JP2012089338A

JP2012089338A - 積層型電池

Info

Publication number: JP2012089338A
Application number: JP2010234719A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tanaka; 秀明田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: KR101286910B1; JP5533548B2; KR20120040671A

Abstract

【課題】積層型電池の劣化や静電容量の低下を防止すること。
【解決手段】積層型電池１００は、正極電極１０を形成する正極集電箔１１と負極電極２０を形成する負極集電箔２１とがセパレータ３０を介して積層され、電解質４０とともにラミネートパック１の内部に収容されるものである。積層型電池１００は、正極集電箔１１，負極集電箔２１との外縁部１１ｃ，２１ｃの少なくとも二辺に分散して配置される接合領域１５，１６，２５，２６で正極集電箔１１，負極集電箔２１と接合されラミネートパック１から外部に引き出される正極電極タブ１３，負極電極タブ２３を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極と負極とを積層して形成される積層型電池に関するものである。

従来から、正極と負極とがセパレータを介して積層され、電解質とともに外装材の内部に収容して形成されたリチウムイオン電池などの積層型電池が知られている。

特許文献１には、複数の正極用金属箔及び負極用金属箔がセパレータを介して交互に積層されたリチウム二次電池が開示されている。このリチウム二次電池では、正極用金属箔から延設されたタブどうしと、負極用金属箔から延設されたタブどうしをそれぞれ接合して端子部を形成している。また、関連する先行技術文献として、特許文献２がある。

特開２００２−７５３１２号公報特開平７−３２６３３６号公報

しかしながら、引用文献１に記載の積層型電池では、集電箔から電極タブへ流れる電流経路が、活物質層と集電箔との界面層に対して偏っているため、電流が集電箔と電極タブとの接合領域に集中しやすい。パルス状の大電流が繰り返して流される際などには、接合領域の近傍が局所的に発熱する。これにより、熱溶着されたラミネートパックのシール部が劣化したり、接合領域の近傍の活物質が劣化して静電容量が低下したりするおそれがある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、積層型電池の劣化や静電容量の低下を防止することを目的とする。

本発明は、電極を形成する電極集電箔がセパレータを介して積層され、電解質とともに外装材の内部に収容される積層型電池に関するものである。積層型電池は、電極集電箔の外縁部の少なくとも二辺に分散して配置される接合領域で当該電極集電箔と接合され外装材から外部に引き出される電極タブを備えることを特徴とする。

本発明では、電極集電箔と電極タブとを接合する接合領域に流れる電流を分散させることによって、接合領域への電流の集中を防止し、接合領域近傍の発熱を抑制することができる。これにより、ラミネートパックのシール部や、接合領域の近傍の活物質などの各部分が劣化することを抑制できる。したがって、積層型電池の劣化や静電容量の低下を防止できる。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る積層型電池の正面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）における左側面図をラミネートパックを除いた状態で示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る積層型電池の正極，セパレータ，及び負極を分解した状態の正面図である。本発明の第２の実施の形態に係る正極の正面図である。本発明の第３の実施の形態に係る正極の正面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
以下、図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。

まず、図１を参照して、積層型電池１００の全体構成について説明する。

図１（ａ）に示すように、積層型電池１００は、外装材としてのラミネートパック１と、ラミネートパック１から外部に引き出される一対の電極としての正極電極１０と負極電極２０とを備える。積層型電池１００は、ラミネート型のリチウムイオン二次電池のセルである。

ラミネートパック１は、略矩形に形成された一対のラミネートフィルムが対向して設けられ、外周の四辺が熱溶着によって接合されたものである。ラミネートパック１は、中央部が表裏両面に向けて凸状に形成される凸部２を有し、凸部２の内部に空間を有する容器状に形成される。

図１（ｂ）では、積層型電池１００の内部構造を詳細に説明するために、ラミネートパック１を除いた状態を示している。ラミネートパック１の内部には、セパレータ３０を介して積層された正極電極１０と負極電極２０とが、電解質４０とともに収容される。単一の正極電極１０と負極電極２０とを積層するのではなく、複数の正極電極１０と負極電極２０とを交互に積層してもよい。正極電極１０及び負極電極２０については、図２を参照しながら後で詳細に説明する。

セパレータ３０は、内部に微小孔が形成される多孔質フィルムの絶縁膜である。セパレータ３０は、正極電極１０と負極電極２０との間に設けられ、両者を隔離して短絡を防止する。

電解質４０は、リチウムイオンが移動可能な電解液である。電解質４０は、ラミネートパック１の内部に充填され、セパレータ３０に含浸されている。リチウムイオンは、セパレータ３０の微小孔を通過して正極電極１０と負極電極２０との間を行き来する。これにより、正極電極１０と負極電極２０との間に電流が発生する。

ラミネートパック１の内部は、電解質４０が充填された状態で減圧され、真空になっている。電解質４０は、液体状の電解液に限られず、電解液を含んだ半固体状の高分子ゲルなどであってもよい。

次に、主に図２を参照して、正極電極１０及び負極電極２０について詳細に説明する。

正極電極１０は、薄板状の金属箔で形成される正極集電箔１１と、正極集電箔１１の表面に設けられる正極活物質１２と、正極集電箔１１と接合領域１５，１６で接合される正極電極タブ１３とを備える。

正極集電箔１１は、例えば、アルミニウムなどの金属によって形成される。正極集電箔１１は、矩形状に形成される活物質配設部１１ａと、活物質配設部１１ａの一辺から突出するように延設されるタブ接合部１１ｂとを有する。タブ接合部１１ｂは、活物質配設部１１ａの一辺の端部から、その一辺の幅の半分より小さな幅に形成される。

正極活物質１２は、例えば、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物によって形成される。正極活物質１２は、活物質配設部１１ａの全体に設けられる。よって、正極集電箔１１には、タブ接合部１１ｂを除いた全面に正極活物質１２が設けられる。

正極電極タブ１３は、ラミネートパック１から外部に引き出される電極部１３ａと、電極部１３ａから正極集電箔１１の一辺に沿って延設される延設部１３ｂとを有するＬ字状に形成される。正極電極タブ１３は、接合領域１５及び接合領域１６によって正極集電箔１１と接合される。

電極部１３ａは、正極集電箔１１のタブ接合部１１ｂより小さな幅に、かつタブ接合部１１ｂより長く形成される。電極部１３ａは、正極電極タブ１３が正極集電箔１１に接合された状態で、長さ方向の略半分が、正極集電箔１１のタブ接合部１１ｂから突出するように配置される。

延設部１３ｂは、正極集電箔１１の活物質配設部１１ａの一辺の全長と略同一の長さに形成される。延設部１３ｂは、電極部１３ａの幅方向の一端に沿って、電極部１３ａより小さな幅に形成される。延設部１３ｂは、正極電極タブ１３が正極集電箔１１に接合された状態で、正極集電箔１１の活物質配設部１１ａの一辺に沿うように配置される。

接合領域１５，１６は、正極集電箔１１の外縁部１１ｃの少なくとも二辺に分散して配置される。ここで、外縁部１１ｃは、正極集電箔１１の外周に沿って設けられ、接合領域１５，１６を形成可能な幅をもつ領域である。

接合領域１５は、正極電極タブ１３の電極部１３ａと、正極集電箔１１のタブ接合部１１ｂとを、正極集電箔１１の幅方向に渡って接合する。接合領域１５は、タブ接合部１１ｂの略中央と、電極部１３ａの長さ方向の下端近傍とを接合する。

接合領域１６は、正極電極タブ１３の延設部１３ｂと、正極集電箔１１の活物質配設部１１ａとを、正極集電箔１１の長さ方向に渡って接合する。接合領域１６は、接合領域１５と直交するように形成される。接合領域１６は、活物質配設部１１ａの角部と、延設部１３ｂの下端とを接合する。接合領域１６は、正極電極タブ１３において接合領域１５から最も離間した位置に設けられる。

同様に、負極電極２０は、薄板状の金属箔で形成される負極集電箔２１と、負極集電箔２１の表面に設けられる負極活物質２２と、負極集電箔２１と接合領域２５，２６で接合される負極電極タブ２３とを備える。

負極集電箔２１は、例えば、銅などの金属によって形成される。負極集電箔２１は、矩形状に形成される活物質配設部２１ａと、活物質配設部２１ａの一辺から突出するように延設されるタブ接続部２１ｂとを有する。タブ接続部２１ｂは、活物質配設部２１ａの一辺の端部から、その一辺の幅の半分より小さな幅に形成される。

負極活物質２２は、例えば、ハードカーボンやグラファイトなどの炭素系材料によって形成される。負極活物質２２は、活物質配設部２１ａの全体に設けられる。よって、負極集電箔２１には、タブ接続部２１ｂを除いた全面に負極活物質２２が設けられる。

負極電極タブ２３は、ラミネートパック１から外部に引き出される電極部２３ａと、電極部２３ａから負極集電箔２１の一辺に沿って延設される延設部２３ｂとを有するＬ字状に形成される。負極電極タブ２３は、接合領域２５及び接合領域２６によって負極集電箔２１の外縁部２１ｃと接合される。負極電極タブ２３及び接合領域２５，２６の具体的な構成は、正極電極タブ１３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

次に、積層型電池１００の作用について説明する。正極電極１０と負極電極２０とは同様の作用であるため、ここでは、正極電極１０についてのみ説明する。

まず、比較例として、接合領域１５のみが設けられて接合領域１６が設けられない場合について説明する。

接合領域１５のみによって正極電極タブ１３と正極集電箔１１とが接合される場合には、正極集電箔１１と正極電極タブ１３との間を流れる電流の経路が、正極活物質１２と正極集電箔１１との界面層に対して一箇所に偏っている。そのため、正極集電箔１１と正極電極タブ１３との間を流れる全ての電流は、接合領域１５に集中することとなる。

例えば、充電又は放電によって、パルス状の大電流が正極電極１０に繰り返し流れる場合などには、接合領域１５の近傍が局所的に発熱する。これにより、熱溶着されているラミネートパック１のシール部が劣化したり、接合領域１５の近傍の正極活物質１２が劣化して静電容量が低下したりするおそれがあった。

これに対して、積層型電池１００では、接合領域１５，１６の二か所で正極電極タブ１３と正極集電箔１１とが接合される。

二つの接合領域１５，１６が設けられると、正極集電箔１１と正極電極タブ１３との間を流れる電流は、二方向へ分散されるため、正極集電箔１１と正極電極タブ１３との接合領域１５，１６のうち一方への電流の集中が緩和される。よって、正極集電箔１１と正極電極タブ１３との接合領域１５，１６の近傍の発熱を抑制することができる。したがって、熱溶着されていたラミネートパック１のシール部や、接合領域１６の近傍の正極活物質１２などの各部分が劣化することを抑制でき、積層型電池１００の劣化や静電容量の低下を防止できる。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

正極集電箔１１と正極電極タブ１３との接合領域１５，１６、及び負極集電箔２１と負極電極タブ２３との接合領域２５，２６に流れる電流を二方向へ分散させることによって、接合領域１５，１６，２５，２６への電流の集中を防止し、接合領域１５，１６，２５，２６近傍の発熱を抑制することができる。これにより、ラミネートパック１のシール部や、接合領域１６の近傍の正極活物質１２や負極活物質２２などの各部分の劣化を抑制することができ、積層型電池１００の劣化や静電容量の低下を防止できる。

（第２の実施の形態）
以下、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る正極電極１１０について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施の形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

第２の実施の形態は、正極集電箔１１１における正極活物質１１２が設けられる領域が第１の実施の形態とは相違する。負極電極（図示省略）は、正極電極１１０と同様に構成されるため、ここでは、正極電極１１０についてのみ説明する。

正極電極１１０は、薄板状の金属箔で形成される正極集電箔１１１と、正極集電箔１１１の表面の一部に設けられる正極活物質１１２と、正極集電箔１１１と接合領域１１５，１１６で接合される正極電極タブ１３とを備える。

正極集電箔１１１は、例えば、アルミニウムなどの金属によって形成される。正極集電箔１１１は、矩形状に形成される活物質配設部１１１ａと、活物質配設部１１１ａの隣り合う二辺に渡って突出するタブ接続部１１１ｂとを有する。タブ接続部１１１ｂは、活物質配設部１１１ａから外周に向かって延設される。タブ接続部１１１ｂは、活物質配設部１１１ａの一辺の端部から、隣り合う他の一辺の幅の半分より小さな幅に渡って連続してＬ字状に形成される。

正極活物質１１２は、例えば、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物によって形成される。正極活物質１１２は、活物質配設部１１１ａの全体に設けられる。よって、正極集電箔１１１には、Ｌ字状のタブ接続部１１１ｂを除いた全面に正極活物質１１２が設けられる。

接合領域１１５，１１６は、正極集電箔１１１の外縁部１１１ｃの少なくとも二辺に分散して配置される。接合領域１１５，１１６は、ともに正極電極タブ１３と正極集電箔１１１のタブ接続部１１１ｂとを接合する。即ち、接合領域１１５，１１６は、正極集電箔１１１のタブ接続部１１１ｂに設けられ、活物質配設部１１１ａには設けられない。

接合領域１１５は、正極電極タブ１３の電極部１３ａと、正極集電箔１１１のタブ接続部１１１ｂにおける一方の端部近傍とを、正極集電箔１１１の幅方向に渡って接合する。接合領域１１５は、タブ接続部１１１ｂの略中央と、電極部１３ａの長さ方向の下端近傍とを接合する。

接合領域１１６は、正極電極タブ１３の延設部１３ｂと、正極集電箔１１１のタブ接続部１１１ｂにおける他方の端部近傍とを、正極集電箔１１１の長さ方向に渡って接合する。接合領域１１６は、接合領域１１５と直交するように形成される。接合領域１１６は、正極電極タブ１３において接合領域１１５から最も離間した位置に設けられる。

充電又は放電によって正極電極１１０に電流が流れると、接合領域１１５，１１６に電流が集中して流れる。このとき、接合領域１１５，１１６が分散して設けられるため、電流は二方向へ分散して流れる。

また、接合領域１１５，１１６は、ともに正極活物質１１２から離間して設けられる。これにより、電流によって接合領域１１５，１１６の近傍が発熱しても、正極活物質１１２に熱が伝達されることが抑制される。よって、接合領域１１５，１１６の発熱に起因して正極活物質１１２が劣化して静電容量が低下することを防止できる。

以上の実施の形態によれば、接合領域１１５，１１６がともに正極集電箔１１１のタブ接続部１１１ｂに設けられることによって、正極集電箔１１１と正極電極タブ１３との接合時に正極活物質１１２が劣化することを防止できる。したがって、正極活物質１１２の劣化に起因する静電容量の低下や、正極電極タブ１３の接合時に正極活物質１１２が剥離することによる正極電極１１０と負極電極との短絡を防止することができる。

（第３の実施の形態）
以下、図４を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。

第３の実施の形態は、単一の接合領域２１５がＬ字状に形成される点で、これまでの実施の形態とは相違する。負極電極（図示省略）は、正極電極２１０と同様に構成されるため、ここでもまた、正極電極２１０についてのみ説明する。

正極電極２１０は、薄板状の金属箔で形成される正極集電箔１１１と、正極集電箔１１１の表面の一部に設けられる正極活物質１１２と、正極集電箔１１１と接合領域２１５で接合される正極電極タブ１３とを備える。

接合領域２１５は、Ｌ字状に形成される正極電極タブ１３に倣ってＬ字状に連続して形成される。接合領域２１５は、正極集電箔１１１の外縁部１１１ｃの隣り合う二辺に渡ってＬ字状に連続して形成される。

接合領域２１５は、Ｌ字状に連続して形成されるため、二つの接合領域が別々に形成される場合と比較すると、接合領域２１５の端部における電位勾配が緩やかになり、局所的な電流の集中を緩和することができる。

また、接合領域２１５は、正極活物質１１２の外周からの距離が、どの位置においても等しくなるように等距離だけ離間して設けられる。接合領域２１５が正極活物質１１２から一定の距離だけ離間しているため、接合領域２１５の部分によって電位が異なることはなく、接合領域２１５のどこであっても同じ電位となる。これにより、接合領域２１５の部分による電流の偏りが抑制される。

以上の実施の形態によれば、接合領域２１５がＬ字状に連続して形成されるため、電流が集中しやすい接合領域２１５の端部における電位勾配を緩やかにし、電流集中を緩和することができる。これにより、前述した他の実施の形態と比べて、電流を均一に分散させることができる。その結果、正極集電箔１１１と正極電極タブ１３との接合領域２１５の近傍の発熱をより低減することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上述した各実施の形態では、正極集電箔１１，１１１，負極集電箔２１，正極活物質１２，１１２，及び負極活物質２２の材料を例示したが、これに限られるものではなく、リチウムイオンの移動によって充放電可能であればどのような材料であってもよい。

また、上述した各実施の形態では、正極電極と負極電極とは同様の構成である。これに限らず、正極電極と負極電極とのいずれか一方のみに、上述した構成を適用してもよい。

１００積層型電池
１ラミネートパック（外装材）
１０正極電極（電極）
１１正極集電箔（電極集電箔）
１２正極活物質（活物質）
１３正極電極タブ（電極タブ）
１５接合領域
１６接合領域
２０負極電極（電極）
２１負極集電箔（電極集電箔）
２２負極活物質（活物質）
２３負極電極タブ（電極タブ）
２５接合領域
２６接合領域
３０セパレータ
４０電解質

Claims

電極を形成する電極集電箔がセパレータを介して積層され、電解質とともに外装材の内部に収容される積層型電池であって、
前記電極集電箔の外縁部の少なくとも二辺に分散して配置される接合領域で当該電極集電箔と接合され、前記外装材から外部に引き出される電極タブを備えることを特徴とする積層型電池。
前記電極集電箔は、
活物質が設けられる活物質配設部と、
前記活物質配設部の外縁から延設されるタブ接合部と、を有し、
前記接合領域は、前記タブ接合部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
前記接合領域は、前記電極集電箔における前記外縁部の隣り合う二辺に渡ってＬ字状に連続して形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型電池。