(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0010】
-実施形態1-
[角形二次電池の全体構造]
以下、この発明のリチウムイオン角形二次電池の一実施形態を図面と共に説明する。
図1は、この発明のリチウムイオン角形二次電池の一実施の形態を示す外観斜視図であり、
図2は、
図1に示された角形二次電池の分解斜視図である。
リチウムイオン角形二次電池(以下、角形二次電池という)1は、電池蓋3および電池缶4とから構成される薄型のほぼ直方体形状の電池容器2内に、発電要素40が収容され、図示はしないが非水電解液が注入されて構成されている。電池蓋3および電池缶4は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されている。
【0011】
電池蓋3の中央部には、非水電解液を注入するための注液口11が設けられている。注液口11は、電解液注入後に注液栓15により封口される。注液栓15は、例えば、レーザ溶接によって電池蓋3の注液口11の周縁部に接合される。
また、電池蓋3には、過充電等により内部圧力が上昇した際に、圧力を抜くための開裂弁12が設けられている。開裂弁12には、開裂用の溝12aが形成されている。
なお、本明細書においては、各図に図示されるように、角形二次電池1の幅方向をX方向、高さ方向をY方向、厚さ方向をZ方向として説明する。
【0012】
電池缶4内に注入される非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で1:2の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。
有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトニル等またはこれら2種類以上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、混合配合比についても限定されるものではない。また、電解質としては、LiClO
4、LiAsF
6、LiBF
4、LiB(C
6H
5)
4、CH
3SO
3Li、CF
3SO
3Li等やこれらの混合物を用いることができる。したがって、一般的なリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した非水電解液を用いるようにすればよく、本発明に用いられるリチウム塩や有機溶媒は特に制限されない。
【0013】
電池蓋3には、正極側の端子構成部60と負極側の端子構成部70とが設けられている。
正極側の端子構成部60は、外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63、絶縁部材64および正極集電板21を備えている。
正極集電板21は、発電要素40の正極電極41(
図3)に接合される接合部21aを有している。正極集電板21は、電池蓋3の裏面側において、正極接続端子62の下端部にかしめられている。正極接続端子62は、電池蓋3に形成された貫通孔に挿通され、その上端部が電池蓋3の外部に露出されている。正極接続端子62の上端部には、電池蓋3の上面に固定された正極端子板63がかしめられている。
【0014】
絶縁部材64は、正極端子板63と電池蓋3との間に設けられ、正極端子板63と電池蓋3とを絶縁する。絶縁部材64は、また、電池蓋3の貫通孔と正極接続端子62との間に介装されるリング状部を有し、電池蓋3と正極接続端子62とを絶縁する。外部正極端子61は、絶縁部材64上に固定される基部(図示せず)を有し、軸部が正極端子板63に設けられた貫通孔を貫通して、電池蓋3上に突き出している。
このように、外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63および正極集電板21は、絶縁部材64により電池蓋3とは電気的に絶縁された状態で、相互に電気的に接続されている。外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63および正極集電板21は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されている。
【0015】
負極側の端子構成部70は、外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73、絶縁部材74および負極集電板22を備えている。
負極集電板22は、発電要素40の負極電極42(
図3)に接合される接合部22aを有している。負極集電板22は、電池蓋3の裏面側において、負極接続端子72の下端部にかしめられている。負極接続端子72は、電池蓋3に形成された貫通孔に挿通され、その上端部が電池蓋3の外部に露出されている。負極接続端子72の上端部には、電池蓋3の上面に固定された負極端子板73がかしめられている。
【0016】
絶縁部材74は、負極端子板73と電池蓋3との間に設けられ、負極端子板73と電池蓋3とを絶縁する。絶縁部材74は、また、電池蓋3の貫通孔と負極接続端子72との間に介装されるリング状部を有し、電池蓋3と負極接続端子72とを絶縁する。外部負極端子71は、絶縁部材74上に固定される基部(図示せず)を有し、軸部が負極端子板73に設けられた貫通孔を貫通して、電池蓋3上に突き出している。
このように、外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73および負極集電板22は、絶縁部材74により電池蓋3とは電気的に絶縁された状態で、相互に電気的に接続されている。外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73および負極集電板22は、例えば、銅、銅合金等の銅系金属により形成されている。
【0017】
発電要素40は、正極側では、捲回により積層状態とされた正極合剤未塗工部41c(
図3)が正極集電板21の接合部21aに接合され、負極側では、捲回により積層状態とされた負極合剤未塗工部42c(
図3)が負極集電板22の接合部22aに接合される。接合は、例えば、超音波溶接等により行われ、これにより、正極側の端子構成部60、負極側の端子構成部70と発電要素40とが、電池蓋3に一体化された電池蓋・発電要素ユニットが形成される。
【0018】
電池缶4は、電池蓋3側に開口部を有する薄箱型に形成されている。電池缶4には、絶縁袋5が収納されている。絶縁袋5の電池蓋3側には開口部5aが形成されている。
発電要素40は、電池蓋3に一体化された電池蓋・発電要素ユニットの状態で、絶縁袋5の開口部5aから、絶縁袋5内に収容される。電池缶4の開口部は、電池蓋3により、その開口部が閉塞される。電池蓋3の周縁部3aは薄肉とされており、この周縁部3aを電池缶4の開口部の周縁部に嵌合した状態で、例えば、レーザ溶接によって電池缶4に接合され、外部に対し密封構造とされる。
【0019】
図3は、
図2に図示された発電要素の詳細を説明するための斜視図であり、
図4は、
図3に図示された発電要素の拡大断面図である。なお、
図3においては、発電要素40の捲回終端部側を展開した状態として示している。
発電要素40は、正極電極41と負極電極42とを、第1、第2のセパレータ43、44を介在して軸芯30の周りに捲回して、扁平直方体状に形成されたものである。
正極電極41は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属からなる正極金属シート41aの表裏両面に正極合剤が塗工された正極合剤塗工部41bを有する。正極合剤塗工部41bは、正極金属シート41aの一側縁に、正極金属シート41aが露出された正極合剤未塗工部41cが形成されるように正極金属シート41aに正極合剤を塗工して形成される。
負極電極42は、例えば、銅または銅合金等の銅系金属からなる負極金属シート42aの表裏両面に負極合剤が塗工された負極合剤塗工部42bを有する。負極合剤塗工部42bは、負極合剤未塗工部42cが配置された側縁と対向する側縁である他側縁に、負極金属シート42aが露出された負極合剤未塗工部42cが形成されるように負極金属シート42aに負極合剤を塗工して形成される。
【0020】
正極合剤塗工部41bは、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを重量比90:6.5:3.5で混合し、これに分散溶媒であるN−メチルピロリドン(NMP)を添加、混練したスラリを作成し、厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布して作製される。その後、乾燥、プレス、裁断することにより活物質合剤層が配された部分の幅130mm、厚さ140μmの正極電極41が形成される。
【0021】
負極合剤塗工部42bは、負極活物質としての黒鉛粉末と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)、増粘材としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を重量比98:1:1で混合し、これに分散溶媒の水を添加し、混練して得られたスラリを、厚さ10μmの圧延銅箔の両面に塗布して作製される。その後、乾燥プレス、裁断することにより活物質合剤層が配された部分の幅134mm、厚さ140μmの負極電極42が形成される。
【0022】
なお、上記において、正極バインダとしてPVDFを、負極バインダとしてSBRを例示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体及びこれらの混合体などを使用するようにしてもよい。
【0023】
セパレータ43、44は、正極金属シート41aまたは負極金属シート42aを絶縁する役割を有している。負極電極42の負極合剤塗工部42bは、正極電極41の正極合剤塗工部41bよりも幅方向(X方向)に大きく形成され、これにより正極合剤塗工部41bは、必ず負極合剤塗工部42bに挟まれるように構成されている。
発電要素40は、
図3に示すように、最外周の電極が負極電極42とされ、さらにその外側にセパレータ44が捲回される。
【0024】
図3、
図4に図示されるように、発電要素40の外形形状は、捲回方向(Y方向)の両側部に形成された円弧部40Tと、両円弧部40Tの間に位置する平坦部40Pとにより形成される扁平直方体状である。
発電要素40は、軸芯30を保持する軸芯部40Aを備えている。詳細は後述するが、発電要素40は、軸芯30および軸心30の高さ方向(Y方向)における両側部側に配置されたスペーサ53(
図7)の周囲に、負極電極42、セパレータ44、正極電極41およびセパレータ43を積層して、Y方向に捲回して作製される。軸芯部40Aは、軸芯30およびスペーサ53の周囲に捲回される発電要素40の内面に囲まれる領域を指す。従って、軸芯部40Aは、捲回の中心部に位置する。換言すれば、軸芯部40Aは、その中心軸が発電要素40の厚さ方向(Z方向)および高さ方向(Y方向)のほぼ中心に位置する。
【0025】
軸芯30は、全体がほぼ平坦な板状部材であり、中央の矩形部31の幅方向(X方向)における両側端に、正・負極電極41、42の各側端から突き出す一対の突出片32が形成されている。また、軸芯30のY方向における両側部には、円弧部34(
図4参照)が形成されている。
【0026】
図5(a)は発電要素の軸芯の取付け状態を示す断面図であり、
図5(b)は
図5(a)の領域Vbの拡大図である。
発電要素40の軸芯部40Aは、外形形状に倣って、高さ方向(Y方向)の両側部に形成された円弧部40Uと、両円弧部40Uの間に位置する平坦部40Qとにより形成される扁平直方体形状を有する。各円弧部40Uは、断面が半円形であり、円弧部40Uと平坦部40Qの境界面40Zは、円弧部40Uの中心を通り、平坦部40Qに垂直な面となっている。
【0027】
軸芯30の各円弧部34と発電要素40の軸芯部40Aとの間には、空隙部40Sが形成されている。軸芯30の各円弧部34のY方向における先端部は、軸芯部40Aにおける円弧部40Uと平坦部40Qの境界面40Zよりも内方に位置している。すなわち、軸芯30の円弧部34の外方は、空隙部40Sとなっている。このように、空隙部40Sは、境界面40Zの両側に隣接する円弧部40Uおよび平坦部40Qの領域に跨っている。
後述する如く、この空隙部40Sによって、角形二次電池1を充放電した際の角形二次電池1の厚さ方向(Z方向)の膨れが緩和される。
次に、このような空隙部40Sを有する軸芯部40Aを備えた発電要素の製造方法を説明する。
【0028】
図6は、発電要素の軸芯部に空隙部を形成する前の状態を示す断面図であり、
図7は、発電要素の軸芯部に空隙部を形成する方法を説明するための模式的平面図である。
図7に図示されるように、捲回装置51には、軸芯30の突出片32を嵌合する溝52が設けられ、また、溝52の両側に、平行に延在された一対のスペーサ53が植立されている。各スペーサ53は、空隙部40Sを形成するためのもので、空隙部40Sの厚さと同じ厚さの長い薄板形状を有する。
図6に図示されるように、スペーサ53の内側部は、軸芯30の円弧部34の側面に対応する円弧状に形成され、外側部は空隙部40Sの円弧部40U(
図5参照)に対応する円弧状に形成されている。
【0029】
捲回装置51の溝52に、軸芯30の突出片32を嵌入すると、
図6に図示されるように、軸芯30のX方向における両側部に隣接して、それぞれ、スペーサ53が配置される。この状態で、軸芯30および一対のスペーサ53の周囲に、負極電極42、セパレータ44、正極電極41およびセパレータ43を積層して、捲回する。これにより、
図6に図示されたスペーサ53を備える発電要素40が作製される。捲回に際しては、負極電極42、セパレータ44、正極電極41およびセパレータ43に、シート長手方向に、例えば、10N程度の荷重をかけて伸展しながら行う。
この後、
図5に図示されるように、発電要素40を、スペーサ53から引出すことにより、
図5に図示される発電要素40を得ることができる。
【0030】
次に、発電要素40に形成された空隙部40Sの作用を説明する。
図8は、従来の角形二次電池における電池容器の膨れを説明するための模式的断面図であり、
図8(a)は充電前の図、
図8(b)は充電後の図である。
図8(a)、8(b)に図示されるように、従来では、発電要素140の軸芯部140Aと軸芯130との間には、空隙部は存在していなかった。
リチウム角形二次電池が充放電されると、リチウムイオンの吸蔵・脱離によって、発電要素140が厚さ方向(Z方向)に膨張する。正極活物質及び負極活物質の材料により、充電時に膨張し、放電時に収縮する場合と、逆に、充電時に収縮し、放電時に膨張する場合があるが、いずれにしても、充放電により厚さ方向への膨張・収縮が生じる。
【0031】
発電要素140が膨張すると、軸芯部140Aの円弧部140Uと平坦部140Qの境界面140Zが、作用点となって電池缶4を押し広げる。
図8(b)において、境界面140Z上に図示された矢印が作用点である。このため、電池缶4の長辺側の側部は、発電要素140により、図示の如く、外側に向けて弓形に膨れる。このとき、高さ方向(Y方向)における作用点の間隔をx
1とする。電池缶4の膨れの最大部分は、電池缶4の強度が全体に亘りほぼ等しい場合には、幅方向における作用点の間隔x
1の中央部付近となる。
【0032】
図9は、本発明の一実施の形態における電池容器の膨れを説明するための模式的断面図であり、
図9(a)は充電前の図、
図9(b)は充電後の図である。
上述した如く、本発明の一実施の形態として示した発電要素40は、
図8(a)に示す充電前の状態において、高さ方向(Y方向)における軸芯部40Aと軸芯30との間に、空隙部40Sが形成されている。
【0033】
上述した如く、空隙部40Sは、境界面40Zと、この境界面40Zの両側に隣接する円弧部40Uおよび平坦部40Qの領域を含んでいる。このような空隙部40Sが存在するため、充放電により、発電要素40が厚さ方向に膨張すると、電池缶4の反力により、空隙部40Sが押し潰される。つまり、空隙部40Sは、発電要素40の膨張時の逃げ用の空間となる。
本発明の一実施の形態と示す角形二次電池1の場合においては、発電要素40が膨張した場合、
図9(b)の矢印に図示されるように、軸芯30の円弧部34と矩形部31の境界面30Zが、電池缶4を押し広げる作用点となる。
【0034】
図9(b)において、軸芯部40Aの高さ方向(Y方向)両側端に形成された円弧部40Uと平坦部40Qとの境界面40Z間の間隔x1は、
図8(b)に図示された、軸芯部140Aの円弧部140Uと平坦部140Qの境界面140Z間の間隔x
1と同一である。
本発明の一実施の形態に示すように、軸芯部40Aの両端に空隙部40Sがある場合には、軸芯30の円弧部34と矩形部31との境界面30Zが、電池缶4を押し広げる作用点となる。
従って、Y方向における軸芯30の円弧部34と矩形部31の境界面30Zの間隔x
2は、
図8(b)における間隔x
1よりも小さい。
上述した如く、電池缶4の長辺側の側部は、Y方向における2つの作用点に挟まれた間隔x
2の部分が、外側に向けて弓形に変形する。このため、発電要素40の膨張による電池缶4を押し広げる力が緩和され、電池缶4の膨れが低減する。
【0035】
図4および
図9において、空隙部40Sを発電要素40の中心軸に対し左右対称形状とすると、電池缶4の膨れが中心軸に対して対称となるので、角形二次電池1を設置したり、電池モジュールを作製したりする際の取り扱いが容易となる。
各空隙部40Sにおける高さ方向(Y方向)の長さには、特に、制限はない。但し、余り空隙部40Sの幅方向の長さを大きくすると、電池缶4の膨れを緩和する量が小さくなる。従って、各空隙部40Sの幅方向の長さは、軸芯部40AのY方向の全長の1/5〜1/4程度を最大とすることが好ましい。
【0036】
-実施形態2-
本発明によるリチウムイオン角形二次電池1の実施形態2について説明する。
図10(a)は、実施形態2としての発電要素の軸芯の取付け状態を示す断面図であり、
図10(b)は、
図10(a)の領域Xbの拡大図である。また、
図11は、発電要素の軸芯部に空隙部を形成する前の状態を示す断面図である。
実施形態1では、軸芯30の各円弧部34の高さ方向(Y方向)における先端部は、軸芯部40Aにおける円弧部40Uと平坦部40Qの境界面40Zよりも内方に位置していた。換言すれば、軸芯30の先端部よりも外側に位置する空隙部40Sは、軸芯部40Aの厚さ全体に亘って形成されていた。
【0037】
これに対し、実施形態2では、軸芯30Aの高さ方向(Y方向)における先端部は、軸芯部40Aにおける円弧部40Uと平坦部40Qの境界面40Zを超えて張り出している。
図10(b)に図示されるように、軸芯30Aの高さ方向(Y方向)における両側部は、先細に湾曲する半楕円部34aとされている。半楕円部34aの幅方向における先端部は、軸芯部40Aの円弧部40Uの幅方向における端部に実質的に接している。
これにより、実施形態2では、上部空隙部40S1と下部空隙部40S2に2分割されている。
【0038】
上部空隙部40S1及び下部空隙部40S2は、それぞれ、軸芯部40Aにおける円弧部40Uと平坦部40Qの境界面40Zを含み、この境界面40Zに隣接する平坦部40Qと円弧部40Uの領域に跨っている。上述した如く、境界面40Zが、電池缶4を押し広げる作用点となるため、上部空隙部40S1および下部空隙部40S2は、膨張する発電要素40の逃げ用の空間となる。したがって、このような構造においても、発電要素40の膨張による電池缶4の膨れを緩和することができる。
【0039】
上部空隙部40S1および下部空隙部40S2を有する発電要素40を作製するには、
図11に図示されるように、上・下部空隙部40S1、40S2に対応する形状のスペーサ53a、53bを捲回装置51(
図7参照)に植立すればよい。実施形態1の場合と同様、一対の上・下部空隙部40S1、40S2間に軸芯30Aを配置して、軸芯30Aおよび一対のスペーサ53a、53bの周囲に、負極電極42、セパレータ44、正極電極41およびセパレータ43を積層して、捲回する。この後、発電要素40を、スペーサ53a、53bから引出すことにより、
図10に図示される発電要素40を得ることができる。
【0040】
なお、実施形態2において、軸芯30Aの半楕円部34aの高さ方向(Y方向)における先端部が、軸芯部40Aの円弧部40Uの高さ方向(Y方向)における端部に実質的に接している構造として例示した。しかし、軸芯30Aの半楕円部34aは、X方向における先端部が、軸芯部40Aの円弧部40Uの幅方向における端部から離間する構造としてもよい。
【0041】
以上説明した通り、本発明の実施形態では、発電要素40の軸芯部40Aに取り付けられる軸芯30、30Aと軸芯部40Aとの間に、充放電により発電要素40が膨張する際、電池缶4を押し広げる作用点となる領域を含む空隙部40S、40S
1、40S
2を形成した。このため、空隙部40S、40S
1、40S
2が、発電要素40が膨張する際の逃げ用の空間となり、角形二次電池1の膨れを緩和することができる。
【0042】
実施形態1および2において、軸芯30を発電要素40の軸芯部40Aの高さ方向(Y方向)の中心軸と同軸にし、空隙部40S、40S
1、40S
2を中心軸に対し対称形状とすると、電池缶4の膨れが中心軸に対して対称となるので、角形二次電池1を設置したり、電池モジュールを作製したりする際の取り扱いが容易となる。
【0043】
上記各実施形態では、軸芯30、30Aの外周に、正極電極41および負極電極42を、セパレータ43、44を介して1つの捲回体として捲回して作製する。このため、内周捲回体と外周捲回体との間に空隙部を設けて形成する従来の発電要素に比し、空隙部の容積を小さくすることができる。これにより、発電要素40の充電面積を従来よりも大きくすることができ、充放電の総容量を大きくすることができる。
【0045】
上記各実施形態では、電池蓋組立体10の正極の端子構成部は、外部正極端子61、正極端子板63、正極接続端子62、絶縁部材64および正極集電板21を備える構造として例示した。しかし、正極の端子構成部は、上記構造に限られるものではなく、発電要素40の正極電極41に接続された正極集電板21が、電池蓋3とは絶縁された状態で外部接続用端子として電池蓋3の外部に導出される構造であればよい。
このことは、負極の端子構成部においても同様である。
【0046】
上記実施形態において、電池蓋3と電池缶4により構成される電池容器2の形状は、高さ(Y方向の長さ)よりも幅(X方向の長さ)が大きい形状とされている。しかし、これとは逆に、高さの方が幅よりも大きいリチウムイオン角形二次電池に適用することが可能である。
【0047】
その他、本発明は、種々、変形して適用することが可能であり、要は、発電要素が、一対の平面部と、平面部の両側部に設けられた円弧部とにより扁平直方体状に形成された軸芯部を有し、軸芯部と軸芯との間には、少なくとも平面部と各円弧部との境界面に跨る領域を有する空隙部が設けられているものであればよい。