JP5633032B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関する。
二次電池は、車などの移動体に搭載される場合があるため振動や外部衝撃に強い構造を有することが求められる。しかし、一般的に二次電池は発電要素を外装材に収容した構造を有するため、振動や外部衝撃により発電要素が外装材の中で移動、振動する場合がある。このため、発電要素の破損が生じる場合がある。
発電要素の移動、振動による発電要素の破損を防止するため、従来の二次電池では様々な工夫がなされている。例えば、特許文献１では、発電要素の上下にスペーサを設置することにより衝撃に強い構造としている。
発電要素の移動、振動による発電要素の破損を防止するため、従来の二次電池では様々な工夫がなされている。例えば、特許文献１では、発電要素の上下にスペーサを設置することにより衝撃に強い構造としている。
しかし、特許文献１のように発電要素の上下にスペーサを設置すると二次電池内に占める発電要素の割合が減少し、二次電池の電池容量の低下につながっていた。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電池容量が大きくかつ振動や外部衝撃に強い構造を有する二次電池を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電池容量が大きくかつ振動や外部衝撃に強い構造を有する二次電池を提供する。
本発明の二次電池は、開口があるケースの前記開口の周りの部分に蓋部材が接合されかつ前記ケースの内部にスタック構造の発電要素、正極接続端子、負極接続端子、正極弾性部材、負極弾性部材および電解液を有し、前記ケースは、前記開口と平行な方形状の断面を有し、前記発電要素は、セパレータを介して交互に配置された正極シートおよび負極シートを有し、前記正極シートは、前記正極接続端子に接続された正極集電体および前記正極集電体の上に設けられた正極活物質層を備え、前記負極シートは、前記負極接続端子に接続された負極集電体および前記負極集電体の上に設けられた負極活物質層を備え、前記正極接続端子は、前記蓋部材に固定されかつ前記正極弾性部材に挟持され、前記負極接続端子は、前記蓋部材に固定されかつ前記負極弾性部材に挟持され、前記発電要素は、前記正極弾性部材と前記負極弾性部材との間に挟持されている。
本発明の二次電池に含まれる発電要素は、正極弾性部材と負極弾性部材との間に挟持されている。正極弾性部材および負極弾性部材から発電要素に対し応力を発生させることができ、発電要素の振動や移動を防止または軽減することができる。また、本発明の二次電池に強い外部衝撃が加えられても正極弾性部材および負極弾性部材が衝撃を吸収するため発電要素が正極接続端子や負極接続端子にぶつかり破損することを防止することができる。このことにより、本発明の二次電池は、発電要素の移動、振動による発電要素の破損を防止することができ、振動や外部衝撃に強い構造を有している。
また、正極弾性部材および負極弾性部材は、発電要素の大きさを小さくすることなく設置することができるため、本発明の二次電池は、電池容量が大きくかつ振動や衝撃に強い構造を有する。
また、正極弾性部材および負極弾性部材は、発電要素の大きさを小さくすることなく設置することができるため、本発明の二次電池は、電池容量が大きくかつ振動や衝撃に強い構造を有する。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
１．二次電池の構成および製造方法
図１（ａ）は本発明の一実施形態で２つの発電要素を含む二次電池の構成を示しかつ側面と平行な概略断面図であり、図１（ｂ）はその概略上面図であり、図１（ｃ）は上面と平行な概略断面図であり、図１（ｄ）は図１（ａ）の矢印Ｓ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図であり、図１（ｅ）は図１（ａ）の矢印Ｔ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図である。図２は、本発明の一実施形態の二次電池に含まれる（ａ）正極シートの概略平面図であり、（ｂ）負極シートの概略平面図であり、（ｃ）発電要素の内部構造を示す概略斜視図である。
本実施形態の二次電池２０は、開口があるケース３の開口の周りの部分に蓋部材４が接合されかつケース３の内部にスタック構造の発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０、負極弾性部材１１および電解液を有し、ケース３は、開口と平行な方形状の断面を有し、発電要素１は、セパレータ３３を介して交互に配置された正極シート３０および負極シート３１を有し、正極シート３０は、正極接続端子６に接続された正極集電体２２および正極集電体２２の上に設けられた正極活物質層２５を備え、負極シート３１は、負極接続端子７に接続された負極集電体２３および負極集電体２３の上に設けられた負極活物質層２６を備え、正極接続端子６は、蓋部材４に固定されかつ正極弾性部材１０に挟持され、負極接続端子７は、蓋部材４に固定されかつ負極弾性部材１１に挟持され、発電要素１は、正極弾性部材１０と圧縮された負極弾性部材１１との間に挟持されている。
図１（ａ）は本発明の一実施形態で２つの発電要素を含む二次電池の構成を示しかつ側面と平行な概略断面図であり、図１（ｂ）はその概略上面図であり、図１（ｃ）は上面と平行な概略断面図であり、図１（ｄ）は図１（ａ）の矢印Ｓ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図であり、図１（ｅ）は図１（ａ）の矢印Ｔ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図である。図２は、本発明の一実施形態の二次電池に含まれる（ａ）正極シートの概略平面図であり、（ｂ）負極シートの概略平面図であり、（ｃ）発電要素の内部構造を示す概略斜視図である。
本実施形態の二次電池２０は、開口があるケース３の開口の周りの部分に蓋部材４が接合されかつケース３の内部にスタック構造の発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０、負極弾性部材１１および電解液を有し、ケース３は、開口と平行な方形状の断面を有し、発電要素１は、セパレータ３３を介して交互に配置された正極シート３０および負極シート３１を有し、正極シート３０は、正極接続端子６に接続された正極集電体２２および正極集電体２２の上に設けられた正極活物質層２５を備え、負極シート３１は、負極接続端子７に接続された負極集電体２３および負極集電体２３の上に設けられた負極活物質層２６を備え、正極接続端子６は、蓋部材４に固定されかつ正極弾性部材１０に挟持され、負極接続端子７は、蓋部材４に固定されかつ負極弾性部材１１に挟持され、発電要素１は、正極弾性部材１０と圧縮された負極弾性部材１１との間に挟持されている。
また、本実施形態の二次電池２０は、正極接続端子６および該正極接続端子６を挟持した正極弾性部材１０はケース３の対向する部分の間に挟持されてもよく、負極接続端子７および該負極接続端子７を挟持した負極弾性部材１１はケース３の対向する部分の間に挟持されてもよい。
また、本実施形態の二次電池２０は、発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１とケース３との間に設けられかつ熱収縮させた絶縁性フィルムをさらに備えてもよく、正極弾性部材１０または負極弾性部材１１は、発電要素１と絶縁性フィルムとの間に挟持されてもよい。
また、本実施形態の二次電池２０は、正極接続端子６および負極接続端子７が複数であり、発電要素１が複数であり、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１が複数であり、正極接続端子６と正極弾性部材１０が交互に配置され、負極接続端子７と負極弾性部材１１が交互に配置されてもよい。
以下、本発明の二次電池について説明する。
以下、本発明の二次電池について説明する。
１−１．二次電池
本実施形態の二次電池は、充電および放電が可能な電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル・水素二次電池、ニッケル・カドミウム二次電池等である。
本実施形態の二次電池は、充電および放電が可能な電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル・水素二次電池、ニッケル・カドミウム二次電池等である。
１−２．発電要素
発電要素１はスタック構造でありかつセパレータ３３を介して交互に配置された正極シート３０および負極シート３１を備える。正極シート３０または負極シート３１は複数であってもよい。この場合、図２（ｃ）のようにセパレータ３３を介して複数の正極シート３０および複数の負極シート３１が交互に配置されてもよい。また、この場合、複数の正極シート３０の正極集電体２２は正極活物質層２５が形成されていない端部において束ねられ正極接続端子６に接合することができる。また、複数の負極シート３１の負極集電体２３は負極活物質層２６が形成されていない端部において束ねられ負極接続端子７に接合することができる。また、正極集電体２２と負極集電体２３との間のリーク電流を防止するために、正極集電体２２と負極集電体２３をそれぞれセパレータ３３が積層された部分を挟んで束ねてもよい。
また、複数の正極シート３０と複数の負極シート３１をセパレータ３３を介して交互に配置した発電要素１を複数形成することもできる。この場合、それぞれの発電要素１に含まれる正極集電体２２を束ねたものをそれぞれ正極接続端子６に接続することができ、それぞれの発電要素１に含まれる負極集電体２３を束ねたものをそれぞれ負極接続端子７に接続することができる。
発電要素１はスタック構造でありかつセパレータ３３を介して交互に配置された正極シート３０および負極シート３１を備える。正極シート３０または負極シート３１は複数であってもよい。この場合、図２（ｃ）のようにセパレータ３３を介して複数の正極シート３０および複数の負極シート３１が交互に配置されてもよい。また、この場合、複数の正極シート３０の正極集電体２２は正極活物質層２５が形成されていない端部において束ねられ正極接続端子６に接合することができる。また、複数の負極シート３１の負極集電体２３は負極活物質層２６が形成されていない端部において束ねられ負極接続端子７に接合することができる。また、正極集電体２２と負極集電体２３との間のリーク電流を防止するために、正極集電体２２と負極集電体２３をそれぞれセパレータ３３が積層された部分を挟んで束ねてもよい。
また、複数の正極シート３０と複数の負極シート３１をセパレータ３３を介して交互に配置した発電要素１を複数形成することもできる。この場合、それぞれの発電要素１に含まれる正極集電体２２を束ねたものをそれぞれ正極接続端子６に接続することができ、それぞれの発電要素１に含まれる負極集電体２３を束ねたものをそれぞれ負極接続端子７に接続することができる。
また、発電要素１の形状および大きさは、１つまたは複数の発電要素１を正極接続端子６および負極接続端子７に接続した状態でケース３に収容できる形状および大きさであって、できるだけ大きい、形状および大きさとすることができる。
１−３．正極シート
正極シート３０は、例えば図２（ａ）のように正極接続端子６に接続された正極集電体２２および正極集電体２２上に設けられた正極活物質層２５を備える。
正極集電体２２は、電気伝導性を有し、表面上に正極活物質層２５を備えることができれば、特に限定されないが、例えば、金属箔である。好ましくはアルミニウム箔である。また、正極集電体２２はシート形状であってもよく、正極活物質層２５は正極集電体２２の両面の上に形成されていてもよい。
正極活物質層２５は、正極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法により正極集電体２２の上に形成することができる。正極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4またはＬｉＦｅＰＯ4である。
正極シート３０は、例えば図２（ａ）のように正極接続端子６に接続された正極集電体２２および正極集電体２２上に設けられた正極活物質層２５を備える。
正極集電体２２は、電気伝導性を有し、表面上に正極活物質層２５を備えることができれば、特に限定されないが、例えば、金属箔である。好ましくはアルミニウム箔である。また、正極集電体２２はシート形状であってもよく、正極活物質層２５は正極集電体２２の両面の上に形成されていてもよい。
正極活物質層２５は、正極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法により正極集電体２２の上に形成することができる。正極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4またはＬｉＦｅＰＯ4である。
１−４．負極シート
負極シート３１は、例えば図２（ｂ）のように負極接続端子７に接続された負極集電体２３および負極集電体２３上に設けられた負極活物質層２６を備える。
負極集電体２３は、電気伝導性を有し、表面上に負極活物質層２６を備えることができれば、特に限定されないが、例えば、金属箔である。好ましくは銅箔である。また、負極集電体２３はシート形状であってもよく、負極活物質層２６は負極集電体２３の両面の上に形成されていてもよい。
負極活物質層２６は、負極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法により負極集電体２３の上に形成することができる。負極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、グラファイトである。
負極シート３１は、例えば図２（ｂ）のように負極接続端子７に接続された負極集電体２３および負極集電体２３上に設けられた負極活物質層２６を備える。
負極集電体２３は、電気伝導性を有し、表面上に負極活物質層２６を備えることができれば、特に限定されないが、例えば、金属箔である。好ましくは銅箔である。また、負極集電体２３はシート形状であってもよく、負極活物質層２６は負極集電体２３の両面の上に形成されていてもよい。
負極活物質層２６は、負極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法により負極集電体２３の上に形成することができる。負極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、グラファイトである。
１−５．セパレータ
セパレータ３３は、正極シート３０と負極シート３１の間に配置され、正極シート３０と負極シート３１の間でリーク電流が流れるのを防止することができる。また、セパレータ３３は、電解液を保持することができる。例えばリチウム電池では、セパレータの材料は、ポリオレフィンの微多孔性フィルムである。
セパレータ３３は、正極シート３０と負極シート３１の間に配置され、正極シート３０と負極シート３１の間でリーク電流が流れるのを防止することができる。また、セパレータ３３は、電解液を保持することができる。例えばリチウム電池では、セパレータの材料は、ポリオレフィンの微多孔性フィルムである。
１−６．ケース
ケース３は、開口があり、開口の周りの部分に蓋部材４が接合されている。また、蓋部材４と接合されたケース３は、内部に発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０、負極弾性部材１１、電解液を有する。
また、ケース３は、開口と平行な方形状の断面を有する。
ケース３の材料は、内部に発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０、負極弾性部材１１、電解液を収容しても大きく変形しない材料であれば特に限定されないが、例えば、鉄、ステンレス、硬質プラスチックなどである。
ケース３は、開口があり、開口の周りの部分に蓋部材４が接合されている。また、蓋部材４と接合されたケース３は、内部に発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０、負極弾性部材１１、電解液を有する。
また、ケース３は、開口と平行な方形状の断面を有する。
ケース３の材料は、内部に発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０、負極弾性部材１１、電解液を収容しても大きく変形しない材料であれば特に限定されないが、例えば、鉄、ステンレス、硬質プラスチックなどである。
１−７．蓋部材
蓋部材４には、正極接続端子６および負極接続端子７が固定されている。また、蓋部材４には、正極接続端子６に電気的に接続した正極外部接続端子１４および負極接続端子７に電気的に接続した負極外部接続端子１５が固定されていてもよい。正極外部接続端子１４および負極外部接続端子１５により二次電池２０の充電および放電をすることができる。
蓋部材４には、正極接続端子６および負極接続端子７が固定されている。また、蓋部材４には、正極接続端子６に電気的に接続した正極外部接続端子１４および負極接続端子７に電気的に接続した負極外部接続端子１５が固定されていてもよい。正極外部接続端子１４および負極外部接続端子１５により二次電池２０の充電および放電をすることができる。
蓋部材４とケース３の開口の周りの部分は、接合部１７で接合されている。このことにより二次電池２０内部の電解液の漏れを防止することができる。蓋部材４とケース３の開口の周りの部分の接合する方法は、特に限定されないが、例えばレーザ溶接、抵抗溶接、超音波溶接、接着剤などによる接合である。特にレーザ溶接を用いることにより、接合効率を向上することができる。
蓋部材４の形状は、開口の周りの部分に蓋部材４が接合することができる大きさを有すれば特に限定されない。蓋部材４の材料は、蓋部材４をケース３の開口１８に嵌めても大きく変形しない材料であれば特に限定されないが、例えば、ステンレス、鉄、硬質プラスチックなどである。
１−８．正極接続端子および負極接続端子
正極接続端子６は、蓋部材４に固定されかつ正極弾性部材１０に挟持されている。また、正極接続端子６には、発電要素１に含まれる正極集電体２２が接続されている。また、正極接続端子６は、押圧状態の正極弾性部材１０に挟持されていてもよい。
負極接続端子７は、蓋部材４に固定されかつ負極弾性部材１１に挟持されている。また、負極接続端子７には、発電要素１に含まれる負極集電体２３が接続されている。また、負極接続端子７は、押圧状態の負極弾性部材１１に挟持されてもよい。
正極接続端子６は、蓋部材４に固定されかつ正極弾性部材１０に挟持されている。また、正極接続端子６には、発電要素１に含まれる正極集電体２２が接続されている。また、正極接続端子６は、押圧状態の正極弾性部材１０に挟持されていてもよい。
負極接続端子７は、蓋部材４に固定されかつ負極弾性部材１１に挟持されている。また、負極接続端子７には、発電要素１に含まれる負極集電体２３が接続されている。また、負極接続端子７は、押圧状態の負極弾性部材１１に挟持されてもよい。
また、二次電池２０が複数の発電要素１を含む場合、正極接続端子６または負極接続端子７を複数とすることもできる。この場合、複数の正極接続端子６または複数の負極接続端子７は、電気的に接続することができる。
図３（ａ）は本発明の一実施形態で４つの発電要素を含む二次電池の構成を示す上面と平行な概略断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印Ｓ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）の矢印Ｔ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図である。
図３に示すように正極接続端子６および負極接続端子７をそれぞれ２つとすることができる。
図３（ａ）は本発明の一実施形態で４つの発電要素を含む二次電池の構成を示す上面と平行な概略断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印Ｓ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）の矢印Ｔ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図である。
図３に示すように正極接続端子６および負極接続端子７をそれぞれ２つとすることができる。
正極接続端子６または負極接続端子７の材料は、電気伝導性を有し、発電要素１を接続しケース３に収容されても大きく変形しない強度を有すれば特に限定されないが、例えば、金属板であり、好ましくは、正極接続端子６がアルミニウム板であり、負極接続端子７が銅板である。
また、正極接続端子６および負極接続端子７は、コ字形状の断面を有してもよい。コ字形状の対向する端子の両側にそれぞれ正極集電体２２または負極集電体２３を接続することができ、複数の発電要素１を効率よく接続することができる。例えば、図１、図３のように正極接続端子６の一部および負極接続端子７の一部は、コ字形状の断面を有する細長い形状の金属板とすることができる。
また、正極接続端子６および負極接続端子７は、コ字形状の断面を有してもよい。コ字形状の対向する端子の両側にそれぞれ正極集電体２２または負極集電体２３を接続することができ、複数の発電要素１を効率よく接続することができる。例えば、図１、図３のように正極接続端子６の一部および負極接続端子７の一部は、コ字形状の断面を有する細長い形状の金属板とすることができる。
また、正極集電体２２を正極接続端子６に接続し負極集電体２３を負極接続端子７に接続する方法は、この両者を電気的に接続できる方法でその状態を維持できる方法であれば特に限定されないが、例えば、超音波溶接、スポット溶接などにより接続することができる。特に超音波溶接により接続することにより、発電要素１に高い熱を加えることなく接続することができる。
１−９．正極弾性部材および負極弾性部材
正極弾性部材１０は、正極接続端子６を挟持する。また、正極接続端子６及び正極接続端子６を挟持した正極弾性部材１０は、ケース３の対向する部分の間に挟持されてもよい。また、正極弾性部材１０は、押圧状態であってもよい。
負極弾性部材１１は、負極接続端子７を挟持する。また、負極接続端子７および負極接続端子７を挟持した負極弾性部材１１は、ケース３の対向する部分の間に挟持されてもよい。また、負極弾性部材は、押圧状態であってもよい。
このことにより正極弾性部材１０から正極接続端子６の側面およびケース３の部分に対し応力を発生させることができ、正極接続端子６の揺れを防止することができる。同様に負極弾性部材１１の応力により負極接続端子７の揺れを防止することができる。このことにより、本実施形態の二次電池２０は、正極接続端子６に接続された正極集電体２２および負極接続端子７に接続された負極集電体２３の移動を抑制することができ、振動や外部衝撃に強い構造を有している。
正極弾性部材１０は、正極接続端子６を挟持する。また、正極接続端子６及び正極接続端子６を挟持した正極弾性部材１０は、ケース３の対向する部分の間に挟持されてもよい。また、正極弾性部材１０は、押圧状態であってもよい。
負極弾性部材１１は、負極接続端子７を挟持する。また、負極接続端子７および負極接続端子７を挟持した負極弾性部材１１は、ケース３の対向する部分の間に挟持されてもよい。また、負極弾性部材は、押圧状態であってもよい。
このことにより正極弾性部材１０から正極接続端子６の側面およびケース３の部分に対し応力を発生させることができ、正極接続端子６の揺れを防止することができる。同様に負極弾性部材１１の応力により負極接続端子７の揺れを防止することができる。このことにより、本実施形態の二次電池２０は、正極接続端子６に接続された正極集電体２２および負極接続端子７に接続された負極集電体２３の移動を抑制することができ、振動や外部衝撃に強い構造を有している。
なお、本明細書において「挟持する」とは、挟持した物の間に挟持された物が存在することをいい、挟持した物の間に他の物が挟持されていてもよい。
また、正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を押圧状態にする方法は、特に限定されないが、例えばケース３の内側の部分と正極接続端子６または負極接続端子７の間に正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を挟持し圧縮してもよい。また、複数の正極接続端子６の間又は複数の負極接続端子７の間に正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を挟持し圧縮してもよい。また、後記の絶縁性フィルムを熱収縮させることにより正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を絶縁性フィルムと発電要素１で挟持し圧縮してもよい。また、絶縁性フィルムと正極接続端子６との間および絶縁性フィルムと負極接続端子７との間にそれぞれ正極弾性部材１０および負極弾性部材１１を挟持し圧縮してもよい。
また、正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を押圧状態にする方法は、特に限定されないが、例えばケース３の内側の部分と正極接続端子６または負極接続端子７の間に正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を挟持し圧縮してもよい。また、複数の正極接続端子６の間又は複数の負極接続端子７の間に正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を挟持し圧縮してもよい。また、後記の絶縁性フィルムを熱収縮させることにより正極弾性部材１０または負極弾性部材１１を絶縁性フィルムと発電要素１で挟持し圧縮してもよい。また、絶縁性フィルムと正極接続端子６との間および絶縁性フィルムと負極接続端子７との間にそれぞれ正極弾性部材１０および負極弾性部材１１を挟持し圧縮してもよい。
例えば、図１に示した二次電池２０では、正極集電体２２が接続された１つの正極接続端子６が２つの正極弾性部材１０に挟持され、この正極接続端子６および両側の正極弾性部材１０は、ケース３の対向する部分に挟持されている。また、同様に負極接続端子７および両側の負極弾性部材１１は、ケース３の対向する部分に挟持されている。
また、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、発電要素１を挟持している。また、この正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、押圧状態であってもよい。このことにより正極弾性部材１０および負極弾性部材１１から発電要素１に対し応力を発生させることができ、発電要素１の振動や移動を防止または軽減することができる。また、本実施形態の二次電池２０に強い外部衝撃が加えられても正極弾性部材１０および負極弾性部材１１が衝撃を吸収するため発電要素１が正極接続端子６や負極接続端子７にぶつかり破損することを防止することができる。このことにより、本実施形態の二次電池２０は、発電要素１の移動、振動による発電要素１の破損を防止することができ、振動や外部衝撃に強い構造を有している。
また、複数の正極弾性部材１０または複数の負極弾性部材１１は、１つ又は複数の発電要素１を挟持してもよい。このことにより複数の正極弾性部材１０または複数の負極弾性部材１１から発電要素１に対し応力を発生させることができ、発電要素１の振動や移動を防止または軽減することができる。
また、複数の正極弾性部材１０または複数の負極弾性部材１１は、１つ又は複数の発電要素１を挟持してもよい。このことにより複数の正極弾性部材１０または複数の負極弾性部材１１から発電要素１に対し応力を発生させることができ、発電要素１の振動や移動を防止または軽減することができる。
正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、複数であってもよい。また、正極接続端子６と正極弾性部材１０は、交互に配置されてもよい。また、負極接続端子７と負極弾性部材１１は、交互に配置されてもよい。このことにより発電要素１が２つ以上の場合でも振動や外部衝撃に強い構造とすることができる。
例えば、図３に示した二次電池では、２つの正極接続端子６と３つの正極弾性部材１０が交互に配置され、ケース３の対向する部分に挟持されている。また、同様に、２つの負極接続端子７と３つの負極弾性部材１１が交互に配置され、ケース３の対向する部分に挟持されている。
例えば、図３に示した二次電池では、２つの正極接続端子６と３つの正極弾性部材１０が交互に配置され、ケース３の対向する部分に挟持されている。また、同様に、２つの負極接続端子７と３つの負極弾性部材１１が交互に配置され、ケース３の対向する部分に挟持されている。
正極弾性部材１０および負極弾性部材１１の大きさおよび形状は、ケース３内で正極接続端子６または負極接続端子７を挟持するように配置することができれば特に限定されないが、たとえば、正極接続端子６又は負極接続端子７の長さの２分の１以上で、正極接続端子６又は負極接続端子７の長さより短い長さを有することができる。
また、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、発電要素１の大きさを小さくすることなく設置することができるため、本実施形態の二次電池２０は、電池容量が大きくかつ振動や外部衝撃に強い構造を有する。
また、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、発電要素１の大きさを小さくすることなく設置することができるため、本実施形態の二次電池２０は、電池容量が大きくかつ振動や外部衝撃に強い構造を有する。
また、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１の材料は、弾性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、２５％圧縮したときに１０〜４００ｋＰａの応力が発生する材料とすることができる。このことにより、本実施形態の二次電池２０を振動や外部衝撃に強い構造とすることができる。また、例えば、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１の材料は、発泡ポリエチレンである。
１−１０．絶縁性フィルム
図４（ａ）は、本発明の一実施形態で絶縁性フィルムを含む二次電池の構成を示しかつ側面と平行な概略断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の一点破線Ｘ−Ｙで示した概略断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）の矢印Ｓ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図であり、図４（ｄ）は図４（ａ）の矢印Ｔ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図である。
本実施形態の二次電池２０は、発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１とケース３との間に設けられかつ熱収縮させた絶縁性フィルム３６をさらに備えてもよい。正極弾性部材１０または負極弾性部材１１は、発電要素１と絶縁性フィルム３６との間に挟持されてもよい。
絶縁性フィルム３６を備えることにより、ケース３に導電性のケース、例えば鉄製やステンレス製のケースを用いてもリーク電流の発生を防止することができる。
図４（ａ）は、本発明の一実施形態で絶縁性フィルムを含む二次電池の構成を示しかつ側面と平行な概略断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の一点破線Ｘ−Ｙで示した概略断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）の矢印Ｓ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図であり、図４（ｄ）は図４（ａ）の矢印Ｔ方向から見た二次電池の内部構造を示す概略図である。
本実施形態の二次電池２０は、発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１とケース３との間に設けられかつ熱収縮させた絶縁性フィルム３６をさらに備えてもよい。正極弾性部材１０または負極弾性部材１１は、発電要素１と絶縁性フィルム３６との間に挟持されてもよい。
絶縁性フィルム３６を備えることにより、ケース３に導電性のケース、例えば鉄製やステンレス製のケースを用いてもリーク電流の発生を防止することができる。
また、絶縁性フィルム３６を熱収縮させ、絶縁性フィルム３６を正極接続端子６、負極接続端子７、発電要素１、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１に密着させてもよい。このことにより正極接続端子６、負極接続端子７、発電要素１、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１を一体化することができるため、発電要素１の振動による揺れを抑制することができる。また、絶縁性フィルム３６を熱収縮させることにより正極弾性部材１０を絶縁性フィルム３６と正極接続端子６または発電要素１との間で押圧状態とすることができるので、正極接続端子６の揺れを抑制、防止することができ、また発電要素１の移動、振動を抑制、防止することができる。また、同様に負極弾性部材１１を絶縁性フィルム３６と負極接続端子７または発電要素１との間で押圧状態とすることができるので、負極接続端子７の揺れを抑制、防止することができ、また発電要素１の移動、振動を抑制、防止することができる。このことにより本実施形態の二次電池２０をより振動、外部衝撃に強い構造とすることができる。
また、絶縁性フィルム３６を熱収縮させ絶縁性フィルム３６を発電要素１に密着させることにより、発電要素１に含まれる正極シート３０と負極シート３１の間の距離がほとんど変化しないようにすることができる。このことにより、二次電池２０の性能を安定化することができる。
絶縁性フィルム３６の材料は、絶縁物質からなるフィルムで熱収縮するものであれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製のフィルムである。
絶縁性フィルム３６の形状は、発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１とケース３との間に配置することができれば特に限定されないが、例えば、袋形状、筒形状などである。
絶縁性フィルム３６の材料は、絶縁物質からなるフィルムで熱収縮するものであれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製のフィルムである。
絶縁性フィルム３６の形状は、発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１とケース３との間に配置することができれば特に限定されないが、例えば、袋形状、筒形状などである。
１−１１．電解液
電解液は、二次電池２０の電池反応に関与する電解質を含んだ溶液であれば特に限定されない。例えば二次電池２０がリチウムイオン二次電池の場合、電解質としてリチウム塩溶質を有機溶媒に溶解した溶液を用いることができる。
電解液は、二次電池２０の電池反応に関与する電解質を含んだ溶液であれば特に限定されない。例えば二次電池２０がリチウムイオン二次電池の場合、電解質としてリチウム塩溶質を有機溶媒に溶解した溶液を用いることができる。
２．二次電池作製実験
次に本発明の二次電池作製実験について説明する。
次に本発明の二次電池作製実験について説明する。
２−１．発電要素の形成
正極集電体２２および正極集電体２２上に設けられた正極活物質層２５を備える２３枚の正極シート３０並びに負極集電体２３および負極集電体２３上に設けられた負極活物質層２６を備える２４枚の負極シート３１をセパレータ３３を介して交互に配置しスタック構造の発電要素１を形成した。
正極集電体２２には、アルミニウム箔を用い、負極集電体２３には、銅箔を用いた。アルミニウム箔または銅箔は約８ｃｍ×約１５ｃｍのものを用いた。また、正極活物質にはリン酸鉄リチウムを用い、負極活物質にはグラファイトを用い、導電剤、結着剤と混合したものを塗布することにより正極活物質層および負極活物質層を形成した。また、セパレータ３３には、ポリオレフィン系樹脂のものを用いた。また、複数の正極集電体２２を束ねることにより導電させた。また、複数の負極集電体２３を束ねることにより導電させた。
また、同様の発電要素１をさらに３つ形成し、合計４つの発電要素１を形成した。
正極集電体２２および正極集電体２２上に設けられた正極活物質層２５を備える２３枚の正極シート３０並びに負極集電体２３および負極集電体２３上に設けられた負極活物質層２６を備える２４枚の負極シート３１をセパレータ３３を介して交互に配置しスタック構造の発電要素１を形成した。
正極集電体２２には、アルミニウム箔を用い、負極集電体２３には、銅箔を用いた。アルミニウム箔または銅箔は約８ｃｍ×約１５ｃｍのものを用いた。また、正極活物質にはリン酸鉄リチウムを用い、負極活物質にはグラファイトを用い、導電剤、結着剤と混合したものを塗布することにより正極活物質層および負極活物質層を形成した。また、セパレータ３３には、ポリオレフィン系樹脂のものを用いた。また、複数の正極集電体２２を束ねることにより導電させた。また、複数の負極集電体２３を束ねることにより導電させた。
また、同様の発電要素１をさらに３つ形成し、合計４つの発電要素１を形成した。
２−２．発電要素の接続端子への接続
２つの正極接続端子６および２つの負極接続端子７を備えた蓋部材４の正極接続端子６に、作製した４つの発電要素１の束ねた正極集電体２２をそれぞれ超音波溶接により接合した。また、負極接続端子７に作製した４つの発電要素１の束ねた負極集電体２３をそれぞれ超音波溶接により接合した。なお、蓋部材４は、ステンレス製で角の丸い長方形のもの（約４ｃｍ×約１７ｃｍ）を用いた。また、蓋部材４の縁は、図１のように ９０度の折り曲げ部を形成したものを用いた。また、正極接続端子６は、アルミニウム板をコ字型に加工したものが２つ蓋部材４に固定されたものを用いた。また、負極接続端子７は、銅板をコ字型に加工したものが２つ蓋部材４に固定されたものを用いた。正極接続端子６および負極接続端子７の蓋部材４の下部からの長さは約８５ｍｍのものを用いた。
また、コ字型の正極接続端子６の対向する部分の外側にそれぞれ異なる発電要素１の正極集電体２２を超音波溶接により接合した。また、コ字型の負極接続端子７の対向する部分の外側にそれぞれ異なる発電要素１の負極集電体２３を超音波溶接により接合した。
２つの正極接続端子６および２つの負極接続端子７を備えた蓋部材４の正極接続端子６に、作製した４つの発電要素１の束ねた正極集電体２２をそれぞれ超音波溶接により接合した。また、負極接続端子７に作製した４つの発電要素１の束ねた負極集電体２３をそれぞれ超音波溶接により接合した。なお、蓋部材４は、ステンレス製で角の丸い長方形のもの（約４ｃｍ×約１７ｃｍ）を用いた。また、蓋部材４の縁は、図１のように ９０度の折り曲げ部を形成したものを用いた。また、正極接続端子６は、アルミニウム板をコ字型に加工したものが２つ蓋部材４に固定されたものを用いた。また、負極接続端子７は、銅板をコ字型に加工したものが２つ蓋部材４に固定されたものを用いた。正極接続端子６および負極接続端子７の蓋部材４の下部からの長さは約８５ｍｍのものを用いた。
また、コ字型の正極接続端子６の対向する部分の外側にそれぞれ異なる発電要素１の正極集電体２２を超音波溶接により接合した。また、コ字型の負極接続端子７の対向する部分の外側にそれぞれ異なる発電要素１の負極集電体２３を超音波溶接により接合した。
２−３．弾性部材の設置
正極弾性部材１０を２つの正極接続端子６の間に押し込むことにより設置し、他の２つの正極弾性部材１０を図３のように正極弾性部材１０と正極接続端子６が交互に配置されるように設置した。また、負極弾性部材１１を２つの負極接続端子７の間に押し込むことにより設置し、他の２つの負極弾性部材１１を図３のように負極弾性部材と負極接続端子が交互に配置されるように設置した。
なお、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、発泡ポリエチレンで、２５％圧縮したとき５０ｋＰａの応力が発生するものを用いた。
正極弾性部材１０を２つの正極接続端子６の間に押し込むことにより設置し、他の２つの正極弾性部材１０を図３のように正極弾性部材１０と正極接続端子６が交互に配置されるように設置した。また、負極弾性部材１１を２つの負極接続端子７の間に押し込むことにより設置し、他の２つの負極弾性部材１１を図３のように負極弾性部材と負極接続端子が交互に配置されるように設置した。
なお、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１は、発泡ポリエチレンで、２５％圧縮したとき５０ｋＰａの応力が発生するものを用いた。
２−４．絶縁性フィルムの熱収縮
発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１を筒状のポリプロピレン製の絶縁性フィルム３６（約１０ｃｍ×約４４ｃｍ）の中に入れ、絶縁性フィルム３６を１５０℃で熱収縮させ、絶縁性フィルム３６を発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１に密着させた。
発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１を筒状のポリプロピレン製の絶縁性フィルム３６（約１０ｃｍ×約４４ｃｍ）の中に入れ、絶縁性フィルム３６を１５０℃で熱収縮させ、絶縁性フィルム３６を発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１に密着させた。
２−５．発電要素などのケースへの収容
絶縁性フィルム３６を密着させた発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１をケース３に収容し、蓋部材４をケース３の開口に嵌めた。
なお、ケース３は、開口を有し、開口に対向する部分である底に平らな部分を有するものを用いた（長さ：約４ｃｍ×幅：約１７ｃｍ×深さ：約９８ｍｍ）。また、ケース３は、蓋部材４の大きさと実質的に同一でありかつ蓋部材４を嵌めることができる開口があるものを用いた。
絶縁性フィルム３６を密着させた発電要素１、正極接続端子６、負極接続端子７、正極弾性部材１０および負極弾性部材１１をケース３に収容し、蓋部材４をケース３の開口に嵌めた。
なお、ケース３は、開口を有し、開口に対向する部分である底に平らな部分を有するものを用いた（長さ：約４ｃｍ×幅：約１７ｃｍ×深さ：約９８ｍｍ）。また、ケース３は、蓋部材４の大きさと実質的に同一でありかつ蓋部材４を嵌めることができる開口があるものを用いた。
２−６．溶接
ケース３の開口の周りの端と蓋部材４の縁を接合部１７でレーザ溶接することにより接合した。
ケース３の開口の周りの端と蓋部材４の縁を接合部１７でレーザ溶接することにより接合した。
２−７．電解液の注入
ケース３の電解液注入口から６フッ化リン酸リチウムを塩としたエチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの混合溶液を注入し、電解液注入口をふさぐことにより、リチウム二次電池を得た。
ケース３の電解液注入口から６フッ化リン酸リチウムを塩としたエチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの混合溶液を注入し、電解液注入口をふさぐことにより、リチウム二次電池を得た。
３．振動実験
上記の二次電池作製実験で得られた３個のリチウム二次電池、および比較例として正極弾性部材および負極弾性部材を備えていない以外は上記のリチウム二次電池と同じ３個のリチウム二次電池について振動実験を行った。５〜２００Ｈｚ、印加加速度１Ｇの振動をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に印加し合計９時間の振動実験を行った。
上記の二次電池作製実験で得られた３個のリチウム二次電池では、振動実験後も良好な電気的特性が確認された。また、比較例のリチウム二次電池では、振動実験後に３個中２個に通電不良が発生した。
この実験により、本発明に係るリチウム二次電池が振動に強い構造を有することが確かめられた。
上記の二次電池作製実験で得られた３個のリチウム二次電池、および比較例として正極弾性部材および負極弾性部材を備えていない以外は上記のリチウム二次電池と同じ３個のリチウム二次電池について振動実験を行った。５〜２００Ｈｚ、印加加速度１Ｇの振動をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に印加し合計９時間の振動実験を行った。
上記の二次電池作製実験で得られた３個のリチウム二次電池では、振動実験後も良好な電気的特性が確認された。また、比較例のリチウム二次電池では、振動実験後に３個中２個に通電不良が発生した。
この実験により、本発明に係るリチウム二次電池が振動に強い構造を有することが確かめられた。
１： 発電要素 ３：ケース ４：蓋部材 ６：正極接続端子 ７：負極接続端子 １０：正極弾性部材 １１：負極弾性部材 １４：正極外部接続端子 １５：負極外部接続端子 １７：接合部 ２０：二次電池 ２２：正極集電体 ２３：負極集電体 ２５：正極活物質層 ２６：負極活物質層 ３０：正極シート ３１：負極シート ３３：セパレータ ３６：絶縁性フィルム
Claims (6)
- 開口があるケースの前記開口の周りの部分に蓋部材が接合されかつ前記ケースの内部にスタック構造の発電要素、正極接続端子、負極接続端子、正極弾性部材、負極弾性部材および電解液を有し、
前記ケースは、前記開口と平行な方形状の断面を有し、
前記正極接続端子および前記負極接続端子は、それぞれコ字形状の断面を有する細長い形状の金属板を有し、
前記発電要素は、セパレータを介して交互に配置された正極シートおよび負極シートを有し、
前記正極シートは、前記正極接続端子の前記細長い形状の金属板の外側面に接合された正極集電体および前記正極集電体の上に設けられた正極活物質層を備え、
前記負極シートは、前記負極接続端子の前記細長い形状の金属板の外側面に接合された負極集電体および前記負極集電体の上に設けられた負極活物質層を備え、
前記正極接続端子は、前記蓋部材に固定されかつ前記正極弾性部材に挟持され、
前記負極接続端子は、前記蓋部材に固定されかつ前記負極弾性部材に挟持され、
前記発電要素は、前記正極弾性部材と前記負極弾性部材との間に挟持され、
前記正極弾性部材は、前記正極集電体の前記外側面に接合した部分および前記発電要素の両方に接するように配置され、
前記負極弾性部材は、前記負極集電体の前記外側面に接合した部分および前記発電要素の両方に接するように配置された二次電池。 - 前記正極接続端子および該正極接続端子を挟持した前記正極弾性部材は、前記ケースの対向する部分の間に挟持され、
前記負極接続端子および該負極接続端子を挟持した前記負極弾性部材は、前記ケースの対向する部分の間に挟持された請求項１に記載の二次電池。 - 前記発電要素、前記正極接続端子、前記負極接続端子、前記正極弾性部材および前記負極弾性部材と前記ケースとの間に設けられかつ熱収縮させた絶縁性フィルムをさらに備え、
前記正極弾性部材または前記負極弾性部材は、前記発電要素と前記絶縁性フィルムとの間に挟持された請求項１または２に記載の二次電池。 - 前記正極接続端子および前記負極接続端子は複数であり、
前記発電要素は複数であり、
前記正極弾性部材および前記負極弾性部材は、複数であり、
前記正極接続端子と前記正極弾性部材は、交互に配置され、
前記負極接続端子と前記負極弾性部材は、交互に配置された請求項１〜３のいずれか１つに記載の二次電池。 - 前記正極弾性部材および前記負極弾性部材は、２５％圧縮したときに１０〜４００ｋＰａの応力が発生する請求項１〜４のいずれか１つに記載の二次電池。
- 前記正極接続端子および前記負極接続端子は、それぞれ前記蓋部材とほぼ直交する方向に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の二次電池。
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