WO2004010517A1 - フィルム外装電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

明 細 書 フィルム外装電池及びその製造方法 発明の背景

本発明は、 電池要素をフィルム外装体に収容したフィルム外装電池及びその製 造方法に関し、 より詳細には、 異常時のガス発生に適正に対処できるフィルム外 装電池及びその製造方法に関する。

近年、 携帯機器等の電源としての電池は、 軽量化、 薄型化が強く要求されてい る。 電池の外装体に関しても、 軽量化、 薄型化に限界のある従来の金属缶に代わ り、 軽量化、 薄型化が可能であり、 金属缶に比べて自由な形状を採ることが可能 である外装体として、 金属薄膜フィルムまたは金属薄膜と熱融着性樹脂フィルム からなるラミネートフィルムが使用されるようになった。

ラミネートフィルムとしては、 金属薄膜としてアルミニウムを、 熱融着性樹脂 フィルムとして電池外側表面にナイロンを、 内側表面にポリエチレンやポリプロ ピレンを用いたものが一般的に使われる。 このラミネートフィルムからなる外装 体の内部に、 正極、 負極、 電解質からなる電池要素が収納され、 当該外装体周囲 が熱融着によって接合される。

一般的な外装体として金属缶を用いた電池の多くは、 異常時にガスが発生して 電池内部の圧力が上昇した際に、 ガスを外部に逃がす圧力安全弁を有している。 しかし、 フィルムを外装体とするフィルム外装電池においては、 圧力安全弁を 設けることが構造上難しいため、 異常時に限界まで発生ガスによる外装体の膨張 が起こり、 どこから破裂して機器内部にガスを噴き出すかわからないことが問題 となっていた。

特開 2000— 100399号公報には熱融着部の一部を低い温度にて封止して安全弁と する手段が、 特開平 11一 097070号公報には非熱融着製樹脂シートを介在させて熱 融着して剥離強度を下げて安全弁とする手段が提案されている。 しかし、 上記手 段においては、 圧力上昇のない通常時での封止信頼性も低下し、 封止部の劣化に より電解液の漏出等の不具合が発生する恐れがある。 また、 異常発生時の安全弁 開放圧力を正確に設定することができないという難点もあった。 特開 2001— 3259 26号公報にはラミネートシートに凹状溝を形成して発生ガスを電池外に取り出す 手法が開示されている。 しかしこの提案でも前記凹状溝の形成に手間が掛かるだ けでなく、 対面のラミネートシートへの溶着を 2段階で行わなければならず、 非 常に手間の掛かる作業を必要としている。 発明の概要

本発明の目的は、 異常時のガス発生による電池膨張時に正確な開封圧力を設定 でき、 通常使用時の電池特性劣化の原因とならない封止信頼性を有する圧力安全 弁として機能する部材を容易に設けることのできるフィルム外装電池を提供する ことにある。

本発明にかかるフィルム外装電池は、 正極、 負極、 および電解質からなる電池 要素と、 電池要素を収容し、 電池要素の周囲との接合面の一部を熱融着して密封 形成する外装フィルムと、 熱融着部の一部に電池要素方向に向けて突出して熱融 着形成された突出熱融着部と、 突出熱融着部および隣接する熱融着部の少なくと も一方に形成されたガス放出部とを備えることを特徴とする

また、 本発明にかかるフィルム外装電池の製造方法は、 外装フィルム内に電池 要素を収容するステップと、 電池要素の周囲の外装フィルムの接合面を熱融着し て密閉形成するステップと、 接合面の熱融着と同時に、 熱融着部の一部に電池要 素方向に向けて連続する突出熱融着部を熱融着により形成するステップと、 突出 熱融着部および隣接する熱融着部の少なくとも一方にガス放出部を形成するステ ップとを備えることを特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の第 1の実施例に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図で ある。

図 2は、 図 1の A— A線縦断面図である。

図 3は、 図 1のフィルム外装電池の熱融着部及び突出熱融着部をハッチングで 示した斜視図である。

図 4は、 図 1のフィルム外装電池の分解斜視図である。

図 5は、 本発明の第 2の実施例に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図で ある。

図 6は、 本発明の第 3の実施例に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図で ある。

図 7は、 本発明の第 4の実施例に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図で ある。

図 8は、 本発明の第 5の実施例に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図で ある。

図 9は、 本発明の第 6の実施例に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図で ある。

図 1 0は、 本発明の第 7の実施例によるフィルム外装電池の要部を示す平面図 である。

図 1 1は、 本発明の第 8の実施例によるフィルム外装電池の要部を示す平面図 である。

図 1 2は、 本発明の第 9の実施例によるフィルム外装電池の要部を示す平面図 である。

図 1 3は、 実施例における積層状態を示すフィルム外装電池の分解斜視図であ る。 実施例の詳細な説明

次に、 本発明の実施例について図面を参照して説明する。

[第 1の実施例]

本発明の第 1の実施例について、 図 1、 図 2、 図 3、 および図 4を参照して説 明する。 図 4に示すように、 フィルム外装電池 1は電池要素 9を収納した外装体 2と、 電池要素 9と接続されて外装体 2の外部に突出した正極リ一ド端子 3およ び負極リード端子 4とを有する。

前記外装体 2は、 図 2に示すように上側フィルム 8 aと下側フィルム 8 から 成り、 両フィルム 8 a及び 8 bは電池要素 9周囲で図 3のハッチングで示すよう に熱融着されて熱融着部 5を構成し、 互いに接合されている。

熱融着部 5の前記正極リード端子 3および負極リード端子 4が形成されている 辺の中央には、 電池要素 9の収納方向に突出した突出熱融着部 6を連続的に形成 する。 更に該突出熱融着部 6にその先端が達している三角形状のガス放出部 7が 形成されている。 このガス放出部 7は、 外気とフィルム熱融着界面を連通する機 能を有している。

突出熱融着部 6は、 外装体周囲の封止時に熱融着して熱融着部 5と同時に形成 することができるため、 特別の工数を必要とせずに設けることができる。 また、 前記突出熱融着部 6は外装体 2周囲の熱融着部 5と同じ強度で熱融着することが できるため、 電解液の漏出など、 圧力安全弁としての信頼性がその他の融着部 5 と比べて低下することもない。

本実施例のガス放出部 7は、 図 3に示すように、 熱融着をしない部分を設ける ことによって形成されている。 熱融着時に用いる融着ヘッドを、 突出熱融着部 6 を熱融着し、 熱融着部 5のうちのガス放出部 7を熱融着しないような形状にする ことで、 容易に両者を形成できる。

以上説明したように、 本実施例では電池周囲の熱融着部の一部に電池要素収納 方向に突出した突出熱融着部 6を形成しているため、 異常時のガス発生による外 装体膨張時に、 突出熱融着部 6に引き剥がす方向の応力が集中し、 この突出熱融 着部 6から選択的に熱融着部が剥がれてゆく。

そして、 剥がれが突出熱融着部 6に近接しかつ外装体 2を構成するフィルム 8 a及び 8 bが互いに融着されずに外気と連通しているガス放出部 7に達すると、 電池内部と外気が連通されて内部のガスが外部へと排出され、 電池の破裂や意図 しない方向へのガスの噴出が防止される。 この機能を圧力安全弁の機能という。

[第 2及び第 3の実施例]

本発明の第 2及び第 3の実施例について、 図 5および図 6を参照して説明する。 第 2の実施例では、 図 5に示すように、 その先端が突出熱融着部 6に達するガ ス放出部 7 aの形状が第 1の実施例と異なっている。 該ガス放出部 7 aは、 非融 着部で形成するのではなく、 外装体 2の縁部から突出熱融着部 6に達する直線状 切込みによって形成される。

切り込み形成は融着工程の前後どちらでも良く、 また融着工程前に切り込む場 合は対向するフィルムの片方のみに切り込みが形成されていても良い。 この実施 例でも、 異常時にガス発生によって外装体が膨張すると、 突出熱融着部 6に引き 剥がす方向の応力が集中し、 この突出熱融着部 6から選択的に熱融着部 5が剥が れ、 ガス放出部 7から内部のガスが外部へと排出される。

第 3の実施例では、 図 6に示すように、 突出熱融着部 6にその先端が達する鋭 角的な三角形の切り欠きでガス放出部 7 bが形成されている。 この実施例でも、 発生ガスによる応力が突出熱融着部 6に集中し、 かつガス放出部 7 bから発生ガ スが外部へ排出されるので、 電池の破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止 される。

[第 4の実施例]

本発明の第 4の実施例について、 図 7を参照して説明する。

本実施例では、 図 7に示すように、 ガス放出部 7 cが突出熱融着部 6内に穿設 された穴として形成されている。 この穴は対向するフィルム 2枚のうち少なくと も 1枚に形成されていれば良く、 2枚とも貫通した穴でも良い。 この例でも他の 実施例の場合と同様に、 電池内部で発生することのあるガスが突出熱融着部 6の 2枚のフィルムを剥離させ、 穴として形成されたガス放出部 7 cから外部へ排出 される。

[第 5の実施例]

本発明の第 5の実施例について、 図 8を参照して説明する。

本実施例は、 図 8に示すように、 突出熱融着部 6 d及びガス放出部 7 dが第 1 〜第 4の実施例のように、 正 .負極リード端子 3及び 4の間ではなく、 正極リー ド端子 3上に形成している点で異なっている。 熱融着部 5の接合強度は、 一般的 にフィルム同士の接合部よりも、 フィルムとリード端子との接合部のほうが弱く、 突出熱融着部 6 dおよびガス放出部 7 dをリード端子 3上に設けることで、 弁開 封圧力の設定を低くすることが可能である。

図 8では正極リ一ド端子上に突出熱融着部 6 dおよびガス放出部 7 dを形成し ているが、 これらは負極リード端子 4上に形成しても良い。 又突出熱融着部 6 d がすべて電極リード端子 3上にある必要はなく、 一部のみが電極リ一ド端子上に あっても良い。

[第 6の実施例]

本発明の第 6の実施例について、 図 9を参照して説明する。

本実施例は、 図 9に示すように、 突出熱融着部 6 e及びガス放出部 7 eが第 1 〜第 4の実施例のように正 ·負極リード端子 3及び 4の間に形成し、 あるいは第 5の実施例のように正極リード端子 3上に形成するのではなく、 外装体角部に形 成している点で異なっている。

突出熱融着部は外装体周囲の任意の位置に設けることができるが、 電池要素 9 や電極リード端子 3及び 4の引き回しを考慮して、 電池の外形に影響を与えない 場所が望ましい。 本実施例のように外装体角部に突出熱融着部 6 e及びガス放出 部 7 eを形成しても同様の効果が得られる。

[第 7の実施例]

本発明の第 7の実施例について、 図 1 0を参照して説明する。

本実施例では、 第 1の実施例のようにして形成されたガス放出部 7の外気側端 部を熱融着によって封止部 13として形成している。 封止部 13を形成することによ り、 外部からのゴミなどがガス放出部 7に詰まって圧力安全弁の作動に支障を与え たり、 ガス放出部 7が水蒸気の外部から電池内部への侵入パスとなって電池特性 の劣化原因となることを防ぐことができる。

封止部 13は、 圧力安全弁としての作動時のガス排出を妨げない程度の弱い強度 にて封止されていなければならない。 図 10では、 その他の熱融着部 5よりも狭い 幅で融着して封止部 13を形成している。 接合強度を下げるために、 他の熱融着部 5よりも低い温度で融着して封止部 13を形成しても良い。

[第 8の実施例]

本発明の第 8の実施例について、 図 1 1を参照して説明する。

本実施例では、 第 7の実施例と異なり、 封止部 13 aをガス放出部 7中に塗布し た接着剤で形成している。 熱硬化性樹脂を充填するなど、 その他の公知の方法を 用いてもよい。 この接着剤または樹脂は、 圧力安全弁としての作動時のガス排出 を妨害しないように、 弱い力で接着されていることが望ましい。 また、 電解液な どの電池要素 9成分によって溶解または分解する接着剤または樹脂を用いても良 い。

[第 9の実施例]

本発明の第 9の実施例について、 図 1 2を参照して説明する。

本実施例では、 第 7及び第 8の実施例と異なり、 ガス放出部 7をテープにて覆 つて封止部 13 bを形成している。 テープやシールを用いることで、 容易にガス放 出部 7に封止部 13 bを形成することができる。 テープは金属箔ゃ金属薄膜を含む ラミネートフィルムを用いてもよく、 テープの接合方法も、 粘着剤や接着剤、 熱 融着など、 公知の方法を用いることができる。

なお、 図 1〜図 12では突出熱融着部およびガス放出部を 1つずつ形成している が、 2箇所以上の任意の場所に形成しても良い。

次に、 本発明のフィルム外装電池の構成及び動作を実施例として説明する。 〈正極の製作〉

スピネル構造を持つマンガン酸リチウム粉末、 炭素質導電性付与材、 およびポ リフッ化ビニリデンを 90： 5 ： 5の重量比で N M P (N—メチル— 2 _ピロリド ン） に混合分散、 攪拌してスラリーとした。 N M Pの量はスラリーが適当な粘度 になるように調整した。 このスラリーを、 ドクターブレードを用いて、 正極集電 体となる厚さ 20ミクロンのアルミニウム箔の片面に均一に塗布した。 塗布時には、 わずかに未塗布部 （集電体が露出している部分） が筋状にできるようにした。 次にこれを 1 OOtで 2時間真空乾燥させた。 同様にもう一方の面にもスラリーを 塗布し、 真空乾燥させた。 この際、 表裏の未塗布部が一致するようにした。 この ようにして両面に活物質を塗布したシートをロールプレスした。 これを未塗布部 を含めて矩形に切り出して正極の電極板 10とした。 活物質未塗布部は片側の一部 を矩形に残した他は切り取り、 残つた部分をリード部とした。

〈負極の製作〉

アモルファス力一ボン粉末、 ポリフッ化ビニリデンを 91 ： 9の重量比で NM P に混合、 分散、 攪拌してスラリーとした。 N M Pの量はスラリーが適当な粘度に なるように調整した。

このスラリーを、 ドク夕一ブレードを用いて負極集電体となる厚さ 10ミクロン の銅箔の片面に均一に塗布した。 塗布時には、 わずかに未塗布部 （集電体が露出 している部分） が筋状にできるようにした。 次にこれを 100でで 2時間真空乾燥し た。

なお、 このとき負極層の単位面積あたりの理論容量と正極層の単位面積あたり の理論容量を 1 ： 1となるように活物質層の膜厚を調整した。 同様にもう一方の 面にもスラリーを塗布し真空乾燥した。 このようにして両面に活物質を塗布した シートをロールプレスした。 これを正極のサイズょりも縦横 2 mmずつ大きいサ ィズに、 未塗布部を含めて矩形に切り出したものを負極板 11とした。 活物質未塗 布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、 残った部分をリード部とした。

〈電池要素の製作〉

上記のようにして作製した正極と負極、 およびポリプロピレンノポリエチレン Zポリプロピレンの三層構造を持つマイクロポーラスセパレー夕一を交互に積層 した。 図 13に示すように、 電極の最外側は負極となるようにし、 その負極のさら に外側にセパレ一夕一を設置した （セパレー夕一 12 負極 1 1 セパレ一夕一 12Z 正極 10 セパレー夕一 12Z /負極 11 セパレー夕一 12、 という順 番） 。

積層した正極の電極板リ一ド部と正極リ一ド端子 3としてアルミニウム板を一 括して超音波溶接した。 同様に負極のリード部と負極リード端子 4としてニッケ ル板を一括して超音波溶接した。

〈フィルム外装電池の製作〉

次に、 図 4を参照してフィルム外装電池の製作について説明する。

ナイロン Zアルミニウム Zポリプロピレンの三層構造を持つアルミラミネ一ト フィルムであるフィルム 8 aに、 電池要素 9よりも一回り大きいサイズの深絞り 加工による収納部をポリプロピレン側が凹状となるように設けた。

上記の電池要素 9を、 正極リード端子 3および負極リード端子 4のみがフィル ム外装体から突出するようにして、 フィルム 8 aの電池要素収納部に収納し、 も う一方のフィルム 8 bで電池要素 9を覆い、 接合部を重ね合わせて熱融着によつ て外装体の周囲三辺を接合した。 リ一ド端子を導出する辺の融着部 5については、 正 ·負極のリード端子の間に、 電池要素 9方向に突出する突出熱融着部 6と、 こ の突出熱融着部 6から熱融着部 5外周に達する非融着部からなるガス放出部 7を 形成するための融着へッドを有する熱融着機によって接合を行なった。

次に接合してない残りの 1辺から電池要素 9収納部に電解液を注液した。 電解液 は l m o 1 ZLの L i P F 6を支持塩とし、 プロピレンカーボネートとエチレン力 ーポネートの混合溶媒 （重量比 50 : 50) を溶媒とした。 電解液注液後、 真空中に て外装体を封止し、 ラミネートフィルム外装体を有するリチウムイオン二次電池 を得た。

突出熱融着部は、 熱融着部と連続し熱融着部の形成と同時に単一工程で形成で きる。 このため、 作業効率が向上するだけでなく、 熱融着部と突出熱融着部の融 着強度が実質的に同一になり、 内部で発生するガスが確実に突出熱融着部から剥 離を進行させる。 このため、 意図しない方向へのガスの噴出が更に確実に防止さ れる。

また、 ガス放出部は、 圧力上昇による外装体膨張による突出熱融着部 6の剥離 が規定の部位まで進行した際に、 電池内部のガスを外部に放出する機能を有し、 突出熱融着部又はそれに隣接する熱融着部に、 又は両者に渡って存在していても 良い。

〈圧力安全弁の作動〉

フィルム外装電池 1において、 外部短絡などの異常発生時に電池内部の温度が 急上昇し、 ガス発生による外装体 2の膨張が発生すると、 膨張による応力は突出 した融着部 6に集中する。 そのため、 熱融着部 5の剥がれは突出熱融着部 6にて 選択的に進行し、 剥がれがガス放出部 7に至ると電池内部と外気とが連通し、 電 池内部にて発生したガスはガス放出部 7を通って外部に排出される。

安全弁としての作動圧力は、 突出部 6やガス放出部 7の位置や形状にて任意に 設定することが可能である。 さらに、 ガス発生のない通常時では、 その他の融着 部 5と同等の信頼性を保つことができる。

上述した実施例によれば、 電池要素方向に突出した融着部を形成し、 さらに、 その突出熱融着部に近接してガス放出部を形成する。 このようにすることで、 ガ ス発生による電池内圧力上昇時に、 選択的に突出融着部の剥離が進行し、 ガス放 出部まで剥離が達する。 このため、 電池内ガスを外部に排出することができる。 突出熱融着部やガス放出部の位置や形状によって、 弁の開封圧力を任意に設定 でき、 通常使用時の封止信頼性の高い圧力安全弁としての機能を有するフィルム 外装電池を容易に提供することができる。

以上のように、 本発明にかかる電池要素をフィルム外装体に収容したフィルム 外装電池及びその製造方法は、 携帯機器等の電源に用いるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 電解質からなる電池要素と、

前記電池要素を収容し、 前記電池要素の周囲との接合面の一部を熱融着して密 封形成する外装フィルムと、

熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて突出して熱融着形成された突出熱 融着部と、

突出熱融着部および隣接する熱融着部の少なくとも一方に形成されたガス放出 部と

を備えることを特徴とするフィルム外装電池。

2 . 前記ガス放出部は、 熱融着部中の熱融着されない部分に形成されることを 特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

3 . 前記ガス放出部は、 熱融着部の外周に達する切り込みによって形成される ことを特徴とする請求項 1に記載フィルム外装電池。

4 . 前記ガス放出部は、 熱融着部の外周に達する切り欠きによって形成される ことを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

5 . 前記ガス放出部は、 前記外装フィルムに穴をあけることにより形成される ことを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

6 . 前記突出熱融着部及び前記ガス放出部は、 電極リード線を導出する辺に形 成されることを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

7 . 前記突出熱融着部及び前記ガス放出部は、 電極リード線導出部に形成され ることを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

8 . 前記突出熱融着部及び前記ガス放出部は、 外装フィルムの角部に形成され ることを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

9 . 前記突出熱融着部及び前記ガス放出部は、 前記外装フィルムの辺のほぼ中 央に形成されることを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

1 0 . 前記ガス放出部は、 他の熱融着部よりも耐圧強度の小さい封止部を備え ることを特徴とする請求項 1に記載のフィルム外装電池。

1 1 . 前記封止部は、 他の熱融着部よりも低い温度にて熱融着されることを特 徵とする請求項 1 0に記載のフィルム外装電池。

1 2 . 前記封止部は、 他の熱融着部よりも融着幅が狭いことを特徴とする請求 項 1 0に記載のフィルム外装電池。

1 3 . 前記封止部は、 接着剤または樹脂によって封止されることを特徴とする 請求項 1 0に記載のフィルム外装電池。

1 4 . 前記接着剤または前記樹脂は、 前記電池要素の少なくとも 1成分によつ て溶解することを特徴とする請求項 1 3に記載のフィルム外装電池。

1 5 . 前記接着剤または前記樹脂は、 前記電池要素の少なくとも 1成分によつ て分解することを特徴とする請求項 1 3に記載のフィルム外装電池。

1 6 . 前記封止部は、 前記ガス放出部を、 テープまたはシールで覆うことによ り形成することを特徴とする請求項 1 0に記載のフィルム外装体。

1 7 . 外装フィルム内に電池要素を収容するステップと、

電池要素の周囲の外装フィルムの接合面を熱融着して密閉形成するステップと、 接合面の熱融着と同時に、 熱融着部の一部に電池要素方向に向けて連続する突 出熱融着部を熱融着により形成するステツプと、

突出熱融着部および隣接する熱融着部の少なくとも一方にガス放出部を形成す るステップと

を備えることを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。

1 8 . 前記突出熱融着部を熱融着により形成するステップは、 ガス放出部を、 突出熱融着部の形成と同時に、 熱融着部の一部を熱融着しないことにより形成す るステップを備えることを特徴とする請求項 1 7に記載のフィルム外装電池の製 造方法。