JP2010238482A

JP2010238482A - ラミネート外装蓄電デバイス

Info

Publication number: JP2010238482A
Application number: JP2009084327A
Authority: JP
Inventors: Takashi Chiba; 隆千葉; Nobuo Ando; 信雄安東
Original assignee: JM Energy Corp
Current assignee: JM Energy Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】通常の使用状態において十分な気密性が得られ、ラミネート外装蓄電デバイスの外装体の内部にガスが発生した場合においては、そのガスを、特定の部位から確実に排出することができるラミネート外装蓄電デバイスを提供する。
【解決手段】互いに重ね合わせた外装フィルムが、それぞれの外周縁部に形成された接合部において相互に気密に接合されてなる外装体を有し、当該外装体の内部に形成された収容部に蓄電デバイス要素および電解液が収容されて構成されたラミネート外装蓄電デバイスであって、少なくとも一方の前記外装フィルムにおける前記接合部以外の部分の内面に、針状部材が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラミネート外装蓄電デバイスに関し、更に詳しくは、電池やキャパシタ（コンデンサ）などの蓄電デバイス要素が、２枚の外装フィルムよりなる外装体によって収容されてなるラミネート外装蓄電デバイスに関する。

近年、正極板と負極板とがセパレータを介して巻回または交互に積層されて構成された電池要素などの蓄電デバイス要素を、電解液と共に２枚の外装フィルムよりなる外装体内に収容してなるラミネート外装蓄電デバイス（電池やキャパシタ）が、携帯機器や電気自動車等の電源として使用されている。

かかるラミネート外装蓄電デバイスにおいては、過充電されたり、高温にさらされたりすることにより、電解液が電気分解または加熱分解されることに起因して、外装体の内部に可燃性ガス等のガスが発生し、これにより、外装体の内部圧力が上昇することがある。而して、このような問題を解決するため、外装体における２枚の外装フィルムの接合部の一部分に接合力の弱い部分（以下、「弱接合部分」ともいう。）を形成し、内部のガス圧が上昇した場合に、この弱接合部分をガス抜き用の安全弁として機能させる構成の安全機構や、内部圧力が所定の値以上に上昇したときに自動的に開口して、可燃性ガスなどを外部に排気する安全弁を有する安全機構などが設けられたラミネート外装蓄電デバイスが提案されている（例えば、特許文献１乃至特許文献５参照）。

図７に、外装体における接合部位に弱接合部分が形成されてなる安全機構が設けられたラミネート外装蓄電デバイスの一例における構成を分解して示す。このラミネート外装蓄電デバイス５０の外装体は、上部外装フィルム５１Ａと下部外装フィルム５１Ｂとが重ね合わされた状態で、それぞれの外周縁部がその全周にわたって熱シールされて接合部５２が形成されることにより、内部に蓄電デバイス要素を収容する収容部が形成されてなるものであり、外装体の収容部内には、薄型の蓄電デバイス要素（例えば、電池要素やキャパシタ要素）５５が有機電解液と共に収容されている。
このラミネート外装蓄電デバイス５０には、接合部５２の一部分に、弱接合部分５３が設けられており、この弱接合部分５３が安全弁として作用することによって外装体内において多量のガスが発生した場合にも、そのガスを弱接合部分５３から放出させて圧力開放を行うことにより、外装体が破裂することが防止される。具体的には、弱接合部分５３は、接合部５２における他の部分よりシール強度が低くなっており、外装体における蓄電デバイス要素（電池要素やキャパシタ要素）が収容された収容部の内部圧力が所定の値に達すると、弱接合部分５３が優先的に剥離して排気口が形成されるものである。
また、この図の例においては、外装体は長方形の輪郭形状を有しており、短辺側の２辺の各々から、蓄電デバイス要素（電池要素やキャパシタ要素）５５を構成する複数の正極板の各々に電気的に接続された共通の正極リード部材である正極用電源タブ５６、および複数の負極板の各々に電気的に接続された共通の負極リード部材である負極用電源タブ５７が引き出されている。

このような構成のラミネート外装蓄電デバイスにおいては、安全機構を構成する弱接合部分には、収容用空間の内部圧力が所定の値に達したときに確実に剥離して排気口が形成され、かつ、通常の使用状態においては、確実に密閉されて十分な信頼性が確保される程度のシール強度が要求される。然るに、製造上の観点から、このようなシール強度を有する弱接合部分を確実に形成することは容易ではない。

また、ラミネート外装蓄電デバイスの安全機構としては、接合部が形成された領域の少なくとも一箇所に、非接合部位が蓄電デバイス要素の収容される収容部に連続しかつ収容部に対して入り江状に設けられることにより、圧力集中部が形成され、この非接合部位が形成された領域に、外装フィルムの剥離によって内部と外部とを連通させる圧力開放部が形成されてなるものが提案されている（特許文献６参照）。
しかしながら、このような安全機構においては、内部圧力が急激に上昇した場合には、圧力集中部で剥離が生じにくいため、外装体が破裂する恐れがあり、また、比較的低い圧力で応力集中部において剥離させるためには、圧力集中部における融着幅を相当に小さくすることが必要であるため、通常の使用状態において、十分な気密性を確保することが困難である、という問題がある。

更に、その他のラミネート外装蓄電デバイスの安全機構としては、外装体を構成する外装フィルムとして、内面側から熱融着性樹脂フィルム、金属箔および剛性を有する樹脂フィルムがこの順で積層されてなるものを用い、当該外装フィルムにおける金属箔に切り込みが設けられた構造のものが提案されている（特許文献７参照。）。
しかしながら、このような安全機構においては、外装体内の気密性が十分に確保されず、電解液の液漏れが生じる恐れがある。

特許第３５５４１５５号公報特開平０５−０１３０６１号公報特開平１１−０８６８２３号公報特開２００６−２３６６０５号公報特開２００７−１５７６７８号公報特許第３８５９６４５号公報特開平１１−１６２４３６号公報

本発明は、以上の事情に基づいてなされたものであって、その目的は、通常の使用状態において十分な気密性が得られ、ラミネート外装蓄電デバイスの外装体の内部にガスが発生した場合においては、そのガスを、特定の部位から確実に排出することができるラミネート外装蓄電デバイスを提供することにある。

本発明のラミネート外装蓄電デバイスは、互いに重ね合わせた外装フィルムが、それぞれの外周縁部に形成された接合部において相互に気密に接合されてなる外装体を有し、当該外装体の内部に形成された収容部に蓄電デバイス要素および電解液が収容されて構成されたラミネート外装蓄電デバイスであって、
少なくとも一方の前記外装フィルムにおける前記接合部以外の部分の内面に、針状部材が設けられていることを特徴とする。

本発明のラミネート外装蓄電デバイスにおいては、前記針状部材は、前記外装フィルムの接合部の内周縁における一辺に並ぶよう配置されていることが好ましい。
このようなラミネート外装蓄電デバイスにおいては、前記針状部材と前記外装フィルムの接合部の内周縁における一辺との距離が１〜３０ｍｍであることが好ましい。
また、本発明のラミネート外装蓄電デバイスにおいては、前記針状部材の中央部分が、前記外装フィルムの内面に接着されていることが好ましい。
また、本発明のラミネート外装蓄電デバイスにおいては、複数の前記針状部材が外装フィルムの内面に設けられていてもよい。
また、本発明のラミネート外装蓄電デバイスにおいては、前記外装体の内部圧力の上昇と共に前記外装フィルムが前記針状部材によって穿孔されることにより、当該外装フィルムにガス排出孔が形成される。

本発明のラミネート外装蓄電デバイスにおいては、外装体内における蓄電デハイス要素が収容される収容部内にガスが発生すると、外装体の内部圧力が上昇することにより、外装体が膨張する。而して、外装体を構成する２枚の外装フィルムのいずれにもガスを排出するための孔が形成されていないため、通常の使用状態において十分な気密性が得られるが、２枚の外装フィルムの少なくとも一方の外装フィルムにおける接合部以外の部分の内面には、針状部材が設けられているため、外装体の膨張による応力によって針状部材が外装フィルムを穿孔することにより、当該外装フィルムにおける針状部材が設けられた部位にガス排出孔が形成され、その結果、外装体内のガスが外部に排出される。
従って、本発明のラミネート外装蓄電デバイスによれば、通常の使用状態において十分な気密性が得られ、しかも、外装体の内部においてガスが発生した場合に、当該ガスの発生による内部圧力の上昇に伴って内部が膨張したときには、比較的低い内部圧力で外装フィルムの特定の部位にガス排出孔が形成されるので、発生したガスをガス排出孔から外部に確実に排出することができる。

本発明のラミネート外装蓄電デバイスの一例の構成を示す説明用平面図である。図１のラミネート外装蓄電デバイスにおける安全機構を示す説明図である。図２に示す安全機構における要部を示す説明用断面図である。蓄電デバイス要素の一例の構成を示す説明図である。下部外装フィルムが膨張した状態を示す説明用断面図である。下部外装フィルムに、ガス排出孔が形成された状態を示す説明図である。従来の安全機構が設けられたラミネート外装蓄電デバイスの一例の構成を示す説明用分解図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明のラミネート外装蓄電デバイスの一例の構成を示す説明用平面図であり、図２は、図１のラミネート外装蓄電デバイスにおける安全機構を示す説明図、図３は、図２に示す安全機構における要部を示す説明用断面図である。
このラミネート外装蓄電デバイス１０においては、外装体２０は、それぞれ熱融着性を有する長方形の上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂが、互いに重ね合わせた状態で、それぞれの外周縁部の全周にわたって形成された接合部２２において相互に気密に接合されて構成されている。外装体２０の内部には、蓄電デバイス要素が収容される平面形状が矩形の収容部２３が形成され、当該収容部２３内には、蓄電デバイス要素が有機電解液と共に収容されている。
また、図示の例では、上部外装フィルム２１Ａにおける収容部２３を形成する部分には、絞り加工が施されている。
そして、下部外装フィルム２１Ｂにおける収容部２３を形成する部分の内面には、針状部材２５が、下部外装フィルム２１Ｂの接合部２２の内周縁における一辺（図１において左辺）に平行に並ぶよう配置され、当該針状部材２５における中央部分２５ａが接着剤層２６によって接着されて固定されている。

外装体２０を構成する上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂとしては、例えば内側からポリプロピレン（以下、「ＰＰ」という。）層、アルミニウム層およびナイロン層などがこの順で積層されてなるものを好適に用いることができる。
上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂとして、例えばＰＰ層、アルミニウム層およびナイロン層が積層されてなるものを用いる場合には、その厚みは、通常、５０〜３００μｍである。
上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの縦横の寸法は、収容部２３に収容される蓄電デハイス要素１１の寸法に応じて適宜選択されるが、例えば縦方向の寸法が４０〜２００ｍｍ、横方向の寸法が６０〜３００ｍｍである。
また、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの接合部２２の接合幅は、例えば２〜１５ｍｍである。

針状部材２５を構成する材料としては、ステンレス、銅、チタン等の金属材料、セラミックス材料、硬質樹脂材料などを用いることができる。
針状部材２５の全長Ｌは、収容部２３等の寸法にもよるが、例えば５〜１００ｍｍ、好ましくは１０〜８０ｍｍである。
また、針状部材２５における中央部分２５ａの長さＲ１は、例えば１ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上であり、両端部分（下部外装フィルム２１Ｂに接着されていない部分）の長さＲ２は、それぞれ例えば１〜３０ｍｍ、好ましくは２〜２０ｍｍである。
また、針状部材２５の径は、材質にもよるが、例えば０．１〜２ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍである。
また、針状部材２５の全長Ｌは、下部外装フィルム２１Ｂの接合部２２の内周縁における針状部材２５に平行な一辺の長さの２．５〜５０％であることが好ましく、より好ましくは５〜４０％である。
また、針状部材２５と接合部２２の一辺との離間距離Ｄは、例えば１〜３０ｍｍ、好ましくは２〜１０ｍｍである。

ラミネート外装蓄電デバイス１０を構成する蓄電デバイス要素１１は、図４に示すように、セパレータＳを介して、それぞれ正極集電体１２ａ上に正極層１２が形成されてなる複数の正極板と、それぞれ負極集電体１３ａ上に負極層１３が形成されてなる複数の負極板とが交互に積層されて構成された電極積層体１１ａを有し、この電極積層体１１ａの上面には、リチウムイオンの供給源であるリチウム金属（リチウム極層）１８が配置され、このリチウム金属１８上には、リチウム極集電体１８ａが積層されている。また、１９は、リチウム極取り出し部材である。
複数の正極板の各々は、取り出し部材１６を介して、共通の正極リード部材である、例えばアルミニウム製の正極用電源タブ１４に電気的に接続されている。一方、複数の負極板の各々は、取り出し部材１７を介して、共通の負極リード部材である、例えば銅製の負極用電源タブ１５に電気的に接続されている。
そして、正極用電源タブ１４および負極用電源タブ１５の各々は、外装体２０における一端および他端から外部に突出するよう引き出されている。

蓄電デバイス要素１１を構成する正極層１２としては、電極材料を、必要に応じて導電材（例えば、活性炭、カーボンブラック等）およびバインダー等を加えて成形したものが用いられる。正極層１２を構成する電極材料としては、リチウムを可逆的に担持可能であれば、特に限定されないが、例えば、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＦｅＯ₂等の一般式：Ｌｉ_xＭ_yＯ_z（但し、Ｍは金属原子を示し、ｘ、ｙおよびｚは整数である。）で表される金属酸化物等の正極活物質、活性炭などが挙げられる。
また、蓄電デバイス要素１１を構成する負極層１３としては、電極材料をバインダーで成形したものが用いられる。負極層１３の電極材料としては、リチウムを可逆的に担持できるものであれば特に限定されないが、例えばグラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化合物等の粉末状、粒状の負極活物質などが挙げられる。

また、電解液としては、適宜の有機溶媒中に電解質が溶解されてなるものを用いることが好ましい。有機溶媒の具体例としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリル、ジメトキシエタン等の非プロトン性有機溶媒が挙げられ、これらは単独でまたは２種類以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、リチウムイオンを生成しうるものが用いられ、その具体例としては、ＬｉＩ、ＬｉＣＩＯ₄、ＬｉＡｓＦ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆などが挙げられる。

このようなラミネート外装蓄電デバイス１０は、例えば以下のようにして製造することができる。
下部外装フィルム２１Ｂの内面となる面における所要の位置に、針状部材２５を接着剤によって接着して固定すると共に、当該下部外装フィルム２１Ｂ上における収容部２３となる位置に、蓄電デバイス要素１１を配置し、この蓄電デバイス要素１１上に上部外装フィルム２１Ａを重ね合わせ、この状態で、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの外周縁部における３辺を熱融着する。これにより、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの外周縁部における３辺に接合部２２が形成される。
そして、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの間に電解液を注入し、更に、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの外周縁部における未融着の１辺を熱融着することにより、外装体２０が形成され、以って、ラミネート外装蓄電デバイス１０が得られる。

上記のラミネート外装蓄電デバイス１０においては、外装体２０内における蓄電デバイス要素１１が収容される収容部２３内にガスが発生すると、外装体２０の内部圧力が上昇することにより、図５に示すように、外装体２０が膨張する。而して、外装体２０を構成する上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂのいずれにもガスを排出するための孔が形成されていないため、通常の使用状態において十分な気密性が得られるが、下部外装フィルム２１Ｂにおける収容部２３を形成する部分の内面には、針状部材２５が設けられているため、外装体２０が更に膨張したときには、図６に示すように、外装体２０の膨張による応力によって針状部材２５が下部外装フィルム２１Ｂを穿孔することにより、当該下部外装フィルム２１Ｂにおける針状部材２５が設けられた部位にガス排出孔２７が形成され、その結果、外装体２０内のガスが外部に排出される。
従って、このようなラミネート外装蓄電デバイス１０によれば、通常の使用状態において十分な気密性が得られ、しかも、外装体２０の内部においてガスが発生した場合に、当該ガスの発生による内部圧力の上昇に伴って内部が膨張したときには、比較的低い内部圧力で下部外装フィルム２１Ｂの特定の部位にガス排出孔２７が形成されるので、発生したガスをガス排出孔２７から外部に確実に排出することができる。

このような構成を有する本発明のラミネート外装蓄電デバイスは、リチウムイオンキャパシタなどの有機電解質キャパシタであるものの他、有機電解質電池であるものにも適用することができるが、有機電解質キャパシタが、有機電解質電池に比べ充電容量が小さいが瞬時に充電、放電できる構成を有するものであることから、ガス圧変化が大きくなる可能性があるため、特に、ラミネート外装蓄電デバイスが有機電解質キャパシタよりなるものである場合に有効である。

以上、本発明のラミネート外装蓄電デバイスについて、その実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、針状部材２５は、上部外装フィルム２１Ａに設けられていてもよい。
また、複数の針状部材２５が設けられていてもよく、このような場合には、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂのいずれか一方のみに設けられていても、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの両方に設けられていてもよい。
また、上部外装フィルム２１Ａおよび下部外装フィルム２１Ｂの外周縁部に、接合部２２に包囲され、収容部２３に連通する非接合部位を形成することにより、当該非接合部位の内面に、針状部材２５が設けられていてもよい。

１０ラミネート外装蓄電デバイス
１１蓄電デバイス要素
１１ａ電極積層体
１２正極層
１２ａ正極集電体
１３負極層
１３ａ負極集電体
１４正極用電源タブ１５負極用電源タブ１６，１７取り出し部材
１８リチウム金属（リチウム極層）
１８ａリチウム極集電体
１９リチウム極取り出し部材
２０外装体
２１Ａ上部外装フィルム
２１Ｂ下部外装フィルム
２２接合部
２３収容部
２５針状部材
２５ａ中央部分
２６接着剤層
２７ガス排出孔
５０ラミネート外装蓄電デバイス
５１Ａ上部外装フィルム
５１Ｂ下部外装フィルム
５２接合部
５３弱接合部分
５５蓄電デバイス要素
５６正極用電源タブ
５７負極用電源タブ
Ｓセパレータ

Claims

互いに重ね合わせた外装フィルムが、それぞれの外周縁部に形成された接合部において相互に気密に接合されてなる外装体を有し、当該外装体の内部に形成された収容部に蓄電デバイス要素および電解液が収容されて構成されたラミネート外装蓄電デバイスであって、
少なくとも一方の前記外装フィルムにおける前記接合部以外の部分の内面に、針状部材が設けられていることを特徴とするラミネート外装蓄電デバイス。
前記針状部材は、前記外装フィルムの接合部の内周縁における一辺に並ぶよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネート外装蓄電デバイス。
前記針状部材と前記外装フィルムの接合部の内周縁における一辺との距離が１〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載のラミネート外装蓄電デバイス。
前記針状部材の中央部分が、前記外装フィルムの内面に接着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のラミネート外装蓄電デバイス。
複数の前記針状部材が外装フィルムの内面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のラミネート外装蓄電デバイス。
前記外装体の内部圧力の上昇と共に前記外装フィルムが前記針状部材によって穿孔されることにより、当該外装フィルムにガス排出孔が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載のラミネート外装蓄電デバイス。