JP7334140B2 - 密閉型二次電池および該電池用電池ケース - Google Patents

Description

本発明は、密閉型二次電池用の電池ケースに関する。

リチウムイオン二次電池（リチウム二次電池）、ナトリウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量且つエネルギー密度が高いことから、近年、車両搭載用の電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として好ましく利用されている。

かかる二次電池は、例えば、密閉された電池ケース内に電極体と電解質とが収容された、いわゆる密閉型二次電池として構築される。かかる密閉型二次電池のケースは、一般に、耐衝撃性等を考慮して、１枚の金属板から深絞り加工によって形成される。この場合には、金属製の電池ケースと電極体とを絶縁するために、該電極体を絶縁フィルムに収容して、該電極体と該電池ケース内壁とを隔離する手法が用いられる。

かかる密閉型二次電池を車両搭載用電源として用いる際には、一般に、高出力化の観点から、かかる密閉型二次電池を複数接続した組電池の形態で用いられている。かかる組電池の典型的な構成として、複数の単電池が積層され、且つ該積層方向に所定の荷重が加えられた状態で拘束されて構築される。このような組電池の拘束は、主に組電池を構成する各単電池における耐振動や耐衝撃、および電池性能確保の観点から行われる。

このような拘束によっても、繰り返しの振動が与えられる環境下では、かかる密閉型二次電池内の絶縁フィルムに収容された電極体が所定の位置からずれるおそれがある。かかる電極体のずれを抑制するために、従来から種々提案がなされており、その一例として特許文献１～３が挙げられる。例えば、特許文献１では、絶縁フィルムと電池ケースの内壁とを熱溶着することによって、絶縁フィルムの移動を抑制することが記載されている。また、特許文献２および３は、電池の耐振動に関する従来技術の一例である。

特開２０１３－２２２５０４号公報 特開２０１３－１３１３０６号公報 特開２０１７－１４２９６２号公報

しかしながら、特許文献１の手法は、従来の二次電池を製作する工程に絶縁フィルムを熱溶着する工程が追加されるため、生産コストが高くなる。また、深絞りによって形成された深く狭い箱型電池ケース内壁と、絶縁フィルムとを熱溶着するため、該フィルムに接触している電極体が熱によって損傷するおそれもあった。したがって、より低コスト且つ簡便な手法によって、絶縁フィルムおよび該フィルムに収容される電極体のずれを防止する技術の開発が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、組電池の構築に用いられる密閉型二次電池（単電池）における、振動による電極体のずれを防止する電池ケースを提供することにある。また、他の目的はかかる電池ケースを用いて構築された単電池並びに組電池を提供することにある。

上記目的を実現するべく、密閉型二次電池用電池ケースが提供される。即ち、ここに開示される電池ケースは、正極および負極を備える電極体と、該電極体を包囲する絶縁フィルムと、を内部に密閉可能に収容している。前記電池ケースは、一対の矩形状の幅広面と、該一対の幅広面の間にある複数の矩形状の側面とから構成される六面箱型形状に形成されている。前記一対の幅広面におけるケース内面側には、ケース内部に収容された状態の前記フィルムが接触可能な位置において、該位置に接触した状態の該フィルムが該位置からずれることを防止するリブ構造が形成されている。
このような構成によれば、繰り返し振動が与えられる環境においても、リブ構造と絶縁フィルムとが当接することで、電池ケース内で絶縁フィルム（即ち、電極体）がずれることを防止できる。これにより電極体のずれが起こり難い、密閉型二次電池（単電池）を提供することができる。

ここに開示される電池ケースの好ましい一態様では、前記リブ構造は、所定のパターンで配列された複数の筋状リブ及び／又はドット状リブによって構成されている。さらに好適な一態様として、前記複数の筋状のリブ構造は、少なくとも二以上の方向に延伸するように形成される。
かかる構成によれば、振動による電極体のずれがより一層起こり難くすることを実現することができる。

ここに開示される電池ケースの好ましい一態様では、前記リブ構造が予め形成された前記一対の幅広面を、一つずつ有する二つのケース部材を少なくとも包含する二以上のケース部材が、相互に接合されて構成されている。さらに好適な一態様としては、前記リブ構造が予め形成された前記一対の幅広面を、一つずつ有する二つのケース部材によって構成されており、該一対の幅広面の間にある複数の側面において相互に接合されて構成されている。
かかる構成によれば、簡便な方法で、電池ケース内部にリブ構造を形成することができる。

また、上記他の目的を実現するべく、密閉型二次電池が提供される。即ち、ここに開示される密閉型二次電池は、正極および負極を備える電極体と、前記電極体を包囲する絶縁フィルムと、前記電極体と前記フィルムとを収容する電池ケースであって、一対の矩形状の幅広面と、該一対の幅広面の間にある複数の矩形状の側面とから構成される六面箱型形状に形成された電池ケースと、を備える。ここで、前記電池ケースとして、ここに開示されるいずれかの電池ケースが使用される。
また、上記他の目的を実現するべく、上述した密閉型二次電池を単電池として複数備える組電池が提供される。即ち、ここに開示される組電池は、前記複数の単電池が、隣接する単電池間において前記幅広面がそれぞれ対向するようにして一方向に配列されており、且つ、該配列された各単電池の前記幅広面の前記リブ構造が形成された位置に所定の拘束圧がかけられた状態で該配列方向に拘束されている。
上述のとおり、ここに開示される電池ケースを用いることによって、振動による電極体のずれが起こり難い密閉型二次電池および組電池が提供される。

密閉型二次電池の一例を模式的に示す平面図である。 図１に示す密閉型二次電池を模式的に示す縦断面図である。 組電池の一例を模式的に示す斜視図である。 図１中のＩＶ－ＩＶ線に沿った模式部分断面図である。 リブの形状の一例を模式的に示す説明図である。 リブの形状の他の一例を模式的に示す説明図である。 リブの形状の他の一例を模式的に示す説明図である。 リブの形状の他の一例を模式的に示す説明図である。

以下、適宜図面を参照しながら、ここに開示される密閉型二次電池の好適な一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。ここに開示される電池ケースは、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、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。図面中の符号Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ、電池ケースの幅方向、電池ケースの厚さ方向、電池ケースの高さ（鉛直）方向を意味するものとする。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、電池ケースの設置態様を何ら限定するものではない。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。

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、以下の実施形態においては、正極シートおよび負極シートがセパレータを介して捲回された、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。例えば、正極シートと負極シートとがセパレータを介在させつつ相互に複数重なり合った積層構造を有する積層構造電極体も好ましく適用される。

図１は、密閉型二次電池１００を模式的に示す平面図である。密閉型二次電池１００は、扁平形状の電極体７０と、絶縁フィルム１０と、電解液（図示せず）と、六面体構造の箱型電池ケース２０と、を備えている。

電池ケース２０は、一対の幅広面２４と、該一対の幅広面の間にある複数の矩形状の側面とから構成される、六面箱型形状の電池ケースである。本明細書においては便宜上、一対の幅広面２４を除く、４つの側面のうち、電池の通常の使用状態における上端部に相当する面が蓋体２２を構成しており、該蓋体２２に対向する面を底面２８、該底面２８の短辺に沿った一対の側面を幅狭面２６とする。すなわち、蓋体２２を除く二つの幅広面２４と、二つの幅狭面２６と、底面２８とにより、電池ケース本体２１が構成される。電池ケース２０の各寸法は、電極体７０、絶縁フィルム１０、電解質といった電池ケース内に収容される部材が収容可能であれば、特に限定されない。電極体７０および絶縁フィルム１０等を収容可能であり、且つデッドスペースが小さい電池ケース２０が好ましい。電池ケース２０の材質は、高強度であり軽量で熱伝導性が良い金属製材料が好ましく、このような金属材料として、例えば、アルミニウムやスチール等が挙げられる。

かかる電池ケース本体２１は、２以上のケース部材が相互に接合されて構成されていてもよい。例えば、図１に示すように、一方の幅広面２４と、該幅広面２４に接する一対の幅狭面２６と、底面２８との半分の容積を有する第一部材と、他方の幅広面２４と、該幅広面２４に接する一対の幅狭面２６と、底面２８との残りの半分の容積を有する第二部材（典型的には第一部材と第二部材とは対称形状である）が、相互に溶接されて（図１に示す溶接線７５参照）、構成されていてもよい。かかる形状によると、後述するリブ構造９０をあらかじめ形成してから電池ケース２１を構築することが可能である。したがって、従来の深絞り加工による電池ケース２１にリブ構造９０を形成する場合と比べて、簡便に、且つ様々な形状パターンのリブ構造９０を形成することができる。
なお、図１において、電極体７０や絶縁フィルム１０といった電池ケース２０に収容される部材は、説明のために図示を省略している。

蓋体２２には外部接続用の正極端子３２および負極端子３４と、電池ケース２０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁２９とが設けられている。また、蓋体２２には、電解質を注液するための注液口（図示せず）が設けられている。

図２に示すように、電極体７０は、長尺シート状の正極４０と、長尺シート状の負極５０と、セパレータ６０とを備えている。かかる電極体７０は、上述した長尺シート状の正極４０および負極５０が、セパレータ６０を介在させつつ積層され、捲回軸を中心として捲回された捲回電極体である。

正極４０には、正極集電体４０ａと、その片面もしくは両面に固着された正極活物質層４０ｂとを備えている。正極集電体４０ａの幅方向（Ｘ方向）片側の縁部には、該縁部に沿って帯状に正極活物質層４０ｂが形成されずに正極集電体が露出した部分（即ち、正極活物質層非形成部分４０ｃ）が設けられている。正極活物質層非形成部分４０ｃには、集箔集電用の正極集電板４２が付設されている。電極体７０の正極４０は、正極集電板４２を介して、正極端子３２と電気的に接続されている。
正極活物質層４０ｂに含まれる材料については、非水電解質二次電池において一般的に使用され得るものを特に制限なく使用することができるため詳しい説明は省略する。

負極５０には、負極集電体５０ａと、その片面もしくは両面に固着された負極活物質層５０ｂとを備えている。負極集電体５０ａの幅方向（Ｘ方向）片側の縁部には、該縁部に沿って帯状に負極活物質層５０ｂが形成されずに負極集電体が露出した部分（即ち、負極活物質層非形成部分５０ｃ）が設けられている。負極活物質層非形成部分５０ｃには、集箔集電用の負極集電板５２が付設されている。電極体７０の負極５０は、負極集電板５２を介して、負極端子３４と電気的に接続されている。
正極活物質層５０ｂに含まれる材料については、非水電解質二次電池において一般的に使用され得るものを特に制限なく使用することができるため詳しい説明は省略する。

電池ケース２０の内部に収容されている電解質の構成については従来と同様でよく、特に限定されない。例えば、電解質は非水系溶媒と支持塩とを含有する非水系の液状電解質（非水電解液）であり得るが、一般的に使用され得るものを特に制限なく使用することができるため詳しい説明は省略する。

絶縁フィルム１０は、電池ケース２０と電極体７０とを隔離するように、電池ケース２０の内壁と電極体７０との間に配置される。かかる絶縁フィルム１０によって発電要素である電極体７０と電池ケース２０との接触が回避され、電極体７０と電池ケース２０との絶縁を確保することができる。

絶縁フィルム１０の形状は、電極体７０と電池ケース２０とを絶縁可能であれば特に限定されない。例えば、絶縁フィルム１０は、電極体７０の形状に対応して、上端側が開口した有底の袋状に形成されており、かかる開口を介して電極体７０をその内部に収容し得る。絶縁フィルム１０の材質は、絶縁部材として機能し得る限り特に制限はない。例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂材料が挙げられる。絶縁フィルム１０は、単層構造であっても多層構造であってもよい。

図３は、組電池２００を模式的に示す斜視図である。組電池２００は、複数の密閉型二次電池１００と、複数のスペーサ８０と、を備える。また、組電池２００は、拘束機構を備えている。具体的に例えば、組電池２００は、図示されるように、一対のエンドプレート８２Ａ、８２Ｂと、拘束バンド８４と、複数のビス８６と、を備えている。一対のエンドプレート８２Ａ、８２Ｂは、所定の配列方向Ｙにおいて、組電池２００の両端に配置されている。拘束バンド８４は、一対のエンドプレート８２Ａ、８２Ｂを架橋するように取り付けられている。複数の密閉型二次電池１００は、配列方向Ｙに配列されている。複数のスペーサ８０は、配列方向Ｙにおいて、隣り合った２つの密閉型二次電池１００の間に配置されている。また、２つの端部スペーサ８８が、密閉型二次電池１００とエンドプレート８２Ａの間、および密閉型二次電池１００とエンドプレート８２Ｂとの間にそれぞれ配置されている。なお、密閉型二次電池１００の数は２個以上である限り特に制限されない。組電池２００が２個の密閉型二次電池１００を備える場合には、スペーサ８０は１つとなる。

隣り合う密閉型二次電池１００の正極端子３２と負極端子３４とは、バスバー３６で電気的に接続されている。このことにより、組電池２００は直列に電気接続されている。ただし、組電池２００を構成する密閉型二次電池１００の形状、サイズ、個数、配置、接続方法等はここに開示される態様に限定されることなく、適宜変更することができる。

図４は、図１中のＩＶ‐ＩＶ線に沿った模式部分断面図である。なお、図４中の二点鎖線は、電極体７０と絶縁フィルム１０とが電池ケース２０に収容されていることを仮想的に示している。図示例では、電池ケース２０の一対の幅広面２４には、複数のリブ構造９０が備えられている。該リブ構造９０は、絶縁フィルム１０と接触可能に形成されている。

組電池２００は上記の通り拘束されているため、電池ケース２０は拘束荷重によって押圧されている。幅広面２４のうち、拘束圧がかかる拘束領域Ｗ１を図２に二点鎖線で仮想的に示している。幅広面２４のうち、拘束領域Ｗ１以外の（即ち、拘束圧がかからない）領域を非拘束領域Ｗ２とする。リブ構造９０は拘束領域Ｗ１に形成されるように設計されている。かかる構成によれば、上述した組電池２００を構築する際に、密閉型二次電池１００が拘束されることで、リブ構造９０と絶縁フィルム１０とが当接する。これにより、絶縁フィルム１０が所定の位置からずれることが防止できる。

リブ構造９０は上述したように、拘束領域Ｗ１に形成されている。拘束圧が付加される領域にリブ構造９０を形成することで断面性能を向上させ、該拘束領域Ｗ１の剛性を高めるという効果が実現される。かかる構成によれば、電池ケース２０を従来の強度を保ったままより薄くすることができ、電池ケース２０のさらなる軽量化が可能である。

リブ構造９０は、Ｚ方向（鉛直方向）以外の方向に延伸するように形成されている。例えば、底面２８に対して斜め方向、もしくは、底面２８に対して平行方向に延伸するように形成されている。ここで、底面２８に対して斜め方向とは、底面２８に対して角度１度以上開いた斜め方向、より好ましくは、底面２８に対して角度２０度以上開いた斜め方向である。

図５は、本実施形態に係るリブ構造９０の形状例を示したものである。図示例では、リブ構造９０は、所定のパターンで配列された筋状やドット状に形成されているが、リブ９０の形状はこれに限られたものではない。図５Ａ～図５Ｄ中の形状は、リブ構造９０とリブ構造９０の間に形成された溝部９２とから形成されている。

リブ構造９０が複数の筋状に形成されるときは、二方向以上に延伸するように形成されていてもよい。より好ましくは、所定の一の方向に延伸する筋状のリブ構造と別の方向に延伸する筋状のリブ構造とが交差するように形成されていている。例えば、図５Ａのように井桁状に形成されていてもよく、図５Ｂのように金網状に形成されていてもよい。
なお、本実施形態における複数のドット状とは、図５Ｃのような模様を想定しているが、ドットの大きさやドット間の距離はこれに限られたものではない。

筋状に形成されるリブ構造９０は、直線状に限られない。例えば、図５Ｄのような波板状であってもよいし、途中で屈曲していてもよい。

図５においては、リブ構造９０の形状について具体例を挙げて説明したが、かかる実施形態は例示にすぎず、本発明を限定することを意図したものではない。例えば、リブ構造９０は図示例にない形状で形成されていてもよいし、図５Ａ～図５Ｄの形状が混合されて形成されていてもよい。

以上のように構成される密閉型二次電池用電池ケースは、リブ構造９０と絶縁フィルム１０とが当接することで、振動による該フィルムのずれを防止する。また、電池ケース２０を二以上の部材から構成することで、電池ケース内部への加工が従来よりも簡便な方法で行うことが可能である。これにより、電極体７０が所定の位置からずれることを防止する密閉型二次電池を、より低コスト且つ簡便な方法で提供することができる。
加えて、リブ構造９０を拘束領域Ｗ１に形成することで、該拘束領域Ｗ１の剛性を高めることができ、電池ケース２０をより軽量化できるという効果も奏する。

密閉型二次電池用電池ケースを備える密閉型二次電池１００は、各種用途に利用可能である。例えば、密閉型二次電池１００を複数有する組電池２００は、車両に搭載されるモーター用の高出力動力源（駆動用電源）として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等が挙げられる。また、組電池２００は、産業用または家庭用の電力貯蔵装置に用いることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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 絶縁フィルム
２０ 電池ケース
２１ 電池ケース本体
２２ 蓋体
２４ 幅広面
２６ 幅狭面
２８ 底面
２９ 安全弁
３２ 正極端子
３４ 負極端子
４０ 正極シート
４０ａ 正極集電体
４０ｂ 正極活物質層
４０ｃ 正極活物質層非形成部分
５０ 負極シート
５０ａ 負極集電体
５０ｂ 負極活物質層
５０ｃ 負極活物質層非形成部分
６０ セパレータ
７０ 電極体
７５ 溶接部
８０ スペーサ
８２Ａ エンドプレート
８２Ｂ エンドプレート
８４ 拘束バンド
８６ ビス
８８ 端部スペーサ
９０ リブ構造
９２ 溝部
１００ 密閉型二次電池
２００ 組電池
Ｗ１ 拘束領域
Ｗ２ 非拘束領域

Claims (5)

1. 正極および負極を備える電極体と、該電極体を包囲する絶縁フィルムと、を内部に密閉可能に収容する密閉型二次電池用の電池ケースであって、
   底面と、一対の矩形状の幅広面と、該一対の幅広面の間にある複数の矩形状の側面とから構成される六面箱型形状に形成されており、
   前記一対の幅広面におけるケース内面側には、ケース内部に収容された状態の前記フィルムが接触可能な位置において、該位置に接触した状態の該フィルムが該位置からずれることを防止するリブ構造が形成されており、
   前記リブ構造は、ドット状リブによって構成されている、電池ケース。
2. 前記電池ケースは、前記リブ構造を有する前記一対の幅広面を一つずつ有する二つのケース部材を少なくとも包含する二以上のケース部材が相互に接合されて構成されている、請求項１に記載の電池ケース。
3. 前記電池ケースは、前記リブ構造を有する前記一対の幅広面を一つずつ有する二つのケース部材によって構成されており、該一対の幅広面の間にある複数の側面において相互に接合されて構成されている、請求項２に記載の電池ケース。
4. 密閉型二次電池であって、
   正極および負極を備える電極体と、
   前記電極体を包囲する絶縁フィルムと、
   前記電極体と前記フィルムとを収容する電池ケースであって、一対の矩形状の幅広面と、該一対の幅広面の間にある複数の矩形状の側面とから構成される六面箱型形状に形成された電池ケースと、
   を備えており、
   前記電池ケースとして、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池ケースが用いられている、密閉型二次電池。
5. 請求項４に記載の密閉型二次電池が単電池として複数個用いられて構築された組電池であって、
   前記複数個の単電池は、隣接する単電池間において前記幅広面がそれぞれ対向するようにして一方向に配列されており、且つ、該配列された各単電池の前記幅広面の前記リブ構造が形成された位置に所定の拘束圧がかけられた状態で該配列方向に拘束されている、組電池。
   

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