JP6003647B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、ラミネート型の二次電池、特にその実装に関するものである。

近年、地球温暖化の要因となっている二酸化炭素排出量を削減する方策の一つとして、環境発電（太陽光、風力、地熱、潮汐等）が注目されている。これらの発電方式は、石油、原子力発電等に比べれば未だコスト高であるが、安全、クリーンという点で優れているので、今後積極的に導入される方向にある。また、スマートグリッド等に代表される電力エネルギー生成／蓄積のネットワーク化が進められ、社会全体で電力消費抑制と効率的な利用方法が確立されれば、電気自動車等の導入も容易となる。これにより、更に二酸化炭素排出量が削減され、環境に優しい社会の出現が期待されている。

但し、環境発電方式は、発電量が自然環境の変化に応じて変動するため、単独で安定な電力供給を行なうことは不可能に近い。特に太陽光発電は夜に発電することはできず、昼においても雲によって太陽光が遮られた場合には著しく発電量が低下する。
そのような発電量変動を抑制する手段として、発電量の変動分を単純に熱として廃棄することや、発電量の変動分を揚水（水力発電用に平地から水を持ち上げる）用の電力源として用いることが検討されている。最近では大規模な二次電池を使って発電量の変動分を充電することも増えている。このような用途の二次電池には、信頼性と低コストが優先して要求されることから鉛蓄電池やナトリウム・イオウ電池が用いられることが多い。しかし、比較的小規模な発電システム（個人向けソーラー発電等）では、システム全体として可能な限り小型化が要求されるので、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池が使用されることが多くなっている。

一方、電気自動車やロボット等の可動物体に搭載される二次電池においては、電気容量が大きいこととともに軽量であることが重要な要素である。このため、可動物体に搭載される二次電池として、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池が使用される傾向にある。
可動物体に搭載される二次電池は軽量、高出力が求められる。このため、電池を構成する主要部品（正極、負極、セパレータ、電解液等）以外を可能な限り軽量化する必要があるので、特にリチウムイオン二次電池における外装体として、ラミネートフィルムが使用される傾向にある。このラミネートフィルムは、ポリプロピレン／アルミニウム薄膜／ナイロンという三層構造を持っている。ポリプロピレン部分が熱融着されることによってシールされ、電解液が外部へ漏れない構造となっている。また、フィルム内にアルミニウム薄膜を設けることによって外部からの水分の浸入を防止し、電解液の変性を抑制することが出来る。このように、ラミネートフィルムを用いて、正極、負極、セパレータ、電解液、および各電極に接続された電力取出し用の金属端子からなる二次電池の構成部材をパッキングすることによってラミネート型二次電池が形成される。

従来のラミネート側二次電池は、例えば、特許文献１に開示されているように、正極、負極、セパレータからなる積層体の全周囲を補強用の枠体で包囲し、この枠体をラミネートフィルムで被覆して構成されている。
また、特許文献２に開示されているように、前記補強用の枠体を設けないラミネート型二次電池も知られている。補強用の枠体を設けない方が小型軽量化に有利である。

特開２００６−１７９４４２号公報 特開平８−２０３５３２号公報

補強用の枠体を設けない従来のラミネート型二次電池の構造を、図８と図９を参照して説明する。二次電池５０は、ラミネートフィルムで構成された外装体５１の内部に、正極５２と、セパレータ５３と、負極５４が積層されて収容されるとともに、電解液５６が収容されている。また、正極５２に接続された正極端子５７と、負極５３に接続された負極端子５８が外装体５１から外部に突出している。以下、特に区別する必要がない場合には端子５７，５８と記載する。端子５７および端子５８が外装体５１から突出する部分にはシール部材５９が設けられている。

実際の二次電池５０の製造工程は、まず、正極５２、セパレータ５３および負極５４を順次積層する。そして、正極５２および負極５４を各々積層した電極と端子５７および端子５８を溶接した電極積層体５５を形成する。各部品が正確に位置決めされない場合、電池容量のばらつきや、不良発生（内部ショートや、シール不良）の原因となる。その後、電極積層体５５の両面にラミネートフィルムを電極積層体５５に対して冶具等にて位置決めを行なう。ラミネートフィルムにおいて端子５７および５８が突出する側の辺６１とこの辺６１に連なる左右の辺６２と６３に対して熱シール（熱融着）を実施する。辺におけるシールの順については特に制限はなく、三辺同時でも可能である。その後、開放されているラミネートフィルムの一辺（図８において下側の辺）６０を上方にしてここから電解液５６を注入する。その後、これを減圧して内部の空気を抜き、電解液５６の電極材料への浸透性を高めて、減圧状態で開放されているラミネートフィルムの一辺（すなわち辺６０）を熱融着することで、ラミネートフィルム内に圧力が加わった状態で二次電池５０が完成する。なお、図１０は、開放されている辺６０側から見た底面図である。また、図１１は、正極５２および負極５４が二組積層されている二次電池５０の断面構造を示した図である。

このように構成された二次電池５０において、端子５７と端子５８を外部の電気回路に接続する場合、内部の積層された正極５２および負極５４は片持ち構造となっているため、各電極５２および電極５４に図８において横方向の外力が加わると、図１２に示すように電極５２および電極５４が面内方向に相対的にずれが発生する場合がある。このとき、電極５２と電極５４間の対向する面積が減少するため、電池容量が減少してしまう。また、さらに外力が加わった場合には、電極５２，５４の離脱や、セパレータ５３へのスクラッチ痕が発生し、内部ショートの虞もある。また、薄い（数百ミクロン）電極５２および電極５４がラミネートフィルムからなる外装体５１と接触する場合が発生し、外装体５１が損傷する虞がある。
図１３、図１４は正極５２の端子の引き出し方向と負極５４の端子の引き出し方向を反対方向にした構造を示し、この場合には両持ち型になるため横方向の外力に対して強くなるが、やはり、電極５２および電極５４の相対ずれの可能性は残っている。
本発明の目的は、耐振動衝撃特性に優れたラミネート型の二次電池を提供する。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の二次電池は、ラミネートフィルムで形成された外装体の内部に、正極とセパレータと負極が積層されるとともに電解液が収容され、前記各電極に接続され外部へ電力を取り出すための端子が前記外装体から突出している二次電池において、積層された前記各電極およびセパレータにおける前記端子が存在しない両側と前記外装体との間に、それぞれ柱状の保持部材を備え、前記保持部材は、前記電解液を前記外装体の内部に注入する際の空洞を有しており、前記保持部材における前記各電極に対向する面に孔が設けられ、前記保持部材に対して相対移動可能で且つ前記孔を閉塞可能な可動体を備える。

本発明によれば、端子に横方向の外力が加わった場合にも、正極および負極の両側と外装体との間に柱状の保持部材が設置されているので、正極と負極の位置ずれを阻止することができ、耐振動衝撃性能が向上する。

本発明の第１の実施形態における二次電池の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 電解液注入前の第１の実施形態の二次電池を図１のＹ方向から見た底面図である。 第１の実施形態の二次電池において用いられる保持部材の外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態における二次電池の変形例の正面図である。 本発明の第２の実施形態の二次電池において用いられる保持部材の外観斜視図である。 本発明の第２の実施形態の二次電池において用いられる別の保持部材の外観斜視図である。 従来の二次電池の正面図である。 図８のＢ−Ｂ断面図である。 電解液注入前の従来の二次電池を図８のＸ方向から見た底面図である。 正極と負極を複数備えた従来の二次電池の断面図である。 従来の二次電池において正極と負極のずれを説明するための図である。 別の従来の二次電池の正面図である。 図１３のＣ−Ｃ断面図である。

以下、本発明に係る二次電池の実施形態を図１から図７の図面を参照して説明する。
初めに、本発明に係る二次電池の第１の実施形態を図１から図５の図面を参照して説明する。
二次電池１は、ラミネートフィルムで構成された矩形袋状の外装体２を備え、この外装体２の内部に、正極３とセパレータ４と負極５が積層されてなる電極積層体６と、電極積層体６の左右両側に配置された２つの保持部材７と、電解液８とが収容されている。電極３および電極５には、外部に電力を取り出すための端子９と端子１０がそれぞれ接続されている。詳述すると、正極３には正極端子９が接続され、負極５には負極端子１０が接続されていている。以下、特に区別する必要がない場合には端子９および端子１０という。これら端子９および１０は外装体２の一辺２ａ側から外方に突出している。正極端子９と負極端子１０は外装体２の前記一辺２ａにおいて左右に離間して配置されている。そして、外装体２の外周部分の四辺２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄが接合されてシールされ、さらに、端子９および１０が外装体２から突出する部分にはシール部材１１が設けられている。

なお、図２では図示の都合上、外装体２を構成するラミネートフィルムを一層で表しているが、実際には、ポリプロピレン／アルミニウム薄膜／ナイロンの三層で構成されている。そして、外装体２は、一番内側層のポリプロピレン部分が熱融着されることによって電解液８が外部へ漏れないようにシールされている。アルミニウム薄膜は外部からの水分の浸入を防止し、電解液８の変性を抑制する。

保持部材７は、電極積層体６の左側部と外装体２の左辺２ｂの内面との間、および電極積層体６の右側部と外装体２の右辺２ｃの内面との間に、それぞれ１つずつ配置されている。
図３および図４に示すように、保持部材７は三角柱状をなし、保持部材７の３つの側面７ａ，側面７ｂおよび側面７ｃのうちの１つの側面７ａは電極積層体６の左側部あるいは右側部に当接しており、残る２つの側面７ｂと側面７ｃが外装体２において左辺２ｂあるいは右辺２ｃに連なる内面に沿って配置されている。つまり、正極３と負極５の左右両側面は、左右の保持部材７の側面７ａに接している。このように保持部材７はその側面７ａが正極３と負極５に接触しているので、少なくとも側面７ａには絶縁性が必要である。そのため、保持部材７は絶縁材料で形成するか、または、少なくとも側面７ａを絶縁性材料により被覆する。なお、保持部材７の全表面を絶縁性材料により被覆してもよいことは勿論である。保持部材７はその上下端が電極積層体６よりも上下に若干突き出る程度の長さとなっている。

この二次電池１は次のようにして製造する。まず、正極端子９を備えた正極３、セパレータ４、負極端子１０を備えた負極５を順次積層して、電極積層体６を形成する。このとき、各部品を正確に位置決めすることにより、電池容量のばらつきや、組み付け不良（内部ショートや、シール不良）が発生しないようにする。そして、電極積層体６の両側部に保持部材７を当接させて設置する。その後、これらの表裏両側に、外装体２の素材であるラミネートフィルムを冶具等にて位置決めを行なって配置し、ラミネートフィルムにおいて端子９および１０が突出する側の辺２ａと左辺２ｂと右辺２ｃに対して熱シール（熱融着）を実施する。それら３辺のシール順については特に制限はなく、三辺同時でも可能である。その後、ラミネートフィルムにおいて開放されている辺２ｄ側を上方に位置させ、この開放口から電解液８を注入する。その後、減圧して内部の空気を抜き、電解液８の電極材料への浸透性を高めて、減圧状態で開放されている辺２ｄを熱融着することで、ラミネートフィルム内に圧力が加わった状態で二次電池１が完成する。

このように構成された二次電池１においては、端子９および端子１０を外部の電気回路に接続するときなどに端子９と端子１０に横方向の外力が加わった場合にも、電極積層体６の左右両側に保持部材７が設置されていて、保持部材７が正極３および負極５の側面に接しているので、正極３と負極５の位置ずれを阻止することができる。したがって、振動衝撃に対して電極積層体６の電極３と電極５の相対的なずれを大幅に抑制することが可能となり、耐振動衝撃性能が向上する。その結果、従来、電極ずれに起因して生じる電池容量の低下や、電極離脱や、内部ショートを、確実に防止することができる。
また、この二次電池１を可動物体（例えば車両）に搭載するときの二次電池１の信頼性が向上する。
また、保持部材７の断面形状が三角形であるので、ラミネートフィルムに加わる応力を減少させることが可能となり、二次電池１の寿命を延ばすことが可能となる。

なお、図５に示すように、左右の保持部材７の下端同士を連結する連結部材１２を加えることによって、保持部材７の相対的な移動を抑制することができ、更に耐振動衝撃性能を向上させることが可能となる。

次に、本発明に係る二次電池の第２の実施形態を図６と図７を参照して説明する。
第２の実施形態の二次電池１が前述した第１の実施形態の二次電池１と相違する点は、保持部材７の構造にあり、その他の点については第１の実施形態の二次電池１と同じである。したがって、全体構成については図１から図３の図面を援用して、説明を省略する。

図６は、第２の実施形態の二次電池１における保持部材７の外観斜視図であり、第１の実施形態における図４に対応する図である。
この保持部材７は、内部が空洞になっている。保持部材７の長手方向の一方の端部１３は閉塞され、他方の端部１４は開口している。保持部材７の閉塞している一方の端部（以下、閉塞端部という）１３は、外装体２内において辺２ａ側に配置されている。開口している他方の端部（以下、開口端部という）１４は、外装体２内において辺２ｄ側に配置されている。すなわち電解液８を注入する際に開放口となる側に配置されている。また、保持部材７において電極積層体６の側部に当接する側面７ａには、複数の円形の孔１５が長手方向一直線上に所定間隔おきに設けられており、内部の空洞に連なっている。この保持部材７も、絶縁部材で形成されているか、または、少なくとも側面７ａが絶縁性材料により被覆されている。

第２の実施形態の二次電池１において、保持部材７は、電極３および電極５の位置ずれを防止する機能に加えて、電解液８を注入する際の注入管としての機能を有する。
第２の実施形態では、二次電池１の製造工程において、電極積層体６の両側部に保持部材７を当接させて設置した後、これらの表裏両側に、外装体２の素材であるラミネートフィルムを冶具等にて位置決めを行なって配置する。さらに、ラミネートフィルムにおいて端子９および端部１０が突出する側の辺２ａと左辺２ｂと右辺２ｃに対して熱シールを実施した後、ラミネートフィルムにおいて開放されている辺２ｄ側を上方に位置させる。ここまでは第１の実施形態における製造工程と同じである。

この後、電解液８を注入するときには、第１の実施形態の場合のようにラミネートフィルムの辺２ｄの開放口から注入するのではなく、両保持部材７の開口端部１４から保持部材７内に電解液８を注入する。保持部材７内に注入された電解液８は、保持部材７の孔１５からラミネートフィルム内に放出される。このように保持部材７の孔１５から電解液を注入すると、電極積層体６の両側面から電解液８が注入される。これによって、電解液を電極材への浸透距離が一方方向から注入される場合に比べて短縮されるので、電解液注入工程にかかる時間を短縮することができる。特に積層数が多く、大面積のラミネート型二次電池の電解液注入工程の時間を大幅に短縮することが可能になる。

また、一方の保持部材７から電解液８を注入し、他方の保持部材７から空気の排気を行なうことによっても、電極材への電解液８の浸透性を向上させることができるので、電解液注入工程の時間を短縮することが可能となる。ただし、この場合には、一方の保持部材７に接続した注入管（図示略）と他方の保持部材７に接続した排気管（図示略）をラミネートフィルムの辺２ｄの開放口から突出させ、開放口を閉塞する。
このように電解液注入工程の時間を短縮することができるので、生産性が向上し、歩留まりが向上して、結果としてコスト削減が可能となる。

図７は、孔１５を有する前記保持部材７の側面７ａに、保持部材７に対してその長手方向に相対移動可能な可動体２０を備える態様を示している。可動体２０は、全ての孔１５を閉塞可能な寸法を有していて、可動体２０を図７に示す位置から保持部材７の開口端部１４側にスライドさせると、保持部材７の閉塞端部１３に近い側の孔１５から順次開口させることができる。つまり、可動体２０をスライドすることによって孔１５が開閉可能となっており、これにより電解液８の注入位置を変更することができる。そして、注入位置を適宜選択することによって、電極材に対して電解液８を効率的に浸透させることができ、更に空気を効率的に排出させることが可能となって、電解液注入工程の時間を短縮することができ、結果的にコスト削減が可能となる。

以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得ることができる各種変形、修正を含むことは勿論である。
例えば、上記実施形態では、正極３と負極５とをそれぞれ１つずつ備えた二次電池で説明したが、図１１に示されるような正極とセパレータと負極が多数積層された二次電池に本発明を適用することも可能である。また、図１４に示されるような正極端子の引き出し方向と負極端子の引き出し方向を反対方向にした二次電池に本発明を適用することも可能である。
また、保持部材７の断面形状はほぼ三角形であればよく、例えば三角形の角部をアールで丸みを付けてもよいし、側面７ｂおよび側面７ｃを外方に湾曲する曲面で形成してもよい。
本願は、２０１０年９月１７日に、日本に出願された特願２０１０−２０９０４１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

耐振動衝撃特性に優れたラミネート型の二次電池を提供する。

１ 二次電池
２ 外装体
３ 正極
４ セパレータ
５ 負極
６ 電極積層体
７ 保持部材
８ 電解液
９ 正極端子
１０ 負極端子
１２ 連結部材
１５ 孔
２０ 可動体

Claims (4)

1. ラミネートフィルムで形成された外装体の内部に、正極とセパレータと負極が積層されるとともに電解液が収容され、前記各電極に接続され外部へ電力を取り出すための端子が前記外装体から突出している二次電池において、
   積層された前記各電極およびセパレータにおける前記端子が存在しない両側と前記外装体との間に、それぞれ柱状の保持部材を備え、
   前記保持部材は、前記電解液を前記外装体の内部に注入する際の空洞を有しており、前記保持部材における前記各電極に対向する面に孔が設けられ、前記保持部材に対して相対移動可能で且つ前記孔を閉塞可能な可動体を備える二次電池。
2. 前記保持部材は絶縁材で構成されているか、あるいは絶縁性材料で被覆されている、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記二つの保持部材を連結する連結部材を備える、請求項１または請求項２に記載の二次電池。
4. 前記保持部材は断面形状がほぼ三角形である、請求項１から３のいずれか１項に記載の二次電池。

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