JP5838323B2 - 電池包装体 - Google Patents
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Description
好ましい一形態において、電極群は、第1集電体シートおよびその一方の表面に付着した第1活物質層を含む第1電極、第2集電体シートおよびその一方の表面に付着した第2活物質層を含む第2電極、ならびに第1活物質層と第2活物質層との間に介在する電解質層を含む。そして、第1集電体シートの他方の表面および第2集電体シートの他方の表面は、それぞれ第1外装体の内面と接している。
ラミネートフィルム8は、無機材料層(バリア層)8aと、バリア層8aの一方の面に接着された第1の樹脂フィルム8bと、バリア層8aの他方の面に接着された第2の樹脂フィルム8cとを含む積層体である。
図2は、薄型電池21の概略断面図である。図3は、電池21の上面図である。図2は、図3のII−II線断面図に相当する。電池21は、電極群13と、電極群13を収納する第1外装体8とを備える。電極群13は、負極11、正極12、および負極11と正極12との間に介在する電解質層7を具備する。負極11は、負極集電体シート1および負極集電体シート1の一方の表面に付着した負極活物質層2を有する。正極12は、正極集電体シート4および正極集電体シート4の一方の表面に付着した正極活物質層5を有する。負極11および正極12は、電解質層7を介して、正極活物質層5と負極活物質層2とが向かい合うように配置されている。負極集電体シート1には負極リード3が接続され、正極集電体シート4には正極リード6が接続されている。負極リード3および正極リード6の一部は、第1外装体8から外部へ露出しており、その露出部は負極外部端子および正極外部端子として機能する。
負極と正極とを、負極活物質層と正極活物質層とが向かい合うように配置し、電解質層を介して、重ね合わせ、電極群を構成する。このとき、負極には、負極リードを取り付け、正極に正極リードを取り付ける。一方、筒状に形成された第1外装体の一方の開口から電極群を挿入した後、その開口を熱溶着により閉じる。この時、筒状の第1外装体の一方の開口から正極リードおよび負極リードの一部が外部へ露出するように電極群を配置する。この露出部が正極外部端子および負極外部端子となる。次に、筒状の第1外装体の他方の開口から非水電解液を注入した後、その開口を熱溶着により閉じる。このようにして、電極群を第1外装体内に密閉する。
図4は、電池包装体31の縦断面図である。図5は、電池包装体31の上面図である。図5は、図4のIV−IV線断面図に相当する。電池21は、第2外装体9により密閉収納されている。第2外装体9は、例えば、対向する2枚の同形状のラミネートフィルムで形成されている。ラミネートフィルムは、図1に示すような、バリア層8aと、その両面にそれぞれ形成された第1の樹脂フィルム8bおよび第2の樹脂フィルム8cを具備する。
まず、2枚の同形状のラミネートフィルムを重ね、対向する周縁部9aのうち、3辺の周縁部を熱溶着などにより接着する。これにより、ラミネートフィルムからなる袋状の第2外装体が得られる。次に、残りの1辺の周縁部に相当する第2外装体の開口から、薄型電池21を挿入する。その後、第2外装体の開口を熱溶着などにより接着し、密閉する。開口を密閉する前に、第2外装体の内部を減圧したり、窒素などの不活性ガスを封入したりしてもよい。第2外装体の内部に不活性ガスを封入することにより、万一、第2外装体にピンホールなどが発生して第2外装体内に外気が侵入した場合でも、不活性ガスの大部分が外気で置換されるまでには、かなりの時間を要する。よって、電池21への外気の影響を最小限に抑えることができる。
図6の電池21Aは、電極群13Aと、電極群13Aを収納する第1外装体8Aとを備える。電極群13Aは、1枚の負極11Aと、これを挟むように配置された一対の正極12Aと、負極11Aと正極12Aとの間に介在する電解質層7Aとを具備する。このような構造は、対称性がよく、いずれの方向に屈曲させても、電池21Aに付与される応力の程度に大きな差が生じない。よって、例えば、電池21Aを電子機器に組み込む際に、電池の方向を意識する必要がなくなる点で便利である。
近年、医療分野においては、医師等が患者等の生体情報を監視することを目的として、生体貼付型装置が開発されている。このような生体貼付型装置として、例えば、生体の肌に接触させて、血圧、体温、脈拍等の生体情報を常時測定して無線送信するような生体情報測定装置が挙げられる。また、同じく生体貼付型装置として、所定の電位を与えると、生体外皮を通して体内へ薬剤を供給するイオントフォレシス経皮投薬装置の開発も進められている。
生体情報測定装置40は、その構成素子を保持するシート状の保持部材41を具備する。保持部材41は、柔軟性を有する材料で構成され、その内部から表面までの領域に、温度センサ43、感圧素子45、記憶部46、情報送信部47、ボタンスイッチSW1および制御部48が埋め込まれている。薄型電池21は、保持部材41の内部に設けられた平坦な空間に収容されている。つまり、電池21と生体情報測定装置40は、一体となってシート化されており、電池−電子機器接合体42を構成している。なお、電池21は、図2〜3に示したような構造でもよく、図6に示したような構造でもよく、それ以外の構造でもよい。
イオントフォレシス経皮投薬装置40Aは、その構成素子を保持するシート状の保持部材111を具備する。保持部材111は、柔軟性を有する材料で構成される。保持部材111の内部には、薄型電池からの電力を制御する半導体素子112と、一対の平坦な電極113、114と、これら一対の電極113、114とそれぞれ対面する一対のリザーバ113a、114aとが埋設されている。リザーバ113a、114aは、いずれも通電可能なゲル状の材料で構成されている。リザーバ113a、114aのいずれか一方には、イオン性薬剤が封入されている。半導体素子112は、例えば定電流ダイオードのような整流作用を有する素子であり、各電極と直列に接続されている。リザーバ113a、114aは、人体等の生体の皮膚に直接貼付される。
図12は、2つの薄型電池21を、1つの第2外装体9A内に密閉収納した電池包装体31Aを上面図で示している。図13は、2つの電池−電子機器接合体42Aを、1つの第2外装体9B内に密閉収納した電池包装体31Bを上面図で示している。電池−電子機器接合体42Aは、例えば、薄型電池21と一体化されたイオントフォレシス経皮投薬装置40Aである。いずれの電池包装体においても、第2外装体は、2枚のラミネートフィルムを重ね、対向する周縁部9Aaおよび9Baのうち、4辺の周縁部を熱溶着などにより接着することにより形成されている。
本変形例では、薄型電池または電池−電子機器接合体が、その使用後に、電池を強制放電させる手段を具備する。電池または電池−電子機器接合体を使用後に廃棄する際、電池に電力が残存している場合には、廃棄前または廃棄後の短い期間内に、電池を強制放電させておくことが望ましい。そこで、電池または電池−電子機器接合体には、その使用後に、開状態から閉状態にすることで電池に外部短絡回路が形成されるような、強制放電作動スイッチを設けておくことが望ましい。
図16(a)の電池−電子機器接合体42Bは、矩形の形状を有し、長手方向に沿う一方の辺の両端付近に、電池21の第1電極と第1経路を介して接続された第1SW端子104xと、電池21の第2電極と第2経路を介して接続された第2SW端子104yとを具備する。電池−電子機器接合体42Bは、例えば、薄型電池21と一体化されたイオントフォレシス経皮投薬装置40Aである。第1SW端子104xと第2SW端子104yは、所定の折り曲げ位置(破線X)で電池−電子機器接合体42Bを折り曲げた場合に、互いに対向するように配置されている。電池−電子機器接合体42Bは、薄いシート状であるため、その使用を終えた者が容易に折り曲げ可能である。つまり、図16(b)、(c)に示すように、電池−電子機器接合体42Bを折り曲げる動作により、第1SW端子104xと第2SW端子104yとが接触し、電池21を含む外部短絡回路が形成される。
《実施例1》
以下の手順で、図2、3に示す薄型電池を作製した。
(1)負極の作製
負極集電体シート1として、厚さ12μmの電解銅箔を準備した。その電解銅箔の一方の面に、負極活物質層2であるリチウム金属箔(厚み20μm)を100N/cmの線圧で圧着し、負極11を得た。これを5mm×5mmのタブ部を有する50mm×50mmのサイズに切り抜いた後、タブ部に銅製の負極リード3を超音波溶接した。
正極活物質である350℃で加熱した電解二酸化マンガンと、導電剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を含むN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の溶液とを、二酸化マンガン:アセチレンブラック:PVDFの重量比が100:5:5となるように混合した後、NMPを適量加え、正極合剤ペーストを得た。
負極活物質層2と正極活物質層5とが互いに向かい合うように負極11および正極12を配置した後、負極11と正極12との間に、微多孔性ポリエチレンフィルム(52mm×52mm、厚さ9μm、)からなるセパレータを配置し、電極群13を得た。
アルミニウム製のバリア層を有する筒状のラミネートフィルムからなる第1外装体8に電極群13を収納した。ラミネートフィルムには、PP層(厚さ35μm)/アルミニウム蒸着膜(厚さ0.05μm)/ナイロン(PA)層(厚さ15μm)の3層構造で、総厚約50μmのものを用いた。PP層を内側に、PA層を外側に配置した。
アルミニウム製のバリア層を有する2枚のラミネートフィルムからなる第2外装体9により、薄型電池21を密閉収納した。まず、65mm×65mmのサイズの2枚のラミネートフィルムを準備した。ラミネートフィルムには、PP層(厚さ45μm)/アルミニウム箔(厚さ40μm)/ナイロン(PA)層(厚さ25μm)の3層構造で、総厚約120μmのものを用いた。2枚のラミネートフィルムをPP層が内側になるように重ね、対向する周縁部のうち3辺の周縁部を熱溶着により接着し、ラミネートフィルムからなる袋状の第2外装体9を形成した。次に、残りの1辺の周縁部に相当する第2外装体の開口から、電池21を挿入した。その後、第2外装体の開口を、窒素雰囲気中で熱溶着により接着し、電池包装体Aを得た。
各外装体を構成するラミネートフィルムを平行部幅5mm、標線間距離20mmの引張試験3号ダンベルに切出し、JIS K7161に準拠して5mm/分の引張速度にて万能試験機を用いて引張試験を行い、引張弾性率を求めた。
JIS K7129 B法に準拠して、各外装体を構成するラミネートフィルムの水蒸気透過率を、温度40℃、相対湿度90%の環境下で測定した。
なお、放電容量の測定は下記条件で実施した。
環境温度:25℃
放電電流密度:250μA/cm2(正極の単位面積あたりの電流値)
放電終止電圧:1.8V
そして、下記式より、保存後の電池の容量維持率(%)を求めた。
容量維持率(%)=(保存後の電池の放電容量/保存前の電池の放電容量)×100
また、第2外装体を開封後は、水蒸気透過率の高い(引張弾性率の低い)第1外装体を具備する電池であっても、電子機器の駆動用電源として必要とされる短期間であれば、性能が維持されることがわかる。
以下の手順で、図17に示すような薄型電池を作製した。
(1)負極の作製
負極11のサイズを60×40mmの長方形とし、タブ部および負極リード3の位置を一方の短辺の中央に変更し、負極リード3の幅を6mmとしたこと以外、実施例1と同様の負極を作製した。
正極12のサイズを60×40mmの長方形とし、タブ部および正極リード6の位置を一方の短辺の中央に変更し、正極リード6の幅を6mmとしたこと以外、実施例1と同様の正極を作製した。
実施例1と同様に、負極活物質層2と正極活物質層5とが互いに向かい合うように負極11および正極12を配置した。ただし、正極リードと負極リードは、互いに逆方向に突出させた。その後、負極11と正極12との間に、微多孔性ポリエチレンフィルム(62mm×42mm、厚さ9μm)からなるセパレータを配置し、電極群13を得た。
実施例1で用いたのと同じラミネートフィルムからなる第1外装体8に、電極群13を収納した。ただし、第1外装体8のサイズは電極群13のサイズに応じて変更した。また、2枚のラミネートフィルムをPP層が内側になるように重ね、対向する周縁部のうち、一対の長辺に対応する周縁部を熱溶着により接着し、筒状のラミネートフィルムからなる第1外装体を形成した。
図9、10に示すようなサイズ80mm×70mmのイオントフォレシス経皮投薬装置を準備した。投薬装置の一方の面の中央には、定電流ダイオードを有する半導体素子112を配置し、他方の面には、一対の電極113、114およびこれに積層された一対のリザーバ113a、114aを並列に配置した。半導体素子112の両側には、電極113、114と導通する一対の接続用端子を配置した。その一対の接続用端子を、それぞれ電池101の負極外部端子23および正極外部端子24と接触させるとともに、図11に示すように、電池101と投薬装置を積層した。電池に塗布された粘着剤により、電池と投薬装置は互いに固定された。
実施例1で用いたのと同じラミネートフィルムからなる第2外装体9により、実施例1と同様の要領で、電池−電子機器接合体を密閉収納した。1000時間後に第2外装体を開封し、電池−電子機器接合体の電池電圧を測定し、投薬装置を作動させ、電池容量の10%を消費させた。そして、投薬装置のリザーバが露出する面に設けられた負極SW端子と正極SW端子とが接触するように、電池−電子機器接合体を二つ折にして固定した。24時間後に電池電圧を測定したところ、0.05Vであり、電池が完全放電状態であることが確認できた。
Claims (13)
- シート状の電極群と、非水電解質と、前記電極群と前記非水電解質とを密閉収納する第1外装体と、を含む薄型電池と、前記薄型電池を密閉収納する第2外装体と、を含み、
前記電極群は、第1集電体シートおよびその表面に付着した第1活物質層を含む第1電極と、第2集電体シートおよびその表面に付着した第2活物質層を含む第2電極と、前記第1活物質層と前記第2活物質層との間に介在する、前記非水電解質を含む電解質層と、具備し、
前記薄型電池の厚さが、1mm以下であり、
前記第1外装体の引張弾性率は、10〜100MPaであり、
前記第2外装体の水蒸気透過率は、温度40℃、相対湿度90%の環境において、0.001g/m2・day以下である、電池包装体。 - 前記第1外装体の水蒸気透過率は、温度40℃、相対湿度90%の環境において、1g/m2・day以下である、請求項1記載の電池包装体。
- 前記第1外装体は、水蒸気バリア層および前記バリア層の両面に形成された樹脂層を含み、前記バリア層の厚さが、35μm未満である、請求項1または2記載の電池包装体。
- 前記バリア層の厚さが、1μm以下である、請求項3記載の電池包装体。
- 前記第2外装体は、水蒸気バリア層および前記バリア層の両面に形成された樹脂層を含み、前記バリア層の厚さが、35μm以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池包装体。
- 前記バリア層が、金属層またはセラミックス層である、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電池包装体。
- さらに、前記薄型電池からの電力供給により駆動される電子機器を具備し、
前記第2外装体は、前記薄型電池とともに前記電子機器を密閉収納する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池包装体。 - 前記薄型電池と前記電子機器とが、一体となってシート化されている、請求項7記載の電池包装体。
- 前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡した状態と、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡していない状態と、を切り替える強制放電作動スイッチを含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電池包装体。
- 前記第1活物質層または前記第2活物質層が、金属リチウムまたはリチウム合金を含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電池包装体。
- 前記電子機器が、生体情報測定装置またはイオントフォレシス経皮投薬装置である、請求項7〜10のいずれか1項に記載の電池包装体。
- 前記第1活物質層が、前記第1集電体シートの一方の表面のみに付着しており、
前記第2活物質層が、前記第2集電体シートの一方の表面のみに付着しており、
前記第1集電体シートの他方の表面および前記第2集電体シートの他方の表面は、前記第1外装体の内面と接している、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電池包装体。 - 一対の前記第1電極を具備し、
前記第1活物質層は、前記第1集電体シートの一方の表面のみに付着しており、
前記第2活物質層は、前記第2集電体シートの両方の表面に付着しており、
前記第2電極は、前記一対の第1電極の第1活物質層間に挟持されており、
前記一対の第1電極の第1集電体シートの他方の表面は、それぞれ前記第1外装体の内面と接している、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電池包装体。
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