JP5125438B2

JP5125438B2 - リチウムイオン二次電池およびそれを用いた組電池

Info

Publication number: JP5125438B2
Application number: JP2007297723A
Authority: JP
Inventors: 孝夫大道寺; 功栃原; 裕基堀; 浩一座間
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP2009123583A

Description

本発明は積層型のリチウムイオン二次電池およびそれを用いた組電池に関する。

リチウムイオン二次電池が発売されてから、そのエネルギー密度がニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池など他の二次電池よりも高いことから、携帯電話やノート型パソコン、ビデオカメラなどへの搭載が相次ぎ、携帯機器の駆動用電源として広がった。

リチウムイオン二次電池の構成は、負極にカーボンなど、リチウムイオンをドープ・脱ドープが可能な材料を、正極にはコバルト酸リチウムやニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムなどリチウム含有遷移金属酸化物を、電解液にはＬｉＰＦ_６などのリチウム塩を溶解した有機溶媒が使用されている。

リチウムイオン二次電池の電極構造は、帯状の電極を巻き取った巻回型と、短冊状になった電極を積層した積層型とがある。積層型としては、たとえば特許文献１に開示された非水電解液二次電池がある。

図面を参照して従来例の積層型リチウムイオン二次電池について、さらに説明する。図７は従来例の電池要素の積層状態を示し、図７（ａ）は内部透視図、図７（ｂ）は模式的断面図である。なお、図７（ａ）でのドットおよび破線の斜め線は特定の材質を示すものであり、図７（ｂ）でのハッチングは断面を表す。

２枚のセパレータ４は袋状に接合され、その中に正極３が入れられ、セパレータ４を介して負極２が対向するように積層体の電池要素が構成されている。図８にその電池要素の構成部材を示す。図８（ａ）は負極２、図８（ｂ）は正極３、図８（ｃ）はセパレータ４、それぞれの模式図である。図８（ａ）で２１は負極活物質の塗布部、２２は負極集電体引き出し部を示し、図８（ｂ）で３１は正極活物質の塗布部、３２は正極集電体の引き出し部を示す。図８（ｃ）のセパレータ４は２枚の多孔質プラスチックシートの３辺が融着部５により一定間隔で接合され、上方の辺はセパレータ開口部１６として残され、袋状に形成されている。

また、図９は集電体引き出し部の打ち抜き切断による作製方法を示し、図９（ａ）は負極集電体の引き出し部の切断前の模式図であり、図９（ｂ）は正極集電体の引き出し部の切断前の模式図である。負極活物質塗布部２５の形成後、負極集電体引き出し部２２が負極活物質未塗布部２６の一部を矩形状に残すように切断線２９に沿って打ち抜き切断することで形成される。同様に正極活物質塗布部３５の形成後、正極集電体引き出し部３２が正極活物質未塗布部３６の一部を矩形状に残すように切断線３９に沿って打ち抜き切断することで形成される。

特開平９−１２９２１１号公報

上記のように、従来、積層型リチウムイオン二次電池は、電極活物質未塗布部の集電体の一部をタブとして取り出し、電極を積層後、タブを重ねて接合し、電池電力の取り出し部としている。また、電極活物質未塗布部の集電体の一部をタブとして引き出すために、電極活物質を集電体に塗布後、金型を用いて電極活物質未塗布部から所望のタブ形状に打ち抜いている。

集電体は、通常、数ミクロンないし数十ミクロンの薄膜金属が用いられているため、金型でタブを打ち抜く時に、バリの発生や金型の調整が容易でないという問題がある。

そこで本発明の課題は、積層体の製造に適した電極引き出し形状を有するリチウムイオン二次電池およびそれを用いた組電池を提供することにある。

本発明者らは上記の目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、積層体構造が製造工程で容易に実現できる電極引き出し形状を見出し、本発明を完成させるに至った。

前記課題を解決するため、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質からなる負極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質からなる正極と、これらの電極を絶縁するために正極と負極との間に配置される多孔質プラスチックシートが積層されてなる積層型のリチウムイオン二次電池において、前記多孔質プラスチックシートが前記正極の電極活物質塗布部全体を覆い、かつ、前記負極の電極活物質未塗布部と前記正極の電極活物質未塗布部との重なり部分全体を覆うようにした。

すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質からなる負極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質からなる正極と、これらの電極を絶縁するために前記負極と正極の間に配置される多孔質プラスチックシートとが積層され電解液が含浸されてなる積層型のリチウムイオン二次電池において、前記負極および正極は集電体上の電極活物質塗布部と電極活物質未塗布部とからなり、前記負極および正極での前記電極活物質未塗布部は、少なくとも１本または２本の直線状の切断線で切断された互いに重なり合う重なり部分と互いに重なり合わない非重なり部分とからなり、前記多孔質プラスチックシートが前記負極および正極の両方の電極活物質塗布部を覆うように前記負極と正極の間に介在すると共に前記電極活物質未塗布部の前記重なり部分の間にも介在することを特徴とする。

前記切断線が電極のリードの引出方向に対して傾斜している前記のリチウムイオン二次電池である。
また、前記多孔質プラスチックシートが、前記負極の電極活物質未塗布部と前記正極の電極活物質未塗布部との非重なり部分の一部を残して、前記負極の電極活物質未塗布部と前記正極の電極活物質未塗布部との重なり部分に介在するとよい。

前記負極および前記正極での電極活物質塗布部の形状がいずれも長方形状であり、前記負極および前記正極での電極活物質未塗布部の形状がいずれも三角形状であるとよい。

前記正極活物質の主成分がマンガン系遷移金属酸化物であるとよい。

また、本発明の組電池は前記リチウムイオン二次電池を組み合わせてなることを特徴とする。

リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質からなる負極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質からなる正極と、これらの電極を絶縁するために正極と負極との間に配置される多孔質プラスチックシートが積層されたリチウムイオン二次電池において、前記多孔質プラスチックシートが前記正極の電極活物質塗布部全体を覆い、かつ、前記負極の電極活物質未塗布部と前記正極の電極活物質未塗布部との重なり部分全体も覆うことで、集電体の引き出し部の形状を単純な形状にすることができ、その結果、集電体引き出し部の製造が容易であり積層性に優れるリチウムイオン二次電池およびそれを用いた組電池を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１でのリチウムイオン二次電池の電池要素を説明する図であり、図１（ａ）は電池要素１の内部透視図、図１（ｂ）は電池要素１の模式的断面図である。なお、図１（ａ）でのドットおよび破線の斜め線は特定の材質を示すものであり、図１（ｂ）のハッチングは断面を表す。

電池要素１は、正極３および負極２を、それぞれ多孔質プラスチックシートのセパレータ４によって絶縁積層された構成になっている。正極３を覆ったセパレータ４は、正極３の周囲に当たる部分を、間隔を設けて融着部５において接合し袋状としている。正極３の電極活物質を塗布しない未塗布部７と、負極２の電極活物質を塗布しない未塗布部６とが互い違いになるように積層され、セパレータ４は負極２の電極活物質の未塗布部６および正極３の電極活物質の未塗布部７による略三角形の重なり部分８の間に介在する。従って、この略三角形領域で電気的に短絡することは無い。

図２は電池要素の構成部材を示し、それぞれ、図２（ａ）は負極２、図２（ｂ）は正極３、図２（ｃ）はセパレータ４の形状を示す模式図であり、２１は負極活物質の塗布部、３１は正極活物質の塗布部である。また、図３は切断前の電極を示し、図３（ａ）は切断前の負極２を切断線９と共に示す模式図であり、図３（ｂ）は切断前の正極３を切断線１０と共に示す模式図である。

負極２と正極３は電極活物質の未塗布部６、７が切断線９、１０に沿って切断されることで作製されるが、金型などで容易に切断できる。しかも直線で切断されるので、従来問題となったバリが出ること等はなく金型の調整等も容易で、負極２および正極３の生産性が向上する。

また、セパレータ４については、図２（ｃ）のように、２枚の矩形シートを重ね合わせ、一定間隔に融着部５を形成することで接合するが、上方は接合せずにセパレータ開口部１６を設けるように袋状に作製する。

図４は本実施の形態でのリチウムイオン二次電池を示す内部透視図である。セパレータ４によって覆われていない領域の負極の集電体１１および正極の集電体１２をそれぞれ重ね合わせて接続すると共に、電池外装容器１３の外へ引き出されるリード１４と超音波溶着機などの溶着機を用いて電気的に接合し、セパレータおよび電極活物質には電解液を含浸させ電池外装容器１３内に収容することで本発明のリチウムイオン二次電池（電池セル）１５を得る。

次に本実施の形態に基づいて作製した一例について説明する。負極集電体に１０μｍの銅箔を用い、正極集電体には２０μｍのアルミニウム箔を用いた。負極活物質はグラファイトを主成分とし結着剤などを加えペースト状に作製した。正極活物質には主成分としてＬｉＭｎ_２Ｏ_４を用いたが、他にＬｉＭｎＯ_２などのマンガン系遷移金属酸化物を用いるのもよい。これらの集電体に電極引き出し部を形成するために電極活物質未塗布部を直線状に打ち抜き切断する際、バリなどの発生による切断不良を従来例よりも低減することができた。次に、正極４枚および負極５枚を積層し、外形寸法が８２×１５０×４ｍｍのリチウムイオン二次電池（電池セル）を作製した。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は電極の活物質未塗布部およびセパレータ開口部を除くと、実施の形態１と同様である。図５は本発明の実施の形態２での電池要素の構成部材を示し、図５（ａ）は負極の活物質未塗布部の形状を示す模式図であり、図５（ｂ）は正極の活物質未塗布部の形状を示す模式図、図５（ｃ）はセパレータ開口部の形状を示す模式図である。

セパレータ４は、図５（ａ）の負極２および図５（ｂ）の正極３での電極活物質未塗布部の三角形状の重なり部分の間に介在するように電極活物質の未塗布部６、７を覆えばよいので、セパレータ開口部１６の形状は、図５（ｃ）のように、重なり部分の三角形状より少し大きい山形の形状にした。また、セパレータ４で覆わなかった電極活物質未塗布部を集電体引き出し部として用い、電極間の接続あるいは電池外装容器外への接続を行う。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３での電極の活物質未塗布部の形状を示す模式図であり、図６（ａ）は負極の活物質未塗布部の形状を示す模式図であり、図６（ｂ）は正極の活物質未塗布部の形状を示す模式図、図６（ｃ）はセパレータの形状を示す模式図である。

本実施の形態では、電極活物質の未塗布部６、７の形状を除くと、実施の形態１と同様である。図６のように、電極活物質の未塗布部６、７がこのような略三角形状であって、切断部が２つの直線からなるので、従来例の矩形状の場合と比べ、打ち抜き切断時のバリの発生を抑制しやすい形状である。

上記のように本発明のリチウムイオン二次電池は、正極および負極の集電体の電極活物質未塗布部が単純な線に沿って切断される形状であり、容易に金型などで切断できる。しかも単純な線に沿って切断されるので、バリなどが出にくく金型の調整等も容易で、リチウムイオン二次電池の電池セルの生産性が向上する。

上記のように作製したリチウムイオン二次電池を１つの電池セルとして、使途の電圧および電流に合わせ、直列および／または並列に接続し、保護回路、全体の制御回路などを付加することで本発明の組電池が得られる。

本発明の実施の形態１でのリチウムイオン二次電池の電池要素を説明する図であり、図１（ａ）は電池要素の内部透視図、図１（ｂ）は電池要素の模式的断面図。実施の形態１での電池要素の構成部材を示し、それぞれ、図２（ａ）は負極、図２（ｂ）は正極、図２（ｃ）はセパレータの形状を示す模式図。実施の形態１での切断前の電極を示し、図３（ａ）は切断前の負極を切断線と共に示す模式図、図３（ｂ）は切断前の正極を切断線と共に示す模式図。実施の形態１でのリチウムイオン二次電池を示す内部透視図。実施の形態２での電池要素の構成部材を示し、図５（ａ）は負極の活物質未塗布部の形状を示す模式図、図５（ｂ）は正極の活物質未塗布部の形状を示す模式図、図５（ｃ）はセパレータ開口部の形状を示す模式図。実施の形態３での電極活物質未塗布部の形状を示し、図６（ａ）は負極の活物質未塗布部の形状を示す模式図、図６（ｂ）は正極の活物質未塗布部の形状を示す模式図、図６（ｃ）はセパレータの形状を示す模式図。従来の電池要素の積層状態を示し、図７（ａ）は内部透視図、図７（ｂ）は模式的断面図。従来の電池要素の構成部材を示し、それぞれ、図８（ａ）は負極、図８（ｂ）は正極、図８（ｃ）はセパレータの模式図。従来の集電体引き出し部の打ち抜き切断による作製方法を示し、図９（ａ）は負極集電体の引き出し部の切断前の模式図、図９（ｂ）は正極集電体の引き出し部の切断前の模式図。

符号の説明

１電池要素
２負極
３正極
４セパレータ
５融着部
６、７未塗布部
８重なり部分
９、１０切断線
１１、１２集電体
１３電池外装容器
１４リード
１５リチウムイオン二次電池（電池セル）
１６セパレータ開口部
２１、３１塗布部

Claims

リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質からなる負極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質からなる正極と、これらの電極を絶縁するために前記負極と正極の間に配置される多孔質プラスチックシートとが積層され電解液が含浸されてなる積層型のリチウムイオン二次電池において、
前記負極および正極は集電体上の電極活物質塗布部と電極活物質未塗布部とからなり、
前記負極および正極での前記電極活物質未塗布部は、少なくとも１本または２本の直線状の切断線で切断された互いに重なり合う重なり部分と互いに重なり合わない非重なり部分とからなり、
前記多孔質プラスチックシートが前記負極および正極の両方の電極活物質塗布部を覆うように前記負極と正極の間に介在すると共に前記電極活物質未塗布部の前記重なり部分の間にも介在することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
前記切断線が電極のリードの引出方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
前記多孔質プラスチックシートが、前記負極の電極活物質未塗布部と前記正極の電極活物質未塗布部との非重なり部分の一部を残して、前記負極の電極活物質未塗布部と前記正極の電極活物質未塗布部との重なり部分に介在することを特徴とする、請求項１または２記載のリチウムイオン二次電池。
前記負極および前記正極での電極活物質塗布部の形状がいずれも長方形状であり、
前記負極および前記正極での電極活物質未塗布部の形状がいずれも三角形状であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項記載のリチウムイオン二次電池。
前記正極活物質の主成分がマンガン系遷移金属酸化物であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池を組み合わせてなることを特徴とする組電池。