JP6638881B2 - 密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルター - Google Patents

Description

本発明は、水分を透過させにくくしガスを透過させやすくする密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターに関する。

電解液を有するコンデンサーやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスにあっては、電解液が外装本体外に漏れ出ないように密閉されているので、充放電サイクルを繰り返したり、高温で放置したり、短絡・過充電・逆充電などにより電解液が分解されて、その外装本体内で水素ガスや炭酸ガスなどのガスが発生し、そのガスが外装本体内に蓄積されることにより急激に内圧が上昇して、その外装本体が膨れたり、破裂したりするおそれがあるので、発生したガスが外装本体内に蓄積しすぎないようにその発生したガスを適宜外装本体外に排出するとともに液や蒸気などの水分を透過させにくくするガス透過フィルターが望まれている。

ガス透過フィルターとしては、特許文献１にて、延伸ポリプロピレンフイルムに無数の微孔を透設した有孔フイルムの片面に、ポリプロピレン樹脂による透過性樹脂膜を被着し、反対側に、部分的に付着させたバインダーを介して不織布を接着して、この不織布の通気性によってバインダーの無い部位の微孔を介して酸素や炭酸ガスなどの気体すなわちガスが透過性樹脂膜を通って流通できるようにした気体透過性フイルムが提案されている。

しかし、特許文献１の気体透過性フイルムからなるガス透過フィルターにあっては、透過性樹脂膜と不織布との間の微孔は液や蒸気などの水分を透過させにくくする配慮はなくガスを流通させるだけであるので、より多くガスを透過させるために有孔フイルムの孔径を大きくガス排出をさせやすくすると水分の透過も多くなるので、水分をさせにくくし、ガス透過性のよいガス透過フィルターが望まれる。

一方、特許文献２にて、電解液に有機溶媒を用いるリチウムイオン二次電池をはじめとする非水電解質二次電池は、使用環境や長期使用により非水電解質が正極・負極で分解してガスが発生する場合があるが、ＣＯ_２選択性透過膜を設けることにより、二酸化炭素を電池外部に排出して、二酸化炭素の発生による外装体の膨れ、電池内部の内圧上昇を防止するガス透過フィルターが提案されている。

しかし、特許文献２で提案されたガス透過フィルターは、ポリアミドアミン系デンドリマーを含む素材さらには防湿性を高める観点からガス透過性が高く、水分が透過しにくいポリエチレンフイルムやポリプロピレンフイルム等を積層することを例示して、この特定した素材でできたＣＯ_２選択性膜を外装体の封口蓋の絶縁部材に形成しているので、ガス透過フィルターとしては、特定の素材に制約される。

特開平８−２４４８４７号公報の図４ 特開２０１４−８２０９７号公報の図４

本発明は、上記の問題点を解消するために、外装本体内で発生したガスを外装本体外に排出するとともに水分を透過させにくくする密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターを提供することを目的とする。

本発明の密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターは、外装本体内に電解液を有する密閉型電気化学デバイスの前記外装本体の一部をなす封口板に設けた密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターにおいて、前記封口板に両端が開口した貫通孔を形成して、前記貫通孔内にガス透過仕切り部を設けてガス透過路とし、前記外装本体の外面である前記封口板の一方の端面にガス透過表層シートを前記ガス透過仕切り部と離間して設けた密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターであって、前記ガス透過表層シートは微小孔を有する微小突起が複数個形成されてできていることを特徴とする。また、同請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターで、前記ガ ス透過仕切り部とガス透過表層シートとの間にシート状の親水部材を設けたことを特徴とする。

本発明の密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターは、外装本体内に電解液を有する密閉型電気化学デバイスの前記外装本体の一部をなす封口板に設けた密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターにおいて、前記封口板に両端が開口した貫通孔を形成して、前記貫通孔内にガス透過仕切り部を設けてガス透過路とし、前記外装本体の外面である前記封口板の一方の端面にガス透過表層シートを前記ガス透過仕切り部と離間して設けた密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターであって、前記ガス透過表層シートは微小孔を有する微小突起が複数個形成されてできているので、外装本体内で発生したガスを前記貫通孔から外装本体外に排出するとともに前記ガス透過表層シートの微小突起の外周面に水分を留めて水分を透過させにくくした密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターを提供することができる。また、前記ガス透過仕切り部とガス透過表層シートとの間にシート状の親水部材を設けることにより、親水部材に水分を吸着させ、前記ガス透過仕切り部に水分を付着させにくくして、水分を前記ガス透過仕切り部から透過させにくくする作用が向上するなどの効果がある。

本発明の実施形態１でガス透過フィルターを示す断面図である。 同上の平面図である。 本発明の実施形態２でガス透過フィルターを示す断面図である。 本発明の実施形態３でガス透過フィルターを示す断面図である。 本発明の実施形態４でガス透過フィルターを示す断面図である。 本発明の実施形態５でガス透過仕切り部を示す断面図である。 本発明の実施形態６でガス透過表層シートを示す断面図である。 本発明の実施形態７でガス透過フィルターを示す断面図である。 本発明の実施形態８で親水部材形成ガス透過シートを示す断面図である。 本発明のガス透過フィルターを適用した密閉型電気化学デバイスを示す断面図である。

（実施形態１）
図１および図２を参照して、ガス透過フィルター１を説明する。

図１および図２において、ガス透過フィルター１は、両端が開口した中空の筒部２と不織布でできたガス透過表層シート５とガス透過仕切り部３とからなり、好ましくは、親水部材６を有する。筒部２は封口板７の貫通孔７Ａに設けられている。この封口板７の形状は矩形状を例示しているが、円板状でもよい。封口板７の素材としては、金属材、例えばアルミニウム（含む合金）、銅（含む合金）またはステンレスなどの金属材であるが、筒部２と同じ合成樹脂材でもよい。筒部２の中空内にはその内周面すなわち内周壁から平板状のガス透過仕切り部３を延出させてガス透過路を形成している。このガス透過仕切り部３の両面は筒部２の両端との間に空間部４、４１が形成されている。筒部２の中空の形状は図１においては鼓形状を示すが、円柱もしくは角柱形状や円錐もしくは角錐形状でもよい。このようにして形成された筒部２の一方の開口端面（上方の端面）にガス透過表層シート５を密着接合させて筒部２の一方の開口端（上方の開口端）がガス透過可能に閉塞されることにより、ガス透過仕切り部３はガス透過表層シート５と空間部４を介して対面するようにされている。

両端が開口した中空の筒部２は合成樹脂材でできており、ガス透過仕切り部３は筒部２の中空内の内周面から延出するように筒部２と一体に成形してできており、この成形時に、筒部２は封口板７の貫通孔７Ａに密着接合されるように封口板７と一体に成形されている。この筒部２の形状は円筒状を例示しているが、角筒状でもよい。また、この筒部２の合成樹脂材の素材としては、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリ塩化ビニール系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリブチレンナフタレート系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂などの熱可塑性樹脂やフェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂などの熱硬化性樹脂などの樹脂材で、これらを組み合わせまたは他の素材を含有させてもよい。また、ガス透過仕切り部３は筒部２と同じ合成樹脂材でもよいか、金属材、例えば、アルミニウム（含む合金）、銅（含む合金）またはステンレスなどでできた平板でできていてもよい。このガス透過仕切り部３は薄肉でレーザ加工や機械加工により微小孔が１個または複数個形成されている。なお、このように微小孔を形成せずに、筒部２よりもガス透過性のよい素材でもよい。

筒部２の一方の開口端面（上方の端面）には、筒部２の中空内の空間部４を介して円板状または角板状の不織布でできたガス透過表層シート５が密着して設けられている。このガス透過表層シート５の不織布は繊維を積層してシート状にウェブされて、その繊維間を結合させたシートで、フェルトも含み、その繊維にまたは不織布に好ましくは親水性もしくは疎水性、撥水性、撥油性を向上させている。その繊維の素材としては、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、ポリアミド系樹脂などの熱可塑性樹脂の繊維である。親水性の向上としては、上記熱可塑性樹脂の繊維にアルコキシ化アルキルフェノールやポリエチレングリコールなどの界面活性剤を含有もしくは塗布することにより得られる。また、疎水性、撥水性、撥油性の向上としては、上記熱可塑性樹脂の繊維にフッ素系樹脂やシリコンを含有もしくは塗布することにより得られる。この不織布の目付はガス透過表層シート５のガス透過量が大きくなるように設定すればよい。また、このガス透過表層シート５を筒部２の開口端面に密着して設ける方法としては、熱圧着、レーザ溶着、超音波溶着やエポキシ系の接着剤を用いた接合などによる密着接合が例示できる。

次に、図１において、６は、ガス透過性があり親水性を向上させた繊維または不織布でできたシート状の親水部材である。この親水部材６はガス透過表層シート５とガス透過仕切り部３との間の空間部４に固着されている。すなわち、このシート状の親水部材６は筒部２の中空内の空間部４の内周面でガス透過表層シート５と離れた位置に形成された凹溝４Ａに嵌め込まれている。このように、親水部材６は空間部４に設けられているので、ガス透過表層シート５から侵入する水分を吸着させてガス透過仕切り部３に液体や蒸気などの水分を付着させにくくして、水分をガス透過仕切り部３から透過させにくくする作用を向上させている。この場合、親水部材６は１枚のシートを例示するが、層状に複数個で構成したものでもよい。

（実施形態２）
図３は、実施形態２を示し、実施形態１と同様に、筒部と不織布でできたガス透過表層シートとガス透過仕切り部を有するガス透過フィルター１１であり、以下、実施形態１と異なる部位について説明する。

図３において、筒部２の外形、素材および中空の形状は実施形態１と同様であり、筒部２の中空内には板状のガス透過仕切り部３が設けられている。筒部２は実施形態１と同様な封口板７の貫通孔７Ａに設けられている。この筒部２の両端とガス透過仕切り部３の両面との間には空間部４、４１が形成されており、筒部２の開口端面の一方（図３においては上方の端面）には実施形態１と同様な親水性もしくは疎水性、撥水性、撥油性のある不織布でできたガス透過表層シート５が設けられている。また、筒部２の開口端面の他方（図３においては下方の端面）にはガス透過仕切り部３に液体や蒸気などの水分を付着させにくくするように疎水性もしくは撥水性もしくは撥油性のある不織布でできたガス透過表層シート５１が設けられている。このように不織布を親水性と疎水性との特性を生かし、水分を吸着させたり、撥水させたりして、水分を透過させにくくするガス透過フィルター１１が得られる。なお、このガス透過フィルター１１においても、ガス透過表層シート５とガス透過仕切り部３との間の空間部４にシート状の親水部材６を配設してガス透過表層シート５から侵入する水分を吸着させて水分をガス透過仕切り部３から透過させにくくする作用を向上させている。

（実施形態３）
図４は、実施形態３を示し、実施形態２と同様に、筒部とガス透過表層シートとガス透過仕切り部を有するガス透過フィルター１１１であり、以下、実施形態２と異なる部位について説明する。

図４において、筒部２の外形、素材および中空の形状は実施形態１および実施形態２と同様で、筒部２の中空内には板状のガス透過仕切り部３が設けられており、筒部２は実施形態１および実施形態２と同様な封口板７の貫通孔７Ａに設けられている。この筒部２の両端とガス透過仕切り部３の両面との間には空間部４、４１が形成されており、その開口端面の一方（図４においては上方の端面）に実施形態１および実施形態２と同様な不織布でできたガス透過表層シート５が設けられており、さらに、空間部４にはガス透過表層シート５と離間してシート状の親水部材６が設けられている。また、筒部２の他方の開口端面（図４においては下方の端面）の空間部４１には疎水性もしくは撥水性もしくは撥油性のある不織布でできたガス透過表層シート５１が筒部２の開口端面から窪んだ空間部４２が形成される位置に筒部２の中空内の内周面に密着接合されている。このように不織布を親水性と疎水性との特性を生かし、水分を吸着させたり、撥水させたりして、水分を透過させにくくするガス透過フィルター１１１が得られる。なお、このガス透過フィルター１１１においても、実施形態１および２と同様にガス透過表層シート５とガス透過仕切り部３との間の空間部４に親水部材６を配設してガス透過表層シート５から侵入する水分を吸着させて水分をガス透過仕切り部３から透過させにくくする作用を向上させている。

（実施形態４）
図５は、実施形態４を示し、実施形態１と同様に、筒部とガス透過表層シートとガス透過仕切り部を有するガス透過フィルター１２であり、以下、実施形態１と異なる部位について説明する。

図５において、筒部２１は封口板７と同じ部材で、この封口板７は両端が開口した貫通孔７Ａが形成されており、この貫通孔７Ａの内周面は実施形態１と同様に筒部２１の内周面に相当し、封口板７と貫通孔７Ａが中空の筒部２１となり、貫通孔７Ａの断面形状は鼓形状を示すが、円形もしくは矩形や円錐もしくは角錐形状でもよい。この封口板７の素材は金属材、例えばアルミニウム（含む合金）、銅（含む合金）またはステンレスなどの金属材であるが、実施形態１と同様な合成樹脂材でもよい。筒部２１の中空内すなわち封口板７の貫通孔７Ａの内周面にはガス透過路となるようにガス透過仕切り部３１が設けられている。また、このガス透過仕切り部３１の形状は実施形態１から３のような板状でもよいが、円筒状または角筒状の立体形状で、そのガス透過仕切り部３１の頂面は空間部４にシート状の親水部材６と離間して対面するように、ガス透過仕切り部３１の外周面が筒部２１の内周面すなわち封口板７の貫通孔７Ａの内周面に圧着されており、筒部２１の開口端面（図５において下方の端面）に相当する封口板７の貫通孔７Ａの端面には空間部４１が形成されている。この場合、ガス透過仕切り部３１は筒部２１の内周面に圧着などで装着させずに、実施形態１で例示するように合成樹脂材で一体に成形させてもよい。さらに、筒部２１の開口端面（図５において上方の端面）に相当する封口板７の貫通孔７Ａの一方の端面にはガス透過表層シート５が親水部材６を介してガス透過仕切り部３１と離間して設けられている。このようにして筒部２１に相当する封口板７および貫通孔７Ａにはガス透過表層シート５、親水部材６およびガス透過仕切り部３１によりガス透過フィルター１２が形成される。

（実施形態５）
図６は、実施形態４と同様な筒部すなわち封口板の貫通孔に用いる円筒状または角筒状に形成されたガス透過仕切り部３２を示す。

図６において、円筒状または角筒状に形成されたガス透過仕切り部３２は、筒部２１の中空内すなわち封口板７の貫通孔７Ａの内周面にガス透過路となるように設けられており、その頂面３２Ａでその両面（上面および下面）に形成された複数個の微小突起３２Ｂのそれぞれに穿孔された微小孔３２Ｃが形成されてシート材を加工してできており、その素材は、実施形態１に例示した合成樹脂材またはアルミニウムやステンレスなどの金属材が例示できる。このようにガス透過仕切り部３２は微小孔３２Ｃを有する微小突起３２Ｂが複数個形成されているので、これらの微小突起３２Ｂの外周面に水分を留めて微小孔３２Ｃから水分を透過させにくくするとともに微小孔３２Ｃからガスを透過させやすくしている。なお、ガス透過仕切り部３２の形状としては、微小孔３２Ｃが形成された面が頂面となった円筒状または角筒状に加工して空間部４、４１が形成されているが、微小孔３２Ｃが形成された平板状のシート材であってもよい。また、実施形態１から３に示す筒部２の中空内に設けたガス透過仕切り部３として用いてもよい。

（実施形態６）
図７は、実施形態４のガス透過フィルター１２における筒部２１すなわち封口板７の貫通孔７Ａにおける開口端面に用いるガス透過表層シート５２を示す。

図７において、ガス透過表層シート５２は、微小孔５２Ｃが穿孔された複数個の微小突起５２Ｂが片面５２Ａに形成されたシート材であり、その素材は、実施形態１に例示した合成樹脂材またはアルミニウムやステンレスなどの金属材が例示できる。ガス透過表層シート５２の下面の空間部４には、シート状の親水部材６が配設されており、この親水部材６の下面の空間部には図示しないが、図１または図３または図４と同様にガス仕切り部３が配設されている。このガス透過表層シート５２の片面５２Ａに形成された微小突起５２Ｂの外周面に水分を留めて微小孔５２Ｃから水分を透過させにくくするとともにガスを透過させやすくしたガス透過フィルターを提供している。

（実施形態７）
図８は、実施形態７を示し、実施形態４と同様に、筒部とガス透過表層シートとガス透過仕切り部を有するガス透過フィルターであり、以下、実施形態４と異なる部位について説明する。

図８において、筒部２１は封口板７とその両端が開口した貫通孔７Ａとからなり、筒部２１の中空内すなわち封口板７の貫通孔７Ａの内周面にはガス透過路となるようにガス透過仕切り部３１が設けられており、筒部２１の開口端面にはガス透過表層シート５が設けられている。ガス透過仕切り部３１の上面とガス透過表層シート５の下面とで形成された空間部４にシート状の親水部材６がガス透過仕切り部３１およびガス透過表層シート５と離間して設けられている。このガス透過仕切り部３１の下面の空間部４１にはガス透過表層シート５１が離間しかつ筒部２１の開口端面と空間部４２が形成されるように設けられている。このようにしてガス透過仕切り部３１とガス透過表層シート５、５１と親水部材６からなるガス透過フィルター１３が形成される。

（実施形態８）
図９は、実施形態８で表面に親水部材が形成された親水部材形成ガス透過シートを示す。

図９において、５３は親水部材形成ガス透過シートで、上面、下面に空間部４１、４１を有するガス透過仕切り部を例示しているが、好ましくは実施形態１から４に示すガス透過表層シート５や実施形態６に示すガス透過表層シート５２である。この親水部材形成ガス透過シート５３の素材は、合成樹脂材や金属材で、合成樹脂材の素材としては、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリ塩化ビニール系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂、ポリブチレンナフタレート系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂などの熱可塑性樹脂やフェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂などの熱硬化性樹脂などの合成樹脂材で、これらを組み合わせまたは他の素材を含有させてもよい。また、金属材の素材としては、アルミニウム（含む合金）、銅（含む合金）またはステンレスなどが例示できる。この親水部材形成ガス透過シート５３にはその表面５３Ａに微小突起５３Ｂが形成されており、微小突起５３Ｂには実施形態５のガス透過仕切り部３２の微小孔３２Ｃのように微小孔５３Ｃが形成されている。微小突起５３Ｂの外周面を含む表面５３Ａには親水性被膜や親水性塗膜でできた親水部材６１が形成されている。この親水部材形成ガス透過シート５３を実施形態６に示すガス透過表層シート５２と同様なガス透過表層シートとして用いることにより、この親水部材形成ガス透過シート５３の表面５３Ａ（図９においては上面）に液や水蒸気などの水分が微小孔５３Ｃを介して親水部材形成ガス透過シート５３の裏面（図９においては下面）に透過するのを親水部材６１により水分を吸着して微小突起５３Ｂの外周面において液や水蒸気などの水分を留める作用を向上させ、微小孔５３Ｃから水分を透過させにくくする作用を向上させるとともにガスを透過させやすくしたガス透過フィルターを提供している。

（ガス透過フィルターの利用）
図１０は、本発明のガス透過フィルターを、電極素子および電解液を有する密閉型電気化学デバイスの外装本体の一部をなし、電極端子が設けられた封口板に設けて、水蒸気などの水分を遮断して外装本体内に発生したガスを外装本体外に排出しやすくする密閉型電気化学デバイスへの利用例を示す。

図１０において、密閉型電気化学デバイスは電解液９を有するコンデンサーやリチウム電池などであり、この密閉型電気化学デバイスにおいて、外装本体の一部で蓋体となり、貫通孔７Ａを有する封口板７に一対の電極端子８が並設されている。この封口板７は、開口端のある円筒状または直方体状の箱型ケース７１を密閉して閉蓋するように接合部１００で接合された密閉型電気化学デバイスの外装本体を構成する。外装本体で密閉された内部には電極端子８の接続部８１、この接続部８１と電気的に接続されるリード８２、このリード８２と電気的に接続される電極素子部８３および電解液９が密閉されて収容されている。このように、電極素子部８３および電解液９を有するコンデンサーやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスにあっては、電解液９が外に漏れ出ないように密閉されているので、充放電サイクルを繰り返したり、高温で放置したり、短絡・過充電・逆充電などにより電解液９が分解されて、酸素や二酸化炭素などのガスが発生し、そのガスが蓄積されることにより急激に内圧が上昇して、その外装本体が膨れたり、破裂したりするおそれがある。そこで、筒部２を封口板７の貫通孔７Ａに密着接合させて実施形態１〜３のようにガス透過フィルター１、１１、１１１を形成するか、または、筒部２１を封口板７と同じ部材にして実施形態４〜８のようにガス透過フィルター１２、１３を形成するようにして、封口板７にガス透過フィルター１、１１、１１１、１２、１３を備えて密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターとすることにより、密閉型電気化学デバイスの外装本体である封口板７にガス透過機能をもたせて、外装本体内に発生したガスを外装本体内に蓄積しすぎないようにガスを適宜、外装本体外に排出させて、急激に内圧が上昇して外装本体が膨れたり、破裂したりすることを防止することができる。

本発明のガス透過フィルターは、特に封口された本体内に電解液を有するコンデンサーやリチウム電池などの密閉型電気化学デバイスに適用して使用環境や長期使用により本体内で発生するガスにより本体の膨れや本体内の内圧上昇を防止するフィルターとして有用である。

１、１１、１１１、１２、１３ ガス透過フィルター
２、２１ 筒部
３、３１、３２ ガス透過仕切り部
４、４１ 空間部
５、５１、５２ ガス透過表層シート
５３ 親水部材形成ガス透過シート

Claims (2)

1. 外装本体内に電解液を有する密閉型電気化学デバイスの前記外装本体の一部をなす封口板に設けた密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターにおいて、前記封口板に両端が開口した貫通孔を形成して、前記貫通孔内にガス透過仕切り部を設けてガス透過路とし、前記外装本体の外面である前記封口板の一方の端面にガス透過表層シートを前記ガス透過仕切り部と離間して設けた密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルターであって、前記ガス透過表層シートは微小孔を有する微小突起が複数個形成されてできていることを特徴とする密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルター。
2. 前記ガス透過仕切り部とガス透過表層シートとの間にシート状の親水部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電気化学デバイス用ガス透過フィルター。

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