JP4592297B2

JP4592297B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP4592297B2
Application number: JP2004032326A
Authority: JP
Inventors: 啓下山田; 文将山本; 公一川村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: JP2005222901A

Description

本発明は金属ラミネート樹脂フィルムから成る外装材で発電要素を被包封止した構造を有する密閉型電池に係り、特に発電要素から導出される外部端子の封止構造を改良し、外装材の封止部を経由する漏液を防止して電池の信頼性を向上させ、かつ封止部の面積を低減して電池内に占める発電要素の割合を増加せしめて電池の体積エネルギー密度（電池容量）を増加させた密閉型電池に関する。

近年、ビデオカメラやヘッドホンステレオなどの携帯電子機器における急速な高性能化，軽量化および小型化を指向した技術展開には目覚しいものがあり、これらの電子機器を長時間稼動させるための駆動電源となる二次電池の高エネルギー化および高容量化への技術的要求も一段と高まっている。

これらの技術的要求に対応するため、リチウム金属、リチウム合金、もしくは炭素質材料のようなリチウムを吸蔵、放出できる物質を負極材料に使用した非水電解液二次電池の開発が活発に進められるようになった。この非水電解液二次電池のなかでも、電池の発電要素以外が占める体積を減少させることが、電池の高エネルギー化および小型化に有利であるという技術的観点から、従来から電池外装材として使用されていた鉄やアルミニウム製の金属缶の代わりに、より薄肉化が可能な金属ラミネート樹脂フィルムを外装材に使用した密閉型電池が注目されている。

上記金属ラミネート樹脂フィルムは、電解液や水分およびガスの透過を防止することが可能なアルミニウム箔などの軟質金属膜とナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのプラスチックフィルムとを貼り合わせて積層して構成される。この金属ラミネート樹脂フィルムが電池外装材として使用される場合には、発電要素を収納した状態で外装材周縁部が熱融着により封止される。そして、電池内に占める発電要素の割合を大きくすることが、直接的に電池の高容量化につながるため、外装材に矩形状の絞り成形を施し、その絞り成形部に発電要素を緊密に収納することにより発電要素以外で電池容量に関与しない不要な空間部分を極力小さくしている。

また、このような金属ラミネート樹脂フィルムを外装材として使用した電池では、収納される発電要素の正負極に接続されたリード線も外装材周縁部と熱融着して外部端子として電池外部に取り出される構造が採用されることが一般的である。すなわち、外部端子の熱融着部分には、ポリエチレンやポリプロピレンなどから成る絶縁樹脂フィルムを介して外部端子と外装材である金属ラミネート樹脂フィルムとを熱融着し、前記外部端子と金属ラミネート樹脂フィルムを構成する軟質金属膜との電気的絶縁を強化している。

すなわち、上記ような金属ラミネート樹脂フィルムを外装材として使用した密閉型電池は、図７に示すような負極（正極）端子２（３）を導出した発電要素１を、図８に示すように外装材４の絞り成形部６内に収容し、電池外に導出した負極（正極）端子２（３）を外装材４の周縁部と、絶縁樹脂フィルム５を介して熱融着して形成される。

上記発電要素１は、負極材料をその支持体である負極集電体に保持してなる負極板と、正極活物質をその支持体である正極集電体に保持してなる正極板との間に、電解液を保持しつつ正負両極の短絡を防止するシート状もしくは箔状のセパレータを介在させた状態で長円筒状に捲回されて形成される。

また、上記発電要素１にはその負極と電気的に接続され、ポリプロピレンからなる絶縁樹脂フィルム５が融着された部分を持つ負極端子２と、正極と電気的に接続され、同様に絶縁樹脂フィルム５が融着された部分を持つ正極端子３とが設けられており、これらの正負極端子２，３は共に上記捲回軸と平行な方向に沿って上記発電要素１より延出している。

一方、外装材で発電要素を被包した従来の非水電解質系二次電池の封着部の防湿性能を高める構造として、発電要素を外装材で被包し、この外装材の縁辺部を重ね合わせた後に加熱加圧して接合し、さらにこの外装材の縁部を回り込むようにして、アルミニウム防湿層を有する接着テープを接着する封止構造も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２５１８５４号公報（第１頁、図２）

しかしながら、上記外装材の縁部を回り込むようにして、アルミニウム防湿層を有する接着テープを接着する従来の封止構造においては、外装材の縁部を回り込むようにして接着テープを接着する操作が煩雑であり、高度の位置制御および折り曲げ操作が必要となるため、電池の製造管理が複雑化する上に製造工数が増大化して電池の製造コストが上昇する問題点があった。

一方、図７や図８に示す従来構造を有する密閉型電池においては、電池内に占める発電要素の体積割合を増加させることが電池の高容量化に直結するという考えから、封止のために熱融着する部分の幅および長さは極力小さくすることが望ましいとされている。

しかしながら、上記図７や図８に示す従来構造では、外部端子を熱融着している部分においては金属と絶縁樹脂とを熱融着している異種材料接合部位があり、この異種材料接合部位は樹脂同士を融着している同種材料接合部位と比較して接合強度が低いためシール信頼性が劣る。このため、外部端子と直接熱融着することになる絶縁樹脂フィルムとしては、金属との接着性・密着性が良好なフィルムを選択することになるが、外部端子を取り出す側の熱融着部分の融着幅を、樹脂同士を熱融着する部分より外側に大きく設定しているのが実情である。そのため、熱融着部分をも含めた電池自体の寸法が大きくなり、小型化を進める電子機器の電源としては使用できない上に、機器部品のレイアウト設計の自由度が低下する問題点があった。

また、上記外部端子を熱融着する部分は電池容量に対して無駄な部分であり、金属ラミネート樹脂フィルムを外装材に使用する電池特有の部分である。このため、金属製電池缶を使用した他の電池と比較した場合、金属ラミネート樹脂フィルムを外装材として使用した二次電池は、この点においては容量的に不利となる問題点があった。

本発明は上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、特に発電要素から導出する外部端子の封止構造を改良し、外装材の封止部を経由する漏液を防止して電池の信頼性を向上させ、かつ外装材の封止部の面積を低減して電池内に占める発電要素の割合を増やして電池の体積エネルギー密度（電池容量）を増加させた密閉型電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る密閉型電池は、矩形状に絞り成形を施した金属ラミネート樹脂フィルム製の外装材と、上記外装材の絞り成形部に収納された発電要素とを備え、この発電要素に接続された端子が絶縁樹脂フィルムを介して外装材と熱融着されて外部端子として外装材外部に取り出される構造を有する密閉型電池において、上記発電要素から延出している外部端子の電池内部の部分にも絶縁樹脂フィルムが熱融着されており、かつ、その絶縁樹脂フィルムが熱融着されている外部端子部分が絞り成形部内部空間で発電要素に沿って折り曲げられていることを特徴とする。

また、上記密閉型電池において、前記外装材の絞り成形部に収納された発電要素と外部端子の発電要素側端部との接続位置が発電要素の厚さ方向の中心より外装材の絞り成形部の張り出し側に位置することが好ましい。

さらに上記密閉型電池において、前記発電要素から延出している外部端子に絶縁樹脂フィルムが熱融着されている部分の電池内部における長さが２ｍｍ以上であることが好ましい。

すなわち、従来の密閉型電池のように外装材と外部端子の熱融着幅を狭くすると、特に接合強度が弱い絶縁樹脂フィルムと金属製外部端子との接合部においてシール信頼性が低下することが不可避であったが、本発明に係る密閉型電池の端子構造によれば、外部端子の電池内部の部分にも絶縁樹脂フィルムを熱融着した部位が形成されていることにより、絶縁樹脂フィルムによる融着面積を大幅に増大させることができ、シール信頼性が長期間に渡って良好に維持できる。

しかも、上記絶縁樹脂フィルムを熱融着した部分が絞り成形部内部空間で発電要素方向に折り曲げられていることにより、絶縁樹脂フィルムを熱融着した外部端子が電池内部空間において障害となることが無く、外部端子を効率良く電池内に収納することができ、二次電池の容量効率の向上とシール信頼性の維持向上とを同時に実現することができる。

さらに、本発明の密閉型電池では、外部端子に絶縁樹脂フィルムを融着した部分を電池内部まで延びるように長くすることにより接合面積を増大化せしめシール信頼性を維持改善しており、その融着部分は長いほうが好ましい。そのため、本発明の密閉型電池の好ましい態様では、発電要素と外部端子との接続位置は、発電要素の厚み方向中心より外装材の絞り成形部の張り出し側に位置することが好ましい。

また、本発明の密閉型電池の好ましい態様として、発電要素から延出している外部端子に絶縁樹脂フィルムが熱融着されている部分の電池内部における長さを２ｍｍ以上とした場合には、温度４５℃で相対湿度９０％の高温雰囲気中で３か月間電池を保存する耐久試験を実施しても、漏液事故を発生する密閉型電池数をゼロとすることができ、二次電池の耐久性および信頼性を大幅に改善することができる。上記外部端子に絶縁樹脂フィルムが熱融着されている部分の電池内部における長さが２．５ｍｍ以上であることが、より好ましい。

以上に述べたように、外部端子に絶縁樹脂フィルムを融着した部分を電池内部まで延びるように大きくし、その絶縁樹脂フィルムを融着した外部端子部分を効率良く電池内部に収納することにより、封止性および信頼性を維持した状態のまま、外部端子と外装材とを融着する部分の融着幅を狭くすることができる。したがって、狭くした幅に相当する分だけ発電要素の体積を増加させることができる。また、電池外部に防湿部が突出する封止構造ではなく、さらに電池内部において外部端子が邪魔にならないように発電要素の端面に沿って折り曲げられているため、電池内に占める発電要素の割合を大きくすることができる。そのため、高容量の二次電池を供給することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る密閉型電池によれば、外部端子に絶縁樹脂フィルムを熱融着した部分を電池内部にも形成し、その絶縁樹脂フィルムを熱融着した外部端子部分を効率良く電池内部に収納しているため、封止性および信頼性を維持した状態のまま、外部端子と外装材とを熱融着する部分の融着幅を狭くすることができる。また、電池内部において外部端子が邪魔にならないように発電要素に沿って折り曲げられているため、電池内に占める発電要素の割合を相対的に大きくすることができる。そのため、高容量で封止信頼性が優れた二次電池を提供することができる。

以下、本発明に係る密閉型電池の一実施例について添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は本発明が適用された密閉型電池の発電要素１および外装材４の分解斜視図である。発電要素１は、負極材料をその支持体である負極集電体に保持してなる負極板と、正極活物質をその支持体である正極集電体に保持してなる正極板との間に、電解液を保持しつつ両極の短絡を防止するセパレータを介在させた状態で捲回して構成される。すなわち、負極板、正極板およびセパレータは薄いシート状もしくは箔状に成形され積層された状態で長円筒状に捲回されている。

また、上記発電要素１には、負極に電気的に接続され、ポリプロピレンからなる絶縁樹脂フィルム５が熱融着された部分を持つ負極端子２と、正極に電気的に接続され、同様に絶縁樹脂フィルム５が熱融着された部分を持つ正極端子３とが設けられており、共に発電要素１の端面の厚さ方向における中心位置から取り出され、取り出し位置から下方向に折り曲げられた後に、発電要素１の下端面に到達した位置で再度水平方向に折り曲げられ、捲回軸と平行な方向で上記発電要素１より延出している。

また、上記発電要素１を収納する外装材４としては、絞り成形を施して絞り成形部６を形成した金属ラミネート樹脂フィルムが使用されている。この金属ラミネート樹脂フィルムとしては、厚さ２５μｍのナイロン層と、厚さ４０μｍの軟質アルミニウム層と、厚さ３０μｍのポリプロピレン層との３層から成るアルミラミネートフィルムが使用され、ナイロン層が外側に位置するように、内寸深さが４ｍｍである矩形状の絞り成形部６を形成した。この矩形状の絞り成形部６の一辺を谷折りし、上記発電要素１と電解液とを絞り成形部６に収納し、谷折りした辺以外の３方の辺を熱融着することにより封止されている。

このとき、負極端子２および正極端子３は、図２に示すように、外装材４の外側に引き出されて電池の外部端子としての役割を果たすが、負極端子２および正極端子３にそれぞれ融着された絶縁樹脂フィルム５を介して外装材４と熱融着されている。

上記の本実施例に係る密閉型電池１０によれば、外部端子２，３に絶縁樹脂フィルム５を熱融着した部分を電池内部（絞り成形部６の内部）にも形成し、その絶縁樹脂フィルム５を融着した外部端子部分を効率良く電池内部に収納しているため、封止性および信頼性を維持した状態のまま、外部端子２，３と外装材４とを融着する部分の融着幅を狭くすることができる。また、電池内部において外部端子２，３が邪魔にならないように発電要素１に沿って折り曲げられているため、電池内に占める発電要素１の割合を相対的に大きくすることができる。そのため、高容量で封止信頼性が優れた密閉型二次電池１０を提供することができた。

次に本発明に係る密閉型電池のより具体的な実施態様として以下の実施例について、比較例とともに説明する。

［実施例１］
図３は実施例１に係る密閉型電池１０ａで使用した発電要素１の端子部を示す部分拡大断面図であり、図４は上記発電要素１を外装材４内に収容した密閉型電池の端子部の部分拡大断面図であり、この密閉型電池１０ａを以下の手順で調製した。すなわち、厚さが４ｍｍである発電要素１を準備し、その発電要素１の厚さ方向の中央部に、厚さが０．１ｍｍで幅が４ｍｍのニッケル板から成る負極端子２ａと、厚さが０．１ｍｍであり幅が４ｍｍのアルミニウム板からなる正極端子３ａとを接続した。各端子２ａ，３ａは厚さが０．１ｍｍのポリプロピレンフィルム５が融着された部分を有しており、その部分の長さＡは５ｍｍであり、ポリプロピレンフィルム５は各端子２ａ，３ａの全周を被覆している。そのポリプロピレンフィルム５である絶縁樹脂フィルムが融着された部分が、発電要素１から延出している端子２ａ，３ａの根元に位置するように端子２ａ，３ａを接続した。

次に上記のように調製した発電要素１に接続した各端子２ａ，３ａの基部を折り曲げて図４に示す実施例１に係る密閉型電池１０ａを調製した。すなわち、各端子２ａ，３ａは、根元側の絶縁樹脂フィルム５の端部と、そのフィルム５の端部から下方に２ｍｍの距離を置いた絶縁樹脂フィルム被覆部分で図４に示すように水平方向に折り曲げられる。しかる後に、発電要素１および電解液を、外装材４に形成された絞り成形部６に収納した。そして最後に絶縁樹脂フィルム５を被覆した各端子２ａ，３ａの端部に、外装材４の封止縁を押圧し熱融着により封止することにより実施例１に係る密閉型電池１０ａを調製した。なお、絶縁樹脂フィルム５を被覆した各端子２ａ，３ａと、外装材４の封止縁との熱融着幅Ｄは２ｍｍとした。

［実施例２］
図５は実施例２に係る密閉型電池１０ｂで使用した発電要素１の端子部を示す部分拡大断面図であり、図６は上記発電要素１を外装材４内に収容した密閉型電池１０ｂの端子部の部分拡大断面図であり、この密閉型電池１０ｂを以下の手順で調製した。すなわち、発電要素１の厚さは４ｍｍとし、その発電要素１の同じ側の負極最外周と正極最外周に、ニッケル板からなる負極端子２ｂおよびアルミニウム板からなる正極端子３ｂをそれぞれ接続した。各端子２ｂ、３ｂの寸法は厚さが０．１ｍｍであり、幅は４ｍｍとする一方、厚さが０．１ｍｍのポリプロピレンフィルムが融着された部分の長さＢは７ｍｍとした。

図６は実施例２に係る密閉型電池１０ｂの端子部断面を示し、正負極端子２ｂ、３ｂの折り曲げ位置を図示している。すなわち、絶縁樹脂フィルム５が融着された部分が発電要素１から延出している端子の根元が発電要素１の厚さ方向の頂部に位置するように端子２ｂ、３ｂを接続し、この正負極端子２ｂ、３ｂを折り曲げる位置は、根元側の絶縁樹脂フィルム端と、その根元の絶縁フィルム端から４ｍｍ下方の位置との２箇所とし、外装材４との封止のための融着幅Ｄは２ｍｍとした。

［比較例］
図７は比較例に係る密閉型電池１０で使用した発電要素１の端子部の断面図であり、この密閉型電池１０を以下の手順で調製した。すなわち、発電要素の厚さは４ｍｍとし、その発電要素１の同じ側の負極最外周と正極最外周（図８において発電要素１の最下部）に、ニッケル板からなる負極端子２とアルミニウム板からなる正極端子３とをそれぞれ接続した。各端子２，３の寸法は厚さが０．１ｍｍであり、幅は４ｍｍとする一方、厚さが０．１ｍｍであるポリプロピレンフィルムが融着された部分の長さＣは３ｍｍとした。

図８は上記比較例に係る密閉型電池１０の端子部の断面図を示す。外部端子２，３は折り曲げ加工を施すことなく、発電要素１の端子接続位置が融着面の延長線上になるように発電要素１を絞り成形部６に挿入すると共に、外装材４との融着幅Ｄは２ｍｍに設定して融着することにより、比較例２に係る従来の密閉型電池１０ｃを調製した。

上記のように調製した各実施例および比較例に係る密閉型電池１０，１０ａ、１０ｂをそれぞれ各１００個試作し、それら電池の封止部の耐久性を評価するために、各電池を温度が４５℃で相対湿度が９０％に設定された恒温恒湿槽内に３ヶ月保管する耐久試験を実施した。そして、保管期間満了後において各実施例および比較例に係る密閉型電池を観察し、正負極端子と外装材との封止部（タブシール部）を経由した電池外部への電解液の漏洩の有無を検査した。また、シール部分において外装材が正負極端子から浮き上がって剥離する等の不具合を生じている電池の割合を計数して下記表１に示す結果を得た。

上記表１に示す結果から明らかなように、比較例に係る密閉型電池においては、１００個の電池の全てについて、タブシール部が電池内側から剥がれ始めており、外部から見てシール部分の外装材が浮き上がっている状態が確認された。しかも、それらの電池のうち、タブシール部の剥離および浮き上がりがさらに進展したために、タブシール部（封止部）から電解液が外部に漏洩している電池が４５個も確認された。これに対して、各実施例に係る密閉型電池では、液漏れを生じた電池は皆無であり、比較例の電池と比較して高い信頼性を有する電池であることが判明した。

また、実施例１の電池１０ａと実施例２の電池１０ｂとを比較すると、両者とも電解液の漏洩を生じた電池は皆無であったが、シール部が剥離し始めている電池の割合は実施例２の方が少ないため、より信頼性は高いと言える。この結果より、電池内部の絶縁樹脂フィルムを融着した端子部分が長いほうが、よりシール信頼性および電池の耐久性を高める観点から有利であることが判明した。

［実施例３］
厚さが４ｍｍである発電要素１の端面から正負極端子を導出する位置を、発電要素１の厚さ方向に０．５ｍｍ間隔で種々変化させて発電要素１から延出している正負極端子に絶縁樹脂フィルムが熱融着されている部分の電池内部における長さを変化させた点以外は実施例１と同様に組立て処理することにより、実施例３に係る密閉型電池を多数調製した。

こうして調製した実施例３に係る密閉型電池について、実施例１と同様に、各電池を温度が４５℃で相対湿度が９０％に設定された恒温恒湿槽内に３ヶ月保管する耐久試験を実施した。そして、保管期間満了後において各密閉型電池を観察し、正負極端子と外装材との封止部（タブシール部）を経由した電池外部への電解液の漏洩の有無を検査した。

その結果、絶縁樹脂フィルムが熱融着されている端子部分であって発電要素の端面に沿って形成した端子部分の長さ（図６においてＨ）が２ｍｍ以上のときに、電解液の漏洩を皆無にできることが判明した。

本発明に係る密閉型電池の発電要素および外装材を示す分解斜視図。本発明に係る密閉型電池の完成状態を示す概略斜視図。実施例１に係る密閉型電池の発電要素端子部の部分拡大断面図。実施例１に係る密閉型電池の端子部の部分拡大断面図。実施例２に係る密閉型電池の発電要素端子部の部分拡大断面図。実施例２に係る密閉型電池端子部の部分拡大断面図。比較例に係る密閉型電池の発電要素端子部の部分拡大断面図。比較例に係る密閉型電池の端子部の部分拡大断面図。

符号の説明

１発電要素
２、２ａ、２ｂ負極端子（外部端子）
３、３ａ、３ｂ正極端子（外部端子）
４外装材（金属ラミネート樹脂フィルム）
５絶縁樹脂フィルム
６絞り成形部
１０、１０ａ、１０ｂ密閉型電池

Claims

矩形状に絞り成形を施した金属ラミネート樹脂フィルム製の外装材と、上記外装材の絞り成形部に収納された発電要素とを備え、この発電要素に接続された端子が絶縁樹脂フィルムを介して外装材と熱融着されて外部端子として外装材外部に取り出される構造を有する密閉型電池において、上記発電要素から延出している外部端子の電池内部の部分にも絶縁樹脂フィルムが熱融着されており、かつ、その絶縁樹脂フィルムが熱融着されている外部端子部分が絞り成形部の内部空間で発電要素に沿って折り曲げられていることを特徴とする密閉型電池。
前記外装材の絞り成形部に収納された発電要素と外部端子の発電要素側端部との接続位置が発電要素の厚さ方向の中心より外装材の絞り成形部の張り出し側に位置することを特徴とする請求項１記載の密閉型電池。
前記発電要素から延出している外部端子に絶縁樹脂フィルムが熱融着されている部分の電池内部における長さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の密閉型電池。