JP7011780B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関する。

例えば、特許文献１には、正極シート、負極シートおよびセパレータを有し、最表面がセパレータである扁平な捲回電極体と、捲回電極体が収容された金属製の電池ケースと、捲回電極体と電池ケースとの間に配置された絶縁フィルムとを備えた電池が開示されている。捲回電極体は、平坦部を有している。絶縁フィルムには、捲回電極体の平坦部と対向する範囲内であって、捲回された状態のセパレータの端部に重ならない位置に孔が形成されている。

特許文献１に開示された電池によれば、絶縁フィルムの孔に、セパレータが入り込む状態となるため、捲回電極体が絶縁フィルムに対して滑り難くすることができる。よって、捲回電極体の位置が安定し、各部の損傷が生じ難い。

特開２０１７－１２６４８７号公報

ところで、上述のように、上記電池においてセパレータの損傷は生じ難い。しかしながら、セパレータがより損傷し難い電池の構成が望まれている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セパレータが損傷し難い二次電池を提供することである。

ここで提案される二次電池は、電池ケースと、電極体と、絶縁フィルムとを備えている。電池ケースは、一対の幅広面を有する角型のものである。電極体は、電池ケースに収容された、電池ケースの一対の幅広面に沿った一対の平板部を有し、かつ、一対の平板部の外表面にセパレータが配置されている。絶縁フィルムは、電池ケースの一対の幅広面と電極体の一対の平板部との間に挟まれている。絶縁フィルムは、電極体の一対の平板部と接触する領域の任意の位置で、幅広面の長辺方向に沿った線上に少なくとも１つの貫通孔を有している。

ここで提案される二次電池によれば、絶縁フィルムによる膨張および収縮に起因した熱応力であって、セパレータに加わる熱応力を小さくすることができる。よって、上記熱応力に起因して、セパレータが損傷し難くすることができる。

実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。 二次電池を模式的に示す分解斜視図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面に沿った二次電池の断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ断面に沿った二次電池の断面図である。 絶縁フィルムを示す斜視図である。 絶縁フィルム周辺における捲回軸の方向に沿った断面図である。 変形例に係る絶縁フィルムを示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係る二次電池について説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。

以下の説明では、図１における上、下、左、右をそれぞれ二次電池１０の上、下、左、右とする。図面中の符号Ｕ、Ｄ、Ｌ、Ｒは、それぞれ上、下、左、右を示している。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、二次電池１０の設置態様などを限定するものではない。本実施形態に係る二次電池１０は、例えば非水系二次電池であり、リチウムイオン二次電池である。図１および図２に示すように、二次電池１０は、電池ケース２０と、電極体５０と、絶縁フィルム６０とを備えている。

図２に示すように、電池ケース２０は、一対の幅広面２２ａを有する角型のケースである。本実施形態では、電池ケース２０は、内部に空間を有する箱状に形成されている。図１に示すように、電池ケース２０は、ケース本体２２と、蓋体２４とを備えている。ケース本体２２は、有底直方体形状を有しており、上面が開口した扁平な箱型の容器である。図２に示すように、ケース本体２２には、電極体５０および電解液（図示せず）が収容される。ここでは、ケース本体２２は、一対の幅広面２２ａと、幅広面２２ａに隣接する一対の幅狭面２２ｂと、底面２２ｃとを有している。図１に示すように、蓋体２４は、ケース本体２２の開口に装着されるプレート状の部材である。蓋体２４には、外部接続用の正極端子３２および負極端子３４が取り付けられている。また、蓋体２４には、電池ケース２０内の内圧を開放する安全弁２６と、電解液を注入するための注入口（図示せず）が設けられている。なお、電池ケース２０の材質は、高強度であり、かつ、軽量で熱伝導性が良い金属製材料が好ましく、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼などである。

図４に示すように、電極体５０は、電池ケース２０に収容された、電池ケース２０の一対の幅広面２２ａに沿った一対の平板部５５を有している。本実施形態では、図３に示すように、電極体５０は、正極シート５１と、負極シート５２と、第１セパレータ５３と、第２セパレータ５４とを有している。正極シート５１、負極シート５２、第１セパレータ５３および第２セパレータ５４は、それぞれ長尺のシート状の部材である。例えば、電極体５０は、第１セパレータ５３、正極シート５１、第２セパレータ５４、負極シート５２の順に重ねられ、電池ケース２０のケース本体２２内で左右方向に延びた捲回軸ＷＬ（図３参照）を中心に捲回されている。電極体５０の形状は、扁平形状である。ここでは、電極体５０が捲回される方向である捲回方向Ｄ１は、上下方向である。図４に示すように、電極体５０では、外表面に第１セパレータ５３が配置されている。本実施形態では、第１セパレータ５３は、本発明のセパレータの一例である。

図３に示すように、正極シート５１は、予め定められた幅および厚さのアルミニウム箔などの正極集電箔５１ａの両面に、正極活物質を含む正極活物質層５１ｂが形成された部材である。なお、正極集電箔５１ａの片側の端部には、正極活物質層５１ｂが形成されていない未形成部５１ｃが設定されている。正極活物質は、例えば、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収し得る材料である。

負極シート５２は、予め定められた幅および厚さの銅箔などの負極集電箔５２ａの両面に、負極活物質を含む負極活物質層５２ｂが形成された部材である。なお、負極集電箔５２ａの片側の端部には、負極活物質層５２ｂが形成されていない未形成部５２ｃが設定されている。負極活物質は、例えば、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出し得る材料である。

第１セパレータ５３および第２セパレータ５４には、例えば、所要の耐熱性を有し、電解質が通過し得る多孔質の樹脂シートが用いられる。第１セパレータ５３および第２セパレータ５４の材質は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエステル、セルロース、ポリアミドなどの樹脂から成る多孔性シートが挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよい、二層以上の積層構造であってもよい。

本実施形態では、図４に示すように、電極体５０は、一対の平板部５５を有している。平板部５５は、電池ケース２０の一対の幅広面２２ａに沿って配置されている。一対の平板部５５は、一対の幅広面２２ａに対向している。平板部５５とは、扁平状に延びた平坦な部位である。平板部５５は、上下方向に延びている。

図３に示すように、ケース本体２２内で捲回された正極シート５１では、未形成部５１ｃがケース本体２２内の左端付近に配置される。未形成部５１ｃには、正極集電端子３３が付設されており、正極集電端子３３は、上述の正極端子３２に接続されている。ケース本体２２内で捲回された負極シート５２では、未形成部５２ｃがケース本体２２内の右端付近に配置される。未形成部５２ｃには、負極集電端子３５が付設されており、負極集電端子３５は、上述の負極端子３４に接続されている。

図４に示すように、絶縁フィルム６０は、電池ケース２０の一対の幅広面２２ａと電極体５０の一対の平板部５５との間に挟まれている。絶縁フィルム６０は、電極体５０と電池ケース２０との間に配置されており、電極体５０と電池ケース２０とを隔離するものである。絶縁フィルム６０によって、電極体５０と電池ケース２０との直接的な接触を回避することができる。絶縁フィルム６０の材質は、絶縁部材として機能し得る材料で構成されているとよい。例えば、絶縁フィルム６０は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂材料を好適に使用することができる。本実施形態では、絶縁フィルム６０の平均厚みｔは、概ね１００μｍ程度であるとよいが、二次電池１０の構成条件などによって適宜に変更可能である。絶縁フィルム６０の平均厚みｔは、例えば２０μｍ以上２００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下である。

本実施形態では、絶縁フィルム６０は、上端部が開口し、電極体５０を囲む有底の袋状に形成されている。ここでは、絶縁フィルム６０には、電極体５０の第１セパレータ５３であって、一対の平板部５５と接触する領域６１が存在する。領域６１は、平板部５５に対向している。領域６１は、一対の平板部５５と、電池ケース２０の一対の幅広面２２ａとの間に配置され、幅広面２２ａと対向している。なお、領域６１は、全体が幅広面２２ａに接触していてもよいし、一部が幅広面２２ａに接触していてもよい。

図５に示すように、絶縁フィルム６０の領域６１には、貫通孔６２が形成されている。なお、貫通孔６２の数は特に限定されない。貫通孔６２の数は、１つであってもよいし、２つ以上の複数であってもよい。例えば、貫通孔６２の数が１つの場合、領域６１の捲回軸ＷＬの方向側の両端には、平板部５５と接触しない領域が設けられているとよい。本実施形態では、方向Ｄ２は、電池ケース２０の幅広面２２ａの長辺方向である。長辺方向Ｄ２は、捲回方向Ｄ１と正面視において直交した方向であり、捲回軸ＷＬ（図３参照）に沿った方向である。本実施形態では、捲回方向Ｄ１は、流れ方向のことであり、例えばＭＤ方向である。方向Ｄ２は、直角方向であり、例えばＴＤ方向である。絶縁フィルム６０は、一対の平板部５５と接触する領域６１において、幅広面２２ａの任意の位置での長辺方向Ｄ２に沿った線Ｌ１上に少なくとも１つの貫通孔６２を有している。言い換えると、図６に示すように、長辺方向Ｄ２に沿った全ての断面に、少なくとも１つの貫通孔６２が形成されている。図５に示す線Ｌ１は、領域６１上に配置されていればよく、図５の位置には限定されない。

貫通孔６２の形状は、特に限定されない。例えば、図５に示すように、貫通孔６２の形状は、円形状（詳しくは、真円形状）である。全ての貫通孔６２の面積は同じであってもよいし、一部の貫通孔６２の面積が異なっていてもよい。また、全ての貫通孔６２の形状は、同じであってもよいが、一部の貫通孔６２の形状は異なっていてもよい。領域６１の空孔率は、例えば５０％以上９０％以下であり、好ましくは６０％以上８０％以下である。このような上記空孔率の範囲内で、貫通孔６２が領域６１に形成されているとよい。

本実施形態では、絶縁フィルム６０の厚みをｔとし、貫通孔６２の直径をＲとしたとき、以下の式（１）が成り立つ。
ｔ＞（１／１０）×Ｒ・・・（１）
なお、貫通孔６２が真円形状であるとき、貫通孔６２の直径がＲとなるが、例えば、貫通孔６２が楕円形状のときには、Ｒは短辺の長さである。

本実施形態において、図４に示すように、電極体５０の外表面に位置する第１セパレータ５３の一対の平板部５５と、絶縁フィルム６０の領域６１とが接触している。また、領域６１は、電池ケース２０の一対の幅広面２２ａに接触している。第１セパレータ５３および絶縁フィルム６０は、温度変化により膨張および収縮する。本実施形態では、絶縁フィルム６０の膨張および収縮の変位が、絶縁フィルム６０の膨張および収縮の変位よりも大きい。そのため、第１セパレータ５３では、絶縁フィルム６０による膨張および収縮に起因した熱応力が加わり、自身の膨張および収縮の変位以上の膨張および収縮の変位が繰り返されることになる。特に、第１セパレータ５３のＴＤ方向である方向Ｄ２は、ＭＤ方向である捲回方向Ｄ１に比べて、機械的強度が低い。そのため、第１セパレータ５３の方向Ｄ２において、損傷することがあり得る。

本実施形態では、図５に示すように、絶縁フィルム６０は、電極体５０の一対の平板部５５と接触する領域６１の任意の位置で、幅広面２２ａの長辺方向Ｄ２に沿った線Ｌ１上に少なくとも１つの貫通孔６２を有している。このことによって、領域６１では、任意の位置の方向Ｄ２において貫通孔６２が少なくとも１つ存在しているため、絶縁フィルム６０の膨張および収縮の変位（特に、方向Ｄ２における変位）が小さくなる。よって、領域６１の任意の位置の線Ｌ１の領域６１の断面において、第１セパレータ５３の温度変化による膨張および収縮の変位と、絶縁フィルム６０の温度変化による膨張および収縮の変位との差が小さくなる。そのため、絶縁フィルム６０による膨張および収縮に起因した熱応力であって、第１セパレータ５３に加わる熱応力を軽減させることができる。よって、上記熱応力に起因して、第１セパレータ５３が損傷し難くすることができる。したがって、第１セパレータ５３の温度変化に対する耐久性を向上させることができる。

なお、領域６１に貫通孔６２が形成されていることで、貫通孔６２に電極体５０が入り込むことがあり得る。このとき、絶縁フィルム６０の厚みｔと、貫通孔６２の直径Ｒとの間において、上記式（１）が成り立つとき、貫通孔６２の内部において、電極体５０が入り込んだ場合であっても、電池ケース２０と電極体５０が接触しない。よって、本実施形態では、上記式（１）が成り立つように、絶縁フィルム６０の厚みｔと、貫通孔６２の直径Ｒを設定することで、電池ケース２０と電極体５０との間で絶縁性を確保しつつ、第１セパレータ５３が損傷し難くすることができる。

以上、本実施形態に係る二次電池１０について説明した。上記実施形態では、絶縁フィルム６０の領域６１に形成された貫通孔６２は、真円形状であった。しかしながら、図７の変形例に示すように、領域６１には、貫通孔１６２が形成されていてもよい。貫通孔１６２は、絶縁フィルム６０の領域６１において、電池ケース２０の幅広面２２ａの任意の位置での長辺方向Ｄ２に沿った線Ｌ１上に少なくとも１つ形成されている。

本変形例では、貫通孔１６２は、所定の方向に延びた矩形状のスリットである。ここで、所定の方向は、例えば上下方向であり、捲回方向Ｄ１である。しかしながら、所定の方向は、捲回方向Ｄ１に限定されない。貫通孔１６２が複数の場合、貫通孔１６２は、所定の間隔を空けて平行に配置されていてもよい。この場合、複数の貫通孔１６２が延びる方向は同じである。しかしながら、貫通孔１６２が複数の場合、延びる方向は同じであってもよいし、一部の貫通孔１６２の延びる方向が異なっていてもよい。すなわち、複数の貫通孔１６２は、平行に配置されていなくてもよい。

本変形例では、絶縁フィルム６０の厚みをｔとし、貫通孔１６２の幅（スリット幅または短辺の長さ）をＬとしたとき、以下の式（２）が成り立つ。
ｔ＞（１／１０）×Ｌ・・・（２）

この上記式（２）が成り立つように、絶縁フィルム６０の厚みｔと、貫通孔１６２の幅Ｌを設定することで、電池ケース２０と電極体５０との間で絶縁性を確保しつつ、第１セパレータ５３が損傷し難くすることができる。

上記実施形態では、電極体５０は、正極シート５１、負極シート５２、第１セパレータ５３および第２セパレータ５４が捲回された電極体であった。しかしながら、電極体５０は、正極シートと負極シートがセパレータを介して交互に積層された電極体であってもよい。この場合、電極体５０の平板部５５の外表面には、セパレータが配置されているとよい。また、この場合、絶縁フィルム６０は、電池ケース２０の一対の幅広面２２ａと一対の平板部５５との間に挟まれ、領域６１において任意の位置で、幅広面２２ａの長辺方向Ｄ２に沿った線Ｌ１上に少なくとも１つの貫通孔６２を有しているとよい。このことによって、貫通孔６２によって、絶縁フィルム６０の膨張および収縮の変位が小さくなるため、絶縁フィルム６０による膨張および収縮に起因した熱応力であって、セパレータに加わる熱応力を軽減することができる。

１０ 二次電池
２０ 電池ケース
５０ 電極体
５１ 正極シート
５２ 負極シート
５３ 第１セパレータ（セパレータ）
５４ 第２セパレータ
６０ 絶縁フィルム
６１ 領域
６２ 貫通孔

Claims (3)

1. 一対の幅広面を有する角型の電池ケースと、
   前記電池ケースに収容された、前記電池ケースの前記一対の幅広面に沿った一対の平板部を有し、かつ、前記一対の平板部の外表面にセパレータが配置された電極体と、
   前記電池ケースの前記一対の幅広面と前記電極体の前記一対の平板部との間に挟まれた絶縁フィルムと、
   を備え、
   前記絶縁フィルムは、前記電極体の前記一対の平板部と接触する領域の任意の位置で、前記幅広面の長辺方向に沿った線上に少なくとも１つの貫通孔を有し、
   前記絶縁フィルムの平均厚みは、２０μｍ以上２００μｍ以下であり、
   前記貫通孔の形状は、円形状であり、
   前記絶縁フィルムの厚みをｔとし、前記貫通孔の直径をＲとしたとき、ｔ＞（１／１０）×Ｒの式が成り立つ、二次電池。
2. 前記絶縁フィルムにおける前記電極体の前記一対の平板部と接触する領域の空孔率は、５０％以上９０％以下である、請求項１に記載された二次電池。
3. 前記絶縁フィルムにおける前記電極体の前記一対の平板部と接触する領域には、前記貫通孔が形成され、前記電極体の前記一対の平板部と接触する領域以外の前記絶縁フィルムの領域には、前記貫通孔が形成されていない、請求項１または２に記載された二次電池。

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