(57)【要約】【課題】電極群にかかる力及び加熱密封時の熱伝導を抑制可能で内部短絡を減少させたラミネートフィルム外装電池を提供する。【解決手段】ラミネートフィルム外装電池１は、外装体のラミネートフィルム２の外縁部が熱融着されている。外装体内には、正極及び負極がセパレータを介して積層された電極群１０及び電極群１０を保護する枠状の樹脂枠５が封入されている。樹脂枠５の１辺には、高さ方向の片面側に断面略コ字状の溝部が形成されており、溝部には電極端子が嵌合されている。電極端子はラミネートフィルム２の外縁部に固定されラミネートフィルム外装電池１の外側に導出されている。樹脂枠５の高さｈは、電極群１０の厚さａの９０〜１１０％の範囲とされている。外力が加えられても樹脂枠５が電極群１０を保護する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とをセパレータを介して積層した電極群がラミネートフィルムの外装体内に封入されたラミネートフィルム外装電池において、前記電極群の周囲に前記電極群を保護する枠状の保護部材を備えたことを特徴とするラミネートフィルム外装電池。
【請求項２】
前記保護部材の高さは、前記電極群の厚さの９０％以上１１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のラミネートフィルム外装電池。
【請求項３】
前記保護部材には、前記電極群に接続された電極端子を支持する溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のラミネートフィルム外装電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はラミネートフィルム外装電池に係り、特に、正極と負極とをセパレータを介して積層した電極群がラミネートフィルムの外装体内に封入されたラミネートフィルム外装電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の発達にともない、小型で軽量、かつエネルギー密度が高く、更に繰り返し充放電が可能な非水電解液二次電池の開発が要望されている。このような非水電解液二次電池としては、リチウム又はリチウム合金を負極活物質とする負極と、モリブデン、バナジウム、チタン若しくはニオブ等の酸化物、硫化物又はセレン化物を正極活物質として含む懸濁液が集電体に塗布された正極と、非水電解液とを具備したリチウム二次電池が知られている。また、最近では負極活物質として、例えば、コークス、黒鉛、炭素繊維、樹脂焼成体、熱分解気相炭素等のリチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素質材料を含む負極と、正極活物質としてリチウムコバルト複酸化物やリチウムマンガン複酸化物を含む正極とを用いるリチウムイオン二次電池の開発、商品化が活発に行われている。
【０００３】
これらの非水電解液二次電池では、従来、コイン形や円筒形の形態が主流であったが、用途の多様化に伴い角形や長円形等の体積効率の優れた形態を有するものの要求が高まっている。また、更なる軽量化及び小型化を目的として、電極群及び非水電解液を収容する外装体を、従来の金属製外装缶からフィルム材料に変更することが検討されている。このフィルム材料としては、フィルムの内外で水蒸気や酸素等の気体の入出を防止するため、中央にアルミニウム箔等の金属箔が配置されており、最外層に金属箔を物理的衝撃から保護するポリアミド樹脂等の樹脂層が、最内層にポリプロピレン樹脂等の熱融着性樹脂層がそれぞれ形成された多層フィルム（以下、ラミネートフィルムという。）が一般的に用いられている。
【０００４】
外装体にラミネートフィルムを用いたラミネートフィルム外装電池では、２枚のラミネートフィルム間に、電極群と熱融着性樹脂層とが接するように配置され、２枚のラミネートフィルムの４辺（周縁）が加熱密封されることで、非水電解液と共に、外装体内に封入される。このとき、電極群に接続された電極端子がラミネートフィルムの融着部に挟み込まれる。従って、発電要素が軽量のラミネートフィルム内に封入されるので、電池の軽量化を図ることができる。また、加熱圧着を減圧雰囲気下で行うことで、ラミネートフィルムの外装体内が減圧状態となるため、ラミネートフィルム外装電池には外部から大気圧が掛かり、正負極がセパレータを介して適度に加圧（拘束）されるので、電池の出力を向上させることができる。
【０００５】
一方、ラミネートフィルムは、従来の金属製外装缶のような強度がない。このため、例えば、非水電解液成分の蒸気等により電池内圧が上昇すると、電池が膨張し容易に形状変化が生じる。これを回避するため、発電要素とラミネートフィルムとの間に絶縁性の接着層を備える技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５１５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電池作製時に電池内部が減圧状態になると、ラミネートフィルムが発電要素（電極群）に沿って変形するため、ラミネートフィルムが発電要素の外周部に押し付けられる。このため、発電要素の外周部に大きな力がかかるので、発電要素の損傷やこれに伴う活物質層の剥離が起こり易くなる。また、発電要素の封入時にラミネートフィルムが加熱密封されるため、この熱が発電要素に伝導して正極及び負極間のセパレータの収縮や溶融が起こるおそれもある。これらの現象が起こると内部短絡が発生しやすくなるので、電池の歩留まりが悪くなり、電池の生産性を著しく低下させる。更に、複数のラミネートフィルム外装電池を組み合わせて使用する場合にも電池外部から力が加わることがあるため、発電要素の損傷等を引き起こすことがある。
【０００８】
本発明は上記事案に鑑み、電極群にかかる力及び加熱密封時の熱伝導を抑制可能で内部短絡を減少させたラミネートフィルム外装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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、正極と負極とをセパレータを介して積層した電極群がラミネートフィルムの外装体内に封入されたラミネートフィルム外装電池において、前記電極群の周囲に前記電極群を保護する枠状の保護部材を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、ラミネートフィルムの外装体内に正極と負極とをセパレータを介して積層した電極群の周囲に電極群を保護する枠状の保護部材を備えるため、外部から力が加えられても電極群が枠状の保護部材で保護されるので、電極群の損傷が防止されると共に、ラミネートフィルムの加熱密封時の電極群への熱伝導が遮断されてセパレータの溶融や収縮が抑制されるので、内部短絡を減少させることができる。
【００１１】
この場合において、保護部材の高さが電極群の厚さの９０％より小さいと、保護部材の高さを越える部分で電極群に外力が作用し、保護部材の高さが電極群の厚さの１１０％より大きいと、正極負極間の拘束力が低下し出力低下を引き起こすので、保護部材の高さを電極群の厚さの９０％以上１１０％以下とすることが好ましい。また、保護部材に、電極群に接続された電極端子を支持する溝が形成されていれば、電極端子に外力が作用しても電極端子が溝で支持されるので、電極端子が溝で移動を規制されるため、外力による電極端子の疲労及び電極端子が挟み込まれたラミネートフィルムの融着部にかかる力を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ラミネートフィルムの外装体内に電極群の周囲に電極群を保護する保護部材を備えるため、外部から力が加えられても電極群の損傷が防止されると共に、ラミネートフィルムの加熱密封時の電極群への熱伝導が遮断されてセパレータの溶融や収縮が抑制されるので、内部短絡を減少させることができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係るラミネートフィルム外装電池の実施の形態について説明する。
【００１４】
（構成）
図１に示すように、本実施形態のラミネートフィルム外装電池１は、一面側（図１の下側）が略平坦で他面側（上側）が凸状の形状を有している。ラミネートフィルム外装電池１は、外装体のラミネートフィルム２の外縁部の４辺が熱融着で封止されている。ラミネートフィルム外装電池１の外縁部の１辺からは、正負極の電極端子３がそれぞれ導出されており、電極端子３はラミネートフィルム２の融着部で固定（支持）されている。図２に示すように、ラミネートフィルム２の外装体内には、正負極がセパレータを介して積層された電極群１０、電極群１０を保護する保護部材としての枠状の樹脂枠５及び図示を省略した非水電解液が封入されている。樹脂枠５は、電極群１０の４側面（全周）に配置されている。
【００１５】
ラミネートフィルム２には、基材となる金属箔、金属箔を保護する保護樹脂層及び熱融着樹脂層で構成された三層構造の多層膜が用いられている。ラミネートフィルム２は、保護樹脂層、金属箔、熱融着樹脂層がこの順に接着剤を介して積層されプレス加工で成形されている。金属箔には、厚さ４０μｍのアルミニウム箔が用いられている。このアルミニウム箔が水蒸気及び酸素等の気体の入出を防止するため、ラミネートフィルム２はガスバリア性を有している。保護樹脂層には厚さ２５μｍのナイロン製フィルム、熱融着樹脂層にはポリプロピレン（以下、ＰＰと略記する。）製フィルムがそれぞれ用いられている。
【００１６】
図３に示すように、電極群１０は、正極１１と負極１２との複数枚ずつがセパレータ１３を介して垂直方向に積層された構造を有している。正極１１と負極１２とは、上下両端が負極１２となるように１枚ずつ交互に積層されており、これら正極１１と負極１２との間にそれぞれ１枚ずつのセパレータ１３が積層されている。このとき、各正極１１に接続された図示しない正極リード片が電極群１０の１辺の一側に、各負極１２に接続された不図示の負極リード片が他側に位置するように積層されている。ラミネートフィルム外装電池１では、正極１１と負極１２との内部短絡を防止するために、正極１１が負極１２より若干小さいサイズに裁断されている。セパレータ１３には、正負極間の絶縁を図ると共に、電極群１０の小型化を図り樹脂枠５の内側に挿入するために、負極１２と同じサイズに裁断された微多孔性のＰＰ製フィルムが用いられている。電極群１０の厚さａは、電極群１０の積層方向の上下両端間の距離を示している。なお、図３において、電極群１０の構成を分かり易くするため、正極１１、負極１２及びセパレータ１３の厚さを実際よりも厚く示している。
【００１７】
正極リード片及び負極リード片は、それぞれ全てが集合されて正負極の電極端子３にそれぞれ接続されている。正極の電極端子３にはアルミニウム板が、負極の電極端子３にはニッケル板がそれぞれ用いられている。正負極の電極端子３は、断面が厚さ０．３ｍｍ、幅１５ｍｍの矩形の形状とされている。正負極の電極端子３の外周には、シールテープとして厚さ１００μｍ、幅１０ｍｍのＰＰ製テープが貼り付けられている。
【００１８】
正極１１には、正極活物質としてリチウムマンガン複合酸化物が用いられている。正極１１は、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に正極合剤が塗着されており、厚さ９０μｍの薄板状で方形の形状を有している。正極集電体の一辺の一側には、アルミニウム製で帯状の正極リード片が超音波溶接で接続されている。正極合剤には、正極活物質１００重量部に対して、導電剤として１０重量部の鱗片状黒鉛及び結着剤として５重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）が配合されている。なお、正極１１は、正極合剤の成分に分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）を添加、混練したスラリをアルミニウム箔に塗布後、乾燥、プレスすることで成形されている。
【００１９】
一方、負極１２には、負極活物質として黒鉛粉末が用いられている。負極１２は、厚さ１０μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両面に負極合剤が塗着されており、７０μｍの薄板状で方形の形状を有している。負極集電体の一辺の一側には、銅製で帯状の負極リード片が超音波溶接で接続されている。負極合剤には、負極活物質９０重量部に対して、結着剤のＰＶＤＦ１０重量部が配合されている。なお、負極１２は、負極合剤の成分に分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練したスラリを圧延銅箔に塗布後、乾燥、プレスすることで成形されている。
【００２０】
図４に示すように、樹脂枠５は、ＰＰ樹脂製で内側に電極群１０を挿入可能な枠状とされている。樹脂枠５の１辺には、挿入する電極群１０の積層方向（厚さａ方向）の片面に正負極の電極端子３を支持する断面略コ字状の２つの溝部６が形成されている。溝部６は、上述した大きさの電極端子３を嵌合可能な大きさに形成されている。樹脂枠５の高さｈは、電極群１０の厚さａ（図３参照）に対し、９０〜１１０％の範囲に設定されている。
【００２１】
なお、非水電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との混合溶媒にリチウム塩（電解質）として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル（１Ｍ）溶解したものが用いられている。
【００２２】
（電池組立）
ラミネートフィルム外装電池１の組立では、まず、電極群１０を樹脂枠５の内側に挿入する。このとき、正負極の電極端子３を樹脂枠５の２つの溝部６にそれぞれ嵌合させる。次に、樹脂枠５の形状に合わせて凹部が形成されたシリコンゴム製の受け台にラミネートフィルム２を載置し、内側に電極群１０を挿入した樹脂枠５を受け台の凹部に合わせてラミネートフィルム２上に載置する。これにより、ラミネートフィルム２が受け台の凹部に沿って変形し、電極群１０及び樹脂枠５が凹部に入り込む。
【００２３】
次いで、変形したラミネートフィルム２の凹部に非水電解液を注入後、別のラミネートフィルム２を被せて２枚のラミネートフィルムの外縁部を重ね合わせる。このとき、正負極の電極端子３の先端部がラミネートフィルム２の外縁部から外側に突出するようにしておく。続いて、重ね合わせたラミネートフィルム２の上側にＰＰ製フィルムの溶融温度の１７０〜１９０°Ｃ程度に加熱した金属板を押し当て、減圧雰囲気下でラミネートフィルム２の外縁部を加熱圧着して２枚のラミネートフィルム２を熱融着させる。これにより、熱融着部の電極端子３の周囲には、軟化したＰＰ樹脂が密着して隙間が充塞され、密閉構造のラミネートフィルム外装電池１の組立が完成する。
【００２４】
（作用等）
図５に示すように、樹脂枠５を具備せずに電極群１０のみがラミネートフィルム２の外装体内に封入された従来のラミネートフィルム外装電池２０では、電池の内部が減圧状態とされているので、外部から大気圧で押され、電極群１０の外周部に大きな力がかかる。このため、正極、負極の外周部の折れ曲がりやこれに伴う活物質層の剥離等の電極群１０の損傷を引き起こし、電極群１０の外周部で内部短絡等の不良が発生する。また、ラミネートフィルム２の外縁部の加熱圧着が１７０〜１９０°Ｃ程度で行われるため、この熱が電極群１０を構成しているセパレータ１３に伝導し、セパレータ１３が収縮や溶融を起こして、同様に内部短絡等の不良が発生する場合がある。
【００２５】
本実施形態のラミネートフィルム外装電池１では、電池作製時に、電極群１０が樹脂枠５内に挿入されて樹脂枠５と共にラミネートフィルム２の外装体内に封入される。このため、電極群１０の封入時には、ラミネートフィルム２が樹脂枠５の形状に沿って変形するので、電池内部が減圧状態となり外部から大気圧で押されても、電極群１０の外周部には力がかからず、電極群１０の外周部の折れ曲がりや活物質層の剥離等の損傷を防止することができる（図２参照）。また、ラミネートフィルム２の加熱圧着時には、電極群１０への熱伝導が樹脂枠５で遮断されるので、セパレータ１３の溶融や収縮も防止することができる。従って、本実施形態のラミネートフィルム外装電池１では、内部短絡を発生することなく作製することができるので、電池作製時の不良率を低減することができる。
【００２６】
また、本実施形態のラミネートフィルム外装電池１では、使用時においても、樹脂枠５が電極群１０を保護するため、外部から力が加えられても電極群１０にかかる力が抑制されるので、電極群１０の損傷を防止してラミネートフィルム外装電池１を長期間に亘り使用することが可能となる。更に、複数個のラミネートフィルム外装電池１を組み合わせた組電池として使用する場合に、外部から力が加えられても個々の電池の電極群１０にかかる力が樹脂枠５で抑制されるので、電極群１０の損傷を引き起こすことなく組電池を使用することができる。
【００２７】
更に、樹脂枠５をラミネートフィルム外装電池１の外側に配置すると、電池より大きい樹脂枠を使用するため、電池全体が大きくなり、特に、組電池では全体が相当の大きさとなる。本実施形態のラミネートフィルム外装電池１では、樹脂枠５がラミネートフィルム２の外装体内に封入されるため、ラミネートフィルム外装電池１をコンパクトにすることができる。
【００２８】
また更に、外部に突出した電極端子３の先端部には配線接続等の外力がかかりやすい。このため、従来のラミネートフィルム外装電池２０では、電極端子３が固定されたラミネートフィルム２の融着部や電極端子３と接続された電極群１０に力がかかるので、融着部の破損（密閉性の低下）や電極群１０の損傷を引き起こす。本実施形態のラミネートフィルム外装電池１では、電極端子３が樹脂枠５の１辺に形成された溝部６に支持されている。このため、電極端子３に外力が加えられても、電極端子３の移動が溝部６で防止されるので、外力による電極端子３の疲労を抑制し、融着部の破損や電極群１０の損傷を抑制することができる。
【実施例】
【００２９】
次に、本実施形態に従って作製したラミネートフィルム外装電池１の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例の電池についても併記する。
【００３０】
（実施例１）
下表１に示すように、実施例１では、電極群１０の厚さａに対する樹脂枠５の高さｈの割合を８５％として、ラミネートフィルム外装電池１を作製した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
（実施例２〜実施例５）
表１に示すように、実施例２〜実施例５では、電極群１０の厚さａに対する樹脂枠５の高さｈの割合を変える以外は実施例１と同様にした。厚さａに対する高さｈの割合を、実施例２では９０％とし、実施例３では１００％とし、実施例４では１１０％とし、実施例５では１１５％とした。
【００３３】
（比較例１）
表１に示すように、比較例１では、樹脂枠５を配置せず、電極群１０のみをラミネートフィルム２内に封入した。すなわち、比較例１の電池は、従来のラミネートフィルム外装電池である。
【００３４】
＜試験・評価＞
以上のようにして作製した実施例及び比較例の各電池２０個について、以下の試験を行い評価した。
【００３５】
非水電解液の注液前に、各電池の正負極端子間の抵抗をデジタルマルチメータで測定するショートチェックを行い、抵抗値が５０ＭΩ以上の電池を良品とした。この結果から、試験電池数に対する不良品の割合を百分率で算出して各電池の作製時の不良率とした。次に、実施例及び比較例の各電池を、環境温度２５±２°Ｃの雰囲気下において、充電した後放電して初期化を行った。充電条件は、４．１Ｖ定電圧、制限電流５Ａ、２．５時間とし、放電条件は、１Ａ定電流、終止電圧２．７Ｖとした。更に、各電池を上述した充電条件で充電（満充電状態）した後、環境温度２５±２°Ｃの雰囲気下において、出力を測定した。測定では、１０Ａ、３０Ａ、９０Ａの電流値で各１０秒間放電し、横軸電流値に対して、各５秒目の電池電圧値を縦軸にプロットした。３点を直線近似した直線が終止電圧である２．７Ｖと交差する点の電流値を読み取り、この電流値と２．７Ｖとの積をその電池の出力とした。測定した不良率及び出力の結果から、各電池の総合評価を行った。総合評価では、不良が発生せず出力に優れた電池を◎、若干の不良が発生した電池を○、出力が若干低下した電池を△、不良が著しく増加した電池を×でそれぞれ示した。下表２に各電池の不良率、出力及び総合評価の結果を示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２に示すように、樹脂枠５を配置せずに作製した比較例１の電池では、不良率が５０％となり、十分な生産性を得ることができなかった。これに対し、樹脂枠５で電極群１０の周囲を保護し、樹脂枠５の高さｈを電極群１０の厚さａの８５〜１１５％の範囲とした実施例１〜５の電池では、不良率が著しく低下しており良好な結果を得ることができた。このことから、樹脂枠５の高さｈは、電極群１０の厚さａの８５％以上１１５％以下とすることが好ましいことが判った。
【００３８】
また、樹脂枠５の高さｈを電極群１０の厚さaの８５％とした実施例１の電池では、比較例１の電池に比べ不良率は改善されたものの、不良率５％で不良品が発生した。反対に、樹脂枠５の高さｈを電極群１０の厚さaの１１５％とした実施例５の電池では、不良率０％で不良品は発生しなかったものの、出力が他の電池と比較して１５％程度低下する結果となった。樹脂枠５の高さｈを電極群１０の厚さａの９０〜１１０％の範囲とした実施例２〜実施例４の電池では、不良品の発生がなく、出力の低下も小さい優れた結果を示した。この原因としては、樹脂枠５の高さｈが電極群の厚さａの９０％より小さい場合には、樹脂枠５の高さを越える電極群１０に力がかかるため、電極群１０の保護が不十分となり不良率が増加し、樹脂枠５の高さｈが電極群の厚さａの１１０％より大きい場合には、積層された正極及び負極間に適度な圧力がかからなくなる（拘束力が低下する）ため、電気伝導性が低下し電池の出力が低下することが考えられる。従って、複数個のラミネートフィルム外装電池１を組電池として使用する場合や電池の量産体制を考慮すると、樹脂枠５の高さｈを電極群の厚さａの９０％以上１１０％以下とすることがより好ましいことが判明した。
【００３９】
なお、本実施形態では、樹脂枠５の材質として、ポリプロピレン樹脂を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施形態以外で用いることのできる樹脂枠５の材質としては、使用する非水電解液に溶解することなく、電気絶縁性の樹脂であればよく、例えば、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂等を挙げることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、正極１１、負極１２及びセパレータ１３を方形に裁断して積層した電極群１０を例示したが、本発明は電池の形状に制限されるものではなく、例えば、長円形状の電池にも適用可能である。更に、電池の大きさについても特に制限されるものではない。電極群１０の形状、大きさに合わせた樹脂枠５を使用することで、同様の効果を得ることができる。また、本実施形態のラミネートフィルム外装電池１を、例えば、カード型等の外装ケースに更に収容することで、カード型二次電池として使用することも可能である。
【００４１】
更に、本実施形態では、樹脂枠５の１辺に２つの溝部６を形成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、３つ以上の溝部６を形成してもよく、また、相対する２辺にそれぞれ溝部６を形成してもよい。このようにすれば、正負極の電極端子３を並べて配設する以外に電極端子３を電極群１０に対して互いに反対側に配設する電池等にも共通の樹脂枠５を適用することが可能となる。
【００４２】
また更に、本実施形態では、ラミネートフィルム外装電池１を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の二次電池や一次電池に適用しても同様の効果を得ることができる。また、本発明を適用する電池の種類等に合わせて、正極１１及び負極１２を構成する活物質等の成分、セパレータ１３の材質等を任意に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係るラミネートフィルム外装電池によれば、電極群にかかる力及び加熱密封時の熱伝導を抑制可能で内部短絡を減少させたため、製造、販売に寄与し、産業上利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る実施形態のラミネートフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図２】実施形態のラミネートフィルム外装電池の概略を示す断面図である。
【図３】実施形態のラミネートフィルム外装電池の電極群の概略を示す断面図である。
【図４】実施形態のラミネートフィルム外装電池の電極群を保護する樹脂枠の外観を示す斜視図である。
【図５】従来のラミネートフィルム外装電池の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ラミネートフィルム外装電池
２  ラミネートフィルム
５  樹脂枠（保護部材）
６  溝部（溝）
１０  電極群
【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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