(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池缶内に電極素子と非水電解液とを備える偏平角型非水電解液二次電池において、
上記電極素子は、矩形状の正極及び負極がセパレータを介して積層され、その両端に集電板と押え板が配置され、素子接着テープにより終端部が固定され、
上記電池缶の最大開口部から素子加圧板、絶縁板と共に電池缶に挿入されてなり、
上記電池缶の最大開口部が、端子を有する電池蓋により密封されてなることを特徴とする偏平角型非水電解液二次電池。
【請求項２】
上記電池蓋は、電池内圧が所定の圧力に達した時に電池内圧を外部に開放する安全装置を備えることを特徴とする請求項１記載の偏平角型非水電解液二次電池。
【請求項３】
上記電極素子は、正極と負極とがセパレータを介して上記電池蓋と略平行に積層されてなる積層体であることを特徴とする請求項１記載の偏平角型非水電解液二次電池。
【請求項４】
上記端子には、上記電極素子から導出されるリードが上記電池蓋と略平行に導かれて接続されていることを特徴とする請求項１記載の偏平角型非水電解液二次電池。
【請求項５】
上記電池缶の底面から上記電池蓋までの高さが０．５〜６ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の偏平角型非水電解液二次電池。
【請求項６】
上記電池缶と上記電極素子との間にクリアランスが設けられることを特徴とする請求項１記載の偏平角型非水電解液二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電子機器の電源等に用いられる偏平角型非水電解液二次電池に関するものであり、特に電池形態の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、カメラ一体型ビデオテープレコーダー、携帯電話、ラップトップコンピューター等の新しいポータブル電子機器の普及に伴い、使い捨てである一次電池に代わって、繰り返し使用できる二次電池に対する需要が高まっている。
【０００３】
従来より、二次電池としては、ニッケルカドミウム電池等の水系電解液二次電池が用いられたが、このような水系電解液二次電池は、放電電位が低く、電池重量及び電池体積が大きく、高エネルギー密度化への要求には十分応えられなかった。
【０００４】
そこで、水系電解液二次電池よりも高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池が提案され、実用化が始まった。
【０００５】
このような非水電解液二次電池の電池形態としては、スパイラル状に巻回した電極素子を円筒形電池缶に挿入した筒形電池や、折り込んだ電極や矩形状の正負極を積層した積層電極素子、又は短冊状の正負極を巻回してなる巻回電極素子を角形電池缶に挿入した角形電池がある。後者の角形電池は、筒形電池よりもスペース効率が高い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポータブル電子機器においては、ますますその小型軽量化が図られ、薄型化が進んでいる。それに伴って、これら電子機器の電源に用いる二次電池に対しても、薄型化への要求が高まっている。
【０００７】
しかしながら、例えば、これまでの角形非水電解液二次電池では、図７に示すように、電池缶２１の最小面積面に開口部２１ａを設けているため、電池缶２１内に収納できる活物質量が多いものの、電池の薄型化が進むにつれて電池缶２１の加工が困難になる。
【０００８】
また、このように電池の薄型化が進んだ場合には、電池缶２１内に収納される電極素子２２も薄型化するために硬度が低下し、図中矢印Ｘ方向に非常に弱くなる。そのため、図８に示すように、電極素子２２を電極の積層面と平行な方向（図中矢印Ｙ方向）に向かって電池缶２１内に挿入するに際して、電極素子２２と電池缶２１内面の接触抵抗により電極素子２２が変形し、電極素子２２の電池缶２１内への挿入不良が発生しやすい。
【０００９】
さらに、このように電池の薄型化が進んだ場合には、電池缶の最小面積面に設けた電池蓋の端子構成が非常に困難となり、開裂弁等の安全装置のスペースを確保するのも困難になってしまうほか、電池の端子から電子機器へ導出するリード等の溶接も難しくなる。
【００１０】
電池缶内への電極素子の挿入を容易にする方法としては、電極素子の厚みを薄くして、電池缶と電極素子とのクリアランスを大きくし、接触抵抗を低減することが考えられる。しかし、この場合には、電極素子への加圧力が低下して、正負電極間の密着力が低下し、イオンの移動反応がスムーズに進行せず充分な電池特性が得られない可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題点を解決するために提案されたものであり、電池の薄型化が進んだ場合においても、電池缶内への電極素子の挿入や端子構成が容易となる偏平角型非水電解液二次電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る偏平角型非水電解液二次電池は、上記課題を解決するため、電池缶内に電極素子と非水電解液とを備える偏平角型非水電解液二次電池において、上記電極素子は、矩形状の正極及び負極がセパレータを介して積層され、その両端に集電板と押え板が配置され、素子接着テープにより終端部が固定され、上記電池缶の最大開口部から素子加圧板、絶縁板と共に電池缶に挿入されてなり、上記電池缶の最大開口部が、端子を有する電池蓋により密封されてなる。
【００１３】
このように、電池缶の最大開口部を電池蓋により密封する構成とすることにより、電池の薄型化が進んだ場合においても、電池缶内への電極素子の挿入が容易となり、生産性に優れた非水電解液二次電池を提供できる。さらに、このような構成とすることにより、電池蓋のスペースを広く確保することができることから、端子構成が容易になり、また、開裂弁等の設置が可能となり、生産性及び信頼性に優れた非水電解液二次電池を提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した非水電解液二次電池の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
本発明を適用した非水電解液二次電池は、図１〜図３に示すように、偏平角型の電池缶１の最大開口部１ａから電極素子２が収納され、最大開口部１ａが端子３を有する電池蓋４により密封されてなるものである。
【００１６】
上記電極素子２は、矩形状の正極５及び負極６がセパレータ７を介して積層され、その両端に集電板８と押え板９が配置され、素子接着テープ１０により終端部が固定されている。そして、この電極素子２は、図２に示すように、図中Ｘ方向に、電池缶１の最大開口部１ａから素子加圧板１１、絶縁板１２と共に電池缶１に挿入される。
【００１７】
この電極素子２は、平板な正負極の組み合わせを複数積み重ねてなる積層式電極素子であっても、短冊状の正負極を巻回してなる巻回式電極素子であってもよい。
【００１８】
また、上記電池蓋４には、図４に示すように、上述した電極素子２とは対向しない面に、端子３と開裂弁１４と電解液注入口１５とが設けられている。
【００１９】
上記端子３は、絶縁部１６を介して電池蓋４に取り付けられ、その一端が電池缶１内の正極５に正極リード１７を介して電気的に接続され、その他端が外部の接続端子に電気的に接続されることによって正極端子となる。一方、電池缶１は、負極６から導出された負極リード１８が集電板８を介して電気的に接続され、端子３とは異なる極性を有する。ここで、正極リード１７及び負極リード１８は、電極素子２の積層方向Ｙ、すなわち電池蓋４と略平行に導出され、端子３或いは電池缶１の接続面と平行に溶接等により接続される。
【００２０】
上記開裂弁１４は、開裂圧力を所定の圧力に調整されたニッケル箔等の金属箔からなり、何らかの理由により電池缶１内の圧力が上昇した場合に開裂して、電池缶１内の圧力を直接外部に開放する。電解液注入口１５は、電池缶１内に電解液を注入するための開口部であり、電池組立後は、抵抗溶接等により溶接されて封止される。
【００２１】
このように構成される電池蓋４には、安全装置として、上記開裂弁１４の他に、電池缶１内の圧力の上昇により電流を遮断する電流遮断機構を備えていてもよいし、温度が上がると抵抗値が増えて電流を遮断するＰＴＣ素子を備えていてもよい。
【００２２】
上述した電池蓋４は、電池缶１の最大開口部１ａに取り付けられる。この取り付けは、図１に示すように、溶接によってもよく、図５に示すように、電池蓋４の外周と電池缶１の開口部周縁とをかしめてもよい。なお、図５中、同一部材には、同一符号を付しその説明を省略する。
【００２３】
なお、電池缶１には、従来公知の材料をいずれも使用することができ、鉄、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、或いはこれらの合金等を使用することができる。非水電解液等で腐食が起こる場合には、メッキ等を施すとよい。また、この電池缶１は、いかなる方法によっても製造可能である。例えば、ニッケルメッキ鋼板を金型でしごき、絞り加工により成形加工することができる。
【００２４】
さらに、電池蓋４としては、従来公知の材料をいずれも使用することができ、鉄、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、若しくはこれらの合金等を使用することができる。非水電解液等で腐食が起こる場合には、メッキ等を施すとよい。また、この電池蓋４は、如何なる方法によっても製造可能である。例えば、ニッケルメッキ鋼板を金型でプレス加工により成形加工した後に、絶縁部１６を介して端子３をかしめることにより、端子３を有する電池蓋４を作製することができる。また、この電池蓋４には、プレス加工前後若しくは端子加工後に開裂弁１４を加工するとよい。
【００２５】
以上のように構成される非水電解液二次電池は、図２に示すように、電池缶１の最大開口部１ａから電極素子２がＸ方向に挿入されるが、電池缶１の底面１ｂから電池蓋４までの高さ、すなわちＸ方向の電池高さ（以下、これを電池厚みｘと称する。）が薄いため、接触抵抗による電極素子２の変形が起きず、電極素子挿入不良が発生しない。また、図３に示すように、電池缶１と電極素子２とのクリアランスｋも確保できることから、電池缶１内への電極素子２の挿入性も良好となる。このように、電池缶１の最大開口部１ａを電池蓋４により密封する工程とすることで、生産性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、上述した非水電解液二次電池においては、電池蓋４のスペースを広く確保できることから、端子３の構成が非常に容易になり、さらに、電池蓋４に開裂弁１４等の安全装置を設置することが可能となり、生産性及び信頼性を向上させることができる。
【００２７】
このように、本発明では、電池缶１の最大開口部１ａが端子３を有する電池蓋４により密封する構成とすることで、電池厚みの薄型化が可能となる。
【００２８】
ここで、具体的に、電池厚みｘは、０．５ｍｍ以上が好ましく、０．６ｍｍ以上がより好ましい。電池厚みｘが０．５ｍｍより小さくなると、電池としての強度が低下してしまう。
【００２９】
また、電池厚みｘは、６ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がより好ましい。電池厚みｘが６ｍｍより大きくなると、電極素子に十分な強度が得られ、電池缶の最小面積面である開口部からも電極素子挿入が容易となるため、電池缶１の最大面積面に開口部１ａを設けるメリットがなくなる。
【００３０】
本発明をリチウム二次電池又はリチウムイオン二次電池に適用する場合には、例えば、以下に挙げる材料を用いることができる。
【００３１】
正極５に用いられる正極活物質としては、十分な量のリチウムを含んでいることが好ましく、例えば一般式ＬｉＭＯ2（但し、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ等の少なくとも１種を表す。）で表されるリチウムと遷移金属とからなる複合金属酸化物やリチウムを含んだ層間化合物等を用いることができる。
【００３２】
一方、負極６に用いる負極活物質としては、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン等の比較的電位が卑な酸化物を用いることができる。その他に、負極活物質としては、リチウム、リチウム合金、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を用いることができる。
【００３３】
負極６に用いられる炭素材料としては、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ハロゲン化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレン）等の共役系樹脂、セルロース誘導体及びその誘導体、任意の有機高分子系化合物、また、特にフルフリルアルコール或いはフルフラールのホモポリマー、コポリマーよりなるフラン樹脂等、また石油ピッチ等、上述の有機材料を出発原料として焼成等の手法により炭素化して得られる炭素質材料及び黒鉛類等が好適に用いられる。
【００３４】
電解液としては、電解質が非水溶媒に溶解されてなる非水電解液が用いられる。例えば、上記非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシメタン、γ−ブチロラクトン、バレロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニロリル、プロピオニトリル等が単独若しくはこれらのうち２種類以上が混合されて用いられる。
【００３５】
また、このような非水溶媒に溶解する電解質としては、この種の電池に用いられるものであれば何れも使用可能であるが、ＬｉＰＦ6、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＢ（Ｃ6Ｈ5）4、ＣＨ3ＳＯ3Ｌｉ、ＣＦ3ＳＯ3Ｌｉ、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）3、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等が好ましく用いられ、特にＬｉＰＦ6が好ましく用いられる。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
【００３７】
実施例１
図１に示す偏平角型二次電池を作製する。
【００３８】
先ず始めに正極５を次のように作製する。
【００３９】
正極活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ2）９４．５重量部と、導電剤としてケッチェンブラック３重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン２．５重量部とを混合し、これに分散剤としてジメチルフォルムアミドを加え、スラリー状にする。そして、このスラリーを有機溶媒用スプレードライヤー（坂本技研社製）を用いて１５０℃の熱風にて乾燥し、平均粒径１００ミクロンのほぼ真球状のパウダーを作製する。そして、この造粒品合剤を角形形状に成形する。
【００４０】
この合剤成形体でアルミニウムメッシュよりなる集電体を挟み込んで角型形状に成形し、体積密度３．１ｇ／ｍｌ、寸法３９．５×３１．０ｍｍの短冊状正極を得る。この集電体には、厚み１０μｍのアルミニウム箔によりなる正極リードが超音波溶接により接続されている。この短冊状正極５の厚みは、０．８ｍｍとする。
【００４１】
次に、負極６を次のように作製する。
【００４２】
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる）である低膨張性のメソフェーズカーボン粉体２５０メッシュアンダー品を酸化雰囲気（ここでは空気中）にて３００℃で１時間処理し、平均粒径２０ミクロンの炭素質粉体ａを得る。
【００４３】
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる）である低膨張性のメソフェーズカーボン粉体２５０メッシュアンダー品を酸化雰囲気（ここでは空気中）にて３００℃で１時間処理し、その後、酸化雰囲気を不活性（窒素）ガスに変更し、不活性雰囲気にて９００℃で３時間焼成し、コークス状としたものを粉砕し、平均粒径２０ミクロンの炭素質粉体ｂを得る。
【００４４】
この炭素質粉体ａと炭素質粉体ｂとを７０：３０の比率で混合し、これに、バインダーとしてポリビニルアルコール（分子量５００）を加え、溶媒として水を使用して混練する。そして、２５０ミクロン以下、１５０ミクロン以上のメッシュを使用して、造粒、及び粒度調整を行う。
【００４５】
次に、この造粒品合剤を銅メッシュとともに加圧し、角型形状に成形し、このメッシュ一体化電極体を不活性ガス中、１０００℃にて３時間処理し、寸法４１．５×３２．０ｍｍの負極焼結体よりなる短冊状負極を得る。この負極６の炭素質部分の体積密度は１．２５ｇ／ｍｌであり、真比重は１．７５ｇ／ｍｌであった。この短冊状負極６の厚みは０．３５ｍｍとする。
【００４６】
以上のようにして作製された正極５と負極６を厚み３０μｍの微孔性のポリエチレンフィルムからなるセパレータ７を介して積層し、負極６、セパレータ７、正極５、セパレータ７、負極６の順々に積層する（すなわち、負極枚数；２枚、正極枚数；１枚、セパレータ枚数；２枚を使用）。次に、この積層体の両端に集電板８と押え板９を配置し、幅４０ｍｍの素子接着テープ１０により終端部を固定し、電極素子２を作製する。そして、負極６の集電をとるために負極リード１８を束ね、集電板８の一端に溶着する。また、正極５の集電をとるために、正極リード１７の一端を電池蓋４に取り付けられた正極端子３に溶接する。
【００４７】
次に、ニッケルメッキを施した鉄製の偏平角型電池缶１に、上記電極素子２を素子加圧板１１、絶縁板１２とともに収納し、集電板８を電池缶１に接触させ、電池缶１と電池蓋４とをレーザー溶接により固定する。
【００４８】
次に、電解液注液口１５により、プロピレンカーボネート５０体積％とジエチルカーボネート５０体積％の混合溶媒中にＬｉＰＦ6１モルを溶解させた非水電解液を注入し、電解液注入口１５を溶接することで、電池内の気密性を保持させる。
【００４９】
本発明の実施例１は、上述のようにして作製される、厚みｘ（電池缶１の底面から電池蓋４までの高さ）３ｍｍ、高さ４８ｍｍ、幅３４ｍｍの偏平角型二次電池である。
【００５０】
実施例２
正極として、厚み０．８ｍｍの正極５を２枚用意する。負極として、厚み０．３５ｍｍの負極６を最外周に２枚、厚み０．６５ｍｍの負極６を１枚、計３枚用意する。そして、これら正極５及び負極６を４枚のセパレータ７を介して積層し、電極素子２を作製する。
【００５１】
本発明の実施例２は、上記電極素子２を用いる以外は、実施例１と同様にして作製される、厚みｘ４．５ｍｍ、高さ４８ｍｍ、幅３４ｍｍの偏平角型電池である。なお、電池缶１には、厚みを考慮したものを用いる。
【００５２】
実施例３
正極として、厚み０．８ｍｍの正極５を３枚用意する。負極として、厚み０．３５ｍｍの負極６を最外周に２枚、厚み０．６５ｍｍの負極６を２枚、計４枚用意する。そして、これら正極５及び負極６を６枚のセパレータ７を介して積層し、電極素子２を作製する。
【００５３】
本発明の実施例３は、上記電極素子２を用いる以外は、実施例１と同様にして作製される、厚みｘ６ｍｍ、高さ４８ｍｍ、幅３４ｍｍの偏平角型二次電池である。なお、電池缶１には、厚みを考慮したものを用いる。
【００５４】
実施例４
本発明の実施例４は、正極として、寸法３９．５×３０．０ｍｍの正極成形体を用い、負極として、寸法４１．５×３１．０ｍｍの負極成形体を用い、電池缶１と電池蓋４とをかしめ方式により固定する偏平角型二次電池（図５に示す。）である。この電池は、その他の構成を実施例１と同様のものとし、電池缶には、厚みを考慮したものを用いる。
【００５５】
比較例１
比較例１は、図６に示すように、電池缶として、最小面積面に開口部２１ａを有する電池缶２１を用い、この開口部２１ａを密封する電池蓋として、絶縁部２３を介して端子２４が取り付けられた電池蓋２５を用いる偏平角型二次電池である。この電池は、他の構成を実施例１と同様のものとする。
【００５６】
比較例２
比較例２は、図６に示すように、電池缶として、最小面積面に開口部２１ａを有する電池缶２１を用い、この開口部２１ａを密封する電池蓋として、絶縁部２３を介して端子２４が取り付けられた電池蓋２５を用いる偏平角型二次電池である。この電池は、他の構成を実施例２と同様のものとする。
【００５７】
比較例３
比較例３は、図６に示すように、電池缶として、最小面積面に開口部２１ａを有する電池缶２１を用い、この開口部２１ａを密封する電池蓋として、絶縁部２３を介して端子２４が取り付けられた電池蓋２５を用いる偏平角型二次電池である。この電池は、他の構成を実施例３と同様のものとする。
【００５８】
特性評価
実施例１〜実施例４及び比較例１〜比較例３の偏平角型二次電池を各々１００個づつ作製し、電池缶への電極素子挿入不良の調査を行った。その結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
0003885327.tif 000002
【００６０】
表１の結果から、電池缶１の最大開口部１ａが端子３を有する電池蓋４により密封された実施例１〜実施例４の偏平角型二次電池においては、電池厚みｘの薄型化が進んでも、電池缶１内への電極素子２の挿入が容易であり、電極素子挿入不良の発生がなく、生産性に優れた電池を得られることがわかる。
【００６１】
これに対し、電池缶２１の最小開口部２１ａが端子２４を有する電池蓋２５により密封された比較例１〜比較例３の偏平角型二次電池においては、電池厚みｘの薄型化が進むにつれて電池缶２１への電極素子２の挿入が難しくなり、電極素子挿入不良が発生しやすくなっている。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、電池缶の最大開口部が端子を有する電池蓋により密封されてなることから、電池の薄型化が進んだ場合においても、電池缶内への電極素子挿入が容易であり、電池蓋のスペースを広く確保できることから、端子構成が容易であり、また、開裂弁等の安全装置の設置が可能となり、生産性及び信頼性に優れた高エネルギー密度の非水電解液二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した非水電解液二次電池の構成を示す断面図である。
【図２】同非水電解液二次電池の電池缶に電極素子を挿入する様子を示す斜視図である。
【図３】同非水電解液二次電池の電池缶に電極素子が挿入された様子を示す上面図である。
【図４】同非水電解液二次電池の電池蓋の構成を示す上面図である。
【図５】本発明を適用した別の非水電解液二次電池の構成を示す断面図である。
【図６】電池缶の最小開口部が電池蓋により密封された非水電解液二次電池の構成を示す断面図である。
【図７】電池缶の最小開口部に電極素子を挿入する様子を示す斜視図である。
【図８】電池缶の最小開口部に電極素子を挿入する様子を示す側面図である。
【符号の説明】
１  電池缶、２  電極素子、３  端子、４  電池蓋、５  正極、６  負極、７  セパレータ、８  集電板、９  押え板、１０  素子接着テープ、１１  素子加圧板、１２  絶縁板、１４  開裂弁、１５  電解液注液口、１６  絶縁部、１７  正極リード、１８  負極リード
【図１】
0003885327.tif 000003
【図２】
0003885327.tif 000004
【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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【図８】
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