JP2009076351A - 電池パックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度及び機械的強度が高い電池パックを提供する。
【解決手段】正極１１と負極１２をセパレータ１３ａ，１３ｂを介して巻回又は積層して成る電池素子１０をラミネートフィルム１７で包装した電池２０と、その保護回路基板２と、電池２０及び保護回路基板２を収容した成形型６の成形空間７に充填して硬化させることで電池２０及び保護回路基板２を一体的に被覆する外装材３を備えた電池パック１を製造するに際し、成形型６を開いて成形空間７に電池２０及び保護回路基板２を収容するのに続いて、成形型６を閉じる際にラミネートフィルム１７の一部を成形型６で挟んで、電池２０及び保護回路基板２を成形空間７中に保持し、その後、成形空間７に外装材３を充填することにより、電池２０及び保護回路基板２の移動を防いで、寸法精度及び機械的強度が高い電池パック１を得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば非水電解質二次電池を含む電池パックの製造方法に関し、詳しくは、正極と負極をセパレータを介して巻回又は積層して成る電池素子をラミネートフィルム等の包装体で包装した電池とその保護回路基板を一体化した電池パックの製造方法に関するものである。

近年、カメラ一体型ビデオテープレコーダ、携帯電話及び携帯用コンピュータ等のポータブル電子機器が数多く登場し、その小型、軽量化が図られている。かかる電子機器の小型、軽量化に伴って、これらのポータブル電源として用いられる電池パックに対しても、高エネルギーを有し、小型、軽量化されることが求められている。このような電池パックに用いられる電池としては、高容量を有するリチウムイオン二次電池がある。

リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンをドープ・脱ドープすることができる正極及び負極を有する電池素子を備え、この電池素子を金属缶や金属ラミネートフィルムに封入すると共に、電池素子と電気的に接続した回路基板によって制御するようになっている。また、従来のリチウムイオン二次電池には、上下に二分割された収納ケースに回路基板とともに収納して電池パックを構成したものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許第３５５６８７５号 特許第３６１４７６７号 特許第３６４３７９２号

ところで、前述したような従来のリチウムイオン二次電池において、電池素子の封入に金属缶を用いたものでは、高い寸法精度を確保しやすいものの、厚みや重量が若干大きくなる。他方、電池素子の封入に金属ラミネートフィルムを用いたものでは、金属缶に比べて薄型で軽量になるが、電池素子の寸法のばらつきが大きいために寸法精度を高めることが難しいと共に、機械的強度が低いという欠点があった。

また、従来の電池パックにおいて、リチウムイオン二次電池と回路基板を収納ケースに収納したものにあっては、リチウムイオン二次電池や回路基板を外部衝撃等から保護するために、収納ケースに充分な肉厚が必要となり、さらに、上下に分割した収納ケースを両面テープや超音波溶着で接合するに際しても、これらに対応し得るように収納ケースに充分な肉厚を確保しておく必要があることから、電池パック全体の厚みや重量が増大することとなり、ポータブル電源として好ましくないという問題点があった。

本発明は、従来の課題に着目して成されたものであって、寸法精度及び機械的強度がいずれも高いうえに小型軽量化をも実現した電池パックを得ることができる電池パックの製造方法を提供することを目的としている。

本発明の電池パックの製造方法は、正極と負極をセパレータを介して巻回又は積層して成る電池素子を包装体で包装した電池と、電池の保護回路基板と、電池及び保護回路基板を収容した成形型の成形空間に充填して硬化させることで電池の端子を外部に導出した状態にして電池及び保護回路基板を一体的に被覆する外装材を備えた電池パックを製造するに際し、成形型を開いて成形空間に電池及び保護回路基板を収容するのに続いて、成形型を閉じる際に包装体の一部を成形型で挟んで、電池及び保護回路基板を成形空間中に保持し、その後、成形空間に外装材を充填する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

ここで、前記外装材として、とくに粘度の高い外装材を成形型の成形空間に充填するには、成形空間内に隙間が生じないように、外装材にある程度の圧力を加えて充填する。このとき、加圧充填する外装材によって電池及び保護回路基板が成形空間内における所定位置から移動しないようにする必要があり、例えば、成形型に位置決め用の突起を設けるなどの対策が考えられたが、この場合には、外装材の硬化後において位置決め用突起による凹部が意匠性を損ねたり、利用者の使用しにくい形状となるなどの障害があった。

そこで、本発明の電池パックの製造方法では、成形型を開いて成形空間に電池及び保護回路基板を収容するのに続いて、成形型を閉じる際に包装体の一部を成形型で挟んで、電池及び保護回路基板を成形空間中に保持することにより、外装材を加圧充填した際に、電池及び保護回路基板が移動しないようにすると共に、充填した外装材が成形空間の隅々にまで流れ込むようにしている。

本発明では、成形型の成形空間に外装材を充填するにあたって、位置決め用の部材や凹凸を何ら付与せずに、電池及び保護回路基板を精度良く所定位置に位置決めすることができるので、電池の全面に対して、精度良くほぼ設計値どおりに強固な外装材の層が形成されることとなる。

また、外装材の充填量を増減させることで、電池素子を包装体で包装した電池の製造において避けられない寸法のばらつきを、電池の全面で吸収し得ることから、非常に寸法精度の高い電池パックを安定して供給することが可能となる。さらに、成形型に挟持された包装体の一部（被挟持部分）は、外装材の硬化後に切除するので、電池パックの意匠性を損なうこともない。

さらに、本発明においては、電池及び保護回路基板を外装材で一体的に被覆するようにしているので、従来必要としていたハードカバーが廃止され、機械的強度の向上に加えて、さらなる小型軽量化をも実現し得ることとなる。

本発明の電池パックの製造方法によれば、前述の構成を採用したことにより、寸法精度及び機械的強度がいずれも高いうえに小型軽量化をも実現した電池パックを提供することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

以下、本発明の電池パックの製造方法について詳細に説明する。なお、本明細書において、濃度、含有量及び充填量などについての「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。

図５及び図６に示す電池パック１は、図７及び図８に示す如く正極１１と負極１２をセパレータ１３ａ，１３ｂを介して巻回又は積層して成る電池素子１０を包装体であるラミネートフィルム１７で熱融着して包装したポリマー型の非水電解質二次電池２０と、この電池２０の保護回路基板２を外装材３で一体的に被覆したものである。

このとき、外装材３は、後に詳述するが、電池２０及び保護回路基板２を収容した成形型の成形空間に充填して硬化させることで電池２０の端子１５ａ，１５ｂを外部に導出した状態にして電池２０及び保護回路基板２を一体的に被覆している。また、図示の電池パック１は、平板状を成しており、図５中で左側のトップ側とその反対側のボトム側には、保護回路基板２や電池２０を保護するための緩衝材４，５が埋設してある。

電池２０は、図７に示すように、包装体であるラミネートフィルム１７に形成した凹部１７ａに電池素子１０を収容して、その周辺部を封止するようになっており、この場合、ラミネートフィルム１７の凹部１７ａは、矩形板状を成している電池素子１０の形状に対応した矩形板状の空間となっている。

電池素子１０は、図８に示すように、帯状の正極１１と、セパレータ１３ａと、正極１１と対向して配置された帯状の負極１２と、セパレータ１３ｂとを順に積層して、長手方向に巻回して成っており、正極１１及び負極１２の両面にはゲル状電解質１４が塗布してある。

この電池素子１０からは、正極１１と接続する正極端子１５ａ及び負極１２と接続する負極端子１５ｂが導出させてあり（以下、特定の端子を指定しない場合は電極端子１５と称する）、正極端子１５ａ及び負極端子１５ｂには、後に外装するラミネートフィルム１７との接着性を向上させるために、無水マレイン酸変性されたポリプロピレン（ＰＰａ）等の樹脂片であるシーラント１６ａ及び１６ｂ（以下、特定のシーラントを指定しない場合はシーラント１６と適宜称する）が被覆してある。

以下、前述の電池（外装材による被覆前）２０の構成要素について詳細に説明する。
［正極］
正極１１は、正極活物質を含有する正極活物質層を正極集電体の両面状に形成して成るものである。正極集電体は、例えばアルミニウム（Ａｌ）箔などの金属箔により構成され、一方、正極活物質層は、例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成される。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤及び溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は不問である。

正極活物質としては、目的とする電池の種類に応じて、金属酸化物、金属硫化物又は特定の高分子を用いることができる。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合、主として、次式（１）
ＬｉＸＭＯ２…（１）
（式中のＭは少なくとも一種の遷移金属を示し、Ｘは電池の充放電状態によって異なるが、通常は０．０５〜１．１０である）で表されるリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることができる。なお、リチウム複合酸化物を構成する遷移金属（Ｍ）としては、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）等を用いることができる。

このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４及びＬｉＮｉ_ｙＣｏ_１−_ｙＯ_２（０＜ｙ＜１）等がある。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能であり、ＬｉＮｉ_０．５Ｃｏ_０．５Ｏ_２やＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．２Ｏ_２等をその例として挙げることができる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。さらに、正極活物質としてＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＮｂＳｅ_２及びＶ_２Ｏ_５等のリチウムを有しない金属硫化物又は酸化物を使用してもよい。これらの正極活物質は、単独で又は複数種を混合して用いてもよい。

また、導電剤としては、例えば、カーボンブラックやグラファイトなどの炭素材料等を用いることができる。さらに、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン及びポリビニリデンフルオライド等を用いることができる。また、溶剤としては、例えば、Ｎ−メチルピロリドン等を用いることができる。

上述の正極活物質、結着剤及び導電剤を均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次いで、このスラリーをドクターブレード法などにより正極集電体上に均一に塗布した後、高温で乾燥させて溶剤を蒸発させ、プレスすることにより正極活物質層を形成する。

正極１１は、正極集電体の一端部にスポット溶接又は超音波溶接で接続した正極端子１５ａを有している。この正極端子１５ａは金属箔や網目状のものが望ましいが、電気化学的及び化学的に安定であり、通電がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。正極端子１５ａの材料としては、例えばアルミニウム等がある。

［負極］
負極１２は、負極活物質を含有する負極活物質層を負極集電体の両面上に形成して成るものである。負極集電体は、例えば銅（Ｃｕ）箔、ニッケル箔又はステンレス箔などの金属箔により構成される。

負極活物質層は、例えば、負極活物質と、必要に応じて導電剤と、結着剤とを含有して構成される。なお、負極活物質、導電剤、結着剤及び溶剤については、正極活物質と同様に、その混合比は不問である。

負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金又はリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料又は金属系材料と炭素系材料との複合材料を用いることができる。具体的にリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としては、グラファイト、難黒鉛化炭素及び易黒鉛化炭素等がある。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、及び活性炭等の炭素材料を使用することができる。さらに、リチウムをドープ・脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やＳｎＯ_２等の酸化物を使用することができる。

また、リチウムを合金化可能な材料としては、多様な種類の金属等が使用可能であるが、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム、ケイ素（Ｓｉ）及びこれらの合金がよく用いられる。金属リチウムを使用する場合は、必ずしも粉体を結着剤で塗布膜にする必要はなく、圧延したリチウム金属箔を集電体に圧着しても構わない。

結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンやスチレンブタジエンゴム等を用いることができる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドンやメチルエチルケトン等を用いることができる。

前述の負極活物質、結着剤、導電剤を均一に混合して負極合剤とし、溶剤中に分散させてスラリー状にする。次いで、正極１１と同様の方法により負極集電体上に均一に塗布した後、高温で乾燥させて溶剤を飛散させ、プレスすることにより負極活物質層を形成する。

負極１２も正極１１と同様に、集電体の一端部にスポット溶接又は超音波溶接で接続した負極端子１５ｂを有しており、この負極端子１５ｂは電気化学的及び化学的に安定であり、通電がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。負極端子１５ｂの材料としては、例えば銅、ニッケル等がある。

なお、正極端子１５ａ及び負極端子１５ｂは、上述したように、電池素子１０が矩形板状を成す場合には、その一辺（通常は短辺の１つ）から同じ方向に導出させることが好ましいが、短絡等が起こらず電池性能にも問題がなければ、いずれの方向から導出させても問題はない。また、正極端子１５ａ及び１５ｂの接続箇所は、電気的接触がとれているのであれば、取り付ける場所や取り付ける方法は前記の例に限定されない。

［電解液］
電解液としては、リチウムイオン電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。

非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート及びエチルプロピルカーボネート、又はこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等がある。これらの溶媒は一種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合して用いてもよい。

また、電解質塩の一例であるリチウム塩としては、通常の電池電解液に用いられる材料を使用することが可能である。具体的には、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_３、ＬｉＣｌＯ_４，ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＡｌＣｌ_４及びＬｉＳｉＦ_６等を挙げることができるが、酸化安定性の点からはＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４が望ましい。これらリチウム塩は単独で用いても複数種を混合して用いてもよい。リチウム塩を溶解する濃度は、非水溶媒に溶解することができる濃度であれば問題はないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ〜２．０ｍｏｌ／ｋｇの範囲であることが好ましい。

ゲル状電解質を用いる場合は、前述の電解液をマトリクスポリマでゲル化して用いる。マトリクスポリマは、非水溶媒に電解質塩が溶解されてなる非水電解液に相溶可能であり、ゲル化できるものであればよい。このようなマトリクスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、及びポリメタクリロニトリルを繰り返し単位に含むポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、一種類を単独で用いてもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。

その中でも特に好ましいのは、マトリクスポリマとして、ポリフッ化ビニリデン又はポリフッ化ビニリデンにヘキサフルオロプロピレンが７．５％以下の割合で導入された共重合体である。かかるポリマーは、通常、数平均分子量が５．０×１０^５〜７．０×１０^５（５０万〜７０万）の範囲であるか、又は、重量平均分子量が２．１×１０^５〜３．１×１０^５（２１万〜３１万）の範囲にあり、固有粘度が１．７〜２．１ｄｌ／ｇの範囲にある。

［セパレータ］
セパレータ１３ａ，１３ｂは、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）若しくはポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系の材料から成る多孔質膜、又は、セラミック製の不織布などの無機材料から成る多孔質膜により構成され、これらの二種以上の多孔質膜を積層した構造としてもよい。中でも、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。

一般的に、セパレータ１３ａ，１３ｂの厚みとしては５〜５０μｍが好適に使用可能であるが、７〜３０μｍがより好ましい。セパレータ１３ａ，１３ｂは、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。

［電池の作製］
上述のようにして作製したゲル状電解質溶液を正極１１及び負極１２に均一に塗布し、正極活物質層及び負極活物質層に含浸させた後、常温で保存するか、若しくは乾燥工程を経てゲル状電解質層１４を形成する。

次いで、ゲル状電解質層１４を形成した正極１１及び負極１２を用い、正極１１、セパレータ１３ａ、負極１２，セパレータ１３ｂの順に積層した後巻回して電池素子１０を形成し、続いて、この電池素子１０をラミネートフィルム１７の凹部１７ａに収容して外装し、ゲル状非水電解質二次電池を得る。

なお、包装体であるラミネートフィルム１７としては、従来公知の金属ラミネートフィルム、例えば、アルミラミネートフィルムを用いることができる。アルミラミネートフィルムとしては、絞り加工に適し、電池素子１０を収容する凹部１７ａを形成するのに適したものがよい。

通常、アルミラミネートフィルムは、アルミニウム層の両面に接着層と表面保護層が配設された積層構造を有するもので、内側、即ち電池素子１０の表面側から順に、接着層としてのポリプロピレン層（ＰＰ層）、金属層としてのアルミニウム層及び表面保護層としてのナイロン層又はポリエチレンテレフタレート層（ＰＥＴ層）が配設される。

また、包装体であるラミネートフィルム１７としては、アルミラミネートフィルムのほかに、一層又は二層のフィルムであり且つポリオレフィンフィルムを含むものとすることができる。

そして、本実施形態では、図５及び図６に示すように、上述のラミネートフィルム１７で電池素子１０を包装し、電池素子１０の周囲を加熱することで溶着・封止して電池２０とする。

このとき、当該電池パック１の製造方法では、後述するように、外装材３を溶融押出成形法、射出成形法、及びインサート成形法などを用いて成形するための成形型内に電池及び保護回路基板２を成形型内にセットする際に、包装体であるラミネートフィルム１７の一部を成形型で挟持するので、図示例のように電池２０が平板状を成すものである場合には、電池２０の両側にラミネートフィルム１７の封止部分を延長して張出部（図１参照）１７ｂを形成し、両側の張出部１７ｂを被挟持部分とする。

外装材３は、形状維持ポリマーと、金属酸化物や金属窒化物などのフィラーを含む複合材料とすることができる。

ここで、外装材３を構成する形状維持ポリマーとしては、金属酸化物や金属窒化物などのフィラーと親和性、相溶性ないしは反応性を有し、且つ、高い寸法精度および強度をもつ構成樹脂とするものが好ましく、ウレタン樹脂、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂のうちのいずれかの硬化性樹脂であることが好ましい。さらに、この樹脂は、熱ないし紫外線によって硬化する硬化性樹脂であることが好ましい。従来の熱可塑性樹脂では、モバイル用途には厚みが大き過ぎて、電源としての体積エネルギー密度が劣る虞があるからである。

熱硬化樹脂を用いる場合は、一液性、二液性、及び三液性など種々の樹脂を用いることができるが、一液性の場合は、生産性の観点から材料の保管に冷蔵庫などの低温設備が必要になるので、特別な保管設備が無い場合には、硬化時の硬化時間が長くなりやすい一液性よりも、混合しなければ保管に手間が掛からない二液性以上が好ましい。ただし、硬化直前に混合する際の簡便性を考慮すれば、三液以上よりも二液の硬化樹脂が好ましい。

硬化性樹脂では、熱可塑性樹脂に比べて、流れ込みの硬化時間を数十秒取ることができるのでこれまでの数百μｍの厚みにくらべ数十μｍや数μｍの厚みの外装材３を形成することが可能であるが、あまり硬化時間が長いとタクトタイムが長くなり、装置の占有時間が長くなって生産性に劣ることとなる。 そこで、硬化時間は、電池２０が耐えられる温度で高めに保持することが好ましい。この際の硬化温度は、好ましくは３０℃以上１００℃以下であり、より好ましくは５０℃以上９０℃以下である。

外装材３を構成する形状維持ポリマーは、機械的強度が必要であるが、表面硬さと落下時の耐衝撃性は両立しない。高分子のような物質は、個々の分子が長いこともあって、一見単純な固体に見える状態でも、結晶性の部分と非結晶の部分が混在している。

非結晶の部分は、ミクロブラウン運動により、ミクロ的に見ると、分子が部分的な運動を行うことができるので、分子鎖がある程度変形したり移動したりすることが可能であって、曲げたり伸ばしたりすることができる。しかし、温度が下がると、分子鎖の部分的な運動性が失われてガラス状態となり、柔軟性が無くなり、硬い状態を保つことができる。

よって、単純に硬さを追求すると、結晶性が高く、非結晶な部分もある程度高温でないと、分子鎖の自由な運動が阻害されるので簡単に割れてしまう。一方で、柔軟性を求めると、非結晶の部分が多く、大多数の分子鎖は常温付近でも自由に運動できるほど架橋されていないため、耐衝撃性には優れるものの機械的強度には劣ることとなる。

このため、外装材３として使用する形状維持ポリマーは、剛性を保つためにある程度分子鎖が長くて、結晶性が高いことが好ましいが、落下時の衝撃にも耐え得る柔軟性を発現させるためには、あまりに架橋点が多いと簡単に割れてしまう虞がある。

そこで、硬化剤としては、柔軟性に寄与する高分子鎖を長鎖にする架橋点が二つの硬化剤と、架橋点を多くして硬さと高いガラス転移点の実現に寄与する架橋点が三つ以上の硬化剤を併用することが好ましい。

外装材３について、プラスチック−曲げ特性の試験方法（ＪＩＳ−Ｋ７１７１）から求められる曲げ強度及び曲げ弾性率を試験したところ、曲げ強度は、１０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下が好ましく、さらに好ましくは７０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であった。また、曲げ弾性率は、３０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下が好ましく、さらに好ましくは１０００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下であった。

さらに、外装材３は、耐突き刺し性の指標ともなるＪＩＳ Ｋ７２１５ プラスチックのデュロメータ硬さ試験方法（ＪＩＳ−Ｋ７２１５）によれば、表面硬度は、好ましくはＤ３０−Ｄ９９の範囲が良く、さらに好ましくはＤ６０−Ｄ８５の範囲が良い。

ガラス転移点は、圧力開放部が機能的に働くために、定常温度以上で且つ熱暴走温度以下であることが好ましく、さらに好ましくは４５℃以上１２０℃以下の範囲であり、さらに好ましくは６０℃以上１１０℃以下である。

また、電池素子を包装する包装体（ラミネートフィルム）は、金属を用いた角形電池の外装缶に比べて強度が非常に弱いために、通常金属缶を用いた角形電池よりも成形条件の射出圧を下げなければならない。熱可塑性樹脂を用いた射出成型では、樹脂を注入する際に粘度をある程度低くしても、硬化時間が非常に短いために射出圧が大きくなり、通常５０ＭＰａ程度必要となる。

熱硬化性のエポキシ、アクリル及びウレタン樹脂のいずれかを用いた場合には、非常に粘度の高い数万ｍＰａ・ｓ（２５℃）のエポキシ樹脂を用いたとしても、射出圧は１０ＭＰａ以下に抑制することができる。しかし、電池が大きかったり厚かったりする場合には、電池の合材が数十層以上も束ねられると、かなりの強度になるので問題にならない場合もあるが、電池が薄型で且つ強度が低い場合には、射出圧を好ましくは１０ＭＰａ以下に抑制することが好ましく、さらに好ましくは０．５ＭＰａ以下であり、最良は０．１ＭＰａ程度である。よって硬化性の樹脂を用いても、射出時の混合物の粘度は、好ましくは１万ｍＰａ・ｓ以下であり、さらに好ましくは１０００ｍＰａ・ｓ以下である。

ポリウレタンの主剤のポリオールは、泡噛みやボイドの発生がないように真空脱泡して用いられるが、分子量が低すぎると粘度が低くなる一方、揮発するなどして混合比がずれたり、目的の強度が得られないと共に、保管が難しいなどの弊害があるので、分子量は１０００以上あることが好ましい。

ポリアミドのホットメルト成型は、射出圧が０．５ＭＰａ〜０．７ＭＰａ程度であるものの温度が２００−２７０℃となり、電池が耐えられないので、好ましくは１３０℃以下の射出温度、さらに好ましくはＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）のみならずより安全性の高い温度ヒューズも機能できる１００℃以下の温度での射出温度が好ましい。

さらに、外装材３を構成する金属酸化物ないし窒化物フィラーとしては、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、亜鉛（Ｚｎ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の酸化物、又は窒化物及びこれら酸化物ないし窒化物の任意の混合物を挙げることができる。このような金属酸化物ないし窒化物フィラーは、外装材３の硬さを向上する機能を果たし、形状維持ポリマーと接触した状態で配置され、例えば、形状維持ポリマーに混入してもよく、この場合、形状維持ポリマーの全体に亘って均一に散在していることが好ましい。

金属酸化物ないし窒化物フィラーの混入量は、形状維持ポリマーのポリマー種などに応じて適宜変更することができるが、形状維持ポリマーの質量に対する混入量が３％未満の場合には、外装材３の硬さを十分に高めることが困難になることがあり、一方、混入量が６０％を超える場合には、製造時の成形性やセラミックの脆性による問題が発生することがある。そこで、金属酸化物ないし窒化物フィラーの混入量は、形状維持ポリマーの質量に対して３〜６０％程度とすることが好ましい。

また、金属酸化物ないし窒化物フィラーの平均粒径を小さくすると、硬度が上がるものの、成形時の充填性に影響して生産性に不具合を来たす虞があり、逆に、金属酸化物ないし窒化物フィラーの平均粒径を大きくすると、目的の強度が得難くなって、電池パック１としての寸法精度を十分に確保することができない可能性がある。そこで、金属酸化物ないし窒化物フィラーの平均粒径は、０．５〜４０μｍとすることが好ましく、２〜２０μｍとすることがより好ましい。

さらに、金属酸化物ないし窒化物フィラーの形状としては、球状や鱗片状や板状や針状など様々な形状を採用することができる。特に限定されるものではないが、球状のものは、作製し易く平均粒径の揃ったものを安価に得られるので好ましく、針状でアスペクト比の大きいものは、フィラーとして強度を高め易いので好ましい。また、鱗片状のものは、フィラーの含有量を増したときに充填性を高め得る点で好ましい。なお、用途や材質に応じて、平均粒径の異なるフィラーを混合して用いたり、形状の異なるフィラーを混合して用いたりすることが可能である。

上述のように、本発明の電池パック１における外装材３は、形状維持ポリマー及び所定の金属酸化物ないし窒化物フィラーを有することが望ましいが、これ以外にも各種添加剤を含有することが可能であり、例えば、形状維持ポリマー中に、紫外線吸収剤や、光安定剤や、硬化剤又はこれらの任意の混合物を添加して、金属酸化物ないし窒化物フィラーと共存させることができる。

外装材３は、その厚みが薄く、例えば、形状維持ポリマーの層の厚みが１０００μｍ以下である。形状維持ポリマーの層の厚みが１０００μｍを超えると、この外装材３を用いて製造した電池パック１であったとしても、体積エネルギー密度の点でメリットを発揮し難いことがある。さらに好ましくは形状維持ポリマーの層の厚みが３００μｍ以下であり、必要な機械的強度及び耐衝撃性を満たせるのであれば薄いほどよい。

このように、外装材３は、従来より薄く、そして、高強度な電池パック１を実現し得るものであると共に、電池パック１の小型化及び軽量化をも実現し得るものである。また、前述のような金属酸化物ないし窒化物フィラーとともに紫外線吸収材、光安定剤及び硬化剤のいずれかを用い、且つ、ウレタン樹脂、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂のうちのいずれかの硬化性樹脂を用いることにより、金属板よりも薄く、生産性に優れた加工を施すことができるため、得られる電池のエネルギ密度が向上するだけでなく、電池パック１の形成が容易であり、寸法精度が高くなって歩留まりが向上し、加えて、多種多様な用途に応じたサイズや形状や強度の設計の自由度が拡がることとなる。

次に、上記構成を備えた電池パック１の製造方法の一実施形態について説明する。

本発明の電池パックの製造方法では、図１及び図２に示すように、電池２０及び保護回路基板２を成形型６内にセットする。電池２０は、先述したように平板状を成し、その両側に、包装体であるラミネートフィルム１７を延長した張出部１７ｂを有している。図示の成形型６は、上型６Ａと下型６Ｂとで成形空間７を形成し、開閉動作を行うために少なくとも一方が可動である。

当該製造方法では、成形型６を開いて成形空間７に電池２０及び保護回路基板２を収容するのに続いて、成形型６を閉じる際にラミネートフィルム１７の両側の張出部１７ｂを上型６Ａと下型６Ｂの間に挟むことで、電池２０及び保護回路基板２を成形空間中に宙吊り状態で保持すると共に、電池２０の上側及び下側に、外装材３に対応する空間を設け、その後、成形空間７に外装材３を加圧充填する。

このとき、成形型６は、図３に示すように、電池２０の上下両側に対して、外装材３の充填口８と、この充填口８に対向する排気口９を夫々備えている。これらの充填口８及び排気口９は、電池２０の左右方向（図２の左右方向）に複数配置することもできる。

このように、当該製造方法では、成形型６において電池２０のラミネートフィルム１７の両側を挟持するので、電池２０及び保護回路基板２を成形空間７の所定位置に確実に保持することができ、しかも、図４に示すように、電池２０の上下両側に対して外装材３の加圧充填を行うので、電池２０の上下両側に外装材３が均一に加圧充填されることとなって、外装材３の圧力によって電池２０及び保護回路基板２がずれることもない。

そして、成形型６の成形空間７に充填した外装材３が硬化した後、成形型６を開くことで、電池２０及び保護回路基板２を外装材３で被覆した電池パック１を取出し、成形型６によるラミネートフィルム１７の被挟持部分（張出部１７ｂ）を切断する。これにより、図５及び図６に示すように、電池パック１の側部には切断痕Ｍが残る。

このようにして、当該電池パックの製造方法によれば、寸法精度及び機械的強度がいずれも高いうえに小型軽量化をも実現した電池パック１を得ることができる。なお、電池パック１は、通常、対象機器と接続する接続端子を備えているが、本実施形態ではその説明を省略した。

また、緩衝材４，５は、電池２０及び回路基板２を保護すると共に、得られる電池パック１の耐衝撃性を向上させる機能を有することから、使用する材料としては、耐衝撃性を有し寸法精度の良好なポリカーボネートやアクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン樹脂（ＡＢＳ）、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂や、アルミやステンレス等の金属を用いたり、樹脂材料にアルミ等の金属材料をインサート成型したものを用いることが好ましい。

さらに、前述の実施形態では、ゲル状電解質を用いた非水電解質二次電池２０を用いた例を説明したが、本発明は、電解液を用いたラミネートフィルム外装電池パックにも適用することができる。この場合、前述の実施形態において、ゲル状電解質を正極及び負極表面に塗布する工程を省き、ラミネートフィルム溶着工程の途中で電解液を注液する工程を設ける。より具体的には、矩形板状をなす電池素子１０の周囲の３辺を溶着して封止した後、残りの一辺の開口部から電解液を注液し、その後にこの一辺を溶着して封止すればよい。これにより、封止部の全体形状は矩形枠状になる。

さらに、前述の実施形態では、電池素子１０が、正極１１と負極１２をセパレータ１３ａ，１３ｂを介して巻回して成る場合を示したが、正極１１と負極１２をセパレータ１３を介して交互に積層して成る電池素子を有する電池パック１にも本発明を適用することができるのは言うまでもない。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜９）
まず、アルミ蒸着ＰＥＴフィルムの内面側に接着剤を塗布したラミネートフィルム１７を有する電池２０を用意し、この電池２０をその電圧及び電流を制御可能な保護回路基板２に接続した状態で、緩衝材４，５とともに成形型６内に収容し、ラミネートフィルム１７の一部を成形型６で挟持して電池２０及び保護回路基板２を成形空間７中に保持した後、孔径０．５ｍｍの各充填口８から外装材３すなわち金属酸化物ないし窒化物フィラーを含む樹脂を注入し、外装材３の硬化後、バリやラミネートフィルム１７の張出部１７ｂを切断して、各例の電池パック１とした。

（実施例１〜６）
ラミネートフィルム１７の一部を成形型で挟持しない以外は、実施例と同様の手順で電池パックを作製した。

（性能評価）
まず、２３℃の温度下において、上限４．２Ｖとして１５時間行う１Ｃの定電流定電圧充電及び終止電圧２．５Ｖまでの１Ｃの定電流放電を繰り返して行い、定格エネルギ密度は、１サイクル目の放電容量から求め、求めた定格エネルギ密度を表１に併記した。
定格エネルギ密度［Ｗｈ／ｌ］＝（平均放電電圧［Ｖ］×定格容量［Ａｈ］）／電池体積［ｌ］なお、１Ｃは、電池の理論容量を一時間で放出可能な電流値を示す。

また、各例における電池パック１のパック強度のばらつきを観察するために、各例毎に電池パック１をそれぞれ十個ずつ作製し、全ての電池パック１を２ｍの高さからコンクリートの床にそれぞれ自由落下させた。この際、一個の電池パック１の六つの平面が全て床に当たるように、前記落下試験を一個の電池パック１に対して十回ずつ行い、全く外装にダメージがないものを良品と判定し、一方、割れたり部品が外れたりするなどの異常が外観に生じたものを不良品と判定し、得られた判定結果を表１に併記した。

表１から明らかなように、実施例１〜９の電池パックは、いずれも充分な機械的強度を有すると共に、厚みのばらつきも無く、寸法精度が高いものであることを確認した。

これに対して、比較例１〜６の電池パックは、充分な機械的強度が得られず、厚みのばらつきも大きく、寸法精度が低いものであることが判明した。

本発明の電池パックの製造方法において、成形型の下型に電池及び保護回路基板をセットした状態を説明する平面図である。 図１の状態に続いて成形型を閉じた状態を説明する断面図である。 成形型を閉じた状態を説明する側部断面図である。 図３の状態から外装材を充填する要領を説明する側部断面図である。 電池パックを説明する側部断面図である。 電池パックを説明する平面図である。 外装材で被覆する前の電池を説明する分解斜視図である。 電池素子を説明する斜視図である。

符号の説明

１…電池パック、２…保護回路基板、３…外装材、６…成形型、７…成形空間、１０…電池素子、１１…正極、１２…負極、１３ａ，１３ｂ…セパレータ、１５ａ…正極端子、１５ｂ…負極端子、１７…ラミネートフィルム（包装体）、１７ｂ…張出部（被挟持部分）、２０…電池

Claims (8)

1. 正極と負極をセパレータを介して巻回又は積層して成る電池素子を包装体で包装した電池と、前記電池の保護回路基板と、前記電池及び保護回路基板を収容した成形型の成形空間に充填して硬化させることで前記電池の端子を外部に導出した状態にして電池及び保護回路基板を一体的に被覆する外装材を備えた電池パックを製造するに際し、
   前記成形型を開いて成形空間に前記電池及び保護回路基板を収容するのに続いて、前記成形型を閉じる際に前記包装体の一部を成形型で挟んで、前記電池及び保護回路基板を成形空間中に保持し、その後、前記成形空間に外装材を充填することを特徴とする電池パックの製造方法。
2. 前記電池が平板状を成すと共に、その両側に前記包装体の張出部を有しており、前記成形型で包装体の両側の張出部を挟んで、前記電池及び保護回路基板を成形空間中に保持し、その後、前記電池の一方の面及び他方の面の夫々において前記外装材の充填を行うことを特徴とする請求項１に記載の電池パックの製造方法。
3. 前記成形型の成形空間に充填した外装材が硬化した後、成形型から電池パックを取出すと共に、成形型による包装体の被挟持部分を切断して電池パックの側部に切断痕を残すことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パックの製造方法。
4. 前記外装材が、形状維持ポリマーとフィラー材を含む複合材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パックの製造方法。
5. 前記形状維持ポリマーが、ウレタン樹脂、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂のうちのいずれかの硬化性樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の電池パックの製造方法。
6. 前記包装体が、アルミラミネートフィルムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池パックの製造方法。
7. 前記包装体が、一層又は二層のフィルムであり且つポリオレフィンフィルムを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池パックの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池パックの製造方法により製造したことを特徴とする電池パック。

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