JP2014035867A - リチウムイオン角形二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電能力を低減することなく、発電要素の膨張による電池容器の膨れを抑制する。
【解決手段】電池缶4には、扁平直方体状の発電要素40が、その捲回軸C−Cが電池缶4の底面4cと平行に配置されて収容されている。電池缶4の表面4aおよび裏面は、それぞれ、発電要素40の一対の平坦部40Pの一方に対面しており、発電要素40の捲回軸C−Cに直交する方向に延出された複数の突出部51Uを有している。突出部51Uが、発電要素40の捲回軸C−Cに対して交差する方向に延出されているため、電池缶4は、発電要素40の膨張に起因する変形に対し大きい強度を有している。
【選択図】図2
【解決手段】電池缶4には、扁平直方体状の発電要素40が、その捲回軸C−Cが電池缶4の底面4cと平行に配置されて収容されている。電池缶4の表面4aおよび裏面は、それぞれ、発電要素40の一対の平坦部40Pの一方に対面しており、発電要素40の捲回軸C−Cに直交する方向に延出された複数の突出部51Uを有している。突出部51Uが、発電要素40の捲回軸C−Cに対して交差する方向に延出されているため、電池缶4は、発電要素40の膨張に起因する変形に対し大きい強度を有している。
【選択図】図2
Description
この発明は、リチウムイオン角形二次電池に関し、より詳細には、扁平直方体状の発電要素を備えるリチウムイオン角形二次電池に関する。
リチウムイオン角形二次電池は、正・負極電極が捲回された扁平直方体状の発電要素を備えている。
発電要素は、充放電の際のリチウムイオンの吸蔵・脱離により、正・負極電極が膨張・収縮する。発電要素が膨張すると、電池容器を押し広げ、電池容器の中央部が膨らむ。電池容器の膨らみは、電池収容スペースの拡大が必要となるため、電池容器の膨らみを緩和する対策が講じられている。
発電要素は、充放電の際のリチウムイオンの吸蔵・脱離により、正・負極電極が膨張・収縮する。発電要素が膨張すると、電池容器を押し広げ、電池容器の中央部が膨らむ。電池容器の膨らみは、電池収容スペースの拡大が必要となるため、電池容器の膨らみを緩和する対策が講じられている。
その対策として、充電時または放電時における膨張を抑制することができる発電要素が検討されており、そのような発電要素を作製する一例として、下記の方法が知られている。先ず、円柱状の軸芯の周囲に、正・負極電極を所定の巻数回、捲回し、内周捲回体を形成する。この状態では、正・負極電極は、内周捲回体の最外周から、シート状に延出されている。次に、内周捲回体の外周に、軸芯より小径の円柱状スペーサを配置する。そして、内周捲回体の最外周から延出されている正・負極電極を、円柱状スペーサと内周捲回体の両方に跨るように捲回し、外周捲回体を形成する。この後、円柱状の軸芯を内周捲回体から引き抜いて、内周捲回体の捲回の中心部に円筒状の空隙部を形成する。
そして、内周捲回体と外周捲回体をプレスし、扁平直方体状の発電要素を形成し、最後に、円柱状スペーサを引き抜く。
このようにすることで、内周捲回体と、外周捲回体との間に、円柱状スペーサの径と同じ厚さの空隙部を有する発電要素が形成される(例えば、特許文献1参照)。この空隙部により、発電要素の膨張が緩和される。
このようにすることで、内周捲回体と、外周捲回体との間に、円柱状スペーサの径と同じ厚さの空隙部を有する発電要素が形成される(例えば、特許文献1参照)。この空隙部により、発電要素の膨張が緩和される。
上記特許文献1に記載された発明では、内周捲回体と外周捲回体との間に、円柱状スペーサの径と同じ厚さの空隙を有する空隙部が形成され、この空隙分、充放電面積が小さくなり、充放電の総容量が低下する。このように、発電要素の膨張を抑制する方法では、発電能力・特性などを低下させてしまうという課題が生じる。
本発明のリチウムイオン角形二次電池は、正極電極と負極電極とがセパレータを介して捲回され、一対の平坦部、および捲回方向における平坦部の両端部に設けられた一対の円弧部を有する扁平直方体状の発電要素と、発電要素が収容され、電解液が注入された電池容器と、電池容器に取り付けられ、それぞれ、発電要素の正極電極および負極電極に接続された外部正極端子および外部負極端子と、を備え、電池容器は、発電要素の各平坦部に対面する表面および裏面に、それぞれ、発電要素の捲回軸に対して交差する方向に延在された、電池容器の外側に突き出す複数の突出部を有する補強部を備えていることを特徴とする。
この発明のリチウムイオン角形二次電池によれば、充電または放電により、発電要素が膨張した場合であっても、電池容器は、その表面および裏面に形成された複数の突出部によって大きい強度を有しているため、変形を抑制することができる。発電要素には、全く手を加えることがないので、発電能力・特性が低下することはない。
−実施形態1−
[リチウムイオン角形二次電池の全体構造]
以下、この発明のリチウムイオン角形二次電池の一実施形態を図面と共に説明する。
図1は、この発明のリチウムイオン角形二次電池の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図2は、図1に示されたリチウムイオン角形二次電池の分解斜視図である。
リチウムイオン角形二次電池1は、電池蓋3および電池缶4とから構成される薄型のほぼ直方体形状の電池容器2内に、発電要素40が収容され、図示はしないが非水電解液が注入されて構成されている。電池蓋3および電池缶4は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されている。
[リチウムイオン角形二次電池の全体構造]
以下、この発明のリチウムイオン角形二次電池の一実施形態を図面と共に説明する。
図1は、この発明のリチウムイオン角形二次電池の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図2は、図1に示されたリチウムイオン角形二次電池の分解斜視図である。
リチウムイオン角形二次電池1は、電池蓋3および電池缶4とから構成される薄型のほぼ直方体形状の電池容器2内に、発電要素40が収容され、図示はしないが非水電解液が注入されて構成されている。電池蓋3および電池缶4は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されている。
電池蓋3の中央部には、非水電解液を注入するための注液口が設けられており、注液口は、電解液注入後に注液栓15により封口される。注液栓15は、例えば、レーザ溶接によって電池蓋3の注液口の周縁部に接合される。
また、電池蓋3には、過充電等により内部圧力が上昇した際に、圧力を抜くための開裂弁12が設けられている。開裂弁12には、開裂用の溝12aが形成されている。
なお、本明細書においては、各図に図示されるように、リチウムイオン角形二次電池1の幅方向をX方向、高さ方向をY方向、厚さ方向をZ方向として説明する。
また、電池蓋3には、過充電等により内部圧力が上昇した際に、圧力を抜くための開裂弁12が設けられている。開裂弁12には、開裂用の溝12aが形成されている。
なお、本明細書においては、各図に図示されるように、リチウムイオン角形二次電池1の幅方向をX方向、高さ方向をY方向、厚さ方向をZ方向として説明する。
電池缶4内に注入される非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で1:2の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。上記は一例であって、一般的なリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した非水電解液を用いるようにすればよく、本発明に用いられるリチウム塩や有機溶媒は特に制限されない。
電池蓋3には、正極側の端子構成部60と負極側の端子構成部70とが設けられている。
正極側の端子構成部60は、外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63、絶縁部材64および正極集電板21を備えている。
正極集電板21は、電池蓋3の裏面側において、正極接続端子62の下端部にかしめられ、正極接続端子62と共に電池蓋3に取り付けられている。正極集電板21は、一対の正極集電片21aを有し、各正極集電片21aは発電要素40の正極電極41(図3参照)に接合される。正極接続端子62は、電池蓋3に形成された貫通孔に挿通され、その上端部が電池蓋3の外部に露出されている。正極接続端子62の上端部には、電池蓋3の上面に固定された正極端子板63がかしめられている。
正極側の端子構成部60は、外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63、絶縁部材64および正極集電板21を備えている。
正極集電板21は、電池蓋3の裏面側において、正極接続端子62の下端部にかしめられ、正極接続端子62と共に電池蓋3に取り付けられている。正極集電板21は、一対の正極集電片21aを有し、各正極集電片21aは発電要素40の正極電極41(図3参照)に接合される。正極接続端子62は、電池蓋3に形成された貫通孔に挿通され、その上端部が電池蓋3の外部に露出されている。正極接続端子62の上端部には、電池蓋3の上面に固定された正極端子板63がかしめられている。
絶縁部材64は、正極端子板63と電池蓋3との間に設けられ、正極端子板63と電池蓋3とを絶縁する。絶縁部材64は、また、電池蓋3の貫通孔と正極接続端子62との間に介装されるリング状部を有し、電池蓋3と正極接続端子62とを絶縁する。外部正極端子61は、絶縁部材64上に固定され、正極端子板63に設けられた貫通孔を貫通して、電池蓋3上に突き出している。
このように、外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63および正極集電板21は、絶縁部材64により電池蓋3とは電気的に絶縁された状態で、相互に電気的に接続されている。外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63および正極集電板21は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されている。
このように、外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63および正極集電板21は、絶縁部材64により電池蓋3とは電気的に絶縁された状態で、相互に電気的に接続されている。外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63および正極集電板21は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されている。
負極側の端子構成部70は、外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73、絶縁部材74および負極集電板22を備えている。
負極集電板22は、電池蓋3の裏面側において、負極接続端子72の下端部にかしめられ、負極接続端子72と共に電池蓋3に取り付けられている。負極集電板22は、一対の負極集電片22aを有し、各負極集電片22aは、発電要素40の負極電極42(図3参照)に接合される。負極接続端子72は、電池蓋3に形成された貫通孔に挿通され、その上端部が電池蓋3の外部に露出されている。負極接続端子72の上端部には、電池蓋3の上面に固定された負極端子板73がかしめられている。
負極集電板22は、電池蓋3の裏面側において、負極接続端子72の下端部にかしめられ、負極接続端子72と共に電池蓋3に取り付けられている。負極集電板22は、一対の負極集電片22aを有し、各負極集電片22aは、発電要素40の負極電極42(図3参照)に接合される。負極接続端子72は、電池蓋3に形成された貫通孔に挿通され、その上端部が電池蓋3の外部に露出されている。負極接続端子72の上端部には、電池蓋3の上面に固定された負極端子板73がかしめられている。
絶縁部材74は、負極端子板73と電池蓋3との間に設けられ、負極端子板73と電池蓋3とを絶縁する。絶縁部材74は、また、電池蓋3の貫通孔と負極接続端子72との間に介装されるリング状部を有し、電池蓋3と負極接続端子72とを絶縁する。外部負極端子71は、絶縁部材74上に固定され、負極端子板73に設けられた貫通孔を貫通して、電池蓋3上に突き出している。
このように、外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73および負極集電板22は、絶縁部材74により電池蓋3とは電気的に絶縁された状態で、相互に電気的に接続されている。外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73および負極集電板22は、例えば、銅、銅合金等の銅系金属により形成されている。
このように、外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73および負極集電板22は、絶縁部材74により電池蓋3とは電気的に絶縁された状態で、相互に電気的に接続されている。外部負極端子71、負極接続端子72、負極端子板73および負極集電板22は、例えば、銅、銅合金等の銅系金属により形成されている。
詳細は後述するが、発電要素40は、正極電極と負極電極とがセパレータを介して捲回軸C−Cの周囲に捲回されて形成されている。正極側では、捲回により積層状態とされた正極合剤未塗工部41cが正極集電板21の正極集電片21aに接合され、負極側では、捲回により積層状態とされた負極合剤未塗工部42cが負極集電板22の負極集電片22aに接合される。接合は、例えば、超音波溶接等により行われ、これにより、正極側の端子構成部60、負極側の端子構成部70および発電要素40が電池蓋3に一体化された電池蓋・発電要素ユニットが構成される。
電池缶4は、電池蓋3側に開口部5を有する薄箱型に形成されている。
発電要素40は、電池蓋3に一体化された電池蓋・発電要素ユニットの状態で、電池缶4の開口部5から電池缶4内に収容される。電池缶4の開口部5は、電池蓋3により閉塞される。電池蓋3の周縁部を電池缶4の開口部5の周縁部に嵌合した状態で、例えば、レーザ溶接によって電池缶4に接合し、外部に対し密封された電池容器2を構成する。
電池缶4の表面4aおよび裏面4b(図5参照)には、それぞれ、複数の突出部51Uで構成された補強部51が形成されている。突出部51Uと補強部51についての詳細は後述する。
発電要素40は、電池蓋3に一体化された電池蓋・発電要素ユニットの状態で、電池缶4の開口部5から電池缶4内に収容される。電池缶4の開口部5は、電池蓋3により閉塞される。電池蓋3の周縁部を電池缶4の開口部5の周縁部に嵌合した状態で、例えば、レーザ溶接によって電池缶4に接合し、外部に対し密封された電池容器2を構成する。
電池缶4の表面4aおよび裏面4b(図5参照)には、それぞれ、複数の突出部51Uで構成された補強部51が形成されている。突出部51Uと補強部51についての詳細は後述する。
[発電要素]
図3は、発電要素40の斜視図である。図3では、発電要素40は、その捲回終端部側を展開した状態で図示されている。
発電要素40は、正極電極41と負極電極42とを、セパレータ43、44を介在して捲回軸C−Cの周囲に捲回して、扁平直方体状に形成されている。
正極電極41は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属からなる正極金属箔41aの表・裏両面に正極合剤が塗工された正極合剤塗工部41bを有する。正極合剤塗工部41bは、正極金属箔41aの一側縁に、正極金属箔41aが露出された正極合剤未塗工部41cが形成されるように正極金属箔41aに正極合剤を塗工して形成される。
負極電極42は、例えば、銅または銅合金等の銅系金属からなる負極金属箔42aの表・裏両面に負極合剤が塗工された負極合剤塗工部42bを有する。負極合剤塗工部42bは、負極合剤未塗工部42cが配置された側縁と対向する側縁である他側縁に、負極金属箔42aが露出された負極合剤未塗工部42cが形成されるように負極金属箔42aに負極合剤を塗工して形成される。
図3は、発電要素40の斜視図である。図3では、発電要素40は、その捲回終端部側を展開した状態で図示されている。
発電要素40は、正極電極41と負極電極42とを、セパレータ43、44を介在して捲回軸C−Cの周囲に捲回して、扁平直方体状に形成されている。
正極電極41は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属からなる正極金属箔41aの表・裏両面に正極合剤が塗工された正極合剤塗工部41bを有する。正極合剤塗工部41bは、正極金属箔41aの一側縁に、正極金属箔41aが露出された正極合剤未塗工部41cが形成されるように正極金属箔41aに正極合剤を塗工して形成される。
負極電極42は、例えば、銅または銅合金等の銅系金属からなる負極金属箔42aの表・裏両面に負極合剤が塗工された負極合剤塗工部42bを有する。負極合剤塗工部42bは、負極合剤未塗工部42cが配置された側縁と対向する側縁である他側縁に、負極金属箔42aが露出された負極合剤未塗工部42cが形成されるように負極金属箔42aに負極合剤を塗工して形成される。
正極電極41に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム(化学式LiMn2O4)100重量部に対し、導電材として10重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として10重量部のPVDFとを添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔(正極金属箔41a)の両面に無地の集電部(正極合剤未塗工部41c)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断してアルミニウム箔を含まない正極合剤塗工部41bの厚さ90μmの正極電極41を得た。
本実施の形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。
本実施の形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。
負極電極42に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末100重量部に対して、結着剤として10重量部のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)を添加し、これに分散溶媒としてN−メチルビロリドン(以下、NMPという。)を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ10μmの銅箔(負極金属箔42a)の両面に集電部(負極合剤未塗工部42c)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断して銅箔を含まない負極合剤塗工部42bの厚さ70μmの負極電極42を得た。
なお、本実施の形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等でよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。しかし、いずれの炭素質材料でもリチウムイオンの吸蔵により、負極活物質塗布部は膨張する。
なお、本実施の形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等でよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。しかし、いずれの炭素質材料でもリチウムイオンの吸蔵により、負極活物質塗布部は膨張する。
本実施の形態では、正極電極41、負極電極42における塗工部の結着材としてPVDFを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。
セパレータ43、44は、正極金属箔41aまたは負極金属箔42aを絶縁する役割を有している。負極電極42の負極合剤塗工部42bは、正極電極41の正極合剤塗工部41bよりも長さ方向(X方向)に大きく形成され、これにより正極合剤塗工部41bは、必ず負極合剤塗工部42bに挟まれるように構成されている。
発電要素40は、図3に示すように、最外周の電極が負極電極42とされ、さらにその外側にセパレータ43が捲回される。最外周のセパレータ43の終端部は、接着テープ48(図2参照)により留められる。
発電要素40は、図3に示すように、最外周の電極が負極電極42とされ、さらにその外側にセパレータ43が捲回される。最外周のセパレータ43の終端部は、接着テープ48(図2参照)により留められる。
図3に図示されるように、発電要素40の外形形状は、捲回方向(Y方向)の両端部に形成された円弧部40Tと、両円弧部40Tの間に位置する一対の平坦部40Pとにより形成される扁平直方体状である。
発電要素40は、軸芯(図示せず)の周囲に、負極電極42、セパレータ43、正極電極41、セパレータ44を積層状態で捲回して作製される。軸芯は最終的には、抜き出される。軸芯を抜き出さず、発電要素40の部材として残しておいてもよい。軸芯として円筒状部材を用い、周囲に正・負極電極41、42を、セパレータ43、44を介して捲回し、捲回後、軸芯を抜き出し、プレスにより扁平直方体状に成形してもよい。
発電要素40は、軸芯(図示せず)の周囲に、負極電極42、セパレータ43、正極電極41、セパレータ44を積層状態で捲回して作製される。軸芯は最終的には、抜き出される。軸芯を抜き出さず、発電要素40の部材として残しておいてもよい。軸芯として円筒状部材を用い、周囲に正・負極電極41、42を、セパレータ43、44を介して捲回し、捲回後、軸芯を抜き出し、プレスにより扁平直方体状に成形してもよい。
以上のように、発電要素の製作過程で軸芯が使用され、製作後にその軸芯が取り除かれる二次電池、あるいは、発電要素の製作後に軸芯を取り除かない二次電池でもよい。また、発電要素の製作過程でセパレータを複数周回したものを軸芯とし、周回させたセパレータの周囲に正負極電極、セパレータを捲回する発電要素を備えた二次電池でもよい。したがって、この明細書で使用する捲回軸C−Cとは、軸芯自体の有無に拘わらず、正負極電極、セパレータを捲回する中心、すなわち捲回中心を意味する。
発電要素40は、図2に図示されるように、一方の円弧部40Tを下に向け、捲回軸C−Cを電池缶4の底面と平行にして、換言すれば、X方向と平行にして電池缶4内に収容されている。電池缶4内に収容された状態では、発電要素40の一対の平坦部40Pは、それぞれ、電池缶4の表面4aまたは裏面4bにほぼ平行に対面している。
[電池缶]
図4は、図2に図示された電池缶の斜視図であり、図5(a)は電池缶の平面図であり、図5(b)は電池缶の正面図である。
前述した通り、電池缶4の表面4aおよび裏面4b、すなわち幅広面には、電池缶4の外側に突き出す半円弧状突出部51Uを複数並設して構成された補強部51が形成されている。半円弧状突出部51Uは、X方向断面がほぼ円弧状であり、同一断面形状で電池缶4の底面4cに交差する方向、すなわち、電池缶4内に収容された発電要素40の捲回軸C−Cに対して交差する直線状に延出されている。複数の半円弧状突出部51Uは、図5(a)に図示されるように、捲回軸C−Cと平行に連続して波形に形成されている。特に、図5は直交する例を示している。
図4は、図2に図示された電池缶の斜視図であり、図5(a)は電池缶の平面図であり、図5(b)は電池缶の正面図である。
前述した通り、電池缶4の表面4aおよび裏面4b、すなわち幅広面には、電池缶4の外側に突き出す半円弧状突出部51Uを複数並設して構成された補強部51が形成されている。半円弧状突出部51Uは、X方向断面がほぼ円弧状であり、同一断面形状で電池缶4の底面4cに交差する方向、すなわち、電池缶4内に収容された発電要素40の捲回軸C−Cに対して交差する直線状に延出されている。複数の半円弧状突出部51Uは、図5(a)に図示されるように、捲回軸C−Cと平行に連続して波形に形成されている。特に、図5は直交する例を示している。
図4に示されるように、複数の円弧状突出部51Uは、表面4aまたは裏面4bの各周縁部から所定距離だけ離間した内側領域全体に形成されている。この補強部形成領域のX方向(幅方向)の長さはW51、Y方向(高さ方向)の長さはH51である。一方、図2に示されるように、発電要素40の正負極合剤が塗布されている塗工部41b、42bが形成されているX方向(幅方向)の長さはW40、Y方向(高さ方向)の長さはH40である。
この実施形態の二次電池では、補強部形成領域のX方向の長さW51は、発電要素40の塗工部41b,42bのX方向(幅方向)の長さW40より大きい。また、補強部形成領域のY方向の長さH51は、発電要素40のY方向の長さH40より大きい。
即ち、補強部51は、発電要素40における正・負極合剤塗工部41b、42bが形成された領域全体を覆うように連続して形成されている。
この実施形態の二次電池では、補強部形成領域のX方向の長さW51は、発電要素40の塗工部41b,42bのX方向(幅方向)の長さW40より大きい。また、補強部形成領域のY方向の長さH51は、発電要素40のY方向の長さH40より大きい。
即ち、補強部51は、発電要素40における正・負極合剤塗工部41b、42bが形成された領域全体を覆うように連続して形成されている。
リチウムイオン角形二次電池が充放電されると、リチウムイオンの吸蔵・脱離によって、発電要素40が厚さ方向(Z方向)に膨張する。正極活物質及び負極活物質の材料により、充電時に膨張し、放電時に収縮する場合と、逆に、充電時に収縮し、放電時に膨張する場合があるが、いずれにしても、充放電により厚さ方向への膨張・収縮が生じる。
発電要素40は、リチウムイオンを吸蔵すると各平坦部40Pが外方に広がるように膨張する。すなわち、Z方向の厚さが増大するように膨張する。発電要素40の膨張により、電池缶4の表面4aおよび裏面4bには、外方に広がる方向の外力が作用する。捲回式発電要素40にあっては、周辺部に比べて中央部の膨張が大きい。したがって、一般的には、発電要素40の膨張による変形で電池缶4の幅広面の中央部近傍に外側に膨張する荷重が作用する。
電池缶4の表面4aおよび裏面4bに形成された補強部51は、発電要素40の捲回軸C−Cに対して直交する方向に延出されており、補強部51が形成されていない従来の電池缶に比べて、電池缶4の幅広面の剛性がアップされている。このため、発電要素40の膨張による電池缶4の変形を抑制することができる。
このように、本発明の一実施の形態によれば、電池缶4の表・裏面4a、4bに、捲回軸C−Cに対して直交する方向に延出された複数の突出部51Uで構成される補強部51を設けることにより、発電要素40の膨張による変形を抑制することが可能となる。この電池缶4の変形の抑制構造は、発電要素40の構造、形状に何ら手を加えるものではないので、発電能力・特性が低下することはない。
[電池缶の製造方法]
図6〜図8を参照して、電池缶4の製造方法を説明する。
電池缶4を作製するための金属製の板材81を準備する。
図6に図示されるように、電池缶4を作製するための板材81の一面側にパンチ82を配置し、板材81の他面側にダイ83を配置する。ダイ83には、パンチ82が挿通可能なサイズの開口83aが形成されている。パンチ82、ダイ83により、板材81を絞り加工して、図7に図示されるように、ほぼ直方体形状の電池缶形成部81Aを形成する。電池缶形成部81Aは、X方向の長さ、Z方向の厚さは、完成状態と同一のサイズとし、Y方向の長さは、完成状態よりも大きいサイズに形成する。この状態では、板材81は、電池缶形成部81Aの根元に周縁部81Bを有している。パンチ82のサイズとダイ83の開口83aのサイズを次第に大きくして、その都度、絞り加工を行う複数回の加工により成形するようにしてもよい。
図6〜図8を参照して、電池缶4の製造方法を説明する。
電池缶4を作製するための金属製の板材81を準備する。
図6に図示されるように、電池缶4を作製するための板材81の一面側にパンチ82を配置し、板材81の他面側にダイ83を配置する。ダイ83には、パンチ82が挿通可能なサイズの開口83aが形成されている。パンチ82、ダイ83により、板材81を絞り加工して、図7に図示されるように、ほぼ直方体形状の電池缶形成部81Aを形成する。電池缶形成部81Aは、X方向の長さ、Z方向の厚さは、完成状態と同一のサイズとし、Y方向の長さは、完成状態よりも大きいサイズに形成する。この状態では、板材81は、電池缶形成部81Aの根元に周縁部81Bを有している。パンチ82のサイズとダイ83の開口83aのサイズを次第に大きくして、その都度、絞り加工を行う複数回の加工により成形するようにしてもよい。
次に、図7に図示されるように、電池缶形成部81Aの内部にパンチ85を挿入し、外部からダイ86により電池缶形成部81Aの一面81A1を加圧する。ダイ86の一面86aには、複数の突出部51Uを形成するための凹凸が形成されており、パンチ85の一面には、ダイ86の一面86aに形成された凹凸に対応する凸凹(凸と凹がダイ86とは逆)が形成されている。パンチ85とダイ86を用いたプレス加工により、電池缶形成部81Aの一面81A1に図4に図示される複数の突出部51Uを成形する。同様に、プレス加工により、電池缶形成部81Aの他面にも、複数の突出部51Uを成形する。
図8に図示されるように、電池缶形成部81Aの内部にダイ(図示せず)を挿入し、パンチ88を用いて、電池缶形成部81Aの全周を完成状態のY方向の長さで切断する。切断は、電池缶形成部81Aの各面ごとに、ダイおよびパンチ88を用いて行う。
この切断により、図4に図示された電池缶4が作製される。
この切断により、図4に図示された電池缶4が作製される。
−実施形態2−
図9は、本発明の実施形態2としての電池缶4Aを示し、図9(a)は正面図、図9(b)は図9(a)におけるb−b線切断断面図、図9(c)は、図9(a)におけるc−c線切断断面図である。
図9に図示された電池缶4Aが、実施形態1の電池缶4と相違する点は、補強部52の構造である。
実施形態2として電池缶4Aに形成された補強部52は、図9(b)に示すように、b−b線断面で示されるc−c線方向に延在する複数の稜線状突出部52aと、図9(c)に示すように、c−c線断面で示されるb−b線方向に延在する複数の稜線状突出部52bで構成されている。換言すると、平面視が井桁状となるように配設された複数の稜線状突出部52a、52bは、b−b線断面、c−c線断面では、連続して波形に形成されている。これらの稜線状突出部52a、52bは、電池缶4に収容された発電要素40の捲回軸C−Cに対して傾斜する角度で交差して配設されている。
図9は、本発明の実施形態2としての電池缶4Aを示し、図9(a)は正面図、図9(b)は図9(a)におけるb−b線切断断面図、図9(c)は、図9(a)におけるc−c線切断断面図である。
図9に図示された電池缶4Aが、実施形態1の電池缶4と相違する点は、補強部52の構造である。
実施形態2として電池缶4Aに形成された補強部52は、図9(b)に示すように、b−b線断面で示されるc−c線方向に延在する複数の稜線状突出部52aと、図9(c)に示すように、c−c線断面で示されるb−b線方向に延在する複数の稜線状突出部52bで構成されている。換言すると、平面視が井桁状となるように配設された複数の稜線状突出部52a、52bは、b−b線断面、c−c線断面では、連続して波形に形成されている。これらの稜線状突出部52a、52bは、電池缶4に収容された発電要素40の捲回軸C−Cに対して傾斜する角度で交差して配設されている。
換言すると、実施形態2の補強部52は、捲回中心と第1の角度で交差する方向に延在する第1の稜線状突出部52aの列群と、捲回中心と第2の角度で交差する方向に延在するとともに、第1の稜線状突出部52aの列群と交差する第2の稜線状突出部52bの列群とを有する。そして、第1の稜線状突出部52aの列群は、補強部52が形成される領域内を右上方から左下方に延在し、第2の稜線状突出部52bの列群は、補強部52が形成される領域内を左上方から右下方に延在する。
図9(a)に示すように、補強部形成領域は、実施形態1の補強部51の形成領域と同様に、電池缶4Aの表面4aおよび裏面4bの周縁部から所定距離だけ離間した内側全領域である。補強部形成領域のX方向(幅方向)の長さはW52、Y方向(高さ方向)の長さはH52である。X方向(幅方向)の長さW52は発電要素40における正負極合剤塗工部41b、42bが形成された領域の長さW40よりも大きい。補強部形成領域のY方向(高さ方向)の長さH52は発電要素40のY方向(高さ方向)の長さH40よりも大きい。
このように形成された井桁状に形成した補強部52を有する電池缶の幅広面の剛性は、第1実施形態の二次電池の電池缶に比べて大きくすることが容易である。つまり、実施形態2の電池缶4Aは、電池缶4Aの表面4aまたは裏面4bの縦横両方向の曲げ変形に対して強い構造となっている。
上記以外の構成は、実施形態1と同様である。
上記以外の構成は、実施形態1と同様である。
なお、上記各実施形態のリチウムイオン角形二次電池1は、電池缶4、4Aの表・裏面4a、4bに外方に突き出す複数の突出部51U、52a,52bを有する補強部51および52を備えている。このため、隣接するリチウムイオン角形二次電池1を、表面4aと裏面4bとが対面するように配列して電池モジュールを形成すると、相互の補強部51、52が当接してしまう。このような状態では、電池缶4、4Aが、補強部51、52から損傷する可能性が高くなる。このため、このような電池モジュールを構成する場合には、隣接するリチウムイオン角形二次電池1の間に絶縁部材を介装して、相互の補強部51、52が当接しない構造とすることが好ましい。
以上説明した通り、本発明の実施形態によれば下記の効果を奏する。
(1)実施形態1では、発電要素40の一対の平坦部40Pに対面する電池缶4の表面4aおよび裏面4bに、発電要素40の捲回軸C−Cに交差する方向に延在された複数の突出部51Uで構成される補強部51を形成した。また、実施形態2では、捲回軸C−Cに交差する方向に延在し、互いに交差する方向に延在する稜線状突出部52a,52bで構成される補強部52を形成した。このため、充放電により発電要素40が膨張した場合でも、電池缶4、4Aの変形を抑制することができる。
(2)実施形態1では、電池缶4の表面4aおよび裏面4bに形成する複数の突出部51Uを、捲回軸C−Cと平行な方向に連続して波形を形成したので、変形に対する強度、すなわち電池缶の剛性を大きくすることができる。
(1)実施形態1では、発電要素40の一対の平坦部40Pに対面する電池缶4の表面4aおよび裏面4bに、発電要素40の捲回軸C−Cに交差する方向に延在された複数の突出部51Uで構成される補強部51を形成した。また、実施形態2では、捲回軸C−Cに交差する方向に延在し、互いに交差する方向に延在する稜線状突出部52a,52bで構成される補強部52を形成した。このため、充放電により発電要素40が膨張した場合でも、電池缶4、4Aの変形を抑制することができる。
(2)実施形態1では、電池缶4の表面4aおよび裏面4bに形成する複数の突出部51Uを、捲回軸C−Cと平行な方向に連続して波形を形成したので、変形に対する強度、すなわち電池缶の剛性を大きくすることができる。
(3)実施形態1では、電池缶4の表面4aおよび裏面4bに形成する複数の円弧状突出部51Uを、捲回軸C−Cと直交する方向に直線状に形成したので、発電要素40の膨張に起因する変形に対する強度、すなわち電池缶の剛性を大きくすることができる。
(4)実施形態2では、電池缶4Aの表面4aおよび裏面4bに形成する複数の稜線状突出部52a,52bを、捲回軸C−Cに対して傾斜する角度で交差するように連続して直線状に配列した。このため、補強部52の平面視形状が矩形形状を含む多角形形状となり、発電要素40の膨張により電池缶4の幅広面にかかる荷重による曲げの方向に拘わらず、電池缶の剛性を高くすることができる。
(4)実施形態2では、電池缶4Aの表面4aおよび裏面4bに形成する複数の稜線状突出部52a,52bを、捲回軸C−Cに対して傾斜する角度で交差するように連続して直線状に配列した。このため、補強部52の平面視形状が矩形形状を含む多角形形状となり、発電要素40の膨張により電池缶4の幅広面にかかる荷重による曲げの方向に拘わらず、電池缶の剛性を高くすることができる。
(5)実施形態1および2では、各補強部51、52は、電池缶4、4Aの表面4aまたは裏面4bの各周縁部から所定距離だけ離間した内側領域全体に亘り連続して形成した。各補強部51、52が表面4aまたは裏面4bの各周縁部には形成されていないので、補強部51、52の形成が容易であり、歩留まりを高くすることができる。
(6)実施形態1および2では、補強部51、52の形成領域を、発電要素40の正極合剤塗工部41bおよび負極合剤塗工部42bに対面する領域より広いものとした。このように、補強部51、52を、発電要素40のリチウムイオンを吸蔵して膨張する全領域に対応して形成したので、発電要素40の膨張に起因する変形の抑制に優れている。
(6)実施形態1および2では、補強部51、52の形成領域を、発電要素40の正極合剤塗工部41bおよび負極合剤塗工部42bに対面する領域より広いものとした。このように、補強部51、52を、発電要素40のリチウムイオンを吸蔵して膨張する全領域に対応して形成したので、発電要素40の膨張に起因する変形の抑制に優れている。
−変形例−
(1)上記実施形態においては、上部に開口部5が形成された電池缶4、4Aと、電池缶4、4Aに開口部5を塞いで電池缶4、4Aに一体化される電池蓋3と、により電池容器2を形成する構造として例示した。しかし、電池容器2は、この構造以外のものとすることができる。例えば、上下に開口部を有する電池缶と、この電池缶の開口部を塞ぐ、上下の電池蓋とにより電池容器を形成するようにしてもよい。この例では、捲回軸心の方向は上下開口方向に延在することになる。
(1)上記実施形態においては、上部に開口部5が形成された電池缶4、4Aと、電池缶4、4Aに開口部5を塞いで電池缶4、4Aに一体化される電池蓋3と、により電池容器2を形成する構造として例示した。しかし、電池容器2は、この構造以外のものとすることができる。例えば、上下に開口部を有する電池缶と、この電池缶の開口部を塞ぐ、上下の電池蓋とにより電池容器を形成するようにしてもよい。この例では、捲回軸心の方向は上下開口方向に延在することになる。
(2)上記実施形態では、正極側および負極側の端子構成部60、70が1つの電池蓋3に一体化された構造として例示した。しかし、正極側と負極側の端子構成部60、70は、異なる部材に設けてもよい。例えば、電池缶の上下に電池蓋を配置する構造では、一方の電池蓋に正極側の端子構成部60を設け、他方の電池蓋に負極側の端子構成部70を設ける構造とすることができる。
(3)上記実施形態として示した正・負極側の端子構成部60、70は、単なる一例であって、種々の構造を適用することができる。正・負極集電板21、22は、それぞれ、1つの正・負極集電片21a、22aを有するものでもよい。正極側において、外部正極端子61は、軸部材ではなく、板状部材であってもよい。外部正極端子61、正極接続端子62、正極端子板63は、すべて必要ではなく、1つまたは2つの部材により構成してもよい。負極側においても同様である。
(4)上記実施形態1では、各円弧状突出部51Uを、断面ほぼ円弧状として例示した。しかし、各突出部51Uは、電池缶の横断面の断面形状が、三角形、六角形等の多角形状、三角錐台、六角錐台等の多角錐台形状等、種々の、形状とすることができる。
(5)上記実施形態2では、稜線状突出部52a、52bを平面視井桁形状に配設した。しかし、稜線状突出部52a,52bで構成される補強部52の平面視形状は、三角形、六角形等の多角形状としてもよい。また、各稜線状突出部52a,52bを直線状とせずに、補強部52の平面視形状をハニカム構造のようにしてもよい。あるいは、稜線状突出部52a,52bで囲まれた矩形領域の周縁部のみを壁状に起立させ、その内側に平坦な底部を形成するようにしてもよい。
(5)上記実施形態2では、稜線状突出部52a、52bを平面視井桁形状に配設した。しかし、稜線状突出部52a,52bで構成される補強部52の平面視形状は、三角形、六角形等の多角形状としてもよい。また、各稜線状突出部52a,52bを直線状とせずに、補強部52の平面視形状をハニカム構造のようにしてもよい。あるいは、稜線状突出部52a,52bで囲まれた矩形領域の周縁部のみを壁状に起立させ、その内側に平坦な底部を形成するようにしてもよい。
(6)実施形態2では、稜線状突出部52a,52bの延在方向は、捲回軸C−Cに対して傾斜し、互いに交差しているが、一方の稜線状突出部が捲回軸C−Cに対して傾斜し、他方の稜線状突出部が捲回軸C−Cと平行としても、電池缶4の表裏面の剛性を高めることができる。
(7)実施形態1,2では、補強部形成領域の全域に円弧状突出部51U、稜線状突出部52a、52bを設けたが、補強部形成領域内でこれらの突出部を離散的に設けてもよい。
(7)実施形態1,2では、補強部形成領域の全域に円弧状突出部51U、稜線状突出部52a、52bを設けたが、補強部形成領域内でこれらの突出部を離散的に設けてもよい。
(8)電池缶4、4Aの材質はアルミニウム系金属に限られるものではなく、鉄系金属等、他の金属により形成してもよい。
(9)その他、本発明は、種々、変形して適用することが可能であり、要は、扁平直方体状の発電要素の各平坦部に対面する電池容器の表面および裏面に、それぞれ、発電要素の捲回中心に対して交差する方向に延在された複数の突出部で構成される補強部を備えているものであればよい。
1 リチウムイオン角形二次電池
2 電池容器
3 電池蓋
4、4A 電池缶
4a 表面
4b 裏面
21 正極集電板
22 負極集電板
40 発電要素
40P 平坦部
40T 円弧部
41 正極電極
42 負極電極
51、52 補強部
51U 突出部
52a,52b 稜線状突出部
C−C 捲回軸
2 電池容器
3 電池蓋
4、4A 電池缶
4a 表面
4b 裏面
21 正極集電板
22 負極集電板
40 発電要素
40P 平坦部
40T 円弧部
41 正極電極
42 負極電極
51、52 補強部
51U 突出部
52a,52b 稜線状突出部
C−C 捲回軸
Claims (8)
- 正極電極と負極電極とがセパレータを介して捲回され、一対の平坦部、および捲回方向における前記平坦部の両端部に設けられた一対の円弧部を有する扁平直方体状の発電要素と、
前記発電要素が収容され、電解液が注入された電池容器と、
前記電池容器に取り付けられ、それぞれ、前記発電要素の前記正極電極および前記負極電極に接続された外部正極端子および外部負極端子と、を備え、
前記電池容器は、前記発電要素の前記各平坦部に対面する表面および裏面に、それぞれ、前記発電要素の捲回中心に対して交差する方向に延在された、電池容器の外側に突き出す複数の突出部を有する補強部を備えていることを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項1に記載のリチウムイオン角形二次電池において、
前記複数の突出部は、前記捲回中心と平行な方向に波形に連続して形成されていることを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項2に記載のリチウムイオン角形二次電池において、
前記複数の突出部のそれぞれは、同一の断面形状で前記捲回中心と直交する方向に延出されていることを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項1に記載のリチウムイオン角形二次電池において、
前記複数の突出部で構成される前記補強部は平面視形状が多角形状であることを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項4に記載のリチウムイオン角形二次電池において、
前記複数の突出部は、捲回中心と第1の角度で交差する方向に延在する第1の突出部の列群と、捲回中心と第2の角度で交差する方向に延在するとともに、第1の突出部列群と交差する第2の突出部の列群とを有することを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項5に記載のリチウムイオン角形二次電池において、
前記第1の突出部の列群は、前記補強部が形成される領域内を右上方から左下方に延在し、前記第2の突出部の列群は、前記補強部が形成される領域内を左上方から右下方に延在することを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池において、
前記電池容器は、電池缶と、前記正極電極および前記負極電極が取り付けられた電池蓋とを備え、前記各突出部は、前記電池缶の表面または裏面の各周縁部から所定距離だけ離間した内側領域全体に亘り連続して形成されていることを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。 - 請求項7に記載のリチウムイオン角形二次電池において、
前記正極電極は、一側縁に、捲回方向に沿って正極合剤未塗工部が形成されるように、正極用金属箔の表・裏面に正極合剤塗工部が設けられ、前記負極電極は、前記一側縁に対向する他側縁に、捲回方向に沿って負極合剤未塗工部が形成されるように、負極用金属箔の表・裏面に負極合剤塗工部が設けられ、
前記電池缶の表面および裏面に連続して形成された前記補強部の形成領域は、前記正極合剤塗工部および前記負極電極塗工部に対面する領域より広いことを特徴とするリチウムイオン角形二次電池。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20140722 |