JPWO2002043178A1 - ポリマー電解質電池およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなる電池素子を備えたポリマー電解質電池であって、この電池素子の巻回軸に垂直な断面を湾曲形状とすることで、平板状の電池素子を湾曲させたポリマー電解質電池と比較すると、電極端部短絡の可能性が非常に低く、良好な電池特性を有する。

Description

技術分野
本発明は、正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなる電池素子を備えるポリマー電解質電池およびその製造方法に関し、特に電池素子の形状の改良に関する。
背景技術
近年、携帯型電子機器の小型化、軽量化に伴い、これら電子機器に電力を供給する電池に対しても、駆動用やバックアップ用等という使用用途によらず、小型化や薄型化、軽量化等の要求が高まっている。
このような要求を満たす電池として、リチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正極および負極と、非水電解質とを備え、高出力、高エネルギー密度などの利点を有している非水電解質電池、いわゆるリチウム系電池が開発され、実用化されている。
特に、非水電解質としてポリマー電解質を含有するリチウム系電池は、耐漏液性に優れており、安全性が高いという特徴を有している。また、ポリマー電解質を含有するリチウム系電池は、軽量であり、薄型化が可能であるので、各種電子機器の形状やサイズに合わせてその電池形状を設計することができるという従来の電池にはない特徴を有している。
例えば、薄型で平板状のポリマー電解質電池を製造する場合、薄いシート状の正極と薄いシート状の負極との間にポリマー電解質を介在させて電池素子を形成し、この電池素子をアルミニウム箔を芯材とするラミネートフィルムで外装すればよい。
近年、各種電子機器の小型化をより図るために、電子機器の内部空間を効率的に使用する必要があり、特に、電子機器の電源となる電池の収納空間として、曲面を有する内部空間を利用することが求められている。
しかしながら、例えば図１に示すように、携帯電話やＰＤＡ等の携帯型電子機器１０１において、曲面を有する内部空間に平板状のポリマー電解質電池１０２を組み込む場合、電子機器１０１の筐体と平板状のポリマー電解質電池１０２との間に無駄な隙間１０３が生じてしまい、電子機器１０１の内部空間を効率的に使用することができない。
そこで、これら隙間１０３を効率的に使用する手法として、電子機器１０１が有する内部空間の形状に合わせて、平板状のポリマー電解質電池１０２を湾曲させることが考えられる。
しかしながら、平板状のポリマー電解質電池１０２は、薄いシート状の正極と薄いシート状の負極との間にポリマー電解質を介在させた平板状の電池素子を有しているため、平板状のポリマー電解質電池１０２を湾曲させても、所望の湾曲形状を長時間保持できない。また、平板状の電池素子を湾曲させる際の外力により、電極活物質層がひび割れたり、さらには、集電体から剥離することがある。このため、平板状のポリマー電解質電池１０２を湾曲させた場合、電池特性が著しく低下するという問題点がある。
そこで、例えば特開平第１１−３０７１３０号公報では、正極と負極とがポリマー電解質を介して積層されてなる電池素子（以下、単に平板状の電池素子と称する。）を、２つの異径ロールで熱圧着させることにより、平板状の電池素子を湾曲させる方法が開示されている。この方法によれば、電池素子の湾曲形状が保持されるが、異径ロールによる剪断応力が活物質層と集電体との間にかかるため、セル抵抗等が増大し、スタック電極端部での短絡が起こりやすく、安定した電池性能を得られないという問題点がある。また、目的とする湾曲形状の曲率を得ることが極めて困難であるばかりでなく、セル厚み規制も大きいという問題がある。
発明の開示
本発明の目的は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、各種電子機器が有する内部空間の形状に適応するように、例えば湾曲形状または略半円形状という曲面を有する電池とされていても、電極端部短絡の可能性が低く、電池特性が良好であるポリマー電解質電池およびその製造方法を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明のポリマー電解質電池は、正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなる電池素子を備え、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有することを特徴とする。
以上のように構成される本発明に係るポリマー電解質電池は、正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなり、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状である電池素子を有するので、平板状の電池素子を湾曲させたポリマー電解質電池と比較すると、電極端部短絡の可能性が非常に低く、良好な電池特性を有する。また、本発明のポリマー電解質電池において、上記湾曲形状を、少なくとも一部に平坦部を有する形状とすることもできる。
また、本発明のポリマー電解質電池は、正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなる電池素子を備え、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有することを特徴とする。
以上のように構成される本発明に係るポリマー電解質電池は、正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなり、巻回軸に垂直な断面が略半円形状である電池素子を有するので、平板状の電池素子を湾曲させたポリマー電解質電池と比較すると、電極端部短絡の可能性が非常に低く、良好な電池特性を有する。また、本発明のポリマー電解質電池において、上記略半円形状の略円弧状部分を、少なくとも一部に平坦部を有する形状とすることもできる。
また、本発明のポリマー電解質電池の製造方法は、正極と負極とをポリマー電解質を介して巻回してなる電池素子を形成する電池素子形成工程と、湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと湾曲した凸面を有する凸型ヒータブロックとの間にて電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形する熱圧着成形工程とを備えることを特徴とする。
以上のように構成される本発明に係るポリマー電解質電池の製造方法では、正極と負極とをポリマー電解質を介して巻回してなる電池素子を、凹型ヒータブロックと凸型ヒータブロックとの間にて熱圧着して湾曲形状に成形する。したがって、本発明に係るポリマー電解質電池の製造方法によれば、製造プロセスが簡易でありながらも、電極界面接合性が良好となるとともに長期に亘り湾曲形状を保持でき、電極端部短絡の可能性が低減され、電池特性が良好に維持されているポリマー電解質電池を製造することができる。
また、本発明のポリマー電解質電池の製造方法では、上記湾曲部内の少なくとも一部に平面部を有する凹型ヒータブロックと、上記湾曲部内の少なくとも一部に平面部を有する凸型ヒータブロックとの間にて上記電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が、少なくとも一部に平坦部を有する湾曲形状となるように成形してもよい。
また、本発明のポリマー電解質電池の製造方法は、正極と負極とをポリマー電解質を介して巻回してなる電池素子を形成する電池素子形成工程と、湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと平面を有する平面型ヒータブロックとの間にて電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形する熱圧着成形工程とを備えることを特徴とする。
以上のように構成される本発明に係るポリマー電解質電池の製造方法では、正極と負極とをポリマー電解質を介して巻回してなる電池素子を、凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとの間にて熱圧着して略半円形状に成形する。したがって、本発明に係るポリマー電解質電池の製造方法によれば、製造プロセスが簡易でありながらも、電極界面接合性が良好となるとともに長期に亘り略半円形状を保持でき、電極端部短絡の可能性が低減され、電池特性が良好に維持されているポリマー電解質電池を製造することができる。
また、本発明のポリマー電解質電池の製造方法では、上記湾曲部内の少なくとも一部に平面部を有する凹型ヒータブロックと、平面を有する平面型ヒータブロックとの間にて上記電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が、略半円形状であり、略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部を有する形状となるように成形してもよい。
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係るポリマー電解質電池の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明を適用したポリマー電解質電池１は、図２に示すように、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有する電池素子２ａが、絶縁材料等からなるラミネートフィルム３で外装されて減圧封止されている。
電池素子２ａは、正極と負極とがポリマー電解質層を介して長手方向に巻回されてなる、図３に示す扁平状の電池素子２ｂを、後述する成形方法にしたがって、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形したものである。
電池素子２ｂは、具体的には図４に示すように、正極集電体４の両主面上に正極活物質層５がそれぞれ形成された正極６と、負極集電体７の両主面上に負極活物質層８がそれぞれ形成された負極９とを備え、さらに、正極活物質層５上に形成されるポリマー電解質層１０、および負極活物質層８上に形成されるポリマー電解質層１１を備える。そして、ポリマー電解質層１０を備える正極６と、ポリマー電解質層１１を備える負極９とがセパレータ１２を介して積層されたのち、長手方向に巻回されることにより、電池素子２ｂが形成される。また、電池素子２ｂには、図３に示すように、正極集電体４の一端に、アルミニウム等を用いた正極端子１３と、負極集電体７の一端に、銅やニッケル等を用いた負極端子１４とがそれぞれ形成されている。
電池素子２ｂは、図２に示すように巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有する電池素子２ａとされた後、正極端子１３および負極端子１４を外部に導出しつつ、上述したラミネートフィルム３の内部に収納される。
正極集電体４としては、アルミニウムやチタン、あるいはこれらの合金等を使用できる。また、正極集電体４の形状としては、箔状やラス状、パンチングメタル状、網状等とすることが可能である。なお、正極集電体４の厚みは、２０μｍ以下であることが好ましい。
正極活物質層５は、正極活物質、導電材および結着剤を含有する正極合剤を溶剤中に分散させた正極合剤スラリーを、正極集電体４の両主面上に塗布して形成されたものである。
正極活物質としては、この種のポリマー電解質電池において従来公知の正極活物質材料を何れも使用可能であり、例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等を使用できる。具体的には、遷移金属元素を１種類のみ含有するＬｉＣｏＯ２やＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＡｌＯ２等や、遷移金属元素を２種類以上含有するＬｉＮｉ０．５Ｃｏ０．５Ｏ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２等を使用できる。
導電材としては、例えば炭素材料等を使用できる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン等を使用できる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン等を使用できる。
負極集電体７としては、例えば銅等を使用できる。また、負極集電体７の形状としては、箔状やラス状、パンチングメタル状、網状等とすることが可能である。
負極活物質層８は、負極活物質および結着剤を含有する負極合剤を溶剤中に分散させた負極合剤スラリーを、負極集電体７の両主面上に塗布して形成されたものである。
負極活物質としては、この種のポリマー電解質電池において従来公知の負極活物質材料を何れも使用可能であり、例えば、リチウム金属やリチウム合金、リチウムをドープ／脱ドープ可能な材料等を使用できる。
リチウムをドープ／脱ドープ可能な材料としては、例えばグラファイトや難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等の炭素材料を使用でき、具体的には、熱分解炭素類やコークス類（ピッチコークス、ニートルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂やフラン樹脂等を適当な温度で焼成し、炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭素等を使用できる。さらに、リチウムをドープ／脱ドープ可能な材料としては、ポリアセチレンやポリピロール等の高分子、ＳｎＯ２等の酸化物等を使用できる。
この負極合剤中には、必要に応じて導電材を加えても良い。導電材としては、例えば炭素材料等を使用できる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン等を使用できる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン等を使用できる。
ポリマー電解質層１０，１１を構成するポリマー電解質としては、この種の非水電解質電池において使用されるポリマー電解質であれば何れも使用可能であるが、熱融着性または熱硬化性を有し、電気化学的安定性の高い高分子固体電解質、またはこの高分子固体電解質に可塑剤を添加したゲル状電解質を好ましく使用できる。
上記ゲル状電解質は、非水溶媒、電解質塩およびマトリクスポリマを含有してなるものである。
非水溶媒としては、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ビニレンカーボネート等の炭酸エステル類、またはこれら炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等を使用できる。これらの非水溶媒は、単独で使用してもよく、２種類以上を混合して使用してもよい。
電解質塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６やＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ３）２、Ｃ４Ｆ９ＳＯ３Ｌｉ等を使用できる。これらの電解質塩は、１種類を単独で用いても良く、２種類以上を混合して用いることも可能である。
マトリックスポリマとしては、非水溶媒に電解質塩を溶解してなる非水電解液を適度に保持してゲル化しうるものを用いる。具体的なマトリックスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル等を繰り返し単位に含む高分子重合体を使用できるが、これらに限定されるものではない。このような熱可塑性のマトリックスポリマとしては、１種類を単独で用いても良く、２種類以上を混合して用いることも可能である。
また、マトリックスポリマとして、分子内に１個以上の反応性不飽和基を有するモノマを非水電解液中で架橋させたものを用いることもできる。反応性不飽和基を有するモノマとしては、例えば、アクリル酸やアクリル酸メチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、エトキシエチルメタクリレート、メトキシエチルメタクリレート、グリシジルアクリレート、アクリルアクリレート、アクリロニトリル、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールトリアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート等を使用でき、反応性や極性などから好ましいものを単独または組み合わせて使用できるが、これらに限定されるものではない。これらのモノマを重合する方法として、例えば、熱や紫外線、電子線等による手法を採ることができるが、電極層／ゲル電解質層を一体形成することが容易である熱による重合が最も有効である。
セパレータ１２としては、多孔質ポリオレフィンや不織布等を使用できる。特に、ポリマー電解質１０，１１の隔膜性が低い場合、セパレータ１２を適宜挿入することが好ましい。
以上のように構成されるポリマー電解質電池１は、正極６と負極９とがポリマー電解質層１０，１１を介して巻回されてなり、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状である電池素子２ａを備えるので、平板状の電池素子を湾曲させてなる従来のポリマー電解質電池と比較すると、電極端部短絡の可能性が非常に低く、良好な電池特性を有する。
したがって、本発明を適用したポリマー電解質電池１によれば、図５に示すように、電子機器２０の曲面を有する内部空間の形状に、ポリマー電解質電池１の形状を適応させることが極めて容易にできるので、ポリマー電解質電池１の収納空間効率を高めることができる。その結果、従来、電子機器の筐体と平板状ポリマー電解質電池との間に生じていた無駄な隙間をも発電要素で満たすことが可能となり、電子機器２０の外形の多様化や小型化に貢献できる。
なお、上述したポリマー電解質電池１は、電池素子２ｂの巻回軸に垂直な断面が湾曲形状である場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば図６に示すように、電池素子２ｃの巻回軸に垂直な断面が、少なくとも一部に平坦部５０を有する湾曲形状とすることもできる。
次に、上述したポリマー電解質電池１を製造する製造方法について説明する。このポリマー電解質電池１を製造する際には、先ず、扁平状の電池素子２ｂを形成する電池素子形成工程を行う。次に、電池素子２ｂを熱圧着して成形し、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有する電池素子２ａとする熱圧着成形工程を行う。次に、電池素子２ａをラミネートフィルム３で外装し、減圧封止する封止工程を行う。
電池素子形成工程では、正極６と負極９とをポリマー電解質層１０，１１を介して巻回し、扁平状の電池素子２ｂを形成する。
正極６を作製するには、まず、正極活物質、導電材および結着剤を均一に混合してなる正極合剤を溶剤中に分散させ、正極合剤スラリーを調製する。ついで、この正極合剤スラリーを、例えばドクターブレード法等により正極集電体４の両面上に均一に塗布する。ついで、湿潤状態の塗膜を高温で乾燥して溶剤を飛ばし、正極活物質層５を形成する。
ついで、正極集電体４の一端に、スポット溶接または超音波溶接等により、正極端子１３を接続する。正極端子１３は、負極端子１４と同一方向にでていることが好ましいが、短絡等が起こらず、電池性能にも問題が生じなければ何れの方向としても良い。また、正極端子１３の接続箇所は、電気的接触が取れているのであれば、取り付ける場所、取り付ける方法は限定されない。
負極９を作製するには、まず、負極活物質および結着剤を均一に混合してなる負極合剤を溶剤中に分散させ、負極合剤スラリーを調製する。この負極合剤中には、必要に応じて導電材を加えても良い。ついで、この負極合剤スラリーを、例えばドクターブレード法等により負極集電体７の両面上に均一に塗布する。ついで、湿潤状態の塗膜を高温で乾燥して溶剤を飛ばし、負極活物質層８を形成する。
ついで、負極集電体７の一端に、スポット溶接または超音波溶接により、負極端子１４を接続する。負極端子１４は、正極端子１３と同一方向にでていることが好ましいが、短絡等が起こらず、電池性能にも問題が生じなければ何れの方向としても良い。また、負極端子１４の接続箇所は、電気的接触が取れているのであれば、取り付ける場所、取り付ける方法は限定されない。
ついで、例えば炭酸ジメチル等の溶媒、可塑剤およびマトリックスポリマを含有するポリマー電解質溶液を、正極活物質層５上および負極活物質層８上に塗布した後、炭酸ジメチルを気化させて除去することで、ゲル状のポリマー電解質層１０，１１を形成する。
そして、ポリマー電解質層１０が形成された帯状の正極６と、ポリマー電解質層１１が形成された帯状の負極９とを、セパレータ１２を介して長手方向に巻き回すことにより、扁平状の電池素子２ｂを得る。
熱圧着成形工程では、湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと湾曲した凸面有する凸型ヒータブロックとの間にて電池素子２ｂを熱圧着し、この電池素子２ｂの巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形する。
電池素子２ｂを熱圧着する際には、まず、図７に示すように、凹型ヒータブロック２１と凸型ヒータブロック２２との間に、扁平状の電池素子２ｂを挿入する。
ついで、図８に示すように、凹型ヒータブロック２１と凸型ヒータブロック２２とを型締めし、これらヒータブロック２１，２２の温度および圧力を適宜調節して熱圧着する。
ついで、図９に示すように、凹型ヒータブロック２１と凸型ヒータブロック２２とを型開きし、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形された電池素子２ａを離型する。
このように、凹型ヒータブロック２１および凸型ヒータブロック２２を用いて扁平状の電池素子２ｂを熱圧着して成形することにより、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状である電池素子２ａを得る。
この熱圧着成形工程では、凹型ヒータブロック２１および凸型ヒータブロック２２を用いて電池素子２ｂの全体を熱圧着し、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形しているので、優れた電極界面接合性を有し、ポリマー電解質電池１にとって良好な電極／電解質界面が形成され、長期に亘り湾曲形状を保持できる電池素子２ａを得ることができる。
封止工程では、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有する電池素子２ａをラミネートフィルム３で挟み、このラミネートフィルム３の外周縁部を減圧下において熱融着する。
これにより、ラミネートフィルム３中に、電池素子２ａが封入されたポリマー電解質電池１を得る。
以上の工程を備えるポリマー電解質電池１の製造方法によれば、正極６と負極９とをポリマー電解質層１０，１１を介して巻回してなる扁平状の電池素子２ｂを、凹型ヒータブロック２１と凸型ヒータブロック２２とを用いて熱圧着し、この電池素子２ｂの巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形している。
したがって、ポリマー電解質電池１の製造方法によれば、平板状の電池素子を湾曲させてなる従来のポリマー電解質電池を製造する場合と比較して、製造プロセスが簡易でありながらも、電極界面接合性が良好となるとともに、巻回軸に垂直な断面において湾曲形状を長期に亘り保持でき、電極端部短絡の可能性が低減され、電池特性が良好に維持されているポリマー電解質電池１を製造することができる。
なお、上述したポリマー電解質電池１の製造方法では、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形された電池素子２ａをラミネートフィルム３で外装する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、扁平状の電池素子２ｂをラミネートフィルム３で外装封止した後に、凹型ヒータブロック２１と凸型ヒータブロック２２との間に挿入し、上述の方法と同様にして熱圧着して成形してもよい。
また、上述したポリマー電解質電池１の製造方法では、湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと湾曲した凸面を有する凸型ヒータブロックとの間にて電池素子２ｂを熱圧着し、この電池素子２ｂの巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１０に示すように、湾曲部内の少なくとも一部に平面部５１を有する凹型ヒータブロック５２と、湾曲部内の少なくとも一部に平面部５３を有する凸型ヒータブロック５４との間にて上記電池素子を熱圧着してもよい。このようにして得られる電池素子２ｃは、図６に示すように、電池素子２ｃの巻回軸に垂直な断面が、少なくとも一部に平坦部５０を有する湾曲形状となる。
なお、凹型ヒータブロック５２と凸型ヒータブロック５４の少なくとも一方（ここでは凹型ヒータブロック５２）で、電池素子２ｃと対向する面にシリコンラバーシート５５を配することが好ましい。シリコンラバーシート５５を配することで、電池素子２ｃに均一に熱と圧力を加えることができる。
つぎに、本発明を適用した他のポリマー電池について説明する。
本発明を適用した他の実施の形態のポリマー電解質電池３１は、図１１に示すように、巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有する電池素子３２ａが、絶縁材料等からなるラミネートフィルム３で外装されて減圧封止されている。
なお、ポリマー電解質電池３１は、巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有する電池素子３２ａを有すること以外は、上述したポリマー電解質電池１と同様の構成を有している。したがって、上述したポリマー電解質電池１と同一の部材に関しては、同符号を付することで説明を省略する。
以上のように構成されるポリマー電解質電池３１は、正極６と負極９とがポリマー電解質層１０，１１を介して巻回されてなり、巻回軸に垂直な断面が略半円形状である電池素子３２ａを備えるので、平板状の電池素子を湾曲させてなる従来のポリマー電解質電池と比較すると、電極端部短絡の可能性が非常に低く、良好な電池特性を有する。
したがって、本発明を適用したポリマー電解質電池３１によれば、図１２に示すように、電子機器４０の曲面を有する内部空間の形状に、ポリマー電解質電池３１の形状を適応させることが極めて容易にできるので、ポリマー電解質電池３１の収納空間効率を高めることができる。その結果、従来、電子機器の筐体と平板状ポリマー電解質電池との間に生じていた無駄な隙間をも発電要素で満たすことが可能となり、電子機器４０の外形の多様化や小型化に貢献できる。
なお、上述したポリマー電解質電池３１は、電池素子３２ａの巻回軸に垂直な断面が半円形状である場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１３に示すように、電池素子３２ｃの巻回軸に垂直な断面が、略半円形状であり、略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部６０を有する形状とすることもできる。
次に、上述したポリマー電解質電池３１を製造する製造方法について説明する。このポリマー電解質電池３１を製造する際には、先ず、扁平状の電池素子３２ｂを形成する電池素子形成工程を行う。次に、電池素子３２ｂを熱圧着して成形し、巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有する電池素子３２ａとする熱圧着成形工程を行う。次に、電池素子３２ａをラミネートフィルム３で外装し、減圧封止する封止工程を行う。
なお、ポリマー電解質電池３１の製造方法における電池素子形成工程については、上述したポリマー電池１の製造方法における電池素子形成工程と同様であるので、説明を省略する。
熱圧着形成工程では、湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと平面を有する平面型ヒータブロックとの間にて電池素子３２ｂを熱圧着し、この電池素子３２ｂの巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形する。
電池素子３２ｂを熱圧着する際には、まず、図１４に示すように、凹型ヒータブロック４１と平面型ヒータブロック４２との間に、扁平状の電池素子３２ｂを挿入する。
ついで、図１５に示すように、凹型ヒータブロック４１と平面型ヒータブロック４２とを型締めし、これらヒータブロック４１，４２の温度および圧力を適宜調節して熱圧着する。
ついで、図１６に示すように、凹型ヒータブロック４１と平面型ヒータブロック４２とを型開きし、巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形された電池素子３２ａを離型する。
このように、凹型ヒータブロック４１および平面型ヒータブロック４２を用いて扁平状の電池素子３２ｂを熱圧着して成形することにより、巻回軸に垂直な断面が略半円形状である電池素子３２ａを得る。
この熱圧着成形工程では、凹型ヒータブロック４１および平面型ヒータブロック４２を用いて電池素子３２ｂの全体を熱圧着し、巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形しているので、優れた電極界面接合性を有し、ポリマー電解質電池３１にとって良好な電極／電解質界面が形成され、長期に亘り略半円形状を保持できる電池素子３２ａを得ることができる。
封止工程では、巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有する電池素子２ａをラミネートフィルム３で挟み、このラミネートフィルム３の外周縁部を減圧下において熱融着する。
これにより、ラミネートフィルム３中に、電池素子２ａが封入されたポリマー電解質電池１が得られる。
以上の工程を備えるポリマー電解質電池３１の製造方法によれば、正極６と負極９とをポリマー電解質層１０，１１を介して巻回してなる電池素子３２ｂを、凹型ヒータブロック４１と平面型ヒータブロック４２とを用いて熱圧着し、この電池素子３２ｂの巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形している。
したがって、ポリマー電解質電池３１の製造方法によれば、平板状の電池素子を湾曲させてなる従来のポリマー電解質電池を製造する場合と比較して、製造プロセスが簡易でありながらも、電極界面接合性が良好となるとともに、巻回軸に垂直な断面において略半円形状を長期に亘り保持でき、電極端部短絡の可能性が低減され、電池特性が良好に維持されているポリマー電解質電池３１を製造することができる。
なお、上述したポリマー電解質電池３１の製造方法では、巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形された電池素子３２ａをラミネートフィルム３で外装する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、扁平状の電池素子３２ｂをラミネートフィルム３で外装封止した後に、凹型ヒータブロック４１と平面型ヒータブロック４２との間に挿入し、上述の方法と同様にして熱圧着して成形してもよい。
また、上述したポリマー電解質電池３１の製造方法では、湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとの間にて電池素子３２ａを熱圧着し、この電池素子３２ａの巻回軸に垂直な断面が半円形状となるように成形する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１７に示すように、湾曲部内の少なくとも一部に平面部６１を有する凹型ヒータブロック６２と、平面型ヒータブロック６３との間にて上記電池素子を熱圧着してもよい。このようにして得られる電池素子３２ｃは、図１３に示すように、電池素子３２ｃの巻回軸に垂直な断面が、略半円形状であり、略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部６０を有する形状となる。
なお、凹型ヒータブロック６２と平面型ヒータブロック６３のどちらか一方（ここでは凹型ヒータブロック６２）で電池素子３２ｃと対向する面にシリコンラバーシート５５を配することが好ましい。シリコンラバーシート６４を配することで、電池素子３２ｃに均一に熱と圧力を加えることができる。
・実施例
以下、本発明を適用したポリマー電解質電池を実際に作製した実施例、およびこれら実施例と比較するために作製した比較例について、具体的な実験結果に基づいて説明する。
実施例１
〔正極の作製〕
まず、正極合剤の各成分として、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２を９２重量部と、導電材として粉状黒鉛を５重量部と、結着剤として粉状ポリフッ化ビニリデンを３重量部とを秤取った。ついで、これら各成分をＮ−メチルピロリドン中に分散させてスラリー状の正極合剤を調製した。
このようにして調製した正極合剤を、（厚み２０μｍの）アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に均一に塗布した後、１００℃の温度下で２４時間の減圧乾燥することにより、正極活物質層を形成した。ついで、ロールプレス機を用いて、正極活物質層を圧力成形することにより正極シートとした。ついで、この正極シートを切り出して、縦：５０ｍｍ、横：３００ｍｍである帯状の正極を作製した。なお、正極リードとしてアルミニウムリボンを、正極集電体における正極活物質の未塗布部分に溶接した。
〔負極の作製〕
まず、負極合剤の各成分として、負極活物質として人造黒鉛を９１重量部と、結着剤として粉状ポリフッ化ビニリデンを９重量部とを秤取った。ついで、これら各成分をＮ−メチルピロリドン中に分散させてスラリー状の負極合剤を調製した。
このようにして調製した負極合剤を、（厚み１５μｍの）銅箔からなる負極集電体の両面に均一に塗布した後、１２０℃の温度下で２４時間の減圧乾燥することにより、負極活物質層を形成した。ついで、ロールプレス機を用いて、負極活物質層を圧力成形することにより負極シートとした。ついで、この負極シートを切り出して、縦：５２ｍｍ、横：３２０ｍｍである帯状の負極を作製した。なお、負極リードとしてニッケルリボンを、負極集電体における負極活物質の未塗布部分に溶接した。
〔ポリマー電解質の作製〕
まず、可塑剤の各成分として、非水溶媒として炭酸エチレンを４２．５重量部および炭酸プロピレンを４２．５重量部と、電解質塩としてＬｉＰＦ６を１５重量部とを秤取った。そして、これら各成分を混合して可塑剤を調製した。
ついで、ポリマー溶液の各成分として、可塑剤を３０重量部と、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）を１０重量部と、炭酸ジメチルを６０重量部とを秤取った。ついで、これら各成分を混合溶解して、ポリマー電解質溶液を調製した。
〔ポリマー電解質電池の作製〕
このようにして調製したポリマー電解質溶液を、上記正極の両面の正極活物質上および上記負極の両面の負極活物質上に塗布した後、常温環境下に８時間放置し、炭酸ジメチルを気化させて除去することで、（厚み１００μｍの）ゲル状電解質層を形成した。
ついで、ゲル状電解質層が形成された帯状の正極と、ゲル状電解質層が形成された帯状の負極とを、多孔質ポリオレフィンからなるセパレータを介して積層した後、長手方向に巻き回すことにより、扁平状の電池素子を得た。
ついで、この扁平状の電池素子を外装フィルムで挟み、この外装フィルムの外周縁部を減圧下において熱融着した。これにより、扁平状の電池素子を外装フィルム中に密封した。なお、外装フィルムとしては、アルミニウム箔が一対のポリオレフィン樹脂フィルムに挟まれてなるものを使用した。
そして、外装フィルム中に密封された扁平状の電池素子を、凹型ヒータブロックと凸型ヒータブロックとを備えるヒートプレス機を用いて、８５℃の温度環境下で、１０ｋｇｆ／ｃｍ２で５分間の熱圧着して成形することにより、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有するポリマー電解質電池を得た。
実施例２
外装フィルム中に密封された扁平状の電池素子を、凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとを備えるヒートプレス機を用いて熱圧着し、巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形すること以外は実施例１と同様にしてポリマー電解質電池を作製した。
実施例３
外装フィルム中に密封された扁平状の電池素子を、曲面部内の中央にフラットな平面部を有し、厚さ１ｍｍのシリコンラバーシートを貼り付けた凹型ヒーターブロックと、曲面部内の中央にフラットな平面部を有する凸型ヒーターブロックとを備えるヒートプレス機を用いて熱圧着し、巻回軸に垂直な断面が、少なくとも一部に平坦部を有する湾曲形状となるように成形すること以外は実施例１と同様にしてポリマー電解質電池を作製した。
実施例４
外装フィルム中に密封された扁平状の電池素子を、曲面部内の中央にフラットな平面部を有し、厚さ１ｍｍのシリコンラバーシートを貼り付けた凹型ヒーターブロックと、全面フラットな平板型ヒーターブロックとを備えるヒートプレス機を用いて熱圧着し、巻回軸に垂直な断面が、略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部を有する略半円形状となるように成形すること以外は実施例１と同様にしてポリマー電解質電池を作製した。
比較例１
外装フィルム中に密封された扁平状の電池素子を、一対の平面型ヒータブロックを備えるヒートプレス機を用いて熱圧着し、巻回軸に垂直な断面が略矩状となるように成形すること以外は実施例１と同様にしてポリマー電解質電池を作製した。
以上のようにして作製した実施例１、実施例２および比較例１の各々のポリマー電解質電池に対して充放電試験を行い、電池特性を評価した。なお、実施例１、実施例２および比較例１のポリマー電解質電池の理論容量は、何れも６００ｍＡｈである。
＜充放電試験＞
まず、１Ｃ（６００ｍＡ）、４．２Ｖの定電流定電圧充電を行った後、１Ｃの３Ｖカットオフ定電流放電を行い、初回放電容量を測定した。
ついで、この充放電サイクルを５００回繰り返し、５００サイクル後の放電容量を測定した。そして、初回放電容量に対する５００サイクル後の放電容量の比率を求め、これを放電容量維持率とした。
以上の測定結果を表１に示す。
Figure 2002043178
表１より明らかなように、実施例１乃至実施例４のポリマー電解質電池は、比較例１のポリマー電解質電池と同等の高い放電容量および優れたサイクル特性を有している。
したがって、ポリマー電解質電池においては、正極および負極がポリマー電解質を介して巻回されてなる扁平状の電池素子が、上述したようなヒートプレス機により熱圧着されて、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状または略半円形状という画期的な形状を有する電池素子に成形されていても、電池特性が良好に維持されることがわかった。
産業上の利用可能性
本発明のポリマー電解質電池は、正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなり、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状である電池素子を有するので、平板状の電池素子を湾曲させたポリマー電解質電池と比較すると、電極端部短絡の可能性が非常に低く、良好な電池特性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
図１は、平板状のポリマー電解質電池が組み込まれた電子機器を示す概略断面図である。
図２は、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有する電池素子を備えるポリマー電解質電池を示す斜視図である。
図３は、扁平状の電池素子を示す模式図である。
図４は、扁平状の電池素子を示す要部断面図である。
図５は、巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有する電池素子を備えるポリマー電解質電池が組み込まれた電子機器を示す概略断面図である。
図６は、巻回軸に垂直な断面が少なくとも一部に平坦部を有する湾曲形状を有する電池素子を示す斜視図である。
図７は、凹型ヒータブロックと凸型ヒータブロックとの間に、扁平状の電池素子を挿入している状態を示す模式図である。
図８は、凹型ヒータブロックと凸型ヒータブロックとを型締めしている状態を示す模式図である。
図９は、凹型ヒータブロックと凸型ヒータブロックとを片開きしている状態を示す模式図である。
図１０は、曲面部内の中央にフラットな平面部を有する凹型ヒータブロックと曲面部内の中央にフラットな平面部を有する凸型ヒータブロックとの間に、扁平状の電池素子を挿入している状態を示す模式図である。
図１１は、巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有する電池素子を備えるポリマー電解質電池を示す斜視図である。
図１２は、巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有する電池素子を備えるポリマー電解質電池が組み込まれた電子機器を示す概略断面図である。
図１３は、巻回軸に垂直な断面が略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部を有する電池素子を示す斜視図である。
図１４は、凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとの間に、扁平状の電池素子を挿入している状態を示す模式図である。
図１５は、凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとを型締めしている状態を示す模式図である。
図１６は、凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとを片開きしている状態を示す模式図である。
図１７は、曲面部内の中央にフラットな平面部を有する凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックとの間に、扁平状の電池素子を挿入している状態を示す模式図である。

Claims (18)

  1. 正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなる電池素子を備え、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が湾曲形状を有することを特徴とするポリマー電解質電池。
  2. 上記湾曲形状の少なくとも一部に平坦部を有していることを特徴とする請求の範囲第１項記載のポリマー電解質電池。
  3. 上記ポリマー電解質は、ゲル状電解質であることを特徴とする請求の範囲第１項記載のポリマー電解質電池。
  4. 上記電池素子は、ラミネートフィルムで外装されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のポリマー電解質電池。
  5. 正極と負極とがポリマー電解質を介して巻回されてなる電池素子を備え、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が略半円形状を有することを特徴とするポリマー電解質電池。
  6. 上記略半円形状の略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部を有していることを特徴とする請求の範囲第５項記載のポリマー電解質電池。
  7. 上記ポリマー電解質は、ゲル状電解質であることを特徴とする請求の範囲第５項記載のポリマー電解質電池。
  8. 上記電池素子は、ラミネートフィルムで外装されていることを特徴とする請求の範囲５項記載のポリマー電解質電池。
  9. 正極と負極とをポリマー電解質を介して巻回してなる電池素子を形成する電池素子形成工程と、
    湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと湾曲した凸面を有する凸型ヒータブロックとの間にて上記電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が湾曲形状となるように成形する熱圧着成形工程とを備えることを特徴とするポリマー電解質電池の製造方法。
  10. 上記熱圧着成形工程において、上記湾曲部内の少なくとも一部に平面部を有する凹型ヒータブロックと、上記湾曲部内の少なくとも一部に平面部を有する凸型ヒータブロックとの間にて上記電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が、少なくとも一部に平坦部を有する湾曲形状となるように成形することを特徴とする請求の範囲第９項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  11. 上記凹型ヒータブロックと凸型ヒータブロックの少なくとも一方で、上記電池素子と対向する面に、シリコンラバーフィルムが貼り付けられていることを特徴とする請求の範囲第９項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  12. 上記ポリマー電解質として、ゲル状電解質を用いることを特徴とする請求の範囲第９項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  13. 上記電池素子をラミネートフィルムで外装することを特徴とする請求の範囲第９項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  14. 正極と負極とをポリマー電解質を介して巻回してなる電池素子を形成する電池素子形成工程と、
    湾曲した凹面を有する凹型ヒータブロックと平面を有する平面型ヒータブロックとの間にて上記電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が略半円形状となるように成形する熱圧着成形工程とを備えることを特徴とするポリマー電解質電池の製造方法。
  15. 上記熱圧着成形工程において、上記湾曲部内の少なくとも一部に平面部を有する凹型ヒータブロックと、平面を有する平面型ヒータブロックとの間にて上記電池素子を熱圧着し、この電池素子の巻回軸に垂直な断面が、略半円形状であり、略円弧状部分の少なくとも一部に平坦部を有する形状となるように成形することを特徴とする請求の範囲第１４項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  16. 上記凹型ヒータブロックと平面型ヒータブロックの少なくとも一方で、上記電池素子と対向する面に、シリコンラバーフィルムが貼り付けられていることを特徴とする請求の範囲第１４項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  17. 上記ポリマー電解質として、ゲル状電解質を用いることを特徴とする請求の範囲第１４項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
  18. 上記電池素子をラミネートフィルムで外装することを特徴とする請求の範囲第１４項記載のポリマー電解質電池の製造方法。
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