(57)【要約】【課題】  電池の容量や形状にかかわらず、放熱性及び安全性に優れた二次電池の提供。【解決手段】  電池の発熱に伴う危険性は、表面積／体積の値に関連があること、すなわち表面積＝放熱面積、体積＝電池の蓄える電気容量であることに着目し、従来の電池製品と比べ体積あたりの表面積を一定値以上とすること、予め電界液を含浸させる積層型製法を用いることにより、放熱性に優れた安全な大容量電池を提供することを可能とした。すなわち、安全基準として、以下の（あ）および（い）を満足していることを特徴とする放熱性及び安全性に優れた二次電池。  （あ）予め電界液を含浸させる積層型製法を用いて製造された電池であること。  （い）電池の体積に対する表面積比（表面積／体積）を0.8以上とすること。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
安全基準として、以下の（あ）および（い）を満足していることを特徴とする放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（あ）予め電解液を含浸させる積層型製法を用いて製造された電池であること。
（い）電池の体積に対する表面積比（表面積／体積）を0.8以上とすること。
【請求項２】
上記の（あ）で製造された電池が、平板形状の単位電池要素がハウジング内で複数積層されて構成される平板積層型電池である請求項１の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【請求項３】
正極、負極および電解質層を有する電池要素が平板形状ハウジング内で複数枚積層された大容量電池である請求項２の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【請求項４】
電池容量が18Wh以上である請求項３の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【請求項５】
前記ハウジングは、高分子−金属を複合したラミネートフィルムである請求項２、３または４の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【請求項６】
前記ラミネートフィルムは、アルミニウム層を水分バリア層とし、ポリオレフィン層を最内層とし、ナイロン層を最外層とする三層構造のラミネートフィルムである請求項５の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【請求項７】
電解質層が非流動性のリチウム二次電池である請求項１ないし６のいずれかに記載の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱性及び安全性に優れた二次電池に関し、より具体的には積層型製法による表面積／体積値が一定値以上である大判薄型ポリマー電解質電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質電池は、電極および電解質をシート状にすることができるため、薄型の電池を製造することが可能である。ポリマー電解質を用いた電池は、特に耐漏液性を含めた安全性、貯蔵性が優れているという点で、今までの電池にない特徴を有するものである。しかし、図1に示すような捲回型による製造手法では、前者は端部が厚くなること、内部まで電解液を浸透できないことから、薄型の電池を製造することはできなかった。
【０００３】
そこで、複数の電極を積層することで平板形状の薄型電池を製造する方法が提言されている（例えば、特許文献1、特許文献3）。しかしながら、この積層型電池では、電極の積層枚数を増やし電気容量や電気容量密度が高くなると発熱し、発煙、発火、破裂などの事故に至るおそれがあった。
【０００４】
そこで、短絡形成兼放熱促進部材を設けた積層型電池や（特許文献2）、導電性平板部材を／電子絶縁性平板部材／導電性平板部材の積層構造部を有する電池（特許文献3）が提言されている。  
【０００５】
【特許文献１】特開2000−30747号公報
【特許文献２】特開2001−68157号公報
【特許文献３】特開2001−297795号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電池温度が上昇すると、発煙、発火、爆発などの危険な状態に達するため、安全性を高めるためには電池の温度を一定以下とすることが望ましい。なかでも、リチウム二次電池は放電容量が大きく、何らかの原因で電池温度が上昇するとそれをきっかけに電池が自己発熱し、電池温度がさらに上昇するため熱対策は不可欠である。
一方で、従来から熱に対する安全性の基準は確立されておらず、電池の容量や形状に応じて、各メーカーが独自基準で対策を施しているに過ぎなかった。
【０００７】
また、ノート型パソコンなどのポータブル製品においては、大容量化の要求と共に形状の自由度の高い電池が要望されている。昨今では、電気自動車用バッテリーとしても室内空間を圧迫しない大判薄型電池のニーズは高い。
【０００８】
上記課題を鑑み、本発明は、電池の容量や形状にかかわらず、放熱性及び安全性に優れた二次電池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】
【０００９】
本発明者は、電池の発熱に伴う危険性は、表面積／体積の値に関連があること、すなわち表面積＝放熱面積、体積＝電池の蓄える電気容量であることに着目し、従来の電池製品と比べ体積あたりの表面積を一定値以上とすること、予め電解液を含浸させる積層型製法を用いることにより、放熱性に優れた安全な大容量電池を提供することを可能とした。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の（１）〜（７）の放熱性及び安全性に優れた二次電池を要旨とする。
（１）安全基準として、以下の（あ）および（い）を満足していることを特徴とする放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（あ）予め電解液を含浸させる積層型製法を用いて製造された電池であること。
（い）電池の体積に対する表面積比（表面積／体積）を0.8以上とすること。
（２）上記の（あ）で製造された電池が、平板形状の単位電池要素がハウジング内で複数積層されて構成される平板積層型電池である（１）の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（３）正極、負極および電解質層を有する電池要素が平板形状ハウジング内で複数枚積層された大容量電池である請求項２の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（４）電池容量が18Wh以上である（３）の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（５）前記ハウジングは、高分子−金属を複合したラミネートフィルムである（２）、（３）または（４）の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（６）前記ラミネートフィルムは、アルミニウム層を水分バリア層とし、ポリオレフィン層を最内層とし、ナイロン層を最外層とする三層構造のラミネートフィルムである（５）の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
（７）電解質層が非流動性のリチウム二次電池である（１）ないし（６）のいずれかに記載の放熱性及び安全性に優れた二次電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池の大容量化に伴う熱の問題を解決することで、安全性に優れた大容量電池を製造することが可能となった。
【００１２】
ラミネート容器を用いることにより、外装の電位が中立となり、クラッシュ時の安全性を高めることが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の平板積層型電池の構成について詳細に説明する。
板版形状の単位電池要素である、正極、負極、セパレータから成るシングルセルを積層し、高分子−金属を複合したラミネートフィルムバッグに封入したものである。
図10は、シングルセルの構造の一例を示したものであり、集電体はアルミ箔、その下側に改良遷移金属リチウム酸化物（LiNi1-x-yCox(Met)yO2等）にゲル電解液を含浸させたものからなる正極、その下側に多孔質ポリマーフィルムからなるセパレータ、その下側に表面改質グラファイトにゲル電解液を含浸させたものからなる負極、そしてその下側に銅箔を有する。図示された上側には、電池要素として正極が位置しているが、負極を位置させてもよい。
平板積層型電池は、シングルセルを、図11に示すように、ハウジング内で複数積層して構成される。ハウジングは、高分子−金属を複合したラミネートフィルムで容器（例．パウチ）を構成し、内部に積層した電池を真空封入することのできる容器である。封入は主にポリオレフィンフィルム同士を熱融着することで行われる。
【００１４】
ハウジングは、高分子−金属を複合したラミネートフィルムを使用するが、該フィルムとしては特に制限されるべきものではなく、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。正極端子リード部近傍は、高分子フィルムからなる外装保護層（ラミネート最外層）、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層（ラミネート最内層）のように配置し、より詳細には、金属フィルム層の両面に、高分子フィルムとして耐熱絶縁樹脂フィルムが形成され、少なくとも片面側の耐熱絶縁樹脂フィルム上に熱融着絶縁性フィルムが積層 されたものであり、全体を積層一体化してなるものが挙げられる。かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、熱融着絶縁性フィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。
【００１５】
上記金属フィルムの好ましい例示としてはアルミニウムフィルムがあげられる。また、上記絶縁性樹脂フィルムとしては、ナイロンフィルム（耐熱絶縁性フィルム）、ポリエチレンフィルム（熱融着絶縁性フィルム）、ポリプロピレンフィルム（熱融着絶縁性フィルム）ポリエチレンテトラフタレートフィルム（耐熱絶縁性フィルム）等が例示できるが、これらに制限されるべきものではない。該ラミネートフィルムは、超音波融着等により熱融着絶縁性フィルムを利用して１対ないし１枚（袋状、容器状）のラミネートフィルムの熱融着による接合を容易かつ確実に行うことができる。なお、電池の長期信頼性を最大限高めるためには、ラミネートシートの構成要素である金属フィルム同士を直接接合してもよい。金属フィルム間にある熱融着性樹脂を除去もしくは破壊して金属フィルム同士を接合するには超音波溶着を用いることができる。
【００１６】
本発明において、正極板、セパレータおよび負極板を積層した単位電池要素については、従来の単位電池要素と同様に構成される。例えば、正極板は正極集電体の反応部の片面に上記した正極活物質を塗布乾燥してなり、負極板は負極集電体の反応部の両面に上記したような負極活物質を塗布乾燥してなり、セパレータはポリオレフィン多孔質フィルムからなるものが例示できる。また、正極板には正極集電体が形成され、負極板には負極集電体が形成され、これらは超音波溶接等により正極端子リードおよび負極端子リードにそれぞれ接合されている。この接合は抵抗溶接によって行ってもよい。ただし、本発明の単位電池要素は、これらに何ら制限されるものではない。
【００１７】
ハウジングがアルミラミネートであることの技術的な意義について説明する。この容器はリチウム塩を内包するため水分バリア層を持つことが必要であり、例えば、水分バリア層として厚さ40μｍのアルミニウムフィルム、その内側は厚さ40μｍのポリオレフィンフィルム（ラミネート最内層）を、外側は30μｍの66ナイロン層（ラミネート最外層）を配置し、熱または接着剤で貼り付けたラミネートフィルムであり、かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、ポリオレフィンフィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。
【００１８】
本発明の平板積層型電池は、最も広い平板の面積が105mm×148mm以上（すなわちＡ6版以上）であり、かつ出力が18Wh以上であることに技術的な意義がある。図3に示すように、一般に市販されている電池は3.7Vx2.15A=8Whが最大であり、角型の形状は63mmx68.5mm=4316mm2が最大である。これは、電池の安全性に起因する技術的課題であり、大型化・大容量化しつつ安全性を確保した電池の製造は内包するエネルギーから困難であった。
そこで、本発明では、体積の表面積比（表面積／体積）が0.8以上とすることで、安全性を確保しつつ大容量化することを可能とした。
【００１９】
図2は、市販2次電池の電流容量と体積の表面積比の関係を示した図面である。三洋電機株式会社のホームページに掲載されている2003年10月現在の2次電池の表面積を計算して算出したものと、発煙・発火の問題によりリコールとなったS社の釣用電池（品番：ＢＴ−021Ｂ、販売期間：2003年11月〜2004年8月、他）と、出願人の試作した2次電池についてプロットしたものである（仕様の詳細については図3参照）。角型電池における体積の表面積比は、電池の厚みをT、幅をW、高さをHとすると、表面積は2x(TxL+WxH+HxT)、体積はTxWxHにより算出できる。円筒型電池における表面積は、直径をD、高さをHとすると表面積は2xπD2/4xL+πDxH、体積はD2/4xLxHで算出できる。
同図を見ると分かるとおり、リコールとなった電池においては、極めて体積の表面積比の値が低く、発熱に伴う発煙・発火の危険性が高いことが分かる。
【００２０】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、図を使って説明する。
図3に示したALPLK001は、負極両面塗布のB5版Ni系電池であり、図4はそのALPLK001の試作品の写真である。本試作品においては、ラミネート容器を採用することにより、防湿性が缶タイプの電池よりも高く、電池の寿命を15年程度の長期間とすることが可能となる。本試作品においては、アルミ箔を表面側ナイロン、内側ポリエチレンでラミネートしたアルミラミネートフィルムを用いた。電解液にはアクリル系モノマーを重合してポリマーとしたものを用いた。
本電池は、図12に示すように銅泊の両面にグラファイト等の活物質を塗布した負極と、アルミ箔の片面にニッケル酸リチウム等の活物質を塗布した正極2枚とをポリオレフィン多孔質フィルムでできたセパレータを挟み込んだ構造であり、いわゆるバイセルという単位セルを3枚重ねたものである。
このバイセルを3枚積層し、水分バリア層として厚さ40μｍのアルミニウムフィルムに内側に厚さ40μｍのポリオレフィンフィルムを外側には30μｍの66ナイロン層を熱または接着剤で貼り付けたフィルムで真空封止した。
【００２１】
本発明に係る電池の適用場面としては、ノート型パソコンへの適用が考えられる。積層型電池では、図5に示すように、従来の円筒形電池や角形電池と比べ、何倍も薄くすることが可能である。
ALPLK001の出力は20Whであり、現在市販されているノート型パソコンの出力は33〜50Wh程度であるから、本試作品を2枚用いることにより好ましい出力を得ることができる。液晶画面の背面に配置してもよいし、本体（キーボード）底面に配置してもよい。
また、図3のALPLEシリーズは、過充電防止剤の入った安全性重視のCo系電池であり、出力は18Whであるから、これを2枚用いてもよい。
【００２２】
本発明の実施例を以下に説明する。本発明はこの実施例によって何ら制限されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
本実施例に係る電池の過充電特性を測定すべく、下記の電池において過充電時の電池温度を測定した。
（1）各電池の仕様
従来型電池1（過充電防止剤なし）：43×62×5.0mm、Ｃ＝1233mAh、体積の表面積比0.47
従来型電池2（過充電防止剤あり）：43×62×5.0mm、Ｃ＝1233mAh、体積の表面積比0.47
本実施例電池（過充電防止剤なし）：186×255×1.2mm、Ｃ＝5500mAh、体積の表面積比1.69
【００２４】
従来型電池1は、前述のバイセルを13層積層することで容量を高めたもので、例えばPDAなどの電子機器に使われている。また、従来型電池2は、電解液に過充電防止剤を添加してある点でのみ従来型電池1と相違する。
本実施例電池は、前述のバイセルを3層積層したものであるが、いわゆるB5サイズであり体積が大きいことから容量も5500ｍAhと非常に大きくなっている。
【００２５】
（2）過充電条件
放電状態より、1.8Ｃ−5Ｖで3時間充電した。通常の電池はよく最高電流0.6C（電池容量Cの0.6倍）−最高電圧4.2Vの条件で充電されるが、本実施例では誤用乱使用を予測して通常の3倍の条件で充電した。
【００２６】
従来型電池1においては、充電開始後、時間と共に電池温度が上昇し、1時間経過後に発火した。電池の最高温度は150℃以上となった（図6参照）。
従来型電池2においては、電池の最高温度は80℃程度となった（図7参照）。
本実施例の電池は、過充電防止剤を入れていないにもかかわらず、最高温度が35℃程度までしかならず、極めて安全性が高いことが分かった（図8参照）。
【実施例２】
【００２７】
図9はいわゆる携帯電話サイズの電池を色々な条件で充電試験したもので、コバルト系正極の電池（容量600mAh）とニッケル系正極の電池（容量800ｍAh）を種々の条件で比較したものである。同図から、コバルト系電池に比べニッケル系電池はFire(即ち発火)する領域が広くより危険であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、ノートパソコン等の情報機器や携帯型テレビでの利用の他、電動自動車やハイブリッド電動自動車用バッテリーへ、家庭用電力貯蔵用電池としての利用が想定される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】捲回型電池の構成を拡大して示す模式的な斜視図である。
【図２】市販電池の電池容量と体積の表面積比の関係を示した図である。
【図３ａ】図2に係る市販電池の仕様詳細を示した図(1/2)である。
【図３ｂ】図2に係る市販電池の仕様詳細を示した図(2/2)である。
【図４】B5版Ni系電池の試作品の写真である。
【図５】従来の円筒形電池、角形電池及び本発明に係る大判薄型電池の試作品のノート型パソコンへの適用を説明する図面である。
【図６】従来型電池（過充電防止剤なし）の過充電特性を示した図である。
【図７】従来型電池（過充電防止剤あり）の過充電特性を示した図である。
【図８】実施例1の電池（過充電防止剤なし）の過充電特性を示した図である。
【図９】Ｎｉ系電池とＣｏ系電池における過充電特性を示した図である。
【図１０】本発明に係る電池のシングルセル構造の一例を示した図である。
【図１１】シングルセルを積層したベアセル（素電池）の構造を示した図である。
【図１２】本発明に係る電池の構造説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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