JP2017126538A - ラミネート型蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度の素材を用いることなく、外装体の撓みによる導体リード部の破断を確実に防止できるラミネート型蓄電素子を提供する。【解決手段】正極集電体２１の一主面に正極材料２２が塗布されてなる正極２０と負極集電体３１の一主面に負極材料３２が塗布されてなる負極３０がセパレーター４０を介して積層されたシート状の電極体１０が扁平袋状の外装体１１内に密封されているラミネート型蓄電素子１ａであって、正極と負極の電極端子板（２３、３３）が外装体の外方に導出され、正極と負極の集電体において電極材料が塗布されている集電領域の縁辺（２６、３６）から電極端子板の先端まで帯状の導体リード部（２７ａ、３７ａ）が形成され、外装体は電極体を囲繞する周縁領域１２にて封止され、当該周縁領域の内方における導体リード部は、周縁領域から集電領域の所定の縁辺までの距離Ｌよりも長く形成されている。【選択図】 図２

Description

本発明はラミネートフィルムからなる外装体内に発電要素を収納してなるラミネート型蓄電素子に関する。

一次電池、二次電池、電気二重層コンデンサーなどの蓄電素子の形態として、ラミネートフィルムからなる扁平袋状の外装体内に平板状の電極体を電解液とともに密封したラミネート型蓄電素子がある。ラミネート型蓄電素子は大容量化と小型薄型化の双方を両立し易く放熱性能にも優れることから、従前から電気自動車やハイブリッドカーなどの駆動用電源として利用されている。また近年では、小型薄型化が容易であるとの特徴を活かして、ワンタイムパスワード機能やディスプレイを搭載したＩＣカード、ディスプレイ付きのＩＣカード、あるいはタグやトークン（ワンタイムパスワード生成機）など、電源を内蔵しながら極めて薄型の電子機器（以下、薄型電子機器）の電源としてラミネート型蓄電素子が使用されるようになってきた。とくにＩＣカードの規格に準拠したカード型の電子機器（カード型電子機器）では、その外形寸法が規格によって規定されており、薄さは０．７６ｍｍと極めて薄い。そのためラミネート型蓄電素子はカード型電子機器の電源として必要不可欠なものとなった。

図１に一般的なラミネート型蓄電素子を示した。図１（Ａ）はラミネート型蓄電素子１の外観図であり、図１（Ｂ）は当該蓄電素子１の内部構造の概略を示す分解斜視図である。ここに示したラミネート型蓄電素子１は、図１（Ａ）に示したように平板状の外観形状を有し、ラミネートフィルムが扁平な矩形袋状に成形されてなる外装体１１内に発電要素が密封されている。またこのラミネート型蓄電素子１では、正極端子板２３および負極端子板３３の先端部分（２５、３５）が矩形の外装体１１の一辺１３から同方向に導出されている。

つぎに図１（Ｂ）を参照しつつラミネート型蓄電素子１の概略構造について説明する。なお図１（Ｂ）では一部の部材や部位にハッチングを施し、他の部材や部位と区別しやすいようにしている。この図１（Ｂ）に示したように、外装体１１内には、シート状の正極２０とシート状の負極３０がセパレーター４０を介して積層されてなる電極体１０が電解液とともに封入されている。正極２０は金属板や金属箔からなる正極集電体２１の一主面に正極活物質を含んだ正極材料２２を配置したものであり、負極３０は金属板や金属箔などからなる負極集電体３１の一主面に負極活物質を含んだ負極材料３２を配置したものである。そして電極体１０は、正極２０と負極３０をそれぞれの電極材料（２２、３２）が対面するように、セパレーター４０を介して積層、圧着（あるいはセパレーター４０に溶着）されたものである。またこの例では正極２０と負極３０のそれぞれの電極集電体（２１、３１）は、電極材料（２２、３２）が塗布される領域（以下、集電領域とも言う）と、当該集電領域の所定の縁辺（２６、３６）の一部に外方に一体的に突出して形成されている凸部（２４、３４）とからなり、その凸部（２４、３４）の先端側に帯状の金属板や金属箔などからなる電極端子板（２３、３３）がさらに取り付けられている。またこの例では電極端子板（２３、３３）としてタブリード２を用いている。周知のごとく、タブリード２は実質的な電極端子板（２３、３３）である金属板や金属箔などからなる帯状の金属板（以下、端子リード３とも言う）の延長途上に、絶縁樹脂製のシール剤（以下、タブフィルム４）が当該端子リード３を狭持するように接着された構造を有している。そして端子リード３の一方の端部５が正極端子板２３および負極端子板３３の先端部分（２５、３５）として外装体１１の外側に露出し、他方の端部は正極集電体２１および負極集電体３１に一体的に接続されている上記凸部（２４、３４）の先端に超音波溶着などの方法によって接続されている。もちろんタブリード２を用いず、上記の凸部（２４、３４）を延長させてその凸部（２４、３４）自体を電極端子板（２３、３３）として外装体１１外に導出してもよいし、電極集電体（２１、３１）に凸部（２４、３４）を設けず、集電領域の一縁辺（２６、３６）側に帯状の電極端子板（２３、３３）を直接取り付けてもよい。いずれにしてもラミネート型蓄電素子１には、電極集電体（２１、３１）の集電領域の所定の縁辺（２６、３６）から電極端子板（２３、３３）の先端に至る帯状の導電体からなる領域（以下、導体リード部）が形成されている。

外装体１１は、互いに重ね合わせた矩形状の二枚のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）において図中網掛けのハッチングまたは点線の枠で示した周縁領域１２が熱圧着法により溶着されて内部が密閉されたものである。ラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）は、周知のごとく、アルミ箔などからなる基材の表裏に１層以上の樹脂層が積層された構造となっており、一般的には、一方の面に例えばポリアミド樹脂などからなる保護層が積層され、他方の面には例えばポリプロピレンなどの熱溶着性を有する接着層が積層された構造を有している。そしてラミネート型蓄電素子を組み立てる際には、接着層側を内面として２枚のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）を対面させ、その２枚のラミネートフィルム間（１１ａ−１１ｂ）に電極体１０を配置する。そして互いに対面するラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の周縁領域１２の３方の縁辺側を熱圧着して一つの縁辺（例えば図中縁辺１４）側が開口する扁平袋状の外装体１１に成形する。そしてこの開口から袋状の外装体１１内に電解液を注入するとともに、開口が設けられていた縁辺を減圧環境化で熱溶着し蓄電素子１を完成させる。それによって電極体１０および電極端子板（２３、３３）を含む導体リード部が外装体１１内で固定される。

なおラミネート型蓄電素子の構造などについては、例えば以下の特許文献１に記載されている。そして以下の非特許文献１には実際に市販されているラミネート型蓄電素子である薄型リチウム電池の特徴や放電性能などが記載されている。

特開２００６−２８１６１３号公報

ＦＤＫ株式会社、"薄型リチウム一次電池"、[online]、[平成２８年１月４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_thin.html＞

ラミネート型蓄電素子の外装体は、柔軟なラミネートフィルムによって構成されているため、外部からの曲げ応力によって容易に撓む。とくにカード型電子機器などに組み込まれるラミネート型蓄電素子では、電子機器自体がその使用に際して財布やパスケースなどに収納された状態で鞄やポケットの中に無造作に入れられる場合が多く、頻繁かつ常態的に曲げ応力が加わっている状態になっている。

しかしラミネート型蓄電素子の外装体内では電極体と電極端子板から電極集電体の集電領域の縁辺に至る導電リード部が固定されている。そのため、外装体が電極端子板の導出方向に撓むと、外装体内の導体リード部にはその延長方向に張力が加わる。そして、その撓みが頻繁かつ常態的に発生すれば、帯状の導体リード部がその延長途上や電極集電体との接続部分で破断する可能性がある。導体リード部が破断すれば、当然のことながらラミネート型蓄電素子が電子機器の電源として機能しなくなる。

導体リード部に高強度の素材を用いることも考えられるが、蓄電素子に曲げ応力が加われば導体リード部には必ず張力が発生し、導体リード部と電極集電体との接続部位が破断する可能性がある。電極集電体の凸部のみによって導体リード部を形成した場合では、張力によって導体リード部が破断しなくても導体リード以外の部材にその張力が及び、導体リード部の破断とは別の問題が発生する可能性がある。例えば、導体リード部は外装体と周縁領域で接着されているため、外装体が撓んで導体リード部に張力が加わると、外装体の周縁領域にて互いに接着状態ある導体リード部とラミネートフィルムとが剥離して封止性能が劣化することが考えられる。もちろん導体リード部に高強度の素材を使用することはラミネート型蓄電素子のコストアップにも繋がる。すなわち従来のラミネート型蓄電素子では、外装体の撓みに起因する問題を根本的に解決することができない。

そこで本発明は、高強度の素材を用いることなく、外装体の撓みによる導体リード部の破断を確実に防止できるラミネート型蓄電素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、扁平袋状に成形された外装体内にシート状の正極と負極がセパレーターを介して積層された電極体が電解液とともに密封されているとともに、正極と負極のそれぞれの電極端子板が前記外装体の外方に導出されてなるラミネート型蓄電素子であって、
前記正極は、正極集電体の一主面に正極活物質を含む電極材料が塗布されてなり、
前記負極は、負極集電体の一主面に正極活物質を含む電極材料が塗布されてなり、
前記正極集電体および負極集電体において前記電極材料が塗布されている集電領域の所定の縁辺から前記正極および負極のそれぞれの電極端子板の先端まで帯状の導体からなる導体リード部が形成され、
前記外装体は前記電極体を囲繞する周縁領域にて封止されているとともに、当該周縁領域の内方における前記導体リード部は、前記周縁領域から前記正極集電体および負極集電体における前記集電領域の所定の縁辺までの距離よりも長く形成されている、
ことを特徴とするラミネート型蓄電素子としている。

前記導体リード部は、前記周縁領域の内方にてつづら折れとなるように折り畳まれていることを特徴とするラミネート型蓄電素子とすることもできる。そして電子回路と電源を内蔵したカード型電子機器の前記電源として使用されることとを特徴とするラミネート型蓄電素子とすれば好適である。

本発明のラミネート型蓄電素子によれば、導体リード部の素材や電極集電体との接続構造に依らず、外装体の撓みに起因する電極端子板の破断を確実に防止することができる。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。

一般的なラミネート型蓄電素子の例を示す図である。 本発明の実施例に係るラミネート型蓄電素子における導体リード部の構造を示す図である。 上記実施例に係るラミネート型蓄素子における導体リードの破断防止作用を説明するための図である。 比較例に係るラミネート型蓄電素子における導体リード部の構造を示す図である。 上記実施例および比較例に係るラミネート型蓄電素子に対する曲げ試験の方法を説明するための図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝実施例＝＝＝
＜構造＞
本発明の実施例に係るラミネート型蓄電素子（以下、蓄電素子）の基本的な構成や構造は図１（Ｂ）に示した従来の蓄電素子と同様であり、互いに対面するラミネートフィルムの周縁同士が封止されてなる扁平袋状の外装体内に平板状の電極体が収納されているとともに、当該電極体を構成する正極と負極のそれぞれの集電体に接続された電極端子板が外装体外に導出されている。しかし本実施例の蓄電素子では、特徴的な導体リード部を有して外装体が頻繁かつ常態的に撓んでも導体リード部の破断を確実に防止することができるようになっている。概略的には外装体を袋状に封止している周縁領域と電極体の位置関係と導体リード部の長さとの関係を工夫することで、蓄電素子が屈曲した際に導体リード部に掛かる張力が吸収されるようになっている。

図２に本発明の実施例に係る蓄電素子１ａの構造を示した。当該図２（Ａ）は図１におけるａ−ａ-矢視断面に対応する分解断面図であり、電極端子板（２３、３３）側を拡大しつつ蓄電素子１ａの構成要素をセパレーター４０を中心にして正極２０側と負極３０側に分割して示している。また図２（Ｂ）は図２（Ａ）における円１００内を拡大した図である。図２（Ａ）に示したように、正極２０と負極３０の電極集電体（２１、３１）は集電体領域の所定の縁辺（２６、３６）に凸部（２４、３４）を備え、その凸部（２４、３４）の先端に電極端子板（２３、３３）を兼ねるタブリード２の端子リード３が接続され、この凸部（２４、３４）と端子リード２とによって導体リード部（２７ａ、３７ａ）が形成されている。このように実施例に係る蓄電素子１ａを構成する各種部材や部位については図１に示した従来の蓄電素子１と同様である。しかし実施例に係る蓄電素子１ａでは、図２（Ｂ）に正極２０側の導体リード部２７ａを拡大して示したように、正極集電体２１の凸部２４がその延長方向でつづら折れとなるように屈曲している。負極３０側の導体リード部３７ａについても同様である。それによって、外装体１１に撓みがない状態における導体リード部（２７ａ、３７ａ）の基端から外装体１１を封止している周縁領域１２に至る距離Ｌ、すなわちこの実施例では電極集電体（２１、３１）における矩形の集電領域の所定の一辺（２６、３６）から周縁領域１２に至る距離（以下、封止距離Ｌとも言う）に対し、この封止距離Ｌの領域にある導電リード部（２７ａ、３７ａ）の全長が大きくなっている。そして本実施例の蓄電素子１ａでは、この封止距離Ｌよりも導体リード部（２７ａ、３７ａ）の全長を長くすることで、外装体１１の撓みに伴う導体リード部（２７ａ、３７ａ）の破断を防止している。

図３に実施例の蓄電素子１ａにおける導電体リード部の破断防止作用を説明するための図を示した。図３は、図２（Ｂ）における円１００内に示した蓄電素子１ａの一部領域に対応する図であり、図３（Ａ）は外装体１１が撓んでいないときの正極２０側の導体リード部２７ａの状態を示し、図３（Ｂ）は外装体１１が撓んでいるときの正極２０側の導体リード部２７ａの状態を示している。図３（Ａ）に示したように当初の折り畳まれた状態にある凸部２４を含む導体リード部２７は、図３（Ｂ）に示したように外装体１１の撓みに伴って先端側と基端側が反対方向（図中、太線矢印方向）に移動するものの、凸部２４における折り畳まれた領域にある長さの一部が上記先端側と基端側に繰り出される（図中、点線矢印方向）。もちろん負極側の導体リード部についても同様である。

このように本実施例の蓄電素子では、外装体が撓んでも導体リード部における凸部の余長分が繰り出されることで、導体リード部に掛かる張力が吸収され、導体リード部の破断が防止される。そして本実施例の蓄電素子では導体リード部の破断の原因となる張力そのものが吸収されるため、導体リード部を高価な高強度の素材で構成する必要がなく、導体リード部の張力が蓄電素子の他の部位に及んで導体リード部の破断に代わる問題も発生しない。

＝＝＝曲げ試験＝＝＝
つぎに上述した実施例に係る蓄電素子について、実際にＩＣカードなどのカード型電子機器に組み込まれた状態で使用される環境、すなわち頻繁かつ常態的に蓄電素子が撓むような環境を想定し、その環境下における導体リード部の破断の有無を調べた。具体的には図２に示した上記実施例に係る蓄電素子１ａに対応するサンプル（以下、実施例に係るサンプル１ａとも言う）と、図１に示した従来の蓄電素子１に対応するサンプル（以下、比較例に係るサンプル１ｂとも言う）とを作製した。図４は比較例に係るサンプル１の内部構造を示す図であり、図４（Ａ）は、図２（Ａ）と同様に図１におけるａ−ａ-矢視断面に対応する図であり、電極端子板（２３、３３）側を拡大しつつ当該サンプル１の構成要素をセパレーター４０を中心にして正極２０側と負極３０側の構成を分割して示している。また図４（Ｂ）は図４（Ａ）における円１０１内を拡大した図である。図４（Ａ）に示したように、正極２０と負極３０の電極集電体（２１、３１）は矩形の集電体領域の一辺（２６、３６）に凸部（２４、３４）を備え、その凸部（２４、３４）の先端に電極端子板（２３、３３）となるタブリード５が接続され、この凸部（２４、３４）とタブリード５とによって導体リード部（２７、３７）が形成されている。そして図４（Ｂ）に拡大して示したように、外装体１１内における正極集電体２１に接続されている導体リード部２７は直線状態で固定されている。もちろん負極３０側についても同様である。したがって比較例に係る蓄電素子１では外装体１１内における導体リード部（２７、３７）の全長が上記封止距離Ｌに一致している。なお比較例に係るサンプル１の構造や構成は上記非特許文献１に「薄型リチウム電池」として記載されているラミネート型のリチウム一次電池と同様であり、実施例に係るサンプルは導体リード部の構造が異なるだけで他の構成や外形サイズは比較例に係るサンプルと同一である。

図５は実施例および比較例のサンプル（１、１ａ）をカード型電子機器５０に組み込んだときの配置状態を示している。カード型電子機器５０はクレジットカードなどのＩＣカードの規格に準拠した長さＬ１＝８５．６ｍｍ、幅Ｗ１＝５４．０ｍｍの矩形平面形状を有し、各サンプル（１ａ、１）の外装体１１は長さＬ２＝３９．０ｍｍ、幅Ｗ２＝２７．０ｍｍの矩形平面形状を有している。なおカード型電子機器５０はＩＣカードの規格に準拠した厚さ（例えば、０．７６ｍｍ）を有し、各サンプルの厚さはＩＣカード内に収納される程度に極めて薄く、上記非特許文献１にも記載されているように０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。

ここでカード型電子機器５０の長さＬ１方向を前後方向、幅Ｗ１方向を左右方向とすると、各サンプル（１、１ａ）は、前後方向に電極端子板（２３、３３）が導出されているとともに、その電極端子板（２３、３３）の先端がカード型電子機器５０の矩形平面領域の内方に向かうように配置されている。またカード型電子機器５０に対して左右対称となるように上下の縁辺５１から距離ｄ１＝１３．５ｍｍだけ離間して配置されているとともに、前後一方の縁辺５２からは距離ｄ２＝６．０ｍｍとなる位置に配置されている。そしてこれらサンプル（１、１ａ）が組み込まれた状態のカード型電子機器５０を、周知の識別カードの信頼性試験方法を規定したISO/IEC 10373-1（JIS X 6305）に準拠した手順で屈曲させ、所定の屈曲回数ごとに正極と負極の電極端子板間の電圧を測定し、電圧低下が検出された場合に導体リード部が断線しているものと判断した。そして、その断線が確認された時の屈曲回数を調べた。

表１に実施例と比較例のサンプルにおける屈曲回数と断線の有無との関係を示した。

表１に示したように、比較例に係るサンプルでは３０００回の屈曲では断線が発生しなかったが、４０００回の屈曲後には断線が発生していた。一方実施例に係るサンプルでは、１００００回の屈曲回数でも断線が発生せず、屈曲に対して極めて高い信頼性があることか立証された。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例に係る蓄電素子では、電極集電体に一体的に形成されている凸部の長さを調整することで導体リード部の全長を封止距離よりも長くしていた。もちろん凸部に代えて電極端子板として外装体外に導出される接続されるタブリードのリード部などの長さを調整することで導体リード部の全長を調整してもよい。また当然のことながら導体リード部の構成は上記実施例に限らない、例えば、集電体に凸部を設けず、タブリードなどを直接集電体の集電領域に接続したり、凸部を電極端子板として外装体外に導出したりしてもよい。導体リード部の長さを封止距離よりも長くするための構成（以下、余長構成）についても上記実施例に限らない。導体リード部を蛇腹状にしたり、波状に蛇行させたりしてもよい。正極と負極のそれぞれの導体リード部の導出方向についても、外装体から同一方向に導出されていてもよいし、反対方向など異なる方向に導出されていてもよい。電極集電体における集電領域の形状も矩形に限らない。いずれにしても正極および負極の電極集電体のそれぞれの集電領域の所定の縁辺から、正極および負極の電極端子板の先端に至る正極および負極のそれぞれの導体リード部について、外装体の周縁領域内方での全長が上記封止距離よりも長ければよい。
本発明は積層構造を有する平板状の電極体をラミネートフィルムからなる外装体内に密封した構造であれば、様々な種類のラミネート型蓄電素子（リチウム一次電池、リチウム二次電池、電気二重層コンデンサーなど）に適用することができる。

１ 従来のラミネート型蓄電素子（比較例に係るサンプル）、
１ａ 本発明の実施例に係るラミネート型蓄電素子（実施例に係るサンプル）、
２ タブリード、３ 端子リード、１１ 外装体、
１１ａ，１１ｂ ラミネートフィルム、１２ 周縁領域、２０ 正極、
２１ 正極集電体、２２ 正極材料、２３ 正極端子板、２４ 正極集電体の凸部、
２７，２７ａ 正極側の導体リード部、３０ 負極、３１ 負極集電体、
３２ 負極材料、３３ 負極端子板、３４ 負極集電体の凸部、
３７，３７ａ 負極側の導体リード部、４０ セパレーター、５０ カード型電子機器、
Ｌ 封止距離

Claims (3)

1. 扁平袋状に成形された外装体内にシート状の正極と負極がセパレーターを介して積層された電極体が電解液とともに密封されているとともに、正極と負極のそれぞれの電極端子板が前記外装体の外方に導出されてなるラミネート型蓄電素子であって、
   前記正極は、正極集電体の一主面に正極活物質を含む電極材料が塗布されてなり、
   前記負極は、負極集電体の一主面に正極活物質を含む電極材料が塗布されてなり、
   前記正極集電体および負極集電体において前記電極材料が塗布されている集電領域の所定の縁辺から前記正極および負極のそれぞれの電極端子板の先端まで帯状の導体からなる導体リード部が形成され、
   前記外装体は前記電極体を囲繞する周縁領域にて封止されているとともに、当該周縁領域の内方における前記導体リード部は、前記周縁領域から前記正極集電体および負極集電体における前記集電領域の所定の縁辺までの距離よりも長く形成されている、
   ことを特徴とするラミネート型蓄電素子としている。
2. 請求項１において、前記導体リード部は、前記周縁領域の内方にてつづら折れとなるように折り畳まれていることを特徴とするラミネート型蓄電素子。
3. 請求項１または２において、電子回路と電源を内蔵したカード型電子機器の前記電源として使用されることとを特徴とするラミネート型蓄電素子。
   

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