(57)【要約】【課題】  容易に製造可能であり、かつ、フィルムケースを外装とすることによる軽量化という利点を損なうことなく、従来に比してより高い機械的強度を有するフィルムケース型蓄電デバイスを提供する。【解決手段】  フィルムケース型蓄電デバイス１０は、巻回の軸と垂直方向に切断したときの断面が、扁平状に形成された電極群６と、２本の角棒型の補強部材１１をフィルムケース１２に収容した蓄電デバイスであり、角棒型の補強部材１１を電極群６の両側部に沿って備えることによって、フィルムケース型蓄電デバイス１０に対して外部から応力が加わっても、フィルムケース内の電極群６が変形することを回避することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極シートと第２の電極シートと第３のシートとを積層して、または積層・巻回して得られる電極群と、前記電極群の外側部に沿って備えられた棒状の補強部材とを気密性のフィルムケースに収容してなることを特徴とするフィルムケース型蓄電デバイス。
【請求項２】
前記電極群が、第１の電極シートと第２の電極シートと第３のシートとを積層・巻回して得られる巻回型電極群であって、
前記巻回型電極群における巻回軸に垂直な断面が楕円形状であり、
前記楕円形状断面の長径方向の外側部の少なくとも一方に沿って前記棒状の補強部材が備えられたことを特徴とする請求項１記載のフィルムケース型蓄電デバイス。
【請求項３】
前記補強部材が、前記楕円形状断面の長径方向の外側部のそれぞれに沿って備えられた請求項２記載のフィルムケース型蓄電デバイス。
【請求項４】
前記フィルムケースが、金属ラミネート樹脂フィルムからなる請求項１から３のいずれかに記載の蓄電デバイス。
【請求項５】
前記蓄電デバイスが、第１の電極シートが正極であり、第２の電極シートが負極であり、非水系電解液を含有してなる蓄電デバイスである請求項１から４のいずれかに記載の蓄電デバイス。
【請求項６】
前記非水系電解液が、リチウムイオンを含む請求項５記載の蓄電デバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の蓄電デバイスからなる二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフィルムケース型蓄電デバイスに関する。詳しくは、電極シートとセパレータを含む電極群を有する二次電池、キャパシタなどのフィルムケース型蓄電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサ、キャパシタ、電池等の蓄電デバイスは、携帯用の電子機器用や自動車用電源としての応用が期待されている。特にリチウムイオン二次電池は、携帯電話やノートパソコン用電源や自動車用電源への需要が近年増え続けている。
これらの蓄電デバイスは、一般にセパレータを介して２種類の電極シートを任意の形状に積層・巻回することにより作製される電極群（巻回型電極群）または積層することにより作製される電極群（積層型電極群）をケース内に収容し、電解液を注液後、密閉して使用されている。
【０００３】
電子機器、自動車の高性能化に伴う上記蓄電デバイスの高容量化に従って、これらの安全性をより高めることが重要視されている。上記の電極群は薄いシート状の材料から構成されるため、これらの蓄電デバイスのケースとして、従来、機械的強度の高いステンレスやアルミニウム等の金属製の缶が使用されてきた。しかしながら、これらの金属製の缶については、その構成材料そのものの重さ、すなわち比重が、蓄電デバイスをより軽量化するための大きな制約となっていた。
そこで、軽量化を図るために金属製の缶に代わり、気密性の金属ラミネート樹脂フィルムからなるフィルムケースを使用することが提案されている（例えば、特許文献１）。
図７にフィルムケースを使用した従来のフィルムケース型蓄電デバイスの模式図を示す。フィルムケース型蓄電デバイス４０において、電極タブ４３ａが付着された正極シート、電極タブ４３ｂが付着された負極シートおよびセパレータが巻回され、巻回の軸と垂直方向に切断したときの断面が、扁平状に形成された巻回型電極群４１が、金属ラミネート樹脂からなるフィルムケース４２に収容されている。かかるフィルムケースを外装とした蓄電デバイス（フィルムケース型蓄電デバイス）は、軽量且つ放熱効率が良いため、上記電源として使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５３２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、蓄電デバイスのケースとして金属製の缶を使用した場合に比して、金属ラミネート樹脂フィルムは機械的強度に乏しく、また、柔軟性をもつため、外部から衝撃や応力が加わった場合には、ケース形状が変形し易く、その結果、ケース内の電極群も変形し、電極群を構成する電極シートあるいはセパレータの破損により、短絡が発生し易いという懸念がある。特に巻回型電極群の場合、電極群の外側部は湾曲しているため、変形により構造が破損し易いという懸念がある。
【０００６】
本発明は、容易に製造可能であり、かつ、フィルムケースを外装とすることによる軽量化という利点を損なうことなく、従来に比してより高い機械的強度を有するフィルムケース型蓄電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決する第１の発明は、第１の電極シートと第２の電極シートと第３のシートとを、積層して、または積層・巻回して得られる電極群と、前記電極群の外側部に沿って備えられた棒状の補強部材とを気密性のフィルムケースに収容してなるフィルムケース型蓄電デバイスに係るものである。なお、得られる電極群において、第１の電極シートと第２の電極シートは、第３のシートによって隔離されている。
【０００８】
このような構成とすることで、前記電極群の外側部に沿って備えられた補強部材によって、機械的強度が高まるため、電極群の変形を抑制することができる。また、補強部材が電極群の外側部のみに配置され、電極群全体を覆うことがないため、蓄電デバイスの充放電によって、電極群が発熱しても放熱を妨げることはない。
ここで、電極群の構成としては、第１の電極シートと第２の電極シートと第３のシートとを、積層・巻回して得られる電極群（巻回型電極群）と、積層して得られる電極群（積層型電極群）があるが、本発明は、特に比較的小型で放熱性が要求される巻回型電極群を使用したフィルムケース型蓄電デバイスに適する。
なお、棒状の補強部材は、電極群の外側部の形状に沿う形状であればよく、電極群の外側部が直線であれば直線状の補強部材、電極群の外側部が曲線であれば、それに沿った曲線状の補強部材が使用される。電極群の外側部と補強部材とは接触していてもよく、本発明の効果を損なわない程度に隙間があってもよい。
また、第３のシートは、電極間の短絡を防止するために使用されるものであればよく、いわゆるセパレータだけでなく、ポリマー電解質や無機固体電解質であってもよい。
【０００９】
また、第２の発明は、前記電極群が、第１の電極シートと第２の電極シートと第３のシートとを積層・巻回して得られる巻回型電極群であって、前記巻回型電極群における巻回軸に垂直な断面が楕円形状の巻回型電極群であり、前記楕円形状断面の長径方向の外側部の少なくとも一方に沿って前記棒状の補強部材備えられたことを特徴とするフィルムケース型蓄電デバイスに係るものである。
なお、本発明において、「楕円形状」とは、外側部が湾曲した形状のものをすべて含み、完全な楕円だけでなく、いわゆる扁平状や、長円状の形状も含む。
【００１０】
このような構成とすることで、前記巻回型電極群における楕円形状断面の長径方向の外側部の少なくとも一方に沿って備えられた補強部材によって、機械的強度が高まるため、巻回型電極群の巻回軸方向への変形を抑制することができる。特に前記補強部材を、前記楕円形状断面の長径方向の外側部のそれぞれに沿って備えることで巻回軸方向への変形をより抑制することができる。
【００１１】
また、前記フィルムケースが、金属ラミネート樹脂フィルムで構成されていると、他の樹脂フィルムで構成される場合に比し、気密性だけでなく、機械的強度をさらにより高めることもできる。
【００１２】
本発明のフィルムケース型蓄電デバイスは、第１の電極シートが正極であり、第２の電極シートが負極であり、非水系電解液を含有してなる蓄電デバイスとして、好適に使用することができ、特に前記非水系電解液が、リチウムイオンを含む蓄電デバイスであることが好ましい。また、本発明のフィルムケース型蓄電デバイスは、二次電池であることが特に好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のフィルムケース型蓄電デバイスは、容易に製造可能であり、かつ、フィルムケースを外装とすることによる軽量化という利点を損なうことなく、従来に比してより高い機械的強度を有するため、蓄電デバイスの変形を抑制し、短絡をより防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態のフィルムケース型蓄電デバイスに使用される電極群の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフィルムケース型蓄電デバイスの斜視図である。
【図３】図２のフィルムケース型蓄電デバイスのＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るフィルムケース型蓄電デバイスの斜視図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るフィルムケース型蓄電デバイスの斜視図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るフィルムケース型蓄電デバイスの斜視図である。
【図７】従来のフィルムケース型蓄電デバイスの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
なお、本発明の実施形態のフィルムケース型蓄電デバイスとして、巻回軸の断面が扁平状の巻回型電極群と、該電極群の外側部の両端に備えられた２本の角棒型補強部材とを気密性の金属ラミネート樹脂フィルムケースに収容したフィルムケース型リチウムイオン二次電池（以下、単に「フィルムケース型二次電池」と呼ぶ。）について例示するが、本発明は該形態に限ることなく、その他の電池や、コンデンサ、キャパシタなど電池以外のフィルムケース型蓄電デバイスに適用することができる。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態のフィルムケース型二次電池に使用される電極群の構成を示す図であり、図２は本発明の実施形態のフィルムケース型二次電池の斜視図であり、図３は図２のフィルムケース型二次電池Ａ−Ａ断面図である。
なお、これらの図面では、電極群の構造の理解を容易にするために、電極群の大きさに対する正極、負極、セパレータなどの厚みを、実際のものよりも大きく示している。
【００１７】
図１において、巻回型の電極群６は、それぞれ細長片である電極タブ５ａが付着された第１の電極シート１、電極タブ５ｂが付着された第２の電極シート２、ならびにセパレータ３およびセパレータ４からなり、セパレータ３、第２の電極シート２、セパレータ４、第１の電極シート１の順に積層されて巻回されたのちに、加圧することにより、巻回の軸と垂直方向に切断したときの断面が、扁平状に形成された電極群である。巻回後の電極群６はテープなどで固定され、リチウムイオンを含む電解液を電極群に含浸させて、金属ラミネート樹脂フィルムケース１２に収納することで、図２に示すフィルムケース型リチウムイオン二次電池として使用される。なお、本実施形態において電極群６の大きさは、断面の長径方向が、５〜５００ｍｍ、短径方向が、２〜２００ｍｍであり、長さ方向が、１０〜５００ｍｍである。
【００１８】
図２の本実施形態のフィルムケース型二次電池１０は、上述の電極群６と、２本の角棒型の補強部材１１をフィルムケース１２に収容したものであり、電極群６と補強部材１１を収容した２枚の金属ラミネート樹脂フィルムの４辺を熱溶着したフィルムケース１２に電解液を注入し、電解液をセパレータ３，４に含浸させた後、余分な電解液を抽出し、減圧しながら、正極電極タブ５ａと負極電極タブ５ｂが外部に出るように封止することで作製される。
【００１９】
フィルムケース型二次電池１０は、角棒型の補強部材１１を電極群６の両端部に備えることによって、フィルムケース型二次電池１０に対して外部から応力が加わっても、巻軸方向に変形することを回避することができる。
また、該フィルムケース型二次電池１０は、補強部材１１を電極群６の外側部のみに配置した構成であるため、充放電によって電極群６が発熱した場合においても、実質的に放熱が妨げられることはない。
なお、補強部材の形状は、本実施形態の角棒型に限ることなく、円柱型や半円柱型や三角柱型などいかなる形状でもよい。
【００２０】
本実施形態において、補強部材１１は、充分な強度のあるポリエチレン製の補強部材からなる。補強部材は、電極群より硬度が高く、電解液に溶出しない材料であればよい。また、絶縁物であることが好ましい。具体的には上記ポリエチレン以外にも、アルミナ、シリカなどの無機酸化物、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、シリコーン樹脂などの耐薬品性を持つ樹脂などを好適に使用することができる。この中でも、本実施形態で用いられたポリエチレンは、充分な強度を持ち且つ軽量、適度な硬さであるため、電極群６やフィルムケース１２の金属ラミネート樹脂フィルムを傷つけ難く特に好適である。
【００２１】
フィルムケース１２は、２枚の金属ラミネート樹脂フィルムの４辺を熱溶着した平らなケースである。フィルムケース１２のフィルムを構成する金属層は、外気の透過を抑制することで該フィルムに気密性を持たせることができるものであればよく、アルミニウム、チタンやこれらを含む合金などを材料とするが、特にアルミニウムが好ましい。フィルムの樹脂層としては、適度な柔軟性と強度を有するものであればよく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性樹脂を好適に使用することができる。また、金属ラミネート樹脂フィルムの金属層および樹脂層は、１層でもよく複層でもよい。
【００２２】
該フィルムケースは、気密性を確保できればよく、その厚みは必要な機械的強度と重量を考慮に入れて用途に応じて決定されるが、通常、１００〜５００μｍである。
なお、フィルムケースは、本実施形態の２枚の金属ラミネート樹脂フィルムの４辺を熱溶着したケース以外にも、一枚のシートを二つ折りにして３辺を熱溶着したものや、袋状のものなど、あらゆる形状の金属ラミネート樹脂フィルムケースを用いることができる。
【００２３】
なお、本実施形態では、断面が扁平状の巻回型電極群を示したが、この形状に限定されず、断面が円形状や非円状の巻回型電極群、２種類の電極シートをセパレータを介して積層する形態の積層型電極群などのあらゆる形状の電極群を使用することができる。
また、図２に示すように、本実施形態では、２本の角棒型の補強部材１１を、電極群の湾曲部（外側部）の両端に対向するように配置する形態であるが、この形態に限ることなく、図４に示す用に湾曲部の一端のみに補強材１１を配置してもよい。また、電極群の端面に補強材１１を配置してもよく、図５に示すように補強部材１１をコの字型に配置したり、図６に示すように、補強部材１１をＬ字型に配置してもよい。
一方で、図５のコの字型、図６のＬ字型に補強部材１１を配置すると、巻回型電極群の巻回軸と垂直の方向の側面（端面）からの放熱が阻害されるため、高出力で発熱量が多い電池の場合には、図２や図４のように楕円形状断面の長径方向の外側部のみに沿って補強部材１１を配置することが望ましい。
【００２４】
以下、本発明に使用する電極群の構成要素について説明する。
図１に示す本実施形態の電極群６において、第１の電極シート１は、正極活物質としてＬｉを含む酸化物を含む正極合剤をＡｌ箔に塗布して作製された導電性シートであり、正極としての機能を有する。この正極シート（第１の電極シート１）は、通常、正極集電体と、正極集電体の上に担持された正極合剤とから構成され、正極シート（第１の電極シート１）の厚みは、通常、５〜５００μｍ程度である。
正極集電体として、本実施形態では、Ａｌが使用されているが、薄膜に加工しやすいものであればよく、Ａｌ以外にもＮｉ、ステンレスなどの金属などを用いることができる。正極集電体の形状としては、例えば、箔状、平板状、メッシュ状、ネット状、ラス状、パンチングメタル状若しくはエンボス状であるものまたはこれらを組み合わせたもの（例えば、メッシュ状平板など）等が挙げられる。
【００２５】
正極合剤は、正極活物質及び必要に応じて導電材やバインダーを含み、それぞれが従来公知の材料から作製することができる。
正極活物質としてのＬｉを含む酸化物としては、例えば、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、Ｌｉ（Ｎｉ,Ｃｏ）Ｏ2、Ｌｉ（Ｎｉ,Ｍｎ）Ｏ2、Ｌｉ（Ｎｉ,Ｍｎ,Ｃｏ）Ｏ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、Ｌｉ（Ｍｎ,Ｆｅ）2Ｏ4、ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4などを挙げることができ、これらは１種あるいは２種以上を混合して使用することができる。
前記導電材としては炭素材料を用いることができ、炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック、カーボンナノチューブなどの繊維状炭素材料などを挙げることができる。
前記バインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦということがある。）、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥということがある。）などのフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂等が挙げられる。また、これらの２種以上を混合して用いてもよい。
【００２６】
正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、加圧成型する方法、または有機溶媒などを用いてペースト化し、正極集電体上に塗布、乾燥後プレスするなどして固着する方法が挙げられる。正極合剤を正極集電体へ塗布する方法としては、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、バー塗工法等が挙げられる。
【００２７】
本実施形態において、第２の電極シート２は、グラファイト（黒鉛粉末）をＣｕ箔に塗布して作製された導電性シートであり、負極としての機能を有する。
この負極シート（第２の電極シート２）は、通常、炭素材料などの負極材料、必要に応じてバインダーや導電材を含む負極合剤を負極集電体に担持させて製造することができる。負極シート（第２の電極シート２）の厚みは、通常、５〜５００μｍ程度である。
負極集電体として、本実施形態では、Ｃｕが使用されているが、他の導電性材料でもよく、例えば、Ｎｉ、ステンレスなどを挙げることができる。一方で、リチウムと合金を作り難い点、薄膜に加工しやすいという点で、Ｃｕが好適である。また、導電材およびバインダーとしては、上述の正極シートと同様の材料を挙げることができる。
該負極集電体に負極合剤を担持させる方法としては、上記の正極の場合と同様であり、加圧成型による方法、溶媒などを用いてペースト化し負極集電体上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法等が挙げられる。
【００２８】
なお、電流の出し入れを行うために、第１の電極シート１、第２の電極シート２に付着された電極タブ５ａ，５ｂは、本実施形態では、Ｃｕが使用されているが、十分な電子導電性を有する材料であればよく、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレスなどを挙げることができ、その他にも、公知の材料からなる電極タブを使用することができる。また、電極シートと電極タブ５を付着する方法も特に限定されず、通常、溶接で行われる。
【００２９】
セパレータ３及びセパレータ４は、厚み１０〜３０μｍの多孔性ポリエチレンシートが使用され、その中には適量の電解液を注入されている。セパレータの厚みは、特に限定されないが、通常、５〜２００μｍ（好適には５〜４０μｍ）である。
セパレータ３，４は、熱可塑性樹脂であることが望ましく、本実施形態では多孔性ポリエチレンシートを使用したが、他の材料からなる多孔性シートでもよく、他の材料として、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体が挙げられる。
また、セパレータ３，４は、両電極シートの短絡を防止する機能および過充電時のシャットダウン機能を有するが、シャットダウン後の熱破膜抑制機能（耐熱機能）を持たせる為に、耐熱性を有する耐熱性多孔層と、ポリエチレン樹脂等の熱可塑性樹脂を含有する多孔性シートとが積層された積層セパレータを用いることもできる。耐熱性多孔層は、耐熱樹脂からなってもよいし、無機粒子からなってもよいし、これらが混合されてなってもよい。耐熱樹脂としては、含窒素芳香族重合体を用いることが好ましく、積層セパレータとしては、含窒素芳香族重合体を有する耐熱性多孔層と、多孔性ポリエチレンシートとが積層された積層セパレータが、二次電池用セパレータとして耐熱性の面、シャットダウンの性能面で好適である。積層セパレータとしては、例えば特開２０００−３０６８６号公報、特開平１０−３２４７５８号公報等に記載の積層セパレータを挙げることができる。
【００３０】
電解液としては、従来公知の非水系電解液が使用され、非水系電解液は、通常、電解質および有機溶媒を含有する。本実施形態であるフィルムケース型二次電池の場合、電解質はリチウムイオン二次電池に一般に使用されるものであればよく、例えば、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2Ｆ5）2、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）（ＣＯＣＦ3）、Ｌｉ（Ｃ4Ｆ9ＳＯ3）、ＬｉＣ（ＳＯ2ＣＦ3）3、Ｌｉ2Ｂ10Ｃｌ10、ＬｉＢＯＢ（ここで、ＢＯＢは、bis(oxalato)borateのことである。）、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、ＬｉＡｌＣｌ4などのリチウム塩が挙げられ、これらの２種以上の混合物を使用してもよい。電池の容量を高める意味では、電解質は、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2およびＬｉＣ（ＳＯ2ＣＦ3）3からなる群より選ばれるフッ素化合物を、少なくとも１種以上用いることが好ましい。また、有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、１，２−ジ（メトキシカルボニルオキシ）エタンなどのカーボネートが挙げられ、これらは二種以上混合して用いてもよい。カーボネートの中でも、難分解性であるという観点で、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を含む混合溶媒を用いることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のフィルムケース型蓄電デバイスは、容易に製造可能であり、かつ、フィルムケースを外装とすることによる軽量化という利点を損なうことなく、従来に比してより高い機械的強度を有するため、デバイスの変形を抑制し、短絡を防止することができる。そのため、長期間使用にも耐えることが可能であるため、工業的に極めて有望である。
【符号の説明】
【００３２】
１  第１の電極シート
２  第２の電極シート
３，４  セパレータ
５ａ，５ｂ  電極タブ
６  電極群
１０  フィルムケース型蓄電デバイス
１１  補強部材
１２  フィルムケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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