JP7194331B2

JP7194331B2 - ラミネート型電池

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Publication number: JP7194331B2
Application number: JP2019022385A
Authority: JP
Inventors: 哲史藤村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP2020129514A

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、集電タブ（舌片部）と外部端子（正極タブおよび負極タブ）が超音波接合によって接合される。その後、集電タブと外部端子を含む電極体が、ラミネート外装体の内部に封止される。

特開２０１８－１７６２１５号公報

集電タブと外部端子を、抵抗溶接、レーザ溶接、または超音波接合等によって接合させる際に、異物（例えば金属の微粉等）が生じる場合がある。特許文献１に記載の電池では、接合時に生じた異物が電極体等の発電要素に混入し、混入した異物によって短絡等の不具合が生じることも考えられる。

本発明の典型的な目的は、集電タブと外部端子を接合する際に生じ得る異物の影響を適切に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、電極体を含む発電要素と、上記電極体から外方に延びる集電タブと、上記集電タブに接合されることで上記集電タブに電気的に接続される外部端子と、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、少なくとも上記発電要素を内部に封止するラミネート外装体と、を備え、上記ラミネート外装体は、上記集電タブのうち先端部よりも上記電極体側を、第１シール部によって挟み込んだ状態で溶着されることで、上記発電要素を内部に封止する第１外装部と、上記外部端子の先端部を外方に突出させつつ、少なくとも上記外部端子の一部を第２シール部によって挟み込んだ状態で溶着されることで、上記第１外装部の上記第１シール部から外方に突出している上記集電タブと上記外部端子の接合部を内部に封止する第２外装部と、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、集電タブと外部端子を接合している接合部と、第１外装部によって封止されている発電要素との間が、第１シール部によって遮蔽される。従って、接合部から異物が生じてしまった場合でも、生じた異物が発電要素に混入し難い。よって、接合部から生じ得る異物の影響が適切に抑制される。

紙面手前側のラミネート外装体３０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。紙面手前側のラミネート外装体３００を省略した状態の、ラミネート型電池２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、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から外側へ突出する。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から外側へ突出する。本実施形態の負極外部端子２０Ｂは、薄い銅板である。

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。また、本実施形態では、後述する第１外装部３１と第２外装部３６は、ラミネート型電池１の製造前に分離されていてもよい。

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、金属層、およびシーラント層を備える。保護層は、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。本実施形態のラミネート外装体３０は、第１外装部３１と第２外装部３６を備える。第１外装部３１は、発電要素（電極体１０および電解質）を内部に封止する。第２外装部３６は、集電タブ１２Ａ，１２Ｂと外部端子２０Ａ，２０Ｂの接合部１５Ａ，１５Ｂを内部に封止する。以下、詳細に説明する。

第１外装部３１は、第１シール部３２と第１外周シール部３３を備える。第１シール部３２は、集電タブ１２Ａ，１２Ｂのうち先端部よりも電極体１０側（詳細には、接合部１５Ａ，１５Ｂよりも電極体１０側）を、ラミネート型電池１の厚み方向両側から挟み込んだ状態で溶着される。本実施形態の第１シール部３２は、２つの集電タブ１２Ａ，１２Ｂを横切る直線状に形成されている。しかし、第１シール部３２の形状は直線状に限定されない。また、正極集電タブ１２Ａを挟み込む第１シール部と、負極集電タブ１２Ｂを挟み込む第１シール部が別々に設けられていてもよい。

第１外周シール部３３は、発電要素の外周のうち、第１シール部３２以外の部分で溶着される。第１シール部３２と第１外周シール部３３によって囲まれる密閉空間内に、発電要素が封止される。２つの集電タブ１２Ａ，１２Ｂの先端部は、第１シール部３２から外方（図１では上方）に突出した状態となる。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、袋状に形成される。従って、本実施形態の第１外周シール部３３は、正面視略Ｕ字状となっている。ただし、第１外周シール部３３の形状も変更可能である。

なお、第１シール部３２では、集電タブ１２Ａ，１２Ｂとラミネート外装体３０のシーラント層の間に、熱溶着性を有する材質（例えばポリプロピレン（ＰＰ）等）によって形成されたタブフィルム（例えば先付け樹脂）が設けられていてもよい。この場合、集電タブ１２Ａ，１２Ｂとラミネート外装体３０の間のシール性がさらに向上する。

第２外装部３６は、第２シール部３７と第２外周シール部３８を備える。第２シール部３７は、外部端子２０Ａ，２０Ｂを外方（図１および図２では上方）に突出させつつ、外部端子２０Ａ，２０Ｂの一部（詳細には、外部端子２０Ａ，２０Ｂにおける先端部と接合部１５Ａ，１５Ｂの間）をラミネート型電池１の厚み方向両側から挟み込んだ状態で溶着される。本実施形態の第２シール部３７は、２つの外部端子２０Ａ，２０Ｂを横切る直線状に形成されている。しかし、第２シール部３７の形状は直線状に限定されない。また、正極外部端子２０Ａを挟み込む第２シール部と、負極外部端子２０Ｂを挟み込む第２シール部が別々に設けられていてもよい。また、本実施形態の第２シール部３７では、外部端子２０Ａ，２０Ｂとラミネート外装体３０のシーラント層の間に、熱溶着性を有する材質によって形成されたタブフィルム４０Ａ，４０Ｂが、外部端子２０Ａ，２０Ｂを厚み方向両側から挟み込むように配置されている。その結果、外部端子２０Ａ，２０Ｂとラミネート外装体３０の間のシール性がさらに向上している。しかし、タブフィルム４０Ａ，４０Ｂを省略することも可能である。

第２外周シール部３８は、接合部１５Ａ，１５Ｂの外周のうち、第１シール部３２および第２シール部３７以外の部分で溶着される。その結果、第１外装部３１から外方（図１および図２では上方）に突出している接合部１５Ａ，１５Ｂが、第２外装部３６の内部に封止される。なお、本実施形態では、接合部１５Ａ，１５Ｂは、第２外装部３６の内部に形成される密閉空間内に封止される。

なお、本実施形態では、ラミネート型電池１の製造前において、第１外装部３１と第２外装部３６は分離されていない。つまり、本実施形態では、２枚のシート状のラミネート外装部３０によって第１外装部３１と第２外装部３６が共に形成される。しかし、第１外装部３１と第２外装部３６は、ラミネート型電池１の製造前に分離されていてもよい。

本実施形態のラミネート型電池１の製造方法について説明する。ラミネート型電池１の製造方法は、第１外装部溶着工程、外部端子接合工程、および第２外装部溶着工程を含む。第１外装部溶着工程では、外部端子２０Ａ，２０Ｂが集電タブ１２Ａ，１２Ｂに接合される前の状態で、電極体１０が第１外装部３１の内部に封止される。次いで、外部端子接合工程では、第１外装部３１から外方に突出している集電タブ１２Ａ，１２Ｂに、外部端子２０Ａ，２０Ｂが接合される。次いで、第２外装部溶着工程では、集電タブ１２Ａ，１２Ｂと外部端子２０Ａ，２０Ｂの接合部１５Ａ，１５Ｂが、第２外装部３７の内部に封止される。

本実施形態のラミネート型電池１では、集電タブ１２Ａ，１２Ｂと外部端子２０Ａ，２０Ｂを接合している接合部１５Ａ，１５Ｂと、第１外装部３１の内部に封止されている発電要素との間が、第１シール部３２によって遮蔽される。従って、接合部１５Ａ，１５Ｂから異物が生じてしまった場合でも、生じた異物が発電要素に混入し難い。よって、接合部１５Ａ，１５Ｂから生じ得る異物の影響が適切に抑制される。

また、一般的に、集電タブ１２Ａ，１２Ｂは薄く形成される場合が多いので、通電時に高温になり易い。しかし、本実施形態のラミネート型電池１では、通電タブ１２Ａ，１２Ｂは、第１シール部３２においてラミネート外装体３０と接触している。従って、通電タブ１２Ａ，１２Ｂから発生した熱が、ラミネート外装体３０に放熱され易い。よって、通電タブ１２Ａ，１２Ｂの温度上昇も抑制される。

また、発電要素を封入している密閉空間の内圧は、変動する場合がある。従来のラミネート型電池では、密閉空間の内圧が変動すると、ラミネート外装体の形状が変形し、薄く形成された集電タブに損傷等の不具合が生じることも考えられた。しかし、本実施形態のラミネート型電池１では、集電タブ１２Ａ，１２Ｂの一部が第１シール部３２によってシールされている。従って、第１外装部３１内の内圧が変動し、第１外装部３１の形状が変形しても、集電タブ１２Ａ，１２Ｂの損傷等が生じにくい。

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。図３を参照して、上記実施形態の変形例の１つであるラミネート型電池２について説明する。図３に例示するラミネート型電池２の構成のうち、第２外装部３６０の第２シール部３７０以外の構成については、上記実施形態のラミネート型電池１の構成と同様の構成を採用できる。従って、以下の説明では、上記実施形態のラミネート型電池１と同様の構成を採用できる部分については、ラミネート型電池１の構成と同一の符号を付し、その説明を省略する。図３に例示するラミネート外装体３００は、上記実施形態と同様に、第１外装部３１および第２外装部３６０を備える。第２外装部３６０の第２シール部３７０は、外部端子２０Ａ，２０Ｂを外方に突出させつつ、外部端子２０Ａ，２０Ｂを厚み方向両側から挟み込んだ状態で溶着される。ここで、図３に例示する第２外装部３６０は、上記実施形態の第２外装部３６とは異なり、接合部１５Ａ，１５Ｂとの間に隙間が生じない状態で溶着される。つまり、第２シール部３７０は、接合部１５Ａ，１５Ｂの周囲に空間が生じないように隙間なく溶着される。この場合、第２シール部３７０を透過する水分量が減少すると共に、接合部１５Ａ，１５Ｂの周囲の強度が増す。なお、図３に示す例では、便宜的に、第２シール部３７０と第２外周シール部３８を分けて図示している。しかし、図３に例示するラミネート型電池２では、第２シール部３７０と第２外周シール部３８は一体となっていてもよい。

また、上記実施形態では、正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂは、共に同一の方向（図１における上方）に向けて延びている。正極集電タブ１２Ａと負極集電タブ１２Ｂは、共に１つの第１シール部３２によってシールされている。しかし、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、図１における左方と右方へ）延びていてもよい。この場合、正極集電タブ１２Ａをシールする第１シール部と、負極集電タブ１２Ｂをシールする第１シール部は、別々に設けられていてもよい。なお、この場合でも、図３に例示したラミネート型電池２と同様に、接合部１５Ａ，１５Ｂの周囲に空間が生じないように第２シール部が溶着されてもよい。

１，２ラミネート型電池
１０電極体
１２Ａ正極集電タブ
１２Ｂ負極集電タブ
１５Ａ，１５Ｂ接合部
２０Ａ正極外部端子
２０Ｂ負極外部端子
３０，３００ラミネート外装体
３１第１外装部
３２第１シール部
３６，３６０第２外装部
３７，３７０第２シール部

Claims

電極体を含む発電要素と、
前記電極体から外方に延びる集電タブと、
前記集電タブに接合されることで前記集電タブに電気的に接続される外部端子と、
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、少なくとも前記発電要素を内部に封止するラミネート外装体と、
を備え、
前記ラミネート外装体は、
前記外部端子が接合されていない状態の前記集電タブのうち先端部よりも前記電極体側を、第１シール部によって挟み込んだ状態で溶着されることで、前記発電要素を内部に封止する第１外装部と、
前記集電タブに接合された状態の前記外部端子の先端部を外方に突出させつつ、少なくとも前記外部端子の一部を第２シール部によって挟み込んだ状態で溶着されることで、前記第１外装部の前記第１シール部から外方に突出している前記集電タブと前記外部端子の接合部を内部に封止する第２外装部と、
を備えたことを特徴とする、ラミネート型電池。