JP5213024B2

JP5213024B2 - 積層型密閉電池

Info

Publication number: JP5213024B2
Application number: JP2008010150A
Authority: JP
Inventors: 要佐々木; 雅治吉長
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: JP2009170379A

Description

本発明は、正極電極と負極電極を積層した積層体からなる電池要素を、フィルム状外装材で封口した積層型二次電池に関し、積層体のセパレータ、電極、フィルム状外装材のしわの発生を防止して、電池特性が良好で表面にしわ等が生じない積層密閉型電池に関する。

携帯電話をはじめとした携帯型の電池使用機器に充放電容量が大きなリチウムイオン電池等が広く用いられている。また、電気自動車、電動自転車、電動工具、電力貯蔵等の用途においても、高出力の二次電池が求められている。

これらの高出力の電池においては、電池の容積あるいは質量当たりのエネルギー密度を大きくするために、電池の外装容器として、鉄系材料やアルミニウム製の材料に代えて、薄肉化が可能なフィルム状外装材を使用した積層密閉型電池が注目されている。

フィルム状外装材としては、ポリエチレンフィルムのような、電解液に対して耐食性があって、熱融着性が良好なフィルムと、電解液、水分およびガスの透過を防止することが可能なアルミニウム箔などの金属箔、ナイロン、ポリプロピレンなどの強度が大きな保護フィルムとを貼り合わせて積層した積層フィルムが用いられている。

フィルム状外装材によって封口した電池においては、フィルム状外装材を用いて袋状に形成して、その内部に積層体を収納する形態が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、フィルム状外装材にエンボス加工等によって凹部を形成し、その凹部に電池要素を収納する形態である（例えば、特許文献２参照）。
これらの従来のフィルム状外装材を外装材とした電池にあっては、小型で軽量な電子機器用の電源として使用するものであって、電池要素の大きさが小さく、積層枚数も少ないものであった。
二次電池の高エネルギー化および高容量化への要求に対応するため、電池要素の体積を増加する傾向にある。ところが、厚さ方向に体積を増加した場合、電池の充放電を繰り返すことにより電池内部に熱が蓄積して安全上好ましくない。電池内部への熱の蓄積を防止するとともに、高容量化に対応するためには、電池要素の面積を大きくすることが必要となる。

図４は、従来のフィルム状外装材で封口した積層型密閉電池の一例を説明する図である。
図４（Ａ）は斜視図を示し、図４（Ｂ）は電池要素を収納する収納部を形成したフィルム状外装材を説明する図である。
積層型積層型密閉電池１は、電池要素（図示せず）内部に収納し、アルミニウム箔の両面を合成樹脂製フィルムで積層したフィルム状外装材２の収納部２１に収容されて封口されており、正極電極に接続した正極タブ３１および負極電極に接続した負極タブ４１が、フィルム状外装材２の封口部７から外部へ取り出されている。
フィルム状外装材２には、エンボス加工等の方法によって収納部２１が形成されており、電池要素の積層体が収納部に収納されており、周囲を加熱融着等の方法によって封口を行っている。

ところが、電池要素の面積が大きくなると、フィルム状外装材によって電池要素の表面を均一に押圧することが困難となり、しわ８が生じることがあった。しわが発生した部分は、電極とセパレータとの密着性が悪くなり、電池の特性に悪影響を及ぼす。また、しわが大きい場合には、外観上も好ましいものではなかった。
一方、電池要素をフィルム状外装材によって被覆する前に、他の手段によって圧迫して電極とセパレータとの密着性を高める方法も考えられるが、厚みの薄いフィルム状外装材を使用して容積効率が高い積層型密閉電池としての特徴が失われるという問題点があった。
特開平１１−４０１１４号公報特開２００６−１５６１６１号公報

本発明は、フィルム状外装材によって被覆して封口した積層型密閉電池において、電極面積が大きな電池要素であってもフィルム状外装材によって積層体を均一に押圧することができ、電池特性が良好な積層型密閉電池を提供することを課題とするものである。

本発明の課題は、平板状の正極集電体上に正極活物質層を形成した正極タブが引き出された正極電極と、平板状の負極集電体上に負極活物質層を形成し負極タブが引き出された負極電極とを、セパレータを介して対向させて積層した電池要素の積層体がフィルム状外装材によって封口されており、フィルム状外装材の少なくとも一方は、電池要素の積層体を収納する収納部の底面の四隅の電池組み立て前の深さが中央に比べて漸減する傾斜面を形成したものであって、電池要素の積層体の両面に外装材が密着して封口されている積層型密閉電池によって解決することができる。
また、一方のフィルム状外装材の収納部に対向する他方のフィルム状外装材が収納部を形成したものにあっては、両収納部の中央の電池組み立て前の深さの合計が電池要素の積層体の厚さよりも１％から１０％小さく、前記収納部の４隅におけるフィルム状外装材の収納部の深さの合計は、中央に比べて２％から１０％小さく、他方のフィルム状外装材が平面状の部材である場合には、一方の収納部の中央の電池組み立て前の深さが電池要素の積層体の厚さよりも１％から１０％小さく、収納部の四隅に形成された前記収納部の４隅におけるフィルム状外装材の深さは、中央に比べて２％から１０％小さい前記の積層型密閉電池である。
また、傾斜面は、四隅のいずれかを基点とし収納部の底面を囲む２辺の長さの１／４から１／２の長さの点と、それぞれの基点の四隅から形成されることを前記の積層型密閉電池である。

本発明のフィルム状外装材で封口した積層型密閉電池は、電池要素の積層体をフィルム状外装材に形成した中央部から四隅にかけて厚さが漸減する収納部に収容して封口したので、電池要素の積層体とフィルム状外装材が密着しており、電池要素の積層体を構成する正極電極、セパレータ、負極電極が相互に密着して特性が良好な積層型密閉電池を提供することができる。

本発明は、電池要素の積層体をフィルム状外装材によって封口した電池において、電池要素を構成する正極電極、負極電極、およびセパレータとの密着性が低下する現象、あるいはフィルム状外装材の表面にしわが発生する現象を、フィルム状外装材に形成する電池要素の積層体を収納する収納部の形状を特定することによって防止することが可能であることを見出したものであります。

すなわち、電池要素の積層体の上面および下面の少なくとも一方は、フィルム状外装材に形成された収納部の底面に密着して配置されて封口されており、収納部の底面は四隅の深さが、中央部に比べて深さが漸減する傾斜面を形成することにより、フィルム状外装材によって封口した際に、電池要素の積層体をその四隅においてもフィルム状外装材を電池要素の積層体に充分に密着して押圧することを可能としたものであります。

以下、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の積層型密閉電池を説明する図である。
図１（Ａ）は、積層型密閉電池を説明する斜視図であり、図１（Ｂ）は、封口前の電池要素の積層体とフィルム状外装材を説明する図である。
図１（Ａ）に示すように積層型密閉電池１は、電池要素の積層体（図示せず）をフィルム状外装材２の収納部２１に収納しており、正極電極に接続した正極タブ３１および負極電極に接続した負極タブ４１が、フィルム状外装材２の封口部から外部へ取り出されている。
図１（Ｂ）に示すように、フィルム状外装フィルム２ａ、２ｂには、正極電極３と負極電極４がセパレータ５を介して積層して配置された電池要素の積層体６を収納する収納部２１ａ、２１ｂがエンボス加工等の方法によって形成されており、収納部の内部へ電池要素の積層体６を収納し、電池要素の積層体６の上面および下面を２枚のフィルム状外装材２ａ、２ｂで押圧した状態、収納部の周囲に位置する周辺部２２ａ、２２ｂを加熱融着等の方法によって封口して、封口部７から正極タブ３１および負極タブ４１が取り出される。

また、フィルム状外装材２ａおよび２ｂには、図１（Ｂ）に示すように、収納部２１ａの四隅２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａおよび収納部２１ｂの四隅２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、２６ｂには、それぞれ収納部の中央から電池組み立て前の収納部の深さが漸減する傾斜面２３ｃ、２４ｃ、２５ｃ、２６ｃおよび傾斜面２３ｄ、２４ｄ、２５ｄ、２６ｄを有している。

電池要素の積層体５をフィルム状外装材の収納部に収納して周辺部２２ａ、２２ｂ封口すると、収納部の底面によって電池要素の積層体が押圧されるが、収納部の電池組み立て前の深さは収納部の四隅に向かって漸減しているので、電池要素の積層体は中心部のみならず周辺部もフィルム状外装材の傾斜面２３ｃ、２４ｃ、２５ｃ、２６ｃおよび傾斜面２３ｄ、２４ｄ、２５ｄ、２６ｄによって押圧されて封口される。その結果、電池要素を構成するセパレータ５は、中央部のみではなく周辺部においても正極電極３および負極電極４と密着する結果、充放電特性が良好な積層型密閉電池を得ることができる。

図１に示した例では、収納部２１ａの四隅２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ、および収納部２１ｂの四隅２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、２６ｂは、それぞれ周辺部２２ａ、２２ｂから垂直状に形成されたものとして説明したが、フィルム状外装材を金型を用いてエンボス加工等によって凹部を形成するので、フィルム状外装材の周辺部の外面と収納部の四隅のなす角度は、垂直ではなく鈍角状となる場合も含む。
また、収納部を積層体方向へ投影した外形についても、加工の際に曲線状となったものであっても良い。

図２は、本発明の積層型密閉電池のフィルム状外装材に形成した収納部を説明する図であり、図２（Ａ）は平面図であり、図２（Ｂ）は側面図である。
フィルム状外装材２には、一辺の長さがｂおよびｄの長さの四角形からなる収納部２１ａが形成されており、一辺の長さがｂの辺の四隅２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａからｃの長さの点と、一辺の長さがｄの辺の四隅２３ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａからｅの長さの点とを結ぶ線で囲まれた四個の四隅の領域は、それぞれ四隅に向かうにしたがって深さｆが漸減する傾斜面を形成している。

収納部の底面の一辺の長さがｂの辺に対して、ｃは、ｂの１／４ないし１／２であることが好ましく、２０ｍｍ〜１２０ｍｍの長さであることがより好ましい。
１／４よりも小さい場合には、厚さが四隅に向けて漸減する傾斜面による押圧の作用が充分ではなく、１／２よりも大きい場合には、封止時に漸減部にしわが入り易くなるので好ましくない。
同様に、収納部の一辺の長さがｄの辺に対して、ｅは、１／４ないし１／２であることが好ましい。２０ｍｍ〜１２０ｍｍの長さであることがより好ましい。
２０ｍｍよりも小さい場合には、厚さが四隅に向けて漸減する傾斜面による押圧の作用が充分ではなく、１２０ｍｍよりも大きい場合には、封止時に漸減部にしわが入り易くなるので好ましくない。

また、図２（Ｂ）で示される収納部の中央の電池組み立て前の傾斜面を形成していない部分の深さ２ｆは、電池要素の積層体６の厚さａに対して、９９％〜９０％とすることが好ましく、２ｍｍ〜３０ｍｍとすることがより好ましい。
９９％よりも深さが大きい場合には、電池要素の積層体を押圧する圧力が不充分なものとなり、９０％よりも小さい場合には、封口部の密閉性に問題が生じることがある。

また、四隅の電池組み立て前の深さｇは中央部に比べて２％ないし１０％浅くすること、すなわち９０ｆ≦ｇ≦９８ｆの関係を有することが好ましく、２ｍｍ〜３０ｍｍとすることがより好ましい。
また、２％未満では、深さの漸減した部分による電池要素の積層体を押圧する効果が充分ではない。一方、１０％よりも浅くすると、周辺部の封口部に加わる力が大きくなり、密封性が低下する可能性がある。
なお、図においては、四隅に向かって厚さが漸減する傾斜面を有することを明瞭に示すために、実際よりも四隅の深さを誇張して示しており、上記した割合とは一致していない。
また、積層体を投影した形状、すなわち収納部の底面を投影した形状は、長方形、正方形等の任意の形状を取ることができる。

図３は、本発明の他の実施態様を説明する図である。
図１、２に示した積層型密閉電池は、電池要素の積層体の両面を、電池要素の積層体の収納部を形成したフィルム状外装材によって封口したものであるが、図３に示したものは、一方のフィルム状外装材２ａのみに収納部２１ａを有し、他方は平面状のフィルム状外装材２ｃを配置して電池要素の積層体１１を封口した例を示している。
図３に示すように、収納部を備えたフィルム状外装材を電池要素の積層体の一方の面のみに配置するか、図１，２に示すように両面に配置して封口するかは、積層体の厚さ、積層型密閉電池の使用態様等に応じて適宜選ぶことができる。
また、図１，２，３で示した例では、電池要素の積層体から取り出される正極タブ、負極タブが積層型密閉電池の互いに反対方向に位置する辺から取り出される例について示したが、両者が同じ辺から取り出されるものであっても良い。

本発明の積層型密閉電池がリチウムイオン電池である場合について説明する。
正極電極は、厚さ２０μｍ程度のアルミニウム箔を正極集電体として、正極集電体上に正極活物質が形成されたものを挙げることができる。
正極活物質としては、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物を、カーボンブラック等の導電性付与材、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤を、Ｎ−メチルピロリドン等の溶剤とともに混合してスラリー状として正極集電体上に塗布、乾燥し、ロールプレス機等により圧延することで正極活物質層を形成し正極電極を作製する。

また、負極電極は、厚さ１０μｍの程度の銅箔を負極集電体として、黒鉛粉末等のリチウムを吸蔵、放出する負極活物質を、カーボンブラック等の導電性付与材、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤を、Ｎ−メチルピロリドン等の溶剤とともに混合してスラリー状として負極集電体上に塗布、乾燥し、ロールプレス機等により圧延することで負極活物質層を形成して負極電極を作製する。

正極電極、負極電極にはそれぞれ導電性タブを接合し、ポリエチレン、ポリプロピレン等からなるセパレータを介在させて所定の枚数を積層して電池要素の積層体を形成する。次いで、フィルム状外装材に中央から収納部の四隅に向かうほど、深さが浅くなる傾斜面をエンボス加工、絞り加工等の方法によって形成した後に、電池要素の積層体を収納し、電解液を注液した後、内部の空気を減圧によって除去した後に熱融着等の方法によって封口することができる。

フィルム状外装材としては、電解液の漏洩あるいは水分の浸透がないフィルムを用いることができるが、アルミニウム箔の内面にポリエチレン、ポリプリピレン等の熱融着性が良好な層、外面に強度が大きくアルミニウム箔の保護層としての作用を果たすナイロン、ポリエステル等の層を積層したフィルム状外装材層を用いることが好ましい。

本発明のフィルム状外装材によって封口した積層型密閉電池は、フィルム状外装材に形成した収納部の四隅の近傍に、中央部から四隅に向けて厚みが漸減する傾斜面を形成したので、電池要素の積層体を収納部に収納し、周囲を封口した場合には、電池要素の正極電極と負極電極とがセパレータと密着して特性が良好で、フィルム状外装材の表面には凹凸等が生じない積層型密閉電池を提供することができる。

図１は、本発明の積層型密閉電池を説明する図である。図２は、本発明の積層型密閉電池のフィルム状外装材に形成した収納部への電池要素の収納状態を説明する図である。図３は、本発明の他の実施態様を説明する図である。図４は、従来のフィルム状外装材で封口した積層型密閉電池の一例を説明する図である。

符号の説明

１…積層型密閉電池、２，２ａ，２ｂ、２ｃ…フィルム状外装材、２１，２１ａ，２１ｂ…収納部、２２ａ，２２ｂ…周辺部、２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ…収納部の四隅、２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ…収納部の四隅、２３ｃ，２４ｃ，２５ｃ，２６ｃ…傾斜面、２３ｄ、２４ｄ、２５ｄ、２６ｄ…傾斜面、３…正極電極、３１…正極タブ、４…負極電極、４１…負極タブ、５…セパレータ、６…積層体、７…封口部、８…しわ

Claims

平板状の正極集電体上に正極活物質層を形成した正極タブが引き出された正極電極と、平板状の負極集電体上に負極活物質層を形成し負極タブが引き出された負極電極とを、セパレータを介して対向させて積層した電池要素の積層体がフィルム状外装材によって封口されており、フィルム状外装材の少なくとも一方は、電池要素の積層体を収納する収納部の底面の四隅の深さが中央に比べて漸減する傾斜面を形成したものであって、電池要素の積層体の両面に外装材が密着して封口されていることを特徴とする積層型密閉電池。
一方のフィルム状外装材の収納部に対向する他方のフィルム状外装材が収納部を形成したものにあっては、両収納部の中央の電池組み立て前の深さの合計が電池要素の積層体の厚さよりも１％から１０％小さく、前記収納部の４隅におけるフィルム状外装材の収納部の電池組み立て前の深さの合計は、中央に比べて２％から１０％小さく、他方のフィルム状外装材が平面状の部材である場合には、一方の収納部の電池組み立て前の中央の深さが電池要素の積層体の厚さよりも１％から１０％小さく、収納部の四隅に形成された前記収納部の４隅におけるフィルム状外装材の深さは、中央に比べて２％から１０％小さいことを特徴とする請求項１記載の積層型密閉電池。
傾斜面は、四隅のいずれかを基点とし収納部の底面を囲む２辺の長さの１／４から１／２の長さの点と、それぞれの基点の四隅から形成されることを特徴とする請求項１または２記載の積層型密閉電池。