JP3829502B2 - 非水電解質電池 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラミネートフィルムからなる外装材に電池素子を収容してなる非水電解質電池に関するものであり、特に、外装材の熱溶着された部分が折り畳まれた非水電解質電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話、ノートブック型パソコンなどをはじめとする電子機器のコードレス化、ポータブル化が進み、薄型、小型、軽量の携帯電子機器が次々と開発されている。これら電子機器の多様化に伴って、該電子機器のエネルギー源である電池、特に二次電池についても薄型、小型等が進められている。
【０００３】
上述したような電池、二次電池としては、例えば電解液によって膨潤した高分子ゲルを電解質として使用したポリマーリチウムイオン二次電池が提供されている。
【０００４】
ポリマーリチウムイオン二次電池の構成について説明すると、アルミニウム薄板からなる正極集電体には例えばＬｉＣｏＯ2 と黒鉛からなる活物質が積層され、銅薄板からなる負極集電体の上にはカーボン、コークス、グラファイト等からなる活物質が積層され、これらが電極を形成している。その中間にポリプロプレン、ポリエチレン等からなり、細孔を有する薄膜であるセパレーターが挟み込まれ、これら電極、セパレーターの間にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子ゲル電解質が充填されたサンドイッチ構造となっている。
【０００５】
サンドイッチ構造になった電池素子は、封入用容器としてアルミニウム箔のような軟質金属膜と、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックフィルムで構成される外装材でパッケージングされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような外装材で電池素子をパッケージングする構造の非水電解質電池は、電池素子を収納する際に外装材の周縁部分が熱溶着により密封される。この外装材を熱溶着する部分は、非水電解質電池の耐水性等との関係から必要であり、少なくとも５ｍｍ程度の幅をもって熱溶着される。
【０００７】
このように、非水電解質電池は、電池素子の大きさ以外に熱溶着された外装材の部分を含めた大きさが電池全体の大きさとなる。このため、非水電解質電池においては、外形サイズの小型化、特に平面方向からの電子機器内における投影面積の縮小化が困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、携帯型の電子機器等内部での投影面積の縮小化が可能な非水電解質電池を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る非水電解質電池は、深絞り成形が施されて空間部が形成されたラミネートフィルムからなる外装材に電池素子が収容され、電池素子の各電極と導通される電極端子リードが外装材内部から外部に引き出されるとともに、外装材の深絞り成形が施された周囲のうち、谷折りされた一辺以外の三辺が所定の幅をもって熱溶着され、電極端子リードが引き出されている部分以外の熱溶着された部分が上記空間部とは反対側の裏面に折り畳まれていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る非水電解質電池は、折り畳まれた外装材が接着剤転写テープによって固定されることを特徴とする。
【００１１】
上述した構成を有する本発明に係る非水電解質電池によれば、熱溶着された外装材を折り畳むことにより、電池の平面方向からの電子機器内における縮小化を可能とする。
【００１２】
また、本発明に係る非水電解質電池によれば、折り畳まれた外装材が接着剤転写テープによって固定されるため、長時間縮小化された外形寸法が維持可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る非水電解質電池の具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
非水電解質電池１は、例えば固体電解質電池、またはゲル状電解質電池であり、図１及び図２に示すように、正極活物質層と負極活物質層との間に固体電解質、またはゲル状電解質が配設されてなる電池素子２と、シート状のラミネートフィルムが二つに折り畳まれてなる外装材３とを備えて構成されている。
【００１５】
電池素子２は、電池素子２を構成する負極と電気的に接続される負極端子リード４及び正極と電気的に接続される正極端子リード５が設けられており、これら負極端子リード４及び正極端子リード５は、外装材３の外方へと引き出されている。
【００１６】
電池素子２は、高分子固体電解質に用いられる高分子材料としては、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリフォスファゼン変形ポリマー、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、及びこれらの複合ポリマーや架橋ポリマー、変形ポリマー等、もしくはフッ素系ポリマーとして、例えばポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド-co-ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（ビニリデンフルオロライド-co-テトラフルオロエチレン）、ポリ（ビニリデンフルオロライド-co-トリフルオロエチレン）等及びこれらの混合物が各種使用できるが、勿論これらに限定されるものではない。
【００１７】
正極活物質層または負極活物質層に積層されている固体電解質、またはゲル状電解質は、高分子化合物と電解質塩と溶媒、（ゲル電解質の場合は、さらに可塑剤）からなる溶液を正極活物質層または負極活物質層に含浸させ、溶媒を除去し固体化したものである。正極活物質層または負極活物質層に積層された固体電解質、またはゲル状電解質は、その一部が正極活物質層または負極活物質層に含浸されて固体化されている。架橋系の場合は、その後、光または熱で架橋して固体化される。
【００１８】
ゲル状電解質は、リチウム塩を含む可塑剤と２重量％以上〜３０重量％以下のマトリクス高分子からなる。このとき、エステル類、エーテル類、炭酸エステル類などを単独または可塑剤の一成分として用いることができる。
【００１９】
ゲル状電解質を調整するにあたり、このような炭酸エステル類をゲル化するマトリクス高分子としては、ゲル状電解質を構成するのに使用されている種々の高分子が利用できるが、酸化還元安定性から、たとえばポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド-co-ヘキサフルオロプロピレン）などのフッ素系高分子を用いることが望ましい。
【００２０】
高分子固体電解質は、リチウム塩とそれを溶解する高分子化合物からなり、高分子化合物としては、ポリ（エチレンオキサイド）や同架橋体などのエーテル系高分子、ポリ（メタクリレート）エステル系、アクリレート系、ポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド-co-ヘキサフルオロプロピレン）などのフッ素系高分子などを単独、または混合して用いることができるが、酸化還元安定性から、たとえばポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド-co-ヘキサフルオロプロピレン）などのフッ素系高分子を用いることが望ましい。
【００２１】
このようなゲル状電解質または高分子固体電解質に含有させるリチウム塩として通常の電池電解液に用いられるリチウム塩を使用することができ、リチウム化合物（塩）としては、例えば以下のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２２】
たとえば、塩化リチウム臭化リチウム、ヨウ化リチウム、塩素酸リチウム、過塩素酸リチウム、臭素酸リチウム、ヨウ素酸リチウム、硝酸リチウム、テトラフルオロほう酸リチウム、ヘキサフルオロリン酸リチウム、酢酸リチウム、ビス（トリフルオロメタンスルフォニル）イミドリチウム、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＣ（ＳＯ2ＣＦ3）3、ＬｉＡｌＣｌ4、ＬｉＳｉＦ6等を挙げることができる。
【００２３】
これらリチウム化合物は単独で用いても複数を混合して用いても良いが、これらの中でＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4が酸化安定性の点から望ましい。
【００２４】
リチウム塩を溶解する濃度として、ゲル状電解質なら、可塑剤中に０．１〜３．０モルで実施できるが、好ましくは０．５から２．０モル／リットルで用いることができる。
【００２５】
本実施の形態に係る非水電解質電池１の電池素子２は、上述したようなゲル状電解質もしくは固体電解質を使用する以外は、従来のリチウムイオン電池と同様に構成することができる。
【００２６】
すなわち、リチウムイオン電池を構成する場合の負極材料としては、リチウムをドープ、脱ドープできる材料を使用することができる。このような負極の構成材料、たとえば難黒鉛化炭素系材料や黒鉛系材料の炭素材料を使用することができる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭等の炭素材料を使用することができる。このほか、リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やＳｎＯ2 等の酸化物を使用することもできる。このような材料から負極を形成するに際しては、公知の結着剤等を添加することができる。
【００２７】
正極は、目的とする電池の種類に応じて、金属酸化物、金属硫化物または特定の高分子を正極活物質として用いて構成することができる。たとえばリチウムイオン電池を構成する場合、正極活物質としては、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＮｂＳｅ2，Ｖ2Ｏ5等のリチウムを含有しない金属硫化物あるいは酸化物や、ＬｉＭＯ2 （式中Ｍは一種以上の遷移金属を表し、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上１．１０以下である。）を主体とするリチウム複合酸化物等を使用することができる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ等が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としてはＬｉＣｏＯ2，ＬｉＮｉＯ2，ＬｉＮｉyＣｏ1-yＯ2(式中、０＜ｙ＜１である。)、ＬｉＭｎ2Ｏ4等を挙げることができる。これらリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度的に的に優れた正極活物質となる。正極には、これらの正極活物質の複数種を併せて使用してもよい。また、以上のような正極活物質を使用して正極を形成するに際して、公知の導電剤や結着剤等を添加することができる。
【００２８】
なお、非水電解質電池１においては、電池素子２の構造として、積み重ね型、巻き取り型、折り畳み型等を挙げることができ、任意に選定することができるが、外装材３に形成されかつ電池素子２が収納される後述する空間部６の形状を考えた場合、側面が円弧状となる巻き取り型の電池素子が好ましい。
【００２９】
外装材３は、例えば外装保護層、アルミニウム層及び熱溶着層（ラミネート最内層）の３層からなるヒートシールタイプのシート状ラミネートフィルムにより形成されている。熱溶着層は、電池素子２を封入する際の熱溶着による封入を目的としたもので、プラスチックフィルムが使用されている。プラスチックフィルムには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテフタレート等が用いられるが、熱可塑性のプラスチック材料であればその原料を問わない。
【００３０】
外装材３は、図１及び図２に示すように、予め電池素子２の厚さ分の空間部６が深絞り成形され、この空間部６の一辺近傍を谷折りすることにより二つに折り畳まれる。折り畳まれた外装材３は、空間部６が略中央に深絞り成形された収納面３ａと、この収納面３ａと対向するようにして配されかつ電池素子２が収納される空間部６を閉塞する底面３ｂとにより構成される。
【００３１】
外装材３は、谷折り線と平行をなす一辺及び谷折り線と垂直をなす二辺が一定幅の熱溶着代で熱溶着されて密閉される。すなわち、外装材３においては、谷折りされた一辺以外の三辺が所定の幅をもって収納面３ａと底面３ｂとの熱溶着層同士が互いに熱溶着される熱溶着部とされる。
【００３２】
非水電解質電池１は、図２に示すように、収納面３ａと底面３ｂとが熱溶着される熱溶着部のうち、谷折り線と平行をなす一辺から負極端子リード４と正極端子リード５とが外方に引き出されている。また、非水電解質電池１は、谷折り線と垂直をなす二辺における熱溶着部であるサイド部７が底面３ｂ側に折り畳まれて固定されている。非水電解質電池１は、熱溶着されたサイド部７が底面３ｂ側に折り畳まれることにより、電子機器内での投影面積の縮小化を図ることができ、ひいては電子機器自体の小型化をも図ることができる。また、非水電解質電池１は、収納面３ａと底面３ｂとが熱溶着されたサイド部７が折り畳まれることにより、従来に比して耐水性が向上する。
【００３３】
なお、サイド部７は、断面略Ｖ字状に折り返してもよく、また外装材３の材質により断面略Ｖ字状に折り返したのでは非水電解質電池１の外装材３に損傷のおそれがある場合は折り返し部分の損傷を防ぐため一定の曲率Ｒを設けて折り返してもよい。
【００３４】
非水電解質電池１においては、上述したように外装材３の底面３ｂ側に折り畳まれたサイド部７が、例えば両面テープ８により固定される。両面テープ８は、基材のない厚さ５０μｍ程度の粘着層のみからなり、この粘着層にアクリル系の粘着剤が使用されているものが使用される。非水電解質電池１においては、底面３ｂ側に折り畳まれたサイド部７を固定する両面テープ８の厚みがそのまま非水電解質電池１自体の厚みに加えられるため、厚さが５０μｍを越えるものを使用すると電池自体の小型化が困難となる。
【００３５】
なお、非水電解質電池１においては、上述した両面テープ８の他、サイド部７を外装材３の底面３ｂに固定する方法として接着剤、例えばセメダイン社製の商品名スーパーＸを５０μｍ程度塗布することにより固定してもよい。
【００３６】
上述した構成を有する非水電解質電池１は、以下のようにして作製される。
【００３７】
まず、非水電解質電池１は、外装材３の収納面３ａに深絞り成形された空間部６内に電池素子２が収納され、底面３ｂが収納面３ａと対向して配置されるように谷折りされて空間部６を閉塞する。その後、空間部６の周囲の谷折りされた部分以外の三辺において収納面３ａと底面３ｂとが熱溶着されて外装材３が密閉される。そして、非水電解質電池１は、熱溶着部３ｃの外側にある余分な外装材３がカットされて形が整えられる。
【００３８】
次に、図３（ａ）に示す余分な外装材３がカットされ形が整えられた非水電解質電池１は、図３（ｂ）に示すように、図３（ｂ）中矢印Ａ方向にサイド部７が折り曲げられる。
【００３９】
サイド部７の折り曲げは、図４に示す折り曲げ治具２０により行われる。
【００４０】
折り曲げ治具２０は、基台２１上にＴ字状のレバー２２を回転可能に支持するスタンド２３と、図４中矢印Ｄ方向にコイルバネ２４によって付勢されかつ図４中矢印Ｃ及び矢印Ｄ方向に上昇、下降可能に配設されたブレード２５と、ブレード２５直下にＶ字状の溝部２６が形成されたＶ溝ブロック２７と、Ｖ溝ブロック２７に隣接して配設され非水電解質電池１のセット位置をガイドするガイドプレート２８とを備えて構成されている。
【００４１】
折り曲げ治具２０は、レバー２２が図４中矢印Ｃ方向に押圧されると、ブレード２５に配設されたカムフォロアー２９を介してブレード２５が押し下げられ、図４矢印Ｃ方向に下降する。折り曲げ治具２０は、ブレード２５が下降すると、ブレード２５の直下に位置してＶ溝ブロック２７上に形成された溝部２６内にブレード２５の先端が嵌合する。ブレード２５の先端は、溝部２６の形状に合わせて略Ｖ字状の二辺を有する断面略三角形状に形成されている。
【００４２】
上述した構成を有する折り曲げ治具２０によって行われるサイド部７の折り曲げについて以下に説明する。
【００４３】
まず、折り曲げ治具２０上にガイドプレート２８とＶ溝ブロック２７とによって位置合わせをして非水電解質電池１がセットされる。この時、非水電解質電池１は、図５（ａ）に示すように、一方のサイド部７がＶ溝ブロック２７の溝部２６上に位置するようにセットされる。
【００４４】
そして、レバー２２を図４中矢印Ｃ方向に押し下げて、ブレード２５を止まるまで降下させる。降下したブレード２５は、図５（ｂ）に示すように、溝部２６上に位置して配設された非水電解質電池１のサイド部７に接触し、溝部２６内に押圧する。非水電解質電池１は、ブレード２５によってサイド部７が溝部２６内に押圧されると、略Ｖ字状に折り曲げられる。
【００４５】
その後、反対側のサイド部７についても折り曲げ治具２０を用いて同じように折り曲げを行うことにより、非水電解質電池１が略コの字状に形成される。サイド部７が両方とも折り曲げられたら、折り曲げ治具２０から非水電解質電池１を取り外す。
【００４６】
なお、サイド部７の折り曲げは、溝部２６とブレード２５の形状を変更することにより所望の角度に折り曲げることができる。また、本実施の形態においては、溝部２６とブレード２５とがともにサイド部７を略Ｖ字状に折り曲げるように形成されているが、サイド部７を曲率Ｒを有して折り曲げるようにしてもよい。この場合、折り曲げ治具２０には、サイド部７に設ける曲率Ｒを有する溝と、この溝の形状に合わせて曲率Ｒを有する形状に先端が成形されたブレードが配設される。
【００４７】
次に、非水電解質電池１には、図３（ｃ）に示すように、底面３ｂのサイド部７側に両面テープ８が貼り付けられる。
【００４８】
そして、外装材３の底面３ｂに両面テープ８を張り付けた状態で、図３（ｄ）に示すように、さらにサイド部７を折り込み外装材３の底面３ｂ側に固定する。
【００４９】
サイド部７の固定は、図６に示す固定治具３０により行われる。
【００５０】
固定治具３０は、図６及び図７に示すように、基台３１上に回転可能に配設された一対の折り込みブロック３２と、折り込みブロック３２をそれぞれ支持する支持ブロック３３とを備えて構成されている。
【００５１】
折り込みブロック３２は、長手方向の両端部に配設された一対の支軸３４によって図７中矢印Ｅ及びＦ方向に回転可能に支持されている。また、折り込みブロック３２は、長手方向の一端にツマミ３５が設けられている。固定治具３０は、作業者がツマミ３５を持って折り込みブロック３２を図７中矢印Ｅ及びＦ方向に支軸３４の中心を回転中心Ｇとして回転させることにより、折り込みブロック３２間にある間隔を開閉する。なお、固定治具３０は、コイルバネ３６により折り込みブロック３２が図７中矢印Ｆ方向に付勢されている。
【００５２】
上述した構成を有する固定治具３０によって行われるサイド部７の底面３ｂへの固定について以下に説明する。
【００５３】
まず、固定治具３０の折り込みブロック３２間にある支持ブロック３３上に非水電解質電池１がセットされる。このとき、非水電解質電池１は、図８（ａ）に示すように、折り曲げ治具２０によって折り曲げられたサイド部７が折り込みブロック３２の垂直面３２ａに沿うようにしてセットされる。
【００５４】
そして、作業者が折り込みブロック３２に設けられたツマミ３５を図７中矢印Ｅ方向に回転させて折り込みブロック３２を閉じる。このとき、固定治具３０は、図８（ｂ）に示すように、非水電解質電池１のサイド部７の基部近傍が、折り込みブロック３２の回転中心Ｇとされている。折り込みブロック３２が回転されると垂直部３２ａに沿ってセットされたサイド部７が折り込みブロック３２に押圧された底面３ｂ側に折り畳まれる。
【００５５】
折り込みブロック３２は、図８（ｃ）に示すように、サイド部７が底面３ｂ上に貼り付けられた両面テープ８上に接するまで回転される。非水電解質電池１は、サイド部７が両面テープ８に押しつけられることにより、サイド部７と底面３ｂとが両面テープ８に貼り付けられて固定される。
【００５６】
その後、図７中矢印Ｆ方向に折り込みブロック３２を付勢するコイルバネ３６によって、折り込みブロック３２が元の位置に戻される。そして、サイド部７が底面３ｂ側に折り畳まれ固定された非水電解質電池１を折り込みブロック３２の間から取り出す。
【００５７】
なお、上述した折り曲げ治具２０及び固定治具３０は、セットされる非水電解質電池１の大きさによってガイドプレート２８やＶ溝ブロック２７、折り込みブロック３２間の間隔等のセット部の仕様変更が可能であり、種々の大きさの非水電解質電池に適用が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明に係る非水電解質電池によれば、電極端子リードが外装材外部に引き出されている部分以外の熱溶着部が電池底面側に折り畳まれているため、電池素子の大きさをそのままにして電池容量を維持しつつ、非水電解質電池の平面方向からの電子機器内における投影面積の縮小化が達成できる。そして、外装材の一辺は谷折りとされているため、部品点数が少なく、熱溶着部の位置合わせも容易である。また、本発明に係る非水電解質電池によれば、折り畳まれた熱溶着部を両面テープ等の接着剤転写テープによって固定するため、縮小化された外形寸法が長期間維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電池素子を外装材に収納する前の状態を示す斜視図である。
【図２】非水電解質電池の斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、非水電解質電池の外装材サイド部が折り畳まれる状態を説明するための底面側から見た斜視図である。
【図４】折り曲げ治具の斜視図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、非水電解質電池がセットされた折り曲げ治具の要部拡大断面図である。
【図６】非水電解質電池がセットされた固定治具の平面図である。
【図７】固定治具の図６中Ａ−Ａ線の断面図である
【図８】（ａ）乃至（ｃ）は、非水電解質電池がセットされた固定治具の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 非水電解質電池，２ 電池素子，３ 外装材，３ａ 収納面，３ｂ 底面，４ 負極端子リード，５ 正極端子リード，６ 空間部，７ サイド部，８ 両面テープ，２０ 折り曲げ治具，３０ 固定治具

Claims (2)

  1. 深絞り成形が施されて空間部が形成されたラミネートフィルムからなる外装材に電池素子が収容され、
    上記電池素子の各電極と導通される電極端子リードが上記外装材内部から外部に引き出されてなる非水電解質電池において、
    上記外装材は、深絞り成形が施された周囲のうち、谷折りされた一辺以外の三辺が所定の幅をもって熱溶着されるとともに、上記電極端子リードが引き出されている部分以外の熱溶着された部分が上記空間部とは反対側の裏面に折り畳まれていることを特徴とする非水電解質電池。
  2. 上記外装材は収納面と底面とをもったラミネートフィルムからなり、該収納面に深絞り成形が施されて空間部が形成され、
    上記空間部の一辺近傍を谷折りすることにより二つに折り畳まれ、該一辺以外の三辺が開放されてなることを特徴とする請求項１記載の非水電解質電池。
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