JP2004087239A

JP2004087239A - 電池およびその製造方法、ならびに組電池、組電池モジュール

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Publication number: JP2004087239A
Application number: JP2002245145A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Abe; 安部　孝昭; Takanori Ito; 伊藤　孝憲; Osamu Shimamura; 嶋村　修; Hideaki Horie; 堀江　英明; Hiroshi Sugawara; 菅原　浩; Takami Saito; 齋藤　崇実
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】防水性能を向上させたラミネートフィルム外装の電池を提供する。
【解決手段】電池要素の外装となるラミネートフィルム２０の側端部２５を、その先端部２６方向に傾斜のあるヒートプレス型３１によって熱加圧圧縮することで、内側にくる樹脂膜２３を金属膜２２で被覆されるようにした電池。
【選択図】　　　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池およびその製造方法、ならびに組電池、組電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池の外装として、樹脂膜と金属膜を積層したラミネートフィルムが用いられている。
【０００３】
ところで、このラミネートフィルムを用いた電池は、ラミネートフィルムからの水分透過による電池性能の低下という問題がある。これは、ラミネート材の特性として、ラミネート面では、水分の浸入防止性能が優れているが、ラミネート構造の積層断面が露出する側端部からの水分に対しては、その浸入を許してしまう構造となっている。これは、ラミネート構造自体が、その側端部においては金属で覆われておらず、樹脂膜がむきだしになっているため、この樹脂膜を透過または浸透して水分が浸入してしまうためである。
【０００４】
このようなラミネートフィルムを外装として用いた電池として、たとえば特開２００１−３５７８２６号公報には、ラミネートフィルムの端部に融着代を設けて風刺した構造が開示されている。
【０００５】
また、特開２０００−２２３０８７号公報には、ラミネートフィルムの端部に、さらに封口補助部材によって覆った構造が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の構造では、まず前者の場合、融着代を設けたとしても、封止部においては、依然としてもっとも水の浸入に弱いラミネートフィルムの積層断面が露出することになるといった問題がある。
【０００７】
また、後者の場合には、封口補助部材を取り付けるためにその製造自体が難しく、また製造コストや部品コストの上昇を招くといった問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ラミネートフィルム外装の電池において、防水性を向上させた電池を提供することであり、また、このための電池の製造方法を提供することである。
【０００９】
さらに、本発明の他の目的は、ラミネートフィルム側端部からの水分の侵入を防止した電池を用いた組電池を提供することであり、とくに車載用の組電池モジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記の構成により達成される。
【００１１】
（１）少なくとも樹脂膜、金属膜、および樹脂膜をこの順序で積層したラミネートフィルムによって外装した電池であって、前記ラミネートフィルム同士が接合される側端部を熱加圧圧縮成型することによって前記金属膜同士を接触させて、内側にくる樹脂膜が前記金属膜により被覆されていることを特徴とする電池。
【００１２】
（２）少なくとも樹脂膜、金属膜、および樹脂膜をこの順序で積層したラミネートフィルムによって外装した電池の製造方法であって、前記ラミネートフィルム同士が接合される側端部を先端が傾斜した形状のヒートプレス型によって熱加圧圧縮成型することにより、前記金属膜同士を接触させ、内側にくる樹脂膜を前記金属膜により被覆する工程を有することを特徴とする電池の製造方法。
【００１３】
（３）上記の電池を複数個、並列および／または直列に接続したことを特徴とする組電池。
【００１４】
（４）上記の組電池を複数個、並列および／または直列に接続したことを特徴とする組電池モジュール。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、ラミネートフィルム側端部における積層断面で内側の樹脂膜の露出を無くしたことで、この部分からの水の浸入を防止する効果が高い。このため、ラミネートフィルムによる外装からの防水性能を向上することができる。したがって、電池の長期的信頼性が向上することができる。
【００１６】
また、本発明の組電池は、この電池を使用したものであるから、組電池としての長期的信頼性を向上することができる。
【００１７】
また、本発明の組電池モジュールは、この組電池を使用したものであるから、組電池モジュールとしての長期的信頼性を向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した電池の概観を示す図面である。図において、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）における矢印Ｂ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）における矢印Ｃ方向から見た側面図である。また、図２は、この電池のラミネート外総則端部の拡大断面図であり、おおむね図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った部分断面である。
【００２０】
この電池１は、矩形状の外装２内部に電池要素５を収納し、両側に電池のタブ電極３および４を設けたものである。
【００２１】
外装２は、樹脂膜２１、金属膜２２、樹脂膜２３をこの順序で積層した３層構造のラミネートフィルム２０である。
【００２２】
そして、この外装２の側端部は、図２に示すように、ラミネートフィルム２０同士が接合される側端部を熱加圧圧縮成型することによって、ラミネートフィルム２０を構成する金属膜２２同士を接触させ、内側にくる樹脂膜２３が金属膜２２により被覆されるようにしている。
【００２３】
金属膜２２の接触部分の幅Ｓは、後述する実施例から、１００μｍ以上が好ましく、実施例によれば１００〜１０００μｍが好ましい。
【００２４】
ラミネートフィルム２０は、一般的なラミネートフィルム（ラミネートシートと上されることもある）でよく、たとえば、熱融着性樹脂フィルム、金属膜、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。
【００２５】
熱融着性樹脂としては、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、アイオノマー、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。金属膜としては、たとえばＡｌ箔、Ｎｉ箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン等を用いることができる。具体的には、シール面側から外面に向けて積層したＰＥ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＰＥ／Ａｌ箔／ナイロンの積層フィルム；アイオノマー／Ｎｉ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＥＶＡ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；アイオノマー／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルムなどを用いることができる。熱融着性樹脂フィルムは、電池要素を内部に収納する際のシール層として作用する。金属膜や剛性を有する樹脂膜は、湿性、耐通気性、耐薬品性を外装材に付与する。ラミネートフィルムは、超音波融着等を用いて、容易かつ確実に接合させることができる。
【００２６】
次に、このような電池の製造方法について説明する。
【００２７】
図３は、上述した電池のラミネートフィルム側端部の成形方法を説明するための図面である。
【００２８】
まず、図３（ａ）に示すように、ラミネートフィルム側端部２５をヒートプレス装置にセットする。ここで、ヒートプレス装置のプレス型３１は、図示するように、ラミネートフィルム側端部２５の先端２６の方向に、図に示すように傾斜がついている。
【００２９】
続いて、図３（ｂ）に示すように、プレス型を過熱しつつラミネートフィルム側端部２５を圧縮して熱加圧圧縮成型を行う。
【００３０】
これにより、図３（ｃ）に示すように、ラミネートフィルム側端部２５の先端２６が圧縮されて金属膜２２同士が接触するようになり、内側にくる樹脂膜２３が金属膜によって覆われて露出しなくなる。
【００３１】
したがって、従来、ラミネート構造の積層断面が露出している部分のラミネートフィルム側端部２５が金属膜に追われ、水分の浸入を防止することができる。しかも、その製造方法は、上述したとおり、ラミネートフィルム側端部２５の先端２６方向に傾斜したプラス型を持つヒートプレス装置により、熱加圧圧縮成型するだけであるので、補助部材なども必要なく、容易に製造することができる。
【００３２】
なお、この熱加圧圧縮成型を行う際には、熱加圧圧縮成型の前にラミネートフィルム側端部２５をあらかじめ加圧による樹脂封止した後であってもよい。
【００３３】
（実施例）
ここで、上述した電池の防水試験の結果を説明する。
【００３４】
実験は、図１および図２に示した電池について、ラミネートフィルム側端部２５の金属膜２２の接触幅Ｓを変えた電池を試験サンプルとして製作し、この試験サンプルを温度５０℃、湿度１００％の恒温恒湿槽内に３ヶ月間放置し、電池内部の水分をカールフィッシャー法にて定量した。
【００３５】
試験サンプルは、接触幅Ｓが１００μｍ（実施例１）、接触幅Ｓが２００μｍ（実施例２）、接触幅Ｓが１０００μｍ（実施例３）とし、金属膜を接触させていない試験サンプル（すなわち接触幅Ｓが０μｍ）（比較例１）、接触幅Ｓが５０μｍ（比較例２）である。
【００３６】
試験結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
この表１からわかるとおり、ラミネートフィルム側端部２５の金属膜２２の接触幅Ｓが１００μｍ以上である場合に、水分の浸入をよく防止している。なお、接触幅Ｓの上限は、試験を行った試験サンプルの接触幅が１０００μｍとしているがもちろんこれ以上であってもよが、試験結果からは１００μｍ程度でも十分である。
【００３９】
以上のように、この実施例からも、ラミネートフィルム側端部２５を金属膜により覆い内側の樹脂膜が露出しないようにしたことで、水分の浸入を防止することができることがわかる。
【００４０】
なお、本第１の実施の形態において、電池外装のラミネートフィルムは、樹脂膜、金属膜、および樹脂膜をこの順序でそれぞれ１層を積層したものであるが、積層させる樹脂膜や金属膜は１層とは限らず、複数層が積層されたものであってもよい。
【００４１】
（電池要素）
なお、本第１の実施の形態における電池におけるラミネートフィルムの外装によって覆われた電池要素は、基本的にどのようなものでもよい。
【００４２】
一例をあげれば、下記のとおりである。
【００４３】
参考までに、以下、本発明の電池がリチウムイオン二次電池である場合について簡単に記述する。ただし、本発明の電池は、リチウムイオン二次電池に限定されるわけではない。なお、電池要素１１とは、充放電に実質的に関与する正極、セパレータ、負極などが積層されてなる部分を意味する。
【００４４】
［正極］
正極は、アルミニウム等からなる正極集電体の両面に正極材料が結着した構造を有する。正極材料としては、種々の酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのリチウムマンガン酸化物；二酸化マンガン；ＬｉＮｉＯ_２などのリチウムニッケル酸化物；ＬｉＣｏＯ_２などのリチウムコバルト酸化物；リチウム含有ニッケルコバルト酸化物；リチウムを含む非晶質五酸化バナジウムなど）や、カルコゲン化合物（二硫化チタン、二硫化モリブテンなど）等を挙げることができる。これらの中では、得られるリチウムイオン二次電池の出力特性を考慮すると、リチウムマンガン酸化物またはリチウムニッケル酸化物が好ましい。
【００４５】
正極集電体には、導電性を向上させるために、導電性材料を併せて結着させてもよい。導電性材料としては、たとえば、人造黒鉛、カーボンブラック（たとえばアセチレンブラックなど）、ニッケル粉末等が挙げられる。
【００４６】
正極集電体としては、たとえばアルミニウム製エキスパンドメタル、アルミニウム製メッシュ、アルミニウム製パンチドメタル等を用いることができる。なお、正極は正極集電体の片面に正極材料を結着させた構造であってもよい。
【００４７】
［負極］
負極は、銅などからなる負極集電体の両面に負極材料が結着した構造を有する。負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料を用いることができる。このような炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、有機前駆体（たとえば、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロース等）を不活性雰囲気中で熱処理して合成した炭素などが挙げられる。好ましくは、負極は非晶質カーボン系材料からなる。本願において「非晶質カーボン系材料」とは結晶構造を有さない炭素材料を意味し、換言すれば非晶質炭素材料を意味する。このような非晶質カーボン系材料は熱硬化性樹脂を炭素化することによって得られる。因みに、放電による電圧依存が大きい非晶質カーボン系材料を用いると、２以上のリチウムイオン二次電池を並列に接続した場合におけるリチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
【００４８】
負極集電体としては、たとえば銅製エキスパンドメタル、銅製メッシュ、銅製パンチドメタル等を用いることができる。なお、負極は負極集電体の片面に負極材料を結着させた構造であってもよい。
【００４９】
［セパレータ］
セパレータは、ポリオレフィン系微多孔質セパレータ、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレンを用いることができ、セパレータ中には、非水電解液が含浸させられる。非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される。非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用しても良い。電解質としては、たとえば過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、四フッ化ホウ素リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_３）_２］等のリチウム塩を挙げることができる。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、通常は０．２ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌ程度である。
【００５０】
非水電解液を保持するポリマーとしては、たとえば、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレンオキサイド誘導体、前記誘導体を含むポリマー、ビニリデンフロライド（ＶｄＦ）とヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）との共重合体等が挙げられる。
【００５１】
［タブ電極］
タブには、銅、鉄から選ばれる金属を用いることができるが、アルミニウム、ステンレス鋼といった金属またはこれらを含む合金材料も同様に使用可能である。また、表面被覆層にはニッケルが最も好適に使用できるが、銀、金といった金属材料も同様に使用可能である。
【００５２】
本発明の電池の製造は、当業者であれば想到するであろう公知技術を用いて行うことができる。たとえば、タブの所定の位置に、熱融着技術を用いてシート部材を配置する。このタブを電池要素と接続する。次に、タブが接続された電池要素をラミネートシートで包み込み、電解液を注入するための封口部を残して熱融着する。このとき、タブはラミネートシート外部に引き出され、所定の位置で熱融着されるようにする。続いて、封口部を通じて電解液を注入し、封口部を熱融着により閉じて、ラミネート電池を完成させる。このとき、前述したように、ラミネートフィルムの側端部を内側の樹脂膜が金属膜に覆われるように成型する。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、上述した第１の実施の形態による電池を複数個接続した組電池である。
【００５４】
図４は、第２の実施の形態による組電池の斜視図であり、図５は、内部構成を上方から見た図面である。
【００５５】
図示するようにこの組電池５０は、上述した第１の実施の形態による電池１を複数個直接に接続したものをさらに並列に接続したものである。電池１同士は、導電バー５３により各電池のタブ電極３および４が接続されている。この組電池５０には電極ターミナル５１および５２が、この組電池５０の電極として組電池５０の一側面に設けられている。
【００５６】
この組電池５０に用いる上述した第１の実施の形態による電池１の形状は、立方体であり、その電池１の幅をａ、長さをｂ、厚さをｃとした場合、ａ／ｂ比が０．３〜１．０の範囲であり、かつａ／ｃ比が５〜１００の範囲であることが好ましい。具体的には、電池１の幅が５０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲、長さが５０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲、厚さが２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であることがより好ましい。
【００５７】
電池１をこの大きさとすることで、組電池の製造工程上扱いやすく、また、パッケージングしやすい。さらに、組電池化した際トータルの容積を小さくすることができる
また、電池１から取り出されているそれぞれのタブ電極３および４の幅は、タブ電極取り出し面の幅の２０％〜９０％であることが好ましい。
【００５８】
これにより、必要な電池出力を保ちながら、電極部分のシール性を確保できる。
【００５９】
この組電池においては、電池１を直接に接続しさらに並列に接続する際の接続方法として、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いることができる。このような接続方法をとることで、長期的信頼性のある組電池を製造することができる。
【００６０】
以上のように本第２の実施の形態による組電池によれば、前述した第１の実施の形態による水の進入を防止することのできる電池を用いて組電池化することで、高容量、高出力と得ることができ、しかも一つひとつの電池の信頼性が高いため、組電池としての長期的信頼性を向上させることができる。
【００６１】
なお、組電池としての電池１の接続は、電池１を複数個全て並列に接続してもよいし、また、電池１を複数個全て直列に接続してもよい。
【００６２】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、上述した第２の実施の形態による組電池を複数個接続した組電池モジュールである。
【００６３】
図５は、第２の実施の形態による組電池モジュールの斜視図である。
【００６４】
この組電池モジュール６０は、前述した第２の実施の形態による組電池５０を複数個積層し、各組電池５０の電極ターミナル５１、５２を導電バー６１および６２によって接続し、モジュール化したものである。
【００６５】
このように、組電池５０をモジュール化することによって、電池制御を容易にし、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車などの車搭用として最適な組電池モジュールとなる。そして、この組電池モジュール６０は、上述した組電池を用いたものであるから防水性能が高く、長期の屋外での使用に際しても十分な防水性があり、長期的信頼性の高いものである向上させることができる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、上述した第３の実施の形態による組電池モジュールを搭載してなる車両である。この組電池モジュールを用いる自動車としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車などである。
【００６７】
参考までに、図７に、組電池モジュール６０を搭載する車両（自動車）１００の概略図を示す。車両に搭載される組電池モジュール６０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池モジュール６０を搭載してなる車両は高い耐久性を有し、長期間に渡って使用した後であっても充分な出力を提供しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態における電池の概観構成を示す図面である。
【図２】上記電池のラミネートフィルム側端部の拡大断面図である。
【図３】上記電池の製造方法を説明するための図面である。
【図４】本発明を適用した第２の実施の形態における組電池の概観構成を示す図面である。
【図５】第２の実施の形態における組電池を上方から見た内部構成を示す図面である。
【図６】本発明を適用した第３の実施の形態における組電池モジュールの概観構成を示す図面である。
【図７】本発明を適用した第４の実施の形態における車両を示す図面である。
【符号の説明】
１　電池、
２０　ラミネートフィルム、
２１、２３　樹脂膜、
２２　金属膜、
３１　プレス型、
５０　組電池、
６０　組電池モジュール
１００　車両

Claims

少なくとも樹脂膜、金属膜、および樹脂膜をこの順序で積層したラミネートフィルムによって外装した電池であって、
前記ラミネートフィルム同士が接合される側端部を熱加圧圧縮成型することによって前記金属膜同士を接触させて、内側にくる樹脂膜が前記金属膜により被覆されていることを特徴とする電池。
前記前記金属膜同士の接触部分は、接触幅が１００〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１記載の電池。
少なくとも樹脂膜、金属膜、および樹脂膜をこの順序で積層したラミネートフィルムによって外装した電池の製造方法であって、
前記ラミネートフィルム同士が接合される側端部を先端が傾斜した形状のヒートプレス型によって熱加圧圧縮成型することにより、前記金属膜同士を接触させ、内側にくる樹脂膜を前記金属膜により被覆する工程を有することを特徴とする電池の製造方法。
請求項１または２記載の電池を複数個、並列および／または直列に接続したことを特徴とする組電池。
前記電池は、その形状が立方体であり、前記電池の幅をａ、長さをｂ、厚さをｃとした場合に、ａ／ｂ比が０．３〜１．０であり、かつａ／ｃ比が５〜１００であることを特徴とする請求項４記載の組電池。
前記電池の形状は、前記電池の幅が５０ｍｍ〜２００ｍｍ、長さが５０ｍｍ〜３００ｍｍ、厚さが２ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項５記載の組電池。
前記電池の電極は、前記外装の電極が取り出される面において、電極幅が当該電極取り出し面の長さの２０％〜９０％であることを特徴とする特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の組電池。
前記電池の電極は、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、または電子ビームのうち、少なくともいずれか一つの方法により接続されてなることを特徴とする特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の組電池。
請求項４〜８のいずれか一つに記載の組電池を複数個、並列および／または直列に接続したことを特徴とする組電池モジュール。
前記組電池モジュールは、車両搭載用であることを特徴とする請求項９記載の組電池モジュール。