JP6893575B1 - シート状二次電池及びシート状二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外装体のシール強度及び長期密封信頼性を高めたシート状二次電池、及びその製造方法を提供する。【解決手段】外装体１００の周囲に金属製の中間層どうしが溶接により接着された溶接シール部１３０が形成され、内部電極と、電解液と、第１及び第２の内部リードと、第１及び第２の接続手段１１１、１２１のうち外装体内に含まれる部分とは、外装体内に密封収容される、シート状二次電池１０を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、シート状二次電池及びシート状二次電池の製造方法に関する。

体積当り及び重量当りの容量及びエネルギーが大きく、高エネルギー密度の二次電池として、例えば、リチウムあるいはリチウム合金を用いた非水電解液二次電池のリチウムイオン二次電池が知られている。リチウムイオン二次電池は、メモリー効果がなく、自己放電が少ない等の利点を備え、カメラ一体型ＶＴＲ装置、オーディオ機器、携帯型コンピュータ、携帯電話、及び電気自動車用電池など様々な電気・電子機器、通信機器、光学機器、音響機器等の広範囲な分野で使用されている。

一般的なリチウムイオン二次電池の構造は次のとおりである。正極集電体とその表面に塗布された活物質で構成された正電極と、負極集電体とその表面に塗布された負極活物質等で構成された負電極とを、セパレータを介して積層あるいは巻回し、内部に電解液を収容できる電池ケースに収容される。正電極及び負電極に接続される正極リード及び負極リードを電池ケースの外部に取出し、正極端子及び負極端子として用いる場合、または、電池ケースに設けられた正極端子及び負極端子に正極リード及び負極リードを接続する場合がある。どちらの構造も充電時にはリチウムが正電極の正極活物質から電解液中にリチウムイオンとして抜け出し、負電極の負極活物質中に入り込み、放電時にはこの負極活物質中に入り込んだリチウムイオンが電解液中に放出され、再び正電極の正極活物質中に戻ることにより、充放電が行われる。

特許文献１及び２は、リチウムイオン二次電池等の二次電池として、ヒートシール性に優れた熱可塑性樹脂製の内面層と、アルミ箔等の金属箔製の中間層と、ポリアミド系樹脂等の電気絶縁性に優れた絶縁樹脂製の外面層とを有する３層構造のラミネートフィルムを用いて可撓性の袋状外装体を形成し、この袋状外装体の中にシート状の内部電極と電解液とを封入して形成する、軽量かつ薄型で可撓性を有するシート状二次電池を開示する。

特許４１９９９４８号 特許５１７１８２４号

特許文献１及び２の従来のシート状二次電池において、３層構造の外装体の周囲の熱可塑性樹脂製の内面層どうしを熱融着（ヒートシール）により密封接着するものであるが、外装体のシール強度及び長期密封信頼性への課題が残る。

このような事情に鑑み、本発明は、外面層、中間層としての金属層、及び内面層を含む複層構造を有する外装体の周囲の金属層どうしを溶接により密封接着した構成を有するシート状二次電池及びシート状二次電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明には以下の態様が含まれる。
〔１〕
シート状の正電極とシート状の負電極とをセパレータを介して積層して形成した内部電極（１５０）と、
絶縁性樹脂製の外面層（１０１Ａ、１０１Ｂ）、金属製の中間層（１０２Ａ、１０２Ｂ）、及び熱可塑性樹脂製の内面層（１０３Ａ、１０３Ｂ）を含む複層構造の外装体（１００）であって、前記内部電極及び電解液を収容する収容部（１４０）を備える前記外装体と、
前記外装体の内部において、前記正電極に接続された第１の内部リード（１１４）と、
前記外装体の内部において、前記負電極に接続された第２の内部リード（１２４）と、
前記第１の内部リードに対向し、前記外装体の外部に配置される第１の外部リード（１１０）と、
前記第２の内部リードに対向し、前記外装体の外部に配置される第２の外部リード（１２０）と、
前記外装体を貫通して一端（１１１ｂ）が前記第１の内部リードに接続され、他端（１１１ａ）が前記第１の外部リードに接続され、前記第１の内部リード及び前記第１の外部リードを電気的に接続する第１の接続手段（１１１）と、
前記外装体を貫通して一端（１２１ｂ）が前記第２の内部リードに接続され、他端（１２１ａ）が前記第２の外部リードに接続され、前記第２の内部リード及び前記第２の外部リードを電気的に接続する第２の接続手段（１２１）と、
を備え、
前記外装体の周囲に前記金属製の中間層どうしが溶接により接着された溶接シール部（１３０）が形成され、前記内部電極と、前記電解液と、前記第１及び第２の内部リードと、前記第１及び第２の接続手段のうち前記外装体内に含まれる部分とは、前記外装体内に密封収容されている、シート状二次電池。
〔２〕
前記収容部は、複数段の階段構造を有する、〔１〕に記載のシート状二次電池。
〔３〕
前記第１の接続手段は、前記第１の外部リード、前記外装体、及び前記第１の内部リードを順に貫通しており、前記第１の内部リードに接続された前記正電極は、前記第１の接続手段の前記一端（１１１ｂ）を収容する空間（１６１）を有し、
前記第２の接続手段は、前記第２の外部リード、前記外装体、及び前記第２の内部リードを順に貫通しており、前記第２の内部リードに接続された前記負電極は、前記第２の接続手段の前記一端（１２１ｂ）を収容する空間（１６２）を有する、〔１〕又は〔２〕に記載のシート状二次電池。
〔４〕
折り目が前記溶接シール部側に突出するように前記外装体内で折り曲げられ、前記外装体及び前記第１の内部リード間に位置するとともに、前記外装体及び前記正電極間にも位置する第１の内部絶縁部材（１１３）と、
折り目が前記溶接シール部側に突出するように前記外装体内で折り曲げられ、前記外装体及び前記第２の内部リード間に位置するとともに、前記外装体及び前記負電極間に位置する第２の内部絶縁部材（１２３）と
をさらに備える、〔３〕に記載のシート状二次電池。
〔５〕
〔１〕に記載のシート状二次電池の製造方法であって、
前記外装体の形状は、平面視して矩形であり、
前記方法は、
前記外装体内に、前記内部電極、前記電解液、並びに前記第１及び第２の内部リードを配置する工程と、
前記第１の接続手段を加圧下で前記第１の外部リード、前記外装体、及び前記第１の内部リードを順に貫通させる工程と、
前記第２の接続手段を加圧下で前記第２の外部リード、前記外装体、及び前記第２の内部リードを順に貫通させる工程と、
前記外装体の３辺の前記金属性の中間層を溶接して接着する工程と、
前記外装体の残り１辺の前記内面層をヒートシールして接着する工程と、
前記シート状二次電池を充放電させ、前記ヒートシールの一部を開放して前記外装体内のガス抜きを行う工程と、
前記残り１辺の前記金属性の中間層を溶接して接着する工程と
を備えた前記方法。

一実施形態に係るシート状二次電池の概略構成図である。 一実施形態に係るシート状二次電池の断面図である。 一実施形態に係るシート状二次電池の断面図である。 一実施形態に係るシート状二次電池の製造方法の説明図である。 一実施形態に係るシート状二次電池の製造方法の説明図である。 別の実施形態に係るシート状二次電池の概略構成図である。 別の実施形態に係るシート状二次電池の概略構成図である。 シミュレーション条件の説明図である。

〔シート状二次電池１０の構成〕
図１〜３を用いて、本発明の一実施形態に係るシート状二次電池１０の構成について説明する。

図１（ａ）は、シート状二次電池１０の平面図であり、図１（ｂ）は、シート状二次電池１０の概略斜視図である。図２（ａ）は、図１に示すＡＡ線断面図であり、図２（ｂ）は同ＢＢ線断面図である。図３は図１に示すＣＣ線断面図である。なお、図１（ｂ）では、理解しやすいように、外装体１００の収容部１４０を強調して顕著に立体的に描いているが、シート状二次電池１０は全体的にシート状である。

シート状二次電池１０は、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウム二次電池、ポリマー二次電池、又は電気二重層キャパシタ等である。

シート状二次電池１０は、
１つ又は複数のシート状の正電極１５１と１つ又は複数のシート状の負電極１５２とをセパレータ１５３を介して積層して形成した内部電極１５０と、
絶縁性樹脂製の外面層１０１Ａ、１０１Ｂ、金属製の中間層（単に「金属層」という）１０２Ａ、１０２Ｂ、及び熱可塑性樹脂製の内面層１０３Ａ、１０３Ｂを含む複層構造の外装体１００であって、内部電極１５０及び電解液を収容する収容部１４０を備える外装体１００と、
外装体１００の内部において、正電極１５１に接続された第１の内部リード（正極内部リード）１１４と、
外装体１００の内部において、負電極１５２に接続された第２の内部リード（負極内部リード）１２４と、
第１の内部リード１１４に対向し、外装体１００の外部に配置される第１の外部リード（正極外部リード）１１０と、
第２の内部リード１２４に対向し、外装体１００の外部に配置される第２の外部リード（負極外部リード）１２０と、
外装体１００を貫通して一端１１１ｂが第１の内部リード１１４に接続され、他端１１１ａが第１の外部リード１１０に接続され、第１の内部リード１１４及び第１の外部リード１１０を電気的に接続する第１の接続手段１１１と、
外装体１００を貫通して一端１２１ｂが第２の内部リード１２４に接続され、他端１２１ａが第２の外部リード１２０に接続され、第２の内部リード１２４及び第２の外部リード１２０を電気的に接続する第２の接続手段１２１と
を備える。

外装体１００は、絶縁性樹脂製の外面層１０１Ａ、１０１Ｂ、金属層１０２Ａ、１０２Ｂ、及び熱可塑性樹脂製の内面層１０３Ａ、１０３Ｂを含む複層構造を有する２つのラミネートフィルム１００Ａ（表側）、１００Ｂ（裏側）を重ね合わせ、その周囲（全周）の金属層１０２Ａ、１０２Ｂどうしを溶接により接着して、内部電極１５０等を収容できる袋状に形成される。このため、外装体１００の周囲（全周）には、金属層１０２Ａ、１０２Ｂどうしの溶接により接着された溶接シール部１３０が形成されている。

なお、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの形状は、一般的には平面視して矩形であるが、楕円形又は３角以上の多角形であってもよい。また、外装体１００を２つのラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂを用いて形成する場合に限らず、一枚のラミネートフィルム１００Ａを二つに折り曲げた後、周囲（全周又は折り曲げ箇所以外の箇所）の金属層１０２Ａを互いに溶接して接着し、袋状に形成するようにしてもよい。

外装体１００は、シート状二次電池１０のハウジングとして、内部電極１５０と、電解液と、第１及び第２の内部リード１１４、１２４と、第１及び第２の接続手段１１１、１２１のうち外装体１００内に含まれる部分とを密封収容するよう構成される。外装体１００は、可撓性及び強度に優れていることが好ましい。また、外装体１００の内面層１０３Ａ、１０３Ｂは、内部の電解液に対して優れた耐電解液性を有することが好ましい。

外装体１００の金属層１０２Ａ、１０２Ｂの材料は、溶接性に優れた金属材料であり、さらに可撓性及び／又は剛性に優れた金属材料であると好ましい。金属材料は、例えばアルミニウム、ステンレス、ニッケル若しくはニッケル合金、銅若しくは銅合金、鉄若しくは鉄合金、又はこれらの組み合わせの材料としてよい。金属層１０２Ａ、１０２Ｂは、予め箔状（薄板状）に形成されたものでもよいし、外面層１０１Ａ、１０１Ｂ又は内面層１０３Ａ、１０３Ｂ上に薄膜形成又はめっき形成により形成されたものであってもよい。

外装体１００を構成するラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂは、例えば、（i）ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール樹脂、又はこれらの組み合わせから選択される電気絶縁性に優れた絶縁性樹脂製の外面層１０１Ａ、１０１Ｂと、（ii）アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、ニッケル若しくはニッケル合金、銅若しくは銅合金、鉄若しくは鉄合金、又はこれらの組み合わせから選択される溶接性に優れた金属材料製の金属層１０２Ａ、１０２Ｂと、（iii）ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、アイオノマー、又はこれらの組み合わせから選択される耐電解液性及びヒートシール性に優れた熱可塑性樹脂製の内面層１０３Ａ、１０３Ｂとからなる３層構造を有する。

外面層１０１Ａ、１０１Ｂ、金属層１０２Ａ、１０２Ｂ、及び内面層１０３Ａ、１０３Ｂそれぞれを、異なる材料又は同じ材料で２層以上設けるようにし、外装体１００が４層以上の複層構造を有するようにしてもよい。また、内面層に用いる材料の融点が金属層に用いる材料の融点よりも低くなるように、内面層及び金属層の材料を選択することで、外装体１００の成型加工（しぼり加工）に際し、内面層によるヒートシール性と金属層による溶接性とを分けて、ラミネートフィルムどうしの接着に用いることができる。

外装体１００を構成するラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂそれぞれの厚さ（単に「外装体１００の厚さ」ともいう）は、０．０５〜１．０ｍｍ、０．０５〜０．５ｍｍ、０．０５〜０．３ｍｍ、０．０５〜０．２ｍｍ、０．１〜１．０ｍｍ、０．１〜０．５ｍｍ、０．１〜０．３ｍｍ、又は０．１〜０．２ｍｍである。好ましくは、外装体１００の厚さは、０．０５〜０．３ｍｍであり、さらに好ましくは０．１〜０．２ｍｍである。例えば、３層構造を有する外装体１００の場合、外面層１０１Ａ、１０１Ｂの厚さを０．０１〜０．３ｍｍ、０．０２〜０．１ｍｍ、又は０．０３〜０．０５ｍｍとし、内面層１０３Ａ、１０３Ｂの厚さを０．０１〜０．３ｍｍ、０．０５〜０．２ｍｍ、又は０．０８〜０．１ｍｍとし、外装体１００の厚さのうち残りを金属層１０２Ａ、１０２Ｂの厚さが占めるようにしてもよい。金属層１０２Ａ、１０２Ｂは、外面層１０１Ａ、１０１Ｂ及び内面層１０３Ａ、１０３Ｂに比べて十分に厚く構成してもよい。

内部電極１５０は、１つ又は複数のシート状の正電極１５１と１つ又は複数のシート状の負電極１５２とを、１つ又は複数のシート状のセパレータ１５３を介して交互に積層して形成される。正電極１５１は、アルミニウム又はアルミニウム合金などの正極集電体の両面に、コバルト酸リチウム複合酸化物（ＬＣＯ）、マンガン酸リチウム複合酸化物（ＬＭＯ）、又はニッケル酸リチウム複合酸化物（ＬＮＯ）などの正極活物質を積層して形成される。負電極１０ｂは、銅若しくは銅合金又はニッケルなどの負極集電体の両面に、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレン、又はハードカーボンなどの炭素材料の負極活物質を積層して形成される。複数の正電極１５１及び複数の負電極１５２はそれぞれ、端部１５１ａ及び端部１５２ａにおいてまとめられ、それぞれ対応する第１の内部リード１１４及び第２の内部リード１２４に接続され、超音波溶着等で接着される。

第１の外部リード１１０、第１の接続手段１１１、及び第１の内部リード１１４はそれぞれ、好ましくは正電極１５１の正極集電体と同じ材料（アルミニウム又はアルミニウム合金など）で形成される。同じ材料で形成することで、接触抵抗を低減でき、熱膨張係数の違いによる熱変形を防止ないし低減できる。同様に、第２の外部リード１２０、第２の接続手段１２１、及び第２の内部リード１２４はそれぞれ、好ましくは負電極１５２の負極集電体と同じ材料（銅若しくは銅合金又はニッケルなど）で形成される。なお、第１及び第２の外部リード１１０、１２０並びに第１及び第２の内部リード１１４、１２４はそれぞれシート状（板状）に形成される。

第１の内部リード１１４は、外装体１００内部にて正電極１５１の端部１５１ａと接続され、外装体１００の外部に配置された第１の外部リード１１０と対向配置される。第１の内部リード１１４及び第１の外部リード１１０は、外装体１００を貫通する第１の接続手段１１１を介して、互いに電気的に接続されている。同様に、第２の内部リード１２４は、外装体１００の内部にて負電極１５２の端部１５２ａと接続され、外装体１００の外部に配置された第２の外部リード１２０と対向配置される。第２の内部リード１２４及び第２の外部リード１２０は、外装体１００を貫通する第２の接続手段１２１を介して、互いに電気的に接続されている。

なお、第１及び第２の接続手段１１１、１２１はそれぞれ１つに限らず複数設けてもよいし、第１及び第２の接続手段１１１、１２１の径、厚み、及び長さも、互いにそれぞれ異なるものであってもよい。また、シート状二次電池１０が出力する仕様電流値に応じて、第１及び第２の内部リード１１４、１２４及び第１及び第２の外部リード１１０、１２０の形状（各リードの幅、長さ、及び厚み、並びに、接続手段１１１、１２１が貫通するための孔の径及び数など）及び材質を調整し、且つ／又は、第１及び第２の内部リード１１４、１２４と第１及び第２の外部リード１１０、１２０との接続数（第１及び第２の接続手段１１１、１２１の数）を調整するとよい。

第１及び第２の接続手段１１１、１２１としては、（i）ソリッドリベット、フルチューブラリベット、セミチューブラリベット、スプリットリベット、コンプレッショクリベット、若しくはブラインドリベット等のリベット止めを用いた手段（単に「リベット」）、（ii）第１の外部リード１１０及び第１の内部リード１１４のいずれか一方に一体的に若しくは固定的にスタッドを設けるとともに他方にこのスタッドが嵌入する貫通孔を設け、当該スタッドを貫通孔内に嵌入してその先端部をかしめて固着する手段（単に「スタッド」）、又は（iii）ボルトナット止めを用いた手段（単に「ボルトナット」）を例示することができる。好ましくは、第１の接続手段１１１は、第１の内部リード１１４及び第１の外部リード１１０と同じ材料製のリベットであり、第２の接続手段１２１は、第２の内部リード１２４及び第２の外部リード１２０と同じ材料製のリベットである。

リベットは、貫通軸と外装体１００外部に位置する外側鍔部（端部１１１ａ、１２１ａ）とが予め一体的に形成されたものである。リベットの外側鍔部は、図２に記載のような半球状のものであってもよいが、その外表面をフラットとし厚みを均一としたものであってもよい。外装体１００内部に位置するリベットの内側鍔部（端部１１１ｂ、１２１ｂ）は、貫通軸の先端がかしめられることにより貫通軸の一部が押し潰されて形成される。かしめられることにより形成される内側鍔部（端部１１１ｂ、１２１ｂ）が、正電極１５１及び負電極１５２と接触しないように、空間１６１、１６２が正電極１５１及び負電極１５２に形成されている。

第１の外部リード１１０と外装体１００との間には外部絶縁部材１１２が設けられ、第１の内部リード１１４と外装体１００との間には内部絶縁部材１１３が設けられている。同様に、第２の外部リード１２０と外装体１００との間には外部絶縁部材１２２が設けられ、第２の内部リード１２４と外装体１００との間には内部絶縁部材１２３が設けられている。外部絶縁部材１１２、１２２及び内部絶縁部材１１３、１２３の材料は、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール樹脂、又はこれらの組み合わせから選択される電気絶縁性に優れた絶縁性樹脂製であり、外装体１００の外面層１０１Ａ、１０１Ｂの材料と同じ材料としてもよい。外部絶縁部材１１２、１２２及び内部絶縁部材１１３、１２３の材料は、ヒートシール時の熱による影響を回避するという観点から、外装体１００の内面層１０３Ａ、１０３Ｂの材料よりも融点の高い材料で形成するとよい。例えば、外部絶縁部材１１２、１２２及び内部絶縁部材１１３、１２３の材料を、ポリフェニレンサルファイドとしてもよい。

外装体１００の金属層１０２Ａ、１０２Ｂが露出している溶接シール部１３０と外装体１００内部の金属部材（内部リード１１４、１２４、正電極１５１、負電極１５２等）とが接触しショートするのを防ぐために、図２に示すように、内部絶縁部材１１３、１２３は、折り目が溶接シール部１３０側に突出するように折り曲げられて（断面略コ字状に）構成されている。このような簡易な構成で溶接シール部１３０と外装体１００内部の金属部材との接触によるショートが防止される。また、内部絶縁部材１１３、１２３により、第１及び第２の内部リード１１４、１２４と内面層１０３Ａとの接触、並びに正電極１５１の端部１５１ａ及び負電極１５２の端部１５２ａと内面層１０３Ｂとの接触を防止する。

第１の外部リード１１０と第１の内部リード１１４とを第１の接続手段１１１で接続すると、第１の外部リード１１０と第１の内部リード１１４との間に、外部絶縁部材１１２及び内部絶縁部材１１３とが加圧下に挟み込まれる。これにより、第１の接続手段１１１が貫通する外装体１００の貫通孔が密封シールされつつ、第１の外部リード１１０と第１の内部リード１１４とが電気的に接続される。同様に、第２の外部リード１２０と第２の内部リード１２４とを第２の接続手段１２１で接続すると、第２の外部リード１２０と第２の内部リード１２４との間に、外部絶縁部材１２２及び内部絶縁部材１２３とが加圧下に挟み込まれる。これにより、第２の接続手段１２１が貫通する外装体１００の貫通孔が密封シールされつつ、第２の外部リード１２０と第２の内部リード１２４とが電気的に接続される。

本実施形態のシート状二次電池は、外面層、金属層（中間層）、及び内面層を含む複層構造の外装体の周囲の金属層どうしを溶接により密封接着した構成を備えている。この構成により、外装体の熱可塑性樹脂製の内面層どうしのヒートシールによる密封接着した従来の構成に比べて、外装体のシール強度及び長期密封信頼性が向上する。

〔シート状二次電池１０の製造方法〕
図４及び図５を用いて、シート状二次電池１０の製造方法について説明する。

正電極１５１と負電極１５２とをセパレータ１５３を介して積層して内部電極１５０を作製する（図４（ａ））、複層構造のラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂを１段成型加工して、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂに収容部１４０を形成する（図４（ｂ））。なお、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂのいずれか一方のみを１段成型加工するものであってもよい。

内部電極１５０、第１及び第２の内部リード１１４、１２４、内部絶縁部材１１３、１２３等をラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの収容部１４０内に組み込む（図４（ｃ））。外部絶縁部材１１２、１２２と第１及び第２の外部リード１１０、１２０をラミネートフィルム１００Ａ上に配置し、第１及び第２の接続手段１１１、１２１により、第１及び第２の内部リード１１４、１２４と第１及び第２の外部リード１１０、１２０とを接続する。

その後、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの３辺の金属層１０２Ａ、１０２Ｂどうしを溶接により接着し、溶接シール部１３０を形成する。溶接は、レーザー溶接、アーク溶接、抵抗溶接、又はろう付けなどの手法を用いて、金属層１０２Ａ、１０２Ｂの溶接箇所を溶融する温度まで加熱し、固まらせることで溶接シール部１３０を形成する。なお、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの形状が矩形ではなく、楕円形や多角形である場合は、その周囲の一部をガス抜き用のヒートシールのために残し、その他の箇所を溶接により接着すればよい。

残りの１辺は、溶接ではなく、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの内面層１０３Ａ、１０３Ｂどうしを熱溶着し、ヒートシール部１３５を形成する（図５（ａ））。この際、外装体１００内を真空吸引して、全体を密封する。ヒートシールは、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの内面層１０３Ａ、１０３Ｂは溶融するが金属層１０２Ａ、１０２Ｂは溶融しない温度に加熱して固まらせることでヒートシール部１３５を形成する。外装体１００のヒートシール部１３５の一部をカットして開口部を形成し、該開口部から外装体１００の内部に電解液を注入した後、開口部をヒートシールする。なお、ヒートシール部１３５の形成に際し、予め電解液を注入するための開口部を形成しておき、注入後にヒートシールするようにしてもよい。

その後、シート状二次電池１０の初充電を行い、ガスポケット部分に溜まったガスを、ガス抜き工程にて除去する。ガス抜きが終了した後、溶接シール部１３０が形成されていない残りの１辺において、ラミネートフィルム１００Ａ、１００Ｂの金属層１０２Ａ、１０２Ｂどうしを溶接により密封接着し、溶接シール部１３０を形成し、不要なガスケット部分をカットする（図５（ｂ））。このようにして、シート状二次電池１０の製造が行われる。

〔シート状二次電池２０〕
図６〜８を用いて、本発明の別の実施形態に係るシート状二次電池２０について説明する。

図６は、シート状二次電池２０の平面図であり、図７は、シート状二次電池２０の概略斜視図である。シート状二次電池２０は、包装体１００の収容部１４０が複数段の階段構造１４５を有する点でシート状二次電池１０の構成と相違する。階段構造１４５の段数は、２段以上であればよいが、製造コスト等を考慮して２〜１０段、２〜８段、２〜６段、２〜４段、又は２〜３段としてもよい。なお、シート状二次電池１０と同じ構成には同じ符号を付しており、説明は省略する。

図７（ａ）は外装体１００の収容部１４０が１段成型により形成されたものであり（即ち、複数段の階段構造を有しない構成）、シート状二次電池１０の構成に相当する。図７（ｂ）は、外装体１００の収容部１４０が２段成型により形成されたものであり（即ち、収容部１４０が２段の階段構造を有する構成）、図７（ｃ）は、外装体１００の収容部１４０が３段成型により形成されたものである（即ち、収容部１４０が３段の階段構造を有する構成）。

本実施形態のシート状二次電池２０では、内部電極１５０等を収容する収容部１４０に複数段の階段構造１４５が設けられた構成を備え、下記シミュレーション試験例で示すように、外装体１００内部で発生するガスに伴う電池内圧の上昇による外装体１００の膨張の影響を低減することができる。

〔シミュレーション試験例〕
シート状二次電池２０にて発生するガスに伴う電池内圧の上昇による最大合成変位を、外装体１００の収容部１４０が１段成型のもの（複数段の階段構造を有しない構成）と、複数段成型のもの（２段の階段構造を有する構成、３段の階段構造を有する構成）について、シミュレーションにより計算した。このシミュレーション結果から、外装体１００の収容部１４０に複数段の階段構造を設けたことによる膨張抑制効果について検証した。なお、本試験は電池構造の強度計算を意図しているものではないので、計算は弾性領域で行った。

本試験は、７０ｍｍ×４５ｍｍのシート状の電池構造を計算モデルとし、電池内圧が０．００２ＭＰａ上昇した場合の変位を計算した。計算水準は、外装体の材料の種類、材料の厚み、並びに外装体の階段構造の有無及び段数とし、シミュレーション条件は以下に記す。また、当該電池構造を計算するに際し、ｘ，ｙ，ｚ方向（図８に記載のｘｙｚ軸参照）に対する拘束条件を設定しており、１段成型のもの（複数段の階段構造を有しない構成）から３段成型のもの（３段の階段構造を有する構成）まで全て同一の条件で計算を行った。

なお、本試験は、シート状二次電池２０の外装体１００が金属層のみで構成された場合のシミュレーションであるが、一般的に外装体１００の外面層及び内面層の厚さは金属層の厚さに比べて十分に小さく、最大合成変位に対する影響は無視できる程に小さい。そのため、外面層、金属層及び内面層を含む複層構造の外装体に対しても、本試験の結果と同様に、包装体の収容部に複数段の階段構造を設けたことによる膨張抑制効果が期待できる。

＜シミュレーション条件＞
計算ソフト：SOLIDWORKS（登録商標）
計算モデル：線形等方性弾性
＜各外装体パラメータ＞外装体の材質の物性値
SUS304
降伏強さ：2.06807 E+08 N/m²
引張り強さ：5.17017 E+08 N/m²
弾性係数：1.9 E+11 N/m²
ポアソン比：0.29
質量密度：8,000 kg/m³
温度膨張率：1.8 E-05 /Kelvin
SUS316
降伏強さ：1.72369 E+08 N/m²
引張り強さ：5.8 E+08 N/m²
弾性係数：1.93 E+11 N/m²
ポアソン比：0.27
質量密度：8,000 kg/m³
温度膨張率：1.6 E-05 /Kelvin
Al合金3003-H14
降伏強さ：1.45 E+08 N/m²
引張り強さ：1.5 E+08 N/m²
弾性係数：6.9 E+11 N/m²
ポアソン比：0.33
質量密度：2,730 kg/m³
温度膨張率：2.3 E-05 /Kelvin
＜計算モデル構造＞
拘束条件（１〜３段成型のもについてすべて同一条件）
構造寸法：図８に記載
＜パラメータ水準＞
外装体の材料（SUS304、SUS316、Al合金3003-H14）
外装体の厚み（金属薄板の厚みを想定）：0.1mm、0.2mm
外装体の構造：１段成型、２段成型、３段成型

＜シミュレーション結果＞
表１に最大合成変位のシミュレーション結果を示す。最大合成変位の値が小さいほど、膨張抑制効果が高いことを意味する。

ＳＵＳ３０４の結果から、外装体の厚みが大きいほど、最大合成変位が小さくなり、膨張抑制効果が向上することが分かった。また、ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６の結果と、Ａｌ合金３００３−Ｈ１４の結果との比較から、同じ厚み（０．２ｍｍ）であっても、剛性（機械特性）の優れた材料（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６）を用いることで、最大合成変位が小さくなり、膨張抑制効果が向上することが分かった。

また、全ての材料及び全ての厚みにおいて、成型段数が１段（収容部１４０が複数段の階段構造を有しない構成）のものに比べ、成型段数が２段及び３段（収容部１４０が２段の階段構造を有する構成及び３段の階段構造を有する構成）の場合の方が最大合成変位が小さくなることが分かった。また、段数を増やした方が、その効果が高いことも分かった。

包装体の収容部が複数段の階段構造を備えた構成により、包装体の収容部にかかる最大主応力が緩和されたため、最大合成変位が低い結果となったと推測される。また、包装体の材料や厚さに関わらず、包装体の収容部に複数段の階段構造を備えた構成が、膨張抑制効果を向上できることが分かった。

上記各実施形態で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。また、本発明は、具体的に記載された上記実施形態に限定されるものではない。

１０、２０ シート状二次電池
１００ 外装体
１００Ａ、１００Ｂ 複層構造を有するラミネートフィルム
１０１Ａ、１０１Ｂ 外面層
１０２Ａ、１０２Ｂ 金属層
１０３Ａ、１０３Ｂ 内面層
１１０、１２０ 外部リード
１１１、１２１ 接続手段
１１２、１２２ 外部絶縁部材
１１３、１２３ 内部絶縁部材
１１４、１２４ 内部リード
１３０ 溶接シール部
１３５ ヒートシール部
１４０ 収容部
１４５ 複数段の階段構造
１５０ 内部電極
１６１、１６２ 空間

Claims (4)

1. シート状の正電極とシート状の負電極とをセパレータを介して積層して形成した内部電極（１５０）と、
   絶縁性樹脂製の外面層（１０１Ａ、１０１Ｂ）、金属製の中間層（１０２Ａ、１０２Ｂ）、及び熱可塑性樹脂製の内面層（１０３Ａ、１０３Ｂ）を含む複層構造の外装体（１００）であって、前記内部電極及び電解液を収容する収容部（１４０）を備える前記外装体と、
   前記外装体の内部において、前記正電極に接続された第１の内部リード（１１４）と、
   前記外装体の内部において、前記負電極に接続された第２の内部リード（１２４）と、
   前記第１の内部リードに対向し、前記外装体の外部に配置される第１の外部リード（１１０）と、
   前記第２の内部リードに対向し、前記外装体の外部に配置される第２の外部リード（１２０）と、
   前記外装体を貫通して一端（１１１ｂ）が前記第１の内部リードに接続され、他端（１１１ａ）が前記第１の外部リードに接続され、前記第１の内部リード及び前記第１の外部リードを電気的に接続する第１の接続手段（１１１）と、
   前記外装体を貫通して一端（１２１ｂ）が前記第２の内部リードに接続され、他端（１２１ａ）が前記第２の外部リードに接続され、前記第２の内部リード及び前記第２の外部リードを電気的に接続する第２の接続手段（１２１）と、
   を備え、
   前記外装体の全周に前記金属製の中間層どうしが溶接により接着された溶接シール部（１３０）が形成され、前記内部電極と、前記電解液と、前記第１及び第２の内部リードと、前記第１及び第２の接続手段のうち前記外装体内に含まれる部分とは、前記外装体内に密封収容され、
   前記収容部は、複数段の階段構造（１４５）を有する、シート状二次電池。
2. 前記第１の接続手段は、前記第１の外部リード、前記外装体、及び前記第１の内部リードを順に貫通しており、前記第１の内部リードに接続された前記正電極は、前記第１の接続手段の前記一端（１１１ｂ）を収容する空間（１６１）を有し、
   前記第２の接続手段は、前記第２の外部リード、前記外装体、及び前記第２の内部リードを順に貫通しており、前記第２の内部リードに接続された前記負電極は、前記第２の接続手段の前記一端（１２１ｂ）を収容する空間（１６２）を有する、請求項１に記載のシート状二次電池。
3. 折り目が前記溶接シール部側に突出するように前記外装体内で折り曲げられ、前記外装体及び前記第１の内部リード間に位置するとともに、前記外装体及び前記正電極間にも位置する第１の内部絶縁部材（１１３）と、
   折り目が前記溶接シール部側に突出するように前記外装体内で折り曲げられ、前記外装体及び前記第２の内部リード間に位置するとともに、前記外装体及び前記負電極間に位置する第２の内部絶縁部材（１２３）と
   をさらに備える、請求項２に記載のシート状二次電池。
4. 請求項１に記載のシート状二次電池の製造方法であって、
   前記外装体の形状は、平面視して矩形であり、
   前記方法は、
   前記外装体内に、前記内部電極、前記電解液、並びに前記第１及び第２の内部リードを配置する工程と、
   前記第１の接続手段を加圧下で前記第１の外部リード、前記外装体、及び前記第１の内部リードを順に貫通させる工程と、
   前記第２の接続手段を加圧下で前記第２の外部リード、前記外装体、及び前記第２の内部リードを順に貫通させる工程と、
   前記外装体の３辺の前記金属性の中間層を溶接して接着する工程と、
   前記外装体の残り１辺の前記内面層をヒートシールして接着する工程と、
   前記シート状二次電池を充放電させ、前記ヒートシールの一部を開放して前記外装体内のガス抜きを行う工程と、
   前記残り１辺の前記金属性の中間層を溶接して接着する工程と
   を備えた前記方法。

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