JP2013016279A

JP2013016279A - 二次電池

Info

Publication number: JP2013016279A
Application number: JP2011146548A
Authority: JP
Inventors: Asao Yamamura; 朝雄山村; Hiroshi Tomiyasu; 博冨安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-24

Abstract

【課題】シールにより、電解液漏れを防止し、電気を取り出す端子とイオン交換膜の端部とが互いに電気的に接触せず、端子部に電解液が接触しない二次電池を提供する。
【解決手段】電極から引き出され炭素繊維２、２’を導電性接着剤で結合した端子１、１’、イオン交換膜４の端子側の端末とが接触しないようにする。そのために端子の炭素繊維との結合点を含む端子とイオン交換膜が接触しないよう配置した状態でフィルムによりシールするか、端子とイオン交換膜の位置関係を維持するよう合成樹脂でモールドする。またはイオン交換膜の端子側の端末部分を電気絶縁性で耐酸性の合成樹脂で被覆することにより、イオン交換膜を伝って電解液が滲み出てくるのを防ぐことができ、端子とイオン交換膜が接触することも防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールにより、電解液漏れを防止し、電気を取り出す端子とイオン交換膜の端部とが互いに電気的に接触せず、端子部に電解液が接触しない二次電池に関する。

従来から電解質と電解液を用いた二次電池に関する発明は数多く見られる。しかし、シールにより、電解液漏れを防止し、電気を取り出す端子とイオン交換膜の端部とが互いに電気的に接触せず、端子部に電解液が接触しない電気を取り出す端子二次電池に関する発明は少ない。

特許文献１にはラミネートフィルムで電池全体を包んだ薄型の電池が開示されている。この発明は封口部から水の侵入を防ぐために独特の構造としているが、端子部に電解液が接触しないための手法は開示されていない。

特許文献２には薄型二次電池とその集合電池及びそれらの製造方法に関する発明が開示されている。この発明ではアルミラミネートシートで電池全体を包むことでコンパクトにすると共に、電解液の漏れを防ぐことを目的としている。ここには端子部に電解液が接触させないための手段は開示されていない。

特許文献３には積層型リチウムイオン二次電池に関する発明が開示されている。この発明では、高容量化、小型化を図るために多孔質プラスチックフィルム内に電解液を保持させ、この多孔質プラスチックフィルムを収納した積層構造体からなる二次電池であって、電解液漏れを防ぐことができることが開示されているが、端子が電解液と接触させないための手段は開示されていない。

特許文献４には、双極型二次電池において、発電要素を密封するシール部から電位を出力するためのリード線を通すために穿つた孔とリード線との隙間をモールドすることが開示されているが、端子部分と電解液を接触させないためのモールド体ではない。

特開平１０−２１４６０６号公報特開２００６−３４４４５７号公報特開２０１０−９７８９１号公報特開２０１１−１８４８１号公報

本発明者らは、二次電池の電気を取り出す端子に炭素繊維と金属線を併用した発明をすでに出願しており（特願２０１１−１３０７４４）、本願発明はその改良発明に相当するものである。主な改良点は二次電池の電気を取り出す端子部において、端子部分の炭素繊維を含めたイオン交換膜の位置関係をある程度固定することで、端子部の形態を安定させ、シールを簡単に行うことができ、電解液漏れを確実に防ぐことにある。

すなわち、本発明の要旨とするところは、
（請求項１）
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１端子、および前記第２端子とを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
（請求項２）
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記第１の導体と前記第１端子の結合部、および前記第１の導体の前記結合部側の端部、および前記第１端子の前記結合部側の端部、および前記第２の導体と前記第２端子の結合部、および前記第２の導体の前記結合部側の端部、および前記第２端子の前記結合部側の端部の間を充填する、電気絶縁性および耐酸性を有するモールドと、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１の導体、および前記第２の導体、および前記第１端子、および前記第２端子、および前記モールドとを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
（請求項３）
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記第１の導体と前記第１端子の結合部、および前記第１の導体の前記結合部側の端部、および前記第１端子の前記結合部側の端部、および前記第２の導体と前記第２端子の結合部、および前記第２の導体の前記結合部側の端部、および前記第２端子の前記結合部側の端部を被覆する、電気絶縁性および耐酸性を有する合成樹脂部材と、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１の導体、および前記第２の導体、および前記第１端子、および前記第２端子、および前記合成樹脂部材とを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
（請求項４）
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記イオン交換膜の第１端子および第２端子側の端部を被覆する、電気絶縁性および耐酸性を有する合成樹脂部材と、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１の導体、および前記第２の導体、および前記第１端子、および前記第２端子、および前記合成樹脂部材とを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
（請求項５）
前記導線が炭素繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。

本発明の二次電池に使用している端子部は、電気を取り出す端子とイオン交換膜が互いに電気的に接触しないよう配置されており、シールにより配置が固定されているとともに、電解液漏れを防止する効果がある。

本発明の端子部の構造の一例を示す概略図である。本発明の端子部の構造を他の一例を示す概略図である。

まず、本発明の二次電池に使用する電気を取り出す端子について説明する。二次電池は正極用の電解質固体塩と電解液の混合物を含浸させた正極用半電池と、負極用の電解質固体塩と電解液の混合物を含浸させた負極用半電池とイオン交換膜を挟んで両側に配置された構造になっている。半電池の基体となっている電極用エレメントには織物部分と経糸のみからなる部分が連続した炭素繊維織物を使う。この炭素繊維織物の織物部分に電解質固体塩と電解液の混合物を含浸させたものを半電池とする。

本発明では、この導体として炭素繊維、白金や金などの貴金属を用いることもできるが、半電池の経糸のみからなる部分の炭素繊維を用いることができ、電気を取り出す端子に結合させる。正極用端子を、電気を取り出す第１端子と云い、負極用端子を、電気を取り出す第２端子と云う。また、第１端子に結合している導体のことを第１の導体と云い、第２端子に結合している導体のことを第２の導体と云う。

端子は導電性のある金属製のものを好ましく用いることができる。例を挙げれば、洋白にスズメッキしたもの、銅にスズメッキしたもの、鉄に銅メッキしさらにその上にスズメッキしたものなどである。用いる端子の形状はどのような形状のものでも良いが、短冊状のものが好ましく用いられる。端子に導体を接続させるには、導体を１本ずつ、または複数本まとめて導電性接着剤にて接着することにより目的を達することができる。好ましく用いられる導電性接着剤としては銀接着剤、銅接着剤、カーボン接着剤を例示することができるが、導電性を有する接着剤ならどのような種類の接着剤でも使用可能である。

このようにして得られた導体を接着した端子の接着場所、導体、イオン交換膜、正極半電池および負極半電池を覆うように電気絶縁性のラミネートフィルムでシールする。この際、端子全体を覆うのではなく、電気取り出し用に使用する部分、すなわち、半電池に繋がっている側の端子先端部分とは反対側の端子の先端部分はシールせず、露出させておく。またイオン交換膜と第１端子、第２端子とは接触させない状態でシールすることが必要である。これは電解液がイオン交換膜の表面または内部を伝って滲み出してきた場合、第１端子、第２端子とイオン交換膜の間が離れていて、なお、その間はシールによって密着されているので、電解液が漏れ出すのを防ぐことができ、もし電解液が漏れ出てきたとしても、端子と電解液が接触することを防ぐことができるのである。

ここで使用するラミネートフィルムとしては耐酸性で電気絶縁性を有しているフィルムが好ましく用いられ、熱可塑性プラスチックフィルムにアルミニウム箔をサンドイッチ状に挟んだラミネートフィルムを用いるのが好ましい。

また、電解液が端子と接触することを防止するために採用できる他の端子部の構造としては端子の端部とイオン交換膜の間の空隙部に合成樹脂を充填し、第１端子、第２端子およびイオン交換膜を接触しないようにモールドした構造である。先に述べた構造はシールによりラミネートフィルムを密着することで液漏れを防ごうとするものであったが、この構造の端子を電池に組込んだ際、柔らかく形態安定性に欠けるきらいがあったので、端子の端部とイオン交換膜の間の空隙部を合成樹脂でモールドすることで形態安定性を向上させることができるのである。もちろん、第１端子、第２端子およびイオン交換膜はそれぞれが接触しないよう配置しなければならない。さらにシールによりラミネートフィルムを密着するので、電解液漏れを防ぐことができる。

以下、図面を交えて本発明を説明する。図１は第１の導体２を接着した第１端子１、第２の導体２’を接着した第２端子１’、その接着点の部分およびイオン交換膜をラミネートフィルムでシールした端子部分の構造を示す概略図である。電気を取り出す端子１、１’に半電池と繋がっている導体２、２’を一本ずつまたは複数本まとめて導電性接着剤で接着する。接着点を３で示す。導体を接着した端子の接着場所、導体、イオン交換膜４、正極半電池および負極半電池を覆うように電気絶縁性の２枚のラミネートフィルム５で挟み、両側から加熱、圧着してシールする。

この端子部の構造で特徴的なことは、イオン交換膜４の端子側の先端と端子１，１’が接触しないよう距離を空けて配置されていることである。もし端子とイオン交換膜が接触していたら、イオン交換膜の表面または内部を通って滲み出てきた電解液が端子に付着し、端子を冒したりする原因にもなるので好ましくない。本発明では端子とイオン交換膜が形作る空間は２枚のラミネートフィルムでシールされているので、例え電解液が漏れ出てきたとしても端子に到達することはなく、ましてや電池外部への液漏れは起こらないのである。

図２は端子１，１’とイオン交換膜４を接触しないように配置し、それら部材間の空隙を電気絶縁性の合成樹脂でモールドした端子部の構造を示した概略図である。電気を取り出す端子１、１’に半電池に繋がっている導体２、２’を一本ずつまたは複数本まとめて導電性接着剤にて接着する。接着点を３で示す。端子の端部とイオン交換膜４との間の空隙に電気絶縁性の合成樹脂６を充填し、硬化させて端子とイオン交換膜が接触しないようにしている。ここで用いられる合成樹脂は、常温で粘度が低く、熱または紫外線で硬化できる樹脂が好ましい。

具体的に好ましく用いられる合成樹脂としては紫外線硬化型エポキシ樹脂、熱硬化型エポキシ樹脂が挙げられる。常温で粘度が低いと合成樹脂を充填する際、空隙部分に樹脂が入り込み易く好ましいのである。

合成樹脂を充填した端子部の構造を図２(a) に示す。図２(b) は図２(a) のＡ−Ａ’面の断面図で、図２(c) 図２(a) のＢ−Ｂ’面の断面図を示している。合成樹脂を充填するにはポッティング法を用いることができる。その工程を説明する。まず最初に電気を取り出す端子１、１’に半電池に繋がっている導体２、２’を１本ずつまたは複数本まとめて導電性接着剤で接着する。この端子を正極用１と負極用１’の２本を準備し、鋳型に入れ、さらにイオン交換膜４の端子側の先端部分を端子と接触しないように差し込み、次いで鋳型にエポキシ樹脂６を入れて熱または紫外線を照射してエポキシ樹脂を硬化させる。鋳型にセットする端子はその先端部は鋳型から出ていなければならない。

エポキシ樹脂の粘度は３００〜１０００ｃｐｓ程度のものを使用する。また、熱硬化する場合には１００℃程度加熱すれば良い。

ポッティング法の他にモールド法も採用することができる。この場合は、予め導体を低粘度の合成樹脂で加工し、導体を固定した後、金型にセットして樹脂にてモールドする。モールド樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、ポリスチレン、液晶ポリマーなどを使用することができる。

また、端子とイオン交換膜を接触させない手法として、第１端子、第１の導体、および第１の導体と第１端子の結合部、さらに第２端子、第２の導体、および第１の導体と第１端子の結合部を電気絶縁性、耐酸性を有する合成樹脂、例えばポリエチレンフィルムで被覆する手法を採用することができる。後でラミネートフィルムで全体をシールするので、被覆したフィルムもシールされて形態を固定され、また端子とイオン交換膜の間は密着されるため電解液を通すこともない。

さらに別の方法としては、イオン交換膜の端子側の端部を電気絶縁性および耐酸性を有する合成樹脂で被覆する方法を採用することができる。イオン交換膜の端部は合成樹脂で被覆されているので、端子と接触しても電気的な接触にはならないのである。また、後でラミネートフィルムで全体をシールするので、端子とイオン交換膜の間は密着されるため電解液を通すこともない。

以上のような構成を有する端子とイオン交換膜とイオン交換膜の両面に配置した正極用半電池、負極用半電池の全体を熱可塑性プラスチックフィルムにアルミニウム箔をサンドイッチ状に挟んだラミネートフィルム５で包み、端子の先端部分を露出させた状態でシールすることにより二次電池とすることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
電気を取り出す端子としてスズメッキした洋白の短冊状切片を使用した。経糸と緯糸のみからなる炭素繊維部分（導体）と炭素繊維織物部分が繋がっている連続織物を半電池用の素材とした。織物部分に４価の硫酸バナジウム塩と硫酸の混合物を含浸させ、正極用の半電池とした。また、別に用意した同種の織物部分に３価のバナジウム硫酸塩と硫酸の混合物を含浸させ、負極用の半電池とした。イオン交換膜は旭硝子社製、セレミオンのアニオン交換膜を使用した。

洋白の短冊状切片の片面で端末に近い部分に正極用半電池または負極用半電池に繋がっている炭素繊維（導体）を１０本まとめて銀接着剤で接着し、正極用端子または負極用端子とした。この両極端子の間にイオン交換膜を端子の一部とイオン交換膜が接触しないように配置し、その両側から端子の先端部分を露出させた状態でラミネートフィルムでヒートシールしたことにより、電解液が液漏れせず、端子に触れることのない二次電池が得られた。

（実施例２）
実施例１と同様にして正極用端子および負極用端子を得た。別に用意した鋳型に得られた端子とイオン交換膜の端子側の端末を配置し、鋳型に熱硬化型エポキシ樹脂（住友ベークライト社製、商品名スミマック）を注入し、１００℃に加熱して樹脂を硬化させた。この際、イオン交換膜の端末は端子と接触しないように配置した。また端子の先端部分は鋳型の外に出るようにした。

得られたエポキシ樹脂でモールドされた端子と正極半電池、負極半電池およびイオン交換膜全体をポリエチレンフィルムの間にアルミニウム箔をサンドイッチ状に挟んだラミネートフィルムで包み、端子の先端部分を露出させた状態でヒートシールし、二次電池を得た。

以上説明したように、本発明の二次電池はその端子部分とイオン交換膜と接触しておらず、端子部分とイオン交換膜の間はフィルムでヒートシールされて密着されているため、電解液漏れを防止することができ、また、イオン交換膜の表面または内部を通って漏れてくる電解液が端子と接触することがないので、端子を構成している金属が腐食することを防ぐことができる。そのため、端子の材料として高価な貴金属線や黒鉛電極を使う必要も無くなり、製造コストを大幅に下げることができるようになった。

１ …… 電気取り出し用正極端子（第１端子）
１’…… 電気取り出し用負極端子（第２端子）
２ …… 正極用半電池に繋がっている第１の導体
２’…… 負極用半電池に繋がっている第２の導体
３ …… 接着点
４ …… イオン交換膜
５ …… ラミネートフィルム
６ …… 合成樹脂

Claims

イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１端子、および前記第２端子とを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記第１の導体と前記第１端子の結合部、および前記第１の導体の前記結合部側の端部、および前記第１端子の前記結合部側の端部、および前記第２の導体と前記第２端子の結合部、および前記第２の導体の前記結合部側の端部、および前記第２端子の前記結合部側の端部の間を充填する、電気絶縁性および耐酸性を有するモールドと、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１の導体、および前記第２の導体、および前記第１端子、および前記第２端子、および前記モールドとを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記第１の導体と前記第１端子の結合部、および前記第１の導体の前記結合部側の端部、および前記第１端子の前記結合部側の端部、および前記第２の導体と前記第２端子の結合部、および前記第２の導体の前記結合部側の端部、および前記第２端子の前記結合部側の端部を被覆する、電気絶縁性および耐酸性を有する合成樹脂部材と、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１の導体、および前記第２の導体、および前記第１端子、および前記第２端子、および前記合成樹脂部材とを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
イオン交換膜と、
電解液と電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の片面に配置された正極用半電池と、
前記電解液と前記電解質の混合物が含浸され、前記イオン交換膜の他面に配置された負極用半電池と、
前記正極用半電池から連続する第１の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第１端子と、
前記負極用半電池から連続する第２の導体と電気的に結合した、電気を取り出す第２端子と、
前記イオン交換膜の第１端子および第２端子側の端部を被覆する、電気絶縁性および耐酸性を有する合成樹脂部材と、
前記イオン交換膜、および前記正極用半電池、および前記負極用半電池、および前記第１の導体、および前記第２の導体、および前記第１端子、および前記第２端子、および前記合成樹脂部材とを有する二次電池構成体全体をシールする、電気絶縁性および耐酸性を有するラミネートフィルムと、を備え、
前記イオン交換膜の端部、および前記第１の導体、および前記第１端子、および前記第１の導体と前記第１端子の前記結合部、および前記第２の導体、および前記第２端子、および前記第２の導体と前記第２端子の前記結合部とが、互いに電気的に接触せず、前記第１端子と前記第２端子の少なくとも先端部分を露出させてシールすることを特徴とする二次電池。
前記導線が炭素繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。