JP4747489B2

JP4747489B2 - 電池

Info

Publication number: JP4747489B2
Application number: JP2003375122A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　　勲; 岳人松原; 胸永　　訓良; 稔平田; 聖治根本; 下薗　　武司
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: JP2005141955A

Description

本発明は、発電要素をアルミラミネートシート等の外装体に収納した電池に関するものである。

携帯用電子機器等では、発電要素を収納する外装体にアルミラミネートシートを用いることにより薄型軽量化を図った電池が従来から使用されている。図４は、２枚のアルミラミネートシート１，２の間に発電要素３を収納した非水電解質二次電池における正極リード端子４又は負極リード端子５の引き出し部分の従来の構成例を示す。アルミラミネートシート１，２は、ナイロン樹脂等からなるベースフィルム層１１，２１とアルミニウム箔からなるバリア性金属層１２，２２と熱可塑性樹脂からなるシーラント層１３，２３をラミネート状に積層したフレキシブルなシートである。正極リード端子４は、短冊状のアルミニウム箔からなり、発電要素３の一方の端面に突出する正極のアルミニウム箔に基部が超音波溶接され、負極リード端子５は、短冊状の銅箔からなり、発電要素３の他方の端面に突出する負極の銅箔に基部が超音波溶接されている。そして、これらのリード端子４，５は、先端部が上下のアルミラミネートシート１，２の周縁部の間を通して外部に突出する。また、上下のアルミラミネートシート１，２の周縁部は、リード端子４，５を挟んだまま上下から押圧加熱されることにより、シーラント層１３，２３の熱可塑性樹脂が溶融して熱溶着されるので、熱溶着部１ｂ，２ｂを形成して内部を封止している。

ここで、アルミラミネートシート１，２のシーラント層１３，２３は、厚さＴ_ｓが０．０２５ｍｍ〜０．０３ｍｍ程度の熱可塑性樹脂の層からなる。また、このようなアルミラミネートシート１，２を外装体に用いた従来の非水電解質二次電池は比較的小容量のものが多かったので、リード端子４，５を流れる電流も比較的小さいものであり、これらのリード端子４，５のアルミニウム箔や銅箔の厚さＴ_ｔは、０．０７ｍｍ〜０．１ｍｍ程度のものを用いていた。そして、このように薄いリード端子４，５を用いる場合には、アルミラミネートシート１，２の熱溶着部１ｂ，２ｂも、これらのリード端子４，５を挟んだ部分でシート間が僅かに広がるだけなので、０．０２５ｍｍ〜０．０３ｍｍ程度の厚さＴ_ｓのシーラント層１３，２３でも十分に確実な封止を行うことができた。

ところが、最近では、非水電解質二次電池の容量等の増加に伴って、リード端子４，５に用いるアルミニウム箔や銅箔の厚さＴ_ｔを従来に比べて極めて厚いものにしたいという要請が強まっている。即ち、具体的には、リード端子４，５の厚さＴ_ｔを０．１５ｍｍよりも厚く０．５ｍｍよりも薄いものにしたいという要請がある。そして、このようにリード端子４，５を極めて厚くすると、従来と同様の０．０２５ｍｍ〜０．０３ｍｍ程度の厚さＴ_ｓの薄いシーラント層１３，２３を備えたアルミラミネートシート１，２を用いたのでは、このリード端子４，５を挟んだ熱溶着部１ｂ，２ｂの封止が不十分になったり、このリード端子４，５がバリア性金属層１２，２２に接触して短絡を生じる場合があるという問題が発生していた。

即ち、リード端子４，５の厚さＴ_ｔが従来よりも極めて厚い０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍになると、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓが従来のままの０．０２５ｍｍ〜０．０３ｍｍである場合に、これら上下のシーラント層１３，２３の各厚さＴ_ｓを合わせた全体の厚さ２Ｔ_ｓが、リード端子４，５の厚さＴ_ｔの１０％〜４０％となって、リード端子４，５の厚さＴ_ｔに比べシーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓが極めて薄いものとなる。しかも、アルミラミネートシート１，２の熱溶着部１ｂ，２ｂでは、極めて厚いリード端子４，５を挟んだ部分でシート間が上下に大きく広がるので、これらのリード端子４，５の側面にアルミラミネートシート１，２が十分に沿わなくなる。このため、シーラント層１３，２３が熱溶着により溶融しても、リード端子４，５の側面との隙間を十分に埋めることができず、僅かな隙間が残るおそれが生じる。また、リード端子４，５の厚さＴ_ｔが厚いと、熱溶着の際にアルミラミネートシート１，２に加えた熱が熱伝導性の良いこのリード端子４，５のアルミニウム箔や銅箔を通じて大量に放熱されるので、これらのリード端子４，５付近では熱量が不足してシーラント層１３，２３が十分に溶融せずにこのリード端子４，５との間が剥離し易くなる。さらに、リード端子４，５の厚さＴ_ｔが厚いと、これらのリード端子４，５の側端部で上下のアルミラミネートシート１，２が大きく湾曲するので、薄いシーラント層１３，２３の樹脂が熱溶着により溶融流動して別の場所に流れ出すことにより、バリア性金属層１２，２２が露出するようになり、リード端子４，５の側端部等が直接接触するおそれが生じる。特に、上記封止が不十分になるのを防止するために、熱溶着の際に大きな熱量を加えると、シーラント層１３，２３の樹脂が流出し易くなり、リード端子４，５とバリア性金属層１２，２２との接触が生じ易くなる。

なお、上下のアルミラミネートシート１，２のシーラント層１３，２３を合わせた厚さ２Ｔ_ｓをリード端子４，５の厚さＴ_ｔよりも厚くする提案が従来からなされている（例えば、特許文献１，２参照。）。例えば特許文献１に記載の発明では、リード端子４，５の厚さＴ_ｔを約１．０２６Ｔ_ｔ＜２Ｔ_ｓ＜１０Ｔ_ｔの関係を満たすように提案し、特許文献２に記載の発明では、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓを１．０Ｔ_ｔ＜２Ｔ_ｓの関係を満たすように提案している。

しかしながら、リード端子４，５の厚さＴ_ｔが上記のように０．１５ｍｍより厚い場合に、上下のシーラント層１３，２３を合わせた厚さ２Ｔ_ｓがこのリード端子４，５の厚さＴ_ｔを超えると、各シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓが極めて厚くなるので、上下のアルミラミネートシート１，２が重なり合った熱溶着部１ｂ，２ｂの端面に、これらのシーラント層１３，２３の端面が幅広く露出することになる。そして、この外部に露出する端面は、バリア性金属層１２，２２を介することなく、シーラント層１３，２３の樹脂だけを介してアルミラミネートシート１，２の内部に通じるので、この端面の層厚が厚くなるほどバリア性が低下することになる。特に非水電解質二次電池の場合には、内部に水分が浸入するとガスが発生するために、水分に対する確実なバリア性を要求される。従って、リード端子４，５の厚さＴ_ｔが０．１５ｍｍを超えるような場合には、特許文献１，２の発明を採用することができなかった。
特開平１１−３２９３９７号公報特開２０００−１７３５６０号公報

本発明は、リード端子が極めて厚い場合に、ラミネートシートの熱溶着による封止が不十分になったり、このリード端子がラミネートシートのバリア性金属層に接触して短絡を起こすおそれがあるという問題を解決しようとするものである。

請求項１の発明は、金属層の内側に熱可塑性樹脂層が形成されたラミネートシートからなる外装体に発電要素を収納し、外装体同士の接合部分からリード端子を引き出した電池において、リード端子の厚さＴｔが０．１５ｍｍ＜Ｔｔ＜０．５ｍｍの範囲内のものを用いると共に、前記熱可塑性樹脂層の厚さＴｓが０．８Ｔｔ＜２Ｔｓ＜１．０Ｔｔの関係を満たすことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ラミネートシートの熱可塑性樹脂層の厚さ２Ｔ_ｓがリード端子の厚さＴ_ｔの８０％を超える十分な厚さを有するので、厚さＴ_ｔが０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍの極めて厚いリード端子をラミネートシートで挟んで熱溶着しても、この熱可塑性樹脂層の樹脂が溶融してリード端子の側面等にも十分に回り込み確実に封止することができるようになる。しかも、この熱可塑性樹脂層は十分な厚さを有するので、熱溶着の溶融により層厚が薄くなりすぎてリード端子と金属層とが接触して短絡を起こすようなおそれもなくなる。さらに、この双方の熱可塑性樹脂層の厚さ２Ｔ_ｓは、リード端子の厚さＴ_ｔよりも薄くしているので、ラミネートシートの端面に露出する層厚が厚くなりすぎてバリア性が低下するようなこともなくなる。

以下、本発明の最良の実施形態について説明する。

本実施形態では、従来例と同様に、２枚のアルミラミネートシート１，２の間に発電要素３を収納した非水電解質二次電池について説明する。図１に示すように、この非水電解質二次電池の外装体として用いられるアルミラミネートシート１，２も、ベースフィルム層１１，２１とバリア性金属層（金属層）１２，２２とシーラント層（熱可塑性樹脂層）１３，２３をラミネート状に積層したフレキシブルなシートである。ベースフィルム層１１，２１は、非水電解質二次電池の外装体としてのアルミラミネートシート１，２の最外層を覆うことになるため、ナイロン樹脂やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の強度のある樹脂が用いられる。ただし、このベースフィルム層１１，２１は、シートの強度を確保することができるものであれば構成は任意であり、他の樹脂を用いたり樹脂以外のものを用いることができ、樹脂等を積層したものを用いることもできる。バリア性金属層１２，２２は、樹脂だけでは不十分な水分やガス等に対するバリア性を確実にするための金属層であり、アルミニウム箔を用いる他にアルミニウム蒸着膜等を用いることもできる。特に非水電解質二次電池では、内部に水分が浸入するとガスが発生するために、水分に対する確実なバリア性が要求され、非水電解質に対するバリア性も必要となる。シーラント層１３，２３は、ＰＰ（ポリプロピレン）やＰＥ（ポリエチレン）等の熱可塑性樹脂を用いることにより、これらを重ね合わせて熱溶着し封止できるようにした層である。ただし、本実施形態では、後に説明するように、このシーラント層１３，２３の厚さを従来のものよりも厚くしている。

上記２枚のアルミラミネートシート１，２は、図２及び図３に示すように、方形の同じ大きさのものをシーラント層１３，２３同士が接するように上下に重ねて用いる。また、これら２枚のアルミラミネートシート１，２は、間に収納する発電要素３の形状に合わせて、事前に中央の大部分に絞り加工によって内面側が凹状に窪んだ発電要素収納部１ａ，２ａが形成されている。即ち、上方のアルミラミネートシート１には、シーラント層１３のある下面から上方に向けて凹状となった発電要素収納部１ａが形成され、下方のアルミラミネートシート２には、シーラント層２３のある上面から下方に向けて凹状となった発電要素収納部２ａが形成されている。ただし、発電要素収納部１ａ，２ａを同じ形状にすれば、２枚のアルミラミネートシート１，２は共通部品とすることは可能である。なお、このような発電要素収納部１ａ，２ａは、上下のアルミラミネートシート１，２の片方にのみ形成してもよいし、発電要素３が十分に薄ければ、双方共にに形成しなくてもよい。

本実施形態の非水電解質二次電池の発電要素３は、正極と負極をセパレータを介して円筒形に巻回したものを側面から押し潰して扁平状の長円筒形に成形したものを用いている。正極は、帯状のアルミニウム箔の表面に正極活物質を塗布したものであり、負極は、帯状の銅箔の表面に負極活物質を塗布したものである。もっとも、これら正極と負極は、帯状の側縁部に活物質の未塗布部を設けておき、発電要素３として巻回したときに、巻回軸方向（前後方向）の前方側の端部に正極の未塗布部であるアルミニウム箔を突出させると共に、後方側の端部に負極の未塗布部である銅箔を突出させるようにしている。そして、この発電要素３の前方の端面に突出するアルミニウム箔には、正極リード端子４の後方の基部を超音波溶接すると共に、後方の端面に突出する銅箔には、負極リード端子５の前方の基部を超音波溶接している。正極リード端子４は、短冊状のアルミニウム箔等からなり、負極リード端子５は、短冊状の銅箔等からなる。従って、この発電要素３は、前方の端面からさらに前方に向けて正極リード端子４の先端部が突出すると共に、後方の端面からさらに後方に向けて負極リード端子５の先端部が突出することになる。

本実施形態では、図１に示すように、上記リード端子４，５のアルミニウム箔や銅箔の厚さを従来例のものよりも極めて厚くしている。即ち、これらのリード端子４，５の厚さＴ_ｔは、０．１５ｍｍより厚く０．５ｍｍより薄いものを用いる（０．１５ｍｍ＜Ｔ_ｔ＜０．５ｍｍ）。リード端子４，５をこのように厚くすると、断面積が広くなり電流容量を増加させることができるので、発電要素３から大きな電流を取り出すことが可能となる。一般に発電要素３の電池容量が大きくなると、充放電電流が大きくなることが多いので、このようにリード端子４，５を厚くして電流容量を増加させる必要が生じる。もっとも、発電要素３の容積や電池容量が同じでも、正極と負極の活物質を薄く塗布して巻回数を大きくし対向面積を増大させることにより大電流を取り出せるようにすることもあり、この場合にもリード端子４，５を厚くして電流容量を増加させる必要が生じる。また、このようにリード端子４，５を厚くすると、これらリード端子４，５の電気抵抗が減少するので、充放電電流の損失を低減して充放電効率を高めることもできる。さらに、リード端子４，５自体の機械強度も高まるので、電池が外部から振動や衝撃を受けて、これらのリード端子４，５に強い応力等が加わった場合にも、破損し難くすることができる。

本実施形態のアルミラミネートシート１，２は、上記の極めて厚いリード端子４，５に対応して、シーラント層１３，２３のそれぞれの厚さＴ_ｓをこれらのリード端子４，５の厚さＴ_ｔの４０％より厚く５０％より薄いものにしている。つまり、図１に示すように、リード端子４，５は、上下のアルミラミネートシート１，２のシーラント層１３，２３に挟まれた状態となるので、上方のアルミラミネートシート１のシーラント層１３の厚さＴ_ｓと下方のアルミラミネートシート２のシーラント層２３の厚さＴ_ｓとを加えた厚さ２Ｔ_ｓがリード端子４，５の厚さＴ_ｔの８０％より厚く１００％よりも薄いものにしている（０．８Ｔ_ｔ＜２Ｔ_ｓ＜１．０Ｔ_ｔ）。

発電要素３は、これら上下２枚のアルミラミネートシート１，２の間の発電要素収納部１ａ，２ａに嵌まり込んで収納される。従って、これら上下のアルミラミネートシート１，２は、図２及び図３に示すように、発電要素３を挟んだ状態で周縁部が重なり合うことになる。また、この発電要素３のリード端子４，５は、上下のアルミラミネートシート１，２の前方と後方の周縁部が重なり合った間から外部に引き出される。このようにしてアルミラミネートシート１，２を重ね合わせると、周縁部を上下から押圧しながら加熱する。すると、上下のシーラント層１３，２３同士が溶融して熱溶着されるので、これら２枚のアルミラミネートシート１，２の周縁部が全周にわたって熱溶着部１ｂ，２ｂとなって一体化し、発電要素３が収納された内部が封止される。しかも、前後の熱溶着部１ｂ，２ｂでは、２枚のアルミラミネートシート１，２の間にリード端子４，５を挟んだままシーラント層１３，２３が溶融するので、これらのリード端子４，５を内部から外部に引き出した状態で封止することができる。

なお、実際には、アルミラミネートシート１，２の周縁部の熱溶着部１ｂ，２ｂは、全周にわたって一度に熱溶着するのではなく、周縁部の一部だけ注液口として開口したまま残しておき、ここから非水電解液を注入する。そして、この注液口は、非水電解質二次電池の予備充電を行った後に熱溶着により封止される。また、リード端子４，５は、図２及び図３に示すように、この熱溶着時に金属と樹脂との界面を確実に馴染ませて封止するために、事前にアルミラミネートシート１，２に挟まれる部分に薄いタブフィルム６を熱溶着させている。これは、リード端子４，５の表面に予めこのタブフィルム６を十分に熱を加えて確実に熱溶着させておくことにより、アルミラミネートシート１，２の熱溶着条件ではリード端子４，５の金属とシーラント層１３，２３とが十分に馴染まないおそれが生じるのを防ぐためである。即ち、アルミラミネートシート１，２の熱溶着条件は、基本的には重なり合ったシーラント層１３，２３同士が確実に溶着されるような押圧力や温度（熱量）に設定されるので、間に熱伝導性の良いリード端子４，５が挟まると、金属面に十分に馴染むための温度が不足することがある。しかし、事前にタブフィルム６が金属面に十分に馴染んでいれば、シーラント層１３，２３がこのタブフィルム６に馴染んで溶着することは容易であるため、温度が不足するようなことはなくなる。このタブフィルム６の材質は、シーラント層１３，２３と同様の熱可塑性樹脂を用いる。ただし、このタブフィルム６は極めて薄いものであるため、図１や図４では断面図の表示を省略している。

上記熱溶着の結果、図１に示すように、リード端子４，５の短冊状のアルミニウム箔や銅箔の上下面に上下のアルミラミネートシート１，２のシーラント層１３，２３が溶融密着して封止される。また、これらのリード端子４，５の左右の側方は、上下のシーラント層１３，２３同士が重なり合って直接溶着されるので、この部分も確実に封止される。しかも、これらのシーラント層１３，２３は、それぞれの厚さＴ_ｓを加えた厚さ２Ｔ_ｓがリード端子４，５の厚さＴ_ｔの８０％よりも厚いので、溶融した樹脂がこれらのリード端子４，５の左右の側面にも十分に回り込んで、これらのリード端子４，５の側縁部も確実に封止することができる。さらに、これらのシーラント層１３，２３が十分な厚さを有していることにより、熱溶着の際に溶融して層厚が多少薄くなったとしても、リード端子４，５がバリア性金属層１２，２２に接触するようなおそれもなくなる。さらに、これらのシーラント層１３，２３は、両者を合わせた厚さ２Ｔ_ｓがリード端子４，５の厚さＴ_ｔよりは薄くなるようにしているので、熱溶着部１ｂ，２ｂの端面に露出するシーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓが厚くなりすぎてバリア性が低下するようなこともなくなる。なお、図１では、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓが、熱溶着部１ｂ，２ｂにおいても、他の部分と同じ厚さとなるように表されているが、実際には熱溶着によって溶融するのである程度薄くなっている。

なお、上記実施形態では、２枚のアルミラミネートシート１，２を重ね合わせる場合を示したが、例えば１枚のアルミラミネートシートを２つ折りにしたり、封筒のように両端部と中央部で重ね合わせるようにした間に発電要素を収納してもよく、予め袋状にしたアルミラミネートシートの中に発電要素を収納することもできる。そして、このようにアルミラミネートシートを周縁部以外の端部で重ね合わせて熱溶着する場合には、リード端子４，５を、この周縁部以外の端部の熱溶着部から引き出すようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、バリア性金属層１２，２２にアルミニウム箔やアルミニウム蒸着膜等を用いたアルミラミネートシートを用いる場合を示したが、バリア性を確保することができるラミネートシートであれば、このバリア性金属層１２，２２の金属材料は任意である。

また、上記実施形態では、長円筒形に成形した巻回型の発電要素３を示したが、この発電要素３の構成は任意であり、最初から長円筒形や楕円形に巻回したものを用いたり、積層型のものを用いることもでき、必ずしも扁平状のものでなくてもよい。さらに、上記実施形態では、この発電要素３の両方の端面からリード端子４，５を引き出す場合を示したが、片方の端面から正負両極のリード端子４，５を共に引き出すようにしてもよく、端面以外の部分、例えば電極の巻回終端部等から引き出すこともできる。

また、上記実施形態では、特に水分に対する確実なバリア性が要求される非水電解質二次電池について示したが、他の電池の場合にもガスや水分等に対する高いバリア性は要求されるので、この電池の種類は必ずしも限定されない。

上記実施形態の非水電解質二次電池において、リード端子４，５の厚さＴ_ｔを０．３ｍｍとし、アルミラミネートシート１，２のシーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓを０．１０５ｍｍ（０．７Ｔ_ｔ＝２Ｔ_ｓ）及び０．１６５ｍｍ（１．１Ｔ_ｔ＝２Ｔ_ｓ）とした２種類の比較例と、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓを０．１３５ｍｍ（０．９Ｔ_ｔ＝２Ｔ_ｓ）とした実施例とを比較した結果、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓを０．１０５ｍｍとした比較例では、このシーラント層１３，２３が薄いために封止が不完全になる場合があったり、リード端子４，５がバリア性金属層１２，２２に接触する場合が生じ、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓを０．１６５ｍｍとした比較例では、このバリア性金属層１２，２２が厚いために水分バリア性が低下しすぎる場合があったが、シーラント層１３，２３の厚さＴ_ｓを０．１３５ｍｍとした実施例では、十分な封止とバリア性が得られると共にリード端子４，５がバリア性金属層１２，２２に接触するようなことも生じなかった。

本発明の一実施形態を示すものであって、外装体にアルミラミネートシートを用いた非水電解質二次電池におけるリード端子の引き出し部分の部分拡大縦断面図である。本発明の一実施形態を示すものであって、外装体にアルミラミネートシートを用いた非水電解質二次電池における熱溶着部１の一部を開いた分解斜視図である。本発明の一実施形態を示すものであって、外装体にアルミラミネートシートを用いた非水電解質二次電池の斜視図である。従来例を示すものであって、外装体にアルミラミネートシートを用いた非水電解質二次電池におけるリード端子の引き出し部分の部分拡大縦断面図である。

符号の説明

１アルミラミネートシート
１２バリア性金属層
１３シーラント層
２アルミラミネートシート
２２バリア性金属層
２３シーラント層
３発電要素
４正極リード端子
５負極リード端子

Claims

金属層の内側に熱可塑性樹脂層が形成されたラミネートシートからなる外装体に発電要素を収納し、外装体同士の接合部分からリード端子を引き出した電池において、
リード端子の厚さＴｔ
０．１５ｍｍ＜Ｔｔ＜０．５ｍｍ
の範囲内のものを用いると共に、前記熱可塑性樹脂層の厚さＴｓが
０．８Ｔｔ＜２Ｔｓ＜１．０Ｔｔ
の関係を満たすことを特徴とする電池。