(57)【要約】【課題】矩形シート状の正極部と負極部を、間にセパレータを介在させながら積層してなる積層電極体を用いたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池において、負極電極へのリチウムイオンの予備吸蔵を円滑に行わせることができるとともに、生産工程にてリチウム金属を扱う工程あるいはその頻度の低減を可能にして生産性を高める。【解決手段】矩形シート状正極部２１と負極部２３を、セパレータ２２を介在させながら積層した積層電極体２０を用いたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池にあって、シート状負極用集電体２３２の一辺を積層電極体の側方へ張り出させ、この張り出し部２３２ａに沿って、負極電極にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属４１を負極電極２３１と導通状態で設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンもしくはアニオンを可逆的に担持可能な正極電極がシート状正極用集電体上に形成された矩形シート状正極部と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極電極がシート状負極用集電体上に形成された矩形シート状負極部が、間にセパレータを介在させながら交互に積層された積層電極体と、上記正極用集電体と上記負極用集電体にそれぞれ接続される外部端子とを備えたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池であって、
上記負極用集電体の少なくとも一辺が上記積層電極体の側方へ張り出し、この張り出し部に沿って、上記負極電極にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属が、上記負極電極と導通状態で設置されていることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【請求項２】
請求項１において、上記リチウム金属は、上記積層電極体を形成する複数の負極用集電体のうち、最上層または最下層に位置する負極用集電体の少なくとも一辺からの張り出し部に沿って設置されていることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【請求項３】
請求項１において、上記リチウム金属は、上記積層電極体を形成する複数の負極用集電体をそれぞれ上記外部端子に接続する導体部間に挿入され、上記負極電極と導通状態で設置されていることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、各正極部の両面に位置する２枚のセパレータが少なくとも上記リチウム金属の設置側辺にて互いに接着され、上記正極部の縁端部を包み込んでいることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池に関し、とくに、リチウムイオンもしくはアニオンを可逆的に担持可能な正極電極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極電極と、リチウム塩を含む非水電解液を用いて、充放電の可逆動作を行わせるようにしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器は高性能化により、小型の機器でも取り扱うデータ量が飛躍的に増大している。これにともない、そのデータを停電から保護するために、小型の無停電電源装置の必要性が増している。
【０００３】
無停電電源装置は、従来から鉛蓄電池を用いるものが提供されているが、鉛を使うことから環境問題や重量が重い等の問題により、その使用が見直されようとしている。  近年は、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の登場により、たとえば携帯データ端末などの小型機器にも内蔵が可能な無停電電源装置が商品化されるようになった。
【０００４】
リチウムイオン二次電池は、コバルトなどの遷移金属とリチウムの複合酸化物（たとえば、コバルト酸リチウム）を用いた正極電極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極電極と、リチウム塩を含む非水電解液とを用いて構成され、電解液を介して行われる正極電極と負極電極間でのリチウムイオンのやりとりによって充放電の可逆動作が行われる。
【０００５】
しかし、上記リチウムイオン二次電池は充放電を繰り返すうちに特性が劣化する性質があって、充放電可能なサイクル数に制限があった。つまり、充放電サイクル特性が良くないという問題があった。これは、鉛蓄電池等を含む二次電池に共通する問題でもあるが、このことにより、この種の二次電池を利用した無停電電源システムでは、その二次電池の点検や交換等のメンテナンスを定期的（あるいは高頻度）に行う必要があった。
【０００６】
無停電電源の方式には、充電と放電を切り替えて行う方式と、充電と放電を並行して行う浮動充電（フローティング充電）の方式があるが、どちらの方式も上記メンテナンスの必要性はあった。
【０００７】
また近年は、環境負荷の小さなクリーンエネルギー源として、風力発電や太陽電池などが注目されているが、これらから供給される電力は、風や日照などの自然条件に左右されて不安定なため、そのままでは電力としての利用価値が低い。
【０００８】
この不安定な電力をいったん蓄え、いつでも必要に応じて放出させることができれば、同じエネルギー量でも利用価値の高い電力とすることができる。このためには、電力を随時放出可能に蓄えることができる蓄電手段が必要となる。
【０００９】
この蓄電手段には、メンテナンス負担が大きい上記リチウムイオン二次電池ではなく、充放電サイクル特性が良好でメンテナンスが不要な電気二重層キャパシタが適している。しかし、電気二重層キャパシタは、キャパシタとしては非常に大きな容量（静電容量）を持つことができるが、充放電可能な電気容量は上記リチウムイオン二次電池に比べて、かなり見劣りする。
【００１０】
そこで、電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池を折衷させたような構成を有するリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池が提案されている。この蓄電池は、アニオンの吸蔵・放出が可能な正極電極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極電極と、リチウム塩を含む非水電解液を用いて構成される（特許文献１，２参照）。
【００１１】
上記リチウムイオン二次電池では正極電極にリチウムを含む複合酸化物を用いていたが、上記リチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池では正極電極に黒鉛や活性炭などの炭素材料を用いる。その正極電極でのアニオンの吸蔵・放出と、負極電極でのリチウムイオンの吸蔵・放出とによって充放電の可逆動作が行われる。
【００１２】
このリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池は、上記リチウムイオン二次電池と上記電気二重層キャパシタがそれぞれに有する利点を兼ね備えたような性質を有する。すなわち、充放電サイクル特性は上記リチウムイオン二次電池よりも各段にすぐれ、充放電容量（充放電可能な電気容量）は上記電気二重層キャパシタよりも各段に大きい、といった利点がある。
【００１３】
このリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池は、高性能の二次電池としても好適に利用できるのはもちろんであるが、上記無停電電源システムに利用すれば、小型化および高性能化とともに、メンテナンスフリーの無停電電源装置を実現させることができる。
【００１４】
上記リチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池では、負極電極にあらかじめリチウムイオンを吸蔵させることにより、充放電の可逆プロセスをクーロン効率の高い領域で行わせることができるようになる。つまり、負極電極にリチウムイオンを予備吸蔵させることよって充放電の容量および効率を高めることができる。
【００１５】
また、上記予備吸蔵を行っていないリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池では、高温（たとえば６０℃）で浮動充電を行ったときに、負極および正極の電位が上昇して電解液の分解反応が引き起こされる。電解液が分解してガス発生が起きると、素子内圧が異常上昇して液漏れや容器変形等のトラブルが生じる。
【００１６】
しかし、上記予備吸蔵を行うことにより、負極電位をリチウム電位とほぼ同電位に固定して正極電位の上昇を抑えることができる。これにより、上記分解反応を抑制して電池の安全性を確保することができる。
【００１７】
この予備吸蔵は、正極電極と負極電極とセパレータからなる電極体が電解液とともに収容された素子容器内にリチウム金属を設置し、これを負極電極と電気接続（短絡）させることによって行わせることができる。負極電極に電気接続されたリチウム金属は非水電解液中にリチウムイオンとなって溶出した後、負極電極に移動して吸蔵される。
【特許文献１】特開２００５−１９７６２
【特許文献２】特開２００２−３０５０３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明者等は、矩形シート状の正極部と負極部を、間にセパレータを介在させながら積層してなる積層電極体を用いたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池において、上述した予備吸蔵を行わせることを検討した。
【００１９】
このタイプのリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池では、予備吸蔵用リチウム金属を設置する構成として、
（１）積層電極体に組立てられる前のシート状負極部にあらかじめリチウム金属箔を積層する、
（２）負極用集電体に穴をあけて、その穴の上下にリチウム金属を貼り付ける、
などの構成が提案されている。
【００２０】
（１）の構成では、それ以後の工程がすべて、そのリチウム金属が反応しないような特別な対策が必要となって、生産性が著しく阻害されてしまう、という問題が生じる。  
リチウム金属は反応性が高く、その取り扱いには特別の注意を要する。とくに、箔状に薄く展開された状態のリチウム金属は反応しやすく、工程中に発火する恐れが大きい。このため、リチウム金属を設置した後の工程では、雰囲気制御や防護のシステムなど、大掛かりで費用のかかる装置や設備が必要となる。
【００２１】
（２）の構成では、上記問題に加えて、集電体に穴をあけることで集電効率が低下し、内部抵抗を低減させるという集電体本来の機能が阻害されてしまう、という問題が生じる。
【００２２】
また、（１）（２）の構成はいずれも、リチウム金属が積層電極体の層間に挟み込まれて設置されるが、この状態で設置されたリチウム金属は電解液への溶出が必ずしも円滑でなく、吸蔵に時間がかかるとともに、吸蔵が不均一になりやすい、という問題もあった。
【００２３】
本発明は、以上のような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、矩形シート状の正極部と負極部を、間にセパレータを介在させながら積層してなる積層電極体を用いたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池において、負極電極へのリチウムイオンの予備吸蔵を円滑に行わせることができるとともに、生産工程にてリチウム金属を扱う工程あるいはその頻度の低減を可能にして生産性を高めたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池を提供することにある。
【００２４】
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。  
（１）リチウムイオンもしくはアニオンを可逆的に担持可能な正極電極がシート状正極用集電体上に形成された矩形シート状正極部と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極電極がシート状負極用集電体上に形成された矩形シート状負極部が、間にセパレータを介在させながら交互に積層された積層電極体と、上記正極用集電体と上記負極用集電体にそれぞれ接続される外部端子とを備えたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池であって、
上記負極用集電体の少なくとも一辺が上記積層電極体の側方へ張り出し、この張り出し部に沿って、上記負極電極にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属が、上記負極電極と導通状態で設置されていることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【００２６】
（２）上記手段（１）において、上記リチウム金属は、上記積層電極体を形成する複数の負極用集電体のうち、最上層または最下層に位置する負極用集電体の少なくとも一辺からの張り出し部に沿って設置されていることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【００２７】
（３）上記手段（１）において、上記リチウム金属は、上記積層電極体を形成する複数の負極用集電体をそれぞれ上記外部端子に接続する導体部間に挿入され、上記負極電極と導通状態で設置されていることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【００２８】
（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、各正極部の両面に位置する２枚のセパレータが少なくとも上記リチウム金属の設置側辺にて互いに接着され、上記正極部の縁端部を包み込んでいることを特徴とするリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池。
【発明の効果】
【００２９】
矩形シート状の正極部と負極部を、セパレータを介在させながら積層してなる積層電極体を用いたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池において、負極電極へのリチウムイオンの予備吸蔵を円滑に行わせることができるとともに、生産工程にてリチウム金属を扱う工程あるいはその頻度の低減を可能にして、生産性を高めることができる。
【００３０】
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の技術が適用されたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池の第１実施形態を示す。同図において、（ａ）は素子の要部を示す平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図、（ｃ）はその断面図の一部を厚み誇張して示す断面図である。
【００３２】
同図に示すリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池は、リチウムイオン二次電池または高容量キャパシタとしても利用可能な蓄電池であって、まず、矩形平型に形成された積層電極体２０をラミネートフィルム等からなる素子容器１０に非水電解液（図示省略）とともに収容した構成を有する。 
素子容器１０には、ラミネートフィルム等の気密性軟包装材を融着等により矩形袋状に加工したソフト容器が使用されている。この素子容器１０は、積層電極体２０が非水電解液とともに収容された後の最終工程段階で気密封口される。
【００３３】
積層電極体２０は、矩形シート状の正極部２１と負極部２３を、間にセパレータ２２を介在させながら交互に積層することにより作製される。
【００３４】
正極部２１は、リチウムイオンもしくはアニオンを可逆的に担持可能な炭素材料を用いた正極電極２１１が、金属箔（Ａｌ）からなるシート状集電体２１２の両面に塗布等により層状に付着されて、全体がシート状に形成されている。同様に、負極部２３は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極電極２３１が金属箔（Ｃｕ）からなるシート状集電体２３２の両面に塗布等により層状に付着されて、全体がシート状に形成されている。
【００３５】
集電体２１２，２３２は非水電解液に対して不活性の良導体であれば、その形態はとくに限定されず、たとえば金属ネットなども使用可能であるが、積層電極体２０の容積効率や電極物質（正極と負極）の充填効率などを考慮した場合、金属箔の使用がとくに好ましい。また、材質については、正極用集電体２１２にアルミニウム（Ａｌ）を使用し、負極用集電体２３２に銅（Ｃｕ）を使用するとよい。
【００３６】
正極電極２１１は充電時に電解液中のアニオンを吸蔵し、放電時にそれを放出する。負極電極２３１は充電時に電解液中のリチウムイオン（カチオン）を吸蔵し、放電時にそれを放出する。このアニオンとリチウムイオンの可逆的な吸蔵・放出により、充放電の可逆動作が行われるようになっている。
【００３７】
正極電極２１１および負極電極２３１の材料としては炭素材料が適し、とくに、正極電極２１１は黒鉛質材料、負極電極２３１は難黒鉛化炭素質材料がそれぞれ好適である。
【００３８】
積層電極体２０は積層面が長方形に形成されていて、その長手方向の両側に外部引出し導体すなわち外部端子３１，３３が配置されている。
【００３９】
外部端子３１，３３は金属薄板からなり、素子容器１０の内側と外側に跨って設置されることにより蓄電池（リチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池）の外部電極端子をなす。図示の例では左側の外部端子３１が正極端子となり、右側の外部端子３３が負極端子となる。この外部端子３１，３３と素子容器１０の間は熱融着等により気密が保たれている。
【００４０】
積層電極体２０には複数の正極部２１と負極部２３がセパレータ２２とともに交互に積層されているが、各正極部２１の集電体２１２はそれぞれ積層電極体２０の一方（左方）の長手方向へはみ出して延設され、その延設部（長手方向張り出し部）２１２ｂの先端部が容器１０内で一方の外部端子（正極端子）３１に接続されている。
【００４１】
同様に、各負極部２３の集電体２３２はそれぞれ積層電極体２０の他方（右方）の長手方向へはみ出して延設され、その延設部（長手方向張出し部）２３２ｂの先端部が容器１０内で他方の外部端子（負極端子）３３に接続されている。
【００４２】
上記構成に加えて、図１に示す実施形態では、積層電極体２０を形成する複数のシート状負極用集電体２３２のうち、最下層（または最上層）に位置するシート状負極用集電体２３２の長辺となる一辺が積層電極体２０の側方へ張り出している。そして、その張出し部２３２ａに沿って、上記負極電極２３１にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属４１が貼着・設置されている。このリチウム金属４１は帯状あるいはリボン状であって、上記張出し部２３２ａに貼着されることにより負極電極２３１と導通状態を形成している。
【００４３】
ここで注目すべきことは、リチウム金属４１が貼着される作業個所すなわち上記張出し部２３２ａが積層電極体２０の側方へ張り出していることにより、その貼着作業を積層電極体２０の形成後に簡単かつ迅速に行えることである。
【００４４】
これにより、リチウム金属４１を扱うのは生産工程の最後の方でよく、それよりも前の工程ではリチウム金属を扱う必要がない。したがって、積層電極体２０の作製も、リチウム金属を扱うことで派生する諸問題を回避して、低コストかつ高効率に行うことができる。
【００４５】
積層電極体２０は、リチウム金属４１を設置した後、ただちに素子容器１０に収容することができる。この後は、非水電解液の注液および素子容器１０の密閉封止が行われるが、これらの工程はリチウム金属４１を素子容器１０内に閉じ込めた状態で行うことができるので、リチウム金属を扱うための大掛かりな設備や装置はそれほど必要としない。
【００４６】
このように、上述した本発明の実施形態では、生産工程にてリチウム金属を扱う工程および頻度をそれぞれ低減させて生産性を高めることができる。
【００４７】
一方、負極用集電体２３２の張出し部２３２ａに貼着されたリチウム金属４１は、非水電解液にリチウムイオンとして溶出するが、このリチウムイオンは積層電極体２０の積層端面から各層のセパレータ２２に沿って負極電極２３１の各部に短時間で達することができる。これにより、負極電極２３１の各部にリチウムイオンを円滑かつ均一に予備吸蔵させることができる。
【００４８】
また、図示の実施形態では、各正極部２１の両面に位置する２枚のセパレータ２２がそれぞれ、上記リチウム金属４１の設置側辺にて互いに接着させられている。この接着部２２１は熱融着等により形成されている。これにより、セパレータ２２が、リチウム金属４１の設置側辺にて、正極部２１の縁端部を包み込んでいる。
【００４９】
このような構成を備えることにより、負極電極２３１に電気接続しているリチウム金属４１が正極側と導電接触することを確実に回避させることができる。これにより、リチウム金属４１の設置を安全に行うことができるとともに、その設置の作業性を大幅に向上させることができる。
【００５０】
また、これにより、リチウム金属４１を積層電極体２０の端面に接近して設置できるようになるので、そのリチウム金属４１から溶出したリチウムイオンの負極電極２３１への吸蔵をさらに円滑にする効果も得られる。
【００５１】
セパレータ２２が正極部２１の縁端部を包み込む構成は、２枚のセパレータの端部を接着する以外に、１枚のセパレータの折り返し、いわゆる袋とじによっても形成することができる。しかし、生産工程の効率化のためには、セパレータを折り返すよりも、２枚のセパレータの端部を熱融着等で接着する方が好都合である。
【００５２】
さらに、図示の実施形態では、上記リチウム金属４１が積層電極体２０の長辺側に配設されているが、これにより、そのリチウム金属４１から溶出したリチウムイオンが負極電極２３１の各部に達するまでの平均移動距離を短縮して、その負極電極２３１への予備吸蔵を一層円滑かつ均一に行わせることができる。
【００５３】
図２は、本発明の技術が適用されたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池の第２実施形態を示す。同図において、（ａ）は素子の要部を示す平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面を厚み誇張して示す断面図である。
【００５４】
上述した第１実施形態との相違点に着目して説明すると、第１実施形態では、リチウム金属４１が、正極部２１および負極部２３の各集電体２１２，２３２が外部端子３１，３３に接続される側辺とは別の側辺に沿って設置されていた。この設置位置はリチウム金属４１の貼着作業性が良いという利点があるが、その代わり、その貼着作業が簡単に行える張出し部２３２ａは１面だけである。
【００５５】
これに対し、図２に示す第２実施形態では、リチウム金属４１が、上記積層電極体２０を形成する複数の負極用集電体２３２をそれぞれ上記外部端子３３に接続する導体部間に挿入され、この状態で上記負極電極２３１と導通状態で設置されている。
【００５６】
すなわち、同図に示すように、正極部２１と負極部２３の各集電体２１２，２３２はそれぞれ、積層電極体２０の側方へ延設されてその延設部２１２ｂ，２３２ｂの先端部が外部端子３１，３３に接続されているが、その負極側の延設部２３２ｂの間に予備吸蔵用のリチウム金属４１が介挿されている。この延設部２３２ｂは前記張出し部２３２ａに相当する導体部であって、この導体部間にリチウム金属４１を介挿させることができるスペースが複数形成される。リチウム金属４１はその複数のスペースにそれぞれ挿入することができる。
【００５７】
この実施形態では、延設部２３２ｂの間に複数のリチウム金属４１を設置することができる。各リチウム金属４１からはそれぞれリチウムイオンが溶出するが、このリチウムイオンは積層電極体２０の端面から各層の負極電極２３１へ円滑かつ均一に拡散して吸蔵される。
【００５８】
さらに、ここで注目すべきことは、図３に示すように、リチウム金属４１の設置は、積層電極体２０を素子容器１０に収容した後でも行えることである。すなわち、素子容器１０に収容された積層電極体２０に対し、容器１０の外から上記延設部２３２ｂの間に線状あるいはリード状のリチウム金属４１を挿入することにより、リチウム金属４１を積層電極体２０の積層端面に沿う複数個所に設置することができる。
【００５９】
これにより、リチウム金属の扱いを、生産工程のさらに後の段階で行わせることができるようになるため、生産性をさらに向上させることができる。
【００６０】
以上、本発明をその代表的な実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、上記第１実施形態においては、積層電極体２０の向かい合う２つの側辺にリチウム金属４１を配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
矩形シート状の正極部と負極部を、間にセパレータを介在させながら積層してなる積層電極体を用いたリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池において、負極電極へのリチウムイオンの予備吸蔵を円滑に行わせることができるとともに、生産工程にてリチウム金属を扱う工程あるいはその頻度の低減を可能にして、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池の第１実施形態を示す要部平面図および断面図である。
【図２】本発明に係るリチウムイオン吸蔵・放出型有機電解質蓄電池の第２実施形態を示す要部平面図および断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるリチウム金属の挿入方法を提示する斜視図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  素子容器
２０  積層電極体
２１  正極部
２１１  正極電極
２１２  正極用集電体
２１２ｂ  正極用集電体の延設部
２２  セパレータ
２２１  接着部
２３  負極部
２３１  負極電極
２３２  負極用集電体
２３２ａ  負極用集電体の張出し部
２３２ｂ  負極用集電体の延設部（張出し部に相当）
３１  外部引出し導体（正極端子）
３３  外部引出し導体（負極端子）
４１  リチウム金属
【図１】
2008159314.tif 000003
【図２】
2008159314.tif 000004
【図３】
2008159314.tif 000005