JP2017091623A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極体が適切量の電解液を保持し、且つ、該電極体の周辺に余分な電解液が実質的に存在していない二次電池であって、高容量かつコンパクトな二次電池を提供する。【解決手段】本発明によって提供される二次電池は、捲回電極体２０と、電解液とを備える。上記捲回電極体２０は、捲回軸方向の両端に該捲回電極体２０の厚み方向に沿って圧縮された凹部を有し、上記捲回電極体２０の凹部には、上記電解液のうち上記電極体２０に含浸されずに残った余分な電解液を収容する電解液収容部材８０が配置されている。そして、上記電解液収容部材８０には、該電解液収容部材内８０に収容された電解液を電極体内に供給する電解液供給部材８２が、捲回電極体２０のうちの捲回軸に直交する面に接するように備えられている。【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池に関する。

リチウム二次電池等の二次電池は、近年、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。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池（リチウムイオン二次電池）は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられている。

かかる二次電池として、正極および負極を有する電極体と、電解液とを外装体（電池ケース）内に備えた態様の電池が知られている。
上記電解液（例えば非水電解液）は、二次電池の充放電時において、電荷担体が正極および負極の間を移動するための媒体として機能する。このため、より優れた電池性能を発揮するためには、適切量の電解液が電極体に含浸されていることが要求される。

特開２０１３−０８４４８３号公報

電池の外装体（電池ケース）内に存在する電解液の量が少なすぎる場合には、電極体内に含浸する電解液が不足してしまい、電解液が不足した部分（液枯れが生じた部分）で内部抵抗が増大してしまう虞がある。一方で、電池の外装体（電池ケース）内に存在する電解液の量が多すぎる場合には、電解液中の電荷担体が電極体の外部に存在する電解液（余剰電解液）中に流出してしまい電極体内の電荷担体濃度が低下する、或いは、電極体のうち余剰電解液（電極体の外部に存在する電解液）に接する部分に該余剰電解液中の電荷担体が供給されて電荷担体濃度が上昇するなどの現象が生じ、電極体内の電荷担体濃度にムラが生じてしまう虞がある。かかる電極体内における電荷担体の濃度ムラは、内部抵抗の上昇や電荷担体由来の金属析出等の原因になり得るため好ましくない。このため、特許文献１には、電極体内に含浸されずに残った余剰の電解液を吸収する電解液吸収部材を電池の外装体（電池ケース）内に配置することで、当該外装体内の電解液量を適切な範囲に調整する技術が記載されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、電池の外装体（電池ケース）内に上記電解液吸収部材を配置するためのスペースを確保する必要がある。このため、上記特許文献１に記載の技術によると、電池容量を減少させる（電極体の体積を小さくする）、或いは、上記外装体の容積を増大する（電池の体積を大きくする）必要があり、高容量かつコンパクトな電池を実現することが困難であった。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極体が適切な量の電解液を保持しており且つ該電極体の周辺に余分な電解液が実質的に存在していない二次電池であって、高容量かつコンパクトな電池を提供することである。

上記目的を実現すべく、本発明により、捲回電極体と、電解液とを備える二次電池であって、かかる捲回電極体は、捲回軸方向の両端に該捲回電極体の厚み方向に沿って圧縮された凹部を有し、該捲回電極体の凹部には、上記電解液のうち上記電極体に含浸されずに残った余分な電解液を収容する電解液収容部材が配置された二次電池が提供される。そして、上記電解液収容部材には、該電解液収容部材内に収容された電解液を電極体内に供給する電解液供給部材が、捲回電極体のうちの捲回軸に直交する面に接するように備えられている。

かかる構成の電池によると、捲回電極体が保持することができる電解液量よりも多い量の電解液が電池ケース内に注入された場合であっても、余分な電解液を電解液収容部材に収容することができる。また、上記の構成によると、電極体内の電解液量が不足した場合には、電解液収容部材中の電解液を該電解液供給部材を介して電極体内に供給し得る。即ち、電極体内の電解液が不足することを低減することができる。このため、上記の構成の電池によると、電極体には十分な量（適切な量）の電解液が保持され、且つ、該電極体の周辺に余分な電解液が実質的に存在しない二次電池を提供し得る。
また、上記の構成の電池によると、電極体の凹部に上記電解液収容部材を配置することで、電池の外装体（電池ケース）の容積を増大することなく、当該外装体内に上記電解液収容部材を収容することができる。即ち、電池の外装体（電池ケース）内に上記電解液吸収部材を配置するために、電池容量を減少させる必要、或いは、電池の体積を大きくする必要がない。
なお、本明細書において「余分な電解液が実質的に存在しない」とは、本発明の効果を奏する上で問題とならないような微量な（例えば１ｃｍ^３程度の）電解液が残存することを許容する。

一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図である。 一実施形態に係る捲回電極体の構成を示す斜視図である。 一実施形態に係る電解液収容部材の構成と、該電解液収容部材と捲回電極体との関係を模式的に示す斜視図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。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本発明の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、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な電池一般をいい、リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、ニッケル水素二次電池等のいわゆる化学電池ならびに電気二重層キャパシタ等の物理電池を包含する用語である。また、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電荷担体（支持塩、支持電解質）としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンの移動により充放電する二次電池をいう。

ここで開示される二次電池は、電極体の凹部に電解液収容部材を備える他は、従来の二次電池と同様の構成の電池であり得る。特に限定することを意図したものではないが、ここで開示される二次電池として、図１および図２に示すリチウム二次電池１００を主な例として本発明を詳細に説明する。

本実施形態に係るリチウム二次電池１００は、図１および図２に示すように、扁平形状の捲回電極体２０が、図示しない液状電解質（電解液）とともに、捲回電極体２０の形状に対応する扁平な角形状の電池ケース（即ち外装容器）３０に収容されて構成される電池である。

電池ケース３０は、一端（電池の通常の使用状態における上端部に相当する。）に開口部を有する箱形（すなわち有底直方体状）のケース本体３２と、該ケース本体３２の開口部を封止する蓋体３４とから構成される。本実施形態では、上記ケース本体３２は、電池の通常の使用時において底となる底面と、１対の幅広な側面（幅広側面）と、１対の幅狭側面とから構成される。電池ケース３０の材質としては、軽量で熱伝導性の良い金属材料（例えばアルミニウム）が好ましく用いられ得る。また、図１および図２に示すように、蓋体３４には外部接続用の正極端子４２および負極端子４４が設けられている。また、蓋体３４には、電解液（典型的には非水電解液）を電池ケース３０内に注入するための注入口３８が設けられており、該注入口３８は封止部材３９により封止されている。また、蓋体３４には、電池ケース３０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された安全弁３６が設けられている。

捲回電極体２０は、図２に示すように、長尺状の正極５０と、長尺状の負極６０とを、２枚の長尺状のセパレータ７０を介して積層して（重ね合わせて）長手方向に捲回されている。かかる扁平形状の捲回電極体２０は、例えば正極５０、負極６０およびセパレータ７０を積層して捲回した後で、当該捲回体を捲回軸に対して直交する一の方向に（典型的には側面方向から）押しつぶして（プレスして）拉げさせることによって成形することができる。

上記正極５０は、長尺状の正極集電体５２と、該正極集電体５２の片面または両面（ここでは両面）に長手方向に沿って形成された少なくとも正極活物質を含む正極活物質層５４とを備える。上記正極集電体５２としては、例えばアルミニウム箔等を好適に使用し得る。
上記正極活物質としては、例えば層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４等）が挙げられる。なお、正極活物質層５４は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。導電材としては、アセチレンブラック（ＡＢ）等のカーボンブラックやその他（グラファイト等）の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、ＰＶｄＦ等を使用し得る。

上記負極６０は、長尺状の負極集電体６２と、該負極集電体６２の片面または両面（ここでは両面）に長手方向に沿って形成された少なくとも負極活物質を含む負極活物質層６４とを備える。上記負極集電体６２としては、例えば銅箔等を好適に使用し得る。
負極活物質としては、例えば、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を有する炭素材料、リチウム遷移金属窒化物等が挙げられる。いわゆる黒鉛質のもの（グラファイト）、難黒鉛化炭素質のもの（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素質のもの（ソフトカーボン）、これらを組み合わせた構造を有するもの等の炭素材料を好適に使用し得る。なかでも特に、天然黒鉛等のグラファイト粒子を好ましく使用することができる。また、負極活物質層６４は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。バインダとしては、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等を使用し得る。

セパレータ７０としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポ
リエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔性シート（フィルム）が挙げ
られる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造（例えば
、ＰＥ層の両面にＰＰ層が積層された三層構造）であってもよい。

特に限定するものではないが、本実施態様において、上記正極５０は、正極集電体５２の幅方向片側の縁部に沿って正極活物質層５４が形成されずに正極集電体５２が露出した正極集電体露出端部５３が設定される。また、上記負極６０も同様に、負極集電体６２の幅方向片側の縁部に沿って負極活物質層６４が形成されずに負極集電体６２が露出した負極集電体露出端部６３が設定される。そして、図２に示すように、上記捲回電極体２０は、上記正極集電体露出端部５３と上記負極集電体露出端部６３とが捲回軸方向の両端から外方にはみ出すように重ねあわされて捲回されたものであり得る。その結果、捲回電極体２０の捲回軸方向の中央部には、正極５０と負極６０とセパレータ７０とが積層されて捲回された捲回コアが形成される。

セパレータ７０の両側において、正極集電体露出端部５３および負極集電体露出端部６３はらせん状に露出している。図３に示すように、負極集電体露出端部６３は、電極体の積層方向（ここでは捲回電極体２０の厚さ方向）に圧縮された（寄せ集められた）凹部６３ａを有する。また、正極集電体露出端部５３も同様に、電極体の積層方向（ここでは捲回電極体２０の厚さ方向）に圧縮された（寄せ集められた）凹部を有する。

なお、図２に示すように、正極集電体露出端部５３には正極集電端子４２ａ（例えばアルミニウム製）が付設されており、上述の正極端子４２と電気的に接続されている。また、図２に示すように、負極集電体露出端部６３には負極集電端子４４ａ（例えばニッケル製）が付設されており、上述の負極端子４４と電気的に接続されている。なお、正負極集電端子４２ａ，４４ａと正負極集電体露出端部５３、６３（典型的には正負極集電体５２，６２）とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。典型的には、図３に示すように、負極集電端子４４ａと負極集電体露出端部６３とは、負極集電体露出端部６３に形成された凹部６３ａにおいて接合（ここでは溶接）されている。図３は、本実施形態にかかる捲回電極体について、負極集電端子４４ａが付設された負極集電体露出端部６３を模式的に示す図である。また、正極集電端子４２ａと正極集電体露出端部５３も同様に、正極集電体露出端部５３に形成された凹部において（ここでは溶接）されている。

ここで開示する二次電池は、図４に示すように、上記捲回電極体２０の凹部に、電極体に含浸されずに残った余分な電解液を収容する電解液収容部材８０を備える。図４は、本実施形態に係る電解液収容部材８０の構成と、当該電解液収容部材８０と上記捲回電極体２０との関係を模式的に示した図である。本実施形態に係る二次電池は、電解液収容部材８０と捲回電極体２０とが図４に示す位置関係で電池ケース３０内に収容されたものであり得る。
なお。上記電解液収容部材８０は、上記負極集電体露出端部６３に形成された凹部６３ａおよび上記正極集電体露出端部５３に形成された凹部のいずれに配置されてもよいが、ここでは負極集電体露出端部６３に形成された凹部６３ａに上記電解液収容部材８０を備える場合を例にして説明する。

上記電解液収容部材８０の形状は、捲回電極体２０の凹部に配置され得る形状であればよい。コンパクトな二次電池を提供する観点からは、捲回電極体２０とともに電池ケース３０内に収容された状態で、該捲回電極体２０と比べて、電極体２０の厚み方向に上記電解液収容部材８０が突出しない形状が好ましい。

上記電解液収容部材８０は、該電解液収容部材８０内に収容された電解液を捲回電極体２０内に供給し得る電解液供給部材８２を備える。かかる電解液供給部材８２は、電解液収容部材８０内に収容された電解液を吸収し（吸い上げ）、保持し得る。
かかる電解液供給部材８２は、図４に示すように、捲回電極体２０のうちの捲回軸に直交する面に接するように配置されている。即ち、負極（または正極）が積層された層により形成された面に上記電解液供給部材８２が接するように配置される。電解液供給部材８２をこのように配置することで、捲回電極体２０内の電解液量が不足した場合には、電解液収容部材８０内に収容された電解液を、毛細管現象を利用して捲回電極体２０内に供給することができる。
電解液供給部材８２は、該電解液収容部材８０内の電解液を捲回電極体２０に供給可能である限りにおいて、特に限定されない。例えば、電解液を吸収（保持）し得る多孔質体であり得る。電解液収容部材８０内の電解液を吸い上げて捲回電極体２０に供給する観点からは、吸水度（ここではクレム法、ＪＩＳ８１４１−２００４の規定に準ずる）が５ｃｍを超える形態が好ましい。
かかる電解液供給部材８２は、電解液に対する耐性を有する（電解液によって変性、溶解し難い）材質からなり、電気絶縁性の材質から形成されることが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、セルロース等であり得る。

好適な一態様では、上記電解液収容部材８０は、該電解液収容部材８０の内部に電解液を収容する形態であって、捲回電極体２０内に含浸されずに余った電解液が該電解液収容部材８０内へと移動することを許容する移動連絡口８４を有した形態であり得る。かかる移動連絡口８４は電池ケース３０に設けられた注入口３８から注入される電解液が該移動連絡口８４に直接流入しない位置および方向に形成されていることが好ましい。好ましくは、電池ケースに設けられた電解液注入用の注入口３８と捲回電極体２０とを結ぶ直線状の電解液流入経路を避けた位置および方向に上記移動連絡口が形成されるように、上記電解液収容部材８０を配置することが好ましい。例えば、電解液収容部材８０の上端に開口を有し、該開口が上記移動連絡口８４として機能するものであり得る。
かかる電解液収容部材８０は、電気絶縁性の材質から形成されることが好ましい。電気絶縁性の材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルファイド等が挙げられる。

また、好ましい一態様では、上記電解液収容部材８０の内部に、電解液を吸収し得る電解液吸収材を備えていてもよい。かかる電解液吸収材を備えることで、電解液収容部材８０の内部に、電解液を安定して保持することができる。
上記電解液吸収材は、電解液を吸収し得る限りにおいて、制限されない。例えば、ポリマー材料からなる多孔質体、電解液を吸収してゲル状となる高分子吸収体等が挙げられる。ポリマー材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸メチル、ポリビニルアルコール等が挙げられる。また、多孔体の形状は特に制限されず、例えば、粉状、ペレット状、粒状、タブレット状又は繊維状等が挙げられる。

なお、電解液としては、例えば有機溶媒（非水溶媒）中に支持塩を含有させたもの（典型的には非水電解液）を用いることができる。
非水溶媒の好適例としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等のうちの１種を単独で、あるいは２種以上を適宜組み合わせて（例えばＥＣとＥＭＣとＤＭＣとを３：４：３の体積比で含む混合溶媒）用いることができる。支持塩としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４等のリチウム塩（好ましくはＬｉＰＦ_６）を用いることができる。支持塩の濃度は、例えば０．７ｍｏｌ／Ｌ以上１．３ｍｏｌ／Ｌ以下（好ましくは凡そ１．１ｍｏｌ／Ｌ）である。

かかる構成の二次電池１００は、例えば以下の方法によって、捲回電極体２０に含浸されずに残った余分な電解液（余剰電解液）を上記電解液収容部材８０に収容することができる。
まず、電池ケース３０内に電解液を注入し、捲回電極体２０内に電解液を含浸させる。本実施形態では、電池ケース３０（ここでは蓋体３４）に設けた注入口３８から電解液を注入する。電解液の注入量は、電解液が不足することなく捲回電極体２０の全体に電解液が含浸（保持）される量に適宜設定すればよい。そして、所定量の電解液が注入された電池ケース３０の注入口３８を封止部材３９で封止する。この時点で、電池ケース３０内には、注入された電解液のうち捲回電極体２０に含浸されずに残った余分な電解液が電解液収容部材８０に収容されることなく存在し得る。
次いで、電解液収容部材８０が配置された側の幅狭側面が底となるように、電池ケース３０を回転させる。これにより、余剰電解液を、電解液収容部材８０の移動連絡口８４を介して電解液収容部材８０の内部に収容し得る。電解液収容部材８０の内部に収容された電解液は、上記電解液供給部材８２および電解液吸収部材に吸収（保持）される。

以上、本発明の一実施形態について詳細に説明したが、かかる実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

ここに開示される技術によると、上述のとおり、電極体が適切な量の電解液を保持しており且つ該電極体の周辺に余分な電解液が実質的に存在していない二次電池であって、高容量かつコンパクトな電池（例えばリチウム二次電池）を提供することができる。したがって、ここに開示される電池は、例えば、自動車等の車両に搭載される駆動用電源として好適に用いることができる。特にプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、等の駆動用電源として好適である。また、本発明によれば、ここに開示される電池（例えばリチウム二次電池）を、好ましくは動力源（典型的には複数個の二次電池が相互に電気的に接続されてなる組電池）として備えた車両が提供される。

２０ 捲回電極体
３０ 電池ケース
３２ 電池ケース本体
３４ 蓋体
３６ 安全弁
３８ 注入口
３９ 封止部材
４２ 正極端子
４２ａ 正極集電板
４４ 負極端子
４４ａ 負極集電板
５０ 正極
５２ 正極集電体
５３ 正極集電体露出端部
５４ 正極活物質層
６０ 負極
６２ 負極集電体
６３ 負極集電体露出端部
６３ａ 凹部
６４ 負極活物質層
７０ セパレータ
８０ 電解液収容部材
８２ 電解液供給部材
８４ 移動連絡口
１００ 二次電池（リチウム二次電池）

Claims (1)

1. 捲回電極体と、電解液とを備える二次電池であって、
   前記捲回電極体は、捲回軸方向の両端に該捲回電極体の厚み方向に沿って圧縮された凹部を有し、
   前記捲回電極体の凹部には、前記電解液のうち前記電極体に含浸されずに残った余分な電解液を収容する電解液収容部材が配置されており、
   前記電解液収容部材には、該電解液収容部材内に収容された電解液を電極体内に供給する電解液供給部材が、捲回電極体のうちの捲回軸に直交する面に接するように備えられている、二次電池。
   

Images