JP4281302B2 - フィルム外装体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池要素をフィルム外装体に収納したフィルム外装電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯機器等の電源としての電池は、軽量化・薄型化が強く要請されている。これを受けて、電池の外装体に関しても、軽量化・薄型化に限界のある従来の金属缶に代わり、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である外装体として、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からなるラミネートフィルムが使用されるようになった。
【０００３】
ラミネートフィルムとしては、金属薄膜としてアルミニウムを、熱融着性樹脂フィルムとして電池外側表面にナイロンやポリエチレンテレフタレートを、内側表面にポリエチレンやポリプロピレンを用いたものが一般的に使用される。このラミネートフィルムからなる外装体の内部に、正極、負極、電解質からなる電池要素が収納され、当該外装体周囲が熱融着によって接合される。ある程度の厚みを持った電池要素をラミネートフィルム外装体に収納する場合、ラミネートフィルムに、絞り成型により矩形の凹部を形成する手法が一般的に用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電池要素を外装体にスムーズに収納するためには、電池要素の収納部を電池要素よりも一回り大きく設ける必要がある。特に、複数枚の正極・負極・セパレータを積層し、そこから複数枚の集電箔を引き出して１つの電極リード端子に接続する構成の積層型の電池の場合、その接続部を電池要素収納部内に設ける必要があり、電池要素本体よりも厚みが薄い当該接続部の上下には余剰の空間が形成されてしまう。そのため、外装体フィルムを真空封止すると大気圧によって外装体が圧縮され、余剰のフィルムが収納部の角部において鋭角をなして折れ曲がってしまうという問題が生じていた。電池要素の収納部を絞り成型によって形成する場合、当該収納部の角部は、もとのフィルムよりも薄くなるため、さらに鋭角に折れ曲がることで外装体フィルムのアルミニウム層などにクラックが入るおそれがあった。水分や電解液などのバリヤ層としての機能を持つアルミニウム層にクラックが入ると、フィルム外装電池としての性能や信頼性が大きく損なわれる場合もあった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、フィルム外装電池の真空封止後に、外装体に損傷が生じることを抑制し、信頼性の高いフィルム外装電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、外装フィルムに、電池要素を収納するための方形の凹部を設けるステップと、凹部の内表面の四隅の領域のみに、溶融した樹脂を塗布することにより当該領域を補強する補強部材を設けるステップと、を含むフィルム外装体の製造方法が提供される。
【０００７】
また本発明によれば、上記のフィルム外装体の製造方法において、前記凹部が方形であり、前記補強部材を、前記凹部の底面から側面または隣接する側面に、跨るように形成することを特徴とするフィルム外装体の製造方法が提供される。
【０００８】
また本発明によれば、上記のフィルム外装体の製造方法において、前記領域が、前記凹部の内表面を構成する底面と側面とがなす稜線の少なくとも一部、または前記凹部の内表面を構成する側面同士がなす稜線の少なくとも一部を含む領域であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法が提供される。
【０００９】
従来のフィルム外装体においては、電池要素を収納・被覆し、真空で封止する場合、常圧において空気を含んでいた空間が大気圧により圧縮される結果、外装フィルムが鋭角をなして折れ曲がってしまう部分が発生し、クラックが生じることもあった。本発明のフィルム外装体は、このような不具合を改善するために、電池要素を収納するための凹部の内表面の少なくとも一部の領域に補強部材を備えている。そのため、当該補強部材が設けられた領域においては機械的強度が増しているため、外装体内が陰圧となっても、外装フィルムが鋭角をなして折れ曲がることを抑制することが可能となる。
【００１０】
特に、電池要素を収納するための凹部が方形である場合、外装体内を陰圧にすると、上記凹部の底面と側面とがなす稜線、または上記凹部の側面同士がなす稜線およびその周辺領域において、外装フィルムが鋭角をなして折れ曲がりやすい。したがって、上記交線を含む領域に上記補強部材を備えることにより効果的に上記折れ曲がりを抑制することができ、クラック等の発生を低減することが可能となる。
【００１１】
ここで、特開２００２−１１７８１５号公報には、Ｌ字上のアルミニウム製補強部材が埋め込まれた樹脂製の外装体が開示されている。上記公報記載の技術においては、外装体の材料として絶縁性樹脂を使用しており、この樹脂が衝撃を受けて割れることを防止するために当該補強部材が設けられている。したがって、外装体が鋭角をなして折れ曲がることを防止するという本発明の解決課題とは異なっている。
【００１２】
また、上記公報の技術における補強部材の厚さは機械的強度を確保するために一定の厚さを確保することが必要であるうえに、その補強部材を樹脂により完全に埋め込む必要があるため、外装体の厚さが増すことになり、薄型の電池を提供するという観点からは好ましいとは言えない。さらに当該外装体の製造にあたっては、外装体の壁内における当該補強部材の位置を制御する必要があることから、プロセスが複雑化するという課題を有していた。
【００１３】
上記公報記載の技術に対し、本発明のフィルム外装体に設けられる補強部材は、電池要素を収納する際の生じる余剰空間に上記補強部材を設ける構成であることから、外装体の厚さが増すことはない。また、当該補強部材は、電池要素を収納するための凹部の内表面上に設けられる構成を採用するため、別段複雑なプロセスを経る必要がない。
【００１４】
また本発明によれば、上記のフィルム外装体の製造方法において、前記領域が、前記凹部の内表面を構成する底面と側面とがなす稜線、および前記凹部の内表面を構成する側面同士がなす稜線を含む領域であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法が提供される。
【００１５】
こうすることにより、外装フィルムが鋭角をなして折れ曲がりやすい領域が全て補強されるため、クラック等の発生を一層低減することができる。また、上記の方法によれば、上記補強部材を簡便に設けることができる。
【００１６】
また本発明によれば上記のフィルム外装体の製造方法において、前記外装フィルムが、金属薄膜および熱融着性樹脂フィルムを含むラミネートフィルムであり、凹部の内表面が熱融着性樹脂フィルムの表面であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法が提供される。
【００１８】
外装フィルムとしてラミネートフィルムを採用することにより、外装体内への水分浸入を抑制することができ、かつ、熱融着により簡便に外装体を封止することが可能となる。また、上記の方法によれば、上記補強部材と上記凹部の内表面とを強固に接合することができ、上記補強部材を安定的に作用せしめることができる。
【００１９】
また本発明によれば、上記のフィルム外装体の製造方法において、前記補強部材の材料と、前記凹部の内表面を構成する前記熱融着性樹脂フィルムの材料とが同種の熱融着性樹脂であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法が提供される。
【００２１】
このようにすることにより、上記補強部材と上記凹部の内表面とを強固に接合することができ、上記補強部材を安定的に作用せしめることができる。
【００２２】
本発明において、同種の熱融着性樹脂とは、共通する単量体を有する熱融着性樹脂のことをいう。
【００２４】
本発明の方法により製造されたフィルム外装体に収納されたフィルム外装電池は、上記の外装体に収納されているため、外装体にクラックが入るなどの不具合の発生が低減されているため、外装体内部への水分の浸入や電解液の漏出が生じにくい。したがって、長期にわたる安定的な動作が実現される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態であるフィルム外装電池１の外観を示した図であり、図２は、フィルム外装電池１の分解斜視図である。図２に示されるように、本実施形態のフィルム外装電池１は、電池要素５を収納するための凹部（以下、電池要素収納部ともいう）が設けられた外装体フィルム２ａと、外装体フィルム２ｂとで電池要素５が収納され、電池要素５に接続されて外装体の外部に突出した正極リード端子３および負極リード端子４を備えた構成となっている。電池要素５の周囲のフィルム接合部７は熱融着により接合されている。
【００３５】
本発明において、電池要素収納部の形状は、たとえば図１に示されるように四角形とすることができるが、四角形に限定されるわけではなく、電池要素の形状に合わせて選択することができる。
【００３６】
外装体フィルム２ａおよび２ｂは、金属薄膜および熱融着性樹脂フィルムの少なくとも二層からなるラミネートフィルムを使用することができる。金属薄膜としては、内部への水分浸入を防ぐことができる公知の材料を使用することができ、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの薄膜が例示される。一方、熱融着性樹脂フィルムは、熱融着により外装体を密閉することができる公知の材料を使用でき、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂が例示される。
【００３７】
図３および図７に示されるように、外装体フィルム２ａには電池要素５を収納するための凹部が絞り加工により設けられる。この凹部を構成する底面と側面とがなす稜線あるいは側面同士がなす稜線およびその周辺の領域は、絞り加工によって薄く延ばされているため、その他の部分よりもラミネートの樹脂層や金属薄膜が薄くなっている。そのため、外装体フィルムを真空中で接合すると、図６に示されるように、角部が鋭角に折れ曲がった状態となりやすくなっている。このように角部が鋭角に折れ曲がってしまうと、薄くなったラミネートフィルムの金属薄膜にクラックが入るおそれがある。バリヤ層としての機能を持つ金属薄膜にクラックが入ると、外装体内部への水分浸入や電解液成分の揮発が起こり、電池としての性能や信頼性が大きく損なわれる場合も考えられる。そこで本発明では、図３および図７に示されるように、電池要素収納部の稜線およびその周辺領域に補強部材６を設ける。このようにすることにより、図７のように、フィルム外装体２ａの電池要素収納部の稜線とその周辺領域が補強部材６に沿った形状となるため、鋭角に折れ曲がることを防止することが可能となる。したがって、稜線およびその周辺領域におけるクラック発生などの不具合を防ぐことが可能となり、信頼性の高いフィルム外装電池を実現する。
【００３８】
図３においては、電池要素収容部の全ての稜線に補強部材６を設けた形態を示したが、必ずしもこのようにする必要はない。たとえば、図４に示されるように、電池要素収容部の四隅にのみ補強部材６を設けた形態を採用するなど、適宜変更することが可能である。補強が必要な箇所にのみ補強部材６を設けることができるため、電池の信頼性を向上させつつ、電池全体の軽量化に寄与することができる。
【００３９】
補強部材６と外装体フィルム２ａとは、熱融着、接着剤を用いた接着、超音波溶接など、公知の方法を用いて接合することができる。また、図５に示すように、溶融した樹脂を塗布することによって補強部材６を形成することもできる。この場合、補強部材６の成形工程および外装体フィルム２ａへの接合工程を省くことができ、電池の製造の効率化を図ることが可能となる。
【００４０】
補強部材６の材料としては、外装体内を真空にしたときに、変形しない程度の機械的強度を有する公知の材料を使用することができ、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンなどの樹脂が例示される。また、補強部材６の材料と、補強部材６が接する外装体フィルム２ａの表面の樹脂層の材料とを同種の熱融着性樹脂とすることが好ましい。このようにすることにより、補強部材６と外装体フィルム２ａとの接合を強固なものとすることができる。
【００４１】
本発明における電池要素は、特に限定されない公知の電池を使用できるが、上記の外装体が軽量かつ水分の浸入が少ないという特徴を有することから、水分浸入により特性劣化が発生するおそれのある非水電解質電池を使用する場合は特に効果的である。非水電解質電池としては、リチウムイオン電池、リチウムメタル電池、リチウムポリマー電池などの一次または二次電池が例示される。
【００４２】
【実施例】
次に、具体的な実施例により説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４３】
（実施例１）
図１は、本実施例のフィルム外装電池１の外観を示す斜視図であり、図２はその分解斜視図である。
【００４４】
図２に示されるようにフィルム外装電池１は、正極リード端子３および負極リード端子４を備えた電池要素５が、外装体フィルム２ａおよび２ｂにより被われ、外装体フィルム２ａおよび２ｂの縁部が封止された構成である。また、図１に示されるように、正極リード端子３および負極リード端子４が突出した状態となっている。
【００４５】
次に、再度図２に戻り、本実施例のフィルム外装電池の製作について説明する。
【００４６】
外装体フィルム２ａとしては、ナイロン／アルミニウム／酸変性ポリプロピレン／ポリプロピレンの四層構造を持つアルミラミネートフィルムを使用した。この外装体フィルム２ａに対して深絞り加工を施すことにより、電池要素５よりも一回り大きいサイズの収納部をポリプロピレン側が凹状となるように設けた。
【００４７】
図３は、本実施例のフィルム外装体電池の外装体フィルム２ａの斜視図であり、上記で設けられた収納部内部が示されている。図３に示されるように、外装体フィルム２ａの収納部の内側角部に、ポリプロピレン製の樹脂片を熱融着によって接合し、樹脂補強層６を設けた。
【００４８】
次に、図２に示されるように、外装体フィルム２ａと２ｂとで電池要素５を被い、正極リード端子３および負極リード端子４のみが外装体フィルム２ａおよび２ｂから突出するような状態として、外装体フィルム２ａおよび２ｂの縁部を重ね合わせた。その後、正極リード端子３および負極リード端子４が突出した一辺以外のフィルム外装体の周囲三辺を熱融着により接合した。その後、接合していない残りの一辺から電解液を注入した。電解液としては、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合溶媒（重量比５０：５０）に、支持塩としてＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させたものを使用した。電解液を注入後、真空中にて接合していない残りの一辺を熱融着により封止し、本実施例のフィルム外装電池１（図１）を得た。
【００４９】
ここで、図１中のＡ−Ａ'断面を図７に示す。また、樹脂補強層が設けられていない従来のフィルム外装電池の、図７に対応する断面図を図６に示す。図６に示された従来のフィルム外装電池において、電池要素５ｂを収納する収納部は、通常、適度な余裕を持たせるため電池要素５ｂよりも一回り大きく形成される。そのため、外装体フィルム２ｃおよび２ｄを真空封止する際に、外装体フィルム２ｃが電池要素５ｂに密着したときに、余剰の空間を構成していた部分のフィルムが角部に寄せ集められる。当該角部は絞り加工によって薄く延ばされているため、絞り加工されていない部分よりもラミネートの樹脂層やアルミニウム層が薄くなっている。そのため、図６に示されるように、角部が鋭角に折れ曲がった状態となりやすくなっていた。このように角部が鋭角に折れ曲がってしまうと、薄くなったラミネートフィルムのアルミニウム層にクラックが入る恐れが増大していた。バリヤ層としての機能を持つアルミニウム層にクラックが入ると、外装体内部への水分浸入や電解液成分の揮発が起こり、電池としての性能や信頼性が大きく損なわれる恐れがあった。
【００５０】
これに対し、本実施例のフィルム外装電池は、図７に示されるように外装体フィルム２ａの角部に樹脂補強層６が備えられている。このため、外装体フィルム２ａおよび２ｂを真空封止する際に、外装体フィルム２ａが電池要素５に密着したときに、余剰の空間を構成していた部分のフィルムが角部に寄せ集められるものの、角部に備えられた樹脂補強層６が十分な機械的強度を有することから、角部が鋭角に折れ曲がることを防止することができる。したがって、フィルム外装体２ａの角部におけるクラックの発生を抑制することができるため、電池としての性能および信頼性を良好な状態で維持することが可能となる。
【００５１】
なお、本実施例における電池要素は、次のように作製した。
【００５２】
（正極の作製）
スピネル構造を持つマンガン酸リチウム粉末、炭素質導電性付与材、およびポリフッ化ビニリデンを９０：５：５の重量比でＮＭＰに混合分散、攪拌してスラリーとした。ＮＭＰの量はスラリーが適当な粘度になるように調整した。このスラリーを、ドクターブレードを用いて、正極集電体となる厚さ２０ミクロンのアルミニウム箔の片面に均一に塗布した。塗布時には、わずかに未塗布部（集電体が露出している部分）が筋状にできるようにした。次にこれを１００℃で２時間真空乾燥させた。同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し、真空乾燥させた。この際、表裏の未塗布部が一致するようにした。このようにして両面に活物質を塗布したシートをロールプレスした。これを未塗布部を含めて矩形に切り出したものを正極の電極板とした。活物質未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分をリード部とした。
【００５３】
（負極の作製）
アモルファスカーボン粉末、ポリフッ化ビニリデンを９１：９の重量比でＮＭＰに混合、分散、攪拌してスラリーとした。ＮＭＰの量はスラリーが適当な粘度になるように調整した。このスラリーを、ドクターブレードを用いて負極集電体となる厚さ１０ミクロンの銅箔の片面に均一に塗布した。塗布時には、わずかに未塗布部（集電体が露出している部分）が筋状にできるようにした。次にこれを１００℃で２時間真空乾燥した。なお、このとき負極層の単位面積あたりの理論容量と正極層の単位面積あたりの理論容量を１：１となるように活物質層の膜厚を調整した。同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し真空乾燥した。このようにして両面に活物質を塗布したシートをロールプレスした。これを正極のサイズよりも縦横２ｍｍずつ大きいサイズに、未塗布部を含めて矩形に切り出したものを負極の電極板とした。活物質未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分をリード部とした。
【００５４】
（電池要素の製作）
上記のようにして作製した正極と負極、およびポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの三層構造を持つマイクロポーラスセパレーターを交互に積層した。電極の最外側は負極となるようにし、その負極のさらに外側にセパレーターを設置した（セパレーター／負極／セパレーター／正極／セパレーター／・・・・・・／負極／セパレーター、という順序）。積層した正極の電極板リード部と正極リード端子としてのアルミニウム板を一括して超音波溶接した。同様に負極のリード部と負極リード端子としてのニッケル板を一括して超音波溶接した。
【００５５】
（実施例２）
図４は、本実施例のフィルム外装電池の外装体フィルム２ａを示す図であり、実施例１における図３に対応する図である。
【００５６】
本実施例のフィルム外装電池は、基本的には実施例１と同じであるが、異なる点は、樹脂補強層６を電池要素収納部内側の角部すべてに形成するのではなく、フィルム外装電池１を真空封止した際、特に鋭角な折れ曲がりが発生しやすい電池要素収納部の四隅にのみ形成していることである。樹脂補強層６の形成位置は特に四隅に限定されず、電池要素収納部内側の角部の少なくとも一部に形成することができる。
【００５７】
（実施例３）
図５は、本実施例におけるフィルム外装電池の外装体フィルム２ａを示す図であり、実施例１における図３、および実施例２における図４に対応する図である。
【００５８】
本実施例のフィルム外装電池は、基本的には実施例１、２と同じであるが、異なる点は、樹脂補強層６を樹脂片の熱融着や接着による接合で形成するのではなく、溶融したプロピレン樹脂を塗布することで形成したことである。
【００５９】
以上、実施例により本発明について説明したが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で適宜変更されうる。
【００６０】
例えば、上述した各実施例を組み合わせた構成としたり、フィルム外装体や樹脂補強層の材料を同様の効果が見込まれる公知の材料とすることができる。また、上述した各実施例ではリチウムイオン二次電池を電池要素として説明したが、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の他の種類の電池要素に適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、フィルム外装体の電池要素を収納するための凹部の少なくとも一部の領域に補強部材を備えることにより、フィルム外装電池の真空封止後に、外装体に損傷が生じることを抑制することができる。したがって、信頼性の高いフィルム外装電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明にかかるフィルム外装電池の分解斜視図である。
【図３】本発明にかかるフィルム外装体の斜視図である。
【図４】本発明にかかるフィルム外装体の斜視図である。
【図５】本発明にかかるフィルム外装体の斜視図である。
【図６】従来の技術によるフィルム外装電池の断面図である。
【図７】本発明にかかるフィルム外装電池の断面図である。
【符号の説明】
１ フィルム外装電池
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 外装体フィルム
３ 正極リード端子
４ 負極リード端子
５、５ｂ 電池要素
６ 補強部材
７ フィルム接合部

Claims (6)

1. 外装フィルムに、電池要素を収納するための方形の凹部を設けるステップと、
   前記凹部の内表面の四隅の領域のみに、溶融した樹脂を塗布することにより当該領域を補強する補強部材を設けるステップと、
   を含むフィルム外装体の製造方法。
2. 請求項１に記載のフィルム外装体の製造方法において、前記補強部材を、前記凹部の底面から側面または隣接する側面に、跨るように形成することを特徴とするフィルム外装体の製造方法。
3. 請求項１に記載のフィルム外装体の製造方法において、前記領域が、前記凹部の内表面を構成する底面と側面とがなす稜線の少なくとも一部、または、前記凹部の内表面を構成する側面同士がなす稜線の少なくとも一部を含む領域であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法。
4. 請求項１に記載のフィルム外装体の製造方法において、前記領域が、前記凹部の内表面を構成する底面と側面とがなす稜線、および、前記凹部の内表面を構成する側面同士がなす稜線を含む領域であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載のフィルム外装体の製造方法において、前記外装フィルムが、金属薄膜および熱融着性樹脂フィルムを含むラミネートフィルムであり、前記凹部の内表面が前記熱融着性樹脂フィルムの表面であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法。
6. 請求項５に記載のフィルム外装体の製造方法において、前記補強部材の材料と、前記凹部の内表面を構成する前記熱融着性樹脂フィルムの材料とが同種の熱融着性樹脂であることを特徴とするフィルム外装体の製造方法。

Images