JP2015106496A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】配置による電池性能の低下を抑制することができる二次電池を提供する。
【解決手段】電極群3は、捲回軸方向(X軸方向)の両端の箔露出部34c,32dがそれぞれ束ねられて集電板にそれぞれ接合された接合部34d,32dと、捲回軸方向の端部が開放された上側開放部34e,32eおよび下側開放部34f,32fと、を有する。電池缶1の底面1dに垂直な方向(Z軸方向)において、少なくとも一方の接合部34d,32dの中央は、電極群3の中央よりも底面1d側に位置する。
【選択図】図5
【解決手段】電極群3は、捲回軸方向(X軸方向)の両端の箔露出部34c,32dがそれぞれ束ねられて集電板にそれぞれ接合された接合部34d,32dと、捲回軸方向の端部が開放された上側開放部34e,32eおよび下側開放部34f,32fと、を有する。電池缶1の底面1dに垂直な方向(Z軸方向)において、少なくとも一方の接合部34d,32dの中央は、電極群3の中央よりも底面1d側に位置する。
【選択図】図5
Description
本発明は、扁平に捲回された電極群を備えた二次電池に関する。
近年、ハイブリッド電気自動車や純粋な電気自動車等の動力源として大容量(Wh)の二次電池が開発されており、その中でもエネルギー密度(Wh/kg)の高い角形のリチウムイオン二次電池が注目されている。
角形リチウムイオン二次電池は、例えば、正極用金属箔に正極活物質を塗布した正極電極、負極用金属箔に負極活物質を塗布した負極電極、およびこれらを絶縁するためのセパレータを重ね合わせて捲回した扁平形状の電極群を備えている。電極群は、正極および負極の金属箔が露出した箔露出部において、電池蓋に設けられた正極外部端子および負極外部端子に集電板を介して電気的に接続され、絶縁シートに覆われた状態で電池缶に収容される。その後、電池缶の開口部に電池蓋を封止溶接し、該電池蓋に設けられた注液孔から電池缶内に電解液を注入し、該注液孔に注液栓をレーザ溶接によって封止溶接することで、二次電池が製造される(例えば、下記特許文献1参照)。
電極群を構成する正極と負極は、それぞれの長辺端部、すなわち幅方向の一方の端部に活物質が塗工されずに金属箔が露出した箔露出部を有している。正極と負極は、互いの箔露出部が幅方向の反対側に位置するように重ねられ、幅方向に平行な捲回軸周りに扁平な形状に捲回される。これにより、電極群の厚さ方向の両側には一対の平坦な平面部が形成され、電極群の捲回軸方向および厚さ方向と垂直な高さ方向の両側には、セパレータを介して積層された正極および負極電極が円弧状に湾曲した一対の湾曲部が形成される。
電極群の正極および負極電極の箔露出部は、それぞれ平面部において厚さ方向に束ねられ、電池蓋に固定された正極および負極集電板に、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群の平面部において、箔露出部に集電板との接合部が形成される。接合部に接合された集電板を介して電池蓋に支持固定された電極群は、扁平な箱状の電池缶の上方開口部から挿入され、平面部が電池缶の幅広側面と平行になるように、電池缶内に収容配置されている。
前記二次電池の製造工程において、電池缶内に注入された電解液は毛細管現象により正極電極とセパレータとの間および負極電極とセパレータとの間に浸透するが、セパレータと正極電極および負極電極との間の隙間は微小であるため、電解液の浸透にはある程度の時間を要する。そのため、電解液の注入時に、例えば電池缶の底面から電池蓋の近傍まで電解液を注入しても、電解液が電極群の電極間に浸透することで、電解液の液位は注入時よりも低下する。その結果、電池缶の底面が下になるように二次電池を配置すると、電極群の高さ方向上側の部分、すなわち電池蓋側の部分が電解液の液面よりも高い位置に配置され、電解液から露出する場合がある。
したがって、電池缶の底面を下にして配置された二次電池は、電解液の液面が電極群の接合部の上端よりも下方に位置する場合、電極群の接合部よりも上側の部分に電解液が循環し難くなり、電極間の電解液が劣化して電池性能の低下が顕著になる虞がある。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、配置による電池性能の低下を抑制する二次電池を提供することにある。
前記目的を達成すべく、本発明の二次電池は、セパレータを介して積層させた正極および負極電極を扁平に捲回して各電極の箔露出部を捲回軸方向の一端と他端に配した電極群と、該電極群を収容して内部に電解液を保持する電池缶と、該電池缶の上方開口部を封止する電池蓋と、該電池蓋に固定されて前記正極および負極電極の各箔露出部に接続される正極および負極集電板と、を備えた二次電池であって、前記電極群は、前記正極および負極電極の各箔露出部がそれぞれ束ねられて前記正極および負極集電板にそれぞれ接合された接合部と、該接合部の前記電池蓋側で前記箔露出部の前記捲回軸方向の端部が開放された上側開放部と、該接合部の前記電池缶の底面側で前記箔露出部の前記捲回軸方向の端部が開放された下側開放部と、を有し、前記電池缶の底面に垂直な高さ方向において、前記正極および負極電極の少なくとも一方の前記接合部の中央は、前記電極群の中央よりも前記底面側に位置することを特徴とする。
本発明の二次電池によれば、電池缶の底面に垂直な方向において、正極および負極電極の少なくとも一方の接合部の中央が電極群の中央よりも底面側に位置するので、二次電池が電池缶の底面を下にして配置され、例えば二次電池の車載時の振動等によって電池缶と電極群との間の電解液が電池缶の底面と垂直な方向に跳ね上がったときに、接合部の中央が電極群の中央または中央よりも電池蓋側に位置する場合と比較して、電解液を上側開放部に到達させやすくすることができる。このように上側開放部に電解液を到達させることで、上側開放部を介して電解液を接合部よりも高い位置の正極および負極電極とセパレータとの間に浸透させ、電極間の電解液の循環を促進させて電解液の劣化を抑制し、電池性能の低下を抑制することができる。
以下、図面を参照して本発明の二次電池の実施形態1を説明する。
[実施形態1]
図1は、本実施形態の二次電池100の外観斜視図である。図2は、図1に示す二次電池100の分解斜視図である。図3は、二次電池100の電池缶1に収容される電極群3の分解斜視図である。以下では、電池缶1の幅方向、厚さ方向および高さ方向に平行な方向を、それぞれX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向とするXYZ直交座標系を用いる。
図1は、本実施形態の二次電池100の外観斜視図である。図2は、図1に示す二次電池100の分解斜視図である。図3は、二次電池100の電池缶1に収容される電極群3の分解斜視図である。以下では、電池缶1の幅方向、厚さ方向および高さ方向に平行な方向を、それぞれX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向とするXYZ直交座標系を用いる。
本実施形態の二次電池100は、図2に示されるように、電池缶1の底面1dに垂直な方向(Z軸方向)において、電極群3の捲回軸方向(X軸方向)の両端の箔露出部34c,32cに設けられた接合部34d,32dの中央を示す中心線CL2が、電極群3の中央を示す中心線CL1よりも電池缶1の底面1d側に位置することを最大の特徴としている。以下では、まず、本実施形態の二次電池100の全体構成について詳細に説明する。
(二次電池の全体構成)
二次電池100は、略長方形の底壁および角筒状の側周壁を有し、上方が開放された扁平な直方体の箱状の電池缶1を備えている。電池缶1は、略長方形の底面1dと、底面1dの長辺部分から立ち上がる相対的に幅が広く面積の大きい一対の幅広側面1bと、底面1dの短辺部分から立ち上がる相対的に幅が狭く面積の小さい一対の幅狭側面1cと、上方開口部1aとを有している。電池缶1内には、電池缶1との間に絶縁保護フィルム2を介在させた状態で、電極群3が電池缶1の上方開口部1aから電池缶1の高さ方向(Z方向)に収容されている。電池缶1の上方開口部1aは、矩形平板状の電池蓋6が、例えばレーザ溶接により全周に亘って接合されることで、電池蓋6によって封止されている。
二次電池100は、略長方形の底壁および角筒状の側周壁を有し、上方が開放された扁平な直方体の箱状の電池缶1を備えている。電池缶1は、略長方形の底面1dと、底面1dの長辺部分から立ち上がる相対的に幅が広く面積の大きい一対の幅広側面1bと、底面1dの短辺部分から立ち上がる相対的に幅が狭く面積の小さい一対の幅狭側面1cと、上方開口部1aとを有している。電池缶1内には、電池缶1との間に絶縁保護フィルム2を介在させた状態で、電極群3が電池缶1の上方開口部1aから電池缶1の高さ方向(Z方向)に収容されている。電池缶1の上方開口部1aは、矩形平板状の電池蓋6が、例えばレーザ溶接により全周に亘って接合されることで、電池蓋6によって封止されている。
電極群3は、図3に示すように、セパレータ33,35を介して積層させた負極電極32および正極電極34を扁平に捲回することによって構成されている。電極群3の最外周の電極は負極電極32であり、さらにその外側にセパレータ35が捲回されている。セパレータ33,35は、正極電極34と負極電極32とが接触しないようにこれらの間を絶縁している。
正極電極34は、正極集電体である正極用金属箔の両面に正極活物質合剤が塗布された正極合剤層34bを有し、幅方向(X方向)の一方の端部は、正極活物質合剤が塗布されずに正極用金属箔が露出した箔露出部34cとされている。負極電極32は、負極集電体である負極用金属箔の両面に負極活物質合剤が塗布された負極合剤層32bを有し、幅方向の一方の端部は、負極活物質合剤が塗布されずに負極用金属箔が露出した箔露出部32cとされている。
本実施形態の正極電極34は、例えば以下のように製作することができる。まず、正極活物質としてマンガン酸リチウム(化学式LiMn2O4)100重量部に対し、導電材として10重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として10重量部のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)を添加し、これに分散溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMPという。)を添加、混練した正極合剤を作製する。次に、この正極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔(正極用金属箔)の両面に、箔露出部34cを残して塗布し、乾燥、プレス、裁断工程を経て、例えばアルミニウム箔の厚さを含まない厚さが90μmの正極合剤層34bを有する正極電極34を得る。ここでは、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。
また、本実施形態の負極電極32は、例えば以下のように製作することができる。まず、負極活物質として非晶質炭素粉末100重量部に対して、結着剤として10重量部のPVDFを添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練した負極合剤を作製する。次に、この負極合剤を厚さ10μmの銅箔(負極用金属箔)の両面に、箔露出部32cを残して塗布し、乾燥、プレス、裁断工程を経て、例えば銅箔を含まない厚さ70μmの負極合剤層32bを有する負極電極32を得る。ここでは、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やSiやSnなどの化合物(例えば、SiO、TiSi2等)、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。
また、本実施形態では、正極電極34、負極電極32における塗工部の結着材としてPVDFを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。
正極電極34と負極電極32は、互いの箔露出部34c、32cが捲回軸方向Dの反対の位置に配置されるように、セパレータ33,35を介在させて積層された状態で、捲回軸周りに捲回される。負極電極32の負極合剤層32bの幅は、正極電極34の正極合剤層34bの幅よりも広く、これにより正極合剤層34bは、必ず負極合剤層32bの間に挟まれている。
扁平に捲回された電極群3の厚さ方向の両側には、一対の平坦な平面状の平面部3bが形成される。また、電極群3の捲回軸方向D(X軸方向)および厚さ方向(Y軸方向)と垂直な高さ方向(Z軸方向)の両側には、セパレータ33,35、正極電極34および負極電極32が積層されて円弧状に湾曲した一対の湾曲部3dが形成される。すなわち、電極群3は、正極および負極電極34,32が平坦な面を形成する一対の平面部3bと、平面部3bの両側で正極および負極電極34,32が湾曲した一対の湾曲部3dとを有している。電極群3の捲回軸方向Dの一端には正極電極34の箔露出部34cが捲回されて積層され、他端には負極電極32の箔露出部32cが捲回されて積層されている。
電極群3の箔露出部34c,32cは、それぞれ、平面部3bで束ねられて溶接等により接続されることによって形成された接合部34d,32dを有している。電池缶1の底面1dに垂直な方向、すなわち電池缶1の高さ方向(Z軸方向)において、正極および負極電極34,32の双方の接合部34d,32dの中央は、電極群3の中央よりも底面1d側に位置している。そのため、電池缶1の高さ方向における接合部34d,32dの中央を通り、捲回軸方向Dおよび電池缶1の幅方向(X軸方向)に平行な中心線CL2は、電池缶1の高さ方向における電極群3の中央を通り、捲回軸方向Dおよび電池缶1の幅方向に平行な中心線CL1よりも下方、すなわち電池缶1の底面1d側に位置している。
なお、セパレータ33,35の幅は、負極合剤層32bの幅よりも広いが、箔露出部34c,32cの捲回軸方向Dの端部がセパレータ33,35から露出する幅に設定されているため、箔露出部34c,32cを束ねて溶接する際にセパレータ33,35が支障になることはない。
電極群3の箔露出部34c,32cは、溶接された接合部34d,32dでは捲回軸方向Dに閉じられているが、接合部34d,32dの上側の部分と下側の部分では捲回軸方向Dに開放されている。すなわち、電極群3は、平面部3bで箔露出部32cが束ねられて集電板24の接続端部22に接合された接合部32dを有している。また、電極群3は、接合部32dの高さ方向(Z軸方向)の上下で、箔露出部32cの捲回軸方向D(X軸方向)の端部が開放された上側開放部32eと下側開放部32fと、を有している。本実施形態の二次電池100の特徴部分である上側開放部34e,32eおよび下側開放部34f,32fについては、後で詳細に説明する。
電極群3は、捲回軸方向Dが電池缶1の底面1dおよび幅広側面1bと平行になるように電池缶1内に収容配置され、平面部3bが電池缶1の幅広側面1bに対向し、下側の湾曲部3dが電池缶1の底面1dに対向し、上側の湾曲部3dが電池蓋6と対向する。
電池蓋6には、正極外部端子14と負極外部端子12が設けられている。正極および負極外部端子14,12は、バスバー等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋6から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋6の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋6と平行になる。正極および負極外部端子14,12の溶接接合部の下面からは、それぞれ接続部14a,12aが突出している。接続部14a,12aは、それぞれ先端が電池蓋6の正極側および負極側の貫通孔46,26に挿入可能な円柱形状を呈している。
正極および負極集電板44,24は、それぞれ、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の基部41,21と、基部41,21の側端で折曲されて、電池缶1の幅広側面1bに沿って底面1dへ向けて延出する接続端部42,22を有している。正極および負極集電板44,24の基部41,21には、それぞれ正極および負極外部端子14,12の接続部14a,12aが挿通される開口穴43,23が形成されている。
正極および負極外部端子14,12の接続部14a,12aは、それぞれ電池蓋6の貫通孔46,26と、集電板44,24の基部41,21の開口穴43,23を貫通して、集電板44,24の基部41,21よりも電池缶1の内部側に突出し、先端がかしめられている。これにより、正極および負極外部端子14,12と、正極および負極集電板44,24が電池蓋6に一体に固定されている。
電池蓋6には、正極集電板44と負極集電板24、及び、正極外部端子14と負極外部端子12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が設けられている。すなわち、正極および負極外部端子14,12と電池蓋6との間には、ガスケット5が介在されており、正極および負極集電板44,24と電池蓋6との間には、絶縁板7が介在されている。
正極外部端子14および正極集電板44の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子12および負極集電板24の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板7およびガスケット5の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。
正極および負極外部端子14,12の接続部14a,12aによって電池蓋6に固定された正極および負極集電板44,24の接続端部42,22は、それぞれ電極群3の捲回軸方向Dの一端側と他端側の箔露出部34c,32cの接合部34d,32dに対向して重ね合わされた状態で、例えば超音波溶接により接合される。これにより、電極群3は、正極電極34の箔露出部34cが正極集電板44を介して正極外部端子14と電気的に接続され、負極電極32の箔露出部32cが負極集電板24を介して負極外部端子12と電気的に接続されている。
電極群3は、電池缶1との間に絶縁フィルム2を介在させた状態で、電池缶1に収容されている。絶縁保護フィルム2は、電極群3の平面部3bに沿う方向でかつ電極群3の捲回軸方向Dに直交する方向(Z軸方向)を中心軸方向として、電極群3の周囲に巻き付けられている。絶縁保護フィルム2は、例えばPP(ポリプロピレン)などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、電池缶1の高さ方向と平行な中心軸を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。
電池蓋6には、電池缶1と電池蓋6からなる電池容器内に電解液を注入するための注液孔9が穿設され、電池容器内の圧力が上昇すると開裂するガス排出弁10が一体的に設けられている。注液孔9から電解液を電池容器内に注入した後に、レーザ溶接によって注液孔9に注液栓11を接合して注液孔9を封止することで、二次電池100の電池容器が密閉される。ここで、電池容器内に注入する電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。
以上の構成を有する本実施形態の二次電池100においては、外部電源から正極および負極外部端子14、12を介して電極群3に充電され、また電極群3から正極および負極外部端子14、12を介して外部負荷に電力が供給される。二次電池100において電池容器内の圧力が上昇すると、電池蓋6のガス排出弁10が開裂して内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、二次電池100の安全性が確保される。
(上側開放部および下側開放部)
次に、本実施形態の二次電池100の特徴部分である、電極群3の箔露出部34c、32cの上側開放部34e,32eおよび下側開放部34f,32fについて詳細に説明する。図4は、電極群3が正極および負極集電板44,24を介して電池蓋6に支持固定された状態における、電極群3の高さ方向(Z軸方向)および厚さ方向(Y軸方向)に平行で、負極外部端子12の接続部12aを通る断面における断面図である。
次に、本実施形態の二次電池100の特徴部分である、電極群3の箔露出部34c、32cの上側開放部34e,32eおよび下側開放部34f,32fについて詳細に説明する。図4は、電極群3が正極および負極集電板44,24を介して電池蓋6に支持固定された状態における、電極群3の高さ方向(Z軸方向)および厚さ方向(Y軸方向)に平行で、負極外部端子12の接続部12aを通る断面における断面図である。
本実施形態の二次電池100では、電極群3の正極側の箔露出部34cと、負極側の箔露出部32cは、捲回軸方向Dで略対称な構成を有している。そのため、以下の説明では、主に負極側の箔露出部32cの構成を説明し、正極側の箔露出部34cの構成については負極側の箔露出部32cの構成と同様であるため、説明を適宜省略する。
電極群3は、電池蓋6側に配されて箔露出部32cの捲回軸方向Dの端部が開放された上側開放部32eと、電池缶1の底面1d側に配されて箔露出部32cの捲回軸方向Dの端部が開放された下側開放部と32fと、これら上側開放部32eおよび下側開放部32fの間で箔露出部32cが束ねられて接合された接合部32dと、を備えている。また、電極群3は、平面部3bの高さ方向(Z軸方向)両側に、正極電極34、負極電極32およびセパレータ33,35が捲回される際に形成された断面視で半円形状の一対の湾曲部3dを有している。
電池缶1の底面1dに垂直な方向、すなわち電池蓋6に垂直な方向(Z軸方向)において、接合部32dの中央を示す中心線CL2は、電極群3の中央を示すCL1よりも下方、すなわち、電極群3の下端の湾曲部3d側、または電池缶1の底面1d側に位置している。これにより、上側開放部32eは下側開放部32fよりも大きくなり、Z軸方向において、接合部32dの中央が、電極群3の中央または電極群3の中央よりも上方、すなわち電池蓋6側に位置する場合と比較して、上側開放部32eの下端、すなわち電池缶1の底面1d側の端部が、電池缶1の底面1dに近い位置に形成されている。
より詳細には、上側開放部32eおよび下側開放部32fは、それぞれ電池缶1の高さ方向(Z軸方向)と平行な開口幅H1,H2を有している。ここで、上側開放部32eの開口幅H1は、接合部32dの上端、すなわち電池蓋6側の端部から、電極群3の上側の湾曲部3d、すなわち、電池蓋6に対向する湾曲部3dの頂点までの距離である。また、下側開放部32fの開口幅H2は、接合部32dの下端、すなわち電池缶1の底面1dの端部から、電極群3の下側の湾曲部3d、すなわち、電池缶1の底面1dに対向する湾曲部3dの頂点までの距離である。
上側開放部32eの開口幅H1は、下側開放部32fの開口幅H2よりも大きい。なお、開口幅H1,H2の方向は、必ずしも電池缶1の高さ方向と平行でなくてもよく、高さ方向と略平行または高さ方向に沿う方向であってもよい。本実施形態において、電池缶1の高さ方向は、例えば電池缶1の底面または電池蓋6に垂直な方向である。
箔露出部32cにおいては、上下の湾曲部3d,3dを除く平面部3bでも、上側開放部32eの開口幅h1が、下側開放部32fの開口幅h2よりも大きくなっている。このように、箔露出部32cの上側開放部32eの開口幅H1,h1を、下側開放部32fの開口幅H2,h2よりも大きくすることで、接合部32dの高さ方向の中央位置は、電極群3の高さ方向の中央位置よりも下方、すなわち電池缶1の底面1d側に配置される。
集電板24の接続端部22は、箔露出部32cの接合部32dに接続されるので、接合部32dが電極群3の高さ方向の下方にある程、接続端部22が下方に延びて集電板24の高さ方向の全長Z3が長くなる。そのため、上側開放部32eの開口幅H1,h1が下側開放部の開口幅H2,h2以下である場合、すなわち接合部32dの高さ方向の中央位置が電極群3の高さ方向の中央位置と等しいか、それよりも上方の電池蓋6側である場合と比較して、電池缶1および電極群3の高さ方向における集電板24の全長Z3が長くなっている。
また、集電板24の基部21の上面から、接続端部22が箔露出部32cの接合部32dに接続される部分の上端である折曲部22bまでの集電板24の高さ方向の寸法Z4は、集電板24の高さ方向の全長Z3の1/2以上であることが好ましい。これにより、集電板24の高さ方向の寸法Z4が、集電板24の高さ方向の全長Z3の1/2よりも小さい場合と比較して、電池缶1および電極群3の高さ方向における集電板24の全長Z3が長くなっている。
また、電極群3の厚さは湾曲部3、接合部32dおよびその近傍を除いて、電池缶1の高さ方向で略一様であり、上側開放部32eの開口幅H1は、下側開放部32fの開口幅H2よりも大きくなっている。そのため、捲回軸方向D(X軸方向)に垂直な箔露出部32cの断面において、上側開放部32eの断面積は、下側開放部32fの断面積よりも大きくなっている。
本実施形態において、電極群3の箔露出部34c,32cは、接合部34d,32dにおいて一つに束ねられている。なお、電極群3の箔露出部34c,32cは、一束ねに限定されず、それぞれ略二等分に分割して二つに束ねてもよい。この場合、例えば、正極および負極集電板44,24の基部41,21から下方に延びる接続端部42,22をそれぞれ二つに分岐させ、二つに束ねた箔露出部34c,32cを一束ずつ接続端部42,22の各分岐に接続してもよい。
電極群3の各部の寸法については、例えば、上端から下端までの高さ方向の寸法Z1が約73mm、厚さY1が約10mmであった場合に、接合部32dの高さは20mm以上であることが好ましい。このように、接合部32dの高さは、電極群3の仕様に応じて予め所定の寸法に決定されている。また、接合部32dの捲回軸方向D(X軸方向)の幅は、例えば約4mm〜2mmとすることができる。また、下側開放部32fの開口幅H2は、例えば10mm以上であることが好ましく、15mm以上かつ58mm以下の範囲であることがより好ましい。
次に、本実施形態の二次電池100の作用について説明する。図5は、電池缶1の幅広側面に沿う二次電池100の概略的な断面図である。図5において、電池缶1、電池蓋6、電極群3および電解液50以外の構成については、図示を省略している。
二次電池100の電池缶1内には、図2に示す電池蓋6の注液孔9から電解液50が注入されて電池缶1内に収容されている。製造工程において電池缶1に注入された電解液50は、毛細管現象により正極電極34および負極電極32と、セパレータ33,35との間に浸透するが、セパレータ33,35と正極電極34および負極電極32との間の隙間は微小であるため、電解液50の浸透にはある程度の時間を要する。そのため、電解液50の注入時に、例えば電池缶1の底面1dから電池蓋6の近傍まで電解液50を注入しても、電解液50が電極群3の電極34,32間に浸透することで、電解液50の液位は注入時よりも低下する。
その結果、図5に示すように、二次電池100を電池缶1の底面1dが下になるように配置すると、電極群3の高さ方向上側の部分、すなわち電池蓋6側の部分が電解液50の液面よりも高い位置に配置され、上側開放部34e,32eが電解液50から露出する場合がある。
例えば、図5に示すように、上側開放部34e,32eが電解液50に接していない場合には、電解液50に浸漬された下側開放部34f,32fから電極34,32間に電解液50を浸透させ、毛細管現象を利用して電極群3の接合部34d,32dよりも上側の部分に電解液50を浸透させる必要がある。しかし、毛細管現象による電解液50の循環にはある程度の時間が必要である。例えば、二次電池100を車両に搭載する場合、夜間など車両が長時間停止している間であれば、接合部34d,32dよりも上側の部分においても、電解液50は毛細管現象によって十分に循環され得る。しかし、二次電池100が頻繁に充放電される車両の使用中は、例えば充放電の負荷が大きくなった場合に、接合部34d,32dよりも上側の部分において、電極34,32間の電解液50の循環が間に合わず、十分な性能が発揮されない場合が生じ得る。
二次電池100は、充放電を繰り返すにつれて次第に性能が劣化するが、その一因に電解液50の劣化がある。したがって、従来の二次電池では、前記のように電解液50の循環が阻害される場合、電極群3の接合部34dよりも上側の部分において、電極34,32間の電解液50が循環し難くなり、電解液50が劣化して電池性能の低下が顕著になる虞があった。
これに対し、本実施形態の二次電池100では、電池缶1の底面1dに垂直な方向において、正極および負極電極34,32の接合部34d,32dの中央、すなわち図4に示す中心線CL2は、電極群3の中央、すなわち中心線CL1よりも底面1d側に位置している。これにより、上側開放部32eは下側開放部32fよりも大きくなり、Z軸方向において、接合部32dの中央が電極群3の中央または電極群3の中央よりも上方に位置する場合と比較して、上側開放部32eの下端が、電池缶1の底面1dに近い位置に形成されている。
そのため、接合部34d,32dの中央が、電極群3の中央よりも上方に位置している場合と比較して、電解液50が、上側開放部34e,32eに到達しやすくなる。具体的には、図5の二点鎖線の矢印で示すように、例えば車載時の車両の振動等によって、液面よりも高い位置に跳ね上がった電解液50が、上側開放部34e,32eに到達しやすくなる。
より詳細には、電池缶1の高さ方向において、正極および負極電極34,32の箔露出部34c,32cの上側開放部34e,32eの開口幅H1が、下側開放部34f,32fの開口幅H2よりも大きくなっている。そのため、上側開放部34e,32eの開口幅H1が下側開放部34f,32fの開口幅H2以下である場合と比較して、例えば車載時の車両の振動等によって、液面よりも高い位置に跳ね上がった電解液50が、上側開放部34e,32eに到達しやすくなる。
上側開放部34e,32eは、捲回軸方向Dが開放されているので、上側開放部34e,32eに到達した電解液50は、上側開放部34e,32eを介して電極34,32間に浸透する。これにより、電極群3と電池缶1の内壁面との間の電解液50、すなわち遊離電解液50が、電極群3の接合部34d,32dよりも上側の部分で電極34,32間に迅速に浸透し、電極34,32間の電解液50の循環が促進される。したがって、本実施形態の二次電池100によれば、電極34,32間の電解液50の劣化が抑制され、二次電池100の配置による電池性能の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の二次電池100では、平面部3bにおける上側開放部34e,32eの開口幅h1が、平面部3bにおける下側開放部34f,32fの開口幅h2よりも大きくされている。電極群3の湾曲部3dにおいては、電極34,32間の隙間が平面部3bと比較して小さくなっている。そのため、湾曲部3dを除く平面部3bにおいて、上側開放部34e,32eの開口幅h1が、確実に下側開放部34f,32fの開口幅h2よりも大きくなるようにすることで、上側開放部34e,32eに到達した遊離電解液50が、電極群3の接合部34d,32dよりも上側の部分で、より電極34,32間に浸透しやすくなる。
また、本実施形態の二次電池100では、捲回軸方向Dに垂直な断面において、上側開放部34e,32eの断面積が下側開放部34f,32fの断面積よりも大きくなっている。これにより、上側開放部34e,32eを介して、より多くの遊離電解液50を電極34,32間に浸透させ、電極群3の接合部34d,32dよりも上側の部分で電解液50の循環をより促進させることができる。
なお、本実施形態の二次電池100では、電極群3の下側開放部34f,32fは、電解液50に浸漬されている。そのため、下側開放部34f,32fを介して、電極群3の下側の湾曲部3dの下端から上側開放部34e,32eの下端までの部分に遊離電解液50を浸透させ、電極34,32間の電解液50を十分に循環させることができる。
また、本実施形態の二次電池100では、電極群3の箔露出部34c,32cは、接合部34d,32dにおいて一つに束ねられている。そのため、電極群3は、接合部34d,32dにおいて幅および厚さが小さくなり、接合部34d,32dの上端よりも下方の液面から跳ね上がった遊離電解液50が、より上側開放部34e,32eに到達しやすくなる。したがって、電極群3の接合部34d,32dの上端よりも上側の部分で、電極34,32間に遊離電解液50をより多く浸透させ、電極34,32間の電解液50の循環を促進させることができる。
また、二次電池100の電極群3は、電池缶1内で集電板44,24によって吊り下げられるようにして支持されているため、例えば車載時の車両の振動によって電極群3が電池缶1内で振動すると、例えば集電板44,24と電池蓋6との接合部などに応力が集中することがある。このとき、例えば、接合部34d,32dの高さ方向の中央位置が電極群3の高さ方向の中央位置と等しいか、それよりも上側である場合には、集電板44,24が短くなる。そのため、集電板44,24によって電極群3の振動を十分に吸収することができず、例えば集電板44,24と電池蓋6との接合部などに過大な応力が作用する虞がある。
これに対し、本実施形態の二次電池100では、上側開放部34e,32eの開口幅H1が下側開放部の開口幅H2以下である場合、すなわち接合部34d,32dの高さ方向の中央位置が電極群3の高さ方向の中央位置と等しいか、それよりも上側である場合と比較して、電池缶1および電極群3の高さ方向における集電板44,24の全長Z3を長くすることができる。これにより、集電板44,24の基部41,21から下方に延びる接続端部42,22を緩衝材として機能させ、電極群3の振動を十分に吸収することができる。したがって、集電板44,24と電池蓋6との接合部などに過大な応力が作用することを抑制し、二次電池100の信頼性と安全性を向上させることができる。
また、前記のように電池缶1または電極群3の高さ方向における集電板44,24の全長Z3を長くすることで、集電板44,24の製造を容易にすることができる。すなわち、高さ方向における集電板44,24の全長Z3を長くすることで、基部41,21と、基部41,21の一側で折曲されて高さ方向の下方に延びる接続端部42,22との間の角度管理を容易にすることができる。また、集電板44,24の金属材料を折曲して接続端部42,22を形成する際に必要な曲げ力を小さくすることができる。
例えば、集電板24の基部21の上面から、接続端部22が箔露出部32cの接合部32dに接続される部分の上端である折曲部22bまでの集電板24の高さ方向の寸法Z4が、集電板24の高さ方向の全長Z3の1/2以上であることで、集電板24の高さ方向の全長Z3に基づく前記の効果をより確実に得ることができる。
また、本実施形態において、電極群3の上端から下端までの高さ方向の寸法Z1が約73mm、厚さY1が約10mmであった場合に、接合部34d,32dの高さを20mm以上とし、接合部32dの捲回軸方向Dの幅を例えば4mm〜2mmとすることで、接合部34d,32dの強度を確実に確保することが可能になる。また、下側開放部32fの開口幅H2を、例えば10mm以上、より好ましくは15mm以上かつ58mm以下の範囲とすることで、接合部34d,32dの強度を確実に確保しつつ、上側開放部34e,32eの開口幅H1,h1を下側開放部34f,32fの開口幅H2,h2よりも大きくすることができる。
以上説明したように、本実施形態の二次電池100によれば、例えば電池缶1の底面1dを下にして配置した場合であっても、電極群3の電極34,32間の電解液50の循環を促進させ、二次電池100の配置による電池性能の低下を抑制することができる。
[実施形態2]
次に、本発明の二次電池の実施形態2について、図1から図4を援用し、図6を用いて説明する。
次に、本発明の二次電池の実施形態2について、図1から図4を援用し、図6を用いて説明する。
図6は、実施形態1の図5に相当する、本実施形態の二次電池100Aの電池缶1の幅広側面1bに沿う概略断面図である。図6では図5と同様に、電池缶1、電池蓋6、電極群3Aおよび電解液50以外の構成については、図示を省略している。
本実施形態の二次電池100Aは、電池缶1の底面1dに垂直な方向(Z軸方向)において、正極および負極電極34,32の一方の正極側の接合部34dの中央を示す中心線CL21が電極群3の中央よりも電池蓋6側に位置し、他方の負極側の接合部32dの中央を示す中心線CL22が、電極群3の中央よりも底面1d側に位置している点で、前述の実施形態1の二次電池100と異なっている。その他の点は同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
本実施形態の二次電池100Aは、電極群3Aの正極側の箔露出部34cにおいて、電池缶1の高さ方向(Z方向)の上側開放部34eの開口幅H3が、同方向の下側開放部34fの開口幅H4よりも小さくなっている。これにより、実施形態1と比較して、正極集電板44の全長Z3を短くすることができる。正極集電板44はアルミニウムまたはアルミニウム合金によって製作され、負極集電板24は銅または銅合金によって製作されている。そのため、正極集電板44の電気抵抗は、負極集電板24の電気抵抗よりも高い。したがって、実施形態1の二次電池100と比較して正極集電板44の全長Z3を短くすることで、実施形態1の二次電池100と比較して二次電池100Aの電気抵抗を低減することができる。
また、本実施形態の二次電池100Aは、電極群3Aの負極側の箔露出部32cにおいて、実施形態1の二次電池100と同一の構成を有している。そのため、実施形態1と同様に、上側開放部32eの開口幅H1が下側開放部32fの開口幅H2以下である場合と比較して、電解液50が、上側開放部32eに到達しやすくなり、電池缶1内の遊離電解液50が、電極群3Aの接合部32dよりも上側の部分で電極34,32間に迅速に浸透し、電極34,32間の電解液50の循環が促進される。したがって、本実施形態の二次電池100Aによれば、実施形態1の二次電池100と同様に、電極34,32間の電解液50の劣化が抑制され、二次電池100の配置による電池性能の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態においては、電極群3Aの負極側の箔露出部32cにおいて、電池缶1の高さ方向の上側開放部32eの開口幅H1が、同方向の下側開放部32fの開口幅H2よりも大きい場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。すなわち、正極側と負極側の箔露出部34c,32cの少なくとも一方の接合部34d,32dの中央が、電極群3の中央よりも電池缶1の底面1d側に位置すれば、上側開放部34e,32eの少なくとも一方の開口幅H1が、下側開放部34f,32fの少なくとも一方の開口幅H2よりも大きくなり、前述の実施形態1,2の二次電池100、100Aと同様に、二次電池の配置による電池性能の低下を抑制することができる。
例えば、電池缶1の高さ方向において、正極側の接合部34dの中央が電極群3の中央よりも電池缶1の底面1d側に位置し、負極側の接合部32dの中央が電極群3の中央よりも電池蓋6側に位置するようにしてもよい。これにより、電極群3の正極側の箔露出部34cにおいて、上側開放部34eの開口幅H1が、同方向の下側開放部34fの開口幅H2よりも大きくなり、負極側の箔露出部32cにおいて、同方向の上側開放部32eの開口幅H1が、同方向の下側開放部32fの開口幅H2以下となる。この場合、実施形態1,2の二次電池100,100Aと同様の効果を得られるだけでなく、比較的強度が高い正極集電板44の全長Z3が、比較的強度が低い負極集電板24よりも長くなるため、実施形態2と比較して集電板44,24によって電極群3をより確実に支持し、二次電池の信頼性及び安全性を向上させることができる
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
1…電池缶、1a…上方開口部、3…電極群、3A…電極群、3b…平面部、3d…湾曲部、6…電池蓋、24…負極集電板、32…負極電極、32c…箔露出部、32d…接合部、32e…上側開放部、32f…下側開放部、33…セパレータ、34…正極電極、34c…箔露出部、34d…接合部、34e…上側開放部、34f…下側開放部、35…セパレータ、44…正極集電板、50…電解液、100…二次電池、100A…二次電池、D…捲回軸方向、H1…上側開放部の開口幅、H2…下側開放部の開口幅、h1…平面部における上側開放部の開口幅、h2…平面部における下側開放部の開口幅
Claims (6)
- セパレータを介して積層させた正極および負極電極を扁平に捲回して各電極の箔露出部を捲回軸方向の一端と他端に配した電極群と、該電極群を収容して内部に電解液を保持する電池缶と、該電池缶の上方開口部を封止する電池蓋と、該電池蓋に固定されて前記正極および負極電極の各箔露出部に接続される正極および負極集電板と、を備えた二次電池であって、
前記電極群は、前記正極および負極電極の各箔露出部がそれぞれ束ねられて前記正極および負極集電板にそれぞれ接合された接合部と、該接合部の前記電池蓋側で前記箔露出部の前記捲回軸方向の端部が開放された上側開放部と、該接合部の前記電池缶の底面側で前記箔露出部の前記捲回軸方向の端部が開放された下側開放部と、を有し、
前記電池缶の底面に垂直な高さ方向において、前記正極および負極電極の少なくとも一方の前記接合部の中央は、前記電極群の中央よりも前記底面側に位置することを特徴とする二次電池。 - 前記上側および下側開放部は、前記高さ方向に沿う開口幅を有し、前記正極および負極電極の前記箔露出部の少なくとも一方の前記上側開放部の開口幅が前記下側開放部の開口幅よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記電極群は、前記正極および負極電極が平坦な面を形成する一対の平面部と、該平面部の両側で前記正極および負極電極が湾曲した一対の湾曲部とを有し、
前記正極および負極電極の前記箔露出部の少なくとも一方において、前記平面部における前記上側開放部の開口幅が、前記平面部における前記下側開放部の開口幅よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の二次電池。 - 前記正極および負極電極の前記箔露出部の少なくとも一方の前記捲回軸方向に垂直な断面において、前記上側開放部の断面積が前記下側開放部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記箔露出部は、前記接合部において一つに束ねられることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記電極群は、前記正極および負極電極の前記箔露出部のうち、一方の前記接合部の中央は前記電極群の中央よりも前記底面側に位置し、他方の前記接合部の中央は前記電極群の中央よりも前記電池蓋側に位置することを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
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