JP6299165B2 - リチウムイオン電池用外装材 - Google Patents
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Description
そこで、多層フィルムからなる外装材では内部にアルミニウム箔層が設けられ、多層フィルムの表面から水分が入ることを抑制している。たとえば、耐熱性を有する基材層/第1接着層/アルミニウム箔層/フッ酸による腐食を防止する腐食防止処理層/第2接着層/シーラント層が順次積層された外装材が知られている。このような外装材を使用したリチウムイオン電池は、アルミラミネートタイプのリチウムイオン電池とも呼ばれる。
外装材1は、図1に示すように、シート状をなす基材層11の一方の面側に、同じくそれぞれシート状をなす第1接着層12、金属箔層13、腐食防止処理層14、第2接着層15、及びシーラント層16が順次積層された積層体である。外装材1を用いてリチウムイオン電池を形成する際は、基材層11が最外層となり、シーラント層16が最内層となる。また、基材層11は多層フィルムであり、電池の外部側が第2基材層11bであり、第1接着層12に接する層が第1基材層11aである。
基材層11は、リチウムイオン電池を製造する際のシール工程における耐熱性を付与し、加工や流通の際に起こり得るピンホールの発生を抑制する役割を果たす。
基材層11は、第1基材層11aおよび第2基材層11bを有する多層構成である。第1接着層12に接する第1基材層11aは、ポリエステル樹脂またはポリアミド樹脂からなる。第1基材層11aの第1接着層12側と接する面と反対側の面に積層された第2基材層11bは、ポリエステルエラストマーを含有している。
また、第2基材層11bの厚さは、2μm〜15μmが好ましく、3μm〜10μmがより好ましい。
基材層11の厚さとしては、6μm〜25μmが好ましく、10μm〜20μmがより好ましい。
第1基材層11aの厚さが4μm以上かつ第2基材層11bの厚さが15μm以下であれば成型性に優れる。第1基材層11aの厚さが20μm以下かつ第2基材層11bの厚さが2μm以上であれば、成型加工により延伸された箇所における基材層11の収縮率がそれほど大きくならず、成型加工後の形状を好適に維持できる。
第1接着層12は、基材層11と金属箔層13を接着する層である。
第1接着層12を構成する接着材としては、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、アクリルポリオール等の主剤に、硬化剤として2官能以上の芳香族系又は脂肪族系イソシアネート化合物を作用させる2液硬化型のウレタン系接着剤が好ましい。このようなウレタン系接着剤は、塗工後、例えば40℃で4日以上のエージングを行うことで、主剤の水酸基と硬化剤のイソシアネート基の反応が進行して強固な接着が可能となる。
第1接着層12の厚さは、接着強度、追随性、加工性などの点から、1〜10μmが好ましく、3〜7μmがより好ましい。
金属箔層13としては、アルミニウム、ステンレス鋼等の各種金属箔を使用することができ、防湿性、延展性等の加工性、コストの面から、アルミニウム箔が好ましい。アルミニウム箔としては、一般の軟質アルミニウム箔を用いることができる。なかでも、耐ピンホール性、および成形時の延展性に優れる点から、鉄を含むアルミニウム箔が好ましい。
鉄を含むアルミニウム箔(100質量%)中の鉄の含有量は、0.1〜9.0質量%が好ましく、0.5〜2.0質量%がより好ましい。鉄の含有量が0.1質量%以上であれば、外装材1は耐ピンホール性、延展性に優れる。鉄の含有量が9.0質量%以下であれば外装材1は柔軟性に優れる。
腐食防止処理層14は、電解液や、電解液と水分の反応により発生するフッ酸による金属箔層13の腐食を抑制する役割を果たす。また、金属箔層13と第2接着層15との密着力を高める役割を果たす。
腐食防止処理層14としては、塗布型、又は浸漬型の耐酸性の腐食防止処理剤によって形成された塗膜が好ましい。このような塗膜は、金属箔層13の酸に対する腐食防止効果に優れる。また、アンカー効果によって金属箔層13と第2接着層15の密着力をより強固にするため、電解液等の内容物に対して優れた耐性が得られる。
腐食防止処理層14は、金属箔層13の耐食性が充分に得られる塗膜であれば、上述したものには限定されない。例えば、リン酸塩処理、ベーマイト処理等によって形成した塗膜であってもよい。
腐食防止処理層14の厚さは、腐食防止機能、及びアンカーとしての機能の点から、10nm〜5μmが好ましく、20〜500nmがより好ましい。
なお、腐食防止処理層14は、必要とされる機能に応じて第1接着層12と金属箔層13の間にさらに設けられてもよい。
第2接着層15は、腐食防止処理層14が形成された金属箔層13とシーラント層16とを接着する層である。外装材1は、第2接着層15を形成する接着成分によって、熱ラミネート構成とドライラミネート構成との大きく二つに分けられる。
熱ラミネート構成における第2接着層15を形成する接着成分としては、ポリオレフィン系樹脂を無水マレイン酸等の酸でグラフト変性した酸変性ポリオレフィン系樹脂が好ましい。酸変性ポリオレフィン系樹脂は、無極性であるポリオレフィン系樹脂の一部に極性基が導入されていることから、ポリオレフィン系樹脂フィルム等で形成した無極性のシーラント層16と、極性を有する腐食防止処理層14の両方に強固に密着することができる。また、酸変性ポリオレフィン系樹脂を使用することで、電解液等の内容物に対する耐性が向上し、電池内部でフッ酸が発生しても第2接着層15の劣化による密着力の低下を防止し易い。
第2接着層15に使用する酸変性ポリオレフィン系樹脂は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
前記ポリオレフィン系樹脂を変性する酸としては、カルボン酸、エポキシ化合物、酸無水物等が挙げられ、無水マレイン酸が好ましい。
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの無水マレイン酸による変性率(無水マレイン酸変性ポリプロピレンの総質量に対する無水マレイン酸に由来する部分の質量)は、0.1〜20質量%が好ましく、0.3〜5質量%がより好ましい。
熱ラミネート構成における第2接着層15の厚さは2〜50μmが好ましい。
ドライラミネート構成における第2接着層15は、エステル基やウレタン基等の加水分解性の高い結合部を有しているので、より高い信頼性が求められる用途には熱ラミネート構成の第2接着層15が好ましい。
シーラント層16は、外装材1においてヒートシールによる封止性を付与する層である。シーラント層16としては、ポリオレフィン系樹脂、又はポリオレフィン系樹脂に無水マレイン酸等の酸をグラフト変性させた酸変性ポリオレフィン系樹脂からなる樹脂フィルムが挙げられる。
ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、低密度、中密度、高密度のポリエチレン;エチレン−αオレフィン共重合体;ホモ、ブロック、又はランダムポリプロピレン;プロピレン−αオレフィン共重合体等が挙げられる。これらポリオレフィン系樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
酸変性ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、第2接着層15で挙げたものと同じものが挙げられる。
また、シーラント層16は、難燃剤、スリップ剤、アンチブロッキング剤、酸化防止剤、光安定剤、粘着付与剤等の各種添加材が配合されてもよい。
シーラント層16の厚さは、10〜100μmが好ましく、20〜60μmがより好ましい。
以下、外装材1の製造方法について説明する。ただし、下記内容は一例であり、外装材1の製造方法は下記の内容に限定されない。
外装材1の製造方法としては、例えば、下記工程(1)〜(3)を有する方法が挙げられる。
工程(1):金属箔層13上に、腐食防止処理層14を形成する工程。
工程(2):金属箔層13における腐食防止処理層14を形成した側と反対側に、第1接着層12を介して基材層11をはり合わせる工程。
工程(3):金属箔層13の腐食防止処理層14側に、第2接着層15を介してシーラント層16を貼り合わせる工程。
金属箔層13の一方の面に、腐食防止処理剤を塗布、乾燥して腐食防止処理層14を形成する。腐食防止処理剤としては、例えば、前記したセリアゾール処理用の腐食防止処理剤、クロメート処理用の腐食防止処理剤等が挙げられる。
腐食防止処理剤の塗布方法は特に限定されず、グラビアコート、リバースコート、ロールコート、バーコート等、各種方法を採用できる。
金属箔層13における腐食防止処理層14を形成した側と反対側に、第1接着層12を形成する接着剤を用いて、ドライラミネーション等の手法で基材層11を貼り合わせる。基材層11を貼り合わせる際は、第1基材層11aと第1接着層12が接するよう貼り合わせる。
工程(2)では、接着性の促進のため、室温〜100℃の範囲でエージング(養生)処理を行ってもよい。
基材層11、第1接着層12、金属箔層13及び腐食防止処理層14がこの順に積層された積層体の腐食防止処理層14側に、押出ラミネート法によって第2接着層15を形成し、シーラント層16を形成する樹脂フィルムを貼り合わせる。シーラント層16の積層は、サンドイッチラミネーションにより行うことが好ましい。
なお、外装材1の製造方法の工程順序は、前記(1)〜(3)を順次実施する方法に限定されない。例えば、工程(2)を行ってから工程(1)を行ってもよい。
以下、本実施形態の外装材1を用いたリチウムイオン電池の製造方法における外装材1の成型加工方法の一例について、図2および図3を参照して説明する。図2は、外装材1の平面図であり、図3は、図2のI−I線における断面図である。
ここでは、リチウムイオン電池を製造する過程において外装材1に平面視矩形状をなす凹部として図2および3に示す成型加工エリア17を形成する成型加工方法を説明する。
即ち、上記工程のように凹部としての成型加工エリア17を形成後、該凹部の内部に、正極、セパレータ及び負極を入れ、外装材1を折り返し、シーラント層が向かい合うように重ね合わせ、その二辺をヒートシールする。その後、真空状態において、残った一辺から電解液を注入し、残りの一辺をヒートシールして密封することでリチウムイオン電池が形成される。
なお、本発明のリチウムイオン電池用外装材を使用したリチウムイオン電池は、前記方法で製造したものには限定されない。例えば、外装材1を2枚用意し、シーラント層16どうしを対向させて接合することによりリチウムイオン電池を形成してもよい。
さらに、第2基材層11bにポリエステルエラストマーが含有されていることで、成型加工後の反り量の低減を図ることが可能となる。
[使用材料]
まず、実施例および比較例において、各層の材料として使用したものを以下に示す。括弧内は層厚を示している。
(基材層)
基材A−1:多層構造の共押出しフィルム 第1基材層/第2基材層=PET(11μm)/エラストマー含有PET(5μm)
基材A−2:多層構造の共押出しフィルム 第1基材層/第2基材層=PET(3μm)/エラストマー含有PET(13μm)
基材A−3:多層構造の共押出しフィルム 第1基材層/第2基材層=PET(15μm)/エラストマー含有PET(1μm)
基材A−4:単層のPETフィルム(16μm)
接着剤B−1:ポリエステルウレタン系接着剤
金属箔C−1:軟質アルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム社製、厚さ40μm)
処理剤D−1:酸化セリウム、リン酸、アクリル系樹脂を主体とした塗布型セリアゾール処理用の処理剤
接着樹脂E−1:無水マレイン酸でグラフト変性したポリプロピレン系樹脂(商品名「アドマー」、三井化学社製)
フィルムF−1:無延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ40μm)の内面となる側の面をコロナ処理したフィルム
金属箔層となる金属箔C−1の一方の面に処理剤D−1を塗布、乾燥して腐食防止処理層を形成した。次に、金属箔層の腐食防止処理層が形成された面と反対側の面に、接着剤B−1を用いたドライラミネート法により、基材A−1〜A−4のいずれかを貼り合せた。その後、60℃、6日間のエージングを行った。次に、得られた積層体の腐食防止処理層側に押出し装置にて接着樹脂E−1を押出して第2接着層を形成し、フィルムF−1を貼り合わせてサンドイッチラミネーションすることでシーラント層を形成した。その後、得られた積層体に対し、190℃、4kg/cm2、2m/分の条件で加熱圧着することで外装材を作成した。
各例で得られた外装材を、150mm×190mmのブランク形状に切り取り、23℃、40%RH(相対湿度)の成形環境下で成形深さを変化させながら冷間成型し、成型性を評価した。
パンチとしては、形状が100mm×150mm、パンチコーナーR(RCP)が1.5mm、パンチ肩R(RP)が0.75mm、ダイ肩R(RD)が0.75mmのものを使用した。評価基準は、以下に従って行った。
◎(excellent):破断、クラックを生じさせずに、成型深さ6mm以上の深絞り成型が可能である。
○(fair):破断、クラックを生じさせずに、成型深さ4mm以上6mm未満の深絞り成型が可能である。
×(insufficient):成形深さ4mm未満の深絞り成型で破断、クラックが生じる。
各例で得られた外装材を、引張り評価で得られた引張伸度の大きい方向を長辺として120mm×260mmのブランク形状に切り取り、23℃、40%RHの成型環境下で成型深さ3mmに設定し、冷間成型を行った。
成型エリアはブランク形状端から25mmとし、ブランク形状の片側に寄せた状態で成型を行った。
パンチとしては、形状が70mm×80mm、RCPが1.5mm、RPが0.75mm、RDが0.75mmのものを使用した。
成型加工された外装材を、成形エリアの基材層側が上側となるように平坦な基準面に固定し、成型加工から60分後に成型されていないエリアの端辺の反り量(基準面からの距離)を測定した。評価基準は、以下に従って行った。
◎:反り量が50mm未満
○:反り量が50mm以上100mm未満
×:反り量が100mm以上
第1基材層膜厚が3μmである実施例2は、成型性は実施例1より若干劣るものの、許容できる範囲であり、また、反り量の低減については十分な効果が得られた。また、第2基材層膜厚が1μmである実施例3は、フィルムの弾性変形領域が大きく、成型加工により反り量が大きくなったが、許容できる範囲の反り量であった。
一方、基材層が第1基材層のみからなる比較例は、実施例2よりフィルムの弾性変形領域が大きくなり、成型加工により反り量が大幅に大きくなり、許容できない程度となった。
11 基材層
11a 第1基材層
11b 第2基材層
12 第1接着層
13 金属箔層
14 腐食防止処理層
15 第2接着層
16 シーラント層
Claims (2)
- 基材層の一方の面に、第1接着層、金属箔層、腐食防止処理層、第2接着層、およびシーラント層が順次積層されたリチウムイオン電池用外装材であって、
前記基材層は、
ポリエステル樹脂またはポリアミド樹脂で形成されて前記第1接着層と接する第1基材層と、
ポリエステルエラストマーが含有されて前記第1基材層上に形成された第2基材層と、を有し、
前記第1基材層の厚さが4μm以上20μm以下であり、
前記第2基材層の厚さが2μm以上15μm以下であり、
前記基材層の厚さが6μm以上、25μm以下である、
リチウムイオン電池用外装材。 - 前記基材層が共押出し法で形成されている、請求項1に記載のリチウムイオン電池用外装材。
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