(57)【要約】【課題】複雑で高価な製造設備等を用いることなく、複数の電極部及びセパレータを精度高く位置決めして積層できる積層型電池を提供する。【解決手段】膜状集電体５に負極層６が積層されて構成される負極側電極積層体２ａ，２ｂと、膜状集電体８に正極層９が積層されて構成される正極側電極積層体３ａと、少なくとも２つ折りに折り畳まれて、上記電極積層体を挟み込むセパレータ４と、上記セパレータを含んで上記電極積層体間に設けられる電解質層１１とを備え、上記セパレータを介して、複数の負極側電極積層体と複数の正極側電極積層体とを位置決め積層して積層型電池が構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜状集電体に負極層が積層されて構成される負極側電極積層体と、
膜状集電体に正極層が積層されて構成される正極側電極積層体と、
少なくとも２つ折りに折り畳まれて、上記電極積層体を挟み込むセパレータと、
上記セパレータを含んで上記電極積層体間に設けられる電解質層とを備え、
上記セパレータを介して、複数の上記負極側電極積層体と複数の上記正極側電極積層体とを位置決め積層して構成された、積層型電池。
【請求項２】
上記セパレータは、長尺部材をつづら折り状に折り畳んで構成されているとともに、
上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体とが、折り畳まれた上記セパレータ間に交互に挟み込まれて構成される、請求項１に記載の積層型電池。
【請求項３】
各電極積層体は、上記セパレータの折り目に沿って位置決めされて積層されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の積層型電池。
【請求項４】
上記セパレータを上記電極積層体の積層面より大きく設定するとともに、
上記負極側膜状集電体及び上記正極側膜状集電体に、上記セパレータの縁部から延出する集電耳部を設けた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の積層型電池。
【請求項５】
折り畳まれた上記セパータの上記折り目と直交する少なくとも一方の側縁部の一部又は全部が綴じ込まれている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の積層型電池。
【請求項６】
上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体の形態寸法が異なるとともに、
上記セパレータは、上記各電極積層体の形態寸法に対応した折り目を備え、
各電極積層体がセパレータの上記折り目内縁部に沿って所定位置に位置決めされて積層されている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の積層型電池。
【請求項７】
上記負極側電極積層体における負極層の積層パターンと、上記正極側電極積層体における正極層の積層パターンとを異なるように設定することにより、上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体の平面形態寸法を同一に設定した、請求項１から請求項５のいずれかに記載の積層型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、製造が容易であるとともに、高電気容量の積層型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノート型パソコンや携帯電話等の携帯用電子機器の発達にともない、長時間使用できるとともに、小型軽量で電気容量の大きな電池が要求されている。たとえば、リチウム二次電池は、円筒状やフィルム状の薄型電池が開発されており、それぞれの電子機器に対応した形態のものが採用される。
【０００３】
上記リチウム二次電池においては、たとえば、黒鉛等のリチウムイオンを吸蔵及び放出しうる物質を活物質とする負極側電極部と、リチウムを含む遷移金属酸化物等を活物質とする正極側電極部と、これら電極部間に介在させられる非水性の有機電解液とを備えて構成される。各電極部は、上記活物質を、金属薄膜等の集電体に積層保持して構成されている。また、上記負極側電極部と上記正極側電極部との間に、上記電解液を含浸できるセパレータが設けられている。上記セパレータは、電気絶縁性があるとともに、イオンを通過できる材料で構成されている。
【０００４】
従来、電気容量を増大させるために、長尺状でフレキシブル性のある電極材料及びセパレータを採用するとともに、これらを積層したものを巻き回して円筒型の電池が構成されることが多い。一方、電子機器によっては、上記円筒型の電池を採用することが困難な場合がある。このため、矩形状の電極を積層した角型の電池も提供されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２３１７９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記公報に記載されているような角型の積層型電池においては、円筒型の電池と異なり、矩形薄膜状の電極部材を積み上げ、これらの間に電解質層を設けた構成が採用される。このため、隣接して積層される負極側電極部材と正極側電極部材及びセパレータの位置決めを精度高く行わないと、上記電極間が短絡する恐れが高い。特に、セパレータの積層位置が電極部材の積層位置からずれると、隣接して積層される電極部材が接触して短絡することになる。
【０００７】
上記矩形薄膜状の電極部材及びセパレータを精度高く位置決めして多数積層するには、複雑で高価な製造設備を採用する必要がある。
【０００８】
また、矩形状の電極を積層して電池を構成する場合、各電極部材の縁部における短絡を防止するため、各電極部材より一回り大きな積層面を有するセパレータを採用するのが好ましい。しかしながら、電極部材と異なる大きさのセパレータを所定位置に位置決めして積層するのは困難である。
【０００９】
さらに、正負極の電極容量等の相違を調整したり、安全性を確保するため、負極側電極部と正極側電極部の形態寸法が相違する場合も多い。形態寸法の異なる電極部やセパレータを精度高く位置決めして積層するのはさらに困難である。
【００１０】
本願発明は、上記問題を解決し、複雑で高価な製造設備等を用いることなく、複数の電極部及びセパレータを精度高く位置決めして積層できる積層型電池を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の請求項１に記載した発明は、膜状集電体に負極層が積層されて構成される負極側電極積層体と、膜状集電体に正極層が積層されて構成される正極側電極積層体と、少なくとも２つ折りに折り畳まれて、上記電極積層体を挟み込むセパレータと、上記セパレータを含んで上記電極積層体間に設けられる電解質層とを備え、上記セパレータを介して、複数の上記負極側電極積層体と複数の上記正極側電極積層体とが交互に積層されて構成される積層型電池に係るものである。
【００１２】
上記セパレータは、少なくとも二つ折り状のものを採用することができる。また、請求項２に記載した発明のように、長尺部材をつづら折り状に折り畳んで構成することもできる。
【００１３】
２つ折り状のものを採用する場合には、上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体の一方を上記セパレータに挟み込んで一体化し、このセパレータで挟み込んだ電極積層体と、他方の電極積層体とを交互に積層することにより、複数の負極側電極積層体と複数の正極側電極積層体とを上記セパレータを介して交互に積層した積層型電池を構成できる。上記セパレータはあらかじめ二つ折りに形成されており、その間に電極積層体を挟み込むことにより、以降の工程において上記電極積層体と上記セパレータとを一体化して取り扱うことが可能となり、製造工程における取扱性を向上させることができる。
【００１４】
一方、請求項２に記載した発明のように、上記セパレータを、長尺部材をつづら折り状に折り畳んで構成する場合、上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体とが、折り畳まれた上記セパレータ間に交互に挟み込んで積層型電池が構成される。
【００１５】
上記構成を採用することにより、複数の矩形状セパレータを各電極積層体間に挟み込むことなく積層型電池を構成できる。したがって、部品点数を削減できるばかりでなく、積層作業を容易に行うことができる。
【００１６】
本願発明では、請求項３に記載した発明のように、各電極積層体を、上記セパレータの折り目に沿って位置決めして積層することができる。
【００１７】
すなわち、セパレータの折り目内縁に沿わせて上記電極積層体を挟み込むことにより、これら部材の一辺を位置決めして積層することができる。上記構成を採用することにより、複数の電極積層体の一辺を所定位置に位置決めして容易に積層することができる。
【００１８】
特に、つづら折り状に折り畳まれたセパレータを採用すると、多数の負極側電極積層体と正極側電極積層体とを、一枚の部材から折り畳み形成された上記セパレータに交互に挟み込むだけで位置決めして積層することができるため、製造作業を容易に行うこともできる。
【００１９】
本願発明は、セパレータを有する種々の積層型電池に適用できる。たとえば、二次電池のみならず、一次電池に適用することができる。また、導電体、負極側活物質及び正極側活物質も電池の種類に応じて種々のものを採用できる。
【００２０】
上記セパレータは、折り畳むことができれば種々の材料を採用することができる。たとえば、４フッ化エチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂等の熱可塑性樹脂から形成された多孔質体あるいは不織布を採用することができる。
【００２１】
請求項４に記載した発明は、上記セパレータを上記電極積層体の積層面より大きく設定するとともに、上記負極側膜状集電体及び上記正極側膜状集電体に、上記セパレータの縁部から延出する集電耳部を設けたものである。
【００２２】
上記セパレータを上記電極積層体の積層面より大きく設定することにより、上記セパレータの縁部が各電極積層体の縁部から延出した状態で積層される。各集電体に、上記セパレータの縁部からさらに延出する耳部を設けることにより、上記集電耳部を隣接して積層される他方の電極積層体の縁部から確実に絶縁した状態で引き出すことが可能となる。したがって、集電耳部と電極積層体との短絡を防止することもできる。
【００２３】
請求項５に記載した発明は、折り畳まれた上記セパレータの上記折り目と直交する少なくとも一方の側縁部の一部又は全部を綴じ込んだものである。
【００２４】
折り畳まれたセパレータの折り目と直交する一方の縁部を綴じ込むことにより、電極積層体の２辺を位置決めすることが可能となる。したがって、多数の電極積層体を精度高く積層することも可能となる。また、隣接して配置される正極層と負極層の短絡を防止することもできる。特に、上記集電耳部を設けた側と反対側を綴じ込むことにより、大きな短絡防止効果を期待できるとともに、その部分のセパレータを大きく設定する必要がなくなるため、その分寸法を小さく設定することも可能となる。
【００２５】
上記綴じ込む手法は特に限定されることはない。たとえば、クリップ状の形態を有する綴じ込み手段を採用してもよいし、縫着してもよい。さらに、セパレータとして熱可塑性の樹脂材料を採用した場合、超音波やヒートシールを用いて熱接合することもできる。また、セパレータに電極積層体を挟み込んだ後に縁部を綴じ込むこともできる。
【００２６】
請求項６に記載した発明は、上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体の形態寸法が異なるとともに、上記セパレータは、上記各電極積層体の形態寸法に対応した折り目を備え、各電極積層体がセパレータの上記折り目内縁部に沿って所定位置に位置決めされて積層されているものである。
【００２７】
たとえば、負極側電極積層体の電池容量と、正極側電極積層体の電池容量を調整するため、上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体の形態寸法を異ならせる場合がある。また、リチウム二次電池では、安全性を確保するため、正極側の積層面積を負極側の積層面積に比べて小さくする場合も多い。このような場合、形態寸法の異なる電極積層体を位置決めして積層しなければならず、非常に面倒な作業が要求される。
【００２８】
請求項６に記載した発明では、負極側電極積層体の積層面と、正極側電極積層体の積層面に対応して積層できるように、セパレータに異なる間隔で折り目が設定されて折り畳まれる。したがって、上記折り目に沿って、各電極積層体を位置決めして積層することにより、形態寸法の異なる電極積層体を所定位置に容易に位置決めして積層することが可能となる。
【００２９】
本願の請求項７に記載した発明は、上記負極側電極積層体における負極層の積層パターンと、上記正極側電極積層体における正極層の積層パターンとを異なるように設定することにより、上記負極側電極積層体と上記正極側電極積層体の平面形態寸法を同一に設定したものである。
【００３０】
多数の電極積層体を精度高く積層する場合には、各電極積層体の形態寸法を同一に設定するのが望ましい。一方、同一の形態寸法の膜状集電体の全面に活物質を積層した場合、負極側と正極側の電池容量に相違が生じる。また、リチウム二次電池等においては、安全性確保のため、正極側の積層面積を負極側積層面積に対して小さく設定するのが好ましい。したがって、従来の構成では、異なる形態寸法の電極積層体を位置決めして積層する必要が生じる。
【００３１】
請求項７に記載した発明は、負極層と正極層の積層パターンを異ならせることにより、負極側電極積層体と正極側電極積層体の形態寸法を同一に設定したものである。
【００３２】
上記積層パターンとして種々の形態を採用できる。たとえば、同一形態寸法の集電体の表面に格子状に活物質を積層することにより、集電体全面に積層した場合に比して積層面積を小さく設定し、反応に関与する活物質の面積を減少させることができる。また、活物質を所定の密度のドットパターンで積層することにより、所望の電池容量を有する電極積層体を得ることができる。したがって、負極側と正極側の活物質の積層パターンを調整することにより、同一形態寸法の負極側電極積層体と正極側電極積層体とを形成することができる。
【００３３】
同一形態寸法の電極積層体を本願発明に係るセパレータを介して積層することにより、多数の電極積層体を精度高く積層して、大容量の電池を構成することができる。
【発明の効果】
【００３４】
複数の電極積層体を、セパレータを介して精度高く積層した、大容量の積層型電池を構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本願発明の実施形態を具体的に説明する。なお、本実施形態は、本願発明を積層型リチウム二次電池に適用したものである。
【００３６】
図１は、第１の実施形態に係る積層型電池１の電極積層体及びセパレータの積層形態の概要を示す斜視図である。また、図２は、積層型電池１の断面図である。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態に係る積層型電池１は、矩形状の膜状集電体５に負極層６が積層されて構成される負極側電極積層体２ａ，２ｂと、膜状集電体８に正極層９が積層されて構成される正極側電極積層体３ａ，３ａと、つづら折り状に折り畳まれるとともに、上記電極積層体２ａ，３ａ，３ａが交互に挟み込まれるセパレータ４とを備えて構成される。
【００３８】
上記集電体５，８として、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス箔等、導電性の材料から形成された膜状導電体を採用することができる。本実施形態では、負極側集電体５としてアルミ箔を採用する一方、上記正極側導電体８として銅箔を採用している。上記負極側集電体５及び正極側集電体８には、縁部から延出する集電耳部７、１０がそれぞれ延出形成されている。
【００３９】
上記正極層９は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成されている。たとえば、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２ ）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣＯＯ２ ）等の活物質を単体又は混合物で用いることができる。また、硫化物、たとえば、硫化鉄（ＦｅＳ２ ）等を単体又は混合物で用いることができる。導電粉末として、カーボン粒子を採用するとともに、結着剤としてポリフッ化ビニリデンやテフロン（米国デュポン社の登録商標）等を用いることができる。上記正極層３ａは、ゾルゲル法、コロイド等の湿式法や、蒸着法、スパッタリング法等の乾式法を用いて形成することができる。
【００４０】
上記負極層６は、上記正極活物質と同様に、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成される。負極層６は、Ｌｉ金属及びＬｉ金属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好ましい。たとえば、リチウム単体（Ｌｉ）、リチウム（Ｌｉ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、リチウム（Ｌｉ）−マンガン（Ｍｎ）−アルミニウム（Ａｌ）合金等を採用できる。また、シリコン単体（Ｓｉ）、シリコン（Ｓｉ）−ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）−コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）−鉄（Ｆｅ）等の合金や、カーボンを採用することができる。
【００４１】
上記セパレータ４は、電気絶縁性があるとともに、イオンを通過できる材料で構成されている。上記セパレータは、折り畳むことができれば種々の材料を採用することができる。たとえば、４フッ化エチレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂等の熱可塑性樹脂から形成された多孔質体あるいは不織布を採用することができる。
【００４２】
上記セパレータ４は、上記電極積層体２ａ，２ｂ，３ａの形態寸法に対応した大きさに、つづら折り状に折り畳まれており、その間に、上記負極側電極積層体２ａと正極側電極積層体３ａ，３ａとが交互に挟み込まれている。
【００４３】
図２及び図３に、上記積層形態を備える電池の断面図を示す。
【００４４】
積層型電池１は、正極側集電体８の両側に正極層９，９を積層形成して構成される２枚の正極側電極積層体３ａ，３ａと、負極側集電体５の両側に負極層６，６が形成された１枚の負極側電極積層体２ａ及び負極側集電体５の片側に負極層６が形成された２枚の負極側電極積層体２ｂ，２ｂとを備えて構成される。上記正極側電極積層体３ａ，３ａ及び上記負極側電極積層体２ａは、つづら折り状に折り畳まれた上記セパレータ４の間に交互に挟み込まれているとともに、上記セパレータ４を介して上記負極側電極積層体２ｂ，２ｂが両側に積層されている。そして、上記積層体の全体が包装材１２に収容されるとともに、電解質１１ａを隙間に充填した状態で封止されている。対向する電極積層体間には、上記セパレータ４を含む電解質層１１が形成されている。
【００４５】
上記電解質１１ａとして、たとえば、可塑剤にリチウム塩を溶解して構成される液状の電解質を採用することができる。また、マトリックスにイオン導電性を備えるポリマーを採用したゲル状の電解質を採用できる。
【００４６】
図１及び図２に示すように、本実施形態では、セパレータ４の中間部に挟み込まれる電極積層体２ａ，３ａ，３ａが上記セパレータの折り目４ａに沿うように位置決めされて交互に積層されている。したがって、これら電極積層体を極めて容易に位置決めして積層することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、図２及び図３に示すように、上記セパレータ４の積層面を上記電極積層体より若干大きく設定して、上記電極積層体の縁部よりはみ出すように構成している。これにより、隣接して積層される電極積層体が接触して短絡するのを防止することができる。
【００４８】
さらに、図３から明らかなように、上記電極積層体３ａの縁部から延出する集電耳部８，８が、上記セパレータ４の延出部分によって隣接する電極積層体２ａ，２ｂの縁部から確実に絶縁されている。これにより、上記集電耳部８と隣接する電極積層体２ａ，２ｂとの短絡を防止することができる。
【００４９】
上記構成を採用することにより、複数の電極積層体及びセパレータを積層して構成される積層型電池を、複雑で高価な装置も用いることなく製造することが可能となる。また、各電極積層体及び集電耳部の絶縁を確実に行うことができる。
【００５０】
図４に本願発明の第２の実施形態を示す。
【００５１】
この実施形態は、外形寸法の異なる正極側電極積層体２３ａ，２３ａと、負極側電極積層体２２ａ，２２ｂとを、つづら折り状に折り畳まれたセパレータ２４によって位置決め積層した状態を示すものである。本実施形態では、安全性を確保するため、正極側電極積層体２３ａの寸法を、負極側電極積層体２２ａ，２２ｂより小さく設定している。
【００５２】
図４に示すように、上記セパレータ２４は、上記正極側電極積層体２３ａ，２３ａが、負極側電極積層体２２ａ、２２ｂの中央位置に積層されるように折り目２４ａが設定されている。上記構成によって、形態寸法の異なる電極積層体を所定位置に位置決めして積層することが可能となる。また、寸法の異なるセパレータを位置決めして積層する必要もないため、製造工程を容易化することもできる。
【００５３】
図５及び図６に、本願発明の第３の実施形態を示す。
【００５４】
この図に示す積層型電池は、正極側電極積層体３３ａ，３３ａの正極層９を格子状に切り欠いた形態に形成して正極層９の面積を減じることにより、正極側電極積層体３３ａ，３３ａと、負極側電極積層体３２ａ，３２ｂの形態寸法を同一に設定したものである。
【００５５】
上記構成を採用することにより、同一間隔の折り目で折り畳まれたセパレータ間に同一の形態寸法を備える電極積層体を挟み込んで位置決め積層することが可能となる。これにより、多数の電極積層体を精度高く積層して大容量の積層型電池を構成することができる。
【００５６】
図７に、本願発明に係るセパレータの他の実施形態を示す。
【００５７】
この図に示すセパレータ４４は、第１の実施形態と同様につづら折り状に折り畳まれたセパータの折り目４４ａと直交する一方の側縁部４６を綴じ込んだものである。この実施形態では、セパレータの上記縁部４６を超音波によって溶着させることにより、綴じ込んでいる。
【００５８】
折り目４４ａと直交する縁部を綴じ込むことにより、上記セパレータに挟み込まれる電極積層体の２辺を位置決めして積層することが可能となる。これにより、上記電極積層体をより精度高く位置決めして積層することが可能となり、多数の電極積層体を積層して大容量の電池を構成することも可能となる。また、隣接して配置される正極層と負極層の短絡を防止することもできる。特に、上記集電耳部を設けた側と反対側を綴じ込むことにより、大きな短絡防止効果を期待できるとともに、その部分のセパレータを大きく設定する必要がなくなるため、その分寸法を小さく設定することも可能となる。
【００５９】
なお、上記実施形態では、つづら折り状に折り畳んだセパレータの縁部を綴じ込んだが、二つ折り状に折り畳んだセパレータの縁部を綴じ込むこともできる。また、上記綴じ込む手法も特に限定されることはなく、縫着等他の手法を採用することもできる。
【００６０】
さらに、電極積層体を積層する前にセパレータの縁部を綴じ込むことができるし、電極積層体を積層した後に綴じ込むこともできる。
【００６１】
本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上記説明した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６２】
上述の各実施形態においては、つづら折り状に折り畳んだセパレータを採用したが、二つ折り状に折り畳んだセパレータを採用することができる。また、５枚の電極積層体を積層して電池を構成したが、電極積層体の数は限定されることはない。さらに、上記実施形態は、リチウムイオン二次電池に本願発明を適用したが、セパレータが正極と負極の間に介挿される積層型の種々の電池に本願発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本願発明によって、複数の電極部及びセパレータを積層して構成される大容量の積層型電池を、複雑で高価な製造設備等を用いることなく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本願発明に係る積層型電池の電極積層体とセパレータの積層形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す積層形態を作用した積層型電池の第１の実施形態に係る断面図である。
【図３】図２における III−III 線に沿う断面図である。
【図４】第２の実施形態を示す図であり、図２に相当する断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る電極積層体の平面図である。
【図６】図５に示す電極積層体を用いて構成される積層型電池の図２に相当する断面図である。
【図７】セパレータの他の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  積層型電池
２ａ  負極側電極積層体
２ｂ  負極側電極積層体
３ａ  正極側電極積層体
５  膜状集電体
６  負極層
８  膜状集電体
９  正極層
４  セパレータ
１１  電解質層
【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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