(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを介して積層された正極および負極からなる電気化学デバイス要素と電解液をフィルム外装体に収納し、外周部を熱融着して封止されるフィルム外装電気化学デバイスであって、
フィルム外装体の外周部の一部に熱融着幅狭部が設けられ、
前記セパレータの一部に、前記電気化学デバイス要素の外側まで突出された突出部が設けられ、該突出部が、前記熱融着幅狭部の内側に形成されたセパレータ収納部に収納されることを特徴とするフィルム外装電気化学デバイス。
【請求項２】
前記熱融着幅狭部が、内圧上昇時に開放することを特徴とする請求項１記載のフィルム外装電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学デバイス要素がフィルム外装体によって熱融着して封止されるフィルム外装電気化学デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学デバイスのひとつとして、正極板と負極板がセパレータを介して交互に積層または巻回された電池要素を電解液と共に外装体によって包囲した非水電解液二次電池が携帯機器や電気自動車等の電源として用いられている。非水電解液二次電池としては、リチウムコバルト酸化物やリチウムマンガン酸化物のような活物質を含む正極と、黒鉛等の炭素系材料を含む負極との間にセパレータを介したものを非水電解液と共に金属缶内に収納した構成のものが知られている。ここで、非水電解液には、低粘度、かつ低沸点の非水溶媒を含む電解液が知られている（例えば特許文献１）。  
【０００３】
上記の例では、箱型の外装体が用いられているが、携帯機器や電気自動車等の電源として用いられている外装体には、軽量化、薄型化が強く要求されている。
【０００４】
そこで、外装体に関しても、軽量化、薄型化に限界のある従来の金属缶に代わり、さらなる軽量化、薄型化が可能であり、金属缶に比べて自由な形状を採ることが可能な外装体として、金属薄膜フィルム、または金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムとを積層したラミネートフィルムが用いられるようになった。
【０００５】
上記ラミネートフィルムの代表的な例としては、金属薄膜であるアルミニウム薄膜の両面にポリプロピレンやナイロンなどの樹脂フィルムを積層した３層ラミネートフィルムが挙げられる。
【０００６】
外装体にラミネートフィルムを用いたフィルム外装体では、正極および負極がセパレータを介して積層された電気化学デバイス要素が該フィルム外装体によって包囲され、該フィルム外装体の周縁部が気密に熱融着されている。さらに、該電気化学デバイス要素の正極および負極を該フィルム外装体の外部へ引き出すために、一端が正極または負極に接続され、他端がフィルム外装体の外に引き出された正極リード端子および負極リード端子が設けられている。上記セパレータとしては、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂を用いて形成した多孔性フィルムなどが用いられるのが一般的である（例えば特許文献２）。
【０００７】
しかしながら、低粘度、かつ低沸点の非水溶媒の電解液を用いるフィルム外装電池は、充放電サイクルが進行するにつれて電気化学あるいは揮発の作用により、電解液が消費され、ガス発生に起因するセルの膨れや、電池容量の劣化が生じる問題がある。
【０００８】
また、帯状の正極、負極およびセパレータを巻回してなる電極群において帯状の正極、負極およびセパレータの各幅を、正極幅＜負極幅＜セパレータ幅とすることによって、振動や落下に対して放電容量の低下、漏液、破断等を防止する扁平形非水電解液二次電池があり、例えば特許文献３に開示されている。
【０００９】
さらに、帯状の正極、負極およびセパレータを巻回してなる巻回電極体において、帯状の正極、負極およびセパレータの各幅を、正極幅＜負極幅＜セパレータ幅とするとともに、上記巻回電極体の中央に空隙部を設けた巻回型非水電解液二次電池があり、例えば特許文献４に開示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平４−１４７６９号公報
【特許文献２】特開２００２−１１０２３３号公報
【特許文献３】特開２００４−３４２４７８号公報
【特許文献４】特開２００１−２２９９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電池容器として上述のような手段を用いた場合、充放電サイクルが進行するにつれて電気化学あるいは揮発の作用により、電解液が消費され、電池内部に微量のガスが発生し続けるが、極端な場合、電池容器が膨れ、変形するという問題点を生じる。特にラミネートフィルム形状の場合、容器が変形すると、電池が電子機器に納まらなくなる、あるいは電池特性の劣化を招く恐れがある等の問題点があった。
【００１２】
また、この種の外装電池は、電池要素の正極、負極およびセパレータの各幅を、電極群製造工程で微量の積層ずれ防止等で正極幅＜負極幅＜セパレータ幅とする必要がある。ただし、充放電サイクルによる極端な電池容器が膨れ、変形を防ぐために電解液の保持性を向上させるため、セパレータの幅を広くしすぎると、電池組立工程で熱融着工程でセパレータが収縮するおそれが生じ、セパレータ占有面積も増加するので、エネルギー密度が低下する。
【００１３】
巻回型電池の場合、エネルギー密度を落とさず、電解液の保持性を向上させる手段として、巻回電極体の中央に空隙部を設けることで可能であるが、この場合、巻回電極体の中央部付近のみに電解液保持性の効果があり、巻回電極体の外周部付近には効果が及ばない。電解液の保持性を上げるにはセパレータの厚みを厚くすること等でも可能であるが、この場合、セル自体の厚みが増加してしまう。
【００１４】
さらに、この種の外装電池は、内圧が所定圧以上に上昇したときに自動的に開放して、ガスなどを外部に排気する安全弁が設けられることが多い。よって、安全弁によってラミネートフィルムが開封することで、電池の破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止される。
【００１５】
上記構造を有するフィルム外装電池は、薄型であることを大きな利点の一つとしている。従って、安全弁やサイクル特性の劣化を防止するための構造を設けるに際しては、厚みの増加を回避し、上記利点が損なわれないようにする必要がある。
【００１６】
すなわち、本発明の技術的課題は、フィルム外装電気化学デバイスの、内圧が上昇したときに自動的に開放してガスなどを外部に排気する安全弁を有するという特徴を踏まえ、かつ、該フィルム外装電気化学デバイスの薄型であるという利点を損なうことなく、長期にわたり、信頼性を確保するフィルム外装電気化学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、フィルム外装電気化学デバイスの一部に、電気化学デバイス要素を収納する部位および該電気化学デバイス要素を収納する部位と連続して、該電気化学デバイス要素の外側まで突出されて形成されたセパレータの突出部が収納されるセパレータ収納部が設けられた構造である。なお、該電気化学デバイス要素は、セパレータを介して積層された複数の正極板および負極板から引き出された正極延出部および負極延出部が正極リード端子または負極リード端子にそれぞれ一括して接合されており、該フィルム外装電気化学デバイスは、熱融着して封止される。
【００１８】
本発明のフィルム外装電気化学デバイスは、セパレータを介して積層された正極および負極からなる電気化学デバイス要素と電解液をフィルム外装体に収納し、外周部を熱融着して封止した該フィルム外装電気化学デバイスであって、フィルム外装体の外周部の一部に熱融着幅狭部が設けられ、セパレータの一部に、電気化学デバイス要素の外側まで突出された突出部が設けられ、該突出部が、熱融着幅狭部の内側に形成されたセパレータ収納部に収納されることを特徴とする。
【００１９】
また前記熱融着幅狭部が、内圧上昇時に開放することが好ましい。セパレータが収納されている該セパレータ収納部は、ガスによる内圧が上昇したとき、圧力が、熱融着幅狭部に集中して加わるため、安全弁として機能するとともに、該フィルム外装電気化学デバイスの破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、フィルム外装体の薄型であるという利点を損なうことなく、長期にわたり、信頼性を確保するフィルム外装電気化学デバイスの提供が可能となった。
【００２１】
本発明によれば、該電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータに電解液が保持されていることで、長期に渡って良好なサイクル特性を持つフィルム外装電池が得られる。
【００２２】
本発明によれば、充放電サイクルによる極端な該電気化学デバイス要素が、膨れや変形を防止するための構造を設けるに際しては、該電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータが設置されたセパレータ収納部の熱融着幅狭部の一部が内圧を開放する安全弁も兼ねているので、該フィルム外装電気化学デバイスの薄型である利点が得られる。
【００２３】
本発明によれば、該電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータを用いても従来と同等の組立工程で形成できるため、高い作業効率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態についてフィルム外装電気化学デバイスの例としてフィルム外装電池について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明のフィルム外装電池の熱融着部をハッチングで示した平面図、図２は、本発明のフィルム外装電池の電気デバイス要素の分解斜視図である。図１に示すように、フィルム外装電池１は電気化学デバイス要素７を収納したフィルム外装体２と、電気化学デバイス要素７と接続されてフィルム外装体２の外部に突出した正極リード端子３および負極リード端子４とを有する。前記フィルム外装体２は、電気化学デバイス要素７の周囲で図１のハッチングで示すように熱融着されて熱融着部５を構成し、接合されている。
【００２６】
電気化学デバイス要素７の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部６は非熱融着部であり、フィルム外装体２の周囲の封止時に熱融着して熱融着部５と同時に形成することができるため、特別の工数を必要とせずに設けることができる。
【００２７】
本実施の形態では、前記電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部を設け、セパレータに電解液が保持されていることで、充放電サイクルによる極端なフィルム外装電気デバイスの膨れ、変形を抑制し、長期に渡って良好なサイクル特性を保つことができる。
また、前記セパレータ収納部の熱融着部の一部に内圧圧力を利用し機能する安全弁を有し、安全性を確保しているので、フィルム外装電池の破裂や意図しない方向へのガスの噴出が防止される。
【００２８】
さらに、前記電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成された前記セパレータを用いた場合も従来と同等の組立工程で形成できるため、作業効率を落とすことはなく、フィルム外装電池の特徴である薄型であるという利点も損なうことはない。
【００２９】
本発明のフィルム外装体は、アルミニウム薄膜の両面にポリプロピレンやナイロンなどの樹脂フィルムを積層した３層ラミネートフィルム等からなっている。
【００３０】
該フィルム外装電気化学デバイスは電気化学デバイス要素を包囲し、該フィルム外装電気化学デバイスの外周部が機密に熱融着されている。該フィルム外装電気化学デバイスは、外周部に熱融着幅狭部を設けるのが安全上、特性上好ましい。
【００３１】
該セパレータ収納部は四角、丸、三角など、どのような形状でもよく、該セパレータ収納部の数は１つである必要はなく、２つ以上でもよい。さらに、該セパレータ収納部の該フィルム外装電気化学デバイスの厚さは、該セパレータ収納部以外の該フィルム外装電気化学デバイスの厚さと同じである必要はなく、該セパレータ収納部以外の該フィルム外装電気化学デバイスの厚さより薄くてもよい。
【００３２】
なお、安全弁としては、セパレータ収納部において突出部熱融着およびガス放出部を設けることでも可能である。セパレータ収納部のフィルム外装電気化学デバイスが膨張することにより、熱融着幅狭部の一部に引き剥がす方向の応力が集中し、この熱融着部が選択的に剥離していく。剥離がフィルム外装電気化学デバイスの外周部に到達することで、フィルム外装電気化学デバイス内部と外気とが連通されて、内部のガスが外部へと確実に排出される。フィルム外装電気化学デバイスの破裂や意図しない方向へのガスの噴出を防止するためには、いずれの方法を用いても良い。
【実施例】
【００３３】
以下に、本発明の実施例を詳述する。
【００３４】
（実施例１）
本発明の実施例１として、フィルム外装電池について図１を参照して説明する。図１に示すようにフィルム外装電池１は、電気化学デバイス要素７と、電気化学デバイス要素７を収納したフィルム外装体２と、電気化学デバイス要素７と接続されてフィルム外装体２の外部に突出した正極リード端子３および負極リード端子４を有する。フィルム外装体２は、電気化学デバイス要素７の周囲であって、ハッチングで示すように熱融着されて熱融着部５を構成し、封止されている。
【００３５】
電気化学デバイス要素７の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部６は、非熱融着部であり、フィルム外装体２の周囲の封止時に熱融着して熱融着部５と同時に形成することができる。
【００３６】
正極の製作は、スピネル構造を持つマンガン酸リチウム粉末、炭素質導電性付与材、およびポリフッ化ビニリデンを９０：５：５の重量比でＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）に混合分散、撹拌してスラリーとした。
【００３７】
このスラリーを、ドクターブレードを用いて、正極板となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔の片面に均一に塗布した。塗布時には、わずかに未塗布部（正極板が露出している部分）が筋状にできるようにした。次に、これを１００℃で２時間真空乾燥させた。
【００３８】
同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し、真空乾燥させた。この際、表裏の未塗布部が一致するようにした。このようにして両面にスラリーを塗布したシート（図示せず）をロールプレスした。これを、未塗布部を含めて矩形に切り出して正極９とした。スラリー未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分を正極リード端子３とした。
【００３９】
負極の製作は、アモルファスカーボン粉末、ポリフッ化ビニリデンを９１：９の重量比でＮＭＰに混合、分散、撹拌してスラリーとした。
【００４０】
このスラリーを、ドクターブレードを用いて負極板となる厚さ１０μｍの銅箔の片面に塗布した。塗布時には、わずかに未塗布部（負極板が露出している部分）が筋状にできるようにした。次にこれを１００℃で２時間真空乾燥させた。なお、このとき負極層の単位面積あたりの理論容量と正極層の単位面積あたりの理論容量が１：１となるようにスラリーの膜厚を調整した。
【００４１】
同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し、真空乾燥させた。このようにして両面にスラリーを塗布したシート（図示せず）をロールプレスした。これを正極９から正極リード端子３を取り去ったサイズよりも縦横２ｍｍずつ大きいサイズのスラリーを塗布した銅箔に、負極リード端子４を加えたものを負極１０とした。スラリー未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分を負極リード端子４とした。
【００４２】
図２に示すように上記のようにして作製した正極９と負極１０、および負極１０から負極リード端子４を取り去ったサイズよりも縦横２ｍｍずつ大きいサイズに、セパレータ収納部６のサイズを加えた大きさとしたポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの三層構造を持つマイクロポーラスセパレータ（以下セパレータとも表記）を交互に積層した。セパレータ１１の一部は電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成された。電極の最外側は負極１０となるようにし、その負極のさらに外側にセパレータ１１を設置した（セパレータ１１／負極１０／セパレータ１１／正極９／セパレータ１１／・・・・・・／セパレータ１１／正極９／セパレータ１１／負極１０／セパレータ１１、という順番）。積層した正極の正極リード端子３と正極リード部としてアルミニウム板（図示せず）を一括して超音波溶接した。同様に、積層した負極の負極リード端子４と負極リード部としてニッケル板（図示せず）を一括して超音波溶接して電気化学デバイス要素７を製作した。
【００４３】
図１に示すように、フィルム外装電池１は、電気化学デバイス要素７を収納したフィルム外装体２の外部に突出した正極リード端子３および負極リード端子４を有する。フィルム外装体２は、電気化学デバイス要素７の周囲で、図１のハッチングで示すように熱融着されて熱融着部５を構成し、接合されている。セパレータ収納部６は熱融着されない。
【００４４】
電気化学デバイス要素７を収納したフィルム外装体２の熱融着部のうち、セパレータ収納部６を含む１辺を除く３辺を熱融着した。熱融着していない１辺から、セパレータ収納部６に電解液を注液した。電解液は１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ6を支持塩とし、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートの混合溶媒（重量比３０：５０：２０）を溶媒とした。電解液注入後、真空中にてフィルム外装体２を封止し、フィルム外装電池１を得た。
【００４５】
フィルム外装電池１において、フィルム外装体２の膨張が発生すると、セパレータ収納部６において熱融着の幅が狭くなっている熱融着幅狭部８から、熱融着部の剥がれが選択的に進行し、最終的にはフィルム外装電気化学デバイス内部と外気とが連通し、電池内部にて発生したガスは外部に排出される。熱融着幅狭部８の幅は２．５ｍｍ、セパレータ収納部６の幅は７．５ｍｍ、熱融着部の幅は１０ｍｍである。また、セパレータ収納部６の長さは５０ｍｍである。
【００４６】
（比較例１）
電気デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータが設置されたセパレータ収納部を設けない以外は実施例１と同様にしてフィルム外装電気化学デバイスを有するフィルム外装電池を作製した。
【００４７】
（実施例２）
電解液は１ｍｏｌ／Ｌのエチレンカーボネート、ジエチルカーボネートの混合溶媒（重量比３０：７０）を溶媒とする以外は実施例１と同様にしてフィルム外装電気化学デバイスを有するフィルム外装電池を作製した。
【００４８】
（比較例２）
電気デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータが設置されたセパレータ収納部を設けない以外は実施例２と同様にしてフィルム外装電気化学デバイスを有するフィルム外装電池を作製した。
【００４９】
（実施例３）
セパレータ（ポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの三層構造を持つマイクロポーラスセパレータ）は一部が電気デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたポリエチレンの単層構造を持つマイクロポーラスセパレータとする以外は実施例１と同様にしてフィルム外装電気化学デバイスを有するフィルム外装電池を作製した。
【００５０】
（比較例３）
電気デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータが設置されたセパレータ収納部を設けない以外は実施例３と同様にしてフィルム外装電気化学デバイスを有するフィルム外装電池を作製した。
【００５１】
表１に、実施例１、２、３および比較例１、２、３の容量維持率の関係を示す。実施例および比較例により得られたフィルム外装体２を有するリチウムイオン二次電池の容量維持率は、１サイクル目の放電容量（１．０Ｃ）に対する１０００サイクル目の放電容量（１．０Ｃ）の割合で示した。なお、サイクルの条件は、充電に関しては上限電圧４．２Ｖ、電流１．０Ｃ、時間２．５時間とし、放電に関しては下限電圧２．５Ｖ、電流１．０Ｃとし、いずれも２０℃で実施したものである。
【００５２】
実施例１の容量維持率８５％は、比較例１の７０％より大きくなることがわかった。電気化学デバイス要素７の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部６を設け、セパレータに電解液が保持されることで、充放電サイクルによる極端なフィルム外装体２の膨れや変形を抑制し、長期に渡って良好なサイクル特性を保つことがわかり、目的の効果が得られることがわかる。
【００５３】
実施例２の容量維持率９０％は、比較例２の７５％より大きくなることがわかった。電気化学デバイス要素７の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部６を設け、セパレータに電解液が保持されることで、充放電サイクルによる極端なフィルム外装体２の膨れや変形を抑制し、長期に渡って良好なサイクル特性を保つことがわかり、目的の効果が得られることがわかる。
【００５４】
実施例３の容量維持率８０％は、比較例３の６５％より大きくなることがわかった。電気化学デバイス要素７の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部６を設け、セパレータに電解液が保持されることで、充放電サイクルによる極端なフィルム外装体２の膨れや変形を抑制し、長期に渡って良好なサイクル特性を保つことがわかり、目的の効果が得られることがわかる。
【００５５】
以上の実施例１〜実施例３の結果である表１のデータを総合して考慮すれば、電気化学デバイス要素の外部に引き出されるように形成されたセパレータを設置するセパレータ収納部を設け、セパレータに電解液が保持されることで、充放電サイクルによる極端なフィルム外装電気化学デバイスの膨れや変形を抑制し、長期に渡って良好なサイクル特性を保つことがわかる。
【００５６】
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【００５７】
【表１】
0005224336.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のフィルム外装電池の平面図。
【図２】本発明のフィルム外装電池の電気デバイス要素の分解斜視図。
【符号の説明】
【００５９】
１    フィルム外装電池
２    フィルム外装体
３    正極リード端子
４    負極リード端子
５    熱融着部
６    セパレータ収納部
７    電気化学デバイス要素
８    熱融着幅狭部
９    正極
１０    負極
１１    セパレータ
【図１】
0005224336.tif 000003
【図２】
0005224336.tif 000004