JP6850419B2

JP6850419B2 - リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JP6850419B2
Application number: JP2017057738A
Authority: JP
Inventors: 聡美山本; 瑞穂松本; 友貴山崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP2018160406A

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。詳しくは、複数の極板が積層されて構成された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

しかしながら、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移動すると、タブと集電端子との接続部分に応力が集中して一部の極板のタブが切断される可能性がある。一部の極板のタブが切断されると、該極板が電気的に孤立して外部端子との導通がとれない状態となり得る。その結果、孤立した極板の周囲でリチウムが析出する虞がある。

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、積層電極体を構成する一部の極板のタブが切断された場合でも、該極板が電気的に孤立することに起因するリチウムの析出を抑制し得る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、複数の極板が積層方向に積層されて構成された積層電極体と、前記積層電極体に電気的に接続された集電端子とを備える。前記複数の極板は、該極板の一辺から突設された第１タブであって、前記積層方向に寄せ集められて相互に接合されるとともに、前記集電端子と接合されていない全集箔用タブをそれぞれ備えている。そして、前記複数の極板のうち前記積層方向の中央側に配置された極板は、該極板の一辺から突設された第２タブであって、前記積層方向に寄せ集められて相互に接合されるとともに、前記集電端子と接合された集電端子接合用タブを備えている。
かかる構成によれば、集電端子に対して電極体が相対的に動いて一部の極板の集電端子接合用タブが切断された場合でも、全集箔用タブによって全ての極板が電気的に接続されているので、該タブが切断された極板が電気的に孤立しない。このことにより、該極板が電気的に孤立することに起因するリチウムの析出を抑制することができる。

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。集電端子が接合された電極体を模式的に示す斜視図である。集電端子が接合された電極体を模式的に示す斜視図である。

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および図２は、一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、積層電極体１０と、集電端子７０、７２（図３）と、図示しない電解質と、図示しない電池ケースとを備えている。
電池ケースは、積層電極体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、電池ケースは、有底角型（直方体形状）の外形を有している。電池ケースは、上端に開口部を有する扁平な有底のケース本体と、ケース本体の開口部を塞ぐ蓋体とを備えている。電池ケースの材質は、例えば、アルミニウムやスチール等の金属材料である。

電池ケースの上面、すなわち蓋体には、外部接続用の正極端子と負極端子とが突出している。正極端子は、電極体１０の正極板２０と電気的に接続されている。負極端子は、電極体１０の負極板３０と電気的に接続されている。

電池ケースの内部には、積層電極体１０と電解質と集電端子７０、７２とが収容されている。積層電極体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。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。ここで、図１は、複数の正極板２０および負極板３０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された正極板２０および負極板３０を示している。また、図２は、複数の正極板２０および負極板３０のうち積層方向Ｄの両端側に配置された正極板２０および負極板３０を示している。積層方向Ｄの中央側に配置された正極板２０および負極板３０の枚数は、例えば２〜１０枚（典型的には２〜５枚）であり得る。

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、第１タブ２６および第２タブ２８が形成されている。第１タブ２６および第２タブ２８は、正極板２０の一辺から突設されている。第１タブ２６は、全集箔用のタブである。全集箔用タブ２６は、複数の正極板２０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された正極板２０と、積層方向Ｄの両端側に配置された正極板２０との双方、すなわち積層電極体１を構成する全ての正極板２０に形成されている（図１および図２参照）。一方、第２タブ２８は、集電端子接合用のタブである。集電端子接合用タブ２８は、複数の正極板２０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された正極板２０にのみ形成されている（図１参照）。この実施形態では、集電端子接合用タブ２８は、全集箔用タブ２６よりも幅方向Ｗの中央側に配置されている。

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、第１タブ３６および第２タブ３８が形成されている。第１タブ３６および第２タブ３８は、負極板３０の一辺から突設されている。第１タブ３６は、全集箔用のタブである。全集箔用タブ３６は、複数の負極板３０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された負極板３０と、積層方向Ｄの両端側に配置された負極板３０との双方、すなわち積層電極体１を構成する全ての負極板３０に形成されている（図１および図２参照）。一方、第２タブ３８は、集電端子接合用のタブである。集電端子接合用タブ３８は、複数の負極板３０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された負極板３０にのみ形成されている（図１参照）。この実施形態では、集電端子接合用タブ３８は、全集箔用タブ３６よりも幅方向Ｗの中央側に配置されている。

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。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。

図３および図４は、集電端子７０、７２が接合された積層電極体１０を模式的に示す斜視図である。図３および図４に示すように、繰り返し積層された複数の正極板２０の全集箔用タブ２６が積層電極体１０の積層方向（ここでは厚み方向Ｄ）に積み重ねられ、積層部の端面（ここでは上面）から突出している。複数の全集箔用タブ２６は、これらが積層方向Ｄに積み重ねられることにより、タブ２６群を構成している。かかるタブ２６群は、積層方向Ｄの中央側に寄せ集められて互いに接合（例えば溶接）されている。これにより電極体１０を構成する全ての正極板２０がタブ２６群を通じて相互に電気的に接続されている。また、タブ２６群は、集電端子７０とは接合されておらず、集電端子７０と電気的に接続されていない。この実施形態では、寄せ集められた全集箔用タブ２６の先端部分２６ａが、タブ２６の突出方向と垂直な方向（ここでは厚み方向Ｄ）に折り返されている。一方、積層方向Ｄの中央側に配置された正極板２０においては、複数の集電端子接合用タブ２８が積層方向Ｄに積み重ねられることにより、タブ２８群を構成している。このタブ２８群は、積層方向Ｄの中央側に寄せ集められて集電端子７０と接合（例えば溶接）されている。これにより、積層方向Ｄの中央側に配置された正極板２０は集電端子７０および正極端子と電気的に接続されている。また、積層方向Ｄの両端側に配置された正極板２０は、タブ２８群およびタブ２６群を介して集電端子７０および正極端子と電気的に接続されている。

正極側と同様に、繰り返し積層された複数の負極板３０の全集箔用タブ３６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。複数の全集箔用タブ３６は、これらが積層方向Ｄに積み重ねられることにより、タブ３６群を構成している。かかるタブ３６群は、積層方向Ｄの中央側に寄せ集められて互いに接合（例えば溶接）されている。これにより電極体１０を構成する全ての負極板３０がタブ３６群を通じて相互に電気的に接続されている。また、タブ３６群は、集電端子７２とは接合されておらず、集電端子７２と電気的に接続されていない。この実施形態では、寄せ集められた全集箔用タブ３６の先端部分３６ａが、タブ３６の突出方向と垂直な方向（ここでは厚み方向Ｄ）に折り返されている。一方、積層方向Ｄの中央側に配置された負極板３０においては、複数の集電端子接合用タブ３８が積層方向Ｄに積み重ねられることにより、タブ３８群を構成している。このタブ３８群は、積層方向Ｄの中央側に寄せ集められて集電端子７２と接合（例えば溶接）されている。これにより、積層方向Ｄの中央側に配置された負極板３０は集電端子７２および負極端子と電気的に接続されている。また、積層方向Ｄの両端側に配置された負極板３０は、タブ３８群およびタブ３６群を介して集電端子７２および負極端子と電気的に接続されている。

以上のように、リチウムイオン二次電池１００は、図１〜図４に示すように、複数の正極板２０および負極板３０が積層方向Ｄに積層されて構成された積層電極体１０と、積層電極体１０に電気的に接続された集電端子７０、７２とを備えている。複数の正極板２０および負極板３０は、該極板２０、３０の一辺から突設された第１タブ２６、３６であって、積層方向Ｄに寄せ集められて相互に接合されるとともに、集電端子７０、７２と接合されていない全集箔用タブ２６、３６をそれぞれ備えている。また、複数の正極板２０および負極板３０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された極板２０、３０は、該極板２０、３０の一辺から突設された第２タブ２８、３８であって、積層方向Ｄに寄せ集められて相互に接合されるとともに、集電端子７０、７２と接合された集電端子接合用タブ２８、３８を備えている。かかる構成によると、集電端子７０、７２に対して積層電極体１０が相対的に動いて一部の正極板２０および負極板３０の集電端子接合用タブ２８、３８が切断された場合でも、全集箔用タブ２６、３６によって全ての正極板２０および全ての負極板３０が電気的に接続されているので、該タブ２８、３８が切断された正極板２０および負極板３０が電気的に孤立しない。このことにより、該正極板２０および負極板３０が電気的に孤立することに起因するリチウムの析出を抑制することができる。

また、本実施形態によると、集電端子接合用タブ２８、３８群と、全集箔用タブ２６、３６群との２箇所で正極板２０および負極板３０が相互に束ねられているので、電極体１０自体の強度が従来に比して向上する。そのため、極板２０、３０の積層ズレによる短絡を抑制することができる。また、積層電極体１０を電池ケースに収容する際の作業性（例えば保持性）が良好になる。

また、本リチウムイオン二次電池１００によると、複数の極板２０、３０のうち積層方向Ｄの中央側に配置された極板２０、３０にのみ集電端子接合用タブ２８、３８を設けて集電端子７０、７２と接合しているので、全ての極板２０、３０に集電端子接合用タブ２８、３８を設ける場合に比べて、寄せ集められたタブ２８、３８群のサイズを小さくすることができる。例えば、タブ２８、３８群を幅方向Ｗから見たときの側面（三角部分）の高さ方向Ｈのサイズが従来に比して小さくなり、集電に必要なスペースを低減することができる。これによって、電池ケース内において充放電に寄与する電極体１０（積層部）の占有率を高めることが可能となる。その結果、電池ケース内の充放電に寄与しないスペース（デッドスペース）を削減して、高エネルギー密度化を実現することができる。また、集電端子接合用タブ２８、３８を全ての極板２０、３０に設ける従来の態様では、該タブ２８、３８を積層方向Ｄの中央側に寄せ集める際に、積層方向Ｄの両端側の極板が中央側の極板よりも大きく引っ張られるため、極板の積層ズレが生じがちであるが、上記態様によると、中央側の極板のみ寄せ集められるので、そのような不都合が緩和され得る。

また、本実施形態によると、寄せ集められた全集箔用タブ２６、３６の先端部分が、タブ２６、３６の突出方向と垂直な方向（ここでは厚み方向Ｄ）に折り返されているので、全集箔用タブ２６、３６群の高さ方向Ｈのサイズを小さくすることができ、集電に必要なスペースを低減することができる。これによって、電池ケース内において充放電に寄与する電極体１０（積層部）の占有率を高めることが可能となる。その結果、電池ケース内の充放電に寄与しないスペース（デッドスペース）を削減して、高エネルギー密度化を実現することができる。

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、上記した実施形態では、全集箔用タブ２６、３６および集電端子接合用タブ２８、３８が正極板２０および負極板３０にそれぞれ一箇所ずつ設けられている場合を例示したが、各タブの数はこれに限定されない。複数の全集箔用タブ２６、３６および集電端子接合用タブ２８、３８を正極板２０および負極板３０にそれぞれ形成してもよい。また、上記した実施形態では、複数の極板のうち積層方向Ｄの中央側に配置された極板２０、３０にのみ集電端子接合用タブ２８、３８を設ける場合を例示したが、これに限定されない。集電端子接合用タブ２８、３８は、積層方向Ｄの中央側に配置された極板２０、３０に加えて、積層方向Ｄの両端側に配置された極板２０、３０に設けてもよい。ただし、上述した実施形態の如く、積層方向Ｄの中央側に配置された極板２０、３０のみに集電端子接合用タブ２８、３８を形成した方が、寄せ集められたタブ２８、３８群のサイズを小さくして集電に必要なスペースを低減することができる。

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、タブが切断されてもリチウムの析出が生じ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積層電極体
２０正極板
２６、３６全集箔用タブ
２８、３８集電端子接合用タブ
３０負極板
７０、７２集電端子
１００リチウムイオン二次電池

Claims

複数の極板が積層方向に積層されて構成された積層電極体と、
前記積層電極体に電気的に接続された集電端子と
を備え、
前記複数の極板は、該極板の一辺から突設された第１タブであって、前記積層方向に寄せ集められて相互に接合されるとともに、前記集電端子と接合されていない全集箔用タブをそれぞれ備えており、
前記複数の極板のうち前記積層方向の中央側に配置された複数の極板は、該極板の一辺から突設された第２タブであって、前記積層方向に寄せ集められて相互に接合されるとともに、前記集電端子と接合された集電端子接合用タブを備えており、
前記複数の極板のうち前記積層方向の中央側に配置された複数の極板以外の該積層方向の両端側に配置された複数の極板には、前記集電端子接合用タブは備えられていない、リチウムイオン二次電池。
前記積層方向に寄せ集められて相互に接合された前記全集箔用タブの先端部分は、該積層方向に折り返されている、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。