JP5287104B2 - 電気化学セル - Google Patents
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Description
本発明は、耐熱性、水蒸気ガスバリア性、耐電解液性、絶縁性に優れる電気化学セルに関するものである。
リチウムイオン電池とは、リチウム二次電池ともいわれ、液状、ゲル状又は高分子ポリマー状の電解質を持ち、正極・負極活物質が高分子ポリマーからなるものを含むものである。このリチウムイオン電池は、充電時には正極活物質であるリチウム遷移金属酸化物中のリチウム原子（Ｌｉ）がリチウムイオン（Ｌｉ+）となって負極の炭素層間に入り込み（インターカレーション）、放電時にはリチウムイオン（Ｌｉ+）が炭素層間から離脱（デインターカレーション）して正極に移動し、元のリチウム化合物となることにより充放電反応が進行する電池であり、ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池より出力電圧が高く、高エネルギー密度である上、浅い放電と再充電を繰り返すことにより見掛け上の放電容量が低下する、いわゆるメモリー効果がないという優れた特長を有している。
また、リチウムイオン電池の構成は、正極集電材／正極活性物質層／電解質層／負極活性物質層／負極集電材及び、これらを包装する外装体からなり、外装体を形成する包装材料として従来、金属をプレス加工し円筒状または直方体状等に容器化した金属製缶が用いられていた。
しかし、金属製缶は、容器外壁がリジッドであるため、電池自体の形状が限定されてしまい、ハード側を電池に合わせて設計する必要から形状の自由度がないため、近年、金属製缶に替わって多層フィルムからなる積層体で構成される包装材料が外装体として用いられる傾向にある。
図８は従来の包装材料３０の層構成を示す断面図であり、図８に示すように、従来の包装材料３０は、少なくとも基材層３１、金属箔層３２、熱接着性樹脂層３５で構成され、金属箔層３２と熱接着性樹脂層３５とは接着剤層３４により接着され、基材層３１と金属箔層３２とは接着剤層３７により接着されている。
この包装材料３０を袋状に加工し、内部に電池本体を収納するパウチタイプの電池用外装体、または、包装材料３０をプレス加工して凹部を形成し、凹部内部に電池本体を収納するエンボスタイプの電池用外装体を作製することができる。図９は、パウチタイプの電池用外装体４０を用いたリチウムイオン電池４１の斜視図であり、図１０は、図９に示したリチウムイオン電池４１を分解して示す分解斜視図である。図９及び図１０に示すように、パウチタイプの電池用外装体４０を用いたリチウムイオン電池４１は最内層の熱接着性樹脂層３５（図８参照）同士を重ね合わせ、外装体４０の周縁部であるヒートシール部４０ａをヒートシールして作製された電池用外装体４０内部に、リチウムイオン電池本体４２を密封収納して構成される。
また、図１１はエンボスタイプの電池用外装体５０を用いたリチウムイオン電池５１の斜視図であり、図１２は図１１に示したリチウムイオン電池５１を分解して示す分解斜視図である。図１１及び図１２に示すように、エンボスタイプの電池用外装体５０を用いたリチウムイオン電池５１はエンボス部が形成されたトレイ５０ｔの内部にリチウムイオン電池本体５２を収納し、トレイ５０ｔとシート５０ｓの熱接着性樹脂層３５（図８参照）同士を重ね合わせヒートシール部５０ａをヒートシールすることにより、電池用外装体５０内部にリチウムイオン電池本体５２を密封収納して構成される。
なお、リチウムイオン電池本体４２、５２は、正極活物質及び正極集電体から成る正極と、負極活物質及び負極集電体から成る負極と、正極及び負極間に充填される電解質と（いずれも図示せず）を含むセル（蓄電部）と、セル内の正極及び負極に連結されるとともに先端が電池用外装体４０、５０の外部に突出する金属端子４４、５４から構成されている。
また、図１３は従来のエンボスタイプの電池用外装体６０を用いたリチウムイオン電池６１の斜視図であり、図１４は図１３に示すリチウムイオン電池６１のＢ−Ｂ’における断面図である。図１４に示すように、外装体６０は最内層の熱接着性樹脂層３５同士を重ね合わせ、外装体周縁部（ヒートシール部６０ａ）を接着して、外装体６０内部にリチウムイオン電池本体６２を密封収納している。しかし、第１領域６０ｂにおいて、リチウムイオン電池６１の長期間の使用又は急速な充電により、リチウムイオン電池本体６２が発熱し、外装体６０の最内層に配された熱接着性樹脂層３５の一部が溶融することがある。このとき、外装体６０内部に充填された電解質が溶融した熱接着性樹脂層３５の一部から金属箔層３２に浸透し、リチウムイオン電池６１が短絡することが問題となっていた。このため、金属箔層３２と熱接着性樹脂層３５とを接着する接着剤層３４にリチウムイオン電池本体６２が発熱した場合にも溶融しない一定以上の耐熱性を有する樹脂を用い、包装材料全体の耐熱性向上を図る必要があった。
従来、上記課題を解決するために接着剤層３４に、特許文献１に示されるポリオレフィンポリオールと多官能イソシアネート硬化剤とを必須成分とする樹脂が用いられていた。しかし、接着剤層３４にポリオレフィンポリオールと多官能イソシアネート硬化剤とを必須成分とする樹脂を用いた場合でも短絡を防ぐのに十分な耐熱性を有するとはいえなかった。
また、図１５は図１４で示したリチウムイオン電池６１の変形例であり、図１５に示すように、金属箔層３２と熱接着性樹脂層３５との間にポリエチレンナフタレートフィルムのような耐熱性樹脂層３６を配すことにより、例えば、リチウムイオン電池本体６２が発熱し、外装体６０の最内層に配された熱接着性樹脂層３５の一部が溶融した場合でも、耐熱性樹脂層３６は容易に溶融しない。この構成により、外装体６０内部に充填された電解質が溶融した熱接着性樹脂層３５の一部から金属箔層３２に浸透し、リチウムイオン電池６１が短絡するのを防ぐことが可能である。しかし、金属箔層３２と熱接着性樹脂層３５との間に耐熱性樹脂層３６を配した場合、金属箔層３２と耐熱性樹脂層３６間を強固に接着（図１５中、接着剤層６４ａで接着）することが困難であり、包装材料３０をプレス加工しトレイを成形する際、金属箔層３２と耐熱性樹脂層３６とは延伸性が異なるため、耐熱性樹脂層３６に十分な追従性がない場合、トレイの収納部を深く成形できなかった。また、トレイの角部を鋭形に成形することができない等、耐熱性樹脂層３６を配した包装材料３０は成形性に優れないという問題があった。
特開２００５−６３６８５号公報
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、リチウムイオン電池本体、キャパシタ、電気二重層キャパシタ等の電気化学セル本体を成形性に優れる外装体に収納し、耐熱性、水蒸気ガスバリア性、耐電解液性、絶縁性に優れる電気化学セルを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の構成による電気化学セルは、正極活物質及び正極集電体から成る正極と、負極活物質及び負極集電体から成る負極と、正極及び前記負極間に充填される電解質とを含む電気化学セル本体を外装体内部に密封収納して構成される電気化学セルであって、外装体は内容器と外容器の二重構造をとり、内容器と外容器が正極および負極の各々に連結される金属端子の先端を外部に突出するように挟持し、内容器は最内層に熱接着性樹脂層を有し、金属箔層を含まない積層体で構成され、外容器は最内層に熱接着性樹脂層を有し、金属箔層を含む積層体で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の第２の構成は、上記電気化学セルにおいて、内容器を構成する積層体に耐熱性樹脂層が含まれることを特徴とする。
また、本発明の第３の構成は、上記電気化学セルにおいて、金属端子は耐熱性樹脂層の両面にポリオレフィン樹脂層を有し、ポリオレフィン樹脂層の少なくとも一方が酸変性ポリオレフィン樹脂層である金属端子フィルムを介して内容器に挟持されていることを特徴とする。
また、本発明の第４の構成は、上記電気化学セルにおいて、内容器を構成する積層体に含まれる耐熱性樹脂層がポリエチレンナフタレートフィルムであることを特徴とする。
また、本発明の第５の構成は、上記電気化学セルにおいて、金属端子フィルムに含まれる耐熱性樹脂層がポリエチレンナフタレートフィルムであることを特徴とする。
また、本発明の第６の構成は、上記電気化学セルにおいて、外容器を構成する積層体に含まれる金属箔層がアルミニウム箔で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の第７の構成は、上記電気化学セルにおいて、内容器と外容器の間に形成される空間が真空状態であることを特徴とする。
本発明の第１の構成によると、電気化学セル本体を内部に密封収納する外装体は内容器と外容器の二重構造をとり、外容器は金属箔層を含む積層体で構成され内容器は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、内容器および外容器をそれぞれ成形性に優れる積層体で構成することにより、外装体全体の成形性を向上させることができる。
また、電気化学セル本体を内部に密封収納する外装体は内容器と外容器の二重構造をとり、内容器及び外容器はそれぞれ最内層に熱接着性樹脂層を有する積層体で構成されている。このため、内容器を構成する積層体の最内層同士を重ね合わせて積層体周縁部をヒートシールすることにより、電気化学セル本体を内容器内部に密封収納することが可能である。さらに、外容器を構成する積層体の最内層同士を重ね合わせて積層体周縁部をヒートシールすることにより、電気化学セル本体の内部に密封収納した内容器を外容器内部に密封収納することが可能となる。このとき、内容器と外容器が正極および負極の各々に連結される金属端子の先端を外部に突出するように挟持しているので外容器の外部に電気化学セルの接続部位が確保される。
また、外容器は金属箔層を含む積層体で構成されているため、金属箔層は外装体の耐突刺し性及び耐衝撃性を確保し、内容器を保護する。また、電気化学セル本体を内部に密封収納する内容器は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、内容器は水蒸気ガスバリア性に乏しいが、外容器は金属箔層を含む積層体で構成され、金属箔層は水蒸気ガスバリア性に優れるから、外容器外部から外容器内部に浸透する水蒸気ガスを遮断し、内器内部に水蒸気ガスが浸透するのを防ぐことができる。
また、電気化学セル本体を内部に密封収納する内容器は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、電気化学セルの使用時に電気化学セル本体が発熱し、内容器の最内層に配された熱接着性樹脂層の一部が溶融した場合でも、内容器内で短絡が発生することはない。また、外容器は金属箔層を含む積層体で構成されているが、最内層に熱接着性樹脂層を有しているため、内容器の溶融した熱接着性樹脂層の一部から内容器内部に充填された電解質が内容器の外に漏れた場合でも、外容器最内層の熱接着性樹脂層が、外容器を構成する金属箔層にこの電解質が浸透するのを防ぐことができる。
同様に、内容器のヒートシール部を折り曲げて、最内層の熱接着性樹脂層にクラックやピンホールが発生した場合でも、内容器は金属箔層を含まない積層体で構成されているため内容器内で短絡が発生することがない。また、外容器は金属箔層を含む積層体で構成されているが、最内層に熱接着性樹脂層を有しているため、クラックやピンホールが発生した内容器の熱接着性樹脂層の一部から内容器内部に充填された電解質が内容器の外に漏れた場合でも、外容器最内層の熱接着性樹脂層が、外容器を構成する金属箔層にこの電解質が浸透するのを防ぐことができる。したがって、外装体が内容器と外容器の二重構造により、本構成の電気化学セルは外装体内部の発熱およびヒートシール部のクラック又はピンホール発生を起因とする短絡の発生を防ぎ高い絶縁性を有する。
また、内容器のヒートシール部を折り曲げて、最内層の熱接着性樹脂層にクラックやピンホールが発生した場合、内容器は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、内容器が透過性を有する樹脂のみの積層体で構成されていれば、外容器から内容器を取り出し、目視によりクラックやピンホールが発生した部位を確認することができる。
また、この内容器と外容器の二重構造により、内容器を構成する積層体と外容器を構成する積層体をそれぞれ異なる特性をもつ層構成にして内容器と外容器を組み合わせることにより、外装体全体の機能を自由に設計することができる。また、従来、外装体の成形時に問題となっていた層間接着強度についても接着強度の低い層同士は内容器と外容器に分けて外装体を構成すれば、内容器と外容器をそれぞれ別々に成形すればよいので外装体全体の成形性を十分確保することができる。
本発明の第２の構成によると、上記電気化学セルにおいて、電気化学セルの外装体は内容器と外容器の二重構造で構成され、内容器に耐熱性樹脂層を配し、外容器に金属箔層を配することにより、金属箔層と耐熱性樹脂層間の接着強度を考慮することなく、内容器と外容器を別々に成形することができる。したがって、本構成の電気化学セルにかかる外装体は成形性に優れる。
また、内容器を構成する積層体に耐熱性樹脂層が含まれるため、電気化学セルの使用時に電気化学セル本体が発熱し、内容器の最内層に配された熱接着性樹脂層の一部が溶融した場合でも、耐熱性樹脂層は容易に溶融しない。このため、内容器の溶融した熱接着性樹脂層の一部に内容器内部に充填された電解質が浸透した場合でも、耐熱性樹脂層が内容器外部に電解質が漏れ出すのを防ぐことができる。
同様に、内容器のヒートシール部を折り曲げて、最内層の熱接着性樹脂層にクラックやピンホールが発生した場合でも、耐熱性樹脂層には容易にクラックやピンホールが発生しない。したがって、クラックやピンホールが発生した内容器の熱接着性樹脂層の一部に内容器内部に充填された電解質が浸透した場合でも耐熱性樹脂層が内容器外部に電解質が漏れ出すのを防ぐことができる。したがって、本構成の電気化学セルは外装体内部の発熱およびヒートシール部のクラック又はピンホール発生を起因とする短絡の発生を防ぎより高い絶縁性を有する。
また、電気化学セル本体を内容器内部に熱接着で密封収納する際、電気化学セル本体の正極および負極の各々に連結される金属端子は内容器により挟持された状態で、その挟持部分を含む金属端子周辺がヒートシールされている。このとき、金属端子周辺で最内層の熱接着性樹脂層がヒートシール時の熱と圧により薄肉化して、金属端子周辺から電解質が内容器外部に漏れ出すことがある。また、ヒートシール後、電気化学セルの過充電等が原因で内容器内部の温度が上昇したとき、金属端子が発熱し、金属端子の挟持部分において、内容器の最内層に配された熱接着性樹脂層が溶融して、金属端子周辺から電解質が内容器外部に漏れ出す可能性がある。しかし、本構成の電気化学セルでは、内容器を構成する積層体に耐熱性樹脂層が含まれるため、内容器の最内層である熱接着性樹脂層が薄肉化または溶融しても、耐熱性樹脂層は溶融せず、金属端子周辺から電解質が内容器外部に漏れ出すのを防ぐことができる。また、内容器は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、金属端子が発熱して、金属端子の挟持部分において、内容器の最内層に配された熱接着性樹脂層が溶融したとしても、内容器内で短絡が発生することはない。
本発明の第３の構成によると、上記電気化学セルにおいて、耐熱性樹脂層の両面にポリオレフィン樹脂層を有し、そのポリオレフィン樹脂層の少なくとも一方が酸変性ポリオレフィン樹脂層である金属端子フィルムを介して金属端子を内容器に挟持することにより、電気化学セル本体を内容器内部に熱接着で密封収納する際、電気化学セル本体の正極および負極の各々に連結される金属端子は内容器により挟持された状態で、その挟持部分を含む金属端子周辺がヒートシールされるとき、金属端子周辺で最内層の熱接着性樹脂層がヒートシール時の熱と圧により薄肉化しても、金属端子フィルムを構成する耐熱性樹脂層が溶融せず金属端子周辺から電解質が内容器外部に漏れ出すのを防ぐことができる。また、ヒートシール後、電気化学セルの過充電等が原因で内容器内部の温度が上昇したとき、金属端子が発熱し、金属端子の挟持部分において、内容器の最内層に配された熱接着性樹脂層が溶融しても、金属端子フィルムを構成する耐熱性樹脂層が溶融せず金属端子周辺から電解質が内容器外部に漏れ出すのを防ぐことができる。これにより、本構成の電気化学セルの絶縁性が確保される。また、金属端子フィルムを構成する酸変性ポリオレフィン樹脂層を金属端子側に配すことにより、金属端子と金属端子フィルムとの接着性を強固にし、金属端子周辺を折り曲げた場合でも、クラックや剥離が発生し難い。
本発明の第４の構成によると、上記電気化学セルにおいて、ポリエチレンナフタレートフィルムは水蒸気透過度が低いため、内容器を構成する積層体に含まれる耐熱性樹脂層にポリエチレンナフタレートフィルムを用いることにより、内容器外部から内容器内部に浸透しようとする水蒸気を遮断し、内容器内部に収納された電解質と水蒸気の反応によるフッ化水素酸の生成を抑制することができる。また、ポリエチレンナフタレートフィルムは所定の強度を有するため、内容器の耐突刺し性及び耐衝撃性を向上させることができる。
本発明の第５の構成によると、上記電気化学セルにおいて、ポリエチレンナフタレートフィルムは水蒸気透過度が低いため、金属端子フィルムに含まれる耐熱性樹脂層にポリエチレンナフタレートフィルムを用いることにより、金属端子周辺の内容器の端面から内容器内部に浸透しようとする水蒸気を遮断し、内容器内部に収納された電解質と水蒸気の反応によるフッ化水素酸の生成を抑制することができる。
本発明の第６の構成によると、上記電気化学セルにおいて、外容器を構成する積層体に含まれる金属箔層をアルミニウム箔で構成することにより、外容器の耐突刺し性及び耐衝撃性を向上させることができる。
本発明の第７の構成によると、上記電気化学セルにおいて、内容器と外容器の間に形成される空間を真空状態にすることにより、内容器と外容器の間に存在する水蒸気ガスが内容器内に浸透するのを防ぐことができる。
本発明は、耐熱性、水蒸気ガスバリア性、耐電解液性、絶縁性に優れる電気化学セルである。本発明の電気化学セルの一実施形態であるリチウムイオン電池について図等を利用してさらに詳細に説明する。なお、従来例の図８〜図１５と共通する部分は説明を省略する。
図１は本発明の電気化学セルの一実施形態であるリチウムイオン電池１５１の斜視図であり、図２は図１に示したリチウムイオン電池１５１を内容器１６０と外容器１７０に分解して示す分解斜視図であり、図３は図２の内容器１６０を更に分解してリチウムイオン電池本体１５２を示す分解斜視図である。図１〜図３に示すように、リチウムイオン電池１５１はリチウムイオン電池本体１５２を内部に密封収納する電池用外装体１５０が内容器１６０と外容器１７０の二重構造をとる。ここで、図３に示すように、内容器１６０はエンボス部が形成されたトレイ１６０ｔの内部にリチウムイオン電池本体１５２を収納し、トレイ１６０ｔとシート１６０ｓの熱接着性樹脂層１６５（図４参照）同士を重ね合わせ、内容器１６０の周縁部（ヒートシール部１６０ａ（図７参照））をヒートシールすることにより、リチウムイオン電池本体１５２を内容器１６０内部に密封収納している。また、図２に示すように、外容器１７０はエンボス部が形成されたトレイ１７０ｔの内部に内容器１６０を収納し、トレイ１７０ｔとシート１７０ｓの熱接着性樹脂層１７５（図５参照）同士を重ね合わせ、外容器１７０の周縁部（ヒートシール部１７０ａ（図７参照））をヒートシールすることにより、内容器１６０を外容器１７０内部に密封収納している。
なお、リチウムイオン電池本体１５２は、正極活物質及び正極集電体から成る正極と、負極活物質及び負極集電体から成る負極と、正極及び負極間に充填される電解質と（いずれも図示せず）を含むセル（蓄電部）と、セル内の正極及び負極に連結される金属端子１５４とから構成され、図３に示すように、内容器１６０内部にリチウムイオン電池本体１５２を密封収納する際、金属端子１５４は内容器１６０により金属端子フィルム１９０を介して挟持され。その挟持部分を含む金属端子１５４周辺がヒートシールされている。
また、図４は内容器１６０を構成する積層体の層構成を示す断面図であり、図５は外容器１７０を構成する積層体の層構成を示す断面図である。図４に示すように、内容器１６０を構成する積層体は耐熱性樹脂層１６３／熱接着性樹脂層１６５の順に積層されて構成されている。また、図５に示すように、外容器１７０を構成する積層体は基材層１７１／接着剤層１７７／金属箔層１７２／酸変性ポリオレフィン層１７４／熱接着性樹脂層１７５の順に積層されて構成されている。また、図６は金属端子フィルム１９０の層構成を示す断面図であり、図６に示すように、金属端子フィルム１９０は酸変性ポリオレフィン層１９４／耐熱性樹脂層１９３／酸変性ポリオレフィン層１９４の順に積層されて構成されている。また、図７は図１中のリチウムイオン電池１５１のＡ−Ａ’における断面図である。なお、本発明の外容器１７０及び内容器１６０及び金属端子タブ１９０は上記各層を含むとともに各層間に異なる層を介在させた場合も本発明の技術範囲に含むものとする。
本実施形態のリチウムイオン電池１５１の外装体１５０は内容器１６０と外容器１７０の二重構造で構成され、内容器１６０に耐熱性樹脂層１６３を配し、外容器１７０に金属箔層１７２を配することにより、金属箔層１７２と耐熱性樹脂層１６３間の接着強度を考慮することなく、内容器１６０と外容器１７０を別々に成形することができる。したがって、本実施形態のリチウムイオン電池１５１にかかる外装体１５０は成形性に優れる。
図４に示すように、リチウムイオン電池本体１５２を内部に密封収納する内容器１６０は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、内容器１６０は水蒸気ガスバリア性に乏しいが、耐熱性樹脂層１６３と熱接着性樹脂層１６５間の接着強度、耐電解液ラミネート強度は強固である。このため、内容器１６０は成形性に優れ、耐電解液性に優れる。また、図５に示すように、外容器１７０は金属箔層１７２を含む積層体で構成されているため、金属箔層１７２は外装体１５０の耐突刺し性及び耐衝撃性を確保し、内容器１６０を保護することができる。また、金属箔層１７２は水蒸気ガスバリア性に優れるため、外容器１７０外部から外容器１７０内部に浸透する水蒸気ガスを遮断することがきる（図７参照）。したがって、水蒸気ガスバリア性に乏しい内容器１６０の欠点を外容器１７０が補い、内容器１６０と外容器１７０の二重構造をとる外装体１５０全体で考えると優れた水蒸気ガスバリア性を提供することができる。
また、リチウムイオン電池本体１５２を内部に密封収納する内容器１６０は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、リチウムイオン電池１５１の使用時にリチウムイオン電池本体１５２が発熱し、内容器１６０の最内層に配された熱接着性樹脂層１６５の一部が溶融した場合でも、内容器１６０内で短絡が発生することはない。
また、内容器１６０は金属箔層を含まない積層体で構成されているため、最内層の熱接着性樹脂層１６５にクラックやピンホールが発生した場合、内容器１６０を構成する耐熱性樹脂層１６３と熱接着性樹脂層１６５が透過性を有する樹脂で構成されていれば、外容器１７０から内容器１６０を取り出し、クラックやピンホールが発生した部位を目視により確認することができる。
また、図７に示すように、外装体１５０は内容器１６０と外容器１７０の二重構造をとり、内容器１６０を構成する積層体に耐熱性樹脂層１６３が含まれている。このため、リチウムイオン電池１５１の使用時にリチウムイオン電池本体１５２が発熱し、内容器１６０の最内層に配された熱接着性樹脂層１６５の一部が溶融した場合でも、耐熱性樹脂層１６３は容易に溶融しない。このため、内容器１６０の溶融した熱接着性樹脂層１６５の一部に内容器１６０内部に充填された電解質が浸透した場合でも、耐熱性樹脂層１６３が内容器１６０外部に電解質が漏れ出すのを防ぐことができる。
同様に、内容器１６０のヒートシール部１６０ａを折り曲げて、最内層の熱接着性樹脂層１６５にクラックやピンホールが発生した場合でも、耐熱性樹脂層１６３は容易にクラックやピンホールが発生しない。したがって、クラックやピンホールが発生した内容器１６０の熱接着性樹脂層１６５の一部に内容器１６０内部に充填された電解質が浸透した場合でも耐熱性樹脂層１６３が内容器１６０外部に電解質が漏れ出すのを防ぐことができる。また、内容器１６０内部に充填された電解質が内容器１６０の外に漏れた場合でも、外容器１７０最内層には熱接着性樹脂層１７５が配されており、外容器１７０を構成する金属箔層１７２にこの電解質が浸透するのは防ぐことができる。
また、図３に示すように、耐熱性樹脂層１９３の両面に酸変性ポリオレフィン樹脂層１９４を有する金属端子フィルム１９０を介して金属端子１５４を内容器１６０に挟持した状態で、金属端子１５４周辺がヒートシールされている。これにより、金属端子１５４周辺で内容器１６０の熱接着性樹脂層１６５がヒートシール時の熱と圧により薄肉化しても、金属端子フィルム１９０を構成する耐熱性樹脂層１９３が溶融せず（図６参照）、金属端子１５４周辺から電解質が内容器外部に漏れ出すのを防ぐことができる。また、ヒートシール後、リチウムイオン電池１５１の過充電等が原因で内容器１６０内部の温度が上昇したとき、金属端子１５４が発熱し、金属端子１５４の挟持部分において、内容器１６０の最内層に配された熱接着性樹脂層１６５が溶融しても、金属端子１９０フィルムを構成する耐熱性樹脂層１９３が溶融せず（図６参照）、金属端子１５４周辺から電解質が内容器１９０外部に漏れ出すのを防ぐことができる。これにより、本実施形態のリチウムイオン電池１５１の絶縁性が確保されている。なお、外容器１７０が金属端子１５４を挟持する部分に金属端子フィルム１９０を介しても上記効果と同様の効果を得ることができる。また、外容器１７０に金属端子フィルムを介したとき、外容器１７０を構成する金属箔層１７２と金属端子１５４が接触し短絡するのを防ぐことができる。
また、本実施形態のリチウムイオン電池１５１の外装体１５０は内容器１６０と外容器１７０の二重構造で構成することで、内容器１６０に耐熱性樹脂層１６３を配し、外容器１７０に金属箔層１７２を配することができ、金属箔層１７２と耐熱性樹脂層１６３間の接着強度を考慮することなく、内容器１６０と外容器１７０を別々に成形することができる。また、内容器１６０を構成する積層体と外容器１７０を構成する積層体をそれぞれ異なる特性をもつ層構成にして内容器１６０と外容器１７０を組み合わせることにより、外装体１５０全体の機能を自由に設計することができる。
例えば、内容器１６０を構成する積層体として考えられるのは、耐熱性樹脂層１６３としてのポリエチレンナフタレートフィルムに熱接着性樹脂層１６５としてのポリプロピレン樹脂を積層したものや、耐熱性樹脂層１６３としてのポリエチレンテレフタレートフィルムに熱接着性樹脂層１６５としてのポリプロピレン樹脂を積層したもの、また、耐熱性樹脂層１６３の代わりに基材層としてのニ軸延伸ナイロンフィルムに熱接着性樹脂層１６５としてのポリプロピレン樹脂を積層したものを用いることもできる。このとき、ポリエチレンナフタレートフィルムは水蒸気透過度が低いため、内容器１６０外部から内容器１６０内部に浸透しようとする水蒸気を遮断し、内容器１６０内部に収納された電解質と水蒸気の反応によるフッ化水素酸の生成を抑制することができる。また、ポリエチレンナフタレートフィルム及びポリエチレンテレフタレートフィルムは所定の強度を有するため、内容器１６０の耐突刺し性及び耐衝撃性を向上させることができる。また、耐熱性樹脂層１６３の代わりに基材層としてのニ軸延伸ナイロンフィルムを用いた場合、ポリエチレンナフタレートフィルム及びポリエチレンテレフタレートフィルムと比較して耐熱性及び水蒸気ガスバリア性は低下するが、ニ軸延伸ナイロンフィルムとポリプロピレン樹脂との接着強度はポリエチレンナフタレートフィルム又はポリエチレンテレフタレートフィルムとポリプロピレン樹脂との接着強度より強固であり、この内容器１６０は耐電解液性、内部密封性に優れる。
また、内容器１６０を構成する積層体が金属箔層を含まないため、外装体１５０の水蒸気ガスバリア性は外容器１７０に求められる。したがって、外容器１７０は金属箔層１７２を含む積層体で構成され、高い水蒸気ガスバリア性を有する。また、金属箔層１７２としてアルミニウム箔を用いることにより、外容器１７０の成形性、水蒸気ガスバリア性、耐突刺し性及び耐衝撃性を確保することができる。具体的には、外容器１７０に高い水蒸気ガスバリア性を持たせる場合、金属箔層１７２であるアルミニウムの片面に基材層１７１であるニ軸延伸ナイロンフィルムをドライラミネート法により接着剤で貼り合わせ、溶融押出した酸変性ポリプロピレン樹脂にポリプロピレンフィルムを積層した積層体で外容器１７０を構成することができる。
また、内容器１６０が高い水蒸気ガスバリア性を有する積層体により構成されている場合、外容器１７０は低い水蒸気ガスバリア性を有する積層体で構成することも可能である。例えば金属箔層１７２として表面にアルミニウムを蒸着させたポリエチレンテレフタレートフィルムを用いることが挙げられる。具体的には、外容器１７０の水蒸気ガスバリア性が低くても良い場合、金属箔層１７２として表面にアルミニウムを蒸着させたポリエチレンテレフタレートフィルムを用い、アルミニウムを蒸着させた面に基材層１７１であるニ軸延伸ナイロンフィルムをドライラミネート法により接着剤で貼り合わせ、ポリエチレンテレフタレートフィルムのもう一方の面に溶融押出した酸変性ポリプロピレン樹脂にポリプロピレンフィルムを積層した積層体で外容器１７０を構成することができる。
また、外容器１７０は水蒸気ガスバリア性、耐突刺し性及び耐衝撃性を確保すことができれば、外容器１７０として金属を射出成形して形成された金属容器を用いることも可能であり、外容器１７０の外表面にアルミラミネート材をインモールド成形した容器を用いることも可能である。
また、図７に示すように内容器１６０と外容器１７０の間に形成される空間は真空状態にすることが好ましく、真空状態にすることにより内容器１６０と外容器１７０の間に存在する水蒸気ガスが内容器１６０内に浸透するのを防ぐことができる。また、内容器１６０と外容器１７０の間に形成される空間に除湿材を充填することも可能である。また、本実施形態のリチウムイオン電池１５１では内容器１６０及び外容器１７０にトレイタイプのものを用いたが、パウチタイプのものを用いることも可能である。また、内容器１６０及び外容器１７０のどちらか一方にトレイタイプのものを用いて、もう一方にパウチタイプのものを用いることも可能である。
次に、図４〜図６に示した本実施形態のリチウムイオン電池１５１の外装体１５０を構成する各層について具体的に説明する。内容器１６０、外容器１７０の最内層に配された熱接着性樹脂層１６５、１７５は、金属端子１５４を外側に突出した状態で挟持して熱接着する。このとき、熱接着性樹脂層１６５、１７５と金属端子１５４との間に金属接着性を有する金属端子フィルム１９０を介在させるか否かで熱接着性樹脂層１６５、１７５を構成するプロピレンの種類は異なる。金属端子フィルム１９０を介在させる場合には、熱接着性樹脂層１６５、１７５にプロピレン系樹脂の単体ないし混合物などからなるフィルムを用いればよいが、金属端子フィルム１９０を介在させない場合、不飽和カルボン酸でグラフト変性した酸変性オレフィン樹脂からなるフィルムを用いる必要がある。
なお、熱接着性樹脂層１６５、１７５としてはポリプロピレンが好適に用いられるが、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレンの単層または多層、または、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレンのブレンド樹脂からなる単層または多層からなるフィルムも使用できる。また、ポリプロピレンには、ランダムプロピレン、ホモプロピレン、ブロックプロピレン等各タイプに分けることができる。
また、上記各タイプのポリプロピレン、すなわち、ランダムポリプロピレン、ホモポリプロピレン、ブロックポリプロピレンには、低結晶性のエチレンーブテン共重合体、低結晶性のプロピレンーブテン共重合体、エチレンとブテンとプロピレンの３成分共重合体からなるターポリマー、シリカ、ゼオライト、アクリル樹脂ビーズ等のアンチブロッキング剤（ＡＢ剤）、脂肪酸アマイド系のスリップ剤等を添加してもよい。
また、本発明に係る熱接着性樹脂層１６５、１７５は上記各タイプのポリプロピレン層を適時組み合わせて多層化してもよい。
次に外容器１７０の最外層に配された基材層１７１について説明する。基材層１７１は、一般に、延伸ポリエステルまたはナイロンフィルムからなるが、この時、ポリエステル樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、共重合ポリエステル、ポリカーボネート等が挙げられる。またナイロンとしては、ポリアミド樹脂、すなわち、ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロン６とナイロン６，６との共重合体、ナイロン６，１０、ポリメタキシリレンアジパミド（ＭＸＤ６）等が挙げられる。
また、基材層１７１は耐ピンホール性および電池の外装体とした時の絶縁性を向上させるために、ポリエステルフィルム又はナイロンフィルムの他、異なる材質のフィルムを積層化することも可能である。基材層１７１を積層体化する場合、基材層が２層以上の樹脂層を少なくとも一つを含み、各層の厚みが６μｍ以上、好ましくは、６〜２５μｍである。基材層を積層化する例としては、図示はしないが次の１）〜７）が挙げられる。
１）延伸ポリエチレンテレフタレート／延伸ナイロン
２）延伸ナイロン／延伸ポリエチレンテレフタレート
３）フッ素系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート（フッ素系樹脂は、フィルム状物、または液状コーティング後乾燥で形成）
４）シリコーン系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート（シリコーン系樹脂は、フィルム状物、または液状コーティング後乾燥で形成）
５）フッ素系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート／延伸ナイロン
６）シリコーン系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート／延伸ナイロン
７）アクリル系樹脂／延伸ナイロン（アクリル系樹脂はフィルム状、または液状コーティング後乾燥で硬化）
１）延伸ポリエチレンテレフタレート／延伸ナイロン
２）延伸ナイロン／延伸ポリエチレンテレフタレート
３）フッ素系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート（フッ素系樹脂は、フィルム状物、または液状コーティング後乾燥で形成）
４）シリコーン系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート（シリコーン系樹脂は、フィルム状物、または液状コーティング後乾燥で形成）
５）フッ素系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート／延伸ナイロン
６）シリコーン系樹脂／延伸ポリエチレンテレフタレート／延伸ナイロン
７）アクリル系樹脂／延伸ナイロン（アクリル系樹脂はフィルム状、または液状コーティング後乾燥で硬化）
なお、３）〜７）に示すように、包装材料の機械適性（包装機械、加工機械の中での搬送の安定性）、表面保護性（耐熱性、耐電解質性）、２次加工とてリチウムイオン電池用の外装体１５０をエンボスタイプとする際に、エンボス時の金型と基材層１７１との摩擦抵抗を小さくする目的あるいは電解液が付着した場合に基材層１７１を保護するために、基材層１７１を多層化、基材層表面にフッ素系樹脂層、アクリル系樹脂層、シリコーン系樹脂層、ポリエステル系樹脂層、及びこれらのブレンド物層等の保護層を設けることが好ましい。
また、上記延伸ポリエチレンテレフタレートの代わりに延伸ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートを用いた場合にも同様の効果が得られる。また、基材層１７１は金属箔層１７２と、ドライラミネーション法等により接着剤層１７７を介して貼り合わされる。
次に外容器１７０に配される金属箔層１７２について説明する。金属箔層１７２は、外容器１７０の外部から内部に水蒸気が浸入することを防止するための層で、金属箔層単体のピンホール、及び加工適性（パウチ化、エンボス成形性）を安定化し、かつ耐ピンホール性をもたせるために厚さ１５μｍ以上のアルミニウム、ニッケルなどの金属、又は、無機化合物、例えば、酸化珪素、アルミナ等を蒸着したフィルムなども挙げられるが、金属箔層１７２として好ましくは厚さが２０〜１００μｍのアルミニウムとする。
また、ピンホールの発生を改善し、外容器１７０のタイプをエンボスタイプとする場合、エンボス成形におけるクラックなどの発生のないものとするために、金属箔層１７２として用いるアルミニウムの材質を、鉄含有量が０．３〜９．０重量％、好ましくは０．７〜２．０重量％とすることが望ましい。
これによって、鉄を含有していないアルミニウムと比較して、アルミニウムの展延性がよく、外容器として折り曲げによるピンホールの発生が少なくなり、積層体をエンボス成形する時に側壁を容易に形成することができる。なお、鉄含有量が、０．３重量％未満の場合は、ピンホールの発生の防止、エンボス成形性の改善等の効果が認められず、アルミニウムの鉄含有量が９．０重量％を超える場合は、アルミニウムとしての柔軟性が阻害され、積層体の包装材料として製袋性が悪くなる。
また、冷間圧延で製造されるアルミニウムは焼きなまし（いわゆる焼鈍処理）条件でその柔軟性・腰の強さ・硬さが変化するが、本発明において用いるアルミニウムは焼きなましをしていない硬質処理品より、多少または完全に焼きなまし処理をした軟質傾向にあるアルミニウムがよい。
すなわち焼きなましの条件は、加工適性（パウチ化、エンボス成形）に合わせ適宜選定すればよい。たとえば、エンボス成形時のしわやピンホールを防止するためには、成形の程度に応じて焼きなましされた軟質アルミニウムを用いることができる。
また、金属箔層１７２であるアルミニウムの表、裏面に化成処理を施し化成処理層を形成すことによって、接着剤との接着強度を向上させることができる。
具体的には、リン酸塩、クロム酸塩、フッ化物、トリアジンチオール化合物等の耐酸性皮膜を形成することによってエンボス成形時の金属箔層１７２と酸変性ポリオレフィン層１７４との間のデラミネーション防止と、リチウムイオン電池の電解質と水分とによる反応で生成するフッ化水素により、アルミニウム表面の溶解、腐食、特にアルミニウムの表面に存在する酸化アルミが溶解、腐食することを防止し、かつ、アルミニウム表面の接着性を向上させることができる。
次に外容器１７０に配される酸変性ポリオレフィン層１７４及び金属端子フィルム１９０に配される酸変性ポリオレフィン層１９４について説明する。外容器１７０に配される酸変性ポリオレフィン層１７４は金属箔層１７２と熱接着性樹脂層１７５とを接着するために設ける層であり、金属端子フィルム１９０に配される酸変性ポリオレフィン層１９４は金属端子１５４と耐熱性樹脂層１９３とを接着するために設ける層である。このため、酸変性ポリオレフィン層１７４、１９４は熱接着性樹脂層１７５又は耐熱性樹脂層１９３に用いる樹脂種により適宜選択して用いる必要がある。酸変性ポリオレフィン層１７４、１９４には、酸変性ポリオレフィン樹脂を用いることができ、不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリオレフィン樹脂、エチレンないしプロピレンとアクリル酸、または、メタクリル酸との共重合体、あるいは、金属架橋ポリオレフィン樹脂等であり、必要に応じてブテン成分、エチレン−プロピレン−ブテン共重合体、非晶質のエチレン−プロピレン共重合体、プロピレン−α−オレフィン共重合体等を５％以上添加してもよいものである。
また、酸変性ポリオレフィン層１７４、１９４は酸変性ポリプロピレンを用いることで、耐電解質性、接着強度に優れた外容器１７０、金属端子フィルム１９０を提供することができる。
酸変性ポリプロピレンを用いる場合、
（１）ビガット軟化点１１５℃以上、融点１５０℃以上のホモタイプ、
（２）ビガット軟化点１０５℃以上、融点１３０℃以上のエチレンープロピレンとの共重合体（ランダム共重合タイプ）
（３）融点１１０℃以上である不飽和カルボン酸を用い酸変性重合した単体又はブレンド物等を用いることができる。
（１）ビガット軟化点１１５℃以上、融点１５０℃以上のホモタイプ、
（２）ビガット軟化点１０５℃以上、融点１３０℃以上のエチレンープロピレンとの共重合体（ランダム共重合タイプ）
（３）融点１１０℃以上である不飽和カルボン酸を用い酸変性重合した単体又はブレンド物等を用いることができる。
次に、内容器１６０に配された耐熱性樹脂層１６３及び金属端子フィルム１９０に配された耐熱性樹脂層１９３について説明する。耐熱性樹脂層１６３、１９３にはポリエチレンナフタレートフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム等の耐熱性に優れた樹脂フィルムを用いることができ、ポリエチレンナフタレートフィルムは、ポリエチレンテレフタレートフィルムや外装体の熱接着性樹脂層を形成する一般ポリオレフィン系樹脂や酸変性ポリオレフィン樹脂と比べて融点・ガラス転移点が高く水蒸気バリア性に優れるため、好適に用いることができる。ポリエチレンテレフタレートフィルムの厚さとしては、６μｍ以上であり、好ましくは１２〜２５μｍである。６μｍ未満では十分な耐熱効果を奏しないおそれがあり、２５μｍ超ではコスト対効果（耐熱効果）において顕著な向上効果が見られない。また、ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面には必要に応じて、コロナ放電処理、オゾン処理、プラズマ処理等の周知の易接着手段を講じることができる。
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１６０ 内容器
１７０ 外容器
１１、３１，１７１ 基材層
１２、３２、１７２ 金属箔層
３４、１７７ 接着剤層
１７４、１９４ 酸変性ポリオレフィン層
１５、３５、１６５、１７５ 熱接着性樹脂層
１６、１６３、１９３ 耐熱性樹脂層
１７、３７、１７７ 接着剤層
２０、４０、１５０ 外装体
２０ａ、４０ａ ヒートシール部
２１、４１、１５１ リチウムイオン電池
２２、４２、１５２ リチウムイオン電池本体
２４、４４、１５４ 金属端子（タブ）
１９０ 金属端子フィルム
１７０ 外容器
１１、３１，１７１ 基材層
１２、３２、１７２ 金属箔層
３４、１７７ 接着剤層
１７４、１９４ 酸変性ポリオレフィン層
１５、３５、１６５、１７５ 熱接着性樹脂層
１６、１６３、１９３ 耐熱性樹脂層
１７、３７、１７７ 接着剤層
２０、４０、１５０ 外装体
２０ａ、４０ａ ヒートシール部
２１、４１、１５１ リチウムイオン電池
２２、４２、１５２ リチウムイオン電池本体
２４、４４、１５４ 金属端子（タブ）
１９０ 金属端子フィルム
Claims (6)
- 正極活物質及び正極集電体から成る正極と、負極活物質及び負極集電体から成る負極と、前記正極及び前記負極間に充填される電解質とを含む電気化学セル本体を外装体内部に密封収納して構成される電気化学セルであって、
前記外装体は内容器と外容器の二重構造をとり、
前記内容器と前記外容器が前記正極および前記負極の各々に連結される金属端子の先端を外部に突出するように挟持し、
前記内容器は最内層に熱接着性樹脂層を有し、金属箔層を含まない積層体で構成され、
前記外容器は最内層に熱接着性樹脂層を有し、金属箔層を含む積層体で構成され、
前記内容器を構成する積層体に耐熱性樹脂層が含まれることを特徴とする電気化学セル。 - 前記金属端子は耐熱性樹脂層の両面にポリオレフィン樹脂層を有し、前記ポリオレフィン樹脂層の少なくとも一方が酸変性ポリオレフィン樹脂層である金属端子フィルムを介して前記内容器に挟持されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
- 前記内容器を構成する積層体に含まれる前記耐熱性樹脂層がポリエチレンナフタレートフィルムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気化学セル。
- 前記金属端子フィルムに含まれる前記耐熱性樹脂層がポリエチレンナフタレートフィルムであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セル。
- 前記外容器を構成する積層体に含まれる前記金属箔層がアルミニウム箔で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１に記載の電気化学セル。
- 前記内容器と前記外容器の間に形成される空間が真空状態であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１に記載の電気化学セル。
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