JP5231089B2

JP5231089B2 - 密閉型二次電池

Info

Publication number: JP5231089B2
Application number: JP2008143149A
Authority: JP
Inventors: 誠一佐藤; 英毅篠原; 賢治中井
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP2009289683A

Description

本発明は密閉型二次電池に係り、特に、軸芯を中心に正極板および負極板がセパレータを介して捲回された電極群と、電極群の端面に対向配置された集電部材と、集電部材を外部端子に接続するための通電部材と、円筒状の電池容器と、電池容器を密封する電池蓋と、を備えた密閉型二次電池に関する。

密閉型二次電池の一つであるリチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度という利点を活かし、小型民生用電池として種々の電気機器に使用されている。また、例えば容量が３．０Ａｈ以上の大型二次電池は、ハイブリッド（電気）自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＰＥＶ）の電源としても着目されている。

このような大型二次電池のうちＨＥＶ用電池の内部は、通常、有底円筒状の電池容器内に、軸芯を中心に正負極板がセパレータを介して捲回された電極群が電解液とともに収容され、電池容器の開口部には段付け（くびれ）加工がなされており、段付けされた開口部が電気絶縁性ガスケットを介して電池蓋でかしめ密封された構造が採られている。電極群を構成する正負極板から導出された集電リード片の先端部はそれぞれアルミニウム（正極）製や銅（負極）製の集電部材に接合されている。集電部材は、アルミニウムや銅等の低電気抵抗の通電部材を介してそれぞれ電池蓋の底面、電池容器の内底面に電気的に接続されており、電池蓋および電池容器が外部端子として機能する構造である（例えば、特許文献１参照）。

一方、ＰＥＶ用電池は一般にＨＥＶ用電池より大容量で、電池の両端部に配置される電池蓋には、Ｏリング等の絶縁リング部品が配置され、絶縁リングを大型化したリングの集電部材で電極群を両側から挟み込み正負電池蓋同士を押し合う構造が採られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−０７３２８５号公報特開２００２−２６０６６４号公報（図１）

上記大型二次電池では電極群の質量自体が大きくなるため、車載され大振動や衝撃環境下において使用される二次電池では、電極群に加わる振動や揺れにより集電部材に加わる応力負荷が高まるため、高強度のものが求められる。このため、集電部材にこれらの機能を両立させると、電池全体の質量増加を招く、という問題がある。

本発明は上記事案に鑑み、集電部材の質量を抑えるとともに耐振性に優れた密閉型二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、軸芯を中心に正極板および負極板がセパレータを介して捲回された電極群と、前記電極群の端面に対向配置された集電部材と、前記集電部材を外部端子に接続するための通電部材と、前記軸芯の少なくとも一方の端部に固定され電気絶縁性樹脂からなる円盤状部材と、前記円盤状部材の前記電極群と反対側に前記円盤状部材に固定ないし一体化されて配置され電気絶縁性樹脂からなるリング状部材と、上記各部材を収容する円筒状の電池容器と、前記電池容器を密封する電池蓋と、を備え、前記円盤状部材または前記リング状部材の周面のうち少なくとも一部が前記電池容器の内周面と、前記リング状部材の前記電極群と反対側の端部が前記電池蓋または前記電池容器の底部と、の少なくとも一方が接しており、前記円盤状部材の下側に凸部が形成されており、該凸部は前記軸芯に嵌合して固定されており、前記円盤状部材と前記リング状部材とが嵌合しているか、または、一体形成されたものである、ことを特徴とする。

本発明では、軸芯の少なくとも一方の端部に固定され電気絶縁性樹脂からなる円盤状部材と、円盤状部材の電極群と反対側に円盤状部材に固定ないし一体化されて配置され電気絶縁性樹脂からなるリング状部材とを備えており、円盤状部材またはリング状部材の周面のうち少なくとも一部が電池容器の内周面と、リング状部材の電極群と反対側の端部が電池蓋または電池容器の底部と、の少なくとも一方が接している。また、円盤状部材の下側に凸部が形成されており、該凸部は軸芯に嵌合して固定されており、円盤状部材とリング状部材とが嵌合しているか、または、一体形成されている。本発明によれば、円盤状部材またはリング状部材の周面のうち少なくとも一部が電池容器の内周面と、リング状部材の電極群と反対側の端部が電池蓋または電池容器の底部と、の少なくとも一方が接しているとともに、円盤状部材の下側に凸部が形成されており、該凸部は軸芯に嵌合して固定されており、円盤状部材とリング状部材とが嵌合しているか、または、一体形成されているので、軸芯が電池容器の内周面ないし電池蓋または電池容器の底部に接し電極群が支持され、集電部材を質量の大きい高強度のものとしなくても、耐振性に優れた二次電池を得ることができる。

本発明において、円盤状部材、リング状部材および軸芯が一体形成されたものであってもよい。また、円盤状部材またはリング状部材の周面のうち少なくとも一部が電池容器の内周面と当接しており、かつ、リング状部材の電極群と反対側の端部が電池蓋の底部と直接またはスペーサ部材を介して当接していることが好ましい。さらに、円盤状部材は円板状の集電部材の上方に配置されており、集電部材は軸芯に嵌合して固定されているようにしてもよい。このとき、正極板から導出されたリード片の先端部が集電部材の底部に接合されていてもよい。さらに軽量化を図るために、円盤状部材には肉抜き用の貫通穴が形成されており、通電部材は貫通穴を介して電池蓋に電気的に接続されているようにしてもよい。

本発明によれば、円盤状部材またはリング状部材の周面のうち少なくとも一部が電池容器の内周面と、リング状部材の電極群と反対側の端部が電池蓋または電池容器の底部と、の少なくとも一方が接しているとともに、円盤状部材の下側に凸部が形成されており、該凸部は軸芯に嵌合して固定されており、円盤状部材とリング状部材とが嵌合しているか、または、一体形成されているので、軸芯が電池容器の内周面ないし電池蓋または電池容器の底部に接し電極群が支持され、集電部材を質量の大きい高強度のものとしなくても、耐振性に優れた二次電池を得ることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明をハイブリッド自動車用の円柱状リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。

（構成）
＜正極板＞
図１に示すように、電極群５を構成する正極板１は、正極集電体の両面に活物質合剤を略均等、均一に塗着することで構成されている。このような正極板１を作製するには、例えば、正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物のＬｉＭｎ_２Ｏ_４と、主たる導電材として黒鉛粉末と、副たる導電材としてアセチレンブラックと、結着剤（バインダ）としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、を質量比８５：８：２：５となるように混合し、これに分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを作製する。作製したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に塗着するとともに、アルミニウム箔の長手方向の一側に幅８ｍｍの未塗布部を形成する。スラリが塗着された正極板を乾燥、プレス、裁断することで、幅９０ｍｍの帯状の正極板を得る。なお、未塗布部を櫛状に切り欠くことで正極リード片（切り欠き残部）を形成する。

＜負極板＞
一方、負極板２は、負極集電体の両面に活物質合剤を略均等、均一に塗着することで構成されている。このような負極板２を作製するには、例えば、負極活物質として易黒鉛化性炭素粉末９２質量部に結着剤として８質量部のＰＶＤＦを添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを作製する。作製したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両面に塗着するとともに、圧延銅箔の長手方向の一側に幅５ｍｍの未塗布部を形成する。スラリが塗着された負極板を乾燥、プレス、裁断することで、幅９１ｍｍの帯状の負極板を得る。なお、未塗布部を櫛状に切り欠くことで負極リード片（切り欠き残部）を形成する。

＜極板群＞
正極板１と負極板２とは、両極板が直接接触しないように、幅９４ｍｍ、厚さ４０μｍの多孔質ポリエチレン製のセパレータ３を介して、グラスファイバーを３０％含有したポリプロピレン製で中空円筒状の軸芯４を中心として断面渦巻き状に捲回され、電極群５が構成されている。上述した正極リード片と負極リード片とは、それぞれ電極群５の互いに反対側に配置されており、セパレータ３の端から４ｍｍはみ出している。電極群５は、正極板１、負極板２、セパレータ３の長さを調整することで、内直径９ｍｍ、外直径３８±０．１ｍｍに設定されている。なお、捲回群５の捲回端部は、巻き解けを防止するために、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗着した粘着テープを貼り付けることで固定されている。電極群５は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器１１の中央部に収容されている。電池容器１１の外形は４０ｍｍ、内径は３９ｍｍである。

電極群５外周は、全周に亘って、電池容器１１の内周面との絶縁を確保するための絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、例えば、ポリイミド性の基材の片面にメキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられている。なお、粘着テープは電極群５外周面に亘って一重以上巻かれている。

＜電池構造＞
電池容器１１の内底面には、負極の電池容器１１への電気的導通のため、銅製で断面略逆ハット状の負極リード板１２のハット部が溶接されている。負極リード板１２の上部には、負極板２からの電位を集電するための銅製の負極集電リング７が電極群５の下端面と対向するように配置されている。負極集電リング７の内周側は軸芯４の下端部で軸芯４に嵌合している。また、負極集電リング７の外縁部（フランジ部）は負極リード板１２のハット周縁部（フランジ部）上面および立ち上がり部に当接しており、負極集電リング７の立ち下がり部端面（外周部先端）も負極リード板１２に当接している。負極集電リング７の立ち下がり部（外周部）には、負極板２から導出された負極リード片の先端部が集められて溶接されている。従って、本実施形態では、電池容器１１が負極外部端子として機能する。

一方、軸芯４の上端部には、正極板１からの電位を集電するためのアルミニウム製で円板状の正極集電板６が電極群５の上端面と対向するように配置されている。上述した、電極群５の外周に施された絶縁被覆は、正極集電板６の周面まで延出されている。正極集電板６の中央部には丸穴が形成されており、正極集電板６はこの中央部で軸芯４の上端部に固定されている。正極集電板６の底面には、正極板１から導出され略垂直方向に立設された正極リード片の先端部が溶接されている。このような溶接は、例えば、正極集電板６の上面側からレーザ光を照射して正極集電板６の底面と正極リード片の先端部とを溶着することにより行うことができる。

正極集電板６の上方には、電気絶縁性樹脂からなるサポータ８と、電気絶縁性樹脂からなるリング９とが組み付けられた組付部材１０が配置されている（図５も参照）。

図３に示すように、サポータ８は円盤状の形状を呈しており、中央に下側に突出した筒部が形成されている。この筒部の外周面が軸芯４の上端部に嵌合して固定されている（図２も参照）。サポータ８の中央周部には、軽量化を図るため肉抜きされることで形成された複数の貫通穴８ｄが配設されている。貫通穴８ｄの外周部には、同心円を形成するように、複数の断面弧状の溝８ａが形成されている。サポータ８の外周端面からは８個の支持部８ｃが突設されている。支持部８ｃは断面略Ｔ字状ないしＬ字状の形状を有している。Ｔ字ないしＬ字脚部がサポート８の外周端面から突出しており、Ｔ字ないしＬ字腕部が同心円を形成するように、弧状に形成されている。支持部８ｃ（腕部）は電池容器１１の内周面に当接している。

図４に示すように、リング９は、環状部９ｂと、この環状部９から下方側に突出した複数のピン９ａとで構成されており、全体として円環状の形状を呈している。環状部９ｂの上面９ｃは略平面（水平面）とされている。図５に示すように、リング９のピン９ａはサポータ８の溝８ａに嵌め込まれて（嵌合固定されて）組付部材１０が構成されている。

図１および図２に示すように、組付部材１０の上方には、正極外部端子となる円盤状の電池蓋が配置されている。電池蓋は、下方側に張り出した皿状でダイアフラムとして機能する蓋ケース１６と、蓋キャップ１７と、気密を保つ弁押え１８と、内圧上昇により開裂する開裂弁１５とで構成されており、これらが積層されて蓋ケース１６の周縁をかしめることで組み立てられている。

また、正極集電板６の上面には、大電流放電を許容するために、複数枚のアルミニウム製リボンを重ね合わせて形成した正極リード１３がレーザ溶接で接合されている。正極リード１３は、組付部材１０を構成するサポータ８の貫通穴８ｄのうちの一つの穴を介して（貫通して）、断面略台形状の接合部材２３にも接合されている。製造工程では、予め正極リード１３を正極集電板６に接合しておき、貫通穴８ｄを通した後、接合部材２３に正極リード１３を接合する。接合部材２３の上面中央部は蓋ケース１６の底面に所定の強度で接合されている。このため、電池内圧が上昇すると、蓋ケース１６は反転し、接合部材２３と蓋ケース１６との接合（電気接続）が解かれる構成であり、例えば、過充電等の電池異常時に、電池内の発電素子の熱暴走を阻止する構造が採られている。

図２に示すように、リング９の（環状部９ｂの）上面９ｃはスペーサ部材を介して電池蓋（蓋ケース１６の周縁部）の底面に当接している。本実施形態では、蓋ケース１６にダイアフラムの機能を持たせたため、スペーサ部材を介して電池蓋の底面に当接するように構成した例を示すが、図２からも明らかなように、リング９の上面９ｃが電池蓋の底面に直接当接するように構成するようにしてもよい。付言すれば、スペーサ部材を電池蓋の一部と解釈してもよい。また、このような態様では、上述した特許文献１の技術のように、正極リード１３は電池蓋の底部に直接接合される。

図１に示すように、電池蓋は、絶縁性および耐熱性を有するＥＰＤＭ樹脂製のガスケット１９を介して電池容器１１の上部にかしめることで固定されている。このため、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０の内部は密封されている。また、電池容器１１内には、図示しない非水電解液が注液されている。非水電解液には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との体積比２：３の混合溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットル溶解したものを用いることができる。

なお、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０は、大容量大型電池のため、小型民生用リチウムイオン二次電池で用いられているような、電池温度の上昇に応じて電気的に作動する、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子や、電池内圧の上昇に応じて正極または負極の電気的リードが切断される電流遮断機構は配置されていない。

（効果等）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０の効果等について説明する。

本実施形態のリチウムイオン二次電池３０は、軸芯４の上端部に固定され電気絶縁性樹脂からなるサポータ８と、サポータ８の電極群５と反対側にサポータ８に固定されて配置され電気絶縁性樹脂からなるリング９とが組み付けられた組付部材１０を備えており、サポータ８の支持部８ｃが電池容器１１の内周面に当接しており、リング９の電極群５と反対側の端部（上面９ｃ）が電池蓋とスペーサ部材を介して当接している。リチウムイオン二次電池３０によれば、サポータ８の支持部８ｃが電池容器１１の内周面に当接しており、リング９の電極群５と反対側の平面９ｃが電池蓋とスペーサ部材を介して当接しているので、車載された場合に、図１の縦方向および横方向に振動や揺れが加わっても、電極群５の電池容器１１、電池蓋に対する揺れ等を抑えることが可能となる。このことは、電池を並置（横置き）にした場合も同じである。従って、正極集電板６を質量の大きい高強度のものとしなくても、耐振性を確保することができる。

また、サポータ８は支持部８ｃが電池容器１１の内周面に当接するためバネ機能を有している。このバネ機能により、リチウムイオン二次電池３０に外部から振動や揺れ等が作用しても、影響を抑えることができる。さらに、組付部材１０は電気絶縁性樹脂で構成されており、サポータ８は肉抜きが施されている。このため、リチウムイオン二次電池３０の軽量化を図ることができる。

なお、本実施形態では、リング９のピン９ａがサポータ８の溝８ａに嵌め込まれて組付部材１０を構成する例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、図６に示すように、サポータ８とリング９とを一体形成した部材２１を用いるようにしてもよい。一体化することにより、部品点数の削減およびコスト低減を図ることができる。また、図７に示すように、サポータ８、リング９および軸芯４を一体化した部材２２を用いるようにしてもよい。このような態様では、さらに部品点数の削減およびコスト低減を図ることができる。

また、本実施形態では、サポータ８の支持部８ｃが電池容器１１の内周面に当接する例を示したが、本発明はこれに限らず、リング９の環状部９ｂに支持部を形成し、リング９の支持部が電池容器１１の内周面に当接するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、ＨＶＥ用のリチウムイオン二次電池を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明は上記背景技術欄で説明したＰＥＶ用の電池にも適用可能である。このような態様では、本実施形態のように正極側にのみ組付部材１０が配置されるだけでなく、負極側にも同様に組付部材が配置され、負極側の集電構造も円板状の負極集電板を用いることができる。この場合、負極側に着目すれば、リングの電極群と反対側の端部が電池容器の底部に当接する構造を採ることができる。これにより、正負極とも、集電部材に質量の大きい高強度のものとしなくても、耐振性に優れた密閉型二次電池を得ることができる。

また、本実施形態では、正極板１、負極板２の両面に活物質合剤を塗着した例を示したが、正極活物質合剤塗着面と負極活物質合剤塗着面とが対向しない部分においては、部分的に片面塗布部があってもよい。さらにまた、本実施形態では、活物質の種類や組成、電極の配合比率、金属箔の種類、グレード、厚さ、製法等を例示したが、これらは本発明を限定するものではなく、一般に用いられるいずれのものも用いることができる。さらに、本発明は実施形態で例示した電解液の組成や量にも制約を受けるものではない。

本発明は集電部材の質量を抑えるとともに耐振性に優れた密閉型二次電池を提供するものであるため、密閉型二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池の断面図である。実施形態のリチウムイオン二次電池の電池蓋近傍の拡大断面図である。実施形態のリチウムイオン二次電池のサポータの斜視図である。実施形態のリチウムイオン二次電池のリングの斜視図である。サポータとリングとを組み付けた組付部材の斜視図である。本発明が適用可能な他の実施形態のリチウムイオン二次電池の電池蓋近傍の拡大断面図である。本発明が適用可能な別の実施形態のリチウムイオン二次電池の電池蓋近傍の拡大断面図である。

符号の説明

１正極板
２負極板
３セパレータ
４軸芯
５電極群
６正極集電板（集電部材）
８サポータ（円盤状部材）
８ｄ貫通穴
９リング（リング状部材）
１０組付部材
１１電池容器
１３正極リード（通電部材の一部）
１６蓋ケース（電池蓋の一部）
１７蓋キャップ（電池蓋の一部）
２３接合部材（通電部材の一部）
３０リチウムイオン二次電池

Claims

軸芯を中心に正極板および負極板がセパレータを介して捲回された電極群と、
前記電極群の端面に対向配置された集電部材と、
前記集電部材を外部端子に接続するための通電部材と、
前記軸芯の少なくとも一方の端部に固定され電気絶縁性樹脂からなる円盤状部材と、
前記円盤状部材の前記電極群と反対側に前記円盤状部材に固定ないし一体化されて配置され電気絶縁性樹脂からなるリング状部材と、
上記各部材を収容する円筒状の電池容器と、
前記電池容器を密封する電池蓋と、
を備え、
前記円盤状部材または前記リング状部材の周面のうち少なくとも一部が前記電池容器の内周面と、前記リング状部材の前記電極群と反対側の端部が前記電池蓋または前記電池容器の底部と、の少なくとも一方が接しており、
前記円盤状部材の下側に凸部が形成されており、該凸部は前記軸芯に嵌合して固定されており、
前記円盤状部材と前記リング状部材とが嵌合しているか、または、一体形成されたものである、
ことを特徴とする密閉型二次電池。
前記円盤状部材、前記リング状部材および前記軸芯が一体形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記円盤状部材または前記リング状部材の周面のうち少なくとも一部が前記電池容器の内周面と当接しており、かつ、前記リング状部材の前記電極群と反対側の端部が前記電池蓋の底部と直接またはスペーサ部材を介して当接していることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記円盤状部材は円板状の前記集電部材の上方に配置されており、前記集電部材は前記軸芯に嵌合して固定されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記正極板から導出されたリード片の先端部が前記集電部材の底部に接合されたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記円盤状部材には肉抜き用の貫通穴が形成されており、前記通電部材は前記貫通穴を介して前記電池蓋に電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。