JP2015095433A

JP2015095433A - ラミネート外装電池

Info

Publication number: JP2015095433A
Application number: JP2013235962A
Authority: JP
Inventors: 聡犬飼; Satoshi Inukai; 秀憲越前; Hidenori Echizen
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】電池作動中でのラミネートフィルムの凹部角部におけるクラックやひび割れ発生を抑制することができるラミネート外装電池を提供する。
【解決手段】正電極端子８を接続する正極板１と負電極端子９を接続する負極板２とをセパレータ３を介して積層してなる積層体４と、積層体４を収納する凹部７を有し凹部７外方の外周縁１１が封口される二枚のラミネートフィルム５，６とを備えたラミネート外装電池１２において、凹部は、短辺及び長辺でなる長方形の開口と底面とを備えた長方錐台の形状を有し、凹部の短辺側における凹部の開口角と積層体側面の凹部開口面での交線との間隔ＢIIと、凹部の底面角と積層体の凹部底面側角との間隔ＡIIとの差は、凹部の長辺側における凹部の開口角と積層体側面の凹部開口面での交線との間隔ＢIIIと、凹部の底面角と積層体の凹部底面側角との間隔ＡIIIとの差より大きいものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、外装にラミネートフィルムを用いる電池に関し、特には、ラミネートフィルムの電池要素を収納する形態に関する。

携帯電話をはじめとした携帯型の電池使用機器には充放電容量が大きなリチウムイオン電池等が広く用いられている。また、電気自動車、電動自転車、電動工具、電力貯蔵等の用途においても、高出力の二次電池が求められている。

これら高出力の電池においては、電池の容積あるいは質量当たりのエネルギー密度を大きくするために、電池の外装容器として、鉄系材料やアルミニウム製の材料に代えて、薄肉化が可能なフィルム状外装材を使用した積層密閉型電池が広く用いられている。

フィルム状外装材としては、ポリエチレンフィルムのような、電解液に対して耐食性があって、熱融着性が良好なフィルムと、電解液、水分及びガスの透過を防止することが可能なアルミニウム箔等の金属箔と、ポリアミド及びポリエチレンテレフタレート等の強度が大きな保護フィルムとを貼り合わせて積層したラミネートフィルムが用いられる。ラミネートフィルムにエンボス加工等によって凹部を形成し、その凹部に電池要素を収納し、他のラミネートフィルムで封止することにより積層密閉型電池としてのラミネート外装電池が構成される。

ところが、このようなラミネートフィルムにおいて、凹部を形成する際のボトム側突き合わせ部分には応力が発生し、その部分にピンホールやクラックが発現する。この問題を解決するものとして、例えば、特許文献１に開示された技術がある。

特許文献１に係るラミネート外装電池は、一枚の金属ラミネートフィルムの一部に矩形状の開口を有する凹部が形成され、当該凹部に電極体が収納された状態で凹部の開口側の一辺あるいはその近傍を折り返し線として金属ラミネートフィルムの残り部分が折り返されることで外装体が構成されてなる電池である。このラミネート外装電池では、上記構成において、外装体における電極体の収納空間を臨む内面で、折り返しにより開口を塞ぐ面を第１主面とし、第１主面に対し凹部の内方空間を挟んで対向関係を有する面を第２主面とし、折り返しにおける一辺を含む側面を第１側面とし、当該第１側面に対し凹部の内方空間を挟んで対向関係を有する面を第２側面とし、第１側面および第２側面および第１主面および第２主面に対し突き合わせとなる二面を、それぞれ第３側面および第４側面とし、且つ、第２主面および第１側面および第２側面および第３側面および第４側面の各突き合わせ部分にコーナーＲ加工が施されている。そして、特許文献１に係るラミネート外装電池では、第１側面と第２主面および第３側面および第４側面との各突き合わせ部分の内の少なくとも一つの突き合わせ部分の曲率半径が、第２側面と第２主面および第３側面および第４側面との各突き合わせ部分の内の少なくとも一つの突き合わせ部分の曲率半径よりも大きく設定されている。

特許第４７７６４０８号公報

しかしながら、上述した従来技術によれば、凹部を形成加工するときに発生するラミネートフィルムのクラックや割れは低減され得るが、電池作動時に発生する材料ガス、熱衝撃及び膨張収縮による疲労破壊に対して、ラミネートフィルムは十分な強度を保つことができない。そのため、電池作動中のラミネートフィルムの凹部角部にクラックやひび割れが発生するという問題がある。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、電池作動中でのラミネートフィルムの凹部角部におけるクラックやひび割れ発生を抑制することができるラミネート外装電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、正電極端子（８）を接続する正極板（１）と負電極端子（９）を接続する負極板（２）とをセパレータ（３）を介して積層してなる積層体（４）と、前記積層体（４）を収納する凹部（７）を有し前記凹部（７）外方の外周縁（１１）が封口される二枚のラミネートフィルム（５，６）とを備えたラミネート外装電池（１２）において、前記凹部は、短辺及び長辺でなる長方形の開口と底面とを備えた長方錐台の形状を有し、前記凹部の短辺側における前記凹部の開口角と前記積層体側面の前記凹部開口面での交線との間隔（ＢII）と、前記凹部の底面角と前記積層体の前記凹部底面側角との間隔（ＡII）との差は、前記凹部の長辺側における前記凹部の開口角と前記積層体側面の前記凹部開口面での交線との間隔（ＢIII）と、前記凹部の底面角と前記積層体の前記凹部底面側角との間隔（ＡIII）との差より大きいものであることを特徴とする。

この構成によれば、凹部は、短辺及び長辺でなる長方形の開口と底面とを備えた長方錐台の形状を有し、凹部の短辺側における凹部の開口角と積層体側面の凹部開口面での交線との間隔（ＢII）と、凹部の底面角と積層体の凹部底面側角との間隔（ＡII）との差は、凹部の長辺側における凹部の開口角と積層体側面の凹部開口面での交線との間隔（ＢIII）と、凹部の底面角と積層体の凹部底面側角との間隔（ＡIII）との差より大きい。よって、凹部短辺側より変形し易い凹部長辺側の底面角と開口角との傾斜面の斜面長は、凹部短辺側の底面角と開口角との傾斜面の斜面長より短くなるので、凹部長辺側の変形が抑制される。そのため、ラミネートフィルムの凹部角部における応力が低下して、熱衝撃割れの発生する頻度が減少するという優れた効果を奏する。

本発明のラミネート外装電池の外観及び一部を切開したラミネートフィルムの内部を示す斜視図である。図１のII−II線により凹部の短辺側の形態を詳細に示す断面図である。図１のIII−III線により凹部の長辺側の形態を詳細に示す断面図である。図１のIＶ−IＶ線により凹部の正負電極端子が設けられた短辺側の形態を詳細に示す断面図である。第一実施形態の解析結果及び試験結果を示す図である。第二実施形態の解析結果及び試験結果を示す図である。第三実施形態の解析結果及び試験結果を示す図である。

以下、本発明を具体化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１に示すように、ラミネート外装電池１２は、電池要素としての積層体４を二枚のラミネートフィルム５、６の間に配設し、電解質を非水溶媒に溶解させた電解液とともに封止してなる。積層体４は、ラミネートフィルム５及びラミネートフィルム６のいずれか一方又は双方にエンボス加工等の方法で形成した凹部７に収納されている。但し、図１には、ラミネートフィルム６に凹部７が設けられた例を示す。凹部７は、短辺及び長辺でなる長方形の開口と底面とを備えた長方錐台の形状を有する。

積層体４は、正極板１と負極板２とがセパレータ３を介して積層されたものが複数組さらに積層されてなる。積層体４は、凹部７底面の長方形より僅か小さい長方形の面を含む直方体の形状を有する。但し、積層の形態によっては長方錐台となることもある。ラミネートフィルム５，６の外周縁１１は、凹部７の外周外方で二枚のラミネートフィルム５，６が相互に当接する面であって、加熱融着等の方法によって封口されている。正極板１に接続した正電極端子８及び負極板２に接続した負電極端子９は、ラミネートフィルム５，６の外周縁１１でタブフィルム１０を介して封口されラミネートフィルム５，６の外方へ突出している。

正極板１は、正極活物質、導電剤及び結着剤からなる正極合材を適切な溶媒に懸濁させて混合し、スラリーとしたものを正極集電体の片面または両面に塗布し、乾燥することで作製することができる。

負極板２は、負極活物質、導電剤及び結着剤からなる負極合材を適切な溶媒に懸濁させて混合し、スラリーとしたものを負極集電体の片面または両面に塗布し、乾燥することで作製することができる。

正電極端子８は、各正極板１から取り出された電力をラミネートフィルム５，６の外部へ導くタブ状の部材であって、０．２ｍｍ厚のアルミニウム板でなる。負電極端子９は、各負極板２から取り出された電力をラミネートフィルム５，６の外部へ導くタブ状の部材であって、０．４ｍｍ厚の銅板でなる。なお、図１には、正電極端子８及び負電極端子９は、凹部７（積層体４）の両短辺側のラミネートフィルム５，６にそれぞれ設けられるように示したが、凹部７（積層体４）の両長辺側のラミネートフィルム５，６にそれぞれ設けられるようにしてもよい。また、正電極端子８及び負電極端子９は、凹部７の短辺及び長辺のいずれか一方の辺に対応するラミネートフィルム５，６に併設されるようにしてもよい。

セパレータ３は、正極板１及び負極板２を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を有する。セパレータ３は、例えば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子（ポリエチレン、ポリプロピレン）の多孔膜を用いることができる。なお、セパレータ３は、正極板１と負極板２との絶縁を担保するため、正極板１及び負極板２よりもさらに大きい外形状を有することが好ましい。

ラミネートフィルム５，６は、二軸延伸ポリエステル樹脂（ポリエチレンテレフタレート）及び二軸延伸ポリアミド樹脂（ナイロン）等からなる外装部と、アルミ箔等でなるコア部と、無延伸ポリオレフィン樹脂（ポリプロピレン、ポリエチレン）等でなる接着部とを上述の順に熱融着又は接着剤により貼り合わせたものである。外装部は、一般に延展性を持つコア部の引っ張り強度、突き刺し強度、屈曲弱さ等を補強する。コア部は、穴のない材料を用いることでフィルム面を透過する方向（ラミネートフィルムの厚さ方向）の気密・液密構造を達成させている。接着部は、電解液に対する耐食性を有するとともに、積層体４を収納するラミネートフィルム５，６同士を熱融着して封止が可能となるようフィルム面に接着性を付与させている。コア部の厚さは２０〜１００μｍであることが好ましく、接着部の厚さは、無延伸ポリオレフィン樹脂の場合７０〜１００μｍであることが好ましい。なお、図２乃至図４において、ラミネートフィルム５，６は、外装部及び接着部を形成する合成樹脂であるものとして便宜上コア部を省略した断面記号で図示する。

積層体４は、図２乃至図４に示すような形態でラミネートフィルム６の凹部７に収納され、ラミネートフィルム６及びラミネートフィルム５の外周縁１１同士を熱融着で封口することにより封止される。このようにして、セルが形成される。

図２に示すように、凹部７（積層体４）の両短辺側においては、ラミネートフィルム６はその凹部７の底面角と積層体４の凹部７底面側角との間に間隔ＡIIを有する。また、ラミネートフィルム６はその凹部７の開口角と積層体４側面の凹部７開口面での交線との間に間隔ＢIIを有する。そして、ラミネートフィルム６は、凹部７の底面角と凹部７の開口角との間に傾斜面を有する。但し、図４に示すように、凹部７両短辺側の正電極端子８と負電極端子９とが設けられた部分において、間隔ＢIIに相当する間隔ＢIＶは、負電極端子９（正電極端子８）の厚さ分底面側に移動した開口面でのものとなる。従って、間隔ＢIＶは間隔ＢIIより僅かに小さいものとなる。

図３に示すように、凹部７（積層体４）の両長辺側においては、ラミネートフィルム６はその凹部７の底面角と積層体４の凹部７底面側角との間に間隔ＡIIIを有する。また、ラミネートフィルム６はその凹部７の開口角と積層体４側面の凹部７開口面での交線との間に間隔ＢIIIを有する。そして、ラミネートフィルム６は、凹部７の底面角と凹部７の開口角との間に傾斜面を有する。

このように、ラミネートフィルム６が凹部７を備え、ラミネートフィルム５は平面である例を説明したが、二枚のラミネートフィルム双方が凹部を備えることもある。この場合、間隔ＢII及び間隔ＢIIIに相当する間隔は、積層体４側面の凹部７開口面での交線（積層体４の開口側角）と凹部７の開口角との間隔に代えて、凹部の開口面が積層体４の底面側と開口側との中間位置の側面で交わる交線と凹部の開口角との間隔となる。なお、本発明は、両凹部それぞれに適用され得ることは言うまでもない。

このように構成されたラミネート外装電池１２では、正電極端子８及び負電極端子９に外部機器を接続し電池として作動させたとき、間隔ＢIIと間隔ＡIIとの差が、間隔ＢIIIと間隔ＡIIIとの差より大きくなっている。このとき、凹部７長辺側の傾斜面における底面角と開口角との距離である斜面長ＬIIIは、凹部７短辺側の傾斜面における底面角と開口角との距離である斜面長ＬII（斜面長ＬIＶ）より短くなっている。そのため、斜面長ＬIIIの傾斜面は、斜面長ＬII（斜面長ＬIＶ）の傾斜面と比較して変形し難いのである。

すなわち、凹部７長辺側は、凹部７短辺側と比較して変形し易いので、凹部７長辺側の傾斜面の斜面長ＬIIIを、凹部７短辺側の傾斜面の斜面長ＬII（斜面長ＬIＶ）と比較して短くすることによって、凹部７長辺側の傾斜面が変形し難くなり、凹部７角部の応力を低減させることができる。

なお、凹部７における短辺側及び長辺側は、それぞれの両辺同士が互いに対称の形状を有する。従って、対称である短辺両側それぞれの間隔ＢIIと間隔ＡIIとの差同士は同一である。また、対称である長辺両側それぞれの間隔ＢIIIと間隔ＡIIIとの差同士は同一である。

しかしながら、製造上の都合又は電池作動中の積層体４の変位若しくはラミネートフィルム６の変形等に起因して、凹部７における短辺側及び長辺側のいずれか一方又は双方の両辺同士が互いに非対称の形状を有することがある。非対称である短辺両側それぞれの間隔ＢIIと間隔ＡIIとの差同士、及び、非対称である長辺両側それぞれの間隔ＢIIIと間隔ＡIIIとの差同士は互いに異なった値となる。この場合、本発明では、これらの差値の大きい方を比較検討の対象として採用する。

（実施の形態）
図５、図６及び図７に示すように、各実施例に対して、有限要素法（ソフトウエア：ＡＮＳＹＳ）により凹部７角部の最大発生応力を解析するとともに、熱衝撃試験を実施してそれによる角部の割れ頻度（割れ発生個数と試験数との比）を調査した。熱衝撃試験は、通常の作動環境である−４５〜６０℃の範囲を２０００回反復したものである。このときのセル内部の圧力は、−４５℃において−０．０８ＭＰａであり、＋６０℃において＋０．１４ＭＰａである。

（第一実施形態）
図５に示すように、実施例１乃至１０は、間隔ＢIIと間隔ＡIIとの差が、間隔ＢIIIと間隔ＡIIIとの差に比較して大きい場合と小さい場合とを、異なった数値の五例で示すものである。各実施例は、セル内圧が正圧の最大値である＋０．１５ＭＰａ時の最大発生応力と、セル内圧が負圧の最小値である−０．１ＭＰａ時の最大発生応力とを含んで示している。

図５によれば、間隔ＢIIと間隔ＡIIとの差が、間隔ＢIIIと間隔ＡIIIとの差より大きいときには、間隔ＢIIと間隔ＡIIとの差が、間隔ＢIIIと間隔ＡIIIとの差より小さいときと比較して、正圧時の発生応力、負圧時の発生応力及び発生応力の振幅は小さくなる。そして、熱衝撃割れの発生頻度が減少する。但し、実施例５では熱衝撃割れの発生頻度は減少せず同一である。なお、実施例１及び２では、熱衝撃割れは、凹部７角部ではなく、積層体４とラミネートフィルム６との接触部に発生したものである。

（第二実施形態）
図６に示すのは、正電極端子８及び負電極端子９を両短辺側にそれぞれ設けた実施例１１と、正電極端子８及び負電極端子９を両長辺側にそれぞれ設けた実施例１２と、正電極端子８及び負電極端子９を一方の長辺側に併設した実施例１３とにおいて、セル内圧−０．１ＭＰａ時の最大発生応力と、凹部７角部の熱衝撃割れの発生頻度とを比較するものである。なお、このときの凹部７の形状は、実施例７のものと同一である。

図６によれば、正電極端子８及び負電極端子９を両短辺側にそれぞれ設けた実施例１１のものは、実施例１２及び実施例１３との比較において、発生応力が最小となり、熱衝撃割れの発生頻度が最少となっている。

（第三実施形態）
図７に示すのは、実施例１４乃至２１において、正電極端子８又は負電極端子９の側端と凹部７開口角との距離Ｄと、凹部７の開口角同士間の距離である外周縁１１の内法Ｗとの比Ｄ／Ｗが、セル内圧−０．１ＭＰａ時の最大発生応力と、凹部７角部の熱衝撃割れの発生頻度とに及ぼす影響を表し、両者により実施例の品質を評価したものである。評価は、極めて優れたものを◎で、優れたものを○で、基準に達しないものを×でそれぞれ示す。ここで、実施例１４乃至１７は、外周縁１１の内法Ｗが８０ｍｍのとき、電極と凹部開口角との距離Ｄを５ｍｍから３０ｍｍまで四段階に増加させたものである。また、実施例１８乃至２１は、外周縁１１の内法Ｗが１３０ｍｍのとき、電極と凹部開口角との距離Ｄを５ｍｍから５０ｍｍまで四段階に増加させたものである。なお、実施例２２は、実施例１８乃至２１に対する参考に供するものであって電極端子を備えないので、最大発生応力の解析のみで熱衝撃試験と評価は行われない。これら各実施例の凹部７の形状は、実施例７のものと同一である。

図７によれば、比Ｄ／Ｗが小さい程、発生応力は小さくなり、熱衝撃割れの発生頻度は少なくなる。特に、比Ｄ／Ｗが３０％より小さい実施例１４乃至１６、及び、実施例１８乃至２０は、発生応力が小さく、熱衝撃割れが発生しないか又は極めて少なくなるので、◎又は○として基準以上の評価が与えられる。なお、第三実施形態は、正電極端子８及び負電極端子９が凹部７の短辺側に設けられるものとしたが、正電極端子８及び負電極端子９を凹部７の両長辺側にそれぞれ設けるか又は、正電極端子８及び負電極端子９を短辺側又は長辺側の一方に併設するようにしたものであっても第三実施形態と同様な効果が得られる。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態のラミネート外装電池の外装であるラミネートフィルム６の凹部７は、短辺及び長辺でなる長方形の開口と底面とを備えた長方錐台の形状を有し、凹部７の短辺側における凹部７の開口角と積層体４側面の凹部７開口面での交線との間隔ＢIIと、凹部７の底面角と積層体４の凹部底面側角との間隔ＡIIとの差は、凹部７の長辺側における凹部７の開口角と積層体４側面の凹部７開口面での交線との間隔ＢIIIと、凹部７の底面角と積層体４の凹部底面側角との間隔ＡIIIとの差より大きい。よって、凹部短辺側より変形し易い凹部長辺側の底面角と開口角との傾斜面の斜面長は、凹部短辺側の底面角と開口角との傾斜面の斜面長より短くなるので、凹部長辺側の変形が抑制される。そのため、ラミネートフィルムの凹部角部の応力が低下して、熱衝撃割れの発生する頻度が減少するという優れた効果を奏する。

また、正電極端子８及び負電極端子９は、凹部７の短辺側に設けられるので、ラミネートフィルムの凹部角部の応力が効果的に低下して、熱衝撃割れの発生する頻度が減少する。

また、正電極端子８又は負電極端子９の側端と凹部開口角との距離Ｄは、凹部両開口角間である外周縁１１の内法Ｗの３０％以下であるから、ラミネートフィルムの凹部角部の応力がさらに効果的に低下して、熱衝撃割れの発生する頻度が減少する。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

１正極板
２負極板
３セパレータ
４積層体
５，６ラミネートフィルム
７凹部
８正電極端子
９負電極端子
１１外周縁
１２ラミネート外装電池

Claims

正電極端子（８）を接続する正極板（１）と負電極端子（９）を接続する負極板（２）とをセパレータ（３）を介して積層してなる積層体（４）と、前記積層体（４）を収納する凹部（７）を有し前記凹部（７）外方の外周縁（１１）が封口される二枚のラミネートフィルム（５，６）とを備えたラミネート外装電池（１２）において、
前記凹部は、短辺及び長辺でなる長方形の開口と底面とを備えた長方錐台の形状を有し、
前記凹部の短辺側における前記凹部の開口角と前記積層体側面の前記凹部開口面での交線との間隔（ＢII）と、前記凹部の底面角と前記積層体の前記凹部底面側角との間隔（ＡII）との差は、前記凹部の長辺側における前記凹部の開口角と前記積層体側面の前記凹部開口面での交線との間隔（ＢIII）と、前記凹部の底面角と前記積層体の前記凹部底面側角との間隔（ＡIII）との差より大きいものであることを特徴とするラミネート外装電池。
前記正電極端子及び前記負電極端子は、前記凹部の短辺側に設けられることを特徴とする請求項１に記載のラミネート外装電池。
前記正電極端子又は前記負電極端子の側端と前記凹部開口角との距離（Ｄ）は、前記凹部両開口角間である前記外周縁の内法（Ｗ）の３０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のラミネート外装電池。