JP2010050111A

JP2010050111A - 二次電池

Info

Publication number: JP2010050111A
Application number: JP2009275703A
Authority: JP
Inventors: Takenori Ishizu; 竹規石津; Akira Kojima; 亮小島
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: JP4803300B2

Abstract

【課題】積層電極群を構成する極板の積層ずれや短絡を起こすことなく、電池容器内で積層電極群の安定した固定が可能な二次電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池２０は、正極板５と負極板６とをセパレータ７を介して複数枚積層した積層電極群１２が、電池缶８と電池蓋９とで構成される電池容器内に収容されている。セパレータ７は積層電極群１２を支持する電極群支持体３０に熱溶着により固定されており、電極群支持体３０は電池蓋９と嵌合しており電池容器内で位置決めされている。積層電極群１２と電極群支持体３０とが固定され、電極群支持体３０が電池容器内で位置決めされていることにより、振動等により積層電極群３０が電池容器内で移動することがなく正極板５、負極板６の破損を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池に係り、特に、正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群と、積層電極群を収容するステンレス製電池容器とを有する二次電池に関する。

従来、各種機器や車両の電源として二次電池が用いられている。このような二次電池のうち、リチウム二次電池は、電解液として有機溶媒を用いており、水溶液系電解液に比べ著しく導電率が低い。このため、リチウム二次電池では、電極面積を大きくし電極を薄くすることにより、反応抵抗を低減させ充放電性能の向上を図っている。

通常、リチウム二次電池用電極の厚みは数十マイクロメートル（μｍ）から３００μｍ程度であり、電極集電体には数μｍから数十μｍ程度の非常に薄いアルミニウム箔や銅箔が使用されている。従って、リチウム二次電池における積層式電極群の固定は、電極厚みと集電体厚みが数ミリメートルある鉛蓄電池のように電極を電池容器に当接させ、あるいは各電極の集電体強度によって振動に伴う電極群全体の移動を防ぐことは難しい。

この問題を解決するために、積層電極群の積層最外面に板バネを配置して加圧力により固定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４１３９０７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、積層電極群の積層方向のみの加圧であり、三次元的な表現として積層方向をＸ軸方向とすれば、Ｙ軸方向あるいはＺ軸方向の振動に対する保持力は極めて低く、積層電極群が電池容器内で安定に保持されるとは言い難い。このため、Ｙ軸方向あるいはＺ軸方向の振動によって、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、単に電池性能上の低下に止まらず、熱暴走等の電池異常状態への到達など安全上でも考慮すべき課題を有している。

本発明は、上記事案に鑑み、積層電極群を構成する極板の積層ずれや短絡を起こすことなく、電池容器内で積層電極群の安定した固定が可能な二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群と、前記積層電極群を収容するステンレス製電池容器とを有する二次電池において、前記正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは、前記積層電極群を支持するとともに、前記正極板及び前記負極板の活物質合剤層が積層されている箇所を避けた前記積層電極群の外周に配置された電極群支持体に固定され、前記電極群支持体は、前記電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が前記電池容器に形成された溝部に嵌合することで、前記電池容器内で位置決めされているとともに、前記積層電極群の極面方向と交わる方向の前記電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接していることを特徴とする。

本発明の二次電池では、正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群がステンレス製電池容器内に収容されている。正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは積層電極群を支持する電極群支持体に固定されており、電極群支持体は、電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が電池容器に形成された溝部に嵌合することで、電池容器に固定され電池容器内で位置決めされているため、積層電極群が電池容器内部で大きく移動することがなく、振動により電極群が電池容器と衝突することを回避することができる。また、電極群支持体が、正極板及び負極板の活物質合剤層が積層されている箇所を避けた積層電極群の外周に配置されたため、積層方向の厚みが低減して電池寸法が小さくなり、正極板と負極板の各活物質合剤層の反応が確保されて電池容量の低下が抑制され、良好な特性の二次電池を提供することができる。

また、本発明の二次電池では、電極群支持体が、積層電極群の極面方向と交わる方向の電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接しているので、三次元的に積層方向つまり極面方向をＸ軸方向としたときに、極面方向と交わる方向はＹ軸方向あるいはＺ軸方向であり、この極面方向と交わる方向の電池容器又は電池容器に固定された電池構成部材と電極群支持体が当接することにより、Ｙ軸方向あるいはＺ軸方向の振動に対しても電極群が電池内部で移動することが避けられ、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、電池性能の低下や熱暴走などの電池異常状態への到達を避けることができる。

一方、電極群支持体に、積層電極群の極面方向および突起の突出方向と交わる方向の電池容器の内側寸法と同寸法の板状部材が取り付けられていれば、積層電極群の極面方向および突起の突出方向と交わる方向以外の面とも当接するため、振動により電極群が電池容器と衝突することを確実に回避することができる。また、セパレータと電極群支持体とが熱溶着で固定された構成を採れば、両者の固定方法も容易であり、固定のための部材を用いる必要がなく経済的である。更に、セパレータの形状を袋状とすれば、正極板又は負極板のいずれか、あるいは両方が整形された袋状セパレータ内にあるため、セパレータを固定することにより正極板あるいは負極板を位置決めすることができるため生産性が向上すると共に、袋状セパレータを固定することにより正極板と負極板の位置ずれも防止できる。

本発明によれば、正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは積層電極群を支持する電極群支持体に固定されており、電極群支持体は、ステンレス製電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が電池容器に形成された溝部に嵌合することで、電池容器に固定され電池容器内で位置決めされているため、積層電極群が電池容器内部で大きく移動することがなく、振動により電極群が電池容器と衝突することを回避することができるとともに、電極群支持体が、正極板及び負極板の活物質合剤層が積層されている箇所を避けた積層電極群の外周に配置されたため、積層方向の厚みが低減して電池寸法が小さくなり、正極板と負極板の各活物質合剤層の反応が確保されて電池容量の低下が抑制され、良好な特性の二次電池を提供することができ、積層電極群の極面方向と交わる方向の電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接しているので、三次元的に積層方向つまり極面方向をＸ軸方向としたときに、極面方向と交わる方向はＹ軸方向あるいはＺ軸方向であり、この極面方向と交わる方向の電池容器又は電池容器に固定された電池構成部材と電極群支持体が当接することにより、Ｙ軸方向あるいはＺ軸方向の振動に対しても電極群が電池内部で移動することが避けられ、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、電池性能の低下や熱暴走などの電池異常状態への到達を避けることができる、という効果を得ることができる。

本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池の一部破断正面図である。実施形態のリチウム二次電池の一部破断側面図であり、（Ａ）は負極側、（Ｂ）は正極側の側面図である。実施形態の電極群支持体と電池蓋との嵌合部の斜視図である。実施例２の電極群支持体の斜視図である。実施例３の電極群支持体の斜視図である。実施例４の電極群支持体の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明を角型リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。

＜正極板＞
正極活物質としてリチウムマンガン複酸化物粉末と、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８５：１０：５の割合で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に塗布した。その後、乾燥、プレスし、矩形状に裁断することにより厚さ１７０μｍの正極を得た。なお、正極集電体からは正極集電体耳部（図１の符号３参照）が張り出している。

＜負極板＞
負極活物質として非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを負極活物質に対し１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの電解銅箔の両面に塗布した。その後乾燥、プレスし、矩形状に裁断することにより厚さ１３０μｍの負極を得た。なお、負極集電体からは負極集電体耳部（図１の符号４参照）が張り出している。

＜電池の作製＞
図１に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０は、電池容器となる角型でステンレス製の電池缶８を備えている。電池缶８の中央部には、上部方向に集電体耳部が張り出した正極板５及び負極板６を、セパレータ７を介して複数枚積層した電極群１２が収容されている。

セパレータ７はシート状のままでも電池作製が可能であるが、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０では、セパレータ７を固定することにより正極板又は負極板を位置決めすることができ生産性が向上すること、更に、セパレータ７を固定することにより正極板及び負極板の位置ずれも防止できることなどの利点を考慮し、セパレータ７を袋状に整形し、袋内に正極板５を内包する形態を採用した。

リチウムイオン二次電池２０は、ステンレス製の電池容器の一部としての電池蓋９を備えており、電極群１２を電池缶８に挿入した後、電池缶８の上部開口周縁とこの電池蓋９の周縁とを溶接することで封止されている。図１及び図２に示すように、電池蓋９には、アルミニウム製で上部側にネジが螺設された正極端子１、及び、銅製で上部側にネジが螺設された負極端子２が固定されている。正極端子１、負極端子２は、それぞれ、電池蓋９との間に介在する薄い円環状の下パッキン２１、電池蓋９に当接する薄い円環状の上パッキン２２、上パッキン２２に当接する平ワッシャ２３、平ワッシャ２３に当接する歯付きワッシャ２４を介してナット２５で締め付けられており、上パッキン２２及び下パッキン２１の介在により正負極端子部の密閉・封止状態が確保されている。正極集電体耳部３及び負極集電体耳部４は、それぞれ超音波溶接により、正極端子１及び負極端子２の下部に接合されており、正極板５は正極端子１に、負極板６は負極端子２に導通されている。

電極群１２の中央には、電極群１２を支持する矩形板状の電極群支持体３０が配置されている。図３に示すように、電極群支持体３０は電池蓋９側に矩形状に突出した突起３０ａを有している。電池蓋９には細長の溝部９ａが形成されており、突起３０ａは溝部９ａに嵌合している。従って、電極群支持体３０は突起３０ａの溝部９ａへの嵌合により電池缶８内で位置決めされ固定されている。なお、電極群支持体３０に樹脂材料を用いれば、溝部９ａに嵌合した突起３０ａを熱溶融することで溝部９ａは封止されるが、電極群支持体３０に金属材料を用いる場合には、別途シールを行えばよい。

本実施形態では、袋状のセパレータ７が電極支持体３０に固定されている。セパレータ７と電極群支持体３０との固定は、正極板５又は負極板６の活物質が配されている部分と当接していない箇所のセパレータを電極群支持体３０にバンド締め、又は、リベットなどを用いて締結する方法もあるが、本実施形態ではこれらバンド及びリベットを用いない簡易かつ効率的な固定方法として熱溶着が用いられている。このため、電極群支持体３０の材質に、バンド締めやリベットによる締結では金属材料を用いることも可能であるが、セパレータ７との固定に熱溶着を用いるため樹脂材料とした。樹脂材料として厚さ２ｍｍのポリプロピレン製のものを使用した。また、本実施形態では、袋状のセパレータ７の少なくとも３辺の一部が電極群支持体３０に熱溶着されている（図１の熱溶着部３１参照）。セパレータ７の電極群支持体３０に確実に固定するためには、熱溶着部３１の袋状のセパレータ７の各辺に対する長さが各辺の１／２以上であることが好ましい。

また、電池蓋９にはステンレス箔を溶接したガス排出弁１０及び注液口が配設されている。ガス排出弁１０は、電池内圧上昇時にこのステンレス箔が破断して内部のガスを放出する機能を有している。注液口からは、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を溶解した図示しない非水電解液が注入されており、電解液注入後、液口栓１１により注液口は密閉されている。電池容量は１５．０Ａｈである。

次に、本実施形態に従い電極群支持体３０の形状を種々変更して作製したリチウムイオン二次電池２０の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例の電池についても併記する。

＜実施例１＞
実施例１では、図３に示した電極群支持体３０を用いて、すなわち、上記実施形態と同じ電池を作製した。

＜実施例２＞
実施例２では、電極群支持体３０に代えて図４に示す電極群支持体３２を用いて電池を作製した。電極群支持体３２は、電極群１２の極面方向と交わる方向、つまり、電池蓋９、電池缶８の底部、電池缶８の左右の短側面に当接するように配置したこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。なお、電極群支持体３２の材質及び厚さは電極群支持体３０と同じである。

＜実施例３＞
実施例３では、電極群支持体３０に代えて図５に示す電極群支持体３３を用いた。電極群支持体３３は、正極板及び負極板の活物質が配されない電極群外周に、電池蓋９、電池缶８の底部、電池缶８の左右の短側面と当接するように配置した。なお、電極群支持体３３の材質及び厚さは電極群支持体３０と同じである。実施例１、２では電極群支持体３０、３２は活物質合剤層が配される部分にあるが、実施例３では活物質合剤層に電極群支持体３３がなく、この空間を充填するために正極板、負極板、セパレータを増加した。このため、実施例３の電池容量は１５．５Ａｈとなった。これ以外は実施例１と同様に電池を作製した。

＜実施例４＞
実施例４では、電極群支持体３０に図６に示す電極群支持体３４を用いた。電極群支持体３４は、電池缶８の左右の短側面の内側寸法と同寸法の板状部材を図５に示した電極群支持体３３に取り付け、積層電極群の極面方向と交わる方向以外の面、すなわち、電池缶８の長側面、とも当接するように形成したこと以外は、実施例４と同様に電池を作製した。なお、電極群支持体３４の材質及び厚さは電極群支持体３０と同じである。

＜比較例１＞
比較例１では、図１及び図２において電極群支持体３０を用いず、かつ、セパレータ７を袋状にしなかったこと以外は実施例１と同様に電池を作製した。

＜試験・評価＞
以上のように作製した実施例及び比較例の各電池について、振動試験をした。振動試験条件は、３次元の各方向に加速度２９．４ｍ／ｓ^２、周波数５〜５０Ｈｚ、掃引速度０．５Ｈｚ／ｓとした。振動試験前後の電池電圧を比較し、電圧低下の有無を確認するとともに、電池容量確認試験をした。振動試験後の電池を解体し、導電経路の切断や、正極板５及び負極板６の破損の有無を確認した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１の電池は、振動試験前後で電圧低下と電池容量低下を起こした。解体後の調査により正極板の集電体耳部と負極板の集電体耳部の部分切断と正極板及び負極板の活物質合剤層の破損を確認した。しかしながら、実施例１〜４は、振動試験前後で電圧低下及び電池容量低下を起こさず、正極板の集電体耳部と負極板の集電体耳部の破断と正極板及び負極板の破損もなかった。

以上により、本実施形態（実施例１〜４）の電池は、正極板５、負極板６及びセパレータ７の少なくともいずれかが電極群支持体に固定され、電極群支持体が電池容器内で位置決め、あるいは電極群支持体が、積層電極群の極面方向と交わる方向の電池容器（電池缶８、電池蓋９）に固定された電池構成部材に当接しているため、電極群が電池内部で移動することが避けられ、正極と負極の積層ずれによる短絡、あるいは積層電極群端部が電池容器と衝突することによる破損・短絡によって、電池性能の低下や発火などの電池異常状態への到達を避けることができる。また、電極群支持体３３を電極群１２の外周に配置することにより、正極板５及び負極板６の活物質合剤層が積層されている箇所にはないため活物質合剤層の反応を損なうことなく、また、積層電極群厚みを活物質合剤層部以外の部材で増加させることがないため、同一電極群体積で容量を増加することができる。更に、電極群支持体３０との固定方法を熱溶着としたので、部品点数を増加させることがない。また更に、セパレータ７を袋状としたので生産性が向上し、セパレータ７を固定することにより正極板５及び負極板６の位置ずれも防止できることがわかった。

なお、本実施形態では、セパレータ７を電極支持体３０に固定した例を示したが、正極板５又は負極板６を電極支持体３０に固定するようにしてもよい。この場合には、正極集電体耳部３または負極集電体耳部４を電極群支持体３０にバンド締め又はリベットなどを用いて締結（固定）するようにしてもよい。

また、本実施形態では、突起３０ａを電池蓋９に固定した例を示したが、電池缶８の底側に、又は、電池蓋９と電池缶８の底面の両方に固定するようにしてもよい。更に、本実施形態では、袋状のセパレータ７の３辺が電極群支持体３０に熱溶着した例を示したが、４辺を電極群支持体３０に熱溶着するようにしてもよい。

また、本実施形態では、リチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などのアルカリ電池や鉛蓄電池等に適用しても良い。更に、電極群支持体３０の材質は、例示したものに限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のプラスチック類、木材、金属なども使用可能である。更に、電極群支持体の形状は上記実施形態乃至実施例に限定されるものではなく、その効果を有する他の形状も当然のことながら取りうるものである。

そして、本実施形態では、電極群支持体３０は電池缶８と電池蓋９とに当接して位置決めされているが、それに限らず、電池蓋９に間接的に当接することで、すなわち、電池蓋９に固定された電池構成部材と当接することにより位置決めされていてもよい。

本発明は積層電極群を構成する極板の積層ずれや短絡を起こすことなく、電池容器内で積層電極群を安定した固定が可能な二次電池を提供するものであるため、二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

５正極板
６負極板
７セパレータ
８電池缶（電池容器の一部）
９電池蓋（電池容器の一部）
９ａ溝部
１２電極群（積層電極群）
２０リチウム二次電池（二次電池）
３０、３２、３３、３４電極群支持体
３０ａ突起

Claims

正極板と負極板とをセパレータを介して複数枚積層した積層電極群と、前記積層電極群を収容するステンレス製電池容器とを有する二次電池において、前記正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかは、前記積層電極群を支持するとともに、前記正極板及び前記負極板の活物質合剤層が積層されている箇所を避けた前記積層電極群の外周に配置された電極群支持体に固定され、前記電極群支持体は、前記電池容器側に矩形状に突出した突起を有しており、該突起が前記電池容器に形成された溝部に嵌合することで、前記電池容器内で位置決めされているとともに、前記積層電極群の極面方向と交わる方向の前記電池容器又は該電池容器に固定された電池構成部材に当接していることを特徴とする二次電池。
前記電極群支持体が、前記積層電極群の極面方向および前記突起の突出方向と交わる方向の電池容器の内側寸法と同寸法の板状部材が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記セパレータと前記電極群支持体とが、熱溶着で固定されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池。
前記セパレータの形状が袋状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の二次電池。