JP4876915B2 - フィルム外装電気デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電池やキャパシタに代表される、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で封止したフィルム外装電気デバイスに関する。

従来、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、金属層と熱融着樹脂層とを積層した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をラミネートフィルムから引き出した状態で、ラミネートフィルムの開放した縁部を熱融着することによって、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。

フィルムを外装材とする電池は、他の種類の外装材を用いた場合と同様、電池内部への外気の進入や電池内の電解液の漏れが生じないように、熱融着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、「非水電解電池」ともいう）では封止信頼性は重要である。熱融着不良があった場合、外気の成分により電解液が劣化し、電池性能が著しく低下する。

ところで、電池の使用時に、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る。基本的には、規格範囲内で電池を使用してガスを発生させないようにすることが理想である。しかし、電池の制御回路が何らかの原因で故障して異常な電圧が印加されたり、何らかの原因で周囲が異常に高温となったりすると、場合によっては大量にガスが発生することもある。

電池内部でのガスの発生は、電池の内圧上昇をもたらす。内圧が極度に上昇することにより電池が暴発するのを防ぐために、外装材として金属缶を用いた電池の多くは、電池の内圧が上昇した際にガスを電池の外部に逃がす圧力安全弁を有している。しかし、フィルムを外装材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。フィルム外装電池では内圧が上昇しすぎるとフィルムが膨張し、最終的にはフィルムが破裂しその箇所からガスが噴出するが、破裂がどの箇所で発生するか特定できない。そのため、破裂した箇所によっては周囲の機器や部材に悪影響を及ぼすことがある。

そこで、従来のフィルム外装電池においては、こういった電池内部でのガスの発生による不具合を解消するための圧力開放構造がいくつか提案されている。

特開２００１−９３４８９号公報（特許文献１）には、外装フィルムの封止部の一部に多層シートを介在させたフィルム外装電池が開示されている。多層シートは、外装フィルムの熱融着性樹脂層よりも低融点の樹脂フィルムの両面に、外装フィルムとの熱融着性が十分にある樹脂フィルムを積層したものである。異常高温時などには、多層シートの内層が軟化溶融し、それより、電池内部で発生したガスが放出される。特許第２７２５８８１号明細書（特許文献２）には、外装フィルムの封止部の一部に、外装フィルムの熱融着性樹脂層よりも融点の高いシート状の部材を挟み込み、実質的にこの部材が介在した領域で外装フィルムを未融着状態としたフィルム外装電池が開示されている。特開平１１−８６８２３号公報（特許文献３）には、外装フィルムの封止部の少なくとも一部に、耐圧性能が低い封止手段を設けたフィルム外装電池が開示されている。封止手段としては、剥離強度が所定の値となるような熱融着条件で熱融着を行った封止部や、融着材または接着剤の材料を他の部分と相違させることによって形成した封止部などが例示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された圧力開放構造では、多層シートの内層を軟化溶融させることで電池内部の圧力を開放させる構造であるので、開放圧力は温度および内層を構成する樹脂フィルムの融点に依存しており、開放圧力を任意に調整するのは困難である。また、特許文献２に開示された圧力開放構造では、封止部に挟み込む部材はシート状であるので、この部材が挟み込まれた領域では外装材は接合されておらず、封止信頼性が極めて低くなってしまう。さらに、特許文献３に開示された圧力開放構造では、前述したように、熱融着条件を変更したり、融着材または接着剤の材料を他の部分と相違させたりしている。しかし、熱融着条件を変更した場合においては、熱融着条件を変更しても外装材の融着強度はそれほど変わらないため開放圧力を任意に調整するのは困難である。一方、融着材または接着剤の材料を他の部分と相違させた場合であってもやはり、開放圧力は融着材または接着剤の材料に依存するので、開放圧力を任意に調整するのは困難である。

上述のことは、電池に限らず、ガスを発生する可能性のある電気デバイス要素を外装フィルムで封止したフィルム外装電気デバイスに共通の課題である。

本発明の目的は、電気デバイス要素の封止信頼性を低下させることなく、異常時のガスの発生によるフィルムの膨張時の開放圧力を容易に設定できるフィルム外装電気デバイスを提供することである。

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、電気デバイス要素と、少なくとも非通気層と熱融着性樹脂からなる熱融着層とを積層した構造を持つ外装フィルムと、を有する。外装フィルムには、熱融着層を内面として電気デバイス要素を包囲しその周囲で向き合った熱融着層同士が熱融着されることによって電気デバイス要素を封止する封止領域が形成されている。封止領域の一部には、熱融着性樹脂よりも高い融点の樹脂からなる少なくとも１枚のシート状部材が、対向する外装フィルムに挟まれ、かつ電気デバイスを包囲する空間内に露出して配されている。シート状部材は、溶融した熱融着性樹脂が浸透することができる構造を有し、シート状部材には熱融着性樹脂が浸透している。

上記のとおり構成された本発明のフィルム外装電気デバイスでは、封止領域の一部において、少なくとも１枚のシート状部材が、対向する外装フィルム間に挟み込まれている。シート状部材は、溶融した熱融着性樹脂が浸透可能な構造を有している。しかし、シート状部材を構成する樹脂は、外装フィルムの熱融着層を構成する熱融着性樹脂よりも融点が高く、封止領域を形成するための熱融着によっては溶融していない。よって、封止領域のシート状部材が挟み込まれた部分では他の部分と比べて剥離強度が小さくなっており、この部分を内圧上昇時に優先的に剥離させ、圧力開放することができる。外装フィルムの熱融着によって、熱融着性樹脂はシート部材中に浸透させることができ、シート部材を介在させた構成としても、封止信頼性は低下しない。シート状部材が挟み込まれた部分での剥離強度は、シート状部材の、熱融着性樹脂の浸透の度合いに依存するので、熱融着性樹脂の浸透の度合いを適宜選択することによって、シート状部材が挟み込まれた部分での剥離強度すなわち開放圧力を任意に設定可能である。

シート状部材としては、不織布に代表される繊維集合体、あるいは微多孔フィルムなどを用いることができる。

複数枚のシート状部材を重ね合わせることによって、１枚のシート状部材を用いた場合と比較して剥離強度の低減効果が得られる。よって、より小さな剥離強度が必要である場合は、複数のシート状部材を重ね合わせて挟み込むことが好ましい。

さらに、シート状部材が挟み込まれた領域に、この領域での外装フィルムの剥離により、電気デバイス要素を包囲する空間の内部を外気と連通させる圧力開放部を設けることによって、剥離の進行がこの圧力開放部に達した時点で圧力開放がなされる。よって、圧力開放部の位置を適宜設定することで、開放圧力の設定自由度がより大きくなる。圧力開放部としては、例えば、封止領域で対向している外装フィルムの少なくとも一方に形成した穴または切り込みとすることができる。

本発明によれば、封止領域の一部で対向する外装フィルム間に、溶融した熱融着性樹脂が浸透可能な構造を有するシート状部材を挟み込むという極めて単純な構成で、電気デバイス要素の封止信頼性を低下させることなく、開放圧力の設定を容易かつ確実に行うことができる。

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１に示すフィルム外装電池の、不織布が挟み込まれた部分での、封止領域の長手方向に沿った模式的断面図である。 封止領域に挟み込む不織布の繊維の配列方向の一例を示す図である。 封止領域に挟み込む不織布の繊維の配列方向の他の例を示す図である。 ２枚の不織布を挟み込んだ場合の、不織布が挟み込まれた部分での、封止領域の長手方向に沿った模式的断面図である。 挟み込む不織布の他の例を示す、不織布が挟み込まれた部分での封止領域の平面図である。 不織布を挟み込んだ部分に貫通穴を付加した例の、不織布が挟み込まれた部分での封止領域の平面図である。 図６に示す例の変形例を示す、不織布が挟み込まれた部分での封止領域の平面図である。 本発明の他の実施形態によるフィルム外装電池の、不織布が挟み込まれた部分での封止領域の平面図である。 外装フィルムの熱融着部の境界が凹凸のない形状の場合に作用する引き剥がし応力を説明する斜視図である。 図８に示す突出部に作用する引き剥がし応力を説明する斜視図である。 図８に示す突出部での剥離の進行を示す平面図である。

符号の説明

１ フィルム外装電池
２ 電池要素
３ 正極リード
４ 負極リード
５ 外装フィルム
５ａ 封止領域
５ｂ カップ部
６ 熱融着層
７ 非通気層
８ 不織布
９ 繊維
１０ 貫通穴
１１ 非融着部
１２ 突出部

図１を参照すると、複数の正極および複数の負極を積層した構造を有する扁平な略直方体状の電池要素２と、電池要素２の正極および負極にそれぞれ接続された正極リード３および負極リード４と、正極リード３および負極リード４の一部を延出させて電池要素２を封止する外装フィルム５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１が示されている。

電池要素２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いる。各正極および各負極は、電極材料が塗布されていない非塗布部分を有する。非塗布部分は、各正極および各負極の一辺から突出して設けられている。正極の未塗布部同士、および負極の非塗布部同士は一括して超音波溶接されて、それぞれ正極リード３および負極リード４と接続されている。正極および負極は、電極材料の非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３と負極リード４とは、このフィルム外装電池１の互いに対向する辺から引き出されている。本実施形態では、フィルム外装電池１の平面形状を略長方形とし、正極リード３および負極リード４を、その長方形の短辺から引き出している。

リチウムイオン電池などの非水電解質電池の場合、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。正極リード３にはアルミニウム板が用いられ、負極リード４にはニッケル板または銅板が用いられる。負極リード４を銅板で構成する場合、表面にニッケルめっきを施してもよい。

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。微多孔フィルムは、フィルムを一軸延伸または二軸延伸することによってフィルムに微細な孔を形成する乾式プロセスや、基材ポリマーを溶媒や微粒子とともに溶融混練してフィルムを形成し、その後、溶剤浸漬あるいは揮発によって溶媒や微粒子を抽出し、必要に応じてさらに延伸して多孔質化する湿式プロセスなどの製造方法によって製造することができる。

外装フィルム５は、電池要素２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２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２が封止されている。図１には、外装フィルム５の熱融着される領域を封止領域５ａとして斜線で示している。外装フィルム５には、電池要素２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５ｂを有する。封止領域５ａは、このカップ部５ｂの周囲全周にわたって形成されている。カップ部５ｂの加工は、深絞り成形によって行うことができる。図１に示した例では両方の外装フィルム５にカップ部５ｂが形成されているが、カップ部はいずれか一方のみに形成してもよいし、また、カップ部を形成せずに外装フィルム５の柔軟性を利用して電池要素２を包囲してもよい。

外装フィルム５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熱融着によって電池要素２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５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、金属薄膜などからなる非通気層と熱融着性樹脂からなる熱融着層とを積層した構成、あるいは、非通気層の熱融着層と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２を封止するに際しては、熱融着層を対向させて電池要素２を包囲する。

非通気層を構成する金属薄膜としては、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。熱融着層に用いられる熱融着性樹脂としては、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、ポリフェニレンサルファイド、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。熱融着層の厚さは１０μｍ〜２００μｍが好ましく、より好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。

封止領域５ａの一部には、電池要素２を挟む外装フィルム５の間に挟み込まれ、かつ電池要素収納部内に露出して配された不織布８が、外装フィルム５同士の熱融着によって保持されている。不織布８は、外装フィルム５の熱融着層を構成する熱融着性樹脂の融点よりも高い融点を有する、外装フィルム５の熱融着性樹脂とは異種の樹脂から作られたものである。例えば、外装フィルム５の熱融着層を構成する熱融着性樹脂をポリプロピレンとした場合は、不織布８はポリエチレンテレフタレートで作られたものを用いることができる。

外装フィルム５同士の熱融着は、外装フィルム５の熱融着層を構成する熱融着性樹脂の融点よりも高く、かつ不織布８を構成する樹脂の融点よりも低い温度で行う。これにより、熱融着層６は溶融するが不織布８の繊維９は溶融しないので、図２に示すように、熱融着層６の熱融着性樹脂が不織布８の繊維９間に浸透し、不織布８が外装フィルム５の熱融着層６の中に埋め込まれて保持される。なお、図２は、図１において封止領域５ａの不織布８が挟み込まれた辺をその長手方向に沿って切断した断面を模式的に示している。封止領域５ａが形成された状態では、図２に示すように、２枚の外装フィルム５の熱融着層６は熱融着により一体になっている。また、図２において、熱融着層６の外側にある層は、外装フィルム５の非通気層７である。

封止領域５ａにおいて互いに対向する外装フィルム５の間に不織布８を挟み込んだ構造は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、２枚の外装フィルム５のいずれか一方の封止領域５ａとなる部分に、予め所定の寸法に切り取った不織布８を載せ、接着剤や、熱融着層６が僅かに軟化する程度の低い温度での熱融着などにより、不織布８を外装フィルム５に仮止めする。この仮止めは、不織布８を外装フィルム５に強固に固定する必要はなく、最終的に封止領域５ａを形成するまでの間、不織布８を外装フィルム５上に保持できる程度でよい。次いで、不織布８を仮止めした外装フィルム５の上に、正極リード３および負極リード４を接続した電池要素２を載せ、さらにその上からもう１枚の外装フィルム５を被せ、電池要素２の周囲で外装フィルム５を全周にわたって熱融着する。このときの熱融着温度は、上述のように、外装フィルム５の熱融着層６を構成する熱融着性樹脂の融点よりも高く、かつ不織布８を構成する樹脂の融点よりも低い温度とする。これにより、外装フィルム５の熱融着された部分が封止領域５ａとなり、その一部に不織布８が介在したフィルム外装電池１が得られる。

以上のように構成されたフィルム外装電池１において、使用中に規格範囲外の電圧が印加されたり、一時的に高温になったりすることなどによって電池要素２からガスが発生すると、フィルム外装電池１の内圧が上昇する。内圧が上昇すると、外装フィルム５のカップ部５ｂによって囲まれた空間である電池要素収納部はドーム状に膨らもうとし、封止領域５ａの内縁には引き剥がし応力が作用する。

封止領域５ａの一部には不織布８が挟み込まれており、この不織布８が挟み込まれた部分では、図２に示したように、熱融着層６を構成する熱融着性樹脂は不織布８の繊維９間に染み込んでいる。そのため、熱融着層６は、不織布８が間に介在していながらも、不織布８の上下で熱融着性樹脂が連続して存在しており、シート状の部材を挟み込む場合と異なり熱融着性樹脂が熱融着層６の厚さ方向で分断されていない。そのため、封止領域５ａに必要な封止性能を得ることができる。

さらに、不織布８を挟み込むことにより、不織布８を挟み込んだ領域では、各外装フィルム５の熱融着層６同士の接着領域、すなわち熱融着性樹脂が連続してつながっている面積が、同じ面積での不織布８を挟み込んでいない他の領域と比べて小さくなる。不織布８は、熱融着層６を構成する熱融着性樹脂とは異種の、融点がより高い樹脂から作られているので、不織布６を構成する樹脂と熱融着性樹脂との接着強度は、熱融着性樹脂同士の接着強度よりも小さい。

このことにより、不織布８が挟み込まれた部分は、他の封止領域５ａと比べて小さな引き剥がし応力で引き剥がすことが可能である。したがって、封止領域５ａに引き剥がし力が作用することにより、封止領域５ａでの外装フィルム５の剥離が、不織布８が挟み込まれた部分で優先的に進行する。外装フィルム５の剥離が進行し、封止領域５ａの外縁まで達すると、電池要素収納部がフィルム外装電池１の外部（外気）と連通し、これによって、上昇した圧力は開放される。よって、フィルム外装電池１が破裂する前に特定の位置からガスを噴出させることができ、フィルム外装電池１の破裂や意図しない方向へのガスの噴出を防止することができる。

封止領域５ａの剥離強度は、熱融着層６中での熱融着性樹脂の存在割合に依存する。この存在割合が高ければ剥離強度は高く、存在割合が低ければ剥離強度は低くなる傾向がある。一方、熱融着層６中での熱融着性樹脂の存在割合は、挟み込む不織布８の目付量に依存する。目付量が大きければ熱融着性樹脂の存在割合は低く、目付量が小さければ熱融着性樹脂の存在割合は高くなる傾向にある。以上のことから、挟み込む不織布８の目付量を適宜設定することによって、不織布８が挟み込まれた領域での剥離強度を調整することができる。剥離強度が小さいということは、それだけ低い内圧でガスを開放できるということである。このように、不織布８を挟み込んで剥離強度を調整する構造とすることにより、不織布８の目付量を適宜設定して、ガスの開放圧力を任意に設定することができる。

また、ガスを放出させるべき部位に挟み込む部材として、繊維９の集合体である不織布８を用いることで、従来の樹脂挟み込み型安全弁構造で見られるような、異なる種類の樹脂が平面状の界面において見かけ上接着している場合と異なり、有機溶媒である電解液に対する接着性の長期信頼性と、異常時に小さな力で作動しうる作動容易性を両立させることができる。

挟み込む不織布８としては、湿式、乾式（樹脂接着、サーマルボンド、スパンレース）、スパンボンド式（溶融紡糸、湿式紡糸、フラッシュ紡糸、メルトブロー）のいずれを用いてもよい。また、不織布８の中には、繊維９がほぼ一方向に配列されたものやランダムに配列されたものがあるが、剥離強度の調整には熱融着層６中に占める繊維９の割合が大きく関係しており、繊維９の配列はそれほど重要ではない。したがって、例えば図３Ａに示すように、封止領域５ａの外縁から内縁に向かう方向と略平行に繊維９が配列されるように不織布８を挟み込んでもよいし、図３Ｂに示すように、封止領域５ａの外縁から内縁に向かう方向と略直角な方向に繊維９が配列されるように不織布８を挟み込んでもよい。もちろん、繊維９の配列方向がこれらとは異なる方向であってもよい。ここで、封止領域５ａの内縁とは電池要素２側の縁であり、外縁とは電池要素２から離れた側の縁である。

開放圧力を低くするためには、挟み込む不織布８の目付量を大きくすればよいことは、前述したとおりである。ただし、開放圧力の低減化には、単一の不織布８だけでは限界がある。また、不織布８は、一般的に目付量の大きさに応じて厚さも増加するので、所望の目付量とするために不織布８の厚さを厚くしすぎると、熱融着の際に、熱融着性樹脂が不織布８の繊維９間に十分に浸透せず封止信頼性が損なわれるおそれがある。そこで、より低い開放圧力が必要な場合は、図４に示すように、２枚の不織布８を重ねて挟み込むことが好ましい。

２枚の不織布８を重ねることで、２枚の不織布８の目付量を合計した目付量と同じ目付量を有する１枚の不織布８を挟み込んだ場合以上に、剥離強度を小さくすることができる。これは、２枚の不織布８を重ねることにより、２枚の不織布８の境界では、各不織布８を浸透した熱融着性樹脂の接続する領域が小さくなり、１枚の不織布８の場合と比べて熱融着性樹脂同士の接着領域がより小さくなるためと考えられる。重ね合せる不織布８の枚数は２枚に限られるものではなく、より低い開放圧力とする必要がある場合は、３枚以上とすることもできる。

不織布８の形状やサイズは、不織布８が封止領域５ａの外縁から内縁にわたって存在する部分を有する形状やサイズであれば特に限定されない。図１では矩形状の不織布８を示したが、例えば図５に示す台形形状のような、不織布８の内縁の長さＬ１が外縁の長さＬ２より長い、電池要素２側の縁から外側に向かって寸法が小さくなる形状の不織布８とすることもできる。これにより、不織布８の形状が剥離の進行に合わせた形状となるので、剥離をスムーズに進行させることができる。ここで、不織布８の内縁および外縁も、前述した封止領域５ａの内縁および外縁と同様に、電池要素２側の縁を内縁とし、電池要素２から離れた側の縁を外縁とする。この場合も、挟み込む不織布８の枚数は１枚だけでなく複数枚を重ねて用いることもできる。

さらに、図６に示すように、封止領域５ａの不織布８が挟み込まれた領域に、圧力開放部として、外装フィルム５を貫通する貫通穴１０を形成することもできる。貫通穴１０を形成することによって、剥離の進行が貫通穴１０に達した時点で電池要素収納部の内部が外気と連通し、圧力を開放することができる。この貫通穴１０の位置を調整することによっても開放圧力を調整することができ、しかも、貫通穴１０の位置の調整は不織布８の目付量の調整よりも容易であるので、このような貫通穴１０を設けることによって、開放圧力をより正確に調整することができる。

不織布８が挟み込まれた領域に貫通穴８を形成した場合、圧力開放は剥離が貫通穴１０まで達した時点でなされるので、貫通穴１０よりも外側までは剥離は進行しない。したがって、圧力開放部である貫通穴１０を設けた場合は、図７に示すように、不織布８の幅Ｗ１を封止領域５ａの幅Ｗ２よりも小さくし、不織布８の外縁８ｂを封止領域５ａの外縁より内側に位置させても、実質的な開放圧力は変わらない。また、これにより、不織布８のサイズを小さくすることができ、不織布８の使用量を少なくすることができる。不織布８および封止領域５ａの幅とは、封止領域５ａの外縁から内縁に向かう方向での長さを意味する。図６および図７に示した構成においても不織布８の形状は任意であり、例えば、図５に示した形状とすることもできるし、また、挟み込む不織布８の枚数は１枚だけでなく複数枚を重ねて用いることもできる。

図６および図７では、圧力開放部として貫通穴１０を設けた例を示したが、圧力開放部は貫通穴１０である必要はない。例えば、不織布８が挟み込まれた領域において封止領域５ａの外縁から内縁に向かって不織布８の途中まで切り込みを形成することによっても同様の効果を得ることができる。この場合は、切り込みの先端位置によって開放圧力を任意に調整することができる。また、圧力開放部は、重なり合った２枚の外装フィルムを貫通した構造である必要はなく、重なり合った２枚の外装フィルムのうちの一方のみに貫通穴や切り込みなどを形成した場合でも同様の効果が得られる。

上述した実施形態では封止領域５ａが一定の幅で形成されている例を示したが、封止領域５ａ自身の形状を、引き剥がし応力が局部的に作用しやすい形状とし、不織布８による効果をより効果的に発揮させることもできる。その一例を図８に示す。

図８に示す例では、封止領域５ａの電池要素２側の縁部に、互いに対向する外装フィルム同士が熱融着されていない部分である２つの非融着部１１が、電池要素収納部に連続して入り江状に形成されている。２つの非融着部１１は、封止領域５ａの周縁に沿った方向に互いに間隔をあけて配されており、これによって非融着部１１の間の領域は、電池要素収納部に向かって突出した突出部１２となっている。不織布８はこの突出部１２に位置し、突出部１２では不織布８を介して対向する外装フィルムが熱融着されている。さらに、圧力開放部である貫通穴１０が、突出部１２に形成されている。

このように、封止領域５ａに、電池要素収納部へ向かって突出する突出部１２を設けることによって、電池要素２からのガスの発生によりフィルム外装電池の内圧が上昇したとき、封止領域５ａでの外装フィルムの引き剥がし応力は突出部１２に集中的に作用し、外装フィルムの剥離は突出部１２で優先的に進行する。内圧の上昇に伴ってこの剥離が貫通穴８の位置まで達することによって、電池要素収納部がフィルム外装電池の外部と連通し、上昇した圧力は貫通穴８を通じて開放される。

以下に、内圧上昇に伴う外装フィルムの剥離の進行について詳しく説明する。

外装フィルムの熱融着された領域と熱融着されていない領域との境界が凹凸のない形状となっている場合は、図９に示すように、引き剥がし応力Ｆ1は一方向にのみ作用し、剥離は外装フィルム５の外縁へ向かって進行していく。

ところが、上記のように突出部１２を設けた場合は、突出部１２の両側に非融着部１１が存在し、図１０に示すように、非融着部１１にもガスが充満して突出部１２の両側部でも外装フィルム５が膨らむので、突出部１２には、その先端に作用する引き剥がし応力Ｆ1に加え、側縁にも引き剥がし応力Ｆ2が作用する。そのため、突出部１２の角部には、これらの合力として他の部位よりも大きな引き剥がし応力が作用し、この角部で外装フィルム５が他の部位に優先して剥離が進行する。角部で外装フィルム５が剥離すると、角部は丸みを帯びてくるが、それでもまだ突出部１２は凸形状を維持しており、突出部１２には複数の方向から引き剥がし応力が作用する。従って、外装フィルム５の剥離は、この凸形状の先鋭度を減らしながら、最終的には突出部１２がほぼなくなるまで、突出部１２での外装フィルム５の剥離が他の部位よりも優先的に進行する。

突出部１２での外装フィルム５の剥離の進行を図１１に示す。図１１に示すように、突出部１２では、内圧の上昇に伴ってａ→ｂ→ｃのように、突出部１２の両側から剥離が進行していく。外装フィルム５の剥離位置は、外装フィルム５の材質、突出部１２の幅Ｗｐ、突出部１２の突出長さＬ、および内圧に依存する。従って、外装フィルム５の材質、突出部１２の幅Ｗｐ、および突出部１２の突出長さＬを予め決めておけば、貫通穴８の位置を調整することによって、電池要素収納部の内部と外部とが連通するときの電池要素収納部の内圧である開放圧力を、任意に設定することができる。すなわち、貫通穴８を突出部１２の先端に近い位置に設ければ低い内圧で圧力を開放することができ、突出部１２の根元付近に貫通穴８を設ければ、高い内圧まで圧力は開放しない。

以上のように封止領域５ａに突出部１２を設けることによって、この突出部１２は外装フィルム電池の内圧が上昇したときの応力集中部として機能する。その結果、突出部１２において不織布８を挟み込むことで、突出部１２によるこの機能と、不織布８による前述した作用効果とが相俟って、開放圧力をより確実かつ容易に制御することができる。

封止領域５ａに設ける応力集中部は、引き剥がし応力が集中して作用し得るものであれば、その形状等は図８に示したものに限定されない。例えば、図８において突出部１２の形状は電池要素２に向かって実質的に突出していれば、先細り形状のものや、円弧状の先端部を有するものなど、如何なる形状であっても応力集中部としての機能は有する。また、非融着部１１の中に他の熱融着部と独立して島状に設けたり、さらには非融着部１１を設けず封止領域５ａの内縁から突出して設けたりしてもよい。いずれの場合でも、不織布８はこの応力集中部において対向する外装フィルム間に挟み込まれ、この部分に圧力開放部が設けられる。

不織布８が挟み込まれた領域で効果的に剥離を進行させるためには、電池収容部内で発生したガスによる内圧が最も作用し易い位置に不織布８を挟み込むことである。このためには、図１に示したように、フィルム外装電池１の周囲の辺のうち、正極リード３および負極リード４が引き出されていない長辺の、その辺に沿った方向の略中央部に不織布８を挟み込むことが好ましい。

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で適宜変更されうることは明らかである。

例えば、上述した例では封止領域において対向する外装フィルム間に配置するシート状部材として不織布を用いた例を示したが、本発明におけるシート状部材は、外装フィルムの熱融着層を構成する熱融着性樹脂よりも高い融点の樹脂からなり、溶融した熱融着性樹脂が浸透可能な構造を有するものであれば不織布に限定されない。このようなシート状部材としては、繊維集合体、微多孔フィルム、樹脂シートなどが挙げられ、上述した各例の構造を繊維集合体、微多孔フィルム、樹脂シート等で置き換えても、上述したのと同様の効果が得られる。

繊維集合体は、多数の繊維からなり繊維間に熱融着性樹脂が浸透するように構成したものであり、前述した不織布の他、繊維を経緯に織成した織布も含む。織布においても、目付量を適宜設定することで、開放圧力を任意に設定することができる。微多孔フィルムは、多数の微孔が分散して形成されたフィルムであり、シート状部材として微多孔フィルムを用いた場合、熱融着性樹脂はこれら微孔に浸透する。微多孔フィルムとしては、外装フィルムの熱融層を構成する熱融着性樹脂よりも高い融点を有する材質であれば、セパレータに用いたものと同じものを用いることもでき、また、その製造方法についても、セパレータの説明で述べたとおりである。微多孔フィルムを用いた場合、開放圧力は、微孔の大きさや分布密度を適宜設定することで制御可能である。微孔の大きさや分布密度は、微多孔フィルムを乾式プロセスで製造した場合はフィルムの延伸倍率に依存し、湿式プロセスで製造した場合は溶媒や微粒子の直径、含有量に依存する。樹脂シートも、微多孔フィルムと同様、溶融した熱融着性樹脂が浸透する多数の開口を分散して形成したものであり、開口率によって開放圧力を制御することができる。なお本発明では、厚さが微多孔フィルムよりも厚いという点で、樹脂シートを微多孔フィルムと区別している。溶融した熱融着性樹脂が浸透可能な樹脂シートは、例えば、Ｔダイ法などにより形成したシート原反に、パンチングや熱針などで多数の開口を形成して作製することができる。シート状部材として樹脂シートを用いた場合は、開口の大きさや配置などと自由に設定し開口率を任意に制御できるという利点がある。

繊維集合体の繊維間の隙間の大きさや、微多孔フィルムの孔径や、樹脂シートの開口の孔径はできるだけ小さく、かつ繊維集合体の繊維間の隙間、微多孔フィルムの孔、樹脂シートの開口がこれらシート状部材の全域にわたって一様に配置されていることが好ましい。これらは圧力開放部として機能させることが目的であるので、内圧が上昇したときに、圧力開放のための経路形成予定部において安定して剥離するようにすることが重要であり、外装フィルムとの接着強度が均一になっていることが好ましいためである。

繊維間の隙間の大きさや孔径が大きすぎると、外装フィルムとの接着強度の不均一を招いたり、開放圧力の個々のばらつきが大きくなったりといった不都合を生じる。例えば、封止幅（図７における幅Ｗ２）が１０ｍｍである場合に、直径３ｍｍの開口をランダムに分布させた樹脂シートを用いると、３ｍｍのピッチで接着強度の不均一を招くことになり、また、封止幅方向に開口が２つ並んだり３つ並んだりと、製品ごとに開口の数が異なったりすることが考えられる。以上のことを考慮すると、繊維間の隙間の大きさや孔径は、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下、最も好ましくは０．１ｍｍ以下である。もちろん、繊維間の隙間や孔径は、溶融した熱融着性樹脂が染み込むことのできる大きさであることが必要である。繊維間の隙間や孔の配置に関しては、シート状部材と外装フィルムとの接着強度ができるだけ均一になるような密度で配置されていることが好ましい。

また、上述した例では２枚の外装フィルムで電池要素をその厚み方向両側から挟んで周囲の４辺を熱融着したものを示したが、その他にも、１枚の外装フィルムを２つ折りにして電池要素を挟み、開放している３辺を熱融着することによって電池要素を封止してもよい。

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複数の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、正極と負極とを交互に配置させた捲回型の電池要素であってもよい。

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、電気エネルギーを内部に蓄積し化学反応または物理反応でガスを発生し得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の反対側の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し、隣り合う辺から延出させてもよい。

次に、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）
外装フィルムとして、ナイロン／アルミ箔／ポリプロピレン（それぞれ厚さが２５μｍ、４０μｍ、５０μｍ）の積層構造を有するラミネートフィルムを用い、内部に電池要素を収納してフィルム外装電池を作製した。フィルム外装電池の外形は長方形で、対向する２つの短辺からそれぞれ正極リードおよび負極リードを引き出した。

フィルム外装電池のリードが引き出されていない２つの長辺のうち一方に、以下のようにして、安全弁として機能する部分を形成した。２枚のラミネートフィルムのうち１枚の、長辺の封止予定部のポリプロピレン側に、２０ｍｍ×２０ｍｍの矩形に切り取った１枚の不織布を仮止めした。不織布の仮止め位置は、長辺の中央部とした。不織布としては、目付量が１８ｇ／ｍ²、厚さ３６μｍのポリエステル製不織布を用いた。次いで、もう１枚のラミネートフィルムを、ポリプロピレンの層を内側にして不織布を挟み込むように対向させ、１０ｍｍ幅の細長い熱融着ヒータによって２枚のラミネートフィルムを熱融着し、不織布が挟み込まれた封止領域を形成した。熱融着ヒータとしては、片側のヘッドが、表面が金属製で、もう片側のヘッドが、表面にシリコーンゴムが貼付けられたものを用いた。熱融着温度は１９０℃とした。なお、不織布を挟み込む辺の熱融着において、熱融着温度、圧力、時間は、本実施例も含め、以下に述べる各実施例および比較例で同じ条件とした。

（実施例２）
挟み込む不織布として、実施例１で用いたのと同じ不織布を２枚重ねた他は、実施例１と同様にしてフィルム外装電池を作製した。

（実施例３）
挟み込む不織布として、目付量４３ｇ／ｍ²、厚さ９０μｍのポリエステル製不織布を用いた他は、実施例１と同様にしてフィルム外装電池を作製した。挟み込んだ不織布の枚数は１枚である。

（比較例１）
不織布を挟まなかった他は、実施例１と同様にしてフィルム外装電池を作製した。

（評価）
以上のように作製した実施例１〜３および比較例１のフィルム外装電池について、封止領域の剥離強度を測定した。まず、剥離強度測定用のサンプルを得るため、不織布を挟み込んだ部分（比較例１は不織布を用いていないので、実施例１〜３と同じ部分）を含む外装フィルムを、フィルム外装電池の外側から内側へ向かう方向に、封止されていない部分まで含めて細長く切り出した。そして、得られたサンプルについて、封止されていない部分を引っ張り試験機の２つのチャックに掴ませ、Ｔ型剥離試験によって剥離強度を測定した。測定結果を表１に示す。

表１からわかるように、封止領域に不織布を挟み込むことによって、剥離強度の小さい部分を形成することができた。実施例１と実施例３を比較すると、挟み込む不織布の目付量によって、剥離強度の制御が可能であることがわかる。また、実施例２からわかるように、複数枚の不織布を重ねることにより、剥離強度を大幅に小さくすることが可能である。具体的には、実施例２では、２枚の不織布の合計の目付量は３６ｇ／ｍ²、総厚は７２μｍであり、これらの値は実施例３よりも小さいが、実施例３よりも剥離強度が小さくなっている。

Claims (12)

1. 電気デバイス要素と、
   少なくとも非通気層と熱融着性樹脂からなる熱融着層とを積層した構造を持ち、該熱融着層を内面として前記電気デバイス要素を包囲しその周囲で向き合った前記熱融着層同士が熱融着されることによって前記電気デバイス要素を封止する封止領域が形成された外装フィルムと、
   前記封止領域の一部に配された、前記熱融着性樹脂よりも高い融点の樹脂からなり、かつ溶融した前記熱融着性樹脂が浸透可能な構造を有する少なくとも１枚のシート状部材と、を有し、
   前記シート状部材は、対向する前記外装フィルムに挟まれ、かつ前記電気デバイスを包囲する空間内に露出して配され、前記シート状部材に前記熱融着性樹脂が浸透しているフィルム外装電気デバイス。
2. 前記シート状部材は、前記熱融着性樹脂よりも高い融点の樹脂から作られた繊維集合体である、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
3. 前記繊維集合体は不織布であり、該不織布を構成する繊維間に前記熱融着性樹脂が浸透している、請求項２に記載のフィルム外装電気デバイス。
4. 前記シート状部材は、前記熱融着性樹脂よりも高い融点の樹脂から作られた微多孔フィルムであり、該微多孔フィルムの微孔に前記熱融着性樹脂が浸透している、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
5. 複数枚の前記シート状部材が重なり合って前記外装フィルムに挟み込まれている、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
6. 前記外装フィルムの前記シート状部材が挟み込まれた領域に、この領域での前記外装フィルムの剥離により前記空間の内部を外気と連通させる圧力開放部が設けられている、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
7. 前記圧力開放部は、前記封止領域で対向している前記外装フィルムの少なくとも一方に形成された穴または切り込みである、請求項６に記載のフィルム外装電気デバイス。
8. 前記封止領域は前記電気デバイス要素に向かって突出する突出部を有し、該突出部において前記不織布が挟み込まれている、請求項６に記載のフィルム外装電気デバイス。
9. 前記封止領域の一部に、前記外装フィルム同士が熱融着されていない非融着部が前記電池要素を包囲する空間に連続して入り江状に形成され、この入り江状の部位に前記突出部が設けられている、請求項８に記載のフィルム外装電気デバイス。
10. 前記シート状部材は、前記電池要素側の縁から外側に向かって寸法が小さくなる形状である請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
11. 前記熱融着樹脂はポリプロピレンであり、前記シート状部材を構成する樹脂はポリエチレンである、請求項１に記載のフィルム外装電気デバイス。
12. 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。

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