JP2004158434A - リチウム電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属端子と包装材のアルミニウム等の金属箔とが接触して短絡することがないリチウム電池を安価に提供することである。
【解決手段】 少なくとも正極および負極を備えた電池本体と、少なくともアルミニウム箔Ａ２と最内層に金属接着性を有する熱可塑性樹脂層Ａ３とを備えた前記電池本体を包装する包装材Ａと、前記正極および負極の各々に接続されて前記包装材の外部に突出させて前記包装材と前記金属端子Ｔおよび前記包装材同士を熱接着して前記電池本体を密封したリチウム電池において、前記包装材の前記アルミニウム箔端面と前記金属端子とが接触することがないように前記包装材の前記アルミニウム箔端面および／ないし前記金属端子の少なくとも突端部を除く突出部に絶縁層１を設けたことを特徴とするリチウム電池。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池、特に電解質（液体や固体電解質）を有するリチウム電池に関するものである。

リチウム電池とは、リチウム二次電池ともいわれ、電解質として固体高分子、ゲル状高分子、液体などからなり、リチウムイオンの移動で起電する電池であって、正極・負極活物質が高分子ポリマーからなるものを含むものである。リチウム二次電池の構成は、正極集電材（アルミニウム、ニッケル）／正極活性物質層（金属酸化物、カーボンブラック、金属硫化物、電解液、ポリアクリロニトリル等の高分子正極材料）／電解質（プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、炭酸ジメチル、エチレンメチルカーボネート等のカーボネート系電解液、リチウム塩からなる無機固体電解質、ゲル電解質）／負極活性物質層（リチウム金属、合金、カーボン、電解液、ポリアクリロニトリルなどの高分子負極材料）／負極集電材（銅、ニッケル、ステンレス）からなるリチウム電池本体およびそれらを包装する外装等からなる。リチウム二次電池は、その高い体積効率、重量効率から電子機器、電子部品、特に携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカメラなどに広く用いられている。

前記リチウム電池の外装としては、円柱状や直方体状の金属缶を金属接合により密封したものと、柔軟性を有する包装材を熱接着して密封したものとに大別されるが、金属端子の取出し易さや密封のし易さ、あるいは、柔軟性を有するために電子機器や電子部品の適当な空間に合わせた形状とすることができ、電子機器や電子部品自体の形状をある程度自由に設計することができるために、さらなる小型化、軽量化を図ることができる等の理由から、プラスチックフィルムやアルミニウム等の金属箔を積層した包装材が用いられるようになってきた。

そして、前記包装材には、リチウム電池として求められる物性、すなわち、防湿性、密封性、耐突刺し性、絶縁性、耐熱・耐寒性、耐電解質性（耐電解液性）、耐腐蝕性（電解質の劣化や加水分解により発生するフッ酸に対する耐性）等が必要不可欠なものとして求められるために、前記包装材としては耐突刺し性や外部との通電を阻止するための基材層、防湿性を確保するためのアルミニウム等の金属箔からなるバリアー層、金属端子との接着性に優れると共に密封性を確保するための内層で構成される積層体が一般的には用いられる。

リチウム電池の形態としては、上記した包装材（積層体）を製袋加工して周縁熱接着部で図５（ａ）に示すように袋状〔図５（ａ）上はピロータイプの包装袋であるが三方タイプ、四方タイプ等の包装袋であってもよい〕にして、図示はしないがリチウム電池本体の正極および負極との各々に接続された金属端子を外側に突出した状態で収納し、開口部を熱接着して密封するなりした図５（ｂ）に示す袋タイプ、あるいは、上記した包装材（積層体）を図６（ａ）に示すようにプレス成形して凹部を形成し、この凹部に図示はしないが前記リチウム電池本体の正極および負極との各々に接続された金属端子を外側に突出した状態で収納すると共に、図示はしないが別途用意したシート状の前記包装材（積層体）で前記凹部を被覆すると共に四周縁を熱接着して密封するなりした図６（ｂ）に示す成形タイプとがある。なお、図５、６に示す袋タイプ、あるいは、成形タイプは本発明のリチウム電池の形態である。また、図５、６上で示す符号Ａは包装材（積層体）、符号Ｄはリチウム電池、符号Ｓは周縁熱接着部、Ｔは金属端子を示す。

ところで、上記した袋タイプや成形タイプに構成されたリチウム電池は、たとえば、携帯電話等の機器に実装する際に、よりコンパクトに機器内に収納するために金属端子を包装材（積層体）側へ折り曲げて実装される場合などに、包装材（積層体）のアルミニウム等の金属箔と金属端子とが接触し、電池が短絡する虞があった。

このような短絡を防止する一つの技術として、包装材と金属端子との接合部において、包装材を外側に折返した状態で熱接着するものがある（たとえば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された技術は、確かに短絡を確実に防止することができるものであるが、包装材の使用量が増加してコスト高になるといった問題や、包装材を折返す工程は結構煩雑であると共に、機械化するにしても新規ラインを導入するなり既存ラインに増設するなりする必要があり、それだけコスト高になることは避けられないものである。

また、短絡を防止する他の技術として、包装材と金属端子との接合部において、金属端子の少なくとも熱接着する部分を無水マレイン酸変性ポリプロピレンで被覆するものがある（たとえば、特許文献２参照）。

この特許文献２に開示された技術は、短絡を防止することができるものであるが、金属端子の両面に位置を合わせてパターン状に無水マレイン酸変性ポリプロピレンを塗布する必要があり、工程が増加すると共にこの位置を合わせてパターン状に塗布する作業は結構煩雑なものであり、また、金属端子は通常ロール状で供給されるが、これを無水マレイン酸変性ポリプロピレン塗布面と非塗布面とを位置合わせして金属端子の寸法に裁断する必要があり、さらにまた、金属端子はリチウム電池の大きさにより各種サイズがあり、それぞれに対応したものが必要となる等、結果としてコスト高とならざるを得ないものである。
特開平１１−８６８４１号公報 特開平１１−８６８４２号公報

そこで本発明は、金属端子と包装材のアルミニウム等の金属箔とが接触して短絡することがないリチウム電池を安価に提供することである。

本発明者は、上記課題を達成するために、請求項１記載の本発明は、少なくとも正極および負極を備えた電池本体と、少なくともアルミニウム箔と最内層に金属接着性を有する熱可塑性樹脂層とを備えた前記電池本体を包装する包装材と、前記正極および負極の各々に接続されて前記包装材の外部に突出させて前記包装材と前記金属端子および前記包装材同士を熱接着して前記電池本体を密封したリチウム電池において、前記包装材の前記アルミニウム箔端面と前記金属端子とが接触することがないように前記包装材の前記アルミニウム箔端面および／ないし前記金属端子の少なくとも突端部を除く突出部に絶縁層を設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２記載の本発明は、少なくとも正極および負極を備えた電池本体と、少なくともアルミニウム箔と最内層に金属接着性を有する熱可塑性樹脂層とを備えた前記電池本体を包装する包装材と、前記正極および負極の各々に接続されて前記包装材の外部に突出させて前記包装材と前記金属端子および前記包装材同士を熱接着して前記電池本体を密封したリチウム電池において、前記金属端子の前記包装材との接合部において、熱接着時の熱と圧により前記包装材の内層を外部に溶融押出しすることで該内層により絶縁層を設けたことを特徴とするものである。

上記請求項１、２のいずれかに記載の構成とすることにより、従来技術に比べて容易、かつ、安価に、金属端子と包装材のアルミニウム箔とが接触して短絡することを防止することができる。

本発明は、携帯電話等の機器に実装する際に、よりコンパクトに機器内に収納するために金属端子を包装材側へ折り曲げて実装されたとしても、包装材のアルミニウム等の金属箔と金属端子とが接触し、電池が短絡する虞がないリチウム電池を安価に提供することができるという優れた効果を奏するものである。

上記の本発明について、図面等を用いて以下に詳述する。
図１は本発明にかかるリチウム電池に用いる包装材の基本的な層構成を図解的に示す図、図２は本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示す一実施例の断面図、図３は本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示す他の実施例の断面図、図４は本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示すさらに他の実施例の断面図、図５はリチウム電池の形態の一実施例を説明する図、図６はリチウム電池の形態の他の実施例を説明する図であり、図中の１、１’、１”、１'''、１''''は絶縁層、Ａは包装材、Ａ１は基材層、Ａ２はアルミニウム箔、Ａ３は内層、Ｄはリチウム電池、Ｋは熱板、Ｓは周縁熱接着部、Ｔは金属端子をそれぞれ示す。

最初に本発明に供するリチウム電池の包装材について説明する。図１は本発明にかかるリチウム電池に用いる包装材の基本的な層構成を図解的に示す図であって、包装材Ａとしては、図１に示す、少なくとも基材層Ａ１、アルミニウム箔Ａ２、内層Ａ３を順に積層した積層体が用いられ、前記基材層Ａ１としては二軸延伸ポリエステルフィルムや二軸延伸ナイロンフィルム、あるいは、これらの積層体を挙げることができ、その厚さとしては概ね６〜３０μｍ程度である。また、前記アルミニウム箔Ａ２としては、その厚さが概ね１２〜８０μｍ程度のものである。また、前記内層Ａ３としては少なくとも最内層に金属接着性を有する熱可塑性樹脂層を備えたものを挙げることができ、その厚さとしては２５μｍ以上あればよいのであるが、コストや体積および重量エネルギー密度を考慮すると１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上である。２５μｍより薄いと十分な熱接着強度を得ることができないために、内容物の洩れ等の虞が生じる。

前記最内層に用いる金属接着性を有する熱可塑性樹脂としては、酸変性ポリオレフィン樹脂が適当であり、例示するならば、不飽和カルボン酸でグラフト変性したオレフィン樹脂、エチレンないしプロピレンとアクリル酸、または、メタクリル酸との共重合体、あるいは、金属架橋オレフィン樹脂等を用いることができるが、不飽和カルボン酸でグラフト変性したオレフィン樹脂がより好ましい。この理由としては、不飽和カルボン酸でグラフト変性したオレフィン樹脂はエチレンないしプロピレンとアクリル酸、または、メタクリル酸との共重合体等の酸変性ポリオレフィンに比べて、耐熱性に優れるからである。

また、前記内層Ａ３は金属接着性を有する熱可塑性樹脂のみから構成されてもよいが、２ないし３層の共押出しされた層で構成されてもよいものであり、例示するならば、一般オレフィン樹脂層／酸変性オレフィン樹脂層（最内層）、酸変性オレフィン樹脂層／一般オレフィン樹脂層／酸変性オレフィン樹脂層（最内層）等を代表例として挙げることができる。そして、前記内層Ａ３が共押出し層の場合、最内層を形成する酸変性オレフィン樹脂層の厚さとしては５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上である。５μｍ未満であると十分な熱接着強度が得られない。なお、共押出し層の場合の前記一般オレフィン樹脂層としては、低密度ポリエチレン，中密度ポリエチレン，高密度ポリエチレン，線状低密度ポリエチレン，エチレン−ブテン共重合体等のエチレン系樹脂、ホモポリプロピレン，エチレン−プロピレン共重合体，エチレン−プロピレン−ブテン共重合体等のプロピレン系樹脂の単体ないし混合物を適宜選択して用いることができる。

なお、後述する絶縁層を金属端子の前記包装材との接合部において、熱接着時の熱と圧により前記包装材の内層を外部に溶融押出しすることで該内層により設ける場合においては、前記内層Ａ３の厚さとしては３０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上である。

図２は本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示す一実施例の断面図であって、金属端子の包装材との接合部を示した図である。図２に示すように、金属端子Ｔは包装材Ａで挟持されて熱接着部Ｓで熱接着されると共に、前記包装材Ａの前記アルミニウム箔Ａ２端面と前記金属端子Ｔとが接触することがないように前記アルミニウム箔Ａ２端面と前記金属端子Ｔとの間に絶縁層１を設けたものである。このように構成することにより、リチウム電池Ｄ〔図５（ｂ）、図６（ｂ）参照〕を各種の電子機器に実装する際に、金属端子を包装材Ａ側へ折り曲げて実装されたとしても、前記包装材Ａの前記アルミニウム箔Ａ２端面と金属端子Ｔとの接触を前記絶縁層１で阻止することができ、電池の短絡を防止することができる。

前記絶縁層１を形成する材料としては、絶縁性と折り曲げ時に追従する程度の柔軟性を有し、前記包装材Ａの前記アルミニウム箔Ａ２や金属端子（アルミニウム、ニッケル等）Ｔ等に対して接着性を有するものであれば特に限定するものではなく、例示するならば、ウレタン系，アクリル系，シリコン系等の反応型接着剤、ゴム系，エチレン−酢酸ビニル共重合体系，ポリオレフィン系，ポリエステル系、ポリアミド系等の非反応型ホットメルト接着剤、湿気硬化型ウレタン系，湿気硬化型シリコン系，加熱硬化型，２液硬化型等の反応型ホットメルト接着剤、不飽和カルボン酸グラフト変性ポリエチレン，不飽和カルボン酸グラフト変性ポリプロピレン，アイオノマー等の変性樹脂系ホットメルト接着剤などを挙げることができる。また、前記絶縁層１の形成方法としては、材料の性状により適宜な塗布方法を選択して用いることができ、たとえば、浸漬法、ロールコート法、刷毛塗り法、吐出法等を挙げることができる。なお、ホットメルト接着剤を用いる場合にあっては、金属端子を予め適宜の加熱手段により４０℃程度に加熱しておく方が金属に対する接着性が向上する。

図３は本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示す他の実施例の断面図であって、金属端子の包装材との接合部を示した図である。図３（ａ）は前記包装材Ａの少なくとも前記アルミニウム箔端面Ａ２を被覆するように絶縁層１’を設けたものであり、図３（ｂ）は前記金属端子Ｔの少なくとも突端部を除く突出部を被覆するように絶縁層１”を設けたものであり、このように前記絶縁層１’、１”を設けることによっても前記包装材Ａの前記アルミニウム箔Ａ２端面と金属端子Ｔとの接触を前記絶縁層１’、１”で阻止することができ、電池の短絡を防止することができる。なお、前記絶縁層１”は図３（ｃ）に示すように前記包装材Ａの端部から前記包装材Ａの内層Ａ３の厚さＨより小さい間隔ｈを開けて設けた絶縁層１'''としてもよいものである。前記絶縁層１’、１”、１'''の形成材料および形成方法は、前記絶縁層１で説明した材料、方法と同じであり、説明は省略する。なお、図３において説明しなかった符号の意味は図２と同じである。

図４は本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示すさらに他の実施例の断面図であって、金属端子の包装材との接合部を示した図である。図４に示すように、角部をアール状に形成した熱板Ｋを用いて熱接着部Ｓ（図２、図３参照）を形成することにより、熱接着時の熱と圧により包装材Ａの内層Ａ３を外部に溶融押出しすることで前記内層Ａ３により絶縁層１''''を設けたものであり、このように前記絶縁層１''''を設けることによっても前記包装材Ａの前記アルミニウム箔Ａ２端面と金属端子Ｔとの接触を前記絶縁層１''''で阻止することができ、電池の短絡を防止することができる。なお、図４において説明しなかった符号の意味は図２と同じである。

なお、本発明でいうところの絶縁層は上記した絶縁層１、１’、１”、１'''、１''''に限るものではなく、要するに前記包装材Ａの前記アルミニウム箔Ａ２端面と前記金属端子Ｔとの接触を防止することができればよいのであって、本発明の趣旨を逸脱しないものはすべて本発明に含まれるものである。

次に、本発明について、以下に実施例を挙げてさらに詳しく説明する。
まず、予め、フェノール樹脂、フッ化クロム（三価）化合物、リン酸の３成分からなる化成処理液で両面を化成処理（リン酸クロメート処理）して両面に化成処理層を有するアルミニウム箔（４０μｍ厚さ）の一方の面と２５μｍ厚さの二軸延伸ナイロンフィルムとを２液硬化型ポリウレタン系接着剤を介して積層して中間積層体を作成した。

〔包装材１〕
上記で作成した中間積層体の化成処理面に３０μｍ厚さの不飽和カルボン酸でグラフト変性した不飽和カルボン酸グラフト変性ランダムポリプロピレン（以下、ＰＰａと呼称する）フィルムを前記化成処理層面が１２０℃となるように加熱してサーマルラミネーション法で貼合し、この貼合物を１８０℃となるように再加熱して本発明のリチウム電池に供する包装材を得た。

〔包装材２〕
ＰＰａフィルムの厚さを３０μｍから５０μｍに替えた以外は実施例１と同様にして本発明のリチウム電池に供する包装材を得た。

〔包装材３〕
上記作成した中間積層体の化成処理面に３０μｍ厚さの不飽和カルボン酸でグラフト変性した不飽和カルボン酸グラフト変性線状低密度ポリエチレン（以下、ＬＬＤＰＥａと呼称する）フィルムを前記化成処理層面が１１０℃となるように加熱してサーマルラミネーション法で貼合し、この貼合物を１６０℃となるように再加熱して本発明のリチウム電池に供する包装材を得た。

〔包装材４〕
ＰＰａフィルムを４５μｍ厚さの共押出しフィルム〔ＰＰａ（１５μｍ）／ＴＰＸ（１５μｍ）／ＰＰａ（１５μｍ）〕に替えた以外は実施例１と同様にして本発明のリチウム電池に供する包装材を得た。なお、ＴＰＸはポリ４−メチルペンテン−１の意である。

〔包装材５〕
ＬＬＤＰＥａフィルムを４５μｍ厚さの共押出しフィルム〔ＬＬＤＰＥａ（１５μｍ）／ＨＤＰＥ（１５μｍ）／ＬＬＤＰＥａ（１５μｍ）〕に替えた以外は実施例３と同様にして本発明のリチウム電池に供する包装材を得た。なお、ＨＤＰＥはホモタイプの高密度ポリエチレンの意である。

上記包装材１〜５を裁断して６０ｍｍ角のテストサンプルをそれぞれについて作製し、ＰＰａ面ないしＬＬＤＰＥａ面同士を対向させて配置すると共に、幅が４ｍｍ、長さが６０ｍｍ、厚さが７０μｍのアルミニウム板（金属端子）とニッケル板（金属端子）とを１８ｍｍの間隔をとって平行にＰＰａ面ないしＬＬＤＰＥａ面間に約１５ｍｍ突出するように挿入すると共に、前記金属端子の突出側端部を７ｍｍ幅の熱板でシール（シール条件：１９０℃、１．０ＭＰａ、３秒）して、包装材１〜５にそれぞれ対応する験体１〜５を作製した。

験体１にホットメルトガンを用いて不飽和カルボン酸グラフト変性ホットメルト接着剤（ポリプロピレン系）を図２に示すように金属端子の突出側の包装材端部に塗布したテストサンプルを作製した。

験体２の突出させた金属端子を包装材側に略Ｕ字状に折り曲げて、少なくとも金属端子の突出側の包装材端部をシリコン系接着剤槽に浸漬したテストサンプルを作製した。

験体３にホットメルトガンを用いてエチレン−酢酸ビニル共重合体系ホットメルト接着剤を図２に示すように金属端子の突出側の包装材端部に塗布したテストサンプルを作製した。

験体４にホットメルトガンを用いてウレタン系ホットメルト接着剤を図２に示すように金属端子の突出側の包装材端部に塗布したテストサンプルを作製した。

験体５にホットメルトガンを用いて不飽和カルボン酸グラフト変性ホットメルト接着剤（ポリエチレン系）を図２に示すように金属端子の突出側の包装材端部に塗布したテストサンプルを作製した。

上記包装材２を裁断して６０ｍｍ角のテストサンプルを作製し、ＰＰａ面同士を対向させて配置すると共に、幅が４ｍｍ、長さが６０ｍｍ、厚さが７０μｍのアルミニウム板（金属端子）とニッケル板（金属端子）とを１８ｍｍの間隔をとって平行にＰＰａ面間に約１５ｍｍ突出するように挿入すると共に、図４に示すように前記金属端子の突出側端部を前記金属端子側角部が半径０．５ｍｍアールに加工された７ｍｍ幅の熱板でシール（シール条件：１９０℃、２．０ＭＰａ、５秒）して、テストサンプルを作製した。このテストサンプルは包装材の端部から外部に溶融押出しされた約０．５ｍｍ幅の帯状のＰＰａ層が形成された。

［比較例１］
験体１をテストサンプルとした。

上記で作製した実施例１〜６、および、比較例１について各々５０サンプルを下記する方法で絶縁性について評価し、５０サンプル中の短絡したサンプル数を表１に纏めて示した。

（１）絶縁性：実施例１〜６、および、比較例１のアルミニウム板（金属端子）とニッケル板（金属端子）および包装材のアルミニウム箔にテスターの端子を接続し、アルミニウム板（金属端子）とニッケル板（金属端子）をそれぞれ包装材の端部で包装材側に鋭角に折り曲げて短絡の有無を評価した。

表１からも明らかなように、実施例１〜６のテストサンプルは、比較例１のテストサンプルと比較して極めて優れた絶縁性を示した。

本発明にかかるリチウム電池に用いる包装材の基本的な層構成を図解的に示す図である。 本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示す一実施例の断面図である。 本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示す他の実施例の断面図である。 本発明にかかるリチウム電池の熱接着部の要部を図解的に示すさらに他の実施例の断面図である。 リチウム電池の形態の一実施例を説明する図である。 リチウム電池の形態の他の実施例を説明する図である。

符号の説明

１、１’、１”、１’’’、１’’’’ 絶縁層
Ａ 包装材
Ａ１ 基材層
Ａ２ アルミニウム箔
Ａ３ 内層
Ｄ リチウム電池
Ｋ 熱板
Ｓ 熱接着部
Ｔ 金属端子

Claims (2)

1. 少なくとも正極および負極を備えた電池本体と、少なくともアルミニウム箔と最内層に金属接着性を有する熱可塑性樹脂層とを備えた前記電池本体を包装する包装材と、前記正極および負極の各々に接続されて前記包装材の外部に突出させて前記包装材と前記金属端子および前記包装材同士を熱接着して前記電池本体を密封したリチウム電池において、前記包装材の前記アルミニウム箔端面と前記金属端子とが接触することがないように前記包装材の前記アルミニウム箔端面および／ないし前記金属端子の少なくとも突端部を除く突出部に絶縁層を設けたことを特徴とするリチウム電池。
2. 少なくとも正極および負極を備えた電池本体と、少なくともアルミニウム箔と最内層に金属接着性を有する熱可塑性樹脂層とを備えた前記電池本体を包装する包装材と、前記正極および負極の各々に接続されて前記包装材の外部に突出させて前記包装材と前記金属端子および前記包装材同士を熱接着して前記電池本体を密封したリチウム電池において、前記金属端子の前記包装材との接合部において、熱接着時の熱と圧により前記包装材の内層を外部に溶融押出しすることで該内層により絶縁層を設けたことを特徴とするリチウム電池。
   
   

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