JP7264266B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
1.二次電池(第1実施形態)
1-1.全体の構成
1-2.主要部の構成
1-3.動作
1-4.製造方法
1-5.作用および効果
2.二次電池(第2実施形態)
2-1.構成
2-2.動作
2-3.製造方法
2-4.作用および効果
3.素子空間体積の比較
4.変形例
まず、本技術の第1実施形態の二次電池に関して説明する。
図1は、二次電池の断面構成を表していると共に、図2は、図1に示した二次電池の主要部の斜視構成を表している。ただし、図2では、二次電池の主要部として後述する電池素子20、正極タブ30および負極タブ40を示していると共に、正極タブ30および負極タブ40のそれぞれが電池素子20から分離された状態を示している。
電池缶10は、図1に示したように、電池素子20を収納する扁平かつ柱状の外装部材である。この電池缶10は、上記した二次電池の立体的形状に応じて、扁平かつ円柱状の立体的形状を有している。このため、電池缶10は、一対の底部N1,N2と、側壁部N3とを有している。この側壁部N3は、一端部において底部N1に連結されていると共に、他端部において底部N2に連結されている。上記したように、電池缶10が円柱状であるため、底部N1,N2のそれぞれは円形の平面形状を有していると共に、側壁部N3の表面は凸型の曲面である。
電池素子20は、図1および図2に示したように、充放電反応を進行させる発電要素であり、正極21と、負極22と、セパレータ23と、液状の電解質である電解液とを含んでいる。ただし、図2では、電解液の図示を省略している。
正極タブ30は、後述する複数の正極集電体21A(図3参照)を集電させるための電極配線であり、その複数の正極集電体21Aに接続されている。
負極タブ40は、後述する複数の負極集電体22A(図4参照)を集電させるための他の電極配線であり、その複数の負極集電体22Aに接続されている。
ガスケット50は、図1に示したように、外装缶11(側壁部11W)と外装カップ12(側壁部12W)との間に介在する絶縁性の部材であり、その外装缶11と外装カップ12との間の隙間を封止していると共に、上記したように、外装缶11と外装カップ12とを互いに絶縁させている。
なお、二次電池は、さらに、図示しない他の構成要素のうちのいずれか1種類または2種類以上を備えていてもよい。
図3および図4のそれぞれは、図1に示した二次電池の主要部(電池素子20、正極タブ30および負極タブ40)の断面構成を拡大して表している。
積層電極体である電池素子20では、上記したように、複数の正極21および複数の負極22が積層方向Sにおいてセパレータ23を介して交互に積層されている。このため、電池素子20は、複数の正極21および複数の負極22と共に、複数のセパレータ23を含んでいる。
複数の正極21は、電池素子20を構成する複数の電極である。複数の正極21のそれぞれは、図3に示したように、正極集電体21Aおよび正極活物質層21Bを含んでいる。ここでは、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの両面に設けられている。ただし、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。
複数の負極22は、電池素子20を構成する他の複数の電極である。複数の負極22のそれぞれは、図4に示したように、負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bを含んでいる。ここでは、負極活物質層22Bは、負極集電体22Aの両面に設けられている。ただし、負極活物質層22Bは、負極集電体22Aの片面だけに設けられていてもよい。
セパレータ23は、正極21と負極22との間に介在する絶縁性の多孔質膜であり、その正極21と負極22との短絡を防止しながらリチウムをイオン状態で通過させる。このセパレータ23は、ポリエチレンなどの高分子化合物のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
電解液は、正極21、負極22およびセパレータ23のそれぞれに含浸されており、溶媒および電解質塩を含んでいる。溶媒は、炭酸エステル系化合物、カルボン酸エステル系化合物およびラクトン系化合物などの非水溶媒(有機溶剤)のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。電解質塩は、リチウム塩などの軽金属塩のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
ここでは、正極タブ30の構成を説明するための前提として正極集電体21Aの詳細な構成に関して説明したのち、その正極タブ30の接続形式に関して説明する。この順で説明することは、負極集電体22Aの詳細な構成および負極タブ40の接続形式に関しても同様である。
複数の正極21のそれぞれは、上記したように、正極集電体21Aを含んでいるため、電池素子20は、複数の正極集電体21Aを含んでいる。ここでは、複数の正極集電体21Aの長さは、互いに同じである。
負極集電体22Aは、上記した正極集電体21Aの構成と同様の構成を有していると共に、負極タブ40は、上記した正極タブ30の構成と同様の構成を有している。なお、接続方法(接合方法)に関しては既に説明したため、以下では、その説明を省略する。
この二次電池の充電時には、電池素子20において正極21からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが電解液を介して負極22に吸蔵される。また、二次電池の放電時には、電池素子20において負極22からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが電解液を介して正極21に吸蔵される。これらの場合には、リチウムがイオン状態で吸蔵および放出される。
図5および図6のそれぞれは、二次電池の製造工程を説明するために、製造途中の二次電池の断面構成を表している。ただし、図5は図3に対応していると共に、図6は図4に対応している。
この二次電池によれば、セパレータ23を介して互いに積層された複数の正極21のそれぞれから、正極集電体21A(導出部21AY)が導出方向D211に導出されており、その導出方向D211に導出された複数の導出部21AYのそれぞれは、第1屈曲方向D212に屈曲した第1屈曲部21AY2を含んでいる。また、第1屈曲部21AY2は、第1屈曲方向D212における隣の第1屈曲部21AY2の上に重なりながら接触している。さらに、複数の第1屈曲部21AY2の一部は、電池素子20における第1屈曲方向D212の端面(側壁部M3のテーパ面M3T)の途中で終端している。よって、以下で説明する理由により、単位体積当たりのエネルギー密度を増加させることができる。
次に、本技術の第2実施形態の二次電池に関して説明する。
本実施形態の二次電池では、複数の導出部21AY,22AYを集電させるために、正極タブ30および負極タブ40を用いていた第1実施形態の二次電池とは異なり、複数の導出部21AY,22AYを集電させるために、複数の正極集電体21Aのうちの一部(後述する最上層の正極集電体21A)および複数の負極集電体22Aのうちの一部(後述する最下層の負極集電体22A)を用いている。
複数の正極21のうちの最上層の正極21、すなわち積層方向Sにおいて互いに積層されている複数の正極21のうちの外装缶11に最も近い正極21は、図10に示したように、追加電極である。この最上層の正極21は、導出方向D211(右方向)に導出された正極集電体21A(以下、「最上層の正極集電体21A」と呼称する。)を含んでおり、その正極集電体21Aは、正極タブ30の役割を兼ねる追加集電体である。
複数の負極22は、上記した複数の正極21の構成と同様の構成を有している。すなわち、複数の負極22のうちの最下層の負極22、すなわち積層方向Sにおいて互いに積層されている複数の負極22のうちの外装カップ12に最も近い負極22は、図11に示したように、他の追加電極である。この最下層の負極22は、導出方向D221(右方向)に導出された負極集電体22A(以下、「最下層の負極集電体22A」と呼称する。)を含んでおり、その負極集電体22Aは、負極タブ40の役割を兼ねる他の追加集電体である。
絶縁層51は、正極タブ30の役割を兼ねる最上層の正極集電体21A(第2屈曲部21AY3)と外装カップ12との間に配置されており、その第2屈曲部21AY3と外装カップ12との短絡を防止する。絶縁層52は、負極タブ40の役割を兼ねる最下層の負極集電体22A(第2屈曲部22AY3)と外装缶11との間に配置されており、その第2屈曲部22AY3と外装缶11との短絡を防止する。絶縁層51,52のそれぞれは、絶縁性の樹脂テープであり、その樹脂テープは、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)およびポリオレフィンなどの高分子材料などの絶縁性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
本実施形態の二次電池の動作(充放電動作)は、第1実施形態の二次電池の動作と同様である。充放電時には、最上層の正極集電体21Aが正極タブ30の役割を兼ねるため、その最上層の正極集電体21Aを用いて他の複数の正極集電体21Aが集電されると共に、最下層の負極集電体22Aが負極タブ40の役割を兼ねるため、その最下層の負極集電体22Aを用いて他の複数の負極集電体22Aが集電される。
本実施形態の二次電池の製造方法は、以下で説明することを除いて、第1実施形態の二次電池の製造方法と同様である。
本実施形態の二次電池によれば、正極タブ30の代わりに最上層の正極集電体21Aが他の複数の正極集電体21Aに接続されていると共に、負極タブ40の代わりに最下層の負極集電体22Aが他の複数の負極集電体22Aに接続されていることを除いて、第1実施形態の二次電池の構成と同様の構成を有している。
ここで、第1実施形態の二次電池(図1~図4)および比較例の二次電池(図7および図8)のそれぞれに関して論理的(数学的)に素子空間体積(mm3 )を算出することにより、それらの素子空間体積を互いに比較すると、表1に示した結果が得られる。
次に、上記した二次電池の変形例に関して説明する。二次電池の構成は、以下で説明するように、適宜変更可能である。ただし、以下で説明する一連の変形例のうちの任意の2種類以上は、互いに組み合わされてもよい。
第1実施形態(図3および図4)では、複数の導出部21AYのうちの残りが第2屈曲部21AY3を含んでいると共に、複数の導出部22AYのうちの残りが第2屈曲部22AY3を含んでいる。
第1実施形態(図2)では、電池素子20が1個のテーパ面M3Tを有しており、複数の導出部21AY,22AYのそれぞれが側壁部M3(テーパ面M3T)に配置されている。これにより、複数の導出部21AY,22AYが互いに隣り合うように配置されているため、正極タブ30のタブ部30Bおよび負極タブ40のタブ部40Bが互いに隣り合うように配置されている。この場合には、正極21(複数の導出部21AY)における導出方向D211および負極22(複数の導出部22AY)における導出方向D221が互いに共通する方向になる。
第1実施形態(図1および図2)では、正極タブ30が略円形状のタブ部30Aおよび短冊状のタブ部30Bを含んでいると共に、負極タブ40が略円形状のタブ部40Aおよび短冊状のタブ部40Bを含んでいる。しかしながら、正極タブ30および負極タブ40のそれぞれの構成は、複数の正極集電体21Aを集電可能であると共に複数の負極集電体22Aを集電可能であれば、特に限定されない。
二次電池の製造工程において、外装缶11の内部に積層体120を収納すると共に、その外装缶11および外装カップ12(側壁部11W,12S)を互いにかしめたのち、注液孔から電池缶10(外装缶11および外装カップ12)の内部に電解液を注入している。すなわち、電池缶10の形成後において、その電池缶10の内部に電解液を注入することにより、積層体120に電解液を含浸させている。
第1実施形態(図1)では、電池缶10がクリンプ型の電池缶であるが、その電池缶10の種類は、特に限定されない。
上記した溶接型の電池缶60を用いる場合においても、変形例3において説明したようい、正極タブ30および負極タブ40のそれぞれの構成は、特に限定されない。
Claims (14)
- 積層方向においてセパレータを介して互いに積層された複数の電極を含む発電要素を備え、
前記複数の電極のそれぞれは、前記積層方向と交差する第1方向に導出された集電体を含み、
前記第1方向に導出された複数の前記集電体のそれぞれの端部は、前記第1方向と交差する第2方向に屈曲した第1屈曲部を含み、
前記第1屈曲部は、前記第2方向における隣の前記第1屈曲部の上に重なりながら接触しており、
複数の前記第1屈曲部のうちの少なくとも1つは、前記発電要素における前記第2方向の端面の途中で終端しており、
前記複数の集電体のそれぞれの長さは、互いに同じである、
二次電池。 - 前記第2方向の端面の途中で終端している前記複数の第1屈曲部のそれぞれの先端の位置は、前記第2方向とは反対の方向に向かって次第に後退している、
請求項1に記載の二次電池。 - 前記第1方向に導出された前記複数の集電体のうちの一部の前記端部は、さらに、前記第1屈曲部に連結されると共に前記発電要素に沿うように前記第1方向とは反対の第3方向に屈曲した第2屈曲部を含む、
請求項1または請求項2に記載の二次電池。 - 複数の前記第2屈曲部のそれぞれの先端の位置は、前記第3方向とは反対の方向に向かって次第に後退している、
請求項3記載の二次電池。 - さらに、前記第1屈曲部および前記第2屈曲部のそれぞれに接続された電極配線を備えた、
請求項3または請求項4に記載の二次電池。 - さらに、
前記発電要素を収納する外装部材を備え、
前記外装部材は、正の極性および負の極性のうちの一方を有する第1外装部と、前記積層方向において前記発電要素を介して前記第1外装部に対向すると共に正の極性および負の極性のうちの他方を有する第2外装部と
を備え、
前記複数の集電体のそれぞれは、正の極性または負の極性を有しており、
前記第2方向は、前記複数の集電体のそれぞれが前記第1外装部または前記第2外装部から遠ざかる方向であり、
前記第1外装部または前記第2外装部は、前記複数の集電体のそれぞれが有している極性とは反対の極性を有している、
請求項5記載の二次電池。 - さらに、前記積層方向において前記複数の電極の上に前記セパレータを介して積層された追加電極を備え、
前記追加電極は、前記第1方向に導出された追加集電体を含み、
前記第1方向に導出された前記追加集電体の端部は、前記第2方向に屈曲してから前記第3方向に屈曲した追加屈曲部を含むと共に、前記第1屈曲部および前記第2屈曲部のそれぞれに接続されている、
請求項3または請求項4に記載の二次電池。 - 前記第2方向は、前記追加電極から遠ざかる方向である、
請求項7記載の二次電池。 - 前記追加集電体は、露出している、
請求項7または請求項8に記載の二次電池。 - 前記複数の電極である複数の正極と、
他の前記複数の電極である複数の負極と
を備えた、請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の二次電池。 - 前記複数の正極のそれぞれにおける前記第1方向および前記複数の負極それぞれにおける前記第1方向は、互いに共通する方向である、
請求項10記載の二次電池。 - 前記複数の正極のそれぞれにおける前記第1方向および前記複数の負極のそれぞれにおける前記第1方向は、互いに反対の方向である、
請求項10記載の二次電池。 - さらに、前記発電要素を収納する扁平かつ柱状の外装部材を備えた、
請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載の二次電池。 - 扁平かつ柱状の二次電池である、
請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載の二次電池。
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