JP3552354B2

JP3552354B2 - 電池及びその製造方法

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Publication number: JP3552354B2
Application number: JP21606495A
Authority: JP
Inventors: 寛之明石
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: JPH0963550A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣカード等の薄型電子デバイスの電源として好適な電池及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＩＣカードでは蓄積された情報を保持するためにカード本体内に電源が内蔵される。このＩＣカードに内蔵される電源としては、以下のような要件を満たすことが必要である。
【０００３】
まず、ＩＣカードでは、寸法についてＪＩＳ等の規格が設けられており、総厚で８００μｍ以下と非常に薄く成型されることが要求されている。したがって、これに内蔵される電池も、可能な限り薄く成型されることが求められる。
【０００４】
さらに、ＩＣカードは、その用途上、ある程度の応力に耐え得るように、構造的に柔軟性に優れることが要求されている。それゆえに、やはり内蔵される電池も柔軟性を有することが必要である。
【０００５】
ＩＣカードに内蔵される電源としては、一対の板状の電池外装材の間に、負極、セパレータ、正極及び電解質物質を挟み込んだ平板型の電池が使用される。
【０００６】
この平板型の電池では、電池外装材としてステンレス等の金属板が考えられているが、ＩＣカードに用いる場合には、上述の如く柔軟性を有することが要件となる。このため、非常に薄い厚さとなされた金属板の両面に、柔軟性が高いポリオレフィン等の高分子フィルムを被覆することで補強した多層フィルムを、電池外装材として使用することが試みられている。
【０００７】
この外装材を用いると、電池に柔軟性が付与されると同時に、電池の封止が加熱融着によって行えるようになるので、製造工程が簡便化し、生産性においても非常に有利になる。また、特に、水分との接触を嫌う、リチウム金属等を電極に用いる電池系では、防湿性の高い高分子フィルムを選択すれば耐候性の向上を図ることも可能になる（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｅｄｓ．ｂｙＢ．Ｓｃｒｏｓａｔｉ，ＣｈａｐｍａｎａｎｄＨａｌｌ，１９９３）。なお、このような多層フィルムとしては、アルミニウム板にポリアミドフィルムあるいはポリエチレンフィルムを貼り合わせたものが汎用品として市販されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記多層フィルムを電池外装材として用いる場合、絶縁材である高分子フィルムによって被覆されていることから、そのままでは電極からの電流を外部に取り出すことができない。すなわち、何らかのリード手段を用いることで電極と導通した外部端子を設けることが必要である。
【０００９】
そのような外部端子の取り出し方法については、図６に示すように、負極６１及び正極６２にリード線６３Ａ，６３Ｃを取り付け、このリード線６３Ａ，６３Ｃを、電池外装材６４Ａ，６４Ｃの熱融着部を横断させて外部端子として取り出す方法が提案されている。
【００１０】
しかしながら、このようにしてリード線を外部に取り出すと、このリード線を取り出す部分において電池外装材同士の接着強度が弱くなる。このため、電池に外部応力が加わった場合に、この部分から電池の密閉性が損なわれるといった問題がある。
【００１１】
そこで、本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、柔軟性，防湿性に優れるとともに、外部応力が加わった場合でも密閉性が高度に保持される電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の電池は、負極、電解質物質、セパレータ、電解質物質及び正極が積層された電極部材と、融着性樹脂層が導電性板の両面を被覆した多層フィルムよりなる電池外装材とを備え、電池外装材の内側と外側のそれぞれに、リード部が加圧及び加熱により熱融着されることで導電性板と接続され、内側及び外側のリード部が熱融着された一対の電池外装材の間に、負極、セパレータ及び正極を挟み込み、電極部材を重ね合わせるとともに、電池外装材の外縁部が互いに加圧及び加熱によって熱融着されてなり、内側のリード部に正極又は負極の電極が接続され、正極又は負極の外側リード部が外部端子としてなされていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
本発明の電池の具体的な形態を図１に示す。
【００１５】
この電池は、負極１、電解質物質２、セパレータ３、電解質物質４及び正極５がこの順に積層されてなる電極構造体を、一対の板状の電池外装材７Ａ，７Ｃによって挟み込み、この電池外装材７Ａ，７Ｃの外縁部を熱融着することでなっている。
【００１６】
上記一対の電池外装材７Ａ，７Ｃは、ミクロン単位と非常に薄い厚さとなされた導電性を有する板体（導電性板）８Ａ，８Ｃの両面に、熱融着性樹脂９Ａ，９Ｃが被覆された多層フィルム構造となっており、その外縁部が互いに熱融着されることで電池が封止されている。
【００１７】
そして、上記一対の電池外装材７Ａ，７Ｃの内側と外側には、それぞれリード部１０Ａ，１０Ｃ，１１Ａ，１１Ｃが熱融着されることで導電性板８Ａ，８Ｃと接続され、このうち電池外装材７Ａ，７Ｃの内側に熱融着されたリード部１０Ａ，１０Ｃは負極１あるいは正極５と接触している。
【００１８】
したがって、この電池では、負極１と、負極側の内側リード部１０Ａ、導電性板８Ａ及び外側リード部１１Ａが導通し、また正極５と、正極側の内側リード部１０Ｃ、導電性板８Ｃ及び外側リード部１１Ｃが導通する。すなわち、負極側の外側リード部１１Ａ、正極側の外側リード部１１Ｃがそれぞれ負極の外部端子、正極の外部端子として機能し、この端子より電流の出し入れがなされることになる。
【００１９】
このように、内側リード部１０Ａ，１０Ｃと外側リード部１１Ａ，１１Ｃが電池外装材７Ａ，７Ｃに熱融着されることで外部端子が形成される電池では、リード部が電池外装材の熱融着部を横断させて取り出される電池に比べて、電池外装材同士の接着状態が均一になる。したがって、電池に外部応力が加わった場合でも、電池外装材の熱融着部で剥離が生じることがなく、電池の密閉性が高度の保持される。このため、作動安定性が得られ、長期保存が可能であり、信頼性が確保できる。
【００２０】
このような電池の組み立ては、図２（ａ），（ｂ）及び図３（ａ）〜（ｃ）に示す工程で行われる。
【００２１】
まず、図２（ａ），（ｂ）に示すように、電池外装材７Ａ，７Ｃに、内側リード部１０Ａ，１０Ｃ及び外側リード部１１Ａ，１１Ｃを、適度な圧力をかけながら加熱ヒータによって熱融着しておく。この熱融着によって、内側リード部１０Ａ，１０Ｃと外側リード部１１Ａ，１１Ｃは導電性板８Ａ，８Ｃに接触して固定され、内側リード部１０Ａ，１０Ｃと外側リード部１１Ａ，１１Ｃが導電性板８Ａ，８Ｃを介して導通した状態になる。
【００２２】
なお、ここで内側リード部１０Ａ，１０Ｃ、外側リード部１１Ａ，１１Ｃの融着位置は、必ずしも一致させる必要はなく、内側リード部１０Ａ，１０Ｃは負極あるいは正極と接触するような位置に、また外側リード部１１Ａ，１１Ｃはその用途に応じて適当な位置に融着して良い。
【００２３】
そして、このようにリード部１０Ａ，１０Ｃ，１１Ａ，１１Ｃが熱融着された一対の電池外装材の間に、図３（ａ）に示すように、負極１，セパレータ３，正極５を挟み込み、さらに図３（ｂ）に示すように、電解質物質４を添加し、これら電池部材を重ね合わせる。この状態で、図３（ｃ）に示すように、電池外装材７Ａ，７Ｃの外縁部に適度な圧力をかけながら熱融着し、電池は組み立てられる。
【００２４】
このような電池の各構成要素の材料としては以下のものが用いられる。
【００２５】
まず、上記電池外装材７Ａ，７Ｃは、導電性板８Ａ，８Ｃの両面に熱融着性樹脂９Ａ，９Ｃが被覆されて構成されるが、導電性板８Ａ，８Ｃとしては、軽量かつ柔軟性を有する金属が用いられ、例えばアルミニウム箔がコストの面から有利である。また、熱融着性樹脂９Ａ，９Ｃとしては、厚さの非常に薄い導電性板に強度を付与でき、また通常の熱融着の手法によってリード部を熱融着し得るものが選択される。そのような樹脂としては、これまでに公知とされている熱融着樹脂のうち、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン等のポリアミド樹脂、酢酸ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等が好ましい。なお、この列挙した樹脂のうちではポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂は、ガス透過性が低く、耐薬品性にも優れ、電池外装材として好適である。一方、機械的強度の点ではナイロン樹脂が特に優れている。
【００２６】
電池外装材７Ａ，７Ｃに熱融着するリード部１０Ａ，１０Ｃ，１１Ａ，１１Ｃについては、導通性を有するものであれば、材料，形状は特に限定されない。なお、比抵抗率を考慮すると銅，アルミニウム，ニッケル，鉄，ステンレス等の金属箔が好ましく、その形状は、融着性樹脂によって接着し易いことからメッシュ状であるのが良い。
【００２７】
負極１、正極５、セパレータ３及び電解質物質４については、従来公知の電池系で用いられているものがいずれも採用できる。特に、リチウム金属を負極の活物質として用いるリチウム電池系に本発明を適用すると、電池外装材に用いる熱融着性樹脂の選択によって電池に防湿性が付与できるので、耐候性の改善にも効果がある。
【００２８】
但し、電解質物質４としては、電池組立に際して取り扱い性が良く、また漏液の心配もないことから、固体あるいはゲル状の電解質を用いるのが望ましい。例えば、リチウム電池では、非水電解液の組成にポリアクリロニトリルをゲル化材として加えたゲル電解質を用いることができる。
【００２９】
また、電極活物質の導電性が低い場合には、電極に集電体を具備させても良い。この場合、集電体は、外装材側に配し、この集電体が内側リードと接触するような構成とする。なお、この集電体としては、金属メッシュが適当である。
【００３０】
【実施例】
本発明の実施例について実験結果に基づいて説明する。
【００３１】
実施例１
まず、電池外装材を以下のようにして作製した。
【００３２】
厚さ４０μｍのアルミニウム箔の両面に、厚さ３０μｍのポリエチレンフィルムを熱融着することによって全厚１００μｍの３層膜フィルムを作製し、４×４ｃｍ^２のサイズに裁断した。
【００３３】
そして、このようにして作製された電池外装材の両面に、場所を一致させて内側リード部及び外側リード部をヒートパルス法により圧力を加えながら熱融着させた。この内側リード部及び外側リード部は、寸法０．５×０．５ｃｍ^２，厚さ３０μｍのステンレス製メッシュ（ＳＵＳ３０４）であり、電池外装材の中心から一辺方向に１ｃｍ離れた位置に、２辺と平行となるように熱融着した。なお、この熱融着に際しては、内側リード部と外側リード部の導通の様子をテスターで調べ、導通が不十分な場合には熱融着操作を繰り返した。
【００３４】
次に、正極を以下のようにして作製した。
【００３５】
粉状二酸化マンガン９０重量部、粉状ポリフッ化ビニリデン３重量部及び粉状黒鉛７重量部を、ジメチルホルミアミド（ＤＭＦ）を溶媒として分散させることで正極合剤スラリーを調製した。次いで、この正極合剤スラリーを、集電体となるアルミニウムメッシュに塗布し、１００℃の温度で２４時間減圧乾燥した。続いて、この集電体上に形成された正極合剤層を、適当な圧力でロールプレスすることによって厚さ１３０μｍに圧縮し、２×２ｃｍ^２の寸法に切り出すことで正極を作製した。そして、この正極の集電体側を、電池外装材の内側リード部にスポット溶接した。
【００３６】
次に、負極を、Ｌｉ金属を２×２ｃｍ^２の寸法に切り出し、１３０μｍに圧縮することで作製した。そして、この負極を、正極を溶接したのとは別の電池外装材の内側リード部に圧着させた。
【００３７】
一方、電解質物質としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）及び過塩素酸リチウムから構成されるゲル状電解質（ＰＡＮ：ＥＣ：ＰＣ：過塩素酸リチウム（モル比）＝１３：５５：２７：５）を用いた。なお、このゲル状電解質は、次のようにして形成した。
【００３８】
所定量のＥＣとＰＣが混合攪はんされたビーカー中に、所定量の過塩素酸リチウムを添加した後、これを１００℃まで加熱した。そして、十分加熱した時点で、所定量のＰＡＮを少量ずつ添加し、添加終了後、１０分間加熱攪はんした。その結果、ＰＡＮが完全に溶解し粘ちょうな溶液が得られる。この時点で加熱を終了し、得られた溶液を、直ちに正極上に適当量流延することでゲル状電解質を形成した。また、負極上にも同様にしてゲル状電解質を形成した。
【００３９】
以上のようにしてゲル状電解質が形成された正極と負極を、セパレータとなる厚さ５０μｍのポリプロピレン不織布を介して重ねた後、電池外装材の外縁部を加熱融着させることで電池を封止し、薄型電池を作製した。
【００４０】
比較例１
電池外装材に内側リード部，外側リード部を熱融着せず、図６に示すように、電池外装材の熱融着部を横断してリード部を外部に取り出したこと以外は実施例１と同様にして薄型電池を作製した。
【００４１】
以上のようにして作製された電池について、気密性を検証するために、折曲げ試験を行い、その後、放電試験を行った。
【００４２】
なお、折曲げ試験は、図４に示すように電池１２の中央部を幅０．５ｃｍ×渡り８ｃｍの一対の角材１３で挟むことによって固定し、常温常湿下、電池両端をそれぞれ平面に対して垂直方向に１．０ｃｍ上下させる操作を３００回繰り返すことにより行った。
【００４３】
また、放電試験は、折曲げ試験を行った電池を、常温常湿下、２４時間放置した後、５００μＡの定電流で閉回路電圧が１．８Ｖに達するまで放電することで行った。放電容量はこの放電過程での電圧変化から見積もった。放電時間と電池電圧の関係を図５に示す。
【００４４】
図５から明らかなように、リード部を電池外装材に熱融着させた実施例１の電池に比べて、リード線を電池外装材の熱融着部から取り出した比較例１の電池は、早期に電圧が低下し始め、十分な放電容量が得られない。これは比較例１の電池では、折曲げ試験によって密閉性が低くなり、これが性能劣化を招いたからである。
【００４５】
また、さらに、試験後に両電池を解体し、内部を観察したところ、比較例１の電池内部では水酸化リチウムに帰属される白色粉体が大量に観察された。これに対して、実施例１の電池では、リチウム金属が光沢のある状態に維持されていた。
【００４６】
以上の結果から、電池外装材にリード部を熱融着させることで電池の外部端子を形成することは、外部応力に耐える密閉性の高い電池を得るのに有効であることがわかった。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の電池では、導電性板の両面に融着性樹脂層が被覆されてなる電池外装材内に、電極及び電解質物質が収容されてなり、上記電池外装材の内側と外側のそれぞれに、リード部材が熱融着されることで外部端子が形成されているので、柔軟性，防湿性が得られるとともに、電池に外部応力が加わった場合でも密閉性が高度に保持される。したがって、外部応力が加わる可能性のあるＩＣカードの電源として非常に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電池の１構成例を示す断面図である。
【図２】リード部の熱融着工程を示すものであり、（ａ）はリード部の位置合わせ工程を示す模式図、（ｂ）はリード部の熱融着工程を示す模式図である。
【図３】電池の組立工程を示すものであり、（ａ）は電池外装材，負極，セパレータ，正極の位置関係を示す模式図、（ｂ）はこれら部材の重ね合わせ工程を示す模式図、（ｃ）は電池の封止工程を示す模式図である。
【図４】電池の折曲げ試験を説明するものであり、（ａ）は角材に挟み込まれた電池の断面図、（ｂ）はその斜視図である。
【図５】折曲げ試験後の電池の放電時間と電池電圧を関係を示す特性図である。
【図６】従来の電池における端子構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１負極
２，４電解質物質
３セパレータ
５正極
７Ａ，７Ｃ電池外装材
８Ａ，８Ｃ導電性板
９Ａ，９Ｃ熱融性樹脂層
１０Ａ，１０Ｃ内側リード部
１１Ａ，１１Ｃ外側リード部

Claims

負極、電解質物質、セパレータ、電解質物質及び正極が積層された電極部材と、
融着性樹脂層が導電性板の両面を被覆した多層フィルムよりなる電池外装材とを備え、
上記電池外装材の内側と外側のそれぞれに、リード部が加圧及び加熱により熱融着されることで導電性板と接続され、
上記内側及び外側のリード部が熱融着された一対の電池外装材の間に、負極、セパレータ及び正極を挟み込み、
上記電極部材を重ね合わせるとともに、上記電池外装材の外縁部が互いに加圧及び加熱によって熱融着されてなり、
上記内側のリード部に正極又は負極の電極が接続され、上記正極又は負極の外側リード部が外部端子としてなされていることを特徴とする電池。
リード部が金属網であることを特徴とする請求項１記載の電池。
電極が集電体を備え、この集電体に電池外装材の内側のリード部が接続されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
電極の集電体が金属網であることを特徴とする請求項３記載の電池。
負極、電解質物質、セパレータ、電解質物質及び正極が積層された電極部材からなる電池の製造方法において、
融着性樹脂層が導電性板の両面を被覆した多層フィルムよりなる電池外装材の内側と外側のそれぞれに、リード部が加圧及び加熱により熱融着されることで導電性板と接続し、
次いで、上記内側及び外側のリード部が熱融着された一対の電池外装材の間に正極、セパレータ及び負極を挟み込み、
その後、上記電極部材を重ね合わせるとともに、上記一対の電池外装材の外縁部に加圧及び加熱しながら熱融着して、上記内側のリード部に正極又は負極の電極を接続し、上記正極又は負極の外側リード部を外部端子としてなることを特徴とする電池の製造方法。