JP2017016975A

JP2017016975A - 電池

Info

Publication number: JP2017016975A
Application number: JP2015135242A
Authority: JP
Inventors: 木谷　昌幸; Masayuki Kitani; 昌幸木谷; 友多佳松村; Yutaka Matsumura; 岡田　智之; Tomoyuki Okada; 智之岡田; 圭太郎宮澤; Keitaro Miyazawa
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】リード部材の強度向上が達成できるとともに更なる小型化が可能な電池を提供する。【解決手段】発電素子と電解液とを包材２で封入した電池１は、長さ方向の一端３ｂが発電素子に接続され、長さ方向の他端３ａが包材２の外部に露出したリード部材３，４と、リード部材３，４の両側から貼り合わされて、長さ方向の一端が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で包材２の外部に露出した絶縁樹脂フィルム６と、を備えている。リード部材３，４は、アルミニウム箔から構成されており、絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の抗張力が８５Ｎ／ｍｍ２以上であり、絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の破断伸びが１５％以上である。絶縁樹脂フィルム６は、ポリオレフィン系樹脂を含み、その引張弾性率が３５０ＭＰａ以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、アルミニウム箔からなるリード部材を備えた電池に関する。

特許文献１には、耐衝撃性を向上させたアルミニウム箔からなるタブリードとこれを用いた電池が開示されている。特許文献１のタブリードは、軟質アルミからなる平形導体に絶縁樹脂フィルムを貼り付けて構成されており、平形導体の幅は２ｍｍ〜９ｍｍと記載されている。
また、特許文献２には、金属層を有する封入容器と、当該封入容器の内部から外部に延びるリード導体と、金属層とリード導体との間に設けられた絶縁樹脂層とを備えた電気部品が開示されている。特許文献２のリード導体は、例えば厚さ０．１ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミニウム板から構成されている。

特開２０１４−３８８３８号公報特開２００９−２５９７３９号公報

近年、ヘッドマウントディスプレイや腕時計型手首装着装置などのウェアラブル機器に用いられる電池については更なる小型化が要求されており、当該電池に用いられるタブリード（リード導体）についても上記特許文献１や特許文献２に記載の幅寸法よりもさらに細い極細幅とすることが要求されている。そして、タブリードの幅寸法が細くてもタブリードの耐衝撃性が損なわれないことが要求される。

本発明は、耐衝撃性に優れた極細幅のリード部材を備えることでさらなる小型化が可能な電池の提供を目的とする。

本発明による電池は、
発電素子と電解液とを包材で封入した電池であって、
長さ方向の一端が前記発電素子に接続され、前記長さ方向の他端が前記包材の外部に露出したリード部材と、
前記リード部材の両側から貼り合わされて、長さ方向の一端が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で前記包材の外部に露出した絶縁樹脂フィルムと、を備え、
前記リード部材は、アルミニウム箔から構成されており、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の抗張力が８５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の破断伸びが１５％以上であり、
前記絶縁樹脂フィルムは、ポリオレフィン系樹脂を含み、その引張弾性率が３５０ＭＰａ以下である。

本発明によれば、耐衝撃性に優れた極細幅のリード部材を備えることでさらなる小型化が可能な電池を提供することができる。

本発明による電池および当該電池が接続される基板の一例を示す斜視図である。図１に示す電池の一部拡大断面図である。（ａ）は、従来例に係る電池および基板の側面図であり、（ｂ）は、図１に係る電池および基板の側面図である。

〈本発明の実施形態の概要〉
最初に本発明の実施形態の概要を説明する。
本発明にかかる電池の一実施形態は、
（１）発電素子と電解液とを包材で封入した電池であって、
長さ方向の一端が前記発電素子に接続され、前記長さ方向の他端が前記包材の外部に露出したリード部材と、
前記リード部材の両側から貼り合わされて、長さ方向の一端が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で前記包材の外部に露出した絶縁樹脂フィルムと、を備え、
前記リード部材は、アルミニウム箔から構成されており、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の抗張力が８５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の破断伸びが１５％以上であり、
前記絶縁樹脂フィルムは、ポリオレフィン系樹脂を含み、その引張弾性率が３５０ＭＰａ以下である。
この構成によれば、耐衝撃性に優れた極細幅のリード部材を備えることでさらなる小型化が可能な電池を提供することができる。

（２）前記リード部材の幅が１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であって、厚さが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
上記の幅寸法および厚さ寸法を備えた極細幅のリード部材であっても、折り曲げ時に破断することがなく耐衝撃性に優れている。

（３）前記アルミニウム箔の抗張力が９０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。
（４）前記アルミニウム箔の破断伸びが３０％以上であることが好ましい。
これらの構成のようにリード部材の抗張力を高め、かつ破断伸びを大きくしたことにより、耐衝撃性に優れたリード部材を備えた電池を提供することができる。

（５）前記アルミニウム箔には鉄が１．２重量％以上１．７重量％以下含まれていることが好ましい。
この構成によれば、リード部材の抗張力を高め、かつ破断伸びを大きくすることができる。

（６）前記絶縁樹脂フィルムの引張弾性率が２５０ＭＰａ以下であることが好ましい。
この構成によれば、取扱い性や耐久性に優れた電池を提供することができる。

〈本発明の実施形態の詳細〉
以下、本発明に係る電池の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、非水電解質電池および当該電池が接続される基板の一例を示す斜視図である。
本実施形態に係る非水電解質電池１は、例えば、非常に小型の電池（一辺の長さが１５ｍｍ〜２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ〜３ｍｍの電池）であり、図１に示すように、金属箔を含む多層フィルムからなる封入体２（包材の一例）を備えている。封入体２は、図示省略するが、正極板と負極板とをセパレータを介して積層した積層電極群（発電素子の一例）と電解液を収納している。正極板にはリード部材３が接続され、負極板にはリード部材４が接続されている。正極側のリード部材３および負極側のリード部材４は、それぞれ、絶縁樹脂フィルム６を介して封入体２のシール部５から密封封止した状態で取り出される。

基板１００は、例えばウェアラブル機器に取り付けられるものであって、その上面に電子回路素子１００ａと配線パターン１００ｂとを備えている。そして、リード部材３，４の先端部（後述の上端部３ａ，４ａ）は、基板１００の配線パターン１００ｂにハンダ付けにより接続されている。

図２は、図１に示す非水電解質電池１の一部拡大断面図である。
図２に示すように、封入体２は、非水電解質電池１の外装ケースとなるもので、例えば、矩形状の２枚の多層フィルム外縁部のシール部５を、熱溶着によりシールすることにより密封される。封入体２は、少なくとも３層の積層体である多層フィルム２ａ〜２ｃから構成されている。最内層フィルム２ａは、電解液で溶解されずシール部５から電解液が漏出するのを防止するのに適したものとしてポリオレフィン樹脂（例：無水マレイン酸変性低密度ポリエチレンまたはポリプロピレン）が用いられる。金属箔層２ｂは、アルミニウム、銅、ステンレス等の金属箔が用いられ、電解液に対する密封性を高めている。最外層フィルム２ｃは、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））やポリアミド（ナイロン）等で形成され、薄い金属箔層２ｂを保護している。

図１および図２に示されるように、リード部材３，４は、薄い導体箔が長方形状にカットされた平形導体として構成されている。リード部材３，４の封入体２からの取り出し部分には、絶縁樹脂フィルム６が貼り付けられている。絶縁樹脂フィルム６は、２枚のフィルムをリード部材３，４の両面から位置を合わせて貼り合わされることで形成される。絶縁樹脂フィルム６は、リード部材３，４の長さより短く、リード部材３，４の幅より広いものが用いられる。すなわち、リード部材３，４の長さ方向の両端を除く部分（中間部分）は絶縁樹脂フィルム６で覆われて、リード部材３，４の上端部３ａ，４ａと下端部３ｂ，４ｂとがそれぞれ露出している。そして、リード部材３，４の上端部３ａ，４ａは、封入体２から外部に露出され外部装置である基板１００への接続端子とされる。また、リード部材３，４の下端部３ｂ，４ｂは、封入体２内に収容された電極または電極リード７との接続部とされる。

上述の通り、非水電解質電池１は、非常に小型なものである。そのため、リード部材３，４は、幅Ｗが１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であって、厚さＴが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下、封入体２の外部に露出する部分の長さＬ１が２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。リード部材３，４の幅Ｗが１ｍｍよりも細いと耐衝撃性に劣り、１．５ｍｍよりも太いと小型化を実現することができない。また、リード部材３，４の厚さＴが０．２ｍｍよりも薄いと耐衝撃性に劣り、０．５ｍｍよりも厚いと薄型化を実現することができない。また、絶縁樹脂フィルム６は、厚さが７０μｍ〜１５０μｍ、長さが２ｍｍ〜２０ｍｍ、横幅はリード部材３，４の幅よりも１ｍｍ〜５ｍｍ程度大きいものが用いられる。ここで、本実施形態においては、図２の上下方向（縦方向）をリード部材３，４の長さ（Ｌ１）方向とし、図２の左右方向（横方向）をリード部材３，４の厚さ（Ｔ）方向とし、長さ方向および厚さ方向に直交する方向（図２の奥行き方向）をリード部材３，４の幅（Ｗ）方向としている。

リード部材３，４は、高電位で電解液に溶解しないアルミニウム箔から構成されている。本実施形態のリード部材３，４に用いられるアルミニウム箔は、それ自体の抗張力が９０Ｎ／ｍｍ^２以上である。アルミニウム箔自体の抗張力は大きいほど良く、１１０Ｎ／ｍｍ^２あることが好ましい。また、リード部材３，４に用いられるアルミニウム箔自体の破断伸びは３０％以上である。アルミニウム箔自体の破断伸びは大きいほど良く、５０％以上あることが好ましい。

リード部材３，４を構成するアルミニウム箔に絶縁樹脂フィルム６を貼り付ける際にはアルミニウム箔に熱が加えられるので、絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の抗張力と破断伸びは、アルミニウム箔自体の抗張力と破断伸びよりも小さくなる。絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の抗張力は８５Ｎ／ｍｍ^２以上あればよく、１１０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の破断伸びは１５％以上あればよく、４０％以上であることが好ましい。

また、本実施形態においては、リード部材３，４に用いられるアルミニウム箔に含まれる鉄の含有量を、１.２重量％以上１.７重量％以下とすることが好ましい。これにより、アルミニウム箔自体の抗張力を従来よりも高い９０Ｎ／ｍｍ^２以上とすることができるとともに、アルミニウム箔自体の破断伸びを従来よりも高い３０％以上とすることができる。また、絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の抗張力も従来よりも高い８５Ｎ／ｍｍ^２以上とすることができ、絶縁樹脂フィルム６を貼った後のアルミニウム箔の破断伸びも、従来よりも高い１５％にすることができる。

なお、本実施形態においては、リード部材３，４の腐食防止のために、リード部材３，４の表面を、ポリアクリル酸およびポリアクリル酸アミドを含む樹脂成分と、金属塩とを含む複合皮膜層で表面処理している。この場合の金属塩としては、例えば、クロム酸塩、ジルコニウム塩，チタン塩，その他モリブデン塩等を用いることが好ましい。ジルコニウム塩にはフッ化ジルコン酸塩や炭酸ジルコニウム塩、リン酸ジルコニウム塩などを使用することができる。チタン塩にはキレート系の有機チタンなどを使用することができる。モリブデン塩にはモリブデン酸塩を使用することができる。
このような表面処理に使用される処理液には、接着性向上のため、オキサゾリン基を樹脂成分に付与している。

絶縁樹脂フィルム６は、リード部材３，４の両面に予め熱溶着により接合されている。そして、絶縁樹脂フィルム６は、その長さ方向の一端が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で封入体２のシール部５から外部に露出している。すなわち、絶縁樹脂フィルム６は、封入体２の外部へ露出する部分の長さＬ２が１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。絶縁樹脂フィルム６の露出部分の長さＬ２が１ｍｍよりも小さいと、後述のようにリード部材３，４を折り曲げる際の耐衝撃性に劣る。また、絶縁樹脂フィルム６の露出部分の長さＬ２が５ｍｍよりも大きいと非水電解質電池１の小型化を実現することができない。

絶縁樹脂フィルム６は、ポリオレフィン系樹脂を含む材料から構成される。絶縁樹脂フィルム６の材料として用いるポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、アイオノマー樹脂、変性ポリオレフィン等が例示され、金属との接着性の点から接着性ポリオレフィン樹脂が好ましく使用される。なお、接着性ポリオレフィン樹脂とは、マレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸等のカルボン酸や、エポキシ等で変性されて接着性の官能基を持つポリオレフィン樹脂をいう。特に、無水マレイン酸変性ポリオレフィン樹脂は金属との接着性、シール性に優れているので好ましい。これらのポリオレフィン系樹脂は熱可塑性樹脂であり、ヒートシール時に加熱により溶融して封入体２を構成する多層フィルムの最内層フィルム２ａとリード部材３，４に貼り付けられている絶縁樹脂フィルム６とを接着させる。また、絶縁樹脂フィルム６にはエラストマーが含まれていることが好ましい。絶縁樹脂フィルム６に用いられるエラストマーとしては、ポリブタジエン、ＥＰＤＭ、ＥＰＭ、アクリルゴム、熱可塑性エラストマー等が例示され、水添スチレン・ブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエン等が好ましく使用できる。エラストマーの種類を適宜選択することで絶縁樹脂フィルム６の弾性率（引張弾性率）をコントロールできる。

このような材料からなる絶縁樹脂フィルム６の引張弾性率は、３５０ＭＰａ以下であることが好ましい。絶縁樹脂フィルム６の引張弾性率を３５０ＭＰａ以下とすることで、絶縁樹脂フィルム６が柔軟となり、折り曲げやすく、またスプリングバックも起こりにくくなる。絶縁樹脂フィルム６の引張弾性率を３５０ＭＰａ以下とするために、上記のポリオレフィン系樹脂とエラストマーとを９０：１０〜１０：９０の割合で含有することが好ましい。エラストマーの含有量が上記の割合よりも少ないと絶縁樹脂フィルム６の引張弾性率を３５０ＭＰａ以下にすることが難しい。エラストマーの含有量が上記の割合よりも多くなると、フィルム製膜時にフィルムが伸びて取り扱いにくくなる。また、耐熱性や耐外傷性が低下し十分な耐久性が得られない。さらに好ましいポリオレフィン系樹脂とエラストマーとの混合比は、８０：２０〜２０：８０である。絶縁樹脂フィルム６の引張弾性率は、２５０ＭＰａ以下であることがより好ましい。

図３（ａ）は、従来例に係る電池および基板の側面図であり、図３（ｂ）は、図１に係る電池および基板の側面図である。
アルミニウム箔からなるリード部材３，４は、その上端部３ａ，４ａが基板１００の配線パターン１００ｂにハンダ付けにより接続固定されている。このようにリード部材３，４が接続された基板１００がウェアラブル機器等の電子機器に取り付けられる際には、図３（ａ）の矢印Ａに示される方向にリード部材３，４が折り曲げられる場合がある。このとき、リード部材３，４に貼り付けられた絶縁樹脂フィルム６Ａが従来のように比較的硬質な材料から構成されていると、非水電解質電池１Ａのリード部材３，４の絶縁樹脂フィルム６Ａにより覆われた部分と露出部分との間の部分（図３（ａ）のＢ部分）において、リード部材３，４に大きな力が加わって破断してしまうことがある。

一方、本実施形態においては、絶縁樹脂フィルム６は、ポリオレフィン系樹脂を含む樹脂材料であって、その引張弾性率は３５０ＭＰａ以下の柔軟な樹脂材料から構成されるとともに、その長さ方向の一端（長さＬ２）が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で封入体２の外部に露出している。そのため、図３（ｂ）に示されるように、基板１００に接続されたリード部材３，４が折り曲げられると絶縁樹脂フィルム６自体もリード部材３，４の折り曲げ方向に変形することとなる。したがって、リード部材３，４の絶縁樹脂フィルム６により覆われた部分と露出部分との間の部分（図３（ｂ）のＣ部分）に大きな力が加わることがない。また、リード部材３，４を構成するアルミニウム箔は絶縁樹脂フィルム６を貼った後の抗張力が８５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、絶縁樹脂フィルム６を貼った後の破断伸びが１５％以上であってリード部材３，４自体も良好な耐衝撃性を備えている。そのため、幅Ｗが１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で厚さＴが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の極細幅で薄型なリード部材３，４であっても折り曲げた時の破断等を防止することができる。このような耐衝撃性に優れた極細幅のリード部材３，４を用いることで、非水電解質電池１のさらなる小型化と強度向上を両立させることができる。

（実施例）
リード部材を非水電解質電池に組み込んで落下試験（試験回数：５０００回、試験方法：落下高さ１ｍ、床の材質：堅木）を行った。本発明のリード部材は、絶縁樹脂フィルムを貼った後のアルミニウム箔の抗張力が８５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の破断伸びが１５％以上であり、前記絶縁樹脂フィルムが、ポリオレフィン系樹脂を含み、その引張弾性率が３５０ＭＰａ以下である構成としたので、上記の落下試験（耐衝撃試験）に合格するものであった。

また、リード部材を非水電解質電池に組み込んで以下のように復元率試験をおこなった。図３（ｂ）に示すように、リード部材を絶縁樹脂フィルムにより覆われた位置で９０°折り曲げ、１分経過後に、戻った角度θを測定した。そして、復元率をθ／９０×１００（％）で算出し、復元率が１０％以下を合格とし、復元率が１０％を超えると不合格とした。
その結果、本発明のリード部材は、絶縁樹脂フィルムが、ポリオレフィン系樹脂を含み、その引張弾性率が２５０ＭＰａ以下である構成とした場合に復元率試験に確実に合格するので一層好ましい。

以上、本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。また、上記説明した構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等に変更することができる。

上記実施形態においては、絶縁樹脂フィルム６は単層で構成されているが、この例に限られない。絶縁樹脂フィルムは、リード部材３，４の両面に、接着または溶着する内側層と封入体２と融着される外側層の２層構造で形成することができる。この場合、内側層は、加熱溶融によりリード部材３，４に密着させて、導体界面における良好な密封封止を形成する。一方、外側層は、内側層の融点より高い融点のものが用いられ、リード部材３，４との密封封止時には溶融が生じないようにして形状を保持する。そして、封入体２とのシール時に、絶縁樹脂フィルムの外側層と封入体２と融着させることで、封入体２内の金属箔層２ｂとリード部材３，４が電気的に短絡しないようにすることが可能となる。

また、上記実施形態においては、リード部材３，４の表面を樹脂成分と金属塩とを含む複合皮膜層で表面処理している構成を説明したが、この例に限られない。

１：非水電解質電池（電池の一例）
２：封入体（包材の一例）
２ａ：最内層フィルム
２ｂ：金属箔層
２ｃ：最外層フィルム
３：正極側のリード部材
４：負極側のリード部材
３ａ，４ａ：上端部
３ｂ，４ｂ：下端部
５：シール部
６：絶縁樹脂フィルム
７：電極板リード

Claims

発電素子と電解液とを包材で封入した電池であって、
長さ方向の一端が前記発電素子に接続され、前記長さ方向の他端が前記包材の外部に露出したリード部材と、
前記リード部材の両側から貼り合わされて、長さ方向の一端が１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で前記包材の外部に露出した絶縁樹脂フィルムと、を備え、
前記リード部材は、アルミニウム箔から構成されており、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の抗張力が８５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、前記絶縁樹脂フィルムを貼った後の前記アルミニウム箔の破断伸びが１５％以上であり、
前記絶縁樹脂フィルムは、ポリオレフィン系樹脂を含み、その引張弾性率が３５０ＭＰａ以下である、電池。
前記リード部材の幅が１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であって、厚さが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、請求項１に記載の電池。
前記アルミニウム箔自体の抗張力が９０Ｎ／ｍｍ^２以上である、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記アルミニウム箔自体の破断伸びが３０％以上である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電池。
前記アルミニウム箔には鉄が１．２重量％以上１．７重量％以下含まれている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電池。
前記絶縁樹脂フィルムの引張弾性率が２５０ＭＰａ以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電池。