JP2015079712A - 蓄電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】使用期間の経過に伴う電解液の減少に起因する蓄電素子の特性低下を抑制する。
【解決手段】電池1は複数の電極体5A,5Bを備える。隣接して配置された2つの電極体5A,5Bの底部5aと結束シート18及び絶縁シート21との間に細長い隙間22が画定されている。少なくとも2個の閉鎖片23A,23Bが隙間22の一部を閉鎖するように間隔をあけて配置されている。隙間22のうち閉鎖片23A,23Bで挟まれた部分に電解液が進入しない閉鎖空間24が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池を含む蓄電素子に関する。
蓄電素子の一例である非水電解質二次電池の外装体内には、セパレータを介在させて正負の電極体を巻回してなる電極体が収容されると共に、電解液が充填されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2009−289611号公報
使用期間の経過に伴う電解液の減少は、電解液量の不足による充放電サイクル特性低下等の特性低下の原因となり、蓄電素子の寿命を低下させる。しかし、特許文献1に開示されたものを含め、従来の蓄電素子では電解液減少に対する有効な対策がなされていない。
本発明は、使用期間の経過に伴う電解液の減少に起因する蓄電素子の特性低下を抑制することを課題とする。
本発明は、外装体と、それぞれ正極体と負極体とをセパレータを介在させて巻回してなり、前記外装体内に互いに隣接して配置された複数の電極体と、隣接して配置された2つの前記電極体の前記外装体の底壁部側に画定された隙間と、それぞれ前記隙間の一部を閉鎖するように前記隙間に間隔をあけて配置された少なくとも2個の閉鎖部材と、前記隙間のうち前記閉鎖部材で挟まれた部分である閉鎖空間とを備える、蓄電素子を提供する。
閉鎖空間の両端は閉鎖部材で閉鎖されているので電解液は進入しない。そのため、使用期間の経過に伴って外装体内の電解液が減少した場合、余剰電解液が効果的に電極体への含浸に供される。つまり、閉鎖空間を設けることで、余剰電解液を有効利用して電解液減少時に電極体を電解液が含浸された状態で維持する機能(言い換えれば、電解液減少時に電極体が電解液を保持する機能)を高めることができる。その結果、使用期間の経過に伴う電解液の減少時に、電解液量の不足による充放電サイクル特性低下等の特性低下が生じるのを抑制できる。
隣接して配置された2つの電極体外装体の底壁部側に画定された隙間に少なくとも2個の閉鎖部材を配置して閉鎖空間を設けることで、使用期間の経過に伴う電解液の減少時に電極体が電解液を保持する機能を向上できる。その結果、使用期間の経過に伴う電解液の減少時に、電解液量の不足による充放電サイクル特性低下等の特性低下が生じるのを抑制し、蓄電素子の寿命向上を図ることができる。
本発明の実施形態の第1実施形態に係る電池の断面図。 図1の電池の蓋体及び電極体の斜視図。 電極体の模式的な断面図。 図1のIV-IV線での断面図。 図1のV-V線での断面図。 図1のVI-VI線及びVII-VII線での断面図。 密封部材を示し、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は底面図。 第1実施形態に係る電池の変形例の断面図。 本発明の第2実施形態に係る電池の断面図。 図9のX-X線での断面図。 図9のXI-XI線及びXII-XII線での断面図。
(第1実施形態)
図1及び図2は、本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン二次電池1(以下単に電池1という)を示す。
電池1の外装体2は、ケース本体3と、ケース本体3の開口を閉じる蓋4で構成されている。本実施形態では、ケース本体3は底壁部3aと側壁部3bとを有し、扁平な直方体状の外観を呈する。蓋4は概ね長方形状である。ケース本体3内には本実施形態では2個の電極体5A,5Bが互いに隣接して配置された状態で収容されている。また、ケース本体3内には電解液が充填されている。蓋4の外側面(上面)には、一端側に正極の外部端子6Aが配置され、他端側に負極の外部端子6Bが配置されている。外部端子6A,6Bと蓋4の外側面(上面)との間には、絶縁樹脂製の上側パッキン7が介在している。外部端子6A,6Bは、接続部材8とリベット9を介して正負の集電体10A,10Bにそれぞれ電気的に接続されている。集電体10A,10Bは、絶縁樹脂製の下側パッキン11を介して蓋4の内側面(下面)に固定されている。集電体10A,10Bに対して2個の電極体5A,5Bが機械的かつ電気的に接続されている。
図3に積層構造を示すように、個々の電極体5A,5Bは、いずれも細長い帯状の正極体13と負極体14とを、同様に細長い帯状の微多孔性樹脂シートからなるセパレータ15を介在させて交互に配置し、巻回軸L(図1及び図2参照)回りに巻回したものである。つまり、電極体5A,5Bは、複数層の正極体13と負極体14がセパレータ15を介して積層された構造を有する。
図3を参照すると、正極体13は、本実施形態ではアルミニウム箔である導電シート13aと、この導電シート13aの両面に形成された正極の活物質層13bとを備える。導電シート13aの幅方向の一方側(図3において左側)の端部では、活物質層13bが側縁まで設けられているが、他方(図3において右側)の端部には、活物質層13bを設けずに導電シート13aを露出させた未塗工部13cが設けられている。負極体14は、本実施形態では銅箔である導電シート14aと、この導電シート14aの両面に形成された負極の活物質層14bとを備え、幅方向の一方(図3において左側)の端部に、活物質層14bを設けずに導電シート14aを露出させた未塗工部14cが設けられている。
図2に最も明瞭に示すように、個々の電極体5A,5Bの底部(ケース本体3の底壁部3aと対向する部分)5aと頂部(蓋4と対向する部分)5bは、側面視で概ね円弧状の曲面状である。また、個々の電極体5A,5Bの底部5aと頂部5bとを接続する両側部5c,5cは概ね細長い矩形平坦面状である。つまり、個々の電極体5A,5Bの側面視での外観は、細長い長円状である。図1及び図3を参照すると、個々の電極体5A,5Bの一方(これらの図において右側)の端部から、細長い楕円筒状である正極のリード部17Aが突出している。このリード部17Aは、正極体13の未塗工部13cが複数層重なることで形成されている。同様に、個々の電極体5A,5Bの他方(これらの図において左側)の端部から、負極体14の未塗工部14cが複数層重なることで形成された細長い楕円筒状の負極のリード部17Bが突出している。
2個の電極体5A,5Bは、一方の側部5cが互いに当接する状態で配置されている。言い換えれば、電極体5A,5Bは厚み方向に並設された状態で配置されている。これらの電極体5A,5Bは、側部5cに巻き付けられた結束シート18によって結束されている。結束シート18の幅は、リード部17A,17Bを除いた電極体5A,5Bの幅(セパレータ15の幅に相当)よりも狭く設定されている。そのため、個々の電極体5A,5Bの両端部のリード部17A,17Bに隣接した部分では、セパレータ15が結束シート18で覆われることなく露出している。
正負の集電体10A,10Bは、それぞれ外部端子6A,6Bに電気的に接続された基部10aと、この基部10aから下方に突出する一定幅の細長い帯状である2対(合計4本)の脚部10bとを備える。正極の集電体10Aの4本の脚部10bのうち、一対が電極体5Aの正極のリード部17Aに機械的かつ電気的に接続され、他の一対が電極体5Bの正極のリード部17Aに機械的かつ電気的に接続されている。同様に、負極の集電体10Aの脚部10bは、電極体5A,5Bの負極のリード部17Bに機械的かつ電気的に接続されている。本実施形態では、正極の集電体10Aはアルミニウム製で、負極の集電体10Bは銅製である。また、本実施形態では、正負の集電体10A,10Bの脚部10bはクリップ9を介してリード部17A,17Bに超音波溶接によって接続されている。
図1に最も明瞭に示すように、電極体5A,5Bは集電体10A,10Bによって蓋4から吊り下げられた状態でケース本体3内に収容されている。そのため、電極体5A,5Bの底部5aはケース本体3の底壁部3aに対して間隔を隔てて上方に配置されている。
図1から理解されるように、電極体5A,5B、結束シート18、正負の集電体10A,10Bのうち電極体5A,5Bに接続された脚部10b、及びクリップ9は全体的に絶縁シート21で覆われている。
図1を参照すると、互いに隣接して配置された2つの電極体5A,5Bのうち、ケース本体3の底壁部3aと対向する底部5aの下側に、外装体2内の正極の集電体10A側(図1においてケース本体3の右の側壁部3b側)と負極の集電体10B側(図1においてケース本体3の左の側壁部3b側)との間で延びる細長い隙間22が画定されている。言い換えれば、隙間22は電極体5A,5Bを構成する正極体13、負極体14、及びセパレータ15の巻回軸Lの方向に延びている。さらに言い換えれば、隙間22は電極体5A,5Bの巻回軸L方向の一端側とこの方向の他端側との間で延びている。この隙間22は、外装体2内の空間のうちケース本体3の底壁部3a付近の左右両端を互いに連通させている。つまり、隙間22は電極体5A,5Bの巻回軸L方向の一端側とこの方向の他端側(正極の集電体10A側と負極の集電体10B側)を互いに連通させている。図4を併せて参照すると、隙間22のうち電極体5A,5Bの長手方向(正負のリード部17A,17Bが対向する方向)の中央領域は、電極体5A,5Bの底部5aと結束シート18によって画定されている。図5を参照すると、隙間22のうち電極体5A,5Bの長手方向の両端領域は、電極体5A,5Bの底部5aと絶縁シート21によって画定されている。
図1及び図6を参照すると、隙間22の正極の集電体10A側(図1において隙間22の中央よりも右側)は、閉鎖片(閉鎖部材)23Aを配置することで部分的に閉鎖している。本実施形態では、閉鎖片23Aは、図1において結束シート18の右側の端部より電極体5A,5Bの長手方向内側に配置されている。また、隙間22の負極の集電体10B側(図1において隙間22の中央よりも左側)も、閉鎖片23Aと同様の閉鎖片23Bを配置することで部分的に閉鎖している。本実施形態では、閉鎖片23Bは、図1において結束シート18の左側の端部よりも電極体5A,5Bの長手方向内側に配置されている。隙間22のうち閉鎖片23A,23Bで挟まれた領域は閉鎖空間24を構成している。閉鎖空間24は両端が閉鎖片23A,23Bで閉じられた実質的に密閉された筒状の空間である。つまり、閉鎖空間24は、隣接して配置された2つの電極体5A,5Bの底部5aと、結束シート18と、一対の閉鎖片23A,23Bにより画定されている。後述するように、密閉された閉鎖空間24には電解液は進入しない。
閉鎖片23A,23Bは、電解液の通過を実質的に許容しない程度の非透水性を有する材料からなる。また、閉鎖片23A,23Bは、電極体5A,5Bの底部5aと結束シート18に対して密接し得るような柔軟性と弾力性を有することが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンのような樹脂を、閉鎖片23A,23Bの材料として採用できる。
図7を併せて参照すると、閉鎖片23A,23Bは、底壁部23aと、一対の側壁部23b,23bと、底壁部23a及び側壁部23b,23bの隙間22(閉鎖空間24)が延びる方向の両端である一対の端壁部23c,23cを備える。底壁部23aが絶縁シート21と密接し、側壁部23b,23bが電極体5A,5Bの底部5aと密接することで、閉鎖片23A,23Bによる隙間22の閉鎖が達成される。
底壁部23aの対面は平坦面であり結束シート18上に配置される。側壁部23b,23bは基端側が底壁部3aにつながっている。これらの側壁部23b,23bは、先端側に向けて互いに接近し、尖った先端部23dを構成している。側壁部23b,23bは電極体5A,5Bの底部5a(前述のように円弧曲面状)と適合する凹状である。
閉鎖片23A,23Bの具体的な形状は、図7に図示したものに限定されない。また、一対の側壁部23b,23bが合流する先端部23dに接着材層23eを設けてもよい。接着材層23eを設けることで、電極体5A,5Bの底部5aに対して確実に閉鎖片23A,23Bを密接させることができる。また、電池1の製造時に隣接する電極体5A,5B間の所定の位置にいったん閉鎖片23A,23Bを押し込めば、接着材層23eによって電極体5A,5Bに対する位置が保持される。この点で、接着材層23eを設けることで電池1の製造容易性が向上する。
以下、電池1の製造工程の概要を説明する。
正極体13と負極体14とをセパレータ15を介在させて巻回し、電極体5A,5Bを製作する。次に、電極体5A,5Bの底部5aで挟まれた位置に閉鎖片23A,23Bを配置した状態で、電極体5A,5Bに結束シート18を巻き付けて側部5cが互いに当接するように結束する。閉鎖片23A,23Bの電極体5A,5Bの長手方向の位置は、結束シート18を電極体5A,5Bに巻き付けたときに閉鎖片23A,23Bの全体が結束シート18の端部よりも内側に位置するように設定する。一対の電極体5A,5Bの底部5aと結束シート18とによって、電極体5A,5Bの長手方向に延びる細長い隙間22が形成される。閉鎖片23A,23Bによって隙間22の2箇所が部分的に閉鎖されるので、隙間22の閉鎖片23A,23Bで挟まれた領域に閉鎖空間24が形成される。
外部端子6A,6Bを蓋4の外側面に上側パッキン7を介在させて固定すると共に、集電体10A,10Bを蓋4の内側面に下側パッキン11を介在させて固定する。その後、結束シート18で結束済みの電極体5A,5Bのリード部17A,17Bを、クリップ9を介して集電体10A,10Bの脚部10bに超音波溶接する。また、電極体5A,5B、集電体10A,10Bの脚部10b、及びクリップ9を絶縁シート21で覆う。その後、蓋4をケース本体3の開口に装着し、電極体5A,5Bをケース本体3内に収容する。蓋4はケース本体3に溶接し、それによって外装体2内の空間を封止する。
次に、蓋4又はケース本体3に形成された注液孔(図示せず)から外装体2内に電解液を注入する。電解液注入後、注液孔が封止され電池1の製造が完了する。外装体2内に注入された電解液の大部分は電極体5A,5Bへ含浸されるが、一部は電極体5A,5B内に含浸されず電極体5A,5Bの外部に流動可能な状態で存在する(余剰電解液)。この余剰電解液は、例えば電極体5A,5Bの底部5aとケース本体3の底壁部3aとの領域に存在する。しかし、前述のように電極体5A,5Bの底部5aと結束シート18により画定される細長い隙間22の一部は、閉鎖片23A,23Bで密閉した閉鎖空間24としている。この閉鎖空間24には余剰電解液は進入しない。従って、余剰電解液は主として図1において閉鎖空間24の左右両側の領域、すなわち電極体5A,5Bの端部に近い領域に存在する。
電池1の使用期間の経過に伴い外装体2内の電解液の減少が起こる。電解液が進入し得ない閉鎖空間24を設けたことで余剰電解液は電極体5A,5Bの端部に近い領域に存在するので、電解液減少時に余剰電解液が効果的に電極体5A,5Bへの含浸に供される。つまり、閉鎖空間24を設けることで、余剰電解液を有効利用して電解液減少時に電極体5A,5Bを電解液が含浸された状態で維持する機能(言い換えれば、電解液減少時に電極体5A,5Bが電解液を保持する機能)を高めることができる。その結果、使用期間の経過に伴う電解液の減少時に、電解液量の不足による充放電サイクル特性低下等の特性低下が生じるのを抑制し、電池1の寿命向上を図ることができる。
負極体14Bの導電シート14aは銅製であるので、負極のリード部17Bと集電体10Bの脚部10bの超音波溶接時に、微小銅片が発生する場合がある。この微小銅片が正極のリード部17Aまで移動して正極体14Aのアルミニウム製の導電シート14aからなる未塗工部14cと接触すると、微小銅片が銅イオンとして電解液中に析出する。溶出した銅イオンが負極体14Bに到達すると負極体14Bの表面で銅が析出する。この析出量が大きくなると、析出した銅がセパレータ15を突き破り、正極体13A側に到達して微小短絡回路が形成される。その結果、微小短絡回路に電流が流れて局所的に発熱し、セパレータ15を溶融させて微小な貫通孔が形成されるので、電池1の容量低下の原因となり得る。しかし、本実施形態では、隙間22に電解液が進入しない閉鎖空間24を設けているので、負極のリード部17Bと集電体10B時に発生する微小銅片が隙間22を通って正極のリード部17Aへ移動するのを防止できる。正極のリード部17Aへ移動防止により、微小銅片の電気化学的な溶解を防止できるので、微小銅片に起因する電池1の容量低下を防止できる。
図8は本発明の変形例を示す。この変形例では、閉鎖片23A,23Bから電極体5A,5Bの長手方向に間隔を隔てて配置した追加の閉鎖片23Cが設けられている。閉鎖片23Cによって閉鎖空間24は2つの領域、つまり閉鎖片23Aと閉鎖片23Cの間の部分24aと、閉鎖片23Bと閉鎖片23Cの間の24bに分割されている。仮に、閉鎖片23Aの密閉性の低下により領域24aへ電解液が進入しても、閉鎖片23Cによって領域24bへの電解液の進入が防止されている。同様に、閉鎖片23Bの密閉性の低下により領域24bへ電解液が進入しても、閉鎖片23Cによって領域24aへの電解液の侵入が防止される。従って、閉鎖片23Cを追加することで、閉鎖空間24を設けたことによる2つの機能、すなわち余剰電解液を有効利用と微小銅片の移動防止とをより確実に維持できる。
(第2実施形態)
図9及び図10は本発明の第2実施形態に係る電池1を示す。本実施形態では、閉鎖空間24を設けるための閉鎖片23A,23Bを配置する位置が、第1実施形態と異なる。具体的には、閉鎖片23Aは、図1において結束シート18の右側の端部よりも電極体5A,5Bの長手方向外側に配置され、結束シート18ではなく絶縁シート21に底壁部23aが当接している。また、閉鎖片23Bは、図1において結束シート18の左側の端部よりも電極体5A,5Bの長手方向外側に配置され、結束シートではなく絶縁シート21に底壁部23aが当接している。
図3に概念的に示すように、負極体14の活物質層14bの正極のリード部17A側の端部は正極体13の活物質層13bの端部よりも正極の集電体10A側(図3において右側)に位置している。閉鎖片23Aの正極のリード部17A側の端壁部23cは負極の活物質層14bの正極のリード部17A側の端部よりも、負極のリード部17B側(図3において左側)に位置している。この位置設定により、閉鎖片23から電極体5A,5Bに作用する力で負極の活物質層14bの端部に負荷がかかり、セパレータ15が破れて短絡するのを防止できる。また、閉鎖片23Aの正極のリード部17A側の端壁部23cは、正極の活物質層13bの正極のリード部17A側の端部よりも負極のリード部17B側に位置している。この位置設定により、閉鎖片23から電極体5A,5Bに作用する力で正極の活物質層13bの端部に負荷がかかり、セパレータ15が破れて短絡するのを防止できる。
第1実施形態と同様に、閉鎖片23A,23Bにより閉鎖空間24を設けたことで、余剰電解液の有効利用と微小銅片の移動防止とを実現できる。第2実施形態のその他の構成及び作用は第1実施形態と同様である。
図8を参照して説明した追加の閉鎖片23Cは、第2実施形態についても採用できる。また、一対の閉鎖片23A,23Bのうち一方を第1実施形態のように結束シート18上に配置し、他方を第2実施形態のように絶縁シート21上に配置してもよい。また、結束シート18を設けない場合でも、本発明を適用できる。この場合、電極体5A,5Bの底部5aと絶縁シート21とによって画定される隙間22に閉鎖片23A,23Bが配置される。また、結束シート18と絶縁シート21の両方が設けられず、かつ電極体5A,5Bの底部5aがケース本体3の底壁部3a上に載置される場合にも、本発明を適用できる。この場合、ケース本体3の底壁部3aの上面と電極体5A,5Bの底部5aによって画定される隙間22に閉鎖片23A,23Bが配置される。
リチウムイオン二次電池を例に本発明を説明したが、本発明はリチウムイオン二次電池以外の非水電解質二次電池を含む種々の蓄電素子に適用できる。
1 電池
2 外装体
3 ケース本体
3a 底壁部
3b 側壁部
4 蓋
5A,5B 電極体
5a 底部
5b 頂部
5c 側部
6A,6B 外部端子
7 上側パッキン
8 接続部材
9 リベット
10A,10B 集電体
10a 基部
10b 脚部
11 下側パッキン
13 正極体
13a 導電シート
13b 活物質層
13c 未塗工部
14 負極体
14a 導電シート
14b 活物質層
14c 未塗工部
15 セパレータ
16
17A,17B リード部
18 結束シート
19 クリップ
21 絶縁シート
22 隙間
23A,23B 閉鎖片
23a 底壁部
23b 側壁部
23c 端壁部
23d 先端部
23e 接着材層
24 閉鎖空間
24a,24b 部分

Claims (7)

  1. 外装体と、
    それぞれ正極体と負極体とをセパレータを介在させて巻回してなり、前記外装体内に互いに隣接して配置された複数の電極体と、
    隣接して配置された2つの前記電極体の前記外装体の底壁部側に画定された隙間と、
    それぞれ前記隙間の一部を閉鎖するように前記隙間に間隔をあけて配置された少なくとも2個の閉鎖部材と、
    前記隙間のうち前記閉鎖部材で挟まれた部分である閉鎖空間と
    を備える、蓄電素子。
  2. 前記隙間は前記電極体の一端側と前記電極体の他端側との間で延びている、請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記隣接して配置された複数の電極体の外周に巻き付けられて前記電極体を結束する結束シートをさらに備え、
    前記隙間は、互いに離接して配置された前記電極体の前記外装体の底壁部側の部分と、前記結束シートとによって画定された第1の領域を含む、請求項1又は請求項2に記載の蓄電素子。
  4. 前記閉鎖部材のうち少なくとも1個は、前記隙間の前記第1の領域に配置されている、請求項3に記載の蓄電素子。
  5. 少なくとも前記電極体を覆う絶縁シートをさらに備え、
    前記隙間は、互いに隣接して配置された前記電極体の前記外装体の底壁部側の部分と、前記絶縁シートとによって画定された第2の領域を含む、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  6. 前記閉鎖部材のうち少なくとも1個は、前記隙間の前記第2の領域に配置されている、請求項5に記載の蓄電素子。
  7. 前記閉鎖部材は非透液性を有する材料からなる、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の蓄電素子。
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