(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも正極材、負極材、高分子電解質とが積層構成されてなる電池構体と、電極端子部材と、金属箔からなる外装材とを備え、
上記外装材は、上記電極端子部材の先端部を露呈させた状態で上記電池構体を包み込むとともに外周部が接合され、正極材又は負極材の何れか一方の集電体と電気的に接合されることによって電極端子を構成してなり、
他方の極性の上記電極端子部材が絶縁樹脂シートをあてがって上記外装材の外方へと引き出され、
上記外装材を上記電極端子部材の先端部を外方に露呈させた状態でさらに封装材によって被覆されることにより上記電池構体を密封することを特徴とした薄型電池。
【請求項２】
上記外装材は、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、銅のいずれか一種類以上からなる金属箔、若しくはこれら金属を含む合金箔やこれら金属を表面にメッキした金属箔が用いられることを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項３】
上記外装材には、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔若しくは表面にアルミニウム層が形成された金属箔が用いられ、上記正極材を構成する正極集電体と電気的に接合されることによって正極端子を構成することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項４】
上記外装材には、ニッケル、鉄、ステンレス、銅のいずれか一種類以上からなる金属箔、若しくはこれら金属を含む合金箔やメッキ等によってこれら金属層が表面に形成された金属箔が用いられ、上記負極材を構成する負極集電体と電気的に接合されることによって負極端子を構成することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項５】
上記外装材は、上記電極端子部材に絶縁樹脂シートをあてがって外方へと引き出した状態で、外周部に超音波溶融処理が施されて接合されることを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項６】
上記絶縁樹脂シートは、上記電極端子部材の幅よりも大きくかつこの電極端子部材が引き出される上記外装材の一辺よりも小さい外形寸法を有することを特徴とする請求項５に記載の薄型電池。
【請求項７】
上記外装材は、上記電極端子部材の引出し部位と対向する側を折り目部位として上記電池構体を包み込んだ状態で、この折り目部位を除く外周部が接合されることを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項８】
上記封装材は、合成樹脂材料によって一辺を開口した袋状に形成され、上記外装材によって密封された上記電池構体を、上記電極端子部材の先端部がこの開口部から外方に露呈させるようにして封装することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項９】
上記封装材は、上記電池構体を密封した上記外装材が、接合された外周部を内側に折り畳まれた状態で、全体を封装することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項１０】
上記封装材は、熱収縮フィルムからなり、上記外装材によって密封された上記電池構体を包み込んだ状態で加熱処理が施されることを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項１１】
上記電池構体は、少なくとも帯状集電体上にリチウムイオンを吸収する正極活物質を被着してなる上記正極材と、帯状集電体上に金属リチウムを被着してなる上記負極材と、非水電解液、固体電解質或いはゲル状電解質からなる上記高分子電解質とを有し、リチウム一次電池を構成することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【請求項１２】
上記電池構体は、帯状集電体上にリチウムを可逆に挿脱する正極活物質を被着してなる上記正極材と、帯状集電体上に金属リチウム、リチウム合金或いはリチウムを可逆に挿脱する負極活物質を被着してなる上記負極材と、非水電解液、固体電解質或いはゲル状電解質からなる上記高分子電解質とを有し、リチウム二次電池を構成することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極材と高分子電解質とを積層構成してなるリチウムイオン電池等の薄型電池に関し、詳細には電池構体の外装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池は、化学エネルギーや物理的エネルギー或いは生物化学エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置と定義され、化学電池、生物電池或いは物理電池等に大分類される。例えば化学電池については、化学変化の過程が可逆的でないもの或いは充電可能に構成されていない一次電池と、化学変化の過程が可逆的であるもの或いは充電可能に構成されている二次電池及び反応に関与する物質を外部から供給して反応生成物を外部に取り出しながら化学反応を促進する燃料電池等に分類される。
【０００３】
電池は、携帯型電子機器等の電源として汎用されている。かかる携帯型電子機器は、その多機能化に伴って電源容量の確保とともにより携帯性の確保が求められており、電源の小型化、軽量化とともに薄型化、換言すれば薄型電池の要求が高まっている。携帯型電子機器には、一般にエネルギー密度、出力密度の大きいリチウム電池が用いられている。従来のリチウム電池は、電極間の導電性物質として液体の電解液が用いられており、この電解液の液漏れを防ぐために金属缶が備えらる。従来のリチウム電池は、機械的強度を保持するために金属缶を４ｍｍ以下に構成することが困難であるために、薄型化について限界があった。
【０００４】
一方、最近の電池においては、無機或いは有機の非水固体電解質や高分子ゲルからなる非水半固体化電解質を用いた電池が提案されている。これら半固体化電解質を用いた電池は、流動性が無い或いは極めて小さい電解質の特性によってその厚みが一定に保持され、またこの電解質と電極間の接着力によって電極間の距離や圧力が一定に保持されることから金属缶が不要とされて、軽量化や小型化とともに薄型化が図られると期待されている。
【０００５】
例えば図６に示した薄型リチウムイオン電池１００は、帯状集電体上に正極活物質を被着するとともにゲル状電解質を塗布した正極材と、帯状集電体上に負極活物質を被着するとともにゲル状電解質を塗布した負極材とをセバレータを挟んで積層した後にこれを平たく折り畳んで電池構体１０１を構成している。薄型リチウムイオン電池１００は、この電池構体１０１の正極材と負極材とに導線を網目状に織ってなる正極端子１０２及び負極端子１０３とをそれぞれ接合する。
【０００６】
薄型リチウムイオン電池１００は、これら正極端子１０２及び負極端子１０３の先端部を外方に露呈した状態で、フィルム状のラミネート材１０４によって電池構体１０１を封装してなる。ラミネート材１０４は、内部に少なくとも一層以上のアルミニウム層を含む高分子多層フィルムからなり、電池構体１０１を包み込んだ状態で外周部に熱溶着処理が施されて熱用地着部位１０５が形成される。
【０００７】
なお、薄型電池としては、例えば上述したリチウム電池と基本的な構成を同様としたポリマー電池も注目されている。このポリマー電池は、帯状集電体上に正極活物質を被着してなる正極材と、帯状集電体上に負極活物質を被着してなる負極材との間にポリマー電解材からなるセバレータを挟み込んで電池構体が構成される。ポリマー電池も、電池構体をラミネート材により包み込んだ状態で、このラミネート材の周囲に熱溶着処理が施されてなる。
【０００８】
上述した高分子多層フィルムからなるラミネート材１０４は、高い気密性や軽量・薄厚にもかかわらず機械的強度が大きいといった特性を有するとともに、熱溶着等の極めて簡易な溶着処理を施すことによって電池構体１０１を高精度に密封することができる。したがって、従来の薄型リチウムイオン電池１００は、厚み寸法が４ｍｍ程度を限界としていた金属缶を有するリチウム電池と比較して、小型軽量化とともに１ｍｍ以下に構成することが可能とされしかも防湿性にも優れていることから、様々な携帯型電子機器等の電源として使用した場合にその小型化、軽量化とともに薄型化に貢献する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の薄型リチウムイオン電池１００は、上述したように高分子多層フィルムからなるラミネート材１０４の外周部に電池構体１０１を密封するために熱溶着部位１０５が構成される。従来の薄型リチウムイオン電池１００は、用いられる非水電解質の特性から、電池構体１０１を密封する外装材について高い防湿性が要求される。ラミネート材１０４は、熱溶着部位１０５の幅寸法が大きい程その防湿性が高くなる。熱溶着部位１０５は、通常仕様の高分子多層フィルムを用いる場合に最低でも５ｍｍ以上に設定することが望ましい。
【００１０】
したがって、従来の薄型リチウムイオン電池１００は、上述したように全体が薄型に構成されるが、外周部にデッドスペースとしての熱溶着部位１０５が構成されるために、例えば一辺が数センチ以下の小型仕様とされる場合に体積エネルギー密度の効率が悪くなるといった問題があった。このため、従来の薄型リチウムイオン電池１００は、金属缶を有するリチウム電池と比較して、大幅な軽量化も図られるが、体積比では１／２乃至１／３程度にすぎない。
【００１１】
従来の薄型リチウムイオン電池１００においては、熱溶着部位１０５を内側へと折り曲げることによって外形寸法を小さくする対策を講じることも考慮されるが、この熱溶着部位１０５が硬いために作業が面倒となりかつきれいな状態で折り曲げることが困難である。また、従来の薄型リチウムイオン電池１００は、熱溶着部位１０５を折り曲げた場合にはその分厚み寸法も増加し、実質的な薄型化が達成されなくなるといった問題が生じる。さらに、従来の薄型リチウムイオン電池１００は、隣り合う二辺の熱溶着部位１０５が重なり合うためにさらに厚み寸法が増加してしまうといった問題もある。
【００１２】
したがって、本発明は、少なくとも正極材、負極材、高分子電解質とが積層構成されてなる薄型の電池構体を有し、体積エネルギー密度が向上されるとともに小型軽量化と長寿命化が図られた薄型電池を提供することを目的に提案されたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明にかかる薄型電池は、少なくとも正極材と負極材と高分子電解質とが積層構成されてなる電池構体と、電極端子部材と、金属箔からなる外装材とを備えてなる。薄型電池は、外装材によって、電極端子部材の先端部を露呈させた状態で電池構体を包み込むとともに、この外装材の外周部を接合してなり、外装材を電極端子部材の先端部を外方に露呈させた状態でさらに封装材によって被覆されることにより電池構体を密封してなる。
【００１４】
また、本発明にかかる薄型電池は、外装材が正極材又は負極材の集電体と電気的に接合されることによって電極端子を構成してなる。さらに、薄型電池は、電極端子部材に絶縁樹脂シートをあてがって外方へと引き出した状態で、外装材がその外周部を接合されることによって電池構体を密封する。さらにまた、薄型電池は、外装材によって密封された電池構体を、電極端子部材の先端部を外方に引き出した状態でさらに封装材によって封装されてなる。
【００１５】
以上のように構成された本発明にかかる薄型電池によれば、外装材が金属箔であることからその接合部位の折曲げ処理が容易であり、電池構体を密封した状態で極めて簡単に内側に折り曲げることが可能であるとともに全体の厚みを大幅に増加させることも無い。したがって、薄型電池は、より薄型かつ小型、軽量であって体積エネルギー密度の向上が図られるとともに防湿性に優れることで長寿命化が図られる。
【００１６】
また、本発明にかかる薄型電池によれば、外装材が正極電極端子部材又は負極電極端子部材のいずれか一方の電極端子部材として作用することから、構造の簡易化が図られる。薄型電池によれば、外装材を接合する際に絶縁樹脂シートを介して電極端子部材が絶縁を保持されて引き出されることから、その処理が簡易に行われるとともに引出し部における密封性も保持される。薄型電池によれば、外装材をさらに封装材によって被覆して補強されることから、機械的強度の向上が図られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施の形態として図面に示した薄型電池１は、負極端子部材３が設けられた電池構体２を、図１に示すように負極端子部材３の先端部３ａが露呈するようにして外装材４によって密封してなる薄型のリチウムイオン二次電池を示す。リチウムイオン二次電池１は、詳細を後述するが外装材４が正極端子部材に兼用される。
【００１８】
リチウムイオン二次電池１は、図２に示すように、電池構体２が、正極材５と、負極材６と、これら正極材５と負極材６とによって挟み込まれたセパレータ７と、ゲル状電解質８（８ａ、８ｂ）との積層体によって構成される。リチウムイオン二次電池１は、詳細を後述するが、図３に示すように負極端子部材３を絶縁シート９（９ａ、９ｂ）によって挟み込むことにより外装材４に対して絶縁性を保持した状態でこの外装材４から引き出してなる。
【００１９】
電池構体２は、詳細を後述するように、正極材５、負極材６、セパレータ７及びゲル状電解質８からなる積層体を、正極材５が最外層を構成するようにして折り畳まれてなる。電池構体２は、積層体を折り畳んだ状態で厚み寸法が約３．５ｍｍとされる。なお、電池構体２は、正極材５、負極材６、セパレータ７及びゲル状電解質８の積層体を平たく折り畳んで構成するばかりでなく、例えばつづら折りしたり巻回して構成してもよい。
【００２０】
セパレータ７には、厚みが２５μｍの多孔質ポリプロピレンフィルムが用いられる。このセパレータ７は、特に用いなくともよいが、後述するように外装材４を電極端子に兼用する場合において適宜の形状とすることで正極材５或いは負極材６と外装材４との絶縁を保持する部材としても有効に機能する。
【００２１】
正極材５は、アルミニウム箔からなる正極集電体１０に正極活物質１１（１１ａ、１１ｂ）を塗布してなる。正極活物質１１は、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）９０重量％、粉末ポリフッ化ビニリデン３重量％、粉末黒鉛７重量％を、Ｎメチルピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として分散させてなる。正極材５は、帯状の正極集電体１０の両面にそれぞれ正極活物質１１を塗布した後、１００°Ｃの環境で２４時間の減圧乾燥処理を施し、さらに適宜の加圧力のロールプレスにより圧縮処理を施して製作される。正極材５は、これを約８００ｍｍ×１２０ｍｍの外形寸法を以って切り出して使用される。勿論、正極材５は、かかる構成に限定されるものでは無い。
【００２２】
負極材６は、銅箔からなる負極集電体１２に負極活物質１３を片面に塗布してなる。負極活物質１３は、人造黒鉛９１重量％、粉状ポリフッ化ビニリデン９重量％を、Ｎメチルピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として分散させてなる。負極材６は、帯状の負極集電体１２に負極活物質１３を塗布した後、１２０°Ｃの環境で２４時間の減圧乾燥処理を施し、さらに適宜の加圧力のロールプレスにより圧縮処理を施して製作される。負極材６は、これを正極材５と同様に、約８００ｍｍ×１２０ｍｍの外形寸法を以って切り出して使用される。勿論、負極材６は、かかる構成に限定されるものでは無い。
【００２３】
ゲル状電解質８には、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、六フッ化燐酸リチウム（ＬｉＰＦ6）からなるポリアクリロニトリル系ゲル電解質が用いられる。ゲル状電解質８は、上述した構成物が仕込みのモル組成比をＰＡＮ：ＥＣ：ＰＣ：ＬｉＰＦ6＝１２：５３：２７：８となるように調整されてなる。ゲル状電解質８は、所定量のＥＣとＰＣとを混合して１５０°Ｃに加熱した後、ＰＡＮを所定量混合して撹拌することによりこのＰＡＮが溶解して粘性を有する溶液となり、これに所定量のＬｉＰＦ6を添加して溶解させる手順を経てゲル状に作成されてなる。
【００２４】
上述した正極材５と負極材６とは、ゲル状電解質８を塗布した主面を互いに対向させ、セバレータ７を挟み込んで積層される。正極材５と負極材６とは、ゲル状電解質８の接着作用によって、その距離や圧力が一定に保持された状態で積層されて電池構体２を構成する。なお、セバレータ７は、後述するように外装材４によって電池構体２を包み込んだ際にこの外装材４と負極材６とが接触しないようにするために、その幅寸法が正極材５や負極材６の幅寸法よりもやや大とされている。電池構体２は、正極材５、負極材６及びセバレータ７の積層体を折り畳んで、外形寸法が全体で約８０ｍｍ×１３０ｍｍ×３．５ｍｍを以って構成される。
【００２５】
負極端子部材３は、例えば直径が５０μｍの銅線が用いられ、これを７５μｍの間隔で網目状に織ったものを矩形に切断したものが用いられる。負極端子部材３は、その基端部３ｂが負極集電体１２にスポット溶接等によって接合される。負極端子部材３は、引張り強度を保持するために、各網目が長手方向に対して長軸となるいわゆる縦目で構成したものを用いることが好ましい。負極端子部材３は、図３に示すように電池構体２の長手方向の一端側を端子引出し部２ａとして、その先端部３ａが突出される。
【００２６】
外装材４には、薄厚で軽量であるとともに機械的強度や防湿性に優れ、嵩張らずに折り畳むことが可能な金属箔、具体的には厚み寸法が約４０μｍのアルミニウム箔が用いられる。外装材４は、外形寸法が少なくとも上述した電池構体２の外形寸法よりもやや大きいものが用いられる。外装材４は、図３に示すように折り目部位４ａを電池構体２の端子引出し部２ａと反対側の部位２ｂに位置させて長さ方向の中央部から２つ折りにされる。外装材４は、相対する先端部４ｂ、４ｃが端子引出し部２ａ側において重ね合わされる。外装材４は、折り目部位４ａと直交する両側面に沿って超音波溶接処理が施されることによって両側面接合部位４ｄ、４ｅを形成して袋状に構成される。
【００２７】
外装材４には、電池構体２の最外周層を構成する集電体と同一の材料の金属箔を用いることが好ましい。電池構体２は、上述したように最外周層を正極集電体１０によって構成したことから、外装材４にアルミニウム箔が用いられている。アルミニウム箔は、軽量であるとともに廉価であることから好適である。勿論、外装材４としては、アルミニウムを主成分としたものであれば良く、アルミニウム合金箔や表面に蒸着等によってアルミニウム層が形成された金属箔を用いてもよい。外装材４には、上述したように厚み寸法が４０μｍのアルミニウム箔を用いたが、材料強度と質量、水分透過性によって適宜選択され、１０μｍ乃至１００μｍの厚み寸法のものが用いられる。外装材４は、ピンホールフリーや加工性、外装としての厚みや重量を考慮すると、２０μｍ乃至６０μｍの厚み寸法が好適である。
【００２８】
外装材４には、先端部４ｂ、４ｃの相対する内面に、絶縁樹脂シート９があてがわれる。絶縁樹脂シート９は、外装材４の幅寸法とほぼ等しい長さのポリエチレンフィルムからなり、図３に示すように外装材４の先端部４ｂ、４ｃに沿って負極端子部材３と直交してあてがわれる。絶縁樹脂シート９は、外装材４がその重ね合わされた先端部４ｂ、４ｃに真空加熱溶着処理が施されて先端接合部位４ｆを形成することによって、この外装材４と負極端子部材３との絶縁を保持するとともに先端部４ｂ、４ｃを密封する。
【００２９】
なお、絶縁樹脂シート９には、外装材４の幅寸法とほぼ等しい長さを有するものを用いて先端接合部４ｆに段差が生じないように構成したが、少なくとも負極端子部材３を被覆するに足る長さを有していればよいことは勿論である。絶縁樹脂シート９には、ポリエチレンフィルム以外にも、金属との接合性が良好であるとともに水分透過性が小さい特性を有する例えばポリオレフィン、ナイロン、アイオノマー、ポリエチレンテレフタレート等のフィルム材を用いてもよい。
【００３０】
上述したリチウムイオン二次電池１においては、外装材４が正極集電体１０と接合されて正極端子を構成し、基端部３ｂを負極集電体１３に接合した負極端子部材３を設けたが、かかる構成に限定されないことは勿論である。リチウムイオン二次電池１は、正極集電体１０と負極集電体１３とにそれぞれ接合される一対の電極端子部材を設けてもよい。
【００３１】
また、リチウムイオン二次電池１は、外装材４を負極端子として構成し、正極集電体１０と接合された正極端子部材を設けるようにしてもよい。この場合、リチウムイオン二次電池１は、電池構体２の最外周層が負極集電体１３となるように折り畳まれてることによってこの負極集電体１３と外装材４とが電気的に接続されるようにする。正極端子部材は、外装材４に対して絶縁性を保持されてその先端部が外部へと突出露呈される。
【００３２】
外装材４には、電池構体２の最外周層を負極集電体１３として外装材４を負極端子として兼用した場合には、銅箔を用いることが好適である。勿論、外装材４には、ニッケル、鉄、ステンレス、アルミニウム或いはこれら金属のいずれか一種類以上からなる金属箔、若しくはこれら金属を含む合金箔やこれら金属を表面にメッキや蒸着等することによって形成した金属箔を用いてもよい。
【００３３】
リチウムイオン二次電池１は、上述した各構成部材により、以下の方法で製作される。すなわち、リチウムイオン二次電池１は、電池構体２が、負極端子部材３の先端部３ａを突出露呈させて外装材４によって密封されてなる。リチウムイオン二次電池１は、図３に示すように、２つ折りされた外装材４がその先端部４ｂ、４ｃを負極端子部材３が引き出される引出し部２ａ側で重ね合わされて電池構体２を包み込んでなる。リチウムイオン二次電池１は、外装材４に、負極端子部材３を挟んでその先端部４ｂ、４ｃの内面に絶縁樹脂シート９があてがわれてなる。
【００３４】
リチウムイオン二次電池１は、外装材４が、電極構体２と重ならないように、折り目部位４ａと直交する両側面の全域に亘って超音波溶接処理が施されることによって両側に沿ってた側面接合部位４ｄ、４ｅがそれぞれ形成されて袋状に接合されてなる。リチウムイオン二次電池１は、これら側面接合部位４ｄ、４ｅが、負極端子部材３を引き出す部位ではなく、溶融されたアルミニウムが再固化することにより接合されることで極めて良好な防水特性を以って強固に接合されてなる。
【００３５】
リチウムイオン二次電池１は、側面接合部位４ｄ、４ｅについて、従来のラミネート材と比べて大きな接合幅を必要としないが、同等の５ｍｍ幅で形成されてもよい。リチウムイオン二次電池１は、側面接合部位４ｄ、４ｅが、外装材４にアルミニウム箔を用いたことにより比較的簡単に内側に折り曲げることが可能とされる。したがって、リチウムイオン二次電池１は、側面接合部位４ｄ、４ｅを折り曲げられた場合においてもその厚みが極めて小さいために、その厚み寸法が電池構体２の厚みと寸法とほとんど変わらなず、有効な体積率となる。
【００３６】
リチウムイオン二次電池１は、外装材４が、重ね合わせた先端部４ｂ、４ｃに真空加熱溶着処理が施こされて内部を真空にする先端接合部４ｆが形成されてなる。リチウムイオン二次電池１は、負極端子部材３が、その網目内に溶融した絶縁樹脂シート９が溶け込むことによって外装材４との絶縁が確実に保持された状態で先端接合部４ｆにしっかりと接合されなる。リチウムイオン二次電池１は、負極端子部材３を引き出すために外装材４の先端接合部４ｆが側面接合部位４ｄ、４ｅに対してその防水特性をやや劣化した状態となる。したがって、リチウムイオン二次電池１においては、負極端子部材３を部分的に絶縁する絶縁樹脂シート９を用いる場合に、この絶縁樹脂シート９が負極端子部材３の幅寸法に対して１ｍｍ程度大きい長さのものを用いることが好ましい。
【００３７】
リチウムイオン二次電池１は、上述したように外装材４の先端接合部４ｆに、幅方向の全域に亘る長さ寸法を有する絶縁樹脂シート９を用いることで段差が無くかつ良好な防水特性を以って構成される。リチウムイオン二次電池１は、先端接合部４ｆを、側面接合部位４ｄ、４ｅと同様に超音波溶接によって形成してもよい。リチウムイオン二次電池１は、外装材４の内部を真空にして電池構体２を密封することで、外装材４がこの電池構体２に密着した状態となる。リチウムイオン二次電池１は、電池構体２の最外周層が正極集電体１０によって構成されることから、外装材４とこの正極集電体１０との電気的導通が確実に保持される。リチウムイオン二次電池１は、かかる構成によって外装材４が正極端子としても安定して作用する。
【００３８】
本発明は、上述したリチウムイオン二次電池１に限定されるものでは無く、例えば正極集電体にリチウムイオンを吸収できる正極活物質を塗布してなる正極材と、金属リチウムからなる負極材と、高分子電解質とを備えるリチウム一次電池にも適用可能であることは勿論である。また、本発明は、種々の電池にも適用可能であり、例えば液体電解質を用いた電池であってもよい。さらに、本発明は、正極材と負極材との間にポリマー電解質を挟み込んだいわゆるポリマー電池にも好適に実施される。
【００３９】
図４に示した薄型電池２０は、上述したリチウムイオン二次電池１に対してさらに機械的強度の向上を図ったものである。薄型電池２０は、リチウムイオン二次電池１の外装材４を、樹脂フィルム２１によって封装してなる。樹脂フィルム２１は、例えばポリオレフィンやテフロン系の熱収縮性を有する樹脂によって一方を開口２２とした袋状に成形されてなる。樹脂フィルム２１は、リチウムイオン二次電池１の外形寸法よりもやや大きめの内部空間を有してなる。
【００４０】
薄型電池２０は、リチウムイオン二次電池１が、同図に示すように正極端子部材３が露呈された部位と反対側を装填側として、開口２２から樹脂フィルムからなる封装材２１の内部に装填される。薄型電池２０は、開口２２から負極端子部材３の先端部３ａを露呈させた状態で、封装材２１に加熱処理を施す。薄型電池２０は、これによって封装材２１がリチウムイオン二次電池１の外形に倣って収縮してこれを封装する。
【００４１】
薄型電池２０は、熱収縮性樹脂フィルムからなる封装材２１によって全周を覆われることから、機械的強度の向上が図られる。薄型電池２０は、封装材２１が加熱処理を施されて収縮することで装填したリチウムイオン二次電池１の外周部に密着することから、外形寸法がこのリチウムイオン二次電池１とほとんど同等に構成される。
【００４２】
なお、封装材２１については、無駄な体積が生じないようにリチウムイオン二次電池１の装填操作に支障の無い範囲でその大きさに近い範囲で成形することが好ましい。また、封装材２１は、リチウムイオン二次電池１の形状に併せて、円筒形や平たい筒状或いは封筒状等の適宜の形状に成形される。
【００４３】
図５に示した薄型電池３０は、上述したリチウムイオン二次電池１について、外装材４の両側面に形成された側面接合部位４ｄ、４ｅを内側に折り曲げるとともにこれを封装体２５によって封装した構成に特徴を有している。側面接合部位４ｄ、４ｅは、上述したようにアルミニウム箔からなる外装体４に超音波溶接を施して形成される。側面接合部位４ｄ、４ｅは、外装体４の材料特性から折り曲げが極めて簡単であるとともにその厚みも小さい。
【００４４】
薄型電池３０は、リチウムイオン二次電池１が、同図に示すように負極端子部材３が露呈された部位と反対側を装填側として、開口２６から封装体２５の内部に装填される。薄型電池３０は、封装体２５によって折り曲げられた側面接合部位４ｄ、４ｅが保持される。封装体２５は、側面接合部位４ｄ、４ｅの保持作用とともに装填されたリチウムイオン二次電池１の保護作用も奏する。
【００４５】
なお、封装体２５については、上述した熱収縮性樹脂フィルムと同様に構成されてもよい。また、封装体２５は、熱可塑性樹脂や熱・光硬化性樹脂によって側面接合部位４ｄ、４ｅが予め折り曲げられたリチウムイオン二次電池１の外周部をモールドした部材であってもよい。
【００４６】
上述したリチウムイオン二次電池１を基本として以下に示す第１の実施例薄型電池１Ａ乃至第６の実施例薄型電池１Ｆと、外装材にラミネート材を用いた第１の比較例薄型電池１００Ａ乃至第３の比較例薄型電池１００Ｃとを製作して、それぞれの評価を行った。
【００４７】
第１の実施例薄型電池１Ａは、上述した実施の形態に示したリチウムイオン二次電池１によって製作した。電池構体２Ａは、正極材５、負極材６及びセバレータ７からなる積層体を平たく折り畳むようにして巻回し、最外周層を正極集電体１０として外装材４を正極端子として構成した。電極端子部材３は、直径５０μｍの銅線を７５μｍ間隔の網目で編んだ金属網を裁断し、その基端部３ｂを負極集電体１２に接続した。外装材４には、厚みが４０μｍのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して５ｍｍ幅の側面接合部位４ｄ、４ｅを形成した。
【００４８】
第２の実施例薄型電池１Ｂは、電池構体２Ｂが正極材５、負極材６及びセバレータ７からなる積層体をつづら折りしてなり、最外周層を負極集電体１２として外装材４を負極端子として構成したリチウムイオン二次電池である。電極端子部材３は、直径５０μｍのアルミニウム線を７５μｍ間隔の網目で編んだ金属網を裁断し、その基端部３ｂを正極集電体１０に接続した。外装材４には、厚みが４０μｍのニッケル箔を用い、超音波溶接を施して５ｍｍ幅の側面接合部位４ｄ、４ｅを形成した。
【００４９】
第３の実施例薄型電池１Ｃは、正極材５にニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）が用いられるとともに負極材６に難黒鉛化炭素が用いられ、上述した第１の実施例薄型電池１Ａと同様の工程によって作成したリチウムイオン二次電池である。外装材４には、厚みが４０μｍのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して５ｍｍ幅の側面接合部位４ｄ、４ｅを形成した。
【００５０】
第４の実施例薄型電池１Ｄは、正極材５にニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）が用いられるとともに負極材６に厚みが３００μｍのリチウム金属が用いられ、上述した第１の実施例薄型電池１Ａと同様の工程によって作成したリチウム金属二次電池である。電極端子部材３は、その基端部３ｂを負極材６のリチウム金属に圧着して接続した。外装材４には、厚みが４０μｍのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して５ｍｍ幅の側面接合部位４ｄ、４ｅを形成した。
【００５１】
第５の実施例薄型電池１Ｅは、正極材５に二酸化マンガン、負極材６に金属リチウムが用いられ、上述した第１の実施例薄型電池１Ａと同様の工程によって作成したリチウム一次電池である。外装材４には、厚みが４０μｍのアルミニウム箔が用いられ、超音波溶接を施して５ｍｍ幅の側面接合部位４ｄ、４ｅを形成した。
【００５２】
第６の実施例薄型電池１Ｆは、上述した第２の実施の形態として示したリチウムイオン二次電池２０と同様であり、第１の実施例リチウムイオン二次電池１Ａを製作した後にその側面接合部位４ｄ、４ｅを内側に折り曲げるとともにこれを熱収縮チューブからなる封装体２５によって封装したリチウムイオン二次電池である。
【００５３】
第１の比較例薄型電池１００Ａは、上述した第１の実施例リチウムイオン二次電池１Ａと同様の工程によって電池構体１０１を製作した後に、この電池構体１０１を密封する外装体として従来のラミネートフィルム１０４を用いたリチウムイオン二次電池である。ラミネートフィルム１０４は、外層が厚み寸法５０μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム、中層が厚み寸法２０μｍのアルミニウム箔、内層が厚み寸法１５０μｍのポリエチレンフィルムからなる。第１の比較例薄型電池１００Ａは、このラミネートフィルム１０４によって、第１の実施例リチウムイオン二次電池１Ａの外装材４と同様の方法により電池構体１０１を包み込んだ後に、両側面に沿ってインパルスシーラによる加熱溶融処理を施して幅１０ｍｍの熱溶着部位１０５を形成してなる。
【００５４】
第２の比較例薄型電池１００Ｂは、上述した第４の実施例薄型電池１Ｄと同様の工程によって電池構体１０１を製作した後に、この電池構体１０１を密封する外装体として従来のラミネートフィルム１０４を用いたリチウム金属二次電池である。第２の比較例薄型電池１００Ｂも、第１の比較例薄型電池１００Ａと同様にラミネートフィルム１０４によって電池構体１０１を包み込んだ後に、両側面に沿ってインパルスシーラによる加熱溶融処理を施して幅１０ｍｍの熱溶着部位１０５を形成してなる。
【００５５】
第３の比較例薄型電池１００Ｃは、上述した第５の実施例薄型電池１Ｅと同様の工程によって電池構体１０１を製作した後に、この電池構体１０１を密封する外装体として従来のラミネートフィルム１０４を用いたリチウム一次次電池である。第３の比較例薄型電池１００Ｃも、第１の比較例薄型電池１００Ａと同様にラミネートフィルム１０４によって電池構体１０１を包み込んだ後に、両側面に沿ってインパルスシーラによる加熱溶融処理を施して幅１０ｍｍの熱溶着部位１０５を形成してなる。
【００５６】
上述した各実施例薄型電池１Ａ乃至１Ｆと比較例薄型電池１００Ａ乃至１００Ｃとについて、それぞれの側面接合部位４ｄ、４ｅ及び熱溶着部位１０５を内側に折り曲げた状態での厚み寸法を実測した結果は次の表１のとおりであった。なお、各二次電池については、満充電時における厚み寸法を実測した。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
各実施例薄型電池１Ａ乃至第６の実施例薄型電池１Ｆは、表１から明らかなように、第１の比較例薄型電池１００Ａ乃至第３の比較例薄型電池１００Ｃと比較してその厚み寸法が１５％程度まで薄厚に構成される。
【００５９】
次に、第１の実施例薄型電池１Ａ乃至第６の実施例薄型電池１Ｆと第１の比較例薄型電池１００Ａ乃至第３の比較例薄型電池１００Ｃとについて、次の評価試験を行った。
【００６０】
各実施例二次電池（１Ａ乃至１Ｄ及び１Ｆ）と比較例二次電池（１００Ａ、１００Ｂ）との評価方法は、温度６０°Ｃ、湿度６０％の環境条件下で、０．５Ｃの充放電サイクル試験を約７０日間かけて３００サイクル行い、その初回電池容量からの容量維持率を測定して評価した。さらに、この充放電サイクル試験試験の終了後に、各二次電池について、内部の電解質を分析して侵入した水分量を測定して評価した。なお、０．５Ｃとは、電池の定格容量を２時間で放電させる電流値である。
【００６１】
実施例二次電池（１Ａ乃至１Ｄ及び１Ｆ）と比較例二次電池（１００Ａ、１００Ｂ）のサイクル試験結果は、次の表２のとおりであった。
【００６２】
【表２】
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【００６３】
また、実施例一次電池１Ｅと比較例一次電池１００Ｃとの評価方法は、温度６０°Ｃ、湿度６０％の高温多湿の環境条件下で７０日間放置した場合と、常温常湿の環境条件下で７０日間放置した場合とでの放電容量を測定して評価した。さらに、この放置試験の終了後に、各一次電池について、内部の電解質を分析して侵入した水分量を測定して評価した。
【００６４】
実施例一次電池１Ｅと比較例一次電池１００Ｃの放置試験結果は、次の表３のとおりであった。
【００６５】
【表３】
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【００６６】
各実施例薄型電池１Ａ乃至第６の実施例薄型電池１Ｆは、表２及び表３から明らかなように、第１の比較例薄型電池１００Ａ乃至第３の比較例薄型電池１００Ｃと比較して防湿特性に優れている。したがって、各実施例薄型電池１Ａ乃至第６の実施例薄型電池１Ｆは、第１の比較例薄型電池１００Ａ乃至第３の比較例薄型電池１００Ｃと比較して電池寿命が長く、より薄型であって体積エネルギー密度が高く構成される。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明にかかる薄型電池によれば、薄型に構成された電池構体を金属箔からなる外装材によって密封したことにより、より薄型でかつ小型、軽量であって体積エネルギー密度が高く、また防湿性に優れることで電池寿命も長く極めて高性能である。さらに、封装材によって被覆されることから、機械的強度の向上を図ることができる。したがって、薄型電池は、携帯型電子機器等の電源として好適に用いられ、その小型、軽量化と多機能化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる薄型電池の実施の形態として示すリチウム金属二次電池の構成を説明する斜視図である。
【図２】同リチウム金属二次電池に備えられる電池構体の構成を説明する要部縦断面図である。
【図３】同リチウム金属二次電池における外装材による電池構体の密封操作の説明図である。
【図４】本発明にかかる他の薄型電池の実施の形態を示し、電池構体の密封操作の説明図である。
【図５】本発明にかかる他の薄型電池の実施の形態を示し、封装材による封装操作の説明図である。
【図６】従来のリチウム金属二次電池の斜視図である。
【符号の説明】
１  リチウム金属二次電池（薄型電池）、２  電池構体、２ａ  端子引出し部、３  負極端子部材（電極端子部材）、４  外装体、４ａ  折り目部位、４ｄ,４ｅ  側面接合部位、４ｆ  先端接合部位、５  正極材、６  負極材、７  セバレータ、８  ゲル状電解質（高分子電解質）、９  絶縁シート、１０  正極集電体、１１  正極活物質、１２  負極集電体、１３  負極活物質
封口材、６  封口材、７  ラミネート材、８  正極端子部材、９  負極端子部材、１０  導線
【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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