JP2015053112A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】使用により電解液が捲回電極体の内周部において不足することを防止可能な二次電池を提供すること。【解決手段】二次電池は、正極と負極とがセパレータを挟んで捲回されてなる捲回電極体と、捲回電極体と電解液とが内部に配置される電池ケースと、電池ケースの底面上に貯留されている電解液を吸い上げる電解液吸収部材とを備える。捲回電極体は、その端面が電池ケースの底面に対して垂直となるように、電池ケースの内部に配置されている。電解液吸収部材は、捲回電極体の内周部に設けられて捲回電極体の内周部に接触する電極体接触部と、電池ケースの底面上に貯留されている電解液に接触する液接触部とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、正極と負極とがセパレータを挟んで捲回されてなる捲回電極体と、捲回電極体と電解液とが内部に配置される電池ケースとを備えた二次電池に関する。

二次電池の中には、使用中における電解液の減少に備えて電解液の貯留スペースが電池ケースの底面上に設けられているものがある。特開２０１２−２０９２５２号公報（特許文献１）には、電解液吸い上げ層を活物質層非形成部に設けることにより、貯留スペース内の電解液（以下では「余剰電解液」と記す）が電解液吸い上げ層によって吸い上げられ、捲回電極体における正極と負極との間に供給されることが記載されている。

特開２０１２−２０９２５２号公報

捲回電極体の端面が電池ケースの底面に対して垂直となるように、捲回電極体が電池ケースの内部に配置されることがある。この場合、二次電池の使用により余剰電解液の液面が低下すると、捲回電極体の内周部が余剰電解液に接触し難くなり、よって、捲回電極体の内周部では電解液が不足する。特許文献１に記載の技術を用いても、捲回電極体の内周部における電解液の不足を招くことがある。なぜならば、特許文献１の電解液吸い上げ層は、捲回電極体における捲回方向に沿って設けられている。そのため、余剰電解液の液面が低下するにつれ、捲回電極体の内周部に位置する電解液吸い上げ層が余剰電解液に接触し難くなるからである。

また、本発明者らが捲回電極体を備えた二次電池について研究したところ、捲回電極体の内周部では捲回電極体の外周部に比べて二次電池の使用時における温度上昇が大きいことが分かった。このように、捲回電極体の内周部では、温度上昇による電解液の不足も発生するので、電解液の不足が著しい。このことが、捲回電極体を備えた二次電池がその使用中に性能低下を起こす要因の１つであると考えられる。

本発明は、使用により電解液が捲回電極体の内周部において不足することを防止可能な二次電池の提供を目的とする。

本発明の二次電池は、正極と負極とがセパレータを挟んで捲回されてなる捲回電極体と、捲回電極体と電解液とが内部に配置される電池ケースと、電池ケースの底面上に貯留されている電解液を吸い上げる電解液吸収部材とを備える。捲回電極体は、その端面が電池ケースの底面に対して垂直となるように、電池ケースの内部に配置される。電解液吸収部材は、捲回電極体の内周部に設けられて捲回電極体の内周部に接触する電極体接触部と、電池ケースの底面上に貯留されている電解液に接触する液接触部とを有する。

本発明の二次電池では、余剰電解液は、液接触部に吸収されて電極体接触部へ供給され、電極体接触部から捲回電極体の内周部における正極と負極との間へ供給される。よって、二次電池の使用により電解液が捲回電極体の内周部で不足することを防止できる。

「捲回電極体の内周部」は、捲回電極体の端面の径方向中央よりも径方向内側を意味し、捲回電極体の最内周部を含む。「捲回電極体の端面」は、捲回電極体の軸方向端部に位置する面を意味する。

「捲回電極体の内周部に設けられて捲回電極体の内周部に接触する電極体接触部」は、電極体接触部が捲回電極体の内周部における正極または負極とセパレータとの間に設けられ、その正極またはその負極とそのセパレータとのうちの少なくとも一方に接触することを意味する。

「電池ケースの底面上に貯留されている電解液に接触する液接触部」は、液接触部が余剰電解液に直接、接触する場合だけでなく、液接触部が余剰電解液に間接的に接触する場合も含む。「液接触部が余剰電解液に直接、接触する」の一例は、液接触部の一部が電池ケースの底面に接することである。「液接触部が余剰電解液に間接的に接触する」の一例は、液接触部が捲回電極体の最外周を構成する正極、負極またはセパレータに接触することである。「電解液の不足」は、電解液の分量が電池反応に必要な電解液の分量未満であることを意味する。

本発明の二次電池では、使用により電解液が捲回電極体の内周部において不足することを防止できる。

本発明の一実施形態の二次電池の斜視図である。 本発明の一実施形態において電解液吸収部材の電極体接触部を捲回電極体の最内周部に設ける方法を示す図である。 高温環境下における充放電サイクル試験の結果を示すグラフである。 充放電サイクル初期における比較例の二次電池の状態を示す斜視図である。 充放電サイクル後期における比較例の二次電池の状態を示す斜視図である。 本発明の第１の変形例の二次電池の斜視図である。 本発明の第２の変形例の二次電池の斜視図である。 本発明の第３の変形例の二次電池の斜視図である。 本発明の第４の変形例の二次電池の斜視図である。

以下、本発明の二次電池について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の二次電池の斜視図である。図１および後述の図４〜図９では、金属ケース本体１の一部を透視して捲回電極体１１および電解液吸収部材２１を図示している。図２は、電解液吸収部材２１の電極体接触部２１ｂを捲回電極体１１の最内周部に設ける方法を示す図であり、上側にはその端面図を示し、下側にはその上面図を示す。

本実施形態の二次電池は、金属ケース本体１と蓋体３とを有する電池ケースと、２つの集電端子５，５と、捲回電極体１１と、電解液吸収部材２１とを備える。金属ケース本体１の内部には、捲回電極体１１と電解液とが配置されており、金属ケース本体１の底面上には、余剰電解液７が貯留されている。金属ケース本体１の開口は、蓋体３で蓋されている。蓋体３には、集電端子５，５が設けられており、集電端子５，５には、それぞれ、捲回電極体１１の正極１３と負極１７とが接続されている。

捲回電極体１１は、正極１３と負極１７とがセパレータ１５を介して捲回されて形成されたものであり、平坦部とコーナー部とを有する。平坦部は、捲回電極体１１の横断面の長軸方向中央に位置し、平坦部では、正極１３とセパレータ１５と負極１７とが捲回電極体１１の横断面の長軸方向に平行に配置されている。コーナー部は、捲回電極体１１の横断面の長軸方向端部に位置し、コーナー部では、正極１３とセパレータ１５と負極１７とがアーチ状に配置されている。

捲回電極体１１は、その端面が金属ケース本体１の底面（電池ケースの底面）に対して垂直となるように金属ケース本体１の内部に配置されており、金属ケース本体１の内部では、捲回電極体１１の横断面の長軸方向が金属ケース本体１の深さ方向に平行である。金属ケース本体１の内部において捲回電極体１１がこのように配置されていれば、比較的早いタイミングで捲回電極体１１の最内周部が余剰電解液７に接触しなくなるので、電解液吸収部材２１を設けたことによる効果が有効に得られる。

電解液吸収部材２１は、余剰電解液７を吸い上げるための部材である。電解液吸収部材２１は、電解液を十分に吸収且つ保持できるように構成されていることが好ましく、たとえばセパレータなどの多孔質部材であることが好ましい。

電解液吸収部材２１は、２つの短冊状の液接触部２１ａと１つの平面視矩形の電極体接触部２１ｂとが一体となって構成されている。電極体接触部２１ｂは、捲回電極体１１の最内周部よりも内側に存在する隙間内に設けられ、捲回電極体１１の最内周部を構成する正極１３、セパレータ１５または負極１７に接触している。各液接触部２１ａは、捲回電極体１１の端面よりも捲回電極体１１の外側に設けられており、捲回電極体１１の横断面の長軸方向に延びている。各液接触部２１ａの一端は、電極体接触部２１ｂよりも金属ケース本体１の底面側へ突出しており、その底面に接している。これにより、液接触部２１ａは、余剰電解液７に直接、接触することとなる。

本実施形態の二次電池では、余剰電解液７は、液接触部２１ａの一端側から液接触部２１ａに吸収されて電極体接触部２１ｂへ供給され、電極体接触部２１ｂから捲回電極体１１の最内周部における正極１３と負極１７との間へ供給される。ここで、液接触部２１ａの一端は金属ケース本体１の底面に接しているので、余剰電解液７の液面が低下しても余剰電解液７は液接触部２１ａの一端側から液接触部２１ａに吸収される。これらのことから、本実施形態の二次電池では、使用により電解液が捲回電極体１１の最内周部において不足することを防止できるので、その性能がその使用中に低下することを防止できる。したがって、本実施形態の二次電池は、長期使用が可能であり、高出力用途として使用可能である。たとえば、本実施形態の二次電池は、ハイブリッド自動車もしくは電気自動車などの自動車用電源、工場用電源または家庭用電源などに使用される大型電池として好適である。

一般に、捲回電極体の最内周部は二次電池の使用により電解液が不足し易い部分であると言われている。しかし、本実施形態では、二次電池の使用により電解液が捲回電極体１１の最内周部において不足することを防止できるので、二次電池の性能がその使用中に低下することを効果的に防止できる。

本実施形態では、電極体接触部２１ｂは、捲回電極体１１の軸方向において捲回電極体１１と同等の長さに形成されていることが好ましく、捲回電極体１１の横断面の長軸方向において上記隙間と同等の大きさに形成されていることが好ましい。これにより、捲回電極体１１の最内周部と電解液吸収部材２１との接触面積が大きくなるので、余剰電解液７が電極体接触部２１ｂから捲回電極体１１の最内周部における正極１３と負極１７との間へ供給され易くなる。よって、二次電池の使用により電解液が捲回電極体１１の最内周部において不足することをさらに防止できるので、二次電池の性能がその使用中に低下することをさらに防止できる。

上記の効果を確かめるために、本発明者らは、電解液吸収部材２１を備えていない二次電池（比較例の二次電池）と本実施形態の二次電池（実施例の二次電池）とに対して高温環境下における充放電サイクル試験を行った。その結果を図３に示す。図３の横軸には充放電サイクル数（回）を示し、図３の縦軸には内部抵抗上昇率（％）を示す。内部抵抗上昇率は、実施例および比較例のそれぞれにおいて、充放電サイクル試験を行なう前の内部抵抗に対する上昇率を意味する。図４は充放電サイクル初期における比較例の二次電池の状態を示す斜視図であり、図５は充放電サイクル後期における比較例の二次電池の状態を示す斜視図である。

図３に示すように、充放電サイクル初期では、内部抵抗上昇率は、比較例と実施例とで同様の傾向を示した。しかし、充放電サイクル数が増えるにつれて、内部抵抗上昇率は、比較例の方が実施例よりも高くなった。この理由として次に示すことが考えられる。

実施例の二次電池は、電解液吸収部材２１を備えていた。そのため、充放電サイクル後期においても、余剰電解液７は電解液吸収部材２１により捲回電極体１１の最内周部に供給され、よって、捲回電極体１１の最内周部における電解液の不足が防止された。したがって、充放電サイクル後期における内部抵抗の上昇を抑えることができた。

一方、比較例の二次電池は、電解液吸収部材２１を備えていなかった。充放電サイクル初期では、余剰電解液１０７の液面はそれほど低下しなかったので、捲回電極体１１１の最内周部は余剰電解液１０７に接触していた（図４）。しかし、充放電サイクル数が増えるにつれて、余剰電解液１０７の液面は低下した。そのため、充放電サイクル後期では、捲回電極体１１１の最内周部が余剰電解液１０７に接触し難くなり（図５）、よって、捲回電極体１１１の最内周部において電解液が不足した。したがって、充放電サイクル後期において内部抵抗が上昇し、サイクル特性が低下した。

なお、電解液吸収部材２１を捲回電極体１１の最内周部に設ける方法としては、次に示す方法を挙げることができる。まず、負極１７、セパレータ１５、正極１３、セパレータ１５および電解液吸収部材２１を順に配置する。このとき、電極体接触部２１ｂをセパレータ１５上に配置し、液接触部２１ａをセパレータ１５から突出させる。その後、互いに間隔をあけて配置された２本の捲回軸に、負極１７、セパレータ１５、正極１３およびセパレータ１５を同時に捲回させる。

（変形例）
電解液吸収部材の構成は、上記第１の実施形態の記載に限定されない。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。

（第１の変形例）
図６は、第１の変形例の二次電池の斜視図である。本変形例の二次電池は、２つ以上の電解液吸収部材２１を備えている。

２つ以上の電解液吸収部材２１のうち１つの電解液吸収部材２１が有する電極体接触部２１ｂは、捲回電極体１１の最内周部に設けられてその最内周部に接触している。一方、それ以外の電解液吸収部材２１が有する電極体接触部２１ｂは、それぞれ、捲回電極体１１の内周部に設けられてその内周部に接触している。換言すると、捲回電極体１１の横断面の短軸方向において隣り合う電極体接触部２１ｂの間には、１つの電極（正極または負極）または１つのセパレータが設けられており、電極体接触部２１ｂは、その電極またはそのセパレータに接触している。

本変形例の二次電池では、余剰電解液７は、液接触部２１ａの一端側から吸収されて捲回電極体１１の最内周部における正極と負極との間へ供給されるだけでなく、別の液接触部２１ａの一端側から吸収されて捲回電極体１１の内周部における正極と負極との間へも供給される。これにより、余剰電解液７は、捲回電極体１１の内周部全体に供給される。よって、二次電池の使用により電解液が捲回電極体１１の内周部全体において不足することを防止できるので、二次電池の性能がその使用中に低下することを防止できる。

隣り合う電極体接触部２１ｂの間には、１つ以上の電極（正極または負極）と１つ以上のセパレータとが設けられていても良い。このことは、後述の第２、第３の変形例においても言える。

電解液吸収部材２１の個数は図６に記載の個数に限定されない。電解液吸収部材２１の個数が多くなると、捲回電極体１１の内周部における電解液の不足を防止できる。一方、捲回電極体１１の横断面の短軸方向において隣り合う電極（正極または負極）とセパレータとの間のそれぞれに電極体接触部２１ｂを設けると、二次電池のコスト上昇を招くことがある。これらを考慮して電解液吸収部材２１の個数を決めることが好ましい。

（第２の変形例）
図７は、第２の変形例の二次電池の斜視図である。本変形例の電解液吸収部材３１は、１つの短冊状の液接触部３１ａと３つの短冊状の電極体接触部３１ｂとが一体となって構成されている。液接触部３１ａは、捲回電極体１１の一方の端面よりも捲回電極体１１の外側に設けられている。液接触部３１ａは、液接触部２１ａよりも短尺であるが、その一端は、金属ケース本体１の底面に接している。各電極体接触部３１ｂは、液接触部３１ａの他端から捲回電極体１１の軸方向へ延びて捲回電極体１１の内周部に設けられている。
捲回電極体１１の横断面の短軸方向において隣り合う電極体接触部３１ｂの間には、１つの電極（正極または負極）または１つのセパレータが設けられており、電極体接触部３１ｂは、その電極またはそのセパレータに接触している。

本変形例の二次電池では、余剰電解液７は、液接触部３１ａの一端側から吸収されて、捲回電極体１１の内周部における正極と負極との間へ供給されるとともに捲回電極体１１の内周部における別の正極と別の負極との間へ供給される。これにより、余剰電解液７は、捲回電極体１１の内周部全体に供給されるので、上記第１の変形例に記載の効果を得ることができる。また、電極体接触部３１ｂが短冊状であっても上記第１の変形例に記載の効果を得ることができるので、本変形例では性能に優れた二次電池を比較的低コストで提供できる。

本変形例では、電極体接触部３１ｂの長さは、捲回電極体１１の軸方向における長さと同等であることが好ましい。これにより、余剰電解液７は、捲回電極体１１の軸方向に亘って供給される。よって、電極体接触部３１ｂの長さが捲回電極体１１の軸方向における長さよりも短い場合に比べて、二次電池の使用により電解液が捲回電極体１１の内周部において不足することをさらに防止できるので、二次電池の性能がその使用中に低下することをさらに防止できる。このことは、後述の第３、第４の変形例においても言える。

本変形例では、上記第１の実施形態に記載の方法にしたがって電極体接触部３１ｂを捲回電極体１１の内周部に設けても良いが、捲回電極体１１を形成してから捲回電極体１１の横断面の短軸方向において隣り合う電極（正極または負極）とセパレータとの間に電極体接触部３１ｂを挿入させても良い。このことは、後述の第３、第４の変形例においても言える。なお、液接触部３１ａの個数および電極体接触部３１ｂの個数は図７に記載の個数に限定されない。

（第３の変形例）
図８は、第３の変形例の二次電池の斜視図である。本変形例の電解液吸収部材４１は、１つの平面視Ｌ字状の液接触部４１ａと２つの短冊状の電極体接触部４１ｂとが一体となって構成されている。液接触部４１ａの一端は、捲回電極体１１の最外周を構成する正極、負極またはセパレータに接触しており、液接触部４１ａの他端側は、捲回電極体１１の一方の端面よりも捲回電極体１１の外側に配置されている。各電極体接触部４１ｂは、液接触部４１ａの他端から捲回電極体１１の軸方向へ延びて捲回電極体１１の内周部に設けられており、電極体接触部３１ｂと同様に構成されている。

本変形例の二次電池では、液接触部４１ａの一端が捲回電極体１１の最外周を構成する正極、負極またはセパレータに接触している。二次電池の使用により余剰電解液７の液面が低下しても、捲回電極体１１の最外周は余剰電解液７に接触するので、余剰電解液７は捲回電極体１１の最外周に吸収される。捲回電極体１１の最外周に吸収された余剰電解液７は、捲回電極体１１の最外周を構成する正極、負極、または、セパレータに形成された細孔の内部を通って液接触部４１ａへ供給される。よって、本変形例では、上記第２の変形例に記載の効果を得ることができる。

（第４の変形例）
図９は、第４の変形例の二次電池の斜視図である。本変形例の電解液吸収部材５１は、１つの短冊状の液接触部５１ａと１つの短冊状の電極体接触部５１ｂとが一体となって構成された平面視Ｌ字状部材である。液接触部５１ａは、液接触部２１ａと同様に構成されている。電極体接触部５１ｂは、液接触部５１ａの他端から捲回電極体１１の軸方向へ延びて捲回電極体１１の内周上部（金属ケース本体１の底面とは反対側に位置する捲回電極体１１の内周部）における電極（正極または負極）とセパレータとの間に設けられており、その電極またはそのセパレータに接触している。

本変形例の二次電池では、余剰電解液７は、液接触部５１ａの一端側から吸収されて捲回電極体１１の内周上部における正極と負極との間へ供給される。これにより、余剰電解液７は、捲回電極体１１の内周上部に供給されるので、使用により電解液が捲回電極体１１の内周上部において不足することを防止できる。よって、その性能がその使用中に低下することを効果的に防止できる。

一般に、捲回電極体の平坦部に対して面圧が印加されている場合には、捲回電極体の内周上部では電解液が不足し易いと言われている。しかし、本変形例では、二次電池の使用により電解液が捲回電極体１１の内周上部において不足することを防止できる。よって、捲回電極体の平坦部に対して面圧が印加されている場合であっても、捲回電極体１１の内周上部における電解液の不足を防止でき、したがって、二次電池の性能がその使用中に低下することを防止できる。

上記第１の実施形態および上記第１〜第４の変形例において、二次電池は、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。また、正極、負極、セパレータおよび電解液は、それぞれ、次に示す構成を有することが好ましい。

正極は、リチウムイオン二次電池の正極の一般的な構成を有することが好ましい。たとえば、正極は、アルミニウム箔とアルミニウム箔上に設けられた正極合剤層とを含むことが好ましく、正極合剤層は、正極活物質（たとえばコバルト酸リチウム）と導電剤（カーボン粉末）とポリフッ化ビニリデン（結着剤）とを含むことが好ましい。正極に接続される集電端子はアルミニウムからなることが好ましい。

負極は、リチウムイオン二次電池の負極の一般的な構成を有することが好ましい。たとえば、負極は、銅箔と銅箔上に設けられた負極合剤層とを含むことが好ましく、負極合剤層は、負極活物質（たとえば天然黒鉛）と結着剤（ポリフッ化ビニリデン）とを含むことが好ましい。負極に接続される集電端子は銅からなることが好ましい。

セパレータは、リチウムイオン二次電池のセパレータの一般的な構成を有することが好ましい。たとえば、セパレータは、多孔質ポリオレフィン系樹脂（たとえばポリプロピレン）からなることが好ましい。

電解液は、リチウムイオン二次電池の電解液の一般的な構成を有することが好ましい。たとえば、電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒（たとえば、体積比１：１程度の混合溶媒）にＬｉＰＦ_６が約１ｍｏｌ／リットルの濃度で含有された溶液であることが好ましい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 金属ケース本体、３ 蓋体、５，５ 集電端子、７，１０７ 余剰電解液、１１ 捲回電極体、１３ 正極、１５ セパレータ、１７ 負極、２１，３１，４１，５１ 電解液吸収部材、２１ａ，３１ａ，４１ａ，５１ａ 液接触部、２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ，５１ｂ 電極体接触部。

Claims (1)

1. 正極と負極とがセパレータを挟んで捲回されてなる捲回電極体と、
   前記捲回電極体と電解液とが内部に配置される電池ケースと、
   前記電池ケースの底面上に貯留されている電解液を吸い上げる電解液吸収部材とを備え、
   前記捲回電極体は、その端面が前記電池ケースの前記底面に対して垂直となるように、前記電池ケースの内部に配置され、
   前記電解液吸収部材は、前記捲回電極体の内周部に設けられて前記捲回電極体の前記内周部に接触する電極体接触部と、前記電池ケースの前記底面上に貯留されている電解液に接触する液接触部とを有する二次電池。

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