JP4830267B2 - ラミネート電池 - Google Patents

Description

本発明は，発電要素がラミネートフィルムに封止された電池（以下，「ラミネート電池」とする）に関する。さらに詳細には，ラミネートフィルムのシール部分の剥離強度が高いラミネート電池に関するものである。

近年，ラミネート電池は，携帯型ＰＣや携帯電話を始めとする電子機器のみならず，ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。このラミネート電池は，発電要素（電極体や電解液等）がラミネートフィルムに封止されている。図９は，ラミネート電池の封止前の状態を示す図である。ラミネートフィルム２には，発電要素１を収納するための収納部２１と，熱溶着して発電要素１を封止するためのフランジ部２５とが設けられている。この収納部２１内に発電要素１を配置し，フランジ部２５を収納部２１の縁辺に沿って隙間なくシールすることで発電要素１が封止される。

具体的には，図１０に示すように発電要素１をその表面と裏面とからラミネートフィルム２で包み，そのラミネートフィルム２の収納部２１の縁辺に沿ってシールヘッドをセットする。そして，そのシールヘッドにてラミネートフィルム２のフランジ部２５を加熱プレスすることにより，ラミネートフィルム２の接着層が溶けてシールされる（以下，熱溶着されている部位を「ヒートシール部」とする）。

このように発電要素がラミネートフィルムに封止されている電池としては，例えば特許文献１に開示されている電池がある。この電池では，段差が設けられているシールヘッドにてラミネートフィルムをシールしている。そのため，ヒートシール部の接着層の層厚が，内部側（発電要素の収納スペース側）では厚く，外部側（ラミネートフィルム端側）では薄くなっている。これにより，ラミネート電池の防湿性およびラミネートフィルムの剥離強度が向上するとしている。

また，発電要素は，過充電・短絡等の異常時に，多量のガスを発生し，収納スペースの圧力（以下，「内圧」とする）を急激に上昇させる場合がある。また，使用環境温度の変化によっても内圧が上昇する場合がある。そのため，ラミネート電池では，発生ガスを安全に排出するための安全機構としてフランジ部の一部にガス排出部が設けられている。このガス排出部は，発生ガスによって内圧が所定値以上に上昇した場合に，発生ガスを開放できる構造になっている。これにより，過充電状態になって内圧が上昇した際，ガス排出部が開放状態となって発電要素の収納スペースに充満したガスを安全に排出することができる。

このようにガス排出部が設けられているラミネート電池としては，例えば特許文献２に開示されている電池がある。この電池では，図１１に示すようにラミネートフィルム２のヒートシール部２２（図１１中の網掛け部分）の一部が他のヒートシール部２２と比べてシール幅が狭くなっている。そして，ラミネートフィルム２のフランジ部のうち，そのシール幅が狭くなっている部位をガス排出部４０としている。そして，ラミネート電池の内圧が上昇した際，ガス排出部４０のヒートシール部２２が逸速く剥離し，開放状態となるとしている。これにより，発電要素の収納スペースに充満したガスを安全に排出することができるとしている。
特開２００１−１９９４１３号公報 特開２００１−９３４８３号公報

しかしながら，図１０に示したラミネート電池には次のような問題があった。すなわち，ラミネートフィルム２を熱溶着すると，ヒートシール部２２の縁辺からラミネートフィルム２の接着樹脂が押し出される。そのため，ラミネートフィルム２の収納部２１の縁辺に沿って隙間なくシールすると，ヒートシール部２２の端部から内部側に向けて多くの接着樹脂が押し出される。図１２は，図１０に示したラミネート電池の破線枠Ｂ内の状態を示す図である。図１２に示すように接着樹脂が押し出されてなる樹脂部８が内部側に大きくはみ出している。ヒートシール部２２の防湿性を向上させるためには接着層の層厚をできる限り薄くする必要があり，ラミネートフィルム２を熱溶着する際には接着層の層厚ができる限り薄くなるように加圧している。そのため，樹脂部８のはみ出し量は，接着層の層厚を薄くすればするほど多くなる。

そして，樹脂部８が内部側にはみ出してしまうと，樹脂部８のはみ出し部分とラミネートフィルム２とによって切欠き形状の部位２８が形成される。そして，内圧の上昇時，この切欠き形状の部位２８に応力が集中する。従って，この切欠き形状の部位２８があるがゆえにヒートシール部２２の剥離強度が低下してしまう。なお，特許文献１に開示されたラミネート電池では，シールヘッドの段差の分だけ接着樹脂のはみ出し量が少ないが，はみ出し自体を抑制するまでには至っていない。そのため，剥離強度の低下を抑制するには至っていない。

また，図１１に示したようにヒートシール部２２の一部に他の部分と比較してシール幅が狭いガス排出部４０を設けたとしても，内圧の上昇時にそのガス排出部４０が確実に開放されるとは限らない。これは，ガス排出部４０以外の部分に接着樹脂のはみ出しによる切欠き形状の部位（図１２参照）が存在すると，その部位でガス排出部４０よりも剥離強度が低下するためであると考えられる。よって，ラミネート電池の内圧が上昇した際に予期せぬ箇所が開放してしまうことがあり，排出ガスの回収が困難となっていた。

本発明は，前記した従来のラミネート電池が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，ヒートシール部の剥離強度を向上させるとともに，電池内部で発生したガスを確実に回収することができるラミネート電池を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされたラミネート電池は，発電要素と，その発電要素を包むラミネートフィルムとを有し，発電要素をその表面と裏面とからラミネートフィルムで包み，ラミネートフィルムの縁辺をシールすることにより発電要素を封止するラミネート電池であって，ラミネートフィルムは，発電要素を収納する収納部と，収納部の縁辺に位置するフランジ部とを有し，フランジ部は，フランジ部の縁辺に位置し，発電要素を少なくとも３方から囲み，接着樹脂によってシール加工されたシール加工部と，シール加工部よりも収納部側に位置し，発電要素を少なくとも３方から囲み，シール加工されていない非シール加工部と，フランジ部の一部であり，フランジ部の縁辺から収納部の縁辺までシール加工された第２シール加工部とを有し，接着樹脂のシール加工部から発電要素側へのはみ出しによる樹脂部は，非シール加工部内に位置し，接着樹脂の第２シール加工部から発電要素側へのはみ出しによる第２樹脂部は，収納部による収納スペース内に位置することを特徴とするものである。

すなわち，本発明のラミネートフィルム電池では，フランジ部に対して熱溶着等のシール加工を行うことにより発電要素を封止している。そして，フランジ部には，シール加工されているシール加工部と，そのシール加工部より発電要素側に位置する非シール加工部とが設けられている。すなわち，フランジ部をシールする際，収納部とシールヘッドとの間に隙間を設けてシール加工することにより，加圧されていない非シール加工部を設けている。この隙間は，少なくとも１．５ｍｍ以上である。このような隙間，すなわち非シール加工部を設けることにより，接着樹脂のはみ出しによる樹脂部が発電要素の収納スペースにまではみ出すことが抑制される。よって，シール加工部の剥離強度の低下が抑制される。

また，より具体的には，ラミネートフィルムの接着樹脂がシール加工部から収納部側にはみ出してなる樹脂部を有し，その樹脂部の発電要素側の端部が非シール加工部内に位置するようにシール加工がなされている。このようなシール加工が行われることにより，接着樹脂のはみ出し部分，すなわち樹脂部が発電要素の収納スペースにはみ出さない。よって，樹脂部のはみ出しによる切欠き形状の部位が形成されず，シール加工部の剥離強度の低下が抑制される。

また，本発明のラミネートフィルム電池のフランジ部の一部には，フランジ部の縁辺から収納部の縁辺までシール加工された第２シール加工部が設けられ，接着樹脂の第２シール加工部から発電要素側へのはみ出しによる第２樹脂部は，収納部による収納スペース内に位置する。

すなわち，本発明のラミネートフィルム電池では，第２シール加工部として，非シール加工部の幅が他の部位の非シール加工部の幅と比較して狭い部位が設けられている。すなわち，フランジ部をシールする際，第２シール加工部については収納部とヒートシール部との隙間を狭くしてシール加工している。これにより，第２シール加工部については接着樹脂が発電要素の収納スペースにまで押し出されることになる。よって，第２シール加工部についてはシール加工部の剥離強度が低下する。すなわち，フランジ部中に意図的に剥離強度が低い部位が設けられる。この第２シール加工部を，ガス排出部として利用することにより，ラミネート電池の内圧上昇時に確実に内部ガスを回収することができる。

また，より具体的には，ラミネートフィルムの接着樹脂が第２シール加工部から収納部側にはみ出してなる第２樹脂部を有し，その第２樹脂部の発電要素側の端部が収納部による収納スペース内に位置するようにシール加工がなされている。このようにシール加工が行われているため，第２シール加工部については接着樹脂のはみ出し部分，すなわち第２樹脂部が発電要素の収納スペースにはみ出している。よって，第２樹脂部のはみ出しによる切欠き形状の部位が形成され，第２シール加工部では剥離強度の低下する。従って，第２シール加工部をガス排出部として利用することにより，電池内部で発生したガスを確実に回収することができる。

本発明によれば，シール加工部と発電要素との間に非シール加工部を設けることで，ラミネートフィルムの接着樹脂が発電要素の収納スペース内にはみ出すことが抑制される。よって，シール加工部の剥離強度が向上する。また，第２シール加工部として非シール加工部の幅が他の部位の非シール加工部の幅と比較して狭い部位を設けることで，シール加工部と比較して剥離強度が低い部位を意図的に設けることができる。この第２シール加工部をガス排出部として利用することで，内圧の上昇時に確実に開放するガス排出部を備えることができる。よって，ヒートシール部の剥離強度を向上させるとともに，電池内部で発生したガスを確実に回収することができるラミネート電池が実現されている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施の形態は，リチウム電池等の二次電池をラミネートフィルムに封入したラミネート電池に本発明を適用したものである。

本形態のラミネート電池１００は，図１に示すように，発電要素１と，その発電要素１から突出した両極端子１２，１３とを有し，これらがラミネートフィルム２に包まれている。発電要素１は，両極シートがセパレータを挟んで捲回され，扁平状に形成されたものである。発電要素１の両極シートには，両極端子１２，１３がそれぞれ接続されている。また，両極端子１２，１３はラミネートフィルム２からも突出している。ラミネートフィルム２は，金属箔の両面に樹脂がコーティングされたものであり，一方の樹脂層が接着層として，他方の樹脂層が表面保護層としての機能を有する。また，ラミネートフィルム２の縁辺は熱溶着されており，発電要素１が密封された状態となっている。これらの構成はラミネート電池としては一般的なものである。

発電要素１を構成する各部材の具体例としては，例えば正極の電極シートとしてコバルト酸リチウム，負極の電極シートとして黒鉛化炭素材料，セパレータとしてポリエチレン等の樹脂，さらに電解液としてリチウム塩を溶解させた有機溶媒が利用される。ラミネートフィルム２は，４０μｍ程度の厚さのアルミ箔を基板とし，その片面に８０μｍ程度の厚さのポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）等の接着層を，もう片面に２５μｍ程度の厚さのポリアミド等の表面保護層をそれぞれコーティングしたものである。ラミネートフィルム２は，内部側（発電要素１の収容スペース側）が接着層となり，外部側が表面保護層となるように配置されている。

図２は，図１に示したラミネート電池１００を側面から見た図である。図２に示すようにラミネート電池１００のラミネートフィルム２には，エンボス加工により形成された収納部２１と，その収納部２１の縁辺に位置するフランジ部２５とが設けられている。すなわち，収納部２１内によって発電要素１をその表面と裏面とから包み，フランジ部２５を熱溶着することにより発電要素１が封止される。なお，フランジ部２５のうち，熱溶着加工がなされている箇所をヒートシール部２２（図１中の網掛け部分）とし，熱溶着加工がなされていない箇所を非シール加工部２３とする。

具体的に本形態では，ラミネートフィルム２のフランジ部２５に対しヒートプレスを行う。さらに，ヒートシール部２２全体の膜厚が２００μｍになるまで加圧する。これにより，ラミネートフィルム２の接着層同士を熱溶着させる。そして，本形態では，図３に示すようにラミネートフィルム２の収納部２１とヒートシール部２２（シールヘッド）との間に隙間Ｌを設けて加圧する。隙間Ｌの大きさは，ラミネートフィルム２の接着層の層厚やシールヘッドの加圧力等によって調節する。本形態では，１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内が適当である。

図４は，図３に示したラミネート電池の破線枠Ａ内の状態を示している。図４に示すように接着樹脂がヒートシール部２２からはみ出して樹脂部８をなしている。この樹脂８の内部側の端部８１は，隙間Ｌ内，すなわち非シール加工部２３内に位置している。また，隙間Ｌの大きさは，ラミネートフィルム２のシール後，発電要素１の収納スペースに樹脂８がはみ出さない，すなわち樹脂８のはみ出しによる切欠き形状の部位（図１２参照）が形成されない程度に設計されている。この樹脂層８の内部側の端部８１の形状は円弧形状となるため，切欠き形状の場合と比較して平坦性が高い。また，内圧上昇時には，ラミネートフィルム２が外部側に撓むため，より平坦性が高くなる。そのため，応力の集中が回避され，ヒートシール部２２の剥離強度の低下が抑制される。

また，ラミネートフィルム２のフランジ部２５の一部には，図１に示すようにガス排出部４が設けられている。このガス排出部４は，内圧が所定値（本形態では，０．５５ＭＰａとする。以下，「開放圧」とする）に達すると，ガス排出部４のヒートシール部分が裂ける構造になっている。これにより，過充電状態になって電解液の分解ガスが発生した場合に，内圧が開放圧に達することでガス排出部４が開き，発電要素１の収納スペースに充満したガスを安全に放出することができる。

具体的に，本形態のガス排出部４は，フランジ部２５の一部であって，収納部２１の縁辺までシールされている部位のことである。すなわち，フランジ部２５のガス排出部４以外の部分では，ラミネートフィルム２が収納部２１の縁辺に対して１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度の隙間Ｌを設けてシールされている。そのため，幅が１．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度の非シール加工部２３が存在している。一方，ガス排出部４ではそのような隙間を設けることなくシールされている。そのため，非シール加工部２３の幅が非常に狭い。よって，ガス排出部４以外の部分では接着樹脂のはみ出しによる樹脂部８が収納スペース側に突出しておらず（図４参照），ヒートシール部２２の剥離強度は高い。一方，ガス排出部４では樹脂部８が収納スペース側に突出しており（図１２参照），その剥離強度は低い。よって，フランジ部２５中に，剥離強度が低い箇所と高い箇所とを確実に作り出すことができる。

続いて，本形態のラミネート電池および従来のラミネート電池について，剥離強度実験を行った結果について説明する。この実験では，シールされた状態のラミネートフィルムを両端から引き裂くように引っ張り，接着破壊に必要な力を計測した。なお，被検ラミネート電池は，シールヘッドの温度が１９０℃で，ヒートシール部の両面から１ＭＰａの圧力で４秒間の加圧を行うことでシールしたものである。また，非シール加工部の幅は，２．０ｍｍとする。

図５に本剥離強度試験の結果を示す。従来のラミネート電池（図１１参照）のようにラミネートフィルムの収納部とヒートシール部との間に隙間を設けていないタイプのものでは，およそ７．４ｋｇｆ／１５ｍｍの力が必要であった。一方，本形態のラミネート電池（図１参照）のようにラミネートフィルムの収納部とヒートシール部との間に隙間が設けられているタイプのものでは，およそ１２．３ｋｇｆ／１５ｍｍの力が必要であった。この結果から，本形態のラミネート電池の方が，従来のラミネート電池と比較して引っ張りに対する強度，すなわち剥離強度が高いことがわかった。

次に，本形態のラミネート電池および従来のラミネート電池について，破壊耐圧実験の結果について説明する。この実験では，ラミネート電池の破壊圧力および破壊部位の確認を行い，ガス排出部としての機能を検証した。なお，被検ラミネート電池は，シールヘッドの温度が２００℃で，ヒートシール部の両面からヒートシール部全体の膜厚が２００μｍとなるまで（およそ３０秒間）の加圧を行うことでシールしたものである。また，非シール加工部の幅は，３．０ｍｍとする。

図６は，本破壊耐圧試験の概略を示す図である。本破壊耐圧試験では，被検ラミネート電池５０を所定の位置に配置し，被検ラミネート電池５０とエア配管５４とを接続する。なお，被検ラミネート電池５０は，図７に示すように被検ラミネート電池５０自体が一対のアルミニウム拘束板５１，５２により挟持され，アルミニウム拘束板５１，５２の四角がボルトで締結されて固定されている状態となっている。なお，被検ラミネート電池５０のうち，フランジ部５５については開放されている。

本破壊耐圧試験では，被検ラミネート電池５０とエア配管５４とを接続した後，被検ラミネート電池５０を安全カバー５３で覆い，圧力レギュレータにて徐々に加圧する。そして，被検ラミネート電池５０の内圧が徐々に上昇し，被検ラミネート電池５０が破壊に至る。そして，被検ラミネート電池５０の破壊時の圧力を圧力センサにて計測し，その圧力値を圧力表示器に表示する。これにより，被検ラミネート電池５０の破壊圧力値およびそのばらつきを検証した。また，被検ラミネート電池５０の破壊部位については，アルミニウム拘束板５１，５２をばらし，目視によって確認する。これにより，ガス排出部にて破壊が生じているか否かを検証した。

図８に本破壊耐圧試験の結果を示す。従来のラミネート電池（図１１参照）のようにヒートシール部を収納部に対して隙間なく設け，ヒートシール部の一部に非シール部分を設けてその部位をガス排出部とするタイプのものでは，ガス排出部での開放率が４０％と非常に低かった。これは，ガス排出部以外の部位で内部側に樹脂部がはみ出して切欠き形状の部位が形成されてしまっていること，一方でガス排出部としてヒートシール部の幅を狭くし非シール部分の幅を広くすることによりかえって剥離強度の低下を抑制することになってしまっていることが原因と考えられる。

一方，本形態のラミネート電池（図１参照）のようにラミネートフィルムの収納部とヒートシール部との間に非シール加工部を設け，フランジ部の一部に収納部の縁辺までシールした部分を設けてその部位をガス排出部とするタイプのものでは，ガス排出部での開放率が１００％であった。この実験により，本形態のラミネート電池は，従来のラミネート電池と比較して，開放圧のばらつきが小さく，確実にガス排出部から内部ガスを放出することができることがわかった。

以上詳細に説明したように本形態のラミネート電池１００では，フランジ部２５をシールする際，収納部２１とヒートシール部２２との間に所定の幅の非シール加工部２３を設けることとしている。具体的には，ヒートシール部２２からはみ出してなる樹脂部８がその非シール加工部２３内に収まるように，非シール加工部２３の幅，ラミネートフィルム２の接着層の層厚，シールヘッドの加圧力等を調節することとしている。これにより，接着樹脂のはみ出しによる樹脂部８が収納部２１による収納スペースに突出することが抑制されるとともに，切欠き形状の部位の形成が抑制される。よって，ヒートシール部２２の剥離強度の低下が抑制される。

また，本形態のラミネート電池１００は，ガス排出部４として，フランジ部２５の一部に収納部２１の縁辺までシールした部位を設けることとしている。すなわち，ガス排出部４では，意図的に樹脂部８を収納スペース側に突出させて切欠き形状の部位を設けることにより剥離強度を低くしている。そのため，ラミネート電池１００の内圧が上昇した際に，ガス排出部４が逸速く開放される。よって，ヒートシール部２２の剥離強度を向上させるとともに，ラミネート電池内部で発生したガスを確実に回収することができるラミネート電池が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，ラミネート電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち，本発明における電池とは，化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する素子であればよく，ニッケル水素電池，ニッカド電池，燃料電池，電解型コンデンサ等にも適用可能である。

また，発電要素の包み方としては，１枚のラミネートフィルムを折り曲げてその内側に発電要素を配置して折り目以外の３方をシールするとしてもよいし，２枚のラミネートフィルムの間に配置し４方をシールするとしてもよい。

本形態に係るラミネート電池の概略を示す正面図である。 図１に示したラミネート電池の概略を示す側面図である。 図１に示したラミネート電池の熱溶着時のヒートシール部を示す断面図である。 図３に示したラミネート電池の破線枠内の状態を示す断面図である。 剥離強度試験の結果を示すグラフである。 破壊耐圧試験の概略を示す図である。 破壊耐圧試験時の被検ラミネート電池の状態を示す図である。 破壊耐圧試験の結果を示す表である。 従来の形態に係るラミネート電池の構成を示す図である。 従来の形態に係るラミネート電池の熱溶着時のヒートシール部を示す断面図である。 従来の形態に係るラミネート電池のガス排出部の構成を示す図である。 図１０に示したラミネート電池の破線枠内の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 発電要素（発電要素）
２ ラミネートフィルム（ラミネートフィルム）
４ ガス排出部（第２シール加工部）
８ 樹脂部（樹脂部，第２樹脂部）
２１ 収納部（収納部）
２２ ヒートシール部（シール加工部）
２３ 非シール加工部（非シール加工部）
２５ フランジ部（フランジ部）
１００ ラミネート電池

Claims (2)

1. 発電要素と，前記発電要素を包むラミネートフィルムとを有し，前記発電要素をその表面と裏面とから前記ラミネートフィルムで包み，前記ラミネートフィルムの縁辺をシールすることにより前記発電要素を封止するラミネート電池において，
   前記ラミネートフィルムは，
   前記発電要素を収納する収納部と，
   前記収納部の縁辺に位置するフランジ部とを有し，
   前記フランジ部は，
   前記フランジ部の縁辺に位置し，前記発電要素を少なくとも３方から囲み，接着樹脂によってシール加工されたシール加工部と，
   前記シール加工部よりも前記収納部側に位置し，前記発電要素を少なくとも３方から囲み，シール加工されていない非シール加工部と，
   前記フランジ部の一部であり，前記フランジ部の縁辺から前記収納部の縁辺までシール加工された第２シール加工部と，
   を有し，
   前記接着樹脂の前記シール加工部から前記発電要素側へのはみ出しによる樹脂部は，前記非シール加工部内に位置し，
   前記接着樹脂の前記第２シール加工部から前記発電要素側へのはみ出しによる第２樹脂部は，前記収納部による収納スペース内に位置することを特徴とするラミネート電池。
2. 請求項１に記載するラミネート電池において，
   前記非シール加工部の幅は，少なくとも１．５ｍｍであることを特徴とするラミネート電池。

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