JP2005108790A - 積層型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池外装内面の損傷による絶縁不良等の問題を生じないようにしながら、外装材のフランジ部の占有面積を減少させて、水分等のシール性を確保しつつ体積効率の向上を図れるようにする。
【解決手段】電池外装２を構成する上下一対の外装材２ａ，２ｂのフランジ部８に、互いに重ね合わされた状態で同一方向に屈曲する屈曲部９を形成する。この屈曲部９の形成位置は、上下一対の外装材２ａ，２ｂの熱溶着時に樹脂溜まり１０が形成されるフランジ部８の内周側端部から所定距離Ｌだけ離れた位置とし、この所定距離Ｌを屈曲部９の形成時に樹脂溜まり１０に対して荷重を与えない距離に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して積層して発電要素を構成し、この発電要素を電解質と共に、金属樹脂複合フィルムよりなる電池外装にて密封した構造の積層型電池に関する。

近年、リチウムイオン電池等の高出力型電池の開発が盛んに進められており、なかでも軽量化や薄型化を実現し得る高出力型電池として、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複数層積層して発電要素を構成した積層型電池が注目を集めている。

このような積層型電池としては、発電要素を収容する電池外装として、金属フィルムに樹脂層を積層してなるラミネートフィルム（本明細書においては、金属樹脂複合フィルムと称する。）を用いたものが知られている。この積層型電池では、金属樹脂複合フィルムよりなる上下一対の外装材をその外周部分のフランジ部にて熱溶着によって接合して電池外装とし、この電池外装の内部に発電要素を電解質と共に収容すると共に、発電要素の正極板に接続された正極タブと負極板に接続された負極タブとを電池外装の端縁から外部に引き出した構造とされている。

ところで、以上のような構造の積層型電池では、電池外装内部への水分等の侵入を確実に遮断するために、上下一対の外装材の熱溶着されるフランジ部の長さをある程度確保する必要があることから、その分、電池全体の外形形状が大型化して、体積エネルギ密度が低くなるといった問題が指摘されている。そして、このような問題への対策としては、熱溶着された上下一対の外装材のフランジ部を、内側に向かって折り畳んだり巻き込んだりすることで、フランジ部の占有面積を減少させる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２００５８５号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されている技術では、以下のような問題が生じることが分かってきた。すなわち、電池外装を構成する上下一対の外装材の熱溶着は、これらの外装材に用いる金属樹脂複合フィルムの樹脂材料を加熱により溶融させて混合させた後に固化させることで、上下一対の外装材を接合一体化させるものであるが、このとき、溶融した樹脂材料の一部はフランジ部の内周側端部に溜まってここで固化し、フランジ部の内周側端部に、いわゆる樹脂溜まりが形成されることになる。

そして、以上のようにフランジ部の内周側端部に樹脂溜まりが形成された状態で、上下一対の外装材のフランジ部を内側に向かって折り畳んだり巻き込んだりすると、樹脂溜まりに過大な荷重がかかって、その作用で電池外装の内面が傷付けられてしまう可能性があり、電池外装内面の傷が金属樹脂複合フィルムの金属フィルム部分にまで達すると、絶縁不良を招く要因となる。

本発明は、以上のような従来技術の有する問題点を解消すべく創案されたものであって、電池外装内面の損傷による絶縁不良等を招くことなく外装材のフランジ部の占有面積を減少させて、水分等のシール性を確保しつつ体積効率の向上を図ることができる積層型電池を提供することを目的としている。

本発明に係る積層型電池は、金属樹脂複合フィルムよりなる上下一対の外装材がその外周部分のフランジ部にて互いに熱溶着されることで形成される電池外装の内部に、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に複数層積層されてなる発電要素を電解質と共に収容した構造のものである。このような構造の積層型電池において、本発明では、前記目的を達成するために、以下のような構成を採用した。すなわち、熱溶着される上下一対の外装材のフランジ部に、互いに重ね合わされた状態で同一方向に屈曲する屈曲部を形成するようにした。また、上下一対の外装材の熱溶着時に樹脂溜まりが形成されるフランジ部の内周側端部と、フランジ部の屈曲部形成位置との間の距離を、屈曲部の形成時に樹脂溜まりに対して荷重を与えない距離に設定するようにした。

本発明によれば、電池外装を構成する上下一対の外装材のフランジ部に、互いに重ね合わされた状態で同一方向に屈曲する屈曲部を形成するようにしているので、フランジ部の長さを確保しながら、屈曲部を形成した分だけフランジ部の占有面積を減少させることができ、水分等のシール性を確保しつつ体積効率の向上を図ることができる。また、外装材のフランジ部における屈曲部形成位置は、この屈曲部の形成時に樹脂溜まりに対して荷重を与えない位置とされているので、樹脂溜まりに荷重を与えることに起因して電池外装内面を傷付けてしまうといった不都合を未然に回避することができ、電池外装内面が傷付けられた場合に懸念される絶縁不良等の問題を確実に防止することができる。

以下、本発明を適用した積層型電池の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用した積層型電池の一例を図１乃至図３に示す。図１は本例の積層型電池１の外観を示す斜視図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ断面図である。

この積層型電池は、発電要素として積層電極１を備え、この積層電極１が、電池外装２を構成する上下一対の外装材２ａ，２ｂの中央部間に配置されて、これら一対の外装材２ａ，２ｂによって厚み方向に挟み込むようにして、電解質と共に密封された構造となっている。

発電要素としての積層電極１は、図２に示すように、複数枚の正極板１Ａ及び負極板１Ｂがセパレータ１Ｃを介在しつつ順次積層されてなるものであり、その平面形状は略長方形とされている。この積層電極１を構成する各正極板１Ａは、正極リード３を介して一方の電極端子としての正極タブ４に接続されている。また、積層電極１を構成する各負極板１Ｂは、負極リード５を介して他方の電極端子としての負極タブ６に接続されている。電極端子となる正極タブ４及び負極タブ６は、電池外装２の長手方向の端縁から外部に引き出されている。

電池外装２を構成する上下一対の外装材２ａ，２ｂは、例えば、アルミニウム等よりなる金属フィルムを基材とし、この金属フィルムの内側にＰＥ（ポリエチレン）またはＰＰ（ポリプロピレン）等よりなる高分子樹脂層がコーティングされ、かつ前記金属層の外側にナイロン保護層が接着された金属樹脂複合フィルムよりなる。これら金属樹脂複合フィルムよりなる上下一対の外装材２ａ，２ｂは、積層電極１の形状に対応させて、この積層電極１よりも若干大きめの長方形のシート状に成形されており、これら上下一対の外装材２ａ，２ｂのうちの上側外装材２ａは、その中央部に積層電極１を収納する凹部７が設けられたカップ状とされ、下側外装材２ｂは、前記凹部７の開口部を覆うように平坦状とされている。

そして、本例の積層型電池を作製する際には、上側外装材２ａに設けられた凹部７内に積層電極１を電解質と共に収納した状態で、この凹部７を覆うように平坦状の下側外装材２ｂを配置して、これら上下一対の外装材２ａ，２ｂを、その外周部分に設けたフランジ部８にて熱融着する。これにより、上下一対の外装材２ａ，２ｂが一体化されて電池外装２とされ、この電池外装２によって積層電極１が電解質と共に密封された構造となる。

上下一対の外装材２ａ，２ｂの外周部分に設けたフランジ部８の長さは、外部から電池外装２の内部への水分等の侵入を確実に遮断できる長さに設定されている。すなわち、熱溶着される部分であるフランジ部８の長さが短いと、上下一対の外装材２ａ，２ｂの隙間を通って電池外装２内部に水分等が侵入する可能性があるので、フランジ部８の長さとしては、積層型電池の使用環境に応じて、電池外装２内部への水分の侵入等を確実に遮断できる長さ（例えば１０ｍｍ程度）が確保されている。

以上のように、上下一対の外装材２ａ，２ｂのフランジ部８の長さはある程度長く設定されているので、このフランジ部８を外側に張り出したままの形状とすると、積層型電池全体の中で発電に寄与しない部分であるフランジ部８の占有面積が大きくなり、その分、積層型電池の体積エネルギ密度の低下を招くことになる。そこで、本発明を適用した積層型電池では、図３に示すように、上下一対の外装材２ａ，２ｂのフランジ部８の所定位置に、互いに重ね合わされた状態で同一方向に屈曲する凸形状の屈曲部９を形成することで、フランジ部８の長さをある程度長く設定しながら、フランジ部８の占有面積を減少させるようにしている。このような構造とすることで、本発明を適用した積層型電池では、水分等のシール性を確保しつつ体積効率の向上を図ることができる。

具体的に説明すると、例えば、電池外装２の長手方向の長さを１８０ｍｍ、その端部から引き出される正極タブ４及び負極タブ６の長さをそれぞれ１０ｍｍ、電池外装２の短辺方向の長さを１００ｍｍ（そのうち、両端のフランジ部８の長さがそれぞれ１０ｍｍ）、電池厚さを５ｍｍとすると、図４（ａ）に示すようにフランジ部８を外側に張り出したままの形状の場合、電池容積は、２００（ｍｍ）×１００（ｍｍ）×５（ｍｍ）＝０．１（Ｌ）となる。ここで、電池容量が９Ｗｈであるとすると、その体積エネルギ密度は、９（Ｗｈ）／０．１（Ｌ）＝９０（Ｗｈ／Ｌ）となる。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、電池外装２の短辺方向両端部のフランジ部８の所定位置に凸形状の屈曲部９をそれぞれ形成し、その結果、電池外装２の短辺方向の長さが両端部においてそれぞれ４ｍｍずつ減少して９２ｍｍになったとすると、電池容積は、２００（ｍｍ）×９２（ｍｍ）×５（ｍｍ）＝０．０９２（Ｌ）となり、積層型電池の体積エネルギ密度は、９（Ｗｈ）／０．０９２（Ｌ）＝９７．８（Ｗｈ／Ｌ）となる。したがって、体積効率として８．６％の向上を実現することができる。

ところで、上下一対の外装材２ａ，２ｂをそのフランジ部８にて熱溶着して電池外装２とする場合、その熱溶着によって溶融した樹脂材料の一部がフランジ部８の内周側端部に溜まってここで固化し、この部分に図３に示したような樹脂溜まり１０が形成されることになる。このとき、樹脂溜まり１０が形成されたフランジ部８の内周側端部に近い位置に上述した屈曲部９を形成すると、屈曲部９の形成時に樹脂溜まり１０に荷重がかかって、その作用で電池外装２の内面が傷付けられてしまう可能性がある。そして、電池外装２の内面の傷が金属樹脂複合フィルムの金属フィルム部分にまで達すると、絶縁不良を招く要因となる。

そこで、本発明を適用した積層型電池では、図３に示すように、上下一対の外装材２ａ，２ｂの熱溶着時に樹脂溜まり１０が形成されるフランジ部８の内周側端部から所定距離Ｌだけ離した位置に、屈曲部９を形成するようにしている。そして、このフランジ部８の内周側端部と屈曲部９の形成位置との間の距離Ｌを、屈曲部９の形成時に樹脂溜まり１０に対して荷重を与えない距離（例えば、３〜４ｍｍ程度）に設定するようにしている。ここで、本例では、上下一対の外装材２ａ，２ｂのフランジ部８に形成する屈曲部９の形状を比較的なだらかな凸形状としている。したがって、このような凸形状の屈曲部９を形成する際の応力は、例えば、フランジ部８を内側に向かって折り畳んだり巻き込んだりした場合に発生する応力に比べて格段に小さくなるので、前記所定距離Ｌを比較的短い距離（例えば、３〜４ｍｍ程度）に設定することが可能である。

以上のように、本発明を適用した積層型電池では、屈曲部９の形成位置を樹脂溜まり１０が形成される箇所から所定距離Ｌだけ離間した位置に設定することで、屈曲部９の形成時に樹脂溜まり１０に荷重を与えることに起因して電池外装２の内面を傷付けてしまうといった不都合を未然に回避することができ、電池外装２の内面が傷付けられた場合に懸念される絶縁不良等の問題を確実に防止することができる。

なお、以上は、上下一対の外装材２ａ，２ｂのフランジ部８に形成する屈曲部９の形状を凸形状とした場合について説明したが、屈曲部９の形状は、フランジ部８の長さを確保しながらその占有面積を減少し得る形状であればどのような形状も採用可能であり、例えば、図５に示すような波形形状とすることも有効である。

この場合でも、フランジ部８の内周側端部と屈曲部９の形成位置との間の距離Ｌを、屈曲部９の形成時に樹脂溜まり１０に対して荷重を与えない距離に設定することで、電池外装２の内面の損傷やこれに起因する絶縁不良等の問題を回避することができる。また、屈曲部９の形状をなだらかな波形形状とすることで、波形形状の屈曲部９形成時に発生する応力を小さくできるので、フランジ部８の内周側端部と屈曲部９の形成位置との間の距離Ｌを比較的短い距離（例えば、３〜４ｍｍ程度）に設定することが可能である。

以上のような本発明を適用した積層型電池は、例えばリチウムイオン２次電池としての利用が可能である。この場合、積層電極１の正極板１Ａを形成している正極活物質として、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、リチウムコバルト複合酸化物等を含有したものが使用される。

また、積層電極１の負極板１Ｂを形成している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、石油コークス等のコークス類、グラファイト、ガラス状炭素、フェノール樹脂やフラン樹脂等を適当な温度で焼成して炭化した有機高分子焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック等の炭素質材料を使用することが可能である。その他、リチウムと合金を形成可能な金属、及びその合金等も使用可能である。

さらに、電解質としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のいわゆる電解液であってもよいし、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し、電解質塩を高分子中に溶解させたポリマー電解質であってもよい。

本発明を適用した積層型電池の外観を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ断面図である。 屈曲部の形成による体積効率向上について説明する図であり、（ａ）はフランジ部を外側に向かって張り出したままの積層型電池の外形寸法、（ｂ）はフランジ部に屈曲部を形成した積層型電池の外形寸法を示している。 屈曲部の形状の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 積層電極（発電要素）
１Ａ 正極板
１Ｂ 負極板
１Ｃ セパレータ
２ 電池外装
２ａ 上側外装材
２ｂ 下側外装材
８ フランジ部
９ 屈曲部
１０ 樹脂溜まり

Claims (3)

1. 金属樹脂複合フィルムよりなる上下一対の外装材がその外周部分のフランジ部にて互いに熱溶着されることで形成される電池外装の内部に、正極板と負極板とがセパレータを介して交互に複数層積層されてなる発電要素を電解質と共に収容した積層型電池において、
   熱溶着される上下一対の外装材のフランジ部に、互いに重ね合わされた状態で同一方向に屈曲する屈曲部が形成されていると共に、
   前記上下一対の外装材の熱溶着時に樹脂溜まりが形成される前記フランジ部の内周側端部と、前記フランジ部の屈曲部形成位置との間の距離が、前記屈曲部の形成時に前記樹脂溜まりに対して荷重を与えない距離に設定されていることを特徴とする積層型電池。
2. 前記上下一対の外装材のフランジ部に形成される屈曲部が凸形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
3. 前記上下一対の外装材のフランジ部に形成される屈曲部が波形形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。

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