JP6303780B2 - 電池および電子機器 - Google Patents

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Description

本技術は、電池素子とこの電池素子を外装する外装材とを備える電池、およびそれを備える電子機器に関する。
近年、携帯型電子機器などの電源としては、以下の構成を有する電池が提案されている(例えば特許文献1参照)。すなわち、外装材が略同一のサイズの第1および第2のラミネート材からなり、第1のラミネート材に形成された凹部に電池素子が収容され、凹部の開口を第2のラミネート材が覆うように、第1および第2のラミネート材が重ねられ、開口の周囲がシールされる。第1のラミネート材の凹部の底面の外側において、第1および第2のラミネート材のそれぞれの両端部が接合され、両側面が外側に向かって膨らむ楕円状に成形される。
特開2005−166650号公報
上述の構成を有する電池では、電池に大荷重が加わると、電池が半分に折れてしまうことがある。この場合、外装材の折れた部分が電池素子に刺さり、電池素子がショートしてしまう虞がある。このように電池素子がショートすると、電池素子が熱暴走してしまうこともある。
したがって、本技術の目的は、安全性を向上できる電池、およびそれを備える電子機器を提供することにある。
上述の課題を解決するために、第1の技術は、
扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
電池素子を収容すると共に、開口を有する外装材と、
開口に設けられたカバー体と
を備え、
外装材は、金属層を含み、
カバー体は、外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
凹部は、面の中央に設けられており、
合わせ目は、電池素子の主面上に設けられ、かつ凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池である。
第2の技術は、
扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
電池素子を収容すると共に、第1の開口および第2の開口を有する外装材と、
第1の開口に設けられた第1のカバー体と、
第2の開口に設けられた第2のカバー体と、
を備え、
外装材は、金属層を含み、
第1のカバー体および第2のカバー体の少なくとも一方は、外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
凹部は、面の中央に設けられており、
合わせ目は、電池素子の主面上に設けられ、かつ凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池である。
第3の技術は、
扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
電池素子を収容すると共に、開口を有する外装材と、
開口に設けられたカバー体と
を備え、
外装材は、金属層を含み、
カバー体は、外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
凹部は、面の中央に設けられており、
合わせ目は、電池素子の主面上に設けられ、かつ凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池を備え、
電池から電力の供給を受ける電子機器である。
第4の技術は、
扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
電池素子を収容すると共に、第1の開口および第2の開口を有する外装材と、
第1の開口に設けられた第1のカバー体と、
第2の開口に設けられた第2のカバー体と、
を備え、
外装材は、金属層を含み、
第1のカバー体および第2のカバー体の少なくとも一方は、外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
凹部は、面の中央に設けられており、
合わせ目は、電池素子の主面上に設けられ、かつ凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池を備え、
電池から電力の供給を受ける電子機器である。
以上説明したように、本技術によれば、電池の安全性を向上できる。
図1は、本技術の第1の実施形態に係る電池の外観の一例を示す斜視図である。 図2は、本技術の第1の実施形態に係る電池の構成の一例を示す分解斜視図である。 図3Aは、電池素子の外観の一例を示す斜視図である。図3Bは、電池素子の構成の一例を示す概略断面図である。 図4Aは、外装材の構成の一例を示す展開図である。図4Bは、図4Aに示した外装材の側面図である。図4Cは、図4Aに示した外装材の背面図である。 図5は、電池素子を収容した外装材の形状の一例を示す斜視図である。 図6Aは、軟質ラミネート材の構成の一例を示す概略断面図である。図6Bは、硬質ラミネート材の構成の一例を示す概略断面図である。図6Cは、外装材の合わせ目の構成の一例を示す概略断面図である。 図7Aは、トップカバー本体の形状の一例を示す斜視図である。図7Bは、図7AのA−A線に沿った断面の一例を示す断面図である。 図8Aは、図1のA−A線に沿った断面の一例を示す断面図である。図8Bは、図1のA−A線に沿った断面の他の例を示す断面図である。 図9Aは、ボトムカバーの形状の一例を示す斜視図である。図9Bは、図9AのA−A線に沿った断面の一例を示す断面図である。 図10A〜図10Fは、本技術の第1の実施形態の変形例に係る電池の外観の例を示す斜視図である。 図11は、本技術の第2の実施形態に係る電子機器の構成の一例を示すブロック図である。
外装材の合わせ目は、外装材の辺同士を接し合わせる、または外装材の辺同士を僅かな間隔離して配置することにより構成されていることが好ましい。外装材が第1の外装材および第2の外装材を備え、電池が第1の外装材の合わせ目と第2の外装材の合わせ目とを有する場合、第1の外装材および第2の外装材のうちで、より硬質なものの合わせ目が、凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置に設けられていることが好ましい。
外装材は、例えば電池素子の一端または両端に開口を有していることが好ましい。外装材が両端に開口を有する場合には、それらの開口にそれぞれカバー体が設けられていることが好ましい。外装材の両端にカバーが設けられている場合、それらのカバー体のうちの少なくとも一方が、外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有することが好ましく、それらのカバー体の両方がその面に凹部を有することがより好ましい。
本技術の実施形態について図面を参照しながら以下の順序で説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
1 第1の実施形態(電池の例)
1.1 電池の構成
1.2 電池の製造方法
1.3 効果
1.4 変形例
2 第2の実施形態(電子機器の例)
2.1 電子機器の構成
2.2 効果
<1 第1の実施形態>
[1.1 電池の構成]
図1、図2に示すように、本技術の第1の実施形態に係る電池は、電池素子1と、電池素子1を外装すると共に、両端に開口を有する外装材2と、外装材2の両端の開口に対してそれぞれ嵌合されたトップカバー(第1のカバー体)3およびボトムカバー(第2のカバー体)4とを備える。図2に示すように、電池が、表面部材であるラベル6をさらに備え、このラベル6により外装材2の表面が覆われるようにしてもよい。
電池は、2つの主面を有する扁平形状を有し、一方の主面には外装材2の合わせ目L1が設けられている。トップカバー3には、正極端子3h、負極端子3i、識別端子3jが備えられている。正極リード5aおよび負極リード5bが、外装材2の一方の開口の側に設けられている。本明細書では、電池または電池素子1の両端のうち、正極リード5aおよび負極リード5bが設けられた側をトップ側といい、それとは反対側をボトム側という。
以下、電池素子1、外装材2、トップカバー3、ボトムカバー4、およびラベル6について説明する。
(電池素子)
図3Aに示すように、電池素子1は、例えば扁平形状を有する巻回型の電池素子である。正極リード5aおよび負極リード5bは、例えば電池素子1の一端から同一方向に導出されている。電池素子1は、いわゆるリチウムイオン二次電池である。正極リード5aおよび負極リード5bは、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
図3Bに示すように、電池素子1は、正極11と、負極12と、セパレータ13と、電解質層14とを備え、正極11、負極12およびセパレータ13は、例えば、細長い矩形状を有している。電池素子1は、例えば、正極11と負極12とをセパレータ13および電解質層14を介して、それらの長手方向に巻回した巻回構造を有している。正極11とセパレータ13との間、および負極12とセパレータ13との間にはそれぞれ、電解質層14が設けられている。
(正極)
正極11は、例えば、正極集電体11Aと、正極集電体11Aの両面に設けられた正極活物質層11Bとを備える。なお、図示はしないが、正極集電体11Aの片面のみに正極活物質層11Bを設けるようにしてもよい。正極リード5aは、正極集電体11Aに溶接などにより取り付けられている。
正極集電体11Aは、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層11Bは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料の1種または2種以上を含んでおり、必要に応じてグラファイトなどの導電剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んで構成されている。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム酸化物、リチウムリン酸化物、リチウム硫化物あるいはリチウムを含む層間化合物などのリチウム含有化合物が適当であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。エネルギー密度を高くするには、リチウムと遷移金属元素と酸素(O)とを含むリチウム含有化合物が好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、式(A)に示した層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物、式(B)に示したオリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩などが挙げられる。リチウム含有化合物としては、遷移金属元素として、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)および鉄(Fe)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものであればより好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、式(C)、式(D)もしくは式(E)に示した層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物、式(F)に示したスピネル型の構造を有するリチウム複合酸化物、または式(G)に示したオリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩などが挙げられ、具体的には、LiNi0.50Co0.20Mn0.302、LiaCoO2(a≒1)、LibNiO2(b≒1)、Lic1Nic2Co1-c22(c1≒1,0<c2<1)、LidMn24(d≒1)あるいはLieFePO4(e≒1)などがある。
LipNi(1-q-r)MnqM1r(2-y)z ・・・(A)
(但し、式(A)中、M1は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)を除く2族〜15族から選ばれる元素のうち少なくとも一種を示す。Xは、酸素(O)以外の16族元素および17族元素のうち少なくとも1種を示す。p、q、r、y、zは、0≦p≦1.5、0≦q≦1.0、0≦r≦1.0、−0.10≦y≦0.20、0≦z≦0.2の範囲内の値である。)
LiaM2bPO4 ・・・(B)
(但し、式(B)中、M2は、2族〜15族から選ばれる元素のうち少なくとも一種を示す。a、bは、0≦a≦2.0、0.5≦b≦2.0の範囲内の値である。)
LifMn(1-g-h)NigM3h(2-j)k ・・・(C)
(但し、式(C)中、M3は、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。f、g、h、jおよびkは、0.8≦f≦1.2、0<g<0.5、0≦h≦0.5、g+h<1、−0.1≦j≦0.2、0≦k≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、fの値は完全放電状態における値を表している。)
LimNi(1-n)M4n(2-p)q ・・・(D)
(但し、式(D)中、M4は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。m、n、pおよびqは、0.8≦m≦1.2、0.005≦n≦0.5、−0.1≦p≦0.2、0≦q≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、mの値は完全放電状態における値を表している。)
LirCo(1-s)M5s(2-t)u ・・・(E)
(但し、式(E)中、M5は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。r、s、tおよびuは、0.8≦r≦1.2、0≦s<0.5、−0.1≦t≦0.2、0≦u≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、rの値は完全放電状態における値を表している。)
LivMn2-wM6wxy ・・・(F)
(但し、式(F)中、M6は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。v、w、xおよびyは、0.9≦v≦1.1、0≦w≦0.6、3.7≦x≦4.1、0≦y≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、vの値は完全放電状態における値を表している。)
LizM7PO4 ・・・(G)
(但し、式(G)中、M7は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。zは、0.9≦z≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、zの値は完全放電状態における値を表している。)
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、これらの他にも、MnO2、V25、V613、NiS、MoSなどのリチウムを含まない無機化合物も挙げられる。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料は、上記以外のものであってもよい。また、上記で例示した正極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。
(負極)
負極12は、例えば、負極集電体12Aと、負極集電体12Aの両面に設けられた負極活物質層12Bとを備える。なお、図示はしないが、負極集電体12Aの片面のみに負極活物質層12Bを設けるようにしてもよい。負極リード5bは、負極集電体12Aに溶接などにより取り付けられている。
負極集電体12Aは、例えば、銅箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。負極活物質層12Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されており、必要に応じて正極活物質層11Bと同様の結着剤を含んで構成されている。
なお、この電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の電気化学当量が、正極11の電気化学当量よりも大きくなっており、充電の途中において負極12にリチウム金属が析出しないようになっている。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維あるいは活性炭などの炭素材料が挙げられる。黒鉛としては、球形化処理などを施した天然黒鉛、略球状の人造黒鉛を用いることが好ましい。人造黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)を黒鉛化した人造黒鉛、またはコークス原料を黒鉛化、粉砕した人造黒鉛が好ましい。コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。また、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどがある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れた特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。ここでは、このような負極材料を含む負極12を合金系負極と称する。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本技術において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素(Si)およびスズ(Sn)の少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素(Si)およびスズ(Sn)は、リチウム(Li)を吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。
スズ(Sn)の合金としては、例えば、スズ(Sn)以外の第2の構成元素として、ケイ素(Si)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素(Si)の合金としては、例えば、ケイ素(Si)以外の第2の構成元素として、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ゲルマニウム(Ge)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。
スズ(Sn)の化合物あるいはケイ素(Si)の化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズ(Sn)またはケイ素(Si)に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、MnO2、V25、V613などの酸化物、NiS、MoSなどの硫化物、あるいはLiN3などのリチウム窒化物が挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
(セパレータ)
セパレータ13は、正極11と負極12とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ13は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は短絡防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特にポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、セパレータ13を構成する材料として好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも、化学的安定性を備えた樹脂であればポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたり、またはブレンド化することで用いることができる。
(電解質層)
電解質層14は、非水電解液と、この非水電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、高分子化合物は非水電解液により膨潤されている。高分子化合物の含有比率は適宜調整可能である。このような構成を有する電解質層14としては、ゲル状の電解質層が好ましい。高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるからである。
非水電解液は、例えば、溶媒と電解質塩とを含んでいる。溶媒としては、例えば、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、エチレンスルフィト、およびビストリフルオロメチルスルホニルイミドトリメチルヘキシルアンモニウムなどの常温溶融塩が挙げられる。中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ビニレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルおよびエチレンスルフィトからなる群のうちの少なくとも1種を混合して用いるようにすれば、優れた充放電容量特性および充放電サイクル特性を得ることができるので好ましい。電解質層14が、電池特性を向上するために、公知の添加剤を含んでいてもよい。
電解質塩は、1種または2種以上の材料を混合して含んでいてもよい。電解質塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(Li(C25SO2)2N)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiSO3CF3)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(Li(CF3SO22N)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチルリチウム(LiC(SO2CF33)、塩化リチウム(LiCl)および臭化リチウム(LiBr)が挙げられる。
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンまたはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の点からはポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。
(外装材)
外装材は、ラミネートフィルムなどのラミネート材により構成されている。具体的には、図4A〜図4Cに示すように、外装材2は、電池素子1を収容するための収容部25が設けられた軟質ラミネート材(第1の外装材)2aと、この軟質ラミネート材2a上に収容部25を覆うようにして重ねられた硬質ラミネート材(第2の外装材)2bとを備える。収容部25は、軟質ラミネート材2aの一方の面に対して凹状を有している。収容部25の周囲において軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bは、熱溶着などにより貼合されている。収容部25の底面の裏側の突出面2Sには、熱溶着シート25aが設けられている。
軟質ラミネート材2aは、深絞り加工により電池素子1を挿入する収容部25を形成するのに適し、かつ、硬質ラミネート材2bに比して軟質なものであることが好ましい。図6Aに示すように、軟質ラミネート材2aは、貼合層26a、金属層27a、表面保護層28aを順次積層した積層構造を有する。外装材1が閉じられた状態において、貼合層26aが外側(硬質ラミネート材2bと接する側)となる。
貼合層26aは、熱や超音波などで溶融し、硬質ラミネート材2bなどに溶着する機能を有する。貼合層26aの材料としては、電池素子1に含まれるポリマー電解質などの変質を招くことがない材料が好ましい。このような材料としては、例えば、無軸延伸ポリプロピレン(CPP)などのポリプロピレンを用いることができる。貼合層26aの厚さは、例えば30μm程度に選ばれる。
金属層27aは、電池内部への水分の侵入を防ぐ機能を有する。金属層27aの材料としては、例えば、焼きなまし処理済のアルミニウム(JIS A8021P−O)または(JIS A8079P−O)などを用いることができる。また、金属層27aの厚さは、例えば30μm〜130μm程度の範囲に選ばれる。
表面保護層28aは、軟質ラミネート材2aの表面を保護する機能を有する。表面保護層28aの材料としては、例えば、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などを用いることができる。表面保護層28aの厚さは、例えば10〜30μm程度の範囲に選ばれる。
硬質ラミネート材2bは、曲げた後の形状を維持し、外部からの変形に耐えることができるものであることが好ましい。硬質ラミネート材2bは、軟質ラミネート材2aに比して硬質なものである。図6Bに示すように、硬質ラミネート材2bは、貼合層26b、金属層27b、表面保護層28bを順次積層した積層構造を有する。外装材2が閉じられた状態において、貼合層26bが内側(軟質ラミネート材2aと接する側)となる。
硬質ラミネート材2bの貼合層26bおよび表面保護層28bはそれぞれ、軟質ラミネート材2aの貼合層26aおよび表面保護層28aと同様のものである。金属層27bは、金属層27aよりも硬質なものである。金属層27bは、例えば、焼きなまし処理なしのアルミニウム(JIS A3003P−H18)または(JIS A3004P−H18)などを用いることができる。また、金属層27bの厚さは、例えば30μm〜130μm程度の範囲に選ばれる。なお、軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの各層の厚みは、総厚を考慮して選定されることが好ましい。
図4Aに示すように、軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bはほぼ矩形状を有し、それらの長手方向にずらして重ねられている。すなわち、重ね合わされた軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの長手方向の一端には、軟質ラミネート材2aのみが存在する貼合領域2Raが設けられ、その他端には、硬質ラミネート材2bのみが存在する貼合領域2Rbが設けられている。これらの貼合領域2Ra、2Rb同士は、硬質ラミネート材2bが筒状に湾曲されて閉じられた状態において、軟質ラミネート材2aにより覆われた電池素子1の主面上、すなわち収容部25の底面の裏側の突出面2S上で合されて、熱溶着などにより貼合されている。
熱溶着シート25aは、収容部25の底面の裏側の突出面2S上において対向する軟質ラミネート材2aの表面保護層28a同士を貼合するための補助的部材である。熱溶着シート25aの厚さは、外装材2の総厚を考慮すると、10〜60μm程度であることが好ましい。熱溶着シート25aの材料としては、電池素子1に対して熱の影響を与えないような温度範囲に融点を有する材料が好ましく、例えば、100度前後の融点を有する材料が用いられる。
軟質ラミネート材2aの短手方向の幅は、硬質ラミネート材2bの短手方向の幅に比して狭くなっている。重ね合わされた軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの短手方向の一端には、硬質ラミネート材2bのみが存在する貼合領域2Rcが設けられ、この一端の側がトップ側となる。この貼合領域2Rcにおける硬質ラミネート材2bの貼合層26bは、外装材2を閉じた状態において、トップカバー3の周面と熱溶着などにより貼合されている。一方、その他端には、このような貼合領域は設けられず、軟質ラミネート材2a、硬質ラミネート材2bの端部同士一致しており、この他端がボトム側となる。なお、他端にも、硬質ラミネート材2bのみが存在する貼合領域が設けられ、この貼合領域における硬質ラミネート材2bの貼合層26bが、外装材2を閉じた状態において、ボトムカバー4の周面と熱溶着などにより貼合されるようにしてもよい。
軟質ラミネート材2aは、例えば可撓性を有する軟質ラミネートフィルムである。軟質ラミネート材2aは、ほぼ矩形状を有している。具体的には、軟質ラミネート材2aは、互いに等しい長さの一組の辺である長辺21a、22aと、互いに等しい長さの一組の辺である短辺23a、24aとを有する。
硬質ラミネート材2bは、例えば可撓性を有する硬質ラミネートフィルムである。硬質ラミネート材2bは、ほぼ矩形状を有している。具体的には、硬質ラミネート材2bは、互いに等しい長さの一組の辺である長辺21b、22bと、互いに等しい長さの一組の辺である短辺23b、24bとを有する。
軟質ラミネート材2aの短辺23aが硬質ラミネート材2bの短辺23bよりも外側に配置され、かつ軟質ラミネート材2aの短辺24aが硬質ラミネート材2bの短辺24bよりも内側に配置されている。これにより、上述した貼合領域2Ra、2Rbがそれぞれ、重ね合わされた軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの長手方向の両端に設けられる。
硬質ラミネート材2bの長辺21b、22bの長さは、外装材2が閉じられた状態において、その短辺23b、24b同士が接し合うか、僅かな間隔離れて対向するように設定されている。軟質ラミネート材2aの長辺21a、22aの長さは、硬質ラミネート材2bの長辺21b、22bの長さより短く選ばれ、例えば外装材2が閉じられた状態において、その短辺23a、24a同士が接し合うか、または間隔離れて対向するように設定されている。ここで、この軟質ラミネート材2aの隙間は、僅かな幅のものに限られず、ある程度の幅のものとしてもよい。
軟質ラミネート材2aの短辺23a、24aの長さは、硬質ラミネート材2bの短辺23b、24bの長さよりやや短いものとされている。これにより、トップ側に硬質ラミネート材2bのみが存在するように、軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bが重ね合わされ、トップ側に貼合領域2Rcが設けられている。
図5に示すように、外装材2が閉じられた状態において、軟質ラミネート材2aにより覆われた電池素子1の主面上に、合わせ目L1および合わせ目L2が構成されている。具体的には、収容部25の底面の裏側の突出面2S上において、硬質ラミネート材2bの短辺23b、24bが接するか、もしくは僅かな間隔離して対向することで、収容部25上に硬質ラミネート材2bの合わせ目L1が構成されている。また、軟質ラミネート材2aの短辺23a、24a同士も接するか、もしくは僅かな間隔離して対向することで、収容部25上に軟質ラミネート材2aの合わせ目L2が構成されている。軟質ラミネート材2aの合わせ目L1は、電池の主面(すなわち電池素子2の主面)の中央、またはほぼ中央に設けられていることが好ましい。
図6Cに示すように、収容部25の底面の裏側の突出面2S上において、貼合領域2Ra、2Rb同士が重ね合わされ、対向配置された軟質ラミネート材2aの貼合層26aと硬質ラミネート材2bの貼合層26bとが、熱溶着などにより貼合されている。また、収容部25の底面の裏側の突出面2S上において、突出面2Sを構成する軟質ラミネート材2aの表面保護層28aと、折り返された軟質ラミネート材2aの両端の表面保護層28aとが、熱溶着シート25aを介して、熱溶着などにより貼合されている。
外装材の合わせ目L1に含まれる一組の辺23b、24bの一端または両端が、角のない形状を有していることが好ましい。また、外装材の合わせ目L2に含まれる一組の辺23a、24aの一端または両端が、角のない形状を有していることが好ましい。角のない形状は、例えばR形状またはほぼR形状などの湾曲状、C形状などの角取りされた形状が挙げられるが、これに限定されるものではない。ここで、R形状には、円弧状のみならず、楕円弧状なども含むものとする。C形状とは、直角の角部を直線状に切り落とした形状をいう。
(ラベル)
ラベル6は、例えば、外装材2の表面に文字や図柄など、より具体的には、取り扱いや安全規格の情報などを表示するための記銘板である。ラベル6は、フィルム状を有する基材と、この基材の一方の主面に順次積層された接着剤層、インク層、およびUVコーティング層と、他方の主面に積層された粘着剤層とを備える。基材としては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)を主成分とするPET基材を用いることができるが、特にこれに限定されるものではなく、所望とするラベル6の特性に応じて適宜選択することができる。ラベル6は、その粘着剤層を介して外装材2に貼り合わされている。ラベル6が、合わせ目L1が設けられた電池の一主面のみを覆うようにしてもよいし、電池の周面全体を覆うようにしてもよい。
(トップカバー)
トップカバー3は、外装材2のトップ側開口に嵌合されて、このトップ側開口を塞ぐものである。図2に示すように、トップカバー3は、トップカバー本体31と、回路基板32と、正極タブ33aおよび負極タブ33bと、ホルダー34とを備える。
電池素子1から引き出された正極リード5aが、正極タブ33aを介して回路基板32に対して接続される。電池素子1から引き出された負極リード5bが、負極タブ33bを介して回路基板32に対して接続される。回路基板32には、例えば、ヒューズ、熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC)、サーミスタなどの温度保護素子を含む保護回路、電池を識別するためのID抵抗などがマウントされている。また、保護回路には、充放電制御FET(Field Effect Transistor)と、電池素子1の監視および充放電制御FETの制御を行うIC(Integrated Circuit)とが含まれている。
PTCは、電池素子1と直列に接続され、電池素子1の温度が設定温度に比して高くなると、電気抵抗が急激に高くなって電池素子1に流れる電流を実質的に遮断する。ヒューズや、サーミスタも電池素子1と直列に接続され、電池素子1の温度が設定温度より高くなると、電池素子1に流れる電流を遮断する。電池素子1の端子電圧が例えば所定電圧(例えば4.3V〜4.4V)を超えると、熱暴走などの異常状態になる可能性があるため、保護回路は、電池素子1の電圧を監視し、所定電圧を越えると充電制御FETをオフし、充電を禁止する。電池素子1の端子電圧が放電禁止電圧以下まで過放電し、二次電池電圧が0Vになると電池素子1が内部ショート状態となり再充電不可能となる可能性があるため、保護回路は、電池素子1の電圧を監視し、放電禁止電圧を下回ると放電制御FETをオフし、放電を禁止する。
図7Aに示すように、トップカバー本体31は、表面S11と、この表面S11とは反対側にある裏面S12と、それらの表面S11、裏面S12の間にある周面S13とを有する。
表面S11は、トップカバー3を外装材2のトップ側開口に嵌合した状態において電池のトップ側の端面(正面)を構成する。図2、図7Aに示すように、トップカバー本体31の表面S11は、外装材2のトップ側開口とほぼ同様の形状を有している。より具体的には、トップカバー本体31の表面S11は、細長い矩形の両短辺が外側に向かって楕円の円弧などをなすように湾曲された形状を有している。
裏面S12は、トップカバー本体31を外装材2のトップ側開口に嵌合した状態において電池素子1のトップ側と対向する。図7Bに示すように、裏面S12には、収容部31aが設けられている。この収容部31aに、回路基板32、正極タブ33aおよび負極タブ33bなどが収容される。これらの収容部品は、トップカバー本体31にホルダー34を嵌合させることによりトップカバー本体31の収容部31a内に保持される。
周面S13は、外装材2のトップ側開口に嵌合される面であり、トップカバー本体31を外装材2のトップ側開口に嵌合した状態において外装材2のトップ側内周面に対向し、かつ密着する。図7Bに示すように、トップカバー本体31の周面S13は、互いに等しい長さの一組の長面S131、S132と、これらの長面S131、S132の両端に設けられた、互いに等しい長さの一組の短面S133、S134とを有する。周面S13の周方向における長面S131、S132の長さは、周面S13の周方向における短面S133、S134の長さに比して長い。
長面S131、S132は、例えば、平面またはほぼ平面であり、トップカバー本体31を外装材2のトップ側開口に嵌合した状態において電池の主面側に位置する。短面S133、S134は、例えば、凸状に湾曲した曲面であり、トップカバー本体31を外装材2のトップ側開口に嵌合した状態において電池の側面側に位置する。長面S131、S132と短面S133、S134との境界は、面の形状が変化する位置であり、例えば平面またはほぼ平面から曲面に変化する位置である。
図7A、図7Bに示すように、トップカバー本体31は、その周面S13のうち外装材2の合わせ目L1、L2に対向する長面S131に凹部3aを有する。凹部3aは、長面S131の中央またはほぼ中央に設けられていることが好ましい。凹部3aは、例えばトップカバー本体31の厚さ方向(すなわち周面S13の幅方向)に延設された溝部である。この溝部は、トップカバー本体31をその厚さ方向に貫通していることが好ましい。トップカバー本体31の厚さ方向に垂直な方向(すなわち周面S13の幅方向に垂直な方向)でトップカバー本体31を切断したときの凹部3aの断面形状は、例えばVの字状である。
硬質ラミネート材2bの合わせ目L1は、図8Aに示すように、凹部3aに対向する位置に設けられているか、もしくは図8Bに示すように、凹部3aにほぼ対向する位置に設けられていることが好ましい。電池が凹部3aを中心として折れた場合に、硬質ラミネート材2bが折れ、その折れた部分が電池素子1に突き刺さることを抑制できるからである。
ここで、凹部3aにほぼ対向する位置とは、凹部3aの位置P1を基準にして長面S131の長手方向に電池の幅D(図5参照)の±10%以内の位置(±(D[m]×0.1)以内の位置)のことをいう。例えば電池の幅Dが30mmである場合、凹部3aにほぼ対向する位置とは、凹部3aの位置P1を基準にして長面S131の長手方向に±3mm以内の位置のことをいう。なお、凹部3aの位置P1は、凹部3aの最も深い位置を意味する。硬質ラミネート材2bの短辺23b、24b同士が僅かな間隔離して配置されている場合には、硬質ラミネート材2bの合わせ目L1の位置P2は、短辺23b、24bの間の中間の位置とする。
トップカバー本体31は、図7A、図7Bに示すように、その一方の長面S131とその両側にある短面S133、S134との間の部分にそれぞれ、凹部3m、3nを有する。一方、外装材2は、図2、図5に示すように、そのトップ側開口の両端に切り欠き部2m、2nを有する。トップカバー3を外装材2のトップ側開口に勘合した状態において、外装材2の切り欠き部2m、2nがそれぞれトップカバー本体31の凹部3m、3n上に位置する。これにより、トップカバー本体31の凹部3m、3nがそれぞれ、切り欠き部2m、2nを介して外装材2から露出する。これらの凹部3m、3nは、電池が装填される機器側で、電池の正負極逆装填を防止するために利用される。
トップカバー本体31の長面S131の両側に設けられる凹部3m、3nの形状は、特に限定されるものではないが、機器側の設計の自由度を考慮した形状とすることが好まく、例えば、長面S131の長手方向に向かって降下する階段状などの凹状である。
(ボトムカバー)
ボトムカバー4は、外装材2のボトム側開口に嵌合されて、このボトム側開口を塞ぐものである。図9Aに示すように、ボトムカバー4は、蓋部41と、嵌合部42とを備える。蓋部41は、表面S21と、この表面S21とは反対側にある裏面S22とを有する。表面S21は、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合した状態において電池のボトム側の端面(背面)を構成する。
蓋部41の表面S21は、外装材2のボトム側開口とほぼ同様の形状を有している。より具体的には、ボトムカバー4の表面S21は、細長い矩形の両短辺が外側に向かって楕円の円弧などをなすように湾曲された形状を有している。裏面S22は、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合した状態において電池素子1のボトム側と対向する。
裏面S22には、嵌合部42が設けられている。嵌合部42は、周面S23を有している。周面S23は、外装材2のボトム側開口に嵌合される面であり、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合した状態において外装材2のボトム側内周面に対向し、かつ密着する。
蓋部41の周縁部は、嵌合部42の周面S23に対して僅かに突出している。その突出幅は、外装材2の厚さ程度に選ばれる。これにより、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合した状態において、蓋部41がボトム側開口を覆うとともに、蓋部41の周縁部と外装材2の周面との間に段差が無く、両者がほぼフラットな状態でつながる。蓋部41の周縁部は、嵌合部42の周面S23の一周全体に渡って連続的に突出していてもよいし、その一周のうちのに部分的に突出していてもよい。
図9Bに示すように、嵌合部42の周面S23は、互いに等しい長さの一対の長面S231、S232と、これらの長面S231、S232の両端に設けられた、互いに等しい長さの一対の短面S233、S234とを有する。周面S23の周方向における長面S231、S232の長さは、周面S23の周方向における短面S233、S234の長さに比して長い。
長面S231、S232は、例えば、平面またはほぼ平面であり、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合した状態において電池の主面側に位置する。短面S233、S234は、例えば、凸状に湾曲した曲面であり、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合した状態において電池の側面側に位置する。長面S231、S232と短面S233、S234との境界は、面の形状が変化する位置であり、例えば平面またはほぼ平面から曲面に変化する位置である。
図9A、図9Bに示すように、ボトムカバー4は、その周面S23のうち外装材2の合わせ目L1、L2に対向する長面S231に凹部4aを有する。凹部4aは、長面S231の中央またはほぼ中央に設けられていることが好ましい。凹部4aは、例えばボトムカバー4の厚さ方向(すなわち周面S23の幅方向)に延設された溝部である。この溝部は、ボトムカバー4をその厚さ方向に貫通していることが好ましい。ボトムカバー4の厚さ方向に垂直な方向(すなわち周面S23の幅方向に垂直な方向)でボトムカバー4を切断したときの凹部4aの断面形状は、例えばVの字状である。硬質ラミネート材2bの合わせ目L1は、凹部4aに対向する位置に設けられているか、もしくは凹部4aにほぼ対向する位置に設けられていることが好ましい。
また、ボトムカバー4には、電池素子1に対向する側の面からそれとは反対側の面に向けて貫通する貫通孔(図示せず)が、1個以上、好ましくは2個以上設けられている。貫通孔を2個以上設けた場合には、樹脂注入時において、少なくとも1個の貫通孔を電池素子1とボトムカバー4との間の空気を抜くためのものとして用いることができるので、樹脂の充填性を向上させることができる。
[1.2 電池の製造方法]
次に、本技術の第1の実施形態に係る電池の製造方法の一例について説明する。
(電池素子の作製工程)
まず、例えば、電解質層14が両面に形成された正極11および負極12と、セパレータ13とを、負極12、セパレータ13、正極11、セパレータ13の順に順次積層して、積層体を形成する。次に、この積層体を平板の芯に巻き付けて、長手方向に多数回巻回して、巻回型の電池素子1を作製する。
(電池素子の外装工程)
次に、深絞り加工により、軟質ラミネート材2aに収容部25を形成する。この際、図4Aに示すように、収容部25は、軟質ラミネート材2aの中心位置に対してやや短辺24a側にずれた位置に形成される。次に、軟質ラミネート材2aに形成された収容部25内に電池素子1を収容する。
次に、図4Aに示すように、硬質ラミネート材2bを軟質ラミネート材2aに対してそれらの長手方向にずれた位置に重ね合わせる。これにより、重ね合わされた軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの長手方向の一端には、軟質ラミネート材2aのみが存在する貼合領域2Raが形成され、その他端には、硬質ラミネート材2bのみが存在する貼合領域2Rbが形成される。このように位置をずらして重ね合わせることで、収容部25の突出面2Sへ向けて軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの両端を折り込んだ後、軟質ラミネート材2aの貼合層26aと硬質ラミネート材2bの貼合層26bとが、ある程度の幅でもって貼合される。
次に、図4Aに示すような配置関係の状態で、減圧雰囲気において収容部25の周囲を熱溶着することにより、電池素子1を封止する。この際、貼合層26a、26b同士が重なっている部分全体を熱溶着するようにしてもよい。次に、図4Aに示すように、収容部25の底面の裏側の突出面2Sに、所定形状の熱溶着シート25aを設ける。
次に、軟質ラミネート材2aにより覆われた電池素子1の主面、すなわち収容部25の底面の裏側の突出面2Sへ向けて、軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bの両端、すなわち、短辺23a、24aおよび短辺23b、24bを内側に折り込む。次に、軟質ラミネート材2aの貼合領域2Raと硬質ラミネート材2bの貼合領域2Rbとを熱溶着するとともに、熱溶着シート25aを介して、収容部25の底面の裏側の突出面2Sに対して軟質ラミネート材2aを熱溶着する。これにより、図5に示すように、軟質ラミネート材2aおよび硬質ラミネート材2bが、電池素子1が収容された収容部25を包み込むように閉じた状態で固定され、トップ側開口およびボトム側開口が形成される。
電池素子1を包み込んだ状態では、図6Cに示すように、硬質ラミネート材2bの短辺23b、24b同士が接するか、または僅かな間隔離して対向するように配置されることで、合わせ目L1が形成される。また、硬質ラミネート材2bの内側には、軟質ラミネート材2aの短辺23a、24a同士が接するか、または僅かな間隔離して対向するように配置されることで、合わせ目L2が形成される。なお、合わせ目L2はこの例に限定されるものではなく、軟質ラミネート材2aの短辺23a、24a同士がある程度の間隔離して対向するように配置されていてもよい。
(トップカバーの嵌合工程)
次に、正極リード5a、負極リード5bをそれぞれ、例えば抵抗溶接または超音波溶接によって正極タブ33a、負極タブ33bを介して回路基板32に取り付ける。次に、トップカバー本体31の収容部に、回路基板32、正極タブ33a、負極タブ33bなどを収容した後、トップカバー本体31にホルダー34を嵌合する。これにより、トップカバー3が形成される。
次に、正極リード5aおよび負極リード5bを適宜折り返しながら、外装材2の合わせ目L1がトップカバー本体31の凹部3aに対向するように、トップカバー3を外装材2のトップ側開口に嵌合する。
(ボトムカバーの嵌合工程)
次に、外装材2の合わせ目L1がボトムカバー4の凹部4aに対向するように、ボトムカバー4を外装材2のボトム側開口に嵌合する。
(熱溶着工程)
次に、治具にて全長をおさえ、外装材2の熱溶着を行う。具体的には、銅などの金属からなるヒーターブロックを上下から外装材2のトップ側の端部またはその近傍に押し当て、トップカバー本体31の周面と、硬質ラミネート材2bの内面の貼合層26b(すなわち貼合領域Rcの貼合層26b)とを熱溶着する。また、同様に、ヒーターブロックを上下から外装材2のボトム側の端部またはその近傍に押し当て、ボトムカバー4の周面と、硬質ラミネート材2bの内面の貼合層26bとを熱溶着するようにしてもよい。
(樹脂注入工程)
次に、貫通孔(図示せず)を介して電池素子1のボトム側端面とボトムカバー4との間に溶融樹脂を充填し、固化させる。これにより、ボトムカバー4が電池素子1の端面に接着される。なお、充填される樹脂は、注形時に低粘度状態を有すればよく、特に限定されるものではなく、例えばポリアミド系ホットメルト、ポリオレフィン系ホットメルト、ナイロン、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの共重合合成樹脂(ABS樹脂)などを使用することができる。
なお、トップカバー3と電池素子1のトップ側端面との間にも溶融樹脂を充填するようにしてもよい。この場合、トップカバー3に対して1または2以上の貫通孔を設けて、この貫通孔から溶融樹脂を注入するようにすればよい。
以上の工程により、目的とする電池が製造される。
[1.3 効果]
第1の実施形態に係る電池では、トップカバー3およびボトムカバー4は、外装材2の合わせ目L1に対向する面に凹部を有し、合わせ目L1は、凹部3aおよび凹部4aに対向する位置、またはほぼ対向する位置にある。これにより、電池に大荷重が加わった場合、合わせ目L1を含む電池の主面を内側として電池が折れるように、電池の折れの方向を制御することができる。また、合わせ目L1の位置、またはほぼ合わせ目L1を境として電池が折れるように、電池の折れの位置を制御することができる。したがって、外装材2が折れて、尖った部分が発生し、その尖った部分が電池素子1に刺さることを抑制できる。すなわち、電池のショート発生を抑制し、電池の安全性を向上できる。
外装材1の合わせ目L1に含まれる一組の辺23b、24bの一端または両端が、角のない形状を有している場合には、電池に大荷重が加わり、電池が折れたときにも、それらの辺23b、24bの一端または両端が電池素子1に突き刺さることを抑制できる。また、外装材1の合わせ目L2に含まれる一組の辺23a、24aの一端または両端が、角のない形状を有している場合にも同様に、突き刺さりを抑制できる。
外装材2の合わせ目L1、L2の下には、収容部25の突出面2Sを構成する軟質ラミネート材2aが設けられている。したがって、外装材2の合わせ目L1、L2を含む電池の主面を内側として電池が折れた場合に、硬質ラミネート材2bの短辺23b、24b、軟質ラミネート材2aの短辺23a、24a、およびそれらの両端の角部から、電池素子1を保護することができる。
[1.4 変形例]
上述の第1の実施形態では、トップカバー3の厚さ方向に垂直な方向でトップカバー3を切断したときの凹部3aの断面形状がVの字状などである例について説明したが、その断面形状はこの例に限定されるものではない。Vの字状以外の断面形状としては、例えば、矩形状(図10A参照)、台形状(図10B参照)などの多角形状、Uの字状(図10C参照)、半円状などの部分円状(図10D参照)、半楕円状などの部分楕円状、不定形状などが挙げられる。なお、図10A〜図10Dでは、凹部3aの深さがトップカバー3の厚さの半分以下の深さである例に示されているが、凹部3aの深さはこの例に限定されるものではなく、図10Eに示すように、トップカバー3の厚さの半分を超える深さであってもよい。ボトムカバー4についても、上述のトップカバー3と同様にV字状以外の断面形状を用いてもよい。トップカバー3の凹部3aとボトムカバー4の凹部4aの形状が異なっていてもよい。
トップカバー3が、図10Fに示すように、凹部3aに代えて、孔部3bを有するようにしてもよい。この場合、孔部3bは、例えば、長面S132よりも長面S131に近い位置、好ましくは長面S131の近傍に設けられる。孔部3bは、長面S131の中央またはほぼ中央に設けられていることが好ましい。硬質ラミネート材2bの合わせ目L1は、孔部3bの真上またはほぼ真上に設けられていることが好ましい。孔部3bの断面形状としては、例えば、円形状、楕円形状、矩形状などの多角形状、不定形状などが挙げられるが、これらの形状に限定されるものではない。ボトムカバー4が、トップカバー3と同様に、凹部4aに代えて、孔部を有するようにしてもよい。トップカバー3とボトムカバー4の孔部の形状が異なっていてもよい。
トップカバー3が、凹部3aと孔部3bとの両方を有していてもよい。この場合、孔部3bは、例えば凹部3aの真下またはほぼ真下の位置に設けられる。ボトムカバー4が、トップカバー3と同様に凹部と孔部との両方を有するようにしてもよい。また、トップカバー3およびボトムカバー4のうちの一方が凹部を有し、他方が孔部を有するようにしてもよい。
<2 第2の実施形態>
[2.1 電子機器の構成]
図11に示すように、本技術の第2の実施形態に係る電子機器400は、電子機器本体の電子回路401と、電池300とを備える。ここでは、電子機器400が1個の電池300を備える構成を例として説明するが、2個以上の電池300を備える構成としてもよい。電池300は、正極端子3hおよび負極端子3iを介して、電子回路401に対して電気的に接続されている。電子機器400は、例えば、ユーザにより電池300を着脱自在な構成を有している。なお、電子機器400の構成はこれに限定されるものではなく、ユーザにより電池300を電子機器400から取り外しできないように、電池300が電子機器400内に内蔵されている構成を有していてもよい。
電池300の充電時には、電池300の正極端子3h、負極端子3iがそれぞれ、充電器(図示せず)の正極端子、負極端子に接続される。一方、電池300の放電時(電子機器400の使用時)には、電池300の正極端子3h、負極端子3iがそれぞれ、電子回路401の正極端子、負極端子に接続される。
電子機器400としては、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、タブレット型コンピュータ、携帯電話(例えばスマートフォンなど)、携帯情報端末(Personal Digital Assistants:PDA)、撮像装置(例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなど)、オーディオ機器(例えばポータブルオーディオプレイヤー)、ゲーム機器、コードレスフォン子機、電子書籍、電子辞書、ラジオ、ヘッドホン、ナビゲーションシステム、電動工具、電気シェーバー、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、電子レンジ、食器洗い器、洗濯機、乾燥器、照明機器、玩具、医療機器、ロボットなどが挙げられるが、これに限定されるものでなない。
(電子回路)
電子回路401は、例えば、CPU、周辺ロジック部、インターフェース部および記憶部などを備え、電子機器400の全体を制御する。
(電池)
電池300は、上述の第1の実施形態またはその変形例に係る電池である。電池300は保護回路301を備え、この保護回路301は、第1の実施形態における回路基板32に設けられた保護回路である。
[2.2 効果]
電子機器400は、電池300として上述の第1の実施形態またはその変形例に係る電池を備えている。これにより、電子機器400が破損し、電池が折れた場合にも、電池がショートすることを抑制できる。したがって、電子機器400の安全性を向上できる。
以下、実施例により本技術を具体的に説明するが、本技術はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
(実施例)
(電池素子の作製工程)
まず、例えば、ゲル電解質層が両面に形成された正極および負極と、セパレータとを、負極、セパレータ、正極、セパレータの順に順次積層して、積層体を形成した。次に、この積層体を平板の芯に巻き付けて、長手方向に多数回巻回して、扁平状を有する巻回型の電池素子を作製した。
(電池素子の外装工程)
まず、軟質ラミネート材として、PP層(接着層)、軟質アルミニウム層(金属層)、ナイロン層(表面保護層)を順次積層した積層構造を有する矩形状の軟質アルミニウムラミネートフィルム(以下「軟質Alラミネートフィルム」という。)を準備した。次に、深絞り加工により、軟質Alラミネートフィルムに収容部を形成した。この際、軟質Alラミネートフィルムの中心位置に対して一方の短辺側に僅かにずれた位置に収容部を形成した。次に、軟質Alラミネートフィルムに形成された収容部内に電池素子を収容した。
次に、硬質ラミネート材として、ポリプロピレン層(接着層)、硬質アルミニウム層(金属層)、ナイロン層(表面保護層)を順次積層した積層構造を有する矩形状の硬質アルミラミネートフィルム(以下「硬質Alラミネートフィルム」という。)を準備した。次に、硬質Alラミネートフィルムを軟質Alラミネートフィルムに対してそれらの長手方向にずれた位置に重ね合わせた。これにより、重ね合わされた両Alラミネートフィルムの長手方向の一端には、軟質Alラミネートフィルムのみが存在する貼合領域が形成され、その他端には、硬質Alラミネートフィルムのみが存在する貼合領域が形成された。
次に、減圧雰囲気において、収容部の周囲を熱溶着することにより、電池素子を封止した。次に、収容部の底面の裏側の突出面に、所定形状の熱溶着シートを設けた。次に、軟質Alラミネートフィルムにより覆われた電池素子の主面、すなわち収容部の底面の裏側の突出面へ向けて、軟質Alラミネートフィルムおよび硬質Alラミネートフィルムの両端を内側に折り込み、両端の貼合領域のポリプロピレン層同士を重ね合わせた。この際、硬質Alラミネートフィルムの短辺同士を接するように対向配置することで、硬質Alラミネートフィルムの合わせ目を、電池素子の主面中央に形成した。また、硬質Alラミネートフィルムの内側では、軟質Alラミネートフィルムの短辺同士を接するように対向配置することで、軟質Alラミネートフィルムの合わせ目を、電池素子の主面中央から多少ずれた位置に形成した。
次に、軟質Alラミネートフィルムと硬質Alラミネートフィルムの貼合領域のポリプロピレン層同士を熱溶着した。それとともに、熱溶着シートを介して、収容部の底面の裏側の突出面を構成する軟質Alラミネートフィルムのナイロン層と、折り返した軟質Alラミネートフィルム両端のナイロン層とを熱溶着した。これにより、軟質Alラミネートフィルムおよび硬質Alラミネートフィルムが、電池素子が収容された収容部を包み込むように閉じた状態で固定され、トップ側開口およびボトム側開口を有するアルミラミネートフィルム外装材(以下「Alフィルム外装材」という。)が形成された。
(トップカバーの嵌合工程)
次に、正極リード、負極リードをそれぞれ、超音波溶接によって正極タブ、負極タブを介して回路基板に取り付けた。次に、断面V字状の溝が長面の中央に設けられたトップカバー本体を準備し、このトップカバー本体の収容部に、回路基板、正極タブおよび負極タブを収容した後、トップカバー本体にホルダーを嵌合した。これにより、トップカバーが形成された。
次に、正極リードおよび負極リードを適宜折り返しながら、硬質Alラミネートフィルムの合わせ目が断面V字状の溝に対向するように、トップカバーをAlフィルム外装材のトップ側開口に嵌合した。
(ボトムカバーの嵌合工程)
次に、断面V字状の溝が長面の中央に設けられたボトムカバーを準備し、硬質Alラミネートフィルムの合わせ目が断面V字状の溝に対向するように、ボトムカバーをAlフィルム外装材のボトム側開口に嵌合した。
(熱溶着工程)
次に、ヒーターブロックを上下からAlフィルム外装材のトップ側の端部に押し当て、トップカバー本体の周面と、硬質Alラミネートフィルムの内面のPP層とを熱溶着した。
(樹脂注入工程)
次に、ボトムカバーの貫通孔を介して電池素子とボトムカバーとの間に溶融樹脂を充填し、固化させた。これにより、ボトムカバー4が電池素子のボトム側端面に接着された。以上の工程により、目的とする電池が得られた。
(比較例)
実施とは反対側の長面の中央に断面V字状の溝が設けられたトップカバーおよびボトムカバーを準備した。電池の両主面のうち、合わせ目が形成された側とは反対側の主面に、断面V字状の溝がくるように、トップカバーおよびボトムカバーをそれぞれ、Alフィルム外装材のトップ側開口およびボトム側開口に勘合した。これ以外のことは実施例と同様にして電池を得た。
(縦圧壊試験)
上述のようにして得られた実施例、比較例の電池の両側面から中心に向けて力を加えることにより、縦圧壊試験を行った。その結果を表1に示す。
実施例、比較例の電池パックの縦圧壊試験の結果を示す。
Figure 0006303780
表1から以下のことがわかる。
トップカバーが外装材の合わせ目に対向する長面の中央に溝を有することで、合わせ目を含む電池の主面を内側として電池が折れるように、電池の折れの方向を制御することができる。
トップカバーが外装材の合わせ目に対向する長面とは反対側の長面の中央に溝を有することで、合わせ目を含む電池の主面とは反対の主面を内側として電池が折れるように、電池の折れの方向を制御することができる。
トップカバーが外装材の合わせ目に対向する長面の中央に溝を有し、かつ外装材が溝に対向する位置に合わせ目を有することで、ショートの発生を抑制できる。
以上、本技術の実施形態およびその変形例、ならびに実施例について具体的に説明したが、本技術は、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本技術の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例では、巻回構造を有する電池に対して本技術を適用した例について説明したが、電池の構造はこれに限定されるものではなく、正極および負極を折り畳んだ構造、または積み重ねた構造を有する電池などに対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例では、電池素子がリチウムイオン二次電池である場合を例として説明したが、電池素子はこの例に限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池以外の二次電池、または一次電池などに対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例では、電池および電池素子が扁平形状を有する例について説明したが、電池および電池素子の形状は扁平形状に限定されるものではなく、角型形状を有する電池に対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例では、電解質として非水電解液と、この非水電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含むものを備える電池に対して本技術を適用した例について説明したが、電解質はこの例に限定されるものではない。例えば、電解質として非水電解液などの電解液を備える電池、または電解質として電解質塩を含有させた固体電解質を備える電池に対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例では、外装材がトップ側開口およびボトム側開口を有し、それらの開口にそれぞれトップカバーおよびボトムカバーが嵌合された構成について説明したが、電池の構成はこれに限定されるものではない。例えば外装材がトップ側開口およびボトム側開口のいずれか一方のみを有し、その開口にカバーが嵌合された構成を有する電池に対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例では、電池が軟質ラミネート材(第1の外装材)と硬質ラミネート材(第2の外装材)との2つの外装材を備える構成について説明したが、電池の構成はこれに限定されるものでない。例えば、1つの外装材のみを備える電池、または3つ以上の外装材を備える電池に対しても本技術は適用可能である。なお、電池が3つ以上の外装材を備え、外装材の合わせ目が3つ以上設けられている場合には、3つ以上の外装材のうちで最も硬質な外装材の合わせ目に対向する位置、またはほぼ対向する位置に凹部を設けることが好ましい。
また、本技術は以下の構成を採用することもできる。
(1)
電池素子と、
上記電池素子を外装すると共に、開口を有する外装材と、
上記開口に設けられたカバー体と
を備え、
上記カバー体は、上記外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
上記合わせ目は、上記凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池。
(2)
電池素子と、
上記電池素子を収容すると共に、第1の開口および第2の開口を有する外装材と、
上記第1の開口に設けられた第1のカバー体と、
上記第2の開口に設けられた第2のカバー体と、
を備え、
上記第1のカバー体および上記第2のカバー体の少なくとも一方は、上記外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
上記合わせ目は、上記凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池。
(3)
上記凹部は、上記面の中央に設けられている(1)または(2)に記載の電池。
(4)
上記外装材の合わせ目に含まれる一組の辺の一端または両端が、角のない形状を有している(1)から(3)のいずれかに記載の電池。
(5)
上記外装材は、
第1の外装材と、
上記第1の外装材に重ね合わされた第2の外装材と
を備え、
上記第2の外装材の両端が、上記電池素子の主面上で合されて、上記合わせ目が構成されている(1)から(4)のいずれかに記載の電池。
(6)
上記外装材は、
第1の外装材と、
上記第1の外装材にずらして重ね合わされた第2の外装材と
を備え、
上記第1の外装材および上記第2の外装材のずれた部分が、上記電池素子の主面上で重ね合わされて、上記第1の外装材の合わせ目および上記第2の外装材の合わせ目が構成され、
上記外装材の合わせ目は、上記第2の外装材の合わせ目である(1)から(5)のいずれかに記載の電池。
(7)
上記第2の外装材は、上記第1の外装材に比して硬質である(5)または(6)に記載の電池。
(8)
上記外装材は、ラミネートフィルムである(1)から(7)のいずれかに記載の電池。
(9)
上記電池素子は、扁平形状または角型形状を有し、
上記合わせ目は、上記電池素子の主面上に設けられている(1)から(8)のいずれかに記載の電池。
(10)
(1)から(9)のいずれかに記載の電池を備え、
上記電池から電力の供給を受ける電子機器。
1 電池素子
2 外装材
2a 軟質ラミネート材
2b 硬質ラミネート材
3 トップカバー
3a、4a 凹部
3b 孔部
4 ボトムカバー
5a 正極リード
5b 負極リード
6 ラベル
L1、L2 合わせ目
S13、S23 周面
S131、S132、S231、S232 長面
S133、S134、S233、S234 短面

Claims (9)

  1. 扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
    上記電池素子を収容すると共に、開口を有する外装材と、
    上記開口に設けられたカバー体と
    を備え、
    上記外装材は、金属層を含み、
    上記カバー体は、上記外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
    上記凹部は、上記面の中央に設けられており、
    上記合わせ目は、上記電池素子の主面上に設けられ、かつ上記凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池。
  2. 扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
    上記電池素子を収容すると共に、第1の開口および第2の開口を有する外装材と、
    上記第1の開口に設けられた第1のカバー体と、
    上記第2の開口に設けられた第2のカバー体と、
    を備え、
    上記外装材は、金属層を含み、
    上記第1のカバー体および上記第2のカバー体の少なくとも一方は、上記外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
    上記凹部は、上記面の中央に設けられており、
    上記合わせ目は、上記電池素子の主面上に設けられ、かつ上記凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池。
  3. 上記外装材の合わせ目に含まれる一組の辺の一端または両端が、角のない形状を有している請求項1または2に記載の電池。
  4. 上記外装材は、
    第1の外装材と、
    上記第1の外装材に重ね合わされた第2の外装材と
    を備え、
    上記第2の外装材の両端が、上記電池素子の主面上で合されて、上記合わせ目が構成されている請求項1から3のいずれかに記載の電池。
  5. 上記外装材は、
    第1の外装材と、
    上記第1の外装材にずらして重ね合わされた第2の外装材と
    を備え、
    上記第1の外装材および上記第2の外装材のずれた部分が、上記電池素子の主面上で重ね合わされて、上記第1の外装材の合わせ目および上記第2の外装材の合わせ目が構成され、
    上記外装材の合わせ目は、上記第2の外装材の合わせ目である請求項1から3のいずれかに記載の電池。
  6. 上記第2の外装材は、上記第1の外装材に比して硬質である請求項4または5に記載の電池。
  7. 上記外装材は、ラミネートフィルムである請求項1から6のいずれかに記載の電池。
  8. 扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
    上記電池素子を収容すると共に、開口を有する外装材と、
    上記開口に設けられたカバー体と
    を備え、
    上記外装材は、金属層を含み、
    上記カバー体は、上記外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
    上記凹部は、上記面の中央に設けられており、
    上記合わせ目は、上記電池素子の主面上に設けられ、かつ上記凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池を備え、
    上記電池から電力の供給を受ける電子機器。
  9. 扁平形状または角型形状を有する電池素子と、
    上記電池素子を収容すると共に、第1の開口および第2の開口を有する外装材と、
    上記第1の開口に設けられた第1のカバー体と、
    上記第2の開口に設けられた第2のカバー体と、
    を備え、
    上記外装材は、金属層を含み、
    上記第1のカバー体および上記第2のカバー体の少なくとも一方は、上記外装材の合わせ目に対向する面に凹部を有し、
    上記凹部は、上記面の中央に設けられており、
    上記合わせ目は、上記電池素子の主面上に設けられ、かつ上記凹部に対向する位置、またはほぼ対向する位置にある電池を備え、
    上記電池から電力の供給を受ける電子機器。
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