非水電解質電池
【課題】振動や落下等により外部から衝撃が加わった際の電圧低下が抑制された非水電解質電池を提供する。
【解決手段】扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子11と、前記負極に電気的に接続された負極端子13とを具備する非水電解質電池であって、前記正極端子11及び前記負極端子13は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、内面同士が接合されていることを特徴とする非水電解質電池。
【解決手段】扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子11と、前記負極に電気的に接続された負極端子13とを具備する非水電解質電池であって、前記正極端子11及び前記負極端子13は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、内面同士が接合されていることを特徴とする非水電解質電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非水電解質電池に係わるものである。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器の発展にともない、小型で軽量、かつエネルギー密度が高く、さらに繰り返し充放電が可能な二次電池の開発が要望されている。このような二次電池としてはリチウムまたはリチウム合金を活物質とする負極と、モリブデン、バナジウム、チタンあるいはニオブなどの酸化物、硫化物もしくはセレン化物の活物質を含む懸濁液が塗布された集電体からなる正極と、非水電解液とを具備した非水電解質二次電池が知られている。
【0003】
また、負極に例えばコークス、黒鉛、炭素繊維、樹脂焼成体、熱分解気相炭素のようなリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質材料を含む懸濁液が塗布された集電体を用いた非水電解質二次電池が提案されている。前記二次電池は、デンドライト析出による負極特性の劣化を改善することができるため、電池寿命と安全性を向上することができる。
【0004】
一方、外装部材は、従来の金属缶の代わりに、より一層の薄形化を目的として例えばナイロンフィルムに代表される外部衝撃保護フィルムを最外層とし、アルミニウム箔に代表される防湿、遮光を目的とした金属層を中間に配し、最内層に電極群並びに電解液を封止するための熱融着性樹脂フィルム配した複合フィルムから形成されたものを用いることが進んでいる。
【0005】
このようなフィルム材から形成された外装部材を備えた非水電解質二次電池は、従来の金属缶を用いたものと比較して、多種多様な形状展開が比較的安価で可能であり、最近特に電池の高容量化、高出力化が要求される分野では外装部材にフィルム材を用いたものが主流になっている。
【0006】
しかしながら、一方で電池の安全性を考慮した場合、金属缶と比較して一般的にフィルム材の強度は弱いため、過充電および過放電の発熱やガス発生による内部圧力上昇からの破裂等は起こりにくく有利である半面、振動や落下衝撃では容器内部の電極群の移動により容器自体に変形が生じ、端子の断線による内部抵抗の上昇や局部的短絡が起こりやすい。
【0007】
この状態は通常に充放電を繰り返した場合でも不具合部分での発熱による電池自体の発火を引き起こす可能性がある。
【0008】
落下衝撃時の電池信頼性の低下を防止するために、特許文献1では、電池コア40が収納される第1の凹部10hの第1の側面10sに、電極端子6が延在する方向に沿って電池コア40に近づくように第1の凹部10hの内側に突出する第1の突出部11tを形成している。
【特許文献1】特開2003−77426号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、振動や落下等により外部から衝撃が加わった際の電圧低下が抑制された非水電解質電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る非水電解質電池は、扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、内面同士が接合されていることを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明に係る非水電解質電池は、扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、絶縁性スペーサが介装されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0012】
本願発明によれば、非水電解質電池に振動や落下等により外部から衝撃が加わった際の電圧低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本願発明に係る非水電解質電池によれば、外部から衝撃が加わった際の外装部材内での電極群の移動を抑えることが可能であり、電極群及び外装部材に加わる衝撃を緩和することができる。ここでの外部衝撃は外からの力で外装部材が破れる、もしくは電池自体が変形するようなものではなく、輸送時の振動や、外部機器に組み込まれパック化した後に加わる間接的な力を想定している。
【0014】
フィルム材から形成された外装部材を備えた非水電解質電池では、正極端子及び負極端子を外装部材から外部に引き出しているため、正極端子及び負極端子がフィルム材の間に挟まれて固定されているものの、電極群は外装部材と接触しているだけで固定されていない。このため、外装部材内部に存在する空隙の方向に衝撃が加わった場合、電極群は衝撃方向に容易に移動し、更に強い衝撃では電極群の衝突により外装部材を変形させることもある。
【0015】
この衝撃により正負極端子と電極群との接続が外れるか、正負極端子もしくは電極群の破損により一時的に断線状態となり、更にその後の衝撃で断線部分が接触した状態になると、局部的に抵抗が高い部分を生ずることになり通常に充放電を繰り返した場合でもこの不具合部分での発熱による電池自体の発火を引き起こす可能性がある。また電極群自体の変形により、局部的短絡を生じ、発熱、発火を引き起こす可能性もある。
【0016】
本願発明のように、正極端子及び負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と電極群との間に位置する空間と対向する第1の面及び第2の面において、内面同士を接合するか、あるいは絶縁性スペーサを介在させることによって、外部衝撃が加わった際、電極群の移動を接合部あるいは絶縁スペーサで規制することができる。その結果、正負極端子の接続不良及び電極群の変形を抑制することができるため、外部衝撃が加わった際の内部短絡による電圧低下を抑制することができる。なお、接合部の形成や、外装部材への絶縁性スペーサの固定は、例えば、熱融着、電池性能に影響を及ぼさない接着剤やテープの使用等により行うことができるが、方法が簡単で、十分な接合強度が得られ、しかも副反応の恐れが少ないため、熱融着が望ましい。
【0017】
まず、接合部について説明する。
【0018】
接合部の面積は、正極端子及び負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と電極群との間に位置する空間と対向する領域面積(片面)の10%以上、60%以下にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。接合部の面積を 10%未満にすると、電極群の衝突で接合部が剥離する恐れがある。一方、接合部の面積が60%を超えると、電池内部の空間が減少することにより、電解液の保持スペ−スが減少する。このため、注液性が悪化して生産性が低下する恐れがある。また、出力特性・充放電サイクル特性などの電池特性が低下する可能性がある。
【0019】
接合部は、例えば、第1の面または第2の面に凹部を形成し、凹部内面と他方の面の内面とを接合することにより形成することができる。凹部の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、円柱形状、楕円柱形状、三角柱形状、四角柱形状、多角柱形状等の様々な形状にすることができる。加工しやすいのは円柱形で、接合強度がより向上されるのは四角柱形である。
【0020】
また、凹部はテーパ形状を有していることが望ましい。これにより、フィルム材に凹部を形成する際の加工皺を少なくすることができる。さらに、電極群と凹部との衝突面積を大きくすることができるため、電極群の移動を規制する効果をより高くすることができる。
【0021】
凹部内の空隙を埋めるための充填部材を備えることによって、接合部を外側から加圧して接合部の接合強度をより向上することができる。また、凹部内に異物が入るのを回避することができると共に、電池強度の補強も可能である。
【0022】
充填部材には、正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部上に固定される平板部と、平板部に形成され、凹部内の空隙に充填される突起部とを具備するものを使用可能である。このような充填部材は、接合部の接合強度をより向上することができる。また、凹部内に異物が入るのを回避することができると共に、電池強度の補強も可能である。さらに、充填部材と外装部材の接合強度も向上することができる。
【0023】
充填部材が衝撃吸収性を有することによって、落下時の耐衝撃性をより高くすることができる。衝撃吸収性を有する材料としては、例えば、シリコンゴム、ウレタン樹脂、二トリルブタジエンゴム(NBR)などを挙げることができる。
【0024】
次いで、絶縁性スペーサについて説明する。
【0025】
絶縁性スペーサは、電池性能に影響を及ぼさない材料から形成されていれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)のような熱可塑性樹脂から形成することができる。
【0026】
絶縁性スペーサと外装部材との接着面積(片面)は、接合部で説明したのと同様な理由により、領域面積(片面)の10%以上、60%以下にすることが望ましい。
【0027】
特に、第1の面または第2の面に凹部を形成し、凹部が形成された面と他方の面との間に絶縁性スペーサを固定することによって、簡単な方法で、より高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【0028】
本願発明の非水電解質電池を、輸送時の振動や、外部機器に組み込まれパック化した後に加わる間接的な力を想定して、電池に直接外力が加わらないように電池表面部を保護し、コンクリート等の上に一定高さから数回落下させたときの電池電圧の変化を確認した結果、後述する実施例に示す通り、従来構造の電池と比較してその変化量を著しく小さくできることが確認でき、耐外部衝撃に効果のある非水電解質電池を実現することができた。
【0029】
外装部材及び電極群について説明する。
【0030】
1)外装部材
外装部材には、電極群が収納される凹部(カップ部)を備えたものを使用することができる。外装部材には、容器と封口板が一体化されたものを使用しても良いし、封口板と容器とが別々の構成になっているものを使用することも可能である。
【0031】
外装部材を形成するフィルム材は、少なくとも樹脂フィルムを含有するものが好ましい。このようなフィルム材としては、例えば、樹脂製フィルム、樹脂及び金属を含有するラミネートフィルム等を挙げることができる。
【0032】
使用する樹脂の種類は、特に限定されるものではないが、例えば、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂(ポリエチレンやポリプロピレン等)などの熱可塑性樹脂等を挙げることができる。
【0033】
ラミネートフィルムとしては、例えば、金属層と、金属層の一方の面に形成された熱可塑性樹脂層と、金属層の反対側の面に形成された保護層とを含むものを使用することができる。金属層は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。保護層は、例えば、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリエテレンテレフタレートから形成することができる。接合部は、ラミネートフィルムの熱可塑性樹脂層同士を熱融着させることにより形成することができる。
【0034】
また、ラミネートフィルムにおいては、外部保護層、金属層及び熱可塑性樹脂層の各層の間に接着剤層やガスバリアー層などを設けても良い。
【0035】
2)電極群
電極群には、扁平形状を有するものを使用することができる。扁平形状の電極群は、例えば、正極と負極とをセパレータを介して渦巻状に捲回するか、あるいは正極と負極とをその間にセパレータを介在させながら交互に積層することにより作製される。
【0036】
正極は、集電体と、集電体に担持された合剤層とを含む。
【0037】
正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4、LiMnO2)、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有コバルト酸化物(例えば、LiCoO2)、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.2O2)、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。なお、使用する正極活物質の種類は、1種類もしくは2種類以上にすることができる。
【0038】
集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。
【0039】
負極は、集電体と、集電体に担持される合剤層とを含む。
【0040】
負極活物質には、リチウムイオンもしくはリチウムを吸蔵放出するものを使用することができ、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料(例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など)、カルコゲン化合物(例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ等)、軽金属(例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金等)、リチウムチタン酸化物(例えば、スピネル型のチタン酸リチウム)等を挙げることができる。
【0041】
集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。
【0042】
セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。セパレータの形成材料としては、前述した種類の中から選ばれる1種類または2種類以上を用いることができる。
【0043】
電極群には、非水電解質が保持されている。非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質(例えば、リチウム塩)とを含むものである。この非水電解質の形態は、液体状(非水電解液)やゲル状あるいは固体状にすることができる。
【0044】
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。
【0045】
電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ過リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、0.2mol/l〜2mol/lとすることが望ましい。
【0046】
[実施例]
以下、本発明の実施例を前述した図面を参照して詳細に説明する。
【0047】
(実施例1)
<外装部材の形成>
厚さ0.025mmのナイロンフィルム/厚さ0.04mmのアルミニウム箔/厚さ0.03mmのポリエチレンフィルムで構成される総厚さ0.095mmの外装フィルムに絞り加工を施し、図1に示すように、短辺側の一端部の3箇所に深さ3.5mmの円柱状の凹部1a〜1cを設け、外寸法105×75mmに切り出し、封口板2を得た。円柱状の凹部1a〜1cはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部1a〜1cには、突き出し側に向かって径が小さくなるようにテーパ3が設けられている。
【0048】
同様な外装フィルムに深絞り加工を施して深さ4.0mm、長さ95mm、幅65mmの矩形状カップ部4と、カップ部4の短辺方向2箇所4a,4bと長辺方向2箇所4c,4dに幅5mmの縁部を設けた外形寸法105×75mmの容器5を作製した。カップ部4はナイロンフィルムが外側になるように加工した。
【0049】
<電極群の作製>
まず、活物質としてのLiCoO2粉末89重量部に導電性フィラーとしてのグラファイト粉末8重量部および結着剤としてポリフッ化ビニリデン樹脂3重量部をN−メチルピロリドン25重量部に混合して正極ペーストを調製した。この正極ペーストを集電体である厚さ0.03mmのアルミニウム箔フープ材の両面へ両サイドに未塗布部分が残るように連続塗布し、乾燥した後、圧延して正極合剤層を形成した後、塗布部分の外形寸法が80×60mm、未塗布部分6の寸法が長辺部右端面より10mm内側の位置で5×10mmになるように切り出して正極とした。
【0050】
次いで、メソフェーズピッチ系炭素繊維を粉砕した後、熱処理した炭素繊維粉末100重量部をカルボキシメチルセルロースおよびスチレン−ブタジエンの架橋ゴムラテックス粒子2重量部を含む水溶液に混合して負極ペーストを調製した。この負極ペーストを集電体である厚さ0.015mmの銅箔フープ材の両面へ両サイドに未塗布部分が残るように連続塗布し、乾燥した後、圧延して負極合剤層7を形成した後、塗布部分の外形寸法が81×61mm、未塗布部分8の寸法が長辺部左端面より10mm内側の位置で5×10mmになるように切り出して負極とした。
【0051】
次いで、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを168×64mmに切り出した後、長辺を中央で180°折り返し、長辺両サイド端9を幅1mmで熱融着することにより袋部分を形成し、外形寸法84×64mm、袋部分内寸84×62mmの袋状セパレータを作製した。
【0052】
次いで、セパレータの袋部分に正極を挿入して正極とセパレータを合わせた後、正極未塗布部分6が右側方向、負極未塗布部分8が左側方向に延出され、更に最下層より負極、セパレータ+正極、負極、セパレータ+正極の順で最上層に負極がくるように重ね、最終的に負極21枚と正極+セパレータ20枚を積層させた後、積層電極の4つのコーナー部分を絶縁テープ10で止めることにより正極、負極、セパレータを固定した。
【0053】
次に、正極未塗布部分6のアルミニウム箔20枚を超音波溶接にて接合した後、その先端部分を、図4に示すように、厚さ0.1mm、外寸30×10mmのアルミニウム板11を二つに折り曲げたもので挟み、超音波溶接により固定した。アルミニウム板11の先端を正極未塗布部分6とは反対側に引き出し、正極タブ11(正極端子)とした。負極未塗布部分8の銅箔21枚を超音波溶接にて接合した後、この先端部に、厚さ0.1mm、外寸30×10mmの銅板からなる負極タブ13(負極端子)を正極の場合と同様にして接合した。
【0054】
金属接着性を有する熱可塑性樹脂フィルムとして、外形寸法7×20mmの酸変性ポリエチレンフィルム12を用意し、正極タブ11及び負極タブ13の短辺側先端部より3mmの位置の両面に熱融着し、図3に示す構造の電極群を得た。
【0055】
<電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)が体積比で1:1の割合で混合された非水溶媒に電解質としてLiPF6を1mol/lの濃度になるように溶解させて非水電解液を調製した。
【0056】
<非水電解質電池の作製>
図5に示すように、容器5のカップ部4に、正極タブ11および負極タブ13が短辺側縁部4aから外部に引き出され、酸変性ポリエチレンフィルム12が容器5の短辺側縁部4aに架かるように電極群を収納した。
【0057】
次に、封口板2をポリエチレンフィルム側が内側になるように容器5に重ね合わせた。この重ね合わせの際、カップ部4内の電極群と短辺側縁部4aとの間の空間部において、正極タブ11の右側に凹部1aを配置し、正極タブ11と負極タブ13の間に凹部1bを配置し、負極タブ13の左側に凹部1cを配置した。次いで、カップ部4が上面に位置するように外装部材全体を反転させた。
【0058】
続いて、短辺側縁部2箇所4a,4bを熱融着機にて、温度200℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間10sの条件にて熱融着した。この後、未融着の長辺側縁部の一方を熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。
【0059】
続いて、封口板2(第1の面)の3箇所の凹部1a〜1cの内面と、それぞれの凹部に相対しているカップ部4の底部内面(第2の面)とを熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。凹部3箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部4aとの間に位置するカップ部4底部内面積の21%であった。
【0060】
続いて、非水電解液を未融着の長辺側縁部よりカップ部4内に注入して電極群に含浸させた後、未融着の長辺側縁部を先に融着した長辺側縁部と同じ条件で熱融着し、図6に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0061】
(実施例2)
<外装部材の形成>
実施例1で説明したのと同様な外装フィルムを絞り加工により、図7に示すように、短辺側端部の3箇所に深さ3.5mmの直方体状の凹部14a〜14cを設け、外寸法105×75mmに切り出した封口板15を作製した。直方体状の凹部14a〜14cはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部14a〜14cには、突き出し側に向かって面積が小さくなるようにテーパ16が設けられている。一方、実施例1と同じ方法で図8に示す構造の容器5を作製した。
【0062】
以上説明した外装部材を用いること以外は、実施例1と同じ方法で、図9に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0063】
すなわち、図9に示すように、正極タブ11および負極タブ13は、容器5の短辺側縁部4aと封口板15の短辺側端部との間から外部に引き出されている。カップ部4内の電極群と短辺側縁部4aとの間の空間部において、正極タブ11の右側に凹部14aが配置され、正極タブ11と負極タブ13の間に凹部14bが配置され、負極タブ13の左側に凹部14cが配置されている。凹部14a〜14cの内面(第1の面)と、それぞれの凹部に相対しているカップ部4の底部内面(第2の面)とは、熱融着により接合されている。凹部3箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部4aとの間に位置するカップ部4底部内面積の27%であった。
【0064】
(実施例3)
<外装部材の形成>
実施例1で説明したのと同様な外装フィルムを絞り加工により、図10に示すように、短辺側の両端部に深さ3.5mmの直方体状の凹部17a〜17dを2箇所ずつ計4箇所設け、外寸法115×75mmに切り出した封口板18を作製した。直方体状の凹部17a〜17dはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部17a〜17dには、突き出し側に向かって面積が小さくなるようにテーパ19が設けられている。
【0065】
実施例1と同じ外装フィルムを深絞り加工を施し、図11に示すように、深さ4.0mm、長さ105mm、幅65mmの矩形状カップ部20と、カップ部20の短辺方向2箇所20a,20bと長辺方向2箇所20c,20dに幅5mmの縁部を設けた外形寸法115×75mmの容器21を作製した。カップ部20はナイロンフィルムが外側になるように加工した。
【0066】
<電極群の作製>
実施例1と同じ方法で正極合剤層を形成した後、塗布部分の外形寸法が80×60mm、未塗布部分22の寸法が5×20mmになるように切り出して正極とした。
【0067】
さらに実施例1と同じ方法で負極合剤層7を形成した後、塗布部分の外形寸法が81×61mm、未塗布部分23の寸法が5×20mmになるように切り出して負極とした。
【0068】
また、実施例1と同じ方法で袋状セパレータを作製し、セパレータの袋部分に正極を挿入して正極とセパレータを合わせた後、最下層より負極、セパレータ+正極、負極、セパレータ+正極の順で最上層に負極が位置するように重ね、最終的に負極21枚と正極+セパレータ20枚を積層させた後、前記積層電極を4つのコーナー部分を絶縁テープ10で止めることにより正極、負極、セパレータを固定した。正極未塗布部分22は、積層電極の短辺側端部から突出させた。また、負極未塗布部分23は、積層電極の反対側の短辺側端部から突出させた。
【0069】
次に、正極未塗布部分22のアルミニウム箔20枚を超音波溶接にて接合した後、その先端部分を、前述した図4に示すように、厚さ0.1mm、外寸30×20mmのアルミニウム板24を二つに折り曲げたもので挟み、超音波溶接により固定した。アルミニウム板24の先端を正極未塗布部分22とは反対側に引き出し、正極タブ24(正極端子)とした。負極未塗布部分23の銅箔21枚を超音波溶接にて接合した後、この先端部に、厚さ0.1mm、外寸30×20mmの銅板からなる負極タブ25(負極端子)を正極の場合と同様にして接合した。
【0070】
金属接着性を有する熱可塑性樹脂フィルムとして、外形寸法7×30mmの酸変性ポリエチレンフィルム26を用意し、正極タブ24及び負極タブ25の短辺側先端部より3mmの位置の両面に熱融着し、図12に示す構造の電極群を得た。
【0071】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0072】
<非水電解質電池の作製>
図13に示すように、容器21のカップ部20に、正極タブ24が短辺側縁部20aから外部に引き出され、負極タブ25が短辺側縁部20bから外部に引き出され、酸変性ポリエチレンフィルム26が容器21の短辺側縁部20a、20bに架かるように電極群を収納した。
【0073】
次に、封口板18をポリエチレンフィルム側が内側になるように容器21に重ね合わせた。この重ね合わせの際、カップ部20内の電極群と短辺側縁部20aとの間の空間部において、正極タブ24の両側に凹部17a,17bを配置した。また、カップ部20内の電極群と短辺側縁部20bとの間の空間部において、負極タブ25の両側に凹部17c、17dを配置した。次いで、カップ部20が上面に位置するように外装部材全体を反転させた。
【0074】
続いて、短辺側縁部2箇所20a,20bを熱融着機にて、温度200℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間10sの条件にて熱融着した。この後、未融着の長辺側縁部の一方を熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。
【0075】
続いて、封口板18(第1の面)の4箇所の凹部17a〜17dの内面と、それぞれの凹部に相対しているカップ部20の底部内面(第2の面)とを熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。凹部17a,17bの2箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部20aとの間に位置するカップ部20底部内面積の18%であった。一方、凹部17c,17dの2箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部20bとの間に位置するカップ部20底部内面積の18%であった。
【0076】
続いて、非水電解液を未融着の長辺側縁部よりカップ部20内に注入して電極群に含浸させた後、未融着の長辺側縁部を先に融着した長辺側縁部と同じ条件で熱融着し、図14に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ115mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0077】
(実施例4)
<外装部材の形成>
実施例1で説明したのと同様な外装フィルムを絞り加工により、図15に示すように、短辺側端部の3箇所に深さ0.5mmの直方体状の凹部27a〜27cを設け、外寸法105×75mmに切り出した封口板28を作製した。直方体状の凹部27a〜27cはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部27a〜27cには、突き出し側に向かって断面積が小さくなるようにテーパが設けられている。一方、実施例1と同じ方法で図16に示す構造の容器5を作製した。
【0078】
<電極群の作製>
実施例1と同じ方法で図19に示す電極群を作製した。
【0079】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0080】
<非水電解質電池の作製>
図17に示すように、外寸法3.0mm×8.0mm×60.0mmとなる直方体のポリエチレン製絶縁体29(絶縁性スペーサ)を作製した。図18に示すように、絶縁体29を容器5のカップ部4内の短辺4a側に配置した。
【0081】
次いで、図20に示すように、容器5のカップ部4に電極群を、正極タブ11および負極タブ13が絶縁体29上を横切って短辺側縁部4aから外部に引き出され、かつ酸変性ポリエチレンフィルム12が短辺側縁部4aに架かるように収納した。
【0082】
次に、封口板28をポリエチレンフィルム側を内側にして容器5に重ね合わせた。この重ね合わせの際、絶縁体29上の正極未塗布部分6の右側に凹部27aを配置し、絶縁体29上の負極未塗布部分8の左側に凹部27cを配置し、絶縁体29上の正極未塗布部分6と負極未塗布部分8の間に凹部27cを配置した。次いで、カップ部4が上面になるように外装部材全体を反転させた。
【0083】
続いて、実施例1と同じ方法で短辺側縁部2箇所と長辺側縁部の一方を熱融着した。
【0084】
続いて、封口板28(第1の面)の凹部27a〜27cの底部内面と、カップ部4の底部内面(第2の面)のうち凹部27a〜27cと相対している箇所とを、温度200℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて加熱加圧し、凹部27a〜27cの底部内面と凹部27a〜27cと相対しているカップ部4底部内面との間に絶縁体29を熱融着させた。封口板28と絶縁体29との熱融着面積およびカップ部4と絶縁体29との熱融着面積は、それぞれ、電極群と短辺側縁部4aとの間に位置するカップ部4底部内面積の27%であった。
【0085】
続いて、非水電解液を未融着の長辺側縁部よりカップ部4内に注入して電極群に含浸させた後、未融着の長辺側縁部を先に融着した長辺側縁部と同じ条件で熱融着し、図21に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブの寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0086】
(実施例5)
図22に示すように、凹部14a〜14cの空隙にシリコンゴムからなる充填部材30を充填すること以外は、実施例2で説明したのと同様な方法で非水電解質電池を100個作製した。
【0087】
(実施例6)
凹部14a〜14cの空隙にウレタン樹脂からなる充填部材を充填すること以外は、実施例2で説明したのと同様な方法で非水電解質電池を100個作製した。
【0088】
(実施例7)
実施例2と同じ方法で、図23(b)に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を作製した。
【0089】
また、図23(a)に示すように、凹部14a〜14cに嵌合する形状の突起部31a〜31cを有するNBR製充填部材32を作製した。充填部材32の平板部33は、端部が正負極タブが引き出されている熱融着部と重なるように、ここでは、面積外寸65×30mmの矩形状とした。
【0090】
充填部材32の突起部31a〜31cを凹部14a〜14cに嵌めこみ、また、平板部33が熱融着部にかかるように配置し、これらを接着剤で接合することにより、図24に示す構造を有する非水電解質電池を100個作製した。
【0091】
(実施例8)
実施例3の非水電解質電池において、封口板とカップ部の内面を接合する代わりに、カップ部20内の短辺側縁部20a,20b側に外寸法3.0mm×8.0mm×60.0mmとなる直方体のポリエチレン製絶縁体(絶縁性スペーサ)を配置し、絶縁体と外装部材とを実施例4で説明したのと同様な条件で熱融着した。このような構成の非水電解質電池を100個用意した。封口板と絶縁体との熱融着面積(片側)およびカップ部と絶縁体との熱融着面積(片側)は、それぞれ、電極群と短辺側縁部との間に位置するカップ部底部内面積(片側)の18%であった。
【0092】
(実施例9)
凹部17a〜17dの空隙にシリコンゴムからなる充填部材を充填すること以外は、実施例3で説明したのと同様な方法で非水電解質電池を100個作製した。
【0093】
(実施例10)
実施例3と同じ方法で非水電解質電池を作製した。
【0094】
また、4つの凹部に嵌合する形状の突起部を有するNBR製充填部材を作製した。充填部材の平板部は、端部が正負極タブが引き出されている熱融着部と重なるように、ここでは、面積外寸65×30mmの矩形状とした。
【0095】
充填部材の突起部を凹部に嵌めこみ、また、平板部が熱融着部にかかるように配置し、これらを接着剤で接合することにより、非水電解質電池を100個作製した。
【0096】
(比較例1)
<外装部材の形成>
実施例1と同じ種類の外装フィルムを絞り加工を行わずに図25に示すように寸法105×75mmに切り出し、矩形板状の封口板34を作製した。また、実施例1と同じ方法で図26に示す構造の外形寸法105×75mmの容器5を作製した。
【0097】
<電極群の作製>
実施例1と同じ方法で電極群を作製した。
【0098】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0099】
<非水電解質電池の作製>
正負極タブが外部に延出している熱融着部と電極群間の空間と対向するカップ部と封口板を電池内部にて熱融着しないこと以外は実施例1と同じ方法で、図27に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0100】
(比較例2)
<外装部材の形成>
実施例1と同じ種類の外装フィルムを絞り加工を行わずに寸法115×75mmに切り出し、矩形板状の封口板を作製した。また、実施例3と同じ方法で外形寸法115×75mmの容器を作製した。
【0101】
<電極群の作製>
実施例3と同じ方法で電極群を作製した。
【0102】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0103】
<非水電解質電池の作製>
正負極タブが外部に延出している熱融着部と電極群間の空間と対向するカップ部と封口板を電池内部にて熱融着しないこと以外は実施例3と同じ方法で、図28に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ115mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0104】
(実施例11)
比較例1の非水電解質電池において、カップ部4の側面に内側に突出する突出部(面積外寸8.0×8.0mm)を、正極タブ11と負極タブ13の間に位置するように形成した。この突出部の内面は、封口板の内面に熱融着させた。熱融着部の面積は、電極群と短辺側縁部との間に位置するカップ部底部内面積の9%であった。
【0105】
これら作製した電池を充電し、輸送時の振動や、外部機器に組み込まれパック化した後に加わる間接的な力を想定して以下の衝撃試験を行った。
【0106】
まず、厚さ3mm、外寸250×150mmの塩化ビニル板中央に正負極タブが延出する辺と塩化ビニル板短辺部が平行になるよう電池をテープで固定した後、更に塩化ビニル板と同寸法の塩化ビニル板を電池に被せ、対向する塩化ビニル板周辺部をテープで固定した。
【0107】
次に、実施例1、2、4〜7、比較例1、実施例11においては正極・負極タブを下にした場合を+方向、タブのない短辺側を下にした場合を−方向とし、実施例3、8〜10及び比較例2においては正極タブを下にした場合を+方向、負極タブを下にした場合を−方向として、塩化ビニル板に固定された電池をコンクリート平面上に100cmの高さから+方向から10回、−方向から10回、落下させた。試験後に電池電圧が0.1mV以上変化した電池数を下記表1に示す。
【表1】
【0108】
表1の結果から、正負極タブが外部に延出されている熱融着部と電極群間に位置する空間部と対応するカップ部と封口板を電池内部において接合した実施例1〜11の非水電解質電池は、比較例1〜2の電池と比較して電池電圧の変化量が著しく小さいことが確認でき、耐外部衝撃に効果のあることが明らかになった。
【0109】
凹部の形状について検討する。実施例1,2を比較すると、電池電圧が0.1mV以上変化した電池数が実施例2の方が少なく、耐衝撃性を向上させるには凹部の形状を四角柱にすることが望ましいことがわかる。
【0110】
凹部の配置については、実施例2,3を比較すると、電池電圧が0.1mV以上変化した電池数が実施例3の方が少なくなっている。よって、耐衝撃性を向上させるには、正極タブと負極タブを180°対向させて配置し、正極タブが引き出されている熱融着部と電極群の間及び負極タブが引き出されている熱融着部と電極群の間それぞれに凹部を形成することが望ましい。
【0111】
凹部の形成と併せてスペーサあるいは充填部材を使用した実施例4〜7では、いずれも、電池電圧が0.1mV以上変化した電池数が皆無となっており、耐衝撃性が実施例1,2に比して改善されている。封口板(第1の面)とカップ部の底部内面(第2の面)との接合強度を比較すると、絶縁性スペーサを使用した実施例4が最も高かった。また、作製方法の簡便さの点からも実施例4が最も優れていた。さらに、電池厚さに影響を及ぼさない点では、実施例4〜6が優れていた。正極タブと負極タブが180°対向している実施例8〜10においても、同様な傾向が得られた。
【0112】
これに対し、比較例1〜2の電池では、電極群及び正負極端子の変形で内部短絡を生じて電池電圧が低下した電池数が多かった。
【0113】
前述した実施例では、集電体の未塗布部分(合剤層非形成部)を二つ折りにしたタブで挟み、これらを溶接したが、集電体とタブの接続方法はこれに限らず、例えば図29に示すように、正負極集電体の未塗布部分6,8を溶接により一つに接合し、接合部の先端を正負極タブ11,13の先端に溶接しても良い。
【0114】
本実施形態では、集電体の未塗布部分に電極タブを接続したものを電極端子として使用しているが、集電体の未塗布部分のうち一枚を長くし、これに残りの未塗布部分を溶接し、前述の長い未塗布部を外装部材の外部に引き出し、電極端子として使用することも可能である。
【0115】
なお、本発明は実施例で記した電極活物質に限定されるものではない。また、非水電解質に非水溶媒を用いた非水溶媒二次電池を用いて説明したが、ポリマー電解質を用いたポリマー電池や固体電解質を用いた固体電解質電池についても当然、適用可能であり、樹脂製セパレータの変わりにポリマー薄膜や固体電解質膜を用いることも可能である。また、外装部材にフィルムを用いた一次電池に適用することも可能である。
【0116】
以上説明したとおり、本発明によれば、従来の電池に対して耐外部衝撃が格段に優れたフィルム製外装部材を備えた非水電解質電池を提供することができる。よって、その工業的価値は非常に大きなものである。
【0117】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0118】
【図1】実施例1の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図2】図1の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図3】実施例1の電極群を模式的に示した平面図。
【図4】実施例1の正極集電体の未塗布部分と正極タブとの接続状態を模式的に示した断面図。
【図5】図3の電極群を容器内に収納した状態を模式的に示した平面図。
【図6】実施例1の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図7】実施例2の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図8】図7の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図9】実施例2の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図10】実施例3の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図11】図11の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図12】実施例3の電極群を模式的に示した平面図。
【図13】図12の電極群を容器内に収納した状態を模式的に示した平面図。
【図14】実施例3の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図15】実施例4の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図16】図15の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図17】実施例4で使用する絶縁性スペーサを模式的に示した斜視図。
【図18】図17の絶縁性スペーサを図15の容器内に収容した状態を模式的に示した斜視図。
【図19】実施例4の電極群を模式的に示した平面図。
【図20】図19の電極群を容器内に収納した状態を模式的に示した平面図。
【図21】実施例4の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図22】実施例5の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図23】実施例7の非水電解質電池の部分分解斜視図。
【図24】実施例7の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図25】比較例1の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図26】図25の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図27】比較例1の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図28】比較例2の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図29】正負極集電体の未塗布部分と正負極タブとの別な接続方法を模式的に示した断面図。
【符号の説明】
【0119】
1a〜1c,14a〜14c,17a〜17d,27a〜27c…凹部、2,15,18,28…封口板、3,16,19…テーパ部、4,20…カップ部、4a〜4d,20a〜20d…縁部、5,21…容器、6,22…正極集電体の未塗布部分(正極合剤層非形成部)、8,23…負極集電体の未塗布部分(負極合剤層非形成部)、11,24…正極タブ、12,26…金属接着性を有する熱可塑性絶縁フィルム、13,25…負極タブ、29…絶縁性スペーサ、30,32…充填部材、31a〜31c…突起部、33…平板部。
【技術分野】
【0001】
本発明は、非水電解質電池に係わるものである。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器の発展にともない、小型で軽量、かつエネルギー密度が高く、さらに繰り返し充放電が可能な二次電池の開発が要望されている。このような二次電池としてはリチウムまたはリチウム合金を活物質とする負極と、モリブデン、バナジウム、チタンあるいはニオブなどの酸化物、硫化物もしくはセレン化物の活物質を含む懸濁液が塗布された集電体からなる正極と、非水電解液とを具備した非水電解質二次電池が知られている。
【0003】
また、負極に例えばコークス、黒鉛、炭素繊維、樹脂焼成体、熱分解気相炭素のようなリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質材料を含む懸濁液が塗布された集電体を用いた非水電解質二次電池が提案されている。前記二次電池は、デンドライト析出による負極特性の劣化を改善することができるため、電池寿命と安全性を向上することができる。
【0004】
一方、外装部材は、従来の金属缶の代わりに、より一層の薄形化を目的として例えばナイロンフィルムに代表される外部衝撃保護フィルムを最外層とし、アルミニウム箔に代表される防湿、遮光を目的とした金属層を中間に配し、最内層に電極群並びに電解液を封止するための熱融着性樹脂フィルム配した複合フィルムから形成されたものを用いることが進んでいる。
【0005】
このようなフィルム材から形成された外装部材を備えた非水電解質二次電池は、従来の金属缶を用いたものと比較して、多種多様な形状展開が比較的安価で可能であり、最近特に電池の高容量化、高出力化が要求される分野では外装部材にフィルム材を用いたものが主流になっている。
【0006】
しかしながら、一方で電池の安全性を考慮した場合、金属缶と比較して一般的にフィルム材の強度は弱いため、過充電および過放電の発熱やガス発生による内部圧力上昇からの破裂等は起こりにくく有利である半面、振動や落下衝撃では容器内部の電極群の移動により容器自体に変形が生じ、端子の断線による内部抵抗の上昇や局部的短絡が起こりやすい。
【0007】
この状態は通常に充放電を繰り返した場合でも不具合部分での発熱による電池自体の発火を引き起こす可能性がある。
【0008】
落下衝撃時の電池信頼性の低下を防止するために、特許文献1では、電池コア40が収納される第1の凹部10hの第1の側面10sに、電極端子6が延在する方向に沿って電池コア40に近づくように第1の凹部10hの内側に突出する第1の突出部11tを形成している。
【特許文献1】特開2003−77426号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、振動や落下等により外部から衝撃が加わった際の電圧低下が抑制された非水電解質電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る非水電解質電池は、扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、内面同士が接合されていることを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明に係る非水電解質電池は、扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、絶縁性スペーサが介装されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0012】
本願発明によれば、非水電解質電池に振動や落下等により外部から衝撃が加わった際の電圧低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本願発明に係る非水電解質電池によれば、外部から衝撃が加わった際の外装部材内での電極群の移動を抑えることが可能であり、電極群及び外装部材に加わる衝撃を緩和することができる。ここでの外部衝撃は外からの力で外装部材が破れる、もしくは電池自体が変形するようなものではなく、輸送時の振動や、外部機器に組み込まれパック化した後に加わる間接的な力を想定している。
【0014】
フィルム材から形成された外装部材を備えた非水電解質電池では、正極端子及び負極端子を外装部材から外部に引き出しているため、正極端子及び負極端子がフィルム材の間に挟まれて固定されているものの、電極群は外装部材と接触しているだけで固定されていない。このため、外装部材内部に存在する空隙の方向に衝撃が加わった場合、電極群は衝撃方向に容易に移動し、更に強い衝撃では電極群の衝突により外装部材を変形させることもある。
【0015】
この衝撃により正負極端子と電極群との接続が外れるか、正負極端子もしくは電極群の破損により一時的に断線状態となり、更にその後の衝撃で断線部分が接触した状態になると、局部的に抵抗が高い部分を生ずることになり通常に充放電を繰り返した場合でもこの不具合部分での発熱による電池自体の発火を引き起こす可能性がある。また電極群自体の変形により、局部的短絡を生じ、発熱、発火を引き起こす可能性もある。
【0016】
本願発明のように、正極端子及び負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と電極群との間に位置する空間と対向する第1の面及び第2の面において、内面同士を接合するか、あるいは絶縁性スペーサを介在させることによって、外部衝撃が加わった際、電極群の移動を接合部あるいは絶縁スペーサで規制することができる。その結果、正負極端子の接続不良及び電極群の変形を抑制することができるため、外部衝撃が加わった際の内部短絡による電圧低下を抑制することができる。なお、接合部の形成や、外装部材への絶縁性スペーサの固定は、例えば、熱融着、電池性能に影響を及ぼさない接着剤やテープの使用等により行うことができるが、方法が簡単で、十分な接合強度が得られ、しかも副反応の恐れが少ないため、熱融着が望ましい。
【0017】
まず、接合部について説明する。
【0018】
接合部の面積は、正極端子及び負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と電極群との間に位置する空間と対向する領域面積(片面)の10%以上、60%以下にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。接合部の面積を 10%未満にすると、電極群の衝突で接合部が剥離する恐れがある。一方、接合部の面積が60%を超えると、電池内部の空間が減少することにより、電解液の保持スペ−スが減少する。このため、注液性が悪化して生産性が低下する恐れがある。また、出力特性・充放電サイクル特性などの電池特性が低下する可能性がある。
【0019】
接合部は、例えば、第1の面または第2の面に凹部を形成し、凹部内面と他方の面の内面とを接合することにより形成することができる。凹部の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、円柱形状、楕円柱形状、三角柱形状、四角柱形状、多角柱形状等の様々な形状にすることができる。加工しやすいのは円柱形で、接合強度がより向上されるのは四角柱形である。
【0020】
また、凹部はテーパ形状を有していることが望ましい。これにより、フィルム材に凹部を形成する際の加工皺を少なくすることができる。さらに、電極群と凹部との衝突面積を大きくすることができるため、電極群の移動を規制する効果をより高くすることができる。
【0021】
凹部内の空隙を埋めるための充填部材を備えることによって、接合部を外側から加圧して接合部の接合強度をより向上することができる。また、凹部内に異物が入るのを回避することができると共に、電池強度の補強も可能である。
【0022】
充填部材には、正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部上に固定される平板部と、平板部に形成され、凹部内の空隙に充填される突起部とを具備するものを使用可能である。このような充填部材は、接合部の接合強度をより向上することができる。また、凹部内に異物が入るのを回避することができると共に、電池強度の補強も可能である。さらに、充填部材と外装部材の接合強度も向上することができる。
【0023】
充填部材が衝撃吸収性を有することによって、落下時の耐衝撃性をより高くすることができる。衝撃吸収性を有する材料としては、例えば、シリコンゴム、ウレタン樹脂、二トリルブタジエンゴム(NBR)などを挙げることができる。
【0024】
次いで、絶縁性スペーサについて説明する。
【0025】
絶縁性スペーサは、電池性能に影響を及ぼさない材料から形成されていれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)のような熱可塑性樹脂から形成することができる。
【0026】
絶縁性スペーサと外装部材との接着面積(片面)は、接合部で説明したのと同様な理由により、領域面積(片面)の10%以上、60%以下にすることが望ましい。
【0027】
特に、第1の面または第2の面に凹部を形成し、凹部が形成された面と他方の面との間に絶縁性スペーサを固定することによって、簡単な方法で、より高い衝撃吸収効果を得ることができる。
【0028】
本願発明の非水電解質電池を、輸送時の振動や、外部機器に組み込まれパック化した後に加わる間接的な力を想定して、電池に直接外力が加わらないように電池表面部を保護し、コンクリート等の上に一定高さから数回落下させたときの電池電圧の変化を確認した結果、後述する実施例に示す通り、従来構造の電池と比較してその変化量を著しく小さくできることが確認でき、耐外部衝撃に効果のある非水電解質電池を実現することができた。
【0029】
外装部材及び電極群について説明する。
【0030】
1)外装部材
外装部材には、電極群が収納される凹部(カップ部)を備えたものを使用することができる。外装部材には、容器と封口板が一体化されたものを使用しても良いし、封口板と容器とが別々の構成になっているものを使用することも可能である。
【0031】
外装部材を形成するフィルム材は、少なくとも樹脂フィルムを含有するものが好ましい。このようなフィルム材としては、例えば、樹脂製フィルム、樹脂及び金属を含有するラミネートフィルム等を挙げることができる。
【0032】
使用する樹脂の種類は、特に限定されるものではないが、例えば、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂(ポリエチレンやポリプロピレン等)などの熱可塑性樹脂等を挙げることができる。
【0033】
ラミネートフィルムとしては、例えば、金属層と、金属層の一方の面に形成された熱可塑性樹脂層と、金属層の反対側の面に形成された保護層とを含むものを使用することができる。金属層は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。保護層は、例えば、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリエテレンテレフタレートから形成することができる。接合部は、ラミネートフィルムの熱可塑性樹脂層同士を熱融着させることにより形成することができる。
【0034】
また、ラミネートフィルムにおいては、外部保護層、金属層及び熱可塑性樹脂層の各層の間に接着剤層やガスバリアー層などを設けても良い。
【0035】
2)電極群
電極群には、扁平形状を有するものを使用することができる。扁平形状の電極群は、例えば、正極と負極とをセパレータを介して渦巻状に捲回するか、あるいは正極と負極とをその間にセパレータを介在させながら交互に積層することにより作製される。
【0036】
正極は、集電体と、集電体に担持された合剤層とを含む。
【0037】
正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4、LiMnO2)、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有コバルト酸化物(例えば、LiCoO2)、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.2O2)、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。なお、使用する正極活物質の種類は、1種類もしくは2種類以上にすることができる。
【0038】
集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。
【0039】
負極は、集電体と、集電体に担持される合剤層とを含む。
【0040】
負極活物質には、リチウムイオンもしくはリチウムを吸蔵放出するものを使用することができ、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料(例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など)、カルコゲン化合物(例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ等)、軽金属(例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金等)、リチウムチタン酸化物(例えば、スピネル型のチタン酸リチウム)等を挙げることができる。
【0041】
集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。
【0042】
セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。セパレータの形成材料としては、前述した種類の中から選ばれる1種類または2種類以上を用いることができる。
【0043】
電極群には、非水電解質が保持されている。非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質(例えば、リチウム塩)とを含むものである。この非水電解質の形態は、液体状(非水電解液)やゲル状あるいは固体状にすることができる。
【0044】
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。
【0045】
電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ過リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、0.2mol/l〜2mol/lとすることが望ましい。
【0046】
[実施例]
以下、本発明の実施例を前述した図面を参照して詳細に説明する。
【0047】
(実施例1)
<外装部材の形成>
厚さ0.025mmのナイロンフィルム/厚さ0.04mmのアルミニウム箔/厚さ0.03mmのポリエチレンフィルムで構成される総厚さ0.095mmの外装フィルムに絞り加工を施し、図1に示すように、短辺側の一端部の3箇所に深さ3.5mmの円柱状の凹部1a〜1cを設け、外寸法105×75mmに切り出し、封口板2を得た。円柱状の凹部1a〜1cはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部1a〜1cには、突き出し側に向かって径が小さくなるようにテーパ3が設けられている。
【0048】
同様な外装フィルムに深絞り加工を施して深さ4.0mm、長さ95mm、幅65mmの矩形状カップ部4と、カップ部4の短辺方向2箇所4a,4bと長辺方向2箇所4c,4dに幅5mmの縁部を設けた外形寸法105×75mmの容器5を作製した。カップ部4はナイロンフィルムが外側になるように加工した。
【0049】
<電極群の作製>
まず、活物質としてのLiCoO2粉末89重量部に導電性フィラーとしてのグラファイト粉末8重量部および結着剤としてポリフッ化ビニリデン樹脂3重量部をN−メチルピロリドン25重量部に混合して正極ペーストを調製した。この正極ペーストを集電体である厚さ0.03mmのアルミニウム箔フープ材の両面へ両サイドに未塗布部分が残るように連続塗布し、乾燥した後、圧延して正極合剤層を形成した後、塗布部分の外形寸法が80×60mm、未塗布部分6の寸法が長辺部右端面より10mm内側の位置で5×10mmになるように切り出して正極とした。
【0050】
次いで、メソフェーズピッチ系炭素繊維を粉砕した後、熱処理した炭素繊維粉末100重量部をカルボキシメチルセルロースおよびスチレン−ブタジエンの架橋ゴムラテックス粒子2重量部を含む水溶液に混合して負極ペーストを調製した。この負極ペーストを集電体である厚さ0.015mmの銅箔フープ材の両面へ両サイドに未塗布部分が残るように連続塗布し、乾燥した後、圧延して負極合剤層7を形成した後、塗布部分の外形寸法が81×61mm、未塗布部分8の寸法が長辺部左端面より10mm内側の位置で5×10mmになるように切り出して負極とした。
【0051】
次いで、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを168×64mmに切り出した後、長辺を中央で180°折り返し、長辺両サイド端9を幅1mmで熱融着することにより袋部分を形成し、外形寸法84×64mm、袋部分内寸84×62mmの袋状セパレータを作製した。
【0052】
次いで、セパレータの袋部分に正極を挿入して正極とセパレータを合わせた後、正極未塗布部分6が右側方向、負極未塗布部分8が左側方向に延出され、更に最下層より負極、セパレータ+正極、負極、セパレータ+正極の順で最上層に負極がくるように重ね、最終的に負極21枚と正極+セパレータ20枚を積層させた後、積層電極の4つのコーナー部分を絶縁テープ10で止めることにより正極、負極、セパレータを固定した。
【0053】
次に、正極未塗布部分6のアルミニウム箔20枚を超音波溶接にて接合した後、その先端部分を、図4に示すように、厚さ0.1mm、外寸30×10mmのアルミニウム板11を二つに折り曲げたもので挟み、超音波溶接により固定した。アルミニウム板11の先端を正極未塗布部分6とは反対側に引き出し、正極タブ11(正極端子)とした。負極未塗布部分8の銅箔21枚を超音波溶接にて接合した後、この先端部に、厚さ0.1mm、外寸30×10mmの銅板からなる負極タブ13(負極端子)を正極の場合と同様にして接合した。
【0054】
金属接着性を有する熱可塑性樹脂フィルムとして、外形寸法7×20mmの酸変性ポリエチレンフィルム12を用意し、正極タブ11及び負極タブ13の短辺側先端部より3mmの位置の両面に熱融着し、図3に示す構造の電極群を得た。
【0055】
<電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)が体積比で1:1の割合で混合された非水溶媒に電解質としてLiPF6を1mol/lの濃度になるように溶解させて非水電解液を調製した。
【0056】
<非水電解質電池の作製>
図5に示すように、容器5のカップ部4に、正極タブ11および負極タブ13が短辺側縁部4aから外部に引き出され、酸変性ポリエチレンフィルム12が容器5の短辺側縁部4aに架かるように電極群を収納した。
【0057】
次に、封口板2をポリエチレンフィルム側が内側になるように容器5に重ね合わせた。この重ね合わせの際、カップ部4内の電極群と短辺側縁部4aとの間の空間部において、正極タブ11の右側に凹部1aを配置し、正極タブ11と負極タブ13の間に凹部1bを配置し、負極タブ13の左側に凹部1cを配置した。次いで、カップ部4が上面に位置するように外装部材全体を反転させた。
【0058】
続いて、短辺側縁部2箇所4a,4bを熱融着機にて、温度200℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間10sの条件にて熱融着した。この後、未融着の長辺側縁部の一方を熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。
【0059】
続いて、封口板2(第1の面)の3箇所の凹部1a〜1cの内面と、それぞれの凹部に相対しているカップ部4の底部内面(第2の面)とを熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。凹部3箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部4aとの間に位置するカップ部4底部内面積の21%であった。
【0060】
続いて、非水電解液を未融着の長辺側縁部よりカップ部4内に注入して電極群に含浸させた後、未融着の長辺側縁部を先に融着した長辺側縁部と同じ条件で熱融着し、図6に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0061】
(実施例2)
<外装部材の形成>
実施例1で説明したのと同様な外装フィルムを絞り加工により、図7に示すように、短辺側端部の3箇所に深さ3.5mmの直方体状の凹部14a〜14cを設け、外寸法105×75mmに切り出した封口板15を作製した。直方体状の凹部14a〜14cはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部14a〜14cには、突き出し側に向かって面積が小さくなるようにテーパ16が設けられている。一方、実施例1と同じ方法で図8に示す構造の容器5を作製した。
【0062】
以上説明した外装部材を用いること以外は、実施例1と同じ方法で、図9に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0063】
すなわち、図9に示すように、正極タブ11および負極タブ13は、容器5の短辺側縁部4aと封口板15の短辺側端部との間から外部に引き出されている。カップ部4内の電極群と短辺側縁部4aとの間の空間部において、正極タブ11の右側に凹部14aが配置され、正極タブ11と負極タブ13の間に凹部14bが配置され、負極タブ13の左側に凹部14cが配置されている。凹部14a〜14cの内面(第1の面)と、それぞれの凹部に相対しているカップ部4の底部内面(第2の面)とは、熱融着により接合されている。凹部3箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部4aとの間に位置するカップ部4底部内面積の27%であった。
【0064】
(実施例3)
<外装部材の形成>
実施例1で説明したのと同様な外装フィルムを絞り加工により、図10に示すように、短辺側の両端部に深さ3.5mmの直方体状の凹部17a〜17dを2箇所ずつ計4箇所設け、外寸法115×75mmに切り出した封口板18を作製した。直方体状の凹部17a〜17dはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部17a〜17dには、突き出し側に向かって面積が小さくなるようにテーパ19が設けられている。
【0065】
実施例1と同じ外装フィルムを深絞り加工を施し、図11に示すように、深さ4.0mm、長さ105mm、幅65mmの矩形状カップ部20と、カップ部20の短辺方向2箇所20a,20bと長辺方向2箇所20c,20dに幅5mmの縁部を設けた外形寸法115×75mmの容器21を作製した。カップ部20はナイロンフィルムが外側になるように加工した。
【0066】
<電極群の作製>
実施例1と同じ方法で正極合剤層を形成した後、塗布部分の外形寸法が80×60mm、未塗布部分22の寸法が5×20mmになるように切り出して正極とした。
【0067】
さらに実施例1と同じ方法で負極合剤層7を形成した後、塗布部分の外形寸法が81×61mm、未塗布部分23の寸法が5×20mmになるように切り出して負極とした。
【0068】
また、実施例1と同じ方法で袋状セパレータを作製し、セパレータの袋部分に正極を挿入して正極とセパレータを合わせた後、最下層より負極、セパレータ+正極、負極、セパレータ+正極の順で最上層に負極が位置するように重ね、最終的に負極21枚と正極+セパレータ20枚を積層させた後、前記積層電極を4つのコーナー部分を絶縁テープ10で止めることにより正極、負極、セパレータを固定した。正極未塗布部分22は、積層電極の短辺側端部から突出させた。また、負極未塗布部分23は、積層電極の反対側の短辺側端部から突出させた。
【0069】
次に、正極未塗布部分22のアルミニウム箔20枚を超音波溶接にて接合した後、その先端部分を、前述した図4に示すように、厚さ0.1mm、外寸30×20mmのアルミニウム板24を二つに折り曲げたもので挟み、超音波溶接により固定した。アルミニウム板24の先端を正極未塗布部分22とは反対側に引き出し、正極タブ24(正極端子)とした。負極未塗布部分23の銅箔21枚を超音波溶接にて接合した後、この先端部に、厚さ0.1mm、外寸30×20mmの銅板からなる負極タブ25(負極端子)を正極の場合と同様にして接合した。
【0070】
金属接着性を有する熱可塑性樹脂フィルムとして、外形寸法7×30mmの酸変性ポリエチレンフィルム26を用意し、正極タブ24及び負極タブ25の短辺側先端部より3mmの位置の両面に熱融着し、図12に示す構造の電極群を得た。
【0071】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0072】
<非水電解質電池の作製>
図13に示すように、容器21のカップ部20に、正極タブ24が短辺側縁部20aから外部に引き出され、負極タブ25が短辺側縁部20bから外部に引き出され、酸変性ポリエチレンフィルム26が容器21の短辺側縁部20a、20bに架かるように電極群を収納した。
【0073】
次に、封口板18をポリエチレンフィルム側が内側になるように容器21に重ね合わせた。この重ね合わせの際、カップ部20内の電極群と短辺側縁部20aとの間の空間部において、正極タブ24の両側に凹部17a,17bを配置した。また、カップ部20内の電極群と短辺側縁部20bとの間の空間部において、負極タブ25の両側に凹部17c、17dを配置した。次いで、カップ部20が上面に位置するように外装部材全体を反転させた。
【0074】
続いて、短辺側縁部2箇所20a,20bを熱融着機にて、温度200℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間10sの条件にて熱融着した。この後、未融着の長辺側縁部の一方を熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。
【0075】
続いて、封口板18(第1の面)の4箇所の凹部17a〜17dの内面と、それぞれの凹部に相対しているカップ部20の底部内面(第2の面)とを熱融着機にて、温度180℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて熱融着した。凹部17a,17bの2箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部20aとの間に位置するカップ部20底部内面積の18%であった。一方、凹部17c,17dの2箇所についての熱融着部の合計面積は、電極群と短辺側縁部20bとの間に位置するカップ部20底部内面積の18%であった。
【0076】
続いて、非水電解液を未融着の長辺側縁部よりカップ部20内に注入して電極群に含浸させた後、未融着の長辺側縁部を先に融着した長辺側縁部と同じ条件で熱融着し、図14に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ115mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0077】
(実施例4)
<外装部材の形成>
実施例1で説明したのと同様な外装フィルムを絞り加工により、図15に示すように、短辺側端部の3箇所に深さ0.5mmの直方体状の凹部27a〜27cを設け、外寸法105×75mmに切り出した封口板28を作製した。直方体状の凹部27a〜27cはナイロンフィルム側(保護層側)からポリエチレンフィルム側(熱可塑性樹脂層側)に突き出すように加工した。また、凹部27a〜27cには、突き出し側に向かって断面積が小さくなるようにテーパが設けられている。一方、実施例1と同じ方法で図16に示す構造の容器5を作製した。
【0078】
<電極群の作製>
実施例1と同じ方法で図19に示す電極群を作製した。
【0079】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0080】
<非水電解質電池の作製>
図17に示すように、外寸法3.0mm×8.0mm×60.0mmとなる直方体のポリエチレン製絶縁体29(絶縁性スペーサ)を作製した。図18に示すように、絶縁体29を容器5のカップ部4内の短辺4a側に配置した。
【0081】
次いで、図20に示すように、容器5のカップ部4に電極群を、正極タブ11および負極タブ13が絶縁体29上を横切って短辺側縁部4aから外部に引き出され、かつ酸変性ポリエチレンフィルム12が短辺側縁部4aに架かるように収納した。
【0082】
次に、封口板28をポリエチレンフィルム側を内側にして容器5に重ね合わせた。この重ね合わせの際、絶縁体29上の正極未塗布部分6の右側に凹部27aを配置し、絶縁体29上の負極未塗布部分8の左側に凹部27cを配置し、絶縁体29上の正極未塗布部分6と負極未塗布部分8の間に凹部27cを配置した。次いで、カップ部4が上面になるように外装部材全体を反転させた。
【0083】
続いて、実施例1と同じ方法で短辺側縁部2箇所と長辺側縁部の一方を熱融着した。
【0084】
続いて、封口板28(第1の面)の凹部27a〜27cの底部内面と、カップ部4の底部内面(第2の面)のうち凹部27a〜27cと相対している箇所とを、温度200℃、加圧力4.0kgf/cm2、加熱時間5sの条件にて加熱加圧し、凹部27a〜27cの底部内面と凹部27a〜27cと相対しているカップ部4底部内面との間に絶縁体29を熱融着させた。封口板28と絶縁体29との熱融着面積およびカップ部4と絶縁体29との熱融着面積は、それぞれ、電極群と短辺側縁部4aとの間に位置するカップ部4底部内面積の27%であった。
【0085】
続いて、非水電解液を未融着の長辺側縁部よりカップ部4内に注入して電極群に含浸させた後、未融着の長辺側縁部を先に融着した長辺側縁部と同じ条件で熱融着し、図21に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブの寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0086】
(実施例5)
図22に示すように、凹部14a〜14cの空隙にシリコンゴムからなる充填部材30を充填すること以外は、実施例2で説明したのと同様な方法で非水電解質電池を100個作製した。
【0087】
(実施例6)
凹部14a〜14cの空隙にウレタン樹脂からなる充填部材を充填すること以外は、実施例2で説明したのと同様な方法で非水電解質電池を100個作製した。
【0088】
(実施例7)
実施例2と同じ方法で、図23(b)に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を作製した。
【0089】
また、図23(a)に示すように、凹部14a〜14cに嵌合する形状の突起部31a〜31cを有するNBR製充填部材32を作製した。充填部材32の平板部33は、端部が正負極タブが引き出されている熱融着部と重なるように、ここでは、面積外寸65×30mmの矩形状とした。
【0090】
充填部材32の突起部31a〜31cを凹部14a〜14cに嵌めこみ、また、平板部33が熱融着部にかかるように配置し、これらを接着剤で接合することにより、図24に示す構造を有する非水電解質電池を100個作製した。
【0091】
(実施例8)
実施例3の非水電解質電池において、封口板とカップ部の内面を接合する代わりに、カップ部20内の短辺側縁部20a,20b側に外寸法3.0mm×8.0mm×60.0mmとなる直方体のポリエチレン製絶縁体(絶縁性スペーサ)を配置し、絶縁体と外装部材とを実施例4で説明したのと同様な条件で熱融着した。このような構成の非水電解質電池を100個用意した。封口板と絶縁体との熱融着面積(片側)およびカップ部と絶縁体との熱融着面積(片側)は、それぞれ、電極群と短辺側縁部との間に位置するカップ部底部内面積(片側)の18%であった。
【0092】
(実施例9)
凹部17a〜17dの空隙にシリコンゴムからなる充填部材を充填すること以外は、実施例3で説明したのと同様な方法で非水電解質電池を100個作製した。
【0093】
(実施例10)
実施例3と同じ方法で非水電解質電池を作製した。
【0094】
また、4つの凹部に嵌合する形状の突起部を有するNBR製充填部材を作製した。充填部材の平板部は、端部が正負極タブが引き出されている熱融着部と重なるように、ここでは、面積外寸65×30mmの矩形状とした。
【0095】
充填部材の突起部を凹部に嵌めこみ、また、平板部が熱融着部にかかるように配置し、これらを接着剤で接合することにより、非水電解質電池を100個作製した。
【0096】
(比較例1)
<外装部材の形成>
実施例1と同じ種類の外装フィルムを絞り加工を行わずに図25に示すように寸法105×75mmに切り出し、矩形板状の封口板34を作製した。また、実施例1と同じ方法で図26に示す構造の外形寸法105×75mmの容器5を作製した。
【0097】
<電極群の作製>
実施例1と同じ方法で電極群を作製した。
【0098】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0099】
<非水電解質電池の作製>
正負極タブが外部に延出している熱融着部と電極群間の空間と対向するカップ部と封口板を電池内部にて熱融着しないこと以外は実施例1と同じ方法で、図27に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ105mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0100】
(比較例2)
<外装部材の形成>
実施例1と同じ種類の外装フィルムを絞り加工を行わずに寸法115×75mmに切り出し、矩形板状の封口板を作製した。また、実施例3と同じ方法で外形寸法115×75mmの容器を作製した。
【0101】
<電極群の作製>
実施例3と同じ方法で電極群を作製した。
【0102】
<非水電解液の調製>
実施例1と同じ方法で調製した。
【0103】
<非水電解質電池の作製>
正負極タブが外部に延出している熱融着部と電極群間の空間と対向するカップ部と封口板を電池内部にて熱融着しないこと以外は実施例3と同じ方法で、図28に示す構造を有し、厚さ4mm、幅75mm、長さ115mm(正負極タブ寸法を除く)、容量1500mAhの非水電解質電池を100個作製した。
【0104】
(実施例11)
比較例1の非水電解質電池において、カップ部4の側面に内側に突出する突出部(面積外寸8.0×8.0mm)を、正極タブ11と負極タブ13の間に位置するように形成した。この突出部の内面は、封口板の内面に熱融着させた。熱融着部の面積は、電極群と短辺側縁部との間に位置するカップ部底部内面積の9%であった。
【0105】
これら作製した電池を充電し、輸送時の振動や、外部機器に組み込まれパック化した後に加わる間接的な力を想定して以下の衝撃試験を行った。
【0106】
まず、厚さ3mm、外寸250×150mmの塩化ビニル板中央に正負極タブが延出する辺と塩化ビニル板短辺部が平行になるよう電池をテープで固定した後、更に塩化ビニル板と同寸法の塩化ビニル板を電池に被せ、対向する塩化ビニル板周辺部をテープで固定した。
【0107】
次に、実施例1、2、4〜7、比較例1、実施例11においては正極・負極タブを下にした場合を+方向、タブのない短辺側を下にした場合を−方向とし、実施例3、8〜10及び比較例2においては正極タブを下にした場合を+方向、負極タブを下にした場合を−方向として、塩化ビニル板に固定された電池をコンクリート平面上に100cmの高さから+方向から10回、−方向から10回、落下させた。試験後に電池電圧が0.1mV以上変化した電池数を下記表1に示す。
【表1】
【0108】
表1の結果から、正負極タブが外部に延出されている熱融着部と電極群間に位置する空間部と対応するカップ部と封口板を電池内部において接合した実施例1〜11の非水電解質電池は、比較例1〜2の電池と比較して電池電圧の変化量が著しく小さいことが確認でき、耐外部衝撃に効果のあることが明らかになった。
【0109】
凹部の形状について検討する。実施例1,2を比較すると、電池電圧が0.1mV以上変化した電池数が実施例2の方が少なく、耐衝撃性を向上させるには凹部の形状を四角柱にすることが望ましいことがわかる。
【0110】
凹部の配置については、実施例2,3を比較すると、電池電圧が0.1mV以上変化した電池数が実施例3の方が少なくなっている。よって、耐衝撃性を向上させるには、正極タブと負極タブを180°対向させて配置し、正極タブが引き出されている熱融着部と電極群の間及び負極タブが引き出されている熱融着部と電極群の間それぞれに凹部を形成することが望ましい。
【0111】
凹部の形成と併せてスペーサあるいは充填部材を使用した実施例4〜7では、いずれも、電池電圧が0.1mV以上変化した電池数が皆無となっており、耐衝撃性が実施例1,2に比して改善されている。封口板(第1の面)とカップ部の底部内面(第2の面)との接合強度を比較すると、絶縁性スペーサを使用した実施例4が最も高かった。また、作製方法の簡便さの点からも実施例4が最も優れていた。さらに、電池厚さに影響を及ぼさない点では、実施例4〜6が優れていた。正極タブと負極タブが180°対向している実施例8〜10においても、同様な傾向が得られた。
【0112】
これに対し、比較例1〜2の電池では、電極群及び正負極端子の変形で内部短絡を生じて電池電圧が低下した電池数が多かった。
【0113】
前述した実施例では、集電体の未塗布部分(合剤層非形成部)を二つ折りにしたタブで挟み、これらを溶接したが、集電体とタブの接続方法はこれに限らず、例えば図29に示すように、正負極集電体の未塗布部分6,8を溶接により一つに接合し、接合部の先端を正負極タブ11,13の先端に溶接しても良い。
【0114】
本実施形態では、集電体の未塗布部分に電極タブを接続したものを電極端子として使用しているが、集電体の未塗布部分のうち一枚を長くし、これに残りの未塗布部分を溶接し、前述の長い未塗布部を外装部材の外部に引き出し、電極端子として使用することも可能である。
【0115】
なお、本発明は実施例で記した電極活物質に限定されるものではない。また、非水電解質に非水溶媒を用いた非水溶媒二次電池を用いて説明したが、ポリマー電解質を用いたポリマー電池や固体電解質を用いた固体電解質電池についても当然、適用可能であり、樹脂製セパレータの変わりにポリマー薄膜や固体電解質膜を用いることも可能である。また、外装部材にフィルムを用いた一次電池に適用することも可能である。
【0116】
以上説明したとおり、本発明によれば、従来の電池に対して耐外部衝撃が格段に優れたフィルム製外装部材を備えた非水電解質電池を提供することができる。よって、その工業的価値は非常に大きなものである。
【0117】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0118】
【図1】実施例1の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図2】図1の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図3】実施例1の電極群を模式的に示した平面図。
【図4】実施例1の正極集電体の未塗布部分と正極タブとの接続状態を模式的に示した断面図。
【図5】図3の電極群を容器内に収納した状態を模式的に示した平面図。
【図6】実施例1の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図7】実施例2の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図8】図7の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図9】実施例2の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図10】実施例3の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図11】図11の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図12】実施例3の電極群を模式的に示した平面図。
【図13】図12の電極群を容器内に収納した状態を模式的に示した平面図。
【図14】実施例3の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図15】実施例4の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図16】図15の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図17】実施例4で使用する絶縁性スペーサを模式的に示した斜視図。
【図18】図17の絶縁性スペーサを図15の容器内に収容した状態を模式的に示した斜視図。
【図19】実施例4の電極群を模式的に示した平面図。
【図20】図19の電極群を容器内に収納した状態を模式的に示した平面図。
【図21】実施例4の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図22】実施例5の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図23】実施例7の非水電解質電池の部分分解斜視図。
【図24】実施例7の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図25】比較例1の非水電解質電池で用いられる外装部材の封口板を模式的に示す斜視図。
【図26】図25の外装部材の容器を模式的に示す斜視図。
【図27】比較例1の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図28】比較例2の非水電解質電池を模式的に示した斜視図。
【図29】正負極集電体の未塗布部分と正負極タブとの別な接続方法を模式的に示した断面図。
【符号の説明】
【0119】
1a〜1c,14a〜14c,17a〜17d,27a〜27c…凹部、2,15,18,28…封口板、3,16,19…テーパ部、4,20…カップ部、4a〜4d,20a〜20d…縁部、5,21…容器、6,22…正極集電体の未塗布部分(正極合剤層非形成部)、8,23…負極集電体の未塗布部分(負極合剤層非形成部)、11,24…正極タブ、12,26…金属接着性を有する熱可塑性絶縁フィルム、13,25…負極タブ、29…絶縁性スペーサ、30,32…充填部材、31a〜31c…突起部、33…平板部。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、内面同士が接合されていることを特徴とする非水電解質電池。
【請求項2】
前記接合部は、前記第1の面または前記第2の面に形成された凹部の内面と残りの面の内面とを接合したものであり、前記非水電解質電池は、前記凹部内の空隙を埋めるための充填部材を備えることを特徴とする請求項1記載の非水電解質電池。
【請求項3】
前記充填部材は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部上に固定される平板部と、前記平板部に形成され、前記凹部内の空隙に充填される突起部とを具備することを特徴とする請求項2記載の電池。
【請求項4】
前記充填部材は、衝撃吸収性を有することを特徴とする請求項2または3記載の非水電解質電池。
【請求項5】
扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、絶縁性スペーサが介装されていることを特徴とする非水電解質電池。
【請求項1】
扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、内面同士が接合されていることを特徴とする非水電解質電池。
【請求項2】
前記接合部は、前記第1の面または前記第2の面に形成された凹部の内面と残りの面の内面とを接合したものであり、前記非水電解質電池は、前記凹部内の空隙を埋めるための充填部材を備えることを特徴とする請求項1記載の非水電解質電池。
【請求項3】
前記充填部材は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部上に固定される平板部と、前記平板部に形成され、前記凹部内の空隙に充填される突起部とを具備することを特徴とする請求項2記載の電池。
【請求項4】
前記充填部材は、衝撃吸収性を有することを特徴とする請求項2または3記載の非水電解質電池。
【請求項5】
扁平形状をなし、第1の面と反対側の第2の面とが熱融着により接合されたフィルム製外装部材と、前記外装部材内に収納され、正極、負極及びセパレータを含む電極群と、前記正極に電気的に接続された正極端子と、前記負極に電気的に接続された負極端子とを具備する非水電解質電池であって、
前記正極端子及び前記負極端子は前記外装部材の同じ熱融着部もしくは互いに対向する熱融着部から外部に引き出されており、
前記第1の面と前記第2の面は、前記正極端子及び前記負極端子のうち少なくとも一方が引き出されている熱融着部と前記電極群との間に位置する空間と対向する領域において、絶縁性スペーサが介装されていることを特徴とする非水電解質電池。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【公開番号】特開2007−115478(P2007−115478A)
【公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−304557(P2005−304557)
【出願日】平成17年10月19日(2005.10.19)
【出願人】(000003539)東芝電池株式会社 (109)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年10月19日(2005.10.19)
【出願人】(000003539)東芝電池株式会社 (109)
【Fターム(参考)】
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