JP2004055154A

JP2004055154A - 積層型電池の密封構造および密封処理方法

Info

Publication number: JP2004055154A
Application number: JP2002206999A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamamura; 山村　暁
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】ラミネートフィルム周縁の接合部における樹脂層の外部への露出を防止する。
【解決手段】発電要素の両面を、アルミ箔層αの内側に樹脂（ＰＰ）層βを設けた一対のラミネートフィルム１２，１３で覆い、これら一対のラミネートフィルム１２，１３の周縁部１２ａ，１３ａ同士を樹脂層βの溶着により接合する。この接合した一方の周縁部１３ａを他方の周縁部１２ａよりも外方に延設し、この延設部分１３ｂの先端部１３ｃを他方の周縁部１２ａ側に折り返してそれぞれの先端１２ｂ，１３ｄ同士を突き合わせる。この突き合わせた双方のアルミ箔層α同士を、レーザ溶接により一体に結合する。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の発電要素の外装にラミネートフィルムを用いて、その周縁部を熱溶着などにより接合して密封する積層型電池の密封構造および密封処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の排ガスによる大気汚染が世界的な問題となっている中で、電気を動力源とする電気自動車やエンジンとモータを組み合わせて走行するハイブリッドカーが注目を集めており、これらに搭載する高エネルギ密度、高出力密度となる高出力型電池の開発が産業上重要な位置を占めている。
【０００３】
このような高出力型電池としては例えばリチウムイオン電池があり、この場合、正極板と負極板との間にセパレータを介在させて巻回した円筒型電池や、平板状の正極板と負極板とをセパレータを介在させつつ積層した積層型電池がある。
【０００４】
後者の積層型電池では、扁平状で矩形状となった発電要素の両面を一対のラミネートフィルムで挟み、その周縁部を熱溶着により接合して発電要素とともに電解液を密封している（特開平１１−２２４６５２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発電要素を外装するラミネートフィルムは、アルミ箔層などの金属箔層の両面に樹脂層を設けて構成したもので、金属箔層の内側面（相手フィルムに接合される側）は、ＰＰ（ポリプロピレン）層であり、その反対の外側面はナイロン層となっている。
【０００６】
したがって、金属箔層の内側にＰＰ層を設けた場合にも、接合部分の外周側の端面ではこのＰＰ層が外部に露出することになり、この露出した接合部分のＰＰ層を透過して電解液の漏液や水分の浸入が発生する。特に、エンジンルーム内などの過酷な条件下で長期に亘って使用した場合に、接合部分の密着性が低下して漏液や水分の浸入が助長され、電池性能の低下を招く可能性がある。
【０００７】
ところで、特開２００１−６０４５３号公報には接合部分を全体的に折り曲げたものが開示されるが、この場合にあっても接合部分の折り曲げた先端部で金属箔層の内側の樹脂層が外部に露出することになる。
【０００８】
そこで、本発明は、ラミネートフィルム周縁の接合部における樹脂層の外部への露出を防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型電池の密封構造は、正極板と負極板との間にセパレータを介在しつつ積層した発電要素の両面を、金属層の少なくとも内側に樹脂層を設けた一対のラミネートフィルムで覆い、これら一対のラミネートフィルムの周縁部同士を接合して前記発電要素とともに電解液を密封した積層型電池の密封構造において、前記接合した一対のラミネートフィルムの一方の周縁部を他方の周縁部よりも外方に延設し、この延設部分の先端部を他方の周縁部側に折り返してそれぞれの先端同士を突き合わせるとともに、突き合わせた双方の金属層同士を一体に結合してある。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の積層型電池の密封構造によれば、一対のラミネートフィルムの接合部分において、一方の周縁部の金属層と他方の周縁部の金属層とを一体に結合することにより、この互いに結合した金属層で内側の樹脂層を覆うことになり、この樹脂層が外部に露出するのを防止できる。このため、一対のラミネートフィルム内に密封した電解液の液漏れや水分が浸入するのを確実に遮断して電池性能の劣化を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１〜図４は本発明における積層型電池の密封構造の一実施形態を示している。図１は積層型電池の平面図、図２は図１の拡大したＡ−Ａ断面図、図３はラミネートフィルムの拡大した断面図、図４（ａ）〜（ｃ）はラミネートフィルムの接合部分を処理する過程を順を追って示す、図１のＢ−Ｂ線に対応する拡大した断面図である。
【００１３】
この実施形態の積層型電池１０は、図１，図２に示すように発電要素としての長方形状の積層電極１１を、同様に長方形状に裁断した一対の第１，第２ラミネートフィルム１２，１３の中央部間に配置し、これら第１，第２ラミネートフィルム１２，１３によって積層電極１１の両面（図１中、表裏方向）を挟むようにして覆ってある。
【００１４】
前記積層電極１１は、図２に示すように一方の第１ラミネートフィルム１２に形成した凹部１６に電解液とともに収納する。そして、この凹部１６を覆うように平坦に形成した他方の第２ラミネートフィルム１３を配置して、これら両方の第１，第２ラミネートフィルム１２，１３の周縁部１２ａ，１３ａを熱溶着して接合することにより密封してある。
【００１５】
前記積層電極１１は、図２に示すように複数枚の正極板１１Ａ，１１Ａ…および負極板１１Ｂ，１１Ｂ…を、それぞれセパレータ１１Ｃ，１１Ｃ…を介在しつつ順次積層して構成してある。各正極板１１Ａ，１１Ａ…および各負極板１１Ｂ，１１Ｂ…は、正極リード１１Ｄおよび負極リード１１Ｅを介して正極タブ１４および負極タブ１５に接続し、これら正極タブ１４および負極タブ１５を、第１，第２ラミネートフィルム１２，１３の対向する短辺Ｓ，Ｓ側（図１参照）の封止部分１７から外方に引き出している。
【００１６】
前記第１，第２ラミネートフィルム１２，１３は、図３に示すように金属層としてのアルミ箔層αを基材とし、このアルミ箔層αの熱溶着側となる内側にＰＰ（ポリプロピレン）やＰＥ（ポリエチレン）などの樹脂層βをコーティングし、かつ、前記アルミ箔層αの外側にナイロン保護層γを接着することにより形成してある。
【００１７】
積層型電池１０としては、例えばリチウムイオン二次電池があり、この場合、正極板１１Ａ，１１Ａ，……を形成している正極の正極活物質として、リチウムニッケル複合酸化物、具体的には一般式ＬｉＮｉ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物を含有する。
【００１８】
また、正極はリチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質を含有することも可能である。リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質としては、例えば一般式ＬｉｙＭｎ_２−ｚＭ’ｚＯ_４（但し、０．９≦ｙ≦１．２、０．０１≦ｚ≦０．５であり、Ｍ’はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表される化合物であるリチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。また、一般式ＬｉＣｏ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物であるリチウムコバルト複合酸化物を含有してもよい。
【００１９】
リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物およびリチウムコバルト複合酸化物は、例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気中において６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物、硝酸塩、有機酸塩等からも同様に合成可能である。
【００２０】
なお、リチウムニッケル複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などの正極活物質の平均粒径は、３０μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
また、負極板１１Ｂ，１１Ｂ，……を形成している負極活物質としては、比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ以上、２ｍ^２／ｇ以下の範囲であるものを使用する。この範囲とすることにより、負極表面上におけるＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：固体電解質界面）の形成を充分に抑制することができる。
【００２２】
負極活物質の比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ未満である場合、リチウムの出入り可能な場所が小さすぎるため、充電時において負極活物質中にドープされたリチウムが放電時において負極活物質中から充分に脱ドープされず、充放電効率が低下する。一方、負極活物質の比表面積が２ｍ^２／ｇを越える場合、負極表面上におけるＳＥＩ形成を制御することができない。
【００２３】
負極活物質としては、対リチウム電位が２．０Ｖ以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークスや石油コークスなどのコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラックなどの炭素質材料を使用することが可能である。
【００２４】
また、リチウムと合金を形成可能な金属、およびその合金も使用可能であり、具体的には、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スズ等の比較的低電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物やその窒化物、３Ｂ族典型元素の他、ＳｉやＳｎなどの元素、または例えばＭｘＳｉ、ＭｘＳｎ（但し、式中ＭはＳｉ又はＳｎを除く１つ以上の金属元素を表す。）で表されるＳｉやＳｎの合金などを使用することができる。これらの中でも、特にＳｉまたはＳｉ合金を使用することが好ましい。
【００２５】
さらに、電解液としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のものの他、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよい。
【００２６】
非水電解質としてはポリマーゲル電解質を用いる場合、使用する高分子材料として、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
【００２７】
非水溶媒としては、この種の非水電解質二次電池においてこれまで使用されている非水溶媒であれば何でも使用可能であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリルなどが挙げられる。なお、これらの非水溶媒は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００２８】
特に、非水溶媒は不飽和カーボネートを含有することが好ましく、具体的には、ビニレンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロプロピリデンカーボネート、プロピリデンカーボネートなどを含有することが好ましい。また、これらの中でも、ビニレンカーボネートを含有することが最も好ましい。非水溶媒として不飽和カーボネートを含有することにより、負極活物質に生成するＳＥＩの性状（保護膜の機能）に起因する効果が得られ、耐過放電特性がより向上すると考えられる。
【００２９】
また、この不飽和カーボネートは電解質中に０．０５重量％以上、５重量％以下の割合で含有されることが好ましく、特に０．５重量％以上、３重量％以下の割合で含有されることが最も好ましい。不飽和カーボネートの含有量を上記範囲とすることで、初期放電容量が高く、エネルギ密度の高い非水二次電池となる。
【００３０】
電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉなどが使用可能である。これらの電解質塩は、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を混合して用いることも可能である。
【００３１】
セパレータ１１Ｃとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの多孔性のシートを用いることができる。これ以外にも電解液に対して安定で、電気的な絶縁性が高く、単独または電解液に浸漬した状態でイオンの伝導性のあるものであればよい。
【００３２】
ここで、本実施形態にあっては、積層型電池１０の正極タブ１４および負極タブ１５を避けて、長方形状となった第１，第２ラミネートフィルム１２，１３の対向する長辺Ｌ，Ｌ側（図１参照）の接合部分１７を、次のように処理してある。
【００３３】
すなわち、図４（ａ）に示すように接合した第１，第２ラミネートフィルム１２，１３の一方の周縁部１３ａを他方の周縁部１２ａよりも外方に延設し、この延設部分１３ｂの先端部１３ｃを、延設部分１３ｂの略中央部の折曲げ線Ｐから、図４（ｂ）に示すように他方の周縁部１２ａ側に向けて折り返す。
【００３４】
このとき、それぞれの先端１２ｂ，１３ｄ同士を突き合わせるとともに、図４（ｃ）に示すように、突き合わせた双方のアルミ箔層α，α同士を一体に結合（結合部分２０）している。
【００３５】
この実施形態では、図４（ｂ）に示したように、前記延設部分１３ｂを折り返した段階で、第１，第２ラミネートフィルム１２，１３の周縁部１２ａ，１３ａを熱溶着して接合部分１７を形成しており、この熱溶着により前記延設部分１３ｂの折り返し状態が固定される。
【００３６】
そして、前記金属箔層α，α同士の結合は、図４（ｂ）に示すように、熱溶着により固定した周縁部１２ａと延設部分１３ｂの各先端１２ｂ，１３ｄ同士の突き合わせ部分に、図外のレーザ溶接機を用いてナイロン保護層γの上方からレーザ光を照射し、周縁部１２ａ，１３ａ双方のアルミ箔層α，αの端部同士を溶融させて一体化させる。このとき、ナイロン層γについては、レーザ光の照射を受けて熱により揮発する。
【００３７】
なお、アルミ箔層α，αの結合は上記したレーザ溶接に限ることなく、薄いアルミ箔層α，αの端部同士を適正に一体化させることができる結合手段を用いることができる。
【００３８】
以上の構成により本実施形態の積層型電池１０の密封構造にあっては、対向する長辺Ｌ，Ｌ側の接合部分１７において、一方の周縁部１３ａの延設部分１３ｂを折り返し、この延設部分１３ｂのアルミ箔層αと他方の周縁部１２ａのアルミ箔層αとを一体に溶接している。このため、互いに溶接したアルミ箔層αによって内側の樹脂層βを覆い、この樹脂層βが外部に露出するのを防止できる。これにより、第１，第２ラミネートフィルム１２，１３内に密封した電解液の液漏れや水分が浸入するのを確実に遮断することができる。
【００３９】
したがって、積層型電池１０を車両のエンジンルーム内などの温度変化が激しい過酷な条件下に搭載した場合にも、長期に亘って電池性能の劣化を防止することができる。
【００４０】
ところで、本発明の積層型電池の密封構造は前記実施形態に例を取って説明したが、これに限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。例えば、積層型電池の形状は矩形状に限ることはなく、また、ラミネートフィルムの金属層もアルミ箔層に限定されることはない。
【００４１】
また、積層型電池１０としてはリチウムイオン二次電池に限ることなく、同様の構成となる他の電池にあっても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における積層型電池の平面図である。
【図２】図１の拡大したＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に用いたラミネートフィルムの拡大した断面図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるラミネートフィルムの接合部分の処理過程を（ａ）〜（ｃ）によって順を追って示す、図１のＢ−Ｂ線に対応する拡大した断面図である。
【符号の説明】
１０　積層型電池
１１　積層電極（発電要素）
１１Ａ　正極板
１１Ｂ　負極板
１１Ｃ　セパレータ
１２　第１ラミネートフィルム
１２ａ　第１ラミネートフィルムの周縁部
１２ｂ　第１ラミネートフィルム周縁部の先端
１３　第２ラミネートフィルム
１３ａ　第２ラミネートフィルムの周縁部
１３ｂ　延設部分
１３ｄ　延設部分の先端
１７　接合部分
２０　結合部分

Claims

正極板と負極板との間にセパレータを介在しつつ積層した発電要素の両面を、金属層の少なくとも内側に樹脂層を設けた一対のラミネートフィルムで覆い、これら一対のラミネートフィルムの周縁部同士を接合して前記発電要素とともに電解液を密封した積層型電池の密封構造において、前記接合した一対のラミネートフィルムの一方の周縁部を他方の周縁部よりも外方に延設し、この延設部分の先端部を他方の周縁部側に折り返してそれぞれの先端同士を突き合わせるとともに、突き合わせた双方の金属層同士を一体に結合したことを特徴とする積層型電池の密封構造。
正極板と負極板との間にセパレータを介在しつつ積層した発電要素の両面を、金属層の少なくとも内側に樹脂層を設けた一対のラミネートフィルムで覆い、これら一対のラミネートフィルムの周縁部同士を接合して前記発電要素とともに電解液を密封した積層型電池の密封処理方法において、前記接合した一対のラミネートフィルムの一方の周縁部を他方の周縁部よりも外方に延設し、この延設部分の先端部を他方の周縁部側に折り返してそれぞれの先端同士を突き合わせ、この状態で前記折り返し部分の樹脂層を接合した後、前記突き合わせた双方の金属層同士を一体に結合することを特徴とする積層型電池の密封処理方法。
前記突き合わせた双方の金属層同士を、レーザ溶接により一体に結合することを特徴とする請求項２記載の積層型電池の密封処理方法。