JP5866939B2 - 電気デバイス - Google Patents

Description

この発明は、リチウムイオン二次電池などの電気デバイスに関する。

負極、セパレータ及び正極をこの順に積層させている発電要素において、隣接するセパレータ同士の延伸方向が互いに交差するようにしたリチウムイオン二次電池がある（特許文献１参照）。

特表２０１０−５１４１０５号公報

上記特許文献１の技術では、発電要素全体として外力を分散させる構造であるものの、外力に対して構造的に弱い部分である発電要素の最外層部や発電要素の側面に対しての保護は考えられていない。そのため、外力が発電要素の最外層部や発電要素の側面に加わっったとき最外層部や側面に近いセパレータが破れ、正極と負極の直接的接触で短絡する可能性がある。

そこで本発明は、発電要素の最外層部や発電要素の側面を保護し得る電気デバイスを提供することを目的とする。

本発明の電気デバイスは、負極、セパレータ及び正極をこの順に積層させている発電要素を対象としている。そして、延伸方向を有する樹脂多孔質体から構成される第１、第２のシートであって、第１のシートの延伸方向と第２のシートの延伸方向とが交差するようにして前記発電要素の全体を重ねて被覆する第１、第２のシートを備えるものである。

本発明によれば、外力に対して構造的に弱い部分である発電要素の最外層部や発電要素の側面を外力から保護することができる。例えば、積層方向を上下方向にして発電要素が置かれているとしたとき、発電要素の積層方向の最外層の２つの面（上下の面）は、延伸方向の異なる２つのシートが重ねて被覆されているので、面で強いものとなっている。一方、発電要素の側面は、積層方向を延伸方向とするシートで被覆されているので、水平方向から側面に向かう外力に対しても強いものとなっている。これによって、力を受ける能力が弱い部分に局所的に張力が作用し、セパレータが破れて正極と負極が直接電気的に接触して短絡することを防止することが可能となり、二次電池などの電気デバイスの信頼性（安全性）を大幅に向上することができる。

本発明の第１実施形態の第１、第２の各シートの平面図である。 発電要素を第１シートで被覆した状態を示す第１実施形態の概略斜視図である。 発電要素を第１、第２のシートで被覆した状態を示す第１実施形態の概略斜視図である。 発電要素の分解斜視図である。 電池全体の概略斜視図である。 発電要素を第１、第２、第３のシートで被覆した状態を示す第２実施形態の概略斜視図である。 第２実施形態の第３のシートの平面図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張している箇所があり、その箇所においては実際の比率と異なっている。

（第１実施形態）
本実施形態のリチウムイオン二次電池１について説明する。図１は第１、第２の各シート２１、２２の平面図である。図２は発電要素２を第１のシート２１で被覆した状態を示す概略斜視図、図３は発電要素２を第１、第２の２枚のシート２１、２２で被覆した状態を示す概略斜視図である。図４は発電要素２の分解斜視図、図５は電池全体の概略斜視図である。

ここで、リチウムイオン二次電池１は、実際に充放電反応が進行する略四角扁平状の発電要素２が、図５に示したように電池外装材であるラミネートフィルム１４の内部に封止された構造を有する。詳しくは、高分子−金属複合ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その周辺部（周縁部）を熱融着にて接合することにより、発電要素２を収納し密封した構成を有している。ここで高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、金属フィルムを高分子フィルム（樹脂フィルム）でサンドイッチした三層構造のものが一般的である。

こうした積層型の電池１は、缶型電池と区分けするために「ラミネート型電池」といわれる。缶型電池は、市販されている単１電池や単３電池のように堅い円筒状の金属製外枠の中に２つの各電極が巻き込んで収納されているものである。一方、ラミネート型電池とは、略四角扁平状の発電要素２の周辺部（周縁部）を熱融着にて接合することにより、発電要素を密封したものをいう。以下では、リチウムイオン二次電池１を、「ラミネート型電池」という。あるいは単に「電池」ともいう。

本実施形態では、発電要素２の全体を後述する第１、第２のシート２１、２２で被覆した後に、ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その周辺部（周縁部）を熱融着にて接合することにより、発電要素２を収納し密封した構成とするものである。このため、発電要素２について図４を参照して先に説明する。

図４に示したように、発電要素２は、負極４、セパレータ１２、正極８をこの順に積層した構成を有している。ここで、負極４は四角薄板状の負極集電体５の両面に負極活物質層６、６を配置したものである。同様に正極８は四角薄板状の正極集電体９の両面に正極活物質層１０、１０を配置したものである。セパレータ１２は主に多孔質の熱可塑性樹脂から形成されている。セパレータ１２が電解液を保持することで、セパレータ１２と一体に電解質層が形成されている。

これにより、隣接する負極４、セパレータ１２及び正極８は、一つの単電池層１３（単電池）を構成する。従って、本実施形態のラミネート型電池１は、単電池層１３を積層することで、電気的に並列接続された構成を有するともいえる。また、単電池層１３の外周には、隣接する負極集電体５と正極集電体９との間を絶縁するためのシール部（絶縁層）を設けてもよい。発電要素２の両最外層に位置する最外層負極集電体５には、いずれも片面のみ（図４で最上段の負極集電体５には下面のみ、最下段の負極集電体５には上面のみ）に負極活物質層６を配置している。なお、図４とは負極及び正極の配置を逆にすることで、発電要素２の両最外層に最外層正極集電体が位置するようにし、該最外層正極集電体の片側のみに正極活物質層を配置するようにしてもよい。

負極集電体５及び正極集電体９には、各電極（負極及び正極）と導通する強電タブ１５、１６を取り付ける。発電要素２は全体として四辺を有する四角扁平状に形成されているので、四辺のうちの一辺のみより２つの強電タブ１５、１６をまとめて外部に導出させている（図５参照）。

さて、ラミネート型電池１は、缶型電池と比較して電池外装材がラミネートフィルムであるため、発電要素２の積層方向（図４で上下方向）の最外層部や発電要素２の積層方向と直交する方向（図４で左右方向）の側面が衝突や振動といった外力に対して構造的に特に弱いという問題がある。ここでは、主にラミネート型電池について説明するが、ラミネート型電池に限られるものでない。例えば、発電要素が樹脂製の外装体で被覆されている電気デバイスについても同様で、こうした電気デバイスについても、発電要素の積層方向の最外層部や発電要素の積層方向と直交する方向の側面が衝突や振動といった外力に対して構造的に弱いという問題がある。

このため、負極、セパレータ及び正極を一方向に積層させている発電要素において、隣接するセパレータ同士の延伸方向が互いに交差するようにした従来装置がある。これは、セパレータは製造時に単軸延伸法が多く採用されるので、延伸方向に力を受けても、セパレータが破れることはないが、延伸方向と直交する方向に力を受けたときには、セパレータが破れることがある。セパレータが破れると、正極と負極とが直接電気的に接続され、短絡を招く。そこで、隣接するセパレータ同士を、延伸方向が互いに交差するように配置することによって、発電要素全体としてセパレータの延伸方向に力を受けても、また、延伸方向と直交する方向に力を受けても発電要素内のセパレータが破れないようにしたものである。

しかしながら、従来装置は、発電要素全体として外力を分散させる構造であるものの、外力に対して構造的に弱い部分である発電要素の最外層部や側面に対しての保護は考えられていない。そのため、外力が発電要素の最外層部や発電要素の側面に加わったとき最外層部や側面に近いセパレータが破れ、正極と負極の直接的接触で短絡する可能性がある。

そこで本実施形態では、延伸方向を有する樹脂多孔質体から構成される第１、第２のシート２１、２２を用意し、第１、第２のシート２１、２２で発電要素２の全体を被覆すると共に、第１のシート２１の延伸方向と第２のシート２２の延伸方向とが直交（交差）するようにする。以下、この点を図１〜図３を参照して詳述する。

ポリプロピレン、ポリエチレンなど樹脂多孔質体から構成される第１、第２のシート２１、２２は、単軸延伸法によって製造されることが多い。単軸延伸法で製造されるシートには、延伸方向と延伸方向に直交する方向とで、引張強度の差を有している。すなわち、延伸方向（図１で上下方向）の引張強度のほうが、延伸方向に直交する方向（図１で左右方向）の引張強度よりも大きい。言い方を変えると、延伸方向（図１で上下方向）の伸び率のほうが、延伸方向に直交する方向（図１で左右方向）の伸び率よりも大きい。図１には縞模様で延伸方向を示しているが、実際にも縞模様があるわけでない。第１、第２のシート２１、２２は、ポリプロピレン、ポリエチレンなど単独の素材で構成してもよいし、複合させた素材としてもかまわない。

こうした第１、第２のシート２１、２２を用意し、いずれも延伸方向に直交する方向に２つ折りする。図１に２つ折りする際の折り目２１ａ、２２ａを破線で示す。図２に示したように２つ折りした第１のシート２１の中央に発電要素２を収納する。その際、第１のシート２１の延伸方向と、強電タブ１５、１６の取り出し方向（図２で左右方向）とが平行となるようにかつ２つ折りした折り目２１ａが強電タブ１５、１６が取り出される辺と反対側の辺側にくるようにする。ただし、図２は第１のシート２１を２つ折りする前の状態を示しているため、折り目２１ａの近傍部分が膨らんだ状態で表されている。

第１のシートの折り目２１ａを強電タブ１５、１６が取り出される辺と反対側の辺にくるようにしたのは、強電タブ１５、１６の取り出しを考慮してのことである。すなわち、折り目２１ａを強電タブ１５、１６が取り出される辺と同じ辺側にくるようにしたときには、強電タブ１５、１６を電池外部に取り出すための開口孔を第１のシート２１に加工する作業が追加で必要となるためである。一方、折り目２１ａを強電タブ１５、１６が取り出される辺と反対側の辺にくるようにしたときには、折り目２１ａとは反対側端２１ｂ、２１ｃが開口端となるので、強電タブ１５、１６を電池外部に取り出すための開口孔を加工する作業は不要となる。この作業が許容されるのであれば、折り目２１ａを強電タブ１５、１６が取り付けられる辺と同じ辺の側に配置してもかまわない。

また、第１のシート２１を発電要素２の上下に密着させた状態で第１のシート２１の周辺が発電要素２の周囲と同じ位置に収まるように、第１のシート２１の大きさを選定する。

次に、図３に示したように、発電要素２に密着させた第１のシート２１のさらに外側に２つ折りした第２のシート２２を被覆する。その際、第２のシート２２の延伸方向と、強電タブ１５、１６の取り出し方向とが直交するようにする。この結果、第１のシート２１の延伸方向と第２のシート２２の延伸方向とが直交することとなる。

図３も第２のシート２２を２つ折りする前の状態を示しているため、第２のシートの折り目２２ａの近傍部分が膨らんだ状態で表されている。なお、図３では、第２のシート２２と第１のシート２１との位置関係を明確にするため、第２のシート２２を透視してみえる状態を示している。

また、第２のシート２２を第１のシート２１及び発電要素２の上下に密着させた状態で第２のシート２２の周辺が発電要素２の周囲と同じ位置に納まるように、第２のシート２２の大きさを選定する。

第１、第２のシート２１、２２は発電要素２の保護シートして機能する。例えば、図２に示したように水平方向の外力Ａが強電タブ１５、１６が取り出される辺と反対側の辺側から発電要素２の側面に作用すると仮定したとき、外力Ａに対しては第１のシート２１の折り目２１ａ付近が外力Ａを受けて内部にへこむ。これによって、外力Ａのエネルギーを吸収し、外力Ａが発電要素２の側面に直接作用することを防止できる。また、図３に示したように水平方向の外力Ｂが強電タブ１５、１６が取り出される辺の隣の辺の側から発電要素２の側面に作用すると仮定したとき、外力Ｂに対しては第２のシート２２が外力Ｂを受けて内部にへこむ。これによって、外力Ｂのエネルギーを吸収し、外力Ｂが発電要素２の側面に直接作用することを防止できる。

また、図３に示したように上下方向の外力Ｃが鉛直上方から電池要素の最外層部に作用すると仮定したとき、外力Ｃに対しては第１、第２のシート２１、２２が外力Ｃを受けて内部にへこむ。これによって、外力ｃのエネルギーを吸収し、外力Ｃが発電要素２の最外層部に直接作用することを防止できる。

このように第１、第２のシート２１、２１を発電要素２に重ねてかつ密着させて被覆した後の電池１の製造方法は、従来装置と同じである。すなわち、２枚のシート２１、２１を発電要素２に重ねてかつ密着させて被覆した発電要素２を、ラミネートフィルムを用いて、４つの辺の周辺部（周縁部）１４ａ〜１４ｄを熱融着にて接合することにより、発電要素２を収納し密封した構成とする（図５参照）。強電タブ１５、１６は、ラミネートフィルム１４の端部に挟まれるようにラミネートフィルム１４の外部に導出させる。強電タブ１５、１６は、必要に応じて正極端子リード（図示せず）及び負極端子リード（図示せず）を介して、各電極の負極集電体５及び正極集電体９に超音波溶接や抵抗溶接により取り付けてもよい。

なお、リチウムイオン二次電池の他の形態としては、集電体の一方の面に正極活物質層を、他方の面に負極活物質層を形成している双極型電極を、セパレータを介して積層した双極型二次電池が挙げられる。上記の電池１とこの双極型二次電池とは、双方の電池内の電気的な接続状態（電極構造）が異なることを除いては、基本的には同様である。この双極型二次電池にも本発明の適用がある。

このように構成されるラミネート型電池１を金属製の電池ケースの内部に積層して収納し、積層した複数のラミネート型電池１を各強電タブを用いて直列接続することで所定電圧を有する電池パックが構成される。さらに複数の電池パックを電気的に組み合わせることで所定電圧を有する組電池が構成され、この組電池が電気自動車やハイブリッド車などの輸送機関に搭載されることとなる。

ここで、第１実施形態の作用効果を説明する。

第１実施形態によれば、負極４、セパレータ１２及び正極８をこの順に積層させている発電要素２と、延伸方向を有する樹脂多孔質体から構成される第１、第２のシート２１、２２であって、第１のシート２１の延伸方向と第２のシート２２の延伸方向とが交差するようにして発電要素２の全体を重ねて被覆する第１、第２のシート２１、２２とを備えるので、外力に対して構造的に弱い部分である発電要素２の最外層部や発電要素の側面を外力から保護することができる。例えば、積層方向を上下方向にして発電要素２が置かれているとしたとき、発電要素２の積層方向の最外層の２つの面（上下の面）は、延伸方向の異なる２つのシート２１、２２が重ねて被覆されているので、面で強いものとなっている。一方、積層方向を延伸方向とするシートで被覆されている発電要素２の側面は、水平方向から当該側面に向かう外力に対して強いものとなっている。これによって、力を受ける能力が弱い部分に局所的に張力が作用し、セパレータ１２が破れて正極８と負極４が直接電気的に接触して短絡することを防止することが可能となり、ラミネート型電池１の信頼性（安全性）を大幅に向上することができる。

第１実施形態によれば、第１のシート２１の延伸方向と第２のシート２２の延伸方向とが交差する角度は９０度であるので、２つのシート２１、２２だけで効率よく外力を吸収することができる。

第１実施形態によれば、負極４、セパレータ１２及び正極８を一方向に積層させることにより全体として四辺を有する四角扁平状に形成し、負極４に接続する強電タブ１５と、正極８に接続する強電タブ１６とを前記四辺のうちの一辺からまとめて取り出すと共に、延伸方向と直交する方向に２つ折りした第１のシート２１の間に、かつ２つ折りした側が強電タブ１５、１６を取り出した辺と反対側の辺側にくるようにして発電要素２を収納し、第１のシート２１の延伸方向と第２のシート２２の延伸方向とが直交するように第１のシート２１の外側に第２のシート２２を被覆するので、さらに第１のシート２１に強電タブ１５、１６を貫通するための孔を開口する作業が不要となり、作業性が向上する。

第１実施形態では、第１のシート２１の延伸方向と第２のシート２２の延伸方向とが交差する角度は９０度である場合で説明したが、厳密に９０度である必要はなく、９０度に近い角度であればかまわない。

第１実施形態では、単軸延伸法によって製造される樹脂多孔体シートの場合で説明したが、これに限られるものでない。
単軸延伸法はＸ方向のみの１方向に延伸することによって樹脂多孔体シートを製造するものであるが、Ｘ、Ｙ方向の２方法に延伸することによって樹脂多孔体シートを製造する方法が存在する（特開２００４−３１０９７号公報参照）。Ｙ方向とはＸ方向と直交する方向のことである。

この場合、異なる２方向の延伸の強さには強弱があることが多い。つまり、相対的に強い延伸がかかった第１の延伸方向（例えばＸ方向）と相対的に弱い延伸がかかった第２の延伸方向（例えばＹ方向）との２軸の延伸方向を樹脂多孔質体シートが有していることになる。こうした２軸の延伸方向を有する樹脂多孔質体シートから構成される第１、第２のシートである場合にあっては、相対的に強い延伸がかかっている方向を基準に考えればよい。つまり、第１のシートの第１の延伸方向と第２のシートの第１の延伸方向とが交差するようにして発電要素の全体を重ねて被覆すればよい。なお、２軸のなす角度は９０度に限らず、０度〜９０度（ただし、０度は除く）の範囲にあればよい。

次に、第１実施形態では、第１のシート２１が１枚、第２のシート２２が１枚の合計で２枚の場合で説明したが、合計で２枚である必要はない。例えば、第１、第２の２枚のシート２１、２２で発電要素２を被覆した状態（図３参照）から、さらにその外側に３枚目として第３のシート２３で被覆するようにしてもかまわない。

これについて説明すると、図６は発電要素２を第１、第２、第３の３枚のシート２１、２２、２３で被覆した状態を示す第２実施形態の概略斜視図である。図６も第３のシート２３を２つ折りする前の状態を示しているため、第３のシートの折り目２３ａの近傍部分が膨らんだ状態で表されている。なお、図６では、第３のシート２３と第２のシート２２との位置関係を明確にするため、第３のシート２３を透視してみえる状態を示している。

第３のシート２３は、第１、第２のシート２１、２２と相違して、図７に示したように、長手方向（図７で上下方向）に直交する方向を延伸方向している。こうした第３のシート２３を用意し、中央で２つ折りする。図７に２つ折りする際の折り目２３ａを破線で示す。そして、第１、第２の２枚のシート２１、２２で発電要素２を被覆した状態（図３参照）から、さらにこの第３のシート２３で図６に示したように被覆する。

このように構成すれば、水平方向の外力Ｂが発電要素２の側面に作用するときにも、当該側面では延伸方向の異なる２枚のシート２２、２３が重ねて被覆されているので、面で強いものとなっている。これによって、２枚のシート２２、２３が当該外力Ｂのエネルギーを吸収し、当該外力Ｂが発電要素２の側面に直接作用することを防止できる。

第２実施形態では、シートの数を全体で３枚とすることで、発電要素２の上下面だけでなく、発電要素２の側面についても延伸方向の異なる２枚のシートで重ねて被覆することができた。従って、シートの数を全体で３枚以上とするときには、発電要素２の上下面だけでなく、発電要素２の側面についても延伸方向の異なる２枚のシートで重ねて被覆する他の態様が考え得る。

実施形態では、ラミネート型電池について説明したが、本発明はラミネート型電池に限定されるものない。負極、セパレータ及び正極を含みこれらを積層させている発電要素を有する電気デバイスであれば、例えば樹脂のような外力に対して構造的に弱い材質の外装体で発電要素が被覆されているものに対しては本発明の適用がある。

１ ラミネート型電池（電気デバイス）
４ 負極
５ 負極集電体
６ 負極活物質層
８ 正極
９ 負極集電体
１０ 正極活物質層
１２ セパレータ
１４ ラミネートフィルム
１５、１６ 強電タブ
２１ 第１のシート
２１ａ 折り目
２２ 第２のシート
２２ａ 折り目
２３ 第３のシート
２３ａ 折り目

Claims (8)

1. 負極、セパレータ及び正極をこの順に積層させている発電要素と、
   単軸の延伸方向を有する樹脂多孔質体から構成される第１、第２のシートであって、第１のシートの延伸方向と第２のシートの延伸方向とが交差するようにして前記発電要素の全体を重ねて被覆する第１、第２のシートと
   を備えることを特徴とする電気デバイス。
2. 前記第１のシートの延伸方向と第２のシートの延伸方向とが交差する角度は９０度であることを特徴とする請求項１に記載の電気デバイス。
3. 前記負極、セパレータ及び正極を一方向に積層させることにより前記発電要素を全体として四辺を有する四角扁平状に形成し、
   前記負極に接続する強電タブと、前記正極に接続する強電タブとを前記四辺のうちの一辺からまとめて取り出すと共に、
   前記延伸方向と直交する方向に２つ折りした前記第１のシートの間に、かつ２つ折りした側が前記強電タブを取り出した辺と反対側の辺側にくるようにして前記発電要素を収納し、
   前記第１のシートの延伸方向と前記第２のシートの延伸方向とが直交するように前記第１のシートの外側に前記第２のシートを被覆することを特徴とする請求項１に記載の電気デバイス。
4. 負極、セパレータ及び正極をこの順に積層させている発電要素と、
   相対的に強い延伸がかかった第１の延伸方向と相対的に弱い延伸がかかった第２の延伸方向との２軸の延伸方向を有する樹脂多孔質体から構成される第１、第２のシートであって、第１のシートの前記第１の延伸方向と第２のシートの前記第１の延伸方向とが交差するようにして前記発電要素の全体を重ねて被覆する第１、第２のシートと
   を備えることを特徴とする電気デバイス。
5. 前記第１のシートの前記第１の延伸方向と第２のシートの前記第１の延伸方向とが交差する角度は９０度であることを特徴とする請求項４に記載の電気デバイス。
6. 前記負極、セパレータ及び正極を一方向に積層させることにより前記発電要素を全体として四辺を有する四角扁平状に形成し、
   前記負極に接続する強電タブと、前記正極に接続する強電タブとを前記四辺のうちの一辺からまとめて取り出すと共に、
   前記第１の延伸方向と直交する方向に２つ折りした前記第１のシートの間に、かつ２つ折りした側が前記強電タブを取り出した辺と反対側の辺側にくるようにして前記発電要素を収納し、
   前記第１のシートの第１の延伸方向と前記第２のシートの第１の延伸方向とが直交するように前記第１のシートの外側に前記第２のシートを被覆することを特徴とする請求項４に記載の電気デバイス。
7. 前記シートの総数は少なくとも３枚であることを特徴とする請求項３または６に記載の電気デバイス。
8. 前記第１、第２のシートで被覆された電池要素の全体を外装体として被覆するラミネートフィルムを備えることを特徴とする請求項１または４に記載の電気デバイス。

Images