JPH11102711A

JPH11102711A - リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JPH11102711A
Application number: JP9260625A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kosaka; 淳小坂; Masaru Urushibara; 勝漆原; Kin Kono; 欣河野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】リチウムイオン二次電池において、電気抵抗
は従来と同等レベルを維持しつつ、過充電時や高温下で
発生する異常発熱の際に発火を防止する正・負極構成を
提供する。【解決手段】正極または負極において、活物質層１を
保持する集電体２は、電池の異常発熱時に溶融する樹脂
フィルム３と、この樹脂フィルム３の両面に蒸着され活
物質と電荷のやり取りを行う金属層４とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、活物質を結着材を
介して集電体に付着させてなる正極および負極を備える
リチウムイオン二次電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のリチウムイオン二次電池
の正・負極の集電体としては、電池の内部抵抗を下げる
ためにも金属箔が最も優れており、一般的には、正極に
はアルミ箔、負極には銅箔が用いられている（例えば、
特開平８−１７１９１７号公報、特開平８−１８０９０
３号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、金属箔を集
電体に用いた場合、リチウムイオン二次電池の過充電状
態あるいは高温状態等での使用において、電池内部で、
マイクロショートあるいは折出したリチウム金属と電解
液との反応による発熱が生じた際、ＰＴＣやセパレータ
のシャットダウン機能が作動したとしても、電池の安全
弁が開弁し、発火に致る恐れがある。この問題について
は、以下のように考えられる。

【０００４】金属箔を用いた集電体は、金属箔による熱
伝導で外部ケースへ熱が逃げ易い反面、熱に対して金属
が安定である。しかし、過充電時や高温下では、上記の
シャットダウン機能が作動しきらないうちに急激に電池
内部に異常発熱が生じ、この異常発熱は金属箔による熱
伝導では対処しきれない。そのため、電池内部の温度は
上昇し、電解液とＬｉとの反応にて反応ガスが発生し、
安全弁が開弁して発火に至るのである。

【０００５】本発明は上記点に鑑みて、リチウムイオン
二次電池において、電気抵抗は従来と同等レベルを維持
しつつ、過充電時や高温下で発生する異常発熱の際に発
火を防止する正・負極構成を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、正・負極
構成のうち集電体を従来とは異なる構造にすることで、
上記問題の解決を図ることとした。すなわち、請求項１
記載の発明によれば、活物質を結着材を介して集電体に
付着させてなる正極および負極を備えるリチウムイオン
二次電池において、正極および負極のうち少なくとも一
方の集電体が、電池の異常発熱時に溶融する樹脂からな
る低融点層と、該低融点層と活物質との間に介在し活物
質と電荷のやり取りを行う金属層とを備えていることを
特徴とする。

【０００７】それによって、金属層で電流（電荷）の取
り出しを行うことができるので、電気抵抗は従来と同等
レベルを維持できる。一方、過充電状態や高温状態等で
異常発熱が発生した時には、低融点層の溶融が起こる。
この溶融により電極が破損するので電流がカットされる
とともに、溶融熱により異常発熱が鎮静化されるので、
電池内部温度の上昇を抑制でき、発火を防止できる。

【０００８】ここで、金属層は、請求項２記載の発明の
ように、正極の集電体においてはアルミニウムであり、
負極の集電体においては銅であるものにでき、また、金
属層の厚みは、請求項３記載の発明ように、電気伝導、
熱伝導等の点から０．５μｍ〜３μｍであることが好ま
しい。また、低融点層の融点は、請求項４記載の発明よ
うに、１３０℃〜１７０℃であれば、上記請求項１記載
の低融点層の溶融効果のためには好ましく、その材質
は、請求項５記載の発明のように、ポリオレフィン樹脂
であるものにできる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。なお、本実施形態のリチウムイオン二次電池
は、携帯電話や携帯用パソコン等の携帯機器等に用いら
れる。本実施形態の電極（正極、負極）は、活物質を結
着材を介して集電体に付着させてなるものである。

【００１０】電極の断面構造を図１に示す。１は活物質
層であり、２は活物質層１を保持し且つ電荷のパスとな
る集電体である。集電体２は、電池の異常発熱時に溶融
する樹脂からなる樹脂フィルム（低融点層）３と、該樹
脂フィルム３と活物質層１との間に介在し活物質と電荷
のやり取りを行う金属層４とからなる。ここで、活物質
層１は、正極においては、例えば、ＬｉＣｏＯ₂、Ｌｉ
Ｍｎ₂Ｏ₄等の活物質が用いられ、負極においては、例
えば、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等
の活物質が用いられる。そして、これら活物質が結着材
（例えば、ポリフッ化ビニリデン等）によって、集電体
２の金属層４に保持固定されている。

【００１１】集電体２は、樹脂フィルム３の表裏両面に
金属を蒸着して金属層４を形成したものである。樹脂フ
ィルム３は、その融点が１３０℃〜１７０℃であり、例
えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィ
ン樹脂からなる。金属層４は、正極においては、例え
ば、アルミニウム蒸着層であり、負極においては、例え
ば、銅蒸着層が使用される。また、厚さは、電気伝導、
熱伝導等の点から０．５μｍ〜３μｍであることが好ま
しい。

【００１２】また、金属層４への活物質層１の形成は、
活物質に結着材（例えば、ポリフッ化ビニリデン等）を
添加してペースト合剤として塗布し、乾燥することで行
われる。従って、本構成の電極を用いることにより、金
属層４で電流の取り出しを行うことができるので、電気
抵抗は従来と同等レベルを維持できる。一方、過充電時
や高温下等で異常発熱が発生した時には、樹脂フィルム
３で該フィルムの溶融が起こり、電極が破損し電極の体
を成さなくなるので、電流カットにより発火を防止する
ことができる。また、樹脂フィルム３の溶融の際の吸熱
による異常発熱の鎮静化の効果もある。よって、電池内
部温度の上昇を抑制でき、発火を防止できる。

【００１３】また、従来、正・負極の重量バランスは、
例えば角型電池の場合、過充電時の安全を考慮して２．
０（例えば正極１ｇ当たり負極２ｇ）以下にして容量を
低くしなければならなかった。本実施形態の集電体を用
いると、過充電時の安全性が向上するので、重量バラン
スを高くでき、高容量でかつ安全なリチウム電池を提供
することが可能となる。

【００１４】なお、図２は本実施形態の電極構成の他の
例を示すものであるが、上記の集電体２において、金属
層が金属箔５であってもよい。この場合、樹脂フィルム
３の表裏両面に金属箔５を接着剤層６によって貼り合わ
せる。また、無電解めっきで樹脂フィルムに金属を付け
て金属層を形成してもよい。これら金属箔５および無電
解めっきによる金属層を用いた場合でも、上記の蒸着金
属層からなる金属層４と同等の作用効果が得られる。

【００１５】次に、本実施形態を、以下に示す実施例に
基づいて、さらに説明する。（実施例１）本実施例１は、正極を図１に示す構成と
し、負極を従来構成とし、これら正・負極を用いて、図
３に示す角形電池を作製したものである。図３におい
て、（ａ）は正極１０および負極２０がセパレータ３０
を介して積層配置された構成を示す図、（ｂ）は積層配
置された正・負極１０、２０により形成された電池セル
４０の外観図、（ｃ）は電池のケース５０の外観図であ
る。

【００１６】正極１０は、次のように作製した。樹脂フ
ィルム３としてはポリプロピリレンフィルム（厚さ：２
０μｍ）を用いた。金属層４は、樹脂フィルム３の両面
にアルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着（真空度：０．８×
１０^-4Ｐａ、フィルム温度：１２０℃、処理時間：２
分）して、厚み０．５μｍのＡｌ層を形成した。正極活
物質としてＬｉＣｏＯ₂９４重量部、導電材としてカー
ボン（ＫＳ−６）４重量部、結着剤としてポリフッ化ビ
ニリデン２重量部を混合、Ｎ−メチルピロリドンに分
散させ、ペースト化したものを、集電体２の金属層４に
塗布、乾燥した後、ロールプレス成型して厚み１７５μ
ｍ、密度３．５ｇ／ｃｍ³の活物質層１とした。こうし
て正極１０が完成する。

【００１７】一方、負極２０は、活物質としてグラファ
イト（ＭＣＭＢ）９５重量部、結着剤としてポリフッ化
ビニリデン５重量部をＮ−メチルピロリドンと混合した
ペーストを集電体７であるＣｕ箔に塗布し、乾燥後ロー
ルプレス成型して、厚み１７０μｍ、密度１．５ｇ／ｃ
ｍ³の活物質層８とした。以上の正・負極１０、２０を
用いて、０８３４４８サイズ（厚さ８ｍｍ、幅３４ｍ
ｍ、高さ４８ｍｍ）の角型電池を作成した。正・負極１
０、２０を所定の大きさに打ち抜き加工し、これら正・
負極１０、２０間にセパレータ（多孔質ポリエチレン
等）３０を介して積層（例えば正極１７枚、負極１８
枚）し、電池セル４０を作成する。

【００１８】続いて、電池セル４０を図３（ｃ）に示す
ケース（厚さ８ｍｍ、幅３４ｍｍ、高さ４８ｍｍ）５０
に収納固定し、混合電解液（エチレンカーボネート（Ｅ
Ｃ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）／ジエチルカー
ボネート（ＤＥＣ）＋ＬｉＰＦ₆）を注入し、密封して
角型電池を作成する。この角形電池の初期の放電容量は
１２５０ｍＡｈ／セルで、４．２Ｖ、２Ａの電流値で過
充電試験を実施したところ、発火、安全弁の開弁等の問
題は発生しなかった。

【００１９】（実施例２）本実施例２は、正極１０を上
述の図２に示す如く集電体２において金属層を金属箔５
とした構成とし、負極を従来構成としたものである。正
極１０は、次のように作製した。樹脂フィルム３にポリ
プロピレンフィルム（厚さ１５μｍ）を用い、その両面
に金属箔５としてアルミニウム箔（厚さ３μｍ）を、接
着剤層６を介してラミネート加工し、集電体２を形成し
た。

【００２０】その後、実施例１と同様に、正極集電体２
に活物質を塗布、乾燥、ロールプレス成型して活物質層
１を形成し、正極１０を完成させた。また、負極２０の
形成、角型電池作成は実施例１と同様に行った。初期の
放電容量は１２１０ｍＡｈ／セルで、４．２Ｖ、２Ａの
電流値で過充電試験を実施したところ発火、安全弁の開
弁等の問題は発生しなかった。

【００２１】（実施例３）本実施例３は、上記実施形態
例１、２とは逆に、負極を図１に示す構成とし、正極を
従来構成としたものである。負極集電体として、ポリエ
チレンフィルム（厚み２０μｍ）の両面に銅の無電解め
っきを施し、フィルムの両面に１．５μｍの銅めっき層
を形成した。そして、負極活物質を実施例１と同様に塗
布、乾燥、ロールプレス等行い、所定の負極電極を作成
した。

【００２２】正極については、通常のアルミ箔集電体を
用いた。活物質の塗布、乾燥、ロールプレス成型につい
ては、実施例１と同様に行い活物質層１を形成し、正極
電極を作成、角型電池を作成した。初期の放電容量は１
２１０ｍＡｈ／セルで、４．２Ｖ、２Ａの電流値で過充
電試験を実施したところ、安全弁は開弁したものの発火
には致らなかった。

【００２３】（比較例１）正極集電体にはアルミ箔（厚
さ１８μｍ）、負極集電体に銅箔（厚さ１８μｍ）を用
い、実施例１と同じ方法で正極、負極作成後、角型電池
を作成した。初期の放電容量は１２８０ｍＡｈ／セル
で、４．２Ｖ、電流値を０．７Ａに絞って過充電試験を
実施したところ、安全弁が開放、発火するに致った。

【００２４】なお、上記実施例１〜３では、正極もしく
は負極のどちらか一方の電極を、図１および図２に示す
本実施形態の構成としているが、両極を本実施形態の構
成としてもよい。また、集電体の片面にのみ活物質層が
ある構成の場合には、活物質層がある側の面にのみ、蒸
着金属あるいは金属箔接着あるいは無電解めっきにより
金属層を設けたものとしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る電極構成を示す断面図
である。

【図２】上記実施形態の電極構成の他の例を示す断面図
である。

【図３】本発明の実施例１における角形電池の構成図で
あり、（ａ）は電極の積層構成を示し、（ｂ）は電池セ
ルを示し、（ｃ）は電池ケースの外観を示すものであ
る。

【符号の説明】

１…活物質層、２…集電体、３…樹脂フィルム、４…金
属層、５…金属箔、６…接着剤層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活物質を結着材を介して集電体に付着さ
せてなる正極および負極を備えるリチウムイオン二次電
池において、前記正極および前記負極のうち少なくとも一方の前記集
電体が、電池の異常発熱時に溶融する樹脂からなる低融
点層と、該低融点層と前記活物質との間に介在し前記活
物質と電荷のやり取りを行う金属層と、を備えているこ
とを特徴とするリチウムイオン二次電池。
【請求項２】前記金属層は、前記正極の集電体におい
てはアルミニウムであり、前記負極の集電体においては
銅であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイ
オン二次電池。
【請求項３】前記金属層の厚みは０．５μｍ〜３μｍ
であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチ
ウムイオン二次電池。
【請求項４】前記低融点層の融点が１３０℃〜１７０
℃であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
１つに記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項５】前記低融点層の材質は、ポリオレフィン
樹脂であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
か１つに記載のリチウムイオン二次電池。