JP7479197B2 - 電池セル - Google Patents

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Description

本発明は、電池セル、特に外装体で密閉された電池セルに関する。
近年、自動車、パソコン、携帯電話等の大小さまざまな電気・電子機器の普及により、高容量、高出力の電池デバイスの需要が急速に拡大している。このような電池デバイスとしては、正極と負極との間に有機電解液を電解質として用いる液系電池セルや、有機電解液の電解質に代えて、難燃性の固体電解質を用いた固体電池セルなどが挙げられる。
このような電池デバイスにおいて、電池をラミネートフィルム（外装体）で包み込んで板形状に密閉したラミネートセルタイプの電池セルが知られている。ＥＶやＨＥＶ等の用途では、このようなラミネートセルタイプの電池セルを複数個並べてケース内に収納した電池セル集合体が使用されている。外装体で包み込むことにより、電池への大気の侵入を防ぐことができる（例えば、特許文献１）。なお、本明細書において、「電池」は、正負の電極と電解質からなる電池素子の積層体、及び、集電タブリードで構成される部材をいい、また、電池をラミネートフィルム（外装体）で包み込んで密閉したものを「電池セル」と呼ぶ。
また、ラミネートフィルム（外装体）の密閉性を維持しつつ、電池モジュールの体積エネルギー密度を効果的に向上させることを目的に、電池を収容するように１枚のフィルムが折り返された外装体を備える電池セルが開示されている（特許文献２）。特許文献２によれば、この電池セルは、外装体の密閉性を維持しつつ、電池モジュールの体積エネルギー密度を効果的に向上させることができる。
特開２０１２－１６９２０４号公報 ＷＯ２０１９／１８８８２５
電池をラミネートフィルムの外装体で覆った電池セルにおいては、ラミネートフィルムは、それのみで電池を外力から保護するのに十分な強度を有していない。したがって、電池セルの剛性は十分に高いとはいえず、電池セルに外力が生じた場合に電極が割れるなどの問題が生じる。そのため、電極の割れの防止のため補強材を配置する必要があったが、補強材を配置すると、電池セルの重量化やモジュール化した電池のエネルギー密度が低下するなどの問題が生じていた。
本発明は、電池セルにおける上記の問題に鑑み、電池をラミネートフィルムの外装体で覆った電池セルにおいて、補強部材を設けることなく、電池セルの剛性を高め、電極が割れることがないようにすることを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の電池セルにおいては、電池と、電池を収容する外装体と、を備える電池セルであって、前記外装体は複数の層が積層されたフィルムからなり、前記複数の層には、剛性強化層となる表層、空気遮断層及び接着層となる内層が含まれることを特徴とする。
前記電池セルの外装体を、剛性強化層となる表層、空気遮断層及び接着層となる内層が含まれる複数の層が積層されたフィルムから構成することによって、前記外装自体に強度を持たせることができ、前記複数の層が積層されたフィルムから構成された外装体で電池を覆い包装することによって電池を保護することができ、電極の割れを抑制できる。
また、本発明においては、この場合に、前記剛性強化層となる表層の厚さは、０．１～１ｍｍであり、好ましくは、０．２５～０．６ｍｍである。前記表層の厚さが０．１ｍｍ未満であれば、剛性強化層としての強度を保つことができず、また、１ｍｍを超える場合には、電池セルの軽量化に問題が生じるとともに、電池を覆って包装するために折り曲げる際に困難性が生じる。
また、本発明においては、この場合に、前記剛性強化層となる表層はセルロースで形成されていることを特徴とする。セルロースからなる紙などは、強度を保つのに適しており、また、軽くて折り曲げやすく、前記剛性強化層の材料として最適であるといえる。
また、本発明においては、この場合に、前記接着層となる内層はポリプロピレンで形成されていることを特徴とする。ポリプロピレンは１４０℃程度で溶解しはじめるため、内層として内側表面にコーティングしておき、接着時に１４０℃以上の温度で加熱し、熱溶着することができる。簡単な工程で必要か所の接着をすることができるもので、前記接着層となる内層の材料としてポリプロピレンは最適であるといえる。また、空気遮断層の素材としては、軽量で空気を遮断できる素材であればよく、アルミ箔やＳＵＳ（ステンレス鋼）箔が最適である。
また、本発明においては、この場合に、前記空気遮断層と前記内層との間にポリエチレンテレフタレートなどからなる緩衝層が介在されていてもよい。また、前記空気遮断層と前記表層との間に接着層が介在されていてもよい。さらに、前記空気遮断層の外側にポリプロピレン又はポリエチレンテレフタレートなどからなる防水層が設けられていてもよい。これらの層は、前記外装体のフィルムの弾力性、防水性や各層の接着性を高め、前記外装体としてのフィルムの各種機能を向上させるものである。
また、本発明においては、この場合に、前記外装体は、前記電池の前記集電タブリードが延設される端面に直交する天面、底面及び２つの側面と接して覆う部分、前記電池の前記集電タブリードが突出する端面を覆う部分であって、前記端面の両側の短い辺側から折り込んで両側に三角錐状の空間部を形成するとともに、前記端面の両側の長い辺側から折り合わせて前記端面を包み込む部分、及び、前記端面を包み込む部分からさらに軸方向に延設されて上下の対向する双方の面を接合して前記集電タブリードを挟持する部分からなることを特徴とする。
また、本発明においてはこの場合に、前記外装体のフィルムは、前記電池の前記集電タブリードが延設される端面に直交する天面、底面及び２つの側面と接して覆う部分、前記電池の前記集電タブリードが突出する端面を覆う部分であって、前記端面の両側の短い辺側から折り込んで両側に三角錐状の空間部を形成するとともに、前記端面の両側の長い辺側から折り合わせて前記端面を包み込む部分、及び、前記端面を包み込む部分からさらに軸方向に延設されて上下の対向する双方の面を接合して前記集電タブリードを挟持する部分からなることを特徴とする。
前記外装体のこのような形態は、特に、前記集電タブリード及び前記集電タブリードが突出する端面を含む電池に対応させた形態であり、前記集電タブリードが突出する端面を効率的に包み込んで密閉できるとともに、前記集電タブリードに対しても上下の両面から覆って挟持することができ、少ない工程数で効率よく前記集電タブリードが突出した電池を包装することができる。
また、本発明においてはこの場合に、前記電池は、固体電解質を用いた積層体からなる全固体電池セルであることを特徴とする。
全固体電池セルは、特に角部や端面で脆く、破損しやすい。そのため、本件発明の、剛性強化層となる表層、空気遮断層及び接着層となる内層が含まれる複数の層が積層され剛性が強化されたフィルムから構成される前記外装体は、全固体電池セルへ適用されるフィルムとして特に有効である。
本発明によれば、剛性強化層となる表層、空気遮断層及び接着層となる内層が含まれる複数の層が積層されたフィルムから構成することによって、前記外装自体に強度を持たせることができるようになったので、前記複数の層が積層されたフィルムから構成された外装体で電池を覆い包装することによって電池を保護することができ、電極の割れを抑制できるという作用効果を奏する。
本発明の電池セルの中の電池の斜視図である。 本発明の電池セルの外観を示す斜視図である。 本発明の電池セルの外装体の展開図である。 本発明の電池セルの外装体のフィルムの断面図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。
本発明の電池１は、実施例においては全固体電池であって、図１に示すように直方体の形状をしており、天面１１ａ、底面１１ｂ、側面１２ａ，１２ｂ及び端面１３ａ，１３ｂの６面を有している。端面１３ａ及び１３ｂそれぞれの中心を結ぶ中心軸１５を仮想したとき、端面１３ａ及び１３ｂのそれぞれから、中心軸１５の方向に、集電タブリード１４ａ及び１４ｂが延設されている。全固体電池は、特に角部、表面部（端面部）で脆く破損しやすいので、本発明の各実施形態の構成を適用することに、より適しているといえる。
図２には、図１の電池１を外装体３で覆って包装した電池セル２を示す。
電池セル２においても、前記電池１に対応して、天面２１ａ，底面２１ｂ，及び側面２２ａ，２２ｂが規定される。前記電池１の端面１３ａ，１３ｂに対応した箇所は、外装体３が折り合わされた形態の端面折り合わせ部２３ａ－１，２３ａ－２，２３ｂ－１，２３ｂ－２となっており、外面上、三角柱状を呈している。また、端面折り合わせ部２３ａ－１，２３ａ－２及び２３ｂ－１，２３ｂ－２には、それぞれ、側面２２ａ，２２ｂ側から折り込まれて形成される、三角錐状の空間部２５ａ－１，２５ａ－２及び２５ｂ－１，２５ｂ－２が、それぞれの側から２個ずつ合計４個形成される。そして、前記端面折り合わせ部２３ａ－１，２３ａ－２及び２３ｂ－１，２３ｂ－２から中心軸１５の方向には、前記集電タブリード１４ａ，１４ｂを上下から挟み込んで収容している集電タブリード収容部２４ａ－１，２４ａ－２及び２４ｂ－１，２４ｂ－２が延設されている。
図３に前記外装体３の展開図を示す。前記外装体３は、前記電池１の天面１１ａ及び底面１１ｂのそれぞれを覆う部分として、天面覆部３１ａ及び底面覆部３１ｂを有し、また、側面１２ａを覆う部分として側面覆部３２ａ，側面１２ｂを覆う部分として側面覆部３２ｂ－１，３２ｂ－２を有する。前記側面覆部３２ｂ－１及び３２ｂ－２は、前記外装体３が前記電池１を包み込んだ際に、相互に重なり合い接合される接合部である。したがって、前記電池１の側面２２ａは、前記外装体３の側面覆部３２ｂ－１及び３２ｂ－２によって、二重に覆われることになる。
前記電池１の端面１３ａ，１３ｂを覆う箇所としては、電池セル２において前記外装体３が折り合わされた形態の三角柱状を呈している端面折り合わせ部２３ａ－１，２３ａ－２，２３ｂ－１，２３ｂ－２を形成する、端面覆部３３ａ－１，３３ａ－２，３３ｂ－１，３３ｂ－２が、両側の端面のそれぞれの上下方向に対応して備わっている。前記端面覆部３３ａ－１，３３ａ－２，３３ｂ－１，３３ｂ－２を中心軸１５方向に延長した先に、前記両側の集電タブリードを上下から挟み込む集電タブリード挟持部３４ａ－１，３４ａ－２，３４ｂ－１，３４ｂ－２が設けられている。また、側面２２ａ，２２ｂ側から折り込まれて形成される、三角錐状の空間部２５ａ－１，２５ａ－２及び２５ｂ－１，２５ｂ－２を形成する部分である、三角錐状空間形成部３５ａ－１，３５ａ－２１，３５ａ－２２及び３５ｂ－１，３５ｂ－２１，３５ａ－２２が形成されている。三角錐状空間形成部３５ａ－２１と３５ａ－２２及び３５ｂ－２１と３５ｂ－２２は、それぞれにおいて重なり合って、三角錐状空間を形成することになる。
図３のIV－IVで切り下された、外装体３のフィルムの断面の一部を描いたものを図４に示す。すなわち、外装体３のフィルムは、図４に示されるように、上（外側）から順に、表層０、表層１、表層２、空気遮断層、内層２、内層１の６つの層からなる積層体で構成される。
表層０は、外装体３のフィルムの最外層を構成する層であり、防水層としてポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂材からなる。表層１は外装体３のフィルムの剛性を担保するための剛性強化層で、セルロースの紙で構成される。本件発明の電池セル２においては、外装体３は、電池１を覆って包装する形状を有しており、その形状形成は、外装体３のフィルムの折り曲げ作業による。したがって、外装体３の材料としては、折り曲げやすく、軽量で、強度も十分に大きいセルロースなどの紙が最適であるといえる。ただし、セルロースの紙は撥水作用が小さいため、剛性強化層としての表層１にセルロースの紙を用いる場合には、その表面上には防水のための層として、前記表層０の防水層を用いることが必要となる。
上記のように、本件発明の電池セル２においては、外装体３の、電池１を覆って包装する形状の形成は、折り曲げ作業による。したがって、外装体３の形成を深絞りなどの手法を用いて行う場合に比べて、その厚さを厚くすることができる。具体的には、前記剛性強化層となる表層１の厚さは、０．１～１ｍｍであり、好ましくは、０．２５～０．６ｍｍである。前記表層１の厚さが０．１ｍｍ未満であれば、剛性強化層としての強度を保つことができず、また、１ｍｍを超える場合には、電池セル２の軽量化に問題が生じるとともに、電池１を覆って包装するために折り曲げる際に困難性が生じる。
表層２は、前記表層１と空気遮断層との接着層の役割を果たす。空気遮断層の内側には緩衝層として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる内層２が設けられる。内層２の下（内側）に接着層としてポリプロピレン（ＰＰ）からなる内層１が設けられる。ポリプロピレン（ＰＰ）は１４０℃程度で溶解しはじめるため、内層１として内層２の内側表面にコーティングしておき、外装体３が電池１を覆うため包装体の形状を形成するときの接着時に１４０℃以上の温度で加熱し、熱溶着して前記包装の形状を形成することができる。簡単な工程で必要か所の接着をすることができるもので、前記接着層となる内層１の材料としてポリプロピレンは最適であるといえる。
前記外装体３の積層体からなるフィルムを構成する、表層０、表層１、表層２、空気遮断層、内層１、内層２の６つの層の内、本発明においては、表層１の剛性強化層、空気遮断層及び内層２の接着層を必須とする基本の構成層とし、その他の層は、必要に応じて追加してよい層とする。
以上、本発明を実施する態様について、実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施できるものであることは勿論である。
１ 電池
１１ａ 天面
１１ｂ 底面
１２ａ，１２ｂ 側面
１３ａ，１３ｂ 端面
１４ａ，１４ｂ 集電タブリード
１５ 中心軸
２ 電池セル
２１ａ 天面
２１ｂ 底面
２２ａ，２２ｂ 側面
２３ａ－１，２３ａ－２，２３ｂ－１，２３ｂ－２ 端面折り合わせ部
２４ａ－１，２４ａ－２，２４ｂ－１，２４ｂ－２ 集電タブリード収容部
２５ａ－１，２５ａ－２，２５ｂ－１，２５ｂ－２ 三角錐状の空間部
３ 外装体
３１ａ 天面覆部
３１ｂ 底面覆部
３２ａ，３２ｂ－１，３２ｂ－２ 側面覆部
３３ａ－１，３３ａ－２，３３ｂ－１，３３ｂ－２ 端面覆部
３４ａ－１，３４ａ－２，３４ｂ－１，３４ｂ－２ 集電タブリード挟持部
３５ａ－１，３５ａ－２１，３５ａ－２２，３５ｂ－１，３５ｂ－２１，３５ｂ－２２
三角錐状空間形成部

Claims (12)

  1. 電池と、電池を収容する外装体と、を備える電池セルであって、
    前記外装体は複数の層が積層されたフィルムからなり、前記複数の層には、剛性強化層となる表層、空気遮断層及び接着層となる内層が含まれ、
    前記表層はセルロースで形成されている電池セル。
  2. 前記表層の厚さは、０．１～１ｍｍである請求項１に記載された電池セル。
  3. 前記表層の厚さは、０．２５～０．６ｍｍである請求項１に記載された電池セル。
  4. 前記空気遮断層はアルミ箔で形成されている請求項１～３のいずれかに記載された電池セル。
  5. 前記内層はポリプロピレンで形成されている請求項１～４のいずれかに記載された電池セル。
  6. 前記空気遮断層と前記内層との間に緩衝層が介在されている請求項１～５のいずれかに記載された電池セル。
  7. 前記緩衝層はポリエチレンテレフタレートで形成されている請求項６に記載された電池セル。
  8. 前記空気遮断層と前記表層との間に接着層が介在されている請求項１～７のいずれかに記載された電池セル。
  9. 前記空気遮断層の外側に防水層が設けられている請求項１～８のいずれかに記載された電池セル。
  10. 前記防水層はポリプロピレン又はポリエチレンテレフタレートで形成されている請求項９に記載された電池セル。
  11. 前記外装体は、前記電池の集電タブリードが延設される端面に直交する天面、底面及び２つの側面と接して覆う部分、前記電池の前記集電タブリードが突出する端面を覆う部分であって、前記端面の両側の短い辺側から折り込んで両側に三角錐状の空間部を形成するとともに、前記端面の両側の長い辺側から折り合わせて前記端面を包み込む部分、及び、前記端面を包み込む部分からさらに軸方向に延設されて上下の対向する双方の面を接合して前記集電タブリードを挟持する部分からなる請求項１～１０のいずれかに記載された電池セル。
  12. 前記電池は、固体電解質を用いた積層体からなる全固体電池である請求項１～１１のいずれかに記載された電池セル。
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