JP2017157342A - 蓄電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】組み立て時におけるスペーサの変形や破損を抑制しつつ、電極体にかかる物理的な負荷の均一化を図る。【解決手段】蓄電素子１０は、極板が巻回されてなる電極体４００と、電極体４００を収容する容器１００と、容器１００と電極体４００との間に介在するスペーサ（サイドスペーサ７００）とを備える。容器１００は、電極体４００及びスペーサが挿入される開口１１２を有する。スペーサは、開口１１２に対する挿入方向に沿って延在して電極体４００の一側部を覆う壁部７１０と、壁部７１０から是挿入方向に交差する方向に延在する板部（天板７２１）とを備える。板部には、壁部７１０とは反対側が開放したスリット（第一スリット７２４）が形成されている。【選択図】図２
Description
本発明は、蓄電素子に関する。
従来、蓄電素子においては、電極体がスペーサを介して容器に収容された蓄電素子が知られている（例えば特許文献１参照）。
ここで、組み立て時には、電極体に対してスペーサを取り付けた状態で、容器に押し込むことになるが、この押し込み時にスペーサに対して大きな負荷がかかり、スペーサが変形や破損してしまう場合があった。このため、スペーサ全体の剛性を高めることが検討されている。しかし、蓄電素子の使用時においては、電極体が膨張・収縮を繰り返すが、スペーサ全体の剛性が高められていると、スペーサが電極体の膨張を制約してしまう。これにより、電極体の一部に物理的な負荷が集中して、電極体を破損させるおそれがあった。
このため、本発明の課題は、組み立て時におけるスペーサの変形や破損を抑制しつつ、電極体にかかる物理的な負荷の均一化を図ることである。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、極板が巻回されてなる電極体と、電極体を収容する容器と、容器と電極体との間に介在するスペーサとを備え、容器は、電極体及びスペーサが挿入される開口を有し、スペーサは、開口に対する挿入方向に沿って延在して電極体の一側部を覆う壁部と、壁部から挿入方向に交差する方向に延在する板部とを備え、板部には、壁部とは反対側が開放したスリットが形成されている。
この構成によれば、壁部から挿入方向に交差する方向に延在する板部が備えられているので、電極体及びスペーサを容器内に挿入するときに壁部が変形してしまうことを板部により抑制することができる。これにより、挿入時におけるスペーサの変形や破損を抑制することができる。
また、板部にスリットが形成されているので、電極体の膨張・収縮に追従して壁部も変形しやすくなる。これにより、電極体に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
また、板部は、壁部における開口側の一端部に設けられ、電極体における巻回軸方向の前記開口側の一端部を覆う天板であってもよい。
この構成によれば、板部として天板を備えるスペーサであっても、挿入時におけるスペーサの変形や破損を抑制しつつ、電極体に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
また、板部は、壁部における他端部に設けられ、電極体の他端部を覆う底板であってもよい。
この構成によれば、板部として底板を備えるスペーサであっても、挿入時におけるスペーサの変形や破損を抑制しつつ、電極体に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
また、板部は、一対設けられており、一方の板部は、壁部における開口側の一端部に設けられ、電極体における巻回軸方向の開口側の一端部を覆う天板であり、他方の板部は、壁部における他端部に設けられ、電極体の他端部を覆う底板であってもよい。
この構成によれば、板部として天板及び底板を備えるスペーサであっても、挿入時におけるスペーサの変形や破損を抑制しつつ、電極体に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
また、スリットは、壁部まで延在していてもよい。
この構成によれば、スリットが壁部まで延在しているので、天板による壁部の変形の制約をより少なくすることができ、電極体に作用する物理的な負荷をより均一化することができる。
また、スペーサの壁部は、容器内部の隣り合う一対の角部にそれぞれ対向する一対の角部領域と、一対の角部領域に挟まれ、角部領域よりも薄い中央領域とを備え、スリットは、中央領域に対向する位置に形成されていてもよい。
この構成によれば、スペーサの壁部の薄い部分である中央領域に対向してスリットが形成されているので、天板による壁部の変形の制約をさらに少なくすることができる。
本発明によれば、組み立て時におけるスペーサの変形や破損を抑制しつつ、電極体にかかる物理的な負荷の均一化を図ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態における蓄電素子について説明する。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
また、以下で説明する実施の形態は、本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程の順序などは一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
まず、図１〜図３を用いて、実施の形態における蓄電素子１０の全般的な説明を行う。
図１は、実施の形態に係る蓄電素子１０の外観を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る蓄電素子１０の分解斜視図である。図３は、実施の形態に係る蓋構造体１８０の分解斜視図である。
また、図１及び以降の図について、説明の便宜のため、Ｚ軸方向を上下方向として説明しているが、実際の使用態様において、Ｚ軸方向と上下方向とが一致しない場合もある。
蓄電素子１０は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池である。具体的には、蓄電素子１０は、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。蓄電素子１０は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）またはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等に適用される。なお、蓄電素子１０は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。
図１に示すように、蓄電素子１０は、容器１００と、正極端子２００と、負極端子３００とを備えている。また、図２に示すように、容器１００内方には電極体４００が収容されており、電極体４００の上方に、蓋構造体１８０が配置されている。
蓋構造体１８０は、容器１００の蓋板１１０、集電体、及び、絶縁部材を有する。具体的には、蓋構造体１８０は、上記集電体として、電極体４００の正極側のタブ部４１０と電気的に接続された正極集電体１４０を有している。同様に、蓋構造体１８０は、上記集電体として、電極体４００の負極側のタブ部４２０と電気的に接続された負極集電体１５０を有している。
また、蓋構造体１８０は、上記絶縁部材として、蓋板１１０と正極集電体１４０との間に配置された下部絶縁部材１２０を有している。同様に、蓋構造体１８０は、上記絶縁部材として、蓋板１１０と負極集電体１５０との間に配置された下部絶縁部材１３０とを有している。
本実施の形態に係る蓋構造体１８０はさらに、正極端子２００、負極端子３００、上部絶縁部材１２５、及び、上部絶縁部材１３５を有している。
上部絶縁部材１２５は、蓋板１１０と正極端子２００との間に配置されている。上部絶縁部材１３５は、蓋板１１０と負極端子３００との間に配置されている。
上記構成を有する蓋構造体１８０と、電極体４００との間には、上部スペーサ５００と緩衝シート６００とが配置されている。
上部スペーサ５００は、電極体４００の、タブ部４１０及び４２０が設けられた側と蓋板１１０との間に配置される。具体的には、上部スペーサ５００は全体として平板状であり、かつ、タブ部４１０及び４２０が挿入される２つの挿入部５２０を有している。本実施の形態では、挿入部５２０は、上部スペーサ５００において切り欠き状に設けられている。上部スペーサ５００は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）または、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等の絶縁性を有する素材によって形成されている。
上部スペーサ５００は、例えば、電極体４００の上方（蓋板１１０の方向）への移動を直接的もしくは間接的に規制する部材、または、蓋構造体１８０と電極体４００との間における短絡を防止する部材として機能する。
緩衝シート６００は、発泡ポリエチレンなどの、柔軟性の高い多孔質の素材で形成されており、電極体４００と上部スペーサ５００との間の緩衝材として機能する部材である。
また、本実施の形態では、電極体４００の、電極体４００と蓋板１１０との並び方向（Ｚ軸方向）に交差する方向の側面（本実施の形態ではＸ軸方向の両側面）と、容器１００の内周面との間にサイドスペーサ７００が配置されている。サイドスペーサ７００は、例えば、電極体４００の位置を規制する役割を果たしている。サイドスペーサ７００は、例えば上部スペーサ５００と同様に、ＰＣ、ＰＰ、ＰＥ、またはＰＰＳ等の絶縁性を有する素材によって形成されている。
なお、蓄電素子１０は、図１〜図３に図示された要素に加え、電極体４００と容器１００（本体１１１）の底１１３との間に配置された緩衝シートなど、他の要素を備えてもよい。また、蓄電素子１０の容器１００の内部には電解液（非水電解質）が封入されているが、電解液の図示は省略する。
容器１００は、角型ケースであり、本体１１１と、蓋板１１０とを備える。本体１１１及び蓋板１１０の材質は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金など溶接可能な金属であるのが好ましい。
本体１１１は、上面視矩形状の筒体であり、一端部に開口１１２を備えるとともに、他端部に底１１３を備える。組み立て時において、容器１００の本体１１１には、開口１１２を介して、電極体４００とサイドスペーサ７００などが挿入される。この開口１１２に対して電極体４００とサイドスペーサ７００などが挿入される方向を挿入方向（Ｚ軸方向）とする。
本体１１１の内方には、電極体４００を覆う絶縁シート３５０が設けられている。絶縁シート３５０は、例えばＰＣ、ＰＰ、ＰＥ、またはＰＰＳ等の絶縁性を有する素材によって形成されている。絶縁シート３５０は、本体１１１の内周面に重ねられており、電極体４００と本体１１１との間に位置している。具体的には、絶縁シート３５０は、上面視で開口１１２の長辺をなす本体１１１の一対の内周面と、底１１３の内面とに重ねて配置されている。
本体１１１は、電極体４００、絶縁シート３５０等を内部に収容後、蓋板１１０が溶接等されることにより、内部が密封されている。
蓋板１１０は、本体１１１の開口１１２を閉塞する板状部材である。蓋板１１０には、図２及び図３に示されるように、ガス排出弁１７０、注液口１１７、貫通孔１１０ａ及び１１０ｂ、並びに、２つの膨出部１６０が形成されている。ガス排出弁１７０は、容器１００の内圧が上昇した場合に開放されることで、容器１００の内部のガスを放出する役割を有する。
注液口１１７は、蓄電素子１０の製造時に電解液を注液するための貫通孔である。また、蓋板１１０には、注液口１１７を塞ぐように、注液栓１１８が配置されている。つまり、蓄電素子１０の製造時に、注液口１１７から容器１００内に電解液を注入し、注液栓１１８を蓋板１１０に溶接して注液口１１７を塞ぐことで、電解液が容器１００内に収容される。
なお、容器１００に封入される電解液としては、蓄電素子１０の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく様々なものを選択することができる。
２つの膨出部１６０のそれぞれは、本実施の形態では、蓋板１１０の一部が膨出状に形成されていることで蓋板１１０に設けられており、例えば、上部絶縁部材１２５または１３５の位置決めに利用される。また、膨出部１６０の裏側には上方に凹状の部分である凹部（図示せず）が形成されており、凹部の一部に、下部絶縁部材１２０または１３０の係合突起１２０ｂまたは１３０ｂが係合する。これにより、下部絶縁部材１２０または１３０も位置決めされ、その状態で蓋板１１０に固定される。
上部絶縁部材１２５は、正極端子２００と蓋板１１０とを電気的に絶縁する部材である。下部絶縁部材１２０は、正極集電体１４０と蓋板１１０とを電気的に絶縁する部材である。上部絶縁部材１３５は、負極端子３００と蓋板１１０とを電気的に絶縁する部材である。下部絶縁部材１３０は、負極集電体１５０と蓋板１１０とを電気的に絶縁する部材である。上部絶縁部材１２５及び１３５は、例えば上部ガスケットと呼ばれる場合もあり、下部絶縁部材１２０及び１３０は、例えば下部ガスケットと呼ばれる場合もある。つまり、本実施の形態では、上部絶縁部材１２５及び１３５並びに下部絶縁部材１２０及び１３０は、電極端子（２００または３００）と容器１００との間を封止する機能も有している。
なお、上部絶縁部材１２５及び１３５、並びに、下部絶縁部材１２０及び１３０は、例えば上部スペーサ５００と同様に、ＰＣ、ＰＰ、ＰＥ、またはＰＰＳ等の絶縁性を有する素材によって形成されている。
図３に示すように、また、下部絶縁部材１３０の上面には、膨出部１６０に係合する係合突起１３０ｂが突出している。また、下部絶縁部材１３０の下面には凹部が形成されており、この凹部で負極集電体１５０を収容する。下部絶縁部材１３０の一端部には、負極集電体１５０の貫通孔１５０ａと連通する貫通孔１３０ａが形成されている。この貫通孔１３０ａ、１５０ａに対して、負極端子３００の締結部３１０が挿入される。
下部絶縁部材１２０の上面には、膨出部１６０に係合する係合突起１２０ｂが突出している。また、下部絶縁部材１２０の下面には凹部が形成されており、この凹部で正極集電体１４０を収容する。下部絶縁部材１２０の一端部には、正極集電体１４０の貫通孔１４０ａと連通する貫通孔１２０ａが形成されている。この貫通孔１２０ａ、１４０ａに対して、正極端子２００の締結部２１０が挿入される。また、下部絶縁部材１２０の、注液口１１７の直下に位置する部分には、注液口１１７から流入する電解液を電極体４００の方向に導く貫通孔１２６が設けられている。
図１〜図３に示すように、正極端子２００は、正極集電体１４０を介して、電極体４００の正極に電気的に接続された電極端子である。負極端子３００は、負極集電体１５０を介して、電極体４００の負極に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子２００及び負極端子３００は、電極体４００に蓄えられている電気を蓄電素子１０の外部空間に導出し、また、電極体４００に電気を蓄えるために蓄電素子１０の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。なお、正極端子２００及び負極端子３００は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属などで形成されている。
また、正極端子２００には、容器１００と正極集電体１４０とを締結する締結部２１０が設けられている。負極端子３００には、容器１００と負極集電体１５０とを締結する締結部３１０が設けられている。
締結部２１０は、正極端子２００から下方に延設された軸部材（リベット）であり、正極集電体１４０の貫通孔１４０ａに挿入されてかしめられる。具体的には、締結部２１０は、上部絶縁部材１２５の貫通孔１２５ａ、蓋板１１０の貫通孔１１０ａ、下部絶縁部材１２０の貫通孔１２０ａ、及び、正極集電体１４０の貫通孔１４０ａに挿入されてかしめられる。これにより、正極端子２００と正極集電体１４０とが電気的に接続され、正極集電体１４０は、正極端子２００、上部絶縁部材１２５及び下部絶縁部材１２０とともに、蓋板１１０に固定される。
締結部３１０は、負極端子３００から下方に延設された軸部材（リベット）であり、負極集電体１５０の貫通孔１５０ａに挿入されてかしめられる。具体的には、締結部３１０は、上部絶縁部材１３５の貫通孔１３５ａ、蓋板１１０の貫通孔１１０ｂ、下部絶縁部材１３０の貫通孔１３０ａ、及び、負極集電体１５０の貫通孔１５０ａに挿入されてかしめられる。これにより、負極端子３００と負極集電体１５０とが電気的に接続され、負極集電体１５０は、負極端子３００、上部絶縁部材１３５及び下部絶縁部材１３０とともに、蓋板１１０に固定される。
なお、締結部３１０は、負極端子３００との一体物として形成されていてもよく、負極端子３００とは別部品として作製された締結部３１０が、かしめまたは溶接などの手法によって負極端子３００に固定されていてもかまわない。また、締結部３１０は、銅または銅合金などの、負極端子３００と異なる材質の金属で形成されてもかまわない。締結部２１０と正極端子２００との関係についても同様である。
正極集電体１４０は、電極体４００と容器１００との間に配置され、電極体４００と正極端子２００とを電気的に接続する部材である。正極集電体１４０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属で形成されている。具体的には、正極集電体１４０は、電極体４００の正極側のタブ部４１０に電気的に接続されるとともに、正極端子２００の締結部２１０に電気的に接続されている。
負極集電体１５０は、電極体４００と容器１００との間に配置され、電極体４００と負極端子３００とを電気的に接続する部材である。負極集電体１５０は、銅または銅合金などの金属で形成されている。具体的には、負極集電体１５０は、電極体４００の負極側のタブ部４２０に電気的に接続されるとともに、負極端子３００の締結部３１０に電気的に接続されている。
次に、電極体４００の構成について、図４を用いて説明する。
図４は、実施の形態に係る電極体４００の構成を示す斜視図である。なお、図４では、電極体４００の巻回状態を一部展開して図示している。
電極体４００は、電気を蓄えることができる発電要素である。電極体４００は、正極４５０及び負極４６０と、セパレータ４７０ａ及び４７０ｂとが交互に積層されかつ巻回されることで形成されている。つまり、電極体４００は、正極４５０と、セパレータ４７０ａと、負極４６０と、セパレータ４７０ｂとがこの順に積層され、かつ、断面が長円形状になるように巻回されることで形成されている。
正極４５０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる長尺帯状の金属箔である正極基材層の表面に、正極活物質層が形成された極板である。なお、正極活物質層に用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、正極活物質として、ＬｉＭＰＯ４、ＬｉＭＳｉＯ４、ＬｉＭＢＯ３（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素）等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のスピネル化合物、ＬｉＭＯ２（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素）等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
負極４６０は、銅または銅合金などからなる長尺帯状の金属箔である負極基材層の表面に、負極活物質層が形成された極板である。なお、負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、負極活物質として、リチウム金属、リチウム合金（リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金）の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料（例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等）、金属酸化物、リチウム金属酸化物（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等）、ポリリン酸化合物などが挙げられる。
セパレータ４７０ａ及び４７０ｂは、樹脂からなる微多孔性のシートである。なお、蓄電素子１０に用いられるセパレータ４７０ａ及び４７０ｂの素材としては、蓄電素子１０の性能を損なうものでなければ適宜公知の材料を使用できる。
正極４５０は、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の突出部４１１を有する。負極４６０も同様に、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の突出部４２１を有する。これら、複数の突出部４１１及び複数の突出部４２１は、活物質が塗工されず基材層が露出した部分（活物質未塗工部）である。
なお、巻回軸とは、正極４５０及び負極４６０等を巻回する際の中心軸となる仮想的な軸であり、本実施の形態では、電極体４００の中心を通るＺ軸方向に平行な直線である。
複数の突出部４１１と複数の突出部４２１とは、巻回軸方向の同一側の端（図４におけるＺ軸方向プラス側の端）に配置され、正極４５０及び負極４６０が積層されることにより、電極体４００の所定の位置で積層される。具体的には、複数の突出部４１１は、正極４５０が巻回によって積層されることにより、巻回軸方向の一端において周方向の所定の位置で積層される。また、複数の突出部４２１は、負極４６０が巻回によって積層されることにより、巻回軸方向の一端において、複数の突出部４１１が積層される位置とは異なる周方向の所定の位置で積層される。
その結果、電極体４００には、複数の突出部４１１が積層されることで形成されたタブ部４１０と、複数の突出部４２１が積層されることで形成されたタブ部４２０とが形成される。タブ部４１０は、例えば積層方向の中央に向かって寄せ集められて、正極集電体１４０と、例えば超音波溶接によって接合される。また、タブ部４２０は、例えば積層方向の中央に向かって寄せ集められて、負極集電体１５０と、例えば超音波溶接によって接合される。
なお、タブ部（４１０、４２０）は、電極体４００において、電気の導入及び導出を行う部分であり、「リード（部）」、「集電部」等の他の名称が付される場合もある。
ここで、タブ部４１０は、基材層が露出した部分である突出部４１１が積層されることで形成されているため、発電に寄与しない部分となる。同様に、タブ部４２０は、基材層が露出した部分である突出部４２１が積層されることで形成されているため、発電に寄与しない部分となる。一方、電極体４００のタブ部４１０及び４２０と異なる部分は、基材層に活物質が塗工された部分が積層されることで形成されているため、発電に寄与する部分となる。以降、当該部分を本体部４３０と称する。本体部４３０のＸ軸方向における両端部は、その外周面が湾曲した湾曲部４３１及び４３２となる。また、電極体４００における湾曲部４３１及び４３２の間の部分は、外側面が平坦な平坦部４３３となる。このように、電極体４００は、２つの湾曲部４３１及び４３２の間に平坦部４３３が配置された長円状に形成されている。
次に、サイドスペーサ７００の具体的な構成について説明する。ここでは、負極側のサイドスペーサ７００を例示するが、正極側のサイドスペーサ７００についても同様の構成であるので、正極側の説明については省略する。
図５は実施の形態に係るサイドスペーサ７００を外方から見た正面図である。図６は実施の形態に係るサイドスペーサ７００を内方から見た背面図である。図７は実施の形態に係るサイドスペーサ７００の上面図である。図８は、実施の形態に係るサイドスペーサ７００を、図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ切断線を含むＸ−Ｙ面から見た断面図である。
図５〜図８に示すように、サイドスペーサ７００は、挿入方向（Ｚ軸方向）に延在する長尺状の部材であり、ＰＣ、ＰＰ、ＰＥ、またはＰＰＳ等の絶縁性を有する素材によって形成されている。サイドスペーサ７００は、壁部７１０と、壁部７１０の上端部に連結された基部７２０とを一体的に有する。なお、壁部７１０の下端部においては開放されている。
壁部７１０は、挿入方向に沿って延在して電極体４００の一側部を覆う部位である。具体的には、壁部７１０は、電極体４００の湾曲部４３２を側方から覆う。図７及び図８に示すように、壁部７１０における容器１００の内方側の内側面７１１は、電極体４００の湾曲部４３２に対向する面であり、当該湾曲部４３２に対応した滑らかな湾曲面となっている。サイドスペーサ７００が電極体４００に組み付けられると、壁部７１０の内側面７１１は、電極体４００に湾曲部４３２に当接する。
また、壁部７１０における容器１００側の外側面７１２は、容器１００の内部形状に対応して一対の角部がＲ形状に形成されている。この一対のＲ形状部分は、矩形状の容器１００内部の隣り合う一対の角部に対向する。壁部７１０における一対のＲ形状部分を角部領域７１３とし、一対の角部領域７１３に挟まれた部分を中央領域７１４とする。中央領域７１４は、電極体４００の湾曲部４３２における頂点部分を含む領域に対向する領域である。
また、図５及び図８に示すように、角部領域７１３の外側面７１２は、リブ部７３０を有しており、このリブ部７３０によって複数の凹部７１６が形成されている。具体的には、リブ部７３０は、挿入方向に沿って延在する複数の第一リブ７３１と、挿入方向に交差する方向（Ｙ軸方向）に延在する複数の第二リブ７３２とを備えている。この複数の第一リブ７３１と、第二リブ７３２とによって、有底の複数の凹部７１６が、それぞれ矩形状に形成され、行列状に配列される。このようにサイドスペーサ７００に複数の凹部７１６が形成されているので、サイドスペーサ７００を軽量化することができる。また、複数の凹部７１６がリブ部７３０によって囲まれることで形成されているので、凹部７１６があることにより強度が低下した部分をリブ部７３０によって補強することができる。
そして、前述したように内側面７１１が湾曲面であり、さらに中央領域７１４には凹部７１６が設けられていない。このため、中央領域７１４の厚みＴ２を、角部領域７１３の厚みＴ１よりも概ね薄くすることができる。なお、ここで言う厚みＴ１、Ｔ２とは、内側面７１１の法線方向における厚みである。このように、中央領域７１４においては凹部７１６の影響を受けず薄くすることができる。したがって、電極体４００の設置空間を広くすることができ、容器１００の本体１１１の内寸を大きくしなくとも電極体４００の外寸を大きくすることができる。
なお、凹部７１６の形状は矩形状に限定されず、如何様でもよい。例えば、凹部７１６の形状は、円形状や、楕円形状、あるいは矩形以外の多角形状であってもよい。また、複数の凹部７１６が全て同じ形状であっても、異なっていてもよい。また、複数の凹部７１６の配列は行列状に限定されず、如何様でもよい。例えば一列あるいは一行のみ配列されていてもよいし、千鳥状あるいはランダムに配列されていてもよい。
また、凹部７１６の底部７１６１の厚みＴ３は、第一リブ７３１と第二リブ７３２の厚み（図８では、第一リブ７３１の厚みＴ４を図示）とは同等である。これにより、サイドスペーサ７００全体として厚みのばらつきを抑えることができる。厚みにばらつきがあると、サイドスペーサ７００を樹脂成形する際に、樹脂の硬化にともなって、成形収縮により変形する場合がある。しかしながら、サイドスペーサ７００全体として厚みのばらつきが抑えられているので、厚みのばらつきを起因とした成形収縮による変形を抑制することができ、サイドスペーサ７００の形状を安定化することができる。
図５〜図７に示すように、基部７２０は、天板７２１と、周壁７２２とを有する。
天板７２１は、隣り合う一対の角部がＲ形状となった、挿入方向に交差する方向（Ｙ軸方向）に延在する板部である。天板７２１は、壁部７１０の上端部（一端部）に連結されており、電極体４００における開口１１２側の一端部を上方から覆う部位である。天板７２１における容器１００内方を向く一辺７２３の中央には、外方に向けて延在するように切り欠かれた第一スリット７２４が形成されている。このように第一スリット７２４は、壁部７１０の中央領域７１４に対向する位置に配置されたスリットである。また、第一スリット７２４の先端部は円弧状となっている。他方、第一スリット７２４における壁部７１０とは反対側の端部は、開放されている。
なお、天板７２１に対して複数の第一スリット７２４が設けられていてもよい。
天板７２１の上面には周壁７２２が設けられている。周壁７２２は、天板７２１の一辺７２３に対応する部分を開放し、その他の天板７２１の辺に沿って天板７２１から立設している。周壁７２２における中央部には、凹部７１５が形成されている。
図９は、実施の形態に係るサイドスペーサ７００と電極体４００とを組付けた状態を模式的に示す断面図である。なお、この図９においては、電極体４００及びサイドスペーサ７００を容器１００内に収容した直後の状態を示している。また、説明の便宜上、電極体４００は外形線のみを図示しており、ハッチングを施していない。
ここで、電極体４００の平坦部４３３を挟む方向（幅方向：Ｙ軸方向）における容器１００の収容可能幅Ｗは、容器１００の本体１１１における電極体４００を収納可能な幅である。具体的に、収容可能幅Ｗは、幅方向における本体１１１の内寸Ｗ１から絶縁シート３５０の２枚分の厚みＴ５を差し引いた領域である。なお、幅方向における電極体４００の側方に、他の部材が収容される場合においては、当該他の部材の厚みも内寸Ｗ１から差し引くことで、収容可能幅Ｗが求められる。
そして、サイドスペーサ７００の内側面７１１の曲率半径Ｂは、式（１）の関係を満たしている。
０．９５Ｗ＜２Ｂ＜１．１１Ｗ・・・（１）
曲率半径Ｂの２倍が小さすぎると、サイドスペーサ７００の内側面７１１が電極体４００の湾曲部４３２に当接した際に、当該湾曲部４３２を強固に拘束してしまって、湾曲部４３２を破損させる可能性が高まる。
他方、曲率半径Ｂの２倍が大きすぎると、内側面７１１の深さＤ１が浅くなってしまい、サイドスペーサ７００自体の剛性が低下し、サイドスペーサ７００にひずみが生じる可能性が高まる。
なお、サイドスペーサ７００の内側面７１１の曲率半径Ｂは、式（２）の関係を満たしていることがより好ましい。
０．９６Ｗ＜２Ｂ＜１．０９Ｗ・・・（２）
曲率半径Ｂの２倍が式（２）の範囲に収まっていると、湾曲部４３２の破損をより抑制することができるとともに、サイドスペーサ７００の剛性を安定させることができる。
なお、ここでは、サイドスペーサ７００の内側面７１１は、当該内側面７１１の全体にわたって均一な曲率半径Ｂである場合を例示した。しかし、内側面７１１の曲率半径は、部分的に異なっていてもよい。具体的には、開放側に向けて曲率半径が大きくなる形態であってもよい。
そして、電極体４００及びサイドスペーサ７００を容器１００内に収容した直後においては、電極体４００の湾曲部４３２の曲率半径Ｂ１よりも、サイドスペーサ７００の内側面７１１の曲率半径Ｂの方が大きい状態となっている。したがって、幅方向におけるサイドスペーサ７００の内側面７１１の両端部には、湾曲部４３２との間に隙間Ｓが形成されることになる。
この関係性は、電解液が容器１００内に注入される前まで維持されている。
そして、容器１００に電解液が注入されると、電極体４００が電解液を吸収して膨張する。これにより、隙間Ｓは小さくなるが、注入前から隙間Ｓがない場合と比べても電極体４００に対する圧迫は小さい。つまり、湾曲部４３２に局所的に作用する応力を小さくすることができ、電極体４００の破損を抑制することができる。
なお、蓄電素子１０の使用時においては、充放電が繰り返されることで、電極体４００も膨張・収縮を繰り返すが、隙間Ｓが形成されていると、電極体４００は膨張することで徐々に隙間Ｓを埋めてから内側面７１１の端部に接触する。つまり、隙間Ｓがあるがゆえに、電極体４００は内側面７１１の端部に急に接触せずに、局所的に作用する応力を緩和することができる。したがって、使用時においても電極体４００の破損を抑制することができる。
ここで、サイドスペーサ７００の天板７２１に第一スリット７２４がない場合を想定すると、電極体４００の膨張・収縮に基づく壁部７１０の変形を天板７２１が制約することになり、物理的な負荷が電極体４００の一部に集中してかかることになる。
一方、本実施の形態のように、サイドスペーサ７００の天板７２１に第一スリット７２４が形成されていれば、壁部７１０に対する天板７２１の制約も緩和される。したがって、電極体４００が膨張・収縮を繰り返したとしても、この膨張・収縮に追従してサイドスペーサ７００の壁部７１０も変形しやすくなる。これにより、電極体４００に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
なお、壁部７１０に対する天板７２１の制約をより小さくするには、第一スリット７２４を壁部７１０まで延在させていることが好ましい。
なお、サイドスペーサ７００における角部領域７１３においては、第二リブ７３２によってＹ軸方向における剛性が高められているので、当該部分においては電極体４００が膨張・収縮したとしても、変形しにくくなっている。
次に、蓄電素子１０の製造方法を説明する。
まず、電極体形成工程では、正極４５０及び負極４６０と、セパレータ４７０ａ及び４７０ｂとを交互に積層して巻回して、図４に示す電極体４００を形成する。
巻回が完了すると、電極体４００が展開しないように、当該電極体４００の平坦部４３３に接着テープ（図示省略）を貼り付ける。
一方、蓋構造体組立工程では、まず、負極集電体１５０となる板体を準備する。この板体は略９０度曲げられている。そして、この板体における第一接続部１５１に対応する部位に対して、蓋板１１０と、下部絶縁部材１３０と、上部絶縁部材１３５と、負極端子３００とを組み付ける。具体的には、負極端子３００の連結部３１０を、上部絶縁部材１３５の貫通孔１３５ａ、蓋板１１０の貫通孔１１０ｂ、下部絶縁部材１３０の貫通孔１３０ａ、及び、板体の貫通孔１５０ａに挿入してかしめる。これにより、蓋構造体１８０に負極集電体１５０用の板体が取り付けられる。
次いで、負極集電体１５０となる板体に対して、電極体４００のタブ部４２０を溶接して固定する。溶接後においては、板体をさらに略９０度折り曲げることで図３に示すような負極集電体１５０を形成する。
正極側においても同様の手順で、正極集電体１４０が蓋板構造体１８０に取り付けられるとともに、電極体４００のタブ部４１０に接合される。 次いで、サイドスペーサ取付工程では、電極体４００の本体部４３０に対してサイドスペーサ７００を取り付ける。具体的には、本体部４３０の湾曲部４３１及び４３２毎に個別にサイドスペーサ７００を取り付ける。取り付け後においては、サイドスペーサ７００を本体部４３０に接着テープ（図示省略）で固定する。
次いで、電極体収容工程では、一体化された電極体４００及びサイドスペーサ７００を容器１００の本体１１１に収容する。このとき、本体１１１の開口１１２から、電極体４００及びサイドスペーサ７００が挿入される。挿入時においては、サイドスペーサ７００は、蓋構造体１８０側から押されるために、壁部７１０に対して大きな力が作用する。これにより、壁部７１０が広がろうとするが、壁部７１０の一端部に天板７２１が連結されているので、この天板７２１によって壁部７１０の変形が抑制される。さらに、サイドスペーサ７００は、挿入方向に沿って延在する第一リブ７３１によって、当該方向における剛性が高められている。このため、サイドスペーサ７００が挿入時に変形しにくくなっている。これらのことにより、電極体４００及びサイドスペーサ７００をスムーズに本体１１１内に押し入れることができる。
電極体収容工程後においては、図９に示したように、電極体４００の湾曲部４３２の曲率半径Ｂ１よりも、サイドスペーサ７００の内側面７１１の曲率半径Ｂの方が大きい状態となっている。
次いで、蓋板溶接工程では、本体１１１に蓋板１１０を溶接して、容器１００を組み立てる。
注液工程では、注液口１１７から電解液を注液する。
ここで、注液後に電解液の液面が高いと、注液工程の予備充電時又は脱泡工程時に注液口１１７から電解液がふき出してしまい注液口１１７の封止を確実に行えないおそれがある。
しかしながら、サイドスペーサ７００に複数の凹部７１６が設けられているので、この凹部７１６内に電解液を進入させることができ、容器１００内の液面を下げることができる。したがって、注液工程で発生した泡がはじけたとしても電解液が注液口からふき出しにくくなり、注液口１１７に対する封止の確実性を高めることができる。
その後、注液栓１１８を蓋板１１０に溶接して注液口１１７を塞ぐことで、蓄電素子１０が製造される。
以上のように、本実施の形態によれば、サイドスペーサ７００の壁部７１０における一端部に、電極体４００の一端部を覆う天板７２１が備えられているので、電極体４００及びサイドスペーサを容器１００内に挿入するときに壁部７１０が変形してしまうことを天板７２１により抑制することができる。これにより、挿入時におけるサイドスペーサ７００の変形や破損を抑制することができる。
また、天板７２１に第一スリット７２４が形成されているので、電極体４００の膨張・収縮に追従して壁部７１０も変形しやすくなる。これにより、電極体４００に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
また、第一スリット７２４が壁部７１０まで延在しているので、天板７２１による壁部７１０の変形の制約をより少なくすることができ、電極体４００に作用する物理的な負荷をより均一化することができる。
また、サイドスペーサ７００の壁部７１０の薄い部分である中央領域７１４に対向して第一スリット７２４が形成されているので、天板７２１による壁部７１０の変形の制約をさらに少なくすることができる。
（他の実施の形態）
以上、本発明に係る蓄電素子について、実施の形態に基づいて説明した。しかしながら、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を上記実施の形態に施したものも、あるいは、上記説明された複数の構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
以上、本発明に係る蓄電素子について、実施の形態に基づいて説明した。しかしながら、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を上記実施の形態に施したものも、あるいは、上記説明された複数の構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。
例えば、蓄電素子１０が備える電極体４００の個数は１には限定されず、２以上であってよい。蓄電素子１０が複数の電極体４００を備える場合においては、各電極体４００に対して一対のサイドスペーサ７００を取り付ければよい。
また、電極体４００が有する正極側のタブ部４１０と負極側のタブ部４２０との位置関係は特に限定されない。例えば、巻回型の電極体４００において、タブ部４１０とタブ部４２０とが巻回軸方向の互いに反対側に配置されていてもよい。また、蓄電素子１０が、積層型の電極体を備える場合、積層方向から見た場合において、正極側のタブ部と負極側のタブ部とが異なる方向に突出して設けられていてもよい。この場合、正極側のタブ部と負極側のタブ部にそれぞれ対応する位置に、下部絶縁部材、集電体等が配置されていればよい。
また、上記実施の形態では、サイドスペーサ７００の壁部７１０の下端部が開放された形態を例示して説明した。しかし、サイドスペーサ７００の壁部７１０の下端部が閉塞されていてもよい。
図１０は、変形例に係るサイドスペーサ７００Ａを内方から見た背面図である。具体的には、図１０は、図６に対応する図である。図１１は実施の形態に係るサイドスペーサ７００Ａの下面図である。
図１０及び図１１に示すように、サイドスペーサ７００Ａの壁部７１０の下端部（他端部）には、電極体４００の下端部（他端部）を覆う板部としての底板７５０が連結されている。
底板７５０は、隣り合う一対の角部がＲ形状となった板体である。底板７５０における容器１００内方を向く一辺７５１の中央には、外方に向けて延在するように切り欠かれた第二スリット７５２が形成されている。このように、第二スリット７５２は、壁部７１０の中央領域７１４に対向する位置に配置されたスリットである。また、第二スリット７５２の先端部は円弧状となっている。他方、第二スリット７５２における壁部７１０とは反対側の端部は、開放されている。
このように、サイドスペーサ７００が底板７５０を有する場合においても、底板７５０に第二スリット７５２が形成されているので、電極体４００の膨張・収縮に追従して７１０壁部も変形しやすくなる。これにより、電極体４００に作用する物理的な負荷を均一化することができる。
底板７５０においても複数の第二スリット７５２が設けられていてもよい。
また、上述したように天板７２１及び底板７５０の両方にスリットが形成されていても、一方にのみスリットが形成されていてもよい。
なお、上記実施の形態及び上記変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
１０ 蓄電素子
１００ 容器
１１０ 蓋板
１１１ 本体
１１２ 開口
１８０ 蓋構造体
２００ 正極端子
３００ 負極端子
４００ 電極体
４１０、４２０ タブ部
４３１、４３２ 湾曲部
７００、７００Ａ サイドスペーサ
７１０ 壁部
７１１ 内側面
７１２ 外側面
７１３ 角部領域
７１４ 中央領域
７２０ 基部
７２１ 天板（板部）
７２２ 周壁
７２３、７５１ 一辺
７２４ 第一スリット（スリット）
７３０ リブ部
７３１ 第一リブ
７３２ 第二リブ
７５０ 底板（板部）
７５２ 第二スリット（スリット）
７１６１ 底部
１００ 容器
１１０ 蓋板
１１１ 本体
１１２ 開口
１８０ 蓋構造体
２００ 正極端子
３００ 負極端子
４００ 電極体
４１０、４２０ タブ部
４３１、４３２ 湾曲部
７００、７００Ａ サイドスペーサ
７１０ 壁部
７１１ 内側面
７１２ 外側面
７１３ 角部領域
７１４ 中央領域
７２０ 基部
７２１ 天板（板部）
７２２ 周壁
７２３、７５１ 一辺
７２４ 第一スリット（スリット）
７３０ リブ部
７３１ 第一リブ
７３２ 第二リブ
７５０ 底板（板部）
７５２ 第二スリット（スリット）
７１６１ 底部
Claims (6)
- 極板が巻回されてなる電極体と、
前記電極体を収容する容器と、
前記容器と前記電極体との間に介在するスペーサとを備え、
前記容器は、前記電極体及び前記スペーサが挿入される開口を有し、
前記スペーサは、前記開口に対する挿入方向に沿って延在して前記電極体の一側部を覆う壁部と、前記壁部から前記挿入方向に交差する方向に延在する板部とを備え、
前記板部には、前記壁部とは反対側が開放したスリットが形成されている
蓄電素子。 - 前記板部は、前記壁部における前記開口側の一端部に設けられ、前記電極体における巻回軸方向の前記開口側の一端部を覆う天板である
請求項１に記載の蓄電素子。 - 前記板部は、前記壁部における他端部に設けられ、前記電極体の他端部を覆う底板である
請求項１に記載の蓄電素子。 - 前記板部は、一対設けられており、
一方の前記板部は、前記壁部における前記開口側の一端部に設けられ、前記電極体における巻回軸方向の前記開口側の一端部を覆う天板であり、
他方の前記板部は、前記壁部における他端部に設けられ、前記電極体の他端部を覆う底板である
請求項１に記載の蓄電素子。 - 前記スリットは、前記壁部まで延在している
請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電素子。 - 前記スペーサの前記壁部は、前記容器内部の隣り合う一対の角部にそれぞれ対向する一対の角部領域と、前記一対の角部領域に挟まれ、前記角部領域よりも薄い中央領域とを備え、
前記スリットは、前記中央領域に対向する位置に形成されている
請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電素子。
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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2017
- 2017-01-18 WO PCT/EP2017/050963 patent/WO2017148609A1/en active Application Filing
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| US11588215B2 (en) | 2018-01-31 | 2023-02-21 | Gs Yuasa International Ltd. | Energy storage device |
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| CN111029489A (zh) * | 2019-08-14 | 2020-04-17 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 二次电池 |
| CN111029489B (zh) * | 2019-08-14 | 2021-08-17 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 二次电池 |
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| CN116014318A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-04-25 | 深圳海润新能源科技有限公司 | 端盖组件、储能装置及用电设备 |
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| US11942646B1 (en) | 2023-02-09 | 2024-03-26 | Shenzhen Hithium Energy Storage Technology Co., Ltd. | End cover assembly, energy-storage apparatus, and electricity-consumption device |
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| Publication number | Publication date |
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| WO2017148609A1 (en) | 2017-09-08 |
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