JP3859645B2 - フィルム外装電気デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、電池やキャパシタに代表される、電気デバイス要素を外装フィルムに収容したフィルム外装電気デバイスに関する。
近年、携帯機器等の電源としての電池は、軽量化、薄型化が強く要求されている。そこで、電池の外装材に関しても、軽量化、薄型化に限界のある従来の金属缶に代わり、さらなる軽量化、薄型化が可能であり、金属缶に比べて自由な形状を採ることが可能な外装材として、金属薄膜フィルム、または金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムとを積層したラミネートフィルムを用いたものが使用されるようになった。
電池の外装材に用いられるラミネートフィルムの代表的な例としては、金属薄膜であるアルミニウム薄膜の片面にヒートシール層である熱融着性樹脂フィルムを積層するとともに、他方の面に保護フィルムを積層したラミネートフィルムが挙げられる。
外装材にラミネートフィルムを用いたフィルム外装電池においては、一般に、正極、負極、および電解質等で構成される電池要素を、熱融着性樹脂フィルムが内側になるようにして外装材で包囲し、電池要素の周囲で外装材を熱融着することによって電池要素を気密封止（以下、単に封止という）している。熱融着性樹脂フィルムには、例えばポリエチレンフィルムやポリプロピレンフィルムが用いられ、保護フィルムには、例えばナイロンフィルムやポリエチレンテレフタレートフィルムが用いられる。電池要素の封止に際しては、電池要素の正極および負極を外装材の外部へ引き出すために、正極および負極にはそれぞれリード端子が接続され、これらリード端子を外装材から突出させている。
ところで、電池の使用時において、電池に規格範囲外の電圧が印加されたりすると、電解液溶媒の電気分解によりガス種が発生し、電池の内圧が上昇することがある。さらに、電池が規格範囲外の高温で使用されたりしても、電解質塩の分解などによりガス種のもとになる物質が生成されたりする。基本的には、規格範囲内で電池を使用してガスを発生させないようにすることが理想であるが、電池の制御回路が何らかの原因で故障して異常な電圧が印加されたり、何らかの原因で周囲が異常に高温となったりすると、場合によっては大量にガスが発生することもある。
電池内部でのガスの発生は、電池の内圧上昇をもたらす。内圧が極度に上昇し電池が暴発することを防ぐために、外装材として金属缶を用いた電池の多くは、電池の内圧が上昇した際にガスを電池の外部に逃がす圧力安全弁を有している。しかし、フィルムを外装材とするフィルム外装電池においては、圧力安全弁を設けることが構造上難しい。フィルム外装電池では内圧が上昇しすぎるとフィルムが膨張し、最終的には外装材が破裂しその箇所からガスが噴出するが、破裂がどの箇所で発生するか特定できないため、破裂した箇所によっては周囲の機器等に悪影響を及ぼすことがある。
そこで、従来のフィルム外装電池においては、こういった電池内部でのガスの発生による不具合を解消するため、たとえば特許文献１には、熱融着部の一部を他の部分よりも低い温度として電池要素を封止したフィルム外装電池が開示されている。また、特許文献２には、熱融着部の一部に非熱融着性樹脂シートを介在させたフィルム外装電池が開示されている。いずれの場合も、フィルムの熱融着強度を弱くした部分を外装材に作り、この部分に安全弁としての機能を持たせている。
一方、特許文献３には、熱融着部の外形の一部を外側から切除した構成が開示され、特許文献４には、封止辺の一部に、電池の内側から外部に向かって小さくなる形状の未接着部を設けた構成が開示されている。これらは、熱融着部の一部に、電池の内側から外部へ向かう方向の熱融着部の幅が部分的に狭くなるような形状の部分を設定し、そこを安全弁として機能させようとするものである。
特開２０００−１００３９９号公報
特開平１１−９７０７０号公報
特開２００２−５６８３５号公報
特開平１０−５５７９２号公報
しかしながら、上述した従来のフィルム外装電池における安全弁構造では、熱融着部の劣化により電解液の漏出等の不具合が発生するおそれがある。また、熱融着強度の調整が難しく、異常発生時の開放圧力を正確に設定することができないという難点もあった。
また、熱融着部の幅を部分的に狭くした構造においても、上述した従来の構造では、実用的な開放圧力を実現するためには、安全弁として機能する部分での熱融着幅は例えば１ｍｍといった非常に狭い幅としなければならず、そのため、封止信頼性が低下したり、製造上の熱融着幅の誤差が開放圧力に大きく影響し結果的に開放圧力を正確に設定できなかったりするといった難点があった。このような狭い熱融着幅が必要となる理由としては、フィルムを外装材とする電池では、電流取り出しのためのリード引き出し部で封止強度が弱くなりがちであり、リード引き出し部からのガス放出を防止するために、それより先に比較的低圧で安全弁を開放させなければならないことが挙げられる。
上述のことは、電池に限らず、ガスを発生する可能性のある電気デバイス要素を外装フィルムで封止したフィルム外装電気デバイスに共通の問題である。
本発明の目的は、電気デバイス要素の封止信頼性を低下させることなく、異常時のガスの発生によるフィルムの膨張時の開放圧力を容易に設定できるフィルム外装電気デバイスを提供することである。
上記目的を達成するため本発明のフィルム外装電気デバイスは、電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を包囲して配された外装フィルムとを有し、前記電気デバイス要素の周囲で前記外装フィルムの対向面同士が熱融着されることによって、前記電気デバイス要素を封止する封止領域が形成されたフィルム外装電気デバイスにおいて、前記外装フィルムの非融着部が前記封止領域の少なくとも一箇所に前記電気デバイス要素を包囲する空間と連続しかつ該空間に対して入り江状に設け、これによって、前記空間の内圧上昇に伴う前記外装フィルムの膨張によって前記外装フィルムの熱融着している部位に生じる引き剥がし応力の集中する応力集中部を前記非融着部に隣接して位置させ、前記応力集中部に、前記外装フィルムの剥離により前記空間の内部と外部とを連通させる圧力開放部が設けられているとともに、２つの前記非融着部が前記封止領域の周縁に沿った方向に互いに間隔をあけて設けられており、前記応力集中部は前記２つの非融着部の間に位置していることを特徴とする。
上記のとおり構成された本発明のフィルム外装電気デバイスでは、電気デバイス要素を包囲する空間と連続する入り江状の非融着部が設けられているので、電気デバイス要素から発生したガスによって内圧が上昇すると、発生したガスは非融着部に進入し、非融着部で外装フィルムを膨張させる。非融着部を設けることによって、外装フィルムが膨張したときに外装フィルムの熱融着している部位に生じる引き剥がし応力の集中する応力集中部が、非融着部に隣接した位置に生じる。非融着部で外装フィルムが膨張すると、この応力集中部での外装材の剥離が、封止領域の他の部位に優先して進行する。応力集中部には圧力開放部が設けられているので、応力集中部での剥離が進行し、圧力開放部に達した時点で、フィルム外装電気デバイスの内部と外部が連通する。これにより、発生したガスが圧力開放部から放出され、フィルム外装電気デバイスの不用意な破裂が防止される。開放圧力は、応力集中部での圧力開放部の位置を調整することで容易に設定可能である。しかも、従来知られている構成よりも、安全弁として機能する部分すなわち応力集中部における剥離の進行度を大きくできるので、従来と比べて低い圧力で開放させることが可能になるとともに、圧力開放部の位置誤差の影響が少なくなり開放圧力の設定精度が向上する。
また、本発明のフィルム外装電気デバイスは、２つの非融着部を、封止領域の周縁に沿った方向に互いに間隔をあけて設け、これら２つの非融着部の間に応力集中部を位置させている。これにより、応力集中部ではその両側から剥離が進行し、圧力開放部までの剥離が効果的に進行する。この場合、応力集中部は、２つの非融着部の外側の封止領域から、電気デバイス要素を包囲する空間に向かって突出した突出融着部として形成してもよいし、２つの非融着部の間に位置する島状融着部として形成してもよい。
また、本発明のフィルム外装電気デバイスは、電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を包囲して配された外装フィルムとを有し、前記電気デバイス要素の周囲で前記外装フィルムの対向面同士が熱融着されることによって、前記電気デバイス要素を封止する封止領域が形成されたフィルム外装電気デバイスにおいて、前記外装フィルムの非融着部を前記封止領域の少なくとも一箇所に前記電気デバイス要素を包囲する空間と連続しかつ該空間に対して入り江状に設け、これによって、前記空間の内圧上昇に伴う前記外装フィルムの膨張によって前記外装フィルムの熱融着している部位に生じる引き剥がし応力の集中する応力集中部を前記非融着部の両側の根元部分に位置させ、前記応力集中部の少なくとも一方に、前記外装フィルムの剥離により前記空間の内部と外部とを連通させる圧力開放部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のフィルム外装電気デバイスは、２つの非融着部を、封止領域の周縁に沿った方向に互いに間隔をあけて設け、これら２つの非融着部の間に応力集中部を位置させている。これにより、応力集中部ではその両側から剥離が進行し、圧力開放部までの剥離が効果的に進行する。この場合、応力集中部は、２つの非融着部の外側の封止領域から、電気デバイス要素を包囲する空間に向かって突出した突出融着部として形成してもよいし、２つの非融着部の間に位置する島状融着部として形成してもよい。
また、本発明のフィルム外装電気デバイスは、電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を包囲して配された外装フィルムとを有し、前記電気デバイス要素の周囲で前記外装フィルムの対向面同士が熱融着されることによって、前記電気デバイス要素を封止する封止領域が形成されたフィルム外装電気デバイスにおいて、前記外装フィルムの非融着部を前記封止領域の少なくとも一箇所に前記電気デバイス要素を包囲する空間と連続しかつ該空間に対して入り江状に設け、これによって、前記空間の内圧上昇に伴う前記外装フィルムの膨張によって前記外装フィルムの熱融着している部位に生じる引き剥がし応力の集中する応力集中部を前記非融着部の両側の根元部分に位置させ、前記応力集中部の少なくとも一方に、前記外装フィルムの剥離により前記空間の内部と外部とを連通させる圧力開放部が設けられていることを特徴とする。
本発明において、封止領域は、非融着部が設けられた箇所で外側にせり出して形成されていることが好ましい。これにより、電気デバイス要素の封止に必要な封止領域が非融着部が設けられた箇所でも十分に確保され、かつ、大気中の水分が外装フィルムの端面から進入することが抑制される。
本発明によれば、封止領域に入り江状の非融着部を設けるとともに、これによって生じる応力集中部に圧力開放部を設け、応力集中部で外装フィルムの剥離が優先的に進行するように構成することで、電気デバイス要素の封止信頼性を低下させることなく、開放圧力の設定を容易かつ確実に行うことができる。
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるフィルム外装電池の分解斜視図である。
本実施形態のフィルム外装電池１は、複数の正極および負極を積層した構造を有する扁平な略直方体状の電池要素２と、電池要素２の正極および負極にそれぞれ接続された正極リード３および負極リード４と、正極リード３および負極リード４の一部を延出させて電池要素２を封止する外装フィルム５とを有する。
電池要素２は、それぞれ電極材料が両面に塗布された金属箔からなる複数の正極と複数の負極とが、セパレータを介して交互に積層されて構成されている。各正極および各負極の一辺からはそれぞれ電極材料が塗布されていない未塗布部分が突出して設けられており、正極の未塗布部同士、および負極の未塗布部同士が一括して超音波溶接されて、それぞれ正極リード３および負極リード４と接続されている。正極および負極は、電極材料の未塗布部分を反対向きに突出させて重ねられており、したがって、正極リード３と負極リード４とは、このフィルム外装電池１の互いに対向する辺から引き出されている。
リチウムイオン電池などの非水電解質電池の場合、正極を構成する金属箔にはアルミニウム箔が用いられ、負極を構成する金属箔には銅箔が用いられる。そして、正極リード３にはアルミニウム板が用いられ、負極リード４にはニッケル板または銅板が用いられる。負極リード４を銅板で構成する場合、表面にニッケルめっきを施してもよい。
セパレータは、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂から作られた、マイクロポーラスフィルム（微多孔フィルム）、不織布あるいは織布など、電解液を含浸することができるシート状の部材を用いることができる。
外装フィルム５は、電池要素２をその厚み方向両側から挟んで包囲する２枚のラミネートフィルムからなり、電池要素２の周囲で重なり合った対向面同士を熱融着することで、電池要素２が封止されている。図１には、外装フィルム５の熱融着される領域を封止領域５ａとして斜線で示している。外装フィルム５には、電池要素２を包囲する空間である電池要素収納部を形成するために、それぞれ中央領域にカップ部５ｂを有する。このカップ部５ｂの加工は、深絞り成形によって行うことができる。図１に示した例では両方の外装フィルム５にカップ部５ｂが形成されているが、カップ部はいずれか一方のみに形成してもよいし、また、カップ部を形成せずに外装フィルム５の柔軟性を利用して電池要素２を包囲してもよい。
外装フィルム５を構成するラミネートフィルムとしては、柔軟性を有しており、かつ電解液が漏洩しないように電池要素２を封止できるものであれば、この種のフィルム外装電池に一般に用いられるフィルムを用いることができる。外装フィルム５に用いられるラミネートフィルムの代表的な層構成としては、金属薄膜層と熱融着性樹脂層とを積層した構成、あるいは、金属薄膜層の熱融着樹脂層と反対側の面にさらに、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルやナイロン等のフィルムからなる保護層を積層した構成が挙げられる。電池要素２を封止するに際しては、熱融着性樹脂層を対向させて電池要素２を包囲する。
金属薄膜層としては、例えば、厚さ１０μｍ〜１００μｍの、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｆｅ、ステンレス、Ｍｇ合金などの箔を用いることができる。熱融着性樹脂層に用いられる樹脂としては、熱融着が可能な樹脂であれば特に制限はなく、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの酸変成物、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル等、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが使用できる。熱融着性樹脂層の厚さは１０μｍ〜２００μｍが好ましく、より好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。
次に、フィルム外装電池１の封止領域５ａでの特徴的な構造について、図２を参照して説明する。図２は、図１に示すフィルム外装電池の平面図である。
図２に示すように、封止領域５ａの一辺には、外装フィルム５同士が熱融着されていない部位である２つの非融着部７ａ，７ｂが、カップ部５ｂ（電池要素収納部）に連続し、かつカップ部５ｂに対して入り江状に設けられている。非融着部７ａ，７ｂが入り江状に設けられていることに伴い、外装フィルム５は、その全周にわたって一定の封止領域５ａを確保するために、非融着部７ａ，７ｂが設けられた箇所で外側にせり出し融着部５ｃを有する形状となっている。また、２つの非融着部７ａ，７ｂは、封止領域５ａの周縁に沿った方向に互いに間隔をあけて配されており、非融着部７ａ，７ｂの間の領域は、非融着部７ａ，７ｂの外側の封止領域５ａからカップ部５ｂに向かって突出した突出融着部５ｄとなっている。この突出融着部５ｄには、外装フィルム５を貫通する貫通穴８が形成されている。
以上のように構成されたフィルム外装電池１において、使用中に規格範囲外の電圧が印加されたり、一時的に高温になったりすること等によって電池要素２からガスが発生すると、フィルム外装電池１の内圧が上昇する。内圧が上昇すると、外装フィルム５はドーム状に膨らもうとし、外装フィルム５同士が熱融着された部分に引き剥がし応力が作用する。このとき、引き剥がし応力は２つの非融着部７ａ，７ｂの間の突出融着部５ｄに集中的に作用し、外装フィルム５の熱融着された部分の剥離は、突出融着部５ｄで優先的に進行する。内圧の上昇に伴ってこの剥離が貫通穴８の位置まで達することによって、電池要素収納部がフィルム外装電池１の外部と連通し、上昇した圧力は貫通穴８を通じて開放される。よって、フィルム外装電池１が破裂する前に特定の位置からガスを噴出させることができ、フィルム外装電池１の破裂や意図しない方向へのガスの噴出を防止することができる。
以下に、内圧上昇に伴う外装フィルム５の剥離の進行について詳しく説明する。
外装フィルム５の熱融着された領域と熱融着されていない領域との境界が凹凸のない形状となっている場合は、図３に示すように、引き剥がし応力Ｆ1は一方向にのみ作用し、剥離は外装フィルム５の外縁へ向かって進行していく。
ところが、本実施形態のように突出融着部５ｄを設けた場合は、図４に示すように、非融着部７ａ，７ｂにもガスが充満して突出融着部５ｄの両側部でも外装フィルム５が膨らむので、突出融着部５ｄには、その先端に作用する引き剥がし応力Ｆ1に加え、側縁にも引き剥がし応力Ｆ2が作用する。そのため、突出融着部５ｄの角部には、これらの合力として他の部位よりも大きな引き剥がし応力が作用し、この角部で外装フィルム５が他の部位に優先して剥離が進行する。角部で外装フィルム５が剥離すると、角部は丸みを帯びてくるが、それでもまだ突出融着部５ｄは凸形状を維持しており、突出融着部５ｄには複数の方向から引き剥がし応力が作用する。従って、外装フィルム５の剥離は、この凸形状の先鋭度を減らしながら、最終的には突出融着部５ｄがほぼなくなるまで、突出融着部５ｄでの外装フィルム５の剥離が他の部位よりも優先的に進行する。
突出融着部５ｄでの外装フィルム５の剥離の進行を図５に示す。図５に示すように、突出融着部５ｄでは、内圧の上昇に伴ってａ→ｂ→ｃのように、突出融着部５ｄの両側から剥離が進行していく。外装フィルム５の剥離位置は、外装フィルム５の材質、突出融着部５ｄの幅Ｗ、突出融着部５ｄの突出長さＬ、および内圧に依存する。従って、外装フィルム５の材質、突出融着部５ｄの幅Ｗ、および突出融着部５ｄの突出長さＬを予め決めておけば、貫通穴８の位置を調整することによって、電池要素収納部の内部と外部とが連通するときの電池要素収納部の内圧である開放圧力を、任意に設定することができる。すなわち、貫通穴８を突出融着部５ｄの先端に近い位置に設ければ低い内圧で圧力を開放することができ、突出融着部５ｄの根元付近に貫通穴８を設ければ、高い内圧まで圧力は開放しない。
フィルム外装電池１においては、好ましい設計上の開放圧力は、大気圧からの上昇分として、０．０５ＭＰａ〜１ＭＰａであり、より好ましくは０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａである。開放圧力が低すぎると、一時的に大電流が流れたり一次的に高温になったりしたときなどの軽微なトラブルでも開放してしまい、フィルム外装電池１が動作しなくなるという不具合を招く。一方、開放圧力が高すぎると、貫通穴８まで外装フィルム５の剥離が進行する前に他の部位で外装フィルム５の融着部やリードの融着封止部が開口し、意図しない方向へガスが噴出してしまう危険性が増大する。
本実施形態の構造において、外装フィルム５を、ナイロン（２５μｍ厚）／アルミ（４０μｍ厚）／変成ポリプロピレン（１５μｍ厚）／ポリプロピレン（３０μｍ厚）の積層フィルムで構成し、突出融着部５ｄの幅Ｗ＝６ｍｍ、長さＬ＝７ｍｍとして、外装フィルム５を熱融着（加熱温度：１９０℃、加熱時間：２秒、加圧圧力：１ＭＰａ）して、内圧の上昇に伴う突出融着部５ｄでの剥離の進行を実験的に確認した。その結果、図５に示す剥離位置ａへは、内圧が０．０５ＭＰａで達し、以下、内圧が０．１ＭＰａで剥離位置ｂまで、内圧が０．１５ＭＰａで剥離位置ｃまで達した。従って、図５に示したように、貫通穴８を、剥離位置ｃに接して設けることにより、内圧が０．１５ＭＰａに達したときに圧力開放させることができる。具体的な寸法でいうと、図５に示すように貫通穴８の周縁から突出融着部５ｄの先端までの距離をｄとしたとき、ｄ＝１．５ｍｍ〜４ｍｍの範囲に形成すれば、前述した開放圧力が０．１ＭＰａ〜０．２ＭＰａの範囲で圧力を開放することができる。
ところで、上述の実験において、封止領域５ａの全周について、突出融着部５ｄおよび非融着部７ａ，７ｂの電池内部側の根元付近の融着部を除く領域では、０．２ＭＰａの内圧でも剥離はほとんど進行していなかった。また、従来例である特許文献４に開示された構成の効果を検証するため、後述する図８の構造で突出融着部を設けない形で融着を行って同様の実験を行ったところ、やはり０．２ＭＰａの内圧でも非融着部の頂上部に位置する幅の狭い融着部での剥離はほとんど進行しておらず、０．２ＭＰａでのガス開放は不可能であった。これらのことから、従来知られている、融着部の形状を工夫することによる安全弁に比べて、本発明における応力集中部においては、内圧上昇に伴う剥離の進行を大きくできることがわかる。
以上説明したように本実施形態によれば、内圧の上昇に伴う引き剥がし応力が集中する部分を外装フィルム５に作り、そこから優先的に剥離を進行させて圧力開放を行うので、従来のように外装フィルムの熱融着強度を部分的に弱くする必要はなく、封止信頼性が低下することはない。また、従来のように熱融着強度を部分的に弱くした圧力開放構造では熱融着強度の調整は困難であったが、本実施形態では貫通穴８の位置を調整するだけでよいので、開放圧力の設定を容易かつ確実に行うことができる。しかも、安全弁として機能する部分である応力集中部における剥離の進行度を大きくできるので、従来より低い圧力で開放させることが可能となるとともに、圧力開放部の位置誤差による影響が小さくなり、開放圧力の設定精度が向上する。
本発明においては、外装フィルム５が膨張した際に、引き剥がし応力が集中する応力集中部を封止領域５ａに形成することが重要である。このために、本実施形態では、封止領域５ａを電池要素収納部に対して凹凸状となるように突出融着部５ｄを形成しているが、突出融着部５ｄを単に電池要素収納部に向けて突出して形成するのではなく、電池要素収納部と連続した入り江状の非融着部７ａ，７ｂを形成し、この非融着部７ａ，７ｂを利用して突出融着部５ｄを形成することで、突出融着部５ｄを形成したことによるフィルム外装電池１の外形サイズの増大が最小限に抑えられる。
また、フィルム外装電池１の外形サイズに対する電池要素収納部の容積効率を低下させないために、突出融着部５ｄの突出長さＬ（図５参照）は、図２に示すように、突出融着部５ｄが電池要素収納部に進入しないような長さとすることが望ましい。ただし、電池要素収納部に突出融着部５ｄが進入しても問題とならない場合や、電池要素収納部にほぼ接する位置で通常融着を行う融着部を、電池要素収納部から離間させて融着させる場合はこの限りではなく、突出長さＬを大き目の寸法としてもよい。
ところで、本実施形態では、図２に示したように、外装フィルム５はせり出し融着部５ｃを有する形状となっている。その結果、電池要素２の封止に必要な外装フィルム５の封止領域５ａを非融着部７ａ，７ｂが形成された箇所においても十分に確保できるので、封止信頼性がより向上する。さらに、このせり出し融着部５ｃは、以下のような作用効果も有している。
図６に示すように、熱融着性樹脂層５ｇと金属薄膜層５ｈとを積層した外装フィルム５同士を熱融着した場合、外装フィルム５の端面では熱融着性樹脂層５ｇが露出しており、しかも熱融着性樹脂層５ｇは、電池要素２を収納している電池要素収納部に面している。熱融着性樹脂層５ｇは僅かずつではあるが大気中の水分を吸収し、大気中の水分は熱融着性樹脂層５ｇを通して外装フィルム５の端面から電池要素収納部内に侵入する。水分の浸入量は、外装フィルム５の熱融着幅ＳＷの大きさに依存する。すなわち、熱融着幅ＳＷが小さければ水分の浸入量が多くなり、熱融着幅ＳＷが大きければ水分の浸入量は少なくなる。そこで、図１に示したように外装フィルム５にせり出し融着部５ｃを設けることによって、熱融着幅ＳＷを小さくすることなく外装フィルム５の熱融着を行うことができるので、大気中の水分の浸入を効果的に抑制することができる。
せり出し融着部５ｃによってフィルム外装電池１の外形サイズが大きくなるが、実際の使用に際して、せり出し融着部５ｃを折り曲げれば、実質的な外形サイズの増大はなくなる。外装フィルムを折り曲げて使用することを前提にするのであれば、図７に示すように、矩形状の外装フィルム１５を用い、封止領域１５ａを図１と同様の形状に形成することもできる。この場合は、外装フィルム１５のサイズが大きくなるが、せり出し融着部に相当する部位の加工が不要になる。また、熱融着性樹脂層５ｇを通じての大気中の水分の浸入量の増大を許容する場合は、図８に示すように、せり出し融着部に相当する部分を切除した形状の外装フィルム２５を用いることもできる。この場合は、非融着部２７ａ，２７ｂの外側での熱融着幅は小さくなるが、外装フィルム２５の使用量を少なくすることができる。
なお、本発明では、応力集中部において内圧上昇に伴う剥離の進行を大きくできるという効果を有するが、これによって、ガス開放予定部の融着幅を従来よりも広くとることができ、結果的に、ガス開放予定部の融着部での水分浸入を抑制することができる。ここで、ガス開放予定部の融着幅とは、本発明においては、例えば図５における突出融着部５ｄの先端から貫通穴８の外縁までの距離ｄであり、従来の例においては、例えば特許文献３において、熱融着部の外形の一部を外側から切除して残った幅のことであり、言い換えれば、安全弁として機能する部分のうち、内圧上昇によって外気に通じるまでの、剥離が進行する経路の、電池要素収納部側の空間から外装フィルム５の外縁に向かう方向での長さのことである。
再び図２を参照すると、図２では突出融着部５ｄの形状を矩形状としているが、この形状は、電池要素収納部に向かって実質的に突出していれば任意である。その幾つかの例を図９（ａ）〜（ｃ）に示す。図９（ａ）に示す突出融着部３６ａは、円弧状の先端部を有している。図９（ｂ）に示す例は、三角形状の突出融着部３６ｂである。図９（ｃ）に示す例は、ホームベース型の突出融着部３６ｃである。いずれの突出融着部３６ａ，３６ｂ，３６ｃも、先端側だけでなく両側方の非融着部でも外装フィルムが膨れ、結果的に先端側だけでなく側方からも引き剥がし応力が作用するので先端部に引き剥がし応力が集中し、他の融着部と比べて優先的に剥離が進行する。特に、図９（ｂ）に示す突出融着部３６ｂおよび図９（ｃ）に示す突出融着部３６ｃは、電池要素収納部に向かって先細り形状となり先端が尖っているので剥離が先端から進行し易い形状となっている。
上述した各例では、本発明における圧力開放部として貫通穴を示したが、圧力開放部は貫通穴である必要はない。例えば、図１０に示すように、突出融着部４６に切り込み４８を形成することによっても、上述したのと同様の効果を得ることができる。この場合は、切り込み４８の先端位置を規定することで、開放圧力を任意に設定することができる。圧力開放部は、熱融着部が剥離することによって電池要素収納部を外部と連通することができれば、重なり合った２枚の外装フィルムを貫通した構造である必要はなく、重なり合った２枚の外装フィルムのうちの一方のみに貫通穴や切り込みなどを形成した場合でも同様の効果が得られる。
また、本発明における応力集中部は、上述した各例のように突出融着部として設けられている必要はなく、熱融着部の中で引き剥がし応力が集中して作用し、結果的に他の部位と比較して優先的に剥離が進行する構造であれば、種々の構造を適用することができる。
図１１に、本発明における応力集中部の他の例を示す。図１１に示す例では、電池要素収納部に連続した入り江状の非融着部の中に、応力集中部としての島状融着部５６を他の融着部と独立して形成している。圧力開放部である貫通穴５８は、この島状融着部５６の中に形成されている。この構造は、上述のように非融着部の中に島状融着部５６が設けられていると見ることもできるが、見方を変えれば、電池要素収納部に連続する２つの非融着部５７ａ，５７ｂを入り江状に設け、これら２つの非融着部５７ａ，５７ｂを、外装フィルムが熱融着されていない部分として設けた連通部５７ｃで連通し、その結果形成された島状融着部５６を、２つの非融着部５７ａ，５７ｂの間に位置する応力集中部として設けた構造とも見ることができる。
この例では、電池要素収納部内でガスが発生すると、発生したガスは２つの非融着部５７ａ，５７ｂおよび連通部５７ｃに進入し、島状融着部５６の全周部で外装フィルムを膨張させる。これにより、島状融着部５６には引き剥がし応力が集中して作用し、他の融着部に優先して剥離が進行する。島状融着部５６での外装フィルムの剥離が貫通穴５８まで達することによって、圧力開放がなされる。開放圧力は、島状融着部５６の外縁から貫通穴５８までの距離を調整することによって任意に設定することができる。
図１２に、本発明における応力集中部のさらに他の例を示す。図１２に示す例では、電池要素収納部に連続する入り江状の非融着部６７が一つのみ設けられている。このように非融着部６７が一つであっても、非融着部６７は電池要素収納部６９に対して入り江状に設けられており、非融着部６７の両側辺６７ａ，６７ｂは、それぞれ電池要素収納部６９の非融着部６７が設けられた辺６９ａと角度をなしており、その交点付近での融着領域の境界は、融着領域側から電池要素収納部側へ向かう凸形状となっている。
したがって、非融着部６７の両側辺６７ａ，６７ｂと電池要素収納部６９の辺６９ａとが交わる非融着部６７の根元部分では、外装フィルムの融着部に、内圧の上昇による引き剥がし応力が集中して作用する。よって、非融着部６７の両側部は、他の融着部に優先して剥離が進行する。非融着部６７の両側の融着部には、非融着部６７の両側辺６７ａ，６７ｂでの剥離が進行し、少なくとも実質的に両側辺６７ａ，６７ｂが消滅するまで、引き剥がし応力が集中して作用する。この時点では、剥離した部分と融着部との境界は、図１２に破線で示すような、非融着部６７の先端と電池要素収納部６９の辺６９ａとをなだらかに繋ぐ円弧を形成する。つまり、この例では、破線で示した位置よりも電池要素収納部６９側の融着部の領域が、本発明における応力集中部となる。
そして、破線で示した位置よりも電池要素収納部６９側の融着部の領域に貫通穴６８が形成されている。この貫通穴６８の位置を適宜調整することによって、開放圧力を任意に設定することができる。
図１２に示す例では、非融着部６７の片側のみに貫通穴６８を設けているが、図１３に示すように、非融着部７７の両側にそれぞれ貫通穴７８を設けることもできる。これにより、圧力開放をより確実に行うことができる。この場合でも、貫通穴７８は応力集中部の領域内に設ける。図１４に示す例も、非融着部８７の両側にそれぞれ貫通穴８８を設けた例であるが、非融着部８７の形状が矩形状であり、図１３のものと異なっている。このように、非融着部８７は、電池要素収納部に対して入り江状に形成されていれば、その形状は任意である。
なお、図１１〜図１４ではそれぞれ貫通穴によって圧力開放部を構成したが、図１０を用いて説明したのと同様に、貫通穴に代えて、切り込みとすることもできるし、さらには、貫通穴または切り込みを、重なり合った外装フィルムの一方のみに形成してもよい。
また、上述した各例に共通する事項であるが、応力集中部に引き剥がし応力を効果的に作用させることによって、応力集中部における剥離を促進させ、結果的に、圧力開放をより確実に行うことができる。応力集中部に効果的に引き剥がし応力を作用させるためには、非融着部が、電池要素収納部で発生したガスを進入させ易い構成であることが好ましい。そのための一つの手段として、例えば図２や図１３等に示したように、非融着部の少なくとも一方の側辺をテーパ状とすることが挙げられる。これにより、非融着部の間口が広がり、電池要素収納部で発生したガスが非融着部内に進入し易くなる。もう一つの手段は、非融着部を電池要素収納部の長辺の中央部に設けることである。この位置は、非融着部を形成可能な領域の中で外装フィルムが最も膨らみやすい位置であり、この位置に非融着部を設けることによって、電池要素収納部で発生したガスが非融着部内に進入し易くなる。
以上、本発明について代表的な幾つかの例を挙げて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更され得ることは明らかである。
例えば、上述した例では２枚の外装フィルムで電池要素をその厚み方向両側から挟んで周囲の４辺を熱融着したものを示したが、その他にも、１枚の外装フィルムを２つ折りにして電池要素を挟み、開放している３辺を熱融着することによって電池要素を封止してもよい。
電池要素の構造について、上述した例では複数の正極板および負極板を交互に積層した積層型を示したが、正極板、負極板およびセパレータを帯状に形成し、セパレータを挟んで正極板および負極板を重ね合わせ、これを捲回した後、扁平状に圧縮することによって、正極と負極を交互に配置させた捲回型の電池要素であってもよい。
また、電池要素としては、正極、負極および電解質を含むものであれば、通常の電池に用いられる任意の電池要素が適用可能である。一般的なリチウムイオン二次電池における電池要素は、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質をアルミニウム箔などの両面に塗布した正極板と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を銅箔などの両面に塗布した負極板とを、セパレータを介して対向させ、それにリチウム塩を含む電解液を含浸させて形成される。電池要素としては、この他に、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムメタル一次電池あるいは二次電池、リチウムポリマー電池等、他の種類の化学電池の電池要素が挙げられる。さらに、本発明は、電気二重層キャパシタなどのキャパシタや電解コンデンサなどに例示されるキャパシタ要素のような、電気エネルギーを内部に蓄積し化学反応または物理反応でガスが発生しうる電気デバイス要素を外装フィルムで封止した電気デバイスにも適用可能である。
さらに、図１には、正極リード３と負極リード４をフィルム外装電池１の対向する辺から延出させた例を示したが、これらは同じ辺から延出させてもよい。
１ フィルム外装電池
２ 電池要素
３ 正極リード
４ 負極リード
５，１５，２５ 外装フィルム
５ａ，１５ａ 封止領域
５ｂ カップ部
５ｃ せり出し融着部
５ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４６ 突出融着部
７ａ，７ｂ，２７ａ，２７ｂ，５７ａ，５７ｂ，６７，７７，８７ 非融着部
８，５８，６８，７８，８８ 貫通穴
５６ 島状融着部
５７ｃ 連通部
２ 電池要素
３ 正極リード
４ 負極リード
５，１５，２５ 外装フィルム
５ａ，１５ａ 封止領域
５ｂ カップ部
５ｃ せり出し融着部
５ｄ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４６ 突出融着部
７ａ，７ｂ，２７ａ，２７ｂ，５７ａ，５７ｂ，６７，７７，８７ 非融着部
８，５８，６８，７８，８８ 貫通穴
５６ 島状融着部
５７ｃ 連通部
Claims (6)
- 電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を包囲して配された外装フィルムとを有し、前記電気デバイス要素の周囲で前記外装フィルムの対向面同士が熱融着されることによって、前記電気デバイス要素を封止する封止領域が形成されたフィルム外装電気デバイスにおいて、
前記外装フィルムの非融着部を前記封止領域の少なくとも一箇所に前記電気デバイス要素を包囲する空間と連続しかつ該空間に対して入り江状に設け、これによって、前記空間の内圧上昇に伴う前記外装フィルムの膨張によって前記外装フィルムの熱融着している部位に生じる引き剥がし応力の集中する応力集中部を前記非融着部に隣接して位置させ、前記応力集中部に、前記外装フィルムの剥離により前記空間の内部と外部とを連通させる圧力開放部が設けられているとともに、２つの前記非融着部が前記封止領域の周縁に沿った方向に互いに間隔をあけて設けられており、前記応力集中部は前記２つの非融着部の間に位置していることを特徴とするフィルム外装電気デバイス。 - 前記応力集中部は、前記２つの非融着部の外側の封止領域から前記空間に向かって突出した突出融着部として形成されている請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
- 前記突出融着部は、前記空間に向かって先細り形状となっている請求項２に記載のフィルム外装電気デバイス。
- 前記応力集中部は、前記２つの非融着部の間に位置する島状融着部として形成されている請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
- 電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を包囲して配された外装フィルムとを有し、前記電気デバイス要素の周囲で前記外装フィルムの対向面同士が熱融着されることによって、前記電気デバイス要素を封止する封止領域が形成されたフィルム外装電気デバイスにおいて、
前記外装フィルムの非融着部を前記封止領域の少なくとも一箇所に前記電気デバイス要素を包囲する空間と連続しかつ該空間に対して入り江状に設け、これによって、前記空間の内圧上昇に伴う前記外装フィルムの膨張によって前記外装フィルムの熱融着している部位に生じる引き剥がし応力の集中する応力集中部を前記非融着部の両側の根元部分に位置させ、前記応力集中部の少なくとも一方に、前記外装フィルムの剥離により前記空間の内部と外部とを連通させる圧力開放部が設けられていることを特徴とするフィルム外装電気デバイス。 - 前記封止領域は、前記非融着部が設けられた箇所で外側にせり出して形成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフィルム外装電気デバイス。
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