JP2018037338A - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて薄く、かつ外装体に変形や皺が生じ難い蓄電素子を提供する。【解決手段】外装体１１１内に、シート状の正極２０と負極３０がセパレーター４０を介して上下方向に積層されてなる電極体１０が電解液とともに収納されてなる蓄電素子１０１であって、外装体は、２枚のフレキシブルプリント配線板（１１１ａ、１１１ｂ）から構成され、フレキシブルプリント配線板は、電極体を包含する平面領域（１１２ａ、１１２ｂ）から帯状に突出する凸片（１１３ａ、１１３ｂ）が一体的に形成された平面形状を有し、外装体の内面となる面に導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）が形成され、導電体層は、正極および負極の平面領域を包含する集電部（１２１、１３１）と当該集電部から凸片に沿って帯状に延長するリード部（１２３、１３３）とから構成され、外装体は、集電部を囲繞する周縁領域１２が絶縁性の樹脂１５０によって溶着されていることで封止されている。【選択図】 図２

Description

本発明は蓄電素子に関する。

近年、電子ペーパ、ＩＣタグ、ＩＣカード、電子キーなど、極めて薄い電子機器が実用化されてきている。そしてこれらの電子機器の電源には、薄型化に適したラミネート型蓄電素子（一次電池、二次電池、電気二重層コンデンサーなど）が用いられる。図１にラミネート型蓄電素子１の概略構造を示した。ここではリチウム一次電池として動作するラミネート型蓄電素子１の構造を示した。図１（Ａ）はラミネート型蓄電素子１の外観図であり、図１（Ｂ）は当該蓄電素子１の内部構造を示す分解斜視図である。なお図１（Ｂ）では一部の部材にハッチングを施し、他の部材と区別し易いようにしている。図１（Ａ）に示したようにラミネート型蓄電素子１は、平板状の外観形状を有し、この例では、矩形平面形状を有する外装体１１の一辺１３から外側に向かって正極端子板２３および負極端子板３３が導出されている。

外装体１１内には、図１（Ｂ）に示したようにシート状の正極２０とシート状の負極３０がセパレーター４０を介して積層された状態で圧着されてなる電極体１０が電解液とともに封入されている。正極２０は金属箔などからなる正極集電体２１の一主面に二酸化マンガンなどの正極活物質を含んだスラリー状の正極材料２２を塗布して乾燥させたものであり、正極材料２２は正極集電体２１のセパレーター４０と対面する側の面に塗布されている。負極３０は、金属箔などからなる負極集電体３１のセパレーター４０側の面に平板状の金属リチウムやリチウム合金からなる負極リチウム３２を圧着させた構造を有している。

外装体１１は、互いに重ね合わせた矩形状の二枚のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の周縁領域１２が熱圧着法により溶着されて内部が密閉されたものである。ラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）は、周知のごとく、基材となる金属箔（アルミ箔など）の表裏に１層以上の樹脂層が積層された構造となっており、一般的には、外装体１１の外面となるおもて面に例えばポリアミド樹脂などからなる保護層が積層され、外装体１１の内面となる裏面には例えばポリプロピレンなどの熱溶着性を有する接着層が積層された構造を有している。

なお外装体１１内に電極体１０を収納する手順としては、例えば、対面させた二枚のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の内側に電極体１０を配置し、その矩形のラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の周縁領域１２の３辺を溶着して残りの１辺側を開口させる。それによって袋状の外装体１１が形成される。またこのとき正負両極（２０、３０）の端子板（２３、３３）を外装体１１の一辺１３から外方に突出させる。次いで、上記開口から袋状の外装体１１内に電解液を注入するとともに、周縁領域１２において開口している一辺を溶着し、図１（Ａ）に示したラミネート型蓄電素子１を完成させる。

なお外装体１１において電極端子板（２３、３３）が導出されている縁辺１３ではラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の接着層同士を溶着させただけでは電極端子板（２３、３３）とラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）との接着強度を十分に確保できない場合があることから、一般的なラミネート型蓄電素子１では、外装体１１において電極端子（２３、３３）が導出される縁辺１３を確実に封止するための構造を備えている。例示する蓄電素子１では、図１（Ｂ）に示したように、周知のタブリード５０を用いることで電極端子（２３、３３）が導出される縁辺１３を確実に封止している。タブリード５０は、以下の特許文献１にも記載されているように、実質的な電極端子板（２３、３３）である金属板や金属箔などからなる帯状の端子リード５１の延長途上に、絶縁樹脂製のシール材（以下、タブフィルム５２）が当該端子リード５１を狭持するように接着された構造を有している。なお端子リード５１の一方の端部５３は外装体１１の外側に露出し、他方の端部は正極集電体２１および負極集電体３１の一部に超音波溶着などの方法によって接続されている。

タブフィルム５２はポリイミドなどからなる絶縁性のベースフィルムの表裏両面にポリプロピレンなどの樹脂フィルムを接着層として積層させた構造を有している。そして互いに対面し合うラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の周縁領域１２を熱圧着して扁平袋状の外装体１１に成形する際、外装体１１の周縁領域１２において、電極端子板（２３、３３）が突出する側の縁辺１３ではタブリード５０のタブフィルム５２をラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）とともに熱溶着する。それによってタブフィルム５２がラミネートフィルム（１１ａ、１１ｂ）の接着層に溶着され、端子リード５１の導出部分が強固に封止される。

なおラミネート型蓄電素子の構造などについては、例えば以下の特許文献２にも記載されている。また以下の非特許文献１には実際に製品として提供されているラミネート型蓄電素子である薄型リチウム一次電池について記載されている。

特開２０１４−８６１３９号公報 特開２００６−２８１６１３号公報

ＦＤＫ株式会社、"薄型リチウム一次電池"、[online]、[平成２８年７月２８日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/battery/lithium/lithium_thin.html＞

ラミネート型蓄電素子は、薄型化に適した構造を有し、現状ではＩＣカードの電源に使える唯一の蓄電素子であると言える。しかしＩＣカードなどの薄型の電子機器は、今後の高機能化により、所定のサイズ内にさらに多くの電子回路が内蔵される可能性があり、それに伴って電子機器内における電源の収納空間がさらに小さくなる可能性がある。もちろん、ＩＣカードに限らず電子機器に対する薄型化の要求は常にある。したがって現在のラミネート型蓄電素子にはさらなる薄型化が求められることになる。ところが現在ＩＣカード用の電源として使われている上記非特許文献１に記載の薄型リチウム一次電池は、厚さが０．４５ｍｍ〜０．５５ｍｍと極めて薄く、この厚さは、すでに薄型化の限界に近いものであると言える。すなわちラミネート型蓄電素子では、さらなる薄型化への要求に対して十分に応えることができない可能性がある。

またラミネート型蓄電素子は、外装体に柔らかく変形し易いラミネートフィルムを用いている。そのため、発電反応による熱やガスの発生などで外装体内の内圧が上昇すると、外装体が膨らむ場合がある。ＩＣカードなどの薄型の電子機器に組み込まれたラミネート型蓄電素子の外装体が膨らめば、電子機器を変形させる可能性もある。さらにラミネート型蓄電素子は、電極体の収納領域や電極端子板の導出部分が他の領域よりも厚くなり、全平面領域にわたって厚さが一様にならず、外装体の表面に厚さの変化に伴う段差が生じる。そして、その段差が外装体の表面に皺を発生させる。外装体表面の皺が発生すれば、対面する２枚のラミネートフィルム同士の間隔が部分的に異なることになり、皺が周縁領域に発生すれば、当然のことながら、封止強度が低下する。

そこで本発明は、極めて薄く、かつ外装体に変形や皺が生じ難い蓄電素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、外装体内に、シート状の正極と負極がセパレーターを介して上下方向に積層されてなる電極体が電解液とともに収納されてなる蓄電素子であって、
前記外装体は、２枚のフレキシブルプリント配線板から構成され、
前記フレキシブルプリント配線板は、前記電極体を包含する平面領域から帯状に突出する凸片が一体的に形成された平面形状を有し、前記外装体の内面となる面に導電体層が形成され、
前記導電体層は、前記正極および負極の平面領域を包含する集電部と当該集電部から前記凸片に沿って帯状に延長するリード部とから構成され、
前記外装体は、前記集電部を囲繞する周縁領域が絶縁性の樹脂によって溶着されていることで封止されている、
ことを特徴とする蓄電素子としている。

好ましくは、前記フレキシブルプリント配線板がポリイミドフィルムからなる基体に前記導電体層が形成されたものとすることである。さらに前記外装体を封止する前記絶縁性の樹脂が、前記集電部を囲繞する枠状のポリイミドフィルムを基体として、当該基体の表裏両面に熱溶融性の接着層が形成されたシールフィルムであることとすればより好適である。そして前記外装体内にシート状の前記正極と前記負極が一つずつ収納されている蓄電素子とすれば、薄型化の効果を絶大なものとすることができる。

本発明によれば、極めて薄く、かつ外装体に変形や皺が生じ難い蓄電素子が提供される。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。

一般的なラミネート型蓄電素子の構造を示す図である。 本発明の実施例に係る蓄電素子の外観図と分解斜視図である。 上記実施例に係る蓄電素子の構造を示す断面図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝実施例＝＝＝
＜蓄電素子の構造＞
本発明の実施例に係る蓄電素子としてリチウム一次電池を挙げる。図２と図３に本発明の実施例に係る蓄電素子１０１を示した。図２（Ａ）は当該蓄電素子１０１の外観を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は蓄電素子１０１の内部構造を示す分解斜視図である。図３は図２（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。図２（Ａ）に示したように、例示した蓄電素子１０１は、外装体１１１の形状が矩形平板状で、その矩形平板状の平面領域１１２の一辺１３から帯状の二つの凸片（１１３ａ、１１３ｂ）が突出している。また二つの凸片（１１３ａ、１１３ｂ）は、外装体１１１の一辺１３において互いに異なる位置から突出している。そして矩形平板状の平面領域１１２の外縁を周回する所定幅ｗの領域が外装体１１１を封止するための周縁領域１２となっている。

図２（Ｂ）および図３に示したように、蓄電素子１０１は、先に図１に示したラミネート型の蓄電素子１と同様にシート状の正極２０と負極３０をセパレーター４０を介して対向配置させてなる電極体１０を備えている。しかし本実施例の蓄電素子１０１では、外装体１１１の構造がラミネート型蓄電素子とは大きく異なり、フレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuits：以下、ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）とも言う）の周縁領域１２同士を溶着させた構造を有している。ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）は、絶縁性フィルムからなる基体（２１１ａ、２１１ｂ）の表面に銅箔などを貼り合わせてなる導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）が形成されたものである。そして導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）によって電気回路が形成されている。本実施例では、ポリイミドフィルムを基体（２１１ａ、２１１ｂ）とし、外装体１１１の内側となる面（以下、裏面とも言う）に導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）が貼り合わされている。基体（２１１ａ、２１１ｂ）は、矩形平板状の領域（以下、矩形領域（１１２ａ、１１２ｂ）とも言う）の一辺１３から帯状の凸片 （１１３ａ、１１３ｂ）が一体的に突出して形成された平面形状を有している。導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）は、基体（２１１ａ、２１１ｂ）における矩形領域（１１２ａ，１１２ｂ）の内側に当該矩形領域（１１２ａ，１１２ｂ）と相似形をなす矩形の領域（１２１、１３１）とその矩形の領域（１２１、１３１）の一辺１１３から上記凸片（１１３ａ、１１３ｂ）に沿って帯状に延長する凸部（以下、リード部（１２３、１３３）とも言う）が接続された平面形状を有している。また２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を対面させる際にリード部同士（１２３−１３３）が対面方向で重ならないように、基体（２１１ａ、２１１ｂ）の凸片（１１３ａ、１１３ｂ）は、それらが突出する一辺１３において異なる位置に形成されている。そして導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）における矩形の領域（１２１、１３１）が集電体として機能する領域（以下、集電部（１２１、１３１）とも言う）であり、リード部（１２３、１３３）の先端側で、基体（２１１ａ、２１１ｂ）の矩形領域（１１２ａ、１１２ｂ）よりも外方に突出する部分が電極端子板に相当する。

またＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）において、集電部（１２１、１３１）を囲繞する矩形枠状の領域が周縁領域１２であり、本実施例では、この周縁領域１２に矩形枠状のシールフィルム１５０が溶着されることで外装体１１１が封止される。シールフィルム１５０はポリプロピレンなどの熱溶着性を有する樹脂からなる１層のフィルムや、上述したタブフィルムと同様に、ポリイミドなどからなるベースフィルムの表裏両面にポリプロピレンなどの樹脂層が接着層として形成された３層のフィルムなどで構成されている。そして矩形枠状のシールフィルム１５０の内方に電極体１０が配置されている。

このように本実施例にかかる蓄電素子１０１は、外装体１１１にＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を用いており、ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）は、正極と負極の集電体として機能する集電部（１２１、１３１）と電極端子板として機能するリード部（１２３、１３３）が一体となった導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）を基体（２１１ａ、２１１ｂ）に貼り合わせた構造になっている。すなわち外装体１１１が集電体と電極端子板を兼ねている。そのため集電体となる別体の部材が不要になり、ラミネート型蓄電素子よりも薄くすることができる。本実施例では、上記特許文献１に記載の厚さ０．４５ｍｍのラミネート型蓄電素子に対してさらに０．０８ｍｍの薄型化を達成した。

また樹脂製フィルムを基体としたＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）からなる外装体１１１は、ラミネートフィルムからなる外装体とは異なり、電極体１０を内部に収納しても屈曲しにくい。シールフィルム１５０の厚さを調整すれば、外装体１１１の矩形領域１１２の厚さを極めて均一にすることもできる。もちろん外装体１１１の表面に皺が寄ることもない。

ところで蓄電素子は、電子回路の基板上に実装された状態で電子機器に組み込まれる。電子回路上の多くの電子部品はリフロー半田付けによって実装されるが、従来のラミネートフィルムではリフロー時の熱によってラミネートフィルムにおける外装体の裏面の樹脂層が溶ける可能性がある。樹脂層が溶ければ基体である金属箔が露出し、内部短絡が発生する。したがってラミネート型蓄電素子を電源とした電子機器では、蓄電素子を電子部品とは別に電子回路に実装する工程が必要となり、電子機器の製造コストを低減させることが難しかった。しかし本実施例の蓄電素子１０１では、ＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の基体（２１１ａ、２１１ｂ）にポリイミドフィルムを用いている。周知のごとく、ポリイミドは熱分解する温度が５００℃程度であり、極めて高い耐熱性能を備えている。そのためラミネート型蓄電素子では難しかったリフロー半田付けによって蓄電素子１０１を電子回路に実装することが可能となり、本実施例の蓄電素子１０１を電源とした電子機器の製造コストを低減することが期待できる。

さらに本実施例の蓄電素子１０１では、封止のための周縁領域１２において、リード部（１２３、１３３）の形成領域以外が絶縁性の樹脂からなるＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の基体（２１１ａ、２１１ｂ）が露出している。すなわちラミネートフィルムとは異なり基体（２１１ａ、２１１ｂ）に導電性がない。そしてリード部（１２３、１３３）が互いに対面しないように異なる位置から基体（２１１ａ、２１１ｂ）の凸片（１１３ａ、１１３ｂ）に沿って延長している。そのため周縁領域１２を熱圧着して外装体１１１を封止した際に、正極側と負極側の導電体層（３１１ａ、３１１ｂ）の短絡が原理的に発生しない。そして本実施例ではＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の基体（２１１ａ、２１１ｂ）に耐熱性能に優れたポリイミドを用いている。そのため十分な温度と圧力で周縁領域１２を熱圧着することができ、封止強度を向上させることができる。言い換えれば、本実施例の蓄電素子１０１は、周縁領域１２の幅を狭くしても十分な封止強度を得ることができ、外装体１１１の面積を小さくすることができ、薄型化とともに小型化を達成することもできる。シールフィルム１５０についても、耐熱性能に優れたポリイミドをベースフィルムとした３層のシールフィルム１５０を用いれば、さらに封止強度を向上させることができる。なお樹脂フィルムを基体（２１１ａ、２１１ｂ）としたＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）は、金属箔を基体としたラミネートフィルムよりも熱伝導率が低い。そのためより高温での熱圧着によって外装体１１１を封止しても電極体１０を破損させる可能性が低い。

＜製造手順＞
次に図２（Ｂ）に基づいて本実施例の蓄電素子１０１の製造手順について説明すると、上述した集電部（１２１、１３１）とリード部（１２３、１３３）が形成されたＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を用意し、正極２０側の集電部１２１の表面にスラリー状の正極材料２２を塗布し、負極３０側の集電部１３１の表面に矩形平板状の金属リチウムあるいはリチウム合金からなる負極リチウム３２を配置する。そして矩形のセパレーター４０を介して正極材料２２と負極リチウム３２を対面させつつ、これら正極材料２２、セパレーター４０、および負極リチウム３２を矩形枠状のシールフィルム１５０の内方に配置する。また電解液をシールフィルム１５０の内方に充填させつつ、２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を対面させる。そしてＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の周縁領域１２を熱圧着してシールフィルム１５０の接着層を２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）の裏面に溶着させる。それによって図２（Ａ）に示した蓄電素子１０１が完成する。なお外装体１１１を封止する手順としては、周縁領域１２の一部を開放させた状態で２枚のＦＰＣ（１１１ａ、１１１ｂ）を溶着して袋状の外装体１１１をまず作製し、その開放部分から電解液を注入した後、開放部分を熱圧着して外装体１１１を封止してもよい。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例ではリフロー半田付けによる実装も考慮してポリイミドフィルムを基体としたＦＰＣを外装体に用いていたが、基体となるフィルムはガラスエポキシ樹脂やＰＥＴ樹脂など、他の樹脂で構成されていてもよい。また上記実施例では、シールフィルムを用いて外装体を封止していたが、周縁領域に接着剤を塗布することで外装体を封止することとしてもよい。接着剤としては、例えば、エポキシ樹脂などが考えられる。

上記実施例ではＦＰＣの凸片が互いに対面しないように基体の一辺の異なる位置から同方向に突出していたが、凸片が反対方向など互いに異なる方向に突出していてもよい。あるいはシールフィルムなどの封止部材によって外装体内でリード部同士が対面する領域が確実に絶縁されるのであれば、凸片（１１３ａ、１１３ｂ）が同じ位置から突出して、正極２０と負極３０のリード部（１２３、１３３）が対面していてもよい。そして蓄電素子１０１を電子機器に組み込む際には、凸片（１１３ａ、１１３ｂ）を対面方向に対して互いに反対方向に折り曲げるなどして正極２０と負極３０のリード部同士（１２３−１３３）が短絡しないようにすればよい。

本発明に係る蓄電素子は、平板状の電極体をＦＰＣからなる外装体内に密封した構造であれば、リチウム一次電池に限らず、様々な種類の蓄電素子（リチウム二次電池、電気二重層コンデンサーなど）に適用することができる。もちろん外装体の外形を形成する基体、および集電体や電極端子となる導電体層の平面形状は自由に変更することができることから、電極体の平面形状や外装体の周縁領域の形状は矩形に限らず、円形などその他の形状にすることができる。

上記実施例に係る蓄電素子は、外装体内にシート状の正極と負極が一つずつ収納された１層型の蓄電素子であったが、本発明は、セパレーターを介して対面する一組の正極と負極を１層分の電極体として、複数層分の電極体を備えた「多層型」の蓄電素子に適用することもできる。確かに従来の１層型の蓄電素子は、最も少ない層数の電極体のみを備えて薄型化を達成するための基本構造を有しており、実施例に係る蓄電素子では、１層型の蓄電素子の構造と、ＦＰＣからなる外装体との相乗効果によって薄型化の効果を絶大なものとすることができる。もちろん多層型の蓄電素子であっても、最外層の集電体が不要であり、本発明の蓄電素子は、多層型であっても、多層型のラミネート型蓄電素子と比較すれば、確実に薄型化が達成できる。もちろん内圧の上昇に伴う外装体の変形や外装体表面の皺が生じることがない。また集電体と電極端子板を兼ねるＦＰＣを外装体にしているため、部品点数を確実に減らすことができ蓄電素子をより安価に提供することも期待できる。

１，１０１ ラミネート型蓄電素子、１０ 電極体、１１、１１１ 外装体、
１１ａ，１１ｂ ラミネートフィルム、１２ 周縁領域、２０ 正極、
２１ 正極集電体、２２ 正極材料、２３ 正極端子板、
３２ 負極材料（負極リチウム）、３２ 負極端子板、４０ セパレーター、
１１１ａ，１１１ｂ ＦＰＣ、１１２ 外装体の矩形領域、
１１２ａ，１１２ｂ ＦＰＣ（基体）の矩形領域、１１３ａ，１１３ｂ 凸片、
１２１，１３１ 集電部、１２３，１３３ リード部、
２１１ａ，２１１ｂ ＦＰＣの基体、３１１ａ，３１１ｂ ＦＰＣの導電体層

Claims (4)

1. 外装体内に、シート状の正極と負極がセパレーターを介して上下方向に積層されてなる電極体が電解液とともに収納されてなる蓄電素子であって、
   前記外装体は、２枚のフレキシブルプリント配線板から構成され、
   前記フレキシブルプリント配線板は、前記電極体を包含する平面領域から帯状に突出する凸片が一体的に形成された平面形状を有し、前記外装体の内面となる面に導電体層が形成され、
   前記導電体層は、前記正極および負極の平面領域を包含する集電部と当該集電部から前記凸片に沿って帯状に延長するリード部とから構成され、
   前記外装体は、前記集電部を囲繞する周縁領域が絶縁性の樹脂によって溶着されていることで封止されている、
   ことを特徴とする蓄電素子。
2. 請求項１において、前記フレキシブルプリント配線板は、ポリイミドフィルムからなる基体に前記導電体層が形成されたものであることを特徴とする蓄電素子。
3. 請求項２において、前記外装体を封止する前記絶縁性の樹脂は前記集電部を囲繞する枠状のポリイミドフィルムを基体として、当該基体の表裏両面に熱溶融性の接着層が形成されたシールフィルムであることを特徴とする蓄電素子。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記外装体内には、シート状の前記正極と前記負極が一つずつ収納されていることを特徴とする蓄電素子。
   

Images