JP3615491B2

JP3615491B2 - 非水電解質二次電池およびその製造法

Info

Publication number: JP3615491B2
Application number: JP2001060872A
Authority: JP
Inventors: 澄人石田; 啓介田中; 良夫森脇; 英男海谷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: WO2002071529A1; US7166385B2; US7481853B2; US20040041537A1; KR20030074645A; CN1633727A; JP2002260739A; KR100536431B1; CN100345333C; US20060196042A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外装構造が簡略化された、薄型で軽量な高エネルギー密度の非水電解質二次電池、およびその効率的な製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＶ機器やパソコン等、電子機器のコードレス化やポータブル化が進んでいる。これに伴って、非水電解質を備える高エネルギー密度の非水電解質電池が多く採用されている。リチウム二次電池は、なかでも最も実用化が進んだ非水電解質二次電池である。これらの電池の負極には、各種黒鉛や非晶質炭素など、リチウムを吸蔵、放出することができ、リチウムに近い低い電位を示す材料が活物質材料として用いられている。一方の正極には、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４など、リチウムを吸蔵、放出することができ、高い電位を示す多くのリチウム含有遷移金属化合物などが活物質材料として用いられている。
【０００３】
これら非水電解質電池用の極板は、例えば以下のようにして製造される。まず、活物質に、炭素繊維やカーボンブラックなどの導電剤、ポリマーのフィラーなどの補強材、結着剤、粘度調整剤などを加え、溶媒を用いてスラリー状の電極合剤を調製する。これを金属のシート、メッシュもしくはラス板またはパンチングメタルなど、各種形態の集電体または芯材に塗布する。これを必要に応じて、圧延し、乾燥し、所望の形状に裁断して極板が形成される。
【０００４】
非水電解質は、ＬｉＰＦ_６やＬｉＢＦ_４のようなリチウム塩を有機溶媒に溶解して調製される。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどが用いられる。最近では、鎖状化合物と環状化合物とからなる混合溶媒が多用されている。
【０００５】
最近の機器の小型化に伴い、面積、体積の限られたスペースに収容できる軽量な電池が強く求められている。また、充分なエネルギー密度を有し、数ｍｍを下回る厚さの電池が求められることも多い。
【０００６】
液状の非水電解質を含む電池は、非水電解質の流出を防止する必要がある。また、極板や非水電解質などの発電要素を水分を含む大気から遮断する必要がある。そのため発電要素は外装材に収納される。
初期に採用された非水電解質電池は、極板をセパレータとともに渦巻状に巻回したり、積層したりして、極板群を構成する。次いで、極板群を円筒型または角型の容器に挿入し、非水電解質を注入する。そして、外部端子を兼ねる封口板で容器の開口部を封口すると電池が完成する。しかし、このような電池構成では、設計上、薄型化が困難である。また、漏液に対する信頼性も低い。
【０００７】
近年、液状の非水電解質をポリマーのマトリックスに保持させてゲル状にしたポリマー電解質が電池に採用されている。そして、極板をポリマー電解質を介して積層し、シート状の外装材で包囲した薄型のポリマー電池が開発されている。ポリマー電解質を極板間に配するには、例えば（１）ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリマーからなる微多孔膜を極板間に配し、これに液状の非水電解質を吸収させる方法がある。また、（２）ゲル形成剤を微多孔膜に含ませて、これに液状の非水電解質を吸収させる方法もある。ゲル形成剤は、例えば液状の非水電解質を吸収してゲルを形成するポリマー材料および溶剤から構成される。また、（３）前記ゲル形成剤でセパレータ層を形成し、これに液状の非水電解質を吸収させる方法もある。また、（４）前記ゲル形成剤を活物質層上に直接塗布して極板を積層し、乾燥したものに、液状の非水電解質を吸収させる方法もある。さらに、（５）前記ゲル形成剤と非水電解質とを混合してポリマー電解質を含む混合物を調製し、これを活物質層上に塗布して極板を積層する方法も知られている。
【０００８】
ポリマー電解質は、イオンを伝達する電解質としての機能と、極板を隔離するセパレータとしての機能を持つ。したがって、ポリマー電解質層を正極と負極の間に介在させれば電池が構成される。正極、負極およびポリマー電解質層を順次に配列させた極板群を外装材内に収容し、セパレータ層に非水電解質を含ませることによって、極めて薄く、高エネルギー密度の電池を作製することが可能である。
【０００９】
例えば、特開２０００−６７８５０号公報には、ポリマー電解質を含むセパレータ層を介して極板を一体化する技術が開示されている。特開２０００−１２０８４号公報には、集電体の片面にそれぞれ活物質層を有する正極板と負極板を、活物質層を内側に対向させ、ポリマー電解質からなるセパレータ層を介して一体化した極板群が開示されている。また、特開平１１−２６５６９９号公報には、ガス抜きのための安全機構を備えた袋状のポリマーフィルムからなる外装材に、ポリマー電解質を含むセパレータ層を介して積層された極板群を収納した構成が開示されている。さらに、特表平９−５０６２０８号公報では、集電体の片面にそれぞれ活物質層を有する正極板と負極板の間にポリマー電解質を介在させて変形可能な極板群を形成している。ここでは、扁平な渦巻状の極板群を構成し、これを外部端子を備えた封筒状の外装材に収納した構成が開示されている。
【００１０】
特開２０００−１５６２０９号公報、特開２０００−２２３１０８号公報には、集電体の片面にそれぞれ活物質層を有する２つの極板と両面に活物質層が形成された１つの極板とからなる極板群が開示されている。前者の極板は活物質層が互いに対向するように配置され、これらがセパレータ層を介して１つの後者の対極を挟持している。この極板群は、樹脂層と金属箔からなるラミネートの外装材で包囲されている。各集電体に接続されたリードは、外装材の封止部から外部に導出されており、外装材の外周部は気密に封止されている。１つの対極の代わりに、一対の対極を両端に配するように正極と負極を交互に積層した極板群を挟持した構成も知られている。
【００１１】
上述した従来の薄型電池は、いずれも積層した極板群を極板とは別の外装材によって包囲したものである。極板とは別の外装材を用いるという発想に基づく限り、電池の薄型化やエネルギー密度の向上には限界がある。また、外装の簡略化、およびそれに伴う製造工程の簡略化にも限界がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、外装構造が簡略化された、従来に比べて飛躍的に薄型で軽量な、高エネルギー密度の非水電解質二次電池を提供することを目的とする。本発明は、また、外装工程を要さず、工数が少なく、一連の工程を連続して行うことができる効率的な非水電解質二次電池の製造法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シート状の正極集電体からなる外装材およびその内面に周縁部を残して固着された正極活物質層を含む正極板、シート状の負極集電体からなる外装材およびその内面に周縁部を残して固着された負極活物質層を含む負極板、ならびに前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に介在するポリマー電解質を含むセパレータ層を有し、前記正極集電体の周縁部と前記負極集電体の周縁部とが絶縁材料を介して接合されており、前記正極板および負極板の少なくとも一方が、帯状の集電体からなる外装材およびその内面に周縁部を残して間欠的に形成された活物質層を含む複数の極板の集合体に含まれており、複数の電池が集合体を形成しており、隣接する電池の同極性の集電体同士が対面するように折り曲げ可能である非水電解質二次電池に関する。
【００１４】
ここで、前記正極活物質層は金属酸化物からなり、前記負極活物質層は炭素材料からなることが好ましい。また、前記正極集電体はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記負極集電体は銅または銅合金からなることが好ましい。あるいは、前記正極集電体はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記負極集電体は、銅、銅合金、鉄または鉄合金からなり、前記負極集電体の表面はニッケルメッキを有することが好ましい。
【００１５】
前記正極集電体および前記負極集電体の外面には、それぞれ樹脂層が形成されていることが好ましい。
前記正極集電体および前記負極集電体の厚さは、それぞれ１０〜１００μｍであることが好ましい。
前記ポリマー電解質は、液状の非水電解質およびそれを保持するポリマー材料からなることが好ましい。
【００１６】
電池の集合体を、隣接する電池の同極性の集電体同士が対面するように折り曲げることにより、高容量の電池を得ることができる。
【００１７】
本発明は、また、（１）シート状の正極集電体からなる外装材の内面に、その周縁部を残して正極合剤を塗布し、正極活物質層を固着することにより、正極板を得る工程、（２）シート状の負極集電体からなる外装材の内面に、その周縁部を残して負極合剤を塗布し、負極活物質層を固着することにより、負極板を得る工程、（３）前記正極板と前記負極板とを、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間にポリマー電解質からなるセパレータ層を介在させて一体化する工程、および（４）対面する前記正極集電体の周縁部と前記負極集電体の周縁部との間を絶縁材料を介して接合する工程を有し、工程（３）が、前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方の上に、ポリマー電解質またはその原料からなる材料を塗着する工程からなる非水電解質二次電池の製造法に関する。
【００１８】
ここで、工程（１）は、帯状の正極集電体からなる外装材の内面に、周縁部を残して、一列または複数列に、間欠的に正極活物質層を形成することにより、複数の正極板の集合体を得る工程からなることが好ましい。そして、工程（３）の後に正極板を前記集合体から分離することが好ましい。
工程（２）は、帯状の負極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に負極活物質層を形成することにより、複数の負極板の集合体を得る工程からなることが好ましい。そして、工程（３）の後に負極板を前記集合体から分離することが好ましい。
工程（４）においては、対面する周縁部間に未接合部位を設け、工程（４）の後に、さらに、前記未接合部位から液状の非水電解質を注液し、その後、前記未接合部位を減圧下で絶縁材料を介して接合する工程を行うことが有効である。
【００１９】
本発明は、また、工程（１）が、帯状の正極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に正極活物質層を形成することにより、複数の正極板の集合体を得る工程であり、工程（２）が、帯状の負極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に負極活物質層を形成することにより、複数の負極板の集合体を得る工程であり、工程（３）が、前記正極板の集合体と前記負極板の集合体とを、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間にポリマー電解質からなるセパレータ層を介在させて一体化する工程であり、工程（４）が、対面する前記正極集電体の周縁部と前記負極集電体の周縁部とを絶縁材料を介して接合して電池の集合体を得る工程であり、さらに、得られた電池の集合体を任意の位置で分離する工程を有する非水電解質二次電池の製造法に関する。
【００２０】
電池の集合体を得る場合、工程（１）が、帯状の正極集電体からなる外装材の内面に、周縁部を残して、間欠的に正極合剤を塗着することにより、正極活物質層を形成する工程からなり、工程（２）が、帯状の負極集電体からなる外装材の内面に、周縁部を残して、間欠的に負極合剤を塗着することにより、負極活物質層を形成する工程からなり、工程（３）が、前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方の上に、ポリマー電解質またはその原料からなる材料を塗着する工程からなることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の非水電解質二次電池は、正極板、負極板、ポリマー電解質からなるセパレータ層、および絶縁材料から構成されており、別途に外装材を用いない単純な構造を有する。
【００２２】
図１は、本発明の非水電解質二次電池の一例の縦断面図を示したものである。正極板１は外装材を兼ねる正極集電体２とその内面に形成された正極活物質層３から構成され、負極板４は外装材を兼ねる負極集電体５とその内面に形成された負極活物質層６から構成されている。そして、各活物質層間にはポリマー電解質を含むセパレータ層８が介在して、両者の短絡を防いでいる。活物質層を有さない正極集電体２の周縁部７ａと負極集電体５の周縁部７ｂとの間には、絶縁材料としての樹脂９が配されており、これが両極板を接合して電池内部を密封する役割を果たしている。
【００２３】
樹脂９はフィルム状であることが好ましい。そして、両極板の接合に際しては、フィルム状樹脂を両集電体周縁部の所定の位置に挟み、集電体の外側から加圧しながら加熱することが有効である。また、フィルム状の樹脂の代わりに、集電体周縁部の所定の位置にペースト状の熱硬化性樹脂を塗布してもよい。また、集電体周縁部の一方または両方の所定の位置に、加熱により接着力を発揮する樹脂層を形成してもよい。
【００２４】
本発明の非水電解質二次電池は、上記のような簡単な構成であるため、極板の積層工程が終了した段階でその大部分が完成されており、両集電体の周縁部間を接合するだけの簡単な作業で電池が完成する。
【００２５】
正極集電体２および負極集電体５は外装材を兼ねており、各々の活物質層を有さない方の面は電池外部に面することになるため、集電体には孔を有さない金属シートが用いられる。なお、金属シートには、金属フィルムも含まれる。
【００２６】
金属シートの厚さは、活物質層がその片面に形成されることから、通常の外装材に用いられるものよりも薄くてもよく、例えば１０μｍ程度でもよい。金属シートが厚すぎると、電池のエネルギー密度が減少するため、１０〜１００μｍが望ましい。
【００２７】
金属シートは、耐食性を考慮して選択する必要がある。正極集電体を得る場合、金属シートは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。また、負極集電体を得る場合、金属シートは、銅、銅合金、鉄または鉄合金からなることが好ましい。負極集電体の表面にはニッケルメッキを施すことが好ましい。負極集電体が鉄または鉄合金からなる場合は、ニッケルメッキを施すことが特に有効である。
【００２８】
集電体の活物質層を有さない外面には、補強のために、樹脂やポリマー材料をラミネートすることができる。また、活物質層を形成する面には、導電性樹脂からなる層を形成することが好ましい。
【００２９】
活物質層は、活物質を含むペースト状の合剤を、集電体の片面に付与することにより形成される。合剤には、活物質以外に、必要に応じて、導電剤、結着剤、分散媒、後述するポリマー電解質やその原料であるポリマー材料などが含められる。合剤を集電体に付与する方法は特に限定されない。例えば、一般的な塗工装置を用いて、長い帯状集電体の片面に周縁部を残して間欠的に合剤を塗布することが効率的である。
【００３０】
正極活物質層３および負極活物質層６の厚さは、例えば各々３０〜３００μｍであることが好ましい。
正極活物質としては、金属酸化物が好ましい。なかでも特に、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのリチウム含有遷移金属酸化物が好ましい。これらは単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。
負極活物質としては、各種の黒鉛系炭素材料や非晶質炭素材料が好ましい。これらは単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。
【００３１】
導電剤には、黒鉛粉末やカーボンブラックなどの炭素粉末、炭素繊維などが用いられる。
結着剤としては、非水電解質に対して安定なフッ素樹脂が好ましい。前記フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体などが挙げられる。
分散媒としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどが好ましく用いられる。
【００３２】
セパレータ層８は、ポリマー電解質を含んでいる。ポリマー電解質とは、ポリマー材料を含む固体またはゲル状の電解質を意味する。一般には、ＵＶ照射や加熱によって架橋するポリマー材料のマトリックスに、液状の非水電解質を保持させたものが好ましく用いられる。
【００３３】
架橋するポリマー材料は、非水電解質に対する化学的な耐久性を有し、高電圧の充放電の繰り返しに堪え得るものであることが好ましい。上記観点からは、フッ素樹やアイオノマー樹脂が適している。例えば、ポリフッ化ビニリデンや、ポリフッ化ビニリデンに低分子のポリヘキサフルオロプロピレンを共重合させた材料が好適である。
【００３４】
ポリマー材料に保持させる液状の非水電解質としては、一般に非水電解質電池で用いられている従来公知のものを限定なく用いることができる。例えば、ＬｉＰＦ_６やＬｉＢＦ_４などのリチウム塩を溶解したエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの溶媒が好適である。
【００３５】
セパレータ層の厚さは任意であるが、１０〜２００μｍであることが好ましい。セパレータ層の厚さが薄すぎると、極板群を加圧して一体化する際に極板間が短絡するおそれがあり、厚すぎると電池の内部抵抗の上昇を招く。
【００３６】
セパレータ層には、ポリマー材料や液状の非水電解質の他に、アルミナやシリカなどの絶縁性の粉末を混合することが有効である。これらの粉末は、セパレータ層が極板間を隔離する機能を高める効果を有する。
【００３７】
ポリマー電解質は、各活物質層中にも付与することが好ましい。活物質層中にポリマー電解質を含ませると、活物質層の内部にイオン伝導性を有するネットワークが効果的に形成される。また、セパレータ層と各極板との接合強度も高められる。ポリマー電解質を活物質層中へ付与するには、例えばポリマー電解質やその原料を活物質層を形成するための合剤に混合すればよい。また、ポリマー電解質やその原料を溶剤で希釈して活物質層に含浸させることもできる。
【００３８】
セパレータ層８を正極活物質層と負極活物質層との間に配するには、例えば以下の方法がある。
まず、布状の不織布にポリマー電解質またはその原料を含浸させたものを活物質層間に配する方法がある。また、ポリマー電解質またはその原料からなる高粘度の組成物を、正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一方の上に塗布する方法も挙げられる。後者の方法では、ポリマー電解質やその原料を、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤と混合することにより、塗布工程に好適な粘度の組成物を調製すればよい。後者の方法は、極板の積層および一体化が容易であり、極板群の形成工程を自動化するうえでも好ましい。
【００３９】
図２は、図１の非水電解質二次電池の端部の縦断面図を示している。図１において、正極活物質層と負極活物質層との間にはセパレータ層が介在しているが、電池の端部には図２に示すように空間が存在する。一方、図３は、本発明の別の非水電解質二次電池の端部の縦断面図を示したものである。図３では、正極活物質層３の表面全体がセパレータ層８で包囲されている。従って、図２の電池に比べて、図３の電池の方が、短絡の可能性は極めて低くなる。また、図４は、本発明のさらに別の非水電解質二次電池の端部の縦断面図を示したものである。図４では、正極活物質層３および負極活物質層６の表面全体が、それぞれセパレータ層８で包囲され、電池内部のスペースがゲル状のポリマー電解質で満たされている。この電池では、短絡の可能性がさらに低くなる。また、電池内部のスペースが電解質で満たされると、電池の強度も高くなる。
【００４０】
図４のような電池を得るには、ポリマー電解質またはその原料からなる高粘度の組成物の塗布領域を拡大し、正極板と負極板との接合を行った後に、電池内部を減圧することが有効である。また、正極活物質層と負極活物質層の両方に、ポリマー電解質またはその原料からなる高粘度の組成物を塗布することも有効である。すなわち、前記組成物を正極活物質層および負極活物質層の表面を包囲するように各極板上に塗工し、その後、負極板を正極板の上に載置すればよい。
【００４１】
ポリマー電解質からなるセパレータ層は、予めポリマー材料と溶剤の混合物からセパレータを形成し、得られたセパレータに後の工程で液状の非水電解質を含浸させることにより、形成することもできる。この場合、ポリマー材料は、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤と混合して、成形や塗布工程に好適な粘度の組成物を調製すればよい。この組成物には、さらにジブチルフタレートなどのオイル成分を混合することもできる。そして、得られたセパレータをヘキサンやアセトンなどの溶剤で洗浄すると、多くの微孔がセパレータ中に形成される。
【００４２】
図５は、図１に示す電池の未完成の状態であり、各集電体の周縁部間の接合を行う前の極板群を示している。樹脂９は、図５に示すように予め一方の集電体の周縁部に配しておく。図５では正極集電体２の周縁部に樹脂９が配されているが、負極集電体５の周縁部に配してもよい。樹脂９としては、絶縁性で非水電解質に対して安定な樹脂が用いられる。例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やポリオレフィン系の熱可塑性樹脂が適用可能であるが、作業性の点では後者の方が優れている。接合に用いる樹脂は、セパレータ材料への影響が少なく、融点の高いものが望ましいことから、２００℃付近の温度で接合が可能なポリプロピレンが好ましい。
【００４３】
極板群は、所定の条件で加圧して一体化することが望ましい。極板の一体化は、ポリマー電解質を構成するポリマー材料が架橋する温度でプレスすることにより、ポリマー材料の架橋と同時に行うことが効率的である。ポリマー材料の架橋温度は、その種類によって異なるが、上記のいずれかのポリマー材料を用いる場合は８０〜１３０℃が適温である。
【００４４】
次に、本発明の非水電解質二次電池の効率的な製造法の一例について述べる。まず、正極板と負極板を作製する。正極板は、電池複数個分の長さを有する帯状の集電体の片面に周縁部を残して間欠的に活物質層を形成することにより、図６に示すような集合体として得ることが有効である。図６では、帯状の正極集電体２の片面に正極活物質層３が間欠的に形成されている。そして、活物質層３の周囲には、活物質層を有さない周縁部７ａが設けられている。破線１１は、正極板を切り離すときの切断位置を示している。負極板も正極板と同様に作製する。
【００４５】
次いで、正極活物質層および負極活物質層の上に活物質層の表面全体が覆われるようにセパレータの原料を塗布する。そして、正極板または負極板の周縁部の所定の位置に絶縁材料を付与し、両極板を各々の活物質層が対面するように積層すれば、図７に示すような極板群の集合体を得ることができる。図７では、樹脂９が正極集電体２の周縁部に付与されているが、樹脂９は負極集電体５の周縁部に付与してもよい。
【００４６】
極板の積層に際しては、一括に、または順次に各極板を加圧装置に送り込むことによって、極板群を加圧し、一体化することが有効である。このようにすれば大量の極板群を効率的に製造することができる。
次いで、各極板の周縁部同士の接合を行えば、図８に示すような電池の集合体を得ることができる。なお、接合工程は、極板群の加圧による一体化と同時に行ってもよい。得られた電池の集合体は、任意の切断位置１１で分断して１個の電池または複数個の電池の集合体として出荷することが可能である。
【００４７】
ここでは、正極板および負極板の両方を集合体のまま用いる方法について説明したが、図９に示すように、正極板のみを集合体のまま用い、負極板を電池単位に裁断してから用いても、効率的かつ連続的に電池を製造することができる。また、逆に負極板のみを集合体のまま用いたとしても同様である。
複数の電池が繋がって集合体を形成している場合、その集合体は、図１０に示すように折り曲げて用いることができる。図１０では隣接する電池１２の同極性の集電体同士が対面しているため、複数の電池が並列回路を構成している。従って、このように折り曲げれば容量の大きな電池を得ることができる。
【００４８】
【実施例】
以下、実施例に基づいて具体的に本発明について説明する。
本実施例では、図１に示すような電池を製造した。
【００４９】
《実施例１》
（ｉ）正極板の製造
正極活物質としてのＬｉＣｏＯ_２、導電剤としての炭素粉末、ポリマー電解質の原料としてのポリマー材料、およびＮ−メチル−２−ピロリドンを混合して正極合剤を得た。上記ポリマー材料としては、９０重量％のフッ化ビニリデン単位と１０重量％のヘキサフルオロプロピレン単位を有する共重合体を用いた。活物質：導電剤：共重合体の重量比率は１００：５：８とした。
【００５０】
幅１５０ｍｍの帯状で、厚さ３０μｍのアルミニウム製フィルムを集電体として用いた。
凹版塗工法により、上記集電体の片面に間欠的に正極合剤を塗布し、図６に示すような正極板の集合体を得た。形成された正極活物質層は、厚さ１２０μｍで、８６ｍｍ×８６ｍｍの正方形状とした。集電体の周縁部は活物質を付与せずに残した。列方向に設けた活物質層間の間隔は２０〜２２ｍｍである。
【００５１】
（ｉｉ）負極板の製造
負極活物質としての黒鉛粉末、導電剤としてのカーボンブラック、ポリマー電解質の原料としてのポリマー材料、およびＮ−メチル−２−ピロリドンを混合して負極合剤を得た。上記ポリマー材料としては、正極板で用いたのと同じく９０重量％のフッ化ビニリデン単位と１０重量％のヘキサフルオロプロピレン単位を有する共重合体を用いた。活物質：導電剤：共重合体の重量比率は１００：８：１４とした。
【００５２】
幅１５０ｍｍの帯状で、厚さ３０μｍの銅製のフィルムを集電体として用いた。
凹版塗工法により、上記集電体の片面に間欠的に負極合剤を塗布し、負極板の集合体を得た。形成された負極活物質層は、厚さ１２０μｍで、８８ｍｍ×８８ｍｍの正方形状とした。集電体の周縁部は活物質を付与せずに残した。列方向に設けた活物質層間の間隔はおよそ１６ｍｍである。
【００５３】
（ｉｉｉ）極板群の製造
まず、各々の正極活物質層を囲むように、幅５ｍｍで厚さ５０μｍのポリプロピレン製のフィルムを絶縁材料として配した。ただし、非水電解質を注液するための未接合部位を残す必要から、周縁部の一部に熱溶融しない材料を載置した。次いで、正極板の正極活物質層上に、ポリマー電解質の原料からなるセパレータ層を形成した。具体的には、９０重量％のフッ化ビニリデン単位と１０重量％のヘキサフルオロプロピレン単位を有する共重合体およびＮ−メチル−２−ピロリドンからなる混合物を、正極活物質層上に活物質が完全に覆われるように、厚さおよそ２５μｍで８９×８９ｍｍの正方形状に塗布し、乾燥させた。
次いで、正極活物質層と負極活物質層とが対向するように、正極板の集合体と負極板の集合体とを積層し、各極板の表面温度が１２０℃になるまで６０ｇｆ／ｃｍ^２の加圧下で加熱し、扁平に一体化し、極板群の集合体を得た。
【００５４】
（ｉｖ）周縁部の接合
極板群の集合体のうち、各極板群の周縁部を２２０±５℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２で３秒間加圧し、周縁部に配したポリプロピレン製のフィルムを溶融させて、極板の周縁部同士を接合した。次いで、上記未接合部位から、減圧下、非水電解質を注液し、６０℃以上に加温し、極板およびセパレータ層中の共重合体をゲル化させた。非水電解質は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比１：１の割合で混合した溶媒に、１ｍｏｌ／リットルのＬｉＰＦ_６を溶解して調製した。その後、電池内部を減圧し、未接合部位を封止した。その結果、図８に示すような、完全な密閉構造の電池Ａの集合体を得た。
【００５５】
《実施例２》
正極活物質層および負極活物質層の厚さを、それぞれ２４０μｍとしたこと以外、実施例１と同様にして、完全な密閉構造の電池Ｂの集合体を得た。
【００５６】
《実施例３》
正極活物質層および負極活物質層の厚さを、それぞれ３６０μｍとしたこと以外、実施例１と同様にして、完全な密閉構造の電池Ｃの集合体を得た。
【００５７】
《実施例４》
正極集電体および負極集電体の片面に、それぞれ外部端子の接続予定位置を除いて厚さ４０μｍのポリプロピレンからなる層を形成したこと以外、実施例１と同様にして、完全な密閉構造の電池Ｄの集合体を得た。
【００５８】
《実施例５》
正極活物質層および負極活物質層の厚さを、それぞれ６０μｍとしたこと以外、実施例１と同様にして、完全な密閉構造の電池Ｅの集合体を得た。
【００５９】
《比較例１》
実施例１で得た集合体から切り離された電池を、さらにＡｌ箔とポリプロピレン層からなる厚さ１５０μｍの外装材で包んで密封した。ただし、外装材で包む前に正極板と負極板にそれぞれリードを接続した。そして、正極リードと負極リードを外装材から外部に導出した。このようにして電池Ｆを得た。
【００６０】
電池Ａ〜Ｆのエネルギー密度を、それぞれの電池に用いた活物質量から算出した。結果を表１に示す。また、電池Ａ〜Ｆの放電特性および容量維持率を以下のように測定した。
【００６１】
（放電特性）
電池を２０℃で１Ｃの電流値で充電し、電池電圧が４．２Ｖに達してからは定電圧で電流値が０．０５Ｃになるまで充電を続けた。次いで、充電状態の電池を２０℃で０．２Ｃの電流値で電池電圧が３Ｖになるまで放電した。そして、再び電池を２０℃で１Ｃの電流値で充電し、電池電圧が４．２Ｖに達してからは定電圧で電流値が０．０５Ｃになるまで充電を続けた。次いで、充電状態の電池を２０℃で２Ｃの電流値で電池電圧が３Ｖになるまで放電した。２Ｃの放電で得られた放電容量の０．２Ｃの放電で得られた放電容量に対する割合を調べた。結果を百分率で表１に示す。
【００６２】
（サイクル後の容量維持率）
電池を２０℃で１Ｃの電流値で充電し、電池電圧が４．２Ｖに達してからは定電圧で電流値が０．０５Ｃになるまで充電を続けた。次いで、充電状態の電池を２０℃で１Ｃの電流値で電池電圧が３Ｖになるまで放電した。この操作を５００回繰り返した。そして、１回目の放電容量に対する５００回目の放電容量の割合を調べた。結果を百分率で表１に示す。
【００６３】
【表１】

【００６４】
表１より、本発明に係る電池はいずれもエネルギー密度が高く、活物質層の厚さによって種々の特性を有する電池が得られることがわかる。一方、比較例の電池は、その特性は実施例の電池に劣らないものの、エネルギー密度の割には電池が分厚く、しかも製造工程が実施例に比べて著しく複雑であり、生産コストも高かった。生産性の効率は、実施例の電池の方が比較例の電池に比べて著しく優れていた。以上より、本発明によれば、薄型かつ高エネルギー密度で、しかも充分な性能を発揮し得る非水電解質二次電池を、効率よく低コストで得られることが分かる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、外装構造が簡略化された、薄型で軽量な高エネルギー密度の非水電解質二次電池を、簡易な方法で効率的に提供することができる。本発明の非水電解質二次電池は、薄型かつ軽量であるため、小型化が進む電子機器に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非水電解質二次電池の一例の縦断面図である。
【図２】本発明の非水電解質二次電池の一例の端部の縦断面図である。
【図３】本発明の非水電解質二次電池の別の一例の端部の縦断面図である。
【図４】本発明の非水電解質二次電池のさらに別の一例の端部の縦断面図である。
【図５】各集電体の周縁部間の接合を行う前の未完成の本発明の非水電解質二次電池の一例の縦断面図である。
【図６】帯状の正極集電体の片面に正極活物質層を間欠的に形成して得られた正極板の集合体を示す図である。
【図７】各集電体の周縁部間の接合を行う前の未完成の本発明の非水電解質二次電池の集合体の一例の縦断面図である。
【図８】本発明の非水電解質二次電池の集合体の一例の縦断面図である。
【図９】各集電体の周縁部間の接合を行う前の未完成の本発明の非水電解質二次電池の集合体の別の一例の縦断面図である。
【図１０】電池の集合体を隣接する電池の同極性の集電体同士が対面するように折り曲げた状態を示す図である。
【符号の説明】
１正極板
２正極集電体
３正極活物質層
４負極板
５負極集電体
６負極活物質層
７ａ正極集電体の周縁部
７ｂ負極集電体の周縁部
８セパレータ層
９樹脂
１１切断位置
１２電池

Claims

シート状の正極集電体からなる外装材およびその内面に周縁部を残して固着された正極活物質層を含む正極板、シート状の負極集電体からなる外装材およびその内面に周縁部を残して固着された負極活物質層を含む負極板、ならびに前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に介在するポリマー電解質を含むセパレータ層を有し、前記正極集電体の周縁部と前記負極集電体の周縁部とが絶縁材料を介して接合されており、
前記正極板および負極板の少なくとも一方が、帯状の集電体からなる外装材およびその内面に周縁部を残して間欠的に形成された活物質層を含む複数の極板の集合体に含まれており、複数の電池が集合体を形成しており、
隣接する電池の同極性の集電体同士が対面するように折り曲げ可能である非水電解質二次電池。
前記正極活物質層が金属酸化物からなり、前記負極活物質層が炭素材料からなる請求項１記載の非水電解質二次電池。
前記正極集電体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記負極集電体が銅または銅合金からなる請求項１記載の非水電解質二次電池。
前記正極集電体がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記負極集電体が、銅、銅合金、鉄または鉄合金からなり、さらに前記負極集電体の表面がニッケルメッキを有する請求項１記載の非水電解質二次電池。
前記正極集電体および前記負極集電体の外面に、それぞれ樹脂層が形成されている請求項１記載の非水電解質二次電池。
前記正極集電体および前記負極集電体の厚さが、それぞれ１０〜１００μｍである請求項１記載の非水電解質二次電池。
前記ポリマー電解質が、液状の非水電解質およびそれを保持するポリマー材料からなる請求項１記載の非水電解質二次電池。
（１）シート状の正極集電体からなる外装材の内面に、その周縁部を残して正極合剤を塗布し、正極活物質層を固着することにより、正極板を得る工程、
（２）シート状の負極集電体からなる外装材の内面に、その周縁部を残して負極合剤を塗布し、負極活物質層を固着することにより、負極板を得る工程、
（３）前記正極板と前記負極板とを、前記正極活物質層と前記負極活物質層との間にポリマー電解質からなるセパレータ層を介在させて一体化する工程、および
（４）対面する前記正極集電体の周縁部と前記負極集電体の周縁部との間を絶縁材料を介して接合する工程を有し、
工程（３）が、前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方の上に、ポリマー電解質またはその原料からなる材料を塗着する工程からなる非水電解質二次電池の製造法。
工程（１）が、帯状の正極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に正極活物質層を形成することにより、複数の正極板の集合体を得る工程からなる請求項８記載の非水電解質二次電池の製造法。
工程（２）が、帯状の負極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に負極活物質層を形成することにより、複数の負極板の集合体を得る工程からなる請求項８記載の非水電解質二次電池の製造法。
工程（３）の後に正極板を前記集合体から分離する請求項９記載の非水電解質二次電池の製造法。
工程（３）の後に負極板を前記集合体から分離する請求項１０記載の非水電解質二次電池の製造法。
工程（４）において、対面する周縁部間に未接合部位を設け、工程（４）の後に、さらに、前記未接合部位から液状の非水電解質を注液し、その後、その未接合部位を減圧下で絶縁材料を介して接合する工程を有する請求項８記載の非水電解質二次電池の製造法。
工程（１）が、帯状の正極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に正極活物質層を形成することにより、複数の正極板の集合体を得る工程であり、工程（２）が、帯状の負極集電体からなる外装材の内面に周縁部を残して間欠的に負極活物質層を形成することにより、複数の負極板の集合体を得る工程であり、工程（３）が、前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方の上に、ポリマー電解質またはその原料からなる材料を塗着してセパレータ層を形成し、前記正極板の集合体と前記負極板の集合体とを、前記セパレータ層を介在させて一体化する工程であり、工程（４）が、対面する前記正極集電体の周縁部と前記負極集電体の周縁部とを絶縁材料を介して接合して電池の集合体を得る工程であり、さらに、得られた電池の集合体を任意の位置で分離する工程を有する請求項８記載の非水電解質二次電池の製造法。
ポリマー電解質またはその原料からなる材料が、熱により架橋する材料であり、正極板と負極板とを一体化する工程を加熱プレスで行うことにより、前記一体化と前記材料の架橋とを同時に行う請求項８記載の非水電解質二次電池の製造法。