JP4720172B2

JP4720172B2 - 電池

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Description

この発明は電池に関し、特に、外装材にラミネートフィルムを用いて作製した電池に関する。

近年、カメラ一体型ＶＴＲ（Videotape recorder：ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらの小型化および軽量化が図られている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として用いられる電池の需要が急速に伸びており、機器の小型軽量化実現のために、電池設計も軽く、薄型であり、かつ機器内の収容スペースを効率的に使うことが求められている。このような要求を満たす電池として、エネルギー密度および出力密度の大きいリチウムイオン電池が最も好適である。

中でも、形状自由度の高い電池、あるいは薄型大面積のシート型電池、薄型小面積のカード型電池などが望まれているが、従来用いられている金属製の缶を外装として用いる手法では、薄型の電池を作製することが困難である。

このような問題を解決するために、電解液に接着作用を有する物質を添加したり、高分子を用いたゲル状電解質を用いる電池が検討されている。これらの電池は電極と電解質間が密着しており、接触状態を保持することが可能である。これにより、アルミラミネートフィルム等のフィルム状外装材を用いた薄型の電池を作製することが可能となる。

従来、ラミネートフィルムの用途としては、食品、医薬品およびフィルムなどが主であり、これらは賞味期限、使用期限等が有り、長期の信頼性は必ずしも必要でないものが多かった。一方、特に二次電池においては充放電を繰り返して使用することから、長期の信頼性が必要となる。

図１に、ラミネートフィルムを外装材として用いた電池の構成を示す。参照符号１で示されるのはラミネートフィルムで外装した電池である。ラミネートフィルムには導電性がないため、リード２をフィルムの貼り合わせ部分に挟み込むようにして導出する必要がある。この状態でラミネートフィルムの内側樹脂フィルム同士を向かい合わせ、電池素子周辺部分を熱融着することにより密封封止される。このとき、熱融着によるシール幅を細くすることで内部の電池素子を大きく設計することができ、電池の高容量化を図ることが可能である

図２に、ラミネートフィルム１０の主な構成の一例を示す。参照符号１１で示される金属箔は、樹脂フィルム１２および樹脂フィルム１３に挟まれた、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムからなる。外側の樹脂フィルム１２には外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン、またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。金属箔１１は水分、酸素、光の進入を防ぎ内容物を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム（Ａｌ）が最もよく使われる。内側の樹脂フィルム１３は熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であるため、ポリオレフィンが適切であり、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）が多用される。金属箔１１と樹脂フィルム１２，１３の間には必要であれば接着剤層１４を設けてもよい。

電池素子をラミネートフィルム１０にて外装し熱融着する際、内側のＣＰＰ層が溶け、接着される。ところが、電池素子から導出したリード２の金属とＣＰＰは接着性に乏しい。そこで、図１および図３に示すように、ＣＰＰとの接着性を向上させるため、リード２の両面には樹脂材料が接着されている。これをシーラント３という。

アルミラミネートフィルムを外装材として用いた場合の問題点として、内部に水分が浸入し易く、浸入した水分が電池内部で望ましくない電気化学反応を起こすことにより、電池特性が低下するという問題が挙げられる。水分はＡｌ層を通ることはできないため、内側の樹脂フィルム（ＣＰＰ）部分から浸入する。

水分の浸入量は浸入経路断面積（ＣＰＰ層の断面積）に比例し、浸入経路長さ（シール幅）に反比例する。そこで、ＣＰＰ層を薄くして断面積を小さくする、もしくはシール幅を広く取り、経路長さを大きくして水分の浸入を防ぐ必要があるが、電池の高容量化という観点から、ＣＰＰ層を薄くすることで経路を狭くし、浸入水分量を抑える方が好適である。この場合、ラミネートフィルム自体が薄くなるため、全体的に電池を大きく設計し、高容量化を図ることができる。

ここで、シール幅を狭くすることにより、シール部分の強度の確保が難しくなるという問題が生じる。これを解決するために、熱容量の大きい金属ブロックヒータを用いて熱融着をする必要がある。従来の厚さのラミネートフィルムを用いた場合、内側の樹脂フィルム１３にある程度の厚さが有り、熱融着時にリード２をかみ込んでも樹脂フィルム１３が金属ブロックヒータの圧力を吸収することができる。しかし、内側の樹脂フィルム１３が薄い場合、リード２が挟まれている部分に局所的に大きな圧力がかかり、リード２がせん断されてしまったり、リード２が樹脂フィルム１３を突き破って金属箔１１と短絡してしまうおそれがある。

そこで、以下の特許文献１に記載されているように、金属ブロックヒータ２０のリード２に対応する部分に凹み２１を形成し、位置合わせを行いながら熱融着することにより、上述のような問題を解決することが可能である（図４）。
特開２０００−３４８６９５号公報

ところが、上述の問題の他にも、ＣＰＰ層を薄くすることによって生じるおそれがある問題がある。例えば、図５に示すように、ラミネートフィルム１０の裁断時に生じたＡｌのカットバリ（以下、バリと適宜称する）３０がＣＰＰ層を突き破ってリード２と短絡し、電池の正負端子がショートするという問題である。

また、バリ３０が電池外側に向かっているか、もしくはバリが無い場合であっても、熱融着時に金属ブロックヒータ２０のヘッド部がラミネートフィルム１０の端部に圧力をかけた場合はショートを起こす可能性が高い。

そこで、この発明では上記問題点に鑑み、バリおよび熱融着用ヒータの加圧によるショートならびに水分浸入によるサイクル特性の低下が起こらないような、安全性の高い電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は、帯状の金属箔の両面に反応層が設けられた正極および負極、ならびに電解質を有する電池素子を、金属層の外面および内面が樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装し、電池素子と電気的に接続されたリードを、リードのラミネートフィルムと対向する両面がそれぞれ樹脂材料で被覆された状態でラミネートフィルムの開口部から導出し、開口部を熱融着することにより封止した電池であって、
開口部の熱融着はラミネートフィルム端部を除いてなされ、
ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂が、熱融着部の厚さｔ₁よりも厚く、かつリードを挟む熱融着部分の厚さｔ ₄ が、リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ ₃ よりも厚く、
ラミネートフィルムの厚さをｔ、ラミネートフィルムの内面の樹脂層の厚さをｐ、リードの厚さをＬ、リードを被覆する樹脂材料の片面の厚さをＳとすると、
熱融着部の厚さｔ ₁ が、ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ ₁ ＜ｔ×２−５(μｍ)であり、
熱融着部の厚さｔ ₁ およびラミネートフィルム端部の厚さｔ ₂ が、ｔ ₁ ＜ｔ×２≦ｔ ₂ (μｍ)であり、
ラミネートフィルムの内面の樹脂層の厚さｐが、２０〜４０(μｍ)であり、
リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ ₃ が、ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ ₃ ＜ｔ×２−５(μｍ)であり、
リードを挟む熱融着部分の厚さｔ ₄ が、ｔ×２−ｐ×２＋５＋（Ｌ＋Ｓ）＜ｔ ₄ ＜ｔ×２−５＋（Ｌ＋Ｓ）(μｍ)の電池である。

この発明によれば、電池容量の向上を可能にする薄いラミネートフィルム外装を用いる際の問題点を解消し、ショートも水分浸入も起こさない高性能な電池を得ることが可能である。

以下に、この発明を適用することができる電池の詳細を説明する。

図６に、この発明を適用した電池を構成する電池素子の一例を示す。この電池は、帯状の正極４１と、セパレータ４３ａと、正極４１と対向して配された帯状の負極４２と、セパレータ４３ｂとを積層し、長手方向に巻回されてなる電池素子４０を有しており、正極４１および負極４２の両面にはゲル状電解質４４が塗布されている。

［正極］
正極４１は、正極活物質を含有する正極活物質層が、正極集電体の両面上に形成されてなる。正極集電体としては、例えばＡｌ箔，ニッケル（Ｎｉ）箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。

正極活物質層は、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。ついで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。

正極活物質としてはリチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。具体的には、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.5Ｏ₂、ＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.2Ｏ₂等がその例として挙げられる。

また、導電剤としては、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等が用いられる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン等が用いられる。

正極４１は電極端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された正極端子（図６中のリード４５で示す）を有している。この正極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。正極端子の材料としては、例えばＡｌ等が挙げられる。

［負極］
負極４２は、負極活物質を含有する負極活物質層が、負極集電体の両面上に形成されてなる。負極集電体としては、例えば銅箔，Ｎｉ箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。

負極活物質層は、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次にこのスラリーをドクターブレード法等により負極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。

負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料が用いられる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としてはグラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられ、黒鉛類としてはメソフェーズカーボンマイクロビーズ、カーボンファイバー、コークスなどの人造黒鉛や天然黒鉛が使用できる。リチウムを合金化可能な材料としては多様な種類の金属等が使用可能であるが、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、Ａｌ、ケイ素（Ｓｉ）およびこれらの合金がよく用いられる。金属リチウムを使用する場合は、必ずしも粉体を結着剤で塗布膜にする必要はなく、圧延したＬｉ金属板でも構わない。

また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム等が用いられる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン、メチルエチルケトン等が用いられる。

また、負極４２も正極４１と同様に、電極端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された負極端子（図６中のリード４５で示す）を有している。この負極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。負極端子の材料としては、例えば銅、Ｎｉ等が挙げられる。

なお、正極端子および負極端子は同じ方向から導出されていることが好ましいが、短絡等が起こらず電池性能にも問題がなければ、どの方向から導出されていても問題はない。また、正極端子および負極端子の接続箇所は、電気的接触がとれているのであれば取り付ける場所、取り付ける方法は上記の例に限られない。

［電解質］
電解質は、リチウムイオン電池に一般的に使用される電解質塩と有機溶媒が使用可能であり、またゲル状電解質であっても電解液であってもよい。

非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合してもよい。

電解質塩としては、上記非水溶媒に溶解するものを用いることができる。例えばＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂、ＬｉＣｌＯ₄等が挙げられる。電解質塩濃度としては、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。

ゲル状電解質である場合は、上記の電解液をマトリクスポリマでゲル化して用いる。マトリクスポリマは、上記非水溶媒に上記電解質塩が溶解されてなる非水電解液に相溶可能であり、ゲル化できるものであればよい。このようなマトリクスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリルなどの、繰り返し単位を含むポリマが挙げられる。このようなポリマは、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。

その中でも特に好ましいのは、マトリクスポリマとして、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデンにヘキサフルオロプロピレンが７．５％以下の割合で導入された共重合体である。このようなポリマは、数平均分子量が５．０×１０⁵から７．０×１０⁵（５０万〜７０万）の範囲であるか、または重量平均分子量が２．１×１０⁵から３．１×１０⁵（２１万〜３１万）の範囲であり、固有粘度が１．７から２．１の範囲とされている。

［セパレータ］
セパレータは、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリエチレン、ポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。

一般的にセパレータの厚みは５〜５０μｍが好適に使用可能であるが、７〜３０μｍがより好ましい。セパレータは、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。

このような電池素子４０を外装するラミネートフィルムとしては、図２で示したような構造であり、電池素子４０は防湿性、絶縁性を有するラミネートフィルムにより覆われて密閉されている。正極４１、負極４２のそれぞれにはリード２が接続されており、ラミネートフィルムの封口部に挟み込まれて導出されている。

今回、ラミネートフィルムが薄く、熱融着部が狭くても安全性の高い電池の作製を可能にするという特性に適したラミネートフィルムとして、外装にナイロンまたはＰＥＴを１５±５μｍ、Ａｌ箔３５±５μｍ、内装にＣＰＰを３０±１０μｍとした構造が好適であることを見出した。なお、Ａｌ箔と内外装の樹脂フィルム間には２〜３μｍの接着層があってもよい。

この発明では、図７のように、リード取り出し辺においてラミネートフィルムの端部を避けてヒータヘッドによる熱融着をすることにより、ラミネートフィルム端部の厚さがシール部の厚さより厚くなるようして電池を作製することで、バリによるショートを防ぐことができる。また、この方法により、ヘッドがラミネートフィルム端部を踏んだときに起こるショートも防ぐことができる。なお、図７は電池素子のリード取り出し辺の上面図であり、斜線で示されるＡ部をシール部とする。

図８は、ヒータヘッド５６によりラミネートフィルム５０の端部を避けるようにして熱溶着を行う様子を示している。ラミネートフィルム５０は、Ａｌ層５１と、最外装のナイロン層またはＰＥＴ層５２および内装のＣＰＰ層５３からなる構造であり、防湿性、絶縁性を有している。なお、ラミネートフィルム５０の厚さをｔとし、ＣＰＰ層５３の厚さをｐとする。

図９に、このようにして作製した電池のリード取り出し辺におけるリード部の断面図（図７ａ−ａ'）を示す。参照符号５４で示されるのはリードであり、ＣＰＰ層との接着性をよくするためにシーラント５５が被覆されている。

Ａで示すのはヒータヘッドによって熱融着された部分であり、Ｂで示すのはヒータヘッドによる熱融着をなされなかったラミネートフィルム端部である。Ａ部はヒータヘッドにより加熱・加圧されるため、ＣＰＰが溶け、非加圧部（Ｂ部）に流れる。このため、Ｂ部はＡ部からラミネートフィルム端部に近づくにつれてだんだん厚くなる。なお、Ｂ部は直接ヒータヘッドによる加熱はなされないが、Ａ部の加熱時に生じる余熱によりＣＰＰが溶け、ＣＰＰ層とリード、もしくはＣＰＰ層同士が接着されることが多い。また、Ｂ部は接着がなされなくても問題は無い。

一方、図１０にリードの挟まっていない熱融着部の断面図（図７のｂ−ｂ'）を示す。Ａで示されるのは、ヒータヘッドによって加熱・加圧された部分であり、Ｂで示されるのは、ヒータヘッドによる加熱・加圧をなされなかった部分である。図７と同様に、ＣＰＰが溶けたＣＰＰが流れるため、Ｂ部はＡ部からラミネートフィルム端部に近づくにつれてだんだん厚くなる。

このとき、熱融着部の厚さをｔ₁、ラミネートフィルム端部の厚さをｔ₂とし、図８に示すようにラミネートフィルム５０の厚さをｔ、ＣＰＰ層の厚さをｐとすると、熱融着部の厚さｔ₁は、
ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ₁ ＜ｔ×２−５［μｍ］
であり、ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂は、
ｔ₁ ＜ｔ×２ ≦ ｔ₂ ［μｍ］
を満たす関係にある。端部を熱融着しないようにしてショートを避ける事により、端部の厚さがその内側の熱融着部より厚くなることを特徴とする。

熱融着部の厚さｔ₁は、ヒータヘッドで加熱・加圧するため、溶けたＣＰＰがラミネートフィルム端部に流れ、熱融着後はもとの厚さ（ラミネートフィルムを２枚重ねた厚さに相当する）よりも小さくなる。ただし、熱融着時にあまりにも強力な圧力をかけるとＣＰＰが流動して熱融着を行う樹脂が不足してしまい、封止性が損なわれて水分浸入する。この場合、水が電池内部で還元されてガス発生し、電池が膨らむ。熱融着後のＣＰＰ層の厚さが５μｍより大、つまり、熱融着部の厚さｔ₁が［ｔ×２−ｐ×２＋５］μｍより大であればＣＰＰ層が不足せず、水分の浸入を十分に抑えることができる。

また、熱融着部の厚さｔ₁があまりに厚い場合、十分に封止が行われていない可能性がある。この場合も水分が浸入し、水が電池内部で還元されてガスが発生し、電池が膨らむ。熱融着後のＣＰＰ層の厚さが、もとのＣＰＰ層の厚さ（ＣＰＰ層を２枚重ねた厚さに相当する）と比較して５μｍ以内の減少であればＣＰＰの溶けが不十分であり、封止性があまりよくない。つまり、熱融着部の厚さｔ₁が［ｔ×２−５］μｍより小であればＣＰＰは十分に溶けて封止され、高いサイクル特性を維持することができる。

また、ラミネートフィルム端部を避けてヒータヘッドで加熱・加圧することにより、ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂は熱溶着部の厚さｔ₁よりも大となる。これにより、ラミネートフィルム端部に発生したバリがシーラントを突き抜けてショートするのを防ぐことができるとともに、熱溶着時にヒータヘッドがラミネートフィルム端部を踏み、リードとＡｌ層が接触してショートするのを防ぐことができる。

このとき、ラミネートフィルム端部はヒータヘッドで加圧しないため、厚さｔ₂はもとの厚さ［ｔ×２］μｍ（ラミネートフィルムを２枚重ねた厚さ）より薄くなることはなく、また熱溶着部から押し出されたＣＰＰ分だけ厚くなる。ただし、ラミネートフィルムのヒータヘッドが踏まない部分が大きい場合、ＣＰＰはフィルム端部まで押し出されず、図１１のような断面になる。このような場合、ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂は上下それぞれ伸びているラミネートフィルムの端部を指などで重ね合わせ、ノギス等を用いて計測する。熱溶着部の厚さｔ₁は加圧されているためｔ×２より小であり、ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂はｔ×２であるため、ｔ₁＜ｔ₂となり、ショートを避けることができる。

このような方法を用いることにより、図１２のようにバリ３０が発生している場合でも厚いＣＰＰ層に遮られ、リードと接触してショートを起こしづらい電池を作製することができる。

また、上述の方法に加えて、以下の方法を用いることにより、さらに安全な電池の作製が可能である。

リード部は従来と同様、金属ヒータにより加熱・加圧することで、他の熱融着部に比してリード部に局所的に大きな圧力がかかってしまう。そこで、リードを挟んだ位置に切り欠きを設けたヒータヘッドを用いて熱融着した。

この場合、切り欠きを設けたヒータヘッドを用いるため、リード部分のラミネートフィルム厚はリードを挟まない熱融着部のラミネートフィルム厚に対して厚くなっている。ラミネートフィルムの厚さをｔ、ＣＰＰ層の厚さをｐとし、図１３に示すように、リードの厚さをＬ、リードを被覆したシーラントの片面の厚さをＳとした場合、
電池をフィルムで外装する際のリードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃が、
ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ₃ ＜ｔ×２−５［μｍ］
であり、リードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄が、
ｔ×２−ｐ×２＋５＋（Ｌ＋Ｓ）＜ｔ₄ ＜ｔ×２−５＋（Ｌ＋Ｓ）［μｍ］
であることを特徴とする。

リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃およびリードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄は、ヒータヘッドで加熱・加圧するため、熱溶着時にＣＰＰ層が溶けて流れ、もとの厚さよりも小さくなる。熱融着後のＣＰＰ層の厚さが５μｍより大、つまり、リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃が［ｔ×２−ｐ×２＋５］μｍより大であればＣＰＰ層が不足せず、水分の浸入を十分に抑えることができる。また、熱融着後のＣＰＰ層の厚さが、もとのＣＰＰ層の厚さと比較して５μｍ以内の減少であればＣＰＰの溶けが不十分であり、封止性があまりよくない。つまり、リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃が［ｔ×２−５］μｍより小であればＣＰＰは十分に溶けて封止され、高いサイクル特性を維持することができる。

また、リードを挟む熱融着部分はＣＰＰ層の他、リードを被覆したシーラントも溶けて薄くなる。シーラントは熱溶着によって樹脂が流れ、半分程度の厚さになる。シーラントこれよりも薄くなるとリードとラミネートフィルムとのショートを防ぐことが困難になる。また、シーラントがあまり溶けていない場合はラミネートフィルムとリード間の熱溶着が不十分であり、水分が浸入し易くなる。

しかしながら、シーラントが多く流れた場合であってもＣＰＰと合わせた厚さが所定の範囲内に収まっていれば良く、またシーラントが少ししか溶けなかった場合であってもＣＰＰが多く溶けて封止され、シーラントとＣＰＰとを合わせた厚さが所定の範囲内に収まっていれば問題ない。

リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃と同様に、熱溶着後のＣＰＰ層の厚さが５μｍより大である場合、つまり、リードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄が［ｔ×２−ｐ×２＋５＋（Ｌ＋Ｓ）］より大のときは水分浸入を十分に抑えることができる。また、厚さの減少が５μｍより小である場合、封止性が不十分である。つまりリードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄が［ｔ×２−５＋（Ｌ＋Ｓ）］より小であればＣＰＰは十分に溶けて封止されている。

ここで、今回用いるラミネートフィルムは、従来のＣＰＰ層が４５〜５０μｍ程度であったことから、ＣＰＰ層を２０〜４０μｍとした。ＣＰＰ層は薄いほど電池容量の向上につながるが、熱融着時には溶けたＣＰＰが非加圧部分に流れるため、ＣＰＰ層が薄すぎても封止性が損なわれてしまう。これらを考慮した上で、ＣＰＰ層を２０〜４０μｍとすることが好ましい。

このようにして電池を作製することにより、リードに局所的に圧力がかかり、リードが切れたり、リードがＣＰＰ層を突き破ったり、必要なＣＰＰを流してしまうことが無く、ショートを防ぐことができる。

なお、熱融着に用いるヒータヘッドは上述のものに限らず、上記条件を満たすようにして封止することが可能であればいずれの材料および形状のヒータヘッドを用いても構わない。

以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。

［正極の作製］
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）９２重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン３重量％と、粉状黒鉛５重量％とを均一に混合し、これをＮ−メチルピロリドンに分散させてスラリー状の正極合剤を調製した。この正極合剤を正極集電体となるＡｌ箔の両面に均一に塗布し、１００℃で２４時間減圧乾燥することにより正極活物質層を形成した。

次いで、これをロールプレス機で加圧成形することにより正極シートとし、この正極シートを５０ｍｍ×３００ｍｍの帯状に切り出して正極とし、活物質の不塗布部分にＡｌリボンのリードを溶接した。また、リードのアルミラミネートフィルムに挟まれる部分には、ポリプロピレン片を両面に接着した。

［負極の作製］
人造黒鉛９１重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン９重量％とを均一に混合し、Ｎ−メチルピロリドンに分散させてスラリー状の負極合剤を調製した。次に、この負極合剤を負極集電体となる銅箔の両面に均一に塗布し、１２０℃で２４時間減圧乾燥することにより負極活物質層を形成した。

次いで、これをロールプレス機で加圧成形することにより負極シートとし、この負極シートを５２ｍｍ×３２０ｍｍの帯状に切り出して負極とし、物質の不塗布部分にＮｉリボンのリードを溶接した。また、リードのアルミラミネートフィルムに挟まれる部分にはポリプロピレン片を両面に接着した。

［ゲル状電解質の作製］
ヘキサフルオロプロピレンが６．９％の割合で共重合されたポリフッ化ビニリデンと、非水電解液と、希釈溶剤のジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とを混合し、撹拌、溶解させてゾル状の電解質溶液を得た。電解液にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートを６：４の重量比で混合し、０．８ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＰＦ₆と０．２ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＢＦ₄を溶解して作成した。混合比は，ポリフッ化ビニリデン：電解液：ＤＭＣ＝１：６：１２の重量比とした。次いで、得られたゾル状の電解質溶液を正極及び負極の両面に均一に塗布した。その後、５０℃で３分間乾燥させて溶剤を除去して、正極及び負極の両面にゲル状電解質層を形成した。

［試験用電池の作製］
上述のようにして作製された、両面にゲル状電解質層が形成された帯状の正極と、両面にゲル状電解質層が形成された帯状の負極とを、セパレータを介して長手方向に巻回することにより電池素子を得た。セパレータには厚さ１０μｍ、空孔率３３％の多孔質ポリエチレンフィルムを用いた。

最後に、図１４に示すように、電池素子６０をＡｌ箔が一対の樹脂フィルムで挟まれてなるアルミラミネートフィルム６１で挟み、アルミラミネートフィルム６１の外周縁部を減圧下で熱融着することによって封口した。なお、電池のテラス部の幅（図７、図９および図１０のＡ＋Ｂ）が２．５ｍｍ程度となるようにして作製した。

このような試験用電池を用いて、以下の点について検討した。

＜実施例１＞
実施例１−１〜１−３および比較例１−１〜１−７の各電池を、ヒータヘッド幅を変えて作製し、ヒータヘッドの温度および熱融着時の圧力をそれぞれ変え、熱融着部の厚さｔ₁およびラミネートフィルム端部の厚さｔ₂が変わるようにした。実施例１−１〜１−３および比較例１−１、１−２の各電池は２．０ｍｍ幅のヒータヘッド、比較例１−３〜１−７の各電池は３．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用い、各電池の外装には、最外層からナイロン層１５μｍ、接着層３μｍ、アルミ層３５μｍ、接着層２μｍ、ＣＰＰ層３０μｍであり、厚さ８５μｍであるアルミラミネートフィルムを用いた。また、リードには幅４ｍｍ、厚さ７０μｍのＡｌリボンを用い、アルミラミネートフィルムに挟まれる部分には、幅６ｍｍ、厚さ５０μｍのポリプロピレン片を両面に接着した。

このようなラミネートフィルムを用いた場合、ＣＰＰが全てなくなったときの厚さは１１０μｍ、ラミネートフィルムが全くつぶれなかったときの厚さは１７０μｍであり、他部分からの樹脂が流れてきた場合はさらに厚くなる。

熱融着部の厚さをｔ₁、ラミネートフィルム端部の厚さをｔ₂とし、ラミネートフィルムの厚さをｔ、ＣＰＰ層の厚さをｐとすると、熱融着部の厚さｔ₁が、
ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ₁ ＜ｔ×２−５［μｍ］
ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂が、
ｔ₁ ＜ｔ×２ ≦ ｔ₂ ［μｍ］
を満たす関係にあれば、バリによるショートおよびヒータヘッドの加圧によるラミネートフィルムＡｌ層とリードのショート、ならびに水分浸入によるガス発生を防ぐことができる。したがって、今回用いたラミネートフィルムの場合、１１５μｍ＜ｔ₁＜１６５μｍ、かつｔ₂≧１７０μｍであれば実用に耐えうる電池を得ることができる。

以下の表１に、実施例１−１〜１−３、比較例１−１〜１−７の各電池の熱融着部の厚さｔ₁およびラミネートフィルム端部の厚さｔ₂ならびにヒータヘッド幅を示す。また、上述した熱融着部の厚さの範囲の下限および上限も表１中に示す。なお、表中の斜線部は、熱融着部の厚さｔ ₁ およびラミネートフィルム端部の厚さｔ ₂ のうち、適正な範囲から外れているものを示している。

このような試験用電池を各１０個ずつ作製し、１０個の試験用電池のうちショートを起こした電池の個数を調べた。また、全くショートを起こさなかった電池についてはさらに電池内部でのガス発生による電池膨れ（厚さの増加量）［ｍｍ］およびサイクル特性［％］を測定した。

ショートの有無については正負両リード間の抵抗を測定した。組立直後の電池は十分に大きい直流抵抗があるが、ショートしているとｍΩオーダーの小さな抵抗値となる。ショートの原因としては、リード部分に大きな圧力がかかり、アルミラミネートフィルム外装の最内層ＣＣＰをリード、もしくはリードのバリが貫いてＡｌ箔層に達してしまった場合などが挙げられる。

一方、リードを挟まない部分については、熱融着時に強力な圧力をかけるとＣＰＰが流動して封止性が損なわれ、水分が浸入する。その場合、水が電池内部で還元されてガスが発生し、電池が膨らむ。電解液中の水分でも電池は膨らむことがあるがその量は小さい。組立て初充電後の電池の厚さを測り、０．１ｍｍ以上の厚さ増加があれば不良品、０．１ｍｍ未満であれば良品とした。

さらに、リードを挟む、挟まないにかかわらず、熱融着部分があまり厚い場合、十分に封止が行われていない可能性がある。その場合も水分が浸入し、水が電池内部で還元されてガスが発生し、電池が膨らむ。先ほどと同様に、組立て初充電後の電池の厚さを測り、０．１ｍｍ以上の厚さ増加があれば不良品、０．１ｍｍ未満であれば良品とした。

サイクル特性は標準充電と１Ｃ−３Ｖカットオフ定電流放電を行い、放電容量のサイクル毎の変化を測定した。ここでは、５００サイクル後の容量維持率で検討し、８０％以上を良品とした。５００サイクル後の８０％容量維持率は、現在、携帯電子機器のスペックにおいて一般的に必要十分とされている値である。水分が浸入していると、副反応によりサイクル特性は損なわれる。なお、サイクル特性は以下の式にて算出する。

サイクル特性＝（５００サイクル目の放電容量）／（１サイクル目の放電容量）×１００［％］

以下に、各実施例の電池の構成と、上述の試験の結果を示す。なお、表中の斜線部は、熱融着部の厚さｔ₁およびラミネートフィルム端部の厚さｔ₂のうち、適正な範囲から外れているものを示している。

以上の表から明らかなように、テラス部の幅よりも小さい２．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用いてラミネートフィルムの端部を避けるようにして熱融着を行い、熱融着部の厚さｔ₁が所定の範囲（１１５＜ｔ₁＜１６５［μｍ］）であり、かつラミネートフィルム端部の厚さｔ₂が熱融着部の厚さｔ₁よりも大きい実施例１−１〜１−３の各電池はショート、ガスによる膨れがなく、高いサイクル特性を有している。

一方、テラス部の幅よりも小さい幅のヘッドを用いて端部を避けた場合であっても、熱融着部の厚さｔ₁が所定の範囲内でない場合は電池として用いることができない。比較例１−１は、２．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用い熱融着部の厚さｔ₁を１１０μｍと薄くして作製したが、強くシールしすぎたためにリードが切れ、ショートが発生している。また、比較例１−２は、２．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用い熱融着部の厚さｔ₁を１６８μｍと厚くして作製したが、シールが弱すぎたために封止性が不充分であり、水分浸入が起こってガス膨れが生じている。

さらに、比較例１−３〜１−６のように３．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用いた場合、ラミネートフィルム端部がヒータヘッドで加圧され、リードとＡｌ層が短絡するか、もしくはバリがＣＰＰ層を突き破ってリードと短絡し、ショートしてしまう。また、比較例１−７のように、３．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用いて弱くシールした場合、ショートは発生しないが、熱融着部の厚さｔ₁およびラミネートフィルム端部の厚さｔ₂が大きいため、水分が浸入してガスが発生し、電池の膨れが生じるとともにサイクル特性が低下してしまう。

このように、端部の厚さを熱融着部の厚さより大きくすることにより、ショートおよびガスによる膨れを避けた電池を作成することが可能である。

＜実施例２＞
電池素子を外装するラミネートフィルムの構成、熱融着時のヒータヘッドの温度および圧力をそれぞれ変えることにより、熱融着部の厚さｔ₃およびリード部の厚さｔ₄を変えて試験用電池を作製した。外装に用いるラミネートフィルムには、最外層のナイロン層１５μｍ、接着剤層３μｍ、アルミ箔３５μｍ、接着剤層２μｍ、ＣＰＰ層３０μｍの総厚８５μｍのアルミラミネートフィルム、もしくは上述のラミネートフィルムのうちＣＰＰ層のみを２０μｍとした（ナイロン層１５μｍ、接着剤層３μｍ、アルミ箔３５μｍ、接着剤層２μｍ、ＣＰＰ層２０μｍ）総厚７５μｍのアルミラミネートフィルムのいずれかを用いた。また、リード取り出し辺の熱融着時には２．０ｍｍ幅のヒータヘッドを用い、余熱でリードなどに接着された部分も含めて２．２ｍｍのシール幅とした。

実施例２−１〜２−１４および比較例２−１〜２−１２の各電池のリードには幅４ｍｍ、厚さ７０μｍのＡｌリボンを用い、アルミラミネートフィルムに挟まれる部分には、幅６ｍｍ、厚さ５０μｍのポリプロピレン片を両面に接着した。また、実施例２−１５、２−１６、および比較例２−１３〜２−１６の各電池では幅４ｍｍ、厚さ１００μｍのＡｌリボンを用いてリードとし、アルミラミネートフィルムに挟まれる部分には、幅６ｍｍ、厚さ６０μｍのポリプロピレン片を両面に接着した。

実施例２において、総厚８５μｍのラミネートフィルムを用いた場合、ＣＰＰが全てなくなったときの厚さは１１０μｍ、ラミネートフィルムが全くつぶれなかったときの厚さは１７０μｍであり、他部分からの樹脂が流れてきた場合はさらに厚くなる。

また、総厚７５μｍのラミネートフィルムを用いた場合は、ＣＰＰが全てなくなったときの厚さは１１０μｍ、ラミネートフィルムが全くつぶれなかったときの厚さは１５０μｍであり、他部分からの樹脂が流れてきた場合はさらに厚くなる。

リードを挟まない熱融着部分の厚さをｔ₃、リードを挟む熱融着部分の厚さをｔ₄とし、ラミネートフィルムの厚さをｔ、ＣＰＰ層の厚さをｐ、リードの厚さをＬ、リードを被覆したシーラントの片面の厚さをＳとした場合、
電池をフィルムで外装する際のリードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃が、
ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ₃ ＜ｔ×２−５［μｍ］
であり、リードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄が、
ｔ×２−ｐ×２＋５＋（Ｌ＋Ｓ）＜ｔ₄ ＜ｔ×２−５＋（Ｌ＋Ｓ）［μｍ］
を満たす関係にあれば、バリによるショートおよびヒータヘッドでの加圧によるラミネートフィルムＡｌ層とリードのショート、ならびに水分浸入によるガス発生を防ぐことができる。したがって、各実施例および比較例は以下の範囲とすることで実用に耐えうる電池を得ることができる。

（１）総厚８５μｍのラミネートフィルムおよびリード厚７０μｍ、シーラント厚（片面）５０μｍの場合（実施例２−１〜２−１２および比較例２−１〜２−８）は、１１５μｍ＜ｔ₃＜１６５μｍ、２３５μｍ＜ｔ₄＜２８５μｍ。
（２）総厚７５μｍのラミネートフィルムおよびリード厚７０μｍ、シーラント厚（片面）５０μｍの場合（実施例２−１３、２−１４および比較例２−９〜２−１２）は、１１５μｍ＜ｔ₃＜１４５μｍ、２３５μｍ＜ｔ₄＜２６５μｍ。
（３）総厚８５μｍのラミネートフィルムおよびリード厚１００μｍ、シーラント厚（片面）６０μｍの場合（実施例２−１５、２−１６および比較例２−１３〜２−１６）は、１１５μｍ＜ｔ₃＜１６５μｍ、２７５μｍ＜ｔ₄＜３２５μｍ。

以下の表３に、実施例２−１〜２−１６および比較例２−１〜２−１６の各電池のラミネートフィルムの厚さおよびＣＰＰ層の厚さ、ならびにリードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃およびリードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄を示す。なお、表中の斜線部は、リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃およびリードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄のうち、範囲から外れているものを示している。また、表３中ではリードを挟まない熱融着部分の厚さを熱溶着部、リードを挟む熱融着部分の厚さをリード部とし、上述したリードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃およびリードを挟む熱融着部分の厚さの下限および上限もそれぞれ示す。

このような試験用電池を各１０個ずつ作製し、１０個の試験用電池のうちショートを起こした電池の個数を調べた。また、全くショートを起こさなかった電池についてはさらに電池内部でのガス発生による電池膨れ（厚さの増加量）［ｍｍ］およびサイクル特性［％］を測定した。各試験の測定方法は、実施例１の各測定方法と同様である。

以下の表４に、各実施例の電池の構成と、上述の試験の結果を示す。なお、表中の斜線部は、リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃およびリードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄のうち、範囲から外れているものを示している。また、表４中ではリードを挟まない熱融着部分の厚さを熱溶着部ｔ₃、リードを挟む熱融着部分の厚さをリード部ｔ₄とする。

以上の表から明らかなように、リードを挟む部分がリードを挟まない融着部分より適切に厚くされていると、性能の良い電池とすることができる。各実施例がその例である。

不良品の例としては、リードを挟まない熱融着部分が厚い電池の場合が挙げられる。この場合、水分浸入経路の断面積が大きくなり、浸入した水分が内部でガスとなるため、電池が膨れたりサイクルが悪くなってしまう。例えば、比較例２−２，２−４および２−１４のような場合である。リードを挟まない熱融着部分において、ラミネートフィルムは上下２枚重ね合わせることで１７０μｍとなるが、比較例２−２，２−４および２−１４では熱融着後は１６８μｍであり、ＣＰＰ層の溶けが少なく十分に封止されていない。このため、内部に水分が浸入し、ガスが発生しており、ガス膨れが順に０．１８ｍｍ、０．１７ｍｍおよび０．２１ｍｍと大きい値になっている。

また、リードを挟まない熱融着部分が薄すぎる場合も不良電池となる。例えば比較例２−１および比較例２−３ではリードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃が１１２μｍとなっている。ラミネートフィルムは上下２枚で１７０μｍであり、上下それぞれ３０μｍのＣＰＰ層を有しているため、ＣＰＰ層がすべて溶け、流れてしまった場合でも厚さは１１０μｍとなるはずである。つまり、比較例２−１および比較例２−３のＣＰＰ層は２μｍと非常に薄くなっており、接着を担う樹脂が不十分なため、水分が浸入して電池性能が損なわれている。

さらに、例えば比較例２−５および比較例２−７のように、リードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄が薄すぎるとリードがショートしてしまい電池にならない。また、例えば比較例２−６および比較例２−７のように、リードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄が厚すぎても水分浸入によりサイクル特性が悪くなってしまう。

このように、電池容量向上のために薄いラミネートフィルムを用いる場合に問題となるショートや不十分な封止性などを考慮して、上述のような方法を用いて電池を作製することにより、安全で高い性能を有する電池を得ることが可能となる。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述した一実施形態では、電池として帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを介して積層し、さらに長手方向に巻回されてなる電極巻回体を用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、正極と負極とを積層してなる積層型電極体を用いた場合や、巻回せずにいわゆるつづら折りにされたつづら折り型電極体を用いた場合についても適用可能である。

また、上述したような実施の形態に係る電池は、円筒型、角型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。

ラミネートフィルムを外装材として用いた電池を示す斜視図である。ラミネートフィルムの主な構成の一例を示す断面図である。ラミネートフィルムとの接触を防ぐためのシーラントを接着したリードを用いて作製した電池を示す断面図である。リードに大きな圧力がかかることを防ぐ熱融着方法を示す略線図である。ラミネートフィルムの裁断時に生じたＡｌのカットバリが樹脂層を突き破ってリードと短絡する様子を示す略線図である。この発明を適用した電池を構成する電池素子の一例を示す略線図である。ラミネートフィルムの端部を除いて熱融着する場合のヒータヘッドの接触位置を示す略線図である。ラミネートフィルムの端部を除いて熱融着する様子を示す模式図である。ラミネートフィルムの端部を除いて熱融着した電池におけるリード部の断面図である。ラミネートフィルムの端部を除いて熱融着した電池におけるリードを挟まない部分の断面図である。ラミネートフィルムのヒータヘッドが踏まない部分が大きい場合の熱融着部を示す断面図である。ラミネートフィルムの端部を除いて熱融着した電池において、バリが発生した場合の状態を示す断面図である。リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ₃およびリードを挟む熱融着部分の厚さｔ₄ならびにリードの厚さＬおよびシーラント（片面）の厚さＳを示す略線図である。電池素子がアルミラミネートフィルムで挟まれる様子を示す略線図である。

符号の説明

１・・・電池
２・・・リード
３・・・シーラント
１０・・・ラミネートフィルム
１１・・・金属箔
１２・・・樹脂フィルム
１３・・・樹脂フィルム
１４・・・接着剤層
２０・・・金属ブロックヒータ
３０・・・バリ
４０・・・電池素子
４１・・・正極
４２・・・負極
４３ａ，４３ｂ・・・セパレータ
４４・・・ゲル状電解質
４５・・・リード
５０・・・ラミネートフィルム
５１・・・Ａｌ層
５２・・・ナイロンまたはＰＥＴ層
５３・・・ＣＰＰ層
５４・・・リード
５５・・・シーラント
６０・・・電池素子
６１・・・アルミラミネートフィルム

Claims

帯状の金属箔の両面に反応層が設けられた正極および負極、ならびに電解質を有する電池素子を、金属層の外面および内面が樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装し、上記電池素子と電気的に接続されたリードを、該リードの該ラミネートフィルムと対向する両面がそれぞれ樹脂材料で被覆された状態でラミネートフィルムの開口部から導出し、開口部を熱融着することにより封止した電池であって、
開口部の熱融着はラミネートフィルム端部を除いてなされ、
ラミネートフィルム端部の厚さｔ₂が、熱融着部の厚さｔ₁よりも厚く、かつリードを挟む熱融着部分の厚さｔ ₄ が、リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ ₃ よりも厚く、
上記ラミネートフィルムの厚さをｔ、上記ラミネートフィルムの内面の上記樹脂層の厚さをｐ、上記リードの厚さをＬ、該リードを被覆する上記樹脂材料の片面の厚さをＳとすると、
上記熱融着部の厚さｔ ₁ が、ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ ₁ ＜ｔ×２−５(μｍ)であり、
上記熱融着部の厚さｔ ₁ および上記ラミネートフィルム端部の厚さｔ ₂ が、ｔ ₁ ＜ｔ×２≦ｔ ₂ (μｍ)であり、
上記ラミネートフィルムの内面の上記樹脂層の厚さｐが、２０〜４０(μｍ)であり、
上記リードを挟まない熱融着部分の厚さｔ ₃ が、ｔ×２−ｐ×２＋５＜ｔ ₃ ＜ｔ×２−５(μｍ)であり、
上記リードを挟む熱融着部分の厚さｔ ₄ が、ｔ×２−ｐ×２＋５＋（Ｌ＋Ｓ）＜ｔ ₄ ＜ｔ×２−５＋（Ｌ＋Ｓ）(μｍ)である
電池。
上記ラミネートフィルムの厚さｔが、７５〜８５(μｍ)である
請求項１に記載の電池。
上記熱融着部の厚さｔ ₁ が、１１５＜ｔ ₁ ＜１６５（μｍ）であり、
上記ラミネートフィルム端部の厚さｔ ₂ が、ｔ ₂ ≧１７０(μｍ)である
請求項２に記載の電池。