JP4736319B2 - ラミネート電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，ラミネートフィルムにて発電要素が収納された電池（以下，「ラミネート電池」とする）およびその電池の製造方法に関する。さらに詳細には，ラミネートフィルムの疲労破壊を抑制したラミネート電池およびその電池の製造方法に関するものである。

近年，ラミネート電池は，携帯型ＰＣや携帯電話を始めとする電子機器のみならず，ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。このラミネート電池は，ラミネートフィルムにて発電要素（電極体や電解液等）を封止し，その後に常温で電解液を注入することで作製される。すなわち，ラミネート電池は，図７に示すように発電要素１がラミネートフィルム２に収納された状態で使用されている。

発電要素がラミネートフィルム等の外装体に封入されている電池としては，例えば特許文献１に開示されているフィルム電池がある。このフィルム電池では，枠体の中に発電要素を収納するとともに各電極体間の電気的接続を良好にするために低圧ガスが枠体内に封入されている。
特開平５−１５１９７６号公報

ラミネート電池をハイブリッド車や電気自動車等の車両用電源として使用する場合，低温（−４０℃程度）の状況や高温（６５℃程度）の状況で使用されることを考慮した上で高い信頼性が要求される。しかしながら，前記した従来のラミネート電池には，次のような問題があった。すなわち，図７に示したラミネート電池内には，発電要素１とラミネートフィルム２との間に僅かにスペース６が残っている。そして，低温の状況下ではスペース６内の圧力（内圧）が下がるため，ラミネートフィルム２が内側に変形する。一方，高温の状況下では内圧が上がるため，ラミネートフィルム２が外側に変形する。これにより，低温の状況と高温の状況とが繰り返されることによりラミネートフィルム２が疲労破壊するおそれがある。特に，図７に示したラミネート電池のように発電要素１が一対の拘束板５１，５２にて拘束されている場合，ラミネートフィルム２の変形箇所が未拘束箇所に集中してしまうために疲労破壊によるクラックが発生し易い。

また，特許文献１のフィルム電池では，低圧ガスがフィルム内に封入されていることからある程度の変形は抑制することができる。しかしながら，封入されるガスが大気圧より低いため，−４０℃に近い低温の状況下ではやはりラミネートフィルムが変形してしまう。従って，疲労破壊を十分に抑制するまでに至っていない。また，ラミネートフィルム２が変形しないように補強材等を設けることも考えられるが部品点数や製造工程の増加を招いてしまう。

本発明は，前記した従来のラミネート電池が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，温度変化に伴うラミネートフィルムの疲労破壊を容易に抑制することができるラミネート電池およびその電池の製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされたラミネート電池は，電極体を備えた発電要素と，発電要素を収納するラミネートフィルムと，ラミネートフィルムと発電要素との間のスペース内に封入されたガスとを有するラミネート電池であって，−４０℃での，ラミネート電池の内圧とラミネートフィルムの変形耐圧との和が大気圧以上であることを特徴とする。

すなわち，本発明のラミネート電池では，ラミネートフィルムと発電要素との間の僅かなスペースに高圧のガスが封入されている。具体的には，−４０℃の低温の状況下において，ラミネート電池の内圧とラミネートフィルムの変形耐圧との和が大気圧以上となる条件を満たすように高圧のガスが封入されている。これにより，低温の状況下であって内圧が低下したとしても，ラミネートフィルムが内側に変形することがない。そのため，低温の状況と高温の状況とが繰り返されるような場合であってもラミネートフィルムの変形が繰り返されることはない。従って，ラミネートフィルムの変形に伴う疲労破壊を抑制することができている。なお，ラミネートフィルムを容器状に成形したものが変形するか否かは，内部と外部との圧力差だけではなくラミネートフィルム事態の剛性も寄与する。そのため，ここでいうラミネートフィルムの変形耐圧とは，その剛性の寄与分を圧力に置き換えたものとする。すなわち，内部の圧力と変形耐圧とを合わせた圧力より外部の圧力（大気圧）が高くなった場合に内側に変形する。

ただし，ラミネートフィルムの厚さが薄い場合のように剛性が小さい場合，ラミネートフィルムの変形耐圧は内外の圧力に比べ影響が小さい。そのため，ラミネートフィルムと発電要素との間のスペース内の，−４０℃での圧力が大気圧以上であるようにすることもできる。

また，本発明のラミネート電池は，電極体を備えた発電要素と，その発電要素を収納するラミネートフィルムとを有するラミネート電池であって，発電要素を挟んで対向し，その発電要素をラミネートフィルム上から加圧しつつ拘束する一対の拘束部材を有し，６５℃での，ラミネート電池の内圧は，拘束部材による拘束圧力よりも小さいとよりよい。

すなわち，本発明のラミネート電池では，６５℃の高温の状況下において，内圧が拘束圧力よりも小さいとする条件を満たすように高圧のガスが封入されている。これにより，高温の状況下であって内圧が上昇したとしても，ラミネートフィルムの膨張が抑制される。そのため，電池特性の劣化を防ぐことができる。

また，本発明のラミネート電池は，ラミネート電池の内圧が所定値より大きくなると開放状態となる開放部を有し，６５℃での，ラミネート電池の内圧は開放部の開放圧よりも小さいとよりよい。

すなわち，本発明のラミネート電池では，６５℃の高温の状況下において，内圧が開放部の開弁圧よりも小さいとする条件を満たすように高圧のガスが封入されている。これにより，気温の変化によって開放部が開放してしまうことはない。なお，ここでいう内圧は，正常状態での内圧を意味する。すなわち，過充電状態等の異常状態であれば開放部の開弁圧より高圧となることもあり，その場合には開放部の開弁によりガスを開放する。

また，前述した課題の解決を目的としてなされたラミネート電池の製造方法は，発電要素がラミネートフィルムにて収納されたラミネート電池の製造方法であって，発電要素をラミネートフィルムにて被覆するとともにラミネートフィルムの一部をシールする発電要素被覆工程と，ラミネートフィルムと発電要素との間のスペース内にガスを封入するガス封入工程とを含み，ガス封入工程では，−４０℃での，ラミネート電池の内圧が大気圧以上となるようにすることを特徴とする。

すなわち，本発明のラミネート電池の製造方法では，発電要素被覆工程にて発電要素をラミネートフィルムで被覆している。その後，ガス封入工程にてラミネートフィルムと発電要素との間のスペースにガスを封入している。詳細には，−４０℃の低温の状況下において，そのスペース内の圧力が大気圧以上となるように高圧のガスを封入している。この封入された高圧のガスによってラミネートフィルムの内側への変形が抑制されている。このガスの封入は，例えば大気圧より高圧の状態に保たれたチャンバ内にて作業を行うことで可能である。これにより，ラミネートフィルムの疲労破壊を回避することができるラミネート電池を容易に製造することができている。

本発明によれば，ラミネートフィルム内に高圧のガスを封入することでラミネート電池の変形を抑制している。従って，低温の状況と高温の状況とが繰り返されることによって発生するラミネートフィルムの疲労破壊を容易に抑制することができるラミネート電池が実現されている。また，このラミネート電池は，通常のラミネート電池の製造工程に高圧のガスを封入する工程を加えることで製造可能であり，その製造工程は簡便である。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，本実施の形態は，電気自動車等に車載されるリチウムイオン電池に本発明を適用したものである。

実施の形態に係るリチウムイオン電池１００は，図１に示すように発電要素１がラミネートフィルム２に収納された状態のものである。発電要素１は，正極の電極シートと負極の電極シートとをセパレータとともに重ね合わせて捲回させたものである。発電要素１を構成する各部材の具体例としては，例えば正極の電極シートとしてコバルト酸リチウム，負極の電極シートとして黒鉛化炭素材料，セパレータとしてポリエチレン等の樹脂，さらに電解液としてリチウム塩を溶解させた有機溶媒が利用される。ラミネートフィルム２は，１０μｍ程度の厚さのアルミ箔を基板とし，その片面にＰＰやＰＥ等の接着層を，もう片面にポリアミド等の表面保護層をそれぞれ１０μｍ程度の厚さでコーティングしたものである。また，ラミネートフィルム２の縁辺からは，正極端子３１および負極端子３２が突出している。

また，ラミネートフィルム２のシール部の一部には安全弁部４が設けられている。この安全弁部４は，ラミネートフィルム２内の圧力が所定値（本形態では，０．５５±０．１ＭＰａとする。以下，「開弁圧」とする）に達すると，シール部分が裂けることで開弁する構造になっている。これにより，過充電状態になってラミネートフィルム２内に電解液の分解ガスが充満してラミネートフィルム２内の圧力が上昇した場合に，その圧力が開弁圧に達することで安全弁部４が開弁し，ラミネートフィルム２内に充満したガスを安全に放出することができる。

また，リチウムイオン電池１００は，図２に示すようにリチウムイオン電池１００自体が一対の拘束板５１，５２により挟持され，発電要素１がラミネートフィルム２を挟んで厚さ方向に加圧（本形態では，１．２５±０．１ＭＰａとする。）されている状態で車載される。これは，発電要素１が拘束されていない状態，すなわち自由に膨張および収縮が可能な状態では，内圧の上昇に伴ってラミネートフィルム２が膨らんでしまうこととなり，電極シート間のスムーズな電荷の移動が阻害され，電池特性が低下する恐れがあるためである。なお，リチウムイオン電池１００は，図２に示したように１つずつ拘束して車載される他に，複数のリチウムイオン電池１００を厚さ方向に重ね合わせ，それらをまとめて拘束して組電池として車載されることもある。

図３は，図２に示したリチウムイオン電池１００のＡ−Ａ断面を示す図である。リチウムイオン電池１００は，発電要素１がラミネートフィルム２にて収納されているものである。このリチウムイオン電池１００内には，発電要素１とラミネートフィルム２との間に僅かにスペース６が存在している。このスペース６にはガスが封入されており，少なくとも気温が−４０℃から６５℃までの範囲内であれば，スペース６内の圧力（内圧）が大気圧より大きくなっている。具体的に本形態では，常温（２５℃）でおよそ０．１３ＭＰａ（絶対圧，以下同じとする）となっている。

ここで内圧について詳細に説明する。内圧は次の条件を満たしている。まず１つめの条件として，低温の状況下での内圧は，大気圧以上とする。これは，気温が低下すると内圧も低下することとなる。そして，内圧が大気圧に対して負圧になると，ラミネートフィルム２が内側に変形してしまう。そのため，この変形を防止するためには，低温の状況下での内圧を大気圧以上の値とする必要があるからである。従って，低温の状況下での内圧の値が，地上での大気圧である０．１０ＭＰａ以上の値となっている。具体的に本形態では，−４０℃の状況下でおよそ０．１０ＭＰａとなっている。

なお，厳密に言うと，内圧の値は，ラミネートフィルムの剛性も考慮した上で，ラミネートフィルムが変形しない値とすればよい。すなわち，ラミネートフィルムが変形してしまう圧力値（変形耐圧）と低温の状況下での内圧の値との和が大気圧以上となる条件を満たしていればよい。

また，２つめの条件として，高温の状況下での内圧は，安全弁部４の開弁圧より低い値とする。これは，気温が上昇すると内圧も上昇することとなる。そして，内圧が開弁圧より高圧になると，安全弁部４が過充電状態になっていないにもかかわらず開放されてしまう。そのため，安全弁部４を開弁しないようにするためには，高温の状況下での内圧を開弁圧より低い値とする必要があるからである。従って，高温の状況下での内圧値は，安全弁部４の開弁圧である０．５５ＭＰａより小さい値となっている。具体的に本形態では，６５℃の状況下でおよそ０．１５ＭＰａとなっている。

なお，安全弁部４が設けられていない電池の場合には，内圧を拘束板５１，５２の拘束圧力（１．２５ＭＰａ）より小さい値とする。内圧が拘束板５１，５２の拘束圧力より大きい場合，ラミネートフィルム２が拘束板５１，５２を押し上げてしまい，電池特性を低下させてしまうからである。

続いて，本形態のリチウムイオン電池および従来のリチウムイオン電池について，低温の状況と高温の状況とが繰り返される状況下に設置した場合のエージング試験の結果について説明する。図４は，従来のリチウムイオン電池の評価結果を示す図である。従来のリチウムイオン電池は，常温で組み付けられたものであり，その常温での内圧はおよそ０．１０ＭＰａ，すなわち地上での大気圧と同等である。また，図５は，本形態のリチウムイオン電池の評価結果を示す図である。本形態のリチウムイオン電池の常温での内圧は，前述したようにおよそ０．１３ＭＰａである。これは，低温の状況下での内圧が地上での大気圧と同等以上となるようにする場合に，常温で必要となる圧力値である。なお，図４および図５中，横軸が時間，縦軸が圧力（内圧）をそれぞれ示している。また，ハッチング領域は，ラミネートフィルムが変形してしまう圧力であることを意味している。

従来のリチウムイオン電池では，図４に示すように低温の状況下（冷間時）に内圧が大気圧を下回ってしまうため，ラミネートフィルムが内側に変形した。具体的に本試験では，−４０℃でのリチウムイオン電池の内圧がおよそ０．０８ＭＰａであった。すなわち，リチウムイオン電池の内圧が大気圧に対して負圧であるため，ラミネートフィルムが内側に凹むこととなった。一方，高温の状況下（温間時）には，内側に変形したラミネートフィルムが今度は外側に変形した。具体的に本試験では，６５℃でのリチウムイオン電池の内圧がおよそ０．１１ＭＰａであった。すなわち，リチウムイオン電池の内圧が大気圧に対して正圧であるため，ラミネートフィルムが外側に膨らむこととなった。このラミネートフィルムの変形が繰り返されることで，ラミネートフィルムが疲労してクラックが発生した。

一方，本形態のリチウムイオン電池では，図５に示すように冷間時にも大気圧を下回らなかったため，ラミネートフィルムは変形しなかった。具体的に本試験では，−４０℃でのリチウムイオン電池の内圧がおよそ０．１０ＭＰａであった。これは，地上での大気圧とほぼ同等の値である。そのため，ラミネートフィルムが内側に凹むことはなかった。従って，ラミネートフィルムが疲労することがなく，クラックが発生することもなかった。また，６５℃でのリチウムイオン電池の内圧がおよそ０．１４ＭＰａであった。これは，安全弁部の開弁圧に対して４分の１程度の圧力でしかない。そのため，温間時で安全弁部が開放されてしまうことはなかった。これにより，本形態のリチウムイオン電池１００は，従来のリチウムイオン電池と比較して温度変化に伴うラミネートフィルムの疲労破壊が抑制されていることがわかる。

次に，本形態のリチウムイオン電池１００の製造方法について，図６の工程フローチャートを基に説明する。まず，図６（Ａ）に示すように正極および負極の電極シートとセパレータとを重ね合わせて扁平形状に捲回させたものを用意する。すなわち，発電要素１を用意する。次に，図６（Ｂ）に示すように正極端子３１を正極の電極シートに，負極端子３２を負極の電極シートにそれぞれ取り付ける。次に，図６（Ｃ）に示すように発電要素１をラミネートフィルム２で包み，ラミネートフィルム２の縁辺を安全弁部４となる開口部４０を除いて熱溶着にてシールする。これにより発電要素１がラミネートフィルム２に被覆された状態となる。

次に，図６（Ｄ）に示すように開口部４０からラミネートフィルム２内に電解液を注入する。電解液の注入後は，図６（Ｅ）に示すように開口部４０を封止する。このとき，開口部４０のうち，ラミネートフィルム２の縁辺部近辺のみをシールする。その後，充放電を行うことで蓄電池としてのコンディショニングを行う。このコンディショニングの際，ラミネートフィルム２内には微量のガス（以下，「内部ガス」とする）が発生する。

次に，図６（Ｆ）に示すようにコンディショニング後の電池を加圧チャンバ８内に収容する。加圧チャンバ８内は，ドライエア（露点−５５℃）または窒素ガスで充満している。この状態で，開口部４０を含むラミネートフィルム２のシール部の一部をカットし，開口部４０を再び開放状態にする。これにより，スペース６内の圧力（内圧）が加圧チャンバ８内の圧力よりも高圧であれば，コンディショニング時に発生した内部ガスが加圧チャンバ８内に開放される。一方，内圧が加圧チャンバ８内の圧力よりも低圧であれば，加圧チャンバ８内に充満しているガスがスペース６内に充填される。その後，加圧チャンバ８内でラミネートフィルム２の開口部４０をシールする。加圧チャンバ８内の圧力は，およそ０．１３ＭＰａに保たれているため，シール後のスペース６内の圧力（内圧）もおよそ０．１３ＭＰａとなる。すなわち，図６（Ｆ）に示す工程は，内部ガスの開放と，高圧のガスの封入とを兼ねている。最後に，加圧チャンバ８の電池を取り出すことで，図６（Ｇ）に示すようにリチウムイオン電池１００が製造される。

以上詳細に説明したように本形態のリチウムイオン電池１００は，ラミネートフィルム２にて発電要素１を被覆することとしている。そして，発電要素１とラミネートフィルム２の間のスペース６内に高圧のガスを封入することとしている。詳細には，−４０℃でのスペース６内の圧力が大気圧より大きくなるようにしている。すなわち，スペース６内の高圧ガスによって内側への変形を抑制している。これにより，低温の状況下におけるラミネートフィルム２の変形が抑制され，ラミネートフィルム２の疲労破壊を回避することができている。また，このリチウムイオン電池１００は，コンディショニングの後に加圧チャンバ８内で内部ガスの開放作業を行うことによって製造される。すなわち，補強部材等の部品を増やすことなく，また複雑な工程を経ることなく容易に製造することができる。よって，温度変化に伴うラミネートフィルムの疲労破壊を容易に抑制することができるラミネート電池およびその電池の製造方法が実現されている。

また，スペース６内の圧力の値は，安全弁部４の開弁圧より小さい値としている。これにより，高温の状況下で使用する際に，過充電状態でないにもかかわらず安全弁部４が開放してしまうことが抑制されている。また，安全弁部４が設けられていない電池の場合には，拘束板５１，５２の圧力より小さい値とする。これにより，ラミネートフィルムの膨張を抑制することができ，電池特性の低下を防止することができている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，ラミネート電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち，ニッケル水素電池やニッカド電池でも本発明を適用できる。

実施の形態に係るリチウムイオン電池の外観図である。 拘束板にて拘束されたリチウムイオン電池の外観図である。 図２に示したリチウムイオン電池のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 従来の形態に係るリチウムイオン電池の温度変化評価の結果を示す図である。 実施の形態に係るリチウムイオン電池の温度変化評価の結果を示す図である。 実施の形態に係るリチウムイオン電池の作製手順を示す図である。 従来の形態に係るラミネート電池の断面図である。

符号の説明

１ 発電要素
２ ラミネートフィルム
４ 安全弁部（開放部）
３１ 正極端子
５１，５２ 拘束板（拘束部材）
６ スペース
８ 加圧チャンバ（チャンバ）
１００ リチウムイオン電池（ラミネート電池）

Claims (6)

1. 電極体を備えた発電要素と，前記発電要素を収納するラミネートフィルムと，前記ラミネートフィルムと前記発電要素との間のスペース内に封入されたガスとを有するラミネート電池において，
   −４０℃での，前記ラミネート電池の内圧と前記ラミネートフィルムの変形耐圧との和が大気圧以上であることを特徴とするラミネート電池。
2. 電極体を備えた発電要素と，前記発電要素を収納するラミネートフィルムと，前記ラミネートフィルムと前記発電要素との間のスペース内に封入されたガスとを有するラミネート電池において，
   −４０℃での，前記ラミネート電池の内圧が大気圧以上であることを特徴とするラミネート電池。
3. 請求項１または請求項２に記載するラミネート電池において，
   前記発電要素を挟んで対向し，前記発電要素を前記ラミネートフィルム上から加圧しつつ拘束する一対の拘束部材を有し，
   ６５℃での，前記ラミネート電池の内圧は，前記拘束部材による拘束圧力よりも小さいことを特徴とするラミネート電池。
4. 請求項１または請求項２に記載するラミネート電池において，
   前記ラミネート電池の内圧が所定値より大きくなると開放状態となる開放部を有し，
   ６５℃での，前記ラミネート電池の内圧は前記開放部の開放圧よりも小さいことを特徴とするラミネート電池。
5. 発電要素がラミネートフィルムにて収納されたラミネート電池の製造方法において，
   前記発電要素を前記ラミネートフィルムにて被覆するとともに前記ラミネートフィルムの一部をシールする発電要素被覆工程と，
   前記ラミネートフィルムと前記発電要素との間のスペース内にガスを封入するガス封入工程とを含み，
   前記ガス封入工程では，−４０℃での，前記ラミネート電池の内圧が大気圧以上となるようにすることを特徴とするラミネート電池の製造方法。
6. 請求項５に記載されたラミネート電池の製造方法において，
   前記ガス封入工程では，大気圧より高圧の状態に保たれたチャンバ内にて前記ガスを封入することを特徴とするラミネート電池の製造方法。

Images