JP2014032789A - 薄型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減した薄型電池を提供する。
【解決手段】一対の外装部材の内部に発電要素が封入された電池本体と、電池本体を所定位置に固定する固定部材とを備え、一対の外装部材１１０は、互いに溶着されている第１層と、発電要素１２０に対して第１層より外側に配置され、第１層の融点より高い融点の材料で形成されている第２層とをそれぞれ有し、固定部材は、第１層に溶着されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄型電池に関するものである。

一対のラミネートフィルムの内部に発電要素を収容し、ラミネートフィルムの外周部を封止し、当該外周部にスペーサを配置して、外周部とスペーサとの重畳部を包含する範囲に、弾性樹脂のインサート成型により弾性樹脂部を形成した薄型電池が知られている（特許文献１）。

国際公開第２０１１−１５２２１９号パンフレット

しかしながら、上記の薄型電池は弾性樹脂部を設けているため、部品点数が多いという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、部品点数を削減した薄型電池を提供することである。

本発明において、発電要素を封入する一対の外層部材が、互いに溶着されている第１層と、発電要素に対して第１層より外側に配置され、第１層の融点より高い融点の材料で形成されている第２層とをそれぞれ有し、電池本体を固定する固定部材が第１層に溶着されている、ことによって上記課題を解決する。

本発明は、外装部材の第１層と固定部材とが直接接着しており、外装部材と固定部材とを接着させたための別部材を設けなくもよいため、部品点数を削減することができる。

本発明の実施形態に係る薄型電池の斜視図である。 図１の薄型電池の分解斜視図である。 図１の薄型電池を複数積層する様子を示す斜視図である。 図１のIV−IV線に沿う断面図である。 本発明の他の実施形態に係る薄型電池の部分断面図である。 本発明の他の実施形態に係る薄型電池の部分断面図である。 本発明の他の実施形態に係る薄型電池の部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は本発明の実施形態に係る薄型電池の完成状態を示す斜視図、図２は薄型電池の主たる構成部材に分解した状態を示す分解斜視図である。図３は、図１の薄型電池と他の薄型電池とを積層する様子を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、本例の薄型電池１０は、薄型扁平状の電池本体１１と、スペーサ１２とを備える。

電池本体１１は、一対のラミネートフィルム製外装部材１１０の内部に発電要素１２０が収容され、当該一対の外装部材１１０の外周部が封止されたものである。図１〜図３においては外装部材１１０の一方のみを示す。外装部材１１０を構成するラミネートフィルムは、図４の引き出し断面図Ａに示すようにたとえば三層構造とされ、薄型電池１の内側から外側に向かって、ポリプロピレン等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成された内側樹脂層１１０ａと、アルミニウム等の金属箔から構成された中間金属層１１０ｂと、ポリエチレンテフレタレート、ナイロン等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成された外側樹脂層１１０ｃとを有する。

外側樹脂層１１１ｃは、発電要素１１２に対して内側樹脂層１１０ａより外側に配置されている。言い換えると、内側樹脂層１１０ａは、外側樹脂層１１０ｃと発電要素１１２との間に配置されている。また、外側樹脂層１１１ｃは、内側樹脂層１１１ａの融点より高い融点の材料で形成されている。内側樹脂層１１０ａが本発明に係る第１層に相当し、外側樹脂層１１０ｃが本発明に係る第２層に相当する。

一対の外装部材１１０のそれぞれは、発電要素１２０が収容できるように矩形状平板を浅い椀型（皿型）に成形した形状とされ、内部に発電要素１２０と電解液を入れたのち、それぞれの外周部を重ね合わせ、当該外周部の全周が熱圧着により接合されている。

本例の薄型電池１は、リチウムイオン二次電池であり、発電要素１２０と、特に図示しない電解質とから構成されている。発電要素１２０は正極板と負極板との間にセパレータを積層して構成されている。なお、本発明に係る二次電池１はリチウムイオン二次電池に限定されず、他の電池であってもよい。

正極板の正極側集電体は、たとえばアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。また正極板の正極層は、たとえば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）又はコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤と、溶剤とを混合したものを、正極集電板の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。

負極板の負極側集電体は、たとえばニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。また、負極板の負極層は、たとえば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極集電板の両主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成されている。

正極板と負極板との間に積層されるセパレータは、正極板と負極板との短絡を防止するものであり、電解質を保持する機能を備えてもよい。セパレータは、たとえばポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

発電要素１２０の正極板及び負極板のそれぞれから外装部材１１０の外部へ正極端子１３０と負極端子１４０とが導出されている。本例の薄型電池１では、外装部材１１０の一辺（図１の手前の短辺）の外周部から正極端子１３０と負極端子１４０とが並んで導出されている。正極端子１３０及び負極端子１４０は正極タブ１３０及び負極タブ１４０とも称される。

以上のように構成された電池本体１１は単体で使用に供することもできるが、他の一または複数の二次電池と接続して組み合わせ、所望の出力、容量の二次電池（以下、電池モジュールともいう）として使用に供することもできる。さらに、こうした電池モジュールを複数接続して組み合わせ（以下、組電池ともいう）、この組電池を電気自動車やハイブリッド自動車などの車両に搭載して、走行駆動用電源として用いることもできる。

複数の電池本体１１を接続して電池モジュールを構成する場合に、図３に示すように複数の電池本体１１の主面同士を積み重ねて電池ケース内に収容することが行われる。この場合に、電池本体１１の外周部から導出された正極端子１３０及び負極端子１４０と、この電池本体１１に積層された電池本体１１の外周部から導出された正極端子１３０及び負極端子１４０との絶縁性を確保するとともに、これら正極端子１３０及び負極端子１４０を直列及び／又は並列に接続するためのバスバを配置したり、電圧検出用センサのコネクタを配置したりするために、絶縁性材料から構成されたスペーサ１２が用いられる。

本例のスペーサ１２は、図１〜図３に示すように隣接する電池本体１１の互いの外周部のうち短辺側の外周部に配置され、電池本体１１を、電池モジュールのケースや自動車の車体など所定の設置位置に対して固定するための固定部１２１を有する。固定部１２１が、他の電池本体１１の通孔１２２に挿入されることで、互いの電池本体同士が積層される。そして、固定部１２１及び通孔１２２を介して、スペーサ１２と、ケース又は車体等とを固定することで、積層された電池本体１１は、スペーサ１２により所定の位置で固定される。

スペーサ１２は、ポリプロピレン（ＰＰ）などの剛性を有する絶縁性樹脂材料から構成され、内側樹脂層１１０ａと同じ材料で形成されている。

次に、図１及び図４を用いて、一対の外装部材１１０の形状と、一対の外装部材１１及びスペーサ１２の溶着部分について説明する。図４は、図１のIV−IV線に沿う断面図である。図４の引き出し断面図Ｂは上側外装部材１１１と下側外装部材１１２の断面を、引き出し断面図Ｃはスペーサ１２と下側外装部材１１２の断面を示す。

一対の外装部材１１０のうち、下方に位置する下側外装部材１１２は、上方に位置する上側外装部材１１１より、外周部が大きくなるように形成されている。図３に示すように、電池本体１１は他の電池本体１１と積層され、電池本体１１の積層面（互いに電池本体１１が対向する面）に沿う方向において、下側外装部材１１２が上側外装部材１１１より大きくなるよう、一対の外装部材１１０が形成されている。そのため、下側外装部材１１２の外周部は、発電要素１２０に近い内側では上側外装部材１１１と接着し、発電要素１２０に遠い外側では上側外装部材１２０と接着しない。すなわち、下側外装部材１１２の外周部は、上側外装部材１１１と接着する部分の部材１１１ａと、上側外装部材１１１と接着しない部分の部材１１１ｂとを有している。そして、下側外装部材１１２の外周部うち、上側外装部材１１１と接着する部分の部材１１１ａでは、上側外装部材１１１の内側樹脂層１１０ａと下側外装部材１１２の内側樹脂層１１０ａとが溶着されている。言い換えると、一対の外装部材１１０の外周部には、上側外装部材１１と下側外装部材１１２により段差が形成されている。

下側外装部材１１２の外周部のうち、上側外装部材１１１と接着しない部分の部材１１１ｂは、スペーサ１２と接着されている。上述したとおり、内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２は、ポリプロピレン（ＰＰ）の同材料で形成されている。そのため、部材１１１ｂにおける、内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２との接着強度は高くなっている。

次に、一対の外装部材１１０を溶着させる工程及び下側外装部材１１２とスペーサ１２とを溶着させる工程について説明する。まず、発電要素１２０を内部に封入した状態で、上側外装部材１１１と下側外装部材１１２とを外周部で重ね合わせて、内側樹脂層１１０ａの融点に近く、外側樹脂層１１０ｃの融点より低い温度で、熱圧着させる。これにより、下側外装部材１１２の部材１１２ａが上側外装部材１１１に溶着される。

次に、スペーサ１２を、下側外装部材１１２の部材１１２ｂ上に配置した状態で、内側樹脂層１１０ａ及びスペーサ１２の融点に近く、外側樹脂層１１０ｃの融点より低い温度で、部材１１２ｂの内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２とを熱圧着させる。これにより、下側外装部材１１２の部材１１２ｂがスペーサ１２に溶着される。

本例とは異なり、外側樹脂層１１０ｃとスペーサ１２とを熱圧着により溶着させようとすると、外側樹脂層１１０ｃの融点に近い温度を外装部材１１１に加えなければならない。この際、内側樹脂層１１０ａにも熱が加わり、内側樹脂層１１０ａの融点は外側樹脂層１１０ｃの融点よりも低い。そのため、内側樹脂層１１０ａが融解し、流出する可能性がある。

一方、本発明は、外側樹脂層１１０ｃの融点より低い温度で、内側樹脂層１１０ａにスペーサ１２を溶着させることができるため、上記のような、内側樹脂層１１０ａの融解を防ぐことができる。

上記のように、本例において、一対の外装部材１１０は、互いに溶着されている内側樹脂層１１０ａと、内側樹脂層１１０ａの融点より高い融点の材料で形成されている外側樹脂層１１０ｃとをそれぞれ有し、スペーサ１２は内側樹脂層１１０ａに溶着されている。これにより、スペーサ１２と外装部材１１０とを直接接着することで、部品点数を削減することができる。また、スペーサ１２と外装部材１１０とを低い温度で接着させることができるため、成形性を向上させることができる。

ところで、本発明と異なり、スペーサ１２を外装部材１１０に接着させるためには、スペーサ１２と外装部材１１０とを樹脂によりモールドさせる構成があった（比較例１）。また、本発明とは異なり、スペーサ１２と外装部材１１０の外側樹脂層１１０ｃとの間に接着剤を塗布して、スペーサ１２と外装部材１１０と接着させる構成があった（比較例２）。比較例１では、モールドさせる樹脂の量が多くなるため、接着のための材料費が高くなっていた。また、比較例２では、製造工程において、接着剤を塗布する時間、スペーサ１２と外装部材１１０とを圧着させる時間及び接着剤が固まるまでの接着剤の反応時間を確保しなければならないため、製造時間が長くなるという問題があった。

本例では、接着用の部材を別途設けないため、材料費を抑制することができ、また熱圧着により、スペーサ１２と外装部材１１０とを接着させるため、製造時間を短くすることができる。

すなわち、本例に係る薄型電池は、車両の振動等に対して、スペーサ１２と外装部材１１０との接着状態を安定化させることができ、製造工程においても、工程の煩雑さを回避しつつ、リードタイムの短縮化を図ることができる。

また、本例において、内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２は同じ材料で形成されている。これにより、内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２との間の接着強度を高めることができる。

なお、本発明の変形例として、複数の電池本体１１を積層する際に（図３を参照）、スペーサ１２により、複数の電池本体１１を接着するよう構成してもよい。図５は、本発明の変形例に係る薄型電池の部分断面図であって、図１のIV−IV線に沿う断面図と同様の断面図である。図５の引き出し断面図Ｄはスペーサ１２及び下側外装部材１１２の断面を示し、引き出し断面図Ｅはスペーサ１２及び上側外装部材１１１の断面を示す。

図５に示すように、互いに並べられた電池本体１１のうち、下方に位置する電池本体１１の外装部材１１０とスペーサ１２の構成は、図４に示す構成と同様であるため説明を省略する。

上方に位置する電池本体１１の外装部材１１０は、下方に位置する電池本体１１の外装部材１１０に対して、互いの電池本体１１の積層面を中心として線対称になうよう、構成されている。すなわち、上方の電池本体１１の外装部材１１０の外周部は、電池本体１１の積層面に沿う方向において、上側外装部材１１１が下側外装部材１１２より大きくなるよう、形成されている。

そして、上側外装部材１１１の外周部のうち、下側外装部材１１２と対向する部分の部材１１１ａでは、上側外装部材１１１の内側樹脂層１１０ａと下側外装部材１１２の内側樹脂層１１０ａとが溶着されている。一方、上側外装部材１１１の外周部のうち、下側外装部材１１２と対向せず、スペーサ１２の上面と対向する部分の部材１１１ｂでは、上側外装部材１１１の内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２とが溶着されている。

スペーサ１２は、積層された電池本体１１のそれぞれの外周部の間に配置され、互いの電池本体１１の外装部材１１０に溶着されている。

上記のように、本発明は、スペーサ１２を積層した互いの電池本体１１の間に配置して、スペーサ１２を当該互いの電池本体に溶着している。これにより、スペーサ１２の両面に電池本体１１を取り付けることができるため、スペーサ１２の部品数を削減することができる。

上記のスペーサ１２が本発明の「固定部材」に相当する。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係る薄型電池を説明する。本例では、上述した第１実施形態に対して、外装部材１１０の外周部の形状が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。図６は、本発明の他の実施形態に係る薄型電池の部分断面図であって、図１のIV−IV線に沿う断面図と同様の断面図である。図６の引き出し断面図Ｆはスペーサ１２及び上側外装部材１１１の断面を示し、引き出し断面図Ｇはスペーサ１２及び下側外装部材１１２の断面を示す。

図６に示すように、一対の外装部材１１０の外周部は、第１実施形態と同様に、下方に位置する下側外装部材１１２が上方に位置する上側外装部材１１１より大きくなるように形成されている。下側外装部材１１２は、上側外装部材１１１に溶着されている部分の部材１１２ａと、上側外装部材１１１に溶着されていない部分の部材１１２ｂとを有している。さらに、下側外装部材１１２は、部材１１２ａと、部分１１２ｂとの間で、外装部材１１２を屈曲させた形状に形成されている。すなわち、部材１１２ａは、上側外装部材１１１と対向しており、部材１１２ｂは、外装部材１１２の屈曲点から、部材１１２ａの対向面（上側外装部材１１１と対向する対向面）に沿う方向に対して垂直方向に延在するよう形成されている。そのため、部材１１２ａの対向面と、部材１１２ｂの表面のうち、スペーサ１２と対向する対向面は垂直方向の関係にある。これにより、下側外装部材１１２は、上側外装部材１１１に対して余分な部分を折り曲げるように、形成されている。

そして、スペーサ１２は、上側外装部材１１１の外側樹脂層１１０ｃの表面に載置されて、部材１１２ｂの内側樹脂層１１０ａに溶着されている。すなわち、スペーサ１２の表面のうち、部材１１２ａと対向する面は外装部材１１１に接着されておらず、部材１１２ｂと対向する面は外装部材１１１に接着されている。

上記のように、本例は、上側外装部材１１１に溶着されている部分の部材１１１ａと上側外装部材１１１に溶着されていない部分の部材１１１ｂとの間で屈曲させた形状に、外装部材１１２を形成し、当該部材１１１ｂの内側樹脂層１１０ａとスペーサ１２とを溶着させる。これにより、電池本体１１の積層方向に対して垂直方向の電池幅を、小さくすることができる。

上記部材１１２ａが本発明の「第１部材」に相当し、部材１１２ｂが本発明の「第２部材」に相当する。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係る薄型電池を説明する。本例では、上述した第１実施形態に対して、外装部材１１０の外周部の形状が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。図７は、本発明の他の実施形態に係る薄型電池の部分断面図であって、図１のIV−IV線に沿う断面図と同様の断面図である。図７の引き出し断面図Ｈはスペーサ１２及び上側外装部材１１１の断面を示し、引き出し断面図Ｉはスペーサ１２及び上側外装部材１１１の断面を示し、引き出し断面図Ｊはスペーサ１２及び下側外装部材１１２の断面を示す。

図７に示すように、上側外装部材１１１は、下側外装部材１１２と溶着した部分の部材１１１ａと、下側外装部材１１２と溶着しない部分の部材１１１ｂとを有している。同様に、下側外装部材１１２は、上側外装部材１１１と溶着した部分の部材１１２ａと、上側外装部材１１１と溶着しない部分の部材１１２ｂとを有している。

一対の外装部材１１０は、互いに溶着した部材１１１ａ、１１２ａから互いに離反するよう、部材１１１ａ、１１２ａの接着面に沿う方向に対して垂直方向に屈曲して部材１１１ａ、１１２ａの先端から延在し、再び屈曲して、当該接着面に沿う方向に対して平行方向に沿って延在している。

そして、スペーサ１２が、部材１１１ｂと部材１１２ｂとの間に挟まれるように配置され、スペーサ１２の表面のうち、部材１１１ｂ、１１２ｂの内側樹脂層１１０ａと対向する部分は、熱圧着により、当該内側樹脂層１１０ａに溶着されている。

上記のように、本例は、一対の外装部材１１０は、互いに溶着されている内側樹脂層１１０ａと、内側樹脂層１１０ａの融点より高い融点の材料で形成されている外側樹脂層１１０ｃとをそれぞれ有し、スペーサ１２は内側樹脂層１１０ａに溶着されている。これにより、スペーサ１２と外装部材１１０とを直接接着することで、部品点数を削減し、薄型電池１の成型性を向上させることができる。

また、本例は、スペーサ１２を一対の外装部材１１０で狭持するように、スペーサ１２を、一対の外装部材１１０の内側樹脂層１１０ａにそれぞれ溶着させている。これにより、スペーサ１２と外装部材１２との間の接着強度を高くすることができる。

１０…薄型電池
１１…電池本体
１１０…外装部材
１１０ａ…内側樹脂層
１１０ｂ…中間金属層
１１０ｃ…外側樹脂層
１１１…上側外装部材
１１２…下側外装部材
１２０…発電要素
１３０…正極端子
１４０…負極端子
１２…スペーサ

Claims (4)

1. 一対の外装部材の内部に発電要素が封入された電池本体と、
   前記電池本体を所定位置に固定する固定部材とを備え、
   前記一対の外装部材は、
   互いに溶着されている第１層と、
   前記発電要素に対して前記第１層より外側に配置され、前記第１層の融点より高い融点の材料で形成されている第２層とをそれぞれ有し、
   前記固定部材は、前記第１層に溶着されている
   ことを特徴とする薄型電池。
2. 前記一対の外装部材うち一方の外装部材は、
   他方の外装部材に溶着されている第１部材と、前記他方の外装部材に溶着されていない第２部材との間で屈曲させた形状に形成され、
   前記固定部材は、
   前記第２部材の前記第１層に溶着されている
   ことを特徴とする請求項１記載の薄型電池。
3. 前記固定部材は、
   他の電池本体を積層した際に互いの前記電池本体間の間に配置され、前記互いの電池本体に溶着されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の薄型電池。
4. 前記第１層と前記固定部材は同じ材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄型電池。

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