JP2006338904A - Lithium primary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、柔軟性を有するペーパー型のリチウム一次電池に関する。 The present invention relates to a paper-type lithium primary battery having flexibility.
リチウムを負極に用いたリチウム一次電池は、自己放電がきわめて小さく長期保存にも安定した特性を示すため、低負荷でのバックアップ用途を中心に需要がある。中でも、下記特許文献1,2に開示されているものは通称ペーパー型電池と呼ばれ、ICカードやアクティブ型RFID等への需要拡大が見込まれている。
ISOまたはJISに規定されているICカードの試験項目には、カードを折り曲げて断線等の不具合が生じないかを調べる項目がある。ICカードに内蔵される電池に対しても、同じ折り曲げ試験が課される。 Among the test items for IC cards defined in ISO or JIS, there is an item for examining whether or not defects such as disconnection occur by bending the card. The same bending test is imposed on the battery built in the IC card.
ペーパー型のリチウム一次電池は、本質的には優れた柔軟性および耐屈曲性を有するが、折り曲げ試験を余裕でクリアできる耐屈曲性が求められる。もちろん、水蒸気遮断性等の他の特性の大幅な低下は許されない。本発明は、水蒸気遮断性等の他の特性を高レベルに維持しつつ、ペーパー型リチウム一次電池の耐屈曲性の更なる向上を図ることを目的とする。 A paper-type lithium primary battery essentially has excellent flexibility and bending resistance, but is required to have bending resistance that can clear the bending test with a margin. Of course, a significant decrease in other properties such as water vapor barrier properties is not allowed. An object of this invention is to aim at the further improvement of the bending resistance of a paper-type lithium primary battery, maintaining other characteristics, such as water vapor | steam barrier property, to high level.
上記課題を解決するために本発明のリチウム一次電池は、セパレータと、セパレータの一方の面側に配置された正極活物質層と、セパレータの他方の面側に配置されたリチウムを含有する負極活物質層と、それらセパレータ、正極活物質層および負極活物質層を包囲するシート状の枠部材と、枠部材の一方の開口を塞ぐようにその枠部材に接着され、セパレータとの間で正極活物質層を保持する正極集電体と、枠部材の他方の開口を塞ぐようにその枠部材に接着され、セパレータとの間に負極活物質層を保持する負極集電体とを備え、枠部材がゴム弾性を有する素材からなることを主要な特徴とする。 In order to solve the above problems, a lithium primary battery of the present invention includes a separator, a positive electrode active material layer disposed on one surface side of the separator, and a negative electrode active material containing lithium disposed on the other surface side of the separator. A material layer, a sheet-like frame member surrounding the separator, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, and a frame member bonded to the frame member so as to close one opening of the frame member. A frame member comprising: a positive electrode current collector that holds the material layer; and a negative electrode current collector that is bonded to the frame member so as to close the other opening of the frame member and holds the negative electrode active material layer between the separator and the frame member. Is made of a material having rubber elasticity.
上記本発明は、枠部材にゴム弾性を付与することにより、電池の耐屈曲性の向上を図ったものである。すなわち、繰り返しの折り曲げ操作を行なった場合でも、枠部材が弾性変形可能な範囲内であればシール破壊は生じない。また、枠部材がゴム弾性を有することにより、枠部材に固定される金属製の集電体に生ずる応力を緩和することができる。そのため、繰り返しの曲げ操作を行なった場合でも、集電体の塑性変形が抑制され、集電体に大きな凹凸(シワ)が生じにくくなる。電池に生じた凹凸はカードの表面に転写されてカードの美観を損ねたりするので、その凹凸が小さいことは好ましい。 In the present invention, the elasticity of the battery is improved by imparting rubber elasticity to the frame member. In other words, even when repeated folding operations are performed, seal breakage does not occur as long as the frame member is within a range in which it can be elastically deformed. Further, since the frame member has rubber elasticity, the stress generated in the metal current collector fixed to the frame member can be relaxed. Therefore, even when repeated bending operations are performed, plastic deformation of the current collector is suppressed, and large irregularities (wrinkles) are unlikely to occur in the current collector. Since the unevenness generated in the battery is transferred to the surface of the card and impairs the aesthetic appearance of the card, it is preferable that the unevenness is small.
ゴム弾性を有する素材としては、実質的に、エラストマーと、該エラストマーよりも水蒸気遮断性が高い樹脂(非エラストマー)とからなる複合樹脂を好適に使用することができる。リチウム一次電池に関して一般論を言えば、負極活物質であるリチウムが水と反応して負極の自己放電が生ずることが知られている。
2Li+2H2O=2LiOH+H2
もちろん、数ヶ月程度の短期間で自己放電の問題が表面化するというわけではない。しかしながら、リチウム一次電池の特徴の一つが数年におよぶ長期使用にも安定した性能を発揮できるという点にあることを考慮すれば、電池内部への水分透過の問題を避けて通れない。
As a material having rubber elasticity, a composite resin substantially composed of an elastomer and a resin (non-elastomer) having a higher water barrier property than the elastomer can be suitably used. In general terms regarding lithium primary batteries, it is known that lithium, which is a negative electrode active material, reacts with water to cause self-discharge of the negative electrode.
2Li + 2H 2 O = 2LiOH + H 2
Of course, the problem of self-discharge does not surface in a short period of several months. However, considering that one of the characteristics of a lithium primary battery is that it can exhibit stable performance even for long-term use over several years, the problem of moisture permeation into the battery cannot be avoided.
たとえば、コイン型のリチウム一次電池の場合には、金属製容器の加締め構造により電池内部の気密を保持するため、水蒸気透過の問題をあまり考慮せずに済む。ところが、本発明のリチウム一次電池のごとき構造を採用すると、シール材としての役割を担う枠部材を通じて電池内部に水分が浸入する可能性を完全には否定できない。したがって、枠部材の水蒸気遮断性は可能な限り高い方がよい。一方、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタラート等のある種の樹脂について言えば、水蒸気遮断性に優れることが知られている。これに対し、一般論としてエラストマーはポリプロピレン等に比べて水蒸気遮断性に劣る。そこで、ポリプロピレン等の水蒸気遮断性に優れる樹脂と、エラストマーとの含有比率を適切に調整した複合樹脂で枠部材を構成すれば、十分な水蒸気遮断性を維持しつつ電池の耐屈曲性を高めることが可能となる。 For example, in the case of a coin-type lithium primary battery, airtightness inside the battery is maintained by a caulking structure of a metal container, so that the problem of water vapor permeation is not much considered. However, if a structure such as the lithium primary battery of the present invention is adopted, the possibility of moisture entering the battery through the frame member serving as a sealing material cannot be completely denied. Therefore, the water vapor barrier property of the frame member is preferably as high as possible. On the other hand, it is known that certain types of resins such as polypropylene and polyethylene terephthalate have excellent water vapor barrier properties. On the other hand, as a general theory, elastomers are inferior in water vapor barrier properties to polypropylene and the like. Therefore, if the frame member is composed of a composite resin in which the content ratio of the elastomer and the resin having excellent water vapor barrier properties such as polypropylene is appropriately adjusted, the flexibility of the battery can be improved while maintaining sufficient water vapor barrier properties. Is possible.
好適な態様において、当該リチウム一次電池は平面視で長方形状のペーパー型リチウム一次電池であり、JIS X6301 に規定されたICカードに内蔵可能な寸法を有する。そして、当該リチウム一次電池の長辺方向または短辺方向平行な枠部材の長さをW(mm)、枠部材の厚さをd(mm)、枠部材を構成する複合樹脂素材の弾性限界をk、その複合樹脂素材に含有されるエラストマーの体積含有比率を100*J(%)としたとき、本発明のリチウム一次電池は下記不等式を満足する。ただし、“k”は、エラストマーの弾性限界である。“L”はJIS X6301 に規定されたICカードの短辺の長さを表わす。“h”はJIS X6321 に規定された試験条件でのICカードの短辺方向の折り曲げ量を表わす。“t”はICカードの厚さを表わす。
J>[{1+W2/((L2/(4h−t+d))(L2/(4h−t−d)))}1/2−1]/k
In a preferred embodiment, the lithium primary battery is a paper-type lithium primary battery having a rectangular shape in plan view, and has a size that can be built in an IC card defined in JIS X6301. The length of the frame member parallel to the long side direction or the short side direction of the lithium primary battery is W (mm), the thickness of the frame member is d (mm), and the elastic limit of the composite resin material constituting the frame member is k, when the volume content of the elastomer contained in the composite resin material is 100 * J (%), the lithium primary battery of the present invention satisfies the following inequality. However, “k” is the elastic limit of the elastomer. “L” represents the length of the short side of the IC card specified in JIS X6301. “H” represents the amount of bending in the short side direction of the IC card under the test conditions defined in JIS X6321. “T” represents the thickness of the IC card.
J> [{1 + W 2 / ((L 2 / (4h−t + d)) (L 2 / (4h−t−d)))}} 1/2 −1] / k
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図1に示すのは、本発明にかかる薄型電池の一実施形態であるリチウム一次電池の斜視図である。図2は図1中のA−A断面図である。リチウム一次電池1Aは全体として方形かつ板状であり、枠部材2,3、正極活物質層4、正極集電体6、負極活物質層5、負極集電体7およびセパレータ9を備える。正極集電体6および負極集電体7は、それぞれ、枠部材2,3の開口を塞ぐように該枠部材2,3に固定されてリチウム一次電池1Aの外装材を兼ねている。また、正極集電体6および負極集電体7は、それぞれ、電力取出部6t,7tを有する。電力取出部6t,7tは、リチウム一次電池1Aの厚さ方向に直交する面内において枠部材2,3よりも外側に延び出ている。シール材として機能する枠部材2,3は、窓枠のような形状を持つシート状の部品であり、リチウム一次電池1Aの柔軟性および耐屈曲性を向上させる目的で、ゴム弾性を有する薄い樹脂で構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view of a lithium primary battery which is an embodiment of a thin battery according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The
図2に示すごとく、枠部材2,3は、正極側枠部材2と負極側枠部材3とからなる。正極側枠部材2および負極側枠部材3は向かい合う面で相互に接着されている。枠部材2,3、正極集電体6および負極集電体7によって活物質充填室10が形成され、その活物質充填室10にセパレータ9、正極活物質層4および負極活物質層5を収容することにより電池本体部14が形成されている。活物質充填室10内は、大気圧よりも減圧された雰囲気である。また、セパレータ9とは反対側に位置するように、正極集電体6が正極側枠部材2に、負極集電体7が負極側枠部材3にそれぞれ接着されている。これにより、活物質充填室10の気密を保持するシール部11が形成されている。セパレータ9の周縁部9kを負極側枠部材3に固定することにより、活物質充填室10を正極活物質層4が配置された正極側と、負極活物質層5が配置された負極側とに分断している。活物質充填室10内において、正極集電体6とセパレータ9との間に正極活物質層4が保持され、負極集電体7とセパレータ9との間に負極活物質層5が保持されている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すごとく、正極側枠部材2の開口は負極側枠部材3の開口よりも広口であり、それら枠部材2,3が活物質充填室10内において段付形状を呈している。具体的には、面内方向において正極側枠部材2の開口の内周縁2hが負極側枠部材3の開口の内周縁3hよりも外側に位置している。そして、正極側枠部材2よりも内側に位置する負極側枠部材3の開口周縁部3aにセパレータ9を固定している。また、セパレータ9の外周縁9hが正極側枠部材2の開口の内周縁2hと負極側枠部材3の開口の内周縁3hとの間に位置する。そして、負極側枠部材3との境界をなす正極側枠部材2の主表面2p全体が負極側枠部材3との接着面となっている。なお、“面内方向”とは、リチウム一次電池1Aの厚さ方向に直交する方向のことである。
As shown in FIG. 2, the opening of the positive electrode
枠部材2,3の詳細な説明をする前に、それ以外の部品について説明する。
正極活物質層4は、たとえば60質量%以上70質量%以下の正極活物質と、1質量%以上5質量%以下の導電助剤と、25質量%以上35質量%以下の電解液とを含む正極合材で構成される。正極活物質としては、MnO2などリチウムと複合酸化物を形成する遷移金属酸化物の粉末を使用できる。導電助剤には、アセチレンブラック等のカーボン材料を使用できる。電解液としては、ジメトキシエタン(DME)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)などの有機溶媒にリチウム塩を溶解させたものを使用できる。
Before describing the
The positive electrode active material layer 4 includes, for example, 60% by mass or more and 70% by mass or less of a positive electrode active material, 1% by mass or more and 5% by mass or less of a conductive auxiliary agent, and 25% by mass or more and 35% by mass or less of an electrolytic solution. It consists of a positive electrode composite. As the positive electrode active material, a transition metal oxide powder that forms a composite oxide with lithium such as MnO 2 can be used. A carbon material such as acetylene black can be used for the conductive assistant. As the electrolytic solution, a lithium salt dissolved in an organic solvent such as dimethoxyethane (DME), ethylene carbonate (EC), or propylene carbonate (PC) can be used.
負極活物質層5はリチウム箔で構成されている。リチウム箔の代わりにリチウム合金箔(たとえばリチウム−アルミニウム合金)を使用することも可能である。正極活物質層4と負極活物質層5の各質量は、正極の電池容量が負極の電池容量よりも大となるように調整されている。これにより、完全放電後に負極活物質層5をなすリチウム箔が残存しないようにしている。
The negative electrode
集電体6,7とリード端子6t,7tの材質としては、銅、銅合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケルおよびニッケル合金からなる良導性金属群から選択される一種を好適に使用することができる。とりわけ、ステンレス鋼は加工性、耐食性、経済性に優れるので好適である。また、長期の安定性を得るには、集電体が電解液に溶出しないことが重要である。この点を考慮すると、ステンレス鋼は耐蝕性に優れるので好適である。たとえば、オーステナイト系ステンレス鋼として代表的なSUS301、SUS304、SUS316、SUS316Lや、析出硬化系ステンレス鋼として代表的なSUS631は、バネ性にも優れるのでその採用が推奨される。
As the material for the
セパレータ9は、正極と負極を隔離し且つ電解液が充分浸透する薄い膜であり、多孔質、多層構造を持つ。具体的には、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂からなる不織布が利用できる。本実施形態では、ポリエチレン製の多孔質シートをセパレータ9に採用している。
The
たとえば、ISO規格のICカード用にリチウム一次電池1Aを設計する場合、各部品の厚さは、下記の範囲内で調整するのが好適である。
・正極活物質層4…30μm以上300μm以下
・負極活物質層5…10μm以上150μm以下
・正極側枠部材2…30μm以上200μm以下(負極側枠部材3も同一厚さとすることができる)
・正極集電体6…10μm以上100μm以下(負極集電体7も同一厚さとしてよい)
・セパレータ9…10μm以上60μm以下
For example, when designing the lithium
・ Positive electrode active material layer 4 30 μm or more and 300 μm or less ・ Negative electrode
Positive electrode current collector 6: 10 μm or more and 100 μm or less (the negative electrode
・ Separator 9: 10 μm or more and 60 μm or less
次に、枠部材2,3について詳しく説明する。
図3に示すごとく、正極側枠部材2には、接着層12を介して正極集電体6が固定されている。同様に、負極側枠部材3には、接着層13を介して負極集電体7が固定されている。接着層12,13は、エチレンビニルアセテート(EVA)、エチレン・メタクリル酸共重合体(EMAA)、酸変性ポリエチレン(PE−a)、酸変性ポリプロピレン(PP−a)等のホットメルト型接着剤による層である。一般に、ICカード等のカード型簡易記憶媒体の素材は塩化ビニルが代表的であり、カード製造時に加える温度は110℃〜140℃と比較的高い。したがって、接着層12,13についても融点が適度に高い方がよく、たとえば酸変性ポリプロピレンが好適である。
Next, the
As shown in FIG. 3, the positive electrode
図3には、枠部材2,3と接着層12,13とを区別した形で示しているが、接着層12,13が枠部材2,3に含まれるものとして構成することも可能である。たとえば、正極側枠部材2となる樹脂シートに接着層12となる接着剤を塗布した、あるいは接着剤フィルムを貼り合わせた接着剤付き樹脂シートを電池組立に使用することにより、枠部材2,3と集電体6,7とを接合する接着層12,13を形成することができる。また、ホットメルト型接着剤を集電体6,7の外周部分に配置しておき、電池組立時にそのホットメルト型接着剤を溶融および固化することによって、枠部材2,3と集電体6,7とを接合する接着層12,13を形成するようにしてもよい。本実施形態では正極側枠部材2の厚さと負極側枠部材3の厚さと等しく設定しているが、異なる厚さに調整してもよい。また、枠部材2,3自身が金属との接着性を有する素材からなる場合には、接着層12,13を別途に設けることを要せず、枠部材2,3と集電体6,7とを直接に接着することが可能である。
In FIG. 3, the
次に、枠部材2,3の素材について説明する。枠部材2,3の素材としては、エラストマー(ゴム材料)と、そのエラストマーよりも水蒸気遮断性が高い樹脂とを含有する複合樹脂を好適に使用することができる。単純にゴム弾性を付与するだけであれば、枠部材2,3の全部をエラストマーで構成すればよいとも考えられる。しかしながら、その構成は実現が困難である。その理由は次の通りである。枠部材2,3に必要な特性として、水蒸気遮断性が高いこと、水素に対する透過性が適度にあること、空気(酸素、窒素、炭酸ガス)の遮断性が高いこと、有機電解液の蒸気の遮断性が高いこと、耐酸化還元性が高いこと、耐有機電解液性に優れること、シート材に容易に成形できること、比較的低温(150℃)で熱融着できること、絶縁材料であることが挙げられる。そうした特性を全てバランスよく備えたエラストマーを安価に入手することは容易でない。たとえば、水蒸気遮断性が比較的高いとされているブチルゴムであっても、最も水蒸気遮断性に優れる樹脂の一つであるポリプロピレンと比較すると、室湿室温条件で約10倍の開きがある。また、クロロスルホン化ポリエチレンのように酸化力の強い分子を導入したエラストマーは、リチウム一次電池の負極の還元力により劣化する可能性がある。ジエン系ゴムのように不飽和結合を有する場合には、リチウム一次電池の正極の酸化力により劣化する可能性がある。このような事情があるので、枠部材2,3の素材として、エラストマーと他の樹脂とを含有する複合樹脂を選択することが好ましい。
Next, the material of the
複合樹脂は、エラストマーに不足する特性を他の樹脂で補った樹脂である。複合樹脂に含有させるエラストマーの種類は特に問われないが、たとえばブタジエンゴム、イソプレンゴム、ジメチルブタジエンゴム、ハロプレンゴム、ポリアルキレンサルファイド、イソブチレン・ジエン共重合(ブチルゴム)、アルキル・シロキサン縮合物(シリコーンゴム)、フッ素系ゴム、ウレタン系ゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、オレフィン系ゴムおよびビニル系ゴムのグループから選択される一種類以上を使用することができる。これらのエラストマーは、架橋ゴムと区別して、熱可塑性エラストマーと呼称する場合もある。また、ポリビニールアルコールのように、一部のプラスチックを一軸方向に延伸することで、ゴム弾性を付与した樹脂を使用することも可能である。なお、枠部材2,3に要求される特性を考慮に入れると、最も推奨されるエラストマーの一つはブタジエンゴムである。
The composite resin is a resin in which the properties that the elastomer lacks are supplemented with other resins. The type of elastomer contained in the composite resin is not particularly limited. For example, butadiene rubber, isoprene rubber, dimethylbutadiene rubber, haloprene rubber, polyalkylene sulfide, isobutylene-diene copolymer (butyl rubber), alkyl-siloxane condensate (silicone rubber) One or more kinds selected from the group consisting of fluorine rubber, urethane rubber, chlorosulfonated polyethylene, olefin rubber and vinyl rubber can be used. These elastomers are sometimes referred to as thermoplastic elastomers, as distinguished from crosslinked rubber. Moreover, it is also possible to use a resin imparted with rubber elasticity by stretching a part of plastic in a uniaxial direction, such as polyvinyl alcohol. In consideration of the characteristics required for the
また、エラストマーと混合する他の樹脂としては、たとえばポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリシロキサン系樹脂、ポリアミド系樹脂、AS樹脂、ABS樹脂およびフッ素系樹脂のグループから選択される一種以上の樹脂を使用することができる。熱硬化性か熱可塑性かは特に問わないが、枠部材2,3に要求される特性を考慮して選ぶべきである。また、安価であることも工業生産上重要である。こうした要件をバランスよく満足する樹脂の一つとしては、ポリオレフフィン系樹脂、特にポリプロピレンを推奨することができる。
The other resin mixed with the elastomer is, for example, one selected from the group of polyolefin resins, polyester resins, polyurethane resins, polysiloxane resins, polyamide resins, AS resins, ABS resins, and fluorine resins. The above resins can be used. Although it does not ask | require in particular whether it is thermosetting or thermoplasticity, it should select in consideration of the characteristic requested | required of the
また、エラストマーと、他の樹脂とを複合させる方法としては、両者を共重合する方法、架橋させる方法、溶融混合して相互に分散させる方法等がある。また、微粉末によるメカニカルマシーニングも考え得る。つまり、本明細書中において“複合樹脂”という用語は、特に言及しない限り二種以上の樹脂を混合した樹脂だけでなく、二種以上の樹脂の共重合体、さらには、二種以上の樹脂を硫黄等の架橋剤を用いて架橋した樹脂の意味を持つ。 In addition, as a method of combining the elastomer and another resin, there are a method of copolymerizing the two, a method of crosslinking, a method of melting and mixing and dispersing each other. Also, mechanical machining with fine powder can be considered. That is, in the present specification, the term “composite resin” means not only a resin in which two or more kinds of resins are mixed, but also a copolymer of two or more kinds of resins, or two or more kinds of resins, unless otherwise specified. Meaning a resin crosslinked with a crosslinking agent such as sulfur.
次に、ブタジエン等のエラストマーと、ポリプロピレン等の他の樹脂との含有比率について説明する。枠部材2,3に要求される弾性はリチウム一次電池1Aの寸法によって変化する。そのため、上記含有比率について一義的に定めることは容易でないが、たとえばリチウム一次電池1AをJIS規格のICカード用途に特化した場合、以下のモデルで説明する条件を満足するようにエラストマーの含有比率を調整すれば、十分な耐屈曲性を達成できる。
Next, the content ratio between an elastomer such as butadiene and another resin such as polypropylene will be described. The elasticity required for the
JIS X 6305 6.1に規定された動的曲げ強さ試験では、図4に示すようにICカードを変形させる。ICカードに内蔵されている電池1Aは、ICカードとともに円弧状に曲げられる。電池1Aが曲げられたとき、または捩れられたとき、最大の歪は電池1Aの端部、すなわち電池1Aのシール部11に生ずる。電池1Aの端部を構成する枠部材2,3がその最大歪を弾性的に吸収しうる場合、電池1Aは図4のように曲げられても塑性変形を起こさず端部(=シール部11)に亀裂等が生じること、つまりシール破壊が生ずることがない。また、ICカードに懸かる曲げ荷重を抜いたときに外装材(本実施形態では集電体6,7)にシワが残存しづらい。
In the dynamic bending strength test defined in JIS X 6305 6.1, the IC card is deformed as shown in FIG. The
JIS X 6305 6.1に規定された動的曲げ強さ試験によれば、ICカードの長辺方向と短辺方向とのそれぞれについて、250回の曲げを繰り返す。したがって、電池1Aの端部の歪または伸びが枠部材2,3の弾性限界内に収まっているとよい。
According to the dynamic bending strength test specified in JIS X 6305 6.1, bending is repeated 250 times for each of the long side direction and the short side direction of the IC card. Therefore, it is preferable that the strain or elongation at the end of the battery 1 </ b> A be within the elastic limit of the
図4に示すごとく、JIS X 6305 6.1で規定された動的曲げ強さ試験を行なうとき、ICカードは、点M、点Pおよび点Nで表わされる断面円弧状に変形する。点M、点Pおよび点Nの3点を含む円弧の長さをL、この円弧の折り曲げ高さをh、折り曲げ角度をθA、円弧を形成する円の半径をrとすると、以下の連立方程式が成り立つ。
L=2rθA …(1)
h=r(1−cosθA) …(2)
この連立方程式の解を求めるためにcosθAを(3)式で近似する。
cosθA=1−(1/2)θA 2 …(3)
(3)式を(1)式と(2)式に代入すれば解が求まる。
θA=4h/L …(4)
r=L2/(8h) …(5)
As shown in FIG. 4, when the dynamic bending strength test defined in JIS X 6305 6.1 is performed, the IC card is deformed into a cross-sectional arc shape represented by points M, P, and N. If the length of an arc including three points M, P and N is L, the bending height of this arc is h, the bending angle is θ A , and the radius of the circle forming the arc is r, the following simultaneous system The equation holds.
L = 2rθ A (1)
h = r (1-cos θ A ) (2)
In order to obtain the solution of the simultaneous equations, cos θ A is approximated by the equation (3).
cos θ A = 1− (1/2) θ A 2 (3)
Substituting equation (3) into equations (1) and (2) gives a solution.
θ A = 4h / L (4)
r = L 2 / (8h) (5)
JIS X 6301 4.3.3は、ICカードの折り曲げ高さhについて、長辺方向ではh=20mm、短辺方向ではh=10mmと規定している。また、図4中の点M、点Pおよび点Nを含む円弧の長さLは、ICカードの長辺の長さL1または短辺の長さL2に等しく、それぞれL1=85.60mm、L2=53.98mmである。(4)式にこれらの数値を代入すると、角度θA(/rad)と半径r(/mm)は下記のように求まる。
<長辺方向>
θA=4h/L1≦4*20/85.60=0.935
r=L12/(8h)=(85.60)2/(8*20)=45.80
<短辺方向>
θA=4h/L2≦4*10/53.98=0.741
r=L22/(8h)=(53.98)2/(8*10)=36.42
JIS X 6301 4.3.3 specifies the folding height h of the IC card as h = 20 mm in the long side direction and h = 10 mm in the short side direction. Further, the length L of the arc including the point M, the point P and the point N in FIG. 4 is equal to the long side length L1 or the short side length L2 of the IC card, and L1 = 85.60 mm, L2 respectively. = 53.98 mm. When these numerical values are substituted into the equation (4), the angle θ A (/ rad) and the radius r (/ mm) can be obtained as follows.
<Long side direction>
θ A = 4h / L1 ≦ 4 * 20 / 85.60 = 0.935
r = L1 2 /(8h)=(85.60) 2 /(8*20)=45.80
<Short side direction>
θ A = 4h / L2 ≦ 4 * 10 / 53.98 = 0.711
r = L2 2 /(8h)=(53.98) 2 /(8*10)=36.42
ICカードを長辺方向に曲げた場合よりも、短辺方向に曲げた場合の方が曲率半径rは小さくなる。したがって、電池1Aの枠部材2,3に要求されるゴム弾性を見積もる場合には、ICカードの短辺方向の曲げを想定するとともに、電池1Aの内蔵形態について下記(a)(b)の2通りを考慮する必要がある。
(a)ICカードの短辺方向と、電池1Aの長辺方向とを一致させる内蔵形態
(b)ICカードの短辺方向と、電池1Aの短辺方向とを一致させる内蔵形態
The curvature radius r is smaller when the IC card is bent in the short side direction than when the IC card is bent in the long side direction. Therefore, when estimating the rubber elasticity required for the
(A) Built-in form in which the short side direction of the IC card is matched with the long-side direction of the
なお、余弦の近似を採用する結果として、角度θAおよび半径rに関して、長辺方向で最大5%、短辺方向で最大2%の誤差が生ずるが、これは枠部材2,3が要求するゴム弾性を論ずる上で十分小さい誤差である。また、電池1Aの縦横の寸法は、ICカードの縦横の寸法よりも小さいので、角度θAの値はより小さくなる。したがって、誤差を無視できるので上記(4)(5)式は成立する。
As a result of employing the cosine approximation, an error of 5% at the maximum in the long side direction and 2% at the maximum in the short side direction occurs with respect to the angle θ A and the radius r. This is required by the
図4および図5に示すごとく、電池1Aの外側の円弧と内側の円弧とは、中心点Oが共通である。ICカードの外側の円弧、電池1Aの外側の円弧、電池1Aの内側の円弧は、それぞれ角度θA、角度θB、角度θCの同心円の円弧である。電池1Aの外側の円弧の長さと、電池1Aの内側の円弧の長さは、いずれも電池1Aの長さWである。電池1Aを内蔵した部分でのICカードの厚さtと、電池1Aの厚さdは一定であるから、それぞれの円弧の半径は次式の関係になっている。なお、図4および図5のモデルは、JIS6305の動的曲げ強さ試験によって電池1Aに生ずる応力が全て、電池1Aの端部の伸びに吸収されるものとしている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the center point O is common to the outer arc and the inner arc of the battery 1 </ b> A. The outer arc of the IC card, the outer arc of the
ICカードの円弧の半径=r
電池の内蔵位置におけるICカードのシート厚さ=(t−d)/2
電池の外側の円弧の半径(OX)=r−(t−d)/2=(2r−t+d)/2
電池の内側の円弧の半径(OY)=(OZ)=r−{(t−d)/2}―d=(2r−t―d)/2
IC card arc radius = r
IC card sheet thickness at battery built-in position = (t−d) / 2
Radius of arc outside the battery (OX) = r− (t−d) / 2 = (2r−t + d) / 2
Radius of arc inside the battery (OY) = (OZ) = r − {(t−d) / 2} −d = (2r−t−d) / 2
図5の拡大図で説明すると、電池1Aの端部つまり枠部材2,3の端部は点X、点Yおよび点Zで囲まれる領域XYZで表わされ、枠部材2,3が厚さXY(=d)から(XZ)のように引き伸ばされている。換言すれば、図5の断面模式図における枠部材2,3の端面の長さがXYからXZに変化している。円弧(YZ)は半径(OY)、角度(θC−θB)の円弧である。電池1Aの長さWと、電池1Aの外側の折り曲げ角度θBと、電池1Aの内側の折り曲げ角度θCに関し、下式が成立する。
Referring to the enlarged view of FIG. 5, the end of the
W=2*(OX)*θB
W=2*(OZ)*θC
θB=W/(2*(OX))=W/(2r−t+d)
θC=W/(2*(OZ))=W/(2r−t−d)
θB−θC=(XY)*W/(2*(OX)*(OZ))
W = 2 * (OX) * θ B
W = 2 * (OZ) * θ C
θ B = W / (2 * (OX)) = W / (2r−t + d)
θ C = W / (2 * (OZ)) = W / (2r−t−d)
θ B −θ C = (XY) * W / (2 * (OX) * (OZ))
(XZ)2=(OX)2+(OZ)2−2(OX)(OZ)cos(θC−θB)
=(OX)2+(OZ)2−2(OX)(OZ)[1−(1/2){(XY)*W/(2*(OX)*(OZ))}2]
=(XY)2{1+W2/(4*(OX)*(OZ))}
(XZ) 2 = (OX) 2 + (OZ) 2 -2 (OX) (OZ) cos (θ C −θ B )
= (OX) 2 + (OZ) 2 -2 (OX) (OZ) [1- (1/2) {(XY) * W / (2 * (OX) * (OZ))} 2 ]
= (XY) 2 {1 + W 2 / (4 * (OX) * (OZ))}
したがって、折り曲げ試験により変形したときの枠部材2,3の端部は次式によって表わされる。
(XZ)=(XY){1+W2/(4*(OX)*(OZ))}1/2
=d{1+W2/((2r−t+d)(2r−t−d))}1/2
Therefore, the ends of the
(XZ) = (XY) {1 + W 2 / (4 * (OX) * (OZ))} 1/2
= D {1 + W 2 / ((2r−t + d) (2r−t−d))} 1/2
枠部材2,3のゴム弾性の限界が、この伸びの変形量を上回っていれば、枠部材2,3は曲げられても、元の形状に弾性復帰する。つまり、下記の不等式を満足すればよい。
(枠部材の弾性限界)>{(折り曲げ試験実施時における枠部材の端部の厚さ)−(初期厚さ)}/(初期厚さ)
If the limit of rubber elasticity of the
(Elastic limit of frame member)> {(Thickness of end of frame member at the time of bending test) − (Initial thickness)} / (Initial thickness)
(折り曲げ試験実施時における枠部材の端部の厚さ)=(XZ)なので、
(枠部材の弾性限界)>((XZ)−d)/d
={1+W2/((2r−t+d)(2r−t−d))}1/2−1
={1+W2/((L2/(4h−t+d))(L2/(4h−t−d)))}1/2−1
(Thickness of the end of the frame member at the time of the bending test) = (XZ),
(Elastic limit of frame member)> ((XZ) -d) / d
= {1 + W 2 / ((2r−t + d) (2r−t−d))} 1/2 −1
= {1 + W 2 / ((L 2 / (4h−t + d)) (L 2 / (4h−t−d)))}} 1/2 −1
ICカードの長さL、折り曲げ量h(折り曲げ高さ)、ICカードの厚さt、電池1Aの長さW(枠部材2,3の長さに等しいものとする)、枠部材2,3の厚さdを上記不等式に代入することにより、枠部材の弾性限界を導出することができる。
IC card length L, bending amount h (bending height), IC card thickness t,
なお、“弾性限界”とは、弾性変形が許容される最大の伸び率、つまり弾性変形を生ずる対象物が降伏点に到達した状態での伸び量を初期長さで除した値を示すものとする。また、本明細書に記す試験条件等は全て室温(20℃)、大気圧(1気圧)を前提とする。また、該枠部材2,3を構成する複合樹脂素材の降伏点については、ASTM D638に規定する引っ張り降伏点強度試験に準じて定めるものとし、試験片に与える荷重と伸びが線形性を失った点を降伏点と定義する。
The “elastic limit” refers to the maximum elongation rate at which elastic deformation is allowed, that is, the value obtained by dividing the amount of elongation in a state where the object causing elastic deformation reaches the yield point by the initial length. To do. All the test conditions and the like described in this specification are based on room temperature (20 ° C.) and atmospheric pressure (1 atmosphere). Further, the yield point of the composite resin material constituting the
上記の不等式を満足する弾性限界を有する複合樹脂素材を選定することにより、枠部材2,3に塑性変形が生じず、シール破壊が起こり難いリチウム一次電池1Aを作製できる。また、電池1Aの容量設計から、電池1Aの長さW(枠部材2,3の長辺または短辺の長さに等しいものとする)と、枠部材2,3の厚さdが決定すれば、枠部材2,3に必要とされる弾性限界を決定することができる。
By selecting a composite resin material having an elastic limit that satisfies the above inequality, it is possible to produce a lithium
さらに、枠部材2,3がエラストマーとポリオレフィンとを混合した複合樹脂からなると仮定する。この場合、枠部材2,3の弾性は、エラストマーの弾性とポリオレフィンの弾性との合成になるが、ポリオレフィンの弾性はエラストマーの弾性に比して遥かに小さいので無視できる。そして、枠部材2,3をエラストマー単独で構成した場合の弾性限界をk、現実の枠部材2,3におけるエラストマーの体積含有比率を100*J(%)とすれば、枠部材2,3の弾性限界はk*Jで表わされる。したがって、エラストマーの体積含有比率を特定するパラメータJの下限は下式(6)で規定することができる。
J>[{1+W2/((L2/(4h−t+d))(L2/(4h−t−d)))}1/2−1]/k
…(6)
Further, it is assumed that the
J> [{1 + W 2 / ((L 2 / (4h−t + d)) (L 2 / (4h−t−d)))}} 1/2 −1] / k
(6)
一方、枠部材2,3の水蒸気透過性Qは、エラストマーの水蒸気透過性とポリオレフィンの水蒸気透過性との合成になる。エラストマーの単位体積あたりの水蒸気透過性をQ1、ポリオレフィンの単位体積あたりの水蒸気透過性をQ2とすると、
Q=J*Q1+(1−J)*Q2
となる。
On the other hand, the water vapor permeability Q of the
Q = J * Q1 + (1-J) * Q2
It becomes.
水蒸気透過性が低いエラストマーを含む樹脂を枠部材2,3の素材として使用し、尚且つ水蒸気透過性の低下を抑制するためには、シール部の幅をm倍し、シール部の厚さを1/nすればよい(m、nは正の実数)。
Q=m*n*Q2
m*n*Q2=J*Q1+(1−J)*Q2
J=(m*n−1)/{(Q1/Q2)−1} …(7)
In order to use a resin containing an elastomer having a low water vapor permeability as a material for the
Q = m * n * Q2
m * n * Q2 = J * Q1 + (1-J) * Q2
J = (m * n-1) / {(Q1 / Q2) -1} (7)
上記(7)式が1より大であれば、枠部材2,3を実質的にエラストマーのみで構成することが可能である。しかしながら、枠部材2,3をエラストマー単独で構成することには寸法等の設計上の大きな制約があり、容易には採用できない。それ故、本発明のごとく枠部材2,3の素材として複合樹脂を用いることが不可欠となる。
If the above expression (7) is larger than 1, the
たとえば、安価、入手が容易、水蒸気透過性が低い、加工が容易などの種々の要件をバランスよく満足するポリオレフィン系樹脂としてはポリプロピレンが代表的である。ISOまたはJISに規定されているICカード用ペーパー型リチウム一次電池1Aの枠部材2,3の素材としてポリプロピレンを用いる場合、図2で説明したシール部11の厚さは100μm〜500μm、シール部11の幅は2mm程度とすることが妥当である。
For example, polypropylene is a typical example of a polyolefin resin that satisfies various requirements such as low cost, easy availability, low water vapor permeability, and easy processing. When polypropylene is used as the material of the
一方、容易に入手可能なエラストマーの中で水蒸気透過性が最も低いエラストマーの一つに、ブタジエン系のエラストマーがある。ところが、ブタジエン系のエラストマーでさえ、ポリプロピレンと比較すると水蒸気透過性は10倍以上である。また、短辺が約54mmに規定されたICカードに内蔵することを考慮すると、リチウム一次電池1Aのシール部11(図2参照)の幅は6mm程度が上限である。また、本発明にかかるリチウム一次電池1Aは、集電体6,7が金属箔からなるので、加工バリによる短絡防止の観点やシール部11の形成容易性を考慮すると、シール部11の厚さは30μm程度が実用上の下限である。こうした制約を総合的に勘案すると、エラストマーの体積含有率の上限は100*8/9(%)にとどめることが望ましい。
On the other hand, one of the elastomers having the lowest water vapor permeability among readily available elastomers is a butadiene-based elastomer. However, even a butadiene-based elastomer has a water vapor permeability of 10 times or more compared to polypropylene. Further, considering that it is built in an IC card whose short side is defined to be about 54 mm, the upper limit of the width of the seal portion 11 (see FIG. 2) of the lithium
Claims (4)
前記セパレータ(9)の一方の面側に配置された正極活物質層(4)と、
前記セパレータ(9)の他方の面側に配置されたリチウムを含有する負極活物質層(5)と、
それらセパレータ(9)、正極活物質層(4)および負極活物質層(5)を包囲するシート状の枠部材(2,3)と、
前記枠部材(2,3)の一方の開口を塞ぐようにその枠部材(2,3)に接着され、前記セパレータ(9)との間で前記正極活物質層(4)を保持する正極集電体(6)と、
前記枠部材(2,3)の他方の開口を塞ぐようにその枠部材(2,3)に接着され、前記セパレータ(9)との間に前記負極活物質層(5)を保持する負極集電体(7)とを備え、
前記枠部材(2,3)がゴム弾性を有する素材からなることを特徴とするリチウム一次電池(1A)。 A separator (9);
A positive electrode active material layer (4) disposed on one surface side of the separator (9);
A negative electrode active material layer (5) containing lithium disposed on the other surface side of the separator (9);
A sheet-like frame member (2, 3) surrounding the separator (9), the positive electrode active material layer (4) and the negative electrode active material layer (5);
A positive electrode current collector that is bonded to the frame member (2, 3) so as to block one opening of the frame member (2, 3) and holds the positive electrode active material layer (4) between the separator (9). Electric body (6),
A negative electrode collector that is bonded to the frame member (2, 3) so as to close the other opening of the frame member (2, 3) and holds the negative electrode active material layer (5) between the separator (9). Electric body (7),
The lithium primary battery (1A), wherein the frame member (2, 3) is made of a material having rubber elasticity.
前記枠部材(2,3)の一方の面側に前記正極集電体(6)の外周部分が接着剤(12)で固定され、他方の面側に前記負極集電体(7)の外周部分が接着剤(13)で固定されることにより、前記枠部材(2,3)の上下に前記正極集電体(6)と前記負極集電体(7)を配置したシール部(11)が形成されている請求項1または2記載のリチウム一次電池(1A)。 An active material filling chamber (10) is formed between the positive electrode current collector (6) and the negative electrode current collector (7), and the separator (9) and the positive electrode active material are placed in the active material filling chamber (10). By accommodating the material layer (4) and the negative electrode active material layer (5), a battery body (14) is formed with the positive electrode current collector (6) and the negative electrode current collector (7) as exterior materials. And
An outer peripheral portion of the positive electrode current collector (6) is fixed to one surface side of the frame member (2, 3) with an adhesive (12), and an outer periphery of the negative electrode current collector (7) is fixed to the other surface side. A seal portion (11) in which the positive electrode current collector (6) and the negative electrode current collector (7) are arranged above and below the frame member (2, 3) by fixing the portion with an adhesive (13). The lithium primary battery (1A) according to claim 1 or 2, wherein is formed.
当該リチウム一次電池(1A)の長辺方向または短辺方向に平行な前記枠部材(2,3)の長さをW(mm)、前記枠部材(2,3)の厚さをd(mm)、前記枠部材(2,3)を構成する複合樹脂素材の弾性限界をk、その複合樹脂素材に含有される前記エラストマーの体積含有比率を100*J(%)としたとき、下記不等式を満足する請求項2記載のリチウム一次電池(1A)。
J>[{1+W2/((L2/(4h−t+d))(L2/(4h−t−d)))}1/2−1]/k
ただし、“k”は前記エラストマーの弾性限界であり、
“L”はJIS X6301 に規定されたICカードの短辺の長さであり、
“h”はJIS X6321 に規定された試験条件での前記ICカードの短辺方向の折り曲げ量であり、
“t”は前記ICカードの厚さである。 The lithium primary battery (1A) is a rectangular paper-type lithium primary battery (1A) in a plan view, and has a dimension that can be incorporated in an IC card defined in JIS X6301.
The length of the frame member (2, 3) parallel to the long side direction or the short side direction of the lithium primary battery (1A) is W (mm), and the thickness of the frame member (2, 3) is d (mm). ), Where the elastic limit of the composite resin material constituting the frame member (2, 3) is k, and the volume content of the elastomer contained in the composite resin material is 100 * J (%), the following inequality is The lithium primary battery (1A) according to claim 2, which is satisfactory.
J> [{1 + W 2 / ((L 2 / (4h−t + d)) (L 2 / (4h−t−d)))}} 1/2 −1] / k
Where “k” is the elastic limit of the elastomer,
“L” is the length of the short side of the IC card specified in JIS X6301
“H” is the amount of bending in the short side direction of the IC card under the test conditions defined in JIS X6321;
“T” is the thickness of the IC card.
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