JP2016081743A

JP2016081743A - 蓄電装置

Info

Publication number: JP2016081743A
Application number: JP2014212549A
Authority: JP
Inventors: 耕二郎田丸; Kojiro Tamaru; 元章奥田; Motoaki Okuda
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2016-05-16
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: JP6476726B2

Abstract

【課題】電池モジュールにおける複数の蓄電装置が幅方向に互いに傾斜した状態にて組み付けられても、正極端子および負極端子の先端の位置ずれを抑制することができる蓄電装置の提供にある。【解決手段】複数の正極および複数の負極が絶縁状態を保ちつつ交互に積層される層状の電極組立体２０と、電極組立体２０を収容する電池ケース１１とを備える二次電池１０において、正極端子３７の先端と負極端子３８の先端とを結ぶ方向を幅方向と規定したとき、正極端子３７は、正極タブ２４よりも幅方向における電極組立体２０の中心に近い位置に設けられ、負極端子３８は、負極タブ２８よりも幅方向における電極組立体２０の中心に近い位置に設けられている。【選択図】図１

Description

この発明は、蓄電装置に関する。

近年、リチウムイオン二次電池は、電子機器の電源だけでなく、ハイブリッド車や電気自動車の電源として採用されている。通常、リチウムイオン二次電池の電池ケース内には、発電要素としての電極組立体が収容されており、電極組立体は金属箔に正極活物質を塗工した正極と、金属箔に負極活物質を塗工した負極と、正極と負極との間に介在されるセパレータとを有している。電極組立体としては、例えば、巻回型の電極組立体と積層型の電極組立体が存在する。巻回型の電極体は、長尺状の正極および負極の間にセパレータを介在させた電極シートを巻回することにより形成されている。一方、積層型の電極組立体は、多数枚の正極、負極およびセパレータが交互に積層される構造を有する。

従来の蓄電装置としては、例えば、特許文献１に開示された蓄電装置が知られている。特許文献１に開示された蓄電装置では、複数の正極および複数の負極が絶縁状態を保ちつつ交互に積層される層状の電極組立体を備え、電極組立体を収容する電池ケースと、正極からの電気を取り出す正極端子と、負極からの電気を取り出す負極端子とを備えている。正極は、正極金属箔に正極活物質を塗工した正極活物質層と、正極活物質が塗工されていない正極金属箔からなる正極タブとを有している。正極タブは、正極の端部から突出するように形成されている。負極は、負極金属箔に負極活物質を塗工した負極活物質層と、負極活物質が塗工されていない負極金属箔からなる負極タブとを有している。負極タブは、負極の端部から突出するように形成されている。正極端子との正極タブを電気的に接続する正極導電部材が備えられるとともに、負極端子との負極タブを電気的に接続する負極導電部材が備えられている。正極端子および負極端子は電池ケースの内部から外部へ突出している。

電極組立体において正極活物質層と負極活物質層とが重なる領域の幅方向を正極タブおよび負極タブが突出する方向に直交する方向とすると、正極端子は、正極タブよりも幅方向の端部側に設けられている。また、負極端子は、正極端子と同様に負極タブよりも幅方向の端部側に設けられている。

特開２０１４−１０７１４６号公報

ところで、特許文献１に開示された蓄電装置は、複数の蓄電装置を列設し、正極端子および負極端子をバスバーにより互いに隣り合う蓄電装置を接続して電池モジュールを構成する場合がある。しかしながら、この場合、電池モジュールにおける蓄電装置が幅方向において互いに傾斜した状態にあると、正極端子および負極端子の先端の位置が、蓄電装置毎に互いに位置ずれすることになる。正極端子および負極端子が設けられる位置が電池ケースの幅方向の端部側に近いほど、傾斜時の正極端子および負極端子の先端の位置ずれが大きくなるという問題がある。傾斜時の正極端子および負極端子の先端の位置ずれが大きいと、バスバーを用いた複数の蓄電装置の接続ができなかったたり、蓄電装置の接続状態が不確実になる等の不具合が発生する。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、電池モジュールにおける複数の蓄電装置が幅方向に互いに傾斜した状態にて組み付けられても、正極端子および負極端子の先端の位置ずれを抑制することができる蓄電装置の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の正極および複数の負極が絶縁状態を保ちつつ交互に積層される層状の電極組立体を備え、前記電極組立体を収容する電池ケースと、前記正極からの電気を取り出す正極端子と、前記負極からの電気を取り出す負極端子と、を備え、前記正極は、正極金属箔に正極活物質を塗工した正極活物質層と、前記正極活物質が塗工されていない前記正極金属箔からなる正極タブと、を有し、前記正極タブは、前記正極の端部から突出するように設けられ、前記負極は、負極金属箔に負極活物質を塗工した負極活物質層と、前記負極活物質が塗工されていない前記負極金属箔からなる負極タブと、を有し、前記負極タブは、前記負極の端部から突出するように設けられ、前記正極端子と前記正極タブとを接続する正極接続部と、前記負極端子と前記負極タブとを接続する負極接続部とを備えた蓄電装置において、前記正極端子の先端と前記負極端子の先端とを結ぶ方向を幅方向と規定したとき、前記正極端子は、前記正極タブよりも前記幅方向における前記電極組立体の中心に近い位置に設けられ、前記負極端子は、前記負極タブよりも前記幅方向における前記電極組立体の中心に近い位置に設けられていることを特徴とする。

本発明では、電極組立体において正極端子の先端と負極端子の先端とを結ぶ方向を幅方向と規定している。正極端子は、正極タブよりも幅方向における電極組立体の中心に近い位置に設けられ、負極端子は、負極タブよりも幅方向における前記電極組立体の中心に近い位置に設けられている。このため、電極組立体における正極端子と負極端子との間の距離を正極タブおよび負極タブに遮られることなく可及的に小さくすることができる。従って、電池モジュールにおける複数の蓄電装置が幅方向において互いに傾斜、特に隣接する蓄電装置の正極端子と負極端子を結ぶ線が互いに傾斜して組み付けられても、正極端子および負極端子の先端の位置ずれを抑制することができる。電極組立体における正極端子と負極端子との間の距離は小さくなるほど、正極端子および負極端子の先端の位置ずれは小さくなる。

また、上記の蓄電装置において、前記幅方向における前記電極組立体の中心を前記突出する方向に沿って延びる仮想基準線と規定したとき、前記正極端子と前記負極端子は、前記仮想基準線を中心に線対称となるように設けられている構成としてもよい。
この場合、正極端子と負極端子は、仮想基準線を中心に線対称となることにより、向きを考慮しなくてもよい電池ケースを用意すればよい等、生産技術上の面では好都合となり、ひいては製造コストを抑制することができる。

また、上記の蓄電装置において、前記正極端子は、前記突出する方向において前記正極タブと非重畳であるとともに前記幅方向において前記正極タブと隣接し、前記負極端子は、前記突出する方向において前記負極タブと非重畳であるとともに前記幅方向において前記負極タブと隣接する構成としてもよい。
この場合、蓄電装置における正極タブおよび負極タブが突出方向において非重畳であって幅方向において隣り合うことから、突出する方向への空間を小さく設定することができる。また、正極タブから正極端子への電気抵抗と、負極タブから負極端子への電気抵抗を抑制することができる。

本発明によれば、電池モジュールにおける複数の蓄電装置が幅方向に互いに傾斜した状態にて組み付けられても、正極端子および負極端子の先端の位置ずれを抑制することができる蓄電装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る二次電池の縦断面図である。電極組立体の一部の分解斜視図である。第１の実施形態に係る二次電池を複数備えた電池モジュールの斜視図である。（ａ）は第１の実施形態に係る二次電池が互いに隣り合う状態であって幅方向に互いに傾斜している状態を示す説明図であり、（ｂ）は、比較例として従来の二次電池が互いに隣り合う状態であって幅方向に互いに傾斜している状態を示す説明図である。本発明の第１の実施形態に係る二次電池の縦断面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る蓄電装置について図面を参照して説明する。
本実施形態では、蓄電装置としての二次電池について例示し、本実施形態の二次電池は具体的にはリチウムイオン二次電池である。

図１および図２に示すように、本実施形態の二次電池１０は角型の二次電池である。二次電池１０の電池ケース１１には電極組立体２０が収容されている。電池ケース１１は、有底筒状のケース本体１２と、ケース本体１２の開口１３を閉塞する矩形平板状の蓋体１４を有している。ケース本体１２および蓋体１４は金属材料（例えば、アルミニウム）により形成されている。図２に示すように、ケース本体１２の内面には、電池ケース１１に収容された電極組立体２０との絶縁を図るための絶縁部材としての絶縁シート１５が貼着されている。また、蓋体１４の内側面には、電池ケース１１に収容された電極組立体２０との絶縁を図るための絶縁部材としての絶縁シート１６が貼着されている。蓋体１４には一対の通孔１７が形成されている。また、蓋体１４には、図１に示すように、安全弁１８が設けられており、安全弁１８は電池ケース１１内の圧力が所定圧力に達したときに開弁して、電池ケース１１内のガスを外部に放出する機能を有する。

電極組立体２０は、電池機能（充電・放電など）を生じさせる発電要素である。
図３に示すように、電極組立体２０は、シート状の正極２１とシート状の負極２２とを備える。正極２１は、矩形の正極本体２３と、正極本体２３の端部に形成される帯状の正極タブ２４を有する。正極本体２３は、正極金属箔２５と、正極金属箔２５の両面に塗工された正極活物質により形成された正極活物質層２６を有する。正極タブ２４は、正極２１の端部から突出するように設けられている。正極タブ２４が設けられる端部は正極本体２３の長辺であり、電池ケース１１に電極組立体２０が収容された状態では、蓋体１４と対向する長辺である。正極タブ２４は正極金属箔２５により形成されており、正極タブ２４には、正極活物質が塗工されていない。なお、本実施形態の正極金属箔２５はアルミニウム箔である。

負極２２は、矩形の負極本体２７と、負極本体２７の端部に形成される帯状の負極タブ２８を有する。負極本体２７は、負極金属箔２９と、負極金属箔２９の両面に塗工された負極活物質により形成された負極活物質層３０を有する。負極タブ２８は、負極２２の端部から突出するように設けられている。負極タブ２８が設けられる端部は負極本体２７の長辺であり、電池ケース１１に電極組立体２０が収容された状態では、蓋体１４と対向する長辺である。負極タブ２８は負極金属箔２９により形成されており、負極タブ２８には、負極活物質が塗工されていない。なお、本実施形態の負極金属箔２９は銅箔である。

本実施形態では、電極組立体２０における正極活物質層２６と負極活物質層３０とが重なる領域の幅方向を正極タブ２４および負極タブ２８が突出する方向に直交する方向と規定する。電極組立体２０における正極活物質層２６と負極活物質層３０とが重なる領域の幅方向は、電極組立体２０の幅方向（図１に示す左右方向）に相当する。電極組立体２０は、正極２１と負極２２の間を絶縁するセパレータ３１を介在させ、複数の正極２１および複数の負極２２が絶縁状態を保ちつつ交互に積層される層状をなす。

各正極タブ２４は、電極組立体２０の積層方向に沿って列状に配置されている。負極タブ２８は、正極タブ２４と同様に、積層方向に沿って列状に配置されている。電極組立体２０において、各負極タブ２８と正極タブ２４とは互いに重ならないように、負極タブ２８は幅方向において正極タブ２４と離れた位置に配置されている。本実施形態では、各正極タブ２４は互いに同一寸法に設定されており、負極タブ２８も同様に互いに同一寸法に設定されている。各正極タブ２４は、電極組立体２０における積層方向の中心よりも一側の端部に集められて正極タブ群３２を形成する。各負極タブ２８は、正極タブ２４と同様に、電極組立体２０における積層方向の中心よりも一側の端部に集められて負極タブ群３３を形成する。なお、本実施形態では、電極組立体２０の積層方向の中心より一方の側を一側とし、積層方向の中心より他方の側を他側としている。

正極タブ群３２には正極集電板３４が接合され、負極タブ群３３には負極集電板３５が接合されている。正極集電板３４および負極集電板３５は、図１に示すように矩形の平板である。正極集電板３４および負極集電板３５の短手方向の長さは、電極組立体２０の積層方向の厚さよりも小さく設定されている。図２に示すように、正極集電板３４の長手方向の長さは、正極集電板３４に正極タブ群３２を接合した際に、他の部材と干渉しない長さに設定されている。また、負極集電板３５の長手方向の長さは、正極集電板３４と同様に、負極集電板３５に負極タブ群３３を接合した際に、他の部材と干渉しない長さに設定されている。本実施形態では、正極タブ群３２が正極集電板３４に接合された状態では、正極集電板３４は、電極組立体２０の積層方向と直交する方向（幅方向）であって負極タブ２８に向かって突出する。また、負極タブ群３３が負極集電板３５に接合された状態では、負極集電板３５は、電極組立体２０の積層方向と直交する方向（幅方向）であって正極タブ２４に向かって突出する。正極集電板３４および負極集電板３５の厚みは、電極組立体２０から必要十分に集電可能とされる厚み（１．５ｍｍ程度）としている。

図２に示すように、正極集電板３４には、過電流保護回路３６を介して電気的に接続される正極端子３７が設けられている。また、負極集電板３５には、過電流保護回路３６を介して電気的に接続される負極端子３８が設けられている。従って、正極集電板３４は、正極端子３７と正極タブ２４とを電気的に接続する正極接続部に相当し、負極集電板３５は負極端子３８と負極タブ２８とを電気的に接続する負極接続部に相当する。電極組立体２０が電池ケース１１に収容された状態では、正極端子３７と負極端子３８は、蓋体１４の一対の通孔１７から電池ケース１１の外部に露出される。正極端子３７および負極端子３８には、正極端子３７および負極端子３８を蓋体１４から絶縁するための樹脂製の筒状の絶縁リング３９がそれぞれ取り付けられている（図１、図２を参照）。正極端子３７は通孔１７に通じて電池ケース１１の内部から外部へ突出している。正極端子３７および負極端子３８は通孔１７に通じて電池ケース１１の内部から外部へ突出している。従って、正極端子３７および負極端子３８の接続側の基端は電池ケース１１の内部に位置し、正極端子３７および負極端子３８の先端は電池ケース１１の外部に位置する。従って、正極端子３７の先端と負極端子３８の先端とを結ぶ方向は、電極組立体２０における正極活物質層２６と負極活物質層３０とが重なる領域の幅方向と一致する。

本実施形態では、正極端子３７は、正極タブ２４よりも幅方向における電極組立体２０の中心に近い位置に設けられ、負極端子３８は、負極タブ２８よりも幅方向における電極組立体２０の中心に近い位置に設けられている。従って、正極端子３７と負極端子３８との間の距離は、正極タブ２４および負極タブ２８に遮られることなく従来よりも小さくなっている。本実施形態では、図２に示すように、電極組立体２０の幅方向の中心を突出する方向に沿って延びる仮想基準線Ｐと規定したとき、正極端子３７と負極端子３８は、仮想基準線Ｐを中心に線対称となるように配置されている。

ところで、本実施形態では、図４に示すように、複数の二次電池１０を列設し、二次電池１０における正極端子３７および負極端子３８をバスバー４１により互いに隣り合う別の二次電池１０と直列接続して電池モジュール４０を構成する。電池モジュール４０の二次電池１０が幅方向において互いに傾斜していると、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置が、二次電池１０毎に互いに位置ずれすることになる。しかしながら、本実施形態では、正極端子３７および負極端子３８を、電極組立体２０の幅方向において近づけて配置することで、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置ずれが抑制されている。電極組立体２０における正極端子３７と負極端子３８との間の距離は小さくなるほど、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置ずれは小さくなる。なお、電極組立体２０の幅方向における正極端子３７と負極端子３８との間の距離は、短絡しない範囲であればよく、例えば、数ミリ程度の距離であってもよい。

図５（ａ）は本実施形態に係る二次電池１０が互いに隣り合う状態であって幅方向に互いに傾斜している状態を示す説明図である。図５（ｂ）は、比較例として従来の二次電池が互いに隣り合う状態であって幅方向に互いに傾斜している状態を示す説明図である。図５（ａ）では、一方の二次電池１０と他方の二次電池１０とを区別し易くするために、便宜上、一方の二次電池１０を実線にて示し、他方の二次電池１０を二点鎖線にて示す。また、図５（ｂ）についても、図５（ａ）と同様に図示する。図５（ａ）に示す本実施形態の二次電池１０は、図５（ｂ）に示す比較例と比較すると、一方の二次電池１０の正極端子３７と他方の二次電池１０の負極端子３８の先端との位置ずれＨは小さい。つまり、電極組立体２０における正極端子３７と負極端子３８との間の距離は小さくなるほど、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置ずれＨは小さくなる。また、本実施形態の二次電池１０では、図５（ｂ）に示す比較例と比較すると、一方の二次電池１０の負極端子３８と他方の二次電池１０の正極端子３７の先端との位置ずれも小さい。従って、電池モジュール４０における複数の二次電池１０が幅方向において互いに傾斜して組み付けられても、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置ずれＨを抑制することができる。

本実施形態の二次電池１０は以下の作用効果を奏する。
（１）電極組立体２０において正極端子３７の先端と負極端子３８の先端とを結ぶ方向を幅方向と規定している。正極端子３７は、正極タブ２４よりも幅方向における電極組立体２０の中心に近い位置に設けられ、負極端子３８は、負極タブ２８よりも幅方向における電極組立体２０の中心に近い位置に設けられている。このため、電極組立体２０における正極端子３７と負極端子３８との間の距離を正極タブ２４および負極タブ２８に遮られることなく可及的に小さくすることができる。従って、電池モジュール４０における複数の二次電池１０が幅方向において互いに傾斜、特に隣接する二次電池１０の正極端子３７と負極端子３８を結ぶ線が互いに傾斜して組み付けられても、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置ずれＨを抑制することができる。電極組立体２０における正極端子３７と負極端子３８との間の距離は小さくなるほど、正極端子３７および負極端子３８の先端の位置ずれは小さくなる。

（２）電極組立体２０における幅方向の中心を突出する方向に沿って延びる仮想基準線Ｐと規定したとき、正極端子３７と負極端子３８は、仮想基準線Ｐを中心に線対称となるように設けられている。このため、向きを考慮しなくてもよい電池ケース１１を用意すればよい等、生産技術上の面では好都合となり、ひいては二次電池１０の製造コストを抑制することができる。

（３）正極端子３７は、突出方向において正極タブ２４と非重畳であり、負極端子３８は、突出方向において負極タブ２８と非重畳である。このため、電池ケース１１において突出する方向への空間（正極タブ２４および負極タブ２８と蓋体１４との間の空間）を小さく設定することができる。つまり、電池ケース１１内に無駄な空間の発生を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る蓄電装置について説明する。
本実施形態は、正極端子（負極端子）が電極組立体の幅方向において正極タブ（負極タブ）と隣接する点で、第１の実施形態と相違する。本実施形態では、第１の実施形態と同一の構成については第１の実施形態の説明を援用し、符号を共通して用いる。

図６に示す二次電池５０では、正極端子３７は、突出方向において正極タブ２４と非重畳であるとともに電極組立体２０の幅方向において正極タブ２４と隣接する。負極端子３８は、突出方向において負極タブ２８と非重畳であるとともに電極組立体２０の幅方向において負極タブ２８と隣接する。従って、電極組立体２０の幅方向における正極端子３７と正極タブ２４との間や負極端子３８と負極タブ２８との間には隙間が存在しない。従って、正極集電板３４および負極集電板３５は、第１の実施形態と比較して幅方向の寸法が小さくなっている。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同等の作用効果を奏するほか、正極集電板３４および負極集電板３５の幅方向の寸法を小さくできるほか、正極タブ２４から正極端子３７への電気抵抗や負極タブ２８から負極端子３８への電気抵抗を抑制することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、安全弁を蓋体において幅方向における正極端子と負極端子との間に設けたが、安全弁の位置は、正極端子と負極端子との間に限らない。例えば、蓋体において幅方向における正極端子とケース本体との間に設けてもよい。この場合、蓋体において幅方向における正極端子と負極端子との間に安全弁が設けられないことから、正極端子と負極端子をさらに接近させることができる。その結果、電池モジュールにおける複数の二次電池が幅方向において互いに傾斜して組み付けられても、正極端子および負極端子の先端の位置ずれをさらに小さくすることができる。
○ 上記の実施形態では、正極端子と負極端子は、仮想基準線を中心に線対称となるように設けられたが、この限りではない。正極端子と負極端子は、仮想基準線を中心に線対称とならないように設けてもよい。この場合でも、電極組立体における正極端子と負極端子との間の距離を正極タブおよび負極タブに遮られることなく可及的に小さくすることができる。
○ 上記の実施形態では、蓄電装置としてリチウムイオン二次電池を例示したが、蓄電装置はリチウムイオン二次電池に限らず、例えば、ニッケル水素等の他の二次電池であってもよく、積層型の電極組立体を有する二次電池であればよい。

次に、上記の各実施形態および別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）複数の前記蓄電装置を列設して備え、互いに隣り合う前記蓄電装置がバスバーにより接続されてなる電池モジュール。
（ロ）前記電池モジュールにおいて、互いに隣り合う前記蓄電装置は、正極端子および負極端子が前記電極組立体の幅方向に近づけて配置され、直列に接続されてなる電池モジュール。

１０、５０二次電池
１１電池ケース
１２ケース本体
１４蓋体
１７通孔
１８安全弁
２０電極組立体
２１正極
２２負極
２３正極本体
２４正極タブ
２５正極金属箔
２６正極活物質層
２７負極本体
２８負極タブ
２９負極金属箔
３０負極活物質層
３１セパレータ
３２正極タブ群
３３負極タブ群
３４正極集電板
３５負極集電板
３７正極端子
３８負極端子
４０電池モジュール
Ｐ仮想基準線

Claims

複数の正極および複数の負極が絶縁状態を保ちつつ交互に積層される層状の電極組立体を備え、
前記電極組立体を収容する電池ケースと、
前記正極からの電気を取り出す正極端子と、
前記負極からの電気を取り出す負極端子と、を備え、
前記正極は、正極金属箔に正極活物質を塗工した正極活物質層と、前記正極活物質が塗工されていない前記正極金属箔からなる正極タブと、を有し、
前記正極タブは、前記正極の端部から突出するように設けられ、
前記負極は、負極金属箔に負極活物質を塗工した負極活物質層と、前記負極活物質が塗工されていない前記負極金属箔からなる負極タブと、を有し、
前記負極タブは、前記負極の端部から突出するように設けられ、
前記正極端子と前記正極タブとを接続する正極接続部と、
前記負極端子と前記負極タブとを接続する負極接続部とを備えた蓄電装置において、
前記正極端子の先端と前記負極端子の先端とを結ぶ方向を幅方向と規定したとき、
前記正極端子は、前記正極タブよりも前記幅方向における前記電極組立体の中心に近い位置に設けられ、
前記負極端子は、前記負極タブよりも前記幅方向における前記電極組立体の中心に近い位置に設けられていることを特徴とする蓄電装置。
前記幅方向における前記電極組立体の中心を前記突出する方向に沿って延びる仮想基準線と規定したとき、前記正極端子と前記負極端子は、前記仮想基準線を中心に線対称となるように設けられていることを特徴とする請求項１記載の蓄電装置。
前記正極端子は、前記突出する方向において前記正極タブと非重畳であるとともに前記幅方向において前記正極タブと隣接し、
前記負極端子は、前記突出する方向において前記負極タブと非重畳であるとともに前記幅方向において前記負極タブと隣接することを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電装置。