CN113261138A - 二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个技术方案提供一种二次电池，其特征在于，该二次电池具备：层叠电极体，其是多个电极板隔着隔膜层叠而成的；多个电极极耳，其从多个电极板中的各电极板的一端突出；外装体，其收纳层叠电极体，并具有开口；封口板，其封闭开口；集电体，其设于封口板，且在连接部处与多个电极极耳连接；以及捆扎部，其在连接部与层叠电极体之间将多个电极极耳捆束起来。通过这样的结构，能够提供一种抑制了电极极耳彼此间的摩擦导致的电极极耳的破损的二次电池。

Description

二次电池
技术领域
本发明涉及一种二次电池。
背景技术
被收纳于二次电池的外装体的电极体在来自外部的振动、冲击的作用下，有时会在外装体内移动。在专利文献1中，为了抑制层叠型二次电池的正极板的位置与负极板的位置发生偏移的层叠偏移，公开了向电极体侧面插入间隔件并将电极体相对于外装体固定的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2010/113271号
发明内容
发明要解决的问题
另外，在层叠型二次电池中，存在具备利用从电极体突出的多个电极极耳来悬挂并保持电极体的构造的层叠型二次电池，发现具备那样的构造的层叠型二次电池存在因来自外部的振动、冲击而破损这样的问题。本发明的目的在于，提供一种抑制了电极极耳的破损的二次电池。
用于解决问题的方案
本发明的一个技术方案提供一种二次电池，其特征在于，该二次电池具备：层叠电极体，其是多个电极板隔着隔膜层叠而成的；多个电极极耳，其从多个电极板中的各电极板的一端突出；外装体，其收纳层叠电极体，并具有开口；封口板，其封闭开口；集电体，其设于封口板，且在连接部处与多个电极极耳连接；以及捆扎部，其在连接部与层叠电极体之间将多个电极极耳捆束起来。
发明的效果
采用本发明的一个技术方案，能够抑制电极极耳的破损。
附图说明
图1是表示实施方式的一个例子的方形二次电池的立体图。
图2是沿着图1的A－A线的剖视图。
图3是表示实施方式的一个例子的层叠电极体的立体图。
图4是将图2的正极极耳周边放大后的剖视图。
图5是在沿着图2的B－B线的截面中将正极极耳周边放大后的剖视图。
具体实施方式
根据本发明人的研究，发现在具有利用电极极耳来悬挂并保持电极体的构造的层叠型二次电池中存在因来自外部的振动、冲击而电极极耳破损这样的问题。当如专利文献1所公开那样向电极体侧面插入间隔件并将电极体相对于外装体固定时，存在这样的问题：产生难以将电极体向外装体插入这样的新问题。另外，近年来，电池的高容量化正在发展，在充电时和放电时，电极体的大小会大幅变化，因此，若将电极体相对于外装体固定，则还存在如下问题：在充放电时压缩应力、拉伸应力施加于电极体，可能使电极体变形，而引起内部短路。因此，本发明人研究了对来自外部的振动、冲击所导致的电极极耳的破损进行抑制的方法，发明了本发明的一个技术方案的二次电池。
本发明的一个技术方案提供一种二次电池，其特征在于，该二次电池具备：层叠电极体，其是多个电极板隔着隔膜层叠而成的；多个电极极耳，其从多个电极板中的各电极板的一端突出；外装体，其收纳层叠电极体，并具有开口；封口板，其封闭开口；集电体，其设于封口板，且在连接部处与多个电极极耳连接；以及捆扎部，其在连接部与层叠电极体之间将多个电极极耳捆束起来。
以下，详细说明实施方式的一个例子。此外，将本说明书和图1～图5的纸面纵向称作“上下方向”。
使用图1和图2来说明实施方式的一个例子的二次电池100的结构。图1是表示实施方式的一个例子的二次电池100的外观的立体图，图2是图1的包含A－A线的上下方向的剖视图。如图1和图2所示，二次电池100具备电池壳体20，该电池壳体20具有外装体1和封口板2，该外装体1具有开口，该封口板2将该开口封闭。外装体1和封口板2分别优选为金属制，例如，能够为铝制或铝合金制。外装体1具有底部1a、一对大面积侧壁1b和一对小面积侧壁1c，该外装体1是在与底部1a相对的位置具有开口的方形的有底筒状的外装体。图1所示的二次电池100是具有方形的外装体1(方形的电池壳体20)的方形二次电池的例子，但本实施方式的二次电池并不限定于此，也可以是具有圆筒形的外装体(圆筒形的电池壳体)的圆筒形二次电池、具有将树脂片层压而形成的层压形的外装体(层压形的电池壳体)的层压形二次电池等。封口板2通过激光焊接等连接于方形的外装体1的开口缘部。
封口板2具有电解液注入孔17。在注入后述的电解液之后，电解液注入孔17被密封塞18密封。另外，封口板2具有气体排出阀19。在电池内部的压力达到预定值以上的情况下，该气体排出阀19发挥作用而将电池内部的气体排出到电池外部。
在封口板2，以向电池壳体20外突出的方式安装有正极端子10。具体而言，正极端子10被插入到形成于封口板2的正极端子安装孔中，正极端子10以利用配置于正极端子安装孔的电池外侧的外部侧绝缘构件13、配置于正极端子安装孔的电池内侧的内部侧绝缘构件12而与封口板2电绝缘的状态安装于封口板2。正极端子10在电池壳体20内与正极集电体8电连接。正极集电体8隔着内部侧绝缘构件12设于封口板2。内部侧绝缘构件12和外部侧绝缘构件13分别优选为树脂制。
另外，在封口板2，以向电池壳体20外突出的方式安装有负极端子11。具体而言，负极端子11被插入到形成于封口板2的负极端子安装孔中，负极端子11以利用配置于负极端子安装孔的电池外侧的外部侧绝缘构件15、配置于负极端子安装孔的电池内侧的内部侧绝缘构件14而与封口板2电绝缘的状态安装于封口板2。负极端子11在电池壳体20内与负极集电体9电连接。负极集电体9隔着内部侧绝缘构件14设于封口板2。内部侧绝缘构件14和外部侧绝缘构件15分别优选为树脂制。
二次电池100具备层叠电极体3和电解液，外装体1收纳层叠电极体3和电解液。如后述那样，层叠电极体3具有正极板31和负极板32隔着隔膜33层叠而成的层叠构造。在层叠电极体3的上部，正极极耳5从正极板31突出，负极极耳6从负极板32突出，正极极耳5在连接部40处通过焊接等连接于正极集电体8，负极极耳6在连接部40处通过焊接等连接于负极集电体9。在连接部40与层叠电极体3之间，正极极耳5和负极极耳6分别被捆扎部41捆束。
二次电池100能够具有配置在层叠电极体3与外装体1之间的绝缘片16。绝缘片16例如与外装体1同样地具有在上部具有开口的有底箱状或袋状的形状。通过使绝缘片16具有在上部具有开口的有底箱状或袋状的形状，能够将层叠电极体3从绝缘片16的开口插入，并利用绝缘片16来覆盖层叠电极体3。
绝缘片16的原材料若为具有电绝缘性、不会被电解液侵蚀的化学稳定性和不会相对于二次电池100的电压发生电解的电稳定性的原材料，则不特别限定。作为绝缘片16的原材料，例如，从工业通用性、制造成本和品质稳定性的观点出发，能够使用聚乙烯、聚丙烯、聚氟乙烯等树脂材料。此外，绝缘片16未限定于上述箱状或袋状等那样的壳体状的形状。例如，也可以将在横向和纵向这两个方向上延伸的平面形状的绝缘片16沿横向和纵向这两个方向卷绕于层叠电极体3的周围。由此，能够利用平面形状的绝缘片16来覆盖层叠电极体3。
电解液包含溶剂和溶解于溶剂的电解质盐。溶剂能够使用非水溶剂和水溶剂中的任一种。在使用非水溶剂的情况下，电解液为非水电解液。对于非水溶剂，例如可以使用碳酸酯类、酯类、醚类、腈类、酰胺类和它们中的两种以上的混合溶剂等。作为碳酸酯类，可列举出碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等环状碳酸酯类；碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、异丙基碳酸甲酯等链状碳酸酯类。非水溶剂也可以含有用氟等卤素原子将上述溶剂的氢的至少一部分取代而得到的卤素取代体。此外，电解液并不限定于液体电解质，也可以是使用了凝胶状聚合物等的固体电解质。电解质盐包含锂盐。对于锂盐，能够使用在以往的二次电池100中通常被用作支持盐的LiPF6等。另外，也能够适当添加碳酸亚乙烯酯(VC)等添加剂。
接下来，使用图3来详细说明层叠电极体3和电极极耳4(正极极耳5和负极极耳6)。层叠电极体3具有多个电极板30隔着隔膜33层叠而成的层叠构造，换言之具有正极板31和负极板32隔着隔膜33交替地层叠而成的层叠构造。正极板31具有金属制的正极芯体和在正极芯体上形成的、包含正极活性物质的正极活性物质层31a。对于正极芯体，能够使用铝等在正极板31的电位范围内稳定的金属的箔、在表层配置有该金属的薄膜等。正极芯体的厚度例如为10μm～20μm。负极板32具有金属制的负极芯体和在负极芯体上形成的、包含负极活性物质的负极活性物质层32a。对于负极芯体，能够使用铜等在负极板的电位范围内稳定的金属的箔、在表层配置有该金属的薄膜等。负极芯体的厚度例如为5μm～15μm。在二次电池100中，正极板31的大小优选比负极板32的大小稍小。
电极极耳4从形成层叠电极体3的多个电极板30中的各电极板30的一端突出。换言之，正极极耳5从正极板31的一端突出，负极极耳6从负极板32的一端突出。各正极板31在大致相同位置具有正极极耳5，因此，在层叠电极体3中，正极极耳5在层叠方向上排成一列。同样地，各负极板32在大致相同位置具有负极极耳6，因此，在层叠电极体3中，负极极耳6在层叠方向上排成一列。
对于正极极耳5，能够使用铝等在正极板31的电位范围内稳定的金属的箔、在表层配置有该金属的薄膜等。正极极耳5的厚度例如为10μm～20μm。对于负极极耳6，能够使用铜等在负极板的电位范围内稳定的金属的箔、在表层配置有该金属的薄膜等。负极芯体的厚度例如为5μm～15μm。在本实施方式中，在正极芯体或负极芯体分别连接其他导电构件，来作为正极极耳5或负极极耳6。此外，也能够是，正极芯体延伸出而构成正极极耳5，负极芯体延伸出而构成负极极耳6。优选的是，在正极极耳5的根部分设置绝缘层或电阻比正极芯体的电阻高的保护层。
优选的是，正极活性物质层31a包含正极活性物质、碳等导电助剂和聚偏氟乙烯(PVdF)等粘结剂，并设于正极芯体的两个面。正极板31能够通过以下方式制作：在正极芯体上涂敷包含正极活性物质、导电助剂和粘结剂等的正极活性物质浆料，使涂膜干燥之后，利用辊等进行压缩而在正极芯体的两个面形成正极活性物质层31a。此外，正极活性物质层31a也能够仅设于正极芯体的单面。
对于正极活性物质，例如能够使用锂金属复合氧化物。作为锂金属复合氧化物所含有的金属元素，可列举出Ni、Co、Mn、Al、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、In、Sn、Ta、W等。较佳的锂金属复合氧化物的一个例子是含有Ni、Co、Mn中的至少1种的锂金属复合氧化物。作为具体例，可列举出含有Ni、Co、Mn的锂金属复合氧化物、含有Ni、Co、Al的锂金属复合氧化物。此外，在锂金属复合氧化物的颗粒表面也可以固着有氧化钨、氧化铝、含镧系元素的化合物等无机化合物颗粒等。
优选的是，负极活性物质层32a包含负极活性物质、丁苯橡胶(SBR)等粘合材料、羧甲基纤维素(CMC)等增稠剂，并设于负极芯体的两个面。负极板32能够通过以下方式制作：在负极芯体上涂敷包含负极活性物质和粘结剂等的负极活性物质浆料，使涂膜干燥之后，利用辊等进行压缩而在负极芯体的两个面形成负极活性物质层32a。此外，负极活性物质层32a也能够仅设于负极芯体的单面。
对于负极活性物质，例如能够使用鳞片状石墨、块状石墨、土状石墨等天然石墨、块状人造石墨、石墨化中间相碳微球等人造石墨等石墨。对于负极活性物质，既可以使用Si、Sn等与锂合金化的金属、含有该金属的合金、含有该金属的化合物等，也可以将它们与石墨并用。作为该化合物的具体例，可列举出由SiOx(0.5≤x≤1.6)表示的硅化合物。
对于隔膜33，能够使用具有离子透过性和绝缘性的多孔性片。隔膜33例如包含以从聚烯烃、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚砜、聚醚酰亚胺和芳族聚酰胺中选择出的至少1种物质为主要成分的多孔质基材，优选聚烯烃，特别优选聚乙烯和聚丙烯。隔膜33可以仅由树脂制的多孔质基材构成，也可以是在多孔质基材的至少一个面形成有包含无机物颗粒等的耐热层等的多层构造。另外，树脂制的多孔质基材也可以具有聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯等的多层构造。对于隔膜33，例如，其平均孔径为0.02μm～5μm，孔隙率为30％～70％。
图4是将正极极耳5周边放大后的剖视图。以下，在图4和图5中说明捆扎部41，例示在正极极耳5设有捆扎部41的情况。在对于负极极耳6应用同样的构造的情况下，当然也能够获得相同效果。优选在正极极耳5和负极极耳6这两者都设置捆扎部41。从各正极板31的一端突出的多个正极极耳5在连接部40处与正极集电体8连接。通过在连接部40与层叠电极体3之间利用捆扎部41来捆束多个正极极耳5，能够抑制在来自外部的振动、冲击的作用下正极极耳5彼此间相对地移动，产生摩擦而发生磨损。特别是，若正极极耳5为金属的箔，则有时在正极极耳5的宽度方向的两端部(图4的正极极耳5的左右边)产生毛刺，正极极耳5彼此间摩擦之际的磨损较严重，因此捆扎部41的效果显著。
使用图5来说明捆扎部41的优选的形态。图5是在沿着图2的B－B线的截面中将正极极耳5周边放大后的剖视图。从层叠电极体3的上部突出的多个正极极耳5以一定的间隔排成一列，并在层叠方向的大致一半处分开，成为两部分，分别沿着层叠方向集中于正面近前侧和正面进深侧(图5的左右)并通过焊接等在连接部40处连接于正极集电体8。多个正极极耳5在连接部40处相互通过焊接等而固定在一起，因此不会摩擦，但在连接部40与层叠电极体3之间，在来自外部的振动、冲击的作用下，层叠电极体3会在层叠方向上移动，由此会在正极极耳5之间的距离狭窄的部分产生摩擦。为了谋求二次电池100的高容量化，对于电池壳体20内的容积而言，层叠电极体3占据大部分，因此，层叠电极体3和正极集电体8较近，正极极耳5在弯折部42处较大地弯折。在弯折部42，正极极耳5向层叠方向弯折，由此正极极耳5彼此间的间隔变窄，因此，特别容易在弯折部42产生正极极耳5彼此间的摩擦，另外，应力容易集中于一部分极耳。
多个正极极耳5具有弯折了的弯折部42，捆扎部41能够在弯折部42捆扎多个正极极耳5。在弯折部42，正极极耳5彼此间接近，因此，在来自外部的振动、冲击的作用下，正极极耳5彼此间容易摩擦，另外，应力容易集中于一部分极耳。通过在弯折部42设置捆扎部41并捆扎正极极耳5，能够抑制弯折部42处的正极极耳5的磨损、抑制应力集中于一部分极耳。
捆扎部41能够具有利用树脂构件来夹持多个正极极耳5的构造。图4和图5所示的实施方式的一个例子中的树脂构件(捆扎部41)具有比正极极耳5的宽度长的矩形形状，通过利用热熔接等使该树脂构件(捆扎部41)的两端相互粘接来夹持正极极耳5。此外，只要为能够夹持正极极耳5的形状即可，也可以选择弯曲形状等除矩形以外的形状。若为树脂构件，则即使在万一因某些影响导致树脂构件破损而从正极极耳5脱离的情况下，也不会产生意外的通电，因此，能够提高电池的可靠性。作为树脂构件，若为绝缘性的树脂构件，则没有特别限定，例如，能够使用聚乙烯、聚丙烯、聚氟乙烯等。
捆扎部41能够具有利用粘接剂将多个正极极耳5粘接起来的构造。作为实施方式的一个例子，能够在弯折部42利用粘接剂将多个正极极耳5彼此间粘接起来。通过利用粘接剂进行粘接，能够抑制弯折部42处的正极极耳5彼此间的摩擦。作为粘接剂，若为能够将多个正极极耳5粘接起来的粘接剂，则没有特别限定，能够使用丙烯酸系或环氧树脂系等的热固性树脂粘接剂。此外，粘接剂也能够与使用上述树脂构件进行夹持的构造并用。
能够将捆扎部41的一端固定于封口板2。在该情况下，通过将捆扎部41固定于封口板2，正极极耳5即使受到来自外部的振动、冲击也不会移动，因此能够更可靠地抑制正极极耳5彼此间的摩擦。另外，捆扎部41的一端也可以隔着内部侧绝缘构件12或内部侧绝缘构件14固定于封口板2。作为固定的方法，存在将捆扎部41通过粘接、嵌合、凿紧等来固定于内部侧绝缘构件12或内部侧绝缘构件14的方法、使捆扎部41的树脂构件与内部侧绝缘构件12或内部侧绝缘构件14一体成形的方法。若内部侧绝缘构件12或内部侧绝缘构件14和捆扎部41均为树脂制，则捆扎部41容易粘接于内部侧绝缘构件12或内部侧绝缘构件14，捆扎部41容易与内部侧绝缘构件12或内部侧绝缘构件14一体成形。
实施例
以下，通过实施例来进一步说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。
＜实施例＞
在将作为正极活性物质的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、作为粘结剂的聚偏氟乙烯(PVdF)和作为导电材料的碳以92：4：4的重量比混合之后，使其分散于N-甲基-2-吡咯烷酮，制备出正极复合材料浆料。在将该浆料涂布于作为正极芯体的厚度15μm的铝箔之后，使其干燥，利用辊进行压缩之后，按预定的电极尺寸切断，制作出在方形形状的正极芯体的两个面形成有正极复合材料层的正极。此外，通过使正极芯体在正极的端部暴露来设置正极极耳。
在将作为负极活性物质的天然石墨、作为粘结剂的丁苯橡胶(SBR)、以及羧甲基纤维素以96：2：2的重量比混合之后，使其分散于水，制备出负极复合材料浆料。在将该浆料涂布于作为负极芯体的厚度10μm的铜箔之后，使其干燥，利用辊进行压缩之后，按预定的电极尺寸切断，制作出在方形形状的负极芯体的两个面形成有负极复合材料层的负极。此外，通过使负极芯体在负极的端部暴露来设置负极极耳。
制作了将负极板、作为隔膜的聚乙烯、正极板以负极板、隔膜、正极板的顺序层叠多个而成的层叠电极体。然后，将制作出的层叠电极体插入于在上部具有开口的箱状的绝缘片。将层叠电极体的正极极耳和负极极耳分别连接于在封口板安装的正极端子和负极端子，并将它们同时插入方形的外装体并确认了正极极耳和负极极耳所弯折的弯折部的位置。然后，以在弯折部处分别夹持正极极耳和负极极耳的方式将一对树脂构件压紧并利用热熔接进行了固定。之后，利用封口板将外装体的开口封闭，从而制作了二次电池。
在本发明中，在未注入电解液的情况下进行了后述的振动试验。与注入了电解液的情况相比，在未注入电解液的情况下，相对于来自外部的振动、冲击，层叠电极体更容易移动，因此，未注入电解液的情况为更严格的试验。
＜比较例＞
未设置捆扎部，除此以外，与实施例同样地制作了二次电池。
＜振动试验＞
振动试验是使实施例和比较例的二次电池沿层叠电极体的层叠方向振动而进行的。对于振动试验，在1次的振动试验循环中，一边以峰值加速度10G且以正弦波对数扫描25Hz预定时间而使波数变化一边使二次电池振动。在施加振动之后，每进行5万次循环就利用X射线透过像来确认正极极耳和负极极耳是否存在破损，利用确认到破损的循环次数进行了评价。
将实施例和比较例的二次电池的结果汇总于表1。表1所示的值是将确认到比较例的破损的循环次数作为1时的相对值。
[表1]
实施例 比较例
确认到破损的循环次数 4.9 1
由表1可知，利用捆扎部捆扎了电极极耳的实施例的耐久性是未设置捆扎部的比较例的耐久性的4.9倍。因而，如下那样的二次电池能够抑制电极极耳的破损，该二次电池具有：层叠电极体，其是多个电极板隔着隔膜层叠而成的，并具有从多个电极板中的各电极板突出的多个电极极耳；外装体，其收纳层叠电极体，并具有开口；封口板，其封闭开口；集电体，其设于封口板，且与多个电极极耳连接；以及捆扎部，其将多个电极极耳捆束起来。
附图标记说明
1、外装体；2、封口板；3、层叠电极体；4、电极极耳；5、正极极耳；6、负极极耳；7、集电体；8、正极集电体；9、负极集电体；10、正极端子；11、负极端子；12、14、内部侧绝缘构件；13、15、外部侧绝缘构件；16、绝缘片；17、电解液注入孔；18、密封塞；19、气体排出阀；20、电池壳体；30、电极板；31、正极板；31a、正极活性物质层；32、负极板；32a、负极活性物质层；33、隔膜；40、连接部；41、捆扎部；42、弯折部；100、二次电池。

Claims (5)

1.一种二次电池，其中，
该二次电池具备：
层叠电极体，其是多个电极板隔着隔膜层叠而成的；
多个电极极耳，其从所述多个电极板中的各电极板的一端突出；
外装体，其收纳所述层叠电极体，并具有开口；
封口板，其封闭所述开口；
集电体，其设于所述封口板，且在连接部处与所述多个电极极耳连接；以及
捆扎部，其在所述连接部与所述层叠电极体之间将所述多个电极极耳捆束起来。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述多个电极极耳具有弯折了的弯折部，
所述捆扎部在所述弯折部处将所述多个电极极耳捆扎起来。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池，其中，
所述捆扎部具有利用树脂构件来夹持所述多个电极极耳的构造。
4.根据权利要求1或2所述的二次电池，其中，
所述捆扎部具有利用粘接剂将所述多个电极极耳粘接起来的构造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的二次电池，其中，
所述捆扎部的一端固定于所述封口板。
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