JP5823604B2 - 電池及び電池パック - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、電池及び電池パックに関する。
近年、急速に普及しているハイブリッド電気自動車、プラグイン電気自動車等の電気自動車の電源には、充放電可能な直方体状の非水電解質電池、例えばリチウムイオン電池が主として用いられている。リチウムイオン電池は、正極及び負極を、セパレータを介して捲回または積層した電極群、及び非水電解質を、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、直方体状をなすケースに収納して構成される。
リチウムイオン電池の製造工程における注液では、ケース内を減圧した後に電解液の注液が行われるが、ケース内の空隙容積よりも注液量が多い場合、電解液が電極群中に含浸して、電解液がケース内に全量入るまでに長時間を要していた。
特開２００６−３３１８２８号公報 特開２００７−５９１４５号公報
本発明が解決しようとする課題は、注液時間の短縮が可能な電池及び電池パックを提供することである。
実施形態によれば、容器と、電極群と、電解液と、封口板と、端子と、注液口と、封止栓と、リードと、押圧部材とを含む電池が提供される。電極群は、容器内に収納され、かつ正極及び負極を含む。電解液は、容器内に収納される。封口板は、容器の開口部に配置される。端子は、封口板に配置される。注液口は、封口板に開口される。封止栓は、封口板の注液口を塞ぎ、弾性材よりなる。リードは、電極群の正極又は負極と端子とを電気的に接続する。押圧部材は、リードに一体化され、封止栓を封口板に押圧する。
図１は、第１の実施形態に係る電池の注液前の状態を示す展開斜視図である。 図２は、図１に示す電池を下方から見た部分展開斜視図である。 図３は、図１に示す電池で用いられる電極群の部分展開斜視図である。 図４は、図１に示す電池の正極端子、封口板及び正極リードの断面図である。 図５は、図１に示す電池の上方からの透過図である。 図６は、図１に示す電池の注液口付近の断面図である。 図７は、図１に示す電池で作動ピンが動作している状態の注液口付近の断面図である。 図８は、第１の実施形態に係る電池の斜視図である。 図９は、第１の実施形態に係る別の電池の上方からの透過図である。 図１０は、第１の実施形態に係る別の電池の正極端子、封口板及び正極リードの断面図である。 第２の実施形態に係る電池パックの電気回路を示すブロック図。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１に示す電池は、注液工程前の密閉型の角型非水電解質電池である。電池は、容器としての外装缶１と、外装缶１の開口部に取り付けられた封口板２と、封口板２に設けられた正負極端子３，４とを有する。外装缶１は、有底角筒形状を有する。図１及び図２に示すように、偏平型電極群５は、外装缶１内に収納されている。電解液（図示しない）は、外装缶１内に収容され、偏平型電極群５に含浸されている。
図３に示すように、偏平型電極群５は、正極６と負極７がその間にセパレータ８を介して偏平形状に捲回されたものである。正極６は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ６ａと、少なくとも正極集電タブ６ａの部分を除いて正極集電体に形成された正極活物質層６ｂとを含む。一方、負極７は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ７ａと、少なくとも負極集電タブ７ａの部分を除いて負極集電体に形成された負極活物質層７ｂとを含む。
このような正極６、セパレータ８及び負極７は、正極集電タブ６ａが電極群の捲回軸方向にセパレータ８から突出し、かつ負極集電タブ７ａがこれとは反対方向にセパレータ８から突出するよう、正極６及び負極７の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群５は、図３に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ６ａが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ７ａが突出している。
図１及び図２に示すように、正極リード９は、正極端子３と電気的に接続するための接続プレート９ａと、接続プレート９ａに開口された貫通孔９ｂと、接続プレート９ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部９ｃとを有する。正極リード９の集電部９ｃは、その間に電極群５の正極集電タブ６ａを挟み、溶接によって正極集電タブ６ａに電気的に接続されている。一方、負極リード１０は、負極端子４と電気的に接続するための接続プレート１０ａと、接続プレート１０ａに開口された貫通孔１０ｂと、接続プレート１０ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部１０ｃとを有する。負極リード１０の集電部１０ｃは、その間に電極群５の負極集電タブ７ａを挟み、溶接によって負極集電タブ７ａに電気的に接続されている。正負極リード９，１０を正負極集電タブ６ａ，７ａに電気的に接続する方法は、特に限定されるものではないが、例えば超音波溶接やレーザ溶接等の溶接が挙げられる。
電極ガード１１は、正負極集電タブ６ａ，７ａの端面を覆う側板１１ａと、正負極集電タブ６ａ，７ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板１１ｂとを有する。電極ガード１１の上端は、そこから電極群５が挿入されるため、開放されている。電極群５の正極集電タブ６ａは、正極リード９の集電部９ｃが溶接された状態で電極ガード１１によって被覆される。正極リード９の接続プレート９ａは、電極ガード１１の上方に位置する。一方、電極群５の負極集電タブ７ａは、負極リード１０の集電部１０ｃが溶接された状態で電極ガード１１によって被覆される。負極リード１０の接続プレート１０ａは、電極ガード１１の上方に位置する。２つの電極ガード１１は、電極群５に絶縁テープ１２によって固定されている。
図１，図２及び図８に示すように、封口板２は、矩形板状をしている。封口板２は、正負極端子３，４を取り付けるための貫通孔１３ａ，１３ｂと、封口板２の中央付近に位置する安全弁１４と、貫通孔１３ａと安全弁１４との間に位置する注液口１５とを有する。絶縁板１６は、２つの凹部１６ａを有する。また、絶縁板１６は、封口板２の貫通孔１３ａ，１３ｂと連通する貫通孔と、安全弁１４と対向する箇所に開口されたガス抜き孔１６ｂと、封口板２の注液口１５と連通する貫通孔とを有する。絶縁板１６は、封口板２の裏面に配置される。絶縁板１６の一方の凹部１６ａに正極リード９の接続プレート９ａが接し、他方の凹部１６ａ内に負極リード１０の接続プレート１０ａが収納される。
正負極端子３，４は、それぞれ、矩形板状の突起部３ａ，４ａと、突起部３ａ，４ａから延出された軸部３ｂ，４ｂとを有する。また、絶縁ガスケット１７は、正負極端子３，４の軸部３ｂ，４ｂが挿入される貫通孔１７ａを有する。図４に示すように、正極端子３の軸部３ｂは、絶縁ガスケット１７の貫通孔１７ａ、封口板２の貫通孔１３ａ、絶縁板１６の貫通孔、正極リード９の接続プレート９ａの貫通孔９ｂに挿入され、これら部材にかしめ固定されている。これにより、正極端子３は、正極リード９を経由して正極集電タブ６ａと電気的に接続される。一方、負極端子４の軸部４ｂは、絶縁ガスケット１７の貫通孔１７ａ、封口板２の貫通孔１３ｂ、絶縁板１６の貫通孔、負極リード１０の接続プレート１０ａの貫通孔１０ｂに挿入され、これら部材にかしめ固定されている。これにより、負極端子４は、負極リード１０を経由して負極集電タブ７ａと電気的に接続される。
図１及び図２に示すように、封止栓１８は、円柱形状を有し、弾性材よりなる。弾性材には、電解液耐性を有するものが好ましく、例えば、EPDMゴムなどを挙げることができる。また、封止栓１８の形状は円柱形状に限らず、注液口１５の形状に応じて変更することができる。図4及び図6に示すように、封止栓１８は、封口板２の裏面から注液口１５を塞いでいる。正極リード９の接続プレート９ａの先端部分は、封口板２との間に封止栓１８を挟み、封止栓１８を封口板２に向けて押圧している。すなわち、正極リード９の接続プレート９ａの先端部分は、封止栓１８を封口板２に押圧する押圧部材として機能する。押圧部材には、リードと同一部材をそのまま延長して使用しても良いし、アルミニウム合金やステンレス鋼などの電解液耐性のある金属からなる押圧部材をリードに複合させることも可能である。正負極リード９，１０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。リードと同一部材をそのまま延長したものを押圧部材として用いる場合、押圧部材はアルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。
ここで、正負極の活物質、セパレータ、非水電解液、容器、封口板及び電極ガードについて説明する。
正極活物質は、特に限定されるものではなく、種々の酸化物、例えば、リチウム含有コバルト酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ２）、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎＯ２）、リチウム含有ニッケル酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ２）、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２）、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。
負極活物質は、特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛質材料もしくは炭素質材料（例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体など）、カルコゲン化合物（例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブなど）、軽金属（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金など）、リチウムチタン酸化物（例えば、スピネル型のチタン酸リチウム）等を挙げることができる。
セパレータは、特に限定されるものではなく、例えば、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物などを用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー、セルロースなどをあげることができる。
非水電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製される。非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフランなどを挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質は、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）などのリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。電解質の濃度が低すぎると十分なイオン導電性を得ることができない場合がある。一方、高すぎると溶媒に完全に溶解できない場合がある。
容器及び封口板の材料には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）めっきした鉄、ステンレス（ＳＵＳ）などを用いることができる。正負極端子３，４をアルミニウムもしくはアルミニウム合金から形成する場合、正負極リード９，１０には、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を使用することができる。
電極ガードに使用される樹脂としては、電解液に侵されにくい樹脂であればいかなる樹脂でも使用可能であるが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン酢酸ビニルアルコール共重合体、エチレン・アクリル酸共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体、エチレンメタクリルアクリレート共重合体、エチレン・メチルメタクリル酸共重合体、アイオノマー、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができ、上記樹脂は、１種類を単独で使用してもよく、また、複数の種類を混合して使用してもよい。中でも、ポリプロピレンまたはポリエチレンを用いることが好ましい。
以上説明した構造によれば、図６に示すように、封口板２の注液口１５と正極リード９の接続プレート９ａとの間に弾性材よりなる封止栓１８が配置されている。非水電解液を注液する際には、作動ピン１９を注液口１５から挿入し、作動ピン１９で封止栓１８を下方に押し込み、注液口１５の周囲と封止栓１８との間に隙間を設ける。この状態で注液口１５に注液ノズルを挿入し、注液ノズルから圧力を加えつつ、非水電解液を注液すると、加圧により容器が膨れて容器内の空隙体積が増加するため、非水電解液の電極群５への含浸を促進することができる。すなわち、容器の膨れを利用して加圧注液を行うことができるため、電解液全量を短時間で注液することができる。その後、作動ピン１９を引き上げると、容器内の加圧状態を維持したまま封止することができるため、注液ノズルを注液口から外した際の電解液の吹き返しを防ぐことができ、短時間で注液をすることができる。
封止栓を持たない構造において、加圧状態で注液を行い、電解液が電極群に含浸する前に注液口から注液ノズルを外すと、容器の内外の圧力差によって電解液の吹き返しが起こる。
注液後、図８に示すように、封口板２の表面に円板状の封止蓋２０を溶接により固定し、封止蓋２０で注液口１５を塞ぐことが望ましい。これにより、注液口１５は、封止栓１８と封止蓋２０とで封止されるため、電池の気密性を高くすることができる。封止蓋２０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）めっきした鉄、ステンレス（ＳＵＳ）などから形成することができる。
なお、図５では、正極リード９の接続プレート９ａを封口板２の長辺と平行に延出させたが、接続プレート９ａの形状はこれに限定されず、例えば図９に示すように、接続プレート９ａを垂直に折り曲げ、封口板２の短辺と平行に延出させても良い。このような構造にすると、正極リード９の接続プレート９ａの長さを短くすることができるため、正極リード９の製作コストを低く抑えることができる。
また、図４では、正極リード９の接続プレート９ａに矩形板を用いたが、接続プレート９ａの形状はこれに限定されず、例えば図１０に示すように、段差を設けることができる。
図4,10では、正極リード９の接続プレート９ａに押圧部材を形成したが、これに限定されず、負極リード１０の接続プレート１０ａに押圧部材を形成しても良い。
以上説明した第１の実施形態によれば、封口板の注液口とリードの押圧部材との間に弾性材よりなる封止栓が配置されている。非水電解液を注液する際には、封止栓をリード側に押し込み、注液口を開放した後、注液口から非水電解液を圧力を加えつつ、注液する。加圧により容器が膨れると、容器内の空隙容積を注液量よりも多くすることができるため、電解液全量を短時間で注液することができる。注液後、封止栓に加えていた押圧力を解除すると、リードの押圧部材が封止栓を封口板に押し付けるため、容器内の加圧状態を維持したまま容器内から封止することができる。このため、注液の際に加えていた圧力を解除した際の電解液の吹き返しを防ぐことができる。また、加圧状態は封止栓を注液口に押し付ける方向へ作用するため、より封止圧力を高めることができる。以上により、注液時間の短縮と含浸時間の短縮が可能となる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態によれば、非水電解質電池を含む電池パックが提供される。非水電解質電池には、第１の実施形態に係る非水電解質電池が使用される。電池パックに含まれる非水電解質電池（単電池）の数は、１個または複数にすることができる。複数の単電池を備える場合、各単電池は電気的に直列もしくは並列に接続されている。
このような電池パックを図１１を参照して詳細に説明する。組電池２２は、複数の単電池２１を含む。複数の単電池２１は、互いに電気的に直列に接続されている。正極側リード２３は、組電池２２の正極端子に接続され、その先端は正極側コネクタ２４に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード２５は、組電池２２の負極端子に接続され、その先端は負極側コネクタ２６に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ２４，２６は、配線２７，２８を通して保護回路２９に接続されている。
サーミスタ３０は、単電池２１の温度を検出し、その検出信号は保護回路２９に送信される。保護回路２９は、所定の条件で保護回路２９と外部機器への通電用端子３１との間のプラス側配線３２ａおよびマイナス側配線３２ｂを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ３０の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池２１の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池２１もしくは単電池２１全体について行われる。個々の単電池２１を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池２１中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図６の場合、単電池２１それぞれに電圧検出のための配線３３を接続し、これら配線３３を通して検出信号が保護回路２９に送信される。
図１１では単電池２１を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。組み上がった電池パックを直列、並列に接続することもできる。
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途としては、大電流特性でのサイクル特性が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。
以上詳述した第２の実施形態の電池パックによれば、第１の実施形態に係る電池を含むため、注液時間の短縮と含浸時間の短縮が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…外装缶、２…封口板、３…正極端子、４…負極端子、５…電極群、６…正極、６ａ…正極集電タブ、６ｂ…正極活物質含有層、７…負極、７ａ…負極集電タブ、７ｂ…負極活物質含有層、８…セパレータ、９…正極リード、９ａ…接続プレート，９ｂ…貫通孔、９ｃ…正極集電部、１０…負極リード、１０ａ…接続プレート，１０ｂ…貫通孔、１０ｃ…負極集電部、１１…電極ガード、１２…絶縁テープ、１４…安全弁、１５…注液口、１６…絶縁板、１７…絶縁ガスケット、１８…封止栓、１９…作動ピン、２０…封止蓋、２１…単電池、２２…組電池、２９…保護回路、３０…サーミスタ。

Claims (5)

  1. 容器と、
    前記容器内に収納され、正極及び負極を含む電極群と、
    前記容器内に収納された電解液と、
    前記容器の開口部に配置された封口板と、
    前記封口板に配置された端子と、
    前記封口板に開口された注液口と、
    前記封口板の前記注液口を塞ぎ、弾性材よりなる封止栓と、
    前記電極群の前記正極又は前記負極と前記端子とを電気的に接続するリードと、
    前記リードに一体化され、前記封止栓を前記封口板に押圧する押圧部材と
    を含むことを特徴とする電池。
  2. 前記押圧部材は、前記リードと同じ材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
  3. 前記リードは、前記端子が固定される接続プレートを有し、前記接続プレートが前記押圧部材を兼ねていることを特徴とする請求項２記載の電池。
  4. 前記押圧部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されていることを特徴とする請求項２記載の電池。
  5. 請求項１〜４いずれか１項記載の電池を含むことを特徴とする電池パック。
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