JP6332235B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は，外装ケースに電極捲回体を収納してなる二次電池に関する。さらに詳細には，外装ケースが扁平形でありその中の電極捲回体も扁平形のものである二次電池に関するものである。

従来から，この種の二次電池においては，外装ケースの内面と電極捲回体との間に絶縁フィルムを配置することが行われている。外装ケースの内面と電極捲回体との絶縁のためである。このような従来例として，特許文献１に記載されているものを挙げることができる。同文献の電池では当該絶縁フィルムを，電極体（電極捲回体）を囲む袋状に形成している。そして，その袋状の絶縁フィルムが，外装ケースの内部空間のコーナー部に干渉することがないような配置とされている。これにより，絶縁フィルムで包まれた電極体を外装ケースに挿入しやすくしている。

特開２００９−２６７０４号公報

しかしながら前記した従来の技術には，次のような問題点があった。すなわち，使用に際して電池抵抗が増大する傾向があった。その原因は，電池の使用とともに，電極捲回体内に含浸されている電解液の量が減少してくることがあるためと考えられる。すなわち，特にハイレートでの充放電が行われると，電極捲回体の膨張収縮に伴い，電極捲回体内に含浸されていた電解液の一部が電極捲回体の捲回軸方向端部から流出してくることがある。電極捲回体から流出した電解液は，袋状の絶縁フィルムからも脱出して外装ケースの底部に溜まることとなる。袋状の絶縁フィルムとはいっても，通常は１枚の平面状のフィルムを適宜折り曲げたものであるため，縁部や角部には隙間があるからである。

そうするともはや，外装ケースの底部に溜まった電解液が再び電極捲回体内に戻ることは困難である。前述のように袋状の絶縁フィルムが外装ケースのコーナー部に干渉していないからである。このため，底部に溜まった電解液と，電極捲回体および袋状の絶縁フィルムとの間に接点がないのである。特に近年では，もともと外装ケース内に，電極捲回体に含浸される量以上の余裕分の電解液をあまり多くは入れない傾向があるから尚更である。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，扁平形であって，電極捲回体から流出した電解液が容易に電極捲回体に戻ることができる二次電池を提供することにある。

本発明の一態様における二次電池は，蓋部と本体部とからなる扁平形の外装ケースと，外装ケース内に両ターン部が蓋部と本体部の底面とを向くように収納されているとともに電解液が含浸されている扁平形の電極捲回体とを有する電池であって，外装ケースの内面と電極捲回体との間に，蓋部側が開口した袋状であるとともに底面側の角部に，電解液が通過しうる隙間が形成されている絶縁フィルムを備えており，外装ケースは，内面における底面の少なくとも長手方向端部に，底面と壁面とが曲面で繋がる曲面部を有するものであり，絶縁フィルムにおける前記隙間が形成された角部が，外装ケースの内面の曲面部と，電極捲回体の底面側の角部とにより挟み付けられているものである。

上記態様における二次電池では，電極捲回体の底面側の角部と外装ケースの内面との間を絶縁する袋状の絶縁フィルムが，外装ケースにおける底面側の曲面部にて電極捲回体との間で挟み付けられている。すなわちこの挟み付け箇所では，電極捲回体と絶縁フィルムとが接触しているとともに，外装ケースの内面と絶縁フィルムとも接触している。また，その箇所における絶縁フィルムには，電解液が通過しうる隙間も形成されている。このため，電極捲回体から流出して外装ケースの底面上に溜まった電解液が，容易に電極捲回体に復帰することができる。したがって，電極捲回体の電解液不足による発電性能低下が起こりにくい。

上記態様の二次電池ではさらに，絶縁フィルムは，電極捲回体の両主面および底面側のターン部を覆うようにＵ字形に曲げられたＵ字部と，Ｕ字部のうち電極捲回体の主面部に対応する部分に対して蓋部の長手方向に突出し，電極捲回体の端部に沿うように折り曲げられている側方折り曲げ部と，Ｕ字部のうち電極捲回体のターン部に対応する部分に対して蓋部の長手方向に突出し，電極捲回体の端部に沿うように折り曲げられている底部折り曲げ部とを有し，側方折り曲げ部と底部折り曲げ部との間に切り込みが入れられているとともにこの切れ込みが隙間を構成しているものであり，電極捲回体と外装ケースの内面の曲面部とが，底部折り曲げ部を介して接続されていることが望ましい。

かかる構造の袋状の絶縁フィルムは，１枚の平坦なフィルムから折り曲げ等により容易に構成できる。また，電極捲回体と外装ケースの内面の曲面部とが，底部折り曲げ部を介して接続されていることにより，外装ケースから電極捲回体への振動の伝達が底部折り曲げ部で緩和される。このため，耐久性で有利である。また，「Ｕ字形」には，曲げられた部分が曲面のみで構成される形状の他に，角部を含む形状であっても含まれることとする。

上記態様における絶縁フィルムはさらに，底部折り曲げ部の中央部分にも切り込みが入れられているものであり，この切れ込みも前記隙間を構成しているものであるとよりよい。これによりさらに，袋状の絶縁フィルムの外側から内側への電解液の復帰経路が確保される。

本構成によれば，扁平形であって，電極捲回体から流出した電解液が容易に電極捲回体に戻ることができる二次電池が提供されている。

実施の形態に係る二次電池の概略構造を示す断面図である。 図１の二次電池のコーナー部の拡大断面図である。 図１の二次電池において本体部の内面と電極捲回体との間に挟み込まれている絶縁フィルムの全体形を示す斜視図である。 平坦な状態での絶縁フィルムを示す平面図である。 絶縁フィルムの折り曲げ過程の途中の状態を示す側面図である。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示す二次電池１に本発明を適用したものである。図１の二次電池１は，外装ケース２に電極捲回体３を収納したものである。外装ケース２は，本体部４と蓋部５とにより，全体として扁平角形をなしているものである。すなわち外装ケース２のうちの本体部４が，一方（図１中では上方）が開口した扁平角形の容器であり，蓋部５がその開口部を閉鎖している。

電極捲回体３は，正極板と負極板とセパレータとを巻き重ねたものである。本形態における電極捲回体３は，外装ケース２の扁平形状に合わせて扁平形状とされている。電極捲回体３は，その捲回軸方向（図１中の左右方向，蓋部５の形状に対しては長手方向）中央の発電要素部６と，その両サイドの正極集電部７および負極集電部８とを有している。発電要素部６は，正極板，負極板，セパレータのすべてが捲回されている部分である。正極集電部７および負極集電部８はそれぞれ，正極板，負極板のそれも集電箔のみの非塗工部分だけが捲回されている部分である。正極集電部７および負極集電部８はそれぞれ，正極端子９，負極端子１０に接続されている。外装ケース２内に収納されている電極捲回体では，捲回により正極板，負極板，セパレータがターンしているターン部１６が，蓋部５と，本体部４の底面１４とを向いている。

また，外装ケース２内には上記の他，電解液１１が収容されている。ただし，外装ケース２内に収容されている電解液１１の大部分は電極捲回体３に含浸されている。図１中に現れている電解液１１は，電極捲回体３に含浸されきらない余裕分のものであり，外装ケース２の内部空間のうちの底部（蓋部５の反対側）に溜まっているものである。

図１の二次電池１における本発明としての特徴部分は，図中下部のコーナー部１２にある。コーナー部１２について図２によりさらに説明する。図２に示されるように，外装ケース２の本体部４には，壁面１３と底面１４（蓋部５の反対側の面）とが曲面状に繋がる曲面部１５が形成されている。曲面部１５は少なくとも，底面１４における，電極捲回体３の捲回軸方向の端部，すなわち短辺側に設けられている。むろん，これに加えて長辺側も曲面状になっていたとしてもかまわない。

そして図２に示されるように，外装ケース２（より詳細には本体部４）の内面と電極捲回体３との間には，絶縁フィルム１７が挟み込まれている。絶縁フィルム１７の存在により，電極捲回体３と外装ケース２の内面との直接の接触が防止されている。金属製の本体部４を介しての正負極間の短絡を防止するためである。図２ではわかりにくいが絶縁フィルム１７は，図３に示されるように，上方が開口した袋状をなしている。つまり本形態の二次電池１における電極捲回体３は，袋状の絶縁フィルム１７に包まれ，さらに外装ケース２に収納されているのである。これにより，電極捲回体３のいかなる部位も，外装ケース２の内面と接触しないようになっている。また，袋状の絶縁フィルム１７の上方が開口しているので，正極集電部７，負極集電部８と正極端子９，負極端子１０との接続には支障はない。

絶縁フィルム１７は，１枚の平坦なフィルム部材に適宜切れ込みや折り曲げを施して全体が袋状となるようにしたものである。図４に，折り曲げを行う前の平坦な状態での絶縁フィルム１７を示す。図４に示される絶縁フィルム１７は，全体が長方形であり，図４中の左右方向が図１中の左右方向に相当する。また，図４中の上下方向が図１中でも上下方向である。ただし図４中の上下方向の真ん中辺りが，図３に示した袋状の絶縁フィルム１７における底部となる。つまり，図４中の絶縁フィルム１７の上下端が，図３の袋状の絶縁フィルム１７における上端の開口部に相当する。

図４の絶縁フィルム１７中には一点鎖線で，折り曲げ線１８を示している。折り曲げ線１８は，絶縁フィルム１７が袋状となるために折り曲げられる位置を示している。２本の折り曲げ線１８の間隔が，図１中の電極捲回体３の，正極集電部７および負極集電部８の部分を含めた全幅に相当する。さらに図４中には，斜線のハッチングで湾曲領域１９を示している。湾曲領域１９は，湾曲させられて袋状の絶縁フィルム１７における底部となる部分である。当然この部分は，電極捲回体３の表面のうち底側のターン部１６を覆う。２本の折り曲げ線１８で挟まれた領域のうち，湾曲領域１９以外の上下の部分が，電極捲回体３の表面のうち平坦部分を覆う主面領域２０である。つまり，湾曲領域１９とその両側の主面領域２０との全体で，図３の袋状の状態では，電極捲回体３の両主面および底部側のターン部１６を覆うようにＵ字形に曲げられたＵ字部を構成するのである。

図４の絶縁フィルム１７にはさらに，切り込み２１，２２が入れられている。切り込み２１，２２はいずれも，絶縁フィルム１７のうち２本の折り曲げ線１８の外側の領域に設けられている。そのうち切り込み２１は，湾曲領域１９と主面領域２０との境目の位置に対応して設けられている。切り込み２２は，図４中の上下方向に対して湾曲領域１９の中央に対応する位置に設けられている。ただしここで「中央」とは厳密に真ん中である必要はなく，湾曲領域１９の上下方向の幅の２０％以内で真ん中からずれていても中央と見なしてよいものとする。

切り込み２１，２２により，絶縁フィルム１７における２本の折り曲げ線１８の外側の領域は，タブ部２３，２４に区画されている。タブ部２３は湾曲領域１９に対して前述の蓋部５の長手方向に突出する部分である。タブ部２４は主面領域２０に対して同じ方向に突出する部分である。切り込み２１，２２により，各タブ部２３，２４は個々に独立して折り曲げ線１８で折り曲げられることができる。

上記のような図４の絶縁フィルム１７により，図３に示した袋状をなさしめることができる。その際には，次の手順で絶縁フィルム１７を折り曲げる。切り込み２１，２２は既に入れられているものとする。折り曲げおよび湾曲の向きは，いずれも，図４の紙面が谷になる向きとする。最初に，タブ部２４と主面領域２０との間の折り曲げ線１８を折り曲げる。これにより，絶縁フィルム１７のうちタブ部２４のみが他の部分に対して立った状態とする。次に，湾曲領域１９を湾曲させる。これにより絶縁フィルム１７は全体として袋状を呈することとなる。図５に，この湾曲領域１９を湾曲させる過程の途中の状態を示す。最後にタブ部２３と湾曲領域１９との間の折り曲げ線１８を折り曲げる。これにより，図３に示した袋状の絶縁フィルム１７となる。

なお，上記の折り曲げおよび湾曲の順序は一例であり，異なる順序であっても最終的に図３の状態が得られればよい。また，図３ではタブ部２３がタブ部２４より外側に位置しているが，逆にタブ部２３がタブ部２４の内側に位置するようにしてもよい。また，絶縁フィルム１７を図３の袋状にしてからその中に電極捲回体３を挿入してもよいし，図４の平坦な絶縁フィルム１７上に電極捲回体３を置いて，電極捲回体３の表面に沿わせるように前述の折り曲げや湾曲を行うようにしてもよい。

図３の袋状の絶縁フィルム１７では，側面部分で２枚のタブ部２４が重なる状態となっている。また，その下端部付近ではそれに加えて２枚のタブ部２３も重なっている。これらのタブ部２４やタブ部２３は，電極捲回体３の捲回軸方向の端部に沿うように折り曲げられていることになる。しかしながらこれらの重なり箇所では，単にタブ部２４同士等が重なっているだけで，溶着や接着等により密閉されているわけではない。このため，タブ部２４同士等の間には隙間があり，この隙間を通して電解液の出入りが可能である。

特に，底側の角部の点Ａ，点Ｂは，前述の切り込み２１，２２の最も奥の地点に相当する。つまり袋状の絶縁フィルム１７では，このように底側の角部にも，電解液の出入りが可能な隙間が存在する。なお，電極捲回体３の挿入や外装ケース２の本体部４への収納の作業上の便宜のために図３中の上端付近でタブ部２４同士を粘着テープで固定する程度のことは，上記の「密閉」には含まれない。

図２に戻って，本体部４の内面と電極捲回体３とによる絶縁フィルム１７の挟み付けは具体的には，曲面部１５の内面と電極捲回体３の底側の角部との間で行われる。そこで挟み付けられるのは絶縁フィルム１７のうち，タブ部２３と湾曲領域１９との間の折り曲げ線１８（図４参照）の辺りである。これにより，図２のコーナー部１２において，外装ケース２（本体部４）と電極捲回体３との直接の接触を絶縁フィルム１７で防止しつつ，それでいてその挟み付け箇所では本体部４の内面と絶縁フィルム１７とが接触し，かつ電極捲回体３と絶縁フィルム１７とも接触している構造となっている。さらに，その箇所のすぐ近傍に前述の点Ａ，点Ｂといった電解液の出入りが可能な隙間の箇所が存在している。

このため本形態の二次電池１では，一旦電極捲回体３から流出して外装ケース２の底面１４（図２参照）上に溜まった電解液１１であっても，比較的容易に点Ａ，点Ｂを通して袋状の絶縁フィルム１７内に浸入することができる。絶縁フィルム１７内に浸入した電解液１１は容易に，電極捲回体３に再度含浸されることができる。このため，電極捲回体３における電解液不足が生じていない通常状態において，底面１４上の電解液１１の液面が，前述の絶縁フィルム１７の挟みつけ箇所以上の高さである必要はない。

また，上記のような本体部４の内面と電極捲回体３とによる絶縁フィルム１７の挟みつけが曲面部１５の内面にて行われているということは，その箇所は外装ケース２の底面１４から見てさほど高い場所ではないということを意味する。このため，電解液１１が当該挟み付け箇所に到達することは比較的容易である。特に，二次電池１が車両に搭載されているものであれば，車両の加減速時や旋回時の加速度に伴う電解液１１の片寄りにより容易に当該挟み付け箇所に電解液１１が到達する。また，当該挟み付け箇所に近づけば近づくほど，絶縁フィルム１７と外装ケース２の内面との間隔が狭くなっている。このことによる毛細管現象も，電解液１１を当該挟み付け箇所へ向けて吸引する方向に作用する。

また，絶縁フィルム１７の挟みつけが曲面部１５の内面にて行われているということは，本体部４の内部空間の寸法自体は電極捲回体３やそれを包む絶縁フィルム１７の寸法よりある程度大きいということを意味する。このため，電極捲回体３およびそれを包む絶縁フィルム１７の本体部４への収納作業に特に支障はない。

本体部４の内面と電極捲回体３とによる絶縁フィルム１７の挟みつけは，必ずしも，絶縁フィルム１７における同一箇所の表裏面に本体部４の内面と電極捲回体３とが接触する形態でなくてもよい。電極捲回体３と曲面部１５の内面とが，タブ部２３を介して接続されている形態であってもよい。すなわち，絶縁フィルム１７のうち，タブ部２３と湾曲領域１９との間の折り曲げ線１８の辺りの内面側に電極捲回体３が接触するとともに，タブ部２３の先端付近の外面側が曲面部１５の内面に接触する形態であってもよい。このような形であっても，「挟み付け」に含まれる。このような形態であると，外的な要因により外装ケース２が振動したとしても，その振動の電極捲回体３への伝達が，タブ部２３により緩和される。このため，耐久性で有利である。むろん，ここでいう「接続されている」は，電極捲回体３と曲面部１５の内面とが電気的に導通していることを意味するものではない。

以上詳細に説明したように本実施の形態の二次電池１によれば，本体部４の内面と電極捲回体３との接触を袋状の絶縁フィルム１７により防止するとともに，本体部４の底部の角部を曲面部１５としている。そして，袋状の絶縁フィルム１７における角部に電解液１１の通過が可能な隙間がある構造とするとともに，その箇所が電極捲回体３の角部と曲面部１５の内面とにより挟み付けられる配置としている。これにより，底部に溜まった電解液１１が容易に電極捲回体３の内部に復帰できるようにしている。かくして，電解液１１の内容量をあまり増やさなくても，またハイレート条件での使用が多い状況でも，電極捲回体３における電解液不足が生じにくい二次電池１が実現されている。これにより，電池抵抗の増大が生じにくいようにしている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，二次電池１の種類については特に限定はなく，リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の公知の種類の二次電池に適用できる。また，上記の曲面部１５における絶縁フィルム１７の挟み付けは，望ましくは正負両側で実現されることが望ましいが，いずれか片側だけであってもある程度の効果は期待できる。ただし電池の種類がリチウムイオン二次電池である場合，正極側よりは負極側で実現した方が有利である。電極捲回体３からの電解液１１の流出自体が負極側で起きやすく，底面上の電解液１１も負極側に片寄って溜まっていることが多いからである。

また，袋状の絶縁フィルム１７についても，図３や図４に示した通りの形状には限定されない。例えば，図４において切り込み２２が形成されていない構成とすることが考えられる。この場合，電解液１１の絶縁フィルム１７内への復帰は，図３中の点Ｂでは行われず主として点Ａにより行われることとなるが，それでもある程度の効果は期待できる。さらには，図４に示したような平坦なフィルム部材をベースとすること自体も必須ではない，立体成形により袋状の絶縁フィルムを成形しつつ，必要な絶縁や電解液１１の通過箇所を確保するようにしてもよい。

１ 二次電池
２ 外装ケース
３ 電極捲回体
４ 本体部
５ 蓋部
１１ 電解液
１３ 壁面
１４ 底面
１５ 曲面部
１６ ターン部
１７ 絶縁フィルム
１９ 湾曲領域
２０ 主面領域
２１ 切り込み
２２ 切り込み
２３ タブ部（底部折り曲げ部）
２４ タブ部（側方折り曲げ部）

Claims (3)

1. 蓋部と本体部とからなる扁平形の外装ケースと，前記外装ケース内に両ターン部が蓋部と本体部の底面とを向くように収納されているとともに電解液が含浸されている扁平形の電極捲回体とを有する二次電池において，
   前記外装ケースの内面と前記電極捲回体との間に，蓋部側が開口した袋状であるとともに底面側の角部に，電解液が通過しうる隙間が形成されている絶縁フィルムを備えており，
   前記外装ケースは，内面における底面の少なくとも長手方向端部に，底面と壁面とが曲面で繋がる曲面部を有するものであり，
   前記絶縁フィルムにおける前記隙間が形成された角部が，前記外装ケースの内面の前記曲面部と，前記電極捲回体の底面側の角部とにより挟み付けられていることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において，
   前記絶縁フィルムは，
   前記電極捲回体の両主面および底面側のターン部を覆うようにＵ字形に曲げられたＵ字部と，
   前記Ｕ字部のうち前記電極捲回体の主面部に対応する部分に対して前記蓋部の長手方向に突出し，前記電極捲回体の端部に沿うように折り曲げられている側方折り曲げ部と， 前記Ｕ字部のうち前記電極捲回体のターン部に対応する部分に対して前記蓋部の長手方向に突出し，前記電極捲回体の端部に沿うように折り曲げられている底部折り曲げ部とを有し，
   前記側方折り曲げ部と前記底部折り曲げ部との間に切り込みが入れられているとともにこの切れ込みが前記隙間を構成しているものであり，
   前記電極捲回体と前記外装ケースの内面の前記曲面部とが，前記底部折り曲げ部を介して接続されていることを特徴とする二次電池。
3. 請求項２に記載の二次電池において，
   前記絶縁フィルムは，前記底部折り曲げ部の中央部分にも切り込みが入れられているものであり，
   この切れ込みも前記隙間を構成していることを特徴とする二次電池。

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