JP3818232B2 - Multilayer battery case - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介在しつつ積層した発電要素の外装にラミネートシート等の金属複合フィルムを用いて、その周縁部を熱融着等により接合して密封するようにした積層型電池の外装ケースに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車の排ガスによる大気汚染が世界的な問題となっている中で、電気を動力源とする電気自動車やエンジンとモータを組み合わせて走行するハイブリッドカーが注目を集めており、これらに搭載する高エネルギー密度、高出力密度となる高出力型電池の開発が産業上重要な位置を占めている。
【0003】
このような高出力型電池としては例えばリチウムイオン電池があり、平板状の正極板と負極板とをセパレータを介在しつつ積層した積層型電池がある。
【0004】
上述の積層型電池では、扁平状で矩形状となった発電要素の両面をラミネートシート等の高分子金属複合フィルムで形成した1対の外装材で挟み、その周縁部を熱融着により接合して発電要素とともに電解液を密封するようになっている。
【0005】
この場合、例えば特開2002−100337号公報に開示されるように、一方の外装材に発電要素を収納する凹部を形成してカップ状とし、このカップ状の凹部に電解液とともに発電要素を収納し、その凹部の開口部を他方の平面状の外装材で覆った後、それぞれの周縁部を熱融着して密封した外装ケースとしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属複合フィルムを外装ケースとする積層型電池では、発電要素を両側から覆うカップ状および平面状となるそれぞれの外装材に同一(同厚)の素材を使用していた。
【0007】
このため、発電要素への熱影響を避けつつ周縁部を熱融着する際の制限や、充電時等に電解液から発生するガスによる内部圧力の高まりを緩和するための制限等により、外装材を厚肉化する等して外装ケースに剛性を求めることが困難であった。
【0008】
従って、積層型電池の単体を上下方向に積層して組電池を構成する場合に、この組電池の全体的な剛性を得るために各電池単体間に補強用の板材、例えばアルミ板等を介在させる必要があり、組電池を構成する際に構成部品が増加してコストアップや重量増が来されてしまう。
【0009】
そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたものであり、発電要素を収納する凹部を形成した外装材の内部圧力の緩和機能を残しつつ、剛性を向上させる積層型電池の外装ケースを提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明の積層型電池の外装ケースは、正極板と負極板とをセパレータを介在しつつ積層した発電要素の両面を、上記発電要素を収納する凹部を形成した金属複合フィルムからなるカップ状外装材と、平坦に形成した金属複合フィルムからなる平面状外装材とによって覆い、上記凹部内に上記発電要素を収納するとともに電解液を充填した状態で、上記カップ状外装材と上記平面状外装材とを、このカップ状外装材の周縁部に相当する部分で熱融着して密封した積層型電池の外装ケースであって、上記金属複合フィルムは、金属層を基材とし、当該金属層の熱融着側となる内側及びその反対側となる外側を樹脂層でコーティングし、上記平面状外装材を形成した上記金属複合フィルムの基材を、上記カップ状外装材を形成した上記金属複合フィルムの基材よりも厚く形成しており、断熱材を、上記発電要素と上記平面状外装材との間に挟装した。
【0011】
【発明の効果】
かかる構成により、本発明の積層型電池の外装ケースにあっては、発電要素を収納する凹部を形成したカップ状外装材の基材の厚みを薄くしておくことにより、このカップ状外装材にフレキシブル性を確保して内部圧力に対する緩和機能を発揮することができるとともに、平面状外装材の基材の厚みを厚くしたことにより、この平面状外装材の剛性を向上することができる。また、断熱材を、発電要素と平面状外装材との間に挟装したため、熱融着時に平面状外装材から発電要素への熱伝達を当該断熱材によって遮断することができ、電池性能の劣化を防止することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0013】
図1〜図6は本発明にかかる積層型電池の外装ケースの第1実施形態を示し、図1は積層型電池の平面図、図2は積層型電池の正面図、図3は積層型電池の側面図、図4は図1中A−A線に沿った断面図、図5は図1中B−B線に沿った断面図、図6は図5中C部の拡大断面図である。
【0014】
本実施形態の積層型電池10は、発電要素としての積層電極11を、積層電極11を収納する凹部20を形成した金属複合フィルムからなるカップ状外装材としての第1のラミネートシート12と、前記凹部20の開口部を覆うように平坦に形成した金属複合フィルムからなる平面状外装材としての第2のラミネートシート13との中央部間に配置し、これら1対の第1、第2のラミネートシート12、13によって積層電極11の両面(図1中、表裏方向)を挟むようにして覆っている。
【0015】
積層電極11は図6に示すように、複数枚の正極板11Aおよび負極板11Bをセパレータ11Cを介在しつつ順次積層して構成され、各正極板11Aが図4に示すように、正極リード11Dを介して正極端子としての正極タブ14と接続されるとともに、各負極板11Bが、負極リード11Eを介して負極タブ15と接続されている。
【0016】
そして、積層型電池10の組付け時には、第1のラミネートシート12の凹部20に積層電極11を収納するとともに電解液を充填した後、第2のラミネートシート13で凹部20を覆って、これら両方の第1、第2のラミネートシート12、13を、第1ラミネートシート12の周縁部12aに相当する部分(本実施形態では第2ラミネートシート13の周縁部13a)を熱融着して密封することにより外装ケース16を構成している。
【0017】
正極タブ14および負極タブ15は、図4に示すように、第1、第2のラミネートシート12、13の周縁部12a、13aを熱融着した接合部分17から外方に引き出すようになっており、これら正極タブ14および負極タブ15の接合部分17に配置される部分には、図示省略する樹脂シートを巻き付けて熱融着時の溶着性を高め、両電極タブ14、15周囲の密封性を確保するようになされている。
【0018】
かかる構成の積層型電池10としては、例えばリチウムイオン二次電池があり、この場合、正極板11A、11A…を形成している正極の正極活物質として、リチウムニッケル複合酸化物、具体的には一般式LiNi1-xMxO2(但し、0.01≦x≦0.5であり、MはFe,Co,Mn,Cu,Zn,Al,Sn,B,Ga,Cr,V,Ti,Mg,Ca,Srの少なくとも一つである。)で表せる化合物を含有する。
【0019】
また、正極はリチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質を含有することも可能である。リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質としては、例えば一般式LiyMn2-zM'zO4(但し、0.9≦y≦1.2、0.01≦z≦0.5であり、M'はFe,Co,Ni,Cu,Zn,Al,Sn,B,Ga,Cr,V,Ti,Mg,Ca,Srの少なくとも一つである。)で表される化合物であるリチウムマンガン複合酸化物等が挙げられる。
【0020】
また、一般式LiCo1-xMxO2(但し、0.01≦x≦0.5であり、MはFe,Ni,Mn,Cu,Zn,Al,Sn,B,Ga,Cr,V,Ti,Mg,Ca,Srの少なくとも一つである。)で表せる化合物を含有する。
【0021】
リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物リチウムコバルト複合酸化物等は、例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルト等の炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気中において600〔℃〕〜1000〔℃〕の温度範囲で焼成することにより得られる。
【0022】
なお、正極活性物質の原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物、硝酸塩、有機酸塩等からも同様に合成可能である。また、リチウムニッケル複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物等の正極活物質の平均粒径は、30〔μm〕以下であることが好ましい。
【0023】
また、負極板11Bを形成している負極活物質としては、比表面積が0.05〔m2/g〕以上、2〔m2/g〕以下の範囲であるものを使用する。負極活物質の比表面積が0.05〔m2/g〕以上、2〔m2/g〕以下の範囲であることにより、負極表面上におけるSEI層の形成を十分に抑制することができる。
【0024】
負極活物質の比表面積が0.05〔m2/g〕未満である場合、リチウムの出入り可能な場所が小さすぎるため、充電時において負極活物質中にドープされたリチウムが放電時において負極活物質中から十分に脱ドープされず、充放電効率が低下する。一方、負極活物質の比表面積が2〔m2/g〕を越える場合、負極表面上におけるSEI層の形成を制御することが困難となる。
【0025】
具体的な負極活物質としては、対リチウム電位が2.0〔V〕以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークスや石油コークス等のコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂等を適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック等の炭素質材料を使用することが可能である。
【0026】
また、リチウムと合金を形成可能な金属、およびその合金も使用可能であり、具体的には、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スズ等の比較的低電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物やその窒化物、3B族典型元素の他、SiやSn等の元素、又は例えばMxSi、MxSn(但し、式中MはSi又はSnを除く1つ以上の金属元素を表す。)で表されるSiやSnの合金等を使用することができる。これらの中でも、特にSi又はSi合金を使用することが好ましい。
【0027】
さらに、電解液に用いる電解質としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のいわゆる電解液であってもよいし、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよい。
【0028】
非水電解質としてはポリマーゲル電解質を用いる場合、使用する高分子材料としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル等が挙げられる。
【0029】
非水溶媒としては、この種の非水電解質二次電池においてこれまで使用されている非水溶媒であれば何でも使用可能であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ-ブチロラクトン、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、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル等が挙げられる。なお、これらの非水溶媒は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。
【0030】
特に、非水溶媒は不飽和カーボネートを含有することが好ましく、具体的には、ビニレンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロプロピリデンカーボネート、プロピリデンカーボネート等を含有することが好ましい。また、これらの中でも、ビニレンカーボネートを含有することが最も好ましい。非水溶媒として不飽和カーボネートを含有することにより、負極活物質に生成するSEI層の性状に起因する効果が得られ、耐過放電特性がより向上すると考えられる。
【0031】
また、この不飽和カーボネートは電解質中に0.05重量%以上、5重量%以下の割合で含有されることが好ましく、0.5重量%以上、3重量%以下の割合で含有されることが最も好ましい。不飽和カーボネートの含有量を上記範囲とすることで、初期放電容量が高く、エネルギー密度の高い非水二次電池となる。
【0032】
電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばLiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、CH3SO3Li、CF3SO3Li等が使用可能である。これらの電解質塩は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いることも可能である。
【0033】
かかる構成に加えて本実施形態の積層型電池10では、図6に示すように、第1のラミネートシート12が、金属層としてのアルミ層α1を基材とし、このアルミ層α1の熱融着側となる内側にPE(ポリエチレン)またはPP(ポリプロピレン)等でなる高分子樹脂層β1をコーティングし、かつ前記アルミ層α1の外側に樹脂保護層としてのナイロン層γ1を接着して構成されている。
【0034】
また、これと同様に第2のラミネートシート13が、金属層としてのアルミ層α2を基材とし、このアルミ層α2の熱融着側となる内側に高分子樹脂層β2をコーティングし、かつ前記アルミ層α2の外側にナイロン層γ2を接着して構成されている。
【0035】
ここで、前記1対の第1、第2のラミネートシート12、13は、平面状に形成した第2のラミネートシート13のアルミ層α2に厚肉(厚さt1)のアルミ板を用いる一方、カップ状に形成した第1のラミネートシート12のアルミ層α1に薄肉(厚さt2)のアルミ箔を用いており、前者のアルミ層α2を後者のアルミ層α1よりも厚く(t1>t2)形成している。
【0036】
このとき、アルミ板を用いたアルミ層α2は、アルミ箔を用いたアルミ層α1に対して5〜10倍程度の厚さを有しており、その厚肉化したアルミ層α2の厚さt1は、熱融着性を維持しつつ剛性を優先させるために略0.2〔mm〕程度に設定するのが好ましい。因みに、薄肉化したアルミ層α1の厚さt2は、フレキシブル性を優先させるために0.1〔mm〕以下に設定するのが好ましい。
【0037】
以上の構成により、第1実施形態における積層型電池10の外装ケース16にあっては、積層電極11を収納するための凹部20を形成したカップ状の第1のラミネートシート12は、アルミ層α1をアルミ箔で形成してその厚さt2を薄肉化してあるので、第1のラミネートシート12のフレキシブル性を確保することができる。
【0038】
このため、前記第1のラミネートシート12は、相手側の平面状の第2のラミネートシート13とそれぞれの周縁部12a、13aを熱融着して密封した状態で、凹部20に封入した電解液からガスが発生して凹部20内の内部圧力が上昇した場合にも、この凹部20の外壁が変形して圧力を緩和させることができる。
【0039】
一方、平面状の第2のラミネートシート13は、アルミ層α2をアルミ板で形成してその厚さt1を厚肉化してあるので、この第2のラミネートシート13に所定の剛性を付与することができ、ひいては、外装ケース16全体の剛性を高めることができる。
【0040】
このため、後述の第3実施形態にも示すように、積層型電池10を上下方向に積層して組電池を構成する場合に、各積層型電池10間には従来のように剛性確保のための板材を介在させる必要が無くなり、構成部材の削減を図りつつ組電池を簡単に構成できるようになるため、安価な組電池を提供できるようになる。
【0041】
また、本実施形態の外装ケース16を構成する第1、第2のラミネートシート12、13は、基材となるアルミ層α1、α2の熱融着側となる内側に高分子樹脂層β1、β2をそれぞれコーティングしたので、これら高分子樹脂層β1、β2によって熱融着した時に、第1、第2のラミネートシート12、13の高い結着性を得ることができるとともに、正、負の両電極タブ14、15の配置部分では、これら正、負極タブ14、15との溶着およびこれら正、負極タブ14、15に取り巻いた樹脂シートとの溶着を確実に行うことができる。
【0042】
また、前記アルミ層α1、α2の外側にナイロン層γ1、γ2を接着したので、このナイロン層γ1、γ2によってアルミ層α1、α2が付傷するのを防止して、電池性能の劣化を防止することができる。
【0043】
図7〜図11は本発明の第2実施形態を示し、前記第1実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【0044】
図7は積層型電池の1つの例を示す斜視図、図8は積層型電池の他の例を示す斜視図、図9は積層型電池を上下に積層した状態の斜視図、図10は組電池の断面正面図、図11は組電池の断面側面図である。
【0045】
この第2実施形態の図7に示す積層型電池10aおよび図8に示す積層型電池10a′は、1つの平面状外装材としての第2のラミネートシート13に複数(本実施形態では2つ)のカップ状外装材としての第1のラミネートシート12を並設し、これら第1のラミネートシート12の凹部20に前記第1実施形態に示した積層電極11を収納している。
【0046】
勿論、第1のラミネートシート12の凹部20には、第1実施形態と同様に積層電極11の収納とともに電解液を充填し、この後、各凹部20を第2のラミネートシート13で覆って、これら第1のラミネートシート12と第2のラミネートシート13とを、第1のラミネートシート12の周縁部12aに相当する部分で熱融着して密封する。
【0047】
このとき、図7に示す積層型電池10aは、第1のラミネートシート12および第2のラミネートシート13の接合部分17から引き出した正極タブ14を第2のラミネートシート13に対して同一方向に揃えて配置し、負極タブ15をその反対側に揃えて配置する。
【0048】
一方、図8に示す積層型電池10a′は、並設した一方の正極タブ14と他方の負極タブ15を第2のラミネートシート13に対して同一方向に配置する。
【0049】
このように、積層型電池10a、10a′は、目的とする電圧や電気容量に応じて適宜選択して構成することができる。
【0050】
また、前記第1、第2のラミネートシート12、13は、第1実施形態と同様に基材となるアルミ層、高分子樹脂層およびナイロン層によって構成され、第2のラミネートシート13の基材となるアルミ層を、第1のラミネートシート12の基材となるアルミ層よりも厚く形成している。
【0051】
従って、この第2実施形態の積層型電池10a、10a′は、前記第1実施形態の積層型電池10と同様の機能を奏するのは勿論のこと、さらに、1つの第2のラミネートシート13に複数の第1のラミネートシート12を熱融着することにより、1つの第2のラミネートシート13をベースとして複数の電池単体を平面配置することが可能となる。
【0052】
このため、積層型電池10a、10a′を複数設けて、それぞれを図9に示すように、上下方向に積層することにより、正極タブ14および負極タブ15の配置方向によって、簡単に高い電圧や大きな電気容量を出力するように構成することができる。
【0053】
なお、図9に示した構成は図7に示した積層型電池10aを、上下に隣接するもの同士で互いに前後逆配置、つまり、正極タブ14と負極タブ15を上下で交互に配置するようにしたものであるが、本発明はこれに限ることなく、図8に示した積層型電池10a′を上下に積層することができるのも言うまでもない。勿論、この積層型電池10a′を積層した場合にも上下間で前後逆配置することができる。
【0054】
図10は、前記図8に示した積層型電池10a′を上下3段に積層して組電池30を構成したもので、この場合、3段積みした積層型電池10a′を電槽31と蓋体31aによって密閉構造となるハウジング32内に収納し、各積層電池10a′の第2のラミネートシート13の4隅部分を、ボルト37等を介して電槽31の底面に結合している。
【0055】
そして、上下の積層型電池10a′間の正極タブ14と負極タブ15を、U字状の導電体33を介して直列接続するとともに、最下段の導電体33で接続していない正極タブ14と負極タブ15とを平板状の導電体34で接続し、かつ、最上段の導電体33で接続していない正極タブ14と負極タブ15にはそれぞれ端子35、36を接続して、これら端子35、36をハウジング32の外方に引き出して構成している。
【0056】
従って、この組電池30では、積層した積層型電池10a′の全ての電池が直列接続されて大電流を出力することができる。
【0057】
勿論、図7に示した積層型電池10aを積層して組電池30を構成してもよく、また、いずれの積層型電池10a、10a′を用いた場合にあっても、各積層型電池10a、10a′で並設した電池は、直列接続に限ることなく並列接続してもよく、また、直列接続と並列接続を併用した接続を用いることもできる。
【0058】
図12、図13は本発明の第3実施形態を示し、前記第1実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【0059】
図12は積層型電池の断面正面図、図13は積層型電池の断面側面図である。
【0060】
この第3実施形態の積層型電池10bは、図12、図13に示すように、凹部20を形成したカップ状の第1のラミネートシート12と平面状の第2のラミネートシート13の熱融着時に、積層電極11の温度上昇を抑制する熱影響抑制手段としての断熱材40が、積層電極11と第2のラミネートシート13との間に介在させるように設けられている。
【0061】
断熱材40としては、積層電極11に直接接触する関係上、絶縁性を備えており、例えばセラミックの薄板、PP等の樹脂製で融点の高い不織布、または繊維状の樹脂材等を用いることができる。
【0062】
勿論、この実施形態にあっても前記第1実施形態と同様に第2のラミネートシート13のアルミ層α2(図6)を第1のラミネートシート12のアルミ層α1(図6)よりも厚く形成してある。
【0063】
従って、この第3実施形態では第1、第2のラミネートシート12、13の周縁部12a、13a同士を熱融着する際に、厚肉化したアルミ層α2により熱伝達の効率が高くなった第2のラミネートシート13を伝って積層電極11に伝達される熱融着時の熱を、前記断熱材40によって遮断することができるため、アルミ層α2の厚肉化により第2のラミネートシート13の剛性を増大しつつ、積層電極11の熱影響を抑制して電池性能の劣化を防止することができる。
【0064】
なお、本実施形態では、熱影響抑制手段としてセラミックの薄板、PP等の樹脂製で融点の高い不織布、または繊維状の樹脂材等でなる断熱層40を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は第1のラミネートシート12と第2のラミネートシート13の熱融着時に、積層電極11の温度上昇を抑制するものであれば、熱影響抑制手段としては、第2のラミネートシート13におけるアルミ層α2の熱融着側となる内面に形成されるPP等の高分子樹脂層β2を用い、この高分子樹脂層β2の厚みを厚く形成するようにしてもよい。
【0065】
図14、図15は本発明の第4実施形態を示し、前記第1実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【0066】
図14は熱影響制御手段としての局部加熱装置を用いて平面状外装材をカップ状外装材に熱融着する手順の説明に供する斜視図、図15は局部加熱装置の要部拡大断面図である。
【0067】
この第4実施形態の積層型電池10cは図14に示すように、局部加熱装置50を用いて、アルミ層α2を厚肉化した平面状の第2のラミネートシート13の熱融着施工部分(本実施形態では周縁部13a)を余熱し、この余熱終了後、直ちに第2のラミネートシート13を第1のラミネートシート12に重ね合わせて本加熱し、熱融着することにより形成される。
【0068】
局部加熱装置50は、図15にも示すように、第2のラミネートシート13のの熱融着施工部分(周縁部13a)に配置する電磁誘導を用いた加熱部51と、積層電極11の対応部分(すなわち、図14に示す積層型電池10cにおける第1のラミネートシート12の凹部20に対向する第2のラミネートシート13の中央部分)に配置する冷却部52とを備えている。
【0069】
勿論、本加熱時の第1のラミネートシート12の凹部20には、積層電極11を収納するとともに電解液を充填した状態となっており、また、第2のラミネートシート13を局部加熱装置50にセットする際、高分子樹脂層β2面を局部加熱装置50に接触させるようにしてある。
【0070】
なお、この実施形態では加熱部51に電磁誘導加熱を用いているが、その他の加熱方法、例えば電熱加熱でもよく、また、前記冷却部51は、例えば冷却水を循環させる構成とすることができる。
【0071】
従って、この実施形態では局部加熱装置50によって第2のラミネートシート13の周縁部13aのみを余熱しておくことができるので、この第2のラミネートシート13のアルミ層α2を厚肉化した場合にあっても、本加熱時に第1のラミネートシート12との熱融着を積層電極11に熱影響を与えることなく行うことができ、電池性能の劣化をより一層効果的に防止することができる。
【0072】
なお、本実施形態においては、局部加熱装置50を加熱部51と冷却部52とを備えて構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば冷却部52を設けることなく、加熱部51が電磁誘導加熱を行うようにしてもよい。この場合、加熱部51は電磁誘導加熱を行うので、所望する熱融着施工部分(第2のラミネートシート13の周縁部13a)のみを局部的に加熱することができ、局部加熱装置50を冷却部52を設けることなく構成することができる。
【0073】
また、第1、第2のラミネートシート12、13の本加熱は、第2のラミネートシート13を局部加熱装置50にセットした状態で行うことができ、この場合、第2のラミネートシート13を表裏逆にして前記局部加熱装置50にセットし、さらに、この局部加熱装置50を上下逆にして第2のラミネートシート13を第1のラミネートシート12に被せるようにして本加熱することになる。
【0074】
また、前記局部加熱装置50による余熱工程を経て組付ける積層型電池10cとしては、前記第1〜第3実施形態に示した積層型電池10、10a、10a′、10bにあっても適用することができる。
【0075】
ところで、本発明の積層型電池の外装ケースを前記第1〜第4実施形態に例を取って説明したが、これに限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができ、例えば、積層型電池としてリチウムイオン二次電池を示したが、これに限ることなく同様の構成となる他の電池にあっても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における積層型電池の平面図である。
【図2】本発明の第1実施形態における積層電池の正面図である。
【図3】本発明の第1実施形態における積層電池の側面図である。
【図4】図1中A−A線に沿った断面図である。
【図5】図1中B−B線に沿った断面図である。
【図6】図5中C部の拡大断面図である。
【図7】本発明の第2実施形態における積層型電池の1つの例を示す斜視図である。
【図8】本発明の第2実施形態における積層型電池の他の例を示す斜視図である。
【図9】本発明の第2実施形態における積層型電池を上下に積層した状態の斜視図である。
【図10】本発明の第2実施形態における組電池の断面正面図である。
【図11】本発明の第2実施形態における組電池の断面側面図である。
【図12】本発明の第3実施形態における積層型電池の断面正面図である。
【図13】本発明の第3実施形態における積層型電池の断面側面図である。
【図14】本発明の第4実施形態における局部加熱装置を用いて平面状外装材をカップ状外装材に熱融着する手順を示す工程説明図である。
【図15】本発明の第4実施形態における局部加熱装置の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
10,10a,10a′,10b,10c 積層型電池
11 積層電極(発電要素)
11A 正極板
11B 負極板
11C セパレータ
12 第1ラミネートシート(カップ状外装材)
13 第2ラミネートシート(平面状外装材)
16 外装ケース
20 凹部
30 組電池
40 断熱材(熱影響抑制手段)
50 局部加熱装置(熱影響抑制手段)
51 加熱部
52 冷却部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a metal composite film such as a laminate sheet is used for the exterior of a power generation element in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated with a separator interposed therebetween, and a peripheral portion thereof is bonded and sealed by heat fusion or the like. The present invention relates to an outer case of a laminated battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, air pollution caused by exhaust gas from automobiles has become a global problem, and electric cars powered by electricity and hybrid cars that run in combination with an engine and a motor are attracting attention and will be installed in these. The development of high power batteries with high energy density and high power density occupies an important industrial position.
[0003]
As such a high output type battery, for example, there is a lithium ion battery, and there is a stacked type battery in which a flat positive electrode plate and a negative electrode plate are stacked with a separator interposed therebetween.
[0004]
In the above-mentioned laminated battery, both sides of the flat and rectangular power generating element are sandwiched between a pair of exterior materials formed of a polymer metal composite film such as a laminate sheet, and the peripheral portions thereof are joined by heat fusion. The electrolyte solution is sealed together with the power generation element.
[0005]
In this case, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-1003007, a concave portion for storing the power generation element is formed in one exterior material to form a cup shape, and the power generation element is stored in the cup-shaped concave portion together with the electrolyte. And after covering the opening part of the recessed part with the other planar-shaped exterior material, it is set as the exterior case sealed by heat-sealing each peripheral part.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a laminated battery using a metal composite film as an exterior case, the same (same thickness) material is used for each of the cup-shaped and planar exterior materials covering the power generation element from both sides.
[0007]
For this reason, the exterior material is used by limiting when heat-sealing the peripheral edge while avoiding the thermal effect on the power generation element, or by limiting the increase in internal pressure due to gas generated from the electrolyte during charging, etc. It was difficult to obtain the rigidity of the outer case by increasing the thickness of the outer casing.
[0008]
Therefore, when a battery pack is formed by stacking stacked battery units vertically, a reinforcing plate such as an aluminum plate is interposed between each battery unit to obtain the overall rigidity of the battery pack. Therefore, when the assembled battery is configured, the number of components increases, resulting in an increase in cost and weight.
[0009]
Therefore, the present invention has been made in view of such conventional problems, and an exterior case for a stacked battery that improves rigidity while retaining the function of relieving the internal pressure of the exterior material in which a recess for housing a power generation element is formed. Is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the outer case of the laminated battery of the present invention is a metal composite in which a power generation element in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated with a separator interposed therebetween, and a recess for housing the power generation element is formed. The cup-shaped packaging material is covered with a cup-shaped packaging material made of a film and a planar packaging material made of a metal composite film formed flat, and the power generation element is housed in the recess and filled with an electrolyte. And the above-described planar exterior material are heat-sealed and sealed at a portion corresponding to the peripheral edge of the cup-shaped exterior material, wherein the metal composite film has a metal layer as a base material. and then, the outer as the inner and opposite side the heat receiving-side of the metal layer is coated with a resin layer, the base material of the metal composite film formed with the planar outer package, the cup-shaped outer package The formed forms thicker than the substrate of the metal composite film, a heat insulating material, and sandwiched between the power generating element and the planar outer package.
[0011]
【The invention's effect】
With this configuration, in the outer case of the laminated battery of the present invention, the cup-shaped outer packaging material is formed by reducing the thickness of the base material of the cup-shaped outer packaging material in which the recess for housing the power generation element is formed. While ensuring flexibility and exhibiting a relaxation function against internal pressure, by increasing the thickness of the base material of the planar exterior material, the rigidity of the planar exterior material can be improved. In addition, since the heat insulating material is sandwiched between the power generation element and the planar exterior material, the heat transfer from the planar exterior material to the power generation element can be blocked by the thermal insulation material at the time of heat fusion, and the battery performance is improved. Deterioration can be prevented.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
1 to 6 show a first embodiment of an exterior case of a multilayer battery according to the present invention, FIG. 1 is a plan view of the multilayer battery, FIG. 2 is a front view of the multilayer battery, and FIG. 3 is a multilayer battery. 4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 1, FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 1, and FIG. 6 is an enlarged sectional view of a portion C in FIG. .
[0014]
The
[0015]
As shown in FIG. 6, the
[0016]
When the
[0017]
As shown in FIG. 4, the
[0018]
As the
[0019]
The positive electrode can also contain a positive electrode active material other than the lithium nickel composite oxide. Examples of the positive electrode active material other than the lithium nickel composite oxide include, for example, the general formula LiyMn2-zM'zO4 (where 0.9 ≦ y ≦ 1.2, 0.01 ≦ z ≦ 0.5, and M ′ is Fe, Co, Ni, Cu, Zn , Al, Sn, B, Ga, Cr, V, Ti, Mg, Ca, and Sr.).
[0020]
In addition, the general formula LiCo1-xMxO2 (where 0.01 ≦ x ≦ 0.5, M is Fe, Ni, Mn, Cu, Zn, Al, Sn, B, Ga, Cr, V, Ti, Mg, Ca, Sr At least one)).
[0021]
Lithium-nickel composite oxide, lithium-manganese composite oxide, lithium-cobalt composite oxide, etc. are mixed with carbonates such as lithium, nickel, manganese, cobalt, etc. according to the composition, and 600 [° C.] to 1000 in an oxygen-existing atmosphere. It can be obtained by firing in a temperature range of [° C.].
[0022]
In addition, the raw material of a positive electrode active material is not limited to carbonate, It can synthesize | combine similarly from a hydroxide, an oxide, nitrate, organic acid salt, etc. The average particle diameter of the positive electrode active material such as lithium nickel composite oxide or lithium manganese composite oxide is preferably 30 [μm] or less.
[0023]
As the negative electrode active material forming the
[0024]
When the specific surface area of the negative electrode active material is less than 0.05 [m 2 / g], the lithium can enter and leave the area so that the lithium doped in the negative electrode active material during charging is in the negative electrode active material during discharge. Therefore, it is not sufficiently dedoped, and the charge / discharge efficiency is lowered. On the other hand, when the specific surface area of the negative electrode active material exceeds 2 [m 2 / g], it becomes difficult to control the formation of the SEI layer on the negative electrode surface.
[0025]
As a specific negative electrode active material, any material can be used as long as it is a material capable of doping and dedoping lithium with a lithium potential in the range of 2.0 [V] or less. Carbonized carbonaceous materials, artificial graphite, natural graphite, pyrolytic graphite, cokes such as pitch coke, needle coke, petroleum coke, graphite, glassy carbon, phenolic resin, furan resin, etc. at an appropriate temperature It is possible to use a carbonaceous material such as a fired organic polymer compound, carbon fiber, activated carbon, or carbon black.
[0026]
Metals capable of forming alloys with lithium and alloys thereof can also be used. Specifically, iron is doped with lithium at a relatively low potential such as iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, and tin oxide. In addition to oxides to be dedoped, nitrides thereof, group 3B typical elements, elements such as Si and Sn, or, for example, MxSi, MxSn (where M represents one or more metal elements excluding Si or Sn. Si, Sn alloy, etc. represented by) can be used. Among these, it is particularly preferable to use Si or Si alloy.
[0027]
Furthermore, the electrolyte used for the electrolytic solution may be a so-called liquid electrolytic solution prepared by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent, or a solution obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent in a polymer matrix. It may be a polymer gel electrolyte held in the container.
[0028]
When a polymer gel electrolyte is used as the nonaqueous electrolyte, examples of the polymer material to be used include polyvinylidene fluoride and polyacrylonitrile.
[0029]
As the non-aqueous solvent, any non-aqueous solvent used so far in this type of non-aqueous electrolyte secondary battery can be used, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, diethyl carbonate. Dimethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile and the like. In addition, these non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more.
[0030]
In particular, the non-aqueous solvent preferably contains an unsaturated carbonate, and specifically, preferably contains vinylene carbonate, ethylene ethylidene carbonate, ethylene isopropylidene carbonate, propylidene carbonate, and the like. Among these, it is most preferable to contain vinylene carbonate. By containing unsaturated carbonate as the non-aqueous solvent, it is considered that the effect due to the properties of the SEI layer generated in the negative electrode active material is obtained, and the overdischarge resistance is further improved.
[0031]
The unsaturated carbonate is preferably contained in the electrolyte in a proportion of 0.05% by weight or more and 5% by weight or less, and most preferably 0.5% by weight or more and 3% by weight or less. By setting the unsaturated carbonate content in the above range, a non-aqueous secondary battery having a high initial discharge capacity and a high energy density is obtained.
[0032]
The electrolyte salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt exhibiting ionic conductivity.For example, LiClO4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, LiB (C6H5) 4, LiCl, LiBr, CH3SO3Li, CF3SO3Li, etc. can be used. is there. These electrolyte salts may be used alone or in a combination of two or more.
[0033]
In addition to such a configuration, in the
[0034]
Similarly, the
[0035]
Here, the pair of first and
[0036]
At this time, the aluminum layer α2 using the aluminum plate has a thickness of about 5 to 10 times that of the aluminum layer α1 using the aluminum foil, and the thickness t1 of the thickened aluminum layer α2 is increased. Is preferably set to about 0.2 [mm] in order to give priority to rigidity while maintaining heat-fusibility. Incidentally, the thickness t2 of the thinned aluminum layer α1 is preferably set to 0.1 [mm] or less in order to give priority to flexibility.
[0037]
With the above configuration, in the
[0038]
Therefore, the
[0039]
On the other hand, since the planar
[0040]
Therefore, as shown in a third embodiment to be described later, when a stacked battery is configured by stacking
[0041]
In addition, the first and
[0042]
Further, since the nylon layers γ1 and γ2 are bonded to the outside of the aluminum layers α1 and α2, the nylon layers γ1 and γ2 are prevented from being damaged, thereby preventing deterioration of battery performance. be able to.
[0043]
7 to 11 show a second embodiment of the present invention, in which the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
[0044]
7 is a perspective view illustrating one example of a stacked battery, FIG. 8 is a perspective view illustrating another example of the stacked battery, FIG. 9 is a perspective view of a stacked battery stacked vertically, and FIG. FIG. 11 is a cross-sectional front view of the battery pack, and FIG.
[0045]
The
[0046]
Of course, the
[0047]
At this time, in the
[0048]
On the other hand, in the stacked
[0049]
Thus, the
[0050]
Further, the first and
[0051]
Therefore, the
[0052]
For this reason, by providing a plurality of
[0053]
In the configuration shown in FIG. 9, the
[0054]
FIG. 10 shows a
[0055]
The
[0056]
Therefore, in this assembled
[0057]
Of course, the
[0058]
FIGS. 12 and 13 show a third embodiment of the present invention, in which the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
[0059]
FIG. 12 is a cross-sectional front view of the stacked battery, and FIG. 13 is a cross-sectional side view of the stacked battery.
[0060]
As shown in FIGS. 12 and 13, the
[0061]
As the
[0062]
Of course, even in this embodiment, the aluminum layer α2 (FIG. 6) of the
[0063]
Therefore, in the third embodiment, when the
[0064]
In the present embodiment, the case where the
[0065]
14 and 15 show a fourth embodiment of the present invention, in which the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
[0066]
FIG. 14 is a perspective view for explaining a procedure for heat-sealing a flat outer packaging material to a cup-shaped outer packaging material using a local heating device as a heat influence control means, and FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the local heating device. is there.
[0067]
As shown in FIG. 14, the
[0068]
As shown in FIG. 15, the
[0069]
Of course, the
[0070]
In this embodiment, electromagnetic induction heating is used for the
[0071]
Accordingly, in this embodiment, only the
[0072]
In the present embodiment, the case where the
[0073]
Further, the main heating of the first and
[0074]
Further, the
[0075]
By the way, although the exterior case of the multilayer battery of the present invention has been described by taking the first to fourth embodiments as examples, various embodiments are adopted without departing from the gist of the present invention without being limited thereto. For example, although a lithium ion secondary battery is shown as a stacked battery, the present invention can be applied to other batteries having the same configuration without being limited thereto.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a stacked battery according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the laminated battery in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side view of the laminated battery in the first embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1. FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1. FIG.
6 is an enlarged cross-sectional view of a portion C in FIG.
FIG. 7 is a perspective view showing one example of a stacked battery according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing another example of the stacked battery in the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of a stacked battery according to a second embodiment of the present invention stacked up and down.
FIG. 10 is a cross-sectional front view of an assembled battery in a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional side view of an assembled battery in a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional front view of a stacked battery according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional side view of a stacked battery in a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a process explanatory diagram showing a procedure for heat-sealing a planar exterior material to a cup-shaped exterior material using a local heating device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an enlarged sectional view of a main part of a local heating device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 10a, 10a ′, 10b,
11A
13 Second laminate sheet (planar exterior material)
16
50 Local heating device (heat influence suppression means)
51
Claims (3)
上記発電要素を収納する凹部を形成した金属複合フィルムからなるカップ状外装材と、
平坦に形成した金属複合フィルムからなる平面状外装材とによって覆い、
上記凹部内に上記発電要素を収納するとともに電解液を充填した状態で、上記カップ状外装材と上記平面状外装材とを、このカップ状外装材の周縁部に相当する部分で熱融着して密封した積層型電池の外装ケースであって、
上記金属複合フィルムは、金属層を基材とし、当該金属層の熱融着側となる内側及びその反対側となる外側を樹脂層でコーティングし、
上記平面状外装材を形成した上記金属複合フィルムの基材を、上記カップ状外装材を形成した上記金属複合フィルムの基材よりも厚く形成しており、
断熱材を、上記発電要素と上記平面状外装材との間に挟装した
ことを特徴とする積層型電池の外装ケース。Both sides of the power generation element in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated with a separator interposed therebetween,
A cup-shaped exterior material made of a metal composite film having a recess for accommodating the power generation element;
Covered with a flat exterior made of a metal composite film formed flat,
The cup-shaped exterior material and the planar exterior material are heat-sealed at a portion corresponding to the peripheral edge portion of the cup-shaped exterior material in a state where the power generation element is accommodated in the recess and the electrolytic solution is filled. An outer case of a laminated battery sealed with
The metal composite film has a metal layer as a base material, and coats the inner side of the metal layer which is the heat fusion side and the outer side which is the opposite side with a resin layer,
The base material of the metal composite film in which the planar exterior material is formed is formed thicker than the base material of the metal composite film in which the cup-shaped exterior material is formed ,
An exterior case for a stacked battery, wherein a heat insulating material is sandwiched between the power generation element and the planar exterior material .
ことを特徴とする請求項1に記載の積層型電池の外装ケース。The exterior case of the laminated battery according to claim 1, wherein a plurality of the cup-shaped exterior materials are arranged side by side on the one planar exterior material, and the power generation element is accommodated in each cup-shaped exterior material. .
ことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の積層型電池の外装ケース。The exterior case of the laminated battery according to claim 1 or 2,
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