(57)【要約】【課題】  リチウム電池用セパレータ及びそれを採用したリチウム電池を提供する。【解決手段】  弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム電池用セパレータとそれを採用したリチウム電池。本発明のセパレータを利用すれば、充電時、電極板の膨張によって発生する電極組立て体の変形を抑制することによって充電後の電極組立て体の厚さ増加を効率的に抑制できる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム電池用セパレータ。
【請求項２】
弾性係数が０．１ないし２．０ｋｇｆ／ｍｍ２範囲であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池用セパレータ。
【請求項３】
ポリエチレン、ポリプロピレンまたはその組合せ物よりなることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池用セパレータ。
【請求項４】
ポリエチレン単層膜またはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの３層膜であることを特徴とする請求項３に記載のリチウム電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１ないし４のうち何れか１項に記載のセパレータを採用することを特徴とするリチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム電池用セパレータ及びそれを採用したリチウム電池に係り、詳細には、充電時、極板の膨張による電極組立て体の変形が抑制できるセパレータとそれを採用したリチウム電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電子機器の進歩につれて電子装備が小型化及び軽量化されることによって、携帯用電子機器の使用が漸次増大している。したがって、このような電子機器の電源として使われる電池にも、高エネルギー密度及び長寿名特性を有する必要性が高まっている。リチウム電池についての研究が活発に行われている。
【０００３】
リチウム電池、特にリチウム２次電池は、正極板と、負極板と、その間に介在されるセパレータとを含んでおり、正極板、セパレータ、負極板の順に配置された状態で巻き取られるか、多数枚が積層型にラミネートされて電極組立て体を形成するようになる。
【０００４】
リチウム２次電池は電池ケースの種類によって色々な形状に製造されているが、代表的な形状としては、円筒形、角形、そして、ポーチ型がある。
【０００５】
通常的に、角形リチウム２次電池に採用される電極組立て体は、正極板、セパレータ、負極板を積層し、それをゼリーロール方式で巻き取る。ここで、正極板は正極集電体に正極活物質がコーティングされた正極コーティング部と、コーティングされていない正極無地部とよりなっており、負極板の場合も同じく、負極集電体に負極活物質が塗布された負極コーティング部と、コーティングされていない負極無地部とよりなっている。前記正極無地部及び負極無地部にはそれぞれ電極タブが設置される。
【０００６】
前記正極板と負極板間にはセパレータが介在されるが、前記セパレータは正極板と負極板間を相互絶縁する一方、極板間に活物質イオンの交換を可能にすることによって電気化学反応を起こす。
【０００７】
前記のように構成された電極組立て体を採用したリチウム２次電池において、充電過程で電解液の含浸によって電極板及び／またはセパレータが膨張される。このように膨張されれば、膨脹の偏差によって電極組立て体が歪められるが、これは電池性能の低下をもたらすという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記問題点を解決するために電極板またはセパレータの膨張によって発生する電極組立て体の変形が抑制されたリチウム電池用セパレータとそれを採用したリチウム電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の技術的課題を達成するために、本発明では、弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ２以下であることを特徴とするリチウム電池用セパレータを提供する。
【００１０】
前記セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはその組合せ物よりなる。
【００１１】
前記セパレータは、ポリエチレン単層膜またはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの３層膜であることが望ましい。
【００１２】
本発明の他の技術的課題は前述したセパレータを採用することを特徴とするリチウム電池によって行われる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のセパレータを利用すれば、充電時、電極板の膨張によって発生する電極組立て体の変形を抑制することによって充電後の電極組立て体の厚さ増加を効率的に抑制するだけではなく、電極組立て体の変形された部分でのリチウムイオンの過度な挿入によって発生する析出物（リチウムメタル）を最小化させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のセパレータは、弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ２以下であり、特に、０．１ないし２．０ｋｇｆ／ｍｍ２であることが望ましい。ここで、弾性係数が２．０ｋｇｆ／ｍｍ２を超過すれば、充電時に発生する正極及び負極の極板の膨脹を吸収できず、結局、極板が変形されて望ましくない。
【００１５】
前記セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはその組合せ物よりなり、単層構造または２、３階の複層構造をなす。そのうちでも、特にポリエチレン単層膜またはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレン３層膜構造を有することが望ましい。
以下、図面を参照して本発明の原理を説明する。
【００１６】
図１は、セパレータＡ、Ｂ、Ｃの引張実験結果を示したものである。ここで、セパレータＡ、Ｂ、Ｃの弾性係数はそれぞれ０．２〜１．２ｋｇｆ／ｍｍ２、１．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ２、２．０〜４．０ｋｇｆ／ｍｍ２である。
【００１７】
図１の左側のグラフを参照すれば、セパレータＢは伸張特性が最も優れているが、引張強度に劣り、セパレータＡ及びＣは引張強度が優れているが、伸張特性に劣る。
【００１８】
図１において、円型領域は充電時、極板の膨張で発生した応力によるセパレータの緊張が発生する領域ではなく、図１の右側の拡大グラフのような１．０ｍｍ以下の変形が起きる弾性変形挙動を行う領域である。こういう領域で極板の変形を最小化させるためには極板の応力を吸収して緩衝役割をよく行う低弾性係数のセパレータを利用せねばならない。
【００１９】
弾性係数は、応力と緊張との比率であるので、図１の右側のグラフを参照する時、弾性係数はセパレータＣ、セパレータＢ、セパレータＡの順に減少するので、弾性係数が最も小さいセパレータＡが変形抑制効果が最も優ぐれると見られる。
【００２０】
本発明のリチウム電池の製造方法を調べてみれば、次の通りである。
【００２１】
まず、リチウム電池の製造時に使われる通常的な方法によってカソードとアノードとをそれぞれ製造する。この時、カソード活物質としては、リチウム金属複合酸化物、硫黄化合物などを使用し、アノード活物質としては、リチウム金属、炭素材、黒鉛材などを使用する。
【００２２】
前記過程によって得られたカソードとアノード間に前述した弾性係数、すなわち、２．０ｋｇｆ／ｍｍ２以下であるセパレータを挿入した後、これをゼリーロール方式で巻き取って電極構造体を形成する。
【００２３】
その後、このように形成された電極構造体を電池ケースに収納する。
【００２４】
次いで、電極構造体が収納された電池ケース内に電解液を注入することによってリチウム２次電池を完成する。
【００２５】
前記電解液はリチウム塩と有機溶媒とよりなる。前記リチウム塩は本発明が属する技術分野に広く知られたものであれば、特別な制限なしに使用でき、その含量もやはり通常的な範囲内で使用する。本発明で使用可能なリチウム塩の例としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４などが挙げられる。
【００２６】
そして、前記有機溶媒としては、エチレンカルボネート、プロピレンカルボネートなどのような環状カルボネート、ジメチルカルボネート、ジエチルカルボネート、ジメチルエチルカルボネートなどのような線状カルボネート、フルオロベンゼン、ビニルスルホンなどを使用する。前記電解液で有機溶媒の含量はリチウム塩の濃度が０．５ないし１．５Ｍになるように付加する。
【００２７】
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳しく説明する。これらの実施例は単に本発明を例示するためのものであり、本発明の保護範囲がこれらの実施例によって制限されるものではない。
【００２８】
［実施例１］
ＬｉＣｏＯ２を９４ｇ、Ｓｕｐｅｒ  Ｐ（ＭＭＭ社製）を３ｇ、ポリビニリデンフルオリド３ｇをＮ−メチルピロリドン５００ｇに溶解してカソード活物質組成物を製造した。このカソード活物質組成物をアルミニウム箔上にコーティング及び乾燥してカソードを製造した。
【００２９】
メゾカーボンファイバ（Ｐｅｔｏｃａ社製）８９．８ｇ、シュウ酸０．２ｇ、ポリビニリデンフルオリド１０ｇをＮ−メチルピロリドン５００ｇに溶解してアノード活物質組成物を製造した。このアノード活物質組成物を銅箔上にコーティング及び乾燥してアノードを製造した。
【００３０】
前記カソードとアノード間に弾性係数が０．１〜１．２ｋｇｆ／ｍｍ２であるポリエチレンセパレータを介在した後、ゼリーロール方式に巻き取った。次いで、前記ゼリーロール方式に巻き取られた電極組立て体をプレスした。
【００３１】
次いで、前記電極組立て体を電池ケース内に収納した後、液体電解液（ＥＣ：ＥＭＣ：ＤＭＣ：ＦＢ＝３：５：１：１、添加剤ビニルスルホンＶＳ（０．５５％））を注入することによってリチウム２次電池を完成した。
【００３２】
［実施例２］
セパレータとして、弾性係数が１．２〜２．０ｋｇｆ／ｍｍ２であるポリエチレンセパレータを使用したことを除いては、実施例１と同じ方法によって実施してリチウム２次電池を完成した。
【００３３】
［比較例１］
セパレータとして、弾性係数が２．１〜４．０ｋｇｆ／ｍｍ２であるポリエチレンセパレータを使用したことを除いては、実施例１と同じ方法によって実施してリチウム２次電池を完成した。
【００３４】
前記実施例１、２及び比較例１によって製造されたリチウム２次電池において、充電を実施し、その後のゼリーロール方式に巻取り及びプレスされた電極組立て体の形状を肉眼で観察し、その結果を図２に示した。ここで、前記充電条件は０．２Ｃ  ４．２Ｖで２０分間充電した後、０．８Ｃ  ４．２Ｖで１６０分間充電した。
【００３５】
図２を参照して、実施例１、２の電極組立て体は、比較例１の場合と比較してゼリーロール電極組立て体の変形が減った。このような事実から弾性係数が０．１ないし２．０ｋｇｆ／ｍｍ２範囲であり、弾性係数が少ないほど充電時に発生するゼリーロール電極組立て体の変形を効率的に吸収することが確認できた。
【００３６】
前記実施例１、２及び比較例１によって製造されたリチウム２次電池において、充電を実施し、その後のゼリーロール方式に巻取り及びプレスされた電極組立て体の膨張程度を調べた。
【００３７】
図３は、実施例１、２及び比較例１による電極組立て体において、電極組立て体を繰り広げた状態を示した写真であって、図３で１番、２番及び３番はそれぞれ実施例１、実施例２及び比較例１の電極組立て体において、アノード極板を繰り広げた状態を示す写真である。
【００３８】
これを参照すれば、実施例１、２のアノード極板は比較例１より変形の発生頻度及びサイズが小さいだけでなく、変形で発生した析出物の量も少ないことが分かった。
【００３９】
また、前記実施例１、２及び比較例１の電極組立て体において、充電後、電極組立て体の膨張程度をプレスされたゼリーロール電極組立て体の厚さＴ１、Ｔ２（図４参照）を測定して評価し、その結果は下記表１と同じである。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
前記表１から、実施例１−２の電極組立て体は比較例１の場合と比較して充電後の電極組立て体の膨張程度が縮み、変形も減ることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のセパレータはリチウム電池に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】３つのセパレータの引張実験結果を示したグラフである。
【図２】本発明の実施例１−２及び比較例１によるリチウム２次電池において、充電後のゼリーロール電極組立て体の形状を示した写真である。
【図３】本発明の実施例１−２及び比較例１によるリチウム２次電池において、充電後のゼリーロール電極組立て体を繰り広げた形状を示した写真である。
【図４】ゼリーロール方式に巻き取られた電極組立て体をプレスした電極組立て体と充電後の電極組立て体の形状を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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