JP4162175B2 - ポリマー電解質電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー電解質電池に関し、さらに詳しくは、シート状の正極とシート状の負極とをポリマー電解質を介して積層した電極群を有し、特にパソコン、携帯電話などの携帯用機器などの電源として使用するのに適したポリマー電解質電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマー電解質電池では、電解質をシート状にすることができ、そのシート状の電解質を用いることによって、Ａ４版、Ｂ５版などの大面積でしかも薄形の電池の作製が可能になり、各種薄形製品への適用が可能になって、電池の使用範囲が大きく広がっている。このポリマー電解質を用いた電池は、耐漏液性を含めた安全性、貯蔵性が優れており、しかも薄く、フレキシブルであることから、機器の形状に合わせた電池を設計できるという、今までの電池にない特徴を持っている。
【０００３】
このポリマー電解質電池は、通常、アルミニウムフィルムを芯材にしたラミネートフィルムを外装体に用い、薄いシート状の電極とシート状のポリマー電解質層とを積層し、それを上記ラミネートフィルムからなる外装材で外装して密封することによって、薄形電池に仕上げられる。
【０００４】
このポリマー電解質電池では、電極を薄形にするため、通常、金属箔を集電体に用いていて、正極の集電体にはアルミニウム箔を用い、負極の集電体には銅箔を用いている。そして、電池の外部端子、つまり、電池使用機器との接続に用いる正極端子や負極端子としては、電池使用機器との接続の容易さなどから、通常、ニッケルの箔またはリボンが用いられている。
【０００５】
これら電極と外部端子との電気的接続は、通常、正極側では正極作製時にアルミニウム箔の一部に正極合剤層を形成せずにアルミニウム箔の露出部を残し、そこを正極端子との接続のためのリード部にし、負極側では負極作製時に銅箔の一部に負極合剤層を形成せずに銅箔の露出部を残し、そこを負極端子との接続のためのリード部にしている。
【０００６】
しかしながら、上記アルミニウム製のリード部や銅製のリード部は厚みが薄いこともあって強度が低く、また、それらと正極端子や負極端子との接続部分の強度も低いという問題があった。
【０００７】
すなわち、それらと正極端子や負極端子との接続は、通常、抵抗溶接、超音波溶接などで行われているが、異種金属間の溶接になるため、いずれも、その溶接強度が低く、特に正極側におけるアルミニウムとニッケルとの溶接は、非常に難しく、その溶接強度が非常に低いという問題があった。
【０００８】
また、電池使用機器から高電圧または高容量が要求される場合、このポリマー電解質電池では、電極やポリマー電解質を薄いシート状にすることができるという特徴を生かしつつ、複数枚のシート状の正極と複数枚のシート状の負極とをそれぞれの間にポリマー電解質を介在させて積層して多層構造の積層電極群とし、それらの電極を直列または並列に接続することによって、電池使用機器が要求する高電圧または高容量に対応できるようにしてきた。
【０００９】
しかしながら、上記のような多層構造の積層電極群を有する場合には、その多層構造の積層電極群を構成する複数枚の正極のアルミニウム製のリード部や複数枚の負極の銅製のリード部を積層して正極端子や負極端子と接続する必要があり、その接続がさらに難しくなるという問題があり、特に正極側では、上記のようにアルミニウムとニッケルとの溶接が非常に難しく、溶接強度が低いことに加えて、アルミニウムとニッケルとではその間に電解液が介在すると局部電池を形成してアルミニウムの腐食が生じるため、その接続を外装材の封止部分のところで行わなければならず、正極のリード部が複数枚であって、厚みが厚くなることもあり、その接続がさらに困難になるという問題があった。
【００１０】
そのため、上記正極のリード部の積層体をアルミニウム製のリード体の一方の端部に接続し、そのリード体の他方の端部を外装材の封止部分のところで外部端子と接続することが提案されているが、溶接回数が増える上に、電池の実効内容積を減少させるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来技術における問題点を解決し、特にポリマー電解質電池における正極のリード部と正極端子との接続強度を高め、電池性能の信頼性の高いポリマー電解質電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アルミニウム製の集電体の少なくとも一方の面に正極合剤層を形成してなる正極と銅製の集電体の少なくとも一方の面に負極合剤層を形成してなる負極とをポリマー電解質を介して積層し、その正極、負極およびポリマー電解質からなる電極群を外装材で密封してなるポリマー電解質電池において、正極端子として、アルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との部分クラッド材であって、かつ上記正極のアルミニウム製のリード部の厚さの２倍以上の厚さを有する部分クラッド材を用い、その一方の端部のアルミニウム部分を上記正極のリード部と接続し、上記正極端子を構成する部分クラッド材の、ニッケルまたはステンレス鋼を含有する部分を含む他方の端部を外装材の封止部分より外部側に引き出し、かつ部分クラッド材のうち、少なくとも外装材の封止部分より内側はアルミニウム部分とし、外装材の封止部分に配置する部分の少なくとも一部はアルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との併存部分としたことによって、上記課題を解決したものである。
【００１３】
すなわち、上記の構成にすることにより、正極のリード部と正極端子との接続をアルミニウム製のリード部と正極端子を構成するクラッド材のアルミニウム部分とのアルミニウム同士で行うことになるので、その接続強度を高めることができ、電池に落下、震動などの機械的力が加わっても接続部分の破損が抑制され、安定した電池性能を得ることができ、電池性能の信頼性が高いポリマー電解質電池を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において、正極の集電体としては、アルミニウム製の箔、パンチドメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、アルミニウム箔が用いられる。この正極の集電体は、正極の厚みを薄くする関係上、厚みが２０μｍ以下のものが好ましく、本発明では、そのような厚みの薄いものであっても、その露出部で構成されるリード部が電池外部に出ることがないので、破損するおそれがない。ただし、あまりにも薄すぎると、正極の作製にあたって、正極合剤含有ペーストを塗布した際に皺が発生したり、引っ張りにより破れが生じるおそれがあるので、その厚みは上記のように２０μｍ以下であって１０μｍ以上が好ましい。なお、本明細書においては、主として正極について説明するが、負極についても考え方は同じである。
【００１５】
正極側のリード部は、通常、正極作製時にアルミニウム製の集電体の一部に正極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、リード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体にアルミニウム製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。
【００１６】
本発明においては、正極端子としては、その一方の端部を上記正極のリード部と接続し、他方の端部を外装材の封止部分より外部側に引き出して正極側の外部端子とするものをいうが、その正極端子を構成するクラッド材としては、アルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼とのクラッド材であって、その厚さが正極のリード部の厚さの２倍以上のものが用いられる。
【００１７】
上記正極端子を構成するクラッド材において、一方の成分をアルミニウムにしているのは、正極のリード部がアルミニウム製であることに基づくものであり、他方の成分をニッケルまたはステンレス鋼にしているのは、電池使用機器との接続を容易にするためである。
【００１８】
この正極端子を構成するクラッド材は、使用にあたって箔やリボンなどの形態にすることが好ましく、その厚みは３０〜３００μｍ、特に４０〜１５０μｍが好ましい。すなわち、上記クラッド材の厚みを３０μｍ以上にすることによって、正極のリード部との溶接時の切断の防止、引っ張り、折り曲げによる断裂の防止を図ることができ、また、厚みを３００μｍ以下にすることによって、外装材の封止部分に隙間が生じるのを防止することができる。また、上記クラッド材は正極のリード部の厚さを２倍以上の厚さを有することを要するが、これは、上記のように正極のリード部との溶接時の切断の防止、引っ張り、折り曲げによる断裂の防止を図るという理由によるものである。
【００１９】
上記クラッド材は、部分的にアルミニウム層とニッケル層またはステンレス鋼層とが存在するいわゆる部分クラッド材である。すなわち、電解液の影響を受けることがない外装材の封止部分に当たるところや電池外部ではアルミニウム層とニッケル層またはステンレス鋼層との両方が存在していてもよいが、電解液と接触する電池内部、つまり、外装材の封止部分より内側ではアルミニウム単独であることが好ましい。そして、電池外部、つまり、外装材の封止部分より外側では、少なくともニッケルまたはステンレス鋼が存在している必要がある。
【００２０】
上記クラッド材のアルミニウム部分と正極のリード部との接続方法としては、例えば、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接、ハンダ、カシメ、導電性接着剤による方法など、各種の接続方法を採用することができるが、特に溶接が適している。
【００２１】
負極の集電体としては、銅製の箔、パンチドメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極の集電体の厚みとしては、前記の正極の集電体の場合と同様の理由により、５〜２０μｍが好ましく、また、負極側のリード部も、通常、負極作製時に銅製の集電体の一部に負極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、この負極側のリード部も必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体に銅製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。
【００２２】
この負極のリード部は銅で構成されていて、銅とニッケルとの溶接は、前記正極におけるアルミニウムとニッケルとの溶接ほど難しくないので、負極のリード部とニッケルなどで構成される負極端子とを直接接続することも可能であるが、ここでも負極端子として銅とニッケルまたはステンレス鋼とのクラッド材を用い、上記負極端子を構成するクラッド材の一方の端部の銅部分を負極の銅製のリード部と接続し、他方の端部を外装材の封止部分より外側に引き出すようにするのが好ましい。
【００２３】
すなわち、銅とニッケルとの溶接より銅同士の溶接の方が容易であり、かつ高い溶接強度が得られるので、負極のリード部と外部端子との接続強度が高くなり、より電池性能の高いポリマー電解質電池が得られるようになる。
【００２４】
本明細書において、負極端子とは、一方の端部を負極のリード部と接続し、その端部を外装材の封止部分より外部側に引き出すものをいうが、この負極端子を構成するクラッド材も、その使用にあたり形態としては、箔やリボンなどが好ましく、その厚さは、前記正極側で用いるクラッド材の場合と同様に、３０〜３００μｍ、特に４０〜１５０μｍが好ましい。また、この負極端子として用いるクラッド材も、負極のリード部の厚さの２倍以上の厚さであることが好ましい。
【００２５】
この負極を構成するクラッド材の銅部分と負極のリード部との接続方法としては、例えば、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接、ハンダ、カシメ、導電性接着剤による方法など、各種の方法を採用することができるが、特に溶接が適している。
【００２６】
外装材としては、例えば、ナイロンフィルムまたはポリエステルフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムからなる三層構造のラミネートフィルムなどが用いられ、その封止部分の幅は、広いほど強度面からは有利であるが、外装材の封止部分の幅を広くすると、外装材が大きくなり、電池の体積や重量が増加して、小型化への妨げとなり、また、外装材の大きさを変えずに封止部分の幅を広くすると、それにあわせて電極を小さくしなければならず、高容量化への妨げとなるので、封止部分の幅は溶接などの接続部分の中心から両側にそれぞれ１ｍｍ以上で５ｍｍ程度（すなわち、封止部分の幅として２〜１０ｍｍ程度）にするのが好ましい。
【００２７】
前記のように、アルミニウムとニッケルとではその間に電解液が存在すると、局部電池を形成してアルミニウムの腐食が生じるという問題があるが、正極端子として用いるクラッド材を部分クラッド材にして、電池内部側の部分、つまり、外装材の封止部分より内側の部分をアルミニウムのみにし、アルミニウム層とニッケル層とが併存する部分を外装材の封止部分に配置して電解液の影響を受けないようにすればアルミニウムの腐食を防止することができる。
【００２８】
【実施例】
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、以下の実施例や比較例で共通して用いる正極、負極およびポリマー電解質の作製について実施例などの説明に先立って説明する。
【００２９】
正極の作製：
正極活物質であるＬｉＣｏＯ2 ９０重量部、電導助剤であるカーボンブラック５重量部、バインダーであるポリフッ化ビニリデン５重量部をＮ−メチルピロリドンを溶媒として均一になるように混合し、正極合剤含有ペーストを調製した。
【００３０】
この正極合剤含有ペーストを厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に片面の正極合剤量が２０ｍｇ／ｃｍ2 （ただし、乾燥後の正極合剤量）になるように均一に塗布し、乾燥させて正極合剤層を形成した後、カレンダー処理を行い、片面の正極合剤層の厚さを６５μｍに調整した。それを７０ｍｍ×４０ｍｍの寸法に切断して正極とした。ただし、上記正極の作製にあたっては、正極集電体を構成するアルミニウム箔の一部に正極合剤含有ペーストを塗布せず、アルミニウム箔の露出部を残し、その露出部をアルミニウムとニッケルとのクラッド材からなる正極端子との接続のためのリード部とした。
【００３１】
負極の作製：
負極活物質である黒鉛７７重量部およびカーボトロンＰ〔商品名、呉羽化学工業（株）製、平均粒径２２μｍの低結晶カーボン〕８重量部、バインダーであるポリフッ化ビニリデン１５重量部をＮ−メチルピロリドンを溶媒として均一になるように混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。
【００３２】
この負極合剤合剤ペーストを厚さ１０μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に片面の負極合剤量が１２ｍｇ／ｃｍ2 （ただし、乾燥後の負極合剤量）になるように均一に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成した後、カレンダー処理を行い、片面の負極合剤層の厚さを６５μｍに調整した。これを７２ｍｍ×４２ｍｍの寸法に切断して負極とした。ただし、上記負極の作製にあたっては、負極集電体を構成する銅箔の一部に負極合剤含有ペーストを塗布せず、銅箔の露出部を残し、その露出部を銅とニッケルとのクラッド材からなる負極端子との接続のためのリード部とした。
【００３３】
正極ユニットの作製：
上記のようにして作製した正極のリード部の正極端子と接続部分の近傍に、厚さ５０μｍ、幅３ｍｍのポリイミドテープをその両側から貼着し、該部分の短絡の防止および強度保持を図った。また、正極端子との接続部分となるリード部の表面を、熱により接着面の粘着性が失われる熱剥離テープで被覆した。そして、この正極をゲル状ポリマー電解質の保持体となる厚さ３０μｍ、坪量１２ｇ／ｍ2 のポリブチレンテレフタレート不織布〔ＮＫＫ社製、ＭＢ１２３０（商品名）〕で包んだ。
【００３４】
負極ユニットの作製：
負極のリード部の負極端子との接続部分の近傍に、厚さ５０μｍ、幅３ｍｍのイミドテープをその両面から貼着し、該部分の短絡の防止および強度保持を図った。また、負極端子との接続部分となるリード部の表面を、熱により接着面の粘着性が失われる熱剥離テープで被覆した。そして、この負極をゲル状ポリマー電解質の保持体となる厚さ３０μｍ、坪量１２ｇ／ｍ2 のポリブチレンテレフタレート不織布〔ＮＫＫ社製、ＭＢ１２３０（商品名）〕で包んだ。
【００３５】
ゲル化成分含有電解液の調製：
プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒にＬｉＰＦ6 を１．２２ｍｏｌ／ｌ溶解させることによって調製した電解液に重合開始剤として２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド〔ルシリンＴＰＯ（商品名）、ビーエーエスエフジャパン（株）製〕をあらかじめモノマー成分に対して２重量％加えて溶解しておき、そこにジペンタエリスリトールヘキサアクリレートを使用開始１０分前に濃度が６重量％になるように加えて混合し、ゲル化成分を含有する電解液を調製した。このゲル化成分を含有する電解液を以下においては上記標題のように「ゲル化成分含有電解液」と簡略化して表現する。
【００３６】
このゲル化成分含有電解液を上記正極ユニットと負極ユニットにそれぞれ減圧下で吸収させ、このゲル化成分含有電解液を含浸させた正極ユニットおよび負極ユニットをポリエチレン製の袋に入れて、袋を密封した。
【００３７】
このゲル化成分含有電解液を含浸した正極ユニット入りの袋および負極ユニット入りの袋にその両面から、フュージョンＵＶシステムズ・ジャパン（株）製の紫外線照射装置を用いて、紫外線を１Ｗ／ｃｍ2 の照度で１０秒間照射し、正極および負極の周囲に支持体を内蔵したゲル状ポリマー電解質を形成した。
【００３８】
上記のように周囲にゲル状ポリマー電解質を形成した正極および負極をそれぞれ袋から取り出し、そのリード部に１５０℃の熱風を吹付けることによって、熱剥離テープをリード部から剥がした後、上記負極５枚と正極４枚とを交互に積層して多層構造（すなわち、正極や負極がそれぞれ複数枚ある）の積層電極群を作製した。以下、実施例および比較例で述べる方法で外部端子との接続を行い、上記積層電極群を密封する外装体としてナイロンフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムからなる三層構造のラミネートフィルムを準備した。
【００３９】
参考例１
まず、外装材の封止部分より外側の部分が外部端子として機能する正極端子を構成するクラッド材として、アルミニウムとニッケルとのクラッド材（以下、このクラッド材を「アルミニウム／ニッケルクラッド材」で表す）であって、厚さ８０μｍでリボン状のクラッド材を準備した。このクラッド材におけるアルミニウムの厚さは６０μｍで、ニッケルの厚さは、２０μｍであった。また、外装材の封止部分より外側の部分が外部端子として機能する負極端子を構成するクラッド材として、銅とニッケルとのクラッド材（以下、このクラッド材を「銅／ニッケルクラッド材」で表す）であって、厚さ８０μｍでリボン状のクラッド材を準備した。このクラッド材の銅の厚さは６０μｍで、ニッケルの厚さは２０μｍであった。
【００４０】
そして、超音波溶接機を用い、上記積層電極群中の正極のリード部積層体（４枚のアルミニウム箔の露出部で構成される４枚のリード部の積層体）と上記アルミニウム／ニッケルクラッド材の一方の端部のアルミニウムとを溶接時間７５ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ、アンプリチュード６０％の条件下で超音波溶接して接続した。また、負極のリード部積層体と上記銅／ニッケルクラッド材の一方の端部の銅部分とを溶接時間１２０ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ、アンプリチュード６０％の条件下で超音波溶接して接続した。その後、外装材で上記積層電極群を外装するとともに密封して積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００４１】
上記正極端子を構成するアルミニウム／ニッケルクラッド材のアルミニウム部分と正極のリード部積層体との溶接幅は２ｍｍであり、また、負極端子を構成する銅／ニッケルクラッド材の銅部分と負極のリード部積層体との溶接幅は２ｍｍであり、外装材の封止部分の幅は４ｍｍであった。
【００４２】
このポリマー電解質電池の構造を説明するにあたり、前記のように周囲にポリマー電解質を形成した正極ユニット（以下、これを「ポリマー電解質保持正極」という）および周囲にポリマー電解質を形成した負極ユニット（以下、これを「ポリマー電解質保持負極」という）について説明しておくと、図１に示すように、ポリマー電解質保持正極１０は正極１の周囲に支持体３ａを内蔵するゲル状のポリマー電解質３を形成することによって構成されている。
【００４３】
また、図２に示すように、ポリマー電解質保持負極２０は負極２の周囲に支持体３ａを内蔵するゲル状のポリマー電解質３を形成することによって構成されている。
【００４４】
そして、上記ポリマー電解質保持正極１０が４枚とポリマー電解質保持負極２０が５枚積層され、図３に示すように多層構造の積層電極群が構成される。つまり、１枚目のポリマー電解質保持負極２０と５枚目のポリマー電解質保持負極２０とがそれぞれ最外層に配置され、その間にポリマー電解質保持正極１０が４枚とポリマー電解質保持負極２０が３枚交互に配置して積層されている。そして、そのポリマー電解質保持正極１０とポリマー電解質保持負極２０との間では、図４に示すように、正極１と負極２との間に正極１の周囲に形成されたポリマー電解質３と負極２の周囲に形成されたポリマー電解質３とがあわさって、それらで充分な厚みのポリマー電解質層を形成し、それによって、正極１と負極２とが充分に隔離されている。
【００４５】
電池は、上記のような積層電極群を、図３に示すように、ナイロンフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムの三層構造のラミネートフィルムからなる外装材４で外装して密封することによって構成されている。そして、この電池において、上記正極端子５はアルミニウム／ニッケルクラッド材を構成され、上記負極端子６は銅／アルミニウムクラッド材で構成されている。
【００４６】
図５は上記図３に示す電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を模式的に示すものである。外装材４は２枚用いられていて、その封止は外装材４として用いられているラミネートフィルムの変性ポリオレフィンフィルムの熱融着によって行われ、４ａは上記外装材４の封止部分であり、４ｂは外装材４の最内層の変性ポリオレフィンフィルムが加熱により溶融して形成した封止層であり、この封止層４ｂは外装材４の封止部分４ａに対応しており、また、この封止層４ｂによって電池内部の密閉性が保たれている。そして、正極端子５はアルミニウム５ａとニッケル５ｂとのクラッド材で構成され、そのアルミニウム５ａの部分が正極１のリード部１ｃの積層体と溶接により接続されている。
【００４７】
なお、図４に示すように、正極１はアルミニウムからなる集電体１ａの両面に正極合剤層１ｂを形成してなり、その正極１の周囲にポリマー電解質３が形成されている。また、負極２は銅箔からなる集電体２ａの両面に負極合剤層２ｂを形成してなり、その負極２の周囲にポリマー電解質３が形成されている。さらに、この負極２に関しても、図５には図示していないが、前記正極１の場合と同様に、リード部を積層し、そのリード部の積層体を銅／ニッケルクラッド材の銅部分と溶接により接続している。なお、図１〜５や後に説明する図６〜８のいずれも模式的に示したものであり、各構成部分の寸法比は必ずしも正確ではない。また、図１〜２では、集電体やリード部の図示を省略している。
【００４８】
実施例２
正極端子となるクラッド材として、いわゆる部分クラッド材を用いた以外は、参考例１と同様に積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００４９】
図６はこの実施例２の電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を模式的に示すものである。図６に示すように、正極端子５を構成するクラッド材は、電池内部側の部分、つまり、外装材４の封止部分４ａより内側の部分はアルミニウム５ａのみで構成され、そのアルミニウムのみの部分は外装材４の封止部分４ａの電池内部側の端面から１ｍｍ入ったところまで続き、そこから電池外部側に向けてアルミニウム５ａとニッケル５ｂとで構成され、また、電池外部側ではニッケル５ｂのみで構成されている。そして、アルミニウム５ａとニッケル５ｂが併存しているところでのアルミニウム５ａの厚みは４０μｍで、ニッケル５ｂの厚みは４０μｍである。
【００５０】
実施例３
正極端子となるクラッド材として、実施例２とは異なる形態の部分クラッド材を用いた以外は、参考例１と同様に積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００５１】
図７はこの実施例３の電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を模式的に示すものである。図７に示すように、正極端子５を構成するクラッド材は、電池内部側の部分、つまり、外装材４の封止部分４ａより内側の部分はアルミニウム５ａのみで構成され、そのアルミニウムのみの部分は外装材４の封止部分４ａの電池内部側の端面から１ｍｍ入ったところまで続き、そこから電池外部側に向けてアルミニウム５ａとニッケル５ｂとで構成されている。そして、アルミニウム５ａとニッケル５ｂが併存しているところでのアルミニウム５ａの厚みは５０μｍで、ニッケル５ｂの厚みは３０μｍである。
【００５２】
比較例１
上記多層構造の積層電極群中の正極のリード部積層体（４枚のアルミニウム箔の露出部で構成される４枚のリード部の積層体）を、厚さ１００μｍ、幅３ｍｍでアルミニウム製の２枚の補強板で挟み、さらに正極端子として厚さ４０μｍのニッケルリボン１枚を重ね、超音波溶接機を用いて、溶接時間７５ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ2 、アンプリチュード６０％の条件下で溶接した。この溶接部分の位置は、積層電極群を外装材で密封する際の封止部分に一致するようにした。また、上記と同様に、積層電極群中の負極のリード部積層体（５枚の銅箔の露出部で構成される５枚のリード部の積層体）を、厚さ１００μｍ、幅３ｍｍの銅製の２枚の補強板で挟み、さらに、負極端子として厚さ４０μｍのニッケルリボン１枚を重ね、上記と同様の溶接機を用いて、溶接時間１２０ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ2 、アンプリチュード６０％の条件下で溶接した。この溶接部分の位置も、積層電極群を外装材で密封する際の封止部分に一致するようにした。その後、外装材で積層電極群を外装するとともに密封することにより、積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００５３】
上記の溶接部分の幅は正極側、負極側とも２ｍｍであり、外装材の封止部分の幅はいずれの場合も４ｍｍであった。
【００５４】
図８はこの比較例１の電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を概略的に示すもので、正極１のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続はリード部１ｃの積層体を補強板７で補強し、その補強板７に正極端子５を溶接することによって行われ、その溶接は上記外装材４の封止部分４ａで行われている。
【００５５】
比較例２
厚さ４０μｍのニッケルリボンを正極端子として用い、この正極端子の一方の端部を正極のアルミニウム製のリード部の積層体と溶接して接続し、また厚さ４０μｍのニッケルリボンを負極端子として用い、この負極端子の一方の端部を負極の銅製のリード部の積層体と溶接により接続した以外は、参考例１と同様に積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００５６】
上記参考例１、実施例２〜３および比較例１〜２の電池のエネルギー密度と落下テストによる正極のアルミニウム製のリード部と正極端子との接続部分（溶接部分）および負極の銅製のリード部と負極端子との接続部分（溶接部分）の剥離の有無を調べ、さらに６０℃で２０日間貯蔵後の貯蔵劣化を調べた。その結果を表１に示す。上記エネルギー密度は電池を４．２Ｖ、０．２Ｃの定電流定電圧で８時間充電し、０．２Ｃで２．７５Ｖまで放電した時の放電容量と平均作動電圧とから計算することによって求めた。上記落下テストは電池を１８０ｃｍの高さからコンクリートに落下させて正極のリード部と正極端子との溶接部分および負極のリード部と負極端子との溶接部分の剥離の有無を調べた。この落下テストはいずれの電池も１０個ずつについて行い、表１にはテストに供した電池個数を分母に表記し、溶接部分の剥離を生じた電池個数を分子に表記する態様で示す。また、貯蔵劣化は貯蔵前に上記条件下で測定した放電容量と貯蔵後に上記条件下で測定した放電容量とから下記の式により求めたものである。
【数１】
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１に示す結果から明らかなように、参考例１および実施例２〜３では、落下テストでの接続部分（溶接部分）の剥離がなく、電極のリード部と正極端子や負極端子などの電極端子とが充分な接続強度（溶接強度）を有していた。また、参考例１および実施例２〜３は貯蔵劣化も５〜６％と低かった。なお、参考例１では、正極端子を構成するクラッド材のニッケルが電解液と接触しているためニッケルが電解液と接触しない実施例２〜３に比べて貯蔵劣化が若干高くなっているが、それでもクラッド材でないニッケルリボンそのものを正極端子として用いた比較例２に比べると貯蔵劣化が少なく、実用上支障のない範囲になっていた。これはアルミニウムの腐食はアルミニウムとニッケルとの溶接部分を中心に進行することと、クラッド材にしているとニッケルが電解液に接触していても反応面積が小さいことによるものと考えられる。
【００５９】
これに対して、電極のリード部の積層体を補強板で補強した比較例１は、落下テストによる剥離がなく、漏液発生率も低かったが、補強板を用いたぶん、エネルギー密度が低くなった。また、ニッケルリボンからなる正極端子を正極のアルミニウム製のリード部の積層体に直接溶接した比較例２では、落下テストでの接続部分の剥離が生じた上に、貯蔵劣化が大きかった。
【００６０】
上記実施例では、クラッド材の一方の成分としてニッケルを用いたクラッド材の例を説明したが、ニッケルに代えてステンレス鋼をクラッド材の一方の成分として用いたクラッド材であってもよく、このステンレス鋼を用いた場合は、ニッケルに比べて抵抗が若干高いため、負荷特性が若干低下するが、それ以外はほぼ同等の特性が得られた。
【００６１】
また、ポリマー電解質のゲル化に際しても、上記実施例で示した以外に、例えば、ポリマーがゲル化するものや、ラジカル重合型の不飽和ポリエステル、ラジカル重合型のアクリル系エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、アルキッドアクリレート、シリコンアクリレートなどの光硬化性樹脂を紫外線または電子線を用いてゲル化させるものであってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、電極のリード部と電極端子との接続強度を高め、電池性能の信頼性の高いポリマー電解質電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１のポリマー電解質電池で用いたポリマー電解質保持正極を模式的に示す断面図である。
【図２】 参考例１のポリマー電解質電池で用いたポリマー電解質保持負極を模式的に示す断面図である。
【図３】 参考例１のポリマー電解質電池の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】 図３に示す参考例１のポリマー電解質電池中の積層電極群の要部拡大図である。
【図５】 図３に示す参考例１のポリマー電解質電池の正極のリード部と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【図６】 実施例２のポリマー電解質電池の正極のリード部と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【図７】 実施例３のポリマー電解質電池の正極のリード部と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【図８】 比較例１のポリマー電解質電池の正極のリード体と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 正極
１ａ アルミニウム箔
１ｂ 正極合剤層
１ｃ リード部
２ 負極
２ａ 銅箔
２ｂ 負極合剤層
２ｃ リード部
３ ポリマー電解質
４ 外装材
４ａ 封止部分
５ 正極端子
５ａ アルミニウム
５ｂ ニッケル
６ 負極端子
１０ ポリマー電解質保持正極
２０ ポリマー電解質保持負極
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー電解質電池に関し、さらに詳しくは、シート状の正極とシート状の負極とをポリマー電解質を介して積層した電極群を有し、特にパソコン、携帯電話などの携帯用機器などの電源として使用するのに適したポリマー電解質電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマー電解質電池では、電解質をシート状にすることができ、そのシート状の電解質を用いることによって、Ａ４版、Ｂ５版などの大面積でしかも薄形の電池の作製が可能になり、各種薄形製品への適用が可能になって、電池の使用範囲が大きく広がっている。このポリマー電解質を用いた電池は、耐漏液性を含めた安全性、貯蔵性が優れており、しかも薄く、フレキシブルであることから、機器の形状に合わせた電池を設計できるという、今までの電池にない特徴を持っている。
【０００３】
このポリマー電解質電池は、通常、アルミニウムフィルムを芯材にしたラミネートフィルムを外装体に用い、薄いシート状の電極とシート状のポリマー電解質層とを積層し、それを上記ラミネートフィルムからなる外装材で外装して密封することによって、薄形電池に仕上げられる。
【０００４】
このポリマー電解質電池では、電極を薄形にするため、通常、金属箔を集電体に用いていて、正極の集電体にはアルミニウム箔を用い、負極の集電体には銅箔を用いている。そして、電池の外部端子、つまり、電池使用機器との接続に用いる正極端子や負極端子としては、電池使用機器との接続の容易さなどから、通常、ニッケルの箔またはリボンが用いられている。
【０００５】
これら電極と外部端子との電気的接続は、通常、正極側では正極作製時にアルミニウム箔の一部に正極合剤層を形成せずにアルミニウム箔の露出部を残し、そこを正極端子との接続のためのリード部にし、負極側では負極作製時に銅箔の一部に負極合剤層を形成せずに銅箔の露出部を残し、そこを負極端子との接続のためのリード部にしている。
【０００６】
しかしながら、上記アルミニウム製のリード部や銅製のリード部は厚みが薄いこともあって強度が低く、また、それらと正極端子や負極端子との接続部分の強度も低いという問題があった。
【０００７】
すなわち、それらと正極端子や負極端子との接続は、通常、抵抗溶接、超音波溶接などで行われているが、異種金属間の溶接になるため、いずれも、その溶接強度が低く、特に正極側におけるアルミニウムとニッケルとの溶接は、非常に難しく、その溶接強度が非常に低いという問題があった。
【０００８】
また、電池使用機器から高電圧または高容量が要求される場合、このポリマー電解質電池では、電極やポリマー電解質を薄いシート状にすることができるという特徴を生かしつつ、複数枚のシート状の正極と複数枚のシート状の負極とをそれぞれの間にポリマー電解質を介在させて積層して多層構造の積層電極群とし、それらの電極を直列または並列に接続することによって、電池使用機器が要求する高電圧または高容量に対応できるようにしてきた。
【０００９】
しかしながら、上記のような多層構造の積層電極群を有する場合には、その多層構造の積層電極群を構成する複数枚の正極のアルミニウム製のリード部や複数枚の負極の銅製のリード部を積層して正極端子や負極端子と接続する必要があり、その接続がさらに難しくなるという問題があり、特に正極側では、上記のようにアルミニウムとニッケルとの溶接が非常に難しく、溶接強度が低いことに加えて、アルミニウムとニッケルとではその間に電解液が介在すると局部電池を形成してアルミニウムの腐食が生じるため、その接続を外装材の封止部分のところで行わなければならず、正極のリード部が複数枚であって、厚みが厚くなることもあり、その接続がさらに困難になるという問題があった。
【００１０】
そのため、上記正極のリード部の積層体をアルミニウム製のリード体の一方の端部に接続し、そのリード体の他方の端部を外装材の封止部分のところで外部端子と接続することが提案されているが、溶接回数が増える上に、電池の実効内容積を減少させるという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来技術における問題点を解決し、特にポリマー電解質電池における正極のリード部と正極端子との接続強度を高め、電池性能の信頼性の高いポリマー電解質電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アルミニウム製の集電体の少なくとも一方の面に正極合剤層を形成してなる正極と銅製の集電体の少なくとも一方の面に負極合剤層を形成してなる負極とをポリマー電解質を介して積層し、その正極、負極およびポリマー電解質からなる電極群を外装材で密封してなるポリマー電解質電池において、正極端子として、アルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との部分クラッド材であって、かつ上記正極のアルミニウム製のリード部の厚さの２倍以上の厚さを有する部分クラッド材を用い、その一方の端部のアルミニウム部分を上記正極のリード部と接続し、上記正極端子を構成する部分クラッド材の、ニッケルまたはステンレス鋼を含有する部分を含む他方の端部を外装材の封止部分より外部側に引き出し、かつ部分クラッド材のうち、少なくとも外装材の封止部分より内側はアルミニウム部分とし、外装材の封止部分に配置する部分の少なくとも一部はアルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との併存部分としたことによって、上記課題を解決したものである。
【００１３】
すなわち、上記の構成にすることにより、正極のリード部と正極端子との接続をアルミニウム製のリード部と正極端子を構成するクラッド材のアルミニウム部分とのアルミニウム同士で行うことになるので、その接続強度を高めることができ、電池に落下、震動などの機械的力が加わっても接続部分の破損が抑制され、安定した電池性能を得ることができ、電池性能の信頼性が高いポリマー電解質電池を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において、正極の集電体としては、アルミニウム製の箔、パンチドメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、アルミニウム箔が用いられる。この正極の集電体は、正極の厚みを薄くする関係上、厚みが２０μｍ以下のものが好ましく、本発明では、そのような厚みの薄いものであっても、その露出部で構成されるリード部が電池外部に出ることがないので、破損するおそれがない。ただし、あまりにも薄すぎると、正極の作製にあたって、正極合剤含有ペーストを塗布した際に皺が発生したり、引っ張りにより破れが生じるおそれがあるので、その厚みは上記のように２０μｍ以下であって１０μｍ以上が好ましい。なお、本明細書においては、主として正極について説明するが、負極についても考え方は同じである。
【００１５】
正極側のリード部は、通常、正極作製時にアルミニウム製の集電体の一部に正極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、リード部は必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体にアルミニウム製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。
【００１６】
本発明においては、正極端子としては、その一方の端部を上記正極のリード部と接続し、他方の端部を外装材の封止部分より外部側に引き出して正極側の外部端子とするものをいうが、その正極端子を構成するクラッド材としては、アルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼とのクラッド材であって、その厚さが正極のリード部の厚さの２倍以上のものが用いられる。
【００１７】
上記正極端子を構成するクラッド材において、一方の成分をアルミニウムにしているのは、正極のリード部がアルミニウム製であることに基づくものであり、他方の成分をニッケルまたはステンレス鋼にしているのは、電池使用機器との接続を容易にするためである。
【００１８】
この正極端子を構成するクラッド材は、使用にあたって箔やリボンなどの形態にすることが好ましく、その厚みは３０〜３００μｍ、特に４０〜１５０μｍが好ましい。すなわち、上記クラッド材の厚みを３０μｍ以上にすることによって、正極のリード部との溶接時の切断の防止、引っ張り、折り曲げによる断裂の防止を図ることができ、また、厚みを３００μｍ以下にすることによって、外装材の封止部分に隙間が生じるのを防止することができる。また、上記クラッド材は正極のリード部の厚さを２倍以上の厚さを有することを要するが、これは、上記のように正極のリード部との溶接時の切断の防止、引っ張り、折り曲げによる断裂の防止を図るという理由によるものである。
【００１９】
上記クラッド材は、部分的にアルミニウム層とニッケル層またはステンレス鋼層とが存在するいわゆる部分クラッド材である。すなわち、電解液の影響を受けることがない外装材の封止部分に当たるところや電池外部ではアルミニウム層とニッケル層またはステンレス鋼層との両方が存在していてもよいが、電解液と接触する電池内部、つまり、外装材の封止部分より内側ではアルミニウム単独であることが好ましい。そして、電池外部、つまり、外装材の封止部分より外側では、少なくともニッケルまたはステンレス鋼が存在している必要がある。
【００２０】
上記クラッド材のアルミニウム部分と正極のリード部との接続方法としては、例えば、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接、ハンダ、カシメ、導電性接着剤による方法など、各種の接続方法を採用することができるが、特に溶接が適している。
【００２１】
負極の集電体としては、銅製の箔、パンチドメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極の集電体の厚みとしては、前記の正極の集電体の場合と同様の理由により、５〜２０μｍが好ましく、また、負極側のリード部も、通常、負極作製時に銅製の集電体の一部に負極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残し、そこをリード部とすることによって設けられる。ただし、この負極側のリード部も必ずしも当初から集電体と一体化されたものであることは要求されず、集電体に銅製の箔などを後から接続することによって設けてもよい。
【００２２】
この負極のリード部は銅で構成されていて、銅とニッケルとの溶接は、前記正極におけるアルミニウムとニッケルとの溶接ほど難しくないので、負極のリード部とニッケルなどで構成される負極端子とを直接接続することも可能であるが、ここでも負極端子として銅とニッケルまたはステンレス鋼とのクラッド材を用い、上記負極端子を構成するクラッド材の一方の端部の銅部分を負極の銅製のリード部と接続し、他方の端部を外装材の封止部分より外側に引き出すようにするのが好ましい。
【００２３】
すなわち、銅とニッケルとの溶接より銅同士の溶接の方が容易であり、かつ高い溶接強度が得られるので、負極のリード部と外部端子との接続強度が高くなり、より電池性能の高いポリマー電解質電池が得られるようになる。
【００２４】
本明細書において、負極端子とは、一方の端部を負極のリード部と接続し、その端部を外装材の封止部分より外部側に引き出すものをいうが、この負極端子を構成するクラッド材も、その使用にあたり形態としては、箔やリボンなどが好ましく、その厚さは、前記正極側で用いるクラッド材の場合と同様に、３０〜３００μｍ、特に４０〜１５０μｍが好ましい。また、この負極端子として用いるクラッド材も、負極のリード部の厚さの２倍以上の厚さであることが好ましい。
【００２５】
この負極を構成するクラッド材の銅部分と負極のリード部との接続方法としては、例えば、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接、ハンダ、カシメ、導電性接着剤による方法など、各種の方法を採用することができるが、特に溶接が適している。
【００２６】
外装材としては、例えば、ナイロンフィルムまたはポリエステルフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムからなる三層構造のラミネートフィルムなどが用いられ、その封止部分の幅は、広いほど強度面からは有利であるが、外装材の封止部分の幅を広くすると、外装材が大きくなり、電池の体積や重量が増加して、小型化への妨げとなり、また、外装材の大きさを変えずに封止部分の幅を広くすると、それにあわせて電極を小さくしなければならず、高容量化への妨げとなるので、封止部分の幅は溶接などの接続部分の中心から両側にそれぞれ１ｍｍ以上で５ｍｍ程度（すなわち、封止部分の幅として２〜１０ｍｍ程度）にするのが好ましい。
【００２７】
前記のように、アルミニウムとニッケルとではその間に電解液が存在すると、局部電池を形成してアルミニウムの腐食が生じるという問題があるが、正極端子として用いるクラッド材を部分クラッド材にして、電池内部側の部分、つまり、外装材の封止部分より内側の部分をアルミニウムのみにし、アルミニウム層とニッケル層とが併存する部分を外装材の封止部分に配置して電解液の影響を受けないようにすればアルミニウムの腐食を防止することができる。
【００２８】
【実施例】
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、以下の実施例や比較例で共通して用いる正極、負極およびポリマー電解質の作製について実施例などの説明に先立って説明する。
【００２９】
正極の作製：
正極活物質であるＬｉＣｏＯ2 ９０重量部、電導助剤であるカーボンブラック５重量部、バインダーであるポリフッ化ビニリデン５重量部をＮ−メチルピロリドンを溶媒として均一になるように混合し、正極合剤含有ペーストを調製した。
【００３０】
この正極合剤含有ペーストを厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に片面の正極合剤量が２０ｍｇ／ｃｍ2 （ただし、乾燥後の正極合剤量）になるように均一に塗布し、乾燥させて正極合剤層を形成した後、カレンダー処理を行い、片面の正極合剤層の厚さを６５μｍに調整した。それを７０ｍｍ×４０ｍｍの寸法に切断して正極とした。ただし、上記正極の作製にあたっては、正極集電体を構成するアルミニウム箔の一部に正極合剤含有ペーストを塗布せず、アルミニウム箔の露出部を残し、その露出部をアルミニウムとニッケルとのクラッド材からなる正極端子との接続のためのリード部とした。
【００３１】
負極の作製：
負極活物質である黒鉛７７重量部およびカーボトロンＰ〔商品名、呉羽化学工業（株）製、平均粒径２２μｍの低結晶カーボン〕８重量部、バインダーであるポリフッ化ビニリデン１５重量部をＮ−メチルピロリドンを溶媒として均一になるように混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。
【００３２】
この負極合剤合剤ペーストを厚さ１０μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に片面の負極合剤量が１２ｍｇ／ｃｍ2 （ただし、乾燥後の負極合剤量）になるように均一に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成した後、カレンダー処理を行い、片面の負極合剤層の厚さを６５μｍに調整した。これを７２ｍｍ×４２ｍｍの寸法に切断して負極とした。ただし、上記負極の作製にあたっては、負極集電体を構成する銅箔の一部に負極合剤含有ペーストを塗布せず、銅箔の露出部を残し、その露出部を銅とニッケルとのクラッド材からなる負極端子との接続のためのリード部とした。
【００３３】
正極ユニットの作製：
上記のようにして作製した正極のリード部の正極端子と接続部分の近傍に、厚さ５０μｍ、幅３ｍｍのポリイミドテープをその両側から貼着し、該部分の短絡の防止および強度保持を図った。また、正極端子との接続部分となるリード部の表面を、熱により接着面の粘着性が失われる熱剥離テープで被覆した。そして、この正極をゲル状ポリマー電解質の保持体となる厚さ３０μｍ、坪量１２ｇ／ｍ2 のポリブチレンテレフタレート不織布〔ＮＫＫ社製、ＭＢ１２３０（商品名）〕で包んだ。
【００３４】
負極ユニットの作製：
負極のリード部の負極端子との接続部分の近傍に、厚さ５０μｍ、幅３ｍｍのイミドテープをその両面から貼着し、該部分の短絡の防止および強度保持を図った。また、負極端子との接続部分となるリード部の表面を、熱により接着面の粘着性が失われる熱剥離テープで被覆した。そして、この負極をゲル状ポリマー電解質の保持体となる厚さ３０μｍ、坪量１２ｇ／ｍ2 のポリブチレンテレフタレート不織布〔ＮＫＫ社製、ＭＢ１２３０（商品名）〕で包んだ。
【００３５】
ゲル化成分含有電解液の調製：
プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒にＬｉＰＦ6 を１．２２ｍｏｌ／ｌ溶解させることによって調製した電解液に重合開始剤として２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド〔ルシリンＴＰＯ（商品名）、ビーエーエスエフジャパン（株）製〕をあらかじめモノマー成分に対して２重量％加えて溶解しておき、そこにジペンタエリスリトールヘキサアクリレートを使用開始１０分前に濃度が６重量％になるように加えて混合し、ゲル化成分を含有する電解液を調製した。このゲル化成分を含有する電解液を以下においては上記標題のように「ゲル化成分含有電解液」と簡略化して表現する。
【００３６】
このゲル化成分含有電解液を上記正極ユニットと負極ユニットにそれぞれ減圧下で吸収させ、このゲル化成分含有電解液を含浸させた正極ユニットおよび負極ユニットをポリエチレン製の袋に入れて、袋を密封した。
【００３７】
このゲル化成分含有電解液を含浸した正極ユニット入りの袋および負極ユニット入りの袋にその両面から、フュージョンＵＶシステムズ・ジャパン（株）製の紫外線照射装置を用いて、紫外線を１Ｗ／ｃｍ2 の照度で１０秒間照射し、正極および負極の周囲に支持体を内蔵したゲル状ポリマー電解質を形成した。
【００３８】
上記のように周囲にゲル状ポリマー電解質を形成した正極および負極をそれぞれ袋から取り出し、そのリード部に１５０℃の熱風を吹付けることによって、熱剥離テープをリード部から剥がした後、上記負極５枚と正極４枚とを交互に積層して多層構造（すなわち、正極や負極がそれぞれ複数枚ある）の積層電極群を作製した。以下、実施例および比較例で述べる方法で外部端子との接続を行い、上記積層電極群を密封する外装体としてナイロンフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムからなる三層構造のラミネートフィルムを準備した。
【００３９】
参考例１
まず、外装材の封止部分より外側の部分が外部端子として機能する正極端子を構成するクラッド材として、アルミニウムとニッケルとのクラッド材（以下、このクラッド材を「アルミニウム／ニッケルクラッド材」で表す）であって、厚さ８０μｍでリボン状のクラッド材を準備した。このクラッド材におけるアルミニウムの厚さは６０μｍで、ニッケルの厚さは、２０μｍであった。また、外装材の封止部分より外側の部分が外部端子として機能する負極端子を構成するクラッド材として、銅とニッケルとのクラッド材（以下、このクラッド材を「銅／ニッケルクラッド材」で表す）であって、厚さ８０μｍでリボン状のクラッド材を準備した。このクラッド材の銅の厚さは６０μｍで、ニッケルの厚さは２０μｍであった。
【００４０】
そして、超音波溶接機を用い、上記積層電極群中の正極のリード部積層体（４枚のアルミニウム箔の露出部で構成される４枚のリード部の積層体）と上記アルミニウム／ニッケルクラッド材の一方の端部のアルミニウムとを溶接時間７５ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ、アンプリチュード６０％の条件下で超音波溶接して接続した。また、負極のリード部積層体と上記銅／ニッケルクラッド材の一方の端部の銅部分とを溶接時間１２０ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ、アンプリチュード６０％の条件下で超音波溶接して接続した。その後、外装材で上記積層電極群を外装するとともに密封して積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００４１】
上記正極端子を構成するアルミニウム／ニッケルクラッド材のアルミニウム部分と正極のリード部積層体との溶接幅は２ｍｍであり、また、負極端子を構成する銅／ニッケルクラッド材の銅部分と負極のリード部積層体との溶接幅は２ｍｍであり、外装材の封止部分の幅は４ｍｍであった。
【００４２】
このポリマー電解質電池の構造を説明するにあたり、前記のように周囲にポリマー電解質を形成した正極ユニット（以下、これを「ポリマー電解質保持正極」という）および周囲にポリマー電解質を形成した負極ユニット（以下、これを「ポリマー電解質保持負極」という）について説明しておくと、図１に示すように、ポリマー電解質保持正極１０は正極１の周囲に支持体３ａを内蔵するゲル状のポリマー電解質３を形成することによって構成されている。
【００４３】
また、図２に示すように、ポリマー電解質保持負極２０は負極２の周囲に支持体３ａを内蔵するゲル状のポリマー電解質３を形成することによって構成されている。
【００４４】
そして、上記ポリマー電解質保持正極１０が４枚とポリマー電解質保持負極２０が５枚積層され、図３に示すように多層構造の積層電極群が構成される。つまり、１枚目のポリマー電解質保持負極２０と５枚目のポリマー電解質保持負極２０とがそれぞれ最外層に配置され、その間にポリマー電解質保持正極１０が４枚とポリマー電解質保持負極２０が３枚交互に配置して積層されている。そして、そのポリマー電解質保持正極１０とポリマー電解質保持負極２０との間では、図４に示すように、正極１と負極２との間に正極１の周囲に形成されたポリマー電解質３と負極２の周囲に形成されたポリマー電解質３とがあわさって、それらで充分な厚みのポリマー電解質層を形成し、それによって、正極１と負極２とが充分に隔離されている。
【００４５】
電池は、上記のような積層電極群を、図３に示すように、ナイロンフィルム−アルミニウムフィルム−変性ポリオレフィンフィルムの三層構造のラミネートフィルムからなる外装材４で外装して密封することによって構成されている。そして、この電池において、上記正極端子５はアルミニウム／ニッケルクラッド材を構成され、上記負極端子６は銅／アルミニウムクラッド材で構成されている。
【００４６】
図５は上記図３に示す電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を模式的に示すものである。外装材４は２枚用いられていて、その封止は外装材４として用いられているラミネートフィルムの変性ポリオレフィンフィルムの熱融着によって行われ、４ａは上記外装材４の封止部分であり、４ｂは外装材４の最内層の変性ポリオレフィンフィルムが加熱により溶融して形成した封止層であり、この封止層４ｂは外装材４の封止部分４ａに対応しており、また、この封止層４ｂによって電池内部の密閉性が保たれている。そして、正極端子５はアルミニウム５ａとニッケル５ｂとのクラッド材で構成され、そのアルミニウム５ａの部分が正極１のリード部１ｃの積層体と溶接により接続されている。
【００４７】
なお、図４に示すように、正極１はアルミニウムからなる集電体１ａの両面に正極合剤層１ｂを形成してなり、その正極１の周囲にポリマー電解質３が形成されている。また、負極２は銅箔からなる集電体２ａの両面に負極合剤層２ｂを形成してなり、その負極２の周囲にポリマー電解質３が形成されている。さらに、この負極２に関しても、図５には図示していないが、前記正極１の場合と同様に、リード部を積層し、そのリード部の積層体を銅／ニッケルクラッド材の銅部分と溶接により接続している。なお、図１〜５や後に説明する図６〜８のいずれも模式的に示したものであり、各構成部分の寸法比は必ずしも正確ではない。また、図１〜２では、集電体やリード部の図示を省略している。
【００４８】
実施例２
正極端子となるクラッド材として、いわゆる部分クラッド材を用いた以外は、参考例１と同様に積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００４９】
図６はこの実施例２の電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を模式的に示すものである。図６に示すように、正極端子５を構成するクラッド材は、電池内部側の部分、つまり、外装材４の封止部分４ａより内側の部分はアルミニウム５ａのみで構成され、そのアルミニウムのみの部分は外装材４の封止部分４ａの電池内部側の端面から１ｍｍ入ったところまで続き、そこから電池外部側に向けてアルミニウム５ａとニッケル５ｂとで構成され、また、電池外部側ではニッケル５ｂのみで構成されている。そして、アルミニウム５ａとニッケル５ｂが併存しているところでのアルミニウム５ａの厚みは４０μｍで、ニッケル５ｂの厚みは４０μｍである。
【００５０】
実施例３
正極端子となるクラッド材として、実施例２とは異なる形態の部分クラッド材を用いた以外は、参考例１と同様に積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００５１】
図７はこの実施例３の電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を模式的に示すものである。図７に示すように、正極端子５を構成するクラッド材は、電池内部側の部分、つまり、外装材４の封止部分４ａより内側の部分はアルミニウム５ａのみで構成され、そのアルミニウムのみの部分は外装材４の封止部分４ａの電池内部側の端面から１ｍｍ入ったところまで続き、そこから電池外部側に向けてアルミニウム５ａとニッケル５ｂとで構成されている。そして、アルミニウム５ａとニッケル５ｂが併存しているところでのアルミニウム５ａの厚みは５０μｍで、ニッケル５ｂの厚みは３０μｍである。
【００５２】
比較例１
上記多層構造の積層電極群中の正極のリード部積層体（４枚のアルミニウム箔の露出部で構成される４枚のリード部の積層体）を、厚さ１００μｍ、幅３ｍｍでアルミニウム製の２枚の補強板で挟み、さらに正極端子として厚さ４０μｍのニッケルリボン１枚を重ね、超音波溶接機を用いて、溶接時間７５ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ2 、アンプリチュード６０％の条件下で溶接した。この溶接部分の位置は、積層電極群を外装材で密封する際の封止部分に一致するようにした。また、上記と同様に、積層電極群中の負極のリード部積層体（５枚の銅箔の露出部で構成される５枚のリード部の積層体）を、厚さ１００μｍ、幅３ｍｍの銅製の２枚の補強板で挟み、さらに、負極端子として厚さ４０μｍのニッケルリボン１枚を重ね、上記と同様の溶接機を用いて、溶接時間１２０ｍｓｅｃ、圧力２ｋｇ／ｃｍ2 、アンプリチュード６０％の条件下で溶接した。この溶接部分の位置も、積層電極群を外装材で密封する際の封止部分に一致するようにした。その後、外装材で積層電極群を外装するとともに密封することにより、積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００５３】
上記の溶接部分の幅は正極側、負極側とも２ｍｍであり、外装材の封止部分の幅はいずれの場合も４ｍｍであった。
【００５４】
図８はこの比較例１の電池の正極１のアルミニウム製のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続部分およびその近傍を概略的に示すもので、正極１のリード部１ｃの積層体と正極端子５との接続はリード部１ｃの積層体を補強板７で補強し、その補強板７に正極端子５を溶接することによって行われ、その溶接は上記外装材４の封止部分４ａで行われている。
【００５５】
比較例２
厚さ４０μｍのニッケルリボンを正極端子として用い、この正極端子の一方の端部を正極のアルミニウム製のリード部の積層体と溶接して接続し、また厚さ４０μｍのニッケルリボンを負極端子として用い、この負極端子の一方の端部を負極の銅製のリード部の積層体と溶接により接続した以外は、参考例１と同様に積層形のポリマー電解質電池を作製した。
【００５６】
上記参考例１、実施例２〜３および比較例１〜２の電池のエネルギー密度と落下テストによる正極のアルミニウム製のリード部と正極端子との接続部分（溶接部分）および負極の銅製のリード部と負極端子との接続部分（溶接部分）の剥離の有無を調べ、さらに６０℃で２０日間貯蔵後の貯蔵劣化を調べた。その結果を表１に示す。上記エネルギー密度は電池を４．２Ｖ、０．２Ｃの定電流定電圧で８時間充電し、０．２Ｃで２．７５Ｖまで放電した時の放電容量と平均作動電圧とから計算することによって求めた。上記落下テストは電池を１８０ｃｍの高さからコンクリートに落下させて正極のリード部と正極端子との溶接部分および負極のリード部と負極端子との溶接部分の剥離の有無を調べた。この落下テストはいずれの電池も１０個ずつについて行い、表１にはテストに供した電池個数を分母に表記し、溶接部分の剥離を生じた電池個数を分子に表記する態様で示す。また、貯蔵劣化は貯蔵前に上記条件下で測定した放電容量と貯蔵後に上記条件下で測定した放電容量とから下記の式により求めたものである。
【数１】
【表１】
表１に示す結果から明らかなように、参考例１および実施例２〜３では、落下テストでの接続部分（溶接部分）の剥離がなく、電極のリード部と正極端子や負極端子などの電極端子とが充分な接続強度（溶接強度）を有していた。また、参考例１および実施例２〜３は貯蔵劣化も５〜６％と低かった。なお、参考例１では、正極端子を構成するクラッド材のニッケルが電解液と接触しているためニッケルが電解液と接触しない実施例２〜３に比べて貯蔵劣化が若干高くなっているが、それでもクラッド材でないニッケルリボンそのものを正極端子として用いた比較例２に比べると貯蔵劣化が少なく、実用上支障のない範囲になっていた。これはアルミニウムの腐食はアルミニウムとニッケルとの溶接部分を中心に進行することと、クラッド材にしているとニッケルが電解液に接触していても反応面積が小さいことによるものと考えられる。
【００５９】
これに対して、電極のリード部の積層体を補強板で補強した比較例１は、落下テストによる剥離がなく、漏液発生率も低かったが、補強板を用いたぶん、エネルギー密度が低くなった。また、ニッケルリボンからなる正極端子を正極のアルミニウム製のリード部の積層体に直接溶接した比較例２では、落下テストでの接続部分の剥離が生じた上に、貯蔵劣化が大きかった。
【００６０】
上記実施例では、クラッド材の一方の成分としてニッケルを用いたクラッド材の例を説明したが、ニッケルに代えてステンレス鋼をクラッド材の一方の成分として用いたクラッド材であってもよく、このステンレス鋼を用いた場合は、ニッケルに比べて抵抗が若干高いため、負荷特性が若干低下するが、それ以外はほぼ同等の特性が得られた。
【００６１】
また、ポリマー電解質のゲル化に際しても、上記実施例で示した以外に、例えば、ポリマーがゲル化するものや、ラジカル重合型の不飽和ポリエステル、ラジカル重合型のアクリル系エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、アルキッドアクリレート、シリコンアクリレートなどの光硬化性樹脂を紫外線または電子線を用いてゲル化させるものであってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、電極のリード部と電極端子との接続強度を高め、電池性能の信頼性の高いポリマー電解質電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１のポリマー電解質電池で用いたポリマー電解質保持正極を模式的に示す断面図である。
【図２】 参考例１のポリマー電解質電池で用いたポリマー電解質保持負極を模式的に示す断面図である。
【図３】 参考例１のポリマー電解質電池の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】 図３に示す参考例１のポリマー電解質電池中の積層電極群の要部拡大図である。
【図５】 図３に示す参考例１のポリマー電解質電池の正極のリード部と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【図６】 実施例２のポリマー電解質電池の正極のリード部と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【図７】 実施例３のポリマー電解質電池の正極のリード部と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【図８】 比較例１のポリマー電解質電池の正極のリード体と正極端子との接続部分およびその近傍を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 正極
１ａ アルミニウム箔
１ｂ 正極合剤層
１ｃ リード部
２ 負極
２ａ 銅箔
２ｂ 負極合剤層
２ｃ リード部
３ ポリマー電解質
４ 外装材
４ａ 封止部分
５ 正極端子
５ａ アルミニウム
５ｂ ニッケル
６ 負極端子
１０ ポリマー電解質保持正極
２０ ポリマー電解質保持負極
Claims (5)
- アルミニウム製の集電体の少なくとも一方の面に正極合剤層を形成してなるシート状の正極と銅製の集電体の少なくとも一方の面に負極合剤層を形成してなるシート状の負極とをポリマー電解質を介して積層し、その正極、負極およびポリマー電解質からなる電極群を外装材で密封してなるポリマー電解質電池において、
正極端子として、アルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との部分クラッド材であって、かつ上記正極のアルミニウム製のリード部の厚さの２倍以上の厚さを有する部分クラッド材を用い、
上記部分クラッド材からなる正極端子の一方の端部のアルミニウム部分を正極のリード部と接続し、上記部分クラッド材からなる正極端子の、ニッケルまたはステンレス鋼を含有する部分を含む他方の端部を外装材の封止部分より外側に引き出し、かつ上記部分クラッド材のうち、少なくとも外装材の封止部分より内側はアルミニウム部分とし、外装材の封止部分に配置する部分の少なくとも一部はアルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との併存部分としたことを特徴とするポリマー電解質電池。 - 正極および負極がそれぞれ複数枚であって、電極群がその複数枚の正極と複数枚の負極とをそれぞれの間にポリマー電解質を介して積層した積層電極群である請求項１記載のポリマー電解質電池。
- 正極のアルミニウム製の集電体が厚さ１０〜２０μｍのアルミニウム箔からなり、正極端子を構成するアルミニウムとニッケルまたはステンレス鋼との部分クラッド材の厚さが３０〜３００μｍである請求項１または２に記載のポリマー電解質電池。
- 負極端子として、銅とニッケルまたはステンレス鋼とのクラッド材であって、かつ負極の銅製のリード部の厚さの２倍以上の厚さを存するクラッド材を用い、上記クラッド材からなる負極端子の一方の端部の銅部分を負極のリード部と接続し、上記クラッド材からなる負極端子の他方の端部を外装材の封止部分より外側に引き出した請求項１〜３のいずれかに記載のポリマー電解質電池。
- 負極の集電体が厚さ５〜２０μｍの銅箔からなり、負極端子を構成する銅とニッケルまたはステンレス鋼とのクラッド材の厚さが３０〜３００μｍである請求項４記載のポリマー電解質電池。
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