JP7296923B2 - 角型電池 - Google Patents
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Description
本発明は、角型電池に関する。
一般に、リチウムイオン二次電池等の電池は、正極と負極とが絶縁された状態で積層された電極体と、当該電極体を収容する電池ケースと、を備える。このような電池の一形態として、六面体形状（箱形）の電池ケースを使用した角型電池が知られている。角型電池に関する従来技術文献として、特許文献１～４が挙げられる。
例えば特許文献１には、次の工程：四隅が固定されたロの字状の開口部を有する電池ケース本体を作製する工程；電極体を用意して、平板状の封口板に取り付ける工程；封口板付きの電極体をロの字状の開口部から電池ケース本体の内部に収容する工程；電池ケース本体の開口部に封口板を接合して、電池ケースを封止する工程；を包含する、角型電池の製造方法が記載されている。
通常、電極体は、体積エネルギー密度を向上する観点から、電池ケースの開口部を挿通可能な範囲で可能な限り大きなサイズに形成されている。しかし、封口板付きの電極体は、電池ケース本体と対向する部分で、電極体の構成部材が無防備な状態になっている。例えば正極と負極とが積層されてなる積層面がむき出しになっていたり、薄い絶縁フィルムで覆われただけだったりする。そのため、電池ケース本体を作製した後にロの字状の開口部から電極体を挿入しようとすると、電極体が開口部に引っかかって挿入しにくかったり電極体が傷ついたりするおそれがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電極体の保護性が高められた角型電池を提供することにある。
本発明により、正極と負極とが絶縁された状態で積層されてなる電極体と、上記電極体を収容する六面体形状の電池ケースと、を備える角型電池が提供される。上記電池ケースは、矩形状の底面と、上記底面と一体に設けられ、矩形状の上記底面の長辺を一辺として有し、且つ相互に対向する一対の長側面と、を有する略コ字状のケース本体と、上記底面に対向する上蓋と、上記上蓋と一体に設けられ、一対の上記長側面の間に介在し、且つ相互に対向する一対の短側面と、を有する略コ字状の蓋体と、から構成されている。上記電極体は、上記蓋体に取り付けられている。上記角型電池では、上記ケース本体と上記蓋体とが互いに接合されることで、上記電極体が上記電池ケースの内部に収容された状態が形成されている。
上記構成では、蓋体に取り付けられた電極体の一対の面が、蓋体に一体に設けられた短側面で覆われている。当該短側面は、例えば、ケース本体に電極体を挿入してケース本体と蓋体とを一体化する際に、電極体の挿入ガイドとして機能し得る。また、ケース本体と電極体とが干渉することを防止して、電極体を保護する保護部材として機能する。これにより、製造過程で電極体が傷つきにくくなり、電極体の保護性を高めることができる。
ここに開示される角型電池の好ましい一態様では、上記蓋体は、一枚の平板を折り曲げてなる折り曲げ加工品である。これにより、材料の歩留りを向上するとともに、生産性や効率性を高めることができる。したがって、製造コストを低減することができる。
ここに開示される角型電池の好ましい一態様では、上記ケース本体は、一枚の平板を折り曲げてなる折り曲げ加工品である。これにより、材料の歩留りを向上するとともに、生産性や効率性を高めることができる。したがって、製造コストを低減することができる。
ここに開示される角型電池の好ましい一態様では、上記電極体は、上記正極と上記負極とが積層されてなる積層面が、上記蓋体の上記短側面と対向し、かつ、上記ケース本体の上記長側面と対向しないように、上記電池ケースに収容されている。蓋体に一体に設けられた短側面で電極体の積層面を覆うことにより、積層面の損傷を好適に防止することができる。
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術の好適な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電池の一般的な構成および製造プロセス）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。
なお、本明細書において「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、一次電池と二次電池とを包含する概念である。また、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池（化学電池）と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（物理電池）と、を包含する概念である。
図１は、角型電池１００の模式的な斜視図である。図２は、図１のII－II線に沿う模式的な縦断面図である。図３は、角型電池１００の模式的な分解斜視図である。
図２に示すように、角型電池１００は、電池ケース１０と、電池ケース１０の内部に収容された電極体２０と、を備えている。図示は省略するが、角型電池１００は、ここでは電池ケース１０の内部に収容された電解質をさらに備えている。なお、図面中の符号Ｗは長手方向を示し、符号Ｄは長手方向と直交する厚み方向を示している。ただし、これらの方向は説明の便宜上の方向に過ぎず、角型電池１００の設置態様を何ら限定するものではない。以下、各構成要素について順に説明する。
図２に示すように、角型電池１００は、電池ケース１０と、電池ケース１０の内部に収容された電極体２０と、を備えている。図示は省略するが、角型電池１００は、ここでは電池ケース１０の内部に収容された電解質をさらに備えている。なお、図面中の符号Ｗは長手方向を示し、符号Ｄは長手方向と直交する厚み方向を示している。ただし、これらの方向は説明の便宜上の方向に過ぎず、角型電池１００の設置態様を何ら限定するものではない。以下、各構成要素について順に説明する。
電池ケース１０は、電極体２０を収容する容器である。電池ケース１０は、ここでは気密に封止されている。電池ケース１０は、典型的には、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属製である。図１に示すように、電池ケース１０の外形は、六面体形状（ここでは直方体形状）である。電池ケース１０は、長手方向Ｗに線対称の形状を有している。電池ケース１０は、矩形状（長方形状）の底面１２ｄと、相互に対向する一対の長側面１２ｗと、相互に対向し且つ長側面１２ｗよりも幅の狭い一対の短側面１４ｎと、底面１２ｄに対向する上蓋１４ｕと、を有する。なお、本明細書において「矩形状」とは、例えば、直線状の長辺と短辺とが曲線を介して互いに接合している形状や、長辺および短辺の少なくとも一方が直線状ではなく、湾曲したり、凹凸になっていたり、屈曲して複数の直線あるいは曲線から構成されている形状、等を包含する用語である。
一対の長側面１２ｗは、それぞれ長手方向Ｗに沿って伸びている。一対の長側面１２ｗは、それぞれ矩形状の底面１２ｄの長辺を一辺として有する側面である。一対の短側面１４ｎは、一対の長側面１２ｗの間に介在している。一対の短側面１４ｎは、それぞれ厚み方向Ｄに沿って伸びている。一対の短側面１４ｎは、それぞれ矩形状の底面１２ｄの短辺を一辺として有する側面である。図３に示すように、電池ケース１０は、ケース本体１２と蓋体１４との二部材が組み合わされて構成されている。これについて詳しく説明する。
ケース本体１２は、電池ケース１０の底面１２ｄと、一対の長側面１２ｗと、を構成している。ケース本体１２は、図３に示すように三面構成である。ケース本体１２は、その内部、即ち、底面１２ｄと一対の長側面１２ｗとで囲まれた空間に、後述する電極体２０の全体を収容可能な大きさおよび形状に構成されている。底面１２ｄは矩形状（長方形状）である。一対の長側面１２ｗは、ここでは矩形状（長方形状）である。一対の長側面１２ｗは、ここでは同じ形状および同じサイズである。ただし、一対の長側面１２ｗは、形状および／またはサイズが相互に異なっていてもよい。ケース本体１２の長手方向Ｗの両端には、それぞれ、略コ字状の端面１２Ｅが形成されている。
ケース本体１２は、ここでは折り曲げ加工品である。長側面１２ｗは、底面１２ｄから上方に折れ曲がって延びている。ケース本体１２は、ここでは一対の長側面１２ｗが底面１２ｄから垂直に立ち上がるように成形されている。底面１２ｄと一対の長側面１２ｗとのなす角は、それぞれ９０°である。ケース本体１２において、底面１２ｄと対向する面は、開口（開放）されている。ケース本体１２は、略コ字状である。なお、本明細書において「略コの字状」とは、例えばコ字状やＵ字状のように、四方のうち三方が（ここでは、底面１２ｄと長側面１２ｗとで）閉じられ、一方が開口されている形状全般を指す用語である。したがって、底面１２ｄと長側面１２ｗとのなす角は直角でなくてもよく、例えば鋭角や鈍角であってもよい。
一対の長側面１２ｗは、それぞれ、底面１２ｄから延び、底面１２ｄと一体に設けられている。なお、本明細書において「長側面１２ｗは、底面１２ｄと一体に設けられている」とは、長側面１２ｗと底面１２ｄとの間に継ぎ目（接合部）が形成されておらず、長側面１２ｗが底面１２ｄから連続して設けられていることを意味する用語である。したがって、角型電池１００では、底面１２ｄと長側面１２ｗとの境界に接合部（例えば溶接接合部）が形成されていないことを以て、長側面１２ｗが底面１２ｄとが一体に設けられていることを確認することができる。
蓋体１４は、電池ケース１０の一対の短側面１４ｎと、上蓋１４ｕと、を構成している。蓋体１４は、図３に示すように三面構成である。一対の短側面１４ｎは、ここでは矩形状（長方形状）である。一対の短側面１４ｎは、ここでは同じ形状および同じサイズである。ただし、一対の短側面１４ｎは、形状および／またはサイズが相互に異なっていてもよい。上蓋１４ｕは矩形状（長方形状）である。上蓋１４ｕは底面１２ｄと同じ形状および同じサイズである。蓋体１４の厚み方向Ｄの両端には、それぞれ、略コ字状の端面１４Ｅが形成されている。
蓋体１４は、ここでは折り曲げ加工品である。短側面１４ｎは、上蓋１４ｕから下方に折れ曲がって延びている。蓋体１４は、ここでは一対の短側面１４ｎが上蓋１４ｕから垂直に立ち上がるように成形されている。上蓋１４ｕと一対の短側面１４ｎとのなす角は、それぞれ９０°である。ただし、上蓋１４ｕと短側面１４ｎとのなす角は直角でなくてもよく、例えば鋭角や鈍角であってもよい。蓋体１４は、略コ字状である。
一対の短側面１４ｎは、それぞれ、上蓋１４ｕから延び、上蓋１４ｕと一体に設けられている。なお、本明細書において「短側面１４ｎは、上蓋１４ｕと一体に設けられている」とは、短側面１４ｎと上蓋１４ｕとの間に継ぎ目（接合部）が形成されておらず、短側面１４ｎが上蓋１４ｕから連続して設けられていることを意味する用語である。したがって、角型電池１００では、短側面１４ｎと上蓋１４ｕとの境界に接合部（例えば溶接接合部）が形成されていないことを以て、短側面１４ｎと上蓋１４ｕとが一体に設けられていることを確認することができる。
図１および図２に示すように、電池ケース１０の上面、すなわち上蓋１４ｕには、正極外部端子３０と、負極外部端子４０と、が取り付けられている。正極外部端子３０は、後述する正極集電板２３（図２参照）を介して、電極体２０の正極と電気的に接続されている。負極外部端子４０は、後述する負極集電板２５（図２参照）を介して、電極体２０の負極と電気的に接続されている。上蓋１４ｕにはまた、注液孔５０が設けられている。注液孔５０は、液状の電解質（電解液）を電池ケース１０の内部に注入するための貫通孔である。注液孔５０には電解液の注入後に図示しないキャップが取り付けられている。注液孔５０は、キャップによって気密に封止されている。
角型電池１００では、ケース本体１２の端面１２Ｅと、蓋体１４の端面１４Ｅとが、互いに接合（例えば溶接接合）されている。詳しくは、短側面１４ｎの側から見た側面視において、短側面１４ｎの外縁部分、具体的には、底面１２ｄと短側面１４ｎとの境界、および一対の長側面１２ｗと短側面１４ｎとの境界に、略コの字状の接合部（例えば溶接接合部）が形成されている。また、長側面１２ｗの側から見た側面視において、長側面１２ｗの外縁部分、具体的には、上蓋１４ｕと長側面１２ｗとの境界、および一対の短側面１４ｎと長側面１２ｗとの境界に、略コの字状の接合部（例えば溶接接合部）が形成されている。
電極体２０は、電池ケース１０の内部に収容されている。電極体２０は従来と同様でよく、特に制限はない。図示は省略するが、電極体２０は、正極と負極を、典型的にはそれぞれ複数有する。正極は、正極集電体と、正極集電体に固着され正極活物質を含む正極活物質層を備える。負極は、負極集電体と、負極集電体に固着され負極活物質を含む負極活物質層を備える。電極体２０は、ここでは帯状の正極と帯状の負極とが絶縁された状態で捲回されてなる扁平な捲回電極体である。捲回電極体は、例えば帯状の正極と帯状の負極とを帯状のセパレータを介して重ね合わせ、捲回軸方向（ここでは、長手方向Ｗと同じ）に捲回した後、側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製することができる。ただし、電極体２０は、方形状（典型的には矩形状）の正極と方形状（典型的には矩形状）の負極とが絶縁された状態で積み重ねられてなる積層電極体であってもよい。
図２に示すように、電極体２０の長手方向のＷの中央部分には、正極活物質層と負極活物質層とが絶縁された状態で積層された積層部分が形成されている。一方、電極体２０の長手方向のＷの左端部には、正極活物質層の形成されていない正極集電体の一部分（正極集電体露出部）２２が積層部分からはみ出している。正極集電体露出部２２には、正極集電板２３が付設されている。正極集電板２３は、正極外部端子３０と電気的に接続されている。また、電極体２０の長手方向のＷの右端部には、負極活物質層の形成されていない負極集電体の一部分（正極集電体露出部）２４が積層部分からはみ出している。負極集電体露出部２４には、負極集電板２５が付設されている。負極集電板２５は、負極外部端子４０と電気的に接続されている。
電極体２０は、蓋体１４に取り付けられている。電極体２０は、略直方体形状の外形を有する。電極体２０は、上蓋１４ｕと一対の短側面１４ｎとに囲まれた空間に収まっている。電極体２０の捲回軸方向の両端面は、蓋体１４の一対の短側面１４ｎと対向している。電極体２０の捲回軸方向の両端面は、ケース本体１２の一対の長側面１２ｗとは対向していない。ケース本体１２の一対の長側面１２ｗには、電極体２０の外周面が対向している。電極体２０の捲回軸方向の端面は、正極と負極とが積層されてなる積層面の一例である。
電極体２０の表面は、一部あるいは全体が、絶縁フィルムで覆われていてもよい。絶縁フィルムは、電極体２０と電池ケース１０との直接接触（導通）を防止する部材である。絶縁フィルムの材質や形状等は従来と同様でよく、特に制限はない。絶縁フィルムは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の樹脂製であってもよい。絶縁フィルムの形状は、例えば、電極体２０を収容可能なように一面が開口された袋状であってもよいし、筒状であってもよいし、シート状であってもよい。
電解液は、電池ケース１０の内部に収容されている。電解液は従来と同様でよく、特に制限はない。電解液は、有機溶媒（非水溶媒）中にリチウム塩等の支持塩を含有させた非水電解液であってもよい。
図３に示すように、このような角型電池１００は、例えば、次の工程：ケース本体１２の用意工程；蓋体１４と電極体２０とを備えた電極体アッシー２０Ａの作製工程；ケース本体１２と電極体アッシー２０Ａとの接合工程；を含む製造方法によって製造することができる。
ケース本体１２の用意工程では、電池ケース１０を構成するケース本体１２を用意する。ケース本体１２は、例えば、方形状（典型的には矩形状）の一枚の平板を、電極体２０の寸法にあわせて折り曲げ、底面１２ｄと長側面１２ｗとを成形することによって用意することができる。
電極体アッシー２０Ａの作製工程では、電極体アッシー２０Ａを用意する。電極体アッシー２０Ａは、電池ケース１０を構成する蓋体１４と、電極体２０と、が一体化されたユニットである。具体的には、例えばまず、蓋体１４を用意する。蓋体１４は、例えば、方形状（典型的には矩形状）の一枚の平板を、ケース本体１２の寸法にあわせて折り曲げ、短側面１４ｎと上蓋１４ｕとを成形することによって用意することができる。次に、蓋体１４に、正極集電板２３と、正極外部端子３０と、負極集電板２５と、負極外部端子４０と、を取り付ける。次に、電極体２０を、例えば捲回軸方向が長手方向Ｗに沿うような向きで、蓋体１４の上蓋１４ｕと一対の短側面１４ｎとに囲まれた空間に挿入する。これにより、電極体２０は、典型的にはその全体が上蓋１４ｕと一対の短側面１４ｎとに囲まれた空間に収められる。
次に、電極体２０の正極集電体露出部２２に正極集電板２３を溶接する。これにより、電極体２０の正極は正極集電板２３を介して正極外部端子３０に電気的に接続される。また、電極体２０の負極集電体露出部２４に負極集電板２５を溶接する。これにより、電極体２０の負極は負極集電板２５を介して負極外部端子４０に電気的に接続される。以上のようにして、蓋体１４と電極体２０とを一体化し、電極体アッシー２０Ａを作製することができる。
ケース本体１２と電極体アッシー２０Ａとの接合工程では、ケース本体１２と電極体アッシー２０Ａとを組み合わせる。例えばまず、ロボットアーム等でケース本体１２の上方に電極体アッシー２０Ａを搬送して、ケース本体１２の上方から電極体アッシー２０Ａを挿入する。これにより、電極体２０を、ケース本体１２の内部、即ち底面１２ｄと一対の長側面１２ｗとで囲まれた空間に収容する。次に、ケース本体１２と蓋体１４との境界部分（継ぎ目）を接合する。接合方法は従来と同様でよく、特に制限はない。接合は、例えばレーザ溶接等で行うことができる。これにより、ケース本体１２と蓋体１４との境界部分に接合部を形成し、ケース本体１２と蓋体１４とを接合することができる。なお、ここでは接合工程の後、注液孔５０から電解液を注入して、注液孔５０をキャップで封止する。以上のようにして、角型電池１００を製造することができる。
角型電池１００では、蓋体１４と電極体２０とが一体化されて電極体アッシー２０Ａを構成している。すなわち、蓋体１４に電極体２０が取り付けられ、かつ上蓋１４ｕと一体に設けられた短側面１４ｎが、電極体２０の一対の面を覆っている。短側面１４ｎは、例えば、ケース本体１２と蓋体１４とを一体化する際に、電極体２０の挿入ガイドとして機能し得る。また、短側面１４ｎは、ケース本体１２と電極体２０とが干渉することを防止して、電極体２０を保護する保護部材として機能する。したがって、ケース挿入時の挿入性や保護性を高めることができる。さらに、短側面１４ｎは、例えば電極体アッシー２０Ａを搬送するロボットアーム等が短側面１４ｎの側からぶつかったりして電極体２０に何らかの衝撃が加えられた場合に、かかる衝撃を緩和する緩衝部材として機能し得る。したがって、電極体アッシー２０Ａの搬送時の保護性を高めることができる。これにより、従来の方法と比較して製造過程で電極体２０が傷つきにくくなり、電極体２０の保護性を高めることができる。
加えて、角型電池１００では、電池ケース１０をケース本体１２と蓋体１４との二部材で構成することにより、例えば上蓋１４ｕと短側面１４ｎとを別部材として、合計四部材で構成する場合に比べて、相対的に接合箇所が少なくて済む。これにより、電池ケースの強度を向上することができる。例えば、車両駆動用の高出力電源等に用いられるような用途では、複数の角型電池１００を長側面１２ｗが対向するように配列し、拘束治具で拘束した組電池が広く用いられている。角型電池１００は、このように長側面１２ｗの側から拘束力が加えられる場合でも変形しにくくなる。その結果、角型電池１００および角型電池１００を備えた組電池の信頼性を向上することができる。
角型電池１００は、各種用途に利用可能であるが、特にエネルギー密度の高い大型の（大容量の）電池として好ましく利用することができる。好適な用途としては、例えば、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）等の車両に搭載されるモーター用の動力源（車両駆動用の電源）が挙げられる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
１０ 電池ケース
１２ ケース本体
１２ｄ 底面
１２ｗ 長側面
１４ 蓋体
１４ｎ 短側面
１４ｕ 上蓋
２０ 電極体
２０Ａ 電極体アッシー
３０ 正極外部端子
４０ 負極外部端子
５０ 注液孔
１００ 角型電池
１２ ケース本体
１２ｄ 底面
１２ｗ 長側面
１４ 蓋体
１４ｎ 短側面
１４ｕ 上蓋
２０ 電極体
２０Ａ 電極体アッシー
３０ 正極外部端子
４０ 負極外部端子
５０ 注液孔
１００ 角型電池
Claims (4)
- 正極と負極とが絶縁された状態で積層されてなる電極体と、
前記電極体を収容する六面体形状の電池ケースと、
を備え、
前記電池ケースは、
金属板からなり、矩形状の底面と、前記底面と一体に設けられ、矩形状の前記底面の長辺を一辺として有し、且つ相互に対向する一対の長側面と、を有する略コ字状のケース本体と、
前記底面に対向する上蓋と、前記上蓋と一体に設けられ、一対の前記長側面の間に介在し、且つ相互に対向する一対の短側面と、を有する略コ字状の蓋体と、
から構成され、
前記電極体は、捲回電極体であり、捲回軸方向の両端面が前記蓋体の一対の前記短側面と対向するように、前記蓋体に取り付けられており、
前記ケース本体と前記蓋体とが接合されることで、前記電極体が前記電池ケースの内部に収容された状態が形成されている、
角型電池。 - 前記蓋体は、一枚の平板を折り曲げてなる折り曲げ加工品である、
請求項１に記載の角型電池。 - 前記ケース本体は、一枚の平板を折り曲げてなる折り曲げ加工品である、
請求項１又は２に記載の角型電池。 - 前記ケース本体と前記蓋体とが溶接接合されている、
請求項１から３のいずれか１つに記載の角型電池。
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