(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極板と前記陰極板を中心として両面に付着されるセパレーターと前記セパレーターの各外面に付着される陽極板とよりなる組電池が、多数枚積層されている、バイセル状の電池であって、
陰極板と、
多数個の開口孔が形成された陽極集電体と、陽極活物質を主成分として前記陽極集電体の両面に付着され、前記陰極板と隣接した陽極集電体の一面に付着される前面陽極シートと、前記陽極集電体の他面に付着される背面陽極シートとよりなる陽極板と、
前記陰極板と陽極板との間に介在されるセパレーターとを含み、
前記前面陽極シートは前記背面陽極シートより厚く、かつその厚さ比は、５:１以下であること、
を特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記前面及び背面陽極シートはリチウム系酸化物、ニッケル系酸化物、マンガン系酸化物中から選択された何れか一つを主成分としてなされたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
陰極板と前記陰極板を中心として両面に付着されるセパレーターと前記セパレーターの各外面に付着される陽極板とよりなる組電池が、多数枚積層されている、バイセル状の電池であって、
陰極集電体と、前記陰極集電体の少なくとも一面に付着される陰極活物質を主成分とする陰極シートよりなる陰極板と、
多数個の開口孔が形成された陽極集電体と、陽極活物質を主成分として前記陽極集電体の両面に付着され、前記陰極板に隣接した陽極集電体の一面に付着される前面陽極シートと、前記陽極集電体の他面に付着される背面陽極シートとよりなる陽極板と、
前記陰極板と陽極板との間に介在されるセパレーターとを含み、
前記前面陽極シートは前記背面陽極シートより厚く、かつその厚さ比は、５:１以下であること、
を特徴とするリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池に係り、より詳細には陽極集電体の両面に付着される陽極シートの厚さ比を相異ならせて形成して放電率を向上させたリチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池はリチウムイオンの使用形態に従ってリチウム金属電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池に区分できる。この中で、リチウムポリマー電池は充電及び放電によって陽極のリチウム酸化物と陰極の炭素間をリチウムイオンが移動しながら起電力を発生させる電池である。この電池は液体電解質よりイオン伝導度が高い固体高分子電解質を使用することによって他のリチウム電池とは違って爆発の危険性が全くないという長所がある。
【０００３】
その他、この電池は他の電池が充電及び放電時発生される副産物によって電池性能が落ちる短所を補完し、また電池の形態を自由に曲げることもできて次世代電池として注目されている。
【０００４】
リチウムポリマー電池は陽極板と陰極板を構成する方式に従って多様な形態に組立てることができるが、このような構造中普遍的なことはバイセル(bi-cell)構造を挙げられる。図８に示したように、バイセル状の電池は一枚の陰極板(anode plate)１２の両側に陽極板(cathode plate)１１が各々付着される構造であって、前記陽極板１１と陰極板１２との間にはこれらの絶縁のためにセパレーター１３が介在される。
【０００５】
そして、前記陽極板１１は薄膜のアルミニウムフォイルよりなる陽極集電体１４と、前記陽極集電体１４の少なくとも一面に付着される陽極シート１５とを含む。前記陽極シート１５はリチウム酸化物のような陽極活物質を主成分として導電材、可塑剤、バインダーなどを添加して製造される。
【０００６】
前記陰極板１２は薄膜の銅フォイルよりなる陰極集電体１６と、前記陰極集電体１６の少なくとも一面に付着される陰極シート１７とを含む。前記陰極シート１７は炭素材のような陰極活物質を主成分として可塑剤、導電材などを添加して製造される。
【０００７】
そして、前記陽極及び陰極集電体１４、１６には多数個の開口孔１４ａ、１６ａが形成されている。
【０００８】
前記のような構造を有する電池を製造するためには、スラリー状よりなった陽極及び陰極シート１５、１７の元素材を別に備えられた陽極及び陰極集電体１４、１６の両面に付着する一次ラミネートを施し、このように製造された陽極板１１と陰極板１２との間にセパレーター１３を介在して所定の熱と圧力を加えて融着させる二次ラミネート工程を遂行する。
【０００９】
次いで、前記陽極及び陰極シート１５、１７に含まれていた可塑剤成分を抽出し、この可塑剤が抽出された空間に電解質を含浸させる。次に、電池を受容できる空間部を有するケースに挿入し、これを密封して完成する。
【００１０】
ここで、電池の充電及び放電メカニズムを調べれば概略的に次の通りである。
【００１１】
充電反応は前記陽極板１１のリチウム酸化物に含まれたリチウムイオンが陰極板１２に移動し、前記陰極板１２の炭素分子間に挿入する反応をいい、放電反応は充電反応とは反対に陰極板１２の炭素分子間に挿入されていたリチウムイオンが再び陽極板１１に移動しながら発生する反応である。このように、リチウムイオンが陽極板及び陰極板１１、１２間を往復するにつれて起電力を発生する。
【００１２】
この時、電池の電気的容量は一般的に陽極シート１５に含まれた陽極活物質のリチウム酸化物の量に比例するので、電池の容量を大きくするためには前記陽極シート１５をより厚く形成する必要がある。
【００１３】
ところが、陽極シート１５を必要以上に厚くすれば、セパレーター１３を介在して積層される陰極板１２と陽極集電体１４との距離が遠ざかって高率放電が急に低下される結果を招く。従って、陽極シート１５の全体的な厚さを変えないながら、高率放電率を向上させうるように陽極板１１の構造を変えることが必要である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解決するために創案されたものであって、陽極集電体の両面に付着される陽極シートの厚さ比を異にして電池の放電効率を向上させたリチウム二次電池を提供することにその目的がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために本発明の一側面に従うリチウム二次電池は、陰極板と前記陰極板を中心として両面に付着されるセパレーターと前記セパレーターの各外面に付着される陽極板とよりなる組電池が、多数枚積層されている、バイセル状の電池であって、陰極板と、多数個の開口孔が形成された陽極集電体と、陽極活物質を主成分として前記陽極集電体の両面に付着され、前記陰極板と隣接した陽極集電体の一面に付着される前面陽極シートと、前記陽極集電体の他面に付着される背面陽極シートとよりなる陽極板と、前記陰極板と陽極板との間に介在されるセパレーターとを含み、前記前面陽極シートは前記背面陽極シートより厚く、かつその厚さ比は、５:１以下であること、
を特徴とする。
【００１７】
さらに前記前面及び背面陽極シートはリチウム系酸化物、ニッケル系酸化物、マンガン系酸化物中から選択された何れか一つを主成分としてなされたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の側面によれば、陰極板と前記陰極板を中心として両面に付着されるセパレーターと前記セパレーターの各外面に付着される陽極板とよりなる組電池が、多数枚積層されている、バイセル状の電池であって、陰極集電体と、前記陰極集電体の少なくとも一面に付着される陰極活物質を主成分とする陰極シートよりなる陰極板と、多数個の開口孔が形成された陽極集電体と、陽極活物質を主成分として前記陽極集電体の両面に付着され、前記陰極板に隣接した陽極集電体の一面に付着される前面陽極シートと、前記陽極集電体の他面に付着される背面陽極シートとよりなる陽極板と、前記陰極板と陽極板との間に介在されるセパレーターとを含み、前記前面陽極シートは前記背面陽極シートより厚く、かつその厚さ比は、５:１以下であること、を特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明のリチウム二次電池の一実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明に係る電池２０の分離斜視図である。
【００２２】
図面を参照すれば、前記電池２０は陽極板２１と、陰極板２２と、前記陽極板及び陰極板２１、２２間に介在されるセパレーター２３よりなる組電池(assembled battery)が多枚積層された電池セル２４を含む。
【００２３】
前記陽極板２１と陰極板２２の一側縁部からは各極板２１、２２別に陽極タップ２５と陰極タップ２６が引出され、前記複数個のタップ２５、２６は極板２１、２２別に集合される。そして、前記タップ２５、２６はＶ状に曲がった状態で、その端部が陽極端子２７と陰極端子２８に各々溶接されている。
【００２４】
そして、前記電池セル２４を受容する空間部２９ａが備えられたケース２９が備えられ、前記ケース２９が密封時には陽極及び陰極端子２７、２８の一部が外部に露出されている。
【００２５】
図２は図１に示した電池セル２４の詳細分離斜視図である。
【００２６】
前記電池セル２４には陽極板２１と陰極板２２と、前記陽極板及び陰極板２１、２２間に介在されるセパレーター２３とを含む。
【００２７】
前記陽極板２１には薄膜のアルミニウムフォイルよりなる陽極集電体３１と、前記陽極集電体３１の両面に付着される陽極シート３２ａ、３２ｂを具備する。
【００２８】
前記陽極集電体３１には、図示していないがせん孔メタル(punched metal)やエキスパンドメタル(expanded metal)を具備し、その前面には多数個の開口孔が形成されている。
【００２９】
そして、前記陽極シート３２ａ、３２ｂは陽極活物質、例えばリチウム系酸化物、ニッケル系酸化物、マンガン系酸化物から選択された何れか一つの酸化物を主成分としてバインダー導電材、可塑剤が含まれて製造される。
【００３０】
一方、前記陰極板２２には薄膜の銅フォイルよりなる陰極集電体３３と、前記陰極集電体３３の両面に付着される陰極シート３４ａ、３４ｂとを含む。
【００３１】
前記陰極集電体３３は陽極集電体３１の場合と同じようにせん孔メタルやエキスパンドメタルよりなり、前記陰極シート３４ａ、３４ｂは炭素材よりなる酸化物を主成分としてバインダー、導電材、可塑剤が含まれて製造される。
【００３２】
ここで、前記電池セル２４はバイセル状の電池であって、陰極板２２を中心として両側にセパレーター２３が設けられ、前記セパレーター２３の外側に陽極板２１が各々設けられる組電池が多数枚積層されている構造である。
【００３３】
そして、前記陽極シート３２ａ、３２ｂは陰極板２２に隣接した陽極集電体３１の一面に圧着される前面陽極シート３２ａと、前記陽極集電体３１の他面に付着されて前面陽極シート３２ａよりは陰極板２２から相対的に遠くて、また前記前面陽極シート３２ａと違う厚さの背面陽極シート３２ｂとよりなる。
【００３４】
本発明の特徴によれば、前記説明したように前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さが相異って形成されることにある。
【００３５】
より詳細には、前記前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂはその厚さ比が５:１乃至１:１程度よりなされる。即ち、従来の技術に係る陽極シート１５(図８参照)と比較すれば、陽極活物質を含む組成は同じであるが、陽極シートの厚さ比率は異にする。
【００３６】
前記のような構造を有する電池セル２４の充電及び放電メカニズムを簡略に説明すれば次の通りである。
【００３７】
充電及び放電挙動は陽極板２１に含まれたリチウム酸化物のリチウムイオンが陰極板２２に移動する挿入反応と、脱挿入反応を繰り返しながら発生する。
【００３８】
この時、主要な因子としては、電解液と電極界面での電荷伝達と、電極内でのゲストイオン(guest ion)の移動と、電圧差による電子移動によるイオンの移動と、濃度差によるイオンの拡散と陽極板及び陰極板２１、２２間の抵抗などが挙げられる。
【００３９】
この中で、本実施の形態では、前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの陽極活物質量を相対的に調節して、リチウムイオンの移動による高率放電効率を向上させうる。
【００４０】
この時、充電反応は前記前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂに含まれたリチウム酸化物でリチウムイオンが陰極板２２に移動して前記陰極板２２の炭素分子間に挿入される反応をいい、放電反応はこれと反対に陰極板２２の炭素分子間に挿入されていたリチウムイオンが再び前記前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂに移動する脱挿入反応をいう。このように、リチウム酸化物のリチウムイオンが陽極板及び陰極板２１、２２間を充電及び放電によって移動しながら起電力を発生させる。
【００４１】
本発明に係る電池セル２４の前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さ比の変化に従う放電率特性を調べれば表１及び図３乃至図６に示した通りである。
【００４２】
【表１】
0003670926.tif 000002
【００４３】
ここで、０.５Ｃ、１Ｃ及び２Ｃは放電率を意味し、ｎＣは１／ｎ時間中電池の容量だけの電流を送って充電及び放電を遂行することを意味する。
【００４４】
また、図３のグラフで横軸は前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さ比を示し、図４乃至図６は図３に示した各電池の前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さ比に対する０.５Ｃ、１Ｃ、２Ｃ放電率を各々図式化したグラフである。
【００４５】
まず、図３を参照すれば、比較的低率放電に該当する０.５Ｃ放電と、１Ｃ放電では各電池の前面及び背面シート３２ａ、３２ｂの厚さ比に大きく影響を受けない特性を有し、約８０乃至９０％以上の放電率を示す。反面、２Ｃ放電、即ち高率放電では約７０％以下で顕著な放電率の低下を招く。
【００４６】
これをより詳細に調べれば、図４のように０.５Ｃ放電時前面陽極シート３２ａを背面陽極シート３２ｂより厚くして厚さ比を５:１、５:２、２:１、３:２にした場合や、これと反対に前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さが相互同じ場合を基点として、背面陽極シート３２ｂを前面陽極シート３２ａより厚くその厚さ比を２:３、２:５とした場合、放電率は全て９０％以上に優れた放電特性を示す。
【００４７】
そして、前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚い場合には、放電率特性が前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さが同じ場合より０.０２乃至０.８２％程度向上する。即ち、低率放電では前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さ変化にはほとんど関係なく率別特性値があまり変わらないことが分かる。
【００４８】
図５は陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さ比に従う１Ｃ放電率を示すグラフであって、図４の０.５Ｃ放電率の場合と類似な傾向を示す。即ち、前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚い５:１、５:２、２:１、３:２の厚さ比を有する場合には放電率が８９.４７％、８９.８５％、８７.４５％、８５.８３％を示す。そして、前記前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さが同じ場合には８７.２％の放電率を示す。
【００４９】
反面、背面陽極シート３２ｂが前面陽極シート３２ａより厚い２:３、２:５の厚さ比を有する場合には放電率が８４.４％、８４.２％を有する。即ち、ここでも、厚さ比に従う放電率は約８０％以上で優れるが、前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚い場合にさらに優れることが分かる。そして、前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚い場合は、前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さが同一な場合より約０.２５乃至２.６５％の優れた特性を示す。
【００５０】
一方、高率放電の２Ｃ放電では前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの相対的な厚さ差、即ち厚さ比による放電率の差が明確に現れる。図６に示すように、前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚い５:１、５:２、２:１、３:２の厚さ比を有する場合には放電率が６６.４％、７２.４５％、６７.９％、６５.４５％の放電率を示す。そして、前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂの厚さが同じ場合には放電率が６１.３５％である。反面、背面陽極シート３２ｂが前面陽極シート３２ａより厚い場合の２:３、２:５の場合には放電率が５４.５３％、５０.５％を示す。
【００５１】
全般的に、放電時間が短くなって放電効率が０.５Ｃ、１Ｃの場合よりは放電率が顕著に低下されることが分かる。ここで、有意的に見るべき部分は前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂが同じ厚さを有する場合を基準として両側中何れか一つのシートが厚い場合である。
【００５２】
前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚い場合には前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂが同じ場合より４.１乃至１１.１％程度の放電効率の向上をもたらす反面、背面陽極シート３２ｂが前面陽極シート３２ａより厚い場合には前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂが同じ場合より放電効率が顕著に落ちる。
【００５３】
言い換えれば、前記前面及び背面陽極シート３２ａ、３２ｂは従来の技術に係る陽極集電体１４(図８参照)の前面及び背面に付着される陽極シート１５と比較して同じ厚さを有するように形成されるのに比べて、本実施の形態のように前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚く形成される場合には高率放電特性がはるかに優れることが分かる。
【００５４】
一方、前面陽極シート３２ａが背面陽極シート３２ｂより厚すぎる場合の５:１の厚さ比を有する場合には、濃度拡散分極の増加と前面陽極シート３２ａの厚さの相対的な増加によって電気伝導度が減少する逆効果が示されて、放電効率が他の場合より多少低下されることが分かる。
【００５５】
表２と図７は陽極板の厚さ変化に従う放電特性の変化を示すものである。
【００５６】
【表２】
0003670926.tif 000003
【００５７】
前記表２でＴ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８は複数個の陽極シートの厚さが各々５０、６０、７０、８０μｍのサンプルを示すもので、ＴＭは前面陽極シートの厚さが８０μｍで、背面陽極シートの厚さが５０μｍの場合を示す。
【００５８】
表２と図７より分かることは、０.５Ｃや１Ｃの場合には放電率特性の変化があまりなく全範囲で比較的優れた放電特性を示すが、２Ｃ放電では陽極シートが厚いほど放電率が顕著に減少することである。即ち、陽極シートが薄いほど放電効率が増加する。
【００５９】
しかし、陽極シートが薄い場合にはシートが厚い場合より電池の電気的容量が少ない短所がある。従って、同じ厚さの陽極シートを有する場合には前面陽極シートと背面陽極シートの厚さを異にすれば比較的高率放電効率を示す。
【００６０】
表２と図７に示すように、前面及び背面陽極シートが各々６５μｍの厚さを有する陽極シートは２Ｃ放電で６８％であるのに比べて、ＴＭサンプル、例えば前面陽極シートが８０μｍ、背面陽極シートが５０μｍを有する場合にはこれより８％程度さらに高い７６％の放電効率を示す。
【００６１】
このようにＴＭサンプルの高率特性に優れた理由は、陰極板と相対的に近く位置した前面陽極シートが厚くなって陰極板へのリチウムイオンの移動速度を速めたためであり、前面陽極シートが背面陽極シートより極板反応に参加する比率がより高いためであると推定される。
【００６２】
即ち、同じ厚さを有する陽極板を製造する場合には前面及び背面陽極シートの厚さ比を異に調節すれば、全体的な陽極板の厚さの変化なく、さらに向上した高率特性を得られることと期待される。
【００６３】
以上の説明のように、本発明のリチウム二次電池は、陽極集電体の両面に付着される前面及び背面陽極シートの厚さ比を調節すれば全体的な陽極板の厚さ変化なくさらに向上した高率特性を得られることと期待される。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明のリチウム二次電池は、陽極集電体の両面に付着される前面及び背面陽極シートの厚さ比を異にして次のような効果を得ることができる。
【００６５】
同じ電気的容量を有する電池セルにおいて、陰極板と隣接して設けられる陽極板の前面陽極シートを背面陽極シートより厚く形成すれば放電特性が向上する。これにより、電池の電気的容量が従来の場合より同じ場合にも前面及び背面陽極シートの厚さ比を異にして電池全体の厚さを薄くして軽薄短小の実現が可能である。
【００６６】
なお、本発明は図面に示した一実施の形態を参考として説明されたが、これは例示的なことに過ぎなく、本技術分野の通常の知識を有する者であればこれより多様な変形及び均等な他実施の形態が可能という点を理解するはずである。従って、本発明の真の技術的な保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により決まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電池を示す分離斜視図。
【図２】図１の電池中陽極板、セパレーター、陰極板を示す分離斜視図。
【図３】本発明に係る電極の極板厚さ比に従う率別特性を示すグラフ。
【図４】図３の電極で０.５Ｃでの率別特性を示すグラフ。
【図５】図３の電極で１Ｃでの率別特性を示すグラフ。
【図６】図３の電極で２Ｃでの率別特性を示すグラフ。
【図７】本発明に係る電極の極板厚さ変化に従う率別特性を示すグラフ。
【図８】従来の電池中陽極板、セパレーター、陰極板の一部を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
２０  電池
２１  陽極板
２２  陰極板
２３  セパレーター
２４  電池セル
２５  陽極タップ
２６  陰極タップ
２７  陽極端子
２８  陰極端子
【図１】
0003670926.tif 000004
【図２】
0003670926.tif 000005
【図３】
0003670926.tif 000006
【図４】
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【図５】
0003670926.tif 000008
【図６】
0003670926.tif 000009
【図７】
0003670926.tif 000010
【図８】
0003670926.tif 000011