JP2022045560A - 電池ケースおよび該電池ケースを備えた二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電極体を備える二次電池において、電極体同士の熱影響を適切に防止し得る電池ケースを提供する。【解決手段】正極５０および負極６０を含む電極体１０を収容するための箱型のケース本体３２を備える電池ケース３０であって、前記電極体１０を複数個並列に収容可能な複数の電極体収容空間３６と、前記複数の電極体収容空間３６それぞれの間に設けられた空間であって、断熱要素８０を収容可能な断熱空間３８と、が設けられている。これにより、同じ電池ケース３０内の一の電極体の熱が他の電極体へ伝わりづらくなり得る。【選択図】図３

Description

本発明は、電池ケースに関する。詳しくは、複数の電極体を収容する電池ケースと、該電池ケースを備えた二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池等の二次電池は、軽量で高いエネルギー密度を得られることから、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）等の車両搭載用電源として広く用いられている。

複数の単電池を相互に電気的に接続した組電池においては、該組電池を構成している一の単電池が不具合により異常発熱を起こした場合、隣接する他の単電池にも熱が伝わり、異常発熱が連鎖する恐れがある。異常発熱が連鎖することにより、組電池全体に不具合が拡大する問題が生じ得る。この問題を解決するため、単電池間の熱影響を制御し得る仕組みを備えた組電池が広く知られている。

例えば、特許文献１には、複数の単電池が一つのケースに収容された電池モジュールにおいて、単電池の周囲に断熱材を配置する構成が開示されている。これにより、一の単電池で異常発熱が生じた場合でも、隣接する他の単電池への熱影響を抑制することができ得る。

国際公開第２０１４／１３２６４９号

ところで、近年、電池の軽量化を図るため、一つの電池ケースに複数の電極体を収容する二次電池が提案されている。しかしながら、かかる二次電池においても、一の電極体が異常発熱を起こした場合、同じ電池ケース内で隣接する他の電極体へも熱が伝わり、他の電極体も異常な高温になり得り、不具合が拡大する虞がある。

そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の電極体を備える二次電池において、電極体同士の熱影響を適切に防止し得る電池ケースを提供することである。また、本発明の別の目的は、該電池ケースを備えた二次電池を提供することである。

ここで開示される電池ケースは、正極および負極を含む電極体を収容するための箱型のケース本体を備える電池ケースであって、上記電極体を複数個並列に収容可能な複数の電極体収容空間と、上記複数の電極体収容空間それぞれの間に設けられた空間であって、断熱要素を収容可能な断熱空間と、が設けられている。
このような構成によれば、電極体収容空間の間に断熱空間が設けられているため、電極体収容空間に収容される一の電極体で発生した熱が、同じ電池ケース内の他の電極体収容空間に収容される電極体に伝わりにくくなり得る。

また、ここに開示される電池ケースの好ましい一態様では、上記電極体収容空間と上記断熱空間とが並列する方向において、上記電極体収容空間と、上記断熱空間との寸法比が３：１～４：１の範囲である。
このような構成によれば、断熱空間の断熱性がより確実に確保されるため、電極体収容空間にそれぞれ収容される電極体同士の熱がより伝わりにくくなり得る。

また、ここに開示される電池ケースの好ましい一態様では、上記電極体収容空間と、上記断熱空間との間には、上記ケース本体と同じ材質で構成された隔壁が形成されている。
このような構成によれば、断熱空間が隔壁によって仕切られることで断熱要素をより安定に断熱空間に保持することができるため、断熱空間の断熱性がより一層向上し得り、電極体収容空間にそれぞれ収容される電極体同士の熱がより一層伝わりにくくなり得る。

ここに開示される二次電池は、正極および負極を含む電極体と、上記電極体と電解質とを収容する箱型のケース本体と、該ケース本体を密閉する蓋体とを備える。上記ケース本体は、上記電極体を複数個並列に収容する複数の電極体収容空間と、上記複数の電極体収容空間それぞれの間に設けられた空間であって、断熱要素を収容する断熱空間と、を有している。
このような構成によれば、同じ電池ケース内に収容されている電極体間に断熱空間が設けられているため、一の電極体の熱が他の電極体に伝わりにくくなり得る。

また、ここに開示される二次電池の好ましい一態様では、上記電極体収容空間と上記断熱空間とが並列する方向において、上記電極体収容空間と、上記断熱空間との寸法比が３：１～４：１の範囲である。
このような構成によれば、断熱空間の断熱性がより確実に確保されるため、同じ電池ケース内に収容されている電極体間の熱影響をより抑制し得る。

また、ここに開示される二次電池の好ましい一態様では、上記電極体収容空間と、上記断熱空間との間には、上記ケース本体と同じ材質で構成された隔壁が形成されている。
このような構成によれば、断熱空間が隔壁によって仕切られることで断熱要素をより安定に断熱空間に保持することができるため、断熱空間の断熱性がより一層向上し得り、同じ電池ケース内に収容されている電極体間の熱影響をより一層防止し得る。

また、ここに開示される二次電池の好ましい一態様では、上記断熱空間に収容された上記断熱要素と上記蓋体との間の隙間に弾性体が配置されている。
このような構成によれば、断熱空間と蓋体との間の隙間を埋めることができ、電池ケースの密閉性を向上させることができると同時に、断熱要素を断熱空間に保持させ易くなり得る。

一実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。 一実施形態に係る二次電池の構成を模式的に示す分解斜視図である。 図１のIII－III線断面図である。

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。
また、本明細書において数値範囲をＡ～Ｂ（ここでＡ，Ｂは任意の数値）と記載している場合は、一般的な解釈と同様であり、Ａ以上Ｂ以下を意味するものである。

本明細書において、「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。以下、３つの捲回電極体を備えた非水電解液リチウムイオン二次電池を例示して、本開示に係る電池ケースおよび二次電池について詳細に説明する。ただし、本開示に係る電池ケースおよび二次電池を以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。

図１は二次電池１の斜視図である。図２は二次電池１の構成を模式的に示す分解斜視図である。図３は、図１のIII－III線に沿う模式的な断面図である。なお、以下の説明において、図面中の符号Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ、二次電池１の長辺方向、短辺方向、高さ方向を表す。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、二次電池１の設置形態を何ら限定するものではない。また、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。

図１に示すように、二次電池１は六面箱型形状の電池ケース３０によって密閉されており、蓋体３４には電池ケース３０の内部と外部とを導通させるための正極端子４２および負極端子４４が備えられている。本実施形態においては、図３に示すように、電池ケース３０の内部には、３つの扁平形状の捲回電極体１０と、電解質（図示せず）と、断熱要素８０と、弾性体９０とが備えられている。

電池ケース３０は、一端に開口部を有する箱型のケース本体３２と、該ケース本体３２の開口部を塞ぐ蓋体３４と、を備える。本実施形態のケース本体３２は、矩形状の４つの側壁と、矩形状の底壁とを備えており、３つの捲回電極体１０を短辺方向Ｙに並列に配置可能な幅を有している。電池ケース３０（詳細には、電池ケース３０の蓋体３４）には、外部接続用の正極端子４２および負極端子４４と、安全弁（図示せず）が設けられている。安全弁は、電池ケース３０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に、該内圧を開放する。本実施形態の電解質は非水電解液に含まれるため、電池ケース３０には非水電解液を内部に注入するための注入口（図示せず）が設けられている。電池ケース３０の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。

捲回電極体１０は、長尺状の正極（正極シート）５０と、長尺状の負極（負極シート）６０とが、長尺状のセパレータ７０とを介して絶縁された状態で重ね合わされて捲回されている。詳細には、正極５０では、長尺状の正極集電体の片面または両面に、長手方向に沿って電極合材（正極活物質層）が塗工されている。負極６０では、長尺状の負極集電体の片面または両面に、長手方向に沿って電極合材（負極活物質層）が塗工されている。正極集電体露出部５２、負極集電体露出部６２は、捲回電極体１０の上記長手方向に直交するシート幅方向の両端部の各々に位置する。正極集電体露出部５２は、電極合材が塗工されずに正極集電体が露出した部分である。ここでは、図２に示すように、３つの捲回電極体１０の正極集電体露出部５２に正極連結板４６を接合することで電気的に接続されている。そして、正極連結板４６は蓋体３４が備える正極端子４２と電気的に接続されることで、電池ケース３０の内部と外部との導通を実現している。また、負極集電体露出部６２は、電極合材が塗工されずに負極集電体が露出した部分である。ここでは、図２に示すように、３つの捲回電極体１０の負極集電体露出部６２それぞれに負極連結板４８を接合することで電気的に接続されている。そして、負極連結板４８は蓋体３４が備える負極端子４４と接合されることで、電池ケース３０の内部と外部との導通を実現している。なお、ここでは電極連結板（正極連結板４６および負極連結板４８）を用いて複数の捲回電極体１０同士を電気的に接続して電極端子（正極端子４２および負極端子４４）と接続したが、捲回電極体１０それぞれと電極端子とを直接電気的に接続してもよい。

図３に示すように、電池ケース３０の内部には、複数の電極体収容空間３６と、断熱空間３８とが設けられている。電極体収容空間３６は捲回電極体１０と、電解質とを収容可能な空間である。典型的には、１箇所の電極収容空間３６に対して、一つの捲回電極体１０が収容される。断熱空間３８は断熱要素８０を収容可能な空間である。本実施形態では、電極体収容空間３６は短辺方向Ｙに向かって並列に３箇所設けられている。また、断熱空間３８は電極体収容空間３６それぞれの間に設けられており、計２箇所に設けられている。即ち、電池ケース３０の幅方向（ここでは短辺方向Ｙ）に向かって電極体収容空間３６と断熱空間３８とが交互に並列するように設けられている。なお、電極体収容空間３６および断熱空間３８の数は限定されるものではなく、電極体収容空間３６をｎ箇所に設けたとき、断熱空間３８を（ｎ－１）箇所に設けることができる（ただし、ｎは２以上の自然数とする）。

電極体収容空間３６および断熱空間３８の大きさは特に限定されるものではないが、電極体収容空間３６と断熱空間３８とが並列する方向（ここでは短辺方向Ｙ）において、電極体収容空間３６と断熱空間３８との寸法比が３：１～４：１の範囲内となるように設けられることが好ましい。例えば、電極体収容空間３６と断熱空間３８との上記寸法比を１２．５：３．５に設けることができる。上記寸法比のかかる範囲内とすることで、断熱空間３８の断熱性がより確実に確保されるため、一の電極体収容空間３６に収容される捲回電極体１０の熱が他の電極体収容空間３６に収容される捲回電極体１０へより伝わりにくくなり得る。なお、上記電極体収容空間３６と断熱空間３８との上記寸法比は、図３で示すように、任意で選ばれる一つの電極体収容空間３６の短辺方向Ｙにおける長さＬ１と、任意で選ばれる一つの断熱空間３８の短辺方向Ｙにおける長さＬ２との寸法比を示している。即ち、何れの電極体収容空間３６と断熱空間３８との対においても、上記寸法比の範囲内となることが好ましい。また、複数の電極体収容空間３６それぞれの短辺方向Ｙにおける長さ、および複数設けられ得る断熱空間３８それぞれの短辺方向Ｙにおける長さは異なっていてもよい。

電極体収容空間３６と断熱空間３８との間には、隔壁３７が形成され得る。隔壁３７を構成する材料は特に限定されるものではないが、ケース本体３２と同じ材質で構成された隔壁３７が形成されていることが好ましい。隔壁３７によって電極体収容空間３６と断熱空間３８とが仕切られることで断熱空間３８に収容される断熱要素８０がより安定的に保持されるため、断熱空間３８の断熱性が向上し、同じ電池ケース３０内に収容されている捲回電極体１０間の熱影響をより一層防止し得る。また、隔壁３７がケース本体３２と同じ材質で構成されることにより、ケース本体３２の剛性が向上し得る。さらに、後述するような簡便な方法で隔壁３７を備えたケース本体３２を製造することができるため、製造時間を短縮させることができ得る。

電池ケース３０の高さ方向Ｚにおける隔壁３７の高さは、自由に変更することができる。例えば、隔壁３７をケース本体３２の側壁の高さよりも低く形成することができる。これにより、断熱空間３８の上部（蓋体３４によりケース本体３２を密閉したときの断熱空間３８と蓋体３４の間）に隙間を設けることができる。そのため、上述した正極連結板４６および負極連結板４８を備える捲回電極体１０を電極体収容空間３６に収容したとき、上記隙間は、正極連結板４６および負極連結板４８を電池ケース３０（隔壁３７を含む）と接触させることなく配置できる空間として利用することができる。

断熱空間３８に収容される断熱要素８０は、断熱性を有するものであれば特に限定されるものではなく、気体、液体、固体であり得る。例えば、空気や断熱性フィラー等の断熱材を用いることができる。好ましい一態様として、断熱要素８０として空気を採用することで、断熱空間３８により確実に断熱性を保持させることができ得る。また、コストを低減させることができる。

ケース本体３２を製造する方法は特に限定されないが、例えば、ケース本体３２を構成する材質のスラグをダイの上に設置し、パンチを該ダイと対向するように該スラグを押圧することによって、該スラグを塑性加工で成形し、製造することができる。具体的には、まず、ケース本体３２の外形（本実施形態では矩形状の４つの側壁と、矩形状の底壁とを備えた箱型形状）の形状を備えた凹部を有するダイにおいて、該凹部にスラグを設置する。次に、電極体収容空間３６および断熱空間３８を設けるために、上記凹部に挿入可能なパンチを上記凹部に挿入することで上記スラグを押圧し、該スラグをケース本体３２の形状に塑性成形する。なお、上記パンチの凹部への挿入部分には隔壁３７を形成するためのスリットを備えていてもよい。該スリットはパンチが凹部へ挿入された際にもスラグを押圧しないため、該スラグにおいて該スリットが挿入された部分には隔壁３７が形成される。かかる方法であれば、電極収容空間３６と、断熱空間３８とが設けられており、かつ、ケース本体３２と同じ材質で構成された隔壁３７を備えた電池ケース３２を１ショットで製造することができる。これにより、製造時間を短縮することができ、生産数量を向上させ得る。なお、上記スリットの深さや形状により隔壁３７の高さや形状を調整することができるため、例えば、上記凹部の深さよりも浅いスリットを設けることにより、ケース本体３２の側壁の高さよりも低い隔壁３７を備えたケース本体３２を製造することができる。

捲回電極体１０の正負極を構成する材料、部材は、従来の一般的な二次電池に用いられるものと同様のものを制限なく使用可能である。例えば、正極集電体には、この種の二次電池の正極集電体として用いられるものを特に制限なく使用し得る。典型的には、良好な導電性を有する金属製の正極集電体が好ましい。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属材を正極集電体として採用できる。正極活物質層の正極活物質としては、例えば層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４，ＬｉＣｒＭｎＯ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４等）が挙げられる。正極活物質層は、正極活物質と必要に応じて用いられる材料（導電材、バインダ等）とを適当な溶媒（例えばＮ－メチル－２－ピロリドン：ＮＭＰ）に分散させ、ペースト状（またはスラリー状）の組成物を調製し、該組成物の適当量を正極集電体の表面に塗工し、乾燥することによって形成することができる。

負極集電体には、この種の二次電池の負極集電体として用いられるものを特に制限なく使用し得る。典型的には、良好な導電性を有する金属製の負極集電体が好ましく、例えば、銅（例えば銅箔）や銅を主体とする合金を用いることができる。負極活物質層の負極活物質としては、例えば、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む粒子状（或いは球状、鱗片状）の炭素材料、リチウム遷移金属複合酸化物（例えば、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２等のリチウムチタン複合酸化物）、リチウム遷移金属複合窒化物等が挙げられる。負極活物質層は、負極活物質と必要に応じて用いられる材料（バインダ等）とを適当な溶媒（例えばイオン交換水）に分散させ、ペースト状（またはスラリー状）の組成物を調製し、該組成物の適当量を負極集電体の表面に塗工し、乾燥することによって形成することができる。

セパレータ７０としては、従来公知の多孔質シートからなるセパレータを特に制限なく使用することができる。例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン樹脂から成る多孔質シート（フィルム、不織布等）が挙げられる。かかる多孔質シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複数構造（例えば、ＰＥ層の両面にＰＰ層が積層された三層構造）であってもよい。また、多孔質シートの片面または両面に、多孔質の耐熱層を備える構成のものであってもよい。この耐熱層は、例えば、無機フィラーとバインダとを含む層（フィラー層ともいう。）であり得る。無機フィラーとしては、例えばアルミナ、ベーマイト、シリカ等を好ましく採用し得る。

捲回電極体１０とともに電池ケース３０に収容される非水電解液（電解質）は、適当な非水溶媒に支持塩を含有するものであり、従来公知の非水電解液を特に制限なく採用することができる。例えば、非水溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等を用いることができる。また、支持塩としては、例えばリチウム塩（例えば、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＰＦ_６等）を好適に用いることができる。

捲回電極体１０と電池ケース３０の内壁（側壁および底壁の内側）および隔壁３７との間に、絶縁フィルム（図示せず）を配置してもよい。これにより、捲回電極体１０と電池ケース３０との接触が回避され、捲回電極体１０と電池ケース３０との絶縁性を確保することができ得る。絶縁フィルムの材質は、絶縁部材として機能し得る限り特に制限されないが、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂材料が挙げられる。また、電池ケース３０の内壁の絶縁性を確保するように、絶縁性被膜形成等の表面加工を施してもよい。

二次電池１には、断熱空間３８に収容された断熱要素８０と蓋体３４との間の隙間に弾性体９０が配置されていてもよい。かかる位置に弾性体９０を配置することにより、上記隙間を埋めることができ、電池ケース３０の密閉性を向上させ得る。また、断熱空間３８に収容された断熱要素８０をより確実に断熱空間３８中に保持させ得る。弾性体９０は絶縁性を有した弾性変形が可能なゴムや樹脂で構成されており、例えば、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）等のフッ素化樹脂や、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等で構成されている。

本実施形態では、捲回電極体１０が正極連結板４６および負極連結板４８によって接続されているため、電極連結板（正極連結板４６および負極連結板４８）が断熱空間３８と蓋体３４との間の隙間を通って配置できるように弾性体９０は配置される。例えば、弾性体９０は長辺方向Ｘにおいて電極連結板を挟むように配置されてもよく、また、弾性体９０は電極連結板が挿通可能なスリットや貫通孔等を備えていてもよい。また、隔壁３７と電極連結板との間に弾性体９０が配置されていてもよく、これにより電極連結板と隔壁３７とを絶縁し得る。また、弾性体９０は接着材により、隔壁３７、ケース本体３２の側壁の内側、蓋体３４の内面等に固定してもよい。これにより、電池ケース３０内で弾性体９０がより安定に保持され得る。

以上のようにして構成される二次電池１は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。二次電池１は、典型的には複数個を直列および／または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。

以上、一例として３つの捲回電極体を備えた非水電解液リチウムイオン二次電池について詳細に説明したが、これは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に記載した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、捲回電極体の代わりに、シート状の正極とシート状の負極とが、シート状のセパレータを介して積層された積層電極体を備えた二次電池であってもよい。また、二次電池１は電解質として固体電解質を使用する全固体電池や、ポリマー電解質を使用するポリマー電池であってもよい。

１ 二次電池
１０ 捲回電極体
３０ 電池ケース
３２ ケース本体
３４ 蓋体
３６ 電極体収容空間
３７ 隔壁
３８ 断熱空間
４２ 正極端子
４４ 負極端子
４６ 正極連結板
４８ 負極連結板
５０ 正極
５２ 正極集電体露出部
６０ 負極
６２ 負極集電体露出部
７０ セパレータ
８０ 断熱要素
９０ 弾性体

Claims (7)

1. 正極および負極を含む電極体を収容するための箱型のケース本体を備える電池ケースであって、
   前記電極体を複数個並列に収容可能な複数の電極体収容空間と、
   前記複数の電極体収容空間それぞれの間に設けられた空間であって、断熱要素を収容可能な断熱空間と、
   が設けられている電池ケース。
2. 前記電極体収容空間と前記断熱空間とが並列する方向において、前記電極体収容空間と、前記断熱空間との寸法比が３：１～４：１の範囲である、請求項１に記載の電池ケース。
3. 前記電極体収容空間と、前記断熱空間との間には、前記ケース本体と同じ材質で構成された隔壁が形成されている、請求項１または２に記載の電池ケース。
4. 正極および負極を含む電極体と、
   前記電極体と電解質とを収容する箱型のケース本体と、
   該ケース本体を密閉する蓋体と、
   を備える二次電池であって、
   前記ケース本体は、
   前記電極体を複数個並列に収容する複数の電極体収容空間と、
   前記複数の電極体収容空間それぞれの間に設けられた空間であって、断熱要素を収容する断熱空間と、
   を有している、二次電池。
5. 前記電極体収容空間と前記断熱空間とが並列する方向において、前記電極体収容空間と、前記断熱空間との寸法比が３：１～４：１の範囲である、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記電極体収容空間と、前記断熱空間との間には、前記ケース本体と同じ材質で構成された隔壁が形成されている、請求項４または５に記載の二次電池。
7. 前記断熱空間に収容された前記断熱要素と前記蓋体との間の隙間に弾性体が配置されている、請求項４～６の何れか一項に記載の二次電池。

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