JP2014149996A

JP2014149996A - 電池

Info

Publication number: JP2014149996A
Application number: JP2013018698A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Nishizawa; 和樹西沢
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP6056514B2

Abstract

【課題】発電要素と電池ケースとの間の絶縁を確保しつつ、電解液が効率よく発電要素全体に浸透することが可能な電池を提供する。
【解決手段】注液口２ｃを有する電池ケース２と、発電要素と、前記電池ケースと前記発電要素との間にシート状絶縁部材とが備えられた電池において、前記シート状絶縁部材は非多孔質材料であり、前記シート状絶縁部材には孔が設けられており、前記孔は前記注液口と対向して形成されており、前記孔の直径は前記注液口の直径の３〜５倍である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池、詳しくは電池ケースと発電要素との間にシート状絶縁部材を備えた電池に関する。

電池は、一般に、発電要素を電池ケースに収納した後、電池ケースの注液口から電解液が注液され、注液口を封止栓で封口することによって製造される。

多くの電池では、金属製の電池ケースが使用されている。電池ケースが導電性を有する場合、発電要素と電池ケースとが直接的または間接的に接触して、短絡が発生する虞がある。このような短絡防止のために、発電要素と電池ケースとの間の絶縁を確保する必要があり、例えば発電要素を絶縁部材で覆う手法が用いられる。

上記の絶縁部材として様々な部材が用いられており、例えば、非多孔質なシート状絶縁部材や多孔質なシート状絶縁部材が用いられうる。
非多孔質なシート状絶縁部材で発電要素を覆う場合、電解液を注液する際に電解液が絶縁部材を通過しにくく、電解液が円滑に発電要素に浸透しないことが起こりうる。その結果、電解液が発電要素全体に浸透せず、電解液の浸透ムラが生じる。そして、発電要素内で電解液が浸透していない部分が存在すると、その部分に存在する活物質は充放電反応に寄与することはなく、電池の容量減少につながる。

一方、多孔質なシート状絶縁部材で発電要素を覆う場合は、電解液がシート状絶縁部材を通過できるため、上記のような問題は生じにくい。しかしながら、シート状絶縁部材が多孔質な材料であるため、電解液がシート状絶縁部材に吸収および保持されて、その保持された分の電解液が発電要素に浸透しないおそれがある。その結果、シート状絶縁部材に吸収および保持された分だけ過剰な電解液が必要となり、電池価格や電池重量の面で不利になる。

本発明は、上記事案を鑑みてなされたものであり、発電要素と電池ケースとの間の絶縁を確保しつつ、電解液が効率よく発電要素全体に浸透し、かつ、過剰な電解液が不要である電池を提供することを目的とする。

本発明の電池は、注液口を有する電池ケースと、発電要素と、前記電池ケースと前記発電要素との間にシート状絶縁部材とが備えられ、前記シート状絶縁部材は非多孔質材料であり、前記シート状絶縁部材には孔が設けられており、前記注液口と前記孔とが対向していることを特徴とする。

上記構成のように、発電要素と電池ケースとの間にシート状絶縁部材を備えることで、発電要素と電池ケースとの間の絶縁を確保し、そして電池ケースの注液口と対向するシート状絶縁部材の一部に孔を設けることで、電解液を前記孔を介してシート状絶縁部材を通過させて、電解液を発電要素全体に浸透させることができる。そして、シート状絶縁部材を非多孔質にすることで、電解液がシート状絶縁部材に吸収されるのを防ぎ、かつ、発電要素に浸透した電解液が発電要素の外部に流出するのを防ぐことができる。その結果、余分な電解液が不要となり、電解液を効率良く発電要素全体に浸透させることができる。なお、非多孔質なシート状絶縁部材とは、その空孔率が１０％以下（０％も含む）のシート状絶縁部材を示す。本発明において非多孔質か否かは空孔率によって判断され、空孔率は式（１）により算出される。
空孔率＝｛１−（Ｗ／ρ）／（Ｌ１×Ｌ２×ｔ）式（１）
Ｗ：試験片重量
ρ ：試験片密度
Ｌ１：試験片幅（側面における長さ）
Ｌ２：試験片全長（平面における上記Ｌ１とは異なる辺の長さ）
ｔ：試験片厚み（側面における上記Ｌ１とは異なる辺の長さ）

本発明の電池において、前記孔が複数設けられることが好ましい。

上記構成では、シート状絶縁部材に孔が、注液口に対向して設けられており、前記孔が複数設けられている。そのため、シート状絶縁部材に覆われた発電要素を電池ケースに収納した際、仮に、電池ケース注液口とシート状絶縁部材に形成された孔との位置関係が多少ずれても、注液される電解液は円滑にシート状絶縁部材上の孔を通過することが可能となる。

本発明の電池において、前記孔の直径は前記注液口の直径に対して３〜５倍であることが好ましい。

上記構成では、シート状絶縁部材に孔が、注液口に対向して設けられており、前記孔の直径が前記注液口の直径の３〜５倍の大きさになっている。そのため、シート状絶縁部材に覆われた発電要素を電池ケースに収納した際、仮に、電池ケース注液口とシート状絶縁部材に形成された孔との位置関係が多少ずれても、注液される電解液は円滑にシート状絶縁部材上の孔を通過することが可能となる。

本発明の電池によれば、発電要素と電池ケースとの間の絶縁を確保しつつ、電解液が効率よく発電要素全体に浸透し、かつ、過剰な電解液を不要にすることができる。

本発明の実施の形態に係る電池の外観斜視図本発明の実施の形態に係る電池の内部構成を示す斜視図本発明の第１実施形態に係るシート状絶縁部材を示す斜視図本発明の第２実施形態に係るシート状絶縁部材を示す斜視図シート状絶縁部材で発電要素を覆う形態を示す図

本発明の電池の実施形態を図１〜５に基づいて説明する。本実施形態では、電池として非水電解質電池（リチウムイオン電池）を例示して説明する。なお、本発明を実施する形態は、以下に記載する実施形態に制限されるものではない。

＜第１実施形態＞
第１実施形態の非水電解質電池１を図１に示す。非水電解質電池１は、有底矩形状に形成されて、開口部を有する金属製の筐体２ａと、前記開口部に被せられて溶接される金属製の蓋部２ｂから構成される電池ケース２を有している。金属製の蓋部２ｂは短冊状の長方形に形成されており、金属製の筐体２ａは全体として扁平な直方体形状を有する。金属製の筐体２ａには、電池ケース２内に電解液を注入するための注液口２ｃが設けられており、注液口２ｃは直径１．２ｍｍの円形の孔である。また、図１に示される非水電解質電池の寸法（端子部分を除く）は、幅１６６ｍｍ、高さ１１９ｍｍ、厚み２３ｍｍである。

非水電解質電池１において、筐体２ａと電解液を除いた状態を図２に示す。発電要素３の両側のそれぞれに正極接続部５および負極接続部７が溶接され、それぞれの接続部は正極端子および負極端子に接続されている。正極端子および負極端子はそれぞれ電池ケースの蓋部２ｂ上に形成されている。

長尺帯状のアルミニウム箔および銅箔の表裏両面に正極活物質および負極活物質をそれぞれ塗布して活物質層を形成した後、正極板および負極板の間にセパレータを挟んだ状態で巻回することによって発要要素３が作製される。正極板および負極板は、いずれも短幅方向に活物質を塗布せずにアルミニウム箔および銅箔が露出した未塗工部３ａが形成されており、巻回する際は、正極板の未塗工部３ａと負極板の未塗工部３ａとが幅方向で反対方向に配置され、正極板の未塗工部３ａと負極板の未塗工部３ａとが発電要素３の両端に露出した状態となる。

その後、発電要素３の両端から突出した正極板の活物質未塗工部３ａおよび負極板の活物質未塗工部３ａを、それぞれ正極接続部５および負極接続部７に溶接する。そして、正極接続部５および負極接続部７をそれぞれ正極端子および負極端子につなぐことで、図２のように蓋部２ｂと発電要素３とが接続された状態となる。

本発明の第１実施形態のシート状絶縁部材４を図３に示す。シート状絶縁部材４は、非多孔質な材料からなり、具体的には空孔率０％で、厚み０．２ｍｍのポリプロピレン（ＰＰ）である。また、シート状絶縁部材４には、発電要素３を筐体２ａに挿入した際の注液口２ｃに対向する部分に孔４ａが複数形成されている。孔の直径は０．２ｍｍであり、注液口２ｃの直径の０．１７倍である。

本発明の第１実施形態では、シート状絶縁部材４上に、注液口２ｃの中心点を中心にして、注液口２ｃの直径の１０倍の大きさの直径範囲内に直径０．２ｍｍの孔４ａを２０００個設けている。ここでいう、シート状絶縁部材４上における注液口２ｃの１０倍の直径範囲（半径６ｍｍの円の範囲）の面積は３６πｍｍ^２であり、シート状絶縁部材４上のその範囲内に形成する孔４ａの合計面積は２０πｍｍ^２である。すなわち、シート状絶縁部材４上における注液口２ｃの１０倍の直径範囲の面積（３６πｍｍ^２）に対して、シート状絶縁部材４上に形成する孔４ａの合計面積（２０πｍｍ^２）は、５６％の割合を占める。

シート状絶縁部材４上における注液口２ｃの１０倍の直径範囲の面積に対して、シート状絶縁部材４上に形成する孔４ａの合計面積を、３０〜９０％の割合とすることが好ましい。この割合になるように孔４ａを形成することで、電解液を注液する際、たとえ１つの孔を通過しない電解液が生じても、その電解液が直接別の孔を通過する、もしくは電解液がシート状絶縁部材４に付着してシートをつたい、別の孔に到達して通過することで、発電要素に浸透しない電解液が生じることを低減することが可能になる。

また、１つの孔４ａの孔径は、注液口２ｃの孔径の０．０５〜０．３倍の大きさであることが好ましい。１つの孔４ａの孔径が注液口２ｃの孔径の０．０５倍の大きさより小さい場合、孔４ａを通過しない電解液が生じる虞が高くなる。一方、１つの孔４ａの孔径が注液口２ｃの孔径の０．３倍の大きさより大きい場合、密接して孔４ａを設けられず、そして孔４ａの個数が減少することから、孔４ａを通過しない電解液が生じる虞が高くなる。

図３において点線で示した箇所を谷折りにすることで、シート状絶縁部材４を有底矩形筒体状に形成する。この有底矩形筒体状に形成されたシート状絶縁部材４の内側に発電要素３を配することで、発電要素３を非多孔質なシート状絶縁部材４で覆う形態とする。また、広げた状態のシート状絶縁部材４の上に発電要素３を置いた後に、図３の点線で示した箇所を折り曲げることで発電要素３を非多孔質なシート状絶縁部材４で覆う形態としてもよい。すなわち、シート状絶縁部材４を筒体状に形成した後に発電要素３を挿入してもよいし、シート状絶縁部材４の上に発電要素３に置いた後にシート状絶縁部材４を筒体状に形成してもよい。

図５に示すように、シート状絶縁部材４で発電要素３を覆う際、有底矩形筒体状にしたシート状絶縁部材４の開口側に蓋部２ｂが配置されるようにする。シート状絶縁部材４に形成された孔４ａと筐体２ａに形成された注液口２ｃとが対向するように、シート状絶縁部材４で覆われた発電要素３を筐体２ａに収納した後に、筐体２ａの開口部と蓋部２ｂを溶接する。そして、注液口２ｃから電解液を注液し、注液口２ｃを封口することで非水電解質電池１が完成される。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態は、上記第１実施形態とは、シート状絶縁部材４上に形成する孔４ａの形態が異なる。そして、それ以外の各部の構成は、上記第１実施形態のものと同一の構成を有しており、説明を省略する。

第２実施形態では、注液口と対向するシート状絶縁部材４の部分に１つの孔４ａが設けられている。孔４ａの直径は６ｍｍであり、注液口２ｃの直径の５倍の大きさである。

シート状絶縁部材４に形成された孔４ａの直径は、注液口の直径に対して３〜５倍であることが好ましい。シート状絶縁部材４で覆われた発電要素３を筐体２ａに収納した際、筐体２ａの注液口２ｃに対向する部分にシート状絶縁部材４に形成された孔４ａが必ずしも配置されるとは限らない。そのため、発電要素３を筐体２ａに収納する際の筐体２ａに対する発電要素３の配置の精度が高くなくても、シート状絶縁部材４に注液口の直径より大きい直径を有する孔４ａを設けることで、シート状絶縁部材４に阻害されて孔４ａを通過せずに発電要素に浸透することのない電解液が生じる可能性が低くすることができる。

以上のように本発明の第１実施形態、および第２実施形態では、発電要素３の両端に接続された正極接続部５、負極接続部７および発電要素３が電池ケースと接触して短絡しないように、正極接続部５および負極接続部７が接続された状態の発電要素３がシート状絶縁部材４によって覆われる。しかし、注液口２ｃから電解液を注液する際、注液口２ｃと発電要素３との間には非多孔質のシート状絶縁部材４が存在していると、電解液の発電要素３への浸透が阻害される。本発明では、注液口２ｃと発電要素３との間に存在するシート状絶縁部材４の一部に孔４ａを設けることにより、非多孔質のシート状絶縁部材４を用いた場合でも電解液の発電要素３への浸透が阻害されるのを防ぐことができる。なお、正極板と負極板との間に備えられるセパレータの空孔率は一般的に３０〜６０％であり、セパレータを本発明のシート状絶縁部材４として用いた場合、電解液がシート状絶縁部材４に吸収されて過剰の電解液が必要となる。

本実施形態では、注液口２ｃは、筐体２ａの側面のうち面積が大きい方の面に設けてある。しかしながら、注液口２ｃを設ける箇所は特に制限されるものではなく、注液口２ｃと発電要素３との間にシート状絶縁部材があれば、例えば、注液口２ｃは、筐体２ａの底面部や、蓋部２ｂ上に設けてもよい。

また、本実施形態ではシート状絶縁部材４としてポリプロピレン（ＰＰ）を用いたが、本発明におけるシート状絶縁部材としては、絶縁性や加工性の観点から、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を用いることができる。

シート状絶縁部材４を薄膜化すれば、シート状絶縁部材４が占める容積を小さくすることができ、発電要素３の容積を大きくすることができるため、電池容量を大きくすることが可能になる。しかしながら、シート状絶縁部材４を薄くしすぎると、シート状絶縁部材４の強度が低下するため、電池に衝撃等が加わった際にシート状絶縁部材４が破損する可能性がある。シート状絶縁部材４が電池ケース２内で占める体積や、シート状絶縁部材４の強度の観点から、シート状絶縁部材４の厚さは０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。

シート状絶縁部材４に形成された孔４ａの形成手法は、特に制限されるものではない。例えば、孔４ａの径を有した針状物でシート状絶縁部材４をパンチングする手法、もしくはシート状絶縁部材４が溶解する溶剤を液滴の大きさを調節して滴下する手法などを用いることができる。

発電要素３をシート状絶縁部材４で覆う形態は、上記の本実施形態に制限されるものではない。本実施形態では、シート状絶縁部材４を有底矩形筒体状に成形して発電要素３を覆う形態を示したが、それ以外に、例えば、集電体の接続部が接続された発電要素３をシート状絶縁部材４で巻回する形態や、シート状絶縁部材４を予め袋状に成形してその袋状に発電要素３を収納する形態でもよい。

また、上記実施形態では、扁平形巻回型の発電要素３を備えた非水電解質電池について説明したが、発電要素や電池の形態や種類は任意であり、実施形態で示した巻回型の発電要素に限定されない。

また、上記実施形態では、金属製の蓋部と筐体から構成される電池ケースを用いた場合を示したが、例えば、金属箔と樹脂層とが積層されたラミネートフィルムなどで構成される電池ケースなどを用いることもできる。

１非水電解質電池
２電池ケース
２ａ筐体
２ｂ蓋部
２ｃ注液口
３発電要素
３ａ活物質合材未塗工部
４シート状絶縁部材
４ａ孔
５正極接続部
６正極端子
７負極接続部
８負極端子

Claims

注液口を有する電池ケースと、発電要素と、前記電池ケースと前記発電要素との間にシート状絶縁部材とが備えられ、前記シート状絶縁部材は非多孔質材料であり、前記シート状絶縁部材には孔が設けられており、前記注液口と前記孔とが対向していることを特徴とする電池。
前記孔が、複数設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記孔の直径は、前記注液口の直径に対して３〜５倍であることを特徴とする請求項１に記載の電池。