JP2012033563A - 電気化学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 、機械的強度を向上可能な電気化学デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】 外装体1B内に封入された素子本体1Aを備える電気化学デバイスにおいて、外装体1Bの周辺領域は、フィルムの厚み方向(Z軸方向)に弾性力を有する単数又は複数の弾性構造R1,R2を備えている。それぞれの弾性構造R1,R2は、フィルム外縁に沿って折り曲げられた外装体1Bの第1領域と、第1領域に対向する外装体1Bの第2領域とを備えている。この第1領域のフィルム外縁に沿った方向の両端部R11,R13(R21,R23)は、第2領域に接触し、且つ、両端部R11,R13(R21,R23)間において、第1領域と第2領域との間には隙間(最大値2R)がある。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気化学デバイスに関する。
従来の電気化学デバイスとしては、ラミネート型のリチウムイオン電池(LIB)や電気二重層キャパシタ(EDLC)が知られている。電気化学素子は、積層構造を有する電池要素からなる素子本体と、素子本体を内部に封止するラミネートシート(フィルム状パッケージ)と、素子本体を外部と電気的に接続可能とするために、素子本体からラミネートシートの外部に引き出されるタブ型端子(電極)とを有している。このような電気化学デバイスは、例えば、特許文献1〜16に記載されている。ラミネートシートは、アルミニウムフィルムの両面を、樹脂フィルム(高分子)でコーティングしてなる。電気化学デバイスは、2枚のラミネートシート間に素子本体を配置し、その周辺領域を熱融着して封止してなる。
特開2009−224147号公報 特開2006−114513号公報 特開2005−116278号公報 特開2004−265762号公報 特開2000−138040号公報 特開2007−311163号公報 特開2006−54099号公報 特開2003−36824号公報 特開2002−75320号公報 特開2006−156161号公報 特開2002−25514号公報 特開2000−156208号公報 国際公開2005/036674号 特表2004−515083号公報 特開2009−130073号公報 特開2006−179442号公報
しかしながら、ラミネートシートに含まれる金属箔(アルミニウムフィルム)の厚みは、一般的には10μm〜100μmしかないため、機械的強度に乏しく、また、電気化学デバイスは、外部からの圧力に対する機械的強度も高くない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、機械的強度を向上可能な電気化学デバイスを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、対向するフィルムの周辺領域同士を接着してなる外装体と、前記外装体内に封入された素子本体と、を備える電気化学デバイスにおいて、前記外装体の周辺領域は、前記フィルムの厚み方向に弾性力を有する単数又は複数の弾性構造を備えており、それぞれの前記弾性構造は、フィルム外縁に沿って折り曲げられた前記外装体の第1領域と、前記第1領域に対向する前記外装体の第2領域と、を備え、前記第1領域の前記フィルム外縁に沿った方向の両端部は、前記第2領域に接触し、且つ、前記両端部間において、前記第1領域と前記第2領域との間には隙間があることを特徴とする。
本発明の電気化学デバイスによれば、両端部間の領域(中央領域とする)をフィルム厚み方向に押した場合、この両端部における接触領域に中央領域からの力が伝達され、フィルム弾性力によって、押した方向と逆方向に抗力が生じる。弾性構造は、第1領域と第2領域との間に隙間をあけて形成しているので、外部からの衝撃や圧力ばかりでなく、折り曲げ軸回りの「捻れ」や、折り曲げ軸に垂直な軸回りの「折れ」に対して耐性が高くなる。また、接触部位においても、折り曲げられた第1領域が第2領域に重なっているため、その強度は高くなる。
また、前記両端部間における前記隙間の前記外装体表面からの高さの最大値(2R)と、前記表面からの前記外装体の中央部の高さの最大値(H)とは、H/2≦2R≦1.2×Hなる関係を満たすことが好ましい。
この場合、弾性構造の湾曲形状を最適化して弾性力を高めることとなるため、素子本体を外部の圧力から更に強固に保護することができるという効果がある。
前記両端部のそれぞれにおける前記第1領域と前記第2領域との接触面積(AR)と、前記フィルム外縁と前記第1領域の折り曲げ位置との間の前記外装体の長さ(h)とは、h/3≦AR≦3×hなる関係を満たすことが好ましい。
この場合、弾性構造の形状を強固に維持して弾性力を更に高めることとなるため、素子本体を外部の圧力から一層強固に保護することができるという効果がある。
この電気化学デバイスは、前記隙間内に充填された発泡樹脂を更に備えることができる。この場合、発泡樹脂の弾性力がフィルムを支持するので、外力に対して発泡樹脂が弾性的に変形して抗力を発生するので、かかる部位の機械的強度を向上させることができる。
本発明の電気化学デバイスによれば、外装体を加工してなる弾性構造を有しているため、機械的強度を向上させることができる。
電気化学デバイスの斜視図である。 外装体周辺領域の拡大斜視図である。 図1に示した外装体周辺領域のIIIA−IIIA矢印線縦断面図(A)及びIIIB−IIIB矢印線縦断面図(B)である。 別の実施形態に係る電気化学デバイスの外装体周辺領域の縦断面図である。 外装体周辺領域の端部におけるV−V矢印線断面図である。 別の外装体周辺領域の端部におけるV−V矢印線断面図である。 図3に示した外装体周辺領域の隙間内に発泡樹脂を詰めたものの縦断面図である。 図4に示した外装体周辺領域の隙間内に発泡樹脂を詰めたものの縦断面図である。 電気化学デバイスの回路図である。 電気化学デバイスの平面図及びB−B矢印線断面図である。 実験結果を示す図表である。
以下、本発明による電気化学デバイスの好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図1は、第1実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図であり、図2は、外装体周辺領域の拡大斜視図である。
この電気化学デバイス1は、素子本体1Aを包む外装体1Bを有するラミネート型の電気化学デバイスである。外装体1Bの外形は四角形であり、外装体1Bの一辺を構成する一端Tからは、箔状のタブ型電極T1,T2,T3が延びている。本例の電気化学デバイス10は、電気二重層キャパシタ(EDLC)EDLCであるが、外装体の形状はリチウムイオン型の二次電池に適用することも可能である。
図9の回路図を参照すると、外装体1Bの内部に配置される素子本体1Aは、正極P1と、負極P2と、セパレータS1とからなるキャパシタC1,C2を備えている。セパレータS1は、イオンや電解質を透過させる多孔質体からなり、外装体1Bの内部には電解液LQが充填されている。キャパシタC1とC2との間の節点には、タブ型電極T3が電気的に接続されており、この位置のバイアス電位を外部から制御することができる。キャパシタC1の正極P1は、正極電極T1に電気的に接続され、キャパシタC2の負極P2は、負極電極T2に電気的に接続され、これらは外装体1Bの外部に引き出されている。これらの電極T1,T2間に電源を接続すると、素子本体1A内部に電荷を蓄積することができる。また、これらの電極T1,T2を介して、素子本体1A内部に蓄積された電荷を外部に取り出すことができる。このように、電気化学デバイスは、充放電機能を有している。
図2に示すように、外装体1Bは、四角形の上部フィルムf1と、四角形の下部フィルムf2とを重ね合わせ、その四辺の周縁領域を接着したものである。外装体1Bを構成するフィルムf1,f2は、それぞれアルミニウム・ラミネートフィルムからなる。一枚のアルミニウム・ラミネートフィルムは、アルミニウム箔を一対の樹脂フィルムで挟んだもの(コーティングしたもの)である。樹脂フィルムの材料としては、熱可塑性樹脂であることが好ましく、例えばポリプロピレンからなる。このように、外装体1Bは、対向する一対のフィルムf1,f2の周辺領域同士を接着してなるものである。
図1に戻って説明すると、外装体1Bは、素子本体1Aを内包することで、全体の厚みが周辺領域よりも厚くなった中央部1Cと、中央部1Cを囲む周辺領域1BP1、1BP2,1BP3、1BP4を有している。各周辺領域は、XYZ直交座標系において、その長手方向が、X軸又はY軸に一致し、外装体1Bのフィルム厚み方向はZ軸方向に一致する。1つの周辺領域1BP3におけるフィルムf1,f2に、電極T1,T2,T3が配置され、これらの部位のフィルムは熱融着されている。
長手方向がY軸方向に一致する一対の周辺領域1BP1、1BP2は、対向しており、それぞれフィルム外縁(Y軸)に沿って折り曲げられ、弾性構造R1,R2を構成している。換言すれば、フィルムの折り曲げ軸はY軸である。弾性構造を有する周辺領域の数は、機械的強度向上の観点から複数あることが好ましいが、1つであってもよい。
上述のように、本実施形態に係る電気化学デバイスは、外装体1B内に封入された素子本体1Aを備える電気化学デバイスにおいて、外装体1Bの周辺領域は、フィルムの厚み方向(Z軸方向)に弾性力を有する単数又は複数の弾性構造R1,R2を備えている。
ここで、図2及び図3を参照する。図3は、図1に示した外装体周辺領域のIIIA−IIIA矢印線縦断面図(A)及びIIIB−IIIB矢印線縦断面図(B)である。
弾性構造R1は、フィルム外縁に沿って折り曲げられた外装体1Bの周辺領域である第1領域1BP1(1)と、第1領域1BP1(1)に対向する外装体1Bの第2領域1BP1(2)とを備えている。同様に、弾性構造R2は、フィルム外縁に沿って折り曲げられた外装体1Bの周辺領域である第1領域1BP2(1)と、第1領域1BP2(1)に対向する外装体1Bの第2領域1BP2(2)とを備えている。
この第1領域1BP1(1)(1BP2(1))のフィルム外縁に沿った方向の両端部R11,R13(R21,R23)は、第2領域1BP1(2)(1BP2(2))に接触し、且つ、両端部R11,R13(R21,R23)間において、第1領域1BP1(1)(1BP2(1))と第2領域1BP1(2)(1BP2(2))との間には隙間S(最大値2R)がある。
両端部R11,R13間(又はR21,R23間)の領域(中央領域(或いはブリッジ領域)R12,R22とする)をフィルム厚み方向(Z軸方向)に押した場合(図3の矢印Fで示す)、この両端部R11,R13(又はR21,R23)における接触領域に中央領域域R12(R22)からの力が伝達され、フィルム弾性力(フィルムが弾性変形すること)によって、押した方向と逆方向に抗力が生じる。弾性構造は、第1領域と第2領域との間に隙間Sをあけて形成しているので、外部からの衝撃や圧力ばかりでなく、折り曲げ軸(Y軸)回りの「捻れ」や、折り曲げ軸に垂直な軸(X軸)回りの「折れ」に対して耐性が高くなる。また、端部R11、R13(R21,T23)における接触部位においても、折り曲げられた第1領域1BP1(1)(1BP2(1))が第2領域1BP1(2)(1BP2(2))に重なっているため、その強度は高くなる。
折り曲げられた周辺領域の両端部R11,R13と中央領域R12との間の遷移領域の表裏面は、XY平面に対して傾斜した曲面を構成している。対向する第2領域1BP1(2)と、第1領域1BP1(1)との間の離隔距離は最大で2Rである。同様に、折り曲げられた周辺領域の両端部R21,R23と中央領域R22との間の遷移領域の表裏面は、XY平面に対して傾斜した曲面を構成している。対向する第2領域1BP2(2)と、第1領域1BP2(1)との間の離隔距離は最大で2Rである。
図4は、別の実施形態に係る電気化学デバイスの外装体周辺領域の縦断面図である。
図3に示した弾性構造R1,R2に代えて、隙間Sの数が、外装体1Bの1つの辺当たり、2以上存在した弾性構造Rが採用されている(本例では3つ)。すなわち、両端部R3とR9との間には、複数の弾性構造が形成されており、橋脚となる周辺領域の接触位置R3,R5,R7,R9間に、複数のブリッジ領域R4,R6,R8が形成されており、フィルム厚み方向の力に対して弾性変形を行う。本例の他の構造は、図1〜図3に示したものと同一である。
図5は、図1に示した外装体周辺領域の端部におけるV−V矢印線断面図である。
周辺領域の端部R21,R11は、XZ平面内においてY軸を中心に折り曲げられているが、折り曲げの境界線近傍においては、図面右の上部の第1領域1BP1(1)と下部の第2領域1BP1(2)は、接触しておらず、ブリッジ領域の曲率よりも小さな曲率を有して湾曲している。図面左の折り曲げの境界線近傍においても、上部の第1領域1BP2(1)と下部の第2領域1BP2(2)は、接触しておらず、ブリッジ領域の曲率よりも小さな曲率を有して湾曲している。この図は、Y軸の正方向に対象物を置いて見た図であるが、この構造はY軸の負方向に対象物を置いてみた場合も同様である。すなわち、双方の周辺領域の両端部において、非接触の湾曲領域が存在している。この構造の場合には、周辺領域両端部においてひび割れが発生する可能性が低下し、かかる部位における外装体内部からの液漏れの確率が低下する。
図6は、別の外装体周辺領域の端部におけるV−V矢印線断面図である。
周辺領域の端部R21,R11は、XZ平面内においてY軸を中心に折り曲げられているが、折り曲げの境界線近傍においても、図面右の上部の第1領域1BP1(1)と下部の第2領域1BP1(2)は、接触している。図面左の折り曲げの境界線近傍においても、上部の第1領域1BP2(1)と下部の第2領域1BP2(2)は、接触している。この図は、Y軸の正方向に対象物を置いて見た図であるが、この構造はY軸の負方向に対象物を置いてみた場合も同様である。すなわち、双方の周辺領域の両端部において、隙間が原則的にはなくなるように圧力が外装体周辺領域にかけられている。すなわち、外装体の4隅の箇所において、折り曲げられた上の領域を下の領域に接触させるため、フィルム厚み方向に圧力が加えられている。
なお、上記の圧力は、タブ電極T1,T2,T3を外装体のフィルム間に挟んで、周辺領域1BP3のフィルム厚み方向に圧力をかける場合に、これと同時にかけられる。
図7は、図3に示した外装体周辺領域の隙間S内に発泡樹脂を詰めたものの縦断面図であり、図8は、図4に示した外装体周辺領域の隙間S内に発泡樹脂を詰めたものの縦断面図である。すなわち、この電気化学デバイスは、隙間S内に充填された発泡樹脂4(図7)又は発泡樹脂41,42,43(図8)を更に備えている。この場合、発泡樹脂4(41,42,43)の弾性力がフィルムを支持するので、外力に対して発泡樹脂が弾性的に変形して抗力を発生するので、かかる部位の機械的強度を向上させることができる。
発泡樹脂としては、ウレタン樹脂やエチレン樹脂、スチレン樹脂、プロピレン樹脂などが挙げられる。
ここで、上述の電気化学デバイスの寸法について説明する。
図10は、図1に示した電気化学デバイスの平面図(A)及びB−B矢印線断面図(B)である。
この外装体の湾曲部分の曲率半径はRである。図面右側の両端部R11,R13間における隙間Sの外装体表面1BP1(2)からの高さの最大値(2R)と、前記表面1BP1(2)からの外装体1Bの中央部1Cの高さHの最大値(H)とは、H/2≦2R≦1.2×Hなる関係を満たすことが好ましい。同様に、図面左側の両端部R21,R23間における隙間Sの外装体表面1BP2(2)からの高さの最大値(2R)と、前記表面1BP2(2)からの外装体1Bの中央部1Cの高さHの最大値(H)とは、H/2≦2R≦1.2×Hなる関係を満たすことが好ましい。
この範囲の場合、湾曲部分の形状最適化により弾性力を高めることとなるため、素子本体1Aを外部の圧力から更に強固に保護することができるという効果がある。
また、両端部のそれぞれにおける第1領域と第2領域との接触面積(AR:例R11又はR21の接触面積)と、フィルム外縁と第1領域の折り曲げ位置BP1(BP2)との間の外装体1Bの長さ(h)とは、h/3≦AR≦3×hなる関係を満たすことが好ましい。
この範囲の場合、湾曲部分の形状を強固に維持して弾性力を更に高めることとなるため、素子本体1Aを外部の圧力から一層強固に保護することができるという効果がある。このように隅部を押し潰してあるので、その押し潰した部分は厚みが増し、180度に折り返されている状態になるため、強度が向上する。そのため,角部への衝撃に対して充分に強くなるため、本体部分への変形も生じにくくなる。
以上、説明したように、外装体の周辺領域(シール部分)を折り返さず、平らなまま残しておいた場合には,ちょっとした衝撃でシール部分が折れ曲がり、さらには本体部分の変形も生じてしまい、上述の実施形態においては、機械的強度が高いため、シール部分が損傷しにくく、その部分から水分などが混入し信頼性を含む特性へ影響が低減される。
また、周辺領域が強化されると、本体部分の変形も抑制されるため、内部のセパレータを突き破ってキャパシタを構成する電極やタブ電極同士が接触する可能性も低減され、漏れ電流が低減される。本例の電気化学デバイスは、EDLCであるため、内部キャパシタの変形が抑制されると、キャパシタ間に均一に電界が生じさせることができ、安定した動作が可能となる。なお、キャパシタが変形した場合、一部の高電圧部分で電解液の電気分解が生じる可能性がある。
周辺領域を単に折り曲げた場合においても、横方向からの力に対しては強化されるが、縦方向からの力に対しては変形が生じ、強い衝撃に対する弾性力もない。上述の実施形態では、横方向及び縦方向からの力に対して、スプリング効果を発揮しシール部分の変形、または本体への変形が抑制される。すなわち、衝撃に対する耐性が高く、デバイスの信頼性が向上する。
周辺領域における中央のブリッジ領域は、XZ断面内において、湾曲して折り曲げられており(Rがつけられている)、縦横の方向からの衝撃に対して大きなスプリング効果を発揮する。外装体の四隅は押し潰されているので、この角部も衝撃に対しても変形に強くなる。また、上述のように折り曲げることによって、デッドスペースを減少させ、小型化にも寄与することになる。
アルミニウム箔(厚み40μm)の片面に、変性ポリプロピレンからなる樹脂フィルム(厚み30μm)を接着剤を介して圧着し、反対の面にナイロンからなる樹脂フィルム(厚み30μm)を接着剤を介して圧着したアルミニウム・ラミネート外装体を用意する。この外装体を、変性ポリプロピレンからなる樹脂フィルムが内側にくるように折り曲げ、その内側に、活性炭が形成されたアルミ箔および多孔質性のセパレータを交互に積層したキャパシタ本体を2つ重ねる。
次に、対向するフィルム間に、厚さ100μmのポリプロピレンシートを挟み、両サイド部に、温度180℃で、時間5秒間、圧力1MPaを加え、かかる周辺領域のシールを行った。外装体内部に電解液を注入し、上端(トップ)部を上記と同様の条件でシールすることで、4辺に周辺領域が閉塞された。電解液は電解質としてのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート(TEABF )を、有機溶媒としてのプロピレンカーボネート(PC)に溶解したものとし、完成したサンプルの寸法は、20mm×20mmとした。
キャパシタからなる素子本体の厚みは1.3mmあるため,アルミニウム・ラミネート外装体の一方のフィルムには、2.7mmの深さの凹部が形成されており、凹部内に素子本体を収納できるようにしてある。アルミニウム・ラミネート外装体と、これらを構成するフィルム間に挟み込むポリプロピレンシートを含めて、セルの全厚は3mmになる。これらは実験における共通条件である。周辺領域のシール幅はいずれも3mmである。
(比較例1)比較例1では、サイドシール幅3mmのうち、フィルムの外側エッジから2mmの距離の位置で、フィルムを折り返し、垂直方向に直立させた。
(比較例2)比較例2では、サイドシール幅3mmのうち、フィルムの外側エッジから2.5mmの距離の位置を湾曲開始位置(BP1,BP2:図10参照)として、曲率半径R=0.8mmで丸くなるように折り返しを行った。
(実施例)実施例では、比較例2のサンプルにおける外装体の四隅を、更に、図1(図10)に示すように、圧力1MPaで2秒間押し潰した。押し潰した領域R11、R13,R21,R23は、それぞれ縦2mm×横2mmの範囲(面積4mm)に設定した。
(比較例3)比較例3として、サイドシール幅3mmをそのまま折り返さずに平らに残したものをサンプルとした。
これらのサンプルの特性評価は自由落下にて行った。すなわち、条件(A)では、外装体の側面を下に向けて高さ30cmの位置から、サンプルを100回自由落下させた。条件(B)では、外装体の角部を下にして高さ30cmの位置から、サンプルを100回自由落下させた。変形の様子および漏れ電流の測定を行った。変形の様子は目視またはノギス(最小表示量0.01mm)で行い、0.5mm以上の変形がある場合に“変形あり”とした。電気特性は漏れ電流を測定した。電圧4.5Vを100mAのCC−CV(一定電流・一定電圧)モードで印加し、24時間後の電流値を測定した。
測定結果を、図表11に示す。実施例の場合、いずれの条件においても、外形の変形や、電気特性の変化は観察されなかったが、比較例1,2の場合には、条件(A)の場合には、特性変化は見られなかったが、条件(B)の場合には、特性の悪化が観察された。比較例3の場合には、いずれの条件(A),(B)の場合においても、特性の悪化が観察された。
以上、説明したように、実施例のものを採用した場合には、機械的強度が向上し、衝撃に対する耐性を著しく向上させることができる。
R1,R2・・・弾性構造、1B・・・外装体、R11,R13(R21,R23)・・・両端部。

Claims (4)

  1. 対向するフィルムの周辺領域同士を接着してなる外装体と、前記外装体内に封入された素子本体と、を備える電気化学デバイスにおいて、
    前記外装体の周辺領域は、前記フィルムの厚み方向に弾性力を有する単数又は複数の弾性構造を備えており、
    それぞれの前記弾性構造は、
    フィルム外縁に沿って折り曲げられた前記外装体の第1領域と、
    前記第1領域に対向する前記外装体の第2領域と、
    を備え、
    前記第1領域の前記フィルム外縁に沿った方向の両端部は、前記第2領域に接触し、且つ、前記両端部間において、前記第1領域と前記第2領域との間には隙間がある、
    ことを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記両端部間における前記隙間の前記外装体表面からの高さの最大値(2R)と、前記表面からの前記外装体の中央部の高さの最大値(H)とは、H/2≦2R≦1.2×Hなる関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記両端部のそれぞれにおける前記第1領域と前記第2領域との接触面積(AR)と、前記フィルム外縁と前記第1領域の折り曲げ位置との間の前記外装体の長さ(h)とは、h/3≦AR≦3×hなる関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記隙間内に充填された発泡樹脂を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気化学デバイス。




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