(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極端子、負極端子を取り付けた電池要素と、
前記電池要素を収容する凹部を有し、熱融着部を形成して電池要素を覆うフィルム状外装材と、
前記フィルム状外装材と前記電池要素の間の空間に、前記熱融着部と一体の熱可塑性樹脂充填部を有することを特徴とするフィルム外装電池。
【請求項２】
前記電池要素が、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体、またはそれぞれが帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した巻回体のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のフィルム外装電池。
【請求項３】
リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載のフィルム外装電池。
【請求項４】
正極端子、負極端子を取り付けた電池要素をフィルム状外装材の凹部に収容し、
前記フィルム状外装材の封口時に熱融着される部分から前記電池要素とフィルム状外装材との間の空間方向へ延びる熱可塑性樹脂膜を載置し、
前記熱可塑性樹脂膜をフィルム状外装材側の外面から加熱するとともにフィルム状外装材の熱融着される部分を加熱押圧し、
前記フィルム状外装材と前記電池要素の間の空間に熱融着部と一体に形成された熱可塑性樹脂充填部を形成することを特徴とするフィルム外装電池の製造方法。
【請求項５】
熱融着される部分の外周部から熱可塑性樹脂充填部に向けて相互の間隔が大きくなる傾斜面を備えた一対の熱融着手段によって加熱押圧し、
熱融着される部分から熱可塑性樹脂充填部方向へ軟化した熱可塑性樹脂を押出ながら熱融着することを特徴とする請求項４記載のフィルム外装電池の製造方法。
【請求項６】
前記電池要素が、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体、またはそれぞれが帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した巻回体のいずれかであることを特徴とする請求項４または５記載のフィルム外装電池の製造方法。
【請求項７】
リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載のフィルム外装電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池要素をフィルム状外装材によって封口したフィルム外装電池およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は携帯型電子機器の主電源として使用されるのみではなく電気自動車、ハイブリッド自動車、電動自転車、コードレス電動工具等の主電源用の電池をはじめとして各種の機器に用いられている。
主電源用の電池には、エネルギーの質量効率、容積効率に優れた容量が大きな電池が求められており、厚みが薄いフィルム状外装材によって封口したフィルム外装電池が好適である。
【０００３】
フィルム状外装材には、アルミニウム箔の内面に、ポリエチレンフィルム，ポリプロピレンフィルム等のような電解液に対する耐食性を有し熱融着性が良好なフィルムが積層されており、外面には耐食性が大きなポリイミドフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム等が積層されたものが用いられている。
【０００４】
図５は、フィルム状外装電池の一例を説明する図である。
図５（Ａ）は正面図を示し、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）でＡ−Ａ’線で切断した断面図、図５（Ｃ）は、側面図を示す。
フィルム外装電池１は、フィルム状外装材２に熱融着部３によって封口されており、熱融着部から外部接続端子用の正極端子９と負極端子１０が引き出されている。
図５に示す例では、同じ構造の凹部４Ａ、４Ｂを形成したフィルム状外装材２の部材を２個用意して電池要素５を封口している。
フィルム状外装材２を金型を使用して成形した凹部に電池要素５を収納するためには、電池要素５の収納マージンが不可欠であり、容器に設けた凹部４と電池要素５との間には必ず空隙が生ずる。
【０００５】
フィルム外装電池に内部に空隙があると振動や落下などの衝撃が加わった場合には、容器内で電池要素が動き、リード部分が破壊されたり、積層した電極がずれて短絡することがあった。
また、電池要素５が、フィルム状外装材２によって封口されているので、３方向に大きな振動が繰り返し加わると、電池要素５がフィルム状外装材２の内面に繰り返し衝突し、フィルム状外装材２の四隅や電極端子の取り出し部分に生じた穴や裂け目から液漏れすることがあった。
【０００６】
フィルム外装電池における振動による問題を解決するために、特開２００１−３０７７０４号公報（以下、引用文献１と称す）には、電池収容部の内壁面における特定部位間を充塞する充塞部材が介装されている電池が記載されているが、電池要素が振動によってフィルム状外装材の内部を繰り返し移動することを防止するものではなく、十分な効果が得られるものではなかった。
【０００７】
また、特開２００２−１７５７９０号公報（以下、引用文献２と称す）には、各集電体及び各リードを電解液に不溶性の接着性樹脂にて被覆し、この接着性樹脂と前記外装ケースと一体化した扁平電池が記載されているが、各集電体及び各リードを電解液に不溶性の接着性樹脂にて被覆したものであって、接着性樹脂を充填して各リード部を被覆するのみであり、衝撃に対しては不十分なものであるとともに、電池要素部を充填した接着性樹脂が被覆して電池性能を低下させる可能性あるという問題点があった。
また、特開２００３−１０９５５７号公報（以下、引用文献３と称す）には、大きな衝撃等によっては発電要素と容器の位置ずれが起こり、発電要素から容器外部へ電流を取り出すリード部分等が損傷される可能性があるという問題点を解決するためにリードと袋状容器の内面とを樹脂を用いて固定した非水電解質電池が記載されているが、リード部分の対策のみで不十分なものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３０７７０４号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５７９０号公報
【特許文献３】特開２００３−１０９５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フィルム状外装材で電池要素を外装したフィルム外装電池において、振動、衝撃などにより、内部の電池要素が動くことが原因で生じるリード部の破壊、フィルム状外装材の損傷、あるいは正極電極、負極電極をセパレータを介して積層または巻回した電池要素のずれによって内部ショート等が発生することがないフィルム状外装材で外装した電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、正極端子、負極端子を取り付けた電池要素と、前記電池要素を収容する凹部を有し、熱融着部を形成して電池要素を覆うフィルム状外装材と、前記フィルム状外装材と前記電池要素の間の空間に、前記熱融着部と一体の熱可塑性樹脂充填部を有するフィルム外装電池である。
前記電池要素が、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体、またはそれぞれが帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した巻回体のいずれかである前記のフィルム外装電池である。
前記熱可塑性樹脂充填部に充填した合成樹脂の軟化温度がフィルム状外装材の熱融着部の軟化温度と同じか低い前記のフィルム外装電池である。
リチウムイオン電池である前記のフィルム外装電池である。
【００１１】
正極端子、負極端子を取り付けた電池要素をフィルム状外装材の凹部に収容し、前記フィルム状外装材の熱融着される部分から前記電池要素とフィルム状外装材との間の空間方向へ延びる熱可塑性樹脂膜を載置し、前記熱可塑性樹脂膜をフィルム状外装材側の外面から加熱するとともにフィルム状外装材の熱融着される部分を加熱押圧し、前記フィルム状外装材と前記電池要素の間の空間に熱融着部と一体に形成された熱可塑性樹脂充填部を形成するフィルム外装電池の製造方法である。
熱融着される部分の外周部から熱可塑性樹脂充填部に向けて相互の間隔が大きくなる傾斜面を備えた一対の熱融着手段によって加熱押圧し、熱融着される部分から熱可塑性樹脂充填部方向へ軟化した熱可塑性樹脂を押出ながら熱融着する前記のフィルム外装電池の製造方法である。
前記電池要素が、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体、またはそれぞれが帯状の正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した巻回体のいずれかである前記のフィルム外装電池の製造方法である。
リチウムイオン電池である前記のフィルム外装電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、正極端子と負極端子を取り付けた電池要素を前記電池要素を収容する凹部を有し、熱融着部を形成して電池要素を覆うフィルム状外装材と、前記フィルム状外装材と前記電池要素の間の空間に、前記熱融着部と一体に熱融着した熱可塑性樹脂充填部を設けたのものであって、熱可塑性樹脂充填部はフィルム状外装材の融着部と一体化されて固定されており、熱可塑性樹脂充填部は衝撃、振動等によって移動することはない。
その結果、電池要素が衝撃、振動によってフィルム状外装材の内部を移動してフィルム状外装材を傷付けたり、正極端子、負極端子が損傷を受けることを防止したフィルム外装電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明のフィルム外装電池の一実施態様を説明する図である。
【図２】図２は、本発明のフィルム外装電池の他の実施態様を説明する図である。
【図３】図３は、本発明のフィルム外装電池の製造方法の一実施態様を説明する図である。
【図４】図４は、本発明のフィルム外装電池の製造に用いる加熱手段を説明する図である。
【図５】図５は、従来のフィルム外装電池を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、フィルム状外装材によって外装した電池のフィルム状外装材の内面と電池要素との空間に、フィルム状外装材を封口する熱融着部と一体の熱可塑性樹脂充填部を設けたので、電池に加わる振動、衝撃によって特性が劣化することがない電池を提供することが可能であることを見いだしたものである。
【００１５】
図１は、本発明の電池の一実施態様を説明する図である。
図１（Ａ）正面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）においてＡ−Ａ’線で切断した断面図、図１（Ｃ）は、側面図を示す。
フィルム外装電池１は、フィルム状外装材２に熱融着部３を設けて封口されており、封口部から外部接続端子用の正極端子９と負極端子１０が引き出されている。
両面のフィルム状外装材２には、凹部４が形成されており、フィルム状外装材２Ａ、２Ｂのそれぞれの凹部４Ａ、４Ｂに、図１（Ａ）で破線で示す電池要素５が収納されている。
フィルム状外装材２に形成された凹部４と電池要素５との間には熱可塑性樹脂充填部６が形成されており、熱可塑性樹脂充填部６は熱融着部３において一体化されている。
【００１６】
したがって電池の落下等によってフィルム外装電池１に大きな衝撃、振動が加わった場合にも電池要素５の周囲は熱融着部３と一体の熱可塑性樹脂充填部６によって固定されているので、電池要素５がフィルム状外装材２の内面へ衝突することはない。このため、正極端子９、負極端子１０のリード部分が破壊されたり、電池要素の電極のずれを防止することができる。
また、電池要素５がフィルム状外装材２の内面に繰り返し衝突することはなくなるので、フィルム状外装材２の四隅や正極端子９、負極端子１０の取り出し部分に穴や裂け目が生じることも防止できる。
【００１７】
図２は、本発明の電池の他の実施態様を説明する図である。
図１に示した電池では、電池要素を収納する部分は、二つフィルム状外装材のそれぞれに形成した凹部に電池要素を収納したものであるのに対して、図２に示した電池は、電池要素の収納部の一方はフィルム状外装材２Ａに設けた凹部４であり、他方は平板状のフィルム状外装材２Ｂによって形成されている。
この実施態様の電池は、一方の面が中央と周辺部とが平坦な面を有しているので、図１に示した二つの凹部で収納部を形成した電池とは外形が異なっており、両者を組み合わせることによって電池の設置の自由度を高めることができる。
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明の電池の製造方法を説明する。
図３は、本発明の電池の製造方法の一実施態様を説明する図であり、断面図である。
図３（Ａ）に示すように、アルミニウム箔等の金属箔と、複数の合成樹脂フィルムを積層したフィルム状外装材であって、一方の面にポリプロピレンフィルムを、他方の面にはポリエチレンテレフタレートフィルムを積層したフィルム状外装材２Ａに金型を用いて電池要素を収納する凹部４Ａを形成している。
【００１９】
フィルム状外装材２Ａの凹部４Ａに電池要素５を収納して熱融着時に熱融着される部分３Ａから電池要素５と凹部４との間の空間まで延びる額縁状の熱可塑性樹脂膜６Ａを配置する。次いで、正極電極端子（図示せず）、負極電極端子１０を設けた電池要素５を凹部４Ａに収容する。
【００２０】
図３（Ｂ）に示すように、先に配置した熱可塑性樹脂膜６Ａと同様の額縁状の熱可塑性樹脂膜６Ｂを熱融着される部分から電池要素５と凹部４との間にまで配置し、電池要素５をフィルム状外装材２Ｂの凹部４で覆うように配置する。
【００２１】
次に、フィルム状外装材２Ａ、２Ｂの熱融着される部分３Ａに位置する熱可塑性樹脂膜６Ａをフィルム状外装材側の外面から加熱するとともにフィルム状外装材の熱融着される部分３Ａを熱融着手段によって加熱押圧して、前記フィルム状外装材２Ａ、２Ｂと前記電池要素５の間の内部空間に熱融着部３と一体に形成された熱可塑性樹脂充填部６を形成する。
【００２２】
熱融着手段としては、熱融着性フィルムの熱融着に利用する手段を利用することができる。以下に本発明に好適な熱融着工程を説明する。
図４は、熱癒着工程を説明する図であり、図４（Ａ）は、熱融着装置を説明する図であり断面図である。図４（Ｂ）は、熱融着ブロックを説明する図であり、図４（Ｃ）は、熱融着された熱融着部を説明する電池の部分断面図である。
熱融着手段２０は、熱融着される部分を両面から挟持して同時に熱融着を行う二つの加熱ブロック２２Ａ，２２Ｂを有しており、図４（Ｂ）に示すように熱融着される部分の外周部から熱可熱可塑性樹脂を充填する空間７に向けて相互の間隔が大きくなる傾斜面２４と平坦部２６とを備えている。
【００２３】
熱融着ブロック２２Ａ，２２Ｂによって熱融着部を加熱押圧すると、熱融着される部分に配置した熱可塑性樹脂膜６Ａ、６Ｂは軟化するとともに、熱融着ブロック２２Ａ，２２Ｂの内側に向けて熱融着ブロック相互の傾斜面によって外側から内側へ向けて押し出されて電池要素５とフィルム状外装材２Ａ，２Ｂとの空間７を送られる。
その結果、図４（Ｃ）に示すように電池要素５とフィルム状外装材２Ａ，２Ｂとの空間７には熱融着部と一体の熱可塑性樹脂充填部６が形成される。
【００２４】
図４で示すように外側から内側に向けて間隔が広がる傾斜面を設けて熱融着した場合には、フィルム状外装材の内面の熱融着部に傾斜面に沿って内側へ向けての力が作用するので、熱融着部３の外面側の部分である熱融着部端面３Ｃの厚みは小さなものとなる。その結果、熱融着部の外面に面する部分の面積が小さくなり、熱融着部の気密性を向上させ、水分の透過防止性能を高めるという効果も得ることができる。
【００２５】
本発明で使用可能なフィルム状外装材は、ポリエチレンテレフタレートフィルム以外にも、各種の強度や耐性に優れた２軸延伸ポリエチレンナフタレートフィルム、２軸延伸ポリブチレンテレフタレートフィルム等の２軸延伸ポリエステルフィルム、または２軸延伸ナイロンフィルムなどを単独、または複数を積層した積層フィルムを用いることができる。
【００２６】
また、内面の熱融着層には、ポリプロピレンまたは酸変性ポリプロピレンを用いることができる。酸変性ポリプロピレンとしては、アクリル酸、メタアクリル酸、マレイン酸等の不飽和カルボン酸等で変性したものを用いることができる。
【００２７】
本発明のフィルム外装電池がリチウムイオン電池である場合については、一例を示すと以下の電池要素を挙げることができる。
電池要素は、平板状の正極と平板状の負極がセパレータを介して積層された電極集合体である。
正極は、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体にリチウム遷移金属複合酸化物、たとえばＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4などを、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤とＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤に分散混合し調製した正極塗料を塗布装置によって塗布し乾燥させ正極活物質層を正極集電体の片面に形成した後に、正極集電体の反対面の所定の部分に同様に正極塗料を塗布し、両面に正極活物質層を形成することで得る。
【００２８】
負極は、帯状の銅箔からなる負極集電体の表面に、リチウムイオンをドープ及び脱ドープ可能な、熱分解炭素類、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスなどのコークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、フェノール樹脂、フラン樹脂などを焼成した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭などの炭素質材料、ポリアセチレン、ポリピロール類の導電性高分子材料等をカーボンブラックなどの導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤とＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤に分散混合し調製した負極塗料を塗布装置によって塗布し乾燥させ負極活物質層を負極集電体の片面に形成した後に負極集電体反対面の所定の部分に同様に負極塗料を塗布して両面に負極活物質層を形成して得る。
【実施例】
【００２９】
実施例１
厚さ１２μｍの２軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム層、厚さ４０μｍのアルミニウム箔層、厚さ２０μｍの２軸延伸ナイロンフィルム層、厚さ４０μｍのポリプロピレンフィルムからなる熱融着層を順に積層したフィルム状外装材の２枚のそれぞれに金型を用いて縦１６３ｍｍ、横１１９ｍｍ、深さ３．４ｍｍの凹部を形成した。
前記外装用フィルムの一枚の凹部に正極端子と負極端子を取り付けた縦１６０ｍｍ、横１１６ｍｍ、厚さ７ｍｍのリチウムイオン電池要素を収納して、前記熱融着層と同じ材質の厚さ０．３ｍｍのポリプロピレンフィルムを、外形が１８３ｍｍ×１３９ｍｍ、内形が１６３  ｍｍ×１１９ｍｍに切断して、周囲が外装用フィルムの熱融着される部分に位置するように配置して、上面にもう一方の外装フィルムを載置した。
【００３０】
次いで、電極端子の取り出し辺は２０ｍｍ幅の熱融着部、他の三辺は幅１５ｍｍの熱融着部であって、熱融着部の内側端部から１０ｍｍまでの平坦部から、熱融着部の外側端部に向けて平坦部に比べて高さ０．１ｍｍの傾斜面を有する熱融着手段を両面に配置して、注液口とする長辺側の１辺を除く３辺を温度１５０℃、圧力０．３ＭＰａ、１０秒間加熱して熱融着して電池要素を収納した電池外装体を得た。この外装体に前記電解液注入口から電解液を注液した後に、前記融着条件と同じ条件で電解液注入口の１辺を熱融着し、完全に封止したリチウムイオン電池を作製した。
【００３１】
作製した電池を、高さ１．５ｍからコンクリート床に、リード部分を下にして２０回落下させた後、電池を分解しリード部分に亀裂などの不具合が発生していないか調べることで確認した。従来方法による電池は、１０個中４個にリード部分の箔に亀裂が入っていた。本発明による素子は、１０個中亀裂などの損傷が確認されたものは無かった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、特別な工程を追加したり、電池の形状を変えることも無く、熱融着される部分に熱可塑性樹脂膜を配置して熱融着することによって、電池要素とフィルム状外装材によって作製した容器との空隙を埋めるように流動した後に固化した熱可塑性樹脂充填部は、フィルム状外装材の熱融着部と一体に形成され、電池要素は熱可塑性樹脂充填部を介して容器に固定されるので、電池に振動や落下などの衝撃によって変形圧力が加わっても、電池要素が容器に固定されて動いたり、内部の電池要素の積層がずれることが無く、また、リード部の変形が抑制されて、耐衝撃性が増す。
【符号の説明】
【００３３】
１…フィルム外装電池、２,２Ａ，２Ｂ…フィルム状外装材、３…熱融着部、３Ａ…熱融着される部分、３Ｃ…熱融着部端面、４，４Ａ，４Ｂ…凹部、５…電池要素、６…熱可塑性樹脂充填部、６Ａ、６Ｂ…熱可塑性樹脂膜、９…正極端子、１０…負極端子、２０…熱融着手段、２２Ａ，２２Ｂ…加熱ブロック、２４…傾斜面、２６…平坦部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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