JPH08329971A

JPH08329971A - 二次電池

Info

Publication number: JPH08329971A
Application number: JP7138269A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Yamamoto; 保山本; Kensuke Yoshida; 賢介吉田; Masami Tsutsumi; 正己堤; Isao Watanabe; 勲渡辺; Tsutomu Miyashita; 勉宮下
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1995-06-05
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】【構成】正極、負極及び電解質からなる一単位が、電
池内に２個以上備えられていることを特徴とする二次電
池。【効果】複数個の二次電池を用いた場合に存在する複
数個の安全装置を少なくとも１個、かつ一単位の個数よ
り少なくすることができ、電池容量に直接関与しない安
全装置の容積を減少させることができる。そのため、減
少した容積分だけ二次電池の正極及び負極活物質を増量
できるので、同容積で電池容量の大きな二次電池が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二次電池に関する。更
に詳しくは、本発明は、正極、負極及び電解質からなる
一単位が、１個の電池内に２個以上備えられた高電圧・
高容量の二次電池の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウムを活物質とする負極と、金属の
酸化物、硫化物、塩化物或いはハロゲンの炭素化合物等
を活物質とする正極と、プロピレンカーボネート、エチ
レンカーボネート、ジメトキシエタン等の有機溶媒に過
塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム等の無機塩を溶解
した非水系の電解液とを備えたリチウム二次電池は、他
の二次電池に比べて、電圧が高い、エネルギー密度が高
い、自己放電が少ない等の利点を有している。

【０００３】図１０に従来の巻き形状のリチウム二次電
池の概略断面図を示す。図１０中、２は安全装置、３は
正極、４は負極、６はセパレーター、７は正極リード、
８は負極リード、１１は正極蓋、１２は負極缶、１３は
ガスケット、１４はインシュレーター、１５はセンター
ピンである。一方、電子機器、すなわち一般的な電子素
子の動力源には、５Ｖ以上の電圧が必要とされている。
しかし、リチウム二次電池の平均電圧は３．６Ｖであ
り、５Ｖ以上の電圧を１個の電池で確保することができ
ない。そのため、例えば、図１１のように複数個の電池
を直列に接続し、電圧を高くして用いる必要がある。な
お、図１１は従来の電池の使用例（直列接続）の概略断
面図であり、図１０に示された二次電池が２個接続され
ている。図１１中、１は正極、負極及び電解質からなる
一単位を示し、２は安全装置、１６は正極端子を示して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記リチウム二次電池
は、負極の活物質として反応性の高いリチウムと、電解
質として可燃性の有機溶媒が用いられている。これらリ
チウムや有機溶媒は、二次電池内の圧力や温度を上昇さ
せることがある。そのため二次電池内の圧力の上昇を防
止する、或いは温度の上昇により電流を遮断する安全装
置２（図１１参照）が用いられている。

【０００５】このようなリチウム二次電池の内部に設置
された電池の容量に直接関与しない安全装置２は、電池
の容量の増加をさせることに対しての妨げになってい
た。しかもリチウム二次電池は、一般に他の二次電池に
比べて安全装置２の占める容積が大きく、その容積は二
次電池の全容積の約１０％にもなる。また、複数個のリ
チウム二次電池を用いた場合、上記安全装置２は二次電
池と同数個存在することになり、その容積分の電池容量
が全体の容積に対して低くなるという課題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、正極、
負極及び電解質からなる一単位が、電池内に２個以上備
えられていることを特徴とする二次電池が提供される。
特に、本発明の二次電池は、リチウム二次電池に用いる
ことが好ましい。本発明に使用できる負極は、特に限定
されないが、金属リチウム、リチウム−アルミニウム、
リチウム−鉛等のリチウム合金、あるいは炭素、銅等の
リチウムイオンを吸蔵−放出しうる物質が挙げられる。
負極の厚さは通常０．０５〜０．２ｍｍである。また、
負極には必要に応じてアルミニウム、銅等の金属からな
る負極集電体が設けられていてもよい。

【０００７】本発明に使用できる正極は、例えば、正極
活物質、導電剤及び結着剤の混合物からなる。正極の厚
さは通常０．１〜０．２ｍｍである。また、正極には必
要に応じてアルミニウム、銅等の金属からなる正極集電
体が設けられていてもよい。集電体の形状は、特に限定
されず、例えば、シート状等が挙げられる。また、正極
の形成方法は、例えば、シート状の集電体に前記混合物
を塗布した後、プレスする方法等が挙げられるが、この
方法に限定されない。

【０００８】正極活物質は、電極作成時に活物質のリチ
ウムを担持しているものを使用することが好ましい。例
えば、リチウムを含有するカルコゲン化物、金属の酸化
物、金属の硫化物等が挙げられる。更に、具体的には、
ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎＯ₂等のカルコ
ゲン化物、Ｖ₂Ｏ₅等の金属の酸化物、ＦｅＳ₂等の金
属の硫化物が挙げられるが、これに限定されるものでは
ない。ここで、ＦｅＳ ₂等の金属の硫化物は、一般に電
圧は低いが、電池容量が高いという特性を有しているこ
とが知られている。この金属の硫化物を正極活物質とし
て使用する場合であっても、本発明を利用して一単位を
複数個積層することにより、得られる二次電池を所望の
電圧に調整することができる。

【０００９】導電剤は、正極の導電率を補う機能を有
し、アセチレンブラック等が使用できるが、これに限定
されない。結着剤は、正極活物質及び導電剤を接着する
機能を有し、テフロン樹脂、エチレン−プロピレン−ジ
エン三元共重合体等が挙げられるが、これらに限定され
ない。

【００１０】本発明に使用できる電解質は、固体電解質
又は非水系溶媒に溶解された電解質が使用できる。固体
電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥ
Ｏ）等が挙げられる。また、非水系溶媒としては、例え
ば、エチレンカーボネート、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、ジメト
キシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられ、これら
を１種又は２種以上混合して使用することができる。

【００１１】上記非水系溶媒に溶解される電解質として
は、例えば、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム、
六フッ化砒素リチウム、六フッ化リンリチウム等が挙げ
られ、これらを１種又は２種以上混合して使用すること
ができる。特に好ましい電解質は、エチレンカーボネー
トとジメチルカーボネートの１：１（体積比）混合溶液
からなる非水系溶媒に、濃度が１ｍｏｌ／リットルにな
るように六フッ化砒素リチウムを溶解した電解質であ
る。

【００１２】本発明のリチウム二次電池は、正極と負極
との間に、電解質の保持のため及び正極と負極との短絡
を防止するためにセパレーターを設けてもよい。セパレ
ーターの材質は、電解質に溶かされず、加工が容易な絶
縁物であれば特に限定されない。具体的には、多孔質ポ
リプロピレン、多孔質ポリエチレン等が挙げられる。本
発明のリチウム二次電池の正極、負極及び電解質からな
る一単位は、電池内に併設される他の一単位との短絡及
び電解質の漏れを防止するために、例えば図２に示すよ
うに、密封シート９により封止されていてもよい。図２
は本発明のシート状のリチウム二次電池の概略断面図を
示す。図２中、３は正極、４は負極、電解質を保持する
６はセパレーター、７は正極リード、８は負極リード、
９は密封シートを示している。

【００１３】密封シート９は、電解質に溶かされず、加
工の容易な絶縁物であり、薄膜形成（厚さ約２０μｍ以
下）しても電池内部の充放電反応によって発生する圧力
に耐えうる強度を有する材質からなることが好ましい。
また、密封シート９自体による容量損失を低減するた
め、できるだけ薄いことが好ましい。具体的には、ポリ
プロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。

【００１４】密封シート９は、正極リード７と負極リー
ド８の端子の接続部を除いて、正極３、負極４及び電解
質からなる一単位の全体を封止する。封止の方法は、特
に限定されず、例えば熱溶着により容易に行うことがで
きる。本発明のリチウム二次電池は、上記図２の密封シ
ート９に覆われた正極３、負極４及び電解質からなる一
単位を、１個の電池内で２個以上組合わせることにより
形成される。例えば、高電圧を得るためには、２個以上
の正極３、負極４及び電解質からなる一単位を電池内で
直列に接続する。例えば、図３は２単位の直列接続のリ
チウム二次電池の模式図を示す。図３では、正極３１と
負極４１、及び正極３２と負極４２の２単位を直列に接
続するために、正極３１の正極リード７１と負極４２の
負極リード８２とを接続している。しかしながら、電解
液５を共用しているので、正極３１と負極４２が短絡
し、電極間で放電するために電池は作動しない。そこ
で、密封シートで各一単位を封止し、電解液５を分離す
ることにより電解液中のリチウムイオンの移動を阻止
し、短絡を防止する。図４は密封シートによって電解液
を分離した２単位の直列接続のリチウム二次電池の模式
図を示す。図４では、正極３１、負極４１及び電解液５
１、並びに正極３２、負極４２及び電解液５２が、それ
ぞれ密封シート９で封止され、正極３１の正極リード７
１と負極４２の負極リード８２が接続されている。この
ように各一単位を直列接続する場合には、密封シートを
備えることが好ましい。但し、各単位を並列に接続する
場合には、短絡は生じないので、密封シート９は備えな
くてもよい。

【００１５】図１は本発明のリチウム二次電池の一例を
示す。ここで、図１中、１は図２の密封シートに覆われ
た正極、負極及び電解質からなる一単位が巻回して構成
されてなる部分であり、２は安全装置、１６は正極端子
である。また、正極リード７２と負極リード８１は電池
内で接続されている。図１に示す本発明のリチウム二次
電池は、安全装置２が１個に集約されているので、図１
１に示す従来のリチウム二次電池と比較して、安全装置
２の１個分と正極端子１６の１個分だけ容積が増加す
る。すなわち、本発明のリチウム二次電池内に備えられ
る安全装置の数は、少なくとも１個であって、二次電池
内に備えられている一単位の数より少なくすることがで
きる。従って、従来のリチウム二次電池に比べて、本発
明のリチウム二次電池は、容積の増加に伴って、電池容
量を増加させることができる。

【００１６】更に、本発明のリチウム二次電池は、一般
的な電子素子の動力源として、５Ｖ以上の電圧が必要と
されている観点から、正極３、負極４及び電解質からな
る一単位を直列に接続することが好ましい。また、本発
明のリチウム二次電池は、正極３、負極４及び電解質か
らなる一単位を重ねて用いることが好ましい。これら好
ましい二次電池として、例えば図６〜８に示す二次電池
が挙げられる。

【００１７】以下に説明する図６〜８は、図２の密封シ
ート９に覆われた正極３、負極４及び電解質からなる一
単位を２個積層し、かつ直列に接続した場合のシート状
の本発明のリチウム二次電池の概略断面図である。図６
〜８では、正極３、負極４及び電解質からなる一単位を
２個積層した場合を示しているが、３個以上積層するこ
とも可能である。なお、図６では、上側の一単位を構成
する正極を３１、負極を４１とし、下側の一単位を構成
する正極を３２、負極を４２としている。

【００１８】まず、図６のリチウム二次電池は、２個の
図２の密封シート９に覆われた正極（３１及び３２）、
負極（４１及び４２）及び電解質からなる一単位を負極
４１と４２が対向するように配置し、更に正極３１と負
極４２が接続されている。また、図７のリチウム二次電
池は、２個の図２の密封シート９に覆われた正極（３１
及び３２）、負極（４１及び４２）及び電解質からなる
一単位を負極４１と正極３２が対向するように配置し、
更に正極３２と負極４１が接続されている。

【００１９】更に、図８のリチウム二次電池は、２個の
図２の密封シート９に覆われた正極（３１及び３２）、
負極（４１及び４２）及び電解質からなる一単位を正極
３１と３２が対向するように配置し、更に正極３２と負
極４１が接続されている。また、本発明のリチウム二次
電池は、電気容量の増加の観点から、正極３、負極４及
び電解質からなる一単位を並列に接続することもでき
る。また、本発明のリチウム二次電池は、並列接続の場
合も、直列接続と同様にして、正極３、負極４及び電解
質からなる一単位を重ねて用いることができる。例えば
図９に示す二次電池が挙げられる。図９は、図２の密封
シート９に覆われた正極３、負極４及び電解質からなる
一単位を２個積層し、かつ並列に接続した場合のシート
状の本発明のリチウム二次電池の概略断面図である。図
９のリチウム二次電池は、２個の図２の密封シート９に
覆われた正極（３１及び３２）、負極（４１及び４２）
及び電解質からなる一単位を負極４１と正極３２が対向
するように配置し、更に正極３１と正極３２、及び負極
４１と負極４２が、それぞれ接続されている。

【００２０】本発明のリチウム二次電池の形状は、円筒
型、角形、ボタン型、シート型等、いずれでもよい。特
に正極３、負極４及び電解質からなる一単位を巻回又は
つづら折りした円筒型又は角型が好ましいが、これに限
定されるものではない。また二次電池の形成方法は、特
に限定されず、公知の方法にて製造することができる。

【００２１】

【作用】本発明の二次電池は、正極、負極及び電解質か
らなる一単位が、電池内に２個以上備えられていること
を特徴とする。従って、複数個の二次電池を用いた場合
に存在する複数個の安全装置を少なくとも１個以上、か
つ一単位の個数より少なくすることができ、電池容量に
直接関与しない安全装置の容積を減少させることができ
る。そのため、減少した容積分だけ二次電池の正極及び
負極活物質を増量できるので、同容積で電池容量の大き
な二次電池が得られる。

【００２２】また、正極、負極及び電解質からなる一単
位が、密封シートで封止され、他の一単位と直列に接続
されてなることにより、一般的な電子素子の動力源とし
て必要とされる５Ｖ以上の電圧が得られる。更に、正
極、負極及び電解質からなる一単位が、他の一単位と並
列に接続されてなることにより、高い電気容量が得られ
る。

【００２３】また、正極、負極及び電解質からなる一単
位が、他の一単位に重ねられてなることにより、容易に
本発明の二次電池が得られる。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）正極活物質であるＬｉＣｏＯ₂、導電剤と
してのアセチレンブラック及び結着剤としてのテフロン
樹脂を重量比で６：１：１の割合で混合した。集電体と
して機能する厚さ２０μｍのアルミニウムシート（面積
４５×３００ｍｍ²）上に混合物を塗布、プレスして正
極３を２個作成した。更に、正極３に正極リード７を配
設した。

【００２５】負極４は、厚さ０．１ｍｍのリチウムシー
ト（面積４５×３００ｍｍ²）とし、負極リード８を配
設した。正極と同様、負極４も２個作成した。電解質
は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの
１：１（体積比）混合溶液からなる非水系溶媒に、濃度
が１ｍｏｌ／リットルになるように六フッ化砒素リチウ
ムを溶解することにより調整した。

【００２６】得られた構成部材を用いて、図５に示され
る正極３、負極４及び電解質からなる一単位を封止する
密封シートを組み立てた。まず、正極３と負極４をポリ
プロピレン製多孔質セパレーター６を介して合わせた。
この電解質を含まない一単位１が巻回された際、一単位
１の円筒側面が被覆されるように、一単位の最外部（巻
回終了側）に、厚さ２０μｍのポリプロピレン製の密封
シート（側面）９１を貼りつけ、巻回した。次に、密封
シート９１（側面）の巻回終了端を熱溶着し、密封シー
ト（下部）９３を、負極リード８をスリット１０２から
引き出すようにして合わせ、円周部分を熱溶着した。更
に、負極リード８が引き出されたスリット１０２の部分
も、電解質が漏れないように熱溶着し、調製しておいた
電解質を正極３及び負極４に充分に含浸させた。

【００２７】次いで、密封シート（上部）９２を、正極
リード７をスリット１０１から引き出すようにして合わ
せ、円周部分を熱溶着した。更に、正極リード７が引き
出されたスリット１０１の部分も、電解質が漏れないよ
うに熱溶着した。得られた２個の密封シート９に覆われ
た正極３、負極４及び電解質からなる一単位を用いて、
図１に示されるリチウム二次電池を組み立てた。まず、
負極リード８１と正極リード７２を、負極リード８２を
負極缶１２内の底部に、正極リード７１を正極蓋１１
に、それぞれ接続し、２個の一単位を直列接続して、１
つの負極缶１２に収めた。更に、安全装置２を配設して
円筒型のリチウム二次電池を完成させた。

【００２８】得られた電池の平均電圧は、７．２Ｖであ
った。（比較例１）実施例１と同様の正極３、負極４、電解質
及びセパレーター６を使用して正極３、負極４及び電解
質からなる一単位を形成し（図１２）、これを巻回する
ことにより図１０に示す従来の円筒型のリチウム二次電
池を形成した。

【００２９】この電池１個の平均電圧は、３．６Ｖ、２
個を直列に接続した場合（図１１）の平均電圧は７．２
Ｖであった。実施例１及び比較例１の正極、正極集電
体、負極及びセパレーターの寸法（幅、長さ及び厚さ）
並びに平均電圧を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１から明らかなように、実施例１のリチ
ウム二次電池は、密封シート９の容積が極く小さく（約
０．０５ｃｍ³）殆ど無視でき、かつ安全装置２の１個
と正極端子１６の１個の容積（約１ｃｍ³）を減らすこ
とができるので、比較例１のリチウム二次電池に比べ
て、正極、正極集電体、負極及びセパレーターの幅を１
０％長くすることができた。従って、実施例１のリチウ
ム二次電池は、比較例１に比べて、電池容積が１０％増
加した。（実施例２）実施例１と同様にして、図２に示される密
封シート９に覆われた正極３、負極４及び電解質からな
る一単位を２個積層することにより図６に示すシート状
の二次電池を作成した。なお、図３では、上側の一単位
を構成する正極を３１、負極を４１とし、下側の一単位
を構成する正極を３２、負極を４２としている。

【００３２】得られたシート状のリチウム二次電池を比
較例１と同様の方法で巻回し、円筒型電池を形成した。
得られた電池の平均電圧は、７．２Ｖであった。（実施例３）図７のようにシート状のリチウム二次電池
を形成すること以外は、実施例２と同様にして円筒型電
池を形成した。（実施例４）図８のようにシート状のリチウム二次電池
を形成すること以外は、実施例２と同様にして円筒型電
池を形成した。

【００３３】上記実施例２〜４により得られた円筒型電
池は、従来と殆ど変わらない製造工程で製造することが
できた。また、得られた二次電池の平均電圧は、それぞ
れ７．２Ｖであった。（実施例５）図９のようにシート状のリチウム二次電池
を形成すること以外は、実施例２と同様にして円筒型電
池を形成した。

【００３４】上記実施例５により得られた円筒型電池
は、従来と殆ど変わらない製造工程で製造することがで
きた。また、得られた二次電池の平均電圧は、３．６Ｖ
であった。

【００３５】

【発明の効果】本発明の二次電池は、正極、負極及び電
解質からなる一単位が、電池内に２個以上備えられてい
ることを特徴とする。従って、複数個の二次電池を用い
た場合に存在する複数個の安全装置を少なくとも１個、
かつ一単位の個数より少なくすることができ、電池容量
に直接関与しない安全装置の容積を減少させることがで
きる。そのため、減少した容積分だけ二次電池の正極及
び負極活物質を増量できるので、同容積で電池容量の大
きな二次電池を得ることができる。また、従来の二次電
池と比べて、同容積で２倍以上の電池電圧を得ることが
できる。

【００３６】また、正極、負極及び電解質からなる一単
位が、密封シートで封止され、他の一単位と直列に接続
されてなることにより、一般的な電子素子の動力源とし
て、必要とされる５Ｖ以上の電圧を得ることができる。
更に、正極、負極及び電解質からなる一単位が、他の一
単位と並列に接続されてなることにより、高い電気容量
を得ることができる。

【００３７】また、正極、負極及び電解質からなる一単
位が、他の一単位に重ねられてなることにより、容易に
本発明の二次電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリチウム二次電池の概略断面図であ
る。

【図２】本発明のシート状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【図３】密封シートによって電解液を共有する２単位の
直列接続のリチウム二次電池の模式図である。

【図４】密封シートによって電解液を分離した２単位の
直列接続のリチウム二次電池の模式図である。

【図５】本発明のシート状のリチウム二次電池の組立説
明図である。

【図６】本発明のシート状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【図７】本発明のシート状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【図８】本発明のシート状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【図９】本発明のシート状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【図１０】従来の巻き形状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【図１１】従来の電池の使用例（直列接続）の概略断面
図である。

【図１２】従来のシート状のリチウム二次電池の概略断
面図である。

【符号の説明】

１一単位２安全装置３、３１、３２正極４、４１、４２負極５、５１、５２電解液６セパレーター７、７１、７２正極リード８、８１、８２負極リード９密封シート９１密封シート（側面）９２密封シート（上部）９３密封シート（下部）１０１、１０２スリット１１正極蓋１２負極缶１３ガスケット１４インシュレーター１５センターピン１６正極端子

フロントページの続き (72)発明者堤正己神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者渡辺勲神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者宮下勉神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極、負極及び電解質からなる一単位
が、電池内に２個以上備えられていることを特徴とする
二次電池。
【請求項２】正極、負極及び電解質からなる一単位
が、密封シートで封止されてなる請求項１記載の二次電
池。
【請求項３】二次電池内に少なくとも１個以上、かつ
一単位の個数より少ない数の安全装置が備えられてなる
請求項１又は２記載の二次電池。
【請求項４】正極、負極及び電解質からなる一単位
が、他の一単位と直列に接続されてなる請求項１〜３い
ずれかに記載の二次電池。
【請求項５】正極、負極及び電解質からなる一単位
が、他の一単位と並列に接続されてなる請求項１〜４い
ずれかに記載の二次電池。
【請求項６】正極、負極及び電解質からなる一単位
が、他の一単位に重ねられてなる請求項１〜５いずれか
に記載の二次電池。