JP6727853B2 - 二次電池、電池モジュール及び車両 - Google Patents

二次電池、電池モジュール及び車両 Download PDF

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Description

実施形態は、二次電池、電池モジュール及び車両に関する。
リチウムイオン二次電池などの二次電池は、エネルギー密度が高いため、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、電動バイク、及びフォークリフトなどの電源として期待されて いる。また、より大容量の電源を得るために、複数の電池を接続した組電池が開発されている。
二次電池は、金属製の外装缶と、外装缶に収納された捲回電極群と、リードと、外装缶の開口部に取り付けられる金属製の蓋を備える。蓋は、外装缶の開口部に例えば溶接されている。捲回電極群は、捲回軸方向の一端に正極集電タブを有し、他端に負極集電タブを備えている。正極集電タブには正極リードが接合され、負極集電タブには負極リードが接合される。蓋には、正極端子及び負極端子が備えられている。これらの端子は蓋に例えばガスケットを介してかしめ固定されており、蓋および外装缶に対して絶縁されている。集電タブに接合された正負極リードは、正極、負極の端子にそれぞれ接続される。
リード部材に複数層のタブ集合体を超音波等によって接合し、外部に電流を取り出す構造において、集電タブ集合体の積層枚数(捲回層数)が多いほど接合時のダメージを受け易く、局部的なタブ切れを発生してしまうことがあった。これは、電極群の厚さ方向外側に配置されている集電タブが集束されてリード接合部を形成するが、このリード接続部が接合時に接合ホーン先端の沈み込みによって引っ張られ、集電タブに張力が掛かることと、張力の掛かった集電タブにホーンの振動エネルギーが伝播することで発生していた。
特開2011−141997号公報
実施形態は、電池特性が優れた二次電池を提供することにある。
実施形態の二次電池は、有底角筒型形状をなす外装缶と、外装缶内に、正極と、セパレータと、負極とが捲回した捲回電極群と、正極端子と負極端子を有する蓋と、外装缶内に、正極端子と接続した正極リードと、外装缶内に、正極リードと接続した正極バックアップリードと、外装缶内に、負極端子と接続した負極リードと、外装缶内に、負極リードと接続した負極バックアップリードとを有し、正極は、正極集電体と、正極集電体上に正極活物質層とを有し、正極集電体は、正極活物質層が設けられた塗工部と正極活物質層が設けられずに正極集電体が露出した非塗工部を有し、負極は、負極集電体と、負極集電体上に負極活物質層とを有し、負極集電体は、負極活物質層が設けられた塗工部と負極活物質層が設けられずに負極集電体が露出した非塗工部を有し、捲回電極群の捲回軸方向の一方の端部側の正極集電体が捲回した非塗工部の部分を正極集電タブとし、捲回電極群の捲回軸方向の他方の端部側の負極集電体が捲回した非塗工部の部分を負極集電タブとし、正極集電タブは、正極集電タブの外側から中心方向に集束し、正極集電タブの端部が正極バックアップリードに挟持されて正極バックアップリードと接合し、正極集電体は、負極集電タブ側の曲げ起点から正極バックアップリードとの接合部分まで曲がり、正極集電体と正極バックアップリードとの接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を曲げ終点とし、正極集電タブの正極集電体の最外周の正極集電体は、曲げ起点からの曲線と、曲げ終点からの曲線の形状を有し、最外周の正極集電体の曲げ起点から最外周の正極集電体の曲げ終点までを接続する線分を正極仮想線分とする時、正極仮想線分と最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ起点を含む領域aは、正極集電タブの内側に存在し、正極仮想線分と最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ終点を含む領域bは、正極集電タブの外側に存在し、負極集電タブは、負極集電タブの外側から中心方向に集束し、負極集電タブの端部が負極バックアップリードに挟持されて負極バックアップリードと接合し、負極集電体は、正極集電タブ側の曲げ起点から負極バックアップリードとの接合部分まで曲がり、負極集電体と負極バックアップリードとの接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を曲げ終点とし、負極集電タブの負極集電体の最外周の負極集電体は、曲げ起点からの曲線と、曲げ終点からの曲線の形状を有し、最外周の負極集電体の曲げ起点から最外周の負極集電体の曲げ終点までを接続する線分を第2仮想線分とする時、負極仮想線分と最外周の負極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ起点を含む領域cは、負極集電タブの内側に存在し、負極仮想線分と最外周の負極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ終点を含む領域dは、負極集電タブの外側に存在し、領域aの面積をSaとし、領域bの面積をSbとする時、Saは、Sbよりも小さく、領域cの面積をScとし、領域dの面積をSdとする時、Scは、Sdよりも小さい
第1実施形態の二次電池の外観を示す斜視図。 図1の二次電池の展開斜視図。 図1の二次電池の蓋の斜視図。 図1の二次電池の内部を示す斜視図。 図1の二次電池の内部を示す側面図。 図1の捲回電極群の展開図。 図1の正極の断面図。 図1の正極の断面図。 図1の負極の断面図。 図1の負極の断面図。 第2実施形態の電池モジュールの斜視展開図。 第2実施形態の電池モジュールの断面図。 第3実施形態の蓄電装置の概念図。 第4実施形態の車両の概念図。 第4実施形態の車両の概念図。
(第1実施形態)
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面においては、一部の符号を省略している。二次電池の一例として、図1に二次電池100の外観を、図2に二次電池の展開斜視図を示す。電池100は、外装缶1、偏平形状の捲回電極群2、正極リード3、負極リード4、蓋5、正極端子6、負極端子7、正極バックアップリード8、負極バックアップリード9、正極絶縁カバー10、負極絶縁カバー11、正極ガスケット12、負極ガスケット13、安全弁14、電解液注入口15と図示しない電解液を備える。電解液は、外装缶1内に存在し、外装缶1内に充填されていることが好ましい。図3には、蓋5の斜視図を示す。図のように、蓋に、正極リード3、負極リード4、正極端子6、負極端子7、正極ガスケット12、負極ガスケット13が設けられている。図4には、蓋5に捲回電極群2が接合した斜視図を示す。蓋5の正極リード3と捲回電極群2の集電タブ部分に設けられた正極バックアップリード8とが接合している。図5には、図4の側面図を示す。正極側と負極側では、上下が反転している。
外装缶1は、有底角筒形状をなし、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。外装缶1内に捲回軸に対し直角方向に向かうように捲回電極群2が収納されるように外装缶1が成型されていることが好ましい。外装缶1内には、電池の異常電流、異常電圧、異常温度や異常圧力を検知して、電池の回路を遮断するなどする保護機構を備えてもよい。
捲回電極群2は、外装缶1内に収容され、正極と、セパレータと、負極とが捲回した部材である。捲回電極群2は、捲回軸に対して直角方向に向かうように収納されている。捲回電極群2は、帯状の正極20、帯状のセパレータ21と帯状の負極22が積層した帯状の積層体が巻かれたものである。図6に捲回電極群2の展開図を示す。図6の展開図は、集電タブ形成前の展開図である。正極20は、正極集電体20aと、正極集電体20a上に正極活物質層20bを有する部材である。正極集電体20aの主面の片面又は主面の両面上に正極活物質層20bとを有することが好ましい。負極22は、負極集電体22aと、負極集電体22a上に負極活物質層22bとを有する。負極集電体22aの主面の片面又は主面の両面上に負極活物質層22bとを有することが好ましい。なお、主面は、かかる部材の大面積の面であって、積層面である。正極集電体20a、正極活物質層20b、セパレータ21、負極活物質層22aと負極活物質層22bの順に積層した構造を有する。
捲回電極群2の一方の端部側の正極集電体20aが捲回した部分を正極集電タブ20cとする。正極集電タブ20cは、正極集電タブ20cの外側から中心方向に集束している。そして、正極集電タブ20cの端部が正極バックアップリード8に挟持され、正極集電タブ20cと正極バックアップリード8は接合されてなる。
また、捲回電極群2の他方の端部側の負極集電体が捲回した部分を負極集電タブ22cとする。負極集電タブ22cは、負極集電タブ22cの外側から中心方向に集束している。そして、負極集電タブ22cの端部が負極バックアップリード9に挟持され、負極集電タブ22cと負極バックアップリード9は接合されてなる。
図6に集電タブにバックアップリード形成前の捲回電極群2の展開図を示す。展開図に示す捲回電極群2は、セパレータ21を2層有するものである。展開図に示す捲回電極群2は、第1セパレータ21a、正極20、第2セパレータ21b、負極22の順に積層した積層体が捲回されたものである。正極20と負極22間には、第1セパレータ21aと第2セパレー21bが存在し、正極20と負極22間の接触を防いでいる。
正極集電体20aは、正極活物質層20bが設けられた塗工部と、正極活物質層20bが設けられずに正極集電体20aが露出した非塗工部の両方を有する。塗工部と非塗工部は、正極集電体20aの長手方向に沿って、帯状の形状を有する。非塗工部は、正極集電体20aの長手方向の一端側に存在し、塗工部は、正極集電体20aの長手方向の他端側に存在する。なお、正極集電体20aの長手方向とは、捲回電極群2の捲回を解いた時の長手方向である。第1セパレータ21aは、塗工部の全面と非塗工部の一部の面と物理的に接触して、第1セパレータ21aと正極20は積層する。また、第2セパレータ21bも塗工部の全面と非塗工部の一部の面と物理的に接触して、第2セパレータ21aと正極20が積層されている。セパレータ21と物理的に接触していない非塗工部が捲回した部分が正極集電タブ20cとなる。つまり、正極集電タブ20c側の正極集電体20aの端部に少なくとも非塗工部がある。また、正極集電体20aの負極集電タブ22c側の端部にも非塗工部を有してもよいが、負極集電タブ22c側の正極集電体20aの非塗工部の全面はセパレータ21(第1セパレータ及び第2セパレータ)と物理的に接触していることが好ましい。この時、正極集電体20aの帯状の塗工部は2つの帯状の非塗工部に挟まれている。正極集電体20aの塗工部の幅(正極活物質層20bの幅)よりもセパレータ21(第1セパレータ及び第2セパレータ)の幅が広い。
正極集電体20aは、正極活物質層20bが設けられた導電性の薄膜である。正極集電体20aは、無孔の金属箔、多数の孔を有するパンチドメタル、金属細線を成型した金属メッシュなどを用いることができる。集電体の素材としては電池使用環境で溶解しないものであれば特に限定するものではなく、例えば、Al、Tiなどの金属や、前記金属を主成分として、Zn、Mn、Fe、Cu、Siから成る群より選択される一以上の元素を添加した合金を用いることができる。特に、Alを主成分とするアルミニウム合金箔は、柔軟で成形性に優れているために好ましいなどの薄膜であることが好ましい。正極集電体20aの厚さは、典型的には、5μm以上20μmのものが好適である。
正極活物質層20bは、正極集電体20aに設けられた活物質を含む層である。正極活物質層20bは、典型的には、正極活物質、結着剤や導電剤などを含む合剤層である。正極活物質は、特に限定されるものではない。正極活物質は、例えば、リチウムイオン等のイオンを吸蔵・放出する物質である。正極活物質としては、金属酸化物、金属硫化物やポリマーを用いることが好ましい。好ましい活物質の例には、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合、酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄が含まれる。
セパレータ21としては、微多孔性の膜、織布、不織布、およびそれらの組合せを用いることができる。同一材料又は異種材料からなる積層物を用いることもできる。セパレータを形成する材料の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−プロピレン共重合ポリマーやエチレン−ブテン共重合ポリマーなどが含まれる。
負極集電体22aは、負極活物質層22bが設けられた塗工部と、負極活物質層22bが設けられずに負極集電体22aが露出した非塗工部の両方を有する。塗工部と非塗工部は、負極集電体22aの長手方向に沿って、帯状の形状を有する。非塗工部は、負極集電体22aの長手方向の一端側に存在し、塗工部は、負極集電体22aの長手方向の他端側に存在する。なお、負極集電体22aの長手方向とは、捲回電極群2の捲回を解いた時の長手方向である。第2セパレータ21bも塗工部の全面と非塗工部の一部の面と物理的に接触して、第2セパレータ21aと負極22が積層されている。積層体は、捲回されているため、第1セパレータ21aの正極20と接する面とは反対側の面は、負極22の塗工部の全面と負極22の非塗工部の一部の面と物理的に接触している。また、セパレータ21と物理的に接触していない非塗工部が捲回した部分が負極集電タブ22cとなる。つまり、負極集電タブ22c側の負極集電体22aの端部に少なくとも非塗工部がある。また、負極集電体22aの正極集電タブ20c側の端部にも非塗工部を有してもよいが、正極集電タブ20c側の負極集電体22aの非塗工部の全面はセパレータ(第1セパレータ及び第2セパレータ)と物理的に接触していることが好ましい。この時、負極集電体22aの帯状の塗工部は2つの帯状の非塗工部に挟まれている。負極集電体22aの塗工部の幅(負極活物質層22bの幅)よりもセパレータ(第1セパレータ及び第2セパレータ)の幅が広い。
負極集電体22aは、負極活物質層22bが設けられた導電性の薄膜である。負極集電体22aには、正極集電体20aと同様の部材を用いることができる。
負極活物質層22bは、負極集電体22aに設けられた活物質を含む層である。負極活物質層22bは、典型的には、正極活物質、結着剤や導電剤などを含む合剤層である。正極活物質は、特に限定されるものではない。負極活物質は、例えば、リチウムイオン等のイオンを吸蔵・放出する物質である。リチウムイオンを吸蔵放出できるカーボン、金属、半金属、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、チタン酸化物、チタン酸リチウムのような材料が挙げられる。より具体的な負極活物質としては、リチウムチタン複合酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、リチウムモリブデン複合酸化物、リチウムニオブ複合酸化物や酸化珪素が挙げられる。
電解液としては、非水電解液を用いることが好ましい。非水電解液としては、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た溶液が用いられる。非水溶媒の例には、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)、及び、2−メチルテトラヒドロフランが含まれる。非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
電解質の例には、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ過リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、及び、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)のようなリチウム塩が含まれる。電解質は単独で使用しても、2種以上を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。
正極集電タブ20cは、正極バックアップリード8に挟持され、集束されている。正極集電タブ20cは、捲回軸に対して直角方向から正極バックアップリードで挟まれている。正極集電タブ20cの扁平領域が正極バックアップリード8で挟まれている。超音波接合等により、正極集電タブ20cは正極バックアップリード8で集束される。この接合の際に、正極集電タブ20cには、大きなエネルギーと振動が伝わる。接合時に正極集電タブ20cを構成する非塗工部の正極集電体20aに大きな張力が加わっていると、正極集電体20aが破断されやすい。正極集電体20aが破断されると、破断された集電体が外装缶1や負極22と接触してショートする可能性や破断されていない正極集電体20aを流れる電流密度が増加して正極集電体20aへの過剰負荷が生じる可能性がある。また、正極集電体20aに大きな張力が加わっていると、製造時に破断していない正極集電体20aも二次電池100の移動時や使用時に発生する衝撃が生じた際に、正極集電体20aが破断しやすくなってしまう。負極集電体22aについても、同じである。
そこで、実施形態では、製造時及び製造後において、正極集電体20a及び負極集電体22aの曲げ起点から正極集電体20a及び負極集電体22aとバックアップリードとの接合根元部との間の張力が低下するように正極集電タブ20c及び負極集電タブ22cの形状を下記に説明する曲線を有するものとした。正極集電体20aの負極集電タブ22c側の曲がる起点を正極曲げ起点とする。そして、正極集電体20aは、正極曲げ起点から正極バックアップリード8との接合部分まで曲がり、正極集電体20aと正極バックアップリード8との接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を正極曲げ終点とする。同様に、負極集電体22aの正極集電タブ20c側の曲がる起点を負極曲げ起点とする。そして、負極集電体22aは、負極曲げ起点から負極バックアップリード9との接合部分まで曲がり、負極集電体22aと負極バックアップリード9との接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を負極曲げ終点とする。
そして、正極集電体20aと負極集電体22aの曲線が張力を緩和する形状を有することで、正極集電体20a及び負極集電体22cの破断を低減し、二次電池及び二次電池を有する装置の電池特性を高めることができる。以下、正極20を例に説明する。負極22についてはタブの形状に関する説明を省略するが正極20のタブの形状に関する説明と共通する。
正極集電タブ20cの曲げ起点及び曲げ終点は、次の断面で定められる。二次電池100を完全放電し、二次電池100の蓋5を開けて、外装缶1を取り外す。そして、真空乾燥によって、電解液を除去する。ついで、捲回電極群2、正極リード3、負極リード4、正極バックアップリード8と負極バックアップリード9が変形しないように細部にまでエポキシ樹脂を充填する。そして、捲回電極群2、正極リード3、負極リード4、正極バックアップリード8と負極バックアップリード9を切断研磨して断面を得る。切断方向は、正極リード3と正極バックアップリード8の接合面に対して垂直な方向が好ましい。断面には、正極バックアップリード8の中心部と負極バックアップリード9の中心部を含む。そして、断面は、蓋5と平行な面であって、捲回電極群2の積層面である。得られた断面をX線CTで倍率20倍で撮像して正極集電タブ20cの断面画像を得る。正極集電タブ20cと負極集電タブ22cの画像は別画像として撮像することが好ましい。
断面画像の最外周にある活物質層となる塗工部の端部をつないだ直線を仮想線Aとする時、正極側仮想線Aと最外周にある正極集電体20aとの交点を曲げ起点とする。仮想線Aは、詳細には、次のようにして定める。断面画像を図7の正極の断面図のように集電体の一方が上、他方が下、バックアップリードが右に写るように撮影する。そして、バックアップリードが上側で、リードが下側となる。画像の最上端側の塗工部を第1最外周正極活物質層とし、画像の最下端側の塗工部を第2最外周正極活物質層とする時、正極バックアップリード8側の第1最外周正極活物質層の端部と正極バックアップリード8側の第2最外周正極活物質層の端部をつなぐ直線を正極仮想線Aとする。図7の断面図には、正極集電体20a、正極活物質層20bとその端部(塗工端)、正極集電タブ20c、正極リード3、正極バックアップリード8と正極仮想線Aが含まれる。正極集電体20aの太線部分は、正極集電体20a上に正極活物質層20bが設けられた部分の塗工部である。正極集電体20aの細線部分は、正極集電体20a状に正極活物質層20bが設けられていない部分の非塗工部である。
ここで、図8の断面模式図を参照して、正極集電タブ20cの最外周について詳細に説明する。画像の最も上側の正極集電体20aを上側最外周正極集電体とし、画像の最も下側の正極集電体20aを下側最外周正極集電体とする。ここで、最外周の集電体は、破断されていない集電体のうちの、最も外周に写っている集電体である。そして、正極仮想線Aと上側最外周正極集電体との交点を上側正極曲げ起点とし、正極仮想線Aと下側最外周正極集電体との交点を下側正極曲げ起点とする。断面画像の最外周の正極集電体20aを抽出して模式的に表すと、図8のようになる。以下、図8の断面図をもとに説明する。
図8の断面図には、正極集電体20aとして、上側最外周正極集電体及び下側最外周正極集電体が描かれている。また、正極集電体20aの細線部分は、正極活物質層が設けられていない部分の非塗工部である。また、図の断面図には、上側及び下側の正極曲げ起点と正極曲げ終点、上側正極仮想線分B、下側正極仮想線分C、上側領域a1の面積であるSa1、上側領域b1の面積であるSb1、下側領域a2の面積であるSa2、下側領域b2の面積であるSb2、正極集電タブ20cの上側の正極曲げ起点から下側の正極曲げ起点までの正極集電タブ20cの厚さをT、正極集電タブ20cの上側の正極曲げ起点から上側の正極曲げ終点までの厚さT、正極集電タブ20cの下側の正極曲げ起点から下側の正極曲げ終点までの厚さT、正極集電タブ20cの上側の正極曲げ終点から下側の正極曲げ終点までの厚さT、正極リード3及び正極バックアップリード8が描かれている。
曲げ終点も同じ断面画像から定められる。断面画像の上側最外周正極集電体と正極バックアップリード8との接点及び上側最外周正極集電体と正極バックアップリード8とが接している辺のうち、最も上側曲げ起点に近い点を上側正極曲げ終点とする。つまり、上側最外周正極集電体と正極バックアップリード8との接合部分のうち最も上側曲げ起点に近い点が上側曲げ終点となる。同様に、断面画像の下側最外周正極集電体と正極バックアップリード8との接点及び下側最外周正極集電体と正極バックアップリード8とが接している辺のうち、最も下側曲げ起点に近い点を下側正極曲げ終点とする。つまり、下側最外周正極集電体と正極バックアップリード8との接合部分のうち最も下側曲げ起点に近い点が下側曲げ終点となる。
そして、上側正極曲げ起点と上側正極曲げ終点との間の上側最外周正極集電体は、上側正極曲げ起点からの曲線と、上側正極曲げ終点からの曲線の2つの曲線の形状又は2つ以上の曲線の形状を有する。上側正極曲げ起点からの曲線の端部と上側正極曲げ終点からの曲線の端部は連結していることが好ましい。また、同様に、下側正極曲げ起点と下側正極曲げ終点との間の下側最外周正極集電体は、下側正極曲げ起点からの曲線と、下側正極曲げ終点からの曲線の2つの曲線の形状又は2つ以上の曲線の形状を有する。下側正極曲げ起点からの曲線の端部と下側正極曲げ終点からの曲線の端部は連結していることが好ましい。このような曲線のうち、さらに、次の要件を満たす形状は、集電体の破断が少ないため好ましい。
上側正極曲げ起点と上側正極曲げ終点を接続する線分を上側正極仮想線分Bとする。そして、上記正極仮想線分Bと最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、上記曲げ起点を含む上側領域aは、正極集電タブ20cの内側に存在する。このような条件を満たす曲線となることで、上側正極曲げ起点側の正極集電体20aの張力が緩和される。また、上側正極仮想線分Bと最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、上記上側曲げ終点を含む下側領域bは正極集電タブ20cの外側に存在する。このような条件を満たす曲線となることで、上側正極曲げ終点側の正極集電体20aの張力が緩和される。
同様に、下側正極曲げ起点と下側正極曲げ終点を接続する線分を下側正極仮想線分Cとする。そして、下側正極仮想線分Bと最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、下側曲げ起点を含む下側領域aは、正極集電タブ20cの内側に存在する。このような条件を満たす曲線となることで、下側正極曲げ起点側の正極集電体20aの張力が緩和される。また、下側正極仮想線分Cと最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、上記下側曲げ終点を含む下側領域bは正極集電タブ20cの外側に存在する。このような条件を満たす曲線となることで、下側正極曲げ終点側の正極集電体20aの張力が緩和される。
正極集電タブ20cの上側の最外周の正極集電体、正極集電タブ20cの下側の最外周の正極集電体、又は、正極集電タブ20cの上側及び下側の最外周の正極集電体が上記の曲線形状を有することが好ましい。この中でも、正極集電タブ20cの上側及び下側の最外周の正極集電体が上記の曲線形状を有することがより好ましい。
正極集電タブ20cの正極集電体20aの最外周より内側の曲がり形状は、最外周の集電体の形状に沿う傾向があるそのため、最外周の集電体において、好適な形状であると、最外周より内側の集電体においても張力が低下する点で好ましい。これは、集電タブを集束する際に、正極集電体20aを束ねるだけでなく、タブ形状を形成しながら束ねているため、好適な正極集電タブ20cの形状が形作られる。そのため、最外周の集電体以外の正極集電体20aも最外周の正極集電体と同じく上記に説明した形状であることが好ましい。
上記をまとめると、正極集電タブ20cの上側、下側、又は、上側及び下側の最外周の正極集電体20aにおいて、以下に説明する形状を満たすことが好ましい。正極集電体は、負極集電タブ22c側の曲げ起点から正極バックアップリード8との接合部分まで曲がる。正極集電体20aと正極バックアップリード8との接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を曲げ終点とする。正極集電タブ20cの正極集電体20aの最外周の正極集電体は、曲げ起点からの曲線と、曲げ終点からの曲線の形状を有する。最外周の正極集電体の曲げ起点から最外周の正極集電体の曲げ終点までを接続する線分を正極仮想線分とする。正極仮想線分と最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ起点を含む領域aは、正極集電タブ20cの内側に存在する。正極仮想線分と最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ終点を含む領域bは、正極集電タブの外側に存在する。
そして、上記の上側領域a1の面積(断面積)をSa1と表し、下側領域b1の面積(断面積)をSb1と表す時、Sa1はSb1よりも小さい(Sa1<Sb1)と、最外周の正極集電体20aの張力が緩和されつつ、正極集電体20aの曲線の形状が緩やかになり正極集電体20aが破断されにくくなることが好ましい。Sb1に対するSa1の面積が小さくなりすぎると、正極集電タブ20cの形状が大きくなりすぎて外装缶1内に占める電池容量に貢献しない体積が増大してしまうことが好ましくない。そこで、Sa1は、Sb1より小さく、かつ、Sb1の半分より大きい(1<Sb1/Sa1<2)ことがより好ましい。
また、正極集電タブ20cの下側も上側と同様に領域の面積は以下の関係を満たすことが好ましい。正極集電タブ20cの上側と下側の両方がかかる領域の面積の関係を満たすことがより好ましい。上記の下側領域a2の面積(断面積)をSa2と表し、下側領域b2の面積(断面積)をSb2と表す時、Sa2はSb2よりも小さい(Sa1<Sb1)と、最外周の正極集電体20aの張力が緩和されつつ、正極集電体20aの曲線の形状が緩やかになり正極集電体20aが破断されにくくなることが好ましい。Sb2に対するSa2の面積が小さくなりすぎると、正極集電タブ20cの形状が大きくなりすぎて外装缶1内に占める電池容量に貢献しない体積が増大してしまうことが好ましくない。そこで、Sa2は、Sb2より小さく、かつ、Sb2の半分より大きい(1<Sb2/Sa2<2)ことがより好ましい。
以上をまとめると、正極集電タブ20cの上側、下側又は、上側及び下側において、以下の形状の曲線であることが好ましい。領域aの面積(断面積)をSaと表し、領域bの面積(断面積)をSbと表す時、SaはSbよりも小さい(Sa<Sb)ことが好ましい。また、Saは、Sbより小さく、かつ、Sbの半分より大きい(1<Sb/Sa<2)ことがより好ましい。
また、正極バックアップリード8で正極集電体20タブ20cを集束する位置は、正極集電体タブ20cの中央部付近であることが好ましい。正極バックアップリード8が上側や下側に偏りすぎると、正極集電体20aへの負荷が大きくなるため好ましくない。蓋5側や外装缶1の底側の正極集電タブ20cの端部は集電体の折り返し部分で曲げられているため正極バックアップリード8が設けられることは好ましくない。そこで、正極集電タブ20cの上側の正極曲げ起点から下側の正極曲げ起点までの正極集電タブ20cの厚さをTとする時、正極集電タブ20cの上側の正極曲げ起点から上側の正極曲げ終点までの厚さTは、0.35T以上0.6T以下(0.35T≦T≦0.6T)であることが好ましい。そして、同様に、正極集電タブ20cの下側の正極曲げ起点から下側の正極曲げ終点までの厚さTは、0.35T以上0.6T以下(0.35T≦T≦0.6T)であることが好ましい。
正極バックアップリード8で集束されて挟持される正極集電体20aの厚いほど最外周の正極集電体20aの負荷が大きくなる。つまり、上記の正極集電体20aの破断を低減する効果は、上側の正極曲げ終点と下側の正極曲げ終点との間の正極集電タブ20cの厚さが厚いほど大きくなる。上側の正極曲げ終点と下側の正極曲げ終点との間の正極集電タブ20cの厚さTは、0.7mm以上であることが好ましい。
上記は、正極について説明したが、図9と10に示すように、負極についても同様である。そして、正極及び負極の両方において、かかる好適な条件を満たすことが好ましい。図9には、負極の断面模式図を示す。図10には、断面画像の最外周の負極集電体22aを抽出して模式的に表を示した。図9の断面図には、負極集電体22a、セパレータ端部、負極集電タブ22c、負極リード4、負極バックアップリード9と負極仮想線Cが含まれる。負極集電体22aの太線部分は、負極集電体22a上に負極活物質層22bが設けられる部分の塗工部である。また、負極集電体22aの細線部分は、負極活物質層が設けられていない部分の非塗工部である。
図10の断面図には、負極集電体22aとして、上側最外周負極集電体及び下側最外周正極集電体が描かれている。また、図の断面図には、上側及び下側の負極曲げ起点と負極曲げ終点、上側負極仮想線分D、下側負極仮想線分E、上側領域c1の面積であるSc1、上側領域d1の面積であるSd1、下側領域c2の面積であるSc2、下側領域d2の面積であるSd2、負極集電タブ22cの上側の負極曲げ起点から下側の負極曲げ起点までの負極集電タブ22cの厚さをT、負極集電タブ22cの上側の負極曲げ起点から上側の負極曲げ終点までの厚さT、負極集電タブ22cの下側の負極曲げ起点から下側の負極曲げ終点までの厚さT、負極集電タブ22cの上側の負極曲げ終点から下側の負極曲げ終点までの厚さT、負極リード4及び負極バックアップリード9が描かれている。
断面画像の最外周にある活物質層となる塗工部の端部をつないだ直線を仮想線Dとする時、負極側仮想線Dと最外周にある正極集電体20aとの交点を曲げ起点とする。負極仮想線Dと上側最外周負極集電体との交点を上側負極曲げ起点とし、負極仮想線Dと下側最外周負極集電体との交点を下側負極曲げ起点とする。上側最外周負極集電体と負極バックアップリード9との接合部分のうち最も上側曲げ起点に近い点が上側曲げ終点となる。同様に、断面画像の下側最外周負極集電体と負極バックアップリード9との接点及び下側最外周負極集電体と負極バックアップリード9とが接している辺のうち、最も下側曲げ起点に近い点を下側負極曲げ終点とする。
上側の最外周負極集電体従って、負極集電タブ22cの上側、下側、又は、上側及び下側の最外周の負極集電体22aにおいて、以下に説明する形状を満たすことが好ましい。負極集電体22aは、正極集電タブ20c側の曲げ起点から負極バックアップリード9との接合部分まで曲がる。負極集電体22aと負極バックアップリード9との接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を曲げ終点とする。負極集電タブ22cの負極集電体22aの最外周の負極集電体は、曲げ起点からの曲線と、曲げ終点からの曲線の形状を有する。最外周の負極集電体の曲げ起点から最外周の負極集電体の曲げ終点までを接続する線分を負極仮想線分(上側:E、下側:F)とする。負極仮想線分と最外周の負極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ起点を含む領域cは、負極集電タブ22cの内側に存在する。負極仮想線分と最外周の負極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、曲げ終点を含む領域dは、負極集電タブ22cの外側に存在する。負極集電タブ22cの上側、下側又は、上側及び下側において、領域cの面積(断面積)をScと表し、領域dの面積(断面積)をSdと表す時、ScはSdよりも小さい(Sc<Sd)ことが好ましい。また。負極集電タブ22cの最外周の上側の負極曲げ起点から下側の負極曲げ起点までの厚さをTとし、負極集電タブ22cの最外周の上側の負極曲げ起点から上側の負極曲げ終点までの厚さをTとし、負極集電タブ22cの最外周の下側の負極曲げ起点から下側の負極曲げ終点までの厚さをTとする時、Tは、0.35T以上0.6T以下を満たし、Tは、0.35T以上0.6T以下を満たすことが好ましい。また、負極集電タブ22cの上側、下側又は、上側及び下側において、Scは、Sdより小さく、かつ、Sdの半分より大きい(1<Sd/Sc<2)ことがより好ましい。上側の負極曲げ終点と下側の負極曲げ終点との間の負極集電タブ22cの厚さTは、0.7mm以上であることが好ましい。
正極リード3は、正極端子6と正極バックアップリード8を物理的に接続する導電性部材である。正極リード3は、アルミニウムやアルミニウム合金などの導電性部材である。正極リード3と正極バックアップリード8は、例えば、溶接などによって接合されることが好ましい。
負極リード4は、負極端子7と負極バックアップリード9を物理的に接続する導電性部材である。負極リード4は、アルミニウムやアルミニウム合金などの導電性部材である。負極リード4と負極バックアップリード9は、例えば、溶接などによって接合されることが好ましい。
蓋5は、捲回電極群2を収容した外装缶1の蓋であり、正極端子6と負極端子7を有する。蓋5は、正極端子6、負極端子7、負極絶縁カバー11、正極ガスケット12、負極ガスケット13、安全弁14、電解液注入口15を備える。蓋5は、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属又は合金製の成型部材である。蓋5と外装缶1は、溶接されているか、接着性樹脂等のシール材によって接着されていることが好ましい。
正極端子6は、蓋5に設けられた二次電池の正極用の電極端子である。正極端子6は、アルミニウムやアルミニウム合金等の導電性部材で構成される。正極端子6は、絶縁性の正極ガスケット12を介して、蓋5に固定されている。正極端子6は、正極リード3、正極バックアップリード8を介して、正極20と電気的に接続している。
負極端子7は、蓋5に設けられた二次電池の負極用の電極端子である。負極端子7は、アルミニウムやアルミニウム合金等の導電性部材で構成される。負極端子7は、絶縁性の負極ガスケット13を介して、蓋5に固定されている。負極端子7は、負極リード4、負極バックアップリード9を介して、負極22と電気的に接続している。
正極バックアップリード8は、正極集電タブ20cを束ね、正極リード3に固定された導電性部材である。正極バックアップリード8と正極集電タブ20cは、超音波接合によって接合されていることが好ましい。
負極バックアップリード9は、負極集電タブ22cを束ね、負極リード4に固定された導電性部材である。負極バックアップリード9と負極集電タブ22cは、超音波接合によって接合されていることが好ましい。
正極絶縁カバー10は、正極リード3と正極バックアップリード8を覆う絶縁性の部材である。正極絶縁カバー10は、捲回電極群2の正極集電タブ20cを含む一端部を篏合している。正極絶縁カバー10は、絶縁性で耐熱性の部材であることが好ましい。正極絶縁カバー10としては、樹脂成型体、紙を主体とする材料の成型体や紙を主体とする材料の成型体を樹脂で被覆した部材などが好ましい。樹脂としては、ポリエチレン樹脂やフッ素樹脂を用いることが好ましい。正極絶縁カバー10の形状は、正極リード6と正極バックアップリード8とが外装缶1と接触する形である。正極絶縁カバー10を用いることによって、正極20と外装缶1が絶縁され、また、外部衝撃から集電タブ領域(集電タブ、リード、バックアップリード)を保護することができる。
負極絶縁カバー11は、負極リード4と負極バックアップリード9を覆う絶縁性の部材である。負極絶縁カバー11は、捲回電極群2の負極集電タブ22cを含む一端部を篏合している。負極絶縁カバー11の材質や形状等は、正極絶縁カバー10と共通する。正極絶縁カバー10と負極絶縁カバー11の共通する説明は、省略する。
正極ガスケット12は、正極端子6と外装缶1を絶縁する部材である。正極ガスケット12は、耐溶剤性で難燃性の樹脂成型体が好ましい。正極ガスケット12には、例えば、ポリエチレン樹脂やフッ素樹脂などが用いられる。
負極ガスケット13は、負極端子7と外装缶1を絶縁する部材である。負極ガスケット13は、耐溶剤性で難燃性の樹脂成型体が好ましい。負極ガスケット13には、例えば、ポリエチレン樹脂やフッ素樹脂などが用いられる。
安全弁14は、蓋に設けられ、外装缶1内の内圧が上昇した際に、外装缶1内の圧力を低下させる減圧弁として機能する部材である。安全弁14は、設けられることが好ましいが、電池の保護機構や電極材料等の条件を考慮して省略することができる。
電解液注入口15は、電解液を注入するための孔である。電解液の注入後には、樹脂等によって封止されていることが好ましい。
図中では、省略しているが、絶縁性の接着テープを用いて各部材が固定乃至接続されていることが好ましい。
(第2実施形態)
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。第2実施形態に係る電池モジュールは、上記第1実施形態に係る二次電池(即ち、単電池)を一以上有する。電池モジュールに複数の単電池が含まれる場合、各単電池は、電気的に直列、並列、或いは、直列と並列に接続して配置される。
図11の斜視展開図及び図12の断面図を参照して電池モジュール200を具体的に説明する。図11に示す電池モジュール200では、単電池201として図2に示す二次電池100を使用している。図12の断面図は、図11の斜視展開図の正極端子203Bと負極端子206Bが含まれる断面である。
複数の単電池201は、電池の外装缶の外部に、正極ガスケット202に設けられた正極端子203(203A、203B)、安全弁204、負極ガスケット205に設けられた負極端子206(206A、206B)を有している。図11に示す単電池201は、互い違いにそろえられるように配置されている。図11に示す単電池201は、直列に接続されているが、配置方法を変えるなどして並列接続にしてもよい。
単電池201は、下ケース207と上ケース208内に収容されている。上ケース208には、電池モジュールの電源入出力用端子209及び210(正極端子209、負極端子210)が設けられている。上ケース8には、組電池201の正極端子203及び負極端子206の位置に合わせて開口部211が設けられ、開口部211から正極端子203及び負極端子206が露出している。露出した正極端子203Aは、隣の単電池201の負極端子206Aとバスバー212によって接続され、露出した負極端子206Aは、前記の隣とは反対側の隣の単電池201の正極端子203Aとバスバー212によって接続されている。バスバー212によって接続されていない正極端子203Bは、基板213に設けられた正極端子214Aと接続し、正極端子214Aは、基板213上の回路を介して正極の電源入出力用端子209と接続している。また、バスバー212によって接続されていない負極端子206Bは、基板213に設けられた負極端子214Bと接続し、負極端子214Bは、基板213上の回路を介して負極の電源入出力用端子210と接続している。電源入出力用端子209及び210は、図示しない充電電源や負荷と接続し、電池モジュール200の充電や利用がなされる。上ケース208は、蓋215で封止されている。基板213には、充放電の保護回路が設けられていることが好ましい。また、単電池201の劣化等の情報を図示しない端子より出力可能な構成とするなどの構成の追加等を適宜行ってもよい。
(第3実施形態)
実施形態の電池モジュールを蓄電装置300に搭載することができる。図13の概念図に示す蓄電装置300は、電池モジュール200と、インバーター302と、コンバーター301とを備える。外部交流電源303をコンバーター301で直流変換し、電池モジュールを充電し、電池モジュールのからの直流電源のインバーター302で交流変換し、負荷304に電気を供給する構成となっている。実施形態の電池モジュール200を有する本構成の蓄電装置300とすることで、電池特性に優れた蓄電装置が提供される。
(第4実施形態)
実施形態の電池モジュール200を車両400に搭載することができる。図14の概念図に示す車両400は、電池モジュール200と、インバーター401と、モーター402と、車輪403とを少なくとも備える。電池モジュール200からの直流電源をインバーターで交流変換し、交流電源によって、モーター402を駆動する。直流電流によって駆動するモーターを用いる場合は、インバーターは省略される。図において、電池モジュールの充電機構等は省略されている。モーター402の駆動力によって、車輪403を回転させることができる。なお、車両400は、電車などの電動車両やエンジンなどの他の駆動源を有するハイブリッド車も含まれる。モーター402からの回生エネルギーによって、電池モジュール200を充電してもよい。電池モジュールからの電気エネルギーによって駆動されるものはモーターに限られず、図15の概念図に示すように車両500の電気機器501を動作させるための動力源に用いても良い。図15の概念図に示す車両500の場合、例えば、車輪503の車軸部分に取り付けられたモーターなどの発電機503を車両の減速時に動作させて回生エネルギーを得て、得られた回生エネルギーを用いて電池モジュール200を充電することが好ましい。
以上、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。
100…二次電池、1…外装缶、2…捲回電極群、3…正極リード、4…負極リード、5…蓋、6…正極端子、7…負極端子、8…正極バックアップリード、9…負極バックアップリード、10…正極絶縁カバー、11…負極絶縁カバー、12…正極ガスケット、13…負極ガスケット、14…安全弁、15…電解液注入口、20…正極、20a…正極集電体、20b…正極活物質層、20c…正極集電タブ、21…セパレータ、22…負極、22a…負極集電体、22b…負極活物質層、22c…負極集電タブ、200…電池モジュール、201…単電池、202…正極ガスケット、203…正極端子、204…安全弁、205…負極ガスケット、206…負極端子、207…下ケース、208…上ケース、209…電源入出力用端子(正極端子)、210…電源入出力用端子(負極端子)、211…開口部、212…バスバー、213…基板、214A…正極端子、214B…負極端子、215…蓋、300…蓄電装置、301…インバーター、302…コンバーター、303…AC電源、304…負荷、400…車両、401…インバーター、402…モーター、403…車輪、500…車両、501…電気機器、502…車輪、503…発電機

Claims (6)

  1. 有底角筒型形状をなす外装缶と、
    前記外装缶内に、正極と、セパレータと、負極とが捲回した捲回電極群と、
    正極端子と負極端子を有する蓋と、
    前記外装缶内に、前記正極端子と接続した正極リードと、
    前記外装缶内に、前記正極リードと接続した正極バックアップリードと、
    前記外装缶内に、前記負極端子と接続した負極リードと、
    前記外装缶内に、前記負極リードと接続した負極バックアップリードとを有し、
    前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体上に正極活物質層とを有し、
    前記正極集電体は、前記正極活物質層が設けられた塗工部と前記正極活物質層が設けられずに前記正極集電体が露出した非塗工部を有し、
    前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に負極活物質層とを有し、
    前記負極集電体は、前記負極活物質層が設けられた塗工部と前記負極活物質層が設けられずに前記負極集電体が露出した非塗工部を有し、
    前記捲回電極群の捲回軸方向の一方の端部側の前記正極集電体が捲回した前記非塗工部の部分を正極集電タブとし、
    前記捲回電極群の捲回軸方向の他方の端部側の前記負極集電体が捲回した前記非塗工部の部分を負極集電タブとし、
    前記正極集電タブは、前記正極集電タブの外側から中心方向に集束し、前記正極集電タブの端部が正極バックアップリードに挟持されて正極バックアップリードと接合し、
    前記正極集電体は、前記負極集電タブ側の曲げ起点から前記正極バックアップリードとの接合部分まで曲がり、
    前記正極集電体と前記正極バックアップリードとの接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を曲げ終点とし、
    前記正極集電タブの前記正極集電体の最外周の正極集電体は、前記曲げ起点からの曲線と、前記曲げ終点からの曲線の形状を有し、
    前記最外周の正極集電体の曲げ起点から前記最外周の正極集電体の曲げ終点までを接続する線分を正極仮想線分とする時、
    前記正極仮想線分と前記最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、前記曲げ起点を含む領域aは、正極集電タブの内側に存在し、
    前記正極仮想線分と前記最外周の正極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、前記曲げ終点を含む領域bは、正極集電タブの外側に存在し、
    前記負極集電タブは、前記負極集電タブの外側から中心方向に集束し、前記負極集電タブの端部が負極バックアップリードに挟持されて負極バックアップリードと接合し、
    前記負極集電体は、前記正極集電タブ側の曲げ起点から前記負極バックアップリードとの接合部分まで曲がり、
    前記負極集電体と前記負極バックアップリードとの接合部分のうち最も曲げ起点に近い点を曲げ終点とし、
    前記負極集電タブの前記負極集電体の最外周の負極集電体は、前記曲げ起点からの曲線と、前記曲げ終点からの曲線の形状を有し、
    前記最外周の負極集電体の曲げ起点から前記最外周の負極集電体の曲げ終点までを接続する線分を第2仮想線分とする時、
    前記負極仮想線分と前記最外周の負極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、前記曲げ起点を含む領域cは、負極集電タブの内側に存在し、
    前記負極仮想線分と前記最外周の負極集電体の曲線で囲まれた領域のうち、前記曲げ終点を含む領域dは、負極集電タブの外側に存在し、
    前記領域aの面積をSaとし、前記領域bの面積をSbとする時、
    前記Saは、前記Sbよりも小さく、
    前記領域cの面積をScとし、前記領域dの面積をSdとする時、
    前記Scは、前記Sdよりも小さい二次電池。
  2. 前記Saは、前記Sbの半分の面積よりも大きく、
    前記Scは、前記Sdの半分の面積よりも大きい請求項に記載の二次電池。
  3. 前記正極集電タブの最外周の上側の正極曲げ起点から下側の正極曲げ起点までの厚さをTとし、
    前記正極集電タブの最外周の上側の正極曲げ起点から上側の正極曲げ終点までの厚さをTとし、
    前記正極集電タブの最外周の下側の正極曲げ起点から下側の正極曲げ終点までの厚さをTとし、
    前記負極集電タブの最外周の上側の負極曲げ起点から下側の負極曲げ起点までの厚さをTとし、
    前記負極集電タブの最外周の上側の負極曲げ起点から上側の負極曲げ終点までの厚さをTとし、
    前記負極集電タブの最外周の下側の負極曲げ起点から下側の負極曲げ終点までの厚さをTとする時、
    前記Tは、0.35T以上0.6T以下を満たし、
    前記Tは、0.35T以上0.6T以下を満たし、
    前記Tは、0.35T以上0.6T以下を満たし、
    前記Tは、0.35T以上0.6T以下を満たす請求項1又は2に記載の二次電池。
  4. 前記正極集電タブの最外周の上側の正極曲げ終点から下側の曲げ終点までの厚さをTとし、
    前記負極集電タブの最外周の上側の負極曲げ終点から下側の曲げ終点までの厚さをTとする時、
    前記TとTは、0.7mm以上である請求項1乃至のいずれか1項に記載の二次電池。
  5. 前記請求項1乃至のいずれか1項に記載の二次電池を単電池として複数用いた電池モジュール。
  6. 前記請求項に記載の電池モジュールを用いた車両。
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