JP5004451B2

JP5004451B2 - フィルム状外装体を備えた電池及びその製造方法

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Publication number: JP5004451B2
Application number: JP2005282618A
Authority: JP
Inventors: 康伸児玉; 和博奥田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP2007095466A

Description

本発明は電池ケースとしてラミネートフィルム等のフィルム状外装体を用いた電池に関する。

携帯電話やＰＤＡなどのモバイル型電子機器への小型化の要求に伴い、その電源に用いられる電池には、より一層の薄型化および軽量化が要求されている。

この要求に応えるべく、アルミニウム等の金属層と樹脂層とが積層されたラミネートフィルムを用いてなるフィルム状外装体を電池ケースとし、このケース内に扁平形状の電極体を収納した軽量薄型電池が、特許文献１に提案されている。

特開平11-224652号公報

このラミネートフィルムは、図４に示すように、金属層と樹脂層とが積層された構造であり、図７に示すように、電極収容凹部を有するラミネートフィルムと、平板状のラミネートフィルムとが、４方側端（４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ）を熱圧着等により封止されている。

上記技術によると、電極体を収容する電極収容凹部を予め形成することにより、電極収容凹部と電極体との間に無駄な空間が存在しないように構成できるため、よりコンパクトな電池を実現できるとされる。

近年では、電池の更なる小型化の要求が高まっており、電池外装体内に収容された扁平電極体と、封止部との距離を小さくしてデッドスペースを減少させることがなされている。しかしながら、扁平電極体を外装体内に挿入する際などに扁平電極体が傾いた場合には、図６に示すように、サイド封止部（４ｂ・４ｃ）において、扁平電極体１をかみこんだ状態でプレスされてしまい、電極体１とラミネートフィルムの金属層１００とがショートし（図６中の○で囲んだ部分）、金属層１００が極性を帯び、これにより金属層１００が腐食して、封止性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、良好な封止性能を備え、且つ電極体のかみこみを防止し得たフィルム状外装体を用いた電池を提供することを目的とする。

本発明者らが検討したところ、扁平電極体のかみこみは、扁平電極体の角部（四隅）で顕著に生じることが判った。そして、この部分での電極体のかみこみを防止する手段を採用することによりこの問題が解決できることを知った。本発明はこの知見に基づいて完成された。

上記課題を解決するための電池に係る本発明は、集電タブを備えた正極と集電タブを備えた負極とを有する扁平電極体（１）が、金属層と樹脂層とが積層されたフィルムからなる外装体に収納された電池において、前記外装体は、正負集電タブの先端側が外装体外に突出したタブ突出封止部（４ａ）と、前記タブ突出封止部と交差する２つのサイド封止部（４ｂ・４ｃ）と、を有し、前記２つのサイド封止部（４ｂ・４ｃ）の少なくとも一方は、前記フィルム同士が溶着された第１領域（４１）と、前記扁平電極体（１）の四隅の少なくとも1つの隅の近傍に位置し、前記フィルム同士が溶着されていない第２領域（４２）と、からなり、前記第２領域（４２）の厚みが、前記第１領域（４１）の厚みよりも厚く、前記第２領域（４２）の幅Ｌ１が０．１ｍｍ以上であり、且つサイド封止部の端部から前記第２領域（４２）までの距離Ｌ２が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする。

上記構成によると、図１及び図３に示すように、最も電極体のかみこみが起こりやすい部分である扁平電極体１の四隅近傍の少なくとも１つの隅の近傍である第２領域４２には、プレス圧が加えられないので、この部分での電極体１のかみこみが生じない。また、第２領域４２以外には、プレスされ、溶着された第１領域４１が形成されているので、封止性能を低下させることがない。
また、図１に示すように、第２領域４２の幅Ｌ１が０．１ｍｍ未満であると、十分に電極体のかみこみを防止できないおそれがある。他方、サイド封止部４ｂの端部から第２領域４２までの距離Ｌ２が０．１ｍｍ未満であると、封止に寄与する第１領域４１の長さが過小となり、封止性能を低下させる。よって、上記範囲に規制する。
また、好ましくはＬ１を０．５ｍｍ以上とし、Ｌ２を１．５ｍｍ以上とする。
また、第２領域４２の長さＬ３は、十分に電極体のかみこみを防止するため、扁平電極体の長さＬ４の５％以上とすることが好ましい。また、第２領域４２の長さＬ３が過大であると、封止に寄与する第１領域４１の面積が小さくなり、封止性能を低下させるため、扁平電極体の長さＬ４の２０％以下とすることが好ましい。

上記構成において、前記第２領域（４２）は、前記扁平電極体（１）の四隅全ての近傍に形成されている構成とすることができる。

第２領域４２が電極体の四隅近傍のいずれか一つに形成されていても、ある程度扁平電極体１のかみこみを防止できるが、図１に示すように第２領域４２が電極体の四隅全ての近傍に形成されている構成とすると、より確実に扁平電極体のかみこみを防止できる。

上記課題を解決するための電池の製造方法に係る本発明は、金属層と樹脂層とが積層されたフィルムに、扁平電極体を収容する収容空間を形成する第１工程と、前記収容空間に扁平電極体を挿入する第２工程と、前記集電タブが突出した部分と交差する両サイドを、前記扁平電極体の四隅の近傍に該当する位置に凹部が設けられた金型を用いて加圧溶着して封止して、サイド封止部を形成する第３工程と、を備え、前記サイド封止部は、前記フィルム同士が溶着された第１領域（４１）と、前記扁平電極体（１）の四隅の少なくとも１つの隅の近傍に位置し、前記フィルム同士が溶着されていない第２領域（４２）と、からなり、前記第２領域（４２）の厚みが、前記第１領域（４１）の厚みよりも厚く、前記第２領域（４２）の幅Ｌ１が０．１ｍｍ以上であり、且つサイド封止部の端部から前記第２領域（４２）までの距離Ｌ２が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明の構成によると、効果的に扁平電極体の封止部へのかみこみを防止でき、体積エネルギー密度が高く、十分な封止性能を備えた電池を提供できる。

（実施の形態）
以下に、本発明電池をリチウムイオン二次電池に適用した場合について、図面を用いながら説明する。
図１に示すように、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、フィルム状外装体の一例であるアルミニウムラミネート材を用いたアルミニウムラミネート外装体３を有している。このアルミニウムラミネート外装体３は、図１に示すように、フィルムが折り返されてなる底部と、電極タブが突出した状態で開口部を封止するタブ突出封止部４ａと、サイド封止部４ｂ・４ｃとを有する構造である。そして、前記底部と３方の封止部４ａ・４ｂ・４ｃで囲まれた本体部分の内側に収納空間２が形成されており（図２参照）、この収納空間２内に、扁平形電極体１と、非水電解液が収納されている。

また、図１に示すように、サイド封止部４ｂ・４ｃは、扁平電極体１の四隅近傍に位置する第２領域４２と、前記第２領域以外の第１領域４１とからなり、図３に示すように、第２領域４２はフィルム同士が溶着されておらず、第１領域４１はフィルム同士が溶着されている。そして、第２領域４２の厚みは、第１領域４１の厚みよりも厚くなっている。

次に、外装体３の構成材であるアルミニウムラミネート材について説明する。アルミニウムラミネート材は、図４の断面図に示すように、アルミニウムから成る厚さ３５μｍの金属層１００の一方の面に、厚さ１５μｍのナイロン層１０１（電池外方に存在する層）が配され、この金属層１００の他方の面に厚さ２５μｍのポリプロピレン層１０２（電池内方に存在する層）が配された構造をしている。そして、金属層１００とナイロン層１０１とは、厚さ５μｍのドライラミネート接着剤層１０３により接着され、他方、金属層１００とポリプロピレン層１０２とは、ポリプロピレンにカルボキシル基が付加された厚さ５μｍのカルボン酸変性ポリプロピレン層１０４によって接着された構造である。
なお、本発明の適用はこの構造のアルミニウムラミネート材を用いた外装体に限定されるものではない。

上記構造のリチウムイオン二次電池の作製方法について説明する。

＜正極の作製＞
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）からなる正極活物質と、アセチレンブラックまたはグラファイト等の炭素系導電剤と、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる結着剤とを、質量比９０：５：５の割合で量り採り、これらをＮ−メチル−２−ピロリドンからなる有機溶剤等に溶解させた後、混合し、正極活物質スラリーを調製した。

次に、ダイコーターまたはドクターブレード等を用いて、幅（芯体の短手方向の長さ）が２８．５ｍｍ、長さ（芯体の長手方向の長さ）が７２５ｍｍのアルミニウム箔からなる正極芯体の両面に、この正極活物質スラリーを均一な厚みで塗布した。

この極板を乾燥機内に通して上記有機溶剤を除去し、塗布質量が４５０ｇ／ｍ²の乾燥極板を作製した。この乾燥極板を、ロールプレス機を用いて、その厚みが０．１６ｍｍとなるように圧延した。

本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる正極活物質としては、上記コバルト酸リチウム以外にも、例えばニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、鉄酸リチウム（ＬｉＦｅＯ₂）、またはこれらの酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換した酸化物等のリチウム含有遷移金属複合酸化物を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。

＜負極の作製＞
体積平均粒径２０μｍの人造黒鉛からなる負極活物質と、スチレンブタジエンゴムからなる結着剤と、カルボキシメチルセルロースからなる増粘剤とを、質量比９８：１：１の割合で量り採り、これらを適量の水と混合し、負極活物質スラリーを調製した。

次に、ダイコーターまたはドクターブレード等を用いて、幅（芯体の短手方向の長さ）が３０．０ｍｍ、長さ（芯体の長手方向の長さ）が７１５ｍｍの銅箔からなる負極芯体の両面に、この負極活物質スラリーを均一な厚さで塗布した。

この極板を乾燥機内に通して水分を除去し、塗布質量が２００ｇ／ｍ²の乾燥極板を作製した。その後、この乾燥極板を、ロールプレス機によりその厚みが０．１４ｍｍとなるように圧延した。

ここで、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる負極材料としては、例えば天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、あるいはこれらの焼成体等の炭素質物、または前記炭素質物と、リチウム、リチウム合金、およびリチウムを吸蔵・放出できる金属酸化物からなる群から選ばれる１種以上との混合物を用いることができる。

＜電極体の作製＞
上記正極をアルミニウムから成る正極集電タブ７に、上記負極をニッケルから成る負極集電タブ８にそれぞれ接続した。また、それぞれの集電タブ７・８とタブ突出封止部４ａとが重なる部分には、カルボン酸変性されたポリプロピレン（ＰＰ）製のタブフィルム５・６を設けた。このタブフィルムは、集電タブ７・８とアルミラミネート材を溶着させるため、また、集電タブ７・８とラミネート層の金属層１００とが、ラミネートフィルムの断面において接触することを防止するためのものである。この正極と負極とオレフィン系樹脂からなる微多孔膜のセパレータとを、巻き取り機により捲回し、巻き止めテープを取り付け、図８に示す扁平電極体１を完成させた。なお、タブフィルムプやセパレータの材質は上記材質に特に限定されるものではないことは勿論である。

＜電解液の作製＞
エチレンカーボネート（ＥＣ）とプロピレンカーボネート（ＰＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比１：１：８の割合（１気圧、２５℃と換算した場合における）で混合した非水溶媒に、電解質塩としてのＬｉＰＦ₆を１．０Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解したものを電解液とした。

ここで、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる非水溶媒としては、上記の組み合わせに限定されるものではなく、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のリチウム塩の溶解度が高い高誘電率溶媒と、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、アニソール、１，４−ジオキサン、４−メチル−２−ペンタノン、シクロヘキサノン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ジメチルホルムアミド、スルホラン、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチル等の低粘性溶媒とを混合させて用いることができる。さらに、前記高誘電率溶媒や低粘性溶媒をそれぞれ二種以上の混合溶媒とすることもできる。また、電解質塩としては、上記ＬｉＰＦ₆以外にも、例えばＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＣｌＯ₄またはＬｉＢＦ₄等を単独で、あるいは２種以上混合して用いることができる。

＜電池の作製＞
予めラミネートフィルムをカップ状（凹形状）に成型して収納空間２を形成し、上記扁平形電極体１を挿入した。この後、フィルムを折り返して底部を形成し、底部と交わる両側辺を、扁平電極体の四隅近傍に相当する部分に切り欠き部を設けたプレス金型を用いて熱溶着し、第１領域４１と第２領域４２とからなるサイド封止部４ｂ・４ｃを形成した。この後、タブ７・８が突出した開口部から上記電解液を注入し、開口部を封止してタブ突出封止部４ａを形成し、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池を完成させた。
（実施例１）
本実施例は、上記実施の形態と同様にして作製した。図１に示す第２領域４２の幅Ｌ１は０.５ｍｍ、長さＬ３は５ｍｍとし、サイド封止部の端部と第２領域４２間との距離Ｌ２は１.５ｍｍとした。よって、サイド封止部４ｂ・４ｃの幅は２.０ｍｍ（Ｌ１＋Ｌ２）である。また、電極体の長さＬ４は３２．５ｍｍであり、Ｌ３／Ｌ４は０．１５である。
（比較例１）
側辺封止部をプレスする金型に切り欠きを設けなかったこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る電池を作製した。このため、サイド封止部４ｂ・４ｃ全体にわたってフィルム同士が溶着され、第２領域は存在しない。（図５参照）

〔ショート発生率の測定〕
上記実施例１および比較例１にかかる電池を１００個用意し、集電タブと外装体の金属層との導通を、テスターによって検出し、導通が確認されたものをショート発生としてカウントした。

上記実施例では１００個のサンプル全てにおいてショートは発生しなかった。他方、上記比較例では１００個のサンプル中、５つにおいてショートが発生した。

〔封止性能試験〕
上記実施例１および比較例１にかかる電池を満充電し、６０℃・湿度９０％の雰囲気に２０日放置し、試験前後の電池内部抵抗を調べたところ、実施例１と比較例１との間に内部抵抗上昇の程度の差は見られなかった。

これらの結果から、本発明のフィルム状外装体を備えた電池であると、電極体が封止部にかみこまれてショートすることがないため、体積エネルギー密度が高く、封止性能に優れた電池が得られることがわかる。

なお、上記実施例では、長方形状の第２領域を形成したが、本発明はこの形状に限定されないことは勿論のことである。また、本発明は、３方封止構造の電池ではなく、特許文献１のような４方封止構造の電池にも適用できる。

以上説明したように、本発明によると、フィルム状外装体を備えた電池における電極体の封止部へのかみこみを顕著に防止でき、デッドスペースを減少させても十分な封止性能を備えた電池を提供できる。よって、産業上の意義は大きい。

図１は、本発明のフィルム状外装体を備えた電池の正面透視図である。図２は、図１に示す電池のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１に示す電池のＢ−Ｂ断面図である。図４は、フィルム外装体の構成材であるアルミニウムラミネートフィルムの断面構造を示す図である。図５は、比較例１に係るフィルム状外装体を備えた電池の正面透視図である。図６は、封止部への電極体のかみこみを示す部分拡大断面図である。図７は、特許文献１に係るフィルム状外装体を備えた電池の正面透視図である。図８は、本発明に用いる扁平電極体の斜視図である。

符号の説明

１電極体
２収納空間
３フィルム状外装体
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ封止部
５正極タブフィルム
６負極タブフィルム
７正極集電タブ
８負極集電タブ
４１第１領域
４２第２領域
１００金属層
１０１ナイロン層
１０２ポリプロピレン層
１０３ドライラミネート接着剤層
１０４カルボン酸変性ポリプロピレン層

Claims

集電タブを備えた正極と集電タブを備えた負極とを有する扁平電極体（１）が、金属層と樹脂層とが積層されたフィルムからなる外装体に収納された電池において、
前記外装体は、正負集電タブの先端側が外装体外に突出したタブ突出封止部（４ａ）と、前記タブ突出封止部と交差する２つのサイド封止部（４ｂ・４ｃ）と、を有し、
前記２つのサイド封止部（４ｂ・４ｃ）の少なくとも一方は、前記フィルム同士が溶着された第１領域（４１）と、前記扁平電極体（１）の四隅の少なくとも１つの隅の近傍に位置し、前記フィルム同士が溶着されていない第２領域（４２）と、からなり、
前記第２領域（４２）の厚みが、前記第１領域（４１）の厚みよりも厚く、
前記第２領域（４２）の幅Ｌ１が０．１ｍｍ以上であり、且つサイド封止部の端部から前記第２領域（４２）までの距離Ｌ２が０．１ｍｍ以上である、
ことを特徴とするフィルム状外装体を備えた電池。
前記第２領域（４２）は、前記扁平電極体（１）の四隅全ての近傍に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のフィルム状外装体を備えた電池。
金属層と樹脂層とが積層されたフィルムに、扁平電極体を収容する収容空間を形成する第１工程と、
前記収容空間に扁平電極体を挿入する第２工程と、
前記集電タブが突出した部分と交差する両サイドを、前記扁平電極体の四隅の近傍に該当する位置に凹部が設けられた金型を用いて加圧溶着して封止して、サイド封止部を形成する第３工程と、
を備え、
前記サイド封止部は、前記フィルム同士が溶着された第１領域（４１）と、前記扁平電極体（１）の四隅の少なくとも１つの隅の近傍に位置し、前記フィルム同士が溶着されていない第２領域（４２）と、からなり、
前記第２領域（４２）の厚みが、前記第１領域（４１）の厚みよりも厚く、
前記第２領域（４２）の幅Ｌ１が０．１ｍｍ以上であり、且つサイド封止部の端部から前記第２領域（４２）までの距離Ｌ２が０．１ｍｍ以上である、
ことを特徴とするフィルム状外装体を備えた電池の製造方法。