JP5628464B2 - 電極リード部材を用いた電池、電極リード部材及びその製造方法、並びに、電池の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、かつ容器として袋体を用いた電池、電極リード部材及びその製造方法、並びに、電池の製造方法に関する。

近年、電池の小型軽量化に対する要求に応じ、容器として、従来の筐体に換えて袋体を用いた電池が採用されつつある。この電池は、袋体内に電極や電解液等を収容後、袋体の開口端を、電極から延びる金属箔製の導出部を挟んだ状態で、熱シール等により閉鎖して形成される。また、袋体の材料には、防水性や遮光性等に優れた、アルミラミネートフィルムが使用されている。

発明が解決しようとする課題

しかしながら、電解液に有機電解質を使用した、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、電気二重層キャパシタ、あるいはアルミ電解コンデンサ等の場合、高温等、過酷な環境下では、電解液中のイオンが、導出部と袋体との界面に浸入し、その結果、導出部が劣化したり、上記界面における袋体と導出部との接着強度が低下し、上記界面から電解液が漏洩する等の問題が生じていた。また、この傾向は、特にアルミニウム製の導出部において著しかった。

課題を解決するための手段

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、容器として最内層に樹脂が積層された袋体を用いた電池であって、上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、上記袋体の最内層に積層された樹脂と、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であり、上記袋体の開口端が、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層が熱シールされていることを特徴としている。

表面処理層は、例えば、アルミニウムの水和酸化処理により形成された水和酸化物層により形成する。上記水和酸化物層の表面に陽極酸化により形成された化成処理層が形成されていてもよい。上記表面処理層を、アルミニウムの陽極酸化またはクロメート処理により形成された化成処理層により形成してもよい。上記表面処理層が、リン酸や有機酸を主成分とする非クロム酸系処理により形成された化成処理層により形成されていてもよい。

更に、上記シーラント層に、上記樹脂層を、直接積層してもよい。上記導出部を構成するアルミニウムの純度を、望ましくは９９．３％以上とする。

また、本発明は、電極リード部材にも係り、ポリプロピレン系樹脂が最内層に積層された袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に使用される電極リード部材であって、上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であることを特徴としている。
この場合、上記電池が、本発明の電池であることが望ましい。

また、本発明は、上記電極リード部材の製造方法にも係り、上記表面処理層の形成に先立ち、上記導出部を構成するアルミニウムの表面に大気中の酸素との反応により形成された酸化皮膜をアルカリ水溶液により洗浄除去することを特徴としている。

また、本発明は、上記電極リード部材を用いた電池の製造方法にも係り、特に、容器として最内層にポリプロピレン系樹脂が積層された袋体を用い、この袋体の開口端を、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層とを熱シールすることを特徴としている。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
本発明に係る電極リード部材を有する電極の構造の例を図１及び図２に示す。符号１は電極本体で、電極本体１は複数枚の金属板を重ね合わせて構成され、全体として直方体状をなしている。符号２ａ，２ｂは電極本体１に接続された導出部で、導出部２ａ，２ｂは、テープ状をなす金属箔からなり、その表裏面が電極本体１の表面と平行となるよう電極本体１の一端から並行に延設されている。また、符号２ａで示す導出部はアルミニウム製とされ、符号２ｂで示す導出部はニッケルまたは銅その他の金属製とされている。

ここで、導出部２ａを構成するアルミニウムには、純度が９９．３％以上のものを使用することが望ましい。その理由は、アルミニウムの純度が９９．３％未満となると、後述する水和酸化処理が不十分となり、逆に酸化皮膜が形成される等して、その効果が低下したり、水和酸化処理に要する時間が長くなる傾向があるためである。

また、本発明では、アルミニウム製の導出部２ａの表面のうち所定の範囲（図中符号Ｔで示す範囲）に、導出部２ａの表裏両面（以下、表面と略称する。）を化学変化させてなる表面処理層が形成され、表面処理層の表面には、シーラント層が積層されている。

更に、本実施形態では、シーラント層と、電池の容器となる袋体（後述）の最内層との接着強度を向上させる目的で、テープ状をなす樹脂層３が、導出部２ａにおける表面処理層の形成部位（上記符号Ｔで示す範囲）のうち、袋体に収納した際に袋体の開口端と重なる部分にて、導出部２ａ，２ｂを表裏から挟んだ状態で導出部２ａ，２ｂを横断するよう、接着剤を使用することなく直接積層されている。そして、上記表面処理層及びシーラント層を有する導出部２ａ，２ｂと樹脂層３とから、電極リード部材４が形成されている。

表面処理層を形成するための具体的な処理には、アルミニウムの水和酸化処理の他、アルミ電解コンデンサ用アルミ箔に使用される陽極酸化に代表される、いわゆる化成処理、更には、リン酸や有機酸を主成分とする非クロム酸系処理や、リン酸クロメートやクロム酸クロメート等のクロム酸系処理、あるいはリン駿亜鉛系処理等が挙げられる。しかしながら、処理工程で６価クロム等の有害物質を使用しない点では、水和酸化処理や陽極酸化による表面処理層の形成が好ましい。

水和酸化処理による表面処理層の形成に際しては、例えば、導出部２ａに純水ボイルや蒸気処理等を施すことにより、導出部２ａを構成するアルミニウムの表面に水和酸化物層を形成させる方法が採用される。また、陽極酸化による表面処理層の形成に際しては、例えば、導出部２ａをホウ酸系化成液に浸積し、定電圧化成法や定電流化成法により、導出部２ａを構成するアルミニウムの表面に化成処理層を形成させる方法が採用される。導出部２ａの表面に水和酸化物層を形成し、その表面に更に陽極酸化による化成処理層を形成してもよい。

更に、表面処理層とシーラント層との接着性向上のためには、表面処理層の形成に先立ち、導出部２ａを構成するアルミニウムの表面から、アルミニウムと大気中の酸素との反応により形成された酸化皮膜を除去する除去処理を施すことが望ましい。この場合、除去処理を施した導出部２ａの表面にシーラント層を積層しただけでも、除去処理を施さずに導出部２ａの表面にシーラント層を積層した場合に比して、導出部２ａとシーラント層との接着性が向上する。また、具体的な除去処理としては、例えば水酸化ナトリウム等を始めとするアルカリ水溶液による導出部２ａ表面の洗浄が挙げられる。

シーラント層には、接着剤、ヒートシール剤、接着性樹脂等が使用可能で、特に、酸変性ポリオレフィン系接着剤やエポキシ系接着剤等の使用が好ましい。上記酸変性ポリオレフィン系接着剤は、エチレンやプロピレンを主鎖に持つ重合体や、これら及び／または他のモノマーとの共重合体をカルボン酸等により酸変性させ、必要に応じ溶剤に分散させてなるもので、具体的には、ポリエチレンやポリプロピレンを無水マレイン酸等で変性させたフィルム（商品名アドマーフィルム）や、これら酸変性ポリオレフィンを高沸点脂肪族炭化水素に分散させてなる接着剤が使用可能である。このような接着剤は、例えば金属箔と樹脂層との熱接着に使用されるヒートシール用フィルムやヒートシール剤として公知のもので、医薬品用包装材であるＰＴＰ（プレススルーパック）用のヒートシール剤としても使用されている。一方、エポキシ系接着剤を使用する場合、クロム化合物が添加されたエポキシ系塗料を接着剤として用いると、良好な接着性が得られる。なお、これら接着剤の塗工量は、通常、乾燥重量で０．１〜５ｇ／ｍ²程度が適当である。

更に、表面処理層とシーラント層との接着には、ドライラミネートや押出ラミネート、または表面処理層への接着剤コーティング後の熱接着等あらゆる公知の方法が使用可能である。表面処理層側を向く面を無水マレイン酸等で変性させた樹脂層を表面処理層に直接熱接着し、シーラント層としてもよい。

一方、シーラント層への樹脂層３の積層方法には、例えばフィルム状の樹脂を直接熱接着するサーマルラミネートや、溶融した樹脂を直接積層する押出ラミネート等がある。特に、ポリオレフィン系樹脂を溶融押出しして樹脂層を形成しつつ加熱状態で圧着し、シーラント層に接着すると高い接着強度が得られる。

また、接着性向上のためには、シーラント層と樹脂層３（及び後述する袋体の最内層に積層された樹脂）が、同種のポリオレフィン系樹脂を含有していることが望ましい。上記ポリオレフィン系樹脂には、例えばポリプロピレンやＬＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ等のポリエチレン、及びこれらにカルボキシル基が導入されたもの（アイオノマーや酸変性ポリオレフィン等）が使用可能であるが、耐熱性及び熱シール時の安定性や接着強度等を考慮すると、シーラント層と樹脂層３（及び袋体の最内層に積層された樹脂）とが、いずれもポリプロピレン系樹脂を含有していることが望ましい。

上記電極リード部材４を用いた電池の形成に際しては、最内層に樹脂が積層されたアルミラミネートフィルム製の袋体５内に、電極本体１や電解質等を収容後、樹脂層３が表裏から袋体５の開口端５ａに挟まれるよう樹脂層３と開口端５ａとを上下に重ねた状態で、開口端５ａを熱シールにより閉鎖する。その結果、図３に示すような、導出部２ａ，２ｂが樹脂層３で挟まれて熱シールされ、樹脂層３が開口端５ａで挟まれて熱シールされた電池６が形成される。

この電池６においても、電解液に有機電解質を使用すると、高温等の過酷な環境下では、上記従来の電池と同様、電解液中のイオンが内側から導出部２ａとシーラント層との界面に浸入する。しかしながら、この電池６の場合、導出部２ａに表面処理層が形成されているので、導出部２ａが劣化することはない。また、表面処理層の形成により導出部２ａとシーラント層とが強固に接着されるようになるため、導出部２ａとシーラント層との界面に電解液が浸入しても上記界面における接着強度が低下せず、その結果、上記界面からの電解液の漏洩等が防止される。

一方、シーラント層と樹脂層３及び樹脂層３と袋体５の最内層とは、いずれも樹脂同士の熱シールにより強固に接着される。特に、シーラント層と樹脂層３及び袋体の最内層に積層された樹脂とが、いずれもポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレン系樹脂を含有している場合には、この接着強度が更に向上する。すなわち、本実施形態によれば、電解液に有機電解質を使用した場合でも、電極リード部材４と袋体５との接着部の気密性が維持される。

しかも、このように導出部２ａ，２ｂに予め樹脂層３を積層しておくことにより、開口端５ａの熱シールに際し、この部分に十分な厚さの樹脂層が存在することとなる。その結果、導出部２ａ，２ｂを囲む樹脂が導出部２ａ，２ｂの側方にも回り込みやすくなって導出部２ａ，２ｂに対するシール性が向上するので、袋体５の最内層に積層される樹脂が薄くても、確実な熱シールが可能となる。更に、袋体５の最内層に積層される樹脂の選定に際しても、導出部２ａの周囲がシーラント層及び樹脂層３により覆われているので、格別な注意を払うことなく、広範な選択肢からの選択が可能となる。

なお、上記実施形態では、樹脂層３が導出部２ａ，２ｂの双方に積層されているが、導出部２ａにのみ樹脂層３を積層してもよく、あるいは、導出部２ａ，２ｂに樹脂層３を積層せず、導出部２ａ，２ｂと開口端５ａとを直接熱シールしてもよい。この場合も、導出部２ａに表面処理層が形成されているので、導出部２ａの劣化が防止される。また、表面処理層の形成により導出部２ａとシーラント層とが強固に接着されているため、導出部２ａとシーラント層との界面からの電解液の漏洩等が防止され、かつシーラント層と袋体５の最内層とが、両者が含有する樹脂同士により接着される。すなわち、本発明によれば、樹脂層３を積層しない場合でも、電極リード部材４と袋体５の界面からの電解液の漏洩等が防止される。なお、樹脂層３を積層しない場合も、耐熱性や接着安定性等を考慮すると、シーラント層と袋体５の最内層とが、いずれもポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレン系樹脂を含有していることが望ましい。

以下に実施例を示し、本発明の効果について説明する。
アルミニウム製の導出部の表裏に、それぞれ表１に示すようなＡ，Ｂ，Ｃで示す各層及びキャストポリプロピレン（ＣＰＰ）フィルムを積層し、ＣＰＰフィルム／Ｂ層／Ａ層／導出部／Ａ層／Ｂ層／ＣＰＰフィルム、の構成を有する、計１２種の積層体を形成した。ここで、Ａ層は本発明の表面処理層、Ｂ層はシーラント層にそれぞれ相当する。

また、ＰＥＴフィルム／ナイロンフィルム／アルミ箔／ＣＰＰフィルムからなるアルミラミネートフィルムを用い、ＣＰＰフィルムを内側とする５０ｍｍ四方の三方袋を製袋した。そして、個々の袋体内に電解液（エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合液にＬｉＰＦ₆の電解塩が混合されたもの、商品名：三菱化学（株）製ソルライト）約２ｇを投入した後、袋体の開口端に上記積層体をそれぞれ挟持させ、開口端を熱シール（２００℃、２秒）にて閉鎖した。更に、これらの袋体を、６０℃にて７日間放置し、電極リード部材と袋体との界面の接着状況（電解液の漏洩発生状況）を調査した。

各積層体の組成及び袋体に対する調査結果を表１に示す。

表１の調査結果から、本発明の実施例に示す積層体を使用した場合には、導出部と袋体との界面からの電解液の漏洩は発生しなかったのに対し、比較例に示す積層体を使用した場合には、導出部と袋体との界面から、電解液の漏洩が観察された。

発明の効果

以上説明した通り、本発明に係る電極リード部材を用いた電池では、導出部に表面処理層が形成されているので、導出部が劣化することはない。また、表面処理層の形成により導出部とシーラント層とが強固に接着されるようになるため、導出部とシーラント層との界面に電解液が浸入しても上記界面における接着強度が低下せず、その結果、上記界面からの電解液の漏洩等が防止される。更に、シーラント層と袋体の最内層とは、いずれも樹脂同士の熱シールにより強固に接着される。すなわち、本発明に係る電極リード部材を用いた電池によれば、電解液に有機電解質を使用した場合でも、電極リード部材と袋体との接着部の気密性が維持される。加えて、予め、シーラント層に、樹脂層を、接着剤を用いることなく積層しておくことにより、シーラント層と袋体との接着性が、この樹脂層を介して更に向上する。

本発明に係る電極リード部材を有する電極の構造の例を示す側面図である。 図１の電極リード部材における導出部への樹脂層の接着状況の例を示す断面図である。 図１に示す電極を有する電池の構造の例を示す側面図である。

２ａ，２ｂ 導出部
３ ポリオレフィン系樹脂層
４ 電極リード部材
５ 袋体
５ａ 袋体の開口端
６ 電池

Claims (9)

1. 袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、容器として最内層に樹脂が積層された袋体を用いた電池であって、
   上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、
   上記表面処理層が、アルミニウムの水和酸化処理により形成された水和酸化物層であり、
   上記袋体の最内層に積層された樹脂と、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であり、
   上記袋体の開口端が、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層が熱シールされていることを特徴とする電池。
   
2. 袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、容器として最内層に樹脂が積層された袋体を用いた電池であって、
   上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、
   上記表面処理層が、アルミニウムの水和酸化処理により形成された水和酸化物層と、上記水和酸化物層の表面に陽極酸化により形成された化成処理層とから構成され、
   上記袋体の最内層に積層された樹脂と、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であり、
   上記袋体の開口端が、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層が熱シールされていることを特徴とする電池。
   
3. 袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、容器として最内層に樹脂が積層された袋体を用いた電池であって、
   上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、
   上記表面処理層が、アルミニウムの陽極酸化により形成された化成処理層であり、
   上記袋体の最内層に積層された樹脂と、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であり、
   上記袋体の開口端が、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層が熱シールされていることを特徴とする電池。
   
4. 袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、容器として最内層に樹脂が積層された袋体を用いた電池であって、
   上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、
   上記表面処理層が、アルミニウムのクロメート処理により形成された化成処理層であり、
   上記袋体の最内層に積層された樹脂と、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であり、
   上記袋体の開口端が、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層が熱シールされていることを特徴とする電池。
   
5. 袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に電極リード部材を用い、容器として最内層に樹脂が積層された袋体を用いた電池であって、
   上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、
   上記表面処理層が、リン酸や有機酸を主成分とする非クロム酸系処理により形成された化成処理層であり、
   上記袋体の最内層に積層された樹脂と、上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であり、
   上記袋体の開口端が、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層が熱シールされていることを特徴とする電池。
   
6. 上記導出部を構成するアルミニウムの純度が９９．３％以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電池。
   
7. ポリプロピレン系樹脂が最内層に積層された袋体に電極本体が収容された電池内外の電気的接続に使用される電極リード部材であって、
   上記電極リード部材は、上記袋体の開口端に挟まれて熱シールされるアルミニウム製の導出部を備え、この導出部の少なくとも熱シールされる部分に、上記導出部を構成するアルミニウムの表面を化学変化させてなる表面処理層が形成され、更にこの表面処理層に、接着剤、ヒートシール剤または接着性樹脂からなるシーラント層が直接積層され、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が上記シーラント層に直接積層されているものであり、
   上記電池が、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電池であり、
   上記シーラント層が含有する樹脂と、上記袋体の最内層に熱シールされる樹脂層が含有する樹脂とが、いずれもポリプロピレン系樹脂であることを特徴とする電極リード部材。
   
8. 請求項７に記載の電極リード部材の製造方法であって、上記表面処理層の形成に先立ち、上記導出部を構成するアルミニウムの表面に大気中の酸素との反応により形成された酸化皮膜をアルカリ水溶液により洗浄除去することを特徴とする電極リード部材の製造方法。
   
9. 請求項７に記載の電極リード部材を用いた電池の製造方法であって、容器として最内層にポリプロピレン系樹脂が積層された袋体を用い、この袋体の開口端を、上記樹脂層の積層部位にて上記導出部を挟んだ状態で、上記樹脂層と上記袋体の最内層とを熱シールすることを特徴とする電池の製造方法。

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