JP2016207353A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】正極又は負極から電極材料が滑落するのを未然に防止しつつ電解液の注入を高効率に行うことを実現する構成の二次電池を提供すること。【解決手段】本発明の二次電池１００は、電池ケース５０の一部に、電解液を該ケース内に注入するための注液孔５６が形成されており、電極体４０は、正極１０および負極２０が積層した積層面４２が前記注液孔に対向するように前記ケース内に収容されており、前記注液孔と前記積層面との間には、該注液孔からケース内に注入された電解液が該積層面にダイレクトに接触するのを妨げる注液緩衝部材６０が、該注液孔からケース内に注入された電解液がダイレクトに該部材に接触可能な位置に配置されており、該注液緩衝部材には、注液孔からケース内に注入され且つ該部材に接触した電解液を、相互に異なる二以上の方向に拡散して流下させる流動方向調整部６４が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、正極および負極が積層された構造を有する電極体と、電解液とを備える二次電池に関する。詳しくは、電極体を電池ケース内に収容後、電解液を当該ケース内に注入する工程を有する製造プロセスにより製造される二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。
二次電池の典型的な一態様として、正極および負極が積層された構造を有する電極体と、電解液とを、密閉可能な電池ケース（容器）に収容したものが挙げられる。かかる構成の二次電池のなかには、電池構築時において、予め電極体を収納した電池ケースを封止した後、電池ケースの一部（典型的にはケース開口部を塞ぐ蓋体）に設けられた注液孔にノズルを挿入して電解液をケース内部に供給（注液）するものがある。例えば、特許文献１〜３には、密閉型の電池ケース内に電極体を収容した構成の非水電解液二次電池が記載されている。これら特許文献に記載の二次電池では、電池構築時において、密閉した電池ケースの一部（蓋体）に設けられた注液口（注入口）からケース内部に非水電解液を注入している。

特開２０１４−１６７８９０号公報 特開２０１３−２５７９５１号公報 特開２０００−２１４３７号公報

ところで、電池ケース内に収容された電極体の配置構成として、例えば特許文献１の図面に示されているような、電極体を構成する正極および負極の積層面（即ち積層された正極および負極の端面が積層方向に並んで露出している面をいう。以下同じ。）が注液孔に対向して配置されているものが挙げられる。
このような電池ケース内における電極体配置構成の二次電池では、正負極の積層面に対向する注液口に挿入したノズルから比較的高い流速（即ち比較的高い液圧）で電解液を注入した場合、当該注入された電解液がダイレクトに電極体の正負極積層面にあたり、その際の電解液の強い圧によって正極又は負極の集電体表面に形成されている合材層（活物質層）等の電極材料の一部が滑落する（剥ぎ取られる）おそれがある。その一方で、かかる不具合を未然に防止するべく、比較的低い流速（即ち比較的低い液圧）で電解液を注入することは、電池の製造効率を低下させる原因となるため好ましくない。

そこで本発明は、かかる電極体配置構成の二次電池における電解液注入の際の問題を解決するべく創出されたものであり、正極又は負極から電極材料が滑落するのを未然に防止しつつ電解液の注入を高効率に行うことを実現する構成の二次電池を提供することを目的とする。

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の二次電池が提供される。即ち、ここで開示される二次電池は、正極および負極が積層された構造を有する電極体と、電解液と、該電極体および電解液を収容するケースと、を備える二次電池である。
ここで開示される二次電池は、上記ケースの一部に、電解液を該ケース内に注入するための注液孔が形成されており、上記電極体は、正極および負極が積層した面である積層面が該注液孔に対向するようにケース内に収容されている。
そして、注液孔と上記電極体の積層面との間には、該注液孔からケース内に注入された電解液が該積層面にダイレクトに（直接の意味である。以下同じ。）接触するのを妨げる部材である注液緩衝部材が、該注液孔からケース内に注入された電解液がダイレクトに該部材に接触可能な位置に配置されている。
ここで上記注液緩衝部材には、前記注液孔からケース内に注入され且つ該部材にダイレクトに接触した電解液を、相互に異なる二以上の方向に拡散して流下させる流動方向調整部が設けられていることを特徴とする。

かかる構成の二次電池では、電解液供給のためのノズル等を使用して上記注液孔から比較的高い流速（液圧）で電解液をケース内部に注液した場合であっても、上記注液緩衝部材の存在により、当該供給（注液）された電解液がその高い流速（液圧）のままダイレクトに電極体の積層面に当たる（接触する）のを阻むことができる。このため、高い液圧の電解液によって上記電極体の積層面から正極合材層（正極活物質層）あるいは負極合材層（負極活物質層）の一部等の電極材料が剥がれ落ちる（滑落する）のを、未然に防止することができる。このため、二次電池の構築に際して信頼性の高い注液工程を実現することができる。また、ここで開示される注液緩衝部材には上記流動方向調整部が設けられていることにより、該部材にダイレクトに当たった（接触した）電極液を相互に異なる二以上の複数方向に拡散して流下させること、即ち、当該複数方向に拡散しつつ電極体に電極液を供給することができる。このため、二次電池の構築に際して効率の良い注液工程を実現することができる。

一実施形態に係る注液緩衝部材を備えた二次電池（リチウムイオン二次電池）の内部構成を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る注液緩衝部材の構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は上面（注液孔に対向する面）を示す図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ線断面を示す図、および、（Ｄ）は下面（電極体積層面に対向する面）を示す図である。 一実施形態に係る注液緩衝部材を電池ケースの一部（蓋体）に取り付ける状態を模式的に説明する図である。 他の一実施形態に係る注液緩衝部材の構成を模式的に示す図であり、（Ａ）は上面（注液孔に対向する面）を示す図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ線断面を示す図、および、（Ｄ）は下面（電極体積層面に対向する面）を示す図である。 他の一実施形態に係る注液緩衝部材を備えた二次電池（リチウムイオン二次電池）の内部構成を模式的に示す断面図である。

以下、ここで開示される注液緩衝部材の好適な一実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
なお、本明細書において「二次電池」の種類は特に限定されない。好適な二次電池の典型例として、電荷担体がリチウムイオンである「リチウムイオン二次電池」やその他の金属イオンを電荷担体とする二次電池（例えばナトリウムイオン二次電池）等が挙げられる。以下、本発明の好適な実施形態を、扁平な捲回電極体と非水電解液とを対応する扁平形状（箱形状）の容器に収容した形態のリチウムイオン二次電池を例として以下に詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、正極および負極が積層された構造を有する電極体４０と、電解液と、該電極体および電解液を収容するアルミニウムその他の金属製のケース（電池の密閉可能な外容器）５０とを備える。
具体的には、ケース５０は、鉛直方向の上端にあたる部分が開口された扁平な直方体形状（角形）のケース本体５２と、その開口部を塞ぐ矩形プレート状の蓋体５４とから構成される。ケース５０の鉛直方向の上面（すなわち蓋体５４）には、電極体４０の正極１０および負極２０とそれぞれ電気的に接続される外部接続用の正極端子７０および負極端子８０が装着されている。具体的には、図１に示すように、蓋体５４には、正極端子７０および負極端子８０がそれぞれ挿通する装着用の貫通孔７２，８２が形成されている。そして、各貫通孔７２，８２に絶縁性のガスケット部材（典型的にはゴム製若しくはエラストマー製）７４，８４を挟み込んだ状態で正極端子７０および負極端子８０をそれぞれ貫通孔７２，８２に挿通し、端子の一部をかしめることにより、図１に示すような状態で蓋体５４に正極端子７０および負極端子８０が固定される。蓋体５４は、従来のこの種の二次電池と同様、ケース本体５２の上記開口部を塞ぐ位置に配置された後、ケース本体５２との境界部位が溶接されることにより、ケース本体５２に固定（接合）される。なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００の構築に関し、上記かしめや溶接の態様は、従来と同様でよく、本発明を特徴付けるものではないため、これ以上の詳細な説明は省略する。

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、ケース５０の一部である蓋体５４のほぼ中央部分に、所定の電解液（非水電解液）をケース５０内に注入するための注液孔５６が設けられている。ケース５０の内部において注液孔５６に対向する位置には、後述する注液緩衝部材６０の流動方向調整部６４が配置されているがこのことについては後述する。
また、蓋体５４には、従来のこの種のリチウムイオン二次電池と同様、ケース５０内部で発生したガスをケース５０の外部に排出するための安全弁等のガス排出機構が設けられているが、本発明を特徴付けるものではないため、図示および説明を省略する。

電池ケース５０の内部に収容される本実施形態に係る電極体４０は、長尺シート状の正極１０と長尺シート状の負極２０とが、２枚の長尺シート状のセパレータ３０を介して積層され、さらに長手方向に捲回され且つ扁平にされた形態の捲回電極体４０である。
かかる捲回電極体４０を構成する正極１０は、長尺シート状の正極集電体１２と、該集電体１２の両面に長手方向に沿って形成された図示しない正極合材層とを備えている。正極集電体１２の長手方向に直交する幅方向（即ち捲回軸方向）の一方の端部は、長手方向に沿って正極合材層が形成されていない正極合材層非形成部分（即ち正極集電体１２が露出した部分）を構成している。
このような正極１０は、正極活物質と必要に応じて用いられる材料とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の適当な溶媒に分散させたペースト状（スラリー状）の正極合材を正極集電体１２に付与し、乾燥させることにより好ましく作製することができる。
なお、正極集電体１２としては、導電性の良好な金属（例えばアルミニウム、ニッケル等）からなる導電性部材が好適に使用される。また、溶媒としては水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を用いることができる。正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用し得ることが知られている各種の材料の１種または２種以上を、特に限定なく使用することができる。また、正極合材層には、正極活物質に加え、一般的なリチウムイオン二次電池において正極合材層の構成成分として使用され得る１種または２種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、導電材やバインダが挙げられる。正極合材層の厚さや密度、空隙率は、例えばペースト状（スラリー状）合材の乾燥後、適当なプレス処理を施すことによって適宜調整することができる。なお、正極合材層の性状や構成材料は、それ自体が本発明を特徴付けるものではないため、これ以上の詳細な説明は省略する。

捲回電極体４０を構成する負極２０は、長尺シート状の負極集電体２２と、該集電体２２の両面に長手方向に沿って形成された図示しない負極合材層とを備えている。負極集電体２２の長手方向に直交する幅方向（捲回軸方向）の一方の端部は、長手方向に沿って負極合材層が形成されていない負極合材層非形成部分（即ち負極集電体２２が露出した部分）を構成している。
このような負極２０は、負極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒に分散させたペースト状（スラリー状）の負極合材を負極集電体２２に付与し、乾燥させることにより好ましく作製することができる。
負極集電体２２としては、導電性の良好な金属（例えば、銅、ニッケル等）からなる導電性材料が好適に使用される。また、溶媒としては、水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えば水を用いることができる。負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用し得ることが知られている各種の材料の１種または２種以上を、特に限定なく使用することができる。また、負極合材層には、負極活物質に加え、一般的なリチウムイオン二次電池において負極合材層の構成成分として使用され得る１種または２種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、バインダや各種添加剤が挙げられる。負極合材層の厚さや密度、空隙率は、正極合材層と同様、適当なプレス処理を施すことによって調整することができる。負極合材層の性状や構成材料は、それ自体が本発明を特徴付けるものではないため、これ以上の詳細な説明は省略する。

図１に示すように、本実施形態に係る捲回電極体４０は、上述した正極合材層非形成部分（正極集電体１２露出部分）および負極合材層非形成部分（負極集電体２２露出部分）がともに捲回軸方向の一方の端部に揃うようにして当該正極１０および負極２０を２枚のセパレータ３０とともに重ね合わせ、捲回することにより構成される。ここで、２枚のセパレータ３０は正負極間に配置されている。そして、図示されるように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、正極合材層非形成部分および負極合材層非形成部分が交互に積層した面、即ち正極１０および負極２０が積層した積層面４２が蓋体５４の内面および注液孔５６に対向するように、捲回軸が鉛直方向となる方向でケース５０内に収容されている。なお、ケース５０内において電極体４０とケース本体５２との接触を阻んで短絡を防ぐため、電極体４０とケース本体５２との間には、袋状の絶縁フィルム９０が配置されている。
また、積層面を構成する正極集電体１２の正極合材層非形成部分および負極集電体２２の負極合材層非形成部分には、それぞれ、正極集電タブ１４および負極集電タブ２４が付設されている。それら正極集電タブ１４および負極集電タブ２４は束ねられ、それぞれ、正極端子７０および負極端子８０に溶接されることによって電気的に接続されている。

次に、本実施形態（第一実施形態）に係る注液緩衝部材６０について詳細に説明する。図２に示すように、本実施形態に係る注液緩衝部材６０は、ベースプレート６１と、該ベースプレート６１の一部から突き出た連結軸に相当する接続部６３と、該接続部６３の先端に形成された流動方向調整部６４とから構成されている。
ベースプレート６１は、短辺が蓋体５４の短辺よりも短く、且つ、長辺が正極端子７０と負極端子８０との間の距離よりも短い長方形状に形成されており、二つの貫通孔６２，６８を有する。図２および図３に示すように、一方の大きい貫通孔６８は、負極端子８０の一部が挿通可能なサイズに形成されており、図３に示すように、かかる貫通孔６８に負極端子８０を挿通し、その後に上記のとおり、当該負極端子８０を蓋体５４にかしめることにより、同時に注液緩衝部材６０を負極端子８０と蓋体５４との間に挟んで固定することができる。

本実施形態に係る注液緩衝部材６０は、上記のようにして所定の位置に装着された状態において、もう一方の貫通孔（電解液供給用貫通孔）６２が蓋体５４の注液孔５６と同軸に重なるように配置される。さらに、上記装着状態において、流動方向調整部６４は、電解液供給用貫通孔６２を覆うようにして当該電解液供給用貫通孔６２と捲回電極体４０の積層面４２との間に配置される。
かかる構成により、別途用意したノズル等から注液孔５６および貫通孔６２を介して電解液を電池のケース５０内に供給した際、電解液はダイレクトに電極体４０に当たらず、先ずダイレクトに流動方向調整部６４に接触する。
ここで、流動方向調整部６４は、図２に示すように、蓋体に対して平行な頂部６５と、該頂部６５から電極体４０の積層面４２の長手方向の両方向に沿って下っていく二つの傾斜部６６とからなる屋根状構造で構成されている。このため、注液孔５６から供給され流動方向調整部６４に接触した電解液は、流速が低下した状態で当該二つの傾斜部６６により、電極体４０の積層面４２の長手方向の両方向に分散した状態で流下していき、電極体４０に供給される。従って、本実施形態に係る注液緩衝部材６０を備えるリチウムイオン二次電池１００によれば、効率面の観点から電解液を電池ケース内に比較的高い流速（比較的高い液圧）で供給した場合であっても、当該高い流速の電解液がそのままダイレクトに電極体の積層面に当たるのを妨げ、当該高い流速の電解液により電極体から活物質層等の電極材料が剥ぎ取られる（滑落する）のを防止することができる。また、電極体４０の積層面４２の長手方向の両方向に分散した状態で電解液を供給することができるため、効率の良い電解液の電極体４０内部への充填を実現することができる。

以上、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００と該電池に備えられる注液緩衝部材６０の好適な一実施形態を説明したが、本発明の実施形態は、上述したものに限られない。例えば、図４および図５に示す形状の注液緩衝部材１６０であってもよい。以下、本発明の第二の実施形態に係る注液緩衝部材１６０について詳細に説明する。

図４に示すように、本実施形態に係る注液緩衝部材１６０は、ベースプレート１６１と、該ベースプレート１６１の一部から突き出た連結軸に相当する接続部１６３と、該接続部１６３の先端に形成された流動方向調整部１６４とから構成されている。
ベースプレート１６１と接続部１６３、ならびに二つの貫通孔１６２，１６８の形状および機能は、上記第一実施形態のものと同様であるので説明は省略する。なお、本実施形態（第二実施形態）に係る注液緩衝部材１６０をケース５０内に装着、固定する構成も第一実施形態のものと同様である。

本実施形態に係る流動方向調整部１６４では、図４および図５に示すように、蓋体５４に対して平行な頂部１６５と、該頂部１６５から電極体４０の積層面４２の厚み方向（即ち電池ケース５０の厚み（短辺）方向）の両方向に沿って下っていく二つの傾斜部１６６とからなる屋根状構造で構成されている。このため、注液孔５６から供給され流動方向調整部１６４に接触した電解液は、流速が低下した状態で当該二つの傾斜部１６６により、電極体４０の積層面１４２の厚み（短辺）方向の両方向に分散した状態で流下していき、電極体４０に供給される。従って、本実施形態に係る注液緩衝部材１６０を備えるリチウムイオン二次電池１００によれば、第一実施形態の注液緩衝部材６０と同様、効率面の観点から電解液を電池ケース内に比較的高い流速（比較的高い液圧）で供給した場合であっても、当該高い流速の電解液がそのままダイレクトに電極体の積層面に当たるのを妨げ、当該高い流速の電解液により電極体から活物質層等の電極材料が剥ぎ取られる（滑落する）のを防止することができる。また、電極体４０の積層面４２の厚み方向の両方向に分散した状態で電解液を供給することができるため、効率の良い電解液の電極体４０内部への充填を実現することができる。

特に限定するものではないが、電池ケースの形態、換言すれば、ケース内に収容する電極体の積層面の形態に応じて、上述した第一および第二の実施形態の注液緩衝部材６０，１６０を好適に使い分けることができる。例えば、肉厚が薄く、長辺方向に長い扁平な形状の電極体（例えば注液孔に対向する電極体の積層面の長手方向Ｗと厚み（短辺）方向Ｄとの比：Ｗ／Ｄが３以上の場合）では、上述した第一実施形態の注液緩衝部材６０の利用が好ましい。他方、肉厚が厚く、長辺方向の長さが比較的短い扁平形状や円筒形状の電極体（例えば注液孔に対向する電極体の積層面の長手方向Ｗと厚み（短辺）方向Ｄとの比：Ｗ／Ｄが３未満の場合）では、上述した第二実施形態の注液緩衝部材１６０の利用が好ましい。
また、流動方向調整部の形状は、上述した各実施形態のような屋根状構造に限られず、例えば、電解液を全方向に分散可能な傘（ドーム）状構造のものであってもよい。
また、上述した実施形態では、使用する電極体として捲回型電極体を例にして説明したが、正極および負極の積層面が注液孔に対向して配置されているものであればよく、捲回型のものに限られない。本発明の実施に際し、例えば、複数枚のシート状正負極をセパレータシートを介在させつつ重ね合わせた形態のいわゆる積層型電極体を、上述した捲回型電極体と同様に好適に使用することができる。

１０ 正極
１２ 正極集電体
１４ 正極集電タブ
２０ 負極
２２ 負極集電体
２４ 負極集電タブ
３０ セパレータ
４０ 電極体（捲回電極体）
４２ 積層面
５０ ケース
５２ 本体
５４ 蓋体
５６ 注液孔
６０，１６０ 注液緩衝部材
６１，１６１ ベースプレート
６２，１６２ 貫通孔（電解液供給用貫通孔）
６３，１６３ 接続部
６４，１６４ 流動方向調整部
６５，１６５ 頂部
６６，１６６ 傾斜部
６８，１６８ 貫通孔（装着用貫通孔）
７０ 正極端子
７２ 正極端子装着用貫通孔
７４，８４ ガスケット部材
８０ 負極端子
８２ 負極端子装着用貫通孔
９０ 絶縁フィルム
１００ リチウムイオン二次電池

Claims (1)

1. 正極および負極が積層された構造を有する電極体と、
   電解液と、
   該電極体および電解液を収容するケースと、
   を備える二次電池であって、
   前記ケースの一部に、前記電解液を該ケース内に注入するための注液孔が形成されており、
   前記電極体は、前記正極および負極が積層した面である積層面が前記注液孔に対向するように前記ケース内に収容されており、
   前記注液孔と前記積層面との間には、該注液孔からケース内に注入された電解液が該積層面にダイレクトに接触するのを妨げる注液緩衝部材が、該注液孔からケース内に注入された電解液がダイレクトに該部材に接触可能な位置に配置されており、
   ここで前記注液緩衝部材には、前記注液孔からケース内に注入され且つ該部材に接触した電解液を、相互に異なる二以上の方向に拡散して流下させる流動方向調整部が設けられていることを特徴とする、二次電池。

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