JP6304981B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、非水電解質二次電池に関する。

近年、急速に普及しているハイブリッド電気自動車、プラグイン電気自動車等の電気自動車の電源には、充放電可能な直方体状の非水電解質二次電池、例えばリチウムイオン二次電池が主として用いられている。リチウムイオン二次電池は、正極及び負極を、セパレータを介して捲回または積層した電極体、及び非水電解質を、アルミニウム又はアルミニウム合金製で形成された直方体状の電池ケース（外装容器）に収納して構成される。

電池ケースの上面には正極出力端子、負極出力端子、封口板、ガス排出弁等が設けられている。封口板の下には注液口があり、電解液を電池ケース内に入れた後に、封口板を溶接して注液口を塞いでいる。

特開２０１３−０２０７３５号公報

リチウムイオン二次電池の製造工程においては、電池ケースに電解液を注液した後に、電池ケース内を減圧した状態で封口板を設置し、溶接を行う。注液から減圧封口までの時間が短く、電解液が電極体間に含浸しきれていない場合、減圧した際に電解液が注液口から溢れ出て、注液口周囲に付着し、溶接不良の原因となる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、電解液溢れを防止し、生産性を改善することが可能な非水電解質二次電池を提供することにある。

実施形態によれば、非水電解二次電池は、蓋体を有する外装容器と、正極板、負極板およびセパレータを備え、前記正極板および前記負極板が間に前記セパレータを介在させて捲回され、かつ、前記正極板および前記負極板の短辺方向が前記蓋体に対して垂直になる状態で、非水電解液と共に前記外装容器内に収納された電極体と、前記蓋体に並んで設けられ、それぞれ前記電極体に電気的に接続された一対の電極端子と、前記蓋体の長手方向の端部で前記電極端子の外側に設けられ、前記外装容器内に非水電解液を注入するための注液口と、前記注液口を封止する封止体と、を備えている。

図１は、実施形態に係る二次電池の外観を示す斜視図。 図２は、前記二次電池の分解斜視図。 図３は、前記二次電池の蓋体を示す平面図。 図４は、前記二次電池の蓋体側の上部を示す断面図。 図５は、変形例に係る二次電池の蓋体を示す平面図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る非水電解質二次電池について詳細に説明する。
図１ないし図３に示すように、二次電池１０は、例えば、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池であり、扁平な略直方体形状の外装容器１２と、外装容器１２内に非水電解液と共に収納された電極体２と、を備えている。外装容器１２は、上端が開口した容器本体１と、容器本体に溶接され容器本体の開口を閉塞した矩形板状の蓋体５とを有し、内部が液密に形成されている。外装容器１２の蓋体５には、正極端子６並びに負極端子７と、安全弁２１と、注液口１７とが設けられている。外装容器１２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成された外装缶（電池ケース）である。

電極体２は、例えば、正極板および負極板をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、更に、径方向に圧縮することにより、偏平な矩形状に形成されている。正極板は、帯状の集電体と、集電体の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層と、正極集電体の長辺の複数箇所から短辺方向に延出した短冊状の正極集電タブ８と、を有している。負極板も正極板と同様な形状を有し、帯状の負極集電体と、負極集電体の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層と、集電体の長辺の複数箇所から短辺方向に延出した短冊状の負極集電タブ９とを有する。渦巻状に捲回された電極体２は、巻き止めテープによって固定される。

正負極集電タブ８、９は、それぞれ集電体を打ち抜き加工することにより形成されてもよい。集電体及び集電タブは、例えば金属箔から形成される。金属箔の厚さすなわち集電タブ１枚当たりの厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下にすることが望ましい。厚さを５μｍ以上にすることによって、製造時の集電体や集電タブの破断が防止され、かつ高い集電効率を実現することが可能となる。また、大電流が流れたときの集電タブの溶解を回避することができる。また、厚さを５０μｍ以下にすることによって、電極体の厚さ増加を抑えつつ、電極体を構成する周数を増加させることができる。好ましくは、金属箔の厚さは、１０μｍ以上２０μｍ以下である。金属箔の材料は、正極や負極に使用する活物質の種類により変わり得るものではあるが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金を用いることができる。

複数枚の正極集電タブ８は、Ｕ字形状に折り曲げられた正極バックアップリード１４によってまとめて挟持されている。この正極バックアップリード１４は、正極保護リードとも称される。負極集電タブ９も同様に、Ｕ字形状に折り曲げられた負極バックアップリード１５によってまとめて挟持されている。

正極バックアップリード１４と正極集電タブ８との電気的接続、並びに負極バックアップリード１５と負極集電タブ９との電気的接続は、例えば、レーザー溶接、超音波接合、抵抗溶接等の方法が用いられるが、超音波接合が好ましい。正極および負極バックアップリード１４、１５は、それぞれ、正極および負極の集電タブ８，９と同じ材料から形成されていることが望ましい。また、正極および負極バックアップリード１４、１５の厚さは、正負極集電タブ８、９の１枚当たりの厚さの３倍より大きくすることが望ましい。

蓋体５の長手方向両端部に正極端子６および負極端子７にそれぞれ設けられ、蓋体５から外方へ突出している。詳細には、蓋体５の長手方向両端部にそれぞれ矩形状の凹所１９がそれぞれ形成され、これらの凹所１９に、合成樹脂、ガラス等の絶縁体からなるシール材、例えば、ガスケット１３がそれぞれ装着されている。各ガスケット１３および凹所１９の中心部には、貫通孔２０、２１が設けられている。

正極端子６は、ほぼ段付矩形状の端子本体６ａと、端子本体６ａの底面から下方に延出する接続ロッド６ｂと、を一体に有している。正極端子６は、接続ロッド６ｂをガスケット１３および凹所１９の貫通孔２１、２０に挿通した状態で、ガスケット１３上に装着されている。同様に、負極端子７は、ほぼ段付矩形状の端子本体７ａと、端子本体７ａの底面から下方に延出する接続ロッド７ｂと、を一体に有している。負極端子７は、接続ロッド７ｂをガスケット１３および凹所１９の貫通孔２１、２０に挿通した状態で、ガスケット１３上に装着されている。

図２および図４に示すように、外装容器１２内において、正極バックアップリード１４と蓋体５との間に、正極リード３および正極内部絶縁体５３が配置されている。負極バックアップリード１５と蓋体５との間に、負極リード４および負極内部絶縁体５４が配置されている。

正極リード３は、板材を直角に折り曲げて断面Ｌ字形に形成され、蓋体５と平行に対向する矩形板の蓋接合部３ａと、正極集電タブ８とを電気的に接続するための集電タブ接合部３ｂと、を一体に有している。集電タブ接合部３ｂは、矩形板状の中間リード１６を介して正極バックアップリード１４に接合（溶接）されている。また、蓋接合部３ａには、電極端子の接続ロッド６ｂを接合するための透孔３ｅ、および、蓋体５の注液口１７と対向する透孔３ｃが設けられている。

正極内部絶縁体５３は、ほぼ矩形板状に形成され、正極リード３の蓋接合部３ａよりも大きなサイズに形成されている。そして、正極内部絶縁体５３は、蓋体５と蓋接合部３ａとの間にこれらと平行に配置され、これらの間を電気的に絶縁している。また、正極内部絶縁体５３には、接続ロッド６ｂを挿通するための貫通孔５３ａ、および注液口１７と対向する透孔５３ｂが形成されている。正極端子６の接続ロッド６ｂは、正極内部絶縁体５３の貫通孔５３ａを貫通し、正極リード３の透孔３ｅに嵌合および接合されている。これにより、正極端子６は、正極リード３、中間リード１６、および正極バックアップリード１４を介して正極集電タブ８に電気的に接続されている。

負極リード４は、板材を直角に折り曲げて断面Ｌ字形に形成され、蓋体５と平行に対向する矩形板の蓋接合部４ａと、負極集電タブ９とを電気的に接続するための集電タブ接合部４ｂと、を一体に有している。集電タブ接合部４ｂは、矩形板状の中間リード１８を介して負極バックアップリード１５に接合（溶接）されている。また、蓋接合部４ａには、電極端子の接続ロッド７ｂを接合するための透孔４ｅが設けられている。

負極内部絶縁体５４は、ほぼ矩形板状に形成され、負極リード４の蓋接合部４ａよりも大きなサイズに形成されている。そして、負極内部絶縁体５４は、蓋体５と蓋接合部４ａとの間にこれらと平行に配置され、これらの間を電気的に絶縁している。また、負極内部絶縁体５４には、接続ロッド７ｂを挿通するための貫通孔５４ａが形成されている。負極端子７の接続ロッド７ｂは、負極内部絶縁体５４の貫通孔５４ａを貫通し、負極リード４の透孔４ｅに嵌合および接合されている。これにより、負極端子７は、負極リード４、中間リード１８、および負極バックアップリード１５を介して負極集電タブ９に電気的に接続されている。

図１ないし図４に示すように、外装容器１２の蓋体５には、ガス排気機構として機能する安全弁（圧力開放弁）２１、および非水電解液の注液口１７が形成されている。安全弁２１は、蓋体５の長手方向中央部で、正極端子６と負極端子７との間に設けられている。この安全弁２１は、蓋体５の約半分程度の板厚に形成されている。二次電池１０の異常モード等により外装容器１２内にガスが発生し、外装容器内の内圧が所定の値以上に上昇した際、安全弁２１が開放され、内圧を下げて外装容器１２の破裂等の不具合を防止する。

非水電解液の注液口１７は、蓋体５の長手方向の一端部に形成されている。本実施形態では、注液口１７は、正極端子６よりも外側で、正極端子と蓋体５の長手方向一端との間に設けられている。すなわち、注液口１７は、正極端子６に対して、安全弁２１と反対側に設けられ、安全弁２１から十分に離間している。この注液口１７は、前述した正極内部絶縁体５３の透孔５３ｂ、および、蓋接合部３ａの透孔３ｃと対向および整列して位置している。なお、注液口１７を通して外装容器１２内に非水電解液の注液した後、注液口１７は、例えば、円盤状の封止蓋２２で封止される。

以上のように構成された非水電解質二次電池１０においては、製造時、電極体２、正負極バックアップリード、正負極リード、正負極内部絶縁体が収容なれている外装容器１２内に、注液口１７から非水電解液を注入した後、外装容器内を減圧し、この減圧状態で注液口１７を封止蓋２２によって封止する。従来の二次電池では、減圧時、蓋体５の内面に付着している非水電解液の一部が注液口から溢れて外部に漏洩するおそれがある。これに対して、本実施形態に係る二次電池１０では、注液口１７は、蓋体５の長手方向の端に、つまり、電極端子の外側に設けられているため、蓋体５の内面に付着する非水電解液の内、注液口１７の近傍に存在する非水電解液が大幅に低減する。そのため、外装容器１２の減圧操作時、非水電解液が注液口１７から漏れ出る可能性を大幅に低減することができる。従って、漏洩電解液による電極端子等への悪影響（例えば、溶接不良の発生）をなくし、二次電池の生産性の向上および信頼性の向上を図ることができる。

また、注液口１７は、電極端子に対して安全弁の反対側に設けられ、安全弁２１から充分に離間して設けられている。そのため、蓋体において、注液口１７を安全弁の近傍に設けた場合に比較して、蓋体および安全弁２１の機械的強度を維持することができ、不用意な安全弁の開放を防止し、信頼性の向上を図ることができる。

更に、蓋体５の内面に対向して位置する正極内部絶縁体５３および正極リード３の各々に、注液口１７に対向する透孔５３ｂ、３ｃを設けている。そのため、注液口１７から注入される非水電解液を、これらの透孔５３ｂ、３ｃを通して外装容器１２内に円滑に注入することができる。なお、正極内部絶縁体５３および正極リード３において、透孔を設ける代わりに、注液口１７と対向する部分を切除するようにしてもよい。
以上のことから、本実施形態によれば、電解液溢れの問題を解消し、生産性が向上した非水電解質二次電池が得られる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
図５に示す変形例のように、注液口１７は、蓋体５の長手方向の一端において、蓋体の角部に設けてもよい。また、注液口１７は、正極端子６の外側に限らず、蓋体の長手方向、反対側の端、つまり、負極端子７の外側に、設けても良い。
以下、本出願の出願当初の特許請求の範囲に記載された事項を付記する。
（付記項１）
蓋体を有する外装容器と、
非水電解液と共に前記外装容器内に収納された電極体と、
前記蓋体に並んで設けられ、それぞれ前記電極体に電気的に接続された一対の電極端子と、
前記蓋体の長手方向の端部で前記電極端子の外側に設けられ、前記外装容器内に非水電解液を注入するための注液口と、
前記注液口を封止する封止体と、
を備える非水電解質二次電池。
（付記項２）
前記蓋体は、前記一対の電極端子間に設けられた安全弁を有し、前記注液口は、一方の電極端子に対して、前記安全弁の反対側に設けられている付記項１に記載の非水電解質二次電池。
（付記項３）
前記外装容器内で、前記蓋体の内面に対向して設けられた板状の内部絶縁体と、この内部絶縁体と前記電極体との間に設けられ、前記電極体に電気的に接続されたリードと、を備え、前記内部絶縁体およびリードは、それぞれ前記注液口に対向する透孔を有する付記項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
（付記項４）
前記蓋体は、細長い矩形状に形成され、前記注液口は、前記蓋体の長手方向の一端、角部に設けられている付記項１ないし３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。

１…容器本体、５…蓋体、６…正極端子、７…負極端子、１０…非水電解質二次電池、
１２…外装容器、１３…ガスケット、１７…注液口、２１…安全弁、２２…封止蓋

Claims (6)

1. 蓋体を有する外装容器と、
   正極板、負極板およびセパレータを備え、前記正極板および前記負極板が間に前記セパレータを介在させて捲回され、かつ、前記正極板および前記負極板の短辺方向が前記蓋体に対して垂直になる状態で、非水電解液と共に前記外装容器内に収納された電極体と、
   前記蓋体に並んで設けられ、それぞれ前記電極体に電気的に接続された一対の電極端子と、
   前記蓋体の長手方向の端部で前記電極端子の外側に設けられ、前記外装容器内に非水電解液を注入するための注液口と、
   前記注液口を封止する封止体と、
   を備える非水電解質二次電池。
2. 前記蓋体は、前記一対の電極端子間に設けられた安全弁を有し、前記注液口は、一方の電極端子に対して、前記安全弁の反対側に設けられている請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記電極体は、前記正極板の長辺から前記短辺方向に前記蓋体へ向かって延出した正極集電タブと、前記負極板の長辺から前記短辺方向に前記蓋体へ向かって延出した負極集電タブと、を備え、
   前記非水電解質二次電池は、前記正極集電タブと前記一対の電極端子の一方との間を電気的に接続する正極リードと、前記負極集電タブと前記一対の電極端子の他方との間を電気的に接続する負極リードと、をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
4. 前記外装容器内で、前記蓋体の内面に対向して設けられた板状の内部絶縁体と、この内部絶縁体と前記電極体との間に設けられ、前記電極体に電気的に接続されたリードと、を備え、前記内部絶縁体およびリードは、それぞれ前記注液口に対向する透孔を有する請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
5. 前記注液口から注入された前記非水電解液は、前記内部絶縁体の前記透孔を通った後に、前記リードの前記透孔を通る請求項４に記載の非水電解質二次電池。
6. 前記蓋体は、細長い矩形状に形成され、前記注液口は、前記蓋体の長手方向の一端、角部に設けられている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。