JP2012221608A - Battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電池に関し、特に、外装材の破損を抑制する構造を有する電池に関する。 The present invention relates to a battery, and more particularly to a battery having a structure that suppresses damage to an exterior material.
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。 A lithium ion secondary battery has the characteristics that it has a higher energy density than other secondary batteries and can operate at a high voltage. For this reason, it is used as a secondary battery that can be easily reduced in size and weight in information equipment such as a mobile phone, and in recent years, there is an increasing demand for large motive power such as for electric vehicles and hybrid vehicles.
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が用いられる。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。 A lithium ion secondary battery includes a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed therebetween. Examples of the electrolyte included in the electrolyte layer include non-aqueous liquid and solid substances. Used. When a liquid electrolyte (hereinafter referred to as “electrolytic solution”) is used, the electrolytic solution easily penetrates into the positive electrode layer and the negative electrode layer. Therefore, an interface between the active material contained in the positive electrode layer or the negative electrode layer and the electrolytic solution is easily formed, and the performance is easily improved. However, since the widely used electrolyte is flammable, it is necessary to mount a system for ensuring safety. On the other hand, since the solid electrolyte (hereinafter referred to as “solid electrolyte”) is nonflammable, the above system can be simplified. Therefore, a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as “solid battery”) in a form provided with a layer containing a solid electrolyte that is nonflammable (hereinafter referred to as “solid electrolyte layer”) has been proposed. Yes.
このような電池に関する技術として、例えば特許文献１には、双極型電極を電解質層を挟んで少なくとも２層以上直列に積層した双極型二次電池要素を、外装材に密封してなる双極型二次電池モジュールにおいて、双極型二次電池要素と外装材との間に外装材よりも引張応力が高い部材を挿入し、外装材の外部より気体、液体又は固体粉末の少なくとも１種類若しくはそれらの混合物質により生じる静水圧を用いて双極型二次電池要素の上下を加圧する技術が開示されている。また、特許文献２には、全固体型の二次電池体と、二次電池体を真空に密封するラミネートフィルムの外装体とを備え、二次電池体の周囲に、ラミネートフィルムが２枚重なって端縁をなす端縁部が形成され、該端縁部において、ラミネートフィルムは、二次電池体を囲む未圧着の未圧着部と、該未圧着部を囲むように外縁をなし、熱融着された熱融着部とを形成する二次電池が開示されている。また、特許文献３には、電池素子と軟質外装材とを有し、電池素子の周囲に沿って軟質外装材を封止した非水電解質二次電池と、非水電解質二次電池を軟質外装材ごと外装する硬質外装材と、保護回路基板と、を備え、電池素子と軟質外装材とが密着しており、軟質外装材と硬質外装材とが、軟質外装材の外装層が融けず且つ硬質外装材の熱接着層が融けることにより接合している電池パックが開示されている。また、特許文献４には、ラミネートフィルムを貼り合わせてなる外装体に、正極板、セパレータ、及び、負極板を巻回したスパイラル構造の発電要素を内包した構成を有するラミネート外装体を備えた電池が開示されている。 As a technique relating to such a battery, for example, Patent Document 1 discloses a bipolar secondary battery element in which a bipolar secondary battery element in which at least two bipolar electrodes are stacked in series with an electrolyte layer interposed therebetween is sealed in an exterior material. In the secondary battery module, a member having a higher tensile stress than the exterior material is inserted between the bipolar secondary battery element and the exterior material, and at least one kind of gas, liquid or solid powder from the exterior of the exterior material or a mixture thereof A technique for pressurizing the upper and lower sides of a bipolar secondary battery element using hydrostatic pressure generated by a substance is disclosed. Patent Document 2 includes an all-solid-state secondary battery body and a laminate film exterior body that seals the secondary battery body in a vacuum, and two laminate films are stacked around the secondary battery body. The laminate film is formed with an uncrimped non-crimped portion surrounding the secondary battery body and an outer edge so as to surround the uncrimped portion, and heat fusion is performed. A secondary battery is disclosed that forms an attached heat-sealed portion. Patent Document 3 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery having a battery element and a soft exterior material, and sealing the soft exterior material along the periphery of the battery element, and a non-aqueous electrolyte secondary battery. The battery element and the soft exterior material are in close contact with each other, and the soft exterior material and the hard exterior material are not melted by the exterior layer of the soft exterior material. A battery pack that is bonded by melting a thermal adhesive layer of a hard exterior material is disclosed. Patent Document 4 discloses a battery including a laminate outer package having a configuration in which a power generation element having a spiral structure in which a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate are wound is included in an outer package formed by laminating a laminate film. Is disclosed.
特許文献１に開示されている技術によれば、静水圧を用いて、電池要素を等方的に加圧するので、電流密度のばらつきを抑制することが可能になると考えられる。しかしながら、静水圧を用いて電池要素を等方的に加圧すると、電池要素を収容している外装材の周囲から満遍なく圧力が付与される。そのため、外装材に収容されている電池要素の端等に尖った部位が存在すると、この尖った部位に接触する外装材が破損しやすく、電池の性能を長期間に亘って維持することが困難になりやすいという問題があった。かかる問題は、特許文献１乃至特許文献４に開示されている技術を単に組み合わせても解決することが困難であった。 According to the technique disclosed in Patent Document 1, it is considered that the variation in current density can be suppressed because the battery element is isotropically pressurized using hydrostatic pressure. However, when the battery element is isotropically pressurized using the hydrostatic pressure, pressure is uniformly applied from the periphery of the exterior member housing the battery element. Therefore, if there is a pointed part at the end of the battery element accommodated in the exterior material, the exterior material in contact with the pointed part is easily damaged, and it is difficult to maintain the performance of the battery for a long period of time. There was a problem that it was easy to become. Such a problem is difficult to solve by simply combining the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 4.
そこで本発明は、外装材の破損を抑制することが可能な、電池を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the battery which can suppress the failure | damage of an exterior material.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配設された電解質層を有する発電要素と、該発電要素を包む外装材と、該外装材を収容する容器と、を備え、発電要素は、外装材の周囲且つ容器の内側に配設された、流体を含む加圧物質によって等方的に加圧され、外装材は合成樹脂部を有し、発電要素のすべてのコーナー部は、外装材側に凸の曲面状とされ、又は、面取りされており、コーナー部に接触する外装材の厚さをＴ［ｍｍ］、コーナー部が曲面状である場合の曲率半径をＲ［ｍｍ］、コーナー部が面取りされている場合の面取り深さをＣ［ｍｍ］とするとき、Ｒ／Ｔ≧０．６、且つ、Ｃ／Ｔ≧０．６であることを特徴とする、電池である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention includes a positive electrode layer and a negative electrode layer, and a power generation element having an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, a packaging material that wraps the power generation element, a container that houses the packaging material, The power generation element is isotropically pressurized by a pressurized substance including a fluid, which is disposed around the exterior material and inside the container, and the exterior material has a synthetic resin portion, and all of the power generation elements The corner portion of the case has a curved surface convex to the exterior material side or is chamfered, the thickness of the exterior material contacting the corner portion is T [mm], and the radius of curvature when the corner portion is curved Is R [mm], and the chamfering depth when the corner portion is chamfered is C [mm], R / T ≧ 0.6 and C / T ≧ 0.6. It is a battery.
ここに、「外装材は合成樹脂部を有し」とは、本発明における外装材の形態として、合成樹脂からなる形態のほか、合成樹脂層の表面に金属層等を形成した形態も含まれることをいう。また、「コーナー部」とは、発電要素の縁の部分をいう。具体的には、例えば、発電要素が円柱状である場合には、底面と側面との境目となる部分が、本発明におけるコーナー部である。また、例えば、発電要素が四角柱形状である場合には、四角柱を画定するすべての辺の部分（辺の端に相当する角も含む）が、本発明におけるコーナー部である。また、「コーナー部が曲面状である」とは、発電要素を構成する各層（正極層、電解質層、負極層）の配置を工夫することにより、発電要素のコーナー部自体を曲面状にする形態のほか、コーナー部に曲面状の部材を取り付けることによって曲面状にする形態も含まれる。また、「面取り」とは、図５に示すように、縁を画定する２つの平面５１、５３や、縁を画定する２つの平面５２、５３の角度（図５にαやβで示した角度）が９０°よりも大きくなるように、平面５１及び平面５２で画定された縁（角も含む）を平面５３で切断した形態、及び、平面５３で切断した場合と同様に構成される形態をいう。また、「コーナー部が面取りされている」とは、発電要素のコーナー部自体が面取りされた形態や、発電要素を構成する各層（正極層、電解質層、負極層）の大きさや配置を工夫することによりコーナー部が面取りされたような形状とされた形態のほか、コーナー部に他の部材を取り付けることによってコーナー部が面取りされたような形状とされた形態も含まれる。また、「発電要素のすべてのコーナー部は、外装材側に凸の曲面状とされ、又は、面取りされており」とは、すべてのコーナー部が外装材側に凸の曲面状とされている形態や、すべてのコーナー部が面取りされた形態のほか、コーナー部の一部が外装材側に凸の曲面状とされ、且つ、残りのコーナー部すべてが面取りされた形態も含む概念である。また、「面取り深さ」とは、面取り角度が４５°の場合は、機械製図において一般にＣＸで表わされるＸのことをいう。これに対し、面取り角度が４５°以外の場合は、面取りされた部分を側面から見た時（例えば、図５と同じ側から見た時）の、面取りされた直角三角形の斜辺以外の二辺のうち短い辺の長さが面取り深さである。また、「Ｒ／Ｔ≧０．６、且つ、Ｃ／Ｔ≧０．６である」とは、すべてのコーナー部が外装材側に凸の曲面状とされている場合はＲ／Ｔ≧０．６であることを言い、すべてのコーナー部が面取りされている場合はＣ／Ｔ≧０．６であることを言う。これに対し、コーナー部の一部が外装材側に凸の曲面状とされ、且つ、残りのコーナー部すべてが面取りされている場合は、外装材側に凸の曲面状とされているコーナー部はＲ／Ｔ≧０．６であり、且つ、面取りされているコーナー部はＣ／Ｔ≧０．６であることを言う。 Here, “the exterior material has a synthetic resin portion” includes, as the form of the exterior material in the present invention, a form made of a synthetic resin and a form in which a metal layer or the like is formed on the surface of the synthetic resin layer. That means. The “corner portion” refers to the edge portion of the power generation element. Specifically, for example, when the power generation element has a cylindrical shape, a portion serving as a boundary between the bottom surface and the side surface is a corner portion in the present invention. In addition, for example, when the power generation element has a quadrangular prism shape, all side portions (including corners corresponding to the ends of the sides) that define the quadrangular column are corner portions in the present invention. “Corner is curved” means that the corner of the power generating element itself is curved by devising the arrangement of each layer (positive electrode layer, electrolyte layer, negative electrode layer) constituting the power generating element. In addition to the above, a form in which the curved portion is formed by attaching a curved member to the corner portion is also included. In addition, as shown in FIG. 5, the “chamfering” is an angle between the two planes 51 and 53 that demarcate the edges and the two planes 52 and 53 that demarcate the edges (the angles indicated by α and β in FIG. 5). ) In which the edges (including the corners) defined by the plane 51 and the plane 52 are cut by the plane 53 and the same configuration as the case of cutting by the plane 53 so that the angle is larger than 90 °. Say. In addition, “the corner portion is chamfered” means that the corner portion of the power generation element itself is chamfered and the size and arrangement of each layer (positive electrode layer, electrolyte layer, negative electrode layer) constituting the power generation element. In addition to the form in which the corner part is chamfered by this, a form in which the corner part is chamfered by attaching another member to the corner part is also included. In addition, “all the corners of the power generation element have a curved surface convex to the exterior material side or are chamfered” means that all the corners have a curved surface convex to the exterior material side. In addition to the form and the form in which all the corner parts are chamfered, it is a concept including a form in which a part of the corner part has a curved surface convex to the exterior material side and all the remaining corner parts are chamfered. “Chamfering depth” refers to X generally represented by CX in mechanical drawings when the chamfering angle is 45 °. On the other hand, when the chamfer angle is other than 45 °, two sides other than the hypotenuse of the chamfered right triangle when the chamfered portion is viewed from the side surface (for example, when viewed from the same side as FIG. 5). The length of the short side is the chamfering depth. Further, “R / T ≧ 0.6 and C / T ≧ 0.6” means that R / T ≧ 0 when all corner portions are curved surfaces convex toward the exterior material side. .6, and if all corners are chamfered, C / T ≧ 0.6. On the other hand, when a part of the corner is a curved surface convex to the exterior material side and all of the remaining corner parts are chamfered, the corner portion is a curved surface convex to the exterior material side. Means that R / T ≧ 0.6 and that the chamfered corner is C / T ≧ 0.6.
本発明の電池では、発電要素のすべてのコーナー部がＲ／Ｔ≧０．６且つＣ／Ｔ≧０．６を満たしている。外装材を構成する合成樹脂部は、Ｒ／ＴやＣ／Ｔが０．６未満になると応力集中係数が急激に大きくなるため、発電要素のコーナー部においてＲ／ＴやＣ／Ｔに製造誤差程度のずれが生じただけで、発電要素のコーナー部と接触している外装材の部位に応力が集中し、外装材が破損しやすくなる。ところが、本発明の電池では、発電要素のすべてのコーナー部がＲ／Ｔ≧０．６且つＣ／Ｔ≧０．６を満たしているので、発電要素のコーナー部と接触している外装材の部位への応力集中を抑制することができ、その結果、外装材の破損を抑制することができる。加えて、電池の製造工程で発生する製造誤差によって、Ｒ／ＴやＣ／Ｔが変動したとしても、応力集中係数の増大化を抑制することができるので、外装材の破損を抑制することができる。したがって、本発明によれば、外装材の破損を抑制することが可能な、電池を提供することができる。 In the battery of the present invention, all corner portions of the power generation element satisfy R / T ≧ 0.6 and C / T ≧ 0.6. Since the stress concentration factor of the synthetic resin part that constitutes the exterior material suddenly increases when R / T or C / T is less than 0.6, there is a manufacturing error in R / T or C / T at the corner of the power generation element. Only when a certain degree of deviation occurs, stress concentrates on the portion of the exterior material that is in contact with the corner portion of the power generation element, and the exterior material is easily damaged. However, in the battery of the present invention, since all the corner portions of the power generation element satisfy R / T ≧ 0.6 and C / T ≧ 0.6, the exterior material in contact with the corner portion of the power generation element Stress concentration on the part can be suppressed, and as a result, damage to the exterior material can be suppressed. In addition, even if R / T and C / T fluctuate due to manufacturing errors that occur in the battery manufacturing process, an increase in the stress concentration factor can be suppressed, so that damage to the exterior material can be suppressed. it can. Therefore, according to this invention, the battery which can suppress the failure | damage of an exterior material can be provided.
本発明者は、電池に使用可能な粉体をラミネートフィルムに包んだ後、冷間静水圧プレスをしたところ、粉体の表面に尖った部位が存在すると、ラミネートフィルムが破損しやすいことを知見した。そこで、尖った部位を面取り又は曲面状に加工した以外は同様の条件で冷間静水圧プレスを行ったところ、ラミネートフィルムの破損を防止することが可能であった。この実験から、本発明者は、流体を用いて静水圧により発電要素を等方的に加圧する電池において、ラミネートフィルム等の外装材に包まれる発電要素の形状を工夫することによって、外装材の破損を抑制することが可能になり、電池の発電性能低下を抑制することが可能になることを知見した。本発明は、かかる知見に基づいて完成させた。 The present inventor found that when a powder that can be used in a battery was wrapped in a laminate film and then subjected to cold isostatic pressing, the presence of a pointed part on the surface of the powder caused the laminate film to be easily damaged. did. Therefore, when the cold isostatic pressing was performed under the same conditions except that the pointed portion was chamfered or curved, it was possible to prevent the laminate film from being damaged. From this experiment, the present inventor has devised the shape of the power generation element encased in the exterior material such as a laminate film in a battery that isotropically pressurizes the power generation element by hydrostatic pressure using a fluid. It has been found that it becomes possible to suppress breakage and suppress a decrease in power generation performance of the battery. The present invention has been completed based on this finding.
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
図１は、本発明の電池１０を説明する断面図である。図１では、電池１０の形状を簡略化して示しており、正極端子や負極端子等の記載を省略している。図１に示すように、電池１０は、略直方体形状に積層された発電要素１と、該発電要素１の両端にそれぞれ取り付けられた、外装材３側に凸の曲面状の部位を有する部材２、２と、発電要素１及び部材２、２を包む外装材３と、該外装材３を収容する容器４と、を備えている。外装材３の周囲且つ容器４の内側には、外装材３に収容された発電要素１を等方的に加圧すべき気体５が充填されている。発電要素１は、正極層及び負極層と、正極層及び負極層の間に配設された電解質層とを有する電池セルを複数備えている。正極層には、正極集電体を介して、その一端が容器４の外側に位置する形態で正極端子が接続されており、負極層には、負極集電体を介して、その一端が容器４の外側に位置する形態で負極端子が接続されている。電池１０では、発電要素１に部材２、２を取り付けることによって、発電要素１のすべてのコーナー部と外装材３との間に部材２、２を介在させ、これによって、発電要素１のすべてのコーナー部（図１において点線で囲んだ部位）を、外装材３側に凸の曲面状にしている。外装材３は、合成樹脂部を有しており、部材２、２の曲面状の部位における曲率半径をＲ［ｍｍ］、部材２の曲面状の部位と接触する外装材３の厚さをＴ［ｍｍ］とするとき、電池１０では、Ｒ／Ｔ≧０．６とされている。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a battery 10 of the present invention. In FIG. 1, the shape of the battery 10 is shown in a simplified manner, and descriptions of a positive electrode terminal, a negative electrode terminal, and the like are omitted. As shown in FIG. 1, a battery 10 includes a power generation element 1 stacked in a substantially rectangular parallelepiped shape, and a member 2 having a curved curved portion projecting to the exterior material 3 side, which is attached to both ends of the power generation element 1. 2, an exterior material 3 that wraps the power generation element 1 and the members 2 and 2, and a container 4 that houses the exterior material 3. A gas 5 that isotropically pressurizes the power generation element 1 accommodated in the exterior material 3 is filled around the exterior material 3 and inside the container 4. The power generating element 1 includes a plurality of battery cells having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. A positive electrode terminal is connected to the positive electrode layer via a positive electrode current collector in such a form that one end is located outside the container 4, and one end of the negative electrode layer is connected to the container via the negative electrode current collector. The negative electrode terminal is connected in a form located on the outside of 4. In the battery 10, by attaching the members 2 and 2 to the power generation element 1, the members 2 and 2 are interposed between all corner portions of the power generation element 1 and the exterior material 3. A corner portion (portion surrounded by a dotted line in FIG. 1) is formed in a curved surface convex toward the exterior material 3 side. The exterior material 3 has a synthetic resin portion, the radius of curvature of the curved portions of the members 2 and 2 is R [mm], and the thickness of the exterior material 3 in contact with the curved portion of the members 2 is T. In the case of [mm], in the battery 10, R / T ≧ 0.6.
図２は、従来の電池９０を説明する断面図である。図２では、電池９０の形状を簡略化して示しており、正極端子や負極端子等の記載を省略している。図２において、電池１０と同様の構成には図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図２に示すように、電池９０は、略直方体形状に積層された発電要素１と、該発電要素１を包む外装材３と、該外装材３を収容する容器４と、を備えている。電池９０においても電池１０と同様に、外装材３の周囲且つ容器４の内側には、外装材３に収容された発電要素１を等方的に加圧すべき気体５が充填されている。電池９０は電池１０とは異なり、部材２、２を有していない。それゆえ、発電要素１の尖ったコーナー部（図２において点線で囲んだ部位）が外装材３と接触する。電池９０では、気体５によって外装材３が等方的に加圧されているので、発電要素１の尖ったコーナー部と接触する外装材３の部位に、応力が集中しやすい。応力が外装材３の一部に集中すると、応力が集中した外装材３の部位が破損しやすい。外装材３の一部が破損すると、外装材３に包まれている発電要素１を等方的に加圧することが困難になるため、電池９０は発電性能が低下しやすい。 FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a conventional battery 90. In FIG. 2, the shape of the battery 90 is shown in a simplified manner, and descriptions of the positive electrode terminal, the negative electrode terminal, and the like are omitted. In FIG. 2, the same components as those of the battery 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and the description thereof is omitted as appropriate. As shown in FIG. 2, the battery 90 includes a power generation element 1 stacked in a substantially rectangular parallelepiped shape, an exterior material 3 that wraps the power generation element 1, and a container 4 that houses the exterior material 3. Also in the battery 90, similarly to the battery 10, the gas 5 that isotropically pressurizes the power generation element 1 accommodated in the exterior material 3 is filled around the exterior material 3 and inside the container 4. Unlike the battery 10, the battery 90 does not have the members 2 and 2. Therefore, the sharp corner portion (the portion surrounded by the dotted line in FIG. 2) of the power generation element 1 is in contact with the exterior material 3. In the battery 90, since the exterior material 3 is isotropically pressurized by the gas 5, stress tends to concentrate on the portion of the exterior material 3 that contacts the sharp corner portion of the power generation element 1. When the stress is concentrated on a part of the exterior material 3, the portion of the exterior material 3 where the stress is concentrated tends to be damaged. If a part of the exterior material 3 is damaged, it becomes difficult to pressurize the power generation element 1 wrapped in the exterior material 3 isotropically, and therefore the battery 90 tends to have a reduced power generation performance.
図３は、コーナー部の曲率半径Ｒ、及び、合成樹脂の厚さＴと応力集中係数との関係を示す図である。なお、図３は、「プラスチックス、日本プラスチック工業連盟、２００４年、第５５巻、第７号、ｐ．９１−１０２」における図３の一部を抜粋したものである。図３に示したように、Ｒ／Ｔが０．６未満になると応力集中係数が急激に大きくなる。そのため、発電要素のコーナー部を曲面状にしても、Ｒ／Ｔ＜０．６にすると、製造誤差によってコーナー部のＲ／Ｔが変化した場合に、想定以上の応力がコーナー部に集中して外装材が破損する虞がある。これに対し、図３に示すように、Ｒ／Ｔを０．６以上にすると、応力集中係数を小さくすること（１．５未満に抑えること）ができる。それゆえ、発電要素１のすべてのコーナー部がＲ／Ｔ≧０．６を満たす電池１０によれば、コーナー部への応力集中を低減することができるので、外装材３の破損を抑制することができる。 FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the curvature radius R of the corner portion, the thickness T of the synthetic resin, and the stress concentration factor. 3 is an excerpt from FIG. 3 in “Plastics, Japan Plastic Industry Federation, 2004, Vol. 55, No. 7, p. 91-102”. As shown in FIG. 3, when R / T is less than 0.6, the stress concentration factor increases rapidly. Therefore, even if the corner portion of the power generation element is curved, if R / T <0.6, when the R / T of the corner portion changes due to a manufacturing error, more stress than expected is concentrated on the corner portion. There is a risk of damage to the exterior material. On the other hand, as shown in FIG. 3, when R / T is 0.6 or more, the stress concentration factor can be reduced (suppressed to less than 1.5). Therefore, according to the battery 10 in which all the corner portions of the power generation element 1 satisfy R / T ≧ 0.6, stress concentration on the corner portions can be reduced, so that damage to the exterior material 3 can be suppressed. Can do.
本発明に関する上記説明では、発電要素のすべてのコーナー部が曲面状とされている電池１０を例示したが、本発明の電池は当該形態に限定されない。本発明の電池は、発電要素のすべてのコーナー部が面取りされた形態とすることも可能であり、発電要素の一部のコーナー部が面取りされ、その他の残りすべてのコーナー部が曲面状とされた形態とすることも可能である。そこで、図４を参照しつつ、発電要素のすべてのコーナー部が面取りされた形態の電池について説明する。 In the above description regarding the present invention, the battery 10 in which all the corner portions of the power generation element are curved is illustrated, but the battery of the present invention is not limited to this form. The battery of the present invention can also have a form in which all corners of the power generating element are chamfered, a part of the corner of the power generating element is chamfered, and the other all corners are curved. It is also possible to adopt a different form. Therefore, a battery in a form in which all corner portions of the power generation element are chamfered will be described with reference to FIG.
図４は、本発明の電池２０を説明する断面図である。図４では、電池２０の形状を簡略化して示しており、正極端子や負極端子等の記載を省略している。図４において、電池１０と同様の構成には図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図４に示すように、電池２０は、略直方体形状に積層された積層体のすべてのコーナー部が面取り角度４５°で同様に面取りされた形状とされている発電要素２１と、該発電要素２１を包む外装材３と、該外装材３を収容する容器４と、を備えている。電池２０においても電池１０と同様に、外装材３の周囲且つ容器４の内側に、外装材３に収容された発電要素２１を等方的に加圧すべき気体５が充填されている。発電要素２１は、正極層及び負極層と、正極層及び負極層の間に配設された電解質層とを有する電池セルを複数備えている。正極層には、正極集電体を介して、その一端が容器４の外側に位置する形態で正極端子が接続されており、負極層には、負極集電体を介して、その一端が容器４の外側に位置する形態で負極端子が接続されている。発電要素２１では、積層される正極層、電解質層、及び、負極層の大きさがそれぞれ異なっており、さらに、正極層、電解質層、及び、負極層の位置をずらしながら積層する過程を経て、すべてのコーナー部が面取り角度４５°で面取りされた形状とされている。発電要素２１のコーナー部における面取り深さをＣ［ｍｍ］、面取りされた発電要素２１のコーナー部と接触する外装材３の厚さをＴ［ｍｍ］とするとき、電池２０では、Ｃ／Ｔ≧０．６とされている。 FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the battery 20 of the present invention. In FIG. 4, the shape of the battery 20 is shown in a simplified manner, and the description of the positive electrode terminal, the negative electrode terminal, and the like is omitted. In FIG. 4, the same components as those of the battery 10 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and the description thereof is omitted as appropriate. As shown in FIG. 4, the battery 20 includes a power generation element 21 in which all corner portions of the stacked body stacked in a substantially rectangular parallelepiped shape are similarly chamfered at a chamfering angle of 45 °, and the power generation element 21. And a container 4 for housing the exterior material 3. In the battery 20, as in the battery 10, the gas 5 that isotropically pressurizes the power generation element 21 accommodated in the exterior material 3 is filled around the exterior material 3 and inside the container 4. The power generation element 21 includes a plurality of battery cells each including a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. A positive electrode terminal is connected to the positive electrode layer via a positive electrode current collector in such a form that one end is located outside the container 4, and one end of the negative electrode layer is connected to the container via the negative electrode current collector. The negative electrode terminal is connected in a form located on the outside of 4. In the power generation element 21, the sizes of the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer to be stacked are different from each other, and further, through the process of stacking while shifting the positions of the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer, All corners are chamfered at a chamfering angle of 45 °. When the chamfering depth at the corner portion of the power generating element 21 is C [mm] and the thickness of the exterior material 3 in contact with the corner portion of the chamfered power generating element 21 is T [mm], the battery 20 has C / T ≧ 0.6.
発電要素２１のすべてのコーナー部が面取り角度４５°で面取りされた形状とすることにより、発電要素２１のコーナー部における２つの平面のなす角（図５におけるα及びβ）を鈍角にすることができるので、コーナー部への応力集中を抑制することができる。さらに、Ｃ／Ｔ≧０．６とすることにより、応力の急激な上昇が発生する範囲を回避することが可能となるので、コーナー部への応力集中を一層抑制することが可能になる。したがって、電池２０によっても、外装材３の破損を抑制することができる。 By making all the corner portions of the power generating element 21 chamfered at a chamfering angle of 45 °, the angles (α and β in FIG. 5) formed by the two planes at the corner portions of the power generating element 21 can be made obtuse. As a result, stress concentration at the corner can be suppressed. Furthermore, by setting C / T ≧ 0.6, it is possible to avoid a range in which a rapid increase in stress occurs, so that it is possible to further suppress the stress concentration on the corner portion. Accordingly, the battery 20 can also prevent the exterior material 3 from being damaged.
本発明の電池２０に関する上記説明では、正極層、電解質層、及び、負極層の大きさ及び積層形態を工夫することによって、発電要素２１のすべてのコーナー部が面取り角度４５°で面取りされた形状にする形態について言及したが、コーナー部が面取りされた形状とする場合、面取りされた形状のコーナー部の形成方法は当該形態に限定されない。例えば、正極層、電解質層、及び、負極層を積層した積層体を作製してから、積層体のすべてのコーナー部に、面取りされた形状の部材を取り付ける、又は、積層体のすべてのコーナー部を切断して面取りすることによって、面取りされた形状のコーナー部を形成することも可能である。 In the above description relating to the battery 20 of the present invention, the shape in which all the corner portions of the power generation element 21 are chamfered at a chamfering angle of 45 ° by devising the sizes and lamination forms of the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer. However, when the corner portion is chamfered, the method for forming the chamfered corner portion is not limited to this mode. For example, after preparing a laminate in which a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer are laminated, chamfered members are attached to all corner portions of the laminate, or all corner portions of the laminate are provided. It is also possible to form a chamfered corner portion by cutting and chamfering.
また、本発明の電池２０に関する上記説明では、すべてのコーナー部が面取り角度４５°で面取りされた形状である発電要素２１について言及したが、本発明における発電要素のコーナー部を面取りした形状とする場合、面取り角度は４５°に限定されない。面取り角度が４５°以外の角度であっても、コーナー部を形成する平面のなす角が９０°よりも大きく、且つ、面取り深さＣと外装材の厚さＴとがＣ／Ｔ≧０．６を満たすコーナー部とすることにより、電池２０と同様の効果を奏することが可能になる。 In the above description regarding the battery 20 of the present invention, the power generation element 21 having a shape in which all corner portions are chamfered at a chamfering angle of 45 ° has been described. However, the corner portion of the power generation element in the present invention is chamfered. In this case, the chamfer angle is not limited to 45 °. Even if the chamfering angle is an angle other than 45 °, the angle formed by the plane forming the corner portion is larger than 90 °, and the chamfering depth C and the thickness T of the exterior material are C / T ≧ 0. By making the corner portion satisfying 6, the same effect as the battery 20 can be obtained.
また、本発明の電池に関する上記説明では、略直方体形状に積層された発電要素や積層体が用いられる形態について言及したが、本発明の電池は当該形態に限定されない。本発明の電池における発電要素は、すべてのコーナー部がＲ／Ｔ≧０．６を満たす曲面状、又は、Ｃ／Ｔ≧０．６を満たす面取りされた形状とされていれば、積層した正極層、電解質層、及び、負極層を捲回して形成した円柱状の捲回体を備える形態とすることも可能である。 Moreover, in the said description regarding the battery of this invention, although the form using the electric power generation element and laminated body laminated | stacked on the substantially rectangular parallelepiped shape was mentioned, the battery of this invention is not limited to the said form. The power generation element in the battery of the present invention is a laminated positive electrode if all the corners are curved surfaces satisfying R / T ≧ 0.6 or chamfered shapes satisfying C / T ≧ 0.6. It is also possible to employ a form including a cylindrical wound body formed by winding the layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer.
発電要素１や発電要素２１の正極層は、電池に用いることが可能な公知の形態とすることができ、作製方法も公知の方法とすることができる。正極層に含有させる正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２等に代表される公知の正極活物質を適宜用いることができる。また、正極層には、Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物系固体電解質、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物系固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質）等に代表される公知の固体電解質を含有させることができる。このほか、正極層には、カーボンブラック等に代表される導電材や、ブチレンゴム等に代表されるバインダーを含有させることも可能である。本発明における正極層は、例えば、少なくとも正極活物質を溶剤に分散させて作製した正極スラリーを、正極集電体の表面にドクターブレード法等の公知の方法で塗布し、溶媒を揮発させる過程を経て、作製することができる。正極層の厚さは、例えば、数十μｍ程度とすることができる。ここで、正極層に接続される正極集電体は、公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料等を挙げることができる。また、正極集電体に接続される正極端子も、公知の導電性材料によって構成することができる。正極端子に用いることが可能な導電性材料としては、上記金属材料のほか、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等に代表される炭素繊維等を例示することができる。 The positive electrode layer of the power generation element 1 or the power generation element 21 can be in a known form that can be used for a battery, and the manufacturing method can also be a known method. As a positive electrode active material contained in the positive electrode layer, a known positive electrode active material typified by LiCoO 2 or the like can be appropriately used. Also, the positive electrode layer, the oxide-based solid electrolytes such as Li 3 PO 4, Li 3 PS 4 and, Li 2 S: P 2 S 5 = 50: 50~100: 0 become as Li 2 S and P A sulfide-based solid electrolyte prepared by mixing 2 S 5 (for example, prepared by mixing Li 2 S and P 2 S 5 so that the mass ratio is Li 2 S: P 2 S 5 = 75: 25) A known solid electrolyte such as a sulfide solid electrolyte) can be contained. In addition, the positive electrode layer may contain a conductive material typified by carbon black or the like, or a binder typified by butylene rubber or the like. The positive electrode layer in the present invention is, for example, a process in which a positive electrode slurry prepared by dispersing at least a positive electrode active material in a solvent is applied to the surface of the positive electrode current collector by a known method such as a doctor blade method, and the solvent is volatilized. After that, it can be manufactured. The thickness of the positive electrode layer can be, for example, about several tens of μm. Here, the positive electrode current collector connected to the positive electrode layer can be made of a known conductive material. Examples of such a conductive material include one or more selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Co, Cr, Zn, Ge, and In. Examples thereof include metal materials containing elements. Moreover, the positive electrode terminal connected to a positive electrode electrical power collector can also be comprised with a well-known electroconductive material. Examples of the conductive material that can be used for the positive electrode terminal include carbon fibers typified by carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and the like in addition to the above metal materials.
発電要素１や発電要素２１の負極層は、電池に用いることが可能な公知の形態とすることができる。負極層に含有させる負極活物質としては、グラファイト等に代表される公知の負極活物質を適宜用いることができる。また、負極層には、正極層に含有させることが可能な上記固体電解質、上記導電材、及び、上記バインダーを含有させることも可能である。本発明における負極層は、例えば、少なくとも負極活物質を溶剤に分散させて作製した負極スラリーを、負極集電体の表面にドクターブレード法等の公知の方法で塗布し、溶剤を揮発させる過程を経て、作製することができる。負極層の厚さは、例えば、数十μｍ程度とすることができる。ここで、負極層に接続される負極集電体は、公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、上記金属材料等を例示することができる。また、負極集電体に接続される負極端子も、公知の導電性材料によって構成することができる。負極端子に用いることが可能な導電性材料としては、上記金属材料のほか、上記炭素繊維等を例示することができる。 The negative electrode layer of the power generation element 1 or the power generation element 21 can be in a known form that can be used for a battery. As the negative electrode active material contained in the negative electrode layer, a known negative electrode active material typified by graphite or the like can be appropriately used. The negative electrode layer may contain the solid electrolyte, the conductive material, and the binder that can be contained in the positive electrode layer. The negative electrode layer in the present invention is, for example, a process in which a negative electrode slurry prepared by dispersing at least a negative electrode active material in a solvent is applied to the surface of the negative electrode current collector by a known method such as a doctor blade method, and the solvent is volatilized. After that, it can be manufactured. The thickness of the negative electrode layer can be, for example, about several tens of μm. Here, the negative electrode current collector connected to the negative electrode layer can be made of a known conductive material. Examples of such a conductive material include the above metal materials. Further, the negative electrode terminal connected to the negative electrode current collector can also be made of a known conductive material. Examples of the conductive material that can be used for the negative electrode terminal include the above-described carbon fiber and the like in addition to the above metal material.
発電要素１や発電要素２１の電解質層は、流体を用いて等方的に加圧される発電要素に用いることが可能な公知の形態とすることができる。具体的には、正極層に含有させることが可能な上記固体電解質を用いた固体電解質層とすることができる。このほか、公知のポリマー電解質を用いた形態とすることも可能である。本発明における固体電解質層は、例えば、固体電解質を溶剤に分散させて作製した電解質スラリーを、負極層や正極層の表面へドクターブレード法等の公知の方法で塗布し、溶媒を揮発させる過程を経て、作製することができる。電解質層の厚さは、例えば、数十μｍ程度とすることができる。そして、本発明における発電要素は、電解質層が正極層と負極層との間に配設されるように、正極層、電解質層、及び、負極層を積層した後、所定の圧力でプレスする等の過程を経て、作製することができる。 The electrolyte layer of the power generation element 1 or the power generation element 21 can be in a known form that can be used for a power generation element that is isotropically pressurized using a fluid. Specifically, a solid electrolyte layer using the solid electrolyte that can be contained in the positive electrode layer can be obtained. In addition, it is possible to adopt a form using a known polymer electrolyte. The solid electrolyte layer in the present invention is, for example, a process in which an electrolyte slurry prepared by dispersing a solid electrolyte in a solvent is applied to the surface of the negative electrode layer or the positive electrode layer by a known method such as a doctor blade method, and the solvent is volatilized. After that, it can be manufactured. The thickness of the electrolyte layer can be, for example, about several tens of μm. In the power generation element of the present invention, the positive electrode layer, the electrolyte layer, and the negative electrode layer are stacked and then pressed at a predetermined pressure so that the electrolyte layer is disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. It can be manufactured through this process.
部材２は、電池１０の使用時の環境に耐えることが可能な公知の材料によって構成することができる。そのような材料としては、外装材３の合成樹脂部にも使用可能な、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等を例示することができる。また、部材２は、外装材３側に凸の、Ｒ／Ｔ≧０．６を満たす曲面を有する形状にすることが可能であれば、その作製方法は特に限定されない。部材２は、例えば、流動状態とされた、部材２を構成すべき材料を、所定の型へ流し入れた後、固める等の過程を経て作製することができる。 The member 2 can be made of a known material that can withstand the environment when the battery 10 is used. Examples of such materials include polyethylene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene chloride, and the like that can also be used for the synthetic resin portion of the exterior material 3. The member 2 is not particularly limited in its manufacturing method as long as the member 2 can be formed into a shape having a curved surface that is convex toward the exterior material 3 and satisfies R / T ≧ 0.6. The member 2 can be manufactured through a process of, for example, pouring a material that is to be formed into a fluidized state into the predetermined mold and then solidifying the material.
外装材３は、合成樹脂部を有し、必要に応じて、表面に金属層が形成された形態とすることができる。外装材３に用いることが可能な合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等を例示することができる。また、合成樹脂部の表面に金属層を形成した形態とする場合、合成樹脂部の表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルムとすることができる。外装材３の厚さは、外装材３の周囲に充填された加圧物質を用いて外装材３に包まれた発電要素１、２１を加圧できる厚さであれば特に限定されず、例えば、数百μｍ程度とすることができる。本発明では、例えば、外装材３で発電要素１、２１を包んだ後、外装材３の内側を減圧しながら外装材３を熱融着等によって密封することにより、発電要素１、２１を外装材３で包むことができる。 The exterior material 3 has a synthetic resin part, and can be made into the form by which the metal layer was formed in the surface as needed. Examples of the synthetic resin that can be used for the exterior material 3 include polyethylene, polyvinyl fluoride, and polyvinylidene chloride. Moreover, when setting it as the form which formed the metal layer on the surface of the synthetic resin part, it can be set as the metal vapor deposition film which vapor-deposited metals, such as aluminum, on the surface of the synthetic resin part. The thickness of the packaging material 3 is not particularly limited as long as the power generation elements 1 and 21 wrapped in the packaging material 3 can be pressurized using a pressurized material filled around the packaging material 3. , About several hundred μm. In the present invention, for example, after the power generation elements 1 and 21 are wrapped with the exterior material 3, the exterior material 3 is sealed by thermal fusion or the like while the inside of the exterior material 3 is decompressed, thereby the exterior of the power generation elements 1 and 21. Can be wrapped with material 3.
容器４は、容器内に充填される、発電要素を加圧すべき流体の圧力（例えば、１気圧以上２００気圧以下程度）に耐えることが可能な強度を有し、且つ、電池１０、２０の使用時の環境に耐えることが可能な公知の材料によって構成することができる。そのような材料としては、アルミニウムやステンレス鋼等の金属のほか、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等に代表される熱硬化性樹脂等を例示することができる。このほか、容器４は外装材３と同様の材料によって構成することも可能である。 The container 4 has a strength capable of withstanding the pressure of a fluid (for example, about 1 to 200 atm) filled with the power generation element, and the batteries 10 and 20 are used. It can be made of a known material that can withstand the environment of time. Examples of such a material include thermosetting resins represented by polyether ether ketone (PEEK) and the like in addition to metals such as aluminum and stainless steel. In addition, the container 4 can be made of the same material as the exterior material 3.
本発明の電池において、発電要素を加圧すべき加圧物質は、流体（液体及び／又は気体）を有していれば良く、流体に加えて粉末等の固体を用いることも可能である。加圧物質として用いる流体は、電池において発電要素を加圧する際に用いることが可能な公知の流体を適宜用いることができる。流体として液体を用いる場合には、水やエタノール等を用いることができ、流体として気体５を用いる場合には、窒素やアルゴン等の不活性ガスを好ましく用いることができる。 In the battery of the present invention, the pressurizing substance to pressurize the power generation element only needs to have a fluid (liquid and / or gas), and a solid such as a powder can be used in addition to the fluid. As the fluid used as the pressurizing substance, a known fluid that can be used when pressurizing the power generation element in the battery can be appropriately used. When a liquid is used as the fluid, water, ethanol, or the like can be used. When the gas 5 is used as the fluid, an inert gas such as nitrogen or argon can be preferably used.
本発明に関する上記説明では、本発明の電池がリチウムイオン二次電池である場合に使用可能な物質を主に例示したが、本発明の電池の形態は、リチウムイオン二次電池に限定されない。本発明の電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。 In the above description of the present invention, materials that can be used when the battery of the present invention is a lithium ion secondary battery are mainly exemplified, but the form of the battery of the present invention is not limited to the lithium ion secondary battery. The battery of the present invention can also be configured such that ions other than lithium ions move between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Examples of such ions include sodium ions and potassium ions. In the case where ions other than lithium ions move, the positive electrode active material, the electrolyte, and the negative electrode active material may be appropriately selected according to the moving ions.
１、２１…発電要素
２…部材
３…外装材
４…容器
５…気体
１０、２０、９０…電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21 ... Power generation element 2 ... Member 3 ... Exterior material 4 ... Container 5 ... Gas 10, 20, 90 ... Battery
Claims (1)
前記発電要素は、前記外装材の周囲且つ前記容器の内側に配設された、流体を含む加圧物質によって等方的に加圧され、
前記外装材は合成樹脂部を有し、
前記発電要素のすべてのコーナー部は、前記外装材側に凸の曲面状とされ、又は、面取りされており、
前記コーナー部に接触する前記外装材の厚さをＴ［ｍｍ］、前記コーナー部が曲面状である場合の曲率半径をＲ［ｍｍ］、前記コーナー部が面取りされている場合の面取り深さをＣ［ｍｍ］とするとき、Ｒ／Ｔ≧０．６、且つ、Ｃ／Ｔ≧０．６であることを特徴とする、電池。 A power generation element having a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, a packaging material that wraps the power generation element, and a container that houses the packaging material ,
The power generating element is isotropically pressurized by a pressurized substance including a fluid disposed around the exterior material and inside the container,
The exterior material has a synthetic resin portion,
All the corner portions of the power generation element have a curved surface convex to the exterior material side, or are chamfered,
The thickness of the exterior material contacting the corner portion is T [mm], the radius of curvature when the corner portion is curved is R [mm], and the chamfering depth when the corner portion is chamfered. A battery characterized by R / T ≧ 0.6 and C / T ≧ 0.6 when C [mm].
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