JP2017162637A - フレキシブル電池 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯電子機器、携帯電子端末などの動力源として使用されるフレキシブル電池において、ネジリの変形を発生させても、ラミネートフィルム外装体にシワやクラックが発生しないフレキシブル性を有し、電池の品質、信頼性を向上させること。【解決手段】方形の電極群と、上記電極群の一面を覆う第１フィルムと、上記電極群の他面を覆う第２フィルムと、を含み、上記第１フィルムまたは上記第２フィルムの少なくとも１方に第１波部があり、上記波部の稜線と、上記方形の電極群の長辺とが成す角が鋭角であるフレキシブル電池を用いる。【選択図】 図８

Description

本発明は、フレキシブル電池に関するものである。

スマートフォンや腕時計型端末など、コンパクトな形状を有する携帯電子機器、携帯電子端末では、その動力源として薄型形状を有するパウチ型電池が用いられている。

このパウチ型電池は、金属箔や樹脂層から成る厚み０．１ｍｍ程度の２枚のラミネートフィルム外装体の間に、シート状の正極、負極およびセパレータからなる電極群を包み込み、液体、ゲルまたは固体の電解質が注入された構成になっている。このような携帯機器は使用環境が過酷であるため、このラミネートフィルム外装体は、外力による衝撃などで変形損傷した場合や、ラミネートフィルム外装体自身の寿命や温度変化による劣化などで、中の電解質が漏れ出さないように丈夫な材質が選定されている。

一方、携帯電子機器においては、身に付けるために例えば手首の形状に合わせてあらかじめ湾曲させているもの、携帯性を向上させるために変形させているものがあり、その形状に合わせて内蔵のパウチ型電池も変形させる必要がある。つまり、電池が変形できるフレキシブル電池である必要性がある。
また、携帯している最中や使用時に何らかの外力が加わり、携帯電子機器やパウチ型電池が変形する可能性もある。このようにパウチ型電池が変形しても、破損して使用不能にならない様に、パウチ型電池の更なる薄型化やフレキシブル化が要望されている。

パウチ型電池の品質信頼性を向上させるためには、強度が高いラミネートフィルム外装体が必要であるが、フレキシブル性の向上のためには柔らかい材料が必要である。また、薄型化のためは、さらに薄いラミネートフィルム外装体が必要であるが、厚みが薄くなると伸縮性が悪くなり、フレキシブル化が難しくなる。品質信頼性の向上や薄型化に対して、フレキシブル化は、相反する条件となっている。

従来のパウチ型電池では、丈夫で伸縮性の乏しいラミネートフィルム外装体全体に波状部を形成することで、外装体全体のフレキシブル性（柔軟性）を高めることが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。

図１９は、特許文献１に記載された従来のフレキシブル性を有する薄型パウチ電池を示す斜視図である。図１９において、上側に配置されるラミネートフィルム外装体２０１と下側に配置されるラミネートフィルム外装体２０２の間に、正極と負極の電極や電解質が密閉されている。このラミネートフィルム外装体２０１、２０２の表面には、一方向に直進的に伸び、互いに平行に配列された波２０３が形成されており、ラミネートフィルム外装体２０１、２０２のフレキシブル性を向上させている。

図２０Ａ、図２０Ｂに、図１９の薄型パウチ電池の湾曲前後の状態を示す。また、図２１Ａ、図２１Ｂに、図２０Ａ、図２０Ｂの湾曲方向の断面図をそれぞれ示す。図２０Ａで薄型パウチ電池を方向２０６へ湾曲させると、上面の波２０３は、図２１Ｂのように伸ばされる。

図２１Ａに示すように、湾曲前の膨らみ部の上面の波２０３の展開長さＬ１、図２１Ｂに示すように、湾曲後における波２０３の上面の周長Ｌ２とした時、湾曲前の展開長さＬ１が湾曲後の周長Ｌ２以上（Ｌ１≧Ｌ２）となるように、湾曲前の膨らみ部の上面の波２０３を設定する。この状態で薄型パウチ電池を図２０Ｂのように湾曲させると、上面の波２０３が伸ばされることにより、下側のラミネートフィルム外装体２０２と上側のラミネートフィルム外装体２０１の展開長の差が吸収される。その結果、ラミネートフィルム外装体２０１、２０２の表面にシワやクラック（割れ）が発生することを抑制できる。

特開２０００−１７３５５９号公報

薄型パウチ電池を内蔵する携帯端末機器は、さまざまな外力を受けるため、その薄型パウチ電池もさまざまに変形する。特に大きな変形形態として、湾曲とネジリがある。

湾曲に関しては、従来の構成によれば、ラミネートフィルム外装体２０１、２０２の膨らみ部に形成された波２０３により、湾曲してもその波２０３が伸ばされることで、シワやクラック（割れ）は発生しない。

次に、ネジリの状態を説明する。図２２Ａ、図２２Ｂに薄型パウチ電池にネジリを発生させる前後の状態の斜視図を示す。また、図２３に、そのネジリを発生させた状態におけるＸ−Ｙ断面図を示す。

図２２Ａに、薄型パウチ電池にかかる力１０７を示す。結果、力１０７が、薄型パウチ電池にかかると、図２２Ｂのように薄型パウチ電池がネジリ形状へ変形する。結果、軸２１０を基準に、ネジリを行なわれる。図２３に示すように、膨らみ部２０９が内側となるように変形する。膨らみ部２０９の上面は、ラミネートフィルム外装体２０１、２０２に対して、展開長さが短くなるため、縮みの応力を受ける。しかしながら、膨らみ部２０９は、そのままの状態では縮むことが出来ないので、シワとなって発生する。

図２４Ａ、図２４Ｂにネジリを発生させた場合のシワ２１１の発生状態図を示す。図２４ＡはＸ−Ｙ断面、図２４Ｂは平面から見たシワの状態である。図２４Ａに示すように、膨らみ部２０９の上面にシワ２１１が発生し、そのシワ２１１は、図２４Ｂに示すように、Ｘ−Ｙ方向の対角斜め状に発生する。

ネジリを発生させた場合のシワ２１１は、図１９に示すように、波２０３を設けても、生じる。これは、波２０３の山または谷の稜線の方向と、曲がる方向とが合っていないためである。

このシワ２１１はネジリの状態によって、その方向、大きさや形が変わり、発生場所もその時々で変わってくる。そのため、とても厄介である。またクラック（割れ）は電解質の漏れなど、品質に重大な影響を与える。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、外装体にネジリを発生しても、ラミネートフィルム外装体にシワやクラックが発生しない、フレキシブル電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、方形の電極群と、上記電極群の一面を覆う第１フィルムと、上記電極群の他面を覆う第２フィルムと、を含み、上記第１フィルムまたは上記第２フィルムの少なくとも１方に第１波部があり、上記波部の稜線と、上記方形の電極群の長辺とが成す角が鋭角であるフレキシブル電池を用いる。
用いる。

以上のように、本発明の、電極群が内側に挿入されるラミネートフィルム外装体の膨らみ部の上面に、その部分のラミネートフィルム外装体が斜め対角線の方向に伸び縮みできるように、ラミネートフィルム外装体に波を形成した、薄型パウチ電池によれば、ラミネートフィルム外装体に、ネジリを発生させた場合においても、シワやクラックが発生しないため、電解質の漏液などの問題を解消し、品質信頼性を向上させることができる。

従来の薄型パウチ電池の製造工程中の１工程の図 従来の薄型パウチ電池の製造工程中の１工程の図 従来の薄型パウチ電池の製造工程中の１工程の図 従来の薄型パウチ電池の製造工程中の１工程の図 従来の薄型パウチ電池の製造工程中の１工程の図 従来の構成におけるラミネートフィルム外装体に、ネジリを発生させる力を示す斜視図 従来の構成におけるラミネートフィルム外装体に、ネジリを発生させた場合の斜視図 従来の構成におけるラミネートフィルム外装体に、ネジリを発生させた場合のシワの発生状況を示す図 従来の薄型パウチ電池において、解析によりラミネートフィルム外装体の動きとシワの発生状況を可視化した模式図 従来の薄型パウチ電池のラミネートフィルム外装体に形成された波の部分断面図 従来の薄型パウチ電池のラミネートフィルム外装体に、ネジリを発生させる力を示す斜視図 従来の薄型パウチ電池でプラス方向およびマイナス方向にネジリを発生場合のシワの発生状況を示す斜視図 実施の形態１の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態１の薄型パウチ電池にネジリを作用させる力を示す斜視図 実施の形態１の薄型パウチ電池にネジリを作用させた斜視図 図９ＢにおけるＸ−Ｙ断面図 実施の形態１における薄型パウチ電池にネジリを作用させる力を示す斜視図 実施の形態１における薄型パウチ電池にネジリを作用させた斜視図 実施の形態１のパウチ電池を図９Ｂと逆方向にネジリを発生させたときに出来るシワの斜視図 実施の形態２の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態３の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態３の薄型パウチ電池で応力が集中する部分を示す図 実施の形態４の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態５の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態５の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態６の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態６の薄型パウチ電池の斜視図 実施の形態６の薄型パウチ電池の斜視図 特許文献１に記載された従来のフレキシブル性を有する薄型パウチ電池の斜視図 従来の薄型パウチ電池にかかる外力を示す斜視図 従来の薄型パウチ電池に対して図２０Ａの外力を加え、湾曲させたときの状態を示す斜視図 図２０Ａ時の薄型パウチ電池の断面図 図２０Ｂ時の薄型パウチ電池の断面図 従来の薄型パウチ電池にかかる外力を示す斜視図 従来の薄型パウチ電池に対して、図２２Ａの外力を加え湾曲させた時の状態を示す斜視図 図２２ＢにおけるＸ−Ｙ面での断面図 ネジリにより発生するシワを示す断面図 ネジリにより発生するシワを示す斜視図

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。
＜ネジリにおけるシワ発生＞
まず、ネジリにおけるシワ発生について、説明する。図１Ａ〜図１Ｅの斜視図に、実施の形態の薄型パウチ電池の概略製造工程図を示す。

図１Ａは、薄型パウチ電池の最外装となるラミネートフィルム外装体１０１である。このラミネートフィルム外装体１０１は、電池完成後における中の電解液が漏液しないように、アルミやステンレスなどの金属をベースにした、厚さ０．１ｍｍ程度の薄いフィルム状の材料である。

次に、図１Ｂが、ラミネートフィルム外装体１０１に、型を押し付け、電極群を挿入するための膨らみ部１０２を成形する。

次に、図１Ｃに示すように、膨らみ部１０２の上面に、この薄型パウチ電池を湾曲させてもシワが発生しないように、型を押し付け、波１０３を成形する。ただし、湾曲させたり変形させたりする必要が無い場合は、波１０３を成形する必要性は無い。

次に、図１Ｄに示すように、ラミネートフィルム外装体１０１の曲げ位置１０４を基準に２つに折り曲げ、膨らみ部１０２に電極群１０５を挿入する。電極群１０５は、銅やアルミや樹脂などの正極、負極、セパレータなどからなる電極の集合体で、発電するための心臓部であり、この電極群１０５の大きさにより、発電能力が決定される。また、この薄型パウチ電池は携帯端末機器に内蔵するため、その機器に合わせてその電極群１０５の大きさが設定される必要性もある。小さいものでは外形が１０ｍｍ×１０ｍｍ程度のものから、標準的には３０ｍｍ×３０ｍｍ程度の物、さらに大きい物まで、仕様用途によって多くの大きさが存在する。正極、負極、セパレータの積層枚数により、電極群１０５の厚みが決定されるが、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍが標準的に採用される。

電極群１０５の大きさに合わせて、膨らみ部１０２が設定され、電極群１０５よりも膨らみ部１０２が大きいと、電極群１０５との間に隙間が発生し、電極群１０５のズレが発生するので、隙間が無いように設定する。

次に膨らみ部１０２に電解液を注入後、膨らみ部１０２の外周部の２枚のラミネートフィルム外装体１０１を接合し、図１Ｅに示す薄型パウチ電池が完成する。このときの接合幅は、１ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定する。

図２Ａ、図２Ｂに、この薄型パウチ電池にネジリを発生させる場合の力の方向と、力がかかった時の斜視図を、それぞれ示す。図３に、その時に発生するシワの斜視図を示す。

図２Ａに示すように、軸１０６を基準に、力１０７がかかると、この薄型パウチ電池は、図２Ｂにように変形した状態となる。この時、膨らみ部１０２の上面には、図３に示すように膨らみ部１０２の上面の対角線方向にシワ１０８が発生する。

図４に、解析によりネジリを発生させた場合の、ラミネートフィルム外装体１０１の動きとシワ１０８の発生状況を可視化した模式図を示す。ラミネートフィルム外装体１０１にネジリを発生させると、膨らみ部１０２周辺のラミネートフィルム外装体１０１が、対角線中央部の方向へ移動し、ラミネートフィルム外装体１０１が寄せ集められることでシワ１０８が発生しているのが分かる。

ネジリを発生させた場合の、図２Ａ，図２Ｂにおけるネジリの軸１０６に対しての波の部分断面図を図５に示す。ラミネートフィルム外装体１０１に形成された波１０３は、波の山の稜線または谷の稜線に対して垂直な方向１０９に伸び縮み可能である。しかし、ネジリを発生させると対角中央の方向１１０にラミネートフィルム外装体１０１が寄せられ移動し、この波１０３はこの方向１１０へは伸び縮み出来ないため、シワが発生してしまう。

次に、力１０７を図６に示すように、図２Ａと逆方向に印加する。そうすると、シワ１１１が、図７で示すように発生する。結果、かかる力の方向により、膨らみ部１０２の４コーナー部を結ぶ対角線で、Ｘ形状にシワ１１１（図７）、シワ１０８（図３）が発生する（図３、図７）。
以上のような、ネジリにおけるシワ発生の課題に対しての解決手段を以下に説明する。

（実施の形態１）
図８に示すように実施の形態１では、上側のラミネートフィルム外装体１０１における膨らみ部１０２の上面に第１波部１０３ａが形成されている。この第１波部１０３ａの山もしくは谷の稜線は、膨らみ部１０２の側面１１４に対して、鋭角の角度θになるようになっている。

膨らみ部１０２は、内部にある電極群によるものである。この電極群は方形である。この方形の長辺と、上記稜線とのなす角度θが鋭角とも言える。以下同様である。

この波１０３の大きさは、薄型パウチ電池を変形させる度合いに合わせて設定する必要がある。大きく変形させる場合は、波１０３の展開長が必要なため、第１波部１０３ａのピッチを細かく第１波部１０３ａの高さを高くする必要がある。

しかし、展開長を長くするため、膨らみ部１０２を伸ばし過ぎると、第１波部１０３ａを加工した時点で、ラミネートフィルム外装体１０１が極端に薄くなったり、破れたりする可能性がある。そのため、波ピッチ１．０ｍｍ、波高さ０．５ｍｍを基本に、変形の状態に合わせて適宜設定する。

この薄型パウチ電池に、軸１０６に対してネジリを発生させた力１０７の配置を図９Ａに、ネジリが発生した状態の薄型パウチ電池を図９Ｂに示す。図９ＢのＸ−Ｙ断面を図１０に示す。

図８で、膨らみ部１０２に形成されている第１波部１０３ａは、膨らみ部１０２の側面１１４に対して鋭角θになっている。このため、Ｘ−Ｙの断面は、波の山と谷が交互に繰り返されている状態となる（図１０）。

ネジリを発生させると、Ｘ−Ｙ方向で膨らみ部１０２の上面が伸び縮みする。実施の形態の波では、Ｘ−Ｙ方向ではどの断面でも第１波部１０３ａが形成されており、その波の伸び縮み効果により、ラミネートフィルム外装体１０１も伸び縮みするため、ネジリを作用させてもシワが発生しない。

第１波部１０３ａの山もしくは谷の稜線と膨らみ部の側面１１４との角度θは、プラス方向とマイナス方向のネジリに対応させるため、４５度を基準とし、膨らみ部１０２の大きさや高さ、ネジリの軸１０６の場所、ネジリの角度などにより、４５度±２０度の範囲、好ましくは、４５度±１０度の範囲で適宜設定する。

以降の実施の形態について、特に記載していない事項や数値は、実施の形態１と同様である。
（実施の形態２）
図８に示す第１波部１０３ａにて、図１１Ａに示す様に図９Ａと逆方向のネジリを発生させる力１０７を印加する。その結果、Ｘ−Ｙ方向へ波の伸び縮みが出来ないため、波の山の稜線または谷の稜線部が折れた状態になり、図１２に示すようなシワ１１６が発生する。

そこで、そのシワ１１６を回避するため、図１３に示すように、図８と逆方向の第１波部１０３ａを設定する。そうすることにより、図９Ａ、図９Ｂと逆方向の図１１Ａ，図１１Ｂの様なネジリを発生させても、その第１波部１０３ａが伸び縮みするので、シワ１１６の発生を抑制できる。

なお、記載しない事項は実施の形態１と同様である。
（実施の形態３）
実施の形態１による図８に示す第１波部１０３ａの方向、また実施の形態２による図１３の第１波部１０３ａの方向は、いずれも一定方向（プラス方向またはマイナス方向）へのシワに対してしか対応できない。つまり、プラスマイナスの両方の力がかかると対応できない。

そこで、図１４に示すような第１波部１０３ａ、第２波部１０３ｂを設定する。ラミネートフィルム外装体１０１の膨らみ部１０２の上面には、ラミネートフィルム膨らみ部１０２の側面１１４に対して、鋭角θ１と鈍角θ２の２つの角度θを持つ第１波部１０３ａ、第２波部１０３ｂが混在し、第１波部１０３ａと第２波部１０３ｂとがＸ状に交差する状態となっている。そのため、プラスマイナス方向のどちらにネジリを発生させても、それぞれの波部が、それぞれのネジリ方向に対して伸び縮みできるので、シワの発生を抑制できる。

なお、記載しない事項は上記実施の形態と同様である。
（実施の形態４）
実施の形態３における、２つの角度を混在させた第１波部１０３ａ、第２波部１０３ｂとは、プラス方向およびマイナス形状のシワ無しネジリに対して有効である。しかし、ネジリの角度が大きくなるに従って、図１５に示す、中央部の２つの波がＸ状に交差する部分１１７において、シワやクラックが発生する可能性がある。その影響を回避するため、図１６に示す波の形状も有効である。

ネジリの角度が大きくなってくると、中央部のＸ状に交差する部分にネジリの応力が集中してくる。そのため、その応力を分散するため、波１０３がＸ状に交差する波の交差部１１３をいくつか設定し、応力を分散させる。このことで、ネジリ角度が大きくても、シワやクラックを緩和することが出来る。この図１６での実施例は、交差部１１３を２箇所設定しているが、ネジリ条件に合わせて、さらに増やすことも可能である。

なお、記載しない事項は上記実施の形態と同様である。
（実施の形態５）
プラス方向とマイナス方向のネジリ角度がさらに大きくなると、交差部（図１５）の中央部付近の応力集中度合いも、さらに大きくなる。この応力の集中を、実施の形態４のように、Ｘ状の交差部１１３（図１６）の数を増やして分散させる方法も有効であるが、応力の度合いを低減させる方法も有効である。

図１７Ａに、ネジリによる応力集中度合いを低減できる波を示す。波が中央部でＸ状に交差する部分に、円形状の第３波部１１８を設定して、Ｘ状の真っ直ぐな波とつなげるパターンである。中央部の応力が集中する部分に円形状の波が存在しているので、集中する応力が、円の全周にわたって作用するので、部分的な応力集中を低減することが出来る。そのため、ネジリ角度が大きくなっても、シワやクラックを抑制することが出来る。

また、図１７Ｂに示すように、Ｘ状に交差する部分を数箇所設定し、かつ、それぞれのＸ状に交差する部分に円形状の第３波部１１８を設定することにより、さらに、有効な結果が得られる。

実施の形態１から実施の形態５に行くに従って、ネジリの条件（プラス方向やマイナス方向、ネジリ角度）が厳しくなっても、シワ無しネジリに対応することが出来る波になるが、その波も複雑になってくる。そのため、ネジリの条件に合わせて、最適な波を設定する必要がある。

なお、記載しない事項は実施の形態１と同様である。
（実施の形態６）
前述した実施の形態においては、シワ無しネジリに対して非常に有効である。更なる形態として、ネジリに対しても、かつ湾曲に対してもシワ無し状態を要望されることが予測される。ネジリにおいても湾曲においても、シワ無し状態を保持するためには、ラミネートフィルム外装体１０１が、あらゆる方向へ伸び縮みする必要性があるが、ネジリの場合と湾曲の場合では、伸び縮みが要求される方向が違う。１つの波を考えたときに、その波が伸び縮みできる方向は１方向しか無いので、１つの波パターンでネジリと湾曲に対応することは不可能である。そこで、数種類の波パターンを混在させることで、ネジリと湾曲に対応させることを提案する。

図１８Ａ〜図１８Ｃに、シワ無しでネジリと湾曲に対応できるラミネートフィルム外装体１０１における波のパターン図を示す。ネジリに対応するため、ラミネートフィルム外装体の膨らみ部１０２の側面１１４に対して鋭角な稜線を持つ波１１９と、湾曲に対応するため、ラミネートフィルム外装体１０１の膨らみ部１０２の側面１１４に対して垂直な稜線を持つ第４波部１２０を混在させている。これらの２種類の稜線の角度を持つ波を混在させているので、ネジリと湾曲に対して、それぞれの波が対応して伸び縮みするので、シワ無しで、ネジリと湾曲を行うことができる。

図１８Ａ〜図１８Ｃにおいては、波１１９と第４波部１２０の２種類の角度を持つ波（波１１９に関しては、プラス角度とマイナス角度の２種類ある）を混在させている。しかし、ネジリの条件や湾曲の条件に合わせて、多数の角度を持つ波を設定しても良い。さらに、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃのように、ネジリや湾曲の条件に合わせて、波の混在パターンを適宜設定することでさらなる効果を得ることが出来る。

第４波部１２０を上記の実施の形態に加えて用いることもできる。

なお、記載しない事項は上記実施の形態と同様である。
＜全体を通して＞
これらの実施の形態においては、上側に配置されるラミネートフィルム外装体１０１に波を形成しているが、下側のラミネートフィルム外装体に、もしくは両側のラミネートフィルム外装体１０１に波を形成しても良い。

上記実施の形態は、組み合わせることができる。

本発明のフレキシブル電池は、外力が作用し変形してしまう、コンパクトな携帯電子機器、携帯電子端末などの動力源として使用される、薄型パウチ電池に適用可能である。

１０１ ラミネートフィルム外装体
１０２ 膨らみ部
１０３ 波
１０３ａ 第１波部
１０３ｂ 第２波部
１０４ 位置
１０５ 電極群
１０６ 軸
１０７ 力
１０８ シワ
１０９ 方向
１１０ 方向
１１１ シワ
１１３ 交差部
１１４ 側面
１１６ シワ
１１７ 部分
１１８ 第３波部
１１９ 波
１２０ 第４波部
２０１ ラミネートフィルム外装体
２０２ ラミネートフィルム外装体
２０３ 波
２０６ 方向
２０９ 膨らみ部
２１０ 軸
２１１ シワ

Claims (6)

1. 方形の電極群と、
   前記電極群の一面を覆う第１フィルムと、
   前記電極群の他面を覆う第２フィルムと、を含み、
   前記第１フィルムまたは前記第２フィルムの少なくとも１方に第１波部があり、
   前記第１波部の稜線と、前記方形の電極群の長辺とが成す角が鋭角であるフレキシブル電池。
2. 前記第１波部とともに第２波部があり、
   前記第２波部の稜線と前記長辺との成す角は、鈍角である請求項１記載のフレキシブル電池。
3. 前記第１波部の稜線と前記第２波部の稜線とが交わる交差部がある請求項１または２記載のフレキシブル電池。
4. 前記交差部が複数ある請求項３に記載のフレキシブル電池。
5. 前記交差部に、円形状の第３波部が形成されている請求項３または４に記載のフレキシブル電池。
6. さらに、稜線が、前記長辺に垂直方向である第４波部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のフレキシブル電池。
   

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