JP2021082464A

JP2021082464A - 二次電池

Info

Publication number: JP2021082464A
Application number: JP2019208459A
Authority: JP
Inventors: 彰齊藤; Akira Saito; 文彦石黒; Fumihiko Ishiguro
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-19
Also published as: JP7240611B2

Abstract

【課題】電池ケース内において絶縁フィルムの滑り落ちによる内部短絡が生じにくい、信頼性の高い二次電池を安定的に供給すること。【解決手段】ここで開示される二次電池においては、電極体が、電池ケースの底面に対して点状もしくは線状に接触するように構成された少なくとも２箇所の突起部を有する袋状絶縁フィルムにより内包されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池に関する。詳しくは、電極体と該電極体を収容する電池ケースと、当該電極体と当該電池ケースの内壁とを隔離する絶縁フィルムを備える二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池（リチウム二次電池）、ナトリウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量且つエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電池として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源としても好ましく用いられている。

かかる電池は、一般的に、電極体と電池ケースとを別々に製造し、その後、該電極体を該電池ケースに収容することで構築される。電池ケースとしては、物理的強度が大きいという観点から金属製のパッケージを使用することが多い。この場合には、金属製の電池ケースと電極体とを絶縁するために、絶縁フィルム等を用いて該電極体と該電池ケース内壁とを隔離する手法が用いられる。例えば、特許文献１には、外周に絶縁フィルムを配置した電極体と電池ケースから構成された二次電池について記載されており、また、特許文献２には、周囲を内包するような袋状の絶縁フィルムを配置した電極体と電池ケースから構成された二次電池について記載されている。

特開２０１６−０６２６４５号公報特開２０１８−１８１４３５号公報

ところで、絶縁フィルムを配置した電極体を電池ケースに挿入する過程においては、該絶縁フィルムが該電池ケースの底面にベタ着きした状態のものだけではなく、該底面に付いていない状態のもの（即ち、該絶縁フィルムが該電池ケースの底面から浮いた状態にあるもの）も製造され得る。また、電池ケースに挿入された後の絶縁フィルムは、該絶縁フィルムの該電池ケースの壁面に対する摩擦係数と組電池構築時の拘束荷重のみによりその位置が保持されている。

上記内容を踏まえると、絶縁フィルムが電池ケースの底面から浮いた状態にある二次電池においては、該絶縁フィルムと該電池ケース間の摩擦係数や組電池構築時の拘束荷重が低下した場合（例えば、大きな衝撃が加えられた場合）、当該絶縁フィルムが当該電池ケースの壁面から滑り落ちてしまう可能性がある。そして、かかる滑り落ちにより、電極体の表面の一部が露出し該電極体と電池ケース間の絶縁性が維持されなくなるため、内部短絡が生じる虞があり、好ましくない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁フィルムが配置された電極体を電池ケースに挿入する過程に左右されることなく、信頼性の高い二次電池を安定的に供給することである。

上記目的を実現するべく、本発明は、扁平形状で長方形状の幅広面を有する電極体と、該電極体が収容される長方形状の幅広面を有する矩形状角型の電池ケースとを備える二次電池を提供する。ここで開示される二次電池においては、上記電極体と上記電池ケースの間に、該電極体と該電池ケースの内壁面を隔離する絶縁性のフィルムが配置されており、該絶縁フィルムは上記電極体の周囲を内包する袋状に形成されており、該袋状絶縁フィルムの底部には少なくとも２箇所の突起部が存在し、該突起部は上記電池ケースの底面に対して点状に接触するように構成されるか、もしくは、該電池ケースの底面に対してその長辺方向および／または短辺方向に沿って線状に接触するように構成されることを特徴とする。

かかる構成の二次電池においては、電極体が、電池ケースの底面に対して点状もしくは線状に接触するように構成された少なくとも２箇所の突起部を有する袋状絶縁フィルムにより内包されている。これにより、上記絶縁フィルムと上記電池ケース間の摩擦係数や組電池構築時の拘束荷重が低下した場合でも、該絶縁フィルムが該電池ケースの壁面から滑り落ちる可能性が低減されるため、内部短絡が生じにくくなる。したがって、信頼性の高い二次電池を安定的に供給することが可能になる。

一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。一実施形態に係る袋状絶縁フィルムにより内包された捲回電極体が電池ケースに収容された態様を模式的に示す斜視図である。なお、図中の白抜きされた矢印は、上記捲回電極体の捲回軸方向と直交する方向を示している。図２における袋状絶縁フィルムの展開構造を示す展開図である。一実施形態に係る袋状絶縁フィルムにより内包された捲回電極体が電池ケースに収容された態様を模式的に示す斜視図である。なお、図中の白抜きされた矢印は、上記捲回電極体の捲回軸方向と直交する方向を示している。図４における袋状絶縁フィルムの展開構造を示す展開図である。一実施形態に係る袋状絶縁フィルムにより内包された捲回電極体が電池ケースに収容された態様を模式的に示す斜視図である。なお、図中の白抜きされた矢印は、上記捲回電極体の捲回軸方向と直交する方向を示している。図６における袋状絶縁フィルムの展開構造を示す展開図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態（第一の実施形態）を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な製造プロセス等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位に同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。

本発明に係る二次電池は、正極シート、負極シートおよびセパレータから構成される電極体と、該電極体に接合される集電端子とを備える構成の二次電池に好適に適応され得る。このような二次電池としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の蓄電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電池素子を包含する電池が挙げられる。また、以下の実施形態においては、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。例えば、正極シートと負極シートとがセパレータを介在させつつ相互に複数重なり合った積層構造を有する積層電極体も好ましく適用される。

図１は、本実施形態に係る角型形状のリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図１に示されるリチウムイオン二次電池１００は、大まかにいって、扁平形状の捲回電極体（図示せず）と絶縁フィルム（図示せず）と非水電解液（図示せず）とが扁平な角形の電池ケース（即ち、外装容器）１０に収容されることで構成されている。本実施形態に係る電池ケース１０は、一端（電池の通常の使用状態における上端部に相当する。）に開口部を有する箱形（即ち、有底直方体状）の角型ケース本体２０と、該ケース本体２０の開口部を封止する長方形状の蓋体３２とから構成される。この開口部より、絶縁フィルム（図示せず）と電極体（図示せず）を電池ケース１０内に収容することができる。上記電池ケース１０（電池ケース本体２０）は、その内壁面で囲まれた空間（内部空間）が扁平な電極体の形状に対応した扁平な箱型形状（角型）に形成されている。電池ケース１０（電池ケース本体２０）の上記内壁面は、略長方形の底面と、該底面の長辺方向に沿う両端から直立した互いに対向する２枚の幅広面と、該底面の短辺方向に沿う両端から直立した互いに対向する２枚の幅狭面とから構成されている。また、蓋体３２には外部接続用の正極端子４０および負極端子４２と、電池ケース１０の内圧が所定レベル（例えば、設定開弁圧０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度）以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁３４と、非水電解液を注入するための注入口（図示せず）が設けられている。なお、本実施形態に係る正負極の電極活物質、電解質、非水電解液等の構成は特に限定されず、従来公知のリチウムイオン二次電池に使用し得るものを好適に使用し得る。本発明は絶縁フィルムに関するものであるため、詳細の説明は割愛する。

次に、本実施形態に係る絶縁フィルムについて、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本明細書における「絶縁フィルム」はフィルム状のものに限定されず、シート状の絶縁シートも含み得るものとする。また、本実施形態に係る絶縁フィルムの材質としては、絶縁材料として機能する樹脂材料等を使用することができる。具体的には、ポリプロピレン、熱可塑性ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートおよびエチレン酢酸ビニル共重合体からなる群から選択される少なくとも一種の高分子材料等を含む樹脂材料等を使用することができる。さらに、本実施形態に係る絶縁フィルムを作製する方法は、従来公知の方法を制限なく採用することができる。なお、絶縁フィルムは、一般に市販されているものを適宜購入して用いてもよい。

はじめに、本実施形態に係る袋状絶縁フィルムについて、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る袋状絶縁フィルムに内包された捲回電極体が電池ケースに収容された様態を模式的に示す斜視図であり、図３は、図２における袋状絶縁フィルムの展開構造を示す展開図である。なお、本説明においては、捲回電極体の端子等の外部要素は必要ないため、それらの図示を割愛する。
まず、図２に示されるように、周囲を内包するような袋状の絶縁フィルム１２０を配置した捲回電極体１１０は、電池ケース１０の幅広面の長辺方向と該電極体１１０の捲回軸方向とが一致するように該電池ケース１０に挿入されている。かかる絶縁フィルム１２０により発電要素である電極体１１０と電池ケース１０（電池ケース本体２０）との接触が回避されるため、該電極体１１０と該電池ケース１０間の絶縁性が好適に保持される。また、袋状絶縁フィルム１２０は、電池ケース１０の底面の短辺方向に沿って線状に接触するように構成された突起部１２１（４箇所存在する）を有する。これにより、袋状絶縁フィルム１２０と電池ケース１０間の摩擦係数や組電池構築時の拘束荷重が低下した場合（例えば、大きな衝撃が加えられた場合）でも、該絶縁フィルム１２０が該電池ケース１０の壁面から滑り落ちる可能性が低減されるため、該電池ケース１０内の絶縁性が好適に保たれ得る。

図３は、袋状絶縁フィルム１２０の展開構造を示す展開図である。以下、かかる展開図を用いて、袋状絶縁フィルム１２０を作製する手順を説明する。なお、折り曲げ線に沿って、図面の手前側に折り曲げることを「谷折り」と表記し、図面の背面側に折り曲げることを「山折り」と表記する。
まず、屈曲点ａ（４箇所存在する）に注意しながら、折り曲げ線１３１に沿って谷折りになるように折り目を付けて、元に戻す。次に、折り曲げ線１３２に沿って谷折りになるように折り目を付けて、元に戻す。続いて、折り曲げ線１３３に沿って山折りになるように折った後、折り曲げ線１３４に沿って谷折りになるように折り込む。最後に、これまでに付けた折り目に従いながら端部Ａどうしを重ね合わせることで袋状絶縁フィルム１２０の外形が構築される。また、かかる絶縁フィルム１２０の形状の固定に際しては、例えば、スポット融着や熱融着の他、超音波溶接やレーザー溶接等の溶接手段を適宜使用することができる。あるいは、十分な固定が可能であり、電池性能に悪影響（内部短絡や電解液組成の変化等）を与えない限りにおいては、テープまたは接着剤等を用いて固定しても良い。そして、図２に示されるように、かかる工程を経て構築された袋状絶縁フィルム１２０を用いて電極体１１０を覆い、電池ケース１０の幅広面の長辺方向が該電極体１１０の捲回軸方向と一致するように該電池ケース１０に挿入することで、該電池ケース１０内の絶縁性が好適に保持される。

続いて、他の好適な実施形態（第二の実施形態）を、図４および図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る袋状絶縁フィルムに内包された捲回電極体が電池ケースに収容された様態を模式的に示す斜視図であり、図５は、図４における袋状絶縁フィルムの展開構造を示す展開図である。なお、本説明においては、捲回電極体の端子等の外部要素は必要ないため、それらの図示を割愛する。
まず、図４に示されるように、周囲を内包するような袋状の絶縁フィルム２２０を配置した捲回電極体１１０は、電池ケース１０の幅広面の長辺方向と該電極体１１０の捲回軸方向とが一致するように該電池ケース１０に挿入されている。かかる絶縁フィルム２２０により発電要素である電極体１１０と電池ケース１０（電池ケース本体２０）との接触が回避されるため、該電極体１１０と該電池ケース１０間の絶縁性が好適に保持される。また、袋状絶縁フィルム２２０は、電池ケース１０の底面の長辺方向に沿って線状に接触するように構成された突起部２２１（４箇所存在する）を有する。これにより、袋状絶縁フィルム２２０と電池ケース１０間の摩擦係数や組電池構築時の拘束荷重が低下した場合（例えば、大きな衝撃が加えられた場合）でも、該絶縁フィルム２２０が該電池ケース１０の壁面から滑り落ちる可能性が低減されるため、該電池ケース１０内の絶縁性が好適に保たれ得る。

図５は、袋状絶縁フィルム２２０の展開構造を示す展開図である。以下、かかる展開図を用いて、袋状絶縁フィルム２２０を作製する手順を説明する。なお、折り曲げ線に沿って、図面の手前側に折り曲げることを「谷折り」と表記し、図面の背面側に折り曲げることを「山折り」と表記する。
まず、折り曲げ線２３０に沿って山折りになるように折り目を付けて、元に戻す。次に、折り曲げ線２３１に沿って谷折りになるように折り目を付けて、元に戻す。続いて、切り込み線２３２（８箇所存在する）に沿って切り込みを入れる。次に、折り曲げ線２３３に沿って図面の手前側に向けて三角形を形成するように折り込む。最後に、折り曲げ線２３４〜２３６に沿って各端部を図面の手前側に折り曲げた後、これまでに付けた折り目に従って端部Ｂどうしを重ね合わせることで、袋状絶縁フィルム２２０の外形が構築される。また、かかる絶縁フィルム２２０の形状の固定に際しては、例えば、スポット融着や熱融着の他、超音波溶接やレーザー溶接等の溶接手段を適宜使用することができる。あるいは、十分な固定が可能であり、電池性能に悪影響（内部短絡や電解液組成の変化等）を与えない限りにおいては、テープまたは接着剤等を用いて固定しても良い。そして、図４に示されるように、かかる工程を経て構築された袋状絶縁フィルム２２０を用いて電極体１１０を覆い、電池ケース１０の幅広面の長辺方向が該電極体１１０の捲回軸方向と一致するように該電池ケース１０に挿入することで、該電池ケース１０内の絶縁性が好適に保持される。

続いて、他の好適な実施形態（第三の実施形態）を、図６および図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る袋状絶縁フィルムに内包された捲回電極体が電池ケースに収容された様態を模式的に示す斜視図であり、図７は、図６における袋状絶縁フィルムの展開構造を示す展開図である。なお、本説明においては、捲回電極体の端子等の外部要素は必要ないため、それらの図示を割愛する。
まず、図６に示されるように、周囲を内包するような袋状の絶縁フィルム３２０を配置した捲回電極体１１０は、電池ケース１０の幅広面の長辺方向と該電極体１１０の捲回軸方向とが一致するように該電池ケース１０に挿入されている。かかる絶縁フィルム３２０により発電要素である電極体１１０と電池ケース１０（電池ケース本体２０）との接触が回避されるため、該電極体１１０と該電池ケース１０間の絶縁性が好適に保持される。また、袋状絶縁フィルム３２０は、電池ケース１０の底面の長辺方向および短辺方向に沿って線状に接触するように構成された突起部３２１（４箇所存在する）を有する。これにより、袋状絶縁フィルム３２０と電池ケース１０間の摩擦係数や組電池構築時の拘束荷重が低下した場合（例えば、大きな衝撃が加えられた場合）でも、該絶縁フィルム３２０が該電池ケース１０の壁面から滑り落ちる可能性が低減されるため、該電池ケース１０内の絶縁性が好適に保たれ得る。

図７は、袋状絶縁フィルム１２０の展開構造を示す展開図である。以下、かかる展開図を用いて、袋状絶縁フィルム１２０を作製する手順を説明する。なお、折り曲げ線に沿って、図面の手前側に折り曲げることを「谷折り」と表記し、図面の背面側に折り曲げることを「山折り」と表記する。
まず、折り曲げ線３３０に沿って山折りになるように折り目を付けて、元に戻す。次に、折り曲げ線３３１に沿って谷折りになるように折り目を付けて、元に戻す。続いて、切り込み線３３２（４箇所存在する）に沿って切り込みを入れる。次に、折り曲げ線３３３および３３４に沿って各端部を図面の手前側に折り曲げた後、これまでに付けた折り目に従って端部Ｃどうしを重ね合わせることで、袋状絶縁フィルム３２０の外形が構築される。また、かかる絶縁フィルム３２０の形状の固定に際しては、例えば、スポット融着や熱融着の他、超音波溶接やレーザー溶接等の溶接手段を適宜使用することができる。あるいは、十分な固定が可能であり、電池性能に悪影響（内部短絡や電解液組成の変化等）を与えない限りにおいて、テープまたは接着剤等を用いて固定しても良い。そして、図６に示されるように、かかる工程を経て構築された袋状絶縁フィルム３２０を用いて電極体１１０を覆い、電池ケース１０の幅広面の長辺方向が該電極体１１０の捲回軸方向と一致するように該電池ケース１０に挿入することで、該電池ケース１０内の絶縁性が好適に保持される。

また、上記袋状絶縁フィルム１２０、２２０および３２０においては、下記に記載するような効果も期待される。ここでは、袋状絶縁フィルム１２０を例に挙げて説明する。例えば、袋状絶縁フィルム１２０が有する突起部１２１は、電解液の保液部の役割を果たし得る。これにより、図２に示されるように、充放電が繰り返されることで電極体１１０内において液枯れ（ドライアップ）が生じた場合にも、袋状絶縁フィルム１２０内に余分に注入されている電解液（図示せず）が毛細管現象により白抜きされた矢印方向に上昇し該電極体１１０内に到達することで、該電極体１１０に電解液が補充され得る。また、突起部１２１の支えにより、袋状絶縁フィルム１２０が電池ケース１０の壁面から滑り落ちる可能性が低減されるため、組電池構築時の拘束荷重を低減し得る。これにより、組電池を構築する際にかける拘束荷重により電極体に含まれる電解液が外部に漏れ出してしまうというような従来の課題が解消され得る。さらに、従来、電池の品質を管理するための管理項目として絶縁フィルムの電池ケースの壁面に対する摩擦係数を考慮する必要があったが、かかる絶縁フィルム１２０を適用することにより摩擦係数を管理項目から除外し得る。これにより、品質検査にかかる時間やコストを削減することが可能になる。これらの効果は、袋状絶縁フィルム２２０および３２０においても同様に期待される。

電池ケース１０の底面に対して点状に接触するように構成された突起部を有する袋状絶縁フィルムに関しては、上記のような展開図を用いて構築することが困難であるため、図面には記載していない。例えば、射出形成法等により形成することが好ましい。

以上、本発明をいくつかの好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、電池の種類は上述したリチウムイオン二次電池に限られず、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池、例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、或いは電気二重層キャパシタのようないわゆる物理電池であってもよい。また、電解質の種類も、上述した非水電解液に限定されず、水系電解液や、固体又はゲル状の電解質等であってもよい。

ここに開示される電池によると、上述のとおり、信頼性の高い電池（例えばリチウムイオン二次電池）を提供することができる。したがって、ここに開示される電池は、例えば、自動車等の車両に搭載される駆動用電源として好適に用いることができる。特にプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、等の駆動用電源として好適である。また、本発明によれば、ここに開示される電池（例えばリチウムイオン二次電池）を、好ましくは動力源（典型的には複数個の二次電池が相互に電気的に接続されてなる組電池）として備えた車両が提供される。

１０電池ケース
２０電池ケース本体
３２蓋体
３４安全弁
４０正極端子
４２負極端子
１００リチウムイオン二次電池
１１０捲回電極体
１２０，２２０，３２０袋状絶縁フィルム
１２１，２２１，３２１突起部
１３１，１３２，１３３，１３４折り曲げ線
２３０，２３１，２３３，２３４，２３５，２３６折り曲げ線
３３０，３３１，３３３，３３４折り曲げ線
２３２，３３２切り込み線
ａ屈曲点
Ａ，Ｂ，Ｃ端部

Claims

扁平形状で長方形状の幅広面を有する電極体と、該電極体が収容される長方形状の幅広面を有する矩形状角型の電池ケースとを備える二次電池であって、
前記電極体と前記電池ケースの間には、該電極体と該電池ケースの内壁面を隔離する絶縁性のフィルムが配置されており、
前記絶縁フィルムは、前記電極体の周囲を内包する袋状に形成されており、
前記袋状絶縁フィルムの底部には、少なくとも２箇所の突起部が存在し、
前記突起部は、前記電池ケースの底面に対して点状に接触するように構成されるか、もしくは、該電池ケースの底面に対してその長辺方向および／または短辺方向に沿って線状に接触するように構成される、二次電池。