JP2013246933A - リチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のリチウムイオン電池は、正極と負極とをセパレータを挟んで積層した構造を有する発電要素と、前記正極に接続された正極集電体と、前記負極に接続された負極集電体と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体を束ねたシュリンクチューブと、非水電解液と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体と前記シュリンクチューブと前記非水電解液とを収容する電池ケースとを備え、前記正極集電体および前記負極集電体は、前記電池ケースに固定され、前記シュリンクチューブは、シームレスチューブであることを特徴とする。
【選択図】図6
Description
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、長時間振動を加え続けても耐振動性が低下しないリチウムイオン電池を提供する。
本発明によれば、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体を束ねたシュリンクチューブを備え、前記正極集電体および前記負極集電体は、前記電池ケースに固定されているため、発電要素と正極集電体と負極集電体とを一体化して電池ケースに固定することができ、電池に振動が加えられた際に発電要素が振動することを抑制することができ、リチウムイオン電池の耐振動性を向上させることができる。
本発明によれば、前記シュリンクチューブはシームレスチューブであり継ぎ目を有さないため、電池に長時間振動を加えたとしても、シュリンクチューブが裂けることを防止することができ、リチウムイオン電池の耐振動性を向上させることができる。なお、このことは本発明者等が行った振動実験により実証された。
このような構成によれば、シュリンクチューブにより正極集電体、負極集電体および発電要素を一体化することができ、リチウムイオン電池の耐振動性を向上させることができる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記シュリンクチューブは、前記発電要素、前記正極集電体および前記負極集電体に密着したことが好ましい。
このような構成によれば、シュリンクチューブにより正極集電体、負極集電体および発電要素を一体化することができ、リチウムイオン電池の耐振動性を向上させることができる。
このような構成によれば、リチウムイオン電池が振動することによりシュリンクチューブが裂けることを抑制することができる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記電池ケースは、開口を有する容器と前記開口を塞ぐ蓋部材とを備え、前記正極集電体および前記負極集電体は、前記蓋部材に固定されたことが好ましい。
このような構成によれば、蓋部材に固定された正極集電体および負極集電体に発電要素を接続し、樹脂フィルムで一体化することができるため、製造コストを低減することができる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記正極集電体と前記負極集電体と前記発電要素とを、前記シュリンクチューブを熱収縮させて一体に束ねてあることが好ましい。
このような構成によれば、シュリンクチューブを熱収縮させて正極集電体と負極集電体と発電要素との密着性を高めることができるため、リチウムイオン電池に与えられる振動による発電要素と各集電体との接続部分への影響を抑制することができる。また、シュリンクチューブをシームレスとすることで熱収縮させた際の融着部分とそれ以外の部分の収縮率の差による応力が無くなるため、シュリンクチューブが継ぎ目から裂けることを抑制することができる。このため、歩留まりも向上させることができる。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
図1は本実施形態のリチウムイオン電池の構成を示す概略上面図であり、図2は本実施形態のリチウムイオン電池の構成を示す概略側面図である。また、図3は図1の点線A−Aにおけるリチウムイオン電池の概略断面図であり、図4(a)(b)は本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる正極集電体および負極集電体の概略断面図である。図5は図2の点線B−Bにおけるリチウムイオン電池の概略断面図であり、図6は図2の一点鎖線C−Cにおけるリチウムイオン電池の概略断面図である。また、図7は、本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる発電要素の説明図であり、図8(a)は本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる正極の概略平面図であり、図8(b)は図8(a)の点線D−Dにおける正極の概略断面図である。図9(a)は本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる負極の概略平面図であり、図9(b)は図9(a)の点線D−Dにおける負極の概略断面図である。
以下、本実施形態のリチウムイオン電池20について説明する。
電池ケース17は、発電要素12を収容するための容器1を備える。また、電池ケース17は、蓋部材2を備えてもよい。
容器1は、内部に発電要素12、正極集電体3、負極集電体4および非水電解液5を収容することができ、蓋部材2と接合することができる。
容器1の材料は、内部に発電要素12、正極集電体3、負極集電体4および非水電解液5を収容しても大きく変形しない材料であれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、ステンレス等の金属材料、該金属材料にニッケル、スズ、クロム、亜鉛等をメッキしたものや、硬質プラスチックなどである。
容器1の形状は、角型でも円筒形でも良い。
また、蓋部材2には、正極集電体3および負極集電体4を固定することができる。そして、正極集電体3には正極21を固定し、負極集電体4には負極22を固定することができるので、図3のように発電要素12を正極集電体3、負極集電体4、外部絶縁部材10a、10b、内部絶縁部材11a、11bを介して蓋部材2に固定することができる。このように、一体化することで、発電要素12、正極集電体3、負極集電体4を容器1の内部に収容し、蓋部材2により開口を塞ぐことが一度にできる。
また、蓋部材2には外部接続端子8a、8bを固定することができ、正極集電体3を外部接続端子8aに電気的に接続することができ、負極集電体4を外部接続端子8bに電気的に接続することができる。このことにより、外部接続端子8a、8bを介して、リチウムイオン電池20の充放電を行うことができる。
正極集電体3、負極集電体4の製造方法は、特に限定されないが、例えば、金属板をプレス加工することにより製造することができる。
負極集電体4は、例えば、蓋部材2に設けられた開口を貫通し外部接続端子8bと接続する突出部4aと、負極22と接続する接続部である足部4cと突出部4aと足部4cとをつなぐ集電体の基部4bを有することができる。
集電体の突出部3a、4aが蓋部材2の開口を貫通し外部接続端子8a、8bと接続することにより、正極集電体3および負極集電体4を蓋部材2に外部絶縁部材10a、10b内部絶縁部材11a、11bを介して固定することができ、外部接続端子8a、8bと集電体3、4とを電気的に接続することができる。図面において、正極集電体3の足部3cおよび負極集電体4の足部4cは、一つのみの場合が例示されているが、足部の数は2つ以上あってもよいし、足部の幅はケース内に収まる範囲であれば、どのような幅であってもよい。
また、正極21および負極22を有する発電要素12を正極集電体3および負極集電体4に固定することができるので、正極集電体3および負極集電体4を介して蓋部材2に発電要素12を固定することができる。
集電体の足部3c、4cは、コの字型の構造を有することができ、対向する金属板の外側の2つの面にそれぞれ正極21または負極22を接合することができる。
さらに、正極集電体3は発電要素12の一端部に配置され、負極集電体4は発電要素12の他端部に配置ことができる。このことにより、電池に振動が加えられた際の発電要素12の振動幅を小さくすることができる。
発電要素12は、電池ケース17内部に充填された非水電解液5と共に電池反応をする。この電池反応によりリチウムイオン電池20は、放電、充電をすることができる。発電要素12は、セパレータ24と、セパレータ24を介して配置された正極21および負極22を備える。発電要素12は、例えば、図5〜7のように、つづら折りされたセパレータ24と、セパレータ24の各谷溝に配置され、かつ、セパレータ24を介して交互に配置された正極21および負極22とを備えることができる。ここでは、上記構造を示したが、通常使われているセパレータ24と、セパレータ24を介して配置された正極21および負極22を巻いた巻回タイプや、セパレータ24を介して配置された正極21および負極22を重ね合わせた積層タイプでもよい。
正極活物質層25は、正極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法などにより正極集電シート27の上に形成することができる。正極活物質は、例えば、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することが可能なリチウム遷移金属複合酸化物、すなわち、LiCoO2、LiNiO2、LiNixCo1-xO2(x=0.01〜0.99)、LiMnO2、LiMn2O4、LiCoxMnyNizO2(x+y+z=1)又はオリビン型のLiFePO4やLixFe1-yMyPO4(但し、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8であり、MはMn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、Nbのうち少なくとも1種以上である)などが一種単独もしくは複数種を混合して使用することができる。
負極活物質層26は、負極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法などにより負極集電シート28の上に形成することができる。負極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、グラファイト、部分黒鉛化した炭素、LiTiO4、Sn合金等が一種単独もしくは複数種を混合して使用することができる。
シュリンクチューブ15は、管状の樹脂フィルムであり、発電要素12と正極集電体3と負極集電体4を一体に束ねており、熱収縮させている。また、シュリンクフィルム15は発電要素12と正極集電体3と負極集電体4を覆っている。又、シュリンクチューブ15は、シームレスチューブであり、継ぎ目を有していない。シームレスチューブは、例えば、芯体となる金型の外面に樹脂フィルムを成膜し、樹脂フィルムを金型から分離することにより製造することができる。シュリンクチューブ15を設けることにより、発電要素12の膨らみやズレを抑えることができ、発電要素12に含まれる正極や負極がばらばらになることを防止することができる。特に発電要素12が積層構造である場合、シュリンクチューブ15は、正極21及び負極22を固定する部品となる、つまり、シュリンクチューブ15は、発電要素12の形状維持部材としても機能している。
また、シュリンクチューブ15は、発電要素12、正極集電体3および負極集電体4に密着することができる。このことにより、正極集電体3と負極集電体4と発電要素12を一体化することができ、電池の耐振動性を向上させることができる。
シュリンクチューブ15を構成するフィルムの厚さは、30μm以上200μm以下とすることができる。シュリンクチューブ15の厚さを30μm以上とすることにより、シュリンクチューブ15が十分な強度を有することができ、電池を振動させてもシュリンクチューブ15が裂けることを防止することができる。また、シュリンクチューブ15の厚さを200μm以下とすることにより、シュリンクチューブ15を熱収縮させる時間を短くすることまたは熱収縮させる際の温度を低くすることができ、熱収縮させる際に加える熱が発電要素12に影響を与えることを抑制することができる。
シュリンクチューブ15を構成するフィルムの厚さは、さらに好ましくは50μm以上150μm以下である。このことにより、シュリンクチューブが十分な強度を有することができ、熱収縮させる際の発電要素への影響をさらに小さくすることができる。
シュリンクチューブ15を設けることにより、このような電池の損傷を抑制することができる。
従来のシュリンクフィルムは融着または接着した継ぎ目を有しており、継ぎ目部分には熱収縮時の収縮率の差による応力が存在するため、継ぎ目部分の強度は、他の部分の強度に比べ小さくなる。このため、電池が振動しシュリンクフィルムにストレスがかかった場合、強度の弱い継ぎ目周辺からシュリンクフィルムが裂けてしまう場合がある。シュリンクフィルムが裂けてしまうと、発電要素12、正極集電体3、負極集電体4がばらばらになってそれぞれが別々に振動することとなり、電池が損傷しやすくなる。
図1〜5に示したようなリチウムイオン電池であって、シュリンクチューブの形態を変えた5種類のリチウムイオン電池(実施例1〜5)をそれぞれ5個ずつ作製し、振動実験を行った。また、比較例として、図1〜5に示したようなリチウムイオン電池であって、シュリンクチューブの代わりにシュリンクフィルムを備えた3種類のリチウムイオン電池(比較例1〜3)をそれぞれ5個ずつ作製し、振動実験を行った。
シュリンクチューブおよびシュリンクフィルムの材質は、ポリエチレンとした。また、正極集電体および負極集電体の足部(発電要素と接続する部分)の長さは8cmとした。
作製したリチウムイオン電池を振動装置のプラットフォーム(振動台)にしっかりと固定し、プラットフォームを正弦波形で振動させリチウムイオン電池の振動試験を行った。振動試験は、電池のX方向、Y方向、Z方向に対してそれぞれ振動試験サイクルを12回ずつ行った。1回の振動試験サイクルは、7Hz→200Hz→7Hzを15分で対数掃引することにより周波数を変化させながら電池を振動させた。すなわち、各方向に3時間ずつ電池を振動させた。
振動試験サイクルでは、周波数7Hz〜18Hzにおいては、ピーク加速度を1Gに維持し、周波数18Hz〜50Hzでは、振動幅を0.8mm(全振幅1.6mm)に保ち、ピーク加速度が8Gとなるまで加速度を増加させた。周波数50Hz〜200Hzでは、ピーク加速度を8Gに維持した。
比較例1では、一重にシュリンクフィルムを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。このシュリンクフィルムは、厚さ50μmのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、このポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、シュリンクフィルムがフィルムを重ねて融着した継ぎ目周辺で裂け、集電体の足部が付け根部分で折れたことが確認された。集電体の足部の付け根部分が折れた原因としては、シュリンクフィルムが裂ける前は、シュリンクフィルムが集電体の足部の振動を抑えていたが、シュリンクフィルムが裂けた後は、集電体の足部が大きく振動し集電体の足部の付け根に大きなストレスがかかったことが考えられる。
比較例2では、二重にシュリンクフィルムを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。このシュリンクフィルムは、厚さ50μmのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、さらに、その上から厚さ50μmのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、これらのポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてでシュリンクフィルムが二枚ともフィルムを重ねて融着した継ぎ目周辺で裂けたことが確認され、4つの電池で集電体の足部の付け根部分で折れたことが確認された。
比較例3では、厚さ100μmのポリエチレンフィルムで、一重にシュリンクフィルムを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。このシュリンクフィルムは、厚さ100μmのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、このポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、シュリンクフィルムがフィルムを重ねて融着した継ぎ目周辺で裂け、集電体の足部の付け根部分に大きなひびが生じていることが確認された。
実施例1では、厚さ30μmのポリエチレンフィルムからなるシームレスのポリエチレンチューブ中に発電要素、正極集電体および負極集電体を挿入しポリエチレンチューブを熱収縮させてシュリンクチューブを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、2つの電池においてシュリンクチューブが集電体の上部付近で約2mm裂けていることが確認された。また、集電体の足部の付け根部分が折れることもなく、ひびが入ることもなかった。
実施例2では、厚さ50μmのポリエチレンフィルムからなるシームレスのポリエチレンチューブ中に発電要素、正極集電体および負極集電体を挿入しポリエチレンチューブを熱収縮させてシュリンクチューブを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、すべての電池においてシュリンクチューブが裂けることはなかった。また、集電体の足部の付け根部分が折れることもなく、ひびが入ることもなかった。
実施例3では、厚さ100μmのポリエチレンフィルムからなるシームレスのポリエチレンチューブ中に発電要素、正極集電体および負極集電体を挿入しポリエチレンチューブを熱収縮させてシュリンクチューブを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、すべての電池においてシュリンクチューブが裂けることはなかった。また、集電体の足部の付け根部分が折れることもなく、ひびが入ることもなかった。
実施例4では、厚さ150μmのポリエチレンフィルムからなるシームレスのポリエチレンチューブ中に発電要素、正極集電体および負極集電体を挿入しポリエチレンチューブを熱収縮させてシュリンクチューブを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、すべての電池においてシュリンクチューブが裂けることはなかった。また、集電体の足部の付け根部分が折れることもなく、ひびが入ることもなかった。
実施例5では、厚さ200μmのポリエチレンフィルムからなるシームレスのポリエチレンチューブ中に発電要素、正極集電体および負極集電体を挿入しポリエチレンチューブを熱収縮させてシュリンクチューブを設けたリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、すべての電池においてシュリンクチューブが裂けることはなかった。また、集電体の足部の付け根部分が折れることもなく、ひびが入ることもなかった。
Claims (7)
- 正極と負極とをセパレータを挟んで積層した構造を有する発電要素と、前記正極に接続された正極集電体と、前記負極に接続された負極集電体と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体を束ねたシュリンクチューブと、非水電解液と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体と前記シュリンクチューブと前記非水電解液とを収容する電池ケースとを備え、
前記正極集電体および前記負極集電体は、前記電池ケースに固定され、
前記シュリンクチューブは、シームレスチューブであることを特徴とするリチウムイオン電池。 - 前記正極集電体は前記発電要素の一端部に配置され、前記負極集電体は前記発電要素の他端部に配置されており、
前記シュリンクチューブにより、前記正極集電体と前記負極集電体と前記発電要素とが包囲されている請求項1に記載のリチウムイオン電池。 - 前記シュリンクチューブは、前記発電要素、前記正極集電体および前記負極集電体に密着した請求項1または2に記載のリチウムイオン電池。
- 前記シュリンクチューブは、30μm以上200μm以下の厚さのフィルムからなる請求項1〜3のいずれか1つに記載のリチウムイオン電池。
- 前記電池ケースは、開口を有する容器と前記開口を塞ぐ蓋部材とを備え、
前記正極集電体および前記負極集電体は、前記蓋部材に固定された請求項1〜4のいずれか1つに記載のリチウムイオン電池。 - 前記シュリンクチューブは、前記正極集電体と前記負極集電体と前記発電要素とを、熱収縮させて一体に束ねる請求項1〜5のいずれか1つに記載のリチウムイオン電池。
- 前記発電要素は、つづら折りされた前記セパレータを有し、
前記正極および前記負極は、前記セパレータの各谷溝に配置され、かつ、前記セパレータを介して交互に配置されている請求項1〜6のいずれか1つに記載のリチウムイオン電池。
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