JP2015053129A - 角形二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】電池容器内に注入される電解液の量を低減し、かつ、電池特性の低下を生じない角形二次電池を提供する。
【解決手段】一側縁に正極箔が露出された正極電極と一側縁に負極箔が露出された負極電極とがセパレータを介して前記正極箔と前記負極箔とが反対側の側縁にそれぞれ露出するように捲回され、捲回方向の両端部に湾曲部40Tが形成され、前記湾曲部40Tを挟んで一対の幅広面を有する発電要素40の湾曲部40Tの一方と、電池容器の底面22から一対の幅広側面21aにおける発電要素40の湾曲部40Tに対応する領域との間に跨る空間に配置され、発電要素40の正極箔から負極箔までの間の電解液の流路52を形成するスペーサ50を備える。
【選択図】図5

Description

この発明は、角形二次電池に関し、より詳細には、正・負極電極を有する発電要素が、電解液が注入される電池容器内に収容される角形二次電池に関する。
電気自動車等の車両用の電源用電池として、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の角形二次電池が用いられている。角形二次電池は、通常、正・負極電極を、セパレータを介して捲回して発電要素を形成し、この発電要素を電池容器内に収容し、電池容器内に電解液を注入して作製される。
発電要素には、正・負極電極を捲回する際、捲回方向の両端部に半円形の湾曲部が形成される。この湾曲部を電池容器の上面および底面に平行にして電池容器内に収容される。この状態では、電池容器の上面側および底面側の角部と発電要素の湾曲部との間に、比較的広い空間が形成される。従って、電池容器内に注入される電解液は、この空間を充填する量が必要となる。
電池容器の角部と発電要素の湾曲部との間に充填される電解液の無駄を低減するために、電池容器の角部と発電要素との間に、発電要素の湾曲部の周囲を取り囲む湾曲状の上面を有するスペーサを配置した構造が知られている。このスペーサには、電池容器内で発生する熱またはガスをベントするため、スペーサの厚さ方向に形成された貫通ホールが形成されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−40899号公報
特許文献1に記載された角形二次電池では、発電要素の上下面に配置されるスペーサは、電池容器の内面に密着されており、電池容器内に注入された電解液は、正・負極側間の流動性がスペーサによって制限されてしまう。
このため、正・負極側における電解液の量に差が生じ、これに伴って、電池容量などの電池特性が低下する。
本発明の角形二次電池は、一側縁に正極箔が露出された正極電極と一側縁に負極箔が露出された負極電極とがセパレータを介して正極箔と負極箔とが反対側の側縁に位置するように捲回され、捲回方向の両端部に湾曲部が形成され、湾曲部を挟んで一対の幅広面を有する発電要素と、一対の幅広側面と、一対の幅狭側面と、底面とを有し、発電要素の湾曲部の一方が底面に平行に配置されて収容され、内部に電解液が注入される電池容器と、電池容器内下方側における発電要素の湾曲部の一方に対応する領域に設けられ、正極箔と幅狭側面の一方との間の空間から負極箔と幅狭側面の他方との間の空間までの電解液の流路を形成するスペーサとを備える。
この発明によれば、スペーサにより正・負極側間の電解液の流通が確保されるので、正・負極側の電解液の量の差を緩和することができ、電池容量などの電池特性を向上することができる。
本発明に係る角形二次電池の一実施の形態の外観斜視図。 図1に示された角形二次電池の分解斜視図。 角形二次電池内に収納された発電要素の、捲回終端部側を展開した状態の斜視図。 図1に図示された角形二次電池において、電池缶の一側面を取り除いた状態を示す側面図。 図1に図示された角形二次電池において、厚さ方向に平行な面で切断した断面図。 スペーサの外観斜視図。 (a)〜(c)は、それぞれ、スペーサの断面図。 スペーサの変形例1を示す外観斜視図。 スペーサの変形例2を示す外観斜視図。
[角形二次電池の全体構造]
以下、この発明の角形二次電池の一実施の形態を図面と共に説明する。
図1は、本発明に係る角形二次電池の一実施の形態の外観斜視図であり、図2は、図1に示された角形二次電池の分解斜視図である。
以下の説明では、角形二次電池を、リチウムイオン電池として説明する。
角形二次電池C1は、電池缶1および電池蓋6を備える。電池缶1及び電池蓋6の材料としては、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が用いられる。電池缶1は、矩形の底面22と、底面22から立ち上がる角筒状の側壁部21と、側壁部21の上端で上方に向かって開放された開口部1a(図2参照)とを有している。側壁部21は、一対の幅広側面21aと一対の幅狭側面21bとを有している。電池缶1内には、発電要素40が収納され、電池缶1の開口部1aが電池蓋6によって封止されている。
電池蓋6は、その周縁部が電池缶1の開口部1aの周縁部にレーザ溶接により接合され、電池缶1と電池蓋6によって密閉された電池容器10が構成される。電池蓋6には、正極外部端子8Aと、負極外部端子8Bが設けられている。
正極外部端子8Aはアルミニウム、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、電池容器10内で正極集電板4Aにより発電要素40の正極電極41に接続されている。負極外部端子8Bは、銅、銅合金等の銅系金属により形成され、電池容器10内で負極集電板4Bにより発電要素40の負極電極42に接続されている。正極外部端子8Aと負極外部端子8Bとは、材料が異なる以外は、同一の構造を有する。
正極外部端子8Aと負極外部端子8Bを介して発電要素40に充電され、また、発電要素40から外部負荷に電力が供給され、放電する。電池蓋6には、ガス排出弁12が一体的に設けられており、電池容器10内の圧力が上昇すると、ガス排出弁12が開いて内部からガスが排出され、電池容器10内の圧力が低減される。これによって、角形二次電池C1の安全性が確保される。
電池蓋6には、ガス排出弁12に隣接して注液栓11が設けられている。電池容器10内に発電要素40を収納し、電池容器10の開口部1aを電池蓋6により封口し、電池蓋6に設けられた注液口9から非水電解液を電池容器10内に注入した後、注液口9を注液栓11により封止する。
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(LiPF)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。
[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を介在して軸芯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(正極箔)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、正極合剤未塗工部41cの側縁と反対側に配置された他側縁に、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。
セパレータ43、44は、それぞれ、正極合剤が塗工されたた正極金属箔41aおよび負極合剤が塗工された負極金属箔42aを絶縁する。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よりも幅方向および長手方向に大きく形成され、これにより正極合剤塗工部41bは、始端部から周端部までの全領域が負極合剤塗工部42bに覆われている。
図3に図示されるように、発電要素40は、高さ方向の両端部に形成された円弧部(湾曲部)40Tと、両円弧部40Tの間に位置する一対の平坦部(幅広面)40Pとを有し、扁平直方体形状に形成されている。平坦部40Pは、僅かに、中央部が厚い湾曲状とされていることもある。
発電要素40は、一方の円弧部40Tを下に向け、軸芯C−Cを電池缶1の底面22と平行にして、電池缶1内に収容されている。電池缶1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1の幅広側面21aにほぼ平行に対面している。
図2を参照して、角形二次電池C1の電池缶1には、絶縁シート(絶縁層)2を介して発電要素40が収容されている。
上述した如く、発電要素40は、セパレータ43、44を介して正極電極41と負極電極42を扁平形状に捲回した電極群であり、捲回軸方向の両端面側には、正極合剤および負極合剤が塗布されていない正極合剤未塗工部41cおよび負極合剤未塗工部42cが設けられている。
発電要素40は、一方の円弧部40T側から電池缶1内に挿入され、他方の一方の円弧部40T側が電池缶1の開口部1a側に配置される。
発電要素40の電極箔露出部である正極合剤未塗工部41cおよび負極合剤未塗工部42cは、少なくとも一部が束ねられて平板状とされており、それぞれ、正極集電板4Aおよび負極集電板4Bの一端に、超音波溶接により接合されている。このとき、重ね合わされた正極合剤未塗工部41c同士および負極合剤未塗工部42c同士も、相互に接合されている。
正極集電板4Aの他端と負極集電板4Bの他端は、それぞれ正極集電板4Aおよび負極集電板4Bにより正極外部端子8Aと負極外部端子8Bに接続されている。
正極集電板4Aと負極集電板4B、および正極外部端子8Aと負極外部端子8Bを、それぞれ電池蓋6から電気的に絶縁するために、ガスケット5および絶縁板7が電池蓋6に設けられている。
正極接続部14a、負極接続部14bのそれぞれは、正極外部端子8A、負極外部端子8Bの下面から突出しており、その先端が電池蓋6の正極側貫通孔6A、負極側貫通孔6Bに挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部14a、負極接続部14bは、電池蓋6を貫通し、さらに正極集電板4A、負極集電板4Bの正極集電板基部41A、負極集電板基部41Bを貫通して電池缶1の底面に向かって突出している。正極接続部14aと負極接続部14bの先端がかしめられて、正極外部端子8A、負極外部端子8Bと、正極集電板4A、負極集電板4Bとが電池蓋6に一体化され、これにより電池蓋組立体30が構成されている。
正極外部端子8Aおよび負極外部端子8Bのそれぞれと電池蓋6との間には、ガスケット5が介在されており、正極集電板4Aおよび負極集電板4Bのそれぞれと電池蓋6との間には、絶縁板7が介在されている。
正極集電板4Aは、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部41Aと、正極集電板基部41Aの側端で折曲されて、電池缶1の幅広側面21aに沿って底面22側に向かって延出され、発電要素40の正極合剤未塗工部41cに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部45Aを有している。負極集電板4Bは、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の負極集電板基部41Bと、負極集電板基部41Bの側端で折曲されて、電池缶1の幅広側面21aに沿って底面22側に向かって延出され、発電要素40の負極合剤未塗工部42cに対向して重ね合わされた状態で接続される負極側接続端部45Bを有している。正極集電板基部41A、負極集電板基部41Bのそれぞれには、正極接続部14aが挿通される正極側開口孔43A、負極接続部14bが挿通される、負極側開口孔43Bがそれぞれ形成されている。
[スペーサ]
発電要素40の下方にスペーサ50が配置されている。スペーサ50は、発電要素40と共に絶縁シート2により覆われる。つまり、絶縁シート2を折り畳んで電池缶1の内部に収納し、電池缶1の底面22、一対の幅広側面21a、一対の幅狭側面21bの内側に配置する。そして、スペーサ50を、その下面50cを電池缶1の底面22に向けて電池缶1の開口部1aから挿入し、電池缶1の底面22に当接させる。スペーサ50を、折り畳んだ絶縁シート2の内側に収納した状態で、絶縁シート2と共に電池缶1内に収容してもよい。この後、発電要素40を、電池缶1の開口部1aから、折り畳まれた絶縁シート2の内側に位置するように電池缶1内に収容する。発電要素40は、予め、正極集電板4A、負極集電板4Bを、それぞれ、電池蓋組立体30の正極集電板4A、負極集電板4Bに接合して電池蓋組立体30とされており、この状態で電池缶1内に収容される。
このとき、スペーサ50の長手方向に対向する両端面50a、50bは、絶縁シート2を介して電池缶1の一対の幅狭側面21bの内面に当接している。
図4は、図1に図示された角形二次電池において、電池缶の一側面を取り除いた状態を示す側面図であり、図5は、図1に図示された角形二次電池において、厚さ方向に平行な面で切断した断面図である。図6は、スペーサの外観斜視図である。
スペーサ50は、電池缶1内に収容された発電要素40と電池缶1の底部側における内部空間を埋めて、電池缶1内に注入される非水電解液の量を低減する機能を有する。このとき、以下に詳述するように、電池缶1内に注入された非水電解液は発電要素40の正極側と負極側とに流通可能な構造とされている。このため、電池缶1内における発電素子40の正極側と負極側に注入された非水電解液の量がほぼ同じとなり、電池容量などの電池特性の低下を防止する。
図4、図5に図示されるように、スペーサ50は、電池缶1の底面22の内面に密着して収容されている。
なお、図4、図5においては、絶縁シート2は図示を省略してある。
スペーサ50の下面50cおよび長手方向に延出される一対の側面50dは、絶縁シート2を介して、それぞれ、電池缶1の底面22および一対の幅広側面21aの各内面に当接している。また、スペーサ50の長手方向に対向する両端面50a、50bは、絶縁シート2を介して電池缶1の一対の幅狭側面21bに当接している。
スペーサ50の上部には、電池蓋組立体30に一体化された発電要素40が配置されている。
上述した通り、発電要素40は、捲回方向の両端に円弧部40Tを有し、両円弧部40Tの間に一対の平坦部40Pを有するほぼ扁平直方体状に形成されている。
スペーサ50の発電要素40に対向する面である上面51は、発電要素40の一方の円弧部40Tと同様に、円弧状に形成されている。上面51には、長手方向に平行に、複数の溝52が形成されている。
発電要素40は、リチウム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、膨張・収縮する。正極合剤及び負極合剤の材料により、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の一対の平坦部40Pと電池缶1の一対の幅広側面21aとの隙間は、充放電により発電要素40が収縮すると離間し、発電要素40が膨張すると接触する程度とされている。
また、スペーサ50の上面51と、発電要素40の一方の円弧部40Tとの隙間は、充放電により発電要素40が収縮すると離間し、発電要素40が膨張すると接触する程度とされている。発電要素40の円弧部40Tは、必ずしも真円状ではないので、発電要素40が膨張した際に、円弧部40Tの一部がスペーサ50の上面51に接触する程度の隙間とすることが好ましい。
スペーサ50の溝52は、スペーサ50の長手方向の全長に亘って形成されている。スペーサ50の断面形状の一例を図7(a)〜図7(c)に示す。図7(a)では、スペーサ50の溝52の断面形状は矩形形状とされている。図7(b)では、スペーサ50の溝52の断面形状は円弧形形状とされており、図7(c)では、逆三角形形状とされている。スペーサ50の溝52の断面形状に制限はなく、上記以外の如何なる形状としてもよい。また、スペーサ50の溝52の幅や深さも、任意に設定することができる。スペーサ50の溝52は、非水電解液の流路を形成するためのものであるから、非水電解液が円滑に流れる形状とすることが好ましい。
スペーサ50の材質は、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリフルオロアルコキシフッ素樹脂等の合成樹脂材料が適しているが、絶縁性を有し、非水電解液に耐えられる材料であれば、差し支えない。
スペーサ50は、電池缶1の一対の幅狭側面21b間の全長に亘る長さを有しているので、スペーサ50の溝52は、発電要素40の正極合剤未塗工部41cと一方の幅狭側面21bとの間の空間と、負極合剤未塗工部42cと他方の幅狭側面21bとの間の空間とを連通する流路を形成する。つまり、発電要素40の正・負極電極側の端部と、電池缶1の一対の幅狭側面21bとの間に注入される非水電解液は、スペーサ50の溝52を流路として、両電極側の端部と一対の幅狭側面との間に空間を流通する。このため、電池缶1内における発電要素40の正極側と負極側に注入される非水電解液の量を、ほぼ等しくすることができる。これにより、電池容量などの電池特性を良好な状態に維持することが可能となる。
[変形例1]
図8は、スペーサの変形例1を示す外観斜視図である。
変形例1としてのスペーサ50は、幅方向の中心において、換言すれば、断面における厚さが最も薄い位置で、長手方向に平行な面で2つに分割されている。分割スペーサ50Aと分割スペーサ50Aとは、左右対称な形状を有し、中央側で突き合わされてスペーサ50を構成している。一実施の形態では、スペーサ50の長手方向に延出される一対の側面50dを、電池缶1の一対の幅広側面21aに、絶縁シート2を介して当接しながら挿入する。これに対し、変形例1では、分割スペーサ50A、50Aを1つずつ電池缶1内に挿入することにより、挿入作業の効率化を図ることができる。なお、スペーサ50の分割数は、2つに限られるものではなく、3つ以上とすることも可能である。
[変形例2]
図9は、スペーサの変形例2を示す外観斜視図である。
変形例2は、分割スペーサ50Aと分割スペーサ50Aとが、中央側で突き合わされずに、離間して配置されたスペーサ50を構成する点で、変形例1と相違する。
分割スペーサ50Aと分割スペーサ50Aとが離間されたスペースSは、非水電解液の流路としての機能を有する。従って、変形例2において、各分割スペーサ50A、50Aの上面51に溝52を形成せず、半円形状の平坦な上面とすることも可能である。
以上説明した通り、上記実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)発電要素40の円弧部40Tと、電池缶1の底面22側との間に、電池缶1の角部に形成される内部空間を縮小するためのスペーサ50を設け、このスペーサ50に発電要素40の正極側と負極側とを差し渡す流路を形成した。このため、電池缶1内における発電要素40の正極側と負極側に注入されている非水電解液の量を、ほぼ等しくすることができ、これにより、電池容量等の電池特性を良好な状態に維持することが可能となる。
(2)スペーサ50の上面51の形状を、発電要素40の円弧部40Tと同様な円弧状としたので、スペーサ50と発電要素40との間に注入される非水電解液の量を少なくすることができる。また、スペーサ50の上面51に非水電解液の流路となる溝52を形成したので、充放電により膨張・収縮する発電要素40とスペーサ50の上面51間との隙間と溝52とが連続され、非水電解液の流路の抵抗を減少することができる。
(3)スペーサ50の長手方向に対向する両端面50a、50bを、絶縁シート2を介して電池缶1の一対の幅狭側面21bに当接する構造とした。このため、スペーサ50の保持構造が簡素となり、かつ、作業性が良好となる。
なお、上記一実施の形態では、電池容器10を、電池缶1と電池蓋6とを接合して構成した構造として例示したが、電池缶1と電池蓋6が一体的に形成された電池容器としてもよい。このような電池容器では、底面22側に形成された開口部を、底部部材で密封する。
上記一実施の形態では、電池缶1の底面22側にのみスペーサ50を配した構造として例示したが、電池缶1の開口部1a側にもスペーサ50を配するようにしてもよい。
上記一実施の形態では、発電要素40は、両端部の円弧部40Tの間が平坦部40Pであるとして例示したが、平坦部40Pは、平坦ではなく、多少、円弧状に湾曲する形状であってもよい。
上記一実施の形態では、スペーサ50を絶縁シート2で覆う構造として例示した。しかし、絶縁シート2を、発電要素40のみを覆う形状・大きさとし、スペーサ50を、直接、電池缶1の底面22、一対の幅広側面21aおよび一対の幅狭側面21bの各内面に当接させる構造としてもよい。また、絶縁シート2を用いず、電池缶1の内面に、絶縁処理を施すようにしてもよい。また、スペーサ50は、電池缶1の一対の幅広側面21aおよび一対の幅狭側面21b両内面に当接させる必要はなく、一方の内面に当接して、その位置に保持されるようにしてもよい。
上記一実施の形態では、角形二次電池C1をリチウムイオン電池として説明した。しかし、本発明は、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池、鉛蓄電池のように水溶性電解液を用いる角形二次電池C1にも適用が可能である。
その他、本発明は、発明の趣旨の範囲内において種々変形して適用することができるものであり、要は、電池容器内下方側における発電要素の湾曲部の一方に対応する領域に設けられ、正極箔と幅狭側面の一方との間の空間から負極箔と幅狭側面の他方との間の空間までの電解液の流路を形成するスペーサを備えるものであればよい。
1 電池缶
2 絶縁シート(絶縁層)
6 電池蓋
10 電池容器
21 側壁部
21a 幅広側面
21b 幅狭側面
22 底面
40 発電要素
40P 平坦部(幅広面)
40T 円弧部(湾曲部)
41 正極電極
41c 正極合剤未塗工部(正極箔)
42 負極電極
42c 負極合剤未塗工部(負極箔)
50 スペーサ
50A、50A 分割スペーサ
50c 下面
50a、50b 端面
51 上面
52 溝
C1 角形二次電池
スペーサ

Claims (8)

  1. 一側縁に正極箔が露出された正極電極と一側縁に負極箔が露出された負極電極とがセパレータを介して前記正極箔と前記負極箔とが反対側の側縁にそれぞれ露出するように捲回され、捲回方向の両端部に湾曲部が形成され、前記湾曲部を挟んで一対の幅広面を有する発電要素と、
    一対の幅広側面と、一対の幅狭側面と、底面とを有し、前記発電要素の前記湾曲部の一方が前記底面に平行に配置されて収容され、内部に電解液が注入される電池容器と、
    前記電池容器内下方側における前記発電要素の前記湾曲部の一方に対応する領域に設けられ、前記正極箔と前記幅狭側面の一方との間の空間から前記負極箔と前記幅狭側面の他方との間の空間までの前記電解液の流路を形成するスペーサとを備える、角形二次電池。
  2. 請求項1に記載の角形二次電池において、
    前記電池容器は、前記底面及び前記一対の幅広側面に直角な一対の幅狭側面を有し、前記スペーサの長手方向の両端面は、それぞれ、前記一対の幅狭側面の内面に、直接、または絶縁層を介して当接している、角形二次電池。
  3. 請求項1に記載の角形二次電池において、
    前記スペーサは、前記発電要素の前記湾曲部の一方とほぼ平行な湾曲状上面を有し、前記電解液の流路は、前記湾曲状上面に形成された溝により形成されている、角形二次電池。
  4. 請求項3に記載の角形二次電池において、
    前記溝は、断面が多角形または円弧状である、角形二次電池。
  5. 請求項3に記載の角形二次電池において、
    前記スペーサは、1つの部材で形成されている、角形二次電池。
  6. 請求項3に記載の角形二次電池において、
    前記スペーサは、前記電池容器の前記幅広側面と平行な面で分割された、複数の分割スペーサにより構成されている、角形二次電池。
  7. 請求項2に記載の角形二次電池において、
    前記スペーサは、前記発電要素の前記湾曲部の一方とほぼ平行な湾曲状上面を有し、前記電池容器の前記幅広側面と平行な面で分割された、複数の分割スペーサにより構成されており、前記分割スペーサは、隣接する前記分割スペーサとは前記幅広側面と直交する方向に間隙を空けて配置され、前記電解液の流路は、前記間隙により形成されている、角形二次電池。
  8. 請求項3乃至7のいずれか1項に記載の角形二次電池において、
    前記スペーサの前記湾曲状上面は、前記発電要素が放電された状態で、前記発電要素の前記湾曲部の一方から離間し、前記発電要素が放電された状態で、前記発電要素の前記湾曲部の一方の少なくとも一部と接触する位置に保持されている、角形二次電池。


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