(57)【要約】【課題】薄型電池１０同士を接合する際に、電池内部の温度上昇を防止する。【解決手段】発電要素１０９を収容し、外周縁１０８が封着される電池外装１０６，１０７と、外周縁１０８から導出され、発電要素１０８の電極に接続された電極端子１０４，１０５とを有し、電池外装１０６，１０７に、封着された外周縁１０８から外側に向かって延びる延在領域１２０に接合を行う接合領域を設けた。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電要素を収容し、外周縁が封着される電池外装と、
前記外周縁から導出され、前記発電要素の電極に接続された電極端子とを有し、
前記電池外装は、前記封着された外周縁から外側に向かって延びる延在領域を有すると共に、前記延在領域に接合を行う接合領域を設けた薄型電池。
【請求項２】
前記延在領域は、前記電極端子が導出される外周縁以外の外周縁から外側に向かって延びる請求項１記載の薄型電池。
【請求項３】
前記電池外装は、前記発電要素を収容する凹部が形成されたカップ状外装と、当該カップ状外装を覆うシート状外装とを含み、
前記延在領域は、前記シート状外装に形成されている請求項１又は２に記載の薄型電池。
【請求項４】
前記電池外装は、少なくとも熱融着層を含み、
前記延在領域の少なくとも一部又は全部は、前記熱融着層が露出している請求項１乃至３の何れかに記載の薄型電池。
【請求項５】
前記電池外装は、少なくとも金属層を含み、
前記延在領域の少なくとも一部又は全部は、前記金属層が露出している請求項１乃至３の何れかに記載の薄型電池。
【請求項６】
前記発電要素の正極活物質がリチウム成分を含み、
前記発電要素の負極活物質が炭素系材料を含む請求項１乃至５の何れかに記載の薄型電池。
【請求項７】
前記請求項１乃至６の何れかに記載され、電気的に接続される薄型電池を２以上有し、
前記薄型電池を積層させた前記薄型電池の接合領域が相互に接合された組電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、発電要素を電池外装内に収容した薄型二次電池および組電池に関する。
【０００２】
【背景技術】
単位電池を複数接続して組電池とする場合に、各単位電池がずれないように固定するため、単位電池本体に熱溶着性のフィルムを貼り付け、これに熱を加えて溶着することが行われている。
しかしながら、電池本体に貼り付けられたフィルムに熱を加えると、フィルムに与えられた熱が電池本体内部に伝わり、電池本体内部にある発電要素が加熱され、電池の性能に悪影響を与えてしまうという問題があった。
【０００３】
【発明の開示】
本発明は、電池の性能に悪影響を与えないで、複数の電池を接合することを目的とする。
【０００４】
本発明によれば、発電要素を収容し、外周縁が封着される電池外装と、前記外周縁から導出され、前記発電要素の電極に接続された電極端子とを有し、前記電池外装は、前記封着された外周縁から外側に向かって延びる延在領域を有すると共に延在領域には接合を行う接合領域を設けた薄型電池が提供される。本発明の電池外装では、その外周縁から外側に向かって延びる延在領域を有し、この延在領域に接合領域が設けられているため、この接合領域を単位電池同士の接合に利用し、発電要素から離れた位置で接合加工を行うことができる。
【０００５】
これにより、電池性能に悪影響を与えることなく単位電池同士を接合させることができる薄型電池を提供することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００７】
図１は本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図１は一つの薄型電池（単位電池）を示し、この薄型電池１０を複数積層することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
【０００８】
まず図１及び図２を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄型電池１０の全体構成について説明する。本例の薄型電池１０はリチウム系の薄型二次電池であり、電池外装１０６，１０７は封着される２枚の電池外装（上部電池外装１０６及び下部電池外装１０７）を含み、この上部電池外装１０６と下部電池外装１０７とは、発電に必要な発電要素１０９を収容し、その収容部分の外周縁にあるヒートシール部１０８において熱溶着により封着されている。このヒートシール部１０８から正極端子１０４と負極端子１０５とが導出され、この正極端子１０４及び負極端子１０５が導出されるヒートシール部１０８以外のヒートシール部１０８から両外側に向かって延在領域１２０が延びている。この延在領域１２０は、上部電池外装１０６及び下部電池外装１０７の少なくとも何れか一方に設けられていればよく、上部電池外装１０６及び／又は下部電池外装１０７を構成するシートの一部として形成される。本実施形態の延在領域１２０は、フラットな（凹部が形成されていない）下部電池外装１０７に設けられ、電池要素１０９を収容する凹部が形成された上部電池外装１０６は、ヒートシール部１０８の端部で切断されている。下部電池外装１０７にのみ延在領域１２０を設けたのは、上部電池外装１０６における凹部形状の形成、電池要素の収容等の作業性を担保するためである。もちろん、上部電池外装１０６と下部電池外装１０７の両方に延在領域１２０をそれぞれ設けてもよい。この場合には、上部電池外装１０６の延在領域１２０と下部電池外装の延在領域１２０とが溶着され、ヒートシール部１０８をより幅広とすることができ、発電要素１０９のシール性（密着性）が向上し、防水性が向上する。
【０００９】
また、各延在領域１２０には、収容される発電要素１０９をはさんで所定の対象位置に、２つの接合領域１２１が設けられている。本例の接合領域１２１は、延在領域１２０の端部に設けた。この接合領域１２１は、他の薄型電池１０との接合において、接合部分として機能する。
【００１０】
本形態の上部電池外装１０６および下部電池外装１０７は、アルミ箔製の中間層と、このアルミ箔製中間層の両側に形成されたエチレンアクリル酸共重合体（ＥＡＡ）、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱融着性高分子からなる内側層及び外側層と、を有する層構造のラミネートフィルムである。電池外装１０６，１０７は、少なくとも内側に設けられた熱溶着層と、金属層とを含む材料を用いることができ、その材料は特に限定されない。例えば、内側層としては、エチレンアクリル酸共重合体（ＥＡＡ）、ポリエチレン、ポリプロピレンのほか、ポリアミド、アイオノマー等の耐電解液性及びヒートシール性に優れた熱可塑性樹脂を採用することができ、中間層としては、アルミニウム箔のほか、ステンレス箔等の可撓性及び強度に優れた金属箔を採用することができ、外側層としては、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた絶縁樹脂を採用してもよい。
【００１１】
また、延在領域１２０に設けられた接合領域１２１は、熱溶着性の樹脂層が露出された状態であってもよいし、又は電池外装１０６，１０７に含まれる金属層が露出された状態であってもよい。
【００１２】
接合領域１２１に樹脂層を露出させる場合には、接合領域１２１にポリエチレンやポリプロピレン、エチレンアクリル酸共重合体（ＥＡＡ）ポリアミド、アイオノマー等の熱可塑性樹脂を接合領域１２１に貼着又は塗布する。ちなみに、電池外装１０６，１０７に、外側層が上述した熱可塑性樹脂であるラミネートフィルムを用いた場合には、接合領域１２１にはすでに熱可塑性樹脂が露出されていることとなるため、そのまま他の薄型電池１０の接合領域１２１と熱溶接を行うことができる。また、接合領域１２１に、接着剤を塗布してもよい。
【００１３】
一方、接合領域１２１に金属層を露出させる場合には、３層のラミネートフィルムの外側樹脂層を剥がして金属層を露出させてもよいし、３層のラミネートフィルムを作成する際に、接合領域１２１に対応する部分の外側樹脂層を塗布しないことにより金属層を露出させてもよい。
【００１４】
本実施形態の薄型電池１０は、発電要素１０９を収容する凹部が形成されるようにラミネートフィルムシートから上部電池外装１０６を形成し、この上部電池外装１０６の凹部に発電要素１０９を収容する（図２参照）。正極端子１０４と負極端子１０５とをヒートシール部１０８から導出させるようにセットし、ラミネートフィルムシートからなる下部電池外装１０７を上部電池外装１０６上の所定の位置に重ね、気密状態を保ってヒートシール部１０８を溶着する。このように形成された薄型電池１０のヒートシール部１０８を外周縁とする電池外装１０７は、横（Ｒ）１４０ｍｍ、縦（Ｑ）８０ｍｍ、厚さ４ｍｍ又は８ｍｍである。また、この薄型電池１０の延在領域１２０は、横（Ｒ）１４０ｍｍ、縦（Ｐ）６０ｍｍ、厚さ４ｍｍ又は８ｍｍ（電池外装のシートの厚さ相当）である。なお、延在領域１２０の縦（Ｐ）の長さは、特に限定されることなく、互いに接合させる単位電池の積層数に応じて適宜決定することができる。
【００１５】
続いて、この電池外装１０６，１０７に包み込まれた薄型電池１０の内部について図２を参照して説明する。図２に示すように、薄型電池１０は、２枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、２枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部電池外装１０６と、下部電池外装１０７と、特に図示しない電解質とから構成されている。このうちの正極板１０１，セパレータ１０２，負極板１０３および電解質を特に発電要素１０９と称する。なお、正極板１０１，セパレータ１０２，負極板１０３の枚数には何ら限定されず、１枚の正極板１０１，３枚のセパレータ１０２，１枚の負極板１０４でも発電要素１０９を構成することができる。必要に応じて正極板、負極板およびセパレータの枚数を選択して構成することができる。
【００１６】
発電要素１０９を構成する正極板１０１は、金属酸化物などの正極活物質に、カーボンブラックなどの導電材と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンなどの接着剤とを、重量比でたとえば１００：３：１０の割合で混合したものを、正極側集電体としてのアルミニウム箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。なお、上記のポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンの混合比率は、その固形分である。
【００１７】
正極活物質としては、例えばニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）などのリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物を挙げることができる。
【００１８】
発電要素１０９を構成する負極板１０３は、例えば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛などのように、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンをたとえば固形分比１００：５で混合し、乾燥させたのち粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これに、アクリル樹脂エマルジョンなどの結着剤をたとえば重量比１００：５で混合し、この混合物を、負極側集電体としてのニッケル箔或いは銅箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。
【００１９】
特に負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量にともなって出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車等の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
【００２０】
また、発電要素１０９のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えてもよい。セパレータ１０２は、例えばポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって膜の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【００２１】
なお、本発明のセパレータ１０２は、ポリオレフィンなどの単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン層をポリエチレン層でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布などを積層したものも用いることができる。セパレータ１０２を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能およびセパレータの形状維持（剛性向上）機能などの諸機能を付与することができる。また、セパレータ１０２の代わりにゲル電解質又は真性ポリマー電解質等を用いることもできる。
【００２２】
以上の発電要素１０９は、上から正極板１０１と負極板１０３とが交互に、且つ当該正極板１０１と負極板１０２との間にセパレータ１０２が位置するような順序で積層され、さらに、その最上部及び最下部にセパレータ１０２が一枚ずつ積層されている。そして、２枚の正極板１０１のそれぞれは、正極側集電部１０４ａを介して、金属箔製の正極端子１０４に接続される一方で、２枚の負極板１０３は、負極側集電部１０５ａを介して、同じく金属箔製の負極端子１０５に接続されている。なお、正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としてはアルミニウムやアルミニウム合金などを挙げることができ、負極端子１０５としてはニッケル、銅またはステンレスなどを挙げることができる。また、本例の正極側集電部１０４ａも負極側集電部１０５ａの何れも、正極板１０４および負極板１０５の集電体を構成するアルミニウム箔やニッケル箔、銅箔を延長して構成されているが、別途の材料や部品により当該集電部１０４ａ，１０５ａを構成することもできる。
【００２３】
上述した発電要素１０９、正極側集電部１０４ａ、正極端子１０４の一部、負極側集電部１０５ａおよび負極端子１０５の一部は、電池外装１０６，１０７に包み込まれ、当該電池外装１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入したのち、上部電池外装１０６及び下部電池外装１０７の外周縁１０８を熱融着などの方法により封止する。
【００２４】
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）などのエステル系溶媒を挙げることができるが、本発明の有機液体溶媒はこれにのみ限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒も用いることができる。
【００２５】
同図に示されるように、封止された電池外装１０６、１０７の一方の端部から、正極端子１０４が導出するが、正極端子１０４の厚さ分だけ上部電池外装１０６と下部電池外装１０７との接合部に隙間が生じるので、薄型電池１０内の封止性を維持するために、当該正極端子１０４と電池外装１０６、１０７とが接触する部分に、ポリエチレンやポリプロピレンから構成されたシールフィルムを熱融着などの方法により介在させることもできる。
【００２６】
同様に、封止された電池外装１０６、１０７の他方の端部からは、負極端子１０５が導出するが、ここにも正極端子１０４側と同様に、当該負極端子１０５と電池外装１０６、１０７とが接触する部分にシールフィルムを介在させることもできる。なお、正極端子１０４および負極端子１０５の何れにおいても、シールフィルムは電池外装１０６，１０７を構成する樹脂と同系統の樹脂から構成することが熱融着性の点から望ましい。
【００２７】
続いて、図３及び図４を参照して、薄型電池１０を積層させた組電池について説明する。積層される単位薄型電池１０は、図３（ａ）に示すように、発電要素１０９を収容する凹形状が形成されたカップ状外装（上部電池外装）１０６と、このカップ状外装１０６を覆うシート状外装（下部電池外装）１０７とを有している。Ｉ−Ｉ線の断面は図３（ｂ）に示すような台形形状である。
【００２８】
延在領域１２０はシート状外装１０７に延在し、発電要素１０９を封着するためのヒートシール部１０８のうち正極端子１０４、負極端子１０５が導出されていないヒートシール部１０８´から外側へ向かって延びている。この延在領域１２０の端部近傍に接合領域１２１が設けられ、この接合領域１２１を他の薄型電池１０の接合領域１２１と接合させる。
【００２９】
接合領域１２１は熱可塑性樹脂が露出された状態であってもよいし、又アルミニウム、ステンレス等の金属層が露出された状態であってもよい。それぞれの状態における接合を図４（ａ），（ｂ）に示した。
【００３０】
図４（ａ）は熱可塑性樹脂が露出した接合領域１２１を有する薄型電池１０を積層して接合領域１２１を相互に接合させた組電池を示し、図４（ｂ）はアルミニウム層が露出した接合領域１２１を有する薄型電池１０を積層して接合領域１２１を相互に接合させた組電池を示す。
【００３１】
図４（ａ）に示す組電池は、熱可塑性の樹脂層が露出された接合領域１２１を有する４つの薄型電池１０を積層し、各薄型電池１０のヒートシール部１０８から延びる延在領域１２０を束ね、この束ねた延在領域１２０を圧接させ、延在領域１２０の接合領域１２１を加熱し熱融着させた組電池である。
【００３２】
また、図４（ｂ）に示す組電池は、アルミニウムの金属層が露出された接合領域１２１を有する４つの薄型電池１０を積層し、各薄型電池１０のヒートシール部１０８から延びる延在領域１２０を束ね、この束ねた延在領域１２０を圧接させ、延在領域１２０の接合領域１２１上に設けた８つの溶接スポットに超音波振動を与えて超音波溶接させた組電池である。この超音波接合は一般的な超音波接合装置を利用することができ、振動素子により発生させた振動であって、通常３０〜１２０ｋＨｚの振動を、振動伝達手段を介して接合領域１２１へ伝達し、超音波振動により発生した摩擦熱を利用して接合領域１２１を接合する。もちろん、接合領域１２１に熱を与えてアルミニウム金属層を熱溶接してもよい。なお、本形態では、薄型電池１０に設けられた２つの接合領域１２１の両方を接合させたが、一方の接合領域１２１のみを接合させてもよい。
【００３３】
接合領域１２１を接合する際に与えられた熱又は接合する際に生じた熱は、接合領域１２１から延在領域１２０の全体に伝達される。延在領域１２０は、ラミネートフィルム相当の薄さであるとともに、ヒートシール部１０８（外周縁）から延在する広い面積を有するため、与えられた熱は蓄えられることなく効率的に放熱される。しかも、延在領域１２０は少なくとも金属層を含んでいるため、与えられた熱は延在領域１２０全体に迅速に伝導し、延在領域１２０全体から速やかに放熱される。このように延在領域１２０を介して迅速かつ効率的な放熱が行われるため、接合に際して接合領域１２１に与えられた熱又は発生した熱は、発電要素１０９へ伝わる前に延在領域１２０において放熱されてしまう。このため、接合領域１２１から離れた位置にある発電要素１０９にまで熱が伝わらず、発電要素１０９の温度上昇を防止することができる。
【００３４】
このように、接合が行われる接合領域１２１を、ヒートシール部１０８から外側へ延在する延在領域１２０上に設けることにより、薄型電池１０同士の接合を発電要素１０９の収容部分から離れた位置において行うことができるため、熱融着又は溶接等の接合時に生じる熱が発電要素１０９へ伝わることを防ぎ、薄型電池１０に悪影響を与えることなく単位電池の接合を行うことができる。
【００３５】
また、複数の単位電池１０の接合領域１２１が互いに接合されることにより、単位電池１０がずれたり、崩れたりすることなく、積層状態を保つことができる。これにより、電極の接続作業において位置決めを行わなくても電極を容易に接続することができ、電極接続の作業性を向上させることができる。
【００３６】
さらにまた、薄型電池１０の一部である接合領域同士が直接接合されることにより、粘着テープ等で薄型電池１０を接続した場合等に比べて、接続された複数の薄型電池１０に生じる温度むらの発生を防止することができる。特に、接合領域１２１に金属層が露出されている場合には、この金属層同士が接合することとなるため、さらに熱伝導性を向上させることができ、温度むらの発生を確実に防止することができる。
【００３７】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図である。
【図２】図１に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る薄型電池を示す斜視図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態に係る薄型電池を積層して接合した組電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…薄型電池
１０１…正極板
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部電池外装
１０７…下部電池外装
１０８…ヒートシール部（外周縁）
１０９…発電要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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