JP7145396B2 - ラミネート型電池 - Google Patents

Description

本発明は、ラミネート外装体の内部に発電要素を封止するラミネート型電池に関する。

リチウムイオン二次電池等の電池は、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。

電池の一例として、フィルム状のラミネート外装体の内部に発電要素を封止するラミネート型電池が知られている。例えば、特許文献１に開示されている電池では、発電要素（電気デバイス要素）に電気的に接続される外部端子（電極タブ）のうち、ラミネート外装体によってシールされる部位に、幅方向外側に向かって板厚が徐々に薄くなる薄肉部が設けられている。これにより、シールのために溶着される部位と外部端子の間に空隙が発生することの抑制を図っている。

特開２００６－１６４７８４号公報

特許文献１に記載の電池では、外部端子に外力が加わると、シールのために溶着される部位と外部端子の接合部分のうち、外側の端部に応力が集中し易い。その結果、接合部分の外側の端部が起点となって、ラミネート外装体の破断、またはシールの剥離が生じる可能性がある。

本発明の典型的な目的は、外部端子に外力が加わった場合でも、ラミネート外装体の破断およびシールの剥離が生じることを抑制することが可能なラミネート型電池を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様のラミネート型電池は、電極体に電気的に接続される板状の外部端子と、フィルム状に形成され、幅広面同士を対向させた状態で溶着されることで、溶着されたシール部から上記外部端子の先端部を外方に露出させた状態で、上記電極体を内部に封止するラミネート外装体と、熱溶着性を有する材質によって形成され、上記外部端子の少なくとも一部と上記ラミネート外装体の上記シール部の間に配置された状態で、上記シール部と共に溶着されるタブフィルムと、を備え、上記外部端子の板面に平行な方向のうち、上記シール部を上記外部端子が貫通する方向を貫通方向、上記貫通方向に交差する方向を幅方向とした場合に、上記外部端子は、上記シール部によって覆われる部位に、上記貫通方向の外側に向かって上記幅方向における幅が狭くなる変形部を備えたことを特徴とする。

上記構成のラミネート型電池では、外部端子のうちシール部によって覆われる部位に、貫通方向の外側に向かって幅が狭くなる変形部が設けられている。従って、外部端子に外力が加わった場合に、シール部によって覆われている変形部に応力が集中し易くなる。その結果、ラミネート外装体の破断および剥離の起点となり易い、溶着部位と外部端子の接合部分の外側端部に、応力が集中し難くなる。よって、外部端子に外力が加わった場合でも、ラミネート外装体の破断およびシールの剥離が生じることが、適切に抑制される。

紙面手前側のラミネート外装体３０およびタブフィルム４０Ａ，４０Ｂを省略した状態の、ラミネート型電池１の正面図である。 図１におけるＡ－Ａ線矢視方向部分断面図である。 外部端子２０Ａの斜視図である。 変形例に係る外部端子２０１～２０６の正面図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、リチウムイオン二次電池をラミネート型電池として構成した場合を例示して、本開示に係るラミネート型電池について詳細に説明する。ただし、本開示に係るラミネート型電池を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。例えば、ラミネート型電池は、固体の電解質を用いた全固体電池であってもよいし、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子であってもよい。

図１および図２を参照して、本実施形態のラミネート型電池１の構成について説明する。本実施形態のラミネート型電池１は、電極体１０、電解質（図示せず）、外部端子２０（正極外部端子２０Ａおよび負極外部端子２０Ｂ）、およびラミネート外装体３０を備える。電極体１０と電解質は、ラミネート型電池１の発電要素となる。電極体１０と電解質は、ラミネート外装体３０の内部に封止される。

電極体１０の構成は従来公知の電池と同様の構成で良く、特に限定されない。本実施形態の電極体１０は積層型の電極体であり、シート状の正極体１１Ａおよび負極体１１Ｂを、それぞれ１枚以上、典型的にはそれぞれ複数備えている。正極体１１Ａと負極体１１Ｂは、互いに絶縁された状態で交互に積層されている。なお、電極体１０の構成を変更することも可能である。例えば、電極体１０は、積層された正極体１１Ａと負極体１１Ｂが捲回された捲回型の電極体であってもよい。

正極体１１Ａは、典型的には、正極集電体と、その表面に形成された正極活物質層とを備える。本実施形態の正極集電体にはアルミニウムが採用されている。正極活物質層は、正極活物質（例えば、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物）を含む。負極体１１Ｂは、典型的には、負極集電体と、その表面に形成された負極活物質層とを備える。本実施形態の負極集電体には銅が採用されている。負極活物質層は、負極活物質（例えば、黒鉛等の炭素材料）を含む。正極体１１Ａと負極体１１Ｂの間には、セパレータが配置されていてもよい。セパレータは、正極活物質層と負極活物質層を絶縁する。セパレータとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂シート等を採用できる。

電解質の構成は従来公知の電池と同様の構成で良く、特に限定されない。電解質は、液状であってもよいし、ポリマー状（ゲル状）であってもよいし、固体状であってもよい。一例として、本実施形態の電解質は、非水溶媒と、電荷担体を生成するリチウム塩等の支持塩を含んでいる。

電極体１０には集電タブ１２（正極集電タブ１２Ａおよび負極集電タブ１２Ｂ）が設けられている。詳細には、正極集電タブ１２Ａは、正極体１１Ａ（詳細には正極集電体）から外方に延びている。負極集電タブ１２Ｂは、負極体１１Ｂ（詳細には負極集電体）から外方に延びている。集電タブ１２Ａ，１２Ｂは、活物質層（正極活物質層または負極活物質層）を具備せずに露出している。一例として、本実施形態では、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂは、電極体１０の異なる位置から同一の方向（図１における上方）に向けて延びている。ただし、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂの構成を変更することも可能である。例えば、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂは、互いに異なる方向へ（例えば反対方向へ）延びていてもよい。

外部端子２０Ａ，２０Ｂは板状に形成されている。外部端子２０Ａ，２０Ｂは、集電タブ１２Ａ，１２Ｂに接合されることで、集電タブ１２Ａ，１２Ｂに電気的に接続される。詳細には、正極外部端子２０Ａは、正極集電タブ１２Ａの先端部近傍からさらに外方（図１における上方）へ延び、ラミネート外装体３０から外側へ露出する。本実施形態の正極外部端子２０Ａは、薄いアルミニウム板である。負極外部端子２０Ｂは、負極集電タブ１２Ｂの先端部近傍からさらに外方（図１における上方）へ延び、ラミネート外装体３０から外側へ露出する。本実施形態の負極外部端子２０Ｂは、薄い銅板である。外部端子２０Ａ，２０Ｂの詳細な構成については、図３を参照して後述する。

正極外部端子２０Ａと正極集電タブ１２Ａは、接合部１５Ａで互いに接合される。また、負極外部端子２０Ｂと負極集電タブ１２Ｂは、接合部１５Ｂで互いに接合される。一例として、本実施形態では、接合部１５Ａ，１５Ｂにおける外部端子２０Ａ，２０Ｂと集電タブ１２Ａ，１２Ｂの接合方法として、抵抗溶接が採用されている。しかし、抵抗溶接以外の接合方法（例えば、レーザ溶接または超音波接合等）によって、外部端子２０Ａ，２０Ｂと集電タブ１２Ａ，１２Ｂが接合されてもよい。

ラミネート外装体３０は、フィルム状に形成されており、幅広面同士を対向させた状態で溶着されることで袋状に形成される。その結果、内部の空間に発電要素（電極体１０および電解質）が封止される。一例として、本実施形態では、フィルム状に形成された２枚のラミネート外装体３０が貼り合わされることで、袋状に形成される。しかし、ラミネート外装体３０の構成を変更することも可能である。例えば、フィルム状に形成された１枚のラミネート外装体が２つ折りとされ、折り目以外の部分が溶着されることで、袋状に形成されてもよい。また、フィルム状に形成された３枚以上のラミネート外装体が貼り合わされることで、袋状に形成されてもよい。

図２に示すように、本実施形態のラミネート外装体３０は、積層構造を有する。詳細には、フィルム状であるラミネート外装体３０は、外側から順に、保護層３１、金属層３２、およびシーラント層３３を備える。保護層３１は、例えばナイロン等によって形成され、ラミネート外装体３０の耐久性および耐衝撃性を向上させる。金属層３２は、例えばアルミニウム等によって形成され、ラミネート外装体３０のガスバリア性および防湿性を向上させる。シーラント層３３は、熱溶着性を有する部材（例えばポリプロピレン（ＰＰ）等）によって形成され、隙間をシールする。なお、ラミネート外装体３０の構成を変更することも可能である。例えば、アルミニウム以外の材質（例えば鉄等）が金属層３２として用いられてもよい。また、ラミネート外装体３０の層の数は３つに限定されない。

図１および図２を参照して、ラミネート外装体３０による発電要素等の封止方法について説明する。まず、電極体１０から延びる集電タブ１２Ａ，１２Ｂに、外部端子２０Ａ，２０Ｂが接合される。次いで、外部端子２０Ａ，２０Ｂの各々に対し、後述する変形部２５Ａ，２５Ｂ（図１参照）を覆うように、ラミネート型電池１の厚み方向両側からタブフィルム４０Ａ，４０Ｂが挟み込まれる。タブフィルム４０Ａ，４０Ｂは、熱溶着性を有する材質（例えばポリプロピレン（ＰＰ）等）によって形成されている。

次いで、電極体１０、外部端子２０Ａ，２０Ｂ、およびタブフィルム４０Ａ，４０Ｂの全体を厚み方向両側から覆うように、ラミネート外装体３０が配置される。つまり、図２に示すように、外部端子２０Ａおよびタブフィルム４０Ａ，４０Ｂ等の厚み方向両側において、フィルム状のラミネート外装体３０の幅広面同士が、シーラント層３３が内側に位置するように対向して配置される。

次いで、対向配置されたラミネート外装体３０の間に袋状の密閉空間が形成されるように、ラミネート外装体３０の外周部におけるシーラント層３３が溶着される。その結果、電極体１０がラミネート外装体３０の内部に封止される。図１に示すように、本実施形態では、ラミネート外装体３０の外周部におけるシーラント層３３が溶着されることで、外部端子シール部３５と周縁シール部３６が形成される。外部端子シール部３５は、外部端子２０Ａ，２０Ｂの先端部を外方に露出させた状態で、外部端子２０Ａ，２０Ｂをシールする。ここで、外部端子シール部３５が溶着される際に、ラミネート外装体３０と外部端子２０Ａ，２０Ｂの間に配置されているタブフィルム４０Ａ，４０Ｂも共に溶着される。従って、外部端子２０Ａ，２０Ｂのシール性が向上する。

また、周縁シール部３６は、ラミネート外装体３０の外周部のうち、外部端子シール部３５以外の部分に形成される。前述したように、本実施形態では、フィルム状に形成された２枚のラミネート外装体３０が貼り合わされることで、袋状の密閉空間が形成される。従って、本実施形態の周縁シール部３６は、正面視略Ｕ字状となっている。ただし、周縁シール部３６の形状は変更可能である。

なお、以下の説明では、外部端子２０Ａ，２０Ｂの板面に平行な方向のうち、外部端子シール部３５を外部端子２０Ａ，２０Ｂが貫通する方向（図１～図４におけるＡ方向）を、貫通方向Ａとする。また、外部端子２０Ａ，２０Ｂの板面に平行な方向のうち、貫通方向Ａに交差（本実施形態では垂直に交差）する方向（図１、図３、および図４におけるＢ方向）を、外部端子２０Ａ，２０Ｂの幅方向Ｂとする。ラミネート型電池１の厚み方向は、貫通方向Ａと幅方向Ｂに共に交差する方向（図２および図３におけるＣ方向）となる。

図３を参照して、本実施形態における外部端子２０Ａ，２０Ｂの構成について詳細に説明する。なお、正極外部端子２０Ａの構成と負極外部端子２０Ｂの構成には、同様の構成を採用することが可能である。従って、以下では主に正極の外部端子２０Ａの構成について説明を行い、負極の外部端子２０Ｂの詳細な説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態の外部端子２０Ａは、幅広部２１Ａと幅狭部２２Ａを備える。幅方向Ｂにおける幅は、幅広部２１Ａの方が幅狭部２２Ａよりも大きい。幅狭部２２Ａは、幅広部２１Ａよりも貫通方向Ａにおける外側（図３における上側）に位置している。なお、本実施形態では、厚み方向Ｃにおける幅広部２１Ａの厚みと幅狭部２２Ａの厚みは同一である。しかし、幅広部２１Ａの厚みと幅狭部２２Ａの厚みは異なっていてもよい。

外部端子２０Ａは薄肉部２３Ａを備える。薄肉部２３Ａは、幅方向Ｂの外側に向けて徐々に板厚が薄くなる部位である。本実施形態の薄肉部２３Ａの形状は、厚み方向Ｃにおいて対称な形状となっている。しかし、外部端子２０Ａの厚み方向Ｃにおける一方の面を平坦面とし、他方の面を傾斜させることで、薄肉部２３Ａが形成されてもよい。薄肉部２３Ａは、外部端子２０Ａのうち、外部端子シール部３５（図１および図２参照）によって覆われる部位の少なくとも一部に形成される。一例として、本実施形態では、幅広部２１Ａおよび幅狭部２２Ａの全体に、薄肉部２３Ａが形成されている。しかし、薄肉部２３Ａを形成する位置を変更することも可能である。例えば、幅方向Ｂにおける両端部の一方にのみ薄肉部２３Ａが形成されてもよい。また、外部端子２０Ａのうち、貫通方向Ａにおける中央部にのみ薄肉部２３Ａが形成されてもよい。薄肉部２３Ａが形成されることで、外部端子２０Ａと、タブフィルム４０Ａおよび外部端子シール部３５の間に、空隙が生じにくくなる。よって、シール性が向上する。

外部端子２０Ａは、変形部２５Ａを備える。変形部２５Ａは、貫通方向Ａの外側（図３における上側）に向かって幅方向Ｂにおける幅が狭くなる部位である。前述したように、変形部２５Ａは、外部端子２０Ａのうち、外部端子シール部３５（図１および図２参照）によって覆われる部位に形成される。一例として、本実施形態の変形部２５Ａは、幅広部２１Ａと幅狭部２２Ａの間の直角の段差部である。

外部端子２０Ａに変形部２５Ａが設けられていない場合、外部端子２０Ａに幅方向Ｂの外力が加わると、例えば、図１における位置Ｐ１等に応力が集中し易い。位置Ｐ１は、外部端子２０Ａのシールのために溶着される部位（本実施形態では、タブフィルム４０Ａおよび外部端子シール部）と、外部端子２０Ａ（詳細には、本実施形態では薄肉部２３Ａ）の接合部分のうち、貫通方向Ａの外側の端部である。位置Ｐ１に応力が集中すると、位置Ｐ１が起点となって、ラミネート外装体３０の破断、またはシールの剥離等が生じる可能性がある。

これに対し、本実施形態のラミネート型電池１では、外部端子シール部３５によって覆われている変形部２５Ａ（例えば、図１における位置Ｐ２等）に応力が集中し易くなる。従って、破断および剥離等の起点となり易い位置Ｐ１に、応力が集中し難くなる。よって、外部端子２０Ａに外力が加わった場合でも、ラミネート外装体３０の破断、およびシールの剥離が生じることが、適切に抑制される。

上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。例えば、外部端子の変形部の構成を変更してもよい。図４は、変形例に係る外部端子２０１～２０６の正面図である。図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、外部端子２０１，２０２，２０３は、幅広部２１１，２１２，２１３よりも貫通方向Ａにおける内側（図４における下方）に、幅方向Ｂにおける幅が幅広部２１１，２１２，２１３よりも小さい幅狭部をさらに備えている。この場合、幅広部２１１，２１２，２１３の外側に変形部２５１，２５２，２５３が形成されるだけでなく、幅広部２１１，２１２，２１３の内側にも変形部が形成される。よって、応力がさらに集中し難くなる。また、図４（Ｃ）、（Ｅ）に示すように、外部端子２０３，２０５の変形部２５３，２５５のうち、貫通方向Ａにおける外側（図４における上方）を向く面は、貫通方向Ａに対して垂直とならず、傾斜している。この場合でも、応力は適切に分散される。また、図４（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）に示すように、外部端子２０２，２０４，２０６の変形部２５２，２５４，２５６のうち、貫通方向Ａにおける外側を向く面は、厚み方向から見て湾曲している。この場合でも、応力は適切に分散される。

１ ラミネート型電池
１０ 電極体
２０Ａ，２０Ｂ，２０１～２０６ 外部端子
２５Ａ，２５Ｂ，２５１～２５６ 変形部
３０ ラミネート外装体
３５ 外部端子シール部
４０Ａ，４０Ｂ タブフィルム

Claims (1)

1. 電極体に電気的に接続される板状の外部端子と、
   フィルム状に形成され、幅広面同士を対向させた状態で溶着されることで、溶着されたシール部から前記外部端子の先端部を外方に露出させた状態で、前記電極体を内部に封止するラミネート外装体と、
   熱溶着性を有する材質によって形成され、前記外部端子の少なくとも一部と前記ラミネート外装体の前記シール部の間に配置された状態で、前記シール部と共に溶着されるタブフィルムと、
   を備え、
   前記外部端子の板面に平行な方向のうち、前記シール部を前記外部端子が貫通する方向を貫通方向、前記貫通方向に交差する方向を幅方向とした場合に、
   前記外部端子は、前記シール部によって覆われる部位に前記貫通方向の外側に向かって前記幅方向における幅が狭くなる変形部と、該変形部よりも前記貫通方向の内側に位置する幅広部と、該変形部よりも前記貫通方向の外側に位置する幅狭部とから構成されており、
   前記幅方向における幅は、前記幅狭部の方が前記幅広部よりも小さいことを特徴とする、ラミネート型電池。
   

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