JP2011204590A

JP2011204590A - リチウムイオン電池及びヒートシール作製方法

Info

Publication number: JP2011204590A
Application number: JP2010072866A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Tsuchiya; 信之土屋; Shuichi Sugita; 修一杉田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】電池内への水分の侵入を防ぎ、簡易な工程によって製造されるリチウムイオン電池及びヒートシール作成方法を提供する。
【解決手段】電解液と電極ユニットを収容する電池容器を有するリチウムイオン電池であって：前記電池容器は、金属箔からなる外層と熱融着性樹脂層からなる内層とを有する積層シートの２枚を、前記内層同士をヒートシールしてはり合わせた容器であり、前記ヒートシール部の一部の前記熱融着性樹脂層の厚みを、前記ヒートシール部の他の部分の前記熱融着性樹脂層の厚みよりも薄くした、リチウムイオン電池を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラミネート型のリチウムイオン電池及びヒートシールの作製方法に関する。

近年、携帯電話を始めとして、デジタルカメラ、ノートパソコン、携帯ゲーム機など、様々な電子機器の電源として、リチウムイオン電池が広く用いられている。リチウムイオン電池は、小型化、軽量化、及び、大容量化を図るのに適している。また、リチウムイオン電池は、その容器の形態により、円筒型、角型、及び、ラミネート型等に分類されている。

ラミネート型のリチウムイオン電池の電池容器は、ラミネートフィルムと称される積層シートを用いた電池容器である。つまり、積層シートをヒートシール（熱融着）してはり合わせて容器としている。リチウムイオン電池の電池容器の内圧は大気圧よりも高いため、ラミネート型のリチウムイオン電池の電池容器は充放電によって膨張しやすいことが知られている。

このような、ラミネート型リチウムイオン電池は、従来、比較的寿命の短い小さな電池に限られていたので、その電池容器の強度も一定以上であれば、内圧により電池容器が膨張したとしても、破損したりシール性が十分でなくなったりすることはなかった。ところが今後、ラミネート型リチウムイオン電池は、予備電源などの定置やＥＶ（electric vehicle）などの車載用に使用されることが期待されており、さらなる大型化及び長期使用が見込まれる。そのため、ラミネート型リチウムイオン電池の電池容器には、更なる強度や長期安定的なシール信頼性が求められる。シール性が低下すると、外部からの水分が侵入しやすくなり、電池性能を著しく劣化させるからである。

ここで、一般的なラミネート型リチウムイオン電池の電池容器の断面構造を図１に示す。リチウムイオン電池の電池容器は、アルミニウム箔やＳＵＳ（ステンレス）箔などの金属箔１１の内側に、ポリプロピレン（ＰＰ）フィルムなどの熱融着性樹脂層１２が積層された積層シートで構成される。積層シートは、例えば皿状に成形されている。積層シートの熱融着性樹脂層１２同士を対向させて重ね合わせて、熱融着性樹脂層１２の一部をヒートシールすることで電池容器とする。電池容器の内部には、電極ユニットと電解液を封入する。

このとき、図１の点線の丸枠で囲んだ２つの積層シートの熱融着性樹脂層１２を接着した部位（ヒートシール部）を、図２に拡大して示す。図２では、重ね合わせた積層シートを金属箔１１側からヒートシールバーが挟み、熱及び圧力をかけて、熱融着性樹脂層１２を熱融着した様子を示している。熱融着性樹脂層１２の熱融着によって、ヒートシール部１３が形成される。

前記の通り、リチウムイオン電池の電池容器内に水分が侵入すると、内部にフッ化水素が発生し、フッ化水素が金属の腐食を進行させるなど、不具合が生じることが知られている。特に、長期にわたってラミネート型リチウムイオン電池を使用する場合、電池容器のシール部分の樹脂（図２に示した熱融着性樹脂層１２）を通して、電池内に水分が侵入する可能性が高くなる。

そこで、例えば、特許文献１には、少なくとも金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムからなるラミネート外装体に封入されてなるリチウムイオン電池において、封止部の一辺が少なくとも一回折り曲げた状態で熱融着されたリチウムイオン電池が開示されている。これにより、密閉性を向上させることができるので、電池内への水分の侵入を防ぐことができる。

特開２００８−２９３９９９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示の技術では、封止部の一辺を少なくとも一回折り曲げる必要があるので、リチウムイオン電池の製造工程が煩雑となり、製造装置の大型化、電池の生産性の低下などを招いてしまう。

本発明の目的は、電池内への水分の侵入を防ぎ、簡易な工程によって製造されるリチウムイオン電池及びヒートシール作製方法を提供することである。

本発明のリチウムイオン電池は、電解液と電極ユニットを収容する電池容器を有するリチウムイオン電池であり：前記電池容器は、金属箔からなる外層と熱融着性樹脂層からなる内層とを有する積層シートの２枚を、前記内層同士をヒートシールしてはり合わせた容器であり；前記ヒートシール部の一部の前記熱融着性樹脂層の厚みを、前記ヒートシール部の他の部分の前記熱融着性樹脂層の厚みよりも薄くした構成を採る。

本発明のヒートシール作製方法は、金属箔からなる外層と熱融着性樹脂層からなる内層とを有する積層シートを準備するステップと；前記積層シートを、内層同士が対向するように重ね合わせるステップと；前記重ね合わせた積層シートを第１ヒートシールバーで挟み込み、前記積層シートの前記内層同士をヒートシールしてはり合わせて容器とするステップと；前記第１ヒートシールバーより幅の狭い第２ヒートシールバーで、前記第１ヒートシールバーによって形成されたヒートシール部の一部を押圧するステップと、を具備するようにした。

本発明によれば、電池内への水分の侵入を防ぎ、簡易な工程によって製造することができる。

一般的なラミネート型リチウムイオン電池の電池容器の断面構造を示す図２つの積層シートを、金属箔側からヒートシールバーが熱融着する様子を示す図本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池のシール構造を示す断面図図３に示したヒートシール構造との比較に供する図図３に示したヒートシール構造との比較に供する図本発明の実施の形態２に係るリチウムイオン電池の他のシール構造を示す断面図本発明の実施の形態３に係るリチウムイオン電池の他のシール構造を示す断面図本発明のヒートシール構造の作製方法の説明に供する図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池の電池容器のシール構造を示す断面図である。図３に示されるように、金属箔１１と熱融着性樹脂層１２とを積層した積層シートがはり合わされている。積層シートの金属箔１１は、ステンレス箔であったり、アルミニウム箔であったりするが、好ましくはステンレス箔である。ステンレス箔であれば、電池容器の強度を高めやすいからである。積層シートのステンレス箔の厚みは、特に限定されないものの、２０〜２００μｍでありうる。積層シートの熱融着性樹脂層１２は、ポリプロプレン層、ポリエチレン層、それらの変性樹脂層などである。また、熱融着性樹脂層１２は、二以上の熱融着性樹脂層の多層構造であってもよい。熱融着性樹脂層の厚みは、特に限定されないものの、２０〜２００μｍでありうる。

積層シートは、任意の形状に成形されていてもよい。例えば、図１に示すように、皿状に成形されている。皿状に成形された積層シートであれば、そのフランジ同士をはり合わせることが好ましい。

図３に示されるシール構造は、熱融着性樹脂層１２同士が対向するように重ね合わせた積層シートの一部（ヒートシール部１３）を圧着しながら、熱融着性樹脂層１２を熱融着させて、ヒートシールされた状態である。また、ヒートシール部１３の一部（端部）の熱融着性樹脂層１２は薄層化されて、段差が形成されている。例えば、積層シートの熱可塑性樹脂層１２の厚みを６０μｍとしたときに、薄層化された部分の厚みは約２０〜３０μｍとすることが好ましい。また、例えば、ヒートシール部１３の幅を１０ｍｍとしたときに、薄層化された部分の幅は、例えば約２ｍｍにすることができる。

図３に示されるように、ヒートシール部１３の端部の熱可塑性樹脂層１２の厚さを薄くすると、薄くなった熱可塑性樹脂層１２を水分が侵入していくのは困難となり、水分が熱可塑性樹脂層１２を介して電池内部へ侵入することを防止することができる。また、ヒートシール部１３の薄層化されていない部分により、シール強度も確保することができるので、電池内部の圧力の高まりによってもヒートシール部が裂開することはない。

次に、図３に示したシール構造と比較するため、図４および図５に他のシール構造を例示する。図４は、図３に示した積層シートと同様の積層シートを重ねて、ヒートシール部１３の全体に均一の圧力をかけて、ヒートシール部１３の全体の熱融着性樹脂層１２を薄層化しながら熱融着した場合を示している。一方、図５は、金属箔１１と熱融着性樹脂層１２とを積層した積層シートの熱融着性樹脂層１２を薄くしておき、ヒートシール部１３の全体に均一の圧力をかけて、薄層化することなく熱融着性樹脂層１２を熱融着した場合を示している。いずれにしても、ヒートシール部１３の全体の熱可塑性樹脂層１２の厚みは薄いため、水分の電池内部への侵入を抑えることができるものの、シール強度が十分でなくなることがありシール信頼性が低下する。

このように、実施の形態１では、金属箔と熱融着性樹脂層とが積層された積層シートを、熱融着性樹脂層同士が対向するように重ね合わせ、熱融着性樹脂層を熱融着させてヒートシール部を形成して容器とする際に、容器端部に近い一部の熱融着性樹脂層を薄くしている。その結果、電池容器内部への水分の侵入が防止され、簡易な工程によってリチウムイオン電池を製造することができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るリチウムイオン電池の電池容器のシール構造を示す断面図である。図６の構造は、ヒートシール部１３における熱融着性樹脂層１２の薄層化された部分が、図３に示された構造と異なる。つまり、薄層化された熱融着性樹脂層１２が、電池容器の内部に接している。図６に示したシール構造によっても、ヒートシール部１３の一部の熱融着性樹脂層１２が薄くなるので、水分の侵入を抑えることができる。さらに、ヒートシール部１３には、薄層化されていない熱融着性樹脂層１２もあるので、シール強度もある程度確保することができる。しかしながら、リチウムイオン電池の電池容器の内圧は大気圧よりも高いため、電池容器の内部に接する部分でのシール強度が強いことが求められる。ところが、図６に示されるシール構造では、電池容器の内部に接する部分での熱融着性樹脂層１２が薄層化されているため、その部分でのシール強度が低下しやすい。よって、電池容器の内圧により電池容器の内部からシールが烈開する恐れがある。したがって、実施の形態１と比較すると不利な場合がある。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係るリチウムイオン電池の電池容器のシール構造を示す断面図である。図７の構造は、ヒートシール部１３における熱融着性樹脂層１２の薄層化された部分が、図３に示された構造と異なる。つまり、薄層化された熱融着性樹脂層１２が、ヒートシール部の中央付近にある。図７に示したシール構造によっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

ヒートシール構造の作製方法
本発明のヒートシール構造の作製方法の例を、図８を用いて説明する。本発明のヒートシール構造を作製するには、まず、図８（ａ）に示すように、金属箔１１と熱融着性樹脂層１２を積層した積層シートを、熱融着性樹脂層１２同士を対向させて重ね合わせる。重ね合わせた積層シートを、第１ヒートシールバー（例えば、幅１０ｍｍ）で、金属箔１１の側から挟みこむようにして圧着して、熱融着性樹脂層１２を熱融着させる。それにより、ヒートシール部１３が形成される。第１ヒートシールバーの圧着面は平坦であり、ヒートシール部１３における熱融着性樹脂層１２の厚みは一定となる。

次に、図８（ｂ）に示すように、第１ヒートシールバーによって形成されたヒートシール部１３の端部を、第２ヒートシールバー（例えば、幅３ｍｍ）で外側から挟むように押圧する。それにより、ヒートシール部１３の端部に近い一部の熱融着性樹脂層１２が薄層化される。このとき、第１ヒートシールバーによるヒートシール条件とは異なる条件を設定することができ、これにより、より正確にヒートシール構造を作成することができる。

図８（ｂ）では、第２ヒートシールバーがヒートシール部の端部に近い位置に設定されているが、第２ヒートシールバーはヒートシール部の任意の位置に設定され、例えば中央に近い位置に設定されてもよい。

このように本発明のヒートシール構造は、幅の広い第１ヒートシールバーによって熱融着するステップと、ヒートシール条件を変えて幅の狭い第２ヒートシールバーによって押圧するステップの２ステップによって作製されうる。これにより、第１ヒートシールバーと第２ヒートシールバーのヒートシール条件をそれぞれ適切に調整することができ、より正確にヒートシール構造を作製することができる。

本発明のリチウムイオン電池は、ラミネート型でありながら長期的に水分の浸入が抑制され、電池性能を長期的に維持でき；しかも、簡易な工程によって製造されうる。

１１金属箔
１２熱融着性樹脂層
１３ヒートシール部

Claims

電解液と電極ユニットを収容する電池容器を有するリチウムイオン電池であって、
前記電池容器は、金属箔からなる外層と熱融着性樹脂層からなる内層とを有する積層シートの２枚を、前記内層同士をヒートシールしてはり合わせた容器であり、
前記ヒートシール部の一部の前記熱融着性樹脂層の厚みを、前記ヒートシール部の他の部分の前記熱融着性樹脂層の厚みよりも薄くした、リチウムイオン電池。
前記ヒートシール部のうち、前記容器の端部に近い一部の前記熱融着性樹脂層の厚みを、前記ヒートシール部の他の部分の前記熱可塑性樹脂層の厚みよりも薄くした、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
前記ヒートシール部の中央に近い一部の前記熱融着性樹脂層の厚みを、前記ヒートシール部の他の部分の前記熱融着性樹脂層の厚みよりも薄くした、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
前記はり合わされる積層シートの少なくとも一方は皿状に成形されており、前記皿状のフランジでヒートシールされる、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
前記金属箔はステンレス箔である、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
金属箔からなる外層と熱融着性樹脂層からなる内層とを有する積層シートを準備するステップと、
前記積層シートを、内層同士が対向するように重ね合わせるステップと、
前記重ね合わせた積層シートを第１ヒートシールバーで挟み込み、前記積層シートの前記内層同士をヒートシールしてはり合わせて容器とするステップと、
前記第１ヒートシールバーより幅の狭い第２ヒートシールバーで、前記第１ヒートシールバーによって形成されたヒートシール部の一部を押圧するステップと、
を具備するヒートシールの作製方法。