JP2022000840A - 積層型電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の電極体の各々の集電タブと端子が適切に接合された積層型電池を提供する。【解決手段】積層型電池は、複数の電極体１０Ａ，１０Ｂと接続端子３０を備える。電極体１０Ａ，１０Ｂは、板状に形成され、厚み方向を積層方向として積層される。接続端子は、互いに隣接して積層された第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂを、電気的に接続する。各々の電極体１０Ａ，１０Ｂは、板面に追って外側に延びる一対の集電タブを備える。第１電極体１０Ａにおける一方の集電タブ１１Ａと、第２電極体１０Ｂにおける一方の集電タブ１２Ｂが、積層方向において互いに反対の方向から接続端子３０に接合される。【選択図】図２
Description
本発明は、複数の電極体を積層させた積層型電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の電池は、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。電池は、発電要素として電極体を備える。電極体には、一対の集電タブ（正極集電タブおおび負極集電タブ）が設けられる場合がある。集電タブには端子が接合される。例えば、特許文献１に開示されている電池の電極体では、一対の集電タブが同一の方向に延びている。
複数の電極体を積層させた積層型電池では、複数の電極体の各々の集電タブを共に端子に接合することで、複数の電極体を電気的に接続する必要がある。従来の積層型電池では、複数の集電タブと端子の間に不要な力が加わる結果、接合の外れや、電極体を構成する箔の破損等の不具合が生じる場合があった。また、複数の集電タブと端子の接合部分の体積を小さくすることが困難であり、積層型電池のエネルギー密度が低下してしまう場合もあった。
本発明の典型的な目的は、複数の電極体の各々の集電タブと端子が適切に接合された積層型電池を提供することである。
かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の積層型電池は、板状に形成され、厚み方向を積層方向として積層された複数の電極体と、互いに隣接して積層された第１の上記電極体と第２の上記電極体を電気的に接続する接続端子と、を備え、上記第１の電極体および上記第２の電極体の各々は、板面に沿って外側に延びる一対の集電タブを備え、上記第１の電極体における一方の上記集電タブと、上記第２の電極体における一方の上記集電タブが、上記積層方向において互いに反対の方向から上記接続端子に接合されたことを特徴とする。
積層された２つの電極体の各々から延びる２つの集電タブは、積層方向にずれている。従って、２つの集電タブを、積層方向において同一の方向から接続端子に接合させる場合には、一方の集電タブを、他方の集電タブよりも大幅に曲げた状態で接合させる必要がある。よって、接合部分に不要な力が加わり易く、接合部分の体積を小さくすることも困難であった。これに対し、本開示に係る積層型電池では、２つの集電タブの間に接続端子が位置する。従って、複数の電極体の積層方向と、集電タブが延びる方向に共に交差する方向から接続端子を見た場合に、接続端子に対する各々の集電タブの接合形状が、対称な形状となり易い。よって、接合部分に不要な力が加わり難く、接合部分の体積を小さくすることも容易である。
ここに開示される積層型電池の効果的な一態様では、一対の集電タブが、電極体から互いに異なる方向へ延びる。この場合には、一対の集電タブが同じ方向に延びる場合に比べて、各々の集電タブの幅を広くして抵抗を減少させることが容易となる。また、集電タブを接続端子に接合する際の作業スペースも確保し易い。
ここに開示される積層型電池の効果的な一態様では、電極体の形状は矩形板状であり、一対の集電タブが、電極体における一対の幅広面を囲う４つの側面のうち、互いに対向する一対の側面の各々に設けられている。この場合には、電極体の形状が円形等である場合に比べて、複数の電極体を積層させる際の位置合わせが容易である。また、一対の集電タブを備える電極体の形状が、回転対称に近い形状となるので、製造時における電極体の取り扱いも容易である。
ここに開示される積層型電池の効果的な一態様では、集電タブが設けられた側面の長手方向（つまり、複数の電極体の積層方向と、集電タブが延びる方向に共に交差する方向）を電極体の幅方向とした場合に、一対の集電タブの幅方向における位置が互いに異なる。この場合、同一の２つの電極体の一方の表裏を反転させて積層させることで、一方の側で正極集電タブと負極集電タブが接続端子に接合されると共に、反対側における正極集電タブと負極集電タブの幅方向における位置が異なる位置となる。よって、同一の電極体である第１の電極体と第２の電極体が、適切に直列接続される。
ここに開示される積層型電池の効果的な一態様では、接続端子の材質が、一対の集電タブの少なくとも一方の材質と同じである。この場合、一対の集電タブの少なくとも一方が、より高い強度で接続端子に接合される。
ここに開示される積層型電池の効果的な一態様では、接続端子が、一対の集電タブの一方の材質と他方の材質を接合した接合部材である。この場合、一対の集電タブの各々が、共に高い強度で接続端子に接合される。なお、接合部材である接続端子の具体的な態様は、適宜選択できる。例えば、異なる材質の金属を、圧力を加えた状態で延ばすことで接合したクラッド材が、接続端子として用いられてもよい。また、異なる材質の金属が、超音波接合、抵抗溶接、レーザ溶接、または締結等によって接合された接合部材が、接続端子として用いられてもよい。この場合、複数の金属の接合は、集電タブが接続端子に接合されるよりも前に予め行われてもよい。また、集電タブが各金属に接合された後に、複数の金属が接合されてもよい。
以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。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実施に必要な事柄は、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は、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。
図１および図２を参照して、本実施形態の積層型電池１の構成について説明する。図１および図２における紙面奥行き方向を、電極体１０の積層方向（つまり、電極体１０の厚み方向）とする。図１における紙面上下方向を、積層型電池１および電極体１０の幅方向とする。図１における紙面左右方向を、積層型電池１および電極体１０の伸長方向とする。
本実施形態の積層型電池１は、外装体５、複数の電極体１０（第１電極体１０Ａおよび第２電極体１０Ｂ）、外部端子２１，２２（正極外部端子２１および負極外部端子２２）、接続端子３０、およびホルダ４０を備える。図１では、外装体５は、電極体１０等の周囲を覆う点線で示されている。また、図１では、ホルダ４０は、接続端子３０を含む接合部分を覆う点線で示されている。
外装体５は、電極体１０等を内部に収容する。一例として、本実施形態の外装体５には、適度な可撓性を有するラミネートフィルムが用いられている。しかし、外装体５の材質を変更することも可能である。例えば、適度な剛性を有する金属製または樹脂製の外装体が用いられてもよい。
電極体１０は、積層型電池１における発電要素である。積層型電池１は、種々の電池の中でもエネルギー密度が高い二次電池であることが好ましい。本実施形態の積層型電池１は、特に好適な二次電池の一例であるリチウムイオン電池である。ただし、積層型電池１は、リチウムイオン電池以外の二次電池（例えば、ニッケル水素電池等）であってもよい。また、本実施形態の積層型電池１は、電解液を固体電解質に置換した全固体電池である。ただし、積層型電池１は全固体電池でなくてもよく、外装体５の内部に電解液が収容されていてもよい。
本実施形態の電極体１０では、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体層が順に積層されている。正極集電体層および負極集電体層としては、任意の集電体層を用いることができる。例えば、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、またはチタン等の各種金属の集電体層を用いることができる。正極活物質層は、正極活物質と、随意に導電助剤、バインダー、および固体電解質粒子とを含む。正極活物質としては、マンガン、コバルト、ニッケル、およびチタンから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、および、リチウムを含む金属酸化物（例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、およびニッケルコバルトマンガン酸リチウム等）を挙げることができる。固体電解質層には、全固体電池の固体電解質として利用可能な材料を用いることができる。例えば、８Ｌｉ２Ｏ・６７Ｌｉ２Ｓ・２５Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ、Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５若しくはＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３等の硫化物系非晶質固体電解質粒子、Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５若しくはＬｉ２Ｏ−ＳｉＯ２等の酸化物系非晶質固体電解質粒子、又はＬｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ０．７（ＰＯ４）３若しくはＬｉ１＋ｘ＋ｙＡｘＴｉ２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２（Ａは、Ａｌ又はＧａ、０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）等の結晶質酸化物等を用いることができる。負極活物質層は、負極活物質と、随意に導電助剤、バインダー、および固体電解質粒子とを含む。負極活物質としては、リチウムイオン等の金属イオンを吸蔵・放出可能であれば特に限定されない。
図２に示すように、電極体１０の外形は板状に形成されている。詳細には、本実施形態の電極体１０の形状は、幅方向を短手方向とする矩形板状であり、一対の幅広面１５と、幅広面の周囲を取り囲む４つの側面１６Ａ，１６Ｂを有する。積層型電池１では、複数の電極体１０が厚み方向に積層される。詳細には、複数の電極体１０は、互いに隣接する２つの電極体１０の幅広面１５同士を一致させた状態で積層される。一例として、本実施形態の積層型電池１では、２つの電極体１０（第１電極体１０Ａおよび第２電極体１０Ｂ）が積層される。しかし、積層される電極体１０の数は、３つ以上であってもよい。また、本実施形態では、同一の電極体１０が積層されて、積層型電池１に搭載される。従って、異なる電極体を別々に製造して積層させる場合に比べて、積層型電池１の製造工程が簡略化される。
なお、本実施形態では、互いに隣接する２つの電極体１０の間（本実施形態では、第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂの間）に、短絡を防止する絶縁部材７（図２参照）が配置される。ただし、電極体１０の表面に予め絶縁層が設けられている場合等には、絶縁部材７を省略することも可能である。
図２に示すように、複数の電極体１０の各々は、一対（２つ）の集電タブを備える。一対の集電タブは、電極体１０の板面に沿って外側に延びる。詳細には、第１電極体１０Ａは、正極集電タブ１１Ａと負極集電タブ１２Ａを備える。第２電極体１０Ｂは、正極集電タブ１１Ｂと負極集電タブ１２Ｂを備える。
本実施形態における一対の集電タブは、電極体１０から互いに異なる方向へ延びている。仮に、一対の集電タブが電極体１０から同じ方向へ（例えば平行に）延びる場合には、板状である電極体１０のうち同一の縁部（同一の側面１６）に、一対の集電タブが共に設置される必要がある。この場合、同じ電極体１０に設けられた２つの集電タブが電気的に接続されてしまうことを防止するために、各々の集電タブの幅を制限する必要がある。これに対し、一対の集電タブを、電極体１０から互いに異なる方向へ延ばすことで、各々の集電タブの幅を広くして抵抗を減少させることが容易となる。また、各々の集電タブの位置が離間するので、後述する接合作業等を行う際のスペースも確保し易い。
より詳細には、一対の集電タブは、電極体１０における一対の幅広面１５Ａ，１５Ｂを囲う４つの側面（第１電極体１０Ａの４つの側面１６Ａ、および第２電極体１０Ｂの４つの側面１６Ｂの各々）のうち、互いに対向する一対の側面の各々に設けられている。つまり、一対の集電タブは、互いに正反対の方向に延びている。従って、一対の集電タブを備える電極体１０の形状が、回転対称に近い形状となる。よって、積層型電池１を製造する際の電極体１０の取り扱いも容易である。
また、集電タブが設けられた側面の長手方向（つまり、複数の電極体の積層方向と、集電タブが延びる伸長方向に共に交差する方向）を、幅方向とする。この場合、一対の集電タブの幅方向における位置が、互いに異なる。例えば、図２に示す状態では、第１電極体１０Ａの正極集電タブ１１Ａは、第１電極体１０Ａの側面の幅方向中心よりも紙面下側に位置するのに対し、負極集電タブ１２Ａは、第１電極体１０Ａの側面の幅方向中心よりも紙面上側に位置する。その結果、第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂが適切に直列接続されるが、この詳細は後述する。
接続端子３０は、互いに隣接して積層された第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂを電気的に接続する。一例として、本実施形態の積層型電池１では、第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂは、直列に接続される。詳細には、本実施形態では、第１電極体１０Ａの正極集電タブ１１Ａと、第２電極体１０Ｂの負極集電タブ１２Ｂが、接続端子３０によって電気的に接続されることで、第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂが直列に接続される。ただし、本実施形態で例示する接続端子３０と集電タブの接合構造（詳細は後述する）は、第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂを並列に接続する際に使用されてもよい。つまり、本実施形態で例示する技術は、２つの正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂを接続端子に接続する場合、および、２つの負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂを接続端子に接続する場合にも適用できる。
外部端子２１、２２は、積層型電池１を外部に電気的に接続する。一例として、本実施形態では、直列に接続された第１電極体１０Ａおよび第２電極体１０Ｂのうち、第２電極体１０Ｂの正極集電タブ１１Ｂに正極外部端子２１が接合され、且つ、第１電極体１０Ａの負極集電タブ１２Ａに負極外部端子２２が接合される。なお、図１に示すように、外装体５は、外部端子２１、２２を外方に突出させた状態で、電極体１０等を内部に収容する。また、本実施形態では、外部端子２１、２２と外装体５の間に、隙間を密閉するためのタブシール２５が設けられた状態で、電極体１０等が外装体５の内部に密閉される。
ホルダ４０（図１参照）は、互いに接合された一対の集電タブ１１Ａ，１２Ｂと接続端子３０を覆うことで、絶縁性を担保する。ホルダ４０は、例えば、絶縁性と適度な剛性を有する材質（例えば樹脂等）によって形成されればよい。
以下、本実施形態における接続端子３０と集電タブ１１Ａ，１２Ｂの接合構造について詳細に説明する。なお、図３は、集電タブ１１Ａ，１２Ｂと接続端子３０の接合部分を幅方向（図１における下方）から見た図である。図４は、集電タブ１１Ａ，１２Ｂと接続端子３０の接合部分を伸長方向（図１における右方）から見た図である。
図３および図４に示すように、本実施形態の積層型電池１では、第１電極体１０Ａにおける一方の集電タブ（本実施形態では正極集電タブ１１Ａ）と、第２電極体１０Ｂにおける一方の集電タブ（本実施形態では負極集電タブ１２Ｂ）が、積層方向において互いに反対の方向から接続端子３０に接合される。つまり、図３および図４に示す例では、正極集電タブ１１Ａは、図の上方から接続端子３０に接合されているのに対し、負極集電タブ１２Ｂは、図の下方から接続端子３０に接合されている。なお、集電タブ１１Ａ，１２Ｂと接続端子３０の接合方法には、例えば、超音波接合、抵抗溶接、レーザ溶接等の少なくともいずれかを採用できる。
図３に示すように、積層された２つの電極体１０Ａ，１０Ｂの各々から延びる２つの集電タブ１１Ａ，１２Ｂは、積層方向にずれている。従って、２つの集電タブ１１Ａ，１２Ｂを、積層方向において同一の方向から接続端子３０に接合させる場合には、一方の集電タブを、他方の集電タブよりも大幅に曲げた状態で接合させる必要がある。この場合、接合部分に不要な力が加わり易く、接合部分の体積を小さくすることも困難であった。これに対し、本実施形態の積層型電池１では、２つの集電タブ１１Ａ，１２Ｂの間に接続端子３０が位置する。従って、図３に示すように、幅方向から接続端子３０を見た場合に、接続端子３０に対する各々の集電タブ１１Ａ，１２Ｂの接合形状が、対称（図３では上下対称）な形状となり易い。よって、接合部分に不要な力が加わり難く、接合部分の体積を小さくすることも容易である。さらに、本実施形態では、接合部分に装着されるホルダ４０（図１参照）の構造も簡素化される。
本実施形態では、正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂの材質と、負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂの材質が異なる。ここで、集電タブの材質と接続端子の材質が異なる場合、接合強度が低下する可能性もある。しかし、本実施形態の接続端子３０は、２つの集電タブ１１Ａ，１２Ｂの一方の材質と他方の材質を接合した接合部材である。詳細には、本実施形態の接続端子３０は、正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂと同じ材質の金属３１Ａと、負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂと同じ材質の金属３１Ｂを、圧力を加えた状態で延ばすことで接合したクラッド材である。従って、正極集電タブ１１Ａが金属３１Ａに接合され、且つ負極集電タブ１２Ｂが金属３１Ｂに接合されることで、２つの集電タブ１１Ａ，１２Ｂが共に高い強度で接続端子３０に接合される。
図２に示すように、本実施形態の電極体１０（第１電極体１０Ａおよび第２電極体１０Ｂの各々）では、一対の集電タブの幅方向における位置が、互いに異なる。従って、同一の２つの電極体１０の一方の表裏を反転させて積層させることで、一方の側（図２における右側）で正極集電タブ１１Ａと負極集電タブ１２Ｂが接続端子３０に接合されると共に、反対側（図２における左側）における正極集電タブ１１Ｂと負極集電タブ１２Ａの幅方向における位置が、異なる位置となる。よって、同一の電極体１０である第１電極体１０Ａと第２電極体１０Ｂが、適切に直列接続される。
上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。例えば、上記実施形態の積層型電池１では、２つの電極体１０が積層される。しかし、３つ以上の電極体が積層される積層型電池でも、本開示で例示した技術を適用できる。この場合、互いに隣接する２組以上の電極体のうち、少なくともいずれかの電極体の組を電気的に接続する際に、本開示で例示した技術が採用されればよい。
上記実施形態の接続端子３０は、２つの集電タブ１１Ａ，１２Ｂの一方の材質と他方の材質を接合した接合部材である。しかし、接続端子の構成を変更することも可能である。例えば、接続端子の材質は、正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂおよび負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂの一方の材質と同じであってもよい。この場合、正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂおよび負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂの一方が高い強度で接続端子に接合され、且つ、接続端子の構成が簡素化される。また、正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂの材質と、負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂの材質が同じである場合には、接続端子の材質は、正極集電タブ１１Ａ，１１Ｂおよび負極集電タブ１２Ａ，１２Ｂの材質と同じであってもよい。この場合、２つの集電タブが共に高い強度で接続端子に接合される。
１ 積層型電池
１０Ａ，１０Ｂ 電極体
１１Ａ，１１Ｂ 正極集電タブ
１２Ａ，１２Ｂ 負極集電タブ
１５Ａ，１５Ｂ 幅広面
１６Ａ，１６Ｂ 側面
３０ 接続端子
１０Ａ，１０Ｂ 電極体
１１Ａ，１１Ｂ 正極集電タブ
１２Ａ，１２Ｂ 負極集電タブ
１５Ａ，１５Ｂ 幅広面
１６Ａ，１６Ｂ 側面
３０ 接続端子
Claims (6)
- 板状に形成され、厚み方向を積層方向として積層された複数の電極体と、
互いに隣接して積層された第１の前記電極体と第２の前記電極体を電気的に接続する接続端子と、
を備え、
前記第１の電極体および前記第２の電極体の各々は、板面に沿って外側に延びる一対の集電タブを備え、
前記第１の電極体における一方の前記集電タブと、前記第２の電極体における一方の前記集電タブが、前記積層方向において互いに反対の方向から前記接続端子に接合されたことを特徴とする、積層型電池。 - 前記一対の集電タブが、前記電極体から互いに異なる方向へ延びることを特徴とする、請求項１に記載の積層型電池。
- 前記電極体の形状は矩形板状であり、
前記一対の集電タブが、前記電極体における一対の幅広面を囲う４つの側面のうち、互いに対向する一対の側面の各々に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の積層型電池。 - 前記集電タブが設けられた前記側面の長手方向を前記電極体の幅方向とした場合に、前記一対の集電タブの前記幅方向における位置が互いに異なることを特徴とする、請求項３に記載の積層型電池。
- 前記接続端子の材質が、前記一対の集電タブの少なくとも一方の材質と同じであることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の積層型電池。
- 前記接続端子が、前記一対の集電タブの一方の材質と他方の材質を接合した接合部材であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の積層型電池。
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