JP5691778B2

JP5691778B2 - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP5691778B2
Application number: JP2011090574A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　丈; 丈佐々木
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: JP2012226840A

Description

本発明は、隔壁にて区画された複数の電槽を備える樹脂製の本体部と、その本体部の開放面を覆う樹脂製の蓋部とを備えるモノブロック電槽を有する非水電解質二次電池に関する。

かかる非水電解質二次電池は、隔壁にて区画された複数の電槽を備える樹脂製のモノブロック電槽を有するもので、電槽を樹脂により形成することで、複数のセルの電槽を一体化して、複数のセルを高密度に実装することができ、大幅な部品点数の削減や軽量化を実現できる利点を有する。更には、金属製の電槽を用いる場合に比べて、電槽内に収納される発電要素等が変位して電槽の壁面に接触しても、短絡故障が発生してしまうことがない。

実開平６−７０１５２号公報

しかしながら、従来の樹脂製のモノブロック電槽を使用した非水電解質二次電池では、それの製造工程における加熱処理が、電槽内に配置される発電要素等の部品に悪影響を与えてしまう場合があった。
すなわち、樹脂製のモノブロック電槽を使用した非水電解質二次電池は、それの製造工程において、隣接する電槽間で電解液同士が混じり合ってしまうのを確実に回避するために、隣接する電槽間の隔壁部分でモノブロック電槽の本体部と蓋部とを熱溶着して、電解液の往来を確実に遮断する処理が行われている。
この加熱処理によって影響を受けうるものとしては、例えば発電要素の構成部品であるセパレータがある。
上記加熱処理でセパレータが過熱されてしまうと、セパレータのシャットダウン機能が阻害されてしまう場合がある。
セパレータは、実使用時において電池温度が過度に上昇すると、セパレータ内の空隙が狭まり、イオン等の流動を阻止して、電池動作を停止させるように機能するのであるが、製造時にセパレータに過大な熱が加わってしまうと、上記のようなセパレータの変形動作がうまく機能しなくなる場合がある。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、樹脂製のモノブロック電槽を使用した非水電解質二次電池において、製造工程における加熱処理による弊害を回避できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、隔壁にて区画された複数の電槽を備える樹脂製の本体部と、その本体部の開放面を覆う樹脂製の蓋部とを備えるモノブロック電槽を有する非水電解質二次電池において、前記隔壁の前記開放面側に、前記蓋部側に突出する形状の突出部が形成され、前記突出部において、前記蓋部と前記隔壁とが互いに溶着され、前記モノブロック電槽は、金属製のケースに収納されている。
すなわち、蓋部側に突出する形状の突出部に対して加熱作用して、蓋部と本体部の隔壁とを溶着し、隣接する電槽間で電解液が往来するのを遮断するので、加熱作用する位置と電槽との距離がそれだけ長くなり、加熱処理の影響が電槽内に及んでしまうのを抑制できる。

又、非水電解質二次電池の電池筐体を樹脂材料のみによって構成すると、長期に亘る使用によって、その電池筐体を水分が透過してしまい、電池寿命に悪影響を及ぼす可能性があるが、樹脂製のモノブロック電槽を金属製のケースに収納することで、水分の侵入を遮断することができる。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記ケースは、前記モノブロック電槽の前記本体部と前記蓋部とに対応して、金属製の本体部と金属製の蓋部とを備えて構成され、前記モノブロック電槽の前記本体部と前記モノブロック電槽の前記蓋部とは、前記モノブロック電槽の前記蓋部の端縁部において熱溶着により接合され、前記ケースの前記本体部と前記ケースの前記蓋部とは、前記ケースの前記蓋部の端縁部において溶接により接合されている。

すなわち、非水電解質二次電池の電池筐体の構成として、樹脂製のモノブロック電槽で構成される樹脂製の内殻と、金属製のケースで構成される金属製の外殻との二重構造とし、その内殻及び外殻の夫々で、熱溶着及び溶接による接合で密閉している。
電池筐体を上記のように二重構造とする場合、内殻かあるいは外殻のいずれか一方を接合により密閉するだけでも水分の侵入を阻止できるものと考えられるのであるが、近年の電池技術の向上により他の劣化要因が克服されてきて、わずかな水分の侵入が電池劣化の主要な要因となっていることがわかってきた。
そこで、上記二重構造の内殻及び外殻の双方において、密閉状態となるように接合して、水分の侵入を可及的に抑制するものとした。

上記第１の発明によれば、モノブロック電槽の本体部と蓋部とを隔壁位置で溶着させる際に、加熱作用する位置と電槽との間の距離が長くなり、加熱処理の影響が電槽内に及んでしまうのを抑制できるので、樹脂製のモノブロック電槽を使用した非水電解質二次電池において、製造工程における加熱処理による弊害を回避できるものとなった。
更に、モノブロック電槽を使用することの効果として、個別に製造した複数のセルを用いて組電池を構成する場合では、それらのセルを連結し緊圧をかける部材が必要になると共に、そのように連結しても、振動や衝撃、温度変化並びに時間の経過に伴う材料クリープで各セルがバラバラになってしまう場合もあるのに対して、モノブロック電槽を使用する場合では、そのような連結のための構成を必要とせず、又、各セルがバラバラになってしまうこともない。
更に又、モノブロック電槽を樹脂製とすることの効果として、一般的な金属製の電槽を使用する場合では、電槽内に配置する発電要素と電槽内壁との電気的な絶縁を確保するために、発電要素を絶縁袋で覆う等する必要があるのに対して、モノブロック電槽を樹脂製とする場合では、そのような、電槽内に配置する発電要素と電槽内壁との電気的な絶縁を確保するための部材を必要としない。

又、樹脂製のモノブロック電槽を金属製のケースに収納することで、水分の侵入を遮断することができるので、電池寿命の向上を図れる。
又、上記第２の発明によれば、樹脂製の内殻及び金属製の外殻の双方において、密閉状態となるように接合して、水分の侵入を可及的に抑制できるので、電池の寿命特性を一層向上させることができる。

本発明の実施の形態にかかるモノブロック電槽の本体部を示す斜視図本発明の実施の形態にかかるケースの本体部を示す斜視図本発明の実施の形態にかかるモノブロック電槽の蓋部及びケースの蓋部を示す斜視図本発明の実施の形態にかかる非水電解質二次電池の外観斜視図本発明の実施の形態にかかる電極端子付近の断面図本発明の実施の形態にかかる非水電解質二次電池の内部構成を示す斜視図本発明の実施の形態にかかる非水電解質二次電池の製造過程における斜視図本発明の別実施形態にかかる電池筐体の構成を示す斜視図

以下、本発明の非水電解質二次電池の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態では、非水電解質二次電池としてリチウムイオン電池を例示して説明する。

〔非水電解質二次電池ＲＢの構成〕
本実施の形態の非水電解質二次電池ＲＢは、樹脂製のモノブロック電槽１と、そのモノブロック電槽１を完全に覆う金属製のケース２との二重構造の電池筐体ＢＣを有しており、内側のモノブロック電槽１がケース２に収納される関係となっている。
図４の斜視図に示すように、ケース２の上面には、端子ボルトとして形成されている正負の電極端子３，４が配置されている。本実施の形態の二次電池ＲＢは、詳しくは後述するが、４つの単電池（セル）を１つの電池筐体ＢＣに集積する場合を例示しており、電極端子３，４も、各単電池に対応して４組備えられている。

モノブロック電槽１は、図１に示す樹脂製の本体部１ａと、図３に示す樹脂製の蓋部１ｂとを備えて構成されている。
モノブロック電槽１の本体部１ａは、樹脂成形により、図１に示す形状に一体成形されており、隔壁１１にて区画された複数（本実施の形態では、４個）の電槽１２が形成されて構成されている。各電槽１２は、扁平な直方体形状の内部空間を有しており、夫々同一形状で同一の容積を有している。４つの電槽１２は、その内部空間の最も短い辺に沿う方向に並んでいる。蓋部１ｂは、これら各電槽１２の開放面側に被さることになる。
各隔壁１１の上端すなわち本体部１ａの開放面側の端部は、各電槽１２の上端位置よりも更に上方側に延出して、蓋部１ｂ側に突出する突出部１１ａが形成されている。

モノブロック電槽１の蓋部１ｂは、本体部１ａと同様に、樹脂成形により一体成形されており、全体として矩形の板状で、本体部１ａの突出部１１ａの存在位置と対応する位置に、コの字状の屈曲部１４が形成されている。
蓋部１ｂは、本体部１ａの開放面を覆うように配置され、本体部１ａに蓋部１ｂを被せた状態では、本体部１ａの突出部１１ａが屈曲部１４の内面側に嵌入する。
又、各電槽１２の開放面側に相当する位置には、電極端子３，４への配線部材が通過する開口１３が形成され、１つの電槽１２に対応する一対の開口１３間には、破裂弁として構成される安全弁１６と、電解液を注液するための注液口１７とが備えられている。
上記構成のモノブロック電槽１は、各電槽１２が夫々独立した電池を構成し、本実施の形態の場合、独立した４つの単電池（セル）で１つの電池筐体ＢＣを共有している。

金属製のケース２は、図２の斜視図に示す金属製の本体部２ａと、図３に示す金属製の蓋部２ｂとを備えて構成されている。
ケース２の本体部２ａは、ステンレス鋼等の金属板にて１側面が開放した略直方体形状の缶体として形成されている。
ケース２の本体部２ａの内部空間の形状は、モノブロック電槽１の本体部１ａの外形形状に適合させた直方体形状としており、ケース２の本体部２ａの内部空間にモノブロック電槽１の本体部１ａをすっぽりと収納し、且つ、両者の間の隙間は極力小さくなるようにしてある。
ケース２の蓋部２ｂは、本体部１ａと同様に、ステンレス鋼等の金属板により形成しており、全体として矩形の板状で、モノブロック電槽１の蓋部１ｂに形成されているコの字状の屈曲部１４と対応する位置に、コの字状の屈曲部２１が形成されている。更に、モノブロック電槽１の蓋部１ｂの開口１３と対応する位置に同一寸法の開口２２が形成され、１つの電槽１２に対応する一対の開口２２間には、破裂弁として構成される安全弁２４と、電解液を注液するための注液口２５とが備えられている。
ケース２の蓋部２ｂの安全弁２４及び注液口２５は、夫々、モノブロック電槽１の蓋部１ｂの安全弁１６及び注液口１７と、上下方向に並ぶ位置に配置されており、ケース２の蓋部２ｂの注液口２５は、モノブロック電槽１の蓋部１ｂの注液口１７よりも大径に形成されている。

モノブロック電槽１の各電槽１２内には、電池筐体ＢＣの内部を斜視図で示す図６において２点鎖線で示す発電要素５が配置され、更に、その発電要素５と電極端子３，４とを電気的に接続する集電体６，７が配置されている。
集電体６と集電体７とは何れも導電体であり、図６に示すように、同一形状のものが対称に配置される関係となっているが、両者で材質が異なる。正極側の集電体６はアルミニウムにて形成され、負極側の集電体７は銅にて形成されている。
集電体６，７の形状は、電極端子３，４との接続のために、電極端子３，４の取り付け面であるケース２の蓋部２ｂに沿って伸びる形状の部分と、発電要素５との接続のために、下方へ９０度屈曲して蓋部２ｂの法線方向に伸びる部分とが連なる略Ｌ字状の屈曲形状を有している。この蓋部２ｂの法線方向に伸びる部分に発電要素５と接続するための接続部６ａ，７ａが形成されている。

発電要素５は、詳細な説明は省略するが、長尺箔状に形成された正極板と長尺箔状に形成された負極板とからなる一対の電極板の夫々に活物質を塗布し、同じく長尺のセパレータを挟んで積層状態で巻回した、いわゆる巻回型の発電要素として構成されている。このセパレータとしては、熱可塑性樹脂を含む多孔性のフィルムを用いることができる。上記熱可塑性樹脂としては、優れたシャットダウン機能を有することから、ポリオレフィン樹脂が好ましく、特に、ポリエチレン又はポリプロピレンが好ましい。
発電要素５は、上記のように巻回した状態で、箔状正極板の活物質の未塗工部５ａが側方（箔状正極板の長手方向と直交する方向）に延出し、箔状負極板の活物質の未塗工部５ｂがそれと反対側の側方（箔状負極板の長手方向と直交する方向）に延出している。
本実施の形態の発電要素５は、活物質を塗布した箔状正極板及び箔状負極板、並びに、セパレータを扁平形状に巻回し、扁平形状の電槽１２に適合させている。
発電要素５の電槽１２内での配置姿勢は、箔状正極板等の巻回軸心が、正負の電極端子３，４を結ぶ線分と平行となる姿勢としており、正負の夫々において、集電体６，７の接続部６ａ，７ａが、渦巻き状に巻回されている発電要素５の未塗工部５ａ，５ｂの並びに入り込んでいる。
箔状正極板の未塗工部５ａは束ねられた状態で集電体６の接続部６ａに溶接され、箔状負極板の未塗工部５ｂは束ねられた状態で集電体７の接続部７ａに溶接されている。

ケース２の蓋部２ｂに取り付けられている正極側の電極端子３は正極側の集電体６に電気的に接続され、負極側の電極端子４は負極側の集電体７に電気的に接続されている。
電極端子３の蓋部２ｂへの取り付け構造及び電極端子３と集電体６との接続構造と、電極端子４の蓋部２ｂへの取り付け構造及び電極端子４と集電体７との接続構造とは、同一構成のものが各単電池の中心に対して対称に配置されたものであり、又、各単電池間では、正極と負極との配置が交互に逆向きとなっているものの、それ以外は同一構成である。
以下において、１つの単電池の正極側の構成によって代表させて説明する。
電極端子３には、図５の断面図に示すように、それの頭部側に、集電体６を電池筐体ＢＣに固定するための導電性を有するリベット部材３ａが一体成形されている。そのリベット部材３ａの部分が、ケース２の蓋部２ｂに形成された開口２２及びモノブロック電槽１の蓋部１ｂに形成された開口１３を貫通する状態で配置されている。すなわち、モノブロック電槽１の蓋部１ｂとケース２の蓋部２ｂとは、図３に示す向きで重ね合わされ、その重ね合わせたものに電極端子３，４を固定する。
電極端子３及び集電体６の蓋部１ｂ，２ｂへの取り付け固定は、電気的な絶縁と気密性とを確保するためのガスケット８を、リベット部材３ａを囲む状態で開口１３，２２へ挿入し、電極端子３の頭部と集電体６とで挟んで、リベット部材３ａの電池筐体ＢＣ内方側端部をかしめることで行い、この取り付け固定によって、リベット部材３ａと集電体６とが発電要素５と電極端子３との間の通電経路を形成し、発電要素５と電極端子３とを電気的に接続する。
尚、モノブロック電槽１の蓋部１ｂの下面側（電池筐体ＢＣ内方側）には、集電体６，７の上端分の横姿勢部分の側脇に位置する状態で縦壁１５が形成されており、電極端子３，４に電気配線を行う際等に、集電体６，７あるいは電極端子３，４が縦軸芯周りで回転してしまうのを阻止している。

〔二次電池ＲＢの製造工程〕
次に、二次電池ＲＢの製造工程について概略的に説明する。
発電要素５は、上述のように、長尺帯状の箔状正極板及び箔状負極板に正極活物質及び負極活物質を夫々未塗工部５ａ，５ｂを残して塗布し、乾燥処理等の後にセパレータを挟んで扁平形状に巻回する。未塗工部５ａ，５ｂは正極と負極とで幅方向の反対側の端縁部に位置し、且つ、未塗工部５ａ，５ｂが側方にはみ出すように巻回している。

電池筐体ＢＣの組み立ては、先ず、図３に示す形状に形成したモノブロック電槽１の蓋部１ｂとケース２の蓋部２ｂとを、端縁位置同士を位置合わせして、図３に示す向きで蓋部２ｂの屈曲部２１を蓋部１ｂの屈曲部１４に嵌め込み、一体化する。
この一体化した蓋部１ｂ，２ｂの開口１３，２２にガスケット８を差し込み、更に、そのガスケット８に電極端子３のリベット部材３ａを差し込み、リベット部材３ａの先端が開口１３，２２を貫通して、反対側に突出する状態とする。負極側についても、同様に、ガスケット８及び電極端子４を開口１３，２２に嵌め込む。
正極側の電極端子３と負極側の電極端子４との配置は、１つの単電池内でそれらを１つずつ配置すると共に、隣接する単電池間では、図４に示すように、正負の電極端子３，４の配置が逆向きとなるように配置する。これは、本実施の形態では、４個の単電池を直列接続して組電池を構成するためである。
電極端子３，４を蓋部１ｂ，２ｂに差し込んだ状態で、集電体６，７に形成した開口を、電極端子３，４のリベット部材側の突出部分に差し込み、そのリベット部材をかしめることで、電極端子３，４を蓋部１ｂ，２ｂに固定する。
この際、正極の電極端子３には正極用の集電体６を接続し、負極の電極端子４には負極用の集電体７を接続する。
又、集電体６，７は、蓋部１ｂに形成されている縦壁１５に沿わせて配置する。
この状態の集電体６，７の接続部６ａ，７ａに、図６に示すように、上述の発電要素５を組み付ける。
すなわち、正極側の集電体６の接続部６ａに正極板の未塗工部５ａを溶接し、負極側の集電体７の接続部７ａに負極板の未塗工部５ｂを溶接する。

上記のようにして組み上げた蓋部１ｂ，２ｂ側の組品を、図１に示す形状に樹脂成形したモノブロック電槽１の本体部１ａに対して、各発電要素５が各電槽１２に入り込むようにして挿入し、図７の斜視図に示す状態とする。この際、蓋部１ｂの屈曲部１４が本体部１ａの突出部１１ａに嵌入する。
この状態で、モノブロック電槽１の本体部１ａと蓋部１ｂとを熱溶着する。
この熱溶着によって、電槽１２間が気密状態で封止され、隣接する電槽１２間で電解液が往来するのを阻止して、電槽１２間を分離する。
具体的には、図７において矢印Ａで指し示す蓋部１ｂの端縁部と本体部１ａとの境界位置を外方側から加熱して、両者を熱溶着にて接合させると共に、電槽１２間を気密状態で封止するために、図７において矢印Ｂで指し示すケース２の蓋部２ｂにおける屈曲部２１の上端付近を外方側から加熱する。
屈曲部２１を加熱することによって、モノブロック電槽１の本体部１ａにおける突出部１１ａの上端付近と、モノブロック電槽１の蓋部１ｂにおける屈曲部１４とが溶着し、突出部１１ａにおいて、蓋部１ｂと隔壁１１とが互いに溶着されることになる。
このように、モノブロック電槽１に突出部１１ａを形成することで、モノブロック電槽１の本体部１ａと蓋部１ｂとを熱溶着させる際に、加熱位置が発電要素５から離間するので、溶着の際の熱が発電要素５のセパレータに悪影響を及ぼすのを抑制することができる。

次に、上記のようにしてモノブロック電槽１の本体部１ａと蓋部１ｂとを溶着したものを、図２に示すケース２の本体部２ａに挿入し、図４に示す状態とする。この際、ケース２の本体部１ａの上端縁に形成されている矩形の突出片２３が、モノブロック電槽１の本体部１ａ側の突出部１１ａと蓋部１ｂの屈曲部１４との接合箇所の端部を覆うように、挿入の向きを設定する。
この後、図４において矢印Ｃにて指し示す、ケース２の蓋部２ｂの端縁部と本体部２ａ上端との境界部分を溶接にて接合する。
本実施の形態では、電池筐体ＢＣに収納されている４つの単電池を直列接続する場合を例示しているので、図４に示すように、隣接する単電池間で正極側の電極端子３と負極側の電極端子４とを金属プレート３１を掛け渡して接続し、ナット３２を電極端子３，４のボルト部分にねじ込んで固定する。
このようにして電池筐体ＢＣの組み立てが完了すると、モノブロック電槽１及びケース２の注液口１７，２５から電解液を電池筐体ＢＣ内に注入し、注液が完了すると、先ず樹脂製の液栓を溶着させて注液口１７を気密封止し、更に、金属製の液栓２６（図４参照）を溶接して注液口２５を気密封止する。上述のように、ケース２の蓋部２ｂの注液口２５は、モノブロック電槽１の蓋部１ｂの注液口１７よりも大径としているので、注液口１７の封止を円滑に行うことができる。
この後、初期充電（予備充電）やエージング等を行って、二次電池ＲＢとして完成する。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、モノブロック電槽１の構成として、扁平矩形形状の内部空間を有する電槽１２を、その内部空間の最も短い辺の方向に沿って同じ向きで並べて配置する場合を例示しているが、例えば、図８に例示するように、扁平矩形形状の内部空間を有する電槽１２を、開放面の長辺方向に沿って同じ向きで並べて配置する構成としても良い。尚、図８では、電池筐体ＢＣの構成を、上記実施の形態において対応する構成部分と同一の符号を付して示している。
発電要素５等の構成は、上記実施の形態と同一のもので良く、セル間の電極端子３，４の接続は、隣り合うセルの正極と負極とを金属プレート３１にて連結する構成で良い。
図８に示すような電池筐体ＢＣを有する二次電池ＲＢは、上記実施の形態で示す構成に比べて、大面積の扁平面が外気にさらされる形状となっているので、両隣のセルに囲まれているセルも含めて、各セルの放熱性が良好で、容易に冷却できる利点を有している。

（２）上記実施の形態では、モノブロック電槽１の本体部１ａにおいて、各電槽１２を区画する隔壁１１をそのまま蓋部１ｂ側に延出して、蓋部１ｂとの接合のための突出部１１ａを形成する構成としているが、例えば、突出部１１ａの厚さを隔壁１１の厚さよりも更に薄く形成する等、この突出部１１ａの具体形状は種々に変更可能である。
（３）上記実施の形態では、モノブロック電槽１は、隔壁１１で区画された４つの電槽１２を備えて構成される場合を例示しているが、電槽１２の数は、３個以下でも良いし、５個以上であっても良い。

１モノブロック電槽
１ａ本体部（モノブロック電槽）
１ｂ蓋部（モノブロック電槽）
２ケース
２ａ本体部（ケース）
２ｂ蓋部（ケース）
１１隔壁
１１ａ突出部
１２電槽

Claims

隔壁にて区画された複数の電槽を備える樹脂製の本体部と、その本体部の開放面を覆う樹脂製の蓋部とを備えるモノブロック電槽を有する非水電解質二次電池であって、
前記隔壁の前記開放面側に、前記蓋部側に突出する形状の突出部が形成され、
前記突出部において、前記蓋部と前記隔壁とが互いに溶着され、
前記モノブロック電槽は、金属製のケースに収納されている非水電解質二次電池。
前記ケースは、前記モノブロック電槽の前記本体部と前記蓋部とに対応して、金属製の本体部と金属製の蓋部とを備えて構成され、
前記モノブロック電槽の前記本体部と前記モノブロック電槽の前記蓋部とは、前記モノブロック電槽の前記蓋部の端縁部において熱溶着により接合され、
前記ケースの前記本体部と前記ケースの前記蓋部とは、前記ケースの前記蓋部の端縁部において溶接により接合されている請求項１記載の非水電解質二次電池。