JP4720129B2

JP4720129B2 - 二次電池

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Publication number: JP4720129B2
Application number: JP2004260102A
Authority: JP
Inventors: 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-09-07
Also published as: JP2006079858A

Description

本発明は、電極板を有する発電要素を外装部材に収容して封止し、電極板に接続された電極端子を外装部材の外周縁から導出させた二次電池において、外装部材の熱融着部を加圧する加圧部材を備えた二次電池に関する。

例えば樹脂−金属薄膜ラミネートフィルムから成る外装部材に、電極板を有する発電要素を収容し、当該外装部材の外周縁を熱融着して封止し、電極板に接続された電極端子を外装部材の外周縁から導出させた二次電池において、外装部材の熱融着部を加圧する加圧部材を設けることにより、二次電池の密閉性を確保する二次電池が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

二次電池は、過充電状態や過熱状態に陥ると、電解液が分解したり気化して電池内部にガスが発生する場合がある。このような状態においても、上記のような加圧部材により外装部材の熱融着部を加圧していると、電池内部に発生したガスを電池外部に排出することが出来ず、電池内圧が上昇するという問題が生じる。

また、仮にガスが外部に排出されたとしても、熱融着部においてガスが排出する箇所を特定し難く、例えば排出したガスをダクトを通して外部に排出する場合には、ダクトの取付位置を特定出来ないという問題も生じる。
特開２００４−５５１６９号公報特開２０００−７７０４７号公報

本発明は、電池内圧の上昇を抑制すると共に、ガス発生箇所を迅速に特定可能な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、セパレータを介して積層した電極板を有する発電要素と、外周縁に沿った熱融着部で熱融着されることにより内部に前記発電要素を収容して封止する外装部材と、前記電極板に接続され、前記外装部材の外周縁から導出している電極端子と、前記外装部材の熱融着部に対して挟み込むように当接して当該熱融着部を加圧する加圧部材と、前記外装部材の熱融着部と前記加圧部材とを部分的に当接させない非当接部と、を備えた二次電池であって、前記非当接部は前記外装部材の熱融着部の一部に設けられた薄肉部を含み、前記薄肉部の厚さは、前記外装部材の熱融着部の他の部分の厚さより薄くなっている二次電池が提供される。

本発明では、外装部材の熱融着部を加圧する加圧部材を備えた二次電池において、外装部材の熱融着部の一部に非当接部（薄肉部）を設け、加圧部材により熱融着部の一部を意図的に加圧させないことにより、外装部材の熱融着部において非当接部のみシール強度を弱めておく。これにより、電池内部にガスが発生した際に、非当接部から電池外部にガスが排出されるので、電池内圧の上昇が抑制される。また、ガスが排出された箇所としてこの非当接部を容易に特定することが出来るので、排出ガスを迅速に処理することが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る二次電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図、図３は本発明の第１実施形態に係る二次電池の分解斜視図、図４は図１のIV部の断面図、図５は本発明の第１実施形態の他の例における前記図４に対応する断面図である。

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を複数積層することにより、所望の電圧、容量の組電池が構成される。

本発明の実施形態に係る二次電池１０は、リチウム系の平板状の積層可能な薄型二次電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されている。このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。

発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。

この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、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１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃ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結着剤と、を混合させたものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。

発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。

この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、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１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃ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１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。

発電要素１０８のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３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１０２は、例えば、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１０２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性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータ１０２を複層化することで、過電流防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。

以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属薄性の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。

なお、発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０８を構成することが出来、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１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、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。また、本実施形態では、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４、１０５まで延長することにより、電極板１０１、１０３を電極端子１０４、１０５に直接接続しているが、電極板１０１、１０３の集電体１０１ａ、１０３ａと、電極端子１０４、１０５とを、集電体１０１ａ、１０３ａ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。

発電要素１０８は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７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１０６及び下部外装部材１０７は、何れも特に図示しないが、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内側層と、例えば、アルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えば、ポリアミド系樹脂や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外側層と、の三層構造となっている。従って、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、例えば、アルミニウム箔等の金属箔の一方の面（二次電池１０の内側面）を耐電解液及び熱融着性に優れた樹脂フィルムでラミネートすると共に、他方の面（二次電池１０の外側面）を電気絶縁性に優れた樹脂フィルムでラミネートした、可撓性を有する樹脂−金属薄膜ラミネート材（ラミネートフィルム）で構成されている。

なお、図１及び図２に示すように、封止された外装部材１０６、１０７の一方の端部から正極端子１０４が導出し、他方の端部から負極端子１０５が導出するが、電極端子１０４、１０５の厚さ分だけ上部外装部材１０６と下部外装部材１０７との融着部位に隙間が生じるので、二次電池１０内部の封止性を維持するために、電極端子１０４、１０５と外装部材１０６、１０７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るシールフィルムを介在させても良い。このシールフィルムは、正極端子１０４及び負極端子１０５の何れにおいても、外装部材１０６、１０７を構成する樹脂と同系統の樹脂で構成することが熱融着性の観点から好ましい。

これらの外装部材１０６、１０７によって、上述の発電要素１０８、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７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（ＬｉＣｌＯ_４）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）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、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して真空状態として、外装部材１０６、１０７を、その外周縁に沿った熱融着部１０９で熱プレスにより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）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）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の混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。

さらに、本実施形態では、図１及び図３に示すように、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９の一部を、例えば再度熱プレスする等して、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９において他の部分より厚さが薄くなっている薄肉部１０６ａ、１０７ａ（図４参照）が形成されている。

この薄肉部１０６ａ、１０７ａの幅ｗ_１は５ｍｍ以下が好ましく、この幅が５ｍｍより大きくなると、熱融着部１０９と後述するフレーム１１０、１１１とが当接する部分が多くなり過ぎ、当該薄肉部１０６ａ、１０７ａにおけるシール強度が弱くなる。

なお、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９の一部を再度プレスする際に、図５に示すように、当該熱融着部１０９の上面及び下面の両側が窪むようにプレスしても良い。

また、本実施形態に係る二次電池１０は、図１〜図３に示すように、上部外装部材１０６の熱融着部１０９を上方から加圧する枠状の上部フレーム１１０（上部加圧部材）と、下部外装部材１０７の熱融着部１０９を下方から加圧する枠状の下部フレーム１１１（下部加圧部材）と、を備えている。

これらフレーム１１０、１１１は、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９に対して挟み込むように当接して、当該フレーム１１０、１１１同士がボルト締結や接着等により接合される等して挟込方向に熱融着部１０９を加圧することにより、二次電池１０の密閉性を確保することが可能となっている。

なお、上述のように熱融着部１０９において薄肉部１０６ａ、１０７ａの厚さが他の部分の厚さより薄くなっているため、図４に示すように、この薄肉部１０６ａ、１０７ａで、上部外装部材１０６と上部フレーム１１０とが非当接となっている。

また、図５に示すような場合には、上部外装部材１０６に形成された薄肉部１０６ａで、上部外装部材１０６と上部フレーム１１０とが非当接となると共に、下部外装部材１０７に形成された薄肉部１０７ａで、下部外装部材１０７と下部フレーム１１１とが非当接となっている。

従って、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９は、この薄肉部１０６ａ、１０７ａで、フレーム１１０、１１１に部分的に加圧されておらずシール強度が弱くなっている。

このように、フレーム１１０、１１１により熱融着部１０９を加圧して密閉性を確保する二次電池１０において、熱融着部１０９とフレーム１１０、１１１とを部分的に当接させない薄肉部１０６ａ、１０７ａを外装部材１０６、１０７に設けることにより、電池内部にガスが発生した際に、シール強度が弱くなっている当該薄肉部１０６ａ、１０７ａからガスを排出させることが出来るので、電池内圧の上昇を抑制することが可能となる。

また、ガスが排出された箇所としてこの薄肉部１０６ａ、１０７ａを容易に特定することが出来るので、ガス排出経路等の設計が容易となり、排出ガスを迅速に処理することが可能となる。

［第２実施形態］
図６は本発明の第２実施形態に係る二次電池の分解斜視図、図７は本発明の第２実施形態において前記図４に対応する断面図、図８は本発明の第２実施形態の他の例における前記図４に対応する断面図である。

本発明の第２実施形態に係る二次電池１０’は、非当接部の形態が上述の第１実施形態に係る二次電池１０と相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る二次電池１０のものと同一である。以下に、第２実施形態に係る二次電池１０’について、第１実施形態に係る二次電池１０との相違点のみを説明する。

本実施形態では、図６及び図７に示すように、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９に薄肉部が形成されておらず、その代わりに、上部フレーム１１０の一部に凹部１１０ａが形成されている。

この凹部１１０ａの幅ｗ_２は１０ｍｍ以下が好ましく、この幅が１０ｍｍより大きくなると、熱融着部１０９とフレーム１１０とが当接する部分が多くなり過ぎ、熱融着部１０９において凹部１１０ａに対向する部分のシール強度が弱くなる。

なお、図８に示すように、上部フレーム１１０及び下部フレーム１１１の両方に凹部１１０ａ、１１１ａを形成しても良い。

この凹部１１０ａは、当該上部フレーム１１０の他の部分より薄く形成されているため、この凹部１１０ａで、上部外装部材１０６と上部フレーム１１０とが非当接となっている。

図８に示す場合には、上部フレーム１１０に形成された凹部１１０ａで、上部外装部材１０６と上部フレーム１１０とが非当接となっていると共に、下部フレーム１１１に形成された凹部１１１ａで、下部外装部材１０７と下部フレーム１１１とが非当接となっている。

従って、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９は、この凹部１１０ａ、１１１ａで、フレーム１１０、１１１に部分的に加圧されておらずシール強度が弱くなっている。

このように、フレーム１１０、１１１により熱融着部１０９を加圧して密閉性を確保する二次電池１０’において、熱融着部１０９とフレーム１１０、１１１とを部分的に当接させない凹部１１０ａ、１１１ａを、フレーム１１０、１１１に設けることにより、電池内部にガスが発生した際に、熱融着部１０９において凹部１１０ａ、１１１ａに対向してシール強度が弱くなっている部分からガスを排出させることが出来るので、電池内圧の上昇を抑制することが可能となる。

また、ガスが排出された箇所としてこの凹部１１０ａ、１１１ａを容易に特定することが出来るので、ガス排出経路の設計が容易となり、排出ガスを迅速に処理することが可能となる。

［第３実施形態］
図９は本発明の第３実施形態に係る二次電池の分解斜視図、図１０は本発明の第３実施形態において前記図４に対応する断面図、図１１は本発明の第３実施形態の他の例における前記図４に対応する断面図である。

本発明の第３実施形態に係る二次電池１０”は、非当接部の形態が上述の第１実施形態に係る二次電池１０と相違するが、その他の構成は第１実施形態に係る二次電池１０のものと同一である。以下に、第３実施形態に係る二次電池１０”について、第１実施形態に係る二次電池１０との相違点のみを説明する。

本実施形態では、図９及び図１０に示すように、第１実施形態と同様に、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９に薄肉部１０６ａ、１０７ａが形成されていることに加えて、上部フレーム１１０において前記薄肉部１０６ａ、１０７ａに対向する位置に凹部１１０ａが形成されている。

薄肉部１０６ａ、１０７ａの幅ｗ_１は５ｍｍ以下が好ましく、凹部１１０ａの幅ｗ_２は１０ｍｍ以下が好ましい。薄肉部１０６ａ、１０７ａの幅を５ｍｍより大きくしたり、凹部１１０ａの幅を１０ｍｍより大きくすると、熱融着部１０９とフレーム１１０とが当接する部分が多くなり過ぎ、当該薄肉部１０６ａ、１０７ａにおけるシール強度が弱くなる。

なお、図１１に示すように、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９の上面及び下面の両側を窪ませるように薄肉部１０６ａ、１０７ａを形成したり、上部フレーム１１０及び下部フレーム１１１の両方に凹部１１０ａ、１１１ａを形成しても良い。

外装部材１０６、１０７の薄肉部１０６ａ、１０７ａは、当該外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９の他の部分より薄く形成されている。また、上部フレーム１１０の凹部１１０も、当該上部フレーム１１０の他の部分より薄く形成されている。そのため、薄肉部１０６ａ、１０７ａ及び凹部１１０ａで、上部外装部材１０６と上部フレーム１１０とが非当接となっている。

図１１に示す場合には、上部外装部材１０６に形成された薄肉部１０６ａ及び上部フレーム１１０に形成された凹部１１０ａで、上部外装部材１０６と上部フレーム１１０とが非当接となっていると共に、下部外装部材１０７に形成された薄肉部１０７ａ及び下部フレーム１１１に形成された凹部１１１ａで、下部外装部材１０７と下部フレーム１１１とが非当接となっている。

従って、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９は、これら薄肉部１０６ａ、１０７ａ及び凹部１１０ａ、１１１ａで、フレーム１１０、１１に部分的に加圧されておらずシール強度が弱くなっている。

このように、フレーム１１０、１１１により熱融着部１０９を加圧して密閉性を確保する二次電池１０”において、熱融着部１０９とフレーム１１０、１１１とを部分的に当接させない薄肉部１０６ａ、１０７ａ及び凹部１１０ａ、１１１ａを、外装部材１０６、１０７及びフレーム１１０、１１１にそれぞれ設けることにより、電池内部にガスが発生した際に、シール強度が弱くなっている薄肉部１０６ａ、１０７ａからガスを排出させることが可能となり、電池内圧の上昇を抑制することが可能となる。

また、ガスが排出された箇所としてこの薄肉部１０６ａ、１０７ａを容易に特定することが出来るので、ガス排出経路の設計が容易となり、排出ガスを容易に処理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。

例えば、上述の実施形態では、電極端子が導出していない側の辺に薄肉部や凹部を設けたが、本発明では特にこの方向に特に限定されず、電極端子が導出している側の辺に薄肉部や凹部を設けても良い。

また、上述の実施形態では、一つの二次電池に対して一つのフレームを適用する構成について説明したが、本発明では、複数個の二次電池を並べ、これに対して一つの共通のフレームを適用するような構成とすることも出来る。

図１は、本発明の第１実施形態に係る二次電池の全体を示す平面図である。図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。図４は、図１のIV部の断面図である。図５は、本発明の第１実施形態の他の例における前記図４に対応する断面図である。図６は、本発明の第２実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。図７は、本発明の第２実施形態において前記図４に対応する断面図である。図８は、本発明の第２実施形態の他の例における前記図４に対応する断面図である。図９は、本発明の第３実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。図１０は、本発明の第３実施形態において前記図４に対応する断面図である。図１１は、本発明の第３実施形態の他の例における前記図４に対応する断面図である。

符号の説明

１０、１０’、１０”…二次電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０６ａ…薄肉部
１０７…下部外装部材
１０７ａ…薄肉部
１０８…発電要素
１０９…熱融着部
１１０…上部フレーム
１１０ａ…凹部
１１１…下部フレーム
１１１ａ…凹部

Claims

セパレータを介して積層した電極板を有する発電要素と、
外周縁に沿った熱融着部で熱融着されることにより内部に前記発電要素を収容して封止する外装部材と、
前記電極板に接続され、前記外装部材の外周縁から導出している電極端子と、
前記外装部材の熱融着部に対して挟み込むように当接して当該熱融着部を加圧する加圧部材と、
前記外装部材の熱融着部と前記加圧部材とを部分的に当接させない非当接部と、を備えた二次電池であって、
前記非当接部は前記外装部材の熱融着部の一部に設けられた薄肉部を含み、
前記薄肉部の厚さは、前記外装部材の熱融着部の他の部分の厚さより薄くなっている二次電池。
前記外装部材は、前記発電要素を上方から覆う上部外装部材と、前記発電要素を下方から覆う下部外装部材と、を含み、
前記薄肉部は、前記上部外装部材又は前記下部外装部材の少なくとも一方の熱融着部の一部に形成されている請求項１記載の二次電池。
前記非当接部は、前記加圧部材の一部に形成された凹部を含み、
前記加圧部材の一部に形成された凹部の厚さは、前記加圧部材の他の部分の厚さより薄くなっている請求項１又は２に記載の二次電池。
前記加圧部材は、前記外装部材の熱融着部を上方から加圧する上部加圧部材と、前記外装部材の熱融着部を下方から加圧する下部加圧部材と、を含み、
前記凹部は、前記上部加圧部材又は前記下部加圧部材の少なくとも一方の一部に形成された請求項３記載の二次電池。