JP4336764B2 - フィルム外装電気デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学電池要素やキャパシタ要素などの電気デバイス要素をフィルムからなる外装材に収納したフィルム外装電気デバイスに関する。

従来、熱融着性のフィルムを外装材として用いたフィルム外装電池としては、ラミネートフィルムで電池要素を包囲し、電池要素に接続された正極および負極のリード端子をラミネートフィルムから突出させた状態で、ラミネートフィルムの開放した縁部を熱融着（シール）することによって、電池要素を気密封止（以下、単に「封止」ともいう）した構成のものが知られている。ラミネートフィルムとしては、金属層と熱融着性樹脂層とを積層したものが用いられる。この種のフィルム外装電池は、薄型化が容易であるという利点を有し、従来のフィルム外装電池の殆どが、扁平な形状をしている。

他の外装材を用いた場合と同様、フィルムを外装材とする電池においても、電池内部への外気の侵入や電池内の電解液の漏洩が生じないように、シール部分での封止信頼性が確保されることが要求される。特に、非水電解液を含む電池（以下、「非水電解質電池」ともいう）では、封止信頼性は重要である。シール不良があった場合、外気の成分により電解液が劣化し、電池性能が著しく劣化する。

また、フィルムを外装材とする電池において、特に電池要素がある程度の厚みを持っている場合には、電池要素の外形に合わせてフィルムをカップ状に深絞り成形することが一般に行われている。これは、電池要素の収納効率を向上させるため、および電池の外観を向上させるためである。

このような従来のフィルム外装電池として、特開２０００−１３３２１６号公報には、アルミラミネートフィルムからなる外装材に、電池要素の外形に合致するカップ部を深絞り成形によって形成し、電池要素の近傍で外装材を熱融着した電池が開示されている。その文献によれば、電池要素の外形に合わせたカップ部を外装材に形成することで、封止のための外装材同士の熱融着を電池要素のごく近傍で行っても皺の発生が抑えられ、体積効率の良い電池が得られるとされている。

上述のように、外装材にカップ部を形成し、電池要素の近傍で外装材を熱融着することは、体積効率を向上させるという点では有効である。しかし、電池要素の厚みが厚くなってくると、従来知られていなかった別の問題が発生する。前述の文献では、電池要素の厚さが６ｍｍ程度の場合しか検討されていない。

大容量の電池では、６〜１４ｍｍといった厚さの電池要素が用いられる場合もある。ところが、フィルムからなる外装材にカップ部を形成する際の絞り深さには限界があるため、片側の外装材だけでなく両側の外装材にカップ部を形成し、カップ部同士を対向させることにより、絞り深さの２倍の厚さの電池要素を収納することがしばしば必要となる。

本発明者らは、大容量のフィルム外装電池の実現化を目的として、カップ部を形成した外装材に６〜１４ｍｍの厚さの電池要素を収納する検討を行っていく中で、以下の問題点に直面した。その問題点とは、外装材の熱融着部を電池要素に近づけすぎると、減圧雰囲気下での封止後、大気圧中に戻した際に、外装材への大気圧の作用により、熱融着部の根元が電池要素に押し付けられるということである。熱融着部の根元が電池要素に押し付けられると、熱融着部の根元に好ましくない応力が内在した状態となる。この応力は、外装材へのマイクロクラックの発生の原因となる。また、この問題は、電池要素の両側の外装材にカップ部を形成し、カップ部同士を対向させて電池要素を封止する場合に顕著である。それは、熱融着部が電池要素の両表面の間に位置するからである。

以下に、この問題点について図９および図１０を参照して説明する。

フィルム外装電池においては、前述したように、電池要素の封止を減圧雰囲気下で行うことが多い。電池要素の封止を減圧雰囲気下で行った場合、封止後のフィルム外装電池を大気中に戻したときに、外装材が大気圧によって電池要素に押し付けられる。その結果、図９に示すように、フィルム外装電池１２０の、リード１２２が引き出されていない辺で熱融着部１２４が内側に湾曲してしまうという現象が発生する。これは、リード１２２が引き出されている辺では、外装材１２１がリード１２２に熱融着され、それによって外装材１２１の変位が規制されるが、リード１２２が引き出されていない辺では、外装材１２１は他の部材に対して特に固着されておらず、内部の電池要素１２３にほぼ密着するまでの範囲で自由に変位可能な構造となっているために生じる現象である。

外装材１２１の封止辺が湾曲すると、熱融着部が電池要素に近付く方向に変位し、熱融着部の根元が電池要素に押し付けられる。その結果、図１０に示すように、熱融着部１２４の根元において、熱融着部１２４を剥がそうとする向きの力Ｆ２が働く。この力Ｆ２が外装材１２１に加わった状態でフィルム外装電池を長時間放置したり、温度衝撃試験を行ったりすると、熱融着部１２４の根元で、外装材１２１の最内層である熱融着性樹脂層にマイクロクラックが生じることがある。外装材１２１にマイクロクラックが発生すると、その大小にもよるが、大きなものになると、電池要素の封止性能に影響を及ぼす。

電池の使用時において、電池に規格範囲外の電圧が印加されたりすると、電解液溶媒の電気分解によりガス種が発生し、電池の内圧が上昇することがある。さらに、電池が規格範囲外の高温で使用されたりしても、電解質塩の分解などによりガス種のもとになる物質が生成されたりする。外装材にマイクロクラックが発生していると、内圧が上昇したときに、マイクロクラックがきっかけになって外装材に大きな亀裂が生じ、最悪の場合には外気とのリークパスが形成されることもある。

このように、マイクロクラックの発生は、電池要素の封止信頼性を低下させる要因となる。また、この問題は、フィルム外装電池に限らず、正極と負極とを対向させた構造を有する電気デバイスをフィルムからなる外装材で封止したフィルム外装電気デバイス一般に生じ得る問題である。

そこで本発明は、厚さの厚い電気デバイス要素をフィルムからなる外装材に封止する場合であっても、外装材の熱融着部の根元でのマイクロクラックの発生を防止するフィルム外装電気デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のフィルム外装電気デバイスは、正極および負極のリードが接続された電気デバイス要素と、少なくとも金属層と熱融着性樹脂層とを積層した構造を有し、熱融着性樹脂層を内面として電気デバイス要素をその厚さ方向両側から挟んで包囲しその周囲で熱融着されることによって、リードを突出させて電気デバイス要素を封止する外装フィルムとを有する。さらに本発明のフィルム外装電気デバイスは、外装フィルムには電気デバイス要素を収納するためのカップ部が形成され、これにより、外装フィルムの熱融着によって形成された熱融着部が、電気デバイス要素の厚さ方向について電気デバイス要素の両表面の間に位置しており、外装フィルムの辺のうちリードが突出していない辺の少なくとも１つには、熱融着部と電気デバイス要素との間に、電気デバイス要素を介さずに直接対向した外装フィルム同士が熱融着されずに密着している密着部が形成されており、リードが突出していない辺に沿った方向での、熱融着部の内縁の一端から他端までの距離をＬ１、密着部の長さをＬ２としたとき、Ｌ２≧（１／２）Ｌ１である。

このように、密着部の長さＬ２を熱融着部の内縁の一端から他端までの距離Ｌ１の１／２以上とすることで、熱融着部の根元に作用する外装フィルムの引き剥がし力が緩和される。密着部は、熱融着部の内縁の一端から他端までの範囲全体に形成されていることが好ましい。また、密着部の効果は、電気デバイス要素を収納するためのカップ部が外装フィルムに形成されている場合に特に有効である。

本発明のフィルム外装電気デバイスの製造方法は、正極および負極のリードがそれぞれ接続された電気デバイス要素を、その厚さ方向両側から、少なくとも金属層と熱融着樹脂層とを積層した構造を有する外装フィルムで挟む工程と、外装フィルムからリードを突出させた状態で、電気デバイス要素を挟んだ外装フィルムの外周辺を熱融着することによって電気デバイス要素を外装フィルム内に封止する工程であって、外周辺の少なくとも最後の１辺の熱融着を減圧雰囲気中で行う工程と、電気デバイス要素を封止した外装フィルムの周囲を大気圧雰囲気中に戻す工程と、を有する。そして本発明のフィルム外装電池の製造方法は、外装フィルムを熱融着する工程のうち、リードが突出していない辺の少なくとも１辺の熱融着を、外装フィルムの加熱および加圧用の熱融着ヘッドを電気デバイス要素から２ｍｍ以上離した位置で外装フィルムを加圧することによって行う。

本発明のフィルム外装電気デバイスの製造方法によれば、電気デバイス要素を封止した外装フィルムの周囲を大気圧雰囲気中に戻したとき、外装フィルムは大気圧によって押し付けられる。外装フィルムの熱融着の際、リードが突出していない辺の少なくとも１辺の熱融着を、熱融着ヘッドを電気デバイス要素から２ｍｍ以上離した位置で外装フィルムを加圧して行うので、その辺では、外装フィルムが大気圧で押し付けられることによって、電池要素と熱融着部との間に密着部が形成される。つまり、密着部を形成するのに、特別な形状の熱融着ヘッドは不要である。

以上説明したように本発明によれば、外装フィルムの所定の位置および範囲に、直接対向した外装フィルム同士が熱融着されずに密着している領域である密着部が形成される。そのことにより、特に電気デバイス要素の厚さが厚い場合に起こり易い、熱融着部の根元に作用する外装フィルムの引き剥がし力を緩和することができる。その結果、熱融着部の根元でのマイクロクラックの発生を防止することができる。また、本発明のフィルム外装電気デバイスの製造方法によれば、外装フィルムの熱融着に用いる熱融着ヘッドの電気デバイス要素との距離を規定するだけで、外装フィルムの熱融着に一般に用いられる熱融着ヘッドを用いて、上記密着部を極めて簡単に形成することができる。

［図１］本発明の一実施形態によるフィルム外装電池の分解斜視図である。
［図２］外装フィルムにカップ部を形成するための深絞り成形を説明する図である。
［図３］外装フィルムの熱融着方法を説明する図である。
［図４］通常の熱融着後の外装フィルムの状態を示す断面図である。
［図５Ａ］図１に示すフィルム外装電池において、電池要素を減圧封止したときの、減圧雰囲気中での、密着部を形成した部分での外装フィルムの断面図である。
［図５Ｂ］図１に示すフィルム外装電池において、電池要素を減圧封止したときの、大気圧中での、密着部を形成した部分での外装フィルムの断面図である。
［図６］密着部の形成位置および範囲の一例を示す、フィルム外装電池の電池要素を透視した要部平面図である。
［図７］外装フィルムに形成する密着部の他の例を示す、フィルム外装電池の平面図である。
［図８］外装フィルムに形成する密着部のさらに他の例を示す、フィルム外装電池の平面図である。
［図９］一般的なフィルム外装電池において電池要素の封止時に熱融着部に発生する不具合を説明する平面図である。
［図１０］図９に示すフィルム外装電池の、リード端子が引き出されていない辺での断面図である。

図１を参照すると、複数の正極および負極を積層した構造を有する略直方体状の電池要素１３と、電池要素１３の正極および負極のそれぞれに接続された正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂ（以下、正極リード１２ａと負極リード１２ｂとを総称して単に「リード」ということもある）と、正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂの一部を延出させて電池要素１３を封止する外装フィルム１１とを有する、本発明の一実施形態によるフィルム外装電池１０が示される。

電池要素１３は、それぞれ電極材料が両面に塗布された金属箔からなる複数の正極と複数の負極とが、セパレータを介して交互に積層されて構成されている。各正極および各負極の１辺からはそれぞれ電極材料が塗布されていない未塗布部分が突出して設けられている。正極の未塗布部分同士、および負極の未塗布部分同士は、一括して超音波溶接されて、それぞれ正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂと接続されている。正極および負極は、電極材料の未塗布部分を反対向きに突出させて重ねられている。したがって、正極リード１２ａと負極リード１２ｂとは、フィルム外装電池１０の互いに対向する辺から引き出されている。電池要素１３の厚さは特に限定されないが、本発明は、電池要素１３が６ｍｍ以上の厚さを有する場合に特に有効である。

リチウムイオン電池などの非水電解質電池の場合、一般には、正極を構成する金属箔にはアルミニウム箔が用いられ、負極を構成する金属箔には銅箔が用いられる。そして、正極リード１２ａにはアルミニウム板が用いられ、負極リード１２ｂにはニッケル板または銅板が用いられる。負極リード１２ｂを銅板で構成する場合、その表面にニッケルめっきを施しても良い。

セパレータは、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂から作られた、マイクロポーラスフィルム（微多孔フィルム）、不織布あるいは織布など、電解液を含浸することができるシート状の部材を用いることができる。

外装フィルム１１は、電池要素１３をその厚み方向両側から挟んで包囲する２枚のラミネートフィルムからなり、電池要素１３の周囲で重なり合った対向面同士を熱融着することで、電池要素１３が封止されている。図１には、外装フィルム１１の熱融着される領域を熱融着部１４として斜線で示している（以降の図でも同様に熱融着部を斜線で示す。）。各外装フィルム１１には、電池要素１３を包囲する空間である電池要素収納部を形成するために、それぞれ中央領域にカップ部１１ａが形成されている。カップ部１１ａは、深絞り成形によって形成することができる。

外装フィルム１１を構成するラミネートフィルムとしては、柔軟性を有しており、かつ電解液が漏洩しないように電池要素１３を封止できるものであれば、この種のフィルム外装電池に一般に用いられるフィルムを用いることができる。外装フィルム１１に用いられるラミネートフィルムの代表的な層構成としては、金属薄膜層と熱融着性樹脂層とを積層した構成、あるいは、金属薄膜層の熱融着性樹脂層の反対側の面にさらに、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルやナイロン等のフィルムからなる保護層を積層した構成が挙げられる。電池要素１３を封止するに際しては、熱融着性樹脂層を対向させて電池要素１３を包囲する。

金属薄膜層としては、例えば、厚さ１０μｍ〜１００μｍの、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｆｅ、ステンレス、Ｍｇ合金などの箔を用いることができる。熱融着性樹脂層に用いられる樹脂としては、熱融着が可能な樹脂であれば特に制限はなく、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの酸変成物、ポリエチレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル等、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが使用できる。熱融着性樹脂層の厚さは１０〜２００μｍが好ましく、より好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。

外装フィルム１１による電池要素１３の封止は、本実施形態のように２枚の外装フィルム１１で電池要素１３を挟み、正極リード１２ａおよび負極リード１１ｂを外装フィルム１１から突出させた状態で、電池要素１３の周囲で外装フィルム１１の外周の４辺を熱融着することによって行ってもよい。または、この外装フィルム１１の約２倍のサイズを有する１枚の外装フィルムを２つ折りにして電池要素１３を挟み、開放している３辺を熱融着することによって行ってもよい。

外装フィルム１１の熱融着に際しては、１辺を残して外装フィルム１１を熱融着して、電池要素１３を収納した内部空間を有する袋状とし、その中に電解液を注入し、その後、減圧雰囲気中で残りの１辺を熱融着して、電池要素１３を封止する。減圧雰囲気中での電池要素１３の封止には、熱融着装置を内部に備えた減圧チャンバを有する減圧封止機を用いることができる。電池要素１３の封止後、電池要素１３を封止した外装フィルム１１を大気中に戻すことによって、外装フィルム１１が電池要素１３の表面に密着するように変形する。電解液の注入を減圧雰囲気中で行うことができれば、最後の１辺以外の熱融着も減圧雰囲気中で行ってもよい。

外装フィルム１１には、図１に示したように、カップ部１１ａの周囲に熱融着部１４が形成されている。外装フィルム１１の外周各辺のうち、正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂが引き出されていない辺の一部では、熱融着部１４はカップ部１１ａから離れた位置に形成されている。これによって、外装フィルム１１には、カップ部１１ａも形成されず、かつ熱融着もされていない、対向している外装フィルム１１同士が単に密着しているだけの密着部１５が、カップ部１１ａすなわち電池要素１３を収納している空間と連続して形成されている。

前述したように、電池要素１３を減圧雰囲気中で封止したとき、封止後のフィルム外装電池１０はリードが引き出されていない辺で熱融着部１４が内側に湾曲する。そして、そのときに熱融着部１４に加わる力によって、外装フィルム１１の熱融着性樹脂層にマイクロクラックが生じると考えられる。したがって、リードが引き出されていない辺において、熱融着部１４に加わる力を緩和すれば、マイクロクラックの発生を防止し、ひいては電池要素１３の封止信頼性の低下を防止できると考えられる。外装フィルム１１に形成した密着部１５は、熱融着部１４に加わる力を緩和する機能を果たすものである。

外装フィルム１１への深絞り成形によるカップ部１１ａの形成は、図２に示すように、カップ部１１ａの形状に合わせた開口部を有するダイス２１と、ダイス２１の開口部に所定のクリアランスを介して嵌合するポンチ２２とを用い、ダイス２１上にしわ押え（不図示）によって保持された外装フィルム１１をポンチ２２によって絞り込むことによって行う。ダイス２１の肩部２１ａには、開口部への外装フィルム１１の引き込みをスムーズにするために、アール加工が施されている。よって、成形後の外装フィルム１１には、カップ部１１ａの根元部に、ダイス２１の肩部２１ａに対応するアール部１１ｂが形成される。

そして、深絞り成形によってカップ部１１ａが形成された外装フィルム１１を熱融着する際には、図３に示すように、一対の熱融着ヘッド２３で外装フィルム１１のつば部を加熱および加圧する。このとき、通常は、外装フィルム１１の損傷を防ぐため、アール部１１ｂを潰さないように、カップ部１１ａの側面から離した位置で熱融着ヘッド２３を外装フィルム１１に加圧する。このため、熱融着後の外装フィルム１１の状態としては、図４の断面図に示すように、熱融着部１４の根元における外装フィルム１１同士の成す角θは、１８０°以上となることはあり得ず、通常は９０°以下となる。なお、図４において、各熱融着部１４で一体化している融着層１４ａは、熱融着性樹脂層１７同士が融着したものである。熱融着部の根元１４ｃは、融着層１４ａの端部であり、角θはこの位置における熱融着性樹脂層１７同士の成す角である。また、熱融着性樹脂層１７の外側の層は、金属薄膜層１８である。

上記の熱融着を行った後、外装フィルム１１の最後の１辺の熱融着を減圧雰囲気中で行い（上記の熱融着が最後の１辺である場合もある）、電池要素１３を封止した後に、外装フィルム１１の周囲を大気圧に戻すと、外装フィルム１１が大気圧によって電池要素１３の側面に押し付けられる。ここで、従来の考え方では、スペース効率の観点から、電池要素１３になるべく近い位置で熱融着を行う。そのため、熱融着部１４の根元も大気圧により電池要素１３に直接押し付けられる。これにより、熱融着部１４の根元での外装フィルム１１同士の成す角θを拡げるような力、すなわち、熱融着部１４での外装フィルム１１を引き剥がす力（図１０に示す力Ｆ２）が働く。

そこで、外装フィルム１１の熱融着の際に熱融着ヘッド２３を電池要素１３から適当な距離だけ離間した位置で外装フィルム１１に加圧することにより、上述した密着部１５をフィルム外装材１１に形成することができる。この密着部１５を、特定の位置および範囲に設けることによって、熱融着部１４に加わる力を効果的に緩和させることができる。

以下に、電池要素１３を減圧封止したときの、密着部１５を形成した辺での外装フィルム１１の挙動を、密着部１５が形成された領域での断面図である図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明する。

まず、図５Ａに示すように、減圧封止機を用いて減圧雰囲気中で電池要素１３を封止したとき、減圧封止機のチャンバを大気開放する前の状態である減圧雰囲気中では、外装フィルム１１で囲まれた、電池要素１３を収納する空間１０ａの内部（カップ部１１ａの内部）の圧力は、フィルム外装電池の外部の圧力と同じである。したがって、外装フィルム１１の熱融着部１４には何の力も作用していない。

その後、減圧封止機のチャンバ内を大気開放し、フィルム外装電池の周囲を大気圧に戻すと、図５Ｂに示すように、外装フィルム１１には大気圧によって内側に押し付けられる力Ｆ３が働く。熱融着部１４は、電池要素１３から離れた位置に形成されているので、力Ｆ３によって、電池要素１３と熱融着部１４との間の、外装フィルム１１同士が熱融着されていない領域は互いに密着し、密着部１５が形成される。電池要素１３と熱融着部１４との間に、外装フィルム１１同士が熱融着されていない密着部１５が存在することにより、熱融着部１４の根元１４ｃは電池要素１３に直接押し付けられず、根元１４ｃでは外装フィルム１１同士の成す角は実質的に０°に保たれる。その結果、電池要素１３の厚さが例えば６ｍｍ以上であるような厚い場合であっても、密着部１５が形成された部分では熱融着部１４を引き剥がそうとする力が抑制される。

大気圧による外装フィルム１１の変形量は、リードが引き出されていない辺では、図９に示すように、その長さ方向の中央部で最も大きい。熱融着部１４の根元１４ｃに作用する引き剥がし力は、外装フィルム１１の変形量が大きいほど大きい。つまり、リードが引き出されていない辺では、外装フィルム１１にマイクロクラックが発生する可能性が最も高いのは、辺の長さ方向中央部である。このことを考慮すると、密着部１５は、リードが引き出されていない辺の長さ方向中央部を含む領域に設けるのが好ましい。ただし、大気圧によって外装フィルム１１が湾曲する範囲は、辺の中央部を中心にして、辺の長さ方向にある程度広がりを持っている。したがって、熱融着部１４の根元１４ｃが電池要素１３側に押し付けられる部分も、辺の長さ方向にある程度広がりを持っており、密着部１５を辺の長さに対して小さな範囲に設けても、熱融着部１４に加わる力を十分に緩和できない。

そこで、図６に示すように、密着部１５を設ける位置を、外装フィルム１１の正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂが引き出されていない辺とし、しかも、その密着部１５が設けられた辺において、その辺に沿った方向での、密着部１５の長さＬ２を、熱融着部１４の内縁の一端から他端までの距離Ｌ１の１／２以上とする。これにより、大気圧によって外装フィルム１１が湾曲する範囲のほぼ全域を密着部１５がカバーでき、電池要素１３の封止時に熱融着部１４の根元１４ｃに加わる外装フィルム１１の引き剥がし力を十分に緩和することができる。その結果、外装フィルム１１の熱融着性樹脂層へのマイクロクラックの発生が効果的に抑制され、このマイクロクラックがきっかけとなって生じる電池要素１３の封止信頼性の低下を防止することができる。Ｌ２がＬ１の１／２未満であると、密着部１５が設けられた辺では熱融着部１４の根元１４ｃに作用する引き剥がし力が支配的となり、外装フィルム１１にマイクロクラックが発生するのを抑制するという観点からは、あまり効果的ではない。

以上のことから、密着部１５を設ける位置および範囲として好ましいのは、正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂが引き出されていない辺での熱融着部１４の内縁の一端から他端までの範囲の中央を含む位置に、長さＬ２が上記の距離Ｌ１の１／２以上である密着部１５を配置することである。密着部１５の範囲としてより好ましいのは、長さＬ２を上記の距離Ｌ１の２／３以上であることであり、さらに好ましいのは、正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂが引き出されていない辺での熱融着部１４の内縁の一端から他端までの範囲全体、すなわちＬ１＝Ｌ２となるように密着部１５を設けることである。最も好ましいのは、正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂが設けられていない全ての辺の全域に密着部１５を設けることである。

また、電池要素１３の厚さ方向、言い換えれば正極と負極とが積層されている方向での熱融着部１４の位置に着目すると、密着部１５による効果は、熱融着部１４が電池要素１３の厚さ方向での電池要素１３の両表面の間に位置する場合に特に有効である。それは、熱融着部１４が電池要素１３の厚さ方向での電池要素１３の両表面の間に位置する場合に、熱融着部１４の根元１４ｃで外装フィルム１１同士が成す角θ（図４参照）を拡げる力が作用するからである。

熱融着部１４が電池要素１３の厚み方向での電池要素１３の両表面の間に位置する場合としては、本実施形態のように、外装フィルム１１が電池要素１３の厚さ方向両側にカップ部１１ａを有する場合が代表的な例としてあげられる。ただし、片側だけにカップ部を有する場合や、カップ部は形成されていないが減圧封止により結果的に電池要素１３の厚さ方向両側において外装フィルム１１が電池要素１３の外形状に倣って変形した場合でも、熱融着部１４が電池要素１３の両表面の間に位置することもある。このような場合でも、上述した熱融着部１４の根元１４ｃでの外装フィルム１１の成す角θが拡がるという問題は発生し得る。よって、熱融着部１４が電池要素１３の両表面の間に位置していれば、カップ部の有無にかかわらず本発明は有効である。

熱融着部１４の根元１４ｃに作用する力を緩和するためには、密着部１５は、対向する外装フィルム１１同士が互いに熱融着されずに単に密着している領域を実質的に有していればよい。したがって、図６に示す密着部１５の幅Ｗ（密着部１５が設けられている辺の長さ方向に直角な方向での密着部１５の寸法）は、０．５ｍｍ以上あれば十分である。密着部１５の幅Ｗを小さくすることによって、密着部１５によるフィルム外装電池の外形寸法の増加分を抑制することができる。また、３ｍｍを超えるような幅Ｗで密着部１５を形成しても、熱融着部１４の根元１４ｃに作用する力を緩和するという効果にはあまり影響はない。逆に大きすぎる幅Ｗを有する密着部１５は、電池の外形サイズを大きくする。電池の外形サイズはできるだけ小さいほうが好ましい。以上より、密着部１５の幅Ｗは、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることが好ましい。

また、図７に示すように、正極リード１２ａおよび負極リード１２ｂが引き出されていない辺での熱融着部１４の内縁の一端から他端までの範囲全体に密着部１５を設ける場合、外装フィルム１１を熱融着する際の、電池要素１３に対する熱融着ヘッドの位置を適宜設定することで、従来の一般的な熱融着ヘッドを用いて密着部１５を形成することができる。密着部１５を形成するための、電池要素１３と熱融着ヘッドとの好ましい距離は、電池要素１３のサイズ、外装フィルム１１に形成するカップ部の深さ、カップ部を深絞り成形によって形成するのに用いるダイスの肩部の曲率の大きさ等に応じて適宜決定される。６ｍｍを超える厚さの電池要素１３を用いる場合、熱融着部１４の根元の電池要素１３への押し付けが、より起こりやすくなる。このような場合も考慮すると、電池要素１３と熱融着ヘッドとの距離は、２ｍｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ以上であり、さらには４ｍｍ以上であってもよい。

熱融着部１４の幅Ｗｓは、熱融着ヘッドの幅よりも僅かに大きいことが多い。これは、熱融着の際に外装フィルム１１の溶融した熱融着性樹脂が熱融着ヘッドにより加圧されている部分から０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度はみ出すことによる。熱融着性樹脂のはみ出し量が大きくなりすぎると、熱融着部１４の根元の位置がそれだけ電池要素１３側に寄ることになる。それが、電池要素１３と熱融着ヘッドとの距離を２ｍｍ以上とする理由である。

上述した実施形態では、密着部を一定の幅で形成した例を示したが、密着部の幅は一定でなくてもよい。その一例を図８に示す。図８に示す例では、密着部１５は、それが設けられている辺での熱融着部の一端から他端までの範囲の中央で最も大きな幅を有し、辺の両端へ向かって幅が狭くなるように形成されている。前述したように、電池要素を減圧下で封止したフィルム外装電池を大気圧中に戻したときの外装フィルム１１の変形量は、リードが引き出されていない辺の長さ方向中央部で最も大きく、そこから両端に向かって徐々に小さくなる。そこで、外装フィルム１１の場所ごとによる変形量に合わせて密着部１５の幅を変えることで、密着部１５を有効に利用することができる。

図８では、リードが設けられていない辺の全域に密着部１５を形成しているが、密着部１５の長さは、熱融着部の内縁の一端から他端までの距離の１／２以上であればよい。また、密着部１５の幅は、連続的に変化していてもよいし、不連続に変化していてもよい。

以上、本発明について代表的な幾つかの例を挙げて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更され得ることは明らかである。

例えば、電池要素の構造について、上述した例では複数の正極および負極を交互に積層した積層型を示したが、正極、負極およびセパレータを帯状に形成し、セパレータを挟んで正極および負極を重ね合わせ、これを捲回した後、扁平状に圧縮することによって、正極と負極を交互に配置させた捲回型の電池要素であってもよい。

また、電池要素としては、正極、負極および電解質を含むものであれば、通常の電池に用いられる任意の電池要素が適用可能である。一般的なリチウムイオン二次電池における電池要素は、リチウム・マンガン複合酸化物、コバルト酸リチウム等の正極活物質をアルミニウム箔などの両面に塗布した正極板と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料を銅箔などの両面に塗布した負極板とを、セパレータを介して対向させ、それにリチウム塩を含む電解液を含浸させて形成される。電池要素としては、この他に、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムメタル一次電池あるいは二次電池、リチウムポリマー電池等、他の種類の化学電池の電池要素が挙げられる。さらに、本発明は、電気二重層キャパシタなどのキャパシタや電解コンデンサなどに例示されるキャパシタ要素のような、互いに対向した正極と負極との作用により電気エネルギーを内部に蓄積する電気デバイス要素を外装フィルムで封止した電気デバイスにも適用可能である。

さらに、図１には、正極リード３と負極リード４をフィルム外装電池１の対向する辺から延出させた例を示したが、これらは同じ辺から延出させてもよい。

以下に、本発明の具体的な実施例について比較例とともに説明する。

［実施例１］
金属箔の両面に電極材料を塗布してなる複数の正極と複数の負極とを、セパレータを介して交互に積層した。正極用の金属箔にはアルミニウム箔を用いた。負極用の金属箔には銅箔を用いた。セパレータとしては、厚さ３０μｍのポリエチレン製の微孔フィルムを用いた。セパレータは矩形であり、そのサイズは、正極のサイズよりも縦横それぞれ２ｍｍずつ大きく負極とほぼ同じサイズの、横７５ｍｍ、縦１３０ｍｍとした。最も外側の電極は負極となるようにし、その負極のさらに外側にもセパレータを設置した。すなわち、セパレータ／負極／セパレータ／正極／セパレータ／・・・・・／負極／セパレータ、という順番である。正極、負極およびセパレータからなる積層体の厚さは１０ｍｍとした。また、正極および負極の積層に際しては、正極リードおよび負極リードを反対向きとするために、正極および負極の電極材料非塗布部が反対側を向くように向きを揃えた。

次に、正極リードとなる、所定厚さ、所定幅および長さ５０ｍｍ（電流の流れる方向を「長さ」方向とする）のアルミニウム板と、正極の電極材料非塗布部とを一括して超音波溶接した。同様に、負極リードとなる、厚さ０．１ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ５０ｍｍの銅板と、負極の電極材料非塗布部とを一括して超音波溶接した。以上により電池要素を構成する積層体を作製した。

一方、外装フィルムとして、ナイロン（２５μｍ厚）、軟質アルミニウム（４０μｍ厚）、酸変成ポリプロピレン（１５μｍ厚）、ポリプロピレン（３０μｍ厚）をこの順に積層したラミネートフィルムを用意した。用意したラミネートフィルムを所定のサイズに切り出し、ダイス、ポンチ、および、しわ押えを有する深絞り成形機を用いてカップ状に深絞り成形した。ダイスには、矩形状の開口部が形成されており、電池要素の横方向に対応する方向での開口部の寸法は、７６ｍｍとした。また、ダイスの肩部（図２の符号２１ａ参照）の半径は１ｍｍとした。すなわち、深絞り成形によって形成したカップ部の横方向の寸法は、アール部の麓も含めて７８ｍｍとなる。絞り深さは５ｍｍとした。

次に、カップ状に成形したラミネートフィルムの、カップ部の周囲のつば状となっている部分を、１０ｍｍ幅の辺になるようにトリミングした。同様にしてラミネートフィルムにカップ部の成形および周囲のトリミングを施したものをもう１枚作製した。

そして、カップ部を形成した２枚のラミネートフィルムを、電池要素がカップ部に収納されるように、電池要素を間において挟むように対向させた。この状態では、ラミネートフィルムの対向する２つの短辺から、正極リードおよび負極リードがそれぞれ引き出されていた。

次に、ラミネートフィルムの正／負極のリードが引き出された辺をそれぞれ熱融着し、さらに残りの長辺２辺のうち１辺を熱融着し、ラミネートフィルムを袋状とした。袋状となったラミネートフィルムに未熱融着部から電解液を注液した後、真空チャンバ内に熱融着機を有する真空シール機を用いて、減圧下で残りの１辺を熱融着し、電池要素を封止した。ラミネートフィルムの長辺２辺の熱融着の際、熱融着ヘッドを電池要素から４ｍｍ離間させて熱融着を行った。つまり、電池要素のセパレータの端から熱融着ヘッドの当接端までの距離を４ｍｍとした。

減圧下での電池要素の封止後、真空チャンバを大気圧に戻した。得られたフィルム外装電池を真空チャンバから取り出し、その外観を観察した。長辺２辺の熱融着部と電池要素との間に、図５Ｂに示したように、ラミネートフィルム同士が接着されておらず大気圧により密着のみしている密着部が、熱融着部の内縁全域にわたって形成されていた。密着部の幅は３〜３．５ｍｍであった。また、長辺２辺は図９のように内側方向に湾曲しており、最も湾曲量の大きい中央部は、両端よりも約０．５ｍｍだけ内側方向に入り込んでいたが、その中央部でも約３ｍｍの幅の密着部が形成されていた。密着部の長さＬ２（図６参照）と、熱融着部の内縁の一端から他端までの距離Ｌ１（図６参照）は、ともに１４６ｍｍであった。

フィルム外装電池を分解して長辺の熱融着部を観察したところ、熱融着部の根元には、熱融着時の熱融着ヘッドの加圧端から約０．５ｍｍ電池内部に入り込む方向にラミネートフィルムの樹脂のはみ出しが見られた。そして、このはみ出した樹脂を電池の内側方向から顕微鏡観察したところ、樹脂の白化は観察されなかった。さらに、高倍率の反射方光学顕微鏡を用いて観察しても、クラックは見られなかった。

［実施例２］
長辺２辺の熱融着の際に電池要素から熱融着ヘッドまでの離間距離を３ｍｍとした他は、実施例１と同様にしてフィルム外装電池を作製した。

作製したフィルム外装電池には、本実施例でも、長辺２辺の熱融着部と電池要素との間に、実施例１と同様に、密着部が形成された。密着部の幅は、１．５〜２．５ｍｍであった。また、長辺２辺の湾曲も実施例１と同様に生じており、最も湾曲量の大きい中央部は両端よりも約１ｍｍだけ内側方向に入り込んでいたが、その中央部にも約１．５ｍｍ幅の密着部が形成されていた。

フィルム外装電池を分解して長辺の熱融着部を観察したところ、本実施例においても、実施例１と同様に、熱融着部の根元に約０．５ｍｍの樹脂のはみ出しが見られた。樹脂のはみ出した部分を実施例１と同様に電池の内部側から顕微鏡で観察したが、樹脂の白化もクラックも観察されなかった。

（比較例１）
長辺２辺の熱融着の際に電池要素から熱融着ヘッドまでの離間距離を１ｍｍとした他は、実施例１と同様にしてフィルム外装電池を作製した。

作製したフィルム外装電池は、本実施例でも、長辺２辺が図９のように内側方向に湾曲しており、最も湾曲量の大きい中央部は、両端よりも約１ｍｍだけ内側方向に入り込んでいた。長辺の中央部では、熱融着部の根元が電池要素に押し付けられているのが、外観からも認識できた。そこに密着部は形成されていなかった。

フィルム外装電池を分解して長辺の熱融着部を観察したところ、本実施例においても、実施例１と同様に熱融着部の根元に約０．５ｍｍの樹脂のはみ出しが見られた。樹脂のはみ出した部分を電池の内部側から顕微鏡で観察したところ、長辺の中央を中心にして約９８ｍｍの長さにわたって白化が観察された。さらに、白化した部分を高倍率の反射方光学顕微鏡で観察したところ、クラックの存在が確認された。

Claims (10)

1. 正極用のリードおよび負極用のリードが接続された電気デバイス要素と、
   少なくとも金属層と熱融着性樹脂層とが積層された外装フィルムであって、前記熱融着性樹脂層を内面として前記電気デバイス要素をその厚さ方向両側から挟んで包囲しその周囲で熱融着されることによって、前記リードを突出させて前記電気デバイス要素を封止する外装フィルムとを有し、
   前記外装フィルムには、前記電気デバイス要素を収納するためのカップ部が形成され、これにより、前記外装フィルムの熱融着によって形成された熱融着部が、前記電気デバイス要素の厚さ方向について前記電気デバイス要素の厚さ方向両表面の間に位置しており、
   前記外装フィルムの辺のうち前記リードが突出していない辺の少なくとも１つには、前記熱融着部と前記電気デバイス要素との間に、前記電気デバイス要素を介さずに直接対向した前記外装フィルム同士が熱融着されずに密着している密着部が形成されており、
   前記密着部が形成された辺に沿った方向での、前記熱融着部の内縁の一端から他端までの距離をＬ１、前記密着部の長さをＬ２としたとき、Ｌ２≧（１／２）Ｌ１であるフィルム外装電気デバイス。
2. 前記密着部は、前記密着部が形成された辺での前記熱融着部の内縁の一端から他端までの範囲の中央を含む位置に形成されている、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
3. 前記密着部は、前記密着部が形成された辺での前記熱融着部の内縁の一端から他端までの範囲全体に形成されている、請求項２に記載のフィルム外装電気デバイス。
4. 前記密着部の幅は、前記密着部が形成された辺での前記熱融着部の内縁の一端から他端までの範囲の中央で最も大きくなるように、連続的または不連続に変化している、請求項２に記載のフィルム外装電気デバイス。
5. 前記密着部は、前記外装フィルムの前記リードが突出していない全ての辺に形成されている、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
6. 前記カップ部は、前記電気デバイス要素の厚さ方向両側にそれぞれ形成されている、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
7. 前記密着部の幅は０．５ｍｍ以上である、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
8. 前記電気デバイス要素の厚さが６ｍｍ以上である、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
9. 前記電気デバイス要素は、化学電池要素またはキャパシタ要素である、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
10. 正極用のリードおよび負極用のリードがそれぞれ接続された電気デバイス要素を、その厚さ方向両側から、少なくとも金属層と熱融着樹脂層とが積層された外装フィルムで挟む工程と、
    前記外装フィルムから前記リードを突出させた状態で、前記電気デバイス要素を挟んだ前記外装フィルムの外周辺を熱融着することによって前記電気デバイス要素を前記外装フィルム内に封止する工程であって、前記外周辺の少なくとも最後の１辺の熱融着を減圧雰囲気中で行う工程と、
    前記電気デバイス要素を封止した前記外装フィルムの周囲を大気圧雰囲気中に戻す工程とを有し、
    前記外装フィルムを熱融着する工程は、前記リードが突出していない辺の少なくとも１辺の熱融着を、前記外装フィルムの加熱および加圧用の熱融着ヘッドを前記電気デバイス要素から２ｍｍ以上離した位置で前記外装フィルムを加圧することによって行うことを含む、フィルム外装電気デバイスの製造方法。

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