(57)【要約】【課題】軟質の電池容器に発電要素が収容されていながら、不可避的な衝撃にも適度に耐え得る構造を持った積層型リチウムイオン二次電池を提供する。【解決手段】本発明の積層型リチウムイオン二次電池１は、ラミネート外装材３４からなる電池容器４に、セル２を気密封止したものである。電池容器４には、容器内の気密を保持する融着代１１が設けられる。融着代１１のうち外周部分１１ｂは、電池板面方向ＷＬに対して内側に折り曲げられている。融着代１１のうち内周部分１１ａは、電池板面方向ＷＬに張り出すように調整されている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極およびセパレータを備えた発電単位を複数積層することにより板状の発電要素が構成され、金属箔に熱融着性樹脂がラミネートされてなる外装材で構成された電池容器に、前記発電要素を気密封止した積層型リチウムイオン二次電池において、
内側に位置する前記熱融着性樹脂の溶融および固化により上下の前記外装材が貼り合わさって前記電池容器内の気密を保持する融着代が前記発電要素の形状に沿って形成され、
電池板面方向に対して前記融着代の外周部分が９０度以上折り曲げられ、折り曲げられた前記外周部分に隣接する内周部分が前記電池板面方向に張り出すように調整されていることを特徴とする積層型リチウムイオン二次電池。
【請求項２】
前記融着代には、多角形状を有する前記発電要素のコーナに個別に対応して当該融着代を内側方向に切欠いた形の切欠き部が設けられ、
それら切欠き部が形成された位置における前記融着代の残存幅に応じて、該融着代を前記外周部分と前記内周部分とに区分けする折り線が形成されている請求項１記載の積層型リチウムイオン二次電池。
【請求項３】
切欠きの先には円弧形状が付与されている請求項２記載の積層型リチウムイオン二次電池。
【請求項４】
前記円弧形状の両端から延びる１組の切欠き線を仮想的に延長したとき、それらが交わって鋭角を呈するか、もしくはそれら切欠き線が平行に延びるように、前記切欠き部が形成されている請求項３記載の積層型リチウムイオン二次電池。
【請求項５】
前記電池容器は、前記発電要素を収容するための凹部が形成された容器本体と、該容器本体に被さる蓋部とから構成されており、
前記容器本体における前記凹部の開口周縁部と前記蓋部との重なり合いにより前記融着代が形成され、前記融着代の外周部分が前記電池板面方向から前記容器本体側に９０度以上折り曲げられて該容器本体の側面に接触して固定されることにより空隙が形成され、前記電池板面方向からの外力が吸収されるようになっている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の積層型リチウムイオン二次電池。
【請求項６】
前記電池容器は、前記発電要素を収容するための凹部が形成された容器本体と、該容器本体に被さる蓋部とから構成されており、
前記容器本体における前記凹部の開口周縁部と前記蓋部との重なり合いにより前記融着代が形成され、前記融着代の外周部分が前記容器本体側に折り畳まれて前記内周部分に固定されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の積層型リチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極およびセパレータを備えた発電単位の複数を積層することにより板状の発電要素が組立てられ、その発電要素が軟質容器内に気密封止されてなる積層型リチウムイオン二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、電解液を電極内で膨潤保持可能なリチウムイオン二次電池（リチウムポリマー二次電池の概念を含む）においては、液漏れの恐れが小さいため、発電要素（セル）を、可撓性を有するラミネート外装材からなる電池容器に収容することが行なわれている。この手法によれば、金属製の容器を使用しないで済むため、電池の薄型化が容易である。また、後述する積層型リチウムイオン二次電池に至っては、形状の自由度が極めて高いという特徴を持っている。
【０００３】
ラミネート外装材は、アルミニウム箔の両面に樹脂をラミネートしたものが一般的である。容器内に露出する側には、ポリプロピレン等の熱融着性樹脂がラミネートされる。この構成によれば、熱融着性樹脂を溶融および固化させるだけで、容器を封口することが可能である。熱融着性樹脂が溶融および固化された箇所には、融着代が形成される。この融着代は、電池内部への水分の透過を防止するために、少なくとも数ミリ幅は設けなければならない。小型の電池においては、この融着代が比較的大きな面積を占めるようになる。そこで、この融着代を電池の側面にぴったりと折り畳んで、電池が実質的に占有する面積を低減する試みがなされている（下記特許文献１〜３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−５８０１３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０２９３１号公報
【特許文献３】
特開２００１−３５７８２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、軟質な電池容器を用いた板状のリチウムイオン二次電池は、元々、薄くて小型というところがセールスポイントであるため、電池容器が剥き出しで使用される場合がしばしばある。このような場合、電気製品への組み込み時、さらには実使用時等において不可避的な衝撃が電池に加わり、発電要素の変形等を招く恐れがある。
【０００６】
特に、積層型リチウムイオン二次電池においては、正極、負極およびセパレータからなる発電単位を個別に複数作製し、これらを積層することで発電要素が組立てられているため、発電要素に変形が生じたときに、充放電サイクル特性、内部抵抗などの特性の劣化を招きやすい。
【０００７】
本発明の課題は、軟質の電池容器に発電要素が収容されていながら、不可避的な衝撃にも適度に耐え得る構造を持った積層型リチウムイオン二次電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明は、電極およびセパレータを備えた発電単位を複数積層することにより板状の発電要素が構成され、金属箔に熱融着性樹脂がラミネートされてなる外装材で構成された電池容器に、発電要素を気密封止した積層型リチウムイオン二次電池において、内側に位置する熱融着性樹脂の溶融および固化により上下の外装材が貼り合わさって電池容器内の気密を保持する融着代が発電要素の形状に沿って形成され、電池板面方向に対して融着代の外周部分が９０度以上折り曲げられ、折り曲げられた外周部分に隣接する内周部分が電池板面方向に張り出すように調整されていることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明は、電池容器の外周に形成される融着代の一部を折り曲げずに少し残し、電池板面方向からの外力に抗する衝撃吸収代として機能するように構成したものである。確かに、電池の実質的な大きさ、換言すれば、発電に直接寄与しないデッドスペースを最大限に減ずるという観点では、融着代はその内周縁に沿って全部折り曲げたほうがよい。しかし、本発明においては、融着代の外周部分のみが折り曲げられており、その外周部分に隣接する内周部分が電池板面方向に張り出すように調整されている。そして、この構成により電池板面方向から急激な機械的衝撃が加わった場合にも、可撓性を有する融着代の内周部分に衝撃の運動エネルギーを吸収させ、発電要素に伝わる衝撃を緩和することができるようになる。これにより、発電要素に変形等が生じることを防止でき、充放電サイクル特性、内部抵抗などの特性の劣化が抑制される。もちろん、折り曲げた分のデッドスペースが削減されるので、電池のコンパクト化も図れる。
【００１０】
好適な態様において、融着代には、多角形状を有する発電要素のコーナに個別に対応して当該融着代を内側方向に切欠いた形の切欠き部が設けられ、それら切欠き部が形成された位置における融着代の残存幅に応じて、該融着代を外周部分と内周部分とに区分けする折り線が形成される。多角形状の発電要素の隣接する２辺に対応して形成された融着代を折り曲げようとすると、折り皺等が形成される。そこで、発電要素のコーナに個別に対応して切欠き部を設ける。切欠き部における融着代の残存幅（切欠きの先端から電池容器内までの距離に対応）に応じて、折り線の形成位置が定まる。このような折り線に沿って融着代を折り曲げれば、折り皺等が生じない。折り皺が形成されないことにより、電気機器の電池収容部への収納等の作業をスムーズにする効果を期待できる。
【００１１】
また、切欠きの先には円弧形状を付与することが好ましい。このようにすれば、切欠きの先から外装材の破断が進行し、容器内に空気がリークすることを効果的に防止できる。
【００１２】
また、円弧形状の両端から延びる１組の切欠き線を仮想的に延長したとき、それらが交わって鋭角を呈するか、もしくはそれら切欠き線が平行に延びるように、切欠き部が形成されていると尚良い。このようにすれば、高い水分遮断性を保つことができる。本発明のようなリチウムイオン二次電池は、水分の存在を非常に嫌う。水は、リチウムイオンと反応して不活性な化合物を生成し、充放電サイクル特性を劣化させる。また、電解液内のリチウム塩と反応してフッ酸等のガスを発生させ、電池の特性劣化を招く可能性がある。一般に、外装材の厚さ方向にはアルミニウム等の金属箔が存在するので、その方向には水はほとんど透過しない。水は、外装材の断面から容器内に侵入する。断面から容器内までの距離が長ければ長いほど、水分遮断性が高い。そこで、上記のようにして切欠き部を形成すれば、断面から容器内までの距離を極力長く取ることができ、高い水分遮断性を保てるというわけである。
【００１３】
より好適な態様において、電池容器は、発電要素を収容するための凹部が形成された容器本体と、該容器本体に被さる蓋部とから構成することができる。この場合、容器本体における凹部の開口周縁部と蓋部との重なり合いにより融着代が形成され、融着代の外周部分が電池板面方向から容器本体側に９０度以上折り曲げられて該容器本体の側面に接触して固定されることにより空隙が形成され、電池板面方向からの外力が吸収されるように構成することができる。このような空隙が形成されるように融着代を折り曲げれば、融着代の揺動スペースが確保され、高い衝撃吸収性能を実現することができる。
【００１４】
また、融着代の外周部分が容器本体側に折り畳まれて内周部分に固定されている態様も好適である。このようにすれば、電池板面方向に張り出す融着代の厚さが増し、該融着代の剛性が高まる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明にかかるリチウムイオン二次電池１（以下、単に電池１ともいう）の断面模式図である。電池１は、発電要素であるセル２が、電池容器４の中に密封された構造を有する。板状のセル２は、個別に作製された複数の発電単位２０が外周縁を上下方向で一致させる形で積層されたものである。図２に発電単位２０の断面模式図を示す。
【００１６】
図２に示すように、発電単位２０は、セパレータ３，３を正極７，７と負極１０とにより挟んだバイセル構造をなすものである。正極７は、正極集電体５に正極活物質層６を積層させた構造をなす。他方、負極１０は、負極集電体８に負極活物質層９，９を積層させた構造をなす。本実施形態では、負極１０が２つのセパレータ３，３に挟まれる形にてこれらに共用され、各セパレータ３，３の負極１０に面していない側が、個別に正極７，７に覆われている。負極１０の面積は、正極７と等しくすることもできるが、正極７よりも大きくすることが望ましい。また、セパレータ３，３は、各電極７，１０よりも大きい面積を有している。正極７および負極１０の配置は、相互に入れ替わってもよい。また、セル２の形状は方形、方形以外の多角形など種々の形状を採用できる。
【００１７】
正極集電体５は、ＡｌまたはＡｌ合金からなる箔または金属メッシュで構成することができる。負極集電体８は、ＣｕまたはＣｕ合金からなる箔または金属メッシュで構成することができる。金属メッシュとしては、エキスパンドメタル、エッチングメタルおよびパンチングメタルのいずれも使用できる。
【００１８】
正極活物質層６は、正極活物質、導電助剤および高分子基質（ポリマー）を含んで構成される。同様に、負極活物質層９は、負極活物質、導電助剤および高分子基質を含んで構成される。セパレータ３、正極活物質層６および負極活物質層９は多孔質形態を有し、ＬｉＰＦ６などのリチウム塩を、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートのような有機溶媒に溶解させた非水電解液が含浸されている。
【００１９】
正極活物質層６および負極活物質層９を構成する高分子基質としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＦ）などのフッ素樹脂や、あるいはこれらのフッ素樹脂の共重合体を使用することができる。
【００２０】
正極活物質層６を構成する正極活物質としては、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２など、遷移金属あるいは典型金属を含むリチウム複合酸化物を使用できる。負極活物質層９を構成する負極活物質としては、メソフューズカーボン材などの黒鉛系炭素材料が好適である。また、導電助剤（導電性物質）としてはアセチレンブラックなどの導電性カーボンを使用できる。
【００２１】
セパレータ３は、正極活物質層６および負極活物質層９に含まれる高分子基質と同様の材料、たとえばＰＶＤＦやＨＦＰ、あるいはそれらの共重合体により構成される（ＳｉＯ２などのフィラーを混入させてもよい）。あるいは、ポリエチレンやポリプロピレンなどの微多孔膜、ポリエチレンをポリプロピレンで挟んだ複数層構造を持つ微多孔膜、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂層と、ＰＶＤＦやＨＦＰ、あるいはそれらの共重合体からなる樹脂層とを有する微多孔膜などを使用してもよい。
【００２２】
図１に示すように、セル２には、帯状のリード端子１２，１３の一端が接続されている。リード端子１２，１３の他端は、電池容器４の融着代１１（封口部）を経て外側に延び出ている。具体的には、正極集電体５の電力取出部５０に正極用のリード端子１２の一端が接続されており、負極集電体８の電力取出部８０に負極用のリード端子１３の一端が接続されている。正極集電体５の電力取出部５０は、発電単位２０の各々に設けられており、これら複数の電力取出部５０は１つに束ねられている。正極用のリード端子１２は、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金にて構成するとよい。負極用のリード端子１３は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施した銅またはニッケルメッキを施した銅合金にて構成するとよい。
【００２３】
セル２を収容する電池容器４は、図７に示すように、アルミニウム箔などの金属箔３２の両面に樹脂層３１，３３を設けた可撓性を有するシート状の外装材３４で構成されている。電池容器４の外側に露出する樹脂層３１としては、たとえばポリエチレンテレフタラートや２軸延伸ナイロンなどが使用され、内側にくる樹脂層３３には、ポリエチレンやポリプロピレンなど、熱融着性、電解液に対する耐性および低水蒸気透過性を備えた材料が使用されている。
【００２４】
図１に示すように、容器の内側にくる樹脂層３３の溶融および固化により、上下の外装材３４同士が貼り合わさり、融着代１１が形成される。具体的には、図８に示すように、電池容器４は、セル２を収容するための凹部４ｐを有する容器本体４ｂと、蓋部４ａとで構成することができる。容器本体４ｂの凹部４ｐにセル２を収容させた後に、蓋部４ａを被せる。容器本体４ｂの凹部４ｐの開口を完全に塞ぐように蓋部４ａを配置し、容器本体４ｂおよび蓋部４ａの外周縁部をシールバー９０，９１（熱融着治具）で挟む。シールバー９０，９１に内側の樹脂層３３，３３が加熱されて溶融する。シールバー９０，９１を離間させれば、容器本体４ｂおよび蓋部４ａの溶融した樹脂層３３，３３が一体になりながら固化し、これにより電池容器４内の気密を保持する融着代１１が形成される。なお、１枚の外装材３４を成形して蓋部４ａと容器本体４ｂとを一体に作製する場合と、蓋部４ａと容器本体４ｂとを別々に作製する場合とがある。
【００２５】
融着代１１は、リード端子１２，１３の引き出し位置だけでなく、セル２を囲うように形成されるものである。図３に示すのは、電池１の上面図であり、電池１における融着代１１の形成位置を幾何模様にて表している。符号１４は、リード端子１２，１３の取り出し位置での絶縁性および気密性を高めるための樹脂フィルムを示している。
【００２６】
本発明の電池１は、図２に示したように、複数の発電単位２０を個別に作製して、それらを積層および圧着させて得られる積層型のリチウムイオン二次電池である。図３に示すように、セル２の形状に制限が無いに等しく、方形以外の多角形状の電池を容易に製造することができる。電池容器４は、セル２の形状にあわせて成形される。すなわち、融着代１１は、セル２の形状に沿うように設けられることとなる。図３に示す電池１は、融着代１１を形成した直後を示している。融着代１１は発電に寄与しないが、電池１が実質的に占有する面積を大きく拡げている。したがって、以下に説明するように、この融着代１１を電池１の厚さ方向に折り曲げて、電池１のコンパクト化を図ることができる。
【００２７】
ただし、薄い板状のセル２を、ラミネート外装材３４からなる軟質な電池容器４に収容させる場合、電池１に横方向（電池板面方向）から急激な機械的衝撃が加わったとき、セル２の変形を招くことがある。そこで、本発明においては、電池容器４の外周に形成される融着代１１の内寄りの一部分（内周部分）を折り曲げずに残し、これを衝撃吸収代として機能させる。これにより、コンパクト化、耐衝撃性の強化の両立を図ることができる。
【００２８】
図６は、融着代１１の折り曲げ形態を示す断面模式図である。ここでは、融着代１１の外周部分１１ｂを電池板面方向ＷＬに対して９０度以上折り曲げ、当該電池１の実質的な大きさ（占有面積）を減少させる、２通りの好適な具体例を示している。図６（ａ）に示す実施形態は、電池板面方向ＷＬに延びるように形成された融着代１１のうち外周部分１１ｂについて、電池容器４を構成する容器本体４ｂの側面４ｆに接触するように折り曲げたものである。容器本体４ｂの側面４ｆに外周部分１１ｂが接触した状態に保持されるよう、折り曲げられた融着代１１は、粘着テープ、熱収縮フィルム、接着剤等の固定手段（図示省略）により固定される。他方、融着代１１のうち内周部分１１ａは、電池板面方向ＷＬに張り出すように調整される。これにより、容器本体４ｂの側面４ｆと、折り曲げられた融着代１１との間に、わずかに空隙ＨＳが形成される。この空隙ＨＳは、電池板面方向ＷＬに突き出た融着代１１の可撓性を補って、耐衝撃性の一層の向上に寄与する。
【００２９】
図６（ｂ）に示す実施形態は、外周部分１１ｂが内周部分１１ａに接して重なり合うように、電池容器４を構成する容器本体４ｂ側にほぼ１８０度折り返したものである。折り返された外周部分１１ｂは、接着剤や粘着テープにより内周部分１１ａに密着固定される。この実施形態によれば、融着代１１の厚さが元の約２倍になっており、該融着代１１の持つ耐衝撃性の向上が図られている。外周部分１１ｂと内周部分１１ａとの幅を一致させる必要はなく、たとえば外周部分１１ｂが容器本体４ｂの側面４ｆに沿って延びるように融着代１１を折り曲げるようにしてもよい。
【００３０】
ところで、図３に示すように、セル２の形状との関係から融着代１１についても多角形状をなしており、隣り合う２辺を構成する融着代１１を折り曲げに供する場合においては、コーナに折り皺ができてしまう。また、折り線（外周部分１１ｂと内周部分１１ａの境界）の形成位置の調整も面倒である。そこで、融着代１１を折り曲げる工程に先立って、図４に示すように、多角形状のセル２の各コーナに対応する位置において、切欠き部４０〜４５を形成する。これにより、折り曲げ容易性の向上を図ることができ、折り皺も発生しにくい。
【００３１】
セル２の各辺に対応するように形成された融着代１１は、切欠き部４０〜４５が両端に設けられることにより、個別に折り曲げ可能とされている。また、たとえば切欠き部４０，４１のように隣り合う１組の切欠き部にまたがって、該融着代１１を外周部分１１ｂと内周部分１１ａとに区分けする折り線ＫＬが設定される。切欠き部４０，４１の形成位置における融着代１１の残存幅ｄ２は、融着代１１の内周縁から折り線ＫＬまでの幅を決定する。すなわち、切欠き部４０〜４５を形成するための切り込み深さを調整することが、折り曲げ位置を定めることに兼用されていることとなる。
【００３２】
具体的には、図５の拡大模式図に示すように、各部を調整することができる。まず、融着代１１の形成幅ｄ１は、たとえば２．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下に調整することが望ましい。融着代１１の形成幅ｄ１を小さく調整しすぎると、十分な耐水分透過性が得られなくなる恐れがある。逆に、融着代１１の形成幅ｄ１を大きく調整しすぎると、デッドスペースの増大を招くので好ましくない。また、切欠き部４２（全ての切欠き部を代表する）の形成位置においては、融着代１１の残存幅ｄ２を０．５ｍｍ以上確保することが望ましい。残存幅ｄ２を小さくし過ぎると、容器内への水分透過が活発になり、電池１の特性劣化を加速させる恐れがあるうえ、図６（ａ）に示す融着代１１の内周部分１１ａの幅Ｄ１を十分確保できなくなる。
【００３３】
また、図５（ｂ）に示すように、切欠き部４２の底、つまり切欠きの先端には、電池容器４の内部側に凹の適度な円弧形状が付与されていることが望ましい。切欠き部４２の形成は、切断刃を用いて行うことができるが、切欠きの先端が鋭くなっていると、融着代１１の折り曲げ作業中等において、切欠きの先端から破断が進行したりして、電池容器４内に空気がリークする恐れがある。他方、図５（ａ）（ｂ）に示すように、切欠いた断面に円弧形状が付与されている場合には、破断が生じ難い。円弧の半径Ｒ１は、たとえば０．１ｍｍ程度とすることができる。また、融着代１１の残存幅ｄ２にほぼ等しい半径の円弧形状を付与するようにしてもよい。
【００３４】
また、図５（ｂ）に示すように、切欠き部４２は、円弧形状の両端から延びる１組の切欠き線を仮想的に延長したとき、それら切欠き線が鋭角θで交わるように設けられていること好ましい。つまり、先端は円弧形状を付与しつつ鋭角に切り欠いて切欠き部４２を形成すれば、耐水分透過性の保持効果と、破断防止効果とをバランスよく保つことができる。同様の理由から、図５（ｃ）に示すように、一定幅の切欠きを設けつつ、切欠きの先端に円弧形状を付与する形態も好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるリチウムイオン二次電池の断面模式図。
【図２】図１の電池を構成する発電単位の断面模式図。
【図３】融着代を折り曲げる前の図１の電池の上面図。
【図４】切欠き部を形成した後の図１の電池の上面図。
【図５】切欠き部の形成形態を説明する模式図。
【図６】融着代の折り曲げ形態を示す断面模式図。
【図７】電池容器の材料である外装材の構成を示す断面模式図。
【図８】電池容器の封止手順を示す断面模式図。
【符号の説明】
１  リチウムイオン二次電池
２  セル（発電要素）
３  セパレータ
４  電池容器
４ａ  蓋部
４ｂ  容器本体
４ｐ  凹部
４ｆ  容器本体の側面
７  正極
１０  負極
１１  融着代
１１ａ  融着代の内周部分
１１ｂ  融着代の外周部分
２０  発電単位
３２  金属箔
３１，３３  樹脂層
３４  外装材
４０〜４５，４２’  切欠き部
ＫＬ  折り線
ＨＳ  空隙
【図１】
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【図２】
2005018990.tif 000004
【図３】
2005018990.tif 000005
【図４】
2005018990.tif 000006
【図５】
2005018990.tif 000007
【図６】
2005018990.tif 000008
【図７】
2005018990.tif 000009
【図８】
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