JP5620464B2 - フィルム外装電気デバイス用ケースおよび該フィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池やキャパシタに代表される、電気デバイス要素を外装フィルムに収容したフィルム外装電気デバイスを収納するフィルム外装電気デバイス用ケースおよび該フィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法に関する。

近年、モータ駆動用のバッテリを搭載する電気自動車やハイブリッド電気自動車（以下、単に「電気自動車等」ともいう）の開発が急速に進められつつある。電気自動車等に搭載される電池にも、電気自動車の操縦特性、走行距離を向上させるため、当然ながら、軽量、薄型化が求められている。電池を軽量かつ薄型とするため、その外装体にアルミニウムなどの金属層と熱溶着性の樹脂層とを接着剤層を介して重ね合わせて薄いフィルムとなしたラミネート材を用いたフィルム外装電池が開発されている。ラミネート材は、一般に、アルミニウム等の薄い金属層の両表面を薄い樹脂層で被覆した構造をなしており、酸やアルカリに強く、かつ軽量で柔軟な性質を有するものである。

発電要素をラミネート材で被覆したフィルム外装電池は軽量である一方、剛性が低く、振動、衝撃の影響を受け易いため、車両に搭載する場合、これらの課題を解決する必要がある。この課題を解決するため、特許文献１に開示されているように、ケース内にフィルム外装電池を挟持固定する技術が従来より知られている。この方法は、剛性の確保、あるいは衝撃からの保護といった点では有利であるが、振動を吸収することは困難である。

振動を吸収する方法としては低硬度のゴムを圧縮して用いる方法がある。しかしながら、低硬度のゴムであっても、ゴムが圧縮された場合のその反力は、圧縮変形量に比べて急激に立ち上がることは既知であり、良好な振動吸収特性を得ることは困難であった。また、ゴムの場合、重量が増加してしまう場合がある。

一方、特許文献２には、フィルム外装電池をケース内に収納し、ケースとフィルム外装電池との間にポッティング材を充填するモジュール電池が開示されている。

特開平１０−０１２２７８号公報 特開２００４−３９４８５号公報

特許文献２に開示されている構造は、ゴムのように反力が急激に立ち上がることもなく、また、ゴムに比べて軽量化が可能である。しかしながら、特許文献２に開示されている構造は、ポッティング材が発電要素を含む電池全体を覆い尽くすようにしてケースと電池との間に充填されているものである。このため、放熱特性に問題を生じる場合がある。すなわち、ポッティング材が断熱材として機能してしまい、発電要素からの熱を外部に放熱しきれず、電池が過熱状態となり、その結果、電池寿命を短くしてしまう場合がある。

また、ゴムに比べて軽量であるとはいえ、ケースと電池との間に隙間なくポッティング材が充填された構成の電池を複数接続して組電池化すると、やはり重量が増加してしまう。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、重量増加を抑制しつつ、良好な振動吸収特性および冷却特性を得ることが可能なフィルム外装電気デバイス用ケースおよび該フィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のフィルム外装電気デバイス用ケースは、充放電可能な電気デバイス要素と、電気デバイス要素を覆う外装フィルムと、電気デバイス要素に接続し、外装フィルムから突出する電極とを有するフィルム外装電気デバイスを収納するフィルム外装電気デバイス用ケースであって、フィルム外装電気デバイスと向かい合う面にてフィルム外装電気デバイスを挟持し、電気デバイス要素に対応する領域に開口部を有する枠部材と、フィルム外装電気デバイスの電極を保持する保持材と、を有し、保持材が、枠部材のフィルム外装電気デバイスと向かい合う面上であって、電極に対応する位置にのみ設けられている。

上記の通り構成された本発明のフィルム外装電気デバイス用ケースは、保持材を、開口部を有する枠部材のフィルム外装電気デバイスと向かい合う面に有し、この保持材がフィルム外装電気デバイスを保持する。すなわち、保持材は、開口部には設けられていないので電気デバイス要素が発生した熱を蓄熱してしまうことがなく、また、冷却風が供給された場合、保持材が冷却を阻害することもない。また、フィルム外装電気デバイスは保持材によって保持されていることで、外部からの衝撃、あるいは振動がフィルム外装電気デバイスに伝わるのを防止することができる。さらに、電気デバイス要素の部分に保持材がない分だけ軽量化を図ることができる。

本発明のフィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法は、充放電可能な電気デバイス要素と、電気デバイス要素を覆う外装フィルムと、電気デバイス要素に接続し、外装フィルムから突出する電極とを有するフィルム外装電気デバイスを収納するフィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法であって、電気デバイス要素に対応する領域に開口部を有し、フィルム外装電気デバイスと対向してフィルム外装電気デバイスを挟持する枠部材を成形する枠部材成形工程を有し、枠部材成形工程は、枠部材のフィルム外装電気デバイスと向かい合う面上であって、電極に対応する位置に、フィルム外装電気デバイスの電極を保持する保持材を成形する工程を含んでいる。

上記の通りの本発明のフィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法によれば、枠部材の成形と同時に保持材を成形することができるため、別途、保持材を取り付けるといった工程を省略することができる。また、本発明の製造方法は保持材を成形加工するので保持材の形状の自由度が高くなる。

本発明によれば、枠部材のフィルム外装電気デバイスと向かい合う面にのみ保持材を設け、これによりフィルム外装電気デバイスを保持し、開口部には保持材は設けていないので、重量増加を抑制しつつ、良好な振動吸収特性および放熱特性を得ることができる。

本発明に適用可能なフィルム外装電池の外観斜視図である。 フィルム外装電池を収納する、本発明のセルケースの一例の分解斜視図である。 フィルム外装電池、および該フィルム外装電池を収納したセルケースの断面図である。 フィルム外装電池を収納したセルケースの斜視図である。 保持材の他の形状の例を示す斜視図である。 保持材の配置例を示すためのフィルム外装電池の斜視図である。 ２色成形工法により成形した、波型と凹部で構成された保持材の断面形状例を示す断面図である。 ２色成形工法により成形した、互いに対向する凸部で構成された保持材の断面形状例を示す断面図である。

本発明の実施の一形態を図面を参照して以下に説明する。

図１に本実施形態のフィルム外装電池の外観斜視図を示す。

本実施形態のフィルム外装電池１は、正極側活電極、負極側活電極、および電解液を有する発電要素２と、アルミニウムなどの金属フィルムと熱融着性の樹脂フィルムとを重ね合わせて形成したラミネートフィルム７とを有する。フィルム外装電池１は、２枚のラミネートフィルム７によって発電要素２を密封した構造である。すなわち、本実施形態のフィルム外装電池１は、ラミネートフィルム７の４辺である熱融着部７ａのうち、まず３辺を熱融着して袋状としておく。内部の空気は真空引きにより開放している残りの１辺から排気される。最後に、残りの１辺の熱融着部７ａが熱融着されることで２枚のラミネートフィルム７によって発電要素２が密封封止される。

フィルム外装電池１の発電要素２は、セパレータを介して積層された正極側活電極と負極側活電極とからなる積層型であってもよい。あるいは、発電要素２は、帯状の正極側活電極と負極側活電極とをセパレータを介して重ねこれを捲回した後、扁平状に圧縮することによって正極側活電極と負極側活電極とが交互に積層された構造の捲回型であってもよい。

また、発電要素２としては、正極、負極および電解質を含むものであれば、通常の電池に用いられる任意の発電要素が適用可能である。一般的なリチウムイオン二次電池における発電要素は、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質をアルミニウム箔などの両面に塗布した正極板と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を銅箔などの両面に塗布した負極板とを、セパレータを介して対向させ、それにリチウム塩を含む電解液を含浸させて形成される。発電要素２としては、この他に、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムメタル一次電池あるいは二次電池、リチウムポリマー電池等、他の種類の化学電池の発電要素が挙げられる。さらに、本発明は、電気二重層キャパシタなどのキャパシタや電解コンデンサといった電気エネルギを内部に蓄積する電気デバイス要素を外装フィルムで封止した電気デバイスにも適用可能である。

発電要素２は、複数の正極側活電極と複数の負極側活電極とを有し、最も外側が負極側活電極となるように、これらが交互に積層されている（図３参照）。正極側活電極と負極側活電極との間、および最も外側の負極側活電極のさらに外側には、それぞれセパレータが配置されている。正極側活電極および負極側活電極の１辺からは、それぞれタブ２ａが突出して設けられている。正極側活電極のタブ２ａと負極側活電極のタブ２ａは、正極側活電極のタブ２ａ同士、および負極側活電極のタブ２ａ同士が重なるように、互いに異なる位置に設けられている。

これら正極側活電極のタブ２ａ同士、および負極側活電極のタブ２ａ同士は、一括して超音波溶接され、それぞれ正極集電部３ａおよび負極集電部４ａを形成する。正極集電部３ａには正極用電極端子３が接続され、負極集電部４ａには負極用電極端子４が接続される。

フィルム外装電池１の短手方向の熱融着部７ａからは、正極側活電極に接続された正極用電極端子３および負極側活電極に接続された負極用電極端子４がそれぞれ対向して延出している。正極用電極端子３としてはアルミニウムが多く用いられ、また、負極用電極端子４としては銅またはニッケルがその電気的特性により多く用いられている。以下、正極用電極端子３と負極用電極端子４とをまとめて単に電極と称する場合もある。

フィルム外装電池１の長手方向の熱融着部７ａにはその一部を、他の部分よりも熱融着強度を弱くし、他の部分よりも低い圧力で融着が剥がれるようにしたガス排出部８が設けられている。

電池の使用時において、電池に規格範囲外の電圧が印加されたりすると、電解液溶媒の電気分解によりガスが発生し、電池の内圧が上昇することがある。さらに、電池が規格範囲外の高温で使用されたりしても、電解質塩の分解などによりガスが発生する場合がある。基本的には、規格範囲内で電池を使用してガスを発生させないようにすることが理想的であるが、電池の制御回路が何らかの原因で故障して異常な電圧が印加されたり、何らかの原因で周囲が異常に高温となったりすると、場合によっては大量にガスが発生することもある。

このような、電池内部でのガスの発生は、電池の内圧上昇をもたらす。内圧が極度に上昇し電池が暴発することを防ぐために、外装材として金属缶を用いた電池の多くは、電池の内圧が上昇した際にガスを電池の外部に逃がす圧力安全弁を有している。しかし、フィルムを外装材とするフィルム外装電池においては、圧力安全弁を設けることが構造上難しい。フィルム外装電池では内圧が上昇しすぎるとフィルムが膨張し、最終的には外装材が破裂しその箇所からガスが噴出するが、破裂がどの箇所で発生するか特定できないため、破裂した箇所によっては周囲の機器等に悪影響を及ぼすことがある。

そこで、フィルム外装電池１においては、こういった電池内部でのガスの発生による不具合を解消するため、上述したようなガス排出部８を熱融着部７ａに設けている。

図２にフィルム外装電池を収納するセルケースの分解斜視図を示す。また、図３にフィルム外装電池、および該フィルム外装電池を収納したセルケースの断面図を示す。

フィルム外装電池１の周囲を囲むセルケース１０は、第１の枠体１１および第２の枠体１２を有し、これらの間にフィルム外装電池１を挟持面にて挟持する構成となっている。各枠体１１、１２の形状はそれぞれ枠状であり、フィルム外装電池１の発電要素２に対応した箇所に開口部１３が形成されている。

第１の枠体１１は、対向する２つの長辺１１ａと、これら各長辺１１ａに略直交し、かつ互いに対向して形成された２つの短辺１１ｂからなる矩形の枠である。各長辺１１ａはフィルム外装電池１のガス排出部８から排出されたガスを外部へと誘導するための排ガス通路１１ｃで繋がっている。本実施形態では、フィルム外装電池１のガス排出部８が熱融着部７ａの概ね中央に形成されていることより、排ガス通路１１ｃもこれにあわせて長辺１１ａの概ね中央に形成されており、開口部１３を２分割している。また、長辺１１ａの一方であって排ガス通路１１ｃの一端にはガス排出口１６を形成するための切欠１１ｄが形成されている。

第１の枠体１１の各短辺１１ｂにはセルケース１０に収納されている状態のフィルム外装電池１の電極を外部へと延出させるための切欠１１ｅがそれぞれ形成されている。また、各短辺１１ｂには後述する保持材３０を保持するための凹形状の収納部１５がそれぞれ形成されている。収納部１５は、フィルム外装電池１の短手方向の熱融着部７ａの電極が延出している部分に対応する電極対応部１５ａと、この両側にフィルム外装電池１の隅部に対応する隅部対応部１５ｂとを有する。なお、本実施形態において、フィルム外装電池１の隅部とは、フィルム外装電池１の４隅を意味する。つまり、隅部とはラミネートフィルム７が特に破損しやすい領域（図１および図２中、Ａで囲んだ領域）である。各隅部は集電部３ａ、４ａの幅方向（図２中Ｂ方向）の両端部３ａ’、４ａ’が存在するため破損しやすい。

第２の枠体１２も基本的な構成は第１の枠体１１と同様である。第２の枠体１２も２つの長辺１２ａおよび２つの短辺１２ｂからなる矩形の枠であり、長辺１２ａの一方にガス排出口１６を形成するための切欠１２ｄが形成されている。また、各短辺１２ｂには電極対応部１５ａおよび隅部対応部１５ｂからなる収納部１５が形成されている。なお、第２の枠体１２には第１の枠体１１と異なり、排ガス通路１１ｃが設けられていない。また、第２の枠体１２には第１の枠体１１の切欠１１ｅに嵌り込む電極保持部１２ｅが設けられている。電極保持部１２ｅは切欠１１ｅに嵌り込んだ状態で電極を延出可能な開口ができるような厚さに形成されている。

保持材３０としては、ウレタン系、あるいはブチル系の発泡性樹脂が好ましい。なお、保持材３０を収納部１５内に充填した後に硬化させる場合には、保持材３０は、熱硬化型樹脂ではなく、紫外線硬化型の樹脂を用いるのがより好ましい。紫外線硬化型樹脂の場合、紫外線を照射することで硬化するため、硬化時にフィルム外装電池１に対して熱による影響が及ばないからである。

次に、予め硬化しておいた保持材３０を用いた場合の、フィルム外装電池１のセルケース１０への収納手順について説明する。

まず、収納部１５の形状に合わせて形成された保持材３０を第１の枠体１１および第２の枠体１２の計４箇所の収納部１５内に嵌め込む。なお、保持材３０は収納部１５に、両面テープあるいは接着剤等にて固定してもよい。

次に、フィルム外装電池１を、その長手方向の熱融着部７ａを第１の枠体１１の長辺１１ａと第２の枠体１２の長辺１２ａとで挟み込み、また、短手方向の熱融着部７ａを短辺１１ｂと短辺１２ｂとで挟み込む。すなわち、第１の枠体１１と第２の枠体１２との挟持面（第１の枠体１１と第２の枠体１２とを対向して配置した際に向かい合う面）にて熱融着部７ａを挟持する。なお、この際、ガス排出部８がガス排出口１６に位置するようにする。

収納部１５内に収納された保持材３０は、図３に示すように、熱融着部７ａおよび密着部７ｂの表面に密着し、フィルム外装電池１をセルケース１０内にて保持する。保持材３０は、熱融着部７ａおよび密着部７ｂにて適度に圧縮されている。なお、保持材３０を圧縮している熱融着部７ａは、４辺のうちの、フィルム外装電池１の電極が延出している短手方向のものである。また、密着部７ｂとは、熱融着はされていないが真空引きによりラミネートフィルム７が集電部３ａ、４ａに密着している領域を指す。

保持材３０は、この状態でフィルム外装電池１の隅部を覆い込んでいる。なお、保持材３０は、開口部１３に面する発電要素２の本体部分は保持していない。すなわち、保持材３０は、亀裂等が発生しやすい隅部を保護するように覆いこむが、発電要素２の本体部分は覆っていない。つまり、フィルム外装電池１は保持材３０によって電極近傍は挟持されているが発電要素２の本体部分は大気に開放されている。フィルム外装電池１をこのようにして保持する保持材３０は、外部からの衝撃がフィルム外装電池１に伝わるのを防止し、振動を吸収する。また、保持材３０は、電極と、電極が延出している開口との間にできる隙間を埋める。開口部１３に供給された冷却風の上記隙間から漏れると発電要素２の冷却効率は低下する。しかしながら、保持材３０が上記隙間を埋めるので冷却風漏れによる発電要素２の冷却効率の低下を防止できる。

図４にセルケース１０内に収納保持されたフィルム外装電池１の斜視図を示す。なお、各電極３、４は折り曲げた状態で示されている。図４に示すように、発電要素２の本体部分の表面には保持材３０は存在しない。よって、保持材３０が蓄熱材として機能してしまうことなく、発電要素２が発した熱を効率よく外部に放熱することができる。また、発電要素２の本体部分は、開口部１３にて大気に開放されていることから、冷却風を直接発電要素２にあてて冷却することができるので良好な冷却特性を得ることができる。また、保持材３０が発電要素２の本体部分を覆っていないので、その分軽量となる。さらに、保持材３０は上述したように電極に対応する部分にのみ設けられており、ガス排出口１６の部分には設けられていないので、保持材３０によってガス排出部８から排出されたガスの排気が阻害されるということはない。

なお、保持材３０の形状は図５に示すように、電極の両端部分、すなわち、特に破損しやすい電池の隅部のみを保持し、電極の中央部分は保持しないものであってもよい。この場合、さらなる軽量化を図ることができる。

上述した例では、保持材３０は、電極が延出している短手方向の熱融着部７ａに配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図６に示すように、長手方向の熱融着部７ａであって、ガス排出部８からのガスの排気を阻害しない位置７ｃに保持材３０が配置されるような構成としてもよい。すなわち、保持材３０はセルケース１０の、ガス排出口１６以外の領域に設けられている構成としてもよい。この場合、ガスを所望の方向へ排出させることができるとともに、保持材３０により保持される箇所が増えることで振動を吸収する箇所が増えるので振動吸収特性がより向上する。

また、上述した例では、保持材３０は、セルケース１０とは別に形成しておき、フィルム外装電池１をセルケース１０内に収納する前に収納部１５内に嵌め込む例、あるいは充填する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、セルケース１０を成形する際に同時に保持材３０を成形する、いわゆる２色成形工法を用いて成形するものであってもよい。

保持材を充填する方法の場合、最適な充填量および充填状態を得るためのテストショットが必要となる。また、セルケースを成形する工程の他に保持材を充填する工程が必要となる。さらに、充填方式の場合、保持材の形状は充填される領域の形状に依存することとなり、自由な形状とすることができない。また、保持材を別に形成しておく方法も保持材を収納部内に嵌め込む工程が必要となる。

これに対し、２色成形工法によりセルケースと同時に保持材を成形する製造方法の場合、成形工程の簡略化を図ることができるだけでなく、保持材の形状の自由度を高くすることができる。

図７Ａおよび図７Ｂに２色成形工法により成形した保持材の断面形状の例を示す。

電極を局部的に強い力で把持したいような場合、例えば図７Ａに示す保持材３１、３２としてもよい。保持材３１は電極部分に接触する接触部３１ａが波型であり、これに対して保持材３２は波型の接触部３１ａを受けるような形状の凹部３２ａが形成されている。このような互いにかみ合うような形状に成形することで把持力を上げることが可能となる。

また、発電要素２を冷却するための冷却風が電極とセルケース１０との隙間から逃げるのを確実に防止したい場合、例えば図７Ｂに示すような形状の保持材３３を成形するものであってもよい。凸部３３ａ同士が互いに対向する保持材３３を用いることで電極部分に対する保持材３３の密着度を高め、これにより、冷却風が電極とセルケース１０との隙間から逃げないようにすることができる。

また、保持材３３のように上下同じ形状とすることでコストが高くなるのを抑制することも期待できる。

なお、２色成形工法によりセルケース１０および保持材３１〜３３を成形する場合、セルケース１０の材質を、例えば、ＰＡ（ポリアミド）６、あるいはＰＡ６６とし、保持材の材質をＰＡ１１としてもよい。

なお、上述した例では、第１の枠体１１と第２の枠体１２とがフィルム外装電池１の熱融着部７ａを挟持面にて挟持するとともに保持材３０がフィルム外装電池１を保持する構成を例に示したが、フィルム外装電池１が保持材３０によってのみセルケース１０内で保持されている構成であってもよい。

また、上述した例では保持材３０は、収納部１５内に収納された例について説明したが、収納部１５のような凹部を形成するのではなく、第１の枠体１１と第２の枠体１２とのフィルム外装電池１を挟持する挟持面上に保持材３０が設けられているものであってもよい。

以上説明したように、本実施形態のセルケース１０は、保持材３０がフィルム外装電池１の隅部は覆うが発電要素２の本体部分は覆わないようにフィルム外装電池１を挟持する構成となっている。この保持方式により、発電要素２の本体部分の好適な冷却が可能となるだけでなく、振動を良好に吸収しつつフィルム外装電池１を保持することができ、さらには軽量化も図ることができる。また、電極と、電極が延出している開口との間にできる隙間を埋めるようにして保持材３０を設けた場合は、冷却風が隙間から漏れてしまうのを防止でき、発電要素２の冷却効率が低下してしまうのを防止することができる。

Claims (8)

1. 充放電可能な電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を覆う外装フィルムと、前記電気デバイス要素に接続し、前記外装フィルムから突出する電極とを有するフィルム外装電気デバイスを収納するフィルム外装電気デバイス用ケースであって、
   前記フィルム外装電気デバイスと向かい合う面にて前記フィルム外装電気デバイスを挟持し、前記電気デバイス要素に対応する領域に開口部を有する枠部材と、
   前記フィルム外装電気デバイスの前記電極を保持する保持材と、を有し、
   前記保持材が、前記枠部材の前記フィルム外装電気デバイスと向かい合う面上であって、前記電極に対応する位置にのみ設けられている、
   フィルム外装電気デバイス用ケース。
2. 前記保持材は、前記フィルム外装電気デバイスの内部で発生したガスを排気するガス排出口以外の領域に配置されている、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス用ケース。
3. 前記保持材の前記電極に接触する部分が波型である、請求項１または２に記載のフィルム外装電気デバイス用ケース。
4. 前記保持材の前記電極に接触する部分が凸部形状である、請求項１または２に記載のフィルム外装電気デバイス用ケース。
5. 一対の前記保持材が、前記電極を挟んで互いに対向して設けられ、前記保持材の互いに対向する部分が同じ形状である、請求項１または２に記載のフィルム外装電気デバイス用ケース。
6. 前記保持材が紫外線硬化型樹脂である、請求項１から５のいずれか１項に記載のフィルム外装電気デバイス用ケース。
7. 前記枠部材には、前記開口部を２分割するように、前記フィルム外装電気デバイスの内部で発生したガスを外部へと誘導するための排ガス通路が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のフィルム外装電気デバイス用ケース。
8. 充放電可能な電気デバイス要素と、前記電気デバイス要素を覆う外装フィルムと、前記電気デバイス要素に接続し、前記外装フィルムから突出する電極とを有するフィルム外装電気デバイスを収納するフィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法であって、
   前記電気デバイス要素に対応する領域に開口部を有し、前記フィルム外装電気デバイスと対向して該フィルム外装電気デバイスを挟持する枠部材を成形する枠部材成形工程を有し、
   前記枠部材成形工程は、前記枠部材の前記フィルム外装電気デバイスと向かい合う面上であって、前記電極に対応する位置に、前記フィルム外装電気デバイスの前記電極を保持する保持材を成形する工程を含む、
   フィルム外装電気デバイス用ケースの製造方法。

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