JP2017162716A - 二次電池及び二次電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】導電性の電槽に極板群を収容した二次電池として、電槽内に異物の侵入があったとしてもその信頼性を高く維持することができる二次電池、及び該二次電池の製造方法を提供する。【解決手段】二次電池は、極板群20を導電性の電槽に収容している。極板群20は、正極板21と負極板22とがセパレータ23を挟んで捲回されており、捲回される方向に直交する方向の一端に正極板がはみ出た正極部21Aと、直交する方向の他端に負極板22がはみ出た負極部22Aとを備え、極板群20の周囲には樹脂製フィルム30が配置されている。極板群20において正極部21Aと負極部22Aとの間の部分(中央部24)に樹脂製フィルム30が接着されている。【選択図】図4

Description

本発明は、極板群を電槽に収容している二次電池、及び該二次電池の製造方法に関する。
極板群と電解液とを電槽に収容している二次電池は、電槽内に異物、特に導電性を有する異物の侵入を防ぐ必要がある。また、たとえそうした異物が侵入したとしても、電池性能が劣化する等の影響を抑制する必要もある。例えば、異物の侵入による影響を抑える技術の一例が特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載の技術は、角形の二次電池であって、正極と負極とがセパレータを介して扁平状に捲回された極板群(電極群)と、その極板群に電極端子を電気的に接続させる集電板(接続板)とを備える。この二次電池は、極板群の両端の正極箔及び負極箔がそれぞれ集電板に押圧接合されており、極板群の端部と集電板とが押圧接合される押圧接合部の少なくとも一部が樹脂材で被覆されている。
特開2014−49311号公報
特許文献1に記載の二次電池によれば、電槽に侵入した異物による極板群の正極と負極との間での短絡の発生が抑制される。
ところで、電槽に侵入した異物は、電槽内において電槽と極板群との間に挟まれるようなことがあると、電槽には擦れ、電極群の表面には食い込んで、セパレータなどの表層に穴を開けるおそれがある。このとき、電槽が金属製であるような場合には、異物による電極と電槽との間の短絡が金属製の電槽を腐食させるおそれもある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、導電性の電槽に極板群を収容した二次電池として、電槽内に異物の侵入があったとしてもその信頼性を高く維持することができる二次電池、及び該二次電池の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決する二次電池は、極板群を導電性の電槽に収容している二次電池であって、前記極板群は、正極板と負極板とがセパレータを挟んで捲回されており、前記極板群の周囲に絶縁フィルムが配置されているとともに、前記配置されている絶縁フィルムのうちの前記極板群が前記電槽に対向する部分が前記極板群に接着されていることを特徴とする。
上記課題を解決する二次電池の製造方法は、極板群を導電性の電槽に収容している二次電池の製造方法であって、前記極板群を正極板と負極板とをセパレータを挟んで捲回することで作製する捲回工程と、前記極板群の周囲に絶縁フィルムを配置する工程と、前記配置された絶縁フィルムのうち前記極板群が前記電槽に対向する部分を前記極板群に接着する工程とを備えることを特徴とする。
このような構成又は方法によれば、絶縁フィルムは極板群の電槽に対向する部分が極板群に接着されるため、その接着される部分においては絶縁フィルムと極板群との間に異物が入り込む余地はない。また、絶縁フィルムと電槽との間に異物が挟まれたとしても、押圧に応じて多少変形する極板群に接着された絶縁フィルムは異物に押し付けられて変形して圧力を吸収する。このため絶縁フィルムが異物によって貫通されるおそれは低い。これにより、導電性を有する電槽に極板群を収容した二次電池であれ、異物が電極と電槽とを短絡させるおそれは低減され、異物の侵入に対してその信頼性が高く維持されるようになる。
上記課題を解決する二次電池は、極板群を導電性の電槽に収容している二次電池であって、前記極板群は、正極板と負極板とがセパレータを挟んで捲回されており、前記捲回される方向に直交する方向の一端に前記正極板がはみ出た部分と、同直交する方向の他端に前記負極板がはみ出た部分とを備え、前記極板群の周囲には絶縁フィルムが配置され、前記極板群の前記正極板がはみ出した部分と負極板がはみ出した部分との間の部分に前記絶縁フィルムが接着されていることを特徴とする。
上記課題を解決する二次電池の製造方法は、極板群を導電性の電槽に収容している二次電池の製造方法であって、前記極板群を正極板と負極板とをセパレータを挟んで捲回するとき、前記捲回される方向に直交する方向の一端に前記正極板がはみ出た部分と、同直交する方向の他端に前記負極板がはみ出た部分とを有するように捲回することで作製する捲回工程と、前記極板群の周囲に絶縁フィルムを配置する工程と、前記極板群の前記正極板がはみ出した部分と負極板がはみ出した部分との間の部分に前記絶縁フィルムを接着する工程とを備えることを特徴とする。
このような構成又は方法によれば、絶縁フィルムは極板群において正極板がはみ出した部分と負極板がはみ出した部分との間の部分に接着されるため、その接着される部分においては絶縁フィルムと極板群との間に異物が入り込む余地はない。また、絶縁フィルムと電槽との間に異物が挟まれたとしても、押圧に応じて多少変形する極板群に接着された絶縁フィルムは異物に押し付けられて変形して圧力を吸収する。このため絶縁フィルムが異物によって貫通されるおそれは低い。これにより、導電性を有する電槽に極板群を収容した二次電池であれ、異物が電極と電槽とを短絡させるおそれは低減され、異物の侵入に対してその信頼性が高く維持されるようになる。
好ましい構成として、前記正極板がはみ出した部分の少なくとも一部、及び前記負極板がはみ出した部分の少なくとも一部はそれぞれ圧縮されている。
このような構成によれば、正極板がはみ出した部分や負極板がはみ出した部分のうち圧縮された部分は電槽との間の距離が広く確保されることから、正極板や負極板が電槽に短絡することが防止される。
好ましい構成として、前記極板群の最外周には前記セパレータが捲回されており、前記絶縁フィルムは樹脂性であり、前記セパレータに前記絶縁フィルムが溶着されている。
このような構成によれば、絶縁フィルムが樹脂製であることからセパレータに溶着可能である。また、溶着対象が同様に樹脂製のセパレータであれば溶着がより容易である。
好ましい構成として、前記絶縁フィルムは、前記極板群を収容する袋状からなる。
このような構成によれば、袋状の絶縁フィルムであれば、極板群の周囲に絶縁フィルムを配置することが容易である。
好ましい構成として、前記電槽はアルミニウム合金製である。
このような構成によれば、極板群とアルミニウム合金製の電槽とが短絡されると電槽が腐食するおそれがあるが、樹脂製フィルムによって、こうした腐食が抑制されるようになる。
この二次電池、及び該二次電池の製造方法によれば、導電性の電槽に極板群を収容した二次電池として、電槽内に異物の侵入があったとしてもその信頼性を高く維持することができる。
二次電池を具体化した一実施形態について、その斜視構造を示す斜視図。 同実施形態における二次電池の製造工程の手順を示すフローチャート。 同実施形態における二次電池の極板群及びフィルムの斜視構造を示す斜視図。 同実施形態における二次電池の極板群及びフィルムの正面構造を示す正面図。 同実施形態における極板群とフィルムとの接着部分を示す概略図。 図1の6−6切断線における断面構造を示す断面図。 同実施形態における極板群とフィルムとの関係を模式的に例示する図であって、(a)は異物が挟まっていないときの図、(b)は異物が挟まったときの図。 従来、二次電池において、極板群と電槽との間に異物が挟まった状態を模式的に示す模式図。
図1〜図7に従って、二次電池10を具体化した一実施形態について説明する。本実施形態の二次電池10は、バスバーで複数が接続されることにより組電池を構成する。組電池は、電気自動車もしくはハイブリッド自動車に搭載され、電動モータ等に電力を供給する。二次電池10は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池であり、外形が直方体形状の密閉式電池である。
図1に示すように、二次電池10は、開口部を有する直方体形状の電池ケース11と、電池ケース11を封止する蓋体12と、電池ケース11の内部に収容される極板群20とを備える。電池ケース11及び蓋体12はアルミニウム合金などの金属で構成されている。二次電池10は、電池ケース11に蓋体12が取り付けられることで密閉された電槽が構成される。また二次電池10は、蓋体12に、電力の充放電に用いられる2つの外部端子13を備えている。
図2〜図4を参照して、二次電池10を製造する製造工程について説明する。
まず、正極板21と負極板22とそれらの間に配置されたセパレータ23とが扁平に捲回されて極板群20が製造される(捲回工程:ステップS10)。このとき、極板群20は、捲回される方向(捲回方向)に直交する方向(直交方向)の一端に正極板21がはみ出た正極部21Aと、直交方向の他端に負極板22がはみ出た負極部22Aとを有するように捲回される。セパレータ23は、正極板21及び負極板22の間に電解液を保持するための不織布であり、ポリプロピレン製である。製造された極板群20は、捲回された方向である捲回方向に対して直交する方向である直交方向において一端に正極板21のみがはみ出た正極部21Aを、他端に負極板22のみがはみ出た負極部22Aを備えている。そして、正極部21A及び負極部22Aはそれぞれその一部が圧縮されるとともに、それら正極部21A及び負極部22Aのうちの圧縮された部分にはそれぞれ外部端子13に接続される電極端子14が溶接される(端子溶接工程:ステップS11)。電極端子14の溶接された極板群20は、袋状の絶縁フィルムとしての樹脂製フィルム30に挿入されるとともに、極板群20が両面(表裏)の中央部に有する平面である中央部24に樹脂製フィルム30が加熱によって溶着される(フィルム溶着工程:ステップS12)。中央部24は、極板群20において、正極板21がはみ出した正極部21Aと負極板22がはみ出した負極部22Aとの間の部分にある平面である。樹脂製フィルム30が溶着された極板群20は、開口から電池ケース11に挿入される(挿入工程:ステップS13)。極板群20が挿入された電池ケース11は、その開口に当接する蓋体12が溶接されることで極板群20を封入する(封缶工程:ステップS14)。その後、電槽内を乾燥させてから(乾燥工程:ステップS15)、電槽内に電解液を注入し(注液工程:ステップS16)、蓋体12に開口している電解液の注入口を封止して電槽を密閉する(封止工程:ステップS17)。これにより、二次電池10が製造される。
ところで、本実施形態では、電池ケース11や蓋体12からなる電槽は導電性を有するアルミニウム合金からなる。そのため、電槽と極板群20との間には絶縁性を維持する必要がある。特に、極板群20の負極板22と電槽とが短絡するような場合には、電槽が腐食してしまうおそれもある。そして、そうした短絡の要因の一つに、異物が電槽に侵入して、この侵入した異物が極板群20の中央部24と電槽との間に挟まれてしまうことがある。異物の侵入を防ぐための技術は様々提案されているものの、上述の封缶工程における溶接で生じた異物の電槽内への侵入を防ぐことは容易ではない。そのため、電槽内に多少異物が侵入していたとしても短絡が生じることがないようにしておく必要がある。
そこで従来、図8に示すように、電槽と極板群20(特に中央部24)との間の絶縁を、樹脂製フィルム30Aを電池ケース11の内側に設けることで維持するようにしていた。また、極板群20(特に中央部24)は、極板として最も外側になる負極板22の外周にはセパレータ23が捲回されていた。こうした構造により、極板群20と電槽との間に侵入した異物が中央部24の負極板22と電池ケース11とを短絡することを防止していた。しかしながら、電池ケース11と極板群20との間に侵入した異物は、剛性の高い電池ケース11の表面に配置された樹脂製フィルム30Aに対して強く擦れるため、当該樹脂製フィルム30Aに穴を空けるおそれもあった。また、極板群20の中央部24は押圧されると多少変形して押圧力を吸収するものの、そもそもセパレータ23は異物の押圧に対抗する強度を有していないため、異物の押圧や擦れにより穴が空くおそれがある。こうしたことから、二次電池10を、電槽への異物の侵入に対して電池としての信頼性を高く維持することが容易ではなかった。また、樹脂製フィルム30Aを厚くしたり、セパレータ23を複数回巻くなどして中央部24の負極板22と電池ケース11との間の短絡を防ぐ技術も提案されているが、電槽を大きくしなければならないなどの課題もあった。
この点、本実施形態は、図4に示すように、極板群20は、袋状の樹脂製フィルム30に開口部31から挿入される。樹脂製フィルム30は、絶縁性を有するフィルムであり、例えば合成樹脂であるポリプロピレン(PP)から構成される。なお、樹脂製フィルム30は、無延伸PPが好ましく、その他ポリエチレン(PE)等であってもよい。
そして、図5に示すように、極板群20の中央部の平面である中央部24は、その全体に樹脂製フィルム30が溶着されている。極板群20の中央部24の外周はセパレータ23である。よって、PP製のセパレータ23に、同じ材料であるPP製の樹脂製フィルム30が溶着される。セパレータ23と樹脂製フィルム30とは同じ材料同士なので良好に溶着される。なお、中央部24の領域の内側にあっては、その一部分にセパレータ23と樹脂製フィルム30とが溶着していない部分があってもよい。
図6に示すように、袋状の樹脂製フィルム30に挿入され極板群20は、蓋体12で封止される電池ケース11に封入される。つまり、極板群20の周囲に樹脂製フィルム30が配置されている。配置されている樹脂製フィルム30は、極板群20の電槽に対向する部分である中央部24に接着されている。このとき、極板群20のうちで厚い中央部24が電池ケース11に当接もしくは近接し、そこに異物が挟まれる部分であり、極板群20のうち電槽に対向する部分である。そのため、この極板群20の中央部24と電池ケース11との間に侵入した異物は、極板群20や電池ケース11を押圧したり、擦ったりするおそれがある。なお、本実施形態では、中央部24に樹脂製フィルム30が溶着されていることから、異物は、電池ケース11と樹脂製フィルム30との間に挟まれることはあっても、樹脂製フィルム30と極板群20のセパレータ23との間に挟まれる余地はない。
本実施形態の作用について詳しく説明する。
図4及び図6に示すように、極板群20は、直交方向に対する中央部24は正極板21と負極板22とセパレータ23とが積層されているため厚みが厚い。極板群20は、最も外側になる極板が負極板22であるが、さらにその外側にセパレータ23が捲回されている(図7参照)。一方、正極部21Aは正極板21だけが積層されている部分であるとともに、負極部22Aは負極板22だけが積層されている部分である。また、正極部21A及び負極部22Aには活物質等の充填材も充填されていない。よって、正極部21A及び負極部22Aの厚みは、それぞれ中央部24の厚みに比べて薄くなる。さらに、正極部21Aは、その一部が正極板21の間の空間を狭くするように厚み方向に圧縮されているため、そこに電極端子14が接続されても中央部24の厚みを超えない。また、負極部22Aも、その一部が負極板22の間の空間を狭くするように厚み方向に圧縮されているため、そこに電極端子14が溶接されても中央部24の厚みを超えない。また、正極部21Aは正極板21のみが存在し、負極部22Aは負極板22のみが存在し、その部分には活物質等の充填材も充填されていない。そのため、正極部21A及び負極部22Aの一部が圧縮されると、正極板21や負極板22の厚みを薄くすることもできる。また、正極部21A及び負極部22Aは、その一部が圧縮されることで、直接圧縮された部分以外の厚みも薄くなる。
また、捲回方向において折り返される折り返し部分25,26は円弧であるため、これらの部分も中央部24に比べて厚みが薄くなる。
よって、図6に示すように、樹脂製フィルム30に覆われた極板群20が電池ケース11に挿入されると、極板群20の中央部24と電池ケース11との間には、異物を挟み込むおそれのある当接部分、又は、間隔の狭い部分が生じる。一方、正極部21Aや負極部22A等のそれ以外の部分は、極板群20と電池ケース11との間に広い間隔が確保されるため、その部分には異物を挟み込むおそれがない。
そこで、図5に示すように、本実施形態では、異物が挟まれるおそれのある部分である中央部24において最外周のセパレータ23のさらに外周に樹脂製フィルム30を溶着させている。換言すると、極板群20は、中央部24において正極部21Aと負極部22Aとの間の部分に樹脂製フィルム30が接着される。このように中央部24のセパレータ23に樹脂製フィルム30を溶着することで、中央部24のセパレータ23と樹脂製フィルム30との間に異物が侵入する余地がなくなる。これにより、異物がセパレータ23と樹脂製フィルム30との間に侵入し、セパレータ23や樹脂製フィルム30に穴を空け、ひいては負極板22と電池ケース11とを短絡させるようなおそれが軽減される。
また、図7(a)に示すように、本実施形態では、異物が、極板群20の中央部24の外側に溶着された樹脂製フィルム30と電池ケース11との間に侵入するおそれがある。その間に侵入した異物は、剛性の高い電池ケース11の表面に対しては強く擦れるものの、電池ケース11の表面が擦られたところで特に、電池特性に問題は生じない。
また、図7(b)に示すように、樹脂製フィルム30と電池ケース11との間に侵入した異物は、樹脂製フィルム30を介して極板群20を押圧するものの、この押圧に対して極板群20は多少変形して押圧力を吸収する。樹脂製フィルム30は、少なくともセパレータ23よりも強い強度を有し、破れづらいため、極板群20が押圧力を吸収することで異物からの押圧力が軽減され、その結果、異物によって穴が空けられるおそれが低減される。このように、極板群20に溶着された樹脂製フィルム30は、異物によって穴が空くおそれが低減されることから、負極板22と電池ケース11との間の短絡を生じる可能性が低下し、電槽への異物の侵入に対して二次電池10の信頼性を高く維持することができるようになる。
以上説明したように、本実施形態の二次電池10によれば、以下に記載するような効果が得られるようになる。
(1)樹脂製フィルム30は極板群20の電槽に対向する部分が極板群20に接着される、換言すると、極板群20の中央部24(正極部21Aと負極部22Aとの間の部分)に接着されるため、その接着される中央部24においては樹脂製フィルム30と極板群20との間に異物が入り込む余地はない。また、樹脂製フィルム30と電槽との間に異物が挟まれたとしても、押圧に応じて多少変形する極板群20に接着された樹脂製フィルム30は異物に押し付けられて変形して圧力を吸収する。このため樹脂製フィルム30が異物によって貫通されるおそれは低い。これにより、導電性を有する電槽に極板群20を収容した二次電池10であれ、異物が負極板22と電槽とを短絡させるおそれは低減され、異物の侵入に対してその信頼性が高く維持されるようになる。
(2)正極部21Aの圧縮された部分や負極部22Aの圧縮された部分は電槽との間の距離が確保されることから正極板21や負極板22が電槽に短絡することが防止される。
(3)樹脂製フィルム30は樹脂製であることからセパレータ23に溶着可能であるとともに、溶着対象が同様に樹脂製のセパレータ23であるから溶着が容易である。
(4)樹脂製フィルム30は袋状であるから極板群20の周囲に樹脂製フィルム30を配置することが容易である。
(5)極板群20の特に負極板22とアルミニウム合金製の電池ケース11(電槽)とが短絡されると電池ケース11が腐食するおそれがあるが、樹脂製フィルム30によって、こうした腐食が抑制されるようになる。
(その他の実施形態)
なお上記実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記実施形態では、樹脂製フィルム30とセパレータ23とが同じ材料からなる場合について例示したが、樹脂製フィルムとセパレータとが異なる材料からなっていてもよい。樹脂製フィルムが樹脂製であれば、セパレータは樹脂が溶着可能な材料や構造からなればよい。
・上記実施形態では、中央部24に樹脂製フィルム30が溶着されている場合について例示したが、これに限らず、中央部と樹脂製フィルムとの間に異物が侵入する余地をなくすように中央部に樹脂製フィルムを接着できるのであれば、樹脂製フィルムは中央部に粘着剤や接着剤により接着されていてもよい。
・上記実施形態では、中央部24の全体に樹脂製フィルム30が溶着されている場合について例示したが、これに限らず、中央部と樹脂製フィルムとの間への異物の侵入を防止することができるのであれば、中央部の縁の部分を樹脂製フィルムに溶着してもよい。
・上記実施形態では、中央部24に樹脂製フィルム30が溶着されている場合について例示したが、これに限らず、中央部と樹脂製フィルムとの間への異物の侵入を防止することができるのであれば、中央部を含みそれ以外の部分にも樹脂製フィルムを溶着してよい。
・上記実施形態では、電極として負極板22が最外周にある場合について例示したが、これに限らず、電極として正極板が最外周にあってもよい。このときは、正極板と電槽との短絡のおそれが低減されるようになる。
・上記各実施形態では、二次電池10はリチウムイオン二次電池から構成される場合について例示したが、これに限らず、他の二次電池、例えば、ニッケル水素二次電池等であってもよい。
・上記各実施形態では、二次電池10が電気自動車もしくはハイブリッド自動車に搭載される場合について例示したが、これに限らず、二次電池は、ガソリン自動車やディーゼル自動車等、電気自動車やハイブリッド自動車以外の車両に搭載されてもよい。また二次電池は、電源として、自動車以外の移動体や、固定設置される電源として用いられてもよい。例えば、自動車以外の電源としては、鉄道、船舶、航空機やロボット等の移動体や、情報処理装置等の電気製品の電源等が挙げられる。
10…二次電池、11…電池ケース、12…蓋体、13…外部端子、14…電極端子、20…極板群、21…正極板、21A…正極部、22…負極板、22A…負極部、23…セパレータ、24…中央部、25…折り返し部分、26…折り返し部分、30…樹脂製フィルム、30A…樹脂製フィルム。

Claims (8)

  1. 極板群を導電性の電槽に収容している二次電池であって、
    前記極板群は、正極板と負極板とがセパレータを挟んで捲回されており、
    前記極板群の周囲に絶縁フィルムが配置されているとともに、前記配置されている絶縁フィルムのうちの前記極板群が前記電槽に対向する部分が前記極板群に接着されている
    ことを特徴とする二次電池。
  2. 極板群を導電性の電槽に収容している二次電池であって、
    前記極板群は、正極板と負極板とがセパレータを挟んで捲回されており、前記捲回される方向に直交する方向の一端に前記正極板がはみ出た部分と、同直交する方向の他端に前記負極板がはみ出た部分とを備え、
    前記極板群の周囲には絶縁フィルムが配置され、
    前記極板群の前記正極板がはみ出した部分と負極板がはみ出した部分との間の部分に前記絶縁フィルムが接着されている
    ことを特徴とする二次電池。
  3. 前記正極板がはみ出した部分の少なくとも一部、及び前記負極板がはみ出した部分の少なくとも一部はそれぞれ圧縮されている
    請求項2に記載の二次電池。
  4. 前記極板群の最外周には前記セパレータが捲回されており、
    前記絶縁フィルムは樹脂性であり、
    前記セパレータに前記絶縁フィルムが溶着されている
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の二次電池。
  5. 前記絶縁フィルムは、前記極板群を収容する袋状からなる
    請求項1〜4のいずれか一項に記載の二次電池。
  6. 前記電槽はアルミニウム合金製である
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の二次電池。
  7. 極板群を導電性の電槽に収容している二次電池の製造方法であって、
    前記極板群を正極板と負極板とをセパレータを挟んで捲回することで作製する捲回工程と、
    前記極板群の周囲に絶縁フィルムを配置する工程と、
    前記配置された絶縁フィルムのうち前記極板群が前記電槽に対向する部分を前記極板群に接着する工程とを備える
    ことを特徴とする二次電池の製造方法。
  8. 極板群を導電性の電槽に収容している二次電池の製造方法であって、
    前記極板群を正極板と負極板とをセパレータを挟んで捲回するとき、前記捲回される方向に直交する方向の一端に前記正極板がはみ出た部分と、同直交する方向の他端に前記負極板がはみ出た部分とを有するように捲回することで作製する捲回工程と、
    前記極板群の周囲に絶縁フィルムを配置する工程と、
    前記極板群の前記正極板がはみ出した部分と負極板がはみ出した部分との間の部分に前記絶縁フィルムを接着する工程とを備える
    ことを特徴とする二次電池の製造方法。
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