JP6987813B2 - 可撓性を有する二次電池 - Google Patents
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- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/183—Sealing members
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/183—Sealing members
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/183—Sealing members
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- H01M50/198—Sealing members characterised by the material characterised by physical properties, e.g. adhesiveness or hardness
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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-
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Description
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明
の一態様は、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)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明
の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装
置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として
挙げることができる。
料電池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている(特許文献1乃至特許文献4)。
特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、携帯電話やスマートフ
ォン、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタル
カメラ等の電気機器、あるいは医療機器、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、
定置用蓄電装置など、半導体産業の発展および省エネルギー化の要求の高まりに伴い急速
にその用途が拡大し、現代社会に不可欠なものとなっている。さらに近年、フレキシブル
デバイス或いはウエアラブルデバイスに対する期待が高まっており、デバイスの変形に追
従して変形することができる可撓性を有するリチウムイオン二次電池、すなわち、フレキ
シブルリチウムイオン二次電池の開発が急務である。
、非水電解液と、これらを覆う外装体と、を有する。一般的に、リチウムイオン二次電池
では、アルミニウム等からなる正極集電体の両面にリチウムイオンを吸蔵・放出する正極
活物質を含む正極合剤を塗布した正極と、銅等からなる負極集電体の両面にリチウムイオ
ンを吸蔵放出する負極活物質を含む負極合剤を塗布した負極が用いられる。また、これら
正極と負極の間にセパレータが挟まれることで絶縁され、正極及び負極は、外装体に設け
られた正極端子及び負極端子と電気的に接続されている。外装体は、円筒形や角形等の一
定の形状を有する。
質、セパレータ、外装体等の構成物が可撓性を有し、外力に応じて変形することができる
機能を有することにより実現することができる。可撓性を有するリチウムイオン二次電池
に求められる性能としては、高容量、充放電の繰り返しによる劣化が少ない等の二次電池
に求められる一般的な性能に加え、繰り返しの変形にも耐えられる機械的強度が重要な性
能のひとつである。
回数が増すごとに、電池の各構成物や電解液を保持する外装体の外周の封止部近傍にダメ
ージが蓄積し、やがて封止構造または外装体が破壊され、二次電池内部に空気が入り込む
、という問題が確認された。
有する二次電池の外装体には、高分子フィルムとアルミニウムなどの金属シートをラミネ
ートして形成したシートを用いる。電極集電体、活物質、セパレータ等を該シートで挟み
込み、熱融着またはその他の方法により該シートの外周を封止して可撓性を有する二次電
池を作製する。なお、外装体の封止部の形状は、封止のコスト及び簡便性を考慮して直線
形とされている。ここで、外装体の封止部とは、熱融着またはその他の方法により2枚の
外装体若しくは1枚の外装体の2つの領域が密着している部分をいう。また、特に記載し
ない限り、本明細書における外装体の封止部の形状とは、二次電池の断面における外装体
の封止部の形状ではなく、シート状の外装体の有する平面の垂線方向から見た外装体の封
止部の形状である。
応力が集中している様子が確認される。例えば二次電池をある軸を曲率中心として折り曲
げる場合を考えると、二次電池の表裏2つの外装体のうち該軸に近い方の外装体は、曲率
半径が比較的小さく圧縮応力がかかり、該軸に遠い方の外装体は曲率半径が比較的大きく
引張応力がかかる。軸近傍における封止部は、圧縮応力のかかる外装体と引張応力のかか
る外装体とを接続している部分となる。
い。その結果、封止部や周辺の外装体に負担がかかり疲労が蓄積され、やがて破壊されて
電解液が漏れると同時に二次電池内に空気が侵入する。二次電池の内部に空気が入ると、
電池としての機能が失われるに留まらず、発熱や発火をも引き起こす恐れがあるため、安
全上の大きな問題となる。
個所は熱融着により2枚の外装体シートが接着されており、変形の自由度が比較的低いが
、その内側の外装体シートは固定されておらず変形の自由度が比較的高い。上述の境界付
近は変形の様子の異なる2つの領域の境界であり、さらに応力が集中しやすい個所である
。そのため、外装体は破壊されやすい。
する封止部の構造を提供することを課題の一つとする。また、可撓性を有する二次電池に
おいて、形状変化に耐え得る封止構造を提供することも課題の一つとする。または、可撓
性を有する二次電池における安全性の確保を実現することを課題の一つとする。
提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、新規の二次電池、または
、新規な蓄電装置などを提供することを課題の一つとする。
撓性を有する二次電池を提供することを課題の一つとする。
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。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。
なくとも一部と、負極の少なくとも一部と、電解液とを内包する外装体を有し、外装体は
曲線、波線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状の第1の領域と、第1の領域と同
形状の第2の領域とを有し、第1の領域と第2の領域とは接している二次電池である。
の少なくとも一部と、負極の少なくとも一部と、電解液とを内包する外装体を有し、外装
体は直線を有さない形状の第1の領域と、第1の領域と同形状の第2の領域とを有し、第
1の領域と第2の領域とは接している二次電池である。
の少なくとも一部と、負極の少なくとも一部と、電解液とを内包する外装体を有し、外装
体は曲線、波線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状の封止部を有する二次電池で
ある。
の少なくとも一部と、負極の少なくとも一部と、電解液とを内包する外装体を有し、外装
体は直線を有さない形状の封止部を有する二次電池である。
の少なくとも一部と、負極の少なくとも一部と、電解液とを内包する外装体を有し、外装
体は曲線、波線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状の第1の領域と、第1の領域
と同形状の第2の領域とを有し、第1の領域と第2の領域とは接している可撓性を有する
二次電池において、可撓性を有する二次電池の変形することができる機能を有する領域の
外装体は、第1の領域を含むことを特徴とする可撓性を有する二次電池である。
の少なくとも一部と、負極の少なくとも一部と、電解液とを内包する外装体を有し、外装
体は直線を有さない形状の第1の領域と、第1の領域と同形状の第2の領域とを有し、第
1の領域と第2の領域とは接している可撓性を有する二次電池において、可撓性を有する
二次電池の変形することができる機能を有する領域の外装体は、第1の領域を含むことを
特徴とする可撓性を有する二次電池である。
、波線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状(図1(A)、図1(B))にすると
、変形による応力が外装体103の封止部の一部101に印加される場合に、直線形状(
図1(C))よりも応力を受ける封止部を広くすることができる。外装体の封止部を直線
形状とした二次電池と波線形状とした二次電池とを比較した場合、二次電池を同様に変化
させて同様の応力を与えると、応力の係る部分の封止部の広さは波線形状の封止部の方が
広くなる。
あたりの力の強さを小さくすることができる。すると二次電池の変形に対する耐性が高ま
り、繰り返しの変形に耐え得る二次電池とすることができる。
部の面積が大きくなるため、封止の強度が強くなる。したがって、可撓性を有さない二次
電池に適用した場合にも、長期信頼性を確保することができる。
を組み合わせて用いることも可能であり、これらの形状と直線形状とを組み合わせて用い
ることもできる。部分的に可撓性を有する二次電池の、変形することができる機能を有す
る領域において、封止部の形状を曲線、波線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状
とし、その他の封止部の形状を直線形状としてもよい。部分的に直線形状を使用すること
により封止工程のコストや手間を小さく抑えつつ、本発明の一態様に係る効果を享受する
ことができる。
くは曲率半径30mm以上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枚で構成されており、積層構造の二次電池である場合、湾曲させた
電池の断面構造は、外装体であるフィルムの2つの曲線で挟まれた構造となる。
を切断した平面1701において、曲面1700に含まれる曲線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16(B)に曲面1700の上面図を示す。図16(C)に、平面1701で曲面1
700を切断した断面図を示す。曲面を平面で切断するとき、曲面に対する平面の角度や
切断する位置に応じて、断面に現れる曲線の曲率半径は異なるものとなるが、本明細書等
では、最も小さい曲率半径を面の曲率半径とする。
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
17(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17(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。
ることができ、例えば図17(C)に示す形状や、波状(図17(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
上となる範囲で二次電池が変形することができる。
構造を提供することができる。または、可撓性を有する二次電池における安全性の確保を
することができる。
提供することができる。また、可撓性を有する二次電池において、形状変化に耐え得る封
止構造を提供することができる。または、本発明の一態様は、新規の二次電池、または、
新規の蓄電装置などを提供することができる。
撓性を有する二次電池を提供することができる。
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。
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。
どの大きさや厚さ等の各構成要素の大きさは、個々に説明の明瞭化のために誇張されてい
る場合がある。よって、必ずしも各構成要素はその大きさに限定されず、また各構成要素
間での相対的な大きさに限定されない。
るものであって工程の順番や上下の位置関係などを示すものではない。そのため、例えば
、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられ
る序数詞は一致しない場合がある。
分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また
、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さ
ない場合がある。
指す。物体にかかる外力に応じて物体が変形することができる性質であり、弾性や変形前
の形状への復元性の有無を問題にはしない。可撓性を有する二次電池は、外力に応じて変
形することができる。可撓性を有する二次電池は、変形した状態で固定して使用すること
もでき、繰り返し変形させて使用してもよく、変形していない状態で使用することもでき
る。
きる。
本発明の一態様にかかるリチウムイオン二次電池の作製方法について図2を用い、以下に
説明する。まず、正極集電体201aと、正極活物質層201bと、セパレータ203と
、負極活物質層202bと、負極集電体202aとを積み重ねた状態の断面模式図を示す
。集電体および活物質層の詳細については後述する。なお、活物質層は集電体の両面に形
成することもでき、二次電池を積層構造とすることも可能である。
体202aとを少なくとも含む。本実施の形態では、負極活物質層202bに用いられる
材料として炭素系材料を用い負極を形成する工程を以下に説明する。なお、図3(A)に
おいて負極活物質は、粒状の活物質である。このため、図3(A)においては、負極活物
質を模式的に円形で示しているが、この形状に限られるものではない。また、負極活物質
を模式的に数種の大きさで均一に示しているが、大きさにばらつきを有していてもよい。
負極を形成する工程を以下に説明する。
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。また、黒
鉛の形状としては鱗片状のものや球状のものなどがある。
反応を行うことが可能な材料も用いることができる。例えば、Ga、Si、Al、Ge、
Sn、Pb、Sb、Bi、Ag、Zn、Cd、In等のうち少なくとも一つを含む材料を
用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論
容量が4200mAh/gと高く好ましい。このような元素を用いた合金系材料としては
、例えば、Mg2Si、Mg2Ge、SnO、SnO2、Mg2Sn、SnS2、V2S
n3、FeSn2、CoSn2、Ni3Sn2、Cu6Sn5、Ag3Sn、Ag3Sb
、Ni2MnSb、CeSb3、LaSn3、La3Co2Sn7、CoSb3、InS
b、SbSn等がある。
ムチタン酸化物(Li4Ti5O12)、リチウム−黒鉛層間化合物、(LixC6)、
五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO2)、酸化モリブデン(MoO2
)等の酸化物を用いることができる。
Li3−xMxN(MはCo、NiまたはCu)を用いることができる。例えば、Li2
.6Co0.4N3は大きな充放電容量(900mAh/g、1890mAh/cm3)
を示し好ましい。
正極活物質としてリチウムイオンを含まないV2O5、Cr3O8等の材料と組み合わせ
ることができる。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ることで、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。
、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、Fe2O3、CuO、Cu2O、RuO2、Cr2O
3等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn3N2、Cu3N、G
e3N4等の窒化物、NiP2、FeP2、CoP3等のリン化物、FeF3、BiF3
等のフッ化物でも起こる。
。
ボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどを用いることができる。
より、負極活物質どうしの電気伝導の経路を維持することができる。負極活物質層中に導
電助剤を添加することにより、高い電気伝導性を有する負極活物質層202bを実現する
ことができる。
、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリ
マー、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポ
リ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いる
ことができる。
下が好ましく、2wt%以上8wt%以下がより好ましく、3wt%以上5wt%以下が
さらに好ましい。また、負極活物質層202bの総量に対する導電助剤の含有量は、1w
t%以上10wt%以下が好ましく、1wt%以上5wt%以下がより好ましい。
活物質層202bを形成する場合は、負極活物質とバインダーと導電助剤と分散媒を混合
して電極ペースト(スラリー)を作製し、負極集電体202aに塗布し、溶媒を蒸発させ
る。また、その後に必要があればプレス処理を行ってもよい。
ーボンマイクロビーズとバインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを混合さ
せたものを用いる。
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。負極集電体202a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。負極集電体202aは、厚みが5μm以上30μm以下
のものを用いるとよい。また、電極集電体の表面の一部に、グラファイトなどを用いてア
ンダーコート層を設けてもよい。
体201aとを少なくとも含む。図3(B)においては、正極活物質を模式的に円形で示
しているが、この形状に限られるものではない。正極活物質を数種の均一な大きさで示し
ているが、正極活物質は大きさのばらつきを有していてもよい。
201bなどにより構成される。本実施の形態では、シート状(又は帯状)の正極集電体
201aの一方の面に正極活物質層201bを設けた例を示しているが、これに限られず
、正極活物質層201bを正極集電体201aの両面に設けてもよい。正極活物質層20
1bを正極集電体201aの両面に設けることで、二次電池の容量を大きくすることがで
きる。また、本実施の形態では、正極活物質層201bは、正極集電体201a上の全域
に設けているが、これに限られず、正極集電体201aの一部に設けても良い。例えば、
正極集電体201aの、正極リードと電気的に接する部分(以下、「正極タブ」ともいう
。)には、正極活物質層201bを設けない構成とするとよい。
用いることができ、例えば、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、又はスピネ
ル型の結晶構造を有するリチウム含有材料等が挙げられる。
II)、Co(II)またはNi(II)))の代表例としては、LiFePO4、Li
NiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFeaNibPO4、LiFeaC
obPO4、LiFeaMnbPO4、LiNiaCobPO4、LiNiaMnbPO
4(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFecNidCoePO4、Li
FecNidMnePO4、LiNicCodMnePO4(c+d+eは1以下、0<
c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFefNigCohMniPO4(f+g+h
+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等がある。
期酸化(充電)時に引き抜けるリチウムイオンの存在等、正極活物質に求められる事項を
バランスよく満たしているため、好ましい。
(LiCoO2)、LiNiO2、LiMnO2、Li2MnO3、LiNi0.8Co
0.2O2等のNiCo系(一般式は、LiNixCo1−xO2(0<x<1))、L
iNi0.5Mn0.5O2等のNiMn系(一般式は、LiNixMn1−xO2(0
<x<1))、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等のNiMnCo系(NMCと
もいう。一般式は、LiNixMnyCo1−x−yO2(x>0、y>0、x+y<1
))が挙げられる。さらに、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、Li2
MnO3−LiMO2(MはCo、NiまたはMn)等も挙げられる。
と、LiNiO2に比べて熱的に安定であること等の利点があるため、好ましい。
i1+xMn2−xO4、LiMnAl2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等が挙げ
られる。
少量のニッケル酸リチウム(LiNiO2やLiNi1−xMO2(M=Co、Al等)
)を混合すると、マンガンの溶出を抑制する、電解液の分解を抑制する等の利点があり好
ましい。
(II)、Co(II)、またはNi(II))(jは0以上2以下)で表される複合酸
化物を用いることができる。一般式Li(2−j)MSiO4の代表例としては、Li(
2−j)FeSiO4、Li(2−j)NiSiO4、Li(2−j)CoSiO4、L
i(2−j)MnSiO4、Li(2−j)FekNilSiO4、Li(2−j)Fe
kColSiO4、Li(2−j)FekMnlSiO4、Li(2−j)NikCol
SiO4、Li(2−j)NikMnlSiO4(k+lは1以下、0<k<1、0<l
<1)、Li(2−j)FemNinCoqSiO4、Li(2−j)FemNinMn
qSiO4、Li(2−j)NimConMnqSiO4(m+n+qは1以下、0<m
<1、0<n<1、0<q<1)、Li(2−j)FerNisCotMnuSiO4(
r+s+t+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等が挙げ
られる。
はFe、Mn、Ti、V、Nb、または、Al)(XはS、P、Mo、W、As、または
、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、Fe2(MnO4)3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3等が
挙げられる。また、正極活物質として、Li2MPO4F、Li2MP2O7、Li5M
O4(MはFeまたはMn)の一般式で表される化合物、NaF3、FeF3等のペロブ
スカイト型フッ化物、TiS2、MoS2等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物
、テルル化物)、LiMVO4等の逆スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有材料、
バナジウム酸化物系(V2O5、V6O13、LiV3O8等)、マンガン酸化物、有機
硫黄化合物等の材料を用いることができる。
イオンの場合、正極活物質として、上記化合物や酸化物において、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。例
えば、NaFeO2や、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2などのナトリウム含有
層状酸化物を正極活物質として用いることができる。
記材料を複数組み合わせた固溶体を正極活物質として用いることができる。例えば、Li
Co1/3Mn1/3Ni1/3O2とLi2MnO3の固溶体を正極活物質として用い
ることができる。
。
るいは、ナイロン(ポリアミド)、ビニロン(ポリビニルアルコール系繊維)、ポリエス
テル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンといった合成繊維等を用いればよい。た
だし、後述の電解液に溶解しない材料を選ぶ必要がある。
キシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン等の
ポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレー
ト、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビ
ニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリス
チレン、ポリイソプレン、ポリウレタン系高分子及びこれらの誘導体、セルロース、紙、
不織布、ガラス繊維から選ばれる一種を単独で、又は二種以上を組み合せて用いることが
できる。
ければならない。セパレータとしての機能を有する膜を製造する方法として、膜の延伸に
よる方法がある。例えば、溶融したポリマー材料を展開して放熱させ、得られた膜を膜と
平行の二軸方向に延伸して孔を形成する、延伸開孔法がある。
挟みこむ方法が可能である。また、正極又は負極の一方にセパレータを載置し、正極又は
負極のもう一方を併せる方法も可能である。正極、負極、及びセパレータを外装体に収納
し、電解液を含ませることにより、二次電池を形成することができる。
しくはエンベロープ状に形成し、セパレータに包まれた電極とすると、二次電池の製造上
、電極を機械的な損傷から保護することができ、電極の取り扱いが容易となる。セパレー
タに包まれた電極ともう一方の電極とを、併せて外装体に収納し、電解液を含ませること
により、二次電池を形成することができる。図2に、セパレータをエンベロープ状に形成
して作製した二次電池の断面構造を示す。図2は、正極と負極を1組用いて作製した二次
電池の断面構造を示しているが、正極と負極を複数組用いて積層型二次電池を作製するこ
ともできる。
構成材料と膜の機械的強度のために、膜の孔の大きさや膜の厚さの範囲には制限がある。
第1のセパレータ及び第2のセパレータをそれぞれ延伸法により作製して、これを併せて
二次電池に用いることができる。第1のセパレータ及び第2のセパレータを構成する材料
には、上記の材料または上記以外の材料から1種類以上を選択して用いることができ、膜
の形成の条件及び延伸の条件等により、膜中の孔の大きさ、孔の占める体積の割合(空隙
率ともいう)、膜の厚さ等の特性をそれぞれ決定することができる。特性の異なる第1の
セパレータ及び第2のセパレータを併せて用いることにより、一方の膜を単独で用いる場
合と比べ、二次電池のセパレータの性能を多彩に選択することができるようになる。
の界面において、両セパレータが摺動することにより応力を緩和することができるため、
2つのセパレータを用いた構造は、可撓性を有する二次電池のセパレータの構造としても
適している。
含む非水溶液(溶媒)とすることが好ましい。
ト(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、クロロエチレン
カーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメ
チルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネ
ート(EMC)、ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル、1,3−ジオキサン、1,4−
ジオキサン、ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、
メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、スルホラン
、スルトン等の1種、又はこれらのうちの2種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いる
ことができる。
全性が高まる。また、リチウムイオン二次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
。
)を一つまたは複数用いることで、リチウムイオン二次電池の内部短絡や、過充電等によ
って内部温度が上昇しても、リチウムイオン二次電池の破裂や発火などを防ぐことができ
る。これにより、リチウムイオン二次電池の安全性を高めることができる。
4、LiAsF6、LiBF4、LiAlCl4、LiSCN、LiBr、LiI、Li
2SO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12、LiCF3SO3、LiC4
F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiN(CF3
SO2)2、LiN(C4F9SO2)(CF3SO2)、LiN(C2F5SO2)2
等のリチウム塩を一種、又はこれらのうちの二種以上を任意の組み合わせ及び比率で用い
ることができる。
が、リチウムイオン以外のキャリアイオンも用いることができる。リチウムイオン以外の
キャリアイオンとしては、アルカリ金属イオン、または、アルカリ土類金属イオンの場合
、電解質として、上記リチウム塩において、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、または、マグネシウム等)、を用いてもよい。
に「不純物」ともいう。)の含有量が少ない高純度化された電解液を用いることが好まし
い。具体的には、電解液に対する不純物の重量比を1%以下、好ましくは0.1%以下、
より好ましくは0.01%以下とすることが好ましい。また、電解液にビニレンカーボネ
ートなどの添加剤を加えてもよい。
、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上
に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さら
に該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性
合成樹脂膜を設けた三層構造のフィルムを用いることができる。このような三層構造とす
ることで、電解液や気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解液性
を有する。外装体を内側に折り曲げて重ねて、または、2つの外装体それぞれの内面を向
い合せて重ねて熱を加えることにより、内面の材料が融け2つの外装体を融着することが
でき、封止構造を作製することができる。
箇所を封止部とすると、外装体を内側に折り曲げて重ねた場合は、折り目以外の個所に封
止部が形成され、外装体の第1の領域と、該第1の領域と重なる第2の領域とが融着等さ
れた構造となる。また、2枚の外装体を重ねた場合は熱融着等の方法で外周すべてに封止
部が形成される。
弧、または、複数の変曲点を有する形状とすることができる。例えば、封止部の形状を波
線形状とした場合を図4(A)に示す。図4(A)に示した二次電池は、1枚の外装体を
折り重ねて、折り目部分以外に波線型の封止部を形成している。
るが、封止部の総延長は長くなる。すると同じ幅の封止部を形成する場合、波線形は直線
形よりも封止に用いられる領域は大きくなる。そのため、封止部における外装体の密着性
が向上する。
る。図4(B)は図4(A)のAB間の断面構造を模式的に示す図である。二次電池を図
4(C)のように変形させると、変形の軸側の外装体には圧縮応力がかかり、軸の外側の
外装体には引張応力がかかる。封止部は2つの異なる応力の接合個所であり、変形により
大きな負担がかかり、変形を繰り返すと疲労が蓄積されていく。波線形の封止部は直線形
の封止部よりも密着性が大きいため、応力による破壊が生じにくいため、耐久性の高い二
次電池の封止構造に適している。
まれて、正極、負極を一組有し、セパレータ、電解液等が内部に含まれているが、本発明
の一態様の係る二次電池は、正極、負極、セパレータを多層積み重ねて積層型二次電池と
することもできる。図4(D)の両端に封止部が存在し、上下の外装体は融着等されて接
しており、電解液を保持している。封止部において外装体は上下で固定されている一方で
、封止部の内側の外装体は固定されておらず、封止部近傍の外装体は、変形の様子の異な
る2つの領域の境界であり、さらに応力が集中しやすい個所である。
に沿って長く形成されるため、二次電池の変形により一定の応力がかかる場合に広い領域
に応力を分散することができ、外装体の封止部近傍が破壊されにくくなる。したがって、
耐久性の高い二次電池の封止構造に適している。
止部の二次電池内部側の形状が波線形状であればよく、封止部の電池外部側の形状を異な
る形状としてもよい。さらに、封止部の二次電池内部側の形状が波線形状であれば、封止
部の二次電池外側の形状が、外装体の平面形状と重なってもよい。言い換えると、外装体
は該波線形状等の外側がすべて圧着または融着等されていてもよい。図18に、封止部の
二次電池内部側の形状が波線形状であり、二次電池外側の形状が、外装体の平面形状と重
なっている構造を示す。なお、本図においては説明の便宜上、封止部100にハッチング
を付している。
は波線形に限らず曲線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状とすることができる。
直線形状よりも総延長の長い封止部を形成することができれば、波線、円弧を有する形状
に限らず様々な形状で作成してもよく、変形の繰り返しにも耐えうる信頼性の高い二次電
池を提供することがでる。
5に示すような全周を波線形の封止部とすることができる。また、外装体材料からなるフ
ィルムで円筒を形成し、正極、負極、セパレータ等を合わせた電極体を内部に収納し、波
線形の封止部を形成して二次電池を作製することもできる(図6)。また、封止部を波線
形以外に、例えば図7に示すようなジグザグの形状としてもよく、図8に示すような形状
としてもよい。
、形状は、直線、曲線、波線、円弧、または、複数の変曲点を有する形状などを組み合わ
せることができる。または、各辺によって、形状を変えることができる。または、ある領
域において、形状を変えることができる。一例として、図1(A)において、上辺を直線
状にした場合の例を、図19に示す。なお、図1(A)だけでなく、他の図面においても
、一部の辺を直線状や、様々な形状にすることが可能である。例えば、図5に対して適用
した場合の一例を、図20に示し、図7に対して適用した場合の一例を、図21に示し、
図18に対して適用した場合の一例を、図22に示す。また、一例として、図1(A)に
おいて、上辺をジグザグの形状にした場合の例を、図23に示す。また、一部の領域にお
いて、形状を変えた場合の例を、図24、図25に示す。
おいて、封止部の形状および封止部の電池内部側の形状を様々な形状に変えることができ
る。
くは曲率半径30mm以上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。
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。
本実施の形態では、二次電池の作製方法の一例について、図面を用いて説明する。
負極には、実施の形態1で示した負極を用いることができるが、負極はこれに限られない
。二次電池において正極と負極間にセパレータが設けられるが、例えば、あらかじめ負極
をセパレータのフィルムで覆い袋状に包み、正極とセパレータに覆われた負極とを二次電
池に組み込む方法も可能である。まず、セパレータを形成するためのフィルム301上に
負極302を配置する(図9(A)参照。)。次いで、フィルム301を図9(A)の点
線で示した部分で折り(図9(B)参照。)、フィルム301で負極302を挟む(図9
(C)参照。)。
る。フィルム301の外周部分の接合は、接着材などを用いて行ってもよいし、超音波溶
接や、加熱による融着により行ってもよい。
周部分を加熱により接合する。図9(D)に接合部303を示す。このようにして、負極
302をセパレータで覆うことができる。
次に、負極集電体302aの負極タブに、封止層304を有する負極リード305を、圧
力を加えながら超音波により電気的に接続する(超音波溶接)(図10(A))。
や切断が生じやすい。
置を用いる。なお、図10(B)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。
の間に、負極タブと負極リード305を配置する。接続する領域が突起310と重なるよ
うにして超音波溶接を行うと、負極タブに接続領域313と湾曲部314を形成すること
ができる。図10(C)に、負極タブの接続領域313と湾曲部314を拡大した斜視図
を示す。
る応力を緩和することができる。よって、二次電池の信頼性を高めることができる。
時に湾曲部を形成することができるため、工程数も増やすことなく二次電池を作製するこ
とができるが、超音波溶接と湾曲部314の形成を別々に行ってもよい。
状を改良することでも応力を緩和させることもできる。一例として、図11(A)および
図11(B)に負極集電体302aの斜視図を示す。例えば、負極タブにスリット315
を設け、二次電池の作製後に外から力が加えられて生じる応力を緩和する構成としてもよ
い(図11(A)参照。)。
させた負極集電体302aとしてもよい(図11(B)参照。)。また、領域316の角
は、他の角よりも曲率半径の大きい形状とすることが好ましい。
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。
ない。
次に、正極集電体の正極タブに、封止層を有する正極リードを電気的に接続する。正極タ
ブと正極リードの接続は、負極タブと負極リードの接続と同様に行うことができる。
次に、外装体317上に正極318と負極302を重ね合せて配置する。この時、正極活
物質層318bと負極活物質層302bが向き合うように重ねる(図12(A)参照。)
。
折り曲げて(図12(B)参照。)、図13(A)に示す状態とする。
電解液を入れるための導入口320以外の外装体317の外周部を、熱圧着により接合す
る。熱圧着により形成される封止部322の形状は実施の形態1にて説明した、波線、円
弧、または、複数の変曲点を有する形状とすることができる。封止部の形状が直線形状で
ある場合よりも、接合されている部分と接合されていない部分との境界となる領域が封止
部に沿ってより長く形成されるため、二次電池の変形により一定の応力がかかる場合に広
い領域に応力を分散することができ、外装体の封止部近傍が破壊されにくくなる。したが
って、耐久性の高い二次電池の封止構造に適している。また、直線形状よりも総延長の長
い封止部を形成することができ、密着性が向上するため、変形の繰り返しにも耐えうる信
頼性の高い二次電池を提供することがでる。
の間を固定することができる。図13(B)に、外装体317の第1の領域と、同形状の
第2の領域とを熱圧着により接合した部位を、封止部322として示す。
ら外装体の内側に入れる。そして、最後に、導入口320を熱圧着により接合する。この
ようにして、二次電池321を作製することができる(図13(C)参照。)。なお、導
入口を塞ぐ圧着においても、他の封止部と同様の平面形状とすることができる。
本実施の形態においては、先の実施の形態で説明した二次電池を有する電子機器の一例に
ついて図14及び図15を用いて説明を行う。
デジタルフォトフレーム、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、音響再生装置などが挙げられる。これらの電子機器の具体例を図1
4及び図15に示す。
み込まれた表示部802の他、操作ボタン803、スピーカ805、マイク806などを
備えている。なお、携帯電話機800内部に本発明の一態様の二次電池804を用いるこ
とにより軽量化される。
入力することができる。また、電話を掛ける、或いはメールを作成するなどの操作は、表
示部802を指などで触れることにより行うことができる。
モードであり、第2は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第3は表示モ
ードと入力モードの二つのモードが混合した表示+入力モードである。
とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。
サを有する検出装置を設けることで、携帯電話機800の向き(縦か横か)を判断して、
表示部802の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。
ン803の操作により行われる。また、表示部802に表示される画像の種類によって切
り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータで
あれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。
802のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから
表示モードに切り替えるように制御してもよい。
に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、
表示部に近赤外光を発光するバックライト又は近赤外光を発光するセンシング用光源を用
いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。
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二次電池80
4も湾曲される。また、その時、曲げられた二次電池804の状態を図14(C)に示す
。二次電池804は積層型の二次電池である。
711、712、接続端子713、バンド721、留め金722、等を有することができ
る。なお、スマートウオッチ内部に本発明の一態様の二次電池を有することにより軽量化
を図ることができる。筐体702内部に、実施の形態1又は2に示した本発明の一態様に
係る二次電池を有していてもよい。また、二次電池はバンド721内部に、本発明の一態
様に係る可撓性を有する二次電池740を有していてもよい。可撓性を有する二次電池7
40をバンド型形状とし、筐体702と着脱が可能な構造とすることもできる。正極端子
741及び負極端子742を通じて筐体702に電力を供給することができる(図15(
B))。
有している。表示パネル704は、時刻を表すアイコン705、その他のアイコン706
等を表示することができる。
々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、タッチパネル機
能、カレンダー、日付又は時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア(プログラム)
によって処理を制御する機能、無線通信機能、無線通信機能を用いて様々なコンピュータ
ネットワークに接続する機能、無線通信機能を用いて様々なデータの送信又は受信を行う
機能、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機
能、等を有することができる。
、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
)、マイクロフォン等を有することができる。
筐体7101、表示部7102、操作ボタン7103、及び二次電池7104を備える。
また、図14(E)に曲げられた二次電池7104の状態を示す。
体7201、表示部7202を備える。図示しないが、腕章型表示装置7200は可撓性
を有する二次電池を有しており、腕章型表示装置7200の形状変化に応じて、可撓性を
有する二次電池も形状を変化する。
いることができる。
101 封止部の一部
102 二次電池
103 外装体
104 正極リード電極
105 負極リード電極
200 二次電池
201 正極
201a 正極集電体
201b 正極活物質層
203 セパレータ
202 負極
202a 負極集電体
202b 負極活物質層
206 電解液
207 外装体
301 フィルム
302 負極
302a 負極集電体
302b 負極活物質層
303 接合部
304 封止層
305 負極リード
310 突起
311 第1のボンディングダイ
312 第2のボンディングダイ
313 接続領域
314 湾曲部
315 スリット
316 領域
317 外装体
318 正極
318a 正極集電体
318b 正極活物質層
319 正極リード
320 導入口
321 二次電池
322 封止部
702 筐体
704 表示パネル
705 時計を表すアイコン
706 その他アイコン
711 操作ボタン
712 操作ボタン
713 接続端子
721 バンド
722 留め金
730 二次電池
740 可撓性を有する二次電池
741 正極端子
742 負極端子
800 携帯電話機
801 筐体
802 表示部
803 操作ボタン
804 二次電池
805 スピーカ
806 マイク
1700 曲面
1701 平面
1702 曲面の形状である曲線
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
1804 曲率半径
1805 電極・電解液など
7100 携帯表示装置
7101 筐体
7102 表示部
7103 操作ボタン
7104 二次電池
7200 腕章型表示装置
7201 筐体
7202 表示部
Claims (1)
- 正極と、負極と、電解液とを有し、
前記正極の少なくとも一部と、前記負極の少なくとも一部と、前記電解液とを内包する外装体を有し、前記外装体は、第1の端部、及び前記第1の端部と対向する第2の端部を有し、
前記第1の端部、及び前記第2の端部の各々は、直線形状を有し、
前記第1の端部は、曲線、波線、または、円弧を有する形状の第1の封止部を有し、
前記第2の端部は、前記第1の封止部と同形状の第2の封止部を有する可撓性を有する二次電池において、
前記第1の封止部は、前記二次電池の内部側に前記波線を有する形状を備え、
前記可撓性を有する二次電池の変形することができる機能を有する領域の外装体は、前記第1の封止部を含む可撓性を有する二次電池。
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