JP2004031162A

JP2004031162A - 組電池

Info

Publication number: JP2004031162A
Application number: JP2002186620A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Tanabe; 田辺　友紀; Mitsuhiro Taki; 滝　充博; Nobuaki Yoshioka; 吉岡　伸晃; Hiroshi Yagata; 屋ケ田　弘志
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP4304716B2

Abstract

【課題】積層型ラミネート電池のリード端子同士を接続してなる組電池において、正極リード／外装体の剥離劣化が生じにくく、封止信頼性に優れた組電池を得る。
【解決手段】発電体をフィルムで密封封止して外装した複数の積層型ラミネート電池２１を重ね合わせ、正極リード端子１１と負極リード端子１２同士をリード接続部２により接続した組電池であって、正極リード端子が延出された辺を上側にして設置した組電池とする。積層型ラミネート電池は、正極リード端子と負極リード端子が互いに対向する向きに引き出されていることがより適当である。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池を複数接続してなる組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、積層型ラミネート電池としては、金属層と熱融着性樹脂層とが積層されたフィルム、すなわちラミネートフィルムにより発電体を被包し、熱融着性樹脂層同士を熱融着することにより密封封止したものが知られており、正極リード端子および負極リード端子は外装体であるラミネートフィルムの封止部から延出された構成が知られている。この積層型ラミネート電池を複数接続したものが組電池である。組電池は、積層型ラミネート電池のリード端子同士を導電性材料で接続して構成されている。また、この組電池は金属等のケースで覆って用いられることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電池内において、正極リード端子は負極リード端子と比較して高電位にあり、一般的には電気化学的に金属イオンが溶出しやすい状態になっているといえる。このため、概して負極リード端子よりも先に正極リード端子表面が劣化して正極リード／外装体の剥離劣化が生じやすい。正極リードおよび負極リードのいずれか一方の端子でリード／外装体の剥離劣化が生じ、リークが発生すれば、電池としてはその時点で封止寿命となるため、実質的に電池の封止寿命は正極リード封止寿命で決定される。特に、電池が加圧状態で挟持されるように金属等のケースで覆った組電池の場合には、電池のラミネートフィルムからなる外装体が押さえつけられるため、電池内部でのガス発生による内圧の上昇がリード封止を圧迫し、封止信頼性の劣化が加速される。
【０００４】
本発明は、前述したような問題を解決するためになされたものであり、電池の正極リード端子の劣化を防ぐことにより、封止信頼性の向上を図った組電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池は、発電体をフィルムで密封封止して外装した複数の積層型ラミネート電池のリード端子同士を接続してなる組電池において、電池を設置する際、正極リード端子を上側方向にして設置したことを特徴とする。
【０００６】
すなわち、本発明は、少なくとも極板が積層されてなる発電体にリード端子を設けた電池本体を、前記リード端子が外部と通電可能となるよう延出させて挟み込むようにしてフィルムで密封封止してなる積層型ラミネート電池を、前記積層方向に複数重ね合わせ、前記リード端子同士を接続してなる組電池において、正極リード端子が延出された辺を上側にして設置されていることを特徴とする組電池である。
【０００７】
本発明の組電池は、正極リード端子が延出された辺を上側にして設置されているので、正極リード端子の劣化が緩和され、正極リード／外装体の剥離劣化が生じにくく、封止信頼性に優れた組電池を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一例としての積層型ラミネート組電池の斜視図で、その特徴は、正極リード端子１１が上側方向になるように組電池１が設置されていることである。
【０００９】
図２は組電池１に用いられている積層型ラミネート電池２１の一例であり、その断面図を図３に示す。図３を参照すると、積層型ラミネート電池２１は、少なくとも極板が積層されてなる発電体３にリード端子１１、１２を設けた電池本体１４を、リード端子１１、１２が外部と通電可能となるよう延出させて挟み込むようにしてフィルムで密封封止してなる。すなわち、発電体３が、両者ともフィルムからなる下部外装体５および上部外装体６により被包され、発電体の周囲の外装体同士がヒートシールされることにより密封封止されている。なお、フィルムとは曲げ変形に対して柔軟性を有する薄い部材を指し、本発明においては金属箔単独、あるいは一般にラミネートフィルムと呼ばれる金属箔と樹脂フィルムとの積層体が好ましい。本形態の電池は、外装体のヒートシールを減圧下で行うことにより減圧封止されている。
【００１０】
続いて、図３を用いて積層型ラミネート電池の製造方法の一例を説明する。まず、凹部２２を予め形成してある下部外装体５の凹部２２に、発電体３を載置する。発電体３から伸びる集電箔２３には、符号４の部分（溶接部）において予めリード１１、１２を溶接しておく。次に、上部外装体６として凹部を有しない平面状のフィルムを上からかぶせる。その後、減圧下においてヒートシールを行い、図２の積層型ラミネートタイプの単電池２１を得る。
【００１１】
次に、本発明の組電池の実施の形態を説明する。先述のようにして得られた積層型ラミネート電池２１を極板の積層方向に複数重ね合わせるとともに、正極リード端子１１および負極リード端子１２をそれぞれ並列になるようにリード接続部２で接続し、図１に示す積層型ラミネート組電池１を得る。リード接続部２は導電性材料からなり、一般に銅板が用いられることが多い。接続は超音波溶接、抵抗溶接、リベットによるかしめ等により行われる。本発明では図１に示すように、この組電池１を正極リード端子１１が上側方向になるように設置している。一般に、この組電池は金属等のケースで周辺を覆い、発電体が加圧状態で挟持されるようにしている。こうすることにより、電池の発電体の極板密着性を保つことができる。
【００１２】
仮に図４のように正極リード端子１１が下側になるように組電池を設置した場合、積層型ラミネート電池２１の内部において電解液は重力方向である正極リード端子１１側に溜まり、正極リード端子が電解液と接触する。電池内において正極リード端子は負極リード端子と比較して高電位にあり、一般的には電気化学的に金属イオンが溶出しやすい状態になっているといえる。このため、概して負極リード端子よりも先に正極リード端子表面が劣化して正極リード／外装体の剥離劣化が生じやすい。正極リードおよび負極リードのいずれか一方の端子でリード／外装体の剥離劣化が生じ、リークが発生すれば、電池としてはその時点で封止寿命となるため、実質的に電池の封止寿命は正極リード封止寿命で決定される。
【００１３】
本発明では、図１に示すように正極リード端子１１を上側方向にして積層型ラミネート組電池１を設置することで、一般的に負極リード１２よりも表面劣化しやすい正極リード端子の封止劣化を抑制し、それにより電池そのものの封止寿命を改善し、封止信頼性の優れた組電池を提供することができる。
【００１４】
図１に示すような正極リードと負極リードを互いに対向する向きに引き出した積層型ラミネート電池を縦置きに設置する場合に、本発明は特に有効である。両リードを対向する向きに引き出した場合、一方の極のリードを上側に向けると他方の極のリードは下側に向けることになる。正極負極どちらのリード端子封止部が剥離劣化を引き起こしリークに至った場合でも、その時点で組電池全体としての封止寿命に到達することになる。従って、電池内で負極リード端子と比較して高電位にあり電気化学的に金属イオンが溶出し表面劣化しやすい正極リード端子を上側に、正極リードと比較して低電位にある負極リード端子を下側に向けて組電池を設置することで、組電池としての封止寿命をより長くすることができ、封止信頼性の優れた組電池を提供することができる。
【００１５】
以下に各構成要素の実施の形態について詳述する。
［リード端子］
リード端子の材質としては、正極リード端子にＡｌ、Ｔｉなど、負極リード端子にＮｉ、Ｃｕ、燐青銅、Ｆｅ、真鍮、ステンレス鋼などが使用でき、必要ならば焼き鈍し処理が施されたものでもよい。リード端子は平板状であることが好ましく、厚さとしては２０μｍ〜２ｍｍの範囲であることが好ましい。リード端子は正極リードと負極リードを同じ側に、あるいは図２に示すように互いに対向する向きに引き出し、外装体封止部を経由させる。
【００１６】
［外装体］
積層型ラミネート電池の外装体としてはフィルム状のもの、すなわち、金属箔、樹脂薄膜、これらの積層体などで例示される柔軟性を有する薄い部材であり、凹部が形成されているものが好適に使用できる。フィルムの厚さとしては１０〜３００μｍが好ましく、さらに好ましくは５０〜２００μｍである。フィルムの厚さが１０μｍ未満であると、電池外装体としての力学的強度に乏しく、容易に破断するなどの不都合が生じ、３００μｍを超えると、柔軟性に乏しくなり、内圧を上昇させずにガスを受容することにおいて不都合となる。凹部の形成は、成形予定部の周囲のフィルムを滑り可能な状態で押さえながら、ポンチとダイスでフィルムを押し込んで成形する絞り成形（深絞り成形）が好ましい。なお、成形予定部の周囲のフィルムを滑らせずに固定して、ダイスでフィルムを引っ張り伸ばして成形する張り出し成形法で凹部を形成してもよい。また、射出成形法で凹部を持つ外装体を作製してもよい。
【００１７】
［発電要素］
発電体３の構成、形態は特に限定されず、例えば正極、負極、セパレータからなり、平板状のもの、単純に極板を２組以上積層したもの等が用いられる。正極は放電時に正イオンを吸収するもの、または負イオンを放出するものであれば特に限定されず、（Ｉ）ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等の金属酸化物、（ＩＩ）ポリアセチレン、ポリアニリン等の導電性高分子、（ＩＩＩ）一般式（Ｒ−Ｓｍ）ｎ（Ｒは、脂肪族、または芳香族であり、Ｓは、硫黄であり、ｍ、ｎは、ｍ≧１、ｎ≧１の整数である）で示されるジスルフィド化合物（ジチオグリコール、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール、Ｓ−トリアジン−２，４，６−トリチオール等）等の二次電池の正極材料として従来公知のものが使用できる。また、正極に正極活物質を適当な結着剤や機能性材料と混合して形成することもできる。これらの結着剤としてはポリフッ化ビニリデン等のハロゲン含有高分子等が、機能性材料としては電子伝導性を確保するためのアセチレンブラック、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性高分子、イオン伝導性を確保するための高分子電解質、それらの複合体等が挙げられる。負極は、カチオンを吸蔵・放出可能な材料であれば特に限定されず、天然黒鉛、石炭・石油ピッチ等を高温で熱処理して得られる黒鉛化炭素等の結晶質カーボン、石炭、石油ピッチコークス、アセチレンピッチコークス等を熱処理して得られる非晶質カーボン、金属リチウムやＡｌＬｉ等のリチウム合金など、二次電池の負極活物質として従来公知のものが使用できる。
【００１８】
発電体に含まれる非水系電解質溶液としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、Ｎ、Ｎ’−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピロリドン、ｍ−クレゾール等の二次電池の電解液として利用可能な極性の高い塩基性溶媒に、ＬｉやＫ、Ｎａ等のアルカリ金属のカチオンとＣｌＯ_４ ⁻、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３Ｃ⁻、（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３Ｃ⁻等のハロゲンを含む化合物のアニオンからなる塩を溶解したものが挙げられる。また、これらの塩基性溶媒からなる溶剤や電解質塩を単独、あるいは複数組み合わせて用いることもできる。また、電解液を含むポリマーゲルとしたゲル状電解質としてもよい。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の詳細について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２０】
＜実施例＞
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ＮＭＰに混合分散、攪拌してスラリーとした。ＮＭＰ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１００℃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たものを８枚用意した。活物質未塗布部はリード端子への接続予定部とするものである。このようにして、合計の理論容量が３Ａｈとなる正極を用意した。
【００２１】
一方、アモルファスカーボン粉末、ポリフッ化ビニリデンを９１：９の重量比でＮＭＰに混合、分散、攪拌してスラリーとした。ＮＭＰ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、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が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よりも縦横２ｍｍずつ大きいサイズに、未塗布部を含めて矩形に切り出したものを９枚用意した。活物質未塗布部はリード端子への接続予定部とするものである。このようにして負極を用意した。
【００２２】
上記のようにして用意した正極と負極の間に、負極のサイズよりも縦横２ｍｍずつ大きいサイズの矩形の、ポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの３層構造を持つマイクロポーラスセパレーター（ヘキストセラニーズ社製、セルガード２３００）を介してこれらを積層した。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ータを設置した（セパレータ／負極／セパレータ／正極／セパレータ／・・・・・・／負極／セパレータ、という順番）。正極の活物質未塗布部と負極の活物質未塗布部とは対向する側となるような向きに揃えた。次に、正極リード端子となる厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミニウム板と、正極８枚の活物質未塗布部とを一括して超音波溶接した。同様に負極リード端子となる厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのニッケル板と、負極９枚の活物質未塗布部とを一括して超音波溶接した。なお、正極リード端子および負極リード端子は、上記の溶接接続に先立ち、外装体による封止予定部に予め３０μｍの厚さのフィルム状の酸変成ポリプロピレンからなるシール材を熱融着した。
【００２３】
一方、外装体用のラミネートフィルムとして、ナイロン２５μｍ、軟質アルミニウム４０μｍ、酸変成ポリプロピレン３０μｍの積層体からなるフィルムを準備し、所定のサイズに切り出し、カップ状に深絞り成形した。このラミネートフィルムのカップ成形部に、上記の電極積層体を収納した。次に、上記のラミネートフィルムを成形せずに所定のサイズに切り出しただけのものを、上記の発電要素が収納されたカップ成形部の上にシール面を内側に向けて蓋をするように置いた。
【００２４】
次に、カップ成形されたフィルムのつば部の上を経由して引き出されているリード端子をフィルムつば部と蓋とで挟むようにして、リード端子引き出し部２辺をヒートシールし、次いでリード端子引き出し部でない長辺（以下長辺Ａ、長辺Ｂという）のうち一辺（以下長辺Ａという）をヒートシールした。なお、リード端子封止部のシール強度を水準間で比較しやすいように、リード端子引き出し部はやや弱めの条件でヒートシールを行った。
【００２５】
次に、長辺Ａを下にして傾け、最後の未シール部である長辺Ｂの隙間から、電極積層体に電解液を注液した。電解液は１ｍｏｌ／リットルのＬｉＰＦ_６を支持塩とし、プロピレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの混合溶媒（重量比５０：５０）を溶媒とするものである。注液量は、発電要素の体積の５％に相当する量とした。注液後、減圧脱泡を行った。最後に、真空シール機を用いて減圧状態で長辺Ｂのヒートシールを行い、単電池を完成させた。
【００２６】
このようにして作製した複数の単電池のリード端子部を並列になるようにリード接続部で接続し、組電池を作製した。リード接続部には導電性材料である銅板を用い、超音波溶接で接続した。この組電池を厚さ１ｍｍのアルミニウム板のケースで周辺を覆い、アルミニウム外装体による圧力により発電体が加圧状態で挟持されるようにした。こうすることにより、電池の発電体の極板密着性が保たれている。なお、電池の側面部、ラミネートフィルムのヒートシール部はアルミニウム外装体の内壁と接触せず、圧力が掛からないようにした。
【００２７】
上記組電池を電圧４．３Ｖの満充電にして、図１のように正極リード端子が上側になるように設置し、６０℃、９０％環境下で２ヶ月間放置したところ、リード端子封止部におけるリークは発生しなかった。
【００２８】
なお、本明細書の実施例・比較例において、リークの有無はリード端子引き出し部根元のリーク痕（析出物等）を確認することにより行った。
【００２９】
＜比較例＞
実施例と同じ組電池を電圧４．３Ｖの満充電にして、図４のように正極リード端子が下側になるように設置し、６０℃、９０％環境下で２ヶ月間放置したところ、正極リード端子封止部でリークが発生した。
【００３０】
＜考察＞
実施例、比較例の組電池を６０℃、９０％環境下で２ヶ月間放置したところ、実施例では正極リード端子、負極リード端子共にリークは発生しなかった。一方、比較例では正極リード端子封止部でリークが発生した。これらの結果により、電池内において高電位にある正極リード端子を電解液が溜まる下側に設置すると、正極リード端子から金属イオンが溶出して表面劣化が生じ、リード／ラミネート外装体の剥離劣化が生じやすいことが確認された。一方、実施例では正極リード端子を上側にして設置したことでリークは発生せず、封止信頼性の向上が確認された。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、正極リード端子の劣化が緩和されるため、正極リード／外装体の剥離劣化が生じにくく、封止信頼性の優れた組電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る組電池の一実施形態を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明に用いる単電池の一例を示す模式的斜視図である。
【図３】図２の単電池の模式的断面図である。
【図４】本発明を適用しない場合の問題点を説明するための模式的斜視図である。
【符号の説明】
１・・・・組電池
２・・・・リード接続部
３・・・・発電体
４・・・・溶接部
５・・・・下部外装体
６・・・・上部外装体
１１・・・・正極リード端子
１２・・・・負極リード端子
１４・・・・電池本体
２１・・・・積層型ラミネート電池
２２・・・・凹部
２３・・・・集電箔

Claims

少なくとも極板が積層されてなる発電体にリード端子を設けた電池本体を、前記リード端子が外部と通電可能となるよう延出させて挟み込むようにしてフィルムで密封封止してなる積層型ラミネート電池を、前記積層方向に複数重ね合わせ、前記リード端子同士を接続してなる組電池において、正極リード端子が延出された辺を上側にして設置されていることを特徴とする組電池。
正極リード端子と負極リード端子が互いに対向する向きに引き出されている積層型ラミネート電池で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の組電池。