JP2018029022A

JP2018029022A - 蓄電素子

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Publication number: JP2018029022A
Application number: JP2016160738A
Authority: JP
Inventors: 司眞野; Tsukasa Mano; 佑紀落合; Yuki Ochiai; 大輔平田; Daisuke Hirata; 直昭西村; Naoaki Nishimura
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2018-02-22

Abstract

【課題】形状の設計自由度が高く、小型で薄型の高い体積容量密度を備えた蓄電素子を提供する。【解決手段】ポリイミドフィルムを基体（２１１ａ、２１１ｂ）とした２枚のフレキシブルプリント配線板（１１１ａ、１１１ｂ）から構成された外装体１１１内にシート状の電極体１０が電解液とともに収納された蓄電素子１であって、基体は、電極体を包含する平面領域（１１２ａ、１１２ｂ）から帯状に突出する凸片（１１３ａ、１１３ｂ）が一体的に形成された平面形状を有し、外装体の内面となる面に導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）が形成され、導電体層は、電極体の正極２０および負極３０の平面領域を包含する集電部（１２１、１３１）と当該集電部から基体の前記凸片に沿って帯状に延長するリード部（１２３、１３３）とから構成され、外装体は、集電部を囲繞する周縁領域１２が溶着された枠状のシールフィルム１５０によって封止されている。【選択図】図２

Description

本発明は蓄電素子に関する。具体的には、蓄電素子の小型薄型化技術に関する。

近年、電子ペーパ、ＩＣタグ、ＩＣカード、電子キーなど、極めて薄くて小さな電子機器が実用化されてきている。そしてこれらの電子機器の電源には、薄型小型化に適したラミネート型蓄電素子（一次電池、二次電池、電気二重層コンデンサーなど）や周知のコイン形の電池が用いられる。図１にラミネート型蓄電素子１の概略構造を示した。ここではリチウム一次電池として動作するラミネート型蓄電素子１の構造を示した。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の内部構造を示す分解斜視図である。なお図１（Ｂ）では一部の部材にハッチングを施し、他の部材と区別しやすいようにしている。図１（Ａ）に示したようにラミネート型蓄電素子１は、平板状の外観形状を有し、この例では、矩形平面形状を有する外装体１１の一辺１３から外側に向かって正極端子板２３および負極端子板３３が導出されている。

外装体１１内には、図１（Ｂ）に示したようにシート状の正極２０とシート状の負極３０がセパレーター４０を介して積層された状態で圧着されてなる電極体１０が電解液とともに封入されている。正極２０は金属箔などからなる正極集電体２１の一主面に二酸化マンガンなどの正極活物質を含んだスラリー状の正極材料２２を塗布して乾燥させたものであり、正極材料２２は正極集電体２１のセパレーター４０と対面する側の面に塗布されている。負極３０は、金属箔などからなる負極集電体３１のセパレーター４０側の面に平板状の金属リチウムやリチウム合金からなる負極リチウム３２を圧着させた構造を有している。

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）の周縁領域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、基材となる金属箔（アルミ箔など）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、外装体１１の外面となるおもて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、外装体１１の内面となる裏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。

なお外装体１１内に電極体１０を収納する手順としては、例えば、対面させた二枚のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の内側に電極体１０を配置し、その矩形のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の周縁領域１２の３辺を溶着して残りの１辺側を開口させる。それによって袋状の外装体１１が形成される。またこのとき正負両極（２０、３０）の端子板（２３、３３）を外装体１１の一辺１３から外方に突出させる。次いで、上記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、周縁領域１２において開口している一辺を溶着し、図１（Ａ）に示したラミネート型蓄電素子１を完成させる。

なお外装体１１において電極端子板（２３、３３）が導出されている縁辺１３ではラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の接着層同士を溶着させただけでは電極端子板（２３、３３）とラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）との接着強度を十分に確保できない場合があることから、一般的なラミネート型蓄電素子１では、外装体１１において電極端子（２３、３３）が導出される縁辺１３を確実に封止するための構造を備えている。例示する蓄電素子１では、図１（Ｂ）に示したように、周知のタブリード５０を用いることで電極端子（２３、３３）が導出される縁辺１３を確実に封止している。タブリード５０は、以下の特許文献１にも記載されているように、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端子リード５１の延長途上に、絶縁樹脂製のシール材（以下、タブフィルム５２）が当該端子リード５１を狭持するように接着された構造を有している。なお端子リード５１の一方の端部５３は外装体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の一部に超音波溶着などの方法によって接続されている。

タブフィルム５２はポリイミドなどからなる絶縁性のベースフィルムの表裏両面にポリプロピレンなどの樹脂フィルムを接着層として積層させた構造を有している。そして互いに対面し合うラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の周縁領域１２を熱圧着して扁平袋状の外装体１１に成形する際、外装体１１の周縁領域１２において、電極端子板（２３、３３）が突出する側の縁辺１３ではタブリード５０のタブフィルム５２をラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）とともに熱溶着する。それによってタブフィルム５２がラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の接着層に溶着され、端子リード５１の導出部分が強固に封止される。

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２にも記載されている。また以下の非特許文献１には実際に製品として提供されているラミネート型蓄電素子である薄型リチウム一次電池の外形サイズや放電容量などが記載されている。以下の非特許文献２には製品として提供されているコイン形リチウム一次電池の外形や放電容量などが記載されている。

特開２０１４−８６１３９号公報特開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７月２５日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_thin.html＞ＦＤＫ株式会社、"コイン形リチウム一次電池"、[online]、[平成２８年７月２５日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_coin.html＞

電子機器の小型化、薄型化への要求は極めて高く、それに伴って蓄電素子にもさらなる小型化と薄型化が要求されている。もちろん小型薄型化とともに、放電容量を確保することも必要である。すなわち高い体積容量密度が求められている。上述したように薄型化、小型化に適した蓄電素子としては、ラミネート型蓄電素子とコイン形電池がよく知られている。しかしながら、ラミネート型蓄電素子では、ラミネートフィルムの周囲を熱溶着することで外装体を形成している。そして金属箔に樹脂層を積層したラミネートフィルムでは、ピンホールなどの発生によって金属箔が腐食し易く、外部から水分が侵入する可能性があることから、周縁領域の幅を広くする必要があった。上記非特許文献１に記載されているラミネート型蓄電素子では、２〜１０ｍｍ程度の幅が必要である。そのため、ラミネート型蓄電素子は薄型化には適しているものの、面積を小さくすることができず、小型化が難しい。また柔らかいラミネートフィルムは変形しやすく、外装体内における発電反応によってガスなどが発生すると、外装体が膨らみ、周縁領域にはシールを上下方向に剥がそうとする応力が発生する。したがって、周縁領域の幅は、封止強度という観点からも現状よりも狭くすることが難しい。

一方コイン形電池は、外装体に一方の電極集電体を兼ねる扁平な有底円筒状の金属製電池缶を用い、その円筒の開口端部に他方の電極端子となる金属製円板からなる端子板を樹脂製の絶縁ガスケットを介して嵌着することで電池缶内を密閉している。そのため、封止に要する周縁領域が不要で平面形状における面積を小さくすることができる。すなわち小型化に適している。しかし厚い金属板から形成された電池缶と端子板を用いているため薄型化が難しい。とくにＩＣカードは規格によって厚さが０．７６ｍｍに規定されており、コイン形電池をＩＣカード型の電子機器に組み込むことは不可能である。またコイン形電池は、規格によってサイズが規定されており、規格外のサイズのコイン形電池を作製しようとすれば、規格外のサイズの電池缶を作製することになり、金型などの専用の製造設備が必要となり、コストアップは免れない。

そこで本発明は、形状の設計自由度が高く、小型で薄型の高い体積容量密度を備えた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、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上下方向に積層されてなる電極体が電解液とともに収納されてなる蓄電素子であって、
前記外装体は、ポリイミドフィルムを基体とした２枚のフレキシブルプリント配線板から構成され、
前記基体は、前記電極体を包含する平面領域から帯状に突出する凸片が一体的に形成された平面形状を有し、前記外装体の内面となる面に導電体層が形成され、
前記導電体層は、前記正極および負極の平面領域を包含する集電部と当該集電部から前記基体の前記凸片に沿って帯状に延長するリード部とから構成され、
前記外装体は、前記集電部を囲繞する周縁領域が溶着された枠状のシールフィルムによって封止されている、
ことを特徴とする蓄電素子としている。

また上記蓄電素子は、金属リチウムあるいはリチウム合金からなる負極を備えたリチウム一次電池であってもよい。シート状の正極と負極を一つずつ備えた１層分の電極体を備えた蓄電素子とすればより好ましい。

本発明によれば、形状の設計自由度が高く、小型かつ薄型であり、高い体積容量密度を備える蓄電素子が提供される。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構造を示す図である。本発明の実施例に係る蓄電素子の構造を示す図である。上記実施例に係る蓄電素子の体積容量密度を示す図である。

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＝＝＝
本発明の実施例に係る蓄電素子としてリチウム一次電池を挙げる。図２に本発明の実施例に係る蓄電素子１０１を示した。図２（Ａ）は当該蓄電素子１０１の外観を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は蓄電素子１０１の内部構造を示す分解斜視図である。また図２（Ｃ）は蓄電素子１０１の内部構造を示す断面図であり、図２（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面に対応している。図２（Ａ）に示したように、例示した蓄電素子１０１は、外装体１１１の形状が円板状で、その円板状の平面領域１１２から放射外方向に帯状に二つの凸片（１１３ａ、１１３ｂ）が突出している。そして円板状の平面領域１１２の外縁を周回する所定幅ｗの領域が外装体１１１を封止するための周縁領域１２となっている。

図２（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、蓄電素子１０１は、先に図１に示したラミネート型の蓄電素子１と同様にシート状の正極２０と負極３０をセパレーター４０を介して対向配置させてなる電極体１０を備えている。しかし本実施例の蓄電素子１０１では、外装体１１１の構造がラミネート型蓄電素子とは大きく異なり、フレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuits：以下、ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）とも言う）の周縁領域１２同士を溶着させた構造を有している。ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）は、絶縁性フィルムからなる基体（２１１ａ、２１１ｂ）の表面に銅箔などを貼り合わせてなる導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）が形成されたものである。そして導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）によって電気回路が形成されている。本実施例では、ポリイミドフィルムを基体（２１１ａ、２１１ｂ）とし、外装体１１１の内側となる面（以下、裏面とも言う）に導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）が貼り合わされている。基体（２１１ａ、２１１ｂ）は円板領域（１１２ａ、１１２ｂ）の一部に帯状の凸片（１１３ａ、１１３ｂ）が一体的に形成された平面形状を有し、導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）は基体（２１１ａ、２１１ｂ）における円板領域（１１２ａ，１１２ｂ）の内側に同心円状に形成された円形領域（１２１、１３１）とその円形領域（１２１、１３１）から帯状に放射外方向に延長する凸部（以下、リード部（１２３、１３３）とも言う）が接続された平面形状を有している。そして導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）における円形領域（１２１、１３１）が集電体として機能する領域（以下、集電部（１２１、１３１）とも言う）であり、リード部（１２３、１３３）の先端側で、基体（２１１ａ、２１１ｂ）の円板領域（１１２ａ、１１２ｂ）よりも外方に突出する部分が電極端子板に相当する。

またＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）において、集電部（１２１、１３１）を囲繞する円環状の領域が周縁領域１２であり、この周縁領域１２に円環状のシールフィルム１５０が溶着されることで外装体１１１が封止される。シールフィルム１５０は上述したタブフィルムと同様の構造を有し、例えば、ポリイミドからなるベースフィルムの表裏両面にポリプロピレンなどの熱溶着性を有する樹脂層が接着層として形成されたものである。そして円環状のシールフィルム１５０の内方に電極体１０が配置されている。

このように本実施例にかかる蓄電素子１０１は、ポリイミドフィルムを基体（２１１ａ、２１１ｂ）としたＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）からなる外装体１１１を備えており、周縁領域１２がシールフィルム１５０によって封止されている。シールフィルム１５０は、リードタブにおけるタブフィルムと同様に極めて強固に外装体１１を封止することができる。そのため周縁領域１２の幅を狭くしても十分な封止強度が得られ、蓄電素子１０１を小型にすることができる。しかもＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）からなる外装体１１１では、正極と負極の集電体として機能する集電部（１２１、１３１）と電極端子板として機能するリード部（１２３、１３３）が一体となった導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）を基体（２１１ａ、２１１ｂ）に貼り合わせた構造になっている。すなわち外装体１１１が集電体と電極端子板を兼ねている。そのため集電体となる別体の部材が不要になり、ラミネート型蓄電素子よりも薄くすることができる。

またリード部（１２３、１３３）は薄い導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）からなり、外装体外に導出される部分でも段差がほとんどない。すなわちラミネート型蓄電素子のように、厚さのあるタブリードを２枚のラミネートフィルムで挟持した状態で熱圧着する必要がない。そのため、周縁領域１２において、リード部（１２３、１３３）を跨ぐ部分の封止強度が低下することがない。もちろん電極端子板となるタブリードなどを取り付けるための工程が不要となり製造コストを低減させることができ、蓄電素子１０１をより安価に提供することも可能となる。さらにポリイミドフィルムを基体（２１１ａ、２１１ｂ）としたＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）は、ラミネートフィルムよりも高剛性であり、形状を維持し易い。そのため発電反応に伴って外装体１１１の内圧が上昇した場合でも基体（２１１ａ、２１１ｂ）が変形し難く、周縁部１２の封止が剥がれる可能性が低い。さらに、ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）は、基体（２１１ａ、２１１ｂ）を容易に裁断することができ、自由な形状に加工することができる。また導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）の平面形状は印刷技術によって自由にかつ容易に変更することができる。そのため蓄電素子１０１が組み込まれる電子機器の形状に柔軟に対応することができる。形状変更に伴うコストアップもほとんどない。

なお図２（Ｂ）に基づいて本実施例の蓄電素子１０１の製造手順について説明すると、上述した集電部（１２１、１３１）とリード部（１２３、１３３）が形成されたＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を用意し、正極２０側の集電部１２１の表面にスラリー状の正極材料２２を塗布し、負極３０側の集電部１３１の表面に円板状の金属リチウムあるいはリチウム合金からなる負極リチウム３２を配置する。そして円形のセパレーター４０を介して正極材料２２と負極リチウム３２を対面させつつ、これら正極材料２２、セパレーター４０、および負極リチウム３２を円環状のシールフィルム１５０の内方に配置する。また電解液をシールフィルム１５０の内方に充填させつつ、２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を対面させる。本実施例では、２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を対面させる際にリード部同士（１２３−１３３）が対面方向で重ならないように、基体（２１１ａ、２１１ｂ）の凸片（１１３ａ、１１３ｂ）を異なる方向に突出させる。そしてＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の周縁領域１２を熱圧着してシールフィルム１５０の接着層を２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の裏面に溶着させる。それによって図２（Ａ）に示した蓄電素子１０１が完成する。なお外装体１１１を封止する手順としては、周縁領域１２の一部を開放させた状態で２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を溶着して袋状の外装体１１１をまず作製し、その開放部分から電解液を注入した後、開放部分を熱圧着して外装体１１１を封止してもよい。またシールフィルム１５０の外縁とＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）における円板領域（１１２ａ、１１２ｂ）の外縁とを精度良く位置合わせすることができるのであれば、正極２０と負極３０のリード部（１２３、１３３）は対面していてもよい。そして、蓄電素子１０１を電子機器に組み込む際には、凸片（１１３ａ、１１３ｂ）を互いに反対方向に折り曲げるなどして正極２０と負極３０のリード部同士（１２３−１３３）が短絡しないようにすればよい。

＝＝＝体積容量密度＝＝＝
本実施例に係る蓄電素子は、小型化と薄型化を高い次元で両立させることができる。そこで本実施例に係る蓄電素子を実際に作製し、体積容量密度を測定した。ここでは本実施例に係る蓄電素子として、周縁領域の幅を１ｍｍとしたリチウム一次電池を作成した。正極材料、負極リチウム、セパレーター、電解液は、上記非特許文献１に記載の薄型リチウム一次電池と同様である。図３に本実施例の蓄電素子の体積容量密度を示した。なお図３では、製品として提供されている非特許文献１に記載の４種類の薄型リチウム一次電池の体積容量密度も併せて示した。なお薄型リチウム一次電池は厚さが０．４５ｍｍ〜０．５５ｍｍであり、本実施例の蓄電素子では、その薄型リチウム一次電池よりも厚さを０．０８ｍｍ薄くすることができた。もちろん本実施例の蓄電素子では、周縁領域の幅が１ｍｍと狭いため、平面形状についても薄型リチウム一次電池よりも小さくすることができた。

図３に示したように、ラミネートフィルムの外装体を備えた薄型リチウム一次電池の体積は約３００ｍｍ^３〜５００ｍｍ^３であり、体積容量密度は、０．０５ｍＡｈ／ｍｍ^３から０．０７ｍＡｈ／ｍｍ^３であった。一方本実施例の蓄電素子では、体積が約２０ｍｍ^３で極めて小さく、体積容量密度は０．２０ｍＡｈ／ｍｍ^３よりも大きく、極めて高い体積容量密度を有していることが分かった。しかも本実施例の蓄電素子はリチウム一次電池であり、電圧が３Ｖである。すなわち他の種類の電池（アルカリ電池など）と比較して電圧が高く、体積エネルギー密度も大きなものとなっている。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
本発明に係る蓄電素子は、平板状の電極体をＦＰＣからなる外装体内に密封した構造であれば、リチウム一次電池に限らず、様々な種類の蓄電素子（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。もちろん外装体の外形を形成する基体、および集電体や電極端子となる導電体層の平面形状は自由に変更することができることから、電極体の平面形状や外装体の周縁領域の形状は円形に限らず、矩形などその他の形状にすることができる。

また上記実施例に係る蓄電素子は、外装体内にシート状の正極と負極が一つずつ収納された１層型の蓄電素子であったが、本発明は、セパレーターを介して対面する一組の正極と負極を１層分の電極体として、複数層分の電極体を備えた「多層型」の蓄電素子に適用することもできる。確かに従来の１層型の蓄電素子は、最も少ない層数の電極体のみを備えて薄型化を達成するための基本構造を有しており、実施例に係る蓄電素子では、１層型の蓄電素子の構造と、ＦＰＣからなる外装体との相乗効果によって薄型化の効果を絶大なものとすることができる。もちろん多層型の蓄電素子であっても、最外層の集電体が不要であり、周縁領域の幅も狭くすることができる。そしてＦＰＣを用いた外装体によって外装体内の圧力変動によって封止が剥がれることもない。したがって本発明の蓄電素子は、多層型であっても、多層型のラミネート型蓄電素子と比較すれば、確実に薄型化と小型化が達成でき、かつ高い封止強度を備えて高い信頼性を備えたものとなる。

１，１０１ラミネート型蓄電素子、１０電極体、１１、１１１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、
３２負極材料（負極リチウム）、３２負極端子板、４０セパレーター、
１１１ａ，１１１ｂＦＰＣ、１１２外装体の円板領域、
１１２ａ，１１２ｂ円板領域、１１３ａ，１１３ｂ凸片、１２１，１３１集電部、１２３，１３３リード部、１５０シールフィルム、
２１１ａ，２１１ｂＦＰＣの基体、３１１ａ，３１１ｂＦＰＣの導電体層

Claims

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上下方向に積層されてなる電極体が電解液とともに収納されてなる蓄電素子であって、
前記外装体は、ポリイミドフィルムを基体とした２枚のフレキシブルプリント配線板から構成され、
前記基体は、前記電極体を包含する平面領域から帯状に突出する凸片が一体的に形成された平面形状を有し、前記外装体の内面となる面に導電体層が形成され、
前記導電体層は、前記正極および負極の平面領域を包含する集電部と当該集電部から前記基体の前記凸片に沿って帯状に延長するリード部とから構成され、
前記外装体は、前記集電部を囲繞する周縁領域が溶着された枠状のシールフィルムによって封止されている、
ことを特徴とする蓄電素子。
請求項１において、金属リチウムあるいはリチウム合金からなる負極を備えたリチウム一次電池であることを特徴とする蓄電素子。
請求項１または２において、前記外装体内には、シート状の前記正極と前記負極が一つずつ収納されていることを特徴とする蓄電素子。