(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
金属層の表面に合成樹脂層がラミネートされたラミネートフィルムを外装体として用い、正極板、負極板およびセパレータを複数積層してなる発電要素を、電解液とともに内部に収容した、偏平形状をなす二次電池が知られている(例えば特許文献1)。
【0003】
この種の二次電池においては、内部の発電要素から電流を外部に取り出す端子(正極,負極の端子)として、例えば銅等の導電性材料から成る端子本体の表面にニッケル層を形成(例えばニッケルメッキ層が形成)したものが知られており、発電要素等を外装体内に収納して密封シールする際に外装体で挟持し、その挟持部分を封着して適用される。
【0004】
この挟持部分の封着においては、端子表面(ニッケル層表面)の挟持部分に熱融着性の樹脂層を予め形成し、その樹脂層を介して端子を外装体で挟持し挟持部分を熱融着する手法が知られている。また、端子のニッケル層においては、外装体内の電解液の接触による腐食や溶出等を防止するために、その電解液と接触するニッケル層表面に対し耐腐食層を被覆形成する手法が知られている。挟持部分においては、外装体内の内圧によって剥離力が作用することが考えられる。
【0005】
この発明は、端子と外装体との間の剥離強度を向上させつつ、電池の信頼性を高める二次電池を提供することを目的としている。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の実施形態に係る二次電池の一例を以下に示す。
【0011】
<二次電池の構成例>
図1〜
図3の二次電池は、例えばリチウムイオン二次電池1であり、
図1に示すように、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁には一対の端子2,3を備えている。
【0012】
このリチウムイオン二次電池1は、
図2に示すように、矢印X方向から見て長方形をなす発電要素4を電解液とともに外装体5の内部に収容したものである。発電要素4は、セパレータ43を介して交互に積層された複数の正極板41および負極板42で構成され、例えば、3枚の負極板42と、2枚の正極板41と、これらの間の4枚のセパレータ43と、を含んでいる。つまり、この例では、発電要素4の最外層に負極板42が位置している。但し、発電要素4の最外層に正極板41が位置する構成も可能である。なお、
図2における各部の寸法は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。
【0013】
正極板41は、
図1,
図2の矢印X方向から見て長方形をなす正極集電体41aの両面に正極活物質層41b,41cを形成したものである。正極集電体41aは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。また、正極活物質層41b,41cは、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO
2)、マンガン酸リチウム(LiMnO
2)、または、コバルト酸リチウム(LiCoO
2)等のリチウム複合酸化物を含む正極活物質と、バインダと、を混合したものを、正極集電体41aの主面に塗布することにより形成されている。
【0014】
負極板42は、
図1,
図2の矢印X方向から見て長方形をなす負極集電体42aの両面に負極活物質層42b,42cを形成したものである。負極集電体42aは、例えば、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔から構成されている。負極活物質層42b,42cは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のようなリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、バインダを混合したものを、負極集電体42aの主面に塗布することにより形成されている。
【0015】
負極集電体42aの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層42b,42cを具備しない延長部(本発明の連結部に相当)40として延びており、その延長部40の先端部40aが負極端子3における外装体5内側の一端部3aに接合されている。負極集電体42aが複数の場合には、それら負極集電体42aの各延長部40の先端部40aを束ねて一体にした状態にして接合する。
【0016】
この接合においては、例えば、延長部40の先端部40aを負極端子3の一端部3aに当接した状態で、超音波接合(超音波ホーンを先端部40aに当接して接合)する手法が挙げられる。また
図2には示されていないが、同様に、正極集電体41aの長手方向の端縁の一部が、正極活物質層41b,41cを具備しない延長部(本発明の連結部に相当;図示省略)として延びており、その延長部の先端部が正極端子2における外装体5内側の一端部に接合される。
【0017】
セパレータ43は、正極板41と負極板42との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有するものであって、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜が使用される。なお、セパレータ43としては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。
【0018】
電極とセパレータを積層した構造の発電要素4を電解液とともに収容する外装体5は、
図2に一部を拡大して示すように、熱融着層51と金属層52と保護層53との三層構造を有するラミネートフィルムで構成されている。中間の金属層52は、例えばアルミニウム箔が使用され、その内側面を覆う熱融着層51は、熱融着が可能な合成樹脂例えばポリプロピレン(PP)が使用され、金属層52の外側面を覆う保護層53は耐久性に優れた合成樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)が使用される。なお、さらに多数の層を有するラミネートフィルムを用いることもできる。また、前記の例では金属層52の両面に合成樹脂層をラミネートしているが、金属層52の外側の合成樹脂層は必ずしも必須のものではなく、内側表面にのみ合成樹脂層を備えた構成であってもよい。
【0019】
外装体5は、一つの例では、
図2の発電要素4の下面側に配置される1枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の1枚のラミネートフィルムとの2枚構造をなし、これら2枚のラミネートフィルムの周囲の4辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。図示例は、2枚構造の外装体5を示している。また、他の一つの例では、外装体5は1枚の比較的大きなラミネートフィルムを使用し、2つ折りとした状態で内側に発電要素4を配置した上で、周囲の3辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。
【0020】
長方形をなすリチウムイオン二次電池1の短辺側に位置する一対の端子2,3は、ラミネートフィルムを熱融着する際に、外装体5内側の一端部(負極端子3の場合は一端部3a)にそれぞれ集電体41a,42aの延長部(集電体42aの場合は延長部40)に接合された状態で、外装体5外側の他端部(負極端子3の場合は他端部3b)がラミネートフィルムの接合面5aを通して外部へ引き出されている。そして、一対の端子2,3は、一端部と他端部との間(負極端子3の場合は一端部3aと他端部3bとの間)が外装体5のラミネートフィルムの接合面5aによって挟持され、その挟持された挟持部分33cにおいて封着されることになる。
【0021】
<端子の一例>
負極端子3は、例えば
図2および
図3に示すように、少なくとも表面側がニッケルから成りニッケル面31を有した端子本体30と、端子本体30のニッケル面31のうち少なくとも挟持部分33cよりも外装体5内側を被覆した耐腐食層32と、耐腐食層32の表面のうち少なくとも挟持部分33cを被覆しかつ挟持部分33cから外装体5内側に延在した内側延在部33aを有する樹脂層33と、を備えたものを適用する。
【0022】
端子本体30は、前述のようにニッケル面31を有するものであれば良く、例えば平角導体のものを適用することができ、ニッケル金属から成るものや、銅等の金属の表面にニッケルメッキ処理を施したものが挙げられる。
【0023】
耐腐食層32は、例えば、端子本体30のニッケル面31を化成処理して形成することが挙げられる。この耐腐食層32により、ニッケル面31が電解液に曝されないようにし、例えばフッ化水素による腐食を抑制することができる。また、ニッケル面31のうち内側延在部33aに覆われた延在部被覆面3cにおいては、例えば変色等の劣化や腐食が抑制されることになる。化成処理の方法としては、クロメート処理もしくはノンクロム系処理でも良い。
【0024】
また、耐腐食層32は、ニッケル面31の全てを覆うように形成しても良いが、ニッケル面31のうち挟持部分33cよりも外装体5内側を全て覆い外装体5外側は覆わないように形成することにより、劣化や腐食を抑制できるだけでなく、低コスト化に貢献することにもなる。
【0025】
また、耐腐食層32の厚さは、例えば電気自動車等に適用する場合には、その電池寿命を十分確保(10年程度確保)することを考慮して、20nm〜80nmの範囲とすることが挙げられる。
【0026】
樹脂層33は、耐腐食層32の表面のうち少なくとも挟持部分33cを被覆し挟持部分33cから外装体5内側に延在した内側延在部33aを有するものであって、負極端子3と外装体5との間で挟持されて負極端子3(ニッケル面31に被覆形成された耐腐食層32)や外装体5に熱融着し、挟持部分33cにて封着可能なものであれば良い。したがって樹脂層33は、例えば、挟持部分33cから外装体5外側に延在した延在部(以下、外側延在部)33bが形成されたものであっても良い。
【0027】
この樹脂層33としては、所望の熱(例えば160℃〜190℃)と圧力(例えば0.5〜2.0MPa)により溶融し押し潰されない耐熱性と電解液に対する耐性(耐電解液性)を有するものを適用、例えば、酸変性ポリオレフィン系樹脂が挙げられる。
【0028】
酸変性ポリオレフィン系樹脂としては、負極端子3と外装体5との間を熱融着できるものであって、熱接着性樹脂層に用いる樹脂種により適宜選択して適用することが挙げられるが、その具体例としては、不飽和カルボン酸でグラフト変性したポリオレフィン樹脂、エチレンないしプロピレンとアクリル酸、又は、メタクリル酸との共重合体、あるいは、金属架橋ポリオレフィン樹脂などであり、必要に応じてブテン成分、エチレン−プロピレン−ブテン共重合体、非晶質のエチレン−プロピレン共重合体、プロピレン−α−オレフィン共重合体、オレフィン系エラストマー等を5%以上添加したものでも良い。
【0029】
樹脂層33の内側延在部33aは、挟持部分33cから外装体5内側に延在した形状であれば良く、樹脂層33における外装体5の内外方向の寸法が10mm程度の場合には、内側延在部33aの延在方向の寸法を0.5mm〜5mmの範囲とすることが挙げられる。0.5mm未満の場合、前述のように十分な剥離強度が得られない。また、0.5mm未満の場合には、例えば樹脂層33の熱融着時において、ラミネートフィルムの接合面によって挟持する位置がずれてしまい、内側延在部33aの端部における段差により、ラミネートフィルムが変形した状態で挟持部分33cに熱融着(段差形状を反映した形状で熱融着)し、外装体5の絶縁性の低下を招くことになる。また、5mm超の場合、電池の体積効率を低下させてしまうことになる。
【0030】
また、樹脂層33の厚さにおいても、その厚さが薄いと、熱融着後、外装体5内の金属層が端子に接触してしまう虞がある。また、
図1,2に示した例では、同じ一方の端縁に一対の端子2,3が並んで位置するように配置されているが、一方の端縁に正極端子2を配置し、かつ他方の端縁に負極端子3を位置するように配置することも可能である。
【0031】
本発明の実施形態に係る二次電池は、挟持部分よりも外装体内側に被覆形成された耐腐食層の表面のうち少なくとも挟持部分を被覆しかつ挟持部分から外装体内側に延在した内側延在部(
図3の内側延在部33aに相当)を有する樹脂層を備えた構造である。特許文献1(特許文献1の
図13の符号306等参照)に示す構造
図5(a)に示す構造のように、端子本体30の表面のうち外装体5によって挟持される挟持部分33cの外装体5内側に内側延在部33aを形成することなく封着されている構造では、外装体内部の圧力が高くなった場合に外装体に生じる剥離開始はa点になる。a点は、樹脂と金属の接合部であるため、界面剥離を起こすことになる。一方、本実施形態のような構造
図5(b)に示すように、外装体5の内側に延在した内側延在部33aを有した樹脂層33を形成して封着した構造の場合は、剥離開始点はb点となり、b点は樹脂と樹脂との接合部であり、ここで生じるのは凝集破壊による剥離であるため、界面剥離と比べ、剥離強度は強いものとなる。
【0032】
ここで、端子本体30の少なくとも表面側を構成しているニッケルの表面(
図2,
図3のニッケル面31に相当;以下、ニッケル面)のうち、挟持部分33cより外装体内側でかつ内側延在部33aによって覆われている表面(以下、延在部被覆面)3cは、電解液に対して直接的に曝されることが無いため、耐腐食層(
図2,
図3の耐腐食層32に相当)によって覆う必要が無いようにも思われ得るが、延在部被覆面3cに耐腐食層が無い構造の場合には、挟持部分33cや樹脂層33の無い部分におけるニッケル面と比較して、時間経過と共に劣化(変色等)や腐食が起こり易いことを確認した。これに対し、本実施形態のように延在部被覆面3cにも耐腐食層を形成した構造の二次電池においては、挟持部分33cや樹脂層33の無い部分におけるニッケル面と比べても、延在部被覆面3cでの劣化や腐食に大きな差は観られなかった。
【0033】
したがって、本実施形態のような構成の二次電池によれば、挟持部分における剥離強度を向上できると共に、その端子のニッケル面の劣化を抑制することができ、信頼性を有する二次電池を提供することが可能となり、有用な作用効果を奏する。
【0034】
<電解液の一例>
電解液としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。さらに、液状のものに限定されるものではなく、ゲル状電解質等の半固体電解質であっても電解液が端子に触れる可能性のあるものであっても良い。
【0035】
電解液量においては、例えば外装体5において内部を減圧下で封止した場合、電極41,42およびセパレータ43の空孔体積の合計値に対する電解液の割合(液量係数)が1超、具体例として1.1〜1.6となるように設定することが挙げられる。電解液の割合を1.1以上とすることにより、例えば内側延在部33aとラミネートフィルムとの間に間隙が形成され、その間隙において電解液の溜り部を形成することができる。1.1未満の場合では、内側延在部33aとラミネートフィルムの間隙が小さくなり、延在部被覆面3cのニッケル面31の腐食が早まるという結果が得られた。
【0036】
さらに、内側延在部33aの周辺に電解液を溜め易くする手法としては、延長部40の先端部40aにおける負極端子3との接合部の厚みを、内側延在部33aの厚さよりも大きくすることが挙げられる。例えば、超音波接合の場合には、溶接部に凹凸ができるのでその厚さが内側延在部33aの厚さよりも大きければ、内側延在部33aとラミネートフィルムとの間の間隙が大きくなり易くなる。
【0037】
また、複数の二次電池を組電池として使用する場合、複数の二次電池を外装体5の主面と直交する方向(すなわち正極板等の積層方向)に積層し缶に入れかつ外装体5の主面と直交する方向に積層した二次電池を加圧し固定した状態で二次電池を使用する場合には、加圧力によって電解液は発電要素4の周辺(積層方向と垂直方向)に移動し、電解液を内側延在部33aとラミネートフィルムとの間に供給し易くすることができる。
【0038】
<製造手順例>
リチウムイオン二次電池1の製造手順としては、以下の通りである。まず、負極板42、セパレータ43および正極板41、セパレータ43を順次積層して発電要素4を構成し、負極板42の負極集電体42aの延長部40に対し樹脂層33が予め熱融着された負極端子3の内側端(一端部3a)を接合する。同様に、正極板41の正極集電体41aの延長部40に対し樹脂層33が予め熱融着された正極端子2の内側端(負極端子3の一端部3aに相当)を接合する。次に、この発電要素4をラミネートフィルムで覆いながら、比較的小さな充填口を残して周囲の4辺(2つ折りの場合は3辺)を熱融着する。
【0039】
そして、充填口を通して外装体5の内部に電解液を充填し、外装体5内部を減圧し、その後、充填口を熱融着して外装体5を密閉状態とする。これによりリチウムイオン二次電池1が完成する。
【0040】
<実施例>
次に、前述した各項目(二次電池の構成例,端子の一例,電解液の一例,製造手順例)に従って、
図1〜
図3に示したようなリチウムイオン二次電池1を以下に示す条件で作成した。まず、正極端子2はアルミニウムの端子を用意した。負極端子3においては、矩形薄板状の銅の表面をニッケルメッキ処理しニッケル面31を形成して成る端子本体30と、ニッケル面31に被覆形成された耐腐食層32と、耐腐食層32の表面のうち挟持部分33cを被覆しかつ挟持部分33cから外装体5内側に3mm延在した内側延在部33aを有するポリプロピレンから成る樹脂層33と、を備えたものを適用した。外装体5においては、三層構造を有するラミネートフィルムから成るものを適用した。
【0041】
そして、外装体5内に発電要素4と共に、LiPF
6およびエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒を含んだ電解液を収容することにより、
図1〜
図3に示したような構造の二次電池を作成した。
【0042】
このような剥離強度を向上させたタイプの二次電池であっても延在部被覆面3cを含むニッケル面31の劣化や腐食が抑制され、電池の寿命を向上させることができた。
【0043】
さらに、外装体5のラミネートフィルムと内側延在部33aを密着させた状態と密着させない状態(電解液をラミネートフィルムと内側延在部33aの間に確保した状態)とで、水を混入された電解液に65℃の雰囲気下で98時間曝すことにより経時劣化試験を行った後の延在部被覆面3cを評価すると、密着させた方が劣化が早いという傾向が得られた。
【0044】
他方、耐腐食層32の厚さを種々変化させて作成し、ニッケル溶出量を観察したところ、
図4に示すような耐腐食層厚さに対するニッケル溶出量の変化特性が観られた。
【0045】
これら結果から、
図4に示すように、耐腐食層32の厚さが大きくなるに連れてニッケル溶出量が低下し、例えば耐腐食層32の厚さを20nm以上に設定した場合には、10年以上の寿命期間を確保できることが確認できた。さらに、端子3と延長部40との溶接強度を考慮すると、耐腐食層32の厚さを80nm以下に設定することが好ましいことを確認できた。
【0046】
以上、本発明の実施例について説明したが、上記実施例は本発明の実施形態の一例を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。