JP4539742B2 - 電気化学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ラミネート型電気化学素子を備えた電気化学デバイスに関する。

従来のラミネート型の電気化学素子としては、ラミネート型の電池や電気二重層キャパシタが知られている。例えば、下記特許文献１は、ラミネート型電池を開示している。ラミネート型電池は、積層構造を有する電池要素と、電池要素を内部に封止するラミネートシート（フィルム状パッケージ）と、電池要素を外部と電気的に接続可能とするために、電池要素からラミネートシートの外部に引き出されるタブ型端子（電極）とを有している。また、複数のラミネート型電池を、ボックス内に収納して保護することも提案されている（特許文献２参照）。
特開平１１−１６７９３０号公報 特開２００６−３３９０３２号公報

しかしながら、ラミネート型電気化学素子は、その機械的強度が低く、単体での取り扱い時において破損する虞があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ラミネート型電気化学素子を具備しつつもその破損を抑制することが可能な電気化学デバイスを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る電気化学デバイスは、第１枠体と、第２枠体と、素体を包む外装体を有するラミネート型電気化学素子とを備え、第１枠体と第２枠体との間に、外装体の周縁部が挟まれており、且つ、第１枠体と第２枠体との相対的位置関係が固定されている。

この電気化学デバイスによれば、第１枠体と第２枠体との間に、外装体の周縁部が挟まれ、これらの位置関係が固定されているので、枠体によってラミネート型電気化学素子が保護され、その破損を抑制することができる。

また、第１及び第２枠体のいずれか一方に爪部材が設けられ、他方に爪部材が嵌る凹部が設けられ、第１枠体と第２枠体との相対的位置関係が固定されていることが好ましい。これにより、爪部材を凹部内に嵌め込むだけで第１枠体と第２枠体が固定されているので、製造が容易であり、また、簡易な固定構造なので、軽量であるという利点を有する。

ここで、本発明に係る第１の電気化学デバイスにおいては、第１枠体は、平行な２軸に沿ってそれぞれ延びた第１及び第２表面を有し、第１及び第２表面のそれぞれは、それぞれの前記軸を囲むようにそれぞれ湾曲しており、第２枠体は、第１及び第２表面とそれぞれ対向する第３及び第４表面を有し、第１表面と第３表面との間に外装体の周縁部の一部が介在しており、第２表面と第４表面との間に外装体の周縁部の他の一部が介在していることを特徴とする。

外装体の周辺部は、第１及び第３表面、第２及び第４表面によって挟まれることによって、それぞれ１軸を囲むように湾曲しているので、枠体によって周縁部を挟む際に、周縁部が枠体によって曲げられることによっては、損傷しにくく、１軸に沿った湾曲によって、外装体自体の前記軸に垂直な方向の強度も併せて向上しているという利点がある。

また、本発明に係る第２の電気化学デバイスにおいては、第１枠体は、厚み方向に突出した一対の凸部を備えており、双方の凸部の側面に外装体の一端が突き当たり、外装体の一端から延びた箔状のタブ型電極は、凸部間の空間を介して、第１枠体に固定された出力端子電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

タブ型電極は箔状であるため、外装体の熱膨張や熱収縮による位置変動を吸収することができ、これらの熱変形によるタブ型電極の物理的な切断を抑制することができるが、箔状であって柔軟に変形するため、位置決めが容易ではない。本発明のデバイスでは、外装体の一端が凸部の側面に突き当たることで、外装体の位置決めがなされ、さらに、これらの間に的確に、外装体から延びた箔状のタブ型電極が位置するので、タブ型電極を、出力端子電極に正確に接続することができる。

本発明の電気化学デバイスによれば、ラミネート型電気化学素子の破損を抑制することができる。

以下、本発明による電気化学デバイスの好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、第１実施形態の電気化学デバイスを分解して示す斜視図である。

この電気化学デバイス１０は、樹脂からなる第１枠体Ｆ１及び第２枠体Ｆ２と、素体１Ａを包む外装体１Ｂを有するラミネート型電気化学素子１とを備えている。外装体１Ｂの外形は四角形であり、外装体１Ｂの一辺を構成する一端Ｔからは、箔状のタブ型電極Ｔ１，Ｔ２が延びている。本例の電気化学デバイス１０は、リチウムイオン型の二次電池である。

図６を参照すると、外装体１Ｂの内部に配置される素体１Ａは、正極１Ｐと、負極１Ｍと、セパレータ１Ｓとを備えている。セパレータ１Ｓは、イオンや電解質を透過させる多孔質体からなり、外装体１Ｂの内部には電解液１Ｌが充填されている。外装体１Ｂは、四角形の上部フィルム１Ｂ_Ｕと、四角形の下部フィルム１Ｂ_Ｌとを重ね合わせ、その四辺の周縁部を接着したものである。外装体１Ｂは、アルミラミネートフィルムからなる。一枚のアルミラミネートフィルムは、アルミニウム箔を一対の樹脂フィルムで挟んだものである。正極１Ｐと、負極１Ｍとには、それぞれ正極用のタブ型端子電極Ｔ１（図１参照）、負極用のタブ型端子電極Ｔ２が電気的に接続され、これらは外装体１Ｂの外部に引き出されている。

図１に戻って説明すると、第１枠体Ｆ１と第２枠体Ｆ２との間には、外装体１Ｂの周縁部１Ｂ_Ｐ１、１Ｂ_Ｐ２が挟まれている。これらの周縁部１Ｂ_Ｐ１、１Ｂ_Ｐ２は、Ｙ軸に沿って延びている。換言すれば、周縁部１Ｂ_Ｐ１、１Ｂ_Ｐ２は、Ｙ軸に平行な２軸に沿ってそれぞれ延びている。

電気化学素子１は、素体１Ａを内包することで、厚みが周縁部よりも厚くなった中央部１Ｃと、中央部１Ｃを囲む周縁部１Ｂ_Ｐ１、１Ｂ_Ｐ２，１Ｂ_Ｐ３、１Ｂ_Ｐ４を有している。第１枠体Ｆ１の中央には、外装体１Ｂの中央部１Ｃの下部分が配置される四角形の開口ＯＰ１が設けられている。第２枠体Ｆ２の中央には、外装体１Ｂの中央部１Ｃの上部分が配置される四角形の開口ＯＰ２が設けられている。開口ＯＰ１，ＯＰ２の各エッジはＸ軸又はＹ軸に沿っている。

各枠体Ｆ１，Ｆ２は、それぞれＸ軸方向又はＹ軸方向に延びた部分Ｆ１_Ｘ，Ｆ１_Ｙ，Ｆ２_Ｘ，Ｆ２_Ｙを有し、各枠体Ｆ１，Ｆ２は四角環状の形状を呈している。第２枠体Ｆ２のＹ軸方向に延びた一対の部分Ｆ２_Ｙの下面と、第１枠体Ｆ１のＹ軸方向に延びた一対の部分Ｆ１_Ｙの上面との間に、外装体１Ｂの周縁部のＹ軸方向に延びた周縁領域１Ｂ_Ｐ１，１Ｂ_Ｐ２がそれぞれ挟まれる。

また、第２枠体Ｆ２のＹ軸方向に延びた一対の部分Ｆ２_ＹのＸ軸方向の両端に位置する外面には、Ｚ軸方向に沿って第１枠体Ｆ１方向に延びた一対の爪部材Ｆ_Ｎがそれぞれ設けられている。第１枠体Ｆ１には、爪部材Ｆ_Ｎが嵌る凹部Ｆ_Ｒが設けられており、これらによって第１枠体Ｆ１と第２枠体Ｆ２との相対的位置関係が固定されている。爪部材Ｆ_Ｎ及び凹部Ｆ_Ｒの位置関係は、上記に限定されず、上記とは逆にそれぞれ第１枠体Ｆ１及び第２枠体Ｆ２に設けられていても良く、設ける位置が部分Ｆ１_Ｘ，Ｆ２_Ｘであってもよく、爪部材Ｆ_Ｎ、及び凹部Ｆ_Ｒの数がそれぞれ３以上であってもよい。

これにより、爪部材Ｆ_Ｎを凹部Ｆ_Ｒ内に嵌め込むだけで、第１枠体Ｆ１と第２枠体Ｆ２が固定されているので、製造が容易であり、また、簡易な固定構造なので、軽量であるという利点を有する。

また、この電気化学デバイス１０によれば、第１枠体Ｆ１と第２枠体Ｆ２との間に、外装体１Ｂの周縁部が挟まれ、これらの位置関係が固定されているので、枠体Ｆ１，Ｆ２によってラミネート型電気化学素子１が保護され、その破損を抑制することができる。

第１枠体Ｆ１は、その一端側に設けられ＋Ｚ軸方向に突出した一対の凸部ＰＪ１，ＰＪ２を有している。外装体１Ｂの一端Ｔは、凸部ＰＪ１，ＰＪ２の＋Ｙ軸方向側の側面に突き当たり、位置決めされる。第１枠体Ｆ１の凸部ＰＪ１と、凸部ＰＪ２との間の領域には、Ｘ軸に沿って延びた溝ＧＲが設けられており、溝ＧＲ内に電極部材ＥＢの突起条ＥＢ１が嵌っている。

電極部材ＥＢは、正の出力端子電極ＥＬ１と、負の出力端子電極ＥＬ２と、これらの間に介在する絶縁部材ＩＢとを一体的に固定してなり、その下面にはＸ軸方向に沿って延びた上記突起条ＥＢ１が形成されている。また、電極部材ＥＢの上面には、Ｘ軸方向に沿って延びた突起条ＥＢ２が形成されており、タブ型電極Ｔ１，Ｔ２の−Ｙ軸方向の先端は、突起条ＥＢ２の＋Ｙ軸方向の側面に接するように設けられる。

第１枠体Ｆ１のＹ軸方向に沿った一対の部分Ｆ１_Ｙは、それぞれ、＋Ｚ軸方向に立設しＹ軸方向に沿って延びた凸条（凸部）Ｑ_Ｙ１，Ｑ_Ｙ２を有している。凸条Ｑ_Ｙ１，Ｑ_Ｙ２は、第２枠体Ｆ２の下面に設けられた凹溝（凹部）Ｕ_Ｙ１，Ｕ_Ｙ２内にそれぞれ嵌まり込み、外装体１Ｂの周縁部を挟んでいる。

次に、外装体周縁部を挟み込む構造について詳細に説明する。

図２は、図１に示した電気化学デバイスの分解時のＩＩ−ＩＩ矢印断面図、図３は、図１に示した電気化学デバイスの組立後のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。

電気化学デバイス１０の形状は、その重心を通るＹＺ平面ＣＬに対して対称である。第１枠体Ｆ１の一対の部分Ｆ１_Ｙの上面と、第２枠体Ｆ２の一対の部分Ｆ２_Ｙの下面との間に、外装体１Ｂの周縁部の部分１Ｂ_Ｐ１，１Ｂ_Ｐ２がそれぞれ挟まれ、これらの周縁部分１Ｂ_Ｐ１，１Ｂ_Ｐ２はそれぞれＹ軸を囲むように湾曲し、＋Ｚ軸方向に折れ曲がる。周縁部分１Ｂ_Ｐ１，１Ｂ_Ｐ２の＋Ｚ軸方向に延びた部分は、凹溝Ｕ_Ｙ１，Ｕ_Ｙ２内に位置し、凸条Ｑ_Ｙ１，Ｑ_Ｙ２の内側面と、凹溝Ｕ_Ｙ１，Ｕ_Ｙ２の側面との間に挟まれる。なお、電気化学素子１のＺ軸方向の厚みは、組み合わせられた枠体全体の厚みよりも少し厚くなっている。

図４は、変形例に係る枠構造の断面図である。

図３では、爪部材Ｆ_Ｎは、第１枠体Ｆ１のＸ軸方向の外面よりも外側に位置していたが、本例では、第１枠体Ｆ１のＸ軸方向の両端の外面上に、凹溝Ｕ_Ｙ１，Ｕ_Ｙ２の外側の側壁が収まるように、内側に凹んだテラス面ＳＴＰを設けている。これにより、爪部材Ｆ_Ｎの外面、凹溝Ｕ_Ｙ１，Ｕ_Ｙ２の側壁の外面、第１枠体Ｆ１のＸ軸方向の両端の外面の位置が一致し、整形された形状となるため、取り扱いが容易となり、また、若干の小型化が達成される。

図５は、第２実施形態の電気化学デバイスを分解して示す斜視図である。

本形態では、ラミネート型電気化学素子１から延びるタブ型電極Ｔ１，Ｔ２の位置が異なる。すなわち、外装体１Ｂの＋Ｙ軸方向の一端Ｔからはタブ型電極Ｔ１が延びており、−Ｙ軸方向の一端Ｔからは、タブ型電極Ｔ２が延びている。タブ型電極Ｔ２は、−Ｙ軸方向側に位置する凸部ＰＪ１，ＰＪ２間の領域を通って、金属材料からなる電極部材（出力端子電極）ＥＢに電気的に接続される。タブ型電極Ｔ１は、＋Ｙ軸方向側に位置する凸部ＰＪ１，ＰＪ２間の領域を通って、金属材料からなる電極部材ＥＢに電気的に接続される。

電極部材ＥＢの構造は、これが全て導電材料からなる以外は、図１に示したものと同一であり、また、電気化学デバイスの重心を通るＸＺ平面に対して、この素子の構造は対称である。なお、残りの構造は、第１実施形態において説明したものと同一である。特に、ＶＩ−ＶＩ矢印断面の構造は、図１及び図５の構造共に同一となる。ＶＩ−ＶＩ矢印断面の構造は、デバイスの重心を通るＹＺ平面に対して対称である。かかる部分の構造について詳説しておく。

図６は図１又は図５に示した電気化学デバイスのＶＩ−ＶＩ矢印断面図である。なお、必要に応じて、図１又は図５を参照されたい。
前述のように、第１枠体Ｆ１は、厚み方向（＋Ｚ軸方向）に突出した一対の凸部ＰＪ１、ＰＪ２を備えており、双方の凸部ＰＪ１，ＰＪ２の側面に外装体１Ｂの一端Ｔが突き当たり、外装体１Ｂの一端Ｔから延びた箔状のタブ型電極Ｔ２（Ｔ１）は、凸部ＰＪ１、ＰＪ２間の空間を介して、第１枠体Ｆ１に固定された電極部材ＥＢ（ＥＬ２，ＥＬ１）に電気的に接続されている。

タブ型電極Ｔ２（Ｔ１）は箔状であるため、外装体１Ｂの熱膨張や熱収縮による位置変動を吸収することができ、これらの熱変形によるタブ型電極Ｔ２（Ｔ１）の物理的な切断を抑制することができるが、箔状であって柔軟に変形するため、位置決めが容易ではない。このデバイスでは、外装体１Ｂの一端Ｔが凸部ＰＪ２（ＰＪ１）の側面に突き当たることで、外装体１Ｂの位置決めがなされ、さらに、これらの間に的確に、外装体１Ｂから延びた箔状のタブ型電極Ｔ２（Ｔ１）が位置するので、タブ型電極Ｔ２（Ｔ１）を、電極部材ＥＢ（ＥＬ２，ＥＬ１）に正確に接続することができる。なお、これらのタブ型電極と出力端子電極の電気的接続には、超音波溶着を用いることができるが、半田等を用いた接続も可能である。

なお、本例では、図面の上側に位置する第２枠体Ｆ２の−Ｙ軸方向の端部側の部分Ｆ２_Ｘも、凸部ＰＪ１，ＰＪ２の側面に突き当たり、第１及び第２枠体Ｆ１，Ｆ２が容易に位置決めされることとしてある。また、タブ型電極Ｔ２（Ｔ１）の表面は露出している。この構造では、タブ型電極Ｔ２（Ｔ１）の電気的接続を、枠体の組み合わせ後に行うことも可能であり、枠体の材料が少なくて済むというコスト上の利点を有する。

図７は変形例に係る出力端子近傍の構造の断面図である。

本例では、第２枠体Ｆ２が、タブ型電極Ｔ２（Ｔ１）の上部にも位置することとし、これを保護する機能を持たせたものである。

第２枠体Ｆ２の−Ｙ軸方向の端部側の部分Ｆ２_Ｘは、前述のものよりも厚くなり、また、タブ型電極Ｔ２（Ｔ１）及び電極部材ＥＢを覆っている。部分Ｆ２_Ｘは、凸部ＰＪ２（ＰＪ１）に対向する部分が凹み、また、凸部ＰＪ２（ＰＪ１）の側面に突き当たっていてもよい。また、電極部材ＥＢは、枠体Ｆ１，Ｆ２の−Ｙ軸方向の端部よりも外側に突出しており、ＹＺ平面内においてＴ字型を構成し、外部に露出した露出部ＨＨを有している。露出部ＨＨには、外部からの電気的な接続が容易である。

図８は変形例に係る枠構造の断面図である。

上述のように、このデバイスは重心を通るＹＺ平面に対して対称であるので、片方の構成のみについて説明する。第１枠体Ｆ１は、平行な２軸Ｙ^＊（一方のみ図示）に沿ってそれぞれ延びた第１表面Ｓ１及び第２表面Ｓ２（図２参照）を有し、第１表面Ｓ１及び第２表面Ｓ２のそれぞれは、それぞれの軸Ｙ^＊を囲むようにそれぞれ湾曲している。

また、第２枠体Ｆ２は、第１表面Ｓ１及び第２表面Ｓ２とそれぞれ対向する第３表面Ｓ３及び第４表面Ｓ４（図２参照）を有しており、第１表面Ｓ１と第３表面Ｓ３との間に外装体１Ｂの周縁部の一部１Ｂ_Ｐ２が介在しており、第２表面Ｓ２と第４表面Ｓ４との間に外装体１Ｂの周縁部の他の一部１Ｂ_Ｐ１（図２参照）が介在している。

外装体１Ｂの周辺部は、第１表面Ｓ１及び第３表面Ｓ３、第２表面Ｓ２及び第４表面Ｓ４によって挟まれることによって、それぞれ１軸Ｙ^＊（Ｙ軸）を囲むように湾曲している。本例では周縁部の湾曲部は適当な曲率半径を有している。この構造では、枠体Ｆ１，Ｆ２によって周縁部を挟む際に、周縁部が枠体Ｆ１，Ｆ２によって曲げられることによっては、損傷しにくく、１軸に沿った湾曲によって、外装体自体の軸Ｙ^＊に垂直な方向の強度も併せて向上しているという利点がある。

なお、開口ＯＰ１，ＯＰ２の内側面は、周縁部１Ｂ_Ｐ２（１Ｂ_Ｐ２）に近づくに従って開口寸法が大きくなるように設定され、ＸＺ断面内において傾斜している。この場合、電気化学素子１が重力や取り扱い時に受ける力によってＺ軸方向に移動しようとすると、この開口ＯＰ１，ＯＰ２の内側面で規定される傾斜面に当たり、それ以上の移動が規制される。すなわち、傾斜面は電気化学素子１の移動に伴う、周縁部１Ｂ_Ｐ２（１Ｂ_Ｐ２）と中央部１Ｃとの境界部ＢＤの劣化を抑制している。なお、外部構造は同じなので、上記枠体はラミネート型の電気二重層キャパシタにも適用することができる。

第１実施形態の電気化学デバイスを分解して示す斜視図である。 図１に示した電気化学デバイスの分解時のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。 図１に示した電気化学デバイスの組立後のＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。 変形例に係る枠構造の断面図である。 第２実施形態の電気化学デバイスを分解して示す斜視図である。 図１又は図５に示した電気化学デバイスのＶＩ−ＶＩ矢印断面図である。 変形例に係る出力端子近傍の構造の断面図である。 変形例に係る枠構造の断面図である。

符号の説明

Ｆ１・・・第１枠体、Ｆ２・・・第２枠体、１Ａ・・・素体、１Ｂ・・・外装体、１・・・ラミネート型電気化学素子、１Ｂ_Ｐ１，１Ｂ_Ｐ２・・・周縁部。

Claims (3)

1. 第１枠体と、
   第２枠体と、
   素体を包む外装体を有するラミネート型電気化学素子と、
   を備え、
   前記第１枠体と前記第２枠体との間に、前記外装体の周縁部が挟まれており、且つ、
   前記第１枠体と前記第２枠体との相対的位置関係が固定され、
   前記第１枠体は、平行な２軸に沿ってそれぞれ延びた第１及び第２表面を有し、
   前記第１及び第２表面のそれぞれは、それぞれの前記軸を囲むようにそれぞれ湾曲しており、
   前記第２枠体は、前記第１及び第２表面とそれぞれ対向する第３及び第４表面を有し、
   前記第１表面と前記第３表面との間に前記外装体の周縁部の一部が介在しており、
   前記第２表面と前記第４表面との間に前記外装体の周縁部の他の一部が介在している、
   ことを特徴とする電気化学デバイス。
2. 第１枠体と、
   第２枠体と、
   素体を包む外装体を有するラミネート型電気化学素子と、
   を備え、
   前記第１枠体と前記第２枠体との間に、前記外装体の周縁部が挟まれており、且つ、
   前記第１枠体と前記第２枠体との相対的位置関係が固定され、
   前記第１枠体は、厚み方向に突出した一対の凸部を備えており、双方の前記凸部の側面に前記外装体の一端が突き当たり、
   前記外装体の前記一端から延びた箔状のタブ型電極は、前記凸部間の空間を介して、前記第１枠体に固定された出力端子電極に電気的に接続されている、
   ことを特徴とする電気化学デバイス。
3. 前記第１及び第２枠体のいずれか一方に爪部材が設けられ、他方に前記爪部材が嵌る凹部が設けられ、前記第１枠体と前記第２枠体との相対的位置関係が固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気化学デバイス。

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