特開 2024-43689 電池セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024043689

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】電池セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/103 20210101AFI20240326BHJP

   H01M 50/15 20210101ALI20240326BHJP

   H01M 50/121 20210101ALI20240326BHJP

   H01M 50/159 20210101ALI20240326BHJP

   H01M 50/16 20210101ALI20240326BHJP

   H01M 50/169 20210101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

H01M50/103

H01M50/15

H01M50/121

H01M50/159

H01M50/16

H01M50/169

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022148823

(22)【出願日】2022-09-20

(71)【出願人】

【識別番号】507357232

【氏名又は名称】株式会社ＡＥＳＣジャパン

(74)【代理人】

【識別番号】100110928

【弁理士】

【氏名又は名称】速水 進治

(74)【代理人】

【識別番号】100127236

【弁理士】

【氏名又は名称】天城 聡

(72)【発明者】

【氏名】大岡 愛佳

【テーマコード（参考）】

5H011

【Ｆターム（参考）】

5H011AA03

5H011DD06

5H011FF03

(57)【要約】

【課題】電池セルの体積エネルギー密度を向上させる。
【解決手段】電池セル１０は、電池要素１００と、電池要素１００の所定方向の一方の端部を覆う前方蓋材２１０と、少なくとも一部分が電池要素１００の所定方向の周りに巻き付けられた外装フィルム３００と、を備えている。外装フィルム３００は、電池要素１００の所定方向の周りの少なくとも１つの角において電池要素１００に沿って丸みを帯びている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池要素と、
前記電池要素の所定方向の一方の端部を覆う蓋材と、
少なくとも一部分が前記電池要素の前記所定方向の周りに巻き付けられた外装フィルムと、
を備え、
前記外装フィルムが、前記電池要素の前記所定方向の周りの少なくとも１つの角において前記電池要素に沿って丸みを帯びている、電池セル。

【請求項2】

前記蓋材の、前記電池要素の前記少なくとも１つの角と前記所定方向に並ぶ角が丸みを帯びている、請求項１に記載の電池セル。

【請求項3】

前記外装フィルムにおける前記電池要素の前記所定方向の周りの少なくとも１つの角に折り目が設けられている、請求項１又は２に記載の電池セル。

【請求項4】

前記電池要素の前記所定方向の他方の端部を覆う他の蓋材をさらに備える、請求項１又は２に記載の電池セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池セルに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、リチウムイオン二次電池セル等の電池セルの様々な構造が開発されている。例えば、特許文献１～３に記載されている電池セルは、電池要素、２つの蓋材及び外装フィルムを備えている。２つの蓋材は、電池要素の長手方向の両端部を覆っている。外装フィルムは、電池要素の長手方向の周りに巻き付けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２１／１５７７３１号

【特許文献2】特開２０１１－１０８６２３号公報

【特許文献3】特開２０１１－１０８６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば特許文献１～３に記載されている電池セルでは、外装フィルムが電池要素に十分に強く巻き付けられていないことがある。この場合、電池セルの体積が十分に小さくならないことがある。このため、電池セルの体積エネルギー密度が十分に高くなっていないことがある。

【0005】

本発明の目的の一例は、電池セルの体積エネルギー密度を向上させることにある。本発明の他の目的は、本明細書の記載から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、以下のとおりである。
［１］
電池要素と、
前記電池要素の所定方向の一方の端部を覆う蓋材と、
少なくとも一部分が前記電池要素の前記所定方向の周りに巻き付けられた外装フィルムと、
を備え、
前記外装フィルムが、前記電池要素の前記所定方向の周りの少なくとも１つの角において前記電池要素に沿って丸みを帯びている、電池セル。
［２］
前記蓋材の、前記電池要素の前記少なくとも１つの角と前記所定方向に並ぶ角が丸みを帯びている、［１］に記載の電池セル。
［３］
前記外装フィルムにおける前記電池要素の前記所定方向の周りの少なくとも１つの角に折り目が設けられている、［１］又は［２］に記載の電池セル。
［４］
前記電池要素の前記所定方向の他方の端部を覆う他の蓋材をさらに備える、［１］～［３］のいずれか一に記載の電池セル。

【発明の効果】

【0007】

本発明の上記態様によれば、電池セルの体積エネルギー密度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係る電池セルの前方斜視図である。

【図2】実施形態に係る電池セルの一部分の前方拡大斜視図である。

【図3】実施形態に係る電池セルの右側面図である。

【図4】図３のＡ－Ａ断面模式図である。

【図5】実施形態に係る電池セルの製造方法の第１例を説明するための図である。

【図6】実施形態に係る電池セルの製造方法の第２例を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0010】

図１は、実施形態に係る電池セル１０の前方斜視図である。図２は、実施形態に係る電池セル１０の一部分の前方拡大斜視図である。図３は、実施形態に係る電池セル１０の右側面図である。図４は、図３のＡ－Ａ断面模式図である。図３では、説明のため、外装フィルム３００を透過させた状態で図示している。図４では、後述する引出部分３０４の図示が省略されている。

【0011】

各図には、説明のため、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向が付されている。Ｘ方向は、電池セル１０の前後方向を示している。Ｙ方向は、Ｘ方向に直交している。Ｙ方向は、電池セル１０の左右方向を示している。Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向の双方に直交している。Ｚ方向は、電池セル１０の上下方向を示している。Ｘ方向を示す矢印によって指し示される方向、Ｙ方向を示す矢印によって指し示される方向及びＺ方向を示す矢印によって指し示される方向は、それぞれ、後方向、左方向及び上方向である。ただし、電池セル１０のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、前後方向、左右方向及び上下方向の関係は、この例に限定されない。

【0012】

なお、Ｘ方向、Ｙ方向又はＺ方向を示すＸ付き白丸は、紙面の手前から奥に向かう方向が当該方向を示す矢印によって指し示される方向であることを示している。

【0013】

電池セル１０は、電池要素１００、正極タブ１１０、負極タブ１２０、前方蓋材２１０、後方蓋材２２０及び外装フィルム３００を備えている。外装フィルム３００は、巻付部分３０２及び引出部分３０４を有している。

【0014】

電池要素１００は、略直方体形状となっている。電池要素１００の長手方向は、Ｘ方向に略平行となっている。電池要素１００のＸ方向の長さは、以下に限定されないが、例えば、３００ｍｍ以上５００ｍｍ以下、好ましくは４５０ｍｍ以下である。電池要素１００の短手方向は、Ｚ方向に略平行となっている。電池要素１００のＺ方向の長さは、以下に限定されないが、例えば、９０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下、好ましくは１２０ｍｍ以下である。電池要素１００の厚み方向は、Ｙ方向に略平行となっている。電池要素１００のＹ方向の厚さは、以下に限定されないが、例えば、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、好ましくは４５ｍｍ以下である。ただし、電池要素１００の形状は、この例に限定されない。

【0015】

図４に示すように、電池要素１００は、少なくとも１つの正極１０２、少なくとも１つの負極１０４及び少なくとも１つのセパレータ１０６を有している。図４に示す例において、電池要素１００は、模式的に、１つの正極１０２、２つの負極１０４及び４つのセパレータ１０６を有している。ただし、正極１０２の数、負極１０４の数及びセパレータ１０６の数は、図４に示す例に限定されない。

【0016】

正極１０２及び負極１０４は、Ｙ方向に交互に積層されている。負極１０４のＹ方向に垂直な方向の面積は、正極１０２のＹ方向に垂直な方向の面積より大きくなっている、図４に示す例において、負極１０４のＺ方向の長さは、正極１０２のＺ方向の長さより長くなっている。

【0017】

電池要素１００のＹ方向の両端に位置するセパレータ１０６を除いて、セパレータ１０６は、Ｙ方向に隣り合う正極１０２及び負極１０４の間に位置している。図４に示す例では、最も左側に位置する負極１０４の左側にセパレータ１０６が位置している。また、最も右側に位置する負極１０４の右側にセパレータ１０６が位置している。セパレータ１０６のＹ方向に垂直な方向の面積は、負極１０４のＹ方向に垂直な方向の面積より大きくなっている。図４に示す例において、セパレータ１０６のＺ方向の長さは、負極１０４のＺ方向の長さより長くなっている。

【0018】

図３に示すように、正極タブ１１０は、電池要素１００の前方に配置されている。正極タブ１１０の後端部は、正極集電体１０２ａに電気的に接続されている。正極集電体１０２ａは、正極１０２から前方に向けて引き出されている。これによって、正極タブ１１０は、複数の正極１０２に電気的に接続されている。

【0019】

図３に示すように、負極タブ１２０は、電池要素１００の後方に配置されている。負極タブ１２０の前端部は、負極集電体１０４ａに電気的に接続されている。負極集電体１０４ａは、負極１０４から後方に向けて引き出されている。これによって、負極タブ１２０は、複数の負極１０４に電気的に接続されている。

【0020】

前方蓋材２１０は、電池要素１００の前端部を覆っている。前方蓋材２１０は、例えば、樹脂、金属等からなっている。前方蓋材２１０の前面からは、正極タブ１１０の前端部が突出している。前方から見て、前方蓋材２１０は、Ｘ方向の周りの４角が丸みを帯びた略長方形形状となっている。前方から見て、前方蓋材２１０の長手方向はＺ方向に略平行となっており、前方蓋材２１０の短手方向はＹ方向に略平行となっている。前方蓋材２１０のＸ方向の周りの４角は、電池要素１００のＸ方向の周りの４角とＸ方向に並んでいる。

【0021】

後方蓋材２２０は、電池要素１００の後端部を覆っている。後方蓋材２２０は、例えば、樹脂、金属等からなっている。後方蓋材２２０の後面からは、負極タブ１２０の後端部が突出している。後方から見て、後方蓋材２２０は、Ｘ方向の周りの４角が丸みを帯びた略長方形形状となっている。後方から見て、後方蓋材２２０の長手方向はＺ方向に略平行となっており、後方蓋材２２０の短手方向はＹ方向に略平行となっている。後方蓋材２２０のＸ方向の周りの４角は、電池要素１００のＸ方向の周りの４角とＸ方向に並んでいる。

【0022】

図１及び図２に示すように、巻付部分３０２は、前方及び後方の双方に向けて開口した略筒形状となっている。巻付部分３０２の前方の開口の内部には、前方蓋材２１０が配置されている。巻付部分３０２の後方の開口の内部には、後方蓋材２２０が配置されている。巻付部分３０２は、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周りに１周巻き付けられている。これによって、図４に示すように、前方蓋材２１０、後方蓋材２２０及び巻付部分３０２は、電池要素１００を収容する収容空間５００を形成している。収容空間５００には、電池要素１００とともに、不図示の電解液が収容されている。なお、巻付部分３０２の電池要素１００の巻き付きの態様は、上述した例に限定されない。

【0023】

前方蓋材２１０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の前方の開口のＸ方向の周りの内周面と、は例えば熱融着によって互いに接合されている。これによって、収容空間５００の前方に前方封止部５１０が形成されている。

【0024】

後方蓋材２２０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の後方の開口のＸ方向の周りの内周面と、は例えば熱融着によって互いに接合されている。これによって、収容空間５００の後方に後方封止部５２０が形成されている。

【0025】

図１及び図２に示すように、前方から見て、引出部分３０４は、巻付部分３０２の電池要素１００の左上側の角から引き出されている。具体的には、図４に示すように、引出部分３０４は、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂを含んでいる。第１引出部分３０４ａは、巻付部分３０２のＸ方向の周りの周方向の両端の一方から引き出されている。第２引出部分３０４ｂは、巻付部分３０２のＸ方向の周りの周方向の両端の他方から引き出されている。第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂは、例えば熱融着によって互いに接合されている。これによって、前方から見て、収容空間５００の左上側に側方封止部５３０が形成されている。引出部分３０４は、電池要素１００の上面に沿って折り曲げられている。ただし、引出部分３０４は、折り曲げられていなくてもよい。また、引出部分３０４の折り曲げの形状は、実施形態１に係る形状に限定されない。

【0026】

図４に示すように、巻付部分３０２は、電池要素１００のＸ方向の周りの少なくとも１つの角において電池要素１００に沿って丸みを帯びている。具体的には、電池要素１００のＹ方向の両端に位置するセパレータ１０６のＺ方向の両端部は、電池要素１００のＹ方向の中央に向けて湾曲している。巻付部分３０２は、電池要素１００のＸ方向の周りの４角において、これらのセパレータ１０６のＺ方向の両端部の湾曲に沿って巻き付けられている。例えば、電池要素１００のＹ方向の両端に位置するセパレータ１０６のＺ方向の両端部が電池要素１００のＹ方向の中央に向けて湾曲せずにＺ方向に略平行となっている場合を検討する。或いは、巻付部分３０２の電池要素１００のＸ方向の周りの４角がこれらのセパレータ１０６のＺ方向の両端部の湾曲に沿って巻き付けられずに略直角となっている場合を検討する。実施形態１では、これらの場合と比較して、電池セル１０の体積を小さくすることができる。したがって、実施形態１では、上述した場合と比較して、電池セル１０の体積エネルギー密度を向上させることができる。

【0027】

図１及び図２に示すように、実施形態１では、前方蓋材２１０の、電池要素１００のＸ方向の周りの４角とＸ方向に並ぶ４角が丸みを帯びている。このため、前方蓋材２１０のこれらの４角が丸みを帯びていない場合と比較して、電池要素１００のＸ方向の周りの４角において巻付部分３０２が丸みを帯びやすくすることができる。同様にして、後方蓋材２２０の、電池要素１００のＸ方向の周りの４角とＸ方向に並ぶ４角が丸みを帯びている。このため、後方蓋材２２０のこれらの４角が丸みを帯びていない場合と比較して、電池要素１００のＸ方向の周りの４角において巻付部分３０２が丸みを帯びやすくすることができる。

【0028】

なお、前方蓋材２１０の上述した４角は、いずれも、丸みを帯びていなくてもよい。或いは、前方蓋材２１０の上述した４角のうちの一部の角のみが丸みを帯びていてもよい。同様にして、後方蓋材２２０の上述した４角は、いずれも、丸みを帯びていなくてもよい。或いは、後方蓋材２２０の上述した４角のうちの一部の角のみが丸みを帯びていてもよい。

【0029】

前方から見て電池要素１００の左上側の角、すなわち、電池要素１００のＸ方向の周りの引出部分３０４が引き出された角における巻付部分３０２の丸みの曲率半径は、電池要素１００のＸ方向の周りの残り３つの角における巻付部分３０２の丸みの曲率半径より小さくなることがある。これは、電池要素１００のＸ方向の周りの引出部分３０４が引き出された角が、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂの接合部の起点となっていることによる。すなわち、巻付部分３０２は、電池要素１００のＸ方向の周りの引出部分３０４が引き出された角では、電池要素１００のＸ方向の周りの残り３つの角と比較して、電池要素１００に沿って丸まりにくくなっている。電池要素１００のＸ方向の周りの引出部分３０４が引き出された角における巻付部分３０２の丸みの曲率半径は、例えば、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０の少なくとも一方の角の形状によって調整することができる。

【0030】

図５は、実施形態に係る電池セル１０の製造方法の第１例を説明するための図である。この第１例において、電池セル１０は、以下のようにして製造されている。

【0031】

まず、電池要素１００を製造する。電池要素１００は、少なくとも１つの正極１０２、少なくとも１つの負極１０４及び少なくとも１つのセパレータ１０６を有している。

【0032】

次いで、正極タブ１１０と、前方蓋材２１０と、を互いに接合させる。同様にして、負極タブ１２０と、後方蓋材２２０と、を互いに接合させる。次いで、正極タブ１１０と、正極集電体１０２ａと、を互いに接合させる。同様にして、負極タブ１２０と、負極集電体１０４ａと、を互いに接合させる。ただし、正極タブ１１０と正極集電体１０２ａとを互いに接合させた後、正極タブ１１０と前方蓋材２１０とを互いに接合させてもよい。同様にして、負極タブ１２０と負極集電体１０４ａとを互いに接合させた後、負極タブ１２０と後方蓋材２２０とを互いに接合させてもよい。

【0033】

次いで、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周囲に外装フィルム３００を１周巻き付ける。これによって、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周囲に巻付部分３０２が形成される。また、前方から見て、外装フィルム３００の余長を、引出部分３０４として、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０の左上側の角から引き出す。

【0034】

次いで、前方蓋材２１０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の前方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、前方封止部５１０が形成される。次いで、後方蓋材２２０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の後方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、後方封止部５２０が形成される。図５に示す例では、引出部分３０４の前端部にも前方封止部５１０が形成されている。また、引出部分３０４の後端部にも後方封止部５２０が形成されている。これによって、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂによって注液開口３０４ｃが形成されている。注液開口３０４ｃは、上方に向けて開口されている。収容空間５００は、注液開口３０４ｃを介して外部空間に通じている。次いで、注液開口３０４ｃを介して電解液を収容空間５００の内部に注入する。

【0035】

次いで、収容空間５００を真空封止する。具体的には、注液開口３０４ｃを介して収容空間５００を真空引きした後、第１引出部分３０４ａ及び第２引出部分３０４ｂを熱融着によって互いに接合して側方封止部５３０を形成する。

【0036】

収容空間５００が真空引きされることで、電池要素１００が巻付部分３０２によって圧縮される。したがって、収容空間５００を真空引きすることで、巻付部分３０２を電池要素１００に強く巻き付けることができる。このため、図４に示すように、電池要素１００のＹ方向の両端に位置するセパレータ１０６のＺ方向の両端部は、電池要素１００のＹ方向の中央に向けて湾曲する。したがって、巻付部分３０２は、電池要素１００のＸ方向の周りの４角において、これらのセパレータ１０６のＺ方向の両端部の湾曲に沿って丸みを帯びる。このため、電池セル１０の体積を小さくすることができる。したがって、電池セル１０の体積エネルギー密度を向上させることができる。

【0037】

次いで、引出部分３０４を電池要素１００の上面に沿って折り曲げる。

【0038】

このようにして、電池セル１０が製造される。

【0039】

電池セル１０の製造方法は、上述した例に限定されない。例えば、電池要素１００のＸ方向の周囲に外装フィルム３００を１周巻き付ける前に、外装フィルム３００には電池要素１００のＸ方向の周囲の４つの角の少なくとも一つに沿った折り目が予め形成されていてもよい。例えば、外装フィルム３００の巻き付けの起点又はその近傍における角に折り目が予め設けられていてもよい。この折り目によって、外装フィルム３００を電池要素１００のＸ方向の周囲に巻き付けやすくすることができる。

【0040】

図６は、実施形態に係る電池セル１０の製造方法の第２例を説明するための図である。この第２例は、以下の点を除いて、上述した第１例と同様である。

【0041】

まず、第１例と同様にして、電池要素１００を製造する。次いで、第１例と同様にして、正極タブ１１０と、前方蓋材２１０と、を互いに接合させる。また、負極タブ１２０と、後方蓋材２２０と、を互いに接合させる。次いで、第１例と同様にして、正極タブ１１０と、正極集電体１０２ａと、を互いに接合させる。また、負極タブ１２０と、負極集電体１０４ａと、を互いに接合させる。第２例では、図６に示すように、前方蓋材２１０の前面には、注液孔２１０ａが設けられている。収容空間５００は、注液孔２１０ａを介して外部空間に通じている。

【0042】

次いで、電池要素１００、前方蓋材２１０及び後方蓋材２２０のＸ方向の周りに外装フィルム３００を巻き付けて、巻付部分３０２及び引出部分３０４を形成する。次いで、前方蓋材２１０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の前方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、前方封止部５１０が形成される。次いで、後方蓋材２２０のＸ方向の周りの外周面と、巻付部分３０２の後方の開口のＸ方向の周りの内周面と、を熱融着によって互いに接合する。これによって、後方封止部５２０が形成される。次いで、第１引出部分３０４ａと、第２引出部分３０４ｂと、を熱融着によって互いに接合する。これによって、側方封止部５３０が形成される。

【0043】

次いで、注液孔２１０ａを介して電解液を収容空間５００の内部に注入する。次いで、収容空間５００を真空封止する。具体的には、注液孔２１０ａを介して収容空間５００を真空引きした後、注液孔２１０ａを所定の蓋部材によって塞ぐ。第１例と同様にして、収容空間５００の真空引きによって、巻付部分３０２は、電池要素１００のＸ方向の周りの少なくとも１つの角において電池要素１００に沿って丸みを帯びる。このため、電池セル１０の体積を小さくすることができる。したがって、電池セル１０の体積エネルギー密度を向上させることができる。

【0044】

次いで、第１例と同様にして、引出部分３０４を電池要素１００の上面に沿って折り曲げる。

【0045】

このようにして、電池セル１０が製造される。

【0046】

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

【0047】

例えば、実施形態では、正極タブ１１０及び負極タブ１２０が電池要素１００のＸ方向の互いに反対側に配置されている。しかしながら、正極タブ１１０及び負極タブ１２０の双方が電池要素１００のＸ方向の前側及び後側の一方のみに配置されていてもよい。この場合、電池要素１００の前端部及び後端部は、例えば、２つの蓋材によって覆われている。或いは、電池要素１００の正極タブ１１０及び負極タブ１２０が引き出された側のみが蓋材によって覆われていてもよい。この例において、電池要素１００の蓋材の反対側において、外装フィルム３００が封止されて電池要素１００に沿って折りたたまれていてもよい。

【符号の説明】

【0048】

１０ 電池セル
１００ 電池要素
１０２ 正極
１０２ａ 正極集電体
１０４ 負極
１０４ａ 負極集電体
１０６ セパレータ
１１０ 正極タブ
１２０ 負極タブ
２１０ 前方蓋材
２１０ａ 注液孔
２２０ 後方蓋材
３００ 外装フィルム
３０２ 巻付部分
３０４ 引出部分
３０４ａ 第１引出部分
３０４ｂ 第２引出部分
３０４ｃ 注液開口
５００ 収容空間
５１０ 前方封止部
５２０ 後方封止部
５３０ 側方封止部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】