JP7282663B2 - タブリード及びリチウムイオン電池 - Google Patents

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Description

本発明は、リード端子にフィルム部が密着されたタブリード及びこれを備えたリチウムイオン電池についての技術分野に関する。
車載電池や蓄電池等として使用されるリチウムイオン電池には、袋状にされたラミネート材の内部に電極と電解液又は固体電解質が封入されたラミネート型の電池がある。ラミネート型の電池には、一端部が電極に接続され他端部がラミネート材の外部に露出されたタブリードによって電力の取り出しが行われる。
こうしたタブリードには、電力を取り出すための端子部材として機能する金属製のリード端子と、リード端子とラミネート材の間に両者の隙間を封止すると共に両者を絶縁するためのフィルム部とが設けられている。フィルム部が熱圧着されることで、リード端子とラミネート材との隙間が封止される。
タブリードにあっては、フィルム部の内部に熱圧着時の温度において非溶融性を呈する粒子（非溶融性樹脂）が分散されて含まれているもの（例えば、特許文献１参照）や、フィルム部の内部に樹脂フィルムの厚さよりも粒径の小さい粒子が分散されて含まれているもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。特許文献１及び特許文献２に示されたタブリードにおいては、フィルム部の内部に分散された粒子によって、フィルム部の熱圧着時におけるラミネート材とリード端子の接触が防止され、両者の絶縁性が確保されている。
特開２００９－０５７４００号公報 特開２０１６－２０７５５４号公報
ところが、リチウムイオン電池にあっては、上記したようにフィルム部によってラミネート材とリード端子の絶縁性は確保されるが、空気中の水分がフィルム部を透過してラミネート材の内部に侵入し電解液と反応することでフッ酸（フッ化水素酸）が発生し、出力の低下等の劣化を招く虞があった。
そこで、本発明は、ラミネート材の内部への水分の侵入を抑制し、水分の侵入による劣化を軽減しリチウムイオン電池の長寿命化を図ることを目的とする。
第１に、本発明に係るタブリードは、ラミネート材の内部に少なくとも電解液又は固体電解質が封入されたラミネート型のリチウムイオン電池に用いられるタブリードであって、金属材料によって形成されたリード端子と、内部に少なくとも乾燥剤が分散され前記リード端子に両側から密着され前記リード端子と前記ラミネート材との隙間を封止する一対のフィルム部とを備え、前記フィルム部が三層から五層の何れかに積層された樹脂フィルムから成り、前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムには前記乾燥剤が分散されず、前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムとを除く少なくとも一つの前記樹脂フィルムに前記乾燥剤が分散され、前記乾燥剤として酸化カルシウム、酸化ストロンチウム又は酸化バリウムが用いられたものである。
これにより、フィルム部の内部に分散された乾燥剤によって、フィルム部内に侵入する空気中の水分が吸着される。また、特に捕水上限の高い乾燥剤によって水分が化学吸着される。
第２に、上記した本発明に係るタブリードにおいては、前記樹脂フィルムのうち少なくとも一つの前記樹脂フィルムに分散された前記乾燥剤の量が他の前記樹脂フィルムに分散された前記乾燥剤の量と異なることが望ましい。
これにより、フィルム部が分散された乾燥剤の量が異なる複数の樹脂フィルムによって構成される。
第３に、上記した本発明に係るタブリードにおいては、前記フィルム部がポリオレフィン系の樹脂によって形成されることが望ましい。
これにより、フィルム部が水分を透過しにくい材料によって形成される。
第４に、上記した本発明に係るタブリードにおいては、前記フィルム部の厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にされることが望ましい。
これにより、熱圧着された状態のフィルム部において、リード端子とラミネート材とが接触されにくい厚さが保持される。
第５に、上記した本発明に係るタブリードにおいては、前記乾燥剤の粒径が３０μｍ以下にされることが望ましい。
これにより、リード端子とラミネート材が接触しない十分な厚さが確保された状態でリード端子とラミネート材の隙間が封止される。
第６に、上記した本発明に係るタブリードにおいては、前記乾燥剤の重量が前記フィルム部の重量に対して３０％以下にされることが望ましい。
これにより、フィルム部に含まれる乾燥剤の量が重量比で３０％以下にされる。
第７に、本発明に係るリチウムイオン電池は、ラミネート材の内部に少なくとも電解液又は固体電解質が封入されタブリードが設けられたラミネート型のリチウムイオン電池であって、前記タブリードが、金属材料によって形成されたリード端子と、内部に少なくとも乾燥剤が分散され前記リード端子に両側から密着され前記リード端子と前記ラミネート材との隙間を封止する一対のフィルム部とを備え、前記フィルム部が三層から五層の何れかに積層された樹脂フィルムから成り、前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムには前記乾燥剤が分散されず、前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムとを除く少なくとも一つの前記樹脂フィルムに前記乾燥剤が分散され、前記乾燥剤として酸化カルシウム、酸化ストロンチウム又は酸化バリウムが用いられたものである。


これにより、フィルム部の内部に分散された乾燥剤によって、フィルム部内に侵入する空気中の水分が吸着される。
本発明によれば、フィルム部の内部に分散された乾燥剤によって、フィルム部を透過する空気中の水分が吸着されることでラミネート材の内部への水分の侵入が抑制されるため、水分の侵入によるリチウムイオン電池の劣化が軽減され電池の長寿命化を図ることができる。
図２乃至図６と共に本発明の実施の形態を示すものであり、本図は、リチウムイオン電池の正面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。 タブリードの斜視図である。 フィルム部の全体が３層にされた例を示す断面図である。 フィルム部の別の例を示す断面図である。 フィルム部のまた別の例を示す断面図である。
以下に、本発明のタブリード及びリチウムイオン電池を実施するための形態について、添付図面を参照して説明する（図１乃至図６参照）。
＜リチウムイオン電池の概略構成＞
まず、タブリードが用いられるラミネート型のリチウムイオン電池の概略構成について説明する（図１及び図２参照）。
以下の説明にあっては、リチウムイオン電池においてタブリードが突出される方向を上方とし、前後上下左右の方向を示すものとする。ただし、以下に示す前後上下左右の方向は説明の便宜上のものであり、本発明の実施に関しては、これらの方向に限定されることはない。
リチウムイオン電池１００は、袋状にされたラミネート材１０１と、ラミネート材１０１の内部に封入された各部と、一部がラミネート材１０１の内部に位置された後述するタブリードとを有している（図１参照）。
ラミネート材１０１は、上端部が封止部１０２として形成された筒状にされている。ラミネート材１０１は三層構造にされ、それぞれ樹脂材料によって形成された外面層１０１ａと内面層１０１ｂが金属層１０１ｃの両側に積層されている（図２参照）。外面層１０１ａとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレートが用いられ、内面層１０１ｂとしては、例えば、ポリエチレンが用いられ、金属層１０１ｃとしては、例えば、アルミニウムが用いられている。
ラミネート材１０１の内部には、電解液１０３と正極１０４と負極１０５とセパレータ１０６が封入されている。正極１０４と負極１０５は電解液１０３に浸されており、セパレータ１０６によって正極１０４が配置された空間と負極１０５が配置された空間とが仕切られている。正極１０４としては、例えば、アルミニウムが用いられ、負極１０５としては、例えば、銅が用いられている。なお、電解液１０３に代えて固体電解質が用いられてもよい。
＜タブリードの構成＞
次に、タブリードの構成について説明する（図２乃至図６参照）。
タブリード１は、金属材料によって形成されたリード端子２と、リード端子２に両側から密着された一対のフィルム部３、３とから成る（図２参照）。タブリード１は、一部が封止部１０２に密着された状態にされ、上端側の部分がラミネート材１０１から突出されている。
リード端子２は、厚さが５０μｍから１０００μｍにされた薄板状に形成されている。リード端子２の下端部は電極接続部２ａとして形成され、正極１０４又は負極１０５に接続されている。リード端子２の上端部はラミネート材１０１から外部に露出された外部端子部２ｂとして形成され、外部端子部２ｂに外部機器の図示しない接続端子が接続されることでリチウムイオン電池１００から電力が取り出される。
リード端子２としては、例えば、アルミニウム又は銅が用いられ、表面にニッケルめっきが施される場合もある。なお、リード端子２におけるラミネート材１０１の内部に位置される部分に、リード端子２の腐食を抑制する耐食被膜が施されていてもよい。
フィルム部３は、水分を透過しにくいポリオレフィン系の樹脂、例えば、ポリプロピレンによって形成された単層の樹脂フィルムから成る。フィルム部３には、例えば、厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にされた樹脂フィルムが用いられている。
フィルム部３は、左右両側の端部がリード端子２からはみ出した状態でリード端子２の厚さ方向における両面に密着されている（図３参照）。フィルム部３におけるリード端子２に密着された部分は密着部４として形成されている。フィルム部３の左右方向における両端部は、フィルム部３、３がリード端子２の両面に密着された状態で対向する端部同士が貼り合わされる合わせ部５、５として形成されている。
フィルム部３の内部には、粒子状の乾燥剤６が分散されている。ただし、フィルム部３には乾燥剤６の他に架橋剤や酸化防止剤等の添加剤が含まれていてもよい。
乾燥剤６としては、水分を化学吸着する捕水性の高い材料が使用され、例えば、酸化カルシウムが用いられている。酸化カルシウムは、例えば、粒径が３０μｍ以下にされ、酸化カルシウムの重量は、例えば、フィルム部３の重量に対して３０％以下にされている。なお、水分を化学吸着する捕水性を有する材料として、酸化カルシウムに代えて、酸化ストロンチウムや酸化バリウムや酸化マグネシウムが用いられてもよい。また、酸化カルシウムに代表されるアルカリ土類金属の酸化物やアルカリ金属の酸化物又はこれらの混合物若しくは複合酸化物が用いられてもよい。
上記のように構成されたタブリード１にあっては、封止部１０２においてフィルム部３、３の厚み方向における外面３ａ、３ａがそれぞれラミネート材１０１の内面層１０１ｂ、１０１ｂに接した状態で封止部１０２が熱圧着される。加熱によりフィルム部３、３が溶融された状態で封止部１０２が加圧されることによって、リード端子２と内面層１０１ｂとの隙間が封止されラミネート材１０１が密封される。
このとき、加圧前のフィルム部３が好適な厚さに形成されていることで、加圧後においてもリード端子２とラミネート材１０１とが接触されにくい厚さを保持することが可能となる。上記のタブリード１においては、フィルム部３として厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下の樹脂フィルムが用いられることで、加圧後においてもリード端子２とラミネート材１０１とが接触されにくく、リード端子２と金属層１０１ｃの接触による短絡が防止されるため、リード端子２とラミネート材１０１の絶縁性を保った状態で良好な封止状態を確保することができる。
また、乾燥剤６は加圧時につぶされにくく粒径が変化しにくいため、封止部１０２が加圧されることによって樹脂フィルムが厚さ方向に圧縮された場合においても、フィルム部３は乾燥剤６の略粒径分以上の厚さが保持される。
上記のように構成されたタブリード１においては、フィルム部３に乾燥剤６が分散されている。これにより、フィルム部３の内部に侵入する空気中の水分が乾燥剤６によって吸着され、ラミネート材１０１の内部への水分の侵入が抑制されるため、水分の侵入によるリチウムイオン電池１００の劣化が軽減されリチウムイオン電池１００の長寿命化を図ることができる。また、乾燥剤６がつぶされにくいことで、フィルム部３において加圧時にリード端子２とラミネート材１０１との接触が防止される厚さが保持されるため、リード端子２とラミネート材１０１の良好な絶縁状態を確保することができる。
また、乾燥剤６として水分を化学吸着するアルカリ土類金属の酸化物が用いられている。アルカリ土類金属の酸化物は、物理吸着によって捕水する材料と比べて捕水上限が高い。したがって、フィルム部３に含まれる乾燥剤６の量を少なくすることが可能となるため、十分な捕水性を確保した上で製造コストの削減を図ることができる。なお、アルカリ土類金属の酸化物に代えて、アルカリ金属の酸化物又はアルカリ金属の酸化物やアルカリ土類金属の酸化物の混合物若しくは複合酸化物を用いることでも同様の効果を得ることができる。
さらに、乾燥剤６として酸化カルシウムが用いられている。酸化カルシウムは特に補水上限が高いと共に入手や取り扱いの容易性が高いため、より十分な捕水性を確保した上で製造コストの削減を図ることができる。なお、酸化カルシウムに代えて、酸化ストロンチウムや酸化バリウムや酸化マグネシウムを用いることでも同様の効果を得ることができる。
また、乾燥剤６として用いられる酸化カルシウムは、粒径が３０μｍ以下にされている。これにより、封止部１０２が熱圧着されたときに、フィルム部３が少なくとも粒径分の厚さを保った状態でリード端子２とラミネート材１０１の隙間が封止される。したがって、リード端子２とラミネート材１０１の良好な絶縁状態を確保することができる。ただし、粒径の小さい酸化カルシウムを用いた場合、フィルム部３の厚さを薄くすることができる。
さらにまた、乾燥剤６として用いられる酸化カルシウムは、重量がフィルム部３の重量に対して３０％以下にされている。これにより、フィルム部３において乾燥剤６の分散不良や凝集が発生し難くされるため、フィルム部３におけるリード端子２とラミネート材１０１との良好な密着状態を確保することができる。
なお、乾燥剤６としては、水分を物理吸着する捕水性を有する材料、例えば、ゼオライトやステアライトやシリカ等が用いられていてもよい。ゼオライトやステアライトやシリカは、加熱することで吸着した水分を大気開放することが可能なため、製造工程において乾燥剤６が水分を吸着することによって生じる捕水力の低下に配慮する必要がなく、フィルム部３の良好な製造状態を確保することができる。ただし、乾燥剤６として、水分を化学吸着する材料と物理吸着する材料の両方が共に用いられてもよい。
さらにまた、フィルム部３はポリオレフィン系の樹脂によって形成されている。したがって、ラミネート材１０１の内部への水分の侵入を抑制する効果を高めることができる。
上記には、フィルム部３が単層の樹脂フィルムによって構成された例を示したが、フィルム部３に代えて、積層された三層の樹脂フィルムから成るフィルム部３Ａが用いられてもよい（図４参照）。
フィルム部３Ａは、全体が三層に積層された樹脂フィルムによって形成され、リード端子２側から順に第１の樹脂フィルム７と第２の樹脂フィルム８と第３の樹脂フィルム９として形成されている。フィルム部３Ａは、第１の樹脂フィルム７の内面７ａがリード端子２に密着され、第３の樹脂フィルム９の外面９ａが内面層１０１ｂに密着される。
第１の樹脂フィルム７と第３の樹脂フィルム９は厚さが同じにされ、第２の樹脂フィルム８は第１の樹脂フィルム７と第３の樹脂フィルム９よりも厚く、例えば、第１の樹脂フィルム７と第３の樹脂フィルム９の厚さが２５μｍにされ、第２の樹脂フィルム８の厚さが５０μｍにされている。
第２の樹脂フィルム８は、内部に乾燥剤６が分散されている。また、第２の樹脂フィルム８には添加剤が加えられ、第２の樹脂フィルム８は第１の樹脂フィルム７と第３の樹脂フィルム９よりも熱圧着に対する熱変形量が少なくされている。
これにより、熱圧着時に第１の樹脂フィルム７と第３の樹脂フィルム９が溶融される温度において第２の樹脂フィルム８が溶融されにくくされる。したがって、乾燥剤６が分散されている第２の樹脂フィルム８が一定の厚さを保ち易くなり、乾燥剤６の安定した分散状態を確保した上でリード端子２とラミネート材１０１の隙間を封止することができる。
また、フィルム部３Ａにおいては、第２の樹脂フィルム８が第１の樹脂フィルム７及び第３の樹脂フィルム９に覆われ、フィルム部３Ａの一部のみが３層にされていてもよい（図５参照）。このとき、フィルム部３Ａの外周部は第１の樹脂フィルム７と第３の樹脂フィルム９とが貼り合わされた状態にされている。
したがって、第２の樹脂フィルム８が電解液１０３と接触されないため、乾燥剤６が電解液１０３と反応することがなく、乾燥剤６の反応よる捕水性能の低下を防止することができる。
さらに、タブリード１においては、フィルム部３に代えて、それぞれ乾燥剤６が分散された二層の樹脂フィルムが積層されたフィルム部３Ｂが用いられてもよい（図６参照）。
フィルム部３Ｂは、リード端子２に密着される高濃度層１０とラミネート材１０１に密着される低濃度層１１とから成り、高濃度層１０は低濃度層１１よりも内部に含まれる乾燥剤６の濃度が高くされている。
樹脂と金属の密着面は樹脂同士の密着面と比べて水分が侵入しやすくされているが、リード端子２とフィルム部３Ｂとの密着面側に高濃度層１０が位置されることで、ラミネート材１０１の内部への水分の侵入を効率的に抑制することができる。
ただし、リード端子２側に低濃度層１１が設けられ、ラミネート材１０１側に高濃度層１０が設けられていてもよい。乾燥剤６の分散量の少ない低濃度層１１がリード端子２と密着されることで、金属材料によって形成されたリード端子２とフィルム３Ｂとの高い密着性を確保することができる。
なお、フィルム部３Ｂは、乾燥剤６の含有率がそれぞれ異なる３層以上の樹脂フィルムが積層された状態で構成されていてもよい。
また、上記には、フィルム部３が三層又は二層に積層された樹脂フィルムによって形成された例を示したが、フィルム部３が二層から五層の何れかに積層された樹脂フィルムから成り、樹脂フィルムのうち少なくとも一つの樹脂フィルムに分散された乾燥剤６の量が他の樹脂フィルムに分散された乾燥剤６の量と異なる構成にされていてもよい。これにより、フィルム部３が分散された乾燥剤６の量が異なる複数の樹脂フィルムによって構成されるため、フィルム部３の設計の自由度の向上を図ることができる。
なお、上記したリチウムイオン電池１００においては、正極１０４又は負極１０５に接続されたタブリード１、１が共にラミネート材１０１から上方へ突出された例を示したが、正極１０４又は負極１０５に接続されたタブリード１、１のうち一方がラミネート材１０１から上方へ突出され、他方がラミネート材１０１から下方へ突出されていてもよい。
１００ リチウムイオン電池
１０１ ラミネート材
１ タブリード
２ リード端子
３ フィルム部
６ 乾燥剤
７ 第１の樹脂フィルム
８ 第２の樹脂フィルム
９ 第３の樹脂フィルム
１０ 高濃度層
１１ 低濃度層

Claims (7)

  1. ラミネート材の内部に少なくとも電解液又は固体電解質が封入されたラミネート型のリチウムイオン電池に用いられるタブリードであって、
    金属材料によって形成されたリード端子と、
    内部に少なくとも乾燥剤が分散され前記リード端子に両側から密着され前記リード端子と前記ラミネート材との隙間を封止する一対のフィルム部とを備え、
    前記フィルム部が三層から五層の何れかに積層された樹脂フィルムから成り、
    前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムには前記乾燥剤が分散されず、
    前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムとを除く少なくとも一つの前記樹脂フィルムに前記乾燥剤が分散され、
    前記乾燥剤として酸化カルシウム、酸化ストロンチウム又は酸化バリウムが用いられた
    タブリード。
  2. 前記樹脂フィルムのうち少なくとも一つの前記樹脂フィルムに分散された前記乾燥剤の量が他の前記樹脂フィルムに分散された前記乾燥剤の量と異なる
    請求項１に記載のタブリード。
  3. 前記フィルム部がポリオレフィン系の樹脂によって形成された
    請求項１又は請求項２に記載のタブリード。
  4. 前記フィルム部の厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下にされた
    請求項１、請求項２又は請求項３に記載のタブリード。
  5. 前記乾燥剤の粒径が３０μｍ以下にされた
    請求項１から請求項４のいずれかに記載のタブリード。
  6. 前記乾燥剤の重量が前記フィルム部の重量に対して３０％以下にされた
    請求項１から請求項５のいずれかに記載のタブリード。
  7. ラミネート材の内部に少なくとも電解液又は固体電解質が封入されタブリードが設けられたラミネート型のリチウムイオン電池であって、
    前記タブリードが、
    金属材料によって形成されたリード端子と、
    内部に少なくとも乾燥剤が分散され前記リード端子に両側から密着され前記リード端子と前記ラミネート材との隙間を封止する一対のフィルム部とを備え、
    前記フィルム部が三層から五層の何れかに積層された樹脂フィルムから成り、
    前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムには前記乾燥剤が分散されず、
    前記ラミネート材に密着される前記樹脂フィルムと前記リード端子に密着される前記樹脂フィルムとを除く少なくとも一つの前記樹脂フィルムに前記乾燥剤が分散され、
    前記乾燥剤として酸化カルシウム、酸化ストロンチウム又は酸化バリウムが用いられた
    リチウムイオン電池。
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