JPH0935748A - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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JPH0935748A
JPH0935748A JP7208390A JP20839095A JPH0935748A JP H0935748 A JPH0935748 A JP H0935748A JP 7208390 A JP7208390 A JP 7208390A JP 20839095 A JP20839095 A JP 20839095A JP H0935748 A JPH0935748 A JP H0935748A
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electrolyte
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俊茂 藤井
Toshiyuki Osawa
利幸 大澤
Masayuki Kinoshita
昌幸 木下
Hironori Uemoto
浩紀 植本
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 基本的に充放電でガス発生のない発電要素を
用いることにより重量エネルギー密度の高いリチウム二
次電池を開発することを目的とする。 【構成】 少なくとも正極集電体層、正極活物質層、電
解質層、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質層、およ
び負極集電体層の積層構造体からなる発電要素を有する
二次電池において、電解質が固体電解質である全固体型
の発電要素を用い、かつ発電要素の外装容器が200ミ
クロン以下の板厚の金属板であることを特徴とする角型
電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、二次電池に関する。
【0002】
【従来技術】近年の電子機器の小型化、薄型化、軽量化
の進歩は目ざましいものがあり、とりわけOA分野にお
いては、デスクトップ型からラップトップ型、ノートブ
ック型へと小型軽量化している。加えて、電子手帳、電
子スチルカメラなどの新しい小型電子機器の分野も出現
し、さらには従来のハードディスク、フロッピーディス
クの小型化に加えて新しいメモリーメディアであるメモ
リーカードの開発も進められている。このような電子機
器の小型化、薄型化、軽量化の波の中で、これらの電力
をささえる二次電池にも高性能化が要求されている。こ
のような要望の中、鉛蓄電池やニッカド電池にかわる高
エネルギー密度電池としてリチウム二次電池の開発が急
速に進められてきた。リチウム二次電池においては、電
極面積を広げて電流放電時の電池特性を良好にするため
に、正極板と負極板とをセパレーターを介して渦巻き状
に巻回して電池が構成される場合が多い。このようなと
きに構成される電池の形状としてはほとんどが円筒形で
ある。しかし近年電池を使用する機器の設計者からは電
池形状を機器の形状に合わせたものにするようにとの要
望が多く寄せられるようになってきており、この要望に
応える形で近年角形電池が種々開発され多く市販される
ようになってきた。角形形状、すなわち直方体の電池ケ
ースを使用する場合、特にケースの軽量化に対しては多
くの工夫がなされてきた。ニッケル・カドミウム電池、
ニッケル水素電池やリチウム二次電池などを角形電池ケ
ースで構成した場合、電池反応にともなうガス発生によ
る電池内圧の上昇や電極の膨潤により電池ケースの側面
にかかる電池内部からの加圧上昇は避けられない。軽量
化のために角形ケースの板厚を薄くすると内部圧力の上
昇の為ケースは変形してしまっていた。そこで特開平6
−52842では相対する一組の広側面の厚さが、相対
する一組の狭側面の厚さより厚く形成されていることに
よる変形の少ない角形ケースを開示しているが、0.3
mmの狭側面の厚みまでが最も薄く軽量化にまでは至っ
ていない。また、特開平6−124692では透湿度2
0g/m2・24H以下のプラスチック保護層、電気絶
縁性無機質皮膜層が形成された多層プラスチックフィル
ムによって発電要素を包装してなるリチウム二次電池を
開示したが、重量エネルギー密度、形状任意性には優れ
るが完全に湿度を遮断するという観点からは金属容器に
より密封することがリチウム二次電池においては重要で
ある。
【0003】
【目的】本発明は基本的に充放電でガス発生のない発電
要素を用いることにより重量エネルギー密度の高いリチ
ウム二次電池を開発することを目的とする。
【0004】
【構成】本発明者等は前記課題を解決すべく鋭意検討を
重ねた結果、本発明に到達した。即ち本発明は、少なく
とも正極集電体層、正極活物質層、電解質層、リチウム
を吸蔵放出可能な負極活物質層、および負極集電体層の
積層構造体からなる二次電池において、電解質が固体電
解質である全固体型の発電要素を用いることにより電池
外装容器の板厚を200ミクロン以下とすることを可能
とする。本発明の二次電池においては、電解質が固体電
解質である全固体型の発電要素を用いることで充放電に
伴うガス発生を抑制でき、従来の電池系では使用が困難
であった薄い板厚の電池ケースを用いることが可能とな
った。従って、本発明の二次電池において、電池ケース
を構成する部材の板厚を薄くすることにより、電池重量
の多くを占める電池ケースの重量を軽くすることができ
たので、それにより電池の安全性、安定性を損なうこと
なく、電池の性能を表す重量当たりのエネルギー密度を
格段に向上させた。
【0005】一方、電池発電要素の端子を外部に導出す
るにあたり、外気との密封性を保ちつつ正負極との絶縁
を計る役割を持つハーメチックという部材が重要である
が、特に本発明のように電池ケースの板厚を200ミク
ロン以下とすると、その密封性と安定性が著しく低下し
てしまい端子部を電池ケースに具備させることは非常に
困難であった。本発明者らは電池容器内部に設けたハー
メチック材による端子部を設けることにより前記の技術
課題を解決できることを見いだした。すなわち薄い板厚
の電池ケース内部にハーメチック部を設けることにより
外部にハーメチック部の突出のない密封性と安定性を兼
ね備えた容器を提供できることを可能とした。ハーメチ
ック部は前述の通り密封性が重要な要素となるが電池ケ
ース内部にハーメチックを設ける際端子部と完全に接着
させることが必要条件となる。その際に、通常金属、ガ
ラス、およびセラミックス等の材料で形成されたハーメ
チック材が用いられている。本発明においては特にガラ
スハーメチック材が好ましく、該ハーメチック材を電池
内部にバーリング加工で設けることにより、ハーメチッ
ク部における製造工程の省力化を成し遂げることができ
た。本発明におけるハーメチック材には非晶性ガラス材
や結晶化ガラス材(パイロセラム等)が用いられる。結
晶化ガラス材としては一般に500℃以下で溶融し、ガ
ラス、金属、セラミックスと親和性が良いものが利用さ
れる。結晶化ガラス材を用いる場合のシールの特徴は融
点以上に加熱されて成長した微小なガラスの結晶が大き
なクラックを生じることを防ぐ働きをするため、密封信
頼性が高いことである。一方、非晶性の低融点ガラス材
も金属−ガラス間だけでなくセラミックス間の封止にも
多くの実績があるが、いずれの場合でもガラスと金属と
で封止するためにはガラスと金属との親和性や、熱膨張
係数を充分考慮する必要性がある。
【0006】固体電解質としては、例えば無機系では、
AgCl,AgBr,AgI,LiI等の金属ハロゲン
化物、RbAg45,RbAg44CNイオン伝導体な
どが挙げられる。また、有機系では、ポリエチレンオキ
サイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニリデンフ
ルオライド、ポリアクリロニトリル等をポリマーマトリ
クスとして電解質塩を溶解せしめた複合体、あるいはこ
れらの架橋体、低分子ポリエチレンオキサイド、ポリエ
チレンイミン、クラウンエーテルなどのイオン解離基を
ポリマー主鎖にグラフト化した高分子固体電解質が挙げ
られる。本発明において用いられるゲル状高分子固体電
解質は通常の電解液に重合性化合物を加え、熱あるいは
光によって重合を行い電解液を固体化するものである。
より具体的にはWO91/14294記載のものが用い
られる。重合性化合物としてアクリレート(たとえばメ
トキシジエチルグリコールメタアクリレート、メトキシ
ジエチレングリコールジアクリレート)系化合物を過酸
化ベンゾイル、アゾビスイソブチロニトリル、メチルベ
ンゾイルホルメート、ベンゾインイソプロピルエーテル
等の重合開始剤を用いて重合させ電解液を固体化するも
のである。このような固体電解質の中でゲル状高分子固
体電解質を用いることによりイオン導電度、可とう性を
格段に向上することが見いだされた。本発明においてゲ
ル状固体電解質に用いる電解質塩としては、例えば、L
iCF3SO3,LiN(CF3SO22,LiC(CF3
SO23,LiCH3(CF3SO22等のスルホン酸系
アニオンを有するリチウム塩およびLiBF4等が挙げ
られるが、なかでもLiN(CF3SO22とLiBF4
とを混合してなるものが好ましく、これにより負極への
リチウムの析出を抑えるばかりでなく、高エネルギー密
度と高いサイクル特性とを兼ね備えたリチウム二次電池
を提供できることが見いだされた。また現在金属製の角
形容器の深絞りは、通常約8mm程度の厚みで行われて
いるが、パーソナル機器の薄型化に伴った需要に対応し
てより薄い電池を生産しようとした場合、より薄い容器
を深絞りによって形成することは大変困難である。特に
板厚の薄い容器部材を形成するのはなおのことである。
そこで本発明者らは鋭意検討の結果図1にみられる様に
まず金属板、好ましくは200ミクロン以下の厚さの金
属板を絞り加工し、電池容器の底面または上面および1
組の狭側面に相当する同一幅の3個の鍔を形成し、該鍔
立した金属板の鍔上面と該金属板と同一面積の金属板と
を金属ロウによって接合して得た電池容器により発電要
素を包装することにより生産性と密封性を兼ね備えた薄
型の電池容器を深絞り様に作成することを成し遂げた。
【0007】本発明の電池に用いられる負極材料として
は炭素材料が用いられる。炭素質負極活物質としてはグ
ラファイト、ピッチコークス、合成高分子、天然高分子
の焼成体が挙げられるが、本発明では(1)フェノー
ル、ポリイミドなどの合成高分子、天然高分子を400
〜800℃の還元雰囲気で焼成することにより得られる
絶縁性ないしは半導体炭素、(2)石炭、ピッチ、合成
高分子、あるいは天然高分子を800から1300℃で
の還元雰囲気で焼成することにより得られる導電性炭素
体、(3)コークス、ピッチ、合成高分子、天然高分
子、を2000℃以上の温度で還元雰囲気下焼成してな
る炭素体、および天然グラファイトなどのグラファイト
系炭素体が用いられるが、(3)の炭素体が好ましく、
中でも天然グラファイトおよびメソフェーズピッチ、コ
ークスを2500℃以上の還元雰囲気下焼成してなる炭
素体が電位平坦性に優れ好ましい電極特性を有する。炭
素体のシート化は炭素体と結着剤から湿式抄紙法を用い
たり炭素材料に適当な結着剤を混合した塗料から塗布法
により作成される。電極はこれを必要に応じて集電体に
塗布、接着、圧着などの方法により担持することにより
製造することができる。
【0008】本電池系において電解質が固体電解質であ
る全固体型の発電要素を用いることで充放電に伴うガス
発生を抑制でき、従来の電池系では使用が困難であった
薄い板厚の電池ケースを用いることが可能となったので
あるが、万一の水分の混入によるガス発生の危惧は除き
得ないため安全弁の設置は不可避である。しかし、本電
池ケースの板厚が従来の電池に例がないほど薄いため安
全弁を電池ケースに具備させることは非常に困難な作業
であり、生産性は著しく低かった。しかし別工程で所望
の圧力で精度よく安定して作動する様に一部に切れ込み
を入れた一方向破壊式の安全弁を金属ロウ溶接により具
備してなる容器とすることにより、安全で密封性と生産
性の高い容器を製造することができる。本発明に使用す
る電解液としては有機非水系極性溶媒を使用するが、有
機非水系極性溶媒として非プロトン性でかつ高誘電率の
ものが好ましい。その具体例としては、プロピレンカー
ボネート、エチレンカーホネート、γ−ブチルラクト
ン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジ
メトキシエタン、ジメトキシカーボネート、ジエトキシ
カーボネート等を挙げることができるがこれらに限定さ
れるものではない。有機非水系極性溶媒は1種類のみを
使用しても2種類以上混合してもよいが、本発明によれ
ばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジ
メトキシカーボネートの混合溶媒を用いることにより、
正負極の自己放電を抑え、サイクル特性を抑えることが
可能である。また、従来エチレンカーボネートの低温に
よる凝固が電池の低温特性を決定していたが、エチレン
カーボネートと同様なカーボネート系材料であるプロピ
レンカーボネート、ジメトキシカーボネトーを混合する
ことにより、低温による凝固を防ぎ、電池の低温特性の
改善をすることができる。電解質濃度は使用する正極、
電解質および有機非水系極性溶媒の種類などによって異
なるので一概に規定することはできないが、通常0.1
〜10mol/lの範囲とするのがよい。
【0009】本電池に使用する正極集電体としては例え
ばステンレス鋼、金、白金、ニッケル、アルミニウム、
モリブデン、チタンなどの金属シート、金属箔、金属
網、パンチングメタル、エキスパンドメタル、あるいは
金属メッキ繊維、金属蒸着線、金属含有合成繊維などか
らなる網や不織布が挙げられる。中でも電気伝導度、化
学的安定性、電気化学的安定性、経済性、加工性を考え
るとアルミニウム、ステンレスを用いることが特に好ま
しい。更に好ましくはその軽量性からアルミニウムが好
ましい。更に本発明に使用される正極集電体層および負
極集電体層の表面は粗面化してあることが好ましい。粗
面化を施すことにより活物質層の接触面が大きくなると
ともに密着性も向上し電池としてのインピーダンスを下
げる効果がある。また、塗料溶液を用いての電極作成に
おいては粗面化処理を施すことにより活物質と集電体の
密着性を大きく向上させることができる。粗面化処理と
してはエメリー紙による研磨、ブラスト処理、化学的あ
るいは電気化学的エッチングがあり、これにより集電体
を粗面化することができる。特にステンレス鋼の場合は
ブラスト処理、アルミニウムの場合はエッチング処理し
たエッチドアルミニウムを用いるのが好ましい。アルミ
ニウムは柔らかい金属であるためブラスト処理では効果
的な粗面化を施すことが難しく、アルミニウム自体の変
形を招いてしまう。これに対して、エッチング処理はア
ルミニウムの変形やその強度自体を下げることなく、ミ
クロのオーダーで表面を効果的に粗面化することが可能
であり、アルミニウムの粗面化としては最も好ましい方
法である。
【0010】通常、当該電池容器はステンレススチー
ル、ニッケルメッキ加工炭素鋼などで製作されることが
多いが、耐食性などに支障がなければ特に限定されるも
のではないが、真空炉中で加熱、加圧することによって
熱圧着が可能な材質であることが必要である。すなわ
ち、ステンレススチール、鉄、ニッケル、もしくはこれ
らの合金が使用可能である。本発明の電池においてはセ
パレーターを使用することができる。セパレーターとし
ては電解質溶液のイオン移動に対して低抵抗であり、か
つ溶液保持に優れたものを使用するのがよい。そのよう
なセパレーター例としてはガラス繊維、フィルター、ポ
リエステル、テフロン、ポリフロン、ポリプロピレンな
どの高分子繊維からなる不織布フィルター、ガラス繊維
とそれらの高分子繊維を混用した不織布フィルターなど
を挙げることができる。
【0011】
【実施例】以下その詳細は実施例で説明する。
【0012】実施例1 図1は本発明の実施例における電池ケースの構造図であ
る。図1においてステンレススチール304製の厚み1
50ミクロンの平板部材1と前記平板部材を鍔立加工
し、電池容器の底面および1組の狭側面に相当する同一
幅の3個の鍔を有する平板部材2をニッケルロウをもっ
て溶接することにより図2に示す86×47×2.8m
mという厚みの電池ケースを製作した。部材1において
は、10×5mmのサイズの開口部を設け厚さ50ミク
ロンのアルミ箔をニッケルロウを用いることにより所定
の圧力で開放する安全弁3を具備させた。また、電池発
電要素を当該電池ケースに挿入し、端子面を封止した。
端子面を封止した図を図3に示す。図3において31は
正極板であり、N−メチルピロリドンに化学重合して得
たポリアニリン粉末(以下PANI)を溶解したPAN
IのN−メチルピロリドン溶液に平均粒子5μmのV2
5粉末をPANIに対しPANI:V25=3:7の
重量比で上記溶液に均質に混合した塗布液を厚さ20μ
mのSUS箔の両面に塗布・乾燥し活物質層の厚みが1
20μmとなるようにした。次に該正極を所定の寸法に
切裁断し電極の大きさを44×77mmとしたものであ
る。32は負極であり負極活物質としてコークスを25
00℃で焼成した負極活物質を47.4重量部、ポリビ
ニリデンフルオライド5.2重量部、n−メチルピロリ
ドン47.4重量部からなる塗布用溶液を電解銅箔20
μm集電体上両面に塗布し、80℃で乾燥させ活物質層
の厚みが160μmとなるようにしたものである。次に
該負極を所定の寸法に裁断し電極の大きさを45×78
mmとした。33はセパレーターで多孔性のポリプロピ
レン製フィルム(商品名セルガード)を用いて負極を袋
状に包んである。本セパレーターには1.8M濃度のL
iN(CF3SO22+0.2M濃度LiBF4/(プロ
ピレンカーボネート+ジメトキシエタン)(体積比7:
3)の電解液80%、エトキシジエチレングリコールア
クリレートを19.2%、ベンゾインイソプロピルエー
テルを0.8%混合した高分子固体電解質組成物を浸透
させ、高圧水銀灯を照射し、ゲル化させたものを用い
た。これらの電極群を8対向となるように積層したもの
を電池ケースに挿入している。次に各正極から取り出し
重ねたステンレス製のリード35を正極端子36にスポ
ット溶接する。また各負極から取り出し重ねたニッケル
製のリード37を負極端子38にスポット溶接する。そ
して端子面39をケース34にかぶせ、周囲をレーザー
溶接により封止することにより完成電池とした。図4に
当該電池ケースの端子面の断面図を示す。本断面図にお
いてバーリングによりガラスハーメチック部43を設け
端子部を作成した。単位重量あたりの電池容量は53m
Ah/gであった。図中、41は端子ピンであり、42
はバーリング部であり、44は端子面である。
【0013】比較例1 電解液を固体化せず1.8M濃度のLiN(CF3
22+0.2M濃度LiBF4/(プロピレンカーボ
ネート+ジメトキシエタン)(体積比7:3)の電解液
を用いた以外は実施例1と同様とした。単位重量あたり
の電池容量は51mAh/gであったが内部ガス発生に
より容器の変形がみられた。
【0014】比較例2 厚み450ミクロンのステンレススチール304材によ
り電池ケースを作成した以外は実施例1と同様とした。
単位重量あたりの電池容量は39mAh/gであった。
【0015】以下、本発明の具体的実施態様を示す。 1.少なくとも正極集電体層、正極活物質層、電解質
層、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質層、および負
極集電体層の積層構造体からなる発電要素を有する二次
電池において、電解質が固体電解質である全固体型の発
電要素を用い、かつ発電要素の外装容器が200ミクロ
ン以下の板厚の金属板であることを特徴とする二次電
池。 2.前記1の二次電池において、端子部が電池容器内部
のハーメチック部材により設けられたものであることを
特徴とする二次電池。 3.前記1ないし2の二次電池において、ハーメチック
部材がガラスハーメチック部材であり、かつ該ハーメチ
ック部材が電池内部へバーリング加工で設けられたもの
であることを特徴とする二次電池。 4.前記1ないし3の二次電池において、電解質層がゲ
ル状の固体電解質であることを特徴とする二次電池。 5.前記4の二次電池において、電解質層がLiCF3
SO3,LiN(CF3SO22,LiC(CF3SO2
3,LiCH3(CF3SO22およびLiBF4よりなる
群から選ばれた少なくとも1種の電解質塩を含有するも
のであることを特徴とする二次電池。 6.前記5の二次電池において、電解質塩がLiN(C
3SO22とLiBF4を組合せたものであることを特
徴とする二次電池。
【0016】7.前記1ないし6の二次電池において、
電池容器が一方向破壊式の安全弁を金属ロウ溶接により
具備したものであることを特徴とする二次電池。 8.金属板、好ましくは200ミクロン以下の厚さの金
属板を絞り加工し、電池容器の底面または上面および1
組の狭側面に相当する同一幅の3個の鍔を形成し、該鍔
立した金属板の鍔上面と該金属板と同一面積の金属板と
を金属ロウによって接合して得た電池容器により発電要
素を包装することを特徴とする前記1ないし7の二次電
池の製造方法。
【0017】
【効果】
1.請求項1 電解質が固体電解質である全固体型の発電要素を用いる
ことで充放電に伴うガス発生を抑制でき、従来の電池系
では使用が困難であった薄い板厚の電池ケースを用いる
ことができる。また、電池ケースを構成する部材の板厚
を薄くすることにより電池重量の多くを占める電池ケー
スの重量を軽くすることに成功し、それにより電池の安
全性、安定性を損なうことなく、電池の性能を表す重量
当たりのエネルギー密度を格段に向上させた二次電池が
得られた。 2.請求項2 外部にハーメチック部の突出のない密封性と安定性を兼
ね備えた外装容器を有する二次電池が提供された。 3.請求項3 ハーメチック部において別部材を必要とせず、工程の省
力化を成し遂げることに成功した二次電池が提供され
た。 4.請求項4 固体電解質の中でゲル状高分子固体電解質を用いること
により、イオン導電度、可とう性を格段に向上する。ま
た、ゲル状固体電解質を用いることにより負極へのリチ
ウムの析出を抑えるばかりでなく、高エネルギー密度と
高いサイクル特性とを兼ね備えたリチウム二次電池が提
供された。 5.請求項5 所望の圧力で精度よく安定して作動する様に一部に切れ
込みを入れた一方向破壊式の安全弁を金属ロウ溶接によ
り具備してなる容器として用いることにより、安全で密
封性と生産性の高い容器を備えた二次電池が提供され
た。 6.請求項6 生産性と密封性を兼ね備えた薄型の電池容器を作成する
ことができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】電池外装容器の構成部材の斜視図である。
【図2】図1の構成部材を金属ロウ溶接して形成した薄
型電池外装容器の斜視図である。
【図3】二次電池の部分断面図である。
【図4】図3の二次電池の端子部および端子面の断面図
である。
【符号の説明】
1 ステンレススチール製部材 2 鍔立ステンレススチール製部材 3 安全弁 4 ニッケルロウ溶接部 5 薄型容器 31 正極板 32 負極 33 セパレーター 34 電池ケース 35 正極リード 36 正極端子 37 負極リード 38 負極端子 39 端子面 41 端子ピン 42 バーリング部 43 ガラスハーメチック部 44 端子面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植本 浩紀 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも正極集電体層、正極活物質
    層、電解質層、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質
    層、および負極集電体層の積層構造体からなる発電要素
    を有する二次電池において、電解質が固体電解質である
    全固体型の発電要素を用い、かつ発電要素の外装容器が
    200ミクロン以下の板厚の金属板であることを特徴と
    する角型電池。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の二次電池において、端子
    部が電池容器内部のハーメチック部材により設けられた
    ものであることを特徴とする二次電池。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の二次電池におい
    て、ハーメチック部材がガラスハーメチック部材であ
    り、かつ該ハーメチック部材が電池内部へバーリング加
    工で設けられたものであることを特徴とする二次電池。
  4. 【請求項4】 請求項1、2または3記載の二次電池に
    おいて、電解質層がゲル状の固体電解質であることを特
    徴とする二次電池。
  5. 【請求項5】請求項1、2、3または4記載の二次電池
    において、電池容器が一方向破壊式の安全弁を金属ロウ
    溶接により具備したものであることを特徴とする二次電
    池。
  6. 【請求項6】請求項1、2、3、4または5記載の二次
    電池において、電池容器の組立て接合に金属ロウを用い
    たことを特徴とする二次電池。
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