(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
モバイル機器用の電池等では、電池容量をさらに増大させることが求められているが、電池容量増大のためには内容物の体積をさらに増加させる必要がある。電池の内容物の体積を増加させる場合には、外装材を立体形状に成形する際に深い成形を行う必要があるが、このような深い成形を行っても成形品のコーナー部等にピンホールや割れが生じない良好な成形性を確保できることが求められる。
【0006】
また、電気自動車用電池等では、長寿命であることが求めれており、従ってその外装材としても長寿命であることが要求されている。電池用外装材においては、内容物の電解液等の影響により、金属箔層と熱可塑性樹脂層(内側層)との密着強度が経時的に低下することが知られているが、この密着強度を長期間にわたって保持できることが求められている。
【0007】
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、深い成形を行っても優れた成形性を確保できる蓄電デバイス用外装材を提供することを第1の目的とする。
【0008】
また、深い成形を行っても優れた成形性を確保できると共に、金属箔層と熱可塑性樹脂層(内側層)との十分な密着性を長期間にわたって確保できる蓄電デバイス用外装材を提供することを第2の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
【0010】
[1]外側層としての耐熱性樹脂層と、内側層としての熱可塑性樹脂層と、これら両層間に配設された金属箔層とを含む蓄電デバイス用外装材であって、
前記金属箔の外側層側の面の中心線平均粗さ(Ra)が1nm〜150nmであることを特徴とする蓄電デバイス用外装材。
【0011】
[2]前記金属箔の内側層側の面の中心線平均粗さ(Ra)が100nm〜500nmである前項1に記載の蓄電デバイス用外装材。
【0012】
[3]蓄電デバイス本体部と、
前項1または2に記載の蓄電デバイス用外装材とを備え、
前記蓄電デバイス本体部が、前記外装材で外装されていることを特徴とする蓄電デバイス。
【発明の効果】
【0013】
[1]の発明では、金属箔の外側層側の面の中心線平均粗さ(Ra)が1nm〜150nmであるので、外装材に深い成形を行っても、金属箔の表面荒れに起因した成形時の金属箔層と外側層(耐熱性樹脂層)の間の剥離を十分に防止することができる。即ち、外装材に深い成形を行っても成形時の金属箔層と外側層(耐熱性樹脂層)の間の密着性を十分に維持できて優れた成形性を確保できる。即ち、上記第1の目的が達成される。また、金属箔の外側層側の面の中心線平均粗さ(Ra)が1nm〜150nmであるので、本発明の外装材を外側から見たときに金属光沢が外観されるものとなる。
【0014】
[2]の発明では、金属箔の内側層側の面の中心線平均粗さ(Ra)が100nm〜500nmであるから、金属箔の内側層側の面の表面凹凸による接着剤層のアンカー効果が十分に発現するものとなり、これにより金属箔層と内側層(熱可塑性樹脂層)との接着強度を初期において十分に確保できると共にこの十分な接着強度を長期間にわたって保持できる。即ち、上記第2の目的が達成される。例えば、蓄電デバイスの内容物が電解液等であるような場合においても、金属箔層と熱可塑性樹脂層(内側層)との接着強度が経時的に低下することがなく、十分な接着強度を長期間にわたって維持できる。
【0015】
[3]の発明(蓄電デバイス)では、蓄電デバイスの容量増大のために内容物の体積を大きく設計した構成であっても、割れ等を生じることなく問題なく深い成形がなされた外装材で外装された金属光沢のある蓄電デバイスが提供される。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明に係る蓄電デバイス用外装材1の一実施形態を
図1に示す。この蓄電デバイス用外装材1は、リチウムイオン2次電池ケース用として用いられるものである。即ち、前記蓄電デバイス用外装材1は、例えば、深絞り成形、張り出し成形等の成形に供されて2次電池のケース等として用いられるものである。
【0018】
前記蓄電デバイス用外装材1は、金属箔層4の一方の面に第1接着剤層5を介して耐熱性樹脂層(外側層)2が積層一体化されると共に、前記金属箔層4の他方の面に第2接着剤層6を介して熱可塑性樹脂層(内側層)3が積層一体化された構成からなる。
【0019】
本発明において、前記金属箔4としては、外側層側の面4aの中心線平均粗さ(Ra)が1nm〜150nmである金属箔を用いる。Raが1nm未満では、箔の圧延コストが高くなる。一方、Raが150nmを超えると、外装材に深い成形を行った場合には成形時に金属箔層4と外側層(耐熱性樹脂層)2の間に剥離を生じる。成形時にこのように金属箔層4と外側層2の間において一部でも剥離を生じると、応力集中が生じて金属箔層4にくびれ変形が発生して、その結果成形時に破断に至ることが多い。
【0020】
中でも、前記金属箔4の外側層側の面4aの中心線平均粗さ(Ra)は5nm〜100nmであるのが好ましく、さらにRaは5nm〜40nmであるのが特に好ましい。
【0021】
なお、前記金属箔4として、外側層側の面4aの中心線平均粗さ(Ra)が1nm〜150nmである金属箔を用いた構成の本発明の外装材1では、該外装材1についてその外側層2側から(
図1の上面側から)測定したグロス値(光沢度の指標値)は200〜800の範囲内になっていて、本発明の外装材1を外側層側から見たときに金属光沢が外観される。外側層側の面4aの中心線平均粗さ(Ra)が小さくなるとグロス値が大きくなる関係性が存在する。
【0022】
本発明において、前記金属箔4としては、内側層側の面4bの中心線平均粗さ(Ra)が100nm〜500nmである金属箔を用いるのが好ましい。内側層側の面4bのRaが100nm以上であることで第2接着剤層6のアンカー効果が十分に発現するものとなり、金属箔層4と内側層(熱可塑性樹脂層)3との接着強度を初期において十分に確保できると共にこの十分な接着強度を長期間にわたって保持できる。また、内側層側の面4bのRaが500nm以下であることで接着剤を均一に塗布することができる。
【0023】
中でも、前記金属箔4の内側層側の面4bの中心線平均粗さ(Ra)は140nm〜350nmであるのが好ましい。
【0024】
前記耐熱性樹脂層(外側層)2を構成する耐熱性樹脂としては、外装材をヒートシールする際のヒートシール温度で溶融しない耐熱性樹脂を用いる。前記耐熱性樹脂としては、熱可塑性樹脂層3を構成する熱可塑性樹脂の融点より10℃以上高い融点を有する耐熱性樹脂を用いるのが好ましく、熱可塑性樹脂の融点より20℃以上高い融点を有する耐熱性樹脂を用いるのが特に好ましい。
【0025】
前記耐熱性樹脂層(外側層)2としては、特に限定されるものではないが、例えば、ナイロンフィルム等のポリアミドフィルム、ポリエステルフィルム等が挙げられ、これらの延伸フィルムが好ましく用いられる。中でも、前記耐熱性樹脂層2としては、二軸延伸ナイロンフィルム等の二軸延伸ポリアミドフィルム、二軸延伸ポリブチレンテレフタレート(PBT)フィルム、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム又は二軸延伸ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムを用いるのが特に好ましい。前記ナイロンフィルムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、6ナイロンフィルム、6,6ナイロンフィルム、MXDナイロンフィルム等が挙げられる。なお、前記耐熱性樹脂層2は、単層で形成されていても良いし、或いは、例えばポリエステルフィルム/ポリアミドフィルムからなる複層(PETフィルム/ナイロンフィルムからなる複層等)で形成されていても良い。
【0026】
前記耐熱性樹脂層2の厚さは、12μm〜50μmであるのが好ましい。ポリエステルフィルムを用いる場合には厚さは12μm〜50μmであるのが好ましく、ナイロンフィルムを用いる場合には厚さは15μm〜50μmであるのが好ましい。上記好適下限値以上に設定することで外装材として十分な強度を確保できると共に、上記好適上限値以下に設定することで張り出し成形、絞り成形等の成形時の応力を小さくできて成形性を向上させることができる。
【0027】
前記熱可塑性樹脂層(内側層)3は、リチウムイオン二次電池等で用いられる腐食性の強い電解液などに対しても優れた耐薬品性を具備させると共に、外装材にヒートシール性を付与する役割を担うものである。
【0028】
前記熱可塑性樹脂層3としては、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂未延伸フィルム層であるのが好ましい。前記熱可塑性樹脂未延伸フィルム層3は、特に限定されるものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、オレフィン系共重合体、これらの酸変性物およびアイオノマーからなる群より選ばれた少なくとも1種の熱可塑性樹脂からなる未延伸フィルムにより構成されるのが好ましい。
【0029】
前記熱可塑性樹脂層3の厚さは、20μm〜80μmに設定されるのが好ましい。20μm以上とすることでピンホールの発生を十分に防止できると共に、80μm以下に設定することで樹脂使用量を低減できてコスト低減を図り得る。中でも、前記熱可塑性樹脂層3の厚さは30μm〜50μmに設定されるのが特に好ましい。なお、前記熱可塑性樹脂層3は、単層であってもよいし、複層であってもよい。
【0030】
前記金属箔層4は、外装材1に酸素や水分の侵入を阻止するガスバリア性を付与する役割を担うものである。前記金属箔層4としては、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム箔、銅箔等が挙げられ、アルミニウム箔が一般的に用いられる。前記金属箔層4の厚さは、20μm〜100μmであるのが好ましい。20μm以上であることで金属箔を製造する際の圧延時のピンホール発生を防止できると共に、100μm以下であることで張り出し成形、絞り成形等の成形時の応力を小さくできて成形性を向上させることができる。
【0031】
前記金属箔層4は、少なくとも内側の面4b(第2接着剤層6側の面)に、化成処理が施されているのが好ましい。このような化成処理が施されていることによって内容物(電池の電解液等)による金属箔表面の腐食を十分に防止できる。例えば次のような処理をすることによって金属箔に化成処理を施す。即ち、例えば、脱脂処理を行った金属箔の表面に、
1)リン酸と、
クロム酸と、
フッ化物の金属塩及びフッ化物の非金属塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物と、を含む混合物の水溶液
2)リン酸と、
アクリル系樹脂、キトサン誘導体樹脂及びフェノール系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種の樹脂と、
クロム酸及びクロム(III)塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物と、を含む混合物の水溶液
3)リン酸と、
アクリル系樹脂、キトサン誘導体樹脂及びフェノール系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種の樹脂と、
クロム酸及びクロム(III)塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物と、
フッ化物の金属塩及びフッ化物の非金属塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物と、を含む混合物の水溶液
上記1)〜3)のうちのいずれかの水溶液を塗工した後、乾燥することにより、化成処理を施す。
【0032】
前記化成皮膜は、クロム付着量(片面当たり)として0.1mg/m
2〜50mg/m
2が好ましく、特に2mg/m
2〜20mg/m
2が好ましい。
【0033】
前記第1接着剤層5としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリウレタン接着剤層、ポリエステルポリウレタン接着剤層、ポリエーテルポリウレタン接着剤層等が挙げられる。前記第1接着剤層5の厚さは、1μm〜5μmに設定されるのが好ましい。中でも、外装材の薄膜化、軽量化の観点から、前記第1接着剤層5の厚さは、1μm〜3μmに設定されるのが特に好ましい。
【0034】
前記第2接着剤層6としては、特に限定されるものではないが、例えば、上記第1接着剤層5として例示したものも使用できるが、電解液による膨潤の少ないポリオレフィン系接着剤を使用するのが好ましい。前記第2接着剤層6の厚さは、1μm〜5μmに設定されるのが好ましい。中でも、外装材の薄膜化、軽量化の観点から、前記第2接着剤層6の厚さは、1μm〜3μmに設定されるのが特に好ましい。
【0035】
本発明の外装材1を成形(深絞り成形、張り出し成形等)することにより、成形ケース(電池ケース等)を得ることができる。なお、本発明の外装材1は、成形に供されずにそのまま使用することもできる。
【0036】
本発明の外装材1を用いて構成された蓄電デバイス20の一実施形態を
図2に示す。この蓄電デバイス20は、リチウムイオン2次電池である。
【0037】
前記電池20は、電解質21と、タブリード22と、成形に供されていない平面状の前記外装材1と、前記外装材1が成形されて得られた収容凹部11bを有する成形ケース11とを備える(
図2参照)。前記電解質21および前記タブリード22により蓄電デバイス本体部19が構成されている。
【0038】
前記成形ケース11の収容凹部11b内に前記電解質21と前記タブリード22の一部が収容され、該成形ケース11の上に前記平面状の外装材1が配置され、該外装材1の周縁部(の内側層3)と前記成形ケース11の封止用周縁部11a(の内側層3)とが接合されて封止されることによって、前記電池20が構成されている。なお、前記タブリード22の先端部は、外部に導出されている(
図2参照)。
【実施例】
【0039】
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。
【0040】
<実施例1>
一方の面の中心線平均粗さRaが40nmであり、他方の面の中心線平均粗さRaが230nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔4の両面に、ポリアクリル酸、三価クロム化合物、水、アルコールからなる化成処理液を塗布し、180℃で乾燥を行って、化成皮膜を形成した。この化成皮膜のクロム付着量は片面当たり10mg/m
2であった。
【0041】
次に、前記化成処理済みアルミニウム箔4の一方の面(Raが40nmである面)4aに、2液硬化型のウレタン系接着剤5を介して厚さ15μmの二軸延伸6ナイロンフィルム(融点:220℃)2をドライラミネートした(貼り合わせた)。
【0042】
次に、厚さ7μmのマレイン酸変性ポリプロピレン層(第2接着剤層)6および融点が140℃、MFR(メルトフローレート)が7g/10分である厚さ28μmのエチレン−プロピレンランダム共重合体樹脂層(内側層)3をTダイを用いて共押出することにより、これら2層が積層されてなる積層フィルムを得た後、この共押出の直後に該積層フィルムの第2接着剤層6面を、前記ドライラミネート後のアルミニウム箔4の他方の面(Raが230nmである面)4bに重ね合わせて、150℃に加熱された一対の熱ロール間に挟み込んでヒートラミネートすることによって、
図1に示す構成の蓄電デバイス用外装材1を得た。
【0043】
<実施例2>
アルミニウム箔4として、一方の面(外側層側の面)4aの中心線平均粗さRaが10nmであり、他方の面(内側層側の面)4bの中心線平均粗さRaが140nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、
図1に示す構成の蓄電デバイス用外装材1を得た。
【0044】
<実施例3>
アルミニウム箔4として、一方の面(外側層側の面)4aの中心線平均粗さRaが70nmであり、他方の面(内側層側の面)4bの中心線平均粗さRaが450nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、
図1に示す構成の蓄電デバイス用外装材1を得た。
【0045】
<実施例4>
アルミニウム箔4として、一方の面(外側層側の面)4aの中心線平均粗さRaが40nmであり、他方の面(内側層側の面)4bの中心線平均粗さRaが500nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、
図1に示す構成の蓄電デバイス用外装材1を得た。
【0046】
<
参考例
1>
アルミニウム箔4として、一方の面(外側層側の面)4aの中心線平均粗さRaが5nmであり、他方の面(内側層側の面)4bの中心線平均粗さRaが230nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、
図1に示す構成の蓄電デバイス用外装材1を得た。
【0047】
<
参考例
2>
アルミニウム箔4として、一方の面(外側層側の面)4aの中心線平均粗さRaが110nmであり、他方の面(内側層側の面)4bの中心線平均粗さRaが70nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、蓄電デバイス用外装材を得た。
【0048】
<比較例1>
アルミニウム箔4として、一方の面(外側層側の面)4aの中心線平均粗さRaが230nmであり、他方の面(内側層側の面)4bの中心線平均粗さRaが40nmである、厚さ35μmのアルミニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にして、蓄電デバイス用外装材を得た。
【0049】
なお、上記各実施例、比較例で使用したアルミニウム箔の表面の中心線平均粗さRaは、株式会社ミツトヨ製の表面粗さ測定機「SURFTEST SV600」を用いて、JIS B0601−2001に準拠して測定した値である。
【0050】
また、各実施例
、各参考例と比較例1で使用した各アルミニウム箔の両面のそれぞれのRaの調整は、次のようにして行った。実施例2、3、4、
参考例2については、準備した300μm厚みのアルミニウム箔を、箔圧延機の上下の圧延ロールを用いて所定の厚さになるまで、数回圧延し、最終の圧延ロールの表面の粗さを種々のものに変更することによって(最終の圧延ロールとして表面粗さが異なるものを用いることによって)Raの調整を行った。一方、実施例1、
参考例1、比較例1については、準備した300μm厚みのアルミニウム箔を2枚重ねたものを、箔圧延機の上下の圧延ロールを用いて所定の厚さになるまで、数回圧延し、最終の圧延ロールの表面の粗さを種々のものに変更することによって(最終の圧延ロールとして表面粗さが異なるものを用いることによって)圧延ロールに接する面のRaの調整を行った。後者の場合において、2枚のアルミニウム箔同士が重ね合わされる面のRaは230nmであった。
【0051】
【表1】
【0052】
上記のようにして得られた各蓄電デバイス用外装材に対して下記評価法に基づいて性能評価を行った。その結果を表1に示す。
【0053】
<成形性評価法>
株式会社アマダ製の張り出し成形機(品番:TP−25C−X2)を用いて外装材に対して縦55mm×横35mmの略直方体形状に張り出し成形を行い、即ち成形深さを変えて絞り成形を行い、得られた成形体におけるコーナー部におけるピンホール及び割れの有無を調べ、このようなピンホール及び割れが発生しない「最大成形深さ(mm)」を調べた。
【0054】
<耐電解液性評価法>
外装材を15mm幅にカットして測定片を作成し、エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートを1:1の容量比で混合した混合溶媒に対して六フッ化リンリチウム塩を1モル/Lの濃度となるように溶解せしめた溶液及び前記測定片を四フッ化エチレン樹脂製の広口ボトルに入れて85℃のオーブン中に1週間保存した後、測定片を取り出してアルミニウム箔4とエチレン−プロピレンランダム共重合体樹脂層(内側層)3の界面で剥離して両者間のラミネート強度(接着強度)(N/15mm幅)を測定した。
【0055】
<外装材のグロス値(GU値)測定法>
測定機器として、BYK社製の「micro−TRI−gloss−s」を用いて、60°反射角で測定した。なお、外装材に対してその外側層2を介してグロス値(外装材の外側層2側の面の光沢度)を測定した。
【0056】
表1から明らかなように、本発明の実施例1〜
4、参考例1、2の外装材は、最大成形深さが大きく、深い成形を行っても優れた成形性を確保することができる。また、金属箔の内側層側の面の中心線平均粗さRaが100nm〜500nmである実施例1〜
4、参考例1の外装材は、十分な接着強度を長期間にわたって保持できており、耐電解液性にも優れている。
【0057】
これに対し、金属箔の外側層側の面の中心線平均粗さRaが1nm〜150nmの範囲を逸脱している比較例1の外装材では、深い成形を行ったときに良好な成形性を確保することができない。