JP2019185974A

JP2019185974A - 蓄電素子

Info

Publication number: JP2019185974A
Application number: JP2018073740A
Authority: JP
Inventors: 泰夫赤井; Yasuo Akai
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-04-06
Also published as: JP7224770B2

Abstract

【課題】小型化が可能で、互いに接続することも容易なラミネート型の蓄電素子を提供する。【解決手段】外装体１２内に、平板状の正極集電体３の一主面に正極材料が配置されてなる正極４と平板状の負極集電体７の一主面に負極材料が配置されてなる負極８とがセパレーター６を介して積層されてなる電極体２が不定形状の電解質とともに収納されてなり、外装体は、二枚のラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）の外縁１４が溶着されてなるとともに、上面と下面の中央に開口部（１５ａ、１５ｂ）を有し、正極と負極は、セパレーターを介して正極材料と負極材料とが対面し、電極体は、最上層に正負一方の集電体が配置され、最下層に正負他方の集電体が配置され、最上層と最下層の集電体は、周縁がラミネートフィルムに溶着されているとともに、外装体の開口部から外方に露出している。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、ラミネート型の蓄電素子に関する。

近年、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、またはタグやトークン（ワンタイムパスワード生成機）などといった、電源を内蔵しながら極めて薄い電子機器（以下、機器とも言う）が普及しつつある。これらの機器の実現には、電源となる蓄電素子（一次電池、二次電池、電気二重層コンデンサーなど）の小型化や薄型化が欠かせない。小型化や薄型化に適した代表的な蓄電素子としては、以下の特許文献１に記載されているラミネート型蓄電素子がある。

図１Ａに一般的なラミネート型蓄電素子（以下、蓄電素子とも言う）の外観を示した。また、図１Ｂに図１Ａに示した蓄電素子の分解斜視図を示した。図１Ａに示すように、蓄電素子１０１は、平板状の外観形状を有し、ラミネートフィルムからなる扁平な矩形袋状の外装体１１２内に発電要素が密封されている。また、矩形の外装体１１２の一辺から正極端子板１０４および負極端子板１０８（以下、総称して電極端子板とも言う）が外方に導出されている。

次に、蓄電素子１０１の構成を、図１Ｂを参照しつつ説明する。なお図１Ｂ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易いようにしている。図１Ｂに示すように、外装体１１２は、互いに対面する二枚のラミネートフィルム（１１３ａ、１１３ｂ）の外縁領域１４が互いに溶着されてなり、外装体１１２の内部には、電極体２が、図示しない電解液とともに封入されている。ラミネートフィルム（１１３ａ、１１３ｂ）は、アルミ箔やステンレス箔などの金属箔を基材とし、その基材の一主面に、ポリプロピレンなどからなる熱溶融性を有する樹脂からなる接着層が積層されたものである。外装体１１２は、二枚のラミネートフィルム（１１３ａ、１１３ｂ）が、互いの接着層同士が対面するように重ね合わせられたのち、外縁領域同士１４が溶着されることによって袋状に加工されたものである。

ここで、二枚のラミネートフィルム（１１３ａ、１１３ｂ）が対面する方向を上下方向とすると、電極体２は、シート状の正極４と、シート状の負極８とが、セパレーター６を介して上下方向に積層された状態で圧着されたものである。正極４は、金属板や金属箔からなる正極集電体１０３の一主面に、正極活物質を含む正極材料５が配置されてなる。負極８は、金属板や金属箔などからなる負極集電体７の一主面に、負極活物質を含む負極材料９が配置されてなる。そして、正極４と負極８とは、正極材料５と負極材料９とがセパレーター６を介して対面するように積層されている。正極集電体３、および負極集電体７には、それぞれ、帯状の正極端子板１０４、および帯状の負極端子板１０８のぞれぞれの一端が取り付けられている。そして、この正極端子板１０４と負極端子板１０８の他端側が外装体１１２の一辺から外方に導出されている。

なお、蓄電素子１０１がリチウム一次電池であれば、正極４は、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５が正極集電体１０３の表面に塗工されたものであり、負極８は、負極集電体７に箔状あるいは平板状のリチウム金属やリチウム合金を圧着させたものである。そして、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二酸化マンガンリチウム一次電池の特徴や放電性能などが記載されている。

特開２０１８−０１０７５１号公報

ＦＤＫ株式会社、"薄型二酸化マンガンリチウム一次電池"、[online]、[平成３０年３月１４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_thin.html＞

上記の一般的なラミネート型の蓄電素子は、電極端子板が外装体の外方に突出しているため、機器に組み込む際に、外装体に加え、電極端子板を収納するためのスペースが必要となる。

また、機器の動作電圧に応じ、複数の蓄電素子を直列に接続して電圧を高める必要がある場合には、複数の蓄電素子の電極端子板同士を、配線部材を用いて接続することなる。そのため、機器には、その配線部材を収納するためのスペースがさらに必要となる。電極端子板同士を配線部材で接続する煩雑な作業も必要となる。

そこで本発明は、小型化が可能で、互いに接続することも容易なラミネート型の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の一態様は、外装体内に電極体が不定形状の電解質とともに収納されてなる蓄電素子であって、電極体は、シート状の正極と負極とがセパレーターを介して上下方向に積層されてなり、外装体は、二枚のラミネートフィルムが上下方向に積層された状態で外縁が溶着されてなるとともに、上面と下面の中央に開口部を有し、正極は、平板状の正極集電体の一主面に正極活物質を含む正極材料が配置されてなり、負極は、平板状の負極集電体の一主面に負極活物質を含む負極材料が配置されてなり、正極と負極は、セパレーターを介して、正極材料と負極材料とが対面し、電極体は、最上層に正負一方の集電体が配置され、最下層に正負他方の集電体が配置され、最上層と最下層の集電体は、周縁がラミネートフィルムに溶着されているとともに、外装体の開口部から外方に露出している、ことを特徴とする蓄電素子としている。

正極集電体と負極集電体の一方が、外装体の表面に対して外方に突出している蓄電素子としてもよい。電極体が、一つの正極と一つの負極とがセパレーターを介して積層されてなる蓄電素子とすることもできる。

本発明によれば、小型化が可能で、互いに接続することも容易なラミネート型の蓄電素子が提供される。

一般的なラミネート型蓄電素子の外観を示す図である。一般的なラミネート型蓄電素子の分解斜視図である。本発明の実施例に係る蓄電素子を上方から見たときの外観図である。上記実施例に係る蓄電素子を下方から見たときの外観図である。上記実施例に係る蓄電素子の構造を示す図である。二つの上記実施例に係る蓄電素子が直列接続された状態を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。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＝＝＝
＜蓄電素子の構成＞
図２Ａ、および図２Ｂに、本発明の実施例に係る蓄電素子１の外観を示した。また、図３に本実施例に係る蓄電素子１の構造を示した。ここで、図１Ａ、図１Ｂと同様にして上下方向を規定することとすると、図２Ａは、蓄電素子１を上方から見たときの斜視図であり、図２Ｂは、蓄電素子１を下方から見たときの斜視図である。そして、図３は、蓄電素子１を、上下方向を含む面で切断したときの縦断面図である。

図２Ａ、および図２Ｂに示したように、蓄電素子１の外観は、矩形平板状であり、外装体１２の上面、および下面のそれぞれの中央には、矩形状の開口部（１５ａ、１５ｂ）が形成されている。本実施例では、外装体１２および開口部（１５ａ、１５ｂ）の平面形状は、正方形状となっている。そして、外装体１２の上面の開口部１５ａから正極集電体３の一部が露出し、外装体１２の下面の開口部１５ｂから負極集電体７の一部が露出している。それによって、正極集電体３の上面と負極集電体７の下面のうち、開口部（１５ａ、１５ｂ）から露出している領域が、それぞれ、正極端子２４および負極端子２８となる。なお、本実施例では、正極端子２４は、外装体１２の表面よりも上方に突出するように開口部１５ａから露出している。図１Ａ、図１Ｂに示した一般的な蓄電素子１０１では、矩形平面形状を有する外装体１１２の一辺から電極端子板（１０４、１０８）が突出していたが、本実施例に係る蓄電素子１では、矩形平面形状を有する外装体１２の一辺から電極端子板が突出していない。

図３に示したように、蓄電素子１の外装体１２内には、一般的な蓄電素子１０１と同様に、正極４と負極８とがセパレーター６を介して積層、圧着されてなる電極体２が収納されている。本実施例では、電極体２において、正極集電体３は、電極体２の最上層に配置され、負極集電体７は電極体２の最下層に配置されている。そして、外装体１２は、互いに対面する二枚のラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）の外縁領域１４が溶着されてなる。また、正極集電体３の上面と、負極集電体７の下面のそれぞれにおいて、開口部（１５ａ、１５ｂ）から露出していない周縁部分１６がラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）に溶着されている。それによって、外装体１２が密封され、電解液が外部へ漏出しないようになっている。

このように本実施例に係る蓄電素子１では、外装体１２の上面と下面とに平板状の電極端子（２４、２８）が配置される。すなわち、蓄電素子１は、図１Ａ、図１Ｂに示した従来のラミネート型蓄電素子１０１に対し、上方から見たときの面積を、ラミネート型蓄電素子１０１における電極端子板（１０４、１０８）の面積分だけ減少させることができる。そのため、蓄電素子１は、自身を電源とする機器をより小型にすることができる。あるいは、機器は、従来の蓄電素子１０１よりもサイズが大きく大容量の蓄電素子１を内蔵させることができ、動作時間が延長される。なお、蓄電素子１を電源として用いる機器には、蓄電素子１の上端面に配置された正極端子２４と、蓄電素子１の下端面に配置された負極端子２８のそれぞれに接触する端子を設けておけばよい。また、蓄電素子１は、従来の蓄電素子１０１の電極端子板（１０４、１０８）に対し、電極端子（２４、２８）の表面積を大きくすることができる。そのため、蓄電素子１の電極端子（２４、２８）と機器側の端子との接触抵抗が低減し、蓄電素子１は、機器の動作時間をさらに延長させることも可能となる。

さらに、本実施例に係る蓄電素子１の正極端子２４は、外装体１２の表面よりも外方に突出し、負極端子２８は、外装体１２の表面に対し、ラミネートフィルム１３ｂの厚さ分だけ凹んでいる。そのため、機器や蓄電素子１の使用者は、蓄電素子１の正極端子２４と負極端子２８との判別が容易になり、機器に対して極性を間違えて接続する可能性が少なくなる。

＜外装体の封止手順＞
次に、図２Ａ、図２Ｂ、および図３Ａを参照しつつ、外装体１２の封止手順の一例を挙げる。まず、中央に矩形状の開口部（１５ａ、１５ｂ）が設けられた二枚の矩形状のラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）を用意する。そして、二枚のラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）を、互いの接着層同士が対面するように積層する。次に、二枚のラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）を、三辺に沿って溶着し、ラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）を袋状にする。この袋状のラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）内に電極体２を収納し、正極集電体３、および負極集電体７の中央部分を開口部（１５ａ、１５ｂ）から露出させる。また、正極集電体３、および負極集電体７のそれぞれの周縁部分１６と、ラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）において、この周縁部分１６に対面する領域とを熱溶着する。

そして、外装体１２内に、ラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）の外縁領域１４において、溶着されていない一辺側から電解液を注入する。最後に、ラミネートフィルム（１３ａ、１３ｂ）の外縁領域１４において溶着されていない一辺を熱溶着して外装体１２を封止する。それによって、電極体２と電解液とが外装体１２内に密封されつつ、開口部（１５ａ、１５ｂ）から、正極集電体３、および負極集電体７が、それぞれ正極端子２４、および負極端子２８として露出する。

＜蓄電素子同士の直列接続＞
次に、複数の蓄電素子１を直列接続する方法について説明する。図４に、直列に接続された状態にある二つの蓄電素子（１ａ、１ｂ）の縦断面図を示した。図４に示したように、二つの蓄電素子（１ａ、１ｂ）を直列接続させるためには、同じ極性の端子（２４、２８）が上下同方向に向くように二つの蓄電素子（１ａ、１ｂ）を上下に積層すればよい。図４に示した例では、下方の蓄電素子１ｂの正極端子２４の上端面が上方の蓄電素子１ａの負極端子２８の下端面に接触している。なお、外装体１２に形成されている負極端子２８側の開口部１５ｂを、正極端子２４の上端面の平面形状を包含する形状に形成しておけば、下方の蓄電素子１ｂの正極端子２４が上方の蓄電素子１の負極端子２８に確実に面接触する。

このように、実施例に係る蓄電素子１の電極体２は、任意の個数で直列接続されることで、様々な電圧に対し、柔軟に対応することができる。そして、実施例に係る蓄電素子１では、複数個を直列接続する際に、配線部材が不要となる。そのため、直列接続された状態の複数個の蓄電素子１を用いる機器の内部に、配線部材を収納するための空間を設ける必要がない。また、配線部材を接続するための繁雑な作業も不要となる。したがって、蓄電素子１は、機器の製造コストを低減させることもできる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例に係る蓄電素子１が備える電極体２は、一つの正極４と一つの負極８とがセパレーター６を介して積層されてなる構成を一つだけ備えた「一層型」であった。一層型の電極体２を備えた蓄電素子１は、厚さが０．５ｍｍ程度で極めて薄く、複数個が積層された状態でも十分に薄い。また、複数の蓄電素子１を積層して直列接続させる場合、一つの蓄電素子１の出力電圧が最小単位であることから、より多様な電圧に対応することができる。

もちろん、電極体２は、一つの正極４と一つの負極８とをセパレーター６を介して対面させた構成を一組の素電池として、複数組の素電池が直列接続されるように、複数組の素電池が上下方向に素電池が積層されたものであってもよい。そして、その直列接続された複数組の素電池からなる電極体が、一つの外装体内に収納されているとともに、最上層の素電池における上側の集電体と、最下層の素電池における下側の集電体が、それぞれ異なる極の電極端子として、外装体１２の開口から露出していればよい。

上記実施例に係る蓄電素子１は、正極端子２４が外装体１２の表面に対して外方に突出していたが、負極集電体７の一部を開口部１５ｂから突出させてもよい。また、正極集電体３と負極集電体７の双方を開口部（１５ａ、１５ｂ）から突出させてもよい。あるいは、正負両極の集電体（３、７）が外装体１２の表面に対して凹んでいてもよい。なお、双方の集電体（３、７）が外装体１２の表面に対して凹んでいる蓄電素子を直列接続する場合には、一方の蓄電素子の正極端子と他方の蓄電素子の負極端子との間に平板状の導電体を介在させ、その導電体の厚さを二枚分のラミネートフィルムの厚さより厚くすればよい。

外装体１２の開口部（１５ａ、１５ｂ）の開口形状は、矩形に限らず、円形や三角形等、任意の形状とすることができる。

上記実施例に係る蓄電素子１では、外装体１２内に液体である電解液が電解質として封入されていたが、例えば、ポリマーに電解液を含浸させてなるポリマー電解質やゲル状の電解質など、不定形状の電解質が外装体１２内に封入されていればよい。

１，１０１蓄電素子、２電極体、３，１０３正極集電体、４正極、５正極材料、６セパレーター、７負極集電体、８負極、９負極材料、１１露出部、１２，１１２外装体、１３ａ，１３ｂ，１１３ａ，１１３ｂラミネートフィルム、１４外縁領域、１５ａ，１５ｂ開口部、２４正極端子、２８負極端子、１０４正極端子板、１０８負極端子板

Claims

外装体内に電極体が不定形状の電解質とともに収納されてなる蓄電素子であって、
前記電極体は、シート状の正極と負極とがセパレーターを介して上下方向に積層されてなり、
前記外装体は、二枚のラミネートフィルムが上下方向に積層された状態で外縁が溶着されてなるとともに、上面と下面の中央に開口部を有し、
前記正極は、平板状の正極集電体の一主面に正極活物質を含む正極材料が配置されてなり、
前記負極は、平板状の負極集電体の一主面に負極活物質を含む負極材料が配置されてなり、
前記正極と前記負極は、前記セパレーターを介して、前記正極材料と前記負極材料とが対面し、
前記電極体は、最上層に正負一方の集電体が配置され、最下層に正負他方の集電体が配置され、
最上層と最下層の集電体は、周縁が前記ラミネートフィルムに溶着されているとともに、前記外装体の前記開口部から外方に露出している、
ことを特徴とする蓄電素子。
請求項１に記載の蓄電素子であって、前記正極集電体と前記負極集電体の一方が、前記外装体の表面に対して外方に突出していることを特徴とする蓄電素子。
請求項１または請求項２に記載の蓄電素子であって、前記電極体は、一つの正極と一つの負極とが前記セパレーターを介して積層されてなることを特徴とする蓄電素子。