JP2015060831A

JP2015060831A - 非水電解質二次電池

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Publication number: JP2015060831A
Application number: JP2013196231A
Authority: JP
Inventors: 匡石井; Tadashi Ishii; 稔英有川; Toshihide Arikawa; 張愛石井; Haruyoshi Ishii; 正光宇留野; Masamitsu Uruno; 友希宇留野; Yuki Uruno; 室　直人; Naoto Muro; 直人室; 下山田　啓; Hiroshi Shimoyamada; 啓下山田; 博忠田原; Hirotada Tahara; 喜夫竹之内; Yoshio Takenouchi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: JP6246540B2

Abstract

【課題】溶接部への応力を低減し、信頼性、耐久性の向上した二次電池を提供する。【解決手段】実施形態によれば、非水電解質二次電池は、第１端壁により閉塞された一端と開口する第１開口端部とを有する筒状の第１容器３０と、第２端壁により閉塞された一端と開口する第２開口端部とを有する筒状の第２容器４０と、を具備し、第１容器の第１開口端部と第２容器の第２開口端部とを互いに接合して構成された外装容器１２と、非水電解液と共に外装容器内に収納された電極体２と、第１あるいは第２端壁に設けられた電極端子と、を備えている。第１容器の第１開口端部は、前記第２容器の第２開口端部の外周側に被せて嵌合され、第１端壁の表面と直交する方向に延びる接合面３６ａ、４６ｂで第１、第２開口端部が接合し、接合面の位置で、第１容器の外側から前記接合面と交差する方向に沿って、第１および第２開口端部が溶接されている。【選択図】図３

Description

この発明の実施形態は、非水電解質二次電池に関する。

近年、急速に普及しているハイブリッド電気自動車、プラグイン電気自動車等の電気自動車の電源には、充放電可能な直方体状の非水電解質二次電池、例えばリチウムイオン二次電池が主として用いられている。リチウムイオン二次電池は、正極及び負極を、セパレータを介して捲回または積層した電極体、及び非水電解質を、アルミニウム又はアルミニウム合金製で形成された直方体状の電池ケース（外装容器）に収納して構成される。

一般に、外装容器は、上端の開口した容器本体と、容器本体に溶接され上端開口を閉塞した矩形板状の蓋体と、を備えている。この蓋体に、正極端子、負極端子、封口板、ガス排出弁等が設けられている。蓋体の溶接部は、容器本体の上部稜線に位置し、且つ蓋体と容器本体とが直角に交わる領域を溶接した断面構造となっている。

特開２０１３−０２０７３５号公報

非水電解質二次電池の内部の圧力は使用環境（周囲温度、周囲大気圧）、使用状況（充放電繰り返しによる発熱）により、変動する。溶接部には内圧変動による繰り返し応力が作用するため、疲労耐力が求められる。しかしながら、上記のように溶接部が容器本体の上部稜線に位置している場合、電池セルの内圧上昇時、蓋体に接触している容器本体の壁部にレバー比（モーメント）が発生する。これにより、局所的に引張り応力が発生し、溶接部に割れが発生しやすい。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、溶接部への応力を低減し、信頼性、耐久性の向上した二次電池を提供することにある。

実施形態によれば、非水電解質二次電池は、第１端壁により閉塞された一端と開口する第１開口端部とを有する筒状の第１容器と、第２端壁により閉塞された一端と開口する第２開口端部とを有する筒状の第２容器と、を具備し、前記第１容器の第１開口端部と第２容器の第２開口端部とを互いに接合して構成された外装容器と、非水電解液と共に前記外装容器内に収納された電極体と、前記第１端壁あるいは第２端壁に設けられ、前記電極体に電気的に接続された電極端子と、を備えている。第１容器の第１開口端部は、前記第２容器の第２開口端部の外周側に被せて嵌合され、第１端壁の表面と直交する方向に延びる接合面で第１および第２開口端部が接合し、前記接合面の位置で、前記第１容器の外側から前記接合面と交差する方向に沿って、第１開口端部および第２開口端部が溶接されている。

図１は、実施形態に係る非水電解質二次電池の外観を示す斜視図。図２は、前記二次電池の分解斜視図。図３は、前記二次電池の一部を破断して示す斜視図。図４は、前記二次電池の断面図。図５は、前記二次電池の内圧が上昇した場合の外装容器の変形状態を模式的に示す断面図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る非水電解質二次電池について詳細に説明する。
図１ないし図３に示すように、二次電池１０は、例えば、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池であり、扁平な略直方体形状の外装容器１２と、外装容器１２内に非水電解液と共に収納された電極体２と、を備えている。外装容器１２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成された外装缶（電池ケース）である。

外装容器１２は、第１容器３０と第２容器４０とを有し、これら第１および第２容器の開口端部同士を互いに接合および溶接することにより、直方体形状の容器を構成している。本実施形態において、第１容器３０は、筒状、ここでは、角筒形状に形成された周壁３２と、周壁の一端を閉塞する細長い矩形状の蓋体（第１端壁）３４と、開口する第１開口端部３６と、を有している。また、第２容器４０は、筒状、ここでは、角筒形状に形成された周壁４２と、周壁の一端を閉塞する細長い矩形状の底壁（第２端壁）４４と、開口する第２開口端部４６と、を有している。

図１に示すように、第１容器３０の周壁３２の高さ（軸方向長さ）Ｈ１は、第２容器４０の周壁４３の高さ（軸方向長さ）Ｈ２よりも小さく形成されている（Ｈ１＜Ｈ２）。本実施形態では、Ｈ１は、Ｈ２に比較して大幅に小さく、例えば、２５分の１程度に設定されている。

図２ないし図４に示すように、第２容器４０の第２開口端部４６は、その周縁部が内側に向かってクランク状に折り曲げられ、断面Ｌ字形状の係合部を構成している。すなわち、第２開口端部４６の周縁部は、第２容器４０の壁厚分だけ、内側に直角に折れ曲がり、更に、開口端に向かって直角に折れ曲がっている。これにより、第２開口端部４６は、底壁４４と平行に位置する環状の支持面４６ａと、底壁４４と直交する方向に延びる、すなわち、周壁４３と平行（外装容器の軸方向）に立上っている環状の第２接合面４６ｂと、を有している。

一方、第１容器３０の第１開口端部３６は、第２容器４０の周壁４２と同一の壁厚および同一寸法の矩形状に形成されている。そして、第１容器３０の第１開口端部３６は、第２容器の第２開口端部４６の外周側に被せて嵌合されている。第１開口端部３６の内周面は、蓋体３４と直交して延びる（外装容器の軸方向に延びる）第１接合面３６ａを構成し、この第１接合面３６ａは、第２容器４０の第２接合面４６ｂに対向および接合している。

図３および図４に示すように、第１および第２容器３０、４０は、第１および第２接合面３６ａ、３６ｂの位置で、第１容器３０の外側から接合面と交差（直交）する方向に沿って、例えば、レーザー溶接することにより、互いに溶接されている。第１および第２開口端部３６、４６は、全周に亘って溶接される。このようにして、第１および第２容器３０、４０を嵌合および溶接することにより、偏平な直方体形状の外装容器１２が形成される。

図１ないし図４に示すように、外装容器１２の蓋体３４には、正極端子６および負極端子７と、圧力開放弁２１と、注液口１７とが設けられている。外装容器１２内に収納された電極体２は、例えば、シート状の正極板および負極板を、その間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、更に、横断面形状が外装容器１２の横断面形状と同じ四角形状となるように、径方向に圧縮することにより、偏平な矩形状に形成されている。正極板は、帯状の集電体と、集電体の少なくとも一方の面に形成された正極活物質層と、正極集電体の長辺の複数箇所から短辺方向に延出した短冊状の正極集電タブ８と、を有している。負極板も正極板と同様な形状を有し、帯状の負極集電体と、負極集電体の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層と、集電体の長辺の複数箇所から短辺方向に延出した短冊状の負極集電タブ９とを有する。渦巻状に捲回された電極体２は、巻き止めテープによって固定される。

正負極集電タブ８，９は、それぞれ、集電体を打ち抜き加工することにより形成されてもよい。集電体及び集電タブは、例えば金属箔から形成される。金属箔の厚さすなわち集電タブ１枚当たりの厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下にすることが望ましい。厚さを５μｍ以上にすることによって、製造時の集電体や集電タブの破断が防止され、かつ高い集電効率を実現することが可能となる。また、大電流が流れたときの集電タブの溶解を回避することができる。また、厚さを５０μｍ以下にすることによって、電極体の厚さ増加を抑えつつ、電極体を構成する周数を増加させることができる。好ましくは、金属箔の厚さは、１０μｍ以上２０μｍ以下である。金属箔の材料は、正極や負極に使用する活物質の種類により変わり得るものではあるが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金を用いることができる。

図２ないし図４に示すように、複数枚の正極集電タブ８は、Ｕ字形状に折り曲げられた正極バックアップリード１４によってまとめて挟持されている。この正極バックアップリード１４は、正極保護リードとも称される。負極集電タブ９も同様に、Ｕ字形状に折り曲げられた図示しない負極バックアップリードによってまとめて挟持されている。

正極バックアップリード１４と正極集電タブ８との電気的接続、並びに負極バックアップリードと負極集電タブ９との電気的接続は、例えば、レーザー溶接、超音波接合、抵抗溶接等の方法が用いられるが、超音波接合が好ましい。正極バックアップリード１４および負極バックアップリードは、それぞれ、正極および負極の集電タブ８、９と同じ材料から形成されていることが望ましい。また、正極および負極バックアップリード１４の厚さは、正負極集電タブ８、９の１枚当たりの厚さの３倍より大きくすることが望ましい。

正極端子６および負極端子７は、それぞれガラス等の絶縁体からなるシール材、例えば、ガスケット１３を介して蓋体３４上に設けられている。外装容器１２内において、正極バックアップリード１４と蓋体３４との間に、正極リード３および正極内部絶縁体２３が配置されている。負極バックアップリードと蓋体３４との間に、図示しない負極リードおよび負極内部絶縁体２４が配置されている。

正極リード３は、板材を直角に折り曲げて断面Ｌ字形に形成され、図示しない矩形板状の中間リードを介して正極バックアップリード１４に接合（溶接）されている。正極内部絶縁体２３は、ほぼ矩形板状に形成され、蓋体３４と正極リード３との間にこれらと平行に配置され、これらの間を電気的に絶縁している。正極端子６の図示しない接続ロッドは、正極内部絶縁体２３を貫通し、正極リード３に嵌合および接合されている。これにより、正極端子６は、正極リード３、中間リード、および正極バックアップリード１４を介して正極集電タブ８に電気的に接続されている。

負極側も、上述した正極側と同様に構成され、負極端子７の図示しない接続ロッドは、負極内部絶縁体２４を貫通し、負極リードに嵌合および接合されている。これにより、負極端子７は、負極リード、中間リード、および負極バックアップリードを介して負極集電タブ９に電気的に接続されている。

なお、電極体２の第１端面、すなわち、蓋体３４側の端面は、蓋体３４と隙間を置いて対向している。そして、第１容器３０と第２容器４０との嵌合および溶接部位は、電極体２の第１端面と蓋体３４の内面との間に位置するように構成されている。すなわち、溶接部位は、電極体２の第１端面よりも上方で、かつガスケットよりも下方の位置に設けられている。

図１ないし図４に示すように、ガス排気機構として機能する圧力開放弁２１は、蓋体３４の長手方向中央部で、正極端子６と負極端子７との間に設けられている。この圧力開放弁２１は、蓋体３４の約半分程度の板厚に形成されている。二次電池１０の異常モード等により外装容器１２内にガスが発生し、外装容器内の内圧が所定の値以上に上昇した際、圧力開放弁２１が開放され、内圧を下げて外装容器１２の破裂等の不具合を防止する。

非水電解液の注液口１７は、一方の電極端子と圧力開放弁２１との間で蓋体３４に貫通形成されている。注液口１７を通して外装容器１２内に非水電解液の注液した後、注液口１７は、例えば、円盤状の封止蓋２２で封止される。

以上のように構成された非水電解質二次電池１０によれば、第１容器３０の第１開口端部は、第２容器の第２開口端部の外周側に被せて嵌合され、蓋体の表面と直交する方向に延びる接合面で第１および第２容器が接合し、この接合面の位置で、記接合面と交差する方向に沿って、第１容器および第２容器が溶接されている。そして、接合部において内側に位置する第２容器の周壁４２は、第１容器３０の周壁よりも充分に大きな長さに形成されている。図５に示すように、何らかの理由により外装容器１２内の内圧が上昇した場合、長さの大きな第２容器４０の周壁４２が内圧を受けて外側へ変形し、長さの短い第１容器３０の周壁３２は、周壁４２に追従して同一方向に僅かに変形する。このように、上記構成の場合、互いに溶接されている第１接合面３６ａおよび第２接合面４６ｂは、同一方向に変位するため、溶接部に大きな応力、すなわち、局所的な引っ張り応力が作用しにくくすることができる。これにより、外装容器内の内圧が上昇した場合でも、周壁の変形に起因するレバー比が発生しにくく、溶接部に作用する応力を低減し、溶接部の割れの発生を防止することができる。従って、信頼性および耐久性の向上した非水電解質二次電池が得られる。
なお、第１容器の第１接合面と、第２容器の第２接合面との重ね合わせしろ（面積）をより多くすることにより、レバー比（モーメント）の発生をより一層低減することができる。

この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
上述した実施形態では、蓋体を有する第１容器の周壁を、第２容器の周壁よりも短く形成しているが、これに限らず、第１容器の周壁を、第２容器の周壁よりも長く形成してもよい。この場合、第２容器の第２開口端部は、第１容器の第１開口端部の外側に被せて嵌合され、第１端壁の表面と直交する方向に延びる接合面で第１および第２容器が接合される。また、外装容器は、直方体形状に限らず、両端が閉塞した円筒形状としてもよい。

２…電極体、６…正極端子、７…負極端子、１０…非水電解質二次電池、
１２…外装容器、１３…ガスケット、１７…注液口、２１…圧力開放弁、
３０…第１容器、３２…周壁、３４…蓋体（第１端壁）、３６…第１開口端部、
３６ａ…第１接合面、４０…第２容器、４２…周壁、４４…底壁（第２端壁）、
４６…第２開口端部、４６ｂ…第２接合面

Claims

第１端壁により閉塞された一端と開口する第１開口端部とを有する筒状の第１容器と、第２端壁により閉塞された一端と開口する第２開口端部とを有する筒状の第２容器と、を具備し、前記第１容器の第１開口端部と第２容器の第２開口端部とを互いに接合して構成された外装容器と、
非水電解液と共に前記外装容器内に収納された電極体と、
前記第１端壁あるいは第２端壁に設けられ、前記電極体に電気的に接続された電極端子と、を備え、
前記第１容器の第１開口端部は、前記第２容器の第２開口端部の外周側に被せて嵌合され、前記第１端壁の表面と直交する方向に延びる接合面で第１および第２開口端部が接合し、前記接合面の位置で、前記第１容器の外側から前記接合面と交差する方向に沿って、前記第１開口端部および第２開口端部が溶接されている非水電解質二次電池。
前記第１容器の軸方向長さは、前記第２容器の軸方向長さよりも短い請求項１に記載の
前記電極端子は、前記第１端壁に取付けられ、前記電極体は、前記第１端壁に隙間を置いて対向する第１端面を有し、前記第１および第２開口端部間の接合面および溶接部は、前記電極体の第１端面と前記第１端壁との間に設けられている請求項１に記載の非水電解質二次電池。
前記第１端壁に形成された圧力開放弁と、前記外装容器内に非水電解液を注入するための注液口と、を有する請求項３に記載の非水電解質二次電池。