JP4403375B2 - 薄型パック電池 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池などの薄型２次電池を内蔵する薄型パック電池に関する。

薄型パック電池は特に携帯用機器に使用される。携帯電話、ノートパソコン、情報端末などの携帯用機器に使用される薄型パック電池は、その機器の作動電圧に応じた出力電圧と、使用時間に影響する電池容量を満足させる必要がある。特に使用時間を延ばすことが市場から要求されて、電池活物質の利用率を高めたり、充填密度を上げたりするなどして従来電池形状の状態で電池容量を高めている。さらに、理論容量の高い新規電池活物質の研究開発も盛んに行われている。

なお、携帯機器に係わらず据え置き型の機器やハイブリッド自動車などの用途についても、容積効率の高い電池が望まれている。薄型パック電池としては厚さ５ｍｍ程の金属容器からなる単電池が外部接続され樹脂ケースに収納されたり、リチウムゲルポリマー電池のように電極をアルミラミネート材で包皮したものがある。
しかしながら、従来電池では電池周囲に電池反応に寄与しない空間が多く、容積効率を悪くしていた。

本発明は薄型のパック電池のパック構造に関するものである。特にアルミラミネート材を使用したパック電池はあらかじめ電極が入るだけの凹部が形成されたアルミラミネートフィルムの該凹部に複数枚の正極板／電解液セパレータ／負極板を収納した上から蓋をして周囲を真空下で熱圧着シールすることで作製していた。例えば図１及び図２に従来の薄型パック電池の外観を示すように、正極端子３及び負極端子４のシール幅として水分などの透過を低減するため、約５ミリ程度の幅を持たせている。図中の斜線で示す部分がシール領域である。すなわち、特に正極端子３及び負極端子４をシールするためのこの数ミリの幅が電池の有効容積を低下させている。さらにこれらの薄型パック電池を複数個組み合わせて集合電池を作製するとそのときの容積効率はなお一層低下するなど、大きな問題となっている。

本発明は、容積効率を低下させるような問題を解決することを目的に開発されたものであって、その主なる目的は薄型パック電池の密封形状にかかわり電池の電極有効容積を高めるものである。
すなわちパック形状をコンパクトにするとともに、隣接する薄型パック電池との電気的接続も容易にできる効果的な電池構造である。

本発明による薄型パック電池１はアルミラミネートパック容器風袋の有効容積を従来に比べ１割以上高めた構造であり、気密性も高く取り扱い時の気密不良要因を排除できるものである。

本発明による薄型パック電池は、（１）電池の正極及び負極端子がパック電池の上面または下面でアルミラミネート材と一体にシールされていること、（２）該端子が一体にシールされたアルミラミネート材が薄型パック電池の上面又は下面側に折り曲げられていることから達成されており、さらに（３）前記端子が一体シールされたアルミラミネート材の端部のアルミラミネート材が電池側面側に折り曲げられていること、（４）アルミラミネート材のシール部の断面厚さが幅方向で外側より内側の方が大きいこと、（５）前記電池側面側に折り曲げられたアルミラミネート材が電池側面に充填材を介して接着ざれていること、（６）正極が袋状のセパレータ内に収納されて負極と交互に積層されていること、（７）リチウムイオン電解質溶液の一部にポリマー電解質及び又はイオン性液体を使用していること、（８）正極及び負極内にイオン性液体が充填及び又はイオン性液体を主成分とする接着材が電極活物質などの電極材を互いに結着していることなどにより達成される。

前記（１）はパック電池からの端子の取り出しを上面又は下面にすることでアルミラミネート材のシール幅を大きくすることができ、気密性特に水分透過に対する抑制を大きくする。従来は側面部で平面的にシール部が取られていたためシール幅を大きくすると電池外寸が大きくなり容積効率が低下するのに対して、本発明ではシール幅を電池外寸部分に取り入れる必要がなく本発明では最大限に有効容積を高めることができ、エネルギー効率を高くできる。

前記（２）は端子部が一体化されたアルミラミネート材を電池の上面又は下面側に折り曲げて倒すことで角部でのアルミラミネート材のアルミ箔が損傷するのを防止する。すなわち芯材としてのアルミニウム箔はアルミラミネートフィルムの厚さ方向の水分透過性をなくしているもので、もしアルミニウム箔が損傷するとフィルムの厚さ方向からの水分がその損傷部分を通って内部に透過し電池活物質が変質などして不活性化し寿命を低下させる。また電池外寸も電池要素を最大限に装填できる形状となる。さらに端子と一体化するアルミラミネート材のシール部以外の部分で折り曲げることで、アルミラミネートの他の部分（例えば両端部分）をシールする際、折り曲げ部分のシール強度が向上する。

前記（３）は端子が一体シールされたアルミラミネート材の端部のアルミラミネート材が電池側面側に折り曲げることで前記（２）と同様な効果を有する。前記（２）で説明したシール部以外で折り曲げて他の部分をシールしたことで、側面側に折り曲げる際に角部での芯材としてのアルミニウム箔の損傷が抑制されることから電池の寿命が向上する。

前記（４）はアルミラミネート材のシール部の断面厚さが幅方向で外側より内側の方を厚くすることでアルミラミネート材端部切り口面からの水分の透過量を抑制するもので、寿命を高める。すなわちアルミラミネート材端部断面積でアルミニウム箔の内側の接着樹脂フィルム層の厚さが小さくなることで外気と接する面積が小さくなり水分透過量が小さくなる。

前記（５）は前記電池側面側に折り曲げられたアルミラミネート材を電池側面に充填材を介して接着することで、電池取り扱い時に該アルミラミネート材が動きシール部と未シール部の境界部分のアルミニウム箔が損傷し切れ目が生じるのを防止する。この切れ目防止により水分透過がなくなることから電池の寿命が向上する。

前記（６）は正極を袋状のセパレータ内に収納し負極と交互に積層することで各電極が位置ずれしても電極端部で電気的に短絡することがない。なお電極が積層ではなく長尺の電極が交互に巻き込まれる場合も同様に正極に長尺の袋状セパレータを包皮すればよい。

前記（７）はリチウムイオン電解質溶液の少なくとも一部にポリマー電解質及び又はイオン性液体を使用することで、アルミラミネート材のシール域に電解液などが付着しシール不良となるのを防止する。例えば電極を組み立てた後、該電極群の外表面にポリマー電解質又はイオン性液体を塗布するだけでも、電解液による未シール域への汚染が防止できシール性を確実なものとする。これらのポリマー電解質やイオン性液体はリチウムイオン伝導性を有しているため電気化学的反応を阻害することはなく、むしろ不揮発性を有しているため電気的短絡などの異常時の発熱に際しても電池温度上昇抑制効果を発揮する。通常の液式電解質であれば電池を減圧にする段階で含浸している電解液成分が蒸発しシール部付近で電解質が結晶化することで加熱シールができなくなるという問題がある。電池内が減圧状態で密閉されていない場合は電極間の接触性が悪くなり、電気化学的反応が不十分となり電池性能が十分発揮できない。また、ポリマー電解質又はイオン性液体の比率を増やすことで電池自体の安全性が高くなる。すなわちポリマー電解質及びイオン性液体により過充電や内部短絡による発熱と電解液の蒸発、分解によるガス発生からくる発火を抑制できる。

前記（８）は正極及び負極内にイオン性液体を充填及び又はイオン性液体を主成分とする接着材により電極活物質などの電極材を互いに結着させることで電解液がなくともイオン電導性を維持させるとともにアルミラミネート材をシールする際の真空シール時の未シール域への電解液飛沫付着が防止できシール性の信頼度が高まり、寿命が向上する。

上述したように、本発明はリチウム二次電池などの薄型パック電池に適用されるもので、限られた容積内で最大の内容積を確保できるパック構造であって、電池の気密性、取り扱い性などを高め、電池寿命を延ばすものである。薄型パック電池の性能比較として従来構造と本発明によるものとの比較を表１に示す。

この表１からわかるように、同じ電池外形でありながら電池容量として約１．１５倍のエネルギーを貯蔵でき、その容積効率も１．１５倍となる。さらに電池の落下試験においても電池端子部の変形に伴うシール不良が認められなかった。

以下に本発明による薄型パック電池の実施例について図３から図１３に基づいて説明する。

図３は本発明による薄型パック電池１（リチウム二次電池など）の外観斜視図であって電池容器である約１２０μｍ厚さのアルミラミネート材のシール部２と正極端子３、負極端子４が図示されている。円形部分は後述する要部拡大斜視図（図１３）で示される。パック電池１の上面側で外装材としてのアルミラミネート材が互いに熱圧着シールされ、且つ正極端子３と負極端子４が同時に接着され一体化されている。また薄型電池の側面部５のアルミラミネート材の部分は減圧下で熱圧着シールされた後、接着を兼ねた充填材を電池側面の少なくとも一部に塗布しアルミラミネート材の側面部５を折り曲げた状態で電池側面に固定している。このような薄型パック電池１の作製手順と効果を以下に説明する。

図４はアルミニウム箔の内面に変性ポリプロピレン樹脂フィルムが接着され、さらにアルミニウム箔の外面に樹脂フィルムが接着されたアルミラミネート材に矩形のエンボス加工を行ったもの（以下パック容器６という）で、該エンボス加工部（凹部７）内に図５に示す電池要素８としての正極、セパレーター、負極などが配置される。図５は正極端子３を有する正極３’（特に記号表示はしていない）とセパレーター（特に記号表示はしていない）と負極端子４を有する負極４’（特に記号表示はしていない）を交互に積層したもので、各極の端子はそれぞれまとめて超音波溶着されている。積層スタック以外の他の方式としては扁平形に巻かれたものがある。図６はパック容器６の平面部分を凹部７の端部から折り曲げたもので、図５の正極端子３と負極端子４を折り曲げた電解液を含んだ電池要素８を凹部７内に収納した状態が図７に示される。

次に図８のように折り曲げられたパック容器６の平面部分の先端を幅約５ｍｍ程度に重ね合わせて端子と一体で熱圧着シールし、さらに該平面部分を電池上面側に押し付けた状態が図９に示されるもので、熱圧着シールされた熱シール領域９はその領域を明確にするため波状パターンで図示されている。図１０は図９の波状パターン表示で示される熱シール領域９の端部の一部を含む格子状パターンで表示される熱圧着シール予定域１０を示す。熱シール領域９の立ち上がり部を電池上面側に折り曲げ減圧下で該熱圧着シール予定域１０を熱圧着した状態が図１１に示される。図１１に示される点線部は熱シール領域９を含む立ち上がり部の折り目１１を示している。このような折り目１１を設けた後、熱圧着シールすることで内側の変性ポリプロピレンフィルム層同士が融着時に３方向から融合し合いシール性が向上する。熱シール領域９のみで未接着域のない立ち上がり部の場合には折り目部分には未接着部と接着部が共存しており、融着時の融合が不十分となる場合があり、シール性が不足することもある。図１２はこのように立ち上がり部全体を熱圧着シールし、さらに減圧下で電池側面部のアルミラミネート材の側面部５を熱圧着シールした場合の薄型パック電池の斜視図を示す。

図１３は図３の丸印で示す薄型パック電池の角部分の部分拡大斜視図で、電極などの電池要素を収納する凹部７の外側面部と電池側面部のアルミラミネート材の側面部５との間に接着を兼ねた例えばシリコン樹脂などの充填材１２が充填され、それらが固定され、電池を取り扱う際に変形したりして、アルミラミネート材の芯材としてのアルミニウム箔が損傷を受けないようにしている。図中の点状パターンで示される領域は熱シール領域９と熱圧着シール予定域１０で加熱シールされた部分を示すものである。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、電池材料、容器寸法、電極の巻き方（平巻き、円筒など）、容器・端子・電極形状、端子・シール位置などは用途、使い方に応じてその都度最適な処方で設計されるものである。

従来の薄型パック電池の斜視図を示す。 従来の薄型パック電池の斜視図を示す。 本発明による薄型パック電池の斜視図を示す。 本発明による薄型パック電池に使用するアルミラミネート材の斜視図を示す。 本発明に用いられる薄型パック電池要素の斜視図を示す。 本発明に用いられるアルミラミネートパック容器の斜視図を示す。 図６の容器内に薄型パック電池要素を収納した状態を示す。 図７の容器のアルミラミネート材の端部を重ね合わせた状態を示す斜視図である。 図８のアルミラミネート材端部を熱シールした状態を示す斜視図である。 本発明の薄型パック電池の減圧下で熱シールする予定域を示す斜視図である。 減圧下で熱シールした状態を示す。 本発明による他の薄型パック電池の斜視図を示す。 本発明による薄型パック電池の角部の要部拡大斜視図を示す。

１ 薄型パック電池
２ シール部
３ 正極端子
４ 負極端子
５ 側面部
６ パック容器
７ 凹部
８ 電池要素
９ 熱シール領域
１０ 熱圧着シール予定域
１１ 折り目
１２ 充填材

Claims (7)

1. 薄型二次電池がアルミラミネートパック容器内に収納された薄型パック電池において、端子がパック電池の上面または下面でアルミラミネート材と一体にシールされ、かつアルミラミネート材が薄型パック電池の上面又は下面側に折り曲げられていることを特徴とする薄型パック電池。
2. 前記端子が一体シールされたアルミラミネート材の端部のアルミラミネート材を電池側面側に折り曲げることを特徴とする請求項１記載の薄型パック電池。
3. 前記アルミラミネート材のシール部の断面厚さが幅方向で外側より内側の方が大きいことを特徴とする請求項１または２記載の薄型パック電池。
4. 前記電池側面側に折り曲げられたアルミラミネート材が電池側面に充填材を介して接着ざれていることを特徴とする請求項２記載の薄型パック電池。
5. 正極が袋状のセパレータ内に収納されて負極と交互に積層されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄型パック電池。
6. リチウムイオン電解質溶液の一部にポリマー電解質及び又はイオン性液体を使用していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄型パック電池。
7. 正極及び負極内にイオン性液体が充填及び又はイオン性液体を主成分とする接着材が電極活物質などの電極材を互いに結着していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の薄型パック電池。

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