(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池内方に正極活物質層が形成された正極集電体と、電池内方に負極活物質層が形成され負極集電体とが、セパレータを介して対向するように配置される構造の発電要素を有し、この発電要素が、上記正極集電体と電気的に接続される板状の正極側金属外装体と、上記負極集電体と電気的に接続される板状の負極側金属外装体とによって挟まれ、且つ上記両外装体の周縁には枠状のシール部材が配置されて電池が封口される薄型電池において、
上記正極集電体と上記正極側金属外装体とが一部で溶接され、
且つ上記負極集電体と上記負極側金属外装体とが一部で溶接され、
上記正極集電体と上記正極側金属外装体とが溶接される部位と、上記負極集電体と上記負極側金属外装体とが溶接される部位とが、非対向位置に配置されている、
ことを特徴とする薄型電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池内方に正極活物質層が形成された正極集電体と、電池内方に負極活物質層が形成され負極集電体とが、セパレータを介して対向するように配置される構造の発電要素を有し、この発電要素が、上記正極集電体と電気的に接続される板状の正極側金属外装体と、上記負極集電体と電気的に接続される板状の負極側金属外装体とによって挟まれ、且つ上記両外装体の周縁には枠状のシール部材が配置されて電池が封口される薄型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器等の小型化に伴って、電池の小型化が望まれるようになってきている。この電池の小型化を達成するために、従来、図１２及び図１３に示すように、正負極３・６及びセパレータ７等から成る発電要素８を金属製の正極外装体９及び負極外装体１０とで挟み、これら両外装体９・１０の周縁に枠状のシール部材１１を配置して封口するような電池が提案されている。
【０００３】
しかしながら、上記従来の電池では、正極外装体９と正極集電体１及び負極外装体１０と負極集電体４とは、単に接触することにより電気的に接続する構造であるため、電池を長期間保存する等によって電池の膨れが生じた場合には、いずれか一方が非接触状態となって、集電することができなくなるといった不都合を生じることがある。
【０００４】
このようなことを考慮して、特開平５−３２５９２３号公報に示すように（図１６及び図１７参照）、両集電体の一部（以後、この部位をリードと称する）２０・２１を電池外に延出し、これによって集電するというような方法が提案されている。
しかし、上記方法では、リード２０・２１を延出する部位でのシール性が低下するため、電池内部に存在する電解液が電池外にリークしたり、電池外から空気中の水分や酸素が進入し、この結果、保存特性等の電池特性の低下を招来する。
【０００５】
そこで、図１８及び図１９に示すように、リード２０・２１を延出する部位或いはシール部全体を、別のヒートシール性プラスチックフィルム２３・２４で覆うような構造の電池が提案されている。
このような電池であれば、シール性をある程度向上させることができるというものの、別のヒートシール性プラスチックフィルム２３・２４の分だけ電池の厚みが増加すると共に電池重量も増大するため、体積エネルギー密度や重量エネルギー密度の低下を招来するという新たな課題が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、体積エネルギー密度や重量エネルギー密度の低下或いは保存特性等の電池特性の低下といった不都合を回避しつつ、集電効率を向上させることができる薄型電池の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電池内方に正極活物質層が形成された正極集電体と、電池内方に負極活物質層が形成され負極集電体とが、セパレータを介して対向するように配置される構造の発電要素を有し、この発電要素が、上記正極集電体と電気的に接続される板状の正極側金属外装体と、上記負極集電体と電気的に接続される板状の負極側金属外装体とによって挟まれ、且つ上記両外装体の周縁には枠状のシール部材が配置されて電池が封口される薄型電池において、上記正極集電体と上記正極側金属外装体とが一部で溶接され、且つ上記負極集電体と上記負極側金属外装体とが一部で溶接され、上記正極集電体と上記正極側金属外装体とが溶接される部位と、上記負極集電体と上記負極側金属外装体とが溶接される部位とが、非対向位置に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成では、正極集電体と正極側金属外装体とが一部で溶接され、且つ負極集電体と負極側金属外装体とが一部で溶接されているが、この構成であると、電池を長期間保存する等によって電池の膨れが生じた場合であっても、正極集電体と正極側金属外装体、及び負極集電体と負極側金属外装体とが剥がれるのを抑制することができるので、集電効率の低下が抑制される。
【０００９】
また、電池外にリードを延出するような構造ではないので、電池のシール性が低下するのを防止でき、この結果、電解液のリーク或いは空気中の水分等の進入に起因する保存特性等の電池特性の低下を抑制することができる。
加えて、別のヒートシール性プラスチックフィルム等を必要としないので、電池の厚み増や電池重量の増大に起因する体積エネルギー密度や重量エネルギー密度の低下を防止できる。
【００１０】
また、上記構成においては、上記正極集電体と上記正極側金属外装体とが溶接される部位と、上記負極集電体と上記負極側金属外装体とが溶接される部位とが、非対向位置に配置されているが、このような構造であれば、正極集電体と正極側金属外装体、及び負極集電体と負極側金属外装体とが剥がれるのを一層抑制することができる。これは、以下に示す理由による。
【００１１】
即ち、正極集電体と正極側金属外装体とが溶接される部位と、負極集電体と負極側金属外装体とが溶接される部位とが対向位置にあれば、電池が膨らんだ場合に、正極活物質層とセパレータ（ポリマー電解質）或いは負極活物質層とセパレータ（ポリマー電解質）との間に大きな張力が加わることがあるため、これらの間に剥離が生じるおそれがある。これに対して、両溶接部位が非対向位置にあれば、電池が膨らんだ場合には、発電要素が傾くことにより、正極活物質層とセパレータ（ポリマー電解質）との間に大きな張力が加わるのを防止できるので、上記部位で剥離が生じるのを抑制することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図１１に基づいて、以下に説明する。
図１は本発明の薄型電池の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は本発明の薄型電池に用いる正極の平面図、図４は図３のＢ−Ｂ線矢視断面図、図５は本発明の薄型電池に用いる負極の平面図、図６は図５のＣ−Ｃ線矢視断面図、図７は本発明の薄型電池に用いる発電要素の平面図、図８は図７のＤ−Ｄ線矢視断面図、図９は負極活物質とセパレータとの剥がれ状態を示す断面図、図１０は発電要素が傾いた状態を示す断面図、図１１は他の実施の形態を示す平面図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、本発明の薄型電池は、正極３と負極６とこれら両電極３・６を離間するセパレータ７とから成る発電要素８を有している。上記正極３は、アルミニウム箔から成る正極集電体１と、この正極集電体１の一方の面に形成されると共にＬｉＭｎＯ2 を主体とする正極活物質層２とから成る一方、上記負極６は、銅箔から成る負極集電体４と、この負極集電体４の一方の面に形成されると共にＬｉ4 Ｔｉ5 Ｏ12を主体とする負極活物質層５とから成る。尚、上記正極３の大きさは、図３に示すように、幅Ｌ1 ＝１０ｍｍ、長さＬ2 ＝１２ｍｍとなるように構成され、上記負極６の大きさは、図５に示すように、幅Ｌ3 ＝８ｍｍ、長さＬ4 ＝１０ｍｍとなるように構成される。更に、上記セパレータ７の大きさは、図７に示すように、幅Ｌ5 ＝１３ｍｍ、長さＬ6 ＝１５ｍｍとなるように構成される。
【００１４】
上記正極集電体１の一部には、図３及び図４に示すように、正極活物質層２が剥離された正極活物質層剥離部１ａが形成される一方、上記負極集電体４の一部には、図５及び図６に示すように、負極活物質層５が剥離された負極活物質層剥離部４ａが形成されている。上記正極活物質層剥離部１ａと上記負極活物質層剥離部４ａとは、図７及び図８に示すように、それぞれ発電要素８における対角線上の一方の端部に各々配置される（即ち、剥離部１ａ・４ａ同士が最も離れる位置に配置される）。また、上記正極活物質層剥離部１ａは正極集電体１の背面（外方）に配置されると共にアルミニウム箔から成る正極側金属外装体９と溶接される一方、上記負極活物質層剥離部４ａは負極集電体４の背面（外方）に配置されると共にアルミニウム箔から成る負極側金属外装体１０と溶接されており、これによって電池内部で生じた化学エネルギーを電気エネルギーとして外部へ取り出し得るようになっている。上記正極側金属外装体９と上記負極側金属外装体１０の外周には枠状のヒートシール性プラスチックフィルムから成るシール部材１１が配置されており、これにより発電要素８が収納空間１２内に収納される。また、収納空間１２には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とが体積比で３：７の割合で混合された混合溶媒にトリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム〔ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 〕が０．５ｍｏｌ／ｄｍ3 の割合で溶解された電解液が注入されている。
【００１５】
尚、上記正極側金属外装体９の大きさは、図１及び図２に示すように、幅Ｌ7 ＝１６ｍｍ、長さＬ8 ＝２０ｍｍ、厚みＬ9 ＝５０μｍとなるように構成され、また上記負極側金属外装体１０も正極側金属外装体９と同様の大きさとなるように構成される。
【００１６】
ここで、上記構造の電池を、以下のようにして作製した。
（電解液の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比で３：７の割合で混合した混合溶媒にトリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム〔ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 〕が０．５ｍｏｌ／ｄｍ3 の割合で溶解させて電解液を調製した。
【００１７】
（正極の作製）
先ず、正極活物質としてのＬｉＭｎＯ2 を９０重量％に、導電剤としてのケッチェンブラックを３重量％と、人造黒鉛を３重量％と、結着剤としてのフッ素樹脂粉末を４重量％とを溶解させたＮ−メチル−２−ピロリドン溶液を加えて混練し、スラリーを作製した。次に、このスラリーをアルミニウム箔の一方の面に塗布した後、圧縮し、これを打ち抜くことにより、正極集電体１の一方の面に正極活物質層２が形成された正極３を作製した。
【００１８】
（負極の作製）
先ず、負極活物質としてのＬｉ4 Ｔｉ5 Ｏ12を９０重量％に、導電剤としての天然黒鉛を６重量％と、結着剤としてのフッ素樹脂粉末を４重量％とを溶解させたＮ−メチル−２−ピロリドン溶液を加えて混練し、スラリーを作製した。次に、このスラリーを銅箔の一方の面に塗布した後、圧縮し、これを打ち抜き、更にこれを上記電解液中でリチウム金属と接触させることにより、負極集電体４の一方の面に負極活物質層５が形成された負極６を作製した。
【００１９】
（電池の作製）
先ず、上記正極３の他方の面（正極活物質層２が形成されていない面）と正極側金属外装体９とが接するように、正極側金属外装体９上に正極３を重ねた後、正極活物質層２の一部を剥離して正極活物質層剥離部１ａを形成した。次に、この正極活物質層剥離部１ａと正極側金属外装体９とを超音波溶接した。
【００２０】
これと並行して、上記負極活物質層５の一部を剥離して負極活物質層剥離部４ａを形成した後、上記負極６の他方の面（負極活物質層５が形成されていない面）と負極側金属外装体１０とが接するように、負極側金属外装体１０上に負極６を重ねた。次に、この負極活物質層剥離部４ａと負極側金属外装体１０とを超音波溶接した。
次に、正極側金属外装体９と溶接された正極３の正極活物質層２側に、ポリスチレンとポリエチレンオキシドとから成るトリブロックグラフト共重合体をＤＥＣに溶解させた溶液を１５μｌ滴下した後、この上にセパレータ７を貼り付け、更に１００℃で１０時間真空乾燥させた。この後、セパレータ７上に電解液を２０μｌ滴下した後、正極側金属外装体９の外周部に、枠状のヒートシール性プラスチックフィルムから成るシール部材１１を配置した。最後に、正極側の溶接部と負極側の溶接部とが対向しないように、上記セパレータ７上に負極側金属外装体１０とこの負極側金属外装体１０に溶接された負極６とを配置した後、ヒートシールして電池を作製した。
【００２１】
尚、上記実施の形態においては、正極側の溶接部と負極側の溶接部とが対向しないように配置したが、対向するような配置であっても良い。但し、正極側の溶接部と負極側の溶接部とが対向するように配置した場合には、図９に示すように、電池が膨らんだ際にセパレータ７と負極活物質層５が剥がれたり、或いはセパレータ７と正極活物質層２とが剥がれたりすることがある。これに対して、上記実施の形態の如く、正極側の溶接部と負極側の溶接部とが対向しないように配置すれば、図１０に示すように、発電要素８が傾くことができるので、電池が膨らんだときでもセパレータ７と負極活物質層５が剥がれたり、或いはセパレータ７と正極活物質層２とが剥がれたりするのを防止できる。したがって、信頼性の面からは、正極側の溶接部と負極側の溶接部とが対向しないように配置するのが望ましい。
【００２２】
また、正極側の溶接部と負極側の溶接部とは、上記実施の形態の如く配置するのが望ましい。なぜなら、図１１に示すように、上記実施の形態の如く正極側の溶接部１５と負極側の溶接部１６と配置すれば、溶接部間の距離Ｌ10が長くなるので、電池が膨らんだ場合の発電要素８の傾斜が小さくなって、両溶接部１５・１６に加わる応力が小さくなるのに対して、負極溶接部を図１１中１７或いは１８のように配置すると、溶接部間の距離Ｌ11・Ｌ12が上記溶接部間の距離Ｌ10より短くなるので、電池が膨らんだ場合の発電要素８の傾斜が大きくなって、両溶接部１５・１７又は１８に加わる応力が大きくなるという理由による。
【００２３】
更に、上記実施の形態においては、本発明をポリマー二次電池に適用した例を説明しているが、本発明はこのような電池に適用する場合に限定するものではなく、その他の二次電池或いは一次電池にも適用し得ることは勿論である。
【００２４】
【実施例】
〔実施例〕
実施例としては上記発明の実施の形態に示す構造の電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａと称する。
【００２５】
〔比較例１〕
図１２及び図１３に示すように、正極３に正極活物質層剥離部を形成せず且つ正極３と正極側金属外装体９とを溶接せず、しかも負極６に負極活物質層剥離部を形成せず且つ負極６と負極側金属外装体１０とを溶接していない他は、上記実施例と同様にして電池を作製した。尚、図１２及び図１３においては、上記発明の実施の形態に示す部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付している。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ１と称する。
【００２６】
〔比較例２〕
先ず、上記実施例における正極の作製に用いるスラリーと同様のスラリーを、アルミニウム箔の一方の面に塗布、圧縮して正極活物質層２を形成した後、これを図１４に示す形状に打ち抜き、更に凸部２０の正極活物質層２を剥離することにより、正極３を作製した。
これと並行して、上記実施例における負極の作製に用いるスラリーと同様のスラリーを、銅箔の一方の面に塗布、圧縮して負極活物質層５を形成した後、これを図１５に示す形状に打ち抜き、更に凸部２１の負極活物質層５を剥離することにより、負極６を作製した。この後の工程は上記実施例と同様の工程である。
【００２７】
このようにして作製した電池は、正極に正極活物質層剥離部を形成せず且つ正極と正極側金属外装体とを溶接せず、しかも負極に負極活物質層剥離部を形成せず且つ負極と負極側金属外装体とを溶接していないが、図１６及び図１７に示すように、上記凸部２０・２１が電池外方に延出されているような構造となっている。尚、図１４〜図１７においては
、上記発明の実施の形態に示す部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付している。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ２と称する。
【００２８】
〔比較例３〕
図１８及び図１９に示すように、上記比較例２で示した電池を２枚のヒートシール性プラスチックフィルム２３・２４で別途覆う他は、上記比較例２と同様にして電池を作製した。尚、図１８及び図１９においては、上記発明の実施の形態及び比較例２に示す部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付している。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘ３と称する。
【００２９】
（実験１）
上記本発明電池Ａ及び比較電池Ｘ１〜Ｘ３を、それぞれ０．１ｍＡの定電流で電池電圧０．４Ｖまで放電した後、２．２Ｖの定電圧（保護抵抗：１５ｋΩ）で４０時間充電した。その後、各電池を０．１ｍＡの定電流で放電した。
更に、各電池を２．２Ｖの定電圧（保護抵抗：１５ｋΩ）で４０時間充電した後、各電池を０．１ｍＡの定電流で電池電圧０．４Ｖまで放電（室温）したので、この放電時の放電曲線を図２０に示す。
【００３０】
図２０から明らかなように、本発明電池Ａは比較電池Ｘ１〜Ｘ３に比べて、集電効率に優れるため、放電容量が大きくなっていることが認められる。
また、図２０の放電曲線より得られる各電池の放電容量と、この放電容量と重量及び体積とを求めることにより得られる重量エネルギー密度と体積エネルギー密度とを調べたので、それらの結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
0003754223.tif 000002
【００３２】
表１から明らかなように、本発明電池Ａは比較電池Ｘ１〜Ｘ３に比べて、重量エネルギー密度と体積エネルギー密度とが大きくなっていることが認められる。
【００３３】
（実験２）
上記実験１が終了した各電池を、２．２Ｖの定電圧（保護抵抗：１５ｋΩ）で４０時間充電した後、６０℃の条件下で２０日間放置し、更に各電池を０．１ｍＡの定電流で電池電圧０．４Ｖまで放電し（室温）、保存劣化率を求めたので、その結果を表２に示す。尚、保存劣化率は、下記数１により算出した。
【００３４】
【数１】
0003754223.tif 000003
【００３５】
【表２】
0003754223.tif 000004
【００３６】
表２から明らかなように、比較電池Ｘ２の保存劣化率が大きく、本発明電池Ａ及び比較電池Ｘ１・Ｘ３の保存劣化率が小さくなっていることが認められる。
上記実験１及び実験２の結果より、十分な集電効率を保持しつつ、重量エネルギー密度と体積エネルギー密度との増大を図り、しかも保存特性の向上を図るには本発明電池Ａのような構造とすることが必要となることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造上リードを設ける必要がなく、且つヒートシール性プラスチックフィルムを別途設ける必要もなく、しかも両集電体と両金属外装体とが溶接されているので、高い集電効率を維持し、且つ重量エネルギー密度と体積エネルギー密度との低下を抑制しつつ、保存特性を向上させることができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の薄型電池の斜視図。
【図２】図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図３】図３は本発明の薄型電池に用いる正極の平面図。
【図４】図４は図３のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図５】図５は本発明の薄型電池に用いる負極の平面図。
【図６】図６は図５のＣ−Ｃ線矢視断面図。
【図７】図７は本発明の薄型電池に用いる発電要素の平面図。
【図８】図８は図７のＤ−Ｄ線矢視断面図。
【図９】図９は負極活物質とセパレータとの剥がれ状態を示す断面図。
【図１０】図１０は発電要素が傾いた状態を示す断面図。
【図１１】図１１は他の実施の形態を示す平面図
【図１２】図１２は比較電池Ｘ１の斜視図。
【図１３】図１３は図１２のＥ−Ｅ線矢視断面図。
【図１４】図１４は比較電池Ｘ２の正極の平面図。
【図１５】図１５は比較電池Ｘ２の負極の平面図。
【図１６】図１６は比較電池Ｘ２の斜視図。
【図１７】図１７は図１６のＦ−Ｆ線矢視断面図。
【図１８】図１８は比較電池Ｘ３の斜視図。
【図１９】図１９は図１８のＧ−Ｇ線矢視断面図。
【図２０】図２９は本発明電池Ａ１及び比較電池Ｘ１〜Ｘ３における放電特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１：正極集電体
１ａ：正極活物質層剥離部
２：正極活物質層
３：正極
４：負極集電体
４ａ：負極活物質層剥離部
５：負極活物質層
６：負極
７：セパレータ
８：発電要素
９：正極側金属外装体
１０：負極側金属外装体
１１：シール部材
１２：収納空間
【図１】
0003754223.tif 000005
【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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【図１２】
0003754223.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
0003754223.tif 000018
【図１５】
0003754223.tif 000019
【図１６】
0003754223.tif 000020
【図１７】
0003754223.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0003754223.tif 000024