JP2012204305A

JP2012204305A - 電池セル

Info

Publication number: JP2012204305A
Application number: JP2011070766A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Mukai; 大輔向井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】電極タブにおける電流の集中を緩和する。
【解決手段】本発明の電池セルは、正極板１０と負極板１１とが互いに積層された積層電極体３と、正極板１０と負極板１１の一方の電極板１０の外周の周囲に配置され、一方の電極板１０と電気的に接続された第１導電部材６と、第１導電部材６と電気的に接続された第１電極端子と、を備える。一方の電極板１０は、電極活物質層が設けられた本体部１９と、積層電極体３の積層方向と交差する方向の片側に本体部１９から延びて第１導電部材６と接触する複数の電極タブ、及び上記片側の反対側に本体部１９から延びて第１導電部材６と接触する複数の電極タブを含んだ複数の第１電極タブ２０〜２７と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池セルに関する。

電池セルは、電気自動車や定置用電源装置、発電装置などの各種の電気システムに用いられている。電池セルは、セパレータを介して互いに積層された正極板及び負極板からなる積層電極体が、電解液とともに電池容器に収容された構造である。積層電極体は、正極板及び負極板がロール状に捲回された捲回型（特許文献１参照）や、複数の正極板及び複数の負極板が交互に積層された積層型（特許文献２参照）などの形態がある。

一般に、電極板（正極板又は負極板）は、電極活物質が塗工された本体部と、積層電極体の積層方向に交差する方向に本体部から延びる帯状の電極タブを有している。電極タブは、通常は電極板の本体部の一箇所に設けられており、外部接続用の電極端子と電気的に接続されている。電池セルの充放電時の電流は、電極端子及び電極タブを介して、電池セルの内部と外部との間で流れる。

特開２００５−８５６７４号公報特開２００５−７１７８４号公報

上述の従来の電池セルは、電極板の本体部と電極端子との間に流れる電流が電極タブに集中することによって、電極板のうちで電極タブに近い部分が局所的に発熱することがある。結果として、電極板が発熱によって局所的に劣化し、寿命が短くなるという問題点がある。また、電極板のうちで電極タブから離れた部分であるほど、蓄えられた電荷が電極タブに流れにくくなり、性能が低下するという問題点もある。これらの問題点は、大電流を利用する電気システムであるほど、影響が大きい。

本発明は、上述の事情に鑑み成されたものであって、電極タブへの電流の集中による短寿命化及び性能低下を抑制することができる電池セルを提供することを目的とする。

本発明の電池セルは、正極板と負極板とが交互に積層された積層電極体と、前記正極板と前記負極板の一方の電極板の外周の周囲に配置され、該一方の電極板と電気的に接続された第１導電部材と、前記第１導電部材と電気的に接続された第１電極端子と、を備え、前記一方の電極板は、電極活物質層が設けられた本体部と、前記積層電極体の積層方向と交差する方向に前記本体部片側から延びて前記第１導電部材と接触する複数の電極タブ、及び前記片側の反対側に前記本体部から延びて前記第１導電部材と接触する複数の電極タブを含んだ複数の第１電極タブと、を有する。

上記の電池セルにおいて、一方の電極板と電極端子との間を流れる電流は、複数の第１電極タブと複数の第２電極タブとに分散して、本体部と第１導電部との間を流れることになる。したがって、一方の電極板の本体部と電極端子との間に流れる電流の集中が緩和され、一方の電極板の電流の集中による発熱が抑制される。よって、一方の電極板の発熱による劣化が抑制され、電池セルの短寿命化を抑制することができる。また、一方の電極板の発熱が抑制されるので、発熱による電池セルの性能低下を抑制することができる。また、本体部の片側に延びる第１電極タブから離れた部分の本体部に蓄えられた電荷を、片側の反対側に延びる第１電極タブから取出すことができるので、電荷の取り出し効率を改善することができる。

本発明によれば、電極タブへの電流の集中による短寿命化及び性能低下を抑制することができる。

第１実施形態の電池セルの概略構成図である。積層電極体を積層方向から見た平面図である。積層電極体の積層方向に平行な断面の構造を模式的に示す図である。第２実施形態における積層電極体、第１導電部材及び第２導電部材を積層方向から見た平面図である。第３実施形態における積層電極体、第１導電部材及び第２導電部材を積層方向の正極板側から見た平面図である。第３実施形態における積層電極体、第１導電部材及び第２導電部材を積層方向の負極板側から見た平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、各種構造の寸法や縮尺を実際と異ならせていることがある。下記の実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、重複する説明を省略することがある。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の電池セルの概略構成図である。図２は、積層電極体を積層方向から見た平面図である。図３は、積層電極体の積層方向に平行な断面の構造を模式的に示す図であり、図２のＡ−Ａ’線における断面図に相当する。図１〜図３に示すＸＹＺ直交座標系は、いずれも、電池セルとの位置関係が同一である。

本実施形態の電池セル１は、積層型のリチウムイオン二次電池である。電池セル１は、箱状の電池容器２と、電池容器２に収容された積層電極体３と、電池容器２に取付けられた第１電極端子４及び第２電極端子５と、電池容器２の内部で積層電極体３と電極端子とを電気的に接続する第１導電部材６及び第２導電部材７とを備える。

電池容器２は、開口８ａを有する容器本体８と、開口８ａを塞いで容器本体８と溶接等で接合された蓋９とを有する。電池容器２は、例えばアルミニウム製である。電池容器２が導電材料で形成されている場合に、電池容器２と積層電極体３の短絡を防止するために、電池容器２と積層電極体３との間にポリプロピレン板等の絶縁性のスペーサが設けられることや、電池容器２の内壁に塗膜等の絶縁膜が設けられることがある。

第１電極端子４及び第２電極端子５は、蓋９に取り付けられている。第１電極端子４及び第２電極端子５は、それぞれ、一部が電池容器２の外側に配置されており、他の一部が電池容器２の内部に配置されている。以下、第１電極端子４は正極端子であって第２電極端子５は負極端子であるとして説明するが、第１電極端子４が負極端子であって第２電極端子が正極端子であっても構わない。

図２及び図３に示すように、積層電極体３は、一方の電極板１０及び他方の電極板１１がセパレータ１２を介して互いに積層された構造である。以下、一方の電極板１０が正極板であって他方の電極板が負極板であるとして説明するが、一方の電極板１０が負極板であって他方の電極板が正極板であっても構わない。積層電極体３は、複数の正極板１０及び複数の負極板１１を有しており、正極板１０及び負極板１１は交互に繰り返し配置されている。

第１導電部材６は、積層電極体３の積層方向の片側（＋Ｙ側）に配置されており、第２導電部材７は、積層方向で第１導電部材６とは反対側（−Ｙ側）に配置されている。第１導電部材６は、正極板１０の外周の周囲に配置されている。第１導電部材６は、正極板１０の外周を環状に囲む枠部１３と、枠部１３から帯状に延びて正極端子４に接合されたリード部１４とを有する。第２導電部材７は、負極板１１の外周の周囲に配置されている。第２導電部材７は、負極板１１の外周を環状に囲む枠部１５と、枠部１５から帯状に延びて負極端子５に接合されたリード部１６とを有する。

正極板１０は、アルミニウム等からなるシート状の集電材１７を基材として形成されている。正極板１０は、コバルト酸リチウムや３元系活物質等からなる電極活物質層１８が設けられた本体部１９と、本体部１９から積層電極体３の積層方向（Ｙ方向）と交差する方向に延びる複数の第１電極タブ２０〜２７とを有する。複数の正極板１０は、いずれも同様の形状及び寸法である。複数の正極板１０は、積層方向に重なり合う第１電極タブが束ねられて、第１導電部材６に接合されている。

正極板１０の本体部１９は、その外形が略矩形であり、その両面のほぼ全域に電極活物質層１８が設けられている。本体部１９は、２組の対辺を有している。第１の対辺は、互いに平行な辺２８及び辺２９であり、第２の対辺は第１の対辺に直交して互いに平行な辺３０及び辺３１である。

複数の第１電極タブ２０〜２７は、本体部１９における集電材１７と一体的に形成されている。複数の第１電極タブ２０〜２７は、本体部１９の外周の各辺から外側に向って延びて、それぞれの先端部が第１導電部材６の枠部１３と溶接等で接合されている。なお、図３には、第１電極タブ２１及び第１電極タブ２３について、第１導電部材６との接合部が図示されているが、他の第１電極タブについても同様である。

詳しくは、第１電極タブ２０及び第１電極タブ２１は、本体部１９の辺２８から＋Ｚ側に延びており、第１電極タブ２２及び第１電極タブ２３は辺２９から−Ｚ側に延びている。第１電極タブ２４及び第１電極タブ２５は、本体部１９の辺３０から＋Ｘ側に延びており、第１電極タブ２６及び第１電極タブ２７は辺３１から−Ｘ側に延びている。

各第１電極タブの幅は、各第１電極タブを経由して本体部１９から正極端子４に至る導電経路の抵抗値が複数の第１電極タブ２０〜２７に関して均一になるように、複数の第１電極タブ２０〜２７で異なっている。詳しくは、第１導電部材６の枠部１３は、矩形枠状であり、その−Ｘ側かつ＋Ｚ側の角部３２からリード部１４が延びている。複数の第１電極タブ２０〜２７のそれぞれの幅は、第１導電部材６の角部３２から離れた位置で枠部１３と接合されている電極タブであるほど、各電極タブの延在方向に直交する方向の寸法すなわち幅が太くなっている。

負極板１１は、銅等からなるシート状の集電材３３を基材として形成されている。負極板１１は、カーボン等からなる電極活物質層３４が設けられた本体部３５と、Ｙ方向に交差する方向に本体部３５から延びる複数の第２電極タブ３６〜４３とを有する。複数の負極板１１は、いずれも同様の形状及び寸法である。複数の負極板１１は、積層方向に重なり合う第２電極タブが束ねられて、第２導電部材７に接合されている。なお、図３には、第２電極タブ３７及び第２電極タブ３９について、第２導電部材７との接合部が図示されているが、他の第２電極タブについても同様である。

本体部３５は、その外形が略矩形であり、その両面のほぼ全域に電極活物質層３４が設けられている。本体部３５は、２組の対辺を有している。第１の対辺は、互いに平行な辺４４及び辺４５であり、第２の対辺は第１の対辺に直交して互いに平行な辺４６及び辺４７である。

複数の第２電極タブ３６〜４３は、本体部３５における集電材３３と一体的に形成されている。複数の第２電極タブ３６〜４３のそれぞれは、正極板１０の複数の第１電極タブ２０〜２７のいずれとも積層方向（Ｙ方向）にて重なり合わないように配置されており、本体部３５の外周の各辺から外側に向って延びている。詳しくは、第２電極タブ３６及び第２電極タブ３７は、本体部３５の辺４４から＋Ｚ側に延びており、第２電極タブ３８及び第２電極タブ３９は辺４５から−Ｚ側に延びている。第２電極タブ４０及び第２電極タブ４１は、本体部３５の辺４６から＋Ｘ側に延びており、第２電極タブ４２及び第２電極タブ４３は辺４７から−Ｘ側に延びている。

各第２電極タブの幅は、各第２電極タブを経由して本体部３５から負極端子５に至る導電経路の抵抗値が複数の第２電極タブ３６〜４３に関して均一になるように、複数の第２電極タブ３６〜４３で異なっている。詳しくは、第２導電部材７の枠部１５は、矩形枠状であり、その＋Ｘ側かつ＋Ｚ側の角部４８からリード部１６が延びている。複数の第２電極タブ３６〜４３のそれぞれの幅は、第２導電部材７の角部４８から離れた位置で枠部１５と接合されている電極タブであるほど、各電極タブの延在方向に直交する方向の寸法すなわち幅が太くなっている。

以上のような構成の電池セル１において、正極端子４と正極板１０の本体部１９との間で流れる電流は、本体部１９と第１導電部材６との間で複数の第１電極タブ２０〜２７に分散して流れることになる。したがって、１箇所のみに電極タブが設けられた電極板と比較して、電極タブあたりの電流の集中が緩和され、正極板１０が局所的に発熱することが抑制される。よって、正極板１０の発熱による正極板１０の劣化が抑制され、電池セル１の短寿命化が抑制される。また、負極端子５と負極板１１の本体部３５との間を流れる電流についても同様に、複数の第２電極タブ３６〜４３に分散するので、負極板１１の局所的な発熱による負極板１１の劣化が抑制され、電池セル１の短寿命化がさらに抑制される。

ところで、矩形状の本体部の一辺のみに電極タブが設けられた電極板では、この一辺と対辺になる反対側の辺の縁端が、電極板の本体部内で電極タブから最も離れた部位になる。このような部位では、電極タブへの電荷が流れにくくなり、本体部からの電荷の取り出し効率や、本体部への電荷の蓄積の効率が低下する。

これに対して、本実施形態では、第１電極タブ２０〜２７が本体部１９の各辺からそれぞれ延びて第1導電部材６と接合されており、また、導電経路の抵抗値が均一になるように第１電極タブ２０〜２７の幅が設定されている。したがって、対辺の片方の辺のみから電極タブが延びる構成と比較して、電極タブから本体部で最も離れている部位までの距離が半分程度になり、電荷の取り出しや蓄積の効率が改善されるので、電池性能を改善することができる。また、負極板１１についても同様に、電荷の取り出しや蓄積の効率が改善されるので、電池性能を格段に改善することができる。

また、正極板１０における各第１電極タブの幅は、各第１電極タブを経由して本体部１９から正極端子４に至る導電経路の抵抗値が複数の第１電極タブ２０〜２７に関して均一になるように設定されているので、各第１電極タブを流れる電流が複数の第１電極タブ２０〜２７で均一になる。したがって、電極タブへの電流の集中が格段に緩和される。負極板１１についても同様に、各第２電極タブを流れる電流が複数の第２電極タブ３６〜４３で均一になるので、電極タブへの電流の集中が格段に緩和される。

また、複数の第１電極タブ２０〜２７と複数の第２電極タブ３６〜４３とが、積層電極体３の積層方向にて重なり合わないように配置されているので、第１電極タブと第２電極タブとに短絡を生じることなく、電極タブを束ねて第１導電部材６又は第２導電部材７に接合することができる。したがって、積層型の電池セルにおいて、複数の第１電極タブと複数の第２電極タブが互いに重なる構成と比較して、複数の第１電極タブ２０〜２７と第１導電部材６との接続構造や複数の第２電極タブ３６〜４３と第２導電部材７との接続構造をシンプルにすることができ、複数の電極タブを設けることによる製造効率の低下や短絡による歩留まりの低下を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
図４は、第２実施形態における積層電極体、第１導電部材及び第２導電部材を積層方向から見た平面図である。図４に示す積層電極体３の正極板１０において、第１電極タブ２０及び第１電極タブ２１は、Ｚ方向にて互いに対向する第１の対辺（辺２８及び辺２９）のうちの辺２８から＋Ｚ側に延びている。また、第１電極タブ２２及び第１電極タブ２３は、辺２８に対して対辺になる辺２９から−Ｚ側に延びている。すなわち、複数の第１電極タブ２０〜２３は、２組の対辺のうちで片方の組の対辺のみから、Ｚ方向に延びている。

一方で、負極板１１の第２電極タブ４０及び第２電極タブ４１は、Ｘ方向にて互いに対向する第２の対辺（辺４６及び辺４７）のうちの辺４６から＋Ｘ側に延びている。また、第２電極タブ４２及び第２電極タブ４３は、辺４６に対して対辺となる辺４７から−Ｘ側に延びている。すなわち、複数の第２電極タブ４０〜４３は、正極板１０の本体部１９の第１の対辺とは交差する方向にて互いに対向する、負極板１１の本体部３５の第２の対辺のみからＸ方向に延びている。

第２実施形態の電池セルは、第１実施形態と同様に、一方の電極板の本体部と電極端子との間に流れる電流の集中が緩和され、一方の電極板の電流の集中による発熱が抑制されるため、短寿命化を抑制することができるとともに電池性能を改善することができる。また、本実施形態において、複数の第１電極タブ２０〜２３が第１の対辺及び第２の対辺のうちの第１の対辺のみから延びており、複数の第２電極タブ４０〜４３が第１の対辺及び第２の対辺のうちの第２の対辺のみから延びている。したがって、例えば正極板１０と負極板１１との積層ずれを生じた場合でも、複数の第１電極タブ２０〜２３と複数の第２電極タブ４０〜４３とが短絡することがなく、短絡による歩留まりの低下を抑制することができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態における積層電極体、第１導電部材及び第２導電部材を積層方向の正極板側から見た平面図である。図６は、第３実施形態における積層電極体、第１導電部材及び第２導電部材を積層方向の負極板側から見た平面図である。

図５に示す正極板１０の本体部１９は、積層方向に交差する２方向（Ｘ方向及びＺ方向）に所定の間隔でストライプ状に形成された電極活物質層１８を有している。以下、本体部１９で電極活物質が形成された領域を形成領域４９とし、本体部１９で電極活物質が形成されていない領域を非形成領域５０とする。本体部１９において、電極活物質層１８（形成領域４９）の間には、集電材１７が露出している。すなわち、本体部１９の表面における形成領域４９の間は、離散的に配置された非形成領域５０になっている。非形成領域５０の一部は、本体部１９の外周に接している。複数の第１電極タブ５１は、本体部１９の外周に接している非形成領域５０から本体部１９の外側に延びて、第１導電部材６と接合されている。なお、正極活物質が形成されていない部位（非形成領域５０）は、リチウム電析がされないように絶縁処理（アルミナコート）等がなされている。

図６に示す負極板１１の本体部３５は、積層方向に交差する２方向（Ｘ方向及びＺ方向）に所定の間隔でストライプ状に形成された電極活物質層１８を有している。以下、本体部３５で電極活物質が形成された領域を形成領域５３とし、本体部３５で電極活物質が形成されていない領域を非形成領域５４とする。本体部３５において、電極活物質層３４（形成領域５３）の間には、集電材３３が露出している。すなわち、本体部３５の表面における形成領域５３の間は、離散的に配置された非形成領域５４になっている。非形成領域５４の一部は、本体部３５の外周に接している。複数の第２電極タブ５２は、本体部３５の外周に接している非形成領域５４から本体部３５の外側に延びて、第２導電部材７と接合されている。負極板１１の電極タブ５２は、積層方向から見て正極板１０の電極タブ５１と重ならないように、配置されている。なお、負極活物質が形成されていない部位（非形成領域５４）は、リチウム電析がされないように絶縁処理（アルミナコート）等がなされている。

第３実施形態において、非形成領域５０には電極活物質層１８が設けられていないので、非形成領域５０では集電材１７と電極活物質層１８の間の直接的な電荷の移動がなく、複数の第１電極タブ５１が非形成領域５０から延びているので、複数の第１電極タブ５１における電流の集中が格段に緩和される。したがって、第３実施形態の電池セルは、短寿命化を格段に抑制することができるとともに電池性能を改善することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、例えばリチウムイオン二次電池以外の電池にも適用可能である。また、電極活物質の組成や集電材の材質、電池容器の材質等については、電解液の種類に応じて、適宜変更される。また、積層電極体は、セパレータを介して互いに積層された正極板及び負極板を捲回した形態であって、電池セルがいわゆる捲回型であっても構わない。電池容器の形状については、電池容器に収容される積層電極体の形状等に応じて、適宜変更される。

第１実施形態では、本体部１９の各辺に第１電極タブが２本ずつ配置されている例を説明したが、第１電極タブの数と第２電極タブの数に限定はない。第２、第３実施形態についても同様に、第１電極タブの数と第２電極タブの数に限定はない。また、第１電極タブ及び第１導電部材は、溶接以外の各種の手法で互いに接合されていてもよい。例えば、第１導電部材が一対の導電板で構成されており、複数の正極板について積層方向に重なる第１電極タブを束ねた電極タブが上記の一対の導電板に挟みこまれて、一対の導電板と接合されていてもよい。

第１実施形態では、第１電極タブの幅を複数の第１電極タブで異ならせることによって、各第１電極タブを経由する導電経路の抵抗値を複数の第１電極タブに関して均一にしているが、第１電極タブの長さと厚みの少なくとも一方を複数の第１電極タブで異ならせることによって、導電経路の抵抗値を均一に近づけるようにしてもよい。

第２、第３実施形態において、複数の第１電極タブの幅が均一である例を図示しているが、このような構成においても電極タブの電流の集中を緩和する効果は得られる。また、上記の実施形態で説明した各要件は、適宜組み合わせることができる。例えば、第２、第３実施形態において、第１実施形態のように、各第１電極タブの抵抗値を複数の第１電極タブで異ならせて、電極板の本体部と第１電極端子との間の複数の導電経路の抵抗値を均一に近づけるようにしてもよい。

１・・・電池セル、２・・・電池容器、３・・・積層電極体、４・・・正極端子（第１電極端子）、
５・・・負極端子（第２電極端子）、６・・・第１導電部材、７・・・第２導電部材、
１０・・・正極板（一方の電極板）、１１・・・負極板（他方の電極板）、１８・・・電極活物質層、
２０〜２７、５１・・・第１電極タブ、２８、２９・・・辺（第１の対辺）、
３０、３１・・・辺（第２の対辺）、３４・・・電極活物質層、３６〜４３・・・第２電極タブ、
４４、４５・・・辺（第１の対辺）、４６、４７・・・辺（第２の対辺）、４９・・・形成領域、
５０・・・非形成領域

Claims

正極板と負極板とが互いに積層された積層電極体と、
前記正極板と前記負極板の一方の電極板の外周の周囲に配置され、該一方の電極板と電気的に接続された第１導電部材と、
前記第１導電部材と電気的に接続された第１電極端子と、を備え、
前記一方の電極板は、
電極活物質層が設けられた本体部と、
前記積層電極体の積層方向と交差する方向に前記本体部の片側から延びて前記第１導電部材と接触する複数の電極タブ、及び前記片側の反対側に前記本体部から延びて前記第１導電部材と接触する複数の電極タブを含んだ複数の第１電極タブと、を有することを特徴とする電池セル。
前記第１電極タブのそれぞれを経由して前記一方の電極板の本体部から前記第１電極端子に至る導電経路の抵抗値が前記複数の第１電極タブに関して均一になるように、各第１電極タブの抵抗値が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
前記正極板と前記負極板の他方の電極板の外周の周囲に配置され、該他方の電極板と電気的に接続された第２導電部材と、
前記第２導電部材と電気的に接続された第２電極端子と、を備え、
前記他方の電極板は、
電極活物質層が設けられた本体部と、
前記第１電極タブとは前記積層方向で重ならないように配置され、前記積層電極体の積層方向と交差する方向に前記他方の電極板の本体部の片側から延びて前記第２導電部材と接触する複数の電極タブ、及び該片側の反対側に前記本体部から延びて前記第２導電部材と接触する複数の電極タブを含んだ第２電極タブと、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池セル。
前記一方の電極板の本体部と前記他方の電極板の本体部は、それぞれ、一方向に互いに対向する第１の対辺と、前記一方向と交差する方向に互いに対向する第２の対辺を有し、前記複数の第１電極タブは、前記第１の対辺及び前記第２の対辺のうちの前記第１の対辺のみから延びており、前記複数の第２電極タブは、前記第１の対辺及び前記第２の対辺のうちの前記第２の対辺のみから延びていることを特徴とする請求項３に記載の電池セル。
前記一方の電極板の本体部は、前記電極活物質層が形成された形成領域及び前記電極活物質が形成されない非形成領域からなり、
前記複数の第１電極タブは、前記非形成領域から延びていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池セル。