JP7189917B2

JP7189917B2 - 電池

Info

Publication number: JP7189917B2
Application number: JP2020182745A
Authority: JP
Inventors: 晃一谷本; 幸司梅村; 友和山中
Original assignee: プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN114447343B; EP3993123A1; US11824168B2; CN114447343A; US20220140405A1; JP2022073006A

Description

本開示は、電池に関する。

電極体の端部に位置する金属箔の集箔部と集電端子とを溶接により接合することが従来から行われている。特開２０１３－２２２５１７号公報（特許文献１）では、電極体の集箔接合部を二股に分割することにより、集電端子に発生する外力を低減することが示されている。

特開２０１３－２２２５１７号公報

近年、ハイレート充放電時に電極体が膨張、収縮し、電極体内に含浸した電解液が絞り出されることによる抵抗の上昇が問題とされている。従来の構造は、かかる課題を解決する観点からは、必ずしも十分なものではない。

本開示の目的は、ハイレート充放電時の抵抗増加率を抑制することが可能な電池を提供することにある。

本開示に係る電池は、第１電極芯体を含む第１電極板と、第２電極芯体を含む第２電極板とがセパレータを介して巻回軸まわりに巻回された扁平状の電極体を備える。電極体は、巻回軸に平行な第１方向に沿って互いに反対側に位置する第１端部および第２端部を有する。第１電極板は、第１電極芯体上に第１活物質層が形成された第１領域と、第１領域に対して第１端部側に位置し、第１電極芯体上に第１活物質層が形成されない第２領域とを含む。電極体は、第１方向に直交する第２方向に沿って互いに反対側に位置する第１外面および第２外面を有し、第１端部において、巻回された第１電極板の第２領域が第２方向に沿って集約され、集約された第２領域の第１外面に第１集電体が接続される。

第１方向および第２方向に直交する第３方向からみたときに、第１外面側の最外周に位置する第１電極板における第１領域と第２領域の境界に位置する点を第１の点（Ａ）とする。第３方向からみたときに、第１電極板の第２領域と接続される第１集電体の接続面の第１領域側の端部を第２の点（Ｂ）とする。第３方向からみたときに、電極体の第２方向の厚みの中心を通り、巻回軸と平行に延びる直線を第１直線（Ｌ１）とする。第３方向からみたときに、第１直線（Ｌ１）と平行に延び、第２の点（Ｂ）を通過する直線を第２直線（Ｌ２）とする。第３方向からみたときに、第１の点（Ａ）と第２の点（Ｂ）とを通過する直線を第３直線（Ｌ３）とする。このとき、第２直線（Ｌ２）と第３直線（Ｌ３）とのなす第１の角度（θ１）が５５°よりも大きい。

また、第１の点（Ａ）と第２の点（Ｂ）との間の直線距離を第１の長さ（Ｄ１）、第１の点（Ａ）と第２の点（Ｂ）との間に位置する第１電極芯体の長さを第２の長さ（Ｄ２）とする。このとき、第２の長さ（Ｄ２）は、第１の長さ（Ｄ１）の１倍以上１．１倍以下である。

本開示によれば、電極体から電解液が絞り出されることを抑制し、ハイレート充放電時の抵抗増加率を抑制することが可能な電池を提供することができる。

電池の分解斜視図である。電極体の構成を示す図である。実施の形態に係る電池の電極板と集電体との位置関係を示す図（その１）である。実施の形態に係る電池の電極板と集電体との位置関係を示す図（その２）である。直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角度θ１とハイレート充放電時の抵抗増加率との相関を示す図である。

以下に、本開示の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本開示にとって必ずしも必須のものではない。

図１は、電池の分解斜視図である。図１に示すように、本実施の形態に係る電池は、角形外装体１００と、電極体２００と、蓋部材３００とを含む。

角形外装体１００は、上方に向けて開口する開口部１１０を有する。角形外装体１００の内部には、電極体２００とともに図示しない電解液が収容される。

電極体２００は、Ｘ軸方向（第１方向）に並ぶように正極２１０および負極２２０を有する。電極体２００は、Ｙ軸方向（第２方向）に沿って互いに反対側に位置する外面２００Ａ（第１外面）および外面２００Ｂ（第２外面）を有する。

蓋部材３００は、角形外装体１００の開口部１１０を封口する。蓋部材３００の上面には、正極外部端子３１０Ａと、負極外部端子３２０ＡとがＸ軸方向に間隔をあけて設けられている。蓋部材３００の下面には、正極側の集電体３１０および負極側の集電体３２０が設けられる。正極側の集電体３１０は、正極外部端子３１０Ａに電気的に接続される。負極側の集電体３２０は、負極外部端子３２０Ａに電気的に接続される。

さらに、集電体３１０は電極体２００の正極２１０に接続され、集電体３２０は電極体２００の負極２２０に接続される。これにより、電極体２００の正極２１０および負極２２０と、蓋部材３００の正極外部端子３１０Ａおよび負極外部端子３２０Ａとが電気的に接続される。

図２は、電極体２００の構成を示す図である。図２に示すように、電極体２００は、正極２１０を構成する正極板２１１と、負極２２０を構成する負極板２２１と、セパレータ２３０，２４０とを含む。

正極板２１１は、アルミニウム箔からなる正極芯体（第１電極芯体）の両面に正極活物質（たとえばリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等）、結着材（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等）、および導電材（たとえば炭素材料等）を含む正極活物質合剤層（第１活物質層）が形成された第１領域２１１Ａと、活物質層が形成されず正極芯体が露出した第２領域２１１Ｂと、第１領域２１１Ａおよび第２領域２１１Ｂの境界２１１Ｃとを有する。

なお、第２領域２１１Ｂの一部（第１領域２１１Ａに隣接する部分）にアルミナ粒子、結着材、および導電材を含む保護層（図示せず）が設けられてもよい。本明細書においては、保護層が形成された部分は第２領域２１１Ｂに含まれるものとする。

負極板２２１は、銅箔からなる負極芯体（第２電極芯体）の両面に負極活物質層（第２活物質層）が形成された第１領域２２１Ａと、活物質層が形成されず負極芯体が露出した第２領域２２１Ｂと、第１領域２２１Ａおよび第２領域２２１Ｂの境界２２１Ｃとを有する。

正極板２１１および負極板２２１は、セパレータ２３０，２４０を介してＸ軸（巻回軸）まわりに扁平状に巻回される。これにより、Ｘ軸方向（第１方向）に沿って一方の端部（第１端部）側に位置する正極２１０と、他方の端部（第２端部）側に位置する負極２２０とを有する電極体２００が構成される。

図３は、外面２００Ａ側の正極板２１１と集電体３１０との位置関係を示す図である。図４は、外面２００Ｂ側の正極板２１１と集電体３１０との位置関係を示す図である。本実施の形態に係る電池は、正極板２１１と集電体３１０との位置関係において１つの特徴を有するものである。

なお、以下では、電極体２００の正極２１０側の端部（第１端部）の構造について説明するが、電極体２００の負極２２０側の端部（第２端部）においても、同様の構造を採用することが可能である。

図３に示すように、正極２１０側の端部において、巻回された正極板２１１の第２領域２１１ＢはＹ軸方向（第２方向）に沿って集約（集箔）される。集箔された第２領域２１１Ｂの外面２００Ａ側に集電体３１０（第１集電体）が接続される。

図３に示す点Ａ（第１の点）は、電極体２００をＺ軸方向（第３方向）からみたときに、電極体２００の外面２００Ａ側（図３中上側）の最外周に位置する正極板２１１における第１領域２１１Ａと第２領域２１１Ｂの境界に位置する点に相当する。点Ａよりも中央側（図３中右側）に位置する第１領域２１１Ａにおいて、正極板２１１は平坦に維持される。

図３に示す点Ｂ（第２の点）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、正極板２１１の第２領域２１１Ｂと接続される集電体３１０の接続面３１１の第１領域２１１Ａ側（図３中右側）の端部に相当する。

図３に示す直線Ｌ１（第１直線）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、電極体２００のＹ軸方向の厚みの中心を通り、Ｘ軸方向に延びる直線である。

図３に示す直線Ｌ２（第２直線）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、直線Ｌ１と平行に延び、かつ、点Ｂを通過する直線である。電極体２００をＺ軸方向からみたときに、直線Ｌ２は、直線Ｌ１に対して点Ａの反対側に位置している。

図３に示す直線Ｌ３（第３直線）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、点Ａと点Ｂとを通過する直線である。

図３に示す角度θ１（第１の角度）は、直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角度であり、本実施の形態においては、θ１＞５５°である。

さらに、点Ａと点Ｂとの間の直線距離Ｄ１（第１の長さ）と、点Ａと点Ｂとの間に位置する正極芯体の長さＤ２（第２の長さ）との関係は、１≦Ｄ２／Ｄ１≦１．１である。すなわち、Ｄ２は、Ｄ１以上であり、かつ、Ｄ１の１．１倍以下程度である。

図３，図４に示すように、集約された正極板２１１は互いに溶接されて接合部２１２を形成している。

図４に示す点Ａ’（第３の点）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、電極体２００の外面２００Ｂ側（図４中下側）の最外周に位置する正極板２１１における第１領域２１１Ａと第２領域２１１Ｂの境界に位置する点に相当する。点Ａ’よりも中央側（図４中右側）に位置する第１領域２１１Ａにおいて、正極板２１１は平坦に維持される。

図４に示す点Ｂ’（第４の点）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、正極板２１１どうしの接合部２１２の第１領域２１１Ａ側（図４中右側）の端部に相当する。

図４に示す直線Ｌ４（第４直線）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、直線Ｌ１と平行に延び、かつ、点Ｂ’を通過する直線である。

図４に示す直線Ｌ５（第５直線）は、電極体２００をＺ軸方向からみたときに、点Ａ’と点Ｂ’とを通過する直線である。

図４に示す角度θ２（第２の角度）は、直線Ｌ４と直線Ｌ５とのなす角度であり、本実施の形態においては、θ２＜θ１である。

さらに、点Ａ’と点Ｂ’との間の直線距離Ｄ３（第３の長さ）と、点Ａ’と点Ｂ’との間に位置する正極芯体の長さＤ４（第４の長さ）との関係は、１≦Ｄ４／Ｄ３≦１．１である。すなわち、Ｄ４は、Ｄ３以上であり、かつ、Ｄ３の１．１倍以下程度である。

本実施の形態に係る電池においては、上述のとおり、直線Ｌ３が直線Ｌ２に対して５５°よりも大きな角度（θ１）をもって傾けられている。この結果、活物質層が形成された第１領域２１１Ａの端部（Ａ点）が電極体２００の厚み方向の中央側に比較的強く押さえつけられた状態となる。このため、電極体２００内部の電解液が電極体２００外部に絞り出されにくくなり、電極体２００内において電解液不足が生じることが抑制される。

さらに、θ１（直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角度）＞θ２（直線Ｌ４と直線Ｌ５とのなす角度）であるため、外面２００Ａ側の最外周に位置する正極板２１１が、外面２００Ｂ側の最外周に位置する正極板２１１よりも中央側（直線Ｌ１側）に強く引っ張られる。このとき、両方の外面２００Ａ，２００Ｂ側の最外周に位置する正極板２１１を略均等な力で中央側に引っ張る場合よりも、電極体２００からの電解液の絞出抑制効果をさらに高めることができる。

さらに、本実施の形態に係る電池においては、Ｄ２／Ｄ１≦１．１およびＤ４／Ｄ３≦１．１であるため、集電体３１０側に位置する第２領域２１１Ｂの正極芯体の撓みが小さい。このため、電極体２００の最外周に位置する正極板２１１を電極体２００の厚み方向の中央側（直線Ｌ１側）に強く引っ張ることができ、電極体２００からの電解液の絞出抑制効果をさらに高めることができる。

次に、図５を用いて、直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角度θ１と、ハイレート充放電時の抵抗増加率との相関について説明する。図５中の横軸は、実験サンプルにおける直線Ｌ２と直線Ｌ３とのなす角度θ１を示す。図５中の縦軸は、ハイレート充放電時の抵抗増加率（＝（ハイレート充放電時の抵抗－初期抵抗）／初期抵抗）に対応する値であって、θ１＝４５°のときに計測した抵抗増加率を「１」としたときの数値（割合）を表す。

なお、ここでいう「初期抵抗」とは、実験サンプルにかかる電池を３．７Ｖまで充電した後、２５℃環境下において、２０Ｃ電流値で１０秒間の放電を行い、放電開始から１０秒後の電圧を測定し、その結果からＩＶ抵抗（電気抵抗）を算出した値である。

また、ここでいう「ハイレート充放電時の抵抗」とは、実験サンプルにかかる電池に対し、３０Ｃの電流値で１０秒間充電、１０秒間休止、１Ｃの電流値で３００秒間放電、１０秒停止という流れを１サイクルとし、これを２０００サイクル繰り返した後の抵抗を示す。

図５に示すように、θ１が５５°以上程度の場合には、ハイレート充放電時の抵抗増加率が低くなるという明確な傾向が見られた。図５に示す結果から、本実施の形態に係る電池（θ１＞５５°）によれば、電極体２００からが電解液が絞り出されることを抑制し、ハイレート充放電時の抵抗増加を抑制することが可能であることが理解できる。

以上、本開示の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００角形外装体、１１０開口部、２００電極体、２００Ａ外面、２００Ｂ外面、２１０正極、２１１正極板、２１１Ａ第１領域、２１１Ｂ第２領域、２１１Ｃ境界、２１２接合部、２２０負極、２２１負極板、２２１Ａ第１領域、２２１Ｂ第２領域、２２１Ｃ境界、２３０，２４０セパレータ、３００蓋部材、３１０集電体、３１０Ａ正極外部端子、３１１接続面、３２０集電体、３２０Ａ負極外部端子。

Claims

第１電極芯体を含む第１電極板と、第２電極芯体を含む第２電極板とがセパレータを介して巻回軸まわりに巻回された扁平状の電極体を備え、
前記電極体は、前記巻回軸に平行な第１方向に沿って互いに反対側に位置する第１端部および第２端部を有し、
前記第１電極板は、前記第１電極芯体上に第１活物質層が形成された第１領域と、前記第１領域に対して前記第１端部側に位置し、前記第１電極芯体上に前記第１活物質層が形成されない第２領域とを含み、
前記電極体は、前記第１方向に直交する第２方向に沿って互いに反対側に位置する第１外面および第２外面を有し、
前記第１端部において、巻回された前記第１電極板の前記第２領域が前記第２方向に沿って集約され、集約された前記第２領域の前記第１外面に第１集電体が接続され、
前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向からみたときに、前記第１外面側の最外周に位置する前記第１電極板における前記第１領域と前記第２領域の境界に位置する点を第１の点（Ａ）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１電極板の前記第２領域と接続される前記第１集電体の接続面の前記第１領域側の端部を第２の点（Ｂ）とし、
前記第３方向からみたときに、前記電極体の前記第２方向の厚みの中心を通り、前記巻回軸と平行に延びる直線を第１直線（Ｌ１）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１直線と平行に延び、前記第２の点（Ｂ）を通過する直線を第２直線（Ｌ２）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１の点（Ａ）と前記第２の点（Ｂ）とを通過する直線を第３直線（Ｌ３）としたときに、
前記第２直線（Ｌ２）と前記第３直線（Ｌ３）とのなす第１の角度（θ１）が５５°よりも大きく、
前記第１の点（Ａ）と前記第２の点（Ｂ）との間の直線距離を第１の長さ（Ｄ１）、前記第１の点（Ａ）と前記第２の点（Ｂ）との間に位置する前記第１電極芯体の長さを第２の長さ（Ｄ２）としたときに、前記第２の長さ（Ｄ２）は、前記第１の長さ（Ｄ１）の１倍以上１．１倍以下であり、
前記第３方向からみたときに、前記第２直線（Ｌ２）は、前記第１直線（Ｌ１）に対して前記第１の点（Ａ）の反対側に位置する、電池。
第１電極芯体を含む第１電極板と、第２電極芯体を含む第２電極板とがセパレータを介して巻回軸まわりに巻回された扁平状の電極体を備え、
前記電極体は、前記巻回軸に平行な第１方向に沿って互いに反対側に位置する第１端部および第２端部を有し、
前記第１電極板は、前記第１電極芯体上に第１活物質層が形成された第１領域と、前記第１領域に対して前記第１端部側に位置し、前記第１電極芯体上に前記第１活物質層が形成されない第２領域とを含み、
前記電極体は、前記第１方向に直交する第２方向に沿って互いに反対側に位置する第１外面および第２外面を有し、
前記第１端部において、巻回された前記第１電極板の前記第２領域が前記第２方向に沿って集約され、集約された前記第２領域の前記第１外面に第１集電体が接続され、
前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向からみたときに、前記第１外面側の最外周に位置する前記第１電極板における前記第１領域と前記第２領域の境界に位置する点を第１の点（Ａ）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１電極板の前記第２領域と接続される前記第１集電体の接続面の前記第１領域側の端部を第２の点（Ｂ）とし、
前記第３方向からみたときに、前記電極体の前記第２方向の厚みの中心を通り、前記巻回軸と平行に延びる直線を第１直線（Ｌ１）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１直線と平行に延び、前記第２の点（Ｂ）を通過する直線を第２直線（Ｌ２）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１の点（Ａ）と前記第２の点（Ｂ）とを通過する直線を第３直線（Ｌ３）としたときに、
前記第２直線（Ｌ２）と前記第３直線（Ｌ３）とのなす第１の角度（θ１）が５５°よりも大きく、
前記第１の点（Ａ）と前記第２の点（Ｂ）との間の直線距離を第１の長さ（Ｄ１）、前記第１の点（Ａ）と前記第２の点（Ｂ）との間に位置する前記第１電極芯体の長さを第２の長さ（Ｄ２）としたときに、前記第２の長さ（Ｄ２）は、前記第１の長さ（Ｄ１）の１倍以上１．１倍以下であり、
前記集約された前記第２領域において、前記巻回された前記第１電極板は互いに接合されて前記第１電極板どうしの接合部を形成し、
前記第３方向からみたときに、前記第２外面側の最外周に位置する前記第１電極板における前記第１領域と前記第２領域の境界に位置する点を第３の点（Ａ’）とし、
前記第３方向からみたときに、前記接合部の前記第１領域側の端部を第４の点（Ｂ’）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第１直線と平行に延び、前記第４の点（Ｂ’）を通過する直線を第４直線（Ｌ４）とし、
前記第３方向からみたときに、前記第３の点（Ａ’）と前記第４の点（Ｂ’）とを通過する直線を第５直線（Ｌ５）としたときに、
前記第４直線（Ｌ４）と前記第５直線（Ｌ５）とのなす第２の角度（θ２）が前記第１の角度（θ１）よりも小さく、
前記第３の点（Ａ’）と前記第４の点（Ｂ’）との間の直線距離を第３の長さ（Ｄ３）、前記第３の点（Ａ’）と前記第４の点（Ｂ’）との間に位置する前記第１電極芯体の長さを第４の長さ（Ｄ４）としたときに、前記第４の長さ（Ｄ４）は、前記第３の長さ（Ｄ３）の１倍以上１．１倍以下である、電池。
前記第１電極板は正極板である、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記第１電極板の前記第２領域における前記第１領域の近傍に位置する部分に保護層が形成された、請求項３に記載の電池。
前記第１電極板は負極板である、請求項１または請求項２に記載の電池。