JP3869668B2

JP3869668B2 - 電気化学デバイスおよびその製造方法

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Publication number: JP3869668B2
Application number: JP2001054381A
Authority: JP
Inventors: 裕三佐藤; 洋貴北村; 哲丸山
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP2002260601A

Description

【０００１】
【本発明の属する技術分野】
本発明は、薄型電気化学デバイスの外装体の接合に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯機器の目覚しい発展により、携帯機器電源として使用される電気化学デバイス、とりわけリチウムイオン電池の需要が急速に高まってきている。さらに携帯機器の機能の増加に伴い、高エネルギー化と、それに伴う電池特性の改善、安全性の向上が技術開発の目標となっている。
【０００３】
その方策として電解質を固体化する試みがあるが、電池特性上の根本的な技術課題、例えば室温で使用できないといった点があり、実用化に到っていない。そのため近年、液系の欠点を改良しつつ液系の電池に近い特性が得られる、ゲル化電解質を用いた電池の開発に中心が移ってきている。このゲル化した電池の場合、液系電池に比べ室温で遊離した電解液が存在しないことから、安全性に対しても効果が得られている。
【０００４】
したがって、現在リチウムイオン系の電池としては、以下の３種類に分類される。
（１）電解液を用いた液系電池
（２）電解液と高分子ポリマーとによるゲル化した固体状電角牢質を用いる固体電解質電池
（３）無機材料、有機材料の固体内のリチウムイオン伝導を用いた電解質を用いた固体電解質電池
【０００５】
ここで（２）に相当するゲル化電解質を用いた電池は、上述したように安全性の面で寄与できている。しかしながら、従来のリチウムイオン電池と更なる差別化を図るために、軽量化、薄型化が同時に試みられている。特に、従来は安全性の点から金属缶を外装体に用いていたが、安全性の向上に伴い内面に熱融着性樹脂を用いたアルミラミネートフィルムを用いた外装体が使用されてきている。これにより、さらなる軽量化、薄型化が可能になった。
【０００６】
このようなアルミラミネートフィルムを用いた外装体については、主に外装体の形状により以下のように分類されている。
（１）パウチ型
（２）深絞り型
【０００７】
（１）については、例えば図８に示すように、発電要素を封入する外装体を予め袋状に加工し、電池素体（発電要素）挿入後、その挿入部分を封口するか、外装体に特に加工を施さずに電池素体を配置し、三方を袋状に封止して封入する。いずれの場合も電池の体積エネルギー密度を向上させるために、封入後左右のシール部分を折り返し、電池平面部に融着あるいは接着させる。この場合、電極端子を含んだ封止部分は電池の厚さ方向の中心部分に存在する。
【０００８】
（２）については、例えば図９に示すように、あらかじめアルミラミネートフィルムを電池素体が収納できる寸法に成形し、成形された部分に電池素体を挿入し挿入後アルミラミネートフィルムを接着し、封入する。この時接着されるアルミラミネートフィルムは、成形されたフィルムの延長部を折り曲げた物を用いるが、別のフィルムを重ね合わせても構わない。接着後、左右のシール部分を折り曲げ、電池側面に融着あるいは接着させる。この場合、電極端子を含んだ封止部分は、成形されていないアルミラミネートフィルムと同一面上に存在する。
【０００９】
（１）の場合は折り返された左右の接着部分の厚さが全体の厚さに対して無視できる厚さにすることは困難である。（２）の深絞り型の場合、（１）の場合のような厚さ方向への影響はないが、折り返し部分の幅の分、電池素体は小さくなる。（１）、（２）いずれの場合も、前方のリード端子導出部分に保護回路を設置する場所と外装体のシール部分を兼用することができる利点がある。現在では、電池の高容量化の点から、シール部分の電池容量に対する影響の小さな（２）の利用が広く行なわれている。
【００１０】
一方、上述したように携帯機器の高機能化に伴い電池容量の高容量化が要求されると同時により安全で簡略な構造、すなわち、電池単体で安全性を向上させることにより、保護回路を簡略化させた構造をもつことが要求されている。そのため（１）、（２）の従来の構造においては、特に保護回路を設置する場所を設ける必要が薄れてきている。このため、前方のシール部分の面積を狭くし、有効体積を増大させる必要が生じてきた。しかしながら、シール部分の面積を狭くすることは、保存性が悪化する可能性が高いため、代わりにシール部分を折り曲げる手法が用いられていた。
【００１１】
しかし、こうした構造の場合シール部分を単純に折り曲げると、厚さが増加することで薄型化に反する結果となる。また、両サイドの折り曲げ角部分においても、シール部分を折り返してシートの重なり枚数が二倍の箇所で折り曲げる必要がある。
【００１２】
具体的には通常、融着部において二枚、重なり部にて四枚のシートが存在している。このような部位で折り曲げると、折り曲げ角部に応力が集中してアルミラミネートフィルムのアルミ層が断裂したり、外部からの水分透過の観点からも問題となっていた。また、同時に、リード端子部分と電極部の接合部に負荷がかかり、電極板の接合部の破断といった問題も発生していた。さらに、複数層からなる材料を折り曲げねばならないため、最終形状に仕上げる作業的に難易度が高くなっていた。
【００１３】
また、特開平１０−１２２００号公報では、先端シール部分を内側に折り込んで外装体の内面と外面とを接着させることで有効スペースを増加させる試みが開示されている。しかし、折り込み部分の接合を行なうためには構造的に中身の電池素体に対してかなりの熱的な負担及び物理的な負担をかけなければ熱接合は成立しないと予想される。また、接着剤等の高い熱量を必要としない材料によって接合させる場合も、折り返した材料部分に対して接着層を設けた後に、内部の電池素体に影響を与えることなく気密性を持たせた接着を実現する必要があり、作業上の難易度は非常に高いものとなっている。また、外層体内部に位置するラミネートフィルムの端面に加工を施さない限りラミネートフィルム中の金属箔層と電池素体との間で短絡やラミネートフィルムの剥離、電解液成分による金属箔層の腐食といった問題が発生する可能性がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、シール部分の体積が全体電気化学デバイス寸法に対する影響を小さくした外装体、およびシール構造を有する電気化学デバイスを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
以上の背景を踏まえ、本発明者らは上述したラミネートフィルムを用いた外装体を利用し、さらなる高容量化、高体積エネルギー密度化の要求に応えるべく、実作業上導入が容易で極力厚さに影響せず、なおかつ両サイドの折り曲げ角部分には曲げ応力が集中し難いシール場所の設置を検討した結果、本発明構成のシール部分の構造を持つ外装体を発明するに到った。
【００１６】
すなわち上記目的は以下の構成により達成することができる。
（１）ラミネートフィルム外装部材を用いた電気化学デバイスであって、
電気化学デバイス素体要素の平面部上で前記ラミネートフィルムの一辺が折り返され、前記ラミネートフィルムの折り返された部分と前記ラミネートフィルムの当該折り返された部分の反対辺とが内面同士で接合された接合部を前記平面部上に備え、
前記接合部からリード端子が導出されている電気化学デバイス。
（２）
前記接合部の長軸方向が前記電気化学デバイス素体要素の長軸方向に対して垂直に配置されている（１）の電気化学デバイス。
（３）
前記リード端子における、前記ラミネートフィルム外装部材の内側の端部は、前記電気化学デバイス素体要素端部で折り曲げられている（１）又は（２）の電気化学デバイス。
（４）
ラミネートフィルム外装部材を用いた電気化学デバイスの製造方法であって、
電気化学デバイス素体要素の平面部上で、前記平面部に対して垂直に折り曲げられた前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺を、互いの内面同士が接触し、かつ、リード端子が間に介在するように熱融着する事により接合部を形成する工程と、
前記接合部を前記平面部と平行となるように折り曲げる工程と、
を備える電気化学デバイスの製造方法。
（５）
前記接合部を形成する工程において、前記接合部の長軸方向が前記電気化学デバイス素体要素の長軸方向に対して垂直となるように前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺及び前記電気化学デバイス素体要素を配置する（４）の電気化学デバイスの製造方法。
（６）
前記接合部を形成する工程において、前記電気化学デバイス素体要素の側面に接続されたリード端子を前記電気化学デバイス素体の平面部に向けて折り曲げた後に前記前記リード端子を前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺の間に介在させる（４）又は（５）に記載の電気化学デバイスの製造方法。
（７）
前記接合部を形成する工程において、前記熱融着を、一対のヒータブロックにより前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺を両側から挟むことにより行う請求項（４）〜（６）のいずれかに記載の電気化学デバイスの製造方法。
【００１７】
【作用】
本発明は、従来の深絞り型等において、電気化学デバイス容量の増加および保護回路の簡略化に伴い保護回路設置場所を兼ねたシール部分が必要なくなったことに起因する外装体の欠点を改良するものである。
【００１８】
具体的には、このような外装体において、外装体シール部分を電気化学デバイス平面部分に配置した。その結果、電気化学デバイス寸法の幅もしくは長さ方向における従来は電気化学デバイス平面部延長上に存在していたシール部分が不要となり、従来に比べ体積エネルギー密度の高い電気化学デバイスを提供することができる。
【００１９】
本発明で開示するシール形状の電気化学デバイスにおいては、実施例において電気化学デバイス容量が最大２０％増加し、電気化学デバイス高容量化という観点からは十分に寄与できるものである。
【００２０】
なお、本発明では深絞り型外装体について開示しているが、パウチ型外装体についても成立する。また、外装体材料に関しても、ラミネートフィルム内の金属箔はアルミニウムに限定されず、アルミニウム合金やその他の金属箔であっても問題なく、ラミネートに用いられる樹脂に関しても外層体内面同士が接合可能な材料であり、耐電解性を備え、水分透過量が小さい材料であればよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の電気化学デバイスは、ラミネートフィルム外装部材を用いた電気化学デバイスであって、前記ラミネートフィルム接合部の一端が電気化学デバイスの平面部に位置し、かつラミネートフィルムの内面同士が接合されているものである。
【００２２】
ここで、電気化学デバイスの平面部とは電気化学デバイスの構成面のうち、最大の面積を有する面であって、通常、積層型電気化学デバイスの積層面と平行な面であり、巻回型電気化学デバイスの巻回面に垂直な面である。
【００２３】
このように、ラミネートフィルム接合部の一端を電気化学デバイスの平面部分に配置し、かつラミネートフィルムの内面同士を接合させることにより、従来電気化学デバイス端部に存在していた余剰領域を無くすことができ、体積エネルギー密度を大幅に増大させることができる。
【００２４】
本発明の金属ラミネートフィルム外装体を用いた電気化学デバイスを図１に示す。図１に示す電気化学デバイス１は、電気化学デバイス素体が収納された電気化学デバイス平面部２を有する。この電気化学デバイス平面部２には、ラミネートフィルム接合部５ａを有する。このラミネートフィルム接合部５ａは、平面部２のラミネートフィルムと、電極端面６側から折り返されたラミネートフィルム５とが接合されて形成されている。また、接合部５ａは、電気化学デバイス平面部２側に折り返され、リード端子３が導出されている。
【００２５】
折り返された電極端側のラミネートフィルム５と、接合部の側部４ａは、折り曲げられて電気化学デバイス側部に密着して配置されている。このため、電気化学デバイス角部７では、折り返されるラミネートフィルムの枚数が最大でも二枚となり、ラミネートフィルムのアルミ層が断裂する心配もない。
【００２６】
また、平面部２に設けられた接合部５ａは、ラミネートフィルムの内面同士を接合させている。このため、ラミネートフィルムの内面と、表面とを接合させた場合に比べ、強固な接着力が得られる。すなわち、通常、ラミネートフィルムは、内面側に融着性に優れた樹脂を、外面側に内面側の樹脂より融点が高く、耐環境性、ガス透過性、強度などに優れた樹脂を用いる場合が多い。このため、内面と表面に用いている樹脂との間で融着を行うと、特殊な条件でない限り、充分なな接着強度、封止効果を得ることができない。
【００２７】
電気化学デバイス平面部２に設けられる接合部５ａは、電気化学デバイス平面部２のいずれの位置にあってもよい。好ましくは電気化学デバイス接合部５ａの幅は、３mm以上で平面部２からはみ出さないことである。
【００２８】
このような構造の電気化学デバイスは、以下の手順で作製することができる。
【００２９】
（１）電気化学デバイス素体の収納部を備えたアルミラミネートフィルム外装体内部に、電極最外層表面に絶縁層を備えた電気化学デバイス素体を収納する。電気化学デバイス素体には電流取り出し用のリード端子３が設けられている。
【００３０】
（２）リード端子３を電気化学デバイス平面部に設けるシール部分に導出するべく、電気化学デバイス素体端部から折り曲げた後、電気化学デバイス素体平面部分に沿わせてシール位置において電気化学デバイス素体から垂直に立ち上げる。この時、リード端子のシール位置には接着層が備え付けられている。
【００３１】
（３）電気化学デバイス平面部分に設けられたシール部分は、予め外装体平面に対して垂直に折り曲げられた状態で、上記シール部分で垂直に立ち上げた接着層を備えたリード端子と共に、外装体の内面同士で熱融着を行なう。
【００３２】
この時、好ましくは図５に示すように、接合部５ａを中心として分割された熱融着要素２２によりラミネートフィルム接合部の両側を接合する。
【００３３】
また、外装体同士の接着部分と接着層を備えたリード端子という厚さの異なる部分を同時に熱融着するので、熱融着を行なう際用いられるヒーターブロックは、表面に耐熱性の弾性部材を用いて厚さの差を吸収させるようにするとよい。なお、弾性部材は、例えばシリコンゴム等が挙げられるが、耐熱性で熱伝導性のある弾性材料であればその他の材料であっても構わない。また、最終シール形状になるように、ヒーターブロックのリード端子と接着層を含んだ部分をその厚さにあわせて加工しても構わない。さらに、熱融着ではなく、接着剤や接着性フィルムを用いることも可能である。
【００３４】
（４）次に、シールされたリード端子接着部分を、電気化学デバイス素体（発電要素）と平行になるように折り曲げる。さらに、リード端子接着部と対向する外装体とを接着性フィルムや接着剤、又は接着剤塗布済みフィルムで固定しても構わない。
【００３５】
（５）次いで、外装体の未接着部分である二辺の接着を行う。このとき、外装体の未接着部分である二辺の接着を行う方法として、好ましくは図５に示すように、既接着部分である端子部分の接合部５ａ（接着面）を外装体の平面部分に対して垂直の状態にして、未接着部分である二辺の接着を熱融着にて行うとよい。この時のヒーターブロックの配置は、垂直に立ち上がっている端子部分の接着面を隔てて各々ヒーターブロック２２を配置した面有する熱融着要素（ヒーターブロック）２２とそれに対向した面を有する熱融着要素（ヒーターブロック）２１とからなり、対向した面を有する熱融着要素２１は二辺の接着面に対して全面を受ける状態でヒーターブロックを配置させた。
【００３６】
さらに、十分な気密性を持った接着を実現するには、二辺の接着を行うための各々に配置されたヒーターブロックによって、垂直に立ち上がっている既に接着済みの一辺のうち、二辺の接着部分と重なる部分に対して再度シールを行なう形にして、垂直に配置された接着部分の中心部に熱および圧力をかけるようにするとよい。
【００３７】
このとき、未接着部分には電気化学デバイス素体を横断する状態で既に接着された一辺の接着部分が存在する。このため、熱融着する場合、ヒーター表面に耐熱性の弾性部材を用いてこの接着部分による厚さの差を吸収した状態で熱融着を行うとよい。これにより、気密性を持った外装体の熱融着が実現する。なお、弾性部材は、例えばシリコンゴム等が挙げられるが、耐熱性を備えた熱伝導性の弾性材料であれば材料は特に限定されるものではない。
【００３８】
接着された二辺は、電気化学デバイス素体側面に密着するように折り曲げるとよい。また、このとき側面に接着してもよい。
【００３９】
図１のＡ−Ａ’断面矢視図を図２に示す。図に示すように、内部においてリード端子線３は折り曲げられており、シール部分を電気化学デバイス素体のリード端子３導出面に対して前方後方いずれに倒すことも可能であるが、図示例では後方に倒した状態を示してある。このような接着構造により従来リード端子を導出していた面にはシール部分が全く存在しないことになる。なお、図２において、電気化学デバイス素体は、電極１１とセパレータ（またはゲル電解質）１２との積層構造体になっている。また、この電気化学デバイス素体の上部には、ショートを防止するための絶縁フィルム１３が配置されている。
【００４０】
また、図２に示すように、平面部分は電気化学デバイス上面もしくは下面に存在する。従って、接合部５ａは電気化学デバイスの上面もしくは下面のいずれにあってもよい。
【００４１】
また、このような構造にすることにより外装体側面の折り曲げのみで最終的な形が形成される。図１の外装体折り曲げ位置の角部にあたるＢ−Ｂ’断面矢視図を図３に示す。図３に示すように、折り曲げ位置の角部は外装体の重なり枚数を二枚に制限できることがわかる。
【００４２】
電気化学デバイス平面部に存在する接合部５ａは、図２に示すように、シールの存在しない部分と比較してシールに使用した二枚の外装体およびリード端子と両者をシールするために用いられる接着層の分だけ厚くなっている。そこで、シールの存在しない領域に対してその面積、厚さと同等の寸法の電気化学デバイス素体要素を配置することが可能である。なお、電気化学デバイス素体要素とは、上記のように電極、セパレータ（またはゲル電解質）等により構成される電気化学デバイスの構成部材をいう。
【００４３】
このような部分にも、電気化学デバイス素体要素を配置することで、従来のデバイスと同等の大きさで体積エネルギー密度を増大させることができる。
【００４４】
また、安全回路ないし保護回路がさらに薄型化、小型化された場合、この安全回路ないし保護回路９を図４に示すように、電気化学デバイス厚さ面６に配置してもよい。この場合に必要な体積は、保護回路の体積と等しくなり、従来構造のシール部分を兼ねた回路設置部のように、有効体積を規制されない。また、安全回路ないし保護回路を配置する位置も電気化学デバイス厚さ面もしくは接合部を除いた平面部であれば場所を問わずに配置可能である。
【００４５】
さらに、電気化学デバイス平面部に存在する接合部５ａは、図２に示すように、シールの存在しない部分と比較してシールに使用した二枚の外装体およびリード端子と両者をシールするために用いられる接着層の分だけ厚くなっている。そこで、シールの存在しない部分に対してその面積、厚さと同等の寸法の安全回路、例えば過電流、過電圧防止回路を追加してもよい。
【００４６】
この回路は、電気化学デバイスの内部、外部いずれに配置することも可能である。これにより、従来のデバイスと同等の大きさでさらに安全性の向上した電気化学デバイスを提供することができる。
【００４７】
〔電気化学デバイス〕
本発明の電気化学デバイスは、例えば、アルミニウム箔や銅箔等の金属箔等で構成される正負両極の電極と、セパレータ、高分子固体電解質等とが交互に積層された構造を有する。正負両極の電極には、それぞれ引き出し電極（導出端子）が接続されている。引き出し電極は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属箔で構成される。
【００４８】
外装体は、例えばアルミニウム等の金属層の両面に、熱接着性樹脂層としてのポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂層や耐熱性のポリエステル樹脂層が積層されたラミネートフィルムから構成されている。外装体は、予め２枚のラミネートフィルムをそれらの３辺の端面の熱接着性樹脂層相互を熱接着してシール部を形成し、１辺が開口した袋状に形成したり、あるいは、一枚のラミネートフィルムを折り返して両辺の端面を熱接着してシール部を形成して袋状としたパウチ型のものや、外装体の一部を電気化学デバイスが収納可能な寸法に形成した深絞り型のものがある。
【００４９】
金属−樹脂間接着剤としては、例えばカルボン酸等の酸変性ポリエチレン、酸変性ポリプロピレン、エポキシ樹脂、変性イソシアネート等を例示できる。金属−樹脂間接着剤は、金属とポリオレフィン樹脂との間に介在してこれらの密着性を良好にするためのものであるから、引き出し電極のシール部を覆う程度の大きさで十分である。
【００５０】
本発明の電気化学デバイスに用いられる素子は、積層構造の二次電池に限定されるものではなく、これらと同様な構造を有するキャパシタなどを用いることができる。
【００５１】
本発明の電気化学デバイスは、次のようなリチウム二次電池、電気二重層キャパシタとして用いることができる。
【００５２】
＜リチウム二次電池＞
本発明のリチウム二次電池の構造は特に限定されないが、通常、正極、負極及び高分子固体電解質から構成され、積層型電池や巻回型電池等に適用される。
【００５３】
また、高分子固体電解質と組み合わせる電極は、リチウム二次電池の電極として公知のものの中から適宜選択して使用すればよく、好ましくは電極活物質とゲル電解質、必要により導電助剤との組成物を用いる。
【００５４】
負極には、炭素材料、リチウム金属、リチウム合金あるいは酸化物材料のような負極活物質を用い、正極には、リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な酸化物または炭素材料のような正極活物質を用いることが好ましい。このような電極を用いることにより、良好な特性のリチウム二次電池を得ることができる。
【００５５】
電極活物質として用いる炭素材料は、例えば、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、天然あるいは人造の黒鉛、樹脂焼成炭素材料、カーボンブラック、炭素繊維などから適宜選択すればよい。これらは粉末として用いられる。中でも黒鉛が好ましく、その平均粒子径は１〜３０μm 、特に５〜２５μm であることが好ましい。平均粒子径が小さすぎると、充放電サイクル寿命が短くなり、また、容量のばらつき（個体差）が大きくなる傾向にある。平均粒子径が大きすぎると、容量のばらつきが著しく大きくなり、平均容量が小さくなってしまう。平均粒子径が大きい場合に容量のばらつきが生じるのは、黒鉛と集電体との接触や黒鉛同士の接触にばらつきが生じるためと考えられる。
【００５６】
リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な酸化物としては、リチウムを含む複合酸化物が好ましく、例えば、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＶ₂Ｏ₄などが挙げられる。これらの酸化物の粉末の平均粒子径は１〜４０μm 程度であることが好ましい。
【００５７】
電極には、必要により導電助剤が添加される。導電助剤としては、好ましくは黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、ニッケル、アルミニウム、銅、銀等の金属が挙げられ、特に黒鉛、カーボンブラックが好ましい。
【００５８】
電極組成は、正極では、重量比で、活物質：導電助剤：ゲル電解質＝３０〜９０：３〜１０：１０〜７０の範囲が好ましく、負極では、重量比で、活物質：導電助剤：ゲル電解質＝３０〜９０：０〜１０：１０〜７０の範囲が好ましい。ゲル電解質は、特に限定されず、通常用いられているものを用いればよい。また、ゲル電解質を含まない電極も好適に用いられる。この場合、バインダとしてはフッ素樹脂、フッ素ゴム等を用いることができ、バインダの量は３〜３０質量％程度とする。
【００５９】
電極の製造は、まず、活物質と必要に応じて導電助剤を、ゲル電解質溶液またはバインダ溶液に分散し、塗布液を調製する。
【００６０】
そして、この電極塗布液を集電体に塗布する。塗布する手段は特に限定されず、集電体の材質や形状などに応じて適宜決定すればよい。一般に、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が使用されている。その後、必要に応じて、平板プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行う。
【００６１】
集電体は、電池の使用するデバイスの形状やケース内への集電体の配置方法などに応じて、適宜通常の集電体から選択すればよい。一般に、正極にはアルミニウム等が、負極には銅、ニッケル等が使用される。なお、集電体は金属箔、金属メッシュなどが、通常、使用される。金属箔よりも金属メッシュの方が電極との接触抵抗が小さくなるが、金属箔でも十分小さな接触抵抗が得られる。
【００６２】
そして、溶媒を蒸発させ、電極を作製する。塗布厚は、５０〜４００μm 程度とすることが好ましい。
【００６３】
高分子膜は、例えば、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド））系、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）系等の高分子微多孔膜を用いることができる。
【００６４】
このような正極、高分子膜、負極をこの順に積層し、圧着して電池素体とする。
【００６５】
高分子膜に含浸させる電解液は一般に電解質塩と溶媒よりなる。電解質塩としては、例えば、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＳＯ₃ＣＦ₃、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＮ（ＳＯ₂ ＣＦ₃ ）₂ 等のリチウム塩が適用できる。
【００６６】
電解液の溶媒としては、前述の高分子固体電解質、電解質塩との相溶性が良好なものであれば特に制限はされないが、リチウム電池等では高い動作電圧でも分解の起こらない極性有機溶媒、例えば、エチレンカーボネート（略称ＥＣ）、プロピレンカーボネート（略称ＰＣ）、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート（略称ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等の環式エーテル、１，３−ジオキソラン、４−メチルジオキソラン等の環式エーテル、γ−ブチロラクトン等のラクトン、スルホラン等が好適に用いられる。３−メチルスルホラン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン、エチルジグライム等を用いてもよい。
【００６７】
溶媒と電解質塩とで電解液を構成すると考えた場合の電解質塩の濃度は、好ましくは０．３〜５mol/lである。通常、１mol/l辺りで最も高いイオン伝導性を示す。
【００６８】
このような電解液に微多孔性の高分子膜を浸漬すると、高分子膜が電解液を吸収してゲル化し、高分子固体電解質となる。
【００６９】
高分子固体電解質の組成を共重合体／電解液で示した場合、膜の強度、イオン伝導度の点から、電解液の比率は４０〜９０質量％が好ましい。
【００７０】
＜電気二重層キャパシタ＞
本発明の電気二重層キャパシタの構造は特に限定されないが、通常、一対の分極性電極が高分子固体電解質を介して配置されており、分極性電極および高分子固体電解質の周辺部には絶縁性ガスケットが配置されている。このような電気二重層キャパシタはペーパー型、積層型等と称されるいずれのものであってもよい。
【００７１】
分極性電極としては、活性炭、活性炭素繊維等を導電性活物質とし、これにバインダとしてフッ素樹脂、フッ素ゴム等を加える。そして、この混合物をシート状電極に形成したものを用いることが好ましい。バインダの量は５〜１５質量％程度とする。また、バインダとしてゲル電解質を用いてもよい。
【００７２】
分極性電極に用いられる集電体は、白金、導電性ブチルゴム等の導電性ゴムなどであってよく、またアルミニウム、ニッケル等の金属の溶射によって形成してもよく、上記電極層の片面に金属メッシュを付設してもよい。
【００７３】
電気二重層キャパシタには、上記のような分極性電極と高分子固体電解質とを組み合わせる。
【００７４】
高分子膜は、例えば、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド））系、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）系等の高分子微多孔膜を用いることができる。
【００７５】
電解質塩としては、（Ｃ₂Ｈ₅）₄ＮＢＦ₄、（Ｃ₂Ｈ₅）₃ＣＨ₃ＮＢＦ₄、（Ｃ₂Ｈ₅）₄ＰＢＦ₄等が挙げられる。
【００７６】
電解液に用いる非水溶媒は、公知の種々のものであってよく、電気化学的に安定な非水溶媒であるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、１，２−ジメトキシエタン、スルホラン単独または混合溶媒が好ましい。
【００７７】
このような非水溶媒系の電解質溶液における電解質の濃度は、０．１〜３mol/lとすればよい。
【００７８】
このような電解液に微多孔性の高分子膜を浸漬すると、高分子膜が電解液を吸収してゲル化し、高分子固体電解質となる。
【００７９】
高分子固体電解質の組成を共重合体／電解液で示した場合、膜の強度、イオン伝導度の点から、電解液の比率は４０〜９０質量％が好ましい。
【００８０】
絶縁性ガスケットとしては、ポリプロピレン、ブチルゴム等の絶縁体を用いればよい。
【００８１】
【実施例】
以下、本発明の詳細について実施例を用いて説明する。
＜実施例１＞
図１、２に示すような構造の電池を以下の手順で作製した。
【００８２】
（１）先ず、電池素体の収納部を備えたアルミラミネートフィルム外装体内部に、電極最外層表面に絶縁層を備えた電池素体を収納した。電池素体には電流取り出し用のリード端子が設けられている。
【００８３】
（２）リード端子を電池平面部に設けるシール部分に導出すべく、電池素体端から折り曲げた後、電池素体素平面部分に沿わせてシール位置において電池素体から垂直に立ち上げた。このとき、リード端子のシール位置には接着層を配置しておいた。
【００８４】
（３）電池平面部分に設けられたシール部分は、予め外装体平面に対して垂直に折り曲げられた状態にし、上記シール部分にて垂直に立ち上げたリード端子と共に外装体の内面同士で熱融着を行った。このとき、外装体同士の接着部分と接着層を備えたリード端子という厚さの異なる部分を同時に熱融着するため、熱融着を行なう際用いられるヒーターブロックには、表面に耐熱性のシリコンゴムを用いて厚さの差を吸収させた。
【００８５】
（４）外装体の未接着部分である二辺の接着を行う方法として、既接着部分である端子部分の接着面を外装体の平面部分に対して垂直の状態にして、未接着部分である二辺の接着を熱融着にて行った。この時のヒーターブロックの配置は、垂直に立ち上がっている端子部分の接着面を隔てて各々ヒーターブロックを配置した面とそれに対向した面からなり、対向した面は二辺の接着面に対して全面を受ける状態でヒーターブロックを配置させた。
【００８６】
十分な気密性を持った接着を実現するには、二辺の接着を行うための各々に配置されたヒーターブロックによって、垂直に立ち上がっている既に接着済みの一辺のうち、二辺の接着部分と重なる部分に対して再度シールを行なう形にして、垂直に配置された接着部分の中心部に熱および圧力をかけた。
【００８７】
（５）上記手順にてシールされたリード端子接着部分を、電池素体平面と平行になるように折り曲げた後、リード端子接着部が外装体平面から浮き上がらないようにする目的で、リード端子接着部と対向する外装体とを接着性フィルムで固定した。
【００８８】
（６）上記状態の外装体で未接着である二辺の接着を行った。このとき、未接着部分には電池素体を横断する状態で既に接着された一辺の接着部分が存在する。このため、熱融着する場合ヒーター表面に耐熱性のシリコンゴムを用いてこの接着部分による厚さの差を吸収した状態で熱融着を行った。これにより、気密性を持った外装体の熱融着を行うことができた。
【００８９】
＜実施例２＞
実施例１において、電池平面部に存在するシール部分は、図２に示すようにシールの存在しない部分と比較してシールに使用した二枚の外装体およびリード端子と両者をシールするために用いられる接着層の分だけ厚くなっている。そこで、シールの存在しない部分に対してその面積、厚さと同等の寸法の電池素体要素（発電要素）を追加した。これにより、同等の寸法、外観でさらに電池の体積エネルギー密度を向上させることが可能となった。
【００９０】
このような構成とすることで、リード端子を除いた電池の最大寸法が縦５６．０mm、横３４．０mm、高さ４．２mmの電池の場合、以下に示す比較例１の従来の深絞り型の電池よりも電池容量が最大２０％増加した。
【００９１】
＜実施例３＞
安全性向上のための安全回路がさらに薄型化、小型化されたので、この回路を図１、４に示すように、電池厚さ面６に配置することが可能であった。この場合に必要な体積は、保護回路の体積と等しくなり、従来構造のシール部分を兼ねた回路設置部のように、有効体積を規制されない。また、保護回路を配置する位置も電池厚さ面もしくはシール部を除いた平面部であれば場所を問わずに配置可能である。
【００９２】
＜実施例４＞
本発明の実施例１において、電池平面部に存在するシール部分は、図４に示すように、シールの存在しない部分と比較してシールに使用した二枚の外装体およびリード端子と両者をシールするために用いられる接着層の分だけ厚くなっている。そこで、シールの存在しない部分に対してその面積、厚さと同等の寸法の過電流、過電圧防止回路を追加した。
【００９３】
この回路は、電池の内部、外部いずれに配置することも可能である。これにより、同等の寸法でさらに安全性の向上した電池を提供することが可能である。
【００９４】
＜比較例１＞
比較例１として、図９に示すような従来の深絞り型の外装体の構造を有する電気化学デバイスを作製した。図９の構造において、前面シール部分に保護回路を設置することが可能であった。
【００９５】
＜比較例２＞
比較例２として、従来の深絞り型の外装体において、そのシール部分を平面部に折り返した電池を作成した。外観上は図１に示す構造と近似したものであった。図１中の折り曲げ位置の角部である断面Ｂ−Ｂ’矢視図に相当する部分を図６に示す。図３に示した実施例１における同等部位では、折り曲げ位置の角部での外装体の重なり枚数は二枚であったが、図６に示すように四枚となり、折り返し部分における負荷が大きくなると同時に、形状の歪みも発生し、ラミネートフィルム外装体内のアルミ層の断裂が発生した。また、リード端子部分にも折り曲げによる負荷がかかり、リード端子と接合している電極端子部分の断裂といった問題も発生した。さらに、接着された複数層からなる材料を折り曲げねばならないため、作業的に難易度が高くなった。
【００９６】
＜比較例３＞
比較例３として、電池平面におけるアルミラミネートフィルムの接合に際して、フィルムの内面と外面とを接着させた電池を作成した。外観上は図１に示す構造と近似したものであった。図１の断面Ａ−Ａ’矢視図に相当する部分を図７に示す。図２に示した実施例１の同等部位と比較した場合、フィルムの内面同士を接合させている実施例１と比較して外装体１枚分だけ厚さが減少していることが解る。
【００９７】
このような形状にすることで、実施例１、２よりもさらに高容量化が可能となる。しかしながら、電池素体を含んだ面に対してシールを行なわねばならず、熱融着的な手段を用いた場合、電池素体に加熱する必要があり、電池特性の劣化を招いてしまった。また、熱融着を用いず、例えば接着性の面を備えたフィルムや接着剤を用いた場合も、外装体内部に影響を与えずに接着を行なうためには、その手段は煩雑となり、生産性が低下することが解った。また、図７のシール部は、外装体１ａ端面が電池内部に存在しているため、端面からの電解液成分の侵入によってラミネートフィルム間の剥離や金属箔の腐食が発生した。また、金属箔端面が端子や電極面と接触することによる短絡が発生した。これを防ぐために外装体端面を樹脂等で覆うことも考えられるが、実作業上の煩雑さのために、実用的な手段ではないことが解った。
【００９８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱融着時における電池内部の電気化学デバイス素体に対する熱及び物理的な負担を最小限に抑え、なおかつアルミラミネートフィルムの外装体に対しても同様に、材料の折り曲げ角部分に対して大きな負担を及ぼさず、なおかつ製造上も効率よく生産可能な、電池寸法への影響の少ない外装体を有する電気化学デバイスを提供することができる。
【００９９】
また、電池の更なる高エネルギー密度化を計ることが可能になる。さらに、端子部分のシール位置を、電気化学デバイス素体の平面上であれば任意の位置に配置することが可能となるため、結果として端子部分のシール厚さによって生じたシール部以外の有効スペースを利用することができる。このため、電気化学デバイスの自由度が増すのと同時に、リード端子の導出方向も電気化学デバイス素体の平面部に対して垂直に立ち上げた端子部分の折り曲げを任意の側に行うことが可能となり、例えば安全回路等の電気化学デバイス外部に配置する部品位置に対する自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気化学デバイスの外観構成を示す斜視図である。
【図２】図１の断面Ａ−Ａ’矢視図である。
【図３】図１の断面Ｂ−Ｂ’矢視図である。
【図４】電気化学デバイス厚さ面に保護回路を装着した状態を示す斜視図である。
【図５】ラミネートフィルムと熱融着要素との関係を示した一部断面図である。
【図６】比較例の図１における断面Ｂ−Ｂ’矢視図に相当する部分の図である。
【図７】比較例の図１における断面Ａ−Ａ’矢視図に相当する部分の図である。
【図８】従来用いられているパウチ型外装体を用いた電池の一例を示す外観斜視図である。
【図９】従来用いられている深絞り型外装体を用いた電池の一例を示す外観斜視図である。
【符号の説明】
１電気化学デバイス
２平面部
３リード端子
４側面
４ａ接合部の側部
５電極端側のラミネートフィルム
５ａ接合部
６厚さ面
７角部
９保護回路
１１正極
１２負極
１３電解質（セパレータ）
１４絶縁フィルム

Claims

ラミネートフィルム外装部材を用いた電気化学デバイスであって、
電気化学デバイス素体要素の平面部上で前記ラミネートフィルムの一辺が折り返され、前記ラミネートフィルムの折り返された部分と前記ラミネートフィルムの当該折り返された部分の反対辺とが内面同士で接合された接合部を前記平面部上に備え、
前記接合部からリード端子が導出されている電気化学デバイス。
前記接合部の長軸方向が前記電気化学デバイス素体要素の長軸方向に対して垂直に配置されている請求項１の電気化学デバイス。
前記リード端子における、前記ラミネートフィルム外装部材の内側の端部は、前記電気化学デバイス素体要素端部で折り曲げられている請求項１又は請求項２の電気化学デバイス。
ラミネートフィルム外装部材を用いた電気化学デバイスの製造方法であって、
電気化学デバイス素体要素の平面部上で、前記平面部に対して垂直に折り曲げられた前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺を、互いの内面同士が接触し、かつ、リード端子が間に介在するように熱融着する事により接合部を形成する工程と、
前記接合部を前記平面部と平行となるように折り曲げる工程と、
を備える電気化学デバイスの製造方法。
前記接合部を形成する工程において、前記接合部の長軸方向が前記電気化学デバイス素体要素の長軸方向に対して垂直となるように前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺及び前記電気化学デバイス素体要素を配置する請求項４の電気化学デバイスの製造方法。
前記接合部を形成する工程において、前記電気化学デバイス素体要素の側面に接続されたリード端子を前記電気化学デバイス素体の平面部に向けて折り曲げた後に前記前記リード端子を前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺の間に介在させる請求項４又は５に記載の電気化学デバイスの製造方法。
前記接合部を形成する工程において、前記熱融着を、一対のヒータブロックにより前記ラミネートフィルムの一辺及び反対辺を両側から挟むことにより行う請求項４〜６のいずれかに記載の電気化学デバイスの製造方法。