JP2023044966A - Laminated lithium ion secondary battery and power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ラミネート型リチウムイオン二次電池および蓄電装置に関する。 The present invention relates to a laminate type lithium ion secondary battery and a power storage device.
蓄電デバイスとしての二次電池は、一次電池の置きかえ用途はもとより、携帯電話、IT機器等の電子機器の電源として広く普及している。とりわけ、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、電気自動車や、電源装置等の民生用・産業用大型電気機器への応用も進められており、この場合、高出力化、大容量化を意図しての使用が一般的になっている。特に小型化、軽量化、様々な形状の変化に伴い、従来使用されていた金属製の外装に代えて、金属箔の両面に樹脂フィルムを接着剤で貼り合わせたラミネート外装材が用いられることが多くなっている Secondary batteries as power storage devices are widely used as power sources for electronic devices such as mobile phones and IT devices, as well as for replacing primary batteries. In particular, secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries are being applied to electric vehicles and large consumer and industrial electrical equipment such as power supply units. Intentional use is common. In particular, along with miniaturization, weight reduction, and various changes in shape, laminated exterior materials, which are made by bonding resin films to both sides of a metal foil with an adhesive, are being used in place of conventionally used metal exteriors. is increasing
従来のラミネート外装材を使用したラミネート型リチウムイオン二次電池は、基本的な構造としてタブ金属端子が電池の任意の端より、少なくとも一端から突出している。そのため、ラミネート型リチウムイオン二次電池同士をブスバー等で接合する場合には、複数の電池から構成される電池モジュールや電池パックの出力端子部分における構造において、余分な利用のできない空間を作り出してしまい、電池を備える装置の構造上の自由度が損なわれる問題を抱えている。 A conventional laminated lithium-ion secondary battery using a laminated exterior material has a basic structure in which a tab metal terminal protrudes from at least one end of the battery. Therefore, when connecting laminated lithium-ion secondary batteries to each other with a bus bar or the like, extra unusable space is created in the structure of the output terminal portion of a battery module or battery pack composed of multiple batteries. , there is a problem that the structural flexibility of the device provided with the battery is impaired.
また、ラミネート型リチウムイオン二次電池から突出しているタブ金属端子は、タブ金属端子の長さの調整やタブ金属端子同士を接合する設計の関係上、タブ金属端子のカットや折り曲げといった追加工をする必要性があり、そのために加工工程が増えてさらに加工工程が複雑化してしまう可能性がある。 In addition, the metal tab terminals protruding from the laminated lithium-ion secondary battery require additional processing such as cutting and bending due to the design of the metal tab terminals for adjusting the length of the tab metal terminals and for joining the metal tab terminals together. Therefore, there is a possibility that the number of processing steps increases and the processing steps become more complicated.
ところで、特許文献1~3では、外装材の金属箔層を露出し電極端子(タブ金属端子)を形成して小型化、軽量化を図っているが、小型で比較的薄いキャパシタに適用している技術であり、面積が大きく、厚みがあり多積層されている電極から電流を取り出すような数Ah程度の容量を必要とするラミネート型リチウムイオン電池には適用が困難と考える。 By the way, in Patent Documents 1 to 3, the electrode terminals (tab metal terminals) are formed by exposing the metal foil layer of the exterior material to reduce the size and weight. It is considered to be difficult to apply to laminated lithium-ion batteries, which require a capacity of several Ah to draw current from a large area, thick and multi-layered electrodes.
上記のことを鑑みて、本発明では、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池では達成できなかった、電池モジュールや電池パックを含んだ蓄電装置の小型化や省スペース化、電池の大容量化ができるラミネート型リチウムイオン二次電池および蓄電装置を提供することを目的とする。 In view of the above, in the present invention, it is possible to reduce the size and space of power storage devices including battery modules and battery packs, and to increase the capacity of batteries, which could not be achieved with conventional laminated lithium ion secondary batteries. It is an object of the present invention to provide a laminate-type lithium ion secondary battery and a power storage device that can
上記の課題を解決するために、本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池は、正極集電体および正極合材層を有する正極と、負極集電体および負極合材層を有する負極と、前記正極および前記負極を絶縁するセパレータと、非水電解質と、前記正極集電体と接する正極端子と、前記負極集電体と接する負極端子と、熱融着層および金属箔層を有するラミネートフィルムからなり、前記正極、前記負極、前記セパレータ、前記非水電解質、前記正極端子および前記負極端子を内蔵する外装材と、を備えるラミネート型リチウムイオン二次電池であって、前記正極端子は、前記正極集電体と接する正極接触部と、前記ラミネート型リチウムイオン二次電池の外部に露出する第1露出部と、前記外装材の前記熱融着層と融着する第1シーラント部と、を有し、前記負極端子は、前記負極集電体と接する負極接触部と、前記ラミネート型リチウムイオン二次電池の外部に露出する第2露出部と、前記外装材の前記熱融着層と融着する第2シーラント部と、を有し、前記外装材は、前記第1露出部を前記外部へ露出する第1開口部と、前記第2露出部を前記外部へ露出する第2開口部と、を有し、前記第1シーラント部は前記第1露出部の外周の少なくとも一部を囲んでおり、前記第2シーラント部は前記第2露出部の外周の少なくとも一部を囲んでおり、前記正極端子および前記負極端子は、前記外装材から突出するタブ部を備えない、ラミネート型リチウムイオン二次電池である。 In order to solve the above problems, the laminated lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer, a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer, and A laminate film having a separator insulating the positive electrode and the negative electrode, a non-aqueous electrolyte, a positive electrode terminal in contact with the positive electrode current collector, a negative electrode terminal in contact with the negative electrode current collector, a heat-sealable layer and a metal foil layer A laminate type lithium ion secondary battery comprising: the positive electrode, the negative electrode, the separator, the non-aqueous electrolyte, the positive electrode terminal, and the negative electrode terminal. A positive electrode contact portion in contact with a current collector, a first exposed portion exposed to the outside of the laminate type lithium ion secondary battery, and a first sealant portion fused to the thermal adhesive layer of the exterior material. The negative electrode terminal includes a negative electrode contact portion in contact with the negative electrode current collector, a second exposed portion exposed to the outside of the laminate type lithium ion secondary battery, and the heat-sealable layer of the exterior material. a second sealant portion, wherein the exterior material includes a first opening that exposes the first exposed portion to the outside; a second opening that exposes the second exposed portion to the outside; wherein the first sealant portion surrounds at least a portion of the outer periphery of the first exposed portion, the second sealant portion surrounds at least a portion of the outer periphery of the second exposed portion, and the positive electrode The terminal and the negative electrode terminal are a laminate type lithium ion secondary battery that does not have a tab portion protruding from the exterior material.
本発明であれば、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池では達成できなかった、電池モジュールや電池パックを含んだ蓄電装置の小型化や省スペース化、電池の大容量化および製造工程の複雑化を解消できるラミネート型リチウムイオン二次電池および蓄電装置を提供することができる。 According to the present invention, the miniaturization and space saving of power storage devices including battery modules and battery packs, the increase in battery capacity, and the complication of the manufacturing process, which could not be achieved with conventional laminated lithium-ion secondary batteries. It is possible to provide a laminate-type lithium ion secondary battery and a power storage device that can solve the problem.
以下、本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池および蓄電装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は以下の一実施形態に限定されるものではない。 An embodiment of the laminate type lithium ion secondary battery and power storage device of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following one embodiment.
[ラミネート型リチウムイオン二次電池]
〈第1実施形態〉
図1は、本発明の一実施形態のラミネート型リチウムイオン二次電池100の斜視概略図である。図2は、ラミネート型リチウムイオン二次電池100の概略断面図であり、図2(a)は、図1のAA断面図であり、図2(b)は図1のBB断面図である。そして、図3は、正極端子50、負極端子60、電極組立体80、ラミネート型リチウムイオン二次電池100の概略正面図であり、図3(a)は正極端子50、図3(b)は負極端子60、図3(c)は電極組立体80、図3(d)はラミネート型リチウムイオン二次電池100である。
[Laminated lithium-ion secondary battery]
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic perspective view of a laminated lithium ion
ラミネート型リチウムイオン二次電池100は、正極10と、負極20と、セパレータ30と、非水電解質40と、正極端子50と、負極端子60と、外装材70とを備える。
A laminate type lithium ion
(正極10)
正極10は、正極集電体11および正極合材層12を有する。正極合材層12は、例えば正極活物質、導電材及び結着剤を含む。
(Positive electrode 10)
The
正極活物質は、リチウム含有金属酸化物等のリチウム二次電池の正極活物質として一般的に用いられる化合物であれば特に限定されない。例えば、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO2)、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMnO2、LiMn2O4、LiMn2O3)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO2)、リチウムコバルト鉄複合酸化物(例えばLiCo0.5Fe0.5O2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLi(NixCoyMn1-x-y)O2(0<x<1、0<y<1))、リチウム鉄リン複合酸化物(例えばLiFePO4)等が挙げられる。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a compound generally used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries, such as a lithium-containing metal oxide. For example, lithium cobalt composite oxide (e.g. LiCoO 2 ), lithium manganese composite oxide (e.g. LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMn 2 O 3 ), lithium nickel composite oxide (e.g. LiNiO 2 ), lithium cobalt iron composite oxide (eg LiCo 0.5 Fe 0.5 O 2 ), lithium nickel cobalt manganese composite oxide (eg Li ( Nix Co y Mn 1-x-y )O 2 (0<x<1, 0<y<1)), Lithium-iron-phosphorus composite oxide (for example, LiFePO 4 ) and the like are included.
正極集電体11は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金である。正極集電体の素材には、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム等の金属メッシュ、金属多孔質体、エキスパンドメタル、パンチングメタル等が挙げられる。
The positive electrode
導電材は、特に限定されるものではなく、公知又は市販のものを使用することができる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、活性炭、黒鉛等が挙げられる。 The conductive material is not particularly limited, and known or commercially available materials can be used. Examples thereof include carbon black such as acetylene black and Ketjen black, carbon nanotube, carbon fiber, activated carbon, and graphite.
結着剤は、特に限定されるものではなく、公知又は市販のものを使用することができる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン-プロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル樹脂等が挙げられる。 The binder is not particularly limited, and any known or commercially available one can be used. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), ethylene-propylene copolymer, styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), acrylic resin and the like.
(負極20)
負極20は、負極集電体21および負極合材層22を有し、例えば、負極集電体21と、当該負極集電体21の一方又は両方の面に形成された負極活物質を含む負極合材層22とを備える。
(Negative electrode 20)
The
負極活物質は、金属の溶解、析出、又は金属イオンの挿入・脱離が可能な材料であれば、特に限定されない。負極活物質としては、例えば、リチウム金属、炭素系材料、シリコン、シリコン合金、スズ等が挙げられる。リチウムイオンの挿入・脱離が可能な炭素系材料は、例えば、粉末状又は繊維状の黒鉛である。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material capable of dissolving or depositing metals or inserting/extracting metal ions. Examples of negative electrode active materials include lithium metal, carbon-based materials, silicon, silicon alloys, and tin. A carbonaceous material capable of intercalating and deintercalating lithium ions is, for example, powdery or fibrous graphite.
負極集電体21は、特に限定されるものではなく、公知又は市販のものを使用することできる。負極集電体としては、例えば、銅又は銅合金からなる圧延箔、電解箔等が挙げられる。
The negative electrode
(セパレータ30)
セパレータ30は、正極10および負極20を絶縁するものであり、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、セルロース又はポリイミドの延伸フィルム、微多孔膜又は不織布を用いることができる。延伸フィルム、微多孔膜又は不織布は、単層であっても、多層構造であってもよい。セパレータは、特に好ましくは微多孔質ポリエチレン膜であってもよい。なお、セパレータ30は、正極10と負極20との間に1枚ずつカットされて配されて絶縁するセパレータと、つづら折り形状の一枚のセパレータが複数の正極10と複数の負極20を絶縁するセパレータが挙げられる。
(Separator 30)
The
(非水電解質40)
非水電解質40は、液体状の場合、非水溶媒及び電解質を含む。
(Non-aqueous electrolyte 40)
The
非水溶媒は、好ましくは、主成分として環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含有する。環状カーボネートは、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)及びγ-ブチロラクトン(GBL)から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、及びエチルメチルカーボネート(EMC)等から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。 The non-aqueous solvent preferably contains cyclic carbonate and chain carbonate as main components. The cyclic carbonate is preferably at least one selected from ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC) and γ-butyrolactone (GBL). The chain carbonate is preferably at least one selected from dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), and the like.
電解質は、特に限定されるものではなく、リチウム二次電池で一般に用いられるリチウム塩の電解質を用いることができる。例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)(C4F4SO2)、LiN(CmF2m+1SO2)(CnF2n+1SO2)(m、nは1以上の整数)、LiC(CpF2p+1SO2)(CqF2q+1SO2)(CrF2r+1SO2)(p、q、rは1以上の整数)、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム等を用いることができる。これらの電解質は、一種類で使用してもよく、また二種類以上組み合わせて使用してもよい。また、この電解質は非水溶媒に対して0.1~1.5モル/L、好ましくは0.5~1.5モル/Lの濃度で溶解することが望ましい。 The electrolyte is not particularly limited, and a lithium salt electrolyte generally used in lithium secondary batteries can be used. For example , LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 , LiClO4, LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) ( C4F4SO2 ) , LiN( CmF2m + 1SO2 ) ( CnF2n +1SO 2 ) (m and n are integers of 1 or more), LiC( CpF2p + 1SO2 ) ( CqF2q + 1SO2 ) ( CrF2r + 1SO2 ) (p, q, and r are integers of 1 or more) , lithium difluoro(oxalato)borate, and the like can be used. These electrolytes may be used singly or in combination of two or more. Moreover, it is desirable that the electrolyte dissolves in the non-aqueous solvent at a concentration of 0.1 to 1.5 mol/L, preferably 0.5 to 1.5 mol/L.
(正極端子50)
正極端子50は、正極集電体11と接する端子である。図3(a)に示すように、正極端子50は、正極集電体11と接する正極接触部51と、ラミネート型リチウムイオン二次電池100の外部に露出する第1露出部52と、外装材70の熱融着層と融着する第1シーラント部53と、を有する。第1シーラント部53は、第1露出部52の外周を囲んでいる。
(Positive terminal 50)
The
(負極端子60)
負極端子60は、負極集電体21と接する端子である。図3(b)に示すように、負極端子60は、負極集電体21と接する負極接触部61と、ラミネート型リチウムイオン二次電池100の外部に露出する第2露出部62と、外装材70の熱融着層と融着する第2シーラント部63と、を有する。第2シーラント部63は、第2露出部62の外周を囲んでいる。
(Negative terminal 60)
The
(ラミネート型リチウムイオン二次電池の溶接方法と溶接幅)
電池容量を増加させるなどの観点から、複数のラミネート型リチウムイオン二次電池100を接続して使用する際には、複数のラミネート型リチウムイオン二次電池100をブスバーで溶接するのが望ましい。溶接する方法としては、超音波溶接や抵抗溶接やファイバーレイザー溶接などが挙げられる。第1露出部52と第2露出部62の面積がそれぞれ2000μm2以上であり、一辺がそれぞれ50μm以上であると、ファイバーレイザー溶接でタブ端子とブスバーが溶接可能である。ただし、他の溶接方法を使用する場合や、溶接強度や発熱抑制、入出力性能などの観点から、より広い面積とより長い一辺の長さを確保することが好ましい。一方で、電池の小型化のため、第1シーラント部53や第2シーラント部63の短手方向において、第1露出部52と第2露出部62の露出長さが10mm以下であることが好ましい。
(Welding method and welding width of laminated lithium-ion secondary battery)
From the viewpoint of increasing the battery capacity, when connecting and using a plurality of laminated lithium ion
第1露出部52と第2露出部62の面積や形状は、同じであってもよく、異なっていても良い。また、それぞれの露出部のラミネート型リチウムイオン二次電池100の平面方向の表裏でそれぞれの露出部の面積や形状や位置が異なっていても良い。第1露出部52と第2露出部62は、ともに、ラミネート型リチウムイオン二次電池100の平面方向の表裏で双方に存在しても良いし、一方の面にのみ存在しても良い。第1露出部52と第2露出部62のラミネート型リチウムイオン二次電池100の平面方向の表裏での存在は一致していても良いし、一致していなくても良い。
The areas and shapes of the first exposed
また、第1露出部52を囲む第1シーラント部53と第2露出部62を囲む第2シーラント部63は、外装材70との融着作業の安定性の観点から、それぞれの最も小さい幅で1mm以上であるのが好ましく、より好ましくは5mmの幅を有する。ラミネート型リチウムイオン二次電池100の小型化の観点から、第1露出部52を囲む第1シーラント部53と第2露出部62を囲む第2シーラント部63は、それぞれの最も小さい幅で10mm以下であることが好ましい。
In addition, the
さらに、シール耐久性と水蒸気バリア性の観点から、第1露出部52を囲む外装材70との融着部と第2露出部62を囲む外装材70との融着部は、それぞれの最も小さい幅で1mm以上であるのが好ましく、より好ましくは5mmの幅を有する。電池の小型化の観点から、第1露出部52を囲む外装材70との融着部と第2露出部62を囲む外装材70との融着部は、それぞれの最も小さい幅で10mm以下であることが好ましい。
Furthermore, from the viewpoint of seal durability and water vapor barrier properties, the fused portion between the
加えて、第1露出部52を囲む第1シーラント部53と第1露出部52を囲む外装材70との融着部の同一方向における幅は、どの方向であっても、短絡防止などの観点から、第1シーラント部53の幅が融着部の幅より2~3mm程度長いのが好ましいが、一致していても構わない。第2露出部62を囲む第2シーラント部63と第2露出部62を囲む外装材70との融着部の幅についても、同様である。
In addition, the width in the same direction of the fusion-bonded portion between the
詳細は後述するが、従来の電池とは異なり、ラミネート型リチウムイオン二次電池100において、正極端子50および負極端子60は、外装材70から突出するタブ部を備えないことにより、電池の小型化や電池容量の大容量化が実現可能となる。また、タブ部が無いことでタブ部のカットや折り曲げといった追加工をする必要が無く、そのために加工工程が増えたり加工工程が複雑化したりすることもない。
Although details will be described later, unlike conventional batteries, in the laminated lithium ion
(外装材70)
外装材70は、熱融着層および金属箔層を有するラミネートフィルムからなり、正極10、負極20、セパレータ30、非水電解質40、正極端子50および負極端子60を内蔵する。
(Exterior material 70)
The
外装材70は、例えば袋状となっており、後述する扁平状の電極組立体80(図3(c))が収納されている。ラミネートフィルムは、例えば複数枚(例えば2枚)のプラスチックフィルムをそれらのフィルム間にアルミニウム箔のような金属箔を金属箔層として挟んで積層した構造を有する。そして、2枚のプラスチックフィルムのうち、一方のプラスチックフィルムは熱融着層として熱融着性樹脂フィルムが用いられる。外装材70は、2枚のラミネートフィルムをそれらの熱融着性樹脂フィルムが互いに対向するように重ね、これらのラミネートフィルム間に電極組立体80を介在し、電極組立体80周辺の2枚のラミネートフィルム部分(図3(d)の熱融着部73)を互いに熱融着して四方を封止することにより、前記電極組立体80を気密に収納している。
The
外装材70は、正極端子50の第1露出部52を外部へ露出する第1開口部71と、負極端子60の第2露出部62を外部へ露出する第2開口部72と、を有する。第1開口部71と第2開口部72を設けることにより、タブ部が無くても正極端子50の一部である第1露出部52と負極端子60の一部である第2露出部62を外部へ露出させることができ、タブ部に変えてこれらの第1露出部52と第2露出部62をブスバー等で接続すればよい。この際、第1露出部52と第2露出部62は、ラミネートフィルムを熱融着により封止した熱融着部73に備えられていることが好ましい。すなわち、第1露出部52および第2露出部62は熱融着部73から露出していることにより、正極端子50および負極端子60は熱融着部73より露出することが好ましい。その理由は、テラス部に新たに融着部を設ける必要がないことと、厚みのあるテラス部よりも融着位置がずれづらいことにある。
The
(電極組立体80)
電極組立体80は、図2(a)に示すように正極10と負極20とそれら正極10、負極20の間に介在されたセパレータ30を負極20が最外層に位置するように複数積層した構造を有する。正極10は、正極集電体11と当該集電体11の両面に形成された正極合材層12とから構成されている。負極20は、負極集電体21と、当該集電体21の両面に形成された負極合材層22とから構成されている。なお、最外層に位置する負極20は、負極集電体21の外装材側の面に負極合剤層22を含まなくても良い。
(Electrode assembly 80)
As shown in FIG. 2A, the
正極10は、正極集電体11が正極合材層12から正極端子50へ延出しており、各正極集電体11は、外装材70内において先端側で束ねられ、互いに接合するように正極端子50の正極接触部51と第1溶接部54(図3(c)参照)によって溶接されている。
In the
負極20は、負極集電体21が負極合材層22から負極端子60へ延出しており、各負極集電体21は、外装材70内において先端側で束ねられ、互いに接合するように負極端子60の負極接触部61と第2溶接部64(図3(c)参照)によって溶接されている。
In the
また、正極端子50は第1シーラント部53が外装材70の熱融着部73と熱融着しており、外装材70内部の非水電解質40が第1開口部71から漏れることを防いでいる。
In addition, the
負極端子60も同様に、第2シーラント部63が外装材70の熱融着部73と熱融着しており、外装材70内部の非水電解質40が第2開口部72から漏れることを防いでいる。
Similarly, in the
ラミネート型リチウムイオン二次電池100の電池容量が1Ah以上の場合には、容量や大きさに応じて正極端子50の正極接触部51や負極端子60の負極接触部61の厚みが例えば0.3mm以上となって正確に折り曲げることが難しくなることで、正極端子50および負極端子60を折り曲げて外装材70へ収納しようとすると、外装材70内部で余分な隙間ができたり、正極端子50および負極端子60の位置決めが難しくなったりするおそれがある。そのため、特に電池容量が1Ah以上の場合には、正極端子50および負極端子60は、屈曲せずに外装材70へ内蔵されていることが好ましい。また、電池容量が1Ah未満の場合にも、屈曲させることが不要であれば屈曲せずに内蔵されて問題ない。
When the battery capacity of the laminated lithium-ion
(テラス部90)
ラミネート型リチウムイオン二次電池100は、第1露出部52と第2露出部62が外装材70の同じ端部に設けられた第1開口部71と第2開口部72から露出するように、前記正極集電体11における前記正極接触部51と接する正極端子接触部13と、前記負極集電体21における前記負極接触部61と接する負極端子接触部23と、前記正極端子50における前記正極接触部51と、前記負極端子60における前記負極接触部61と、を内在するテラス部90を備えてもよい。なお、本明細書中では、ラミネート外装材のエンボス加工されていない部分が対向し、正極10と負極20とセパレータ30を含む電極組立体のうち、正極10の正極合材層12の非形成部および負極20の負極合剤層22の非形成部が収納される、リチウムイオン二次電池の収納部分の一部をテラス部と呼ぶ。
(Terrace section 90)
Laminated lithium ion
ただし、テラス部90を備えていない電池も本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池に含まれる。例えば第1開口部71と第2開口部72が外装材70の別の端部に設けられる場合には、テラス部90を備えない場合がある。
However, a battery not provided with the
〈第2実施形態〉
図4は、図3とは異なる態様の正極端子50a、負極端子60a、電極組立体80a、ラミネート型リチウムイオン二次電池100aの概略正面図である。四角形の第1露出部52aおよび第2露出部62aがそれぞれ3つずつ設けられており、これらに対応して四角形の第1開口部71a、第2開口部72aがそれぞれ3つずつ設けられている。なお、第1露出部52aおよび第2露出部62aの個数は3つに限定されず、互いに異なった個数でも良い。
<Second embodiment>
FIG. 4 is a schematic front view of a
〈第3実施形態〉
図5は、図3、4とは異なる態様の正極端子50b、負極端子60b、電極組立体80b、ラミネート型リチウムイオン二次電池100bの概略正面図である。円形の第1露出部52bおよび第2露出部62bがそれぞれ3つずつ設けられており、これらに対応して円形の第1開口部71b、第2開口部72bがそれぞれ3つずつ設けられている。なお、第1露出部52bおよび第2露出部62bの個数は3つに限定されず、互いに異なった個数でも良い。
<Third embodiment>
FIG. 5 is a schematic front view of a
〈第4実施形態〉
図6は、図3~5とは異なる態様のラミネート型リチウムイオン二次電池100cの概略正面図である。第1実施形態~第3実施形態では2枚のラミネートフィルムの四方を熱融着させて外装材70としていたが、第4実施形態では1枚のラミネートフィルムを折り曲げ部74で折り曲げて開口部の点線で示す三方の領域を熱融着させて熱融着部73aとして外装材70aを形成している。折り曲げ部74は、ラミネートフィルムを二等分するような位置であることが望ましい。折り曲げ部74がラミネートフィルムを二等分するような位置であれば、重なり合わない部分のラミネートフィルム(以下余剰分と呼ぶ)が存在しないためである。折り曲げ部がラミネートフィルムを二等分するような位置でなかったとしても、最終的には余剰分をカットして二等分するような位置になるように調整すると良い。また、第1開口部71cおよび第2開口部72cは折り曲げ部74のある辺に設けられており、外装材70に内蔵された非水電解質40が外部へ漏れないよう、外装材70aの内部は第1シーラント部53および第2シーラント部63と熱融着している。本形態では、外装材の熱融着部の1辺が省略でき、より省スペース化した電池を提供できる。
<Fourth Embodiment>
FIG. 6 is a schematic front view of a laminated lithium-ion
〈第5実施形態〉
図7は、図3~6とは異なる態様の正極端子50d、負極端子60d、電極組立体80d、ラミネート型リチウムイオン二次電池100dの概略正面図である。第1実施形態~第4実施形態では、第1露出部52、52a、52bと第2露出部62、62a、62bはそれぞれ四方を熱融着させていたが、第5実施形態では、第4実施形態と同様に1枚のラミネートフィルムを折り曲げ部74dで折り曲げて開口部の点線で示す三方の領域を熱融着させて熱融着部73dとして外装材70aを形成している。第1開口部71dと第2開口部72dのうち少なくとも一方の開口部の一端71eまたは72eが、ラミネート型リチウムイオン二次電池100dの辺のうち第1開口部71dおよび第2開口部72dに最も近い一辺(例えば折り曲げ部74d)に沿うか、当該一辺より内側に配される。
<Fifth Embodiment>
FIG. 7 is a schematic front view of a
本形態では、第1開口部71dと第2開口部72dのうち少なくとも一方の開口部の一端71eまたは72eが外装材70dで固定されていないことにより、ラミネート型リチウムイオン二次電池100dの完成後の加工がしやすく、正極端子50dおよび負極端子60dが突出していないため、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池200より省スペース化した電池を提供できる。また、第4実施形態のように、折り曲げ部74dを有するラミネート型リチウムイオン二次電池100dであるとより一層省スペース化が期待できる。
In the present embodiment, since one
〈従来形態〉
図8は、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池200の概略正面図である。外装材270には開口部が無く、四方を熱融着して熱融着部273が形成されており、正極タブ端子210および負極タブ端子220が外装材270から突出している。
<Conventional form>
FIG. 8 is a schematic front view of a conventional laminated lithium ion
なお、外装材270に内蔵された電極組立体は、ラミネート型リチウムイオン二次電池100の電極組立体80と同じものでよく、正極端子50および負極端子60に変えて正極タブ端子210および負極タブ端子220が設けられている。
The electrode assembly incorporated in the
〈従来形態との比較〉
次に、図9を用いて、本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池100によって得られる効果について、従来形態のラミネート型リチウムイオン二次電池200と比較することにより説明する。
<Comparison with conventional form>
Next, with reference to FIG. 9, the effects obtained by the laminated lithium ion
図9は、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池200を備える電池モジュール350と、本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池100を備える電池モジュール300、310の大きさを比較する図である。
FIG. 9 is a diagram comparing the sizes of a
図9(a)の電池モジュール350は、3体のラミネート型リチウムイオン二次電池200が筐体400内に並列に配されている状態を示す概略側面図である。これと比較する図9(b)の電池モジュール300は、3体のラミネート型リチウムイオン二次電池100が筐体410内に並列に配されている状態を示す概略側面図である。電池モジュール300と電池モジュール350は、端子は異なるものの、同じ電極組立体80が内蔵されているため、電池モジュールとしての性能は同じであるが、電池モジュール300の場合はタブ端子が無い分小型のモジュールとなっている。
A
すなわち、電池モジュールとして同じ性能の場合には、ラミネート型リチウムイオン二次電池100を用いることで、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池200を用いた場合よりも電離モジュールの小型化が可能である。なお、この効果は、第1実施形態に限定されず、第2実施形態~第4実施形態の電池においても同様に得られる。
That is, in the case of the same performance as a battery module, by using the laminated lithium ion
次に、図9(a)と比較する図8(c)の電池モジュール310について説明する。電池モジュール310は、3体のラミネート型リチウムイオン二次電池100が図9(a)と同じ筐体400内に並列に配されている状態を示す概略側面図である。電池モジュール310の場合は、電池モジュール350の場合よりも大きい電極組立体80が外装材70に内蔵されている。そのため、両者は電池モジュールとしての大きさは同じであるが、電池モジュール310の方が電池モジュール350よりも電池の容量が大きいモジュールとなっている。例えば、図9(a)のラミネート型リチウムイオン二次電池200の電池容量が14Ahの場合、図9(c)のラミネート型リチウムイオン二次電池100の電池容量は17Ahと、電池の容量を約1.2倍大きくすることができる。
Next, the
すなわち、電池モジュールとして同じサイズの場合には、ラミネート型リチウムイオン二次電池100を用いることで、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池200を用いた場合よりも電池モジュールの高性能化が可能である。なお、この効果は、第1実施形態に限定されず、第2実施形態~第4実施形態の電池においても同様に得られる。
That is, when the battery module has the same size, the use of the laminated lithium ion
[ラミネート型リチウムイオン二次電池の製造方法の一例]
次に、本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池100を例として、電池容量が14.0Ahの電池の製造方法の一例を紹介する。
[Example of manufacturing method of laminated lithium ion secondary battery]
Next, an example of a method for manufacturing a battery having a battery capacity of 14.0 Ah will be introduced, taking the laminated lithium ion
〈正極10〉
LiFePO4(リン酸鉄リチウム)90質量部と、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)5質量部と、導電助剤であるカーボンブラック5質量部とを溶剤であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させて正極合剤スラリーを作製した。この正極合剤スラリーを20μmのアルミニウム箔(正極集電体11)の両面に塗布及び乾燥し、その後圧延することによって正極10を得た。所定の形状およびサイズに、正極合剤層12が形成させる部分と非形成される部分になるように金型にて打抜いて正極電極を得た。
<
90 parts by mass of LiFePO 4 (lithium iron phosphate), 5 parts by mass of PVDF (polyvinylidene fluoride), and 5 parts by mass of carbon black as a conductive agent were dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent. A positive electrode mixture slurry was prepared by dispersing. This positive electrode mixture slurry was applied to both surfaces of a 20 μm aluminum foil (positive electrode current collector 11 ), dried, and then rolled to obtain a
〈負極20〉
グラファイト98質量部と、CMC(カルボキシルメチルセルロース)1質量部と、SBR(スチレンブタジエンラバー)1重量部と溶剤であるイオン交換水に分散させて負極合剤スラリーを作製した。10μmの銅箔(負極集電体21)の両面に塗布及び乾燥し、その後圧延することによって負極20を得た。所定の形状およびサイズに、負極合剤層22が形成させる部分と非形成される部分になるように金型にて打抜いて負極電極を得た。
<
98 parts by weight of graphite, 1 part by weight of CMC (carboxymethyl cellulose), 1 part by weight of SBR (styrene-butadiene rubber), and ion-exchanged water as a solvent were dispersed to prepare a negative electrode mixture slurry. A
〈セパレータ30〉
湿式二軸延伸法で作製されたPE(ポリエチレン)単層タイプであり、厚さが25μmのものを用いた。所定のサイズになるようにカットして、セパレータ30を得た。
<
A PE (polyethylene) single layer type prepared by a wet biaxial stretching method and having a thickness of 25 μm was used. A
〈正極端子50・負極端子60〉
正極端子50には、所定のサイズにカットされた厚み0.3mmのアルミニウムシートA1050-Hの一部に厚み0.15mmの樹脂シーラント材が装着されているものを使用した。負極端子60には、厚み0.3mmの銅シートC1020-Oに厚み2~3μmニッケルが無光沢メッキされており、一部に厚み0.15mmの樹脂シーラント材が装着されている。正極端子50および負極端子60の樹脂シーラントは、アルミニウムシートおよび銅シートの一部分を被覆するような形態になっている。この樹脂シーラントは、外装材70であるAlラミネート包材の熱溶着層と熱を与えることにより溶着される。また、樹脂シーラントには、樹脂シーラントの端に接しない任意のサイズ、形、数(長方形、丸、様々な形に対応できる)で貫通孔を施す。
<
As the
〈非水電解質40〉
非水電解質40としては、リチウム塩としてLiPF6を1.0M、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)を30/70vоl%にビニレンカーボネート(VC)を3wt%添加し、調整した電解液を用いた。
<
As the
〈外装材70〉
外装材70としては、熱融着層(内層)、金属箔層、保護層(外層)の順に積層されたラミネート外装材を使用した。具体的には、内層は80μmのポリオレフィン系樹脂によって形成されており、金属層は、40μmのアルミニウム箔によって形成されており、外層は、PET(ポリエチレンテレフタレート)によって構成される総厚み153μmのラミネート外装材である。正極10および負極20、セパレータ30が互いに積層され、正極10の正極合材層12および負極20の負極合剤層22が収納される部分に所定の深さに調整したエンボスを加工し、それと同時に正極10の正極合材層12の非形成部および負極20の負極合剤層22の非形成部が収納されるテラス部90が形成され、正極端子50および負極端子60を露出させる部分には、シーラントの貫通孔に合わせ、熱融着部の範囲を逸脱しない任意のサイズ、形、数(長方形、丸、様々な形に対応できる)で貫通孔を施すことによって第1開口部71および第2開口部72を得た。
<
As the
〈ラミネート型リチウムイオン二次電池100の組立〉
所定の大きさに打抜いた正極10を29枚と負極20を30枚、所定の大きさに定寸カットされたセパレータ30を用いて、交互に積層した正極10と負極20の間にセパレータ30を介在させて積層素子を得た。この積層素子で電池容量としては14Ah程度である。
<Assembly of Laminated Lithium
29 sheets of the
積層素子の正極集電体11および負極集電体21のそれぞれの合剤層の非形成部に、正極端子50および負極端子60を、超音波溶接機(ソノマック製の2ヘッドタイプの溶接機)を用いて、溶接する。溶接姿勢は、正極集電体11および負極集電体21のそれぞれの合剤層の非形成部の積層枚数の半分に位置するところ、または、最下部に正極端子50および負極端子60を設置させ、溶接することができる。溶接痕(第1溶接部54、第2溶接部64)は正極10、負極20の合剤層の非形成部に形成される。溶接後、溶接痕の凹凸やバリがラミネート外装材の熱溶着層に傷をつけないよう、溶接痕上に保護テープを被覆する。保護テープは、基材はポリプロピレンやポリイミド、粘着剤はアクリル系で構成されているものが好ましい。
The
正極端子50および負極端子60を溶接した積層素子をラミネート外装材で挟み、ラミネート外装材に貫通孔(第1開口部71、第2開口部72)を施している部分を正極端子50および負極端子60の樹脂シーラントの貫通孔部(第1露出部52、第2露出部62)と重ね合わせ、非水電解質40を注液するための注液口となる部分以外の外装材70の3辺端の熱融着加工を施した。基本的には、従来のラミネート型リチウムイオン電池の製作方法を踏襲することができる。
The laminated element with the
封止せずに残した一端から非水電解質40を注入し、真空封止することによって初期充電を行う前のラミネート型リチウムイオン二次電池100を得た。その後、所定の初期充電工程、ガス抜き工程、活性化工程を得て、使用可能なラミネート型リチウムイオン二次電池100を得ることができる。
A
[蓄電装置]
次に、本発明の蓄電装置の一実施形態について説明する。本発明の蓄電装置は、上記した本発明のラミネート型リチウムイオン二次電池を備える。例えば、ラミネート型リチウムイオン二次電池100、100a~100cを備える電池モジュール300、310や、電池パックを備える蓄電装置が挙げられる。蓄電装置としては、これらの電池モジュールや電池パックの他、一般的な構成の装置であればよく、例えばBMU(Battery Management Unit)やBMS(Battery Management System)等の電池監視制御ユニットやシステムを備えても良い。
[Power storage device]
Next, one embodiment of the power storage device of the present invention will be described. A power storage device of the present invention includes the laminate-type lithium ion secondary battery of the present invention described above. Examples include
以上のとおり、本発明であれば、従来のラミネート型リチウムイオン二次電池では達成できなかった、電池モジュールや電池パックを含んだ蓄電装置の小型化や省スペース化、電池の大容量化が可能である。また、タブ端子を加工する必要がないことで、電池モジュールや蓄電装置の製造工程の複雑化を解消できる。 As described above, with the present invention, it is possible to reduce the size and space of power storage devices including battery modules and battery packs, and to increase the capacity of batteries, which could not be achieved with conventional laminated lithium-ion secondary batteries. is. In addition, since there is no need to process the tab terminals, it is possible to eliminate complication of the manufacturing process of the battery module and the power storage device.
10・・・正極、 11・・・正極集電体、 12・・・正極合材層、 13・・・正極端子接触部、 20・・・負極、 21・・・負極集電体、 22・・・負極合材層、 23・・・負極端子接触部、 30・・・セパレータ、 40・・・非水電解質、 50、50a、50b、50d・・・正極端子、 51・・・正極接触部、 52、52a、52b、52d・・・第1露出部、 53・・・第1シーラント部、 54・・・第1溶接部、 60、60a、60b、60d・・・負極端子、 61・・・負極接触部、 62、62a、62b、62d・・・第2露出部、 63・・・第2シーラント部、 64・・・第2溶接部、 70、70a、70d、270・・・外装材、 71、71a、71b、71c、71d・・・第1開口部、 71e・・・開口部の一端、 72、72a、72b、72c、72d・・・第2開口部、 72e・・・開口部の一端、 73、73a、73d、273・・・熱融着部、 74、74d・・・折り曲げ部、 80、80a、80b、80d・・・電極組立体、 90・・・テラス部、 100、100a、100b、100c、100d、200・・・ラミネート型リチウムイオン二次電池、 210・・・正極タブ端子、 220・・・負極タブ端子、 300、310、350・・・電池モジュール
DESCRIPTION OF
Claims (8)
負極集電体および負極合材層を有する負極と、
前記正極および前記負極を絶縁するセパレータと、
非水電解質と、
前記正極集電体と接する正極端子と、
前記負極集電体と接する負極端子と、
熱融着層および金属箔層を有するラミネートフィルムからなり、前記正極、前記負極、前記セパレータ、前記非水電解質、前記正極端子および前記負極端子を内蔵する外装材と、
を備えるラミネート型リチウムイオン二次電池であって、
前記正極端子は、前記正極集電体と接する正極接触部と、前記ラミネート型リチウムイオン二次電池の外部に露出する第1露出部と、前記外装材の前記熱融着層と融着する第1シーラント部と、を有し、
前記負極端子は、前記負極集電体と接する負極接触部と、前記ラミネート型リチウムイオン二次電池の外部に露出する第2露出部と、前記外装材の前記熱融着層と融着する第2シーラント部と、を有し、
前記外装材は、前記第1露出部を前記外部へ露出する第1開口部と、前記第2露出部を前記外部へ露出する第2開口部と、を有し、
前記第1シーラント部は前記第1露出部の外周の少なくとも一部を囲んでおり、
前記第2シーラント部は前記第2露出部の外周の少なくとも一部を囲んでおり、
前記正極端子および前記負極端子は、前記外装材から突出するタブ部を備えない、
ラミネート型リチウムイオン二次電池。 a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer;
a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer;
a separator that insulates the positive electrode and the negative electrode;
a non-aqueous electrolyte;
a positive electrode terminal in contact with the positive electrode current collector;
a negative electrode terminal in contact with the negative electrode current collector;
an exterior material made of a laminate film having a heat-sealable layer and a metal foil layer and containing the positive electrode, the negative electrode, the separator, the non-aqueous electrolyte, the positive electrode terminal, and the negative electrode terminal;
A laminated lithium ion secondary battery comprising
The positive electrode terminal includes a positive electrode contact portion in contact with the positive electrode current collector, a first exposed portion exposed to the outside of the laminated lithium ion secondary battery, and a first exposed portion that is fused with the heat-sealable layer of the exterior material. 1 a sealant portion;
The negative electrode terminal includes a negative electrode contact portion that is in contact with the negative electrode current collector, a second exposed portion that is exposed to the outside of the laminate type lithium ion secondary battery, and a second portion that is fused with the heat-sealable layer of the exterior material. 2 a sealant portion;
The exterior material has a first opening that exposes the first exposed portion to the outside and a second opening that exposes the second exposed portion to the outside,
The first sealant portion surrounds at least a portion of the outer periphery of the first exposed portion,
The second sealant portion surrounds at least a portion of the outer periphery of the second exposed portion,
The positive electrode terminal and the negative electrode terminal do not have a tab portion protruding from the exterior material,
Laminated lithium-ion secondary battery.
前記負極集電体における前記負極接触部と接する負極端子接触部と、
前記正極端子における前記正極接触部と、
前記負極端子における前記負極接触部と、
を内在するテラス部を備える、請求項1~5のいずれかに記載のラミネート型リチウムイオン二次電池。 a positive electrode terminal contact portion in contact with the positive electrode contact portion of the positive electrode current collector;
a negative electrode terminal contact portion in contact with the negative electrode contact portion of the negative electrode current collector;
the positive electrode contact portion at the positive electrode terminal;
the negative electrode contact portion at the negative electrode terminal;
6. The laminate-type lithium ion secondary battery according to claim 1, comprising a terrace portion in which is embedded.
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