JP6932532B2 - バッテリモジュール - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、電池に関する。本発明の一態様は、電池を備えるバッテリモジュールに関する。本発明の一態様は、電子機器に取り付け可能な電池に関する。またはバッテリにより駆動する電子機器に関する。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。
スマートフォンやタブレット端末に代表される携帯情報端末機器が活発に開発されている。またこのような電子機器は、軽量であること、小型であることなどが求められている。
特に近年、装着型の電子機器(ウェアラブル機器ともいう)の開発が盛んに行われている。ウェアラブル機器の一例としては、腕に装着する腕時計型の機器、頭部に装着するメガネ型、またはゴーグル型の機器、首に装着するネックレス型の機器などが挙げられる。例えば腕時計型の機器は、従来の時計における文字盤に代えて小型のディスプレイを備え、時刻以外の様々な情報を使用者に提供することができる。またこのようなウェアラブル機器は、医療用途や、健康状態の自己管理などの用途にも注目され、実用化が進んでいる。
携帯型の機器は、繰り返し充電が可能な二次電池が搭載されることが多い。特に、ウェアラブル機器では小型の二次電池が用いられるため、二次電池は軽量且つ小型であり、長時間の使用が可能であることが求められている。
例えば、特許文献1には、外装体にフィルムを使用し、可撓性を有する二次電池を搭載した、ウェアラブル機器が開示されている。
特開2015−038868号公報
二次電池は、外装体が破損すると発熱や発火の恐れがあるため、外装体にフィルムを用いた場合であっても、硬い外装体でさらに覆うことが一般に行われている。しかしこの構成では、二次電池に曲げなどの変形を加えることは想定されておらず、電子機器に搭載する場合において、その配置場所が限定されてしまうという問題があった。
本発明の一態様は、耐衝撃性に優れ、電子機器に搭載、または接続可能なバッテリモジュールを提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、バッテリを覆う外装体にゴム等の弾性体を用いたバッテリモジュールを提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、曲げることのできるバッテリモジュールを提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、電子機器の装着具として使用可能な、バッテリモジュールを提供することを課題の一とする。または、曲げることのできる装着具として使用可能な、バッテリモジュールを提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、曲げすぎることによりバッテリが破損してしまう不具合が抑制された、バッテリモジュールを提供することを課題の一とする。または、曲げられる範囲が制限されたバッテリモジュールを提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、長時間の使用が可能な電子機器を実現することを課題の一とする。または、意匠性に優れた電子機器、またはバッテリモジュール等を提供することを課題の一とする。または、電子機器への脱着が容易な、バッテリモジュールを提供することを課題の一とする。または、防水性の高い電子機器、またはバッテリモジュールを提供することを課題の一とする。または、新規なバッテリモジュール、または電子機器を提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、耐衝撃性に優れた電子部品、または電子部品を備えるモジュールを提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、第1の外装体と、バッテリと、を有するバッテリモジュールである。バッテリは、第2の外装体と、正極と、負極と、電解質と、一対のタブと、を有する。正極、負極、及び電解質は、第2の外装体内に位置する。一対のタブは、第2の外装体の内部から外側に突出して設けられる。第1の外装体は、弾性を示す材料を含む。第1の外装体は、第1の部分と、第2の部分と、第1の部分と第2の部分とに囲まれた空間と、を有する。第2の外装体は、上記空間内に配置され、第1の部分と、第2の部分とは互いに接合される。第2の部分は、タブの一部、及び第2の外装体の端部と接する。
また、上記において、第1の部分と第2の部分とは、同一の材料を含み、第1の部分と第2の部分とは、直接的に接合されていることが好ましい。
また、上記において、第2の部分は、第1の部分よりも体積または表面積が小さいことが好ましい。
また、上記において、第2の外装体は、フィルム状の形状を有することが好ましい。また第2の外装体は、第1の外装体を変形させたとき、これに追従して変形することが好ましい。
また、上記において、第1の外装体内に保護部材を有することが好ましい。このとき、保護部材は、第2の外装体の対向する2面の一方を覆う第3の部分と、他方を覆う第4の部分と、を有することが好ましい。また、第3の部分、及び第4の部分は、板状の形状を有し、且つ第1の外装体に追従して変形することが好ましい。
また、上記保護部材は、第3の部分と第4の部分とが、第1の外装体の第2の部分側において接合されていることが好ましい。
また、上記保護部材は、第3の部分の長さと、第4の部分の長さが異なることが好ましい。
また、上記において、第1の外装体の第1の部分は、保護部材の第3の部分、及び第4の部分が摺動可能に嵌合する隙間を有することが好ましい。
また、上記において、第1の外装体は、帯状の形状を有し、且つ厚さが5mm以下である領域を有することが好ましい。
また、上記において、回路基板を有することが好ましい。このとき、回路基板は、タブと電気的に接続する端子を有することが好ましい。また第1の外装体の第2の部分は、タブを覆い、且つ回路基板の少なくとも一部を覆って設けられることが好ましい。
また、上記回路基板は、保護回路を有することが好ましい。
また、上記において、フレームを有することが好ましい。このとき、フレームは、外装体よりも剛性の高い材料を含むことが好ましい。また、フレームは、第1の端子と、第2の端子と、を有することが好ましい。第1の端子は、タブと電気的に接続する端子であり、第2の端子は、第1の端子と電気的に接続される端子である。また第1の外装体の第1の部分が、フレームの一部、及び第1の端子の一部を覆って設けられていることが好ましい。また、第2の端子は、少なくとも一部が露出して設けられていることが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、筐体を有する電子機器である。筐体は、上記フレームと係合する形状を有し、フレームと係合したときに、第2の端子と電気的に接続する第3の端子を有することが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、バッテリと、バッテリを覆う第1の外装体と、を有するバッテリモジュールの作製方法であって、以下の第1乃至第4の工程を有する。第1の工程は、第2の外装体と、一対の電極と、を有するバッテリを準備する工程である。第2の工程は、第1の型を用いて第1の材料を成型することにより、凹部を有する第1の部分を形成する工程である。第3の工程は、電極の一部が凹部の開口端よりも外側に突出するように、凹部に開口端側からバッテリを挿入する工程である。第4の工程は、バッテリが挿入された第1の部分を第2の型に配置し、第2の型を用いて第2の材料を成型することにより、凹部の開口端を封止する第2の部分を形成して、第1の部分と第2の部分とが接合された第1の外装体を形成する工程である。ここで、第2の部分は、第2の外装体の端部と接し、且つ電極の一部が第2の部分の外側に露出されるように、形成する。
また、上記作製方法において、電極は、第2の外装体から突出するタブ、または当該タブと電気的に接続する端子のいずれか一方であることが好ましい。
また、上記作製方法において、第1の材料と、第2の材料は、同一の材料であることが好ましい。
また、上記作製方法において、第1の材料及び第2の材料に、ミラブル型の材料を用い、第1の部分、及び第2の部分を、直圧成型、直圧注入成型、または射出成型により形成することが好ましい。
または、第1の材料及び第2の材料に、液状またはペースト状の材料を用い、第1部分、及び第2の部分を、射出成型により形成することが好ましい。
本発明の一態様によれば、耐衝撃性に優れ、電子機器に搭載、または接続可能なバッテリモジュールを提供できる。
本発明の一態様によれば、バッテリを覆う外装体にゴム等の弾性体を用いたバッテリモジュールを提供できる。本発明の一態様によれば、曲げることのできるバッテリモジュールを提供できる。
本発明の一態様によれば、電子機器の装着具として使用可能な、バッテリモジュールを提供できる。または、曲げることのできる装着具として使用可能な、バッテリモジュールを提供できる。
または、本発明の一態様によれば、曲げすぎることによりバッテリが破損してしまう不具合が抑制された、バッテリモジュールを提供できる。または、曲げられる範囲が制限されたバッテリモジュールを提供できる。
または、本発明の一態様によれば、長時間の使用が可能な電子機器を実現できる。または、意匠性に優れた電子機器、またはバッテリモジュール等を提供できる。または、電子機器への脱着が容易な、バッテリモジュールを提供できる。または、防水性の高い電子機器、またはバッテリモジュールを提供できる。または、新規なバッテリモジュール、または電子機器を提供できる。
または、本発明の一態様は、耐衝撃性に優れた電子部品、または電子部品を備えるモジュールを提供できる。
実施の形態に係る、バッテリモジュールの構成例及び作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの構成例及び作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの構成例及び作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、バッテリ及びバッテリモジュールの構成例。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの構成例。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの構成例。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの構成例。 実施の形態に係る、バッテリモジュール及び電子機器の構成例。 実施の形態に係る、フレーム及び電子機器の構成例。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、バッテリモジュールの作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、二次電池の構成例。 実施の形態に係る、二次電池の作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、二次電池の作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、二次電池の作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、二次電池の構成例および作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、二次電池の作製方法を説明する図。 実施の形態に係る、電池の構成例。 実施例に係る、バッテリモジュールの写真。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
なお、本明細書等における「第1」、「第2」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
(実施の形態1)
本発明の一態様は、バッテリと、バッテリを覆う第1の外装体と、を有するバッテリモジュールである。
バッテリは、正極、負極、及び電解質と、これを覆う第2の外装体と、を有する。またバッテリは、正極または負極と電気的に接続し、当該第2の外装体の外側に突出する一対のタブを有する。正極及び負極は、それぞれ集電体と、活物質と、を有する。またバッテリは、正極と負極の電気的なショートを防ぐセパレータを有していてもよい。電解質は、電解液、または固体電解質のいずれであってもよい。
第2の外装体に、フィルム状の材料を用いることで、バッテリに可撓性を持たせることができる。
第1の外装体は、バッテリを覆って設けられ、バッテリを保護する機能を有する。第1の外装体として、ゴムや弾性を有する樹脂などの弾性体を用いることで、バッテリモジュールの耐衝撃性を高めることができる。
また、第1の外装体は、ウェアラブル機器の装着具として用いることのできる形状を有していてもよい。代表的には、腕時計型機器のバンド(ベルトまたはストラップともいう)の形状を有していてもよい。これにより、バッテリモジュールを、ウェアラブル機器の電源(主電源または補助電源)として用いることが可能となる。
ここで、金型等を用いてゴムや弾性を有する樹脂を任意の形状に成型する場合、材料に高い圧力を印加する必要がある。また、金型の内部に構造物を配置した状態で、ゴム等の成型を行うと、当該構造物には大きな圧力が等方的にかかることになる。そのため、バッテリを金型に配置した状態で第1の外装体を成型しようとする場合、その圧力によりバッテリが変形してしまい、破損に至る場合もある。そのため、特に第2の外装体にフィルムを用いたバッテリを用いた場合、これを覆う第1の外装体としてゴム等を成型することは困難であった。
またゴム等を成型する際に、材料を軟化させる目的や、材料を架橋反応または熱硬化させる目的のために、高温にする必要がある。このとき、金型の内部にバッテリを配置すると、その熱によってバッテリが劣化してしまう恐れもある。そのため、第2の外装体にフィルムを用いたバッテリだけでなく、比較的剛性の高い材料を用いたバッテリであっても、これを覆うようにゴム等を成型することは困難である。
そこで本発明の一態様は、第1の外装体の成型を2回に分けて行うことを特徴とする。まず、第1の型を用いて、バッテリが収納される凹部が形成された第1の部分を成型する。第1の部分は、バッテリが収納されるポケットを有する袋状とも言える形状であり、当該ポケットを構成する凹部の開口が形成されている。凹部の開口は、バッテリの幅及び高さを考慮した大きさとすればよく、出来るだけ小さいことが好ましい。
第1の部分にポケット(凹部)をあらかじめ形成し、その開口形状及びポケットの形状をバッテリの形状に合わせた形状とすることで、バッテリを挿入する際に所定の位置にバッテリを配置することができ、形成される第1の外装体とバッテリの位置の位置ずれを防止することができる。特に、例えばバッテリとして一方向に曲げることを想定したものを用いた場合に、第1の外装体とバッテリの位置を精密に制御することは重要である。
続いて、第1の部分にバッテリを挿入する。このとき、バッテリの電極(タブ、またはタブが接続される回路基板等の電極)の一部が、第1の部分の凹部の開口端よりも外側に位置するように、バッテリを挿入する。
続いて、第2の型を用いて、第1の部分の凹部の開口を埋めるように、2回目の成型を行って第2の部分を形成する。第2の部分は、第1の部分の凹部の開口を塞ぐ、蓋として機能する。第2の部分は、バッテリの電極の一部、及びバッテリの第2の外装体の端部の一部に接して形成される。また第2の部分の成型時に、バッテリの正極や負極が設けられる位置にまで第2の部分が成型されないようにすることが好ましい。これにより、第2の部分の成型時に、バッテリの主要部に圧力がかかることを防ぐことができ、バッテリが変形することや破損することを防ぐことができる。また、バッテリの第2の外装体としてフィルムを用いた場合には、バッテリのタブ側のシール部分(トップシール部分ともいう)及びその近傍に接して第2の部分を形成することが好ましい。
また、ゴム等の成型時に高温にする必要がある場合、このように2回に分けて第1の外装体の成型を行うことにより、バッテリが高温に曝される回数は1回のみである。そのため、第1の外装体の成型時におけるバッテリの劣化を抑制することができる。
これにより、内部に空間が形成された第1の外装体を成型することができる。第1の外装体は、第1の部分と第2の部分とが直接的に接合される。第1の部分と第2の部分との間には、境界線(パーティングライン)が形成される場合がある。
このようにして形成したバッテリモジュールは、バッテリと第1の外装体とが、第2の部分によって固定された状態となる。すなわち、バッテリは第2の部分と接する部分で固定され、それ以外の部分は固定されない状態で、第1の外装体内に封入される。バッテリと第1の部分とが固定されないため、第1の部分に曲げなどの変形を加えたときに、バッテリと外装体は互いに独立して変形することができる。ここで、例えばバッテリと第1の部分とが接合されている場合には、第1の部分の変形に伴ってバッテリに応力が生じてしまう。一方、本発明の一態様のバッテリモジュールでは、バッテリと第1の外装体の第1の部分とが接合されていないため、より小さな力で第1の外装体を変形させることができる。
以下では、本発明の一態様のバッテリモジュール、およびその作製方法について、より具体的に説明する。
[構成例1]
ここでは、バッテリモジュールの形態として、腕時計型の電子機器に好適に装着することのできるバンド状の形態を例に説明する。なお、以下で説明する方法は、型の形状を変更することにより、様々な形状のバッテリモジュールを作製できることは言うまでもない。
図1(A)は、図1(E)に示すバッテリモジュール10の外装体20の第1の部分21を成型するための型50aの断面概略図である。型50aは、上型51a、下型51b、中子53、中子54a、中子54b等を有する。上型51aには、材料を注入する注入孔55aが設けられている。なお、実際には注入孔55aに加えて、ベント孔が上型51aまたは下型51bに設けられる。または、ベント孔が設けられない場合もある。
中子53は、成型後の第1の部分21に凹部を形成するための部材である。中子54a及び中子54bは、成型後の第1の部分21に貫通孔を形成するための部材である。これら中子は、コア(core)またはコアシリンダ(core cylinder)などと呼ぶ場合もある。
図1(A)に示す型50aを用いて、材料を成型し、図1(B)に示す第1の部分21を形成することができる。
第1の部分21の成型方法としては、固体材料または半固体材料(総称して、ミラブル型材料とも言う)を用いる成型方法、若しくは、液状(ペースト状を含む)の材料を用いた成型方法を用いることができる。ミラブル型材料を用いた成型方法としては、直圧成型(コンプレッション成型ともいう)、直圧注入成型(トランスファー成型ともいう)、射出成型(インジェクション成型ともいう)等がある。また、液状の材料を用いた成型方法としては射出成型があり、特にLIM(Liquid Injection Molding)法とも呼ばれる場合がある。
図1(A)に示す型50aは、直圧注入成型に適した型を示している。上型51aの上部に材料を配置し、その上からさらに押圧用の型を押し付けることで、注入孔55aから材料を注入することができる。なお、型50aは、成型方法に応じて注入孔の位置や外形は適宜変更すればよい。
成型材料としては、弾性材料を好適に用いることができる。後述するバッテリ30を弾性体で囲う構成とすることにより、耐衝撃性に優れたバッテリモジュール10を作製することができる(図1(E)参照)。また、バッテリ30として曲げることのできるバッテリを用いることで、腕などに巻きつけることのできるバッテリモジュール10を実現できる。
ゴム材料としては、熱硬化性を示す材料を好適に用いることができる。熱硬化性を示すゴム材料を用いることで、製品の耐熱性を高め、使用可能な温度範囲を高めることができる。またゴム材料を用いることで、薬品への耐性や耐候性を高めることができる。
ゴム材料としては、代表的には、シリコーンゴムまたはフッ素ゴム等の材料を用いることができる。シリコーンゴムやフッ素ゴムは、成型が容易で、また人体に触れる製品に好適に用いることができる。
そのほかのゴム材料としては、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム等の材料を用いることができる。
また、樹脂材料としては、常温でゴム弾性を示す熱可塑性エラストマーを好適に用いることができる。熱可塑性エラストマーを用いることで、加硫を要するゴムを用いる場合に比べて、成型にかかる工程を削減できる。例えばスチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、エステル系エラストマー、アミド系エラストマー、PVC(ポリ塩化ビニル)系エラストマー、ウレタン系エラストマー、フッ素系エラストマー等を用いることができる。
以上のようにして形成した第1の部分21の断面概略図を図1(B)に、斜視概略図を図2(A)に示す。第1の部分21は帯状の形状を有する。第1の部分21は短辺側に開口端24を有する凹部23が形成されている。凹部23の形状は、後述するバッテリ30が嵌るように設計されている。
図1(A)で示した型50aを用いて形成した第1の部分21は、図1(B)及び図2(A)に示すように、開口端24の近傍が斜めに切りかかれたような形状を有している。これにより、開口端24の面積を大きくすることが可能で、以下の工程でバッテリ30を挿入しやすくなる。また、後述するバッテリモジュール10の外装体20の第2の部分22との接合面積が増大するため、接合強度を高めることができる(図1(E)及び図2(C)参照)。
続いて、第1の部分21の開口端24側から、凹部23内にバッテリ30を挿入する(図1(C)、図2(B))。
バッテリ30は、外装体31と、一対のタブ32を有する。ここでは、外装体31にフィルム状の材料を用いた場合の例を示している。外装体31内には、正極、負極、及び電解質が封入されている。一対のタブ32はそれぞれ、正極または負極と電気的に接続され、外装体31の外に突出して設けられている。外装体31は、タブ32が配置されている側とは反対側(底部ともいう)が折り曲げられ、3辺が接合(シール)された構成を有する。ここで、シールされている外装体31の3辺のうち、タブ32側の辺を、トップシール部と呼び、他の2辺をサイドシール部と呼ぶことがある。なお、図1(C)等において、バッテリ30の内部構造は省略している。
バッテリ30は、少なくともタブ32の一部が開口端24と重なり、且つタブ32の他の一部が開口端24を越えて外側に突出するように配置する。また、バッテリ30の外装体31のタブ32側の端部(トップシール部)が開口端24に位置するように、バッテリ30を配置してもよい。
また、図1(C)に示すように、バッテリ30を第1の部分21に挿入した時、バッテリ30の底部と第1の部分21との間に隙間を有していてもよい。なお、バッテリ30を外装体31の中立面を通るように配置する場合等には、隙間を設けずに、バッテリ30の底部と第1の部分21が接するように、バッテリ30を配置してもよい。
続いて、図1(D)に示すように、バッテリ30と第1の部分21とを、第2の部分22を成型するための型50b内に配置する。
型50bは、上型52a、下型52b等を有する。また、図1(D)では中子54a及び中子54bを使用した例を示している。上型52aは、注入孔55bを有する。また上型52aまたは下型52bは、ベント孔(図示しない)を有する。
型50bは、注入孔55bが第1の部分21の開口端24の近傍にのみ配置されている。これにより、成型材料は、開口端24の近傍にのみ注入される。そのため、2回目の成型時において、バッテリ30は、開口端24の近傍に位置する部分(タブ32及び外装体31のトップシール部等)にのみ、成型時の圧力が印加され、それ以外の部分には印加されることがない。そのため、バッテリ30の外装体31が変形し、破損してしまうことを防ぐことができる。また、タブ32や外装体31のトップシール部は厚さが薄く、また中空構造ではないため、成型時に圧力が加わることで多少変形することはあっても、破損してしまう恐れはない。
図1(D)に示す型50bを用いて材料を成型することで、第1の部分21に接して第2の部分22を形成することができる。これにより、第1の部分21と第2の部分22を有する外装体20を作製することができる。
第2の部分22の成型方法としては、上記第1の部分21の成型方法を援用できる。第2の部分22の形成方法は、第1の部分21と同じ方法を用いると設備を共有できるため好ましい。
また、第2の部分22には、第1の部分21と同じ材料を用いることが好ましい。これにより、第1の部分21と第2の部分22の密着性を高めることが可能となる。
なお、第1の部分21と第2の部分22とで、異なる材料を用いてもよいし、異なる成型方法を適用してもよい。例えば、第1の部分21を、ミラブル型の熱硬化性のゴム材料を用いてトランスファー成型により形成し、耐候性や耐薬品性が高められた部分とする。そして第2の部分22を、液状の熱可塑性エラストマー材料を用いて射出成型により成型することで、低い圧力で第2の部分を形成する。これにより、第2の部分22の成型時にバッテリ30が受けるダメージを、より効果的に低減することが可能となる。
以上が作製方法例についての説明である。
図1(E)及び図2(C)に、バッテリモジュール10を示す。バッテリモジュール10は、外装体20と、バッテリ30を有する。
第2の部分22は、第1の部分21に直接接合されている。また第2の部分22は、第1の部分21が有していた開口端24を埋めるように設けられる。これにより、外装体20には、第1の部分21及び第2の部分22に囲まれた空間25が形成される。バッテリ30の一部は、空間25内に位置している。
バッテリ30のタブ32の一部は、第2の部分22から突出して外部に露出している。タブ32は、バッテリモジュール10が接続される電子機器の端子や、他の回路基板等と電気的に接続させることができる。
またバッテリ30のタブ32の他の一部及び外装体31のトップシール部は、第2の部分22と接して設けられている。したがって第2の部分22でバッテリ30が外装体20に固定されている。また外装体31の他の部分と第1の部分21とは接着されていない。したがって、例えば第1の部分21に曲げるなどの変形を加えた際に、バッテリ30の外装体31と第1の部分21とが互いに独立して変形することができるため、より小さな力でこれらを曲げることができる。
また、ここでは一例として、バッテリモジュール10の外装体20が、幅方向に貫通する孔26a及び孔26bを有する例を示している。タブ32側に設けられた孔26aは、例えばバネ棒等を用いて電子機器の筐体(ケース)と接続するためのものである。また、孔26bは、例えば尾錠等を取り付けるためのものである。
外装体20は、先に形成する第1の部分21が、後に形成する第2の部分22よりも大きいことを特徴とする。具体的には、第2の部分22は、第1の部分21よりも体積または表面積が小さい。または、第2の部分22は、上面または側面から見たときの幅、長さ、または厚さの少なくとも一が、第1の部分21よりも小さいとも言える。第2の部分22をより小さく形成することにより、第2の部分22の形成時にバッテリ30にかかる負荷を低減することができる。
以上が、構成例1についての説明である。
[変形例1]
図3(A)乃至(D)に、以下で説明する作製方法例での各段階における断面概略図を示す。ここで例示する方法は、上記作製方法例と比較して、形状の異なる型50c及び型50dを用いる点で相違している。
上記作製方法例では、図1(B)及び図2(A)に示すように、第1の部分21を、開口端24の近傍が斜めに切りかかれたような形状とした。一方、図3(A)で例示した型50cは、中子53が挿入される以外の部分を形成するように、型50c内に成型材料が導入される空間(キャビティ)が形成されている。
まず、型50cを用いて、上記作製方法例で例示した成型方法により、第1の部分21を形成する。
図3(B)に、型50cを用いて成型した第1の部分21の断面概略図を示す。第1の部分21は、開口端24が第1の部分21の側面に位置している。
続いて、図3(C)に示すように、第1の部分21の凹部23に、開口端24側からバッテリ30を挿入する。図3(C)では、バッテリ30のタブ32側とは反対側の端部と、第1の部分21の凹部23の表面とが接するように、バッテリ30を挿入した場合の例を示している。
続いて、図3(D)に示すように、バッテリ30が挿入された第1の部分21を型50d内に配置する。
型50dは、上記型50bと比較して、上型52a及び下型52bの一部の形状、及び注入孔55bの位置が異なる。型50dは、第1の部分21の端部に位置する開口端24側に、成型材料が導入されるように、加工されている。
続いて、型50dを用い、上記作製方法例で例示した成型方法により、第2の部分22を形成する。
ここで例示した作製方法例で作製することで、2回目の成型において、バッテリ30と成型材料とが接する面積をより小さくすることができる。これにより、2回目の成型でバッテリ30にかかる圧力等が低減でき、より歩留り良く作製することができる。
このような方法で作製したバッテリモジュール10を図3(E)に示す。図3(E)に示すバッテリモジュール10は、図1(E)及び図2(C)で例示したものと外形形状は同じであるが、第2の部分22の形状が異なる。このことは、バッテリモジュール10の表面に形成される境界線(パーティングライン)の形状が異なることで区別することができる。また、図3(E)に示す例では、第1の部分21と第2の部分22との境界線がバッテリモジュール10の取り付け側の端部にのみ位置するため、電子機器と接続した際に、使用者に見えにくくなり、意匠性が高まるといった副次的な効果も奏する。
以上が変形例1についての説明である。
[変形例2]
上記構成例では、バッテリモジュール10の電極として、バッテリ30が有するタブ32の突出した一部を用いた場合の例を示したが、他の構成としてもよい。
図4(A)、(B)には、バッテリ30が回路基板33を有する場合の例を示している。図4(A)は、バッテリ30の斜視概略図であり、図4(B)は、図4(A)を裏側から見たときの拡大した斜視概略図である。
バッテリ30は、回路基板33と、FPC(Flexible Printed Circuit)34と、を有する。回路基板33は、外装体31のトップシール部と重なるように配置されている。
回路基板33は、例えば保護回路を有することができる。保護回路は、例えばバッテリ30が過充電されたときに充電を停止する機能や、バッテリ30が過放電されたときに放電を停止する機能等を有する回路を用いることができる。また、正極と負極がショートした場合に、大電流が流れることを防止する機能を有していることが好ましい。また、保護回路はバッテリ30内のセルの温度を出力する機能や、温度に応じて放電または充電を停止する機能を有していてもよい。
また、回路基板33として、バッテリ30からの漏液を検知する保護回路を有していてもよい。例えば、離間して設けられ、且つ電気的に絶縁された複数の配線を、外装体31の表面に沿って設ける構成とし、電解液が2つの配線に亘って触れたときに電気的にショートする現象を検知する機能を有する回路を用いることができる。
回路基板33としては、例えばPCB(Printed Circuit Board)やFPC等を用いることができる。保護回路等はICチップの形態で、回路基板33に実装される構成とすることができる。
一対のタブ32は、それぞれ折れ曲がって回路基板33が有する端子と接合されている。また、回路基板33にはFPC34が接続されている。FPC34は、回路基板33が有する正極用端子、負極用端子、及び温度情報の出力用の端子等と電気的に接続される。FPC34は、電子機器が有するコネクタ等に接続することができる。
図4(C)に、図4(A)で示したバッテリ30を有するバッテリモジュール10の斜視概略図を示す。図4(C)に示すように、バッテリ30は、FPC34の一部が外装体20の第2の部分22から突出するように設けられている。
以上が変形例2についての説明である。
[変形例3]
上記で例示したように、外装体20をバンド形状としたとき、バッテリ30が設けられている部分の外装体20の厚さは、他の部分の厚さよりも薄くなる場合がある。このとき、外部から局所的に大きな力が、外装体20の表面に垂直な向きにかかった場合には、バッテリ30が変形してしまう、または破損してしまう恐れもある。そこで、バッテリ30の表面を保護する保護部材を、外装体20の内部に配置することが好ましい。
図5(A)に、保護部材35の一例を示す。保護部材35は、2枚の対向する板部35a、板部35bが、接合部35cで接合された形状を有する。2枚の板状の部分は、概略平行に離間して配置され、バッテリ30が挿入される隙間を有している。板部35aと板部35bとは、それぞれ短辺側の一方が接合部35cにより接合されている。
図5(B)に、バッテリ30を保護部材35に挿入した場合を示している。このとき、バッテリ30と保護部材35とは固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。バッテリ30と保護部材35とを固定する場合には、バッテリ30のトップシール部近傍と、保護部材の接合部35cの近傍において、これらが固定されることが好ましい。いずれにしても、バッテリ30と保護部材35とは、バッテリモジュール10の外装体20内に組み込んだ際に、外装体20の第2の部分22によって、相対的な位置が固定されることとなる。
保護部材35の材料としては、例えば金属、プラスチック、木材等を用いることができる。特に、バッテリモジュール10を曲げて使用する場合には、板部35a及び板部35bは可撓性を有する程度に薄くすることが好ましい。バッテリモジュール10を曲げて使用する場合の、保護部材35の厚さは、例えば0.02mm以上2mm以下、好ましくは0.05mm以上1mm以下、より好ましくは0.1mm以上0.7mm以下とすることが好ましい。代表的には、0.1mmの厚さの金属板を板部35a及び板部35bに用いることが好ましい。このような厚さとすることで、使用者が違和感のない装着感を得ることができる。なお、バッテリモジュール10を曲げて使用しない場合にはこの厚さに限られることなく、保護部材35は厚いほど強度が高まるため好ましい。
このような保護部材35を用いることで、局所的な圧力に対してバッテリ30を保護することができる。
図6(A1)は、保護部材35が適用されたバッテリモジュール10の長さ方向の断面概略図である。また、図6(A2)は、バッテリモジュール10の幅方向の断面概略図である。図6(A1)、(A2)では、保護部材35の板部35a及び板部35bを示している。図6(A1)、(A2)に示すように、バッテリ30は、板部35a及び板部35bに挟まれた状態で、外装体20内に設けられている。
図6(A3)は、図6(A1)中の破線で囲った領域を拡大した図である。図6(A3)に示すように、板部35a及び板部35bは、その端部がバッテリ30の外装体31よりも外側に位置するように、長さ方向に大きいことが好ましい。また図6(A2)に示すように、板部35a及び板部35bは、バッテリ30のサイドシール部の内側の幅よりも幅方向に大きいことが好ましい。言い換えると、板部35a及び板部35bの幅方向の端部が、バッテリ30のサイドシール部と重なることが好ましい。
ここで、バッテリモジュール10を曲げて使用する場合、バッテリ30と、板部35a及び板部35bとは、接合部35c近傍以外の部分が固定されていないことが好ましい。すなわち、バッテリモジュール10を曲げたときに、バッテリ30、板部35a、及び板部35bが、それぞれずれることで独立に変形することが好ましい。
図6(B1)は、バッテリモジュール10を板部35bが内側になるように曲げたときの断面概略図であり、図6(B2)は、図6(B1)中の破線で囲った領域の拡大図である。
このとき、外装体20の第1の部分21の中立面が、バッテリ30の概略中央部に位置するように、バッテリ30が設けられている。そのため、バッテリモジュール10を曲げたときに、バッテリ30の端部と、第1の部分21との相対的な位置はほとんど変化しない。一方、曲げの外側に位置する板部35aは、その端部が第1の部分21の内壁から離れるように変形する。また、曲げの内側に位置する板部35bは、その端部が第1の部分21の内壁に近づくように変形する。
また、図6(C1)(C2)は、板部35bが外側になるように曲げたときを示している。このとき、板部35aの端部は第1の部分21の内壁に近づくようにスライドし、板部35bの端部は、第1の部分21の内壁から遠ざかるようにスライドする。
このように、バッテリモジュール10を曲げていない状態で、板部35aの端部、及び板部35bの端部と、第1の部分21との間に隙間を設けることにより、板部35aまたは板部35bの端部と第1の部分21とが接触することなく、小さな力でバッテリモジュール10を曲げることができる。
ここで、板部35a及び板部35bの長さを異ならせることにより、バッテリモジュール10を曲げすぎることを防止する機能を実現することができる。
図7(A1)、(A2)には、バッテリモジュール10を伸ばした状態において、板部35aの端部と、外装体20の第1の部分21の内壁とが接するようにした場合の例を示している。また、板部35bの端部と、第1の部分21の内壁とは接することなく、これらの間に隙間が設けられている。
このとき、図7(A1)に矢印で示すように、板部35aが内側になるように曲げようとした場合、板部35aの端部が外側にスライドする隙間が無いため、板部35aはこれ以上曲がることができない。その結果、板部35aがストッパーとして機能し、バッテリモジュール10を曲げることができない。
一方、板部35aが外側になるように曲げようとした場合、板部35bの端部と第1の部分21の内壁との間に隙間があるため、バッテリモジュール10を曲げることができる。
図7(B1)(B2)には、板部35bが内側になるように曲げたときの断面を示している。このとき、板部35aの端部は第1の部分21の内壁から離れるようにスライドし、板部35bの端部は当該内壁に近づくようにスライドする。
図7(C1)(C2)には、さらに大きな曲率で曲げたときの断面を示している。このとき、板部35bの端部と第1の部分21の内壁とが接すると、上記と同様の理由により、板部35bがストッパーとして機能し、バッテリモジュール10をこれ以上曲げることができなくなる。
このように、板部35aと板部35bの長さと、外装体20が有する空間25の形状を変えることにより、バッテリモジュール10の可動範囲を制限することができる。
また、バッテリモジュール10を曲げる際に、板部35a(または板部35b)の端部と、第1の部分21の内壁とが接触すると、反発力が発生し、バッテリモジュール10を曲げるのに必要な力は、接触していない場合に比べて大きくなる。したがって使用者に、バッテリモジュール10の可動範囲を知らせることができ、意図せずにバッテリモジュール10を曲げすぎてしまい、破損してしまう事故を防ぐことができる。
なお、板部35aと板部35bの長さを等しくすると、板部35aが内側になるように曲げるときと、板部35bが内側になるように曲げるときとで、バッテリモジュール10の許容される曲率半径を概略等しくすることができる。一方、これらの長さを異ならせることで、曲げの方向に応じて、許容される曲率半径を異ならせることができる。
図8(A1)(A2)(A3)は、外装体20の内部に、ガイドとして機能するスリット21a、スリット21b、及びスリット21cを設けた場合の例を示している。スリット21a、スリット21b、及びスリット21cにより、外装体20を曲げたときに板部35a及び板部35bが変形する形状を既定することができる。
スリット21aには、板部35aの端部が挿入されている。またスリット21bには板部35bの端部が挿入されている。また、ここでは、板部35aの端部と、スリット21aの内壁とが接するように、板部35aが板部35bよりも長さ方向に長い場合の例を示している。したがって、図8(A1)(A3)に示すバッテリモジュール10は、板部35aが内側になるように曲げられないように設計された例である。
図8(B1)(B2)に示すように、板部35bが内側になるようにバッテリモジュール10を曲げると、板部35aはスリット21aに沿ってスライドし、板部35bはスリット21bに沿ってスライドすることができる。
また、図8(C1)(C2)に示すように、さらに曲げたとき、板部35bの端部がスリット21bの内壁と接し、バッテリモジュール10はこれ以上曲げることができなくなる。
このように、スリット21a及びスリット21bは、板部35a及び板部35bのスライド方向を規定するガイドとして機能する。このようなスリット21a及びスリット21bを設けることにより、バッテリモジュール10の曲げ伸ばし動作を繰り返しても、板部35a及び板部35bの端部が変形してしまうことが抑制され、信頼性の高いバッテリモジュール10を実現できる。
ここで、スリット21aとスリット21bの長さや、板部35aと板部35bの長さは、バッテリモジュール10の可動範囲に応じて設定することができる。また、ここではスリット21aとスリット21bの長さが概略等しくなるように図示しているが、これらの長さを異ならせてもよい。
また、ここではバッテリモジュール10を曲げない状態(図8(A1))のときに、板部35aの端部とスリット21aの内壁とが接する構成を示したが、これらの間に隙間を設けることにより、板部35aが内側になるようにバッテリモジュール10を曲げられる構成としてもよい。
また、図8(C2)に示すように、板部35aの端部が最も内側に(第2の部分22側に)スライドしたときに、板部35aの端部がスリット21a内に位置するように、板部35aとスリット21aのそれぞれの長さを設定することが好ましい。同様に、図8(A3)に示すように、板部35bの端部が最も内側(第2の部分22側)にスライドしたときに、板部35bの端部がスリット21b内に位置するように、板部35bとスリット21bのそれぞれの長さを設定することが好ましい。
また、図8(A2)には、幅方向の断面概略図を示している。図8(A2)では、板部35a及び板部35bが、バッテリ30のサイドシール部を含めた幅よりも幅方向に大きい例を示している。また、外装体20には、板部35a及び板部35bの幅方向の端部が挿入されるスリット21cが設けられている。このような構成により、外装体20に対して板部35a及び板部35bが幅方向にずれにくくなる。そのため、バッテリモジュール10を曲げる際に外装体20と板部35a及び板部35bとの一体感が増し、使用者が違和感のない装着感を得ることができる。
以上が変形例3についての説明である。
[構成例2]
以下では、電子機器を取り付けることのできるフレームを有するバッテリモジュールの例について説明する。
図9(A)には、電子機器80を取り付けた状態のバッテリモジュール60を示している。バッテリモジュール60は電子機器80の装着具としても使用することができる。そのため電子機器80とバッテリモジュール60を組み合わせた機器は、例えば腕時計型の端末機器として用いることができる。バッテリモジュール60は、裏側から電子機器80を脱着することができる。
図9(B)に、電子機器80を取り外した状態のバッテリモジュール60を、図9(C)に電子機器80を、それぞれ示している。
バッテリモジュール60は、バンド部61、バンド部62、保持部63を有する。バンド部61の内部にバッテリ30を有する。保持部63は、電子機器80を保持する部分である。保持部63はフレーム70を有する。また保持部63は操作ボタン64を有している。
電子機器80は、筐体81を有する。筐体81には、表示部82、端子83及び端子84を有する。
バッテリモジュール60は、バンド部61、バンド部62、及び保持部63にゴムなどの弾性体が用いられている。また、バンド部61、バンド部62、及び保持部63は、直接的に接合され、一体成型されているともいえる。保持部63では、フレーム70の一部を覆うように、ゴムなどの弾性体が直接的に形成されている。したがって、フレーム70と、これを覆う外装体との接合に、接着剤等を用いないため、接合強度が高められている。
図10(A)に、端子83及び端子84側から見たときの電子機器80を示す。また、図10(B)に、バッテリ30が接続されたフレーム70を示している。また図10(C)は、図10(B)を180度回転させた図である。
フレーム70は、電子機器80が係合する枠状の形状を有している。フレーム70の内側の面には、3つの端子71と、端子72が設けられている。
電子機器80は、筐体81に3つの端子83と、端子84が設けられている。フレーム70の内側の面に設けられた3つの端子71は、電子機器80を取り付けたときに、端子83と接触する位置に設けられている。また、同様に端子72は、端子84と接触する位置に設けられている。
フレーム70の外側の面には、ケース75が取り付けられている。またケース75が有する一対の端子部に、バッテリ30のタブ32が接合されている。ケース75内には、上記変形例2で例示した回路基板33(図示しない)が設けられている。フレーム70に設けられた3つの端子71は、それぞれ回路基板33(図示しない)の正極用端子、負極用端子、及び温度情報の出力用の端子と電気的に接続される。
端子72は、図9(B)で示した保持部63に設けられた操作ボタン64と、電子機器80が有する端子84とを接続する部分である。端子84は物理ボタンであってもよいし、電極であってもよい。端子84が物理ボタンのとき、端子72を可動な部材で構成し、操作ボタン64を押すなどしたときに、端子72を介して端子84が押されるようにすればよい。また、端子84が電極である場合、端子72を電気的なスイッチとし、操作ボタン64を押すなどしたときに、導通または非導通を示す電気信号を端子84に伝達する機能を有していればよい。
フレーム70としては、外装体の成型に耐える材料を用いることができる。例えばプラスチック、金属、合金、ガラス、木材等、様々な材料を用いることができる。フレーム70は、少なくともフレーム70を覆う外装体、バンド部61、及びバンド部62よりも剛性の高い材料を用いることが好ましい。
このようなバッテリモジュール60は、電子機器80を取り付けることで、電子機器80の主電源、または補助電源として用いることができる。また、電子機器80を容易に脱着可能なフレーム70を有するため、使用者は好みに合わせてバッテリモジュール60を交換することができる。
なお、図示しないが、バッテリモジュール60は受電用の端子、または無線で受電可能なアンテナ等の、受電機構を有していることが好ましい。または、電子機器80が受電機能を有している場合、電子機器80で受電した電力を、端子71を介してバッテリ30に送ることにより、バッテリ30を充電してもよい。
続いて、バッテリモジュール60の作製方法の例について、図11を用いて説明する。
まず、第1の型を用いた1回目の成型により、第1の部分41aを形成する(図11(A))。第1の部分41aは、後にバンド部61となる部分である。成型方法は、上述の方法を援用することができる。
また、これとは別に、第1の部分41bを形成する。第1の部分41bは、後にバンド部62となる部分である。なお、第1の部分41bは、1つの型を用いて第1の部分41aと同時に形成してもよい。
なお第1の部分41b側にはバッテリ30を挿入しないため、第1の部分41bを後述する2回目の成型時に形成することによって、バンド部62と保持部63を同時に形成してもよい。
ここで、図11(A)に示すように、第1の部分41aには、バッテリ30を挿入するための凹部23が形成される。また、第1の部分41a及び第1の部分41bは、その一部の形状が、フレーム70と係合するように形成されていることが好ましい。
続いて、第1の部分41aに、フレーム70と接合されたバッテリ30を挿入する(図11(B))。
続いて、第1の部分41a、第1の部分41b、及びフレーム70を、第2の型に配置し、2回目の成型によって第2の部分42を成型する(図11(C))。第2の部分42は、第1の部分41aの一部、第1の部分41bの一部、及びフレーム70の一部と接して形成する。また、第2の部分42は、第1の部分41aとフレーム70の間、及び第1の部分41bとフレーム70の間を埋めるように形成する。また、第2の部分42は、第1の部分41aの凹部23の開口部を埋めるように形成する。
以上の方法により、バッテリモジュール60を作製することができる。バッテリモジュール60は弾性体の外装体で一体成型されているため、高い耐衝撃性と、高い意匠性が両立されている。
以上が構成例2についての説明である。
[構成例3]
従来の金属などの硬い外装体を用いた場合では、落下させてしまう、またはぶつけてしまうなどの場合に変形や破損してしまう恐れがあった。特に携帯型の電子機器では、このような危険性が高かった。一方、本発明の一態様によれば、弾性体を含む外装体がバッテリを覆って形成できるため、耐衝撃性に優れる。そのため、従来のバッテリモジュールと置き換え可能な構成とすることで、バッテリモジュールを使用する電子機器の信頼性を格段に向上させることができる。
以下では、携帯型の電子機器に好適に用いることのできるバッテリモジュールの作製方法例について説明する。
まず、バッテリ30aを準備する。ここでは、バッテリ30aとして、巻回型のバッテリを用いる例を示す。バッテリ30aは、外装体31と、一対のタブ32を有する。
続いて、バッテリ30aのタブ32に、ケース91を接合する(図12(A))。
図12(B)に、ケース91を分解した図を示す。ケース91は、トップカバー91aと、ボトムカバー91bと、これらの間に回路基板33と、を有する。ボトムカバー91bは、バッテリ30aのタブ32と接合される端子と、回路基板33と接続する端子を有する。回路基板33は、3つの端子92を有する。トップカバー91aは、端子92と重なる位置に開口を有している。これにより、回路基板33の端子92が露出する。
続いて、第1の型を用いた1回目の成型により、第1の部分95を形成する(図12(C))。成型方法は、上述の方法を援用できる。第1の部分95には、バッテリ30aを挿入できる凹部94が形成されている。
続いて、第1の部分95の凹部94に、バッテリ30aを挿入する(図12(D))。
続いて、第1の部分95、バッテリ30a、及びケース91を第2の型に配置し、2回目の成型によって、第2の部分96を成型する(図12(E))。第2の部分96は、第1の部分95の開口端を埋めるように形成する。また第2の部分96は、第1の部分95と、ケース91の間を埋めるように形成する。また第2の部分96は、ケース91のボトムカバー91bを覆って形成することが好ましい。第2の部分96は、ケース91のトップカバー91aの一部を覆って形成してもよい。トップカバー91aは、バッテリモジュール90の外装体の一部として機能する。
以上の方法により、バッテリモジュール90を作製することができる。バッテリモジュール90は、外装体97に弾性体が用いられているため、従来のものよりも耐衝撃性が極めて高い。また、バッテリモジュール90は、ケース91と外装体97とが一体成型され、これらの間に隙間がないため、ほこりや水などが内部に入り込むことが無く、高い信頼性を有している。
以上が構成例3についての説明である。
[応用例]
本発明の一態様の外装体の成型方法は、バッテリを有するバッテリモジュールだけに限られず、様々な電子部品を内蔵したモジュールにも適用することができる。これにより、耐衝撃性に優れたモジュールを実現することができる。
例えば電子部品としては、少なくとも外装体と、電極とを有する電子部品を用いることができる。電子部品を有するモジュールの構成、及び作製方法は上記バッテリモジュールの構成例、及び作製方法例を援用することができ、上記バッテリを、このような電子部品に置き換えればよい。
上述した外装体の成型方法を用いることで、圧力や高温への耐性の低い電子部品をゴムなどの外装体で覆い、且つ端子を露出させた様々なモジュールを作製することができる。電子部品としては、例えば、CPUやFPGA、メモリなど、様々な機能を有するICチップや、種々のセンサ等を有するICチップ等を用いることもできる。
センサとしては、加速度センサ、角速度センサ、振動センサ、圧力センサ、ジャイロセンサ、光センサなどが挙げられる。また、例えば体温、血圧、脈拍数、発汗量、肺活量、血糖値、血中アルコール濃度、SpO(血中酸素飽和度)、指紋、静脈、虹彩、または声紋などの生体情報を取得するセンサを適用することもできる。このほか、例えば力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を有する各種センサを用いることができる。
または、外装体に透光性の材料を用いれば、液晶パネルや有機ELパネルなどの表示装置等へも応用できる。例えば、フレキシブルな表示パネルを、透光性のゴム等で覆うこともできる。
すなわち、本発明の一態様は、第1の外装体と、電子部品と、を有するモジュールである。電子部品は、第2の外装体と、電極と有する。当該電極は、第2の外装体の表面に露出して設けられる。第1の外装体は、弾性を示す材料を含む。第1の外装体は、第1の部分と、第2の部分と、第1の部分と第2の部分とに囲まれた空間と、を有する。電子部品は、上記空間内に配置され、第1の部分と、第2の部分とは互いに接合される。第2の部分は、電極及び第2の外装体の端部と接する。
また、上記において、第1の外装体内に保護部材を有することが好ましい。このとき、保護部材は、第2の外装体の対向する2面の一方を覆う第3の部分と、他方を覆う第4の部分と、を有することが好ましい。また、第3の部分、及び第4の部分は、板状の形状を有し、且つ第1の外装体に追従して変形することが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、電子部品と、当該電子部品を覆う第1の外装体と、を有するモジュールの作製方法であって、以下の工程を有する。第1の工程は、第2の外装体と、電極と、を有する電子部品を準備する工程である。第2の工程は、第1の型を用いて第1の材料を成型することにより、凹部を有する第1の部分を形成する工程である。第3の工程は、電極の一部が凹部の開口端よりも外側に突出するように、凹部に開口端側から電子部品を挿入する工程である。第4の工程は、電子部品が挿入された第1の部分を第2の型に配置し、第2の型を用いて第2の材料を成型することにより、凹部の開口端を封止する第2の部分を形成して、第1の部分と第2の部分とが接合された第1の外装体を形成する工程である。ここで、第2の部分は、第2の外装体の端部と接し、且つ電極の一部が第2の部分の外側に露出されるように、形成する。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
(実施の形態2)
以下では、本発明の一態様に用いることのできる二次電池の構成例と、その作製方法例について、図面を参照して説明する。特に、以下では、曲げることのできる二次電池の例について説明する。
[構成例]
図13は二次電池102の外観を示す斜視図である。図14(A)は、図13にA1−A2の一点鎖線で示した部位の断面図である。また、図14(B)は、図13にB1−B2の一点鎖線で示した部位の断面図である。
本発明の一態様の二次電池102は、外装体507内に、セパレータ503に覆われた正極511と、負極515と、電解液504を有する。なお、図13および図14では、正極集電体501の片面に正極活物質層502を有する正極を1枚、両面に正極活物質層502を有する正極を1枚、負極集電体505の片面に負極活物質層506を有する負極を1枚、両面に負極活物質層506を有する負極を1枚有する二次電池の例を示す。また、正極511は、正極リード521と電気的に接続されており、負極515は負極リード525と電気的に接続されている。正極リード521および負極リード525は、リード電極、またはリード端子とも呼ばれる。正極リード521および負極リード525の一部は外装体の外側に配置される。また、二次電池102の充電および放電は、正極リード521および負極リード525を介して行われる。
なお、図14では、正極511はセパレータ503に覆われているが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、正極511は、セパレータ503に覆われていなくてもよい。例えば、正極511の代わりに、負極515がセパレータ503に覆われていてもよい。
〔正極〕
正極511は、正極集電体501と、正極集電体501上に形成された正極活物質層502などにより構成される。図14ではシート状(又は帯状)の正極集電体501の一方の面に正極活物質層502を有する正極511を1枚、両面に正極活物質層502を有する正極511を1枚有する例を示しているが、本発明の一態様はこれに限らない。正極集電体501の一方の面に正極活物質層502を有する正極511のみを用いてもよい。また両面に正極活物質層502を有する正極511のみを用いてもよい。両面に正極活物質層502を有する正極511を用いることで、二次電池102の容量を大きくすることができる。また3枚以上の正極511を有する二次電池102としてもよい。二次電池102が有する正極511を増やすと、二次電池102の容量を大きくすることができる。
正極集電体501には、ステンレス、金、白金、アルミニウム、チタン等の金属、及びこれらの合金など、導電性が高く、正極の電位で溶出しない材料を用いることができる。また、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。正極集電体501は、箔状、板状(シート状)、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。正極集電体501は、厚みが5μm以上30μm以下のものを用いるとよい。また、正極集電体501の表面に、グラファイトなどを用いてアンダーコート層を設けてもよい。
正極活物質層502は、正極活物質の他、正極活物質の密着性を高めるための結着剤(バインダ)、正極活物質層502の導電性を高めるための導電助剤等を有してもよい。
正極活物質層502に用いる正極活物質としては、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、またはスピネル型の結晶構造を有する複合酸化物等がある。正極活物質として、例えば、LiFeO、LiCoO、LiNiO、LiMn、V、Cr、MnO等の化合物を用いる。
特に、LiCoOは、容量が大きいこと、LiNiOに比べて大気中で安定であること、LiNiOに比べて熱的に安定であること等の利点があるため、好ましい。
また、LiMn等のマンガンを含むスピネル型の結晶構造を有するリチウム含有材料に、少量のニッケル酸リチウム(LiNiOやLiNi1−x(0<x<1)(M=Co、Al等))を混合すると、これを用いた二次電池の特性を向上させることができ好ましい。
または、複合材料(一般式LiMPO(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上))を用いることができる。一般式LiMPOの代表例としては、LiFePO、LiNiPO、LiCoPO、LiMnPO、LiFeNiPO、LiFeCoPO、LiFeMnPO、LiNiCoPO、LiNiMnPO(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFeNiCoPO、LiFeNiMnPO、LiNiCoMnPO(c+d+eは1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFeNiCoMnPO(f+g+h+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等のリチウム化合物を材料として用いることができる。
特にLiFePOは、安全性、安定性、高容量密度、初期酸化(充電)時に引き抜けるリチウムイオンの存在等、正極活物質に求められる事項をバランスよく満たしているため、好ましい。
または、一般式Li(2−j)MSiO(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上、0≦j≦2)等の複合材料を用いることができる。一般式Li(2−j)MSiOの代表例としては、Li(2−j)FeSiO、Li(2−j)NiSiO、Li(2−j)CoSiO、Li(2−j)MnSiO、Li(2−j)FeNiSiO、Li(2−j)FeCoSiO、Li(2−j)FeMnSiO、Li(2−j)NiCoSiO、Li(2−j)NiMnSiO(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、Li(2−j)FeNiCoSiO、Li(2−j)FeNiMnSiO、Li(2−j)NiCoMnSiO(m+n+qは1以下、0<m<1、0<n<1、0<q<1)、Li(2−j)FeNiCoMnSiO(r+s+t+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等のリチウム化合物を材料として用いることができる。
また、正極活物質として、A(XO(A=Li、Na、Mg、M=Fe、Mn、Ti、V、Nb、X=S、P、Mo、W、As、Si)の一般式で表されるナシコン型化合物を用いることができる。ナシコン型化合物としては、Fe(MnO、Fe(SO、LiFe(PO等がある。また、正極活物質として、LiMPOF、LiMP、LiMO(M=Fe、Mn)の一般式で表される化合物、NaFeF、FeF等のペロブスカイト型フッ化物、TiS、MoS等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物、テルル化物)、LiMVO等の逆スピネル型の結晶構造を有する酸化物、バナジウム酸化物系(V、V13、LiV等)、マンガン酸化物、有機硫黄化合物等の材料を用いることができる。
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオンや、アルカリ土類金属イオンの場合、正極活物質として、リチウムの代わりに、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカリウム等)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム、マグネシウム等)を用いてもよい。例えば、NaFeOや、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]Oなどのナトリウム含有層状酸化物を正極活物質として用いることができる。
また、正極活物質として、上記材料を複数組み合わせた材料を用いてもよい。例えば、上記材料を複数組み合わせた固溶体を正極活物質として用いることができる。例えば、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3とLiMnOの固溶体を正極活物質として用いることができる。
なお、図示しないが、正極活物質層502の表面に炭素層などの導電性材料を設けてもよい。炭素層などの導電性材料を設けることで、電極の導電性を向上させることができる。例えば、正極活物質層502への炭素層の被覆は、正極活物質の焼成時にグルコース等の炭水化物を混合することで形成することができる。
粒状の正極活物質層502の一次粒子の平均粒径は、50nm以上100μm以下のものを用いるとよい。
導電助剤としては、アセチレンブラック(AB)、グラファイト(黒鉛)粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどを用いることができる。
導電助剤により、正極511中に電子伝導のネットワークを形成することができる。導電助剤により、正極活物質層502どうしの電気伝導の経路を維持することができる。正極活物質層502中に導電助剤を添加することにより、高い電子伝導性を有する正極活物質層502を実現することができる。
また、バインダとして、代表的なポリフッ化ビニリデン(PVDF)の他、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。
正極活物質層502の総量に対するバインダの含有量の好ましい範囲は、活物質の粒径に応じて適宜設定すればよく、好ましくは1wt%以上10wt%以下とすることができる。例えば、2wt%以上8wt%以下、または3wt%以上5wt%以下などとすることができる。また、正極活物質層502の総量に対する導電助剤の含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、1wt%以上5wt%以下がより好ましい。
塗布法を用いて正極活物質層502を形成する場合は、正極活物質とバインダと導電助剤を混合して正極ペースト(スラリー)を作製し、正極集電体501上に塗布して乾燥させればよい。
〔負極〕
負極515は、負極集電体505と、負極集電体505上に形成された負極活物質層506などにより構成される。図14ではシート状(又は帯状)の負極集電体505の一方の面に負極活物質層506を有する負極515を1枚、両面に負極活物質層506を有する負極515を1枚有する例を示しているが、本発明の一態様はこれに限らない。負極集電体505の一方の面に負極活物質層506を有する負極515のみを用いてもよい。この場合、負極集電体505の負極活物質層506を有さない面同士が接触するように配置すると、摩擦の少ない接触面を形成することができ、二次電池102を湾曲した際の応力を逃がしやすく好ましい。また負極集電体505の両面に負極活物質層506を有する負極515のみを用いてもよい。両面に負極活物質層506を有する負極515を用いることで、二次電池102の容量を大きくすることができる。また3枚以上の負極515を有する二次電池102としてもよい。二次電池102が有する負極515を増やすことで、二次電池102の容量を大きくすることができる。
負極集電体505には、ステンレス、金、白金、鉄、銅、チタン等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高く、リチウム等のキャリアイオンと合金化しない材料を用いることができる。また、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。負極集電体505は、箔状、板状(シート状)、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。負極集電体505は、厚みが5μm以上30μm以下のものを用いるとよい。また、負極集電体505の表面に、グラファイトなどを用いてアンダーコート層を設けてもよい。
負極活物質層506は、負極活物質の他、負極活物質の密着性を高めるための結着剤(バインダ)、負極活物質層506の導電性を高めるための導電助剤等を有してもよい。
負極活物質は、リチウムの溶解・析出、又はリチウムイオンの挿入・脱離が可能な材料であれば、特に限定されない。負極活物質層506の材料としては、リチウム金属やチタン酸リチウムの他、蓄電分野に一般的な炭素系材料や、合金系材料等が挙げられる。
リチウム金属は、酸化還元電位が低く(標準水素電極に対して−3.045V)、重量及び体積当たりの比容量が大きい(それぞれ3860mAh/g、2062mAh/cm)ため、好ましい。
炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等が挙げられる。
黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス系人造黒鉛、ピッチ系人造黒鉛等の人造黒鉛や、球状化天然黒鉛等の天然黒鉛が挙げられる。
黒鉛は、リチウムイオンが層間に挿入されたときに(リチウム−黒鉛層間化合物の生成時に)、リチウム金属と同程度に卑な電位を示す(0.1乃至0.3V vs.Li/Li)。これにより、リチウムイオン電池は高い作動電圧を示すことができる。さらに、黒鉛は、単位体積当たりの容量が比較的高い、体積膨張が小さい、安価である、リチウム金属に比べて安全性が高い等の利点を有するため、好ましい。
負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な合金系材料または酸化物も用いることができる。キャリアイオンがリチウムイオンである場合、合金系材料としては、例えば、Mg、Ca、Al、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ag、Au、Zn、Cd、HgおよびIn等のうち少なくとも一つを含む材料が挙げられる。このような元素は炭素に対して容量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200mAh/gと飛躍的に高い。このため、負極活物質にシリコンを用いることが好ましい。このような元素を用いた合金系材料としては、例えば、MgSi、MgGe、MgSn、SnS、VSn、FeSn、CoSn、NiSn、CuSn、AgSn、AgSb、NiMnSb、CeSb、LaSn、LaCoSn、CoSb、InSb、SbSn等が挙げられる。
また、負極活物質として、SiO、SnO、SnO、酸化チタン(TiO)、リチウムチタン酸化物(LiTi12)、リチウム−黒鉛層間化合物(Li)、酸化ニオブ(Nb)、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン(MoO)等の酸化物を用いることができる。
また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の複窒化物である、LiN型構造をもつLi3−xN(M=Co、Ni、Cu)を用いることができる。例えば、Li2.6Co0.4は大きな充放電容量(900mAh/g、1890mAh/cm)を示し好ましい。
リチウムと遷移金属の複窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、正極活物質としてリチウムイオンを含まないV、Cr等の材料と組み合わせることができ好ましい。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも、あらかじめ正極活物質に含まれるリチウムイオンを脱離させておくことで、負極活物質としてリチウムと遷移金属の複窒化物を用いることができる。
また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)等の、リチウムと合金化反応を行わない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反応が生じる材料としては、さらに、Fe、CuO、CuO、RuO、Cr等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn、CuN、Ge等の窒化物、NiP、FeP、CoP等のリン化物、FeF、BiF等のフッ化物でも起こる。なお、上記フッ化物の電位は高いため、正極活物質として用いてもよい。
塗布法を用いて負極活物質層506を形成する場合は、負極活物質と結着剤を混合して負極ペースト(スラリー)を作製し、負極集電体505上に塗布して乾燥させればよい。なお、負極ペーストに導電助剤を添加してもよい。
また、負極活物質層506の表面に、グラフェンを形成してもよい。例えば、負極活物質をシリコンとした場合、充放電サイクルにおけるキャリアイオンの吸蔵・放出に伴う体積の変化が大きいため、負極集電体505と負極活物質層506との密着性が低下し、充放電により電池特性が劣化してしまう。そこで、シリコンを含む負極活物質層506の表面にグラフェンを形成すると、充放電サイクルにおいて、シリコンの体積が変化したとしても、負極集電体505と負極活物質層506との密着性の低下を抑制することができ、電池特性の劣化が低減されるため好ましい。
また、負極活物質層506の表面に、酸化物等の被膜を形成してもよい。充電時において電解液の分解等により形成される被膜は、その形成時に消費された電荷量を放出することができず、不可逆容量を形成する。これに対し、酸化物等の被膜をあらかじめ負極活物質層506の表面に設けておくことで、不可逆容量の発生を抑制又は防止することができる。
このような負極活物質層506を被覆する被膜には、ニオブ、チタン、バナジウム、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、クロム、アルミニウム若しくはシリコンのいずれか一の酸化膜、又はこれら元素のいずれか一とリチウムとを含む酸化膜を用いることができる。このような被膜は、従来の電解液の分解生成物により負極表面に形成される被膜に比べ、十分緻密な膜である。
例えば、酸化ニオブ(Nb)は、電気伝導度が10−9S/cmと低く、高い絶縁性を示す。このため、酸化ニオブ膜は負極活物質と電解液との電気化学的な分解反応を阻害する。一方で、酸化ニオブのリチウム拡散係数は10−9cm/secであり、高いリチウムイオン伝導性を有する。このため、リチウムイオンを透過させることが可能である。また、酸化シリコンや酸化アルミニウムを用いてもよい。
負極活物質層506を被覆する被膜の形成には、例えばゾル−ゲル法を用いることができる。ゾル−ゲル法とは、金属アルコキシドや金属塩等からなる溶液を、加水分解反応・重縮合反応により流動性を失ったゲルとし、このゲルを焼成して薄膜を形成する方法である。ゾル−ゲル法は液相から薄膜を形成する方法であるから、原料を分子レベルで均質に混合することができる。このため、溶媒の段階の金属酸化膜の原料に、黒鉛等の負極活物質を加えることで、容易にゲル中に活物質を分散させることができる。このようにして、負極活物質層506の表面に被膜を形成することができる。当該被膜を用いることで、蓄電体の容量の低下を防止することができる。
〔セパレータ〕
セパレータ503を形成するための材料として、セルロースや、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリブテン、ナイロン、ポリエステル、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド等の多孔性絶縁体を用いることができる。また、ガラス繊維等の不織布や、ガラス繊維と高分子繊維を複合した隔膜を用いてもよい。
〔電解液〕
電解液504は、電解質として、キャリアイオンが移動可能であり、且つキャリアイオンであるリチウムイオンを有する材料を用いる。電解質の代表例としては、LiPF、LiClO、LiAsF、LiBF、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON、Li(SOF)N等のリチウム塩がある。これらの電解質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いてもよい。
特に、ゴム等の成型時に高温の処理が行われる場合には、電解質は耐熱性が高いことが好ましい。例えば、熱分解温度の高いイミド塩を用いることが好ましい。
また、電解液504の溶媒としては、キャリアイオンが移動可能な材料を用いる。電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。また、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いる、電解液にゲル化のための高分子材料を添加する、などにより、漏液性等に対する安全性が高まる。また、二次電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の代表例としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド系ゲル、ポリプロピレンオキサイド系ゲル、フッ素系ポリマーのゲル等がある。また、電解液の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体(常温溶融塩)を一つまたは複数用いることで、二次電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、二次電池の破裂や発火などを防ぐことができる。なお、イオン液体は、流動状態である塩であり、イオン移動度(伝導度)が高い。また、イオン液体は、カチオンとアニオンとを含む。イオン液体としては、エチルメチルイミダゾリウム(EMI)カチオンを含むイオン液体、またはN−メチル−N−プロピルピペリジニウム(PP13)カチオンを含むイオン液体などがある。
特に、ゴム等の成型時に高温の処理が行われる場合には、電解液の溶媒は沸点の高い材料を用いることが好ましい。例えば、プロピレンカーボネート(PC)を用いることが好ましい。
〔外装体〕
二次電池の構造としては、様々な構造があるが、本実施の形態では、外装体507の形成にフィルムを用いる。なお、外装体507を形成するためのフィルムは金属フィルム(アルミニウム、ステンレス、ニッケル鋼など)、有機材料からなるプラスチックフィルム、有機材料(有機樹脂や繊維など)と無機材料(セラミックなど)とを含むハイブリッド材料フィルム、炭素含有無機フィルム(カーボンフィルム、グラファイトフィルムなど)から選ばれる単層フィルムまたはこれら複数からなる積層フィルムを用いる。金属フィルムは、エンボス加工を行いやすく、エンボス加工を行って凹部または凸部を形成すると外気に触れる外装体507の表面積が増大するため、放熱効果に優れている。
また、外部から力を加えて二次電池102の形状を変化させた場合、二次電池102の外装体507に外部から曲げ応力が加わり、外装体507の一部が変形または一部破壊が生じる恐れがある。外装体507に凹部または凸部を形成することにより、外装体507に加えられた応力によって生じるひずみを緩和することができる。よって、二次電池102の信頼性を高めることができる。なお、ひずみとは物体の基準(初期状態)長さに対する物体内の物質点の変位を示す変形の尺度である。外装体507に凹部または凸部を形成することにより、二次電池の外部から力を加えて生じるひずみによる影響を許容範囲内に抑えることができる。よって、信頼性の良い二次電池を提供することができる。
以上が構成例についての説明である。
[作製方法例]
以下では、上記二次電池102の作製方法の一例について説明する。
〔正極を用意し、セパレータで覆う〕
まず、セパレータ503上に正極活物質層502が形成された正極511を配置する(図15(A)参照。)。なお図15(A)では、スリットを形成することにより蛇行形状となった正極集電体501の、両面に正極活物質層502を有する例を示す。
正極集電体501にスリットを形成することにより、二次電池102を湾曲させた際、複数の集電体の端部の位置がずれることを抑えることができる。あるいは曲率中心に遠い集電体に負荷される張力を緩和させることができる。
また、後の工程で図15(C)に示すような負極515と重畳したとき、負極515のスリットと重畳する領域511aには、正極活物質層502を設けない。仮に負極515のスリットと重畳する領域511aに正極活物質層502を設けると、正極活物質層502と重畳する領域に負極活物質層506がない状態となり、電池反応の際に不具合が生じる恐れがある。具体的には正極活物質層502から出たキャリアイオンが、スリットに最も近い負極活物質層506に集中してしまい、負極活物質層506にキャリアイオンが析出する恐れがある。そのため、負極515のスリットと重畳する領域511aに正極活物質層502を設けないことで、負極活物質層506へのキャリアイオンの析出を抑制することができる。
次いで、セパレータ503を図15(A)の点線で示した部分で折り、セパレータ503で正極511を挟む。次に、正極511の外側の、セパレータ503の外周部分を接合して、袋状のセパレータ503を形成する(図15(B)参照。)。セパレータ503の外周部分の接合は、接着材などを用いて行ってもよいし、超音波溶接や、加熱による融着により行ってもよい。
本実施の形態では、セパレータ503としてポリプロピレンを用いて、セパレータ503の外周部分を加熱により接合する。図15(B)に接合部503aを示す。このようにして、正極511をセパレータ503で覆うことができる。セパレータ503は、正極活物質層502を覆うように形成すればよく、正極511の全体を覆う必要は無い。
なお、図15(A)、(B)では、セパレータ503を折り曲げているが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、2枚のセパレータで正極511を挟んで形成してもよい。その場合、接合部503aが4辺のほとんどを囲う形で形成されていてもよい。
また、セパレータ503の外周部分の接合は、断続的に行ってもよいし、一定間隔毎の点状として接合してもよい。
または、外周部分の1辺にのみ、接合を行ってもよい。または、外周部分の2辺にのみ、接合を行ってもよい。または、外周部分の4辺に、接合を行ってもよい。これにより、4辺を均等な状態にすることが出来る。
なお、図15(A)、(B)などでは、正極511がセパレータ503に覆われている場合について述べているが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、正極511は、セパレータ503に覆われていなくてもよい。例えば、正極511の代わりに、負極515がセパレータ503に覆われていてもよい。
〔負極を用意する〕
次に、負極515を用意する(図15(C)参照)。図15(C)では、スリットを形成することにより蛇行形状となった負極集電体505の、両面に負極活物質層506を有する例を示す。
負極集電体505にスリットを形成することにより、二次電池102を湾曲させた際、複数の集電体の端部の位置がずれることを抑えることができる。あるいは曲率中心に遠い集電体に負荷される張力を緩和させることができる。
〔正極と負極を重ねあわせ、リードを接続する〕
次に、正極511および負極515を積み重ねる(図16(A)参照。)。本実施の形態では、正極511および負極515を2枚ずつ用いる例を示す。
次に、複数の正極集電体501の正極タブと、封止層520を有する正極リード521を、圧力を加えながら超音波を照射して電気的に接続する(超音波溶接)。または、レーザによる溶接を行ってもよい。
また、リード電極は、二次電池102の作製後に外から力が加えられて生じる応力により、ヒビや切断が生じやすい。
そこで、正極リード521を超音波溶接する際、正極タブに接続領域と湾曲部を形成してもよい(図16(B))。
この湾曲部を設けることによって、二次電池102の作製後に外から力が加えられて生じる応力を緩和することができる。よって、二次電池102の信頼性を高めることができる。
また、正極タブに湾曲部を形成することに限定されず、正極集電体の材料をステンレスなどの強度のあるものとし、正極集電体の膜厚を10μm以下とすることで二次電池の作製後に外から外力が加えられ生じる応力を緩和しやすくする構成としてもよい。
勿論、これらを複数組み合わせて正極タブの応力集中を緩和してもよいことは言うまでもない。
そして正極集電体501と同様に、負極集電体505の負極タブと、封止層520を有する負極リード525を超音波溶接により電気的に接続する。
〔外装体を用意し、正極および負極を覆う〕
外装体に用いるフィルム折り曲げ、重なり合った一辺を熱圧着により接合する。図16(B)に外装体507の一辺を熱圧着により接合した部位を、接合部507aとして示す。この外装体507で、正極511および負極515を覆う。
〔電解液を注入する〕
次に、正極リード521が有する封止層520および負極リード525が有する封止層520と重畳する外装体507の一辺を、同様に熱溶着する(図17(A))。その後、図17(A)に示す、外装体507の封止されていない辺507bから、電解液504を外装体507で覆われた領域に入れる。
そして真空引き、加熱および加圧を行いながら、外装体507の残りの一辺(辺507b)を封止し、二次電池102を得る(図17(B))。電解液の注入および封止の操作は、グローブボックスを用いるなどして酸素、水分、窒素等の不純物を排除した環境にて行う。真空引きは、脱気シーラー、注液シーラー等を用いて行うとよい。またシーラーが有する加熱可能な2本のバーで挟むことにより、加熱および加圧を行うことができる。それぞれの条件は、例えば真空度は40kPa、加熱は190℃、加圧は0.1MPaにおいて3秒とすることができる。このとき、外装体507の正極及び負極が位置する部分を加圧しながら、辺507bを封止してもよい。加圧により、注入の際に混入した気泡を正極と負極の間から排除することができる。
〔変形例〕
二次電池102の変形例として、図18(A)に二次電池102を示す。図18(A)に示す二次電池102は、図16の二次電池102と比べて正極リード521と負極リード525の配置が異なる。具体的には、図16の二次電池102では正極リード521および負極リード525が外装体507の同じ辺に配置されているが、図18の二次電池102では正極リード521および負極リード525をそれぞれ外装体507の異なる辺に配置している。このように、本発明の一態様の二次電池は、リード電極を自由に配置することができるため、設計自由度が高い。よって、本発明の一態様の二次電池を用いた製品の設計自由度を高めることができる。また、本発明の一態様の二次電池を用いた製品の生産性を高めることができる。
図18(B)は、図18(A)の二次電池102の作製工程を説明する図である。詳細は、図13の二次電池102の作製方法を参酌することができる。なお、図18(B)では、電解液504の記載を省略している。
また、外装体507に用いるフィルム表面に予め凹凸を持たせるため、プレス加工、例えばエンボス加工を行ってもよい。フィルム表面に凹凸を持たせると、二次電池としてのフレキシブル性、応力の緩和効果が向上する。エンボス加工によりフィルム表面(または裏面)に形成された凹部または凸部は、フィルムを封止構造の壁の一部とする空間の容積が可変な閉塞空間を形成する。この閉塞空間は、フィルムの凹部または凸部が蛇腹構造、ベローズ構造となって形成されるとも言える。また、プレス加工の一種であるエンボス加工に限らず、フィルムの一部に浮き彫り(レリーフ)が形成できる手法であればよい。
なお、本発明の一態様は、これらに限定されない。本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、リチウムイオン二次電池に適用した場合の例を示したが、これに限定されない。本発明の一態様は、様々な二次電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池、固体電池、空気電池、一次電池、キャパシタ、または、リチウムイオンキャパシタ、などに適用してもよい。本発明の一態様は、リチウムイオン二次電池に適用しなくてもよい。
以上が作製方法例についての説明である。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、繰り返し曲げ伸ばしを行う用途に適した電池の構成例について説明する。
図19(A)に、電池200の上面概略図を示す。また図19(B)には、図19(A)中の破線矢印の向きから見たときの電池200の概略図を示す。また図19(C)には、図19(A)中の切断線A1−A2における、断面概略図を示す。
電池200は、外装体201と、外装体201の内部に収容された積層体202と、積層体202と電気的に接続し、外装体201の外側に延在するタブ203と、を有する。また外装体201の内部には、積層体202に加えて電解液が封入されている。
外装体201は、フィルム状の形状を有し、積層体202を挟むように2つに折り曲げられている。外装体201は、折り曲げ部211と、一対の接合部213と、接合部214と、を有する。一対の接合部213は、サイドシール部とも呼ぶことができる。また接合部214は、タブ203側に位置し、トップシール部とも呼ぶことができる。
外装体201は、積層体202と重なる部分に、稜線221と谷線222とが交互に並んだ波形状を有することが好ましい。また、外装体201の接合部213及び接合部214は、平坦であることが好ましい。
積層体202は、電極231と電極232が交互に積層された構成を有する。例えば電極231は正極または負極の一方として機能し、電極232は他方として機能する。また、図示しないが、電極231と電極232の間にセパレータを有していてもよい。
図19(C)に示すように、折り曲げ部211において、外装体201と積層体202との間に空間225を有することが好ましい。
図19(D)に、電池200を曲げたときの断面概略図を示している。なお、図19(D)では、一部の構成を簡略化して示している。
電池200を曲げると、曲げの外側に位置する外装体201の一部は伸び、内側に位置する他の一部は縮むように変形する。より具体的には、外装体201の曲げの外側に位置する部分は、波の振幅が小さく、且つ波の周期が大きくなるように変形する。一方、外装体201の曲げの内側に位置する部分は、波の振幅が大きく、且つ波の周期が小さくなるように変形する。このように外装体201が変形することにより、曲げに伴って外装体201にかかる応力が緩和されるため、外装体201自体が伸びたり縮んだりする必要がない。その結果、外装体201が破損することなく、小さな力で電池200を曲げることができる。
また、図19(D)に示すように、電極231と電極232とがそれぞれ相対的にずれるように、積層体202が変形する。このとき、積層体202が有する複数の電極231及び複数の電極232は、接合部214側で固定されているため、折り曲げ部211に近いほど、ずれ量が大きくなるように、それぞれが変形する。これにより、積層体202にかかる応力が緩和され、電極231及び電極232自体が伸びたり縮んだりする必要がない。その結果、積層体202が破損することなく電池200を曲げることができる。
なお、固体電解質やゲル電解質を用いた場合は、積層体202全体が電解質で覆われると、電極231と電極232とが相対的にずれにくくなり、応力の緩和が期待できない。そのため、あらかじめ一対の電極231及び電極232の間に電解質層を設けた積層体を複数準備し、当該積層体を積層する構成とすることが好ましい。これにより、固体電解質やゲル電解質を用いた場合においても電極231と電極232とが相対的にずれる構成とすることができる。
また、積層体202と外装体201の間に空間225を有していることにより、中立面よりも内側に位置する電極231及び電極232が、外装体201に接触することなく、相対的にずれることができる。
本実施の形態で例示した電池は、繰り返し曲げ伸ばしを行っても、外装体の破損、積層体の破損などが生じにくく、電池特性も劣化しにくい電池である。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
以下では、本発明の一態様の作製方法を用いて、バッテリモジュールを作製した。ここでは、実施の形態1の変形例1で例示した方法(図3参照)を用いた。
まず、リチウムイオン二次電池を準備した。リチウムイオン二次電池は、正極活物質としてLiCoOを用い、負極活物質として黒鉛を用い、外装体にエンボス加工を行ったアルミラミネートフィルムを用いた。正極集電体にはアルミニウム箔を用い、片面に正極活物質層を塗工した。負極集電体には銅箔を用い、片面に負極活物質層を塗工した。正極集電体2枚を、塗工面とは反対側の面が接するように配置し、これらをセルロースセパレータで挟み、セルロースセパレータを袋状に成型した。成型は、セルロースセパレータの重なる部分にポリプロピレンを挟み、熱圧着した。また、負極集電体も同様に、2枚を一組として塗工面とは反対側が接するように配置した。そして、正極集電体の塗工面と、負極集電体の塗工面とが向かい合うように、正極集電体及び負極集電体とをそれぞれ6枚ずつ積層し、電極積層体とした。当該電極積層体を挟むようにアルミラミネートフィルムを2つに折り曲げ、3辺を接合した。フィルムの接合部を形成するための接合は、型(ヒートバー)を用いて行った。サイドシール部には表面が平坦であるヒートバーを、トップシール部にはタブと重なる表面の一部が窪んだ形状のヒートバーを、それぞれ用いた。
外装体には、ポリプロピレン、アルミニウム箔、及びナイロンが順に積層された厚さ約50μmのアルミラミネートフィルムを用いた。またアルミラミネートフィルムには、ピッチが2mm、凸部と凹部の高さの差が0.5mmである波形状となるようにエンボス加工されたフィルムを用いた。
まず、1回目の成型を行い、リチウムイオン二次電池を挿入する凹部を有するゴム成型体(第1の部分)を形成した。1回目の成型は、成型材料にミラブル型のフッ素ゴムを用いた。成型は、押圧シリンダーの径を260mmとし、温度170℃、圧力200kgf/cmの条件で10分間行った。
続いて、成型したゴム成型体(第1の部分)の凹部に、リチウムイオン二次電池を挿入した。
続いて、ゴム成型体とリチウムイオン二次電池を金型(第2の型)に配置し、2回目の成型を行うことで、第2の部分を形成した。成型材料には、1回目の成型と同じ材料を用いた。2回目の成型は押圧シリンダーの径を260mmとし、温度160℃、圧力30kgf/cmの条件で10分間行った。
以上の工程により、ゴム成型体内にリチウムイオン二次電池を有するバッテリモジュールを得た。
本発明の一態様は、2回に分けて外装体を成型するため、1回目の成型では温度と圧力を十分に高くできる。そのため、外装体の主要部を成す第1の部分の成型条件の自由度が高く、十分に最適化された条件で形成できる。その結果、外観が良好で、且つ強度の高い外装体を形成できる。また、2回目の成型では、二次電池のトップシール部近傍にのみ接して第2の部分を形成できるため、成型圧力を比較的高くすることができる。これにより、接合不良などを防ぐことが可能となる。
図20(A)に、作製したバッテリモジュールの写真を示す。このように、バッテリモジュールは小さな力で簡単に曲げることができる。
また、図20(B)には、外装体の一部を切り欠いて二次電池を露出させた状態を示す。このように、二次電池の外装体は潰れることなく、形状を保っていることが確認できた。
以上が本実施例についての説明である。
本実施例は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
10 バッテリモジュール
20 外装体
21 第1の部分
21a スリット
21b スリット
21c スリット
22 第2の部分
23 凹部
24 開口端
25 空間
26a 孔
26b 孔
30 バッテリ
30a バッテリ
31 外装体
32 タブ
33 回路基板
34 FPC
35 保護部材
35a 板部
35b 板部
35c 接合部
41a 第1の部分
41b 第1の部分
42 第2の部分
50a 型
50b 型
50c 型
50d 型
51a 上型
51b 下型
52a 上型
52b 下型
53 中子
54a 中子
54b 中子
55a 注入孔
55b 注入孔
60 バッテリモジュール
61 バンド部
62 バンド部
63 保持部
64 操作ボタン
70 フレーム
71 端子
72 端子
75 ケース
80 電子機器
81 筐体
82 表示部
83 端子
84 端子
90 バッテリモジュール
91 ケース
91a トップカバー
91b ボトムカバー
92 端子
94 凹部
95 第1の部分
96 第2の部分
97 外装体
102 二次電池
200 電池
201 外装体
202 積層体
203 タブ
211 折り曲げ部
213 接合部
214 接合部
221 稜線
222 谷線
225 空間
231 電極
232 電極
501 正極集電体
502 正極活物質層
503 セパレータ
503a 接合部
504 電解液
505 負極集電体
506 負極活物質層
507 外装体
507a 接合部
507b 辺
511 正極
511a 領域
515 負極
520 封止層
521 正極リード
525 負極リード

Claims (1)

  1. 第1の外装体と、バッテリと、を有するバッテリモジュールであって、
    前記バッテリは、第2の外装体と、正極と、負極と、電解質と、一対のタブと、を有し、
    前記正極、前記負極、及び前記電解質は、前記第2の外装体内に位置し、
    一対の前記タブは、前記第2の外装体の内部から外側に突出して設けられ、
    前記第1の外装体は、弾性を示す材料を含み、
    前記第1の外装体は、第1の部分と、第2の部分と、前記第1の部分と前記第2の部分とに囲まれた空間と、を有し、
    前記第2の外装体は、前記空間内に配置され、
    前記第1の部分は、開口端を有する凹部が形成され、
    前記開口端の近傍は、斜めに切りかかれた形状を有し、
    前記第1の部分と、前記第2の部分とは、前記開口端において互いに接合され、
    前記第2の部分は、前記タブの一部、及び前記第2の外装体の端部と接する、バッテリモジュール。
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