JP6932128B2 - 電気化学デバイス - Google Patents

Description

本発明は電気化学デバイスに関する。

携帯電話、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータなどの携帯型電子機器の電源や、車両用や家庭用の電源として、二次電池等の電気化学デバイスが広く普及している。一般的な電気化学デバイスは、２種類のシート状の電極、すなわち正極と負極がセパレータを介して巻回または積層された電極組立体が、電解液とともに、柔軟なフィルムからなる外装容器内に収容された構成を有する（特許文献１〜５）。

具体的には、電極組立体を、正極と負極が重なり合う方向（積層方向）の上下から柔軟なフィルムで覆い、電極組立体の周縁部の外側において上下のフィルム同士を重ね合わせて、フィルム同士の重なり合った部分を互いに接合させることによって外装容器を構成している。電極組立体には、各電極と外部の電気回路等とを接続するための電極端子（正極端子と負極端子）が設けられており、電極端子は外装容器の内側から外側に延出している。電極端子が外装容器の一部を通過するため、フィルム同士が重ね合わせられて接合される部分のうちの一部は、電極組立体の上下に位置するフィルム同士が、直接ではなく電極端子を挟んで重なり合う状態で接合される。

特許文献１〜３には、積層部分の外側で同じ極性の電極の集電体が電極端子に重ね合わせられて接合された構成が示されている。さらに、特許文献４には、フィルム同士が重ね合わせられて接合される部分の外側に補強材が設けられた構成が開示されている。特許文献５には、フィルム同士が重ね合わせられて接合される部分と電極組立体の周縁部との間の位置で、フィルムが一時的に収縮した構成が開示されている。これは、外装容器の減圧封止時に一時的に収縮したフィルムが、電池の使用時に外装容器内で発生するガスによって外側に向かって広げられ、損傷や破裂が回避できる構成である。

特許文献１〜５に開示されているように、外装容器を構成するフィルムは、一般的には、金属箔の一方の面に熱融着性樹脂層が形成され、他方の面に他の樹脂層が形成された多層構造のラミネートフィルムである。電極組立体の周縁部の外側で、電極組立体の上下に位置するラミネートフィルムの熱融着性樹脂層同士を重ね合わせて、重ね合わせられた熱融着性樹脂層同士を互いに接合させることによって外装容器を構成している。

特許４３６００７３号公報 特開２００５−３１７３１２号公報 特開２０１３−１３５１８６号公報 特開２００６−３１３６５５号公報 特開２０１１−７１１３３号公報

二次電池等の電気化学デバイスの、電極組立体の上下に位置するフィルム同士が直接または電極端子を挟んで重なり合う状態で接合される部分において、フィルム（特に内側に位置する熱融着性樹脂層）が損傷すると、十分な電気的絶縁性が得られない可能性がある。特に、負極のタブや電極端子とフィルムの金属箔とが接触して電気的に短絡して同電位になると、金属箔の微細化（腐食）が生じてフィルムが破損し、電解液の漏れを引き起こす可能性がある。特許文献５に開示された構成では、フィルム同士が重ね合わせられて接合される部分と電極組立体の周縁部との間の位置でフィルムが収縮しているが、このフィルムの収縮形状と電極端子との関係は何ら考慮されていないため、内側向きに収縮したフィルムが電極端子の端部に意図せずに接触して損傷し、前述した不具合の原因になるおそれがある。

本発明の目的は、前述した問題点を解決して、電極組立体を収容する外装容器を構成するフィルムが損傷するおそれが小さい電気化学デバイスを提供することである。

本発明の電気化学デバイスは、２種類の電極がセパレータを介して積層されている電極組立体と、電極組立体を収容するフィルムからなる外装容器と、電極に接続され、外装容器の内部から外部に延出している１対の電極端子と、を有する。電極から延出するタブが、外装容器の内部で電極端子の一部に重ね合わせられている。外装容器は、フィルムが電極組立体を覆った状態で、電極組立体の周縁部の外側で重なり合うフィルム同士が互いに接合されることによって形成されている。フィルムには、電極端子の外装容器内の端部に対向する位置よりも電極組立体の積層部分に近い位置に、電極の積層方向の内側に凹んだ形状の凹状部分が設けられており、フィルムは電極端子の外装容器内の端部に対して非接触である。電極から延出するタブの、外装容器内で電極端子の一部に重ね合わせられている部分の、電極の積層方向の反対側に接合されているサポートタブをさらに有し、フィルムは、外装容器内でサポートタブの角部に対して非接触である。

本発明によると、電極組立体を収容する外装容器を構成するフィルムが損傷するおそれが小さい。

本発明の電気化学デバイスの一実施形態である二次電池の基本構造を表す平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。 図１Ｂの要部拡大図である。 本発明の電気化学デバイスの変形例である二次電池の、図１ＡのＡ−Ａ線と同様の位置における拡大断面図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 図３，４に示す変形例の二次電池の、サポートタブ側を示す斜視図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａ，１Ｂは、本発明の第１の実施形態の電気化学デバイスの一例である積層型のリチウムイオン二次電池１の構成を模式的に示している。図１Ａは二次電池１の主面（扁平な面）に対して垂直上方から見た平面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。図２は図１Ｂの要部の拡大図である（ハッチングは省略している）。

本発明のリチウムイオン二次電池１は、２種類の電極、すなわち正極（正極シート）２と負極（負極シート）３とがセパレータ４を介して重なり合う電極組立体１７を備えている。電極組立体１７は電解液５と共に、柔軟なフィルム（可撓性フィルム）６からなる外装容器１３内に収容されている。電極組立体１７の正極２には正極端子７の一端が、負極３には負極端子８の一端がそれぞれ接続されている。正極端子７の他端側および負極端子８の他端側は、それぞれ外装容器１３の外側に引き出されている。図１Ｂでは、電極組立体１７を構成する各層の一部（厚さ方向の中間部に位置する層）を図示省略して、電解液５を示している。それに伴って、電極（正極２および負極３）の集電体（タブ）９，１１が電極端子（正極端子７と負極端子８）と重なり合っている部分でも、電極組立体１７の中央部で図示省略した電極の集電体は存在しないと仮定して描いている。また、図１Ｂでは、見やすくするために、正極２と負極３とセパレータ４とフィルム６がそれぞれ互いに接触していないように図示しているが、実際にはこれらは密着して積層されている。

正極２は、正極集電体９と、その正極集電体９に塗布された正極活物質層１０とを含む。正極集電体９の表面と裏面には、正極活物質層１０が形成された塗布部と正極活物質層１０が形成されていない未塗布部とが、長手方向に沿って並んで位置する。負極３は、負極集電体１１とその負極集電体１１に塗布された負極活物質層１２とを含む。負極集電体１１の表面と裏面には、塗布部と未塗布部とが長手方向に沿って並んで位置する。

正極２と負極３のそれぞれの未塗布部（集電体９，１１）の一部９ａ，１１ａは、電極組立体１７の、電極２，３およびセパレータ４が積層されている部分（積層部分）１７ａの外側に延出しており、電極端子（正極端子７または負極端子８）と接続するためのタブとして用いられる。図２に拡大して示すように、正極１の正極タブ９ａ（未塗布部）は正極端子７とサポートタブ１５との間に挟み込まれ、超音波溶接等で互いに接続されている。図２には示されていないが図１Ｂに示されているように、負極２の負極タブ１１ａ（未塗布部）は負極端子８とサポートタブ１５との間に挟み込まれ、超音波溶接等で互いに接続されている。正極端子７の他端部および負極端子８の他端部は、フィルム６からなる外装容器１３の外側にそれぞれ引き出されている。負極３の塗布部（負極活物質層１２）の外形寸法は正極２の塗布部（正極活物質層１０）の外形寸法よりも大きく、セパレータ４の外形寸法よりも小さいか等しい。

電極組立体１７の上方に位置するフィルム６と、下方に位置するフィルム６は、電極組立体１７を包囲した状態で、外周縁部同士が互いに重なり合って融着し、それによって外周部が封止された外装容器１３が完成する。なお、ここで言う「上方」および「下方」とは、正極２と負極３が重なる方向（積層方向）における一端側と他端側を意味する。

本実施形態のフィルム６は、図２に示すように、基材となる金属箔６ａの両面にそれぞれ樹脂層６ｂ，６ｃが設けられた多層構造のラミネートフィルムである。金属箔６ａは、電解液５の漏出や外部からの水分の浸入を防止する等のバリア性を有するアルミニウムやステンレス鋼などからなる。内側の樹脂層は変性ポリオレフィンなどからなる熱融着性樹脂層６ｂである。外側の樹脂層は、例えばナイロンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエステルフィルムなどからなる、他の樹脂層６ｃである。電極組立体１７の周縁部の外側において、上方のフィルム６の熱融着性樹脂層６ｂと下方のフィルム６の熱融着性樹脂層６ｂとが互いに重なり合った状態で、図示しない加熱治具（シールバー）によって外側から加熱および加圧されることによって互いに熱融着している。ただし、正極端子７および負極端子８が外装容器１３の内部から外部に延出する部分においては、上下のフィルム６同士は直接重なり合わず、正極端子７または負極端子８を挟んで重なり合う状態になる。そこで、正極端子７および負極端子８の両面に予め熱融着性樹脂からなるシーラント（図示せず）を設けておき、正極端子７および負極端子８の各面においてシーラントとフィルム６の熱融着性樹脂層６ｂとをそれぞれ熱融着させる。それによって、上方のフィルム６の熱融着性樹脂層６ｂと、下方のフィルム６の熱融着性樹脂層６ｂとを、正極端子７および負極端子８とシーラントとを挟んで互いに固定させる。

前述したように、電極組立体１７の周縁部の外側において、上方のフィルム６と下方のフィルム６とが、直接または正極端子７および負極端子８とシーラントとを挟んで重なり合った状態で互いに固定されることにより、外装容器１３が構成される。

このような構成の二次電池１等の電気化学デバイスにおいて、外装容器１３を構成するフィルム６の金属箔６ａの微細化（腐食）が問題になることがあった。金属箔６ａが微細化すると、フィルム６が破損して電解液の漏れなどの不具合が生じる。金属箔６ａの微細化が生じる原因は、主に、フィルム６の内側の層である熱融着性樹脂層６ｂが損傷して部分的に露出した金属箔６ａが、電極（特に負極３）と接触して電気的に短絡して同電位になることである。このような金属箔６ａの微細化を防ぐためには、熱融着性樹脂層６ｂの損傷を防ぐことが重要である。本発明者が検討したところ、フィルム６は、電極積層体１７の積層部分１７ａの周縁部と、フィルム６が重なり合って接合される部分（封止部分）との間において損傷することがあり、その損傷の１つの大きな要因は、電極端子７，８の端部やサポートタブ１５の端部との接触であることを見出した。特に、正極端子７はアルミニウムやアルミニウム合金などからなり、負極端子８は銅や銅合金あるいはそれらにニッケルメッキを施したものなどからなり、これらの電極端子７，８は比較的厚くて剛性が高く、その端部は熱融着性樹脂層６ｂを傷つける程の強度を有している。また、サポートタブ１５は電極端子７，８に比べると薄くて強度が低いが、フィルム６に角部が当接すると、熱融着性樹脂層６ｂを損傷するおそれがある。そして、電極端子７，８とサポートタブ１５のいずれにおいても、製造時に端部にバリが生じている場合には、フィルム６と当接すると熱融着性樹脂層６ｂを損傷する危険性が高い。

このような検討結果に基づいて、本発明では、フィルム６が電極端子７，８の端部に当接しない構成を実現するために、フィルム６の、電極端子７，８の端部に対向する位置よりも電極組立体１７の積層部分１７ａに近い位置に、電極２，３の積層方向の内側に凹んだ形状の凹状部分６ｄが設けられている。それにより、フィルム６が電極端子７，８の外装容器１３の内部に位置する端部に対して非接触になっている。これらの位置関係について図２を参照して説明すると、電極組立体１７の積層部分１７ａの周縁部の位置Ｐ１と、電極端子７，８の外装容器１３の内部の端部の位置Ｐ３との間に、凹状部分６ｄの頂点（最下点）の位置Ｐ２がある。すなわち、電極端子７、８が外装容器の内部から外部に延出する方向において、電極端子７，８の外装容器１３の内部の端部の位置Ｐ３と、凹状部分６ｄの頂点の位置Ｐ２とがずれていること、特に凹状部分６ｄの頂点の位置Ｐ２が、電極端子７，８の端部の位置Ｐ３よりも積層部分１７ａに近いことが重要である。このような位置関係にあると、フィルム６が屈曲して積層方向の外側に向かう部分が、電極端子７，８の端部と対向する。それにより、例えば減圧封止時やその後のガスの発生等による膨張時などにフィルム６を変形させようとする力が働いても、フィルム６が屈曲方向に逆らって電極端子７，８の端部に接するまで大きく変形する可能性は小さい。従って、電極端子７，８の端部に当接してフィルム６の熱融着性樹脂層６ｂが損傷すること、ひいては金属箔６ａの微細化を引き起こしてフィルム６が破損することが抑制できる。このように、本発明は、外装容器１３を構成するフィルム６を、敢えて一旦積層方向の内側に向かって屈曲させる（凹状部分６ｄを形成する）ことによって、フィルム６が電極端子７，８の端部に接するおそれを低減するという、本願出願前には全く存在しなかった新しい技術的思想を提案するものである。

さらに、本実施形態では、フィルム６の、凹状部分６ｄよりも積層部分１７ａから遠い位置に、凹状部分６ｄに連続して積層方向の外側に突出する凸状部分６ｅが設けられている。この構成によると、フィルム６の、電極端子７，８の端部と対向する部分が積層方向の外側に向かうように屈曲する傾向がより強くなり、フィルム６が屈曲方向に逆らって電極端子７，８の端部に接するまで大きく変形する可能性がより小さくなる。従って、フィルム６の破損をより確実に抑制することができる。この構成では、積層方向において、凸状部分６ｅの最高点の高さＨ２が、積層部分１７ａに重なる位置のフィルムの高さＨ１より低く、凹状部分６ｄの最下点の高さＨ３より高いことが好ましい。そして、凹状部分６ｄの最下点の高さＨ３は、電極端子７，８の高さＨ４よりも高い。

本実施形態では、タブ９ａ、１１ａの、積層方向において電極端子７，８の反対側に、サポートタブ１５が配置されている。サポートタブ１５は、タブ９ａ、１１ａと電極端子７，８が重なった状態で超音波溶接等によって互いに固定されること、およびその固定状態で保たれることを補助するための金属片である。そして、フィルム６がサポートタブ１５の端部に接触して損傷することを防ぐために、図２の下側のフィルム６に、凹状部分６ｄおよびそれに連続する凸状部分６ｅが形成されている。すなわち、図２の下側のフィルム６が、図２の上側のフィルム６と対称な形状に形成されている。これにより、前述した上側のフィルム６と同様に、下側のフィルム６がサポートタブ１５の端部に接触して損傷することが抑えられている。

図３〜５には、本発明の電気化学デバイスである二次電池の変形例が示されている。この変形例では、図面下側のフィルム６に凹状部分６ｄおよび凸状部分６ｅが設けられておらず、フィルム６がサポートタブ１５の端部に当接する。ただし、サポートタブ１５の角部がフィルムに当接することは好ましくないため、サポートタブ１５の角部（積層方向と、電極端子７、８が外装容器の内部から外部に延出する方向とに直交する幅方向の両端部）に対向する位置に、小さな膨出部６ｆがそれぞれ設けられている。この膨出部６ｆの寸法や形状は特に限定されないが、サポートタブ１５の角部を包囲する空間を形成しており、膨出部６ｆの内面とサポートタブ１５の角部は直接接触しない。本変形例は、サポートタブ１５が電極端子７，８のように厚くなくて強度が小さく、角部と角部の間の中間部分がフィルム６に当接してもフィルム６を損傷するおそれがほとんどない場合に効果的である。その場合、フィルム６の損傷を抑えるために、フィルム６とサポートタブ１５の角部との接触のみを防ぐだけで十分であるので、下側のフィルム６に関しては、必要最小限の加工だけで効率良く容易にフィルム６の損傷防止を図ることができる。

以上説明したように、本発明によると、外装容器１３を構成するフィルム６の損傷を抑え、電極端子７，８の電気的短絡を引き起こすことが抑制できる。そして、安定して良好な外装容器１３を形成でき、ひいては、高性能の電気化学デバイス１を容易に効率良く製造できる。図２〜５およびそれに関する説明は、主に正極端子７側を示しているが、負極端子８側も実質的に同じ構成であり、前述した説明は、負極端子８側にも当てはまる。また、電極端子７，８とサポートタブ１５が上下入れ替わった構成であっても、本発明は有効である。すなわち、上下にかかわらず、電極端子７，８と対向する側のフィルム６に凹状部分６ｄが設けられ、好ましくはさらに凸状部分６ｅが設けられる。そして、サポートタブ１５と対向する側のフィルム６には、正極端子７側と同様に凹状部分６ｄ（好ましくはさらに凸状部分６ｅ）が設けられるか、あるいは、サポートタブ１５の角部に対向する膨出部６ｆが設けられる。ただし、サポートタブ１５が存在しない構成の場合には、積層方向において電極端子７，８の反対側に位置するフィルム６には、特別な加工は施さなくてもよい。

前述した実施形態では、複数の正極２と複数の負極３がセパレータ４を介して交互に繰り返し積層された電極組立体１７を有している。しかし、１枚のみの正極２と１枚のみの負極３がセパレータ４を介して重なり合う電極組立体１７を有する構成にも本発明を採用可能である。また、正極端子７と負極端子８がそれぞれ電極積層体１７および外装容器１３の異なる辺から外部に延出している構成に限られず、同じ辺から正極端子７と負極端子８が並んで延出していてもよい。さらに、１枚の長尺の正極２と１枚の長尺の負極３をセパレータ４を介して重ね合わせた状態で巻回した巻回体を、電極組立体１７として用いることもできる。また、本発明を採用したリチウムイオン二次電池について説明したが、リチウムイオン電池以外の二次電池や、キャパシタ（コンデンサ）等の電池以外の電気化学デバイスの製造方法に本発明を適用しても有効である。

以上、いくつかの実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限られるものではなく、本発明の構成や細部に、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者が理解し得る様々な変更を施すことができる。

本出願は、２０１６年７月２２日に出願された日本特許出願２０１６−１４４６７０号を基礎とする優先権を主張し、日本特許出願２０１６−１４４６７０号の開示の全てをここに取り込む。

１ 電気化学デバイス（リチウムイオン二次電池）
２ 電極（正極）
３ 電極（負極）
４ セパレータ
５ 電解液
６ フィルム（可撓性フィルム）
６ａ 金属箔
６ｂ 熱融着性樹脂層
６ｃ 他の樹脂層
６ｄ 凹状部分
６ｅ 凸状部分
６ｆ 膨出部
７ 正極端子
８ 負極端子
９ 正極集電体
９ａ 正極タブ
１０ 正極活物質層
１１ 負極集電体
１１ａ 負極タブ
１２ 負極活物質層
１３ 外装容器
１５ サポートタブ
１７ 電極組立体
１７ａ 積層部分

Claims (8)

1. ２種類の電極がセパレータを介して積層されている電極組立体と、前記電極組立体を収容するフィルムからなる外装容器と、前記電極に接続され、前記外装容器の内部から外部に延出している１対の電極端子と、を有し、
   前記電極から延出するタブが、前記外装容器の内部で前記電極端子の一部に重ね合わせられており、
   前記外装容器は、前記フィルムが前記電極組立体を覆った状態で、前記電極組立体の周縁部の外側で重なり合う前記フィルム同士が互いに接合されることによって形成されており、
   前記フィルムには、前記電極端子の前記外装容器内の端部に対向する位置よりも前記電極組立体の積層部分に近い位置に、前記電極の積層方向の内側に凹んだ形状の凹状部分が設けられており、前記フィルムは前記電極端子の前記外装容器内の端部に対して非接触であり、
   前記電極から延出する前記タブの、前記外装容器内で前記電極端子の一部に重ね合わせられている部分の、前記電極の積層方向の反対側に接合されているサポートタブをさらに有し、
   前記フィルムは、前記外装容器内で前記サポートタブの角部に対して非接触である、電気化学デバイス。
2. 前記フィルムには、前記凹状部分よりも前記積層部分から遠い位置に、前記積層方向の外側に突出する凸状部分が設けられている、請求項１に記載の電気化学デバイス。
3. 前記フィルムの前記凹状部分と前記凸状部分は連続して形成されている、請求項２に記載の電気化学デバイス。
4. 前記フィルムには、前記外装容器内で前記サポートタブの角部に対向する位置に、前記積層方向の外側に突出する膨出部が設けられており、前記サポートタブの前記角部は前記膨出部の内側に収容されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
5. 前記フィルムは、前記外装容器内の前記サポートタブの角部同士の間の中間部に接触している、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
6. 前記フィルムは、前記外装容器内の前記サポートタブの角部同士の間の中間部に対して非接触である、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
7. 前記電極端子は前記サポートタブよりも厚い、請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。
8. 前記フィルムは、金属箔の一方の面に熱融着性樹脂層が形成され、他方の面に他の樹脂層が形成されたものであり、前記電極組立体の周縁部の外側で前記熱融着性樹脂層同士が重なり合って互いに接合されて、前記外装容器が構成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学デバイス。

Images