JP2007128792A - ラミネートパック電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックを、軽量で、小型化し、該パックを使用して軽量で小型の電池、特にリチウムイオン電池を提供することである。
【解決手段】正極、負極、セパレータからなる発電要素を、電解液と共に電池パック２に封入してなるラミネートパック電池であって、前記電池パックは、金属箔を内蔵した熱融着性樹脂フィルムからなるラミネートフィルム３をパック状に張り合わせて構成し、前記張り合わせ部をホットメルト樹脂８、好ましくはアイオノマー樹脂を射出成形で気密に被覆する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラミネートパック電池、特にリチウムイオン電池の電池パックをラミネートフィルムで成形したラミネートパック電池に関するものである。

リチウムイオン電池は、小型、高電圧で繰り返しの充電にも適していることから、主に携帯電話、ノートパソコン等のバッテリーとして用いられ、今後も使用の拡大が期待されている。またハイブリットカーや電気自動車、燃料電池自動車等のバッテリーとしても注目されている。
従来のリチウムイオン電池は金属製または硬質樹脂製のハードな電池パックに発電要素を収納しているため、外郭が大型となっている。このため、リチウムイオン電池の小型化の要請、特に電池パックの小型化の要請が強まり、アルミニウム箔とプラスチック素材をラミネートしたラミネートフィルムを使用し、その外装に熱硬化性樹脂からなる被覆層を設けた電池パック（電槽）が提案された（特許文献１参照）。

この提案された電池パックは従来の金属製電池パックや硬質樹脂製電池パックに比べ薄型、軽量化を可能とし、ラミネートフィルムのみからなるパックの欠点である機械的強度の不足、ラミネートフィルムによるパック成形時の熱融着不良が原因となる発電要素への水分の浸入、液漏れの可能性等々の問題点を、ラミネートフィルム製パックの外装に熱硬化性樹脂からなる被覆層を設けて補強し、密着不良をカバーしている。
しかしながらかかる構成においては、軽量化、強度の補強はやや解消するものの、外装に熱硬化性樹脂の被覆層を有するため、近年の軽量、小型化の要請には応えられていない。

また、ラミネートフィルムからなるパックとその外装の熱硬化性樹脂からなる被覆層との間には融合性がなく、両者の間に隙間が存在する可能性があり、隙間が存在すると特に液式リチウムイオン電池では液漏れの危険性が指摘される。
一方、リチウムイオン電池の軽量化、小型化の要望により、ラミネートフィルムを熱融着して電池パックに仕上げる技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術は電池パック内の気密性（密封性）を向上させるためにラミネートフィルム相互を張り合わせる熱融着部分の幅を大きく取り、熱融着後にこの広幅な熱融着部分を折り曲げて、容積効率を下げることなく封止部の信頼性向上を目指しているが、封止部を折り曲げる、特に鋭角に折り曲げると、該折り曲げ箇所の機械的強度が極端に落ち、亀裂の発生、水分の浸入、液漏れの発生に至る、との問題点が指摘されている。

特開昭６０−４９５６８号公報 特開平１１−２６０３２７号公報

本発明の課題は、上述した軽量化、小型化問題、水分の発電要素への浸入、液漏れ等の問題を解決し、電池パックを軽量、小型化でき、水分の発電要素への浸入、液漏れのないものとし、該電池パックによりラミネートパック電池、特にラミネートパックのリチウムイオン電池を提供することにある。

本発明のラミネートパック電池は、正極、負極、セパレータからなる発電要素を、電解液と共に電池パックに封入してなるラミネートパック電池であって、前記電池パックは、金属箔を内蔵した熱融着性樹脂フィルムからなるラミネートフィルムをパック状に張り合わせて構成し、前記張り合わせ部をホットメルト樹脂で気密に被覆してなることを特徴とする。

前記張り合わせ部を被覆する被覆部はホットメルト樹脂を射出成形することで形成されていることが好ましい。

前記張り合わせ部を被覆するホットメルト樹脂はアイオノマー樹脂であることが好ましい。

本発明によれば、軽量、小型で、水分の発電要素内への浸入、液漏れのないラミネートフィルムからなる電池パックを提供でき、軽量、小型のラミネートパック電池を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１はラミネートパック電池の一実施形態であるリチウムイオン電池１の平面図であり、図２は図１のＡ―Ａ線で示す部分の断面図である。

図に示すように、リチウムイオン電池１は、正極端子１１、負極端子１２を外部に露出してラミネートフィルム３からなる電池パック２で構成されている。図に示す電池パック２は２枚のラミネートフィルム３、３からなり、その４つの周辺部７が熱融着されており、該熱融着された周辺部７の端部がホットメルト樹脂８で気密に被覆されている。

図２に示すように、電池パック２内には正極４、負極５、セパレータ６からなる積層極板群が、電解液（図省略）と共に挿入されている。なお、図２は簡略するために積層極板群を１層のみ示しているが、実際には複数層が重ね合わされて挿入されている。
前記電池パック２は、図２に示すように、層間に金属箔３１、本実施形態では軽量のアルミニウム箔を熱融着性樹脂フィルム３２で包み込んだラミネートフィルム３からなり、電池パック２を形成するために、４つの周辺（図１参照）を熱融着してパック状に仕上げている。

４つの周辺部７を熱融着する幅は可能な限り狭くする。狭くすることにより電池の小型化、軽量化が図れる。しかし、狭くし過ぎると熱融着部分の気密性、強度が不十分となる危険性がある。このため、熱融着した部分の端部をホットメルト樹脂８で補強する。補強部の形成は、例えばアイオノマー樹脂を射出成形することで形成する。

ホットメルト樹脂８としてアイオノマー樹脂を選択するのは低温で射出成形でき、熱融着性（密着性）に優れているためである。また、射出成形で成形するのは寸法精度に優れ、作業が自動化できる利点があるからである。
なお、ホットメルト樹脂としてはアイオノマー樹脂の他に、発電要素に悪影響を及ぼすことのない温度（比較的低温）で接着性に優れ、気密性を保てる樹脂であれば良く、成形も射出成形に限らず、電池パックの気密性を確保できる形成方法であれば何れを選択することも可能である。

図２に示すように、電池パックはラミネートフィルム３で構成され、該ラミネートフィルム３は熱融着性樹脂フィルム３２の層間に金属箔３１が内蔵されている。金属箔３１は、電池パック内を真空としたときに外部から電池パック内部に浸透する水蒸気ガスや酸素ガスの侵入防止のためのガスバリア層であり、熱融着性樹脂フィルム３２の機械的強度補強を目的とするものでもあり、ガスバリア性の確保や加工適性その他を考慮して選定する。本実施形態では該目的を保持し軽量であるアルミニウム箔を選定した。アルミニウム箔の厚さは薄すぎるとピンホールの発生が多くなり、ガスバリア性が低下する。一方厚すぎると、重量が重くなり、経済的にも望ましくない。上記アルミニウム箔は公知の純アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔が使用できる。また調質は、硬質、半硬質、軟質等のいずれであっても良く適宜選択すれば良い。

上記ラミネートフィルム３を構成する熱融着性樹脂フィルム３２としては、例えば、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖線状ポリエチレン、飽和ポリエステル、線状飽和ポリエステル、無延伸ポリプロピレン、塩素化ポリプロピレン、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタアクリル酸共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体、エチレン−メチルアクリレート共重合体、アイオノマー、エチレン−エチルアクリレート−無水マレイン酸三元共重合体、ポリオレフィン、カルボン酸変性ポリエチレン、カルボン酸変性ポリプロピレン、カルボン酸変性エチレン−酢酸ビニル、塩化ビニル、ポリスチレン等のフィルムが挙げられる。

電池パック２内には電池要素として積層極板群と電解液を挿入する。本実施形態ではリチウムイオン電池の電池要素が挿入される。
積層極板群を構成する正極４は、ＬｉＭｎ２０４等のスピネル構造化合物や、一般にＬｉＭｎ０_２で表せるα−ＮａＦｅ０_２構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸合物等を利用できる。上記化学式で「Ｍ」はＣｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｆｅ等から選ばれる単独または２種類以上の金属元素である。更に、リチウムの挿入可能なＭｎ０_２、Ｖ_２０_５等の金属酸化物や、ＴｉＳ_２、ＺｎＳ_２等の金属酸化物、電気化学的酸化還元活性を有するポリアニリンやポリピロール等のπ共役系高分子、分子内に硫黄−硫黄結合の形成一開裂を利用するジスルフィド化合物等から構成される。

積層極板群を構成する負極５は、天然に産出する黒鉛を加工処理したもの、有機原料を人工的に２，０００℃以下で焼成した非晶質炭素、有機原料を人工的に２，０００℃以上で焼成したグラファイト構造が発達した平坦な電位特性を有する人造黒鉛系炭素材料のいずれかを採用する。

積層極板群を構成するセパレータ６はポリオレフィン系材料の多孔フィルムを使用する。

本実施形態で使用する電解液の主成分であるリチウム塩は、電解液系リチウムイオン電池で使用されるリチウム塩、例えば六フッ化燐酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、等の無機リチウム塩、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム（ＬｉＯＳＯ_２ＣＦ_３）、ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）、ビス−（パーフルオロエチルスルフォニルイミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ_５ＳＯ_２）_２）等の有機リチウム塩を適宜採用する。

上記リチウム塩を電解液とする主溶媒としては、電解液系リチウムイオン電池で使用されている溶媒、例えばエチレンカーボネート、γブチロラクトン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートを用いる。
また、副溶媒としてはプロピレンカーボネート、スルホラン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、２−メチル−テトラヒドロフラン、各種グライム類等を用い、主溶媒と混合して用いる。

電池の組み立ては、まず、正極４と負極５との間にセパレータ６を挿入して例えば長円柱状に巻き、積層極板群を作成する。作成した積層極板群をラミネートフィルム３により、例えば図に示すように２枚のラミネートフィルム３、３で包み、ラミネートフィルム３、３の重なり合う４辺を熱融着して電池パックを構成し、積層極板群を気密に包囲する。次いで、前記熱融着した４辺の端部にアイオノマー樹脂８を射出成形して設け、熱融着樹脂融着端部を補強する。

＜実施例１＞
正極は、アルミニウム箔からなる集電体上にコバルト酸リチウム活物質、負極は銅箔からなる集電体と黒鉛系活物質、正極、負極の間にセパレータとして、ポリプロピレンとポリエチレンからなるフィルムを介在させて積層し、正極のアルミニウム箔集電体に正極端子を、負極の銅箔集電体に負極端子を超音波溶接で接合し、電解液にエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比３：７の割合で混合した溶媒に、溶質としてＬｉＰＦ_６が１モル／リットル溶解された溶液を用い、下記の電池パック内に封入してリチウムイオン電池を組み立てた。

電池パックはポリエチレンフィルムとポリエチレンテレフタレートフィルムを積層して２重の熱融着性樹脂フィルムとし、該２重の熱融着性樹脂フィルムを２枚、間に１２μｍ厚さのアルミニウム箔を介在させてラミネートしたラミネートフィルムを図に示すように直方状に絞り加工し、窪みに前記発電要素を収納して４辺を熱融着した。４辺の熱融着の幅は５ｍｍとし、該熱融着した端部をアイオノマー樹脂で補強し、長さ６０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚み４ｍｍの定格容量０．５Ａｈのラミネートパック電池を作成した。作成した電池を５個、下記の試験に供した。

＜実施例２＞
ラミネートフィルムの熱融着した端部をアイオノマー樹脂の射出成形で補強した以外は、実施例１と同じ仕様で電池パックを仕上げ、実施例１と同じ定格容量０．５Ａｈのラミネートパック電池を作成した。作成した電池を５個、下記の試験に供した。

＜比較例１＞
実施例１と同じ仕様で発電要素を作成し、該発電要素を収納したラミネートフィルムの４辺を熱融着し、熱融着した端部を補強しないで電池パックとし、実施例１と同じ定格容量０．５Ａｈのラミネートパック電池を作成した。作成した電池を５個、下記の試験に供した。

＜比較例２＞
実施例１と同じ仕様で発電要素を作成し、該発電要素を収納したラミネートフィルムの４辺に実施例１の２倍の幅の熱融着代を設けて熱融着し、端部を補強しないで電池パックとした。即ち、４辺の熱融着代の幅は実施例１の２倍の１０ｍｍとして電池パックを仕上げ、実施例１と同じ定格容量０．５Ａｈのラミネートパック電池を作成した。作成した電池を５個、下記の試験に供した。

＜電池の評価＞
容量劣化の評価
作成した電池を下記条件で保存し、容量劣化率を測定した。その結果を表１に示す。
充電条件；ＳＯＣ１００％
保存条件；６０℃×８日間

表１に示すように、実施例１、２は、比較例１と比較して熱融着部の幅が同じであるが、熱融着端部を補強したことによる気密性（密着性）の向上により容量劣化率の改善が明らかである。なお、補強部を射出成形により形成することで補強部分の寸法精度が向上し、特に、正極端子、負極端子を導出する部分の補強樹脂の固着が容易にできるため、密着強度（封止精度）が安定し、ばらつきが改善されることが実施例１と２の比較から明らかである。したがって、補強部の作成は射出成形が好適である。
比較例２は熱融着の幅を広くした結果、実施例１、２と同等の結果が得られている。したがって熱融着の幅を広くすることで容量劣化率の改善は可能であるが、融着の幅を広くすることは電池の大きさを大きくすることとなり、小型化の要求に反する結果となる。実施例１、２は熱融着の幅を比較例２の半分にして比較例２と同等の効果が得られ、電池の小型化の要請に合致する。

本発明は上述したように、電池パックを形成するラミネートフィルムの熱融着部分を熱融着代を極力狭くし、該融着部周辺端部をホットメルト樹脂で気密に固着することで、熱融着部の幅を広げることなく、また、従来技術のように幅広とした熱融着部分を折り曲げたりすることなく、実質的に熱融着代を広げたと同等の効果が得られ、したがって電池を小型化ができる。

本発明の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示すＡ―Ａ線の断面図である。

符号の説明

１ リチウムイオン電池
２ 電池パック
３ ラミネートフィルム
７ 周辺部分
８ ホットメルト樹脂
１１ 正極端子
１２ 負極端子
３１ 金属箔（アルミニウム箔）
３２ 熱融着性樹脂フィルム

Claims (3)

1. 正極、負極、セパレータからなる発電要素を、電解液と共に電池パックに封入してなるラミネートパック電池であって、前記電池パックは、金属箔を内蔵した熱融着性樹脂フィルムからなるラミネートフィルムをパック状に張り合わせて構成し、前記張り合わせ部をホットメルト樹脂で気密に被覆してなることを特徴とするラミネートパック電池。
2. 前記張り合わせ部を被覆する被覆部はホットメルト樹脂を射出成形することで形成されている請求項１に記載のラミネートパック電池。
3. 前記張り合わせ部を被覆するホットメルト樹脂がアイオノマー樹脂である請求項１または２に記載のラミネートパック電池。