15の電子機器60には、筐体61にセンサを1つまたは複数有しており、力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むものを用いることができる。センサ63a、63bを設けることにより、例えば、蓄電装置が置かれている環境を示すデータ(温度など)を検出し、記憶回路64に記憶しておくこともできる。また、筐体61に表示部62を有し、表示部62はタッチ入力センサを有する。
例えば、LEDなどの光源を電子機器60に設け、その光源から光を電子機器60と重なっている皮膚に照射し、皮膚内部の反射光から血流量の変化を測定し、演算処理を行って脈拍データとして検出することができる。また、測定箇所は、一箇所ではなく、複数個所の測定を行い、その平均を用いて正確な生体情報データを取得する。また、電子機器60に信号処理演算のできるCPUなどの回路65を設ける。
また、脈拍データに限らず、その他の生体情報を取得できるセンサを電子機器60に搭載してもよい。例えば、他の生体情報としては、体温、血圧、活動量、歩数、皮下脂肪率などが挙げられる。
また、図15では、表示部62を有する電子機器を示したが特に限定されず、表示部62がなくとも生体情報データを送受信できる回路66(アンテナなどを含む)を搭載していれば、他の電子機器、例えば携帯電話やスマートフォンで表示させて採取した生体情報データが確認できる。また、電子機器60を腕に装着した使用者が要介護者である場合、遠隔地の病院などの医療施設にも送信可能であれば、リアルタイムで病院に情報を提供でき、遠隔地の病院にいる医師などから的確な処置に関する指示などを携帯電話やスマートフォンによって得ることができる。
また、電子機器60を腕に装着した使用者が身体に異常をきたし、路上に倒れた場合、電子機器60が搭載しているGPSによって得られる位置情報とともに現状の生体情報を採取して、自動で医療施設に緊急連絡できる機能を持たせることもできる。また、回路64に臓器提供意思表示カードと同等のデータや、氏名、年齢、血液型などのデータを記憶させておけば、使用者が意識不明であっても救助者が電子機器60を利用して使用者についてほしい情報を得ることもできる。
本実施の形態は実施の形態1乃至4のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)、及び/又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。
なお、明細書の中の図面や文章において規定されていない内容について、その内容を除くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内に入らないことを規定することができる。
具体例としては、ある回路において、第1乃至第5のトランジスタを用いている回路図が記載されているとする。その場合、その回路が、第6のトランジスタを有していないことを発明として規定することが可能である。または、その回路が、容量素子を有していないことを規定することが可能である。さらに、その回路が、ある特定の接続構造をとっているような第6のトランジスタを有していない、と規定して発明を構成することができる。または、その回路が、ある特定の接続構造をとっている容量素子を有していない、と規定して発明を構成することができる。例えば、ゲートが第3のトランジスタのゲートと接続されている第6のトランジスタを有していない、と発明を規定することが可能である。または、例えば、第1の電極が第3のトランジスタのゲートと接続されている容量素子を有していない、と発明を規定することが可能である。
別の具体例としては、ある値について、例えば、「ある電圧が、3V以上10V以下であることが好適である」と記載されているとする。その場合、例えば、ある電圧が、−2V以上1V以下である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、ある電圧が、13V以上である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。なお、例えば、その電圧が、5V以上8V以下であると発明を規定することも可能である。なお、例えば、その電圧が、概略9Vであると発明を規定することも可能である。なお、例えば、その電圧が、3V以上10V以下であるが、9Vである場合を除くと発明を規定することも可能である。なお、ある値について、「このような範囲であることが好ましい」、「これらを満たすことが好適である」となどと記載されていたとしても、ある値は、それらの記載に限定されない。つまり、「好ましい」、「好適である」などと記載されていたとしても、必ずしも、それらの記載には、限定されない。
別の具体例としては、ある値について、例えば、「ある電圧が、10Vであることが好適である」と記載されているとする。その場合、例えば、ある電圧が、−2V以上1V以下である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、ある電圧が、13V以上である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。
別の具体例としては、ある物質の性質について、例えば、「ある膜は、絶縁膜である」と記載されているとする。その場合、例えば、その絶縁膜が、有機絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その絶縁膜が、無機絶縁膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その膜が、導電膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。または、例えば、その膜が、半導体膜である場合を除く、と発明の一態様を規定することが可能である。
別の具体例としては、ある積層構造について、例えば、「A膜とB膜との間に、ある膜が設けられている」と記載されているとする。その場合、例えば、その膜が、4層以上の積層膜である場合を除く、と発明を規定することが可能である。または、例えば、A膜とその膜との間に、導電膜が設けられている場合を除く、と発明を規定することが可能である。
なお、本明細書等において記載されている発明の一態様は、さまざまな人が実施することが出来る。しかしながら、その実施は、複数の人にまたがって実施される場合がある。例えば、送受信システムの場合において、A社が送信機を製造および販売し、B社が受信機を製造および販売する場合がある。別の例としては、トランジスタおよび発光素子を有する発光装置の場合において、トランジスタが形成された半導体装置は、A社が製造および販売する。そして、B社がその半導体装置を購入して、その半導体装置に発光素子を成膜して、発光装置として完成させる、という場合がある。
このような場合、A社またはB社のいずれに対しても、特許侵害を主張できるような発明の一態様を、構成することが出来る。つまり、A社のみが実施するような発明の一態様を構成することが可能であり、別の発明の一態様として、B社のみが実施するような発明の一態様を構成することが可能である。また、A社またはB社に対して、特許侵害を主張できるような発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断する事が出来る。例えば、送受信システムの場合において、送信機のみの場合の記載や、受信機のみの場合の記載が本明細書等になかったとしても、送信機のみで発明の一態様を構成することができ、受信機のみで別の発明の一態様を構成することができ、それらの発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが出来る。別の例としては、トランジスタおよび発光素子を有する発光装置の場合において、トランジスタが形成された半導体装置のみの場合の記載や、発光素子を有する発光装置のみの場合の記載が本明細書等になかったとしても、トランジスタが形成された半導体装置のみで発明の一態様を構成することができ、発光素子を有する発光装置のみで発明の一態様を構成することができ、それらの発明の一態様は、明確であり、本明細書等に記載されていると判断することが出来る。
なお、本明細書等においては、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であると言える。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数のケース考えられる場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、受動素子(容量素子、抵抗素子など)などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であると言える。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することは可能である。したがって、ある部分を述べる図または文章が記載されている場合、その一部分の図または文章を取り出した内容も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。そして、その発明の一態様は明確であると言える。そのため、例えば、能動素子(トランジスタ、ダイオードなど)、配線、受動素子(容量素子、抵抗素子など)、導電層、絶縁層、半導体層、有機材料、無機材料、部品、装置、動作方法、製造方法などが単数もしくは複数記載された図面または文章において、その一部分を取り出して、発明の一態様を構成することが可能であるものとする。例えば、N個(Nは整数)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を有して構成される回路図から、M個(Mは整数で、M<N)の回路素子(トランジスタ、容量素子等)を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。別の例としては、N個(Nは整数)の層を有して構成される断面図から、M個(Mは整数で、M<N)の層を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、N個(Nは整数)の要素を有して構成されるフローチャートから、M個(Mは整数で、M<N)の要素を抜き出して、発明の一態様を構成することは可能である。さらに別の例としては、「Aは、B、C、D、E、または、Fを有する」と記載されている文章から、一部の要素を任意に抜き出して、「Aは、BとEとを有する」、「Aは、EとFとを有する」、「Aは、CとEとFとを有する」、または、「Aは、BとCとDとEとを有する」などの発明の一態様を構成することは可能である。
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。
なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容(図の中の一部でもよい)は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていなくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は明確であると言える。
本実施例では、本発明の一態様を用いた蓄電装置として、実施の形態1で示した薄型の蓄電池(リチウムイオン二次電池)を作製し、曲げ試験装置を用いて、初期および曲げ試験後の充放電特性について評価を行った。
リチウムイオン二次電池は、正極活物質としてLiCoOを用い、負極活物質として黒鉛を用い、エンボス加工を行ったアルミニウムラミネートフィルムを用い、実施の形態1に従ってリチウムイオン二次電池を作製した。片面に正極活物質層を用いた集電体を6枚と、片面に負極活物質層を用いた集電体を6枚とを用い、実施の形態1に従って得られたリチウムイオン二次電池の厚さは、約2.1mmとなる。この電池の寸法などを表1に示す。
図21(A)に曲げ試験装置の外観写真を示す。試験装置の上部に、作製したリチウムイオン二次電池を配置した図が図21(B)である。また、試験装置は中央部のリチウムイオン二次電池の直下に、奥行き方向に伸びた曲率半径40mmの円柱状の支持体を有する。また、試験装置は左右方向に伸びたアームを有する。アームの先端部分は保持板と機械的に接続されている。アームの先端部分を上下に動かすことにより、支持体に沿って保持板の曲げを行うことができる。リチウムイオン二次電池の曲げ試験は、リチウムイオン二次電池を2枚の保持板で挟んだ状態で行う。よって、アームの先端部分を上下に動かすことにより、円柱状の支持体に沿って、リチウムイオン二次電池の曲げを行うことができる。具体的には、アームの先端部分を下げることにより、リチウムイオン二次電池を、曲率半径40mmで曲げることができる。リチウムイオン二次電池の曲げを、リチウムイオン二次電池を2枚の保持板で挟んだ状態で行うことにより、曲げ以外の不要な力がリチウムイオン二次電池に加わることを防ぐことができる。また、リチウムイオン二次電池全体に、曲げた時の力を均一に加えることができる。
曲げ試験の条件は、40mm以上150mm以下の曲率半径で曲げ、1回の曲げは10秒間隔で行った。また、充放電特性は、二次電池を曲げ試験装置から外して25℃にて測定した。充電条件は0.2C(69mA)で4.1Vを上限として定電流充電を行った後、満充電まで3mA(0.01C)で充電を行う。また、放電条件は0.2C(69mA)で2.5Vを下限として放電を行う。
ここで、充電レートおよび放電レートについて説明する。例えば、容量X[Ah]の二次電池を定電流充電する際に、充電レート1Cとは、ちょうど1時間で充電終了となる電流値I[A]のことであり、充電レート0.2Cとは、I/5[A](すなわち、ちょうど5時間で充電終了となる電流値)のことである。同様に、放電レート1Cとは、ちょうど1時間で放電終了となる電流値I[A]のことであり、放電レート0.2Cとは、I/5[A](すなわち、ちょうど5時間で放電終了となる電流値)のことである。
また、表2に曲げ試験の結果を示す。なお、表2に示した放電容量(mAh/g)は、正極活物質重量あたりの値とする。
また、0回、1000回、3000回、6000回、10000回でそれぞれX線CT写真を撮影し、内部にダメージがあるかどうかを確認した。それぞれ、図22(A)〜図22(E)に示す。
なお、10000回の曲げ試験を終えた後の外観写真を図22(F)に示す。また、充放電特性を図22(G)に示す。
エンボス加工が行われたフィルムを外装に用いたリチウムイオン二次電池は、10000回の曲げ試験を終えても外観、内部の構造に損傷が見られず、充放電曲線にも異常が見られないことを確認できた。
本実施例では、実施例1と正極活物質が異なる薄型の蓄電池(リチウムイオン二次電池)を作製し、曲げ試験装置を用いて、初期および曲げ試験後の充放電特性について評価を行った。
リチウムイオン二次電池は、正極活物質としてLiFePOを用い、負極活物質として黒鉛を用い、エンボス加工を行ったアルミニウムラミネートフィルムを用い、実施の形態1に従ってリチウムイオン二次電池を作製した。片面に正極活物質層を用いた集電体を10枚と、片面に負極活物質層を用いた集電体を10枚とを用い、実施の形態1に従って得られたリチウムイオン二次電池の厚さは、約3mmとなる。この電池の寸法などを表3に示す。
充放電特性は、二次電池を曲げ試験装置から外して25℃にて測定した。充電条件は0.2C(78mA)で4.0Vを上限として定電流充電を行った。また、放電条件は0.2C(78mA)で2.0Vを下限として放電を行う。
また、表4に曲げ試験の結果を示す。なお、表4に示した放電容量(mAh/g)は、正極活物質重量あたりの値とする。
また、0回、1000回、3000回、6000回、10000回でそれぞれX線CT写真を撮影し、内部にダメージがあるかどうかを確認した。それぞれ、図23(A)〜図23(E)に示す。
なお、10000回の曲げ試験を終えた後の外観写真を図23(F)に示す。また、充放電特性を図23(G)に示す。
実施例1と同様に、エンボス加工が行われたフィルムを外装に用いたリチウムイオン二次電池は、10000回の曲げ試験を終えても外観、内部の構造に損傷が見られず、充放電曲線にも異常が見られないことを確認できた。
また、正極活物質がLiCoOであり、実施例1と同じ構成のリチウムイオン二次電池を用い、充電開始から満充電までの間の充電(0.2C)中に曲げ試験を1000回行い、リチウムイオン二次電池の充電特性を図24(A)に示す。
また、放電開始から放電終了(約2.5V)までの間の放電(0.2C)中に曲げ試験を1000回行い、リチウムイオン二次電池の放電特性を図24(B)に示す。
図24(A)及び図24(B)の結果から、充放電中に曲げ試験を実施した場合でも電圧変動などの悪影響は観察されなかった。
10:フィルム
11:フィルム
12 正極集電体
12a 正極集電体
12b 正極集電体
13 セパレータ
14 負極集電体
15 封止層
16 リード電極
17 熱圧着領域
18 正極活物質層
19 負極活物質層
20 電解液
21 領域
22 ボンディングダイ
23 ボンディングダイ
24 突起
25 湾曲部
26 溶接領域
27 スリット
28 領域
30 接着層
40 二次電池
50 フィルム
51 フィルム
52 フィルム
53 エンボスロール
54 ロール
55 エンボスロール
56 エンボスロール
57 エンボスロール
58 進行方向
60 電子機器
61 筐体
62 表示部
63a センサ
63b センサ
64 回路
65 回路
66 送受信できる回路
101 支持構造体
102 表示部
103 二次電池
104 カバー
105 矢印
107 制御基板
803 リード電極
810 接続部
812 カバー
813 保護部材
814 入出力コネクタ
815 アンテナ
816 電源制御回路
817 通信装置
818 配線
819 FPC
820 IC
1700 曲面
1701 平面
1702 曲線
1703 曲率半径
1704 曲率中心
1800 曲率中心
1801 フィルム
1802 曲率半径
1803 フィルム
1805 内容物
1804 曲率半径
7100 携帯電話
7101 筐体
7102 表示部
7103 操作ボタン
7104 蓄電装置
7105 リード電極
7106 集電体
7400 携帯電話機
7401 筐体
7402 表示部
7403 操作ボタン
7404 外部接続ポート
7405 スピーカ
7406 マイク
7407 蓄電装置
7408 リード電極
7409 集電体
7600 掃除機
7601 リード電極
7602 リード電極
7603 操作ボタン
7604 蓄電装置
7605 蓄電装置
7606 表示部
8021 充電装置
8022 ケーブル
8024 蓄電装置
8100 自動車
8101 ヘッドライト
8106 電気モーター
8200 自動車

Claims (4)

  1. 外装体を有し、
    繰り返し変形させることができる二次電池であって、
    前記外装体は、二つに折り曲げられたフィルムを有し、
    前記フィルムは、中央部と、接着層を介して前記フィルムが重なって圧着された端部と、を有し、
    前記端部は、前記フィルムの三辺に設けられており、
    前記フィルムは、複数の凹部または複数の凸部を有することにより、外力が加えられて発生する応力を緩和させることができる機能を有し、
    前記中央部における前記複数の凹部の深さまたは前記複数の凸部の高さは、前記端部における前記複数の凹部の深さまたは前記凸部の高さよりも大きく、
    前記複数の凹部または前記複数の凸部で形成される模様は、前記フィルムの一辺に対して斜めに延在する第1の線と、前記第1の線と交差する第2の線と、を有し、
    前記第2の線は、前記一辺に対して斜めに延在している二次電池。
  2. 外装体を有し、
    繰り返し変形させることができる二次電池であって、
    前記外装体は、二つに折り曲げられたフィルムを有し、
    前記フィルムは、中央部と、接着層を介して前記フィルムが重なって圧着された端部と、を有し、
    前記端部は、前記フィルムの三辺に設けられており、
    前記フィルムは、複数の凹部または複数の凸部を有し、
    前記中央部における前記複数の凹部の深さまたは前記複数の凸部の高さは、前記端部における前記複数の凹部の深さまたは前記凸部の高さよりも大きく、
    前記複数の凹部または前記複数の凸部で形成される模様は、前記フィルムの一辺に対して斜めに延在する第1の線と、前記第1の線と交差する第2の線と、を有し、
    前記第2の線は、前記一辺に対して斜めに延在している二次電池。
  3. 請求項1または2において、
    少なくとも前記フィルムで囲まれた領域に、正極集電体と、正極活物質層と、負極集電体と、負極活物質層と、電解液と、を有する二次電池。
  4. 請求項3において、
    前記正極集電体及び前記負極集電体の各々は、タブ部を有し、
    前記タブ部は、リード電極と接する領域を有し、
    前記領域は、複数の凹部を有し、
    前記タブ部は、湾曲部を有する二次電池。
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