JP2005071907A - フィルム外装型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの自由度を高めることと、薄型化との両立を図ることが可能なフィルム外装型電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池１は、フィルム外装材で構成された電池容器４に、板状のセルが気密封止され、セルに導通する帯材１２，１３が電池容器４の外側に延出されている。電池容器４には、内部の気密を保持する融着代１１がセルの周囲に沿って形成されている。融着代１１は、電池容器４の側面部４ｆとの間に隙間ＨＳが形成されるように電池厚さ方向に折り曲げられており、その隙間ＨＳに帯材１２，１３に接合された導線２１，２２が案内され、反対側から延び出ている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に代表される、フィルム外装型電池に関する。

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、可撓性を有するフィルム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、電池の小型・軽量化が容易である。

フィルム外装材は、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。電池内部への水分の透過を防止するために、適正量の融着代を形成する必要がある。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。そこで、この融着代を電池の側面にぴったりと折り畳んで、電池が実質的に占有する面積を低減する試みがなされている（下記特許文献１〜３参照）。

特開２０００−５８０１３号公報 特開２００１−２０２９３１号公報 特開２００１−３５７８２４号公報

ところで、昨今は電気製品の小型化が急速に進み、電池のスペースを自由に割くことが困難となってきている。これにともなって、電気製品に電池を組み込む際の向き等、レイアウトに対する制限も厳しくなってきている。レイアウトの問題を解決する１つの案として、上記特許文献３（図３）に記載されているように、電力取出用のリード部材を電池容器からの取り出し側とは反対側に折り返すようにする構造がある。この構造によれば、リード部材の先端位置を任意に調整できるのでレイアウトの自由度が高まる。一方で、電池の実質的な厚さが若干増す。このことは、厚さ方向のスペースに全く余裕が無い場合に問題となると考えられる。また、上面から荷重が懸かったりする場合にはリード部材に荷重が直接懸かることになり、好ましくない。したがって、フィルム外装材で容器を構成する電池のレイアウトの自由度を高めることが可能な、別の技術が望まれていた。

本発明の課題は、レイアウトの自由度を高めることが可能なフィルム外装型電池を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

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フィルム外装材で構成された電池容器に、電極およびセパレータを備えた板状の発電要素が気密封止され、発電要素に導通するリード部材が電池容器の外側に延出されたフィルム外装型電池であって、内側に位置する熱融着性樹脂の溶融および固化により上下のフィルム外装材が貼り合わさって電池容器内の気密を保持する融着代が発電要素の周囲に沿って形成され、電池容器の側面部との間に隙間が形成されるように融着代が電池厚さ方向に折り曲げられており、その隙間にリード部材が案内されていることを主要な特徴とする。

上記本発明のフィルム外装型電池は、融着代を折り曲げて、電池が実質的に占有する面積を低減している。さらに、電池容器の側面部との間に隙間が形成されるように融着代を折り曲げ、その隙間にリード部材を通すようにしている。隙間にリード部材を引き回すことにより、リード部材の先端の位置を、当該電池を組み込む電気製品の端子の位置にあわせて調整することが可能となる。つまり、電池自体のレイアウトの自由度が高まる。また、折り曲げた融着代に切欠き等を形成し、その切欠きからリード部材を外方に引き出すことも可能である。つまり、大きな設計を伴うことなくリード部材の引き出し位置調整を行なえる。また、電池の厚さの実質的な増加も無く、リード部材は融着代によって固定・保護されるので好ましい。

好適な態様において、電池容器には、多角形状を有する発電要素のコーナに対応して融着代を内側方向に切欠いた切欠き部が形成され、それら切欠き部が形成された位置における融着代の残存幅に応じて、該融着代を外周部分と内周部分とに区分けする折り線が形成され、外周部分が電池容器の側面部と接する又は向かい合うとともに、内周部分が電池板面方向に張り出すように調整されることにより隙間が形成される。隣り合う２辺をなす融着代の折り曲げを行なう場合において、コーナ部分に切欠き部を形成すれば、折り皺が形成され難くなって成形性（融着代の折り曲げ容易性）が高まる。すると、リード部材を通すための隙間も形成しやすくなるので都合がよい。場合によっては、融着代の切れ目である切欠き部よりリード部材を引き出すようにしてもよい。また、切欠き部の切り込み深さ調整により隙間の広さ等を調整できるので、好都合である。

また、多角形状の発電要素の一辺から突出する形で電力取出部が設けられ、電力取出部に一端が接続され、他端が電池容器の外側に延出された帯材と、電池容器の外側に延出された帯材に接続された導線とを含んでリード部材が構成され、融着代は、正極側の帯材と負極側の帯材との両側に隙間の入口が形成されるように折り曲げられており、正極側の導線と負極側の導線とは、互いに反対方向に向かって延びて隙間の入口に個別に案内されている。一般に、電池容器の気密性保持のため、リード部材のうち発電要素に接続する部分は帯材で構成する。ただし、帯材は捩りを加えたりすることが難しいので、帯材よりも可撓性（引き回し容易性）が高い導線を溶接、ろう付け等の方法で帯材に接続する。そして、１対の導線を左右に分岐する形で融着代の折り曲げによって形成された隙間に挿通すれば、導線同士が短絡する恐れがないうえ、断線等の恐れも小さい。また、電池自体を左右対称に保つことができる。

さらに、隙間に個別に案内された各導線は、当該電池における帯材の延出している側とは反対側で合流することができる。このようにすれば、電池の向きを反転させた場合と、実質的に同一レイアウトとすることができる。

また、本発明にかかるフィルム外装型電池の各構成は、リチウム含有複合酸化物を活物質に持つ正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な材料を活物質とする負極と、それら正極と負極との間に介在するセパレータとにより発電要素が構成されたリチウムイオン二次電池に特に好適である。

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、本発明の実施形態であるリチウムイオン二次電池１（以下、単に電池１ともいう）の斜視図、図２は融着代１１を拡げた状態の電池１の斜視図、図３は電池１のIII-III断面図である。図３に示すように、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。板状のセル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。

電池１は、セル２に導通し電池容器４の外側に延出された正極側と負極側のリード部材２８，２９を備えている。一方、電池容器４には、容器内の気密を保持する融着代１１がセル２の周囲に沿って形成されている。図１に示すように、この融着代１１は、電池容器４の側面部４ｆとの間に隙間ＨＳが形成されるように、当該電池１の厚さ方向に折り曲げられている。そして、その隙間ＨＳにリード部材２８，２９が案内されている。リード部材２８，２９は、隙間ＨＳを通って電池容器４からの取り出し側とは反対側に延びている。

図４に発電単位２０の断面模式図を示す。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。負極１０の面積は、正極７と等しくすることもできるが、正極７よりも大きくすることが望ましい。また、セパレータ３，３は、各電極７，１０よりも大きい面積を有している。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。また、セル２の形状は方形、方形以外の多角形など種々の形状を採用できる。すなわち、本実施形態に示すような積層型リチウムイオン二次電池１は、形状の自由度が極めて高いという特徴を持っている。

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。

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。

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。

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、リチウムの吸蔵・放出が可能な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。

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。

セル２を収容する電池容器４は、図８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フィルム外装材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。

図３に示すように、容器の内側に位置する樹脂層３３の溶融および固化により、上下のフィルム外装材３４同士が貼り合わさり、融着代１１が形成される。具体的には、図９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の開口を完全に塞ぐように蓋部４ａを配置し、容器本体４ｂおよび蓋部４ａの外周縁部をシールバー９０，９１（熱融着治具）で挟む。シールバー９０，９１に内側の樹脂層３３，３３が加熱されて溶融する。シールバー９０，９１を離間させれば、容器本体４ｂおよび蓋部４ａの溶融した樹脂層３３，３３が一体になりながら固化し、これにより電池容器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。

図１〜図３に示すように、リード部材２８，２９は、一端がセル２の電力取出部５０，８０に接続され他端が融着代１１を経て電池容器４の外側に延び出ている帯材１２，１３と、それら帯材１２，１３に接続された導線２１，２２とによって構成されている。具体的には、正極集電体５と一体の電力取出部５０に正極用の帯材１２の一端が接続されており、負極集電体８と一体の電力取出部８０に負極用の帯材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。負極側の電力取出部８０についても同様である。正極用の帯材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。負極用の帯材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。導線２１，２２には、それらが接続する帯材１２，１３と同種の金属材料や、上記に列挙した良導性の金属材料を用いることができる。

融着代１１と、導線２１，２２を挿通する隙間ＨＳの形成形態について説明する。図５に示すのは、電池１の上面模式図であり、融着代１１の形成領域を幾何模様で表している（図５中では導線２１，２２は省略）。符号１４は、帯材１２，１３の取り出し位置での絶縁性および気密性を高めるための樹脂フィルムを示している。これらの図に示すように、融着代１１は、帯材１２，１３の取り出し位置を含め、セル２の周囲に沿って形成されている。この融着代１１を厚さ方向に折り曲げることにより、電池１のコンパクト化を図ることができる。このとき、折り曲げた融着代１１と電池容器４の側面部４ｆとの間に隙間ＨＳができるようにし、そこに導線２１，２２を通すようにすれば、電池１はコンパクト化が図られるとともに、レイアウトの自由度が高まる。

図６に示すように、融着代１１の外周部分１１ｂを電池板面方向ＷＬ（板面に平行な方向）に対して９０度以上折り曲げ、当該電池１の実質的な大きさ（占有面積）を減少させることができる。図６では融着代１１の外周部分１１ｂについて、電池容器４（容器本体４ｂ）の側面部４ｆに接する（又は向かい合う）ように折り曲げている。他方、融着代１１のうち内周部分１１ａは、電池板面方向ＷＬに張り出すように調整されている。これにより、電池容器４の側面部４ｆと、折り曲げられた融着代１１との間に、導線２１，２２の引き回し通路である隙間ＨＳが形成されている。電池容器４の側面部４ｆに外周部分１１ｂが接触した状態に保持されるよう、折り曲げられた融着代１１は、粘着テープ、熱収縮フィルム、接着剤等の固定手段（図示省略）により固定される。折り曲げ状態が保持された融着代１１により、導線２１，２２が固定・保護される。なお、隙間ＨＳは、電池板面方向ＷＬからの、耐衝撃性の向上にも寄与する。

また、隣り合う２辺を構成する融着代１１を折り曲げに供する場合においては、コーナに折り皺ができてしまう。また、折り線（外周部分１１ｂと内周部分１１ａの境界）の形成位置の調整も面倒である。そこで、融着代１１を折り曲げる工程に先立って、図２および図５に示すように、多角形状のセル２の各コーナに対応する位置において、切欠き部４０〜４５を形成する。これにより、折り曲げ容易性の向上を図ることができ、隙間ＨＳを容易に形成できるようになるうえ、折り皺も発生しにくくなる。

図１に示すように、セル２の各辺に対応するように形成された融着代１１は、切欠き部４０〜４５が両端に設けられることにより、個別に折り曲げられている。すなわち、融着代１１は、切欠きが形成されることにより周方向の複数箇所に区分けされ、その区分けされた１つ１つが独立して折り曲げられている。電池容器４からの帯材１２，１３の取り出し位置となっている融着代１１は、折り曲げられておらず、その両端に隙間ＨＳの入口が形成されている。帯材１２，１３は、融着代１１に重なるように融着代１１の折り曲げ側と同じ側に１８０°折り畳まれている。そして、その折り畳まれた部分に、導線２１，２２との接合部２４，２５が形成されている。このようにすれば、帯材１２，１３の突出分だけ電池１の占有面積が減る。また、折り畳んだ部分に導線２１，２２を接合すれば、両者の接合部２４，２５に負荷が懸かったりする恐れも小さくなり、接続信頼性の観点で好ましい。本実施形態では、両者の接合を先に行なってから、帯材１２，１３を折り畳むようにしているが逆でもよい。帯材１２，１３と、導線２１，２２との接合は、抵抗溶接、超音波溶接、ロウ接等の方法により行なうことができる。

図１に示すように、各導線２１，２２は、それらの左右２箇所に入口が形成された隙間ＨＳに個別に案内されており、電池容器４の側面部４ｆに沿って進み、当該電池１における、帯材１２，１３の延出している側とは反対側で合流するようになっている。これにより、帯材１２，１３の取り出し位置を１８０°反対側にした場合と、実質的に同一レイアウトとなっている。電気製品の仕様により、図５中の領域Ａ側に電力取出端子が必要であるが、本実施形態のように、電池の形状の制約からそれが困難な場合がある。このような場合に、融着代１１を折り曲げて形成した隙間ＨＳに導線２１，２２を通して反対側に延ばせば、大きな設計変更を伴うことなく電池１のリード部材２８，２９（具体的には導線２１，２２）の先端位置と、電気製品側の端子の位置との整合を図ることができる。

また、切欠き部４０，４１のように隣り合う１組の切欠き部にまたがって、該融着代１１を外周部分１１ｂと内周部分１１ａとに区分けする折り線ＫＬが形成される（図５参照）。切欠き部４０，４１の形成位置における融着代１１の残存幅ｄ_２は、融着代１１の内周縁から折り線ＫＬまでの幅を決定する。すなわち、切欠き部４０〜４５を形成するための切り込み深さを調整することが、折り曲げ位置を定めることに兼用されていることとなる。

具体的には、図７の模式図に示すように、各部を調整することができる。まず、融着代１１の形成幅ｄ_１は、たとえば２．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下に調整することが望ましい。融着代１１の形成幅ｄ_１を小さく調整しすぎると、十分な耐水分透過性が得られなくなる恐れがある。逆に、融着代１１の形成幅ｄ_１を大きく調整しすぎると、折り曲げ時に電池１の上面に食み出たりする場合があるので好ましくない。また、切欠き部４２（全ての切欠き部を代表する）の形成位置においては、融着代１１の残存幅ｄ_２を０．５ｍｍ以上確保することが望ましい。残存幅ｄ_２を小さくし過ぎると、容器内への水分透過が活発になり、電池１の特性劣化を加速させる恐れがあるし、融着代１１の内周部分１１ａの幅Ｄ_１を十分確保できず、導線２１，２２を挿通する隙間ＨＳを十分に形成できなくなる。

また、図７（ｂ）に示すように、切欠き部４２の底、つまり切欠きの先端には、電池容器４の内部側に凹の適度な円弧形状が付与されていることが望ましい。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、切欠きの先端から破断が進行したりして、電池容器４内に空気がリークする恐れがある。他方、図７（ａ）（ｂ）に示すように、切欠いた断面に円弧形状が付与されている場合には、破断が生じ難い。円弧の半径Ｒ_１は、たとえば０．１ｍｍ程度とすることができる。また、融着代１１の残存幅ｄ_２にほぼ等しい半径の円弧形状を付与するようにしてもよい。

また、図７（ｂ）に示すように、切欠き部４２は、円弧形状の両端から延びる１組の切欠き線を仮想的に延長したとき、それら切欠き線が鋭角θで交わるように設けられていること好ましい。つまり、先端は円弧形状を付与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、破断防止効果とをバランスよく保つことができる。同様の理由から、図７（ｃ）に示すように、一定幅の切欠きを設けつつ、切欠きの先端に円弧形状を付与する形態も好適である。

なお、図１０に示すように、融着代１１の折り曲げによって形成された隙間ＨＳに導線２１，２２を挿通する構成を、方形状の電池６０に適用してもよい。また、図１１に示す電池１００のように、導線２１，２２は電池容器４の帯材１２，１３を取り出した側から反対側に向かう中途に形成された切欠きより引き出すことが可能である。切欠きの形成位置は、セル２のコーナに対応した位置に限定されないので、導線２１，２２の引き出し位置についても比較的自由に調整できる。

本発明にかかるリチウムイオン二次電池の斜視図。 図１の電池の分解斜視図。 図１の電池のIII-III断面図。 図１の電池を構成する発電単位の断面模式図。 図１の電池の分解上面図。 融着代の折り曲げ形態を示す断面模式図。 切欠き部の形成形態を説明する模式図。 電池容器の材料である外装材の構成を示す断面模式図。 電池容器の封止手順を示す断面模式図。 本発明にかかるリチウムイオン二次電池の別実施例。 導線の取り出し位置を変更した図１の電池の別形態を示す斜視図。

Claims (5)

1. 金属箔（３２）に熱融着性樹脂（３３）がラミネートされてなるフィルム外装材（３４）で構成された電池容器（４）に、電極（７，１０）およびセパレータ（３）を備えた板状の発電要素（２）が気密封止され、前記発電要素（２）に導通するリード部材（２８，２９）が前記電池容器（４）の外側に延出されたフィルム外装型電池（１）であって、
   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上下の前記フィルム外装材（３４）が貼り合わさって前記電池容器（４）内の気密を保持する融着代（１１）が前記発電要素（２）の周囲に沿って形成され、
   前記電池容器（４）の側面部（４ｆ）との間に隙間（ＨＳ）が形成されるように前記融着代（１１）が電池厚さ方向に折り曲げられており、
   その隙間（ＨＳ）に前記リード部材（２８，２９）が案内されていることを特徴とするフィルム外装型電池（１）。
2. 前記電池容器（４）には、多角形状を有する前記発電要素（２）のコーナに対応して前記融着代（１１）を内側方向に切欠いた切欠き部（４０〜４５）が設けられ、
   それら切欠き部（４０〜４５）が形成された位置における前記融着代（１１）の残存幅（ｄ_２）に応じて、該融着代（１１）を外周部分（１１ｂ）と内周部分（１１ａ）とに区分けする折り線（ＫＬ）が形成され、
   前記外周部分（１１ｂ）が前記電池容器（４）の側面部（４ｆ）と接する又は向かい合うとともに、前記内周部分（１１ａ）が電池板面方向に張り出すように調整されることにより前記隙間（ＨＳ）が形成されている請求項１記載のフィルム外装型電池（１）。
3. 多角形状の前記発電要素（２）の一辺から突出する形で電力取出部（５０，８０）が設けられ、
   前記電力取出部（５０，８０）に一端が接続され、他端が前記電池容器（４）の外側に延出された帯材（１２，１３）と、前記電池容器（４）の外側に延出された前記帯材（１２，１３）に接続された導線（２１，２２）とを含んで前記リード部材（２８，２９）が構成され、
   前記融着代（１１）は、正極（７）側の前記帯材（１２）と負極（１０）側の帯材（１３）との両側に前記隙間（ＨＳ）の入口が形成されるように折り曲げられており、
   正極（７）側の前記導線（２１）と負極（１０）側の前記導線（２２）とは、互いに反対方向に向かって延びて前記隙間（ＨＳ）の入口に個別に案内されている請求項１または２記載のフィルム外装型電池（１）。
4. 前記隙間（ＨＳ）に個別に案内された前記導線（２１，２２）の各々は、当該電池（１）における、前記帯材（１２，１３）の延出している側とは反対側で合流する形となっている請求項３記載のフィルム外装型電池（１）。
5. 前記発電要素（２）が、リチウム含有複合酸化物を活物質に持つ正極（７）と、リチウムの吸蔵・放出が可能な材料を活物質とする負極（１０）と、それら正極（７）と負極（１０）との間に介在するセパレータ（３）とを含むリチウムイオン二次電池（１）として構成された請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフィルム外装型電池（１）。
   

Images