JP5333617B2 - 電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、内部に電極が収納された電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両に関する。

従来から周知のように、再充電可能な二次電池は、繰り返し使用することが可能であるので、種々の機器や装置に広く使用されている。車両の分野においては、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められていることから、この種の二次電池をモータの電源として走行する車両、いわゆるハイブリッド車やＥＶ車（Electric Vehicle車）などに広く普及してきている。このような二次電池では、大電流での充電及び放電や、電池容量の大容量化が要求され、例えばリチウムイオン二次電池が製品として量産されている。

この種の二次電池としては、例えば正極シートと、負極シートと、これらを絶縁するセパレータとを、交互に積み重ねて電極体を形成する積層構造の二次電池が周知である。しかし、積層構造は、正極シート、負極シート、セパレータを、順に積み重ねていく製造工程を経るので、積み重ね工程の数が多くなる。よって、生産のタクトタイムが長く、生産性がよくないという課題があった。そこで、例えば正極シートを袋状セパレータの内部に予め収納しておくことにより、前述の積み重ね工程数を減らして、電池の生産性をよくする技術が考案されている（特許文献１等参照）。

特開２００３−９２１００号公報

ところで、この種のセパレータにおいては、例えば熱収縮に対する耐久性向上を狙って、所定の材料（例えばセラミックスなど）で表面がコーティングされたセパレータを使用したいニーズがある。しかし、背景技術で述べた袋状セパレータの場合、表面コーティングされたセパレータを袋状に接着する際に、コーティング部材が影響を及ぼして、表裏のセパレータをしっかりと固定することができない可能性があった。

本発明の目的は、セラミックスでコートされたセパレータを使用しても、一対のセパレータを内部に電極を収納した状態で強固に固定することができる電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両を提供することにある。

前記問題点を解決するために、請求項１では、互いに対峙する一対の四角状のセパレータを備え、前記一対のセパレータに電極を挟み込む電極収納セパレータにおいて、前記電極は、その周縁から突出して設けられたタブを備え、前記セパレータの前記電極が配置される面は、セラミックスがコートされたコート部と、前記セラミックスがコートされておらず、前記電極の周縁に対応する少なくとも一部に配置される未コート部とを備え、前記未コート部は、前記セパレータにおいて前記電極の前記タブが突出している一辺及び当該一辺に対向する他辺にのみ形成されており、前記未コート部同士が接合される接合部は、前記タブが突出している一辺及び当該一辺に対向する他辺に配置されているとともに、前記一辺においては前記タブの面方向の両側に配置されていることを要旨とする。

本発明の構成によれば、セラミックスでコートされたセパレータの一部に、セラミックスがコートされていない未コート部を設けたので、電極を挟み込む一対のセパレータがともにセラミックスでコートされていても、これらセパレータを未コート部で接合することが可能となる。このため、内部に電極を収納する電極収納セパレータにおいて、熱収縮に対する耐久性の向上を狙ってセパレータをセラミックスでコートしても、一対のセパレータの間に電極体を挟んだ状態でセパレータを固定することが可能となる。

また、未コート部をセパレータにおいて電極のタブが突出している一辺及びその一辺に対向する他辺にのみ設けたので、セラミックスでコートされた一対のセパレータを、必要最低限の箇所において固定することが可能となる。
さらに、未コート部同士が接合される接合部は、セパレータのタブが突出している一辺においてタブの面方向の両側に配置されているので、電極収納セパレータ内部の電極の位置ズレ防止に効果が高くなる。

請求項２では、請求項１に記載の発明において、前記未コート部は、前記セパレータの一辺において全域に形成されていることを要旨とする。この構成によれば、一対のセパレータの接合面を極力広くとるので、一対のセパレータを、より強固に取り付け固定することが可能となる。

請求項３では、請求項１又は２に記載の発明において、前記電極は、正極であることを要旨とする。この構成によれば、例えば電極収納セパレータの外寸と負極の外寸とを合わせるという寸法をとることが可能となるので、電極体の組み立て時において、電極収納セパレータ及び負極を交互に積み重ねていく際の位置合わせなどが容易となる。

請求項４では、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の電極収納セパレータを備える蓄電装置であることを要旨とする。
請求項５では、請求項４に記載の蓄電装置を搭載する車両であることを要旨とする。

本発明によれば、セラミックスでコートされたセパレータを使用しても、一対のセパレータを内部に電極を収納した状態で強固に固定することができる。

一実施形態の二次電池の構成を示す分解斜視図。 二次電池の外観を示す斜視図。 電極体の構成を示す分解斜視図。 集電部においてリードが溶接された箇所を示す断面図。 電極収納袋状セパレータの断面図。 セパレータシートの斜視図。 電極収納袋状セパレータの平面図。 セパレータシート基材に正極シートをセットした状態を示す説明図。 正極シートがセットされたセパレータシート基材が溶着された状態を示す説明図。 溶着後のセパレータシート基材を切断する状態を示す説明。 別例の電極収納袋状セパレータの製造例を示す説明図。

以下、本発明を具体化した電極収納セパレータ、蓄電装置及び車両の一実施形態を図１〜図１０に従って説明する。
図１及び図２に示すように、例えばハイブリッド車（プラグインハイブリッド車）やＥＶ車等の車両１（図２に図示）には、車両１の駆動源として使用されるモータ（図示略）の電源として二次電池２が搭載されている。二次電池２には、例えば金属製のケース３が設けられ、ケース本体４の内部には、発電要素である電極体５が収納されている。ケース本体４の上部の開口部４ａは、金属製の板状のケース蓋６によって密封状態に封止される。

図２に示すように、二次電池２の上面には、正極用の電極端子である正極端子７と、負極用の電極端子である負極端子８とが設けられている。正極端子７及び負極端子８は、ケース蓋６の開口孔６ａからケース３の外部に露出されている。正極端子７及び負極端子８とケース３との間には、正極端子７及び負極端子８をケース３から絶縁するリング状の絶縁部材９が各々取り付けられている。

図３に示すように、電極体５は、袋内部に電極（正極）を収納した袋状セパレータ（以降、電極収納袋状セパレータ１０）と、負極電極となる薄い負極シート１１とからなる層を複数層有する組立体からなる。電極収納袋状セパレータ１０は、袋状のセパレータ本体１２の内部に、正極電極となる薄い正極シート１３を収納した部材である。電極体５は、電極収納袋状セパレータ１０及び負極シート１１が、電極体５の厚み方向（積層方向：図１等のＹ軸方向）に沿って、一定方向に積み重ねられた積層構造をとる。なお、負極シート１１及び正極シート１３が電極を構成する。

正極シート１３には、金属製のシート状の箔１４が設けられ、箔１４に両面に正極活物質層１５が塗布されることにより、この部分が塗工部１６として形成されている。正極シート１３の周縁の一部分には、箔１４の一部がタブとして突出され、この部分が正極活物質層１５を塗布していない未塗工部１７として形成されている。即ち、本例においては、タブが未塗工部１７に相当している。負極シート１１も、金属製のシート状の箔１８が設けられ、箔１８の両面に負極活物質層１９が塗布され、正極シート１３と同様に、塗工部２０及び未塗工部２１が形成されている。

図１及び図４に示すように、正極シート１３及び負極シート１１の各々には、同極の未塗工部１７，２１同士を積層方向Ｙにおいて束ねた各集電部２２，２３において、リード２４，２５が各々溶接されている。各リード２４，２５は、各々の集電部２２，２３の根元付近を溶接部２６，２７として各集電部２２，２３に固定される。また、正極端子７が正極リード２４に接続され、負極端子８が負極リード２５に接続される。集電部２２，２３は、電極体５の本体部である電極対２８の上面から上方に飛び出し、電極対２８の幅方向（図１のＸ軸方向）において、それぞれ離れる側の端寄りの位置に配置されている。

図３及び図５に示すように、電極収納袋状セパレータ１０は、一対のセパレータである四角形状の２枚のセパレータシート２９を互いに対峙するように重ね合わせ、セパレータシート２９の一端（紙面の上辺２９ａ）と下端（紙面の下辺２９ｂ）とを溶着することにより、袋状に形成されている。これにより、電極収納袋状セパレータ１０の内部には、隙間からなる収納部３０が設けられ、この収納部３０に正極シート１３が収納される。セパレータシート２９は、正極シート１３と負極シート１１とを絶縁するシート部材である。なお、収納部３０が袋内部に相当する。

図６に示すように、各セパレータシート２９のシート基材２９ｓの表面及び裏面の両方には、対辺である上辺２９ａ及び下辺２９ｂを除く略全域においてセラミックスが各々塗布されることにより、この部分がセラミックスのコート部３１として形成されている。このように、本例の電極収納袋状セパレータ１０は、両面がセラミックスコートされることによりセラミックスセパレータとなり、熱収縮に対する耐久性が高くなっている。

電極の周縁に対応する各セパレータシート２９の上辺２９ａ及び下辺２９ｂは、セラミックスが塗布されていない未コート部３２として形成されている。本例の場合、上辺２９ａに形成された未コート部３２を上端側未コート部３２ａとし、下辺２９ｂに形成された未コート部３２を下端側未コート部３２ｂとする。上端側未コート部３２ａ及び下端側未コート部３２ｂは、電極収納袋状セパレータ１０の幅方向（図６のＸ軸方向）において全域に形成されている。一対のセパレータシート２９は、セラミックスコートとなってはいるものの、これら未コート部３２ａ，３２ｂにおいて溶着が可能となっている。

図７に示すように、一対のセパレータシート２９は、未コート部３２ａ，３２ｂの長さ方向（図７のＸ軸方向）全域が溶着されることにより、この部分が溶着部３３となって袋状に取り付け固定されている。溶着方式（溶着部３３）は、断続溶着又は連続溶着のどちらでもよい。本例の場合、上端側未コート部３２ａに形成された溶着部３３を上側溶着部３３ａとし、下端側未コート部３２ｂに形成された溶着部３３を下側溶着部３３ｂとする。なお、溶着部３３（３３ａ，３３ｂ）が接合部を構成する。

正極シート１３は、上側溶着部３３ａ及び下側溶着部３３ｂによって上下から挟まれることにより、収納部３０内において紙面上下方向（図７のＺ軸方向）に位置決めされている。また、正極シート１３の未塗工部１７は、根元部分において上側溶着部３３ａの一部である一対の溶着部（電極位置決め溶着部）３３ｃが近傍配置されることにより、収納部３０内において紙面左右方向（図７のＸ軸方向：タブの面方向）に位置決めされている。なお、電極位置決め溶着部３３ｃが接合部を構成する。

次に、本例の電極収納袋状セパレータ１０の製造工程について、図８〜図１０を用いて説明する。
図８に示すように、セパレータ製造工程において、表面がセラミックスコートされた帯状の長いセパレータシート基材３４を一対用意する。これらセパレータシート基材３４の上端及び下端には、セラミックスが塗布されていない未コート部３２ａ，３２ｂが各々形成されている。そして、一対のセパレータシート基材３４の間に複数の正極シート１３…を並べて配置し、これら正極シート１３…を一対のセパレータシート基材３４で挟み込んでセットする。

続いて、図９に示すように、重ね合わせた一対のセパレータシート基材３４を、上端側未コート部３２ａ及び下端側未コート部３２ｂにおいて溶着することにより、正極シート１３を２枚のセパレータシート基材３４で包み込んで一体化（ユニット化）する。即ち、一対の帯状のセパレータシート基材３４と複数の正極シート１３…とを、帯状セパレータユニット３５として組み立てる。これにより、セパレータシート基材３４が袋状に形成されるとともに、内部の収納部３０に正極シート１３が収納される。なお、溶着時、正極シート１３の左右両側を電極位置決め溶着部３３ｃで挟み込んでおくことにより、正極シート１３の紙面左右方向（図９のＸ軸方向）の位置決めがなされる。

そして、図１０に示すように、１つの帯状セパレータユニット３５を、隣り合う正極シート１３の間で切断することにより、１つ１つの電極収納袋状セパレータ１０として形成する。なお、切断方式は、例えば打ち抜きやカットなど、種々の方式が採用可能である。これにより、１つの帯状セパレータユニット３５から、複数の電極収納袋状セパレータ１０が形成される。

続いて、積層工程において、電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１とを交互に重ねていく。そして、必要枚数重ねた後、同極の未塗工部１７，２１同士を束ねて、リード２４，２５を溶接し、電極体５を組立てる。電極体５の組み立て後、この電極体５をケース本体４に収納し、ケース本体４の開口部４ａをケース蓋６で閉じることにより、二次電池２が組み立てられる。

以上により、本例においては、セラミックスコートされた２枚のセパレータシート２９において、上辺２９ａ及び下辺２９ｂに、セラミックスコートされていない未コート部３２ａ，３２ｂを各々設け、未コート部３２ａ，３２ｂを溶着することにより、セパレータシート２９を袋状に形成する。よって、熱収縮に対する耐久性の向上を狙って、表面がセラミックスでコートされたセパレータシート２９を使用しても、溶着という簡素な方式によって、セパレータシート２９を袋状に強固に固定することが可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）使用時の熱収縮に対する耐久性向上を狙ってシート２９がセラミックスセパレータであっても、表裏のセパレータシート２９の上辺２９ａ及び下辺２９ｂに、セラミックスがコートされていない未コート部３２ａ，３２ｂを設けたので、未コート部３２ａ，３２ｂにおいて２枚のセパレータシート２９を袋状に溶着することができる。よって、セパレータシート２９をセラミックスセパレータとしても、内部に正極シート１３を収納した状態で袋状に強固に閉じることができる。

（２）正極シート１３を２枚のセパレータシート２９で予め包み込むことにより、これらを電極収納袋状セパレータ１０という一部品としておき、電極収納袋状セパレータ１０と負極シート１１とを交互に積み重ねていくことにより、電極体５を組み立てる。このため、電極体５の組み立て時、積層工程で課されるシートの積層枚数が少なく抑えられるので、生産のタクトタイムが短くなる。よって、電極体５ひいては二次電池２の生産性を向上することができる。

（３）電極収納袋状セパレータ１０の内部には、正負電極のうち正極（正極シート１３）を収納する。ところで、この種の電極体５においては、電極間のイオンのやり取りの関係上、負極を正極よりも大きく形成する必要がある。このため、本例のように、電極収納袋状セパレータ１０の内部に正極を収納するようにすれば、結果として、電極収納袋状セパレータ１０の外寸と負極シート１１の外寸とを同じにするという寸法をとることができる。よって、電極体５の組み立て時において、電極収納袋状セパレータ１０及び負極シート１１を交互に積み重ねていく際の位置合わせが容易になる。また、電極体５の内部において、積み重ねた電極収納袋状セパレータ１０や負極シート１１が位置ズレし難くもなる。

（４）未コート部３２ａ，３２ｂは、セラミックスコートされたセパレータシート２９において上辺２９ａ及び下辺２９ｂに設けられる。よって、表裏のセパレータシート２９の間に正極シート１３をセットした後、表裏のセパレータシート２９を未コート部３２ａ，３２ｂで袋状に溶着し、これを隣り合う正極シート１３との間で切断するという簡素な工程によって、電極収納袋状セパレータ１０を製造することができる。

（５）未コート部３２ａ，３２ｂをセパレータシート２９の上辺２９ａ及び下辺２９ｂの全域に亘って形成した。このため、セパレータシート２９の溶着面を広くとることが可能となるので、表裏のセパレータシート２９を、より強固に取り付け固定することができる。

（６）２枚のセパレータシート２９を未コート部３２ａ，３２ｂで溶着する際、正極シート１３の未塗工部１７の根元を、両側から挟み込むようにして電極位置決め溶着部３３ｃが形成される。このため、正極シート１３の未塗工部１７が電極位置決め溶着部３３ｃによって紙面左右方向において位置決めされるので、正極シート１３を収納部３０内において紙面左右方向に位置ズレし難くすることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・図１１に示すように、１枚の大きめのセパレータシート４１を用意し、これに正極シート１３を並べた後、セパレータシート４１を中央で折り返すことにより、正極シート１３を表裏からセパレータシート４１で包み込むようにしてもよい。この場合、１枚のセパレータシート４１を折り曲げるという簡単な形式で、電極収納袋状セパレータ１０を製造することができる。

・未コート部３２ａ，３２ｂは、上辺２９ａ（下辺２９ｂ）の全域に形成されることに限定されず、例えば部分的に形成されてもよい。
・未コート部３２ａ，３２ｂは、例えばセパレータシート２９の紙面の左辺や右辺などに形成されてもよい。

・未コート部３２ａ，３２ｂの大きさ（面積）は、適宜変更可能である。
・上端側未コート部３２ａと下端側未コート部３２ｂとは、異なる長さをとってもよい。

・セラミックスセパレータは、少なくとも電極が配置される面（シート片面）のみセラミックスコートされたシートでもよい。
・正極シート１３をセパレータシート２９に並べるときの向きは、正極シート１３を例えば図９において紙面左方向に約９０度回転させた向きとしてもよい。

・電極収納袋状セパレータ１０は、１枚の長い帯状のセパレータシート基材３４に複数の正極シート１３をセットして、これを正極シート１３単位で切断して製造することに限定されない。例えば、予め最終的な大きさに切断されたセパレータシート２９，２９を用い、これに正極シート１３をセットして周縁を溶着することで製造されてもよい。

・セパレータシート２９の接合方式は、溶着に限定されず、例えば接着や、テープを使用した固定など、他の形式に変更可能である。
・正極端子７及び負極端子８は、電極対２８の同一辺に配置されることに限定されず、各々異なる辺に配置されてもよい。

・集電部２２，２３の配置位置は、電極対２８の上面に限らず、側面や下面などに変更可能である。
・正極集電部２２は、１つに限定されず、例えば複数でもよく、これらを１つ、或いは複数のリードで電気接続してもよい。なお、これは、負極集電部２３でも同様に言える。

・正極や負極は、シート状の部材に限定されず、例えば所定量厚みのある板状の部材を使用してもよい。
・正極シート１３、負極シート１１及びセパレータシート２９の素材は、適宜変更可能である。

・正極端子７、負極端子８、集電部２２，２３の構造は、実施形態に述べた例に限らず、他の構造に変更可能である。
・ケース本体４の開口部４ａは、ケース本体４の上面に形成されることに限らず、ケース本体４の側面など、別の箇所に変更可能である。

・電極体５は、積層構造に限定されず、シート状の電極対を何層にも巻いて正負の電極層を持つ捲回構造としてもよい。
・蓄電装置は、二次電池に限定されず、例えば電気二重層キャパシタによって充放電する蓄電器としてもよい。

・電極収納袋状セパレータ１０内の電極は、正極に限定されず、負極としてもよい。
・リード溶接（抵抗溶接）は、スポット溶接、バット溶接、プロジェクション溶接などの種々の溶接が使用可能である。また、溶接は、抵抗溶接に限らず、他の方式を採用可能である。

・電極収納セパレータは、袋状に限定されず、例えば筒状など、他の形状に変更可能である。
・セパレータ形状は、四角状に限定されず、種々の形状に適宜変更可能である。

・電極体５（二次電池２）は、車両１に搭載されることに限定されず、他の機器や装置に搭載可能である。

１…車両、２…蓄電装置としての二次電池、５…電極体、１０…電極収納セパレータとしての電極収納袋状セパレータ、１１…電極を構成する負極シート、１３…電極を構成する正極シート、１７…タブとしての未塗工部、２９…セパレータシート（セパレータ）、２９ａ…上辺、２９ｂ…下辺、３０…収納部、３１…コート部、３２（３２ａ，３２ｂ）…未コート部、３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）…接合部としての溶着部、Ｘ軸…セパレータの幅方向、Ｚ軸…セパレータの幅方向と交差する方向。

Claims (5)

1. 互いに対峙する一対の四角状のセパレータを備え、前記一対のセパレータに電極を挟み込む電極収納セパレータにおいて、
   前記電極は、その周縁から突出して設けられたタブを備え、
   前記セパレータの前記電極が配置される面は、セラミックスがコートされたコート部と、前記セラミックスがコートされておらず、前記電極の周縁に対応する少なくとも一部に配置される未コート部とを備え、
   前記未コート部は、前記セパレータにおいて前記電極の前記タブが突出している一辺及び当該一辺に対向する他辺にのみ形成されており、
   前記未コート部同士が接合される接合部は、前記タブが突出している一辺及び当該一辺に対向する他辺に配置されているとともに、前記一辺においては前記タブの面方向の両側に配置されている
   ことを特徴とする電極収納セパレータ。
2. 前記未コート部は、前記セパレータの一辺において全域に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電極収納セパレータ。
3. 前記電極は、正極である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極収納セパレータ。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の電極収納セパレータを備える
   ことを特徴とする蓄電装置。
5. 請求項４に記載の蓄電装置を搭載する
   ことを特徴とする車両。