JP2012221730A - 二次電池およびこれを用いた組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 二次電池の電解液の余剰部の電解液は、毛細管現象による力で積層電極体に浸透するが、電池本体部が高い圧力で抑えられた状態では、積層電極体の電解液が不足した空孔部に十分に浸透しない可能性がある。
【解決手段】 外装部材の外周部を溶着することで積層電極体を収納して、外周部の溶着部と積層電極体を覆う電池本体部の間には、電解液の余剰部をもつ二次電池において、余剰電解液部を外部から押付ける加圧手段を備えていることとする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、二次電池に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集めており、これらに搭載する高エネルギ密度、高出力密度となる高出力型電池の開発が産業上重要な位置を占めている。このような高出力型電池としては、例えばリチウムイオン二次電池があり、扁平形状の正極と負極と、両極の短絡を防止するセパレータを積層した積層電極体を、電解液と共に電池容器内に密閉して収納している。電池容器は、外装部材の外周部を溶着することで積層電極体を収納しており、外周部の溶着部と積層電極体を覆う電池本体部の間には、電解液の余剰部がある。外装部材としては例えばアルミラミネートシートが使用される。

この種の二次電池では、電池性能を維持するためには、積層電極体が所定の量の電解液を含んでいることが重要である。このため、電池反応など何らかの原因によって積層電極体における電解液の量が不足する事態に至った場合、電解液が積層電極体に対して補充されることが好ましい。

そこで、セパレータが膨潤することなく、すぐれた電解液の保液性を備えるとともに、十分な耐酸化性を備えるために、以下の特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１記載の二次電池は、不織布を用いて形成されたセパレータにおいて、毛細管現象が生じる断面形状を持たせた非膨潤性繊維を含むこととしている。

特開２００７−１４１６７２

ところで、実際に電気自動車やハイブリッド自動車においては、組電池として、ケースの中で複数の二次電池が電気的に接続された状態で積層され、ケースによって積層電極体を覆う電池本体部が、積層方向に高い圧力で抑えられて、固定されている状態で使用される。

上記特許文献１記載の二次電池では、電解液の余剰部の電解液は、毛細管現象による力で積層電極体に浸透するが、電池本体部が高い圧力で抑えられた状態では、積層電極体の電解液が不足した空孔部に十分に浸透しない可能性がある。

本発明は、電池容器の余剰電解液部を外部から押付ける加圧手段を備えていることとする。

本発明によれば、電解液の余剰部の電解液を確実に積層電極体へと補充することができる。

組電池を示す斜視図 組電池の内部を示す斜視図 二次電池１０を示す斜視図 二次電池の内部を示す図３Ａ−Ａ断面図 本実施の第１の形態に係るスペーサーを有する辺の加圧手段を示した図３Ｂ−Ｂ断面図 本実施の第２の形態に係るスペーサーを有しない辺の加圧手段を示した図３Ａ−Ａ断面図 本実施の第３の形態に係る加圧手段を示した図３Ｂ−Ｂ断面図 本実施の第４の形態に係る二次電池をＺ方向から見た図

以下、図１から図８を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面に付されたＸ軸およびＹ軸はそれぞれ、扁平形状の二次電池１０の短手方向および長手方向を示している。またＺ軸は積層方向を示している。

図１は、組電池を示す斜視図である。組電池１は、ケース４の内部に、複数の二次電池１０と、電気絶縁性を備えた絶縁カバー１４とを収納している。組電池１は、単独で使用することが可能であるが、例えば、複数の組電池１を直列化および並列化することによって、所望の電流、電圧、容量に対応した組電池を形成することができる。

ケース４は、箱形状をなすロアケース２と、蓋体をなすアッパーケース３とを有する。アッパーケース３の縁部は、カシメ加工によって、ロアケース２の周壁の縁部に巻き締められている。ロアケース２およびアッパーケース３は、比較的薄肉の鋼板またはアルミ板から形成している。ロアケース２およびアッパーケース３は貫通孔７を有する。貫通孔７は、隅部の４箇所に配置されており、組電池１同士を複数積み重ねて組み電池として保持するための通しボルト（図示せず）を挿通するために使用される。符号５、６は、ロアケース２の前面の開口部から突出するように配置された出力端子である。

図２は、組電池の内部を示す斜視図である。複数の扁平形状の二次電池１０が電気的に接続されて積層された積層体１１、および、電池を支持するための複数のスペーサ１２、１３があり、スペーサ１２、１３は、電気絶縁性を有する。スペーサ１２は積層体１１の前面側に配置され、スペーサ１３（支持部材に相当する）は積層体１１の背面側に配置される。例えば、積層体１１の背面側に配置されるスペーサ１３は、後述する外装部材３０における外周部３２を挟持するよう位置決めされている。スペーサ１３は、長手方向両端部に貫通孔１５を有する。貫通孔１５は、ロアケース２およびアッパーケース３の背面側の貫通孔７と位置合わせされている。

図３は、二次電池１０を示す斜視図である。二次電池１０は、一対の外装部材３０の内部に積層電極体１７が収容され、当該一対の外装部材３０の外周部３２で封止されたものである。電池本体部２１は、積層電極体１７を収納した部分である。余剰電解液部３３は、電池本体部２１と外周部３２の間にあって、積層電極体１７は収納されていない電解液のみの部分である。また外装部材３０の外周部３２を包含するよう備えられている弾性樹脂部１６については後述する。

一対の外装部材３０のそれぞれは、積層電極体１７を収納できるよう矩形状平板浅い椀型に成形され、内部に積層電極体１７と電解液を入れたのち、それぞれの外周部３２を重ね合わせ、外周部３２の一部または全部が熱融着や接着剤により接合される。

外装部材３０は、軽量化および熱伝導性の観点から、アルミニウム、ステンレス、ニッケ
ル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなどのシート材からなる。

積層電極体１７の正極板及び負極板のそれぞれから外装部材３０の外部へ正極端子４１と負極端子４２とが導出されている。正極端子４１及び負極端子４２は正極タブ４１及び負極タブ４２とも称される。

図４は、図３Ａ−Ａ断面図である（弾性樹脂部１６は図示せず）。積層電極体１７は、正極、負極およびセパレータを順に積層して形成される。正極は、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のリチウム−遷移金属複合酸化物からなる正極活物質層を有する。負極は、例えば、カーボンおよびリチウム−遷移金属複合酸化物からなる負極活物質層を有する。セパレータは、例えば、電解質を浸透し得る通気性を有するポーラス状のＰＥ（ポリエチレン）から形成される。

積層電極体１７の電池反応により電極上の電解液が分解、消費され未含浸部ができた場合、余剰電解液部３３にある電解液は、毛細管現象により積層電極体１７に供給される。

外装部材３０にかかる圧力について説明する。ラミネート型の二次電池１０は、電解液を注液後、５ｋＰａ以下の減圧環境下で封止される。一方で、二次電池は実際には１０１ｋＰａの大気圧の環境下で使用されるので、外装部材３０には差圧分がかかり、常に積層電極体１７内の電極とセパレータが密接するようになる。

ロアケース２とアッパーケース３の巻き締めることで、組電池内部の二次電池１０の電池本体部２１には、Ｚ方向に高い圧力が掛かることから、常に積層電極体１７内の電極とセパレータが密接するようになり、電池特性の低下や積層電極体１７の積層ずれを防止している。

本発明は、余剰電解液部３３に、外部から押付ける加圧手段３４を備えており、余剰電解液部３３を押付ける。その結果、積層電極体１７の電池反応により電極上の電解液が分解、消費され未含浸部ができた場合、余剰電解液部３３の電解液が積層電極体１７に供給される。また、加圧手段３４により余剰電解液部３３を押付ける圧力は、電池本体部２１にかかる圧力よりも大きいことが好ましい。その結果、圧力差により余剰電解液部３３の電解液が積層電極体１７に確実に供給される。
一方、電極上に未含浸部ができる前は、余剰電解液部３３を強く押すことにより、外周部３２の溶着が剥れて、外装部材が開放してしまう恐れがある。外装部材が開放してしまうときの余剰電解液部３３を押付ける圧力を開放圧力と呼ぶ。余剰電解液部３３を押付ける圧力は開放圧力以下とすれば、より外装部材の開放を防止することができる。開放圧力は実験などで予め求めておく。

加圧手段の実施例を説明するため、図３に戻る。本例の二次電池１０では、一対の外装部材３０の端面を包含した状態で、電池本体部２１の外周部３２の全域に、固弾性樹脂のインサート成形により弾性樹脂部１６が形成されている。これにより、電池本体部２１に入力される外力を緩和することができ電池本体部２１の固定状態の安定性が向上する。特に、弾性樹脂部１６は車両振動のような比較的高周波の振動に対して弾性力による外力緩和作用に優れている。また、外周部３２の接合面から漏洩しようとする積層電極体１７からの電解液漏れを防止できる。

弾性樹脂部１６は、加硫ゴム、熱硬化性樹脂エラストマ、熱可塑性樹脂エラストマ、ポリアミド系樹脂などの弾性樹脂で構成され、後述するインサート成形により上記範囲に形成される。

図５は、本実施の第１の形態に係るスペーサーを有する辺の加圧手段を示した図３Ｂ−Ｂ断面図である。積層体１１は複数の二次電池１０を支持するための複数のスペーサ１２、１３を有している。スペーサー１２、１３と余剰電解液部３３の間に、弾性部材１７を収縮した状態で設置することで、弾性部材１７の弾性力により、Ｙ方向とＺ方向に外部から余剰電解液部３３に大きい押付ける圧力をかけることができる。また外周部３２にも弾性部材１７により、Ｚ方向に押付け圧力がかかることから、外周部３２の開放圧力が大きくなり、溶着の剥れを防止することができる。

図６は、本実施の第２の形態に係るスペーサーを有しない辺の加圧手段を示した図３Ａ−Ａ断面図である。複数の二次電池１０は積層されており、弾性部材１８を、隣接した二次電池の弾性部材１８と、Ｚ方向で接するように設置する。また、弾性部材１８を、余剰電解液部３３を包含するように設置する。
そうすることで、ロアケース２とアッパーケース３の巻き締めると、弾性部材１８の弾性力により、Ｚ方向に外部から余剰電解液部３３に大きい押付け圧力をかけることができる。また外周部３２にも弾性部材１８により、Ｚ方向に押付け圧力がかかることから、外周部３２の開放圧力が大きくなり、溶着の剥れを防止することができる。

弾性部体１７、１８は、例えばＥＰＤＭ、ＢＲ、ＮＢＲ製のゴムや、バネなど、伸縮性を有する材質であれば、効果を得ることができる。また、弾性部材１７、１８は、弾性樹脂部１６を利用することで、新たな部材を設置することがなく、振動の吸収や電解液の漏洩を防止する効果も同時に得ることができる。

図７は、本実施の第３の形態に係る加圧手段を示した図３Ｂ−Ｂ断面図である。積層体１１は複数の二次電池１０を支持するための複数のスペーサ１２、１３を有している。スペーサー１２、１３と、余剰電解液部３３の間に、二つの部材４３、４４と、一つの弾性部材１９を設置する。部材４３、４４はそれぞれ斜面４５、４６を有しており、Ｙ方向で斜面同士で接している。一方の部材４３は、斜面４５ではない部分で、余剰電解液部３３と接している。弾性部材１９は、スペーサー１２、１３と、他方の部材４４の間にあって、他方の部材４４の斜面４６とはＹ方向に反対の面４７に接している。
その結果、余剰電解液部３３の電解液が少なくなった場合、他方の部材４４は弾性部材１９により、一方の部材４３に押付けられ、一方の部材４３は余剰電解液部３３を押付ける。余剰電解液部３３の電解液が減少した場合、一方の部材４３は斜面４５に沿ってＺ方向に移動するため、常に大きい押付け圧力をかけることができる。

図８は、本実施の第４の形態に係る二次電池１０をＺ方向から見た図である。二次電池１０の４辺のうち１辺、または一部には、加圧手段が備えられていない部分３９を有する。その結果、積層電極体１７で電池反応により発生したガスは、加圧手段がそなえられていない部分３９に、容易に移動が可能となるので、積層電極体１７の空孔部への電解液の浸透がより確実になる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜改変することができる。例えば、スペーサー１２、１３と余剰電解液部３３の間に弾性部材を設置したが、スペーサー１２、１３の代わりにケース４の壁面を使用することや、外装部材３０の一の辺に正負のタブ４１、４２の両方が配置される二次電池１０を示したが、正負のタブを異なる辺に配置した二次電池にも適用できることは言うまでもない。

10…二次電池
12…スペーサー
16…弾性樹脂部
17…弾性部材
21…電池本体部
32…外周部
33…余剰電解液部
34…加圧手段

Claims (10)

1. 正極と負極とセパレータを積層した積層電極体を電解液と共に外装部材に収納して、
   前記外装部材の外周部を溶着して、
   前記外周部と、積層電極体を覆う電池本体部と、前記外周部と前記電池本体部の間の電解液の溜まった余剰電解液部と、を有するラミネート型の二次電池において、
   外部から余剰電解液部に押付け圧力を加える加圧手段を備えていることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記余剰電解液部にかかる押し付け圧力は、前記電池本体部にかかる押付け圧力よりも大であって、前記余剰電解液部にかかる押し付け圧力は、前記外周部の溶着を剥す開放圧力以下であることを特徴とする二次電池。
3. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記加圧手段は、前記外周部も押付けることを特徴とする二次電池。
4. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記加圧手段は、前記外周部に平行に設置されていることを特徴とする二次電池。
5. 請求項１に記載の二次電池を複数積層した組電池において、
   前記加圧手段は、前記複数の二次電池の間にあって、前記複数の二次電池は拘束手段で、積層方向に拘束されていることを特徴とする組電池。
6. 請求項５に記載の二次電池において、
   前記加圧手段は、弾性部材であることを特徴とする二次電池。
7. 請求項６に記載の組電池において、
   前記複数の二次電池を積層した際に、互いの前記外周部の間に配置され、二次電池を所定の設置位置に対して固定するための固定部を有するスペーサと、を備えており、
   前記段部材は前記スペーサと前記余剰電解液部の間に設置されていることを特徴とする組電池。
8. 請求項７に記載の二次電池において、
   前記外周部と前記スペーサとの重畳部を包含する範囲に、インサート成形により前記弾性部材が形成されていることを特徴とする二次電池
9. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記加圧手段は、斜面を有する二つの部材を備えており、
   前記二つの部材は斜面同士で、前記二つの部材は前記積層電極体の扁平面の平行方向で接しており、
   一方の部材は前記余剰電解液部と接しており、
   他方の部材は前記積層電極体の扁平面の平行方向に、前記余剰電解液部とは反対向きに、弾性部材を備えていることを特徴とする二次電池。
10. 請求項１に記載の二次電池において、
    前記の余剰電解液部は、前記加圧手段が備えられていない部分を有することを特徴とする二次電池。

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