(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
携帯電話、スマートフォン、ノートパソコン等の種々の電子機器の電源として、リチウムイオン二次電池等の二次電池が広く用いられているが、これらの二次電池は、二次電池素子が電池ケースに封入された構造を有している。このような電池ケースは、耐熱性延伸樹脂フィルムとアルミニウム箔と熱可塑性無延伸樹脂フィルムとが接着剤を介して積層されたシート状の電池ケース用包材から深絞り加工や張出し加工により作成されている(特許文献1、特許文献2)。
【0003】
ところで、このような電池ケース用包材から形成された電池ケースをリチウムイオン二次電池に適用しようとする場合、電池ケースには、二次電池素子と共に、LiPF
6やLiBF
4のようなフッ素含有リチウム塩とエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートのようなカーボネート系非水溶媒とを含有する非水タイプの電解液が充填される。
【0004】
このような二次電池においては、電解液中に混入した水分によりハロゲン含有リチウム塩が加水分解して微量のフッ酸が生じ、アルミニウム箔が腐蝕する結果、アルミニウム箔と熱可塑性無延伸樹脂層との間でデラミネーションが生ずるという問題があった。そこで、電池ケース用包材の耐電解液性を向上させるために、アルミニウム箔の熱可塑性無延伸樹脂層側表面をウェットプロセスによりクロメート処理することが提案されている(特許文献3)。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図1に示すように、本発明の電池ケース用包材10は、耐熱性延伸樹脂層1、第1接着剤層2、アルミニウム層3及び熱可塑性無延伸樹脂層4が順次積層された構造、あるいは、
図2に示すように、アルミニウム層3と熱可塑性無延伸樹脂層4とを、第2接着剤層5で積層した構造を有しており、アルミニウム層3の少なくとも熱可塑性無延伸樹脂層4側表面に、クロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3aが形成されていることを特徴としている。
【0014】
本発明において、アルミニウム層3の熱可塑性無延伸樹脂層4側表面に形成されるクロム層又は酸化クロム層3aは、電池ケース用包材の耐電解液性を向上させるためのものであり、ドライプロセスにより形成されたものである。ここで、種々の金属層や金属酸化物層の中で、クロム層又は酸化クロム層を使用する理由は、薄く(例えば、約200nm厚以下)に成膜した場合であっても、電池ケース用包材に良好な耐電解液性を付与できるからである。
【0015】
このようなクロム層又は酸化クロム層3aを形成するドライプロセスとしては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等のPVD法、プラズマ重合法等のCVD法等が挙げられる。中でも、生産性の点から真空蒸着法が好ましい。
【0016】
クロム層又は酸化クロム層3aの層厚は、薄すぎると耐電解液性が十分ではなく、厚すぎると成形性が低下する傾向があるので、好ましくは30〜200nm、より好ましくは50〜100nmである。
【0017】
なお、
図1及び
図2は、アルミニウム層3の熱可塑性無延伸樹脂層4側表面にクロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3aが形成されている例であるが、
図3及び
図4に示すように、アルミニウム層3の耐熱性延伸樹脂層1側表面にクロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3bが更に形成されていてもよい。これによりアルミニウム層3と耐熱性延伸樹脂層1との密着性を向上させ、デラミネーションの発生を抑制することができる。
【0018】
また、クロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3bの材質、厚み、形成方法等は、クロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3aと同様とすることができる。
【0019】
なお、本発明においては、予めアルミニウム箔にクロム層又は酸化クロム層を積層しておいた複合アルミニウム箔を、本発明の電池ケース用包材の製造に適用することが好ましい。
【0020】
本発明の電池ケース用包材10を構成する耐熱性延伸樹脂層1は、電池ケースを高温環境下でもアルミニウム層が露出しないように保護すると共に、落下衝撃から電池を保護するための層である。このため、耐熱性延伸樹脂層1は、加工性も考慮して、ガラス転移温度が好ましくは30〜100℃、より好ましくは40〜90℃で、軟化点が好ましくは200〜280℃、より好ましくは210〜270℃の耐熱性を示す樹脂であって、良好な耐衝撃性を示すように、破断強度(JIS P8112)が好ましくは150〜350MPa、耐衝撃性(JIS K8134)が好ましくは30000〜80000J/mの樹脂から形成されたものである。
【0021】
このような耐熱性延伸樹脂層1としては、延伸ナイロンフィルムなどの延伸ポリアミドフィルム、延伸ポリイミドフィルム、延伸ポリエステルフィルム等を挙げることができる。中でも、強度並びに伸びの点からの点から、延伸ポリアミドフィルム、具体的には延伸ナイロンフィルムを好ましく使用することができる。ここで、延伸処理としては、好ましくは2軸延伸処理、より好ましくは4軸延伸処理が好ましい。
【0022】
耐熱性延伸樹脂層1の厚みは、薄すぎると、環境温度や落下衝撃により電子性能が損なわれる傾向があり、厚すぎるとシャープな形状に成形することが困難になる傾向があるので、好ましくは9〜50μm、より好ましくは15〜30μmである。
【0023】
本発明の電池ケース用包材10を構成する第1接着剤層2としては、公知の接着剤から形成することができるが、電池ケース用包材10を深絞り加工又は張り出し加工した場合に、電池ケースの外側となる耐熱性延伸樹脂層1が内側の層に比べてより強く引き延ばされ、それによりアルミニウム層3にクラックを生じさせるような応力がアルミニウム層に生じるという事実に鑑み、そのような応力を緩和する役目を第1接着剤層2に付与するために、0〜30℃、好ましくは3〜15℃のガラス転移温度を示す樹脂を主成分とする接着剤から形成することが好ましい。このようなガラス転移温度の樹脂を主成分とすることにより、電池ケース用包材10が実用的上問題のない成形性、換言すれば9mm以上のエリクセン値(JIS Z2247に準じる。但し、絞り速度を1mm/分とする。)を示し、同時に耐熱性延伸樹脂層1とアルミニウム層3との間の剥離強度を少なくとも3N/15mm(JIS K6854)以上に向上させることができる。また、その主成分の樹脂の軟化点は、低すぎると高温での接着信頼性が低下する傾向があり、高すぎると接着不良が生ずる傾向があるので、好ましくは30〜110℃、より好ましくは40℃以上である。
【0024】
このような第1接着剤層2の主材料としては、ポリエステル樹脂を使用することが好ましい。これは、他の一般的な接着剤(例えば、ウレタン系接着剤)に比べ、成形性に優れるという利点を有するからである。
【0025】
なお、ポリエステル樹脂の重量平均分子量は、小さすぎると接着強度が低下する傾向があり、大きすぎると溶剤への溶解性が低下する傾向があるので、好ましくは20000〜30000である。また、ポリエステル樹脂の水酸基価は、小さすぎると硬化剤による架橋が進行し難くなる傾向があり、大きすぎると加水分解しやすい傾向があるので、好ましくは3〜6、より好ましくは4〜5である。また、ポリエステル樹脂の軟化点は、低すぎると高温での接着信頼性が低下する傾向があり、高すぎると接着不良が生ずる傾向があるので、好ましくは30〜110℃、より好ましくは40〜80℃である。ポリエステル樹脂の酸価は、低すぎると硬化剤による架橋が進行し難くなる傾向があり、高すぎると加水分解しやすい傾向があるので、好ましくは1〜5、より好ましくは1〜3である。
【0026】
ポリエステル樹脂を構成するジオール成分としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキシレングリコール等を挙げることができる。これらは、ジオール成分として単独で、または2種以上混合して使用することができる。また、二塩基酸成分としては、テレフタル酸、イソフタル酸、アジピン酸、セバシン酸等を挙げることができる。これらも、二塩基酸成分として単独でまたは2種以上混合して使用することができる。
【0027】
このような成分からなるポリエステル樹脂のガラス転移温度の調整は、ジオール成分や二塩基酸成分のそれぞれの種類やそれらの量比を変更すること、ポリエステル樹脂の重量平均分子量を変化させること等により行うことができる。例えば、ガラス転移温度を下げようとする場合、ジオール成分として1,4−ブタンジオールの使用量を増加させたり、二塩基酸成分としてアジピン酸の使用量を増加させたり、ポリエステル樹脂の重量平均分子量を低下させること等が挙げられる。逆に、ガラス転移温度を上げようとする場合、ジオール成分としてネオペンチルグリコールの使用量を増加させたり、二塩基酸成分としてテレフタル酸の使用量を増加させたり、ポリエステル樹脂の重量平均分子量を増大させること等が挙げられる。
【0028】
第1接着剤層2は、0〜30℃のガラス転移温度を示すポリエステル樹脂だけから構成してもよいが、公知の粘着付与剤、各種ゴム類、架橋剤、架橋促進剤等を、発明の効果を損なわない範囲で含有することができる。
【0029】
第1接着剤層2の厚みは、薄すぎると応力緩和能が十分とは言えず、厚すぎると体積エネルギー密度が低下する傾向があるので、好ましくは2〜5μm、より好ましくは3〜4μmである。
【0030】
本発明の電池ケース用包材10を構成するアルミニウム層3は、電池ケース内に水蒸気や酸素が侵入することを防止し、電池ケースの保形性に寄与する層である。
【0031】
このようなアルミニウム層3としては、圧延により形成されたアルミニウム箔、ポリエステルやポリイミド等の樹脂フィルムベースに蒸着により形成された複合アルミニウムシート等が挙げられる。生産性やコストの面から、圧延により形成されたアルミニウム箔を好ましく使用することができる。また、本発明において“アルミニウム”とは純アルミニウムだけでなく、各種アルミニウム合金を含むものである。
【0032】
アルミニウム層3の厚みは、薄すぎると無視できないピンホールが生じたり、外力によりクラックが発生したりする傾向があり、厚すぎると電池ケース用包材10の成形加工性が低下したりする傾向があるので、好ましくは15〜150μm、より好ましくは20〜80μmである。
【0033】
本発明の電池ケース用包材10を構成する熱可塑性無延伸樹脂層4は、電池ケース内の電子素子と包材のアルミニウム層3とを絶縁すると共に、包材にヒートシール性を付与する層である。
【0034】
この熱可塑性無延伸樹脂層4が熱可塑性である理由は、電池ケースの気密性を保持し、ヒートシール性を示すためであり、また、無延伸である理由は、十分なヒートシール性を確保するためだからである。
【0035】
熱可塑性無延伸樹脂層4のガラス転移温度は、低すぎると高温での接着信頼性が低下する傾向があり、高すぎるとヒートシール性が低下する傾向があるので、好ましくは−30〜−10℃、より好ましくは−20〜−15℃であり、また、軟化点は、低すぎるとヒートシール性が低下する傾向があり、高すぎると高温での接着信頼性が低下する傾向があるので、好ましくは130〜180℃、より好ましくは140〜170℃である。
【0036】
このような熱可塑性無延伸樹脂層4としては、無延伸ポリオレフィンフィルム、例えば、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレン−ポリプロピレン共重合体フィルム、酸(例えばマレイン酸、アクリル酸など)又はエステル(例えば、アクリル酸エステル)変性ポリプロピレンフィルム等を好ましく挙げることができる。中でも無延伸ポリオレフィンフィルムが好ましく、特にポリプロピレンフィルムが好ましい。
【0037】
熱可塑性無延伸樹脂層4の厚みは、薄すぎると十分なヒートシール強度を得ることができず、厚すぎると体積エネルギー密度が低下する傾向があるので、好ましくは10〜70μm、より好ましくは20〜50μmである。
【0038】
本発明の電池ケース用包材10は、
図2に示すように、アルミニウム層3と熱可塑性無延伸樹脂層4との間に、第2接着剤層5を設けてもよい。この場合、第2接着剤層5は、第1接着剤層2と同種の接着剤から形成してもよく、他のアクリル系接着剤、エステル系接着剤、ウレタン系接着剤、スチレン・ブタジエン系熱可塑性エラストマー接着剤等から形成してもよい。中でも、耐電解液性や防水性の観点から、スチレン・ブタジエン系熱可塑性エラストマー接着剤から形成したものが好ましい。
【0039】
第2接着層5の厚みは、薄すぎると十分な接着強度を得ることができず、厚すぎると体積エネルギー密度が低下する傾向があるので、好ましくは1〜5μm、より好ましくは2〜4μmである。
【0040】
なお、
図1及び
図2では、アルミニウム層3の熱可塑性無延伸樹脂層4側表面にクロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3aが形成されている例を説明したが、
図3及び
図4に示すように、アルミニウム層3の耐熱性延伸樹脂層1側表面にクロム(Cr)層又は酸化クロム(Cr
2O
3)層3bが更に形成されていてもよい。これによりアルミニウム層3と耐熱性延伸樹脂層1との密着性を向上させ、デラミネーションの発生を抑制することができる。
【0041】
本発明の電池ケース用包材は、公知の成膜法やラミネーション法を利用して製造することができる。例えば、
図1の電池ケース用包材は、耐熱性延伸樹脂フィルムに、第1接着剤層形成用組成物を塗布し乾燥して第1接着剤層を形成し、その第1接着剤層に、予めクロム層又は酸化クロム層が積層されたアルミニウム箔のアルミニウム露出面を貼り付けた後、アルミニウム箔のクロム層又は酸化クロム層に対し、熱可塑性樹脂を溶融押し出し法により熱可塑性無延伸樹脂層として積層することにより製造することができる。また、
図2の電池ケース用包材は、耐熱性延伸樹脂フィルムに、第1接着剤層形成用組成物を塗布し乾燥して第1接着剤層を形成し、その第1接着剤層に、予めクロム層又は酸化クロム層が積層されたアルミニウム箔のアルミニウム露出面を貼り付けた後、アルミニウム箔のクロム層又は酸化クロム層とそれに対向するように配された熱可塑性無延伸樹脂フィルムとの間に、第2接着剤層形成用組成物を溶融押し出しながら積層することにより製造することができる。
【0042】
本発明の電池ケース用包材は、アルミニウム層の熱可塑性無延伸樹脂層側表面にドライプロセスにより、クロム酸やフッ化水素を含有するクロメート処理液を使用することなく、耐電解液性に優れたクロム層又は酸化クロム層がアルミニウム層表面に形成されている。従って、アルミニウム層に電解液による腐蝕が生じず、アルミニウム層と熱可塑性無延伸樹脂層との間でデラミネーションも生じない。しかも、クロメート処理液を使用した場合に生ずる処理ラインの腐蝕、人体への悪影響、廃液処理のコスト増大といった問題が生じない。
【実施例】
【0043】
以下、本発明の電池ケース用包材を実施例に従ってより具体的に説明する。
【0044】
参考例1
一般的な真空蒸着装置を用い、圧力10
−4Pa下、出力200mAのレーザービームを金属クロムに照射して加熱するという真空蒸着条件で、100nm厚のクロム蒸着層が片面に形成されたアルミニウム箔を作成した。
【0045】
参考例2
一般的な真空蒸着装置を用い、酸素雰囲気下、圧力10
−4Pa、出力200mAのレーザービームを金属クロムに照射して加熱するという真空蒸着条件で、100nm厚の酸化クロム蒸着層が片面に形成されたアルミニウム箔を作成した。
【0046】
参考例3
一般的な真空蒸着装置を用い、圧力10
−4Pa下、出力200mAのレーザービームを金属ニッケルに照射して加熱するという真空蒸着条件で、100nm厚のニッケル蒸着層が片面に形成されたアルミニウム箔を作成した。
【0047】
参考例4
一般的な真空蒸着装置を用い、酸素雰囲気下、圧力10
−4Pa、出力200mAのレーザービームを金属アルミニウムに照射して加熱するという真空蒸着条件で、100nm厚の酸化アルミニウム蒸着層が片面に形成されたアルミニウム箔を作成した。
【0048】
参考例5
一般的な真空蒸着装置を用い、酸素雰囲気下、圧力10
−4Pa、出力200mAのレーザービームを金属ケイ素に照射して加熱するという真空蒸着条件で、100nm厚の酸化ケイ素蒸着層が片面に形成されたアルミニウム箔を作成した。
【0049】
参考例6
無電解クロムメッキ液(ALT−610、DIPSOL社)に、アルミニウム箔を浸漬することによりアルミニウム箔の両面に、100nm厚の酸化ケイ素蒸着層が形成されたアルミニウム箔を作成した。
【0050】
実施例1
15μm厚の4軸延伸ナイロンフィルム(ON、ユニチカ(株))の片面に、ポリエステル樹脂(UE3500、ユニチカ(株))のトルエン溶液(ポリエステル15容量%)を、乾燥厚で3μmとなるように塗布し、乾燥させて第1接着剤層を形成し、第1接着剤層が内側となるようにロールに巻き取った。
【0051】
得られたロールから巻き出したシートの接着剤層に、参考例1の片面にクロム層が形成された35μm厚の複合アルミニウム箔を、そのアルミニウム露出面側から60℃に加熱されたヒートドラムで3.0kg/cmの線圧をかけながら積層し、ロールに巻き取った。次に、巻き取ったロールから再び巻き出したシートのアルミニウム層を、そのクロム層側から、別途用意した30μm厚の無延伸ポリプロピレンフィルム(GLC、三井化学東セロ(株))に対向させ、それらの間に第2接着剤層となるスチレン/ブタジエン/スチレン(SBS)系接着剤(タフテックM1913、旭化成(株))を層厚が3μmとなるように塗布し、ドライラミネーション法で積層することにより電池ケース用包材を得た。
【0052】
実施例2
参考例1の複合アルミニウム箔に代えて、参考例2の複合アルミニウム箔を使用すること以外、実施例1と同様の操作を繰り返すことにより実施例2の電池ケース用包材を製造した。
【0053】
比較例1
参考例1の複合アルミニウム箔に代えて、耐電解液性向上のための金属層も金属酸化物層も形成されていない無垢の厚さ35μmのアルミニウム箔(8021−o材、住軽アルミ箔(株))を使用する以外は、実施例1と同様の操作を繰り返すことにより比較例1の電池ケース用包材を製造した。
【0054】
比較例2〜5
参考例1の複合アルミニウム箔に代えて、参考例3、4、5及び6の複合アルミニウム箔を使用すること以外、実施例1と同様の操作を繰り返すことによりそれぞれ比較例2、3、4及び5の電池ケース用包材を製造した。
【0055】
<耐電解液性の評価>
実施例1−2並びに比較例1−5の電池ケース用包材から、30mm×45mm×4mmの電池ケースを作成し、その内部に、1mol/LのLiPF
6エチレンカーボネート溶液を投入し、ポリプロピレンキャップを被せ、80℃、90%RHの環境下に72時間静置保存した。保存後、電解液を流し出し、電解液に接していた熱可塑性無延伸樹脂層の剥離の有無を目視観察した。その結果、実施例1及び2の電池ケース用包材には、剥離が認められず、耐電解液性に優れていることがわかった。それに対し、比較例1〜5の電池ケース用包材には、いずれも剥離が認められ、耐電解液性が劣っていることがわかった。