JP2013030385A - ラミネート電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極タブ12、13と接続している集電体の巻きズレや積層ズレの発生を防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力により集電体に設けられた活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止するラミネート電池10を提供すること。
【解決手段】曲げ部23を有する電極タブ12、13を絶縁皮膜で覆い、曲げ部23を覆う絶縁皮膜は、曲げ部23以外を覆う前記絶縁皮膜よりも柔軟性を高くすること。
【選択図】図4

Description

本発明は、外装体としてラミネートフィルムを用いたラミネート電池に関するものである。
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどのポータブル電子機器の小型・軽量化に伴って、これらのポータブル電子機器の電源として軽く、薄く、高容量な二次電池が求められている。
このような二次電池としてエネルギー密度の大きなリチウムイオン電池が着目されているが、従来のように円筒形または扁平形の金属製の外装缶を用いたリチウムイオン電池では形状が限られてしまうため、より形状の自由度の高い二次電池が要望されている。
そこで、アルミニウムラミネートフィルムなどの外装体を用いたラミネート電池の開発が進んでいる。
しかし、このようなラミネート電池は従来のリチウムイオン電池とは異なり、外装体がラミネートフィルムで構成されているため、電極群及び電解液を密閉しながら封止し、電圧を取り出す電極タブを漏液がないように外装体の外部へ取り出さなければならない。封止する方法として、外装体のフィルムへ熱を与えながらフィルム同士に一定の圧力を加えて溶着させるヒートシールが最も一般的である。ヒートシール以外にも特に電極タブ付近の溶着方法に関しては様々な取組みがなされているが、電極タブの取り出し部付近では、外装体のフィルム同士との間に電極タブを介するため、外装体の内部の密閉性を充分に確保することが非常に困難である。
また、外装体であるラミネートフィルムの端面に金属層が露出しており、外装体の金属層を介して正極と負極の電極タブが接触しやすい状態となっているため、短絡が生じやすい状態になっている。これを防止するために、外装体の端面の金属層と電極タブ間を隔離するために電極タブへ絶縁皮膜を設けることが提案されている。この絶縁皮膜を外装体の端面より露出するように封止することによって外装体の端面の金属層の露出に由来する短絡を有効に防止することが可能となる。
上記のような課題を有しながらも、ラミネート電池としては、より形状の小型化と高容量化が求められているが、電極群の大きさが限られているため、いかに体積容量密度を小さくすることができるかが求められている。
そこで、正極板と負極板とが多孔質絶縁体からなるセパレータを介して直接的に接触しないよう巻回もしくは積層してなる電極群を外装体に収納した二次電池において、電極タブに曲げ部を設けることにより外装体の形状に対する体積容量をより小さくすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−157510号公報
しかしながら、前記従来の構成のラミネート電池において、集電体と接続した電極タブを金型で折り曲げて曲げ部を設ける際に、電極タブ全体に厚い絶縁皮膜を設けると絶縁皮膜の剛性が高いため、電極タブを折り曲げる際の応力を曲げ部で吸収することができない。そのため、巻回または積層された集電体が電極タブと共に引き出され、集電体の巻きズレや積層ズレが発生することにより、セパレータの端面より集電体が飛び出して短絡が生じたり、集電体が引き出される際に、予め集電体に設けられている活物質が脱落することにより電池容量の特性が低下するという課題を有していた。
本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたもので、正極集電体と正極合剤層を有する正極板と、負極集電体と負極合剤層とを有する負極板とをセパレータを介して巻回もしくは積層してなる電極群と、前記正極集電体と前記負極集電体のそれぞれと接続した電極タブと、それぞれの前記電極タブを覆う絶縁皮膜と、電解液と前記電極群と前記電極タブとを収容するラミネートフィルムからなる外装体とを備え、前記電極タブは曲げ部を有し、前記曲げ部を覆う前記絶縁皮膜は、前記曲げ部以外を覆う前記絶縁皮膜よりも柔軟性を高くする。このことにより、曲げ部の絶縁皮膜の剛性を小さくして電極タブを容易に折り曲げることが可能となり、電極タブを折り曲げる際に電極タブへ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることができる。その結果、電極タブと接続している集電体の巻きズレや積層ズレの発生を防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力により集電体に設けられた活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止するラミネート電池を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明のラミネート電池は、正極集電体と正極合剤層を有する正極板と負極集電体と負極合剤層を有する負極板とをセパレータを介して巻回もしくは積層してなる電極群と、前記正極集電体と前記負極集電体のそれぞれと接続した電極タブと、それぞれの前記電極タブを覆う絶縁皮膜と、電解液と前記電極群と前記電極タブとを収容するラミネートフィルムからなる外装体とを備え、前記電極タブは曲げ部を有し、前記曲げ部を覆う前記絶縁皮膜は、前記曲げ部以外を覆う前記絶縁皮膜よりも柔軟性が高いこととしたものである。
これによって、電極タブと接続している集電体の巻きズレや積層ズレの発生を防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力により集電体に設けられた活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止できる。
本発明によれば、電極タブと接続している集電体の巻きズレや積層ズレの発生を防止して両集電体間の短絡を防止できるとともに、集電体が引き出される時に生じる応力により集電体に設けられた活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止できる。
本発明の実施の形態1におけるラミネート電池の分解斜視図 本発明の実施の形態1におけるラミネート電池の封止前の斜視図 本発明の実施の形態1におけるラミネート電池の一部拡大図 本発明の実施の形態1における電極タブの断面図 本発明の実施の形態1における押し金型を用いた電極タブの折り曲げ工法を示す側面図 本発明の実施の形態1における押し金型を用いた電極タブの折り曲げ工法を示す要部拡大図 本発明の他の実施の形態に係る電極タブの断面図 本発明の他の実施の形態に係る電極タブの断面図
本発明の第1の発明においては、正極集電体と正極合剤層とを有する正極板と負極集電体と負極合剤層とを有する負極板とをセパレータを介して巻回もしくは積層してなる電極群と、前記正極集電体と前記負極集電体のそれぞれと接続した電極タブと、それぞれの前記電極タブを覆う絶縁皮膜と、電解液と前記電極群と前記電極タブとを収容するラミネートフィルムからなる外装体とを備え、前記電極タブは曲げ部を有し、前記曲げ部を覆う前記絶縁皮膜は、前記曲げ部以外を覆う前記絶縁皮膜よりも柔軟性が高くすることによって、電極タブを折り曲げる際に電極タブへ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることにより、電極タブと接続している集電体の巻ズレや積層ズレを防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力により集電体に設けられた活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止できる。
本発明の第2の発明においては、前記電極タブの曲げ部を覆う絶縁皮膜の膜厚を、前記電極タブの曲げ部以外を覆う絶縁皮膜の膜厚よりも薄くして柔軟性を持たせたことを特徴とするラミネート電池であって、電極群から引き出された電極タブへ柔軟性の高い絶縁皮膜を設けることによって、電極タブを折り曲げる際に電極タブへ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることにより、電極タブを設けている集電体の巻きズレや積層ズレを防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力によって集電体へ設けられた活物質の脱落も防止できる。
本発明の第3の発明においては、前記絶縁皮膜は多層構造で構成されており、前記電極タブの曲げ部を覆う絶縁皮膜の層数を前記電極タブの曲げ部近傍を覆う絶縁皮膜の層数よりも少なくして柔軟性を持たせたことを特徴とするラミネート電池であって、電極タブを設けている集電体の巻きズレや積層ズレを防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力によって集電体へ設けられた活物質の脱落も防止できる。
本発明の第4の発明においては、前記電極タブの曲げ部を覆う絶縁皮膜の材質を、前記電極タブの曲げ部以外を覆う絶縁皮膜の材質よりも反発性の少ない材質としたことを特徴とするラミネート電池であって、電極タブを設けている集電体の巻きズレや積層ズレを防止して両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力によって集電体へ設けられた活物質の脱落も防止できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるラミネート電池の分解斜視図を示すものである。図2は、本発明の第1の実施の形態におけるラミネート電池の封止前の斜視図を示すものである。図3は、本発明の実施の形態1におけるラミネート電池の一部拡大図を示すものである。
図1、図2において、ラミネート電池10は、電極群11と、電極群11と接続した正極タブ12および負極タブ13と、電解液と電極群11と正極タブ12および負極タブ13とを収容するラミネートフィルムからなる外装体14とを備える。
ラミネートフィルムからなる外装体14は、例えばナイロンフィルム、アルミニウム箔、ポリエチレンフィルムを積層し貼り合わせて構成している。ラミネートフィルムからなる外装体14は、金型にて圧力を加え絞り成形を行い収納部15を形成する。そして収納部15に電解液と電極群11と正極タブ12および負極タブ13とを収容する。
電極群11は、正極集電体16と正極合剤層17とを有する正極板18と負極集電体19と負極合剤層20とを有する負極板21の間に多孔質絶縁体としてのセパレータ22を同
方向に渦巻状に巻回して形成されている。
そして、正極タブ12は正極板18の正極集電体16と接続し、負極タブ13は負極板21の負極集電体19とを接続し、各々電圧を取り出す。
正極タブ12および負極タブ13のそれぞれには、図3に示すように、外装体14に沿うように折り曲げられた2つの曲げ部23が設けられている。これは、正極タブ12および負極タブ13を、外装体14の形状に沿うように曲げ部23を形成することで、外装体14の形状に対する体積容量をより小さくするためである。
そして、正極タブ12および負極タブ13には絶縁皮膜24が設けられている。外装体14と正極タブ12との間および外装体14と負極タブ13の間にそれぞれ絶縁皮膜24が介することによって、正極タブ12と負極タブ13との間の短絡を阻止することが可能となる。
また、曲げ部23を覆う絶縁皮膜24は、曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24よりも柔軟性が高くなるように設計している。詳細は、図4で示すように、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の膜厚を、前記正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23の以外を覆う絶縁皮膜24の膜厚よりも薄くしている。
以上のように構成されたラミネート電池10について、以下、その動作、作用を説明する。
図5、図6は、電極群11と接続した電極タブ12、13を金型で折り曲げて、2つの曲げ部23を設ける図を示すものである。
突出部25を有する受け金型26上に、直線状の電極タブ12、13と接続した電極群11を載置する。この際、受け金型26の突出部25と、電極群11と電極タブ12、13との接合部分が当接するように配置する。押し金型27は電極タブ12、13と接する面が鋭角で先端にR形状を設けており、受け金型26は押し金型27の鋭角で先端形状が重ね合わさるような面28を設けている。
そして、押し金型27を受け金型26の上面斜め45度の角度で移動させると、直線状に伸びた電極タブ12、13を突出部25の上面および受け金型26の重ね合わせ面で折り曲げて2つの曲げ部23を形成する。これで二箇所に曲げ部23を持った電極タブ12、13を有する電極群11が形成する。
押し金型27と受け金型26とで電極タブ12、13に圧力を掛けた場合に、曲げ部23を覆う絶縁皮膜24は、曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24よりも柔軟性が高くなるように設計しているので、電極タブ12、13を曲げ部23で容易に折り曲げることが可能となり、電極タブ12、13を折り曲げる際に電極タブ12、13へ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることができる。
正極タブ12および負極タブ13へ掛かる応力を曲げ部23で吸収させることにより、正極タブ12および負極タブ13と接続している集電体かかる応力により引き出されることを防止して、電極タブ12、13と接続している集電体の巻きズレを防止して、正極板18と負極板21の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力によって集電体へ設けられた活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止し、正極タブ12および負極タブ13や電極群11や外装体14へ負荷を掛けることなく密封性を維持して正極タブ12および負極タブ13を外装体14の外部へ取り出すことが可能となる。曲
げ加工を施す際には、材料の伸ばされる伸張部と材料の圧縮される圧縮部が存在し、これにより材料が割れたり、ヒビが入るなどの材料劣化現象が見られるが、曲げ加工を施す部分のみ肉薄にすることにより、絶縁皮膜24の曲げ部23の剛性を小さくして柔軟性の高いものとし、圧縮・伸張の力を小さくさせることが可能となり、材料割れやヒビなどの影響を低減させることができる。
また、他の実施の形態を図7に示す。正極タブ12および負極タブ13に設けられた絶縁皮膜24は多層構造で構成されており、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の層数を、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の層数よりも少なくし、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う部分の絶縁皮膜24の膜厚を、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の膜厚よりも薄くしている。この構成により、正極タブ12および負極タブ13を折り曲げる際に、正極タブ12および負極タブ13へ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることにより、正極タブ12および負極タブ13と接続している集電体の巻きズレや積層ズレを防止して、両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力によって集電体へ設けられた活物質の脱落も防止できる。
また、少なくとも正極タブ12および負極タブ13と接する絶縁皮膜24の最内層に、絶縁性の高い変性ポリオレフィンなどの合成樹脂とすることにより、上述した利点に加え、より絶縁性の高いラミネート電池10を提供することが可能となる。絶縁皮膜24の最内層の絶縁材料としては、硬化性を有した流動性の合成樹脂が好適であり、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂などが例示されるが上記に挙げたものに限定されるものではない。
さらに、他の実施の形態を図8に示す。正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の材質を、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の材質よりも反発性の少ない材質としている。反発性の小さい材質としては多孔質ポリプロピレンなどの反発性の少ない材質とするが、反発性の小さい材質のものであればこれに限定されることはない。
この構成により、正極タブ12および負極タブ13を折り曲げる際に、正極タブ12および負極タブ13へ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることにより、正極タブ12および負極タブ13と接続している集電体の巻きズレや積層ズレを防止して、両集電体間の短絡を防止し、集電体が引き出される時に生じる応力によって集電体へ設けられた活物質の脱落も防止できる。
なお、本実施の形態においては、正極板18と負極板21とをセパレータ22を介して渦巻状に巻回して電極群11を形成したが、正極板18と負極板21とをセパレータ22を介して積層して電極群11を形成してもよい。
以下、本発明の具体的な実施例について図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。(実施例1)
正極板18および負極板21の間に多孔質絶縁体としてのセパレータ22を介して巻回した電極群11を非水系の電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体14に封入したラミネート電池10の構成であって、図4に示すように、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の膜厚を18μmとし、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23の以外を覆う絶縁皮膜24の膜厚を30μmとすることで、絶縁皮膜24の柔軟性の高くて電極タブ12、13の曲げ加工に対して追従しやすい電極タブ12、13を作成し、図3に示すように、電極群11および電極群11の収納部15へ負荷のかからないように外装体14内で二箇所曲げ加工を施し、電極タブ12、13を外装体
14の外へ引き出し、図1に示すようなラミネート電池10を製作し実施例1とした。
(実施例2)
正極板18および負極板21の間に多孔質絶縁体としてのセパレータ22を介して巻回した電極群11を非水系の電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体14に封入したラミネート電池10の構成であって、図7に示すように、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の層数を1層とし、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の層数を2層とする。その結果、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う部分の絶縁皮膜24の膜厚を18μmとし、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の膜厚を30μmとしている。そして、正極タブ12および負極タブ13と接する絶縁皮膜24の内層をエポキシ樹脂、外層をポリプロピレンで構成し、絶縁皮膜24の柔軟性の高くて電極タブ12、13の曲げ加工に対して追従しやすい電極タブ12、13を作成し、図3に示すように、電極群11および電極群11の収納部15へ過負荷のかからないように外装体14内で二箇所曲げ加工を施し、電極タブ12、13を外装体14の外へ引き出し、図1に示すようなラミネート電池10を製作し実施例2とした。
(実施例3)
正極板18および負極板21の間に多孔質絶縁体としてのセパレータ22を介して巻回した電極群11を非水系の電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体14に封入したラミネート電池10の構成であって、図8に示すように、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の材質をも反発性の少ない材質として多孔質ポリプロピレンとし、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の材質をポリプロピレン、ポリエチレンとすることで、絶縁皮膜24の柔軟性の高くて電極タブ12、13の曲げ加工に対して追従しやすい電極タブ12、13を作成し、図3に示すように、電極群11および電極群11の収納部15へ過負荷のかからないように外装体14内で二箇所曲げ加工を施し、電極タブ12、13を外装体14外へ引き出し、図1に示すようなラミネート電池10を製作し実施例3とした。
(比較例1)
正極板18および負極板21の間に多孔質絶縁体としてのセパレータ22を介して巻回した電極群11を非水系の電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体14に封入したラミネート電池10の構成であって、電極タブ12、13は曲げ部23を有し、曲げ部23を覆う絶縁皮膜24と、曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24とを同じ厚みにして、電極タブ12、13を外装体14の外へ引き出し、ラミネート電池10を製作し比較例1とした。
(正負極板の位置ズレ)
電極タブ12、13の折り曲げ前後の正極板18と負極板21の位置ズレを測定し、これらの平均値を算出した。
(内部短絡不良率)
250回の充放電サイクルを終了するまでの内部短絡不良した電池の割合を算出した。以上の評価結果を(表1)に示した。
(表1)
表1の結果より、実施例1〜3において内部短絡不良率は0%をとなり、正極板18と負極板21との位置ズレに関してはどれも0.21mm以下に抑えることができた。
実施例1においては、正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23を覆う絶縁皮膜24の膜厚を、前記正極タブ12および負極タブ13の曲げ部23以外を覆う絶縁皮膜24の膜厚よりも薄くすることにより、正極タブ12および負極タブ13の曲げ加工に対する絶縁皮膜17の追従性が高くなり、正極タブ12および負極タブ13を折り曲げる際に正極タブ12および負極タブ13へ掛かる応力を折り曲げたい箇所で吸収させることにより、正極タブ12および負極タブ13を設けている正負極板の位置ズレを少なくすることができたと考えられ、結果、電池の内部短絡を0にできたと考えられる。
実施例2〜3においても、実施例1同様のことが言えると考えられる。
以上の結果より、本発明のラミネート電池10において正極板18および負極板21を多孔質絶縁体としてのセパレータ22を介して巻回および積層した電極群11を非水電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体14に封入した扁平形ラミネート電池10であって、電極タブ12、13に設けられた絶縁皮膜24の少なくとも曲げ部23に柔軟性を持たせる構成にすることにより、正極板18と負極板21との位置ズレを少なくすることが可能となり、内部短絡不良率を抑制できることが分かった。
なお、本実施の形態では、正極タブ12及び負極タブ13のそれぞれを絶縁皮膜24で覆うようにしたが、正極タブ12または負極タブ13のどちらかを絶縁皮膜24で覆うようにしてもよい。
また、本実施の形態では、正極板18と負極板21とをセパレータ22を介して巻回して電極群11を形成するようにしているが、正極板18と負極板21とをセパレータ22
を介して積層して電極群11を形成するようにしてもよい。
本発明に係るラミネート電池は、電極タブに曲げ部を設け、曲げ部を覆う絶縁皮膜を、曲げ部以外を覆う絶縁皮膜よりも柔軟性が高くすることにより、電極タブと接続している電極板の巻ズレや積層ズレを防止して、電極板の短絡を防止し、かつ、電極板が引き出される時に生じる合剤層に含まれる活物質の脱落を防止することにより、電池の容量低下を防止することが可能となるので、電子機器および通信機器の多機能化に伴って安全性が高く、高容量化が望まれているポータブル電子機器の電源などの用途にも適用できる。
10 ラミネート電池
11 電極群
12 正極タブ
13 負極タブ
14 外装体
15 収納部
16 正極集電体
17 正極合剤層
18 正極板
19 負極集電体
20 負極合剤層
21 負極板
22 セパレータ
23 曲げ部
24 絶縁皮膜
25 突出部
26 受け金型
27 押し金型

Claims (4)

  1. 正極集電体と正極合剤層とを有する正極板と負極集電体と負極合剤層とを有する負極板とをセパレータを介して巻回もしくは積層してなる電極群と、前記正極集電体と前記負極集電体のそれぞれと接続した電極タブと、それぞれの前記電極タブを覆う絶縁皮膜と、電解液と前記電極群と前記電極タブとを収容するラミネートフィルムからなる外装体とを備え、前記電極タブは曲げ部を有し、前記曲げ部を覆う前記絶縁皮膜は、前記曲げ部以外を覆う前記絶縁皮膜よりも柔軟性が高いことを特徴とするラミネート電池。
  2. 前記電極タブの曲げ部を覆う部分の前記絶縁皮膜の膜厚は、前記電極タブの前記曲げ部以外を覆う絶縁皮膜の膜厚よりも薄くしたことを特徴とする請求項1に記載のラミネート電池。
  3. 前記絶縁皮膜は多層構造で構成されており、前記電極タブの曲げ部を覆う絶縁皮膜の層数を前記電極タブの曲げ部以外を覆う絶縁皮膜の層数よりも少なくし、前記電極タブの曲げ部を覆う部分の前記絶縁皮膜の膜厚を、前記電極タブの前記曲げ部以外を覆う絶縁皮膜の膜厚よりも薄くしたことを特徴とする請求項1に記載のラミネート電池。
  4. 前記電極タブの曲げ部を覆う絶縁皮膜の材質を、前記電極タブの曲げ部以外を覆う絶縁皮膜の材質よりも反発性の少ない材質とした請求項1に記載のラミネート電池。
JP2011166293A 2011-07-29 2011-07-29 ラミネート電池 Withdrawn JP2013030385A (ja)

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