JP7121905B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型電池に関する。詳しくは、該電池の内部構造に関する。

リチウムイオン二次電池に代表される二次電池は、パソコン、携帯端末をはじめとするポータブル電子機器のみならず、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源として好ましく用いられている。このような二次電池の典型例として、正極および負極がセパレータを介して交互に積層された構成の積層電極体を、所定の電解質とともに電池ケース内に密閉してなる密閉構造の電池（密閉型電池）が挙げられる。近年では、高性能な密閉型電池として、従来用いられていた電解液を固体電解質に置き換えた、いわゆる全固体電池の実用化が精力的に進められている。

特開２０１４－４４９２０号公報

ところで、密閉型電池の一態様として、ラミネートフィルム等から構成されるフレキシブルな外装体の内部に、電極体を配置し、内部を減圧して密閉して作製される形状のものがある。
かかるラミネートフィルム等からなる外装体を備える密閉型電池には、当該外装体が損傷し得るという問題がある。すなわち、ラミネートフィルム外装体を備える密閉型電池では、その製造過程における減圧時において、外装体と電極体とが干渉して当該外装体に高負荷がかかってしまうと、当該外装体の高負荷部分が損傷するおそれがある。あるいはまた、ラミネートフィルム外装体を備える密閉型電池の充電時に電極体が膨張して、電極体と外装体とが直接接触した場合には、当該接触に起因して外装体に損傷が生じるおそれがある。特に、全固体電池は、電解質が固体であるため、電極体の膨張・収縮の影響が、液状の電解質の電池に比べて大きい。このことに関して、例えば特許文献１には、発電要素（電極体）の表面の角部に弾性体を配置した密閉型電池が開示されている。かかる特許文献１の開示技術によると、電池内部の発電要素が膨張しても、当該発電要素の角部が外装体に対して弾性体を介した面接触となり、結果、発電要素の角部が外装体に加える圧力を分散でき、発電要素の角部による外装体の損傷を防止できるとされている。

しかしながら、特許文献１に開示される技術は、電極体（発電要素）の角部が外装体に加える圧力を分散し得るにすぎず、当該角部以外の電極体部分の外装体に対する干渉については効力がない。

そこで、本発明は、上述した特許文献１に開示されるような部分的な解決手段にとどまらず、ラミネートフィルム等の外装体を備える密閉型電池において内部に密閉された電極体の、外装体に対する干渉を、電極体の部位にかかわらず広く抑止し得る技術の提供を目的とする。

本発明者は、ラミネートフィルム等の外装体を備える密閉型電池（全固体電池等）の製造プロセスを詳細に検討した。その結果、電極体と外装体の直接的な接触に加え、減圧時における外装体内部での電極体の固定が不十分である場合に電極体の外装体に対する干渉が生じ易いことを突き止め、本発明を完成するに至った。
そして、ここに開示される密閉型電池は、電極体と、前記電極体を内部に密閉した状態で収容する外装体と、前記電極体の全体を覆った状態で前記外装体の内部に充填される弾性体と、を備えることを特徴とする。
なお、ここで前記外装体の内部に充填される弾性体について「前記電極体の全体を覆った状態」とは、前記電極体の外表面のいずれの部分も外装体の内面に直接干渉して接触しないように当該電極体本体の外表面を前記弾性体が包囲した状態をいう。

このような構成の密閉型電池では、製造時においても、あるいはまた、過充電等により電池内部の電極体が膨張した際にも、外装体内部で電極体の全体を覆う弾性体が緩衝材として機能し、外装体が電極体の干渉によって損傷するのを抑止することができる。

一実施形態に係る密閉型電池（全固体電池）の外形を模式的に示す平面図である。 図１に示す密閉型電池の内部構造を模式的に示す断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 一実施形態における弾性体３０の、集電用タブに当接する凹部形成部分を模式的に示した斜視図である。

以下、適宜図面を参照しながら、ここに開示される密閉型電池の一実施形態を説明する。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全固体電池の一般的な構成および製造プロセス等）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、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。さらに、本開示における技術の適用対象として、全固体電池を例示している。しかし、その対象は密閉型電池であればよく、全固体電池に限定されない。つまり、本発明の適用対象は、液状の電解質を備えた密閉型電池であってもよい。

図１は、一実施形態に係る密閉型電池としての全固体電池（以下、単に「電池」等という場合がある）１０の外形を模式的に示す平面図である。
全固体電池１０は、繰り返し充放電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。ここに開示される全固体電池１０は、詳細な構造の図示は省略するが、正極、固体電解質層および負極により構成される積層電極体２０を備えている。かかる積層電極体２０はラミネートフィルムからなる外装体４０に収容され、内部が減圧された状態で外装体４０の縁部が溶接等で封止され、密閉されている。図示されるように、全固体電池１０の内部には、積層電極体２０と外装体４０との間に、積層電極体２０の全体を覆う弾性体３０（図２参照）を備えている。
以下、各構成要素について説明する。

まず、以下に積層電極体２０の各構成部について説明する。
固体電解質層は、固体電解質材料を主体として構成された層であり、必要に応じて結着剤（バインダ：例えばエチレン系樹脂やゴム類等）を含むことができる。固体電解質材料には、例えば、リチウムイオン伝導性を有するが、電子伝導性は示さない、各種の硫化物材料等を好適に用いることができる。

正極は、正極集電体（例えばアルミニウム箔）と、正極集電体の上に配置された正極活物質層と、を備えている。正極活物質層には、所定の正極活物質（例えばリチウム遷移金属複合酸化物）が含まれる。図３に示すように、正極集電体は、積層電極体２０から外方に延伸した集電用タブ２１Ａを備えており、該集電用タブ２１Ａの端部は、外部接続用の正極端子２２Ａと電気的に接続されている。

負極は、負極集電体（例えば銅箔）と、負極集電体の表面に固定される負極活物質層と、を備えている。負極活物質層には、所定の負極活物質（例えば黒鉛）が含まれる。負極集電体は、積層電極体２０から外方に延伸した集電用タブを備えており、該集電用タブの端部は、外部接続用の負極端子２２Ｂと電気的に接続されている。

典型的には、積層電極体２０は偏平直方体形状である。例えば、上記固体電解質層、正極、負極はすべて矩形であり、それらは所定の方向（図３中矢印Ｚ）に積層される。ここで、集電用タブの配置は、特に限定されない。本実施形態では、正負極の集電用タブが１つの辺において相互に離間して配置される。なお、図２に示されるように、正負極の集電用タブと接続する正極端子２２Ａ、負極端子２２Ｂの一部は外装体４０の外部に配置される。あるいは、具体的な図示は省略するが、それらは対向する２辺において配置されてもよい。

図２に示される外装体４０は、積層電極体２０を収容する容器である。外装体４０は、この種の密閉型電池の外装材として使用し得るラミネートフィルムから構成されるものであれば、その外形や材質等は特に限定されない。典型的には、箔状の金属と樹脂シートが張り合わされる構成のものが使用され得る。例えば、熱溶着のための無延伸ポリプロピレンフィルム（ＣＰＰ）の表面に、耐熱性、シール強度、耐衝撃性等を付与する目的で、アルミニウム（Ａｌ）等の金属層と、ＰＥＴ、ポリアミド（ＰＡ），あるいはナイロン製フィルム等の外部樹脂層と、を貼り合わせた三層構造のラミネートフィルムを用いることができる。外装体４０のラミネートフィルムは３層以上の構造であればよく、ＣＰＰ／Ａｌ／ＰＡ／ＰＥＴ等からなる４層構造のラミネートフィルムを使用してもよい。
該ラミネートフィルムは、あらかじめ袋型に成形したものであってよい。または、２枚のラミネートフィルム間に電極体を配置した後に全周を溶着するものであってもよい。外装体４０が積層電極体２０を収容し、溶着により密閉されると、意図しない水分の浸入や電極体の活物質の酸化といった不具合が生じることを抑制できる。

図３に示されるように、弾性体３０は外装体４０の内部に充填され、積層電極体２０の全体を包囲した状態で配置される。弾性体３０の外形、積層電極体２０の包囲に使用される体積、質量、複数個使用される場合の個数等は、特に限定されない。ここで、外装体４０に内挿された場合において、弾性体３０は、外装体４０と密接していることが好ましい。外装体４０の内部において、弾性体３０と積層電極体２０は接着していてもよいが、非接着であってもよい。また、弾性体３０の材質は、特に限定されないが、多孔質弾性体が好ましく、例えばウレタン樹脂（例えば、発泡ポリウレタン）からなる多孔質弾性体が好適に使用される。また、ウレタン樹脂に代えて、ナイロン樹脂、フッ素樹脂等を使用してもよい。
弾性体３０によって積層電極体２０が全体を包囲された状態で外装体４０に内挿されると、積層電極体２０が外装体４０に直接接触しなくなる。それも、積層電極体２０の角部に限られず、辺や面による接触を防ぐこともできる。特に、積層電極体２０の膨張時には、外装体４０にかかる内部圧力を緩和するとともに、電極体の膨張を拘束し得る。

以下に、本実施形態に係る全固体電池１０の構築プロセスを記載する。
あらかじめ固体電解質層、正極、負極を積層することにより作製した積層電極体２０を用意する。該積層電極体の正負極の集電用タブに、外部接続用の端子の一部を重ねて溶接する。

好ましい一態様では、ここで積層電極体２０の全体を弾性体３０で包囲し、これを、あらかじめ袋型に成型された外装体４０に内挿する。または、２枚のフィルム状である外装体４０に当該積層電極体を挟み込んで外装体４０の３辺を溶着して袋型を成型してもよい。あるいは他の一態様では、あらかじめ袋型の外装体４０の内部に弾性体３０を配置しておき、後から積層電極体２０を挿入してもよい。

ここで、弾性体３０には、積層電極体２０の集電用タブと端子の接続部が当たる部位において、凹部が形成されていることが好ましい。すなわち、例えば、図４に示されるように、外装体４０の内部において、正極端子２２Ａ、負極端子２２Ｂが配置される部位に凹部３２が形成された弾性体３０を採用することができる。

上記いずれかの態様で外装体４０に積層電極体２０と弾性体３０が配置された後、外装体４０の内部を減圧した状態で、その開口部を熱溶着し、密閉型電池（全固体電池１０）を構築する。

以上の構成によると、全固体電池１０では、充放電にともない積層電極体２０が繰り返し膨張収縮したときでも、積層電極体２０は、全体を覆う弾性体３０により、外装体４０に接触しない。そして、弾性体３０がもたらす緩衝作用によって、積層電極体２０による外装体４０の損傷の発生が抑制される。

積層電極体２０の４つの側面（図２中２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ）について、弾性体３０は、特に積層電極体２０の上記４つの側面を介した外装体４０への干渉を妨げることができる。また、弾性体３０による上記４つの側面への荷重は、充電時の積層電極体２０の、図２中のＸ方向とＹ方向への膨張を拘束し得る。さらに、積層電極体２０の端部における活物質の滑落を防止することができる。また、積層電極体２０を弾性体３０で覆った状態で外装体４０に内挿する際には、弾性体３０が外装体４０内部表面に追従し、積層電極体２０の位置決めを容易にできる。

積層電極体２０の２つの幅広面（図３中２４Ａ、２４Ｂ）については、弾性体３０は、特に積層電極体２０の上記２つの幅広面を介した外装体４０への干渉を妨げることができる。また、弾性体３０による上記２つの幅広面への荷重は、充電時の積層電極体２０の、図３中のＺ方向への膨張を拘束し得る。
密閉型電池では、典型的には、電極体の幅広面に滑落活物質等の異物が存在すると、面圧分布が生じるおそれがある。本実施形態においては、上記Ｚ方向への弾性体３０を荷重することで、異物が存在したとしても、面圧分布は均一化され得る。さらに、積層電極体２０を成型する時等に生じ得る、上記２つの幅広面の不均一性（うねり等）も弾性体３０の荷重により解消され、積層電極体２０の上記２つの幅広面の表面形状が、外装体４０内部においても良好な状態で維持される。

積層電極体２０の集電タブ当接部（例えば、図３に示される正極集電用タブ２１Ａと正極端子２２Ａとの当接部）では、弾性体３０は、その緩衝作用によって、全固体電池１０の集電時における振動を吸収・緩和することができる。さらに、その振動による、集電用タブ近傍の活物質の滑落を低減することができる。

本実施形態に係る全固体電池１０においては、積層電極体２０の部位ごとに弾性体３０がもたらす、すべての効果が実現され得る。また、積層電極体２０の全体を弾性体３０で包囲してから外装体４０に内挿することにより、外装体４０の内部における積層電極体２０の位置ズレを回避することができる。具体的には、積層電極体２０の層構造に生じるズレが挙げられる。上記態様では、あらかじめ積層電極体２０を弾性体３０の内部で固定するため、外装体４０への内装後は各層の位置が安定である。

以上、この実施形態について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた密閉型電池の実施形態などは、本発明を限定しない。

１０：電池
２０：積層電極体
２１Ａ：正極集電用タブ
２２Ａ：正極端子
２２Ｂ：負極端子
２３Ａ：側面
２３Ｂ：側面
２３Ｃ：側面
２３Ｄ：側面
２４Ａ：幅広面
２４Ｂ：幅広面
３０：弾性体
３２：凹部
４０：外装体
Ｘ：側面方向
Ｙ：側面方向
Ｚ：積層方向

Claims (1)

1. 電極体と、
   相互に離間して配置され、かつ、前記電極体の外方に延伸する正極集電用タブおよび負極集電用タブと、
   前記正極集電用タブと電気的に接続された正極端子、および、前記負極集電用タブと電気的に接続された負極端子、と、
   前記電極体を内部に密閉した状態で収容する外装体と、
   前記電極体の全体を覆った状態で前記外装体の内部に充填される弾性体と、
   を備えており、
   ここで、前記弾性体は、前記外装体の内部に配置される前の状態で予め形成された、相互に離間する２つの凹部を有しており、
   前記２つの凹部のうちの一方の凹部には、前記正極端子の一部分であって、少なくとも前記正極集電用タブとの接続部を含む一部分が配置されており、
   前記２つの凹部のうちの他方の凹部には、前記負極端子の一部分であって、少なくとも前記負極集電用タブとの接続部を含む一部分が配置されており、
   前記一方の凹部は、前記正極端子のうちの前記一部分が配置される形状に予め形成されており、
   前記他方の凹部は、前記負極端子のうちの前記一部分が配置される形状に予め形成されている、密閉型電池。

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