JP5242364B2

JP5242364B2 - 扁平形二次電池

Info

Publication number: JP5242364B2
Application number: JP2008323412A
Authority: JP
Inventors: 幹男小熊
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: JP2010146872A

Description

本発明は、扁平形二次電池に関し、特に電極群と電解液と電池容器とを備えた扁平形二次電池に関する。

従来、リチウム電池等の二次電池は、高エネルギ密度であるメリットを活かして、ＶＴＲカメラやノート型パソコン、携帯電話などのポータブル機器の電源や、高充電受入性であるメリットを活かして据置電源等に広く使用されている。一方、自動車産業界においては、環境問題に対応すべく、動力源を電池のみとする電気自動車（ＰＥＶ）や、内燃機関エンジンと電池との両方を動力源とするハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の開発が加速され、一部は実用化されている。

ＰＥＶやＨＥＶの電源には電池モジュールが用いられている。電池モジュールは、単電池を多数個（例えば、４０〜１００個）直列ないし直並列に接続することで構成されている。電池モジュールに使用される二次電池（単電池）は、一般に、円柱状の形状（円柱形）を呈しており、正極と負極とを、セパレータを介して捲回した電極群と電極群を浸潤する電解液とが円筒状電池容器に収容された密閉構造が採られている。

この種の二次電池は、耐振性を向上させるために、電極群の捲回中心は空芯ではなく、電極群は中空円筒状の捲芯を中心に正極、負極、セパレータが捲回されている。また、大電流充放電を確保するために、集電構造に特段の工夫が施されている。すなわち、正極および負極の長手方向に沿う一側に多数のタブが形成され、正負極は正負極のタブの導出方向を互いに反対側としてセパレータを介して捲回されているとともに、電極群の一側端面の対向位置に正極集電リングが、電極群の他側端面の対向位置に負極集電リングが配置されており、正負極のタブの先端部はそれぞれ正負極集電リングの外周面に、例えば、超音波溶接などにより接合されている（例えば、特許文献１、２参照）。

ところで、円柱形二次電池を単電池として上述した電池モジュールを構成する場合には、各二次電池の周面間にデッドスペースが構成されるため、体積効率（エネルギ密度）に遜色を生じることから、近時、扁平状の電極群を電解液させて扁平状電池容器に収容した扁平形二次電池が提案されている。扁平形二次電池は、円柱形二次電池と比較して、積層配設可能な平面部を有することから体積効率に優れる他に、同体積の円柱形二次電池と比べて表面積が大きくなるため、放熱性能にも優れるという副次的利点を有している。このような扁平形二次電池では、一般に、扁平状の正負極集電リングが用いられている。

特願平１０−１１９７０７特願平１０−１１９７０９

しかしながら、従来の扁平形二次電池では、扁平状の電極群の両側端面に対向する位置にそれぞれ扁平状の正負極集電リングが配設されているため、正負極集電リングの高さ分、二次電池の捲芯と交差する方向（長手方向）の長さが大きくなり、体積効率のさらなる向上を図る上では改善の余地があった。

本発明は上記事案に鑑み、体積効率に優れた扁平形二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、扁平形二次電池であって、長手方向に沿う一側にタブを有する正極と、長手方向に沿う一側にタブを有する負極とが前記正負極のタブの導出方向を互いに反対側としてセパレータを介して捲芯を中心に捲回された扁平状の電極群と、前記捲芯に固定されており、前記正極のタブが接合された平板状の正極集電部材と、前記捲芯に前記正極集電部材の反対側で固定されており、前記負極のタブが接合された平板状の負極集電部材と、前記電極群を浸潤する電解液と、上記各部材を収容する扁平状の電池容器と、を備え、前記正負極のタブは、前記捲芯の一面側または他面側に存在するタブを前記捲芯の他面側または一面側に存在するタブと重ねて前記正負極集電部材にそれぞれ接合されたことを特徴とする。

本発明において、正負極集電部材は切り曲げ加工された屈曲部を有しており、屈曲部が捲芯に固定されていることが好ましい。この場合、捲芯は扁平中空状であり、屈曲部は正負極集電部材の長手方向に沿う方向若しくは長手方向と交差する幅方向のそれぞれ複数箇所に形成されているようにしてもよい。また、屈曲部は矩形状であり、捲芯の端部に嵌着されているようにしてもよい。このとき、耐振性を考慮すると、捲芯はチャネル状の補強部を有することが望ましい。正負極のタブは、正負極集電部材の電極群に対向する側の面にそれぞれ接合されているようにしてもよい。

本発明において、捲芯の一面側または他面側に存在するタブを捲芯の他面側または一面側に導出するためのスペースが形成されていることが好ましい。例えば、スペースは、捲芯の両側端部が切り欠かれて形成されていてもよく、正負極集電部材が折り曲げられて形成されていてもよい。

本発明によれば、正負極集電部材を平板状に構成して捲芯に固定する構造を採用するとともに、捲芯の一面側または他面側に存在するタブを捲芯の他面側または一面側に存在するタブと重ねて正負極集電部材にそれぞれ接合された正負極のタブをそれぞれ平板状の正負極集電部材に接合する構造を採用したので、扁平形二次電池における長手方向の長さが短くなり、体積効率を向上させることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る扁平形二次電をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。

＜正極板＞
正極活物質としてマンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属酸化物と、導電材として炭素粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、例えば、質量比９０：２：８の割合で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＭＮＰ）を添加、混練した正極スラリを作製する。作製したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム合金箔（正極集電体）の両面に略均等、均一に塗工するとともに、アルミニウム合金箔の長手方向に沿う一側に、両面とも未塗工部を形成する。本実施形態では、アルミニウム合金箔の長手方向と交差する幅方向の長さを８６ｍｍ、未塗工部の幅を２５ｍｍとした。

次に、正極スラリが塗工されたアルミニウム合金箔を乾燥、プレスする。さらに、未塗工部を櫛状に切り欠く（裁断する）ことにより、切り欠き残部を正極タブとした（図３の符号２参照）フープ状の正極板を作製する。本実施形態では、正極タブの寸法を、アルミニウム合金箔の長手方向に３０ｍｍ間隔で幅（長手方向の長さ）５ｍｍ、長さ（長手方向と交差する方向の長さ）２５ｍｍとした。

＜負極板＞
負極活物質として炭素粒子と、結着剤としてＰＶＤＦとを、例えば、質量比９０：１０の割合で混合し、これに分散溶媒のＭＮＰを添加、混練した負極スラリを作製する。作製したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両面に略均等、均一に塗工するとともに、圧延銅箔の長手方向に沿う一側に、両面とも未塗工部を形成する。本実施形態では、圧延銅箔の長手方向と交差する幅方向の長さを８８ｍｍ、未塗工部の幅を２５ｍｍとした。

次に、正極板の場合と同様に、負極スラリが塗工された圧延銅箔を乾燥、プレスする。さらに、未塗工部を櫛状に切り欠く（裁断する）ことにより、切り欠き残部を負極タブとしたフープ状の負極板を作製する。本実施形態では、負極タブの寸法を、圧延銅箔の長手方向に３０ｍｍ間隔で幅（長手方向の長さ）５ｍｍ、長さ（長手方向と交差する方向の長さ）２５ｍｍとした。

＜捲回群＞
図２および図３に示すように、上記作製した正負極板をセパレータを介して捲芯１を中心に捲回し捲回群３を作製する。図２に示すように、捲芯１は、中空扁平状の形状を呈しており、２本のチャネル状の補強リブ１６により正負極板がセパレータを介して捲回されたときに中弛みが生じないように（形状維持が可能なように）補強されている。捲芯１には、例えば、ポリプロピレン等の材質を選定することができ、強度を高めるために、グラスファイバ等を混合するようにしてもよい。

捲回群３は捲回機を用いて作製される。図２は、捲回機の要部（中央部）を模式的に示したものである。捲芯１の両端部は捲回機の回転軸に装着（回転軸には捲芯１の凹部１５に係合する凸部が形成されている。）された後、厚さ２５μｍの多孔性ポリエチレンをフープ状に巻き取ったポリエチレン供給部から２枚のセパレータ６が供給され、２枚のセパレータ６の先端部は図示しないヒータ先端部により捲芯１の平面部に融着される（図２参照）。セパレータ６の融着後、捲回軸は、図示しない駆動力により図２の矢印方向（時計回り方向）に回転される。捲回機により２枚のセパレータ６が２〜３周捲回された後、負極板供給部からフープ状の負極板５の供給および捲回が開始され、次いで、正極板供給部からフープ状の正極板７の供給および捲回が開始される。このとき、正極板７の正極タブと負極板５の負極タブとは導出方向を互いに反対側にして捲回（配置）される。

所定長さ正極板７が捲芯１の周りに捲回されると、フープ状の正極板７は図示しないカッタで切断され、次いで、所定長さの負極板５が捲芯１の周りに捲回されると、フープ状の負極板５は図示しないカッタで切断される。２枚のセパレータ６は、負極板５の捲芯１への捲回終了後なおも２〜３周捲芯１の周りに捲回され、所定長さに至ると、図示しないカッタで切断される。そして、図３に示すように、最外周部のセパレータ６の巻き解けを防止するための巻止めテープ４が中央部に約１周貼付され、捲回群３が作製される。従って、捲回群３は、長手方向に沿う一側に正極タブを有する正極板７と、長手方向に沿う一側に負極タブを有する負極板５とが正負極タブの導出方向を互いに反対側としてセパレータ６を介して捲芯１を中心に捲回された扁平状を呈している。なお、捲回群３の捲芯１の両平面部側にはほぼ同じ数の多数のタブが導出されているが、図３では両平面部にそれぞれ１つずつタブを導出し他のタブを捨象して表している。

＜二次電池＞
図１に示すように、捲回群３の両端面に対向する位置には、それぞれ平板状の正極集電板８および負極集電板が捲回群３に固定されている（図５も参照）。なお、本実施形態では、図１に示す側（上側）に正極集電板８が配置されており、図示を省略した下側に負極集電板が配置されている。正負極集電板は、切り曲げ加工により形成された脚部１４を有している。すなわち、脚部１４は、正負極集電板のそれぞれ長手方向に沿う方向の２箇所を残すように矩形状に切り欠かれ、２箇所の切り欠き残部を約９０°屈曲させることで形成されている。

脚部１４は、それぞれ、捲芯１の端部側に補強リブ１６で仕切られるように形成された凹部１５に嵌着されることで、正負極板が捲芯１に近接するように固定されている。後述するように、正負極板から導出された正負極タブは正負極集電板にそれぞれ互いに捲回群３に対向する側の面に超音波溶接で接合されている。正極集電板には外部端子となる正極端子９が溶接されている。同様に、負極集電板にも外部端子となる負極端子が溶接されている（図５参照）。

捲回群３の外周は、正負極集電板の周縁部の外周を含め、全周に亘って、電池容器の内周面との絶縁を確保するための絶縁被覆（不図示）が施される。絶縁被覆には、例えば、ポリイミド性の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープが用いられ、粘着テープは捲回群３に一重以上巻かれている。

捲回群３は、有底扁平状のアルミニウム合金製の電池容器１１内に固定状態で収容されている。すなわち、パッキンを介して負極端子を電池容器１１に固定し（図５参照）、同様に、パッキン１０を介して正極端子９を固定したアルミニウム合金製の電池蓋を電池容器１１に溶接により接合することで密閉構造のリチウムイオン二次電池２０を作製する。なお、電池蓋は、電解液注液口を封口する図示を省略した栓と、所定内圧で開裂する同じく図示を省略した開裂弁とを有している。

電池容器１１内には、捲回群３全体を浸潤可能な所定量の非水電解液（不図示）が上述した電解液注液口を介して注液されている。非水電解液には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を１：１：１の割合で混合した溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットル溶解したものが用いることができる。本実施形態のリチウムイオン二次電池２０は、正負極端子を除く外寸が幅９８ｍｍ、長さ１０５ｍｍ、厚さ２４ｍｍの扁平形で、１Ｃ放電時の容量が１２Ａｈである。

なお、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０は、大容量大型電池のため、小型民生用リチウムイオン二次電池で用いられているような、電池温度の上昇に応じて電気的に作動する、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子や、電池内圧の上昇に応じて正極または負極の電気的リードが切断される電流遮断機構は配置されていない。

次に、上記実施形態に従って作製した実施例のリチウムイオン二次電池２０について説明する。比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。なお、実施例１は参考のために示したものであり、本発明の範囲外のものである。

（実施例１）
図４に示すように、実施例１の電池では、捲芯１の一平面部側に位置する正負極タブをそれぞれ全て切断除去し、他平面部側に位置する正負極タブのみをそれぞれ正負極集電板に接合して電池を作製した。図１に示すように、正極集電板８から切り曲げ加工によって下方に突き出すように設けた脚部１４を、捲芯１の凹部１５に嵌着（嵌合）させる構造としたので、正極端子９を電池容器１１にパッキン１０を介して固定することにより（負極側も同じ。）、間接的に捲回群３を支持固定することができ、実用上十分な耐振性が得られた。

（実施例２）
ハイブリッド電気自動車などのパワーアシストに用いる電池は、概ね１０Ｃ前後までの大電流充放電が要求されるので、実施例１の電池では内部抵抗が高いため、十分な性能が得られない。このため、実施例２の電池では、図５〜図７に示すように、両端部の中央に切り欠き部１２を有する捲芯１ａを用いた（図６参照）。これによって、捲芯１ａと正極集電板８との間に隙間１３（スペース）が形成されるので（図５参照）、この隙間１３を通して、捲芯１の一面部側に位置するタブを他面部側に折り曲げ、一面部側のタブと他面部側のタブとを重ね合わせて正極集電板８に接合した（図７参照）。なお、負極側も同様である。

（実施例３）
実施例３の電池では、捲芯１と正極集電板との間に隙間１３を形成するために、図８に示すように、正極集電板を断面ハット状に折り曲げ加工を施した、換言すれば、立ち上がり部と立ち下がり部による段差を有する正極集電板８ａを用いた。この場合、実施例２とは異なり、捲芯に切り欠き部を形成する必要はない。実施例２の電池と同様に、捲芯１と正極集電板８との間に隙間１３（スペース）が形成されるので、隙間１３を通して、捲芯１の一面部側に位置するタブを他面部側に折り曲げ、一面部側のタブと他面部側のタブとを重ね合わせて正極集電板８に接合した。なお、負極側も同じである。

（比較例）
比較例の電池として、上述した特許文献２に開示した構造で、実施形態の電極を用いて同一容量の円柱状リチウムイオン二次電池を作製した。比較例の電池は、電池容器の外寸がφ５５ｍｍ、長さが１１０ｍｍである。

（試験および評価）
実施例および比較例の電池について、５Ｃおよび１０Ｃで放電したときの１０秒目電圧を測定した。測定した１０秒目電圧と、外部端子部を除く電池容器（電池蓋を含む。）の体積を下表１に示す。

実施例１の電池は放電電圧が比較例の電池より低く、１０Ｃ放電時の差は大きいが、体積は実施例２、３の電池と同様に小さく、また、製造が容易なため、コスト的に有利であり、特に、大電流での充放電を必要としない用途には十分使用可能である。一方、実施例２、３の電池は、電圧が比較例の円柱状電池と同等で、扁平状であるため、体積が小さい。

（効果等）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０の作用、効果等について説明する。

本実施形態のリチウムイオン二次電池２０では、平板状の正負極集電部材を捲芯１に固定する構造を採用するとともに、正負極タブをそれぞれ正負極集電部材に接合する構造を採用したので、扁平形二次電池における長手方向（捲芯１の軸方向）の長さが短くなり、体積効率を向上させることができる。

その際、実施例１の電池では、捲芯１の一平面部側に位置するタブを全て切断除去し、他平面部に位置するタブの先端部を集電板に接合する構造を採用したので、相応の集電性が得られ、体積効率が円柱状電池より優れるという利点に何ら変わりがないため、特に大電流を必要としない用途（例えば、据え置き用）の電源として製造が容易でコスト的にも有利である。一方、ハイブリッド電気自動車などの大電流充放電用途では、実施例２、３に示した態様が好ましいが、捲芯１の一面部側に配置されたタブの先端部を平板状の集電板に接合すると、接合したタブによって集電板が拘束されるため、さらに他面部側に配置されたタブの先端部を集電板に接合しようとしても、超音波治具を接合したい部位に当接することが難しいという問題がある。このとき、タブが十分長ければ、捲芯１の一面部側に位置するタブの先端部を集電板に接合した後も、なお集電板がある程度自由に動くので、他面部側に配置されたタブの先端部を集電板に接合することは容易である。

また、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０では、扁平状であり、円柱状電池より電池容器の表面積が大きいため、円柱状電池より良好な放熱性が得られ、重負荷に耐えることができる。

なお、本実施形態では、リチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明はこれに限ることなく、例えば、ニッケル水素電池、ニカド電池など他の二次電池に適用可能なことは論を待たない。また、本実施形態では、正極端子を上側、負極端子を下側に配設し、電池容器１１を中性とした例を示したが、本発明がこれに制限されるものではない。すなわち、正負極端子はいずれが上側（下側）であってもよく、電池容器が正負いずれかの極性を有していてもよい。

また、本実施形態では正負極板の活物質合剤（スラリ）や非水電解液の構成物質、その他の構成部材の材質を例示したが、本発明はこれに制限されないことは云うまでもない。すなわち、いわゆる当業者は上述した特許請求の範囲において適宜構成物質や材質を選定することが可能であり、そのような態様も本発明の特許請求の範囲に属することは論を待たない。

さらに、本実施形態では、脚部１４を集電板の長手方向に沿って２箇所形成する例を示したが、本発明はこれに限ることなく、例えば、３箇所以上形成するようにしてもよく、脚部を集電板の長手方向と交差する側に形成するようにしてもよい。また、本実施形態では、図５に示したように、外部端子を電池容器１１の同側（図５の右側）に設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、正極端子９を図５に示すように右側に、負極端子を図５の左側に（捲回群３に対して正極端子９と対称となるように）配置するようにしてもよい。さらに、実施例１の態様では、正負極タブで切断除去されるタブが捲芯１の一平面部側、他平面部側に存在するタブで異なっていてもよい（互いに反対側が切断除去されるようにしてもよい。）。

本発明は体積効率に優れた二次電池を提供することを目的とするため、扁平形二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池の上部近傍の正断面図である。実施形態のリチウムイオン二次電池の捲回群を作製する捲回機の要部を模式的に示す断面図である。捲回機で作製された実施形態のリチウムイオン二次電池の捲回群の外観斜視図である。実施例１の電池の正極集電板近傍の拡大側断面図である。実施例２の電池の正断面図である。捲回機で作製された実施例２の電池の捲回群の外観斜視図である。実施例２の電池の正極集電板近傍の拡大側断面図である。実施例３の電池の上部近傍の正断面図である。

符号の説明

１、１ａ捲芯
２正極タブ（タブ）
３捲回群（電極群）
５負極板（負極）
６セパレータ
７正極板（正極）
８、８ａ正極集電板（集電部材）
１１電池容器
１３隙間（スペース）
１４脚部（屈曲部）
１５凹部（端部）
１６補強リブ（補強部）
２０リチウムイオン二次電池（扁平形二次電池）

Claims

長手方向に沿う一側にタブを有する正極と、長手方向に沿う一側にタブを有する負極とが前記正負極のタブの導出方向を互いに反対側としてセパレータを介して捲芯を中心に捲回された扁平状の電極群と、
前記捲芯に固定されており、前記正極のタブが接合された平板状の正極集電部材と、
前記捲芯に前記正極集電部材の反対側で固定されており、前記負極のタブが接合された平板状の負極集電部材と、
前記電極群を浸潤する電解液と、
上記各部材を収容する扁平状の電池容器と、
を備え、
前記正負極のタブは、前記捲芯の一面側または他面側に存在するタブを前記捲芯の他面側または一面側に存在するタブと重ねて前記正負極集電部材にそれぞれ接合されたことを特徴とする扁平形二次電池。
前記正負極集電部材は切り曲げ加工された屈曲部を有しており、前記屈曲部が前記捲芯に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の扁平形二次電池。
前記捲芯は扁平中空状であり、前記屈曲部は前記正負極集電部材の長手方向に沿う方向若しくは長手方向と交差する幅方向のそれぞれ複数箇所に形成されたことを特徴する請求項２に記載の扁平形二次電池。
前記屈曲部は矩形状であり、前記捲芯の端部に嵌着されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の扁平形二次電池。
前記捲芯はチャネル状の補強部を有することを特徴とする請求項４に記載の扁平形二次電池。
前記正負極のタブは、前記正負極集電部材の前記電極群に対向する側の面にそれぞれ接合されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の扁平形二次電池。
前記捲芯の一面側または他面側に存在するタブを前記捲芯の他面側または一面側に導出するためのスペースが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の扁平形二次電池。
前記スペースは、前記捲芯の両側端部が切り欠かれて形成されたことを特徴とする請求項７に記載の扁平形二次電池。
前記スペースは、前記正負極集電部材が折り曲げられて形成されたことを特徴とする請求項７に記載の扁平形二次電池。