JP5463846B2 - 非水電解質蓄電デバイス用リード部材および非水電解質蓄電デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質蓄電デバイスに用いられる正極、負極用のリード部材、および該リード部材を金属箔を含む積層フィルムからなる封入袋体で封止してなる非水電解質蓄電デバイスに関する。
小型電子機器の電源として、リチウムイオン電池などの非水電解質電池が用いられている。この非水電解質電池としては、正極板、負極板および電解液を、多層フィルムからなる封入袋体に収納し、正極板、負極板に接続したリード部材を密封封止して外部に取り出す構造のものが知られている。封入袋体を形成する多層フィルムは、最内層フィルムと最外層フィルムとの間に、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が用いられている。また、リード部材は、正極側にアルミニウムまたはチタンアルミニウム合金の導体が用いられ、負極側に銅またはニッケル銅合金の導体が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
非水電解質電池等の非水電解質蓄電デバイスに用いられるリード部材は、通常、厚さが０.０５〜０.５０ｍｍの導体箔をタブ状にカットし、このタブ状導体に封入袋体との封止部分に絶縁フィルムを貼り付けて形成されるが、使用する導体の抗張力および伸びにより、種々の問題が生じる。リード部材の導体となるアルミニウム導体箔、および、銅導体箔の何れにおいても、軟質の材料であると切断時に切断バリや切断粉が生じることがある。
切断バリ（０.０５ｍｍ以上のバリ）は、絶縁フィルムを破り封入袋体の金属箔層と電気短絡を起こしたり、シール性が劣化して電解液が漏れるなどで、長期信頼性を低下させる恐れがある。また、切断粉は、絶縁フィルムとの密着性が悪くなるので除去する必要があるが、製造コストを増加することになる。
また、リード部材の導体が軟質の材料の場合、折れ曲がりやすく、変形して形状不良を起こしやすいという問題がある。折れ曲がり状態によっては密封封止が不可となり、使用が不可能となる。また、導体が変形しやすいと、切断紛等の異物除去をエアブロー等で簡単に除去しにくくなる。このため、導体素材の取り扱い等で、異物が付着したまま巻取られたりすると、導体表面に異物が押し付けられることによる打痕が生じやすく、取り扱いの容易性という点に問題がある。
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、リード部材の導体に、切断バリや切断紛の生じにくい硬質な材料を用いることにより、長期信頼性と取り扱い性が改善された非水電解質蓄電デバイス用リード部材および該リード部材を使用した非水電解質蓄電デバイスの提供を目的とする。
本発明による非水電解質蓄電デバイス用リード部材は、厚さが０.０５〜０.５０ｍｍ、伸びが２％以上１５％以下および抗張力が１００ＭＰａ以上の加工硬化されたアルミニウム、または、厚さが０.０５〜０.５０ｍｍ、伸びが２％以上１５％以下および抗張力が２１５ＭＰａ以上の加工硬化された銅からなる箔状のリード導体に、絶縁フィルムが両面から貼り合わされたことを特徴とする。
また、本発明による非水電解質蓄電デバイスは、その正極側をアルミニウム、負極側を銅からなるリード導体として、上記の非水電解質蓄電デバイス用リード部材を用い、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体で封止する。その他、非水電解質蓄電デバイスの正極側および負極側の双方をアルミニウムからなるリード導体とし、上記の非水電解質蓄電デバイス用リード部材を用い、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体で封止するようにしてもよい。
また、本発明による非水電解質蓄電デバイスは、その正極側をアルミニウム、負極側を銅からなるリード導体として、上記の非水電解質蓄電デバイス用リード部材を用い、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体で封止する。その他、非水電解質蓄電デバイスの正極側および負極側の双方をアルミニウムからなるリード導体とし、上記の非水電解質蓄電デバイス用リード部材を用い、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体で封止するようにしてもよい。
本発明によれば、リード部材の導体の切断バリや切断紛の発生が抑制され、非水電解質蓄電デバイスを長期信頼性に優れたものとすることができる。また、リード部材の変形が少なく取り扱い性も改善されて、製造コストの増加を抑えることができる。
図１により本発明による非水電解質蓄電デバイスの概略を説明する。図１（Ａ）は、非水電解質電池の組立て形態を説明する図、図１（Ｂ）はその外観を示す図である。図中、１は封入袋体、２は積層電極群、３は正極側のリード部材、４は負極側のリード部材、５は絶縁フィルム、６はシール部を示す。
非水電解質蓄電デバイスは、リチウムイオン電池などの非水電解質電池、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）やリチウムイオンキャパシタなどのキャパシタなどを含む。電気二重層コンデンサでは正極側も負極側もリード部材の導体にはアルミニウムが使用される。リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタでは正極側のリード部材の導体にはアルミニウムが、負極側では銅が使用される。銅はニッケルメッキして使用されることが多い。
非水電解質電池は、正極板と負極板をセパレータを介して積層した積層電極群２と電解液を、金属箔を含む多層フィルムからなる封入袋体１に収納し、正極板に接続したリード部材３、負極板に接続したリード部材４を封入袋体１のシール部６から密封封止した状態で取り出して構成される。封入袋体１の多層フィルムは、後述するように、金属箔の両面に樹脂フィルムを貼り合わせて形成される。
封入袋体１は、非水電解質電池の外装ケースとなるもので、例えば、矩形状の２枚の多層フィルム周辺のシール部６を、熱溶着によりシールすることにより密封される。リード部材３，４のシール部６からの取り出し部分には、絶縁フィルム５が予め熱溶着により接合されている。この絶縁フィルム５により、封入袋体１の多層フィルムに対してシール性の低下を防止し、リード部材３，４と多層フィルム内の金属箔との電気的接触を防止している。
次に、図２により、リード部材３，４の詳細について説明する。図２（Ａ）はリード部材の概略を示す図、図２（Ｂ）（Ｃ）はリード部材の取り出し状態を示す図である。
リード部材３，４は、厚さが０.０５ｍｍ〜０.５０ｍｍ程度の薄い導体箔を長方形状にカットしてリード導体３’，４’とし、このリード導体の封入袋体からの取り出し部分に絶縁フィルム５を貼り付けて構成される。絶縁フィルム５は、リード導体の両面に位置を合わせて貼り合わされる。この絶縁フィルム５は、リード導体３’，４’の長さより短く、リード導体の幅より広いものが用いられる。
リード部材３，４は、厚さが０.０５ｍｍ〜０.５０ｍｍ程度の薄い導体箔を長方形状にカットしてリード導体３’，４’とし、このリード導体の封入袋体からの取り出し部分に絶縁フィルム５を貼り付けて構成される。絶縁フィルム５は、リード導体の両面に位置を合わせて貼り合わされる。この絶縁フィルム５は、リード導体３’，４’の長さより短く、リード導体の幅より広いものが用いられる。
絶縁フィルム５は、例えば、図２（Ｂ）に示すように、リード導体３’，４’の金属面に接着または溶着する内側層５ａと封入袋体１と融着される外側層５ｂの２層で形成することができる。内側層５ａは、予め加熱溶融によりリード導体に密着させて、導体界面における良好な密封封止を形成しておく。外側層５ｂは、内側層５ａのよりは融点の高いものが用いられ、リード導体３’，４’との密封封止時には溶融が生じないようにして形状を保持する。そして、封入袋体１とのシール時に、外側層５ｂと封入袋体１と融着させることで、封入袋体１内の金属箔とリード導体が電気的に短絡が生じないようにすることができる。
封入袋体１を形成する多層フィルムは、少なくとも３層の積層体からなり、その最内層フィルム１ａは、電解液で溶解されずシール部６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。金属箔層１ｂは、アルミニウム、銅、ステンレス等の金属箔が用いられ、電解液に対する密封性を高めている。最外層フィルム１ｃは、薄い金属箔層１ｂを保護するためのもので、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等で形成されている。
正極側のリード部材３のリード導体３’は、高い電位がかかるため高電位で電解液に溶解しない金属材で、通常は、アルミニウムまたはチタンアルミニウム合金で形成される。負極側のリード部材４のリード導体４’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、また、リチウムと合金が形成されにくく、かつ高電位で溶解されにくい銅またはニッケル銅合金で形成される。
リード導体３’，４’は、通常、熱処理（焼きなまし）により軟質化したＯ材と呼ばれる材料で形成され、正極側のリード導体３’（アルミニウム）は、抗張力が４５ＭＰａ〜１００ＭＰａ未満、伸びが７％以上である。また、負極側のリード導体４’（銅）は、抗張力が２００ＭＰａ前後で、伸びが３０％以上である。しかし、これら軟質のリード導体は、所定の形状にカットする際のバリ（高さ０.０５ｍｍ以上）が生じやすく、また、軟質のため折れ曲がりやすく取り扱いにくい。
本発明は、リード導体３’，４’を、加工硬化された硬質のＨ材と呼ばれる材料で形成する。正極側のリード導体３’（アルミニウム）は、抗張力が１００ＭＰａ以上で、伸びが２％以上１５％以下のＨ材で形成される。負極側のリード導体４’（銅）は、抗張力が２１５ＭＰａ以上で、伸びが２％以上１５％以下のＨ材で形成される。これら硬質のリード導体は、所定の形状にカットする際のバリ（高さ０.０５ｍｍ以上）ができにくく、また、硬質のため折れ曲がりにくく取り扱いやすい。
正極側のリード部材のアルミニウムまたはチタンアルミニウム合金からなる導体、および、負極側のリード部材の銅またはニッケル銅合金からなる導体を、加工硬化された上記のＨ材を用いることにより、バリによる絶縁フィルムの損傷を低減し、封入袋体の金属箔層との電気短絡の発生や、電解液の漏れ発生が防止でき、長期信頼性を高めることができる。
また、リード導体が硬質化されることで、導体表面に付着した切断紛や異物を、エアブロー処理（空気に吹き付け）で容易に除去することが可能となり、また、不用意な折り曲げが低減されるので、作業性を高めて不良品の発生を少なくでき、製造コストを抑制することが可能となる。
また、リード導体が硬質化されることで、導体表面に付着した切断紛や異物を、エアブロー処理（空気に吹き付け）で容易に除去することが可能となり、また、不用意な折り曲げが低減されるので、作業性を高めて不良品の発生を少なくでき、製造コストを抑制することが可能となる。
上記の説明では正極側のリード導体がアルミ、負極側のリード導体が銅である場合について説明したが、電気二重層コンデンサに使用する場合は正極側、負極側ともリード導体がアルミニウムである。Ｈ材（硬材）のアルミニウムを使用した本発明のリード部材は電気二重層コンデンサの負極側リード部材にも使用することができる。
図３（Ａ）に示すようにして、繰り出しロール１２から繰り出された厚さ０.１０ｍｍの長尺のアルミニウム箔または銅箔を円盤状の刃１４で長さ方向に切断し、巻取りロール１３で巻き取った。円盤状の刃１４はその中心を通る軸１４ａに固定され、軸ごと回転する。刃１４は、アルミニウム箔または銅箔の金属箔１１に押し付けられ、アルミニウム箔または銅箔の金属箔１１が長さ方向に送られる速度に合わせて回転し、アルミニウム箔または銅箔を長さ方向に切断する。
金属箔１１を切断することにより刃１４が劣化すると、金属箔１１の切断面にバリが出てくる。アルミニウム箔または銅箔を切断したときに、高さ０.０５ｍｍ以上のバリが出るようになるまでに切断できた金属箔１１の長さを調べた。なお、バリの高さを０.０５ｍｍとしたのはそれ以上のバリが出ると、絶縁フィルムの長期信頼性が低下して不良品となるからである。
アルミニウムＨ材（抗張力 １００ＭＰａ） ７.５ｋｍ
アルミニウムＯ材（抗張力 ７５ＭＰａ） ５ｋｍ
銅Ｈ材（抗張力 ２１５ＭＰａ） ６ｋｍ
銅Ｏ材（抗張力 １９５ＭＰａ） ３.５ｋｍ
アルミニウムＨ材（抗張力 １００ＭＰａ） ７.５ｋｍ
アルミニウムＯ材（抗張力 ７５ＭＰａ） ５ｋｍ
銅Ｈ材（抗張力 ２１５ＭＰａ） ６ｋｍ
銅Ｏ材（抗張力 １９５ＭＰａ） ３.５ｋｍ
アルミニウム箔、銅箔ともＨ材を使用した方が、Ｏ材を使用した場合に比べて、刃１４が交換必要となるほど劣化するまでの間に、長い導体を切断することができる。
リード導体を打ち抜いて切断する場合は、Ｈ材を使用する方がＯ材を使用する場合に比べて、刃が交換必要となるほど劣化するまでの間に、多くの導体を切断することができる（ショット数を増やすことができる）。
リード導体を打ち抜いて切断する場合は、Ｈ材を使用する方がＯ材を使用する場合に比べて、刃が交換必要となるほど劣化するまでの間に、多くの導体を切断することができる（ショット数を増やすことができる）。
次にエアブローによる異物除去についてＨ材の金属箔（アルミニウム箔または銅箔）を使用した場合と、Ｏ材の金属箔（アルミニウム箔または銅箔）を使用した場合と、を比較した。
図３（Ｂ）に示すように、繰り出しロール１５から繰り出されたアルミニウム箔または銅箔の金属箔１１を巻き取りロール１６で巻き取り、両ロールの間で吹出しノズル１７から空気を吹き付けて切断粉や異物を除去した。
図３（Ｂ）に示すように、繰り出しロール１５から繰り出されたアルミニウム箔または銅箔の金属箔１１を巻き取りロール１６で巻き取り、両ロールの間で吹出しノズル１７から空気を吹き付けて切断粉や異物を除去した。
アルミニウムＨ材、または銅Ｈ材を使用した場合に、８０リットル／分の空気をノズルから吹き付けると問題なく異物が除去でき、金属箔の変形が認められなかった。吹き付ける空気の量の許容範囲は７０〜９０リットル／分である。しかし、アルミニウムＯ材または銅Ｏ材を使用した場合は、８０リットル／分の空気の吹きつけにより導体が折れ曲がり変形する箇所が１５個／ｋｍ〜２０個／ｋｍ認められた。このような折れ曲がり変形箇所は不良であるので、その場所を除去しなければならない。
金属箔Ｈ材を使用する場合は、金属箔Ｏ材を使用する場合よりも、空気を吹き付けて切り粉や異物を除去するときの歩留まりが良かった。また、空気を吹き付けて異物等除去する場合は、刷毛等で異物を除去する場合よりも線速を上げることができ、効率的にリード導体を生産することができる。リード導体を圧延するときに圧延ロールに異物がつくと、その異物がリード導体となる金属箔に押しつられて痕が付くことがある。これを打痕が付くという。アルミニウムＨ材または銅Ｈ材を使用した場合は、打痕は２個／ｋｍであったが、アルミニウムＯ材または銅Ｏ材を使用した場合は、打痕が２５個／ｋｍであった。打痕がつくと当該箇所は不良となる。打痕の点でも金属箔Ｈ材を使用すると金属箔Ｏ材を使用するよりも歩留まりが良かった。
１…封入袋体、１ａ…最内層フィルム、１ｂ…金属箔層、１ｃ…最外層フィルム、２…積層電極群、３…正極側のリード部材、４…負極側のリード部材、５…絶縁フィルム、６…シール部。
Claims (3)
- 厚さが０.０５〜０.５０ｍｍ、伸びが２％以上１５％以下および抗張力が１００ＭＰａ以上の加工硬化されたアルミニウム、または、厚さが０.０５〜０.５０ｍｍ、伸びが２％以上１５％以下および抗張力が２１５ＭＰａ以上の加工硬化された銅からなる箔状のリード導体に、絶縁フィルムが両面から貼り合わされていることを特徴とする非水電解質蓄電デバイス用リード部材。
- 正極側をアルミニウム、負極側を銅からなるリード導体とし、請求項１に記載の非水電解質蓄電デバイス用リード部材を用い、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体で封止したことを特徴とする非水電解質蓄電デバイス。
- 正極側および負極側の双方をアルミニウムからなるリード導体とし、請求項１に記載の非水電解質蓄電デバイス用リード部材を用い、金属箔層を含む多層フィルムからなる封入袋体で封止したことを特徴とする非水電解質蓄電デバイス。
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