(57)【要約】【課題】本発明の目的は、セパレータの溶着強度の確保とシワを抑制した積層型電池を提供することにある。【解決手段】積層型電池は、正極と、負極と、セパレータを含む電極群を積層した積層型電池において、前記セパレータは２枚のセパレータの２辺または３辺を熱溶着されており、L型の熱溶着部を有し、溶着された辺のセパレータ外周長と溶着部面積の商が２０以上〜６０以下であり、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が０．４以上〜０．６以下であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、セパレータを含む電極群を積層した積層型電池において、
前記セパレータは２枚のセパレータの２辺または３辺を熱溶着されており、L型の熱溶着部を有し、溶着された辺のセパレータ外周長と溶着部面積の商が20以上〜60以下であり、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4以上〜0.6以下であることを特徴とする積層型電池。
【請求項２】
請求項１において、前記セパレータ積層時の変化率が2％以下であることを特徴する積層型電池。
【請求項３】
請求項１において、前記セパレータの気孔率が５０％以上であることを特徴とする積層型電池。
【請求項４】
請求項１において、前記セパレータのサイズが200cm2以上であることを特徴とする積層型電池。
【請求項５】
請求項１において、前記セパレータに挿入される電極の厚みが２００μｍ以上〜３００μｍ以下であることを特徴とする積層型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極と、負極と、セパレータを含む電極群を積層した積層型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高エネルギー密度を有する二次電池として、特にリチウムイオン二次電池が着目され、その研究、開発及び商品化が急速に進められた結果、現在では、携帯電話やノートパソコン向けに小型民生用リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。さらに、地球温暖化、枯渇燃料、脱原発などの問題から家庭用、産業用、車載用などの蓄電池として、従来用よりも高容量で高出力な大型二次電池が求められている。電池の外装缶や外装袋に入れる電極群は主に捲回型と積層型に分けられる。
【０００３】
捲回型は電池形状に制限があり、立方体、直方体、円柱型以外の形の電池を作ることは困難である。また、捲回群の最内周は電極に割れが生じやすく、容量減少や短絡の原因にもなる。一方、積層型は電池形状が比較的自由にでき、捲回しないために厚膜化が可能で、かつ高密度電極による湾曲が引き起こす巻きズレなどの心配もないことから、より高エネルギー密度化が可能となっている。
【０００４】
積層型電池において、生産性向上、電解液の浸透性の観点から、２枚のセパレータにあらかじめ正極または負極を挟み、溶着部と未溶着部の長さを規定して熱溶着した袋状の電極を作製することが提案されている(特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５１２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように袋状セパレータの溶着部と未溶着部を規定し、電解液の浸透性などの改良が種々行われているが、電極の厚膜化に伴い、塗工時の巻き取りやプレス工程などによって通常の電極に比べて湾曲が大きくなり、上述のセパレータと電極を一体溶着する作製方法では、シワが生じ、電池にした際に直流抵抗が増大（出力の低下）しやすい。
【０００７】
本発明の目的は、セパレータの溶着強度の確保とシワを抑制した積層型電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の積層型電池は、正極と、負極と、セパレータを含む電極群を積層した積層型電池において、前記セパレータは２枚のセパレータの２辺または３辺を熱溶着されており、L型の熱溶着部を有し、溶着された辺のセパレータ外周長と溶着部面積の商が20以上〜60以下であり、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4以上〜0.6以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セパレータの溶着強度の確保とシワを抑制した積層型電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】積層型電極群の分解図。
【図２】実施例の模式図。
【図３】ラミネートセルの分解斜視図。
【図４】ラミネートセルの外観平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１はラミネートセル内部の積層型電極群の分解図である。
【００１２】
本発明における積層型電極群は、熱溶着６によって袋状にしたセパレータ５に挿入された板状の正極３と、板状の負極４が積層されている。積層する枚数は何枚であってもかまわない。
【００１３】
前述のL型の熱溶着部は図２の７である。溶着された辺のセパレータ外周長は図２の８である。また溶着部面積とは図２の９（溶着部長さ）と図２の１０（溶着部の厚み）の積である。さらに、溶着部全長は図２の９の和である。
【００１４】
発明者らは、袋状セパレータの2辺を先に作製することで、シワを抑制できる溶着条件を見出した。また、本作製方法において、一定の溶着強度が必要であることを見出した。セパレータに隙間のないL型を設けることは、2辺が溶着された袋状セパレータに電極を挿入する際、もっとも負荷が掛かるため強度を確保することと隙間があった際に電極の角が引っ掛かり電極剥離が生じ、短絡の原因となることを抑制する効果がある。
【００１５】
また、溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が20未満、すなわち溶着面積が大きい場合であっても、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4未満であればセパレータの強度が弱く、電極挿入時や電極輸送時にセパレータの剥離が生じ、電池にした際、短絡の原因となる。一方、その比が0.6を超えるとセパレータの強度を確保できるが、シワが生じ、電池にした際、抵抗が高く、出力を得られない。また、溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が60を超える場合も同様に0.4未満であればセパレータの強度が弱く、電極挿入時や電極輸送時にセパレータの剥離が生じ、0.6を超えるとセパレータにシワが生じ、電池にした際、抵抗が高く、出力を得られない。
【００１６】
ここで、シワの定義は、袋状セパレータを積層した際の厚み方向の変化率をいう。この厚み方向の変化率が２％以下であるならばシワが少なく、電池にした際、出力特性に優れる。
【００１７】
また、電極厚みが厚いほど電極の湾曲が大きく、本手段が有効であり、その範囲は200μｍ〜300μｍであることが望ましく、電極面積も同様に大きいほど湾曲が大きく、本手段が有効であり、200cm2以上が望ましい。
【００１８】
さらに、セパレータは熱集収縮が大きいほど本発明が有効で、例えば、気孔率が50％以上のポリエチレンやポリプロピレン製の単層またはこれらの複層が望ましいが、無機フィラー含有セパレータや無機フィラー塗布セパレータにも適応できる。ただし、無機フィラー塗布セパレータは無機フィラー層が厚い場合、熱溶着できない場合がある。その際は無機フィラー層を有していない部分を溶着させる必要がある。また、これら無機フィラーは、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、モンモリロナイト、雲母、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、ＢａＴｉＯ3、ＺｒＯ2など少なくとも1種類を含むものである。
【００１９】
本実施例の積層型電池は以下の通りである。
【００２０】
図２において、正極３は、正極集電箔としてアルミニウム箔を有している。アルミニウム箔の両面には、正極活物質としてリチウム含有遷移金属複酸化物のLi Ni1/3 Co1/3 Mn1/3 O2を用いた。他、リチウムイオン二次電池の正極活物質には種々リチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。たとえば、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどの正極活物質のＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎなどの一部を１種あるいはそれ以上の遷移金属で置換して用いることができる。
【００２１】
正極活物質合剤には、正極活物質以外に、炭素材料の導電材およびポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）のバインダ（結着材）を用いた。アルミニウム箔への正極活物質合剤の塗工時には、Ｎ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）等の分散溶媒で粘度調整される。このとき、アルミニウム箔の一部に正極活物質合剤の塗工されない正極未塗工部が形成される。すなわち、正極未塗工部では、アルミニウム箔が露出している。正極３は、乾燥後ロールプレスで密度が調整されている。
【００２２】
一方、負極４は、負極集電箔として銅箔を有している。銅箔の両面には、負極活物質として非晶質炭素を用いた。他、負極活物質には天然黒鉛、人造黒鉛などの炭素系材料や酸化物系材料、合金系材料などリチウムイオンを可逆に吸蔵、放出可能な材料を用いることができる。
【００２３】
負極活物質合剤には、負極活物質以外に、アセチレンブラックや黒鉛を導電材として用い、さらにＰＶＤＦのバインダを用いた。銅箔への負極活物質合剤の塗工時には、ＮＭＰ等の分散溶媒で粘度調整される。このとき、銅箔の一部に負極活物質合剤の塗工されない負極未塗工部が形成される。すなわち、負極未塗工部では、銅箔が露出している。負極４は、乾燥後ロールプレスで密度が調整されている。また、正極未塗工部および負極未塗工部は束ねて、電池内外を電気的に接続する正極端子１、負極端子２に超音波溶接されている。溶接方法は、抵抗溶接など他の溶接手法であってもかまわない。
【００２４】
なお、正極端子１、負極端子２は電池内外をより封止させるために、予め熱溶着樹脂を端子の封止箇所に塗るまたは取り付けていてもかまわない。
【００２５】
図３に作製したラミネートセルの分解斜視図を示す。
【００２６】
ラミネートセルは、電極群１２をラミネートフィルム１１、１３の淵を熱溶着封止させ電気的に絶縁した状態で正極端子１と負極端子２を貫通させる。封止は、注液口を設けるために、一辺以外をはじめに熱溶着させ、電解液を注液した後に、残りの一辺を真空加圧しながら、熱溶着封止させた。なお、溶着回数は何回でもかまわない。
【００２７】
電解液には１ＭＬｉＰＦ6の電解質を用い、ＥＣ：ＥＭＣ＝１：３vol％の溶媒に溶かしたものを用いた。他、電解液には、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、メチルアセテート、エチルアセテート、メチルプロピオネート、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、１−エトキシ−２−メトキシエタン、３−メチルテトラヒドロフラン、１，２−ジオキサン、１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、２−メチル−１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン等より少なくとも１種以上選ばれた非水溶媒に、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2等より少なくとも1種以上選ばれたリチウム塩を溶解させた有機電解液あるいはリチウムイオンの伝導性を有する固体電解質あるいはゲル状電解質あるいは溶融塩など電池で使用される既知の電解質を用いることができる。
【００２８】
図４に完成したラミネートセルの外観平面図を示す。ラミネートフィルムで密封されたラミネートセルの外観では正極端子１と負極端子２が認められる。
【００２９】
以上、これら積層型電池において、セパレータは２枚のセパレータの２辺または３辺を熱溶着され、L型の熱溶着部を有し、溶着された辺のセパレータ外周長と溶着部面積の商が20以上〜60以下であり、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4以上〜0.6以下である積層型電池を用いることで、袋状セパレータの強度の確保による短絡の防止とシワの抑制により高出力化を図ることができる。
【００３０】
次に、実施例を示す。なお、以下の実施例で示すセパレータ、正極、負極材料、バインダ、非水系溶媒、集電体、電解質等は一例であり、本発明はこれらに限定されない。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
今回、実施例で用いたセパレータは、ポリエチレン層をポリプロピレン層で挟み込んだ３層構造で、厚み２０μｍ、透気度３５０ sec/１００cc、空孔率５２％、サイズ110mm×240mmのものを用いて袋状のセパレータを作製した。実施形態１〜２は、1つの隙間のないL型の熱溶着部を形成し、3辺を溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が20となるように、また、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4、0.6となるように熱溶着した。実施形態４〜５は、1つの隙間のないL型の熱溶着部を形成し、3辺を溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が60となるように、また、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4、0.6となるように熱溶着した。
【００３２】
（比較例１）
比較例１として実施例１と同様のセパレータを用いて袋状のセパレータを作製した。比較形態１〜４は、1つの隙間のないL型の熱溶着部を形成し、3辺を溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が10となるように、また、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.3、0.4、0.6、0.7となるように熱溶着した。比較形態５〜６は、1つの隙間のないL型の熱溶着部を形成し、3辺を溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が20となるように、また、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.3、0.7となるように熱溶着した。比較形態７〜８は、1つの隙間のないL型の熱溶着部を形成し、3辺を溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が60となるように、また、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.3、0.7となるように熱溶着した。比較形態９〜１２は、1つの隙間のないL型の熱溶着部を形成し、3辺を溶着された辺のセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が70となるように、また、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.3、0.4、0.6、0.7となるように熱溶着した。
（セパレータの強度測定）
実施例１及び比較例１のセパレータの強度は以下のように測定した。
【００３３】
作製した袋状セパレータの熱溶着していない部分の2枚のセパレータをそれぞれ固定し、引張試験機にて2cm/minの速度で引張り、強度を測定した。
（セパレータの変化率測定）
実施例１及び比較例１のセパレータの変化率は以下のように測定した。
【００３４】
作製した袋状セパレータを30枚積層し、その厚みをマイクロメーターで測定した。測定後の厚みをセパレータ原寸厚みで商し、変化率を求めた。
【００３５】
表１に、実施例１及び比較例１のセパレータ強度とセパレータ変化率を示す。
【００３６】
セパレータ強度はセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が60以下、且つ、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.4以上で電極を挿入する際の負荷に耐えられる強度（5N/mm以上）を示した。また、セパレータ変化率はセパレータ外周長と一つの溶着部面積の商が20以上、且つ、溶着部全長と溶着された辺のセパレータ外周長の比が0.6以下で変化率２％以下のシワの少ない値を示した。
【００３７】
以上のことから、実施形態１〜４は、袋状セパレータの強度の確保による短絡の防止とシワの抑制をすることができた。
【００３８】
【表１】
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【符号の説明】
【００３９】
1.正極端子 
2.負極端子 
3.正極 
4.負極 
5.セパレータ 
6.熱溶着部 
7.隙間のないL型溶着部 
8.溶着された辺のセパレータ外周長 
9.溶着部長さ 
10.溶着部厚み 
11.ラミネートフィルム(ケース側)
12.電極群 
13.ラミネートフィルム(ふた側)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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