JP6353318B2 - ラミネートパック型電池 - Google Patents

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Description

本発明は、発電要素を覆う電池外装体をラミネートフィルムで形成したラミネートパック型電池に関する。
リチウムイオン二次電池などの電池には、発電要素を覆う電池外装体を、基材にアルミニウム合金を用いたアルミラミネートフィルムで形成したラミネートパック型電池が知られている。ラミネートパック型電池にすることにより、薄型軽量化が可能になる。ラミネートパック型電池の集電タブ部は、ラミネートフィルムの端部に挟まれて外部に導出する構成とされている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−54003号公報
近年、アルミラミネートフィルムに比べて強度の高いステンレスラミネートフィルムを用いたラミネートパック型電池が注目されている。
しかし、ステンレスラミネートフィルムの基材に用いられるステンレス鋼は、硬い材質のため、タブ部の外形状に追従し難く、隙間無く接合することが難しくなる。このため、従来のアルミラミネートフィルムを用いたラミネートパック型電池の製造工程では接合することが難しかった。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、電池外装体の強度を向上させるラミネートフィルムを用いても、ラミネートフィルムと集電タブ部との間の隙間を閉塞容易なラミネートパック型電池を提供することを目的としている。
上述した課題を解決するため、本発明は、発電要素をラミネートフィルムで覆うと共に前記ラミネートフィルムを接合して電池外装体を形成し、前記ラミネートフィルムの接合部を前記発電要素から延びる集電タブ部が通って外部に露出するラミネートパック型電池において、前記ラミネートフィルムにおける前記集電タブ部の少なくとも外縁に対応する領域は、前記ラミネートフィルムの他の領域と比べて厚み寸法が小さい薄肉部位に形成され、前記集電タブ部の外形状に沿って変形して接合されており、前記電池外装体は、前記発電要素を収容する収容凹部と、前記収容凹部を囲むと共にラミネートフィルム同士を接合した部位である縁部とを備え、前記縁部のうち、前記集電タブ部が通る領域、及び、前記集電タブ部の外縁に対応する領域だけが前記薄肉部位に形成されることを特徴とする。
また、本発明は、発電要素をラミネートフィルムで覆うと共に前記ラミネートフィルムを接合して電池外装体を形成し、前記ラミネートフィルムの接合部を前記発電要素から延びる集電タブ部が通って外部に露出するラミネートパック型電池において、前記ラミネートフィルムにおける前記集電タブ部の少なくとも外縁に対応する領域は、前記ラミネートフィルムの他の領域と比べて厚み寸法が小さい薄肉部位に形成され、前記集電タブ部の外形状に沿って変形して接合されており、前記電池外装体は、前記発電要素を収容する収容凹部と、前記収容凹部を囲むと共にラミネートフィルム同士を接合した部位である縁部とを備え、前記縁部の全体が前記薄肉部位に形成されることを特徴とする。
また、本発明は、上記構成において、前記ラミネートフィルムは、基材にステンレスを用いたステンレスラミネートフィルムであることを特徴とする。
本発明によれば、電池外装体の強度を向上させるラミネートフィルムを用いても、ラミネートフィルムと集電タブ部との間の隙間を閉塞容易になる。
本発明の第1実施形態に係るラミネートパック型電池の斜視図である。 図1のII−II断面を模式的に示した図である。 ラミネートパック型電池を上方から見た図である。 ラミネートパック型電池の薄肉部位の説明に供する図である。 図3のV−V断面図である。 成型工程を示した図である。 第2実施形態に係るラミネートパック型電池を示した図である。 第3実施形態に係るラミネートパック型電池を示した図である。 第4実施形態に係るラミネートパック型電池を示した図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係るラミネートパック型電池の斜視図である。また、図2は図1のII−II断面を模式的に示した図である。
図1及び図2に示すように、このラミネートパック型電池(ラミネートセルとも称する)10は、ラミネートフィルム11A、11Bからなる電池外装体12内に発電要素13を収容し、リチウムイオン二次電池を構成したものである。なお、電池外装体12内には電解液の注入も行われる。
発電要素13は、負極板15と正極板16とを交互に積層した極板群である。負極板15は、矩形板状の負極集電体17の両面に負極塗膜部分18を設けた構造であり、負極集電体17から電池外装体12の一端側(図2中左側)に向かって延びる負極端子17Aをそれぞれ備えている。各負極端子17Aは負極側の集電タブ部20に導通し、この集電タブ部20が電池外装体12の外部に露出する。
正極板16は、矩形板状の正極集電体21の両面に正極塗膜部分22を設けた構造であり、正極集電体21から電池外装体12の他端側(図2中右側)に向かって延びる正極端子21Aをそれぞれ備えている。各正極端子21Aは正極側の集電タブ部23に導通し、この集電タブ部23が電池外装体12の外部に露出する。
負極板15と正極板16との間にはセパレータ24が配置され、セパレータ24を介して負極板15の負極塗膜部分18と、これに隣接する正極板16の正極塗膜部分22とが対向するように、負極板15、セパレータ24及び正極板16がこの順に積層される。
なお、図2では、発電要素13の両最外層に負極集電体17が配置され、いずれの負極集電体17にも正極集電体21と対向する片面のみに負極塗膜部分18が設けられた構成である。これに限らず、負極集電体17の両面に負極塗膜部分18を設けるようにしても良い。また、図2とは負極板15及び正極板16の配置を逆にすることで、発電要素13の両最外層に正極集電体21が位置するようにし、最外層の正極集電体21の負極集電体17と対向する片面のみに正極塗膜部分22が設けられるようにしても良い。また、負極板15と正極板16の積層枚数は適宜に変更すれば良い。
電池外装体12は、2枚のラミネートフィルム11A、11Bからなる。一方のラミネートフィルム11Aは、極板15、16の積層方向一側(図2中、上側)から発電要素13を覆い、他方のラミネートフィルム11Bは、極板15、16の積層方向他側(図2中、下側)、つまり、ラミネートフィルム11Aの反対側から発電要素13を覆う。これらのラミネートフィルム11A、11Bの縁部32は互いに重ね合わされ、接合(例えば、熱溶着など)される。
各ラミネートフィルム11A、11Bは、基材にステンレス鋼を用いたラミネートフィルム(ステンレスラミネートフィルム)であり、従来より用いられていたアルミラミネートフィルムと比べて強度が高いラミネートフィルムである。これにより、電池外装体12の強度を向上させることができる。
例えば、各ラミネートフィルム11A、11Bの基材には、オーステナイト系ステンレス鋼箔が用いられ、オーステナイト安定度が高い金属箔を用いる場合と比べて、プレス成形性を高めている。また、基材は、C、Si、Mn、Ni,Cr、Cu、Mo、Nを適量含み、強度、耐食性、プレス成形性等を十分に備えている。
各ラミネートフィルム11A、11Bは、少なくとも最内層に樹脂層を備え、この樹脂層によって熱溶着が可能である。この樹脂層は、絶縁性を有するPP等で形成されることによって絶縁層としても機能する。この絶縁層により、発電要素13(集電タブ部20、23を含む)と各ラミネートフィルム11A、11Bの基材との間を絶縁することができる。なお、上記構造に限らず、絶縁層を上記樹脂層とは別に設けたステンレスラミネートフィルムを用いても良い。
集電タブ部20、23は、銅、アルミニウム等の薄板状の金属材で形成され、2枚のラミネートフィルム11A、11B間を通ってラミネートフィルム11A、11Bの外部に露出する。
各ラミネートフィルム11A、11Bには、他方のラミネートフィルム11B、11Aの反対側に凹んで発電要素13を収容する収容凹部31A、31Bがそれぞれ形成される。より具体的には、一方のラミネートフィルム11Aには、他方のラミネートフィルム11Bよりも深い収容凹部31Aが形成され、この収容凹部31A内に発電要素13の殆どを収容する。他方のラミネートフィルム11Bは、ほぼ平坦に近い浅い収容凹部31Bが形成される。
これら収容凹部31A、31Bの深さが異なる点を除いて各ラミネートフィルム11A、11Bは同様であるため、以下、一方のラミネートフィルム11Aを中心に説明し、他方のラミネートフィルム11Bの同様部分は同一符号を付して示し、重複説明は省略する。
なお、前記集電タブ部20、23の金属材には、ラミネートフィルム11A、11Bとの溶着性をより確実にし、且つより確実に短絡を防止する絶縁層の目的で、少なくともラミネートフィルム11A、11Bとヒートシールされる部分に、集電タブ部用の樹脂層(図示せず)が設けられている。集電タブ部用の樹脂層を設けることで、集電タブ部20、23付近の気密性を保つことが可能である。
図3はラミネートパック型電池10を上方から見た図である。
図2及び図3に示すように、ラミネートフィルム11Aは、長方形の矩形シートに形成されたステンレスラミネートフィルムに対し、事前に中央部を絞り加工することによって、上方に凹む収容凹部31Aと、この収容凹部31Aの周囲を囲う枠状の縁部32とが一体に形成される。なお、縁部32は、ラミネートフィルム11A、11B同士を熱溶着によって接合する領域である。
収容凹部31Aは、縁部32の内周縁から図2の上方に延出する長方形枠状の壁部31Kと、壁部31Kの上縁間を塞ぐ長方形の覆い部31Tとを一体に備えている。図2に示すように、この覆い部31Tの内面には発電要素13が当接し、発電要素13の位置ずれを抑えることができる。これによって、ラミネートフィルム11A、11Bの各覆い部31Tによって発電要素13を挟持する。また、壁部31Kと発電要素13との間には、正極端子21A、負極端子17A、及び電解液を収容するスペースが確保される。
図3に示すように、縁部32(32L、32S)は、長方形の枠形状に形成され、つまり、一対の対向する長辺部32Lと、一対の対向する短辺部32Sとを一体に備える。そして、一方の短辺部32Sから負極側の集電タブ部20がラミネートフィルム11A、11B間を通って外部に延出し、他方の短辺部32Sから正極側の集電タブ部23がラミネートフィルム11A、11B間を通って外部に延出する。
ところで、各短辺部32Sを集電タブ部20、23が通過するため、集電タブ部20、23との間に隙間がないように短辺部32Sを接合する必要がある。しかしながら、ラミネートフィルム11A、11Bに用いられるステンレスラミネートフィルムは、アルミラミネートフィルムと比べて硬い材質であるため、従来の一般的な接合工程では短辺部32Sを集電タブ部20、23の外径に追従させて変形させることが難しくなる。
つまり、ラミネートフィルム11A、11Bにステンレスラミネートフィルムを用いる目的は、従来よりも電池外装体12(特に収容凹部31A、31B)の強度を高めるためであるから、その目的を満足する強度を有するステンレスラミネートフィルムを用いる必要がある。このため、従来以上に圧力をかけなければ短辺部32Sを適切に変形させることができなくなる。
なお、一般的なアルミラミネートフィルムのアルミ基材厚みは50μm程度であり、外力により容易にアルミラミネートフィルムが変形し、短絡等の危険性が生じてしまう。そこで、本発明に要求される強度としては、例えば、アルミラミネートフィルムのアルミ基材厚みを従来の5倍程度とすることで、変形を防止し得る高強度のアルミラミネートフィルム(ハードケース同等)を得る事も可能となる。一方、ステンレスラミネートフィルムの場合、上記一般的なアルミラミネートフィルムと同程度の厚み(50μm程度)であっても、変形を防止し得る高強度のアルミラミネートフィルムと遜色ない強度を有することが可能である。
即ち、アルミラミネートフィルムの基材厚みを変化させることで、目的を満足する強度を有するアルミラミネートフィルムを用いることも可能であるが、重量及び体積エネルギー密度を求める観点から、ステンレスラミネートフィルムを用いることが好ましい。
本実施形態では、図2に示すように、集電タブ部20、23が通る領域である短辺部32Sを、他の領域と比べて厚み寸法(図2中、符号d1で示す)が小さい薄肉部位に形成し、外部からの圧力に対して短辺部32Sを変形させやすくしている。
なお、図4に示すように、薄肉部位(図4中、符号αで示すハッチング領域)は短辺部32Sだけであり、それ以外の領域である長辺部32L、及び収容凹部31A、31Bは薄肉部位よりも大の厚み寸法(図2中、符号d0で示す)に形成されている。これにより、短辺部32Sを集電タブ部20、23の外形状に追従させて変形させることができるようにしている。
一般に、アルミラミネートフィルムを用いたラミネートパック型電池の接合工程では、公知のラミネートセル用注液装置(注液機能付き真空シール機とも称する)が用いられる。このラミネートセル用注液装置は、ラミネートセルの電池に電解液を注入し、真空中でシールする装置であり、電池台にセットされたラミネートセルの内部を真空状態にし、ストックタンクに貯留される電解液を注入し、注入後は真空状態で加熱封止する。
本実施形態では、上記ラミネートセル用注液装置によって変形できる程度に、ラミネートフィルム11A、11Bの短辺部32Sを、ラミネートフィルム11A、11Bの他の部分に比べて薄くしている。より具体的には、上記ラミネートセル用注液装置による加熱封止時に作用する圧力によって変形できる程度に、ラミネートフィルム11A、11Bの短辺部32Sの厚さd1を設定している。
短辺部32Sの厚さd1を薄くする具体的方法としては、例えば、公知のプレス機を用いて部分的に薄い部分を形成する工程(プレス工程)を適用して基板厚みを含め短辺部32Sを薄くすれば良い。このプレス工程は、大判のステンレスラミネートフィルムから、上記ラミネートフィルム11A、11Bの展開状態に対応する打ち抜きシートを打ち抜く際に同時に行うようにしても良い。なお、プレス技術に限らず、鋼材の一部を薄くする公知の薄型化技術を広く適用可能である。
これにより、上記ラミネートセル用注液装置の接合工程時に作用する圧力によって各短辺部32Sを集電タブ部20、23の外形状に追従させて変形させ、集電タブ部20、23との間に隙間なく接合することが可能になる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、発電要素13をラミネートフィルム11A、11Bで覆うと共に前記ラミネートフィルム11A、11Bを接合して電池外装体12を形成し、前記ラミネートフィルム11A、11Bの接合部(縁部32)を発電要素13から延びる集電タブ部20、23が通って外部に露出するラミネートパック型電池10において、前記ラミネートフィルム11A、11Bにおける前記集電タブ部20、23が通る領域(短辺部32S)を、前記ラミネートフィルム11A、11Bの他の領域と比べて厚み寸法が小さい薄肉部位に形成し、前記集電タブ部20、23の外形状に沿って変形させて接合するので、ステンレスラミネートフィルムを用いて電池外装体12の強度を向上しても、ラミネートフィルム11A、11Bと集電タブ部20、23との間の隙間を容易に閉塞できる。従って、電池外装体12の強度向上と気密性とを両立可能である。
また、前記電池外装体12は、前記発電要素13を収容する収容凹部31A、31Bと、前記収容凹部31A、31Bを囲むと共にラミネートフィルム同士を接合した部位である縁部32とを備え、前記薄肉部位は、前記縁部32に形成されるので、収容凹部31A、31Bの強度を確保しつつ、縁部32を変形し易くでき、気密性を確保し易くなる。
しかも、前記縁部32は、前記収容凹部31A、31Bを囲う矩形の枠形状に形成され、前記縁部32の枠形状を構成する各辺部32L、32Sのうち、前記集電タブ部20、23が通る短辺部32Sだけが前記薄肉部位に形成されるので、短辺部32Sの一部だけをプレス等で薄くする場合と比べて、短辺部32Sの薄肉加工がし易い。また、長辺部32Lを薄肉部位に形成しないので、電池外装体12の強度向上に有利である。
また、短辺部32Sは、アルミラミネートフィルムを用いたラミネートパック型電池に用いられるラミネートフィルム接合工程時に作用する圧力と同じ圧力で前記集電タブ部20、23の外形状に沿って変形する厚さd1に形成されるので、アルミラミネートフィルムのラミネートパック型電池の製造工程をそのまま使用することが可能になる。
上記実施形態では、短辺部32Sを薄くする工程を追加することで、アルミラミネートフィルムのラミネートパック型電池の製造工程をそのまま使用することを可能にしたが、短辺部32Sを集電タブ部20、23の外形状に沿う形状に予め成型する成型工程を行うようにしても良い。以下、その成型工程の一例を説明する。
図5はラミネートパック型電池10の集電タブ部20を短辺部32Sと共に示した断面図(図3のV−V断面図)である。この図に示すように、上下の短辺部32Sは集電タブ部20の外形状に沿って屈曲することにより、短辺部32Sと集電タブ部20との隙間を閉塞することができる。この図4からも明らかなように、集電タブ部20の外縁に対応する領域(図4中、符号AR0で示す)が短辺部32Sを最も屈曲させる必要のある領域であり、かかる領域を十分に屈曲させることが重要である。
このため、短辺部32Sを、集電タブ部20の外形状に沿って屈曲する形状に予め成型する成型工程を行っていれば、集電タブ部20の外縁に対応する領域を十分に屈曲させて状態で接合でき、気密性を容易に確保できる。
図6は成型工程を示した図である。
図6に示すように、プレス金型として、短辺部32Sの集電タブ部20(又は集電タブ部23)の領域AR1をプレスする第1金型K1と、集電タブ部20(又は集電タブ部23)の左右の領域AR2、AR3をそれぞれプレスする一対の第2金型K2、K3とを設け、集電タブ部20の外縁に沿った形状となるように、第1〜第3金型K1〜K3により短辺部32Sをプレスする。
この成型工程には、プレス力を調整することにより短辺部32Sを厚さd1に薄くするプレス工程と、集電タブ部20(又は集電タブ部23)の外縁に沿った形状に成型する成型工程とが含まれる。このため、薄型化・成型が同時に行われる。
これにより、短辺部32Sが他の部分(長辺部32L)と同じ厚さd0(図2)に形成されたラミネートフィルム11A、11Bを用意し、これに上記成型工程(図5)を行うことで、薄く、且つ、成型された短辺部32Sを得ることができる。
その後は、アルミラミネートフィルム用のラミネートセル用注液装置を用いれば、短辺部32Sを集電タブ部20との間に隙間なく接合することができる。この場合も、アルミラミネートフィルムのラミネートパック型電池の製造工程をそのまま使用して製造することが可能となる。
(第2実施形態)
図7は第2実施形態を示す。第2実施形態では、短辺部32Sのうち集電タブ部20、23が通る領域だけを薄肉部位(図7中、符号αで示すハッチング領域)に形成している。より具体的には、集電タブ部20、23の縁部と重なる領域(図6中、AR1に対応する領域)、及び、各集電タブ部20、23の外縁部に対応する領域(図5中、AR0に対応する領域)の縁部間と重なる領域の双方を含む領域を薄肉部位とし、従来の一般的な接合工程時に作用する圧力で変形可能にしている。
この構成によれば、集電タブ部20、23の外形状に沿って変形させて接合し易くしつつ、薄肉部位の領域を少なくすることができる。従って、第1実施形態と比べて電池外装体12の強度向上に有利である。なお、薄肉部位の領域が異なる点以外は、第1実施形態と同一に形成すれば良い。また、第1実施形態と同様、集電タブ部20、23には集電タブ部用の樹脂層(図示せず)が設けられている。
(第3実施形態)
図8は第3実施形態を示す。第3実施形態では、短辺部32Sのうち集電タブ部20、23の縁部に対応する領域(図6中、AR1に対応する領域)だけを薄肉部位(図8中、符号αで示すハッチング領域)に形成している。
この構成によれば、集電タブ部20、23の外形状に沿って変形させて接合し易くしつつ、薄肉部位の領域をより少なくすることができる。従って、第1及び第2実施形態と比べて、電池外装体12の強度向上により有利である。なお、薄肉部位の領域が異なる点以外は、第1実施形態と同一に形成すれば良い。また、第1実施形態と同様、集電タブ部20、23には集電タブ部用の樹脂層(図示せず)が設けられている。
(第4実施形態)
図9は第4実施形態を示す。第4実施形態では、短辺部32Sと長辺部32Lの両方、つまり、収容凹部31A、31Bの周囲を囲う枠状の縁部32の全体を薄肉部位(図9中、符号αで示すハッチング領域)に形成している。
この構成によれば、プレス工程により成型しやすい、という効果が得られる。例えば、収容凹部31A、31Bの強度を確保する一方で、縁部32には強度がそれほど要求されない、或いは、縁部32に柔軟性を持たせたい等の場合に本実施形態の構成を適用すれば良い。また、第1実施形態と同様、集電タブ部20、23には集電タブ部用の樹脂層(図示せず)が設けられている。
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上述の実施形態では、収容凹部31A、31Bが長方形状に凹んだ形状の場合を説明したが、これに限らず、正方形状等の他の形状で凹んだ形状であっても良く、形状は限定されない。また、ラミネートフィルム11A、11Bの両方に収容凹部31A、31Bを形成する場合を説明したが、一方だけに形成し、他方は平面状に形成しても良い。
また、電池外装体12を2枚のラミネートフィルム11A、11Bで形成する場合を説明したが、1枚のラミネートフィルムで形成しても良い。要は、ラミネートフィルムにおける集電タブ部20、23の少なくとも外縁に対応する領域を薄肉部位に形成すれば良い。また、ラミネートフィルムの接合は熱溶着に限らず、接着などの他の接合方法を用いても良い。
また、電池外装体12を構成するラミネートフィルム11にステンレスラミネートフィルムを用いる場合を説明したが、厚いアルミラミネートフィルム、或いは、他の比較的硬い金属材を基材に用いた金属ラミネートフィルムを用いても良い。
さらに、リチウムイオン二次電池に本発明を適用する場合を説明したが、他の二次電池や一次電池に本発明を適用しても良い。
10 ラミネートパック型電池(ラミネートセル)
11A、11B ラミネートフィルム
12 電池外装体
13 発電要素
20、23 集電タブ部
31A、31B 収容凹部
32 縁部

Claims (3)

  1. 発電要素をラミネートフィルムで覆うと共に前記ラミネートフィルムを接合して電池外装体を形成し、前記ラミネートフィルムの接合部を前記発電要素から延びる集電タブ部が通って外部に露出するラミネートパック型電池において、
    前記ラミネートフィルムにおける前記集電タブ部の少なくとも外縁に対応する領域は、前記ラミネートフィルムの他の領域と比べて厚み寸法が小さい薄肉部位に形成され、前記集電タブ部の外形状に沿って変形して接合されており、
    前記電池外装体は、前記発電要素を収容する収容凹部と、前記収容凹部を囲むと共にラミネートフィルム同士を接合した部位である縁部とを備え、
    前記縁部のうち、前記集電タブ部が通る領域、及び、前記集電タブ部の外縁に対応する領域だけが前記薄肉部位に形成されることを特徴とするラミネートパック型電池。
  2. 発電要素をラミネートフィルムで覆うと共に前記ラミネートフィルムを接合して電池外装体を形成し、前記ラミネートフィルムの接合部を前記発電要素から延びる集電タブ部が通って外部に露出するラミネートパック型電池において、
    前記ラミネートフィルムにおける前記集電タブ部の少なくとも外縁に対応する領域は、前記ラミネートフィルムの他の領域と比べて厚み寸法が小さい薄肉部位に形成され、前記集電タブ部の外形状に沿って変形して接合されており、
    前記電池外装体は、前記発電要素を収容する収容凹部と、前記収容凹部を囲むと共にラミネートフィルム同士を接合した部位である縁部とを備え、
    前記縁部の全体が前記薄肉部位に形成されることを特徴とするラミネートパック型電池。
  3. 前記ラミネートフィルムは、基材にステンレスを用いたステンレスラミネートフィルムであることを特徴とする請求項1又は2に記載のラミネートパック型電池。
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