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JP6264196B2 - 角形二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、角形二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車、大型蓄電システム等に利用される。これらの非水電解質二次電池は、スペース効率を高めるため、あるいは電池の冷却性能を高めるため角形の二次電池とすることが好ましい。
このような角形二次電池では、角形の外装体の内部に扁平状の電極体が電解液とともに収納される。また、一般的に外装体とし金属製の外装体が用いられる。そして、外装体と電極体とが直接接触することを防止するため、外装体と電極体の間に絶縁性シートが配置される。
例えば、下記引用文献1においては、外装缶内に収納する扁平状の電極体を、箱状に折り曲げられた絶縁性シートで包むことが開示されている。また、下記引用文献2においては、外装ケース内に収容される電極体を袋状の絶縁フィルムで包むことが開示されている。
さらに、下記引用文献2においては、外装ケースと電極体の間に生じる隙間を、袋状絶縁フィルムとは別部材である間隙充填部材で塞ぐことが開示されている。
特開2009−170137号公報 特開2009−048966号公報
角形二次電池は、求められる電池容量や出力特性により、正極板及び負極板の厚み及び面積を柔軟に変更する必要がある。したがって、正極板及び負極板からなる扁平状の電極体の厚みも柔軟に変更する必要がある。これに対して、電極体を収容する角形外装体については共通の部品を使用することがコストや生産性を考慮した場合好ましい。
したがって、角形外装体の内寸に比べ扁平状の電極体の厚みが薄くなり、角形外装体と電極体の間に隙間が生じる設計となる場合がある。このような場合、角形外装体と電極体の間に隙間が生じないように、隙間に何らかの部材を配置し、隙間を埋めることが好ましい。これにより、外装体内で電極体が動くことを抑制できる。あるいは、角形外装体により電極体を押圧することができ、正極板と負極板の間が離れ電池特性が低下することを抑制できる。
しかしながら、例えば上記特許文献2に記載されているように、絶縁フィルムの内面に間隙充填部材を配置する方法では以下の課題が生じることが考えられる。通常、角形二次電池は次の手順で製造される。まず、封口板に端子とともに取り付けられた集電体に電極体を接続する。次に、この電極体を絶縁性シートで包み、角形外装体に挿入する。そして、角形外装体と封口板の接触部をレーザ溶接等行い、角形外装体の開口を封止する。その後、封口板に設けられた注液孔から電解液を注入し、注液孔を封止栓により封止する。
絶縁フィルムの内面に絶縁フィルムとは別体である間隙充填部材を配置した場合、封口板に設けられた注液孔より電解液を注液したとき、電解液が絶縁フィルムと間隙充填部材の間に入り込むことがある。そして、絶縁フィルムと間隙充填部材の間に入り込んだ電解液により、絶縁フィルムと間隙充填部材が密着した状態となる。このような状態になると、絶縁フィルムと間隙充填部材の間から電解液が出てこない、あるいは出てき難い状態となる。絶縁フィルムと間隙充填部材の間から出てこない、あるいは出てき難い電解液は、電極体に供給されない電解液であるため、無駄な電解液となる。したがって、このような電解液が存在すると、電池特性の向上に起因することなく、単に電池の重量が増加する虞がある。
なお、上記の課題は、一つの角形二次電池においては小さな課題であったとしても、多くの角形二次電池を用いた組電池とした場合は、大きな課題となる可能性がある。特に、燃費向上のため重量をいかに低減するかが非常に重要な車載用の角形二次電池においては非常に重要な点である。
本発明は、上記の課題を解決することを目的とし、電池反応に関与しない電解液を低減した角形二次電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様の角形二次電池によれば、
開口を有する角形外装体と、
前記開口を封止する封口板と、
前記角形外装体に収容された電極体と電解液を備えた角形二次電池であって、
前記封口板は電解液の注液孔を有し、
前記角形外装体は、底面と、一対の大面積側面と、一対の小面積側面とを有し、
前記電極体は、正極板と負極板とを備えた扁平状の電極体であり、
前記角形外装体と前記電極体の間には絶縁性シートが配置され、
前記絶縁性シートは、底部と、第1側壁部と、第2側壁部を有し、
前記底部は、前記角形外装体の前記底面と前記電極体の間に配置され、
前記第1側壁部は、前記一対の大面積側面の一方と前記電極体の間に配置され、
前記第2側壁部は、前記一対の大面積側面の他方と前記電極体の間に配置され、
前記第1側壁部は、前記第1側壁部の前記封口板側の端辺を折り返し線として折り返された第1折り返し部を有し、
前記第1折り返し部は、前記第1側壁部の前記封口板側の端辺から前記角形外装体の前記底面側に延び、前記第1側壁部と重なるようにして前記一対の大面積側面の一方と前記電極体の間に配置される角形二次電池が提供される。
本発明の一態様の角形二次電池においては、角形外装体と電極体の間に絶縁性シートを配置することにより、角形外装体と電極体が直接接することを防止できる。また、絶縁性シートが第1折り返し部を有することにより、角形外装体と電極体の間に生じる隙間を埋めることができる。
さらに、本発明の一態様の角形二次電池においては、第1折り返し部が第1側壁部の封口板側の端辺を折り返して形成されたものであるため、電解液の注液工程において第1側壁部と第1折り返し部の間に電解液が入り込み難い構成となっている。したがって、電池反応に関与しない、あるいは電池反応に関与し難い電解液を削減することが可能となる。よって、角形二次電池の電池特性を低下させることなく角形二次電池の重量を低減することが可能となる。なお、本発明の一態様の角形二次電池を複数備える組電池においては、
特に大きな効果が得られる。
実施形態に係る角形二次電池の斜視図である。 図2Aは実施形態に係る角形二次電池を角形外装体及び絶縁性シートを透視して表した正面図であり、図2Bは図2AのIIB−IIB線に沿った断面図である。 実施形態に係る角形二次電池に用いる絶縁性シートの展開図である。 実施形態に係る角形二次電池に用いる絶縁性シートの一部を折り返した図である。 電極体を絶縁性シートで包む工程を説明する図である。 図2のVI−VI線に沿った断面図である。 図6に対応する図であり、電解液の注液工程を示す図である。 比較例に係る角形二次電池の図6に対応する断面図である。 図9A及び図9Bは図8に対応する図であり、図9Aは電解液の注液工程を示す図であり、図9Bは電解液の注液後の状態を示す図である。 変形例1に係る角形二次電池に用いる絶縁性シートの展開図である。 変形例2に係る角形二次電池に用いる絶縁性シートの展開図である。
以下に本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を理解するために例示するものであって、本発明をこの実施形態に特定することを意図するものではない。
まず、本発明の実施形態に係る角形二次電池の構造について説明する。
図1に示すように、実施形態に係る角形二次電池1は、金属製の角形外装体2の内部に正極板及び負極板を有する扁平状の電極体3を電解液とともに収容している。角形外装体2は、開口、底2a、一対の大面積側面2b、及び一対の小面積側面2cを有する。角形外装体2の開口は、封口板12により封止されている。封口板12には正極端子6及び負極端子9がそれぞれ設けられている。正極端子6は正極板に電気的に接続されており、負極端子9は負極板に電気的に接続されている。正極端子6は、封口板12に設けられた貫通孔を貫通する接続部6a、封口板12の外面側に配置される外部端子板部6b、及びボルト部6cを有することが好ましい。また、負極端子9は、封口板12に設けられた貫通孔を貫通する接続部9a、封口板12の外面側に配置される外部端子板部9b、及びボルト部9cを有することが好ましい。正極端子6と封口板12の間、負極端子9と封口板12の間にはそれぞれ樹脂製の絶縁部材10、11が介在している。封口板12には、角形外装体2の内部の圧力が所定値以上となったときに破断し、角形外装体2の内部のガスを外部に排出するガス排出弁15が設けられている。また、封口板12には、電解液を注液するための注液孔13が設けられており、注液後、この注液孔13は封止栓14により封止される。なお、角形二次電池1としては、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池を用いることが好ましい。
図2に示すように、扁平状の電極体3は、一方の端部に巻回された正極芯体露出部4を有し、他方の端部に巻回された負極芯体露出部7を有している。扁平状の電極体3は、長手方向に沿って幅方向の端部に正極芯体露出部を有する正極板と、長手方向に沿って幅方向の端部に負極芯体露出部を有する負極板とがセパレータを介して巻回されたものである。そして、扁平状の電極体3は、底面及び側面が絶縁性シート20により覆われている。
正極芯体露出部4には正極集電体5が溶接接続され、正極集電体5と正極端子6は電気的に接続されている。また、負極芯体露出部7には負極集電体8が溶接接続され、負極集
電体8と負極端子9は電気的に接続されている。なお、巻回された正極芯体露出部4において正極集電体5が配置される面とは反対側の面には正極集電体受け部品5aを配置することができる。なお、正極板と正極端子6の間の導電経路に電池内圧が上昇した時に作動し、正極芯体露出部4と正極端子6の間の導電経路を切断する電流遮断機構を設けることもできる。
次に、本発明の実施形態に係る角形二次電池の製造方法について説明する。
[電極体の作製]
アルミニウム箔からなる正極芯体上にリチウム遷移金属複合酸化物等を含む正極活物質合材層が形成された正極板を作製する。そして、正極板の幅方向の端部に長手方向に沿って正極芯体露出部が形成されるように正極板を裁断する。また、銅箔からなる負極芯体上に炭素材料等を含む負極活物質合材層が形成された負極板を作製する。そして、負極板の幅方向の端部に長手方向に沿って負極芯体露出部が形成されるように負極板を裁断する。次に、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回し巻回電極体を作製する。このとき、巻回電極体の巻軸方向の一方の端部に巻回された正極芯体露出部が形成され、他方の端部に巻回された負極芯体露出部が形成されるようにする。そして、この巻回電極体を扁平状に成形する。
[封口板の組み立て]
正極端子6と正極集電体5が電気的に接続された状態として、正極端子6を構成する接続部6aと正極集電体5をアルミニウム製の封口板12に固定する。このとき、正極端子6と封口板12の間、及び正極集電体と封口板12の間のそれぞれには、絶縁部材を配置することが好ましい。また、負極端子9を構成する接続部9aと負極集電体8が電気的に接続された状態として、負極端子9と負極集電体8を封口板12に固定する。このとき、負極端子9と封口板12の間、及び負極集電体8と封口板12の間のそれぞれには、絶縁部材を配置することが好ましい。
なお、接続部6aに外部端子板部6b及びボルト部6cを接続する工程、及び接続部9aに外部端子板部9b及びボルト部9cを接続する工程は、接続部6a及び接続部9aを封口板に固定する工程の前に行ってもよく、接続部6a及び接続部9aを封口板に固定する構成の後に行ってもよい。
[電極体と集電体の接続]
正極集電体5を正極芯体露出部4の一方の最外面に配置し、正極集電体5と正極芯体露出部4を溶接接続する。このとき、正極芯体露出部4の他方の最外面には、正極集電体受け部品5aを配置することが好ましい。また、負極集電体8を負極芯体露出部7の一方の最外面に配置し、負極集電体と負極芯体露出部を溶接接続する。負極側にも負極集電体受け部品を配置することが好ましい。
[電池組み立て]
図3に記載されている樹脂製の絶縁性シート20を、図5に示すように折り曲げ箱状とし、その内部に電極体3を挿入する。そして、絶縁性シート20で覆われた扁平状の電極体3をアルミニウム製の角形外装体2に挿入する。その後、封口板12と角形外装体2の接続部をレーザ溶接等により溶接し、角形外装体2の開口を封止する。
[電解液の注液]
封口板12に設けられた注液孔13から電解液を注液し、その後、注液孔を封止栓14により封止する。
次に、図3〜5を用いて実施の形態に係る絶縁性シート20について詳細に説明する。図3に示すように、絶縁性シート20は底部20a、第1側壁部20b、第2側壁部20c、第3側壁部20f、及び第4側壁部20gを有する。底部20aは、電極体3と角形外装体2の底面2aの間に配置される。第1側壁部20bは、電極体3と角形外装体2の一方の大面積側面2bの間に配置される。第2側壁部20cは、電極体3と角形外装体2の他方の大面積側面2bの間に配置される。第3側壁部20fは、電極体3と角形外装体2の一方の小面積側面2cの間に配置される。第側壁部20gは、電極体3と角形外装体2の他方の小面積側面2cの間に配置される。
第1側壁部20bにおいて、底部20aと反対側の端部側には第1折り返し部20dが設けられている。また、第2側壁部20cにおいて、底部20aと反対側の端部側には第2折り返し部20eが設けられている。なお、第2折り返し部20eは必須の構成ではなく、必要に応じて設ければよい。
図4に示すように第1折り返し部20dは、第1側壁部20bにおける端辺21(角形二次電池1の状態では封口板12側の端辺)を折り返し線として折り返される。第2折り返し部20eは、第2側壁部20cにおける端辺22(角形二次電池1の状態では封口板12側の端辺)を折り返し線として折り返される。
なお、第1折り返し部20d及び第2折り返し部20eはそれぞれ内側に折り返されることが好ましい。このような構成であると、第1折り返し部20d及び第2折り返し部20eがそれぞれ電極体3と第1側壁部2bの間、電極体3と第2側壁部2cの間に位置することになるため、絶縁性シート20で覆われた電極体3を角形外装体2に挿入する際、第1折り返し部20dないし第2折り返し部20eが角形外装体2の開口部に引っ掛かることを防止できる。
第3側壁部20fは第1側壁部20bの幅方向の一方の端部に設けられており、第4側壁部20gは第1側壁部20bの幅方向の他方の端部に設けられている。第3側壁部20fには折り曲げ部20hが設けられている。この折り曲げ部20hは、第3側壁部20fに対して略垂直に折り曲げられ、第2側壁部20cと重なるように配置される。第4側壁部20gには折り曲げ部20iが設けられている。この折り曲げ部20iは、第4側壁部20gに対して略垂直に折り曲げられ、第2側壁部20cと重なるように配置される。なお、第3側壁部20f、第4側壁部20g、折り曲げ部20h及び折り曲げ部20iは必須の構成ではない。しかしながら、電極体3と角形外装体2の接触を防止するためには、第3側壁部20f及び第4側壁部20gを設けることが好ましい。第3側壁部20f及び第4側壁部20gは、第1側壁部20bに繋がるように設けられる必要はない。例えば、第3側壁部20f及び第4側壁部20gを底部20aに繋がるように設けてもよい。
底部20aの幅方向の両端には、折り曲げ片20k及び20mが設けられている。この折り曲げ片20k及び20mが設けられていると、絶縁性シート20で覆われた電極体3を角形外装体2にスムーズに挿入できるようになる。底部20aと折り曲げ片20kの境界部、底部20aと折り曲げ片20mの境界部には、薄肉部や切り込み(ミシン目)等を設けることができる。なお、底部20aと折り曲げ片20kの境界部、底部20aと折り曲げ片20mの境界部には、ミシン目等の切れ込みを設けないことが好ましい。これにより、正極芯体露出部4ないし負極芯体露出部7と角形外装体2が接することをより確実に防止できる。
次に実施形態に係る角形二次電池の構成による効果について説明する。まず、比較例に係る角形二次電池の課題について説明する。
図8に示すように、電極体3と角形外装体2の間の隙間を塞ぐため、絶縁性シート20の第1側壁部20bと電極体3の間に絶縁性シート20とは別体の充填部材25を配置し、絶縁性シート20の第2側壁部20と電極体3の間に絶縁性シート20とは別体の充填部材26を配置することが考えられる。
このような構成を有する角形二次電池では、図9Aに示すように、封口板12に設けられた注液孔13から電解液30を注液すると、第1側壁部20bと充填部材25の隙間、及び第2側壁部20cと充填部材26の隙間に電解液30が入り込む。そして、隙間に込んだ電解液30により第1側壁部20bと充填部材25、第2側壁部20cと充填部材26がそれぞれ密着した状態となる。そして、図9Bに示すように、一部の電解液30が、第1側壁部20bと充填部材25の隙間、及び第2側壁部20cと充填部材26の隙間から出てき難い状態となる虞がある。
このような隙間に入り込んだ電解液30は、電池の充電反応に関与しない電解液30となるため、電池特性の向上には関与しないものである。したがって、このような隙間に入り込んだ電解液30が存在すると、不必要に角形二次電池の重量が大きくなる。
これに対して、実施形態に係る角形二次電池1では、図6に示すように絶縁性シート20において、第1側壁部20bに第1折り返し部20dが設けられている。そして、第1折り返し部20dは、第1側壁部20bの封口板12側の端辺21を折り返し線として折り返されている。また、第2側壁部20cには第2折り返し部20eが設けられている。そして、第2折り返し部20eは、第2側壁部20cの封口板12側の端辺22を折り返し線として折り返されている。
このように実施形態に係る角形二次電池1では、電極体3と角形外装体2の間の隙間を埋める部材を、絶縁性シート20の一部である折り返し部としている。したがって、図7に示すように、封口板12に設けられた液注液孔13から電解液30を注液しても、絶縁性シート20の第1側壁部20bと第1折り返し部20dの間、第2側壁部20cと第2折り返し部20eの間に電解液30が入り込まないため、上記比較例に係る角形二次電池のように、無駄な電解液30が生じることを防止できる。なお、第1側壁部20bと第1折り返し部20dの間に他の部材が配置され、その他の部材を介して第1側壁部20bと第1折り返し部20dが重なるように配置されてもよい。
折り返し線となる端辺21、22には、端辺21、22に沿って薄肉部や、間隔をおいて形成された複数の切れ込み(ミシン目状の切れ込み)を設けることができる。この切れ込みは絶縁性シート20を貫通するものであってもよい。端辺21、22に絶縁性シート20を貫通する切れ込みを設けた場合、第1側壁部20bと第1折り返し部20dの間、第2側壁部と第2折り返し部20eの間に電解液30が僅かに入り込む可能性はあるものの、比較例に係る角形二次電池と比較すると無駄な電解液30の量を効果的に低減できる。
折り返し線となる端辺21、22に切れ込みを形成する場合は、端辺21、22の位置を、電極体3の封口板12側の端部よりも、封口板12側(上方)になるようにすることが好ましい。これにより、第1側壁部20bと第1折り返し部20dの間、第2側壁部と第2折り返し部20eの間に電解液30が入り込むことをより効果的に防止できる。
第1折り返し部20dにおける角形外装体2の底面2a側端部を、第1側壁部20に接着することが好ましい。接着方法としては、接着剤を用いることも可能であるが熱溶着することが好ましい。また、第2折り返し部20eにおける角形外装体2の底面2a側端部を、第2側壁部20cに接着することが好ましい。
絶縁性シート20の構成は、上記実施形態の構成に限定されない。例えば、図10に示すように、第3側壁部20f及び第4側壁部20gがそれぞれ底部20aに繋がるように形成されていてもよい。
また、図11に示すように、底部20a、第1側壁部20b、第2側壁部20c、第1折り返し部20d、第3側壁部、第4側壁部からなるものとしてもよい。
<その他>
絶縁性シート20としては、樹脂製のシートを用いることが好ましい。例えば、絶縁性シートとして、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテル・エーテル・ケトン(PEEK)、ポリアミド等を用いることが好ましい。なお、絶縁性シートとしては、無多孔性のシートを用いることが好ましい。
角形外装体2及び封口板3は、正極及び負極のいずれの極性も有さないようにしてもよい。また、角形外装体2及び封口板3が正極及び負極のいずれか一方の極性を有するようにしてもよい。
正極板及び負極板は、公知の材料を用い、公知の方法で製造できる。また、電解液は水系の電解液であってもよく、また、非水系の電解液であってもよい。
扁平状の電極体として正極板と負極板をセパレータを介して巻回した電極体を用いる場合、本発明は特に効果的である。
1…角形二次電池
2…角形外装体
2a…底面 2b…大面積側面 2c…小面積側面
3…電極体
4…正極芯体露出部 5…正極集電体 6…正極端子
7…負極芯体露出部 8…負極集電体 9…負極端子
10、11…絶縁部材
12…封口板 13…注液孔 14…封止栓 15…ガス排出弁
20…絶縁性シート
20a…底部 20b…第1側壁部 20c…第2側壁部
20d…第1折り返し部 20e…第2折り返し部
20f…第3側壁部 20g…第4側壁部
20h…折り曲げ部 20i…折り曲げ部
20k…折り曲げ片 20m…折り曲げ片
21…端辺(折り返し線)
22…端辺(折り返し線)
25、26…充填部材
27…電極体の封口板側の端部
30…電解液

























Claims (7)

  1. 開口を有する角形外装体と、
    前記開口を封止する封口板と、
    前記角形外装体に収容された電極体と電解液を備えた角形二次電池であって、
    前記封口板は電解液の注液孔を有し、
    前記角形外装体は、底面と、一対の大面積側面と、一対の小面積側面とを有し、
    前記電極体は、正極板と負極板とを備えた扁平状の電極体であり、
    前記角形外装体と前記電極体の間には絶縁性シートが配置され、
    前記絶縁性シートは、底部と、第1側壁部と、第2側壁部を有し、
    前記底部は、前記角形外装体の前記底面と前記電極体の間に配置され、
    前記第1側壁部は、前記一対の大面積側面の一方と前記電極体の間に配置され、
    前記第2側壁部は、前記一対の大面積側面の他方と前記電極体の間に配置され、
    前記第1側壁部は、前記第1側壁部の前記封口板側の端辺を折り返し線として折り返された第1折り返し部を有し、
    前記第1折り返し部は、前記第1側壁部の前記封口板側の端辺から前記角形外装体の前記底面側に延び、前記第1側壁部と重なるようにして前記一対の大面積側面の一方と前記電極体の間に配置される角形二次電池。
  2. 前記電極体は、前記正極板と前記負極板がセパレータを介して巻回された巻回電極体である請求項1に記載の角形二次電池。
  3. 前記第1側壁部の前記封口板側の端辺には、前記第1側壁部の前記封口板側の端辺に沿った複数の切り込み部、あるいは、前記第1側壁部の前記封口板側の端辺に沿った薄肉部が設けられている請求項1又は2に記載の角形二次電池。
  4. 前記第1折り返し部の前記底面側端部が、前記第1側壁部に接着されている請求項1〜3のいずれかに記載の角形二次電池。
  5. 前記第2側壁部は、前記第2側壁部の前記封口板側の端辺を折り返し線として折り返された第2折り返し部を有し、
    前記第2折り返し部は、前記第2側壁部の前記封口板側の端辺から前記角形外装体の前記底面側に延び、前記第2側壁部と重なるようにして前記一対の大面積側面の他方と前記電極体の間に配置される
    請求項1〜4のいずれかに記載の角形二次電池。
  6. 前記絶縁性シートは、第3側壁部及び第4側壁部を有し、
    前記第3側壁部は、前記一対の小面積側面の一方と前記電極体の間に配置され、
    前記第4側壁部は、前記一対の小面積側面の他方と前記電極体の間に配置される
    請求項1〜5のいずれかに記載の角形二次電池。
  7. 前記第1側壁部の前記封口板側の端辺は、前記電極体の前記封口板側の端部よりも、前記封口板側に位置する請求項1〜6のいずれかに記載の角形二次電池。
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