JP7067277B2

JP7067277B2 - 電池

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Publication number: JP7067277B2
Application number: JP2018105844A
Authority: JP
Inventors: 孝宏垣内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-06-01
Also published as: JP2019212411A

Description

本発明は、電池に関する。

近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、電池の開発が鋭意行われている。車載電源への適用を指向した電池は、携帯電話やノートパソコン等に使用される電池と比較して極めて高い出力特性を有することが求められている。

例えば特許文献１には、電池の出力特性を向上させるために複数の単セルを積層して直列に接続した積層型電池が開示されている。特許文献１では、単セルからの電解液の漏れによる液絡を防止するために、活物質層を囲むように枠状のシール部が配置されている。シール部は、単セルの外周部をヒートシールすることによって形成している。

特開２００４－３４９１５６号

ところで、軽量化の観点から単セルに樹脂集電体を用いる技術が知られている。しかしながら、本発明者らの検討によれば、樹脂集電体を用いた場合、ヒートシールする際の熱によって、樹脂集電体が溶融して単セルの外部に流れ、樹脂集電体同士が短絡する可能性があることが判明した。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、製造工程における樹脂集電体同士の短絡を防止できる電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る電池は、樹脂集電体に活物質層が形成されてなる正極および負極と、電解質層とを含む単セルを複数積層した積層体と、前記活物質層の外周を囲むように配置された枠材と、を有する。前記枠材は、前記正極の前記樹脂集電体と前記負極の前記樹脂集電体とを隔てる仕切り部と、前記樹脂集電体の外周端よりも面方向の外側に配置され、積層方向の厚さが前記仕切り部よりも厚い厚肉部と、を有する。

上述のように構成された電池によれば、シール工程においてヒートシールする際に溶融した樹脂集電体の流れが枠材の厚肉部によって堰き止められるため、単セルの外部に流出することを制限することができる。その結果、製造工程における樹脂集電体同士の短絡を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電池の全体構造の概略を示す断面図である。積層体の一部を拡大して示す概略断面図である。比較例１に係る電池の積層体を示す概略断面図である。比較例２に係る電池の積層体を示す概略断面図である。比較例３に係る電池の積層体を示す概略断面図である。変形例１に係る電池の積層体を示す概略断面図である。変形例２に係る電池の積層体を示す概略断面図である。変形例３に係る電池の積層体を示す概略断面図である。変形例４に係る電池の積層体を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。
なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

＜電池＞
図１は、実施形態に係る電池１００を説明するための概略図である。実施形態に係る電池１００は、図１に示すように、剛性を有する材料から形成されたセルケース１２０の内部に発電要素である積層体１４０が収容された構成を有する。

なお、本明細書において、「剛性を有する材料から形成されたセルケース１２０」とは、セルケース１２０に外部から力が作用した場合に、セルケース１２０が容易に変形せず、内部に配置した積層体１４０を十分に保護できる程度に、セルケース１２０が剛体であることを意味する。

セルケース１２０は、略矩形の底面１２２と、底面１２２を取り囲む側壁部１２４と、略矩形の上面１２６と、を有する。側壁部１２４は、不図示の締結部材によって、底面１２２および上面１２６に取り付け可能に構成されている。側壁部１２４が底面１２２および上面１２６に取り付けられた状態で、セルケース１２０は閉じた形状を構成する。セルケース１２０の内部には、積層体１４０が配置されている。

積層体１４０は、積層されている複数の単セル１０、強電タブ１５０、１５２およびエンドプレート１６０、１６２を有する。本明細書では、複数の単セル１０が積層される方向を「積層方向」と称し、図中に矢印Ｓで示す。

強電タブ１５０、１５２は、例えば、略板状の銅から形成される。強電タブ１５０、１５２は、積層体１４０から電流を取り出すために使用され、最下層に位置する単セル１０および最上層に位置する単セル１０に当接している。

エンドプレート１６０、１６２は、積層体１４０に付加される振動を吸収する機能を有する絶縁シートであり、強電タブ１５０、１５２の積層方向Ｓの端部に配置されている。なお、エンドプレート１６０、１６２は、必要に応じ、適宜省略することも可能である。

また、セルケース１２０は、絶縁フィルム層１２８、強電用コネクタ１３０、１３２をさらに有する。

絶縁フィルム層１２８は、底面１２２および側壁部１２４の内壁に形成されている。底面１２２の絶縁フィルム層１２８上には、エンドプレート１６２が位置決めされている。強電用コネクタ１３０、１３２は、側壁部１２４に気密的に取り付けられており、かつ、強電タブ１５０、１５２と電気的に接続されている。

［積層体］
次に、発電要素である積層体１４０を詳述する。

図２は、積層体１４０の一部を拡大して示す概略断面図である。

積層体１４０は、図２に示すように、単セル１０が積層方向Ｓに積層して構成している。積層体１４０において積層されている単セル１０は、互いに直列接続されている。

［単セル］
単セル１０は、図２に示すように、正極２９および負極５９を、電解質層４０を介して積層して構成される。正極２９は、正極活物質層３０が正極樹脂集電体２０に配置されてなる。負極５９は、電解液を含む負極活物質層５０が負極樹脂集電体６０に配置されてなる。また、単セル１０は、正極活物質層３０および負極活物質層５０の周辺部分を封止するシール部８０をさらに有する。

なお、本明細書では、単セル１０の面方向（図１中の左右方向）の端部側を面方向の「外側」と称し、図中に矢印Ｐ１で示す。また、単セル１０の面方向の中央側を面方向の「内側」と称し、図中に矢印Ｐ２で示す。

（樹脂集電体）
樹脂集電体２０、６０（正極樹脂集電体２０、負極樹脂集電体６０）は、正極活物質層３０から負極活物質層５０へと電子の移動を媒介する機能を有する。樹脂集電体２０、６０は、導電性を有する樹脂によって構成される。樹脂集電体２０、６０は、金属箔集電体に比べて軽量なため、電池１００の重量当たりの出力密度を向上できる。なお、単セル１０間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、樹脂集電体の一部に金属層を設けてもよい。

具体的には、樹脂集電体２０、６０の構成材料である導電性を有する樹脂としては、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または樹脂集電体２０、６０の軽量化の点において有利である。

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ；高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）など）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはポリスチレン（ＰＳ）などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、樹脂集電体２０、６０の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属や導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、白金、鉄、クロム、スズ、亜鉛、インジウム、アンチモン、およびカリウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン（登録商標）、ブラックパール（登録商標）、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

（正極活物質層、負極活物質層）
電極活物質層３０、５０（正極活物質層３０、負極活物質層５０）は、電極活物質（正極活物質または負極活物質）を含む。また、電極活物質層３０、５０は、必要に応じて、被覆剤（被覆用樹脂、導電助剤）、導電部材等を含んでもよい。さらに、電極活物質層３０、５０は、必要に応じてイオン伝導性ポリマー、リチウム塩等を含んでもよい。

（正極活物質）
正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、Ｌｉ（Ｎｉ－Ｍｎ－Ｃｏ）Ｏ_２およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム－遷移金属複合酸化物、リチウム－遷移金属リン酸化合物、リチウム－遷移金属硫酸化合物等が挙げられる。

（負極活物質）
負極活物質としては、例えば、グラファイト（黒鉛）、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム－遷移金属複合酸化物（例えば、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、金属材料（スズ、シリコン）、リチウム合金系負極材料（例えばリチウム－スズ合金、リチウム－シリコン合金、リチウム－アルミニウム合金、リチウム－アルミニウム－マンガン合金等）などが挙げられる。

（導電助剤）
導電助剤は、被覆用樹脂とともに電極活物質の表面を被覆する被覆剤として用いられる。導電助剤は、被覆剤中で電子伝導パスを形成し、電極活物質層３０、５０の電子移動抵抗を低減することで、電池１００の高レートでの出力特性向上に寄与し得る。

導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物；グラファイト、炭素繊維（具体的には、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）等）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンブラック（具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等）等のカーボンが挙げられる。

（導電部材）
導電部材は、電極活物質層３０、５０中で電子伝導パスを形成する機能を有する。特に、導電部材の少なくとも一部が、電極活物質層３０、５０の２つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成していることが好ましい。このような形態を有することで、電極活物質層３２中の厚さ方向の電子移動抵抗がさらに低減されるため、電池１００の高レートでの出力特性をより一層向上させることができる。

導電部材は、繊維状の形態を有する導電性繊維であることが好ましい。具体的には、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレスのような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を、導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。なかでも、導電性に優れ、軽量であることから炭素繊維が好ましい。

（電解質層）
電解質層４０に使用される電解質は、特に制限はなく、液体電解質、ゲルポリマー電解質、またはイオン液体電解質が制限なく用いられる。これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保されうる。電解質層に用いられる電解質は電極活物質層３０、５０に用いられる電解液と同一であっても、異なるものであってもよい。

本形態では、電解質層４０にセパレータを用いてもよい。セパレータは、電解質を保持して正極２９と負極５９との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極２９と負極５９との間の隔壁としての機能を有する。特に電解質として液体電解質、イオン液体電解質を使用する場合には、セパレータを用いることが好ましい。

セパレータの形態としては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。

電解液は、溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。電解液を構成する溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、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等のカーボネート類が挙げられる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６ＬｉＣｌＯ_４、Ｌｉ［（ＦＳＯ_２）_２Ｎ］（ＬｉＦＳＩ）等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、およびＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。

［シール部］
シール部８０は、正極活物質層３０、負極活物質層５０および電解質層４０の周囲を液密に封止し、電解液の漏れによる液絡を防止している。また、シール部８０は、単セル１０内で正極樹脂集電体２０と負極樹脂集電体６０とを電気的に隔てて、正極樹脂集電体２０と負極樹脂集電体６０とが接触することによる短絡を防止している。

図２に示すように、シール部８０は、電極活物質層３０、５０の外周を囲むように配置された枠材８１と、枠材８１、樹脂集電体２０、６０および電解質層４０を接合してシールする熱溶着剤８２と、を有する。

電池１００の製造工程のシール工程では、単セル１０の外周部に枠材８１および熱溶着剤８２を配置した後に、熱を加えて熱溶着剤８２を溶着させてヒートシールすることによってシール部８０を形成する。

（枠材）
枠材８１は、正極樹脂集電体２０と負極樹脂集電体６０とを隔てる仕切り部８１ａと、正極樹脂集電体２０および負極樹脂集電体６０の外周端Ｅ１よりも面方向の外側Ｐ１に配置され、仕切り部８１ａよりも積層方向Ｓの厚さが大きい厚肉部８１ｂと、を有する。なお、図２に示す形態では、正極樹脂集電体２０の外周端と負極樹脂集電体６０の外周端の面方向の位置は揃っているが、これに限定されず、外周端の位置が異なっていてもよい。

仕切り部８１ａは、正極樹脂集電体２０と負極樹脂集電体６０とを隔てて、両者が接触して短絡することを防止する。図２に示す形態では、仕切り部８１ａは、電解質層４０と負極樹脂集電体６０との間に配置しているが、これに限定されず、電解質層４０と正極樹脂集電体２０との間に配置してもよい。このように、電解質層４０と樹脂集電体２０、６０との間に配置された仕切り部８１ａは、充放電の際に電極活物質層３０、５０が膨張収縮した場合に、電極活物質層３０、５０の積層方向Ｓの厚さの変形を規制するスペーサ機能を発揮する。

また、仕切り部８１ａは、樹脂集電体２０、６０および電解質層４０との間に熱溶着剤８２を介してヒートシールされたシール領域を形成する。図２に示す形態では、仕切り部８１ａは、積層方向Ｓの厚さが略一定に形成されている。これにより、仕切り部８１ａと樹脂集電体２０、６０との間のシール領域を均一にヒートシールすることができる。

厚肉部８１ｂは、仕切り部８１ａに対して積層方向Ｓの少なくとも一方側に突出するように形成される。シール工程では、ヒートシールする際の熱によって、樹脂集電体２０、６０が溶融する。溶融した樹脂は、厚肉部８１ｂの突出した部分に堰き止められて、厚肉部８１ｂよりも面方向の外側Ｐ１に流れることが防止される。換言すれば、厚肉部８１ｂは、ヒートシールする際に溶融した樹脂集電体の流れを堰き止める堤防としての機能を有する。これにより、枠材８１は、シール工程において樹脂集電体２０、６０同士の短絡を抑制することができる。

特に、図２に示す形態では、厚肉部８１ｂは、仕切り部８１ａに対して積層方向Ｓの両側に突出するように形成される。これによって、正極樹脂集電体２０および負極樹脂集電体６０の両方の溶融した樹脂の流れを確実に堰き止めることができる。したがって、枠材８１は、より確実に樹脂集電体２０、６０同士の短絡を防止することができる。

さらに、図２に示す形態では、積層方向Ｓに隣り合う厚肉部８１ｂは、面方向のほぼ同じ位置に配置されているため、振動入力が加わった際に積層方向Ｓに互いに干渉して、単セル１０の端部の振幅を制限する機能も有する。単セル１０の端部の振幅が制限されるため、振動入力によって単セル１０の端部にかかる応力を低減し、樹脂集電体２０、６０の劣化や破損を抑制することができる。

また、本実施形態の厚肉部８１ｂは、枠材８１の外周端Ｅ２に配置されている。厚肉部８１ｂを枠材８１の外周端Ｅ２に配置することによって、後述する変形例２および変形例３（図６および図７を参照）のように、厚肉部を枠材の外周端Ｅ２よりも面方向の内側Ｐ２に配置する場合に比べて、仕切り部８１ａと樹脂集電体２０、６０との間のシール領域の面積を比較的大きく形成することができる。その結果、シール部８０の強度を向上させてシール機能を向上させることができる。また、仕切り部８１ａと樹脂集電体２０、６０との間のシール領域の面積を同じとした場合、本実施形態のように厚肉部８１ｂを枠材８１の外周端Ｅ２に配置する方が、厚肉部を枠材の外周端よりも面方向の内側Ｐ２に配置する場合（図６および図７を参照）に比べて、枠材８１を小さく形成することができる。その結果、充放電反応に寄与しない枠材８１の体積を最小限に抑えることができため、電池１００のエネルギー密度を向上させることができる。

厚肉部８１ｂは、枠材８１の全周に亘って形成してもよいし、周方向の一部のみに形成してもよい。溶融した樹脂集電体２０、６０の流れを堰き止める観点からは、厚肉部８１ｂは、枠材８１の全周に亘って形成されていることが好ましい。

枠材８１を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性（密封性）、電池動作温度やヒートシールの熱に対する耐熱性等を有するものであればよい。枠材８１を構成する材料としては、例えば、絶縁材料または、表面に絶縁処理を施した導電性材料が採用されうる。

絶縁材料としては、例えば、非導電性高分子材料が挙げられる。非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリブチレンナフタレート（ＰＢＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）のいずれか一つ以上を含む材料が挙げられる。また、上記の非導電性高分子材料とガラス繊維、カーボンナノファイバー、セルロースナノファイバー等の強化繊維とを組み合わせた複合材料などを用いてもよい。

導電性材料としては、例えば、金属材料が挙げられる。金属材料としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。絶縁処理の方法は、特に限定されないが、例えば、上記金属材料の表面にポリオレフィン系の樹脂等を被覆する方法が挙げられる。

枠材８１の製造方法は特に限定されず、例えば、上記の材料を射出成形して製造してもよいし、上記の材料からなるフィルムを積層して接着して所定の形状に成形してもよい。

仕切り部８１ａの幅Ｗ１に対する厚肉部８１ｂの幅Ｗ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）は、特に限定されず、単セル１０の他の構成部材の形状や材料特性に応じて適宜選定することができる。例えば、振動入力によって影響を受けやすい単セル１０の端部において、後述する「折れ曲がり部Ｍ」（図２中の二点鎖線で囲んだ部分）を支点とした曲げ変形を考慮して比率（Ｗ２／Ｗ１）を選択することが考えられる。厚肉部８１ｂは仕切り部８１ａに比べて断面二次モーメントが大きいため、単セル１０の端部の曲げ剛性を向上させる観点からは、比率（Ｗ２／Ｗ１）はできるだけ大きいことが好ましい。一方で、厚肉部８１ｂは仕切り部８１ａに比べて質量が大きいため、曲げモーメントを低減する観点からは、比率（Ｗ２／Ｗ１）はできるだけ小さいことが好ましい。上記の観点から最適な比率（Ｗ２／Ｗ１）の範囲を選択することができる。

（熱溶着剤）
熱溶着剤８２を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性（密封性）、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム（エチレン－プロピレン－ジエンゴム：ＥＰＤＭ）等が用いられうる。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いてもよく、ホットメルト接着剤（ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂）などを用いてもよい。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることが好ましい。

次に、図３～図５を参照して、比較例に係る電池と比較しつつ、本実施形態に係る電池１００の作用効果について説明する。図３は、比較例１に係る電池の積層体を示す概略断面図であり、図４は、比較例２に係る電池の積層体を示す概略断面図であり、図５は、比較例３に係る電池の積層体を示す概略断面図である。

まず、図３を参照して、比較例１に係る積層体について説明する。比較例１に係る枠材２８１は、厚肉部を備えずに積層方向Ｓの厚さが一定に形成されている。その他の構成は、本実施形態と実質的に同様である。

比較例１に係る枠材２８１は、厚肉部を備えないため、ヒートシールする際に樹脂集電体２０、６０が溶融して単セルの外部に流れ、樹脂集電体２０、６０同士が短絡する可能性がある。また、図３に示すように、積層方向Ｓに隣り合う単セルの端部間に隙間が生じてしまう。これにより、電池に振動入力が加わった際に、枠材２８１が積層方向Ｓに振動する可能性がある。特に、樹脂集電体２０、６０のうち活物質層３０、５０の端部が配置された部分（図３中の二点鎖線で囲んだ部分）は、剛性が急激に変化する変曲点であるため、振動入力が加わった際に折れ曲がりの起点（曲げモーメントの支点）となり易い。なお、本明細書では、折れ曲がりの起点となり易い図２～９中の二点鎖線で囲んだ部分を「折れ曲がり部Ｍ」と称する。さらに、単セルの端部のうち枠材２８１が配置された部分は重量が大きくなるため、折れ曲がり部Ｍを支点とした曲げモーメントが大きくなる。その結果、振動入力によって単セルの端部に繰り返し応力が加わると、当該折れ曲がり部Ｍが破損してしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態に係る枠材８１は、厚肉部８１ｂによってヒートシールする際に溶融した樹脂集電体２０、６０の流れを堰き止めることができるため、樹脂集電体２０、６０同士の短絡を抑制することができる。さらに、電池１００に振動入力が加わった際に、厚肉部８１ｂが積層方向Ｓに互いに干渉することによって、単セル１０の端部の振幅を制限することができる。これにより、折れ曲がり部Ｍへの応力入力を低減して、樹脂集電体２０、６０の劣化や破損を抑制することができる。

ここで、例えば、単セルの端部の振動を抑制するために、図４に示す比較例２のように単セルの端部の隙間にインジェクションモールディングで樹脂９０を注入して隙間を埋める方法や、図５に示す比較例３のように単セルの端部の隙間に振動を抑制するためのスペーサ９１を配置する方法などが考えられる。

しかしながら、上記比較例２および比較例３の方法では、部品点数および工数が増えるため、製造コストが大幅に増大してしまう。さらに、シール工程は、前述した比較例１と同様の構成で行なわれるため、ヒートシールする際に溶融した樹脂集電体２０、６０の流れを堰き止めることができない。したがって、樹脂集電体２０、６０同士が短絡するという課題を解決することができない。

以上説明したように、本実施形態に係る電池１００は、単セル１０を複数積層した積層体１４０と、正極活物質層３０および負極活物質層５０の少なくとも一方の外周を囲むように配置された枠材８１と、を有する。枠材８１は、正極樹脂集電体２０と負極樹脂集電体６０とを隔てる仕切り部８１ａと、樹脂集電体２０、６０の外周端Ｅ１よりも面方向の外側Ｐ１に配置され、積層方向Ｓの厚さが仕切り部８１ａよりも厚い厚肉部８１ｂを有する。

上記構成を備える電池１００によれば、仕切り部８１ａによって正極樹脂集電体２０と負極樹脂集電体６０とを隔てることによって、両者が接触して短絡することを防止することができる。さらに、シール工程においてヒートシールする際に溶融した樹脂集電体２０、６０が仕切り部８１ａよりも面方向の外側Ｐ１に流れたとしても枠材８１の厚肉部８１ｂによって流れが堰き止められるため、単セル１０の外部に流出することを制限することができる。その結果、シール工程における樹脂集電体２０、６０同士の短絡を抑制することができる。さらに、電池１００に振動入力が加わった際に、積層方向Ｓに隣り合う厚肉部８１ｂが互いに干渉して、単セル１０の端部の振幅を制限することができる。これにより、単セル１０の折れ曲がり部Ｍへの応力入力を低減して、樹脂集電体２０、６０の劣化や破損を抑制することができる。

また、厚肉部８１ｂは、仕切り部８１ａに対して積層方向Ｓの少なくとも一方側に突出するように形成される。これにより、厚肉部８１ｂの突出した部分が溶融した樹脂集電体２０、６０の流れを堰き止める堤防としての機能を有するため、確実に樹脂集電体２０、６０同士の短絡を抑制することができる。

また、厚肉部８１ｂは、枠材８１の外周端Ｅ２に配置される。これにより、厚肉部８１ｂを枠材８１の外周端Ｅ２よりも面方向の内側Ｐ２に配置する場合に比べて、仕切り部８１ａと樹脂集電体２０、６０との間のシール領域の面積を比較的大きく形成することができる。その結果、シール部８０の強度を向上させてシール機能を向上させることができる。また、仕切り部８１ａと樹脂集電体２０、６０との間のシール領域の面積を同じとした場合、厚肉部８１ｂを枠材８１の外周端Ｅ２に配置する方が、厚肉部８１ｂを枠材の外周端よりも面方向の内側Ｐ２に配置する場合に比べて、枠材８１を小さく形成することができる。その結果、充放電反応に寄与しない枠材８１の体積を最小限に抑えることができるため、電池のエネルギー密度を向上させることができる。

また、枠材８１は、絶縁材料または、表面に絶縁処理を施した導電性材料によって形成される。これにより、正極樹脂集電体２０および負極樹脂集電体６０が短絡することをより確実に防止することができる。

以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、前述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

＜変形例１＞、
次に、図６を参照して、変形例１に係る電池の構成を説明する。

図６は、変形例１に係る電池の積層体を示す概略図である。変形例１に係る電池は、枠材３８１の厚肉部３８１ｂを、枠材３８１の外周端Ｅ２よりも面方向の内側Ｐ２で、かつ、枠材３８１の中心位置Ｏよりも面方向の外側Ｐ１に形成した点において前述した実施形態と相違する。ここで、中心位置Ｏとは、図６に示す枠材３８１の外周端Ｅ２からの距離Ｌ１と枠材３８１の内周端Ｅ３からの距離Ｌ２が等しくなる位置である。

変形例１に係る電池のように、枠材３８１の積層方向Ｓの厚さが仕切り部３８１ａよりも厚い厚肉部３８１ｂを枠材３８１の外周端Ｅ２よりも面方向の内側Ｐ２に配置することによって、枠材３８１の重心位置が折れ曲がり部Ｍ（図６中の二点鎖線で囲んだ部分）に近づく。これにより、枠材３８１の重心位置と折れ曲がり部Ｍとの間の距離が短くなる。その結果、折れ曲がり部Ｍを支点とした曲げモーメントの大きさが小さくなるため、折れ曲がり部Ｍへの応力入力を低減して、樹脂集電体２０、６０の劣化や破損を抑制することができる。

また、厚肉部３８１ｂは、枠材３８１の中心位置Ｏよりも面方向の外側Ｐ１に配置される。仮に、厚肉部を枠材の中心位置Ｏよりも面方向の内側Ｐ２に配置した場合、厚肉部よりも面方向の外側Ｐ１に配置される部分の質量が大きくなる。また、厚肉部と当該厚肉部よりも面方向の外側Ｐ１に配置される部分との間は、剛性が急激に変化する変曲点である。このため、当該変曲点を支点として曲げモーメントが発生し、枠材の端部が振動し易くなる。その結果、振動入力によって枠材が破損する可能性がある。これに対して、本変形例１のように厚肉部３８１ｂを枠材３８１の中心位置Ｏの面方向の外側Ｐ１に配置することによって、厚肉部３８１ｂが積層方向Ｓに互いに干渉して、枠材３８１の端部の振幅を制限することができる。これにより、振動入力による枠材３８１の破損を抑制することができる。

＜変形例２＞
次に、図７を参照して、変形例２に係る電池の構成を説明する。

図７は、変形例２に係る電池の積層体を示す概略図である。変形例２に係る電池は、枠材４８１の厚肉部４８１ｂを、枠材４８１の外周端Ｅ２よりも面方向の内側Ｐ２で、かつ、前述した変形例１よりも面方向の内側Ｐ２に形成した点において前述した変形例１と相違する。

図７に示す形態では、積層方向Ｓの厚さが仕切り部４８１ａよりも厚い厚肉部４８１ｂは、その内側端部が中心位置Ｏ（枠材４８１の外周端Ｅ２からの距離Ｌ１と枠材４８１の内周端Ｅ３からの距離Ｌ２が等しくなる位置）に沿うように、枠材４８１の中心位置Ｏよりも面方向の外側Ｐ１に配置されている。換言すれば、厚肉部４８１ｂは、枠材４８１の中心位置Ｏよりも面方向の外側Ｐ１の位置のうち、最も面方向の内側Ｐ２に配置される。

上記のように構成した変形例２に係る電池によれば、厚肉部４８１ｂを枠材４８１の中心位置Ｏの面方向の外側Ｐ１に配置することによって、前述した変形例１と同様に、振動入力によって枠材４８１が破損することを抑制することができる。さらに、厚肉部４８１ｂは、比較的面方向の内側Ｐ２に配置されるため、枠材４８１の重心位置が折れ曲がり部Ｍ（図７中の二点鎖線で囲んだ部分）に近づき、枠材４８１の重心位置と折れ曲がり部Ｍとの間の距離が短くなる。これにより、折れ曲がり部Ｍを支点とした曲げモーメントの大きさが小さくなるため、折れ曲がり部Ｍへの応力入力を低減して、樹脂集電体２０、６０の劣化や破損を抑制することができる。

＜変形例３、変形例４＞、
次に、図８および図９を参照して、変形例３および変形例４に係る電池の構成を説明する。

図８は、変形例３に係る電池の積層体を示す概略図である。図９は、変形例４に係る電池の積層体を示す概略図である。変形例３および変形例４に係る電池は、枠材５８１、６８１の厚肉部５８１ｂ、６８１ｂが、仕切り部５８１ａ、６８１ａに対して積層方向Ｓの一方側のみに突出するように形成される点で前述した実施形態とは異なる。

図８に示すように、変形例３に係る厚肉部５８１ｂは、仕切り部５８１ａに対して正極２９側のみに突出するように形成されている。これにより、厚肉部５８１ｂは、ヒートシールする際に溶融した正極樹脂集電体２０の流れを堰き止めることができるため、正極樹脂集電体２０の溶融した樹脂が負極樹脂集電体６０側に流れ込むことを防止して、樹脂集電体同士の短絡を抑制することができる。

一方で、図９に示すように、変形例４に係る厚肉部６８１ｂは、仕切り部６８１ａに対して負極５９側のみに突出するように形成されている。これにより、厚肉部６８１ｂは、ヒートシールする際に溶融した負極樹脂集電体６０の流れを堰き止めることができるため、負極樹脂集電体６０の溶融した樹脂が正極樹脂集電体２０側に流れ込むことを防止して、樹脂集電体同士の短絡を抑制することができる。

以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係る電池を説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。

例えばシール部は、枠材および熱溶着剤によって構成されるとしたが、これに限定されず、枠材のみによって構成してもよい。この場合、枠材の仕切り部は、ヒートシール可能な熱溶着剤等の材料によって構成することが好ましい。一方で、枠材のうち、樹脂集電体の面方向の外側に配置される厚肉部は、ヒートシールの際の熱によって変形しない耐熱性を有する材料によって構成することが好ましい。

また、枠材は、前述した実施形態および変形例の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。

また、上述した実施形態に係る電池では、剛性を有するセルケースの内部に発電要素である積層体を収容した構成を有するとしたが、これに限定されず、可撓性を有する外装体（ラミネートフィルム）の内部に発電要素である積層体を収容した構成を有していてもよい。

１０単セル、
２０正極樹脂集電体（樹脂集電体）、
２９正極、
３０正極活物質層、
４０電解質層、
５０負極活物質層、
５９負極、
６０負極樹脂集電体（樹脂集電体）、
８０シール部、
８１、３８１、４８１、５８１、６８１枠材、
８１ａ、３８１ａ、４８１ａ、５８１ａ、６８１ａ仕切り部、
８１ｂ、３８１ｂ、４８１ｂ、５８１ｂ、６８１ｂ厚肉部、
８２熱溶着剤、
１００電池、
１２０セルケース、
１４０積層体、
Ｓ積層方向、
Ｐ１面方向の外側、
Ｐ２面方向の内側、
Ｅ１樹脂集電体の外周端、
Ｅ２枠材の外周端。

Claims

正極樹脂集電体に正極活物質層が形成されてなる正極と、負極樹脂集電体に負極活物質層が形成されてなる負極とを、電解質層を介して積層して構成された単セルを複数積層した積層体と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方の外周を囲むように配置された枠材と、を有し、
前記枠材は、
前記正極樹脂集電体と前記負極樹脂集電体とを隔てる仕切り部と、
前記正極樹脂集電体および前記負極樹脂集電体の外周端よりも面方向の外側に配置され、積層方向の厚さが前記仕切り部よりも厚い厚肉部と、を有する、電池。
前記厚肉部は、前記仕切り部に対して積層方向の少なくとも一方側に突出するように形成される、請求項１に記載の電池。
前記厚肉部は、前記枠材の外周端に配置される、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記厚肉部は、前記枠材の外周端よりも面方向の内側に配置される、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記枠材は、絶縁材料または、表面に絶縁処理を施した導電性材料によって形成される、請求項１～４のいずれか１項に記載の電池。