JP5101655B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、袋状セパレータに電極板を内包した電池に関する。

電池におけるセパレータの一例として、例えば、リチウムイオン二次電池を開示する特許文献１に記載の袋状のセパレータが挙げられる。このセパレータは、正極板活部（本明細書の正極板本体に相当）と正極リード部からなる正極板のうち少なくとも正極板活部を内包するものであり、二枚の樹脂シートで正極板活部を挟んだ後に樹脂シートの周辺が部分的に融着（熱による溶融と加圧により接着されること）されている。
そして、特許文献１では、正極板が内包されたセパレータと、負極板とを交互に複数積層されることにより電極積層体が形成され、この電極積層体を電池缶に収容して積層型電池が製造される。

特許第３５１１４４３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、負極板と袋状セパレータに包含された正極板とを積層して電極積層体を形成する際に、セパレータの角部分が折れ曲がったまま積層されてしまうことがある。すなわち、電極積層体を形成するスピードは、製造コストとも密接に関係しており、例えば、積層するスピードを速めた場合には、図９に示すように袋状セパレータ１の角部分２が対角上に折り曲げられたまま積層されてしまうことがある。なお、符号３で示す部分は、二枚の樹脂シートが互いに融着される融着部を示している。
ここで、セパレータ１の角部分２が折れ曲がり、この折れ曲がった角部分２とセパレータ１内部の正極板４とが重なる部分が生じると、当該部分は、この折れ曲がって重なった角部分２の厚みの分だけ厚くなる。従って、イオン伝導に悪影響を与えうる。
また、上記重なる部分が生じると、正極板と負極板を水平な状態で積層することができなくなり、積層ズレの原因となってしまう。
このように、上記特許文献１に記載の技術では、セパレータの角部分が折れ曲がったまま積層されることにより積層ズレ等が発生する場合があり、その結果として電池性能を向上させることが困難であった。
そこで、本発明は、セパレータの角部分の折れ曲がりを抑え、これにより電池性能の低下を抑制することができる技術を提供する。

前記課題を解決するために、本発明に係る電池は、略矩形の正極板と、略矩形の負極板と、前記正極板または前記負極板を内包する略矩形の袋状のセパレータであって、前記内包される前記正極板または前記負極板の形状に沿って形成される融着部と、前記内包される前記正極板または前記負極板の角付近の第１の端部と前記セパレータの角のうち前記第１の端部に最も近い前記セパレータの角へ向かう方向に位置する第２の端部とを結ぶ直線状の融着部分からなる角融着部とを備えてなるセパレータと、を有することを特徴とする。

この電池によれば、袋状のセパレータが直線状の融着部分からなる角融着部を備えることにより、セパレータの角部分における対向角の方向への曲げに対する剛性が高まる。よって、セパレータの角部分の折れ曲がりを抑えることができる。

本発明によれば、角融着部によってセパレータの角部分でのセパレータの折れ曲がりが抑制される。従って、電極板の積層ズレ等を防止して電池性能の低下が抑制される。

本発明に係る第一実施形態における電池の要部切欠き斜視図である。 本発明に係る第一実施形態の電池における正極板及び正極板を覆っているセパレータの正面図である。 本発明に係る第一実施形態の電池におけるセパレータの角部分の拡大図である。 本発明に係る第二実施形態の電池におけるセパレータの正面図である。 本発明に係る第三実施形態の電池におけるセパレータの正面図である。 本発明に係る第三実施形態の電池におけるセパレータの角部分の拡大図である。 本発明に係る第四実施形態の電池におけるセパレータの正面図である。 本発明に係る第五実施形態の電池におけるセパレータの正面図である。 従来技術におけるセパレータの角部分の正面図である。

以下、本発明に係る電池の実施形態について説明する。

「第一実施形態」
まず、図１〜図３を用いて、本発明に係る第一実施形態としての電池について説明する。
本実施形態における電池は、図１に示すように、複数の正極板１０と、複数の負極板２０と、正極板１０を覆う袋状のセパレータ３０と、不図示の電解液と、これらを収納する電池缶９０と、を備えている。電池は、本実施形態ではリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明はリチウムイオン二次電池への適用に限られない。また、正極板と負極板がセパレータを介して複数積層される積層型電池のみならず、１対の正極板と負極板がセパレータを介して積層されている捲回型電池にも適用が可能である。
ここでは、セパレータ３０は、後述のように、シート状の第１のセパレータ３１と第２のセパレータ３２とが、各々の端部が熱で融着されて、袋状となっている。しかしながら、これに限定されず、２つのシート状のセパレータを融着して袋状にする場合のみならず、１つのシート状のセパレータを折り曲げて融着することで袋状のセパレータを形成してもよい。
これらセパレータは、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂等で形成されている。

正極板１０は、正極板本体１１と、この正極板本体１１の一端部から延びる正極タブ１９からなる。この正極板本体１１と正極タブ１９は一体として構成されている。例えばアルミニウム等の集電体に正極用の活物質（例えば３元系材料LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1)）が塗工され、これを打ち抜き型で打ち抜くことにより形成される。
また、負極板２０は、負極板本体２１と、この負極板本体２１の一端部から延びる負極タブ２９からなる。そして、正極板１０と同様に、負極板本体２１と負極タブ２９とは一体として構成されている。例えば銅等の集電体に負極用の活物質（カーボンや人造黒鉛など）が塗工され、これを打ち抜き型で打ち抜くことにより形成される。
これら正極板１０と負極板２０とがセパレータ３０を介して積層されることで電極積層体１００を形成する。図示していないが、電極積層体１００の両端の電極は負極板２０である。そして、この電極積層体１００と電池缶９０との間に絶縁シート（例えば、プラスチック樹脂）を配置して、電極積層体１００が電池缶に挿入される。電極積層体１００と電池缶９０との間の電気的接触を回避するためである。
なお、本実施形態では、正極板１０の正極板本体１１は、後述のとおりセパレータ３０に内包されるとともに、正極板１０の正極タブ１９は、一部がセパレータ３０から露出している。正極板１０および負極板２０のいずれもセパレータ３０に内包してもよいし、正極板１０または負極板２０のいずれか一方のみをセパレータ３０に内包してもよい。

ここで、負極板２０の負極タブ２９は、電池缶９０に固定されている負極端子９２とリード９３を介して電気的に接続されている。また、正極板１０の正極タブ１９は、電池缶９０に固定されている正極端子９１とリード９３を介して電気的に接続されている。

図２に示すように、正極板本体１１は、その外形が略矩形であり、袋状のセパレータ３０の袋の内部に配置されている。なお、負極板本体２１の外形も略矩形であり、セパレータ３０の外形と実質的に同じである。電池缶９０の内部におけるX軸方向の幅をこれら外形とほぼ同じとすることで、積層される正極板１０と負極板２０との積層ズレを防止することができる。

第１のセパレータ３１と第２のセパレータ３２とは、シート状の各セパレータ３１，３２の長辺の中央部に長辺に沿ってＹ方向に直線状に設けられる融着部４１ａ，４１ｂと、これらセパレータの短辺の中央部に短辺に沿ってＸ方向に直線状に設けられる融着部４１ｃ，４１ｄとで融着されている。シート状の各セパレータ３１，３２で正極板本体１１を挟んだ後に、これら融着部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが図示しない融着装置にて融着されることで、袋状のセパレータ３０に正極板本体１１が内包される構成となる。
ここで、融着部４１ａおよび４１ｂとのＸ方向の間隔は、正極板本体１１の短辺の寸法と実質的に同じであるがやや大きい。また、融着部４１ｃおよび４１ｄとのＹ方向の間隔は、正極板本体１１の長辺の寸法と実質的に同じであるがやや大きい。従って、上記内包される正極板本体１１は袋状のセパレータ３０の内部に確実に位置決めされる。すなわち、上記内包される正極板本体１１は、袋状のセパレータ３０の外形との相対位置が大きく変化することはない。このため、電池に加えられる振動等により正極板本体１１がセパレータ３０の内部で大きく移動することで正極板本体１１の活物質が欠落することが防止される。
なお、ここでは融着部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄは間欠的に配置されている。これは正極板本体１１への電解液の浸透を促進するためである。しかしながら、これに限定されるものではなく、正極板本体１１の形状、すなわち略矩形の４辺の各々に沿って融着がなされていればよい。

また、第１のセパレータ３１と第２のセパレータ３２とは、上記内包される正極板本体１１の四隅の角の各々から、そのそれぞれの角に最も近い各セパレータ３１，３２の角に向かう直線状の角融着部４３においても融着されている。角融着部４３は、融着部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが上記融着装置で融着される際に、同時に当該融着装置で融着される。この角融着部４３が、第１のセパレータおよび第２のセパレータの角の部分に曲げに対する剛性を与えるため、袋状のセパレータ３０の角の部分が折れ曲がることが防止される。
以上のように、図２においては、シート状の各セパレータ３１，３２は計８箇所で融着され、これにより正極板本体１１が袋状のセパレータ３０に固定されることとなる。
なお、正極タブ１９に最も近い角融着部４３と融着部４１ｄとは、正極タブ１９がそれらの間に配置されるだけの間隔を空けて形成される。

図３に、図２の角融着部４３を拡大した図を示す。ここで、直線状の角融着部４３の長さはＬ１、角融着部４３の端部のうち袋状のセパレータ３０に内包されている正極板本体１１に近い方の端部（第１の端部）から当該端部に最も近いセパレータ３０の角までの長さをＬとする。当該第１の端部は、正極板本体１１の角に近接して配置され、融着部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと同様に、上記内包される正極板本体１１の袋状のセパレータ３０の内部への確実な位置決めに寄与する。

角融着部４３の長さＬ１（第１の端部からその他方の端部である第２の端部までの長さ）は、セパレータ３０自体の曲げに対する剛性が低い場合には、実質的にＬ１＝Ｌとして角融着部４３を形成してセパレータ３０の曲げに対する剛性を強めるのが望ましい。Ｌ１＝Ｌとしてセパレータ３０の角部分の折れ曲がりを防止することで、積層ズレ等による電池性能の低下を抑制することができる。
一方、セパレータ３０自体の曲げに対する剛性がある程度高い場合には、そもそもセパレータ３０の角部分の折れ曲がりが生じにくいのであるから、Ｌ１＜Ｌとしてもよい。この場合には、Ｌ１≧Ｌ／２という条件を満たすことが好ましい。万一、角融着部４３に比べて曲げに対する剛性の弱いセパレータ３０の角部分が折れ曲がったとしても、角融着部４３の第２の端部を基点として折れ曲がることになり、この際に前記条件を満たせば、セパレータ３０の角３５はセパレータ３０内の正極板本体１１とＺ方向において重なることはない。よって、少なくともイオン伝導への悪影響を防止できるからである。
なお、角融着部４３および融着部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの上記直線状の形状は、厳密に直線である必要はなく、実質的に直線と同視できる形状であればよい。すなわち、微視的に見れば折れ線であったり、湾曲部分があったりしてもよい。また、ドット状の融着箇所が複数集合することで、上記直線状の形状を構成してもよい。

「第二実施形態」
次に、図４を用いて、本発明に係る第二実施形態について説明する。なお、本実施形態は、第一実施形態で示した角融着部４３の変形例であり、その他の構成は第一実施形態と同じである。

本実施形態では、第１実施形態で示した角融着部４３に代わり、Ｔ型の角融着部４３１を備えている。すなわち、本実施形態の角融着部４３１は、第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ＞Ｌ１≧Ｌ／２）と、角融着部４３の第２の端部に接続され且つ角融着部４３とＸＹ平面で略垂直方向に配置される直線状の融着部４４とを備えることでＴ型を形成している。
このように第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ＞Ｌ１≧Ｌ／２）に融着部４４を接続して設けることで、仮に、セパレータ３０の角部分が折れ曲がるとしても、この直線状の融着部４４を基準にして折れ曲がることとなる。従って、セパレータ３０の角部分が折れ曲がったとしても、セパレータ３０の角がセパレータ３０内の負極板本体２１とＺ方向において重ならないよう、第一実施形態よりもさらに確実にセパレータの折れ曲がりを誘導することができる。よって、折れ曲がった角部分によるイオン伝導への悪影響を防止し、電池性能の低下を回避することができる。

「第三実施形態」
次に、図５及び図６を用いて、本発明に係る第三実施形態について説明する。なお、本実施形態は、第一実施形態で示した角融着部４３の変形例であり、その他の構成は第一実施形態と同じである。

本実施形態では、第１実施形態で示した角融着部４３に代わり、Ｙ型の角融着部４３２を備えている。すなわち、本実施形態の角融着部４３２は、第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ＞Ｌ１）と、角融着部４３の第２の端部に接続され且つＸＹ平面上で第２の端部からセパレータ３０の短辺に向かって垂直に直線状に伸びる第一外側融着部４６と、角融着部４３の第２の端部に接続され且つＸＹ平面上で第２の端部からセパレータ３０の長辺に向かって垂直に直線状に伸びる第二外側融着部４５と、を備えることで、Ｙ型を形成している。
本実施形態では、図６に示すように、角融着部４３の長さＬ１はＬ＞Ｌ１ではあるものの、第一実施形態、第二実施形態と異なり、Ｌ１≧Ｌ／２とする必要はなく、Ｌ１＞０としてよい。ただし、直線状の第一外側融着部４６の端部のうち角融着部４３の第２の端部に接続していない端部（第３の端部）と、直線状の第二外側融着部４５の端部のうち角融着部４３の第２の端部に接続していない端部（第４の端部）とを結んだ第一仮想線Ｖ１が、角融着部４３を伸ばした第二仮想線Ｖ２と交わる点を交点Ｐとしたとき、角融着部４３の第１の端部から交点Ｐまでの距離Ｌ２が、Ｌ＞Ｌ２≧Ｌ／２となるように設計される。
Ｙ型の角融着部４３２が上記構成であることにより、仮にセパレータ３０の角部分が折れ曲がったとしても、この第一仮想線Ｖ１を基準にして折れ曲がるので、折れ曲がったセパレータ３０の角部分が正極板本体１１に重ならない。このため、第二実施形態と同様、折れ曲がった角部分によるイオン伝導への悪影響を防止し、電池性能の低下を回避することができる。
さらに、第一外側融着部４６がＹ軸に沿って、また、第二外側融着部４５がＸ軸に沿って配置されていることで、第二実施形態のＴ型の角融着部４３１よりも、セパレータ３０の角部分のみならずその他の端部におけるＹ軸またはＸ軸に沿う折れ曲がりをより強固に防止できる。

「第四実施形態」
次に、図７を用いて、本発明に係る第四実施形態について説明する。なお、本実施形態は、第一実施形態で示した角融着部４３の変形例であり、その他の構成は第一実施形態と同じである。

本実施形態では、第１実施形態で示した角融着部４３に代わり、Ｔ型の角融着部４３３を備えている。すなわち、本実施形態の角融着部４３３は、第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ／２）と、角融着部４３の第１の端部に接続され且つ角融着部４３とＸＹ平面で略垂直方向に配置される直線状の融着部４７とを備えることでＴ型を形成している。
このように第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ／２）に融着部４７を接続して設けることで、仮に、セパレータ３０の角部分が折れ曲がるとしても、融着部４３の第２の端部を基準にして折れ曲がることとなる。従って、セパレータ３０の角部分が折れ曲がったとしても、セパレータ３０の角がセパレータ３０内の負極板本体２１とＺ方向において重ならない。このため、第二および第三実施形態と同様、折れ曲がった角部分によるイオン伝導への悪影響を防止し、電池性能の低下を回避することができる。
さらに、融着部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄのみならず、直線状の融着部４７が、セパレータ３０に内包される正極板本体１１の角を押さえることができるので、ＸＹ平面における正極板本体１１の回転もある程度規制することができる。従って、第一実施形態に比べ、上記内包される正極板本体１１の袋状のセパレータ３０の内部へのより確実な位置決めをすることができる。

「第五実施形態」
次に、図８を用いて、本発明に係る第五実施形態について説明する。なお、本実施形態は、第一実施形態で示した角融着部４３の変形例であり、その他の構成は第一実施形態と同じである。

本実施形態では、第１実施形態で示した角融着部４３に代わり、Ｙ型の角融着部４３４を備えている。すなわち、本実施形態の角融着部４３４は、第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ／２）と、角融着部４３の第１の端部に接続され且つＸＹ平面上で第１の端部からセパレータ３０に内包される正極板本体１１の短辺に沿って直線状に伸びる第一内側融着部４８と、角融着部４３の第１の端部に接続され且つＸＹ平面上で第１の端部からセパレータ３０に内包される正極板本体１１の長辺に沿って直線状に伸びる第ニ内側融着部４９と、を備えることで、Ｙ型を形成している。
このように第一実施形態で示した角融着部４３（ただし、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ／２）の第１の端部に第一内側融着部４８および第ニ内側融着部４９を接続して設けることで、仮に、セパレータ３０の角部分が折れ曲がるとしても、融着部４３の第２の端部を基準にして折れ曲がることとなる。従って、セパレータ３０の角部分が折れ曲がったとしても、セパレータ３０の角がセパレータ３０内の負極板本体２１とＺ方向において重ならない。このため、第二乃至第四実施形態と同様、折れ曲がった角部分によるイオン伝導への悪影響を防止し、電池性能の低下を回避することができる。
さらに、第四実施形態に比べ、融着部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄのみならず、第一内側融着部４８および第ニ内側融着部４９により、セパレータ３０に内包される正極板本体１１の角をより良好に規制することができるので、ＸＹ平面における正極板本体１１の回転をさらに抑制することができる。従って、第四実施形態に比べ、上記内包される正極板本体１１の袋状のセパレータ３０の内部へのより確実な位置決めをすることができる。

なお、上記いずれの実施形態においても、融着される直線状の形状は、厳密に直線である必要はなく、実質的に直線と同視できる形状であればよい。すなわち、微視的に見れば折れ線であったり、湾曲部分があったりしてもよい。また、ドット状の融着箇所が複数集合することで、上記直線状の形状を構成してもよい。

１０：正極板、１１：正極板本体、１９：正極タブ、２０：負極板、２１：負極板本体２１、２９：負極タブ、３０：袋状セパレータ、３１：シート状セパレータ、３２：シート状セパレータ、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ：融着部、４３，４３１，４３２，４３３，４３４：角融着部

Claims (4)

1. 略矩形の正極板と、
   略矩形の負極板と、
   前記正極板または前記負極板を内包する略矩形の袋状のセパレータであって、前記内包される前記正極板または前記負極板の形状に沿って形成される融着部と、前記内包される前記正極板または前記負極板の角付近の第１の端部と前記セパレータの角のうち前記第１の端部に最も近い前記セパレータの角へ向かう方向に位置する第２の端部とを結ぶ直線状の融着部分からなる角融着部とを備えてなるセパレータと、
   を有することを特徴とする電池。
2. 前記角融着部の長さは、前記第１の端部から前記セパレータの角のうち前記第１の端部に最も近い前記セパレータの角までの距離の半分以上の値であることを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 前記角融着部の前記第２の端部には、前記セパレータの辺のうち前記第２の端部に近い２辺に向かう融着部分が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電池。
4. 前記角融着部の前記第１の端部には、前記セパレータの辺のうち前記第１の端部に近い２辺に向かう融着部分または前記内包される前記正極板または前記負極板の形状に沿って形成される融着部分が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。

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