JP5445281B2 - 電気化学セル用包装材料及びそれを用いた電気化学セル - Google Patents

Description

本発明は、電気化学セル用包装材料及びそれを用いた電気化学セルに関し、特に、容易に連結可能で、耐振性を備える電気化学セル用包装材料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液を持ち、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。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／電解液層／負極活性物質層／負極集電材から構成される電池本体及び、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多層フィルムが用いられる。

図３は従来の電気化学セル用包装材料の層構成を示す断面図であり、図３に示すように、従来の電気化学セル用包装材料２１０は、延伸ナイロンフィルム層２１１、アルミニウム箔層２１２、酸変性ポリプロピレン層２１４、ポリプロピレン層２１５が順次積層して構成されている。

図４は従来のエンボスタイプのリチウムイオン電池２２１の斜視図であり、リチウムイオン電池２２１は、金属端子２２４を外装体２２０外部に突出させた状態で挟持し、その挟持部分を含む周縁部２２０ａをヒートシールして、外装体２２０内部に電解液を含むリチウムイオン電池本体２２２を密封収納している。

従来、リチウムイオン電池が携帯電話、ノートパソコン等の小型電化製品に用いられていたのに対し、近年、電動式自転車、自動車等に用いられる傾向にあり、それに伴い、リチウムイオン電池が大型化及び高出力化するとともに、複数のリチウムイオン電池をスタック状に連結させて、より高出力の電力源として使用する傾向にある。具体的には、特許文献１、２、３に示される種々の形状からなる枠体を用いて複数のリチウムイオン電池を連結する方法が提案されている。

特開２００５−１９７１７９号公報 特開２００６−１５６１８５号公報 特開２００５−３０２５０１号公報

しかし、枠体を使用してスタック状にリチウムイオン電池を連結する場合、容積当たりの出力を上げるためにできるだけコンパクトに設計する必要があり、また、車体に搭載し長時間使用するためには、走行中の揺れに対する耐振性を十分に備える必要があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、容易に連結可能で、耐振性を備える電気化学セル用包装材料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の構成は、基材層と、金属箔層と、熱接着性樹脂層とを、少なくとも順次積層して構成される電気化学セル用包装材料であって、基材層の最外層上面に接着層と、接着層を被覆するカバーフィルムとを備え、接着層と基材層との接着強度が、接着層とカバーフィルムとの接着強度より高いことを特徴とする。

この構成によると、電気化学セル用包装材料を外装体として電気化学セルを作製した後、カバーフィルムを剥離することにより、基材層表面に接着層が露出するため、接着層を介して電気化学セル同士を直接連結することができる。これにより、スタック状に連結された電気化学セル全体の容積をコンパクトに設計することができ、容積当たりの出力を向上させることができる。

本発明の第２の構成は、上記電気化学セル用包装材料において、接着層は粘着付与樹脂を含有するポリオレフィン樹脂であることを特徴とする。

この構成によると、ポリオレフィン樹脂が連結する電気化学セルの間で緩衝材として機能し、走行中の揺れに対する耐振性を付与することができる。

本発明の第３の構成は、上記電気化学セル用包装材料において、カバーフィルムは接着層との接合面に離型処理が施されていることを特徴とすることを特徴とする。

この構成によると、接着層を基材層側に残してカバーフィルムを容易に剥離することができる。

本発明の第４の構成は、上記電気化学セル用包装材料において、離型処理がシリコン系樹脂によるコーティング処理であることを特徴とする。

この構成によると、カバーフィルム表面に容易に離型処理を施すことができる。

本発明の第５の構成は、上記電気化学セル用包装材料において、カバーフィルムがポリエチレンテレフタレートフィルムにより構成されることを特徴とする。

この構成によると、カバーフィルムの強度が高まり、カバーフィルムの剥離が容易になる。

本発明の第６の構成は、上記電気化学セル用包装材料において、カバーフィルムがナイロンフィルムにより構成されることを特徴とする。

この構成によると、電気化学セル用包装材料のエンボス成形性が向上する。

本発明の第７の構成は、上記電気化学セル用包装材料を用いて作製されたことを特徴とする電気化学セル。

この構成によると、容易に連結可能な電気化学セルを提供することができる。

は、本発明の電気化学セル用包装材料の層構成を示す断面図である。 は、本発明の電気化学セル用包装材料を用いて形成された外装体で構成されるリチウムイオン電池の側面図である。 は、従来の電気化学セル用包装材料の層構成を示す断面図である。 は、従来の電気化学セル用包装材料を用いて形成された外装体で構成されるリチウムイオン電池の斜視図である。

本発明は、容易に連結可能で、耐振性を備える電気化学セル用包装材料であり、図等を利用してさらに詳細に説明する。なお、従来例の図３、図４と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図１は本発明の実施形態の一例である電気化学セル用包装材料の層構成を示す断面図であり、図１に示すように、本実施形態に係る電気化学セル用包装材料１１０はポリエチレンテレフタレートフィルム（以下、ＰＥＴフィルムという）１１６、酸変性ポリエチレン１１７、延伸ナイロンフィルム層１１１、アルミニウム箔層１１２、酸変性ポリプロピレン層１１４、ポリプロピレン層１１５が順次積層して構成されている。なお、本発明の電気化学セル用包装材料１１０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。また、ＰＥＴフィルム１１６は本発明における「カバーフィルム」の一例であり、酸変性ポリエチレン１１７は本発明における「接着層」の一例であり、延伸ナイロンフィルム層１１１は本発明における「基材層」の一例であり、アルミニウム箔層１１２は本発明における「金属箔層」の一例であり、酸変性ポリプロピン層１１４及びポリプロピレン層１１５は本発明における「熱接着性樹脂層」の一例である。

ここで、ＰＥＴフィルム１１６は酸変性ポリエチレン１１７との接着面において、シリコン系樹脂コーティングによる離型処理が施されている。このため、酸変性ポリエチレン１１７と延伸ナイロンフィルム層１１１との接着強度の方が、酸変性ポリエチレン１１７とＰＥＴフィルム１１６との接着強度より高く、ＰＥＴフィルム１１６を剥離すると、延伸ナイロンフィルム層１１１表面に酸変性ポリエチレン１１７を露出させることができる。また、酸変性ポリエチレン１１７は粘着性付与樹脂を含有しており、粘着性又は感圧性を有する。したがって、図２に示すように、接着性を有する酸変性ポリエチレン１１７を介して複数のリチウムイオン電池２２１を直接連結することができる。この方法により、スタック状に連結されたリチウムイオン電池２２１をコンパクトに設計することができ、容積当たりの出力を高めることができる。また、電気化学セル用包装材料１１０の段階で酸変性ポリエチレン１１７とＰＥＴフィルム１１６とを備えるため、電気化学セル用包装材料１１０を成形加工して電池用外装体２２０を形成し、リチウムイオン電池本体２２２を収納してリチウムイオン電池２２１を完成させた後、ＰＥＴフィルム１１６を剥離するだけで、容易にリチウムイオン電池２２１同士を連結することができる。

なお、ＰＥＴフィルム１１６に施す離型処理はシリコン系樹脂によるコーティングに限定されず、フッ素系樹脂及びその他公知のコーティング材を用いてもよい。

また、ＰＥＴフィルム１１６は酸変性ポリエチレン１１７を保護するのに十分な強度を有していればよく、本発明における「カバーフィルム」として、ポリエチレンテレフタレート以外に、ポリアミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ（登録商標））、ポリアセタール（ＰＯＭ）、環状ポリオレフィン、ポリエチレン（ＰＰ）等の無延伸または延伸フィルムを用いることができる。なお、ポリエチレンテレフタレートは安価で強度が強く、離型処理において取扱いが容易になるためより望ましい。

また、酸変性ポリエチレン１１７に含有する粘着性付与樹脂としては、例えば、ロジン類（重合ロジン、水添ロジン、ロジンエステル等）、テルペン樹脂、テルペンフェノール樹脂、クマロンインデン樹脂、石油樹脂などがある。

また、酸変性ポリエチレン１１７は残留溶剤がなく耐薬品性、耐水性及び耐油性に優れるため、接着強度を長期間維持することができる。また、酸変性ポリエチレン以外の樹脂を用いてもよく、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を用いてもよい、また、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。

また、酸変性ポリエチレン１１７は連結するリチウムイオン電池２２１の間で緩衝材として機能し、走行中の揺れに対して優れた耐振性を有するが、エラストマー樹脂を酸変性ポリエチレン１１７に混合して耐振性をさらに向上させることができる。エラストマー樹脂を混合することにより柔軟性、耐熱性、耐衝撃性を向上させることができる。なお、エラストマー以外にタッキファイアを添加してポリオレフィン樹脂に柔軟性等を付与することも可能である。これにより、電気化学セル用包装材料１１０の成形性を向上させることができる。また、酸変性ポリエチレン１１７の層厚を厚く設けて耐振性を向上させてもよい。また、酸変性ポリエチレン１１７は延伸ナイロンフィルム層１１１上面において、全面に形成してもよいし、リチウムイオン電池２２１が連結する所定領域にのみ形成してもよい。なお、本発明における「接着層」は、粘着性付与剤を含有する酸変性ポリエチレン以外に例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などの接着剤を用いてもよい。

延伸ナイロンフィルム層１１１は、延伸ナイロンフィルム以外にも延伸ポリエステルを用いることができ、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。

アルミニウム箔層１１２は、外部からリチウムイオン電池１２１の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を用いる。

また、ピンホールの発生を改善し、リチウムイオン電池の外装体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、アルミニウム箔層１１２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、外装体として折り曲げによるピンホールの発生が少なくなり、包装材料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、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。

酸変性ポリプロピレン層１１４はアルミニウム箔層１１２とポリプロピレン層１１５とを安定して接着するために設ける層であり、ポリプロピレン層１１５に用いる樹脂種により適宜選択して用いる必要がある。酸変性ポリプロピレン以外の酸変性ポリオレフィン樹脂を用いる場合、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があり、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。

また、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。

ポリプロピレン層１１５は、ポリプロピレンが好適に用いられるが、熱接着性を有するポリオレフィンを用いることができる。例えば、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を使用することができる。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、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。

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。

１１０、２１０ 電気化学セル用包装材料
１１１、２１１ 延伸ナイロンフィルム層（基材層）
１１２、２１２ アルミニウム箔層（金属箔層）
１１４、２１４ 酸変性ポリプロピレン層（熱接着性樹脂層）
１１５、２１５ ポリプロピレン層（熱接着性樹脂層）
１１６ ＰＥＴフィルム
１１７ 酸変性ポリエチレン
２２０ 外装体
２２０ａ 周縁部
２２１ リチウムイオン電池
２２２ リチウムイオン電池本体
２２４ 金属端子

Claims (7)

1. 基材層と、金属箔層と、熱接着性樹脂層とを、少なくとも順次積層して構成される電気化学セル用包装材料であって、
   前記基材層の最外層上面に接着層と、前記接着層を被覆するカバーフィルムとを備え、
   前記接着層と前記基材層との接着強度が、前記接着層と前記カバーフィルムとの接着強度より高いことを特徴とする電気化学セル用包装材料。
2. 前記接着層は粘着付与樹脂を含有するポリオレフィン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル用包装材料。
3. 前記カバーフィルムは前記接着層との接合面に離型処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載の電気化学セル用包装材料。
4. 前記離型処理がシリコン系樹脂によるコーティング処理であることを特徴とする請求項３に記載の電気化学セル用包装材料。
5. 前記カバーフィルムがポリエチレンテレフタレートフィルムにより構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気化学セル用包装材料。
6. 前記カバーフィルムがナイロンフィルムにより構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気化学セル用包装材料。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気化学セル用包装材料を用いて作製されたことを特徴とする電気化学セル。

Images