JP4776336B2

JP4776336B2 - フィルム状外装体を備えた電池

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Publication number: JP4776336B2
Application number: JP2005312912A
Authority: JP
Inventors: 和博奥田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: US20070099076A1; US7704636B2; JP2007123021A; CN1956241A; CN1956241B

Description

本発明は電池ケースとしてラミネートフィルム等のフィルム状外装体を用いた電池に関する。

携帯電話やＰＤＡなどのモバイル型電子機器への小型化の要求に伴い、その電源に用いられる電池には、より一層の薄型化および軽量化が要求されている。

この要求に応えるべく、アルミニウム等の金属箔と樹脂とが積層されたラミネートフィルムを用いてなるフィルム状外装体を電池ケースとし、このケース内に扁平形状の電極体を収納した軽量薄型電池が、特許文献１に提案されている。

特開平11-224652号公報

このラミネートフィルムは、図５に示すように、金属層と樹脂層とが積層された構造であり、図９に示すように、電極収容凹部を有するラミネートフィルムと、平板状のラミネートフィルムとが、４方側端（４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ）を熱圧着等により封止されている。

上記技術によると、電極体を収容する電極収容凹部を予め形成することにより、電極収容凹部と電極体との間に無駄な空間が存在しないように構成できるため、よりコンパクトな電池を実現できるとされる。

近年では、電池の更なる小型化の要求が高まっており、電池外装体内に収容された扁平電極体と、封止部との距離を小さくすることによりデッドスペースを減少させることがなされている。しかし、この方法によると、扁平電極体を外装体内に挿入する際などに扁平電極体が傾いた場合には、図８に示すように、サイド封止部（４ｂ・４ｃ）において、扁平電極体１をかみこんだ状態でプレスされてしまう。このため、この方法には、電極体１の最外周に配置された電極板とラミネートフィルムの金属層１００とがショートし（図８中の○で囲んだ部分）、金属層１００が極性を帯び、これにより金属層１００が腐食して、封止性能が低下してしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するものであり、良好な封止性能を備え、且つ電極体のかみこみを防止し得たフィルム状外装体を用いた電池を提供することを目的とする。

本発明者らが検討したところ、扁平電極体のかみこみは、扁平電極体の側辺Ｒ部の上端又は下端（電極体の四隅）で顕著に生じることが判った。そして、電極体のこの部分のかみこみを防止する手段を講ずることによりこの問題が解決できることを知った。本発明はこの知見に基づいて完成された。

上記課題を解決するための本発明は、セパレータを介して対向した第１電極と第２電極とが、２つの扁平側面Ｒ部を有する扁平形に捲回されてなる扁平電極体を、金属層と樹脂層とが積層されたフィルムからなる外装体内に収納した電池であって、前記第１電極は前記扁平電極体の最外周に捲回されており、前記扁平電極体の最外周に位置する前記第１電極の２つの扁平側辺Ｒ部の上端及び下端全てにおいて、前記第１電極の一部が切り欠かれ、その１周内側に捲回されているセパレータが露出したセパレータ露出部が形成されていることを特徴とする。

上記構成によると、図４（ａ）の丸で囲んだ部分に示すように、最も電極体のかみこみが起こりやすい部分である扁平電極体１の四隅である２つの扁平側辺Ｒ部の上端及び下端全てにおいて、最外周に配置された第１電極９の一部が切り欠かれており、セパレータ１１が露出したセパレータ露出部１１ａが形成されている。このため、この部分をかみこんで熱溶着されても、第１電極ではなくセパレータ露出部１１ａがかみこまれ、セパレータ１１と内面樹脂層１０２とが溶着して封止される。よって、第１電極９と外装体の金属層１００とが接触することがない。

セパレータ露出部１１が電極体の２つの扁平側面Ｒ部の上端及び下端のいずれか一つに形成されていても、ある程度扁平電極体１の第１電極のかみこみを防止できるが、図４（ａ）に示すようにセパレータ露出部１１ａが扁平電極体１の２つの扁平側面Ｒ部の上端及び下端全ての近傍に形成されている構成とすると、第１電極９のサイド封止部４ａ・４ｂへのかみこみをより確実に防止できる。

また、上記構成において、前記セパレータ露出部の幅ａが１．０ｍｍ以上且つ前記電極体厚みＬ１の１００％以下であり、前記セパレータ露出部の高さｂが１．０ｍｍ以上且つ前記第１電極幅Ｌ２の２０％以下である構成とすることができる。

図４（ｂ）に示すように、セパレータ露出部１１ａの幅ａが１．０ｍｍ未満であると、第１電極９のかみこみを十分に防止できないおそれがある。他方、電極体１の厚みＬ１の１００％より大きくすると、第１電極９の活物質量が減少して電池容量を低下させるとともに、第１電極９の強度が低下して、第１電極９が破断してしまうおそれがある。
また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、セパレータ露出部１１の高さｂが１．０ｍｍ未満であると、十分に第１電極９のかみこみを防止できないおそれがあり、第１電極９の高さＬ２の２０％より大きくすると、第１電極９の活物質量が減少して電池容量を低下させるとともに、第１電極９の強度が低下して、第１電極９が破断してしまうおそれがある。よって、上記範囲に規制することが好ましい。

本発明の構成によると、扁平電極体の扁平側辺Ｒ部における第１電極の封止部へのかみこみを確実に防止でき、体積エネルギー密度が高く、十分な封止性能を備えた電池を提供できる。

（実施の形態）
以下に、本発明電池をリチウムイオン二次電池に適用した場合について、図面を用いながら説明する。
図１に示すように、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、フィルム状外装体の一例であるアルミニウムラミネート材を用いたアルミニウムラミネート外装体３を有している。このアルミニウムラミネート外装体３は、図１に示すように、フィルムが折り返されてなる底部と、電極タブが突出した状態で開口部を封止するタブ突出封止部４ａと、サイド封止部４ｂ・４ｃとを有する構造である。そして、前記底部と３方の封止部４ａ・４ｂ・４ｃで囲まれた本体部分の内側に収納空間２が形成されており（図２参照）、この収納空間２内に、扁平形電極体１と、非水電解液が収納されている。

また、図３に示すように、扁平電極体１は、第１電極（正極）９が扁平電極体の最外周に捲回されており、２つの扁平側辺Ｒ部を有している。また、図４に示すように、２つの扁平側辺Ｒ部の上下端部において正極９の一部が切り欠かれ、正極の一周内周側に位置するセパレータ１１が露出したセパレータ露出部１１ａを有している。

次に、外装体３の構成材であるアルミニウムラミネート材について説明する。アルミニウムラミネート材は、図５の断面図に示すように、アルミニウムから成る厚さ３５μｍの金属層１００の一方の面に、厚さ１５μｍのナイロン層１０１（電池外方に存在する層）が配され、この金属層１００の他方の面に厚さ２５μｍのポリプロピレン層１０２（電池内方に存在する層）が配された構造をしている。そして、金属層１００とナイロン層１０１とは、厚さ５μｍのドライラミネート接着剤層１０３により接着され、他方、金属層１００とポリプロピレン層１０２とは、ポリプロピレンにカルボキシル基が付加された厚さ５μｍのカルボン酸変性ポリプロピレン層１０４によって接着された構造である。
なお、本発明の適用はこの構造のアルミニウムラミネート材を用いた外装体に限定されるものではない。

上記構造のリチウムイオン二次電池の作製方法について説明する。

＜正極の作製＞
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）からなる正極活物質と、アセチレンブラックまたはグラファイト等の炭素系導電剤と、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる結着剤とを、質量比９０：５：５の割合で量り採り、これらをＮ−メチル−２−ピロリドンからなる有機溶剤等に溶解させた後、混合し、正極活物質スラリーを調製した。

次に、ダイコーターまたはドクターブレード等を用いて、幅（芯体の短手方向の長さ）が２８．５ｍｍ、長さ（芯体の長手方向の長さ）が７２５ｍｍのアルミニウム箔からなる正極芯体の両面に、この正極活物質スラリーを均一な厚みで塗布した。

この極板を乾燥機内に通して上記有機溶剤を除去し、塗布質量が４５０ｇ／ｍ²の乾燥極板を作製した。この乾燥極板を、ロールプレス機を用いて、その厚みが０．１６ｍｍとなるように圧延した。

本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる正極活物質としては、上記コバルト酸リチウム以外にも、例えばニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、鉄酸リチウム（ＬｉＦｅＯ₂）、またはこれらの酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換した酸化物等のリチウム含有遷移金属複合酸化物を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。

＜負極の作製＞
体積平均粒径２０μｍの人造黒鉛からなる負極活物質と、スチレンブタジエンゴムからなる結着剤と、カルボキシメチルセルロースからなる増粘剤とを、質量比９８：１：１の割合で量り採り、これらを適量の水と混合し、負極活物質スラリーを調製した。

次に、ダイコーターまたはドクターブレード等を用いて、幅（芯体の短手方向の長さ）が３０．０ｍｍ、長さ（芯体の長手方向の長さ）が７１５ｍｍの銅箔からなる負極芯体の両面に、この負極活物質スラリーを均一な厚さで塗布した。

この極板を乾燥機内に通して水分を除去し、塗布質量が２００ｇ／ｍ²の乾燥極板を作製した。その後、この乾燥極板を、ロールプレス機によりその厚みが０．１４ｍｍとなるように圧延した。

本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池で用いる負極材料としては、例えば天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、あるいはこれらの焼成体等の炭素質物、または前記炭素質物と、リチウム、リチウム合金、およびリチウムを吸蔵・放出できる金属酸化物からなる群から選ばれる１種以上との混合物を用いることができる。

＜電極体の作製＞
上記正極９をアルミニウムから成る正極集電タブ７に、上記負極１０をニッケルから成る負極集電タブ８にそれぞれ接続した。集電タブ７・８の幅は３．０ｍｍであり、厚みは０．１０ｍｍである。また、それぞれの集電タブ７・８とタブ突出封止部４ａとが重なる部分には、変性ポリプロピレン−高融点樹脂−変性ポリプロピレンの３層構造からなるのタブフィルム５・６を設けた。このタブフィルムは、集電タブ７・８とアルミラミネート材を確実に溶着させるため、また、集電タブ７・８とラミネート層の金属層１００とが、ラミネートフィルムの断面において接触することを防止するためのものである。この正極９と負極１０とオレフィン系樹脂からなる微多孔膜のセパレータ１１とを、巻き取り機により捲回し、巻き止めテープ１２を取り付け、図３に示す扁平電極体１を作製した。この後、図４に示すように、電極体１の最外周に捲回されている正極９の２つの扁平側辺Ｒ部の上下端部を切り取り、セパレータ露出部１１ａを形成し、扁平電極体１を完成させた。

ここで、セパレータ露出部１１ａの幅ａは３.４ｍｍ、高さｂは５ｍｍとした。ここで、電極体１の厚みＬ１は３．４ｍｍであり、正極９の幅Ｌ２は２８.５ｍｍである。よって、ａ／Ｌ１は１．０（１００％）であり、ｂ／Ｌ２は０.１７５（１７.５％）である。
なお、タブフィルムやセパレータの材質は上記材質に特に限定されるものではないことは勿論である。

＜電解液の作製＞
エチレンカーボネート（ＥＣ）とプロピレンカーボネート（ＰＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比１：１：８の割合（１気圧、２５℃と換算した場合における）で混合した非水溶媒に、電解質塩としてのＬｉＰＦ₆を１．０Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解したものを電解液とした。

但し、非水溶媒は、上記の組み合わせに限定されるものではなく、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のリチウム塩の溶解度が高い高誘電率溶媒と、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、アニソール、１，４−ジオキサン、４−メチル−２−ペンタノン、シクロヘキサノン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ジメチルホルムアミド、スルホラン、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチル等の低粘性溶媒とを混合させて用いることができる。さらに、前記高誘電率溶媒や低粘性溶媒をそれぞれ二種以上の混合溶媒とすることもできる。また、電解質塩としては、上記ＬｉＰＦ₆以外にも、例えばＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＣｌＯ₄またはＬｉＢＦ₄等を単独で、あるいは２種以上混合して用いることができる。

＜電池の作製＞
予めラミネートフィルムを図６に示すようにカップ状（凹形状）に成型して収納空間２を形成し、上記扁平形電極体１を挿入した。この後、フィルムを折り返して底部を形成し、底部と交わる両側辺を、図６に示すように、カップ壁面より１．１ｍｍの部分を、直方体形状の金型を用いて２００℃、３．０秒熱溶着し、サイド封止部４ｂ・４ｃを形成した。ここで、封止部４ｂ・４ｃの厚みは、０．１４ｍｍ（±０．０１５ｍｍ）となるようにした。この後、タブ７・８が突出した開口部から上記電解液を注入した。この後、開口部を封止してタブ突出封止部４ａを形成し、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池を完成させた。
なお、タブ突出封止部４ａの形成の際、集電タブ７・８と、外装体の金属層とが短絡しないように、集電タブとラミネートフィルムが溶着される位置に、幅５．５ｍｍ、深さ０．０６ｍｍの凹部を設けた金型を用い、２００℃、５．０秒熱溶着した。よって、封止部４ａの厚みは、タブが存在しない部分は０.１４０ｍｍ（±０．０１５ｍｍ）であり、タブが存在する部分は０.２５０ｍｍ（±０．０１５ｍｍ）と、タブが存在しない部分よりも厚くなった。

（実施例１）
本実施例は、上記実施の形態と同様にして作製した。

（比較例１）
図７に示すように、扁平電極体１の最外周に捲回された正極の扁平側辺Ｒ部に切り欠きを設けなかった（セパレータ露出部を形成しなかった）こと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１に係る電池を作製した。

〔ショート発生率の測定〕
上記実施例１および比較例１にかかる電池を１００個用意し、集電タブと外装体の金属層との導通を、テスターによって検出し、導通が確認されたものをショート発生としてカウントした。

上記実施例では１００個のサンプル全てにおいてショートは発生しなかった。他方、上記比較例では１００個のサンプル中、４つにおいてショートが発生した。

これらの結果から、本発明のフィルム状外装体を備えた電池であると、電極体が封止部にかみこまれてショートすることがないため、体積エネルギー密度が高く、封止性能に優れた電池が得られることがわかる。

（その他の事項）
なお、上記実施例では、長方形状のセパレータ露出部１１ａを形成したが、本発明はこの形状に限定されないことは勿論のことであり、半円形状、半楕円形状、多角形状等であってもよい。また、本発明は、３方封止構造の電池ではなく、特許文献１のような４方封止構造の電池にも適用できる。

また、上記実施例では、正極・負極・セパレータを巻き取って扁平電極体を作製した後、扁平電極体の扁平側辺Ｒ部の上下端部を切り取ったが、予め当該部分を切り欠いた正極を用い、正極・負極・セパレータを巻き取って扁平電極体を作製してもよい。また、第１電極として、負極を用いてもよい。

以上説明したように、本発明によると、フィルム状外装体を備えた電池における電極体の封止部へのかみこみを顕著に防止でき、デッドスペースを減少させても十分な封止性能を備えた電池を提供できる。よって、産業上の意義は大きい。

図１は、本発明のフィルム状外装体を備えた電池の正面透視図である。図２は、図１に示す電池のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明に用いる扁平電極体の斜視図である。図４は、本発明に用いる扁平電極体を示す図であって、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。図５は、本発明に用いたラミネートフィルムの断面図である。図６は、本発明でのサイド封止部４ｂ・４ｃの封止工程を示す概略図である。図７は、比較例１に用いた扁平電極体を示す図であって、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図である。図８は、封止部への電極体のかみこみを示す部分拡大断面図である。図９は、特許文献１に係るフィルム状外装体を備えた電池の正面透視図である。

符号の説明

１電極体
２収納空間
３フィルム状外装体
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ封止部
５正極タブフィルム
６負極タブフィルム
７正極集電タブ
８負極集電タブ
９正極（第１電極）
１０負極（第２電極）
１１セパレータ
１１ａセパレータ露出部
１００金属層
１０１ナイロン層
１０２ポリプロピレン層
１０３ドライラミネート接着剤層
１０４カルボン酸変性ポリプロピレン層

Claims

セパレータを介して対向した第１電極と第２電極とが、２つの扁平側面Ｒ部を有する扁平形に捲回されてなる扁平電極体を、金属層と樹脂層とが積層されたフィルムからなる外装体内に収納した電池であって、
前記第１電極は前記扁平電極体の最外周に捲回されており、
前記扁平電極体の最外周に位置する前記第１電極の２つの扁平側辺Ｒ部の上端及び下端全てにおいて、前記第１電極の一部が切り欠かれ、その１周内側に捲回されているセパレータが露出したセパレータ露出部が形成されている、
ことを特徴とするフィルム状外装体を備えた電池。
前記セパレータ露出部の幅ａが１．０ｍｍ以上且つ前記電極体厚みＬ１の１００％以下であり、前記セパレータ露出部の高さｂが１．０ｍｍ以上且つ前記第１電極幅Ｌ２の２０％以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載のフィルム状外装体を備えた電池。