JP2013178950A

JP2013178950A - 蓄電素子

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Publication number: JP2013178950A
Application number: JP2012042122A
Authority: JP
Inventors: Jo Sasaki; 丈佐々木
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-09-09
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP6102062B2

Abstract

【課題】ラミネート式の蓄電素子において、電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保でき、電解液が枯渇することによる蓄電素子の性能の低下を防ぐことができる蓄電素子を提供することを目的とする。
【解決手段】電極体１０１と、電極体を収容する第一空間１０５と、第一空間とは異なる第二空間１０６と、第一空間および第二空間を接続する通路部１０７と、を形成するラミネート容器１０２と、第一空間および第二空間の両方に含有される電解液とを備える。
【選択図】図２

Description

ラミネート容器を有する蓄電素子に関する。

従来、容器がラミネートで構成されるラミネート式の蓄電素子としての二次電池がある。ラミネート式の二次電池は、一般的に、電極体としての発電要素を袋状の容器に挿入した後に真空脱気を行うことにより、発電要素を構成する正極シートおよび負極シートに圧力をかけている。このように発電要素を容器によって圧迫することにより、二次電池の充放電性能を向上させている。このラミネート式の二次電池では、上述のように真空脱気を行うため、容器が金属で構成されるものと比べると、余剰の電解液を十分に保持する構造になっていない。このため、長期使用中に電解液が徐々に分解した場合、電解液が枯渇していわゆる液枯れ状態となる。この液枯れ状態は、二次電池の内部抵抗の上昇やリチウム電析の発生に伴う電池容量の低下など、性能低下の原因となる。特に、自動車用途の二次電池など例えば１０年から１５年などの長期間の使用を前提とした場合、このような性能低下を低減することが求められている。

このような課題に対して、特許文献１では、正極活物質および負極活物質の少なくとも一方に電解液をリザーブする部分を設け、余剰の電解液を確保することにより液枯れを防いでいる。

特開平６−３１４５６５号公報

しかしながら、正極活物質および負極活物質の少なくとも一方の活物質層に切れ目、割れ目、または凹部を設けることにより、電解液をリザーブする部分を設ける構造であるため、十分な量の電解液を確保することは難しい。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ラミネート式の蓄電素子において、電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保でき、電解液が枯渇することによる蓄電素子の性能の低下を防ぐことができる蓄電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、電極体と、前記電極体を収容する第一空間と、前記第一空間とは異なる第二空間と、前記第一空間および前記第二空間を接続する通路部と、を形成するラミネート容器と、前記第一空間および前記第二空間の両方に含有される電解液とを備える。

これによれば、電極体を収容する第一空間の他に、第一空間と通路部により接続される第二空間がラミネート容器に設けられており、電解液が第一空間と第二空間との両方に含有される。このように、電極体が収容される第一空間の他に、第二空間において余剰の電解液を蓄えておくことができるため、蓄電素子を長期間使用した場合においても電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保できる。これにより、電解液が枯渇することによる蓄電素子の性能の低下を防ぐことができる。

また、前記通路部は、前記第一空間に含有される電解液の消費に伴って前記第二空間に含有される前記電解液を前記第一空間に補充するための液補充用通路として機能するとしてもよい。

また、前記電解液は、前記第一空間に充填可能な液量よりも多いとしてもよい。

これによれば、第一空間に電極体を収容した上で充填可能な電解液の液量よりも多い量をラミネート容器に含有させている。つまり、第二空間にも電解液を充填することが可能であるため、第一空間の体積から電極体の占める体積を差し引いた体積である第一空間に充填可能な電解液の液量よりも多い液量をラミネート容器の空間（第一空間および第二空間）に含有させることができる。このため、蓄電素子を長期間使用した場合においても電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保できる。

また、さらに前記電極体に接続され、前記ラミネート容器の端部から露出する正極端子および負極端子を備え、前記正極端子および前記負極端子は、前記ラミネート容器の所定方向側から露出しており、前記第二空間は、前記正極端子および前記負極端子の前記第一空間を挟んで反対側に形成されるとしてもよい。

また、前記通路部は、前記第一空間において発生したガスを前記第二空間に放出するためのガス放出用通路として機能するとしてもよい。

これによれば、第二空間が正極端子および負極端子が配置される側に対して第一空間を挟んで反対側に形成される。例えば、ラミネート式の蓄電素子の製造時には、第一空間に電極体を収容し、正極端子および負極端子が配置される側の辺を残してその他の辺を密着させた後に、第一空間および第二空間に電解液を充填して真空脱気を行う。このため、第二空間が第一空間を挟んで端子とは反対側以外に配置される場合、端子が配置される位置に第二空間が近くなり、真空脱気の際に空気と共に電解液が吸入されるおそれがある。しかし、第二空間は、端子が第一空間に対して配置される側とは反対側に配置されることにより、電解液は、真空脱気の際に空気と共に吸入されにくくすることができる。

また、前記通路部は、複数形成されるとしてもよい。

これによれば、通路部が複数形成されるため、第二空間に充填される電解液が第一空間に移動して第一空間の電解液が補充される際に、第一空間に充填される電解液が第一空間において偏った分布となって電池性能が低下することを防ぐことができる。

また、前記通路部は、複数形成され、前記複数の通路部の内の少なくとも一つである第一通路部が、前記第二空間に含有される前記電解液を前記第一空間に補充するための液補充用通路として機能し、前記第一通路部を除く前記複数の通路部の内の少なくとも一つである第二通路部が、前記第一空間において発生したガスを前記第二空間に放出するためのガス放出用通路として機能するとしてもよい。

これによれば、電解液が通過する通路部と、ガスが通過する通路部とがそれぞれ異なるため、スムーズに電解液およびガスを第一空間および第二空間の間で移動させることができる。

また、前記電極体は、正極シートおよび負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に配置されるセパレータとを有し、前記正極シートおよび前記負極シートと前記セパレータとが積層されて成る積層体の端部が、前記通路部が接続される側に対向するように、前記第一空間に配置されるとしてもよい。

これによれば、電極体は、積層された正極シートおよび負極シートとセパレータとが積層されて成る積層体の端部が、通路部が接続される側に対向するように、第一空間に配置されるため、正極シートと負極シートとに第二空間から移動してきた電解液を浸透させやすい構造とすることができる。このため、電解液が枯渇することにより生じる電解液の偏りを速やかに解消することができ、蓄電素子の性能低下を防ぐことができる。

本発明に係る蓄電素子によれば、ラミネート式の蓄電素子において、蓄電素子を長期間使用した場合においても電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保でき、電解液が枯渇することによる蓄電素子の性能の低下を防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係る蓄電素子の外観を模式的に示す斜視図。蓄電素子の分解斜視図。蓄電素子の第一空間、第二空間および通路部の位置関係を示す断面図。本発明の実施の形態２に係る蓄電素子の第一空間、第二空間および通路部の位置関係を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る蓄電素子１００の外観を模式的に示す斜視図である。図２は、蓄電素子１００の分解斜視図である。

これらの図に示すように、蓄電素子１００は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる蓄電池であり、より具体的には、非水電解液電池（例えばリチウムイオン電池）等である。蓄電素子１００は、電極体１０１と、ラミネート容器１０２と、電極端子１３０である正極端子１３１および負極端子１３２と、ラミネート容器１０２の内部に電極体１０１と共に収容される電解液を備えている。また、蓄電素子１００は、非水電解質電池には限定されず、非水電解質電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。

ラミネート容器１０２は、２枚の矩形のアルミラミネートフィルム１０３、１０４から成る。電極体１０１は、帯状の正極と負極とをセパレータを介して捲回し長円筒形に形成したものである。正極端子１３１および負極端子１３２は、ラミネート容器１０２の所定方向側から露出している。正極端子１３１および負極端子１３２は、電極体１０１の捲回軸方向の一方の端部から突出しており、それぞれが電極体１０１の正極および負極に接続されている。

２枚のアルミラミネートフィルム１０３、１０４は、金属層の一方の面にベースフィルム層を積層すると共に他方の面にシーラント層を積層した３層構造の矩形のフレキシブルなラミネートフィルムである。金属層は、アルミニウム箔から成り、ラミネート容器１０２のガスバリア性を確保し非水電解液の漏液を確実に防止するために設けられた中間層である。また、ベースフィルム層は、ナイロン等の樹脂層から成り、ラミネート容器１０２の強度を高めるために設けられた外側層である。さらに、シーラント層は、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂から成り、アルミラミネートフィルム１０３、１０４の周縁部を熱溶着するために設けられた内側層である。

上記アルミラミネートフィルム１０３、１０４は、電極体１０１を収容するための第一凹部１０５と、第一凹部１０５とは異なる第二凹部１０６と、第一凹部１０５および第二凹部１０６にわたる第三凹部１０７とがそれぞれに形成される。２枚のアルミラミネートフィルム１０３、１０４は、図２に示すように、それぞれの第一凹部１０５の位置と、第二凹部１０６の位置と、第三凹部１０７の位置とが一致する位置に形成される。つまり、２枚のアルミラミネートフィルム１０３、１０４は、互いに対向して密着したときに第一凹部１０５同士により電極体１０１が収容される第一空間Ａ１が形成され、第二凹部１０６同士により第二空間Ａ２が形成され、第三凹部１０７同士により通路部１０８が形成される。このとき、２枚のアルミラミネートフィルム１０３、１０４の内の第一凹部１０５の周囲の部分、かつ、第二凹部１０６の周囲の部分、かつ、第三凹部１０７の周囲の部分は、互いに接しており、熱溶着されることにより接合される。つまり、ラミネート容器１０２には、電極体１０１を収容する第一空間Ａ１と、第一空間Ａ１とは異なる第二空間Ａ２と、第一空間Ａ１および第二空間Ａ２を接続する通路部とが形成される。

２枚のアルミラミネートフィルム１０３、１０４は、電極体１０１が収容される第一空間Ａ１の電極体１０１の正極端子１３１および負極端子１３２が突出する辺を除く部分が熱溶着されることにより接合される。そして、熱溶着されていない部分の辺の部分（以下、「挿入部」とする）より、２枚のアルミラミネートフィルム１０３、１０４により構成された袋状のラミネート容器１０２の第一空間Ａ１の中に電極体１０１が挿入される。第一空間Ａ１の中に電極体１０１を挿入した後で、真空脱気を行い、ラミネート容器１０２の第一空間Ａ１および第二空間Ａ２の内部（通路部１０８も含む）に電解液が充填される。電解液がラミネート容器１０２の第一空間Ａ１および第二空間Ａ２に充填された後で、再度真空脱気を行うことにより第一空間Ａ１の内部の電極体１０１は圧力がかかった状態とされる。そして、袋状のラミネート容器１０２の挿入部を熱溶着することにより電極体１０１および電解液をラミネート容器１０２の内部に真空状態で密閉する。つまり、電解液は、第一空間Ａ１および第二空間Ａ２の両方に含有される。また、電解液は、第一空間Ａ１に充填可能な液量よりも多い量が、ラミネート容器１０２に含有される。なお、ここで、第一空間Ａ１に充填可能な液量とは、第一空間Ａ１の体積から第一空間Ａ１に収容される電極体１０１の体積を差し引いた体積に相当する。

これにより、ラミネート容器１０２の第一空間Ａ１に収容された電極体１０１には圧力がかけられた状態で、電解液と共に密閉されるため電極体１０１の各電極間の距離が開くことを低減することができ電池の性能を向上させることができる。また、電極体１０１は、第一空間Ａ１において圧力がかけられた状態にされ、さらに、第二空間Ａ２にも電解液が充填されるため、蓄電素子１００を長期間使用した場合においても電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保できる。これにより、電解液が枯渇することによる蓄電素子１００の性能の低下を防ぐことができる。

なお、再度真空脱気を行うときに、通路部１０８を圧迫した状態にして真空脱気を行うことが好ましい。これにより、第二空間Ａ２に充填された電解液が第一空間Ａ１に流出することを防ぐことができる。

また、通路部１０８の通路径は、第一空間Ａ１および第二空間Ａ２と比較して十分に小さいことが好ましい。これにより、再度真空脱気を行うときに、第二空間Ａ２から第一空間Ａ１へ電解液を流出させにくい構造とすることができる。また、通路部１０８の通路径を十分に小さくすることにより、アルミラミネートフィルム１０３、１０４が溶着される面積を十分に確保することができ、真空脱気の際に電極体１０１に十分に圧力をかけることができる。このため、電極体１０１に圧力がかからないことによる蓄電素子１００の充放電特性の低下を防ぐことができる。

なお、第二空間Ａ２は、第一空間Ａ１に収容される電極体１０１の正極端子１３１および負極端子１３２の第一空間Ａ１を挟んで反対側に形成される。つまり、第二空間Ａ２は、第一空間Ａ１に対する位置が、第一空間Ａ１に収容される電極体１０１の捲回軸方向の他方の端部側に形成される。

ラミネート式の蓄電素子１００の製造時には、正極端子１３１および負極端子１３２が配置される側の辺を残してその他の辺を密着させた後に、第一空間Ａ１に電極体１０１を収容して真空脱気を行い、第一空間Ａ１および第二空間Ａ２に電解液を充填して再度真空脱気を行うため、第二空間Ａ２が第一空間を挟んで端子とは反対側以外に配置される場合、正極端子１３１および負極端子１３２が配置される位置に第二空間Ａ２が近くなり、真空脱気の際に空気と共に電解液が吸入されるおそれがある。しかし、第二空間Ａ２は、正極端子１３１および負極端子１３２が第一空間Ａ１に対して配置される側とは反対側に配置されることにより、電解液は、真空脱気の際に空気と共に吸入されにくくすることができる。

図３は、蓄電素子１００の第一空間Ａ１、第二空間Ａ２および通路部１０８の位置関係を示す断面図である。

蓄電素子１００は、充放電を繰り返し例えば１０年から１５年といった長期間使用した場合に、内部において電解液の一部が電極体１０１における化学反応によりガスおよび固体になる。この場合に、第二空間Ａ２に充填されている電解液が第二空間Ａ２から通路部１０８を介して第一空間Ａ１に移動する。この時、第一空間Ａ１に収容されている電極体１０１を構成するセパレータは、一般的に電解液を吸収しやすい素材から成るため、第二空間Ａ２から第一空間Ａ１へと電解液は移動しやすくなっている。また、第一空間Ａ１において発生したガスは、電解液と入れ替わることにより第一空間Ａ１から第二空間Ａ２へと移動する。つまり、通路部１０８は、第一空間Ａ１に含有される電解液の消費に伴って第二空間Ａ２に含有される電解液を第一空間Ａ１に補充するための補充用通路として機能する。また、通路部１０８は、補充用通路部として機能すると共に、第一空間Ａ１において発生したガスを第二空間Ａ２に放出するためのガス放出用通路として機能する。

このようにして、第一空間Ａ１の電極体１０１において発生したガスを、第二空間Ａ２に放出し、かつ、ガスが発生する事により不足する電解液を第二空間Ａ２から第一空間Ａ１に移動させることができるため、蓄電素子１００は、ガスが発生することによる電極体１０１の各電極間の距離を開くことを低減することができ、また、電解液が不足することを防ぐことができる。これにより、蓄電素子１００の性能低下を低減することができる。

また、本実施の形態１の蓄電素子１００では、電極体１０１の捲回軸方向に並ぶように第一空間Ａ１および第二空間Ａ２が形成され、第一空間Ａ１の捲回軸方向に沿った側に通路部１０８が形成される。つまり、電極体１０１は、積層された正極シートおよび負極シートとセパレータとが積層されて成る積層体の端部が、通路部１０８が接続される側に対向するように、第一空間Ａ１に配置される。なお、ここで言う「積層体の端部」とは、正極シートおよび負極シートとセパレータとが積層されて、積層された各々の端部が積層方向に一致している（厳密に一致していなくても良い）部分を指す。このため、第一空間Ａ１に収容される電極体１０１は、第一空間Ａ１の第二空間Ａ２側である通路部１０８が接続される側に折り返し部が無い状態で配置されることになる。このため、電極体１０１の特に正極シートと負極シートとの間のセパレータに第二空間Ａ２から移動してきた電解液を浸透させやすい構造とすることができる。このため、電解液が枯渇することにより生じる電解液の偏りを速やかに解消することができ、蓄電素子１００の性能低下を防ぐことができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る蓄電素子２００の第一空間Ａ１１、第二空間Ａ１２および通路部２０８、２０９の位置関係を示す断面図である。図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る蓄電素子２００は、実施の形態１の蓄電素子１００とは、通路部２０８、２０９が複数（本実施の形態２では２本）あることが異なっており、その他の構成は図示しないが実施の形態１の蓄電素子１００と同じであるため説明を省略する。

実施の形態２に係る蓄電素子２００のラミネート容器２０２には、第一空間Ａ１１および第二空間Ａ１２の間を連通する２本の通路部２０８、２０９が形成される。このため、第二空間Ａ１２に充填されている電解液が第一空間Ａ１１に移動して第一空間Ａ１の電解液が補充される際に、第一空間Ａ１に充填される電解液が第一空間Ａ１１において偏った分布となって電池性能が低下することを防ぐことができる。

また、２本の通路部２０８、２０９の内の第一通路部２０８を電解液が第二空間Ａ１２から第一空間Ａ１１へ移動させるための液補充用通路とし、第二通路部２０９を第一空間Ａ１１の電極体１０１において発生したガスを第一空間Ａ１１から第二空間Ａ１２に移動させるためのガス放出用通路としてもよい。つまり、複数の通路部２０８、２０９の内の少なくとも一つである第一通路部２０８が、第二空間Ａ２に含有される電解液を第一空間Ａ１に補充するための液補充用通路として機能し、第一通路部２０８を除く複数の通路部２０８、２０９の内の少なくとも一つである第二通路部２０９が、第一空間Ａ１において発生したガスを第二空間Ａ２に放出するためのガス放出用通路として機能する。この場合に、例えば通路部２０８の第一空間Ａ１１側には液が第二空間Ａ１２から移動しやすい毛細管現象を利用するような構造を有する部材を設けることにより液補充用通路とすることが考えられる。また、例えば第二通路部２０９はガスを通過させやすくするために、第一通路部２０８よりも高い位置に配置することが考えられる。このように、電解液が通過する第一通路部２０８と、ガスが通過する第二通路部２０９とがそれぞれ異なるため、スムーズに電解液およびガスを第一空間Ａ１１および第二空間Ａ１２の間で移動させることができる。

なお、蓄電素子２００では、ラミネート容器２０２に形成される通路部は２本としているが、２本に限らずに、３本、４本、５本などであってもよい。また、蓄電素子２００では、２本の通路部のうちの１本を液補充用通路として利用し、別の１本をガス放出用通路として利用するような構成としているが、これに限らずに、実施の形態１のように通路部が電解液とガスとの両方が移動できるような構成であってもよい。また、通路部が３本以上の場合では、その内のいずれかがガス放出用通路として機能し、ガス放出用通路として機能する通路部以外の通路部の内のいずれかが液補充用通路として機能してもよいし、複数本のいずれかが電解液とガスとの両方が移動できるように機能してもよく、その形態は問わない。

（他の実施の形態）
上記実施の形態では、蓄電素子１００、２００は、正極端子１３１および負極端子１３２がラミネート容器１０２に対して同じ方向から露出する構成であるが、これに限らずに、正極端子１３１および負極端子１３２がラミネート容器１０２に対して互いに異なる方向であって反対側の方向からそれぞれが露出する構成であってもよい。

この場合に、電極体は、捲回軸方向の両端側から正極端子および負極端子がそれぞれ突出する構成となり、電極体が第一空間に収容された状態において、第一空間の捲回軸方向に直交する方向側に第二空間が配置されることになる。

また、上記実施の形態では、電極体１０１は、捲回型が採用されているが、捲回型に限らずに、積層型、折り畳み型（蛇腹状の折り畳み）であってもよい。例えば、折りたたみ型の場合であっても、第一空間Ａ１、Ａ１１の通路部１０８、２０８、２０９側には折り返し部が無いように電極体を配置することが第二空間Ａ２、Ａ１２の電解液を電極体が吸収しやすいという観点から好ましい。

また、上記実施の形態では、余剰の電解液を充填する空間として第二空間Ａ２、Ａ１２を設けているが、第二空間Ａ２、Ａ１２だけでなくさらに別の空間を設けても良い。また、上記実施の形態では、第二空間Ａ２、Ａ１２が、第一空間Ａ１、Ａ１１において発生したガスを貯めておく空間としても機能しているが、上記別の空間がガスを貯めておく専用の空間として機能してもよい。

本発明の一態様に係る蓄電素子は、ラミネート式の蓄電素子において、蓄電素子を長期間使用した場合においても電解液が枯渇することを防ぐことができる十分な量の電解液を確保でき、電解液が枯渇することによる蓄電素子の性能の低下を防ぐことができる蓄電素子等として有用である。

１００、２００蓄電素子
１０１電極体
１０２、２０２ラミネート容器
１０３、１０４アルミラミネートフィルム
１０５第一凹部
１０６第二凹部
１０７第三凹部
１０８通路部
１３０電極端子
１３１正極端子
１３２負極端子
２０８第一通路部（通路部）
２０９第二通路部（通路部）
Ａ１、Ａ１１第一空間
Ａ２、Ａ１２第二空間

Claims

電極体と、
前記電極体を収容する第一空間と、前記第一空間とは異なる第二空間と、前記第一空間および前記第二空間を接続する通路部と、を形成するラミネート容器と、
前記第一空間および前記第二空間の両方に含有される電解液と
を備える蓄電素子。
前記通路部は、前記第一空間に含有される電解液の消費に伴って前記第二空間に含有される前記電解液を前記第一空間に補充するための液補充用通路として機能する
請求項１に記載の蓄電素子。
前記電解液は、前記第一空間に充填可能な液量よりも多い
請求項１または２に記載の蓄電素子。
さらに
前記電極体に接続され、前記ラミネート容器の端部から露出する正極端子および負極端子を備え、
前記正極端子および前記負極端子は、前記ラミネート容器の所定方向側から露出しており、
前記第二空間は、前記正極端子および前記負極端子の前記第一空間を挟んで反対側に形成される
請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄電素子。
前記通路部は、前記第一空間において発生したガスを前記第二空間に放出するためのガス放出用通路として機能する
請求項１から４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
前記通路部は、複数形成される
請求項１から５のいずれか１項に記載の蓄電素子。
前記通路部は、複数形成され、
前記複数の通路部の内の少なくとも一つである第一通路部が、前記第二空間に含有される前記電解液を前記第一空間に補充するための液補充用通路として機能し、
前記第一通路部を除く前記複数の通路部の内の少なくとも一つである第二通路部が、前記第一空間において発生したガスを前記第二空間に放出するためのガス放出用通路として機能する
請求項６に記載の蓄電素子。
前記電極体は、
正極シートおよび負極シートと、前記正極シートと前記負極シートとの間に配置されるセパレータとを有し、
前記正極シートおよび前記負極シートと前記セパレータとが積層されて成る積層体の端部が、前記通路部が接続される側に対向するように、前記第一空間に配置される
請求項１から６のいずれか１項に記載の蓄電素子。