JP5680480B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池として好適な電池に係り、詳しくは、発電要素の両端に装備される集電体を有する電池に関するものである。

この種の電池としては、特許文献１において示される非水電解質二次電池が知られている。これは、帯状の正極（５）と帯状の負極（６）とを一対のセパレータ（７），（７）を介しての絶縁状態で渦巻状に巻回するとともに押し潰すように屈曲形成して、上下向きの渦巻軸心方向視で角丸直方形を呈する発電要素が開示されている（特許文献１の図８等参照）。この場合の集電体（１０）は、各極の未塗布部（４）が複数（５箇所）に分配された各積層束（電極の端縁部）に対応させて受け入れる複数の溝を持つ金属部材で構成されている。そして、各積層束と集電体（１０）とはレーザー溶接を用いて溶接させる（特許文献１の図９等参照）と記載されている。

そして、引用文献２に示されるように、渦巻中心が左右向き（横向き）姿勢となる発電要素と、その左右両端に配備される正負の集電体とを有する構造の非水電解質二次電池も開発されて来ている。この電池では、発電要素の左右端に先端が分岐した二股状の一対の集電体が配備されていることは理解できる。しかしながら、発電要素に関しては仮想線にてその配置が示される程度の開示しかなく、横向きに突設される多数の正負の極箔と集電体とをどのように導通接合するか、即ち、極箔と集電体との接合構造に関しては何ら開示していない。

上述のような電池の使われ方としては、近年、自動車などの走行車両に搭載される場合も多くなってきている。この場合、特許文献１のように、発電要素と集電体とを単にレーザー溶接して接合するだけでは、集電体やそこに接合される極箔が容易に振動されるようになり、その振動が続けられることによって亀裂が入るなど、早期に損傷し易いことが予測される。そのため、良好な耐振性を備えた電池の開発が急務となってきている。

特開平１０−１０６５３６号公報 特開２０１０−２７２３２４号公報

本発明の目的は、渦巻状の発電要素における複数の極箔と集電体とを耐振性を有する状態で導通接合させる構造を開発し、走行車両にも好適に使用できるように改善された電池を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、電池において、正及び負の各極箔７，８とそれら両者７，８間に設けられる絶縁用のセパレータ９とを渦巻状に巻回して渦巻軸心Ｐ方向視で角丸長方形を呈するように形成される発電要素１と、前記発電要素１の前記渦巻軸心Ｐ方向での両側に振り分けて配備される正負一対の集電体２，３とを有し、
前記正負一対の集電体２，３は、前記渦巻軸心Ｐに沿う方向に拡がる面を備える対極板状部２Ａ，３Ａと、前記渦巻軸心Ｐと交差する方向で、かつ、前記発電要素１の厚み方向と交差する方向に拡がる面を備えて前記対極板状部２Ａ，３Ａの前記渦巻軸心Ｐと交差する方向で、かつ、前記発電要素１の厚み方向と交差する方向の両側それぞれに配備される主板状部２Ｂ，３Ｂとを有しており、
前記発電要素１の径内外に配置される前記正及び負の各極箔７，８の端部７Ａ，８Ａどうしの複数と前記対極板状部２Ａ，３Ａとが導通接合されるとともに、前記正負一対の集電体２，３間にて前記主板状部２Ｂ，３Ｂどうしに亘る状態の支え部材２５が、前記発電要素１の径内側の空隙１Ｓを通して配備され、
絶縁性を備える材料でなる前記支え部材２５は、前記対極板状部の前記両側の前記主板状部２Ｂ，３Ｂのそれぞれに亘る状態のものに構成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電池において、前記支え部材２５が、前記空隙１Ｓに配置される支え本体部２６と、前記集電体２，３毎の前記主板状部２Ｂ，３Ｂに当接する作用端部２７と、を備えて形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の電池において、前記支え部材２５が、扁平な板材を用いて構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項１に記載の電池において、前記支え部材２５が、横倒しＨ状の外郭形状を呈する状態に形成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて述べるが、一対の集電体間に配備される支え部材の存在により、各集電体が互いの存在方向に移動することが抑制又は防止されるようになる。支え部材は、これに面で向かいあう主板状部に当接する構造とされているから、多少の寸法誤差や製品誤差があっても、前記の移動抑制又は防止効果をより確実に発揮させることができる。従って、集電体の移動や振動が抑制又は防止されるので、対極板状部に接合される極箔が渦巻軸心方向に繰り返し移動したり振動したりすることが軽減又は解消され、極箔の早期の亀裂や破断が防止可能となり、耐久性や信頼性に優れるように改善される。

しかもそのための手段である支え部材は、発電要素の径内側の空隙を通して配備されるので、発電要素の体積を削ることや発電要素と電池ケースとの間に専用の配置スペースを設けることなく、従って電池容量を維持したまま支え部材を配置することができる、という合理性に優れる構造が実現されている。その結果、渦巻状の発電要素における複数の極箔と集電体とを耐振性を有する状態で導通接合させる構造が可能となり、走行車両にも好適に使用できるように改善された電池を提供することができる。

請求項１の発明によれば、支え部材は、対極板状部の両側それぞれの主板状部に当接して支え作用可能なものとなり、何れか一方の主板状部にのみ作用する場合に比べて、より確実でより効果的に支え部材で集電体の振動防止が行える電池を提供することができる。この場合、請求項４のように、横倒しＨ状の外郭形状を呈する支え部材とするのが合理的である。

請求項２の発明によれば、主板状部に当接して集電体を支え作用可能な作用端部と、空隙に配置される支え本体部とによる構造簡単な支え部材としながら、請求項１の発明による前記効果を奏することができる。

請求項３の発明によれば、扁平な板材を用いて支え部材が構成されているので、角丸長方形を呈する発電要素に形成される扁平な空隙にすんなり通すことができ、組付けも行い易いものとしながら請求項１や２の発明による前記効果を奏することができる。

リチウムイオン二次電池を示す一部切欠きの正面図 リチウムイオン二次電池要部の構造を示す側面図 集電体及び支え部材周辺の構造を示す一部切欠きの正面図 一方の接合部と支え部材を示す図３のａ−ａ線断面図 集電体と支え部材との関係構造を示す要部の斜視図 発電要素の構造を示す斜視図

以下に、本発明による電池の実施の形態を、非水電解質二次電池として代表的なリチウムイオン二次電池に適用した場合について図面を参照しながら説明する。以下、一対の集電体２，３やその構造に関しては、基本的に一方（負極側）の説明のみとし、他方（正極側）には対応する符号を付して、その説明が為されたものとする。なお、図５は、発電要素を省略して、一対の集電体と支え部材との関係のみを示す図としてある。

〔実施例１〕
図１，図２に、実施例１によるリチウムイオン二次電池Ａが示されている。このリチウムイオン二次電池Ａは、発電要素１と、一対の集電体２，３と、電解液（図示省略）とを、アルミ合金やステンレス合金などの硬質板製電池ケース４に収容して成る扁平な縦向き角型のものに構成されている。電池ケース４の天板４Ａには、各集電体２，３に導通接続される正負の電極部５，６が設けられている。電池ケース４は、無蓋箱状の本体ケース部４Ｂと、天板４Ａとをレーザー溶接などによって溶接一体化されて構成されている。なお、図示は省略するが、発電要素１及び一対の集電体２，３と電池ケース４との間には、これら発電要素１及び各集電体２，３を収容する合成樹脂製袋状体などの絶縁材が配備されている。

発電要素１は、図２、図５，図６に示すように、正及び負の各極箔７，８とそれら両者７，８間に設けられる絶縁材で二枚のセパレータ９，９とを渦巻状に巻回して渦巻軸心Ｐ方向視で角丸長方形を呈するものに形成されている。正極箔７は、正極活物質が塗布された帯状でアルミ箔製のものであり、負極箔８は、負極活物質が塗布された帯状で銅箔製のものである。４枚積層体構造の発電要素１においては、正極箔７と負極箔８とが軸心Ｐ方向で互いに異なる方向にずらされた状態で交互に積層されている。

正負の極箔７，８の渦巻軸心Ｐ方向で互いに反対となる各端には、活物質の未塗布部としてアルミ箔や銅箔を露出させた端部７Ａ，８Ａが形成されている。各端部７Ａ，８Ａにおける渦巻軸心Ｐの径方向で内外に配列される直線部分７ａ，８ａ（図１では縦向きに現れる）は、それらの多数を束ねて積層された状態で集電体２，３の対極板状部２Ａ，３Ａに導通接合されている。なお、図面理解上、図２においては、正負の各極箔７，８とセパレータ９との間隔を意図的に拡大して描いてある。

実施例１の電池Ａにおける発電要素１は、その渦巻軸心Ｐ方向に直交する一方向である前後方向（矢印イ方向）に薄く、かつ、渦巻軸心Ｐ方向及び前後方向の双方に直交する他方向である上下方向（矢印ロ方向）に長い扁平な角丸直方形を呈するものに形成されている。そして、複数の端部７Ａ，８Ａとして上下方向（矢印ロ方向）に沿う直線部分７ａ，８ａが選択されている、という構成のものである。

正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出する公知の材料が可能であり、例えば、ＬｉＣｏＯ₂や前記Ｃｏの一部がＮｉ，Ｍｎその他の遷移金属或いはホウ素で置換されたα−ＮａＦｅＯ₂構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄に代表されるスピネル型結晶構造を有する化合物、ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＦｅＳＯ₄、或は前記Ｆｅの一部がＣｏ、Ｍｎ等で置換されたポリアニオン型化合物等を用いることが可能である。

アルミ又はアルミ合金製の正極集電体２と、銅又は銅合金製の負極集電体３とは互いに同じ構造を有しており、片方の集電体３で説明する。即ち、図２，図３に示すように、集電体３は、天板４Ａに係止される水平上部１１と、その端から折り曲げられて垂下される縦集電部１２とから成る正面視で略Ｌ字形状を為す部品である。水平上部１１は、その内側端部に形成される孔（符記省略）を用いる金属材製のリベット２２を介して電極部６に導通接続されており、縦集電部１２は、その上下中間部に並列形成される一対の対極板状部３Ａ，３Ａを介して負の極箔８に導通接続されている。対極板状部３Ａ，３Ａの上下の各部分は主板状部３Ｂと呼ぶものとする。

対極板状部３Ａ，３Ａは、発電要素１の厚み方向（矢印イ方向）に適宜の間隔をあけて、かつ、縦集電部１２から垂直で内向き（渦巻軸心Ｐ方向）に突設する状態で一対形成されている。渦巻軸心Ｐに沿う板状の各対極板状部２Ａ，３Ａは、その両側（上下側）には適宜の角度が付いて折れ曲るような補強板部２ａ，３ａが形成されている。また、縦集電部１２は、各対極板状部３Ａの両側に、補強板部２ａ，３ａを一体的に有する三角板状部２３が、孔部２４を介して前後方向（矢印イ方向）で並ぶ形状に形成されている。

正負の電極部５，６は互いに同じ構造であり、一方の電極部６について説明する。水平上部１１は断面下向きコ字状を呈する合成樹脂製の第１絶縁部材１４を介して天板４Ａの下面４ｕに面当接されている。合成樹脂製の第２絶縁部材１５で外囲される状態のリベット２２は、その筒状下部２２ａが天板４Ａの丸孔（符記省略）及び第１絶縁部材１４の丸孔（符記省略）に落とし込み挿通され、その下端部の潰しによる加締め（カシメ）により、水平上部１１に導通接続される。つまり、水平上部１１は、絶縁ガスケットでもある第２絶縁部材１５と第１絶縁部材１４とを伴う状態で筒状下部２２ａを用いての絶縁状態で天板４Ａに加締め装備（係止）されている。なお、正極のリベット２１はアルミ製であり、負極のリベット２２は銅製である。

リベット２２の四角本体部２２ｂの上側には円柱上部２２ｃが形成されており、その上端部の潰しによる加締め（カシメ）により、円柱上部２２ｃに通されている金属板製の導通板１６が導通接続状態で係止されている。導通板１６の内側部位に形成されている丸孔（符記省略）には、有底無蓋状で合成樹脂製の第３絶縁部材１７に四角基部１８ａが収容される状態の電極ボルト１８が係止されている。つまり、電極ボルト１８は、円柱上部２２ｃに加締め装備される導通板１６に支持されている。

主に片方の集電体３を用いて接合部１０（集電構造）について説明する。図１〜図４に示すように、極箔８の端部８Ａの多数（複数の一例）と、集電体３の対極板状部３Ａとが、板状の金属材製のクリップ２０と対極板状部３Ａとの間に多数の端部８Ａ、即ち極箔８Ａ群が積層されて介装される状態で超音波溶接されている。つまり、接合部１０は、極箔７，８と集電体２，３とが超音波溶接によって接合されている箇所を指す。なお、正極のクリップ１９はアルミ製であり、負極のクリップ２０は銅製である。

次に、支え部材２５について説明する。リチウムイオン二次電池Ａは、電極部５，６が上部に配備される二次電池である。集電体２，３は、電気の取出し口でもあるリベット２１，２２で水平上部１１を天板４Ａにカシメての片持ち支持状態で固定されるとともに、縦集電部１２を用いて発電要素１を電池ケース４の内部にて吊下げ支持している。集電体２，３は、前述の特許文献２にて開示されるように、上部のみ支持させる構造のものや、図１，５などにて示す実施例１のように、集電体下端を電池ケース４の底面に接地させて両持ち支持構造に近づけたようにされたものもある。いずれの構造でも、基本的には上部のみ固定されて片持ち支持される一対の集電体２，３を用いて、発電要素１をその両側から支持する構造となっている。

そのため、横方向（特に、集電体２，３の面に直交する方向である渦巻軸心Ｐ方向）の振動に対しては支えて耐える構造物は電池ケース４以外には無く、集電体２，３は発電要素１に引きずられて互いの存在方向には移動（変位）し易い傾向がある。集電体２，３が容易に移動すると、発電要素１における極箔７，８の端部７Ａ，８Ａを繰り返し変形させ、極箔７，８（特に、端部７Ａ，８Ａ）の亀裂や破断を引き起こす原因となりうる。これは、自動車などの振動の多い箇所へ設ける場合には大変都合が悪く、要改善課題となる。その不都合を改善することができるのが支え部材２５であり、次に説明する。

本発明によるリチウムイオン二次電池Ａにおいては、発電要素１の径内側である中心の空隙１Ｓに配備される支え部材２５により、一対の集電体２，３が左右方向（渦巻軸心Ｐ方向）に振れ動かないように支えられた状態で装備されている。即ち、例えば、図１〜図５に示すように、正面視で横倒しＨ形状を呈する支え部材２５を発電要素１の空隙１Ｓを通して一対の集電体２，３の間に丁度嵌り込む状態で配置することにより、集電体２，３の振動を防止する構造が構成されている。なお、図５においては、各集電体２，３の下端部には、周辺部との隙間を埋めて緩衝作用を発揮可能な合成樹脂製の緩衝袋２８が被せ装備された状態として描いてある。

発電要素１の中心には、渦巻軸心Ｐを含む上下に長く前後が極く短い扁平な空隙１Ｓが存在しており（図６参照）、その本来的に存在する空隙１Ｓを有効利用する考えにより、専用の配置空間を設けることなく、板材で成る支え部材２５を無理なく集電体２，３間に配置できている。つまり、上下の主板状部２Ｂ，３Ｂどうしに亘る状態の支え部材２５が、発電要素１の径内側に形成される空隙１Ｓを通して一対の集電体２，３間に配備されている。支え部材２５の上下幅寸法を、空隙１Ｓの上下寸法より僅かに小となるようにして、空隙１Ｓに挿入された状態の支え部材２５が上下方向には殆どズレ動けないように設定すれば好都合である。支え部材２５は、絶縁に優れる合成樹脂板が望ましいが、絶縁性を備えた材料であれば、それ以外でも良い。

集電体２，３は、複数の極箔７，８と並列に積層配備すべく渦巻軸心Ｐに沿う方向に拡がる面を有する対極板状部２Ａ，３Ａと、この対極板状部２Ａ，３Ａの両側に位置して渦巻軸心Ｐと直交（交差の一例）する方向に拡がる面を有する上下の主板状部２Ｂ，３Ｂとを有している。つまり、正極で説明すれば、前後一対の対極板状部２Ａ，２Ａとその上下の主板状部２Ｂ，２Ｂとで縦集電部１２が形成されている。

支え部材２５は、空隙１Ｓに配置される支え本体部２６と、両主板状部２Ｂ，３Ｂに支え作用する計４箇所の作用端部２７とを備えて、正面視で横倒しＨ状の外郭形状を呈する状態に形成されている。つまり、支え部材２５は、計４箇所の作用端部２７の先端面（符記省略）が、対応する上下の各主板状部２Ｂ，３Ｂに当接可能であり、集電体２，３に対して支え作用できる状態に構成されている。支え部材２５の左右幅寸法の一例としては、電池Ａとしての組立状態における左右の主板状部２Ｂ，３Ｂ間の寸法に等しく設定することが挙げられるが、その寸法より僅かに長い又は短くても良い。

各集電体２，３は、水平上部１１のみが固定支持される片持ち支持状態で設けられており、自動車などの走行車両に非水電解質二次電池Ａが搭載されて使用される場合には、走行振動やエンジン振動などの各種振動によって振動し易い状況にある。特にリベット２１，２２による支持箇所から最も遠い下側の主板状部２Ｂ，３Ｂは振れ動き易い。従って、集電体２，３が振動し続けると、接合されている多数の極箔７，８（端部７Ａ，８Ａ）が繰り返し変形し、極箔７，８の破断や亀裂といった不具合に発展する原因となりうる。

そこで、上下双方の主板状部２Ｂ，３Ｂに亘る状態で両集電体２，３間に配備される支え部材２５を設けたので、集電体２，３における振れ動き易い下端側部分（リベット２１，２２での支持箇所からみた先端側部分）の電池内側方向への移動も抑制又は防止されるようになる。また、電池外側への移動は、電池ケース４並びにその内側に配備される絶縁袋の存在により、もともと殆ど不可となっているので、支え部材２５の配備により、上下の各主板状部２Ｂ，３Ｂの板面に交差する方向（軸心Ｐ方向）への移動や振れ（振動）がまず生じないように規制することができる。

つまり、板厚の増加やリブ設けるといった集電体２，３自体の強度向上を必要とすることなく、集電体２，３が動き難いように補強された状態とすることができる。故に、薄く軽い集電体２，３としながらも強度補強され、かつ、極箔７，８の振動も軽減又は解消されるので、極箔７，８の早期の亀裂や破断といった不具合が生じないようにすることができ、耐久性や信頼性に優れる電池に改善されている。そして、集電体２，３を補強する支え部材２５は、もともと死空間であった空隙１Ｓに挿入して配備されるので、空間を有効利用して発電要素１の体積を削ることなく、即ち電池容量を維持したまま配置できる、という合理性に優れる構造が実現できている。

発電要素１を吊下げ支持してその重量が作用する集電体２，３は、片持ち梁的な構造で支持されていてその先端側ほど移動し易いもの、即ち渦巻軸心Ｐ方向に撓み易いものとなっている。本発明の支え部材２５を設けることにより、集電体２，３の撓みを、その荷重の掛かるほぼ同軸上で支持する構造とすることができ、片持ち梁としての軸方向圧縮に類似する剛性の高い系とすることで解消させることができている。

〔別実施例〕
支え部材２５としては、上側の主板状部２Ｂ，３Ｂに作用する上側の作用端部２７の一対のみを備えたものや、下側の主板状部２Ｂ，３Ｂに作用する下側の作用端部２７の一対のみを備えた構造のものでも良い。実施例１においては、上下の作用端部２７，２７の間は主板状部２Ｂ，３Ｂに支え作用できず不要であることからその部分を省略して横倒しＨ形状の支え部材２５とされているが、４箇所の作用端部２７を４隅とするシンプルな矩形（長方形）形状の板材で構成することも可能であるし、支え本体部２６に軽減孔を設ける構造も可能である。また、集電体２，３としては、下側の主板状部２Ｂ，３Ｂが省略されたものでも良く、その場合には少なくとも一対の上側の作用端部２７，２７を備える支え部材２５を用いると良い。

支え部材２５としては、支え本体部２６が、扁平な空隙１Ｓの両端側に位置する一対の棒状体や剛性板状体で形成されたものに構成することも可能であり、また、渦巻軸心Ｐが上下向きの発電要素を有する電池に本発明を適用することも可能である。さらに、支え部材２５と集電体２，３との間にゴムなどの弾性材を介装して、集電体２，３と支え部材２５とを常時弾性当接させるとか、軽く押圧させる構成を採ることも可能である。

１ 発電要素
１Ｓ 空隙
２ 正の集電体
２Ａ 対極板状部
２Ｂ 主板状部
３ 負の集電体
３Ａ 対極板状部
３Ｂ 主板状部
７ 正の極箔
７Ａ 端部
８ 負の極箔
８Ａ 端部
９ セパレータ
２５ 支え部材
２６ 支え本体部
２７ 作用端部
Ｐ 渦巻軸心

Claims (4)

1. 正及び負の各極箔とそれら両者間に設けられる絶縁用のセパレータとを渦巻状に巻回して渦巻軸心方向視で角丸長方形を呈するように形成される発電要素と、前記発電要素の前記渦巻軸心方向での両側に振り分けて配備される正負一対の集電体とを有し、
   前記正負一対の集電体は、前記渦巻軸心に沿う方向に拡がる面を備える対極板状部と、前記渦巻軸心と交差する方向で、かつ、前記発電要素の厚み方向と交差する方向に拡がる面を備えて前記対極板状部の前記渦巻軸心と交差する方向で、かつ、前記発電要素の厚み方向と交差する方向の両側それぞれに配備される主板状部とを有しており、
   前記発電要素の径内外に配置される前記正及び負の各極箔の端部どうしの複数と前記対極板状部とが導通接合されるとともに、前記正負一対の集電体間にて前記主板状部どうしに亘る状態の支え部材が、前記発電要素の径内側の空隙を通して配備され、
   絶縁性を備える材料でなる前記支え部材は、前記対極板状部の前記両側の前記主板状部のそれぞれに亘る状態のものに構成されている電池。
2. 前記支え部材が、前記空隙に配置される支え本体部と、前記集電体毎の前記主板状部に当接する作用端部と、を備えて形成されている請求項１に記載の電池。
3. 前記支え部材が、扁平な板材を用いて構成されている請求項１又は２に記載の電池。
4. 前記支え部材が、横倒しＨ状の外郭形状を呈する状態に形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の電池。

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