JP2020068103A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池を均一に加圧することができる二次電池を提供する。【解決手段】二次電池１１は、正極と負極とがセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液が可撓性を有した外装部材によって包み込まれた単電池１２と、単電池１２を加圧する硬質の加圧部材１４とを備えている。そして、単電池１２と加圧部材１４との間には、可撓性部材１３が介在されている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池に関する。

従来、この種の二次電池として例えば特許文献１に示す電池装置が知られている。こうした電池装置は、互いに面接触するように水平方向に並べられた複数の板状の単電池と、複数の単電池をそれらが並ぶ方向の両側から挟む一対の硬質のエンドプレートと、複数の単電池及び一対のエンドプレートをそれらの上部及び下部で拘束する弾性部材により構成された一対の拘束バンドとを備えている。

単電池は、複数の正極板と、複数の負極板と、複数のセパレータと、可撓性を有する外装部材と、液体電解質とを備えている。すなわち、単電池は、セパレータを介して正極板と負極板とを交互に積層したものを外装部材で包み込み、外装部材により形成される空間に液体電解質を注入した後、外装部材を封止することによって形成される。

特開２０１５−１１８８２２号公報

ところで、上述のような電池装置においては、複数の単電池を一対のエンドプレートにより挟んだ状態で一対のエンドプレートの外側から一対の拘束バンドによる弾性力を付与することによって、一対のエンドプレートが複数の単電池を加圧する構成になっている。この場合、硬質のエンドプレートにおける単電池との接触面は、平坦になっている。一方、可撓性を有した単電池は、互いに大きさの異なる正極板と、負極板と、セパレータとが複数積層された構成であるため、正極板とセパレータとの間及び負極板とセパレータとの間には必ず段差が生じる。

このため、単電池におけるエンドプレートとの接触面には、正極板とセパレータとの間の段差及び負極板とセパレータとの間の段差により多少の凹凸が形成される。この結果、エンドプレートによって単電池が加圧されると、単電池のエンドプレートとの接触面における凹凸の段差部分にエンドプレートから付与される加圧力が集中して単電池内のセパレータが破損するおそれがあるという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、単電池を均一に加圧することができる二次電池を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液が可撓性を有した外装部材によって包み込まれた単電池と、前記単電池を加圧する硬質の加圧部材と、を備えた二次電池であって、前記単電池と前記加圧部材との間には、可撓性部材が介在されていることを要旨とする。

この構成によれば、硬質の加圧部材により可撓性部材を介して単電池が加圧されるので、単電池の加圧面に凹凸があっても単電池を均一に加圧することができる。

本発明によれば、単電池を均一に加圧することができる。

一実施形態における二次電池の側面模式図。 図１の分解斜視図。 単電池の拡大断面模式図。 二次電池の平面模式図。

以下、二次電池の一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、二次電池１１は、例えばリチウムイオン電池などによって構成される。二次電池１１は、積層された矩形板状をなす複数（本例では４つ）の単電池１２と、４つの単電池１２を外側から挟む一対の矩形板状をなす可撓性部材１３と、一対の可撓性部材１３を外側から挟む一対の矩形板状をなす硬質の加圧部材１４とを備えている。

一対の加圧部材１４は、一対の可撓性部材１３を介して４つの単電池１２を外側から挟むようにして加圧する。つまり、加圧部材１４と単電池１２との間には、可撓性部材１３が介在されている。加圧部材１４は、例えばアルミニウムなどの金属の板材によって構成される。

可撓性部材１３は、例えばシリコーンゴムなどの可撓性を有する材料によって構成された矩形板状の袋体１５と、袋体１５内に収容された流体とを備えている。袋体１５内に収容される流体としては水などの液体のみ、空気などの気体のみ、液体及び気体の混合物などが挙げられるが、本実施形態では流体として電気絶縁性を有する液体が採用されている。電気絶縁性を有する液体としては、例えばフッ素系不活性液体であるフロリナート（登録商標）が挙げられる。

図３に示すように、単電池１２は、矩形板状の正極１６と矩形板状の負極１７とが矩形板状のセパレータ１８を介して交互に複数積層されてなる電極積層体１９及び電解液２０を、可撓性を有した外装部材２１によって包み込んだ構成とされている。正極１６は、例えばアルミニウム板によって構成された正極集電板に正極活物質を塗布することによって形成される。負極１７は、例えば銅板によって構成された負極集電板に負極活物質を塗布することによって形成される。

セパレータ１８は、例えば不織布によって形成される。可撓性を有した外装部材２１は、例えばラミネートフィルムによって形成される。外装部材２１における長手方向の一端側からは正極端子２２が突出しており、他端側からは負極端子２３が突出している。正極端子２２は、外装部材２１内の全正極１６の正極集電板と電気的に接続されている。負極端子２３は、外装部材２１内の全負極１７の負極集電板と電気的に接続されている。

図４に示すように、二次電池１１において、正極１６、負極１７、及びセパレータ１８の大きさを比較すると、セパレータ１８が最も大きく、正極１６が最も小さい。可撓性部材１３は正極１６よりも小さく、加圧部材１４はセパレータ１８よりも大きい。そして、可撓性部材１３は、正極１６の範囲内に収まるように配置されている。すなわち、可撓性部材１３は、正極１６の周縁と重ならないように正極１６のほぼ中央部と対応するように配置されている。

次に、二次電池１１の作用について説明する。
二次電池１１は、単電池１２における正極１６とセパレータ１８との密着性及び負極１７とセパレータ１８との密着性が高いほど、すなわち正極１６及び負極１７間の距離が短いほど、正極１６及び負極１７間での電解液２０を通した陽イオン（例えば、リチウムイオンなど）の移動が円滑になるので、電池としての性能が向上する。このため、単電池１２は、一対の加圧部材１４によって挟むようにして加圧する構成になっている。

ここで、単電池１２の加圧面（外装部材２１の表面）には、外装部材２１内の正極１６とセパレータ１８との間の段差及び負極１７とセパレータ１８との間の段差などの影響により多少の凹凸が形成される。このため、加圧部材１４によって直接単電池１２を加圧すると、単電池１２の加圧面における凹凸の段差部分に加圧部材１４から付与される加圧力が集中して外装部材２１内の特に脆弱なセパレータ１８が破損するおそれがある。

この点、本実施形態の二次電池１１では、単電池１２と加圧部材１４との間に可撓性部材１３が介在されているので、単電池１２が可撓性部材１３を介して硬質の加圧部材１４により加圧される。このため、単電池１２の加圧面に凹凸があっても当該凹凸が可撓性部材１３の弾性変形によって吸収されるので、加圧部材１４による加圧力が単電池１２の加圧面に対して均一に付与される。したがって、二次電池１１では、内部のセパレータ１８の破損を抑制しつつ単電池１２を加圧することができる。

さらに、可撓性部材１３は正極１６よりも小さく且つ正極１６の範囲内に収まるように配置されている。このため、加圧部材１４により可撓性部材１３を介して単電池１２が加圧された場合に、正極１６の周縁及び負極１７の周縁がこれらと接触するセパレータ１８に強く押し付けられることが抑制される。したがって、正極１６の周縁及び負極１７の周縁が強く押し付けられることによってセパレータ１８が破損することを抑制できる。

また、二次電池１１における単電池１２は、充電及び放電を行う過程で膨張したり収縮したりして体積が変化する。このため、二次電池１１において単電池１２と加圧部材１４との間に可撓性部材１３を介在させない場合には、単電池１２が膨張すると、単電池１２が加圧部材１４から過剰な圧力を受けて単電池１２を構成する各種の部材が悪影響を受けることとなる。

この点、本実施形態の二次電池１１では、単電池１２と加圧部材１４との間に可撓性部材１３が介在されているので、単電池１２の膨張及び収縮に追従して可撓性部材１３が弾性変形する。このため、単電池１２が膨張しても単電池１２が加圧部材１４から過剰な圧力を受けることが可撓性部材１３によって効果的に抑制される。

なお、可撓性部材１３は、袋体１５内に収容する流体の種類や量を変更することで弾力性を自由に変更することができる。したがって、二次電池１１では、単電池１２の状態に応じて使用する可撓性部材１３の弾力性を調整することで、単電池１２が膨張したり収縮したりした際に加圧部材１４から受ける圧力の変動を低減できる。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）二次電池１１において、単電池１２と加圧部材１４との間には、可撓性部材１３が介在されている。この構成によれば、硬質の加圧部材１４により可撓性部材１３を介して単電池１２が加圧されるので、単電池１２の加圧面に凹凸があっても単電池１２を均一に加圧することができる。

（２）二次電池１１において、可撓性部材１３は、可撓性を有した袋体１５と、袋体１５内に収容された流体とを備えている。この構成によれば、可撓性部材１３がより撓みやすくなるので、単電池１２が膨張したときの膨張分の体積を可撓性部材１３が撓むことによって好適に吸収することができる。

（３）二次電池１１において、可撓性部材１３の袋体１５に収容される流体は、電気絶縁性を有する液体である。この構成によれば、袋体１５から液体が漏れた場合でも、単電池１２が短絡することを抑制できる。

（４）二次電池１１において、可撓性部材１３は、正極１６、負極１７、及びセパレータ１８のうちで最も小さい正極１６よりも小さい。この構成によれば、可撓性部材１３を正極１６の範囲内に配置することで、加圧部材１４により可撓性部材１３を介して単電池１２が加圧された場合に、正極１６の周縁及び負極１７の周縁がこれらと接触するセパレータ１８に強く押し付けられることを抑制できる。このため、正極１６の周縁及び負極１７の周縁が強く押し付けられることによってセパレータ１８が破損することを抑制できる。

（変更例）
なお、上記実施形態は次のように変更してもよい。
・可撓性部材１３は、必ずしも正極１６より小さくする必要はない。すなわち、可撓性部材１３は、正極１６より大きくてもよいし、セパレータ１８より大きくてもよい。

・可撓性部材１３の袋体１５に収容される流体は、必ずしも電気絶縁性を有する液体である必要はない。
・可撓性部材１３は、可撓性を有した袋体１５と、袋体１５内に収容された流体とによって構成する必要はない。すなわち、可撓性部材１３は、フォーム材（スポンジ）、ゴム、エラストマなどによって構成してもよい。

・加圧部材１４を二次電池１１の外装ケースと兼用にしてもよい。この場合には、外装ケースを構成する複数の壁部のうちの単電池１２と対向する一部の壁部が加圧部材１４として機能する。

・一対の可撓性部材１３のうちのいずれか一方を省略してもよい。
・二次電池１１における単電池１２の数は、任意に変更してもよい。
・検査装置によって単電池１２の通電検査を行う際には単電池１２を一対の加圧部材１４で加圧する必要があるが、このときの検査治具として一対の可撓性部材１３を用いてもよい。あるいは、検査治具を用いずに、検査装置が一対の加圧部材１４及び一対の可撓性部材１３を備えるようにしてもよい。このようにしても、上記（１）〜（４）と同様の作用効果を得ることができる。

・可撓性部材１３の袋体１５には、外部から袋体１５内に流体を注入可能な注入部を設けるようにしてもよい。この場合、注入部は、袋体１５内の流体が外部へ流出しないようにするための弁を有している。このようにすれば、二次電池１１の組み立て時には袋体１５内に流体を注入せず、二次電池１１の組み立て後に注入部から袋体１５内に流体を注入することができる。このため、二次電池１１の組み立て効率の向上に寄与できる。また、二次電池１１の使用過程で単電池１２の厚みが薄くなって加圧部材１４から単電池１２に付与される加圧力が減少した場合には、注入部から袋体１５内に流体を追加で注入することで、加圧部材１４から単電池１２に付与される加圧力の減少分を補うことができる。なぜなら、単電池１２の厚みの減少分を可撓性部材１３の厚みの増加分で補うことができるからである。

１１…二次電池、１２…単電池、１３…可撓性部材、１４…加圧部材、１５…袋体、１６…正極、１７…負極、１８…セパレータ、１９…電極積層体、２０…電解液、２１…外装部材。

Claims (4)

1. 正極と負極とがセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液が可撓性を有した外装部材によって包み込まれた単電池と、
   前記単電池を加圧する硬質の加圧部材と、
   を備えた二次電池であって、
   前記単電池と前記加圧部材との間には、可撓性部材が介在されていることを特徴とする二次電池。
2. 前記可撓性部材は、可撓性を有した袋体と、前記袋体内に収容された流体とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記流体は、電気絶縁性を有する液体であることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
4. 前記可撓性部材は、前記正極、前記負極、及び前記セパレータのうちで最も小さい前記正極よりも小さいことを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の二次電池。