(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極集電体層と、負極活物質層と、絶縁層と、正極活物質層と、正極集電体層とを順次積層して形成されたリチウム２次電池であって、
前記負極活物質層は、リチウムと他の金属とのアモルファス合金を含み、
前記他の金属は、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含み、
前記負極活物質層はポリマを含み、前記ポリマは電解液に溶解する部分を含み、
前記負極活物質層はセラミック粒子をさらに含む、リチウム２次電池。
【請求項２】
前記負極活物質層は導電材をさらに含む、請求項１に記載のリチウム２次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池に関し、特に、携帯電話機等の携帯機器に用いられる電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話機やノート型パソコンの普及に伴い、それらに用いられる電池の研究が進められている。これらの電池として、繰返し使用できる２次電池が用いられている。
【０００３】
現在使用されている２次電池の多くは、ニッケル−カドミウム電池である。しかしながら、この電池は起電力が小さいという欠点がある。
【０００４】
そこで、負極活物質としてリチウムを用いる、いわゆるリチウム２次電池の開発が進められている。
【０００５】
図９は従来のリチウム２次電池の断面図である。図９を参照して、リチウム２次電池１００は、外装缶１と、負極集電体２と、正極集電体３と、負極端子４と、絶縁体５と、正極活物質層６と、負極活物質層１０７と、セパレータ８と、電解液９とを有する。
【０００６】
外装缶１内に負極集電体２、正極集電体３、正極活物質層６、負極活物質層１０７、セパレータ８および電解液９が収納されている。
【０００７】
外装缶１はアルミニウム合金により構成され、外装缶１には貫通孔が設けられており、この貫通孔に負極集電体２が差し込まれている。外装缶１と負極集電体２の間には、絶縁体５が設けられ、いわゆるガラスハーメチック方式に従い、負極集電体２と外装缶１が電気的に絶縁されている。外装缶１から突出する部分が負極端子４を構成する。外装缶１は正極端子として作用する。
【０００８】
外装缶１の内壁面には正極集電体３が接続されている。正極集電体３と外装缶１とはスポット溶接により接続される。正極集電体３はたとえばアルミニウムにより構成され、薄板形状である。正極集電体３は負極集電体２と対向し、負極集電体２と正極集電体３の間に正極活物質層６、セパレータ８および負極活物質層１０７が設けられている。
【０００９】
正極集電体３に接触するように正極活物質層６が設けられている。正極活物質層６は、たとえば、リチウムと遷移金属とを複合して酸化物としたものが用いられる。
【００１０】
正極活物質層６に接するようにセパレータ８が設けられている。セパレータ８は絶縁体により構成されるが、多孔体構造である。そのため、電子やイオンはセパレータ８内を通過して、正極活物質層６から負極活物質層１０７へ、また、負極活物質層１０７から正極活物質層６へ移動することができる。セパレータ８は、正極活物質層６と負極活物質層１０７とが直接接触するのを防止する働きをする。セパレータ８に接するように負極活物質層１０７が設けられている。金属リチウムを用いることができる。
【００１１】
負極活物質層１０７に接触するように負極集電体２が設けられている。負極集電体２は、銅箔により構成され、薄板形状である。外装缶１内には電解液９が充填されている。この電解液９は、リチウムとの反応を防止するために有機系の溶液により構成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以下、従来のリチウム２次電池で生じる問題について説明する。図１０は、図９中の点線Ｘで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。図１０を参照して、従来のリチウム２次電池１００では、負極活物質として用いられるリチウムの表面でデントライト１０７ａが発生する。このデントライト１０７ａは、充放電を繰り返すと成長し、その一部はセパレータ８を貫通して正極活物質層６に達する。これにより、正極活物質層６と負極活物質層１０７とが短絡し、電池が故障するという問題が生じていた。
【００１３】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものである。この発明の目的は、故障が生じず、信頼性の高い電池を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に従ったリチウム２次電池は、負極集電体層と、負極活物質層と、絶縁層と、正極活物質層と、正極集電体層とを順次積層して形成されたリチウム２次電池であって、負極活物質層は、リチウムと他の金属とのアモルファス合金を含み、他の金属は、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含み、負極活物質層はポリマを含み、ポリマは電解液に溶解する部分を含み、負極活物質層はセラミック粉末をさらに含む。
好ましくは、負極活物質層は導電材をさらに含む。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったリチウム２次電池の断面図である。図１を参照して、リチウム２次電池１０ａは、外装缶１と、負極集電体層としての負極集電体２と、正極集電体層としての正極集電体３と、負極端子４と、絶縁体５と、正極活物質層６と、負極活物質層７と、絶縁層としてのセパレータ８と、電解液９とにより構成される。
【００２７】
外装缶１内に負極集電体２、正極集電体３、正極活物質層６、負極活物質層７、セパレータ８、電解液９が収納される。
【００２８】
外装缶１はアルミニウム合金により構成され、長手方向に延びてほぼ直方体形状である。外装缶１は、アルミニウム合金の薄板により構成される。外装缶１は、リチウム２次電池１０ａの筐体として作用する。外装缶１には貫通孔が設けられており、この貫通孔に絶縁体５が嵌め合わされる。
【００２９】
外装缶１の内部には負極集電体２が設けられる。負極集電体２は、外装缶１の一方端面に設けられた貫通孔に差し込まれて、その一部が外装缶１の一方端面から突出するように延び、突出する部分が負極端子４を構成する。
【００３０】
外装缶１の他方端面に接触するように正極集電体３が設けられている。正極集電体３はアルミニウム合金により構成され、外装缶１とスポット溶接されて電気的に接続されている。正極集電体３は１枚の薄板形状である。
【００３１】
負極集電体２と正極集電体３とが外装缶１内で対向し、その間に負極活物質層７、セパレータ８および正極活物質層６が積層されて設けられている。負極集電体２および正極集電体３のそれぞれを渦巻き形状として対向させ、それらの対向面積を大きくして電池の容量を大きくすることも可能である。
【００３２】
正極集電体３の表面には正極活物質層６が設けられている。正極活物質層６はリチウムと遷移金属との複合物の酸化物を用いることができる。具体的には、リチウム−コバルト複合酸化物を用いることができる。
【００３３】
正極活物質層６に接触するようにセパレータ８が設けられている。セパレータ８は絶縁性を有する材料により構成される。セパレータ８は多孔体となっており、イオンや電子はセパレータ８内の空孔を通過することができる。そのため、正極活物質層６から負極活物質層７へ、または負極活物質層７から正極活物質層６へイオンおよび電子が移動することができる。セパレータ８に接するように負極活物質層７が設けられている。負極活物質層７は、たとえばリチウムとカルシウムとを含む合金により構成される。
【００３４】
なお、外装缶１の代わりにラミネートフィルムを用いてもよい。この場合、正極集電体３および負極集電体２は、それぞれ、ラミネートフィルムから取出される。また、負極集電体２として、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル等を用いてもよい。
【００３５】
さらに、負極集電体２と外装缶１とが直接接触するのを防止するために、負極集電体２と外装缶１との間に、何らかの絶縁部材を設けてもよい。
【００３６】
また、外装缶１を鉄で構成する場合には、正極集電体３を外装缶１の一方短面から突出させ、負極集電体２を外装缶１に電気的に接続する。
【００３７】
図２は、図１中の点線ＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。図２を参照して、この発明に従ったリチウム２次電池１０ａは、負極集電体２と、セパレータ８と、負極集電体２とセパレータ８との間に配置された負極活物質層７とを備える。負極活物質層７は、負極活物質としてのリチウムとアルカリ土類金属との合金であって、結晶質の合金粒子７ａにより構成される。合金粒子７ａは、たとえばＬｉ２３Ｍｇ６、Ｌｉ２Ｍｇ、Ｌｉ２３Ｃａ６、Ｌｉ２Ｃａ、Ｌｉ２３Ｓｒ６、Ｌｉ２Ｓｒ３、Ｌｉ２３Ｂａ６、Ｌｉ２Ｂａ３により構成される。負極活物質層７中のアルカリ土類金属のモル比は、２０％以上５０％以下である。
【００３８】
このように構成されたリチウム２次電池１０ａでは、リチウムがアルカリ土類金属と合金化されて合金粒子７ａを構成するので、合金粒子７ａの表面において、デントライトの発生を防止することができる。その結果、デントライトがセパレータ８を貫通することがないので、故障を防止することができる。
【００３９】
また、アルカリ土類金属のモル比が最適化されるため、リチウム２次電池１０ａの容量を低下させず、かつデントライトの発生を効果的に防止することができる。
（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に従ったリチウム２次電池の断面図である。図３を参照して、リチウム２次電池１０ｂでは、負極活物質層７がアモルファス合金粒子７ｂにより構成されている点で、図２で示すリチウム２次電池１０ａと異なる。
【００４０】
アモルファス合金粒子７ｂは、リチウムと他の金属とのアモルファス合金により構成される。アモルファス合金粒子７ｂは、たとえばＬｉ２３Ａｌ６、ＬｉＡｌ、Ｌｉ２Ａｌ、Ｌｉ２３Ｍｇ６、Ｌｉ２３Ｍｇ６、Ｌｉ２Ｍｇ、Ｌｉ２３Ｃａ６、Ｌｉ２Ｃａ、Ｌｉ２３Ｓｒ６、Ｌｉ２Ｓｒ３、Ｌｉ２３Ｂａ６、Ｌｉ２Ｂａ３またはこれらの混合物のアモルファス合金により構成される。これらは、メカニカルアロイ、溶射アトマイズ等の方法で製造される。Ｌｉ２３Ｃａ６、Ｌｉ２３Ｓｒ６またはＬｉ２３Ｍｇ６からなるアモルファス合金粒子７ｂの製造方法は、たとえば、メカニカルアロイ法に基づき、ステンレス製遊星ボールミルにリチウム粒子と添加粒子とを入れ、毎分１００〜５０００回転させて合成する。負極活物質層７中の他の金属のモル比は、２０％以上５０％以下である。
【００４１】
このように構成されたリチウム２次電池１０ｂでは、実施の形態１に従ったリチウム２次電池１０ａと同様の効果がある。
【００４２】
なお、本発明では、負極活物質層７中の他の金属のモル比を５０％とした場合に、単位質量当りのリチウム２次電池１０ｂの出力を１８０Ｗｈ／ｋｇとすることができる。
（実施の形態３）
図４は、この発明の実施の形態３に従ったリチウム２次電池の断面図である。図４を参照して、リチウム２次電池１０ｃでは、負極活物質層７がポリマ７ｃを含む点で、図３で示すリチウム２次電池１０ｂと異なる。
【００４３】
ポリマ７ｃは、ポリメチルメタクリレート等のメタクリル酸系ポリマ、ポリアクリロニトリル等のアクリル酸系ポリマ、ポリエチレングリコール等を用いることができる。ポリマ７ｃは電解液９に溶解する部分を含む。ポリマ７ｃは電解液９に溶解して電解液９をゲル化させる。
【００４４】
このように構成されたリチウム２次電池１０ｃでは、まず、リチウム２次電池１０ｂと同様の効果がある。さらに負極活物質層７がポリマ７ｃを含むので、過充電および過放電時に電流が一部分に集中して流れるのを防止することができる。その結果、リチウム２次電池１０ｃの安全性を向上させることができる。
【００４５】
さらに、ポリマ７ｃは電解液９に溶解する部分を含むので、電解液９がゲル化し、電解液９が移動することがなく安全性が高まる。
（実施の形態４）
図５は、この発明の実施の形態４に従ったリチウム２次電池の断面図である。図５を参照して、リチウム２次電池１０ｄでは、負極活物質層７がセラミック粒子７ｄを含む点で、図４で示すリチウム２次電池１０ｃと異なる。
【００４６】
セラミック粒子７ｄはアルミナ、窒化アルミニウム等の硬質粒子により構成され、ポリマ７ｃを変形させてポリマ７ｃの表面積を増加させる。セラミック粒子７ｄは、ポリマ７ｃを変形させるために、角が丸められていないものが好ましい。セラミック粒子７ｄは、負極活物質層７の全体に分散して存在する。セラミック粒子７ｄの粒径を０．１〜０．９μｍとすることができる。
【００４７】
このように構成されたリチウム２次電池１０ｄでは、まず実施の形態３にしたがったリチウム２次電池１０ｃと同様の効果がある。
【００４８】
さらに、ポリマ７ｃが変形してその表面積が大きくなるので、リチウムの割合を多くしてもデントライトの発生を防止することができる。そのため、リチウムの割合を多くして、電池の出力を高めることができる。
（実施の形態５）
図６は、この発明の実施の形態５に従ったリチウム２次電池の断面図である。図６を参照して、リチウム２次電池１０ｅでは、負極活物質層７が導電材７ｅを含む点で、図５で示すリチウム２次電池１０ｄと異なる。
【００４９】
導電材７ｅは、粒径が１〜５μｍのアセチレンブラックからなる。導電材７ｅは、負極活物質層７の全体に分散する。
【００５０】
このように構成されたリチウム２次電池１０ｅでは、まず実施の形態４にしたがったリチウム２次電池１０ｄと同様の効果がある。さらに導電材７ｅは、セパレータ８と負極集電体２との間に設けられた負極活物質層７の電気抵抗を低下させ、リチウム２次電池１０ｅの内部抵抗を減少させることができる。そのため、電池の出力を向上させることができる。
（実施の形態６）
図７は、この発明の実施の形態６に従ったリチウム２次電池の断面図である。図７を参照して、リチウム２次電池１０ｆでは、負極活物質層７とセパレータ８との間に負極表面層１７が設けられている点で、図１で示すリチウム２次電池１０ａと異なる。負極表面層１７は負極活物質として作用するリチウムとアルカリ土類金属とのアモルファス合金により構成される。
【００５１】
たとえば、負極活物質層７内でのリチウムとアルカリ土類金属とのモル比は、５０：５０であり、負極表面層１７内でのリチウムとアルカリ土類金属とのモル比は２０：８０である。負極活物質であるリチウムに対するアルカリ土類金属の割合は、セパレータ８側で相対的に大きく、負極集電体２側で相対的に小さい。負極表面層１７は負極活物質層７とセパレータ８との間に介在している。負極表面層１７は負極活物質層７に比べて十分に薄く、薄膜状である。
【００５２】
このように構成されたリチウム２次電池１０ｆでは、まず実施の形態１にしたがったリチウム２次電池１０ａと同様の効果がある。さらにセパレータ８側でアルカリ土類金属の割合が大きいのでセパレータ８側でデントライトの発生を防止することができ、リチウム２次電池１０ｆの故障を一層効果的に防止することができる。
（実施の形態７）
図８は、この発明の実施の形態７に従ったリチウム２次電池の断面図である。図８を参照して、リチウム２次電池１０ｇでは、負極活物質層７とセパレータ８との間にリチウムを含まず、アルカリ土類金属を含むアモルファスの金属層２７が設けられている点で、図７で示すリチウム２次電池１０ｆと異なる。金属層２７は、負極活物質としてのリチウムを全く含まない。そのため、負極活物質に対するアルカリ土類金属の割合は、セパレータ８側で相対的に大きく、負極集電体２側で相対的に小さい。金属層２７は負極活物質層７とセパレータ８との間に介在している。金属層２７は負極活物質層７に比べて十分に薄く、薄膜状である。
【００５３】
このように構成されたリチウム２次電池１０ｆでも、実施の形態６にしたがったリチウム２次電池１０ｆと同様の効果がある。
【００５４】
さらに金属層２７がリチウムを含まないため、デントライトの発生を一層効果的に防止することができる。
【００５５】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。たとえば、電解液９として、プロピレンカーボネートとジメチルエーテルとの混合溶液を用いることができる。また、電解液９としてエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合液を用いることができる。
【００５６】
また、実施の形態３から５において、アモルファス合金粒子７ｂを結晶質の合金粒子７ａに置き換えてもよい。さらに、負極表面層１７および金属層２７が、他の金属、すなわちＡｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等の金属を含む結晶質の層とされてもよい。
【００５７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５８】
【発明の効果】
この発明に従えば、信頼性の高い電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図２】図１中の点線ＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態５に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態６に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図８】この発明の実施の形態７に従ったリチウム２次電池の断面図である。
【図９】従来のリチウム２次電池の断面図である。
【図１０】図９中の点線Ｘで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
２  負極集電体、７  負極活物質層、７ａ  合金粒子、７ｂ  アモルファス合金粒子、７ｃ  ポリマ、７ｄ  セラミック粒子、７ｅ  導電材、８  セパレータ、１０ａ〜１０ｇ  リチウム２次電池、１７  負極表面層、２７  金属層。
【図１】
0003629410.tif 000002
【図２】
0003629410.tif 000003
【図３】
0003629410.tif 000004
【図４】
0003629410.tif 000005
【図５】
0003629410.tif 000006
【図６】
0003629410.tif 000007
【図７】
0003629410.tif 000008
【図８】
0003629410.tif 000009
【図９】
0003629410.tif 000010
【図１０】
0003629410.tif 000011