JP7104269B2 - 非水電解質電池用リード線及びそれを備える非水電解質電池 - Google Patents

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Description

本開示は、非水電解質電池用リード線及びそれを備える非水電解質電池に関するものである。本出願は、2017年12月7日出願の日本出願第2017‐235005号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
電子機器の小型化、軽量化に伴って、これらの機器に使用される電池、コンデンサなどの電気部品についても小型化、軽量化が求められている。このため、例えば、袋体を封入容器として用い、その内部に非水電解質(電解液)、正極、及び負極を封入してなる非水電解質電池が採用されている。非水電解質としてはLiPF、LiBFなどのフッ素を含有するリチウム塩をプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどに溶解した電解液が使用されている。
封入容器には電解液やガスの透過、外部からの水分の浸入を防止する性質が求められる。このため、アルミニウム箔などの金属層を樹脂で被覆したラミネートフィルムが封入容器の材料として用いられ、2枚のラミネートフィルムの端部を熱融着して封入容器を形成する。
封入容器の一端は開口部とし、この内部には非水電解質、正極板、負極板、セパレータ等を封入する。さらに正極板及び負極板にその一端が接続されたリード導体を封入容器の内部から外部へ延びるように配置して、最後に開口部をヒートシール(熱融着)することで封入容器の開口部を閉じると共に、封入容器とリード導体とを接着して開口部を封止する。この最後に熱融着される部分をシール部と呼ぶ。
リード導体のシール部に対応する部分には絶縁層が被覆されており、絶縁層とリード導体とを備えたものが非水電解質電池用リード線と呼ばれている。封入容器とリード導体とはこの絶縁層を介して接着(熱融着)される。したがってこの絶縁層には封入容器の金属層とリード導体との短絡を発生させることなくリード導体と封入容器との接着性を維持できるという特性が求められる。
特許文献1には、絶縁層を二層構造とし、ゲル分率が20~90%である架橋ポリオレフィン樹脂からなる架橋層と、熱可塑性ポリオレフィン樹脂からなる熱可塑層とを含む絶縁体を有する非水電解質電池用リード線が開示されている。ゲル分率が20~90%である架橋オレフィン樹脂からなる架橋層は融点が高いため、熱融着に絶縁体の溶融によるリード導体と金属層との間の短絡を防ぐことができる。また熱可塑性ポリオレフィンからなる熱可塑層は導体との接着性が高いため、熱融着時に溶融して導体と袋体との接着性が確保され、電解液の漏出が防止される。
特許文献2には、リード導体の両面側に一対の絶縁フィルムが張り付けられたリード部材であって、絶縁フィルムを架橋層と接着層との2層構造としたものが開示されている。架橋層はポリプロピレンをベース樹脂とし、0.5重量%以上10重量%以下の架橋助剤を含んでいる。また接着層にはメルトフローレートが4g/10分以上7g/10分以下のポリプロピレン樹脂をベース樹脂としている。
特開2001-102016号公報 特開2011-103245号公報
本開示の一態様に係るリード線は、リード導体と、前記リード導体の少なくとも一部を直接被覆する第一の絶縁層と、前記第一の絶縁層を被覆する第二の絶縁層とを有する非水電解質電池用リード線であって、前記第二の絶縁層は、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーと、ポリプロピレンとを質量比10:90~40:60で含有する樹脂組成物の架橋体である、非水電解質電池用リード線である。
本開示の別の一態様に係る非水電解質電池は、上記非水電解質電池用リード線を備える非水電解質電池である。
本開示の一実施形態に係る非水電解質電池の正面図である。 本開示の一実施形態に係る非水電解質電池の部分断面図である。 本開示の一実施形態に係るリード線の部分断面図である。
[本開示が解決しようとする課題]
特許文献1及び特許文献2に記載されているように、非水電解質電池用リード線において、絶縁層の一部に架橋層を用いることで熱融着時に封入容器の金属層とリード導体との短絡を防ぐことができる。架橋層としては通常ポリプロピレンの架橋体が使用されている。
ポリプロピレンはポリエチレンと比べて架橋しにくい材料であるため、特許文献2に記載されているように架橋助剤と混合して使用される。具体的にはポリプロピレンと架橋助剤を混合したものをシート状に成形した後、電子線などを照射して架橋させる。架橋助剤は低分子量であるため融点が低く、成形加工時の熱によって揮発することがある。揮発した架橋助剤の蒸気は成型設備の別の場所で冷却されて成形設備や製品に付着し、製品に悪影響を及ぼす恐れがある。架橋助剤の量を少なくした場合にはこのようなことが起こらないが、そうするとポリプロピレンの架橋が不充分となり、非水電解質電池の製造時、リード線と封入容器とを熱融着する際に、封入容器の金属層とリード導体とが短絡する可能性がある。
そこで本開示は、成形設備や製品に悪影響を及ぼすことがなく製造できるとともに、封入容器の金属層とリード導体との短絡を発生させることなくリード導体と封入容器との接着性を維持できる非水電解質電池用リード線及びそれを備える非水電解質電池を提供することを課題とする。
[本開示の効果]
本開示によれば、成形設備や製品に悪影響を及ぼすことがなく製造できるとともに、封入容器の金属層とリード導体との短絡を発生させることなくリード導体と封入容器との接着性を維持できる非水電解質電池用リード線及びそれを備える非水電解質電池を提供できる。
[本開示の実施形態の説明]
本開示の一実施形態の非水電解質電池用リード線は、リード導体と、前記リード導体の少なくとも一部を直接被覆する第一の絶縁層と、前記第一の絶縁層を被覆する第二の絶縁層とを有する非水電解質電池用リード線であって、前記第二の絶縁層は、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーと、ポリプロピレンとを質量比10:90~40:60で含有する樹脂組成物の架橋体である。この形態によると、成形設備や製品に悪影響を及ぼすことがなく製造できるとともに、封入容器の金属層とリード導体との短絡を発生させることなくリード導体と封入容器との接着性を維持できる。
本開示の他の実施形態において、前記オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーの融点と、前記ポリプロピレンの融点との差が50℃以下である。この形態によると、樹脂同士の相容性が向上することにより成膜性が良くなる。
本開示の他の実施形態において、前記第一の絶縁層が酸変性ポリオレフィンを含む。この形態によると、第一の絶縁層と金属との接着性が向上する。
本開示の他の実施形態において、前記ポリプロピレンは、ランダムポリプロピレン又は酸変性ポリプロピレンである。この形態によると、前記オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーと前記ポリプロピレンとの相溶性に優れる。
本開示の他の実施形態において、前記第一の絶縁層及び前記第二の絶縁層の合計の厚みは30μm以上200μm以下である。
本開示の他の実施形態において、前記酸変性ポリオレフィンは、無水マレイン酸変性ポリオレフィンである。この形態によると、第一の絶縁層と金属との接着性が向上する。
本開示の他の実施形態において、前記第一の絶縁層が無水マレイン酸変性ポリオレフィンを含み、前記ポリプロピレンは、ランダムポリプロピレン又は酸変性ポリプロピレンである。この形態によると、第一の絶縁層と金属との接着性が向上し、前記オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーと前記ポリプロピレンの相溶性に優れる。
本開示の他の実施形態は、前記非水電解質電池用リード線を備える非水電解質電池である。この形態によると、成形設備や製品に悪影響を及ぼすことがなくリード線を製造できるとともに、封入容器の金属層とリード導体との短絡を発生させることなくリード導体と封入容器との接着性を維持できる。
[本開示の実施形態の詳細]
図1は非水電解質電池の一実施形態を模式的に表す正面図であり、図2は図1のA-A’部における部分断面図である。この非水電解質電池1は、略長方形の封入容器2と、封入容器2の内部から外部に延びるリード導体3を有している。リード導体3と封入容器2とは、第一の絶縁層4bと第二の絶縁層4aを介してシール部9で接続されている。
封入容器2は、図2に示されるように、金属層5と、金属層5を被覆する樹脂層6、樹脂層7とからなる3層のラミネートフィルム8からなる。金属層5はアルミニウム箔などの金属から形成される。封入容器の外側に位置する樹脂層6としては6,6-ナイロン、6-ナイロンなどのポリアミド樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。また封入容器2の内部に位置する樹脂層7には非水電解質に溶解せず、また加熱して溶融する絶縁性樹脂を用いることが好ましく、ポリオレフィン系樹脂、酸変性ポリオレフィン系樹脂、酸変性スチレン系エラストマーが例示される。封入容器2は、2枚のラミネートフィルム8を重ね合わせて、リード導体が貫通する辺以外の3辺をヒートシールして作製する。封入容器の外周部では、2つの金属層5は樹脂層7を介して接着される。
シール部9において、リード導体3は第一絶縁層4b及び第二の絶縁層4aを介して封入容器(ラミネートフィルム8)と接着(熱融着)される。非水電解質電池の内部には、更に、リード導体3の端部に接続された正極集電体10および負極集電体11、非水電解質13、並びにセパレータ12が封入される。
図3はリード線の概略断面図である。板状のリード導体3の表面に第一の絶縁層4bが被覆され、さらにその外側を第二の絶縁層4aが被覆している。第二の絶縁層4aの外側にさらに絶縁層を設けても良い。絶縁層4a及び絶縁層4bはヒートシール時の熱によって溶融して封入容器とリード導体とを接着する。なおリード線はタブリードと呼ばれることもある。
第一の絶縁層4bには、ヒートシール時の熱によって溶融可能で金属(リード導体)及びオレフィン系樹脂(第二の絶縁層4a)への接着性がある樹脂を使用できる。オレフィン系樹脂との接着性の良い樹脂としてポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン系エラストマー、スチレン系エラストマー、アイオノマー樹脂などを使用できる。またこれらの樹脂は酸変性されていると金属との接着性が向上し、好ましい。たとえばマレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸、エポキシ基によって変性された、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン系エラストマー、プロピレン系エラストマー、スチレン系エラストマー、アイオノマー樹脂などを使用でき、特に無水マレイン酸変性ポリオレフィンが好ましく使用できる。
第二の絶縁層4aは、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーと、ポリプロピレンとを質量比10:90~40:60で含有する樹脂組成物の架橋体を使用する。オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーはポリプロピレンとの相溶性に優れているとともに架橋性にも優れている。このため、第二の絶縁層4aを構成する樹脂組成物は、架橋助剤の量を少なくしても架橋可能となり、樹脂組成物をシート状に加工する際の成形設備や製品に悪影響を及ぼすことがなく製造できる。オレフィン結晶部分としては、結晶性のポリエチレンコポリマーが好ましく使用される。またポリプロピレンとしては、ランダムポリプロピレン、ブロックポリプロピレン、酸変性ポリプロピレン、エポキシ変性プロピレンなどを使用できる。
第二の絶縁層4aは、加速電子線やγ線などの電離放射線の照射によって架橋して使用する。架橋することで耐熱性を高めることができ、使用時の温度が上がった場合の接着力の低下や、リード導体と金属層との短絡を防止することができる。
オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)と、ポリプロピレンとの質量比は10:90~40:60が好ましい。この範囲よりもポリプロピレンの量が多くなると架橋性が悪くなり、熱融着時に溶融してリード線と金属層とが短絡するおそれがある。またこの範囲よりもポリプロピレンの量が少ない場合は、柔軟でタック性の強いCEOCの量が相対的に増えることで、絶縁層4aがほこりなどのごみを吸着する可能性がある。
オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)の融点とポリプロピレンの融点との差は50℃以下が好ましい。さらに好ましくは40℃以下、より好ましくは25℃以下である。融点の差が小さいと樹脂同士の相容性が向上することにより成膜性が良くなる。また、融点の高いオレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)は融点の低いものに比べて架橋しやすいため、絶縁層の耐熱性を向上できる。
第二の絶縁層4aを構成する樹脂組成物には、本開示の趣旨を損ねない範囲で架橋助剤を混合しても良い。架橋助剤は分子中に不飽和基を少なくとも2個以上含む化合物からなる。架橋助剤としてはトリアリルイソシアヌレート(TAIC(登録商標))、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリス(2-アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレート等を使用できる。架橋助剤の量は、樹脂成分100質量部に対して4質量部以下が好ましく、2質量部以下がさらに好ましい。
第一の絶縁層及び第二の絶縁層にはこれらの樹脂の他に、難燃剤、紫外線吸収剤、光安定剤、熱安定剤、滑剤、着色剤等の各種添加剤を混合することが可能である。これらの樹脂材料及び添加剤をオープンロール、加圧ニーダー、単軸混合機、2軸混合機などの既知の混合装置を用いて混合した後押出成形などによってフィルム状の絶縁層を作製する。第一の絶縁層及び第二の絶縁層の厚みはリード導体の厚みに依存するが、それら合計で30μm~200μmが好ましい。
リード導体3としてはアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、ニッケルめっき銅などの金属が使用される。リチウムイオン電池の場合は正極にはアルミニウム、負極にはニッケルまたはニッケルめっき銅が用いられることが多い。リード導体の形状は特に限定されないが、厚み50μm~2mm、幅1mm~200mm、長さ5mm~200mmの平板形状の金属が好ましく使用できる。
次に、本開示を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。実施例は本発明の範囲を限定するものではない。
(実験例1~18)
[絶縁層形成用樹脂組成物の作製]
絶縁層形成用樹脂組成物の調整に用いた化合物を以下に示す。
(樹脂成分)
ランダムPP(PP:ポリプロピレン):ノバテック(登録商標)FX4G(融点130℃、MFR5g/10min)
酸変性ランダムPP混合物:アドマー(登録商標)QF551(融点135℃、MFR6g/10min)
オレフィン結晶・エチレンブテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEBC)(融点95℃)
オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)1(融点122℃、)
オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)2(融点118℃)
エチレンブテン共重合体1:タフマー(登録商標)DF640(融点55℃、MFR6g/10min)
エチレンオクテン共重合体2:タフマー(登録商標)DF610(融点55℃、MFR3g/10min)
エチレンプロピレン共重合体:タフマー(登録商標)P280(融点55℃、MFR5g/10min)
エチレンオクテン共重合体:エンゲージ(登録商標)8150(融点55℃、MFR1g/10min)
(架橋助剤)
架橋助剤1:トリアリルイソシアヌレート
架橋助剤2:トリメチロールプロパントリメタクリレート
(酸化防止剤)
酸化防止剤1:イルガノックス(登録商標)1076
[絶縁層の形成と成膜性の評価]
上記材料を用い、表1及び表2に示す配合で各材料を混合して絶縁層形成用樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物をTダイ法を用いてシート状に成形した。ニップロール方式を用いて、Tダイのダイス厚みを0.05mm、ダイス-冷却ロール間のエアギャップを50mmに設定し、厚み0.05mmの絶縁層を形成した。成膜速度を徐々に上げ、良好にシートを作製可能な成膜速度を測定した。成膜速度20m/min以上を合格値とした。なお成膜時の室温は10℃とし、成膜時の架橋助剤の蒸気発生量を目視で観察した。
[γ線の照射による架橋]
得られた絶縁層に120kGyのγ線を照射して架橋させた。
[ブリードアウト特性(ブリードが一定量に達するまでの期間)]
上記架橋した絶縁層シートを定型サイズに切り取り、室温で一定期間保管した。このシートの表面にブリードアウトした架橋助剤の量をATR-IR(Attenuated Total Reflectance-Infrared Spectroscopy)で定量した。具体的には、架橋助剤に特徴的なピーク(1700cm-1)において、フィルムをそのまま測定した時のピーク高さ(A%)とフィルム表面をエタノールで拭き取ってから測定した時のピーク高さ(B%)を測定し、A-Bが4%となるまでの期間を求めた。4週間以上を合格とした。架橋助剤を含まない実験例については表中「なし」と表示した。
[加熱変形残率の評価]
上記架橋した絶縁層シートの加熱変形残率を評価した。具体的には、シートサンプルをTMA(Thermal Mechanical Analysis)装置に入れ、プローブに0.1MPaの荷重をかけた状態で昇温し、室温での厚みと200℃での厚みを測定した。室温での厚みに対する200℃での厚みの比を加熱変形残率(%)とした。40%以上のものを合格とした。以上の結果を表1及び表2に示す。
Figure 0007104269000001
Figure 0007104269000002
実験例1~8は、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)をポリプロピレン樹脂又は酸変性ポリプロピレン樹脂と混合し、γ線照射により架橋させたシートである。実験例1~5及び実験例7、8は架橋助剤を添加していないが、架橋性の指標である加熱変形残率は40%以上あり、良好に架橋していることがわかる。また実験例6には架橋助剤を樹脂成分100質量部に対して1部混合しているが、成膜時の架橋助剤蒸気の発生は少なく、架橋助剤のブリードアウト特性も合格値である4週間を超えている。またいずれのシートも20m/min以上の速度で成膜可能であり生産性も良好である。
実験例9は、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEOC)の代わりに、オレフィン結晶・エチレンブテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEBC)を使用している。成膜時の架橋助剤上記の発生は少なく、架橋助剤のブリードアウト性も合格であるが、成膜速度の上限は15m/minであり実験例1~8に比べると成膜性が劣る。これは、CEBCの融点が95℃と低く、ポリプロピレン樹脂の融点(130℃)との差が大きいことが原因だと思われる。また、配合比率が同じ実験例2と比べると、架橋性の指標である加熱変形残率が低い。このことからCEBCと比べてCEOCの方が架橋しやすいと推定される。
実験例10~12は、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEBC)を用いずポリプロピレン樹脂又は酸変性ポリプロピレン樹脂に架橋助剤を混合して架橋させたシートである。加熱変形残率は95%と良好な結果であるが、成形時の架橋助剤蒸気の発生が多く、また架橋助剤のブリードアウトも多くなっている。
実験例13はポリプロピレン樹脂単体を用いたものである。他のものと比べると加熱変形残率が低く、架橋反応が充分に起こっていないと推測される。実験例14はポリプロピレン樹脂100質量部に対して架橋助剤を1部混合したものである。架橋助剤蒸気の発生は少なく加熱変形残率も良好であるが、成膜速度の上限が15m/minとやや遅くなっている。
実験例15~18はオレフィン結晶・エチレンブテン・オレフィン結晶ブロックポリマー(CEBC)以外の樹脂とポリプロピレン樹脂とを混合し、γ線照射により架橋させたシートである。加熱変形残率が合格地を超えているため架橋反応が起こっていることは推測されるが、成膜速度が遅く作業性が悪い。
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 非水電解質電池
2 封入容器
3 リード導体
4a 第二の絶縁層
4b 第一の絶縁層
5 金属層
6 樹脂層
7 樹脂層
8 ラミネートフィルム
9 シール部
10 正極集電体
11 負極集電体
12 セパレータ
13 非水電解質

Claims (8)

  1. リード導体と、前記リード導体の少なくとも一部を直接被覆する第一の絶縁層と、前記第一の絶縁層を被覆する第二の絶縁層とを有する非水電解質電池用リード線であって、
    前記第二の絶縁層は、オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーと、ポリプロピレンとを質量比10:90~40:60で含有する樹脂組成物の架橋体である、非水電解質電池用リード線。
  2. 前記オレフィン結晶・エチレンオクテン・オレフィン結晶ブロックポリマーの融点と、前記ポリプロピレンの融点との差が50℃以下である、請求項1に記載の非水電解質電池用リード線。
  3. 前記第一の絶縁層が酸変性ポリオレフィンを含む、請求項1又は請求項2に記載の非水電解質電池用リード線。
  4. 前記ポリプロピレンは、ランダムポリプロピレン又は酸変性ポリプロピレンである、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の非水電解質電池用リード線。
  5. 前記第一の絶縁層及び前記第二の絶縁層の合計の厚みは30μm以上200μm以下である、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質電池用リード線。
  6. 前記酸変性ポリオレフィンは、無水マレイン酸変性ポリオレフィンである、請求項3に記載の非水電解質電池用リード線。
  7. 前記第一の絶縁層が無水マレイン酸変性ポリオレフィンを含み、
    前記ポリプロピレンは、ランダムポリプロピレン又は酸変性ポリプロピレンである、請求項1に記載の非水電解質電池用リード線。
  8. 請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の非水電解質電池用リード線を備える非水電解質電池。
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