JP5633932B2

JP5633932B2 - 積層型の電池

Info

Publication number: JP5633932B2
Application number: JP2011037145A
Authority: JP
Inventors: 粂内　友一; 友一粂内
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: JP2012174590A

Description

本発明は、電極シートとセパレータとが互いに積層された電極素子と、該電極素子を収納する外装フィルムとを備えた積層型の電池に関する。

近年、電力貯蔵用、電動アシスト自転車や自動車などに使用される電池は軽量かつ大容量のものが必要とされている。そのため、これらの用途には、積層型の電池が採用されるようになってきている。積層型の電池は、外装フィルムによって電極素子や電解質等の電池要素が密閉されている。電極素子は、正極合材が塗布された正極シートと負極合材が塗布された負極シートとセパレータとが複数積層されて成る。セパレータは、負極シートと正極シートとを隔離する。

特許文献１には、正極と負極とセパレータとを有する電極体と、当該電極体を収納する電池容器としてのラミネートシートとを備えた二次電池が開示されている。セパレータは、電極体より突出しており、ラミネートシートの樹脂層同士による封止部に溶着されている。封止部とは、電池容器、つまり外装フィルムの外周部で樹脂層同士が互いに溶着された部分、および樹脂層とセパレータとが溶着された部分をいう。

特許文献２には、電池が熱くなった場合に電極体中のセパレータが収縮して正極と負極とが内部ショートすることを防止する目的で、セパレータと外装体とが熱溶着されることが開示されている。

特許文献３に記載の二次電池では、セパレータの外周辺のうち、電池の端子が取り付けられた端子辺以外の２辺が、剰余部として電池ケースの封止部に一緒に固定されている。

特許文献４には、フィルム外装部材と、外装部材内に収納された電極群とを具備する非水電解質電池が開示されている。電極群は、正極、負極及びセパレータを含む。セパレータは電極群から張り出しており、セパレータの張り出し部が外装部材の内面に固定されている。これにより、振動や落下等により外部から衝撃が加わったとしても、電池の電圧低下や内部抵抗の増加を抑制することができるとされている。

特開平１１−２５０８７３号公報特開２０００−２７７０６２号公報特許第４５６２６９３号明細書特開２００７−０８７６５２号公報

上記の特許文献１〜４では、外装フィルムに溶着されるセパレータの枚数については言及されていない。多数のセパレータが外装フィルムと固定された場合、外装フィルムの封止部の、外装フィルムの外端辺から内部に向かう方向に沿った幅（以下、封止部の幅という）は、広くなければならない。これは、電極素子から張り出した全てのセパレータを完全に覆うために、より広い封止部が必要になるからである。外装フィルムの封止部の幅を広くすると、電極素子を安定に収納することができるが、電池のエネルギー密度が低くなるという課題があることを本願発明者は発見した。

本発明の目的は、振動や衝撃による電極素子の位置ずれを抑制し、エネルギー密度の低下を抑制できる積層型の電池を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明の積層型の電池は、互いに積層された複数の電極シートの間にセパレータがそれぞれ配置された電極素子と、電極素子を収納し、互いに対向する樹脂層の外周部が溶着されて成る外装フィルムと、を備えている。複数のセパレータのうちの積層方向の中央の数層のセパレータのみが電極素子の外側に突出する突出部を有し、該突出部が外装フィルムと溶着されている。

本発明によれば、振動や衝撃による電極素子の位置ずれを抑制し、エネルギー密度の低下を抑制できる。

一実施形態における積層型の電池の概略斜視図である。一実施形態における積層型の電池の概略平面図である。電池の内部の電極素子の概略側面図である。第１の実施例における電極素子の概略平面図である。一実施形態における電池の外周部付近の構造を示す概略断面図である。第２の実施例における電極素子の概略平面図である。第３の実施例における電極素子の概略平面図である。第４の実施例における電極素子の概略平面図である。第５の実施例における電極素子の概略平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明は、例えばリチウムイオン二次電池のような積層型の電池全般に適用できる。

図１は本発明の一実施形態における積層型の電池の概略斜視図であり、図２は電池の概略平面図である。電池１０は、電極素子２０と、電極素子２０を収納する外装フィルム１２とを備えている。電極端子として用いられるリード１８ａ，１８ｂが電極素子２０に接続されている。リード１８ａ，１８ｂは、外装フィルム１２を貫通して外部に引き出されている。なお、図２では、外装フィルム１２に覆われているリード１８ａ，１８ｂの一部および電極素子２０は、点線によって示されている。

外装フィルム１２は、一例として、外周部が互いに溶着された一組のフィルムから構成されている。外装フィルム１２は、内部に封入される電解液が漏れないように封止される。外装フィルムを構成する各々のフィルムは、例えばアルミラミネートフィルムを用いることができる。アルミラミネートフィルムの一例として、ナイロンやポリイミド等の樹脂と、アルミニウムと、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂との三層構造を有するフィルムがある。ポリプロピレンは、３０〜５０μｍ程度の厚みを有する。一組のフィルムの熱可塑性樹脂同士が貼り合わされることで、外装フィルムが構成される。

別の例として、外装フィルム１２は、一面に樹脂層が形成された１つのフィルムを２つ折りにした形態であっても良い。外装フィルム１２は、互いに対向する樹脂層の外周部が溶着されて成る形態であれば、どのようなものでも良い。

セパレータ２３ａ，２３ｂは、単層のポリプロピレンやポリエチレン、またはポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの３層構造のものを用いることができる。セパレータ２３ａ，２３ｂは、外装フィルムを構成する熱可塑性樹脂の融点と同等かそれ以下の融点を持つ材料であることが好ましい。セパレータは、一般に１５〜３０μｍの厚みを有する。

図３は、外装フィルム１２に収納された電極素子２０の概略平面図である。電極素子２０は、複数の電極シート２１，２２と複数のセパレータ２３ａ，２３ｂとを含んでいる。電極素子２０としては、集電体としての金属板や金属箔に正極合材が塗布されて成る正極シート２１と、集電体としての金属板や金属箔に負極合材が塗布されて成る負極シート２２とがある。一方のリード１８ａは正極シート２１に接続されており、他方のリード１８ｂは負極シート２２に接続されている。

正極シート２１を構成する集電体としては、アルミニウム箔を用いることができる。このアルミニウム箔の両面に、正極合材としてマンガン酸リチウムを含む層が形成されている。負極シート２２を構成する集電体としては銅箔を用いることができる。この銅箔の両面には、負極合材として黒鉛を含む層が形成されている。これらの例に限定されず、正極シート２１を構成する集電体および正極合材の材料や、負極シート２２を構成する集電体および負極合材の材料は、電池として機能する限り、任意の材料の組み合わせであって良い。

正極シート２１と負極シート２２とは、セパレータ２３ａ，２３ｂを介して交互に配置されている。セパレータ２３ａ，２３ｂは、正極シート２１と負極シート２２とを絶縁している。セパレータ２３ａ，２３ｂは、例えば、非水電解質を保持するポリマーシートからなる。本実施形態における電極素子２０では、複数のセパレータのうちの一部のセパレータ２３ｂが他のセパレータ２３ａよりも大きく、電極素子２０から突出した突出部２４を有している。この突出部２４は、外装フィルム１２と溶着されている。

図４は、第１の実施例における電極素子２０の概略平面図である。第１の実施例では、電極素子２０の、積層方向（図３に示す矢印Ｔ）に関して中央の２つのセパレータ２３ｂは、電極素子２０の、リード１８ａ，１８ｂが接続されている一辺（以下、端子辺と呼ぶ。）２５ａと反対側の辺２５ｂから突出した突出部２４を有している。この突出部２４が外装フィルム１２と溶着されている。セパレータ２３ｂが外装フィルム１２と溶着されているため、振動および衝撃が与えられても、電極素子２０は外装フィルム１２の内部で大きく移動することはない。その結果、電極素子２０の位置ずれを抑制することができ、内部短絡を防止することができる。

図５は、図４の５Ａ−５Ａ線に沿った面に相当する電池の断面図であり、外装フィルム１２の端辺付近の電池の構成を簡略化して示している。外装フィルム１２の互いに対向する樹脂層は、外装フィルムの外周部で互いに溶着されている。セパレータ２３ｂの突出部２４は、この樹脂層同士が互いに溶着された部分ＷＦの内側の部分ＷＳで、当該樹脂層に挟持され、当該樹脂層と溶着されている。これにより、電極要素２０およびセパレータの突出部２４全体が、外装フィルム１２によって封止される。

本実施形態の電池１０では、複数のセパレータのうちの一部のセパレータ２３ｂのみが電極素子２０から突出した突出部２４を形成している。そのため、全てのセパレータが電極素子から突出している場合と比較すると、突出部２４の厚みＤは小さくなる。

外装フィルム１２の外周部の封止部は、突出部２４との溶着部ＷＳと、フィルム同士の溶着部ＷＦと、両溶着部ＷＳ，ＷＦ同士の間に位置する移行部αと、を含む。以下、図５に示すように、両溶着部ＷＳ，ＷＦと移行部αとの合計の幅を封止幅と呼ぶ。セパレータの突出部２４の厚みＤが大きくなると、突出部２４と外装フィルム１２とを確実に溶着するため、移行部αおよび溶着部ＷＳを広くする必要がある。その結果、封止幅の分だけ、電池１０の外形が大きくなる。

本実施形態の電池では、複数のセパレータのうちの一部のセパレータ２３ｂのみが外装フィルム１２と溶着されているため、外装フィルム１２の溶着幅ＷＳや移行部αは小さくても良い。その結果、電池１０の外形の増大を抑制することが出来る。

電池１０のエネルギー密度には、体積エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）と重量エネルギー密度（Ｗｈ／Ｋｇ）とがある。電池１０のエネルギー量Ｗｈは、電極素子２０の材料の使用量によって決まる。電池の体積Ｌは、外装フィルム１２を含む電池のサイズによって決まる。本実施形態の電池では、電池の体積の増大を抑制することができるため、電池の体積エネルギー密度の低下を抑制することができる。また、電池の体積の増大に起因する重量の増大も抑制できるため、電池の質量エネルギー密度の低下も抑制することができる。

複数のセパレータのうち、電極素子２０の積層方向Ｔの両端を除いたセパレータのうちの一部または全部のセパレータが突出部２４を有し、該突出部２４で外装フィルム１２と溶着されていることが好ましい。外装フィルム１２と同時に熱溶着されるセパレータ２３ｂは、電極素子２０の積層方向Ｔの中央の数層のみであることがより好ましい。このように、積層方向Ｔの中央のセパレータのみを突出させることで、突出部２４の厚みをより低減することができる。その結果、セパレータの突出部２４の厚みを低減し、外装フィルム１２の封止部の大きさを低減することができ、それにより、電池のエネルギー密度の低下を抑制できる。

図４に示す実施例では、セパレータの突出部２４は、電極素子２０の端子辺２５ａとは反対側の辺２５ｂに位置している。これに限らず、セパレータの突出部２４、つまり外装フィルム１２との溶着部は、端子辺２５ａ以外の１つまたは複数の辺に位置していれば良い。

次に、上記の積層型の電池の製造方法について説明する。まず、正極シート、負極シートおよびセパレータを互いに積層して電極素子を作製する。このとき、電極素子を構成する複数のセパレータのうちの一部のセパレータが、電極素子から突出する突出部を構成するようにする。セパレータが突出する箇所は、電極素子の端子辺以外の辺であれば良い。次に、樹脂層を有するフィルムによって当該電極素子を挟み、フィルムの外周部とセパレータの突出部とを同時に熱溶着する。これにより、フィルムによって、電極素子を収納する外装フィルムが構成される。外装フィルムを構成するフィルムの材料、およびセパレータの材料は、同時に熱溶着可能な材料であれば、どのようなものであっても良い。

次に、いくつかの実施例に係る電池、および比較例の電池に対して、振動及び衝撃試験を行った結果について説明する。この試験では、外装フィルム１２内で電極素子２０が動いた距離を測定した。まず、各々の実施例および比較例の電池について説明をする。

（実施例１）
電極素子を構成するセパレータ２３ａ，２３ｂは３０枚である。電池を収納した外装フィルムの大きさを、縦１５０ｍｍおよび横８０ｍｍとした。図４に示すように、２枚のセパレータ２３ｂが、電極素子２０の端子辺２５ａと反対側の辺２５ｂから突出している。

（実施例２）
実施例２では、図６に示すように、２枚のセパレータ２３ｂが、電極素子２０の、端子辺２５ａに直交する２辺のうちの一方の辺２５ｃから突出している。セパレータ２３ａ，２３ｂの枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（実施例３）
実施例３では、図７に示すように、２枚のセパレータ２３ｂが、電極素子２０の、端子辺２５ａに直交する２辺のうちの他方の辺２５ｄから突出している。セパレータ２３ａ，２３ｂの枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（実施例４）
実施例４では、図８に示すように、２枚のセパレータ２３ｂが、電極素子２０の、端子辺２５ａに直交する２辺のうちの一方の辺２５ｃと、端子辺２５ａと反対側の一辺２５ｂと、から突出している。セパレータ２３ａ，２３ｂの枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（実施例５）
実施例５では、図９に示すように、２枚のセパレータ２３ｂが、電極素子２０の、端子辺２５ａ以外の３辺２５ｂ，２５ｃ，２５ｄから突出している。セパレータ２３ａ，２３ｂの枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（比較例１）
比較例１では、どのセパレータも電極素子から突出しておらず、セパレータと外装フィルムとは溶着されていない。その他の構成は、実施例１と同じである。

（比較例２）
比較例２では、電極素子を構成する全てのセパレータが、電極素子の端子辺とは反対側の一辺から突出しており、全てのセパレータが外装フィルムと溶着されている。その他の構成は、実施例１と同じである。

上記実施例および比較例の電池に対して、以下の手順で、振動及び衝撃試験を行った。

［手順１］
各々の電池を満充電状態にする。

［手順２］
外装フィルムの、電極素子の端部位置、より具体的にはエンボス加工の立ち上がり部分に相当する箇所に、ペンによって目印をつける。

［手順３］
電池を、温度が２０±５℃、気圧が１１．６ｋＰａ以下の雰囲気中に６時間以上置く。

［手順４］
続いて、電池に熱衝撃を加える。電池を、最低６時間以上７５±２℃に維持し、続いて最低６時間以上４０±２℃に維持する。温度変化のインターバルは３０分以内である。この温度の変化を合計１０回繰り返す。

［手順５］
振動が電池に確実に伝わるように、電池を振動装置の振動台に固定する。振動は正弦波形の対数掃引とし、振動数を７Ｈｚから２００Ｈｚに代えてさらに７Ｈｚに戻す。これを１５分間持続させる。電池に対して互いに垂直な３方向について、この振動を１２回ずつ行う。

［手順６］
電池を完全に放電した状態にする。

［手順７］
堅牢な固定ジグによって電池を衝撃装置に固定し、ピーク加速度１５０ｇｎ、パルス持続時間６ミリ秒の正弦半波衝撃を電池に加える。互いに垂直な３方向について、正方向および負方向に３回ずつ電池に衝撃を加える。

［手順８］
手順２で付けた目印からの、電極素子の位置ズレをスケールで測定する。

表１は、実施例１〜５及び比較例の電池に対する上記の試験の結果を示している。

セパレータ２３ｂと外装フィルム１２とが溶着された箇所が１辺以上あれば、電極素子２０の位置ズレ量は、比較例１と比較して非常に小さいことが明らかとなった。したがって、本実施例の電池では、振動及び衝撃への耐性が向上していることがわかる。

比較例２の電池のように、全層のセパレータが外装フィルムと熱溶着されている場合、外装フィルムの封止幅が８ｍｍ程度必要となる。その結果、上述したように、電池のエネルギー密度が低下することがわかった。これに対し、本実施例の電池では、一部のセパレータ２３ｂのみが外装フィルム１２と溶着されているため、封止幅の増大を抑制できる。その結果、電池のエネルギー密度の低下を抑制できる。

以上、本発明の望ましい実施形態および実施例について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

１０電池
１２外装フィルム
１４外装フィルムの外周部
１８ａリード
１８ｂリード
２０電極素子
２１正極シート
２２負極シート
２３ａセパレータ
２３ｂ外装フィルムに溶着されたセパレータ
２４セパレータの突出部

Claims

互いに積層された複数の電極シートの間にセパレータがそれぞれ配置された電極素子と、
前記電極素子を収納し、互いに対向する樹脂層の外周部が溶着されて成る外装フィルムと、を備えた積層型の電池であって、
前記複数のセパレータのうちの積層方向の中央の数層のセパレータのみが前記電極素子の外側に突出する突出部を有し、該突出部が前記外装フィルムと溶着されている、積層型の電池。
前記突出部は、前記積層方向の中央の数層のセパレータの少なくとも一辺全体にわたって延びている、請求項１に記載の積層型の電池。
前記セパレータの前記突出部は、前記外装フィルムを構成する前記樹脂層同士が互いに溶着された部分の内側で、該樹脂層に挟持され、該樹脂層と溶着されている、請求項１または２に記載の積層型の電池。
前記突出部を有する前記セパレータの融点は、前記外装フィルムを構成する前記樹脂層の融点よりも低い、請求項１から３のいずれか１項に記載の積層型電池。