JP2012059363A - 電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極体と、積層電極体を収納した電池容器と、電池容器に収納された電解液と、積層電極体を電池容器に収納する際の挿入ガイドとなる絶縁シートであって、収納された積層電極体と電池容器との間に配置され、且つ、配置された状態において電池容器の底に近接した開口部が形成されている絶縁シートとを有し、開口部によって電解液の対流が促進されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
積層電極体を収納する電池容器としては、プラスチック製や金属製がある。アルミニウムなどの金属製の電池容器(電池缶という)の場合には、積層電極体の電極板が電池缶に接触しないように、積層電極体と電池缶との間に介在するように絶縁性を備えた絶縁板または絶縁シートが配置される場合がある。
この際、積層型の電池であれば、電池を製造して使用した際に、複数の正極板または負極板が所定位置からズレることを防止、すなわち積層ズレを防止するため、これら電極板と同形状である板状の上記絶縁板または絶縁シート(特許文献1中では加圧シート又は補助シートと記載)を少なくとも2つ用意し、これら絶縁シート等で積層電極体を挟みこんで加圧する構成とすることもできる。
電池容器を外部から空冷または水冷等して冷却することで当該中心部の熱を早々に電池容器外部へ放熱する試みもあるが、上述のような積層電極体と電池容器との間に介在する絶縁板または絶縁シートが配置される構成であると、絶縁体は一般的に金属素材に比べ熱伝導率が低いため、放熱の程度は未だ十分なものではなかった。
特に、特許文献1に記載の構成のように、電極板と同形状の板状の2つの絶縁シート等で挟みこんだ積層電極体を複数積層した構成においては、互いの積層電極体への熱伝導も当該絶縁シート等で阻害され、電池容器内の中心部において熱が籠もりやすいといえる。
放熱の程度が不十分であると電池に故障が生じる恐れがあるため、放熱を十分に図る必要がある。
図1は、本実施形態の電池1の透視斜視図であり、図2は電池1に配置される1つの電池ブロック2(積層電極体3を含む)の構成を示す斜視図である。電池1は、電池ブロック2を1つのユニットとして、当該ユニットを3つ積層した構成の電池(図1参照)であり、ここではリチウムイオン二次電池として説明する。
積層電極体3は、袋状のセパレータ4に内包された略矩形の負極板5の上に、当該セパレータ4の上からリチウム元素を含む正極活物質、例えばマンガン酸リチウムなどを正極活物質とした略矩形の正極板6が積層され、さらに当該正極板6の上に、袋状のセパレータ4に内包され且つ人造黒鉛などを負極活物質とする略矩形の負極板5が積層された構成である。すなわち、負極板、セパレータ、正極板、セパレータ、負極板と順次積層された構成となる。負極板5が略矩形であることから、袋状のセパレータ4も略矩形である。負極板5は正極板6よりも大きく、セパレータ4は負極板5より大きい。そして、図のように当該積層の方向をZ方向とすると、Z方向から見て、正極板6は負極板5の面内に配置される(以下、この状態を、電極板が所定位置に配置されているという)。
ここでは、積層電極体3は2つの負極板5と1つの正極板6が順次セパレータを介して積層された構成となっているが、複数の負極板5と複数の正極板6とがそれぞれセパレータを介して積層された構成であれば、これら電極板の枚数は設計仕様によりいかようにも変更可能である。また、ここでは袋状のセパレータ4を用いたが、負極板5と正極板6との間に配置されるセパレータであれば、袋状でなくともよい。
負極板5および正極板6は、上述のようにそれぞれ略矩形であるが、後述の電極端子(正極端子、負極端子)と電気的に接続するために用いられる電極タブ(正極タブ、負極タブ)が、略矩形のこれら電極板に接続し且つ突出する状態で形成されている。ここでは、XY平面に電極板(正極板、負極板)を配置したとき、負極板5に形成される負極タブ10は、X軸方向の幅の中心より+X方向に偏り且つ負極板5から+Y方向へ突出するように配置される。一方、正極板6に形成される正極タブ11は、X軸方向の幅の中心より−X方向に偏り且つ正極板6から+Y方向へ突出するように配置される。
そして、絶縁シート7には、Y軸方向に存在する2つの辺のそれぞれから絶縁シート7の内部に向けてY軸に沿って切り欠かれた開口部14、15が備えられている。当該開口部14、15の構成の詳細および機能については、後述する。
同様に、ここでは、積層電極体3の側面の側(X軸方向における電極板の2辺の側)の両側から積層電極体3を挟み込むようにYZ平面に1対の絶縁シート8が配置され、絶縁テープ13で1対の絶縁シート7と共に固定されている。絶縁シート8は、絶縁シート7のY軸方向の幅の寸法と実質的に同一の長さをY軸方向に備えるとともに、積層電極体3のZ方向の厚みの寸法と2つの絶縁シート7の厚みを加算した寸法と実質的に同一の長さをZ軸方向に備える略矩形の形状である。この絶縁シート8も、絶縁シート9と同様に電池容器が電池缶である場合に特に有用であり、積層電極体3が電池缶の内壁に接触して短絡することを防止することができる。
これら絶縁シート8、9は、電池容器が導電性の電池缶でなければ配置しなくてもよい。
さらに、絶縁テープ12、13は、同様に電解液に耐性があり且つ絶縁性を備えたプラスチック樹脂を用いたテープであり、上記加圧した状態が維持できるように、その本数、当該テープを貼り付ける位置は適宜設計変更可能である。
電池容器18は、開口のある容器本体16と当該開口を塞ぐ蓋17から構成される。3つの電池ブロック2を順次または同時に容器本体の内部へ収納した後、当該開口を蓋で塞ぐことで、電池容器は密閉される。電池容器18が金属製である場合にはレーザー溶接などで容器本体16と蓋17が溶接されて電池容器18の密閉・密封がなされ、プラスチック製である場合には接着または溶着(熱で溶かして接着すること)されて電池容器18の密閉・密封がなされる。なお、電池ブロック2が略直方体の形状であるので、電池容器18も略直方体の形状である。
本実施形態の電池ブロック2では積層電極体3の周囲に絶縁シート7、8、9(容器本体16の側面の内壁に向かって絶縁シート7及び8が配置され、容器本体16の底面の内壁に向かって絶縁シート9が配置されることになる)が配置されてなる。これら絶縁シートは、挿入ガイドとしての機能(容器本体16へ電池ブロック2の挿入の際、これら絶縁シートが容器本体16へ接触することで当該挿入を容易とし且つ当該挿入時の電極板の折れ曲がり等を防止する機能)と保護シートとしての機能(電池使用時に振動等が発生した場合においても、電極板を支えて電極板の折れ曲がり等を防止する機能)を有する。従って、容器本体16へ電池ブロック2を挿入する際に製造容易となるので製造能力の向上を図ることができ、また、電極板の折れ曲がりによる電池故障(電極短絡など)の防止も可能となる。なお、いずれの機能も、絶縁シートを上記張りのある厚みとすることで、より強化することができる。本実施形態では、絶縁シート7が上記張りのある厚みであるので、これらの機能が効果的に発揮される。
また、蓋17には安全弁23が予め形成されている。これは、電池1が使用された際に、万一、電池容器18内にガスが発生した場合に備えるものであり、電池容器18内が所定のガス圧となった場合に安全弁23が破断してガスを放出することで、電池容器18自体の破裂を防止する。
さらに、蓋17には、電解液を容器本体16へ注入する注液口24が予め形成されている。電池容器18が上述のように密閉された後に、注液口24から電解液が所定量だけ注入され、その後、注液口24が溶接・溶着等で密閉される。なお、電池1は、図1には示されていないが、かかる電解液が注入され且つ注液口24が密閉された状態の図1の構成で完成となる(完成した状態の電池1には、所定量の電解液が収納されていることになる)。
電池1が使用されると、すなわち放電(または充電)がなされると電池ブロック2の内部に熱が発生する。そして、電池ブロック2が多く積層されるほど、その中央部分の電池ブロック2は容器本体16の壁面から遠くなるため、電池容器18を空冷または水冷等して冷却した場合においても、やはり当該中央部分の電池ブロック2の熱は容易に放熱することができない。
そこで、本発明の電池1では、複数の電池ブロック2の絶縁シート7に切り欠かれた開口部14、15を形成し、電解液の対流を積極的に利用して、各電池ブロック2の放熱を促進するものである。当該対流を利用するため、開口部14が特に重要である。
従って、図3の矢印で示すように、電解液は流れようとする。この際、仮に絶縁シート7に開口部14が配置されていなければ、それは単に電極板と同形状の板状の絶縁シートであるので、電解液は絶縁シートによって流れが遮られることになる。しかし、絶縁シート7に開口部14が設けられることによって電解液の流れを阻害しない箇所ができる。このため、結果として電解液の流路が形成され、対流が促進されることになるのである。
また、開口部14を絶縁シート7の端(電池容器18の底に最も近接したY軸上の辺)から切り欠いて形成しているのは、より広範囲に電解液を対流させることで効率的に放熱をさせるためである。
これにより、図中の矢印のような電解液の対流を促進することができる。積層電極体3の積層方向への電解液の流れについては、例えば2枚のセパレータの周囲を溶着して袋状とする場合には、袋状セパレータ4に内包された負極板5の周囲に存在する当該溶着部分を含むその近傍を電解液が通過することで生じる。
なお、開口部15も開口部14と同様に流路を形成するためのものであるが、電解液の液面25がY軸方向からみて絶縁シート7の端部よりも蓋17側にある場合には、すでに十分な流路が形成されているので形成しなくともよい。
このように電解液の対流が促進されることで、各電池ブロック2で発生した熱は、単に物質間の熱伝導のみならず、電解液によっても電池容器の壁面近傍まで運ばれることになる。電池容器に電池ブロック2が収納されることからも明らかなように、電池容器の内径よりも収納される電池ブロック2の総寸法は小さい。すなわち、電解液は電池容器の壁面と電池容器に最も近接する絶縁シート7との間にも存在し、ここでも電解液の対流が促進されることになる。従って、対流により電池容器の壁面まで運ばれた熱は、電池容器と直接的に当該熱を含む電解液が接することで、電池容器外部に効率良く放熱されることになる。すなわち、熱伝導のみならず電解液の対流を積極的に利用することで熱交換を促進することができる。
開口部15は、形成される場合においては、開口部14と同様の形状とするのが、電池1の製造上有利である。もちろん、上記対流を促進することができれば、互いに異なる形状としてもよい。
さらに電解液の対流を促進・活性化させるため、絶縁シート7の内部に上記開口部14の形状に匹敵する貫通孔を形成してもよい。当該貫通孔の形状は、電解液の流路を形成して対流を容易とするためのものであればいかような形状でもよいので、円形のみならず三角状、四角状のものであってもよい。ただし、上記挿入ガイドとしての機能および電極板の折れ曲がり等を防止する保護シートとしての機能を発揮させるよう、絶縁シート7の剛性を鑑みてその形状が設計されるのが望ましいのは同様である。絶縁シート8が配置される場合には、絶縁シート7の開口部14または15と同様の開口部を形成するとより電解液の対流が容易となるので、なお放熱に効果的である。この場合に、絶縁シート8の内部に貫通孔を形成してもよいのは、絶縁シート7と同様である。
また、上記構成において絶縁シート自体を微細な多孔質のシート(孔の直径は約20μm程度)とすると、開口部14、15や上記貫通孔の効果に併せてさらに放熱に効果的である。開口部14等の設けられていない多孔質の絶縁シートだけでは電解液の対流はさほど活性化されないが、開口部14等の設けられた絶縁シートがさらに多孔質である場合には、多孔質でない場合に比べ、当該微細な孔を通過する微量の電解液により放熱に対する補助的な効果が期待できる。
次に、上記実施形態における電池の第一変形例について、図4を用いて説明する。
上記実施形態では、絶縁シート7、8、9が各々独立した部材として配置されていたが、本変形例でこれらを一体とした絶縁シート26を用いるので、電池製造時の組立効率を改善することができる。他の構成は、上記実施形態の電池1と同一であるので、説明を省略する。
絶縁シート26中、上記絶縁シート7、8、9に相当する部位間を連結する部分は当該相当する部位よりも厚みが薄くなっており、容易に屈折することができる。かような構成は、型にプラスチック樹脂を流し込むことで容易に製造することができる。または、各々独立した部材として用意した絶縁シート7、8、9を、適宜、互いに溶着して一体に形成してもよい。
次に、上記実施形態における電池の第二変形例について、図5を用いて説明する。
本変形例では、第一変形例で示した絶縁シート26を別体である絶縁シート27と絶縁シート28の2つの部位に分けている。他の構成は、第一変形例と同一であるので、説明を省略する。
二次電池においては、長期間の充電および放電がなされると積層電極体3が積層方向に膨張する現象が知られている。変形例1で用いた絶縁シート26は一体形成されているためこの膨張への追従が容易でなく、場合によっては電池故障を引き起こす恐れもある。そこで、当該膨張に追従可能とすべく、2つの部位に分けた構成としたものである。なお、本変形例では、絶縁シート27、28と積層電極体3とを固定・維持する絶縁テープ12または13が、電池の長時間の使用により緩んでいる場合に有効となる。
次に、上記実施形態における電池の第三変形例について、図6を用いて説明する。
本変形例の絶縁シートは、上記第二変形例の絶縁シート27と絶縁シート28と同様であるが、電池容器18の底の方向と蓋の方向にかけての電解液の対流(Y軸方向への対流)をより促進するため、Y軸に沿って凹部29を形成している。また、本変形例では、上記実施形態の絶縁シート9に相当する部位(すなわち、電池容器18の底と積層電極体3との間に配置される部位)に、当該部位を貫通する四角形状の貫通孔30および当該部位の表面から突出した形状の複数の凸部31が形成されている。
当該凹部29及び貫通孔30は電解液が通過しやすい溝または流路となる。また、凸部31は上記絶縁シート9に相当する部位の平面と電池容器18の底との間に配置されて当該平面を支え(少なくとも3つ以上の凸部31が適宜配置されて、3点以上で当該平面を支える)、当該平面を電池容器18の底から浮かした状態(積層電極体3も電池容器18の底から浮いている状態)とするので、当該平面と電池容器18の底との間に空間ができ、当該空間に電解液の対流を促進する流路を形成することができる。
図6には、絶縁シート27及び28に凹部29、貫通孔30および凸部31を形成した構成の絶縁シート27´及び28´を示している。他の構成は、第二変形例と同一であるので、説明を省略する。
凹部29は、上記熱交換をさらに促進する観点から、少なくとも電池容器18の壁面に最も近接する絶縁シート27´または28´において、電池容器18の内壁に向けて配置されるのが望ましい。
また、凹部29は、絶縁シート27´、28´の一方の面のみに形成されるのみならず、両面に形成されると、なお電解液の対流が促進される。
貫通孔30の形状は四角形状としたが、電解液の流路を形成して対流を容易とするためのものであればいかような形状でもよいので、円形、三角状のものでもよい。また、上記絶縁シート9に相当する部位の平面には、当該対流を容易とするため、貫通孔30のみならず、開口部14、15と同様、辺の一端から切り欠いた形状(切り欠き形状)をさらに設けてもよい。
当該凹部29、貫通孔30、凸部31及び上記切り欠き形状は、上記実施形態の電池または上記第一または第二変形例の電池の絶縁シートの対応部位に形成してもよい。
Claims (6)
- 正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極体と、
前記積層電極体を収納した電池容器と、
前記電池容器に収納された電解液と、
前記積層電極体を前記電池容器に収納する際の挿入ガイドとなる絶縁シートであって、前記収納された前記積層電極体と前記電池容器との間に配置され、且つ、前記配置された状態において前記電池容器の底に近接した開口部が形成されている絶縁シートと、
を有し、
前記開口部によって前記電解液の対流が促進されることを特徴とする電池。 - 前記開口部は、前記電池容器の底に最も近接する前記絶縁シートの辺から切り欠いて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記絶縁シートには、前記電池容器の内壁に向けて溝が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電池。
- 前記絶縁シートは凸部をさらに備え、前記凸部により前記電池容器の底と前記積層電極体との間に空間を形成することを特徴とする請求項3に記載の電池。
- 前記絶縁シートには、貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の電池。
- 絶縁テープをさらに有し、
前記絶縁シートは、第1および第2の絶縁シートからなり、
前記絶縁テープが貼り付けられることで、前記第1および第2の絶縁シートで前記積層電極体を挟んで加圧した状態が維持されることを特徴とする請求項5に記載の電池。
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