JPH10189050A - リチウムイオン電池 - Google Patents

リチウムイオン電池

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JPH10189050A JP8359288A JP35928896A JPH10189050A JP H10189050 A JPH10189050 A JP H10189050A JP 8359288 A JP8359288 A JP 8359288A JP 35928896 A JP35928896 A JP 35928896A JP H10189050 A JPH10189050 A JP H10189050A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】エネルギー密度に優れ、極めて軽く、しかも安
全性に優れたリチウムイオン電池を提供することにあ
る。 【解決手段】樹脂などの電気絶縁性薄膜３と、電気絶縁
性薄膜３の一面に設けられた導電性薄膜からなる正極集
電体２と、正極集電体２に設けられた正極合剤層１と、
電気絶縁性薄膜３の他面に設けられた導電性薄膜からな
る負極集電体４と、負極集電体４に設けられた負極合剤
層５と、正極合剤層１及び負極合剤層５の少なくとも一
方と接する電解質膜６とを備えてなることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン電
池に属する。
【０００２】
【従来の技術】近年、携帯用無線電話、携帯用パソコ
ン、携帯用ビデオカメラ等の電子機器が開発され、各種
電子機器が携帯可能な程度に小型化されている。それに
伴って、内蔵される電池としても、高エネルギー密度を
有し、且つ軽量なものが採用されている。そのような要
求を満たす典型的な電池は、特にリチウム金属やリチウ
ム合金等の活物質、リチウムイオンをホスト物質（ここ
でホスト物質とは、リチウムイオンを吸蔵及び放出でき
る物質をいう。）である炭素に吸蔵させたインターカレ
ーション等のリチウム系を負極材料とし、ＬｉＣＩＯ
４、ＬｉＰＦ６等のリチウム塩を溶解した非プロトン性
の有機溶媒を電解液とするリチウム二次電池である。
【０００３】リチウム二次電池は、上記の負極材料をそ
の支持体である負極集電体に保持してなる負極板、リチ
ウムニッケル複合酸化物のようにリチウムイオンと可逆
的に電気化学反応をする正極活物質をその支持体である
正極集電体に保持してなる正極板、電解液を保持すると
ともに負極板と正極板との間に介在して両極の短絡を防
止するセパレータからなっている。
【０００４】そして、短冊形状又は円筒形状の電池の場
合、上記正極板、セパレータ及び負極板は、いずれも薄
いシートないし箔状に成形されたものを順に積層し、又
は積層した後に螺旋状に巻いて電池容器に収納される。
従来、極板の集電体としては、それ自体の導電性が必要
であることから、銅、アルミニウムなどの金属の箔が用
いられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】リチウム電池に限らず
電池を電源とする機器の場合、機器全体の軽量化及び安
全化の要請は尽きることがない。さらには、電池性能が
既存品以上であって、軽く、しかも安全であるほどユー
ザーに好まれる。よって、本発明の目的は、エネルギー
密度に優れ、極めて軽く、しかも安全性に優れたリチウ
ムイオン電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、この発明の電池は、樹脂などの電気絶縁性薄膜と、
電気絶縁性薄膜の一面に設けられた導電性薄膜からなる
正極集電体と、正極集電体に設けられた正極合剤層と、
電気絶縁性薄膜の他面に設けられた導電性薄膜からなる
負極集電体と、負極集電体に設けられた負極合剤層と、
正極合剤層及び負極合剤層の少なくとも一方と接する電
解質膜とを備えてなることを特徴とする。
【０００７】この発明の電池においては、電極が電気絶
縁性薄膜を芯としているので、集電体は薄くても良い。
そして、電気絶縁性の薄膜は金属ではないから、その両
面に薄膜の集電体を設けても全体の質量は同じ厚さの金
属箔からなる集電体よりも軽い。また、実質的に単一の
電気絶縁性薄膜の両面を活用し、その一方の面で正極、
他方の面で負極を支持しているので、正極と負極の位置
がずれない。この点、従来の電池が、正極、負極及びセ
パレータが各別体で構成されているので、積層時や巻く
ときに互いの極の位置が相手極に対してずれて反応面積
が減少したり、セパレータが移動して短絡したりする可
能性があったのと異なる。
【０００８】上記の電気絶縁性薄膜は、実質的に単一の
ものであればよい。従って、通常は１枚であるが、２枚
を密着して一体化したものも含まれる。最初から１枚で
あれば一体化する工程を省くことができる。一方、２枚
を密着した構成であれば、正極の集電体及び合剤層と、
負極のそれらとを各々の電気絶縁性の薄膜の片面のみに
固着し、後工程で２枚の電気絶縁性薄膜同士を密着させ
て一体化することができる。従って、合剤層を塗布する
際などに片側の合剤層の厚みのばらつきが他方の厚みの
精度に影響することがない。
【０００９】電気絶縁性薄膜の材質としては、ポリエチ
レン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥ
Ｔ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の熱可塑性樹脂を主成
分とするのが好ましい。熱可塑性樹脂の多くは、その熱
変形温度が有機電解質の発火点よりも低いので、短絡に
より発熱しても有機電解液や高分子電解質等の有機電解
質が発火する前に樹脂膜が熱収縮したり溶けたりして、
短絡点を解消し電流が速断されるからである。従って、
特に好ましい電気絶縁性薄膜は、集電体が用いられる電
池の有機電解質の発火点よりも低い熱変形温度を有する
ものである。発火点の測定法としては、定速加熱法及び
定温加熱法の２種類が知られているが、現実に即した方
を選択すると良い。どちらが現実に即しているか不明の
場合は、低い測定値を選択するほうが安全である。
【００１０】集電体を構成する導電性薄膜としては、メ
ッキ又は蒸着、スパッタリング等による薄膜のほかに圧
延された箔も含まれる。電解質膜として必須の要件は、
電池内で化学的にまた電気化学的に安定であるが当然要
求されるが、それ以外に電極を卷回もしくは積層する電
池組立工程や完成電池の実使用状態において、電極間の
距離を常に安全な距離に保つ充分な機械的強度を有する
ことである。このためには、電極との密着が良い柔軟性
と一定以上圧縮されない非圧縮性とピン刺しや引っ張り
に耐える剛性とが必要とされる。
【００１１】従って、電解質膜は固体電解質からなるの
が良い。電解液と異なり、漏れる心配がないし、機械的
強度を有するからである。ただし、電解質膜は全体が単
一の成分からなる必要はなく、また全体が電解質からな
る必要もない。例えば固体電解質に電解液を含浸させて
伝導性を向上させたものや、公知のセパレータに電解液
を含浸させたものも適用可能である。電解液により電解
質膜と電極との界面や電解質膜内でのリチウイオンの授
受は円滑におこなわれるからである。ただし有機電解液
を含有する場合には、有機電解液の分解電圧を超えて充
電電圧を上げることができないので、用いる活物質の選
択の範囲が限られることになる。したがって、材料選択
の自由度を向上させるためには、有機電解液を含有しな
い電解質膜が好ましい。
【００１２】固体電解質としては、有機材料、無機材料
及びそれらの混合物のいずれでもよい。固体電解質が、
ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリ
エチレングリコールおよびこれらの変性体などの有機固
体材料であるときは、無機固体材料に比べて軽量である
し、柔軟であるから卷回時に亀裂を生じない。他方、固
体電解質が、リチウムランタンペロブスカイトなどのリ
チウムイオン伝導性無機固体材料であるときは、耐熱性
を備えているので高温下での信頼性に優れる。電解質膜
が、有機固体材料と無機固体材料の混合物であるときは
双方の利点を備えつつ互いに他方の欠点を補うことがで
きる。即ち、混合物中の有機物が溶けても無機物で保持
されるので流失しないし、無機物が多量であっても有機
物がバインダーとして機能するので割れないからであ
る。なお、電解質膜が混合物であるときは１成分が電解
質であれば他成分は例えば酸化マグネシウムや酸化ケイ
素のような非電解質でも良い。
【００１３】正極合剤層又は負極合剤層は、電解質膜中
の電解質との反応効率を挙げるために電解質を含有する
とよい。この場合の電解質も、上記電解質膜中において
有機電解液を用いると活物質の選択範囲が限られるのと
同じ理由で、好ましくは固体電解質とするか又は有機電
解液を用いるとしても微量とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】正極の集電体となる薄膜材質には
アルミニウムをもちいることもできる。アルミニウムは
耐食牲に優れ、正極が高電位となる充電時においても電
解液中に溶け出さないことによる。その形態としてはア
ルミニウムであれば圧延された箔が入手しやすいが、電
気絶縁性薄膜と正極の集電体となる金属薄膜とをアルミ
ニウム蒸着樹脂フィルムとしてもよい。
【００１５】一方、負極の集電体の薄膜として特に好ま
しいのは、銅（Ｃｕ）、銅−ニッケル合金又はニッケル
（Ｎｉ）の蒸着膜もしくは圧延薄膜又はこれらの組合せ
である。銅は、導電率が高くコストが安い点で優れてい
るからである。ただし、銅は、３．１Ｖ ｖｓ．Ｌｉ／
Ｌｉ+より貴な電位領域で溶けてしまうことが実験的に
知られている。従って、０Ｖから３Ｖの範囲内での使用
が適当である。これに対して、Ｎｉは４．０〜４．２Ｖ
ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ+まで溶けないので、電位窓が広い
点で優れている。銅−ニッケル合金の場合は、銅による
高伝導性とＮｉの耐食性との両者の優れた特性を有す
る。
【００１６】電解質膜の好ましい構成は、バインダ機能
とリチウムイオン伝導性を有するポリアクリロニトリル
と、非圧縮性と充分な機械的強度を有しリチウムイオン
伝導性に優れるリチウムランタンチタンペロブスカイト
酸化物粉末との混合物にリチウム塩を含有する有機電解
液を浸積したものである。有機電解液を添加することに
より接触性と導電率を向上できる。
【００１７】
【実施例】
［実施例］この例のリチウム電池は、テープ状の電極を
渦巻き状に卷回してなる電池発電要素に電解液を含浸し
たのちアルミラミネート袋に気密封入してなっている。
電極は、図１に断面図で示すように、正極合剤層(1)、
集電体層(2)、絶縁体層(3)、集電体層(4)、負極合剤層
(5)および電解質層(6)が順に積層された構成となってい
る。
【００１８】正極合剤層(1)は、結着剤であるポリフッ
化ビニリデン６重量部と導電剤であるアセチレンブラッ
ク３重量部と活物質であるLiCo0.15Ni0.82Al0.03O2８１
重量部に溶剤としてN―メチルピロリドンを加えて混合
して制作した活物質ペーストを集電体層(2)に乾燥後の
塗工重量が2.44g/100cm2となるように塗布・乾燥し、厚
さが７０μｍになるようにプレス成形して形成した。集
電体層(2)は、厚さが２μｍのアルミニウム箔を絶縁体
層(3)に積層し接着して形成した。絶縁体層(3)として
は、厚さ10μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム
を用いた。
【００１９】負極合剤層(5)は、黒鉛９２重量部とポリ
フッ化ビニリデン８重量部との混合物にN-メチルピロリ
ドンを加えてペースト化したものを集電体層(4)に塗工
重量が1.20g/100cm2となるように塗布・乾燥し、厚さが
８０μｍになるようにプレス成形して形成した。集電体
層(4)は、厚さ３μｍの銅からなり、先ずＮｉを蒸着
し、さらに３μｍのＣｕを電解メッキすることにより形
成した。
【００２０】次に、この負極合剤層(5)上に電解質層(6)
を塗布・乾燥して形成した。電解質層は、平均粒径が0.
5μｍで比表面積が５m2/gのリチウムランタンペロブス
カイト(Li0.35La0.55TiO3)粉末９０重量部とポリアクリ
ロニトリル１０重量部とを混合し、N-メチルピロリドン
溶液によってペースト状にし、これを負極合剤層に塗工
重量が0.5g/100cm2となるように塗工して、乾燥し、厚
さが15μｍになるようにプレス成形して形成した。
【００２１】この電極を卷回して集電体層(2)、(4)より
それぞれ正極端子(7)および負極端子(8)を取り出し、図
２のようにアルミラミネートケース(9)に収納し、1M Li
PF6/EC+DEC電解液を各合剤層に真空中で含浸させた後、
理論容量の２０％充電して初期の発生ガスを放出した。
そして、アルミラミネートケース(9)を封止して６００
ｍＡｈの電池を完成させた。ここで初期充電前にアルミ
ラミネートケースを密封すると、初期充電時に発生する
ガスが電池ケース内に滞留し電池内圧の上昇による電池
の変形がおこる。このような問題は、樹脂や、金属薄膜
と樹脂との積層体を電池ケースに用いた電池のケース耐
圧が、従来の金属ケースを用いた電池に比較して非常に
低いことから特に問題となるものである。
【００２２】得られた電池は、容量が６００ｍＡｈで、
重量が平均１５ｇ（ｎ＝５）と軽く、エネルギー密度は
平均１４４Ｗｈ／ｋｇ（ｎ＝５）と高かった。また、同
一構造の電池を３００個製造したが、Ｘ線透視観察の結
果、電極の巻きずれが生じている電池は１セルも無かっ
た。
【００２３】［比較例］実施例と同様な正極合剤層を厚
さ20μｍのアルミニウム箔の両面に設けてなる正極板
と、実施例と同様な負極合剤層を18μｍの銅箔の両面に
設けてなる負極板とを厚さ２５μｍのポリエチレンから
なる多孔性フィルムセパレーターを介して重ね合わせて
卷回することにより、電池発電要素を製作した以外は、
実施例と同様な構成・製法を有する電池を製造した。
【００２４】得られた電池は、容量が６００ｍＡｈ、重
量が平均２３ｇ（ｎ＝５）で、エネルギー密度が平均９
４Ｗｈ／ｋｇ（ｎ＝５）と実施例の電池よりかなり低か
った。また、同一構造の電池を３００個製造し、Ｘ線透
視観察を行ったところ、１％（３個）のセルに電極の巻
きずれが生じていた。このような巻きずれは充放電の不
均一性の主要な原因となり性能劣化を招く上、安全性に
も劣ることが明らかである。
【００２５】
【発明の効果】この発明によれば、エネルギー密度に優
れ、かつ極めて軽く、しかも安全性に優れたリチウム電
池を提供することができる。加えて、携帯用電子機器の
重量減少をも可能にする。それ故に、本発明は、工業的
のみならず、商業的にも価値大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の電池に適用する電極を示す断面図で
ある。
【図２】実施形態の電池を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 正極合剤層 ２ 正極集電体 ３ 電気絶縁性膜 ４ 負極集電体 ５ 負極合剤層 ６ 電解質膜 ７ 正極端子 ８ 負極端子 ９ 電池ケース

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】樹脂などの電気絶縁性薄膜と、 電気絶縁性薄膜の一面に設けられた導電性薄膜からなる
    正極集電体と、 正極集電体に設けられた正極合剤層と、 電気絶縁性薄膜の他面に設けられた導電性薄膜からなる
    負極集電体と、 負極集電体に設けられた負極合剤層と、 正極合剤層及び負極合剤層の少なくとも一方と接する電
    解質膜とを備えてなることを特徴とするリチウムイオン
    電池。
  2. 【請求項２】電気絶縁性薄膜が、ポリエチレン（Ｐ
    Ｅ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプ
    ロピレン（ＰＰ）等の熱可塑性樹脂を主成分とする請求
    項１に記載の電池。
  3. 【請求項３】電解質膜が固体電解質からなる請求項１に
    記載の電池。
  4. 【請求項４】固体電解質が、ポリエチレンオキサイド、
    ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコールおよび
    これらの変性体などの有機固体材料である請求項３に記
    載の電池。
  5. 【請求項５】固体電解質が、リチウムランタンペロブス
    カイトなどのリチウムイオン伝導性無機固体材料である
    請求項３に記載の電池。
  6. 【請求項６】電解質膜が、有機固体材料と無機固体材料
    の混合物である請求項３に記載の電池。
  7. 【請求項７】正極合剤層又は負極合剤層が、固体電解質
    粉末を含有する請求項３に記載の電池。
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