JP5369522B2 - リード部材及びその製造方法並びに非水電解質蓄電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質蓄電デバイスに使用されるリード部材とその製造方法並びにそれを用いた非水電解質蓄電デバイスに関する。

電子機器の小型化と共に電源としての電池の小型化、軽量化が求められている。また、高エネルギー密度化、高エネルギー効率化に対する要求もあり、このような要求を満たすものとして、リチウムイオン電池などの非水電解質電池への期待が高まっている。非水電解質電池としては、正極、負極及び電解液を、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋に収納し、正極、負極の電極板に接続したリード導体を外部に取り出す構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４及び図５は、上記特許文献１に開示の非水電解質電池の概略を示す図である。この非水電解質電池は、一対のリード線１ａ，１ｂの取り出し部分をそれぞれ絶縁体３ａ，３ｂで覆って、封入袋６のシール部分１４から外部に取り出す形態の薄形構造で形成される。封入袋６は、周縁部のシール部分１４をヒートシールによる熱融着で袋状としたものである。封入袋６内には、正極、負極、隔膜等と非水の溶媒（例えば、有機溶媒）に電解質（例えばリチウム化合物）が溶解された非水電解質媒体とを密封収納している。

図４（Ａ）は、図５のｃ−ｃ矢視の断面を示している。非水電解質電池は、正極１１ａ及び負極１１ｂ、隔膜１２、非水電解媒体１３等を、袋状にした封入袋６に収納し、正極１１ａ、負極１１ｂに接続したリード線（リード部材）１ａ，１ｂを密封状態にして外部に取り出す構造のものである。封入袋６は、最内層フィルム７と最外層フィルム９との間に、少なくともアルミニウム等の金属からなる金属箔層８をサンドイッチ状に貼り合わせた密封性の高い多層フィルム１０を用いて形成される。

そして、矩形状に裁断された２枚の多層フィルム１０の周辺のシール部分１４で、最内層フィルム７同士を互いに融着密封して袋状の封入袋６とされる。正極１１ａ、負極１１ｂに接続されるリード線のリード導体２ａ，２ｂは、その取り出し部分が多層フィルム１０の金属箔層８に対して電気短絡が生じないように絶縁体３ａ，３ｂで覆われる。絶縁体３ａ，３ｂは、封入袋６の所定の縁部に融接着されて密封される。

このリード導体２ａ，２ｂの取り出し部分を覆う絶縁体３ａ，３ｂは、図４（Ｂ）に示すように、例えば、無水マレイン酸変性低密度ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン樹脂からなる熱可塑性樹脂フィルムで形成された熱可塑性層４と、架橋された低密度ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂からなる架橋樹脂フィルムで形成された架橋層５を貼り合わせた２層で形成される。

この絶縁体３ａ，３ｂは、リード線のリード導体２ａ，２ｂの取り出し部分に、予め絶縁体３ａ，３ｂの熱可塑性層４を加熱溶融して密封接着させた後、封入袋６の取り出し口に挟み込まれる。この後、多層フィルム１０の周辺のシール部分１４がヒートシールで封止されるが、絶縁体３ａ，３ｂの架橋層５は、このヒートシール時の温度では、溶融変形しにくい材料で形成されているため、ヒートシールの後もリード線のリード導体２ａ，２ｂと多層フィルム内の金属箔層８との間に架橋層が残るのでリード導体と金属箔層が電気的に短絡する心配がなくなるとされている。

また、正極１１ａ及び負極１１ｂは、集電体と呼ばれる金属箔やエキスパンデッドメタル等の金属基材上に活物質層が形成された構造で、電極基材となる電極板には、リード導体２ａ，２ｂが接続される。この接続には、スポット溶接や、超音波溶接等が利用できるとされている。
特開２００１−１０２０１６号公報

リード導体２ａ，２ｂの取り出し部分に設けられる絶縁体３ａ，３ｂは、通常、図４で説明したように、熱可塑性層４を形成する熱可塑性樹脂フィルムと架橋層５を形成する架橋樹脂フィルムを貼り合わせて形成される。これらの樹脂フィルムは、薄く押し出し成形するのが難しく、通常は５０μｍ程度の厚さで形成した熱可塑性樹脂フィルムと架橋樹脂フィルムを貼り合わせているが、厚さが合計で１００μｍ程度となる。絶縁体３ａ，３ｂが厚いと、リード線としての柔軟性が十分でなかったり、絶縁体の端と多層フィルムの間に隙間ができて、リード線と封入袋との封止が不十分となって、封入袋内に水分が侵入することがある。

また、上記の特許文献１には、リード導体に１層の熱可塑性樹脂フィルムを熱融着で貼り付けた後、この熱可塑性樹脂フィルムの外側から透過距離がフィルム厚さよりも小さくなるように制御した電子線を照射することにより、架橋層を形成することも開示されているが、熱可塑性樹脂フィルムの厚さについてまでの解明はなされていない。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、折り曲げ性がよく、水分の侵入を防止することができる非水電解質蓄電デバイスに使用されるリード部材及びその製造方法並びに非水電解質蓄電デバイスの提供を目的とする。

本発明によるリード部材は、電極体と非水電解質媒体が、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体に収納された非水電解質蓄電デバイスに使用されるリード部材である。このリード部材は、電極体に接続されるリード導体と、該リード導体に接着され封入袋体の内面に接着される絶縁体とを備え、該絶縁体は、架橋助剤を２３重量％以下を含み、厚さ２０μｍ〜４０μｍの１層の樹脂フィルムが前記リード導体を挟んで融着により貼り合わされていると共に、外面から内面に至る厚さ方向の全体が架橋されている。

また、本発明によるリード部材の製造方法は、電極体と非水電解質媒体が、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体に収納された非水電解質蓄電デバイスに使用されるリード部材の製造方法である。このリード部材の製造では、電極体に接続されるリード導体に、架橋助剤を２３重量％以下を含み、厚さ２０μｍ〜４０μｍの１層の樹脂フィルムからなる絶縁体を前記リード導体を挟むように熱融着により貼り合わせて接着して被覆した後、前記の絶縁体の外面から内面に至る厚さ方向の全体を電離放射線の照射により架橋する。

本発明によれば、リード部材の絶縁体の厚さを薄くすることができ、従来のものと比べてリード部材の柔軟性を向上させることができる。また、封入袋体からリード部材を取り出す部分の密閉性を高め水分の侵入を防止することができる。さらには、絶縁体の樹脂フィルムの貼り合わせ工程が不要となるので、貼り合せ界面での剥がれ、マイクロクラックによる信頼性低下の可能性をなくすことができる。また、蓄電デバイスの小型化、薄型化を実現することができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１は、非水電解質電池の一例を示す図、図２は本発明による非水電解質電池の概略を説明する図で、図１のａ−ａ矢視の断面で示してある。図中、６は封入袋、７は最内層フィルム、８は金属箔層、９は最外層フィルム、１０は多層フィルム、１１ａは正極、１１ｂは負極、１２は隔膜、１３は非水電解質媒体、１４はシール部分、２１ａ，２１ｂはリード部材、２２ａ，２２ｂはリード導体、２３ａ，２３ｂは絶縁体を示す。

本発明による非水電解質電池は、図１に一例として示すように、一対のリード部材２１ａ，２１ｂのリード導体２２ａ，２２ｂの取り出し部分をそれぞれ絶縁体２３ａ，２３ｂで覆って、封入袋６のシール部分１４から外部に取り出す形態の薄形構造で、外観的には従来のものとほぼ同じ形状である。

電極体、非水電解質媒体等を収納する封入袋体としての封入袋６は、例えば、２枚のフィルムをそれらの周縁部でヒートシールして袋状としたものである。封入袋６内には、正極、負極、隔膜等と非水の溶媒（例えば、有機溶媒）に電解質（例えばリチウム化合物）が溶解された非水電解質媒体（電解液）とを密封収納している。リード部材２１ａ，２１ｂは、外部への電気接続のためにシール部分１４から取り出され、その取り出し部分は絶縁体２３ａ，２３ｂで被覆絶縁されて、封入袋６を形成する多層フィルム内の金属箔層と電気的接触が生じないようにしている。

図２は、本発明による非水電解質電池の概略を示す図で、図１で示した封入袋６のシール部分１４の一部から、リード部材２１ａ，２１ｂのリード導体２２ａ，２２ｂを絶縁体２３ａ，２３ｂで覆って外部に取り出す構成を示している。封入袋６は、前述の図４で説明したのと同様に、最内層フィルム７と最外層フィルム９との間に、少なくともアルミニウム等の金属からなる金属箔層８をサンドイッチ状に貼り合わせた多層フィルム１０で形成され、封入袋６内に収納される電解液に対する密封性を高めている。

また、封入袋６の多層フィルム１０は、例えば、３〜５層の積層体からなり、その最内層フィルム７には、電解液で溶解されずシール部分１４から電解液が漏出するのを防止するのに適したものとして、ポリオレフィン樹脂（例：無水マレイン酸変性低密度ポリエチレンまたはポリプロピレン）が用いられる。最外層フィルム９は、内側の金属箔層８を外傷から保護するためのもので、ポリエチレンテレフタレート（略称ＰＥＴ）等で形成されている。

封入袋６内に収容される電解質としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロドフランなどの有機溶媒に、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６等の電解質を溶解させた非水電解液や、リチウムイオン伝導性の固体電解質などが用いられる。

電極体は、隔膜１２を挟んで対峙する正極１１ａと負極１１ｂからなり、集電体と呼ばれる金属箔又はエキスパンドメタルの金属基材上に活物質層を形成した構造を有している。正極１１ａは、アルミ箔の電極導電体上にＬｉＣｏＯ_２等の還元酸化物粉末と導電剤のカーボン粉末と結着剤のバインダーとからなる活物質を形成して構成される。負極１１ｂは、銅箔からなる電極導電体上にカーボン粉末と結着剤のバインダーとからなる活物質を形成して構成される。正極１１ａと負極１１ｂとの間に配される隔膜１２は、電気的絶縁性を保持し、且つ、イオン伝導性保持するポリオレフィン系の多孔膜で形成される。

正極１１ａ、負極１１ｂには、スポット溶接や超音波溶接等により、リード部材のリード導体２２ａ，２２ｂが接続され、外部に電気的に取り出される。正極１１ａに接続されるリード導体２２ａは、正の高電位となるので電解液との接触により溶解が生じないように、電極板と同じアルミ又はチタン或いはこれらの合金で形成されているのが好ましい。負極１１ｂに接続されるリード導体２２ｂは、過充電でリチウムが析出し過放電で電位が高くなることから、リチウムに腐食されにくく、リチウムと合金が形成されにくく、且つ、高電位で溶解されにくい電極板と同じ銅又はニッケル或いはこれらの合金で形成されているのが好ましい。

リード部材のリード導体２２ａ，２２ｂの取り出し部分を覆う絶縁体２３ａ，２３ｂは、１層の樹脂フィルム片を貼り合わせて形成される。この樹脂フィルム片は、リード導体２２ａ，２２ｂをサンドイッチ状に挟むようにして付与され、加熱により融着されて接着一体化される。リード導体２２ａ，２２ｂと接着一体化された樹脂フィルム片は、全体が架橋され、架橋された絶縁体２３ａ，２３ｂとされる。架橋された絶縁体２３ａ，２３ｂは、封入袋６の最内層フィルム７に融接着されて、リード導体２２ａ，２２ｂの取り出し部分を密封封止する。

以上、非水電解質電池の例で説明したが、電気二重キャパシタにおいても、二次電池と同様に電極体と非水電解質媒体を用いた構造であり、本発明は非水電解質キャパシタのような電気二重層キャパシタにも適用することもできる。したがって、本発明では、非水電解質電池や非水電解質キャパシタを含めた非水電解質蓄電デバイスを対象とするものとする。

非水電解質キャパシタ（図示省略）も、例えば、隔膜を挟んで配された一対の電極体（電圧印加によって正極と負極に分極）を非水電解液に浸漬させ、封入袋体等に収納して構成される。非水系に用いる代表的な電解液としては、例えば、プロピレンカーボネートなどが挙げられる。電極体の電極材料には、活性炭や炭素繊維が用いられ、比表面積を高めるために賦活処理を行った後、導電材や架橋材と混合してシート状に成形される。そして、このシート状の活性炭に金属基材が接合されて電極体とされ、上述したリード部材のリード導体が金属基材に接続される。

図３は、上記のリード部材２１ａ，２１ｂの概略とその製造方法の一例を説明する図で、図３（Ａ）は、リード導体２２ａ，２２ｂの取り出し部分を絶縁体２３ａ，２３ｂで覆った状態の外観を示している。このリード部材２１ａ，２１ｂは、図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）に示すような方法で製造することができる。

まず、図３（Ｂ）に示すように、例えば、厚さ０.１ｍｍ、幅５.０ｍｍ程度の平形形状のリード導体２２ａ，２２ｂの両面を、絶縁体２３ａ，２３ｂで挟んで被覆する。絶縁体２３ａ，２３ｂの基材として、厚さが４０μｍ以下の矩形状の樹脂フィルム片２３が用いられる。この樹脂フィルム片２３としては、例えば、熱可塑性ポリオレフィン樹脂フィルム等、好ましくは酸変性ポリプロピレンフィルム或いは酸変性低密度ポリエチレンフィルムで、融点１２０℃ないし１６０℃程度のものが用いられる。次いで、図３（Ｃ）に示すように、樹脂フィルム片２３は、未架橋の状態で、例えば１５０℃程度にヒータ加熱して、リード導体２２ａ，２２ｂの表面上に熱融着により接着一体化される。

次いで、図３（Ｄ）に示すように、リード導体２２ａ，２２ｂに接着された樹脂フィルム片２３に電子線やガンマ線等の電離放射線を照射して全体を架橋する。「全体を架橋」とは、絶縁体２３ａ，２３ｂの外面から内面に至る厚さ方向全体にも架橋されていることをいう。また、架橋は、ゲル分率が１００％である必要はない。絶縁体が架橋されることにより、多層フィルム１０にヒートシールされた後にリード導体２２ａ，２２ｂと金属箔層８との短絡防止がなされればよく、ゲル分率が２０％以上あれば短絡防止の効果があるので、本発明でいう架橋されているということができる。ゲル分率が７０％以上あれば十分架橋されている。電離放射線の照射による架橋は、封入袋体の内面と接触する絶縁体表面の全体が含まれるようにして行われる。なお、絶縁体２３ａ，２３ｂに非架橋の部分を残さないので照射条件の管理が容易で、歩留まりを向上させることができる。

絶縁体の架橋には、架橋助剤が添加される。架橋助剤としては、アクリル酸またはメタクリル酸のエステル類等を挙げることができる。具体的には、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート等のアクリル酸またはメタクリル酸のエステル類；ジビニルベンゼン、ジビニルピリジン等のジビニル化合物；ジアリールフマレエート、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート等のアリルアルコールとアクリル酸またはメタクリル酸のエステル類等がある。添加量が多いほど架橋度は高くなるが、耐熱、老化性が低下するので最適値を選ぶ必要がある。架橋助剤の添加量は、２３重量％以下とするのがよい。

架橋助剤は、トリアリルイソシアヌレート（例えば、日本化成（株）製のＴＡＩＣ（登録商標）など）を使用することができ、その添加量は、０.５〜１０重量％が好ましい。
電離放射線の照射は、５０〜２００ｋＧｙがよく、好ましくは７０〜１３０ｋＧｙである。

上述した絶縁体２３ａ，２３ｂは、従来と同様にリード導体２２ａ，２２ｂの表面に熱融着により、良好に接着してリード導体を密封する。また、絶縁体２３ａ，２３ｂは熱融着された後、架橋により絶縁体表面の耐熱性を向上させることができ、絶縁体２３ａ，２３ｂの形状変化を抑え、封入袋体の最内層フィルムに熱融着して良好に密封封止することができる。

本発明においては、上述したように、絶縁体２３ａ，２３ｂは、１層の樹脂フィルムを貼り合わせて形成されるので、従来の熱可塑性の樹脂フィルムと架橋された樹脂フィルムを貼り合わせるものと比べて、絶縁体の厚さを小さくすることが可能となる。１層の樹脂フィルムの厚さを４０μｍ以下、２枚の樹脂フィルムが貼り合わされた部分の厚さを８０μｍ以下にすることができる。ただ、１層の樹脂フィルムの厚さが２０μｍ以下では、リード導体の金属バリが絶縁体を突き破る恐れがあり、また、樹脂フィルムの製造容易性の点から２０μｍ以上とするのが望ましい。

また、リード部材を単一の樹脂フィルムで形成することにより、従来の２枚の樹脂フィルを貼り合わせる工程がなくなる。この結果、コストを低減することが可能となるとともに、貼り合せ界面での剥がれ、マイクロクラックによる信頼性低下の可能性をなくすことができる。また、絶縁体の厚さを４０μｍ以下の厚さとすることにより、リード部材の柔軟性を向上させることができ、これにより、電子機器への設置、電気接続に対する自由度が高められるとともに、蓄電デバイスの小型化、薄型化を実現することができる。

本発明による非水電解質電池の概略を説明する図である。 本発明による非水電解質電池のリード部材の概略を説明する図である。 本発明によるリード部材の製造方法の概略を説明する図である。 従来の技術を説明する図である。 従来の非水電解質電池の外観を示す図である。

符号の説明

６…封入袋、７…最内層フィルム、８…金属箔層、９…最外層フィルム、１０…多層フィルム、１１ａ…正極、１１ｂ…負極、１２…隔膜、１３…非水電解質媒体、１４…シール部分、２１ａ，２１ｂ…リード部材、２２ａ，２２ｂ…リード導体、２３…樹脂フィルム片、２３ａ，２３ｂ…絶縁体。

Claims (3)

1. 電極体と非水電解質媒体が、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体に収納された非水電解質蓄電デバイスに使用されるリード部材であって、
   前記電極体に接続されるリード導体と、該リード導体に接着され前記封入袋体の内面に接着される絶縁体とを備え、
   前記絶縁体は、架橋助剤を２３重量％以下含み、厚さ２０μｍ〜４０μｍの１層の樹脂フィルムが前記リード導体を挟んで融着により貼り合わせられていると共に、外面から内面に至る厚さ方向の全体が架橋されていることを特徴とするリード部材。
2. 電極体と非水電解質媒体が、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体に収納された非水電解質蓄電デバイスに使用されるリード部材の製造方法であって、
   前記電極体に接続されるリード導体に、架橋助剤を２３重量％以下含み、厚さ２０μｍ〜４０μｍの１層の樹脂フィルムからなる絶縁体を前記リード導体を挟むように熱融着により貼り合わせて接着して被覆した後、前記絶縁体の外面から内面に至る厚さ方向の全体を電離放射線の照射により架橋することを特徴とするリード部材の製造方法。
3. 電極体と非水電解質媒体が、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体に収納された非水電解質蓄電デバイスであって、
   請求項１に記載のリード部材を備えていることを特徴とする非水電解質蓄電デバイス。

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