JP4288737B2 - 扁平電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池とくに、電解質をポリマーに保持させたリチウムポリマー二次電池等の薄型、扁平な電池に適した、樹脂フィルム主体のラミネートシートを外装ケースとする扁平電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２枚の樹脂フィルム間に金属箔を配し、全体を積層一体化したラミネートシートを外装ケースとして用いる電池は、例えば特開平１０−１５７００８号などでこれまでから知られている。この場合、外装される発電要素は、通常フィルム状またはシート状の正極板、セパレータおよび負極板を積層した扁平な積層電極である。これは、２枚あるいは１対のラミネートシートの重なり合った周囲を熱溶着などで袋状にシールすることで得られる外装ケース内に封入される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような袋状のラミネートシートを外装ケースとする電池では、扁平な積層電極の外装ケース内への封入にあたって、ラミネートシート周囲のシール部とその内部に収容される積層電極との間に、断面が三角形状の取り巻き空間が形成されることがさけられない。この取り巻き空間が無駄な空間となり、結果として積層電極寸法に準ずる以上に電池の外形縦横寸法が大きくなってしまうという問題がある。
【０００４】
また、外装ケース内へ扁平な積層電極を挿入する際に、袋状にシールされることで密着状態にある２枚の、あるいは上下のラミネートシート間を開いて積層電極を挿入しうる空間を作らなければならない。このシート間の口開き作業と積層電極挿入作業が手数のかかるものであって、これがこの電池の生産効率を低下させる原因となっていた。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点を解消し、コンパクトで生産効率の向上を図ることができる、樹脂フィルム主体のラミネートシートを外装ケースとする扁平電池を提供することを主たる目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の扁平電池は、上記目的を達成するため、それぞれフィルム状またはシート状の正極板、セパレータおよび負極板を積層一体化した扁平な積層電極と、長さ方向の中央部で２つ折される１枚の樹脂フィルム主体のラミネートシートで構成され、積層電極を内部に収容するとともにシートの重なった周囲を熱溶着した外装ケースとからなり、２つ折されるラミネートシートのうち一方を平板状部、他方を積層電極が収容される矩形の電極収容凹部を有した浅い皿状容器部とし、矩形の電極収容凹部の開口部コーナーの曲率半径Ｒ１は５ｍｍ≧Ｒ１≧０．５ｍｍ、凹部の深さＤは１０ｍｍ≧Ｄ≧２ｍｍ、凹部の側壁と底壁とで構成される底部コーナーの曲率半径Ｒ２は１ｍｍ≧Ｒ２≧０．３ｍｍであって、正極板および負極板には正極リードおよび負極リードが電気的に接続されており、正極リードおよび負極リードの一部にはラミネートシートと同材質の絶縁フィルムが被覆されており、絶縁フィルムはラミネートシートの内側と熱溶着され、正極リードおよび負極リードの先端部のみが外装ケースの一辺より外部に突出していることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の扁平電池は、それぞれフィルム状またはシート状の正極板、セパレータおよび負極板を積層一体化した扁平な積層電極と、長さ方向の中央部で２つ折される１枚の樹脂フィルム主体で３層以上を一体化したラミネートシートで構成され、かつ積層電極を内部に収容して周囲が密閉される外装ケースとからなり、２つ折されるラミネートシートのうち一方は平板状部、他方は積層電極を収容する矩形の電極収容凹部を有した皿状容器部とし、電極収容凹部の開放側の一辺を傾斜面とするとともに、凹部の開口部コーナーの曲率半径Ｒ１は５ｍｍ≧Ｒ１≧０．５ｍｍ、凹部の深さＤは１０ｍｍ≧Ｄ≧２ｍｍ、凹部の側壁と底壁とが交わる底部コーナーの曲率半径Ｒ２は１ｍｍ≧Ｒ２≧０．３ｍｍ、傾斜面と底壁とが交わる傾斜コーナーの曲率半径Ｒ３は１．５ｍｍ≧Ｒ３≧０．３ｍｍであって、正極板および負極板には正極リードおよび負極リードが電気的に接続されており、正極リードおよび負極リードの一部にはラミネートシートと同材質の絶縁フィルムが被覆されており、絶縁フィルムは前記ラミネートシートの内側と熱溶着され、正極リードおよび負極リードの先端部のみが外装ケースの一辺より外部に突出していることを特徴とする。
【０００８】
電池のコンパクト化の面から、電極収容凹部は、その外観形状が矩形で扁平な積層電極に対応して矩形形状をしており、その開口部コーナーの曲率半径Ｒ１の寸法は５ｍｍ≧Ｒ１≧０．５ｍｍ、容器の深さＤの寸法は１０ｍｍ≧Ｄ≧２ｍｍ、凹部の側壁と底壁とで構成される底部コーナーの曲率半径Ｒ２の寸法は１ｍｍ≧Ｒ１≧０．３ｍｍが好ましい。
【０００９】
さらに樹脂フィルム主体のラミネートシートは、少なくとも３層のフィルムを一体化したものであり、第１の樹脂フィルムと第２の樹脂フィルムとの間に金属箔を配し、シール時に互いに重なり合う第２の樹脂フィルムは熱溶着性に優れた樹脂で構成することが好ましい。
【００１０】
本発明の最も好ましい構成は、それぞれフィルム状またはシート状の正極板、セパレータおよび負極板を積層一体化した扁平な積層電極と、樹脂フィルム主体で３層以上のフィルムを一体化した１枚のラミネートシートで構成され、かつ前記積層電極を内部に収容して密閉化された外装ケースとからなり、
１枚のラミネートシートは、長さ方向の中央部で２つ折される一方を平板状部とし、他方を前記積層電極が収容される矩形の電極収容凹部を有した皿状容器部として、重なったシート周囲を熱溶着で一体化することである。
【００１１】
本発明によれば、扁平な積層電極に対応してラミネートシートにはこれを収容する電極収容凹部を形成しているので、この電極収容凹部と積層電極との間に無駄な空間が殆どなく、結果として電池の外形縦横寸法を小さくでき、コンパクトな電池とすることができる。
【００１２】
また、本発明によれば、扁平で矩形形状の積層電極とラミネートシートに設けた電極収容凹部とは形状的に対応しているので、案内冶具等を用いて作業性良く積層電極を凹部に収容することができる。
【００１３】
さらに凹部の開放側の一辺に傾斜面を設けて、この傾斜面を積層電極の凹部への挿入案内とすると、凹部内に積層電極を容易に収容することができる。この後２つ折されて重なったシートの周囲をシールして電池を封入した外装ケースを製作することができるので、電池生産の自動化も容易であり、生産効率の大幅な向上を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリチウムポリマー二次電池に適用した実施形態を、図１〜図６により説明する。
【００１５】
図３、図４に示すように、それぞれフィルム状あるいはシート状の正極板１、負極板２がセパレータ３を介して対向するよう積層一体化した積層電極４を用意した。これは前記の従来例と同様に構成されたものである。詳しくは、正極板１は集電体であるアルミニウムシート１ａの片面にコバルト酸リチウムを含む正極合剤ペースト１ｂを塗着乾燥したものであり、負極板２は同じく集電体である銅シート２ａの両面に球状黒鉛を含む負極合剤ペースト２ｂを塗着乾燥したものである。セパレータ３は非水電解質を保持してゲル状を呈するポリマーシートからなる。
【００１６】
扁平な積層電極４は、図４に示すように、負極板２の上側の合剤ペースト２ｂにセパレータ３を介してその上方の正極板１の合剤ペースト１ｂを対向させると共に、負極板２の下側の負極合剤ペースト２ｂにもセパレータ３を介してその下方の正極板１の正極合剤ペースト１ｂを対向させた積層状態で、加熱加圧により一体化したものである。ここでのアルミニウムシート１ａおよび銅シート２ａは、箔や薄いシートに切れ目を入れて展開したラスシートやエキスパンドシート、さらには箔やシートに多数の孔をあけたパンチングシートが、ペーストとの密着およびその保持の上から好ましい。
【００１７】
上下それぞれの正極板１のアルミニウムシート１ａには、図２に示すように、左右方向（図２では上下方向）の一方に偏位した位置に正極側のリード接続部１ｃが延出して形成されている。他方に偏位した位置には、負極板２の銅シート２ａから負極側のリード接続部２ｃが延出形成されている。これらリード接続部は図４に示すように、扁平な積層電極４の頂部とほぼ一致する高さ位置まで引き出されて、アルミニウムシート片からなる正極リード８および銅シート片からなる負極リード９と、超音波溶接Ｓによってそれぞれ接合されている。このリード接続部とリードとの接合は、電気抵抗溶接によって行ってもよい。
【００１８】
この実施形態では、積層電極４は２枚の正極側のリード接続部１ｃと１枚の負極側のリード接続部２ｃを有する構成となっているため、これらを積層電極４の頂部とほぼ一致する高さ位置でリード８、９と接合するために、下側の正極のリード接続部１ｃと負極側のリード接続部２ｃとを、図４に示すように容器側壁に沿うよう折曲げている。しかし、より多くの正極板１および負極板２を積層した積層電極４の場合には、この積層電極４の頂部とほぼ一致する高さ位置で各リード接続部１ｃ、２ｃをそれぞれ重ね合わせるために、より多くのリード接続部１ｃ、２ｃを折曲げることになる。
【００１９】
外装ケース７は、この扁平な積層電極４の凹部１１内への収容と、注入電解液が電極部分に含浸保持されるまでの容器の役割を果たす。この外装ケース７は、図５、図６に示すように１枚の樹脂フィルム主体のラミネートシート１０を長さ方向中央の折曲げ線Ｔで２つ折にし、この折曲げ線Ｔの左右に位置する平板状部５と、皿状容器部６とを重ね合わせ、図２に示すように、その周辺部の３辺Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3のシート最内側の熱融着性樹脂フィルムどうしを熱溶着させてシールしたものである。周辺部Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 の接合には加熱加圧による樹脂フィルムどうしの熱接合が最も一般的であるが、シール部分の長期信頼性を高めるにはラミネートシート１０の１構成要素である金属箔どうしを直接接合することが望ましい。この場合、シート最内側の熱融着性樹脂フィルムは、シート周辺部で金属箔どうしを突き合わせるために部分的に除去する必要があり、突き合わせた金属箔どうしを接合するには超音波溶着を用いるのが好ましい。
【００２０】
皿状容器部６には前記積層電極４を内部に収容するための電極収容凹部１１を成形によって設けている。この電極収容凹部１１は、外観形状が矩形の積層電極４の外形寸法よりもわずかに大きい矩形形状をしていて、その開口部コーナーの曲率半径Ｒ１と底部コーナーの曲率半径Ｒ２は、積層電極４の凹部への入れ易さと凹部の成形性とを考慮してそれぞれ５〜０．５ｍｍ、１〜０．３ｍｍの範囲内で設けられている。また、収容凹部１１の深さＤは、積層電極４の厚みに応じて１０〜２ｍｍの範囲に形成されている。
【００２１】
なお、図６に示す電極収容凹部１１の側壁と上面平坦部との間で設定される開口部の角度θも、凹部の成形性と積層電極４の凹部１１への入れ易さから８０〜９０°が好ましい。
【００２２】
凹部１１への積層電極４の入れ易さを考えると、矩形の４辺を同じ角度にするのではなく、図５に示す開放側の一辺例えばＰ２の辺は３０〜６０°、好ましくはおよそ４５°の角度で傾斜面として、積層電極の挿入案内部とすると、積層電極の凹部１１への挿入を容易にすることができる。この場合、傾斜面と凹部底面とが交わる傾斜コーナーの曲率半径は１．５〜０．３ｍｍ、傾斜面と上面平坦部との間で設定される開口部コーナーの曲率半径はＲ１と同じかあるいはやや大きくすると、電極を傾斜面に滑り込ませやすく、凹部への挿入案内が容易となって好ましい。
【００２３】
また、厚さ３〜４ｍｍ程度の積層電極４で、非水電解質を保持するポリマーシートからなるセパレータ３を、正極板１、負極板２よりも寸法的に若干大きく構成した場合、はみ出たセパレータ３に弾力性があるので、図５に示す電極収容凹部１１の開口部コーナーの曲率半径Ｒ1 は１〜２ｍｍ、図６に示す電極収容凹部１１の底部コーナーの曲率半径Ｒ2 は０．４〜０．６ｍｍとすると、凹部開口部でのセパレータ角部の位置決めが容易となり、電極を収容した後の凹部と積層電極４周囲の間の無駄な空間をより少なくできる。
【００２４】
樹脂フィルム主体のラミネートシート１０は、耐熱性のある第１の樹脂フィルムとしてＰＥＴフィルムおよび／またはナイロンフィルムを、熱融着性に富む第２の樹脂フィルムとしてポリエチレンフィルムおよび／またはポリプロピレンフィルムを用い、この間に金属箔としてアルミニウム箔を配し、総厚さ８０〜１８０μｍで一体に接合したものである。そして１枚の矩形状をしたラミネートシートの長さ方向の中央部で２つ折される片方に、深絞り加工を施すことで電極収容凹部１１を成形した。
【００２５】
図１、図２、図４において、１２はリード８、９のそれぞれを取り囲むように被覆したポリプロピレンまたはポリエチレン製の絶縁フィルムであり、これらは平板状部５と皿状容器部６とのシール部の一辺Ｐ２からリードを外部に引き出す際、リードとラミネートシート中のアルミニウム箔との間の電気的絶縁を図るためのものである。
【００２６】
なお、外装ケース７内にはその周辺部分のシール以前に、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒に６フッ化リン酸リチウムを溶解した非水電解質が所定量注入され、積層電極４の電極およびセパレータ部分に保持される。
【００２７】
【実施例】
次に本発明の扁平電池の具体例について説明する。
【００２８】
ポリプロピレンフィルムからなる絶縁フィルム１２で中央部が被覆されたリード８，９の一端を、正極板および負極板のリード接続部にそれぞれ溶接する。この正極板および負極板の間にポリマーシートからなるセパレータを配して全体を積層一体化して総厚さ４ｍｍ弱、大きさ約３８Ｘ６０ｍｍの積層電極４とする。この積層電極４は、変性ナイロンフィルム、アルミニウム箔、ポリプロピレンフィルムを一体化したラミネートシート１０に設けた矩形の電極収容凹部１１内に収容される。その際電極収容凹部１１は、積層電極４の外観形状に応じて設けられていて、その開口部コーナーの曲率半径Ｒ１は１．５ｍｍ、底部コーナーの同Ｒ２は０．５ｍｍ、傾斜角度θは８５°、深さＤは４ｍｍ弱に設定されているので、両者の間には無駄な空間が殆ど生じないように電極４を容易に収容することができる。
【００２９】
次いでラミネートシート１０の左側半分の平板状部５が、シート中央の折曲げ線Ｔ部分で右側に折返され、皿状容器部６に重ね合わされる。そして両部５、６の両側辺Ｐ1 、Ｐ3 が熱溶着によりシールされる。その後、開いている一辺Ｐ２から電極収容凹部１１内に所定量の電解質を注入し、一辺Ｐ2を熱溶着によりシールする。この際、リード８、９の一部を被覆する絶縁フィルム１２も、ラミネートシート１０最内側のポリプロピレンフィルムと同材質であるので、フィルム相互は良好に熱溶着され、正負極のリード８、９の先端部のみが外装ケース７の一辺Ｐ２より外部に突出する。
【００３０】
本発明は上記の実施例に示すほかに、種々の態様に外装ケースを構成することができる。例えば上記例では１枚のラミネートシート１０に平板状部５と皿状容器部６を連なって設け、その長さ方向中央部で２つ折して重なった周辺の３辺をシールした。しかし、平板状部５と皿状容器部６を別体に形成し、その重なった周辺の４辺すべてをシールして外装ケース７を構成してもよい。
【００３１】
また、前記のように、電極収容凹部の一辺に傾斜面を設けてここを積層電極の凹部への挿入案内とすれば、凹部へ電極を円滑に収容することができ、電池の組立生産性を高めることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、扁平な積層電極を、樹脂フィルム主体の外装ケースの電極収容凹部内に無駄な空間を生じることなしに収容でき、電池の外形縦横寸法のコンパクト化を図ることができる。さらに、積層電極の電極収容凹部内への収容作業を円滑容易に行うことができ、電池の生産効率の向上を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における電池を示す正面図
【図２】同電池の上面図
【図３】図２のIII―III線に沿った横断面図
【図４】図２のIV―IV線に沿った拡大縦断面図
【図５】外装ケースを構成するラミネートシートの平面図
【図６】同縦断面図
【符号の説明】
１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 積層電極
５ 平板状部
６ 皿状容器部
７ 外装ケース
８ リード
９ リード
１０ １枚のラミネートシート
１１ 電極収容凹部

Claims (3)

1. それぞれフィルム状またはシート状の正極板、セパレータおよび負極板を積層一体化した扁平な積層電極と、長さ方向の中央部で２つ折される１枚の樹脂フィルム主体のラミネートシートで構成され、前記積層電極を内部に収容するとともにシートの重なった周囲を熱溶着した外装ケースとからなり、
   ２つ折されるラミネートシートのうち一方を平板状部、他方を前記積層電極が収容される矩形の電極収容凹部を有した浅い皿状容器部とし、矩形の電極収容凹部の開口部コーナーの曲率半径Ｒ１は５ｍｍ≧Ｒ１≧０．５ｍｍ、凹部の深さＤは１０ｍｍ≧Ｄ≧２ｍｍ、凹部の側壁と底壁とで構成される底部コーナーの曲率半径Ｒ２は１ｍｍ≧Ｒ２≧０．３ｍｍであって、
   前記正極板および負極板には正極リードおよび負極リードが電気的に接続されており、前記正極リードおよび負極リードの一部には前記ラミネートシートと同材質の絶縁フィルムが被覆されており、
   前記絶縁フィルムは前記ラミネートシートの内側と熱溶着され、前記正極リードおよび負極リードの先端部のみが前記外装ケースの一辺より外部に突出している扁平電池。
2. それぞれフィルム状またはシート状の正極板、セパレータおよび負極板を積層一体化した扁平な積層電極と、長さ方向の中央部で２つ折される１枚の樹脂フィルム主体で３層以上を一体化したラミネートシートで構成され、かつ前記積層電極を内部に収容して周囲が密閉される外装ケースとからなり、
   ２つ折されるラミネートシートのうち一方は平板状部、他方は前記積層電極を収容する矩形の電極収容凹部を有した皿状容器部とし、前記電極収容凹部の開放側の一辺を傾斜面とするとともに、凹部の開口部コーナーの曲率半径Ｒ１は５ｍｍ≧Ｒ１≧０．５ｍｍ、凹部の深さＤは１０ｍｍ≧Ｄ≧２ｍｍ、凹部の側壁と底壁とが交わる底部コーナーの曲率半径Ｒ２は１ｍｍ≧Ｒ２≧０．３ｍｍ、前記傾斜面と底壁とが交わる傾斜コーナーの曲率半径Ｒ３は１．５ｍｍ≧Ｒ３≧０．３ｍｍであって、
   前記正極板および負極板には正極リードおよび負極リードが電気的に接続されており、前記正極リードおよび負極リードの一部には前記ラミネートシートと同材質の絶縁フィルムが被覆されており、
   前記絶縁フィルムは前記ラミネートシートの内側と熱溶着され、前記正極リードおよび負極リードの先端部のみが前記外装ケースの一辺より外部に突出している扁平電池。
3. 電極収容凹部の傾斜面と凹部底面との間の傾斜角を、３０〜６０°とした請求項２記載の扁平電池。

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