JPH11250873A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寿命性能及び耐過充電特性性能に優れ、かつ
製造工程における煩雑さを招くことのない、金属ラミネ
ートシートを構成要素とする電池容器を用いた非水電解
質二次電池を提供する。 【解決手段】 本発明になる非水電解質二次電池は、正
極と負極とセパレータとを有する電極体が、金属と樹脂
とのラミネートシートにより構成される電池容器に収納
された非水電解質二次電池において、電極体より突出し
たセパレータが、前記ラミネートシートの樹脂層同士に
よる溶着封口とともに溶着され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、非水電解質二次電
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、又は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リチウ
ムインターカレーション化合物を負極材料とし、ＬｉＣ
ｌＯ₄、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非水電解質二次電池であ
る。

【０００３】この非水電解質二次電池は、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、リチウムコバルト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】非円筒形状の電池の場合、上記正極板及び
負極板は、いずれも薄いシートないし箔状に成形された
ものをセパレーターを介して渦巻き状にかつ断面非円形
状に巻回し、その電極体の最外周をテープで巻き止めす
る。そして、完成した電極体は、ステンレス、ニッケル
メッキを施した鉄、又はアルミ製等の金属からなる電池
容器に収納され、電解液を注液後、蓋板で密封固着して
電池が組み立てられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前述のとお
り、電池容器にはステンレス、ニッケルメッキを施した
鉄製のものがあり、気密性が高く、かつ機械的強度に優
れてはいるものの電池の軽量化や電池容器の材料、デザ
イン化には大きな制約となる。その問題を解決するもの
として電極体をアルミニウムラミネートシートで構成し
た電池容器に収納する方法が提案されている。

【０００６】しかしながら、従来の非円形状の渦巻き電
極体の構成のままでアルミニウムラミネートシート製の
電池容器に収納し、容器を密閉した場合、電池が過充電
等により異常発熱したり、電池の置かれる環境が電池容
器を封止した熱融着温度を超えると、熱融着により封止
された部分が開裂してしまう。このような状態になる
と、その瞬間に電池発電要素内に大量の酸素が供給さ
れ、活物質の熱化学反応を助長して電池安全性の低下を
招くという問題が生じた。

【０００７】そこで、本発明は電池安全性の低下を招く
ことなく、かつ製造方法における煩雑さを招くことがな
い、正極と負極とセパレータ又はポリマー電解質を有す
る発電要素が金属と樹脂とのラミネートシートより構成
される電池容器に収納された非水電解質二次電池を提供
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、第１の発明にか
かかる非水電解質二次電池は、正極と負極とセパレータ
又は／及びポリマー電解質とを有する電極体が、金属と
樹脂とのラミネートシートにより構成される電池容器に
収納されており、セパレータ又は／及び電極体を被覆し
た樹脂シートが、前記ラミネートシートの溶着封口とと
もに溶着されてなることを特徴とする。この場合には、
耐過充電性能を著しく改善することができる。

【０００９】第１の発明にかかる第２の発明になる非水
電解質二次電池は、前記電極体が断面非円形状に巻回さ
れた構造であって、その電極体の巻軸端面より突出させ
たセパレータ又は／及び樹脂シートが、前記ラミネート
シートの溶着封口とともに溶着されてなることを特徴と
する。この場合には、耐過充電性能を著しく改善するこ
とができる。

【００１０】第１又は２の発明にかかる第３の発明にな
る非水電解質二次電池は、前記ラミネートシートの溶着
封口部において、ラミネートシートの樹脂層同士のみの
樹脂層溶着部の長さをａとし、樹脂層同士の溶着部の間
にセパレータ又は樹脂シート端部が溶着されたセパレー
タ又は樹脂シート溶着部の長さをｂとすると、 0.125≦ｂ／（ａ＋ｂ）≦0.5 の関係を満足することを特徴とする。

【００１１】ここで、金属と樹脂とのラミネートシート
の金属とは、特にはアルミニウム、又はその合金などが
例示され、他のものとしてはチタン箔などがあげられ
る。また、金属ラミネートシートの樹脂層や金属箔層は
それぞれ１層に限定されるものでもなく、２層以上であ
ってもかまわない。樹脂シートは、低密度又は高密度ポ
リエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミ
ドなどの材質があげられる。

【００１２】なお、本発明内においてシートとフィルム
とは同一の意味に解するものとする。また、本発明にな
る非水電解質二次電池においては、その構成として正
極、負極及びセパレータと非水電解液との組み合わせ、
又は正極、負極及びセパレータとしての有機若しくは無
機固体電解質のみ又は非水電解液との組み合わせ、又は
正極、負極、セパレータ及び有機若しくは無機固体電解
質のみ又は非水電解液との組み合わせであっても構わな
い。有機電解質としては、たとえば有機高分子電解質で
あるＰＡＮ、ＰＥＯなどがあげられる。むろん、セパレ
ータ若しくは有機又は無機固体電解質、非水電解液は、
いずれも公知のものの使用が可能である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図面とと
もに説明する。図２は本発明になる非水電解質二次電池
の説明図である。

【００１４】本実施の形態における非水電解質二次電池
１は、正極板、負極板及びセパレータからなる電極体１
２が非水系の電解液（図示省略）とともにアルミラミネ
ートシート電池容器６に収納されている。

【００１５】正極板は、集電体に活物質としてリチウム
コバルト複合酸化物が保持されたものである。集電体
は、厚さ６μｍのＰＥＴ膜の両面に厚さ４μｍのアルミ
ニウム箔を重ね合わせて接着剤で接着することによって
得たものである。正極板は、結着剤であるポリフッ化ビ
ニリデン８部と導電剤であるアセチレンブラック５部と
を活物質８７部とともに混合し、適宜Ｎ−メチルピロリ
ドンを加えてペースト状に調製した後、その集電体材料
の両面に塗布、乾燥することによって製作した。

【００１６】負極板の集電体は、厚さ１２μｍのＰＥＴ
膜の両面に銅をスパッタリングした後、厚さ１μｍの銅
を電解メッキすることによって得た。

【００１７】負極板は、その集電体の両面に、ホスト物
質としてのグラファイト（黒鉛）８６部と結着剤として
のポリフッ化ビニリデン１４部とを混合しペースト状に
調製したものを塗布、乾燥することによって製作され
た。

【００１８】セパレータは、ポリエチレン微多孔膜であ
る。また、電解液は、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ含むエ
チレンカーボネート：ジエチルカーボネート＝１：１
（体積比）の混合液である。

【００１９】それぞれの寸法は、正極板が厚さ１８０μ
ｍ、幅５５ｍｍで、セパレータが厚さ２５μｍ、幅６
２．４ｍｍで、負極板が厚さ１７０μｍ、幅５７ｍｍと
なっており、正極板及び負極板にそれぞれリード端子を
溶接し、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に重
ね合わせ、ポリエチレンの長方形状の巻芯を中心として
長辺が電極体１２の巻き軸と平行となるよう、その周囲
に渦状に巻き、セパレータが外周となるよう断面非円形
状の電極体１２とした。そして、セパレータの終縁部分
をポリエチレンからなる巻き止め用テープ（ここでは接
着剤が片面に塗布している）で電極幅（巻き軸と平行な
電極体の長さ）に相当する長さを巻き軸と平行な電極体
側面部分に貼り付け電極体１２を巻き止め固定した。そ
して、アルミニウムラミネートシートを筒状に成形した
電池容器６に収納した。次に、リード端子１０，１０'
がでていない、巻軸と垂直な電極端面から突出している
セパレータをラミネートシートとともに熱融着させた。
このとき、ラミネートシートの樹脂層同士のみの樹脂層
溶着部の長さ（ａ）を４．８ｍｍとし、樹脂層同士の溶
着部の間にセパレータ端部が溶着されたセパレータ溶着
部の長さ（ｂ）を１．２ｍｍとした。（図１参照；電極
は図示せず。）ただし、ｂ／（ａ＋ｂ）＝0.2とし
た。） 次に、電解液を各電極、セパレータが十分湿潤し、電極
群外にフリーな電解液が存在しない量を真空注液した。
次に、リード端子が設けられた巻軸面側についても同様
に熱融着させた。なお、ここでは筒状のラミネートシー
トシートから作製したが、皿状の1対のラミネートシー
ト加工品を用い、電極体を介在させ、融着封口しても良
いし、これに限るものでもない。

【００２０】また、気密封口用の電池容器６は、図３の
ように最外層に表面保護層１５として１２μｍのＰＥＴ
フィルムを有し、その下にバリア層１６として９μｍの
アルミニウム箔をウレタン系接着剤で接着している。さ
らに、その下に熱融着層１７として１００μｍの酸変性
ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）を有するラミネートシ
ートからなっている。また、リード端子１０、１０’
は、５０から１００μｍの銅、アルミニウム、ニッケル
などの金属導体に金属との接着層１８としての５０μｍ
の酸変性ＬＤＰＥと、その外側に電解液バリア層１９と
しての７０μｍのエバール樹脂（クラレ製のエチレンビ
ニルアルコール共重合樹脂）層を設けたものである。こ
こでは、正極にアルミニウム、負極に銅を用いている。
ただし、電池容器６やリード１０，１０’の構成及び電
池容器６からの引出し等はこれらに限るものでないこと
はいうまでもない。

【００２１】上記のごとく、設計容量８００ｍＡｈの本
実施の形態にかかる電池Ａ〜Ｈ、８種を各３個、計２４
個作製した。ただし、セパレータの幅を適宜変えて、ｂ
／（ａ＋ｂ）の関係を０．1、０．１２、０．１５、
０．２、０．４、０．５、０．６とした。（ａ＞０、ｂ
＞０） 次に、上記と同様にして従来の比較電池（Ｉ）を３個作
製した。ただし、セパレータ端部をラミネートシートと
ともに溶着封口していない点が異なる。

【００２２】［試験および結果］これらの電池Ａ〜Ｈ、
Ｉ（比較電池）を数時間放置し、０．５Ｃの電流で３時
間、４．１Ｖまで定電流定電圧充電を行って満充電状態
とし２．７５Ｖまで放電するという条件でサイクル特性
試験を行った。このときの結果を図４に示す。（各値は
各３個の平均値を用いた。）その結果、ｂ／（ａ＋ｂ）
の比が０．６以上ではサイクル特性が低下していること
がわかった。

【００２３】次に、これらの電池各３個を用いて、放電
状態から１Ａの定電流を連続して通電し１０Ｖまで過充
電試験を行った。その結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】 従来電池Ｉ及びｂ／（ａ＋ｂ）の比が０．１２以下で
は、充電電圧が５Ｖを超えた付近より電解液の酸化分解
によるガス発生でケースが急激に膨張し、それと同時に
電池温度が急激に上昇して電池温度が１００℃を超えた
付近で溶着部分が開口した。そして、その数秒後に活物
質の熱化学反応による急激な発熱、発煙が認められ電池
温度が２００℃以上に達した。加えて、ｂ／（ａ＋ｂ）
の比が０．１２以下では、セパレータの溶着が不十分と
なり、電池発電要素内への大量の酸素供給がおこって活
物質の熱化学反応により、電池の安全性が低下したもの
と考えられる。

【００２５】よって、０．１２５≦ｂ／（ａ＋ｂ）≦
０．５という条件を満足する溶着又は融着を行うことに
より、サイクル特性に優れ、かつ耐過充電性能にも優れ
たラミネート電槽の非水電解質二次電池を提供すること
ができる。なお、電極体としては、扁平状、断面楕円状
などの巻回電極、又は積層電極であっても同様の効果が
得られる。ただし、積層電極の場合には、最外側をセパ
レータとし、4方向を電槽となるラミネートシートとと
もに融着した方が好ましい。この場合には製造工程にお
ける生産性が落ちるので、積層電極体を筒状樹脂シート
（ポリエチレンなど）に収納し、開口部のシートを電槽
となるラミネートシートとともに融着してもよい。すな
わち、熱融着により封止された部分が開裂してしまうよ
うな状態になっても電池発電要素内への大量の酸素供給
が良好に抑制されるものであって、請求項記載の構成を
備えていれば、これらに限るものでもない。また、ａ＋
ｂの長さは、長くしすぎると体積あたりのエネルギー密
度の低下を招くことになり、短くしすぎると溶着不良を
招くことになるので、３ｍｍ〜１０ｍｍとするのがよ
い。 さらに、ａ=０の場合又はアルミラミネート電槽
からセパレータ又は樹脂シートが突出しているような場
合には、ｂの長さが上記長さを少なくとも有していれば
耐過充電特性の向上が図れる。溶着方法は、本実施の形
態では熱融着を用いているがこれに限定されるものでは
なく、気密なシールができるものであれば適用可能なこ
とは言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、電池安全性の低下を招
くことなく、かつ製造方法における煩雑さを招くことが
ない、正極と負極とセパレータ又はポリマー電解質とを
有する発電要素が金属と樹脂とのラミネートシートより
構成される電池容器に収納された非水電解質二次電池を
提供することができる。加えて、溶着部分の長さを特定
することにより、電池が過充電等により異常発熱した
り、電池の置かれる環境が電池容器を封止した熱融着温
度を超えてしまい、熱融着により封止された部分が開裂
してしまうような状態になっても電池発電要素内への大
量の酸素供給が良好に抑制され、活物質の熱化学反応に
よる電池の安全性低下を防ぐことができる。加えて、サ
イクル特性にも優れた非水電解質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】本発明になる一実施の形態にかかる非水電解質
二次電池の断面説明図である。

【図２】本発明になる一実施の形態にかかる非水電解質
二次電池の説明図である。

【図３】本発明になる一実施の形態にかかる非水電解質
二次電池のリード端子部分の拡大断面説明図である。

【図４】本実施の形態にかかるサイクル寿命試験結果を
示す図である。

【符号の説明】

１ 非水電解質二次電池 １０ 正極リード端子 １０’負極リード端子 ６ 電池容器 １２ 電極体 １５ 表面保護層 １６ バリア層 １７ 熱融着層 １８ 接着層 １９ 電解液バリア層 ３０ セパレータ溶着部 ３１ 樹脂層溶着部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極と負極とセパレータ又は／及び有機
   若しくは無機電解質とを有する電極体が、金属と樹脂と
   のラミネートシートにより構成される電池容器に収納さ
   れた非水電解質二次電池において、 セパレータ又は電極体を被覆した樹脂シートが、前記ラ
   ミネートシートの溶着封口とともに溶着されてなること
   を特徴とする非水電解質二次電池。
2. 【請求項２】 前記電極体が断面非円形状に巻回された
   構造であって、その電極体の巻軸と垂直な端面より突出
   したセパレータ又は前記樹脂シートが、前記ラミネート
   シートの溶着封口とともに溶着されてなることを特徴と
   する非水電解質二次電池。
3. 【請求項３】 前記ラミネートシートの溶着封口部にお
   いて、ラミネートシートの樹脂層同士のみの樹脂層溶着
   部の長さをａとし、樹脂層同士の溶着部の間にセパレー
   タ端部又は樹脂シート端部が溶着されたセパレータ溶着
   部又は樹脂シート溶着部の長さをｂとすると、 ０．１２５≦ｂ／（ａ＋ｂ）≦０．５ の関係を満足することを特徴とする請求項１又は２記載
   の非水電解質二次電池。