JP4828458B2 - シーリング部の安全性が向上した二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、シーリング部の安全性が向上した二次電池に係り、より詳細には、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなる電池ケースに、正極/分離膜/負極構造の電極組立体が内蔵されている二次電池において、該ラミネートシートは、内側樹脂層、遮断性金属層及び外側樹脂層を含む構造を有し、ラミネートシート同士が互いに接するシーリング(sealing)部で内側樹脂層、金属層及び外側樹脂層が相互に結合されているリチウム二次電池に関する。本発明によるラミネートシートは、耐水性及びバリア性に優れている他、金属層の腐食現象を防止することができるため、電池の寿命及び安全性を向上させるなど、様々な利点を提供可能である。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要も急増してきた。二次電池の中でも、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池は、多くの研究によって商用化レベルに達し、現在広く使用されている。
リチウム二次電池は、その外形によって、大きく、円筒形電池、角形電池、パウチ形電池などに分類され、電解液の形態によって、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などに分類されることもある。
近来、モバイル機器の小型化の傾向に伴い、厚さの薄い角形電池、パウチ形電池の需要が増加してきており、特に、形態の変形がし易く、製造コストが低く、且つ、重量の小さいパウチ形電池に対する関心が高まっている。パウチ形電池は、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートをパウチ形にした電池ケースに、正極/分離膜/負極構造の電極組立体が内蔵されている電池である。
図1に、パウチ形電池に一般に使用されるラミネートシートのシーリング部を形成する過程及びラミネートシートの結合された断面を模式的に示す。
図1を参照すると、ラミネートシート10は、最外郭をなす外側樹脂層11、物質の貫通を防止する遮断性金属層12、及びシールのための内側樹脂層13で構成されている。
外側樹脂層11は、外部から電池を保護する役割を担うもので、厚さに対して優れた引張強度及び耐候性などが要求され、一般に、ONy(延伸ナイロン)が使用されている。遮断性金属層12は、空気、湿気などが電池内に浸入することを防ぐ役割を担うもので、一般に、アルミニウム(Al)が使用されている。内側樹脂層13は、電極組立体を内蔵した状態で、印加された熱と圧力によって相互熱融着されシール性を提供する役割を担うもので、一般に、CPP(無延伸ポリプロピレン)が使用されている。
このような多層ラミネート構造の電池ケースシート10は、シーリング部で内側樹脂層13同士が互いに対面する構造となり、これら内側樹脂層13は、熱融着によって互いに結合される。したがって、内側樹脂層13は、結合したラミネートシートの端部において外部へ露出され、また、主として高分子樹脂からなるため、水分の浸入及び電解液の漏れが発生する恐れがあり、よって、長期使用時に、電池の寿命及び安全性を阻害する要因となる。
そこで、上記のような水分の浸入及び電解液の漏れを防止する種々の工夫がなされてきた。例えば、互いに接合されたラミネートフィルムの側端部を、熱加圧圧縮し金属膜(遮断性金属層)同士を接触させることで、内側にくる樹脂膜(内側樹脂層)を金属膜で被覆されるようにしたラミネートシート電池ケースが開示されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、このラミネートシートは、単に熱加圧圧縮成形で金属膜同士を接触させているため、金属膜同士の結合が強固でなく、充分な耐水性を発揮できず、長期使用時には金属膜の結合が緩み分離してしまうという問題点があった。
また、一対のラミネートフィルムのうち一方のフィルムの周縁部を他方のフィルムの周縁部よりも外方に延設し、この延設部分の先端部を他方のフィルムの周縁部側に折り返してそれぞれの先端同士を突き合わせ、この突き合わせた部分に対してレーザ溶接を行い最外層をレーザー光の熱によって揮発させることで、双方の金属層の端部同士を溶融させ結合することによって、内側樹脂層の露出による電解液の漏れ及び水分の浸入を防止する技術が開示されている(例えば、特許文献2)。また、金属箔層と熱融着層を積層した後に、電池ケースの内部に向かう熱融着部の一部を除去し金属箔を露出させ、シーリング時に内部熱融着フィルムの熱融着と露出された金属層の溶接を通じて二重でシーリング処理をする技術が提示されている(例えば、特許文献3)。
日本特許出願公開第2004−087239号 日本特許出願公開第2004−055154号 日本特許出願公開第2000−223090号
しかしながら、上記の技術のいずれも、シーリング部の端部で金属層が外部に露出され、これにより、下記のような深刻な問題点を抱えていた。
電池ケースは、電極組立体を絶縁状態にシールして安全な作動を保障する役割を担うことから、電池ケースのラミネートシートの遮断性金属層は、電気的に絶縁状態に維持される必要がある。一方、二次電池では、電池セルの外部入出力接続端子としての電極リード、電池セルと保護回路モジュール(PCM)などの連結のための電気的接続部材などにニッケルプレートが多く使用されている。
なお、電池の組立過程または使用過程でラミネートシートの遮断性金属層が、電極リードまたは接続部材としてのニッケルプレートと電気的接続状態に置かれる予期せぬ状況が発生しうる。このような電気的接続状態で二次電池の充放電が行なわれると、遮断性金属層の腐食現象が進行し、遮断性金属層の損傷が起こるため、電池の寿命が急速に減少し、電池の安全性も著しく低下してしまう。
特に、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電源として中大型電池パックに使用される二次電池は、長寿命性が要求され、また、多数の電池セルが密集する特性の上、安全性確保が極めて重要である。
したがって、水分の浸入及び電解液の漏れを防止しながらも、予期せぬ状況の発生によって電池ケースの遮断性金属層が接続部材などと電気的に接続することを未然に防止することによって、電池の寿命及び安全性を確保できる技術開発が至急望まれている。
そこで、本出願の発明者等は、様々な実験と深い研究を重ねた結果、電池ケースとしてのラミネートシートにおいて、内側樹脂層同士の結合部が金属層を被覆するように溶接によって金属層同士を結合し、これら金属層の結合部を外側樹脂層が被覆するように、外側樹脂層同士を熱融着または別の樹脂によって結合すると、ラミネートシートの耐水性及び耐久性が大きく向上すると同時に、遮断性金属層の腐食現象が根本的に防止され、結果として電池の寿命及び安全性の向上を確保できるということを見出し、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明の目的は、長寿命化及び安全性向上を図ることができる、シーリング部の安全性が向上した二次電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る二次電池は、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなる電池ケースに、正極/分離膜/負極構造の電極組立体が内蔵されている二次電池であって、前記ラミネートシートは、内側樹脂層、遮断性金属層及び外側樹脂層からなり、該ラミネートシート同士が接するシーリング部で、内側樹脂層同士は熱融着によって結合されており、該内側樹脂層同士の結合部を被覆するように金属層同士が溶接によって結合されており、該金属層同士の結合部を被覆するように外側樹脂層同士が熱融着または別の樹脂によって結合されていることを特徴とする。
本発明の電池ケース用ラミネートシートは、端部が結合された金属層によって耐水性及び耐久性を大きく向上させると同時に、同様に端部が結合された外側樹脂層によって遮断性金属層が外部に露出されるのを防止することによって、電池の寿命及び安全性に大きく影響を及ぼす恐れのある電気的接続による腐食問題を根本的に解決することができる。
前記外側樹脂層は、外部環境に対して優れた耐性を持たなければならず、所定以上の引張強度と耐候性を持つことが必要である。したがって、外側樹脂層の高分子樹脂には、ポリエチレンテレフタレート(PET)と延伸ナイロンフィルムが好適に使用されることができる。
前記遮断性金属層は、ガス、湿気などの異物の流入及び電解液の漏れを防止する機能の外に、電池ケースの強度を向上させる機能を発揮できるように、アルミニウムからなると好ましい。
前記内側樹脂層の高分子樹脂としては、熱融着性(熱接着性)を有し、且つ、電解液の浸入を抑制するよう、吸湿性が低く、電解液によって膨脹または浸食しないポリオレフィン(polyolefin)系樹脂を使用することが好ましく、より好ましくは、無延伸ポリプロピレン(CPP)を使用する。
一般に、ポリプロピレンなどのようなポリオレフィン系樹脂は、金属との接着力が低いので、前記遮断性金属層との接着力を向上させるために、前記金属層と内側樹脂層間に接着層をさらに形成することが好ましい。前記接着層の素材には、例えば、ウレタン(urethane)系物質、アクリル(acryl)系物質、熱可塑性エラストマー(elastomer)を含有する組成物などがあるが、これらに限定されるものではない。
好ましい一例において、本発明によるラミネートシートは、前記外側樹脂層の厚さが5〜40μmで、前記金属層の厚さが20〜150μmで、前記内側樹脂層の厚さが10〜100μmでありうる。これら厚さが薄すぎると、物質に対する遮断機能と強度向上が期待し難く、逆に、厚すぎると加工性が落ちる他に、シートの厚さ増加を誘発するので好ましくない。
上にも述べたように、従来は、ラミネートシート同士が接するシーリング部が、単に内側樹脂層の結合によってのみ形成されるが、この内側樹脂層は、高分子樹脂からなるため金属層に比べて水分の浸透に極めて弱く、よって、シーリング部で外部へ露出される内側樹脂層から水分が浸入する、または、電解液が漏れることによって、長期的には電池の性能を低下させる原因となる。
これに対し、本発明では、シーリング部で内側樹脂層同士の結合部が、金属層同士の結合部によって被覆されており、この金属層同士の結合部もまた外側樹脂層同士の結合部によって被覆されている。
好ましい一例において、本発明のラミネートシートは、前記金属層の端部が内側樹脂層の厚さ以上の長さで延びており、前記金属層同士の結合によって、金属間の緻密な組織が前記内側樹脂層の外周に存在するようになっているため、耐久性が向上し、電解液の漏れ及び水分の浸入を防止する等のバリア性が大きく向上し、結果として電池の性能低下を未然に防止することが可能である。
ここで、内側樹脂層を十分に被覆する構造とするよう、前記金属層の端部は、内側樹脂層厚さの120〜200%の長さで延びていることが好ましい。この金属層の延長された長さが、内側樹脂層の厚さの120%未満であると、シーリング部全体に亘って結合された金属層が得難く、一方、200%を超過すると、延長された長さ分の金属層を処理すべく追加的な工程が必要とされるので好ましくない。
前記金属層同士の結合には、超音波溶接を用いても良く、例えば、炭酸ガスレーザー光線を照射する等のレーザー溶接を用いても良い。超音波溶接を用いる場合は、高精度の溶接のために溶接ジグでラミネートシートの周囲を押下して置く必要がある。一方、炭酸ガスレーザー光線などを照射してレーザー溶接を行う場合には、溶接幅の調節が容易なために別の装置を必要としなく、エネルギー容量が大きく、且つ、金属箔表面で熱エネルギーとして吸収されるために溶接スピードを速く設定でき生産性を向上させることができ、より好ましい。
しかしながら、金属層同士の結合部が外部に露出されると、電池の組立過程または使用過程における予期せぬ状況、例えば、針状導体による貫通、または、外側樹脂層の部分的な脱離によってニッケルプレートと相互接触し電気的に接続される場合、電池の充放電時に起電力差による腐食問題が発生する恐れがあった。
この問題を解決するために、本発明のラミネートシートは、上述のように、金属層同士の結合部を取り囲む構造で外側樹脂層同士の端部が相互結合される。以下、外側樹脂層同士を結合させる具体的な例について説明する。
第一に、ラミネートシート同士の結合された端部に熱加圧圧縮を施した後、圧縮された外側樹脂層を熱溶融させることによって外側樹脂層同士を結合させる方法がある。熱加圧圧縮は、例えば、接合されるラミネートフィルムの側端部を、先端が傾いた形状のヒートプレス型に従って成形することによって可能である。
第二に、外側樹脂層の端部を遮断性金属層の厚さ以上の長さで延長して形成し、該延長部位を、内側樹脂層の結合におけると同様に、熱融着などの方法で結合させる方法がある。
第三に、別の樹脂を用いて結合させる方法がある。この場合、別の樹脂は、特に限定されるものではなく、所定の接着性を有し、且つ、耐久性に優れた樹脂はいずれも使用可能である。その例には、エポキシ(epoxy)系樹脂、ウレタン(urethane)系樹脂、アクリル(acryl)系樹脂、熱可塑性エラストマーなどがあり、これらに限定されるわけではない。該樹脂は、ラミネートシートの結合された端部を全体に亘って被覆するように結合されても良く、遮断性金属層と外側樹脂層との間に挿入され、熱融着などの方法で結合されても良い。
場合によっては、ラミネートシートの内側樹脂層、金属層及び外側樹脂層の端部は、対面するシートと対称をなすように内側にテーパーし連続的な傾斜面を形成し、熱融着による内側樹脂層の結合、溶接による金属層の結合、及び熱融着による外側樹脂層の結合時に、前記端部傾斜面を内側樹脂層方向に折り曲げる構造にしも良い。
このように端部を傾斜面にすると、内側樹脂層の結合部位を被覆する形態に金属層の結合がなされ、金属層の結合部位を被覆する形態に外側樹脂層の結合がなされる側面で好ましい。
前記ラミネートシートは種々の方式で製造可能である。例えば、それぞれの層を構成するフィルム、金属箔などを順次に積層した後、相互に接着して製造でき、その接着方法の例には、乾式ラミネーション(Dry Lamination)、押出ラミネーション(Extrusion Lamination)方法がある。乾式ラミネーション方法は、接着剤を一側素材と他側素材との間に介在させて乾燥した後、加熱ロール(Heating Roll)を用いて両素材を常温よりも高い温度と圧力によって相互接着させる方法である。また、押出ラミネーション方法は、接着剤を一側素材と他側素材との間に介在させた後、プレッシングロール(Pressing Roll)を用いて両素材を常温で一定圧力によって接着させる方法である。
また、本発明は、上記のようなラミネートシートを用いて製造される二次電池製造用ケースを提供する。本発明による電池ケースは、様々な形態にすることができ、好ましくは、電極組立体をパウチ形に内蔵する形態にすると良い。すなわち、前記ラミネートシートの一側にドローイング加工によって電極組立体が装着される収納部を形成し、他側をカバーの形態に折り曲げることによってパウチ形電池ケースを形成することができる。これは、当業界に公知されているので、詳細説明は省略する。
本発明が適用される二次電池は、電池ケースの優れた寿命特性と安全性によって高出力大容量の電池または電池パック用単位電池として好適に使用されることができ、特に、高温でも高出力を必要とする電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのような車両用電源として好適に使用されることができる。
本発明に係るラミネートシートは、シーリング部において内側樹脂層、金属層、外側樹脂層が特定の構造で相互に結合されており、シートの耐水性及び耐久性を向上させ、電池の組立過程または使用過程における予期せぬ状況で遮断性金属層と電極端子などとが接続することから発生する腐食現象を防止し、結果として電池の寿命及び安全性を向上させることが可能になる。
以下、本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、下記の実施形態によって本発明の範ちゅうが限定されるものではない。
図2及び図3はそれぞれ、本発明の実施形態によるラミネートシートのシーリング部を形成する過程を示す断面模式図である。図4は、本発明によるラミネートシートを用いて製造されたパウチケースの一例を模式的に示す図である。説明の便宜上、以下では、ラミネートシートと電池ケースに同一符号100を共通使用する。
まず、図2を参照すると、ラミネートシート100は、最外層たる外側樹脂層110と熱融着性の内側樹脂層130の間に遮断性金属層120が介在された構造、すなわち、外側から外側樹脂層110、金属層120及び内側樹脂層130が順に積層された構造となっている。
図4に示すようなパウチ形ケース100において電極組立体210が装着される収納部140とカバー100の面側を形成する内側樹脂層130は、CPP(無延伸ポリプロピレン)からなり、よって、リチウム含有電解液に耐性を有し、熱融着により基本的なシール性を提供する。
遮断性金属層120は、空気を含むガス、湿気などを遮断する機能を担うもので、内側樹脂層130を取り囲んで結合されるよう、内側樹脂層130よりも所定の長さだけ延びている。遮断性金属層120のシーリングによって内側樹脂層130が外部に露出されないため、耐水性及び耐久性が向上する。
電池ケースの外面を形成する外側樹脂層110は、ポリエチレンテレフタレート(PET)または延伸ナイロン(ONy)からなるため、外部環境から電極組立体210を安定的に保護できるような引張強度と耐候性を提供することができる。外側樹脂層110は、遮断性金属層120を取り囲んで結合されるよう、遮断性金属層120よりも所定の長さだけ延びている。したがって、外側樹脂層110の延長された長さに対しては、熱融着や熱溶融成形などの結合方法が施される。このとき、外側樹脂層110の長さを必ずしも延長する必要はなく、これらの結合は、別の樹脂を用いて達成しても良い。いずれの場合も、外側樹脂層110同士の結合によって遮断性金属層120は外部に露出されず、腐食現象などを防止できる。
図3は、本発明の他の実施形態によるラミネートシートのシーリング部を形成する過程を示す断面模式図である。
図3を参照すると、ラミネートシート101を構成する外側樹脂層111、遮断性金属層121及び内側樹脂層131の端部は、対面するラミネートシート101aと対称をなすように内側にテーパーし連続的な傾斜面102を形成している。
したがって、両シート101,101aの端部を内側樹脂層131,131aの方向にそれぞれ折り曲げると、両シート101,101aの内側樹脂層131,131a、金属層121,121a、外側樹脂層111,111aはそれぞれ互いに接するようになり、熱融着による内側樹脂層の結合、溶接による金属層の結合、及び熱融着による外側樹脂層の結合が容易となる。
図2及び図3に示すラミネートシート100,101は、図4に示す二次電池において電池ケースとなる。
図4を参照すると、パウチ形二次電池200は、パウチ形電池ケース100の内部に、正極、負極、及びこれらの間に配置される固体電解質コーティング分離膜からなる電極組立体210が収納され、該電極組立体210の正極及び負極タブ220,230とそれぞれ電気的に接続される二つの電極リード222,232が外部へ露出された状態でシールされてなる。
電池ケース100は、電極組立体210が装着されるよう凹状に形成された収納部142を有するケース本体140と、この本体140と一体に結合されているカバー150と、からなる。
スタック型電極組立体210は、複数の正極タブ220と複数の負極タブ230がそれぞれ融着され電極リード222,232に共に結合されている。また、ケース本体140の剰余部144とカバー150とが熱融着機によって熱融着される際に熱融着機と電極リード222,232間にショートが発生するのを防止し、電極リード222,232と電池ケース100とのシール性を確保するために、電極リード222,232の上下面に絶縁フィルム240が付着される。
ケース本体140とカバー150は、上に説明したように、外側樹脂層110、遮断性金属層120及び内側樹脂層130から構成されており、内側樹脂層130は、ケース本体140の外面とカバー150の外面に加えられる熱融着機(図示せず)からの熱と圧力によって密着固定される。
電解液が充填された電極組立体210を収納部142に収納した状態で、ケース本体140の剰余部144とカバー150との接触部位を熱融着すると、シーリング部が形成される。このシーリング部で露出されている内側樹脂層130同士の結合部を被覆するために、前にも説明したように、所定の長さで突出している金属層120同士をレーザー溶接によって結合させ、その後、最外層である外側樹脂層110同士を結合させる。したがって、金属層120と、電極リード222,232を構成するニッケルプレートとが接続する場合、金属層120のアルミニウムと電極リード222,232のニッケルプレートとの起電力差による腐食を防止することができる。
周縁のシーリング部は、余計に両側方向に延びているので、電池パックの製造のために垂直に折り曲げる。
このようなパウチ電池100は、シーリング部で内側樹脂層130が遮断性金属層120で被覆されており、遮断性金属層120は外側樹脂層110で被覆されているため、水分の浸入及び電解液の漏液を防止し、金属層の腐食現象を未然に防止でき、結果として電池の寿命及び安全性を大きく向上させることが可能になる。
以上では添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態について説明してきたが、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとっては、上記内容に基づき、本発明の範ちゅう内で種々の応用及び変形が可能であることは勿論である。
一般の電池ケース用ラミネートシートのシーリング部を形成する過程を示す断面模式図である。 本発明の一実施形態によるラミネートシートのシーリング部を形成する過程を示す断面模式図である。 本発明の他の実施形態によるラミネートシートのシーリング部を形成する過程を示す断面模式図である。 本発明によるラミネートシートで形成されたパウチ型電池を示す分解斜視図である。
符号の説明
10,100,101 ラミネートシート
11,110,111 外側樹脂層
12,120,121 遮断性金属層
13,130,131 内側樹脂層

Claims (12)

  1. 電池ケースに、電極組立体が内蔵されてなる二次電池であって、
    前記電極組立体が、正極/分離膜/負極の構造を備えてなり、
    前記電池ケースが樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなるものであり、
    前記ラミネートシートが、内側樹脂層、遮断性金属層及び外側樹脂層からなり、該ラミネートシート同士が相互に接するシーリング部で、内側樹脂層同士が熱融着によって相互に結合されており、
    前記内側樹脂層同士の結合部を被覆する構造で金属層同士が溶接によって相互に結合されており、該金属層同士の結合部を被覆する構造で外側樹脂層同士が熱融着または別の樹脂によって結合されてなり、
    前記内側樹脂層、金属層、及び外側樹脂層の端部が、対面するラミネートシートと対称をなすように内側にテーパーし連続的な傾斜面を形成し、熱融着による内側樹脂層の結合、溶接による金属層の結合、及び熱融着による外側樹脂層の結合時に、前記端部傾斜面を内側樹脂層方向に折り曲げてなるものである、二次電池。
  2. 前記外側樹脂層が、高分子樹脂として、ポリエチレンテレフタレート(PET)又は延伸ナイロンフィルムを含有してなり、
    前記内側樹脂層が、高分子樹脂として、ポリオレフィン系樹脂を含有してなる、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記外側樹脂層の高分子樹脂が、延伸ナイロンを含有してなる、請求項1に記載の二次電池。
  4. 前記内側樹脂層の高分子樹脂が、無延伸ポリプロピレンを含有してなる、請求項1に記載の二次電池。
  5. 前記金属層と内側樹脂層との間に、接着層がさらに形成されてなる、請求項1に記載の二次電池。
  6. 前記外側樹脂層の厚さが5〜40μmであり、
    前記金属層の厚さが20〜150μmであり、
    前記内側樹脂層の厚さが10〜100μmである、請求項1に記載の二次電池。
  7. 相互に結合する前の前記金属層の端部が、相互に結合する前の内側樹脂層の厚さ以上の長さで延びている、請求項1に記載の二次電池。
  8. 相互に結合する前の前記金属層の端部が、相互に結合する前の内側樹脂層厚さの120〜200%の長さで延びている、請求項7に記載の二次電池。
  9. 前記金属層同士の結合が、レーザー溶接で達成される、請求項1に記載の二次電池。
  10. 前記外側樹脂層同士の結合が、
    ラミネートシートの結合された端部に熱加圧圧縮を行った後、圧縮された外側樹脂層を熱溶融させることによって互いに結合させる方式と、
    前記外側樹脂層の端部を遮断性金属層の厚さ以上の長さで延長して形成し、該延長部位を熱融着させて互いに結合させる方式と、
    別の樹脂によって結合させる方式のいずれかの方式によって達成される、請求項1に記載の二次電池。
  11. 前記電池が、高出力大容量の電池または電池パック用単位電池として使用される、請求項1に記載の二次電池。
  12. 前記電池が、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の電源として使用される、請求項1に記載の二次電池。
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