WO2015005227A1

WO2015005227A1 - フィルム外装電池及びその製造方法

Info

Publication number: WO2015005227A1
Application number: PCT/JP2014/067824
Authority: WO
Inventors: 伸田中
Original assignee: Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-01-15

Abstract

本発明は、セパレータ（７）を介して積層された正極（３）と負極（４）とを有する電池要素（２）と、電池要素（２）を包囲して封止する上外装フィルム（８）及び下外装フィルム（９）と、を備える。正極（３）は正極貫通孔（１３）を有し、セパレータ（７）はセパレータ貫通孔（１５）を有し、負極（４）は負極貫通孔（１４）を有する。電池要素（２）は、正極貫通孔（１３）、セパレータ貫通孔（１５）及び負極貫通孔（１４）が積層方向に沿って互いに連通してなる電池要素貫通孔（１０）を有し、電池要素貫通孔（１０）の内部に沿って封止するように上外装フィルム（８）及び下外装フィルム（９）が溶着される。電池要素貫通孔（１０）の内部で、上外装フィルム（８）及び下外装フィルム（９）が溶着された部分に切れ目（１１）が設けられている。

Description

フィルム外装電池及びその製造方法

　本発明は、フィルム状の外装材によって電池要素が封止されたフィルム外装電池及びフィルム外装電池の製造方法に関する。

　近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気アシスト自転車や電動バイクを長時間稼働させるための駆動源、及び定置用蓄電システムの電源となる非水電解液二次電池の高エネルギー化及び高容量化への要求が高まっている。
　これらの要求を実現するために、リチウムを吸蔵及び放出できる物質を用いた非水電解液二次電池が提案されている。この非水電解液二次電池の中でも、電池要素以外が占める体積を削減し、電池の高エネルギー化及び小型化を図るために、従来から外装材として使用されていた鉄やアルミニウム製の金属容器の代わりに、フィルム状の外装材（以下、外装フィルムと称する）を使用したフィルム外装電池が注目されている。フィルム外装電池では、外装フィルムを使用することで、更なる薄肉化が可能であり、構造を自由に選ぶことが可能になる。　外装フィルムは、電解液やガスの透過を防止することが可能なアルミニウム箔などの金属膜と、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂フィルムとを貼り合せた構造に形成されている。この種の金属ラミネート樹脂フィルムをフィルム外装電池の外装材として使用する場合には、２枚の外装フィルムまたは２つに折り畳んだ外装フィルムによって電池要素を覆い、外装フィルムの外周部を熱溶着によって封止する構造が広く採用されている。
　上述した構造以外には、外装フィルムを袋状に形成して、袋状の外装フィルムに電池要素を収納する構造がある。
　関連技術のフィルム外装電池では、内部短絡による電解液の分解等に伴って外装フィイムの内部にガスが多量に発生した場合、外装フィルムの熱溶着による封止部の一部が破れ、ガスが一気に噴き出することがある。このようにフィルム外装電池の外周部の熱溶着による封止部の不特定箇所の開裂によるガスの噴き出しを防ぐために、外装フィルムの周囲に安全弁を設ける構成が、特許文献１、２に開示されている。
　特許文献１、２に記載されたフィルム外装電池は、外装フィルムの内部の異常発熱等に伴うガスの発生によって外装フィルムの内部圧力が異常に上昇したときに、外装フィルムの外部にガスを安全に放出することが可能になっている。

特開２００４－５５２９０号公報特開２０１１－２３３７４７号公報

　しかしながら、特許文献１、２に記載された構造では、安全弁を作動させるために、外装フィルムが膨張し、内部の圧力が所定の圧力以上まで上昇する必要がある。そのため、特許文献１、２に記載されたフィルム外装電池において、外装フィルムの周囲に設けられた安全弁を、より少量のガスが発生したときに作動するように構成した場合には、電池要素の封止状態の信頼性を低下させてしまうおそれがあった。

　そこで、本発明は、外装フィルムの外周部に安全弁が配置される構成と比べて、電池要素の封止状態の信頼性を低下させることなく、外装フィルムの内部に少量のガスが発生したときであってもガスを外部に放出することができるフィルム外装電池及びフィルム外装電池の製造方法を提供することを目的とする。

　上述した目的を達成するため、本発明に係るフィルム外装電池は、セパレータを介して積層された正極と負極とを有する電池要素と、電池要素を包囲して封止する外装フィルムと、を備える。正極は正極貫通孔を有する。セパレータはセパレータ貫通孔を有する。負極は負極貫通孔を有する。電池要素は、正極貫通孔、セパレータ貫通孔及び負極貫通孔が積層方向に沿って互いに連通してなる電池要素貫通孔を有し、電池要素貫通孔の内部で外装フィルムの一部が溶着される。電池要素貫通孔の内部において、外装フィルムが溶着された部分に切れ目または開口が設けられる。

　また、本発明に係るフィルム外装電池の製造方法は、正極貫通孔を有する正極と、負極貫通孔を有する負極とを、セパレータ貫通孔を有するセパレータを介して積層し、正極貫通孔、負極貫通孔、セパレータ貫通孔が互いに連通された電池要素貫通孔を有する電池要素を形成する工程と、外装フィルムによって包囲された電池要素の電池要素貫通孔の内部で外装フィルムの一部を溶着する工程と、を有するフィルム外装電池の製造方法であって、電池要素貫通孔の内部で溶着される、外装フィルムの溶着部分に、切れ目または開口を形成する工程を有することを特徴とする。

　本発明によれば、外装フィルムの内部にガスが発生した場合、少量のガスが発生したときであってもガスを外部に放出することが可能になる。このため、外装フィルムの溶着部の一部分から大量のガスが一気に噴き出することを防ぎ、安全性を高めることができる。

本実施形態のフィルム外装電池を示す斜視図である。本実施形態のフィルム外装電池における電池要素の一部を模式的に示す斜視図である。本実施形態のフィルム外装電池における電池要素の一部を模式的に示す斜視図である。本実施形態のフィルム外装電池における電池要素を構成する正極、負極を示す平面図である。第１の実施例の外装フィルム電池が有する電池要素貫通孔部を示す断面図である。第２の実施例の外装フィルム電池が有する電池要素貫通孔部を示す断面図である。

　以下、本発明の実施形態について、図１～図６を参照して詳細に説明する。
　実施形態のフィルム外装電池１は、図１及び図２に示すように、上外装フィルム８と下外装フィルム９によって封止された内部に収納される電池要素２と、電池要素２から引き出された負極集電体露出部２１及び正極集電体露出部２０にそれぞれ接続された外部端子としての負極端子６及び正極端子５と、電解液と、を備えている。

　図３に示すように、負極４は、負極集電体１８上に負極活物質１９が形成されてなる。リチウムを吸蔵及び放出する物質であるグラファイトやシリコンを含む粉末からなる負極活物質１９を、結着材と共に混ぜてスラリー状の負極活物質１９を形成する。スラリー状に形成された負極活物質１９を銅などの金属箔からなる負極集電体１８の両面に塗布して、負極活物質１９を乾燥する。続いて、負極活物質１９が形成された負極集電体１８を、ロールプレス機を用いて圧延することで負極４が形成されている。
　負極４には、図４に示すように、中央部を貫通するスリット状の負極貫通孔１４が形成されている。負極貫通孔１４の形成は、負極４の圧延後にプレス機等を用いた加工によって行うことができる。負極貫通孔１４の開口形状は、図２に示すような長方形に限定されるものではなく、正方形などの他の四角形や多角形、円形や楕円形など、形状を限定しない。しかし、電池１つ当たりのエネルギー密度を大きく低下させないように、負極貫通孔１４の開口面積は、可能な限り小さい方が好ましい。負極貫通孔１４の開口面積は、加工性を考慮した場合、１０ｍｍ²以上、３００ｍｍ²以下に設定することが望ましい。

　図３に示すように、正極３は、正極集電体１６上に正極活物質１７が形成されてなる。コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムのいずれか、またはこれらを少なくとも１種類以上を含む混合物からなる正極活物質１７に、結着材とアセチレンブラックなどの導電剤とを共に混ぜてスラリー状の正極活物質１７を形成する。スラリー状に形成された正極活物質１７をアルミニウムなどの金属箔からなる正極集電体１６の両面に塗布して、正極活物質１７を乾燥する。続いて、正極活物質１７が形成された正極集電体１６を、ロールプレス機を用いて圧延することで正極３が形成されている。
　正極３には、図４に示すように、中央部を貫通するスリット状の正極貫通孔１３が形成されている。正極貫通孔１３は、正極３の圧延後にプレス機等を用いた加工によって形成することができる。正極貫通孔１３の開口形状は、通常は負極貫通孔１４と同様の開口形状とすればよいが、必要に応じて負極貫通孔１４と異なる開口形状としてもよい。
　図４に示すように、正極３には、正極３と一緒に積層する負極４の負極貫通孔１４に対応する位置に、正極貫通孔１３が形成されている。正極貫通孔１３の開口形状は、負極貫通孔１４の開口形状と同じ形状に形成されている。正極貫通孔１３の開口寸法は、負極貫通孔１４よりも大きくされて、負極貫通孔１４の開口形状を包囲するように形成されている。本実施形態では、正極貫通孔１３の開口の長さ及び幅は、負極貫通孔１４の開口の長さ及び幅よりも大きく形成されている。

　図３に示すように、セパレータ７には、セパレータ７と一緒に積層する負極４の負極貫通孔１４及び正極３の正極貫通孔１３と対応する位置に、貫通するスリット状のセパレータ貫通孔１５が形成されている。セパレータ貫通孔１５の開口形状及び開口寸法は、負極貫通孔１４の開口形状と同じ形状、且つ同じ大きさに形成されている。あるいは、セパレータ貫通孔１５は、開口寸法が負極貫通孔１４よりも小さくされて、負極貫通孔１４によって包囲されるように形成されている。
　セパレータ７を介して正極３及び負極４が積層されてなる電池要素２は、図１及び図３に示すように、正極貫通孔１３、セパレータ貫通孔１５及び負極貫通孔１４が積層方向に沿って互いに連通してなる電池要素貫通孔１０を有している。電池要素貫通孔１０は、正極貫通孔１３、セパレータ貫通孔１５及び負極貫通孔１４の中心位置を積層方向に沿って一致させて構成されている。電池要素貫通孔１０を構成する開口断面積に関して、図３に示すように、正極貫通孔１３が最も大きく、正極貫通孔１３、負極貫通孔１４、セパレータ貫通孔１５の順に小さくなるように形成されている。
　負極４と正極３との間にセパレータ７を挟んで、所定の数量だけ負極４及び正極３を積層することで電池要素２を形成する。正極貫通孔１３の輪郭と負極貫通孔１４の輪郭とが重なっているか、または正極貫通孔１３の内側に負極貫通孔１４が包囲され、さらに負極貫通孔１４の内側にセパレータ貫通孔１５が包囲されるような大小関係になっている。このような大小関係を満たす正極貫通孔１３と負極貫通孔１４の構造を有することで、充放電中におけるリチウム金属の析出を防ぐことができる。
　セパレータ７は、ポリエチレンやポリプロピレンなどによって形成されており、セパレータ７の全体にわたって多数の小孔（不図示）が設けられている。
　また、負極端子６は、負極４の負極集電体露出部２１に溶接されている。また、正極端子５は、正極３の正極集電体露出部２０に溶接されている。

　図５に示すように、上外装フィルム８及び下外装フィルム９は、例えばナイロン、アルミニウム、ポリプロピレンからなる３層構造を有している。上外装フィルム８及び下外装フィルム９は、電池要素２を収納するために、絞り加工によって上外装フィルム８に電池要素収納部８ａが、ポリプロピレン側が凹部の内側となるように加工されている。外装フィルムの電池要素を収納するための絞り加工については、図５に示すように上外装フィルムに設ける構成に限らず、下外装フィルム、または上外装フィルム及び下外装フィルムの両方に設けてもよい。また、図５及び図６に示すように、電池要素貫通孔１０の内側において、上外装フィルム８と下外装フィルム９とが溶着されるように、上外装フィルム８に凸部が加工され、この凸部の端面の、溶着部に相当する部分に、切れ目１１または開口１２が設けられている。電池要素貫通孔の内部において、上外装フィルムと下外装フィルムとを溶着するための凸部は、上外装フィルムのみに設けられる構成に限らず、下外装フィルムまたは凸部の寸法を調整することで上外装フィルムと下外装フィルムの両方に設けられてもよい。また、凸部に設ける切れ目または開口については、上外装フィルムまたは下外装フィルムのいずれか一方に設けられればよい。
　なお、開口１２の形状としては、通常は負極貫通孔１４や正極貫通孔１３と同様の形状に形成すればよいが、負極貫通孔１４や正極貫通孔１３と異なる形状に形成されてもよい。また、開口１２は、複数の小孔を配列して構成されてもよい。

　負極端子６が溶接された負極４と、正極端子５が溶接された正極３とが、セパレータ７を介して積層されてなる電池要素２を、上外装フィルム８の電池要素収納部８ａに収納し、下外装フィルム９によって電池要素２を覆う。続いて、上外装フィルム８及び下外装フィルム９の外周部のうちの三辺を溶着すると共に、電池要素貫通孔１０の内側部分の、上外装フィルム８と下外装フィルム９とを熱溶着する。次に、上外装フィルム８及び下外装フィルム９の外周部の、熱溶着されていない一辺から、電池要素収納部８ａに電解液を注液し、真空下にて熱溶着することで、フィルム外装電池１が作製される。電解液としては、リチウムイオン伝導性を有する非水電解液が用いられる。
　このとき、上外装フィルム８及び下外装フィルム９の外周部の端から、電池要素収容部８ａの未溶着部までの最小長さで表される熱溶着幅よりも、電池要素貫通孔１０を介した熱溶着部分の切れ目１１または開口１２から、電池要素貫通孔１０の近傍の未溶着部までの最小長さで表される熱溶着幅を小さくする。
　このような構造の電池要素貫通孔１０を備えることで、密封された外装フィルムの内部でガスが発生したときに、外装フィルムの外周部よりも先に、電池要素貫通孔１０の内側の溶着部分がガスの圧力で剥離することになる。このため、安全弁を有していない形態や、外装フィルムの外周部に安全弁が配置された形態と比べて、本実施形態は、ガスの発生によって外装フィルムが膨らむスペースが小さいので、相対的に少ないガスの発生量によって、電池要素貫通孔１０の内側で溶着された部分が剥がれる。その結果、電池要素貫通孔１０の内側が剥がれた、少なくとも一方の外装フィルムに、切れ目１１または開口１２が設けられているので、切れ目１１または開口１２の箇所から、外部にガスを更に安全に放出することが可能になる。

　（第１の実施例）
　以下、第１の実施例と比較例とを比較した結果について説明する。負極活物質１９は、厚さ１０μｍの銅箔からなる負極集電体１８上に形成した。グラファイト粉末からなる負極活物質１９を、ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）からなる結着材と共にスラリー状となるよう調剤を形成した。形成した調剤を負極集電体１８上の両面に塗布し、負極活物質１９を乾燥し、ロールプレス機を用いて圧延することで負極４を形成した。負極活物質１９を、負極集電体１８上の、長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍからなる面積の矩形領域に塗布し、負極４の中央部に、長さ３０ｍｍ、幅６ｍｍの矩形状の負極貫通孔１４を形成した。
　正極活物質１７は、厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体１６上に形成した。マンガン酸リチウムからなる正極活物質１７に、ＰＶｄＦからなる結着材と、アセチレンブラックからなる導電剤とを添加してスラリー状となるように調剤を形成した。形成した調剤を、正極集電体１６上の両面に塗布、正極活物質１７を乾燥し、ロールプレス機を用いて圧延することで正極３が形成された。正極活物質１７を正極集電体１６上の、長さ１９８ｍｍ、幅９８ｍｍからなる面積の矩形領域に塗布した。また、正極３の、負極貫通孔１４に対応する正極３の中央部に、長さ３２ｍｍ、幅８ｍｍの矩形状の正極貫通孔１２を形成した。
　セパレータ７は、長さ２０２ｍｍ、幅１０２ｍｍのポリエチレン不織布によって形成した。また、セパレータ７の、負極貫通孔１４及び正極貫通孔１３に対応する中央部に、長さ２８ｍｍ、幅４ｍｍの矩形状のセパレータ貫通孔１５を形成した。

　図３に示すように、負極４と正極３との間にセパレータ７を介して、９枚の負極４と、８枚の正極８とを積層して電池要素２を作製した。図２に示すように、負極端子６を負極集電体露出部２１の先端部で溶接した。また、正極端子５を正極集電体露出部２０の先端部で溶接した。上外装フィルム８及び下外装フィルム９は、ナイロン／アルミニウム／ポリプロピレンの順に積層された３層構造を有している。上外装フィルム８には、電池要素２を収納するための電池要素収納部８ａを、絞り加工によって、ポリプロピレン側が凹部の内側となるように形成した。また、上外装フィルム８には、図５に示すように、電池要素貫通孔１０の内側部分を介して下外装フィルム９と熱溶着することができるように、電池要素貫通孔１０の内側部分に、ポリプロピレン側が凸部の外側となるように絞り加工した。加えて、上外装フィルム８には、電池要素貫通孔１０の内側部分において、下外装フィルム９に溶着される部分に長さ１５ｍｍの切れ目１１を形成した。
　負極端子６が溶接された負極４及び正極端子５が溶接された正極３と、セパレータ７とからなる電池要素２を、上外装フィルム８に形成された電池要素収納部８ａに収納し、下外装フィルム９によって電池要素２を覆った。続いて、外装フィルムにおける矩形状の外周部のうちの三辺と、電池要素貫通孔１０とを介して、上外装フィルム８と下外装フィルム９を熱溶着した。外装フィルムの、熱溶着されていない外周部の一辺から、電池要素収納部８ａ内に電解液を注液し、真空下にて外周部の一辺を熱溶着することによって、フィルム外装電池１を作製した。このとき、フィルム外装電池１の外周部において、上外装フィルム８と下外装フィルム９が熱溶着された端から、未溶着部までの最小長さで表される熱溶着幅を５ｍｍに設定した。また、電池要素貫通孔１０の内側部分において、熱溶着部の切れ目１１から未溶着部までの最小長さで表される最小幅を１ｍｍに設定した。
　比較例としては、正極貫通孔１３、負極貫通孔１４及びセパレータ貫通孔１５を備えていない電池要素を用いた。また、比較例としては、上外装フィルム８と下外装フィルム９とが電池要素貫通孔１０を介して溶着されていない点以外が、第１の実施例と同じ構成であるフィルム外装電池を用意した。

　〈比較結果〉
　第１の実施例のフィルム外装電池について、直流電源を用いて１００Ａの定電流充電による過電流試験を行い、外装フィルムの内部にガスを発生させた。第１の実施例のフィルム外装電池に関しては、試験を行った１０個全てにおいて、破裂することなく、内部に発生したガスが勢いよく噴出することなく、切れ目１１からガスが大気に開放された。比較例のフィルム外装電池に関しては、第１の実施例と同じ条件の過電流試験を行ったところ、試験を行った１０個全てにおいて、内部に発生したガスが勢いよく噴出した。
　以上の結果から、本発明によれば、電池要素２の封止状態の信頼性を低下させることなく、異常発熱等に伴うガスの発生によって生じた、外装フィルムの内部圧力の異常な上昇時に、より少量のガスが発生するだけでガスを安全に外部に開放できることができる。

　第２の実施例として、第１の実施例の切れ目１１の代わりに、図６に示すように、電池要素貫通孔１０の内部における外装フィルムの溶着部分に開口１２が形成されてもよい。第２の実施例においても、第１の実施例と同様の作用、効果を得ることができる。なお、一方の外装フィルムの開口の周囲は、他方の外装フィルムに溶着されて封止されている。
　電池要素貫通孔１０の内部に形成される切れ目１１または開口１２は、電池要素２の内部に生じたガスを放出させるための部分であって、切れ目１１または開口１２の周囲の部分が、外装フィルムが溶着されて封止されている形態であれば、重ね合わされた上外装フィルム及び下外装フィルムの両方に跨がって形成されてもよい。
　また、上述した実施形態では、外装フィルムとして外周部が溶着される一組の上外装フィルム８と下外装フィルム９が用いられたが、この構成に本発明が限定されるものではない。例えば、負極端子及び正極端子の一部を外装フィルムの外部に突出させるための箇所を除いて予め接合または溶着されることで袋状に形成された外装フィルムが用いられてもよい。この場合、袋状の外装フィルム内に電池要素を収容し、負極端子及び正極端子の一部を外装フィルムの外部に突出させるための箇所を溶着して、外装フィルムによって電池要素を封止する。これよって、電池要素を封止するための外装フィルムの溶着箇所を減らすことができる。

　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細に対して、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
　この出願は、２０１３年　７月１２日に出願された日本出願特願２０１３－１４６２１８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　　１　フィルム外装電池
　　２　電池要素
　　３　正極
　　４　負極
　　５　正極端子
　　６　負極端子
　　７　セパレータ
　　８　上外装フィルム
　　９　下外装フィルム
　１０　電池要素貫通孔
　１１　切れ目
　１２　開口
　１３　正極貫通孔
　１４　負極貫通孔
　１５　セパレータ貫通孔

Claims

　セパレータを介して積層された正極と負極とを有する電池要素と、
　前記電池要素を包囲して封止する外装フィルムと、を備え、
　前記正極は正極貫通孔を有し、前記セパレータはセパレータ貫通孔を有し、前記負極は負極貫通孔を有し、
　前記電池要素は、前記正極貫通孔、前記セパレータ貫通孔及び前記負極貫通孔が積層方向に沿って互いに連通してなる電池要素貫通孔を有し、該電池要素貫通孔の内部で前記外装フィルムの一部が溶着され、
　前記電池要素貫通孔の内部において、前記外装フィルムが溶着された部分に切れ目または開口が設けられているフィルム外装電池。
　前記電池要素貫通孔は、前記正極貫通孔、前記負極貫通孔、前記セパレータ貫通孔の順に開口面積が小さくなる、請求項１に記載のフィルム外装電池。
　前記外装フィルムは、第１の外装フィルム及び第２の外装フィルムを含み、前記第１の外装フィルム及び前記第２の外装フィルムによって前記電池要素を覆い、前記電池要素の周囲である外周部を溶着してなる、請求項１または２に記載のフィルム外装電池。
　前記電池要素の内部には、リチウムイオン伝導性を有する非水電解液が含浸されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフィルム外装電池。
　正極貫通孔を有する正極と、負極貫通孔を有する負極とを、セパレータ貫通孔を有するセパレータを介して積層し、前記正極貫通孔、前記負極貫通孔、前記セパレータ貫通孔が互いに連通された電池要素貫通孔を有する電池要素を形成する工程と、
　外装フィルムによって包囲された前記電池要素の前記電池要素貫通孔の内部で前記外装フィルムの一部を溶着する工程と、
　前記電池要素貫通孔の内部で溶着される、前記外装フィルムの溶着部分に切れ目または開口を形成する工程と、を有するフィルム外装電池の製造方法。