WO2013031195A1 - 薄型電池用電極群、薄型電池、及び電子機器 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a thin battery electrode group, a thin battery having a thin battery electrode group, and an electronic device incorporating the thin battery.
  • a biological information measuring apparatus has been developed that acquires biological information such as body temperature, blood pressure, and pulse and automatically transmits the biological information to a hospital or the like.
  • a bio-applied device has been developed that supplies a drug or the like into the body through the living skin by applying a potential to the living skin.
  • the thin battery includes an electrode group 101 and an exterior body 102.
  • the electrode group 101 is configured by laminating a plate-like positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween, and a positive electrode lead 103 and a negative electrode lead 104 are electrically connected to the positive electrode and the negative electrode, respectively. It is connected.
  • the exterior body 102 is composed of a laminate film, and covers the positive electrode and the negative electrode, while exposing the end portion of the positive electrode lead and the end portion of the negative electrode lead to the outside of the exterior body. These end portions are used as a positive electrode terminal and a negative electrode terminal.
  • the electrode group thinner in order to make the thin battery flexible and make it thinner.
  • the conventional thin battery cannot realize the flexibility required for a battery for a device that operates in contact with a living body even if the outer package is made of a laminate film. This is because the flexibility of the electrode group is poor.
  • the electrode group can be made thinner, and thereby the flexibility of the electrode group can be improved.
  • simply reducing the thickness of the active material layer in the conventional electrode group makes it difficult to produce a high-capacity thin battery.
  • an object of the present invention is to provide a thin battery electrode group having high capacity and high flexibility, a thin battery equipped with such an electrode group, and an electronic device incorporating the thin battery. .
  • the electrode group for thin batteries according to the present invention includes a sheet-like first electrode, a sheet-like second electrode laminated on both surfaces of the first electrode, and the first electrode and the second electrode. And an electrolyte layer interposed therebetween.
  • the second electrode is different in polarity from the first electrode. Further, the flexural modulus of the second electrode is lower than the flexural modulus of the first electrode.
  • a thin battery according to the present invention includes the above electrode group and a bag-shaped exterior body that houses the electrode group. And the sum total of the thickness of an electrode group and the thickness of an exterior body is 1.0 mm or less.
  • An electronic device includes a flexible electronic device main body and the thin battery.
  • the thin battery is built in the electronic device body.
  • the thin battery electrode group and the thin battery according to the present invention high capacity and high flexibility can be realized.
  • the electronic device of the present invention high flexibility is realized in the thin battery, so that the flexibility of the electronic device does not deteriorate.
  • a high capacity is realized in a thin battery, an electronic device can be used for a long time without replacing or charging the battery.
  • the electrode group for thin batteries according to the present invention includes a sheet-like first electrode, a sheet-like second electrode laminated on both surfaces of the first electrode, and the first electrode and the second electrode. And an electrolyte layer interposed therebetween.
  • the second electrode is different in polarity from the first electrode. Further, the flexural modulus of the second electrode is lower than the flexural modulus of the first electrode.
  • the flexural modulus of the second electrode is lower than the flexural modulus of the first electrode. Therefore, the bending elastic modulus of the whole electrode group becomes low, and high flexibility can be obtained in the electrode group. Specifically, when the electrode group is bent, the expansion and contraction are large on the upper surface and the lower surface of the electrode group. On the other hand, the expansion and contraction is small at the central portion in the thickness direction of the electrode group.
  • the first electrode having a high flexural modulus (low flexibility) is arranged in the central portion with small expansion and contraction as in the above electrode group, and the flexural modulus is low in the upper and lower portions with large expansion and contraction (
  • the second electrode which is highly flexible
  • the bending elastic modulus of the entire electrode group is lowered (flexibility is increased).
  • the second electrode is laminated on both surfaces of the first electrode.
  • An electrolyte layer is interposed between the first electrode and the second electrode. Therefore, a high capacity can be obtained in the electrode group.
  • the thickness of the electrode group is 700 ⁇ m or less
  • the bending elastic modulus of the first electrode is 100 MPa or more and 2000 MPa or less
  • the bending elastic modulus of the second electrode is The pressure is preferably 20 MPa or more and 650 MPa or less.
  • the first electrode is a positive electrode and the second electrode is a negative electrode. Because, when the constituent material of the first electrode and the constituent material of the second electrode are selected so that the flexural modulus of the second electrode is lower than the flexural modulus of the first electrode, the first electrode This is because the configuration in which the positive electrode is the positive electrode and the second electrode is the negative electrode has a greater degree of freedom in combining the constituent materials than the configuration in which the first electrode is the negative electrode and the second electrode is the positive electrode. .
  • the first electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on both surfaces of the positive electrode current collector.
  • Each second electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on one surface of the negative electrode current collector.
  • the 2nd electrode is laminated
  • the positive electrode active material layer preferably contains manganese dioxide
  • the negative electrode active material layer preferably contains lithium or a lithium alloy.
  • a thin battery according to the present invention includes the above electrode group and a bag-shaped exterior body that houses the electrode group. And the sum total of the thickness of an electrode group and the thickness of an exterior body is 1.0 mm or less.
  • the exterior body is composed of a highly flexible film having excellent bending resistance. Therefore, high flexibility can be obtained even in a thin battery.
  • the sealing reliability of the thin battery is improved. Therefore, a thin battery can be stored for a long time.
  • An electronic device includes a flexible electronic device main body and the thin battery.
  • the thin battery is built in the electronic device body.
  • the electronic device is preferably a device (a device having flexibility) that operates in a state in which the electronic device is in contact with the living skin.
  • the thin battery has high flexibility as described above. Therefore, the thin battery does not reduce the flexibility of the electronic device. Therefore, a person who uses a device that operates in contact with a living body is less likely to experience discomfort even when the device is brought into close contact with the outer skin.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view conceptually showing the configuration of a thin battery electrode group according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode group 21 includes a first electrode 11, two second electrodes 12 having different polarities from the first electrode 11, and two electrolyte layers 5.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 are both sheet-like.
  • the first electrode 11 includes an electrode current collector 1 and an electrode active material layer 2 formed on both surfaces of the electrode current collector 1 (upper surface and lower surface in FIG. 1).
  • Each second electrode 12 includes an electrode current collector 3 and an electrode active material layer 4 formed on one surface of the electrode current collector 3.
  • the second electrode 12 is laminated on both surfaces of the first electrode 11. Specifically, one second electrode 12 is provided on both sides of the first electrode 11 (upper and lower sides in the paper of FIG. 1) so that the electrode active material layer 4 faces the electrode active material layer 2. It is arranged one by one. One electrolyte layer 5 is interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12.
  • the constituent materials of the first electrode 11 and the second electrode 12 are selected so that the flexural modulus of the second electrode 12 is lower than the flexural modulus of the first electrode 11. Specific contents of the constituent materials will be described later.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are plan views showing the first and second electrodes, respectively.
  • the electrode current collector 1 of the first electrode 11 is provided with a protruding portion 6 extending outward from a part of the side surface thereof.
  • An electrode lead 7 is electrically connected to the protrusion 6.
  • the electrode current collector 3 of the second electrode 12 is provided with a protruding portion 8 extending outward from a part of the side surface thereof.
  • An electrode lead 9 is electrically connected to the protruding portion 8.
  • the protrusions 6 and 8 and the electrode leads 7 and 9 may be rounded as shown in FIGS. 2A and 2B by chamfering them. Thereby, damage to the protrusions 6 and 8 due to catching at the corners can be prevented.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view conceptually showing the structure of a thin battery equipped with the above electrode group.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the thin battery partly broken.
  • the thin battery 22 includes an electrode group 21 and a bag-shaped exterior body 13 that houses the electrode group 21.
  • the electrode leads 7 and 9 are drawn out from the exterior body 13, and a part of them is exposed from the exterior body 13.
  • the exposed portions of the electrode leads 7 and 9 function as electrode terminals of the thin battery 22.
  • the shape of the thin battery 22 may be a flat plate shape or a curved plate shape. Further, the thin battery 22 may constitute a primary battery or a secondary battery.
  • Either one of the first electrode 11 and the second electrode 12 is a positive electrode, and the other is a negative electrode.
  • the electrode current collector 1 is a positive electrode current collector
  • the electrode active material layer 2 is a positive electrode active material layer.
  • the electrode current collector 3 is a negative electrode current collector
  • the electrode active material layer 4 is a negative electrode active material layer.
  • the electrode lead 7 is a positive electrode lead, and the exposed portion of the electrode lead 7 becomes a positive electrode terminal.
  • the electrode lead 9 is a negative electrode lead, and the exposed portion of the electrode lead 9 is a negative electrode terminal.
  • the electrode current collector 1 is a negative electrode current collector
  • the electrode active material layer 2 is a negative electrode active material layer.
  • the electrode current collector 3 is a positive electrode current collector
  • the electrode active material layer 4 is a positive electrode active material layer.
  • the electrode lead 7 is a negative electrode lead, and the exposed portion of the electrode lead 7 is a negative electrode terminal.
  • the electrode lead 9 is a positive electrode lead, and the exposed portion of the electrode lead 9 is a positive electrode terminal.
  • a configuration in which the first electrode 11 is a positive electrode and the second electrode 12 is a negative electrode is preferable to this configuration.
  • the configuration in which the first electrode 11 is a positive electrode and the second electrode 12 is a negative electrode is a combination of constituent materials than the configuration in which the first electrode 11 is a negative electrode and the second electrode 12 is a positive electrode. This is because the degree of freedom increases.
  • the positive electrode current collector is made of a metal material such as a metal film, a metal foil, or a metal fiber non-woven fabric.
  • the metal material include silver, nickel, palladium, gold, platinum, aluminum, and stainless steel.
  • a metal material of a positive electrode electrical power collector these may be used independently and may be used in combination of 2 or more type.
  • the thickness of the positive electrode current collector is, for example, 1 to 30 ⁇ m.
  • the positive electrode active material layer is a mixture layer containing a positive electrode active material and a binder.
  • the positive electrode active material layer may contain a conductive agent as necessary.
  • the positive electrode active material include manganese dioxide, carbon fluorides, sulfides, lithium-containing composite oxides, vanadium oxides and lithium compounds thereof, niobium oxides and lithium compounds thereof, and conjugated systems containing organic conductive substances. Polymers, chevrel phase compounds, and olivine compounds are used. Among these, manganese dioxide, fluorocarbons, sulfides, and lithium-containing composite oxides are preferable, and manganese dioxide is particularly preferable.
  • the thickness of the positive electrode active material layer is, for example, 10 to 200 ⁇ m.
  • the positive electrode active material preferably contains manganese dioxide as a main component.
  • Such a positive electrode active material may contain materials other than manganese dioxide, such as carbon fluorides, vanadium oxides, and olivine compounds. Further, the manganese dioxide itself may contain a trace amount of impurities that are difficult to avoid in the manufacturing process.
  • Examples of the carbon fluorides include fluorinated graphite represented by (CF w ) m (m is an integer of 1 or more, 0 ⁇ w ⁇ 1).
  • Examples of the sulfide include TiS 2 , MoS 2 , and FeS 2 .
  • Examples of the lithium-containing composite oxide include Li xa CoO 2 , Li xa NiO 2 , Li xa MnO 2 , Li xa Co y Ni 1-y O 2 , Li xa Co y M 1-y O z , Li xa Ni 1. -y M y O z, Li xb Mn 2 O 4, Li xb Mn 2-y M y O 4 and the like.
  • M is at least one element selected from the group consisting of Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, and B.
  • xa 0 to 1.2
  • xb 0 to 2.0
  • y 0 to 0.9
  • z 2.0 to 2.3.
  • xa and xb are values before the start of charging / discharging, and increase / decrease by charging / discharging.
  • Examples of the conductive agent include graphites such as natural graphite and artificial graphite; carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; conductive properties such as carbon fiber and metal fiber. Fibers; metal powders such as aluminum powder; conductive whiskers such as zinc oxide whiskers and potassium titanate whiskers; conductive metal oxides such as titanium oxide; or organic conductive materials such as phenylene derivatives are used.
  • these may be used independently and may be used in combination of 2 or more type.
  • the content of the conductive agent in the positive electrode active material layer is 1.0 to 30 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material. It is preferable that
  • binder examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, and polyacrylic acid.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • aramid resin polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile
  • polyacrylic acid polymethyl acrylate
  • polyethyl methacrylate polyhexyl methacrylate
  • polyvinyl acetate polyvinylpyrrolidone
  • polyether polyethersulfone
  • hexafluoropolypropylene styrene butadiene rubber
  • carboxy Methylcellulose is used.
  • these may be used independently and may be used in combination of 2 or more type.
  • the content of the binder in the positive electrode active material layer is 1.0 to 15 per 100 parts by mass of the positive electrode active material. It is preferable that it is a mass part.
  • a polymer electrolyte may be used as the binder.
  • the polymer electrolyte smoothly diffuses lithium ions in the positive electrode active material layer.
  • a polymer electrolyte may be used alone, or a polymer electrolyte and another binder may be used in combination.
  • an electrolytic metal foil obtained by an electrolysis method may be used, or a rolled metal foil obtained by a rolling method may be used.
  • the electrolysis method has an advantage that it is excellent in mass productivity of the negative electrode current collector, and thus the manufacturing cost of the negative electrode current collector can be reduced.
  • the rolling method has an advantage that the negative electrode current collector can be easily thinned, and thus the negative electrode current collector can be reduced in weight.
  • the crystals are oriented along the rolling direction, and thus the bending resistance is excellent. For this reason, the rolled metal foil is suitable for use in a thin flexible battery.
  • the constituent material of the negative electrode current collector for example, copper, copper alloy, nickel, stainless steel and the like are used.
  • the thickness of the negative electrode current collector is, for example, 1 to 50 ⁇ m.
  • lithium negative electrode active material it is particularly preferable to use lithium or a lithium alloy (hereinafter referred to as “lithium negative electrode”) which is a high capacity active material.
  • the lithium alloy for example, a Li—Si alloy, a Li—Sn alloy, a Li—Al alloy, a Li—Ga alloy, a Li—Mg alloy, or a Li—In alloy is used. From the viewpoint of improving the negative electrode capacity, the proportion of elements other than Li in the lithium alloy is preferably 0.1 to 10% by mass.
  • the thickness of the negative electrode active material layer is, for example, 5 to 100 ⁇ m.
  • a thin battery 22 having a high energy density can be obtained by using a lithium-based negative electrode, various natural and artificial graphite, silicide, silicon oxide, various alloy materials, and the like.
  • a lithium-based negative electrode is particularly preferable as a negative electrode active material in that a thin battery 22 having a high capacity and a high energy density can be realized.
  • the negative electrode active material layer is attached to the negative electrode current collector by a method such as pressure bonding, vapor deposition, or coating. Thereafter, the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer are adhered to each other by performing a method such as rolling on the negative electrode current collector.
  • a non-aqueous electrolyte capable of obtaining a wide potential window.
  • electrolytes include dry polymer electrolytes in which an electrolyte salt is contained in a polymer matrix, gel polymer electrolytes in which a polymer matrix is impregnated with a solvent and an electrolyte salt, inorganic solid electrolytes, and liquid electrolytes in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent Etc.
  • the dry polymer electrolyte is composed of an electrolyte salt and a polymer compound that dissolves the electrolyte salt.
  • ether polymers such as polyethylene oxide and the crosslinked product, polymethacrylates, polyacrylates, etc. may be used alone, or these may be copolymerized or mixed.
  • polymers matrix of the gel polymer electrolyte various polymers can be used as long as they are gelled by absorbing the liquid electrolyte.
  • silicon gel, acrylic gel, acrylonitrile gel, polyphosphazene modified polymer, polyethylene oxide, polypropylene oxide, fluorine-based polymer, and composite polymers, cross-linked polymers, modified polymers, and the like can be used as the matrix polymer.
  • the fluorine-based polymer for example, a polymer material such as polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, or vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, And mixtures thereof. From the viewpoint of improving redox stability, it is preferable to use a fluorine-based polymer as the polymer matrix. Moreover, ion conductivity is provided to the gel polymer electrolyte by containing an electrolyte salt in the gel polymer electrolyte.
  • a dry polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte is used as a constituent material of the electrolyte layer 5, it is possible to prevent the electrolyte from leaking out of the exterior body 13 even when the exterior body 13 of the thin battery 22 is damaged. Further, when a dry polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte is used as a constituent material of the electrolyte layer 5, when the thin battery 22 is bent, the electrolyte layer 5 is bent so that the electrolyte layer 5 bends accordingly.
  • the adhesion of the electrode group 21 can be further improved. Therefore, even when the thin battery 22 is bent repeatedly, the battery performance hardly varies or deteriorates. Therefore, a dry polymer electrolyte and a gel polymer electrolyte are preferable as a constituent material of the electrolyte layer 5.
  • additives may be added to the dry polymer electrolyte and the gel polymer electrolyte as long as the properties necessary as a constituent material of the electrolyte layer 5 are not impaired.
  • additives include various inorganic fillers for improving strength, film quality uniformity, ion conductivity, and the like.
  • the inorganic filler for example, fine particles such as alumina and silica can be used.
  • An inorganic solid electrolyte can also be used as the constituent material of the electrolyte layer 5.
  • the inorganic solid electrolyte include lithium halides such as lithium iodide and derivatives thereof, lithium nitride, oxyacid salt materials, sulfide materials, and the like.
  • the electrolyte layer 5 is configured by supporting an electrolyte such as a dry polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte on a support.
  • an electrolyte such as a dry polymer electrolyte or a gel polymer electrolyte on a support.
  • porous sheets can be used as the support.
  • the porous sheet include non-woven fabrics such as polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, cellulose or polyphenylene sulfide, or microporous films of polypropylene or polyethylene, which are used as separators.
  • the electrical short circuit between the 1st electrode 11 and the 2nd electrode 12 is prevented by using a separator as a support body.
  • the separator include a porous sheet having predetermined ion permeability, mechanical strength, and insulating properties.
  • the electrolyte layer 5 may be configured by allowing a separator to contain a liquid electrolyte.
  • the liquid electrolyte is prepared by appropriately combining a nonaqueous solvent and an electrolyte salt. Any material can be used for the non-aqueous solvent as long as it is a material generally used for non-aqueous electrolyte batteries.
  • the exterior body 13 is preferably composed of a highly flexible film having excellent bending resistance. Moreover, as such a film, the thing in which the resin layer was formed in the both sides or one side of a barrier layer is preferable. From the viewpoint of improving strength and bending resistance, aluminum, nickel, stainless steel, and inorganic compounds are preferably used as the barrier layer, and the thickness of the barrier layer is preferably 50 nm to 50 ⁇ m. The thickness of the resin layer is preferably 5 to 500 ⁇ m.
  • a resin layer (seal layer) on the inner surface of the exterior body 13 and thereby reinforce the exterior body 13.
  • a resin layer for example, polyolefin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyamide, polyurethane, or polyethylene-vinyl acetate copolymer material is used.
  • a resin layer (protective layer) on the outer surface of the exterior body 13 and thereby protect the exterior body 13.
  • a resin layer for example, polyamide (PA) such as 6,6-nylon, PET, or polyolefin such as PE or PP is used.
  • a modified PP / PET / Al layer / PET laminate film a modified PE / PA / Al layer / PET laminate film, an ionomer resin / Ni layer / PE / PET laminate film, ethylene Vinyl acetate / PE / Al layer / PET laminate film, ionomer resin / PET / Al layer / PET laminate film, PE / modified PE / Al layer / modified PE / PE laminate film, PP / modified PP / Al layer / A laminated film of modified PP / PP is mentioned.
  • an inorganic compound layer such as an Al 2 O 3 layer or an SiO 2 layer may be used.
  • the electrode group 21 and the thin battery 22 according to this embodiment can be manufactured as follows, for example.
  • a first electrode 11 and two second electrodes 12 are prepared (see FIGS. 2A and 2B). Then, the electrode leads 7 and 9 are electrically connected to the protrusions 6 and 8, respectively. Thereafter, one second electrode 12 is arranged on each side of the first electrode 11 so that the electrode active material layer 4 faces the electrode active material layer 2. And the 1st electrode 11 and the 2nd electrode 12 are piled up in the state where the electrolyte layer 5 was interposed 1 each between them. In this way, the electrode group 21 shown in FIG. 1 is produced.
  • the protrusions 8 may be electrically connected to each other by welding or rivet bonding, and the electrode lead 9 may be electrically connected to only one of the protrusions 8.
  • a cylindrical film to be the exterior body 13 is prepared.
  • the electrode group 21 is arrange
  • the electrode group 21 is sealed in the cylindrical film by fusing the peripheral part of the cylindrical film in an atmosphere adjusted to a predetermined gas composition and pressure. In this way, the thin battery shown in FIG. 4 is produced.
  • the exposed portions of the electrode leads 7 and 9 constitute an electrode terminal of the thin battery 22.
  • the bending elastic modulus of the second electrode 12 is lower than the bending elastic modulus of the first electrode 11. Therefore, the bending elastic modulus of the entire electrode group 21 is reduced, and high flexibility can be obtained in the electrode group 21.
  • the electrode group 21 is curved so that the upper surface thereof is convex, the upper surface is pulled and extended, while the lower surface is compressed and contracted. That is, expansion and contraction are large on the upper and lower surfaces of the electrode group 21.
  • the expansion and contraction are small in the central portion of the electrode group 21 in the thickness direction.
  • the first electrode 11 having a high flexural modulus (low flexibility) is disposed in the central portion with small expansion and contraction, and the upper electrode and the lower portion with large expansion and contraction are bent.
  • the second electrode 12 having a low elastic modulus (high flexibility) the bending elastic modulus of the entire electrode group 21 becomes low (flexibility becomes high).
  • one second electrode 12 is arranged on each side of the first electrode 11.
  • one electrolyte layer 5 is interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12. Therefore, a high capacity can be obtained in the electrode group 21.
  • the exterior body 13 is composed of a highly flexible film having excellent bending resistance. Therefore, high flexibility can be obtained even in the thin battery 22.
  • the thin battery 22 according to this embodiment is built in an electronic device (flexible electronic device) that requires high flexibility with respect to the battery, such as a device that operates in contact with a living body. I can do it. That is, the thin battery 22 does not reduce the flexibility of the electronic device. Therefore, when the thin battery 22 is built in a device that operates in contact with a living body, a person using the device hardly feels a decrease in flexibility of the device, and thus is less likely to receive discomfort.
  • the sealing reliability of the thin battery 22 is improved by using a highly flexible film having excellent bending resistance for the exterior body 13. Therefore, the thin battery 22 can be stored for a long time.
  • the thin battery 22 includes the electrode group 21, a high capacity can be obtained even in the thin battery 22. Therefore, by incorporating the thin battery 22 in the electronic device, the electronic device can be used for a long period of time without replacing or charging the battery.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • acetylene black as a conductive agent
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • a positive electrode mixture was applied to both surfaces of an aluminum foil (thickness 20 ⁇ m) as a positive electrode current collector, and this was dried at 85 ° C. for 10 minutes to form a positive electrode active material layer on both surfaces of the aluminum foil. . Thereafter, the aluminum foil was compressed with a roll press at a linear pressure of 12000 N / cm. The thickness of each positive electrode active material layer was 90 ⁇ m.
  • the aluminum foil is punched out together with the positive electrode active material layer so as to have a shape of a region of 50 mm ⁇ 50 mm and a region of width 12 mm ⁇ length 5 mm protruding from this region (region to be the protruding portion 6), Then, it dried under reduced pressure at 120 degreeC for 2 hours.
  • the 1st electrode 11 was produced as a positive electrode.
  • an aluminum positive electrode lead (electrode lead 7) having a width of 5 mm and a length of 20 mm was electrically connected to the protruding portion 6 by ultrasonic welding.
  • Electrode lead 9 a copper negative electrode lead having a width of 3 mm and a length of 20 mm was electrically connected to one of the protrusions 8 by ultrasonic welding.
  • PC propylene carbonate
  • DME dimethoxyethane
  • a liquid electrolyte was prepared by dissolving lithium perchlorate (LiClO 4 ) as an electrolyte salt in this non-aqueous solvent so as to have a concentration of 1 mol / kg.
  • a copolymer of hexafluoropropylene and vinylidene fluoride (hexafluoropropylene content: 7%) was prepared as a polymer matrix.
  • the obtained polymer matrix solution was uniformly applied to both surfaces of the separator made of porous polyethylene and the surface of the positive electrode active material layer, and then the solvent was volatilized. Thereby, the polymer matrix was applied to the separator and the positive electrode active material layer.
  • the second electrode 12 was laminated on both surfaces of the first electrode 11. Specifically, one second electrode 12 is disposed on each side of the first electrode 11 so that the negative electrode active material layer faces the positive electrode active material layer. At this time, a separator (thickness: 35 ⁇ m) coated with a polymer matrix was interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12 one by one. Thereafter, this laminated body was hot-pressed at 90 ° C. and 0.5 MPa for 1 minute to produce an electrode group 21 (electrode group No. 1) having a thickness of 350 ⁇ m.
  • a cylindrical film (thickness: 70 ⁇ m) provided with an aluminum foil as a barrier layer, a polyethylene layer as a seal layer, and a polyethylene layer as a protective layer was prepared.
  • a liquid electrolyte was prepared by dissolving lithium perchlorate (LiClO 4 ) as an electrolyte salt in this non-aqueous solvent so as to have a concentration of 1 mol / kg.
  • the electrode group 21 was arrange
  • a copper foil (thickness 20 ⁇ m) as a negative electrode current collector was placed in a 50 mm ⁇ 50 mm region and a 12 mm wide ⁇ 5 mm long region protruding from this region. It was punched out so as to have a shape consisting of (region to become the protruding portion 6).
  • a lithium metal foil (50 mm ⁇ 50 mm, thickness 20 ⁇ m) as a negative electrode active material was pressure-bonded to both surfaces (surface roughness 2.6 ⁇ m) of the copper foil with a linear pressure of 100 N / cm.
  • the 1st electrode 11 was produced as a negative electrode.
  • a copper negative electrode lead (electrode lead 7) having a width of 3 mm and a length of 20 mm was electrically connected to the protruding portion 6 by ultrasonic welding.
  • step (2) two aluminum foils (thickness 20 ⁇ m) as a positive electrode current collector were prepared. Then, the same positive electrode mixture as that described in Example 1 was applied to one surface of each aluminum foil. Then, the positive electrode active material layer was formed in each aluminum foil by drying these positive electrode mixtures at 85 degreeC for 10 minute (s). Next, each aluminum foil was compressed at a linear pressure of 12000 N / cm with a roll press. The thickness of the positive electrode active material layer of each aluminum foil was 90 ⁇ m.
  • each aluminum foil is punched out together with the positive electrode active material layer so as to have a shape of a region of 50 mm ⁇ 50 mm and a region of 12 mm wide and 5 mm long protruding from this region (region to become the protruding portion 8). It was. At this time, these aluminum foils were punched out so that the shapes of the two aluminum foils when viewed from the positive electrode active material layer side were opposite to each other. Thereafter, these were dried under reduced pressure at 120 ° C. for 2 hours. In this way, two second electrodes 12 were produced as positive electrodes.
  • Electrode lead 9 made of aluminum having a width of 3 mm and a length of 20 mm was electrically connected to one of the protrusions 8 by ultrasonic welding.
  • steps (3) to (5) were carried out in the same manner as in the first example, thereby producing an electrode group (electrode group No. 101) and a thin battery (battery No. 111) according to the first comparative example. .
  • Second Comparative Example in the second comparative example, in the step (1), the same positive electrode mixture as that described in Example 1 was applied to one side of an aluminum foil (thickness 20 ⁇ m) that is a positive electrode current collector. . Then, the positive electrode active material layer was formed in the single side
  • the aluminum foil is punched out together with the positive electrode active material layer so as to have a shape of a region of 50 mm ⁇ 50 mm and a region of width 12 mm ⁇ length 5 mm protruding from this region (region to be the protruding portion 6), Then, it dried under reduced pressure at 120 degreeC for 2 hours.
  • the 1st electrode 11 was produced as a positive electrode.
  • a positive electrode lead (electrode lead 7) made of aluminum having a width of 3 mm and a length of 20 mm was electrically connected to the protruding portion 6 by ultrasonic welding.
  • the copper foil (thickness 20 ⁇ m) as the negative electrode current collector was placed in a 50 mm ⁇ 50 mm region and a 12 mm wide ⁇ 5 mm long region protruding from this region (region to become the protruding portion 8). Punched out in a shape consisting of Thereafter, a lithium metal foil (50 mm ⁇ 50 mm, thickness 20 ⁇ m) as a negative electrode active material was pressure-bonded to one side (surface roughness 2.6 ⁇ m) of the copper foil at a linear pressure of 100 N / cm. Thus, the 2nd electrode 12 was produced as a negative electrode. Then, a copper negative electrode lead (electrode lead 9) having a width of 3 mm and a length of 20 mm was electrically connected to the protruding portion 8 by ultrasonic welding.
  • step (3) was performed in the same manner as in the first example.
  • step (4) the second electrode 12 was laminated on one side of the first electrode 11. Specifically, the second electrode 12 was disposed on one side of the first electrode 11 such that the negative electrode active material layer was opposed to the positive electrode active material layer. At this time, a separator (thickness 35 ⁇ m) coated with a polymer matrix was interposed between the first electrode 11 and the second electrode 12. Then, this laminated body was hot-pressed at 90 degreeC and 0.5 MPa for 1 minute, and the electrode group (electrode group No. 102) which concerns on a 2nd comparative example was produced. The thickness of the electrode group 21 was 350 ⁇ m. Furthermore, the thin battery (battery No. 112) which concerns on a 2nd comparative example was produced by performing process (5) similarly to 1st Example.
  • Flexibility evaluation (3-point bending test) First and second electrodes, electrode groups (electrode groups No. 1, No. 101, and No. 102), and thin batteries (batteries) according to the first example, the first comparative example, and the second comparative example No. 11, No. 111, and No. 112) were subjected to a three-point bending test using a Tensilon universal testing machine (RTC-1150A manufactured by Orientec Co., Ltd.), thereby measuring the flexural modulus. The flexural modulus was measured according to the measurement method of JIS K7171. And the softness
  • 5 (a) and 5 (b) are a front view and a top view for explaining the method of the three-point bending test, respectively.
  • the thin battery 22 will be described as a test target.
  • the thin battery 22 is placed on the pair of support bases 33.
  • Each support base 33 is provided with a fulcrum 32 for supporting the thin battery 22.
  • a load is applied to the thin battery 22 at an intermediate position between the two fulcrums 32.
  • the distance between the fulcrums 32 is 30 mm
  • the curvature radius of the tip surface of the indenter 31 is 5 mm
  • the curvature radius of the curved surface constituting the fulcrum 32 is 2 mm
  • the load application speed is 100 mm. / Min.
  • the thin batteries (batteries No. 11, No. 111, and No. 112) according to the first example, the first comparative example, and the second comparative example were subjected to a discharge test, whereby each thin battery The discharge capacity of was determined.
  • the environmental temperature was 25 ° C.
  • the discharge current density was 250 ⁇ A / cm 2 (current value per unit area of the positive electrode)
  • the final discharge voltage was 1.8V.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a bending test method for evaluating bending resistance reliability.
  • the thin battery 22 will be described as an evaluation target.
  • tool 41 whose curvature radius of a front end surface is 20 mm is pressed from the 2nd electrode side with respect to the thin battery 22, and, thereby, the thin battery 22 is elastically deformed along the front end surface of the jig
  • the jig 41 is pulled away from the thin battery 22 and the elastic deformation of the thin battery 22 is recovered.
  • the elastic deformation and recovery were repeated 10,000 times for the thin batteries according to the first example, the first comparative example, and the second comparative example (the time per one time was about 30 seconds).
  • the thin battery after the bending test was subjected to a discharge test under the same conditions as described in “5. Evaluation of Discharge Performance”, thereby obtaining the discharge capacity of each thin battery.
  • the capacity retention rate (%) after the bending test was obtained by a calculation formula of (discharge capacity after bending test / discharge capacity before bending test) ⁇ 100.
  • Evaluation results of first example, first comparative example, and second comparative example 1, no. 101, and no. Table 1 shows the evaluation results of the flexibility for 102.
  • Battery No. 11, no. 111, and no. Table 2 shows evaluation results of flexibility, discharge performance, and bending resistance reliability for 112.
  • the electrode group No. 1 and electrode group no. In 102 the flexural modulus of the second electrode 12 was lower than the flexural modulus of the first electrode 11.
  • electrode group No. In 101 the flexural modulus of the second electrode 12 was higher than the flexural modulus of the first electrode 11.
  • electrode group No. 1, no. 101, and no. When the flexural modulus of No. 102 is compared, the electrode group No. 1 and no.
  • the bending elastic modulus of the electrode group No. It can be seen that the flexural modulus is lower than 101. Thereby, it turned out that the bending elastic modulus of an electrode group becomes low by making the bending elastic modulus of the 2nd electrode 12 lower than the bending elastic modulus of the 1st electrode 11.
  • electrode group No. 1 and no When the flexural modulus of No. 102 is compared, the electrode group No. 1 has a flexural modulus of no. It can be seen that it is significantly lower than the flexural modulus of 102. Thereby, it turned out that the bending elastic modulus of an electrode group becomes low remarkably by laminating
  • the above evaluation results indicate the following. That is, as described above, when the electrode group is bent, the expansion and contraction are large on the upper surface and the lower surface of the electrode group. On the other hand, the expansion and contraction is small in the central portion in the thickness direction of the electrode group (see FIG. 10). Therefore, the first electrode 11 having a high flexural modulus (low flexibility) is arranged in the central portion with small expansion and contraction, and the flexural modulus is low (high flexibility) in the upper and lower portions with large expansion and contraction. By disposing the second electrode 12, the bending elastic modulus of the entire electrode group is lowered (flexibility is increased).
  • battery No. 11 has the flexibility of battery no. 111 and no. It can be seen that it is significantly higher than the flexibility of 112.
  • This is the battery No. 11 is electrode group no. 1 and electrode group No. 1 is provided.
  • 1 is the other electrode group No. 101 and no. This is because it is significantly higher than the flexibility of 102.
  • Battery No. 1 was realized with high flexibility. 1 can relieve the stress that occurs when it is bent. It is considered that the bending resistance reliability of No. 1 was increased.
  • Second Example the electrode group 21 and the thin battery 22 were fabricated using the same method as in the first example. However, in the second example, the thickness of the positive electrode active material layer and the thickness of the negative electrode active material layer were changed from those of the first example. Specifically, four types of electrode groups 21 (electrode groups No. 2 to No. 5) having different thicknesses and thin batteries 22 (batteries No. 12 to No. 15) provided with them were produced. . And about the softness
  • the battery No. 11-No. 14 shows that it is excellent in flexibility.
  • Battery No. 1-No. 4 was realized with high flexibility.
  • 1-No. 4 can relieve the stress caused when they are bent, and as a result, the battery No. 4 1-No. 4 is considered to have improved bending resistance reliability.
  • the electrode group No. 2 the flexural modulus of the first electrode 11 is less than 100 MPa, and the flexural modulus of the second electrode 12 is less than 20 MPa. From the results shown in Table 4, such an electrode group No. Battery no. 12, it was found that the electrode capacity decreased. Therefore, in the electrode group 21, it turned out that the bending elastic modulus of the 1st electrode 11 is 100 Mpa or more, and it is preferable that the bending elastic modulus of the 2nd electrode 12 is 20 Mpa or more.
  • 3rd Example the electrode group 21 (electrode group No. 6) and the thin battery 22 (battery No. 16) were produced using the same method as 1st Example. However, in the third example, a Li-3 mass% Al alloy was used as the negative electrode active material. And about the softness
  • an electrode group 21 (electrode group No. 7) and a thin battery 22 (battery No. 17) were produced using the same method as in the first example.
  • graphite having a volume average particle diameter of 20 ⁇ m is used as the negative electrode active material
  • LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 (hereinafter referred to as LNCA) having a volume average particle diameter of 10 ⁇ m as the positive electrode active material. ) was used.
  • LNCA LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2
  • the second electrode 12 (negative electrode) was produced as follows. That is, water was used as a dispersion medium, and a slurry containing a negative electrode active material, styrene butadiene rubber, and carboxymethyl cellulose in a mass ratio of 98: 1: 1 was prepared. Next, after apply
  • the electrode group No. 6 and no. 7 is an electrode group No. Similar to 1, it was found to have high flexibility.
  • Battery No. 16 and no. 17 is a battery no. 11 was found to have high flexibility, high discharge performance, and high bending reliability. Also, it was found that the same result as that of the primary battery can be obtained with the secondary battery.
  • Example of Electronic Device an example of an electronic device in which the thin battery 22 described above is incorporated will be described. Specifically, such an electronic device includes a flexible electronic device main body, and a thin battery 22 is built in the electronic device main body as a driving power source.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a biological information measuring device as an example of an electronic device.
  • the biological information measuring device is a device that acquires biological information such as blood pressure, body temperature, and pulse and wirelessly transmits the biological information to a hospital or the like.
  • the biological information measuring device is a portable device, and is a device that operates while being in contact with the biological skin.
  • the biological information measuring device 51 includes a temperature sensor 52, a pressure-sensitive sensor 53, an information transmission element 54, a GPS sensor 55, and a control element 56 including a predetermined control circuit.
  • the temperature sensor 52 measures body temperature
  • the pressure-sensitive sensor 53 measures blood pressure.
  • the GPS sensor 55 acquires information related to the position of the biological information measuring device 51 (position information).
  • the control element 56 includes a circuit that controls the acquisition time and transmission time of the biological information, and the time at which power is supplied to the biological information measuring device 51.
  • the information transmitting element 54 wirelessly transmits biological information to a processing device such as a computer device having a receiver.
  • the thin battery 22 has high flexibility. Therefore, even when the thin battery 22 is incorporated in the biological information measuring device 51, the thin battery 22 does not reduce the flexibility of the biological information measuring device 51. Therefore, a person using the biological information measuring device 51 is not likely to feel uncomfortable even when the biological information measuring device 51 is in close contact with the outer skin for a long time.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an iontophoresis transdermal dosing device as another example of an electronic device.
  • An iontophoretic transdermal drug delivery device is a device that promotes permeation of an ionic drug through a biological membrane by utilizing electrical energy.
  • the iontophoresis transdermal administration device is a portable device, and is a device that operates in a state of being in contact with the outer skin.
  • the iontophoresis transdermal administration device 61 includes an elastic sheet 62, and the thin battery 22 is embedded in the elastic sheet 62 in a curved state. As described above, the thin battery 22 has high flexibility. Therefore, the thin battery 22 can be embedded in the elastic sheet 62 in a curved state as shown in FIG.
  • the iontophoresis transdermal administration device 61 further includes a cathode tank 63 and an anode tank 64.
  • the cathode tank 63 and the anode tank 64 are electrically connected to the electrode lead 9 (negative electrode lead) and the electrode lead 7 (positive electrode lead) of the thin battery 22 via the wiring 65, respectively.
  • the ionic drug supplied to the living body is a positively charged cation
  • the ionic drug is enclosed in the anode tank 64.
  • the anode tank 64 serves as a donor electrode tank
  • the cathode tank 63 serves as a counter electrode tank.
  • the ionic drug supplied to the living body is a negatively charged anion
  • the ionic drug is enclosed in the cathode chamber 63.
  • the cathode tank 63 serves as a donor electrode tank
  • the anode tank 64 serves as a counter electrode tank.
  • the iontophoresis transdermal administration device 61 is attached to a living body 66 when it is used. Then, a voltage is applied between the cathode tank 63 and the anode tank 64 by the thin battery 22. As a result, the ionic drug moves from the donor electrode tank to the skin of the living body 66. On the other hand, endogenous ions having a polarity different from that of the ionic drug are extracted from the skin into the counter electrode tank. That is, an electric circuit is formed in the iontophoresis transdermal administration device 61 and the living body 66, and ion exchange is performed between the iontophoresis transdermal administration device 61 and the living body 66.
  • the thin battery of the present invention can be mounted on various electronic devices that are not limited to biological information measuring devices and iontophoresis transdermal administration devices.
  • the thin battery of the present invention is useful for mounting on flexible electronic devices, specifically for mounting on electronic devices that require high flexibility with respect to the built-in battery.
  • Electrode current collector 1 Electrode current collector 2 Electrode active material layer 3 Electrode current collector 4 Electrode active material layer 5 Electrolyte layer 6 Protruding part 7 Electrode lead 8 Protruding part 9 Electrode lead 11 First electrode 12 Second electrode 13 Exterior body 21 Electrode Group 22 thin battery 31 indenter 32 fulcrum 33 support base 41 jig 42 fixture 51 biological information measuring device 52 temperature sensor 53 pressure sensor 54 information transmitting element 55 GPS sensor 56 control element 61 iontophoresis transdermal administration device 62 elastic sheet 63 Cathode tank 64 Anode tank 65 Wiring 66 Living body 101 Electrode group 102 Exterior body 103 Positive electrode lead 104 Negative electrode lead

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Abstract

 高容量で且つ柔軟性が高い薄型電池用電極群、及びその様な電極群を備えた薄型電池、並びに該薄型電池が内蔵された電子機器を提供する。 薄型電池用電極群は、シート状の第一の電極と、第一の電極の両面に積層されたシート状の第二の電極と、第一の電極と第二の電極との間に介在した電解質層とを備えている。第二の電極は、第一の電極と極性が異なっている。又、第二の電極の曲げ弾性率が、第一の電極の曲げ弾性率より低い。薄型電池は、薄型電池用電極群と、この電極群を収納する袋状の外装体とを備えている。電子機器は、可撓性を有する電子機器本体を備え、この電子機器本体に薄型電池が内蔵されている。

Description

薄型電池用電極群、薄型電池、及び電子機器
 本発明は、薄型電池用電極群、薄型電池用電極群を備えた薄型電池、及び薄型電池が内蔵された電子機器に関する。
 近年、携帯電話機や補聴器等、小型の携帯電子機器が進展している。又、生体に接触した状態で作動する装置が増えている。一例として、体温、血圧、脈拍等の生体情報を取得し、且つその生体情報を病院等に自動的に送信する生体情報測定装置が開発されている。他の例として、生体外皮に電位を与えることにより、生体外皮を通して体内に薬剤等を供給する生体貼付型装置が開発されている。
 この様な背景の下で、上記小型の電子機器に電力を供給する電池について、薄型化及びフレキシブル化が求められている。既に、薄型電池として、ペーパー電池、薄型扁平電池、及びプレート状電池が開発されている。しかし、これらの薄型電池は、外装体の強度が高い一方で、フレキシブル化や更なる薄型化を可能にすることが困難である。
 そこで、薄型電池のフレキシブル化や更なる薄型化を可能にするべく、薄くて柔軟なラミネートフィルムを外装体として使用する技術が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。具体的には、図9に示す様に、薄型電池は電極群101と外装体102とを備えている。電極群101は、平板状の正極及び負極をこれらの間にセパレータを介在させた状態で積層することにより構成されており、正極及び負極にはそれぞれ、正極リード103及び負極リード104が電気的に接続されている。そして、外装体102は、ラミネートフィルムから構成されており、正極及び負極を被覆する一方で、正極リードの端部及び負極リードの端部を外装体の外部へ露出させている。そして、これらの端部が正極端子及び負極端子として用いられている。
 又、薄型電池のフレキシブル化や更なる薄型化を可能にするべく、電極群を薄型化することが考えられている。一例として、正極や負極を構成する活物質層を、気相プロセスを用いて形成することにより、活物質層の厚さを小さくすることが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開平11-345599号公報 特開2008-71732号公報 特開2009―9897号公報
 しかし、従来の薄型電池では、その外装体がラミネートフィルムから構成されたものであったとしても、生体に接触した状態で作動する装置用の電池に必要な柔軟性を実現することが出来ない。なぜなら、電極群の柔軟性が乏しいからである。一方、気相プロセスを用いて活物質層を形成することにより、電極群を薄型化し、これにより電極群の柔軟性を向上させることが出来る。しかし、従来の電極群において活物質層の厚さを単に小さくしたのでは、高容量の薄型電池を作製することが困難になる。
 そこで、本発明の目的は、高容量で且つ柔軟性が高い薄型電池用電極群、及びその様な電極群を備えた薄型電池、並びに該薄型電池が内蔵された電子機器を提供することである。
 本発明に係る薄型電池用電極群は、シート状の第一の電極と、第一の電極の両面に積層されたシート状の第二の電極と、第一の電極と第二の電極との間に介在した電解質層とを備えている。第二の電極は、第一の電極と極性が異なっている。又、第二の電極の曲げ弾性率が、第一の電極の曲げ弾性率より低い。
 本発明に係る薄型電池は、上記電極群と、電極群を収納する袋状の外装体とを備えている。そして、電極群の厚さと外装体の厚さの合計が1.0mm以下である。
 本発明に係る電子機器は、可撓性を有する電子機器本体と、上記薄型電池とを備えている。薄型電池は、電子機器本体に内蔵されている。
 本発明に係る薄型電池用電極群及び薄型電池によれば、高容量且つ高い柔軟性を実現することが出来る。又、本発明に係る電子機器によれば、薄型電池において高い柔軟性が実現されるので、電子機器の可撓性が低下しない。又、薄型電池において高容量が実現されるので、電池の取替えや充電をせずに長期間、電子機器を使用することが出来る。
 本発明の新規な特徴を添付の特許請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明により更によく理解されるであろう。
本発明の一実施形態に係る薄型電池用電極群の構成を概念的に示した断面図である。 該電極群が備える(a)第一の電極及び(b)第二の電極を示した平面図である。 該電極群を備えた薄型電池の構成を概念的に示す断面図である。 該薄型電池を、その一部を破断して示した斜視図である。 3点曲げ試験の方法を説明するための(a)正面図及び(b)上面図である。 耐屈曲信頼性を評価するための屈曲試験の方法を説明するための図である。 上記薄型電池を備えた電子機器の一例として生体情報測定装置を示した斜視図である。 上記薄型電池を備えた電子機器の他の例としてイオントフォレシス経皮投薬装置を示した断面図である。 従来の薄型電池を示した分解斜視図である。 電極群を湾曲させたときの力の掛かり方を説明するための図である。
 先ず、本発明に係る薄型電池用電極群、薄型電池、及び電子機器について説明する。
 本発明に係る薄型電池用電極群は、シート状の第一の電極と、第一の電極の両面に積層されたシート状の第二の電極と、第一の電極と第二の電極との間に介在した電解質層とを備えている。第二の電極は、第一の電極と極性が異なっている。又、第二の電極の曲げ弾性率が、第一の電極の曲げ弾性率より低い。
 上記電極群においては、第二の電極の曲げ弾性率が第一の電極の曲げ弾性率より低い。よって、電極群全体の曲げ弾性率が低くなり、電極群において高い柔軟性を得ることが出来る。具体的には、電極群を湾曲させた場合、電極群の上面及び下面において伸縮が大きい。その一方で、電極群の厚さ方向についての中央部分では、伸縮が小さい。よって、上記電極群の如く、伸縮の小さい中央部分に曲げ弾性率の高い(柔軟性の低い)第一の電極を配置すると共に、伸縮の大きい上側部分と下側部分に曲げ弾性率の低い(柔軟性の高い)第二の電極を配置することにより、電極群全体の曲げ弾性率が低くなる(柔軟性が高くなる)。
 又、上記電極群においては、第一の電極の両面に第二の電極が積層されている。又、第一の電極と第二の電極との間に、電解質層が介在している。従って、上記電極群において、高い容量を得ることが出来る。
 上記電極群においてより高い柔軟性を実現するためには、電極群の厚さを700μm以下とし、第一の電極の曲げ弾性率を100MPa以上2000MPa以下とし、且つ第二の電極の曲げ弾性率を20MPa以上650MPa以下とすることが好ましい。
 又、上記電極群において、第一の電極が正極であり、第二の電極が負極であることが好ましい。なぜなら、第二の電極の曲げ弾性率が第一の電極の曲げ弾性率より低くなる様に、第一の電極の構成材料と第二の電極の構成材料とを選択した場合、第一の電極を正極とし且つ第二の電極を負極とした構成の方が、第一の電極を負極とし且つ第二の電極を正極とした構成よりも、構成材料の組み合わせの自由度が大きくなるからである。
 上記電極群の具体的構成において、第一の電極は、正極集電体と、正極集電体の両面に形成された正極活物質層とを有している。又、各第二の電極は、負極集電体と、負極集電体の片面に形成された負極活物質層とを有している。そして、第二の電極は、負極活物質層が正極活物質層と対向する様に、第一の電極の両面に積層されている。この具体的構成において、正極活物質層には二酸化マンガンが含まれ、且つ負極活物質層にはリチウム又はリチウム合金が含まれていることが好ましい。
 本発明に係る薄型電池は、上記電極群と、電極群を収納する袋状の外装体とを備えている。そして、電極群の厚さと外装体の厚さの合計が1.0mm以下である。具体的には、外装体は、耐屈曲性に優れた柔軟性の高いフィルムにより構成されている。よって、薄型電池においても、高い柔軟性を得ることが出来る。耐屈曲性に優れた柔軟性の高いフィルムを外装体に用いることにより、薄型電池の封止信頼性が向上する。よって、長期間、薄型電池を保存しておくことが可能になる。
 本発明に係る電子機器は、可撓性を有する電子機器本体と、上記薄型電池とを備えている。薄型電池は、電子機器本体に内蔵されている。特に、電子機器は、生体外皮に接触させた状態で作動する装置(可撓性を有する装置)であることが好ましい。ここで、薄型電池は、上述した様に高い柔軟性を有している。従って、薄型電池は、電子機器の可撓性を低下させない。よって、生体に接触した状態で作動する装置を使用する人は、この装置を生体外皮に密着させた場合でも、不快感を受け難い。
 次に、本発明の実施形態について、図面に沿って具体的に説明する。
 図1は、本発明の一実施形態に係る薄型電池用電極群の構成を概念的に示した断面図である。図1に示す様に、電極群21は、第一の電極11と、第一の電極11と極性が異なる2つの第二の電極12と、2つの電解質層5とを備えている。第一の電極11及び第二の電極12は何れもシート状である。第一の電極11は、電極集電体1と、電極集電体1の両面(図1の紙面において上面及び下面)に形成された電極活物質層2とを有している。各第二の電極12は、電極集電体3と、電極集電体3の片面に形成された電極活物質層4とを有している。
 第二の電極12は、第一の電極11の両面に積層されている。具体的には、第二の電極12は、電極活物質層4が電極活物質層2と対向する様に、第一の電極11の両側(図1の紙面において上側及び下側)に1つずつ配置されている。そして、第一の電極11と第二の電極12との間に、電解質層5が1つずつ介在している。
 電極群21において、第二の電極12の曲げ弾性率が第一の電極11の曲げ弾性率より低くなる様に、第一の電極11及び第二の電極12の構成材料が選択されている。構成材料の具体的な内容については、後述する。
 図2(a)及び図2(b)はそれぞれ、第一及び第二の電極を示した平面図である。図2(a)に示す様に、第一の電極11の電極集電体1には、その側面の一部から外方へ延びた突出部6が設けられている。そして、突出部6には、電極リード7が電気的に接続されている。又、図2(b)に示す様に、第二の電極12の電極集電体3には、その側面の一部から外方へ延びた突出部8が設けられている。そして、突出部8には、電極リード9が電気的に接続されている。尚、突出部6及び8、並びに電極リード7及び9は、これらに面取りが施されることにより、図2(a)及び図2(b)に示す様に角が丸められていてもよい。これにより、角での引っ掛かりによる突出部6及び8の損傷を防止することが出来る。
 図3は、上記電極群を備えた薄型電池の構成を概念的に示す断面図である。又、図4は、該薄型電池を、その一部を破断して示した斜視図である。図3及び図4に示す様に、薄型電池22は、電極群21と、電極群21を収納する袋状の外装体13とを備えている。電極リード7及び9は、外装体13から外部へ引き出されており、それらの一部が外装体13から露出している。そして、電極リード7及び9の露出部は、薄型電池22の電極端子として機能している。尚、薄型電池22の形状は、平板状でもよいし、曲板状でもよい。又、薄型電池22は、一次電池を構成していてもよいし、二次電池を構成していてもよい。
 第一の電極11及び第二の電極12の何れか一方は正極であり、他方は負極である。第一の電極11が正極であり、第二の電極12が負極である構成においては、電極集電体1は正極集電体であり、電極活物質層2は正極活物質層である。又、電極集電体3は負極集電体であり、電極活物質層4は負極活物質層である。更に、電極リード7は正極リードであり、電極リード7の露出部が正極端子となる。又、電極リード9は負極リードであり、電極リード9の露出部が負極端子となる。
 一方、第一の電極11が負極であり、第二の電極12が正極である構成においては、電極集電体1は負極集電体であり、電極活物質層2は負極活物質層である。又、電極集電体3は正極集電体であり、電極活物質層4は正極活物質層である。更に、電極リード7は負極リードであり、電極リード7の露出部が負極端子となる。又、電極リード9は正極リードであり、電極リード9の露出部が正極端子となる。但し、この構成よりも、第一の電極11が正極であり、第二の電極12が負極である構成の方が、好ましい。なぜなら、第二の電極12の曲げ弾性率が第一の電極11の曲げ弾性率より低くなる様に、第一の電極11の構成材料と第二の電極12の構成材料とを選択した場合、第一の電極11を正極とし且つ第二の電極12を負極とした構成の方が、第一の電極11を負極とし且つ第二の電極12を正極とした構成よりも、構成材料の組み合わせの自由度が大きくなるからである。
 正極集電体には、金属フィルム、金属箔、及び金属繊維の不織布等の金属材料が用いられる。金属材料として、例えば、銀、ニッケル、パラジウム、金、白金、アルミニウム、又はステンレス鋼が挙げられる。尚、正極集電体の金属材料として、これらを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。正極集電体の厚さは、例えば1~30μmである。
 正極活物質層は、正極活物質と結着剤とを含む合剤層である。尚、正極活物質層には、必要に応じて導電剤が含まれていてもよい。正極活物質には、例えば、二酸化マンガン、フッ化カーボン類、硫化物、リチウム含有複合酸化物、バナジウム酸化物とそのリチウム化合物、ニオブ酸化物とそのリチウム化合物、有機導電性物質を含有する共役系ポリマー、シェブレル相化合物、オリビン系化合物が用いられる。これらの中でも、二酸化マンガン、フッ化カーボン類、硫化物、リチウム含有複合酸化物が好ましく、二酸化マンガンが特に好ましい。正極活物質層の厚さは、例えば10~200μmである。
 電池内での二酸化マンガンの反応が一電子反応であると仮定した場合、二酸化マンガンの質量当たりの理論容量は308mAh/gとなり、高容量である。又、二酸化マンガンは安価である。二酸化マンガンの中でも電解二酸化マンガンは、入手が容易であるので特に好ましい。従って、正極活物質には、二酸化マンガンが主成分として含まれていることが好ましい。尚、この様な正極活物質には、フッ化カーボン類、バナジウム酸化物、オリビン系化合物等、二酸化マンガン以外の材料が含まれていてもよい。又、二酸化マンガン自体に、製造工程上、混入を避けることが困難である微量の不純物が含まれていてもよい。
 フッ化カーボン類として、例えば、(CFwm(mは1以上の整数、0<w≦1)で表されるフッ化黒鉛が挙げられる。硫化物として、例えば、TiS2、MoS2、FeS2が挙げられる。リチウム含有複合酸化物として、例えば、LixaCoO2、LixaNiO2、LixaMnO2、LixaCoyNi1-y2、LixaCoy1-yz、LixaNi1-yyz、LixbMn24、LixbMn2-yy4が挙げられる。上記化学式において、MはNa、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1つの元素である。又、xa=0~1.2、xb=0~2.0、y=0~0.9、z=2.0~2.3である。xa及びxbは、充放電開始前の値であり、充放電により増減する。
 導電剤には、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などのグラファイト類;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類;アルミニウム粉などの金属粉末類;酸化亜鉛ウィスカーやチタン酸カリウムウィスカーなどの導電性ウィスカー類;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;又はフェニレン誘導体などの有機導電性材料が用いられる。尚、導電剤として、これらを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
 正極活物質層の導電性を改善するという観点、並びに正極容量を向上させるという観点から、正極活物質層中の導電剤の含有量は、正極活物質100質量部あたり1.0~30質量部であることが好ましい。
 結着剤には、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ヘキシル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースが用いられる。尚、結着剤として、これらを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
 正極活物質層の結着性を改善するという観点、並びに正極容量を向上させるという観点から、正極活物質層中の結着剤の含有量は、正極活物質100質量部あたり1.0~15質量部であることが好ましい。
 又、結着剤には、ポリマー電解質を用いてもよい。ポリマー電解質は、正極活物質層内にてリチウムイオンをスムーズに拡散させる。尚、結着剤として、ポリマー電解質を単独で用いてもよいし、ポリマー電解質と他の結着剤とを組み合わせて用いてもよい。
 負極集電体には、電解法により得られる電解金属箔が用いられてもよいし、圧延法により得られる圧延金属箔が用いられてもよい。電解法は、負極集電体の量産性に優れ、従って負極集電体の製造コストの低減が可能であるという利点を有している。一方、圧延法は、負極集電体の薄型化を容易に行うことが出来、従って負極集電体の軽量化が可能であるという利点を有している。圧延金属箔は、圧延方向に沿って結晶が配向しており、従って耐屈曲性に優れている。このため、圧延金属箔は、薄型フレキシブル電池への使用に好適である。
 負極集電体の構成材料には、例えば、銅、銅合金、ニッケル、及びステンレス等が用いられる。負極集電体の厚さは、例えば1~50μmである。
 負極活物質には、高容量活物質であるリチウム又はリチウム合金(以下、「リチウム系負極」と称す。)を用いることが特に好ましい。リチウム合金として、例えば、Li-Si合金、Li-Sn合金、Li-Al合金、Li-Ga合金、Li-Mg合金、又はLi-In合金が用いられる。負極容量の向上という観点から、リチウム合金中にLi以外の元素が存在する割合は、0.1~10質量%であることが好ましい。負極活物質層の厚さは、例えば5~100μmである。
 負極活物質には、公知の材料及び組成を適宜選択して用いることが出来る。但し、リチウム系負極、天然及び人造の各種黒鉛、シリサイド、ケイ素酸化物、各種合金材料などを用いることにより、高エネルギー密度の薄型電池22を得ることが出来る。これらの中でも特にリチウム系負極は、高容量且つ高エネルギー密度の薄型電池22を実現することが出来る点で、負極活物質として好ましい。
 負極を形成する場合、圧着、蒸着、又は塗布等の方法により、負極集電体に対して負極活物質層を付着させる。その後、負極集電体に対して圧延等の方法を施すことにより、負極集電体と負極活物質層とを互いに密着させる。
 電解質層5の構成材料には、広い電位窓を得ることが可能な非水系の電解質を用いることが好ましい。この様な電解質として、例えば、ポリマーマトリックスに電解質塩を含有させたドライポリマー電解質、ポリマーマトリックスに溶媒と電解質塩を含浸させたゲルポリマー電解質、無機固体電解質、溶媒に電解質塩を溶解させた液体電解質等が挙げられる。
 ドライポリマー電解質は、電解質塩と、電解質塩を溶解する高分子化合物とからなる。高分子化合物として、ポリエチレンオキサイドや同架橋体等のエーテル系高分子、ポリメタクリレート系、ポリアクリレート系などをそれぞれ単独で用いてもよいし、これらを共重合又は混合させて用いてもよい。
 ゲルポリマー電解質のポリマーマトリックスには、液体電解質を吸収することによりゲル状化するものであれば、種々の高分子を用いることが出来る。例えば、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリフォスファゼン変性ポリマー、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、及びこれらの複合ポリマーや架橋ポリマー、変性ポリマー等が、マトリックスポリマーとして使用可能である。フッ素系ポリマーとして、例えばポリビニリデンフルオライド、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオロライド-トリフルオロエチレン共重合体、或いはビニリデンフルオロライド-テトラフルオロエチレン共重合体等の高分子材料、及びこれらの混合物が使用される。尚、酸化還元安定性を向上させるという観点から、ポリマーマトリックスとしてフッ素系高分子を用いることが好ましい。又、ゲルポリマー電解質に電解質塩を含有させることにより、ゲルポリマー電解質にイオン導電性が付与される。
 ドライポリマー電解質又はゲルポリマー電解質を電解質層5の構成材料として用いた場合、薄型電池22の外装体13が損傷した場合でも、電解質が外装体13から漏れ出すことを防止することが出来る。又、ドライポリマー電解質又はゲルポリマー電解質を電解質層5の構成材料として用いた場合、薄型電池22が曲げられたときに、それに追従して電解質層5も曲がる様に、電解質層5に対して曲げ追従性を付与することが出来る。更に、電極群21の密着性をより向上させることが出来る。よって、薄型電池22の曲げが繰り返された場合でも、電池性能のバラツキや劣化などが生じ難い。よって、ドライポリマー電解質及びゲルポリマー電解質は、電解質層5の構成材料として好ましい。
 ドライポリマー電解質及びゲルポリマー電解質には、電解質層5の構成材料として必要な性質を損なわない限りにおいて、他の成分が添加されていてもよい。その様な添加物として、例えば、強度、膜質の均一性、イオン伝導性等を向上させるための各種無機フィラーが挙げられる。無機フィラーとして、例えば、アルミナやシリカなどの微粒子を用いることが出来る。
 電解質層5の構成材料には、無機固体電解質を用いることも出来る。無機固体電解質として、ヨウ化リチウム等のハロゲン化リチウム及びその誘導体、窒化リチウム、酸素酸塩系材料、硫化物系材料などが挙げられる。
 電解質層5は、ドライポリマー電解質やゲルポリマー電解質等の電解質を支持体に支持させることにより、構成される。支持体として、各種公知の多孔質シートを用いることが出来る。多孔質シートには、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、セルロース又はポリフェニレンサルファイドなどの不織布、若しくはポリプロピレン又はポリエチレンの微多孔性フィルム等、セパレータとして用いられるものが挙げられる。尚、支持体として、セパレータを用いることにより、第一の電極11と第二の電極12との間の電気的な短絡が防止される。セパレータとして、所定のイオン透過度、機械的強度、及び絶縁性を有する多孔質シートが挙げられる。
 又、電解質層5は、セパレータに液体電解質を含有させることにより、構成されていてもよい。液体電解質は、非水溶媒と電解質塩とを適宜組み合わせて調製される。非水溶媒には、非水電解質電池に一般的に使用される材料であれば、何れの材料も使用可能である。
 外装体13は、耐屈曲性に優れた柔軟性の高いフィルムにより構成されることが好ましい。又、この様なフィルムとして、バリア層の両面又は片面に樹脂層が形成されたものが好ましい。強度及び耐屈曲性を向上させるという観点から、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、無機化合物がバリア層として用いられていることが好ましく、又、バリア層の厚さは50nm~50μmであることが好ましい。樹脂層の厚さは、5~500μmであることが好ましい。
 強度、耐衝撃性、及び耐電解質性を向上させるという観点から、外装体13の内面に樹脂層(シール層)を形成し、これにより外装体13を補強することが好ましい。この様な樹脂層の構成材料として、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド、ポリウレタン、又はポリエチレン-酢酸ビニル共重合体材料が用いられる。
 強度、耐衝撃性、及び耐薬品性を向上させるという観点から、外装体13の外面に樹脂層(保護層)を形成し、これにより外装体13を保護することが好ましい。この様な樹脂層の構成材料として、例えば、6,6-ナイロン等のポリアミド(PA)、PET、又はPEやPP等のポリオレフィンが用いられる。
 具体的には、外装体13として、変性PP/PET/Al層/PETのラミネートフィルム、変性PE/PA/Al層/PETのラミネートフィルム、アイオノマー樹脂/Ni層/PE/PETのラミネートフィルム、エチレンビニルアセテート/PE/Al層/PETのラミネートフィルム、アイオノマー樹脂/PET/Al層/PETのラミネートフィルム、PE/変性PE/Al層/変性PE/PEのラミネートフィルム、PP/変性PP/Al層/変性PP/PPのラミネートフィルムが挙げられる。又、Al層のかわりに、Al23層、SiO2層等の無機化合物層を用いてもよい。
 本実施形態に係る電極群21及び薄型電池22は、例えば以下の様に作製することが出来る。
 先ず、第一の電極11と、2つの第二の電極12とを準備する(図2(a)及び図2(b)参照)。そして、突出部6及び8に電極リード7及び9をそれぞれ電気的に接続する。その後、第二の電極12を、電極活物質層4が電極活物質層2と対向する様に、第一の電極11の両側に1つずつ配置する。そして、第一の電極11と第二の電極12とを、これらの間に電解質層5を1つずつ介在させた状態で重ね合わせる。この様にして、図1に示される電極群21を作製する。尚、突出部8どうしを溶接やリベット接合などで電気的に接続し、突出部8の何れか一方にのみ電極リード9を電気的に接続してもよい。
 次に、外装体13となる筒状フィルムを用意する。そして、筒状フィルムの開口から電極リード7及び9の一部が外部へ露出する様に、筒状フィルム内に電極群21を配置する。その後、所定のガス組成及び圧力に調整された雰囲気中で、筒状フィルムの周縁部を融着させることにより、筒状フィルム内に電極群21を封止する。この様にして、図4に示される薄型電池を作製する。尚、電極リード7及び9の露出部は、薄型電池22の電極端子を構成する。
 本実施形態に係る電極群21においては、第二の電極12の曲げ弾性率が第一の電極11の曲げ弾性率より低い。よって、電極群21全体の曲げ弾性率が低くなり、電極群21において高い柔軟性を得ることが出来る。具体的には、図10に示す様に、電極群21を、その上面が凸面状になる様に湾曲させた場合、上面は引っ張られて伸びる一方、下面は圧縮されて縮む。即ち、電極群21の上面及び下面において伸縮が大きい。その一方で、電極群21の厚さ方向についての中央部分では、伸縮が小さい。よって、本実施形態の電極群21の如く、伸縮の小さい中央部分に曲げ弾性率の高い(柔軟性の低い)第一の電極11を配置すると共に、伸縮の大きい上側部分と下側部分に曲げ弾性率の低い(柔軟性の高い)第二の電極12を配置することにより、電極群21全体の曲げ弾性率が低くなる(柔軟性が高くなる)。
 又、本実施形態に係る電極群21においては、第一の電極11の両側に第二の電極12が1つずつ配置されている。又、第一の電極11と第二の電極12との間に、電解質層5が1つずつ介在している。従って、電極群21において、高い容量を得ることが出来る。
 本実施形態に係る薄型電池22においては、外装体13が、耐屈曲性に優れた柔軟性の高いフィルムにより構成されている。よって、薄型電池22においても、高い柔軟性を得ることが出来る。このため、本実施形態に係る薄型電池22は、生体に接触した状態で作動する装置等、電池に対して高い柔軟性を必要とする電子機器(可撓性を有した電子機器)に、内蔵することが出来る。即ち、薄型電池22は、電子機器の可撓性を低下させない。よって、生体に接触した状態で作動する装置に薄型電池22を内蔵した場合、その装置を使用する人は、装置の柔軟性の低下を殆ど感じず、従って不快感を受け難い。
 又、耐屈曲性に優れた柔軟性の高いフィルムを外装体13に用いることにより、薄型電池22の封止信頼性が向上する。よって、長期間、薄型電池22を保存しておくことが出来る。
 更に、薄型電池22は電極群21を備えているので、薄型電池22においても高い容量が得られる。従って、電子機器に薄型電池22を内蔵することにより、電池の取替えや充電をせずに長期間、電子機器を使用することが可能となる。
 以下、本発明の実施例について具体的に説明する。尚、以下に説明する実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
 1.第1実施例
 以下に説明する工程(1)~(5)を実行することにより、電極群21及び薄型電池22を作製した。尚、全ての工程(1)~(5)を、-30℃以下に露点管理されたドライエア雰囲気中にて実行した。
 (1)第一の電極の作製
 350℃で加熱した電解二酸化マンガンと、導電剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を含むN-メチル-2-ピロリドン(NMP)の溶液(クレハ(株)製、#8500)とを、二酸化マンガン:アセチレンブラック:PVDFの質量比が100:5:5となる様に混合した。その後、この混合物に適量のNMPを加え、これによりペースト状の正極合剤を調製した。
 次に、正極集電体であるアルミニウム箔(厚さ20μm)の両面に正極合剤を塗布し、これを85℃で10分間乾燥することにより、アルミニウム箔の両面に正極活物質層を形成した。その後、アルミニウム箔をロールプレス機にて12000N/cmの線圧にて圧縮した。各正極活物質層の厚さは90μmであった。
 続いて、アルミニウム箔を、正極活物質層と共に、50mm×50mmの領域とこの領域から突出した幅12mm×長さ5mmの領域(突出部6となる領域)とからなる形状になる様に打ち抜き、その後、120℃で2時間減圧乾燥した。この様にして、第一の電極11を正極として作製した。そして、超音波溶接により、幅5mm×長さ20mmのアルミニウム製の正極リード(電極リード7)を、突出部6に電気的に接続した。
 (2)第二の電極の作製
 負極集電体である銅箔(厚さ20μm)を、50mm×50mmの領域とこの領域から突出した幅12mm×長さ5mmの領域(突出部8となる領域)とからなる形状になる様に打ち抜いた。そして、その様な形状を有する銅箔を2枚作製した。その後、負極活物質であるリチウム金属箔(50mm×50mm、厚さ20μm)を、一方の銅箔には片側の面(表面粗さ2.6μm)に100N/cmの線圧で圧着し、他の銅箔には反対側の面(表面粗さ2.6μm)に100N/cmの線圧で圧着した。この様にして、2つの第二の電極12を負極として作製した。
 そして、超音波溶接により、突出部8どうしを重ね合わせた状態で接合した。その後、超音波溶接により、幅3mm×長さ20mmの銅製の負極リード(電極リード9)を、突出部8の1つに電気的に接続した。
 (3)電解質層の作製
 プロピレンカーボネート(PC)とジメトキシエタン(DME)とをPC:DME=6:4(質量比)の割合で混合することにより、非水溶媒を調製した。そして、この非水溶媒に、電解質塩としての過塩素酸リチウム(LiClO4)を、濃度が1mol/kgとなる様に溶解させることにより、液体電解質を調製した。
 次に、ポリマーマトリクスとして、ヘキサフルオロプロピレンとビニリデンフルオライドの共重合体(ヘキサフルオロプロピレン含有量:7%)を用意した。そして、ポリマーマトリクスとジメチルカーボネート(DMC)とを、ポリマーマトリクス:DMC=5:95(質量比)の割合で混合し、ポリマーマトリクスの溶液を調製した。
 得られたポリマーマトリクス溶液を、多孔質ポリエチレンから成るセパレータの両面及び正極活物質層の表面に均一に塗布し、その後、溶剤を揮発させた。これにより、セパレータ及び正極活物質層にポリマーマトリクスを塗布した。
 (4)薄型電池用電極群の作製
 第一の電極11の両面に、第二の電極12を積層した。具体的には、第二の電極12を、負極活物質層が正極活物質層と対向する様に、第一の電極11の両側に1つずつ配置した。このとき、第一の電極11と第二の電極12との間に、ポリマーマトリクスが塗布されたセパレータ(厚さ35μm)を1つずつ介在させた。その後、この積層体を、90℃、0.5MPaで1分間、熱プレスすることにより、厚さ350μmの電極群21(電極群No.1)を作製した。
 (5)薄型電池の作製
 バリア層としてアルミニウム箔、シール層としてポリエチレン層、及び保護層としてポリエチレン層を備えた筒状フィルム(厚さ70μm)を用意した。又、プロピレンカーボネート(PC)とジメトキシエタン(DME)とをPC:DME=6:4(質量比)の割合で混合することにより、非水溶媒を調製した。そして、この非水溶媒に、電解質塩としての過塩素酸リチウム(LiClO4)を、濃度が1mol/kgとなる様に溶解させることにより、液体電解質を調製した。そして、筒状フィルムの開口から電極リード7及び9の一部が外部へ露出する様に、筒状フィルム内に電極群21を配置し、更に筒状フィルムの開口から液体電解質を注入した。その後、圧力が660mmHgに調整された雰囲気中で、筒状フィルムの周縁部を融着させることにより(融着部の幅は3mm)、筒状フィルム内に電極群21を封止した。この様にして、幅60mm×長さ65mm×厚さ490μmの薄型電池22(電池No.11)を作製した。
 2.第1比較例
 第1比較例では、工程(1)において、負極集電体である銅箔(厚さ20μm)を、50mm×50mmの領域とこの領域から突出した幅12mm×長さ5mmの領域(突出部6となる領域)とからなる形状になる様に打ち抜いた。その後、負極活物質であるリチウム金属箔(50mm×50mm、厚さ20μm)を、銅箔の両面(表面粗さ2.6μm)に100N/cmの線圧で圧着した。この様にして、第一の電極11を負極として作製した。そして、超音波溶接により、幅3mm×長さ20mmの銅製の負極リード(電極リード7)を、突出部6に電気的に接続した。
 又、工程(2)において、正極集電体であるアルミニウム箔(厚さ20μm)を2枚用意した。そして、実施例1で説明した正極合剤と同じ正極合剤を、各アルミニウム箔の片面に塗布した。その後、これらの正極合剤を85℃で10分間乾燥することにより、各アルミニウム箔に正極活物質層を形成した。次に、各アルミニウム箔をロールプレス機にて12000N/cmの線圧で圧縮した。各アルミニウム箔の正極活物質層の厚さは90μmであった。
 続いて、各アルミニウム箔を、正極活物質層と共に、50mm×50mmの領域とこの領域から突出した幅12mm×長さ5mmの領域(突出部8となる領域)とからなる形状になる様に打ち抜いた。このとき、正極活物質層側から見たときの2枚のアルミニウム箔の形状が、互いに左右が逆の形状となる様に、これらのアルミニウム箔を打ち抜いた。その後、これらを120℃で2時間減圧乾燥した。この様にして、2つの第二の電極12を正極として作製した。
 そして、超音波溶接により、突出部8どうしを重ね合わせた状態で接合した。その後、超音波溶接により、幅3mm×長さ20mmのアルミニウム製の正極リード(電極リード9)を、突出部8の1つに電気的に接続した。
 その後、第1実施例と同様に工程(3)~(5)を実行することにより、第1比較例に係る電極群(電極群No.101)及び薄型電池(電池No.111)を作製した。
 3.第2比較例
 第2比較例では、工程(1)において、正極集電体であるアルミニウム箔(厚さ20μm)の片面に、実施例1で説明した正極合剤と同じ正極合剤を塗布した。その後、これを85℃で10分間乾燥することにより、アルミニウム箔の片面に正極活物質層を形成した。次に、アルミニウム箔をロールプレス機にて12000N/cmの線圧で圧縮した。正極活物質層の厚さは225μmであった。
 続いて、アルミニウム箔を、正極活物質層と共に、50mm×50mmの領域とこの領域から突出した幅12mm×長さ5mmの領域(突出部6となる領域)とからなる形状になる様に打ち抜き、その後、120℃で2時間減圧乾燥した。この様にして、第一の電極11を正極として作製した。そして、超音波溶接により、幅3mm×長さ20mmのアルミニウム製の正極リード(電極リード7)を、突出部6に電気的に接続した。
 又、工程(2)において、負極集電体である銅箔(厚さ20μm)を、50mm×50mmの領域とこの領域から突出した幅12mm×長さ5mmの領域(突出部8となる領域)とからなる形状になる様に打ち抜いた。その後、負極活物質であるリチウム金属箔(50mm×50mm、厚さ20μm)を、銅箔の片面(表面粗さ2.6μm)に100N/cmの線圧で圧着した。この様にして、第二の電極12を負極として作製した。そして、超音波溶接により、幅3mm×長さ20mmの銅製の負極リード(電極リード9)を、突出部8に電気的に接続した。
 その後、第1実施例と同様に工程(3)を実行した。そして、工程(4)において、第一の電極11の片面に、第二の電極12を積層した。具体的には、第二の電極12を、負極活物質層が正極活物質層と対向する様に、第一の電極11の片側に配置した。このとき、第一の電極11と第二の電極12との間に、ポリマーマトリクスが塗布されたセパレータ(厚さ35μm)を介在させた。その後、この積層体を、90℃、0.5MPaで1分間、熱プレスすることにより、第2比較例に係る電極群(電極群No.102)を作製した。尚、電極群21の厚さは、350μmであった。更に、第1実施例と同様に工程(5)を実行することにより、第2比較例に係る薄型電池(電池No.112)を作製した。
 4.柔軟性の評価(3点曲げ試験)
 第1実施例、第1比較例、及び第2比較例に係る、第一及び第二の電極、電極群(電極群No.1、No.101、及びNo.102)、並びに薄型電池(電池No.11、No.111、及びNo.112)について、テンシロン万能試験機(オリエンテック社製RTC-1150A)を用いて3点曲げ試験を行うことにより、曲げ弾性率を測定した。尚、曲げ弾性率の測定は、JIS K7171の測定方法に準拠して行った。そして、曲げ弾性率の測定結果から、柔軟性を評価した。尚、曲げ弾性率は、柔軟性を評価するための指標となる。具体的には、曲げ弾性率が小さい程、柔軟性が高くなる。
 図5(a)及び図5(b)はそれぞれ、3点曲げ試験の方法を説明するための正面図及び上面図である。ここでは、薄型電池22を試験対象として説明を行う。3点曲げ試験を行う場合、先ず、一対の支持台33に薄型電池22を載置する。各支持台33には、薄型電池22を支えるための支点32が設けられている。そして、圧子31を下降させることにより、2つの支点32の中間位置にて薄型電池22に対して荷重を加える。尚、3点曲げ試験の測定条件として、支点32間の距離を30mmとし、圧子31の先端面の曲率半径を5mmとし、支点32を構成する曲面の曲率半径を2mmとし、荷重印加速度を100mm/分とした。又、電極群及び薄型電池を試験対象とするときには、第二の電極側から圧子31の荷重が加わる様に、電極群及び薄型電池を支持台33に載置した。
 5.放電性能の評価
 第1実施例、第1比較例、及び第2比較例に係る薄型電池(電池No.11、No.111、及びNo.112)について、放電試験を行い、これにより各薄型電池の放電容量を求めた。放電試験の条件として、環境温度を25℃とし、放電電流密度を250μA/cm2(正極の単位面積あたりの電流値)とし、放電終止電圧を1.8Vとした。
 6.耐屈曲信頼性の評価
 第1実施例、第1比較例、及び第2比較例に係る薄型電池(電池No.11、No.111、及びNo.112)について、耐屈曲信頼性を評価した。図6は、耐屈曲信頼性を評価するための屈曲試験の方法を説明するための図である。ここでは、薄型電池22を評価対象として説明を行う。耐屈試験を行う場合、先ず、図6に示す様に、薄型電池22のうち熱溶着で閉じられた両端部をそれぞれ、一対の固定具42に固定する。そして、先端面の曲率半径が20mmである治具41を、薄型電池22に対して第二の電極側から押し当て、これにより薄型電池22を治具41の先端面に沿って弾性変形させる。次に、治具41を薄型電池22から引き離し、薄型電池22の弾性変形を回復させる。
 そして、第1実施例、第1比較例、及び第2比較例に係る薄型電池に対して、弾性変形とその回復を10000回繰り返した(1回当たりの時間は約30秒)。屈曲試験後の薄型電池に対して、「5.放電性能の評価」で説明した条件と同じ条件で放電試験を行い、これにより各薄型電池の放電容量を求めた。そして、屈曲試験後の容量維持率(%)を、(屈曲試験後の放電容量/屈曲試験前の放電容量)×100の計算式で求めた。
 7.第1実施例、第1比較例、及び第2比較例の評価結果
 電極群No.1、No.101、及びNo.102についての柔軟性の評価結果が、表1に示されている。又、電池No.11、No.111、及びNo.112についての柔軟性、放電性能、及び耐屈曲信頼性の評価結果が、表2に示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表1に示される様に、電極群No.1及び電極群No.102において、第二の電極12の曲げ弾性率が第一の電極11の曲げ弾性率より低くなった。一方、電極群No.101においては、第二の電極12の曲げ弾性率が第一の電極11の曲げ弾性率より高くなった。そして、電極群No.1、No.101、及びNo.102の曲げ弾性率を比較した場合、電極群No.1及びNo.102の曲げ弾性率が、電極群No.101の曲げ弾性率より低いことが分かる。これにより、第二の電極12の曲げ弾性率を第一の電極11の曲げ弾性率より低くすることにより、電極群の曲げ弾性率が低くなることが分かった。
 又、電極群No.1及びNo.102の曲げ弾性率を比較した場合、電極群No.1の曲げ弾性率が、電極群No.102の曲げ弾性率に比べて著しく低いことが分かる。これにより、第一の電極11の両面に曲げ弾性率の低い第二の電極12を積層することにより、電極群の曲げ弾性率が顕著に低くなることが分かった。
 従って、上記評価結果は、次のことを示している。即ち、上述した様に、電極群を湾曲させた場合、電極群の上面及び下面において伸縮が大きい。その一方で、電極群の厚さ方向についての中央部分では、伸縮が小さい(図10参照)。よって、伸縮の小さい中央部分に曲げ弾性率の高い(柔軟性の低い)第一の電極11を配置すると共に、伸縮の大きい上側部分と下側部分に曲げ弾性率の低い(柔軟性の高い)第二の電極12を配置することにより、電極群全体の曲げ弾性率が低くなる(柔軟性が高くなる)。
 更に、表2に示される結果から、電池No.11、No.111、及びNo.112の柔軟性を比較した場合、電池No.11の柔軟性が、電池No.111及びNo.112の柔軟性に比べて著しく高いことが分かる。これは、電池No.11が電極群No.1を備えており、電極群No.1の柔軟性が他の電極群No.101及びNo.102の柔軟性に比べて著しく高いからである。そして、電池No.1において高い柔軟性が実現されたため、電池No.1は、それが曲げられた場合に生じるストレスを緩和することが出来、その結果として、電池No.1の耐屈曲信頼性が高まったと考えられる。
 8.第2実施例
 第2実施例では、第1実施例と同じ方法を用いて、電極群21及び薄型電池22を作製した。但し、第2実施例では、正極活物質層の厚さ及び負極活物質層の厚さを、第1実施例のそれらの厚さから変更した。具体的には、これらの厚さが異なる4種の電極群21(電極群No.2~No.5)、及びそれらを備えた薄型電池22(電池No.12~No.15)を作製した。そして、柔軟性、放電性能、及び耐屈曲信頼性について、上述した評価方法と同じ方法で評価した。
 9.第2実施例の評価結果
 電極群No.1~No.5についての柔軟性の評価結果が、表3に示されている。又、電池No.11~No.15についての柔軟性、放電性能、及び耐屈曲信頼性の評価結果が、表4に示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表3に示される結果から、第一の電極11の曲げ弾性率が2000MPa以下であり、又、第二の電極12の曲げ弾性率が650MPa以下であると、電極群21の柔軟性が向上することが分かった(電極群No.1~No.4)。
 又、表4に示される結果から、電池No.11~No.14は、柔軟性に優れていることが分かる。これは、電池No.11~No.14が電極群No.1~No.4をそれぞれ備えており、電極群No.1~No.4が柔軟性に優れているからである。そして、電池No.1~No.4において高い柔軟性が実現されたため、電池No.1~No.4は、それらが曲げられた場合に生じるストレスを緩和することが出来、その結果として、電池No.1~No.4の耐屈曲信頼性が高まったと考えられる。
 一方、表3に示される様に、電極群No.2では、第一の電極11の曲げ弾性率が100MPa未満であり、又、第二の電極12の曲げ弾性率が20MPa未満である。そして、表4に示される結果から、この様な電極群No.2を備えた電池No.12では電極容量が低下することが分かった。従って、電極群21において、第一の電極11の曲げ弾性率は100MPa以上であり、又、第二の電極12の曲げ弾性率は20MPa以上であることが好ましいことが分かった。
 10.第3実施例
 第3実施例では、第1実施例と同じ方法を用いて、電極群21(電極群No.6)及び薄型電池22(電池No.16)を作製した。但し、第3実施例では、負極活物質としてLi―3質量%Al合金を用いた。そして、柔軟性、放電性能、及び耐屈曲信頼性について、上述した評価方法と同じ方法で評価した。
 11.第4実施例
 第4実施例では、第1実施例と同じ方法を用いて、電極群21(電極群No.7)及び薄型電池22(電池No.17)を作製した。但し、第4実施例では、負極活物質として体積平均粒子径が20μmである黒鉛を用い、正極活物質として体積平均粒子径が10μmであるLiNi0.82Co0.15Al0.032(以下、LNCAと表記する。)を用いた。そして、柔軟性、放電性能、及び耐屈曲信頼性について、上述した評価方法と同じ方法で評価した。
 尚、第二の電極12(負極)は、次の様にして作製した。即ち、分散媒として水を使用し、負極活物質とスチレンブタジエンゴムとカルボキシメチルセルロースとを98:1:1の質量比で含有するスラリーを調製した。次に、このスラリーを電解銅箔に塗布した後、これを乾燥させ、更にその後、電解銅箔を圧延した。これにより、電解銅箔の表面に負極活物質層を形成した。この負極活物質層の厚さは60μmであった。
 12.第3実施例及び第4実施例の評価結果
 電極群No.1、No.6、及びNo.7についての柔軟性の評価結果が、表5に示されている。又、電池No.11、No.16、及びNo.17についての柔軟性、放電性能、及び耐屈曲信頼性の評価結果が、表6に示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 表5に示される結果から、電極群No.6及びNo.7は、電極群No.1と同様、高い柔軟性を有することが分かった。又、電池No.16及びNo.17は、電池No.11と同様、高い柔軟性、高い放電性能、及び高い耐屈曲信頼性を有することが分かった。又、二次電池でも、一次電池と同様の結果が得られることが分かった。
 13.電子機器の実施例
 次に、上述した薄型電池22が内蔵される電子機器の例について説明する。具体的には、この様な電子機器は、可撓性を有する電子機器本体を備え、該電子機器本体に、薄型電池22が駆動用電源として内蔵される。
 (A)生体情報測定装置
 図7は、電子機器の一例として生体情報測定装置を示した斜視図である。生体情報測定装置は、血圧・体温・脈拍等の生体情報を取得し、且つその生体情報を病院等に無線送信する装置である。又、生体情報測定装置は、持ち運び可能な装置であり、又、生体外皮に接触させた状態で動作させる装置である。
 図7に示す様に、生体情報測定装置51は、温度センサ52、感圧センサ53、情報送信素子54、GPSセンサ55、及び所定の制御回路を含む制御素子56を備えている。生体外皮に生体情報測定装置51を接触させた状態で、温度センサ52は体温を測定し、感圧センサ53は血圧を測定する。GPSセンサ55は、生体情報測定装置51の位置に関する情報(位置情報)を取得する。制御素子56は、生体情報の取得時刻や送信時刻、更には生体情報測定装置51に電力を供給する時刻等を制御する回路を含んでいる。情報送信素子54は、生体情報を、受信機を有するコンピュータ装置等の処理装置に無線送信する。
 上述した様に、薄型電池22は高い柔軟性を有している。従って、薄型電池22が生体情報測定装置51に内蔵された場合でも、薄型電池22は、生体情報測定装置51の可撓性を低下させない。よって、生体情報測定装置51を使用する人は、生体情報測定装置51を生体外皮に長時間密着させた場合でも、不快感を受け難い。
 (B)イオントフォレシス(iontophoresis)経皮投薬装置
 図8は、電子機器の他の例としてイオントフォレシス経皮投薬装置を示した断面図である。イオントフォレシス経皮投薬装置は、電気エネルギーを利用することにより、イオン性薬物の生体膜の透過を促進する装置である。又、イオントフォレシス経皮投薬装置は、持ち運び可能な装置であり、又、生体外皮に接触させた状態で動作させる装置である。
 図8に示す様に、イオントフォレシス経皮投薬装置61は弾性シート62を備え、弾性シート62の内部に、薄型電池22が湾曲した状態で埋設されている。上述した様に、薄型電池22は高い柔軟性を有している。従って、薄型電池22を、図8に示す様に湾曲させた状態で弾性シート62の内部に埋設することが出来る。イオントフォレシス経皮投薬装置61は更に、陰極槽63及び陽極槽64を備えている。陰極槽63及び陽極槽64はそれぞれ、配線65を介して薄型電池22の電極リード9(負極リード)及び電極リード7(正極リード)に電気的に接続されている。生体に供給するイオン性薬物が正に帯電したカチオンである場合、イオン性薬物は陽極槽64に封入される。そして、陽極槽64がドナー電極槽となり、陰極槽63がカウンター電極槽となる。一方、生体に供給するイオン性薬物が負に帯電したアニオンである場合、イオン性薬物は陰極槽63に封入される。そして、陰極槽63がドナー電極槽となり、陽極槽64がカウンター電極槽となる。
 図8に示す様に、イオントフォレシス経皮投薬装置61は、それが使用される場合には生体66に張り付けられる。そして、薄型電池22により、陰極槽63と陽極槽64との間に電圧が付与される。これにより、イオン性薬物がドナー電極槽から生体66の皮膚に移動する。一方、イオン性薬物と極性が異なる内因性イオンが、皮膚からカウンター電極槽に抽出される。即ち、イオントフォレシス経皮投薬装置61及び生体66に電気回路が形成され、イオントフォレシス経皮投薬装置61と生体66との間でイオン交換が行われる。
 本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、その様な開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。
 本発明の薄型電池は、生体情報測定装置やイオントフォレシス経皮投薬装置に限定されない種々の電子機器に搭載することが出来る。特に、本発明の薄型電池は、可撓性を有する電子機器への搭載、具体的には内蔵する電池に対して高い柔軟性を必要とする電子機器への搭載に有用である。
 1 電極集電体
 2 電極活物質層
 3 電極集電体
 4 電極活物質層
 5 電解質層
 6 突出部
 7 電極リード
 8 突出部
 9 電極リード
 11 第一の電極
 12 第二の電極
 13 外装体
 21 電極群
 22 薄型電池
 31 圧子
 32 支点
 33 支持台
 41 治具
 42 固定具
 51 生体情報測定装置
 52 温度センサ
 53 感圧センサ
 54 情報送信素子
 55 GPSセンサ
 56 制御素子
 61 イオントフォレシス経皮投薬装置
 62 弾性シート
 63 陰極槽
 64 陽極槽
 65 配線
 66 生体
 101 電極群
 102 外装体
 103 正極リード
 104 負極リード

Claims (7)

  1.  シート状の第一の電極と、
     前記第一の電極の両面に積層されたシート状の電極であって、前記第一の電極と極性が異なる第二の電極と、
     前記第一の電極と前記第二の電極との間に介在した電解質層と
    を備え、前記第二の電極の曲げ弾性率が、前記第一の電極の曲げ弾性率より低い、薄型電池用電極群。
  2.  厚さが700μm以下であり、前記第一の電極の曲げ弾性率が100MPa以上2000MPa以下であり、且つ前記第二の電極の曲げ弾性率が20MPa以上650MPa以下である、請求項1に記載の薄型電池用電極群。
  3.  前記第一の電極が正極であり、前記第二の電極が負極である、請求項1又は請求項2に記載の薄型電池用電極群。
  4.  前記第一の電極は、正極集電体と、前記正極集電体の両面に形成された正極活物質層とを有し、前記正極活物質層には二酸化マンガンが含まれ、
     前記第二の電極はそれぞれ、負極集電体と、前記負極集電体の片面に形成された負極活物質層とを有し、前記負極活物質層にはリチウム又はリチウム合金が含まれ、
     前記第二の電極は、負極活物質層が正極活物質層と対向する様に、第一の電極の両面に積層されている、請求項3に記載の薄型電池用電極群。
  5.  薄型電池用電極群と、前記電極群を収納する袋状の外装体とを備える、薄型電池であって、
     前記電極群は、
     シート状の第一の電極と、
     前記第一の電極の両面に積層されたシート状の電極であって、前記第一の電極と極性が異なる第二の電極と、
     前記第一の電極と前記第二の電極との間に介在した電解質層と
    を有し、前記第二の電極の曲げ弾性率が、前記第一の電極の曲げ弾性率より低く、
     前記電極群の厚さと前記外装体の厚さの合計が1.0mm以下である、薄型電池。
  6.  可撓性を有する電子機器本体と、前記電子機器本体に内蔵された薄型電池とを備える、電子機器であって、
     前記薄型電池は、薄型電池用電極群と、前記電極群を収納する袋状の外装体とを有し、
     前記電極群は、
     シート状の第一の電極と、
     前記第一の電極の両面に積層されたシート状の電極であって、前記第一の電極と極性が異なる第二の電極と、
     前記第一の電極と前記第二の電極との間に介在した電解質層と
    を含み、前記第二の電極の曲げ弾性率が、前記第一の電極の曲げ弾性率より低い、電子機器。
  7.  前記電子機器本体は、生体外皮に接触させた状態で作動する装置である、請求項6に記載の電子機器。
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