JP6569282B2

JP6569282B2 - 絶縁リード及び蓄電デバイス

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Publication number: JP6569282B2
Application number: JP2015089979A
Authority: JP
Inventors: 岡田　智之; 智之岡田; 圭太郎宮澤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-04-27
Also published as: JP2016207554A

Description

本発明は、電池やキャパシタ等の蓄電デバイスに用いられる絶縁リード及びその絶縁リードを有する蓄電デバイスに関するものである。

小型電子機器の電源として、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質電池が用いられている。この非水電解質電池としては、多層フィルムからなる封入体に、正極板、負極板及び電解液を収納し、正極板、負極板に接続したリード部材（絶縁リード）が上記封入体内から外部に露出するように密封封止した構造のものが知られている。

特許文献１には、リチウム電池用の包装体のバリアー層とその包装体から突出する金属端子との短絡を防止するための接着性フィルムが開示されている。この接着性フィルムは、金属端子と、金属端子の両面に設けられる貼り合せ用の絶縁体との間に介在させるもので、その少なくとも一つの層に酸化アルミニウムやシリカ等の充填剤が含有されている。充填剤は、包装体のバリアー層（金属層）と金属端子とが接触して短絡することを防止するためのスペーサとして機能する。

特許文献２には、金属層を含む袋体の内部にその開口からリード導体の一部が挿入され、袋体の開口端部の内面と、リード導体とが絶縁体を介して融着された非水電解質電池において、上記絶縁体が、少なくとも架橋ポリオレフィン樹脂からなる架橋層を含む構成が開示されている。ここでは絶縁体が架橋ポリオレフィン樹脂からなる架橋層を含むため、リード導体が袋体に熱融着によって取り付けられるときに、絶縁体の溶融によるリード導体と袋体の金属層の間の短絡が防止される。

特開２００５−１７４８２５号公報特許第３１１４１７４号公報

金属層を有する封入体の内部にリード部材の一部を挿入して熱融着した構成を有する非水電解質電池においては、用途によりその厚さを薄くしたいという要求がある。しかしながら特許文献１のように、貼り合せ用の絶縁体に加えて、充填剤を含む新たな接着性フィルムを挿入したり、特許文献２のようにリード部材と封入体との間に配設する絶縁体を２層構造にすると、非水電解質電池を薄くすることが難しい。このような構成では、リード部材の熱融着部の厚さは、薄くても６０μｍ程度になるが、それ以下の厚さにすることが求められる。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたもので、封入体の内部に絶縁リードの一部が挿入され、封入体の端部の内面が絶縁リードを挟んだ状態で熱融着された蓄電デバイスにおいて、封入体と絶縁リードの絶縁性および熱融着性を確保しつつ、蓄電デバイスの厚さを薄くすることができる絶縁リードおよび該絶縁リードを用いた蓄電デバイスを提供することを目的とする。

本発明による絶縁リードは、箔状のリード導体と、該リード導体の両面側から貼り合わされた絶縁フィルムとを有し、該絶縁フィルムは、前記リード導体の長さ方向の両端部を除く領域に貼り合わされ、かつ、貼り合わされる前記絶縁フィルムの幅は、前記リード導体の幅よりも広い絶縁リードであって、前記絶縁フィルムは、ポリオレフィン樹脂に粒子が分散されて成形され、前記粒子はコアの表面にポリマーを備えて構成され、前記コアは、前記絶縁フィルムの熱融着時の熱に対して非熱融着性の材料で構成され、前記ポリマーは、前記絶縁フィルムの熱融着時の熱に対して熱融着性のポリマーであり、前記粒子の粒径は、前記絶縁フィルムの厚さより小さい、絶縁リードである。

本発明による蓄電デバイスは、上記の絶縁リードが電極に接続され、発電素子と電解液が封入体に収納され、前記絶縁フィルムが前記封入体に密封封止され、前記絶縁リードの一部が前記封入体の外に出ている蓄電デバイスである。

本発明によれば、封入体の内部に絶縁リードの一部が挿入され、封入体の端部の内面が絶縁リードを挟んだ状態で熱融着された蓄電デバイスにおいて、封入体と絶縁リードの絶縁性および熱融着性を確保しつつ、蓄電デバイスの厚さを薄くすることができる絶縁リードおよび該絶縁リードを用いた蓄電デバイスを提供することができる。

本発明による絶縁リードおよび蓄電デバイスの構成例を示す図である。リード部材の取り出し状態を説明する図である。非水電解質電離のリード部材の構成をより具体的に示す図である。絶縁フィルムに分散させる粒子の第１の構成例を概念的に示す図である。絶縁フィルムに分散させる粒子のコアに使用する材料の物性例を示す図である。絶縁フィルムに分散させる粒子の第２の構成例を概念的に示す図である。絶縁フィルムに分散させる粒子の第３の構成例を概念的に示す図である。絶縁フィルムに分散させる粒子のコアに使用する材料の他の物性例を示す図である。

最初に、本発明の実施形態を列記して説明する。
（１）本願の絶縁リードに係る発明は、箔状のリード導体と、該リード導体の両面側から貼り合わされた絶縁フィルムとを有し、該絶縁フィルムは、前記リード導体の長さ方向の両端部を除く領域に貼り合わされ、かつ、貼り合わされる前記絶縁フィルムの幅は、前記リード導体の幅よりも広い絶縁リードであって、前記絶縁フィルムは、ポリオレフィン樹脂に粒子が分散されて成形され、前記粒子はコアの表面にポリマーを備えて構成され、前記コアは、前記絶縁フィルムの熱融着時の熱に対して非熱融着性の材料で構成され、前記ポリマーは、前記絶縁フィルムの熱融着時の熱に対して熱融着性のポリマーであり、前記粒子の粒径は、前記絶縁フィルムの厚さより小さい、絶縁リードである。これにより、封入体と絶縁リードの絶縁性および熱融着性を確保しつつ、蓄電デバイスの厚さを薄くすることができる。

（２）前記粒子は、前記コアの表面に前記ポリマーが被覆されて構成されることが好ましい。これにより、スペーサとして機能させるための最適な物性を有するコア材料を選択するとともに、その表面に絶縁フィルムの樹脂材料と相溶性のよいポリマーを被覆することで、絶縁フィルムに分散させ、スペーサとして機能させるための好適な粒子を得ることができる。

（３）前記粒子は、前記コアの表面に前記ポリマーが化学修飾されて構成されることが好ましい。これにより、スペーサとして機能させるための最適な物性を有するコア材料を選択するとともに、その表面に絶縁フィルムの樹脂材料と相溶性のよいポリマーを化学修飾することで、絶縁フィルムに分散させ、スペーサとして機能させるための好適な粒子を得ることができる。

（４）前記コアは、セラミックス材料により構成されることが好ましい。これにより、スペーサとして機能させるための最適な物性をもつコア材料をセラミックス材料から選択することができる。

（５）前記粒子表面のポリマーは、前記ポリオレフィン樹脂と相溶性を有することが好ましい。これにより、絶縁フィルム内で粒子が遊離することなく、粒子が絶縁フィルム内に均一に分散する。

（６）前記絶縁フィルムは、非架橋の前記ポリオレフィン樹脂に前記粒子が分散された１層のフィルムにより構成されていることが好ましい。これにより、絶縁リードのリード電極との熱融着性を確保しつつ、絶縁リードを薄くすることができ、絶縁リードを設けた蓄電デバイスを薄くすることができる。絶縁フィルムを架橋する手間がかからない。

（７）本願の蓄電デバイスに係る発明は、上記の絶縁リードが電極に接続され、発電素子と電解液が封入体に収納され、前記絶縁リードが前記封入体に密封封止され、前記絶縁リードの一部が前記封入体の外に出ている蓄電デバイスである。これにより、封入体と絶縁リードの絶縁性および熱融着性を確保しつつ、蓄電デバイスを薄くすることができる。

（本願発明の実施形態の詳細）
図１は、本発明による絶縁リードおよび蓄電デバイスの構成例を示す図で、図１（Ａ）は、蓄電デバイスの一例である非水電解質電池の組み立てを説明する図、図１（Ｂ）は非水電解質電池の斜視外観を示す図であり、図２は、リード部材の取り出し状態を説明する図である。図中、１は封入体、２は積層電極群、３，４はリード部材（本発明の絶縁リードに相当）、５，６はリード導体、７は絶縁フィルム、８はシール部、１０は非水電解質電池である。

蓄電デバイスは、リチウムイオン電池などの非水電解質電池、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）やリチウムイオンキャパシタなどのキャパシタなどを含む。
非水電解質電池１０は、正極板及び負極板がセパレータを介して複数積層された積層電極群２を有し、積層電極群２と電解液が封入体１に収納されている。封入体１の内部では、リード部材３の一端側が正極板に接続され、リード部材４の一端側が負極板に接続される。そしてリード部材３，４の他端側は、密封封止された状態でシール部８から外部に取り出されている。

封入体１は、非水電解質電池１０の外装ケースをなし、金属箔層の両面に樹脂フィルムを貼り合わせた多層フィルムで形成されている。シール部８は、多層フィルムの周縁部に位置し、熱融着により密封される。
リード部材３，４のそれぞれには、封入体１からの取り出し部分に絶縁フィルム７が貼り付けられる。絶縁フィルム７は、封入体１の内側の樹脂フィルムに融着してシール性の低下を防止すると共に、封入体１の金属箔層とリード部材３，４との電気的な短絡を防止する機能を有している。

図３は、非水電解質電池のリード部材の構成をより具体的に示す図で、図３（Ａ）は、リード部材の平面図、図３（Ｂ）は、リード部材を取り付けた非水電解質電池の要部断面図である。
リード部材３，４は、帯状のリード導体５，６を有している。リード導体５，６は、厚さが例えば０.０５ｍｍ〜０.５０ｍｍ程度の薄い導体箔を、導体幅ｄが例えば１〜１００ｍｍ程度で、長さｌが１０〜１００ｍｍの長方形にカットして形成されている。

リード導体５，６は、例えば、アルミニウム、ニッケル、またはニッケルめっきを施した銅などで形成される。なお、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタでは、正極側のリード導体にはアルミニウムが使用され、負極側のリード導体にはニッケルやニッケルめっきを施した銅などが使用される。電気二重層コンデンサでは、正極側及び負極側のリード導体にもアルミニウムが使用される。

リード部材３，４は、リード導体５，６の長さ方向の中間部分を覆う絶縁フィルム７を有している。この絶縁フィルム７には、その長さＬがリード導体５，６の長さよりも短いものが用いられ、絶縁フィルム７の幅Ｄが導体幅ｄより広いものが用いられる。絶縁フィルム７の長さＬは、例えば２〜２０ｍｍであり、その幅Ｄは例えば３〜１１０ｍｍとされる。

絶縁フィルム７は、リード導体５，６の幅方向に突出するようにリード導体５、６の両面側に設置され、突出した絶縁フィルム７同士が貼り合わされる。また、絶縁フィルム７は、リード部材３，４の長さ方向両端部を除く領域に貼られ、このときリード部材３，４の両端で、それぞれ長さ方向に５ｍｍ以上のリード導体５，６が露出する。

絶縁フィルム７は、図３（Ｂ）に示すように、リード部材３，４に熱融着する樹脂材料の内部に、絶縁フィルム７の厚さより小さい粒径の粒子２０を分散させてフィルム状に成形したものである。絶縁フィルム７の樹脂材料は、ポリオレフィン樹脂（例えばポリプロピレン）を用いることができ、これにより、リード部材３，４のリード導体５，６と、封入体１の内層フィルム１ａとの熱融着性および密封性を確保する。また、絶縁フィルム７を非架橋のポリオレフィン樹脂による１層構成とすると、リード部材３，４のリード電極５，６、および封入体１の内挿フィルムとの熱融着性を確保しつつ、リード部材３，４を薄くすることができ、リード部材３，４を設けた非水電解質電池１０を薄くすることができる。絶縁フィルム７に分散させる粒子２０の構成例は後述する。

封入体１は、例えば、内層フィルム１ａ、金属箔層１ｂ、および外層フィルム１ｃによる少なくとも３層の多層フィルムで形成されている。
内層フィルム１ａには、例えば、ポリオレフィン樹脂（例：無水マレイン酸変性低密度ポリエチレンまたはポリプロピレン）等が用いられ、電解液で溶解されない材料が選択されている。金属箔層１ｂは、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス等の薄い金属箔が用いられ、電解液に対する密封性が高められている。外層フィルム１ｃは、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等が用いられ、金属箔層１ｂを保護している。

絶縁フィルム７は、予め熱融着によりリード導体５，６に密着させて一体化し、リード導体５，６と絶縁フィルム７との界面における良好な密封封止を形成しておく。
そして、リード導体５，６に絶縁フィルム７を貼り合せたリード部材３，４と、封入体１とを熱融着させることで、リード部材３，４を挿通させた状態で封入体１を密封封止する。

このときに、絶縁フィルム７は、ポリオレフィン樹脂に粒子２０が分散されているため、リード部材３，４を封入体１に熱融着させるときに、熱融着時の熱と圧力によって絶縁フィルム７のポリオレフィン樹脂が流動しても、内部の粒子２０が封入体１とリード導体５，６との間にあるため、封入体１の金属箔層１ｂと、リード導体５，６とが接触せず、両者の電気的な短絡を防止することができる。

（絶縁フィルムに分散させる粒子の構成例）
リード部材３，４が有する絶縁フィルム７に分散された粒子２０は、その表面にポリマーが存在している。粒子２０の構成例を以下に示す。
図４は、絶縁フィルム７に分散させる粒子２０の第１の構成例を概念的に示す図である。本例の場合、粒子２０は、コア２１と、コア２１の周囲を被覆した被覆ポリマー２２により構成されている。被覆ポリマー２２がコアを包み込んでいるのが好ましい。コア２１の材料としては、セラミックス材料を用いることができ、より具体的には、アルミナ（ＡｌＯ₃）、ステアライト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）を好適に用いることができる。
図５にコアの材料の物性例を示す。圧縮強さは、試験片が圧縮力を受けて破壊するときの圧縮荷重を試験片の断面積で除した数値として表す。
アルミナ、ステアライト、窒化アルミ、ムライトは、圧縮強さ、耐酸・耐腐食性等の物性が良好であり、封入体１とリード部材３，４とを熱融着する際の圧力に抗してスペーサとして安定して機能するとともに、封入体１に封入される電解液に対する耐性を付与することができる。

コア２１の周囲に被覆する被覆ポリマー２２としては、酸変性ポリプロピレン、酸変性ポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、その他の酸変性ポリマーを好適に使用することができる。被覆ポリマー２２は、コア２１の周囲に被覆成形されたものであり、この場合、コア２１と被覆ポリマー２２とは、物理的に結合する。物理的な結合は、主にコア２１の分子と被覆ポリマー２２の分子との界面に普遍的に働く分子間力による結合である。
また、被覆ポリマー２２は、絶縁フィルム７のマトリックスを構成するポリオレフィン樹脂（例えば非架橋のポロプロピレン）との相溶性が良好であり、ポリオレフィン樹脂内で粒子２０が遊離することなく、機械的強度が維持される。

図６は、絶縁フィルム７に分散させる粒子２０の第２の構成例を概念的に示す図である。本例の場合、粒子２０は、コア２１と、コア２１の周囲に化学修飾により付加した修飾ポリマー２３より構成されている。
コア２１の材料としては、第１の構成例と同様に、セラミックス材料を用いることができ、具体的には、アルミナ（ＡｌＯ₃）、ステアライト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）を好適に用いることができる。

コア２１の周囲に被覆する修飾ポリマー２３についても、第１の構成例と同様に、酸変性ポリプロピレン、酸変性ポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、その他の酸変性ポリマーを好適に使用することができる。
この場合、コア２１と修飾ポリマー２３とは、化学修飾により化学的に結合している。化学的な結合は、コア２１の分子と被覆ポリマー２２の分子との共有結合ないし水素結合等による化学結合である。
また、化学修飾によりコア２１に付加される被覆ポリマー２２は、第１の構成例と同様に、絶縁フィルム７のマトリックスを構成するポリオレフィン樹脂（例えば非架橋のポロプロピレン）との相溶性が良好であり、ポリオレフィン樹脂内で粒子２０が遊離することなく、機械的強度が維持される。

図７は、絶縁フィルム７に分散させる粒子２０の第３の構成例を概念的に示す図である。本例の場合、粒子２０は、所定のポリマー２４のみから構成されている。
所定のポリマー２４としては、架橋ＰＰ（Poly Propylene）、４フッ化エチレン（Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE）、３フッ化塩化エチレン（Poly Chloro Tri Fluoro Ethylene，PCTFE）、液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer，LCP）、変性ポリフェニレンエーテル（modified-Poly Phenylene Ether，m-PPE）を好適に用いることができる。

図８にコアの材料の物性例を示す。荷重たわみ温度は、ＡＳＴＭ−Ｄ６４８に準拠した方法により１／４インチ試験片を用いて１．８１ＭＰａ（１８．５Ｋｇ荷重）で加熱媒体の温度を２℃／分の速度で上昇させ、試験片のたわみが所定の量（０．２５４ｍｍ）に達したときの加熱媒体の温度を測定した。
架橋ＰＰ、ＰＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＬＣＰ、ｍ−ＰＰＥは、融点、荷重たわみ温度、耐酸性等を考慮して、絶縁フィルム７内のスペーサとして機能する粒子２０を構成する樹脂材料２４として好適とされる。これらの材料は、融点が高く絶縁フィルムの熱融着時の熱に耐え、また荷重撓み温度が所定レベルにあるため、加熱融着時の変形が抑えられる。また、耐酸性が良好であるため、封入体１に封入される電解液に対する耐性を付与することができる。

上記のように、リード部材３，４の絶縁フィルム７として、粒子２０を分散させた非架橋のポリオレフィン樹脂による１層構成のフィルムと用いることにより、封入体１とリード部材３，４の絶縁性および熱融着性を確保しつつ、非水電解質電池１０の厚さを薄くすることができる。

１…封入体、１ａ…内層フィルム、１ｂ…金属箔層、１ｃ…外層フィルム、２…積層電極群、３…リード部材、４…リード部材、５…リード導体、６…リード導体、７…絶縁フィルム、８…シール部、１０…非水電解質電池、２０…粒子、２１…コア、２２…被覆ポリマー、２３…修飾ポリマー、２４…ポリマー。

Claims

箔状のリード導体と、該リード導体の両面側から貼り合わされた絶縁フィルムとを有し、
該絶縁フィルムは、前記リード導体の長さ方向の両端部を除く領域に貼り合わされ、かつ、貼り合わされる前記絶縁フィルムの幅は、前記リード導体の幅よりも広い絶縁リードであって、
前記絶縁フィルムは、ポリオレフィン樹脂に粒子が分散されて成形され、前記粒子はコアの表面にポリマーを備えて構成され、
前記コアは、前記絶縁フィルムの熱融着時の熱に対して非熱融着性の材料で構成され、前記ポリマーは、前記絶縁フィルムの熱融着時の熱に対して熱融着性のポリマーであり、
前記粒子の粒径は、前記絶縁フィルムの厚さより小さい、絶縁リード。
前記粒子は、前記コアの表面に前記ポリマーが被覆されて構成される、請求項１に記載の絶縁リード。
前記粒子は、前記コアの表面に前記ポリマーが化学修飾されて構成される、請求項１に記載の絶縁リード。
前記コアは、セラミックス材料により構成される、請求項１〜３のいずれか１に記載の絶縁リード。
前記粒子表面のポリマーは、前記ポリオレフィン樹脂と相溶性を有する、請求項１〜４のいずれか１に記載の絶縁リード。
前記絶縁フィルムは、非架橋の前記ポリオレフィン樹脂に前記粒子が分散された１層のフィルムにより構成されている、請求項１〜５のいずれか１に記載の絶縁リード。
請求項１〜６のいずれか１に記載の絶縁リードが電極に接続され、前記電極と電解液が封入体に収納され、前記絶縁リードが前記封入体に密封封止され、前記絶縁リードの一部が前記封入体の外に出ている蓄電デバイス。