JP5699909B2 - 二次電池用電極体及び二次電池並びに車両 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池用電極体及び二次電池並びに車両に係り、詳しくは複数の巻回型の電極部を有する二次電池用電極体及び二次電池並びにその二次電池を搭載した車両に関する。

二次電池は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。近年、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められており、電気自動車やハイブリッド車等の主電源や補助電源に使用される二次電池では、大電流での充電及び放電や二次電池の大容量化が要求されるようになっている。

そして、一般に大容量の二次電池は四角箱形の電池ケース内に巻回型の発電要素（電極体）を収容している。ところが、図８（ａ）に示すように、四角箱形の電池ケース５１内に円筒状の巻回型の発電要素５２を収容すると、電池ケース５１の四隅の側面部に隙間（デッドスペース）が生じ、体積エネルギー密度が低下するという問題がある。隙間をなくすため電池ケース５１を円筒形にしたとしても、二次電池を搭載する場所にスペースの無駄が生じ易く、特に電気自動車等の用途では多数の電池を並べて配置するために、このスペースの無駄をなくすことが困難になる。

また、発電要素５２として長円筒状の発電要素を１個だけ電池ケース５１内に収容した場合にも、この長円筒状の湾曲した側面部に大きな隙間が生じるのを避けることはできない。図８（ｂ），（ｃ）に示すように、同じ大きさの電池ケース５１内に長円筒状の２個の発電要素５２を収容した場合と、４個の発電要素５２を収容した場合とを比較すると、４個の発電要素５２を収容した場合の方が隙間（ハッチングを施した部分）の合計が小さくなる。

そこで、従来、帯状の正負の電極を帯状のセパレータを介して長円筒形に巻回した巻回型の発電要素を複数個（例えば２個）、長円筒形の平坦な側面同士を合わせて配置し並列に接続することにより単電池を構成した電池が提案されている。複数個の発電要素は、一方の端面側の活物質非塗布部に金属板を波板状に繰り返し屈曲させた正極集電体（正極集電端子）が接続され、他方の端面側の活物質非塗布部に金属板を波板状に繰り返し屈曲させた負極集電体（負極集電端子）が接続されている。従って、２個の発電要素は、電池ケース内で並列に接続されて１個の単電池を構成する。

特開２０００−２２３１０９号公報

特許文献１に記載された二次電池は、巻回型の複数の発電要素を１個の電池ケース５１に収容して１個の単電池を構成しているため、同じ大きさの１個の電池ケース５１内に１個の巻回型の発電要素を収容した場合に比べてデッドスペースを小さくすることはできる。しかし、複数個の発電要素が集電端子で並列に接続された構成のため、各発電要素に内部抵抗の差があることに起因して、各発電要素の容量バランスに差が出るため、過放電・過充電になる発電要素が発生し易い。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、巻回型の複数の発電素子を有する二次電池のデッドスペースを低減して体積エネルギー密度の向上を図ることができ、しかも過放電・過充電になる発電要素が発生し難い二次電池用電極体及び二次電池並びにその二次電池を搭載した車両を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、活物質層を有する帯状正極及び活物質層を有する帯状負極が、両者の間に帯状のセパレータが介在する状態で巻回された巻回型の二次電池用電極体であって、前記帯状正極及び前記帯状負極は、それぞれ１枚の帯状電極により巻回部が２個並設されるように巻回されており、前記帯状正極及び前記帯状負極には、それぞれ巻回された状態で、それぞれ複数の正極用タブ部と複数の負極用タブ部が一体に巻回軸方向の同じ側に突出形成されているとともに、複数の前記正極用タブ部同士と複数の前記負極用タブ部同士はそれぞれ巻回軸に対する径方向に積層されており、複数の前記正極用タブ部は、２個の前記巻回部の並設方向において複数の前記正極用タブ部同士が２個の前記巻回部全体に亘って積層されている部分を有し、当該部分において１個の正極用集電端子が接続されており、複数の前記負極用タブ部は、前記並設方向において複数の前記負極用タブ部同士が２個の前記巻回部全体に亘って積層されている部分を有し、当該部分に１個の負極用集電端子が接続されている。

この発明の二次電池用電極体を四角箱状の電池ケースに収容して構成された二次電池は、同じ電池ケースに１個の巻回部で形成された二次電池用電極体を収容して構成された二次電池に比べて、デッドスペースが小さくなる。したがって、巻回型の複数の発電要素を有する二次電池のデッドスペースを低減して体積エネルギー密度の向上を図ることができ、しかも過放電・過充電になる発電要素が発生し難くなる。
また、帯状正極の正極用タブ部及び帯状負極の負極用タブ部が巻回軸方向の反対側に突出形成されている二次電池用電極体を使用した場合に比べて、二次電池のデッドスペースを低減して体積エネルギー密度の向上を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記帯状正極及び前記帯状負極は、それぞれ継ぎ目のない１枚の帯状電極で形成されている。したがって、この発明では、各巻回部を構成する帯状正極及び帯状負極の長さを同じにすることにより、二次電池２１を構成したときに各巻回部の容量を同じにすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の二次電池用電極体が複数個、１個の前記正極用集電端子及び１個の前記負極用集電端子を介して並列に接続されている二次電池用電極体である。この発明の二次電池用電極体は、１個の巻回部を有する二次電池用電極体が混在する状態で１個の正極用集電端子及び１個の負極用集電端子を介して並列に接続した二次電池用電極体に比べて、正極用集電端子及び負極用集電端子との接続の手間が少なくなる。また、この発明の二次電池用電極体を使用して二次電池を構成した場合は、後者の二次電池用電極体を使用して構成した二次電池に比べて、各発電要素の内部抵抗の差に起因して容量バランスに差が出難く、過放電・過充電になる発電要素が発生し難くなる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の二次電池用電極体を備えた二次電池である。この発明の二次電池は、１個の巻回部を有する複数の二次電池用電極体を１個の正極用集電端子及び１個の負極用集電端子を介して並列に接続した二次電池用電極体を備えた二次電池に比べて、過放電・過充電になる発電要素が発生し難くなる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の二次電池を搭載した車両である。したがって、この発明の車両は請求項４に記載の二次電池の効果が得られる。

本発明によれば、巻回型の複数の発電要素を有する二次電池のデッドスペースを低減して体積エネルギー密度の向上を図ることができ、しかも過放電・過充電になる発電要素が発生し難い二次電池用電極体及び二次電池並びにその二次電池を搭載した車両を提供することができる。

第１の実施形態を示し、（ａ）は二次電池用電極体の概略斜視図、（ｂ）は２個の巻回部の巻回状態を示す模式図、（ｃ）は正極、負極及びセパレータの関係を示す巻回途中の二次電池用電極体の概略斜視図。 集電端子とタブ部との関係を示す概略分解斜視図。 二次電池の模式断面図。 第２の実施形態の二次電池用電極体の概略分解斜視図。 別の実施形態の二次電池用電極体の正極と負極との接合関係を示す概略斜視図。 （ａ）は別の実施形態の二次電池用電極体の概略斜視図、（ｂ）は別の実施形態の２個の巻回部の巻回状態を示す模式図。 別の実施形態の二次電池の模式断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は四角箱状のケースに発電要素を収容した場合の発電要素の数と無駄なスペースとの関係を示す模式図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、二次電池用電極体１０は、帯状正極１１及び帯状負極１２が、両者の間に帯状のセパレータ１３が介在する状態で巻回された巻回型の二次電池用電極体である。この実施形態では、帯状正極１１及び帯状負極１２は、それぞれ１枚の帯状電極で形成されている。

帯状正極１１は、金属製の帯状の集電体に活物質が塗布された活物質層１１ａを有し、帯状負極１２は、金属製の帯状の集電体に活物質が塗布された活物質層１２ａを有する。集電体は、例えば帯状の銅箔で形成され、活物質層１１ａ，１２ａはそれぞれ集電体の両面に形成されている。活物質は、例えば、ニッケル水素電池とリチウムイオン電池のように二次電池の種類によって異なる。また、同じ種類の二次電池でも正極用の活物質と負極用の活物質とでは異なる。

帯状正極１１、帯状負極１２及びセパレータ１３は、長円筒形状の巻回部１４が２個存在するように巻回されており、２個の巻回部１４はそれぞれ容量が同じに形成されている。即ち、２個の巻回部１４はそれぞれ帯状正極１１及び帯状負極１２の長さが同じになるように形成されている。図１（ｂ）に示すように、帯状正極１１、帯状負極１２及びセパレータ１３の巻回方向は、２個の巻回部１４でそれぞれ内側から外側に向かって右巻き（同方向）になっている。なお、図１（ｂ）は、帯状正極１１、帯状負極１２及びセパレータ１３の巻回方向を示す図であり、帯状正極１１、帯状負極１２及びセパレータ１３の４枚をまとめて１本の線で表している。

２個の巻回部１４の一方の巻回部１４では、帯状正極１１が帯状負極１２の内側に配置され、セパレータ１３は帯状正極１１と帯状負極１２との間に配置されるものと、帯状負極１２の外側に配置されるものとの２枚が存在し、最外層がセパレータ１３となる。また、他方の巻回部１４では、最外層が帯状正極１１となり、最外層側から帯状正極１１、セパレータ１３、帯状負極１２、セパレータ１３の順となるように巻回されている。

帯状正極１１及び帯状負極１２には、それぞれ巻回された状態で、それぞれ複数の正極用タブ部１１ｂと複数の負極用タブ部１２ｂが一体に巻回軸方向の同じ側に突出形成されているとともに、複数の正極用タブ部１１ｂ同士と複数の負極用タブ部１２ｂ同士はそれぞれ巻回軸に対する径方向に重なる。正極用タブ部１１ｂ及び負極用タブ部１２ｂは帯状正極１１あるいは帯状負極１２の活物質層１１ａ，１２ａが形成されていない部分である活物質非塗布部で形成されている。

前記のように構成された二次電池用電極体１０は、図２に示すように、帯状正極１１の正極用タブ部１１ｂに正極用集電端子１５が接続され、帯状負極１２の負極用タブ部１２ｂに負極用集電端子１６が接続されることにより、２個の巻回部１４即ち発電要素が並列に接続される。正極用集電端子１５及び負極用集電端子１６は、それぞれ金属板を波板状に屈曲させたものであり、波板部１５ａ，１６ａの各間隙に正極用タブ部１１ｂや負極用タブ部１２ｂを多数枚ずつ挟み込んで両側から押さえ付け、超音波溶接やレーザー溶接等により溶着させることで接続を行う。また、正極用集電端子１５及び負極用集電端子１６には、それぞれ波板部１５ａ，１６ａの部分の中央から突出した接続部１５ｂ，１６ｂが形成されている。

図３に示すように、二次電池用電極体１０は、電池ケース１７に収容されるとともに正極用集電端子１５の接続部１５ｂが正極端子１８に固定されて正極端子１８に電気的に接続され、負極用集電端子１６の接続部１６ｂが負極端子１９に固定されて負極端子１９に電気的に接続される。そして、電池ケース１７に注入された電解液２０と共に二次電池２１が構成される。

前記の構成の二次電池用電極体１０を用いた二次電池２１は種々の用途に使用されるが、例えば車両に搭載した状態でも使用される。
次に前記のように構成された二次電池２１の作用を説明する。二次電池２１の放電時、二次電池２１を構成する発電要素としての巻回部１４から正極用集電端子１５を介して電流が取り出される。このとき、各巻回部１４が独立して形成された構成の場合は、各巻回部１４における内部抵抗が異なり、各発電要素に内部抵抗の差があることに起因して、各発電要素の容量バランスに差が出るため、過放電になる発電要素が発生し易い。また、充電時にも、各発電要素の容量バランスに差が出るため、過充電になる発電要素が発生し易い。しかし、この実施形態の二次電池２１に使用されている二次電池用電極体１０は、２個の巻回部１４を構成する帯状正極１１及び帯状負極１２は、それぞれ１枚の帯状電極で形成されているため、各発電要素に内部抵抗の差がなく、過放電・過充電にならない。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池用電極体１０は、活物質層１１ａを有する帯状正極１１及び活物質層１２ａを有する帯状負極１２が、両者の間に帯状のセパレータ１３が介在する状態で巻回された巻回型の二次電池用電極体である。そして、帯状正極１１及び帯状負極１２は、それぞれ１枚の帯状電極により巻回部１４が２個存在するように巻回されている。この二次電池用電極体１０を四角箱状の電池ケース１７に収容して構成された二次電池２１は、同じ電池ケース１７に１個の巻回部で形成された二次電池用電極体を収容して構成された二次電池に比べて、デッドスペースが小さくなる。したがって、巻回型の複数の発電要素を有する二次電池２１のデッドスペースを低減して体積エネルギー密度の向上を図ることができ、しかも過放電・過充電になる発電要素が発生し難くなる。

（２）帯状正極１１及び帯状負極１２は、それぞれ継ぎ目のない１枚の帯状電極で形成されている。したがって、各巻回部１４を構成する帯状正極１１及び帯状負極１２の長さを同じにすることにより、二次電池２１を構成したときに各巻回部１４の容量を同じにすることができる。

（３）二次電池２１は、継ぎ目のない１枚の帯状電極で形成された帯状正極１１及び帯状負極１２で同じ容量に形成された２個の巻回部１４を有する１個の二次電池用電極体１０を電池ケース１７に収容して構成されている。したがって、各発電要素の内部抵抗が同じになり、一部の発電要素が過放電・過充電になることを防止することができる。

（４）帯状正極１１及び帯状負極１２には、それぞれ巻回された状態で、それぞれ複数の正極用タブ部１１ｂと複数の負極用タブ部１２ｂが一体に巻回軸方向の同じ側に突出形成されているとともに、複数の正極用タブ部１１ｂ同士と複数の負極用タブ部１２ｂ同士はそれぞれ巻回軸に対する径方向に重なる。したがって、この二次電池用電極体１０を使用すると、正極用タブ部１１ｂ及び負極用タブ部１２ｂが巻回軸方向の反対側に突出形成されている二次電池用電極体を使用した場合に比べて、二次電池２１のデッドスペースを低減して体積エネルギー密度の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図４にしたがって説明する。この実施形態は、巻回部１４が２個存在する第１の実施形態の二次電池用電極体１０を複数（２個）並列に接続した状態で二次電池２１を構成している点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同様の部分については同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図４に示すように、二次電池用電極体３０は、正極用集電端子２５及び負極用集電端子２６の基本構成は正極用集電端子１５及び負極用集電端子１６と同じで、波板部２５ａ，２６ａの隙間の間隔及び数が第１の実施形態のものと異なっている。正極用集電端子２５が４個の巻回部１４の正極用タブ部１１ｂに接続され、負極用集電端子２６が４個の巻回部１４の負極用タブ部１２ｂに接続されることにより、４個の巻回部１４即ち発電要素が並列に接続される。波板部２５ａ，２６ａの部分の中央から突出した接続部２５ｂ，２６ｂが形成されている。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（２）〜（４）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（５）二次電池用電極体３０は、複数個の二次電池用電極体１０が１個の正極用集電端子２５及び１個の負極用集電端子２６を介して並列に接続されている。二次電池用電極体３０は、巻回部の合計数が同じ場合、１個の巻回部を有する二次電池用電極体と、２個の巻回部を有する二次電池用電極体１０とが混在する状態で１個の正極用集電端子２５及び１個の負極用集電端子２６を介して並列に接続した二次電池用電極体に比べて、正極用集電端子２５及び負極用集電端子１６との接続の手間が少なくなる。また、この二次電池用電極体３０を使用して二次電池２１を構成した場合は、後者の二次電池用電極体を使用して構成した二次電池に比べて、過放電・過充電になる発電要素が発生し難くなる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ ２個の巻回部１４は容量が同じではなく、多少違っていてもよい。
○ 帯状正極１１及び帯状負極１２をそれぞれ２枚の帯状電極が接合された１枚の帯状電極で形成してもよい。この場合、巻回方向が同じに製作した２個の巻回部１４を、図５に示すように、その最外周に位置する帯状負極１２の端部同士を接合により接合し、セパレータ１３を挟んでその内側に位置する帯状正極１１の端部同士を接合により接合する。なお、各巻回部１４を構成するそれぞれ２枚のセパレータ１３は必ずしも接続する必要はなく、２個の巻回部１４からなる二次電池用電極体１０はセパレータ１３が４枚存在する状態になる。２個の巻回部１４が存在するように帯状電極を巻回するには１個の巻回部を巻回する巻回装置では巻回することができず、新たな装置が必要になる。しかし、この実施形態の場合は、１個の巻回部１４を巻回する巻回装置で形成された２個の巻回部を構成する各帯状正極１１同士及び帯状負極１２の端部同士をそれぞれ接合することで、２個の巻回部１４を有する二次電池用電極体１０を製造することができる。各巻回部１４を構成する帯状正極１１、帯状負極１２、セパレータ１３として同じ製造ロットのものを使用することで、各巻回部１４の内部抵抗の差をできるだけ少なくすることができる。なお、接合は溶接に限らず、接着剤や半田で接合してもよい。

○ 図６（ａ）に示すように、二次電池用電極体１０は帯状正極１１の活物質非塗布部１１ｃと帯状負極１２の活物質非塗布部１２ｃとが巻回部１４の巻回軸方向の反対側に位置する状態で巻回された構成としてもよい。この場合、正極用集電端子１５，２５や負極用集電端子１６，２６の接続位置の自由度が高くなるとともに、活物質非塗布部１１ｃ，１２ｃの一部を切り欠き除去する必要がない。この構成の二次電池用電極体１０を使用した二次電池２１は、図７に示すように、二次電池用電極体１０の巻回軸方向が電池ケース１７の左右方向に延びる状態で電池ケース１７に収容される。また、それに対応して、形状が異なる正極用集電端子１５，２５及び負極用集電端子１６，２６が使用される。

○ 二次電池用電極体１０を構成する２個の巻回部１４を構成する帯状正極１１、帯状負極１２及びセパレータ１３の巻回方向は、図６（ｂ）に示すように、２個の巻回部１４でそれぞれ内側から外側に向かって右巻きと左巻き（互いに逆方向）になっていてもよい。

○ 正極用集電端子及び負極用集電端子は、それぞれ１個で二次電池用電極体１０，３０を構成する複数の巻回部１４の帯状正極１１の正極用タブ部１１ｂ及び帯状負極１２の負極用タブ部１２ｂと接合可能な形状であればよく、波板部１５ａ，１６ａ等を有さずに、複数の溶接面を有する形状であってもよい。

○ 複数の巻回部１４を有する二次電池用電極体は、第１の実施形態又は第２の実施形態の二次電池用電極体１０を少なくとも１個含む複数個の巻回型の二次電池用電極体が、１個の正極用集電端子及び１個の負極用集電端子を介して並列に接続された構成であってもよい。例えば、二次電池用電極体は奇数個の巻回部１４が１個の正極用集電端子及び１個の負極用集電端子を介して並列に接続された構成であってもよい。この二次電池用電極体を使用した二次電池の場合も、巻回部１４を１個有する二次電池用電極体のみを所定の数、１個の正極用集電端子及び負極用集電端子を介して並列に接続された二次電池用電極体を使用して二次電池を構成した場合に比べて、過放電・過充電になる発電要素が発生し難くなる。

○ 複数の二次電池用電極体１０を直列に接続して二次電池用電極体を構成しても良い。
○ 帯状正極１１の活物質非塗布部１１ｃと帯状負極１２の活物質非塗布部１２ｃとが巻回部１４の巻回軸方向の反対側に位置する状態で巻回された構成の二次電池用電極体１０において、活物質非塗布部１１ｃ，１２ｃはそれぞれ活物質層１１ａ，１２ａに沿って帯状正極１１あるいは帯状負極１２の全長にわたって設けずに一部に設けてもよい。

１０，３０…二次電池用電極体、１１…帯状正極、１１ａ，１２ａ…活物質層、１１ｂ…正極用タブ部、１２ｂ…負極用タブ部、１２…帯状負極、１３…セパレータ、１４…巻回部、１５，２５…正極用集電端子、１６，２６…負極用集電端子、２１…二次電池。

Claims (5)

1. 活物質層を有する帯状正極及び活物質層を有する帯状負極が、両者の間に帯状のセパレータが介在する状態で巻回された巻回型の二次電池用電極体であって、
   前記帯状正極及び前記帯状負極は、それぞれ１枚の帯状電極により巻回部が２個並設されるように巻回されており、
   前記帯状正極及び前記帯状負極には、それぞれ巻回された状態で、それぞれ複数の正極用タブ部と複数の負極用タブ部が一体に巻回軸方向の同じ側に突出形成されているとともに、複数の前記正極用タブ部同士と複数の前記負極用タブ部同士はそれぞれ巻回軸に対する径方向に積層されており、
   複数の前記正極用タブ部は、２個の前記巻回部の並設方向において複数の前記正極用タブ部同士が２個の前記巻回部全体に亘って積層されている部分を有し、当該部分において１個の正極用集電端子が接続されており、
   複数の前記負極用タブ部は、前記並設方向において複数の前記負極用タブ部同士が２個の前記巻回部全体に亘って積層されている部分を有し、当該部分に１個の負極用集電端子が接続されていることを特徴とする二次電池用電極体。
2. 前記帯状正極及び前記帯状負極は、それぞれ継ぎ目のない１枚の帯状電極で形成されている請求項１に記載の二次電池用電極体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の二次電池用電極体が複数個、１個の前記正極用集電端子及び１個の前記負極用集電端子を介して並列に接続されている二次電池用電極体。
4. 請求項３に記載の二次電池用電極体を備えた二次電池。
5. 請求項４に記載の二次電池を搭載した車両。