JP2013041786A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】振動や衝撃による電極素子の位置ずれを抑制し、且つ液密性の高い外装フィルムを提供する。
【解決手段】電池１０は、電極素子２０と、電極素子２０を収納する外装フィルム１２と、を備えている。電極素子２０は、互いに積層された複数の電極シート２１，２２と、電極シート２１，２２同士の間に配置されたセパレータ２３と、を含む。外装フィルム１２は、互いに対向して配された熱可塑性樹脂層を有し、互いに対向する樹脂層の外周部が熱溶着されて成る。複数のセパレータ２３のうちの少なくとも２つに、互いに積層された電極シート２１，２２から突出して外装フィルム１２の樹脂層と溶着されている突出部２４ａ〜２４ｈが形成されている。複数のセパレータ２３のうちの第１のセパレータの突出部２４ａと第２のセパレータの突出部２４ｂとが、互いに重ならないように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極シートとセパレータとが互いに積層された電極素子と、該電極素子を収納する外装フィルムとを備えた積層型の電池に関する。

近年、電力貯蔵用、電動アシスト自転車や自動車などに使用される電池は軽量かつ大容量のものが必要とされている。そのため、これらの用途には、外装フィルムによって電極素子や電解質等の電池要素が封入された扁平状の電池が採用されるようになってきている。電極素子は、正極合材が塗布された正極シート、と負極合材が塗布された負極シートと、セパレータと、を有する。電極素子としては、積層型のものと巻回型のものとがある。積層型の電極素子は、正極シートおよび負極シートが交互に繰り返し積層されて成る。セパレータは、正極シートと負極シートとの間に配置されており、負極シートと正極シートとを隔離する。巻回型の電極素子は、セパレータによって隔離された正極シートおよび負極シートが巻回されて成る。外装フィルムの内部で電極素子を密に配置できるため、積層型の電極素子の方が、単位体積あたりの容量が大きくなるという利点がある。

電極素子には、電池の外部端子となるリードの一端が接続されている。リードの他端は外装フィルムの外に引き出されている。外装フィルムは、リードとの接触部分と熱溶着されて、電極素子を外装フィルムの内部に液密に封入している。外装フィルムの熱溶着は、外装フィルムやリード等に予め設けられた熱可塑性樹脂等を溶かすことによって行われる。電極素子は実質的にこの樹脂等によって外装フィルム内に固定されることになる。しかしながら、外部からの振動を受けるとリードに大きな負荷がかかる。この負荷によってリードが破損したり切れたりすることがある。このリードの破損を防止するためにリードの厚みを大きくすると、外装フィルムの封止性（液密性）が低下したり、製造コストや重量が増大したりする。

特許文献１には、フィルム外装部材と、フィルム外装部材内に収納された電極群とを具備する非水電解質電池が開示されている。電極群は、正極、負極及びセパレータを含む。セパレータは電極群から張り出しており、セパレータの張り出し部が外装部材の内面に固定されている。これにより、振動や落下等により外部から衝撃が加わったとしても、外装部材内の電極群の位置ずれを防止できる。その結果、電池の電圧低下や内部抵抗の増加を抑制することができるとされている。

特許文献１に記載の発明の目的とは異なるが、セパレータを含む電極素子が外装フィルムまたは外装ケースに封止された電池が、特許文献２〜４に記載されている。

特開２００７−０８７６５２号公報 特許２００７−３１１３２３号公報 特開平１１−２５０８７３号公報 特開２０００−２７７０６２号公報

引用文献１では、電極素子を構成するセパレータの張り出し部が外装部材に溶着されており、外装部材内の電極群の位置ずれを防止できる。しかし、多数のセパレータを含む電極素子の場合、互いに溶着された部分のセパレータの総厚みが大きくなりすぎることがある。このように厚みが大きい部分を外装フィルムに熱溶着しつつ当該外装フィルムを液密に封止する場合、外装フィルムの液密性が低下する可能性がある。

本発明の目的は、振動や衝撃による電極素子の位置ずれを抑制することができ、液密性の高い外装フィルムを備えた電池を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明の一態様における電池は、電極素子と、電極素子を収納する外装フィルムと、を備えている。電極素子は、互いに積層された複数の電極シートと、電極シート同士の間に配置されたセパレータと、を含む。外装フィルムは、互いに対向して配された熱可塑性樹脂層を有し、互いに対向する樹脂層の外周部が熱溶着されて成る。複数のセパレータのうちの少なくとも２つに、互いに積層された電極シートから突出して外装フィルムの樹脂層と溶着されている突出部が形成されている。複数のセパレータのうちの第１のセパレータの突出部と第２のセパレータの突出部とが、互いに重ならないように配置されている。

本発明によれば、振動や衝撃による電極素子の位置ずれを抑制することができ、且つ液密性の高い外装フィルムを提供することができる。

一実施形態における電池の概略斜視図である。 一実施形態における電池の概略平面図である。 外装フィルムの内部の電極素子の、図２に示す３Ａ−３Ａ線に沿った模式的断面図である。 実施例１における電極素子の概略平面図である。 外装フィルムに覆われた電極素子の外周部付近の構造を示す概略断面図である。 実施例２における電極素子の概略平面図である。 実施例３における電極素子の概略平面図である。 実施例３における電極素子の、図７に示す８Ａ−８Ａ線に沿った模式的断面図である。 実施例４における電極素子の概略平面図である。 実施例５における電極素子の概略平面図である。

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。本発明は、例えばリチウムイオン二次電池のような電池全般に適用できる。本発明は、電極シートやセパレータが積層されて成る積層型の電極素子を備えた電池において特に有効である。

図１は本発明の一実施形態における電池の概略斜視図であり、図２は電池の概略平面図である。電池１０は、電極素子２０と、電極素子２０を収納する外装フィルム１２とを備えている。電極端子として用いられるリード１８ａ，１８ｂは、電極素子２０に接続されている。リード１８ａ，１８ｂは、電極素子２０から、上下の熱可塑性樹脂に挟まれて、外部に引き出されている。なお、図２では、外装フィルム１２に覆われているリード１８ａ，１８ｂの一部および電極素子２０は、点線によって示されている。

外装フィルム１２は、一例として、外周部が互いに溶着された一組のフィルムから構成される。外装フィルム１２は、内部に封入される電解液が漏れないように液密に封止される。外装フィルム１２を構成する各々のフィルムは、アルミラミネートフィルムを用いることができる。アルミラミネートフィルムの一例として、ナイロンやポリイミド等の樹脂層と、アルミニウム層と、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂層とからなる三層構造のフィルムがある。ポリプロピレンは、３０〜１００μｍ程度の厚みを有する。一組のフィルムの熱可塑性樹脂層同士が互いに熱溶着されることで、外装フィルム１２が構成される。

別の例として、外装フィルム１２は、一面に樹脂層が形成された１つのフィルムを２つ折りにした形態であっても良い。外装フィルム１２は、互いに対向する樹脂層の外周部が溶着されて成る形態であれば、どのようなものでも良い。

図３は、図２の３Ａ−３Ａ線に沿った電極素子２０の模式的断面図である。電極素子２０は、電極シート２１，２２とセパレータ２３とを含んでいる。電極素子２０としては、集電体としての金属箔に正極合材が塗布されて成る正極シート２１と、集電体としての金属箔に負極合材が塗布されて成る負極シート２２とがある。一方のリード１８ｂは正極シート２１に接続されており、他方のリード１８ａは負極シート２２に接続されている。

正極シート２１を構成する集電体としては、アルミニウム箔を用いることができる。このアルミニウム箔の両面に正極合材が塗布されている。正極合材は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムもしくはマンガン酸リチウム、又はこれらを組み合わせた活物質を含むことが好ましい。また、必要に応じて、正極合材は結着剤等を含んでいても良い。負極シート２２を構成する集電体としては銅箔を用いることができる。この銅箔の両面に負極合材が塗布されている。負極合材としては、リチウムイオンを吸蔵可能および放出可能なカーボンや黒鉛等の炭素材料、Ｆｅ、Ｓｉ、ＳｎもしくはＴｉなどの金属、またはこれらの金属を含む合金や酸化物等の化合物、を用いることができる。負極合材は、これらの炭素材料、金属および化合物などの組み合わせであってもよい。正極合材および負極合材は、導電性を高めるために導電補助剤を含んでいてもよく、その他の添加剤を含んでいても良い。正極合材および負極合材は、これらの例に限定されず、電池として機能する限り任意の材料の組み合わせであって良い。

正極シート２１と負極シート２２とは、セパレータ２３を介して交互に配置されている。セパレータ２３は、正極シート２１と負極シート２２とを絶縁している。セパレータ２３は、例えば、非水電解質を保持するポリマーシートからなる。セパレータ２３は微小な空隙を有しており、空隙内に電解質が含浸されている。セパレータ２３は、単層のポリプロピレンやポリエチレン、またはポリプロピレン層とポリエチレン層を重ねたものを用いることができる。セパレータ２３は、外装フィルム１２を構成する熱可塑性樹脂の融点以下の融点を持つ材料であることが好ましい。セパレータ２３は、１５〜３０μｍの厚みを有することが好ましい。

図４は、実施例１における電極素子２０の概略平面図である。図５は、図４の５Ａ−５Ａ線に沿った面に相当する電池の断面図である。実施例１では、電極素子２０の、リード１８ａ，１８ｂが接続されている一辺（以下、端子辺と呼ぶ。）２５ａと反対側の辺２５ｂにおいて、セパレータ２３に突出部２４ａ〜２４ｈが形成されている。各セパレータ２３には、１つの突出部２４ａ〜２４ｈが形成されている。つまり、各々の突出部２４ａ〜２４ｈは、異なるセパレータ２３に形成されている。これらの突出部２４ａ〜２４ｈは、外装フィルム１２の外周部で、外装フィルム１２とともに熱溶着されている。これにより、電極素子２０およびセパレータ２３が、外装フィルム１２によって封止されている。セパレータ２３の突出部２４ａ〜２４ｈと外装フィルム１２との溶着は、外装フィルム１２を構成する樹脂層同士の溶着と同時に行うことが好ましい。

突出部２４ａ〜２４ｈは、互いに重ならない位置に配置されている。突出部２４ａ〜２４ｈは、外装フィルム１２の樹脂層同士が互いに溶着された部分ＷＦの内側の部分ＷＳで、当該樹脂層に挟持され、当該樹脂層と溶着されている。以下では、この外装フィルム１２と突出部２４ａ〜２４ｈとが互いに溶着されている部分ＷＳを、溶着部と呼ぶ。セパレータ２３は突出部２４ａ〜２４ｈによって外装フィルム１２と溶着されているため、振動および衝撃が与えられても、電極素子２０は外装フィルム１２の内部で大きく移動することがない。その結果、電極素子２０の位置ずれが抑制され、内部短絡を防止することができる。

各々のセパレータ２３から引き出された突出部２４ａ〜２４ｈは、重ならないように配置されている。したがって、全てのセパレータ２３の突出部を重ねた状態で外装フィルム１２に融着する場合と比較すると、溶着部ＷＳにおける突出部２４ｄを挟んで互いに対向する外装フィルム１２間の距離Ｄが小さくなる。これにより、外装フィルム１２とセパレータ２３の突出部とを確実に溶着することができ、外装フィルムの液密性を向上させることができる。

外装フィルム１２の外周部の封止部は、突出部２４ａ〜２４ｈとの溶着部ＷＳと、樹脂層同士の溶着部ＷＦと、両溶着部ＷＳ，ＷＦ同士の間に位置する移行部αと、を含む。以下、図５に示すように、両溶着部ＷＳ，ＷＦと移行部αとの合計の幅を封止幅と呼ぶ。突出部２４ｄを挟んで互いに対向する外装フィルム１２間の距離Ｄが大きくなると、突出部２４と外装フィルム１２とを確実に溶着するため、移行部αおよび溶着部ＷＳを広くする必要がある。その結果、電池１０の外形が大きくなる。一方で、溶着部ＷＳや移行部αを大きくしなければ、外装フィルムの液密性が低下する可能性がある。

本実施形態の電池１０では、複数のセパレータ２３から引き出された突出部２４ａ〜２４ｈが互いに重ならない位置に配置されている。そのため、外装フィルム１２の溶着部ＷＳの幅や移行部αの幅が小さくても、外装フィルム１２の液密性を確保することができる。したがって、外装フィルム１２同士および外装フィルム１２とセパレータ２３との密着性を保ったまま電池１０の外形の増大を抑制することも出来る。

電池１０のエネルギー密度には、体積エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）と重量エネルギー密度（Ｗｈ／Ｋｇ）とがある。電池１０のエネルギー量Ｗｈは、電極素子２０の材料の使用量によって決まる。電池１０の体積Ｌは、外装フィルム１２を含む電池のサイズによって決まる。本実施形態の電池１０では、電池１０の体積の増大を抑制することができるため、電池１０の体積エネルギー密度の低下を抑制することができる。また、電池１０の体積の増大に起因する重量の増大も抑制できるため、電池１０の重量エネルギー密度の低下も抑制することができる。

複数のセパレータ２３のうち、電極素子２０の積層方向Ｔの両端を除いたセパレータ２３のうちの一部または全部に突出部２４ａ〜２４ｈが形成されていても良い。突出部２４ａ〜２４ｈは互いに重ならない位置で外装フィルム１２と溶着されていることが好ましい。突出部２４ａ〜２４ｈは、必ずしも全てのセパレータ２３に形成されている必要は無い。少なくとも２つのセパレータのみに突出部が形成されていても良い。一部のセパレータのみに突出部を設けることで、電極素子２０を構成するセパレータ２３の枚数が多くなっても、溶着部ＷＳの厚みを小さくすることができる。その結果、溶着部ＷＳおよびＷＦの幅を小さくすることができ、結果的に電池の体積を小さくして、エネルギー密度の低下を抑制できる。

また、電極素子２０に含まれる全てのセパレータ２３が、突出部２４ａ〜２４ｈによって外装フィルム１２と溶着されていても良い。全てのセパレータ２３が外装フィルム１２に固定されている場合、外部から衝撃が加わった際に、正極シート２１および負極シート２２に接続されている全てのリード１８ａ，１８ｂへの負荷を低減することができる。

図４に示す実施例１では、セパレータ２３の突出部２４ａ〜２４ｈは、電極素子２０の端子辺２５ａとは反対側に位置している。これに限らず、セパレータ２３の突出部２４ａ〜２４ｈは、端子辺２５ａ以外の１つまたは複数の辺に位置していても良い（図６〜図１０も参照）。セパレータ２３の突出部２４ａ〜２４ｈは、電極素子２０の端子辺２５ａ以外の辺に配置されていることが好ましい。

各々の突出部２４ａ〜２４ｈは互いに重ならないように配置されていることが好ましい。これに代えて、外装フィルム１２の液密性が阻害されない範囲で、突出部２４ａ〜２４ｈを重ねることもできる。具体的には、突出部２４ａ〜２４ｈを挟んで互いに対向する外装フィルム１２の樹脂層同士の間の距離Ｄが、突出部２４ａ〜２４ｈによって外装フィルム１２と溶着されているセパレータ２３の厚みの２倍以下であることが好ましい。より具体的に、当該距離Ｄが６０μｍ以下であることが好ましい。このため、突出部２４ａ〜２４ｈは３つ以上重ならないように配置されることが好ましい。突出部２４ａ〜２４ｈの重なりを２以下にすると、セパレータ２３が突出部２４ａ〜２４ｈによって直接外装フィルム１２の樹脂層に固定される。これにより、エネルギー密度の低下を抑制し、外装フィルムの液密性を向上させることもできる。

次に、いくつかの実施例に係る電池、および比較例の電池に対して、振動及び衝撃試験を行った結果について説明する。この試験では、外装フィルム１２内で電極素子２０が動いた距離を測定した。まず、各々の実施例および比較例の電池について説明をする。

（実施例１）
図４に実施例１における電極素子２０の概略平面図を示す。正極シート８枚、負極シート９枚を、セパレータを介してそれぞれ積層した電極素子を準備した。セパレータ２３は１６枚であった。電池１０を収納した外装フィルム１２の大きさは、縦１５０ｍｍおよび横８０ｍｍとした。幅８ｍｍの突出部２４ａ〜２４ｈを、１層おきのセパレータ２３に１箇所ずつ設けた。それぞれの突出部２４ａ〜２４ｈが重ならないように配置されている。また、突出部２４ａ〜２４ｈは、電極素子２０の端子辺２５ａと反対側の辺に設けられている。これらの突出部２４は、外装フィルム１２に溶着されている。

（実施例２）
実施例２では、図６に示すように、セパレータ２３の突出部２４が、電極素子２０の、端子辺２５ａに直交する２辺のうちの一方の辺から突出している。突出部２４は、各々のセパレータ２３に１箇所ずつ形成されている。突出部２４の、電極素子の端子辺２５ａと直交する方向の長さを８ｍｍとした。なお、正極シート、負極シート２２およびセパレータ２３の枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（実施例３）
実施例３では、図７に示すように、電極素子２０の、端子辺２５ａに直交する２辺のうちの他方の辺に突出部２４を形成している。突出部２４は、各々のセパレータ２３に１箇所ずつ形成されている。ただし、図８に示すように、それぞれの突出部２４は２枚ずつ重なって配置されている。突出部２４の、電極素子２０の端子辺２５ａと直交する方向の長さは１６ｍｍとした。なお、セパレータ２３の枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（実施例４）
実施例４では、図９に示すように、セパレータ２３に形成された突出部２４は、電極素子２０の、端子辺２５ａとは異なる２辺に配置されている。突出部２４は、各々のセパレータ２３に１箇所ずつ形成されている。端子辺２５ａとは反対側の辺に、幅１４ｍｍの突出部２４が５箇所配置されている。別の辺に幅１２ｍｍの突出部２４が１１箇所配置されている。セパレータ２３の枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（実施例５）
実施例５では、図１０に示すように、電極素子２０の、端子辺２５ａ以外の３辺に、それぞれ突出部２４が配置されている。突出部２４は、各々のセパレータ２３に１箇所ずつ形成されている。端子辺２５ａとは反対側の辺に、幅１７．５ｍｍの４つの突出部２４が配置されている。残りの２辺には、幅２２．５ｍｍの突出部２４がそれぞれ６箇所配置されている。なお、セパレータ２３の枚数や電池の大きさは、実施例１と同じである。

（比較例１）
比較例１では、どのセパレータにも突出部が形成されておらず、セパレータと外装フィルムとは溶着されていない。その他の構成は、実施例１と同じである。

（比較例２）
比較例２では、電極素子を構成する全てのセパレータに、電極素子の端子辺とは反対側の一辺から突出した突出部が形成されている。これらの突出部は、全て重ね合わせられている。全てのセパレータが突出部によって外装フィルムと溶着されている。その他の構成は、実施例１と同じである。

上記実施例および比較例の電池に対して、以下の手順で、振動及び衝撃試験を行った。

［手順１］
各々の電池を満充電状態にする。

［手順２］
外装フィルムの、電極素子の端部位置、より具体的にはエンボス加工の立ち上がり部分に相当する箇所に、ペンによって目印をつける。

［手順３］
電池を、温度が２０±５℃、気圧が１１．６ｋＰａ以下の雰囲気中に６時間以上置く。

［手順４］
続いて、電池に熱衝撃を加える。電池を、最低６時間以上７５±２℃に維持し、続いて最低６時間以上４０±２℃に維持する。温度変化のインターバルは３０分以内である。この温度の変化を合計１０回繰り返す。

［手順５］
振動が電池に確実に伝わるように、電池を振動装置の振動台に固定する。振動は正弦波形の対数掃引とし、振動数を７Ｈｚから２００Ｈｚに代えてさらに７Ｈｚに戻す。これを１５分間持続させる。電池に対して互いに垂直な３方向について、この振動を１２回ずつ行う。

［手順６］
電池を完全に放電した状態にする。

［手順７］
堅牢な固定ジグによって電池を衝撃装置に固定し、ピーク加速度１５０ｇｎ、パルス持続時間６ミリ秒の正弦半波衝撃を電池に加える。互いに垂直な３方向について、正方向および負方向に３回ずつ電池に衝撃を加える。

［手順８］
手順２で付けた目印からの、電極素子の位置ズレをスケールで測定する。

表１は、実施例１〜５及び比較例の電池に対する上記の試験の結果を示している。

セパレータ２３ｂと外装フィルム１２とが溶着された箇所が１辺以上あれば、電極素子２０の位置ズレ量は、比較例１と比較して非常に小さいことが明らかとなった。したがって、本実施例の電池では、振動及び衝撃への耐性が向上していることがわかる。

比較例２の電池のように、全層のセパレータが外装フィルムと熱溶着されている場合、外装フィルムの封止幅が８ｍｍ程度必要となる。その結果、上述したように、電池のエネルギー密度が低下することがわかった。これに対し、本実施例の電池では、一部のセパレータ２３ｂのみが外装フィルム１２と溶着されているため、封止幅の増大を抑制できる。その結果、電池のエネルギー密度の低下を抑制できる。

以上、本発明の望ましい実施形態および実施例について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

１０ 電池
１２ 外装フィルム
１８ａ リード
１８ｂ リード
２０ 電極素子
２１ 正極シート
２２ 負極シート
２３ セパレータ
２４，２４ａ〜２４ｈ セパレータの突出部

Claims (7)

1. 互いに積層された複数の電極シートと、該電極シート同士の間に配置されたセパレータと、を含む電極素子と、
   前記電極素子を収納する外装フィルムであって、互いに対向して配された熱可塑性樹脂層を有し、互いに対向する前記樹脂層の外周部が熱溶着されて成る外装フィルムと、を備えた電池であって、
   複数の前記セパレータのうちの少なくとも２つに、互いに積層された前記電極シートから突出して前記外装フィルムの前記樹脂層と溶着されている突出部が形成されており、
   複数のセパレータのうちの第１のセパレータの前記突出部と第２のセパレータの前記突出部とが、互いに重ならないように配置されている、電池。
2. 複数の前記セパレータのうちの少なくとも３つに前記突出部が形成されており、
   前記第１及び第２のセパレータとは別の第３のセパレータに形成された前記突出部が、前記第１のセパレータに形成された前記突出部と重なるように配されている、請求項１に記載の電池。
3. 複数の前記セパレータの全てに前記突出部が形成されており、
   複数の前記突出部は、３つ以上重ならないように配置されている、請求項１に記載の電池。
4. 前記突出部を挟んで互いに対向する前記樹脂層の間の距離は、前記突出部によって前記外装フィルムと溶着されている前記セパレータの厚みの２倍以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電池。
5. 各々の前記電極シートから前記外装フィルムの外部に引き出されたリードが設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電池。
6. 前記突出部は、前記リードが形成されている前記電極シートの一辺とは異なる側に形成されている、請求項５に記載の電池。
7. 前記突出部が形成されている前記セパレータの融点は、前記樹脂層の融点よりも低い、請求項１から６のいずれか１項に記載の電池。

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