JP2013254629A - 蓄電装置及び二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を受ける状態で使用されても、積層型の電極組立体を構成する正極、セパレータ及び負極相互間のずれを抑制する。
【解決手段】二次電池（蓄電装置）１０は、タブ１３ａ，１４ａをそれぞれ有する正極１３及び負極１４がセパレータ１５を間に挟んだ状態で積層された電極組立体１２を有する。正極１３、負極１４及びセパレータ１５は矩形状に形成され、セパレータ１５の各辺は正極１３及び負極１４の各辺よりも長く形成されている。電極組立体１２は金属フィルムと樹脂フィルムとのラミネートフィルムで形成された袋状の外装シート１１内に収容されている。外装シート１１は積層方向において電極組立体１２の両側に配置された２つの矩形部１１ａを有し、４辺において矩形部１１ａ同士が直接又はセパレータ１５を介して連結された連結部１１ｂを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置及び二次電池に係り、詳しくは正極及び負極がセパレータを間に挟んだ状態で積層された積層型の電極組立体を有する蓄電装置及び二次電池に関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。二次電池を構成する電極組立体には、積層型と巻回型とがある。積層型の電極組立体は、複数の正極及び複数の負極がセパレータを間に挟んだ状態で交互に積層されている。積層された正極、セパレータ及び負極の間で位置ずれが生じると、正極と負極とが短絡したり、電池の性能が低下したりする。

積層された正極、セパレータ及び負極間の位置ずれを防ぐために、テープで止めたり（特許文献１参照）、帯状のセパレータをつづら折り状に折り畳んだ状態で使用したりするものがある。また、特許文献１には、正極電極（正極）及び負極電極（負極）の少なくとも一方が、２枚のシート状のセパレータを貼り合わせたセパレータ袋内に収容され、電極のタブがセパレータ袋の開口部から外部に突出する構成も開示されている。さらに、セパレータ袋をアルミラミネートフィルム製の容器に収容する構成も開示されている。

特開２０１１−２４３４０３号公報

しかし、テープで止めたり、つづら折り状に折り畳んだ状態のセパレータを用いたりするだけでは、二次電池が車両等に搭載されて振動を受ける状態で使用された場合、振動による位置ずれが起こる可能性がある。特許文献１には、セパレータ袋をアルミラミネートフィルム製の容器に収容する構成も開示されているが、セパレータ袋はアルミラミネートフィルム製の容器に収容されているだけで、両者を固定する構成はない。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、振動を受ける状態で使用されても、積層型の電極組立体を構成する正極、セパレータ及び負極相互間のずれを抑制することができる蓄電装置及び二次電池を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、正極及び負極がセパレータを間に挟んだ状態で積層された積層型の電極組立体を有する蓄電装置である。そして、前記正極、前記負極及び前記セパレータは矩形状に形成され、前記セパレータの各辺は前記正極及び前記負極の各辺よりも長く形成されている。前記電極組立体は金属フィルムと樹脂フィルムとのラミネートフィルムで形成された袋状の外装シート内に収容されており、前記外装シートは積層方向において前記電極組立体の両側に配置された２つの矩形部を有し、前記外装シートは４辺において前記矩形部同士が直接又は前記セパレータを介して連結された連結部を有し、前記４辺のうち少なくとも１辺の連結部において前記矩形部の間に前記セパレータを挟んだ状態で前記矩形部同士及び前記セパレータが熱融着されている。

ここで、「袋状の外装シート」とは、蓄電装置として使用される状態において袋状である外装シートを意味し、最初から袋状のものに限らず、２枚のシートの周囲を熱融着したり、１枚のシートを二つ折りにして両側を熱融着したりして袋状にしたものも含む。また、「熱融着」とは、熱で溶融して接着することを意味し、直接熱を加えて溶融するものに限らず、超音波溶融のように直接熱を加えるのではなく、溶融するものが発する熱で溶融して接着することも含む。

この発明では、電極組立体はラミネートフィルムで形成された袋状の外装シート内に収容されており、電極組立体を密閉状態にするために外装シートが熱融着された部分において、セパレータが外装シートに熱融着されている。セパレータの各辺は正極及び負極の各辺よりも長く形成されており、セパレータを正極及び負極の外側で外装シートに熱融着すれば、セパレータによる正極及び負極の位置ずれ防止作用が強くなる。したがって、振動を受ける状態で使用されても、積層型の電極組立体を構成する正極、セパレータ及び負極相互間のずれを抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記セパレータは、帯状のものがつづら折り状に折り畳まれた状態に構成されている。セパレータは１枚ずつバラバラの状態で、それぞれ正極及び負極と交互に積層され、外装シートに熱融着されてもよい。しかし、帯状のものがつづら折り状に折り畳まれた状態のセパレータを使用して、折り曲げ部を位置決めに利用すれば、正極及び負極のずれが防止された状態で外装シートとセパレータとの熱融着を行うことが容易になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記正極及び前記負極は前記１辺側の辺からタブが突出形成され、前記外装シート及び前記セパレータは、前記１辺の延びる方向において、前記タブを挟んだ両側の位置で熱融着されている。この発明では、タブの位置ずれが確実に防止される。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記外装シート及び前記セパレータは、互いに対向する２辺が熱融着されている。外装シートが袋状であれば、電極組立体を密閉するには１辺の熱融着で済む。しかし、１辺の熱融着では、正極、負極及びセパレータに対する位置ずれ防止作用が弱い。この発明では、外装シート及びセパレータは、互いに対向する２辺が熱融着されているため、位置ずれ防止作用が向上し、隣り合う２辺を熱融着する場合に比べて、位置ずれ防止作用が高くなる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、互いに対向する前記２辺は、前記タブが突出する辺と、その辺と対向する辺である。タブが突出する辺は、必ず熱融着を行う辺である。この発明では、必ず熱融着を必要とするタブが突出する辺に加えて、その辺に対向する辺を加えた２辺を熱融着することにより、少ない熱融着作業で効率良く、正極、負極及びセパレータ間のずれを抑制することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、互いに対向する前記２辺は、前記タブが突出する辺に直交する２辺である。この発明では、タブが突出していない２辺を熱融着するため、熱融着は正極及び負極を含まずに外装シートとセパレータのみの熱融着ができ、２辺の熱融着は同じ条件で容易に行うことができる。なお、この発明でも、タブが突出する辺の熱融着は必要である。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の蓄電装置の構成を備えた二次電池である。したがって、この発明の二次電池は請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明と同様の効果を有する。

請求項１〜請求項７に記載の発明によれば、振動を受ける状態で使用されても、積層型の電極組立体を構成する正極、セパレータ及び負極相互間のずれを抑制することができる蓄電装置及び二次電池を提供することができる。

第１の実施形態の二次電池の一部破断模式正面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は製造方法を示す模式斜視図。 第２の実施形態の二次電池の一部破断模式正面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は製造方法を示す模式斜視図。 別の実施形態の二次電池の一部破断模式正面図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ別の実施形態の外装シートの模式斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、袋状の外装シート１１内に、積層型の電極組立体１２が収容されている。電極組立体１２は、タブ１３ａ，１４ａをそれぞれ有するシート状の正極１３及びシート状の負極１４がセパレータ１５を間に挟んだ状態で交互に積層されて構成されている。電極組立体１２の積層方向の最も外側にはいずれもセパレータ１５が配置され、その両セパレータ１５は外装シート１１と対向している。電極組立体１２の正極１３及び負極１４は、タブ１３ａ，１４ａの部分を除いた部分が矩形状に形成され、矩形状の部分に図示しないが活物質層が形成されている。

セパレータ１５は、帯状のものがつづら折り状に折り畳まれた状態に構成されており、セパレータ１５は折り畳まれた状態で矩形状に形成されている。セパレータ１５は畳まれた状態の矩形の各辺が正極１３及び負極１４の各辺より長く形成されている。セパレータ１５は、材質がポリプロピレンで形成されている。

外装シート１１は、金属フィルムと樹脂フィルムとのラミネートフィルムで形成され、例えば、金属フィルムとしてアルミニウムフィルムが、樹脂フィルムとしてポリプロピレンフィルムがそれぞれ使用され、金属フィルムが中間に配置された三層構成となっている。外装シート１１も矩形状に形成され、各辺がセパレータ１５の各辺より長く形成されている。

外装シート１１は、電極組立体１２及び図示しない電解液が収容された状態で４辺が閉じるように、少なくとも１辺において熱融着されている。詳述すると、外装シート１１は積層方向において電極組立体１２の両側に配置された２つの矩形部１１ａを有し、外装シート１１は４辺において矩形部１１ａ同士が直接又はセパレータ１５を介して連結された連結部１１ｂを有する。そして、矩形部１１ａの４辺のうち少なくとも１辺の連結部１１ｂにおいて矩形部１１ａの間にセパレータ１５を挟んだ状態で矩形部１１ａ同士及びセパレータ１５が熱融着されている。 外装シート１１は熱融着部１６においてセパレータ１５と熱融着されている。この実施形態では、外装シート１１は、１枚のシートを二つ折りにして矩形状にし、折り曲げられた辺と対向する辺からタブ１３ａ，１４ａが突出する状態に電極組立体１２が収容された状態で、折り曲げられた辺と隣り合う２辺と、タブ１３ａ，１４ａが突出する辺の合計３辺が熱融着されて熱融着部１６が形成されている。

この実施形態では、外装シート１１の折り曲げ部と、折り曲げ部以外の３辺に沿って形成された熱融着部１６が連結部１１ｂとなる。折り曲げ部で構成される連結部１１ｂは、矩形部１１ａ同士が直接連結された連結部１１ｂとなり、熱融着部１６で構成された連結部１１ｂは、矩形部１１ａ同士が直接連結された部分と、矩形部１１ａがセパレータ１５を介して連結された部分とで構成される。正極１３及び負極１４は１辺側の辺からタブ１３ａ，１４ａが突出形成されている。外装シート１１及びセパレータ１５は、タブ１３ａ，１４ａが突出形成された１辺の延びる方向において、タブ１３ａ，１４ａを挟んだ両側の位置で熱融着されている。また、外装シート１１及びセパレータ１５は、互いに対向する２辺で熱融着されている。この実施形態では、互いに対向する２辺は、タブ１３ａ，１４ａが突出する辺に直交する２辺である。

なお、図１は二次電池１０の構成を分かり易くするため模式的に描いたものであり、実際は、正極１３及び負極１４の枚数は数十枚である。また、外装シート１１、正極１３、負極１４及びセパレータ１５の各辺の寸法の比も正確ではない。

次に、二次電池１０の製造方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、正極１３、負極１４及びセパレータ１５を準備し、つづら折り状のセパレータ１５のそれぞれ対向する位置に、正極１３及び負極１４を交互に１枚ずつ挿入する。正極１３及び負極１４をセパレータ１５の対向する位置に挿入する際、タブ１３ａ，１４ａのセパレータ１５からの突出位置を見て所定の位置に配置した状態においてセパレータ１５で押さえて、次の正極１３あるいは負極１４を挿入することを繰り返す。そして、全ての正極１３及び負極１４を挿入した状態でセパレータ１５を押圧すると、図２（ｂ）に示すように、正極１３及び負極１４がセパレータ１５で挟持され、かつタブ１３ａ及びタブ１４ａが同じ側に突出した状態の電極組立体１２が得られる。

次に図２（ｃ）に示すように、その電極組立体１２を二つ折りの外装シート１１に挟む。そして、先ず外装シート１１の折り曲げられた箇所の両側の部分に対して熱融着（ヒートシール）を行う。このとき、セパレータ１５も共に熱融着される。熱融着は、正極１３及び負極１４に掛からない位置で行われ、熱融着部１６は正極１３及び負極１４の外側に位置する。その結果、外装シート１１はタブ１３ａ，１４ａが突出する辺を除いた３辺が閉じた袋状になる。次に袋状になった外装シート１１に電解液を注入した後、外装シート１１内を減圧、脱気した状態で袋の開口部を熱融着することで、二次電池１０が完成する。なお、外装シート１１及びセパレータ１５の熱融着（ヒートシール）は、例えば、加熱されたバーやローラをシールすべき箇所に押圧して行うシール機や、超音波シール機（超音波溶着機）を使用して行うことができる。

なお、タブ１３ａ及びタブ１４ａはそのままの状態でもよいが、それぞれ１つになるように溶着したり、リード用の金属片を溶接したりして使用するのが好ましい。
次に前記のように構成された二次電池１０の作用を説明する。

二次電池１０は、単体でも使用されるが、一般には複数の二次電池１０が直列あるいは並列に接続されて構成された組電池として使用される。そして、二次電池１０は種々の用途に使用されるが、例えば、車両に搭載されて走行用モータの電源や他の電気機器の電源としても使用される。

二次電池１０が車両に搭載されて使用される場合、特に、フォークリフト等の産業車両には乗用車と異なりサスペンションが装備されていないため、二次電池１０が産業車両に搭載された場合は、走行中に二次電池１０に振動が激しく加わる。電極組立体１２を構成する正極１３、負極１４及びセパレータ１５は、電極組立体１２が外装シート１１内の所定位置に収容された状態で、外装シート１１の周囲が熱融着される際、セパレータ１５が外装シート１１に熱融着されて一体化されている。そのため、振動が激しく加わっても正極１３、負極１４及びセパレータ１５相互の位置ずれが防止され、短絡が生じることが回避される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池１０（蓄電装置）は、正極１３及び負極１４がセパレータ１５を間に挟んだ状態で積層された電極組立体１２を有する。正極１３、負極１４及びセパレータ１５は矩形状に形成され、セパレータ１５の各辺は正極１３及び負極１４の各辺よりも長く形成されている。電極組立体１２は金属フィルムと樹脂フィルムとのラミネートフィルムで形成された袋状の外装シート１１内に収容されており、外装シート１１は積層方向において電極組立体１２の両側に配置された２つの矩形部１１ａを有し、外装シート１１は４辺において矩形部１１ａ同士が直接又はセパレータ１５を介して連結された連結部１１ｂを有する。４辺のうち少なくとも１辺の連結部１１ｂにおいて矩形部１１ａの間にセパレータ１５を挟んだ状態で矩形部１１ａ同士及びセパレータ１５が熱融着されている。したがって、セパレータ１５による正極１３及び負極１４の位置ずれ防止作用が強くなり、二次電池１０が振動を受ける状態で使用されても、積層型の電極組立体１２を構成する正極１３、セパレータ１５及び負極１４相互間のずれを抑制することができる。

（２）セパレータ１５は、帯状のものがつづら折り状に折り畳まれた状態に構成されている。セパレータ１５は１枚ずつバラバラの状態で、それぞれ正極１３及び負極１４と交互に積層され、外装シート１１に熱融着されてもよい。しかし、帯状のものがつづら折り状に折り畳まれた状態のセパレータ１５を使用して、折り曲げ部を位置決めに利用すれば、正極１３及び負極１４のずれが防止された状態で外装シート１１とセパレータ１５との熱融着を行うことが容易になる。

（３）正極１３及び負極１４は１辺側の辺からタブ１３ａ，１４ａが突出形成され、
外装シート１１及びセパレータ１５は、１辺の延びる方向において、タブ１３ａ，１４ａを挟んだ両側の位置で熱融着されている。したがって、タブ１３ａ，１４ａの位置ずれが確実に防止される。

（４）外装シート１１及びセパレータ１５は、互いに対向する２辺が熱融着されている。外装シート１１が袋状であれば、電極組立体１２を密閉するには１辺の熱融着で済む。しかし、１辺の熱融着では、正極１３、負極１４及びセパレータ１５に対する位置ずれ防止作用が弱い。外装シート１１及びセパレータ１５は、対向する２辺が熱融着されているため、位置ずれ防止作用が向上し、隣り合う２辺を熱融着する場合に比べて、位置ずれ防止作用が高くなる。

（５）互いに対向する２辺は、タブ１３ａ，１４ａが突出する辺に隣り合う２辺、即ちタブ１３ａ，１４ａが突出する辺に直交する２辺である。したがって、タブ１３ａ，１４ａが突出していない対向する２辺を熱融着するため、熱融着は外装シート１１とセパレータ１５のみの熱融着ができ、２辺の熱融着は同じ条件で容易に行うことができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図３及び図４にしたがって説明する。この実施形態の二次電池１０は、外装シート１１とセパレータ１５との熱融着箇所が第１の実施形態と異なっており、その他の構成は、第１の実施形態の構造と基本的に同様である。第１の実施形態と同様の部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

外装シート１１として初めから袋状に形成されたものが使用され、図３に示すように、
外装シート１１には、タブ１３ａ，１４ａが突出する側の辺と、その辺と対向する辺の２辺に熱融着部１６が形成されている。即ち、セパレータ１５は、タブ１３ａ，１４ａが突出する側の辺と、その辺と対向する辺において外装シート１１と熱融着されている。外装シート１１は最終形態が、正極１３、負極１４及びセパレータ１５を密封した状態となればよい。しかし、外装シート１１の既に閉じている辺を熱融着しないことを意味するものではなく、この実施形態では、既に閉じている辺をセパレータ１５とともに熱融着している。

この二次電池１０を製造する場合も、第１の実施形態と同様に、図４（ａ）に示すように、正極１３、負極１４及びつづら折り状のセパレータ１５を準備する。そして、第１の実施形態と同様にして、全ての正極１３及び負極１４をつづら折り状のセパレータ１５の対向する面の間に挿入して、図４（ｂ）に示すように、正極１３及び負極１４がセパレータ１５で挟持され、かつタブ１３ａ及びタブ１４ａが同じ側に突出した状態の電極組立体１２が得られる。

次に図４（ｃ）に示すように、袋状の外装シート１１に電極組立体１２を挿入した後、先ず外装シート１１の開口部と反対側の辺を熱融着する。次に外装シート１１内に電解液を注入した後、減圧、脱気した状態で開口部側の辺を熱融着すると二次電池１０が完成する。

この実施形態においても、第１の実施形態の（１）〜（４）と同様な効果を得ることができる他に次の効果を得ることができる。
（６）対向する２辺は、タブ１３ａ，１４ａが突出する辺と、その辺と対向する辺の２辺である。タブ１３ａ，１４ａが突出する辺は、必ず熱融着を行う辺である。したがって、必ず熱融着を必要とするタブ１３ａ，１４ａが突出する辺に加えて、その辺に対向する辺を加えた２辺を熱融着することにより、少ない熱融着作業で効率良く、正極１３、負極１４及びセパレータ１５間のずれを抑制することができる。

（７）外装シート１１として最初から袋状のものを使用するため、電極組立体１２を構成する正極１３、負極１４及びセパレータ１５の枚数が多くても、熱融着の作業が容易になる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 電極組立体１２は、正極１３のタブ１３ａと負極１４のタブ１４ａとが、同じ端部側に突出する構成に限らず、図５に示すように、互いに反対側に突出する構成であってもよい。この場合、外装シート１１には、筒状のものを使用して、筒状の外装シート１１の２つの開口端からタブ１３ａ及びタブ１４ａが突出した状態で正極１３と負極１４を外装シート１１内に配置し、タブ１３ａ及びタブ１４ａが突出する開口端に対応する対向する２辺を熱融着するのが好ましい。

○ 外装シート１１を最初から袋状に形成されたものに代えて、例えば、図６（ａ）に示すように、二つ折りに形成された外装シート１１の一方の部分に、収容する電極組立体１２の厚さに対応した収容溝１７を予め形成しておいてもよい。

○ 図６（ｂ）に示すように、二つ折りに形成された外装シート１１の一方の部分に、電極組立体１２を収容する収容凹部１８が形成されたものを使用してもよい。
○ 正極１３のタブ１３ａと負極１４のタブ１４ａとが、電極組立体１２の同じ端部側に突出する構成においても、外装シート１１として、筒状のものを使用してもよい。この場合は、対向する２辺が開口部に沿った対向する２辺となる。

○ 正極１３及び負極１４のタブ１３ａ，１４ａの突出位置は、矩形状の正極１３及び負極１４の一辺の端部に限らず、中間部にしてもよい。
○ 外装シート１１を形成するラミネートフィルムは、金属フィルムと熱可塑性樹脂フィルムとの組み合わせであればよく、アルミニウムフィルムとポリプロピレンフィルムとの組み合わせに限らない。

○ セパレータ１５の材質もポリプロピレンに限らず、外装シート１１を形成する樹脂フィルムと同じ材料又はその樹脂フィルムの溶融温度で溶融し、かつ樹脂フィルムと相溶性がよい材料で形成されたものであってもよい。

○ セパレータ１５として、つづら折り状に折り畳まれた構成のものを使用する場合、正極１３及び負極１４の数が多い場合、１つではなく複数使用してもよい。
○ セパレータ１５は、つづら折り状に折り畳まれた構成のものではなく、１枚ずつばらばらのシート状のものを使用したり、袋状のものを使用したりしてもよい。

○ 車両は走行用モータを備えた一般の車両やフォークリフトに限らず、例えば、ショベルローダーやトーイングトラクター等の他の産業車両であってもよい。また、運転者を必要とする車両に限らず無人搬送車であってもよい。

○ 蓄電装置は、二次電池１０に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…外装シート、１１ａ…矩形部、１１ｂ…連結部、１２…電極組立体、１３…正極、１３ａ，１４ａ…タブ、１４…負極、１５…セパレータ、１６…熱融着部。

Claims (7)

1. 正極及び負極がセパレータを間に挟んだ状態で積層された積層型の電極組立体を有する蓄電装置であって、
   前記正極、前記負極及び前記セパレータは矩形状に形成され、
   前記セパレータの各辺は前記正極及び前記負極の各辺よりも長く形成され、
   前記電極組立体は金属フィルムと樹脂フィルムとのラミネートフィルムで形成された袋状の外装シート内に収容されており、
   前記外装シートは積層方向において前記電極組立体の両側に配置された２つの矩形部を有し、
   前記外装シートは４辺において前記矩形部同士が直接又は前記セパレータを介して連結された連結部を有し、前記４辺のうち少なくとも１辺の連結部において前記矩形部の間に前記セパレータを挟んだ状態で前記矩形部同士及び前記セパレータが熱融着されていることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記セパレータは、帯状のものがつづら折り状に折り畳まれた状態に構成されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記正極及び前記負極は前記１辺側の辺からタブが突出形成され、
   前記外装シート及び前記セパレータは、前記１辺の延びる方向において、前記タブを挟んだ両側の位置で熱融着されている請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記外装シート及び前記セパレータは、互いに対向する２辺で熱融着されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
5. 互いに対向する前記２辺は、前記タブが突出する辺と、その辺と対向する辺である請求項４に記載の蓄電装置。
6. 互いに対向する前記２辺は、前記タブが突出する辺に直交する２辺である請求項４に記載の蓄電装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の蓄電装置の構成を備えた二次電池。