(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一軸方向に延伸して形成されたセパレータが熱溶着された電極群を有する積層型電池であって、
前記セパレータは、前記延伸方向中央部で折り曲げられて互いに重ね合わされて、折り曲げ部に直交する方向に延在する延伸方向溶着部を有することを特徴とする積層型電池。
【請求項２】
前記セパレータは、該セパレータの表面のうち、熱溶着された部分を除く非熱溶着部分に無機フィラー層を有することを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
【請求項３】
前記無機フィラー層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、モンモリロナイト、雲母、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２など少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項２に記載の積層型電池。
【請求項４】
前記セパレータは、１０（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以上４００（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以下の透気度を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の積層型電池。
【請求項５】
前記セパレータは、３０％以上８０％以下の空孔率を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の積層型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレータを間に介して正極電極と負極電極が積層され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。
【０００３】
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。捲回型の電極群は、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、捲回型の電極群の最内周は、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。
【０００４】
一方、積層型の電極群は、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。
【０００５】
積層型の電極群において、短絡しにくく、さらに生産性に優れるものとして、例えば二枚のセパレータを重ね合わせて袋状に熱溶着したセパレータ袋体の中に正極電極または負極電極を挿入して交互に積層させた構成を有するものがある(特許文献１、２)。
【０００６】
平面視長方形の電極群の場合、長方形のセパレータ袋体が用いられる。例えば２枚のセパレータを重ね合わせて長方形のセパレータ袋体を作成するには、長方形のセパレータの四辺のうちの三辺もしくは互いに直行する二辺が熱溶着されて、コ字状もしくはＬ字状に溶着される。また、１枚のセパレータを中央部で折り曲げて長方形のセパレータ袋体を形成する場合には、折り曲げ部に直交する二辺のうちの少なくとも一辺、もしくは、折り曲げ部に直交する２辺のうちのいずれか一辺と折り曲げ部に平行に延在する先端辺とが熱溶着される。
【０００７】
セパレータは、一般的に樹脂基材を延伸することによって作成されている。従来のセパレータは、熱溶着した場合に、延伸方向の方が延伸方向に直交する横幅方向よりも熱収縮が大きいという構造を有していた。したがって、セパレータ袋体を作成する場合には、熱収縮によるセパレータの歪みを防ぐために、セパレータの延伸方向（MD方向）に沿った方向の溶着長さを短くし（溶着面積を小）、セパレータの横幅方向（TD方向）に沿った方向の溶着長さを長く（溶着面積を大）していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−０１７１１２
【特許文献２】特開２００８−１３０３７０
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】EVS24 HEV FCEV Symposium 2009 旭化成イーマテリアルズ takada et
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ハイブリット自動車や電動工具などのパワーツール、停電時のバックアップ電源のUPSの高出力型電池の場合、それに合わせて、セパレータは、より透気度を低く(空気100cc中をセパレータが通る時間、つまり値が低いほど空気を通しやすく、イオンを透過しやすい)、より空孔率の高いものが要求される。これにより、セパレータは、従来よりもさらに延伸させるようになってきた。また、近年では、無機フィラーをポリオレフィン樹脂に混合し、高強度化を図り、より延伸できる無機フィラー含有セパレータの開発も進行している(非特許文献１)。
【００１１】
しかしながら、セパレータは、延伸が大きくなるに従い、セパレータの樹脂が異方性を顕著に示し、延伸により延伸方向（MD方向）に沿って平行に樹脂の繊維スジが生じる。このように、高延伸したセパレータを用いて、従来通りにセパレータ袋体を作製すると、溶着にムラが生じ、シワが生じることが分かった。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セパレータの溶着によるシワの発生を抑制して生産性を向上させることができる積層型電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決する本発明の積層型電池は、一軸方向に延伸して形成されたセパレータが熱溶着された電極群を有する積層型電池であって、セパレータは、セパレータの延伸方向に沿って延在する延伸方向溶着部と、セパレータの延伸方向に直交する幅方向に沿って延在する幅方向溶着部とを有しており、延伸方向溶着部の延在長さの方が幅方向溶着部の延在長さよりも長いことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、延伸方向溶着部の延在長さの方が幅方向溶着部の延在長さよりも長いので、高延伸したセパレータを用いた場合に、熱溶着によりシワが発生するのを抑制することができ、積層型電池の生産性を向上させることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ラミネートセルの分解斜視図。
【図２】ラミネートセルの外観平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】電極群の分解図。
【図５】比較例の模式図。
【図６】実施例の模式図。
【図７】セパレータの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本実施の形態について以下に図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、積層型電池の一具体例として、リチウムイオン二次電池の場合について説明するが、キャパシタなどの他電池でも適応でき、以下の構成のものに限定されるものではない。さらに、本実施の形態では、積層型電池のセル形状として、ラミネートセルの場合を例に説明するが、これに限定されるものではなく、例えば角形セルでもあってもよい。
【００１７】
図１は、本実施の形態におけるラミネートセルの分解斜視図、図２は、ラミネートセルの平面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図、図４は、電極群の分解図、図５は、セパレータの模式図、図６は、比較例の模式図、図７は、実施例の模式図である。
【００１８】
ラミネートセル１は、リチウムイオン二次電池であり、積層型の電極群２をラミネートフィルム３、４で密封した構成を有している。ラミネートセル１の内部には、図示していない電解液が充填されている。電極群２は、所定の厚みを有する矩形の平板形状を有している。電極群２の一方の短辺部には、正極端子１２と負極端子２２が突出して設けられている。
【００１９】
電極群２は、セパレータ３１を間に介して複数の正極１１と負極２１が交互に積層された構成を有している。正極１１と負極２１を積層する枚数は、複数であればよく、何枚であってもかまわない。電極群２は、セパレータ３１によって構成されたセパレータ袋体の中に正極１１を挿入しかつ一方のセパレータ３１の外側面に負極２１を重ね合わせたものを一セットとして、このセットを複数積層させた積層構造を有している。
【００２０】
セパレータ３１は、長方形を有しており、短絡抑制および生産性向上のために、２枚のセパレータ３１の二辺または三辺に沿って熱溶着して袋状に形成された構成を有している。例えば、２枚のセパレータ３１、３１を互いに重ね合わせて、一方の長辺と一方の短辺に沿ってＬ字状に溶着することによってセパレータ袋体を構成してもよく、また、一対の長辺と一方の短辺に沿ってコ字状に溶着してセパレータ袋体を構成してもよい。なお、セパレータ３１は、セパレータ３１の中央部で折り曲げて、互いに重なり合う一辺または二辺の少なくとも一部を熱溶着して袋状に形成された構成としてもよい。
【００２１】
セパレータ３１は、帯状の樹脂基材を一軸方向に延伸することによって形成されたものであり、従来よりも高延伸されている。セパレータ３１は、図５に示すように、延伸方向（MD方向）に平行に樹脂の繊維スジ３２が生じている。繊維スジ３２は、溶着にムラを生じさせ、シワを生じさせると考えられる。そして、延伸が大きいほど、つまり透気度が低く、空孔率が高いほど、異方性が高くなり、熱溶着時にシワが生じやすいものと考えられる。
【００２２】
なお、セパレータ３１は、１０（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以上４００（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以下の透気度を有しており、好ましくは、１０（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以上２００（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以下の透気度を有している。セパレータ３１は、３０％以上８０％以下の空孔率を有しており、好ましくは、６０％以上８０％以下の空孔率を有している。透気度が１０（ｓｅｃ／１００ｃｃ）よりも低い場合、及び、空孔率が８０％よりも大きい場合は、セパレータがスカスカ過ぎて電圧低下が大きいために使用できない。透気度は、２００（ｓｅｃ／１００ｃｃ）以下で特に効果が大きく、また、空孔率は、６０〜８０％の間で特に効果が大きい。透気度の測定方法は、ＪＩＳ  Ｐ８１１７に準拠して測定し、空孔率の測定方法は、セパレータの材料の比重（ｇ／ｃｍ３）と、実際のセパレータの体積当たりの重量（ｇ／ｃｍ３）との比から算出した。
【００２３】
このように、高延伸により繊維スジ３２が生じているセパレータ３１を用いて、従来通りに、セパレータ３１の延伸方向（MD方向）に沿った方向の溶着長さを短くし（溶着面積を小）、セパレータ３１の横幅方向（TD方向）に沿った方向の溶着長さを長く（溶着面積を大）すると、溶着にムラが生じ、シワが生じる結果となる。
【００２４】
そこで、本実施の形態では、セパレータの延伸方向（MD方向）に沿った方向の溶着長さを長くし（溶着面積を大）、セパレータの横幅方向（TD方向）に沿った方向の溶着長さを短く（溶着面積を小）する構成とした。
【００２５】
セパレータ３１は、セパレータ３１の延伸方向（ＭＤ方向）に沿って延在する延伸方向溶着部３１ａと、セパレータ３１の延伸方向に直交する幅方向（ＴＤ方向）に沿って延在する幅方向溶着部３１ｂとを有しており、延伸方向溶着部３１ａの延在長さの方が幅方向溶着部３１ｂの延在長さよりも長くなるように構成されている。
【００２６】
具体的には、例えば図４に示すように、セパレータ３１は、Ｙ方向の長さがＸ方向の長さよりも長いので、延伸方向に沿って長辺が延在しかつ幅方向に沿って短辺が延在するように、セパレータ３１の延伸方向をＹ方向とし、Ｙ方向に沿って延伸方向溶着部３１ａを形成し、Ｘ方向に沿って幅方向溶着部３１ｂを形成する構成とした。
【００２７】
したがって、熱収縮が小さい延伸方向（ＭＤ方向）の延伸方向溶着部３１ａの溶着長さを長くし、熱収縮が大きい幅方向の幅方向溶着部３１ｂの溶着長さを短くすることができ、熱溶着によりシワが発生するのを抑制することができる。本実施の形態における構成は、セパレータ３１の透気度が低く、空孔率が高いものほど、その効果が大きい。
【００２８】
なお、図４では、一対の長辺に沿ってそれぞれ延伸方向溶着部３１ａを設けると共に一方の短辺に沿って幅方向溶着部３１ｂを設けてコ字状に溶着した構成を示しているが、一方の長辺に沿って延伸方向溶着部３１ａを設けると共に一方の短辺に沿って幅方向溶着部３１ｂを設けてＬ字状に溶着した構成としてもよい。
【００２９】
また、上記した例では、延伸方向溶着部３１ａと幅方向溶着部３１ｂの両方を設ける場合について説明したが、熱収縮が少ない延伸方向のみを溶着することによってセパレータ袋体を構成できる場合には、幅方向溶着部３１ｂを省略することができる。例えば、一枚のセパレータ３１を延伸方向中央部で折り曲げて重ね合わせて、折り曲げ部に直交する方向に延在する辺部に沿って直線状に溶着して延伸方向溶着部を設けてもよい。かかる構成によれば、熱収縮が大きい幅方向の幅方向溶着部３１ｂを省略できるので、シワの発生をより抑制することができる。
【００３０】
本発明は、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。したがって、セパレータ３１の表面のうち、延伸方向溶着部３１ａと幅方向溶着部３１ｂを除く部分（熱溶着された部分を除く非熱溶着部分）に無機フィラー層を有する構成としてもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
正極１１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。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１１は、乾燥後ロールプレスで密度が調整されている。
【００３３】
一方、負極２１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。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２１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１２、負極端子２２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よい。なお、正極端子１２、負極端子２２は電池内外をより封止させるために、あらかじ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。
【００３４】
ラミネートセル１は、電極群２を挟み込んだラミネートフィルム３、４の縁部を熱溶着して封止し、電気的に絶縁した状態で正極端子１２と負極端子２２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、熱溶着して封止した。なお、溶着回数は何回でもよい。
【００３５】
電解液には１ＭＬｉＰＦ６の電解質を用い、ＥＣ：ＥＭＣ＝１：３（vol％）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。
【００３６】
＜実施例＞
今回の実施例で用いたセパレータ３１の種類は、セパレータＡとセパレータＢの２種類である。セパレータＡは、ポリエチレン層をポリプロピレン層で挟み込んだ３層構造であり、厚み２０μｍ、透気度３５０ sec/１００cc、空孔率４０％の構成を有している。そして、セパレータＢは、ポリエチレンに無機フィラー（シリカ）を含有させた無機含有セパレータであり、厚み２０μｍ、透気度８０ sec/１００cc、空孔率６０％の構成を有している。このセパレータＡを用いたセパレータ３１と、セパレータＢを用いたセパレータ３１から、それぞれセパレータ袋体を作製した。
【００３７】
比較例として、セパレータＡおよびセパレータＢのそれぞれに関し、長辺にセパレータ袋体の幅方向（TD方向）に平行して溶着し、短辺はセパレータ３１の延伸方向（MD方向）に平行して熱溶着させた。
【００３８】
実施例として、セパレータＡおよびセパレータＢのそれぞれに関し、長辺にセパレータ３１の延伸方向（MD方向）に平行して溶着し、短辺はセパレータ３１の幅方向（TD方向）に平行して熱溶着させた。
【００３９】
セパレータＡおよびセパレータＢの延伸方向（MD方向）は、幅方向（TD方向）よりも熱収縮率が大きい。また、セパレータＡおよびセパレータＢは、φ数mm程度の釘などで突き刺し貫通させた際に、延伸方向（MD方向）には裂けやすく、幅方向（TD方向）には裂けにくい特徴を持つ。
【００４０】
セパレータＡおよびセパレータＢの溶着結果として、図６に比較例の模式図を示し、図７に本実施例の模式図を示す。
【００４１】
図６に示すように、セパレータ３１の長辺を横幅方向（TD方向）に沿って平行に溶着し、短辺を延伸方向（MD方向）に沿って平行に熱溶着させた場合、うまく溶着できず、セパレータＡおよびセパレータＢのいずれにおいてもシワが生じ、より悪いものでは正極１１がセパレータ袋体の中に入らず、不良となった。特に、セパレータＢに関しては、シワが多いという結果が得られた。
【００４２】
一方、図７に示すように、セパレータ３１の長辺を延伸方向（MD方向）に平行に沿って溶着し、短辺を横幅方向（TD方向）に沿って平行に熱溶着させた場合、良好に溶着でき、セパレータＡおよびセパレータＢのいずれにおいてもシワは発生せず、セパレータ袋体の中に容易に正極１１を挟み込むことができた。
【００４３】
上記したラミネートセル１は、２枚のセパレータ３１の２辺または３辺を熱溶着するか、またはセパレータ３１の中央を折り曲げて、他の1辺または2辺を熱溶着して袋状にされた長方形のセパレータ袋体において、長辺はセパレータ３１のMD方向に平行して溶着し、短辺はTD方向に平行して熱溶着した構造を有する。したがって、熱溶着に起因したシワの発生を抑制でき、セパレータ３１の不良を抑制し、積層型電池の生産性を向上させることができる。特に高出力高容量な大型の積層型電池ではセパレータの面積が大きいため、非常に効果的である。
【符号の説明】
【００４４】
１  ラミネートセル
２  電極群
３、４  ラミネートフィルム
１１  正極
１２  正極端子 
２１  負極
２２  負極端子 
３１  セパレータ 
３１ａ  延伸方向溶着部
３１ｂ  幅方向溶着部
３２  繊維スジ
【図１】
0005820704.tif 000002
【図２】
0005820704.tif 000003
【図３】
0005820704.tif 000004
【図４】
0005820704.tif 000005
【図５】
0005820704.tif 000006
【図６】
0005820704.tif 000007
【図７】
0005820704.tif 000008