(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記タブ部は、前記ベント部のうち前記接合されるラミネートシート間に挟み込まれる領域の前記内部側の端部を含んで前記ラミネートシートとの接合力を低下させた弱部を有する
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載のラミネート型バッテリ。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図面を参照して、実施形態としてのラミネート型バッテリについて説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【0013】
本実施形態では、セルタイプ(単電池型)のラミネート型バッテリを説明する。このラミネート型バッテリには、周縁部が接合されるラミネートシートで密封される内部に極板群が収容される。すなわち、極板群を収容するケースには、ラミネートシートで構成されるソフトケースが用いられる。さらに、ラミネート型バッテリには、内部の極板群から外部に電力を取り出す端子が設けられる。
【0014】
ラミネート型バッテリは、一次電池または二次電池として構成される。一次電池の例としては、マンガン電池,アルカリ電池などが挙げられ、二次電池の例としては、リチウムイオン電池,ニッケル水素電池などが挙げられる。たとえば、二次電池のラミネート型バッテリは、電気自動車やハイブリッド自動車に駆動用電力源として搭載される。この場合には、バッテリ容量や出力電圧を確保するために、複数のラミネート型バッテリが接続されたモジュールや複数のモジュールが接続された電池パックが用いられる。
【0015】
また、本実施形態では、ラミネートシートが長方形状に形成され、この長方形における二つの短辺のうちの一辺に沿って正極端子および負極端子が並んで配置されるものを例示する。
以下の説明では、ラミネートシートにおける端辺の延在方向に合わせて、X方向,Y方向,Z方向のそれぞれを定める。X方向は、長方形の短辺が延びる方向とし、Y方向は、長方形の長辺が延びる方向とし、Z方向は、XY平面の法線に沿う方向とする。
【0016】
詳細には、X方向,Y方向,Z方向のそれぞれについて、次のように一方および他方を定める。X方向については、正極端子から負極端子へ向かう方向をX
1方向と呼び、このX
1方向とは反対の方向をX
2方向と呼ぶ。Y方向については、端子が配置された一方の短辺から他方の短辺へ向かう方向をY
1方向と呼び、このY
1方向とは反対の方向をY
2方向と呼ぶ。Z方向については、Y
1方向視で正極端子の位置を9時とするとともに負極端子の位置を3時としたときに、6時の位置から12時の位置へ向かう方向をZ
1方向と呼び、このZ
1方向とは反対の方向をZ
2方向と呼ぶ。
【0017】
さらに、ラミネートシートで密封される空間を内部と呼び、これ以外の空間(ラミネートシートの外側の空間)を外部と呼ぶ。また、外部から内部へ向かう側を内側(内部側)と呼び、内部から外部へ向かう側を外側(外部側)と呼ぶ。
このような方向の定義を踏まえて例を挙げれば、ラミネートシートの厚み方向はZ方向であり、端子において内部と外部とをつなぐ方向はY方向である。
【0018】
[1.基本構成]
はじめに、ラミネート型バッテリの基本構成を説明する。
図1に示すように、ラミネート型バッテリでは、ラミネートシート(「ラミネートフィルム」あるいは「ラミシート」とも称される)20の周縁部21が接合されて密封される。この周縁部21は、ラミネートシート20の端辺に沿って口の字型に設けられる。
ラミネートシート20で密封された内部4には、極板群30が収容される。極板群30には、ラミネートシート20の外部5に突出してタブ状に設けられる一対の端子(タブ部)1が接続される。端子1は、正極端子1Aと負極端子1Bとの二つで対をなしている。
【0019】
このラミネート型バッテリを分解すると、
図2に示すように、XY平面に沿うシート状の各部材がZ方向に並んで配置されている。具体的には、Z方向端部のそれぞれに配置されるラミネートシート20の間に、極板群30および端子1が配置される。
ラミネートシート20は、絶縁性および可撓性を持ち合わせた外装体である。このラミネートシート20には、外装樹脂層,金属層,溶着樹脂層の順に積層された金属ラミネートシートが用いられる。
【0020】
また、ラミネートシート20は、Z
1方向側に配置される一方のラミネートシート20AとZ
2方向側に配置される他方のラミネートシート20Bとの二つで対をなしている。一方のラミネートシート20Aでは、Z
2方向側に溶着樹脂層が積層され、他方のラミネートシート20Bでは、Z
1方向側に溶着樹脂層が積層される。
一方のラミネートシート20Aの周縁部21Aと他方のラミネートシート20Bの周縁部21Bとが接合される。詳細に言えば、周縁部21AにおけるZ
2方向側の領域と周縁部21BにおけるZ
1方向側の領域(
図2では斜線を付して示す)とが接合される。このように接合されることで、ラミネートシート20の内部4に密閉された空間が形成される。これらのラミネートシート20A,20Bを接合させるときには、周縁部21A,21BどうしがZ方向にプレスされ圧着させられる。この接合手法としては、溶着樹脂層どうしを溶融させて接着させる溶着手法や、溶着手法に接合部の加熱工程を加えた熱溶着手法などが挙げられる。
【0021】
極板群30は、電解質を含有するシート状部材がZ方向に積層された発電要素である。この極板群30は、Z方向視でラミネートシート20に覆われるように配置される。
この極板群30では、正極シート31と負極シート32とこれらのシート31,32の間に配置されるシート状のセパレータ33とが重ね合わされている。セパレータ33によって、正極シート31と負極シート32とが非接触とされる。ここでは、シート31,32およびセパレータ33のそれぞれが複数枚ずつ設けられている。
【0022】
正極シート31は、長方形状のシート本体部31aと、シート本体部31aからY
2方向に向けてタブ状に突出する電極部31bとに大別される。同様に、負極シート32は、長方形状のシート本体部32aと、シート本体部32aからY
2方向に向けてタブ状に突出する電極部32bとに大別される。また、セパレータ33は、シート本体部31a,32aと同様に、長方形状に形成される。
【0023】
シート31,32は、Z方向視で、シート本体部31a,32aがセパレータ33に覆われるように配置される。また、シート31,32は、Z方向視で、電極部31b,32bがセパレータ33からY
2方向に突出するように配置される。ただし、正極シート31の電極部31bと負極シート32の電極部32bとは、短絡(接触)しないようにX方向の位置が相違するように配置される。
【0024】
これらの電極部31b,32bには、端子1が接続される。具体的には、正極シート31の電極部31bに正極端子1Aが接続され、負極シート32の電極部32bに負極端子1Bが接続される。端子1A,1Bと電極部31b,32bとの接続手法としては、超音波溶接やレーザー溶接などが挙げられる。
端子1は、内部4から外部5に電力を取り出すためのシート状の導体である。すなわち、端子1は、内部4と外部5とに跨るようにXY平面に沿って設けられており、内部4と外部5とのそれぞれに突出して設けられる。端子1の内側部位1aには電極部31b,32bが接続され、端子1の外側部位1bには電力供給先につながる配線(何れも図示省略する)が接続される。ここでは、Z方向視で長方形状の端子1を例示する。
【0025】
さらに、端子1における内側部位1aと外側部位1bとの間の中間部位1cは、
図1および
図2に示すように、ラミネートシート20A,20Bの周縁部21A,21Bに挟み込まれて接合される。なお、端子1の中間部位1cの表面には、ラミネートシート20の溶着樹脂層に含まれる溶着樹脂と同種の樹脂を含有する樹脂層を形成してもよい。たとえば、溶着樹脂を含有する接着テープを貼付あるいは巻き付けることで、中間部位1cの表面に樹脂層が設けられる。このように、ラミネートシート20に対する端子1の接合領域に樹脂層を設けることで、端子1とラミネートシート20との接合力が確保される。
【0026】
[2.端子の構成]
つぎに、
図3を参照して、端子1の構成について詳述する。なお、
図3には、二点鎖線でラミネートシート20における周縁部21のアウトラインを示す。具体的には、Y
1方向側の二点鎖線で接合される周縁部21の内側端部211を示し、Y
2方向側の二点鎖線で接合される周縁部21の外側端部212を示す。また、
図3では、説明の便宜のために、端子1の厚み(Z方向寸法)を誇張して示す。
【0027】
端子1には、ラミネートシート20で密封される内部4の圧力(以下、「内圧」と略称する)が上昇した際に、ガスを外部5へ放出させるベント部(ベント構造)11が設けられている。ベント部11は、正極端子1Aおよび負極端子1Bの少なくとも何れかに設けられていればよい。そこで、ベント部11に関する以下の説明では、正極端子1Aおよび負極端子1Bを区別せず、単に端子1と呼ぶ。
【0028】
ところで、端子1においてXY平面に沿う表面1s(
図3ではZ
1方向側の表面1sのみに符号を付す)から凹設または凸設された凹凸形状が形成されていれば、この凹凸形状に沿ってラミネートシート20が変形しきれないおそれがある。このような凹凸形状に対するラミネートシート20の接合力は、ラミネートシート20の周縁部21どうしの接合力やXY平面に沿う表面1sのラミネートシート20に対する接合力よりも小さい。
【0029】
そこで、ラミネートシート20に対する接合力が小さい部位、即ち、凹凸形状を表面1sに形成することで、内圧への耐圧性が低いベント部11をあえて設定している。
ベント部11は、内部4と外部5とに跨って延びて設けられる。このベント部11は、Y方向に沿って直線状に設けられ、端子1のY方向全域に延びている。ただし、少なくとも、ベント部の内側端部が内部4に配置されるとともにベント部の外側端部が外部5に配置されていればよい。そのため、ベント部は、端子1のY方向領域のうち一部に延びて設けられてもよく、Y方向に対して傾斜して延びていてもよく、あるいは、折れ曲がって延びていていもよい。
【0030】
ベント部11は、
図3(a)に例示するように、表面1sからZ
2方向に凹設された凹溝12であってもよいし、
図3(b)に例示するように、表面1sからZ
1方向に凸設された突条13であってもよい。凹溝12または突条13は、エッチング処理や切削処理によって製造することができる。
【0031】
まず、
図3(a)に例示される凹溝12を説明する。
凹溝12は、XZ平面に沿う断面形状が開放側をZ
1方向に向けたコ字状(ステープラーの針形状)をなしている。
具体的に言えば、凹溝12には、底壁面121と縦壁面122とが形成される。底壁面121は、表面1sよりも端子1の厚み方向における内部側(ここではZ
2方向側)に設けられ、XY平面に沿ってY方向に延びる。縦壁面122は、底壁面121のX方向端部のそれぞれと表面1sとをむすび、YZ平面に沿ってY方向に延びる。さらに、底壁面121と縦壁面122との接続箇所およびその周辺には、内部4と外部5とに跨って延びる角部123が形成される。
ラミネートシート20は、とくに角部123に沿って変形しづらい。そのため、角部123は、ラミネートシート20に対する端子1の接合力がとりわけ小さい部分となる。
【0032】
つぎに、
図3(b)に例示される突条13を説明する。
突条13は、XZ平面に沿う断面形状が矩形状をなしている。
具体的に言えば、突条13には、頂壁面131と縦壁面132とが形成される。頂壁面131は、表面1sよりも端子1の厚み方向における外部側(ここではZ
1方向側)に設けられ、XY平面に沿ってY方向に延びる。縦壁面132は、頂壁面131のX方向端部のそれぞれと表面1sとをむすび、YZ平面に沿ってY方向に延びる。さらに、縦壁面132と表面1sとの接続箇所およびその周辺には、内部4と外部5とに跨って延びる角部133が形成される。
ラミネートシート20は、とくに角部133に沿って変形しづらい。そのため、角部133は、ラミネートシート20に対する接合力がとりわけ小さい部分となる。
【0033】
[3.作用および効果]
本実施形態のラミネート型バッテリは、上述のように構成されるため、以下のような作用および効果を得ることができる。
まず、ラミネート型バッテリにおいて内圧が上昇する際の作用を述べる。
ラミネート型バッテリで内圧が上昇する状況としては、正極シート31と負極シート32とが接触する内部短絡が発生した場合や、極板群30が過熱した場合などが挙げられる。たとえば、ラミネート型バッテリに対して衝撃が作用したときやラミネート型バッテリが変形したときなどに内部短絡が発生し、ラミネート型バッテリ自体が高温環境下に晒されたときや過剰に充放電されたときなどに極板群30が過熱する。このような状況では、極板群30に含有される電解質が急激に分解され、多量のガスが発生する。そして、ラミネート型バッテリの内圧が上昇する。
【0034】
ラミネート型バッテリで内圧が上昇するにつれて、ラミネートシート20を剥離させる力が大きくなる。
続いて、ラミネートシート20どうしの接合力やラミネートシート20に対する端子1の表面1sの接合力よりもラミネートシート20に対するベント部11の接合力のほうが小さいことから、ラミネートシート20がベント部11から剥離する。詳細に言えば、ベント部11としての凹溝12が設けられる場合には、内部4と外部5とに跨って延びる角部123からラミネートシート20が剥離する。同様に、ベント部11として突条13が設けられる場合には、内部4と外部5とに跨って延びる角部133からラミネートシート20が剥離する。
このようにして、ベント部11の角部123や角部133に沿ってガスの流通路が形成されることで、ラミネート型バッテリの内部4と外部5とが連通する。そして、ガスが放出され、内圧が外部5の気圧(大気圧)まで低下する。
【0035】
次に、ラミネート型バッテリにおいて内圧が上昇した際の効果を述べる。
(1)ベント部11は、ラミネート型バッテリの内部4と外部5とのそれぞれに突出して延びる端子1に設けられる。そのため、内部4と外部5とに跨って延びるベント部11を端子1に設けることができる。よって、ベント部11によって内部4と外部5とを確実に連通させることができ、ガスを確実に放出させることができる。
また、端子1は、ラミネートシート20の周縁部21に挟み込まれるため、ラミネートシート20どうしが接合される箇所よりも補強されている。よって、内圧上昇時に形成されるガスの流通路、即ち、端子1のベント部11に沿うガスの流通路も補強されて折れ曲がりにくくなり、ガスを確実に放出することができる。
【0036】
他の技術と比較すれば、本実施形態のラミネート型バッテリは下記の点で有利である。
たとえば、他の技術では、ラミネートシートの周縁部どうしが接合される領域において、一部の耐圧性を抑えることでベント構造を設けている。このようなベント構造では、バッテリの収容部や配線といった周辺の構造物に対して周縁部の他部が干渉することで折れ曲がり、ラミネートシートの接合力が変動することによって耐圧性が不安定になり、ガスを適切に放出することができないおそれがある。
【0037】
これに対して、本実施形態のラミネート型バッテリでは、ラミネートシート20に挟み込まれた端子1にベント部11が設けられるため、ベント部11が折れ曲がりにくく、ベント部11の耐圧性が変動しにくくなる。よって、ベント部11の耐圧性を安定させ、ガスを適切に放出させることができる。
【0038】
(2)上述したようにベント部11が端子1に設けられるため、既存のラミネート型バッテリの端子を利用してベント部11を追加することができる。そのため、構造の複雑化や製造工程の増加を抑えることができる。
(3)さらに、汎用形状の凹溝12または突条13を端子1に設けるだけで、ベント部11をラミネート型バッテリに設けることができる。よって、製造コストの上昇を抑えつつ安全性を向上させることができる。
これらの凹溝12または突条13は、端子1を補強するリブとしても機能し、端子1の耐久性を向上させることができる。
【0039】
なお、ベント部11として凹溝12が設けられる場合には、突条13が設けられる場合に比較して、端子1の材料コストの低減に寄与する。一方、ベント部11として突条13が設けられる場合には、凹溝12が設けられる場合に比較して、端子1の材料コストは上昇しうるものの、端子1の耐久性を更に向上させることができる。
【0040】
(4)ベント部11は、Y方向に沿って直線状に設けられているため、ベント部11からラミネートシート20が剥離した際に、速やかにガスを放出することができる。つまり、上昇した内圧を速やかに低下させることができる。
また、直線状のベント部11は単純な形状であるため、製造コストの低下に寄与する。
(5)なお、ベント部が折れ曲がって設けられていれば、直線状のベント部11に比較して、ガスの放出が抑えられる。延いては、ベント部の折れ曲がり形状を設定することで、ガスの放出モードを調整することができる。
【0041】
[4.変形例]
最後に、本実施形態のラミネート型バッテリの変形例について述べる。
図4に示すように、端子1′のベント部11′として、Z方向視で凸形状に凸設された凸部14′が内部4と外部5とに跨って形成されてもよい。この凸部14′は、Z方向視で、内側で端子1′のX方向全域に亘って設けられ、外側で端子1′のX方向一領域に設けられる。このような端子1′には、凹設された凹部15′が形成されたものとも言える。
【0042】
ところで、ラミネートシート20′を接合させるときのプレス力は、XY平面に沿う領域に印加されやすく、Z方向に沿う領域に印加されにくい。そのため、XY平面に沿う領域よりもZ方向に沿う領域のほうが、ラミネートシート20′の接合力が小さい。更に言えば、Z方向寸法が大きくなるほど、ラミネートシート20に対する接合力が低下する。たとえば、ラミネートシート20′の周縁部21′どうしの接合力や端子1′の中間部位1c′でXY平面に沿う領域のラミネートシート20′に対する接合力よりも、端子1′の中間部位1c′でZ方向に沿う領域のラミネートシート20′に対する接合力のほうが小さい。
【0043】
このようにラミネートシート20′に対する接合力が小さい領域、即ち、端子1′の中間部位1c′においてZ方向に沿う領域に、内圧への耐圧性が低い部分をあえて設定することでベント部11′を設けている。具体的には、端子1′の中間部位1c′のベント部11′として、Z方向寸法が調整された凸部14′あるいは凹部15′を設けている。
凸部14′には、端子1′の中間部位1c′においてZ方向に沿う三つの面14a′,14b′,14c′が折れ曲がって設けられる。これらの面14a′,14b′,14c′として、内側でY方向に延びる内側端面14a′と、外側でY方向に延びる外側端面14b′と、内側端面14a′と外側端面14b′とをつなぐようにX方向に延びる中間端面14c′とが形成されている。さらに、内側端面14a′は、内側に突出するように延びており、外側端面14b′は、外側に突出するように延びている。
【0044】
外側端面14b′のZ方向寸法β′と中間端面14c′のZ方向寸法β′とは等しく、このZ方向寸法β′よりも内側端面14a′のZ方向寸法α′のほうが大きく(β′<α′)設定される。
凹部15′の中間部位1c′においてX方向端部でZ方向に沿う端面15a′は、内側端面14a′のZ方向寸法α′から外側端面14b′あるいは中間端面14c′のZ方向寸法β′を差し引いたZ方向寸法γ′(=α′−β′)に形成される。
【0045】
さらに、外側端面14b′あるいは中間端面14c′のZ方向寸法β′は、凹部15′における端面15a′のZ方向寸法γ′よりも大きく設定される。言い換えれば、外側端面14b′あるいは中間端面14c′のZ方向寸法β′は、内側端面14a′のZ方向寸法α′の半分よりも大きい寸法に設定されている。
このようにZ方向寸法α′,β′,γ′の大小関係が設定されるため、ラミネートシート20′に対する凸部14′の接合力は、内側端面14a′よりも中間端面14b′および外側端面14c′のほうが大きく設定される。
【0046】
また、凸部14′には、中間部位1cの内側端部(内部側の端部)を含んで内側端面14a′に対するラミネートシート20′の接合力を低下させた弱部19′が設けられてもよい。
たとえば、弱部19′としては、端子1′を切り欠いた切欠部が形成される。ここでは、Z方向全域にX方向に凹設されるように切り欠かれ、XY平面に沿う断面形状が半円状の切欠部を例示する。ただし、弱部19′としての切欠部は、少なくとも中間部位1cの内側端部を含む内側端面14a′が切り欠かれていればよく、端子1′のZ方向一領域を凹設してもよいし、矩形状やV字状といった任意の断面形状としてもよい。
この切欠部は、ラミネートシート20′を接合させるときのプレス力がより印可されにくく、ラミネートシート20′に対する接合力が内側端面14a′のなかでも更に抑えられる。
【0047】
このようにベント部11′が構成されるため、ラミネート型バッテリにおいて内圧が上昇する際には、以下のような作用および効果を得ることができる。
ラミネート型バッテリで内圧が上昇するにつれて、ラミネートシート20′を剥離させる力が大きくなる。続いて、ラミネートシート20′に対する凸部14′の端面14a′,14b′,14c′の接合力のほうがラミネートシート20′どうしの接合力よりも小さいことから、ラミネートシート20′が端面14a′,14b′,14c′から剥離する。時系列に沿って詳細に言えば、ラミネートシート20′は、最初に内側端面14a′から剥離し、ついで中間端面14c′から剥離し、その後に外側端面14b′から剥離する。
【0048】
このようにして、内部4と外部5とに跨るベント部11′の端面14a′,14b′,14c′に沿ってガスの流通路が形成されることで、ラミネート型バッテリの内部4と外部5とが確実に連通させることができ、ガスを確実に放出することができる。
ベント部11′が折れ曲がって設けられているため、ベント部11′からラミネートシート20′が剥離した際に、直線状のベント部11に比較して、ガスの放出が抑えられる。延いては、ベント部11′の折れ曲がり形状を設定することで、ガスの放出モードを調整することができる。
【0049】
また、弱部19′が設けられていれば、内圧が上昇する際の内側端面14a′では、最初に弱部19′からラミネートシート20′が剥離し、内圧が更に上昇した後に、弱部19′よりも外側の部位が剥離する。このように弱部19′としての切欠部を端子1′に形成することで、構造的に内圧を内側端面14a′に引き入れることができる。よって、ベント部11′においてラミネートシート20′の剥離を確実に進行させることができ、安全性を更に向上させることができる。
【0050】
なお、切欠部に加えてまたは替えて、少なくとも中間部位1cの内側端部を含む内側端面14a′に、ラミネートシート20′の溶着樹脂に対して溶着しにくい薬剤を塗布することで弱部19′を設けてもよい。この場合にも、ベント部11′においてラミネートシート20′の剥離を確実に進行させることができ、安全性を更に向上させることができる。
【0051】
極端群の発電要素は、シート状部材が積層されるものに限らず、帯状部材がY方向視で楕円渦状あるいは長円渦状をなすように巻回されていてもよい。この場合には、対向する短辺あるいは長辺の一方に端子の一方が配置され、対向する短辺あるいは長辺の他方に端子の他方が配置される。このように、二つの端子が並んで設けられていなくてもよい。
【0052】
Z方向視におけるラミネートシートの形状は、長方形状に限らず正方形状であってもよく、三角形や五角形といった他の多角形状や円形状であってもよい。
そのほか、ベント部が端子に設けられるものに限らず、内部と外部とに跨るとともに内部と外部とのそれぞれに突出して設けられるタブ状の部材(タブ部)を端子とは別設し、このタブ状の部材にベント部を設けてもよい。