JP2008130360A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータにしわ等を発生させずに生産性良く作製することができると共に、大容量化を図ることができる非水電解液二次電池を提供する。
【解決手段】正極板２と負極板３とがセパレータ８ａを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板２又は負極板３を２枚のセパレータ８ａで挟むと共に、２枚のセパレータ８ａの正極板２又は負極板２の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着した非水電解液二次電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電気自動車等の電源に使用するのに好適なリチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池に関するものである。

近年、電気自動車等の電源に好適な二次電池として、リチウムあるいはリチウム合金を用いた非水電解液二次電池であるリチウムイオン二次電池が提案されている。

リチウムイオン二次電池は、図６に示すように、正極板２と負極板３とを袋状セパレータ８に収納して交互に重ね合わせることにより形成される。そして、正極板２と負極板３と袋状セパレータ８とより成る積層体を、一方が開口した長方体状のバッテリーケースに挿入し、バッテリーケースに電解液を充填することにより二次電池として機能する。

正極板２は、例えば図６及び図７に示すように、厚さが略２０μｍの矩形状のアルミニウムＡｌ箔より成る集電体５の両面に、リチウムＬｉと遷移金属の複合酸化物例えばＬｉＣｏＯ_２を正極活物質４として被着したものである。

負極板３は、図６及び図７に示すように、例えば、厚さが略１０μｍの矩形状の銅Ｃｕ箔（又はニッケルＮｉ箔）より成る集電体７の両面に、リチウムＬｉをドープ、脱ドープ可能なカーボン例えばグラファイト構造を有する炭素や難黒鉛化炭素材料等の炭素Ｃを負極活物質６として被着したものである。

袋状セパレータ８は、例えば、厚さ２５μｍの微多孔性ポリエチレンフィルムやポリプロピレンフィルム等を袋状としたものである。また、電解液９には、プロピレンカーボネートやジエチルカーボネートの混合溶媒中に、ＬｉＰＦ_６を１モル／１の割合で溶解した有機電解液を使用する。

ここで、従来における非水電解液二次電池の袋状セパレータとしては、正極板や負極板の周囲となる部分を連続的に熱融着した後、切り込みを入れることでしわの発生を軽減するようにしたものがあった（特許文献１参照）。
特開２００３−９２１０号公報

ところで、この種の非水電解液二次電池では、大容量化の要望に伴ってセパレータの薄型化が進み、製造過程において、セパレータの取り回しや熱によるダメージが非常に大きな問題となってきている。

これに対して、上記したような従来の非水電解液二次電池にあっては、袋状セパレータの製造において、周囲に熱融着及び切り込みを施していたため、セパレータが熱収縮してしわが発生する虞があるほか、取り回しの際にセパレータの周囲に捲れ上がりやずれが生じやすいことから、これらを積層する作業に手間がかかるという問題点があった。

さらに、従来の非水電解液二次電池にあっては、上記したようにセパレータの周囲にしわ等の不具合が生じ易いので、電池の端部の厚みが大きくなり、しかも、セパレータの周囲に熱融着を施すためのマージン部分（余白部分）を充分に確保しておく必要があるうえに、充電スタートの電池では容量を決定する正極の面積を負極に対して小さくせざるを得ないことから、電池の容量を大きくするのが難しいという問題があり、これらの問題点を解決することが課題となっていた。

本発明は、上記したような従来の状況に鑑みて成されたもので、セパレータにしわ等を発生させずに生産性良く作製することができると共に、大容量化を図ることができる非水電解液二次電池を提供することを目的としている。

本発明の非水電解液二次電池は、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板又は負極板を２枚のセパレータで挟むと共に、２枚のセパレータの正極板又は負極板の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の非水電解液二次電池によれば、セパレータにしわ等を発生させずに生産性良く作製することができると共に、セパレータのしわ等の発生防止に伴って電池の端部の厚肉化を阻止し得るうえに、セパレータのマージン部分を減らすことができるので、電池の大容量化を図ることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の非水電解液二次電池の一実施形態について説明する。図１〜図５は本発明の非水電解液二次電池をリチウムイオン二次電池に適用した例を説明する図である。図１〜図５において、先に説明した図６及び図７に対応する部分は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５において、符号１０は密閉型の偏平角型電池容器であって、この偏平角型電池容器１０は、例えば厚さ３００μｍのステンレス板より成ると共に、横方向の長さが３００ｍｍ、縦方向の長さが１００ｍｍ、厚さが２５ｍｍの諸寸法を有し、５１枚の正極板２及び５２枚の負極板３をセパレータ８ａを介して交互に積層した積層体１４を収納する。

正極板２は、図１、図２、図３及び図７に示すように、偏平角型電池容器１０の内部形状とほぼ等しい矩形状で且つ厚さが２０μｍのアルミニウムＡｌ箔より成る集電体５の両面に、リチウムＬｉと遷移金属の複合酸化物例えばＬｉＣｏＯ_２を正極活物質４として被着したものである。

負極板３は、同じく図１、図２、図３及び図７に示すように、偏平角型電池容器１０の内部形状とほぼ等しい矩形状で且つ厚さが１０μｍの銅Ｃｕ箔（又はにニッケルＮｉ箔）より成る集電体７の両面に、リチウムＬｉをドープ、脱ドープ可能なカーボン例えばグラファイト構造を有する炭素や難黒鉛化炭素材料等の炭素Ｃを負極活物質６として被着したものである。

セパレータ８ａは、図１、図２及び図３に示すように、正極板２及び負極板３よりやや大きめの矩形状で且つ厚さが７μｍの微多孔性ポリエチレンフィルムやポリプロピレンフィルム等のフィルムであって、２枚のセパレータ８ａ、８ａにより正極板２及び負極板３を夫々挾むと共に、２枚のセパレータ８ａ、８ａの正極板２及び負極板３の周囲を後記する表１に示す接着剤又は粘着テープを用いて接着（接着部８ｂ）したものである。

そして、２枚のセパレータ８ａ、８ａで挾持した５１枚の正極板２の周囲を２０ｍｍごとに直径１Φの面積で接着した。２枚のセパレータ８ａ、８ａで挾持した負極板３を５２枚用意して、正極板５１及び負極板５２を図４に示す如く交互に積層し、矩形状の積層体１４を形成する。

また、この実施形態においては、図４に示すように、矩形状の積層体１４の一辺側すなわち正極板２の一辺に、セパレータ８ａから所定幅で露出した露出部２ｂを設けると共に、この露出部２ｂに、後記する表１に示す接着剤又は粘着テープを用いて、銅Ｃｕから成り且つ正極板２の縦方向の長さである約１００ｍｍの長さを有する正極リード体１１ａをその全長さにわたって接着した。

さらに、矩形状の積層体１４の一辺側に対向する辺側すなわち負極板３の一辺に、セパレータ８ａから所定幅で露出した露出部３ｂを設けると共に、この露出部３ｂに、後記する表１に示す接着剤又は粘着テープを用いて例えば銅Ｃｕから成り且つ負極板３の縦方向の長さである約１００ｍｍの長さを有する負極リード体１２ａをその全長さにわたって接着した。

そして、上記の如く正極リード体１１ａ及び負極リード体１２ａを接続した積層体１４を偏平角型電池容器１０に収納し、この偏平角型電池容器１０に、プロピレンカーボネートやジエチルカーボネートの混合溶媒の中にＬｉＰＦ_６を１モル／１の割合で溶解した有機電解液９を注入し、正負極板２，３の正極活物質４及び負極活物質６間に有機電解液９を充填する。

さらに、上記の如く正極板２の露出部２ｂ及び負極板３の露出部３ｂに夫々接着した正極リード体１１ａ及び負極リード体１２ａを外部正極端子（リード端子）１１及び外部負極端子（リード端子）１２に夫々接続する。これにより、各露出部２ｂ、３ｂは正負極のリード体１１ａ，１２ａを介して外部の正負極端子（リード端子）１１，１２に接続されている。なお、図５において、１３はこの密閉型の偏平角型電池容器１０の内圧が所定値より高くなったときに内部の気体を抜く安全弁である。

このように、上記の実施形態で説明した非水電解液二次電池（リチウムイオン二次電池）は、セパレータが熱収縮するようなこともないので、セパレータの周囲にしわ、捲れ上が及びずれなどが生じるのを防ぐことができ、これにより積層作業等も容易になる。また、しわ等の発生防止に伴って電池の端部の厚肉化を阻止し得るうえに、セパレータのマージン部分（余白部分）を減らしてもセパレータを充分に接着することができるので、正負極板の面積を充分に確保して電池の大容量化を図ることができる。

また、当該非水電解液二次電池は正負極板２，３の一辺を２枚のセパレータ８ａ，８ａから露出させて外部の正負極端子（リード端子）１１，１２に接続したことにより、正負極界面を電池の投影面積の最大範囲で確保すると共に、正負極間の短絡をセパレータで完全に防ぐことができる。

さらに、当該非水電解液二次電池は、正極板２、負極板３及びセパレータ８ａをラミネートフィルムで包装したものとすることができ、この場合、セパレータ８ａの材質をポリエチレンやポリプロピレンなどの非極性、オレフィン系樹脂を含むものとすることにより、異常時にも正負極間の短絡を防ぐ電気化学的耐性や機械的強度の確保、正負極間のリチウムイオンのイオン伝導性の確保、及び電池の異常高温時にセパレータがシャットダウンすることにより電流を遮断することで、電池特性や信頼性に優れた電池を提供することができる。

さらに、前記接着剤及び粘着テープの少なくとも一方による接着の前に、コロナ放電処理、紫外線照射処理、プライマー処理及び溶剤処理のうちの少なくとも１つの処理を行うことにより、接着強度がさらに増し、取り回し性やマージン部分の縮小の面でより有効となる。

さらに、本発明の非水電解液二次電池では、セパレータ８ａの接着に用いる接着剤や粘着テープの接着剤として、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の中から選択したものを用いている。

ここで、上記の接着剤や粘着テープに用いる接着剤として、アクリル樹脂エマルション接着剤、α−オレフィン系接着剤、ウレタン樹脂エマルション接着剤、エーテル系セルロ−ス、エチレン−酢酸ビニル樹脂エマルション接着剤、エポキシ樹脂エマルション接着剤、酢酸ビニル樹脂エマルション接着剤、水性高分子−イソシアネート系接着剤、スチレン−ブタジエンゴム系ラテックス接着剤、ポリアミド樹脂ホットメルト接着剤及びポリビニルアルコール系接着剤などを用いると、所望の接着強度や良好な取り回し性を実現するうえで適当ではない。

これに対して、上記の接着剤や粘着テープに用いる接着、すなわち、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の接着剤であれば、所望の接着強度や良好な取り回し性が得られることを確認した。

中でも、アクリル樹脂系粘着テープ、エポキシ樹脂系接着剤、クロロプレンゴム系接着剤クロロプレンゴム系接着剤及び変性シリコーン系接着剤は、とくに好ましく、安定した品質と生産性を満足する一方、正負極のマージン部分を減らすことができるので、従来では達成できなかった電池の大容量化に貢献し得ることを確認した。

セパレータの材質、接着剤の種類及び接着幅を異ならせて実施例１〜９及び比較例１〜１２の二次電池を作製した。図８（ａ）〜（ｉ）は、実施例１〜９の二次電池におけるセパレータＳの接着部Ｂを示す図であって、後記する表１にも示すように、点状の接着部Ｂと、連続的な接着部Ｂと、断続的な接着部Ｂの組み合わせや配置を異ならせている。図中の符号Ｌはリード体である。なお、セパレータＳで包装するのは正極板及び負極板のいずれでもよいが、より望ましくは正極板の方が良い。

そして、これらの二次電池について、２３℃で充放電を行い、定格容量および３００サイクル目の放電容量維持率を求めた。充電は、１００ｍＡの定電流定電圧充電を上限４．２Ｖまで１５時間行い、放電は１００ｍＡの定電流放電を終止電圧２．５Ｖまで行った。定格容量は１サイクル目の放電容量とし、定格エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）
及び生産タクトを求めた。

定格エネルギー密度（Ｗｈ／ｌ）は、平均放電電圧（Ｖ）×定格容量（ｍＡｈ）／電池体積（ｌ）の式により求めた。
一例を挙げると、平均放電電圧３．７Ｖの３８３４５０サイズの８００ｍＡｈ定格容量の電池は、
０．３８（ｃｍ）×３．４（ｃｍ）×５．０（ｃｍ）／１０００ ＝０．００６４６ｌとなり、
３．７（Ｖ）×０．８（Ａｈ）／０．００６４６＝４５８ Ｗｈ／ｌ
となる。

生産タクトは、１個の電池を積層するのに要した工程の時間（秒）である。ここで、定格エネルギー密度は、巻回では６５Ｗｈ／ｌ以上、積層では４９０Ｗｈ／ｌ以上を良品とした。また、負荷特性は７０％以上を良品とした。さらに、生産タクトは１セル４０秒以下を良品とした。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１〜９のものは、いずれも比較例１〜１２によりも高い定格エネルギー密度が得られることが判明し、また、いずれの生産タクトも短時間であって、生産性が非常に良好であることを確認した。

なお、本発明の非水電解液二次電池は、その詳細な構成が上記の実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他種々の構成を採用することができる。

本発明の非水電解液二次電池の一実施例における正負極板及びセパレータを説明する平面図である。 図１に示す正負極板及びセパレータの製造例を示す平面図である。 図１に示す正負極板及びセパレータを示す断面図である。 図１に示す正負極板及びセパレータから成る積層体の斜視図である。 本発明の非水電解液二次電池の一実施例を示す断面図である。 従来の非水電解液二次電池を説明する斜視図である。 非水電解液二次電池であるリチウムイオン二次電池を説明する断面図である。 実施例１〜９の二次電池におけるセパレータＳの接着部Ｂを示す各々説明図（ａ）〜（ｉ）である

符号の説明

２ 正極板
３ 負極板
４ ６ 活物質
５ ７ 集電体
８ａ セパレータ
８ｂ 接着部
１０ 偏平角型電池容器
１１ 外部正極端子
１１ａ 正極リード体
１２ 外部負極端子
１２ａ 負極リード体
Ｂ 接着部
Ｌ リード体
Ｓ セパレータ

Claims (6)

1. 正極板と負極板とがセパレータを介して交互に相対向して重ねて成る非水電解液二次電池において、少なくとも前記正極板又は負極板を２枚のセパレータで挟むと共に、２枚のセパレータの正極板又は負極板の周囲となる部分を接着剤及び粘着テープの少なくとも一方を用いて接着したことを特徴とする非水電解液二次電池。
2. 前記正極板又は負極板の一辺を２枚のセパレータから露出させてリード端子に接続したことを特徴とする請求項１記載の非水電解液二次電池。
3. 前記正極板、負極板及びセパレータをラミネートフィルムで包装した非水電解質二次電池であって、前記セパレータの材質が、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの非極性、オレフィン系樹脂を含むことを特徴とする請求項２記載の非水電解液二次電池。
4. 前記接着剤及び粘着テープの少なくとも一方による接着の前に、コロナ放電処理、紫外線照射処理、プライマー処理及び溶剤処理のうちの少なくとも１つの処理を行うことを特徴とする請求項３記載の非水電解液二次電池。
5. 前記接着剤が、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の中から選択したものであることを特徴とする請求項３記載の非水電解液二次電池。
6. 前記粘着テープの接着剤が、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、シリコーン系、スチレン・ブタジエンゴム系及びポリスチレン樹脂系の中から選択したものであることを特徴とする請求項３記載の非水電解液二次電池。

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