JP4182856B2

JP4182856B2 - 二次電池、組電池、複合組電池、車輌、及び、二次電池の製造方法

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Publication number: JP4182856B2
Application number: JP2003363224A
Authority: JP
Inventors: 暁山村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: JP2005129344A

Description

本発明は、セパレータを介して電極板を積層して外装部材に収容して封止すると共に、電極端子が外装部材の外周縁から導出した二次電池に関する。

従来から、セパレータを介して積層した電極板を、合成樹脂層及び金属層を有する外装部材に収容して封止すると共に、当該電極板に接続された電極端子が外装部材の外周縁から導出した二次電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このような二次電池では、その製造過程において、金属製の電極板や電極端子自体の端部にバリが生じている場合がある。また、このような二次電池では、外装部材の外周縁が単に切断されているため、当該金属層の端面が外部に露出した状態となっている。

そのため、二次電池が筐体等に収容されている場合には、このバリが、外装部材の合成樹脂層を貫通して金属層に到達して電極板や電極端子が金属層に接触し、さらに、外装部材の当該金属層の端面と筐体とが接触することにより、電位を持つ二次電池と筐体とが導通し、この筐体に電位が発生してしまうので、二次電池と筐体との電気絶縁性を確保できないおそれがある。
特開２００３−１８７８５７号公報

課題が解決しようとする課題

本発明は、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも内側に合成樹脂層が積層された１つの金属層を有する外装部材と、セパレータを介して交互に積層された正極板及び負極板を有し、前記外装部材に収容された電極積層体と、前記電極積層体に接続されると共に、前記外装部材の外周縁から一部が導出した正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、前記外装部材は、前記正極端子及び前記負極端子の一部を前記外装部材から導出させた状態で、前記電極積層体、前記正極端子及び前記負極端子を前記外装部材内に封止する熱融着部と、前記熱融着部の外周縁からはみ出た合成樹脂材料で、前記熱融着部の金属層の端面を被覆した被覆部と、を有しており、前記被覆部は、前記熱融着部の金属層の端面の全周に亘って形成されている二次電池が提供される。

本発明では、二次電池において、外装部材の熱融着部の金属層の端面を、合成樹脂材料から成る被覆部により被覆する。これにより、二次電池の電極板や電極端子自体の端部に生じているバリが、外装部材の合成樹脂層を貫通して金属層に到達し、電極板や電極端子が当該金属層に接触しても、当該二次電池と外部とが電気的に絶縁されるので、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を提供することが可能となる。

また、上記目的を達成するために、本発明によれば、セパレータを介して正極板及び負極板を交互に積層して電極積層体を形成するステップと、前記電極積層体に正極端子及び負極端子を接合するステップと、少なくとも内側に合成樹脂層が積層された金属層を有する上部外装部材及び下部外装部材に、前記電極積層体を収容するステップと、前記正極端子及び負極端子の一部を前記上部外装部材及び下部外装部材の外周縁から導出させた状態で、前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着して、前記電極積層体、前記正極端子及び前記負極端子を封止するステップと、を少なくとも備えた二次電池の製造方法であって、前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着するステップにおいて、前記熱融着部の外周側に、前記熱融着部の内周側に印加する押圧力より強い押圧力を印加して、前記熱融着部の外周縁からはみ出た合成樹脂材料で前記熱融着部の金属層の端面を被覆する被覆部を、前記熱融着部の金属層の端面の全周に亘って形成する二次電池の製造方法が提供される。

本発明では、二次電池の製造方法において、当該二次電池の上部外装部材と下部外装部材とを熱融着部で熱融着する際に、当該熱融着部の内周側より強い押圧力をその外周側に印加する。この押圧力により、外装部材の熱融着部の外周縁から合成樹脂材料がはみ出て、熱融着部の金属層の端面に盛り上がり、当該金属層の端面を被覆するので、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を容易に製造することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る二次電池の全体の平面図、図２は図１のII-II線に沿った二次電池の断面図、図３は図２のIII部の拡大断面図、図４（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す二次電池の製造方法の一例を説明するための熱融着部の要部断面図、図５（Ａ）及び（Ｂ）は図１に示す二次電池の製造方法の他の例を説明するための熱融着部の要部断面図である。図１及び図２は一つの二次電池１０（単位電池）を示し、この二次電池１０を複数積層して接続することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。

先ず、本発明の実施形態に係る二次電池１０について説明すると、この二次電池１０は、リチウム系の薄型の二次電池であり、図１及び図２に示すように、４枚の正極板１０２、１０２’、６枚のセパレータ１０３、及び、３枚の負極板１０４を有する電極積層体１０１と、当該電極積層体１０１にそれぞれ接続された正極端子１０５及び負極端子１０６と、これら電極積層体１０１及び電極端子１０５、１０６を収容して封止している上部外装部材１０７及び下部外装部材１０８と、特に図示しない電解質とから構成されている。

この二次電池１０の電極積層体１０１は、図２に示すように、最上層及び最下層に正極板１０２’がそれぞれ積層されるように、セパレータ１０３を介して、正極板１０２、１０２’と負極板１０４とが交互に積層されて構成されている。

この電極積層体１０１を構成する４枚の正極板１０２、１０２’は、図３に示すように、正極端子１０５まで伸びている正極側集電体１０２ａと、この正極側集電体１０２ａの一部の主面にそれぞれ形成された正極層１０２ｂとを有している。なお、正極板１０２、１０２’の正極層１０２ｂは、正極側集電体１０２ａの全体の主面に亘って形成されているのではなく、電極積層体１０１を構成した際に、正極板１０２においてセパレータ１０３が実質的に重なる部分のみに形成されている。

また、この４枚の正極板１０２、１０２’の中で、電極積層体１０１の中間層に積層されている２枚の正極板１０２には、当該正極板１０２の正極側集電体１０２ａの一部の両主面に正極層１０２ｂが形成されている。これに対し、この４枚の正極板１０２、１０２’の中で、電極積層体１０１の最上層、最下層に積層されている２枚の正極板１０２’には、当該正極板１０２’の正極側集電体１０２ａの一部の片側の主面のみに正極層１０２ｂが形成されている。

さらに、電極積層体１０１において最上層に積層された正極板１０２’は、当該正極層１０２ｂが形成された主面が、二次電池１０の内側に向かうように、即ち、同図において下向きになるように積層されており、当該正極板１０２’の正極側集電体１０２ａが上部外装部材１０７と隣接している。

これに対し、電極積層体１０１において最下層に積層された正極板１０２’は、特に図示しないが、正極層１０２ｂが形成された主面が、二次電池の内側に向かうように、即ち、最上層に積層された正極板１０２’の正極層１０２ｂと対向するように積層されており、当該正極板１０２’の正極集電体１０２ａが下部電池外装部材１０８と隣接している。

この正極板１０２、１０２’の正極側集電体１０２ａは、例えば、厚さ２０μｍ程度のアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。

また、この正極板１０２、１０２’の正極層１０２ｂは、金属酸化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤とを混合したものを、正極側集電体１０２ａの一部の主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等を挙げることが出来る。これらの材質は、二次電池内部の発熱を比較的放散し易く、二次電池において発熱による膨張に伴う応力を抑制することが出来るので、特に本実施形態のような薄型の二次電池には特に有効である。

電極積層体１０１を構成する負極板１０４は、負極端子１０６まで伸びている負極側集電体１０４ａと、当該負極側集電体１０４ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０４ｂとを有している。なお、負極板１０４の負極層１０４ｂは、負極側集電体１０４ａの全体の両主面に亘って形成されているのではなく、電極積層体１０１を構成した際に、負極板１０４においてセパレータ１０３が実質的に重なる部分のみに形成されている。

この負極板１０４の負極側集電体１０４ａは、例えば、厚さ１０μｍ程度のニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。

また、この負極板１０４の負極層１０４ｂは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０４ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。

特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく、放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。

電極積層体１０１のセパレータ１０３は、上述した正極板１０２、１０２’と負極板１０４との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０３は、例えば、厚さ２５μｍ程度のポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって、層の空孔が閉塞され、電流を遮断する機能をも有する。

なお、本発明のセパレータは、ポリオレフィン等の単層膜のみに限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布等を積層したものも用いることが出来る。セパレータを複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能などの諸機能を付与することが出来る。

以上の電極積層体１０１は、上述の順序で、セパレータ１０３を介して、正極板１０２、１０２’と負極板１０４とが交互に積層されている。そして、４枚の正極板１０２、１０２’は、各正極側集電体１０２ａを介して、金属箔製の正極端子１０５にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０４は、各負極側集電体１０４ａを介して、同じく金属箔製の負極端子１０６にそれぞれ接続されている。

ここで、負極板１０４が、後述する外装部材１０７、１０８の金属層１０７ｂ、１０８ｂに電気的に接触し、さらに、これらに電解液が接触した場合には、負極板１０４の電位により金属層１０７ｂ、１０８ｂのアルミニウムと、電解液中のリチウムとが合金化し、この合金化により金属層１０７ｂ、１０８ｂのアルミニウムにクラック等が生じて当該金属層１０７ｂ、１０８ｂにピンホールが発生し、外装部材１０７、１０８の水分やガスに対するバリア性が低下する可能性がある。これに対し、本実施形態では、上述のように、正極層１０２ｂが内側の主面のみに形成された正極板１０２’をこの電極積層体１０１の最上層及び最下層に積層し、当該正極板１０２’の正極側集電体１０２ａを外装部材１０７、１０８に隣接させることにより、負極板と外装部材の金属層とが接触するのを防止し、外装部材のバリア性の欠陥を防止することが可能となっている。

また、上記のような外装部材のバリア性の欠陥を防止するために、電極積層体の最外層にセパレータ、保護シート或いはテープ等を設置することが考えられるが、これらの場合と比較して、本実施形態では二次電池の総厚を薄く抑えることが出来ると共に、二次電池の構成部品の数を少なく抑えることが可能となる。

なお、電極積層体１０１の正極板１０２、１０２’、セパレータ１０３、及び、負極板１０４は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、２枚の正極板１０２’、２枚のセパレータ１０３、及び、１枚の負極板１０４でも電極積層体１０１を構成することが出来、正極板１０２’が電極積層体１０１の最外層に位置し、且つ、セパレータ１０３を介して、正極板１０２、１０２’と負極板１０４とを交互に積層する限り、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。

正極端子１０５も負極端子１０６も電気化学的に安定した金属箔であれば特に限定されないが、正極端子１０５としては、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０６としては、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。これらの金属は、金属の抵抗値、線膨張係数、抵抗率において、二次電池の構成要素として適当であり、二次電池において発熱による膨張に伴う応力を適切に抑制することが出来るので、特に本実施形態のような薄型の二次電池には特に有効である。

なお、本実施形態では、電極板１０２、１０４の集電体１０２ａ、１０４ａを構成する金属箔自体を電極端子１０５、１０６まで延長することにより、電極板１０２、１０４を電極端子１０５、１０６に直接接続しているが、電極板１０２、１０４の集電体１０２ａ、１０４ａと、電極端子１０５、１０６とを、集電体１０２ａ、１０４ａを構成する金属箔とは別の材料や部品により接続しても良い。

以上のように構成されている電極積層体１０１は、上部外装部材１０７及び下部外装部材１０８に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０７は、図１に示すように、その外形が電極積層体１０１を収容する凸部を設けたカップ形状となっており、図３、図４（Ａ）及び（Ｂ）、並びに、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、二次電池１０の内側から外側に向かって、第１の樹脂層１０７ａ、金属層１０７ｂ、及び、第３の樹脂層１０７ｃの順で３つの層１０７ａ〜１０７ｃが積層されている。この３つの層１０７ａ〜１０７ｃは何れも、上部外装部材１０７の全面に亘って積層されている。

この上部外装部材１０７の第１の樹脂層１０７ａは、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムである。上部外装部材１０７の金属層１０７ｂは、例えば、アルミニウム箔等の金属箔である。また、上部外装部材１０７の第２の樹脂層１０７ｃは、例えば、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムである。従って、この上部外装部材１０７は、金属箔の一方の面（二次電池の内側面）を耐電解液性及び熱融着性に優れた材料でラミネートし、他方の面（二次電池の外側面）を電気絶縁性に優れた材料でラミネートした、例えば、厚さ１２５μｍ程度の樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。

下部外装部材１０８は、図１に示すように、その外形が平板形状となっており、上部外装部材１０７と同様の層構造のものが用いられ、図４（Ａ）及び（Ｂ）、並びに、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、二次電池１０の内側から外側に向かって、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている第１の樹脂層１０８ａと、アルミニウム箔等の金属箔から構成されている金属層１０８ｂと、例えば、ポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている第２の樹脂層１０８ｃと、の三層構造となっている。従って、この下部外装部材１０８は、金属箔の一方の面（二次電池の内側面）を耐電解液性及び熱融着性に優れた材料でラミネートし、他方の面（二次電池の外側面）を電気絶縁性に優れた材料でラミネートした、例えば、厚さ１２５μｍ程度の樹脂−金属薄膜ラミネート材で構成されている。

このように、外装部材が樹脂層に加えて金属層を具備することにより、外装部材自体の強度向上を図ることが可能となる。また、外装部材の内側層を、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の合成樹脂材料で構成することにより、金属製の電極端子との良好な融着性を確保することが可能となる。

なお、図１及び図２に示すように、封止された外装部材１０７、１０８の一方の端部から正極端子１０５が導出し、当該他方の端部から負極端子１０６が導出するが、電極端子１０５、１０６の厚さ分だけ上部外装部材１０７と下部外装部材１０８との熱融着部１０９に隙間が生じるので、二次電池１０の内部の封止性を維持するために、電極端子１０５、１０６と外装部材１０７、１０８とが接触する部分に、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させてもよい。このシールフィルムは、正極端子１０５及び負極端子１０６の何れの側においても、外装部材１０７、１０８の第１の樹脂層１０７ａ、１０８ａを構成する合成樹脂材料と同系統の合成樹脂材料で構成することが熱融着性の観点から好ましい。また、本実施形態では、図１に示すように、二次電池１０の外装部材１０７、１０８の短辺から正極端子１０５及び負極端子１０６がそれぞれ導出しているが、本発明では特にこれに限定されず、例えば、当該外装部材１０７、１０８の同一の短辺から正極端子及び負極端子が同方向に向かって導出するように構成しても良い。

これらの外装部材１０７、１０８によって、上述した電極積層体１０１と、電極端子１０５、１０６の一部とを包み込み、当該外装部材１０７、１０８により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、前記空間内を吸引して真空状態とした後に、図１に示すように、外装部材１０７、１０８を熱融着部１０９で熱融着して封止する。

有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒は特にこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。

さらに、以上のように封止された本実施形態に係る二次電池１０では、図４（Ｂ）及図５（Ｂ）に示すように、外装部材１０７、１０８の熱融着部１０９の外周縁に、当該外装部材１０７、１０８の金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面を被覆している、例えば合成樹脂材料等の非導電性材料から成る被覆部１１０が形成されている。なお、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、外装部材１０７、１０８の熱融着部１０９の断面図を示しているが、この被覆部１１０は、図１に示す二次電池１０の外装部材１０７、１０８の外周縁の全周に亘って形成されている。

このような非導電性材料から成る被覆部により、外部に露出している外装部材の金属層の端面を被覆することにより、二次電池の電極板や電極端子自体の端部に生じているバリが、外装部材の合成樹脂層を貫通して金属層に到達し、電極板や電極端子が当該金属層に接触しても、当該二次電池と外部とが電気的に絶縁されるので、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を提供することが可能となる。

以上に説明した二次電池の製造方法について説明すると、先ず、セパレータ１０３を介して、正極板１０２、１０２’と負極板１０４とを交互に積層して電極積層体１０１を形成する。この際、正極側集電体１０２ａの一方の面のみに正極層１０２ｂが形成された正極板１０２’が、この電極積層体１０１の最上層及び最下層にそれぞれ位置し、且つ、当該各正極板１０２’の正極層１０２ｂが二次電池１０の内側に向くように積層する。

次に、上記のように形成された電極積層体１０１から一方の方向に導出している各正極側集電体１０２ａを、例えば溶接により、正極端子１０５に接合すると共に、この電極積層体１０１から他方の方向に導出している各負極端子１０４ａを、例えば溶接等により、負極端子１０６に接合する。

次に、外装部材１０７、１０８の外周縁から電極端子１０５、１０６の一部を導出させながら、予め成形された上部外装部材１０７の凸部に電極積層体１０１を収容して、さらにその上を下部外装部材１０８で覆い、上部外装部材１０７及び下部外装部材１０８の一辺を残して他の３辺を、図４（Ａ）に示すように、２つのシールバー５０の間に挟み込んで、押圧力を印加しながら、上部外装部材１０７と下部外装部材１０８とを熱融着部１０９で熱融着する。

この際、同図に示すように、各シールバー５０のシール面は段差状になっており、この２つのシールバーの間隔は、熱融着部１０９の内周側に対応する２つのシールバー５０の間隔Ｐ_１より、当該熱融着部１０９の外周側に対応する２つのシールバー５０の間隔Ｐ_２の方が狭くなっている（Ｐ_１＞Ｐ_２）。そのため、このようなシールバー５０に熱融着部１０９が挟み込まれると、熱融着部１０９の外周側の方が、その内周側より強い押圧力が印加され、この押圧力により、図４（Ｂ）に示すように、第１の樹脂層１０７ａ、１０８ａが当該外装部材１０７、１０８の外周縁からはみ出て、外装部材１０７、１０８の金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面に盛り上がり、当該金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面を被覆する被覆部１１０が形成される。

次に、未だ熱融着されていない外装部材１０７、１０８の一辺から液体電解質を注入しながら、この外装部材１０７、１０８により形成される空間内を吸引して真空状態とした後に、当該一辺を熱融着部１０９で熱融着して封止する。

この際、上記と同様に、熱融着部１０９の内周側に対応する間隔Ｐ_１よりその外周側に対応する間隔Ｐ_２の方が狭くなっている（Ｐ_１＞Ｐ_２）、図４（Ａ）に示すような２つのシールバー５０を用いて熱融着するので、図４（Ｂ）に示すように、熱融着の際に、熱融着部１０９の内周側より強い押圧力がその外周側に印加され、第１の樹脂層１０７ａ、１０８ａが当該外装部材１０７、１０８の外周縁からはみ出て、外装部材１０７、１０８の金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面に盛り上がり、当該金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面を被覆する被覆部１１０が形成される。

また、二次電池１０の被覆部１１０は、図５（Ａ）に示すように、上部外装部材１０７と下部外装部材１０８との間における熱融着部１０９の外周側に、例えば、ポリプロピレン等の熱融着性に優れた合成樹脂材料から成る樹脂シート１１１を介在させた状態で、２つのシールバー５０の間に挟まれて熱融着されることにより形成されても良い。この際、図５（Ａ）に示すように、上部外装部材１０７と下部外装部材１０８との間に介在した樹脂シート１１１の厚み分だけ、熱融着部１０９の内周側より強い押圧力がその外周側に印加されるので、外装部材１０７、１０８の第１の樹脂層１０７ａ、１０８ａが当該外装部材１０７、１０８の外周縁からはみ出て、外装部材１０７、１０８の金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面に盛り上がり、当該金属層１０７ｂ、１０８ｂの端面を被覆する被覆部１１０が形成される。なお、この場合に用いられる２つのシールバー５０の間隔は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、熱融着部１０９の外周側及び内周側の何れに対応する位置においても、実質的に同一の間隔となっている。

以上のように形成される被覆部１１０の大きさは任意に設定可能であるが、当該被覆部１１０を可能な限り小さくし、二次電池１０の体積を極力小さく抑えることが好ましい。

このように、二次電池の上部外装部材と下部外装部材とを熱融着部で熱融着する際に、当該熱融着部の内周側より強い押圧力をその外周側に印加することにより、当該押圧力により、外装部材の第１の樹脂層や樹脂シートがはみ出て、外装部材の金属層の端面に盛り上がり、当該金属層の端面を被覆するので、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を容易に製造することが可能となる。

以下に、上述の実施形態に係る二次電池を複数組み合わせることにより構成される組電池、及び、当該組電池を複数組み合わせることにより構成される複合組電池について説明する。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施形態に係る複数の二次電池の接続構造を示す平面図であり、図６（Ａ）は並列接続を示し、図６（Ｂ）は比較のための直列接続を示す図、図７（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の実施形態に係る複数の二次電池の他の接続構造を示す図であり、図７（Ａ）は並列接続を示し、図７（Ｂ）は比較のための直列接続を示す図、図８（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施形態に係る複数の二次電池により構成される組電池を示す図であり、図８（Ａ）はその平面図、図８（Ｂ）はその正面図、図８（Ｃ）はその側面図、図９は本発明の実施形態に係る複数の組電池により構成される複合組電池の斜視図、図１０（Ａ）は図９に示す複合組電池の平面図、図１０（Ｂ）はその正面図、図１０（Ｃ）はその側面図、図１１は、図９に示す複合組電池を搭載した車輌の模式図である。

先ず、２つの二次電池１０を電気的に接続した際に、外部からの振動等により印加される外力に対して強い構造を付与する２通りの接続構造について説明する。

外力に対して強い構造を付与する一つ目の接続構造は、図６（Ａ）に示すように、第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と、第２の二次電池１０ｂの正極端子１０５とが同一方向に導出するような方向で、第１の二次電池１０ａと第２の二次電池１０ｂとを実質的に同一平面上に並置させる。そして、第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と、第２の二次電池１０ｂの正極端子１０５とを、第１のバスバー２１ａにより電気的に接続する。また、第１の二次電池１０ａの負極端子１０６と、第２の二次電池１０ｂの負極端子１０６とを、第２のバスバー２１ｂにより電気的に接続する。このように、２つの二次電池の同極端子同士をバスバーにより接続してリンク構造とすることにより、外部からの振動等による外力が各二次電池に同位相で印加されるため、各二次電池に生じる捻れに対して強い構造となっている。

これに対し、図６（Ｂ）に示すように、第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と第２の二次電池１０ｂの負極端子１０６とが同一方向に導出するような方向で、第１の二次電池１０ａと第２の二次電池１０ｂを実質的に同一平面上に並置し、当該第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と、第２の二次電池１０ｂの負極端子１０６とを電気的に接続せずに、第１の二次電池１０ａの負極端子１０６と第２の二次電池１０ｂの正極端子１０５とを第２のバスバー２１ｂにより電気的に接続して、第１及び第２の二次電池１０ａ、１０ｂを直列接続とした場合には、非リンク構造であるため、外部からの振動等による外力が各二次電池に独立して印加され、上記の並列接続の場合と比較して捻れに弱い構造となっている。

二つ目の接続構造は、図７（Ａ）に示すように、第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と、第２の二次電池１０ｂの正極端子とが同一方向に導出するような方向で、第１の二次電池１０ａの上に第２の二次電池１０ｂを積層する。そして、第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と第２の二次電池１０ｂの正極端子１０５とを溶着して電気的に接続し、同様に、第１の二次電池１０ａの負極端子１０６と第２の二次電池１０ｂの負極端子１０６とを溶着して電気的に接続する。このように、２つの二次電池の同極端子同士を接続してリンク構造とすることにより、外部からの振動等による外力が各二次電池に同位相で印加されるため、各二次電池に生じる捻れに対して強い構造となっている。

これに対し、図７（Ｂ）に示すように、第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と第２の二次電池１０ｂの負極端子１０６とが同一方向に導出するような方向で、第１の二次電池１０ａの上に第２の二次電池１０ｂを積層し、当該第１の二次電池１０ａの正極端子１０５と第２の二次電池１０ｂの負極端子１０６とを電気的に接続せずに、第１の二次電池１０ａの負極端子１０６と第２の二次電池１０ｂの正極端子１０５とを溶着して電気的に接続した場合には、非リンク構造であるため、外部からの振動等による外力が各二次電池に独立して印加され、上記の並列接続の場合と比較して捻れに弱い構造となっている。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、例えば、上述の２通りの接続構造を用いて並列接続された２４個の二次電池１０から構成される組電池２０を示す。この組電池２０は、２４個の二次電池１０と、組電池用端子２２、２３と、組電池用カバー２５とから構成されている。特に図示しないが、各二次電池１０の各電極端子１０５、１０６の間は、上述の接続構造に従って、バスバー２１ａ、２１ｂにより並列接続されており、さらに、各正極端子１０５を接続する第１のバスバー２１ａは、組電池用カバー２５から導出している組電池用端子２２に接続されている。同様に、各負極端子１０６を接続する第２のバスバー２１ｂは、組電池用カバー２５から導出している組電池用端子２３に接続されている。このように接続された２４個の二次電池１０が組電池用カバー２５の内部に収容されており、組電池２０のカバー２５と当該組電池２０の他の構成要素との間に形成されている空間には充填剤２４が充填されて封止されている。さらに、後述する複合組電池として組電池２０が積層された際に、当該組電池２０同士の振動の伝達を極力低減させるために、組電池用カバー２５の下面四隅に外部弾性体２６が取り付けられている。

図９及び図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示す組電池２０を電気的に接続した６個の組電池２０から構成される複合組電池３０を示す。図９及び図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、この複合組電池３０は、組電池の端子２２、２３がそれぞれ同一方向に向くように積層されている。即ち、ｍ段目に位置する組電池２０の端子２２、２３と、ｍ＋１段目に位置する組電池２０の端子２２、２３とが同一方向に向くように、ｍ段目の組電池２０の上に、ｍ＋１段目の組電池２０が積層されている（ｍ：自然数）。そして、同一方向に向いた全ての組電池２０の組電池用正極端子２２が、当該複合組電池３０と外部とを接続する外部接続用正極端子３１に電気的に接続されている。同様に、同一方向を向いた全ての組電池２０の組電池用負極端子２３が外部接続用負極端子３２に電気的に接続されている。同図に示すように、外部接続用正極端子３１は、略矩形の平板形状を有しており、組電池用正極端子２２を挿入或いは圧入可能な直径を有する複数の端子接続用孔が加工されている。当該端子接続用孔は、積層された組電池２０の組電池用正極端子２２同士のピッチに実質的に等しいピッチで加工されており、外部接続用負極端子３２にも同様の端子接続用孔が加工されている。そして、上述のように積層された６個の組電池２０は、その両側側面部に平板状の連結部材３４で連結され、さらに固定ネジ３５により締結されている。

以上のように、所定の数の二次電池を単位として組電池を構成し、さらに当該組電池を単位として並列及び／又は直列接続して複合組電池を構成することにより、要求される容量、電圧等に適当な複合組電池を容易に得ることが可能となる。

また、複雑な接続を伴うことなく複合組電池を構成することが出来るので、接続不良等による複合組電池の故障率を低減させることが可能となる。

さらに、複合組電池を構成する一部の二次電池が故障或いは劣化し、当該二次電池の交換を必要とする場合、当該故障等した二次電池が組み込まれた組電池のみを交換することにより、複合組電池を容易に修復することが可能となる。

図１１は、例えば、電気自動車等の車輌１のフロア下に上述の複合組電池３０を搭載した例を示す模式図である。振動等が外部から比較的多く印加される電気自動車等の車輌に、上述のように故障率が低く、交換容易性に優れた組電池や複合組電池を用いることは特に有効である。

以上のように、本実施形態では、二次電池において、外装部材が有する金属層の端面を、非導電性材料から成る被覆部により被覆することにより、二次電池の電極板や電極端子自体の端部に生じているバリが、外装部材の第１の樹脂層を貫通して金属層に到達し、電極板や電極端子が当該金属層に接触しても、外装部材の金属層の端面を被覆した被覆部により、当該二次電池と外部とが電気的に絶縁されるので、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を提供することが可能となる。

また、正極層が内側の主面のみに形成された正極板を電極積層体の最上層及び最下層に積層し、当該正極板の正極側集電体を外装部材に隣接させることにより、負極板のアルミニウムと電解液中のリチウムとの合金化による外装部材の水分やガスに対するバリア性の欠陥を防止することが可能となる。

さらに、本実施形態では、二次電池の製造方法において、当該二次電池の上部外装部材と下部外装部材とを熱融着部で熱融着する際に、当該熱融着部の内周側より強い押圧力をその外周側に印加することにより、第１の樹脂層や樹脂シートが外装部材の外周縁からはみ出て、外装部材の金属層の端面に盛り上がり、当該金属層の端面を被覆するので、外部との電気絶縁性に優れた二次電池を容易に製造することが可能となる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであ
って、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に
開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の全体の平面図である。図２は、図１のII-II線に沿った二次電池の断面図である。図３は、図２のIII部の拡大断面図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示す二次電池の製造方法の一例を説明するための熱融着部の要部断面図であり、図４（Ａ）は、熱融着前の状態を示す図であり、図４（Ｂ）は、熱融着後の状態を示す図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示す二次電池の製造方法の他の例を説明するための熱融着部の要部断面図であり、図５（Ａ）は、熱融着前の状態を示す図であり、図５（Ｂ）は、熱融着後の状態を示す図である。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る複数の二次電池の接続構造を示す平面図であり、図６（Ａ）は並列接続を示し、図６（Ｂ）は比較のための直列接続を示す図である。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る複数の二次電池の他の接続構造を示す図であり、図７（Ａ）は並列接続を示し、図７（Ｂ）は比較のための直列接続を示す図である。図８（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る複数の二次電池により構成される組電池を示す図であり、図８（Ａ）はその平面図、図８（Ｂ）はその正面図、図８（Ｃ）はその側面図である。図９は、本発明の実施形態に係る複数の組電池により構成される複合組電池の斜視図である。図１０（Ａ）は、図９に示す複合組電池の平面図であり、図１０（Ｂ）はその正面図、図１０（Ｃ）はその側面図である。図１１は、図９に示す複合組電池を搭載した車輌の模式図である。

符号の説明

１…車輌
１０…二次電池
１０１…電極積層体
１０２、１０２’…正極板
１０２ａ…正極側集電体
１０２ｂ…正極層
１０３…セパレータ
１０４…負極板
１０４ａ…負極側集電体
１０４ｂ…負極層
１０５…正極端子
１０６…負極端子
１０７…上部外装部材
１０７ａ…第１の樹脂層
１０７ｂ…金属層
１０７ｃ…第２の樹脂層
１０８…下部外装部材
１０８ａ…第１の樹脂層
１０８ｂ…金属層
１０８ｃ…第２の樹脂層
１０９…熱融着部
１１０…被覆部
１１１…樹脂シート
２０…組電池
３０…複合組電池
５０…シールバー
Ｐ_１、Ｐ_２…シールバーの間隔

Claims

少なくとも内側に合成樹脂層が積層された１つの金属層を有する外装部材と、
セパレータを介して交互に積層された正極板及び負極板を有し、前記外装部材に収容された電極積層体と、
前記電極積層体に接続されると共に、前記外装部材の外周縁から一部が導出した正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、
前記外装部材は、
前記正極端子及び前記負極端子の一部を前記外装部材から導出させた状態で、前記電極積層体、前記正極端子及び前記負極端子を前記外装部材内に封止する熱融着部と、
前記熱融着部の外周縁からはみ出た合成樹脂材料で、前記熱融着部の金属層の端面を被覆した被覆部と、を有しており、
前記被覆部は、前記熱融着部の金属層の端面の全周に亘って形成されている二次電池。
前記電極積層体の正極板は、正極として機能する正極活物質を持つ正極層を有し、
前記電極積層体の最外層は、前記正極板が積層されており、
前記電極積層体の最外層に位置する正極板は、当該正極板の内側の主面のみに前記正極層が形成されている請求項１記載の二次電池。
前記被覆部を構成する合成樹脂材料は、前記熱融着部に介在した樹脂シートである請求項１又は２記載の二次電池。
前記被覆部を構成する合成樹脂材料は、前記外装部材の内側に積層された前記合成樹脂層である請求項１〜３の何れかに記載の二次電池。
前記被覆部及び／又は前記外装部材の合成樹脂層は、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、ポリエチレン、変性ポリエチレン、及び、アイオノマーから成る群より選ばれる１又はそれ以上の成分を含む請求項１〜４の何れかに記載の二次電池。
前記正極端子及び負極端子は、アルミニウム、鉄、銅、及び、ニッケルから成る群より選ばれる１又はそれ以上の成分を含む請求項１〜５の何れかに記載の二次電池。
前記正極層の正極活物質は、リチウム−マンガン系複合酸化物、リチウム−ニッケル系複合系酸化物、及び、リチウム−コバルト系複合酸化物から成る群より選ばれる１又はそれ以上の成分を含む請求項２〜６の何れかに記載の二次電池。
前記電極積層体の負極板は、負極として機能する負極活物質を有し、
前記負極活物質は、結晶性炭素材又は非結晶性炭素材である請求項１〜７の何れかに記載の二次電池。
請求項１〜８の何れかに記載の二次電池を複数有する組電池であって、
一の前記二次電池の正極端子と、他の前記二次電池の同極端子とが、同一方向となるように、前記一の二次電池の上に前記他の二次電池を積層し、
前記一の二次電池と前記他の二次電池の同極端子同士を電気的に接続した少なくとも２以上の前記二次電池を含む組電池。
請求項１〜８の何れかに記載の二次電池を複数有する組電池であって、
一の前記二次電池の正極端子と、他の前記二次電池の同極端子とが、同一方向となるように、前記一の二次電池の側方に前記他の二次電池を並置し、
接続手段を介して、前記一の二次電池と前記他の二次電池の同極端子同士を電気的に接続した少なくとも２以上の前記二次電池を含む組電池。
請求項９又は１０記載の組電池を複数有する複合組電池であって、
一の前記組電池と、他の前記組電池とを電気的に並列及び／又は直列に接続した少なくとも２以上の前記組電池を含む複合組電池。
請求項９又は１０記載の組電池、或いは、請求項１１記載の複合組電池を搭載した車輌。
セパレータを介して正極板及び負極板を交互に積層して電極積層体を形成するステップと、
前記電極積層体に正極端子及び負極端子を接合するステップと、
少なくとも内側に合成樹脂層が積層された金属層を有する上部外装部材及び下部外装部材に、前記電極積層体を収容するステップと、
前記正極端子及び負極端子の一部を前記上部外装部材及び下部外装部材の外周縁から導出させた状態で、前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着して、前記電極積層体、前記正極端子及び前記負極端子を封止するステップと、を少なくとも備えた二次電池の製造方法であって、
前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着するステップにおいて、前記熱融着部の外周側に、前記熱融着部の内周側に印加する押圧力より強い押圧力を印加して、前記熱融着部の外周縁からはみ出た合成樹脂材料で前記熱融着部の金属層の端面を被覆する被覆部を、前記熱融着部の金属層の端面の全周に亘って形成する二次電池の製造方法。
前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着するステップは、前記上部外装部材及び下部外装部材の熱融着部を２つのシールバーの間に挟んで前記熱融着部に押圧力を印加しながら、前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着するステップであり、
前記２つのシールバーの間隔は、前記熱融着部の内周側に対応する前記２つのシールバーの間隔より、前記熱融着部の外周側に対応する前記２つのシールバーの間隔の方が狭くなっている請求項１３記載の二次電池の製造方法。
前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着するステップにおいて、前記上部外装部材と前記下部外装部材との間に合成樹脂シートを介在させて、前記上部外装部材と前記下部外装部材とを熱融着部で熱融着する請求項１３記載の二次電池の製造方法。