JP2004055290A - フィルム外装電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外装フィルム8a、8bにより電池要素9を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの融着面を熱融着して密閉されてなるフィルム外装電池において、熱融着部5の一部に電池要素収納方向に突出した熱融着部6を設け、かつ該突出熱融着部に近接するガス放出部7を形成する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池要素をフィルム外装体に収容したフィルム外装電池及びその製造方法に関し、より詳細には、異常時のガス発生に適正に対処できるフィルム外装電池及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯機器等の電源としての電池は、軽量化、薄型化が強く要求されており、電池の外装体に関しても、軽量化、薄型化に限界のある従来の金属缶に代わり、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である外装体として、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からなるラミネートフィルムが使用されるようになった。
ラミネートフィルムとしては、金属薄膜としてアルミニウムを、熱融着性樹脂フィルムとして電池外側表面にナイロンを、内側表面にポリエチレンやポリプロピレンを用いたものが一般的に使われる。このラミネートフィルムからなる外装体の内部に、正極、負極、電解質からなる電池要素が収納され、当該外装体周囲が熱融着によって接合される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一般的な外装体として金属缶を用いた電池の多くは、異常時にガスが発生して電池内部の圧力が上昇した際に、ガスを外部に逃がす圧力安全弁を有している。しかし、フィルムを外装体とするフィルム外装電池においては、圧力安全弁を設けることが構造上難しいため、異常時に限界まで発生ガスによる外装体の膨張が起こり、どこから破裂して機器内部にガスを噴き出すかわからないことが問題となっていた。
特開2000−100399号公報には熱融着部の一部を低い温度にて封止して安全弁とする手段が、特開平11−097070号公報には非熱融着製樹脂シートを介在させて熱融着して剥離強度を下げて安全弁とする手段が提案されているが、上記手段においては、圧力上昇のない通常時での封止信頼性も低下し、封止部の劣化により電解液の漏出等の不具合が発生する恐れがある。また、異常発生時の安全弁開放圧力を正確に設定することができないという難点もあった。特開2001−325926号公報にはラミネートシートに凹状溝を形成して発生ガスを電池外に取り出す手法が開示されている。しかしこの提案でも前記凹状溝の形成に手間が掛かるだけでなく、対面のラミネートシートへの溶着を2段階で行わなければならず、非常に手間の掛かる作業を必要としている。
【0004】
本発明の目的は、異常時のガス発生による電池膨張時に正確な開封圧力を設定でき、通常使用時の電池特性劣化の原因とならない封止信頼性を有する圧力安全弁として機能する部材を容易に設けることのできるフィルム外装電池を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1に外装フィルムにより電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密封形成されたフィルム外装電池において、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて突出熱融着部を形成し、該突出熱融着部及び/又は隣接する熱融着部にガス放出部を有することを特徴とするフィルム外装電池であり、第2に外装フィルム内に電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密閉形成されたフィルム外装電池を製造する方法において、前記接合面の熱融着と同時に、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて連続する突出熱融着部を熱融着により形成し、更に該突出熱融着部及び/又は隣接する熱融着部にガス放出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である。
【0006】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明のフィルム外装電池では、電池周囲の熱融着部の一部に電池収納方向に突出した熱融着部を有しているため、異常時のガス発生による外装体膨張時に、突出した熱融着部に引き剥がす方向の応力が集中し、この突出熱融着部から選択的に熱融着部が剥離してゆく。剥離がガス放出部に達すると、電池内部と外気が連通されて内部のガスが外部へと排出され、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。この機能を本発明で圧力安全弁の機能ということがある。
【0007】
前記突出熱融着部は、熱融着部と連続し熱融着部の形成と同時に単一工程で形成できるため、作業効率が向上するだけでなく、熱融着部と突出熱融着部の融着強度が実質的に同一になり、内部で発生するガスが確実に突出熱融着部から剥離を進行させるため、意図しない方向へのガスの噴出が更に確実に防止される。
又ガス放出部は、圧力上昇による外装体膨張による突出熱融着部6の剥離が規定の部位まで進行した際に、電池内部のガスを外部に放出する機能を有し、突出熱融着部又はそれに隣接する熱融着部に、又は両者に渡って存在していても良い。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0009】
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図、図2は図1のA−A線縦断面図、図3は図1のフィルム外装電池の熱融着部及び突出熱融着部をハッチングで示した斜視図、図4は図1及び図3のフィルム外装電池の分解斜視図である。
図4に示すように、フィルム外装電池1は電池要素9を収納した外装体2と、電池要素9と接続されて外装体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。前記外装体2は、図2に示すように上側フィルム8aと下側フィルム8bから成り、両フィルム8a及び8bは電池要素9周囲で図3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、互いに接合されている。熱融着部5の前記正極リード端子3および負極リード端子4が形成されている辺の中央には、電池要素9の収納方向に突出した突出熱融着部6を連続的に形成し、更に該突出熱融着部6にその先端が達している三角形状のガス放出部7が形成されている。このガス放出部7は、外気とフィルム熱融着界面を連通する機能を有している。
【0010】
突出熱融着部6は、外装体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。また、前記突出熱融着部6は外装体2周囲の熱融着部5と同じ強度で熱融着することができるため、電解液の漏出など、圧力安全弁としての信頼性がその他の融着部5と比べて低下することもない。
本実施形態のガス放出部7は、図3に示すように、熱融着をしない部分を設けることによって形成されている。熱融着時に用いる融着ヘッドを、突出熱融着部6を熱融着し、熱融着部5のうちのガス放出部7を熱融着しないような形状にすることで、容易に両者を形成できる。
【0011】
以上説明したように、本実施形態では電池周囲の熱融着部の一部に電池要素収納方向に突出した突出熱融着部6を形成しているため、異常時のガス発生による外装体膨張時に、突出熱融着部6に引き剥がす方向の応力が集中し、この突出熱融着部6から選択的に熱融着部が剥がれてゆく。そして剥がれが突出熱融着部6に近接しかつ外装体2を構成するフィルム8a及び8bが互いに融着されずに外気と連通しているガス放出部7に達すると、電池内部と外気が連通されて内部のガスが外部へと排出され、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。
【0012】
[第2及び第3の実施形態]
図5は、本発明の第2の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図、図6は、本発明の第3の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
第2の実施形態では、図5に示すように、その先端が突出熱融着部6に達するガス放出部7aの形状が第1の実施形態と異なっている。該ガス放出部7aは、非融着部で形成するのではなく、外装体2の縁部から突出熱融着部6に達する直線状切込みによって形成されている。切り込み形成は融着工程の前後どちらでも良く、また融着工程前に切り込む場合は対向するフィルムの片方のみに切り込みが形成されていても良い。この実施形態でも、異常時にガス発生によって外装体が膨張すると、突出熱融着部6に引き剥がす方向の応力が集中し、この突出熱融着部6から選択的に熱融着部5が剥がれ、ガス放出部7から内部のガスが外部へと排出される。
【0013】
第3の実施形態では、図6に示すように、突出熱融着部6にその先端が達する鋭角的な三角形の切り欠きでガス放出部7bが形成されている。この実施形態でも、発生ガスによる応力が突出熱融着部6に集中し、かつガス放出部7bから発生ガスが外部へ排出されるので、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。
【0014】
[第4の実施形態]
図7は、本発明の第4の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
本実施形態では、図7に示すように、ガス放出部7cが突出熱融着部6内に穿設された穴として形成されている。この穴は対向するフィルム2枚のうち少なくとも1枚に形成されていれば良く、2枚とも貫通した穴でも良い。この例でも他の実施形態の場合と同様に、電池内部で発生することのあるガスが突出熱融着部6の2枚のフィルムを剥離させ、穴として形成されたガス放出部7cから外部へ排出される。
【0015】
[第5の実施形態]
図8は、本発明の第5の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
本実施形態は、図8に示すように、突出熱融着部6d及びガス放出部7dが第1〜第4の実施形態のように、正・負極リード端子3及び4の間ではなく、正極リード端子3上に形成している点で異なっている。熱融着部5の接合強度は、一般的にフィルム同士の接合部よりも、フィルムとリード端子との接合部のほうが弱く、突出熱融着部6dおよびガス放出部7dをリード端子3上に設けることで、弁開封圧力の設定を低くすることが可能である。図8では正極リード端子上に突出熱融着部6dおよびガス放出部7dを形成しているが、これらは負極リード端子4上に形成しても良い。又突出熱融着部6dがすべて電極リード端子3上にある必要はなく、一部のみが電極リード端子上にあっても良い。
【0016】
[第6の実施形態]
図9は、本発明の第6の実施形態によるフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
本実施形態は、図9に示すように、突出熱融着部6e及びガス放出部7eが第1〜第4の実施形態のように正・負極リード端子3及び4の間に形成し、あるいは第5の実施形態のように正極リード端子3上に形成するのではなく、外装体角部に形成している点で異なっている。突出熱融着部は外装体周囲の任意の位置に設けることができるが、電池要素9や電極リード端子3及び4の引き回しを考慮して、電池の外形に影響を与えない場所が望ましい。本実施形態のように外装体角部に突出熱融着部6e及びガス放出部7eを形成しても同様の効果が得られる。
【0017】
[第7の実施形態]
図10は、本発明の第7の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
本実施形態では、第1の実施形態のようにして形成されたガス放出部7の外気側端部を熱融着によって封止部13として形成している。封止部13を形成することにより、外部からのゴミなどがガス放出部7に詰まって圧力安全弁の作動に支障を与えたり、ガス放出部7が水蒸気の外部から電池内部への侵入パスとなって電池特性の劣化原因となることを防ぐことができる。
封止部13は、圧力安全弁としての作動時のガス排出を妨げない程度の弱い強度にて封止されていなければならない。図10では、その他の熱融着部5よりも狭い幅で融着して封止部13を形成している。接合強度を下げるために、他の熱融着部5よりも低い温度で融着して封止部13を形成しても良い。
【0018】
[第8の実施形態]
図11は、本発明の第8の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
本実施形態では、第7の実施形態と異なり、封止部13aをガス放出部7中に塗布した接着剤で形成している。熱硬化性樹脂を充填するなど、その他の公知の方法を用いてもよい。この接着剤または樹脂は、圧力安全弁としての作動時のガス排出を妨害しないように、弱い力で接着されていることが望ましい。また、電解液などの電池要素9成分によって溶解または分解する接着剤または樹脂を用いても良い。
【0019】
[第9の実施形態]
図12は、本発明の第9の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
本実施形態では、第7及び第8の実施形態と異なり、ガス放出部7をテープにて覆って封止部13bを形成している。テープやシールを用いることで、容易にガス放出部7に封止部13bを形成することができる。テープは金属箔や金属薄膜を含むラミネートフィルムを用いてもよく、テープの接合方法も、粘着剤や接着剤、熱融着など、公知の方法を用いることができる。
【0020】
なお、図1〜図12では突出熱融着部およびガス放出部を1つずつ形成しているが、2箇所以上の任意の場所に形成しても良い。
【0021】
【実施例】
次に、本発明のフィルム外装電池の構成及び動作を実施例として説明する。
【0022】
〈正極の製作〉
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、攪拌してスラリーとした。NMPの量はスラリーが適当な粘度になるように調整した。このスラリーを、ドクターブレードを用いて、正極集電体となる厚さ20ミクロン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(集電体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。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活物質を塗布したシート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の電極板10とした。活物質未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分をリード部とした。
【0023】
〈負極の製作〉
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、攪拌してスラリーとした。NMPの量はスラリーが適当な粘度になるように調整した。このスラリーを、ドクターブレードを用いて負極集電体となる厚さ10ミクロンの銅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(集電体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時間真空乾燥した。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を1:1となるように活物質層の膜厚を調整した。同様にもう一方の面にもスラリーを塗布し真空乾燥した。このようにして両面に活物質を塗布したシートをロールプレスした。これを正極のサイズよりも縦横2mmずつ大きいサイズに、未塗布部を含めて矩形に切り出したものを負極板11とした。活物質未塗布部は片側の一部を矩形に残した他は切り取り、残った部分をリード部とした。
【0024】
〈電池要素の製作〉
上記のようにして作製した正極と負極、およびポリプロピレン/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ーを交互に積層した。図13に示すように、電極の最外側は負極となるようにし、その負極のさらに外側にセパレーターを設置した(セパレーター12/負極11/セパレーター12/正極10/セパレーター12/・・・・・・/負極11/セパレーター12、という順番)。積層した正極の電極板リード部と正極リード端子3としてアルミニウム板を一括して超音波溶接した。同様に負極のリード部と負極リード端子4としてニッケル板を一括して超音波溶接した。
【0025】
〈フィルム外装電池の製作〉
次に、図4を参照してフィルム外装電池の製作について説明する。
ナイロン/アルミニウム/ポリプロピレンの三層構造を持つアルミラミネートフィルムであるフィルム8aに、電池要素9よりも一回り大きいサイズの深絞り加工による収納部をポリプロピレン側が凹状となるように設けた。
上記の電池要素9を、正極リード端子3および負極リード端子4のみがフィルム外装体から突出するようにして、フィルム8aの電池要素収納部に収納し、もう一方のフィルム8bで電池要素9を覆い、接合部を重ね合わせて熱融着によって外装体の周囲三辺を接合した。リード端子を導出する辺の融着部5については、正・負極のリード端子の間に、電池要素9方向に突出する突出熱融着部6と、この突出熱融着部6から熱融着部5外周に達する非融着部からなるガス放出部7を形成するための融着ヘッドを有する熱融着機によって接合を行なった。
次に接合してない残りの1辺から電池要素9収納部に電解液を注液した。電解液は1mol/LのLiPF6を支持塩とし、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合溶媒(重量比50:50)を溶媒とした。電解液注液後、真空中にて外装体を封止し、ラミネートフィルム外装体を有するリチウムイオン二次電池を得た。
【0026】
〈圧力安全弁の作動〉
フィルム外装電池1において、外部短絡などの異常発生時に電池内部の温度が急上昇し、ガス発生による外装体2の膨張が発生すると、膨張による応力は突出した融着部6に集中する。そのため、熱融着部5の剥がれは突出熱融着部6にて選択的に進行し、剥がれがガス放出部7に至ると電池内部と外気とが連通し、電池内部にて発生したガスはガス放出部7を通って外部に排出される。安全弁としての作動圧力は、突出部6やガス放出部7の位置や形状にて任意に設定することが可能であり、さらにガス発生のない通常時では、その他の融着部5と同等の信頼性を保つことができる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池要素方向に突出した融着部を形成し、さらにその突出熱融着部に近接してガス放出部を形成することで、ガス発生による電池内圧力上昇時に、選択的に突出融着部の剥離が進行し、ガス放出部まで剥離が達することで電池内ガスを外部に排出することができる。突出熱融着部やガス放出部の位置や形状によって、弁の開封圧力を任意に設定でき、通常使用時の封止信頼性の高い圧力安全弁としての機能を有するフィルム外装電池を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図2】図1のA−A線縦断面図である。
【図3】図1のフィルム外装電池の熱融着部及び突出熱融着部をハッチングで示した斜視図である。
【図4】図1のフィルム外装電池の分解斜視図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図6】本発明の第3の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図7】本発明の第4の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図8】本発明の第5の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図9】本発明の第6の実施形態に係るフィルム外装電池の外観を示す斜視図である。
【図10】本発明の第7の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
【図11】本発明の第8の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
【図12】本発明の第9の実施形態によるフィルム外装電池の要部を示す平面図である。
【図13】実施例における積層状態を示すフィルム外装電池の分解斜視図である。
【符号の説明】
1 フィルム外装電池
2 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、6d、6e 突出熱融着部
7、7a、7b、7c、7d、7e ガス放出部
8a、8b フィルム
9 電池要素
10 正極
11 負極
12 セパレーター
13、13a、13b 封止部
Claims (17)
- 外装フィルムにより電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密封形成されたフィルム外装電池において、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて突出熱融着部を形成し、該突出熱融着部及び/又は隣接する熱融着部にガス放出部を有することを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が、熱融着部中の熱融着されない部分として形成されることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が熱融着部の外周に達する切り込みによって形成されることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が熱融着部の外周に達する切り欠きによって形成されることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1記載のフィルム外装電池において、前記ガス放出部が前記外装フィルムにあけられた穴であることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1乃至5記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が電極リード線を導出する辺に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1乃至5記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が電極リード線導出部に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1乃至5記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が外装フィルムの角部に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1乃至5記載のフィルム外装電池において、前記突出熱融着部及び前記ガス放出部が前記外装フィルムの辺のほぼ中央に形成されていることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項1乃至9記載のフィルム外装電池において、前期ガス放出部が他の熱融着部よりも耐圧強度の小さい封止部を有することを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項10記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、他の熱融着部よりも低い温度にて熱融着されていることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項10記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、他の熱融着部よりも融着幅が狭いことを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項10記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、接着剤または樹脂によって封止されていることを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項13記載のフィルム外装電池において、前記接着剤または前記樹脂は、前記電池要素の少なくとも1成分によって溶解または分解することを特徴とするフィルム外装電池。
- 請求項10記載のフィルム外装電池において、前記封止部が、前記ガス放出部を覆うテープまたはシールであることを特徴とするフィルム外装体。
- 外装フィルム内に電池要素を収容し、前記電池要素の周囲の前記外装フィルムの接合面を熱融着して密閉形成されたフィルム外装電池を製造する方法において、前記接合面の熱融着と同時に、熱融着部の一部に前記電池要素方向に向けて連続する突出熱融着部を熱融着により形成し、更に該突出熱融着部及び/又は隣接する熱融着部にガス放出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16記載のフィルム外装電池の製造方法において、ガス放出部を、突出熱融着部の形成と同時に、熱融着部の一部を熱融着しないことにより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。
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