JP2005038613A

JP2005038613A - 板型電池

Info

Publication number: JP2005038613A
Application number: JP2003196942A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sano; 茂佐野; Shigetaka Kasuya; 成孝糟谷; Takeo Mizui; 健雄水井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】発電に寄与しない部分が実質的に占有する容積を極力小さくするとともに、電池容器の強度が十分に保たれた板型電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池１は、ラミネート外装材からなる電池容器４に、板状のセルを気密封止したものである。電池容器４には、内部の気密を保持する融着代１１が形成されている。互いに隣り合う２辺を構成する融着代１１が容器本体側に折り曲げられている。セル２は、折り曲げに供された融着代が１１沿う１組の側面を仮想的に延長することによって形成される仮想角ＶＣの内側に、角部における端面が後退して位置するように構成されている。融着代１１は、仮想角ＶＣの内側に進出する位置まで形成されるとともに、セル２の角部に対応して、切欠き部４０〜４３が設けられる。そして、切欠き部４０〜４３の切り込み深さに応じた幅の融着代１１が折り曲げに供されている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板状の発電要素が軟質容器内に気密封止された構造の板型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、電解液を電極内で膨潤保持可能なリチウムイオン二次電池（リチウムポリマー二次電池の概念を含む）においては、液漏れの恐れが小さいため、発電要素（セル）を、可撓性を有するラミネート外装材からなる電池容器に収容することが行なわれている。この手法によれば、金属製の容器を使用しないで済むため、電池の薄型化が容易である。また、後述する積層型リチウムイオン二次電池に至っては、形状の自由度が極めて高いという特徴を持っている。
【０００３】
ラミネート外装材は、アルミニウム箔の両面に樹脂をラミネートしたものが一般的である。容器内に露出する側には、ポリプロピレン等の熱融着性樹脂がラミネートされる。この構成によれば、熱融着性樹脂を溶融および固化させるだけで、容器を封口することが可能である。熱融着性樹脂が溶融および固化された箇所には、融着代が形成される。この融着代は、電池内部への水分の透過を防止するために、少なくとも数ミリ幅は設けるのが通常である。小型の電池においては、この融着代が比較的大きな面積を占めるようになるので、電池の側面にぴったりと折り畳んで、電池を実質的に小型化する試みがなされている（下記特許文献１〜３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−５８０１３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０２９３１号公報
【特許文献３】
特開２００１−３５７８２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
折り線を融着代の内周縁に概ね一致させる形で、該融着代の折り曲げ成形を行なうようにすれば、電池そのものの大きさを最も小さくできる。上記特許文献１〜３に示す板型の電池は、発電要素が方形状である。融着代は、方形状の発電要素の外周に沿って形成されており、平行な１組の辺について折り曲げ成形が行なわれている。１組の平行な融着代をその内周縁に沿って折り曲げることに大きな困難性は無い。
【０００６】
ところが、隣り合う２辺の融着代を折り曲げる場合は、カドに折り皺が形成されることは不可避である。この折り皺の形成によって、融着代の強度、ひいては電池容器の強度が損なわれたり、外観が悪くなったりする。上記特許文献３には、融着代を切り欠いた切欠き部を設けることにより、融着代の折り曲げ容易性を高める技術が開示されているものの、該技術を採用する場合においては、空気の侵入防止、耐水分透過性の維持という観点から、融着代の内周縁に差し掛からないように切欠き部を形成することが必須となる。この場合、融着代をその内周縁に沿って折り曲げることは難しく、内周縁よりもやや外側に折り線を設定する必要性が生じる。
【０００７】
本発明の課題は、発電に寄与しない部分が実質的に占有する容積を極力小さくするとともに、電池容器の強度が十分に保たれた板型電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明は、金属箔に熱融着性樹脂がラミネートされてなる外装材で構成された電池容器に、板状の発電要素を気密封止した板型電池であって、多角形の形態を有し、電池容器は、容器本体と蓋部とを含んで構成され、内側に位置する熱融着性樹脂の溶融および固化により容器本体と蓋部とが貼り合わさり、電池容器内の気密を保持する融着代が発電要素の外周に沿って形成され、互いに隣り合う２辺を構成する融着代が容器本体側に折り曲げられており、発電要素は、折り曲げに供された融着代が沿う１組の側面を仮想的に延長することによって形成される仮想角の内側に、当該発電要素の角部における端面が後退して位置するように構成され、融着代が仮想角の内側に進出する位置まで形成され、発電要素の角部に対応して、融着代を内側方向に切り欠いた切欠き部が設けられ、該切欠き部の切り込み深さに応じた幅の融着代が折り曲げに供されていることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明においては、融着代の折り曲げの際に、折り皺が発生することを防ぐための切欠き部を設けるようにしている。ただし、切り込み深さを大きく取って、融着代の折り曲げ幅を大きくするための工夫がなされている。簡単にいえば、切欠き部を形成する位置において融着代の幅を予め余分に設けておき、切り込み深さの大きい切欠き部を形成したあとでも、空気や水分の透過を十分に防げるようにしている。具体的には、発電要素をその角部の端面がやや内側に後退して位置するように構成し、その分だけ融着代を余分に形成する。そして、その部分において切り込み深さの大きい切欠き部を形成している。このようにすれば、深さが大の切り欠きであっても、その先端から電池容器内までの距離を十分に確保できるので、空気や水分の透過を防ぐことができる。また、切り込み深さが大の切欠き部を設けることにより、融着代の折り曲げ幅を大きく取ることができる。したがって、電池のコンパクト化も最大限に図ることができる。また、切欠き部を設けることにより折り皺が生じることも無くなり、電池容器の強度を十分に保てる。
【００１０】
好適な態様において、隣り合う１組の切欠き部にかかる切欠きの先端と先端とを結ぶ線分が融着代の内周縁に重なるように、それら切欠き部の切り込み深さ調整がなされており、融着代はその内周縁に沿って折り曲げられている。融着代の内周縁を折り線に設定すれば、電池のコンパクト化という課題に対しては、最良の態様であるといえる。そしてその態様の実現のために、本発明においては、切欠き部の切り込み深さ調整により、折り線を内周縁に略一致させることができる。
【００１１】
また、角部における端面が凹面をなすように発電要素を構成できる。そしてこの場合、角部の端面の両端に位置する側面を電池板面方向に延長することにより、当該発電要素の仮想角が構成されることとなる。発電要素の角部の端面を凹状とすると、その端面に迫る融着代の形成幅を十分に確保できるようになる。
【００１２】
一方、容器本体には発電要素を収容する凹部が形成される。容器本体の凹部の隅は、凹状の端面を有する発電要素の角部がちょうど嵌まり込む形に成形されているとよい。このようにすれば、容器内のデッドスペースを極力減ずることになる。
【００１３】
ところで、本発明にかかる板型電池は、発電要素に非水電解液が含浸された非水電解質リチウムイオン二次電池に好適である。発電要素は、活物質および集電体を含んで構成された電極と、正負の電極間に配置されたセパレータとを有する発電単位の複数が積層されたものとして発電要素を構成することができる。つまり、リチウムイオン二次電池のなかでも、極板およびセパレータを複数積層させた構造の発電要素を持ち、辺の数が５以上の多角形状のものに特に好適である。積層型のリチウムイオン二次電池においては、発電要素の形状の自由度が高いため、方形以外の形の電池を提供するのに適している。たとえば図８に示すような六角形の電池も容易に作製できる。ところが、六角形の電池では、折り曲げる必要のある融着代の辺数が多くなる。このような電池に対し、本発明にかかる技術を採用すれば、電池のコンパクト化、折り皺の発生防止等、極めて高い効果を享受することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明にかかるリチウムイオン二次電池１（以下、単に電池１ともいう）の断面模式図である。図３は、電池１の斜視図である。電池１は、発電要素であるセル２が、電池容器４の中に密封された構造を有する。セル２は、個別に作製された複数の発電単位２０が外周縁を上下方向で一致させる形で積層されたものである。図２に発電単位２０の断面模式図を示す。
【００１５】
図２に示すように、発電単位２０は、セパレータ３，３を正極７，７と負極１０とにより挟んだバイセル構造をなすものである。正極７は、正極集電体５に正極活物質層６を積層させた構造をなす。他方、負極１０は、負極集電体８に負極活物質層９，９を積層させた構造をなす。本実施形態では、負極１０が２つのセパレータ３，３に挟まれる形にてこれらに共用され、各セパレータ３，３の負極１０に面していない側が、個別に正極７，７に覆われている。正極７および負極１０の配置は、相互に入れ替わってもよい。
【００１６】
正極集電体５は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる箔または金属メッシュで構成することができる。負極集電体８は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる箔または金属メッシュで構成することができる。金属メッシュとしては、エキスパンドメタル、エッチングメタルおよびパンチングメタルのいずれも使用できる。
【００１７】
正極活物質層６は、正極活物質、導電助剤および高分子基質（ポリマー）を含んで構成される。同様に、負極活物質層９は、負極活物質、導電助剤および高分子基質を含んで構成される。セパレータ３、正極活物質層６および負極活物質層９は多孔質形態を有し、ＬｉＰＦ_６などのリチウム塩を、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートのような有機溶媒に溶解させた非水電解液が含浸されている。
【００１８】
正極活物質層６および負極活物質層９を構成する高分子基質としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＦ）などのフッ素樹脂や、あるいはこれらのフッ素樹脂の共重合体を使用することができる。
【００１９】
正極活物質層６を構成する正極活物質としては、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２など、遷移金属あるいは典型金属を含むリチウム複合酸化物を使用できる。負極活物質層９を構成する負極活物質としては、メソフューズカーボン材などの黒鉛系炭素材料が好適である。また、導電助剤（導電性物質）としてはアセチレンブラックなどの導電性カーボンを使用できる。
【００２０】
セパレータ３は、正極活物質層６および負極活物質層９に含まれる高分子基質と同様の材料、たとえばＰＶＤＦやＨＦＰ、あるいはそれらの共重合体により構成される（ＳｉＯ_２などのフィラーを混入させてもよい）。あるいは、ポリエチレンやポリプロピレンなどの微多孔膜、ポリエチレンをポリプロピレンで挟んだ複数層構造を持つ微多孔膜、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂層と、ＰＶＤＦやＨＦＰ、あるいはそれらの共重合体からなる樹脂層とを有する微多孔膜などを使用してもよい。
【００２１】
図１に示すように、セル２には、帯状のリード端子１２，１３の一端が接続されている。リード端子１２，１３の他端は、電池容器４の融着代１１（封口部）を経て外側に延び出ている。具体的には、正極集電体５の電力取出部５０に正極用のリード端子１２の一端が接続されており、負極集電体８の電力取出部８０に負極用のリード端子１３の一端が接続されている。正極集電体５の電力取出部５０は、発電単位２０の各々に設けられており、これら複数の電力取出部５０は１つに束ねられている。正極用のリード端子１２は、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金にて構成するとよい。負極用のリード端子１３は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施した銅またはニッケルメッキを施した銅合金にて構成するとよい。
【００２２】
セル２を収容する電池容器４は、図９に示すように、アルミニウム箔などの金属箔３２の両面に樹脂層３１，３３を設けた可撓性を有するシート状の外装材３４で構成されている。電池容器４の外側に露出する樹脂層３１としては、たとえばポリエチレンテレフタラートや２軸延伸ナイロンなどが使用され、内側にくる樹脂層３３には、ポリエチレンやポリプロピレンなど、熱融着性、電解液に対する耐性および低水蒸気透過性を備えた材料が使用されている。電池容器４の内側となるべき樹脂層３３の溶融および固化により、上下の外装材３４同士が貼り合わさり、融着代１１が形成される。
【００２３】
図１０に示すように、電池容器４は、セル２を収容するための凹部４ｐを有する容器本体４ｂと、蓋部４ａとで構成することができる。容器本体４ｂの凹部４ｐにセル２を収容させた後に、蓋部４ａを被せる。容器本体４ｂの凹部４ｐの開口周縁部にちょうど重なるように蓋部４ａを配置し、シールバー９０，９１（熱融着治具）を、容器本体４ｂおよび蓋部４ａに当接させる。内側の樹脂層３３，３３が溶融および固化することにより、電池容器４内の気密を保持する融着代１１が形成される。なお、１枚の外装材３４を成形して蓋部４ａと容器本体４ｂとを一体に作製する場合と、蓋部４ａと容器本体４ｂとを別々に作製する場合とがある。
【００２４】
本発明の電池１は、図２に示したように、複数の発電単位２０を個別に作製して、それらを積層および圧着させて得られる積層型のリチウムイオン二次電池である。このような積層型の電池についていえば、セル２の形状の自由度が極めて大きいので、たとえば六角形など方形以外の多角形状の電池を容易に提供できるという利点がある（例：図８）。電池容器４は、セル２の形状にあわせてプレス加工等により成形される。融着代１１は、セル２の外周に沿って設けられる。
【００２５】
図３および図４に示すように、本発明の電池１においては、この融着代１１を厚さ方向にほぼ９０度折り曲げて当該電池１のコンパクト化を図っている。さらに、融着代１１には、当該融着代１１を電池容器４の内側方向に切欠いた切欠き部４０〜４３を設けている。これにより、折り曲げ加工を容易に行なえるようにするとともに、電池容器４に折り皺が形成されることを防止している。
【００２６】
図５に示すのは、セル２および融着代１１の位置関係を説明する平面模式図であり、融着代１１の折り曲げ前の状態を示している。図３および図５に示すように、融着代１１には、その一部を切り欠くことにより切欠き部４０〜４３が形成されている。切欠き部４０〜４３は、その各々がセル２の角部２２に対応して設けられ、電池容器４ひいては当該電池１の角を構成している。本発明の電池１においては、切欠き部４０〜４３を形成した位置においても、十分な幅の融着代１１を確保できるように、以下に示す構成を採用している。
【００２７】
図６に示すのは、セル２の角部２２の拡大平面模式図である。セル２は、その角部２２における端面２２ｆが、当該セル２の主要な側面２ｆ，２ｆの延長によって形成される仮想角ＶＣの内側に後退して位置するように構成されている。端面２２ｆは凹曲面をなしており、側面２ｆ，２ｆはその端面２２ｆの両端に位置する形となっている。これにともない、電池容器４の融着代１１は、セル２の角部２２に面する内周縁１１ｆが半径Ｒ_１の円弧を描くように形成されている。図５に示す本実施形態では、切欠き部４２を形成した後において、融着代１１の最小残存幅ｄが上記Ｒ_１（セル２の角部２２に面する内周縁１１ｆが描く円弧の半径）と略等しくなるように調整している。このような構成により、切欠き部４０〜４３を深く形成しても、電池容器４内での空気のリークはもとより、水分が透過することを十分に防止できるようになる。
【００２８】
また、セル２は、その角部２２における端面２２ｆが仮想角ＶＣを軸とする半径Ｒ_３の円筒面の一部をなすように構成されている。容器本体４ｂの凹部４ｐは、凹曲面状の端面２２ｆを有するセル２の角部２２が、ちょうど嵌まり込む形に成形されている。したがって、図５に示すように、セル２の仮想角ＶＣの内側に進出する位置まで融着代１１を形成しても、セル２には機械的ダメージ等が及ばない構成となっている。
【００２９】
融着代１１の幅Ｄ（図５参照）は、電池容器４を構成する外装材３４の構成材料、厚さなどにもよるが、電池容器４内への空気や水分の透過を防ぐために必要な幅と、デッドスペースとのバランスを考慮して、たとえば１ｍｍ以上５ｍｍ以下に調整するとよい。また、切欠き部４０〜４３の深さについては、たとえば次のように調整することができる。すなわち、隣り合う１組の切欠き部４１，４２にかかる切り欠きの先端と先端とを結ぶ線分が融着代１１の内周縁１１ｆに概ね重なるようにする。このようにすれば、互いに隣り合う２辺を構成する融着代１１について、セル２の側面２ｆ，２ｆに沿って厚さ方向に立ち上がるように折り曲げたときにも、折り皺が形成されることを防止できる（図４参照）。なお、折り曲げられた融着代１１は、接着剤や粘着テープ等の固定手段（図示省略）により、折り曲げられた状態が保持される。
【００３０】
また、図７に示すように、切欠き部４２の底、つまり切欠きの先端４２ｋには、電池容器４の内部側に凹の適度なアールが付与されていることが望ましい（他の切欠き部についても同様）。切欠き部４２の形成は、切断刃を用いて行なうことができるが、切欠きの先端４２ｋが鋭くなっていると、融着代１１の折り曲げ作業中等において、切欠きの先端４２ｋから破断が進行したりして、電池容器４内に空気や水分が侵入する恐れがある。他方、図７に示すように、切欠きの先端４２ｋにアールが付与されている場合には、破断が生じ難い。アールの半径Ｒ_２は、たとえば０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下に調整するとよい。
【００３１】
また、本実施形態において切欠き部４２は、ほぼ直角の切り込み角度にて形成するようにしているが、これをもっと狭め、切り込み角度を鋭角に設定する形態も好適である。つまり、先端はアールにしつつ鋭角に切り欠いて切欠き部４２を形成すれば、耐水分透過性の保持効果と破断防止効果とを、よりバランスよく保つことができる。切り欠きの先端にアールを付与しつつ、アールの両端から延びる１組の切欠き線が平行に延びるように切欠き部４２を設けるようにしてもよい。
【００３２】
なお、以上に説明した各構成は辺の数が５以上、たとえば図８に示すような六角形のリチウムイオン二次電池１００に好適に採用できる。このような電池１００に本発明の構成を適用することにより、電池のコンパクト化、折り皺の発生防止等の効果がより高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるリチウムイオン二次電池の断面模式図。
【図２】図１の電池を構成する発電単位の断面模式図。
【図３】図１の電池の斜視図。
【図４】図３の部分拡大図。
【図５】セルと融着代との位置関係を説明する部分平面模式図。
【図６】セルの角部の拡大平面模式図。
【図７】切欠き部の拡大平面図。
【図８】本発明の構成をより好適に採用できる電池の例。
【図９】電池容器の材料である外装材の構成を示す断面模式図。
【図１０】電池容器の封止手順を示す断面模式図。

Claims

金属箔（３２）に熱融着性樹脂（３３）がラミネートされてなる外装材（３４）で構成された電池容器（４）に、板状の発電要素（２）を気密封止した板型電池（１）であって、
前記電池容器（４）は、容器本体（４ｂ）と蓋部（４ａ）とを含んで構成され、内側に位置する前記熱融着性樹脂（３３）の溶融および固化により前記容器本体（４ｂ）と前記蓋部（４ａ）とが貼り合わさり、前記電池容器（４）内の気密を保持する融着代（１１）が前記発電要素（２）の外周に沿って形成され、互いに隣り合う２辺を構成する前記融着代（１１）が前記容器本体（４ｂ）側に折り曲げられており、
前記発電要素（２）は、前記折り曲げに供された前記融着代（１１）が沿う１組の側面（２ｆ，２ｆ）を仮想的に延長することによって形成される仮想角（ＶＣ）の内側に、当該発電要素（２）の角部（２２）における端面（２２ｆ）が後退して位置するように構成され、
前記融着代（１１）が前記仮想角（ＶＣ）の内側に進出する位置まで形成され、
前記発電要素（２）の前記角部（２２）に対応して、前記融着代（１１）を内側方向に切り欠いた切欠き部（４０，４１，４２，４３）が設けられ、
該切欠き部（４０，４１，４２，４３）の切り込み深さに応じた幅の前記融着代（１１）が前記折り曲げに供されていることを特徴とする板型電池（１）。
隣り合う１組の前記切欠き部（４０，４１）にかかる切欠きの先端と先端とを結ぶ線分が前記融着代（１１）の内周縁（１１ｆ）に重なるように、それら切欠き部（４０，４１）の切り込み深さ調整がなされており、前記融着代（１１）はその内周縁（１１ｆ）に沿って折り曲げられている請求項１記載の板型電池（１）。
前記発電要素（２）は、その角部（２２）における端面（２２ｆ）が凹曲面をなすように構成され、前記端面（２２ｆ）の両端に位置する前記側面（２ｆ，２ｆ）を電池板面方向に延長することにより、前記仮想角（ＶＣ）が構成される請求項１または２記載の板型電池（１）。
前記容器本体（４ｂ）には前記発電要素（２）を収容する凹部（４ｐ）が形成されており、該凹部（４ｐ）の隅は、凹状の端面（２２ｆ）を有する前記発電要素（２）の角部（２２）がちょうど嵌まり込む形に成形されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の板型電池（１）。
前記発電要素（２）は、活物質および集電体を含んで構成された電極（７，１０）と、正負の電極（７，１０）間に配置されたセパレータ（３）とを有する発電単位（２０）の複数が積層されたものであり、その発電要素（２）に非水電解液が含浸された非水電解質リチウムイオン二次電池として構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の板型電池（１）。