JP2019102310A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池のエネルギー密度を向上する。【解決手段】電極タブと、電極タブに電気的に接続されている電極集電体と、電極集電体上に形成されている電極合剤層を有する電極と、電極タブに積層して形成されているスペーサと、を有し、電極は積層されており、スペーサはスペーサ厚肉部及びスペーサ薄肉部を有し、スペーサ厚肉部は、電極タブの端部に形成され、スペーサ薄肉部および電極タブが電気的に接続され、スペーサ厚肉部は隣接するスペーサ厚肉部と接触し積層されている二次電池。【選択図】図2

Description

本発明は、二次電池に関する。

二次電池に関する従来技術として、特許文献1には以下の内容が開示されている。第1外部端子40は、例えば長方形の板状の導体からなる第1端子板50の一端寄りに形成されている。封口板16には、貫通孔が形成されており、これに対応するように、第1端子板50の他端寄りにも貫通孔54が形成されている。第1端子板50は、貫通孔54に挿通される第3締結部材（第1リベット）52により、封口板16に固定されている。第1端子板50および第3締結部材52は、それぞれ第3締結部材52が挿通される貫通孔を有する板状ガスケット58とリング状ガスケット60により、封口板16と電気的に絶縁されている。板状ガスケット58とリング状ガスケット60とが、第1ガスケットを構成する。また第3締結部材52の、ケース14内側の端部には、第1電極18と第1外部端子40とを電気的に接続するための第1リード62が接合されている。

特開2015-060714号公報

特許文献1では、第1接続部26と第1外部端子40の間に第1リード62と第3締結部材52を介する必要があるため、第1接続部26から第1外部端子40までの距離が長くなる。換言すれば、電極部の外形と二次電池の外形の差が大きくなる。よって、電極部の体積/二次電池の体積で定義される二次電池のエネルギー密度を向上させることが難しい。本発明は、二次電池のエネルギー密度を向上させ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。

電極タブと、電極タブに電気的に接続されている電極集電体と、電極集電体上に形成されている電極合剤層を有する電極と、電極タブに積層して形成されているスペーサと、を有し、電極は積層されており、スペーサはスペーサ厚肉部及びスペーサ薄肉部を有し、スペーサ厚肉部は、電極タブの端部に形成され、スペーサ薄肉部および電極タブが電気的に接続され、スペーサ厚肉部は隣接するスペーサ厚肉部と接触し積層されている二次電池。

本発明によれば、二次電池のエネルギー密度を向上できる。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。

二次電池の外観図。 二次電池の分解図。 二次電池の部分断面図。 二次電池の製造方法の説明図。 二次電池の製造方法の説明図。

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。

本明細書に記載される「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的に記載されている上限値又は下限値に置き換えてもよい。本明細書に記載される数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えてもよい。

本明細書では、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。リチウムイオン二次電池とは、電解質中における電極へのリチウムイオンの吸蔵・放出により、電気エネルギーを貯蔵または利用可能とする電気化学デバイスである。これは、リチウムイオン電池、非水電解質二次電池、非水電解液二次電池の別の名称で呼ばれており、いずれの電池も本発明の対象である。本発明の技術的思想は、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、カルシウムイオン二次電池、亜鉛二次電池、アルミニウムイオン二次電池などに対しても適用できる。

図1は、二次電池の外観図である。図2は、二次電池の分解図である。図3は、二次電池の部分断面図である。二次電池1000は、電極体400、スペーサ600、シーラント剤700、正極端子150（電極端子）、負極端子250（電極端子）、外装体500を有する。二次電池1000は、電極体400が積層されて構成されている。二次電池1000は積層型の二次電池である。電極体400の積層方向をx軸方向、電極体400の面内方向をy軸方向、xy平面の垂線方向をz軸方向とする。

＜外装体500＞
外装体500は、電極体400、スペーサ600、電極端子を収容する。図1において、外装体500の電極端子が形成されている面には、電極端子を部分的に露出させるように外装体500に外装体開口部510が形成されている。外装体500の材質は、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼製、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル（PET）、シリコーン、エチレンプロピレン（EP）ゴム、ネオプレンゴム、から選択される。

＜電極体400＞
図2および図3において、電極体400は、正極100（電極）、負極200（電極）、セパレータ300を有する。電極体400は、電極およびセパレータ300が積層されて構成されている。正極100は、正極合剤層110（電極合剤層）、正極集電体120（電極集電体）、正極タブ130（電極タブ）を有する。負極200は、負極合剤層210（電極合剤層）、負極集電体220（電極集電体）、負極タブ230（電極タブ）を有する。電極タブは、面内方向において電極体400の外部に導出されている。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。電極タブと電極集電体とは電気的に接続されている。

＜電極端子＞
図2において、正極端子150は、正極端子外部接続部151（電極端子外部接続部）、正極端子屈曲部152（電極端子屈曲部）を有する。負極端子250は、負極端子外部接続部251（電極端子外部接続部）、負極端子屈曲部252（電極端子屈曲部）を有する。電極端子はスペーサ600と電気的に接続されている。電極端子は、外装体500にシーラント剤700を介して固定されている。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。

電極端子外部接続部において、電極端子は外装体500より露出している。異なる二次電池1000の外装体500より露出している電極端子外部接続部同士を電気的に接続することにより、複数の二次電池1000を電気的に接続できる。z軸方向において、電極端子外部接続部はスペーサ600と接触しており、電極端子外部接続部とスペーサ600は電気的に接続されている。

電極端子屈曲部において、電極端子はスペーサ600のy軸方向端面と接触している。電極端子屈曲部をレーザ溶接することにより、接触しているスペーサ600および電極端子を接合できる。x軸方向から見たとき電極端子屈曲部はL字型をしているが、y軸方向に伸長している部分は必ずしも必要ない。電極端子屈曲部をL字型とすることにより、正極端子150を溶接する工程でタブおよびスペーサ積層体との位置合わせが容易になる。また、外装体500の材質が熱で収縮する材料である場合、外装体500を収縮させた際に、電極端子屈曲部が電極体400との間で突っ張りとなり、電極端子面に垂直な方向の圧縮力による電極タブの座屈を抑制できる。

＜スペーサ600＞
図2および図3において、電極ごとにスペーサ600が形成されている。スペーサ600は、電極タブに積層して形成されている。スペーサ600は、スペーサ薄肉部610、スペーサ厚肉部620を有する。電極タブとスペーサ600を複数積層することで発現した積層面に近く略平行なキャップの主面が、スペーサ厚肉部620の側面に形成された電極端子と電気的に接続されるので、電極体400の外形と二次電池1000の外形差を小さくでき、二次電池のエネルギー密度を向上できる。スペーサ600を正極タブ130と溶接する場合、スペーサ600として正極タブ130と溶接性のよい同種金属板材すなわちアルミニウム合金を素材とすることが望ましい。また、スペーサ600を負極タブ230と溶接する場合、スペーサ600として負極タブ230と溶接性のよい同種金属板材すなわち銅合金を素材とすることが望ましい。

図2において、スペーサ薄肉部610は、スペーサ薄肉部前面凹部611を有する。スペーサ薄肉部610を介して、スペーサ600は電極タブに電気的に接続されている。スペーサ薄肉部前面凹部611は、スペーサ薄肉部610のx軸方向前面、換言すれば、x軸方向おいてスペーサ薄肉部610に対してスペーサ厚肉部620が突出している側の面、に形成されている。スペーサ薄肉部前面凹部611は、スペーサ600および電極タブをスポット溶接する際の位置決めとなる。

図2および図3において、スペーサ厚肉部620は、y軸方向において電極タブの端部に形成されている。また、スペーサ厚肉部620は隣接するスペーサ厚肉部620と接触し積層されている。これにより、二次電池1000のエネルギー密度向上に寄与しない電極タブの占有領域を小さくすることができ、二次電池1000のエネルギー密度を向上できる。スペーサ厚肉部620は、スペーサ厚肉部前面凹部621、スペーサ厚肉部端面凹部622を有する。

スペーサ厚肉部前面凹部621は、スペーサ厚肉部620のx軸方向前面、換言すれば、x軸方向おいてスペーサ薄肉部610に対してスペーサ厚肉部620が突出している側の面、に形成されている。スペーサ厚肉部前面凹部621にて凸型パンチ等で各スペーサ600がかしめられる、換言すれば、スペーサ厚肉部前面凹部621がかしめ部になる、ことにより、各スペーサ600の密着性が確保される。

スペーサ厚肉部端面凹部622は、スペーサ厚肉部620のy軸方向端面、換言すれば、y軸方向においてスペーサ厚肉部620のスペーサ薄肉部610が形成されている側とは反対側の面、に形成されている。スペーサ厚肉部端面凹部622は、スペーサ600が接合された電極を積層させる際の位置決めとなる。スペーサ厚肉部端面凹部622は、スペーサ600毎に二箇所設けられているが、一箇所でもよい。

図3において、スペーサ薄肉部610のx軸方向における厚みは、x軸方向における隣接する電極タブの距離よりも小さくなっている。スペーサ薄肉部610の電極タブが形成されていない面におけるスペーサ薄肉部610およびスペーサ厚肉部620の平坦性を確保するために、スペーサ薄肉部610のx軸方向における厚みは、三層の電極合剤層、二層のセパレータ300、一層の電極タブを合わせた厚さとすることが望ましい。

図3において、スペーサ厚肉部620のx軸方向における厚みは、スペーサ薄肉部610のx軸方向における厚みより大きくなっている。スペーサ厚肉部620同士をできるだけ隙間なく接触させてスペーサ600を積層させるために、スペーサ厚肉部620のx軸方向における厚みは、四層の電極合剤層、四層のセパレータ300、二層の電極タブを合わせた厚さとすることが望ましい。

＜シーラント剤700＞
シーラント剤700は、電極端子および外装体500を絶縁する。ｙ軸方向において、シーラント剤700は、電極端子外部接続部と外装体500との間に形成されている。x軸方向において、シーラント剤700は、外装体500の端面に形成されている。シーラント剤700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500との界面がシールされ、封止されている。シーラント剤700は、電極端子の周辺を囲むようにリング状に形成されている。シーラント剤700は樹脂などの絶縁材料で形成されている。外装体500と正極端子150が機械的もしくは化学的に直接密着可能な場合は、シーラント剤700を省略してもよい。

＜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。図3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0.1mm〜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。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1μm〜100μm程度が望ましい。

＜負極200＞
負極200、負極合剤層210（電極合剤層）および負極集電体220（電極集電体）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・放出が可能な負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が形成される。

＜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。

負極集電体220および負極タブ230には、銅箔や孔径0.1mm〜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。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1μm〜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、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500の空いている1辺や注液孔から二次電池1000に電解液を注入することで、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、LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiCF₃SO₃、LiCF₃CO₂、LiAsF₆、LiSbF₆、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、Li₁₀Ge₂PS₁₂、Li₂S-P₂S₅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、二次電池1000の動作温度範囲内で流動性を示さない材料を利用できる。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、二次電池1000中で電気的な直列接続を構成できる。ただし、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3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が形成されていれば、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。

図4は、二次電池の製造方法の説明図である。図4（a）において、正極タブ130とスペーサ600とを積層させる。z軸方向において、スペーサ600は、正極合剤層110や正極集電体120に接してもよい。短絡防止のために、z軸方向において、スペーサ600は、負極200に接さないように、スペーサ600と負極200との間に隙間を設けることが望ましい。図4（b）において、スポット溶接により正極タブ130とスペーサ600とが接合される。図4（c）および図4（d）において、図4（a）および図4（b）と同様に、負極タブ230とスペーサ600とが接合される。

図4（e）において、スペーサ600が接合された正極100およびスペーサ600が接合された負極200をx軸方向に積層させる。この時、スペーサ600、特に、スペーサ厚肉部端面凹部622によって正極100および負極200は位置合わせされている。この時、スペーサ600の曲げ剛性は電極の曲げ剛性より大きいので、スペーサ600による位置合わせは電極による位置合わせより位置決め精度が高い。また、スペーサ600を位置合わせに用いることにより、正極100および負極200の形状が異なっていても精度よく正極100および負極200を積層できる。

図5は、二次電池の製造方法の説明図である。図5（a）において、スペーサ600および正極タブ130を複数積層して発現した積層面（図5の鎖線で囲まれた面）に正極端子外部接続部151を当接させると共に、スペーサ600の外形に合わせ予め設けられた正極端子150両端の正極端子屈曲部152でy方向の位置合わせを行う。これにより、スペーサ600と正極端子150とが電気的に接続される。スペーサ600と負極端子250との電気的接続も同様に行う。

図5（b）において、例えばレーザ溶接により、積層された電極体400を接合させる。また、例えばレーザ溶接により、電極端子屈曲部およびスペーサ600または電極端子外部接続部およびスペーサ600の一方または両方を接合させる。電極端子外部接続部上にシーラント剤700を形成する。これにより、スペーサ600と電極端子屈曲部との間にレーザー溶接部800が形成される。

図5（c）において、外装体500内に電極体400、電極端子、スペーサ600、シーラント剤700を収納する。このとき、異なる二次電池1000同士を電気的に接続させるために、電極端子外部接続部は、外装体開口部510において外装体500に露出している。

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 正極端子外部接続部、152 正極端子屈曲部
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 負極端子外部接続部、252 負極端子屈曲部
300 セパレータ、400 電極体
500 外装体、510 外装体開口部
600 スペーサ
610 スペーサ薄肉部、611 スペーサ薄肉部前面凹部
620 スペーサ厚肉部、621 スペーサ厚肉部前面凹部、622 スペーサ厚肉部端面凹部
700 シーラント剤
800 レーザー溶接部
1000 二次電池

Claims (6)

1. 電極タブと、
   前記電極タブに電気的に接続されている電極集電体と、
   前記電極集電体の上に形成されている電極合剤層を有する電極と、
   前記電極タブに積層して形成されているスペーサと、を有し、
   前記電極は積層されており、
   前記スペーサはスペーサ厚肉部及びスペーサ薄肉部を有し、
   前記スペーサ厚肉部は、前記電極タブの端部に形成され、
   前記スペーサ薄肉部および前記電極タブが電気的に接続され、
   前記スペーサ厚肉部は隣接するスペーサ厚肉部と接触し積層されている二次電池。
2. 請求項1の二次電池において、
   前記スペーサ厚肉部の側面に電極端子が形成されている二次電池。
3. 請求項1の二次電池において、
   前記スペーサ厚肉部は、前記電極の積層方向にスペーサ厚肉部前面凹部を有し、
   前記スペーサ厚肉部前面凹部は、かしめ部を有する二次電池。
4. 請求項2の二次電池において、
   前記電極端子は、前記電極の面内方向に電極端子屈曲部を有し、
   前記スペーサおよび前記電極端子屈曲部は電気的に接続されている二次電池。
5. 請求項1の二次電池において、
   前記スペーサ厚肉部は、前記電極の面内方向端部にスペーサ厚肉部端面凹部を有する二次電池。
6. 請求項1の二次電池において、
   前記スペーサ薄肉部の厚みは、隣接する前記電極タブの距離よりも小さい二次電池。

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