JP2012174490A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力特性を維持しつつ、所定外形内での大容量化を実現する。
【解決手段】二次電池１は、正極集電体と負極集電体とがセパレータを介して巻回されて扁平形状に形成された電極体２と、その電極体２を収容する容器３と、その容器３の表面に電極体２の巻回軸に沿う軸方向に並べて設けられた正極端子４及び負極端子５と、容器３内の電極体２の正極集電体と正極端子４とを接続する正極リード６と、容器３内の電極体２の負極集電体と負極端子５とを接続する負極リード７とを備える。電極体２は、電極体２の正極リード６側の角部に位置する正極集電体及び負極集電体が電極体２の内側に折り込まれて形成され、正極リード６が内側を通過する第１の折り込み部Ｒ１と、電極体２の負極リード７側の角部に位置する正極集電体及び負極集電体が電極体２の内側に折り込まれて形成され、負極リード７が内側を通過する第２の折り込み部Ｒ２とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、二次電池に関する。

携帯電話やパーソナルコンピュータなどの電子機器の進歩に伴い、これら機器に使用される二次電池では、小型化及び軽量化が求められている。それに応えるエネルギー密度が高い二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池が挙げられる。一方、電気自動車やハイブリッド自動車、電動バイク、フォークリフトなどに代表される乗用車用の大型及び大容量電源としては、鉛蓄電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられている。

ところが、近年では、乗用車用の大型及び大容量電源として、エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池を採用するための開発が盛んに行われている。このリチウムイオン二次電池の開発は、高寿命や安全性などを配慮しながら、大型化及び大容量化の開発が行われている。

特許第４０６１９３８号公報 特許第４１３４５２１号公報 特開２０００−４０５０１号公報

しかしながら、大型化及び大容量化の開発においては、電気自動車やハイブリッド自動車、電動バイク、フォークリフトなどの乗用車の外形は有限であるため、所定外形内での大容量化を行う必要がある。このため、出力特性を損なうことなく所定外形内での更なる大容量化が望まれている。

本発明が解決しようとする課題は、出力特性を維持しつつ、所定外形内での大容量化を実現することができる二次電池を提供することである。

本実施形態に係る二次電池は、表面が正極活物質により被膜されている正極集電体と表面が負極活物質により被膜されている負極集電体とがセパレータを介して巻回されて扁平形状に形成された電極体と、電極体を収容する容器と、容器の表面に電極体の巻回軸に沿う軸方向に並べて設けられた正極端子及び負極端子と、容器内の電極体における軸方向の両端部の一方から電極体の内部に挿入され、正極集電体と正極端子とを接続する正極リードと、容器内の電極体における前述の両端部の他方から電極体の内部に挿入され、負極集電体と負極端子とを接続する負極リードとを備え、電極体は、電極体の正極リード側の角部に位置する正極集電体及び負極集電体が電極体の内側に折り込まれて形成され、正極リードが内側を通過する第１の折り込み部と、電極体の負極リード側の角部に位置する正極集電体及び負極集電体が電極体の内側に折り込まれて形成され、負極リードが内側を通過する第２の折り込み部とを有している。

第１の実施形態に係る二次電池の概略構成を示す断面図である。 図１に示す二次電池が備える電極体を示す外観斜視図である。 図１に示す二次電池に対する比較例の二次電池の概略構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る二次電池が備える電極体を示す外観斜視図である。 図４に示す二次電池が備える電極体に対する切れ込みの入れ方を説明するための説明図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１、図２及び図３を参照して説明する。

図１に示すように、第１の実施形態に係る二次電池１は、電極体２と、その電極体２を電解液と共に収容する容器３と、一対の正極端子４及び負極端子５と、容器３内の電極体２と正極端子４とをつなぐ正極リード６と、容器３内の電極体２と負極端子５とをつなぐ負極リード７と、容器３と電極体２とを絶縁する内部絶縁体８とを備えている。この二次電池１としては、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池が挙げられる。

電極体２は、図２に示すように、発電要素である正極シート２ａ及び負極シート２ｂがセパレータ２ｃを介して巻回されて扁平形状に形成されている。なお、正極シート２ａは、表面が正極活物質により被膜されている正極集電体であり、負極シート２ｂは、表面が負極活物質により被膜されている負極集電体である。この電極体２が容器３内に電解液と共に収納されている。

この電極体２の上部端面における巻回軸に沿う軸方向（すなわち巻回軸方向）の両端部（角部）は、電極体２の内側（内周側）に折り込まれている。これにより、電極体２は、その上部端面の一端部に第１の折り込み部Ｒ１を有し、その他端部に第２の折り込み部Ｒ２を有することになる。これらの折り込み部Ｒ１、Ｒ２の存在により、電極体２の内部から延びる正極リード６及び負極リード７が電極体２の上部に抜けるための空間が形成される。

なお、第１の折り込み部Ｒ１は、電極体２の正極リード６側の角部（図中左上の角部）に位置する正極シート２ａ及び負極シート２ｂが電極体２の内側に折り込まれて形成されており、電極体２の軸方向の一端部の上端に位置する。また、第２の折り込み部Ｒ２は、電極体２の負極リード７側の角部（図中右上の角部）に位置する正極シート２ａ及び負極シート２ｂが電極体２の内側に折り込まれて形成されており、電極体２の軸方向の他端部の上端に位置する。

ここで、前述の角部の折り込みを行わない場合には、正極リード６及び負極リード７は電極体２を避けてその電極体２の外部に延伸してから電極体２の上部に抜けなければならないが、前述の角部の折り込みを行うことで、正極リード６及び負極リード７は真っ直ぐ上に延びて電極体２の上部に抜けることが可能となる（図１参照）。

また、図２に示すように、電極体２の軸方向（巻回軸方向）の一端部、すなわち扁平形状の電極体２の側面は扁平の環形状となっている。その側面において上下方向に延びる二つのシート束Ｓ１、Ｓ２が存在している。それらのシート束Ｓ１、Ｓ２の上部には、第１の折り込み部Ｒ１が存在しており、その第１の折り込み部Ｒ１は各シート束Ｓ１、Ｓ２の間隔を維持するスペーサとして機能する。なお、もう一方の第２の折り込み部Ｒ２も同様にスペーサとして機能する。

このような電極体２において、発電に寄与する発電領域の軸方向の幅はＬ１であり（図１参照）、電極体２の軸方向の幅より小さい。したがって、正極シート２ａの全面に正極用の材料が存在しているわけではなく、発電領域に対応する正極シート２ａの部分領域に正極用の材料（正極活物質）が存在している。負極シート２ｂも同様であり、発電領域に対応する負極シート２ｂの部分領域に負極用の材料（負極活物質）が存在している。

図１に戻り、容器３は扁平な直方体形状の外装容器であり、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属材料により形成されている。この容器３は、上端（図１中）が開口する一端開口の容器本体３ａと、その容器本体３ａの開口を塞ぐ矩形板状の蓋体３ｂとを有しており、その蓋体３ｂが容器本体３ａに溶接されて液密に形成されている。

正極端子４は蓋体３ｂの長手方向の一端部に設けられており、負極端子５はその他端部に設けられている。これらの正極端子４及び負極端子５は、電極体２の軸方向に並んでおり、さらに、蓋体３ｂの表面（上面）から突出している。正極端子４は正極リード６に固着されており、その正極リード６を介して電極体２の正極に電気的に接続されている。また、負極端子５は負極リード７に固着されており、その負極リード７を介して電極体２の負極に電気的に接続されている。

また、正極端子４及び負極端子５は蓋体３ｂ及び内部絶縁体８を貫通して延伸しており、その正極端子４と蓋体３ｂとの間には、合成樹脂やガラスなどの絶縁体、例えばガスケットと呼ばれるシール材４ａが設けられている。同様に、負極端子５と蓋体３ｂとの間にも、合成樹脂やガラスなどの絶縁体、例えばガスケットと呼ばれるシール材５ａが設けられている。これらのシール材４ａ、５ａは、正極端子４及び負極端子５と容器３との間を液密にシールすると共に電気的に絶縁している。

蓋体３ｂの中央部には、例えば矩形状の安全弁３ｂ１が設けられている。この安全弁３ｂ１は蓋体３ｂの一部を約半分程度の厚さに薄くして形成されており、その薄い部分の上面中央部には刻印が形成されている。安全弁３ｂ１は、二次電池１の異常などにより容器３内にガスが発生して容器３の内圧が所定値以上に上昇した場合、開状態となって容器３内のガスを放出し、容器３の内圧を下げて二次電池１の破裂などの不具合を防止する。

正極リード６は、金属などの導電性を有する材料により形成されており、電極体２の正極（正極集電体）と正極端子４とを電気的に接続するリード部である。この正極リード６は、容器３の天井面からその側面に沿って延伸し、第１の折り込み部Ｒ１の内側を通過して電極体２の内部まで延びている。すなわち、正極リード６は、容器３内の電極体２における軸方向の両端部の一方から電極体２の内部に挿入され、その上下方向に延びる部分が第１の折り込み部Ｒ１の内側を通過する位置に配置されている。この正極リード６の電極体２側の端部は超音波溶接により電極体２の正極（正極集電体）に固着されている。なお、この溶接点は容器３の高さ方向においてその高さ中央より上側に位置している。

負極リード７は、金属などの導電性を有する材料により形成されており、電極体２の負極（負極集電体）と負極端子５とを電気的に接続するリード部である。この負極リード７は、容器３の天井面からその側面に沿って延伸し、第２の折り込み部Ｒ２の内側を通過して電極体２の内部まで延びている。すなわち、負極リード７は、容器３内の電極体２における前述の両端部の他方から電極体２の内部に挿入され、その上下方向に延びる部分が第２の折り込み部Ｒ２の内側を通過する位置に配置されている。この負極リード７の電極体２側の端部は超音波溶接により電極体２の負極（負極集電体）に固着されている。なお、この溶接点は容器３の高さ方向においてその高さ中央より上側に位置している。

内部絶縁体８は、容器３内の底面を覆う底面絶縁体８ａと、容器３内の側面を覆う側面絶縁体８ｂと、容器３内の天井面を覆う天井面絶縁体８ｃとにより構成されている。これらの底面絶縁体８ａ、側面絶縁体８ｂ及び天井面絶縁体８ｃは容器３に固着されている。なお、天井面絶縁体８ｃには、安全弁３ｂ１に対向する開口が形成されている。

ここで、電極体２の軸方向においては、電極体２の幅をＡとし、正極リード６の厚さをａとし、負極リード７の厚さをｂとし、側面絶縁体８ｂの厚さをｃとし、容器３の内側寸法をＢとすると、Ａ＋ａ＋ｂ＋２ｃ＞Ｂという関係式を満たす範囲の電極体２、正極リード６、負極リード７及び側面絶縁体８ｂが容器３内に収納されている。したがって、正極リード６及び負極リード７は電極体２の軸方向の幅内に存在することになる。このため、電極体２の内部から延びる正極リード６は電極体２の第１の折り込み部Ｒ１により生成された空間を通過して電極体２の上部に抜けることになり、同様に、電極体２の内部から延びる負極リード７も電極体２の第２の折り込み部Ｒ２により生成された空間を通過して電極体２の上部に抜けることになる。

前述のような構成の二次電池１では、電極体２の上部端面、すなわち電極体２の正極端子４及び負極端子５側の端面における軸方向の両端部（角部）は、電極体２の内側に折り込まれている。これにより、電極体２は、その上部端面の両端部の一方に第１の折り込み部Ｒ１を有し、その他方に第２の折り込み部Ｒ２を有することになる。これらの折り込み部Ｒ１、Ｒ２によって、電極体２の内部から延びる正極リード６及び負極リード７が電極体２の上部に抜けるための空間が形成されるので、正極リード６及び負極リード７が電極体２の内側に配置される。その結果、電極体２の軸方向の幅を大きくし、電極体２における発電領域の軸方向の幅を大きくすることが可能になるので、出力特性を維持しつつ、所定外形内での大容量化を実現することができる。

ここで、前述の比較例として、図３に示すように、通常の二次電池１０１では、前述の折り込み部Ｒ１、Ｒ２は存在しておらず、容器１０２内の電極体１０３は扁平形状になっている。このため、電極体１０３の内部から延びる正極リード１０４及び負極リード１０５は、電極体１０３を避けて一度外部に向かって延びてから電極体１０３の上部に抜けている。このため、電極体１０３と容器１０２との間には、少なくとも正極リード１０４の厚さ分の空間（スペース）が必要となり、同様に、負極リード１０５の厚さ分の空間も必要となる。したがって、それらの余分なスペース分だけ電極体１０３の軸方向の幅を小さくする必要があり、その結果、電極体１０３における発電領域の軸方向の幅が小さくなってしまう。この電極体１０３における発電領域の軸方向の幅をＬ２とすると、前述の二次電池１の電極体２における発電領域の軸方向の幅はＬ１であり、前述の折り込み部Ｒ１、Ｒ２の存在により、Ｌ１＞Ｌ２という関係式が成り立つことになる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、電極体２の正極端子４及び負極端子５側の端面における軸方向の両端部（角部）が電極体２の内側に折り込まれている。すなわち、電極体２の正極リード６側の角部に位置する正極シート２ａ及び負極シート２ｂが電極体２の内側に折り込まれ、第１の折り込み部Ｒ１が形成されており、さらに、電極体２の負極リード７側の角部に位置する正極シート２ａ及び負極シート２ｂが電極体２の内側に折り込まれ、第２の折り込み部Ｒ２が形成されている。これにより、電極体２の内部から延びる正極リード６及び負極リード７が電極体２の上部に抜けるための空間が形成されるので、正極リード６及び負極リード７を電極体２の内側に配置することが可能になる。その結果、電極体２の軸方向の幅を大きくし、電極体２の発電領域の軸方向の幅を大きくすることが可能となるので、出力特性を維持しつつ、所定外形内での大容量化を実現することができる。

なお、前述の必要な空間を形成するため、電極体２の正極端子４及び負極端子５側の端面、すなわち上部端面における軸方向の両端部に位置する角部分を完全に切り落とすような切断を行った場合には、廃棄物が発生してしまうが、前述のように折り込みにより必要な空間が形成されるので、廃棄物の発生を防止することができる。さらに、切断の際に破片が電極体２に混入してショートなどが発生し、自己放電量が増えることがあるが、折り込みにより廃棄物が発生しないため、破片の混入も防止することができる。

また、第１の折り込み部Ｒ１及び第２の折り込み部Ｒ２が電極体２の各シート束Ｓ１、Ｓ２の間隔を維持するスペーサとして機能するため、電極体２の内部から延びる正極リード６及び負極リード７が電極体２の上部に抜けるための空間を確実に形成することが可能となる。これにより、電極体２の内側に正極リード６及び負極リード７を確実にかつ容易に配置することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図４及び図５を参照して説明する。

本発明の第２の実施形態は基本的に第１の実施形態と同様である。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点について説明し、第１の実施形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明も省略する。

図４に示すように、電極体２は、第１の実施形態と同様に、その上部端面の両端部の一方に第１の折り込み部Ｒ１を有しており、その他方に第２の折り込み部Ｒ２を有している。すなわち、電極体２の上部端面における軸方向の両端部（角部）は電極体２の内側に折り込まれているが、その折り込み前に、両端部に複数の切れ込みＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４が入れられている。

二つの切れ込みＫ１、Ｋ２が両端部の一方に存在しており、二つの切れ込みＫ３、Ｋ４がもう一方の端部に存在している。二つの切れ込みＫ１、Ｋ２は、第１の折り込み部Ｒ１が前述の空間生成機能及びスペーサ機能を有するように上部（曲げＲ部）の両側に入れられている。もう一方の二つの切れ込みＫ３、Ｋ４も同様である。なお、図４では、一つの端部に対して二つの切れ込みが入れられているが、その数は限定されるものではない。

図５に示すように、切れ込みＫ１〜Ｋ４はカッターなどの刃物Ｈ１により電極体２の内周側から外周側に向けて入れられる。このとき、電極体２の内周側から外周側に向けて刃物Ｈ１を移動させることで、刃物Ｈ１は電極体２を構成するシート束から抵抗を受けつつ切断することになる。このため、電極体２を押さえるような治具などを必要とせず、電極体２の一部に容易に切れ込みＫ１〜Ｋ４を入れることができる。一方、前述とは逆に、電極体２の外周側から内周側に向けて刃物Ｈ１を移動させた場合には、電極体２を構成するシート束が刃物Ｈ１から逃げてしまい、刃物Ｈ１はシート束からの抵抗をほとんど受けないため、電極体２の一部に切れ込みＫ１〜Ｋ４を入れることは困難となる。

このような切れ込みＫ１〜Ｋ４が電極体２の上部端面における軸方向の両端部（角部）に入れられた後、その両端部が電極体２の内側に折り込まれる。これにより、電極体２は、その上部端面の両端部の一方に第１の折り込み部Ｒ１を有し、その他方に第２の折り込み部Ｒ２を有することになる。これらの折り込み部Ｒ１、Ｒ２により、電極体２の内部から延びる正極リード６及び負極リード７が電極体２の上部に抜けるための空間が形成されるので、正極リード６及び負極リード７が電極体２の内側に配置される。その結果、電極体２の軸方向の幅を大きくし、電極体２の発電領域の軸方向の幅を大きくすることが可能となるので、出力特性を維持しつつ、所定外形内での大容量化を実現することができる。また、切れ込みＫ１〜Ｋ４の存在により、前述の折り込み作業を容易に行うことができ、さらに、前述の必要な空間も確実に生成することができる。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、電極体２の上部端面における軸方向の両端部（電極体２の正極集電体及び負極集電体）には、切れ込みＫ１〜Ｋ４が入れられており、その両端部は各切れ込みＫ１〜Ｋ４が利用されて電極体２の内側に折り込まれている。したがって、切れ込みＫ１〜Ｋ４の存在により、折り込み作業が容易になるため、二次電池１の製造を容易にすることができ、さらに、前述の必要な空間も確実に生成することができる。

また、前述の必要な空間を形成するため、電極体２の正極端子４及び負極端子５側の端面、すなわち上部端面における軸方向の両端部に位置する角部分を完全に切り落とすような切断を行った場合に比べ、その両端部に切れ込みＫ１〜Ｋ４を入れるだけで良いため、廃棄物の発生を防止することができ、さらに、廃棄物が発生しないため、破片の混入も防止することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…二次電池、２…電極体、２ａ…正極シート（正極集電体）、２ｂ…負極シート（負極集電体）、２ｃ…セパレータ、３…容器、４…正極端子、５…負極端子、６…正極リード、７…負極リード、８ｂ…側面絶縁体、Ｋ１〜Ｋ４…切れ込み、Ｒ１…第１の折り込み部、Ｒ２…第２の折り込み部

Claims (3)

1. 表面が正極活物質により被膜されている正極集電体と表面が負極活物質により被膜されている負極集電体とがセパレータを介して巻回されて扁平形状に形成された電極体と、
   前記電極体を収容する容器と、
   前記容器の表面に前記電極体の巻回軸に沿う軸方向に並べて設けられた正極端子及び負極端子と、
   前記容器内の前記電極体における前記軸方向の両端部の一方から前記電極体の内部に挿入され、前記正極集電体と前記正極端子とを接続する正極リードと、
   前記容器内の前記電極体における前記両端部の他方から前記電極体の内部に挿入され、前記負極集電体と前記負極端子とを接続する負極リードと、
   を備え、
   前記電極体は、
   前記電極体の前記正極リード側の角部に位置する前記正極集電体及び前記負極集電体が前記電極体の内側に折り込まれて形成され、前記正極リードが内側を通過する第１の折り込み部と、
   前記電極体の前記負極リード側の角部に位置する前記正極集電体及び前記負極集電体が前記電極体の内側に折り込まれて形成され、前記負極リードが内側を通過する第２の折り込み部と、
   を有していることを特徴とする二次電池。
2. 前記正極集電体及び前記負極集電体には、切れ込みが入れられており、
   前記正極集電体及び前記負極集電体は、前記切れ込みが利用されて前記電極体の内側に折り込まれていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記容器内の側面を覆う側面絶縁体を備え、
   前記電極体の前記軸方向において、前記電極体の幅をＡとし、前記正極リードの厚さをａとし、前記負極リードの厚さをｂとし、前記側面絶縁体の厚さをｃとし、前記容器の内側寸法をＢとすると、Ａ＋ａ＋ｂ＋２ｃ＞Ｂという関係式を満たす範囲の前記電極体、前記正極リード、前記負極リード及び前記側面絶縁体が前記容器に収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池。

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