(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装缶と、
変形可能で長尺の電気絶縁フィルムと、
前記電気絶縁フィルムの一方の面に位置し、正極層、電解質層および負極層を有する、電池パターンとを備え、
前記電解質層は、前記電気絶縁フィルムの長尺方向に延在し、前記正極層と負極層とにそれぞれ異なる重なる部分で接触して、正極層と負極層との間に介在し、
前記電気絶縁フィルムが、前記長尺方向に捲回されて前記外装缶に収納されていることを特徴とする、電池。
【請求項２】
前記電気絶縁フィルムの長尺方向に延在する、前記正極層に接続する正側集電層と前記負極層に接続する負側集電層とを備え、前記正側集電層および負側集電層は、前記長尺方向に延在する電解質層を間にして相手側に向かって櫛状に延びる櫛状部分を有し、前記正極層と前記負極層とは、それぞれ同じ極性の前記集電層の櫛状部分に重なって櫛型構造を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記電気絶縁フィルムは、前記電池パターンを内側にして捲回されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
前記正極層および負極層がそれぞれ、同じ極性の電極層同士、前記電気絶縁フィルムを介して重なって多重配置とならないように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【請求項５】
少なくとも前記正極層および前記負極層が、屈曲されないように前記電気絶縁フィルムが捲回されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池に関し、より具体的には、信頼性の高い巻き電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯用の電子機器に多様な電池が搭載される時代、電池には、常に軽量化、小型化または高エネルギー密度化が求められる。このような軽量化および高エネルギー密度化を図るため、たとえばリチウム電池において、（正極材／正極集電体）シートと、セパレータを含む電解質シートと、（負極材／負極集電体）シートとを重ねて渦巻き状に巻き、この渦巻き状の電池本体部を円筒形の金属ケースに収容する形態が用いられている。この場合、金属ケース上面に出る端子を正極端とし、金属ケース自身を負極端子とする。このような構成によれば、この電池に限定してみれば、形式上は高エネルギー密度化が可能となりそうであるが、実際のところは、電池形状が円柱形に限られ、また上記の方式で渦巻き状とされた電池本体部の容積が大きくなりスペース効率がそれほど向上しないという問題がある。
【０００３】
上記の問題を打開するために、渦巻き状の電池形態または櫛状の電池形態の層（渦巻き形態または櫛状形態の横断面薄層）をパターン化して、そのパターン層を気相プロセスで個別に形成し、これら個別層を何層も積層して、積層型渦巻き状電池または積層型櫛状電池とする構造が提案された（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２３６７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の積層型渦巻き状電池は、複数枚の上記渦巻き状パターンを積層して一体化する際に、高度の位置決め精度を必要とし、信頼性の高い電池とするためには高精度の位置決め装置が必要である。また、上記積層型渦巻き状電池の製造にあたっては、複数枚の渦巻き状パターンのシートを製造する工程、前記シートを積層し一体化する工程、および積層させたシートの電極の集電構造を形成する工程が必要であり、生産性が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、位置決め等のための特別の装置がなくても高い信頼性を確保でき、かつ簡単な製造プロセスにより効率よく製造することができる電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電池は、外装缶と、変形可能で長尺の長い電気絶縁フィルム（以下、「絶縁フィルム」と記す）と、絶縁フィルムの一方の面に位置し、正極層、電解質層および負極層を有する、電池パターンとを備える。そして、電解質層は、絶縁フィルムの長手方向に延在し、正極層と負極層とにそれぞれ異なる重なる部分で接触して、正電極層と負極層との間に介在し、絶縁フィルムが、長手方向に捲回されて外装缶に収納されていることを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、電池パターンが予め形成された絶縁フィルムを捲回して外装缶に収納するので、１種類のフィルム原反、すなわち電池パターンが形成された絶縁フィルム原反を捲回すればよく、簡単な製造プロセスにより、効率よく高い生産性で、信頼性の高い渦巻き状の電池を製造することができる。この電池では、電解質層が正極層と負極層との間に介在して、セパレータを用いる必要がないので、その分、電池本体部の容積を小型化することができ、また部品点数を減らす利点も得ることができる。なお、電解質層は、当然、固体電解質層である。
【０００９】
また、上記の絶縁フィルムの長尺方向に延在する、正極層に接続する正側集電層と、負極層に接続する負側集電層とを備え、正側集電層および負側集電層は、長尺方向に延在する電解質層を間にして相手側に向かって櫛状に延びる櫛状部分を有し、正極層と負極層とは、それぞれ同じ極性の集電層の櫛状部分に重なって櫛型構造を形成することができる。この構成によって、正側および負側集電層は、絶縁フィルムの長尺方向に連続して延在するので、充放電に伴う正および負極層の体積膨張等に起因して、集電層との電気接続が途切れることがない。この結果、一層高い信頼性を得ることができる。さらに、上記の櫛型構造によって、正負の電極層が、電解質層を間に介在させて、相互に対向する電極面の密度を高めて、電池の充放電における電流密度を高めることができる。また、櫛型構造により、渦巻き状態で、同じ極性の電極が絶縁フィルムを介して重なって、膨張する箇所が何層も集中して重なる配置を避けることができる。
【００１０】
上記の絶縁フィルムは、電池パターンを内側にして捲回することができる。これによって、正負極層に含まれる活物質に常に圧縮応力を作用させることができ、充放電に伴って生じやすくなる活物質の脱落を防止することができる。
【００１１】
上記の正極層および負極層がそれぞれ、同じ極性の電極層同士、絶縁フィルムを介して重なって多重配置とならないように構成することができる。これにより、電池の充放電に伴って生じる電極層の膨張が同一部分で重ならないようにでき、この結果、外装缶や正負電極層に大きな応力が作用するのを防止することができる。
【００１２】
また、少なくとも正極層および負極層が、屈曲されないように絶縁フィルムが捲回されるようにするのがよい。これにより、屈曲部において正負電極層に含まれるそれぞれの活物質が脱落しやすくなる状態を防止することができる。この結果、より小さい曲げ半径が得られ、電池の高密度化を実現することが可能となる。
【００１３】
参考として挙げる電池の製造方法は、変形可能で長尺の絶縁フィルムの一方の面に、正極層、電解質層および負極層を有する電池パターンを形成する工程と、電池パターンが形成された絶縁フィルムを捲回する工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成により、位置決めのための特別の装置等を必要とせず、簡単化された製造プロセスにより高い生産性で、信頼性の高い渦巻き状の電池を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電池によれば、位置決め等のための特別の装置を用いなくても高い信頼性を確保でき、かつ簡単な製造プロセスにより効率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池本体部１０を説明するための図である。絶縁フィルム１の上には、幅方向の端に相対向するように並行して位置し、絶縁フィルム１の長尺方向に沿って延在する正側集電層２および負側集電層６がある。正側集電層２および負側集電層６は、ともに相手側に向かって櫛歯状に延びる櫛状部分を有する。その櫛状部分に重なって複数個の正極層３が、負側集電層２２に向かって櫛歯状に延びており、また複数個の負極層５も、同様に櫛状部分の負側集電層６に重なって、正側集電層２に向かって櫛歯状に延びている。正極層３の複数の櫛歯と、負極層５の複数の櫛歯とは、交互に入り組んでおり、間に電解質層４を介在させて、対向している。電解質層４は、絶縁フィルム１上に位置する正極層３および絶縁フィルム１を覆っており、また負極層５および負側集電層６は、その電解質層４の上に形成されている。なお、後の実施の形態３〜４に見るように、電極層は櫛歯構造でなくてもよい。
【００１７】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、また図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図２および図３より、電解質層４を挟んで、正極層３および正側集電層２は電解質層４の下側に、また負極層５および負側集電層６は電解質層４の上側に、それぞれ形成されている。このため、正極と負極とが接触して短絡することを、電解質層４の配置によって、より確実に防止することができる。また、正極層３と負極層５とが、電解質層４を挟んで近接して高い面密度で対向することによって、電池反応の効率を向上させることができる。
【００１８】
図２における正負側集電層２，６の幅は、たとえば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、絶縁フィルム１の表面から正極層３の表面までの高さ（正側集電層２と正極層３とを加えた厚み）は、たとえば０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度である。また、電池が用いられる電子機器の仕様に応じて様々であるが、これらを包括して、絶縁フィルム１の幅はたとえば０．５ｃｍ〜２０ｃｍ程度であり、また長尺の長さはたとえば５ｃｍ〜１０ｍ程度である。上記の各部分の寸法範囲は例示であり、上記の寸法範囲より小さくても、また大きくてもよい。
【００１９】
絶縁フィルム１上に形成された電池パターンは、捲回されて渦巻き状の電池本体部１０とされ、図示しない外装缶に収納される。電池パターン側を内側にして絶縁フィルム１を捲回することにより、正負電極層３，５におけるそれぞれの活物質に圧縮応力を作用させることができ、活物質の脱落を防止することができる。また、上記の櫛歯構造の電池パターンでは、捲回につれて渦巻きの半径は大きくなるので、正極層３または負極層５の櫛歯が、絶縁フィルム１を介して常に同じ位置に重なることがない。このため、電池の充放電で同じように膨張する部分が何層も重なり合うことが防止でき、外装缶や電極層に大きな応力が作用することを防止できる。
【００２０】
次に、図１〜図３に示す電池本体部１０の製造方法について説明する。絶縁フィルム１には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ:Polyphenylene  Sulfide)フィルムを用いる。ＰＰＳフィルム１上に、蒸着法により、正側集電層２のアルミニウム(Ａｌ）層を櫛歯状に蒸着し、その櫛歯状のＡｌ層２の上に、正極層３をスクリーン印刷法で櫛歯状に形成する。このスクリーン印刷法では、コバルト酸リチウムを含んだ正極ペーストを用いる。次に、硫化物固体電解質層４を気相プロセスにより、櫛歯状の正極層３およびＰＰＳフィルム１を覆うように形成する。次に、櫛歯状の正極層３の間の範囲の電解質層４上に、櫛歯状にリチウム（Ｌｉ）を蒸着して負極層５とする。その櫛歯状の負極層５の上に、やはり櫛歯状になるように、銅層を蒸着によって形成して、負側集電層６とする。上記の方法により、絶縁フィルム１上に形成された電池パターンを得ることができる。
【００２１】
電池パターンが形成されたＰＰＳフィルム１に張力を加えながら、芯の回りに捲回し、渦巻き状の電池本体部１０を得る。このとき、図１に示すように、電池パターンの側を内側（芯側）になるように巻き取ると、活物質に圧縮応力が加わり、充放電の繰り返しによって膨張することがあっても、正極層２または負極層５から剥離しにくくなる。ＰＰＳフィルム１の巻き端に露出した正負の集電層２，６と、図示しない電極取り出し用のタブとを抵抗溶接により接続し、プレスすることにより、扁平状に捲回された電池パターンを含む絶縁フィルム１の電池部本体１０を作製する。この捲回された電池部本体１０を外装缶に収納することにより、電池を形成する。捲回された巻き姿は、外装缶の形状に合わせて、円柱状または角柱状とすることができる。外装缶には、負側集電層６に接続された電極取り出し用タブが電気的に接続されて、外装缶自身を負極端子として用いるようにするのがよい。
【００２２】
従来の渦巻き型電池では、セパレータを含む電解質フィルムの原反と、正極層フィルムの原反と、負極層フィルムの原反とを一つに巻いて、渦巻き状電池としていた。本発明においては、絶縁フィルム１上に、正極層３、負極層５、セパレータを含まない電解質層４などの電池パターンが形成されており、この電池パターンを含む絶縁フィルム１の原反１つを捲回すればよいので、捲回の製造プロセスは非常に簡単になる。また、上記のように、セパレータを用いる必要がなく、その分、渦巻き状とした電池本体部１０の体積を小型化することができる。
【００２３】
次に、上記の電池本体部１０を形成する部分の材料の一般的な説明を行う。これらの材料は、上記の実施の形態１だけでなく、このあと説明する実施の形態においても共通して適用できる。正極層３は、リチウムイオンの吸蔵および放出を行う活物質を含む層で構成すればよい。とくに酸化物、たとえばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、オリビン型鉄リン酸リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）等を、単体または混合物で用いることができる。これら正極活物質は、平均径１μｍ〜数１０μｍの粉末状で用いるのがよい。導電粉末としては、平均径０．１μｍ〜１μｍのグラファイト粉末が好ましい。結着剤（バインダー）には、ポリフッ化ビニリデンやテフロン（登録商標）を用いる。そのほか、正極層は、硫化物、たとえば硫黄（Ｓ）、硫化リチウム、硫化チタニウム（ＴｉＳ２）等を、単体または混合物で用いることができる。正極層３は、湿式法や乾式法を用いて形成するのがよい。湿式法には、ゾルゲル法、コロイド法、キャスティング法等があり、また乾式法には、気相堆積法である蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等を挙げることができる。湿式法のいずれかの方法を用い、パターニングにはスクリーン印刷法を用いるとき、上記の正極粉末、導電粉末、バインダー等をＮ−メチル−２ピロリドン等の溶媒に分散し、所定のパターンに塗布した後、１５０℃程度に加熱して乾燥する。これにより多孔質の正極層３が形成される。
【００２４】
負極層５も、正極層３と同様に、リチウムイオンの吸蔵および放出を行う活物質を含む層で構成する。たとえば負極層５として、Ｌｉ金属およびＬｉと合金を形成することができる金属等を、単体または混合物で形成するのがよい。Ｌｉと合金を形成できる金属（合金化金属）としては、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）等の単体または混合物を挙げることができる。上記のような元素を含む負極層５は、負極層５自体に集電体としての機能を持つことができ、かつリチウムイオンの吸蔵・放出能力が高く、好ましい。とくにシリコン（Ｓｉ）はリチウムを吸蔵・放出する能力がグラファイト（黒鉛）よりも大きいためエネルギー密度を高くすることができる。
【００２５】
また、負極層にＬｉ金属との合金相を用いることで、Ｌｉ金属と合金化した負極層５と、Ｌｉイオンの電解質層４との界面におけるＬｉイオンの移動抵抗が抑制される効果を得ることができ、第１サイクル目の充電初期における合金化金属の高抵抗化が緩和される。さらに、合金化金属の金属単体を負極層とした場合には、第１サイクル目の充放電サイクルにおいて、充電容量に対して放電容量が大幅に小さくなる問題があるが、予めＬｉ金属と合金化金属とを合金化したものを負極層５に用いることにより、上記の不可逆容量はほとんどなくなる。これより、正極活物質を不可逆容量分だけ余分に装備する必要がなくなり、薄膜電池の容量密度を向上させることができる。負極層５には集電層を設けずに、負極層（負極活物質）自体に集電層の機能を持たせることもでき、負極層の集電層を省略することができて好ましい。
【００２６】
電解質層４はＬｉイオン導電体であり、電解質層４のＬｉイオン伝導度（２０℃）が１０−５Ｓ／ｃｍ以上あり、かつＬｉイオン輸率が０．９９９以上であることが望ましい。とくにＬｉイオン伝導度が１０−４Ｓ／ｃｍ以上あり、かつＬｉイオン輸率が０．９９９９以上であればより好ましい。電解質層４の材料は硫化物系がよく、Ｌｉ、Ｐ、Ｓを含む固体電解質層が好ましく、さらに酸素を含有していてもよい。
【００２７】
負極層５および電解質層４は、気相堆積法で形成されるのがよい。気相堆積法としては、ＰＶＤ（物理的気相合成法：Physical  Vapor  Deposition）、ＣＶＤ（化学気相合成法：Chemical  Vapor  Deposition)を挙げることができる。具体的には、ＰＶＤ法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法を、またＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法を挙げることができる。
【００２８】
正側集電層２には金属箔を用いることもできる。このほか、正側集電層２の具体例としては、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、これらの合金、ステンレス等を挙げることができる。また、負側集電層６には、たとえば銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）の単体またはこれら合金を用いるのがよい。上記の金属は、リチウム（Ｌｉ）と金属間化合物を形成しないため、リチウムとの金属間化合物による不具合、具体的には、充放電による膨張・収縮によって、負極層が構造破壊を起こし、集電性能が低下したり、負極層の接合性が低下して負極層が集電層から脱落し易くなるという不具合を防止できる。上記の正側集電層２および負側集電層６は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法で形成することができる。とくに所定のパターンに集電層を形成する場合、適宜なマスクを用いることで、容易に所定のパターンのマスクを形成することができる。
【００２９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における電池本体部１０を説明する図である。この電池本体部１０では、電気絶縁性のＰＰＳフィルム１の上に、正側集電層２と負側集電層６とが、櫛歯状に複数の櫛歯を相手側の集電層に延ばしており、その上に重ねて、極性を同じくする電極層３，５が、櫛型構造を形成している。これら、正側集電層２および正極層３と、負側集電層６および負極層５との間のスペースを充填するように、電解質層４が、ＰＰＳフィルム１と、上記の集電層２，６および正負極層３，５とを被覆している。
【００３０】
図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図であり、また図６は図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。図５および図６に示すように、正極層３および負極層５は、ともに電解質層４の下面側に位置しており、正負極間のスペースを充填する電解質層４が、正負極間の短絡を防止している。この点が、実施の形態１の電池本体部と相違するだけで、その他の構成は同じである。この構成の相違によれば、電池パターンの形成が、実施の形態１よりも簡単化される。ただし、正負極間の短絡防止のために、正負極間のスペースを電解質層４によって、確実に充填しなければならない。
【００３１】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における電池本体部１０を示す図である。また、図８は、図７のＩＩＩＶ−ＩＩＩＶ線に沿う断面図である。この電池本体部１０の電池パターンは、櫛型構造ではなく、図８に示すように、絶縁フィルム１の長尺方向に並行して延在する正極層３および負極層５によって形成される。絶縁フィルム１、正負極層３，５および正負側集電僧２，６を形成する材料は、実施の形態１で説明した材料と同じであり、製造方法も負極層５と負側集電層６の形成時期の前後が逆転するが、その他は同じである。
【００３２】
図８によれば、正負極層３，５は、電解質層４を挟んで、近接して相対向しているので、電池反応に関与する電極の面密度を大きくとることができる。また、電池パターンを内側にして、絶縁フィルム１を捲回することによって、正負活物質に圧縮応力を作用することができ、上記活物質の脱落を効果的に防止することができる。また、電池パターンが、櫛型構造と異なり簡単であるので、電池パターンの形成も容易である。
【００３３】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における電池本体部１０を説明する図である、また、図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。本実施の形態では、絶縁フィルム１の、幅中央に負極層５および負側集電層６を配置して、長尺方向に延在させ、また幅の両端に正極層３および正側集電層２を配置して、やはり長尺方向に延在させている。正極層３と、負極層との間のスペースを、電解質層４が充填している。
【００３４】
図１０によれば、電池パターンを内側にして、絶縁フィルム１を捲回することによって、正負活物質に圧縮応力を作用することができ、上記活物質の脱落を効果的に防止することができる。また、電池パターンが、櫛型構造と異なり簡単であるので、電池パターンの形成も容易である。また、正極層３、正側集電層２、負極層５および負側集電層６は、すべて電解質層４に被覆されており、露出する部分がない。このため、短絡等が確実に防止される。
【００３５】
しかし、捲回した渦巻き状態において、絶縁フィルム１を介して同じ電極層が重なって配置されるため、同じように膨張する部分が幾重にも重ねられることになるので、この点について配慮が必要である。
【００３６】
図１１は、本実施の形態における電池パターンの変形例を示す図である。この電池パターンによれば、正極層３と負極層５とは、電解質層４の逆の側に位置するので、短絡等は、負極層５や負側集電層６が露出していても、確実に防止される。
【００３７】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の電池によれば、簡単な製造工程により信頼性の高い携帯機器用の電池を生産性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１における電池本体部を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２における電池本体部を示す図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３における電池本体部を示す図である。
【図８】図７のＩＩＩＶ−ＩＩＩＶ線に沿う断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４における電池本体部を示す図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１１】実施の形態４の電池パターンの変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  絶縁フィルム（ＰＰＳフィルム）、２  正側集電層、３  正極層、４  電解質層、５  負極層、６  負側集電層、１０  電池本体部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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