JP2017084667A - 蓄電素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】長手方向に一側縁及び他側縁をそれぞれ有する正極電極、セパレータおよび負極電極が積層されて捲回され、正極電極、セパレータおよび負極電極の各一側縁が積層された一側面、及び正極電極、セパレータ及び負極電極の各他側縁が積層された他側面を有する捲回電極群3と、捲回電極群3が収容され、電解液が注入された電池容器とを備え、捲回電極群3の前記一側面および前記他側面への電解液の流入経路の少なくとも一部を覆ってブロック状の多孔質体50が設けられている蓄電素子。
【選択図】図4
Description
以下、本発明の蓄電素子の実施形態1を図1〜図6を参照して説明する。
なお、以下では、蓄電素子としてリチウムイオン角形二次電池を例として説明する。
図1は、二次電池100の外観斜視図である。
二次電池100は、電池缶1および電池蓋6を備え、扁平角型に形成されている。電池缶1は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面1bと、相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面1cと、底面1dとを有し、その上方に開口部1a(図2参照)を有する。
なお、以下の説明において、図示のように、捲回電極群3の捲回軸方向をx方向とし、捲回軸方向に直交する方向をy方向とし、二次電池100の厚さ方向をz方向とする。
二次電池100の電池缶1は、矩形の底面1dと、底面1dから立ち上がる角筒状の幅広側面1bおよび幅狭側面1cと、幅広側面1bおよび幅狭側面1cの上端で上方に向かって開放された開口部1aとを有している。電池缶1内には、絶縁材からなる保護フィルム2を介して捲回電極群3が収容されている。
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。
正極接続部14a、負極接続部12aは、正極外部端子14、負極外部端子12の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋6の正極側貫通孔46、負極側貫通孔26に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部14a、負極接続部12aは、電池蓋6を貫通して、それぞれ、正極集電板44の正極集電板基部41、負極集電板24の負極集電板基部21よりも電池缶1の底面1d側に向けて突出される。この突出した状態で、正極接続部14aおよび負極接続部12aは、先端がかしめられる。これにより、正極外部端子14と正極集電板44とが、また、負極外部端子12と負極集電板24とが電池蓋6に一体に固定される。正極外部端子14および負極外部端子12のそれぞれと電池蓋6との間には、ガスケット5が介在される。また、正極集電板44および負極集電板24のそれぞれと電池蓋6との間には、絶縁板7が介在される。これにより、正極集電板44および正極外部端子14は電池蓋6と絶縁されている。また、負極集電板24および負極外部端子12は電池蓋6と絶縁されている。
同様に、負極集電板24は、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の負極集電板基部21を有する。また、負極集電板24は、負極集電板基部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側に向かって延出される負極側接続端部22を有している。負極側接続端部22は、捲回電極群3の負極金属箔露出部32cに対向して重ね合わされた状態で接続される。
正極集電板基部41、負極集電板基部21のそれぞれには、正極接続部14a、負極接続部12aが挿通される正極側開口穴43、負極側開口穴23がそれぞれ形成されている。
捲回電極群3は、負極電極32と正極電極34との間にセパレータ33、35を積層して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回電極群3は、最外周の電極が負極電極32であり、さらにその外周側にセパレータ33、35が捲回される。セパレータ33、35は、正極電極34と負極電極32との間を絶縁する役割を有している。
正極電極34は、正極集電体である正極金属箔34aの表裏両面に、正極活物質合剤塗布された正極合剤層34bを有する。正極金属箔34aの幅方向(x方向)の一方側の端部には、正極活物質合剤が塗布されていない正極金属箔露出部34cが設けられている。負極電極32は、負極集電体である負極金属箔32aの表裏両面に、負極活物質合剤塗布された負極合剤層32bを有する。負極金属箔32aの幅方向(x方向)の他方側の端部には、負極活物質合剤が塗布されていない負極金属箔露出部32cが設けられている。正極金属箔露出部34cと負極金属箔露出部32cは、正・負極金属箔34a、32aの金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の側面に積層されるように捲回される。
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。
捲回電極群3の正極金属箔露出部34cは、正極集電板44と正極側リボン40との間に配置され、正極集電板44と正極側リボン40とにより挟圧された状態で、例えば、超音波溶接や抵抗溶接等の溶接により接合される。同様に、捲回電極群3の負極金属箔露出部32cは、負極集電板24と負極側リボン30との間に配置され、負極集電板24と負極側リボン30とにより挟圧された状態で、超音波溶接や抵抗溶接等の溶接により接合される。
捲回電極群3の湾曲部3a、3bのそれぞれの捲回軸方向(x方向)の両側面には、ブロック状の多孔質体50が配置されている(図4も参照)。以下、多孔質体50の固定構造および機能について説明する。
電池蓋6の注液口9から注入された電解液は、捲回電極群3と電池容器の内壁との間の隙間を流入経路として、A1〜A4に示すような種々の方向から捲回電極群3の一側面および他側面に向けて流入する。このとき、捲回電極群3のいずれかの部位に、例えば、負極集電板24、正極集電板44の溶接部分や、電池缶1の内部等に、金属の微粉等の導電性の異物が付着していると、その異物は電解液に混入する。このように、導電性の異物が混入すると、その異物は電解液に浮遊して金属箔隙間に入り込み、さらに、捲回電極群3の内部に入り込む可能性がある。導電性の異物が金属箔隙間から捲回電極群3の内部に入り込むと、異物である金属が溶解析出反応を起こし、正極電極34と負極電極32間で内部短絡が生じる可能性がある。特に、捲回電極群3の湾曲部3a、3bには開口部61aが形成されており、導電性の異物は、この開口部61aから捲回電極群3の内部に侵入する可能性が高い。
このように、導電性の異物に起因する捲回電極群3の内部短絡を防止するには、金属箔隙間に導電性の異物が混入するのを抑制する必要がある。
捲回電極群3の捲回軸方向(x方向)の一側面および他側面には、多孔質体50が配置されている。多孔質体50は、厚さが1mm程度以上のブロック状の部材であり、捲回電極群3の一側面または他側面のほぼ全体を覆う大きさを有している。多孔質体50は、捲回電極群3の一側面または他側面に密着して固定されている。多孔質体50を捲回電極群3の一側面または他側面に固定するには、一例として、接着テープにより、多孔質体50の側縁を捲回電極群3の湾曲部3a、3bの外周に接着する。または、多孔質体50の片面に接着剤を塗布しておき、多孔質体50を、セパレータ33、35に接着する。他の固定方法を採用することも可能であり、特にこの固定方法に限定されるものではない。
なお、ブロック状の多孔質体50は、発泡成形等により所定形状に形成された部材である。
なお、捲回電極群3には、多孔質体50が取付けられた状態で保護フィルム2が巻き付けられているが、図4では、保護フィルム2は図示を省略されている。但し、電池缶1の内面に絶縁材を塗布するようにして、保護フィルム2を用いない二次電池100とすることもできる。
多孔質体50による異物捕集の試験を、下記の手順で行った。
(1)貫通した中空部を持つ筒状の管の中に多孔質体50(平均的な気泡径は500μm)を配置した。
(2)金属異物(Ni/Al)を、その粒径により、105μm未満、105〜150μm、150μm以上の3つに分類し、各分類の金属異物を電解液に混入した。
(3)各分類の金属異物が混入された電解液を、多孔質体50が配置された筒状の管の中に注入した。そして、電解液が注入される側の多孔質体50の表面(以下、多孔質体の注入側表面という)からの気泡の長さ、換言すれば、多孔質体50の気泡により形成されている流入経路の距離が下記a)〜c)の3つの距離において、多孔質体50に捕集された金属異物の粒径を測定し、その平均粒径を求めた。
a)10mm以下 b)10〜20mm c)20〜30mm
(i)多孔質体50の平均的な気泡径よりも小さい粒径の金属異物を捕集することができる。
(ii)多孔質体50の気泡により形成される電解液の流入経路の距離が大きくなるほど、捕集される金属異物の平均粒径を小さくすることができる。
上記の確認結果から、多孔質体50の気泡により形成される電解液の流入経路の距離を多孔質体50の厚さよりも大きくすることが好ましいと判断される。
(1)二次電池100は、正極電極34、セパレータ33、35および負極電極32それぞれの各一側縁が積層された一側面、および正極電極34、セパレータ33、34および負極電極それぞれの各他側縁が積層された他側面を有する捲回電極群3と、捲回電極群3が収容され、電解液が注入された電池容器とを備え、捲回電極群3の一側面および他側面への電解液の流入経路にブロック状の多孔質体50が設けられた構成を有している。このため、捲回電極群3の表面等に付着している導電性の異物を多孔質体50により捕集することができる。これにより、捲回電極群3の内部に導電性の異物が入り込むのを抑制することができ、以て、捲回電極群3の内部短絡を抑制することが可能となる。
図7は、本発明の実施形態2を示し、図4と同一断面の模式図であり、図8は、図7に図示された下部多孔質体の外観斜視図である。
実施形態2においては、実施形態1のブロック状の多孔質体50は、y方向の中間部で切断されており、2つの上・下部多孔質体51、52に分割されている。
上部多孔質体51は、捲回電極群3の側面に密着する本体部51aと、捲回電極群3の湾曲部3aの外周側縁に密着する端部51bを有し、本体部51aと端部51bとは、L字形状に屈折された断面形状を有する。本体部51aは、捲回電極群3の湾曲部3aに形成されている開口部61a(図2参照)とその外周領域を覆っている。また、下部多孔質体52は、捲回電極群3の側面に密着する本体部52aと、捲回電極群3の湾曲部3bの外周側縁に密着する端部52bを有し、本体部52aと端部52bとは、L字形状に屈折された断面形状を有する。本体部52aは、捲回電極群3の湾曲部3bに形成されている開口部61a(図2参照)とその外周領域を覆っている。上部多孔質体51の本体部51aと下部多孔質体52の本体部52aとは、捲回電極群3の側面に沿ってy方向に延在されているが、その端部は互いに離間している。
下部多孔質体52の本体部52aには、直方体形状の溝部52cが形成されている。つまり、下部多孔質体52の本体部52aは、x−z面で切断した断面がコ字形状となっている。下部多孔質体52の溝部52cの底部の下部が端部52bとなる。下部多孔質体52は、捲回電極群3の湾曲部3bのコーナー部に溝部52cを嵌合し、本体部52aの内面および端部52bの内面を、それぞれ、捲回電極群3の側面および湾曲部3bの外周側縁に当接することにより、捲回電極群3に取付けられる。図示はしないが、上部多孔質体51も、下部多孔質体52と同様な構造を有する。但し、上部多孔質体51には、端部51bに正極集電板44または負極集電板24を挿通するスリット(図示せず)を設けるとよい。
実施形態2においても、実施形態1と同様な効果を奏する。また、実施形態2では、上・下部多孔質体51、52のy方向の合計長さを、実施形態1の多孔質体50の長さより小さくすることができるので、より安価にすることができる。さらに、図8に示すように、上・下部多孔質体51、52を捲回電極群3の湾曲部3a、3bに嵌合する溝部51c(図示せず)、52cを有する構造とすれば、捲回電極群3への取付けが容易となり、作業能率が良いものとなり、かつ、取付け時の位置精度もよくなる。
図9は、本発明の実施形態3を示し、図4と同一断面の模式図である。
実施形態3は、実施形態2における上・下部多孔質体51、52を、捲回電極群3の側面と電池缶1の内面との間に挟持する構造としたものである。
すなわち、図9において、ブロック状の上・下部多孔質体51、52の本体部51a、52aの厚さ、換言すれば、x方向の長さは、それぞれ、電池缶1の幅狭側面1cの内面と捲回電極群3の一側面または他側面の間隙L1と同等程度に設定されている。従って、上・下部多孔質体51、52の本体部51a、52aは、電池缶1の幅狭側面1cの内面と捲回電極群3の一側面または他側面との間に挟持されている。
電解液が捲回電極群3の内部に流入するには、図4に図示されるように、電池缶1の缶底側からC1〜C2の方向に多孔質体50を通過する。このとき、電解液に混入されている金属の微粉等の導電性の異物は捕集される。これにより、捲回電極群3の表面等に付着している異物が捲回電極群3の内部に混入するのを抑制することができる。
実施形態3においても、実施形態2と同様な効果を奏する。加えて、実施形態3では、上・下部多孔質体51、52を捲回電極群3の側面と電池缶1の内面との間に挟持するだけで固定することができる。これにより、上・下部多孔質体51、52を捲回電極群3に接着する作業を不要とすることができ、実施形態2よりもさらに作業効率を向上することができる。
図10は、本発明の実施形態4としての二次電池を正面から観た断面図である。
実施形態4が実施形態3と異なる点は、下部多孔質体52に替えて、底部多孔質体53を用いた点である。
なお、実施形態1〜3と同様な部材には同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
一対の上部多孔質体51は、実施形態2、3と同様な部材である。つまり、上部多孔質体51は、捲回電極群3の側面に密着し、また、捲回電極群3の湾曲部3aの外周側縁に密着する、L字断面形状を有する部材である。上部多孔質体51は、捲回電極群3の湾曲部3aに形成されている開口部61a(図2参照)とその外周領域を覆っている。
なお、実施形態4において、底部多孔質体53と一対の上部多孔質体51とを一体化して1つの部材としてもよい。
以下では、本発明の蓄電素子を円筒形二次電池に適用した場合として例示する。
図11は、本発明の蓄電素子を円筒形二次電池として例示する実施形態5の断面図である。
円筒形二次電池200は、底部を有し、上部が開口された円筒形の電池缶202および電池缶202の上部を封口するハット型の電池蓋203で構成される電池容器204を有する。電池容器204の内部には、以下に説明する発電用の各構成部材が収容され、非水電解液205が注入されている。
なお、図示はしないが、正極タブ216は、正極電極211の基材である正極金属箔の一側縁から延在されている。
負極集電リング221の外周筒部221cの外周には、負極電極212の負極タブ217および押え部材222が溶接されている。多数の負極タブ217を、負極集電リング221の外周筒部221cの外周に密着させておき、負極タブ217の外周に押え部材222をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。負極集電リング221の基部221aには、接続リード板250が、抵抗溶接、或いはレーザ溶接等により接合されている。
なお、図示はしないが、負極タブ217は、負極電極212の基材である負極金属箔の他側縁から延在されている。負極金属箔の他側縁は、正極電極箔の一側縁と反対側の側縁である。
発電ユニット220には、後述する上・下部側多孔質体54、55が、さらに、含まれる。電池缶202の内部には、非水電解液205が所定量注入されている。非水電解液205の一例として、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液が上げられる。
図12(A)に図示されるように、上部側多孔質体54は、外周側多孔質体54Aと、内周側多孔質体54Bとを有する。
外周側多孔質体54Aは、リング形状を有し、正極集電リング227の外周側において、電池缶202の溝202aと捲回電極群206の上面との間の空間内に配置されている。外周側多孔質体54Aは、内周側が押え部材228に密着し、外周側が電池缶202の内周面に密着し、下面側が捲回電極群206の上面に密着している。
内周側多孔質体54Bは、外周側多孔質体54Aの内周側に配置されている。内周側多孔質体54Bは、内周側が軸芯215の外周面に密着し、外周側が外周側多孔質体54Aの内周面に接するリング状に形成されている。内周側多孔質体54Bは、正極集電リング227の基部227aと捲回電極群206の上面との間に配置されており、下面側は捲回電極群206の上面に密着している。
外周側多孔質体55Aは、リング形状を有し、負極集電リング221の外周側において、電池缶202の底面202c内面と捲回電極群206の下面との間の空間内に配置されている。外周側多孔質体55Aは、内周側が押え部材222に密着し、外周側が電池缶202の内周面に密着し、上面側が捲回電極群206の下面に密着している。
内周側多孔質体55Bは、外周側多孔質体55Aの内周側に配置されている。内周側多孔質体55Bは、内周側が軸芯215の外周面に接し、外周側が外周側多孔質体55Aの内周面に接するリング状に形成されている。内周側多孔質体55Bは、負極集電リング221の基部221aと捲回電極群206の下面との間に配置されており、上面側は捲回電極群206の下面に密着している。
従って、実施形態5においても、実施形態1と同様な効果を奏する。
図13は、本発明の実施形態6としての二次電池を示し、図13(A)は、図11の電池蓋側の詳細図であり、図13(B)は、図11の電池缶の底部側の詳細図である。
実施形態6は、実施形態5における上・下部多孔質体54、55を、それぞれ、外周側多孔質体54A、55Aのみで構成した構造を有する。つまり、実施形態6では、実施形態5における上・下部多孔質体54、55の内周側多孔質体54B、55Bを備えていない。
正・負極タブ216、217を、押え部材228、222を用いて正・負極集電リング227、221の外周筒部227c、221cに溶接する際には、スパッタによる金属異物が発生し易い。また、電池缶202に溝202aを形成するための加工を施す際には、電池缶202の内面に形成されためっきが剥離して金属異物が発生し易い。
実施形態6における他の構造は、実施形態5と同様である。
9 注液口
32 負極電極
32c 負極金属箔露出部
33 セパレータ
34 正極電極
34c 正極金属箔露出部
35 セパレータ
50 多孔質体
51 上部多孔質体
52 下部多孔質体
53 底部多孔質体
53a 本体部
54 上部側多孔質体
54A 外周側多孔質体
54B 内周側多孔質体
55 下部側多孔質体
55A 外周側多孔質体
55B 内周側多孔質体
61 側端面
61a 開口部
100 二次電池
200 円筒形二次電池
202 電池缶
205 非水電解液
206 捲回電極群
211 正極電極
212 負極電極
213 セパレータ
221 負極集電リング
227 正極集電リング
Claims (8)
- 長手方向に一側縁および他側縁をそれぞれ有する正極電極、セパレータおよび負極電極が積層されて捲回され、前記正極電極、前記セパレータおよび前記負極電極の前記各一側縁が積層された一側面、および前記正極電極、前記セパレータおよび前記負極電極の前記各他側縁が積層された他側面を有する捲回電極群と、
前記捲回電極群が収容され、電解液が注入された電池容器とを備え、
前記捲回電極群の前記一側面および前記他側面への前記電解液の流入経路の少なくとも一部を覆ってブロック状の多孔質体が設けられている蓄電素子。 - 請求項1に記載の蓄電素子において、
前記多孔質体は前記電解液の流入経路を形成する気泡を有し、前記多孔質体の流入経路の距離は、前記多孔質体の厚さよりも大きい蓄電素子。 - 請求項1に記載の蓄電素子において、
前記捲回電極群は、前記正極電極の前記一側縁および前記負極電極の前記他側縁のそれぞれが前記セパレータから露出する箔露出部を有するように積層され、前記正極電極、前記セパレータおよび前記負極電極は捲回軸方向に直交する方向の両端に湾曲部を有するように捲回されており、
前記正極電極および前記負極電極のそれぞれには、少なくとも前記各湾曲部の中央に電極箔隙間が形成され、
前記各湾曲部の前記一側面および前記他側面には前記電極箔隙間を外部に連通する開口部が設けられ、
前記多孔質体は、前記各湾曲部の前記開口部を覆う一対を含む蓄電素子。 - 請求項3に記載の蓄電素子において、
前記一対の多孔質体は、それぞれ、前記電池容器の内面と前記捲回電極群の前記湾曲部の側端面との間に挟持されている蓄電素子。 - 請求項3に記載の蓄電素子において、
前記一対の多孔質体は、前記捲回電極群の前記湾曲部の前記一側面または前記他側面と、前記捲回電極群の前記湾曲部の外周面とに、それぞれ密着している蓄電素子。 - 請求項3乃至5のいずれか一項に記載の蓄電素子において、
前記捲回電極群と前記電池容器の底面との間に空間が形成されており、
前記空間に別の多孔質体が設けられている蓄電素子。 - 請求項1に記載の蓄電素子において、
前記捲回電極群は、中央部に軸芯を有する円筒形に形成され、
さらに、前記正極電極に電気的に接続される正極集電リングと、前記負極電極に電気的に接続される負極集電リングとを有し、
前記多孔質体は、前記正極集電リングの外周側と前記捲回電極群の前記一側面との間に設けられた第1の多孔質体と、前記負極集電リングの外周側と前記捲回電極群の前記他側面との間に設けられた第2の多孔質体とを備える蓄電素子。 - 請求項7に記載の蓄電素子において、
さらに、前記第1の多孔質体の内側に前記捲回電極群の前記一側面を覆って配置された第3の多孔質体、または前記第2の多孔質体の内側に前記捲回電極群の前記他側面を覆って配置された第4の多孔質体の少なくとも一方を備える蓄電素子。
Priority Applications (1)
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