JP7122660B2 - 巻回型電池 - Google Patents

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Description

本発明は、巻回式電極群を備える巻回型電池に関する。
巻回型電池は、巻回式電極群および電解質と、これらを収容する電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する封口板とを備えている。電極群と封口板との間には、絶縁板が配置されており、絶縁板には、電極群に含まれる正極または負極から引き出されたタブを通すための孔が形成されている。電極から引き出されたタブの一端部は、絶縁板の孔から封口板側に引き出され、封口板の底面に接続される（例えば、特許文献１）。巻回式電極群では、従来、孔から封口板側に引き出されたタブの一部には、絶縁性を付与するとともに、タブを補強するために、絶縁性の保護テープが貼り付けられている。従来の保護テープとしては、片面に粘着層が形成された粘着テープが利用されている。
国際公開第２０１５／１４６０７８号
保護テープは、電池の製造過程でタブから剥がれたり、ずれたりすることがある。従来の保護テープを用いた場合、絶縁板の孔から電極群側にタブの一部が落ち込み易い。電極群側へタブが落ち込むと、タブとは反対極性の電極とタブとが接触して、内部短絡が起こる可能性がある。
本開示の一局面の巻回型電池は、第１電極および前記第１電極とは反対極性を有する第２電極を備える巻回式の電極群と、電解質と、前記電極群および前記電解質を収容する電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口する封口板と、前記電極群と前記封口板との間に配置され、かつ孔を有する絶縁板と、前記孔を通って前記第１電極と前記封口板とを電気的に接続する第１タブと、前記第２電極と前記電池ケースとを電気的に接続する第２タブと、を備え、
前記第１タブの、前記孔から前記封口板側に引き出された領域の少なくとも一部は、前記絶縁板に対向する部分がタブテープで被覆されており、
前記タブテープは、前記第１タブ側の第１接着層と、前記第１接着層とは反対側の第２接着層と、を少なくとも備えており、前記第１接着層を介して、前記第１タブに接触している。
巻回型電池において、電極群から引き出されたタブを保護する保護テープが剥がれたりずれたりした場合でも、タブの絶縁を確保することができる。
本発明の一実施形態に係る巻回型電池を概略的に示す縦断面図である。 絶縁板の孔から引き出されたタブおよびタブを保護するタブテープの状態を説明するための絶縁板および電極群を上側から見た概略斜視図である。 正極を展開した状態を模式的に示す平面図である。 タブテープを概略的に示す縦断面図である。
本発明の一実施形態に係る巻回型電池は、第１電極および第１電極とは反対極性を有する第２電極を備える巻回式の電極群と、電解質と、電極群および電解質を収容する電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する封口板と、電極群と封口板との間に配置され、かつ孔を有する絶縁板と、孔を通って第１電極と封口板とを電気的に接続する第１タブと、第２電極と電池ケースとを電気的に接続する第２タブと、を備える。第１タブの、孔から封口板側に引き出された領域の少なくとも一部は、絶縁板に対向する部分がタブテープで被覆されている。タブテープは、第１タブ側の第１接着層と、第１接着層とは反対側の第２接着層と、を少なくとも備えており、第１接着層を介して、第１タブに接触している。
電極群と封口板との間に配置される絶縁板（以下、第１絶縁板とも言う）には、電極群と封口板とを接続する第１タブを通すための孔が形成されている。従来の電池では、第１タブの一部に、絶縁性を付与するとともに、第１タブを補強するための絶縁性のタブテープ（または保護テープ）が貼り付けられている。このタブテープには、片面に粘着層を有する粘着テープが利用されており、粘着層を介して第１タブに貼り付けられている。しかし、電池の製造過程および／または使用過程で、熱および／または力が、第１タブおよび／またはタブテープに加わると、タブテープが第１タブから剥離したり、ずれたりする。この場合、第１タブが第１絶縁板の孔から電極群側に落ち込み易くなり、第１タブが第２電極と接触して、内部短絡が起こる可能性がある。
本実施形態では、第１タブを補強するタブテープとして、基材層の両面に接着層を備えるものを用いる。これにより、電池の製造過程および／または使用過程において、タブテープが第１タブから剥がれたり、ずれたりしても、第２接着層が第１絶縁板上に付着してタブテープが孔の近傍で固定され易くなる。このような状態のタブテープが第１絶縁板の孔を少なくとも部分的に塞ぐことにより、第１タブが第１絶縁板の孔から電極群側に落ち込むことが抑制される。よって、第１タブの絶縁を確保することができる。これにより、第１タブと電極群の第２電極とが接触することによる内部短絡の発生を抑制できる。
タブテープは、第１絶縁板の孔（具体的には、第１タブが通る孔）の少なくとも一部を覆うように配置されることが好ましく、タブテープの少なくとも一部は、絶縁板と対向していることが好ましい。この場合、タブテープが第１タブから剥がれたり、ずれたりしても、第１絶縁板の孔の少なくとも一部がタブテープで覆われやすくなるため、第１タブの孔からの落ち込みをさらに抑制し易くなる。よって、第１タブの絶縁をさらに確保し易くなる。
以下に、本実施形態に係る巻回型電池について、適宜図面を参照しながら、より具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る巻回型電池の概略縦断面図である。図示例の巻回型電池は円筒形電池である。巻回型電池（以下、単に電池とも言う）１０は、巻回式電極群（以下、単に電極群とも言う）１８と、電解質（図示せず）と、これらを収容する電池ケース（電池缶）２２とを具備する。電極群１８は、第１電極としての正極１５と第２電極としての負極１６とをセパレータ１７を介して捲回して形成されている。電池缶２２の開口端の近傍には、環状溝部が形成されている。
電池缶２２の開口部は、周縁部にガスケット２１を具備する封口板１１で封口されている。封口板１１は、薄肉部１２ａを有する弁体１２と、金属板１３と、弁体１２の外周部と金属板１３の外周部との間に介在する環状の絶縁部材１４とを具備する。弁体１２と金属板１３は、それぞれの中心部において互いに接続されている。正極１５から引き出された第１タブ１５ａは、金属板１３に接続されている。よって、弁体１２は、正極１５の外部端子として機能する。負極１６から引き出された第２タブ１６ａは、電池缶２２の底部内面に接続されている。封口板１１と電極群１８の一方の端面との間には、第１絶縁板２０が配置されている。電極群１８の他方の端面と電池缶２２の底部との間には、第２絶縁板１９が配置されている。
図２は、第１絶縁板および電極群を上側から見た状態を模式的に示す斜視図である。図２では、第１絶縁板の孔から第１タブが引き出された状態を示している。
電極群１８から引き出された第１タブ１５ａは、電極群１８の上側に配置された第１絶縁板２０の孔Ｐを通って、第１絶縁板２０より上側（つまり、電極群１８とは反対側または封口板側）に引き出されている。そして、第１タブ１５ａの、孔Ｐから封口板側に引き出された領域の少なくとも一部は、第１絶縁板２０に対向する部分がタブテープ２３で被覆されている。第１タブ１５ａの孔Ｐから落ち込みをより効果的に抑制する観点からは、第１タブ１５ａの、孔Ｐから封口板側に引き出された領域のうち、少なくとも孔Ｐの近傍がタブテープ２３で被覆されていることが好ましい。
図３は、図１および図２に電極群に含まれる第１電極としての正極を広げた状態を示す平面図である。正極１５は、一部に集電体が露出した状態の露出部１５ｂが形成されている。露出部１５ｂには、第１タブ１５ａの一端部が溶接などにより接続されている。露出部１５ｂおよび第１タブ１５ａの一端部を覆うように、絶縁性の粘着テープ２４が配置されている。そして、粘着テープ２４とは反対側から、第１タブ１５ａの一部が、タブテープ２３により被覆されている。このような正極１５から引き出された第１タブ１５ａは、電池を組み立てる際に、図２に示されるように、第１絶縁板２０の孔Ｐから封口板側に引き出される。このときタブテープ２３が第１絶縁板２０に対向するように、電極群１８を形成する際には、正極１５が第２電極としての負極１６およびセパレータ１７とともに巻回される。粘着テープ２４は、片面に粘着層を有しており、粘着層が露出部１５ｂと接触するように配置される。図示例では、粘着テープ２４とタブテープ２３とは第１タブ１５ａに対してそれぞれ反対側となるように配置されているが、この場合に限らず、粘着テープ２４とタブテープ２３とを第１タブ１５ａに対して同じ側に貼り付けてもよい。この場合、粘着テープ２４とタブテープ２３とが一体化されていてもよい。なお、図３の粘着テープ２４は、図１および図２では省略している。
なお、第１電極は、正極および負極のいずれであってもよいが、図示例のように、正極である場合が多い。第１電極が正極である場合には、第２電極が負極である。
図４は、図２および図３に示されるタブテープの概略縦断面図である。図示例のタブテープ２３は、基材層２３ａと、基材層２３ａの一方の表面に形成された第１接着層２３ｂと、他方の表面に形成された第２接着層２３ｃとを備えている。タブテープ２３は、第１接着層２３ｂを介して第１タブに接触するように配置される。このとき、第２接着層２３ｃは、第１絶縁板側に対向させる。このような構成により、電池の製造過程および／または使用過程で、タブテープ２３が第１タブ１５ａから剥離したり、ずれたりしても、タブテープ２３は第２接着層２３ｃを介して第１絶縁板２０に貼り付いた状態となり易い。第１絶縁板２０に貼り付いた状態のタブテープ２３の第１接着層２３ｂは、第１タブ１５ａと対向しているため、第１タブ１５ａが第１接着層２３ｂに再付着したり、引っかかり易い。よって、第１タブ１５ａが孔Ｐから下に落ち込んだり、ずれ込んだりすることが抑制される。このとき、タブテープ２３は、孔Ｐの少なくとも一部を覆うように配置することが好ましく、タブテープ２３の少なくとも一部が第１絶縁板２０と対向していることが好ましい。この場合には、孔Ｐの開口している部分がタブテープ２３により狭まるとともに、タブテープ２３が第１タブ１５ａから剥離したり、ずれたりしたときに、第１絶縁板２０に付着し易くなる。よって、第１タブ１５ａの孔Ｐから電極群１８側への落ち込みやずれ込みを抑制する効果がさらに高まる。
以下に、本実施形態に係る巻回型電池についてより詳細に説明する。
（タブテープ２３）
タブテープ２３は、第１タブ１５ａ側に配置される第１接着層２３ｂと第１接着層２３ｂとは反対側の第２接着層２３ｃとを少なくとも備えていればよい。基材層２３ａは必ずしも備える必要はないが、強度などの観点からは、第１接着層２３ｂおよび第２接着層２３ｃが基材層２３ａの双方の表面にそれぞれ形成されたタブテープ２３を用いることが好ましい。
基材層２３ａを構成する材質としては、特に制限されないが、例えば、高分子が好ましい。高分子としては、例えば、セルロース誘導体（例えば、セルロースエーテル、セルロースエステルなど）、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、ポリスチレン、ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレートなど）、ポリイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイドなどが挙げられる。基材層２３ａは、これらの高分子を一種含んでいてもよく、二種以上組み合わせて含んでもよい。基材層２３ａは、必要に応じて延伸処理されていてもよい。
タブテープ２３の強度を確保し易い観点からは、基材層２３ａの厚みは、例えば、
８μｍ以上５０μｍ以下であり、１２μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。
第１接着層２３ｂは、例えば、公知の粘着剤で形成できる。粘着剤としては、例えば、アクリル系粘着剤、ゴム系粘着剤、シリコーン系粘着剤、ウレタン系粘着剤などが挙げられる。第１接着層２３ｂは、これらの粘着剤を一種含んでいてもよく、必要に応じて、二種類以上含んでいてもよい。
第１接着層２３ｂは、第１タブ１５ａにタブテープ２３を貼り付ける際に粘着性を有していることが好ましい。このような第１接着層２３ｂのガラス転位点（Ｔｇ）は、６０℃以下であることが好ましく、－７０℃以上＋５０℃以下であることがさらに好ましい。粘着剤のＴｇがこのような範囲である場合、タブテープ２３を第１タブ１５ａに貼り付け易い。
第２接着層２３ｃは、公知の粘着剤で形成してもよい。粘着剤としては、第１接着層２３ｂについて例示したものから選択できる。第１タブ１５ａに貼り付ける際の作業性を高める観点からは、タブテープ２３を貼り付けた後に、熱エネルギーや光エネルギーをタブテープ２３に加えることで、第２接着層２３ｃの粘着性が発現するような材質で第２接着層２３ｃを形成してもよい。このような第２接着層２３ｃは、硬化性樹脂組成物であることが好ましい。なお、第２接着層２３ｃを構成する硬化性樹脂組成物は、電池内で第１絶縁板２０に付着した状態で、硬化していてもよい。つまり、第２接着層２３ｃは、硬化性樹脂組成物の硬化物であってもよい。この硬化物には、半硬化状態の硬化性樹脂組成物も含まれるものとする。硬化性樹脂組成物は、光硬化性樹脂組成物であってもよいが、熱硬化性樹脂組成物であることが好ましい。第２接着層２３ｃは、タブテープ２３を第１タブ１５ａに貼り付ける際には、粘着性が低いことが好ましく、実質的に粘着性を示さないことが好ましい。
第２接着層２３ｃの作製に使用される硬化性樹脂組成物は、例えば、硬化性樹脂と、硬化剤とを含む。また、硬化性樹脂組成物は、一液型および二液型のいずれであってもよい。硬化剤には、硬化性樹脂の種類に応じて、重合開始剤、架橋剤なども含まれる。硬化性樹脂組成物は、必要に応じて、水、有機溶媒などの溶媒を含んでいてもよい。また、硬化性樹脂組成物は、必要に応じて、硬化促進剤などの添加剤を含んでいてもよい。硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ゴム系樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、エステル樹脂、メラミン樹脂などが挙げられる。硬化性樹脂は、具体的には、これらの樹脂のモノマー、オリゴマー、および／またはプレポリマーなどである。硬化性樹脂組成物の塗膜に光エネルギーや熱エネルギーを加えることで、硬化剤の作用により、モノマー、オリゴマー、プレポリマーなどが、重合および／または架橋することで、硬化し、硬化物の第２接着層２３ｃが形成される。モノマーなどの比較的低分子の成分を多く含む場合、硬化性樹脂組成物の塗膜は、わずかではあるが導電性を示すことがある。硬化性樹脂組成物を硬化させることで、絶縁性の第２接着層２３ｃが形成される。よって、タブテープ２３により絶縁性をさらに確保し易くなる。光エネルギーとしては、例えば、可視光および／または紫外光などが利用される。熱エネルギーを加える場合、少なくともタブテープ２３に熱が加わるようにすればよく、電池全体や封口板の近傍を加熱してもよい。
第２接着層のガラス転位点（Ｔｇ）は、第１接着層２３ｂのＴｇについて記載した範囲であってもよい。また、第２接着層２３ｃのＴｇは、例えば、４０℃以上１００℃以下、または５０℃以上７０℃以下としてもよい。
タブテープ２３の厚みは、例えば、１０μｍ以上２００μｍ以下であり、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。タブテープ２３の厚みがこのような範囲である場合、電池内でタブテープが占める体積を低く抑えながらも、第１タブを支えるのに十分な強度を確保することができるため、有利である。
タブテープ２３の第１タブ１５ａの長さ方向に沿う方向の長さは、孔Ｐのサイズなどに応じて適宜選択できるが、第１タブ１５ａの絶縁を確保し易い観点からは、１ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
タブテープ２３の第１タブ１５ａの長さ方向に垂直な方向の長さ（以下、タブテープの幅とも言う）は、孔Ｐのサイズなどに応じて適宜選択できる。タブテープ２３の幅は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましく、４ｍｍ以上６ｍｍ以下であることがさらに好ましい。タブテープ２３の幅がこのような範囲である場合、孔Ｐから電極群側へのタブテープ２３の落ち込みを抑制し易くなる。
（他の構成要素）
以下に、リチウムイオン二次電池の場合を例に挙げて、巻回型電池のタブテープ以外の構成についてより具体的に説明する。
正極１５は、箔状の正極集電体と、その表面に形成された正極活物質層とを具備する。正極集電体の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができる。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属複合酸化物が好ましく用いられる。例えばコバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄およびバナジウムよりなる群から選択される少なくとも１種と、リチウムとを含む複合酸化物が使用される。
負極１６は、箔状の負極集電体と、その表面に形成された負極活物質層とを具備する。負極集電体の材料としては、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼等を用いることができる。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵し、放出し得る炭素材料、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンや、酸化錫、酸化珪素等を用いることができる。
セパレータ１７としては、例えば、ポリオレフィンで形成された微多孔膜を用いることができる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体などが例示できる。
電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解させたリチウム塩とを具備する。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、鎖状エーテルなどが用いられる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4などが使用される。
電池缶２２の材質には、例えば、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などが用いられるが、特に限定されない。
第１電極が正極である場合には、第１タブ１５ａの材質としては、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。第１電極が負極である場合には、第１タブ１５ａの材質としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金などが挙げられる。第２タブ１６ａの材質としては、第２電極が正極である場合には、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。第２電極が負極である場合には、第２タブ１６ａの材質としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金などが挙げられる。
第１絶縁板２０は、例えば、絶縁性樹脂や絶縁処理された金属などにより形成できる。絶縁性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、熱硬化性ポリエステル樹脂などの硬化性樹脂（熱硬化性樹脂など）などの他、ポリフェニレンスルフィド樹脂、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）などの熱可塑性樹脂などが挙げられる。金属としては、例えば、ステンレス鋼や鉄などが挙げられる。金属の絶縁処理は、例えば、金属を絶縁性樹脂で被覆することにより行なうことができる。金属を被覆する絶縁性樹脂としては、特に制限されず、例えば、ポリイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂などが挙げられる。また、第１絶縁板は、ガラス繊維などの絶縁性の繊維状芯材に絶縁性樹脂（フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂など）を含浸させ、硬化させた材料で形成してもよい。
第２絶縁板の材質は、特に制限されず、第１絶縁板について例示したものから選択してもよい。第２絶縁板として、ポリプロピレンやエポキシ樹脂のような絶縁性樹脂を主成分とする材料であり、絶縁性の繊維状材料を芯材に含むものを用いてもよい。
巻回型電池１０は、図示例のような円筒形電池に限らず、端面が楕円形である巻回式電極群を備える角形電池などであってもよい。
本発明に係る巻回型電池は、電極群から封口板側に引き出されたタブの絶縁を確保し易い。よって、封口板に巻回式電極群から引き出されたタブを接続するような様々な巻回型電池に適用できる。
１０ 巻回型電池
１１ 封口板
１２ 弁体
１２ａ 薄肉部
１３ 金属板
１４ 絶縁部材
１５ 正極
１５ａ 第１タブ
１５ｂ 集電体露出部
１６ 負極
１６ａ 第２タブ
１７ セパレータ
１８ 電極群
１９ 第２絶縁板
２０ 第１絶縁板
２１ ガスケット
２２ 電池ケース（電池缶）
２３ タブテープ
２３ａ 基材層
２３ｂ 第１接着層
２３ｃ 第２接着層
２４ 粘着テープ
Ｐ 第１絶縁板の孔

Claims (4)

  1. 第１電極および前記第１電極とは反対極性を有する第２電極を備える巻回式の電極群と、電解質と、前記電極群および前記電解質を収容する電池ケースと、前記電池ケースの開口部を封口する封口板と、前記電極群と前記封口板との間に配置され、かつ孔を有する絶縁板と、前記孔を通って前記第１電極と前記封口板とを電気的に接続する第１タブと、前記第２電極と前記電池ケースとを電気的に接続する第２タブと、を備え、
    前記第１タブの、前記孔から前記封口板側に引き出された領域の少なくとも一部は、前記絶縁板に対向する部分がタブテープで被覆されており、
    前記タブテープは、前記第１タブ側の第１接着層と、前記第１接着層とは反対側の第２接着層と、を少なくとも備えており、前記第１接着層を介して、前記第１タブに接触し、前記第２接着層の少なくとも一部を介して、前記絶縁板に付着し、
    前記タブテープは、前記孔の少なくとも一部を覆うように配置されている、巻回型電池。
  2. 前記第２接着層は、硬化性樹脂組成物またはその硬化物である、請求項１に記載の巻回型電池。
  3. 前記硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂組成物である、請求項２に記載の巻回型電池。
  4. 前記第２接着層は、絶縁性である、請求項１～３のいずれか１項に記載の巻回型電池。
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