JP3464750B2

JP3464750B2 - リチウム二次電池

Info

Publication number: JP3464750B2
Application number: JP00880497A
Authority: JP
Inventors: 謙二土屋
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2003-11-10
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JPH10208725A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電要素がラミネ
ートフィルム内に収納された構造のリチウム二次電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の発達にともない、小型
で軽量、かつエネルギー密度が高く、更に繰り返し充放
電が可能な二次電池の開発が要望されている。このよう
な二次電池としては、リチウムまたはリチウム合金を活
物質とする負極と、モリブデン、バナジウム、チタンあ
るいはニオブなどの酸化物、硫化物もしくはセレン化物
を活物質として含む懸濁液が塗布された集電体からなる
正極と非水電解液を具備したリチウム二次電池が知られ
ている。

【０００３】しかしながら、リチウムまたはリチウム合
金を活物質とする負極を備えた二次電池は、充放電サイ
クルを繰り返すと負極にリチウムのデンドライトが発生
するため、充放電サイクル寿命が短いという問題点があ
る。

【０００４】このようなことから、負極に、例えばコー
クス、黒鉛、炭素繊維、樹脂焼成体、熱分解気相炭素の
ようなリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質材料を含む
懸濁液が塗布された集電体を用いたリチウム二次電池が
提案されている。前記二次電池は、デンドライト析出に
よる負極特性の劣化を改善することができるため、電池
寿命と安全性を向上することができる。

【０００５】ところで、リチウム二次電池の一例である
ポリマー電解質二次電池は、例えば、以下に説明する方
法で製造される。まず、活物質、非水電解液及びこの電
解液を保持するポリマーを含む正極層が正極リードを有
する集電体に担持された構造の正極と、リチウムイオン
を吸蔵放出し得る炭素質材料、非水電解液及びこの電解
液を保持するポリマーを含む負極層が負極リードを有す
る集電体に担持された構造の負極と、前記正極と前記負
極の間に配置され、非水電解液及びこの電解液を保持す
るポリマーを含む固体ポリマー電解質層とを備えた発電
要素を作製する。得られた発電要素を二つ折りにしたラ
ミネートフィルムで被覆し、前記フィルムを熱圧着によ
って張り合わせることにより前記フィルム内に前記発電
要素を前記正極リードの端部および前記負極リードの端
部が前記フィルムの外側に延出した状態で密封する。こ
のようにして得られたリチウム二次電池（素電池）は、
例えば、単独か、もしくは組電池の形態で電池パック内
に収納され、電子機器の電源として使用される。

【０００６】前述した形態で電源として使用される場合
には、前記リチウム二次電池の正極リードと負極リード
は、前記電池パックのコネクターや、前記電池パック内
に収納された回路（保護回路など）、もしくは他のリチ
ウム二次電池のリードに接続されることとなる。ところ
で、コネクターや、回路の端子は、通常、ニッケルや、
ステンレスから形成される。一方、前記正極リードは、
充放電反応中の腐食を防止するためにアルミニウムから
形成される。この正極リードと前述したコネクターや、
回路とを直接接続するのは大変に難しい。このようなこ
とから、前記正極リードをニッケルや、ステンレス、銅
からなるリード端子と接続し、このリード端子をコネク
ターや、回路に接続したり、あるいはこのリード端子を
絶縁被覆されたリード線と接続し、このリード線をコネ
クターや回路に接続することが行われている。この時、
前記リード端子が前記ラミネートフィルム内に位置する
と、前記リード端子が非水電解液により腐食されるた
め、前記正極リードを前記ラミネートフィルムの外側に
延出させ、前記ラミネートフィルムの外側で前記正極リ
ードと前記リード端子を接続する必要がある。

【０００７】前記リチウム二次電池を電池パック内に収
納した例を図３に示す。すなわち、箱形で、合成樹脂製
の電池パック３１内には、熱融着によってラミネートフ
ィルム３２内に密封された発電要素３３が収納されてい
る。アルミニウム製の正極リード３４は、一端が前記発
電要素３３の正極集電体に接続され、他端が前記ラミネ
ートフィルム３２の外側に延出されている。例えば銅製
の負極リード３５は、一端が前記発電要素３３の負極集
電体に接続され、他端が前記ラミネートフィルム３２の
外側に延出されている。前記正極リード３４は、ニッケ
ルや、ステンレス、銅からなるリード端子３６に接続さ
れている。前記リード端子３６は、前記電池パック３１
の正極端子３７に接続されている。一方、前記負極リー
ド３５は、前記電池パック３１の負極端子３８に接続さ
れている。

【０００８】しかしながら、前述した構成の二次電池
は、ラミネートフィルムの外側にこれとは別に正極リー
ドとリード端子との接続部を必要とするため、スペース
効率が劣るという問題点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミニウ
ム製正極リードに接続されるリード端子の腐食を回避し
つつ、スペース効率を向上することが可能なリチウム二
次電池を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るリチウム二
次電池は、活物質を含む正極層が集電体に担持された構
造を有する正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に
配置されたリチウムイオン伝導性電解質層とを含む発電
要素と、前記正極の集電体に接続されたアルミニウム製
の正極リードと、前記正極リードに接続され、ニッケ
ル、ステンレス及び銅から選ばれる少なくとも１種を主
成分とするリード端子とを具備し、ラミネートフィルム
を張り合わせて封止部を形成することにより設けられた
空間内に前記発電要素を収納するリチウム二次電池であ
って、前記正極リードと前記リード端子の接続部は、前
記ラミネートフィルムの封止部内に配置されることを特
徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に係るリチウム二次電池の
一例を図１及び図２を参照して詳細に説明する。図１に
示すように、リチウム二次電池は、発電要素１を備え
る。このような発電要素１は、例えば図２に示すよう
に、活物質を含む正極層２がアルミニウム製エキスパン
ドメタルのような網状集電体３の両面に担持された構造
を有する正極を有する。また、前記発電要素１は、負極
層４が銅製エキスパンドメタルのような網状集電体５の
両面に担持された構造を有する負極も備えている。リチ
ウムイオン伝導性電解質層としての固体ポリマー電解質
層６は、前記正極と前記負極の間に介在されている。ア
ルミニウム箔製の正極リード７は、前記集電体３に例え
ば超音波溶接や、抵抗溶接によって接続されている。リ
ード端子８（例えばニッケルか、ステンレス、もしくは
銅を主成分とする）は、例えば超音波溶接や、抵抗溶接
によって前記正極リード７に接続されている。例えば銅
箔からなる負極リード９は、前記集電体５に例えば超音
波溶接や、抵抗溶接によって接続されている。このよう
な発電要素１を二つ折りにしたラミネートフィルム１０
によって被覆し、前記正極リード７と前記リード端子８
との接続部が前記ラミネートフィルム１０の封止部（熱
融着部）に位置するように、前記ラミネートフィルム１
０を熱融着により張り合わせることによって前記発電要
素１を前記フィルム１０内に収納する。このようなフィ
ルム１０に収納された発電要素１は、箱形で、合成樹脂
製の電池パック１２内に収納される。前記リード端子８
は、前記電池パック１２の正極端子１３（例えば、ニッ
ケルや、ステンレスから形成される）に接続される。前
記電池パックの正極端子１３と前記リード端子８との接
続は、例えば、前記端子１３に図示しないリード線（例
えば、ニッケルリボンや、銅線を絶縁被覆したリード線
からなる）を接続し、このリード線と前記リード端子８
を半田付することによって行うことができる。また、前
記負極リード９は、前記電池パック１２の負極端子１４
（例えば、ニッケルや、ステンレスから形成される）
に、例えば、前記端子１４に図示しないリード線（例え
ば、ニッケルリボンや、銅線を絶縁被覆したリード線か
らなる）を接続し、このリード線と前記負極リード９を
半田付することによって接続される。

【００１２】前記リチウム二次電池の正極、負極及び電
解質層としては、例えば、以下に説明するものを用いる
ことができる。（正極）この正極は、正極活物質、非水電解液及びこの
電解液を保持するポリマーを含む正極層が集電体に担持
されたものから形成される。

【００１３】前記正極活物質としては、種々の酸化物
（例えばＬｉＭｎ₂ Ｏ₄ などのリチウムマンガン複合酸
化物、二酸化マンガン、例えばＬｉＮｉＯ₂ などのリチ
ウム含有ニッケル酸化物、例えばＬｉＣｏＯ₂ などのリ
チウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケルコバ
ルト酸化物、リチウムを含む非晶質五酸化バナジウムな
ど）や、カルコゲン化合物（例えば、二硫化チタン、二
硫化モリブテンなど）等を挙げることができる。中で
も、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有コバル
ト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物を用いるのが好
ましい。

【００１４】前記非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶
解することにより調製される。前記非水溶媒としては、
エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネー
ト（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチル
カーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥ
Ｃ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチ
ロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリ
ル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプ
ロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨ
Ｆ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることが
できる。前記非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上
混合して使用しても良い。

【００１５】前記電解質としては、例えば、過塩素酸リ
チウム（ＬｉＣｌＯ₄ ）、六フッ化リン酸リチウム（Ｌ
ｉＰＦ₆ ）、ホウ四フッ化リチウム（ＬｉＢＦ₄ ）、六
フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ₆ ）、トリフルオロメ
タンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ₃ ＳＯ₃ ）、ビスト
リフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ
（ＣＦ₃ ＳＯ₃ ）₂ ］等のリチウム塩を挙げることがで
きる。

【００１６】前記電解質の前記非水溶媒に対する溶解量
は、０．２ｍｏｌ／ｌ〜２ｍｏｌ／ｌとすることが望ま
しい。前記非水電解液を保持するポリマーとしては、例
えば、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレン
オキサイド誘導体、前記誘導体を含むポリマー、ビニリ
デンフロライド（ＶｄＦ）とヘキサフルオロプロピレン
（ＨＦＰ）との共重合体等を用いることができる。前記
ＨＦＰの共重合割合は、前記共重合体の合成方法にも依
存するが、通常、最大で２０重量％前後である。

【００１７】前述した図２においては、前記正極の集電
体としてアルミニウム製エキスパンドメタルを使用した
が、前記集電体には、例えばアルミニウム箔、アルミニ
ウム製メッシュ、アルミニウム製パンチドメタル等を用
いても良い。

【００１８】前記正極は、導電性を向上する観点から導
電性材料を含んでいてもよい。前記導電性材料として
は、例えば、人造黒鉛、カーボンブラック（例えばアセ
チレンブラックなど）、ニッケル粉末等を挙げることが
できる。

【００１９】（負極）この負極は、負極活物質、非水電
解液及びこの電解液を保持するポリマーを含む負極層が
集電体に担持されたものから形成される。

【００２０】前記負極活物質としては、リチウムイオン
を吸蔵放出する炭素質材料を挙げることができる。かか
る炭素質材料としては、例えば、有機高分子化合物（例
えば、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロ
ース等）を焼成することにより得られるもの、コークス
や、メソフェーズピッチを焼成することにより得られる
もの、人造グラファイト、天然グラファイト等に代表さ
れる炭素質材料を挙げることができる。中でも、５００
℃〜３０００℃の温度で、常圧または減圧下にて前記メ
ソフェーズピッチを焼成して得られる炭素質材料を用い
るのが好ましい。

【００２１】前記非水電解液及び前記ポリマーとして
は、前述した正極で説明したものと同様なものが用いら
れる。前述した図２においては前記負極の集電体として
は、銅製エキスパンドメタルを使用したが、例えば銅
箔、銅製メッシュ、銅製パンチドメタル等を用いても良
い。

【００２２】なお、前記負極シートは、人造グラファイ
ト、天然グラファイト、カーボンブラック、アセチレン
ブラック、ケッチェンブラック、ニッケル粉末、ポリフ
ェニレン誘導体等の導電性材料、オレフィン系ポリマー
や炭素繊維等のフィラーを含むことを許容する。

【００２３】（固体ポリマー電解質層）この電解質層
は、非水電解液及びこの電解液を保持するポリマーを含
む。前記非水電解液及び前記ポリマーとしては、前述し
た正極で説明したものと同様なものが用いられる。

【００２４】前記電解質層は、強度を更に向上させる観
点から、酸化硅素粉末のような無機フィラーを添加して
も良い。前記正極、前記負極及び前記電解質層を備えた
発電要素は、例えば、以下に説明する方法により作製す
ることができる。すなわち、前記正極活物質、前記非水
電解液を保持するポリマー、前記導電材料及びフタル酸
ジブチル（ＤＢＰ）のような可塑剤をアセトンなどの有
機溶媒中で混合し、ペーストを調製し、成膜することに
より正極シートを作製する。得られた正極シートを例え
ば熱圧着により集電体に接着し、非水電解液未含浸の正
極を作製する。一方、前記負極活物質、前記非水電解液
を保持するポリマー及びフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）の
ような可塑剤をアセトンなどの有機溶媒中で混合し、ペ
ーストを調製し、成膜することにより負極シート作製す
る。得られた負極シートを例えば熱圧着により集電体に
接着し、非水電解液未含浸の負極を作製する。また、前
記非水電解液を保持するポリマー、前記無機フィラー及
びフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）のような可塑剤をアセト
ンなどの有機溶媒中で混合し、ペーストを調製し、成膜
し、非水電解液未含浸の電解質層を作製する。このよう
にして得られた非水電解液未含浸の正極と非水電解液未
含浸の負極の間に、非水電解液未含浸の電解質層を介在
し、例えば熱圧着により一体化する。得られた積層物か
ら可塑剤を除去し、非水電解液を含浸させることにより
前記発電要素を作製することができる。

【００２５】前記リチウム二次電池に用いられるラミネ
ートフィルムとしては、例えば、保護層としての機能を
有する表面層（例えばポリエチレンテレフタレート（Ｐ
ＥＴ）のような絶縁性樹脂からなる）と、前記表面層の
片面に接着され、外部から水分が侵入するのを遮断する
機能を有する中間層（例えばアルミニウムのような金属
からなる）と、前記中間層に接着され、熱融着層として
の内部層（例えば、アイオノマー樹脂のような熱融着性
樹脂からなる）とから形成されたフィルムを挙げること
ができる。

【００２６】前記リチウム二次電池に用いられる電池パ
ックは、例えば、機械的強度が高く、非水電解液によっ
て腐食され難く、かつ難燃性を有する材料から形成する
ことができる。このような材料としては、アクリロニト
リル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリ
カーボネート樹脂等を挙げることができる。また、前記
電池パックは、アルミニウムや、ステンレスなどの金属
から形成しても良い。

【００２７】以上説明したように本発明に係るリチウム
二次電池は、活物質を含む正極層が集電体に担持された
構造を有する正極と、負極と、前記正極と前記負極の間
に配置されたリチウムイオン伝導性電解質層とを含む発
電要素；前記正極の集電体に接続されたアルミニウム
製の正極リード；前記正極リードに接続され、ニッケ
ル、ステンレスおよび銅から選ばれる少なくとも１種を
主成分とするリード端子；前記発電要素が収納される
ラミネートフィルム；を具備し、前記正極リードと前記
リード端子の接続部は、前記ラミネートフィルムの封止
部内に配置されることを特徴とするものである。このよ
うな二次電池によれば、ラミネートフィルム内に位置す
る正極リードをアルミニウムからなるものにすることが
できる。また、前記ラミネートフィルムの封止部内には
非水電解液が侵入しないため、前記封止部内に位置する
リード端子の腐食を回避することができる。その結果、
前記リチウム二次電池は、前記ラミネートフィルムの外
側に設けられていた正極リードとリード端子を接続する
ためのスペースを削除することができるため、スペース
効率を向上することができる。このため、前記二次電池
の大きさを小さくすることができ、単位体積当りのエネ
ルギー密度を向上することが可能になる。更に、前記正
極リードと前記リード端子との接続部は、前記ラミネー
トフィルムにより被覆されているため、接続強度を向上
することができる。

【００２８】前述した図１に示すような前記ラミネート
フィルム内に収納された発電要素が電池パック内に収納
され、前記リード端子が前記電池パックの正極端子に接
続され、負極リードが前記電池パックの負極端子に接続
される構成のリチウム二次電池においては、前記正極リ
ードと前記リード端子との接続部を前記ラミネートフィ
ルムの融着部内に配置することによって、前記電池パッ
ク内に設けられていた前記接続部のためのスペースをな
くすことができる。その結果、前記電池パック内に収納
できる発電要素の容積を増加させることができたり、前
記電池パック自体の大きさを小さくすることが可能にな
るため、前記電池パックの単位体積当りのエネルギー密
度を向上させることができる。また、リチウム二次電池
自体の大きさを小さくすることができるため、前記電池
パックの製造に必要なスペースを低減することができ、
生産性を向上することができる。

【００２９】なお、前述した図１においては、リード端
子と負極リードを電池パックの端子に直接接続する構成
のリチウム二次電池に適用した例を説明したが、本願発
明は、前記リード端子及び前記負極リードをＰＴＣ素子
のような保護回路の端子に接続する構成のリチウム二次
電池や、複数個の素電池を直列、並列に接続する（一方
の素電池のリード端子と他方の素電池の負極リード及び
／または素電池のリード端子同士、負極リード同士を接
続する）構成の組電池にも同様に適用することができ
る。

【００３０】また、前述した図１においては、正極、電
解質層及び負極がこの順序に積層された３層構造の発電
要素を備えるリチウム二次電池に適用した例を説明した
が、発電要素中の正負極の数は幾つでも良い。例えば、
正極、電解質層、負極、電解質層、正極がこの順序に積
層された５層構造の発電要素を備えるリチウム二次電池
にも同様に適用することができる。また、前述の３層ま
たは５層構造の発電要素が複数に積層された発電要素を
備えるリチウム二次電池にも同様に適用することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、正
極リードに接続されるリード端子の腐食を防止しつつ、
スペース効率を向上することが可能なリチウム二次電池
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るリチウム二次電池の一例を示す部
分切欠上面図。

【図２】図１のリチウム二次電池の発電要素を示す断面
図。

【図３】従来のリチウム二次電池の一例を示す部分切欠
上面図。

【符号の説明】

１…発電要素、７…正極リード、８…リード端子、１０
…ラミネートフィルム、１１…封止部（融着部）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】活物質を含む正極層が集電体に担持され
た構造を有する正極と、負極と、前記正極と前記負極の
間に配置されたリチウムイオン伝導性電解質層とを含む
発電要素と、前記正極の集電体に接続されたアルミニウム製の正極リ
ードと、前記正極リードに接続され、ニッケル、ステンレス及び
銅から選ばれる少なくとも１種を主成分とするリード端
子とを具備し、ラミネートフィルムを張り合わせて封止部を形成するこ
とにより設けられた空間内に前記発電要素を収納するリ
チウム二次電池であって、前記正極リードと前記リード端子の接続部は、前記ラミ
ネートフィルムの封止部内に配置されることを特徴とす
るリチウム二次電池。
【請求項２】前記封止部は、ラミネートフィルムを熱
融着で張り合わせることにより形成されることを特徴と
する請求項１記載のリチウム二次電池。