(57)【要約】【課題】本発明はリチウム二次電池において、負荷特性を改善することを目的とするものである。【解決手段】少なくともリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極４と負極２とをセパレータ３を介して対向して配置した発電要素と非水電解液とを封口板１と電池ケース５内に封入してなるリチウム二次電池において、上記セパレータ３として表面にリチウムイオン濃度を高める官能基をもったポリオレフィン系樹脂繊維の不織布で構成したことを特徴とする。この構造によって、電極近傍とバルクの反応領域でのリチウムイオン濃度を高めることができ、負荷特性を改善することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極と負極とをセパレータを介して対向して配置した発電要素と非水電解液とを電池ケース内に封入してなるリチウム二次電池において、前記セパレータを表面にリチウムイオン濃度を高める官能基をもったポリオレフィン系樹脂繊維の不織布で構成したことを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記セパレータのリチウムイオン濃度を高める官能基を水酸基、カルボン酸基またはカルボニル基の少なくとも一つとした請求項１記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記セパレータのリチウムイオン濃度を高める官能基をポリオレフィン系樹脂繊維の不織布にプラズマ処理することで持たせた請求項１記載のリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は負荷特性の向上を図ったリチウム二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信に代表されるようなコードレス化、ポータブル化された電子機器では、小型化、軽量化にともない高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が広く使用されている。また、近年電子機器に様々な付加機能が備えられるようになり、電源への負荷特性の向上が要望されている。
【０００３】
負荷特性の向上方法は種々あるが、円筒形や角形などの形状のリチウム二次電池においては、集電体となる金属箔上に活物質を塗布し、捲回構造にすることで反応面積を大きくして、負荷特性を向上させている。しかし、コイン形形状のリチウム二次電池では、同様な手法により、反応面積を大きくして負荷特性を向上させることは非常に難しい。
【０００４】
その理由は、一般的にコイン形形状のリチウム二次電池では、電極に活物質である金属酸化物と導電性を補助する炭素粉を結着剤を混合して、加圧成型して得られたペレット状のものを用いるため、円筒形や角形のように電極を捲回して反応面積を大きくする構造にすることが難しいことによる。
【０００５】
そのため、コイン形形状において負荷特性を向上させる手段として、従来は集電構造を検討することで改善を行ってきた。その例として、電極ペレットと組み合わせる集電用の金属リングにペレットに食い込む突起形状を設け、集電面積の向上とペレットとの密着性を改善し負荷特性を改良する方法（特許文献１参照）や、集電機能を備えた外装缶に突起形状を設ける加工を行い、電極ペレットとの接触を改善することで集電性を高めて、リチウム二次電池の負荷特性を改善する方法（特許文献２参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１１１１７号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
負荷特性を向上するには、どれだけ多くの電子を取り出せるかということであるが、特許文献１および特許文献２に見られるような構造は、電極ペレットと集電子との集電性を向上することはできるが、電池反応自体を改善するものではないため、負荷特性の向上に限界がある。
【０００８】
円筒形状や角型形状のように、電子をたくさん取り出すために捲回した構成物を具備し、反応活性点が多い構造を構築する方法は、コイン形のリチウム二次電池においては難しい構造であり、とくに小型化が難しい。また、電池を構成するのが困難で量産性に乏しい。本発明においては、従来と同様なコイン形のリチウム二次電池の構成および量産方法で負荷特性に優れるリチウム二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するために、少なくともリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極と負極とをセパレータを介して対向して配置した発電要素と非水電解液とを電池
ケース内に封入してなるリチウム二次電池において、上記セパレータとして表面にリチウムイオン濃度を高める官能基をもったポリオレフィン系樹脂繊維の不織布で構成したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、電池反応を起こす電極近傍およびバルク反応領域において、電池反応種となるリチウムイオン濃度を高めることができ、電池反応を促進して電子を継続して取り出せるため、負荷特性が向上したリチウム二次電池を電池形状によらずに得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係わるコイン形のリチウム二次電池の半断面図
【図２】本発明と比較例におけるリチウム二次電池の放電時間を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極と負極とをセパレータを介して対向して配置した発電要素と非水電解液とを電池ケース内に封入してなるリチウム二次電池において、上記セパレータとして表面にリチウムイオン濃度を高める官能基をもったポリオレフィン系樹脂繊維の不織布で構成したことを特徴としている。これにより、リチウム二次電池の負荷特性を向上させることができる。
【００１３】
負荷特性を向上させるためには、電池から電子をたくさん取り出せることが必要である。電池における電子の流れは、電極上で電池反応が生じ、その時発生した電子が集電子を通じて取り出される。また、電子を継続して取り出すためには電池反応が継続される必要があり、そのためには電池反応が生じる電極近傍へ電池反応種が供給され続けることが必要となる。
【００１４】
よって、リチウム二次電池の負荷特性を向上させるためには、電極上でたくさん電子を発生させること、発生した電子が速やかに取り出せること、電極上で継続して電子を発生させることが重要となる。
【００１５】
電極上でたくさん電子を発生させるためには、電極上に電池反応を生じる活性点を多く有することで可能であり、円筒形や角形で見られる構造のように電極を捲回して電極面積を大きくすることで対応できる。また、発生した電子を速やかに取り出すためには、電極と集電子との接触抵抗を小さくすることで可能であり、集電形状を工夫することで対応できる。
【００１６】
しかし、上記の取り組みは電池反応が継続して生じなければ電池の負荷特性を向上させることはできなく、電池反応種を電極近傍へ供給し続けることは大変重要である。
【００１７】
ここで、コイン形形状のリチウム二次電池の構造について図１を参照にして確認すると、ステンレスからなる封口板１側に導電層７を介して負極２を配置し、ステンレスからなる電池ケース５側に導電層７を介して正極４を配置している。負極２と正極４の間にポリプロピレンの不織布からなるセパレータ３を介在させる。封口板１と負極２および電池ケース５と正極４の間には導電層７を介して圧接により電気的な導通をとっている。封口板１と電池ケース５の間にガスケット６を配置し、電池ケース５を内方にかしめて封口されている。
【００１８】
このように、コイン形形状のリチウム二次電池の構造は電極とセパレータ３が接触しており、そのセパレータ３にポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂を
使用するのが一般的である。
【００１９】
コイン形形状のリチウム二次電池が使用される一般的な環境において、電極近傍への電池反応種の供給は対流などの外部要因によって行われることはなく、濃度拡散によってのみ行われる。よって、電池反応を継続するためには、電極近傍の電池反応種が全て反応したときバルクの濃度との濃度勾配が大きいことが必要となり、電極と接触しているセパレータ３の電池反応種濃度が高いことが重要である。
【００２０】
本発明ではセパレータ３の電池反応種の濃度分布を改善することによって、電池の負荷特性を向上した。
【００２１】
一般的にセパレータ３として使用されるポリオレフィン系樹脂は官能基を持たないため極性を有していない。そのため、電池反応種であるイオンとの親和性が極めて小さく、よって、セパレータ３の電池反応種となるイオン濃度が低いと共に、非水電解液の溶媒との親和性も低いためイオン移動量が小さく、電極近傍へ電池反応種が供給されにくい。
【００２２】
しかし、物理的および化学的処理によりセパレータ３に水酸基やカルボン酸基などの極性を有した官能基を挿入することで、セパレータ３に極性を付加する事ができる。それによって、電気的な相互作用からセパレータ３表面と電池反応種であるイオンが引き合い、セパレータ３表面の電池反応種イオン濃度を高めることができる。さらには、電解液の溶媒とも電気的に引き合うことから、セパレータ３表面の電解液に対する濡れ性が向上し、イオン伝導のパスが増えることでイオン移動量を大きくすることができる。これらの結果から、電池反応種であるイオンを電極近傍へより多く供給することができ、電池の負荷特性を改善することができる。
【００２３】
セパレータ３に用いるポリプロピレンやポリエチレンに極性基を付加する方法としては、大気圧中でプラズマ放電処理を行うのが有効である。この方法は材料の表層のみに含酸素の置換基を付加することができる。そのため、材料強度などの物性を変化させることなく機能を付加できるため、従来と同様の工法で電池を作製することができる。また、プラズマ処理自体も真空にする必要がないため、処理を容易に行うことができ、量産性に優れている。
【００２４】
本発明は、特性改善および量産性の観点から特にコイン形形状のリチウム二次電池に有効であるが、捲回構造の電極を有する円筒形および角型形状など、電池の形状によらず負荷特性の改善に有効である。
【実施例】
【００２５】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例であるコイン形のリチウム二次電池の半断面図である。図１においてセパレータ３には繊維径１〜５ΜＭ、目付け量約２０Ｇ／Ｍ２からなるポリプロピレン（ＰＰ）製の不織布を用いた。このセパレータ３をパール工業社製のＰＳＣ１００２のプラズマ放電処理機を用いて、大気圧中で３０ＶＡ、３秒間のプラズマ処理を行った。
【００２７】
正極４は、活物質としてのコバルト酸リチウム、導電剤としてケッチェンブラック、結着剤としてフッ素系樹脂のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を重量比で９０：５：５となるように混合した合剤を加圧成型してペレットにして用いた。
【００２８】
負極２は、活物質としてのチタン酸リチウム、導電剤としてケッチェンブラック、結着
剤としてスチレン−ブタジエン共重合体を質量比で９０：５：５となるように混合し、加圧成型して直径１１ＭＭ、厚み０．５ＭＭのペレットにして用いた。
【００２９】
非水電解液には、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とエチルメチルカーボネイト（ＥＭＣ）を容積比１：３で混合し、ＬＩＰＦ６を１ＭＯＬ／Ｌ溶解させたものを使用した。
【００３０】
これらの電極と非水電解液および、プラズマ処理を行ったセパレータ３を電極間に配置して、図１に示すような構造を有する直径１６ＭＭ、厚み１．６ＭＭサイズのコイン形のリチウム二次電池を作製した。
（比較例１）
セパレータ３にプラズマ処理を施さなかった以外は実施例１のリチウム二次電池と同様の構成である比較例１の電池を作製した。
【００３１】
これら実施例１、比較例１のリチウム二次電池に対して、２．６Ｖの定電圧を４８時間印加する初期化を行った。初期化により電池電圧が２．６Ｖに達した後、抵抗値２００Ωで放電を行った。図２に放電結果を示す。
【００３２】
実施例１において、電池電圧が１．５Ｖに達するまでの放電時間は０．６ｈであったのに対して、比較例１では０．２ｈであった。これは比較例１においては、放電負荷が大きいにもかかわらず電極近傍に反応種が供給されないため、電極が急激に分極してリチウム二次電池の放電電圧が低下してしまったことによる。一方、実施例１においては、電極近傍へ反応種が供給されるため、電極が急激に分極することなく電池反応が行われる。よって、リチウム二次電池の放電電圧も急激に低下することがないため放電時間を長く保つことができた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明にかかるリチウム二次電池は、強負荷を必要とする電子機器おいて特に有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１  封口板
２  負極
３  セパレータ
４  正極
５  電池ケース
６  ガスケット
７  導電層
【図１】
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【図２】
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