JP2014229505A - 薄型電池用封止材 - Google Patents

Abstract

【課題】 リード部に基づく短絡の発生を防止することができる低コストな薄型電池用封止材を提供する。【解決手段】 金属箔を芯材とするラミネートフィルムからなる外装材で発電要素を密封するとともに少なくとも一方の電極のリード部の一方の端部を上記外装材の封止部分より外部に取り出す薄型電池の封止部分における電極のリード部と外装材との間に配置する封止材として３層の樹脂層で構成し、かつ上記３層の樹脂層中の中間層を他の層を構成する樹脂より融点の高いポリプロピレンとし、他の層を酸変性ポリプロピレンで構成することにより、上記課題を解決する。【選択図】 図２

Description

本発明は、薄型電池、特にラミネート型リチウムイオン電池などのリード部の封止に用いる封止材に関し、さらに詳しくは、上記リード部と封止材界面における密着性を向上することができる薄型電池用封止材に関するものである。

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等の携帯機器の電源として広く用いられている。携帯機器の高性能化に伴ってリチウムイオン二次電池の高容量化が更に進む傾向にあり、エネルギー密度を更に向上させるため、可撓性を有し金属箔を芯材とするラミネート外装材を用いたリチウムイオン二次電池が多く使用されている。

上記金属箔を芯材とするラミネートフィルムは内層が加熱により溶着する熱溶着性樹脂で構成されていて、この金属箔を芯材とするラミネートフィルムを外装材として用いて発電要素を密封する場合、通常、上記発電要素より大きいラミネートフィルムを２枚用い、それを発電要素の上下に配置し、ラミネートフィルム同士の接合部分を加熱して、ラミネートフィルムの内層の熱溶着性樹脂同士を溶着させて封止するか、あるいは、上記ラミネートフィルムを袋状にしておき、その内部に発電要素を収容した後、その開口部を加熱してラミネートフィルムの内層の熱溶着性樹脂同士を溶着させて封止する方法が採用されているが、その場合、電極のリード部の取り出しは、上記の外装材の封止部分より取り出されることになる。このとき、電池内部に発生するHFにより、封止部（タブ金属部とタブフィルム部）が破壊され、電池内部の電解液が漏液する。またラミネートフィルムの金属箔とタブリード金属部が接触し、短絡を起こす。これに対し、例えば特許文献１のような耐熱層を他の樹脂層で挟持した３層構造を有する封止材が提案されている。

特開２００８−１９２４５１号公報

封止部からの電解液漏れを防ぐためには、３層構造の封止材を使用する場合、封止材を形成する際と、最終的に電池をシールする際の２回に亘って熱履歴を被ることを考慮する必要があり、更には電池を高温環境下で保存することを考慮すると、三層を構成する材料、及び三層を構成する材料の融点の関係が重要である。また、三層の材料が異なる場合、層間を接着剤で貼り合わせる必要が生じ、電解液による接着剤の劣化が懸念される。

３層構造を形成する際の構成樹脂が同一系の酸変性プロピレンである場合、接着剤が不要で信頼性の高い封止性と耐短絡性を併有しているものの、酸変性プロピレンは通常のポリプロピレンに対してコストアップに繋がる。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストな薄型電池用封止材を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の積層構造を採用することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、金属箔を芯材とするラミネートフィルムからなる外装材で発電要素を密封するとともに少なくとも一方の電極のリード部の一方の端部を上記外装材の封止部分より外部に取り出す薄型電池の封止部分における電極のリード部と外装材との間に配置する封止材として、３層の樹脂層で構成し、かつ上記３層の樹脂層中の中間層を他の層を構成する樹脂より融点の高いポリプロピレンとし、他の層を酸変性ポリプロピレンで構成することによって、上記課題を解決したものである。

本発明によれば、接着剤が不要で信頼性の高い封止性と耐短絡性、耐漏液性を併有し、低コストな薄型電池用封止材を提供することができる。

本発明の薄型電池用封止材を模式的に示す断面図である。 本発明の封止材をリード部と外装体との間に配置した状態の要部を模式的に示す平面図である。 封止材をリード部と外装体との間に配置した試料を模式的に示す平面図である。

本発明において、上記封止材の中間層を構成する樹脂としては、外側の層（内層、中間層および外層の３層構造なので、どちらが内層で、どちらが外層であるかの区別はないが、本明細書では、便宜上、リード部に溶着する側を内層、外装材としてのラミネートフィルムに溶着する側を外層として説明する）より融点の高い高融点ポリプロピレンが必要である。また、内層や外層を構成する樹脂としては、熱溶着性の優れた低融点の酸変性ポリプロピレンが用いられる。上記封止材において、内層と外層とは同じ樹脂で構成してもよいし、また、異なる樹脂で構成してもよい。

ここで、酸変性ポリプロピレンは、電極端子リードとの接着性と外装材との良好な熱融着を兼備するものであり、無水マレイン酸で変性したもので分子量が１万以上のものを好適に用いることができる。

また、高融点ポリプロピレンとは、融点が１５５〜１６５℃程度のポリプロピレンを意味し、低融点ポリプロピレンとは、融点がセパレータのシャットダウン温度以下のポリプロピレンを意味するものとする。

高融点ポリプロピレンの融点が１５５℃未満では、低融点ポリプロピレンとの融点差が１０℃未満となり、熱でシールする際に短絡が発生する可能性がある為である。一方、低融点ポリプロピレンの融点がセパレータのシャットダウン温度以上では、熱でシールする際にセパレータの一部が溶融してしまう可能性がある為である。

上記封止材における中間層の厚さとしては、絶縁性の確保を図る観点から、５μｍ以上、特に８μｍ以上が好ましい。この中間層の厚みは厚くなればなるほど、絶縁性は優れたものになるが、あまりにも厚くなりすぎると、樹脂で構成される層の厚みが増加し、その樹脂層の厚み増加によって、水分の透過量が多くなるおそれがあるので、通常は、１５０μｍ以下、特に１００μｍ以下が好ましい。

また、内層の厚みとしては、リード部との溶着性を確保する観点から、１０μｍ以上、特に１５μｍ以上が好ましく、また、厚くなりすぎると、樹脂層の厚みを増加させる要因になるので、樹脂層の厚みの増加を避けるという観点から、通常は、１５０μｍ以下、特に１００μｍ以下が好ましい。また、外層の厚さとしては、外装材との溶着性の確保を図る観点から、５μｍ以上、特に１０μｍ以上が好ましく、また、樹脂層の厚みの増加を避けるという観点から、通常は、１５０μｍ以下、特に１００μｍ以下が好ましい。

電池の発電要素を構成する正極や負極、セパレータとしては、特に限定されることなく、従来同様の構成のものを含め各種のものを用いることができるが、電解質としては、ポリマー電解質を用いることが適している。

外装材としては、特に限定されることなく、各種のものを用い得るが、例えば、ナイロンフィルム−アルミニウム箔−変性ポリオレフィンフィルムの３層構造のラミネートフィルムやポリエステルフィルム−アルミニウム箔−変性ポリオレフィンフィルムの３層構造のラミネートフィルムなどが好適に用いられる。

本発明において対象とする電極のリード部は、電極の集電体と同材質のものであってもよいし、また、異なる材質のものであってもよい。

例えば、正極の集電体としては、通常、アルミニウム製の箔、パンチドメタル、網、エキスパンドメタルなどが用いられ、リード部は、通常、正極作製時にアルミニウム製の集電体の一部に正極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残すことによって設けられる。ただし、電池使用機器との接続が容易なように、上記アルミニウム製の集電体の露出部にニッケル製の箔やリボンなどを電池内（つまり、外装体の封止部分より内部側）で溶接などにより接続しておいて、それを本発明で対象とするリード部としてもよい。

また、負極の集電体としては、通常、銅製の箔、パンチドメタル、網、エキスパンドメタルなどが用いられ、リード部は、通常、負極作製時に銅製の集電体の一部に負極合剤層を形成せずに集電体の露出部を残すことによって設けられる。ただし、前記正極の場合と同様に、上記銅製の集電体の露出部にニッケル製の箔やリボンなどを電池内で溶接により接続しておいて、それを本発明で対象とするリード部としてもよい。

つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、発電要素のセパレータのシャットダウン温度は１３７℃である。

（実施例１）
厚さ１５μｍの酸変性ポリプロピレン（融点：約１３０℃）と厚さ７０μｍのポリプロピレン（融点：約１６５℃）と厚さ１５μｍの酸変性ポリプロピレン（融点：約１３０℃）とを積層して総厚が１００μｍの３層構造の封止材を作製した。

この封止材の要部の断面を図１に示す。図１に示すように、封止材１は、内層１ａ、中間層１ｂおよび外層１ｃの３層構造で構成され、この実施例１の封止材１では、内層１ａと外層１ｃとは酸変性ポリプロピレン（融点：約１３０℃）で構成され、中間層１ｂがポポリプロピレント（融点：約１６５℃）で構成されていて、中間層１ｂの構成樹脂が内層１ａおよび外層１ｃの構成樹脂より融点が約３５℃高い。

（実施例２）
実施例１の封止材の外層１ｃを構成する酸変性ポリプロピレンの融点を１４５℃とした以外は、実施例１と同様に３層構造の封止材を作製した。

（比較例１）
実施例１の封止材の内層を構成する酸変性ポリプロピレンに代えて、ポリプロピレン（融点：約１３５℃）を用いて中間層を構成した以外は、実施例１と同様に３層構造の封止材を作製した。

（比較例２）
実施例１の封止材の内層および外層を構成する酸変性ポリプロピレンに代えて、厚さ１５μｍのポリエチレン（融点：約１２０℃）を用いて内層および外層を構成した以外は、実施例１と同様に総厚が１００μｍの３層構造の封止材を作製した。
（比較例３）
酸変性ポリプロピレン（融点：約１３０℃）のみを用いて厚さ１００μｍの封止材を作製した。

上記実施例１〜２および比較例１〜３のそれぞれに応じ、リード部として厚さ４０μｍのニッケル製のリボンを２本用意し、外装材としてナイロンフィルム−アルミニウム箔−変性ポリオレフィンフィルムの３層構造のラミネートフィルムを２枚用意した。

上記リード部には上記実施例１〜２および比較例１〜３の封止材をそれぞれ巻き付けておき、その２本のリード部を１５ｍｍ離れた位置に配置し、通常の電池構成のように、上記２枚のラミネートフィルムで挟み、ラミネートフィルムの変性ポリオレフィンフィルムが上記封止材と対向する部分および外装材としてのラミネートフィルムの変性ポリオレフィンフィルム同士の接合部を加熱下で圧着した。加熱条件は封止材の種類により適正な条件を選んだが、２００℃で３秒間の加熱を基本とした。

図２に封止材をリード部と外装材との間に配置した状態を示す。図２に示すように、本発明の封止材１は、内層１ａ、中間層１ｂおよび外層１ｃで構成され、その内層１ａがリード部２に対向し、その外層１ｃがラミネートフィルムからなる外装材３に対向して、リード部２と外装材３との間に配置されている。ただし、比較例の封止材の場合は、図２のようにはならず、１層構造の封止材がリード部と外装材との間に配置されることになる。また、図２では、封止材１の外層１ｃも外装材３との間に明確な境界があるかのように図示されているが、加熱圧着後には該外層１ｃを構成する樹脂と外装材３の内層の変性ポリオレフィンフィルムとが溶け合った状態になっていて、明確な境界はなくなってしまう。

そして、リード部は、図３に示すように、もう１箇所、同様の状態で設けられており、一方のリード部２と他方のリード部２との間隔は１５ｍｍである。なお、図１〜図３は、いずれも模式的に示したものであり、各部材の寸法比は必ずしも正確ではない。

上記試料を各実施例、比較例とも５個ずつ作製し、その実施例１〜２および比較例１〜３の試料の一方のリード部２と他方のリード部２との直列抵抗をタケダ理研デジタルマルチメーターＴＲ６８４３により測定し、その直列抵抗値が１４４ＭΩ以上（上記テスターの測定限界以上）のものを正負極間の絶縁性が正常であって短絡の発生がないものと評価し、上記直流抵抗値が１４４ｍΩより小さいものは正負極間の絶縁性が不充分であって短絡が発生しているものと評価した。また、漏液の有無を合わせて確認した。その結果を表１に示す。なお、表１には、短絡／漏液発生個数に関しては、試験に供した試料個数を分母に示し、短絡／漏液の発生した試料個数を分子に示す態様で表示した。また、表１への封止材の構成の表示にあたっては、ポリエチレントを「ＰＥ」、ポリプロピレンを「ＰＰ」と簡略化して表示した。

表１に示すように、実施例１〜２は、いずれも短絡／漏液の発生がなかったが、比較例１〜３の場合は、２０〜６０％程度の比率で短絡／漏液が発生した。

Claims (3)

1. 金属箔を芯材とするラミネートフィルムからなる外装材で発電要素を密封するとともに少なくとも一方の電極のリード部の一方の端部を上記外装材の封止部分より外部に取り出す薄型電池におけるリード部と外装材との間に配置する封止材であって、前記封止材は３層の樹脂層で構成され、かつ上記３層の樹脂層中の中間層を構成する樹脂が他の層を構成する樹脂よりも融点の高いポリプロピレンで構成され、他の層が酸変性ポリプロピレンであることを特徴とする薄型電池用封止材。
2. 前記中間層の融点が１５５〜１６５℃であることを特徴とする請求項１記載の薄型電池用封止材。
3. 前記中間層が無水マレイン酸で変性したもので分子量が１万以上のものであることを特徴とする請求項１記載の薄型電池用封止材。

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