JP5422188B2 - 角形電池 - Google Patents

Description

本発明は、積層タイプの電極体を有する角形電池に関し、より具体的には、このような電池の電極と集電体との接触構造に関する。

従来、主として携帯機器用の電源として使用する充放電可能な種々の二次電池が提案されてきた。さらには、近年、環境への配慮から、自動車や電車などの車両に充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時に生じる回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。このように車両に搭載する二次電池としては、エネルギー密度、負荷変動追従性、耐久性、製造コストなどの諸条件から、例えばニッケル水素二次電池が適しているとされる。

上記のような車両用の電池には、従来の携帯機器等に用いられるものに比べて、高電圧および高エネルギー容量が要求されるため、大型の電池を使用する必要がある。大型の電池を使用する場合には、電池が設置されるスペースを効率的に利用する必要性が大きいことから、円筒形よりも角形の電池とすることが望ましい（特許文献１）。このような大型の角形電池には、電池性能や生産性の観点から、円筒形電池に用いられる巻取り式の電極体よりも、セパレータを介して正極板と負極板とを交互に積層した電極体の方が適しているとされる。

このような、積層タイプの電極体を有する角形のニッケル水素二次電池の構造として、例えば、図７に示すようなプリーツ構造が提案されている（特許文献２）。この電池７０では、対向配置された正極集電板７３と負極集電板７５との間に、絶縁部材からなる矩形の枠形部材７７を介在させて電池のケーシング７９を形成し、ケーシング７９内に、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ８１を介して多数の正極体８３および負極体８５を交互に対向させて積層した電極体８７が収納されている。

この電池７０では、両集電板７３，７５の対向方向Ｘに直交する方向Ｙに、正極体８３と負極体８５とが交互に積層されており、平板状の正極体８３および負極板８５の各端面８３ａ、８５ａを、正極集電板７３、負極集電板７５にそれぞれ接触させることによって集電している。

しかしながら、このように構成された電池７０では、正極体８３および負極体８５が、各端面８３ａ、８５ａのみによって各集電板７３、７５に接触しているので、接触面積が十分ではなく、接触圧力が小さい場合、電池７０の内部抵抗が大きくなり、充放電性能に悪影響を与える。さらには、図７に破線で示すように、多数の正極体８３および負極体８５のうちの一部が、各集電体７３，７５に接触していない状態が発生することがある。この場合には、集電板７３、７５に接触しない正極体８３または負極体８５が、電池７０の充放電容量にまったく寄与しないことになり、設計どおりのエネルギー密度が得られない。

特開２００１−１１０３８１号公報 特開２００３−２７２５９３号公報

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、大型の角形電池に適した積層構造を有する電池において、電極と集電体との接触構造を改善し、優れた充放電性能と高いエネルギー密度を有する角形電池を提供することである。

前記した目的を達成するために、本発明に係る角形電池は、互いに対向配置された平板状の正極集電体および負極集電体と、前記正極集電体および負極集電体の間で、これら集電体の対向方向に直交する方向に、セパレータを介して対向して交互に積層された、複数の平板状の正極体および負極体とを備えており、前記複数の正極体および負極体の少なくとも一方が、該正極体または負極体に対応する前記正極集電体側または負極集電体側の各端部に、直角に折り曲げられた折り曲げ部を有しており、該折り曲げ部が前記正極集電体または負極集電体に接触している。

この構成によれば、平板状の集電体にほぼ垂直な向きに配置される正極体または負極体の端部に、集電体との接触面となる折り曲げ部を形成することにより、集電体と、正極体または負極体との接触面積が増大する。したがって、集電体と正極体または負極体とが確実に接触するようになり、電極活物質の利用率が向上するので、電池のエネルギー密度が増大し、かつ、接触抵抗が低減して内部抵抗が減少するので、電池性能が向上する。

本発明に係る上記の角形電池において、前記折り曲げ部が、該折り曲げ部を有する正極体または負極体に対向する負極体または正極体の端面に、前記セパレータを介して対向していることが好ましく、さらに、前記折り曲げ部の一部分が、折り曲げられた方向に隣接する正極体または負極体の折り曲げ部と、前記対向方向に重なっていることがより好ましい。このように構成することにより、折り曲げ部が、セパレータを介して対向する正極体または負極体の端面によって集電体に押し付けられるので、集電体と正極体・負極体との接触がより確実になるとともに、接触圧が一層大きくなり、等価的に内部抵抗が減少する。したがって、より効果的に電池エネルギー密度の増大と電池性能の向上を図ることができる。

本発明に係る上記の角形電池において、当該電池がニッケル水素二次電池として構成されている場合に、少なくとも前記正極体に前記折り曲げ部が形成されていることが好ましい。ニッケル水素二次電池では、一般的に、正極よりも負極の充放電容量が大きくなるように構成し、正極の充放電容量によって、電池自体の充放電容量が規制される。したがって、折り曲げ部を少なくとも正極体に形成することで、効果的に電池のエネルギー密度増大を図ることが可能となる。

以上のように、本発明に係る角形電池によれば、性能および生産性の点で大型の電池に有利な積層構造を有しながらも、集電体と電極の接触をより強固にかつ確実にすることで、優れたエネルギー密度および充放電性能を得ることができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る角形電池（以下単に「電池」という）Ｃの構造を示す斜視図である。この電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とするニッケル水素二次電池として構成されており、正極および負極の集電体である平板状の正極集電板３および負極集電板５と、両集電板３，５間に介在する絶縁素材からなる矩形の枠形部材７によって、電池Ｃの角形のケーシング９が構成されている。

図２に断面図で示すように、正極集電板３と負極集電板５とは、互いに対向するように配置されており、これら両集電板３，５の間、つまりケーシング９の内方には、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ１１、正極体１３、および負極体１５からなる電極体１７が収容されている。正極体１３と負極体１５とは、両集電板３，５の対向方向Ｘに直交する方向Ｙに、セパレータ１１を介して交互に積層されている。

図３に斜視図で示すように、平板状の正極体１３の一端部は、本体部１３ａに対してほぼ直角に折り曲げられた折り曲げ部１３ｂとして形成されている。図２に示すように、電池Ｃ内において、複数の正極体１３の各折り曲げ部１３ｂは、正極集電板３側において、積層方向Ｙにおける同一の方向（図２では左側）に折り曲げられた状態で形成されている。同様に、負極体１５は、本体部１５ａと、これに対してほぼ直角に折り曲げられた折り曲げ部１５ｂとを有しており、各折り曲げ部１５ｂは、電池Ｃ内の負極集電板５側において、積層方向Ｙにおける同一の方向（図２では右側）に折り曲げられた状態で形成されている。

正極体１３は、多孔質の発泡ニッケルやニッケル焼結体からなる基板に、活物質を含む合材を塗布したものを用いており、一方、負極体１５には、ニッケルめっきを施した鋼板に多数の孔を形成したパンチングメタルからなる基板に、活物質を含む合材を塗布したものを用いている。正極および負極の集電板３，５は、ニッケルめっきを施した鋼板で形成されている。本実施形態の電池Ｃでは、正極体１３、負極体１５と、正極集電板３、負極集電板５との導通は、金属屑のような異物の混入の防止および工程の簡略化のために溶接は行わず、両集電板３，５の対向方向Ｘの接触圧のみによって確保されている。

図２の要部を拡大して示す図４（ａ）に示すように、正極体１３の折り曲げ部１３ｂは、この正極体１３に対向する負極体１５の端面１５ｃに、セパレータ１１の折り曲げ部１１ａを介して対向している。さらには、正極体１３の折り曲げ部１３ｂの一部である先端部１３ｂａが、折り曲げられた方向に隣接する正極体１３の折り曲げ部１３ｂの基端部１３ｂｂと、対向方向Ｘに重なっている。隣接する折り曲げ部１３ｂの基端部１３ｂｂに重なる先端部１３ｂａの形状は、電池に要求されるエネルギー密度、充放電性能や生産性などを考慮して、適宜決定してよいが、例えば、図４（ａ）に示す、先端に向かって先細りとなる楔状のほかに、（ｂ）に示す、折り曲げ部１３ｂの中央部分とほぼ同一の厚さを有する平板状、または、（ｃ）に示すように、圧縮して折り曲げ部１３ｂの中央部分よりも薄く形成されたステップ状とすることができる。

なお、図４には、代表として正極集電板３側の構造のみを示したが、図２に示す負極集電板５側においても、同様に、負極体１５の折り曲げ部１５ｂは、対向する正極体１３の端面にセパレータ１１を介して対向しており、かつ、隣接する負極体１５の折り曲げ部１５ｂ同士が、対向方向Ｘに重ねられている。

また、図４の実施形態では、正極体１３として、折り曲げ部１３ｂにも活物質を塗布し、プレスをかけていない状態のものを用いている。このように折り曲げ部１３ｂに活物質を塗布することにより、正極体１３の折り曲げ部１３ｂと負極体１５の端面１５ｃとの間でも充放電反応をさせて、電池Ｃのエネルギー密度を向上させることができる。

図５は、正極体１３を、折り曲げ部１３ｂに活物質を塗布してプレスをかけないもの（同図（ａ））、折り曲げ部１３ｂに活物質を塗布してプレスをかけたもの（同図（ｂ））、折り曲げ部１３ｂに活物質を塗布せずにプレスをかけないもの（同図（ｃ））、および、折り曲げ部１３ｂに活物質を塗布せずにプレスをかけたもの（同図（ｄ））を図示したものである。

接触性の観点からは、折り曲げ部１３ｂにプレスをかけないことが好ましい。すなわち、折り曲げ部１３ｂにプレスをかけない状態でケーシング９内に配置して電池Ｃを組み立てることにより、正極集電板３と折り曲げ部１３ｂとの間で、折り曲げ部１３ｂのプレスしろ分の厚さｔが増すことになり、十分な接触を確保することができる。以上の正極体折り曲げ部１３ｂについての活物質塗布の要否、およびプレス加工の要否についての説明は、負極体１５の折り曲げ部１５ｂについても同様に当てはまる。

なお、電極体１７は、プリーツ構造以外の積層構造を有していても良い。例えば、別体に形成された複数の袋状のセパレータにそれぞれ収容された正極体１３と負極体１５とを交互に積層して対向させてもよく、あるいは、別体の袋状のセパレータにそれぞれ収容された正極体１３と負極とを、さらにプリーツ状のセパレータ１１を介して互いに対向するように積層してもよい。

電池Ｃに必要な接触圧は、例えば、測定などによって求めた接触圧力と接触抵抗との関係に基づいて決定することができる。接触抵抗は、電池Ｃの内部抵抗に対して大きな部分を占めるので、その大小は、電池性能に影響を及ぼす。本実施形態に係る電池Ｃにおいては、図６に示すような特性が得られた。図６は、接触圧力Ｐに対する接触抵抗Ｒの値を測定してプロットしたグラフであり、横軸が接触圧力Ｐを、縦軸が接触抵抗Ｒを示している。接触圧力Ｐの値が小さい領域では、圧力Ｐが増加するにつれて、接触抵抗Ｒは急激に低下していくが、接触圧力Ｐが一定値Ｐｘを超えると、接触抵抗Ｒの低下の仕方が緩やかになる。したがって、例えば、接触圧力をこのＰｘまたはその近傍となるように、折り曲げ部１３ｂ同士の重なり度合いや、折り曲げ部１３ｂの仕様を決定すれば、効率的に内部抵抗を設定することができる。

本実施形態に係る電池Ｃによれば、以下の効果が得られる。

本実施形態に係る電池Ｃでは、図４に示すように、対向配置された正極集電板３および負極集電板５間で、これら集電板３，５の対向方向Ｘに直交する方向Ｙに、複数の平板状の正極体１３と負極体１５とがセパレータを介して対向して交互に積層されている。このような構造を有する電池Ｃにおいて、正極体１３および負極体１５の、それぞれに対応する集電板３，５側の各端部が、同一方向に直角に折り曲げられた折り曲げ部１３ｂ、１５ｂとして形成されており、この折り曲げ部１３ｂ、１５ｂが正極集電体３および負極集電体５にそれぞれ接触している。すなわち、平板状の集電体３，５にほぼ垂直な向きに配置される正極体１３または負極体１５の端部に、集電体３，５との接触面となる折り曲げ部１３ｂ、１５ｂが形成されている。これにより、正極体１３、負極体１５と、それぞれの集電板３，５との接触面積が増大する。

しかも、これら折り曲げ部１３ｂ、１５ｂは、この折り曲げ部１３ｂ、１５ｂを有する正極体１３または負極体１５に対向する負極体１５または正極体１３の端面１５ｃ、１３ｃに、セパレータ１１を介して対向している。その結果、折り曲げ部１３ｂ、１５ｂが、セパレータ１１を介して対向する負極体１５または正極体１３の端面１５ｃ、１３ｃによって対応する各集電板３，５に押し付けられるので、集電板３，５と正極体１３、負極体１５との接触が確実になるとともに、接触圧が大きくなる。さらに、折り曲げ部１３ｂ、１５ｂの先端部１３ｂａ，１５ｂａが、折り曲げられた方向に隣接する正極体１３または負極体１５の折り曲げ部１３ｂ、１５ｂと、対向方向Ｘに重なっており、基端部１３ｂｂ、１５ｂｂが、これに重なる先端部１３ｂａ、１５ｂａを集電板３，５に押し付けるので、一層、集電板３，５と正極体１３、負極体１５との接触が確実になる。したがって、効果的に電池エネルギー密度の増大と電池性能の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、電池Ｃの正極体１３および負極体１５のいずれもが、折り曲げ部１３ｂ、１５ｂを有するものとして説明したが、正極体１３および負極体１５のいずれか一方のみに折り曲げ部が形成されていてもよい。その場合、例えば、本実施形態のように、電池Ｃがニッケル水素二次電池として構成されており、充放電容量および性能が正極に規制される仕様となっている場合には、少なくとも正極体１３に折り曲げ部１３ｂを設けることにより、電池Ｃ全体の充放電容量および性能を効率的に向上させることができる。

また、負極体１５に折り曲げ部１５ｂを設けた場合には、負極側において接触抵抗を低減することができるので、電池Ｃの、特に大電流放電性能を向上させるためには効果的である。

また、本実施形態において、正極体１３および負極体１５の各折り曲げ部１３ｂ、１５ｂが、同一方向に折り曲げられて、セパレータ１１を介してそれぞれ負極体１５および正極体１３の各端面１５ｃ、１３ｃに対向し、さらには、隣接する折り曲げ部同士が重なるように構成されている例を説明したが、このような対向または重なり構造でなくても、少なくとも、正極体１３または負極体１５が、直角に折り曲げられた折り曲げ部１３ｂ、１５ｂを有していればよく、各集電板３，５との接触面積が増加する。これにより、正極体１３、負極体１５と各集電板３，５との接触の確実性が増し、電池Ｃのエネルギー密度および充放電性能が向上する効果が得られる。

なお、本実施形態では、電池Ｃをニッケル水素二次電池として構成した例について説明したが、本発明は、他の種類の角形の一次電池および二次電池にも適用することが可能である。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

なお、本発明の範囲には含まれないが、正極集電体または負極集電体に折り曲げ部を設ける代わりに、正極集電板および負極集電板の内壁面に沿って、発泡ニッケルのような多孔質の柔軟な導電性素材で形成したシートを配置し、このシートを介して正極体、負極体の端面を正極集電体または負極集電体の内壁に押し付けるように構成しても、本発明と同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る角形電池を示す斜視図である。 図１の角形電池の内部の構造を示す断面図である。 図１の角形電池に用いられる正極体および負極体の構造を示す斜視図である。 図２の要部を拡大して示す断面図である。 図１の実施形態に係る電池の正極体の折り曲げ部を示す模式図である。 図１の実施形態に係る角形電池における、電極と集電体との間の接触圧と接触抵抗の関係を示すグラフである。 従来の角形電池の構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

３ 正極集電板
５ 負極集電板
１１ セパレータ
１３ 正極体
１３ａ 正極体の折り曲げ部
１５ 負極体
１５ａ 負極体の折り曲げ部
Ｃ 電池
Ｘ 正極集電板と負極集電板との対向方向

Claims (3)

1. 互いに対向配置された平板状の正極集電体および負極集電体と、
   前記正極集電体および負極集電体の間で、これら集電体の対向方向に直交する方向に、セパレータを介して対向して交互に積層された、複数の平板状の正極体および負極体と、
   を備え、
   前記複数の正極体は、正極活物質を含む合材を塗布した基板から構成され、
   前記複数の負極体は、負極活物質を含む合材を塗布した基板から構成され、
   前記複数の正極体および負極体の少なくとも一方が、該正極体または負極体に対応する前記正極集電体側または負極集電体側の各端部に、直角に折り曲げられた折り曲げ部を有しており、
   前記折り曲げ部は、この折り曲げ部を有する正極体または負極体に対向する負極体または正極体の端面に前記セパレータを介して対向しており、かつ、前記対向する負極体または正極体の端面によって、前記セパレータを介して、前記集電体の対向方向に、前記正極集電体または負極集電体に押し付けられて、前記正極集電体または負極集電体に接触している角形電池。
2. 請求項１において、前記折り曲げ部の先端部が、折り曲げられた方向に隣接する正極体または負極体の折り曲げ部の基端部と、前記集電体の対向方向に重なっており、前記先端部は、前記基端部によって、前記集電体の対向方向に、前記正極集電体または負極集電体に押し付けられている角形電池。
3. 請求項１または２において、ニッケル水素二次電池として構成されており、少なくとも前記正極体に前記折り曲げ部が形成されている角形電池。

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