JP2012248381A

JP2012248381A - 電池

Info

Publication number: JP2012248381A
Application number: JP2011118692A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Otsuka; 大輔大塚
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】外装体の内部に電池要素が収納され、正極端子および負極端子が外装体から引き出された構造を有する電池であって、封止性が良好な外装体を備えた信頼性の高い電池、さらには、生産性に優れ、経済的に製造することが可能な電池を提供する。
【解決手段】電池要素が収納され、正極端子および負極端子４０ｂが引き出される外装体２０が、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂを接合して形成され、一対のラミネートシートはそれぞれ、電池要素を収納する電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂと、正極端子および前記負極端子を外部に引き出すための端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂとを備え、前記電池要素収納凹部と、端子引き出し凹部とは予め加工により形成されているような構成とする。
また、一対のラミネートシートとして、同一形状、同一材料のラミネートシートを用いる。
【選択図】図４

Description

この発明は、例えば、リチウムイオン二次電池などの電池に関し、詳しくは、電池要素が外装体内に収納され、正極端子および負極端子が外部に引き出された構造を有する電池に関する。

近年、携帯電話、携帯用パーソナルコンピュータなどの携帯用電子機器の電源としてリチウムイオン二次電池などに代表される二次電池が広く用いられるようになっている。

ところで、このような二次電池（以下、単に「電池」ともいう）としては、セパレータを介して複数の正極部材と負極部材とが積層された積層体を外装体（筐体）内に収納してなる構成のものが広く用いられている。

そのような電池の１つとして、図９〜１３に示すように、１枚のラミネートシート７１を折り曲げて電池の外装体６０とし、電池要素７０を収納する部分と、正極端子５８および負極端子５９を収納する（引き出す）部分には、絞り加工が施された電池が提案されている（特許文献１、図５〜９など参照）。

この電池は、薄形のリチウムイオン二次電池であり、図９，１０に示すように、多孔質金属板からなる集電体５１の両面に正極層５２が担持された正極と、多孔質金属板からなる集電体５３の両面に負極層５４が担持された負極と、正極層５２、負極層５４の間に配置されたゲル状電解質層５５とを有する積層体（電池要素）７０を備えている。

そして、正極層５２を担持する集電体５１は、帯状正極端子５６を介して正極端子５８に接続され、負極層５４を担持する集電体５３は、帯状負極端子５７を介して負極端子５９に接続されている。

また、外装体６０（図９）は、図１１〜１３に示すように、例えば、内面に熱融着樹脂層が配され、かつ内部に金属層が配設された、ガスバリア性を有する積層シート（ラミネートシート）７１から形成されており、容器部６１と、蓋部６２とを備えている。

この外装体６０は、一枚のラミネートシート７１の容器部６１となる領域に、電池要素７０が収納されるべき凹部（電池要素収納凹部）６５を形成するとともに、容器部６１となる領域の端部には、正極端子５８と負極端子５９を通過させるための矩形状凹部（端子引き出し凹部）６３，６４を、それぞれ絞り加工によって形成しておき、電池要素を凹部６３に収納した後、ラミネートシート７１を折り返して、容器部６１と蓋部６２の周縁部を溶着することにより形成されている。

ところで、このような電池においては、その容量が大きくなるに伴い電流も大きくなることから、正極端子５８および負極端子５９の厚みを厚くすることが必要になる。また、大きな電池容量を得ようとすると積層数が増加するため、電池要素７０の厚みも厚くなる。

しかしながら、上述の特許文献１の電池の場合、外装体６０を構成する１枚のラミネートシート７１の、容器部６１となる領域にのみ、絞り加工により、電池要素７０を収納する凹部（電池要素収納凹部）６５と、正極端子５８と負極端子５９を通過させるための矩形状凹部（端子引き出し凹部）６３，６４を形成するようにしている。そのため、電池要素や、正極端子および負極端子の厚みを厚くしようとすると、ラミネートシート７１の容器部６１となる領域にのみ深い絞り加工を施す（電池要素収納凹部６５と、端子引き出し凹部６３，６４を形成する）ことが必要になる。その結果、ラミネートシート７１の加工時に過度に大きな応力が加わったり、容器部６１と蓋部６２とが大きく異なる形状となったりすることで、外装体６０の強度や、容器部６１と蓋部６２の周縁部を溶着した場合における密着性などに依存する、外装体の封止信頼性が低下するという問題点がある。

特開平１１−１４４６９１号公報

本発明は、上記課題を解決するものであり、外装体の内部に電池要素が収納され、正極端子および負極端子が外装体から引き出された構造を有する電池において、確実な封止性能を有する外装体を備えた信頼性の高い電池、さらには、生産性に優れ、経済的に製造することが可能な電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電池は、
正極部材と負極部材とをセパレータを介して互いに対向するように配置してなる集合体と、電解質とを含む電池要素が、外装体の内部に収納され、かつ、正極部材に接続された正極端子と、負極部材に接続された負極端子とが、前記外装体の外部に引き出された構造を有する電池であって、
前記外装体が、一対のラミネートシートを接合することにより形成されているとともに、
前記一対のラミネートシートはそれぞれ、電池要素を収納するための所定の深さを有する電池要素収納凹部と、前記正極端子および前記負極端子を外部に引き出すための所定の深さを有する端子引き出し凹部とを備え、
前記一対のラミネートシートの前記電池要素収納凹部と、前記端子引き出し凹部とは、いずれも絞り加工により形成されていること
を特徴としている。

また、本発明の電池においては、請求項２のように、前記一対のラミネートシートとして、面対称の形状を有する一対のラミネートシートが用いられていることが好ましい。

また、本発明の電池においては、請求項３のように、前記一対のラミネートシートとして、別体の２枚のラミネートシートが用いられていることが好ましい。

また、本発明の電池においては、請求項４のように、前記２枚のラミネートシートとして、同一形状、同一材料のラミネートシートが用いられていることが好ましい。

本発明の電池においては、外装体を、一対のラミネートシートを接合することにより形成するとともに、一対のラミネートシートのそれぞれに、予め加工により電池要素収納凹部と端子引き出し凹部とを形成しているので、電池要素や、正極端子および負極端子の厚みが厚い場合にも、１枚のラミネートシートにのみ加工を施して、電池要素収納凹部と端子引き出し凹部を形成する場合に比べて、加工による各ラミネートシートの変形量が少なくなり、ラミネートシートに加わる応力を小さくすることが可能になるとともに、一対のラミネートシートの形状も近似したものとなり、両者を接合することにより形成される外装体の封止性を向上させることができる。

なお、本発明においては、１枚のラミネートシートを折り曲げることにより形成される一対の領域を、本発明における一対のラミネートシートとして機能させるように構成することも可能である。
すなわち、本発明において、「外装体が、一対のラミネートシートを接合することにより形成されている」とは、外装体が、別体として形成された２枚のラミネートシートを接合することにより形成されている場合と、１枚のラミネートシートを折り曲げることにより形成される一対の領域を互いに対向させて接合することにより形成されている場合の両方を含む概念である。

また、本発明の電池の場合、それぞれの端子引き出し凹部が近似した形状となることにより、一対のラミネートシートを熱溶着する際に、正極端子および負極端子に加わる圧力も同程度にすることができる。熱溶着時、ラミネートシート内側の接着層や、正極端子および負極端子周囲に通常配設されることになるシーラント層は溶融して、この部分に加わる圧力で流動するが、この圧力が同程度になることから、接着層やシーラント層が波打ったり、偏ったりすることがなく、密着力が低い部分が形成されにくくなる。これにより、正極端子および負極端子付近の封止性を向上させることができる。

また、本発明において、請求項２のように、一対のラミネートシートとして、面対称の形状を有する一対のラミネートシートを用いるようにした場合、電池要素収納部の深さが同じで、端子引き出し凹部の深さが同じになる。その結果、ラミネートシートに凹部を形成するための絞り加工を施す際にラミネートシートに加わる応力を、それぞれ同等程度に振り分けることができるので、個々のラミネートシートに加わる応力をより小さくし、かつ、一対のラミネートシートの形状をより近似したものとすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
また、一対のラミネートシートに設けられる端子引き出し凹部が対称形状なので、正極端子および負極端子周囲に加わる圧力がより均等化されるので、この部分における封止性をより向上させることができる。

また、１枚のラミネートシートを折り曲げることにより形成される一対の領域を一対のラミネートシートとした場合、予め加工により電池要素収納凹部と端子引き出し凹部とを形成する際に、一対の領域がつながっている部分が両方の領域から引っ張られてラミネートシートの樹脂層と金属層が剥離する恐れがあるが、請求項３のように、一対のラミネートシートを別体で構成した場合には、このような問題が生じることはない。

また、本発明において、請求項４のように、一対のラミネートシートとして、同一形状、同一材料のラミネートシートを用いるようにした場合、所定の絞り加工が施された１種類のラミネートシートを用意するだけで済むため、封止信頼性が高く、生産性に優れ、経済的に製造することが可能な電池を提供することが可能になり、本発明をさらに実効あらしめることができる。

本発明の一実施例（実施例１）にかかる電池を示す正面図である。本発明の実施例１の電池を示す側面図である。本発明の実施例１の電池を示す平面図である。本発明の実施例１の電池の構成を示す要部正面断面図である。本発明の実施例１の電池を構成する外装体を示す分解正面断面図である。本発明の実施例１の電池を構成する外装体を示す分解側面断面図である。本発明の実施例１の電池を構成する外装体を構成する一対のラミネートシートの一方を示す平面図である。本発明の実施例１の電池の変形例を示す平面図である。従来の電池（リチウムイオン二次電池）の構成を示す断面図である。図９の電池の部分切欠上面図である。図９の電池の外装体の構成を示す平面図である。図１１の外装体を長手方向に沿う方向に切断した際の断面図である。図１１の外装材を端子引き出し凹部が配設された端子部側からみた側面図である。

以下に本発明の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

図１〜４は本発明の一実施例にかかる電池（この実施例ではリチウムイオン二次電池）を示す図である。
なお、図１，２，３はそれぞれ、本発明の一実施例（実施例１）にかかる電池を示す正面図、平面図、側面図であり、また、図４は、その内部構成を示す要部正面断面図である。

本発明の一実施例（実施例１）にかかる電池（リチウムイオン二次電池）１００は、図１〜４に示すように、電池要素１０（図４）と、電池要素１０を収納して封止する外装体２０と、複数の集電部材４１（図４）を介して電池要素１０に接続され、外装体２０の周縁部から外部に導出された正極端子４０ａおよび負極端子４０ｂを備えている。

そして、電池要素１０は、図４に示すように、正極活物質と集電体とを有する複数の正極部材（正極層）１１と、負極活物質と集電体とを有する複数の負極部材（負極層）１２と、セパレータ１３と、電解質として非水電解液１４とを含み、複数の正極部材１１と複数の負極部材１２とがセパレータ１３を介して交互に積層され積層体（集合体）となっている。なお、ここでは電池要素１０が積層構造のものを例にとって説明しているが、各層の積層数や積層態様などには特別の制約はなく、電池として機能するものである範囲において種々の変形を加えることができる。例えば、正極部材と負極部材とがセパレータを介して巻回された巻回構造の集合体でも適用できる。

また、この実施例１では、正極部材（正極層）１１として、例えば、正極活物質であるＬｉＣｏＯ₂と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、導電助剤であるアセチレンブラックとを含有する正極合剤を、アルミニウム箔からなる集電体の表面上に塗布、乾燥して、正極活物質層を集電体の表面上に形成することにより形成された板状の正極部材が用いられている。なお、集電体としてのアルミニウム箔の端部には、正極合剤を塗布せずに、アルミニウム箔の表面が露出した部分が設けられている。

また、負極部材（負極層）１２として、例えば、負極活物質であるグラファイト系材料と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを含有する負極合剤を、銅箔からなる集電体の表面上に塗布、乾燥して、負極活物質層を集電体の表面上に形成することにより形成された板状の負極部材が用いられている。なお、集電体としての銅箔の端部には、負極合剤を塗布せずに、銅箔の表面が露出した部分が設けられている。

また、セパレータ１３としては、微孔性ポリエチレンフィルムからなるシート状のセパレータが用いられている。

また、電解質としての非水電解液１４には、支持塩を非水溶媒に溶解して調製したものが用いられている。この実施例１では、非水電解液として、ＬｉＰＦ₆を、炭酸プロピレンと炭酸エチレンと炭酸ジエチルとを体積比で５：２５：７０の割合で混合した非水溶媒に、１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度となるように溶解したものが用いられている。なお、非水溶媒や支持塩はこれに限らず、従来の電池に用いられる材料を限定なく用いることができる。また、電解質は、ゲル状または固体状の電解質であってもよい。

さらに、図４に示すように、複数の負極部材１２は複数の集電部材４１を介して負極端子４０ｂに接続されており、複数の正極部材１１も、図４には示されていないが、負極部材１２の場合と同様に、集電部材を介して正極端子４０ａ（図１）に接続されている。

そして、この実施例の電池１００においては、図５〜７に示すように、外装体２０が、一対（２枚）のラミネートシート２０ａ，２０ｂをその周縁部において互いに接合することにより形成されている。

外装体２０を構成するラミネートシート２０ａ，２０ｂとしては、樹脂からなる外側の保護層と、アルミニウムからなる中間のガスバリア層と、樹脂からなる内側の接着層とを積層して一体化したラミネートシート（アルミニウムラミネートフィルム）が用いられている。なお、外装体２０として用いられるラミネートシートの種類は、上述のようなアルミニウムラミネートフィルムに限らず、他の構成のものも同様に用いることができる。

また、この実施例の電池１００において、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂにはそれぞれ、図５〜７に示すように、電池要素１０（図４）を収納するための電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂと、正極端子４０ａおよび負極端子４０ｂ（図１，２）を外部に引き出すための端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂとを備えている。これらの電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂ、および、端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂは、いずれも、絞り加工により形成されている。

そして、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂの電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂはそれぞれ同じ深さとなるように構成されており、また、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂの端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂもそれぞれ同じ深さとなるように構成されている。すなわち、この実施例では、同じ形状、寸法を有し、面対称である一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂとして、同じラミネートシートを組み合わせた一対のラミネートシートが用いられている。

また、図１〜４にその構成を示した上述の電池（リチウムイオン二次電池）１００は、各部の寸法として、
(ａ)電池要素１０（＝電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂ）の平面寸法が、短辺：約１５０ｍｍ、長辺：約２００ｍｍ、
(ｂ)電池要素１０の厚みが約１０ｍｍ、
(ｃ)正極端子４０ａ、負極端子４０ｂが、厚み：０．６ｍｍ、幅：６０ｍｍ
の寸法を有するものである。

次に、この電池（リチウムイオン二次電池）１００の製造方法について説明する。
(１)まず、複数の正極部材１１と複数の負極部材１２とがセパレータ１３を介して交互に積層された構造を有する積層体１０ａを形成する。

(２)ラミネートシートを絞り加工して、電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂと、端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂを備えた、同じ形状、寸法を有する面対称の一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂを準備する。

(３)それから、上記積層体１０ａがラミネートシート２０ａ，２０ｂの電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂからなる空間（電池要素収納空間）に収納され、正極端子４０ａおよび負極端子４０ｂがラミネートシート２０ａ，２０ｂの端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂから形成される空間を経て外部に引き出されるような態様で、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂからなる外装体２０に積層体１０ａを収納する。
なお、正極端子４０ａおよび負極端子４０ｂの、ラミネートシート２０ａ，２０ｂの端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂと接する部分には、ポリプロピレンなどの熱溶着性樹脂からなるシーラント層（図示せず）が配置されている。

(４)それから、外装体２０を構成するラミネートシート２０ａ，２０ｂの周縁部のうち、一部を非水電解液を注入するための電解液注入口として開放状態のままにしておき、それ以外の外装体２０の周縁部を熱溶着する。この熱溶着の際に、前述のシーラント層とラミネートシート内側の接着層とが溶着することにより、正極端子４０ａおよび負極端子４０ｂ部分の封止性が向上する。

(５)それから、上記電解液注入口からノズルを挿入して、外装部材の内部に非水電解液１４（図４）を注入した後、電解液注入口として用いた外周部の一部を仮封止し、所定の条件下で初充電を実施した後、仮封止を再び開放し、減圧しながら熱溶着して本封止する。これにより、図１〜４に示すような電池（リチウムイオン二次電池）１００が得られる。

この電池１００においては、外装体２０を、上述のような、絞り加工により形成された電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂと、端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂを備えた一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂを用いて構成するようにしているので、ラミネートシート２０ａ，２０ｂに絞り加工を施す際に過度に大きな応力が加わったり、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂが大きく形状の異なるものになったりすることがなく、電池要素１０や、正極端子４０ａ，負極端子４０ｂを厚く形成することが必要な場合にも、従来のように、１枚のラミネートシートに絞り加工を施して、電池要素や、正極端子、負極端子を収容することが可能な深い電池要素収納凹部と端子引き出し凹部を形成する場合に比べて、絞り加工を施す際のラミネートシートの変形量（絞り量）を小さくすることが可能になり、ラミネートシートに加わる応力を小さくすることが可能になるとともに、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂの形状を近似した形状とすることが可能になる。その結果、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂを接合することにより形成される外装体２０の封止性を向上させることが可能になる。

また、一対のラミネートシート２０ａ，２０ｂとして、所定の絞り加工が施された１種類のラミネートシートを組み合わせて用いるようにしているので、ラミネートシートを作製するのに用いる成形金型および成形機として、それぞれ1種類の成形金型および成形機で対応することが可能になり、生産コストの低減を図ることができる。

なお、上記実施例では、正極端子４０ａと負極端子４０ｂを外装体２０の互いに対向する側の端部に引き出した電池を例にとって説明したが、例えば、図８に示すように、正極端子４０ａと負極端子４０ｂを外装体２０の同じ側の端部に引き出すようにすることも可能である。正極端子４０ａと負極端子４０ｂを外装体から引き出すにあたっての態様には特に制約はなく、種々の態様とすることが可能である。

また、電池要素収納凹部２１ａ，２１ｂや、端子引き出し凹部２２ａ，２２ｂの形状や構造についても特に制約はなく、種々の形状や態様とすることが可能である。

本発明は、その他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、正極部材および負極部材を構成する活物質や集電体の種類、セパレータの構成材料、外装体となるラミネートシートの具体的な構成、外装体の具体的な形状などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

１０電池要素
１０ａ積層体（集合体）
１１正極部材
１２負極部材
１３セパレータ
１４非水電解液
２０外装体
２０ａ，２０ｂラミネートシート
２１ａ，２１ｂ電池要素収納凹部
２２ａ，２２ｂ端子引き出し凹部
４０ａ正極端子
４０ｂ負極端子
４１集電部材
１００電池

Claims

正極部材と負極部材とをセパレータを介して互いに対向するように配置してなる集合体と、電解質とを含む電池要素が、外装体の内部に収納され、かつ、正極部材に接続された正極端子と、負極部材に接続された負極端子とが、前記外装体の外部に引き出された構造を有する電池であって、
前記外装体が、一対のラミネートシートを接合することにより形成されているとともに、
前記一対のラミネートシートはそれぞれ、電池要素を収納するための所定の深さを有する電池要素収納凹部と、前記正極端子および前記負極端子を外部に引き出すための所定の深さを有する端子引き出し凹部とを備え、
前記一対のラミネートシートの前記電池要素収納凹部と、前記端子引き出し凹部とは、いずれも予め加工により形成されていること
を特徴とする電池。
前記一対のラミネートシートとして、面対称の形状を有する一対のラミネートシートが用いられていることを特徴とする、請求項１記載の電池。
前記一対のラミネートシートとして、別体の２枚のラミネートシートが用いられていることを特徴とする、請求項１または２記載の電池。
前記２枚のラミネートシートとして、同一形状、同一材料のラミネートシートが用いられていることを特徴とする、請求項３記載の電池。