JP4759785B2 - 金属樹脂複合フイルム及びそれを用いた電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池の外装体に用いる金属樹脂複合フィルムの材質に関するものであり、またそれを用いて密閉した電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子技術の大きな進歩により、一般ユーザー向けの携帯機器の小型軽量化が進んでいる。そして、電池に対しても小型軽量化の要求が高まっているため、従来の金属缶を電槽に用いた非水電解液電池に代え、外装体として、金属樹脂複合フィルムを用いた密閉形電池が用いられるようになってきている。
【０００３】
このような密閉型電池２０は、図４に示すように、電解質層を介して正極および負極が積層された略偏平直方体形状の発電要素６と、正極および負極にそれぞれ連結された端子８，８と、端子８，８の開放端部８Ａ，８Ａが外部露出するように発電要素６を気密封止する金属樹脂複合フィルム５とを有している。金属樹脂複合フィルム５は一対用意し、少なくとも一方の金属樹脂複合フィルム５は発電要素６の厚さに応じた絞り加工を施しておく。これらの金属樹脂複合フィルム５，５を発電要素６の平面および底面にそれぞれ接するように配置した後、各金属樹脂複合フィルム５，５の周部７同士を互いに融着して発電要素６が気密封止されている。
【０００４】
このように、金属樹脂複合フィルム５の少なくとも一方は、発電要素の厚さに応じた深さの絞り変形が加わる。
【０００５】
一般的な金属樹脂複合フィルムは、融着性樹脂層/金属箔層/外層樹脂層からなる３層構造となっていた。
【０００６】
前記融着性樹脂層は、例えば３０〜１００μｍのポリプロピレンやポリエチレン等ポリオレフィン樹脂が用いられ、熱融着封止機能を担っている。
【０００７】
前記金属箔層は、例えば２０〜５０μｍのアルミニウム等の金属箔が用いられ、バリアー機能を担っている。
【０００８】
前記外層樹脂層は、例えば２０〜１００μｍのポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が用いられ、機械的強度を補強する役割を担っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
金属樹脂複合フィルムの前記外層樹脂にポリイミド樹脂を用いている場合、次の問題点があった。前記金属樹脂複合フィルムに絞り加工を施したとき、垂直な立ち上がり面を有する絞り形状が得られず、このため電池内部にデッドスペースを生じ、電池の体積エネルギー密度を低下させる原因となっていた。また、絞り加工部分に、皺が発生しやすく、前記皺が周部融着部分に反映されるため、前記融着部分に隙間が生じやすく、密閉不良の原因となる虞れがあった。即ち、ポリイミド樹脂が絞り加工性に劣ることが第一の問題点の原因であった。
【００１０】
金属樹脂複合フィルムの前記外層樹脂にポリアミドを用いている場合、次の問題点があった。電池が有機溶媒に触れると、電槽の溶解や汚れが発生しやすいといった問題があった。前記外層樹脂は、発電要素に含有される前記有機溶媒に直接触れるものではないが、電池の使用中に誤って有機溶媒に触れた場合には、外装体である金属樹脂複合フィルムの強度が低下し、わずかな衝撃でも破れやすくなるため、気密不良に至る虞れがあった。また、有機溶媒の蒸気を含む製造工程雰囲気によって、前記金属樹脂複合フィルムが劣化する虞れがあった。また、製造工程中に誤って有機溶媒に触れると外観不良を生じるばかりでなく、強度が低下する虞れがあった。即ち、ポリアミドが耐溶剤性に劣ることが第二の問題点の原因であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、(1) 厚さ３０〜１００μｍの融着性樹脂層、(2) 厚さ２０〜５０μｍの金属箔層、並びに、(3)ポリアミド樹脂層及び（4）ポリイミド樹脂層からなる厚さ２０〜１００μｍの外層樹脂層が、(1)、(2)、(3)、(4)の順に積層されてなり、前記(4)ポリイミド樹脂層の厚さが、３〜１５μｍである金属樹脂複合フィルムである。また、少なくとも正極、セパレータ及び負極からなる発電要素を外装体で覆い、前記融着性樹脂層によって融着封口して密閉した電池において、前記外装体は、前記金属樹脂複合フィルムを、前記(1)融着性樹脂層を内面に配して密閉した電池である。
【００１２】
即ち、耐溶剤性には劣るが、絞り加工性に優れるポリアミドを外層樹脂に用い、絞り加工性には劣るが耐溶剤性に優れるポリイミド樹脂層を前記ポリアミド樹脂のさらに外層に被覆し、前記ポリイミド樹脂層の厚さを３〜１５μｍに抑えることにより、良好な絞り加工性を持ち、かつ、耐溶剤性が付与された金属樹脂複合フィルムを提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明電池用金属樹脂複合フィルムの構成を示す断面図である。融着性樹脂層１が内面に配置されている。前記融着性樹脂層１は、密閉型電池の周縁部において融着され、電池が気密封止される。前記融着性樹脂層１はまた、極群および端子と金属箔を物理的に隔離し、電気的に絶縁する役割を担う。これにより、電解質による金属箔１の腐食や電極同士の短絡が防止される。前記融着性樹脂層は、金属箔との接着性を高めるため、マレイン酸変性など官能基が導入されたポリオレフィンが好ましい。その厚さは３０〜１００μmとする。
【００１４】
金属箔層２は、芯材として、密閉形電池を気密にするためのバリアー層の役割を担う。その材質は、箔形成の加工の容易さ、重量、価格の点から、アルミニウムまたはその合金箔が好ましい。厚さは２０〜５０μｍとする。
【００１５】
ポリアミド樹脂層３が金属箔２の外面に配置されている。ポリアミド製樹脂としては、例えばナイロン等が用いられる。金属箔層２のアルミニウムは柔らかく、引っ張り破断強度も弱いため、硬い物との接触や、引っ張り等により、傷や亀裂の発生してバリア層としての機能を喪失しやすい。前記ポリアミド樹脂層３は、フィルム全体の強度を高め、金属箔２を保護する役目を担う。また、金属樹脂複合フィルムに絞り加工が施された場合、前記ポリアミド樹脂層３は、前記ポリオレフィン樹脂層１と共に、その形状を保持する役割を担う。
【００１６】
ポリイミド樹脂層４が、前記ポリアミド樹脂層３のさらに外面に配置されている。前記ポリイミド樹脂層４は耐溶剤性に優れ、傷が付きにくい機械的強度を有する。一方、前記ポリイミド樹脂層４は、絞り加工性に優れるものではないが、前記ポリイミド樹脂層４の厚さを３〜１５μｍに抑えると、金属樹脂複合フィルムの絞り加工性を確保することができ、好ましい。前記ポリイミド樹脂層４の厚さが１５μｍより厚いと、絞り加工の成形性が悪くなる。より好ましくは１０μｍ以下である。また、ポリイミド樹脂フィルムは、厚さ数μｍのものが容易に入手でき、安価であるため、金属樹脂複合フィルムの材料コストに大きく影響しない。前記ポリイミド樹脂層４の厚さが３μｍより薄いと、材料入手が困難であり、またポリアミド樹脂層３を保護する機能が失われるので、好ましくない。さらに、ポリイミド樹脂は、ポリアミド樹脂に比べて油脂その他の汚れが付きにくく、最外層に配置する樹脂として好ましい。
【００１８】
（実施例）融着性樹脂層１として、厚さ７０μｍのマレイン酸変成ポリプロピレン、金属箔層２として厚さ３０μｍのアルミニウム、ポリアミド樹脂層３として厚さ３０μｍの6,6-ナイロン、ポリイミド樹脂層４として厚さ５〜３０μｍの各種厚さのポリイミドを用い、金属樹脂複合フィルムを作成した。
【００１９】
この金属樹脂複合フィルムを用い、絞り加工性の評価試験を行った。幅５５ｍｍ、長さ９１ｍｍ、深さ３ｍｍの絞り金型で該金属樹脂複合フィルムに絞り加工を施し、絞り金型から取り出した該該金属樹脂複合フィルムが絞り形状を保っているか否かを、優・良・不良の三段階で評価した。前記ポリイミド樹脂層４の厚さと評価結果との関係を（表１）に示す。
【００２０】
【表１】
【００２２】
ポリイミド樹脂層４の厚さが２０μｍ以上の場合、絞り金型から取り出した瞬間に戻りが生じ、絞り部分がだれてしまった。これは、前記ポリイミド樹脂層４の剛性が勝り、塑性変形に至らなかったものと考えられる。逆に、ポリイミド樹脂層４の厚さが１５μｍ以下の場合、成形性が良好になった。これは、前記ポリイミド樹脂層４の剛性が小さくなり、前記ポリイミド樹脂層４以外の樹脂層の塑性変形を維持しようとする力が、前記ポリイミド樹脂層４の剛性に勝ったためと考えられる。
【００２３】
次に、前記絞り加工評価試験を加熱下で行ったが、前記ポリイミド樹脂層４の厚さと評価結果との関係は変わらなかった。この結果より、最外層の前記ポリイミド樹脂層４は、１５μｍ以下とする必要があり、１０μｍ以下がさらに好ましい。
【００２４】
（本発明電池）
本発明の金属樹脂複合フィルムを用いた本発明電池の断面図を図２に示す。一対の金属樹脂複合フィルム５のうち、１枚に絞り加工が施されている。絞り加工によって生じた内部空間に、発電要素６が収納されている。金属樹脂複合フィルムは、周部７において内面のポリオレフィン樹脂層が融着封止されている。８は端子である。金属樹脂複合フィルムの絞り面９は、極群の側面に沿ってほぼ垂直に立ち上がっており、内部にデッドスペースが生じていない。
【００２５】
（比較電池）
従来の金属樹脂複合フィルムを用いた比較電池の断面図を図３に示す。ここで用いた従来の金属樹脂複合フィルムの構成は、内層から順に、厚さ３０μｍのポリプロピレン樹脂層、厚さ３０μｍのアルミニウム層、厚さ７０μｍのポリエチレンテレフタレート層が積層されている。図３に示すように、成形性に劣るため、絞り加工部分の絞り面９が斜めになっている。その結果、第一に、極群の一辺の長さｋを小さくする必要が生じ、第二に、デッドスペース１１が生じる。従って、電池の外形寸法が本発明電池と同一でありながら、体積エネルギー密度が劣る結果となる。
【００２６】
【発明の効果】
パッケージフィルムの最外層に配したポリイミド樹脂層は、耐溶剤性を有するので、組立工程において誤って電解液等が付着しても、外観上及び密閉機能上の問題が生じない。さらに、機械的強度が高いので傷が付きにくい。また、耐熱性に優れる。また、本発明の金属樹脂複合フィルムは、従来の金属樹脂複合フィルムに対して絞り加工性に優れるので、電池内部にデッドスペースが生じることがなく従って体積エネルギー密度の高い電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属樹脂複合フィルムの構成を示す断面図である。
【図２】本発明電池の断面図である。
【図３】比較電池の断面図である。
【図４】本発明電池の斜視図である。
【記号の説明】
１ 融着性樹脂層
２ 金属箔層
３ ポリアミド樹脂層
４ ポリイミド樹脂層
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池の外装体に用いる金属樹脂複合フィルムの材質に関するものであり、またそれを用いて密閉した電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子技術の大きな進歩により、一般ユーザー向けの携帯機器の小型軽量化が進んでいる。そして、電池に対しても小型軽量化の要求が高まっているため、従来の金属缶を電槽に用いた非水電解液電池に代え、外装体として、金属樹脂複合フィルムを用いた密閉形電池が用いられるようになってきている。
【０００３】
このような密閉型電池２０は、図４に示すように、電解質層を介して正極および負極が積層された略偏平直方体形状の発電要素６と、正極および負極にそれぞれ連結された端子８，８と、端子８，８の開放端部８Ａ，８Ａが外部露出するように発電要素６を気密封止する金属樹脂複合フィルム５とを有している。金属樹脂複合フィルム５は一対用意し、少なくとも一方の金属樹脂複合フィルム５は発電要素６の厚さに応じた絞り加工を施しておく。これらの金属樹脂複合フィルム５，５を発電要素６の平面および底面にそれぞれ接するように配置した後、各金属樹脂複合フィルム５，５の周部７同士を互いに融着して発電要素６が気密封止されている。
【０００４】
このように、金属樹脂複合フィルム５の少なくとも一方は、発電要素の厚さに応じた深さの絞り変形が加わる。
【０００５】
一般的な金属樹脂複合フィルムは、融着性樹脂層/金属箔層/外層樹脂層からなる３層構造となっていた。
【０００６】
前記融着性樹脂層は、例えば３０〜１００μｍのポリプロピレンやポリエチレン等ポリオレフィン樹脂が用いられ、熱融着封止機能を担っている。
【０００７】
前記金属箔層は、例えば２０〜５０μｍのアルミニウム等の金属箔が用いられ、バリアー機能を担っている。
【０００８】
前記外層樹脂層は、例えば２０〜１００μｍのポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が用いられ、機械的強度を補強する役割を担っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
金属樹脂複合フィルムの前記外層樹脂にポリイミド樹脂を用いている場合、次の問題点があった。前記金属樹脂複合フィルムに絞り加工を施したとき、垂直な立ち上がり面を有する絞り形状が得られず、このため電池内部にデッドスペースを生じ、電池の体積エネルギー密度を低下させる原因となっていた。また、絞り加工部分に、皺が発生しやすく、前記皺が周部融着部分に反映されるため、前記融着部分に隙間が生じやすく、密閉不良の原因となる虞れがあった。即ち、ポリイミド樹脂が絞り加工性に劣ることが第一の問題点の原因であった。
【００１０】
金属樹脂複合フィルムの前記外層樹脂にポリアミドを用いている場合、次の問題点があった。電池が有機溶媒に触れると、電槽の溶解や汚れが発生しやすいといった問題があった。前記外層樹脂は、発電要素に含有される前記有機溶媒に直接触れるものではないが、電池の使用中に誤って有機溶媒に触れた場合には、外装体である金属樹脂複合フィルムの強度が低下し、わずかな衝撃でも破れやすくなるため、気密不良に至る虞れがあった。また、有機溶媒の蒸気を含む製造工程雰囲気によって、前記金属樹脂複合フィルムが劣化する虞れがあった。また、製造工程中に誤って有機溶媒に触れると外観不良を生じるばかりでなく、強度が低下する虞れがあった。即ち、ポリアミドが耐溶剤性に劣ることが第二の問題点の原因であった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、(1) 厚さ３０〜１００μｍの融着性樹脂層、(2) 厚さ２０〜５０μｍの金属箔層、並びに、(3)ポリアミド樹脂層及び（4）ポリイミド樹脂層からなる厚さ２０〜１００μｍの外層樹脂層が、(1)、(2)、(3)、(4)の順に積層されてなり、前記(4)ポリイミド樹脂層の厚さが、３〜１５μｍである金属樹脂複合フィルムである。また、少なくとも正極、セパレータ及び負極からなる発電要素を外装体で覆い、前記融着性樹脂層によって融着封口して密閉した電池において、前記外装体は、前記金属樹脂複合フィルムを、前記(1)融着性樹脂層を内面に配して密閉した電池である。
【００１２】
即ち、耐溶剤性には劣るが、絞り加工性に優れるポリアミドを外層樹脂に用い、絞り加工性には劣るが耐溶剤性に優れるポリイミド樹脂層を前記ポリアミド樹脂のさらに外層に被覆し、前記ポリイミド樹脂層の厚さを３〜１５μｍに抑えることにより、良好な絞り加工性を持ち、かつ、耐溶剤性が付与された金属樹脂複合フィルムを提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明電池用金属樹脂複合フィルムの構成を示す断面図である。融着性樹脂層１が内面に配置されている。前記融着性樹脂層１は、密閉型電池の周縁部において融着され、電池が気密封止される。前記融着性樹脂層１はまた、極群および端子と金属箔を物理的に隔離し、電気的に絶縁する役割を担う。これにより、電解質による金属箔１の腐食や電極同士の短絡が防止される。前記融着性樹脂層は、金属箔との接着性を高めるため、マレイン酸変性など官能基が導入されたポリオレフィンが好ましい。その厚さは３０〜１００μmとする。
【００１４】
金属箔層２は、芯材として、密閉形電池を気密にするためのバリアー層の役割を担う。その材質は、箔形成の加工の容易さ、重量、価格の点から、アルミニウムまたはその合金箔が好ましい。厚さは２０〜５０μｍとする。
【００１５】
ポリアミド樹脂層３が金属箔２の外面に配置されている。ポリアミド製樹脂としては、例えばナイロン等が用いられる。金属箔層２のアルミニウムは柔らかく、引っ張り破断強度も弱いため、硬い物との接触や、引っ張り等により、傷や亀裂の発生してバリア層としての機能を喪失しやすい。前記ポリアミド樹脂層３は、フィルム全体の強度を高め、金属箔２を保護する役目を担う。また、金属樹脂複合フィルムに絞り加工が施された場合、前記ポリアミド樹脂層３は、前記ポリオレフィン樹脂層１と共に、その形状を保持する役割を担う。
【００１６】
ポリイミド樹脂層４が、前記ポリアミド樹脂層３のさらに外面に配置されている。前記ポリイミド樹脂層４は耐溶剤性に優れ、傷が付きにくい機械的強度を有する。一方、前記ポリイミド樹脂層４は、絞り加工性に優れるものではないが、前記ポリイミド樹脂層４の厚さを３〜１５μｍに抑えると、金属樹脂複合フィルムの絞り加工性を確保することができ、好ましい。前記ポリイミド樹脂層４の厚さが１５μｍより厚いと、絞り加工の成形性が悪くなる。より好ましくは１０μｍ以下である。また、ポリイミド樹脂フィルムは、厚さ数μｍのものが容易に入手でき、安価であるため、金属樹脂複合フィルムの材料コストに大きく影響しない。前記ポリイミド樹脂層４の厚さが３μｍより薄いと、材料入手が困難であり、またポリアミド樹脂層３を保護する機能が失われるので、好ましくない。さらに、ポリイミド樹脂は、ポリアミド樹脂に比べて油脂その他の汚れが付きにくく、最外層に配置する樹脂として好ましい。
【００１８】
（実施例）融着性樹脂層１として、厚さ７０μｍのマレイン酸変成ポリプロピレン、金属箔層２として厚さ３０μｍのアルミニウム、ポリアミド樹脂層３として厚さ３０μｍの6,6-ナイロン、ポリイミド樹脂層４として厚さ５〜３０μｍの各種厚さのポリイミドを用い、金属樹脂複合フィルムを作成した。
【００１９】
この金属樹脂複合フィルムを用い、絞り加工性の評価試験を行った。幅５５ｍｍ、長さ９１ｍｍ、深さ３ｍｍの絞り金型で該金属樹脂複合フィルムに絞り加工を施し、絞り金型から取り出した該該金属樹脂複合フィルムが絞り形状を保っているか否かを、優・良・不良の三段階で評価した。前記ポリイミド樹脂層４の厚さと評価結果との関係を（表１）に示す。
【００２０】
【表１】
【００２２】
ポリイミド樹脂層４の厚さが２０μｍ以上の場合、絞り金型から取り出した瞬間に戻りが生じ、絞り部分がだれてしまった。これは、前記ポリイミド樹脂層４の剛性が勝り、塑性変形に至らなかったものと考えられる。逆に、ポリイミド樹脂層４の厚さが１５μｍ以下の場合、成形性が良好になった。これは、前記ポリイミド樹脂層４の剛性が小さくなり、前記ポリイミド樹脂層４以外の樹脂層の塑性変形を維持しようとする力が、前記ポリイミド樹脂層４の剛性に勝ったためと考えられる。
【００２３】
次に、前記絞り加工評価試験を加熱下で行ったが、前記ポリイミド樹脂層４の厚さと評価結果との関係は変わらなかった。この結果より、最外層の前記ポリイミド樹脂層４は、１５μｍ以下とする必要があり、１０μｍ以下がさらに好ましい。
【００２４】
（本発明電池）
本発明の金属樹脂複合フィルムを用いた本発明電池の断面図を図２に示す。一対の金属樹脂複合フィルム５のうち、１枚に絞り加工が施されている。絞り加工によって生じた内部空間に、発電要素６が収納されている。金属樹脂複合フィルムは、周部７において内面のポリオレフィン樹脂層が融着封止されている。８は端子である。金属樹脂複合フィルムの絞り面９は、極群の側面に沿ってほぼ垂直に立ち上がっており、内部にデッドスペースが生じていない。
【００２５】
（比較電池）
従来の金属樹脂複合フィルムを用いた比較電池の断面図を図３に示す。ここで用いた従来の金属樹脂複合フィルムの構成は、内層から順に、厚さ３０μｍのポリプロピレン樹脂層、厚さ３０μｍのアルミニウム層、厚さ７０μｍのポリエチレンテレフタレート層が積層されている。図３に示すように、成形性に劣るため、絞り加工部分の絞り面９が斜めになっている。その結果、第一に、極群の一辺の長さｋを小さくする必要が生じ、第二に、デッドスペース１１が生じる。従って、電池の外形寸法が本発明電池と同一でありながら、体積エネルギー密度が劣る結果となる。
【００２６】
【発明の効果】
パッケージフィルムの最外層に配したポリイミド樹脂層は、耐溶剤性を有するので、組立工程において誤って電解液等が付着しても、外観上及び密閉機能上の問題が生じない。さらに、機械的強度が高いので傷が付きにくい。また、耐熱性に優れる。また、本発明の金属樹脂複合フィルムは、従来の金属樹脂複合フィルムに対して絞り加工性に優れるので、電池内部にデッドスペースが生じることがなく従って体積エネルギー密度の高い電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属樹脂複合フィルムの構成を示す断面図である。
【図２】本発明電池の断面図である。
【図３】比較電池の断面図である。
【図４】本発明電池の斜視図である。
【記号の説明】
１ 融着性樹脂層
２ 金属箔層
３ ポリアミド樹脂層
４ ポリイミド樹脂層
Claims (2)
- (1)厚さ３０〜１００μｍの融着性樹脂層、(2) 厚さ２０〜５０μｍの金属箔層、並びに、 (3)ポリアミド樹脂層及び（4）ポリイミド樹脂層からなる厚さ２０〜１００μｍの外層樹脂層が、(1)、(2)、(3)、(4)の順に積層されてなり、前記(4)ポリイミド樹脂層の厚さが、３〜１５μｍである金属樹脂複合フィルム。
- 少なくとも正極、セパレータ及び負極からなる発電要素を外装体で覆い、前記融着性樹脂層によって融着封口して密閉した電池において、前記外装体は、請求項１に記載の金属樹脂複合フィルムを、前記(1)融着性樹脂層を内面に配して密閉した電池。
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