JP2021174629A - 非水電解質二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラミネートフィルムを外装体とする非水電解質二次電池において、樹脂にクラックが発生することによる長期信頼性の低下を防止する。【解決手段】ラミネートフィルム１０，２０からなる外装体２と、外装体２に収容された蓄電素子３及び非水電解質とを含む。ラミネートフィルム１０，２０の周縁部１２，２２は互いにシールされている。周縁部１２を構成するシール部１２Ｔ、１２Ｂ、１２Ｓ、１２Ｄには、金属層６の厚みが局所的に薄い薄肉部１３が設けられている。これにより、ヒートシール工程において蓄電素子３側に移動しようとする樹脂層７が薄肉部１３によって抑えられることから、蓄電素子３側における樹脂量を適正な量とすることができる。その結果、応力集中によるクラックが発生しにくくなることから、長期信頼性を高めることが可能となる。本発明は、安定したエネルギー供給という観点から持続可能な開発目標の達成に寄与する。【選択図】図４

Description

本発明は非水電解質二次電池及びその製造方法に関し、特に、ラミネートフィルムを外装体とする非水電解質二次電池及びその製造方法に関する。

特許文献１には、ラミネートフィルムを外装体とする二次電池が開示されている。特許文献１に記載された二次電池は、凸条を有するヒートシールバーを用いてラミネートフィルムをシールすることによって、ラミネートフィルムの周縁部に薄肉部を形成している。

特開２０１３−１５７２８６号公報

しかしながら、凸条を有するヒートシールバーを用いてラミネートフィルムをシールすると、ラミネートフィルムを構成する樹脂が薄肉部を中心として両側に押し流されるため、蓄電素子側における樹脂量が必要以上に多くなることがあった。蓄電素子側における樹脂量が必要以上に多くなると、この部分において応力が集中し、樹脂にクラックが発生しやすくなる。樹脂にクラックが発生すると、クラックを介して電解液がアルミと接触する可能性があるため、長期信頼性が低下するおそれがあった。

したがって、本発明は、ラミネートフィルムを外装体とする非水電解質二次電池及びその製造方法において、樹脂にクラックが発生することによる長期信頼性の低下を防止することを目的とする。

本発明による非水電解質二次電池は、金属層の両面が樹脂層で覆われた第１及び第２のラミネートフィルムからなる外装体と、外装体に収容された蓄電素子及び非水電解質とを含み、蓄電素子は一対の電極タブを有し、第１のラミネートフィルムは、蓄電素子を収容する収容部と、収容部の周縁に位置する第１の周縁部とを含み、第２のラミネートフィルムは、蓄電素子と重なる中央部と、中央部の周縁に位置する第２の周縁部とを含み、第１の周縁部に位置する樹脂層と第２の周縁部に位置する樹脂層は互いにシールされ、第１の周縁部は、一対の電極タブが外装体から突出するようシールされたトップシール部と、トップシール部の反対側に位置するボトムシール部と、トップシール部及びボトムシール部とは異なる方向に延在するサイドシール部と、サイドシール部の反対側に位置するデガスシール部とを含み、トップシール部、ボトムシール部、サイドシール部及びデガスシール部には、金属層の厚みが局所的に薄い薄肉部が収容部の周縁に沿って設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、蓄電素子側に移動しようとする樹脂層が薄肉部によって抑えられることから、蓄電素子側における樹脂量を適正な量とすることができる。これにより、応力集中によるクラックが発生しにくくなることから、長期信頼性を高めることが可能となる。

本発明において、薄肉部を中心として金属層の厚みの１０倍の範囲内における樹脂層の最小厚みに対する最大厚みの比は、１．７以下であっても構わない。このように、樹脂層の厚さが比較的平坦な領域に薄肉部を設けることにより、薄肉部の効果を高めることが可能となる。

本発明において、薄肉部における第１及び第２の周縁部の合計厚みに対する薄肉部における金属層の厚みの比は、０．１５以上、０．２３以下であっても構わない。上記比がこの範囲であれば、長期信頼性をより高めることが可能となる。

本発明による非水電解質二次電池の製造方法は、金属層の両面が樹脂層で覆われた第１のラミネートフィルムを深絞り加工することによって、収容部と、収容部の周縁に位置する第１の周縁部と、収容部と第１の周縁部の境界に位置し、金属層の厚みが局所的に薄い薄肉部とを形成する第１の工程と、一対の電極タブを有する蓄電素子を収容部に収容する第２の工程と、金属層の両面が樹脂層で覆われた第２のラミネートフィルムを用意し、第２のラミネートフィルムの中央部を蓄電素子と重ね、中央部の周縁に位置する第２の周縁部を第１の周縁部と重ねる第３の工程と、薄肉部と重なるよう第１及び第２の周縁部をヒートシールバーで挟むことによって、一対の電極タブが第１及び第２のラミネートフィルムからなる外装体から突出するようシールされたトップシール部と、トップシール部の反対側に位置するボトムシール部と、トップシール部及びボトムシール部とは異なる方向に延在するサイドシール部とを形成する第４の工程と、サイドシール部の反対側から非水電解質を注入した後、収容部を脱気しながら、薄肉部と重なるよう第１及び第２の周縁部をヒートシールバーで挟むことによって、サイドシール部の反対側に位置するデガスシール部を形成する第５の工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、あらかじめ形成された薄肉部と重なるよう、第１及び第２の周縁部をヒートシールバーで挟むことによってシールしていることから、蓄電素子側に移動しようとする樹脂層を薄肉部によって抑えることができる。

本発明において、第１の工程は、ポケットを有するダイに第１のラミネートフィルムを載置した状態で、ポケットにパンチを挿入することによって、ポケットと重なる位置に収容部を形成し、ポケットの深さに対するパンチとダイのクリアランスの比は、０．０７以上、０．１８以下であっても構わない。上記比がこの範囲であれば、長期信頼性をより高めることが可能となる。

本発明において、トップシール部、ボトムシール部、サイドシール部及びデガスシール部に含まれる樹脂層のうち、ヒートシールバーの接触端部と薄肉部の間に位置する第１の領域の断面積に対する、接触端部よりも内側に位置する第２の領域の断面積の比は、０．７以上、１．４以下であっても構わない。上記比がこの範囲であれば、長期信頼性をより高めることが可能となる。

本発明によれば、ラミネートフィルムを外装体とする非水電解質二次電池及びその製造方法において、樹脂にクラックが発生することによる長期信頼性の低下を防止することが可能となる。本発明は、安定したエネルギー供給という観点から持続可能な開発目標の達成に寄与する。

図１は、本発明の一実施形態による非水電解質二次電池１の外観を示す略斜視図である。 図２は、非水電解質二次電池１の略分解斜視図である。 図３は、ラミネートフィルム１０，２０の模式的な断面図である。 図４は、ラミネートフィルム１０，２０の周縁部１２，２２を拡大して示す模式的な断面図である。 図５は、ラミネートフィルム１０を深絞りする工程を説明するための模式図である。 図６は、ラミネートフィルム１０の収容部１１に蓄電素子３を収容した状態を示す模式図である。 図７は、サイドシール部１２Ｓ，２２Ｓのヒートシール工程を説明するための模式図である。 図８は、デガスシール部１２Ｄ，２２Ｄのヒートシール工程を説明するための模式図である。 図９は、実施例１〜２１及び比較例１〜１２における各種パラメータと剥離強度を示す表である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による非水電解質二次電池１の外観を示す略斜視図である。また、図２は、非水電解質二次電池１の略分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による非水電解質二次電池１は、ラミネートフィルム１０，２０からなる外装体２と、外装体２に収容された蓄電素子３とを備えている。蓄電素子３は一対の電極タブ４，５を有している。電極タブ４，５の一方は正極タブ、他方は負極タブである。図示しないが、外装体２には蓄電素子３とともに非水電解質も封入される。ラミネートフィルム１０，２０は、断面図である図３に示すように、金属層６の両面が樹脂層７，８で覆われた構造を有している。金属層６は例えばアルミニウムからなる。樹脂層７は外装体２の内側に位置する層であり、例えばポリプロピレンからなる。樹脂層８は外装体２の外側に位置する層であり、例えばナイロンからなる。

ラミネートフィルム１０は、蓄電素子３を収容する収容部１１と、収容部の周縁に位置する周縁部１２とを含む。ラミネートフィルム２０は、蓄電素子３と重なる中央部２１と、中央部の周縁に位置する周縁部２２とを含む。ラミネートフィルム１０の周縁部１２とラミネートフィルム２０の周縁部２２は、後述するヒートシール工程によってシールされている。シールされた部分においては、ラミネートフィルム１０に含まれる樹脂層７とラミネートフィルム２０に含まれる樹脂層８が一体化している。

ラミネートフィルム１０の周縁部１２は、電極タブ４，５が外装体２から突出するようシールされたトップシール部１２Ｔと、トップシール部１２Ｔの反対側に位置するボトムシール部１２Ｂと、トップシール部１２Ｔ及びボトムシール部１２Ｂと直交する方向に延在するサイドシール部１２Ｓと、サイドシール部１２Ｓの反対側に位置するデガスシール部１２Ｄとを有している。同様に、ラミネートフィルム２０の周縁部２２もトップシール部２２Ｔ、ボトムシール部２２Ｂ、サイドシール部２２Ｓ及びデガスシール部２２Ｄを有し、これらはそれぞれトップシール部１２Ｔ、ボトムシール部１２Ｂ、サイドシール部１２Ｓ及びデガスシール部１２Ｄにシールされている。

さらに、ラミネートフィルム１０の周縁部１２には、金属層６の厚みが局所的に薄い薄肉部１３が設けられている。薄肉部１３は、トップシール部１２Ｔ、ボトムシール部１２Ｂ、サイドシール部１２Ｓ及びデガスシール部１２Ｄの全てに存在する。

図４は、ラミネートフィルム１０，２０の周縁部１２，２２を拡大して示す模式的な断面図である。

図４に示すように、ラミネートフィルム１０，２０の周縁部１２，２２においては、ラミネートフィルム１０に含まれる樹脂層７とラミネートフィルム２０に含まれる樹脂層７が一体化している。図４において樹脂層７に付された破線は、ラミネートフィルム１０側に属する樹脂層７とラミネートフィルム２０側に属する樹脂層７の境界を示しているが、実際には両者は一体化しているため、このような境界を視認することは困難である。

ラミネートフィルム１０の周縁部１２に属する樹脂層８、金属層６及び樹脂層７の厚みはそれぞれＴ１〜Ｔ３であり、ラミネートフィルム２０の周縁部２２に属する樹脂層７、金属層６及び樹脂層８の厚みはそれぞれＴ４〜Ｔ６である。また、薄肉部１３における金属層６の厚みはＴ２ａであり、薄肉部１３における周縁部１２，２２の合計厚みはＴ０である。この場合、厚みＴ０に対する厚みＴ２ａの比（＝Ｔ２ａ／Ｔ０）は、０．１５以上、０．２３以下であることが好ましい。これによれば、シール強度を長期間に亘って維持することができるため、長期信頼性を高めることが可能となる。

また、後述するヒートシールバーの接触端部の位置４０と薄肉部１３の位置１３ａの距離はＬ１であり、薄肉部１３を中心として金属層６の厚みの１０倍の範囲内がＬ２である。この場合、Ｌ２の範囲内における樹脂層７の最小厚みに対する最大厚みの比は、１．７以下であることが好ましい。つまり、シールされた樹脂層７が比較的平坦な領域に薄肉部１３を設けることが好ましい。さらに、シールされた樹脂層７のうち、接触端部の位置４０よりも内側に位置する領域はＡであり、Ｌ１の範囲内に位置する領域はＢである。この場合、領域Ｂにおける樹脂層７の断面積に対する領域Ａにおける樹脂層７の断面積の比（＝Ａ／Ｂ）は、０．７以上、１．４以下であることが好ましい。これによれば、シール強度を長期間に亘って維持することができるため、長期信頼性を高めることが可能となる。

次に、本実施形態による非水電解質二次電池１の製造方法について説明する。

非水電解質二次電池１の作製においては、図５に示す深絞り加工機３０を用いて、ラミネートフィルム１０を深絞り加工する。深絞り加工機３０は、金属プレート３１に支持されたダイ３２と、金属プレート３３に支持されたストリッパ３４と、ストリッパ３４の中を通過するパンチ３５とを備えている。ダイ３２にはパンチ３５が挿入されるポケット３２ａが設けられている。そして、図５（ａ）に示すように、一部がポケット３２ａと重なるようダイ３２にラミネートフィルム１０を際した後、図５（ｂ）に示すように、ポケット３２ａにパンチ３５を挿入する。これにより、ラミネートフィルム１０が深絞りされ、パンチ３５に押された部分が収容部１１となる。パンチ３５に押されない部分は平坦な状態であり、周縁部１２となる。この時、ラミネートフィルム１０には、ポケット３２ａのエッジに押し当てられる部分において強い引っ張り応力が加わるため、この部分における金属層６が薄くなり、薄肉部１３が形成される。

薄肉部１３の位置や、薄肉部１３における金属層６の厚みＴ２ａなどのパラメータは、ポケット３２ａの深さＴ７や、ポケット３２ａ内におけるパンチ３５とダイ３２のクリアランスＣによって調整することができる。具体的には、ポケット３２ａの深さＴ７に対するクリアランスＣの比（＝Ｃ／Ｔ７）は、０．０７以上、０．１８以下とすることが好ましい。これは、上記比が０．０７未満であると薄肉部１３の形成位置が内側（蓄電素子３側）となりすぎる一方、上記比が０．１８超であると薄肉部１３の形成位置が外側（蓄電素子３から離れる側）となりすぎることから、後述するヒートシール工程において樹脂層７の内側方向への流動を抑える効果が少なくなる（或いは効果が得られない）からである。

次に、図６に示すように蓄電素子３をラミネートフィルム１０の収容部１１に収容した後、図７に示すように、中央部２１が蓄電素子３と重なるようラミネートフィルム２０を配置する。これにより、ラミネートフィルム１０の周縁部１２とラミネートフィルム２０の周縁部２２は、互いに重なり合った状態となる。この状態で、加熱された一対のヒートシールバー４１，４２によって周縁部１２，２２を挟み込むことによって、周縁部１２，２２に位置する樹脂層７をシールする。これにより、ラミネートフィルム１０，２０には、トップシール部１２Ｔ，２２Ｔ、ボトムシール部１２Ｂ，２２Ｂ、サイドシール部１２Ｓ，２２Ｓが形成される。図７には、サイドシール部１２Ｓ，２２Ｓがシールされた状態が示されている。図７に示すように、ヒートシールバー４１，４２は、薄肉部１３と重なるように配置される。尚、この段階ではデガスシール部１２Ｄ，２２Ｄのシールは行わない。

次に、まだシールされていないデガスシール部１２Ｄ，２２Ｄから非水電解質を注入した後、収容部１１を脱気しながら、図８に示すように、加熱された一対のヒートシールバー４１，４２によってデガスシール部１２Ｄ，２２Ｄを挟み込む。これにより、デガスシール部１２Ｄ，２２Ｄに位置する樹脂層７をシールする。この場合も、ヒートシールバー４１，４２は、薄肉部１３と重なるように配置される。

このように、本実施形態による非水電解質二次電池１の製造工程においては、ヒートシールバー４１，４２を薄肉部１３と重なる位置に配置していることから、熱によって流動した樹脂層７が薄肉部１３から内側（蓄電素子３側）へ移動しにくくなる。これにより、蓄電素子３側における樹脂層７の量が適正となることから、シールされた樹脂層７への応力集中によるクラックが発生しにくくなり、長期信頼性が高められる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

ラミネートフィルム１０を深絞り加工する際の条件、並びに、ラミネートフィルム１０，２０をシールする際のシール条件を種々に設定することによって、実施例１〜２１及び比較例１〜１２の非水電解質二次電池を実際に作製した。実施例１〜２１及び比較例１〜１２における各種パラメータは、図９に示されている。実施例１〜２１のサンプルにおいては、シール工程においてヒートシールバーを薄肉部と重なる位置に配置している一方、比較例１〜１２のサンプルにおいては、シール工程においてヒートシールバーを薄肉部と重ならない位置（薄肉部よりも外側）に配置している。

そして、初期状態におけるシール部分の剥離強度Ｓ０と、保存試験後の剥離強度Ｓ１を計測し、強度維持率Ｒ（＝Ｓ１／Ｓ０）を算出した。保存試験は、温度６０℃、湿度９０％の環境下に３ヶ月間保存することにより行った。

その結果、図９に示すように、実施例１〜２１においては、比較例１〜１２よりも概ね高い強度維持率Ｒが得られた。特に、厚みＴ０に対する厚みＴ２ａの比（＝Ｔ２ａ／Ｔ０）が０．１５以上、０．２３以下であるサンプル（実施例１〜３，６〜１０，１３〜２０）や、領域Ｂにおける樹脂層７の断面積に対する領域Ａにおける樹脂層７の断面積の比（＝Ａ／Ｂ）が０．７以上、１．４以下であるサンプル（実施例１〜３，６〜１０，１３〜２１）や、ポケット３２ａの深さＴ７に対するクリアランスＣの比（＝Ｃ／Ｔ７）が０．０７以上、０．１８以下であるサンプル（実施例１〜１５，１７〜２１）においては特に高い強度維持率Ｒが得られた。また、これらの条件を全て満たすサンプルについては、強度維持率Ｒが０．９以上であった。

１ 非水電解質二次電池
２ 外装体
３ 蓄電素子
４，５ 電極タブ
６ 金属層
７，８ 樹脂層
１０，２０ ラミネートフィルム
１１ 収容部
１２，２２ 周縁部
１２Ｂ，２２Ｂ ボトムシール部
１２Ｄ，２２Ｄ デガスシール部
１２Ｓ，２２Ｓ サイドシール部
１２Ｔ，２２Ｔ トップシール部
１３ 薄肉部
１３ａ 薄肉部の位置
２１ 中央部
２２ 周縁部
３０ 深絞り加工機
３１ 金属プレート
３２ ダイ
３２ａ ポケット
３３ 金属プレート
３４ ストリッパ
３５ パンチ
４０ ヒートシールバーの接触端部の位置
４１，４２ ヒートシールバー

Claims (6)

1. 金属層の両面が樹脂層で覆われた第１及び第２のラミネートフィルムからなる外装体と、
   前記外装体に収容された蓄電素子及び非水電解質と、を含み、
   前記蓄電素子は、一対の電極タブを有し、
   前記第１のラミネートフィルムは、前記蓄電素子を収容する収容部と、前記収容部の周縁に位置する第１の周縁部とを含み、
   前記第２のラミネートフィルムは、前記蓄電素子と重なる中央部と、前記中央部の周縁に位置する第２の周縁部とを含み、
   前記第１の周縁部に位置する前記樹脂層と前記第２の周縁部に位置する前記樹脂層は互いにシールされ、
   前記第１の周縁部は、前記一対の電極タブが前記外装体から突出するようシールされたトップシール部と、前記トップシール部の反対側に位置するボトムシール部と、前記トップシール部及び前記ボトムシール部とは異なる方向に延在するサイドシール部と、前記サイドシール部の反対側に位置するデガスシール部とを含み、
   前記トップシール部、前記ボトムシール部、前記サイドシール部及び前記デガスシール部には、前記金属層の厚みが局所的に薄い薄肉部が前記収容部の周縁に沿って設けられていることを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 前記薄肉部を中心として前記金属層の厚みの１０倍の範囲内における前記樹脂層の最小厚みに対する最大厚みの比は、１．７以下であることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記薄肉部における前記第１及び第２の周縁部の合計厚みに対する前記薄肉部における前記金属層の厚みの比は、０．１５以上、０．２３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
4. 金属層の両面が樹脂層で覆われた第１のラミネートフィルムを深絞り加工することによって、収容部と、前記収容部の周縁に位置する第１の周縁部と、前記収容部と前記第１の周縁部の境界に位置し、前記金属層の厚みが局所的に薄い薄肉部とを形成する第１の工程と、
   一対の電極タブを有する蓄電素子を前記収容部に収容する第２の工程と、
   金属層の両面が樹脂層で覆われた第２のラミネートフィルムを用意し、前記第２のラミネートフィルムの中央部を前記蓄電素子と重ね、前記中央部の周縁に位置する第２の周縁部を前記第１の周縁部と重ねる第３の工程と、
   前記薄肉部と重なるよう前記第１及び第２の周縁部をヒートシールバーで挟むことによって、前記一対の電極タブが前記第１及び第２のラミネートフィルムからなる外装体から突出するようシールされたトップシール部と、前記トップシール部の反対側に位置するボトムシール部と、前記トップシール部及び前記ボトムシール部とは異なる方向に延在するサイドシール部とを形成する第４の工程と、
   前記サイドシール部の反対側から非水電解質を注入した後、前記収容部を脱気しながら、前記薄肉部と重なるよう前記第１及び第２の周縁部をヒートシールバーで挟むことによって、前記サイドシール部の反対側に位置するデガスシール部を形成する第５の工程と、を備えることを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
5. 前記第１の工程は、ポケットを有するダイに第１のラミネートフィルムを載置した状態で、前記ポケットにパンチを挿入することによって、前記ポケットと重なる位置に前記収容部を形成し、
   前記ポケットの深さに対する前記パンチと前記ダイのクリアランスの比は、０．０７以上、０．１８以下であることを特徴とする請求項４に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
6. 前記トップシール部、前記ボトムシール部、前記サイドシール部及び前記デガスシール部に含まれる前記樹脂層のうち、前記ヒートシールバーの接触端部と前記薄肉部の間に位置する第１の領域の断面積に対する、前記接触端部よりも内側に位置する第２の領域の断面積の比は、０．７以上、１．４以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の非水電解質二次電池の製造方法。

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