JP2018056030A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの衝撃を受けた場合の電極体の損傷が抑制されたパウチ型非水電解質二次電池を提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る非水電解質二次電池は、扁平状の電極体と、非水電解質と、ラミネートシートからなるパウチ外装体を含む。電極体が同一方向に導出された正極リード及び負極リードを有する。パウチ外装体が電極体及び非水電解質を収容するカップ状の凹部を有し、凹部が主面とその外周を囲む４つの側面を有する。正極リード及び負極リードの導出方向とは反対側の側面をパウチ外装体の底面としたとき、その底面に膨出部が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ラミネートシートからなるパウチ外装体を用いた非水電解質二次電池に関する。

リチウムイオン電池に代表される非水電解質二次電池は高エネルギー密度を有するため、スマートフォンやタブレット型コンピュータなどの携帯型電子機器の駆動電源として広く用いられている。非水電解質二次電池の用途は蓄電システムや電気自動車といった大型機器の駆動電源に拡大している。

非水電解質二次電池の外装体として、鉄やアルミニウムなどの金属製の外装缶や、金属箔と樹脂膜とを積層したラミネートシートからなるパウチ外装体が用いられている。これらの中で、パウチ外装体は非水電解質二次電池の軽量化及び薄型化に寄与することができる。そのため、軽量化及び薄型化が求められる用途にパウチ外装体を用いた非水電解質二次電池の需要が大きい。

パウチ外装体の形成方法の一つに、電極体を包み込むように１枚のラミネートシートを折り曲げて、電極体の周囲で重ね合わせたラミネートシートを溶着する方法が挙げられる。この方法によれば、２枚のラミネートシートを重ね合わせる方法に比べて折り曲げ部におけるラミネートシートの溶着が不要であるため、非水電解質二次電池のダウンサイジングが可能となる。ラミネートシートからなるパウチ外装体を用いた非水電解質二次電池を開示する先行技術文献として特許文献１〜３が挙げられる。

図７（ａ）は特許文献１に開示されたパウチ外装体に用いられるラミネートシート７１の平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。ラミネートシート７１には電極体や電解液の収容部となる凹部７２が形成されている。電極体を凹部７２に収容した後、ラミネートシート７１を折り曲げ線Ｔに沿って二つ折りにする。そして、凹部７２の周辺部Ｐ１、Ｐ３において重ね合わせられたラミネートシート７１を熱溶着してパウチ外装体が形成される。次に、凹部７２の周辺部Ｐ２から電解液をパウチ外装体に注入し、周辺部Ｐ２において重ね合わせられたラミネートシートを熱溶着してパウチ外装体の内部が密封される。特許文献１が開示するように、パウチ外装体には予め電極体収容部としての凹部を形成したラミネートシートが用いられる場合が多い。

特開平１１−２２４６５２号公報 特開２０００−１７３６４１号公報 特開２００９−２６７６４号公報

パウチ外装体は金属製の外装缶に比べて機械的強度が低い。そのため、パウチ型非水電解質二次電池が落下などによる外部からの衝撃を受けることによって、パウチ外装体やその内部の電極体が損傷するおそれがある。そのため、パウチ型非水電解質二次電池には外部からの衝撃に対する耐性を向上することが求められる。

特許文献１〜３に開示されているように、１枚のラミネートシートを折り曲げてその周
辺部を溶着してパウチ外装体を形成した場合、電極体を収容する凹部の周囲をラミネートシートの溶着部が囲むことになる。特許文献３は、そのラミネートシートの溶着部をパウチ外装体の側面と角部を覆うように折り曲げることにより、パウチ外装体の角部が受ける外部からの衝撃が緩和されることを開示している。

しかし、１枚のラミネートシートを折り曲げてパウチ外装体を形成する場合、折り曲げ部にはラミネートシートの溶着部が形成されない。そのため、折り曲げ部に接するパウチ外装体の側面の機械的強度が溶着部で補強される他の側面に比べて不十分な場合がある。特許文献２は、パウチ外装体の底部と電極体との間に衝撃緩和作用を有する樹脂層を配置する手段を開示している。しかし、その手段を用いるとエネルギー密度の低下や電極体への非水電解質の含浸性の阻害が懸念される。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、外部からの衝撃耐性に優れたパウチ型非水電解質二次電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る非水電解質二次電池は、扁平状の電極体と、非水電解質と、ラミネートシートからなるパウチ外装体を含む。電極体は、同一方向に導出された正極リード及び負極リードを有する。パウチ外装体は、電極体及び非水電解質を収容するカップ状の凹部を有する。その凹部が主面とその周囲を囲む４つの側面を有している。正極リード及び負極リードの導出方向とは反対側の側面をパウチ外装体の底面としたとき、その底面に膨出部が形成されている。

本発明の一態様によれば、パウチ型非水電解質二次電池が落下などによる外部からの衝撃を受けた場合でも電極体の損傷が抑制される。

一実施形態に係る非水電解質二次電池の平面図 一実施形態に係る非水電解質二次電池の側面図 一実施形態に係るパウチ外装体に用いられるラミネートシートの斜視図 他の実施形態に係る非水電解質二次電池の側面図 他の実施形態に係る非水電解質二次電池の側面図 比較例に係る非水電解質二次電池の側面図 （ａ）特許文献１に開示されたパウチ外装体に用いられるラミネートシートの平面図、（ｂ）その平面図のＡ−Ａ線断面図

図１は本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池１０の平面図であり、図２はその非水電解質二次電池１０の側面図である。パウチ外装体１４には電極体１３と非水電解質が収容されている。電極体１３は、正極板と負極板をセパレータを介して積層し、又は扁平状に巻回して作製することができる。正極リード１１及び負極リード１２がそれぞれ正極板及び負極板に接合されている。正極リード１１及び負極リード１２が電極体１３から同一方向に導出するように正極板及び負極板が配置される。

図３に示すように、パウチ外装体１４には予め電極体収容部としての凹部１６が形成されたラミネートシート１５が用いられる。ラミネートシート１５は二つ折りにしてサイドシール部１９,２０で重ね合わせたラミネートシート１５を熱溶着することでパウチ状に形成することができる。電極体１３はサイドシール部１９,２０の熱溶着を行う前に凹部１６に収容される。トップシール部２１から非水電解質を注入した後にトップシール部２
１で重ね合わせたラミネートシート１５を熱溶着することでパウチ外装体１４の内部が密封される。

本実施形態では、凹部１６は平面形状が矩形状になるように形成されている。凹部１６は開口面に対向する主面とその周囲を囲む４つの側面を有している。隣り合う側面の間には断面形状が曲線状のコーナー部が配置されていてもよい。本開示では、正極リード１１及び負極リード１２の導出方向とは反対側の側面をパウチ外装体１４の底面１７と定義する。その底面１７に電池外方へ膨出する膨出部１８が形成されている。膨出部１８はプレス加工により凹部１６とともに形成することができる。

トップシール部２１においては、ラミネートシート１５の間に正極リード１１及び負極リード１２が介在する。トップシール部２１の気密性を高めるために正極リード１１及び負極リード１２の周囲にはそれぞれ樹脂テープ１１ａ,１２ａを被覆することが好ましい。樹脂テープ１１ａ,１２ａには変性ポリオレフィン、ポリエステル、又はポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。

ラミネートシート１５は金属層と樹脂層を積層して作製することができる。少なくとも、パウチ外装体１４の内面側に熱溶着するための樹脂層が配置されることが好ましい。金属層の両面に樹脂層を配置することもできる。金属層と樹脂層の間には接着剤層を配置してもよい。

ラミネートシート１５の金属層として、アルミニウム及びアルミニウム合金が例示される。ラミネートシート１５の樹脂層として、ポリプロピレン及びポリエチレンなどのポリオレフィン樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、及びポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂が例示される。接着剤層にはウレタン樹脂やポリオレフィン樹脂が例示される。なお、ポリオレフィン樹脂と金属層との接着性を向上させるために、接着剤層のポリオレフィン樹脂にはカルボキシル基を付与したカルボン酸変性ポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。

本実施形態では、図１及び図２に示すように、膨出部１８は凹部１６の外周に沿って直線状になるように底面１７に形成されている。膨出部１８を形成することにより底面１７の機械的強度を高めることができる。さらに、底面１７が外部から受けた衝撃を膨出部１８が緩和するため、その衝撃が電極体１３に伝わりにくくなる。このようにして、落下などによる外部からの衝撃を受けた場合の電極体１３の損傷が抑制される。

本実施形態のように、底面１７の上下に２本の直線状の膨出部１８を配置することは上記の効果が効果的に発揮されるため好ましい。しかし、膨出部１８の形状や数は特に限定されず、非水電解質二次電池１０の用途に応じて適宜決定することができる。例えば、複数の直線状の膨出部１８を底面１７に配置する場合は、それぞれの高さが異なるようにすることができる。また、パウチ外装体１４の底面１７の上下方向に沿って直線状の膨出部１８を配置してもよく、底面１７の外周の近傍を１本の膨出部１８で結ぶこともできる。他の実施形態として、図４に示す階段状の膨出部４８や図５に示す蛇腹状の膨出部５８が例示される。

膨出部１８の平面形状は本実施形態のような直線状に限られず、曲線状又は島状としてもよい。膨出部１８の断面形状は底面１７の機械的強度を確保するために円弧状とすることが好ましいが、これに限定されない。

パウチ外装体１４の底面１７から膨出部１８の頂点までの距離を膨出部１８の高さとした場合、膨出部１８の高さは１０００μｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下で
あることがより好ましい。

以下、実施例に基づいて本発明を実施するための形態をより詳細に説明する。ただし、以下に示す実施例は本発明の技術思想を具体化するための非水電解質二次電池の一例を示すものであって、本発明は以下の実施例に限定されない。

（正極板の作製）
正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、導電剤としてのカーボンブラック、及び結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を９５：２．５：２．５の質量比で混合した。その混合物を分散媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）中で混練して正極活物質スラリーを作製した。その正極活物質スラリーを厚さが１２μｍのアルミニウム製の正極集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、乾燥して正極活物質層を形成した。その正極活物質層をローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して正極板を作製した。

（負極板の作製）
負極活物質としての人造黒鉛、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、及び結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を９８：１：１の質量比で混合した。その混合物を分散媒としての水中で混練して負極活物質スラリーを作製した。その負極活物質スラリーを厚さが８μｍの銅製の負極種電体の両面にドクターブレード法で塗布し、乾燥して負極活物質層を形成した。その負極活物質層をローラーで圧縮し、圧縮後の極板を所定の寸法に切断して負極板を作製した。

（電極体の作製）
上記のようにして作製された正極板及び負極板にそれぞれ正極リード１１及び負極リード１２を接合した。正極リード１１及び負極リード１２の周囲はそれぞれ樹脂テープ１１ａ,１２ａで被覆した。そして、正極板と負極板をポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを介在して巻回し、その巻回終端部に巻き止めテープを貼り付けた。その電極群をプレスして扁平状に成形することで扁平状の電極体１３を作製した。

（非水電解質の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を４０：２０：４０の体積比（１気圧、２５℃）で混合して非水溶媒を調製した。その非水溶媒に、電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解して非水電解質を調製した。

（非水電解質二次電池の作製）
アルミニウムからなる金属層の一方の面にナイロンからなる樹脂層が積層され、その金属層の他方の面にポリプロピレンからなる樹脂層が積層されたラミネートシートを用いた。金属層と樹脂層の間にはドライラミネート用の接着剤からなる接着剤層を設けた。ラミネートシート１５には電極体１３の収容部としてのカップ状の凹部１６をプレス加工により形成した。そのプレス加工の際に、パウチ外装体１４の底面１７に凹部１６の外周に沿って２つの直線状の膨出部１８を形成した。

凹部１６に扁平状の電極体１３を収容し、ラミネートシート１５を二つ折りにしてサイドシール部１９,２０及びトップシール部２１においてラミネートシート１５を重ね合わせた。そして、サイドシール部１９，２０で重ね合わせたラミネートシート１５を互いに熱溶着して電極体１３を収容したパウチ外装体１４を形成した。次に、トップシール部２１で重ね合わせたラミネートシート１５の間から非水電解質を注入した。最後に、トップ
シール部２１で重ね合わせたラミネートシート１５を互いに熱溶着して実施例に係る非水電解質二次電池１０を作製した。サイドシール部１９，２０を凹部側に折り畳んだときの非水電解質二次電池１０の寸法は、厚み４８ｍｍ、幅５５ｍｍ、高さ６９ｍｍであった。

（比較例）
図６に示すように、パウチ外装体の底面に膨出部を設けなかったこと以外は実施例と同様にして比較例に係る非水電解質二次電池６０を作製した。

（落下試験）
実施例及び比較例の各電池について高さ１ｍから電池の底部を下向きにして落下させる落下試験を行った。落下試験の前後の電池電圧を測定し、電圧低下の有無を評価した。試験に用いた電池の数は実施例及び比較例ともに５セルとした。落下回数に対する電圧が低下した電池の数を表１にまとめて示す。

比較例においては、落下を繰り返すことにより電圧が低下した電池の数が増加する傾向がみられた。落下による衝撃がパウチ外装体の底面からその端面に対向する電極体の端面に伝わりやすいため、電極体の端面における極板の変形やセパレータのめくれが生じて電圧が低下していたことが推測される。

一方、実施例においては落下を繰り返しても電圧が低下した電池は発生しておらず、落下衝撃に対する耐性が大幅に向上している。パウチ外装体の底面に膨出部を形成することで底面の機械的強度が高められたこと、底面が受けた落下衝撃を膨出部が緩和してその衝撃が電極体に伝わりにくくなったことが、落下衝撃に対する耐性が大幅に向上した原因と考えられる。

実施例のように、ラミネートシートを二つ折りにしてパウチ外装体を形成した場合にはラミネートシートの折り曲げ部に連結する底面の機械的強度が他の側面に比べて弱くなる。そのため、本発明は実施例のような形状のパウチ外装体に特に効果的である。しかし、例えば２枚のラミネートシートを重ね合わせて形成したパウチ外装体を用いた非水電解質二次電池など、他の構造のパウチ外装体を有する非水電解質二次電池にも本発明を適用することで底面の落下衝撃に対する耐性を向上させることができる。

本発明は、ラミネートシートからなるパウチ外装体を有する非水電解質二次電池の信頼性を高めるのに有用な手段を提供することができる。そのため、本発明の産業上の利用可能性は大きい。

１０ 非水電解質二次電池
１１ 正極リード
１１ａ 樹脂テープ
１２ 負極リード
１２ａ 樹脂テープ
１３ 電極体
１４ パウチ外装体
１５ ラミネートシート
１６ 凹部
１７ 底面
１８ 膨出部
１９ サイドシール部
２０ サイドシール部
２１ トップシール部

Claims (4)

1. 扁平状の電極体と、非水電解質と、ラミネートシートからなるパウチ外装体と、を備え、
   前記電極体が同一方向に導出された正極リード及び負極リードを有し、
   前記パウチ外装体が前記電極体及び前記非水電解質を収容するカップ状の凹部を有し、
   前記凹部が主面及び前記主面の外周を囲む４つの側面を有し、
   前記正極リード及び前記負極リードの導出方向とは反対側の側面を前記パウチ外装体の底面としたとき、前記底面に膨出部が形成されている非水電解質二次電池。
2. 前記膨出部は前記主面の外周方向に沿って直線状に形成されている請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記膨出部の数は２以上である請求項２に記載の非水電解質二次電池。
4. 前記パウチ外装体は１枚のラミネートシートを折り曲げて形成されている請求項１から３のいずれかに記載の非水電解質二次電池。

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