(57)【要約】      （修正有）【課題】電池パック構造を簡素化することにより体積効率を高め、異常発熱時に熱暴走やショートが起こらないようにする。【解決手段】ゲル状電解質を用いたポリマー電池において、金属層に軟質の金属を用いた軟質ラミネート材１１ｂと、金属層に硬質の金属を用いた硬質ラミネート材１１ａとで電池素子を挟んで電池素子周辺部を封止した後、電池パック形状に成型し、硬質ラミネート材が電池パック筐体と兼ねる構造とする。さらに、硬質ラミネート材の金属層に用いる硬質金属の熱容量を０．０１９Ｊ／Ｋ・ｃｍ2以上とすることにより、異常発熱時にラミネート材が熱を吸収し、熱暴走を防ぐ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層が外面樹脂層および内面樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装されたポリマー電池の電池素子を有する電池パックにおいて、
金属層に硬質金属を用いた硬質ラミネートフィルムと、金属層に軟質金属を用いた軟質ラミネートフィルムとの間に上記電池素子が収容され、上記電池素子の周辺部分を封止し、上記硬質ラミネートフィルムを上記電池素子形状に沿って湾曲させ、上記硬質ラミネートフィルムの端部同士を合わせて封止した電池セルと、
上記電池素子から導出された電極端子と接合された保護回路を設けた回路基板と、
上記電池セルの開口端部を封止する樹脂性カバーとを有し、
上記硬質ラミネートフィルムの上記金属層に用いる上記硬質金属の熱容量が０．０１９Ｊ／Ｋ・ｃｍ2以上であることを特徴とする電池パック。
【請求項２】
上記電池セルは、電池容量が５００〜９００ｍＡｈであることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
上記硬質ラミネートフィルムの上記金属層に用いる上記硬質金属は、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、ステンレス、チタンのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項４】
上記アルミニウムは、３００３Ｈ、３００４Ｈのいずれかであることを特徴とする請求３に記載の電池パック。
【請求項５】
上記アルミニウムの厚さが８０〜１２０μｍであることを特徴とする請求項３に記載の電池パック。
【請求項６】
上記硬質ラミネートフィルムの上記外面樹脂層が、ナイロン、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレートのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項７】
上記硬質ラミネートフィルムの上記内面樹脂層が、ポリエチレン、ポリプロピレンのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項８】
金属層が外面樹脂層および内面樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装されたポリマー電池の電池素子を有する電池パックにおいて、
金属層に硬質金属を用いた硬質ラミネートフィルムと、金属層に軟質金属を用いた軟質ラミネートフィルムとの間に上記電池素子が収容され、上記電池素子の周辺部分を封止し、上記硬質ラミネートフィルムを上記電池素子形状に沿って湾曲させ、上記硬質ラミネートフィルムの端部同士を合わせて封止した電池セルと、
上記電池素子から導出された電極端子と接合された保護回路を設けた回路基板と、
上記電池セルの開口端部を封止する樹脂性カバーとを有し、
上記電池セルの電極端子導出部分は硬質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドと軟質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドとで熱融着され、
上記軟質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドのみが電極端子の形状に合わせて切り欠き溝を有することを特徴とする電池パック。
【請求項９】
上記硬質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドの幅と上記軟質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドの幅は、１．０〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項８に記載の電池パック。
【請求項１０】
上記切り欠き溝の幅は上記電極端子の幅に対して２．０〜６．０ｍｍ広いことを特徴とする請求項８に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばリチウムイオンポリマー二次電池に適用される電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラ一体型ＶＴＲ（Videotape recorder：ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらの小型化および軽量化が図られている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として用いられる電池の需要が急速に伸びており、機器の小型軽量化実現のために、機器に接続する電池パックの設計も軽く、薄型であり、かつ機器内の収容スペースを効率的に使うことが求められている。このような要求を満たす電池として、エネルギー密度および出力密度の大きいリチウムイオン電池が最も好適である。
【０００３】
従来の電池パックは単電池をプラスチック等の外装ケースに収納しているため、体積あたりの電池容量はあまり効率の良い構成とはなっていない。そこで、このような問題を解消するために、簡素な構造を有する電池パックが考案されている。
【０００４】
例えば、角型の缶を利用したリチウムイオン電池を用い、電池蓋面に保護回路を搭載して樹脂で固め、側面全体をラベルで覆った形状の電池パックが挙げられる。この電池は金属缶外装自体がパック筐体となっているため外装ケースを用いる必要がなく、体積効率が良い構成となっている。
【０００５】
しかし、上述のような構成を用いた場合、一旦電池から液漏れが起こると電池パックを搭載している装置自体が容易に電解液に侵されるおそれがある。
【０００６】
そこで、液系電解質を用いた場合に問題となる液漏れの対策として、電解液に接着作用を有する物質を添加して作製した電池や、高分子を用いたゲル状電解質を用いたいわゆるポリマー電池が広く用いられている。これらの電池は電極と電解質間が密着しており、接触状態を保持することが可能である。このような構成により、液漏れを防止することができ、さらにアルミラミネートフィルム等のフィルム状外装材を用いた薄型の電池を作製することが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−８６０６号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ラミネートフィルムを最外装として用いた場合、ラミネートフィルム自体の強度が弱く傷がつきやすい。このため、電池パック作製時には従来の単電池を用いた電池パックと同様にプラスチック等の外装ケース内に収納する必要がある。このような従来の電池パックの場合、外装ケースの肉厚が０．３〜０．４ｍｍ程度となり、固定のための両面テープや公差を考慮するとセルの厚みに対して０．８〜１．０ｍｍ程度厚みが増加していた。また、外周方向でも上下のモールドケースを超音波溶着するための形状が必要となり、そのために、０．７mm程度の肉厚が求められる。結果として、セルの容積に対して電池パックの容積の増加が１．３〜１．４倍となってしまい、体積あたりの電池容量はあまり効率のいいものとは言えない。
【０００８】
また、電池素子を絶縁体で多重に覆うと放熱性が悪くなり、異常発熱の際に電池が熱暴走を起こしやすくなる。例えば、くぎなどが刺さって電池内部でショートした場合に熱が発生し、これが起爆剤となって内部で分解反応が起こり、危険なほど熱が発生することも考えられる。
【０００９】
したがって、この発明は上記問題点に鑑み、電池容量の体積効率が良く、安全性および外装強度が高い電池パックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、金属層が外面樹脂層および内面樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装されたポリマー電池の電池素子を有する電池パックにおいて、金属層に硬質金属を用いた硬質ラミネートフィルムと金属層に軟質金属を用いた軟質ラミネートフィルムとの間に電池素子が収容され、電池素子の周辺部分を封止し、硬質ラミネートフィルムを電池素子形状に沿って湾曲させ、硬質ラミネートフィルムの端部同士を合わせて封止した電池セルと、電池素子から導出された電極端子と接合された保護回路を設けた回路基板と、電池セルの開口端部を封止する樹脂性カバーとを有し、硬質ラミネートフィルムの金属層に用いる硬質金属の熱容量が０．０１９Ｊ／Ｋ・ｃｍ2以上であることを特徴とする電池パックである。
【００１１】
また、この発明の第２の態様は、金属層が外面樹脂層および内面樹脂層で挟まれてなるラミネートフィルムで外装されたポリマー電池の電池素子を有する電池パックにおいて、金属層に硬質金属を用いた硬質ラミネートフィルムと金属層に軟質金属を用いた軟質ラミネートフィルムとの間に電池素子が収容され、電池素子の周辺部分を封止し、硬質ラミネートフィルムを電池素子形状に沿って湾曲させ、硬質ラミネートフィルムの端部同士を合わせて封止した電池セルと、電池素子から導出された電極端子と接合された保護回路を設けた回路基板と、電池セルの開口端部を封止する樹脂性カバーとを有し、電池セルの電極端子導出部分は硬質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドと軟質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドとで熱融着され、軟質ラミネートフィルム側に配置された金属ヒータヘッドのみが電極端子の形状に合わせて切り欠き溝を有することを特徴とする電池パックである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、外装ケースを用いずに電池パックを作製することができるため、体積あたりの電池容量を高くすることができる。また、熱容量の大きい金属層を用いたラミネート材を用いるため、発熱時に熱を吸収し、安全性が高い。さらに、硬質ラミネート材を外装材として用いるため、機械的強度の高い電池パックを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１に、この発明を適用したリチウムイオンポリマー二次電池の電池パックの構成を示す。この電池パックは、参照符号１１ａで示される硬質ラミネート材と、参照符号１１ｂで示される軟質ラミネート材とで電池素子の上下を挟んで外装することにより電池セル１０が作製されるものである。図示しない電池素子からは正極と接続された正極端子２ａおよび負極と接続された負極端子２ｂが導出されており、正極端子２ａおよび負極端子２ｂのそれぞれの両面には硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂとの接着性を向上させるために樹脂片（以下、シーラントと適宜称する）３ａおよび３ｂが被覆されている。
【００１５】
導出された正極端子２ａおよび負極端子２ｂは保護回路と抵抗溶接または超音波溶接等の方法により接合される。電池素子と接合済みの保護回路がマウントされた回路基板４をトップカバー５の間に挿入し、トップカバー５の溶着とともに正極端子２ａ、負極端子２ｂおよび回路基板４が電池パック内部に収納されるように構成する。回路基板４の保護回路は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient：熱感抵抗素子）、サーミスタ等の温度保護素子を有し、電池パック内部が高温になると電流通路を遮断するものである。なお、正極端子および負極端子が導出された一端面をトップ側、他の端部をボトム側と適宜称する。
【００１６】
図２に、硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂの主な構成を示す。硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂは、参照符号１２で示される金属層が、外側樹脂層１３および内側樹脂層１４に挟まれた３層構造となっており、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムである。金属層１２は水分、酸素、光の進入を防ぎ内容物を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム（Ａｌ）が最もよく使われる。外側樹脂層１３には外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン（Ｎｙ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のいずれかが用いられる。内側樹脂層１４は熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）が多用される。
【００１７】
金属層１２と外側樹脂層１３とは接着層１５を設けて貼り合せる。一方、金属層１２と内側樹脂層１４とは接着層１６を設ける方法の他、ＣＰＰまたはＰＥを熱して溶かし、金属層１２に接着させる方法やＣＰＰフィルムまたはＰＥフィルムを熱ローラ等により張り合わせる方法など、種々の方法が使用可能である。
【００１８】
硬質ラミネート材１１ａの金属層にはＡｌ、銅（Ｃｕ）、鉄、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス（ＳＵＳ）またはチタン等が使用できる。金属層としてＡｌを用いる場合には、ＪＩＳ規格による３００３Ｈ、３００４Ｈ、１１００Ｈの他、２０００番系、５０００番系、６０００番系の硬質アルミ材料を用いることができる。
【００１９】
硬質ラミネート材１１ａの主な構成は、金属層をＡｌ、外側樹脂層をＮｙ、内側樹脂層をＣＰＰで構成する。厚さの構成はＮｙ／接着層／Ａｌ／（接着層）／ＣＰＰ＝１５±５／３±１／１００±２０／２±１／３０±５［μｍ］とし、硬質ラミネート材１１ａの総厚は１５０±３２［μｍ］となる。
【００２０】
今回、電池素子が発熱した場合であっても安全性の高い電池パックを作製するために、金属層の１平方センチメートルあたりの熱容量が０．０１９Ｊ／Ｋ・ｃｍ2以上となるような硬質ラミネート材を用いる。なお、この場合の電池パックは一般的に用いられる５００〜９００ｍＡｈの電池容量を有するものとする。金属層の熱容量が大きいことで、電池素子が発熱した場合であっても金属層が熱を吸収し、電池素子が過熱してショートすることを防ぐことができる。
【００２１】
また、軟質ラミネート材１１ｂの金属層にはＪＩＳ規格による８０７９Ｏ、８０２１Ｏの他、８０００番系全般の軟質アルミ材料を用いることができる。
【００２２】
軟質ラミネート材１１ｂの主な構成も硬質ラミネート材料１１ａと同様に、金属層をＡｌ、外側樹脂層をＮｙ、内側樹脂層をＣＰＰで構成し、厚さの構成はＮｙ／接着層／Ａｌ／（接着層）／ＣＰＰ＝２０±５／３±１／３５±１０／２±１／３０±５［μｍ］とする。このため、硬質ラミネート材１１ａの総厚は９０±２２［μｍ］となる。今回の発明では、Ｎｙ／接着層／Ａｌ／（接着層）／ＣＰＰ＝１５／３／３５／２／３０［μｍ］である総厚８５μｍ前後の軟質ラミネート材を用いた。
【００２３】
このような硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂを用いて電池セルを作製する。まず、電池素子１の作製方法について説明する。
【００２４】
図３に、この発明を適用した電池パックを構成する電池素子の一例を示す。この電池素子は、帯状の正極２１と、セパレータ２３ａと、正極２１と対向して配された帯状の負極２２と、セパレータ２３ｂとを積層し、長手方向に巻回されており、正極２１および負極２２の両面にはゲル状電解質２４が塗布されている。また、正極端子２ａおよび負極端子２ｂはそれぞれ正極２１および負極２２に接続されている。
【００２５】
［正極］
正極は、正極活物質を含有する正極活物質層が、正極集電体の両面上に形成されてなる。正極集電体としては、例えばＡｌ箔，Ｎｉ箔あるいはＳＵＳ箔などの金属箔により構成されている。
【００２６】
正極活物質層は、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。ついで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００２７】
正極活物質としては、ＬｉXＭＯ2（式中、Ｍは、一種以上の遷移金属を表し、ｘは、電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上１．１０以下である）を主体とする、リチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。具体的には、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＮｉyＣｏ1-yＯ2（０＜ｙ＜１）等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。ＬｉＮｉ0.5Ｃｏ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.2Ｏ2等がその例として挙げられる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。さらに、正極活物質としてＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＮｂＳｅ2、Ｖ2Ｏ5等のリチウムを有しない金属硫化物または酸化物を使用しても良い。
【００２８】
導電剤としては、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド等が用いられる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン等が用いられる。
【００２９】
正極２１は電極の一端部にスポット溶接または超音波溶着で接続された正極端子２ａを有している。この正極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。正極端子の材料としては、例えばＡｌ等が挙げられる。
【００３０】
［負極］
負極は、負極活物質を含有する負極活物質層が負極集電体の両面上に形成されてなる。負極集電体としては、例えばＣｕ箔，Ｎｉ箔あるいはＳＵＳ箔などの金属箔により構成されている。
【００３１】
負極活物質層は、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次にこのスラリーをドクターブレード法等により負極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００３２】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料が用いられる。具体的には、グラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられ、黒鉛類としてはメソフェーズカーボンマイクロビーズ、カーボンファイバー、コークスなどの人造黒鉛や天然黒鉛が使用できる。リチウムを合金化可能な材料としては多様な種類の金属等が使用可能であるが、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、Ａｌ、ケイ素（Ｓｉ）およびこれらの合金がよく用いられる。金属リチウムを使用する場合は、必ずしも粉体を結着剤で塗布膜にする必要はなく、圧延したＬｉ金属板でも構わない。
【００３３】
結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム等が用いられる。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン、メチルエチルケトン等が用いられる。
【００３４】
また、負極も正極と同様に、電極の一端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された負極端子２ｂを有している。この負極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。負極端子の材料としては、例えばＣｕ、Ｎｉ等が挙げられる。
【００３５】
なお、正極端子および負極端子は同じ方向から導出されていることが好ましいが、短絡等が起こらず電池性能にも問題がなければ、どの方向から導出されていても問題はない。また、正極端子および負極端子の接続箇所は、電気的接触がとれているのであれば取り付ける場所、取り付ける方法は上記の例に限られない。
【００３６】
［電解質］
電解質は、リチウムイオン電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合してもよい。
【００３７】
電解質塩としては、上記非水溶媒に溶解するものを用いることができる。例えばＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＣｌＯ4等が挙げられる。電解質塩濃度としては、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。
【００３８】
上述の電解質および電解塩を混合した電解液をマトリクスポリマでゲル化することでゲル状電解質を得る。マトリクスポリマは、上記非水溶媒に上記電解質塩が溶解されてなる非水電解液に相溶可能であり、ゲル化できるものであればよい。このようなマトリクスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリルを繰り返し単位に含むポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００３９】
上述のようにして作製した電池素子１を、硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂにて外装し、成型して電池セル１０を作製する。
【００４０】
図４に、電池セル１０の構成を示す。電池セル１０は、参照符号１で示される電池素子の上下に硬質ラミネート材１１ａと軟質ラミネート材１１ｂとを配置し、熱溶着した後、硬質ラミネート材１１ａが外装となるように成型して作製する。軟質ラミネート材１１ｂには電池素子１を配置するための凹部が設けられており、内側樹脂層であるＣＰＰ層側から深絞りすることにより凹部が形成される。
【００４１】
上述の凹部に電池素子１を収納し、硬質ラミネート材料１１ａが凹部の開口部を覆うようにする。硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材料１１ｂのそれぞれは、互いのＣＰＰ層（もしくはＰＥ層）が対向するようにして重ねて配置する。
【００４２】
次いで、電池素子１の周辺の四辺を減圧下で熱融着して封止する。一般的に、電極端子を封止部界面から取り出してラミネート外装材を封止する場合には、電極端子の厚みを吸収するために表面にゴムのような弾性体をライニングするか、上下のヒータヘッド表面（ラミネートフィルムに接する面）に切り欠きを設ける。平らな金属ヘッドを用いた場合、熱融着時に電極端子部分に大きな圧力がかかり電極端子が切断されたり、電極端子を挟まない部分に金属ヘッドが当たらず、封止性が悪くなるのを防ぐためである。
【００４３】
今回の電池セルを封止する際には、厚いラミネート外装材を用いているため、電極端子とラミネート外装材とに多くの熱を奪われることが予想される。このようなラミネート材料を用いた電池セルの電極端子部分に対して効率よく加熱し封止する手段としては、幅広のヒータヘッドを用いて熱融着することが有効であるが、デッドスペースが大きくなり容量をロスする。材料の水分バリア性を勘案すると、信頼性と電池容量を両立するために封止幅を１．０〜３．０ｍｍの範囲とすることが望ましい。この場合には、弾性体を用いたヒータヘッドでは十分に封止できないため、切り欠きを設けた金属製のヒータヘッドを用いて封止するのが有効である。
【００４４】
しかしながら、今回のように硬質金属膜を用いたラミネート材では柔軟性がないため、切り欠き溝や端子断面形状に沿うように変形させて封止するのは困難であり、また封止ができたとしても、図５の斜線部で示すようなシール痕が残り、パック外観としては著しく不適切なものになる。
【００４５】
そこで、図６に示すように、電極端子導出部を封止する際には、硬質ラミネート材側のヒータヘッドとして切り欠き溝を設けない金属ヘッドを用い、軟質ラミネート材側のヒータヘッドとして切り欠き溝を設けた金属ヘッドを用いることで、シール痕や端子切断などの不良のない電池セルを得ることができる。なお、図６Ａは熱融着前の様子であり、図６Ｂは熱融着後の様子である。
【００４６】
ただし、ヒータヘッドに設ける切り欠き溝の幅は狭すぎると電極端子を挟み込んでしまい、端子の切断や電極端子付近の封止不足が起こってしまう。また、広すぎると電極端子周辺部の封止性が悪くなり、水分が浸入しやすくなってしまう。そこで、切り欠き溝の幅が電極端子の幅に対して２．０〜６．０ｍｍ広くなるように設けることにより、電極端子の左右それぞれに１．０〜３．０ｍｍの余裕ができ、良好な封止を行うことができる。なお、熱融着時にはヒータヘッドの当たらない部分であっても余熱で内側樹脂層が溶けて接着されるため、１．０〜３．０ｍｍ程度の余裕であれば問題なく封止される。
【００４７】
また、硬質ラミネート材の金属層が厚すぎると後に成型する際に折り曲げができなくなり、薄すぎると熱融着時のシール痕が残ってしまう。そこで、金属層の厚さが８０〜１２０［μｍ］の硬質ラミネート材を用いることで成型が可能となり、かつシール痕が残らないため良好なパック外観を実現することができる。
【００４８】
また、図７に示すように、ヒータヘッドで電極端子導出部を封止する際には、ラミネート外装材が張り合わされ、電極端子が導出されたラミネート材端部をヒータヘッドが避けて加圧、加熱して熱融着するようにする。図７の斜線部で示されている部分はヒータヘッドによって加圧、加熱された部分である。
【００４９】
ラミネート材端部を踏んで熱融着を行った場合には、ラミネート外装材を適切な大きさに切りそろえる際に発生したカットバリが電極端子と短絡したり、ヒータヘッドとラミネート外装材の金属層が接触してショートが発生するおそれがあるためである。ヒータヘッドがラミネート材の端部を避けて電極端子導出部の熱融着することにより、カットバリの発生したラミネート材端部をヒータヘッドで挟み込んで加圧することもなく、またヒータヘッドと金属層が接触することもなくなる。
【００５０】
熱融着後の電池素子１を金型に入れ、硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂを電池素子の形状に沿って湾曲させ、図８のように断面が楕円形状になるように成型することで、硬質ラミネート材料１１ａが最外装として電池素子１を保護するようになされる。
【００５１】
図８の点線部で示すように、硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂのそれぞれのフィルム端部が合わさる部分に継ぎ目ができる。この部分を図９に拡大して示す。硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂをずらして重ねあわせることにより、硬質ラミネート材料１１ａの継ぎ目と軟質ラミネート材１１ｂの継ぎ目がずれるように形成されるため、硬質ラミネート材料１１ａのＣＰＰ層１４ａと軟質ラミネート材１１ｂのＣＰＰ層１４ｂ同士が熱融着され、隙間なく封止される。
【００５２】
このとき、軟質ラミネート材１１ｂに設けた凹部の底面の外側に粘着シートを配置する。粘着シートは軟質ラミネート材１１ｂのＮｙ層同士、もしくはＰＥＴ層同士、ＰＥＮ層同士を高温をかけて接着するために用いる補助的部材である。また、今回の発明を適用した電池パックの場合、軟質ラミネート材は外部には見えなくなるため、外側樹脂層を内側樹脂層と同様のＣＰＰ層もしくはＰＥ層とすることにより、粘着シートを用いずに電池パック内部のラミネート材間を接着することができる。
【００５３】
次いで、所定の形状に成型された電池セル１０から導出された正極端子２ａおよび負極端子２ｂに保護回路を接合する。保護回路は回路基板４にあらかじめマウントされており、電池素子１と接続された回路基板はあらかじめ成型されたトップカバー５に挿入される。
【００５４】
さらに、図１０に示すように、作製した電池セル１０にトップカバー５およびリアカバー６を接合する。回路基板と一体とされたトップカバー５およびトップカバー５と同様にあらかじめ成型されたリアカバー６は、熱溶着や温めた樹脂材料（ホットメルト剤）を流し込む方法などにより電池セル１０と接合される。また、あらかじめトップカバー５およびリアカバー６を成型せず、トップカバーもしくはリアカバー形状の金型に電池セルをセットし、温めた樹脂材料を流し込むことにより、トップカバーもしくはリアカバーを成型しつつ電池セル１０との接合を行う方法も用いることができる。なお、温めた樹脂を流し込む場合には、回路基板が熱により変形したり損傷したりしないように構成する必要がある。
【００５５】
最後に、硬質ラミネート材の周りに化粧ラベルを貼り、製品としての電池パックが完成する。なお、化粧ラベルは電池パックを１周するように貼っても良いし、電池パック片面のみに貼っても良いが、放熱性を考慮すると片面のみに貼り付けることがより好ましい。
【００５６】
以上のようにして、樹脂製の外装ケースを用いることなく、硬質ラミネート材が外装を兼ねる電池パックを製造することができる。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。
【００５８】
［正極の作製］
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）９２重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン３重量％と、粉状黒鉛５重量％とを均一に混合し、これをＮ−メチルピロリドンに分散させてスラリー状の正極合剤を調製した。この正極合剤を正極集電体となるＡｌ箔の両面に均一に塗布し、１００℃で２４時間減圧乾燥することにより正極活物質層を形成した。
【００５９】
次いで、これをロールプレス機で加圧成形することにより正極とし、正極活物質の未塗布部分にＡｌリボンの正極端子を溶接した。また、正極端子のアルミラミネートフィルムに挟まれる部分には、ポリプロピレン樹脂片を両面に接着してシーラントとした。
【００６０】
［負極の作製］
人造黒鉛９１重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン９重量％とを均一に混合し、Ｎ−メチルピロリドンに分散させてスラリー状の負極合剤を調製した。次に、この負極合剤を負極集電体となる銅箔の両面に均一に塗布し、１２０℃で２４時間減圧乾燥することにより負極活物質層を形成した。
【００６１】
次いで、これをロールプレス機で加圧成形することにより負極とし、負極活物質の未塗布部分にＮｉリボンの負極端子を溶接した。また、負極端子のアルミラミネートフィルムに挟まれる部分にはポリプロピレン片を両面に接着した。
【００６２】
［ゲル状電解質の作製］
ヘキサフルオロプロピレンが６．９％の割合で共重合されたポリフッ化ビニリデンと、非水電解液と、希釈溶剤のジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とを混合し、撹拌、溶解させてゾル状の電解質溶液を得た。電解液にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートを６：４の重量比で混合し、０．８ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＰＦ6と０．２ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＢＦ4を溶解して作成した。混合比は，ポリフッ化ビニリデン：電解液：ＤＭＣ＝１：６：１２の重量比とした。次いで、得られたゾル状の電解質溶液を正極及び負極の両面に均一に塗布した。その後、５０℃で３分間乾燥させて溶剤を除去して、正極及び負極の両面にゲル状電解質層を形成した。
【００６３】
［試験用電池の作製］
上述のようにして作製された、両面にゲル状電解質層が形成された帯状の正極と、両面にゲル状電解質層が形成された帯状の負極とを、セパレータを介して長手方向に巻回することにより電池素子を得た。セパレータには厚さ１０μｍ、空孔率３３％の多孔質ポリエチレンフィルムを用いた。
【００６４】
＜実施例１＞  釘刺し試験
上述の電池素子を、硬質ラミネート材および軟質ラミネート材で挟み、周囲を熱融着した後、回路基板を接続し、あらかじめ成型したトップカバーおよびリアカバーを熱融着して電池パックを作製した。実施例１では外側樹脂層としてＮｙを１５μｍ、内側樹脂層としてＣＰＰを３０μｍ、Ｎｙ層と金属層間の接着層を３μｍ、ＣＰＰ層と金属層間の接着層を２μｍとして硬質ラミネート材を作製した。また、軟質ラミネート材としては金属層に厚さ３５μｍのアルミ合金８０７９Ｏを用いた総厚８５μｍのラミネート材を用いた。
【００６５】
また、硬質ラミネート材としては、材料および厚さがそれぞれ異なる金属層を有する硬質ラミネート材を用いた。金属層の材料および厚さが異なるため、各実施例および比較例の単位面積あたりの熱容量、および外装強度がそれぞれ異なる。
【００６６】
作製した実施例１−１〜１−８および比較例１−１、１−２の各電池は、０．１Ｃ定電流で充電を行い、電圧４．４Ｖに達するまで充電を行った。充電終了後、電池パックの広い面の中央部に釘を貫通させ、熱暴走による発熱の有無を調べた。
【００６７】
各実施例および比較例の硬質ラミネートフィルムの材料、厚さ、熱容量および試験結果は以下のとおりである。
【表１】
2006196217.tif 000003
【００６８】
上記結果から、金属層の厚さが８０μｍ以上であれば釘刺し試験の際の安全性を確保することができる。また、放熱性を高めるために電池素子を包む外装材の総厚を６６０μｍ以内とすることが望ましいが、金属層の厚さを１２０μｍ以内、つまり、硬質ラミネート材の総厚を１７０μｍ以下とすれば、安全性が高く電池容量の高い電池を提供できる。軟質ラミネート材が８５μｍ、軟質ラミネート材同士を接着するための粘着シートが５０μｍ、化粧ラベルが５０μｍであり、電池素子を包む外装材の総厚が、化粧ラベルを片面に貼り付けた場合で６１０μｍ、両面もしくは一周貼り付けた場合で６６０μｍとなるためである。
【００６９】
なお、外装に例えば軟質のアルミ合金８０７９Ｏなどを用いた場合、釘を刺したときに穴があきやすいため、発熱が起こりやすい。また、釘刺しに限らず、軟質ラミネート材は機械的強度が弱く、外部圧力によって潰されるおそれもある。このため、軟質ラミネート材は安全性の観点から最外装には適さない。
【００７０】
＜実施例２＞  封止試験
金属層にアルミ合金３００３Ｈを用いた総厚１５０μｍの硬質ラミネート材および金属層にアルミ合金１１００Ｏを用いた総厚９０μｍの軟質ラミネート材で上述の電池素子の上下を挟み、電極端子導出部を金属ヒータヘッドにて熱融着して封止した。この際、電池素子から導出された正極端子および負極端子を幅４ｍｍ、厚さ７０μｍとし、ヒータヘッドに設ける切り欠き溝の深さおよび幅を変えて熱融着を行った。その後、電極端子の切断やシール痕による外観不良等の封止の欠陥を調べた。
【００７１】
各実施例および比較例の硬質ラミネートフィルムの材料、厚さ、熱容量および試験結果は以下のとおりである。
【００７２】
【表２】
2006196217.tif 000004
【００７３】
上記結果より、硬質ラミネート材側のヒータヘッドに切り欠き溝を設けず、軟質ラミネート材側の切り欠き溝の幅が６〜１０ｍｍの際には封止性に問題ない。つまり、電極端子の幅に対して２〜６ｍｍ広い場合は封止性が良いことがわかる。
【００７４】
一方、比較例２−１のように、両方のヒータヘッドに切り欠き溝を設けた場合、切り欠き溝幅が８ｍｍと適正な範囲であってもシール痕が残り、外観不良となる。また、比較例２−２のように切り欠き溝幅がリード幅よりも狭い場合には、ヒータヘッドがリードを加圧してしまい、リードが切断されてしまったり、ショートを起こすおそれがあるほか、電極端子付近の融着が封止不足となってしまう。さらに、比較例２−３のように切り欠き溝幅が広い場合には電極端子付近の封止が不足してしまい、未融着部によるリークパスから外気や水分の出入りが起こってしまう。
【００７５】
＜実施例３＞  容量比較
電極端子導出部の熱融着幅を変えて電池パックの容量比較を行う。電池素子を硬質ラミネート材および深絞りを施した軟質ラミネート材で挟み、電池素子周辺部を熱融着し、断面が楕円形状になるように成型した後、電極端子と保護回路を接続して電池セルとした後、トップカバーおよびリアカバーを接合して電池パックとする。電極端子導出部の熱融着幅は０．５〜３．５ｍｍの範囲で０．５ｍｍずつ変えて電池セルを作製する。このとき、セル高さを５０ｍｍとし、熱融着幅０．５ｍｍの場合は電池素子の高さを４５．５ｍｍ、熱融着幅が１．０ｍｍの場合は、電池素子の高さを４５．０ｍｍと電池素子の高さを熱融着幅の増加分小さくすることにより、電池パックの寸法が変わらないようにする。
【００７６】
電池容量は素子の高さ、つまり、電池セルのボトム部から熱溶着部までの長さにより決まる。実施例３では電池パックの寸法を一定としているため、熱融着部の幅が小さいほど電池素子の高さが高くなり、電池容量が向上する。
【００７７】
実施例３では硬質ラミネート材の金属層として、厚さ１００μｍのアルミ合金３００３Ｈを用い、外側樹脂層としてＰＥＴを１２μｍ、内側樹脂層としてＣＰＰを３０μｍ、ＰＥＴ層と金属層間の接着層を３μｍ、ＣＰＰ層と金属層間の接着層を２μｍとして硬質ラミネート材を作製した。また、軟質ラミネート材としては金属層にアルミ合金８０８７Ｏを用いた総厚８５μｍのラミネート材を用いた。
【００７８】
従来の同サイズの電池パックは、電池容量が８００ｍＡｈであるため、８００ｍＡｈ以上の電池容量である場合を合格とした。各実施例および比較例の熱融着幅、用いた硬質ラミネート材の金属層の厚さ、作製した電池パックの電池容量および電池パックの欠陥の有無を以下の表３に示す。
【表３】
2006196217.tif 000005
【００７９】
上記結果より、熱融着幅が１．０〜３．０ｍｍの時、高い電池容量を有する電池を得られることが分かる。比較例３−１のように熱融着幅が３．５ｍｍとなると電池容量が少なくなり、従来の電池パックと比較して実用に適さない。また、熱融着幅が０．５ｍｍ
の場合、封止性が悪く、水分が浸入するため電池として用いることができない。
【００８０】
＜実施例４＞  外装の剛性比較
電池パックの外装となる硬質ラミネート材の金属層に用いるアルミ合金材料および金属層の厚さを変え、硬質ラミネート材側は切り欠き溝なしのヒータヘッド、軟質ラミネート材側は切り欠き溝ありのヒータヘッドを用いて電極端子導出部を封止した。封止後、外観上ヒータによるシール痕が残るか、また適度な曲げ加工性があるかを確認した。
【００８１】
実施例４では硬質ラミネート材の金属層として、主に３００３Ｈおよび３００４Ｈを用いた。また、比較の為に軟質の８０７９Ｏも用いて剛性の比較を行った。各実施例および比較例で用いた金属層に、外側樹脂層としてＰＥＴを１２μｍ、内側樹脂層としてＣＰＰを３０μｍ、ＰＥＴ層と金属層間の接着層を３μｍ、ＣＰＰ層と金属層間の接着層を２μｍとして硬質ラミネート材を作製した。また、軟質ラミネート材としては金属層にアルミ合金８０７９Ｏを用いた総厚８５μｍのラミネート材を用いた。
【００８２】
以下の表４に、金属層に用いるアルミ合金の種類、金属層の厚みおよびシール痕、曲げ加工性の確認結果を示す。
【００８３】
【表４】
2006196217.tif 000006
【００８４】
上記結果から、硬質ラミネート材の金属層に硬質の３００３Ｈおよび３００４Ｈを用いた場合、厚さを８０〜１２０μｍとすることでシール痕が残らず、曲げ加工性も良いことが分かる。
【００８５】
一方、比較例４−１のように軟質の８０７９Ｏを用いた場合、厚さが１２０μｍであってもシール痕が残り、外観上の欠陥を有する。また、比較例４−２および比較例４−４のように、硬質の３００３Ｈおよび３００４Ｈを用いる場合であっても厚さが７０μｍと薄い場合には比較例４−１と同様にシール痕が残る。
【００８６】
また、比較例４−３および比較例４−５のように、硬質の３００３Ｈおよび３００４Ｈを用い、金属層の厚さを１３０μｍと厚くした場合は折り曲げが不可となり、曲げ加工性に問題が残る。
【００８７】
以上の各実施例の結果から、金属層が８０〜１２０μｍの硬質ラミネート材料を最外装に用いることにより、外装の機械的強度および安全性が高く、体積あたりの電池容量が高い電池パックを作製することができる。
【００８８】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００８９】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値および材料はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてそれぞれこれと異なる数値および材料を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】この発明を適用したリチウムイオンポリマー二次電池の電池パックの構成を示す模式図である。
【図２】電池セルの作製に用いたラミネート材の構成を示す断面図である。
【図３】この発明を適用した電池パックを構成する電池素子の一例を示す模式図である。
【図４】電池セル１０の構成を示す模式図である。
【図５】切り欠き溝を有するヒータヘッドによりシール痕が残る様子を示す模式図である。
【図６】この発明を適用した電極端子導出部の熱溶着の様子を示す模式図である。
【図７】ヒータヘッドがラミネート材端部を避けて加圧、加熱する様子を示す模式図である。
【図８】電池セルの構成を示す断面図である。
【図９】硬質ラミネート材および軟質ラミネート材の継ぎ目の様子を示す模式図である。
【図１０】この発明を適用した電池パックの外観を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１・・・電池素子
２ａ・・・正極端子
２ｂ・・・負極端子
３ａ，３ｂ・・・シーラント
４・・・回路基板
５・・・トップカバー
６・・・リアカバー
１０・・・電池セル
１１ａ・・・硬質ラミネート材
１１ｂ・・・軟質ラミネート材
１２・・・金属層
１３・・・外側樹脂層
１４・・・内側樹脂層
１５，１６・・・接着層
２１・・・正極
２２・・・負極
２３ａ，２３ｂ・・・セパレータ
２４・・・ゲル状電解質
【図１】
2006196217.tif 000007
【図２】
2006196217.tif 000008
【図３】
2006196217.tif 000009
【図４】
2006196217.tif 000010
【図５】
2006196217.tif 000011
【図６】
2006196217.tif 000012
【図７】
2006196217.tif 000013
【図８】
2006196217.tif 000014
【図９】
2006196217.tif 000015
【図１０】
2006196217.tif 000016