JPWO2015151580A1 - 二次電池 - Google Patents

Abstract

二次電池１が、正極と負極とがセパレータを介して積層され平面形状が四角形の電池素子５と、可撓性フィルム７からなり電池素子５を収容する外装容器を含む。外装容器は、電池素子５を内部に収容する凹状のエンボス部８を有する。電池素子５の外周部のうちの四隅部分４ａは、折り畳まれてエンボス部８の内側に収容されているか、またはエンボス部８の外側で可撓性フィルム７に挟み込まれている。電池素子５の四角形の平面形状を構成する４辺のうちの少なくとも１辺の長さが、該１辺が延びる方向におけるエンボス部８の内側寸法よりも短い。

Description

本発明は二次電池に関する。

二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータなどのポータブル機器の電源としてはもちろん、車両や家庭用の電源として広く普及している。なかでも、高エネルギー密度で軽量なリチウムイオン二次電池は、生活に欠かせないエネルギー蓄積デバイスになっている。積層型の二次電池は、正極シートと負極シートとがセパレータによって隔離されながら交互に繰り返し積層された構造の電池素子を有する。この電池素子が電解液とともに外装容器内に収容されている。
外装容器として、可撓性のラミネートフィルムを貼り合わせた構成のものがある。例えば、電池素子を収容する凹状のエンボス部を、１対のラミネートフィルムの互いに対向する位置にそれぞれ形成しておき、そのエンボス部に電池素子を収容した状態で、ラミネートフィルムの外周部同士を接合して封止するものがある。また、１枚の長尺のラミネートフィルムを２つ折りにして外装容器を形成する構成では、折り曲げ部の両側の部分にエンボス部を形成しておき、エンボス部に電池素子を収容した状態で両部分を接合して封止する。
このように二次電池の外装容器が可撓性のラミネートフィルムで形成されている構成では、機械的強度が弱いという問題がある。また、エンボス部内で電池素子が移動すると、電池素子を構成する各層（正極、負極、セパレータ）が損傷したり変形したりして、正極と負極の電気的短絡を生じるおそれがある。

特許文献１には、矩形状の電池素子のセパレータの縦寸法が、電池素子を収容するエンボス部（矩形収容部）の内側縦寸法よりも大きく、セパレータの横寸法がエンボス部の内側横寸法よりも大きい構成が開示されている。この構成では、セパレータの外周部の、エンボス部の外側にはみ出す部分が湾曲または折り曲げられてエンボス部内に収容されている。

特許第５１０３８２２号公報

特許文献１に記載された構成では、セパレータの外周部をエンボス部内に収容するために、外周部の全周にわたって湾曲または折り曲げする作業が必要であり、製造工程が煩雑である。また、電池素子の外周部とエンボス部の内周部との間の隙間に、セパレータの外周部の湾曲または折り曲げられた部分が配置されるため、電解液を保持する領域が小さくなり、十分な電解液の保持ができないおそれがある。そして、電解液の注入時には、セパレータの外周部の湾曲または折り曲げられた部分が抵抗となり、円滑な注入が困難になるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、電解液を十分に保持することを可能にしつつ、外装容器の高い信頼性を確保し、電池素子の損傷や変形を抑えることができる構成の二次電池を提供することにある。

本発明の二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して積層され平面形状が四角形の電池素子と、可撓性フィルムからなり電池素子を収容する外装容器と、を含む。外装容器は、電池素子を内部に収容する凹状のエンボス部を有する。電池素子の外周部のうちの四隅部分は、折り畳まれてエンボス部の内側に収容されているか、またはエンボス部の外側で可撓性フィルムに挟み込まれている。電池素子の四角形の平面形状を構成する４辺のうちの少なくとも１辺の長さが、該１辺が延びる方向におけるエンボス部の内側寸法よりも短い。

本発明によると、電池素子の移動を抑制して損傷や変形を抑えるとともに、電解液の注入および保持を良好に行うことができ、しかも製造工程の煩雑化や電池の大型化を伴うことはない。

本発明の第１の実施形態の二次電池の、外装容器の一部を省略した平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１，２に示す二次電池の電池素子の平面図である。 図１，２に示す二次電池の外装容器を構成する一方の可撓性フィルムの平面図である。 図１を簡略化した平面図である。 図５ａに示す二次電池の電池素子の四隅部分を折り畳んでエンボス部内に収容した状態を模式的に示す平面図である。 関連技術の二次電池を一部省略して模式的に示す平面図である。 図６ａに示す二次電池の電池素子の外周部を折り畳んでエンボス部内に収容した状態を模式的に示す平面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面の一例を示す断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面の他の例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の二次電池を一部省略して模式的に示す平面図である。 図９ａに示す二次電池の電池素子の外周部を折り畳んでエンボス部内に収容した状態を模式的に示す平面図である。 本発明の第３の実施形態の二次電池を一部省略して模式的に示す平面図である。 図１０ａに示す二次電池の電池素子の外周部を折り畳んでエンボス部内に収容した状態を模式的に示す平面図である。 二次電池の電池素子の他の例を示す平面図である。 図１１に示す電池素子を用いている、本発明の第１の実施刑態の二次電池の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１，２は、積層型の二次電池１の基本構成を示している。図３は、この二次電池１の電池素子５を示している。図４は、この二次電池１の外装容器を構成する可撓性フィルム７を示している。二次電池１は、正極（正極シート）２と負極（負極シート）３とが、セパレータ４を介して交互に複数層積層された電極積層体（電池素子）５（図３参照）を備えている。この電池素子５は電解液６とともに、可撓性フィルム７からなる外装容器に収納されている。電池素子５の正極２からは正極端子９が、負極３からは負極端子１０が、それぞれ可撓性フィルム７の外側に引き出されている。図２では、電池素子５の中間部分を図示省略して、電解液６を示している。正極２は、正極集電体とその正極集電体の両面に形成された正極活物質層とからなり、負極３は、負極集電体とその負極集電体の両面に形成された負極活物質層とからなる。負極３の外形は、正極２の外形よりも大きく、セパレータ４の外形よりも小さい。図１では外装容器の一部（上側の可撓性フィルム７）を省略して内部を示している。
外装容器は、電池の軽量化の観点から、可撓性フィルム７によって構成されることが好ましい。可撓性フィルム７には、基材となる金属層の表面と裏面に樹脂層が設けられたものを用いることができる。金属層には、電解液６の漏出や外部からの水分の浸入を防止する等のバリア性を有するものを選択することができ、アルミニウムやステンレスなどの層であってよい。金属層の少なくとも一方の面には、変性ポリオレフィンなどの熱融着性樹脂層が設けられる。可撓性フィルム７の熱融着性樹脂層同士を対向させ、電池素子５を収容する部分の周囲を熱融着することで外装容器が形成される（熱融着部の輪郭の一部は２点鎖線で図示）。熱融着性の樹脂層が形成された面と反対側の面となる外装容器表面にはナイロンフィルム、ポリエステルフィルムなどの樹脂層を設けることができる。

本実施形態の電池素子５は、四角形の平面形状を有し、ある程度の厚さを有している。この電池素子５を容易かつ確実に収容するために、外装容器を構成する可撓性フィルム７に予め凹状のエンボス部８を形成しておく。このエンボス部８内に電池素子５を挿入することにより、電池素子５は安定して保持される。
このエンボス部８と電池素子５の大きさについて考察する。エンボス部８の方が電池素子５よりも大きいと、挿入作業が容易であるが、エンボス部８の内周部と電池素子５の外周部との間に遊びが生じ、エンボス部８内で電池素子５が移動可能である。外部からの衝撃等によってエンボス部８内で電池素子５が移動または振動すると、特に端縁部が損傷したり変形したりする可能性がある。その結果、正極２と負極３の電気的短絡を生じるおそれがある。
そこで、本実施形態では、図１に示すように、平面形状が四角形である電池素子５を、その四隅部分がエンボス部８からはみ出す大きさに形成しておく。図５ａは図１を簡略化した模式図であり、特に電池素子５を簡略化して示している。前記したように、電池素子５のうちでセパレータ４の外形が最も大きいため、ここで言う電池素子５の四隅部分とは、セパレータ４の四隅部分４ａのことである。本実施形態では、図５ｂに示すように、エンボス部８からはみ出す四隅部分４ａを折り畳んでから、電池素子５をエンボス部８内に収容している。この構成によると、折り畳んだ部分（四隅部分４ａ）がエンボス部８の内周面に当接している。この折り畳んだ部分（四隅部分４ａ）が弾性変形可能な状態であるとバネのような働きをする。すなわち、電池素子５は四隅がバネで支持されたのと同様な状態に保持され、エンボス部８内での移動が抑えられる。電池素子５がエンボス部８内で移動したとしても、その際にエンボス部８の内周面に大きな衝撃で衝突することはなく、バネ状の四隅部分４ａによって衝撃が吸収される。従って、電池素子５が損傷することや、四隅部分４ａ以外の部分で変形を生じることが抑えられ、正極２と負極３の短絡は生じない。また、電池素子５の、四隅部分４ａ以外の部分は、エンボス部８の内周面との間にある程度の間隔をおいて位置している。すなわち、本実施形態では、電池素子５の四隅部分４ａのみが折り畳まれてエンボス部８の内周面に当接し、四隅部分４ａ以外の部分は折り畳まれず、エンボス部８の内周面に当接せず、エンボス面との間に隙間が開いている。本明細書中で言う「折り畳む」とは、明確な折り目をつけて曲げる場合に限られず、緩やかに湾曲させる場合も含む。

仮に、特許文献１の構成と同様に、図６ａに示すように、電池素子５の外周部が全周にわたってエンボス部８の外側にはみ出す大きさである場合には、図６ｂに示すように、電池素子５の外周部を全周にわたって折り畳んでエンボス部８内に収容する必要がある。その場合には、エンボス部８内での電池素子５の移動抑制の効果はあるものの、四角形の４辺すべてを折り畳む作業が煩雑である。そして、電池素子５の外周部が全周にわたってエンボス部８の内周面に当接し、隙間はない。電池素子５の外周部の折り畳まれた部分がエンボス部８の内部の広いスペースを占める。従って、電解液を保持するスペースが小さく、十分な量の電解液を保持できない可能性がある。また、電池素子５の外周部の折り畳まれた部分は、電解液注入時の抵抗となるため、外装容器内への電解液の注入が円滑に行われにくい。このように作業性が悪く、しかも電解液の注入および保持が良好に行えない可能性がある。
これに対し、本実施形態では、図５ａ，５ｂに示すように、電池素子５の外周部のうち、折り畳むのは四隅部分４ａのみであるので、エンボス部８内での電池素子５の移動抑制の効果に加えて、折り畳んでエンボス部８内に収容する作業が簡単である。また、エンボス部８内において、電解液６の注入時の抵抗となるおそれのある部分が非常に小さく、電解液の注入は円滑に行われる。また、電池素子５の四隅部分４ａ以外の部分とエンボス部８の内周部との間には隙間が空いているので、電解液を十分に保持することができる。このように、本実施形態では、作業性の良さと、電解液の注入および保持の性能とが同時に得られる。電池素子５の四隅部分４ａがエンボス部の外側に位置する大きさにすることは、例えば、電池素子５の直角の四隅部分４ａが直角であるのに対して、エンボス部５の四隅部分４ａを、丸みを帯びた湾曲形状に形成することによって可能である。

なお、凹状のエンボス部８は、図２に極端に示すように、図４，７，８に示す底面８ｂから開口部８ａに向かって面積が徐々に大きくなる拡大形状になっていてもよい。その場合、開口部８ａは底面８ｂよりも大きい。従って、電池素子５のうちの最大のセパレータ４の四隅部分４ａが、図７に示すようにエンボス部８の開口部８ａよりも大きくてはみ出す場合と、図８に示すように、エンボス部８の開口部８ａよりも小さいが底面８ｂよりも大きい場合とが考えられ、本発明はいずれの場合も含む。図７に示す構成の場合には、四隅部分４ａの折り畳み量が多く、図８に示す構成の場合には四隅部分４ａの折り畳み量が小さい。図７に示す構成と図８に示す構成のいずれの場合も、正極２の少なくとも正極活物質層と、負極３の少なくとも負極活物質層は、エンボス部８の底面８ｂよりも小さく、外側にはみ出さないことが好ましい。これは、正極活物質層および負極活物質層は、折り曲げられると損傷して二次電池の電極としての機能が損なわれるおそれがあるからである。
なお、電池素子５のセパレータ４の四隅部分４ａがエンボス部８の開口部８ａと底面８ｂのいずれよりも小さい構成は、本発明の対象外である。
外装容器は２枚の可撓性フィルム７を貼り合わせた構成であっても、１枚の長尺の可撓性フィルム７を２つ折りにした構成であってもよい。エンボス部８は外装容器の上側の部分と下側の部分の両方に形成されていてもよく、一方の側のみ（例えば上側のみ）に形成されていてもよい。

（変形例）
本実施形態の変形例では、前記したように電池素子５のセパレータ４の四隅部分４ａを折り畳むのではなく、図５ａに示すように四隅部分４ａがエンボス部８の外側にはみ出した状態のままで、エンボス部８の外側で可撓性フィルム７同士の間に挟み込まれる。可撓性フィルム７の接合時に、四隅部分４ａも固定されるため、電池素子５は移動しないように保持される。
仮に、特許文献１の構成と同様に、図６ａに示すように、電池素子５の外周部が全周にわたってエンボス部８の外側にはみ出す大きさであった場合には、電池素子の外周部は全周にわたって可撓性フィルム７同士の間に挟み込まれる。従って、エンボス部８内での電池素子５の移動抑制の効果は高い。しかし、可撓性フィルム７の外周部同士が、全周にわたって電池素子５の外周部を挟んだ状態で接合されるため、接合強度が低く、封止の信頼性が低い。それを防ぐためには、可撓性フィルム７同士の接合部をより大きくして接合強度を高める必要があるが、接合部を大きくすると、外装容器の外形が大きくなり、電池の体積の増大を招くため好ましくない。
これに対し、本変形例では、可撓性フィルム７に挟み込まれるのは四隅部分４ａのみのごく小さい部分である。しかもこのエンボス部８の外側の角部は、可搭性フィルム７同士の接合面積を大きくとりやすい部分である。従って、全体的に大型化しなくても、可撓性フィルム７同士の接合強度が低下することがない。それにより、電池の大型化を招くことはない。

このように、電池素子５の四隅部分４ａのみがエンボス部８の外側にはみ出す大きさであるという本実施形態の構成によると、電池素子５の四隅部分４ａを折り畳まずに可撓性フィルム７に挟み込むことによって、電池素子５の移動を防止して損傷や変形を抑えることができる。さらに、二次電池の製造工程を煩雑にすることがなく、可撓性フィルム７同士の接合の信頼性を維持し、二次電池の大型化を招くこともない。

［第２の実施形態］
図９ａ，９ｂに本発明の第２の実施形態の二次電池を示している。本実施形態では、図９ａに示すように、電池素子５の四隅部分４ａがエンボス部８の外側にはみ出す大きさであるのに加えて、長手方向（図９ａ，９ｂの上下方向）において電池素子５がエンボス部８の外側にはみ出す大きさである。すなわち、電池素子５の縦方向の２つの辺４ｃがエンボス部８の縦方向の長さよりも長い。ただし、電池素子５の横方向の２つの辺４ｂはエンボス部８の横方向の長さよりも短い。この構成では、図９ｂに示すように、四隅部分４ａに加えて、横方向の２つの辺４ｂも折り畳んでエンボス部８に挿入されるが、縦方向の辺４ｃとエンボス部８の内周部との間に隙間があるため、この隙間によって電解液の注入および保持が良好に行える。そして、電池素子５の移動防止の効果が（特に縦方向に関して）高い。第１の実施形態と同様に、正極２および負極３はエンボス部８の外側にはみ出さない小ささであるため、セパレータ４の辺４ｂを折り畳んでも、正極端子９および負極端子１０に影響はない。

［第３の実施形態］
図１０ａ，１０ｂに本発明の第３の実施形態の二次電池を示している。本実施形態では、図１０ａに示すように、電池素子５の四隅部分４ａがエンボス部８の外側にはみ出す大きさであるのに加えて、長手方向に直交する方向（図９ａ，９ｂの左右方向）において電池素子５がエンボス部８の外側にはみ出す大きさである。すなわち、電池素子５の横方向の２つの辺４ｂがエンボス部８の横方向の長さよりも長い。ただし、電池素子５の縦方向の２つの辺４ｃはエンボス部８の縦方向の長さよりも短い。この構成では、図１０ｂに示すように、四隅部分４ａに加えて、縦方向の２つの辺４ｃも折り畳んでエンボス部８に挿入されるが、横方向の辺４ｂとエンボス部８の内周部との間に隙間があるため、この隙間によって電解液の注入および保持が良好に行える。そして、電池素子５の移動防止の効果が（特に横方向に関して）高い。第１の実施形態と同様に、正極２および負極３はエンボス部８の外側にはみ出さない小ささであることが好ましい。

［変形例］
第２および第３の実施形態においても、第１の実施形態の変形例と同様な変形例が考えられる。すなわち、電池素子５のセパレータ４の四隅部分４ａと２つの辺４ｂまたは４ｃを折り畳むのではなく、図９ａまたは図１０ａに示すように四隅部分４ａと２つの辺４ｂまたは４ｃがエンボス部８の外側にはみ出した状態のままで、エンボス部８の外側で可撓性フィルム７同士の間に挟み込まれるようにする。可撓性フィルム７の接合時に、四隅部分４ａと２つの辺４ｂまたは４ｃが固定され、電池素子５は移動しないように保持される。
図１〜１０ｂに示す各電池素子５は、正極端子９と負極端子１０が同一の辺から延出する構成である。しかし、図１１に示すように、正極端子９と負極端子１０がそれぞれ反対側の辺から延出する構成であってもよい。このような構成の電池素子５を用いる場合も、例えば、図１２に示すように電池素子５の四隅部分４ａのみがエンボス部の外側にはみ出す大きさにすることにより、この四隅部分４ａを折り畳んでエンボス部８の内部に押し込むか、または折り畳むことなく可撓性フィルム７同士の間に挟み込むことによって、前記した効果が発揮できる。また、図９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂに示す第２，３の実施形態において、図１１に示す構成の電池素子５を用いることもできる。その場合であっても、前記したのと実質的に同じ効果が得られる。
以上、いくつかの実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限られるものではなく、本発明の構成や細部に、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者が理解し得る様々な変更を施すことができる。
本出願は、２０１４年３月３１日に出願された日本特許出願２０１４−７１７１８号を基礎とする優先権を主張し、日本特許出願２０１４−７１７１８号の開示の全てをここに取り込む。

Claims (5)

1. 正極と負極とがセパレータを介して積層され平面形状が四角形の電池素子と、可撓性フィルムからなり前記電池素子を収容する外装容器と、を含む二次電池であって、
   前記外装容器は、前記電池素子を内部に収容する凹状のエンボス部を有し、
   前記電池素子の外周部のうちの四隅部分は、折り畳まれて前記エンボス部の内側に収容されているか、または前記エンボス部の外側で前記可撓性フィルムに挟み込まれており、
   前記電池素子の四角形の平面形状を構成する４辺のうちの少なくとも１辺の長さが、該１辺が延びる方向における前記エンボス部の内側寸法よりも短い、二次電池。
2. 前記電池素子の前記四隅部分は、前記エンボス部内に収容される前の状態で、平面的に見て前記エンボス部の外側にはみ出す大きさを有している、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電池素子の四角形の平面形状を構成する４辺のうち、互いに対向する２辺の長さが、該２辺が延びる方向における前記エンボス部の内側寸法よりもそれぞれ短く、かつ、他の２辺の長さが、該他の２辺が延びる方向における前記エンボス部の内側寸法よりもそれぞれ短い、請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記電池素子の四角形の平面形状を構成する４辺のうち、互いに対向する２辺の長さが、該２辺が延びる方向における前記エンボス部の内側寸法よりもそれぞれ短く、かつ、他の２辺の長さが、該他の２辺が延びる方向における前記エンボス部の内側寸法よりもそれぞれ長い、請求項１または２に記載の二次電池。
5. 前記正極と前記負極の、少なくともそれぞれの活物質層が、平面的に見て前記エンボス部の外側にはみ出さない大きさを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の二次電池。

Images