JP6107607B2

JP6107607B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6107607B2
Application number: JP2013229655A
Authority: JP
Inventors: 信司鈴木
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JP2015090774A

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来から、蓄電装置の一種である二次電池としては、例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等がよく知られている。このような二次電池は、正極の活物質が設けられた部分及び負極の活物質が設けられた部分との間に設けられるセパレータと、を有する電極組立体が収容されている。電極組立体は本体部及び集電部を有し、集電部には、外部端子まで延びる矩形シート状の導電部材が接合される。

このような二次電池では、側面からの外力により導電部材が本体部側に押圧された場合、導電部材が集電部以外の電極組立体に接触し、場合によっては、導電部材が電極組立体を突き破り、その結果二次電池が圧壊される（側面圧壊）。これは、導電部材が集電部以外の電極組立体に接触する時に、その接触した部分に応力が集中することによるものと考えられる。そこで、導電部材の本体部側の端部に、フランジを立設することで、導電部材の接触面積を大きくし、導電部材の接触時に応力の集中を緩和して、上述した圧壊に対する耐性（圧壊耐性）を向上する技術が、例えば下記特許文献１−３に開示されている。

特開２００６−２３６７９０号公報

しかしながら、上述した二次電池においても、フランジ部の先端が電極組立体を突き破るおそれがあり、十分な圧壊耐性を得ることができなかった。

そこで、本発明は、圧壊耐性の向上が図られた蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る蓄電装置は、一部分に活物質が設けられた正極及び負極と、正極の活物質が設けられた第１活物質部及び負極の活物質が設けられた第２活物質部との間に設けられるセパレータと、を有する電極組立体と、導電部材と、電極組立体及び導電部材が収容されるケースと、を備える蓄電装置であって、電極組立体は、正極の活物質が設けられた部分と負極の活物質が設けられた部分とセパレータとから構成される本体部と、正極における活物質が設けられていない部分で構成される第１集電部と、負極における活物質が設けられていない部分で構成される第２集電部と、を有し、正極は、セパレータ及び負極が積層される第１活物質部と、第１集電部を構成する第１端子部と、第１活物質部と第１端子部との間に位置する第１連結部とを有し、負極は、セパレータ及び正極が積層される第２活物質部と、第２集電部を構成する第２端子部と、第２活物質部と第２端子部との間に位置する第２連結部とを有し、導電部材は、第１集電部又は第２集電部と接合される基部と、基部の本体部側の端部に立設されるとともに第１連結部又は第２連結部と距離を置いて対向するフランジ部とを有し、フランジ部の先端と、ケースの内面のうち第１集電部又は第２集電部の基部が接合される面と対向する第１内面との最短距離Ｄ１は、基部が接合される正極又は負極と、第１内面との最短距離Ｄ２よりも短い。

この蓄電装置においては、フランジ部の先端と、第１内面との最短距離Ｄ１は、基部が接合される正極又は負極と、第１内面との最短距離Ｄ２よりも短いため、導電部材が本体部側に押圧され、フランジ部が電極組立体に接触した時であっても、フランジ部の先端は、電極組立体に接しない。これにより、フランジ部の先端によって電極組立体が圧壊されることが抑制されるため、電極組立体の圧壊耐性の向上が図られる。

また、蓄電装置は、第１内面と電極組立体との間に設けられるシートを有し、フランジ部の先端と、第１内面との最短距離Ｄ１は、シートの第１内面と対向する面と反対側の面と、第１内面との最短距離Ｄ３よりも短くてもよい。この場合、フランジ部の先端は、本体部側に押圧されると、シートに接触する。

なお、上記蓄電装置は二次電池であってもよい。

本発明によれば、電極組立体の圧壊耐性の向上が図られた蓄電装置が提供される。

本発明の実施形態に係る二次電池の一部の内部構成を示した概略図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。第一実施形態に係る電極組立体の一部の分解斜視図である。図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。従来の二次電池の一部分の断面図である。従来の二次電池の電極組立体がケースに押圧される図である。本実施形態に係る二次電池の電極組立体がケースに押圧される図である。変形例における電極組立体の一部の分解斜視図である。変形例に係る二次電池の一部分の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

まず、本実施形態に係る蓄電装置としての二次電池１の構成について、図１及び図２を参照しつつ説明する。

図１に示すように、二次電池１は、ケース１０と、ケース１０内に収容された電極組立体２０及び電極組立体２０に接合される導電部材３１，３２とを備えている。

ケース１０は、例えば、ステンレス又はアルミニウム等の金属からなる缶部と蓋部とを備えている。ケース１０は、内部に直方体形状の密封空間を形成している。ケース１０内には、例えばリチウムイオン二次電池又はニッケル水素二次電池といった、二次電池１の種類に応じた電解質（電解液）が充填されている。ケース１０が上述の金属からなる場合、ケース１０の内周面には絶縁処理がなされていてもよい。

電極組立体２０は、本体部２１と、第１集電部２２と、第２集電部２３とを備えており、充電によって電力を蓄え供給する部分である。

図２及び図３に示すように、電極組立体２０は、正極２４及び負極２５がセパレータＳを介して交互に積層された積層体である。正極２４は、矩形状の正極用金属箔２４ａ（例えば、アルミニウム箔）と、その正極用金属箔２４ａの両面（表面）に設けられた正極用活物質層２４ｂとを有する。正極２４は、正極用金属箔２４ａ上に正極用活物質層２４ｂが設けられた第１活物質部２６と、正極用金属箔２４ａ上に正極用活物質層２４ｂが設けられていない正極未塗工部２７とから構成されている。本実施の形態では、正極未塗工部２７は、正極用金属箔２４ａの長手方向一端側に設けられている。

負極２５は、矩形状の負極用金属箔２５ａ（例えば、銅箔）と、負極用金属箔２５ａの両面（表面）に設けられた負極用活物質層２５ｂとを有する。負極２５は、負極用金属箔２５ａ上に負極用活物質層２５ｂが設けられた第２活物質部２８と、負極用金属箔２５ａ上に負極用活物質層２５ｂが設けられていない負極未塗工部２９とから構成されている。本実施の形態では、負極未塗工部２９は、負極用金属箔２５ａの長手方向一端側に設けられている。

セパレータＳは、正極２４と負極２５との間に設けられており、正極２４と負極２５の短絡を防止する。具体的には、セパレータＳは、正極２４の第１活物質部２６と負極２５の第２活物質部２８との間に設けられている。すなわち、正極２４の第１活物質部２６上には、セパレータＳ及び負極２５が積層され、負極２５の第２活物質部２８上には、セパレータＳ及び正極２４が積層されている。

以上のように、本実施形態における電極組立体２０は、正極２４及び負極２５を複数備え、複数の正極２４の正極未塗工部２７が正極２４（または負極２５）の長手方向一端側にそれぞれ配置され、複数の負極２５の負極未塗工部２９が正極２４（または負極２５）の長手方向他端側にそれぞれ配置されるように、正極２４及び負極２５は積層されている。

本体部２１は、第１活物質部２６、セパレータＳ、第２活物質部２８が積層されて構成されている。第１集電部２２は、複数の正極２４の正極未塗工部２７が積層されて構成される。正極未塗工部２７のうち、第１集電部２２を構成する正極未塗工部２７が第１端子部２７ａに相当する。また、正極未塗工部２７のうち、第１活物質部２６と第１集電部２２との間に位置する正極未塗工部２７が第１連結部２７ｂに相当する。

第２集電部２３は、複数の負極２５の負極未塗工部２９が積層されて構成される。負極未塗工部２９のうち、第２集電部２３を構成する負極未塗工部２９が第２端子部２９ａに相当する。また、負極未塗工部２９のうち、第２活物質部２８と第２集電部２３との間に位置する負極未塗工部２９が第２連結部２９ｂに相当する。

なお、本実施の形態では、第１集電部２２が、正極２４（または負極２５）の長手方向一端側に設けられ、第２集電部２３が、正極２４（または負極２５）の長手方向他端側に設けられているが、第１集電部２２と第２集電部２３とが短絡しない場所であれば、第１集電部２２と第２集電部２３は、どこに設けられていてもよい。また、本実施の形態では、第１連結部２７ｂ及び第２連結部２９ｂに活物質が設けられていない構成であるが、活物質が設けられていてもよい。

導電部材３１，３２は、導電性を有する略矩形状の金属板（アルミニウム板、銅板など）からなり、この金属の平板を折り曲げて形成される。導電部材３１，３２のそれぞれの一端が、電極組立体２０の第１集電部２２，第２集電部２３とそれぞれ電気的に接続しており、他端が図示しない外部端子に接続されている。導電部材３１は、第１集電部２２の一方の主面２２ａ（第１集電部２２における正極未塗工部２７の積層方向と交わる面のうち一方の面）上に配置されている。導電部材３１，３２は、正極未塗工部２７の積層方向からレーザを照射することで第１集電部２２，第２集電部２３とそれぞれ溶接されると共に電気的に接続される。なお、導電部材３１，３２は、同様の形状（対称となる形状）となっているため、以下では導電部材３１のみの説明を行い、導電部材３２の説明を省略する。

図４に示すように、導電部材３１は、第１集電部２２の主面２２ａに接合される基部４１と、基部４１の本体部２１側の端部から立設する平板状のフランジ部４２を備えている。フランジ部４２は、プレス加工等により導電部材３１を屈曲することで形成されている。

フランジ部４２は、フランジ部４２の基部４１とは反対側の端部（以降、フランジ部４２の先端４２ａ）と、ケース１０の内面のうち、第１集電部２２における基部４１が接合される面と対向する第１内面１０ａとの最短距離Ｄ１が、第１集電部２２における基部４１が接合される正極２４と第１内面１０ａとの最短距離Ｄ２よりも短くなるように形成及び配置されている。本実施の形態では、フランジ部４２の先端４２ａにおける本体部２１側のエッジＥと、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ１が、正極２４の第１活物質部２６における正極用活物質層２４ｂと、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ２よりも短くなるように形成及び配置されている。

ケース１０内にはさらに、本体部２１を保護するシート５０が配置されている。このシート５０は、本体部２１とケース１０との間に設けられている。シート５０は、例えば有機樹脂製の絶縁性のシートであり、ケース１０の第１内面１０ａと本体部２１との接触及び短絡を防ぐために配置されている。また、シート５０とケース１０の第１内面１０ａとは、隙間なく接触している。なお、フランジ部４２の先端４２ａと、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ１は、シート５０における第１内面１０ａと対向する面と反対側の面５０ａ（シート５０の内面）と第１内面１０ａとの最短距離（すなわちシート５０の厚さ）Ｄ３よりも短くなっている。つまり、フランジ部４２の先端４２ａは、シート５０の延設方向と交差する面の一部と対向している。シート５０の厚さＤ３は、０．１μｍ〜３ｍｍ、好ましくは０．２μｍ〜２ｍｍ、更に好ましくは０．３μｍ〜１ｍｍである。なお、ケース１０の第１内面１０ａに絶縁処理がなされている場合、フランジ部４２の先端４２ａが、ケース１０の第１内面１０ａに当接していてもよい。

次に、第一実施形態に係る二次電池１の構成による作用の説明に先立ち、図５と図６とを用いて、従来の二次電池１０１の構成による作用について説明する。

図５に示すように、従来の二次電池１０１においては、導電部材１３１とシート１５０を除いて第一実施形態に係る二次電池１と同一である。導電部材１３１に形成されたフランジ部１４２は、第１集電部２２の主面２２ａ上に位置する基部１４１の本体部２１側の端部から、垂直に立設した形状となっている。すなわち、従来の二次電池１０１の基部１４１とフランジ部１４２とがなす角度θ_２は、直角（９０°）となっている。シート１５０は、第１内面１０ａ全体に接するように設けられている。

二次電池１０１において、ケース１０側面から外力が付加された場合について図６を参照しつつ説明する。

図６の（ａ）に示すように、ケース１０において、基部１４１のフランジ部１４２が設けられる側と反対側の端面（以降、基部１４１の反対側端面１４１ａ）と対向する側面１０ｂに、ケース１０内部に向かう力Ｆ_Ｌが付加されると、図６の（ｂ）に示すように、第１集電部２２が変形し、ケース１０の側面１０ｂが基部１４１の反対側端面１４１ａまで達する。それと同時に、ケース１０の第１内面１０ａとシート１５０との間に、力Ｆ_Ｌに応じた摩擦力（拘束力）Ｆ_Ｒが働く。このような摩擦力Ｆ_Ｒが生じるのは、本体部２１が、シート１５０を介してケース１０に接触しているためである。

基部１４１が、さらに本体部２１側に押圧されると、図６の（ｃ）に示すように、導電部材１３１が本体部２１側に移動し、フランジ部１４２が正極２４の第１連結部２７ｂに当接し、第１連結部２７ｂを力Ｆ_Ｃで押圧する。

これにより、第１連結部２７ｂにおけるフランジ部１４２の先端１４２ａのエッジＥと当接する部分において応力集中が生じ、第１連結部２７ｂが圧壊される。

なお、上述のように、シート５０，１５０とケース１０の第１内面１０ａ及びシート５０，１５０と電極組立体２０とが隙間なく接触している場合、電極組立体２０のケース１０近傍は摩擦力Ｆ_Ｒの影響を大きく受ける。このため、電極組立体２０におけるケース１０と直接的に又は間接的に接触される部分近傍は、電極組立体２０の中心付近と比較して、塑性変形に対する許容度が低い。

これに対して、第一実施形態に係る二次電池１では、図７の（ａ）に示すように、ケース１０において、基部４１のフランジ部４２が設けられる側と反対側の端面（以降、基部４１の反対側端面４１ａ）と対向する側面１０ｂに、ケース１０内部に向かう力Ｆ_Ｌが付加されると、図７の（ｂ）に示すように、第１集電部２２が収縮するように変形し、ケース１０の側面１０ｂが基部４１の反対側端面４１ａまで達する。そして、基部４１が、本体部２１側に押圧されると、図７の（ｃ）に示すように、導電部材３１が本体部２１側に移動し、フランジ部４２の先端４２ａがシート５０に当接する。これにより、更に基部４１が、本体部２１側に押圧されたとしても、シート５０によって導電部材３１の本体部２１側への移動が抑制される。また、フランジ部４２が第１連結部２７ｂに接触しても、フランジ部４２の先端４２ａのエッジＥは、正極２４に接しないため、最も応力集中する部分であるフランジ部４２の先端４２ａのエッジＥによって電極組立体２０が圧壊されることが抑制される。したがって、電極組立体２０の圧壊耐性の向上が図られる。

以上に説明した第一実施形態に係る二次電池１においては、フランジ部４２の先端４２ａと、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ１は、基部４１が接合される正極２４と、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ２よりも短いため、導電部材３１が本体部２１側に押圧され、フランジ部４２が本体部２１に接触した時であっても、フランジ部４２の先端４２ａは、正極２４に接しない。これにより、最も応力集中する部分であるフランジ部４２の先端４２ａのエッジＥによって電極組立体２０が圧壊されることが抑制されるため、電極組立体２０の圧壊耐性の向上が図られる。

また、二次電池１においては、第１内面１０ａと電極組立体２０との間に設けられるシート５０を有し、フランジ部４２の先端４２ａと、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ１は、シート５０の第１内面１０ａと対向する面と反対側の面５０ａと、第１内面１０ａとの最短距離Ｄ３よりも短い。このため、フランジ部４２の先端４２ａのエッジＥは、本体部２１側に押圧されると、シート５０に接触する。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図８に示すように、電極組立体２０における正極未塗工部２７及び負極未塗工部２９がタブ状であってもよい。このタブ状の正極未塗工部２７のうち、第１集電部２２を構成する正極未塗工部２７が第１端子部２７ｃに相当し、第１活物質部２６と第１集電部２２との間に位置する正極未塗工部２７が、第１連結部２７ｄに相当する。また、タブ状の負極未塗工部２９のうち、第２集電部２３を構成する負極未塗工部２９が第２端子部２９ｃに相当し、第２活物質部２８と第２集電部２３との間に位置する負極未塗工部２９が、第２連結部２９ｄに相当する。なお、タブ状の第１集電部２２（第２集電部２３）は、複数の第１端子部２７ｃ（複数の第２端子部２９ｃ）を積層して形成されていてもよいし、複数の第１端子部２７ｃ（複数の第２端子部２９ｃ）の内の一層から形成されていてもよい。

また、例えば、図９に示すように、第１集電部２２の一方の主面２２ａに導電部材３１Ａを設け、第１集電部２２の他方の主面２２ｂに導電部材３１Ｂを設けてもよい。

また、上記実施形態においては、電極組立体２０はセパレータＳを介して正極２４と負極２５とが積層された積層体を例に説明したが、電極組立体２０としてセパレータＳを介して正極２４と負極２５とが重なるように捲回された捲回体を用いてもよい。

また、上記実施形態においては、シート５０がケース１０と直接接触していたが、シート５０はケース１０と直接接触していなくてもよい。また、電極組立体２０は、ケース１０及びシート５０と接してなくてもよい。また、蓄電装置は、リチウムイオン二次電池等の二次電池に限らず、その他の蓄電装置（たとえば電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等）であってもよい。

１，１０１…二次電池、１０…ケース、１０ａ…第１内面、１０ｂ…側面、２０…電極組立体、２１…本体部、２２…第１集電部、２２ａ…主面、２３…第２集電部、２４…正極、２５…負極、２６…第１活物質部、２７…正極未塗工部、２７ｂ…第１連結部、２８…第２活物質部、２９…負極未塗工部、２９ｂ…第２連結部、３１，３１Ａ，３１Ｂ，３２，１３１…導電部材、４１，１４１…基部、４２，１４２…フランジ部、４２ａ，１４２ａ…先端、５０，１５０…シート、Ｄ１〜Ｄ３…最短距離、Ｅ…エッジ、Ｆ_Ｃ，Ｆ_Ｌ，Ｆ_Ｒ…力、Ｓ…セパレータ。

Claims

一部分に活物質が設けられた正極及び負極と、前記正極の活物質が設けられた第１活物質部及び前記負極の活物質が設けられた第２活物質部との間に設けられるセパレータと、を有する電極組立体と、導電部材と、前記電極組立体及び前記導電部材が収容されるケースと、を備える蓄電装置であって、
前記電極組立体は、
前記正極の活物質が設けられた部分と前記負極の活物質が設けられた部分と前記セパレータとから構成される本体部と、
前記正極における前記活物質が設けられていない部分で構成される第１集電部と、
前記負極における前記活物質が設けられていない部分で構成される第２集電部と、
を有し、
前記正極は、前記セパレータ及び前記負極が積層される前記第１活物質部と、前記第１集電部を構成する第１端子部と、前記第１活物質部と前記第１端子部との間に位置する第１連結部とを有し、
前記負極は、前記セパレータ及び前記正極が積層される前記第２活物質部と、前記第２集電部を構成する第２端子部と、前記第２活物質部と前記第２端子部との間に位置する第２連結部とを有し、
前記導電部材は、前記第１集電部又は前記第２集電部と接合される基部と、前記基部の前記本体部側の端部に立設されるとともに前記第１連結部又は前記第２連結部と距離を置いて対向するフランジ部とを有し、
前記フランジ部の先端と、前記ケースの内面のうち前記第１集電部又は前記第２集電部の前記基部が接合される面と対向する第１内面との最短距離Ｄ１は、前記基部が接合される前記正極又は前記負極と、前記第１内面との最短距離Ｄ２よりも短く、
前記ケースには、前記第１内面と前記電極組立体との間に設けられるシートが収容され、
前記最短距離Ｄ１は、前記シートの前記第１内面と対向する面と反対側の面と、前記第１内面との最短距離Ｄ３よりも短く、
前記シートにおいて前記本体部から前記フランジ部側へはみ出した先端は、前記本体部と前記フランジ部の先端との間に位置している、
蓄電装置。
前記蓄電装置が二次電池である、請求項１に記載の蓄電装置。