JP2005141955A - Battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電要素をアルミラミネートシート等の外装体に収納した電池に関するものである。 The present invention relates to a battery in which a power generation element is housed in an exterior body such as an aluminum laminate sheet.
携帯用電子機器等では、発電要素を収納する外装体にアルミラミネートシートを用いることにより薄型軽量化を図った電池が従来から使用されている。図4は、2枚のアルミラミネートシート1,2の間に発電要素3を収納した非水電解質二次電池における正極リード端子4又は負極リード端子5の引き出し部分の従来の構成例を示す。アルミラミネートシート1,2は、ナイロン樹脂等からなるベースフィルム層11,21とアルミニウム箔からなるバリア性金属層12,22と熱可塑性樹脂からなるシーラント層13,23をラミネート状に積層したフレキシブルなシートである。正極リード端子4は、短冊状のアルミニウム箔からなり、発電要素3の一方の端面に突出する正極のアルミニウム箔に基部が超音波溶接され、負極リード端子5は、短冊状の銅箔からなり、発電要素3の他方の端面に突出する負極の銅箔に基部が超音波溶接されている。そして、これらのリード端子4,5は、先端部が上下のアルミラミネートシート1,2の周縁部の間を通して外部に突出する。また、上下のアルミラミネートシート1,2の周縁部は、リード端子4,5を挟んだまま上下から押圧加熱されることにより、シーラント層13,23の熱可塑性樹脂が溶融して熱溶着されるので、熱溶着部1b,2bを形成して内部を封止している。
In portable electronic devices and the like, batteries that are thin and light have been conventionally used by using an aluminum laminate sheet for an exterior body that houses a power generation element. FIG. 4 shows a conventional configuration example of a lead-out portion of the positive electrode lead terminal 4 or the negative
ここで、アルミラミネートシート1,2のシーラント層13,23は、厚さTsが0.025mm〜0.03mm程度の熱可塑性樹脂の層からなる。また、このようなアルミラミネートシート1,2を外装体に用いた従来の非水電解質二次電池は比較的小容量のものが多かったので、リード端子4,5を流れる電流も比較的小さいものであり、これらのリード端子4,5のアルミニウム箔や銅箔の厚さTtは、0.07mm〜0.1mm程度のものを用いていた。そして、このように薄いリード端子4,5を用いる場合には、アルミラミネートシート1,2の熱溶着部1b,2bも、これらのリード端子4,5を挟んだ部分でシート間が僅かに広がるだけなので、0.025mm〜0.03mm程度の厚さTsのシーラント層13,23でも十分に確実な封止を行うことができた。
Here, the
ところが、最近では、非水電解質二次電池の容量等の増加に伴って、リード端子4,5に用いるアルミニウム箔や銅箔の厚さTtを従来に比べて極めて厚いものにしたいという要請が強まっている。即ち、具体的には、リード端子4,5の厚さTtを0.15mmよりも厚く0.5mmよりも薄いものにしたいという要請がある。そして、このようにリード端子4,5を極めて厚くすると、従来と同様の0.025mm〜0.03mm程度の厚さTsの薄いシーラント層13,23を備えたアルミラミネートシート1,2を用いたのでは、このリード端子4,5を挟んだ熱溶着部1b,2bの封止が不十分になったり、このリード端子4,5がバリア性金属層12,22に接触して短絡を生じる場合があるという問題が発生していた。
However, recently, with the increase in capacity of nonaqueous electrolyte secondary batteries, there has been a demand to make the thickness Tt of the aluminum foil and copper foil used for the
即ち、リード端子4,5の厚さTtが従来よりも極めて厚い0.15mm〜0.5mmになると、シーラント層13,23の厚さTsが従来のままの0.025mm〜0.03mmである場合に、これら上下のシーラント層13,23の各厚さTsを合わせた全体の厚さ2Tsが、リード端子4,5の厚さTtの10%〜40%となって、リード端子4,5の厚さTtに比べシーラント層13,23の厚さTsが極めて薄いものとなる。しかも、アルミラミネートシート1,2の熱溶着部1b,2bでは、極めて厚いリード端子4,5を挟んだ部分でシート間が上下に大きく広がるので、これらのリード端子4,5の側面にアルミラミネートシート1,2が十分に沿わなくなる。このため、シーラント層13,23が熱溶着により溶融しても、リード端子4,5の側面との隙間を十分に埋めることができず、僅かな隙間が残るおそれが生じる。また、リード端子4,5の厚さTtが厚いと、熱溶着の際にアルミラミネートシート1,2に加えた熱が熱伝導性の良いこのリード端子4,5のアルミニウム箔や銅箔を通じて大量に放熱されるので、これらのリード端子4,5付近では熱量が不足してシーラント層13,23が十分に溶融せずにこのリード端子4,5との間が剥離し易くなる。さらに、リード端子4,5の厚さTtが厚いと、これらのリード端子4,5の側端部で上下のアルミラミネートシート1,2が大きく湾曲するので、薄いシーラント層13,23の樹脂が熱溶着により溶融流動して別の場所に流れ出すことにより、バリア性金属層12,22が露出するようになり、リード端子4,5の側端部等が直接接触するおそれが生じる。特に、上記封止が不十分になるのを防止するために、熱溶着の際に大きな熱量を加えると、シーラント層13,23の樹脂が流出し易くなり、リード端子4,5とバリア性金属層12,22との接触が生じ易くなる。
That is, when the thickness T t of the
なお、上下のアルミラミネートシート1,2のシーラント層13,23を合わせた厚さ2Tsをリード端子4,5の厚さTtよりも厚くする提案が従来からなされている(例えば、特許文献1,2参照。)。例えば特許文献1に記載の発明では、リード端子4,5の厚さTtを約1.026Tt<2Ts<10Ttの関係を満たすように提案し、特許文献2に記載の発明では、シーラント層13,23の厚さTsを1.0Tt<2Tsの関係を満たすように提案している。
Note that proposals thicker than the thickness T t of the upper and lower aluminum laminate thickness combined
しかしながら、リード端子4,5の厚さTtが上記のように0.15mmより厚い場合に、上下のシーラント層13,23を合わせた厚さ2Tsがこのリード端子4,5の厚さTtを超えると、各シーラント層13,23の厚さTsが極めて厚くなるので、上下のアルミラミネートシート1,2が重なり合った熱溶着部1b,2bの端面に、これらのシーラント層13,23の端面が幅広く露出することになる。そして、この外部に露出する端面は、バリア性金属層12,22を介することなく、シーラント層13,23の樹脂だけを介してアルミラミネートシート1,2の内部に通じるので、この端面の層厚が厚くなるほどバリア性が低下することになる。特に非水電解質二次電池の場合には、内部に水分が浸入するとガスが発生するために、水分に対する確実なバリア性を要求される。従って、リード端子4,5の厚さTtが0.15mmを超えるような場合には、特許文献1,2の発明を採用することができなかった。
本発明は、リード端子が極めて厚い場合に、ラミネートシートの熱溶着による封止が不十分になったり、このリード端子がラミネートシートのバリア性金属層に接触して短絡を起こすおそれがあるという問題を解決しようとするものである。 The present invention has a problem that when the lead terminal is very thick, sealing by heat welding of the laminate sheet may be insufficient, or the lead terminal may contact the barrier metal layer of the laminate sheet and cause a short circuit. Is to solve.
請求項1の発明は、金属層の内側に熱可塑性樹脂層が形成されたラミネートシートからなる外装体に発電要素を収納し、外装体同士の接合部分からリード端子を引き出した電池において、リード端子の厚さTtが0.15mm<Tt<0.5mmの範囲内のものを用いると共に、熱可塑性樹脂層の厚さTsが0.8Tt<2Ts<1.0Ttの関係を満たすことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a battery in which a power generating element is housed in an exterior body made of a laminate sheet having a thermoplastic resin layer formed inside a metal layer, and the lead terminal is drawn out from a joint portion between the exterior bodies. the thickness T t together with used within the scope of 0.15mm <T t <0.5mm of thickness T s of the thermoplastic resin layer is a relationship of 0.8T t <2T s <1.0T t It is characterized by satisfying.
請求項1の発明によれば、ラミネートシートの熱可塑性樹脂層の厚さ2Tsがリード端子の厚さTtの80%を超える十分な厚さを有するので、厚さTtが0.15mm〜0.5mmの極めて厚いリード端子をラミネートシートで挟んで熱溶着しても、この熱可塑性樹脂層の樹脂が溶融してリード端子の側面等にも十分に回り込み確実に封止することができるようになる。しかも、この熱可塑性樹脂層は十分な厚さを有するので、熱溶着の溶融により層厚が薄くなりすぎてリード端子と金属層とが接触して短絡を起こすようなおそれもなくなる。さらに、この双方の熱可塑性樹脂層の厚さ2Tsは、リード端子の厚さTtよりも薄くしているので、ラミネートシートの端面に露出する層厚が厚くなりすぎてバリア性が低下するようなこともなくなる。
According to the invention of
以下、本発明の最良の実施形態について説明する。 Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described.
本実施形態では、従来例と同様に、2枚のアルミラミネートシート1,2の間に発電要素3を収納した非水電解質二次電池について説明する。図1に示すように、この非水電解質二次電池の外装体として用いられるアルミラミネートシート1,2も、ベースフィルム層11,21とバリア性金属層(金属層)12,22とシーラント層(熱可塑性樹脂層)13,23をラミネート状に積層したフレキシブルなシートである。ベースフィルム層11,21は、非水電解質二次電池の外装体としてのアルミラミネートシート1,2の最外層を覆うことになるため、ナイロン樹脂やPET(ポリエチレンテレフタレート)等の強度のある樹脂が用いられる。ただし、このベースフィルム層11,21は、シートの強度を確保することができるものであれば構成は任意であり、他の樹脂を用いたり樹脂以外のものを用いることができ、樹脂等を積層したものを用いることもできる。バリア性金属層12,22は、樹脂だけでは不十分な水分やガス等に対するバリア性を確実にするための金属層であり、アルミニウム箔を用いる他にアルミニウム蒸着膜等を用いることもできる。特に非水電解質二次電池では、内部に水分が浸入するとガスが発生するために、水分に対する確実なバリア性が要求され、非水電解質に対するバリア性も必要となる。シーラント層13,23は、PP(ポリプロピレン)やPE(ポリエチレン)等の熱可塑性樹脂を用いることにより、これらを重ね合わせて熱溶着し封止できるようにした層である。ただし、本実施形態では、後に説明するように、このシーラント層13,23の厚さを従来のものよりも厚くしている。
In the present embodiment, a nonaqueous electrolyte secondary battery in which the power generation element 3 is housed between two
上記2枚のアルミラミネートシート1,2は、図2及び図3に示すように、方形の同じ大きさのものをシーラント層13,23同士が接するように上下に重ねて用いる。また、これら2枚のアルミラミネートシート1,2は、間に収納する発電要素3の形状に合わせて、事前に中央の大部分に絞り加工によって内面側が凹状に窪んだ発電要素収納部1a,2aが形成されている。即ち、上方のアルミラミネートシート1には、シーラント層13のある下面から上方に向けて凹状となった発電要素収納部1aが形成され、下方のアルミラミネートシート2には、シーラント層23のある上面から下方に向けて凹状となった発電要素収納部2aが形成されている。ただし、発電要素収納部1a,2aを同じ形状にすれば、2枚のアルミラミネートシート1,2は共通部品とすることは可能である。なお、このような発電要素収納部1a,2aは、上下のアルミラミネートシート1,2の片方にのみ形成してもよいし、発電要素3が十分に薄ければ、双方共にに形成しなくてもよい。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the two
本実施形態の非水電解質二次電池の発電要素3は、正極と負極をセパレータを介して円筒形に巻回したものを側面から押し潰して扁平状の長円筒形に成形したものを用いている。正極は、帯状のアルミニウム箔の表面に正極活物質を塗布したものであり、負極は、帯状の銅箔の表面に負極活物質を塗布したものである。もっとも、これら正極と負極は、帯状の側縁部に活物質の未塗布部を設けておき、発電要素3として巻回したときに、巻回軸方向(前後方向)の前方側の端部に正極の未塗布部であるアルミニウム箔を突出させると共に、後方側の端部に負極の未塗布部である銅箔を突出させるようにしている。そして、この発電要素3の前方の端面に突出するアルミニウム箔には、正極リード端子4の後方の基部を超音波溶接すると共に、後方の端面に突出する銅箔には、負極リード端子5の前方の基部を超音波溶接している。正極リード端子4は、短冊状のアルミニウム箔等からなり、負極リード端子5は、短冊状の銅箔等からなる。従って、この発電要素3は、前方の端面からさらに前方に向けて正極リード端子4の先端部が突出すると共に、後方の端面からさらに後方に向けて負極リード端子5の先端部が突出することになる。
The power generation element 3 of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment uses a positive electrode and a negative electrode wound in a cylindrical shape through a separator and is crushed from the side surface and formed into a flat long cylindrical shape. Yes. The positive electrode is obtained by applying a positive electrode active material to the surface of a strip-shaped aluminum foil, and the negative electrode is obtained by applying a negative electrode active material to the surface of a strip-shaped copper foil. However, when the positive electrode and the negative electrode are provided with an uncoated portion of the active material on the belt-like side edge portion and wound as the power generation element 3, the positive electrode and the negative electrode are formed at the front end portion in the winding axis direction (front-rear direction). The aluminum foil that is the uncoated portion of the positive electrode is protruded, and the copper foil that is the uncoated portion of the negative electrode is protruded from the rear end portion. The aluminum foil protruding on the front end face of the power generating element 3 is ultrasonically welded to the rear base of the positive electrode lead terminal 4, and the copper foil protruding on the rear end face is connected to the front of the negative
本実施形態では、図1に示すように、上記リード端子4,5のアルミニウム箔や銅箔の厚さを従来例のものよりも極めて厚くしている。即ち、これらのリード端子4,5の厚さTtは、0.15mmより厚く0.5mmより薄いものを用いる(0.15mm<Tt<0.5mm)。リード端子4,5をこのように厚くすると、断面積が広くなり電流容量を増加させることができるので、発電要素3から大きな電流を取り出すことが可能となる。一般に発電要素3の電池容量が大きくなると、充放電電流が大きくなることが多いので、このようにリード端子4,5を厚くして電流容量を増加させる必要が生じる。もっとも、発電要素3の容積や電池容量が同じでも、正極と負極の活物質を薄く塗布して巻回数を大きくし対向面積を増大させることにより大電流を取り出せるようにすることもあり、この場合にもリード端子4,5を厚くして電流容量を増加させる必要が生じる。また、このようにリード端子4,5を厚くすると、これらリード端子4,5の電気抵抗が減少するので、充放電電流の損失を低減して充放電効率を高めることもできる。さらに、リード端子4,5自体の機械強度も高まるので、電池が外部から振動や衝撃を受けて、これらのリード端子4,5に強い応力等が加わった場合にも、破損し難くすることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the thickness of the aluminum foil or copper foil of the
本実施形態のアルミラミネートシート1,2は、上記の極めて厚いリード端子4,5に対応して、シーラント層13,23のそれぞれの厚さTsをこれらのリード端子4,5の厚さTtの40%より厚く50%より薄いものにしている。つまり、図1に示すように、リード端子4,5は、上下のアルミラミネートシート1,2のシーラント層13,23に挟まれた状態となるので、上方のアルミラミネートシート1のシーラント層13の厚さTsと下方のアルミラミネートシート2のシーラント層23の厚さTsとを加えた厚さ2Tsがリード端子4,5の厚さTtの80%より厚く100%よりも薄いものにしている(0.8Tt<2Ts<1.0Tt)。
発電要素3は、これら上下2枚のアルミラミネートシート1,2の間の発電要素収納部1a,2aに嵌まり込んで収納される。従って、これら上下のアルミラミネートシート1,2は、図2及び図3に示すように、発電要素3を挟んだ状態で周縁部が重なり合うことになる。また、この発電要素3のリード端子4,5は、上下のアルミラミネートシート1,2の前方と後方の周縁部が重なり合った間から外部に引き出される。このようにしてアルミラミネートシート1,2を重ね合わせると、周縁部を上下から押圧しながら加熱する。すると、上下のシーラント層13,23同士が溶融して熱溶着されるので、これら2枚のアルミラミネートシート1,2の周縁部が全周にわたって熱溶着部1b,2bとなって一体化し、発電要素3が収納された内部が封止される。しかも、前後の熱溶着部1b,2bでは、2枚のアルミラミネートシート1,2の間にリード端子4,5を挟んだままシーラント層13,23が溶融するので、これらのリード端子4,5を内部から外部に引き出した状態で封止することができる。
The power generation element 3 is fitted and stored in the power generation
なお、実際には、アルミラミネートシート1,2の周縁部の熱溶着部1b,2bは、全周にわたって一度に熱溶着するのではなく、周縁部の一部だけ注液口として開口したまま残しておき、ここから非水電解液を注入する。そして、この注液口は、非水電解質二次電池の予備充電を行った後に熱溶着により封止される。また、リード端子4,5は、図2及び図3に示すように、この熱溶着時に金属と樹脂との界面を確実に馴染ませて封止するために、事前にアルミラミネートシート1,2に挟まれる部分に薄いタブフィルム6を熱溶着させている。これは、リード端子4,5の表面に予めこのタブフィルム6を十分に熱を加えて確実に熱溶着させておくことにより、アルミラミネートシート1,2の熱溶着条件ではリード端子4,5の金属とシーラント層13,23とが十分に馴染まないおそれが生じるのを防ぐためである。即ち、アルミラミネートシート1,2の熱溶着条件は、基本的には重なり合ったシーラント層13,23同士が確実に溶着されるような押圧力や温度(熱量)に設定されるので、間に熱伝導性の良いリード端子4,5が挟まると、金属面に十分に馴染むための温度が不足することがある。しかし、事前にタブフィルム6が金属面に十分に馴染んでいれば、シーラント層13,23がこのタブフィルム6に馴染んで溶着することは容易であるため、温度が不足するようなことはなくなる。このタブフィルム6の材質は、シーラント層13,23と同様の熱可塑性樹脂を用いる。ただし、このタブフィルム6は極めて薄いものであるため、図1や図4では断面図の表示を省略している。
Actually, the heat-welded
上記熱溶着の結果、図1に示すように、リード端子4,5の短冊状のアルミニウム箔や銅箔の上下面に上下のアルミラミネートシート1,2のシーラント層13,23が溶融密着して封止される。また、これらのリード端子4,5の左右の側方は、上下のシーラント層13,23同士が重なり合って直接溶着されるので、この部分も確実に封止される。しかも、これらのシーラント層13,23は、それぞれの厚さTsを加えた厚さ2Tsがリード端子4,5の厚さTtの80%よりも厚いので、溶融した樹脂がこれらのリード端子4,5の左右の側面にも十分に回り込んで、これらのリード端子4,5の側縁部も確実に封止することができる。さらに、これらのシーラント層13,23が十分な厚さを有していることにより、熱溶着の際に溶融して層厚が多少薄くなったとしても、リード端子4,5がバリア性金属層12,22に接触するようなおそれもなくなる。さらに、これらのシーラント層13,23は、両者を合わせた厚さ2Tsがリード端子4,5の厚さTtよりは薄くなるようにしているので、熱溶着部1b,2bの端面に露出するシーラント層13,23の厚さTsが厚くなりすぎてバリア性が低下するようなこともなくなる。なお、図1では、シーラント層13,23の厚さTsが、熱溶着部1b,2bにおいても、他の部分と同じ厚さとなるように表されているが、実際には熱溶着によって溶融するのである程度薄くなっている。
As a result of the above heat welding, as shown in FIG. 1, the sealant layers 13 and 23 of the upper and lower
なお、上記実施形態では、2枚のアルミラミネートシート1,2を重ね合わせる場合を示したが、例えば1枚のアルミラミネートシートを2つ折りにしたり、封筒のように両端部と中央部で重ね合わせるようにした間に発電要素を収納してもよく、予め袋状にしたアルミラミネートシートの中に発電要素を収納することもできる。そして、このようにアルミラミネートシートを周縁部以外の端部で重ね合わせて熱溶着する場合には、リード端子4,5を、この周縁部以外の端部の熱溶着部から引き出すようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、バリア性金属層12,22にアルミニウム箔やアルミニウム蒸着膜等を用いたアルミラミネートシートを用いる場合を示したが、バリア性を確保することができるラミネートシートであれば、このバリア性金属層12,22の金属材料は任意である。
In addition, although the case where the two
また、上記実施形態では、長円筒形に成形した巻回型の発電要素3を示したが、この発電要素3の構成は任意であり、最初から長円筒形や楕円形に巻回したものを用いたり、積層型のものを用いることもでき、必ずしも扁平状のものでなくてもよい。さらに、上記実施形態では、この発電要素3の両方の端面からリード端子4,5を引き出す場合を示したが、片方の端面から正負両極のリード端子4,5を共に引き出すようにしてもよく、端面以外の部分、例えば電極の巻回終端部等から引き出すこともできる。
Moreover, in the said embodiment, although the winding type electric power generation element 3 shape | molded by the long cylindrical shape was shown, the structure of this electric power generation element 3 is arbitrary, and what was wound by the long cylindrical shape or the ellipse from the beginning is used. It can also be used, or a laminated type can be used, and it does not necessarily have to be flat. Furthermore, although the case where the
また、上記実施形態では、特に水分に対する確実なバリア性が要求される非水電解質二次電池について示したが、他の電池の場合にもガスや水分等に対する高いバリア性は要求されるので、この電池の種類は必ずしも限定されない。 In the above embodiment, a non-aqueous electrolyte secondary battery that requires a particularly reliable barrier property against moisture is shown, but a high barrier property against gas, moisture, and the like is also required for other batteries. The type of this battery is not necessarily limited.
上記実施形態の非水電解質二次電池において、リード端子4,5の厚さTtを0.3mmとし、アルミラミネートシート1,2のシーラント層13,23の厚さTsを0.105mm(0.7Tt=2Ts)及び0.165mm(1.1Tt=2Ts)とした2種類の比較例と、シーラント層13,23の厚さTsを0.135mm(0.9Tt=2Ts)とした実施例とを比較した結果、シーラント層13,23の厚さTsを0.105mmとした比較例では、このシーラント層13,23が薄いために封止が不完全になる場合があったり、リード端子4,5がバリア性金属層12,22に接触する場合が生じ、シーラント層13,23の厚さTsを0.165mmとした比較例では、このバリア性金属層12,22が厚いために水分バリア性が低下しすぎる場合があったが、シーラント層13,23の厚さTsを0.135mmとした実施例では、十分な封止とバリア性が得られると共にリード端子4,5がバリア性金属層12,22に接触するようなことも生じなかった。
In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the above embodiment, the thickness T t of the
1 アルミラミネートシート
12 バリア性金属層
13 シーラント層
2 アルミラミネートシート
22 バリア性金属層
23 シーラント層
3 発電要素
4 正極リード端子
5 負極リード端子
DESCRIPTION OF
Claims (1)
リード端子の厚さTtが
0.15mm<Tt<0.5mm
の範囲内のものを用いると共に、熱可塑性樹脂層の厚さTsが
0.8Tt<2Ts<1.0Tt
の関係を満たすことを特徴とする電池。 In a battery in which a power generation element is housed in an exterior body made of a laminate sheet in which a thermoplastic resin layer is formed inside a metal layer, and lead terminals are drawn out from a joint portion between the exterior bodies,
Lead terminal thickness T t is 0.15 mm <T t <0.5 mm
With use within the scope of, the thickness T s of the thermoplastic resin layer is 0.8T t <2T s <1.0T t
A battery characterized by satisfying the above relationship.
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