JP2008511959A - 高強度のバッテリーケースを使用する二次バッテリー - Google Patents

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Abstract

高強度のバッテリーケースを使用する二次バッテリーである。重合体フィルムの外側被覆層、金属ホイルのバリヤー層、およびポリオレフィン材料の内側シーラント層から構成される張り合わせたシートから製造されたバッテリーケースの中に電極組立が設置されている二次バッテリーであって、該バリヤー層の該金属ホイルがアルミニウム合金から形成され、該外側被覆層がポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から形成される、および／または該外側被覆層の外側表面にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層が施されており、該バッテリーケースが、６．５ｋｇｆを超える釘貫通耐力を有する二次バッテリーを提供する。本発明のバッテリーは、従来のバッテリーと比較して、バッテリーを外部の物理的衝撃にさらしても、あるいは鋭い物体を押し付けても、侵入、発火または爆発の可能性を著しく下げることができるために、安全性がさらに改良されている。

Description

発明の分野
本発明は、高強度のバッテリーケースを備えた二次バッテリーに関する。より詳しくは、本発明は、従来のバッテリーと比較して、バッテリーを外部の物理的衝撃にさらしても、あるいは鋭い物体を押し付けても、侵入、発火または爆発の危険性を著しく下げることができる高強度のバッテリーケースを使用する二次バッテリーに関する。
発明の背景
一般的に、図１および２に示すような、「小袋型電池」とも呼ばれるリチウムイオン重合体バッテリーは、中のサイズが予め決められている内部空間２ａを包含するケース本体２、ケース本体２に回転できるように接続されたカバー３、カソードプレート４ａ、アノードプレート４ｂおよびセパレータシート４ｃから構成され、ケース本体２の受け取り部分２ａ上に配置された電極組立４、電極組立４のカソードプレート４ａおよびアノードプレート４ｂの末端から長さ方向で外側に伸びる接続部品５、および対応する接続部品５に接続されたカソード端子６およびアノード端子７から形成されている。
熱密封のための予め決められた幅を有する延長部分２ｂが、ケース本体２の電極組立を受け取る部分２ａの上側縁部上に、水平に外方向に形成されている。さらに、ケース本体２の延長部分２ｂおよびカバー３の縁部３ａを熱密封装置（図には示していない）により熱密封する時に、その熱密封装置と電極端子６および７との間の短絡を防止するために、および同時に、それぞれの端子６および７と、密封部品２ｂおよび３ａとの間の密封性を増加するために、対応する接続部品５に接続されたカソード端子６およびアノード端子７の中央部分に、非導電性の端子テープ８が取り付けられている。
従って、バッテリーは、カソードプレート４ａ、アノードプレート４ｂおよびセパレータシート４ｃから構成された電極組立４をケース本体２の受け取り部分２ａ中に配置し、予め決められた量の電解質を受け取り部分２ａの中に注入し、カバー３をケース本体２に閉鎖した状態で、電極が外に漏れないように、ケース本体２の延長部分２ｂとカバー３の縁部３ａとを、熱密封装置（図には示していない）を使用して密封することにより、製造される。
この時、電極組立４の接続部品５は、対応する、端子テープ８を中央部に取り付けた電極端子６および７に接続され、電極端子６と７および端子テープ８の一部がケース本体２およびカバー３の外側に突き出る。
ケース本体２およびカバー３は、それぞれ、延伸したナイロン（ＯＮｙ）フィルムから形成された外側被覆層９ａ、アルミニウム（Ａｌ）から形成されたバリヤー層９ｂ、および注型されたポリプロピレンフィルム（ＣＰＰ）から形成された内側シーラント層９ｃから製造されており、内側シーラント層９ｃの縁部は、ホットメルト層（図には示していない）で被覆されており、これによって、ケース本体２の延長部分２ｂとカバー３の縁部３ａとの間を、熱密封装置の熱および圧力により、堅く固定することができる。
しかし、ＯＮｙの外側被覆層、アルミニウム（Ａｌ）のバリヤー層、およびＣＰＰの内側シーラント層から製造された従来のケース本体およびカバーは、そのようなケース本体およびカバーから製造されたバッテリーを物理的衝撃にさらした時、あるいは鋭い物体を押し付けた時に、損傷を受け易いために、侵入、発火または爆発のような問題があるのが難点である。
発明の概要
従って、本発明は、上記の問題を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、従来のバッテリーと比較して、バッテリーを外部の物理的衝撃にさらしても、あるいは鋭い物体を押し付けても、侵入、発火または爆発の可能性を著しく下げることができる高強度のバッテリーケースを使用する二次バッテリーを提供することである。
本発明の一態様で、上記の、および他の目的は、重合体フィルムの外側被覆層、金属ホイルのバリヤー層、およびポリオレフィン材料の内側シーラント層から構成される張り合わせた（積層状）シートから製造されたバッテリーケースの中に電極組立が設置されている二次バッテリーであって、該バリヤー層の該金属ホイルがアルミニウム合金から形成され、該外側被覆層がポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から形成される、および／または該外側被覆層の外側表面にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層が施されており、該バッテリーケースが、６．５ｋｇｆを超える釘貫通耐力を有する二次バッテリーを提供することにより、達成される。
従って、本発明の二次バッテリーは、金属ホイルのバリヤー層が、従来技術の主機能である遮蔽機能、例えば材料の侵入または漏れを阻止すること、に加えて、バッテリーケースの強度を改良するように構築されており、外側被覆層またはその外側表面が追加の樹脂層をさらに包含するために、高い強度を有することを特徴とする。
釘貫通耐力とは、穿孔試験FTMS 101C法により測定した貫通力を意味する。これに関して、従来の張り合わせシート型のバッテリーケースは、釘貫通耐力が約５．０ｋｇｆであるのに対し、本発明のバッテリーケースは、釘貫通耐力が少なくとも６．５ｋｇｆ、好ましくは６．５〜１０．０ｋｇｆ、より好ましくは７．０〜８．５ｋｇｆである。上記の範囲内にある釘貫通耐力により、バッテリーの使用中に様々な釘状物体によりバッテリーが損傷を受ける可能性に対して、バッテリーの安全性が確保されるといえる。
バッテリーケースの強度増加に貢献するバリヤー層は、厚さが２０〜１５０μｍである。バリヤー層の厚さが小さ過ぎる場合、所望の材料遮蔽および強度改良効果を得るのが困難になる。対照的に、バリヤー層の厚さが大き過ぎる場合、加工性が低下し、シートの厚さが増加するので好ましくない。
バリヤー層を構成するアルミニウム合金は、合金成分の化学種に応じて強度に差があり、例えばアルミニウム合金番号８０７９、ＩＮ３０、８０２１、３００３、３００４、３００５、３１０４および３１０５が挙げられるが、これらに限定するものではない。これらのアルミニウム合金は、単独でも、またはそれらのどのような組合せででも使用できる。下記の表１は、合金成分の化学種およびそれらの含有量を示す。残りの部分は、「その他」を除いて、アルミニウムの含有量である。
Figure 2008511959
上記のアルミニウム合金の中で、特に８０７９、ＩＮ３０、８０２１および３００４をバリヤー層の金属ホイルとして使用するのが好ましい。
外側被覆層の重合体フィルムは、厚さが５〜４０μｍである。このフィルム厚が小さ過ぎると、予め決められた強度を得るのが困難になる。対照的に、フィルム厚が大き過ぎると、シートの厚さが増加するので好ましくない。上記のように、本発明における外側被覆層の重合体フィルムは、所望によりＰＥＮから形成するか、または延伸したナイロンフィルムから形成することができる。
所望により外側被覆層の外側表面にＰＥＴ層を追加する場合、そのＰＥＴ層は、好ましくは厚さが５〜３０μｍである。このフィルム厚が小さ過ぎると、ＰＥＴ層を加えて強度を改善するのが困難になる。反対に、フィルム厚が大き過ぎると、シートの厚さが増加するので好ましくない。
外側被覆層としてＰＥＮフィルムを使用すること、および外側被覆層の外側表面にＰＥＴ層を追加することは、所望により行なうことではあるが、これらの層の少なくとも一つを付けることにより、上記の望ましい釘貫通耐力を得るべきである。さらに、ＰＥＮフィルムおよびＰＥＴ層を共に付けることにより、バッテリーケースの強度をさらに改良することができる。
電極組立には、特に制限は無く、従って、ゼリーロール型または積重型でもよい。さらに、電極組立の構造にも、本発明のバッテリーケース中に設置できさえすれば、特に制限は無い。例えば、リチウムイオンバッテリー、リチウムイオン重合体バッテリーおよびリチウム重合体バッテリーを使用できる。
本発明の上記の、および他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
好ましい実施態様の詳細な説明
ここで、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を説明する。
図３は、本発明の高強度張り合わせシートから製造されたバッテリーケースを使用する二次バッテリーを図式的に示す分解組立透視図である。
図３に関して、図１に示すバッテリーと類似の、本発明のバッテリー１は、バッテリーケースの中に電極組立４が設置される構造を取り、該バッテリーケースは、受け取り部分２ａが中に形成されているケース本体２およびケース本体２の一端に回転できるように、一体的に形成されたカバー３から構成される。
ケース本体２およびカバー３は、重合体フィルムの外側被覆層９ａ、金属ホイルのバリヤー層９ｂ、およびポリオレフィン材料の内側シーラント層９ｃから構成された張り合わせシートのバッテリーケース９を形成し、外側被覆層９ａの外側表面は、優れた引張強度、衝撃強度および耐久性を有するＰＥＴ層９ｄを備えている。
外側被覆層９ａの重合体フィルムは、延伸されたナイロンフィルムＯＮｙ１５またはＯＮｙ２５から形成される。ここで、ＯＮｙについている数値は厚さを表す。外側被覆層９ａは、優れた引張強度、衝撃強度および耐久性を有するＰＥＮから形成することができる。
バリヤー層９ｂの金属ホイルは、アルミニウム合金８０７９、ＩＮ３０、８０２１または３００４から形成される。
内側シーラント層９ｃは、注型ポリプロピレン（ＣＰＰ）から形成され、厚さが３０〜１５０μｍである。
本発明のバッテリーにおけるバッテリーケースを構成する張り合わせシートは、様々な様式で製造することができる。
例えば、張り合わせシートは、それぞれの層を構成するフィルムおよび金属ホイルを連続的に積み重ね、続いてそれらの間を接着することにより、製造することができる。接着は、ドライラミネートまたは押出積層により行うことができる。ドライラミネートは、２枚の材料間に接着剤を塗布し、乾燥させ、加熱ロールを使用し、室温より高い温度および大気圧より高い圧力で、２枚の材料を接着させる方法である。さらに、押出積層は、２枚の材料間に接着剤を塗布し、室温で、加圧ロールを使用し、予め決められた圧力下で２枚の材料を接着させる方法である。
諸例
ここで、下記の例を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。これらの例は、本発明を例示するためにのみ記載するのであって、本発明の範囲および精神を限定するものではない。
[例１〜４および比較例１]
下記の表２に記載する組成により張り合わせシートを調製した。このようにして調製した張り合わせシートを使用し、図３に示す構造を有する小袋型バッテリーケースをドライラミネートにより調製した。
＜表２＞

張り合わせシートの構造
比較例１ ＯＮｙ２５ Ｂ Al40(8079) Ｃ CPP45
例１ PET15 Ａ ONy25 Ｂ Al80(IN30) Ｃ CPP60
例２ PET15 Ａ ONy25 Ｂ Al80(8021) Ｃ CPP50
例３ ＰＥＮ１２ Ｂ Al100(3004) Ｃ CPP30
例４ ＰＥＮ１２ Ｂ Al100(8021) Ｃ CPP50
注 ＰＥＴ、ＯＮｙ、ＰＥＮ、ＡｌおよびＣＰＰの右に付けた数値は、厚さを示す。
図３に示すような積重型電極組立を、それぞれのバッテリーケース上に取り付け、得られた構造に電解質を含浸させた。次いで、ケース本体およびカバーをそれらのまで熱密封し、小袋型バッテリーセルを製造した。
こうして製造したバッテリーセルの釘貫通耐力を、バッテリー貫通実験装置（ＵＴＭ試験器）を使用し、FTMS101C条件下で測定した。得られた結果を下記の表３に示す。上記の装置では、釘状部材をバッテリーセルの上側表面に押し付けることにより、該部材がバッテリーケースを貫通した時に測定した力として、釘貫通耐力を表す。
＜表３＞

貫通力（ｋｇｆ）
比較例１ ５．０
例１ ８．３
例２ ８．５
例３ ６．８
例４ ７．０
表３から分かるように、従来のバッテリー（比較例１）は、釘状部材が５．０ｋｇｆの力で貫通したのに対し、本発明のバッテリー（例１〜４）は、６．５ｋｇｆを超える貫通力を示すことが確認された。従って、本発明のバッテリーは、バッテリーの使用中に考えられる様々な釘状部材の衝撃により容易に貫通せず、従って、バッテリーの安全性を確保できることが分かる。さらに、外側被覆層の外側表面にＰＥＴ層を加えた例１および２のバッテリーは、特に優れた機械的強度を示すことが確認された。
産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーは、アルミニウム（Ａｌ）合金のバリヤー層およびＰＥＮの外側被覆層および／または追加のＰＥＴ層備えることにより、高い機械的強度を達成する。従って、従来のバッテリーと比較して、バッテリーを外部の物理的衝撃にさらしても、あるいは鋭い物体を押し付けても、侵入、発火または爆発の可能性を著しく下げることができるために、安全性がさらに改良されたバッテリーを製造することができる。
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。
図１は、従来技術による小袋型リチウムイオン重合体バッテリーの分解組立透視図および部分的に拡大した断面図を示す。 図２は、図１に示すバッテリーの組み立てた状態を図式的に示す透視図である。 図３は、本発明の一実施態様による小袋型リチウムイオン重合体バッテリーを図式的に示す分解組立透視図および部分的に拡大した断面図である。

Claims (8)

  1. バッテリーケースの中に電極組立が設置されている二次バッテリーであって、
    該バッテリーケースが、重合体フィルムによる外側被覆層と、金属ホイルによるバリヤー層と、及びポリオレフィン材料による内側シーラント層から構成される張り合わせたシートから製造されてなり、
    前記バリヤー層における前記金属ホイルがアルミニウム合金から形成されてなり、
    前記外側被覆層がポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から形成されなり、及び／又は前記外側被覆層の外側表面にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層が施されており、及び、
    前記バッテリーが、６．５ｋｇｆを超える釘貫通耐力を有するものである、二次バッテリー。
  2. 前記釘貫通耐力が６．５〜１０．０ｋｇｆである、請求項１に記載のバッテリー。
  3. 前記バリヤー層の厚さが２０〜１５０μｍである、請求項１に記載のバッテリー。
  4. 前記アルミニウム合金が、アルミニウム合金番号８０７９、ＩＮ３０、８０２１、３００３、３００４、３００５、３１０４、３１０５およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のバッテリー。
  5. 前記アルミニウム合金が、アルミニウム合金番号８０７９、ＩＮ３０、８０２１、３００４、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項４に記載のバッテリー。
  6. 前記外側被覆層の厚さが５〜４０μｍである、請求項１に記載のバッテリー。
  7. 前記外側被覆層の前記重合体フィルムが、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から形成されるか、または延伸されたナイロンフィルムから形成される、請求項１に記載のバッテリー。
  8. 所望により前記外側被覆層の前記外側表面に前記ＰＥＴ層を追加する場合、前記ＰＥＴ層の厚さが５〜３０μｍである、請求項１に記載のバッテリー。
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