JP4760028B2 - 電気化学デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、タンタルコンデンサ、ガスセンサ等の電気化学デバイスに関する。

二次電池は、携帯電話やノートパソコン、デジタルカメラ等の電源やバックアップ電源としてこれらに搭載され、その容量増大、小型化、薄型化、軽量化が求められている。

又、電気二重層キャパシタは、携帯機器電源のバックアップに用いられたり、プリンタ、リモコン、メモリカード、ゲーム機等におけるメモリ・時計機能の電源バックアップ、あるいは瞬時電圧低下補償装置等に用いられたりしていて、近年は、ハイブリット車用の補助電源やコジェネレーション装置等にも利用されることが期待されている。

これらの電気化学デバイスの中で、正極シート、セパレータ、負極シートを積層した積層体に非水電解液を含浸させた状態でアルミラミネート材からなる外装体に収納、封止して製造する電極積層型の二次電池や電気二重層キャパシタが提案され、用いられている。

この電極積層型の電気化学デバイスは、外装体として金属缶を用いないので、巻回型の電気二重層キャパシタ等と比較して薄く、低コスト且つ大量に製造できるという利点がある。

このような非水電解液を用いた二次電池及び電気二重層キャパシタ等の電気化学デバイスは、内部に、空気中の水分が侵入することによって急激に劣化することが知られている。

このため、これら二次電池や電気二重層キャパシタの製造過程において、外装体の封止前の材料は、全て乾燥を行ない、水分を除去し、更に、封止後の使用環境に耐えられるような封止を行なっている。又、外装体は、ピンホールの無いアルミ箔を中間層にして、外側に保護層（樹脂製カバー層）、内側にシーラント層（樹脂製シール層）のあるものが用いられていて、積層体に非水電解液を含浸後、外装体に収納し、この外装体外周部の樹脂製シール層相互を熱と圧力により溶融接着することで封止していた。

上記のように、電気二重層キャパシタ等において内部への水分の侵入を防止するための発明は、次の特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１記載の発明は、低融点材料同士の面を重ね合わせ、接合部を加熱し、低融点材料を軟化させ、接合部の幅より狭い断面の凸状部を有する金型で加圧圧縮し、低融点材料を排除し、排除された低融点材料が、接合部の外側に樹脂溜りを形成して接合し、高融点材料同士を超音波接合した積層複合材の接合方法に関するものである。

特許文献２記載の発明は、金属層と樹脂層が積層されたフィルムの一部分が接着された袋状構造の非水溶剤含有物用パッケージであって、金属層に挟まれた接着部の厚さがパッケージの内側寄りの方が薄くなっている構成とされている。

特許文献３記載の発明は、電解質をアルミラミネートに封入する電池のパッケージ構造であって、アルミラミネートは、片面に高分子層が形成されていて、アルミ同士を重ねて溶融して、これを融着部分とし、この固化した融着部分によりアルミニウム同士を融着、接合する構成となっている。

しかしながら、前記特許文献１記載の発明では、金型で加圧圧縮することにより低融点材料を接合部から排除しているが、金型とこれによって加圧される材料は面接触するので、圧力を十分且つ均一とすることが困難であり、従って低融点材料を完全に排除することができないと共に、接着力が大幅に低下してしまうという問題点がある。又、金型で加圧されることによってアルミニウムが近接している部分は、接着幅のほぼ中央であって、その接着幅内の外側に樹脂層が存在するため、外部からの水分の侵入を十分に抑制することができないという問題点がある。

特許文献２記載の発明は、金属層に挟まれた接着部の幅方向の内側寄りの部分を薄く形成する構成となっているので、接着幅が長くなり、従って接着幅が短い二重電気層キャパシタ等には利用することができず、更に、金属層の近接している部分は、接着幅の内側寄りであるために、接着部の外側に樹脂が連続して存在し、水分の侵入を十分に抑制することができないという問題点がある。更に、この特許文献２記載の発明では、接着剤層の薄い部分が発生し、接着力が低下してしまうという問題点がある。

特許文献３記載の発明は、溶融したアルミニウムによりアルミニウム同士を融着接合しているので、融着部に樹脂層は存在しないが、アルミニウムは脆く、接合部付近にクラックが発生し、ここから、水分が侵入する恐れがある。更に、この発明では、アルミニウムを溶融して接合させるための特殊な設備が必要であり、製造コスト及び量産性に問題点がある。

特開平１０−２９１０８１号公報 ＷＯ０1／０５６０９３号公報 特開２００１−６８０７３公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、外装体内部への水分子の侵入を低減し、劣化を抑制することができる電気化学デバイス及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、研究の結果、外装体を構成するアルミニウム等の金属層をその内側の樹脂製シール材よりも外側位置で先端を接近又は接触させた構成とすることによって、簡単な工程で製造でき、且つ水分子の侵入が低減される電気化学デバイスを構成できることが分かった。

即ち、以下の本発明により上記課題を解決するものである。

（１）各々が、少なくとも金属層及び樹脂製シール層を積層してなる金属ラミネート材を、樹脂製シール層が内側になるように外周部を２枚貼り合わせて構成した外装体と、正極シート、セパレータ、負極シートを積層して構成された積層体と、を有してなり、前記積層体は非水電解液を含浸させた状態で収納、密封されてなる電気化学デバイスであって、
前記外装体の最外周部の少なくとも一部は、前記２枚の金属ラミネート材における金属層の外周端部間の距離が、内側に隣接する貼合わされた２層の樹脂製シール層の厚さの和よりも小さくされ、且つ、貼り合わされた２層の樹脂製シール層の最外周端面の少なくとも一部が前記金属層の外周端部により被覆され、更に、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層の外周端部の断面形状は、前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状とされ、前記外装体の厚さ方向他方側の金属層の外周端部は、前記樹脂製シール層のくさび形状外周端部の外側面に密着し、且つ、前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状とされたことを特徴とする電気化学デバイス。

（２）前記２枚の金属ラミネート材の一方が、略直平面形状とされ、他方の金属ラミネート材が、前記積層体を収納する収納凹部とその周囲の平面部を有する構成であることを特徴とする（１）に記載の電気化学デバイス。

（３）前記金属層の外周端部間の距離は、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層の厚さの和の１／２以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の電気化学デバイス。

（４）前記金属層はアルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金のいずれかからなり、且つ、その厚さは１５μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の電気化学デバイス。

（５）前記金属ラミネート材は、各々、前記金属層の一方の面に前記樹脂製シール層を積層し、他方の面に樹脂製カバー層を積層した構成であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電気化学デバイス。

（６）各々が、少なくとも金属層及び樹脂製シール層を積層してなる金属ラミネート材を、樹脂製シール層が内側になるように外周部を２枚貼り合わせて構成した外装体と、正極シート、セパレータ、負極シートを積層して構成された積層体と、を有してなり、前記積層体は非水電解液を含浸させた状態で収納、密封されてなる電気化学デバイスの製造方法であって、前記正極、セパレータ及び負極を所定の形状として、正極と負極との間にセパレータを挟んで積層体を形成する工程と、この積層体に非水電解液を含浸させた状態で前記外装体内部に収納する工程と、前記積層体よりも外側位置で、前記２枚の金属ラミネート材の樹脂製シール層を熱溶融接着する工程と、前記外装体の製品最終形状となる部分を加熱し、且つ、圧力をかけながら押し潰す工程と、前記外装体における前記押し潰された位置で、金属層及び樹脂製シール層を、先端が鋭角の押込み刃により、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層の外周端部の断面形状が前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りのくさび形状となり、且つ、前記外装体の厚さ方向他方側の金属層の外周端部は、前記樹脂製シール層のくさび形状外周端部の外側面に密着し、前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状となるように厚さ方向一方に向けて押し切る工程と、を有してなる電気化学デバイスの製造方法。

本発明においては、電池あるいは二重電気層キャパシタ等の電気化学デバイスにおいて、非水電解液を含浸させた積層体を収容する外装体の最外周部において、外装体を構成する金属ラミネート材の金属層を相互に接近又は接触させて構成することにより、水分子の外装体内への侵入を効果的に抑制することができる。

又、このような電気化学デバイスを工程や製造コストを大幅に増大させることなく、簡単に製造することができる。

アルミニウム等の金属層の一方の面に樹脂製シール材を積層し、他方の面に樹脂製カバー層を積層した構成の金属ラミネート材を、樹脂製シール層が内側になるように外周部を２枚貼り合わせて外装体を構成し、この外装体に、正極シート、セパレータ、負極シートを積層した積層体を非水電解液を含浸させた状態で収納し、外装体の最外周部の少なくとも一部を、貼合わされた２枚の金属ラミネート材における金属層の外周端部間の距離を、その内側にある２層の樹脂製シール層の厚さよりも小さくし、且つ、この２層の樹脂製シール層の外周端面の一部又は全部を金属層の外周端部に被覆されるように構成されている。

以下図１〜図３を参照して、本発明の実施例１について説明する。

この実施例１に係る電気化学デバイス１０は、二次電池又は電気二重層キャパシタであって、収納部金属ラミネート材１４と蓋部金属ラミネート材１２からなる外装体１６内に、積層体１８を、非水電解液を含浸させた状態で収納、密封して構成されている。

前記蓋部金属ラミネート材１２は、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金からなる金属層２０Ａの一方の面に樹脂製シール層２２Ａ、他方の面に樹脂製カバー層２４Ａをそれぞれ積層したラミネート構造とされている。又、前記収納部金属ラミネート材１４は、前記蓋部金属ラミネート材１２と同様にアルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金からなる金属層２０Ｂの一方の面に樹脂製シール層２２Ｂ、他方の面に樹脂製カバー層２４Ｂをそれぞれ積層したラミネート構造とされている。

又、前記積層体１８は、正極シート２６Ａ、セパレータ２６Ｂ、負極シート２６Ｃを積層して構成されている。図１の符号２７Ａ、２７Ｂは、それぞれ正極シート２６Ａ及び負極シート２６Ｃのリード端子を示す。

前記蓋部金属ラミネート材１２は、図２に示されるように、積層体１８の一方の面（図２において上面）に沿って、略平面形状とされている。

又、他方の収納部金属ラミネート材１４は、前記積層体１８を収納する収納凹部１５と、その周囲の平面部である接着領域１７とを有する構成とされている。

従って、収納部金属ラミネート材１４に形成された前記収納凹部１５内に積層体１８が収納され、これを蓋部金属ラミネート材１２で蓋をする構成となっている。

前記蓋部金属ラミネート材１２と収納部金属ラミネート材１４とは、これらが重なる範囲で積層体１８の外側位置の前記接着領域１７で、前記樹脂製シール層２２Ａ，２２Ｂ同士が熱溶融接着されている。

更に、外装体１６の最外周部２８では、前記２層の樹脂製シール層２２Ａ，２２Ｂの外周端部２３Ａ、２３Ｂは、蓋部金属ラミネート材１２の表面から離れる方向に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状とされ、更に、蓋部金属ラミネート材１２における金属層２０Ａの外周端部２１Ａは、前記樹脂製シール層２２Ａ、２２Ｂの外周端部２３Ａ、２３Ｂの外側面に密着し、且つ、収納部金属ラミネート材１４における金属層２０Ｂの外周端部２１Ｂに接近する方向に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状とされている。

ここでは、蓋部金属ラミネート材１２の樹脂製カバー層２４Ａ及び金属層２０Ａの外周端部２５Ａ、２１Ａ、収納部金属ラミネート材１４における金属層２０Ｂの外周端部２１Ｂ、更には樹脂製カバー層２４Ｂの外周端部２５Ｂは、連続したテーパ外周面２９を形成している。

この実施例１に係る電気化学デバイス１０においては、樹脂製シール層２２Ａ、２２Ｂの外周端部２３Ａ、２３Ｂの外側が、蓋部金属ラミネート材１２の金属層２０Ａにおける外周端部２１Ａによって被覆され、且つ、外周端部２１Ａが、収納部金属ラミネート材１４における金属層２０Ｂの外周端部２１Ｂに接触する構成であるので、空気中の水分がシール材を構成する樹脂を経て、外装体１６の内部に侵入することが抑制される。

更に、この実施例１では、２層の金属層２０Ａ、２０Ｂにおける外周端部２１Ａ、２１Ｂの、更に外側にはシール層や樹脂層が無いので、水分の侵入を更に効果的に抑制することができる。

この実施例１において、前記金属層２０Ａ、２０Ｂの外周端部２１Ａ、２１Ｂは相互に接触しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、外周端部２１Ａ、２１Ｂ間の距離が、その内側に隣接する２層の樹脂製シール層２２の厚さの和よりも小さければ、樹脂製シール層２２の外周端部２３Ａ、２３Ｂの少なくとも一部が金属層２０Ａによって被覆されていることになるので、その範囲において、水分の侵入を抑制することができる。又、前記金属層２０Ａ、２０Ｂの外周端部２１Ａ、２１Ｂ間の距離は、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層２２Ａ、２２Ｂの厚さの和の１／２以下とするのが更に好適である。

又、この実施例１において、外装体１６の平面視における、前記リード端子２７Ａ、２７Ｂが突出する辺、及び蓋部金属ラミネート材１２から収納部金属ラミネート材１４に至る折り曲げ接続部の辺を除いて、前記外周端部２１Ａ、２１Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、２５Ｂが形成されるが、本発明は、外装体１６の最外周部２８の一部のみにこれら外周端部２１Ａ〜２５Ｂを形成する場合にも適用されるものである。

ここで、前記蓋部金属ラミネート材１２及び収納部金属ラミネート材１４における金属層２０は、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金、その他の金属であればよい。又、その厚さは、アルミニウム又はアルミニウム合金の場合、１５μｍ以上、５０μｍ以下が好適である。

厚さが１５μｍ未満の場合は、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金にピンホールが発生し易く、又１５μｍ以上で５０μｍ以下であれば、アルミニウム、あるいはこれを主成分とする合金のピンホールの影響を完全に除去することができるからである。

次に、電気化学デバイスの製造方法の実施例２について、図３乃至図８及び図９のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップ１０１では、一方の面に樹脂製シール層を積層し、他方の面に樹脂製カバー層を積層した構成の金属ラミネート材を水平において、その半分を蓋部金属ラミネート材１２、残りの半分を収納部金属ラミネート材１４とする（図３参照）。収納部金属ラミネート材１４には、あらかじめ収納凹部１５が形成されている。

次のステップ１０２では、前記収納部金属ラミネート材１４の、収納凹部１５内に正極シート２６Ａ、セパレータ２６Ｂ、負極シート２６Ｃを積層して積層体１８を構成し、次のステップ１０３において、積層体１８に非水電解液を含浸させる。ステップ１０４では、蓋部金属ラミネート材１２を折り曲げて、前記積層体１８及び収納部金属ラミネート材１４の、図において上側になるようにして、図４の状態とする。

なお、積層体１８に非水電解液を含浸させてから、収納凹部１５内にセットしてもよい。

ステップ１０５において、一定の条件、例えば１９０℃、１ＭＰａ、３秒間の条件で、上記蓋部金属ラミネート材１２と収納部金属ラミネート材１４とを、積層体１８に熱や圧力がかからないようにして、接着領域１７（図６参照）の範囲で熱溶融接着する。

次のステップ１０６では、図５において二点鎖線で示されるトリミングライン３０を中心として、製品の最終形状となる部分を２００℃で加熱し、圧力を掛けながら押し潰す。

次に、ステップ１０７において、鋭角の先端を有する押込み刃３２の先端により、前記トリミングライン３０に沿って、接着された蓋部金属ラミネート材１２及び収納部金属ラミネート材１４を図７、図８に示されるように押し切って、前記外周端部２１Ａ〜２５Ｂを形成する。

このとき、鋭角の押込み刃３２によって、接着されている蓋部金属ラミネート材１２、収納部金属ラミネート材１４は、Ｖ字形状に切断される。図７、８における符号３４は押込み刃３２の受け台であり、外装体１６をトリミングライン３０に沿って、図において下方から支持するものである。

前記鋭角の押込み刃３２による押し切りの際に、蓋部金属ラミネート材１２の樹脂製カバー層２４Ａ、金属層２０Ａ、樹脂製シール層２２Ａ及び収納部金属ラミネート材１４の樹脂製シール層２２Ｂ、金属層２０Ｂ及び樹脂製カバー層２４Ｂの、図８において、押し切り断面に沿った材料が下向きに流れ、前記のような外周端部２１Ａ〜２５Ｂが構成され、これらの外周端部は、押込み刃３２に沿ったテーパ外周面２９を構成することになり、これによって、図２に示された状態となる。

なお、上記実施例において、蓋部金属ラミネート材１２及び収納部金属ラミネート材１４は、それぞれ樹脂製カバー層２４Ａ、２４Ｂを有しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、樹脂製カバー層２４Ａ、２４Ｂが設けられない場合についても適用されるものである。

本発明の実施例１に係る電気化学デバイスを示す斜視図 図１のII−II線に沿う拡大断面図 本発明の実施例１に係る電気化学デバイスの製造過程の積層体収納段階を示す斜視図 同製造過程において、外装体内に積層体を収納した状態を示す斜視図 同製造過程において、外装体の外周部を熱溶融接着した状態を示す斜視図 図５のVI−VIに沿う拡大断面図 同実施例に係る製造過程における外装体最外周部の押し切り直前の状態を示す拡大断面図 同押し切り完了状態を示す拡大断面図 電気化学デバイスの製造方法の実施例を示すフローチャート

符号の説明

１０…電気化学デバイス
１２…蓋部金属ラミネート材
１４…収納部金属ラミネート材
１５…収納凹部
１６…外装体
１７…接着領域
１８…積層体
２０Ａ、２０Ｂ…金属層
２１Ａ、２１Ｂ、２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ…外周端部
２２Ａ、２２Ｂ…樹脂製シール層
２４Ａ、２４Ｂ…樹脂製カバー層
２６Ａ…正極シート
２６Ｂ…セパレータ
２６Ｃ…負極シート
２８…最外周部
２９…テーパ外周面
３０…トリミングライン
３２…押込み刃
３４…受け台

Claims (6)

1. 各々が、少なくとも金属層及び樹脂製シール層を積層してなる金属ラミネート材を、樹脂製シール層が内側になるように外周部を２枚貼り合わせて構成した外装体と、正極シート、セパレータ、負極シートを積層して構成された積層体とを有してなり、前記積層体は非水電解液を含浸させた状態で収納、密封されてなる電気化学デバイスであって、
   前記外装体の最外周部の少なくとも一部は、前記２枚の金属ラミネート材における金属層の外周端部間の距離が、内側に隣接する貼合わされた２層の樹脂製シール層の厚さの和よりも小さくされ、且つ、貼り合わされた２層の樹脂製シール層の最外周端面の少なくとも一部が前記金属層の外周端部により被覆され、更に、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層の外周端部の断面形状は、前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状とされ、前記外装体の厚さ方向他方側の金属層の外周端部は、前記樹脂製シール層のくさび形状外周端部の外側面に密着し、且つ、前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状とされたことを特徴とする電気化学デバイス。
2. 請求項１において、
   前記２枚の金属ラミネート材の一方が、略平面形状とされ、他方の金属ラミネート材が、前記積層体を収納する収納凹部とその周囲の平面部を有する構成であることを特徴とする電気化学デバイス。
3. 請求項１又は２において、
   前記金属層の外周端部間の距離は、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層の厚さの和の１／２以下であることを特徴とする電気化学デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記金属層はアルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金のいずれかからなり、且つ、その厚さは１５μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴とする電気化学デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記金属ラミネート材は、各々、前記金属層の一方の面に前記樹脂製シール層を積層し、他方の面に樹脂製カバー層を積層した構成であることを特徴とする電気化学デバイス。
6. 各々が、少なくとも金属層及び樹脂製シール層を積層してなる金属ラミネート材を、樹脂製シール層が内側になるように外周部を２枚貼り合わせて構成した外装体と、正極シート、セパレータ、負極シートを積層して構成された積層体と、を有してなり、前記積層体は非水電解液を含浸させた状態で収納、密封されてなる電気化学デバイスの製造方法であって、
   前記正極、セパレータ及び負極を所定の形状として、正極と負極との間にセパレータを挟んで積層体を形成する工程と、
   この積層体に非水電解液を含浸させた状態で前記外装体内部に収納する工程と、
   前記積層体よりも外側位置で、前記２枚の金属ラミネート材の樹脂製シール層を熱溶融接着する工程と、
   前記外装体の製品最終形状となる部分を加熱し、且つ、圧力をかけながら押し潰す工程と、
   前記外装体における前記押し潰された位置で、金属層及び樹脂製シール層を、先端が鋭角の押込み刃により、前記貼り合わされた２層の樹脂製シール層の外周端部の断面形状が前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りのくさび形状となり、且つ、
   前記外装体の厚さ方向他方側の金属層の外周端部は、前記樹脂製シール層のくさび形状外周端部の外側面に密着し、前記外装体の厚さ方向一方に向かって斜め外側に先細りとなるくさび形状となるように厚さ方向一方に向けて押し切る工程と、
   を有してなる電気化学デバイスの製造方法。

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