JP2011076868A

JP2011076868A - 二次電池

Info

Publication number: JP2011076868A
Application number: JP2009227294A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Yokoyama; 智彦横山; Kazusato Fujikawa; 万郷藤川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】外装材の周縁部を容易に折り畳むことができて小型化が可能な二次電池を提供する。
【解決手段】発電要素と、発電要素を封止する外装材４とを備え、外装材は樹脂層及び金属層を有する積層複合シートからなっており、発電要素の周辺の少なくとも一部に、樹脂層同士を重ね合わせて熱溶着することにより積層複合シート同士が貼り合わせられて発電要素が封止されている貼り合わせ部５，６が存しており、貼り合わせ部の少なくとも一部には、貼り合わせ部の発電要素側の周縁に沿って貼り合わせ部の他の部分よりも折り曲げ強度が小さい折り目部が存しており、折り目部では、金属層の少なくとも一部が除去されている二次電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池に関し、特に発電要素を、樹脂層及び金属層を有する積層複合シートからなる外装材によって封止している二次電池に関するものである。

近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等のポータブル電子機器の普及により、その電源である電池の需要が高まっている。特に、小型、軽量でエネルギー密度が高く、繰り返し充放電の可能な二次電池の需要が高まっている。

上記のような小型、軽量でエネルギー密度が高い二次電池の外装材として金属箔に熱可塑性のプラスチックフィルムをコーティングしたラミネート外装材を用いた、ラミネート電池が知られている。

ラミネート電池においては、シート状のアルミニウム箔等からなる正極芯材の両面に正極用活物質合剤を塗布した正極と、シート状の銅箔等からなる負極芯材の両面に負極用活物質合剤を塗布した負極との間に、微多孔性ポリプロピレンフィルム等からなるセパレータを配置し、正極及び負極をセパレータにより互いに絶縁した状態で扁平状に巻回された電極体が用いられている。電極体は、アルミニウムやステンレスなどの金属箔と、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックフィルムで構成されるラミネート外装材でパッケージされる。

上述したような外装材で電極体をパッケージする構造の二次電池は、パッケージする際に外装材の周縁部を互いに熱溶着することにより密封される。そのため、電極体の大きさに加えて、熱溶着された外装材の部分が電池全体の大きさとなり、ラミネート電池では電池全体の大きさに対する電池容量が低くなるという課題があった。

上記課題を解決するため、例えば特許文献１には、外装材の周縁部を折り返すことを特徴とする扁平電池が開示されている。

実開昭５８−０８７２６１号公報

特許文献１に開示されている技術は、アルミ箔にプラスチックフィルムが貼り合わされたラミネート外装材を想定しているので、人力でも容易に折り返すことが可能である。しかしながら、近年、電池パックに収容される電池の容量が大きくなるに従って、電池が異常な発熱を起こした際に、従来品に比べてその温度が高くなってしまうというおそれがあるために、ラミネート外装材の金属層としてステンレスやチタンなどの融点の高い材質が用いられるようになってきている。ステンレス材は従来のアルミニウム材に比べ剛性が高いため、特許文献１のように外装材の周縁部を折り返すことは困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外装材の周縁部を容易に折り畳むことができて小型化が可能な二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の二次電池は、発電要素と、前記発電要素を封止する外装材とを備え、前記外装材は樹脂層及び金属層を有する積層複合シートからなっており、前記発電要素の周辺の少なくとも一部に、前記樹脂層同士を重ね合わせて熱溶着することにより前記積層複合シート同士が貼り合わせられて前記発電要素が封止されている貼り合わせ部が存しており、前記貼り合わせ部の少なくとも一部には、該貼り合わせ部の前記発電要素側の周縁に沿って該貼り合わせ部の他の部分よりも折り曲げ強度が小さい折り目部が存しており、前記折り目部では、前記金属層の少なくとも一部が除去されている構成とした。

ある好適な実施の形態では、前記折り目部では、前記金属層の一部が破線状に除去されてミシン目が形成されている。

別の好適な実施の形態においては、前記折り目部では、前記金属層の一部が線状に連続して除去されて溝が形成されている。

さらに別の好適な実施の形態においては、前記折り目部では、前記金属層が線状に除去されてスリットが形成されている。

貼り合わせられた前記積層複合シート同士は、前記折り目部において前記金属層の除去態様が互いに異なっていてもよい。

前記金属層を構成する金属は、Ａｌよりも融点が高く且つＡｌよりも剛性が高い金属であることが好ましい。

本発明によれば、貼り合わせ部の一部である折り目部において金属層の少なくとも一部が除去されていて折り目部において貼り合わせ部を折り曲げることが容易となり、電池を小型化することができる。

実施の形態１に係る二次電池の概略平面図である。図１のA-A線に沿った模式的な断面図である。実施の形態１に係る外装体の概略図である。実施の形態１のある変形例に係る二次電池の概略平面図である。図４のB-B線に沿った断面図である。実施の形態１の別の変形例に係る二次電池の概略平面図である。図６のC-C線に沿った断面図である。実施の形態１のさらに別の変形例に係る二次電池の概略平面図である。図８のD-D線に沿った断面図である。実施の形態１に係る二次電池の概略正面図である。

本願において貼り合わせられた積層複合シート同士が、折り目部において金属層の除去態様が互いに異なっているというのは、例えば一方の積層複合シートが折り目部において金属層にスリットが形成されている場合、貼り合わされた他方の積層複合シートは折り目部において金属層にミシン目あるいは溝が形成されている構成を意味する。もちろんミシン目と溝との組合せであってもよい。また、Ａｌよりも剛性が高い金属に関しては、Ａｌと同じ厚みにおける剛性の比較によって剛性の高さを判断する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電池１の概略平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。電池１は、リチウムイオン二次電池である発電要素１００が外装体４に封止された構造を有している。発電要素１００は、シート状のアルミニウム箔等からなる正極芯材の両面に正極用活物質合剤を塗布した正極と、シート状の銅箔等からなる負極芯材の両面に負極用活物質合剤を塗布した負極との間に、微多孔性ポリプロピレンフィルム等からなるセパレータを配置し、正極及び負極をセパレータにより互いに絶縁した状態で扁平状に巻回した電極群を備えている。前記正極の端部にはアルミニウム等からなる正極リード２が溶接され、前記負極の端部にはニッケル等からなる負極リード３が溶接されている。前記電極群は、図示しない非水電解質とともに外装体４に収納され、外装体４の周縁部のうちトップ部５とサイド部６を熱溶着して貼り合わせ部とし、これにより電極群及び非水電解質からなる発電要素１００は外装体４の内部に密閉されている。

外装体４は、図２に示すように、アルミニウムやステンレス鋼やチタンなどの金属層７と、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂層８と、表面保護層２０とから構成された積層複合シートである。外装体４は金属層７の両面に樹脂層８と表面保護層２０とがそれぞれラミネートされており、図２に示すように２つの外装体４（実際には１枚の外装体４の２つの端部）が、樹脂層８同士が重ね合わせられて熱溶着を行われて貼り合わせられている。表面保護層２０は熱溶着時に溶融しないことが好ましく、樹脂層８の構成材料よりも高融点のプラスチックを構成材料とすることが好ましい。このような材料としては例えば、ポリアミドやポリエステル、ポリイミドなどを挙げることができる。

金属層７を構成する金属は、Ａｌよりも融点が高く且つＡｌよりも剛性が高い金属であることが好ましい。このような金属としては、ステンレス（オーステナイト、マルテンサイト、フェライト）鋼、ニッケル、鉄等を例示することができる。これらの金属を用いると外部からの衝撃などから発電要素１００を確実に守ることができ、発電要素１００が発熱した場合でも外装材４がその熱に十分に耐えることができる。

図３に示すように、外装体４は、電極群が収容される所定の部分がカップ（凹み）１５状に成形されていて、そのカップ１５を覆うための蓋部１６を備えている。カップ１５に発電要素１００を入れた後に蓋部１６をその上にかぶせてトップ部５、サイド部６を熱溶着する。カップ１５の周縁部の一部およびそれに対応する蓋部１６の周縁部の一部には、樹脂層８の熱溶着による貼り合わせ部において、金属層７にミシン目９を設けている。ミシン目９は金属層７の一部を破線状に除去した部分であり、サイド部６の貼り合わせ部において発電要素１００側の周縁に沿って延びている。外装体４が貼り合わせられて発電要素１００を封入した後に、貼り合わせ部の周端部を折り曲げるための折り目部としてミシン目９は機能する。即ちミシン目９は、貼り合わせ部の発電要素側の周縁に沿って貼り合わせ部の他の部分よりも折り曲げ強度が小さい折り目部となっている。

本実施の形態に係るラミネート電池１は、図１０に示すようにミシン目９の部分を折り目部２５として貼り合わせ部がカップ側へ折り畳まれ、電池１を小型化することが可能である。特に、Ａｌよりも剛性が高い金属を金属層７に用いた場合でも、折り目部２５の部分において貼り合わせ部を容易に折り曲げることが可能となる。

本実施形態において、正極、負極、セパレータおよび電解質は特に限定されない。
正極は、正極用集電体と、正極活物質層とを含む。正極活物質層は、必須成分として正極活物質を含み、任意成分として導電材、結着剤等を含む。正極活物質は、例えば、一般式：Ｌｉ_xＭ_1-xＯ₂（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎなど）で表されるリチウム含有複合酸化物を含むことが好ましい。具体的なリチウム含有複合酸化物としては、例えばＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、Ｌｉ₂ＭｎＯ₄等が挙げられる。正極活物質は、１種のみ単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

導電剤としては、例えば天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類等の炭素材料を用いることができる。導電剤は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミドなどを用いることができる。結着剤は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

正極用集電体は特に限定されないが、例えば、アルミニウム、炭素、導電性樹脂などが挙げられる。正極集電体は、炭素などで表面処理してもよい。

負極は、負極集電体と、負極活物質層とを含む。負極活物質層は、必須成分として負極活物質を含み、任意成分として結着剤等を含む。負極活物質としては、例えば、黒鉛などの炭素材料や、ケイ素やスズなどの、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する金属またはそれらの合金や化合物等を用いることができる。負極活物質は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

負極用結着剤は特に限定されない。例えば、正極用結着剤として例示したものと同様の結着剤を用いることができる。

負極用集電体も特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが挙げられる。

非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した溶質とを含む液状の非水電解質や、液状の非水電解質と、高分子化合物とを含むポリマー電解質等が挙げられる。

溶質は特に限定されない。例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＣＯ₂）、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂などを用いることができる。溶質は、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

非水溶媒も特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを用いることができる。非水溶媒は１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

また、セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンとポリプロピレンの混合物、またはエチレンとプロピレンとの共重合体が挙げられる。

本実施形態に適用できる電池は、リチウムイオン二次電池に限られない。例えば、アルカリ二次電池に適用しても、同様の効果が得られる。

以上、図１、図２、図３及び図１０を参照して本実施の形態を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、変形例として図４及び図５に示す電池３１のように、折り目部をＶ溝１０としてもよい。このＶ溝１０は、金属層７の一部が線状に除去されて、金属層７に断面Ｖ字状の溝が連続して延びているものであり、図４では表面保護層２０により隠されているので破線で表している。

また、変形例として図６及び図７に示す電池３２のように、折り目部をスリット部１１にしてもよい。このスリット部１１は、金属層７に金属が存在しない部分が線状に延びている部分であって、金属の存在しないところには代わりに表面保護層２０あるいは樹脂層８の構成材料であるプラスチックが存している。図６ではスリット部１１は表面保護層２０により隠されているので破線で表している。

また、変形例として図８及び図９に示すように折り目部を溝１２としてもよい。この溝１２は、金属層７の一部が線状に除去されて、金属層７に断面コ字状の溝が連続して延びているものであり、図８では表面保護層２０により隠されているので破線で表している。

さらにカップ１５側と蓋部１６側とで折り目部の金属層７の一部除去態様が異なっていてもよい。カップ１５側には金属層７にスリット部が形成されており、蓋部１６側には金属層７にミシン目が形成されているという態様を例示できる。

またカップ１５側と蓋部１６側とで異なる積層複合シートを用いても構わない。この場合、略直方体である発電要素の周辺全てを貼り合わせることになる。

以上説明したように、本発明に係る二次電池は、小型化が可能であり、パーソナルコンピュータ用電池や携帯電話用電池、定置用電池、電気自動車用電池等として有用である。

１電池
２正極リード
３負極リード
４外装体
５トップ部（貼り合わせ部）
６サイド部（貼り合わせ部）
７金属部
８樹脂層
９ミシン目
１０Ｖ溝
１１スリット部
１２溝
２０表面保護層
２５折り目部
３１電池
３２電池
３３電池
１００発電要素

Claims

発電要素と、前記発電要素を封止する外装材とを備えた二次電池であって、
前記外装材は樹脂層及び金属層を有する積層複合シートからなっており、
前記発電要素の周辺の少なくとも一部に、前記樹脂層同士を重ね合わせて熱溶着することにより前記積層複合シート同士が貼り合わせられて前記発電要素が封止されている貼り合わせ部が存しており、
前記貼り合わせ部の少なくとも一部には、該貼り合わせ部の前記発電要素側の周縁に沿って該貼り合わせ部の他の部分よりも折り曲げ強度が小さい折り目部が存しており、
前記折り目部では、前記金属層の少なくとも一部が除去されている、二次電池。
前記折り目部では、前記金属層の一部が破線状に除去されてミシン目が形成されている、請求項１記載の二次電池。
前記折り目部では、前記金属層の一部が線状に連続して除去されて溝が形成されている、請求項１記載の二次電池。
前記折り目部では、前記金属層が線状に除去されてスリットが形成されている、請求項１記載の二次電池。
貼り合わせられた前記積層複合シート同士は、前記折り目部において前記金属層の除去態様が互いに異なっている、請求項１記載の二次電池。
前記金属層を構成する金属は、Ａｌよりも融点が高く且つＡｌよりも剛性が高い金属である、請求項１から５のいずれか一つに記載の二次電池。