JP2018181622A - 積層型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池内でのスペースの無駄を低減させる。【解決手段】電極が積層されて構成された電極体と、電極体に電気的に接続された電極タブと、電極タブに電気的に接続された電極端子と、電極体および電極端子を収納する外装体と、を有し、電極タブは折り曲げられており、電極タブおよび電極端子は、積層方向に延伸する面同士で接続され、電極端子および外装体は、電極端子における電極タブおよび電極端子の接続面とは反対側の面で、積層方向に延伸する面同士でシールされる積層型二次電池。【選択図】図１

Description

本発明は、積層型二次電池に関する。

積層型二次電池に関する技術として、特許文献１には、集電端子１５を、積層電極体１０における正負極板と実質的に平行な第１片１５１と、積層電極体１０における正負極板の積層方向と実質的に平行な第２片１５２とを有するように折り曲げて側面視鉤形状（Ｌ形状）に成形し、第１片１５１から第２片１５２にかけて拡がる貫通部１５Ｐを形成する。集電リード１１を、集電端子１５の第２片１５２に第２溶接点Ｄ１２で接合するとともに、貫通部１５Ｐが形成された領域内の第１溶接点Ｄ１１で、積層された集電リード１１同士を接合する、旨が開示されている。また、特許文献２には、電極組立体５を層方向から正面視した場合に、電極組立体５の中央を通る仮想基準線Ｆ１に対する正極集電部１６の距離Ｘ１と負極集電部２０の距離Ｙ１を異ならせる。距離Ｘ１は、正極集電部１６の幅方向Ｗ２の中央を通る第１仮想中央線Ｆ２と仮想基準線Ｆ１の距離である。距離Ｙ１は、負極集電部２０の幅方向Ｗ３の中央を通る第２仮想中央線Ｆ３と仮想基準線Ｆ１の距離である。そして、距離Ｘ１を、距離Ｙ１に比して短くすることにより、正極集電部１６は、負極集電部２０よりも仮想基準線Ｆ１寄りに配置される、旨が開示されている。

特開２０１４−１０２８７５号公報 特開２０１３−２０６６０８号公報

特許文献１では、集電端子１５と外装体との接合面が積層電極体１０の積層方向に対する垂直方向に延伸しているので、二次電池内でのスペースの無駄が発生している。また、特許文献２では、絶縁リング９ａにより外部端子７および外部端子８と電槽缶３とが電極の積層方向に対する垂直方向の面同士でシールされているため、二次電池内でのスペースの無駄が発生している。本発明は、二次電池内でのスペースの無駄を低減することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

電極が積層されて構成された電極体と、電極体に電気的に接続された電極タブと、電極タブに電気的に接続された電極端子と、電極体および電極端子を収納する外装体と、を有し、電極タブは折り曲げられており、電極タブおよび電極端子は、積層方向に延伸する面同士で接続され、電極端子および外装体は、電極端子における電極タブおよび電極端子の接続面とは反対側の面で、積層方向に延伸する面同士でシールされる積層型二次電池。

本発明により、二次電池内でのスペースの無駄を低減できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る積層型二次電池である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本明細書では、積層型二次電池としてリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明の技術的思想は、リチウムイオン二次電池の他、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池、アルミニウムイオン二次電池などに対しても適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の模式図である。積層型二次電池１０００は、正極１００、負極２００、正極タブ１３０、負極タブ２３０、正極端子１５０、負極端子２５０、セパレータ３００、シーラント剤５００、折り曲げ用絶縁部材６００、外装体７００を有する。図１のように、正極１００、負極２００、セパレータ３００が積層されている方向を積層方向、積層方向の垂面方向を面内方向、とする。

以下では、正極１００または負極２００を電極、正極合剤層１１０または負極合剤層２１０を電極合剤層、正極集電体１２０または負極集電体２２０を電極集電体、正極タブ１３０または負極タブ２３０を電極タブ、正極端子１５０または負極端子２５０を電極端子、と称する場合がある。

正極１００、セパレータ３００、負極２００が積層されて電極体４００が構成される。積層型二次電池１０００は、複数の電極体４００が積層されて構成される。正極タブ１３０同士および負極タブ２３０が接続されることで、積層型二次電池１０００中で電気的な並列接続が構成される。積層型二次電池１０００中で電気的な直列接続を構成させてもよい。その場合、複数の電極体４００内で電気的な直列接続が構成され、電極体４００の最上段および最下段からそれぞれ一つの正極タブ１３０および負極タブ２３０が面内方向から延伸することになる。

＜正極１００＞
正極１００は、正極合剤層１１０および正極集電体１２０を有する。正極集電体１２０の両面に正極合剤層１１０が形成されている。

＜正極合剤層１１０＞
正極合剤層１１０には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物な、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系酸化物などが上げられる。正極合剤層１１０中に、正極合剤層１１０内の電子伝導性を担う導電材や、正極合剤層１１０内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合剤層１１０内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合剤層１１０を作製する方法として、正極合剤層１１０に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電体１２０上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合剤層１１０内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合剤層１１０が形成される。

＜正極集電体１２０、正極タブ１３０＞
正極集電体１２０は正極タブ１３０と電気的に接続されている。正極タブ１３０は電極体４００の外部に導出されている。図１において、正極タブ１３０には正極合剤層１１０が形成されていない。ただし、電池性能に悪影響を与えない範囲で正極タブ１３０に正極合剤層１１０を形成してもよい。正極タブ１３０は折り曲げ用絶縁部材６００によって折り曲げられており、折り曲げられた正極タブ１３０は積層方向に延伸している。折り曲げられた正極タブ１３０の折り返し部は外装体７００に接している。これにより、積層型二次電池１０００の大きさをコンパクトにできる。

正極集電体１２０および正極タブ１３０には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電体１２０および正極タブ１３０の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。積層型二次電池１０００のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極２００＞
負極２００、負極合剤層２１０および負極集電体２２０を有する。負極集電体２２０の両面に負極合剤層２１０が形成されている。

＜負極合剤層２１０＞
負極合剤層２１０には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合剤層２１０中に、負極合剤層２１０内の電子伝導性を担う導電材や、負極合剤層２１０内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合剤層２１０内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合剤層２１０を作製する方法として、負極合剤層２１０に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを負極集電体２２０上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、負極合剤層２１０内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、負極合剤層２１０が形成する。

＜負極集電体２２０、負極タブ２３０＞
負極集電体２２０および負極タブ２３０の構成は、概ね正極集電体１２０および正極タブ１３０の構成と同様である。正極タブ１３０と同様に負極タブ２３０も電極体４００の外部に導出されているが、正極タブ１３０および負極タブ２３０の面内方向において導出されている方向は、反対になっている。

負極集電体２２０および負極タブ２３０には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電体２２０および負極タブ２３０の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。積層型二次電池１０００のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜セパレータ３００＞
セパレータ３００は、正極１００と負極２００との間に形成され、積層型二次電池１０００がリチウムイオン二次電池の場合リチウムイオンを透過させ、正極１００と負極２００の短絡を防止する。セパレータ３００を構成する材料として、微多孔膜や固体電解質等を利用できる。

微多孔膜として、ポリエチレンやポリプロピレンといったポリオレフィンやガラス繊維などを利用できる。セパレータ３００に微多孔膜が用いられる場合、外装体７００の空いている１辺や注液孔から積層型二次電池１０００に電解液を注入することで、積層型二次電池１０００中に電解液が充填される。

電解液は、例えば溶媒及びリチウム塩を有し、正極１００と負極２００の間でリチウムイオンの伝達させる媒体となる。溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン等を用いることができる。こられの材料を単独または複数組み合わせて使用してもよい。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、リチウムビスオキサレートボラート（ＬｉＢＯＢ）、リチウムイミド塩（例えば、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド、ＬｉＦＳＩ）等を好ましく用いることができる。これらのリチウム塩を単独または複数組み合わせて使用してもよい。

固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させた半固体電解質、高分子ゲルを電解質としたゲル電解質等を利用できる。セパレータ３００として固体電解質を用いた場合、固体電解質が正極１００と負極２００の間にリチウムイオンの伝達させる媒体となるため上記の電解液は基本不要となるため、積層型二次電池１０００中で電気的な直列接続を構成できる。ただし、積層型二次電池１０００中での電気的な短絡を防止できるのであれば、セパレータ３００として固体電解質を用いた場合でも積層型二次電池１０００中に電解液を添加してもよい。

セパレータ３００は、シートとして正極１００と負極２００との間に形成してもよいし、電極合剤層の上に塗布により形成してもよい。図１では、電極合剤層の両面にセパレータ３００が形成されているが、正極１００と負極２００との間にセパレータ３００が形成されば、電極合剤層の片面にセパレータ３００が形成されていてもよい。セパレータ３００の厚さは積層型二次電池１０００のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズとなる。

＜電極端子＞
電極端子は、電極端子中間凹部（正極端子中間凹部１５１、負極端子中間凹部２５１）、電極端子端部凹部（正極端子端部凹部１５２、負極端子端部凹部２５２）、電極端子突出部（正極端子突出部１５３、負極端子突出部２５３）を有する。

電極端子は、外装体７００にシーラント剤５００を介して固定され、電極タブと電気的に接続されている。電極端子は面内方向において外装体７００より突出する電極端子突出部が形成されている。電極端子の突出部は図示省略するバスバーに接続され、バスバーは複数の積層型二次電池１０００を電気的に接続する。
積層方向における電極端子の中間部には電極端子中間凹部が設けられており、電極端子中間凹部が電極端子および電極タブの接合点になっている。接合点において、電極タブおよび電極端子は、積層方向に延伸する面同士で接続されている。電極端子中間凹部は、電極タブおよび電極端子が接合できるように、積層方向においてシーラント剤５００より上部に形成されている。電極端子の中間部に電極端子中間凹部を設けることにより、電極端子および電極タブの接合を容易にしている。面内方向において、電極端子中間凹部の電極体４００が形成されている側には凸部が形成されている。換言すれば、積層方向において、電極端子および電極タブで接していない箇所があり、電極端子および電極タブは部分的に接合されている。これにより、積層方向において電極端子および電極タブが全面で接している場合に比べて、電極端子および電極タブの接合で発生した熱が電極端子全体に分散されるのを抑制している。

積層方向における電極端子の端部には電極端子端部凹部が設けられており、電極端子端部凹部にシーラント剤５００が形成されている。電極端子端部凹部を設けることにより、電極端子突出部を外装体７００より露出させることができ、面内方向で複数の積層型二次電池１０００のそれぞれの電極端子突出部を接触させるだけで、複数の積層型二次電池１０００を電気的に接続できる。 電極端子の材質として、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスなどの金属を用いることができる。

＜シーラント剤５００＞
シーラント剤５００は、電極端子端部凹部と外装体７００の折り曲げ部との間に配置されており、電極端子および外装体７００を絶縁する。シーラント剤５００によって、電極端子における電極端子と電極タブとの接続面の反対面と外装体７００の折り曲げ部全周内面との界面がシールされ、封止されている。

電極端子および外装体７００の絶縁性を確保するために、シーラント剤５００の積層方向における長さは外装体７００の折り曲げ部より大きく形成されている。シーラント剤５００は、電極端子を囲むようにリング状に形成されている。シーラント剤５００は樹脂などの絶縁材料で形成されている。

＜折り曲げ用絶縁部材６００＞
面内方向において、電極体４００の両側に配置されている折り曲げ用絶縁部材６００は一体で形成されている。折り曲げ用絶縁部材６００は電極タブを積層方向に折り曲げるために形成されており、面内方向において折り曲られた電極タブの間に形成されている。

積層方向における折り曲げ用絶縁部材６００の下端部は折り曲げられた正極タブ１３０の折り返し部に接している。また、積層方向における折り曲げ用絶縁部材６００の上端部は外装体７００に接している。これにより、積層型二次電池１０００の大きさをコンパクトにできる。また、振動などにより電極端子が電極体４００に接触した場合の電極体４００の損傷を抑制できる。さらに、振動などによる電極端子の積層方向の動きを抑制している。

折り曲げ用絶縁部材６００は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの絶縁性樹脂材料で構成されている。

＜外装体７００＞
外装体７００は、電極、セパレータ３００、電極タブ、電極端子、シーラント剤５００、折り曲げ用絶縁部材６００を収納する。電極端子をバスバーに電気的に接続させるために、外装体７００の電極端子が形成されている面では、電極端子を露出させるように外装体７００には開口部が形成されている。

外装体７００の積層方向端部には折り曲げ部が設けられており、折り曲げ部はシーラント剤５００に接するように形成されている。電極端子および外装体７００は、電極端子における電極タブおよび電極端子の接続面とは反対側の面で、積層方向に延伸する面同士でシールされている。

外装体７００はチューブ（筒）状に形成されており、外装体７００は、少なくとも表面が絶縁処理されたアルミニウム、ＳＵＳ、ニッケルめっき鋼など、電解質に対する耐食性を備えていることが望ましい。外装体７００は、曲げ、絞り等加工性に優れる材料であることが望ましい。外装体７００は、環状の樹脂材質からなる熱収縮チューブとし、電極体４００等の外装体７００に収納される部材を覆った状態で収縮させてもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。図２において、基板２０００上にセパレータ３００が形成された負極２００、セパレータ３００が形成された正極１００を交互に積層させる。電極タブは面内方向へ延伸している。

図３は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。図３において、電極タブに折り曲げ用絶縁部材６００を積層方向に押し込むことで、電極タブを束ねる。電極タブは、折り曲げ用絶縁部材６００の電極体４００が形成された側に積層方向で束ねられた部分と、折り曲げ用絶縁部材６００の下部に面内方向で束ねられた部分が存在している。

図４は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。図４において、例えば超音波溶接により電極タブと電極端子（電極端子中間凹部）とを接合させる。面内方向に延伸する電極タブのいずれの箇所でも電極タブと電極端子との接合点としてもよいが、積層型二次電池１０００中の全ての電極タブが面内方向で束ねられている部分が、電極タブと電極端子との接合点になることが望ましい。電極端子には電極体４００を封止するためのシーラント剤５００が、積層方向下部に形成されている。

図５は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。図５において、電極端子が接合された電極タブを積層方向に折り曲げる。これにより、電極タブと電極端子とが積層方向に延伸する面同士で電気的に接続されることになる。折り曲げられた電極タブは、折り曲げ用絶縁部材６００に接触させてもよいし、積層型二次電池１０００の性能を損なわない範囲で空間を設けてもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の製造工程である。図６において、外装体７００の端部を折り曲げて、外装体７００の折り曲げ部とシーラント剤５００を接着させることにより、外装体７００と電極端子とで電極体４００を封止させる。シーラント剤５００により外装体７００と電極端子との絶縁性が確保されている。これにより、電極端子における電極端子と電極タブとの接合点とは反対側の面で、外装体７００と電極端子とは積層方向に延伸する面同士でシールされる。

図７は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池の模式図である。図７の積層型二次電池１０００は、図１の積層型二次電池１０００に比べて折り曲げ用絶縁部材６００がない構成、換言すれば、折り曲げられた電極タブの面内方向において空間が設けられている。折り曲げ用絶縁部材６００がない構成は、図５の工程の後、折り曲げ用絶縁部材６００を積層方向へ取り除くことにより達成される。このような構成により、積層型二次電池１０００を軽量にできる。

１００ 正極
１１０ 正極合剤層
１２０ 正極集電体
１３０ 正極タブ
１５０ 正極端子
１５１ 正極端子中間凹部
１５２ 正極端子端部凹部
１５３ 正極端子突出部
２００ 負極
２１０ 負極合剤層
２２０ 負極集電体
２３０ 負極タブ
２５０ 負極端子
２５１ 負極端子中間凹部
２５２ 負極端子端部凹部
２５３ 負極端子突出部
３００ セパレータ
４００ 電極体
５００ シーラント剤
６００ 折り曲げ用絶縁部材
７００ 外装体
１０００ 積層型二次電池
２０００ 基板

Claims (6)

1. 電極が積層されて構成された電極体と、
   前記電極体に電気的に接続された電極タブと、
   前記電極タブに電気的に接続された電極端子と、
   前記電極体および前記電極端子を収納する外装体と、を有し、
   前記電極タブは折り曲げられており、
   前記電極タブおよび前記電極端子は、積層方向に延伸する面同士で接続され、
   前記電極端子および前記外装体は、前記電極端子における前記電極タブおよび前記電極端子の接続面とは反対側の面で、積層方向に延伸する面同士でシールされる積層型二次電池。
2. 請求項１の積層型二次電池において、
   面内方向における折り曲げられた前記電極タブの間に折り曲げ用絶縁部材が形成されている積層型二次電池。
3. 請求項２の積層型二次電池において、
   前記折り曲げ用絶縁部材は前記外装体に接している積層型二次電池。
4. 請求項２の積層型二次電池において、
   前記折り曲げ用絶縁部材は折り曲げられた前記電極タブの折り返し部に接している積層型二次電池。
5. 請求項２の積層型二次電池において、
   面内方向において、前記電極タブおよび前記電極端子の間に空間が形成され、
   前記電極タブおよび前記電極端子は、積層方向に延伸する面の一部同士で接続される積層型二次電池。
6. 請求項１の積層型二次電池において、
   面内方向における折り曲げられた前記電極タブの間に空間が形成されている積層型二次電池。
   
   

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