JP2018106868A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの熱収縮に起因した内部短絡の発生を抑制する二次電池、を提供する。【解決手段】二次電池は、正極および負極と、正極および負極の間に配置されるセパレータとを含み、正極、セパレータおよび負極の積層体が巻回されてなる電極体２０と、電解液とともに電極体２０を収容する角型のケース体３１と、ケース体３１の内部に設けられ、電極体２０を保持する保持体４１とを備える。電極体２０は、湾曲形状の外観をなす湾曲部１２０を有する。保持体４１は、湾曲部１２０の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束するように設けられる。【選択図】図２

Description

この発明は、二次電池に関する。

従来の二次電池に関して、たとえば、特開２０１５−４９９５９号公報（特許文献１）には、蓄電素子の外装体内において電極体の膨張を抑制するとともに、外部からの振動や衝撃に抗して電極体を安定して保持することを目的とした、蓄電素子が開示されている。特許文献１に開示された蓄電素子は、正極、負極およびセパレータが巻回されてなる電極体と、電極体を収容し、容器本体および蓋部から構成される外装体と、蓋部の凸部および容器本体の凸部に嵌合することにより外装体内に固定され、電極体を保持する保持体とを備える。

そのほか従来の二次電池を開示する文献として、特開２００９−９９４７号公報（特許文献２）および特開２０１１−１５９５０６号公報（特許文献３）がある。

特開２０１５−４９９５９号公報 特開２００９−９９４７号公報 特開２０１１−１５９５０６号公報

上述の特許文献１に開示されるように、正極、負極およびセパレータが巻回されてなる電極体を備えた二次電池が知られている。このような二次電池が高温状態（１００℃以上）になると、電極体を構成するセパレータが熱収縮して、内部短絡が生じる可能性がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、セパレータの熱収縮に起因した内部短絡の発生を抑制する二次電池を提供することである。

この発明に従った二次電池は、正極および負極と、正極および負極の間に配置されるセパレータとを含み、正極、セパレータおよび負極の積層体が巻回されてなる電極体と、電解液とともに電極体を収容する角型のケース体と、ケース体の内部に設けられ、電極体を保持する保持体とを備える。電極体は、湾曲形状の外観をなす湾曲部を有する。保持体は、湾曲部の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束するように設けられる。

このように構成された二次電池によれば、高温時におけるセパレータの収縮（熱収縮）は、ケース体外部からの拘束荷重が掛かり難い電極体の湾曲部で大きくなる傾向があるため、保持体によって、湾曲部の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束する。これにより、セパレータの熱収縮を効果的に抑えて、内部短絡の発生を抑制することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、セパレータの熱収縮に起因した内部短絡の発生を抑制する二次電池を提供することができる。

この発明の実施の形態１における二次電池を示す断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上の矢視方向から見た二次電池を示す断面図である。 図１中のケース体内に収容される電極体を示す斜視図である。 図１中のケース体内に収容される電極体を示す分解組み立て図である。 図１中の二次電池の製造工程を示す断面図である。 無荷重時におけるセパレータの収縮率の測定実験の様子を示す図である。 図６中の測定実験により得られたセパレータの加熱温度と、セパレータの収縮率との関係を示すグラフである。 荷重付加時におけるセパレータの収縮率の測定実験の様子を示す図である。 図８中の測定実験により得られたセパレータの加熱温度と、セパレータの収縮率との関係を示すグラフである。 セパレータの拘束荷重と、セパレータの収縮率との関係を示すグラフである。 比較例における二次電池を示す断面図である。 図１１中の比較例において、平坦部、湾曲部および負極側湾曲部におけるセパレータの収縮率を示すグラフである。 実施例における二次電池を示す断面図である。 図１３中の実施例において、平坦部、湾曲部および負極側湾曲部におけるセパレータの収縮率を示すグラフである。 この発明の実施の形態２における二次電池を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における二次電池を示す断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上の矢視方向から見た二次電池を示す断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態における二次電池１０は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリから電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、外部充電が可能なプラグインハイブリッド自動車、電気自動車などに搭載される。

まず、二次電池１０の全体構造について説明する。二次電池１０は、電極体２０と、ケース体３１と、正極端子３４および負極端子３５と、集電端子３６および集電端子３７とを有する。

ケース体３１は、二次電池１０の外観をなす外装体である。ケース体３１は、角型であり、薄板状の略直方体形状を有する。ケース体３１は、アルミニウム等の金属から構成されている。ケース体３１は、本体部３２および蓋部３３を有する。本体部３２は、一方向に開口された略直方体の筐体形状を有する。蓋部３３は、本体部３２の開口部を塞ぐように設けられている。蓋部３３には、正極端子３４および負極端子３５が取り付けられている。

図３は、図１中のケース体内に収容される電極体を示す斜視図である。図４は、図１中のケース体内に収容される電極体を示す分解組み立て図である。

図１から図４を参照して、電極体２０は、電解液とともにケース体３１に収容されている。電極体２０は、正極２１、負極２６およびセパレータ２９を有する。正極２１、負極２６およびセパレータ２９は、短手方向と、長手方向とを有する矩形形状のシート体から構成されている。正極２１および負極２６は、セパレータ２９を介して、互いに重ね合わされている。

正極２１は、たとえば、アルミニウム箔から構成されている。正極２１の両面には、正極活物質を含有するペースト２２が塗布されている。正極２１の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２２が塗布されていないペースト未塗布部２３が、帯状に延びて形成されている。

負極２６は、たとえば、銅箔から構成されている。負極２６の両面には、負極活物質を含有するペースト２７が塗布されている。負極２６の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２７が塗布されていないペースト未塗布部２８が、帯状に延びて形成されている。

セパレータ２９は、短手方向の長さが正極２１および負極２６よりも小さく形成された矩形形状のシート体からなる。セパレータ２９は、正極２１および負極２６の間に配置されている。

セパレータ２９は、電気絶縁性の多孔質フィルムである。セパレータ２９は、たとえば、５〜３０μｍの厚みを有する。セパレータ２９は、たとえば、ポリエチレン（ＰＥ）およびポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂から構成されている。ＰＥの多孔質フィルムの単独により、セパレータ２９が構成されてもよいし、ＰＥの多孔質フィルムおよびＰＰの多孔質フィルムが組み合わさって、セパレータ２９が構成されてもよい。たとえば、ＰＰの多孔質フィルム、ＰＥの多孔質フィルムおよびＰＰの多孔質フィルムがこの順序で積層されることにより、セパレータ２９が構成されてもよい。

正極２１、負極２６および２枚のセパレータ２９が、セパレータ２９、負極２６、セパレータ２９、正極２１の順に重ね合わされている。この際、正極２１にペースト２２が塗布された領域と、負極２６にペースト２７が塗布された領域とが、セパレータ２９を介して向かい合う。正極２１のペースト未塗布部２３が、セパレータ２９の長手方向に延びる一方の端辺から露出し、負極２６のペースト未塗布部２８が、セパレータ２９の長手方向に延びる他方の端辺から露出する。

電極体２０は、巻回タイプである。電極体２０は、正極２１、負極２６および２枚のセパレータ２９からなる積層体９０が、図３中に示す仮想上の中心軸１０１の周りに巻回されることによって構成されている。

電極体２０において、正極２１のペースト未塗布部２３が多層に重なった部位は、集電端子３６を介して正極端子３４に接続されている。電極体２０において、負極２６のペースト未塗布部２８が多層に重なった部位は、集電端子３７を介して負極端子３５に接続されている。

電極体２０は、扁平形状を有する。電極体２０は、その構成部位として、平坦部１１０と、一対の湾曲部１２０とを有する。

平坦部１１０は、薄板形状の外観をなす。平坦部１１０は、平面状の積層体９０が複数層に重ね合わされることによって構成されている。平坦部１１０は、その外観に、一対の側面１１５を有する。側面１１５は、平面状に延在する。

一対の湾曲部１２０は、薄板形状を有する平坦部１１０の厚み方向と、中心軸１０１の軸方向との双方に直交する方向における平坦部１１０の両端に連なっている。一対の湾曲部１２０は、平坦部１１０を挟んで対称に設けられている。湾曲部１２０は、湾曲形状の外観をなす。湾曲部１２０は、中心軸１０１の周りで湾曲しながら周回する湾曲状の積層体９０が、複数層に重ね合わされることによって構成されている。湾曲部１２０は、その外観に、湾曲面１２５を有する。湾曲面１２５は、一対の側面１１５の間で湾曲しながら延在する。

ケース体３１は、内側面３１ｍ、内側面３１ｎ、内側面３１ｐ、内側面３１ｑ、内底面３１ｒおよび内頂面３１ｓを有する。内側面３１ｍ、内側面３１ｎ、内側面３１ｐ、内側面３１ｑおよび内底面３１ｒは、本体部３２に設けられている。内頂面３１ｓは、蓋部３３に設けられている。

内側面３１ｐおよび内側面３１ｑは、薄板形状を有するケース体３１の厚み方向において互いに対面している。内側面３１ｐおよび内側面３１ｑは、ケース体３１が有する上記６つの内面のうちで最も大きい面積を有する。内側面３１ｍおよび内側面３１ｎは、互いに対面している。内側面３１ｍおよび内側面３１ｎは、内側面３１ｐおよび内側面３１ｑの間で延在している。内底面３１ｒは、蓋部３３と対向する本体部３２の底部に配置されている。内底面３１ｒおよび内頂面３１ｓは、互いに対面している。

電極体２０がケース体３１に収容された状態において、平坦部１１０の一対の側面１１５は、ケース体３１の内側面３１ｐおよび内側面３１ｑに対面している。一対の湾曲部１２０の湾曲面１２５は、それぞれ、ケース体３１の内頂面３１ｓおよび内底面３１ｒに対面している。積層体９０の巻回中心である中心軸１０１は、ケース体３１の内側面３１ｍおよび内側面３１ｎに交わる（直交する）。

続いて、二次電池１０における電極体２０の保持構造について説明する。二次電池１０は、保持体４１をさらに有する。

保持体４１は、ケース体３１の内部に設けられている。保持体４１は、ケース体３１の内部で電極体２０を保持するように設けられている。保持体４１は、湾曲部１２０の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束するように設けられている。

保持体４１は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂から構成されている。

保持体４１は、ケース体３１の底部に設けられている。保持体４１は、湾曲部１２０およびケース体３１の間に設けられている。保持体４１は、湾曲部１２０の湾曲面１２５と面接触して設けられている。保持体４１は、ケース体３１の内底面３１ｒと面接触して設けられている。保持体４１は、内底面３１ｒと、内側面３１ｍ、内側面３１ｎ、内側面３１ｐおよび内側面３１ｑとの隅部から、湾曲部１２０を取り囲むように設けられている。保持体４１は、ケース体３１の内底面３１ｒ上において、電極体２０（湾曲部１２０）を受ける受け皿形状を有する。

図５は、図１中の二次電池の製造工程を示す断面図である。図１から図５を参照して、二次電池１０の製造工程時、本体部３２の開口部を通じて内底面３１ｒ上に薄板状の樹脂材４０を配置する。図１中において、電極体２０および内底面３１ｒ間の隙間の大きさをＴ１とする場合、樹脂材４０の厚みＴ２は、Ｔ２＞Ｔ１の関係を満たす。

次に、蓋部３３と一体となった電極体２０を、ケース体３１の本体部３２に収容し、蓋部３３を本体部３２に溶接する。この際、電極体２０により薄板状の樹脂材４０を圧縮変形することによって、湾曲部１２０の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力（拘束荷重）で拘束する保持体４１を構成する。

なお、保持体４１から湾曲部１２０に作用する拘束荷重の大きさは、たとえば、フィルム状の圧力センサを、湾曲部１２０および保持体４１間に配置することによって検出可能である。

続いて、セパレータ２９の熱収縮について説明する。一般的に、セパレータは、樹脂フィルムを延伸することによって得られる。この延伸工程によりセパレータには歪みが生じており、これが高温に晒されると、残留応力によってセパレータが熱収縮を起こす。

図６は、無荷重時におけるセパレータの収縮率の測定実験の様子を示す図である。図７は、図６中の測定実験により得られたセパレータの加熱温度と、セパレータの収縮率との関係を示すグラフである。

図６および図７を参照して、ステンレス板５２上にセパレータ５１（ＰＥの多孔質フィルム）を配置した。セパレータ５１を加熱するとともに、各加熱温度におけるセパレータ５１の幅を計測した。加熱に伴うセパレータ５１の収縮率を、下記の式により算出した。

セパレータ５１の収縮率（％）＝（１−（加熱後のセパレータ５１の幅）／（加熱前のセパレータ５１の幅））×１００
図７中に示すように、無荷重時におけるセパレータ５１の収縮率は、加熱温度１００℃以上で上昇した。

図８は、荷重付加時におけるセパレータの収縮率の測定実験の様子を示す図である。図９は、図８中の測定実験により得られたセパレータの加熱温度と、セパレータの収縮率との関係を示すグラフである。

図８および図９を参照して、ステンレス板５２およびステンレス板５３の間にセパレータ５１を配置するとともに、セパレータ５１に１ＭＰａの拘束荷重を作用させた。セパレータ５１を加熱するとともに、各加熱温度におけるセパレータ５１の幅を計測した。その計測結果から、加熱に伴うセパレータ５１の収縮率を先と同様に算出した。

図９中に示すように、セパレータ５１に１ＭＰａの拘束荷重を作用させることによって、１００℃〜１０５℃の加熱温度時におけるセパレータ５１の収縮率の上昇を抑えることができた。

図１０は、セパレータの拘束荷重と、セパレータの収縮率との関係を示すグラフである。図８および図１０を参照して、セパレータ５１の加熱温度を１００℃とし、セパレータ５１の拘束荷重を０〜１ＭＰａの範囲で変化させた場合に、各拘束荷重におけるセパレータ５１の幅を計測した。その計測結果から、加熱に伴うセパレータ５１の収縮率を先と同様に算出した。

図１０中に示すように、セパレータ５１の拘束荷重が０．６ＭＰａ以上である場合に、セパレータ５１の収縮率の上昇を抑える効果が確認された。

図１から図４を参照して、角型のケース体３１と、そのケース体３１に収容される巻回タイプの電極体２０とを備える二次電池１０においては、ケース体３１外部からの拘束力が、電極体２０のうちの湾曲部１２０に掛かり難く、このため、セパレータ２９の熱収縮が顕著に発生する。本実施の形態では、保持体４１により湾曲部１２０の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束することによって、湾曲部１２０におけるセパレータ２９の熱収縮を効果的に抑えることができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態１における二次電池１０の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における二次電池１０は、正極２１および負極２６と、正極２１および負極２６の間に配置されるセパレータ２９とを含み、正極２１、セパレータ２９および負極２６の積層体９０が巻回されてなる電極体２０と、電解液とともに電極体２０を収容する角型のケース体３１と、ケース体３１の内部に設けられ、電極体２０を保持する保持体４１とを備える。電極体２０は、湾曲形状の外観をなす湾曲部１２０を有する。保持体４１は、湾曲部１２０の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束するように設けられる。

このように構成された、この発明の実施の形態１における二次電池１０によれば、セパレータ２９の熱収縮に起因した内部短絡の発生を抑制することができる。

続いて、セパレータ２９の収縮率を確認するために実施した実施例および比較例について説明する。

図１１は、比較例における二次電池を示す断面図である。図１２は、図１１中の比較例において、平坦部、湾曲部および負極側湾曲部におけるセパレータの収縮率を示すグラフである。

図１１および図１２を参照して、本比較例では、図１中の二次電池１０から保持体４１を取り除いた二次電池２１０を用いた。電極体２０の平坦部１１０に１ＭＰａの拘束荷重が作用するように二次電池を拘束するとともに、二次電池を１０５℃に保持した。加熱に伴うセパレータ２９の収縮率を測定した。

図１２中に示すように、セパレータ２９の収縮率が、湾曲部１２０で上昇し、特に負極側湾曲部１２０Ｎ（湾曲部１２０のうちの負極側部分）で大きい値となった。負極２６を構成する銅箔の熱抵抗率が、正極２１を構成するアルミニウム箔の熱抵抗率よりも大きく、これにより、負極側湾曲部１２０Ｎにおける発熱がより大きくなったためと考えられる。

図１３は、実施例における二次電池を示す断面図である。図１４は、図１３中の実施例において、平坦部、湾曲部および負極側湾曲部におけるセパレータの収縮率を示すグラフである。

図１３および図１４を参照して、本実施例における二次電池２２０では、保持体４１として、電極体２０とケース体３１との隙間１ｍｍに対して、１．５ｍｍの厚みの樹脂材４０（ＰＰ製）を用いた。特に負極側では、保持体４１として、電極体２０とケース体３１との隙間１ｍｍに対して、１．８ｍｍの樹脂材４０を用いた。このような構成により、湾曲部１２０に０．６ＭＰａ以上の拘束荷重を作用させ、特に負極側湾曲部１２０Ｎには、０．８ＭＰａ以上の拘束荷重を作用させた。

電極体２０の平坦部１１０に１ＭＰａの拘束荷重が作用するように二次電池を拘束するとともに、二次電池を１０５℃に保持した。加熱に伴うセパレータ２９の収縮率を測定した。

図１４中に示すように、湾曲部１２０および負極側湾曲部１２０Ｎのいずれにおいても、セパレータ２９の収縮率を小さく抑えることができた。

（実施の形態２）
図１５は、この発明の実施の形態２における二次電池を示す断面図である。本実施の形態における二次電池は、実施の形態１における二次電池１０と比較して、基本的には同様の構造を有する。以下、重複する構造については、その説明を繰り返さない。

図１５を参照して、本実施の形態における二次電池は、実施の形態１における保持体４１に替えて、保持体４１Ｐおよび保持体４１Ｎを有する。保持体４１Ｐは、正極側で電極体２０（湾曲部１２０）を保持するように設けられ、保持体４１Ｎは、負極側で電極体２０（湾曲部１２０）を保持するように設けられている。

保持体４１Ｐおよび保持体４１Ｎは、積層体９０の巻回中心である中心軸１０１の軸方向において、互いに離れて設けられている。すなわち、保持体４１Ｐおよび保持体４１Ｎの間における湾曲部１２０は、ケース体３１の内底面３１ｒと直接対向する。

このように構成された、この発明の実施の形態２における二次電池によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に奏することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、車載用の二次電池の製造方法に適用される。

１０，２１０，２２０ 二次電池、２０ 電極体、２１ 正極、２２，２７ ペースト、２３，２８ 未塗布部、２６ 負極、２９，５１ セパレータ、３１ ケース体、３１ｍ，３１ｎ，３１ｐ，３１ｑ 内側面、３１ｒ 内底面、３１ｓ 内頂面、３２ 本体部、３３ 蓋部、３４ 正極端子、３５ 負極端子、３６，３７ 集電端子、４０ 樹脂材、４１，４１Ｎ，４１Ｐ 保持体、５２，５３ ステンレス板、９０ 積層体、１０１ 中心軸、１１０ 平坦部、１１５ 側面、１２０ 湾曲部、１２０Ｎ 負極側湾曲部、１２５ 湾曲面。

Claims (1)

1. 正極および負極と、前記正極および前記負極の間に配置されるセパレータとを含み、前記正極、前記セパレータおよび前記負極の積層体が巻回されてなる電極体と、
   電解液とともに前記電極体を収容する角型のケース体と、
   前記ケース体の内部に設けられ、前記電極体を保持する保持体とを備え、
   前記電極体は、湾曲形状の外観をなす湾曲部を有し、
   前記保持体は、前記湾曲部の少なくとも一部を０．６ＭＰａ以上の圧力で拘束するように設けられる、二次電池。

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