JP2012190696A

JP2012190696A - 電池

Info

Publication number: JP2012190696A
Application number: JP2011054200A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Morimoto; 紘之森本; Iwao Honda; 巖本田; Hisao Iwata; 久雄岩田; Masamitsu Takeuchi; 真実竹内; Tetsuya Yamada; 哲也山田; Naoyuki Nagai; 直之長井; Mamoru Matsuo; 守松尾; Tadashi Yoshida; 正吉田; Kazuhiro Yoshizumi; 和洋吉住; Hiroyuki Hosoya; 浩之細谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】負極板と正極板の相対的な位置ずれを防止することを可能にし、高性能で信頼性の高い電池を提供する。
【解決手段】第一電極板２と、第一電極板２を内包するように設けられたセパレータ４と、セパレータ４を間に第一電極板２に重ねて配設される第二電極板１とを備えるとともに、第二電極板１の少なくとも一部を収容する収容空間２２を形成し、収容空間２２に収容した状態で第二電極板１を位置決め保持する電極板保持部２０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された電池に関する。

実用上用いられる電池として、高出力なリチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池の形態としては、略矩形状の正極板と負極板とがセパレータを介して複数積層される積層型と、一対の帯状の正極板と負極板とがセパレータを介して積層された後に捲回される捲回型とに大別される（以下、正極板と負極板を総称して「電極板」とも称する）。これらの電池を構成する正極板及び負極板は、アルミニウム箔や銅箔等の集電体に、それぞれ正極用、負極用の活物質が塗工されて互いに対向している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

そして、これらの電池では、互いに対向した面（対向面）間、すなわち負極板の面と正極板の面とで互いに積層方向において重なっている部分の面間でリチウムイオンの授受が主に行われる。

特許第４２９３２４７号公報特開２００９−３０１７９８号公報

ところで、上記構成からなる従来の電池では、電池の使用時に不測の外力等によって、積層された正極板と負極板との相対位置がずれてしまうことがある。そして、相対位置のずれにより、正極板の活物質の塗工面と負極板の活物質の塗工面の積層方向において重なった部分の面積が減少すると、正極板と負極板の間でリチウムイオンの授受が好適に行えず、所望の電池性能が発揮されなくなってしまう。

また、正極板１と負極板２の相対位置がずれ、リチウムイオンの授受が好適に行えなくなることにより、図８（ａ）に示すように、リチウム３が正極板１に析出して突起状に成長し、セパレータ４を突き破り、短絡を発生させるおそれが生じる。

さらに、図８（ｂ）に示すように、集電材に塗工した活性物にバリ５が生じている場合があり、正極板１と負極板２との相対位置がずれるとともに、このバリ５がセパレータ４を突き破り、短絡を発生させるおそれが生じる。

本発明の電池は、第一電極板と、前記第一電極板を内包するように設けられたセパレータと、前記セパレータを間に前記第一電極板に重ねて配設される第二電極板とを備えるとともに、前記第二電極板の少なくとも一部を収容する収容空間を形成し、前記収容空間に収容した状態で前記第二電極板を位置決め保持する電極板保持部を備えていることを特徴とする。

この発明においては、第二電極板の少なくとも一部を収容空間に収容した状態で、電極板保持部によって第二電極板を前記第一電極板に重なる所定位置に位置決めして保持することができる。これにより、第一電極板と第二電極板との相対的な位置ずれを防止することが可能になる。

本発明の電池においては、第二電極板の少なくとも一部を収容空間に収容した状態で、電極板保持部によって第二電極板を前記第一電極板に重なる所定位置に位置決めして保持することができ、第一電極板と第二電極板との相対的な位置ずれを防止することができるため、第一電極板と第二電極板（正負の電極板）がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物やバリがセパレータを突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池を提供することが可能になる。

二次電池を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る電池（電極積層体）を示す正面視図である。図２のＸ１−Ｘ１線矢視図である。本発明の第１実施形態に係る電池（電極積層体）の変形例を示す正面視図である。本発明の第２実施形態に係る電池（電極積層体）を示す正面視図である。図５のＸ１−Ｘ１線矢視図である。本発明の第２実施形態に係る電池（電極積層体）のセパレータを示す正面視図である。リチウム析出物や活物質のバリがセパレータを突き破った状態を示す図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の第１実施形態に係る電池について説明する。なお、本実施形態では、電池がリチウムイオン二次電池であるものとして説明を行う。また、本実施形態では、本発明に係る第一電極板を負極板、第二電極板を正極板として説明を行うが、本発明は第一電極板が正極板、第二電極板が負極板であってもよい。

本実施形態の電池Ａは、図１から図３に示すように、複数の正極板（第二電極板）１と、複数の負極板（第一電極板）２と、それぞれの正極板１とそれぞれの負極板２との間に配置されるセパレータ（複数の負極板２のそれぞれを覆って内包する袋状セパレータ４）と、不図示の電解液と、これらを収納する電池缶６とを備えている。

正極板１は、アルミニウム箔を略矩形状（略方形状）に加工した集電体に、例えば３元系材料ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される正極活物質を塗工した正極板本体７と、この正極板本体の端部から伸びる正極タブ８とを備えている。

負極板２は、銅箔を略矩形状（略方形状）に加工した集電体に、例えばカーボン材料（人造黒鉛等）で構成される負極活物質を塗工した負極板本体９と、この負極板２の端部から伸びる負極タブ１０とを備えている。

正極板本体７と正極タブ８は、上記した正極活物質が正極板本体７に塗工された後に、打ち抜き型で打ち抜くことによって一体形成される。同様に、負極板本体９と負極タブ１０についても、上記した負極活物質が負極板本体９に塗工された後に、打ち抜き型で打ち抜くことによって一体形成される。なお、正極タブ８と負極タブ１０とを総称して、電極タブと称する。

セパレータ４は、多孔質のポリエチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂等で形成されている。また、本実施形態では、セパレータ４が、負極板本体９より面積の大きい略矩形の形状の第一セパレータ１１と、第一セパレータ１１と実質的に同じ形状の第二セパレータ１２とで、負極板本体９を挟みこんだ上、第一および第二セパレータ１１、１２の４辺をヒートシーラーで融着（溶着）することで形成される。これにより、負極板２の負極板本体９が袋状に形成されたセパレータ４に内包される。また、このとき、負極タブ１０の一部がセパレータ４から外部に露出し、この部分のセパレータの端部がシール部材１７によってシール処理されている。

そして、これら正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて複数積層することで、電極積層体１３が形成される。なお、図示は省略したが、電極積層体１３の両端の電極板は袋状のセパレータ４に内包された負極板２であり、電池缶６との短絡を防止している。

また、正極タブ８は、電池缶６の一面に固定されている正極端子１４とリード１５を介して電気的に接続され、負極板２の負極タブ１０は、電池缶６の上記一面に固定されている負極端子１６とリード１５を介して電気的に接続される。

一方、本実施形態の電池Ａは、上記のように正極板１と負極板２とセパレータ４と電解液と電池缶６を備えるとともに、図２及び図３に示すように、負極板２（負極板本体９）及びセパレータ４に対して正極板１（正極板本体７）を位置決め保持するための電極板保持部２０を備えている。

そして、本実施形態の電極板保持部２０は、平面視直角三角状に形成され、正極板１を積層する側のセパレータ４の一面４ａの下側に２つ、上側に１つ取り付けられている。このとき、各電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は、例えばセパレータ４と同じ材料を用いてシート状に形成され、直角部２１を形成する２辺（２１ａ、２１ｂ）側をセパレータ４の一面４ａに溶着あるいは接着して取り付けられている。また、各電極板保持部２０は、セパレータ４の一面４ａとの間に、セパレータ４の一面４ａに固着されていない残りの一辺（開口辺２１ｃ）側を通じて外部と連通する収容空間２２を形成して配設されている。

また、本実施形態において、各電極板保持部２０は、その厚さｔ１（収容空間２２の厚さ）が正極板１（正極板本体７）の厚さｔ２と略同等となるように、及び／又は負極タブ１０の一部がセパレータ４から外部に露出する部分をシールするシール部材１７のセパレータ４の一面４ａから積層方向Ｔ１外側に突出する寸法ｔ３と略同等となるように形成されている。

さらに、セパレータ４の下側の２つの電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ）は、セパレータ４の上下方向Ｔ２の同位置に配設されるとともに、セパレータ４の横方向Ｔ３の一側端側と他側端側にそれぞれ所定の間隔をあけて配設されている。このとき、これら２つの電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ）は、開口辺２１ｃをセパレータ４の中央側に配し、直角部２１を形成する２辺（２１ａ、２１ｂ）をセパレータ４の側端と下端に沿わせて設けられている。また、これら２つの電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ）は、横方向Ｔ３の間隔（収容空間２２の角部同士の間隔）が正極板１（正極板本体７）の横方向Ｔ３の幅寸法と略同等になるように配設されている。

一方、セパレータ４の上側の電極板保持部２０（２０ｃ）は、セパレータ４の下側の２つの電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ）の一方の電極板保持部２０ｂと、横方向Ｔ３の同位置に配設されるとともに、下側の一方の電極板保持部２０ｂとの上下方向Ｔ２の間に所定の間隔をあけて配設されている。また、このとき、上側の電極板保持部２０ｃは、開口辺２１ｃをセパレータ４の中央側に配し、直角部２１を形成する２辺（２１ａ、２１ｂ）をセパレータ４の側端と上端に沿わせて設けられている。また、上側の電極板保持部２０ｃは、下側の一方の電極板保持部２０ｂとの上下方向Ｔ２の間隔（収容空間２２の角部同士の間隔）が正極板１（正極板本体７）の上下方向Ｔ２の寸法と略同等になるように、配設されている。

そして、本実施形態の電池Ａにおいては、負極板２及びセパレータ４の所定位置に重ねて積層した正極板１の下側の２つ角部がそれぞれ、開口辺２１ｃを通じて下側の２つの電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ）の収容空間２２内に収容されて保持される。また、所定位置に積層した正極板１の上側の２つの角部の一方が、開口辺２１ｃを通じてセパレータ４の上側の１つの電極板保持部２０（２０ｃ）の収容空間２２内に収容されて保持される。

これにより、正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて電極積層体１３を形成した状態で、正極板１の下側の２つの角部と上側の１つの角部が電極板保持部２０に保持され、隣り合うセパレータ４と正極板１を位置決め保持することができ、結果として負極板２と正極板１の相対的な位置ずれを防止することが可能になる。また、本実施形態では、正極板１の３つの角部が電極板保持部２０で保持されていることにより、電池Ａの製造時や運搬・使用時に電極積層体１３が斜めになったり、上下逆さになるなどしても、正極板１が負極板２に対して位置ずれすることを確実に防止できる。

したがって、従来のように負極板２と正極板１がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状のリチウム析出物３や活物質のバリ５がセパレータ４を突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池Ａを提供することが可能になる。

以上、本発明に係る電池の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、正極板１の下側の２つの角部と上側の１つの角部を電極板保持部２０で保持することにより、正極板１が負極板２に対して位置ずれすることを防止できるものとして説明を行った。これに対し、例えば図４に示すように、正極板１の下側の２つの角部を電極板保持部２０（２０ａ、２０ｂ）で保持するとともに、セパレータ４の一面４ａから積層方向外側に突設した係止部（他の電極板保持手段）２３によって正極板１（正極板本体７）の上側を係止して保持するように構成してもよい。この場合においても、本実施形態と同様に、正極板１の下側の２箇所と上側の１箇所が電極板保持部２０と係止部（他の電極板保持手段）２３で保持されるため、電池Ａの製造時や運搬・使用時に電極積層体１３が斜めになったり、上下逆さになるなどしても、正極板１が負極板２に対して位置ずれすることを確実に防止することが可能である。

また、本実施形態では、電池Ａがリチウムイオン二次電池であるものとして説明を行ったが、本発明は、リチウムイオン二次電池以外の他の二次電池や、一次電池など、セパレータ４を介して正極板１と負極板２とが積層されるあらゆる電池に適用可能である。

次に、図５から図７を参照し、本発明の第２実施形態に係る電池について説明する。ここで、本実施形態では、第１実施形態に対し電極板保持部の構成が異なり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様であるため、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態の電池Ｂは、第１実施形態と同様、正極板１と負極板２とセパレータ４と電解液と電池缶６を備えるとともに、負極板２及びセパレータ４に対して正極板１を位置決め保持するための電極板保持部を備えている。

一方、本実施形態の電極積層体１３は、図５及び図６に示すように、セパレータ４が、負極板２及び正極板１（負極板本体９及び正極板本体７）よりも面積の大きい略矩形状に形成されるとともに、その外周縁側（外周縁を形成する４辺側）に、正極板１を積層するセパレータ４の一面４ａから積層方向外側に突出し、外周縁に沿って延びる電極板保持部３０が形成されている。

本実施形態においては、図７に示すように、予め外周縁側に折曲部３１を設けてセパレータ４を形成しておき、これら折曲部３１をセパレータ４の一面４ａ側に折り曲げることによって電極板保持部３０が形成される。また、このとき、セパレータ４の折曲部３１の厚さ寸法及び長さ寸法（各辺から外側に突出する突出寸法）を予め所定の寸法に設定しておく。これにより、電極板保持部３０で囲まれてセパレータ４の一面４ａ側に形成される収容空間２２が、正極板１（正極板本体７）の平面形状と略同等の大きさの平面形状となるように形成される。また、本実施形態の収容空間２２は、その厚さ（深さ）が、正極板１の厚さと略同等となるように形成される。

そして、本実施形態の電池Ｂは、セパレータ４の外周縁側に設けた電極板保持部３０によって形成された収容空間２２内に正極板１を収容して負極板２及びセパレータ４の所定位置に重ねて積層する。これにより、正極板１は、その外周端側が電極板保持部３０に係止されて、収容空間２２内で保持される。

よって、本実施形態の電池Ｂにおいては、正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて電極積層体１３を形成した状態で、正極板１が電極板保持部３０に保持され、隣り合うセパレータ４と正極板１を位置決め保持することができ、結果として負極板２と正極板１の相対的な位置ずれを防止することが可能になる。また、本実施形態では、正極板１の外周端側が電極板保持部３０で保持されることにより、電池Ｂの製造時や運搬・使用時に電極積層体１３が斜めになったり、上下逆さになるなどしても、正極板１が負極板２に対して位置ずれすることを確実に防止できる。

以上、本発明に係る電池の第２実施形態について説明したが、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態の変更例を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、正極板１の外周縁側を係止して正極板１を位置決め保持することが可能であれば、電極板保持部３０の数を限定しなくてもよい。

１正極板（第二電極板）
２負極板（第一電極板）
３リチウム
４セパレータ
４ａ一面
５バリ
６電池缶
７正極板本体
８正極タブ
９負極板本体
１０負極タブ
１１第一セパレータ
１２第二セパレータ
１３電極積層体
１４正極端子
１５リード
１６負極端子
１７シール部材
２０電極板保持部
２０ａ電極板保持部
２０ｂ電極板保持部
２０ｃ電極板保持部
２２収容空間
２３係止部（他の電極板保持手段）
３０電極板保持部
３１折曲部
Ａ電池
Ｂ電池
Ｔ１厚さ方向（積層方向）
Ｔ２上下方向
Ｔ３横方向

Claims

第一電極板と、
前記第一電極板を内包するように設けられたセパレータと、
前記セパレータを間に前記第一電極板に重ねて配設される第二電極板とを備えるとともに、
前記第二電極板の少なくとも一部を収容する収容空間を形成し、前記収容空間に収容した状態で前記第二電極板を位置決め保持する電極板保持部を備えていることを特徴とする電池。
請求項１記載の電池において、
前記第二電極板が略方形板状に形成され、
前記第二電極板の下側の２つの角部を保持するように前記電極板保持部を設け、且つ前記第二電極板の上側を保持するように前記電極板保持部あるいは他の電極板保持手段を設けたことを特徴とする電池。
請求項１記載の電池において、
前記セパレータが前記第一電極板及び前記第二電極板よりも平面形状を大にして形成され、
前記セパレータの外周縁側を折り返して前記電極板保持部が形成されていることを特徴とする電池。