JP2007265873A - 電池 - Google Patents

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孝典 山下
Hirohisa Akita
裕久 秋田
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Abstract

【課題】スリップ剤層を表面に有する外装材で包まれた電池本体を、剛性ケース内において、簡単かつ確実に位置固定できるようにして成形性を高めた電池を提供する。
【解決手段】外表面にエンボス加工時のスベリ性を高めるためのスリップ剤層43を有する電池外装材と剛性ケース内面とを両面粘着テープ50で固定する。両面粘着テープ50は、基材層51の片面にシリコーン系粘着剤層52を備え、他面には、剛性ケースの素材に適した粘着剤層53を備えている。シリコーン系粘着剤層52を外装材のスリップ剤層43に粘着させて、剛性ケースに対して電池本体の位置を固定する。シリコーン系粘着剤はスリップ剤に対する粘着性が良好であるため、簡単かつ確実に電池本体を固定することができる。
【選択図】図5

Description

本発明は、エンボス加工により設けられた凹部を有する外装材内に発電要素を収容してなる電池本体を、プラスチックケースに収容してなる電池に関する。
従来、リチウイオン電池としては、金属をエンボス加工(プレス成型)し円筒状または直方体状等に容器化した金属製缶を外装材とし、外装材内に発電要素を収容したものが用いられていた。しかるに、従来の金属製缶においては、容器外壁がリジッドで電池自体の形状が決まるが故に、ハード側を電池に合せて設計する必要があり、該電池を用いるハードの寸法が電池により決定されてしまい形状の自由度がなかった。
そのため、近年、形状の自由度が高い、積層体からなる外装材をプレス成型して凹部を形成し、該凹部に発電要素を収納するエンボスタイプの外装材が用いられている。なお、外装材の材質構成は、電池として必要な物性、加工性、経済性等から、少なくとも基材層(最外層)、バリア層、ヒートシール層(最内層)と、これら各層を接着する接着層とからなる。このため、積層体からなる外装材に封入されたリチウム電池は、金属缶により構成されるリチウム電池に比べて耐衝撃性等が低く、通常、プラスチック等で構成される剛性ケースに収納して使用される。リチウム電池は、プラスチックケース内に粘着ラベルで固定される。
一方、上記エンボスタイプの外装材は、プレス時の型材とのスベリ性を向上させるため、積層体の外表面にスリップ剤層を設けたものが用いられており、これにより安定した成形性を達成するとともに、当該積層体のバリア層(アルミニウム等の金属箔で構成される層)にピンホールやクラックが生じることを防止している(例えば、特許文献1)。しかしながら、外装材表面のスリップ剤層により、プラスチックケースと粘着ラベルとの十分な接着性・密着性が得られず、プラスチックケース内に固定接着できず、落下の衝撃等で、リチウム電池がプラスチックケース内壁に当たり、外装体のピンホールやクラックが発生することがあり問題となっている。
特開2002−216713号公報
本発明の目的は、スリップ剤層を表面に有する外装材で包まれた電池本体を、剛性ケース内において、簡単かつ確実に位置固定できるようにして成形性を高めた電池を提供することである。
本発明は、上記課題を有効に解決するために創案されたものであって、以下の特徴を備える電池を提供する。
本発明の電池は、エンボス加工で形成された凹部を有する外装材の当該凹部内に発電要素を収容し、蓋材でシールしてなる電池本体を、剛性ケース内に収容してなる。外装材は、その外表面にエンボス加工時のスベリ性を高めるためのスリップ剤層を有する。
剛性ケース内における電池本体の位置固定は、片面にシリコーン系粘着剤層を有する両面粘着テープを用いて行われている。当該シリコーン系粘着剤層を外装材のスリップ剤層に粘着させるとともに、他面の粘着剤層を剛性ケース内面に粘着させることで、電池本体の位置が固定される。
なお、「シリコーン」は、シロキサン結合を骨格とした高分子有機化合物の総称で、比較的分子量の小さいものはポリシロキサンと呼ばれることもある。この「シリコーン」は、珪素(原子番号14の元素)を意味する“シリコン”とは異なるものである。
シリコーン系粘着剤は、スリップ剤に対する粘着性が高いので、両面粘着テープの片面に設けたシリコーン系粘着材層を外装材のスリップ剤層に粘着させることで、剛性ケースに対する電池本体の位置固定を確実強固に行うことができる。
したがって、電池本体とプラスチックケース内面との間に当該両面粘着テープを挟み込むだけで両者を確実に固定でき、その結果、電池の製造工程が簡単で確実なものとなる。
なお、両面粘着テープの他面に設ける粘着剤層は、剛性ケース(プラスチック等の材料で構成される)の材質に応じて、適宜の粘着剤が選択される。
また、凹部を有するトレイ状外装材は、その表面にスリップ剤層を設けてスベリ性を高めているので、エンボス加工時に皺やピンホール、クラック等が生じることが有効に防止される。
本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。本発明の電池は、図1に概略的に示したように、電池本体10をプラスチックケース20内に収容して構成される。図示の例では、プラスチックケース20は、上下2つのハーフピース20a、20bで構成されていて、両者の間に電池本体10が保持されている。
なお、プラスチックケース20(剛性ケース)は耐衝撃性を高めるためのものであるから、適度な剛性を有するものであれば、プラスチック以外の材質を採用することも可能である。
≪電池本体10の構成≫
図1中の電池本体10の分解斜視図を図2に示した。電池本体10は、トレイ状に形成された外装材12の凹部12a内に発電要素11を収容し、これをシート状の蓋材13でシールして構成されている。
発電要素11は、それ自体は従来から知られたものである。簡単に説明すると、ポリマー電解質を保持したセパレータの両側に、正極および負極を配置したものであって、正極につながる正極リード18および負極につながる負極リード19が外部に突出している。
発電要素11は、正極リード18および負極リード19を外部に突出させた状態で、外装材12の凹部12a内に収容され、その周縁をシート状の蓋材13で熱シールして密封されている。
≪外装材12の成形方法≫
凹部12aを有するトレイ状の外装材12は、図3に概略的に示したように、オス型31およびメス型32からなる成形型を用いたエンボス加工により作成される。すなわち、シート状の原材12’をオス型31とメス型32との間に配置して圧接することで、メス型32上の凹部33に対応した凹部12aを有する外装材12を得ることができる。
このエンボス加工時において、メス型32に対するシート状原材12’のスベリ性を高めて安定した成形性を実現するために、シート状原材12’の図3中最下面(メス型32と接触する側の面)にはスリップ剤層43が設けられている。
簡単に説明すると、図3中に部分的に拡大して示しているように、基材層40の上にアルミ箔からなるバリア層41を設け、その上(最外層)に熱シール層42を有する。そして、基材層40の下面側にスリップ剤層43を有している。
スリップ剤層43を設けてスベリ性を高めているので、エンボス加工時にシート状原材12'に皺が生じたり、積層構造中のアルミ箔バリア層41にピンホールやクラック等が生じるのを防ぐことができる。
なお、シート状の蓋材13は、スリップ剤層43が設けられていないことを除いて、外装材12と同じ積層構成を有している。蓋材13は、その熱シール層を外装材12の熱シール層と当接させて熱シールされることで、発電要素11を密閉シールする。
≪プラスチックケースに対する電池本体の位置固定≫
図4は、図1中の4−4線断面を示している。図示の例では、プラスチックケース20は、上下のハーフピース20aおよび20bから構成されている。電池本体10は、正極リード18および負極リード19を外部に突出させた状態で、ハーフピース20aと20b外装材の間に保持されている(図1参照)。
図4に示したように、プラスチックケース20内において、電池本体10は、両面粘着テープ50を用いて、下方側のハーフピース20b上に固定されている。両面粘着テープ50の構成は、以下の通りである。
≪両面粘着テープ50の構成≫
図5は、図4中の両面粘着テープ50近傍領域を拡大して示している。既に説明した通り、両面粘着テープ50の下方側にはプラスチック材で構成されるハーフピース20bが位置し、上方側には、外装材12の表面に設けられたスリップ剤層43が位置している。なお、図5では、スリップ剤層43上に存在する基材層40その他(図3参照)の層については、図示を省略している。
そして、両面粘着テープ50は、中央の基材層51を中心として、その上面側には、スリップ剤層43に対する粘着性が良好なシリコーン系粘着剤層52を有し、下面側には、プラスチック材に対する粘着性が良好なアクリル系粘着剤層53を有する。
したがって、各粘着剤層の特質を利用して、ハーフピース20bと外装材12とを確実強固に連結することができる。すなわち、組立て工程において両者間に両面粘着テープ50を挿置しておくだけで、確実強固な連結を達成できる。
≪両面粕着テープの基材層51≫
基材層51としては、適宜の薄葉体を用いることができる。一般には、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリクロロブレンの如きポリマーからなるフィルム、ないしシート、各種のポリマーの発泡体、不織布や紙類ないしそのラミネート体、金属箔などが用いられる。薄葉体の厚さは1mm以下とするのが好ましいが、これに限定されない。
≪両面粘着テープのシリコーン系粘着剤層52≫
基材層51の片面に設けられるシリコーン系粘着剤層52として、ジメチルシロキサン、あるいはそのメチル基の一部をフエニル基で置換したものなどを主体とする公知のシリコーン系粘着剤を用いることができる。粘着層は架橋構造とすることが一般的でありその場合、過酸化物等による適宜の架橋方式を採ることができるが、低温架橋による非耐熱性支持体の許容性の点よりはシリコーン系粘着剤中に予めSi−CH=CH2基やSi-H基を導入しておいて白金系触媒で付加反応させる架橋方式が好ましい。
≪スリップ剤43に対するシリコーン系粘着剤層52の粘着性≫
前述の通り、シリコーン系粘着剤は、スリップ剤層43に対する粘着性が良好である。このことを、数値を用いて例示する。
(例1)
外装材12の表面に、ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体からなるスリップ剤層43を設け、これに対して、細長いストリップ状(幅15mm)の両面粘着テープのシリコーン系粘着剤層を貼り付けた。そして、当該粘着テープを引き剥がすのに必要な剥離強度を測定したところ、2.1N(ニュートン)であった。
(例2)
外装材12の表面に、エルカ酸アマイドからなるスリップ剤層43を設け、これに対して、細長いストリップ状(幅15mm)の両面粘着テープのシリコーン系粘着剤層を貼り付けた。そして、当該粘着テープを引き剥がすのに必要な剥離強度を測定したところ、3.5N(ニュートン)であった。
なお、上記例1、2で使用した両面粘着テープは、日東電工株式会社の「シリコーンゴム接着用両面接着テープ:No.5303W」である。
≪両面粘着テープの粘着剤層53≫
図示の例では、基材層51の他面に設けられる粘着層層53としてアクリル系粘着剤層53を採用しているが、他の粘着剤を採用することも可能である。プラスチックケース20の形成素材(例えば、ABS樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリプロピレン等)に応じて、アクリル系粘着剤、SIS系粘着剤、SBS系粘着剤、天然ゴム系粘着剤などの硬化タイプも含む適宜の粘着剤を用いることができる。ただ、耐久性や被着体の汎用性などの点よりアクリル系粘着剤が好ましい。
また、剛性ケースとしてのプラスチックケース20に代えて、適度な剛性を有する他の素材を使用することも可能であるので、その場合には、当該剛性ケースを構成する素材に適した粘着性を選択する。
なお、粘着層の厚さは任意であるが、500μm以下とすることが好ましい。
なお、図示してはいないが、粘着剤層52、53の表面には離型紙等が設けられ、貼り付け前にこれを剥がして使用する。
≪スリップ剤層43の材料≫
本発明において、外装材12の表面に設けるスリップ剤層43として、どのような材料を採用するかは特に限定されるものでなく、エンボス加工時に皺や、ピンホール、クラック等が生じることを有効に防止できる程度のスベリ性を付与できるものであればよい。例えば、エルカ酸アマイド等の脂肪酸アマイド、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、あるいはこれらの混合物等によりスリップ剤層43を構成することができる。
ただし、スリップ剤層43としてポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体を使用すると、次のようなメリットがある。
すなわち、シート状原材12'の成形型に接触する面にスリップ剤層43を設けることで、成形型に対するスベリ性を高めて皺、ピンホール、クラック等を防止できるが、成形型を繰り返し使用するうちに成形型表面にスリップ剤が付着する。そして、この付着したスリップ剤を定期的に拭き取るという作業が必要となる。
しかし、スリップ剤層43としてポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体を使用すると、成形型表面への付着が殆どないことが後述するように、実験で確かめられており、したがって、定期的な拭取り作業の負担が軽減される。
≪ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体≫
スリップ剤層43として、アゾ基含有ポリジメチルシロキサンアミドを開始剤としてビニル共重合体を共重合することにより製造されるポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体からなる層を用いることができる。ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体とは以下の構造で示されるものである。
〔1〕.(a1*a2)l
〔2〕.a1*(a1*a2)m
〔3〕.a2*(a1*a2)n
ここで、l,m,nは1〜10の整数、a1は下記式(化1)で表されるポリジメチルシロキサン部分であり、
Figure 2007265873
a2はビニル重合体部分である。まず、上記ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体を合成するためには高分子開始剤法が適用される。上記高分子開始剤法においては、たとえば、下記式(化2)で表されるようなポリジメチルシロキサン部分を導入した高分子アゾ開始剤(アゾ基含有ポリジメチルシロキサンアミド)が用いられ、該高分子開始剤を用いて共重合可能なビニル単量体を共重合すれば、効率よくブロック共重合体を製造することができる。
Figure 2007265873
また、過酸化型高分子開始剤、アゾ型高分子開始剤等のポリメリック開始剤を用いれば二段階で重合することもできる。たとえば、アゾ型高分子開始剤を使用した場合には、下記式(化3)、(化4)に示す二段階の重合となり、
Figure 2007265873
Figure 2007265873
ここで、m,n,n’,lは1以上の整数、M1は下記式(化5)、(化6)で表されるマクロモノマーであり、
Figure 2007265873
Figure 2007265873
ここで、M2はM1と共重合可能なビニル単量体であり、Rを例示するならば、下記式(化7)で表される。
Figure 2007265873
次に、上記高分子開始剤法において使用される共重合可能なビニル単量体としては、たとえば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、iso−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、iso−ブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート等の脂肪族ないし環式(メタ)アクリレート、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、iso−ブチルビニルエーテル等のビニルエーテル類、スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン類、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル系単量体、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等の脂肪族ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン等のハロゲン含有単量体、エチレン、プロピレン、イソプレン等のオレフィン類、クロロプレン、ブタジエン等のジエン類、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、クロトン酸、アトロパ酸、シトラコン酸等のα,β−不飽和カルボン酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−メチロールアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、メチルアクリルアミドグリコレートメチルエーテル等のアミド類、N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート等のアミノ基含有単量体、グリシジル(メタ)アクリレート、グリシジルアリルエーテル等のエポキシ基含有単量体、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、アリルアルコール、カージュラEとアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、クロトン酸等との反応物、その他ビニルピロリドン、ビニルピリジン、ビニルカルバゾール等があり、さらに加水分解性シリル基を有するビニル単量体としては、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメトキシエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等のシランカップリング剤を使用することができる。上記単量体は1種ないし2種以上混合して用いてもよいものである。なお、本段落で(メタ)アクリレートとは、アクリレートないしメタアクリレートの意味で用いている。
前記ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体の製造方法としては、上記したポリジメチルシロキサンを導入した高分子開始剤によって共重合可能なビニル単量体を添加して重合せしめることにより製造される。上記重合反応は通常溶液において行われる。上記重合反応においては、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶剤、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル等のエステル系溶剤、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール等のアルコール系溶剤等の単独ないし混合溶剤として使用できる。また、上記重合反応においては、必要に応じて、たとえば、ベンゾイルパーオキサイド、ラウリルパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド等の周知の重合開始剤を併用して用いてもよいものである。このようにして得られるポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体において、シロキサン含有比率は1〜60重量%、好ましくは5〜40重量%、その他共重合可能なビニル単量体の含有比率は99〜40重量%、好ましくは95〜60重量%とし、その中にOH基やエポキシ基を有するビニル単量体が含有されるのが望ましい。このようにして得られるポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体は、他の合成樹脂との相溶性に富み、相溶化剤としても極めて有効であるために、たとえば、シリコーン樹脂やポリビニルアセトアセタールやポリビニルブチラール等の合成樹脂を混合して使用してもよいものである。
スリップ剤層43としては、溶液中において上記重合反応により得られたポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体を含有した樹脂液をロールコート法、グラビアコート法等の周知の塗布法で前記基材層40の表面に塗布すると共に乾燥することにより得ることができる。ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体の塗布量としては、乾燥後に0.05g/m2以上、好ましくは、0.08〜0.5g/m2、さらに好ましくは0.1〜0.2g/m2である。塗布量が0.05g/m2未満では、安定した滑り性が得られない(滑り性がばらつく)虞があり、0.5g/m2超においても、滑り性の十分な効果は得られるものの、コスト対効果の面で好ましくない。
前述した通り、スリップ剤層43としてポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体を使用すると、成形型表面への付着が殆どないことが実験で確かめられている。これを以下に説明する。
[実施例1]
まず、予め、アミノ化フェノール重合体、三価クロム化合物、および、リン化合物を含有する化成処理液で両面を化成処理して化成処理層を両面に形成したアルミニウム箔(40μm厚さ)の一方の面と基材層としての25μm厚さの二軸延伸ナイロンフィルム(以下、ONフィルムと呼称する)とを2液硬化型ポリウレタン系接着剤を介して積層すると共に前記アルミニウム箔(40μm厚さ)の他方の面に熱接着性樹脂層としての30μm厚さの未延伸ポリプロピレンフィルム(以下、CPPと呼称する)を前記化成処理層面が120℃となるように加熱してサーマルラミネーション法で貼合し、この貼合物を180℃となるように再加熱して包装材を作製した。その後に前記包装材のON面にポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体からなる樹脂溶液をメチルエチルケトンで希釈して、ロールコート法で乾燥後の塗布量が0.15g/m2となるように塗布して、ON面に表面層を形成した電池用包装材(原材12’、図3参照)を得た。
この電池用包装材の構成は、スリップ剤層(ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体)/ON25μm/接着剤層/化成処理層/アルミニウム箔40μm/化成処理層/CPP30μmである。
[比較例1]
一方、比較例として、以下のものを作成した。
ポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体からなる樹脂溶液に替えて、エルカ酸アマイド(スリップ剤)を乾燥後に40mg/m2となるように塗布した表面層を形成した以外は実施例1と同様にして比較例とする電池用包装材を得た。
この電池用包装材の構成は、スリップ剤層(エルカ酸アマイド)/ON25μm/接着剤層/化成処理層/アルミニウム箔40μm/化成処理層/CPP30μmである。
上記「実施例1」および「比較例1」について、エンボス成形時における成形金型表面へのスリップ剤層の付着の程度を比較した。
具体的には、連続成形加工が可能な成型機にて1000ショットのエンボス成形加工を施した後、成形金型表面へのスリップ剤の付着の有無を目視にて確認した。この結果、実施例1の原材12’においては付着は見られなかったが、比較例1のものでは付着が見られた。
以上の実験結果から、スリップ剤層43としてポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体を使用すると、成形型表面への付着が殆どないといえる。
本発明の一実施形態に係る電池を概略的に説明する斜視図。 図1中の電池本体の分解斜視図。 図2中のトレイ状外装材の成形工程を説明する概略斜視図。 図1中の4−4線断面図。 図4中の要部拡大図。
符号の説明
10 電池本体
11 発電要素
12 トレイ状の外装材
12a 凹部
13 シート状蓋材
18 正極リード
19 負極リード
20 プラスチックケース
20a、20b ハーフピース
31 オス型
32 メス型
33 凹部
40 基材層
41 バリア層(アルミ箔)
42 熱シール層
43 スリップ剤層
50 両面粘着テープ
51 基材層
52 シリコーン系粘着剤層
53 アクリル系粘着剤層

Claims (3)

  1. エンボス加工で形成された凹部(12a)を有する外装材(12)の当該凹部(12a)内に発電要素(11)を収容し、蓋材(13)でシールしてなる電池本体(10)を、剛性ケース(20)内に収容してなる電池であって、
    上記外装材(12)は、その外表面にエンボス加工時のスベリ性を高めるためのスリップ剤層(43)を有し、
    上記剛性ケース(20)内における上記電池本体(10)の位置固定が両面粘着テープ(50)を用いて行われており、
    当該両面粘着テープ(50)の片面の粘着層(52)はシリコーン系粘着剤で構成されていて、当該シリコーン系粘着剤層(52)を外装材(12)のスリップ剤層(43)に粘着させるとともに、他面の粘着剤層(53)を剛性ケース(20)内面に粘着させることで、上記電池本体(10)の位置を固定していることを特徴とする、電池。
  2. 上記剛性ケース(20)がプラスチック材で構成されていて、上記他面の粘着剤層(53)がアクリル系粘着剤で構成されていることを特徴とする、請求項1記載の電池。
  3. 上記外装材(12)のスリップ剤層(43)がポリジメチルシロキサン系ブロック共重合体からなることを特徴とする、請求項1または2記載の電池。
JP2006091023A 2006-03-29 2006-03-29 電池 Pending JP2007265873A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018505517A (ja) * 2014-12-08 2018-02-22 東莞新能源科技有限公司Dongguan Amperex Technology Limited 電気化学エネルギー貯蔵装置
JP2019145331A (ja) * 2018-02-20 2019-08-29 Tdk株式会社 非水電解液二次電池

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