JP4224739B2

JP4224739B2 - 枠付き電池

Info

Publication number: JP4224739B2
Application number: JP11562799A
Authority: JP
Inventors: 良明高橋; 盛勝新井; 泰造原田
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: JP2000306556A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外装体にラミネートフィルムを用いて、発電要素を密封した電池に関するものであり、外装フィルムの接合部分に相当する薄肉部の折れ曲がりと薄肉部の枠体からの剥離および端子の変形を防止することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン電池は高いエネルギー密度を有することから、携帯用端末機用電源に多く用いられ、更なる高容量化、薄型化の開発が要求されている。
【０００３】
ポータブル機器電源に使用されている各種小型二次電池のエネルギ−密度を比較してみると、鉛電池では２０〜４０Ｗｈ／ｋｇ、５０〜１００Ｗｈ／ｌ、ニッケルカドミウム電池では４０〜５０Ｗｈ／ｋｇ、１３０〜２００Ｗｈ／ｌ、ニッケル水素電池では５０〜６０Ｗｈ／ｋｇ、２５０〜３００Ｗｈ／ｌ、リチウムイオン電池では９０〜１１０Ｗｈ／ｋｇ、２５０〜３００Ｗｈ／ｌとなる。
【０００４】
この小型二次電池の構成としては、巻回した極群を円筒形のケースに収納した円筒形電池や平板状の極板を積層して平角形ケースに収納した角形電池がある。これらのケースは強度をもたせるため金属容器で形成され、製造コストが割高であり、軽量化が容易でない。
【０００５】
より安価で軽量な小型二次電池を提供する手段として、発電要素をポリエチレンシートやアルミシートをラミネートし、非ガス透過性を持たせたフィルム部材よりなる袋状体に収納し、熱溶着等により接合密閉したものが提案されている。このような二次電池としては、例えば、実開昭６０−１６２３６２号に開示されているように、平板状極板群を内側から感熱性接着層、アルミニウム箔および高分子フィルムからなるラミネートで封止し、ラミネートフィルムの感熱層にリード体となる金属蒸着膜を形成し、金属の蒸着膜の一端を電極端子に接触させて発電要素をラミネートフィルムで封止したものや、特開昭６１−２０６１５７号に開示されているように、平板状極板群をチューブ状のラミネートフィルム部材に挿入した後、両端部を熱溶着して密閉したもの等がある。このような外装体にラミネートフィルムを用いた電池においては、外装フィルムが剛性に乏しいため、外力を加えると容易に変形する。このため、形状の自由度は大きくなるが、過剰な変形はその応力のため電池内部構造を破壊し、活物質の脱落および短絡の原因となる。特に電池周辺の外装フィルムの接着部である薄肉部は変形し易く、外力も受けやすい為、落下等の衝撃によって短絡する可能性が高い。また、端子部も外装フィルムのみにより固定されている為、端子が受ける外力は、そのまま電池内部の発電要素に伝わり短絡の原因となることがあった。
【０００６】
そこで、上記のような電池の変形に対する安全性を確保する為、外装容器を用いる等の工夫がなされている。また、実公昭６３−４２４６２号では外装フィルムの接合部である薄肉部の上に厚肉部に嵌合する枠体を結合したものを開示している。
【０００７】
しかしながら、外装容器を用いると外装体にフィルムを用いた電池の高エネルギー密度および低製造コストの利点を損なう。また、実公昭６３−４２４６２号では外装体にフィルムを用いた場合の利点は保たれるが、端子が外装フィルムにのみ固定されている為、電池装脱着時に端子が変形し、接触不良になったり、端子に加わる応力が電池内部に伝わり、電池内部の発電要素が変形して短絡を引き起こすことがある。また、枠体が薄肉部の上に結合されているだけであり、枠体と電池の結合部が外部の衝撃に曝され易く、剥離脱落の原因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、外装体にフィルムを用いた電池の高エネルギー密度および低製造コストの利点を損なうことなく、外装体にフィルムを用いた電池の剛性を高め、安全性を確保することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、発電要素を一方の面と対向する面との２面側から狭持するように外装フィルムを用いてその周辺部を接合することにより、発電要素を密封した構成を有する電池において、前記外装フィルムの一方の側にのみ前記発電要素の収納部の型が形成されて電池厚肉部を構成し、電池周辺部の前記外装フィルムの接合部に相当する薄肉部上に、前記電池厚肉部に嵌合する窓と端子を有する枠体を、接着または融着により結合した枠付き電池である。また、前記枠体の電池との結合部に電池周辺部の薄肉部に嵌合する凹部を形成した枠付き電池である。
【００１０】
すなわち、外力が加わり易く変形による応力が集中し易い電池周辺部に枠体を設けることにより、落下の衝撃等の外力による電池の変形を防ぎ、電池脱着時に最も応力が加わる端子部を枠体に固定して、電池脱着時の電池の破損を防ぐものである。
【００１１】
更に、枠体に電池周辺部に嵌合する凹部をつけることにより、電池と枠体の接合部の最外周部を保護し、電池の剥離および脱落を防止するものである。
【００１２】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００１３】
（本発明）
先ず、本発明の電池の構成要素を説明する。正極には、正極活物質のＬｉＣｏＯ₂８７重量部、導電助剤の人造鱗片状黒鉛８．５重量部およびアセチレンブラック１．５重量部を混合した混合粉体に、バインダーとして１２％ポリフッ化ビニリデン／Ｎ−メチル−２−ピロリドン溶液を２５重量部加えて練り、さらにＮ−メチル−２−ピロリドンを２９重量部加えてペースト状にしたものを集電体となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔上に厚さ約２６０μｍで塗布したものを乾燥後、電極形状に打抜き、厚さ約１００μｍにプレスしたものを用いた。
【００１４】
尚、正極活物質としては上記以外のリチウム含有遷移金属酸化物、例えばスピネル型マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、ニッケル酸リチウム等を用いることができる。
【００１５】
負極には、負極活物質として層間距離ｄ００２が３．３７Å、結晶子サイズＬｃが３６０Åである繊維状人造黒鉛９４重量部に、バインダーとして１２％ポリフッ化ビニリデン／Ｎ−メチル−２−ピロリドン溶液を５０重量部加えて練り、さらにＮ−メチル−２−ピロリドンを２４重量部加えてペースト状にしたものを集電体となる厚さ１２μｍの電解銅箔上に厚さ約２１０μｍで塗布したものを乾燥後、電極形状に打抜き、厚さ約１０５μｍにプレスしたものを用いた。
【００１６】
また、負極活物質としても、上記以外のメソカーボンマイクロビーズ、コークス、ハードカーボン等の炭素材を用いることができる。
【００１７】
また、バインダーとしても、上記以外のものとして、ポリテトラフルオロエチレン、ゴム系高分子もしくはこれらとセルロース系高分子との混合物またはポリフッ化ビニリデンを主体とするコポリマー等を用いることができる。
【００１８】
電解質としては、先ず、エチレンカーボネートとγ−ブチロラクトンの２：３の混合溶液に、ＬｉＢＦ₄を１ｍｏｌ／ｌになるように溶解させた電解液を準備した。該電解液にアクリル酸エステル基が３個付加されたエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの共重合体であるマクロマーを２０％混合したポリマー電解質前駆体Ａを調製した。ポリマー電解質前駆体Ａを電子線照射により硬化させゲル状にしたポリマー電解質Ａを得た。平均分子量が５００であるビスフェノールＡのエチレンオキサイド付加体をアクリレート化したモノマーを該電解液に２０％混合したポリマー電解質前駆体Ｂを調製した。ポリマー電解質前駆体Ｂを該正負極に真空含浸し、電子線照射により硬化させ極板中にポリマー電解質Ｂを形成させた。
【００１９】
尚、電解質としても、上記に制限されるものではなく、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の混合溶媒にＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミド塩等の支持塩を溶解した電解液、およびそれらの電解液とポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン等の高分子とのゲル状電解質等を用いることができる。
【００２０】
セパレータとして厚み３０μｍのポリプロピレン不織布にポリマー電解質前駆体Ａを含浸させ、それに電子線を照射することにより得られた厚み３５μｍゲル状フィルムを用いた。セパレータについても、とくに限定されず、従来から使用されているポリエチレン微多孔膜、ポリフッ化ビニリデン微多孔膜等の種々のセパレータを用いることができる。
【００２１】
次に本発明電池の構造を説明する。上記正負両極とセパレータとを平板状として積層し、外装フィルム（１）により密閉した電池の一例として断面図を図１に示す。この積層式極板群（２）の構成も特に限定されるものでなく、図２に示す正負両極とセパレータとを扁平渦状に巻回した巻回式極板群（３）を外装フィルム（１）により密閉したものでも良い。また、密閉前の外装フィルム（１）の一方は深絞り加工により発電要素の収納部の型が形成されているのが望ましい。
【００２２】
図３に示す枠体（５）は合成樹脂成形体を用いる。枠体（５）に用いる樹脂には軽量性と剛性が求められる。枠体外周部は電池外周部以上の大きさとし、中央に発電要素収容部に相当する電池厚肉部に嵌合する窓（６）を持つ。その窓（６）の縁は電池厚肉部と薄肉部の境界における段差の傾斜に合致する傾斜を持つ。その枠体（５）の厚みは電池面の枠体からのはみ出しを防止するため電池厚肉部の厚みと同等またはそれ以上とする。電池の枠体（５）からの剥離および脱離を防止するため、電池の薄肉部との接着面に薄肉部と同等またはそれ以上寸法の深さを持つ凹部（７）を設ける。また、端子部には端子（９）（図４）及び／または正・負極リード（４）（図６）が枠体（５）より突出する事を防止するための端子溝（８）を形成した。端子（９）は図６Ａに示すように、端子溝（８）に固定した。
【００２３】
凹部（７）と窓（６）枠と端子（９）を有する枠体（５）を電池に結合した枠付き電池を図４に示す。図５に図４の破線部における断面図を示す。
【００２４】
枠体（５）と電池の結合は枠体（５）の結着部に接着剤を塗布し張り合わせることにより行った。尚、この結合は結合部にホットメルト材を使用し融着させることにより行うこと等の結着法も用いることができる。
【００２５】
端子（９）と正・負極リード（４）とをスポット溶接で溶接することにより電子的コンタクトを得た。尚、図６Ｂに示す様に正・負極リード（４）をそのまま端子として利用させることも可能である。
【００２６】
（比較例）
本発明と同様にして作成した外装フィルムで密閉された電池に本発明で用いた枠体に対して端子および凹部を設けず、電池周辺部の前記外装フィルムの接合部に相当する薄肉部の上に電池の厚肉部に嵌合する窓を有する枠体を結合した電池を比較例とした。
【００２７】
以上のようにして作製された枠付き電池２０個を機器に装脱着した場合に端子の変形および電池の変形と枠体から剥離した装脱着回数の頻度を測定した。結果を図７に示す。
【００２８】
図７から明らかなように、本発明では１０回以上電池の装脱着を繰り返しても端子変形および電池剥離は生じないのに対し、比較例ではすべての電池が１０回以内の電池の装脱着で端子変形および電池剥離を引き起こした。よって、本発明の効果は顕著である。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の枠付き電池は、外装にラミネートフィルムを用いた電池において、装脱着時の端子の変形と電池の変形を防止し、電池の装脱着を簡便化し、さらに電池の安全性を向上させたので、その工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】積層式極板群を用いた外装フィルムにより発電要素を密閉した電池の断面図である。
【図２】巻回式極板群を用いた外装フィルムにより発電要素を密閉した電池の断面図である。
【図３】本発明における枠付き電池の枠体の斜視図である。
【図４】本発明の枠付き電池の正面図である。
【図５】図４の破線部における本発明の枠付き電池の断面図である。
【図６】本発明の枠付き電池の端子部における断面拡大図である。
【図７】装脱着試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１外装フィルム
２積層式極板群
３巻回式極板群
４正・負極リード
５枠体
６窓
７凹部
８端子溝
９端子

Claims

発電要素を一方の面と対向する面との２面側から狭持するように外装フィルムを用いてその周辺部を接合することにより、発電要素を密封した構成を有する電池において、前記外装フィルムの一方の側にのみ前記発電要素の収納部の型が形成されて電池厚肉部を構成し、電池周辺部の前記外装フィルムの接合部に相当する薄肉部上に、前記電池厚肉部に嵌合する窓と端子を有する枠体を、接着または融着により結合した枠付き電池。
前記枠体の電池との結合部に電池周辺部の薄肉部に嵌合する凹部を形成した請求項１記載の枠付き電池。