JP4410173B2 - 二次電池用パウチ及びパウチ型二次電池とパウチ形成用シーリング装置 - Google Patents

二次電池用パウチ及びパウチ型二次電池とパウチ形成用シーリング装置 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池の分野に関し、より詳細には、パウチ及びそのパウチを備えるパウチ型二次電池とパウチ形成用シーリング装置に関するものである。
ビデオカメラ、携帯用電話、携帯用PCなどの携帯用電気製品の使用が活性化されるに従って、その駆動電源として主に使われる二次電池に対して重要性が増加している。特に、リチウム二次電池は、既存の鉛蓄電池と、ニッケル-カドミウム電池、ニッケル-水素電池、ニッケル-亜鉛電池など、別の二次電池に比べて単位重量当りのエネルギー密度が高く、急速充電が可能なので、使用の増加が活発に進められている。
リチウム二次電池は、電解質の種類によって、液体電解質を用いるリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに区分できる。そして、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって、電解液が全く含有されていない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含有しているゲル型高分子電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに分けることができる。
液体電解質を用いるリチウムイオン電池の場合、およそ円筒や角型の金属缶を容器にして溶接密封させた形態で使われる。このような金属缶を容器として使う缶型の二次電池は形態が固定されるので、これを電源として使う電気製品のデザインを制約するという短所があり、体積を減らすのに困難がある。２つの電極とセパレータ、電解質をフィルムで作ったパウチに入れて密封して使用するパウチ型二次電池は、このような困難を克服する対案として開発されて使用されている。
図１は、通常のパウチ電池の概略的な構成を示す組立斜視図である。
通常に使われるリチウムイオンポリマー電池のパウチは、図示されたように、順次熱接着性を持ってシーリング材の役割をする熱接着層１５であるポリオレフイン系樹脂層(Polyolefin Layer)と、機械的強度を維持する基材及び水分と酸素とのバリア層としての役割をする金属層であるアルミニウム層(AL/Aluminum Layer)１３と、基材及び保護層で働くナイロン層(Nylon Layer)１１が積層された多層膜構造とから構成されている。ポリオレフイン系樹脂層によく使用されるものには、CPP(Casted Polypropylene)がある。
パウチは、収容溝２１が形成された下部２０と溝を覆う上部１０とに大別され、溝に内蔵される電極組立体３０は、陽極３１及び陰極３５とセパレータ３３とが積層巻き取られて成る。各電極では、タップ３７、３８が引き出され、タップには、シーリング部２３と重なる部分にテープ３９が取り付けられる。
パウチ型二次電池は、形態に融通性を持つことができ、より小さな体積及び質量により同じ容量の二次電池を具現することができるという長所がある。しかし、缶型とは異なり、パウチ型は軟質のパウチを容器として使用するので、機械的強度が弱くて、密封の信頼性が低くなることがある。したがって、漏液の問題のある電解液を用いるリチウムイオン二次電池よりは、主にゲル型や完全固体型リチウムイオンポリマー電池に使われる。
ところが、パウチ型電池においても、二次電池の高容量と要求に合わせてより高い容量の電池を形成するために、相対的に小さな大きさのパウチにより多い容量を持つように電極と電解質とを含めなければならない。また、電池容量や収容機能と直接関係のないパウチ周辺のシーリング部２３を漸次減らす要求が発生する。
パウチのシーリング部の幅を減らすと、内部により大きい容量の電極組立体を収容することができ、容量と直接関係のないシーリング部自体は減らすことができる。したがって、同じパウチでより高い容量の二次電池を形成することができる。しかし、シーリング部の幅の減少により絶対的なシーリング面積が減って、パウチの密封の信頼性が減少して、問題となる。
一方、熱接着性のポリオレフインの内層を突き合わせて熱で融着させる過程で溶融されたポリオレフイン層の一部が、融着過程で働く外部圧力によってパウチの外側に突き出てしまう。このような現象は、パウチの外観を損ねるだけでなく、融着されるポリオレフイン層の厚さを減少させて、パウチのシーリング強度を小さくする。しかも、場合によっては、シーリング過程でポリオレフイン層が過剰に抜けてしまい、ポリオレフイン層で覆われていた金属バリア層を露出させて、電極タップや外部との電気的短絡を引き起こす可能性もあって、問題となる。
本発明は、上述した従来のパウチの問題点を改善するためのもので、パウチの縁のシーリング部を加熱加圧して熱融着させる過程でパウチを形成する樹脂層、特に複層パウチのシーリング面の内層を形成する熱接着層がパウチの縁から外側に漏出される問題を少なくすることのできる二次電池用パウチ及びこれを使用した二次電池を提供することを目的とする。
本発明は、二次電池の高容量化によるパウチのシーリング部の幅の減少にも係らず、シーリングの信頼性を高めることのできる構造の二次電池用パウチ及びこれを使用した二次電池を提供することを目的とする。
本発明の他の側面によれば、本発明は、パウチのシーリング過程でパウチの層状構造を成す少なくとも一部の樹脂層が溶融された状態で、圧力によって元の位置を脱してバリア用金属層が露出され、それによる電気短絡などの問題を引き起こすことを防止できるパウチのシーリング用装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明の一側面において、二次電池用パウチは、少なくともシーリング部の一側面に溝または屈曲された部分が形成され、封止状態で、この部分の少なくとも一部に溶融された熱接着層が満たされるようになることを特徴とする。
本発明の溝や屈曲された部分は、パウチ面に点状あるいは線状からなることができ、シーリング部を含むパウチ全面に形成されることができる。
本発明の溝や屈曲された部分は、上面と下面とが接着された状態で、これらの面に互いにずらして配置されてもよいが、互いに対応して一つの溝に熱接着層の樹脂が満たされるとき、満たされた樹脂が一種の接着コアを形成するように設けられることが望ましい。
前記目的を達成するための本発明の他の側面を成す二次電池は、２つの異なる極性の電極がセパレータで分離された状態で積層されてなる電極組立体を、２以上の複層膜で形成したパウチに内蔵してベアセルを形成する二次電池において、パウチのシーリング部には、接着された両方の内面の少なくとも一方には溝が形成され、溝の少なくとも一部は熱接着層で満たされていることを特徴とする。
本発明において、熱接着層で溝または屈曲された部分が満たされたことを、他の観点から、パウチのシーリング部には、接着された両方の内面の少なくとも一方に熱接着層が厚く形成される部分があると表現することもできるはずである。
前記目的を達成するための本発明の更に他の側面において、二次電池のパウチ形成用シーリング装置が提供される。シーリング装置は、パウチのシーリング部に当接してシーリングを施す面を有したシーリング・ジグあるいはシーリング・ダイを備えることができる。
シーリングがなされるパウチ周辺のシーリング部の上下には、シーリング用ジグの一側面と他側面とが位置し、パウチ周辺のシーリング部に当接して圧縮しながら熱と圧力とを加える。ジグは、パウチと当接するシーリング面に少なくとも一つの点状あるいは線状の溝(グルーブ)を有する。溝の上端には、外側に空気を抜き取ることができるようにホールが連設されることができる。
本発明の一側面によれば、パウチの縁のシーリング部を形成する過程で、内層を形成する熱接着層が解けながら圧力を受けても溝を成す空間に貯蔵されるので、溶融された熱接着層がパウチの縁の外側に漏出される問題が減少し、同時に接着力を高める部分を成すようになる。
本発明の他の側面によれば、二次電池のパウチ形成用シーリング装置でダイの内面を適切に処理することにより、部分溶融された樹脂がパウチの周辺部の外側に漏出されて、外観不良を生じることがなくなり、部分的に集積されて、パウチのシーリング部の接着強度を高めてくれる役割を行えるようになる。
結局、本発明によれば、二次電池の高容量化によるパウチのシーリング部の幅の減少にも係らず、シーリングの信頼性を高めることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例に基づいて本発明をより詳しく説明することとする。
図２は、本発明の一実施例によるパウチを形成する段階で、電極組立体が収容されるパウチの下部面の空間と共に、フランジ型シーリング部に溝が形成された状態を示す。電極組立体が収容される空間である収容溝２１は、パウチを形成する多層膜の一部をプレス(Pressing)などの加工を通じて形成する。この空間の側部にガス部屋を共に形成して、初期エイジングと充放電で発生するガスを除去する用途で使うことができる。シーリング部２３の溝１７は、電極組立体の収容空間と別に形成することも可能であるが、プレス(Pressing)加工などを通じて、この収容溝２１と共に形成すれば、一段階の工程を節約できるので、費用と時間面で望ましい。
詳細には示されていないが、通常の電極組立体の構成及び形成過程を図１を通じて概略的に見てみると、陽極３１及び陰極３５の極板は、グリッド(Grid)や薄膜に電極活物質を充填するかコーティングして形成する。これらの極板は、セパレータ(Separator)３３によって分離されたまま積層され、通常、積層された状態で、再び渦形に巻き取られて‘ゼリーロール’構造を形成する。セパレータが電解質を兼ねて、別途の電解質の含浸が必要でない完全固体型リチウムイオンポリマー電池の場合を除くと、ゼリーロールは、電解液で処理されてセパレータに電解質が含浸される。そして、ゼリーロールは、パウチの収容溝２１に内蔵される。
各極板の一側には、外部との電気接続のためのタップ３７、３８が設けられており、これらのタップは一定の間隔を置いて並んで配置される。このタップ３７、３８には、パウチの融着部、すなわち、シーリング部２３と重なる部分においてパウチとタップとの接着がよくなるように別途の熱接着性のテープ３９が設けられてもよい。
図３a及び図３bは、本発明のパウチにおいて溝が形成された断面形態を示す断面図であり、熱接着層１５のみに溝１７が形成された実施例と多層膜全体に溝１７が形成された実施例とを示す。
本実施例では、単純に、３つの層からなるパウチ膜を示しているが、多くの機能層が更に設けられてもよい。また、多くの他の代替材質層で形成され得る。仮に、本実施例の熱接着層１５を成すCPP層は、他のポリオレフイン系樹脂である塩化ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレンプロピレン共重合体、ポリエチレンとアクリル酸の共重合体及びポリプロピレンとアクリル酸の共重合体からなる群から選ばれた物質層に代替可能である。
パウチ膜の全体厚さは、通常４０から１２０μmであり、ナイロン層１１、CPP１５層は、１０から４０μm、アルミニウム層１３は、２０から１００μmの厚さを持つ。溝の形成深さは、パウチ膜の全体層に亘って溝１７を形成する場合には、パウチ膜の通常の厚さに該当する１００μmにすることが適当であり、CPPのような熱接着層１５のみに形成する場合は、熱接着層の厚さに近似している１０から４０μmにすることが、作製の容易性を考慮するに際して好適である。溝１７の断面形態は、半円形あるいは三角形など、溝を形成しやすい形にすることができ、入口幅は溝の深さに等しくすることができる。
但し、溝１７の形成間隔と熱融着時の温度及び圧力とを考慮して、各条件別に最適化された溝の大きさの数値を求めることができ、逆に、溝の間隔と溝の深さとを考慮して、溶融された熱接着層がパウチの外側に抜け出ないように温度及び圧力を調節する必要がある。
図４は、本発明の一実施例によって周辺のシーリング部２３に溝１７が形成された後、シーリングされてなるベアセルパウチ１００を示す斜視図である。
示されたことによれば、パウチの上部面のシーリング部１７、すなわち、シーリングされるフランジ部に溝１７が形成されている。この上部面のシーリング部と接着する下部面のシーリング部にも上部面の溝１７に対応する位置に溝が形成されることが望ましい。このためには、パウチにおいて、上部面と下部面とを区切る折り曲げ部を基準として対称となるように、パウチの内面を成す熱接着層の方で溝の形成作業をする方法を使える。シーリングされた状態で、溝の大部分は、加熱、加圧過程で元の位置から食み出した熱接着層で満たされ、この溝を満たした熱接着層は、冷却、硬化されながら固い接着部を形成することになる。
図５は、本発明の他の実施例によって周辺のシーリング部２３にエンボス状に多数の点状の溝１７'が形成されたベアセルパウチ１００を示す斜視図である。
点状に溝１７'を形成する場合、溶融された熱接着層を収容する空間を確保するために、線状の溝に比べて形成ピッチ(Pitch)をより密に形成する必要がある。
図６は、本発明の更に他の実施例によってシーリング部２３を含めて二次電池ベアセルのパウチの上部全体に亘って斜線状の溝１７が形成された状態を示す斜視図である。
図５までの実施例では、融着されるパウチ周辺のシーリング部２３のみに溝１７、１７'を形成したことに対して、図６では、電極組立体が収容される空間を除く、あるいは空間を含むパウチ１００の全面に溝を形成している。このような形態は、シーリング部のみに溝を形成するために、工程上、区域を分ける必要がないという面において工程を簡易にすることである。但し、この場合にも、実際に溶融された余計な熱接着層が満たされるのは、フランジ部分に限定される。
図７は、図３bのような溝が形成されたパウチの両面が融着されたとき、溝が溶融されたCPP１５１で満たされて、上下面の当接する溝のCPPが接着コア１５３を形成している状態を示す部分断面図である。
示されたことによれば、溝は、熱融着過程で圧力を受けて、元の位置から食み出した熱接着層１５１を収容して満たされる。そして、パウチ下部の溝と上部の溝とを満たした溶融された熱接着層１５１は、一体化されて冷却、硬化されることで、強い接着コア１５３を形成することになる。結果的に、熱接着層１５１が溝を満たすことになって、熱接着層の中に線状あるいは点状に厚い部分が形成される。
図８は、パウチ形成用シーリング装置において、パウチのシーリング対象となる周辺部が挟まれるジグあるいはダイ部分を示す概略部分断面図である。シーリング装置の全般的な構成は、パウチ型二次電池の形成に熟練したこの技術分野にて広く知られたものであるので、省略することとする。
図８を参照すれば、収容溝が形成されたパウチの下部に電極組立体(図示せず)が置かれ、下部の収容溝をパウチの上部が覆った状態で、パウチの上下部の周縁部をシーリング・ダイの上下部２５０a、２５０b間に位置させて、ダイの上下面で周縁部を加熱、押圧する。ダイには、示されていないが、ダイの上下面を加熱するためのヒーター装置が備えられ、ダイの上下面を近づけて当接するようにバイスのような押圧移送手段が備えられる。
ダイの上下部２５０a、２５０bのパウチと当接する内側面には、少なくとも一つ、通常、多数個の溝２５１やホールがシーリングのための面積全体に亘って分布、形成される。パウチ周辺部の融着がなされるとき、金属バリア層であるアルミニウム層１３の上下のナイロン層１１やCPP熱接着層１５のような樹脂層は、一部溶融されて、圧力を受けると、流動性を持って動きやすい。ダイの上下面に形成された溝２５１やホールは、このような流動性を持った樹脂層が溜まる集合空間を形成することになる。
したがって、ダイの上下部２５０a、２５０bに溝２５１が形成された部分に該当するパウチ部分は、外側に膨らんで樹脂が厚く形成された部分を有する。特に、パウチ内面の熱接着層１５がダイの上下部のホール２５１や溝部分に集積されると、この部分は、接着層が厚くて、強く接着された接着コアを形成できるので、シーリングが強化されることができる。シーリングが完了すると、作られた密閉された二次電池のパウチ型ケースは、先の図４、図５のような見掛けを持つことができる。
一方、図９によれば、ダイの上下部３５０a、３５０bの内面(接合面)に半球状の溝３５１が形成され、溝３５１の閉じた端部には、外側と繋がれるホール３５３が形成される。したがって、パウチの上下の周縁部にシーリングがなされるとき、溝３５１の内部に溶融された樹脂が集積される場合にも、ホール３５３を通じて溝３５１の中に圧縮される空気が抜け出ることができる。それによって、溝３５１の圧力が高くなって、部分溶融された樹脂が溝３５１の部分に集積されることが妨げられる問題を解決することができる。
パウチ電池の概略的構成を示す組立斜視図である。 本発明の一実施例によるパウチを形成する段階で、電極組立体が収容された溝と共にシーリング部に溝が形成された状態を示す斜視図である。 本発明のパウチにおいて溝が形成された断面形態を示す断面図であり、熱接着層のみに溝が形成された実施例とを示す断面図である。 本発明のパウチにおいて溝が形成された断面形態を示す断面図であり、多層膜全体に溝が形成された実施例を示す断面図である。 本発明の一実施例によって周辺のシーリング部に溝が形成されたベアセルを示す斜視図である。 本発明の他の実施例によって周辺のシーリング部にエンボス状で多数の点状の溝が形成されたベアセルを示す斜視図である。 本発明の更に他の実施例によってシーリング部を含めて二次電池ベアセルのパウチ全体に亘って斜線状の溝が形成された状態を示す斜視図である。 図３bのような溝が形成されたパウチの両面が融着されたとき、溝が溶融されたCPPで満たされて、上下面の当接した溝のCPPが接着コアを形成している状態を示す部分断面図である。 本発明のパウチ形成用シーリング装置のダイの上下部間にシーリング対象であるパウチ周辺部が挟まれてシーリングがなされる状態を示す部分的断面図である。 本発明のパウチ形成用シーリング装置のダイの上下部間にシーリング対象であるパウチ周辺部が挟まれてシーリングがなされる状態を示す部分的断面図である。
符号の説明
１０: パウチ上部
１１: ナイロン層
１３: アルミニウム層
１５、１５１: 熱接着層(CPP)
１７、１７': (パウチ)溝
１９: 境界面
２０: パウチ下部
２１: 収容溝
２３: シーリング部
３０: 電極組立体
３１: 陽極
３３: セパレータ
３５: 陰極
３７: 陽極タップ
３８: 陰極タップ
３９: テープ
１００: パウチ
１５３: コア
２５０a、２５０b、３５０a、３５０b: ダイの上下部
２５１、３５１: （ダイ)溝
３５３; （ダイ)ホール

Claims (15)

  1. 材質の異なる複数層のフィルムからなり、周辺の少なくとも一部の領域が加熱及び加圧によってシーリングされる二次電池用パウチにおいて、
    前記一部の領域の少なくともシーリングされる一方の内面の熱接着層に溝が形成され、該熱接着層を加熱加圧によってシーリングした場合に、該熱接着層が前記溝を満たして厚みを有する肉厚部分を形成し、
    前記溝は、点状あるいは線状に設けられることを特徴とすることを特徴とする二次電池用パウチ。
  2. 前記溝は、シーリングされたときに互いに合わさる箇所の両方の内面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池用パウチ。
  3. 前記溝は、パウチ全面に亘って形成されることを特徴とする請求項１のいずれかに記載の二次電池用パウチ。
  4. ２つの異なる極性の電極がセパレータで分離された状態で積層されてなる電極組立体を、２以上の複層膜で形成したパウチに内蔵してベアセルを形成する二次電池において、
    前記パウチのシーリング部には、接着された両方の内面の少なくとも一方に、溝が形成され、加熱加圧によってシーリングした場合に、該シーリング部が前記溝を満たして厚みを有する肉厚部分を形成し、
    前記溝は、点状あるいは線状に設けられることを特徴とする二次電池。
  5. ２つの異なる極性の電極がセパレータで分離された状態で積層されてなる電極組立体を２以上の複層膜で形成したパウチに内蔵し、ベアセルを形成する二次電池において、
    前記パウチのシーリング部には、接着された両方の内面の少なくとも一方に熱接着層が厚く形成される肉厚部分があり、
    前記熱接着層が厚く形成される肉厚部分は、少なくとも一つの点状または線状に設けられることを特徴とする二次電池。
  6. 前記熱接着層が厚く形成される肉厚部分は、前記複層膜の全層に亘って溝が形成され、前記熱接着層が前記溝を満たす形態を有することを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
  7. 前記パウチのシーリング部には、接着された両方の内面に熱接着層が厚く形成される肉厚部分があることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
  8. 前記熱接着層が厚く形成される肉厚部分は、前記両方に互いに対応する位置に存在して熱接着層コアを形成することを特徴とする請求項７に記載の二次電池。
  9. 前記熱接着層が厚く形成される肉厚部分は、他の部分よりも熱接着層が２０から１００ μｍ厚く形成されていることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
  10. 前記複層膜は、パウチを成した状態で、内層の熱接着層はＣＰＰ（Ｃａｓｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、中間バリア層はアルミニウム層、外部保護膜はナイロン層からなることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
  11. 二次電池のパウチ型ケースの周辺にあるシーリング部を形成するシーリング装置において、
    前記シーリング部に圧力と熱とを加える面を持った上下ダイ面あるいは上下ジグ面が備えられ、前記ダイ面あるいは前記ジグ面のうち少なくとも一つの溝やホールが形成され、加熱加圧によってシーリングした場合に、前記シーリング部が前記溝を満たして厚みを有する肉厚部分を形成し、
    前記溝やホールは、点状あるいは線状に設けられることを特徴とするパウチ形成用シーリング装置。
  12. 前記溝やホールは、前記ダイ面あるいは前記ジグ面の上下対向した内面に互いに対応するように形成されることを特徴とする請求項１１のいずれかに記載のパウチ形成用シーリング装置。
  13. 前記溝の詰められた端部には、外部と連通する連結ホールが形成され、前記溝内部に圧力が増加することを防止するようになされることを特徴とする請求項１１に記載のパウチ形成用シーリング装置。
  14. 前記上下ダイ面あるいは前記上下ジグ面の少なくとも一部に熱を加えるためのヒーター装置が備えられることを特徴とする請求項１１に記載のパウチ形成用シーリング装置。
  15. 前記上下ダイ面あるいは前記上下ジグ面が互いに近接して、その間に位置するパウチの周辺部を圧着できるように加圧移送手段を有することを特徴とする請求項１１に記載のパウチ形成用シーリング装置。
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