JPH09506208A - 充電式リチウム電池構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 充電式リチウム・イオン電池は、複数の差し挟まれた可撓性電解質セルを有する。各セルは、単一の平面状積層構造を持つ。この構造は、重合体正電極（１３）、負電極（１７）、および電導性正電極（１１）と負電極コレクタ・ホイル（１９）素子の間に備わった中間電解質層（１５）を有する。一つのセルのコレクタ・ホイル（１９）の一つは、オープン・グリッド構造を持つ。この構造によって、電解質溶液がセル層に浸透可能となり、一方で多のものは実質的により一層連続して支持強度をセルに与える。連続ホイル正電極と負電極コレクタとを持つ少なくとも一対のセル（５４，５８）は、螺旋状に折り畳まれた様式に差し挟まれており、得られる高容量、かつ低プロファイル電池のための端末接点を与える最終構造の外側表面でコレクタ・ホイルが現れる。

Description

【発明の詳細な説明】 充電式リチウム電池構造 関連出願 この出願は、１９９３年１１月３０日付米国特許出願の部分継続出願であり、 該米国特許出願の開示内容をここで援用する。また、上記先行出願は本願と同一 の譲受人に譲渡されたものである。 発明の背景 本発明は、重合組成物からなる電極および電解質部材を含む電解セルと、その ようなセルを経済的に製造する方法とに関するもので、特に電解溶液を含む電極 ・中間重合体分離素子を備えた充電式リチウム電池に関する。セルの充電・放電 サイクルが繰り返されている間、上記電解溶液を介してソース電極からのリチウ ム・イオンがセル電極間を移動する。また、本発明は、特にそのようなセルを製 造するのに特に有用であり、上記イオンのソース電極は、リチウム化合物または リチウム・イオンを添加することが可能な他の材料からなるもので、内在電極膜 はイオン移動度を与える分離可能なリチウム塩からなる有機溶液を取り込むこと によってイオン伝導性が与えられた可塑化重合体マトリックスを有する。 初期の充電式リチウム・セルは、セルの放電中にリチウム・イオンを取り込む ことが可能な化合物を含む正電極と一緒に、イオン源としてリチウム金属電極を 用いる。そのようなセルは、ほとんどの部分が多孔性のセパレータ構造または膜 からなる。このような構造または膜は、適当量の電界溶液を、通常はリチウム化 合物溶液のかたちで運ぶとともに、セルの電極間で破壊的な接触が生じないよう にするための手段を提供する。ガラス繊維製濾紙またはクロスから微孔性ポリオ レフィン膜または不織布は、ポリピレンカーボネート、ジエトキシエタン，また はジメチルカーボンなどの有機溶媒にＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＰＦ₆、または ＬｉＢＦ₄を加えてなるリチウム化合物溶液によって飽和され、そのような電解 質／セパレータ素子を形成する。電極間に形成された電解質液ブリッジは、約１ ０^-3Ｓ／ｃｍの範囲の伝導性を得るために必要なＬｉ⁺イオン移動度を与える。 米国特許第５，２９６，３１８号に記載されているような、その後の開発によ って、イオンの挿入(intercalating)することが可能な正電極電極および負電極 電極の両方を持ち、かつリチウム塩電解質溶液を含有するセル・セパレータ膜材 料が含まれるもので、室温よりもかなり低い温度であっても機能を有する。この ような電解質膜は、機械的に組み立てられた電池を有するセパレータ素子として 、または電極および電解質組成物からなる連続した被覆層から構成される複合電 池に用いられる。しかし、このような実施形態の各々において、セル組立の際に 高分子電解質／セパレータ素子にはリチウム電解質塩が含まれることが多い。ま たそのような塩の吸湿性によって、セル組立の際に特別な環境条件が必要とされ る。 最近の開発では、セルを製造する際に特別な環境制御を必要としない改良され た高分子電解質膜と電極組成物を用いる方法が提供されている。通常、高分子電 極および電解質／セパレータ膜は加熱によって結合して積層セル構造を形成する 。この構造は、最適な層間反応性と保証するとともに活性液体(activatingfluid )としての用途の電池製造最終段階またはそれよりも後の段階まで選択的な電解 質取り込みを延期することを可能とする。 このようなセルの積層構造は、集電（コレクタ）素子、一般に追加の外側導電 層または薄膜として取り込むための調合手段(ready means)も提供する。電極お よびセパレータ層に対する活性電解質溶液のアクセスを最適化するために、金属 薄膜ような一般に不透過性の物質を含む場合、外側集電層の少なくとも１つを、 開口グリッド、あるいは穴が開いてるか、さもなければ液体が透過できるように 同様に形成されたメッシュ構造とする。 種々のサイズ、容量、および電圧範囲が、いくらかのセルを重ねることによっ て、あるいは寸法を大きくした単一のセルを集合化することによって積層セル構 造から容易に作り上げることができる。マニホルディング(manifolding)は経済 的な方法であり、直接的、すなわち絶縁素子の追加、対応する電極コレクタの適 当な配置、穴の開いたコレクタまたはグリット・コレクタは、より脆弱の素子の 応力破壊または破裂を起こす傾向にあり、最終的に電池端末への電流の流れを著 しく阻害する。電池構成の現在の形状は、そのような応力を軽減させ、また種々 の大きさで電池パッケージを製造することが単純化される。 本発明の要約 高分子材料を用いて改善された電解質セル電極およびセパレータ素子は、好ま しくはポリ（ビニリデン弗化物）共重合体マトリックスと、可撓性を持ち、かつ 自己支持膜可撓性相溶性有機可塑剤との組合せを持つ。共重合体は、約７５ない し９２％重量のビニリデン弗化物（ＶｄＦ）と８ないし２５％ヘキサフルオロプ ロピレン（ＨＦＰ）とを含むもので、後者のコモノマーの濃度は最終共重合体の 結晶度が良好な膜強度を保証する一方でリチウム電解質塩にとって好ましい溶媒 の約４０ないし６０％を保持することを可能とする。溶媒濃度のこの範囲内で、 ハイブリッドの電解質膜を根本的に有する５ないし７．５％の塩は、約１０^-4な いし１０^-3Ｓ／ｃｍの有効室温イオン伝導率を生ずる。この場合、上記膜ではセ ルの漏れまたは伝導率の喪失を招くかもしれない溶媒滲出は起こらない。 電解質セル、例えば充電式電池は、電極および電解質セル素子からなる積層体 によって一般に構成されている。このような電極および電解質セル素子は個々に 、コーティング、押出しによって、またはさもなければ、よく知られたＰＶｄＦ 共重合体材料から製造される。例えば、リチウム・イオン電池の構造では、アル ミニウム薄膜またはグリッドからなる電流コレクタ層は正電極フィルムまたは膜 によって上塗りされており、層間電極組成物、例えば可塑化共重合体マトリック ス溶液にＬｉＭｎ₂Ｏ₄粉末を加えたものであり、これを乾燥させて膜を形成する 。ＶｄＦ：ＨＦＰ共重合体の溶液と可塑剤とを含む組成物からなる乾燥コーティ ングとして形成された電解質／セパレータ膜を正電極フィルム上に積層する。可 塑化共重合体マトリックス溶液中に分散させた炭素粉末からなる乾燥コーティン グとして形成した負電極膜を同様にセパレータ膜上に積層し、さらに 銅コレクタ薄膜またはグリッドを負電極層に積層することによって、セル・アセ ンブリを完成させる。このアセンブリを加圧下で加熱し、可塑化共重合体マトリ ックス成分間で加熱融合させ、またコレクタ薄膜またはグリットをそれによって セル素子の積層体を単一の可撓性電池構造とする。 この段階で、積層構造は均質的に分布した有機可塑剤からなる重要な判断基準 (significant measure)を含むものであるが、吸湿性の電解質塩を欠いている。 その結果、形成後あるいはさらに加工した後のいずれか一方で、大気中の湿度と 反応することによる電解質の変質を考えることなく、“不活性”電池を周囲条件 で保存してもよい。電解質塩溶液を活性化させる場合のみ、乾燥し、かつ不活性 ガス中で有効に達成されるので、電池が無水状態を維持するように配慮する必要 がある。 その後の使用に先だって、または製造の最終段階において、そのように電池を 活性化させる必要が生じた場合、積層セル構造を電解質塩溶液に浸すか、あるい は接触させる。この電解質塩溶液は透過性コレクタ素子に浸透し、ＶｄＦ：ＨＦ Ｐ共重合体膜マトリックスに吸収され、そのような電解質溶液が含まれる事前調 製されたハイブリッド電解質／セパレータ膜によって達成されるものと同様のイ オン伝導率強化が与えられる。電解質溶液の吸収を促進させるために、可塑剤の 実質的な部分を事前に共重合体マトリックスから除去する。このことは、共重合 体からなる不活性、かつ低沸点の溶媒、例えばジエチルエーテルまたはヘキサン にセル構造物を浸すことによって、積層操作に続いて容易にいかなる時であって も達成できよう。抽出溶媒を単に揮発させて乾燥、かつ不活性の電池を得ること もできる。また、積層構造を可塑化形状とすることにより、活性化に先だって長 時間保存することが可能となる。 積層重合体材料を用いた電池形成方法は、バッチまたは連続操作に容易に適応 できる。なぜなら、電極および電解質層素子は、コレクタ・グリッドおよび薄膜 と同様に、積層組立に先だって形や寸法を整えられるか、もしくは後の付形また はマニホルディングのために重合体層材料の融合性ウエブ(confluent webs)から 積層してもよい。特に有用な点は以下のことにある。すなわち、根本的な組み込 みを必要とする従来のセルとは異なり、層素子の積層体から得られる機能性電解 質セルは、複合化電池を得るために、上記したように、寸法を整えたり、あるい は多重化することのみを必要とする。 本発明は、そのようなセル多重化(cell multiplexing)の方法を提供する。こ の方法は得られた電池の具現を改善し、一方でセルのより一層脆い穴あきホイル またはグリッド・コレクタ素子に関連した従来の欠点を緩和する。コレクタ素子 の破損という問題は、第一にその素子をいきなり曲げることに起因するもので、 このような曲げはマニホルドの外面に、あるいはアコーディオン状に折り畳みの ついた電池構造上に位置決めされた場合に起こる。本発明は、一対の積層セルの 対応する負電極コレクタおよび正電極コレクタとしてグリッドまたは穴あきホイ ルを用いることによって対策を提供する。その一対の積層セルは続いて二重リー ド同心的折り畳み(double-lead concentric fold)、または“ゼリー・ロール(je lly-roll)”アセンブリに多重化される。このアセブリはグリッド・コレクタを ロールの内側に維持するもので、一方相補的なソリッド・ホイル・コレクタは外 側にある。この場合、より強いホイル・コレクタは折り畳み応力に抵抗し、アセ ンブリに対してさらなる支持を与える。一方で、グリッドの折り畳みによるいか なる破損の影響もグリッドと他のアセンブリ・セルの同様な極性の適合隣接ソリ ッド・ホイルとの間の接触によって維持された導通状態によって軽減される。折 り畳まれた電池構造の外面に設けられることによって、ソリッド・ホイル・コレ クタはさらに究極的に高導電率表面を表す。この高導電率表面は容易に対応する 電池接点を受け取る。本発明の基本的な二重リード・セル折り畳み構成によって 種々の機能的利点を持つ電池構成を数多く達成することが可能である。 図面の簡単な説明 本発明を添付の図面を参照しながら説明する。 図１は、本発明で適用される典型的な積層リチウム・イオン電池構造を示す図 である。 図２は、図１の電池構造を製造するための積層方法を説明するための図である 。 図３は、図１の基本セル素子を適用したマルチセル型電池構造の断面図である 。 図４は、図１の基本セル素子を適用したマニホルド型電池構造の断面図である 。 図５は、本発明の二重リード折り畳み型電池構造の断面図である。 図６は、図５の波線で覆われた部分６０を切り取った電池構造断面の拡大図で ある。 図７は、図５にもとづく密集型電池構造の断面図であり、筐体および端末接点 構造の実施態様を示す。 図８は、図７にもとづく密集型電池構造の断面図であり、筐体および端末接点 構造の他の実施態様を示す。 図９は、図７にもとづく密集型電池構造の断面図であり、筐体および端末接点 構造のさらに別の実施態様を示す。 図１０は、図７にもとづく密集型電池構造の断面図であり、筐体および端末接 点構造のさらに別の実施態様を示す。 図１１は、図７の密集型電池構造の一直列接続を適用した電圧増加型電池の断 面図である。 図１２は、図７および図１１にもとづくリチウム・イオン電池にけるリサイク リング電圧を時間の関数として表したグラフである。 図１３は、図７および図１１にもとづくリチウム・イオン電池にけるリサイク リング電圧を充電／放電サイクル数の関数として表したグラフである。 本発明の記述 図１に示した本発明に好適な積層電池構造は、電導性コレクタ・ホイルまたは グリッド１１、例えば銅、ニッケル、ニッケルめっき金属、または高ニッケル・ ステンレス鋼を含むもので、さらにその上に負電極膜１３が積層されている。こ の負電極膜１３は、炭素またはグラファイト等の挿入可能な(intercalatable)材 料、あるいはＷＯ₂、ＭｏＯ₂、またはＡｌ等の低電圧リ チウム挿入(insertion)化合物を可塑化高分子バインダ・マトリックスに分散さ せたかたちで含有する。可塑化ＶｄＦ：ＨＦＰからなる電解質／セパレータ薄膜 １５は電極１３上に配置され、かつその上に可塑化高分子バインダ・マトリック スに分散した微細リチウム内位添加化物、例えばＬｉＭｎ₂Ｏ₄，ＬｉＣｏＯ₂、 またはＬｉＮｉＯ₂からなる組成物を含む正電極膜１７が覆う。さらに、アルミ ニウム・コレクタ・ホイルまたはグリッド１９が積層されてアセンブリが完成す る。つづいて、このアセンブリを加熱かつ加圧下でプラテンとプラテン（図示せ ず）との間に挟み、押圧する。それによって、高分子の構成部品を柔らかくし、 かつ結合させ、膜とコレクタ層とが積層される。既に述べたように、セル・コレ クタ・ホイルの少なくとも一つは、好ましくは活性化溶液がセルに流れ込むのを 促す透過性グリッドとして事前に形成される。容易に、かつ一貫性をもって説明 するために平易に、プラスのコレクタがそのようなグリッドとして最初のいくつ かの図に描かれている。 セパレータ膜素子１５は、既に書き留めた７５〜９２％の弗化ビニリデン：８ 〜２５％ヘキサフルオロプロピレン共重合体(Atochem North AmericaからKynar FLEXとして市販）と有機可塑剤とを含む組成物から調製される。そのような共重 合体組成物はまた、電極膜素子の調製にとっても好適である。なぜなら、連続す る積層物の境界面の適合性が確保される。可塑剤は、電解質塩の溶媒として一般 に用いられる種々の有機化合物のうちのひとつでよく、例えばプロピレンカーボ ネートまたはエチレンカーボネート、同様にそれらの化合物の混合物でよい。融 点がより一層高い可塑剤化合物、例えばジブチルフタレート、ジメチルフタレー ト、ジエチルフタレート、およびトリス・ブトキシエチルホスフェートが特に適 している。無機フィラー添加剤、例えばヒュームドシリカ、ヒュームドアルミナ 、またはシラン化ヒュームドシリカがセパレータ膜の物理的強度および溶融粘度 を高め、電解質液吸収のその後のレベルを高める。 重合体組成物からなるフィルムまたは膜をキャスティングまたは成形するため のいかなる一般的な方法であっても、本発明に関わる膜材料の調製に利用するこ とができよう。液状の組成物をキャスティングまたはコーティングする際にメー タ・バーまたはドクター・ブレード器具を用いる。この場合、容易に揮発する キャスティング溶媒を添加することによって組成物の粘度を低下させる。このよ うな溶媒としては、アセトン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などが挙げられる 。そのようなコーティングは、通常は適度な温度でもって空気乾燥し、均質、か つ可塑化した共重合体組成物からなる自己支持型のフィルムが得られる。膜材料 、特にセパレータ素子として用いられるものは、市販の形状（すなわち、ビーズ または粉末状）の共重合体を比例した量の可塑剤で膨潤させ、さらに加熱（例え ば、約１１０℃〜１５０℃）したプレートまたはローラの間で膨潤した塊を圧す ることよって、あるいは混合物を押し出し成形することによって形成してもよい 。 組み立てられたセル構造の積層は、一般に使われる装置によって同様に達成さ れる。事前に形づけられたり、あるいは事前に寸法が整えられたアセンブリを単 に短時間のプレスを施すこすだけでよい。この場合、押圧はオーブン内、かつ金 属間で約３×１０⁴ないし５×１０⁴Ｐａとし、温度約１１０℃ないし１５０℃で 行う。構成要素の膜からなる連続したウエブが得られる場合、加熱したカレンダ ー・ローラを用いて操作を行ってもよい。そのような積層電池組み立て方法では 、図２に示すように、銅コレクタ・ホイル２１および負電極素子２３は重なるよ うにして配置されており、好ましくはアルミニウム・ホイル（不図示）からなる バッファ・シート間に設けられている。さらに、これらは温度約１１０℃ないし １５０℃で市販のカード・シーリング・ラミネータのローラ２６間を通過する。 処理されたアルミニウム・コレクタ・グリッド２９および正電極素子２７は同様 に積層されて一対の電極／コレクタ・電池素子２２，２４を形成する。電解質／ セパレータ素子２５を電極／コレクタ対２２，２４に挿入し、得られたアセンブ リを積層電池構造を得た際の圧力よりも若干低い圧力で、かつローラ温度が約１ １０℃ないし１５０℃のラミネート装置に通過させる。 上記の方法は、適当な電極および電解質素子をセル構造内に複製することによ って、より一層高い容量のセルを調製する際に用いられてもよい。そのような多 重化構成を図３に示す。また、該多重化構成は、銅コレクタ３１，負電極層素子 ３３，電解質／セパレータ素子３１正電極素子３７，およびアルミニウム・コレ クタ・グリッド素子３９を備える。コレクタ素子のタブ３２，３４は、電池 構造用の共通端末を各々形成する。連続する積層、抽出、および電解質溶液によ る活性化は、図１に示す基本セルの容量の約２倍の電池を作る。相対的に容量の 大きい電池は、すでに述べたように、一連のセル素子を繰り返すことによって容 易に構成される。もちろん、考慮すべきことは、抽出および活性溶液が通る材料 の質量の増大によって起こる処理時間の予期しない増大である。 積層の後、最終の電池処理および活性化するまでの間、電池材料を残留可塑剤 とともに通常の条件下で保存する。積層物を打ち抜きしてコイン状にし、おなじ みの“ボタン”型電池にしてもよい。また、可撓性の積層セル材料からなる引き 延ばしシートを介在絶縁体またはマニホルドとともに、図４に示すように圧延し てもよい。それによって、活性化電解質溶液とともに保護筐体で密閉される密集 型で、かつ高密度の構造が得られる。 図４のマニホルド型セルは、説明を容易 にするために部分的に折り畳まれたもので、通常は以下のようにして調製される 。負電極コーティング組成物は、蓋で覆われたガラス容器内で、７．０ｇの市販 微結晶グラファイト（約５μｍ）、２．０ｇの８８：１２ＶｄＦ：ＨＦＰ共重合 体(Atochem Kynar FLEX 2822)、３．１２ｇのジプチルフタレート、０．３７ｇ のスーパー(Super-P)導電性カーボン、および約２８ｇのアセトンからなる混合 物を撹拌することによって調製した。得られたペーストは、混合容器内を減圧す ることよって脱ガス処理してもよい。組成物の一部分を約０．６６ｍｍで埋めた ドクター・ブレード装置によってガラス板にコーティングした。被覆層を、室温 で約１０分間にわたってドライヤの空気を適度に吹きかけながら、コーティング 用筐体内で乾燥させ、丈夫で、かつ弾性的なフィルムが作れた。このフィルムは ガラス容器から容易に剥がすことができた。このフィルムの厚さは約０．１６ｍ ｍで、乾燥重量が約０．２３ｋｇ／ｍ²であり、容易に約６００×４０ｍｍの負 電極素子４３に切断することができた。 ６３０×４０ｍｍの銅コレクタ・ホイル４１を一端でトリムしてタブ４４を形 成した。このタブ４４は簡易な電池端末として利用する。関連する電極素子との 接着性を高めるために、ホイル４１をFLEX 2822 VdF:ＨＦＰ共重合体からなる０ ．５％アセトン溶液に浸してディップ・コーティングし、空気乾燥し、さらにオ ーブンで５〜２０秒間にわたって３３０℃ないし３５０℃でもって加熱した。 加熱工程は、それぞれが約３％のVdF:ＨＦＰ共重合体およびジブチルフタレート からなるディップ・コーティング用溶液を用いることによって、あるいはエチレ ン−アクリル酸共重合体プライマー組成物（例えば、Morton 50-C-12）のコーテ ィングによって、排除してもよい。負電極／コレクタ・セルのサブ・アセンブリ を形成するために、すでに記載されたようにして、得られた陰性ホイル・コレク タ４１に、負電極膜４３を積層した。 同様の寸法となった負電極／コレクタ・サブアセンブリは、アセトン清浄、か つ重合体ディップ・コーティングされた５０μｍ厚のオープン・メッシュ・アル ミニウム・グリッド（例えば、Delker Corporationによって販売されたマイクロ グリッド(MicroGrid)精密拡張ホイル）を、１０．５ｇのＬｉ_1-xＭｎ₂Ｏ₄、ただ し０＜ｘ≦１（例えば、米国特許第５，１９６，２７９号に開示されたようにし て調製したＬｉ_1.05Ｍｎ₂Ｏ₄）、５３μｍでふるい、１．６１ｇのＶｄＦ：ＨＦ Ｐ共重合体(FLEX2822)、１．６３ｇのジブチルフタレート、０．５ｇのスーパー −Ｐ導電性カーボン、および約１６ｇのアセトンからなる撹拌された均質な混合 物から調製された正電極膜４７に積層した。組成物を約１．１ｍのブレード・ギ ャップで被覆し、乾燥基本重量が約０．６ｋｇ／ｍ²の電極フィルムを得た。 図２の方法と同様にして、電解質／セパレータ素子４５の６００×４０ｍｍス トライプとともに、電極／コレクター・サブアセンブリ対を積層した。素子４５ 用の膜コーティング溶液は、２．０ｇのＶｄＦ：ＨＦＰ共重合体(FLEX2822)を約 １０ｇのアセトンと２．０ｇのジブチルフタレート（ＤＢＰ）とに懸濁し、さら にこの混合物を約５０℃に暖め、時々撹拌して溶解を促進する。溶液の一部を０ ．５ｍｍのギャップでドクター・ブレード装置でガラス板上に塗布して約１０分 間空気乾燥することにより、強固で、かつ弾性的な電解質／セパレータ膜４５が 得られた。この膜４５は、約８５μｍの厚さで、乾燥基本重量が約０．１ｋｇ／ ｍ²であった。つぎに、図４に示すように、シートをジグザグ状に折り畳み、押 圧することによって密着マニホルド構造とした。この構造では、離間し、かつ連 続した正電極および負電極コレクタ面４９，４１のそれぞれの外側部分のみを接 着させた。 このマニホルド電池構造体を、撹拌したジエチルエーテルに１０分間、３回浸 した。その間、ＤＢＰ可塑剤の実質的な部分を抽出するために、エーテル溶媒が この構造体の表面間に浸透し、コレクタ４９のグリッドを通った。このマニホル ド電池を、実質的に湿気のない雰囲気中で、ＬｉＰＦ₆を５０：５０エチレンカ ーボネート（ＥＣ）：ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）に含んでなる１Ｍ電解質 溶液に少なくとも２０分間浸すことによって充電／放電の繰り返しの準備のため に活性化する。この間、積層セルが約３１％の抽出重量を吸収した。表面の電解 質を取り除くために吸収材料でもって優しくワイピングした後、活性化電池構造 体を、端末タブ４２，４４が出るようにして、耐湿性バリア材のクローズ・フィ ッティング・エンベロープ（不図示）、例えば食品用密閉容器として商業的にし ようされるポリオレフィン／アルミニウム・ホイル／ポリエステル積層シートに 密封封止した。本発明の電池構造は、液体電解質溶液として用いられる種々の組 成物のいずれによっても活性化される。注目すべき点は、電解質溶液はジメチル カーボネート、エチレンカーボネート、ジエトキシエタン、ジエチルカーボネー ト、プロピレンカーボネート、ジメトキシエタン、ジプロピレンカーボネート、 およびそれらの混合物のような有機溶媒を含むものであってもよい。また、活性 電解質溶液の配合において、他の有用なリチウム塩、例えばＬｉＣｌＯ₄、Ｌｉ Ｎ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＡｓＦ₆、およびＬｉＳ ｂＦ₆を、溶液濃度が約０．５Ｍと２Ｍとの間で用いてもよい。特定の用途では 、例外的に、米国特許第５，１９２，６２９号で開示されたＬｉＰＦ₆のエチレ ンカーボネート／ジメチルカーボネート組成物とＬｉＢＦ₄との混合物が用いら れる。 マニホルド構造を作る過程で、オープン・メッシュ・コレクタ・グリッド４９ を構造体折り畳み部分の各々のところで急激に曲げると、それらの領域のなかで 相対的に弱いグリッド材料でいくらかの破損が生じた。そのような破損は、グリ ッド４９の対向面の接触によって内側折り畳み部分４８ではわずかであったけれ ども、外側折り畳み部分４６における破損は、コレクタ素子の導通に有害な破壊 を引き起こす。この問題に対処するために、以下の本発明にもとづく可撓性電池 アセンブリが開発された。 この有益なセル・アセンブリを図５に示す。この図は構造体内にあるセル素子 の新規な配列の説明を促すために部分的に拡大したものである。さらに、この状 態で、セルを構成する素子は、例えばセル５４では、単にホイル・コレクタ５１ 、グリッド・コレクタ５２、および、コレクタ間に配置された素子５３として表 されている。この素子５３は実際のところすでに記載した正電極／電解質膜／負 電極の組合せである。先に示したように、アセンブリはいかなる長さであっても よく、同様に折り畳みまたはそりの数は任意であってもよい。 本発明のセル配列の目的は、第一に、素子破損につながるオープン・メッシュ ・コレクタ・グリッドに対する外部折り畳み応力を避けることである。しかし、 セルの外側でソリッド・ホイル・コレクタ素子の配置において、さらに別の利点 を享受することができる。すなわち、そのような素子はセルの外側で補強かつ保 護され、電極、リード、および接点を利用する上でどこにでもあるようなレセプ タ表面を提供する。 図５に示すように、本発明のセルは互いに反転した像である一対のサブセル５ ４，５８を有する。すなわち、サブセル５４の負電極コレクタはソリッド・ホイ ル５１であり、またサブセル５１のそれはグリッド５５である。一方、サブセル ５４の正電極コレクタはグリッド５２であり、またサブセル５８のそれはソリッ ド・ホイル５６である。この基本的な配列は図６に示す構造体の拡大断面６０で より一層明らかとなろう。ここでは、サブセル６４の、例えば銅からなる負電極 コレクタ・ホイル６１は、サブセル６５の銅からなる負電極グリッド６５に接す る。例えばアルミニウムからなる相補的サブセル正電極ホイルおよびグリッド・ コレクタ６２，６６は、折り畳まれた構造の交互に重なった層において同様に接 する。 新しいセル構造を形成するために、サブセルを重ねて一対のコレクタ、例えば 負電極５１，５５が接触させ、二重リード“ゼリー・ロール”のやり方で、伸び た二重層複合物が折り畳まれ、いつでも外側のソリッド・ホイル素子が折り畳ま れた構造の外側を構成する。図５から明らかなように、折り畳まれた対の最内サ ブセルは順番に他のものを越えるように拡がった寸法となっており、その周囲の 少なくとも一部分、好ましくは約半分で構造体の外側で位置決めされる。この場 合、グリット素子は内側の折り畳み応力のみを受け、同様の極性のソリッド・ホ イルによって支えられるが、両極性の実質的なソリッド・ホイル表面は最終電池 の表面に現れる。 本発明の完成した電池構造を示す以下の図では、説明を容易かつ簡単なものと するために、サブセルの各々を単一素子とした。したがって、例えば図７では、 素子７４，７８は図５のサブセル５４，５８に対応するもので、図１に示したよ うな、完全なセルのコレクタ、電極、および電解質層のすべてを含むものと考え る。後の図の折り畳まれた構造の圧縮セル描写は電池素子の実際の状態にたいへ ん似たものとしている。 図７に示す実施態様では、サブセル素子７４，７８を有する折り畳まれたセル は、筐体７４に密封される前に図４の折り畳まれたセルについて記載されたよう にして処理されてもよい。特に、折り畳まれた構造は可塑剤の抽出であり、また 電解質溶液によって活性化される。あるいは、折り畳まれたセルは事前の抽出な しに活性化されてもよく、あるいは抽出セルはセルに実質的に全吸収される所定 量の活性化電解質溶液とともに筐体内に密封されてもよい。この後者のプロセス では、活性溶液を筐体のエンベロープを介して注入してもよい。この際、エンベ ロープは事前に密封された電池のもので、注入の時点で続けて加熱密封する。 特に図７に示すように、この実施態様は、２枚のシートで密閉された相補的な 素子７４，７８の二重リード折り畳みセル構造を有する。この際、各シートは、 外側の１５μｍポリエステルまたはポリイミド・フィルム、５０μｍアルミニウ ム・ホイル、およびヒート・シール粘着剤からなる約９０μｍの層を有する内側 の１５μｍポリエステル・フィルムを一般に備えた市販の耐湿密閉フィルム７２ からなる。さらに、密閉された粘着性のある封止用シールを形成するために、粘 着剤は約１００℃〜１２５℃の温度範囲内で金属に対して良好な結合性を与える 。最初の封止工程では、電極にアクセスするための穴が開けられた密閉シート７ ２セル素子７４，７８のホイル電極面７１，７６に粘着させて，電極の露出した 領域を最終密閉物の内側からシールする。この最終密閉物を完全に密閉するため に、シートの末端部７３でシート同士をシールする。その後、コンダクター・リ ード７９は半田７７または他の導電性粘着物、例えば銀充填エポキシによって 対応する露出セル電極に付けられる。 折り畳まれたセルの保護用梱包の変形例を図８に示す。ここでは、事前に袋状 に設けてもよい密閉材料８２からなる単一シートを用いた。コンダクタ８０は、 電解質溶液の分量(measure)とともに袋のなかに挿入される前に半田８７，８６ によって相対的なセル構造３４，８８の対応する電極面に接着されてもよい。そ のように加工された場合、およびコンダクター８９が個々の絶縁を欠いている場 合、粘着絶縁フィルム８５を備える。 図７の電池構造の変形例を図９に示す。この図では、例えば銅パッドの固定さ れた接点９６，９７はエンベロープ材９２に形成された穴９５を通って、それぞ れ半田または電導性粘着剤で電極面９９，９１に接着している。したがって、そ のような電池は利用している装置に直接接触挿入するのに適している。図１０の 実施形態は、電池パッケージの同一面上に位置する類似の端末パッドを与える。 絶縁フィルム１０５は、セル素子１０８と端末１０６との間で電流を運ぶために 、コンダクター・ホイル１０９への単純接着を利用することを可能とし、一方端 末１０７は直接セル素子１０４に接着する。 本構成からなる電池の電圧出力を、図５の基本折り畳みセル構造を複数直列に 重ねることによって容易に増加させることができる。図１１に示すように、第１ の折り畳みセル１１０の負電極素子１１４は、同様のセル１１１の正電極素子１ １８と電気的に接続するように置かれる。このような配置は、セル表面での直列 結合およびエンベロープ材１１２の封止領域１１３を所望の量からなる活性化電 解質とともに密閉するのに先だって行われる。したがって、電池の電圧は図示し た２つのセル構造によって２倍となる。また、既に述べたコンダクター１１９と 半田結合１１６、１１７との接着に加えて、描かれた電池パッケージは、市販の 電流および熱保護ＰＴＣスイッチ１１５、例えばレイ・ケム社(RayChem Corp.Me nlo Park，CA)によって製造されるポリ・スイッチ(Poly-Switch)装置を備える。 分離された保護スイッチ装置を用いる場合と異なりコンパクトなので、本発明の 可撓性を有し、かつ多層の構造体はセル構造に、PTCスイッチの感熱性組成物を 含む追加の層を、例えば電極とコレクタ層との間に配置することができる。 図１１および図７の活性化電池を、それぞれ４〜９Ｖおよび２〜４．５Ｖの範 囲で、１％内に一定に維持された４０ｍＡの割合で周期的繰り返しを行うことに よって試験した。得られた結果の多数のサイクルにおけるトレースを図１２に示 す。図中、１２２，１２３、および１２４，１２５は，対応する放電および充電 のトレースである。拡大された充電サイクルに対するセル容量のトレースは図１ ３に示す。図中、１３２は図１１の高電圧電池の実質的に一定の容量をトレース したもので、一方１３５は図７の単一セルからなる電池の同様のパフォーマンス をトレースしたものである。 上記の記載はしくつかの電池アセンブリの製造に大きく関わるものである一方 で、添付した請求の範囲に示される本発明の範囲内に、種々の変形例も同様に含 まれよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１２月１１日 【補正内容】 請求の範囲 １．連続かつ同心的に重なり合った層として配置された複数の可撓性電解質セル 正極素子、負極素子、およびセパレータ素子を含み、また前記素子の各々は重合 体組成物である充電式電池構造であって、 ａ）前記素子は，少なくとも２つのセルを形成するように配置され、各セルは 正極素子、負極素子、およびそれらの間に介在するセパレータ素子を有し；また ｂ）各セルの各々の同じ極性の電極は前記構造内で隣接して設けられているこ とを特徴とする充電式電池構造。 ２．請求項１にもとづく電池構造であって、 前記電極の各々は、電解質活性組成物素子と導電性コレクタ素子とを備えるこ とを特徴とする充電式電池構造。 ３．請求項２にもとづく電池構造であって、 前記同じ極性の電極の各コレクタ素子は、前記構造内で隣接して設けられてい ることを特徴とする充電式電池構造。 ４．請求項３にもとづく電池構造であって、 前記同じ極性の電極の各々の前記コレクタ素子の一つが液体電解質に対して透 過性を有することを特徴とする充電式電池構造。 ５．請求項４にもとづく電池構造であって、 前記透過性を有するコレクタ素子は、前記同心的に重なり合った配列の内側に 最接近して備わったセル層を有することを特徴とする充電式電池構造。 ６．請求項５にもとづく電池構造であって、 前記セルの反対の極性のコレクタ素子の各々の一つは、前記同心的に重なり合 った配列の外側の面に備わることを特徴とする充電式電池構造。 ７．複数の電解質セルを有し、また各電解質セルは正電極部材、負電極部材、お よびそれらの間に介在するセパレータ部材を備え、さらに前記部材は、可撓性で 、かつ自己支持する重合性マトリックス・フィルム組成物を含み、また各々の界 面で前記セルの隣接部材に結合して単一の可撓性積層セルを形成する充電式電池 構造であって、 ａ）前記電極部材の各々は、電解質活性組成物と電導性コレクタ素子とを含み ； ｂ）各セルの少なくとも一つの前記コレクタ素子は，液体電解質に対して透過 性を有し； ｃ）少なくとも２つの前記セルの極性が同じコレクタ素子の各々は、前記構造 内で隣接して備わり；

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュムッツ，キャロライン，エヌ. アメリカ合衆国 07724 ニュージャージ ー州 イートンタウン イートン クレス ト ドライブ 252ビー (72)発明者 タラスコン，ジーン−マリー アメリカ合衆国 08836 ニュージャージ ー州 マーチンズヴィル デイヴィッド コート 16 (72)発明者 ウォーレン，ポール，シー. アメリカ合衆国 07931 ニュージャージ ー州 ファー ヒルズ ピー．オー．ボッ クス 212

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．連続かつ同心的に重なり合った層として配置された複数の可撓性電解質セル 正電極、負電極、およびセパレータ素子を含む充電式電池構造であって、 ａ）前記素子は，少なくとも２つのセルを形成するように配置され、各セルは 正電極、負電極、およびそれらの間に介在するセパレータを有し；また ｂ）各セルの各々の同じ極性の電極は前記構造内で隣接して設けられているこ とを特徴とする充電式電池構造。 ２．請求項１にもとづく電池構造であって、 前記電極の各々は、電解質活性組成物素子と導電性コレクタ素子とを備えるこ とを特徴とする充電式電池構造。 ３．請求項２にもとづく電池構造であって、 前記同じ極性の電極の各コレクタ素子は、前記構造内で隣接して設けられてい ることを特徴とする充電式電池構造。 ４．請求項３にもとづく電池構造であって、 前記同じ極性の電極の各々の前記コレクタ素子の一つが液体電解質に対して透 過性を有することを特徴とする充電式電池構造。 ５．請求項４にもとづく電池構造であって、 前記透過性を有するコレクタ素子は、前記同心的に重なり合った配列の内側に 最接近して備わったセル層を有することを特徴とする充電式電池構造。 ６．請求項５にもとづく電池構造であって、 前記セルの反対の極性のコレクタ素子の各々の一つは、前記同心的に重なり合 った配列の外側の面に備わることを特徴とする充電式電池構造。 ７．複数の電解質セルを有し、また各電解質セルは正電極、負電極、およびそれ らの間に介在するセパレータ部材を備え、さらに前記部材は、可撓性で、かつ自 己支持する重合性マトリックス・フィルム組成物を含み、また各々の界面で前記 セルの隣接部材に結合して単一の可撓性積層セルを形成する充電式電池構造であ って、 ａ）前記電極部材の各々は、電解質活性組成物と電導性コレクタ素子とを含み ； ｂ）各セルの少なくとも一つの前記コレクタ素子は，液体電解質に対して透過 性を有し； ｃ）少なくとも２つの前記セルの極性が同じコレクタ素子の各々は、前記構造 内で隣接して備わり； ｄ）前記２つのセルの前記部材は連続し、かつ同心的に重なる合った層配列を 有する構造内に形成され； ｅ）前記透過性コレクタ素子は、前記重なり合った配列構造の内側に最近接し て備わったセル層を有し；さらに、 ｆ）前記セルの反対の極性のコレクタ素子の各々が前記構造の外側面に備わっ ていることを特徴とする充電式電池構造。 ８．請求項７にもとづく電池構造であって、 前記重なり合った配列構造は、耐湿性バリヤ材容器内に密封封止されているこ とを特徴とする充電式電池構造。 ９．請求項９にもとづく電池構造であって、 前記構造は，前記反対の極性のコレクタ素子と前記容器の外面との間を個々に 電気的に繋げる手段を備えることを特徴とする充電式電池構造。 １０．請求項９にもとづく電池構造であって、 ａ）前記構造は、前記容器内に密閉された少なくとも２つの前記重なり合った 配列構造を有し； ｂ）前記構造の各々の反対の極性のコレクタ素子は電気的に繋がっており；さ らに、 ｃ）前記構造内で最も外側にある各々の相補的に反対の極性のコレクタ素子は 、前記容器の外面と電気的に繋がっていることを特徴とする充電式電池構造。