JP6190398B2

JP6190398B2 - 熱溶着絶縁樹脂フィルム及び蓄電装置

Info

Publication number: JP6190398B2
Application number: JP2015003366A
Authority: JP
Inventors: 伸康酒井; 幸治宮野
Original assignee: 株式会社ネッツ; 株式会社サンクメタル
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2035-01-09
Also published as: JP2016129113A

Description

本発明は、ラミネート型リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置の封止部におけるリード部材と外装部材との間を絶縁し短絡を防止する熱溶着絶縁樹脂フィルム及びこの熱溶着絶縁樹脂フィルムを用いた蓄電装置に関するものである。

近年、リチウムイオン二次電池の分野においては、スマートフォンやタブレット端末等の薄型の携帯電子機器の普及に伴って、それまでの角形の金属缶型リチウムイオン二次電池に代わって、薄型化、軽量化で優位なラミネート型リチウムイオン二次電池の開発に力が注がれている。

このラミネート型リチウムイオン二次電池は、一般的には、薄板状に形成した負極、セパレータ、正極を順に重ねて積層体を形成し、これにリード部材（電極端子）を取り付けた後、外装部材（一般的にはアルミラミネートフィルム）内に電解液と共に収納し、開口部からリード部材を引き出した状態でこの開口部をヒートシールにて封止した構成としている。

また、リード部材を引き出した開口部を封止した封止部においては、ヒートシール時の過加熱によりリード部材と外装部材とが接触して短絡しないよう、リード部材と外装部材との間に熱溶着絶縁樹脂フィルムを介在させ、この熱溶着絶縁樹脂フィルムを介して封止することでヒートシール時の過加熱による短絡の発生を防止した構成としている。

従来、このような熱溶着絶縁樹脂フィルムとして、例えば特許文献１に示すものが知られている。この特許文献１の熱溶着絶縁樹脂フィルム（特許文献１に記載された発明では、リード用シーラントフィルム）は、リード部材接着層（内層）、絶縁層（中間層）、外装部材接着層（外層）の三層から成り、中間層は、他の層よりも高融点材料が用いられ、ヒートシール時に絶縁層が溶解せず、絶縁層が保持され確実に短絡が防止されるように構成されたものである。

特開２００８−１９２４５１号公報

しかしながら、ラミネート型リチウムイオン二次電池は、その特性上、経時劣化に伴い内部でガスが発生し、このガスの発生によって内圧が上がり外装部材が膨張する問題があり、従来の熱溶着絶縁樹脂フィルムは、短絡の問題は解決されているものの、耐久性の面では問題点が残っており、膨張によって生ずる引張力に耐え切れず破断してしまうことがあり、この熱溶着絶縁樹脂フィルムの破断により、外装部材の封止が破壊され、蓄電装置の破裂や電解液の漏洩等の不具合が生ずることがあった。

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、外装部材の膨張によって生ずる引張力に対して優れた耐久性を発揮する熱溶着絶縁樹脂フィルム及びこの熱溶着絶縁樹脂フィルムを用いて、ラミネート型リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置における破裂や電解液の漏洩等の不具合の発生を可及的に低減した安全性の高い蓄電装置を提供することを目的とする。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

ラミネート型リチウムイオン二次電池または電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタのいずれかに構成される蓄電装置６のリード部材４と接着するリード部材接着層１と、前記蓄電装置６の外装部材５と接着する外装部材接着層３と、前記リード部材接着層１と前記外装部材接着層３との間に介在する絶縁層２との三層から成る熱溶着絶縁樹脂フィルムにおいて、前記リード部材接着層１の厚みＴ１と前記絶縁層２の厚みＴ２と前記外装部材接着層３の厚みＴ３との和である総厚みＴが５０μｍ〜２００μｍであるとともに、前記絶縁層２がポリプロピレン樹脂、酸変性ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂の何れかの樹脂から成り、且つ前記リード部材接着層１の厚みＴ１と前記外装部材接着層３の厚みＴ３が同厚に設定されているとともに前記総厚みＴに対する前記絶縁層２の厚みＴ２の割合が３０％〜３５％に設定されており、尚且つ前記絶縁層２の硬度がＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さで６０ＭＰａ以下であることを特徴とする熱溶着絶縁樹脂フィルムに係るものである。

また、請求項１記載の熱溶着絶縁樹脂フィルムがリード部材４と外装部材５との間に設けられていることを特徴とする蓄電装置に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、外装部材の膨張作用によって生ずる引張力に対する耐久性が向上し、蓄電装置内の内圧上昇による外装部材の膨張による引張作用で引っ張られても破断せず、外装部材の封止状態を良好に保持し、よって、蓄電装置の破裂や電解液の漏洩等の不具合が生じず、安全性の高い蓄電装置の実現を可能とする実用性に優れた熱溶着絶縁樹脂フィルムとなる。

しかも、本発明は、絶縁層の材料を変更することなく耐久性を向上させることができるので、極めて容易に設計実現可能となる画期的な熱溶着絶縁樹脂フィルムとなる。

また、請求項２記載の発明においては、劣化により内圧上昇による外装部材の膨張が生じても外装部材の封止が破壊されず、よって、蓄電装置の破裂や電解液の漏洩等の不具合が発生しない安全性の高い優れた蓄電装置となる。

本実施例の使用状態を示す説明図である。図１におけるＡ−Ａ説明断面図である。本実施例を示す説明斜視図である。本実施例における１８０度剥離強度試験の詳細結果を示すものである。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

熱溶着絶縁樹脂フィルム７の総厚みＴ（リード部材接着層１の厚みＴ１＋絶縁層２の厚みＴ２＋外装部材接着層３の厚みＴ３）に対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を少なく（薄めに）設定する、具体的には、１０％〜４５％に設定することで、熱溶着絶縁樹脂フィルム７の例えばラミネート型リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置６の膨張作用によって生ずる引張力に対する耐久性が向上し、前記膨張作用が生じても熱溶着絶縁樹脂フィルム６が破断せず、良好な封止状態が保持されて蓄電装置の破裂や電解液の漏洩等の不具合の発生を可及的に抑制することができる。具体的には、以下のメカニズムによるものと考える。

本発明者らは、ラミネート型リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等の蓄電装置６の内圧上昇による外装部材５の膨張による熱溶着絶縁樹脂フィルム７の破断について様々な検証実験を繰り返し行い、熱溶着絶縁樹脂フィルム７の中間層である絶縁層２で破断が生じることを突き止め、更に、この絶縁層２が破断する要因について鋭意検討を行った結果、この絶縁層２の厚みＴ２が、総厚みＴに対して厚く設定されることが破断要因のひとつであるという結論に至った。

即ち、絶縁層２が他の層（リード部材接着層１及び外装部材接着層３）に比べて十分に厚いと破断点が大きく、外装部材５による引張力によって生ずる応力がこの絶縁層２に集中するので、この集中する応力に耐え切れず絶縁層２が破断するものと考えた。

そこで、本発明者らは、この絶縁層２への応力の集中を緩和するために、熱溶着絶縁樹脂フィルム７の総厚みＴに対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を少なくして（絶縁層２の厚みＴ２を薄くして）、破断点を小さくすると共に他の層へ応力が分散する構成として、相対的に絶縁層２の耐久性を向上させ、熱溶着絶縁樹脂フィルム７全体としての耐久性を向上させることを見出した。

また更に、従来、絶縁層２はリード部材接着層１や外装部材接着層３といった接着層に比べて材質が硬く、これにより他層よりも伸び応力に対する耐久性が低いと考えられるため、例えば、絶縁層２に軟らかい材質のもの（例えば、ＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さが７０ＭＰａ以下（好ましくは６０ＭＰａ以下）の樹脂）を採用することで、絶縁層２の耐久性を一層向上させることができることも見出した。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、図１に示すようなラミネート型リチウムイオン二次電池６のリード引き出し部８におけるリード部材４（タブリード）と外装部材５（ラミネートフィルム）とを絶縁するために用いられる熱溶着絶縁樹脂フィルムに係るものである。

具体的には、図２，３に示すように、ラミネート型リチウムイオン二次電池６のリード部材４と接着するリード部材接着層１と、ラミネート型リチウムイオン二次電池６の外装部材５と接着する外装部材接着層３と、リード部材接着層１と外装部材接着層３との間に介在する絶縁層２の三層から成り、絶縁層２の厚さＴ２を、熱溶着絶縁樹脂フィルム７の総厚みＴ、即ち、リード部材接着層１の厚みＴ１と絶縁層２の厚みＴ２と外装部材接着層３の厚みＴ３との和である総厚みＴに対して１０％〜４５％に設定したものである。

更に具体的に説明すると、総厚みＴは、５０μｍ〜２００μｍの範囲に設定した構成としている。

また、リード部材接着層１及び外装部材接着層３は、酸変性ポリプロピレン樹脂を採用し、絶縁層２は、ポリプロピレン樹脂、酸変性ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂の何れかを採用した構成としている。尚、リード部材接着層１及び外装部材接着層３は、上記に限らず、同等の性能を発揮するものであれば適宜採用し得るものとする。

また更に、絶縁層２は、硬度の低いもの（軟らかいもの）を採用した構成とし、具体的には、ＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さが７０ＭＰａ以下（好ましくは６０ＭＰａ以下）のものを採用した構成としている。

以下、本実施例の上述した構成要件で構成した構成例１〜構成例３及び本実施例の構成要件以外の条件を設定した比較例１を以下に示す。

＜構成例１＞
構成例１は、総厚みＴを７４μｍとし、また、総厚みＴに対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を約４０％に設定した。具体的には、リード部材接着層１の厚みＴ１、絶縁層２の厚みＴ２、外装部材接着層３の厚みＴ３を、夫々、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３＝２２μｍ／３０μｍ／２２μｍとした。

また、絶縁層２は、ポリプロピレン樹脂（具体的には、ランダムポリプロピレン樹脂）から成るものを採用した構成とした。

また更に、絶縁層２に用いたランダムポリプロピレン樹脂は、ＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さが７０ＭＰａのものを用いた。

＜構成例２＞
構成例２は、総厚みＴを７４μｍとし、また、総厚みＴに対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を約４０％に設定した。具体的には、リード部材接着層１の厚みＴ１、絶縁層２の厚みＴ２、外装部材接着層３の厚みＴ３を、夫々、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３＝２２μｍ／３０μｍ／２２μｍとした。

また、絶縁層２は、ポリプロピレン樹脂（具体的には、ホモポリプロピレン樹脂）から成るものを採用した構成とした。

また更に、絶縁層２に用いたホモポリプロピレン樹脂は、ＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さが６０ＭＰａのものを用いた。

＜構成例３＞
構成例３は、総厚みＴを７４μｍとし、また、総厚みＴに対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を約３２％に設定した。具体的には、リード部材接着層１の厚みＴ１、絶縁層２の厚みＴ２、外装部材接着層３の厚みＴ３を、夫々、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３＝２５μｍ／２４μｍ／２５μｍとした。

＜比較例＞
比較例は、総厚みＴを７４μｍとし、また、総厚みＴに対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を約５４％に設定した。具体的には、リード部材接着層１の厚みＴ１、絶縁層２の厚みＴ２、外装部材接着層３の厚みＴ３を、夫々、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３＝１７μｍ／４０μｍ／１７μｍとした。

上記構成例１〜構成例３及び比較例の構成条件一覧を下表１に示す。

上述のように構成した構成例１〜構成例３及び比較例について、夫々耐久性の確認を行った。

具体的には、耐久性の確認は、１８０度剥離強度試験による熱溶着絶縁樹脂フィルムの剥離強度測定により行った。

試験方法について説明すると、試料は、構成例１〜構成例３及び比較例の各熱溶着絶縁樹脂フィルム７を幅５ｍｍの短冊状にし、これを二つ折りした外装部材５と同様のラミネートフィルム（本実施例では、アルミラミネートフィルムを採用）の折曲側端部に配してこのラミネートフィルムで包み込み、熱溶着絶縁樹脂フィルム７とラミネートフィルムとが重なり合う重合部を表裏夫々加熱（２００℃、５秒）して、熱溶着絶縁樹脂フィルム７とラミネートフィルムとを溶着し、これをラミネートフィルムの折曲方向と直交する方向に切断して幅５ｍｍの短冊状にしたものを用いた。

また、剥離試験機は、島津製作所社製精密万能試験機（EZ-L）を用い、剥離速度を５ｍｍ／分〜１００ｍｍ／分に設定して夫々の場合における剥離強度を測定した。尚、測定は１試料１条件につき３回行った。

下表２に、測定結果を示す。尚、詳細な結果は図４に示す。

この表２に示すように、比較例の引張強度（耐久性）を１００％とした場合、構成例１の耐久性は１３０％、構成例２の耐久性は１５０％、構成例３の耐久性は１８０％と全ての実施例で耐久性の向上が確認できた。

また、構成例１と構成例２より、絶縁層２の硬度が軟らかいほうがより耐久性が向上することも確認できた。

また、上記１８０度剥離強度試験において、比較的良好な結果であった構成例２，構成例３について、更に、実際の使用状態に近い形態での耐久性試験を行った。

具体的には、外装部材５のリード引き出し部８にリード部材４を挿入配設し（本実施例では、正極材料、負極材料及び電解液は挿入しない）、ヒートシールして、実際のラミネート型リチウムイオン二次電池６の外装と同様の形態に形成した試料の外装部材５内部に空気を注入して、この外装部材５内の内圧を５ｋｇｆ／ｃｍ^２まで上げ、この状態を３０秒継続する負荷をかけた際の熱溶着絶縁樹脂フィルム７の状態（破損状態や外装部材５のリークの有無）を確認するリーク試験を行った。尚、リーク試験は各実施例、比較例、５試料ずつ行った。

下表３に、リーク試験結果を示す。

この表３に示すように、１８０度剥離試験において良好な耐久性を示した構成例２及び構成例３は、実際のラミネート型リチウムイオン二次電池の膨張作用を疑似的に再現したリーク試験においても良好な結果を示した。

このように、本実施例は、熱溶着絶縁樹脂フィルム７の総厚みＴ（リード部材接着層１の厚みＴ１＋絶縁層２の厚みＴ２＋外装部材接着層３の厚みＴ３）に対する絶縁層２の厚みＴ２の割合を１０％〜４５％、好ましくは３０％〜３５％に設定し、更に、絶縁層２の材料として、硬度がＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さで７０ＭＰａ以下、好ましくは６０ＭＰａ以下のものを採用することで、この熱溶着絶縁樹脂フィルム７のラミネート型リチウムイオン二次電池６の膨張作用によって生ずる引張力に対する耐久性が向上し、前記膨張作用が生じても破断せず、ラミネート型リチウムイオン二次電池６のリード引き出し部８（開口部）の封止状態を良好に保持し、電解液の漏洩等の発生を可及的に抑制することができる実用性に優れた画期的な熱溶着絶縁樹脂フィルムとなる。

尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

１リード部材接着層
２絶縁層
３外装部材接着層
４リード部材
５外装部材
６蓄電装置
Ｔ１リード部材接着層の厚み
Ｔ２絶縁層の厚み
Ｔ３外装部材接着層の厚み
Ｔ総厚み

Claims

ラミネート型リチウムイオン二次電池または電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタのいずれかに構成される蓄電装置のリード部材と接着するリード部材接着層と、前記蓄電装置の外装部材と接着する外装部材接着層と、前記リード部材接着層と前記外装部材接着層との間に介在する絶縁層との三層から成る熱溶着絶縁樹脂フィルムにおいて、前記リード部材接着層の厚みと前記絶縁層の厚みと前記外装部材接着層の厚みとの和である総厚みが５０μｍ〜２００μｍであるとともに、前記絶縁層がポリプロピレン樹脂、酸変性ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂の何れかの樹脂から成り、且つ前記リード部材接着層の厚みと前記外装部材接着層の厚みが同厚に設定されているとともに前記総厚みに対する前記絶縁層の厚みの割合が３０％〜３５％に設定されており、尚且つ前記絶縁層の硬度がＪＩＳ−Ｚ−１７０２−１９９４に準拠した引張試験における引張強さで６０ＭＰａ以下であることを特徴とする熱溶着絶縁樹脂フィルム。
請求項１記載の熱溶着絶縁樹脂フィルムがリード部材と外装部材との間に設けられていることを特徴とする蓄電装置。