JP3611765B2

JP3611765B2 - 二次電池及びそれを用いた電子機器

Info

Publication number: JP3611765B2
Application number: JP35027099A
Authority: JP
Inventors: 和夫山田; 武仁見立; 主明西島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2019-12-09
Also published as: US6689511B2; JP2001167743A; US20010005561A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次電池及びそれを用いた電子機器に関し、さらに詳しくは、電解質及び電解質を挟持する正・負両電極からなる電池素子を積層してなる電池本体と、電池本体に密着して封止する外装フィルムとからなる二次電池及びそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン電池の普及により、携帯電話等の携帯型電子機器の電源としての電池は小型化、軽量化が飛躍的に進んだ。しかしながら、電子機器のさらなる小型化、薄型化の要求は強く、電池の小型化、薄型化が要望されている。このような背景の中で、種々の電子部品などの小型化、薄型化が図られ、現在では電池のサイズが機器の大きさあるいは薄さを決める要素となっており、電池の薄型化、軽量化に多大の努力が払われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電子機器の薄型化には、できる限りその厚みが薄い電池を搭載することが好ましいが、電池用に確保されたスペースの中の、最も薄い部分に収納可能な厚みの電池を搭載するか、より厚みのある部分に電池を搭載するかを決定する場合、電池の容量とサイズが問題となる。すなわち、厚みが薄い電池では、十分な容量が得られないために使用時間が制限され、十分な容量を得るために厚い電池を用いると電子機器の薄型化が困難になる。
【０００４】
そこで、回路設計の段階で、背の高い部品を一箇所に集めて一様な厚みの広いスペースを確保する努力も払われてきたが、回路設計の自由度が損なわれることは避けがたい。
このような状況の中で、携帯型電子機器の二次電池の薄型化が進み、最近では缶タイプで厚さ４ｍｍ以下の二次電池が商品化されたり、ラミネートパックを利用したカード型、あるいはフィルム状の電池が開発されているが、上記の問題を根本的に解決するには到っていない。
【０００５】
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、回路設計の自由度を損なうことなく、十分な容量を有し、かつ電子機器の小型化及び薄型化を達成する二次電池及びそれを用いた電子機器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、電解質及び電解質を挟持する正・負両電極の各層からなる電池素子を少なくとも１つ有する電池本体と、電池本体に密着して電池本体を封止する外装フィルムとからなり、電池本体を封止した外装フィルムは、その表面に段差を有することを特徴とする二次電池が提供される。
【０００７】
すなわち、正極、電解質及び負極からなる電池素子を基本単位としてこれを積層して二次電池の電池本体を形成するにあたり、二次電池の収容スペースの形状や二次電池と近接して収容される電子部品群の形状に適合した段差が電池本体の表面に形成されるよう電池素子の積層数を部分的に変えることにより、従来の二次電池がもつ均一な厚みという制約にとらわれない、変形可能な二次電池を提供することができる。
【０００８】
つまり、この発明の二次電池では、電子部品群及び外装ケース等とともに構成される電子機器の設計段階で、電池本体に高・低各部を任意に設定することができるので、例えば、外装ケース内に収容される電子部品群に隣接して二次電池を収容する際に、電子部品群の高さの凹凸を吸収するような高・低各部を有する二次電池を作ったり、前記外装ケース内の形状が一様でないスペースに合わせた高・低各部を有する二次電池を作ったりすることができる。
【０００９】
また、この発明の別の観点によれば、電池本体の表面に電子機器を構成する回路部等の構成部材を配設してこれらを外装フィルムで封止し、段差が、電池本体の表面に配設された前記回路部等の構成部材の表面からなる高部と、露出した電池本体の表面からなる低部との間に形成される二次電池もこの発明に含まれる。
この発明の回路部としては、電子機器の保護回路部が例示される。この場合、電池本体は、従来のような一様な厚みの電池本体であってもよいし、この発明の電池素子の積層数の多少の部分を有する電池本体であってもよい。
上記のような構成により、制限された収容スペースを最大限に活かしながら、十分な容量をもった二次電池を電子機器に搭載することができる。
【００１０】
外装フィルムで電池本体に密着して封止するために使用される従来からの密着包装の技術は、この発明に適用しても電池本体の外装フィルム表面に前記高・低各部に応じた段差をそのまま形成するので、正確な段差の設定を妨げない。
したがって、回路設計の自由度を損なうことなく、十分な容量を有しかつ電子機器の小型化及び薄型化を達成する二次電池を提供することができる。
【００１１】
この発明の二次電池における「高部」とは、積層数が相対的に多い部分からなる、電池本体の「厚い部分の表面」を意味し、「低部」とは、積層数が相対的に少ない部分からなる、電池本体の「薄い部分の表面」を意味する。
この発明の二次電池の外装表面に段差を形成するための電池素子の積層の形態としては、（１）大きい電池素子上に小さい電池素子を重ねる、（２）１つの電池素子を捲回する、（３）１つの電池素子を小さく折り返す等の形態が例示される。
【００１２】
上記（１）の形態としては、段差が、第１の電池素子の電極上に積層された、第１の電池素子より小さい第２の電池素子の電極表面からなる高部と、露出した第１の電池素子の電極表面からなる低部との間に形成されるものが例示される。
上記（２）の形態としては、段差が、電池素子の電極表面に捲回された前記電池素子の終端部の電極表面からなる高部と、前記終端部の下方で露出した電極表面からなる低部との間に形成されるものが例示される。
上記（３）の形態としては、段差が、電池素子の電極表面に小さく折り返された前記電池素子の終端部の電極表面からなる高部と、前記終端部の下方で露出した電極表面からなる低部との間に形成されるものが例示される。
上記（１）〜（３）の形態において、電池素子の積層数、高・低各部の形成数、高・低各部の形成位置、高・低各部の形成方向（同じ方向／逆方向）、電池素子の捲回数、電池素子の折り返し数、あるいは折り返しの方向（山折り／谷折り）の組み合わせ方は、特に限定されない。
なお、（２）及び（３）の形態では、低部となる電池素子の電極表面の所望の位置に終端部が配設されるよう、終端部の長さを設定することにより、高部の幅が決まる。
【００１３】
この発明の別の観点による二次電池における「高部」とは、電池本体の表面に配設された回路部を含む、電池本体との「厚い部分の表面」を意味し、電池本体の「低部」とは、回路部を含まない、電池本体のみからなる「薄い部分の表面」を意味する。
この発明の二次電池の外装表面に段差を形成するための具体的な形態としては、電池本体の表面に電子機器の保護回路（回路部）を配設したものが例示される。
上記の回路部を含む二次電池の形態において、回路部の配設数、配設位置、配設方向（同じ方向／逆方向）は、特に限定されない。
なお、上記（１）〜（３）の形態の電池本体の表面に上記の回路部を配設してなる二次電池もこの発明を構成する。
【００１４】
この発明の外装フィルムは、真空包装により電池本体に密着させることにより、電池素子の段差をそのまま電池本体の表面の段差とすることができる。真空包装は、外装フィルムで電池本体を封入する際に、内部を減圧し、そのまま封止すれば大気圧によって外装フィルムが押され、外装フィルムの柔軟性によって、電池本体の高・低部間の隅部等において外装フィルムが外方に向かって凹状となり、外装フィルム内面と電池本体との間の隙間を最小限にしながら、電池本体の表面に段差をはっきりと形成することができる。
【００１５】
この発明における電池本体表面の段差は、１０μｍから２ｍｍの範囲であり、さらに好ましくは１００μｍ〜１ｍｍである。このような段差は、機器の設計段階でわずかな厚みの差で電池が収まらない場合に、回路の大幅な設計変更を回避することができ、機器の空間を効率よく用いることができる。前記の段差が大きすぎると、薄い部分に入れる電池素子のエネルギー密度が低下し、一方、段差があまり小さいと電池素子の基本単位を収容できない。
【００１６】
高・低各部の表面の面積比は適宜選択できるが、好ましくは薄い部分の面積：厚い部分の面積比は、０．５：９．５〜９．５：０．５であり、さらに好ましくは、０．５：９．５〜５：５、さらに好ましくは、０．５：９．５〜３：７である。
また、低部の表面の面積は、最小限にとどめることが電池容量を確保する上で好ましい。段差を形成する境界の形状は、作製が容易な直線状のものが好ましいが、折れ線状、曲線状であってもよく、機器に実装した際に最も有利な形状にすることができる。
本発明の電解質としては、高分子固体電解質を用いるのが好ましい。電解質を高分子固体電解質とすることにより、安全性が高まり、外装フィルムがラミネート体のような薄い外装材であっても信頼性の高い電池を得ることができる。
【００１７】
この発明の別の観点によれば、上記した本発明の二次電池と、電子部品群と、外装ケースとからなり、外装フィルム表面の段差を形成する高部および低部を異なる高さの電子部品あるいは外装ケース内の異なる高さの壁面に対向配置することにより二次電池と電子部品群を外装ケース内に密な状態で収容してなる電子機器が提供される。
この発明における電子機器とは、上記した本発明の二次電池が、電子部品群等と組み合わされて１つの独立した電子装置あるいは電気装置を構成するもの及び電子部品群等と組み合わされて電子装置あるいは電気装置の回路部の少なくとも一部を形成する回路アッセンブリーを構成するものを意味する。
この発明の電子機器は、回路設計の自由度が増し、電子機器の空間を有効に使用して十分な容量をもつ二次電池を搭載することが可能なため、従来の電子機器と比べて、電源の使用時間を短くすることなく、薄型の電子機器を作製することが可能となる。このような電子機器としては、携帯端末、すなわち、携帯電話やノートパソコン、電子手帳等の携帯情報機器、携帯型ゲーム器、カード型計算器、ディジタルカメラが挙げられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この発明の二次電池及びそれを用いた電子機器の具体的な構成例を、図面を参照して説明する。
図１において、二次電池１０は、電解質１と電解質１を挟持する正極２及び負極３とからなる電池素子４を積層してなる電池本体５と、電池本体５を封止する外装フィルム６とからなる。
【００１９】
電池本体５は、第１電池素子４１の正極２上に積層された、第１電池素子４１より小さい第２電池素子４２の表面からなる高部５２と、露出した第１電池素子４１の表面からなる低部５１とを有し、これら高部５２及び低部５１の間に段差５ａが形成される。
低部５１は、第１電池素子４１の電池素子４の積層数〔２〕のみで構成され、高部５２は、この低部５１の上にさらに第２電池素子４２の電池素子４の積層数〔２〕を加えた合計積層数〔４〕で構成される。外装フィルム６は、真空包装により電池本体５に密着して電池本体５を封止し、外装フィルム６の外装表面には段差５ａがそのまま現れる。外装フィルム６の両端は封止部６ａとなる。
【００２０】
このような二次電池１０は、図２に示すように、外装フィルム６の両端を折り曲げて封止部６ａとし、電子部品群７とともに外装ケース８に収容され、電子機器２０を構成する。
外装ケース８内で、二次電池１０と電子部品群７とは、電池素子４の積層数が少ない低部５１が、背の高い電子部品７１に対向配置され、電池素子４の積層数が多い高部５２が、背の低い電子部品７２に対向配置されている。したがって、二次電池１０と電子部品群７は外装ケース８内に密な状態で収容され、外装ケース８内部のデッドスペースは最小限に抑えられている。
【００２１】
図３において、二次電池３０は、上記の二次電池１０と同様に、電解質１と電解質１を挟持する正極２及び負極３とからなる電池素子４を積層してなる電池本体５と、電池本体５を封止する外装フィルム６とからなる。
電池本体５は、電池素子４の表面に捲回された電池素子４の終端部４４の表面からなる高部５４と、終端部４４の下方で露出した表面からなる低部５３とを有し、これら高部５４及び低部５３の間に段差５ｂが形成される。
【００２２】
低部５３は、電池素子４の捲回数が少ない部分（積層数〔３〕）で構成され、高部５４は、低部５３の上に捲回により積層された終端部４４部分（積層数〔１〕）を加えた合計積層数〔４〕で構成される。外装フィルム６は、真空包装により電池本体５に密着して電池本体５を封止し、外装フィルム６の外装表面に高部５４と低部５３の段差５ｂが形成される。
【００２３】
このような二次電池３０は、上記した二次電池１０と同様に、外装フィルム６の両端部を加熱溶着させてなる封止部を折り曲げて、前記の図２に示したような電子部品群７とともに外装ケース８に収容される。
【００２４】
図４において、二次電池５０は、上記の二次電池１０と同様に、電解質１と電解質１を挟持する正極２及び負極３とからなる電池素子４を積層してなる電池本体５と、電池本体５を封止する外装フィルム６とからなる。
電池本体５は、電池素子４の負極３表面に小さく折り返された電池素子４の終端部４６の表面からなる高部５６と、終端部４６の下方で露出した表面からなる低部５５を有し、これら高部５６及び低部５５の間に段差５ｃが形成される。
【００２５】
低部５５は、電池素子４の終端部４６による重なりのない部分（積層数〔２〕のみで構成され、高部５４は、低部５５の上に折り返された終端部４６部分（積層数〔２〕）を加えた合計積層数〔４〕で構成される。
外装フィルム６は、真空包装により電池本体５に密着して電池本体５を封止し、外装フィルム６の外装表面には、高部５６と低部５５の段差５ｃがそのまま現れる。
このような二次電池５０は、前記の二次電池１０と同様に、外装フィルム６の両端を折り曲げ、前記の図２に示したような電子部品群７とともに外装ケース８に収容される。
【００２６】
図５において、二次電池６０は、上記の二次電池１０と同様に、電解質１と電解質１を挟持する正極２及び負極３とからなる電池素子４を積層してなる電池本体５と、電池本体５の表面に配設された保護回路９と、電池本体５および保護回路９を封止する外装フィルム６とからなる。
このような二次電池６０は、電池本体５の表面に配設された保護回路９の表面からなる高部５８と、露出した電池本体５の表面からなる低部５７とを有し、これら高部５８及び低部５７の間に段差５ｄが形成される。
さらに、二次電池６０は、上記した二次電池１０と同様に、外装フィルム６の両端部を加熱溶着させてなる封止部６ａを折り曲げて、前記の図２に示したような電子部品群７とともに外装ケース８に収容される。
以下に、本発明のリチウム二次電池１０、３０、５０の各部の構成を説明する。
【００２７】
電解質１としては、有機電解液（電解質塩と有機溶媒からなる）、高分子固体電解質、無機固体電解質、溶融塩等が例示され、これらの中でも高分子固体電解質が特に好ましい。
高分子固体電解質には、電解質と電解質の解離を行う高分子から構成された物質、高分子にイオン解離基をもたせた物質等がある。電解質の解離を行う高分子としては、ポリエチレンオキサイド誘導体あるいは該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体、該誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマー等が挙げられる。また、上記のような高分子と有機溶媒を用いたゲル状の固体電解質は、液漏れの心配のない固体電解質の特長と、液体に近いイオン伝導性を併せもち、極めて有利である。
【００２８】
ゲル状の固体電解質の骨格となる有機化合物は、電解質の溶液と親和性があり、重合可能な官能基を有する化合物であれば、特に限定されない。このような化合物としては、ポリエーテル構造および不飽和二重結合基を有するもの、オリゴエステルアクリレート、ポリエステル、ポリイミン、ポリチオエーテル、ポリサルファン等の単独もしくは二種以上の併用が挙げられる。なお、溶媒との親和性からポリエーテル構造および不飽和二重結合基を有するものが好ましい。ポリエーテル構造単位としては、例えば、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、グリシジルエーテル類等が挙げられ、これらの単独または二種以上の組み合わせが好適に用いられる。また、二種以上の組み合わせの場合には、その形態はブロック、ランダムを問わず適宜選択できる。さらに、不飽和二重結合基としては、アリル、メタリル、ビニル、アクリロイル、メタクリロイル等が挙げられる。
【００２９】
ゲル電解質は、有機溶媒に電解質塩を溶解することによって電解液を調製し、上記したゲル状の固体電解質の骨格となる有機化合物と混合し、重合させることによって得られる。
ゲル電解質に用いられ有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のラクトン類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン等のフラン類、ジエチルエーテル、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジオキサン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチル等が挙げられる。
【００３０】
電解質塩としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、４フッ化リチウム（ＬｉＢＦ_４）、６フッ化リチウム（ＬｉＰＦ_６）、６フッ化砒酸リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、６フッ化アンチモン酸リチウム（ＬｉＳｂＦ_６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）、トリフルオロ酢酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＣＯＯ）、ハロゲン化リチウム、塩化アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＣｌ_４）、トリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）等のリチウム塩が挙げられ、これらの１種または２種以上を混合して用いることができる。
【００３１】
調製された電解液と上記有機化合物の重合方法としては、熱重合、光重合、放射線重合などが挙げられる。熱重合開始剤及び光重合開始剤は、当業者において公知のものを使用できる。また重合開始剤の量は、重合物質の組成等によって適宜選択できる。
なお、本発明における高分子固体電解質とは、一般に用いる電解液と区別されるものであって、上記したゲル状の電解質を含むものである。
また、上記の有機溶媒に電解質を溶解した、有機電解液を用いることも可能である。
【００３２】
さらに、上記した有機固体電解質以外に、無機固体電解質も使用することができる。
無機固体電解質には、Ｌｉの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがあり、具体的には、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、硫化リン化合物、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３等が挙げられる。また、上記の無機固体電解質と有機固体電解質を併用することもできる。
【００３３】
正極２は、正極活物質に導電材及び結着材を混合して形成される。
正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２に代表されるＬｉ_ｘＭ１_ｙＭ２_１−ＹＯ_２（ここでＭ１はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれかであり、Ｍ２は遷移金属、４Ｂ族、あるいは５Ｂ族の金属を表す、ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４およびＬｉＭｎ_{２ − Ｘ}Ｍ２_ＸＯ_４（ここでＭ２は上記と同じ、ｘは０〜２）等のリチウムを含有した酸化物等が挙げられる。リチウムを含有する遷移金属カルコゲン化合物を用いると、電池が放電状態で完成されるため、製造工程における安全性の面で好ましい。リチウムを含有しない酸化物としてＭｎＯ_２、ＭｏＯ_３、Ｖ_２０_５、Ｖ_６０_１３等も用いることができるが、この場合には負極３または正極２にあらかじめリチウムを含有させておく必要があり、製造工程が煩雑化する点で好ましくない。
【００３４】
導電材としては、カーボンブラック（アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネンルブラック等）などの炭素類や、グラファイト粉末、金属粉末等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー、合成ゴム類などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３５】
正極活物質、導電材及び結着材の混合比は、活物質１００重量部に対して、導電材を５〜５０重量部、結着材を１〜３０重量部とすることができる。
導電材が５重量部より少ないか、あるいは結着材が３０重量部より多いと、電極の内部抵抗あるいは分極等が大きくなって電極の放電容量が低くなるため、実用的なリチウム二次電池を作製できない。また、導電材が５０重量部より多いと、電極内に含まれる活物質量が相対的に減るため、正極としての放電容量が低くなる。
一方、結着材が１重量部以上存在しないと活物質の結着能力がなくなり、活物質の脱落や機械的強度の低下により電池の作製が困難となる。また、結着材が３０重量部より多いと、導電材の場合と同様に、電極内に含まれる活物質量が減る上、電極の内部抵抗あるいは分極等が大きくなって放電容量が低くなるため、実用的なリチウム二次電池を作製できない。
【００３６】
正極２の作製は、一般的に上記の活物質、導電材及び溶媒に溶解もしくは分散させた結着材とを混合してスラリーを作製し、集電体に塗布または充填することによって行われる。正極２の作製において、結着性を向上させるために各々の結着材の融点前後、かつ溶媒の沸点以上の温度で熱処理を行うことが好ましい。
【００３７】
さらに正極２には集電体が付加される。集電体の材料としては、チタン、アルミニウムやステンレス鋼等の金属単体またはこれらを含む合金等が用いられる。また、銅、アルミニウムやステレンス鋼の表面をチタン、銀等で処理したもの、これらの材料を酸化したものが用いられる。集電体の形状としては、箔、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体等が挙げられる。集電体の厚みは特に限定されないが、強度、導電性、電池を作製した場合のエネルギー密度の観点から、１μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは、１μｍ〜１００μｍのものが用いられる。
【００３８】
負極３は、負極活物質から、あるいは負極活物質に結着材を混合したものから形成される。
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金、あるいはリチウムを吸蔵放出可能な炭素材料や金属酸化物などが挙げられる。安全性、サイクル特性の面からは、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、従来より使用されている周知の材料を使用することができ、例えば、天然黒鉛、石油コークス、クレゾール樹脂焼成炭素、フラン樹脂焼成炭素、ポリアクリロニトリル焼成炭素、気合成長炭素、メソフェーズピッチ焼成炭素、結晶性の高い黒鉛の表面に非晶質炭素層を形成した黒鉛材料などが挙げられる。これらの炭素材料の中でも、結晶性の発達した黒鉛材料を用いると、電池の電圧が平坦になり、エネルギー密度が大きくなるので好ましい。さらに黒鉛材料のなかでも、黒鉛粒子の非晶質炭素層を有する黒鉛材料は、電解液との副反応が少なく、ラミネート外装体によって封止された二次電池のように内圧に対して弱い形状の電池の場合には特に好ましい。
【００３９】
上記の炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池の負極は、炭素粒子と結着材とを混合して形成される。この際、導電性を向上するために導電材を混合することも可能である。
結着材としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー、合成ゴム類等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４０】
炭素材料と結着材との混合比は、炭素材料と結着材との重量比で、９９：１〜７０：３０が好ましい。結着材の重量比が３０より大きくなると、電極の内部抵抗あるいは分極等が大きくなって放電容量が低くなるため、実用的なリチウム二次電池の作製が困難になる。また、結着材の重量比が１より小さくなると、炭素材料どうしあるいは炭素材料と集電体との結着能力が十分でなくなり、活物質の脱落や機械的強度の低下により実用的なリチウム二次電池の作製が困難になる。
【００４１】
負極３の作製は、一般的に、上記の活物質、溶媒に溶解もしくは分散させた結着材、及び必要に応じて加えられる導電材を混合してスラリーを作製し、集電体に塗布、あるいは充填することにより作製する。この場合、結着性を高め、結着材の溶剤を除去するために、溶剤の沸点以上であってかつ結着材の融点前後の温度で、真空中、不活性ガス雰囲気中あるいは空気中で熱処理を行うのが好ましい。
【００４２】
さらに負極３には集電体が付加される。負極３の集電体の材料としては、銅、ニッケル等が挙げられる。負極３の集電体の形状は、箔、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体等が挙げられる。集電体の厚みは特に限定されないが、強度及び導電性、または電池を作製した場合のエネルギー密度の観点から、１μｍ〜１ｍｍ、さらに好ましくは１μｍ〜１００μｍである。
導電材は特に限定されないが、カーボンブラック（アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネンルブラック等）などの炭素類や、金属粉末等が用いられる。
【００４３】
外装フィルム６は、少なくとも水分の進入を防ぐための金属薄膜と、熱融着により密封するための熱融着性に優れたポリプロピレン、ポリエチレン、アイオノマー樹脂などの熱融着性樹脂フィルムからなるラミネート外装体として構成される。
外装フィルム６は、さらに必要に応じてポリエステルフィルムなどからなる金属箔保護層を設け、３層以上の構造とすることも可能である。外装フィルム６の両端部は、熱融着するために、少なくとも両面の最外装に熱融着性の樹脂を存在させる必要がある。
【００４４】
また、電極の金属タブの導出部の熱融着性を上げるために、金属タブの引き出し部分に上記の熱融着性樹脂の変性樹脂層をもう一層設けることも可能である。
外装フィルム６を構成する熱融着性樹脂フィルムの厚さは、材質によっても異なるが、２０μｍ〜２５０μｍ程度が好ましく、熱融着性、フィルム強度および膜物性の点からは８０〜２００μｍ程度がより好ましい。
【００４５】
金属箔保護層を形成する金属箔の材質としては、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などが挙げられる。金属箔の厚みは５μｍ〜５０μｍ程度が好ましく、さらに好ましくは１０μｍ〜３０μｍ程度である。金属箔があまり薄いと、水分の進入を十分に防げず、また厚すぎると、熱融着の際に樹脂フィルムに十分に熱が伝わらず、気密性が下がったり、外装体として厚くなるため、電池のエネルギー密度の低下を招いたりする。
【００４６】
外装フィルム６の両端の封止部６ａには、電池素子４の正・負各極に接続される電極集電体がそれぞれ配設される（図示せず）。
正極集電体としてはアルミニウム、チタンなどの高電位に耐えられる材料が好ましく、その形態としては、箔、メッシュ、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体等が挙げられる。正極集電体の厚みは、１μｍ〜１ｍｍのものが用いられ、より好ましくは強度およびエネルギー密度の点から５μｍ〜１００μｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜５０μｍである。
負極集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレスなどが挙げられ、使用可能な形態及び厚みは上記の正極集電体と同じである。
【００４７】
各集電体から電気を取り出すリード部は、それぞれの集電体の端部を所望の形状に加工してそのまま用いてもよいし、新たにリード部を集電体に固定してもよい。集電体に固定される端子は、上記した金属箔、パンチされたもの、ラス体等を用いることができる。中でも、パンチされたものやラス体は、封止部の気密性を高める点で好ましい。金属タブの溶接方法は、公知の超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接などを適宜使用することができる。
【００４８】
上記の外装フィルム６による電池本体の封止は、大気圧下、減圧下のどちらで行ってもよいが、減圧下で封止することにより、外装フィルムを電池本体に容易に密着させることができる。
この発明による電池本体の高部と低部との間に形成される段差付近の外装フィルム６にしわなどがよる場合には、あらかじめそのような型のラミネートパックを用いてもよいし、あるいは段差の形状を適宜選択し、しわのできにくい形状にすることも可能である。ラミネートパックに型をつける場合は、単に機械的につける、あるいは加熱しながら作るなどの方法がある。
【００４９】
なお、本発明のように外装フィルム６のラミネート体で封止した電池本体には、封止部６ａのような電池本体の封止部分、すなわち電池素子あるいは保護回路など電池要素の入っていない部分が存在し、それによって電池本体の表面に段差が生じることがあるが、本発明においては、上記のような封止部分と電池本体部分との段差は含まず、電池本体の電池要素が入っている部分のみの段差を本発明における電池本体の高部及び低部とする。
【００５０】
【実施例】
以下、実施例により発明を具体的に説明するが、これによって本発明は何ら限定されるものではない。
なお、以下の実施例における、Ｘ線広角回折法による平均面間隔ｄ（００２）あるいは結晶子の大きさ（Ｌｃ、Ｌａ）の測定は、“炭素材料実験技術１、ｐ．５５〜６３、炭素材料学会編（科学技術社）”に記載された方法によって行った。
【００５１】
また、前記Ｌｃ、Ｌａを求める形状因子Ｋは０．９を用いた。また、粒子の比表面積はＢＥＴ法により測定し、粒径及び粒度分布はレーザー回折式粒度分布計を用いて測定し、粒度分布におけるピークを平均粒径とした。なお、Ｒ値は５１４．５ｎｍのアルゴンレーザーを用いたラマン分光測定法により観察される２本のピークより、例えば１３６０ｃｍ^−１付近のピーク強度（Ｉ）１３６０^−１と１５８０ｃｍ^−１付近のピーク強度（Ｉ）１５８０ｃｍ^−１の強度比、つまりＲ値＝１３６０ｃｍ^−１／１５８０ｃｍ^−１として求められる。
【００５２】
実施例１
（図１の形態の二次電池の製造）
〔正極２の作製〕
正極活物質には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）を使用した。まず、結着材であるポリフッ化ビニリデンを乳鉢中で溶剤Ｎ−メチル−２−ピロリドンに一旦溶かした後、正極活物質及びアセチレンブラックの混合物を上記の溶液に分散させ、ペーストを作製した。このようにして得られたペーストをアルミニウム箔集電体上に塗布し、これを６０℃で仮乾燥し、さらに１５０℃で熱処理を行った後、プレスした。電極サイズを３．５×３ｃｍ（塗工部３×３ｃｍ）とし、無塗工部にアルミニウム箔（５０μｍ）を溶接した。さらに水分除去のために１８０℃で減圧乾燥したものを試験用の正極として用いた。なお、塗布密度は２．９ｇ／ｃｍ^３であった。
【００５３】
〔負極３の作製〕
負極活物質には、人造黒鉛ＭＣＭＢ（粒径１２μｍ、ｄ（００２）＝０．３３７ｎｍ、Ｒ値＝０．４）を使用した。まず、結着材であるポリフッ化ビニリデンを乳鉢中で溶剤Ｎ−メチル−２−ピロリドンに溶かし、この溶液に負極活物質を分散させ、ペースト状にしたものを２０μｍの銅箔に塗布し、これを６０℃で仮乾燥した後、２４０℃で熱処理を行った後、プレスした。
電極サイズを３．５×３ｃｍ（塗工部３×３ｃｍ）とし、無塗工部にニッケル箔（５０μｍ）のリードを溶接した。水分除去のために、さらに２００℃で真空乾燥したものを負極として用いた。なお、塗布密度は１．４ｇ／ｃｍ^３であった。
【００５４】
〔電池本体５の作製〕
１ＭのＬｉＰＦ_６を溶解したエチレンカーボネート（以下、ＥＣと称する）とジエチルカーボネート（以下、ＤＥＣと称する）の体積比１：１の溶液５０ｇを作製し、この溶液に、ポリエチレンオキサイド・ポリプロピレンオキシド共重合体ジアクリレート（分子量２０００）１０ｇを加えて溶解し、重合開始剤を０．０６ｇを加えて溶液を作製した。
この溶液をポリプロピレン製の不織布（厚さ２０μｍ）に含浸させ、ガラス板に挟み、紫外線を照射してゲル化させ、ゲル状の電解質層１を得た。
一方、前記溶液を上記正極及び負極に含浸してガラス板で挟み、紫外線を照射してゲル化させ、正極２及び負極３を含むゲル電解質複合電極を得た。
【００５５】
このようにして得られた電極２、３及び電解質層１を重ね合わせて、電池素子４を作製した。正極層２、電解質層１、負極層３からなる一組の電池素子４の厚みは３００μｍであった。得られた電池素子４からなる短冊片を、３×５ｃｍとした２枚、３×２．５ｃｍとした２枚をそれぞれ準備し、それらの方向を合わせて積層し、電池本体５を得た。この電池本体５を外装フィルム６に挿入し、減圧しながら封止した。この二次電池１０は図２で示した外装ケース８内に電子部品７とともに装着することを想定して作られ、段差５ａは６００μｍであった。
【００５６】
このようにして得られた二次電池１０について充放電試験を行った。充電条件は、電圧４．１Ｖ、電流値６０ｍＡの定電流、定電圧充電にて１２時間充電とし、放電条件は、電流値６０ｍＡ、終止電圧を２．７５Ｖとした。この充放電試験を行った結果、得られた二次電池１０の容量は６０３ｍＡｈであった。
【００５７】
〔比較例１〕
実施例１と同様の工程で作製した電池素子４からなる３×５ｃｍの短冊片２枚をずれないように積層した比較試験用の二次電池を作製した。この比較試験用二次電池は、電子部品７と外装ケース８との間の最も薄い部分に入る。
実施例１と同様に充放電試験を行った結果、電池容量は４０５ｍＡｈであった。
【００５８】
〔比較例２〕
実施例１と同様の工程で作製した電池素子４からなる３×２．５ｃｍの短冊片４枚をずれないように積層した比較試験用の二次電池を作製した。この比較試験用二次電池は、電子部品７と外装ケース８との間の最も厚い部分に入る。
実施例１と同様に充放電試験を行った結果、電池容量は３９８ｍＡｈであった。
【００５９】
上記実施例、比較例が示すように、本発明の二次電池１０を用いた場合、図２に示すように、特に薄型機器の空間を有効に利用した電池として実装することが可能となる。一方、従来のような厚みが一様な比較試験用の二次電池を用いた場合は、特に薄型電子機器において、その内部空間が有効に使われず、電池の容量が小さい物を使用せざるを得ない。このように、本発明によれば、薄型電子機器の内部空間を有効に使用することができ、これまではその内部空間に入らなかった容量の電池を搭載することが可能となり、電子機器の使用時間を延ばすことが可能となる。
【００６０】
実施例２
正極２と負極３の間に、セパレータ（ポリプロピレン製２５μｍ）を挟み、一組の電池素子４とした。この電池素子４の厚みは３５０μｍであった。このようにして得られた１枚の電池素子４の短冊片を図３に示すように巻回し、終端部４４が終端部４４の下方で露出した電極表面上で重なるようにした。得られた巻回体からなる電池本体５を、２辺でシールしたラミネートパック（外装フィルム６）に挿入し、電解液として１ＭＬｉＰＦ_６／ＥＣ：ＤＥＣを注液した後、減圧下にてラミネートパックを封止した。
【００６１】
得られた二次電池３０の表面には、１組の電池素子４の厚みと同一の、３５０μｍの段差５ｂが形成された。
本実施例に示されるように、巻回体の終端部４４が任意の場所になるように巻回する電池素子４の短冊の長さを調整することにより、容易に電池本体の表面に段差を有する二次電池が得られることは明らかである。なお、本実施例では終端部４４を加工せずにそのまま用いたが、終端部４４をさらに折り返すなどして、電池容量を変えずに電池本体５の表面の段差を大きく設定することも可能である。
【００６２】
本発明の二次電池３０を薄型の電子機器に使用する場合について詳しく説明したが、本発明の二次電池３０の使用は薄型電子機器に限定されるものではなく、単に熱的な影響を避けるためなど、他の理由に対しても、本発明の二次電池は有効に使用することができる。
また、本発明の二次電池は、この二次電池とともに外装ケースに収納された電子機器の電源として使用されるだけでなく、二次電池が収納された外装ケースの外部の電子機器に対しても電源として使用される。
【００６３】
【発明の効果】
この発明によれば、電子部品群及び外装ケース等とともに構成される電子機器の設計段階で、電池本体に高・低各部を任意に設定することができるので、例えば、外装ケース内に収容される電子部品群に隣接して二次電池を収容する際に、電子部品群の高さの凹凸を吸収するような高・低各部を有する二次電池を作ったり、形状が一様でない前記外装ケース内のスペースに合わせた高・低各部を有する二次電池を作ったりすることができ、制限された収容スペースを最大限に活かしながら、十分な容量をもった二次電池を電子機器に搭載することができる。
【００６４】
外装フィルムで電池本体を密着して封止するために使用される従来からの密着包装の技術は、この発明に適用しても電池本体の外装フィルム表面に前記高・低各部に応じた段差をそのまま形成できるので、正確な段差の設定を妨げない。
この発明では、従来の二次電池がもつ均一な厚みという制約にとらわれない、変形可能な二次電池を提供することができるので、回路設計の自由度を損なうことなく、十分な容量をもちかつ電子機器の小型化及び薄型化を達成する二次電池を提供することができる。
さらに、薄型電子機器の回路設計の際に、部品の配置の制限が軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の二次電池の断面図である。
【図２】図１の二次電池を搭載した電子機器の概略断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態による二次電池の断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態による二次電池の断面図である。
【図５】この発明のさらに他の実施形態による二次電池の断面図である。
【符号の説明】
１電解質
２正極
３負極
４電池素子
５電池本体
５ａ段差
５ｂ段差
５ｃ段差
５ｄ段差
６外装フィルム
６ａ封止部
７電子部品群
８外装ケース
９保護回路（回路部）
１０リチウム二次電池
２０電子機器
３０リチウム二次電池
４１第１電池素子
４２第２電池素子
４３終端部
４４終端部
４６終端部
５０リチウム二次電池
５１低部
５２高部
５３低部
５４高部
５５低部
５６高部
５７低部
５８高部
６０リチウム二次電池
７１電子部品
７２電子部品

Claims

電解質及び電解質を挟持する正・負両電極の各層からなる電池素子を少なくとも１つ有する電池本体と、電池本体に密着して電池本体を封止する外装フィルムとからなり、電池本体を封止した外装フィルムは、その表面に段差を有し、前記段差が、電池素子の積層数の多少によって形成されることを特徴とする二次電池。
前記段差が、電池本体の前記各層の積層方向に直交する平面を有する電池素子上に形成された請求項１に記載の二次電池。
前記段差が、第１の電池素子の表面に積層された、第１の電池素子より小さい第２の電池素子の表面からなる高部と、露出した第１の電池素子の表面からなる低部との間に形成される請求項１又は２に記載の二次電池。
前記段差が、電池素子の表面に捲回された前記電池素子の終端部の表面からなる高部と、前記終端部の下方で露出した表面からなる低部との間に形成される請求項１又は２に記載の二次電池。
前記段差が、電池素子の表面に折り返された前記電池素子の終端部の表面からなる高部と、前記終端部の下方で露出した表面からなる低部との間に形成される請求項１又は２に記載の二次電池。
電解質及び電解質を挟持する正・負両電極の各層からなる電池素子を少なくとも１つ有する電池本体と、電池本体に密着して電池本体を封止する外装フィルムとからなり、電池本体を封止した外装フィルムは、その表面に段差を有し、前記段差が、電池本体の表面に配設された回路部の表面からなる高部と、露出した電池本体の表面からなる低部との間に形成されることを特徴とする二次電池。
外装フィルムが、真空包装により電池本体に密着してなる請求項１から６のいずれか１つに記載の二次電池。
前記段差が、１０μｍ〜２ｍｍである請求項１から７のいずれか１つに記載の二次電池。
電解質が、高分子固体電解質からなる請求項１から８のいずれか１つに記載の二次電池。
請求項１から９のいずれか１つに記載の二次電池と、電子部品群と、外装ケースとからなり、外装フィルム表面の段差を形成する高部および低部を異なる高さの電子部品あるいは外装ケース内の異なる高さの壁面に対向配置することにより二次電池と電子部品群を外装ケース内に密な状態で収容してなる電子機器。
二次電池がリチウムイオン電池であり、電子機器が携帯端末である請求項１０に記載の電子機器。