(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲル状ポリマーがセパレータ膜の全面積の４０〜６０％の範囲でコートされた電池用セパレータ膜であって、前記セパレータ膜が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリアルキレングリコールジアクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、エーテル系ポリマー、カーボネート系ポリマー、アクリロニトリル系ポリマー、及びこれらの２種以上からなる共重合体または架橋したポリマー、フルオロ系ポリマーよりなる群から選ばれたゲル状ポリマーがグラビア・コーティング法でコートされた厚さ１〜２μｍのコーティング部と、非コーティング部とが規則的な形状にてパターン化されたことを特徴とする電池用セパレータ膜。
【請求項２】
正極、負極及びセパレータ膜を含む電池用電極群において、
前記セパレータ膜は、請求項１に記載のセパレータ膜であることを特徴とするリチウム二次電池用電極群。
【請求項３】
請求項２に記載の電極群と、正極端子と、負極端子、及びアルミケースと、を含むリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲル状ポリマーが部分コートされたセパレータ膜及びこれを含む電極群、並びにリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポータブル電気・電子機器の爆発的な需要の増加に伴い、二次電池の需要も同じく急激に増加し、このうちでも特に、リチウム二次電池は、最も大きな役割を担ってきた。また、ポータブル電気・電子機器の高機能化、小型化が進められている中、電池に対しても高性能化と共に小型化及びそれに応じた形状自由度が要求されている。特に、ノートブックの場合、電池のサイズがノートブックの厚みに大きな影響を及ぼすということから、高容量、高性能と共に、電池の形状に対しノートブックの厚みを縮めるための様々な試みが行われている。また、環境問題が深刻に台頭している現状、地球温暖化現象に対する解決方案が真剣に且つ持続的に論議されている。
【０００３】
かかる環境問題を解決するための方案として、地球温暖化の主な原因である自動車の化石燃料の使用を低減し、環境親和的な電気自動車を義務的に使用させる法案が論じられたことがあり、その一部は、今後施行される見通しである。また、前記公害問題を解決するために電気自動車（ＨＥＶ、ＥＶ）に関する研究開発が進められつつあり、現在常用化した自動車もある。この場合、大容量及び高率放電特性に優れた電池が必要とされ、また熱的安定性に対しても改まった接近が必要になる。これを満たすために、電池のサイズを増大することで解決しようとする工夫が試みられたこともあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、リチウム二次電池は、リチウムコバルト酸化物活物質を含む正極、カーボン系活物質を含む負極、及びセパレータ膜からなる電極群と、前記電極群を収納しアルミニウムがラミネートされたケースと、から構成されている。この種のリチウム二次電池の構成図は、図１に示す通りであり、前記電極群は、スタッキング（Ｓｔａｃｋｉｎｇ）形態を有している（図２）。ここで、電極は、正極の場合にアルミニウム箔に活物質をコートして使用し、負極の場合に銅箔に活物質をコートして使用する。このような構造的な形態により電池が大面積化し、この結果、電池の容量が増大し且つ電池が簡易化するという長所があるものの、電極とセパレータ膜とを単純積層する場合、電極の面積が増大するにつれて電極とセパレータ膜との均一な密着が困難であり、電解液を電極の全面積に均一に湿潤させ、充・放電サイクルの進行時、電極の全面積での均一な電極反応が起こり難いことから、均一な電池性能を損なう要素として働き得る。即ち、電極の状態が良好であるにも関わらず、電解質の局部的な枯渇により電極の退化を加速させ、電池の寿命を短縮しかねない。また、電極状態の不均一が更に進むと、電極反応が局部的に集中し、この場合、局部的にリチウム金属が析出し、安全性の面でも問題を引き起こし得る。
【０００５】
一方、ゲル状ポリマーを使用してラミネートした従来の技術の場合、電極とセパレータ膜との密着性の向上には優れているものの、ラミネートしていない場合に比べて相対的に電解液の迅速な含浸及び均一な湿潤に劣り、高率放電特性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、ゲル状ポリマーを使用した従来技術の場合、前記問題点の原因が、ゲル状ポリマーが電解液の含浸の妨害要素として働くためであることを認識し、電極とセパレータ膜との均一な密着を保ちながらも電極の全体への迅速且つ均一な電解液の含浸問題を解決するために、電極群を構成するセパレータ膜に電解液が透過する経路（Ｐａｔｈ）が提供できるように、セパレータ膜の全面にゲル状ポリマーをコートすることなくゲル状ポリマーを部分コートする、好ましくは、規則的な形状にてパターン化してコートする構成を提供しようとする。
【０００７】
また、前記のような構成は、電極の反応時に発生するガスの排出経路を供給することにより、電極とセパレータ膜との間にガスがトラップ（Ｔｒａｐ）する現象も抑えることで電極群の安定した形態を保たせることによって早期の電極退化を防止し、電池の寿命を向上することができることを見いだした。
【０００８】
本発明は、ゲル状ポリマーがセパレータの全面積の４０〜６０％の範囲でコートされたリチウム二次電池用セパレータ膜を提供する。また、本発明は、前記セパレータ膜を含む電極群及びリチウム二次電池を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。  
本発明は、セパレータ膜に電解液が透過する経路が提供できるように、セパレータ膜の全面積の４０〜６０％の範囲でゲル状ポリマーをコートすることを特徴とする。
【００１０】
本発明によりゲル状ポリマーが部分コートされたセパレータ膜は、ゲル状ポリマーにより電極と貼り合わされる構造を有する。
【００１１】
一方、セパレータ膜におけるゲル状ポリマーの非コーティング部の存在により電極の全体へと迅速且つ均一に電解液を含浸させると共に、電池の抵抗を減少させることにより電池のパワーを向上することができる。
【００１２】
ゲル状ポリマーのコーティング面積は、セパレータ膜の全面積の４０〜６０％の範囲が好ましく、なぜならば、適宜の貼り合わせ強度を保ちながらも、スムーズな電解液の含浸及びガスの排出に有利なためである。
【００１３】
ゲル状ポリマーのコーティング面積が４０％未満である場合、電極の全体への電解液の迅速な含浸は可能であるものの、電極とセパレータ膜との均一な密着の維持が困難であることから寿命に悪影響を及ぼし、逆に、ゲル状ポリマーのコーティング面積が６０％を超過する場合、電極とセパレータ膜との均一な密着は保たれるものの電解液の含浸が遅く、不均一に電解液が含浸することで高率放電性能が低下し、リチウムの析出に起因する安全性の問題を招く。
【００１４】
電極とセパレータ膜との均一な密着を保ちながらも、電極の全体へと迅速且つ均一に電解液を含浸するためにセパレータ膜上にゲル状ポリマーのコーティング部と非コーティング部が規則的なパターンを有するようにゲル状ポリマーをパターン化してコートすることが好ましい。なお、ゲル状ポリマーのコーティング部と非コーティング部が規則的なパターンにて存在する限り、そのパターンの形状は特に限定されるものではない。
【００１５】
ゲル状ポリマーとは、液体電解質と接触すると、液体電解質を自ら吸収することでゲル化し膨潤する高分子を意味する。
【００１６】
本発明において使用可能なゲル状ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の他に、非制限的な例として、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリアルキレングリコールジアクリレート（具体例、ポリプロピレングリコールジアクリレート）、ポリアルキレングリコールジメタクリレート（具体例、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート）、エーテル系ポリマー、カーボネート系ポリマー、アクリロニトリル系ポリマー及びこれらの２種以上からなる共重合体または架橋したポリマー、フルオロ系ポリマー等を適宜使用することができる。
【００１７】
セパレータ膜は、非制限的にポリオレフィン系を使用することができ、多孔性セパレーター膜が好ましい。
【００１８】
ゲル状ポリマーのコーティング方法としては、ディップ・コーティング、グラビア・コーティング、スプレー・コーティング、スピン・コーティング等の様々な方法がある。
【００１９】
ゲル状ポリマーをパターン化してコートするための方法としては、グラビア・コーティング、スプレー・コーティング等の方法があるが、グラビア・コーティング法の方が好ましい。
【００２０】
グラビア・コーティング法は、印刷物等に広く利用される方法であって、所望のパターンが形成されたゴムロール（メッシュ・ロール；Ｍｅｓｈ Ｒｏｌｌ）の所定の部分をゲル状ポリマーが注入されている容器に浸してから回転させる。メッシュ・ロールの全体にゲル状ポリマーが付着して回転すると、メッシュ・ロールが浸されていない容器の外側の部分からブレードを用いてゲル状ポリマーを削り取る。この場合、メッシュ・ロールの凹み状の部分だけにゲル状ポリマーが残留し、凸状の部分のゲル状ポリマーは除去される。この状態のメッシュ・ロールを再度他のパターンのないゴムロールに当接させ、凹部だけに残留しているゲル状ポリマーを転写させる。前記ゴムロールをセパレータ膜に当接させて回転させると、所望のパターンのゲル状ポリマーをコートすることができる。
【００２１】
ゲル状ポリマーでグラビア・コートする場合、ゲル状ポリマーをアセトンのような有機溶媒に分散または溶解させて使用することができる。グラビア・コーティングの後、分散のために使用したアセトンのような有機溶媒は、全て熱により乾燥される。
【００２２】
また、ゲル状ポリマーは、セパレータ膜上に数十〜数百μｍの均一な大きさで均一な分布を有することが好ましく、そのコーティング厚は、１〜２μｍが好ましい。適宜の貼り合わせ強度を保ちながらも、スムーズな電解液の含浸及びガスの排出に有利なためである。
【００２３】
本発明によるリチウム二次電池用電極群は、正極、負極、及び前記のように一定の大きさ及び分布でゲル状ポリマーを部分コートしたセパレータ膜をラミネートしてなる。
【００２４】
本発明のリチウム二次電池は、セパレータ膜の全面積の４０〜６０％の範囲でゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を含む電極群と、正極／負極端子、及びアルミニウムがラミネートされたケース(Al laminated film)と、を含む角形リチウム二次電池を含む。
【００２５】
本発明によるリチウム二次電池は、前記電極群をアルミケースに収納した後、電解質、有機溶媒からなる電解液を注入し、ケースの縁部をヒート・シールすることで作製することができる。
【００２６】
前記リチウム二次電池の電解液は、通常に使用するものであってもよく、正極活物質、負極活物質の種類に応じて電池としての機能を発揮するものを選択すればよい。例えば、リチウム二次電池の電解液は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２等を支持電解質とし、高誘電性溶媒であるエチレンカーボネート（ＥＣ）或いはプロピレンカーボネート（ＰＣ）と低粘度の溶媒であるジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等のアルキルカーボネートを適宜調節した混合溶媒を使用することができる。
【００２７】
セパレータ膜の全面積の４０〜６０％の範囲でゲル状ポリマーがパターン化され部分コートされたセパレータ膜を含むリチウム二次電池は、電極とセパレータ膜との均一な密着を保ちながらも、セパレータ膜に電解液が透過する経路を提供することにより電極の全体に迅速且つ均一に電解液が含浸することで電池の性能を向上することができ、電極の反応時に発生するガスの排出経路を供給することにより、電極とセパレータ膜との間にガスがトラップする現象も抑えることで電極群の安定した形態を保たせることによって早期の電極退化を防止し、電池の寿命を向上することができる。
【００２８】
即ち、本発明によるセパレータ膜を用いるリチウム二次電池は、一般のセパレータ膜を用いるリチウム二次電池に比べて電極とセパレータ膜との優れた密着度をみせ、一般のセパレータ膜を用いたリチウム二次電池並みの電解液の含浸速度を保つと共に均一に含浸し、これにより抵抗を減少することができ電池の性能を向上する。特に、レート特性を向上することにより優れた電池パワーを有する。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を、次の実施例に基づいてより詳しく説明するが、本発明がこれらの実施例により限定されるものではない。
【００３０】
［比較例１］
正極活物質としてリチウムコバルト酸化物を、負極活物質としてカーボン活物質を使用した両電極を、ゲル状ポリマーでコートしていないセパレータ膜で分離してなる電極群を作製した（図２参照）。ここで、セパレータ膜としては、ポリプロピレン（ＰＰ）／ポリエチレン（ＰＥ）／ＰＰの三重層からなる２０μｍ厚のセルガイド社製を使用した。
【００３１】
［比較例２］
８ｗｔ％のＰＶＤＦをアセトンに分散させてゲル状ポリマー溶液を作製し、これを容器に注入した。ロール状に巻出し機に巻き取られているセパレータ膜を巻き出しながら搬送し、この時、セパレータ膜を前記溶液が注入されている容器中を通過させることによりセパレータ膜の全面をゲル状ポリマーコートした後、熱によるドライ地域でゲル状ポリマーを乾燥させた。このような工程を経てゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を再度巻取り機にてロール状に回収した。この時、コーティング厚は、乾燥後の厚さが１〜２μｍになるように調整し、セパレータ膜は、前記比較例１と同一の製品を使用した。  
前記比較例１と同一の正極と負極とを、前記浸漬法(Dipping)によりゲル状ポリマーで全面コートされたセパレータ膜で分離した電極群を作製した。
【００３２】
［比較例３］
８ｗｔ％のＰＶＤＦをアセトンに分散させてゲル状ポリマー溶液を作製し、これを容器に注入した。ロール状に巻出し機に巻き取られているセパレータ膜を巻き出しながら搬送し、この時、セパレータ膜を無パターンのゴムロールからゲル状ポリマーが転写された他のゴムロールを通過させることによりセパレータ膜の全面をゲル状ポリマーコートした後、熱によるドライ地域でゲル状ポリマーを乾燥させた。このような工程を経てゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を再度巻取り機にてロール状に回収した。即ち、比較例３の場合、グラビア・コーティング法を用い、メッシュ・ロールではない無パターンのゴムロールを使用しブレードを使用しないことにより、ゲル状ポリマーによるセパレータ膜の全面コートが施されるようにした。この時、コーティング厚は、乾燥後の厚さが１〜２μｍになるように調整し、セパレータ膜は、前記比較例１と同一の製品を使用した。  
前記比較例１と同一の正極と負極とを、前記グラビア・コーティング法によりゲル状ポリマーで全面コートされたセパレータ膜で分離した電極群を作製した。
【００３３】
［実施例１］
８ｗｔ％のＰＶＤＦをアセトンに分散させてゲル状ポリマー溶液を作製し、これを容器に注入した。ロール状に巻出し機に巻き取られているセパレータ膜を巻き出しながら搬送し、この時、セパレータ膜をメッシュ・ロールからゲル状ポリマーが転写されたゴムロールを通過させることでセパレータ膜をゲル状ポリマーでパターン・コートした後、熱によるドライ地域でゲル状ポリマーを乾燥させた。このような工程を経てゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を再度巻取り機にてロール状に回収した。この時のコーティング部分の面積は、セパレータ膜の全面積の約５０％になるように調節した。この時のパターン形状は、図４に示す通りである。なお、コーティング厚は、乾燥後の厚さが１〜２μｍになるように調整し、セパレータ膜は、前記比較例１と同一の製品を使用した。  
前記比較例１と同様の正極と負極とを、前記グラビア・コーティング法によりゲル状ポリマーで部分コートされたセパレータ膜で分離した電極群を作製した。
【００３４】
［実験１］
前記比較例１、２、３と実施例１で作製した電極群をアルミケース（図１中の３）に収納した後、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、リチウム塩（ＬｉＰＦ６）からなる電解液を注入し、ケースの縁部をヒート・シールすることにより電池を作製した。  
このようにして作製された電池において、電極群を２時間、６時間、１日、２日、１週間それぞれ電解液に含浸させてから電池を分解し、電極群の重さを測定して含浸された電解液量を測定し、それぞれの場合の含浸速度を比較した。  
図５は、それぞれの場合における経時的に含浸された電解液の量を示すグラフである。比較例１及び実施例１の場合は、相互類似の結果をみせ、比較例２、３の場合は、比較例１及び実施例１に比べて時間対比で少量の電解液が含浸されていることが分かる。即ち、比較例２、３の場合、含浸速度が相対的に遅いことが分かる。図５に示すように、含浸された電解液量は、初期には比較例１と実施例１とが類似のレベルであり、比較例２、３が相対的に少なく、経時的にその量の差が縮まった。このようなことから、比較例１及び実施例１の場合が類似して含浸速度に優れていることが分かり、比較例２、３が類似して速度が遅いことが分かった。
【００３５】
［実験２］
前記比較例１、２、３及び実施例１で作製した電極群を使用して実験１と同一の電池をそれぞれ作製し、電極群を十分に電解液に含浸してから、それぞれの電池を充・放電試験機を用いて充・放電条件１．０Ｃ／１．０Ｃで充・放電を繰り返し実施し、そのサイクル特性を比較した。  
図６は、１Ｃ条件で充・放電した比較例１、２、３と実施例１の放電サイクルを比較したグラフである。図６に示すように、比較例２、３及び実施例１は、類似のサイクル特性をみせたが、比較例１の場合、サイクルの回数が増すにつれて相対的に低い値をみせた。これは、電極及びセパレータ膜との均一な密着度の側面においてゲル状ポリマーを使用し、ラミネートした電池の方が優れていることに起因するものと判断される。
【００３６】
［実験３］
前記比較例１、２、３及び実施例１で作製した電極群を使用して実験１と同一の電池をそれぞれ作製し、それぞれの電池を充・放電試験機を用いて高率放電特性を比較した。充電は、１Ｃ条件で同一に実施し、放電は、０．５／１．０／２．０／３．０／５．０／１０．０／１５．０／２０．０／２５．０Ｃで実施した。  
図７は、一般のセパレータ膜を適用した電池（比較例１）とゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を適用した電池（比較例２、３、実施例１）との２０Ｃでの高率放電時の放電曲線の挙動を比較したグラフである。  
図７に示すように、比較例１及び実施例１の方法で製造された電池は、類似の結果をみせ、比較例２及び３の場合、比較例１または実施例１に対比して約８０％の低い放電容量をみせ、電圧降下も相対的に増大した。このようなことから、高率放電では、電極とセパレータ膜との密着度よりはコートされたゲル状ポリマーの影響がより大きいことが分かる。即ち、ゲル状ポリマーが全面コートされた場合（比較例２、３）において、ゲル状ポリマーが抵抗として働いて高率放電特性を低下させたのである。
【００３７】
図６と図７の結果に照らして総合的に判断してみれば、比較的に低い放電レート（５Ｃ以下）及びサイクル特性の側面では、電極とセパレータ膜との均一な密着に優れている比較例２、３及び実施例１の方がその特性に優れており、高率放電特性の側面では、抵抗として働くゲル状ポリマーの量が少ない比較例１及び実施例１の方がその特性に優れていた。
【００３８】
即ち、ゲル状ポリマーを部分コートした場合、電解液を迅速且つ均一に含浸させることにより電極とセパレータ膜との均一な密着を確保し、優れているサイクル特性をみせると共に、高率放電特性も向上することが分かった。
【００３９】
本発明は、角形リチウム二次電池の内部を構成する電極群のうちのセパレータ膜にゲル状ポリマーを部分コートすることにより、電極とセパレータ膜との密着度を向上すると共に、電解液の含浸速度を高め、電極の反応時に発生するガスの排出経路の供給による電極退化の防止により電池の寿命を向上し、レート特性等の性能を向上することができる。また、ゲル状ポリマーのコーティング部と、非コーティング部を規則的にパターン化することにより、含浸度合いを均一にし、充・放電サイクルの後も電極とセパレータ膜との接触を均一に保たせることにより電解液を電極の全体に隈なく湿潤させ、電池の均一な性能の確保及び電池の寿命を向上し、電極の反応が均一に行われるようにすることによってリチウムの析出を抑え、電池の安全性を向上することができる。
【００４０】
以上で説明したように、本発明の詳細な説明では、その実施形態について説明したが、本発明の範疇を逸脱しない限度内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。ゆえに、本発明の範囲は、説明された実施の形態に限られて定められてはいけなく、後述する請求の範囲のみならず、この請求の範囲との均等物により定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】一般のリチウム二次電池の積層構造を示す模式図である。
【図２】比較例１によりゲル状ポリマーがコートされていない一般のセパレータ膜を使用した積層型電極群の模式図である。
【図３】比較例２によりゲル状ポリマーが全面コートされたセパレータ膜を使用した積層型電極群の模式図である。
【図４】実施例１によりグラビア・コーティング法によりゲル状ポリマーが部分コートされたセパレータ膜を使用した積層型電極群の模式図である。
【図５】ゲル状ポリマーがコートされていない一般のセパレータ膜を適用した電池（比較例１）とゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を適用した電池（比較例２、３、実施例１）との電解液の含浸速度を比較した結果を示すグラフである。
【図６】ゲル状ポリマーがコートされていない一般のセパレータ膜を適用した電池（比較例１）とゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を適用した電池（比較例２、３、実施例１）とのサイクル特性を比較した結果を示すグラフである。
【図７】ゲル状ポリマーがコートされていない一般のセパレータ膜を適用した電池（比較例１）とゲル状ポリマーがコートされたセパレータ膜を適用した電池（比較例２、３、実施例１）との２０Ｃでの高率放電時の放電曲線の挙動を比較した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１  電極群
２  正極／負極端子
３  アルミケース(Al laminated film)
１１  正極
１２  負極
１３  セパレータ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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