JP6796256B2

JP6796256B2 - リチウムイオン二次電池

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Publication number: JP6796256B2
Application number: JP2017032132A
Authority: JP
Inventors: 聡美山本; 瑞穂松本; 崇志瀧本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: JP2018137166A

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。詳しくは、正負の極板がセパレータを介して積層方向に交互に繰り返し積層されて構成された積層電極体を備えるリチウムイオン二次電池に関する。

近年、リチウムイオン二次電池は、車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。この種のリチウムイオン二次電池の一つとして、正負の電極がセパレータを介して交互に積層された電極体を備える電池構造が知られている。例えば、特許文献１には、集電タブ付きの極板を多数枚備えた極板群を有するリチウムイオン二次電池が開示されている。同公報では、極板群の複数枚の集電用タブが、極板群の積層方向に並ぶ複数のタブ束を構成するように束ねられている。そして、外部端子と電気的に接続する集電端子の導体ブロック上に該タブ束が溶接されている。

特開２０１５−１０３３１８号公報

特許文献１のように構成されたリチウムイオン二次電池においては、集電端子に対して極板群が相対的に動くと、タブが集電端子の角部と接触する部分に応力が集中して該タブが切断される可能性がある。かかるタブの切断は、導通不良が発生する要因になり得る。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、集電端子に対して電極体が動いても集電用タブの切断が起こり難いリチウムイオン二次電池を提供することである。

本発明によって提供されるリチウムイオン二次電池は、集電用のタブを有する正負の極板と、前記正負の極板がセパレータを介して積層方向に交互に繰り返し積層されて構成された電極体と、前記繰り返し積層された正負の極板の前記タブが同一極性同士で前記積層方向に積み重ねられ、かつ、所定の枚数ごとに寄せ集められて構成された複数のタブ束と、前記複数のタブ束と接合された集電端子とを備える。前記集電端子は、湾曲した曲面を有する。そして、前記複数のタブ束は、前記集電端子の曲面に沿うように相互に重なって配置され、かつ、当該相互に重なった位置で前記集電端子と接合されている。かかる構成によれば、集電端子がタブ束と接触する部分は、表面に角部がない曲面を含む形状となるため、集電端子に対して電極体が相対的に動いてもタブの一部に応力が集中しにくく、該応力によりタブが切断される事象が生じ難い。

一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を模式的に示す断面図である。一実施形態に係る電極体を構成する正極、負極、およびセパレータを説明するための図である。一実施形態に係る集電端子とタブとの接合箇所を模式的に示す図である。従来の集電端子とタブとの接合箇所を模式的に示す図である。他の実施形態に係る集電端子が接合された電極体を模式的に示す図である。他の実施形態に係る集電端子が接合された電極体を模式的に示す図である。他の実施形態に係る集電端子が接合された電極体を模式的に示す図である。他の実施形態に係る集電端子が接合された電極体を模式的に示す図である。他の実施形態に係る集電端子が接合された電極体を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電極体の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

なお、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。

図１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００が備える電極体１０を説明するための図である。なお、図面中の符号Ｗは電池の幅方向を示し、符号Ｄは電池の厚み方向を示し、符号Ｈは電池の高さ方向を示している。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、リチウムイオン二次電池１００の設置態様を何ら限定するものではない。

リチウムイオン二次電池１００は、図１および図２に示すように、電極体１０と、集電端子７０、７２と、図示しない電解質と、電池ケース５０とを備えている。
電池ケース５０は、電極体１０と電解質と集電端子７０、７２とを収容する容器である。本実施形態において、電池ケース５０は、有底角型（直方体形状）の外形を有している。電池ケース５０は、上端に開口部を有する扁平な有底のケース本体５４と、ケース本体５４の開口部を塞ぐ蓋体５２とを備えている。電池ケース５０の材質は、例えば、アルミニウムやスチール等の金属材料である。

電池ケース５０の上面、すなわち蓋体５２には、外部接続用の正極端子８０と負極端子８２とが突出している。正極端子８０は、電極体１０の正極板２０と集電端子７０を介して電気的に接続されている。負極端子８２は、電極体１０の負極板３０と集電端子７２を介して電気的に接続されている。

電池ケース５０の内部には、電極体１０と電解質と集電端子７０、７２とが収容されている。この実施形態では、電極体１０は、積層型の電極体である。積層電極体１０は、矩形状の正極板２０と矩形状の負極板３０とを、それぞれ複数枚備えている。正極板２０と負極板３０とは、セパレータ４０を介して絶縁された状態で積み重ねられている。電極体１０の積層方向は、ここでは厚み方向Ｄである。

正極板２０は、正極集電体２２と、その表面に形成された正極活物質層２４とを備えている。正極集電体２２には、例えば、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、正極集電体２２として、アルミニウム箔が用いられている。図示例では、正極活物質層２４は、正極集電体２２の両面に保持されている。また、幅方向Ｗにおいて、正極活物質層２４は正極集電体２２の全幅と同じ幅で形成されている。

正極活物質層２４には、正極活物質や導電材やバインダが含まれている。正極活物質には、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。一例として、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２（リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物）、ＬｉＮｉＯ_２（リチウムニッケル複合酸化物）、ＬｉＣｏＯ_２（リチウムコバルト複合酸化物）等の一般式ＬｉＭｅＯ_２（Ｍｅは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ等の遷移金属元素の少なくとも一種を含む。）で表される層状構造のリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。正極活物質層２４は、上述した正極活物質の他に、アセチレンブラック（ＡＢ）等の導電材や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等のバインダを含有することができる。

正極板２０は、正極活物質層２４が形成されておらず、正極活物質層２４が形成されている部分よりも上向きに突出した突出部分２６を有している。この突出部分２６は、正極活物質層２４が形成されていないため、正極集電体２２が露出している。この突出部分２６により、集電用のタブ２６が形成されている。集電用タブ２６は、正極板２０の一辺から突設されている。

負極板３０は、負極集電体３２と、その表面に形成された負極活物質層３４とを備えている。負極集電体３２には、例えば、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、負極集電体３２として、銅箔が用いられている。図示例では、負極活物質層３４は、負極集電体３２の両面に保持されている。また、幅方向Ｗにおいて、負極活物質層３４は負極集電体３２の全幅と同じ幅で形成されている。

負極活物質層３４には、負極活物質や増粘剤やバインダなどが含まれている。負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。一例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボンなどの炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物などが挙げられる。また、かかる負極活物質の他に、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等のバインダや、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の増粘剤を添加することができる。

負極板３０は、負極活物質層３４が形成されておらず、負極活物質層３４が形成されている部分よりも上向きに突出した突出部分３６を有している。この突出部分３６は、負極活物質層３４が形成されていないため、負極集電体３２が露出している。この突出部分３６により、集電用のタブ３６が形成されている。集電用タブ３６は、負極板３０の一辺から突設されている。

セパレータ４０は、正極板２０と負極板３０とを隔てる部材である。この例では、セパレータ４０は、微小な孔を複数有する所定幅のシート材で構成されている。セパレータ４０には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。

積層電極体１０は、前述のように、複数枚の正極板２０、複数枚の負極板３０および複数枚のセパレータ４０を積層して形成されている。具体的には、正極板２０と負極板３０とがセパレータ４０を介して積層方向（ここでは厚み方向Ｄ）に交互に繰り返し複数積層されて構成されている。また、積層電極体１０は、正極活物質層２４と負極活物質層３４とがセパレータ４０を介して重なり合う積層部を有している。この積層部は、正極活物質層２４と負極活物質層３４との間でセパレータ４０を介して電荷担体（ここではリチウムイオン）の授受が行われる部分であり、電池の充放電に寄与する部分である。

集電端子７０、７２は、極板２０、３０と電極端子８０、８２とを電気的に接続する金属製の部材である。この実施形態では、集電端子７０は、アルミニウムにより構成されている。集電端子７２は、銅により構成されている。集電端子７０、７２は、電極端子８０、８２から下方に延びる第１集電端子７０ａ、７２ａと、該第１集電端子７０ａ、７２ａの下端から水平方向に延びる第２集電端子７０ｂ、７２ｂとから構成されている。第２集電端子７０ｂには、正極板２０のタブ２６が接合されている。第２集電端子７２ｂには、負極板３０のタブ３６が接合されている。

図３は、正極側の集電端子７０とタブ２６との接合箇所を幅方向Ｗに直交する平面で切断した断面を模式的に示す図である。図１〜図３に示すように、タブ２６が接合される集電端子７０（第２集電端子７０ｂ）は、幅方向Ｗから見たときに、湾曲した曲面（Ｒ部）７６を有している。この実施形態では、集電端子７０は、積層方向Ｄの両端側に位置する２つの曲面７６と、積層方向Ｄの中央側に位置する平坦面７８とを有している。平坦面７８は、２つの曲面７６を架橋している。２つの曲面７６は、積層方向Ｄの両端部から中央（平坦面７８）側に向かうにつれて上側に位置するように湾曲している。

また、繰り返し積層された複数の正極板２０のタブ２６が電極体１０の積層方向（ここでは厚み方向Ｄ）にそれぞれ積み重ねられ、積層部の端面（ここでは上面）から突出している。複数のタブ２６は、これらが積層方向Ｄに積み重ねられ、かつ、所定の枚数（例えば５枚〜１００枚、典型的には１０枚〜５０枚）ごとに寄せ集められる（すなわち分箔される）ことにより、複数のタブ束２８（図３では２つのタブ束２８Ａ、２８Ｂ）を構成している。複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂは、集電端子７０の曲面７６に沿うように相互に重なって配置され、かつ、当該相互に重なった位置で集電端子７０と接合されている。この実施形態では、タブ束２８Ａが集電端子７０の曲面７６に沿うように配置され、タブ束２８Ａの上に重なるようにタブ束２８Ｂが配置されている。そして、複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂは、交互に重なった状態で集電端子７０に接合（例えば溶接）されている。そのため、集電端子７０がタブ束２８Ａと接触する部分は、表面に角部がない曲面７６を含む形状となる。なお、負極側の集電端子７２とタブ３６との接合構造については、正極側と同様であるため、重複した説明は省略する。

以上のように、リチウムイオン二次電池１００は、図１〜図３に示すように、集電用のタブ２６、３６を有する正負の極板２０、３０と、正負の極板２０、３０がセパレータ４０を介して交互に繰り返し積層されて構成された電極体１０と、繰り返し積層された正負の極板２０、３０のタブ２６、３６が同一極性同士で積層方向Ｄに積み重ねられ、かつ、所定の枚数ごとに寄せ集められて構成された複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂと、複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂと接合された集電端子７０とを備える。集電端子７０は、湾曲した曲面７６を有している。複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂは、集電端子７０の曲面７６に沿うように相互に重なって配置され、かつ、当該重なった位置で集電端子７０と接合されている。
かかる構成によると、図４に示す従来の電池構造のように、集電端子７０に対して電極体１０が相対的に動いた場合に起こり得る、タブ２６の切断を抑制することができる。すなわち、集電端子７０とタブ束２８Ａ、２８Ｂとの接触部分において角部７５が存在すると、タブ２６が集電端子７０の角部７５と接触する部分に応力が集中して該タブ２６が切断される可能性がある。
他方、上記の通り、上記構成のリチウムイオン二次電池１００によると、図３に示すように、複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂは、集電端子７０の曲面７６に沿うように相互に重なって配置され、かつ、当該相互に重なった位置で集電端子７０に接合されているので、集電端子７０がタブ束２８Ａと接触する部分は、表面に角部がない曲面７６を含む形状となる。そのため、集電端子７０に対して電極体１０が相対的に動いてもタブ２６の一部に応力が集中しにくく、該応力によりタブ２６が切断される事象が生じ難い。このことにより導通不良の発生を抑制することができる。

また、本実施形態によると、複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂは、集電端子７０の曲面７６に沿うように相互に重なった状態で配置され、かつ、相互に重なった位置で集電端子７０に接合されている。このように分箔した複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂを相互に重ねて集電端子７０に接合することで、接合回数を減らすことができ、作業効率が向上する。また、分箔した複数のタブ束２８Ａ、２８Ｂを交差させて集電することで、接合強度を強くすることができる。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、集電端子７０がタブ２６と接触する部分は、表面に角部がない曲面７６を含む形状であればよく、上述した実施形態の形状に限定されない。例えば、集電端子７０とタブ２６との接合箇所を幅方向Ｗに直交する平面で切断した断面において、集電端子７０は、図５に示すような長円（小判）形状であってもよく、図６に示すような円形状（すなわち丸棒型の集電端子７０）であってもよく、図７および図８に示すようなＵ字状（すなわち断面Ｕ字状に折り曲げられた板型の集電端子７０）であってもよく、図９に示すようなリング状（すなわち中空丸棒型の集電端子７０）であってもよい。このような形状の集電端子７０を用いた場合でも、集電端子７０がタブ２６と接触する部分は、表面に角部がない曲面７６を含む形状となるため、上述した作用効果を得ることができる。

リチウムイオン二次電池１００は各種用途に利用可能であるが、集電用タブが切断されにくく導通不良が起こりにくいことを特徴とする。したがって、このような特徴を活かして、例えば車両に搭載されるモーター用の動力源（駆動用電源）として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等が挙げられる。

１０電極体
２０正極板
２６集電用タブ
２８Ａ、２８Ｂタブ束
３０負極板
３６集電用タブ
７０、７２集電端子
７５角部
７６曲面
８０正極端子
８２負極端子
１００リチウムイオン二次電池

Claims

集電用のタブを有する正負の極板と、
前記正負の極板がセパレータを介して積層方向に交互に繰り返し積層されて構成された電極体と、
前記繰り返し積層された正負の極板の前記タブが同一極性同士で前記積層方向に積み重ねられ、かつ、所定の枚数ごとに寄せ集められて構成された複数のタブ束と、
前記複数のタブ束と接合された集電端子と
を備え、
前記集電端子は、湾曲した曲面を有し、
前記集電端子の曲面に沿うようにして、前記複数のタブ束それぞれが相互に重なった位置で前記集電端子と接合されている、リチウムイオン二次電池。