JP2006324174A - フィルム外装型電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 封止機能を低下させることなく、安全弁動作が安定したフィルム外装型のフィルム外装型電池を提供すること。
【解決手段】 帯状の集電体上に活物質層を形成した正極電極と負極電極とをセパレータを介して対向させ積層した電池要素１４を内包し外装フィルムで被装され、その外装フィルムの外縁部には熱融着により帯状の外縁融着部１１が形成されたフィルム外装型電池であり、外縁融着部１１の一部には、線状の融着部が交叉するように形成されたメッシュ状の封止部からなる安全弁部１２が形成されている。また、その線状の融着部の幅は外縁融着部１１の融着幅の１／４〜１／６である。
【選択図】 図１
Description
本発明は、封止能力を低下させることなく、安定に動作する安全弁を有するフィルム外装型電池に関するものである。
積層型フィルム外装型電池は、金属箔などからなる集電体上に活物質層を形成したシート状の正極電極と負極電極とをセパレータを介して積層した積層体を外装材で覆い封口する構造で構成される。
図５は、従来例のフィルム外装されたリチウムイオン二次電池（フィルム外装型電池）の平面図である。図５（ａ）は安全弁なしの従来例１を示し、５１ａはフィルム外装の熱融着部分を示し、電池要素５２を囲むように帯状に熱融着され封止されている。そのため異常発生時のガス発生により外装体の膨張が起こり破裂に至るような場合に、破裂場所は予測ができないという問題があった。
図５（ｂ）に示すような、フィルム外装の熱融着部分の一部に非融着部分を設けて安全弁とする従来例２については、特許文献１に開示されている。すなわち、熱融着部の一部に半円形の非融着部５３を設けて熱融着幅を近傍部より狭くして安全弁とする手段が提案されている。封止能力を確保するため熱融着部分５１ｂの面積をある程度確保しなければいけないため、異常時における安全弁動作圧力にばらつきが生じる問題があった。
フィルムを外装体とするフィルム外装電池では、圧力安全弁を設けることが構造上難しいため、異常時の発生ガスにより外装体の膨張が起こり、破裂にいたるような場合に電池を搭載している電子機器の損傷を引き起こしてしまう問題があった。これにより外装ケースの熱融着部分に封止性を損なうことなく、安全弁を設ける技術が求められていた。
上述した特許文献１に係るラミネート外装型フィルム外装型電池では、図５(ｂ)に示すように熱融着部の一部に半円形の非融着部を設けて熱融着幅を近傍部よりも狭くし安全弁としているが、封止機能確保のため、その熱融着幅を非融着部分で近傍部の１／３〜２／３としている。非融着部分が１／３の場合、封止機能は十分確保できるが融着部分の面積が比較的大きいため融着強度が強く、またばらつきが大きいため内圧上昇時の圧力弁動作が不安定になる問題があった。また動作安定のため非融着部分を２／３とすると封止機能が損なわれ液漏れが発生する問題があった。これにより外装ケースの熱融着部分に封止性を損なうことなく、安全弁を設ける技術が求められていた。
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、金属箔などからなる集電体上に活物質層を形成したシート状の正極電極と負極電極とセパレータを介して積層した積層体をラミネート外装材で覆い封口する構造のフィルム外装型電池において、封止機能を劣化させることなく、安全弁動作が安定しているフィルム外装型電池を提供することにある。
上記目的を達成するための第１の発明のフィルム外装型電池は、帯状の集電体上に活物質層を形成した正極電極と負極電極とをセパレータを介して対向させ積層した電池要素を内包し外装フィルムで被装され、前記外装フィルムの外縁部には融着により帯状の外縁融着部が形成されたフィルム外装型電池において、前記外縁融着部の一部には、線状の融着部が交叉するように形成されたメッシュ状の封止部からなる安全弁部が形成されたことを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明のフィルム外装型電池において、前記線状の融着部の幅が前記外縁融着部の融着幅の１／４〜１／６であることを特徴とする。
第３の発明のフィルム外装型電池は、帯状の集電体上に活物質層を形成した正極電極と負極電極とをセパレータを介して対向させ積層した電池要素を内包し外装フィルムで被装され、前記外装フィルムの外縁部には融着により帯状の外縁融着部が形成されたフィルム外装型電池において、前記外縁融着部の一部には、融着部と非融着部とが交互にストライプ状に形成された封止部からなる安全弁部が形成されたことを特徴とする。
第４の発明は、第３の発明のフィルム外装型電池において、前記安全弁部での融着部の１本の幅が、前記外縁融着部の融着幅の１／５〜１／１０であることを特徴とする。
第５の発明は、第３または第４のフィルム外装型電池において、前記外縁融着部の内周の一部分には非融着部が形成されるように前記安全弁部の融着部の最も内部側の１本での内側の端は前記外縁融着部の内周よりも外側にあり、前記安全弁部の融着部の最も外部側の１本での外側の端は前記外縁融着部の外周と同一線上にあることを特徴とする。
本発明に係るフィルム外装型電池によれば、外装フィルムの融着部分の一部にメッシュ状またはストライプ状の融着部を有することで、異常発生時の発生ガスにより外装体の膨張が起こった場合、メッシュ部分の融着が剥離するか、ストライプ状の融着部分が剥離することで電池内部と外気がつながり内部のガスが外部へと排出され電池の破裂や意図しない方向へのガス噴出が防止でき、その噴出が起きる内圧のばらつきの少ない、フィルム外装型電池を提供できる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る積層型のフィルム外装型電池の内部透視図である。１１は外装フィルムの外縁融着部、１２は安全弁部、１３は端子、１４は収納された電池要素である。
図２は本発明に係る電池要素の断面図であり、２１は正極電極シート、２２はセパレータ、２３は負極電極シートである。
図３は本発明に係る外装用アルミラミネートフィルムの斜視図であり、３１ａはアルミラミネート凹加工側、３１bはアルミラミネートである。
まず、図２に示した電池要素から説明する。正極活物質層は、正極集電体たとえば厚さ２０μｍの帯状のアルミニウム箔からなる集電体上に正極活物質が形成された物である。コバルト酸リチウムからなる正極活物質に、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）からなる接着剤とアセチレンブラックからなる導電剤を添加してスラリー状となるように調整した調剤を正極集電体上の両面に塗布し、乾燥し、ロールプレス機により圧延することで正極活物質層が形成される。また、負極活物質層は、負極集電体たとえば厚さ１０μｍの銅箔からなる集電体上に負極活物質が形成された物である。グラファイト粉末からなる負極活物質をＰＶＤＦからなる接着剤とともにスラリー状となるよう調整した調剤を負極集電体上の両面に塗布し、乾燥し、ロールプレス機により圧延することで負極活物質層が形成される。正極電極シート２１と負極電極シート２３の間にはセパレータ２２としてポリエチレン不織布を介して所定の数量だけ対向させて積層させ電池要素を作製する。
外装フィルムについて、図３に示したアルミラミネート凹加工側３１ａは、たとえば、ナイロン／アルミ／ポリプロピレンの３層構造など多層構造のアルミラミネートフィルムであり、電池要素を収納するためフィルムに絞り加工による収納部をポリプロピレン側が凹状となるように設けた。上記電池要素をアルミラミネート凹加工側３１ａの電池要素収納部に収納し、もう一方のアルミラミネート３１ｂのフィルムで電池要素を覆い、接合部を重ね合わせて熱融着によって外装体の周囲３辺を融着する。
次に融着されていない１辺より電池要素収納部に電解液を注液した。注液後、真空にてその一部に融着部と非融着部で構成される熱融着部を併せ持つ融着ヘッドを有する熱融着機によって封止をおこない図１に示したフィルム外装型のリチウムイオン二次電池を作製する。
また、図１の安全弁部１２のメッシュ形の融着部に代えて、ストライプ状の融着部を形成するために、そのような融着ヘッドを有する熱融着機によって封止をおこない、外装フィルムの安全弁部および外縁融着部を形成してフィルム外装型のリチウムイオン二次電池を作製してもよい。なお、安全弁部１２の位置は、外縁融着部１１の短辺にあっても長辺にあってもよい。
（実施例１）次に、本発明の実施例１について詳細に説明する。本実施例のフィルム外装型電池の構造はすでに説明した図１と同様である。図４（ａ）は本実施例１に係る融着部と非融着部がメッシュ状に構成された熱融着された外装フィルムの安全弁部近傍の拡大図であり、４１ａは融着線部、４１ｂは非融着部、４１ｃは融着線重なり部、４１ｄは融着線部幅を示す。なお、図４（ａ）の図面の向きは、図１に対して９０°回転した向きに表示した。
外装フィルムの熱融着幅（外縁融着部の融着幅）に対し融着部の１本の線幅は１／４幅とし、融着部が交叉する融着線重なり部４１ｃが融着幅内に最低２カ所できるように融着ヘッドの寸法設定を行った。なお、線幅は１／４〜１／６の幅が好適であることがわかった。融着部の線幅が１／２〜１／３幅の場合、融着面積が大きくなり安全弁として有効に機能しなかった。１／６幅より小さくなると融着面積が小さくなり封止能力が低下し液漏れの原因となり電池が作製できないという状況があった。
上記融着ヘッドにて熱融着を行い作製した電池において、外部短絡などの異常発生において電池内部でガスが発生し外装体の膨張が発生すると、膨張による応力は融着部と非融着部の界面に集中する。そのため融着部の剥がれはメッシュ部分にて進行し剥がれが最外融着部分に達すると電池内部と外気がつながり電池内部で発生したガスは外部に放出される。非融着部を半円状とした場合より、非融着部近傍の融着部分の融着強度のばらつきが小さいため安全弁として安定した動作が得られた。
（実施例２）図４（ｂ）は本実施例２に係るストライプ状の融着部を有する安全弁部の近傍の拡大図であり、４２ａは融着線部、４２ｂは非融着部、４２ｄは融着線部幅を示す。本実施例においては、安全弁部に対する融着ヘッドの形状を融着部と非融着部が交互に連続するストライプ状となるようにした。融着部の１本の線幅は外縁融着部の融着幅に対し１／５幅とし融着幅内に４本融着するよう融着ヘッドの寸法設定を行った。この場合、線幅は１／５〜１／１０の幅で且つ、３本以上融着する条件が好適であることがわかった。線幅が１／４より太くなると３本以上のパターンでは融着面積が大きくなり安全弁として有効に機能しなかった。１／１０未満の細い線で３本のパターンでは封止能力が低下し液漏れの原因となり電池が作製できないという状況があった。
表１に従来例と本発明の実施例１、２での安全弁部の融着構造およびその近傍の融着強度に係る破壊圧力（安全弁動作時の内部圧力）を相対値で示す。
破壊圧力の標準偏差σは従来例では２．４４９であるのに対し、実施例１では０．８９４、実施例２では１．１４０であり、ばらつきの減少を確認できた。以上のように、メッシュ状またはストライプ状の融着部からなる安全弁部を外装フィルムの外縁融着部の一部に設けることにより、安定に動作する安全弁部を有するフィルム外装型電池を提供することができる。
１１ 外縁融着部
１２ 安全弁部
１３ 端子
１４，５２ 電池要素
２１ 正極電極シート
２２ セパレータ
２３ 負極電極シート
３１ａ アルミラミネート凹加工側
３１ｂ アルミラミネート
４１ａ，４２ａ 融着線部
４１ｂ，４２ｂ 非融着部
４１ｃ 融着線重なり部
４１ｄ，４２ｄ 融着線部幅
５１ａ，５１ｂ 熱融着部分
５３ 半円形の非融着部
１２ 安全弁部
１３ 端子
１４，５２ 電池要素
２１ 正極電極シート
２２ セパレータ
２３ 負極電極シート
３１ａ アルミラミネート凹加工側
３１ｂ アルミラミネート
４１ａ，４２ａ 融着線部
４１ｂ，４２ｂ 非融着部
４１ｃ 融着線重なり部
４１ｄ，４２ｄ 融着線部幅
５１ａ，５１ｂ 熱融着部分
５３ 半円形の非融着部
Claims (5)
- 帯状の集電体上に活物質層を形成した正極電極と負極電極とをセパレータを介して対向させ積層した電池要素を内包し外装フィルムで被装され、前記外装フィルムの外縁部には融着により帯状の外縁融着部が形成されたフィルム外装型電池において、前記外縁融着部の一部には、線状の融着部が交叉するように形成されたメッシュ状の封止部からなる安全弁部が形成されたことを特徴とするフィルム外装型電池。
- 前記線状の融着部の幅は前記外縁融着部の融着幅の１／４〜１／６であることを特徴とする請求項１記載のフィルム外装型電池。
- 帯状の集電体上に活物質層を形成した正極電極と負極電極とをセパレータを介して対向させ積層した電池要素を内包し外装フィルムで被装され、前記外装フィルムの外縁部には融着により帯状の外縁融着部が形成されたフィルム外装型電池において、前記外縁融着部の一部には、融着部と非融着部とが交互にストライプ状に形成された封止部からなる安全弁部が形成されたことを特徴とするフィルム外装型電池。
- 前記安全弁部での融着部の１本の幅は、前記外縁融着部の融着幅の１／５〜１／１０であることを特徴とする請求項３記載のフィルム外装型電池。
- 前記外縁融着部の内周の一部分には非融着部が形成されるように前記安全弁部の融着部の最も内部側の１本での内側の端は前記外縁融着部の内周よりも外側にあり、前記安全弁部の融着部の最も外部側の１本での外側の端は前記外縁融着部の外周と同一線上にあることを特徴とする請求項３または４記載のフィルム外装型電池。
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