JP7414129B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は二次電池に関する。特に、本発明は、セパレータを介して積層された正極および負極を含む電極構成層を含んで成る電極組立体を備えた二次電池に関する。
二次電池は、いわゆる蓄電池ゆえ充電および放電の繰り返しが可能であり、様々な用途に用いられている。例えば、携帯電話、スマートフォンおよびノートパソコンなどのモバイル機器に二次電池が用いられている。
二次電池としては、例えば、有底筒状の金属製の外装缶と封口蓋とからなる外装体を用いて、外装缶内に電極組立体を収納し、外装缶の開口部を封口蓋でカシメ加工により封口し、外装缶と封口蓋のそれぞれが外部出力端子を兼ねる二次電池が知られている。しかしながら、カシメ加工で形成される封止部の体積を小さくするのは困難であり、外装体の中に収納される電極組立体の体積が制限されるという問題がある。
これに対し、二次電池の封止部の体積を小さくすることで無駄な空間を減らし、体積エネルギー密度をさらに向上させるという観点から、外部出力端子の構造に関し、様々な提案がなされている。例えば、特許文献1には、有底筒状のケース本体の底部に挿通孔を設ける一方、底部の外表面にシール部材を介して、平板状電極端子部材を設けた密閉型蓄電装置が記載されている。また、特許文献2には、外装体にラミネート部材を用い、電極組立体の外周に封止部を設ける一方、ラミネート部材を貫通する電極を外部出力端子に用いる電気化学セルが記載されている。
特開2019-46639号公報 特許第6284248号
特許文献1には、ニッケル板からなる平板状の電極端子部材を正極端子として用いることが記載されている。しかし、ニッケル板を正極端子に用いた場合、電解液に接触することでニッケル板が腐食し、外部機器との電気的接続が困難になるという問題がある。また、特許文献2では、正極端子としては、中央部にニッケル板を溶接したアルミニウム板を用い、ニッケル板が外部に露出するように、ラミネート部材の内側に、封止材を介してアルミニウム板を融着している。特許文献2において、ニッケル板は直接電解液と接触する可能性は低いが、中央部にニッケル板を溶接したアルミニウム板を用いる必要があり、工数や部品点数が増加するという問題がある。また、ラミネート部材の貫通孔に合わせてニッケル板を位置合わせする工程が必要であり、さらに工数の増加をもたらす。
そこで、本発明では、ニッケルを外部出力端子に用いた場合でも、電解液との接触による外部出力端子の腐食を抑制可能で、製造がより容易な二次電池を提供することを目的とした。
上記の課題を解決するため、本発明の二次電池は、
電極組立体と、前記電極組立体を収納する収容空間を有する外装体と、前記外装体から露出した正極端子と、を備える二次電池であって、
前記正極端子は、ニッケルからなる第1金属層とニッケル以外の金属からなる第2金属層とを有し、
前記正極端子の前記第1金属層は前記外装体から露出しつつ、前記第1金属層は前記外装体の内壁に絶縁材を介して固定される固定面を有し、かつ、前記第1金属層の前記固定面以外の面にも前記絶縁材が当接している、ことを特徴とする。
本開示において上記の二次電池を「本開示の二次電池」と称する場合もある。
本発明によれば、ニッケルを外部出力端子に用いた場合でも、電解液との接触による外部出力端子の腐食を抑制可能で、製造がより容易な二次電池を提供することが可能となる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでなく、また、付加的な効果があってもよい。
実施の形態1に係る二次電池の形状の一例を示す模式斜視図である。 電極組立体の構成を模式的に示す断面図である(図2(A):非巻回の平面積層型構造の電極組立体、図2(B):巻回積層型構造の電極組立体)。 図1に示す二次電池の模式断面図である。 図3の部分拡大模式断面図であり、外部出力端子の構造の一例を示す。 実施の形態2に係る二次電池における外部出力端子の構造の一例を示す部分拡大模式断面図である。 実施の形態3に係る二次電池における外部出力端子の構造の一例を示す部分拡大模式断面図である。 本発明に係る二次電池の形状の別の例を示す模式斜視図である。 本発明に係る二次電池の形状の別の例を示す模式斜視図である。 本発明に係る二次電池の形状の別の例を示す模式斜視図である。
以下では、本発明の一実施形態に係る二次電池について、必要に応じて図面等を参照して説明を行う。図面における各種の要素は、本発明の理解のために模式的かつ例示的に示したにすぎず、外観および/または寸法比などは実物と異なり得る。
本明細書で直接的または間接的に説明される「断面視」は、基本的には、二次電池を構成する電極組立体または電極構成層の積層方向または重ねる方向に沿って二次電池を切り取った仮想的な断面に基づいている(図3参照)。同様にして、本明細書で直接的または間接的に説明される“厚み”の方向は、基本的には、二次電池を構成する電極材の積層方向に基づいている。例えばボタン形またはコイン形などの形状の「板状に厚みを有する二次電池」でいえば、“厚み”の方向は、かかる二次電池の板厚方向に相当する。本明細書で用いる「平面視」または「平面視形状」とは、かかる厚みの方向(すなわち、上記の積層方向)に沿って対象物を上側または下側からみた場合の見取図に基づいている。
また、本明細書で直接的または間接的に用いる“上下方向”および“左右方向”は、それぞれ図中における上下方向および左右方向に相当する。特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材もしくは部位または同じ意味内容を示すものとする。ある好適な態様では、電極組立体の積層方向が上下方向に相当し得るところ、鉛直方向下向き(すなわち、重力が働く方向)が「下方向」に相当し、その逆向きが「上方向」に相当すると捉えることができる。
本明細書で言及する各種の数値範囲は、「未満」や「より多い/より大きい」などの特段の用語が付されない限り、下限および上限の数値そのものも含むことを意図している。
本明細書でいう「二次電池」は、充電および放電の繰り返しが可能な電池のことを指している。従って、本発明の一実施形態に係る二次電池は、その名称に過度に拘泥されるものでなく、例えば蓄電デバイスなども対象に含まれ得る。なお、以下の説明では、二次電池の中でも非水電解質二次電池、具体的にはリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明する。
実施の形態1
図1は、本発明の実施の形態1に係る二次電池の形状の一例を示す模式斜視図であり、ボタン形またはコイン形の二次電池100の例を示している。二次電池100は、電極組立体(不図示)と、電極組立体を収納することができる収容空間を有する外装体50と、外装体50から露出した正極端子(不図示)とを備えている。外装体50は、外部出力端子用の孔部55(以下、端子孔ともいう)を有している。電極組立体は、正極、負極及びセパレータを含む電極構成層が積層された構造を有する。
図2は、電極組立体の構造の一例を示す模式断面図である。正極1と負極2とはセパレータ3を介して積み重なって電極構成層5を成しており、かかる電極構成層5が少なくとも1つ以上積層して電極組立体10が構成されていてよい。
電極組立体10の構造は、例えば図2(A)に示すように電極構成層5が平面状に積層した平面積層型構造でもよい。あるいは例えば図2(B)に示すように電極構成層5が巻回状に巻かれた巻回積層型構造(例えばジェリーロール構造)でもよい。
換言すると、電極組立体10は、例えば図2(A)に示すように、電極構成層5が互いに積み重なるように積層した平面積層型構造を有していてよい。あるいは、電極組立体10は、例えば図2(B)に示すように、帯状に比較的長く延在する電極構成層5がロール状に巻回された巻回積層型構造を有していてもよい。
尚、図2(B)は、電極組立体の巻回積層型構造を例示するに過ぎず、図2(B)に示す断面を「上方向」または「下方向」にして電極組立体を外装体内に配置してもよい。
ここで、巻回積層型構造とは、正極、負極および正極と負極との間に配置されたセパレータを含む電極構成層がロール状に巻回した巻回構造を指す。二次電池ではこのような電極組立体が電解質(例えば非水電解質)と共に外装体に封入されていてよい。なお、電極組立体の構造は必ずしも平面積層型構造(図2(A)参照)または巻回積層型構造(図2(B)参照)に限定されない。例えば、電極組立体は、正極、セパレータおよび負極を長いフィルム上に積層してから折り畳んだ、いわゆるスタック・アンド・フォールディング型構造を有していてもよい。
図3は、図1に示す二次電池の模式断面図である。二次電池100は、外装体50の収容空間に電極組立体10が収納されて構成されている。外装体50は、カップ状部材52と、カップ状部材52の開口部を封口することができる蓋状部材54とから構成されていてよく、内壁56と外壁57とを有する。カップ状部材52は、上面(又はカップの底部または底面)と、上面の外周に形成された側面を有する容器形状を有する部材であってよく、上面には第1外部出力端子60を外部に露出させる孔部55を有していてよい。電極組立体10の正極および負極の一方の電極から引き出された第1タブ11は、第1外部出力端子60に接続されていてよい。また、他方の電極から引き出された第2タブ12は、外装体50に接続されていてよく、外装体50が第2外部出力端子を兼ねていてよい。第1外部出力端子60は、例えば、正極端子62と絶縁材64とから構成されていてよく、孔部55の周囲に設けられた絶縁材64を介して正極端子62が外装体50の内壁56に固定されていてよい。
図4は、図3における第1外部出力端子60(図3の破線で囲んだ部分を参照のこと)の構造を示すための部分拡大模式断面図である。外装体50の内側であって、カップ状部材52の上面に設けられた孔部55の周囲に、例えば端子部材として正極端子62が絶縁材64を介して外装体50の内壁56に固定されていてよい。正極端子62は、例えば、ニッケル層からなる第1金属層と、ニッケル以外の金属からなる第2金属層とから構成され得る少なくとも2層の積層金属層を含んでいてよい。図4では、正極端子62が、2層の積層金属層、すなわち第1金属層62aと第2金属層62bとからなる例を示している。第1金属層62aは、外装体50の孔部55から露出しつつ、外装体50の内壁56に絶縁材64を介して固定され得る固定面63を有し、かつ固定面63以外にも絶縁材64が第1金属層62aに当接している。また、第2金属層62bは、第1金属層62aの固定面63の反対側面に位置していてよい。ここで、正極端子が平板形状を有する場合、固定面は正極端子の平板面に位置していてよく、正極端子の固定面以外の面は正極端子の側面に位置していてよい。
外部出力端子は、二次電池において外部機器との接続に供することができる金属部材を含んでいてよい。図4では、第1外部出力端子60を構成し得る正極端子が2層の積層金属層からなる例を示したが、本発明では、正極端子は、少なくとも2層の金属層が積層されていればよい。正極端子は、少なくとも、絶縁材側の第1金属層と、この第1金属層と接して、第1金属層の固定面の反対側面に、あるいは絶縁材の反対側に、位置し得る第2金属層とから構成されていてよい。第1金属層が外部機器と直接接する層であってよい。本発明では第1金属層としてニッケル層を用いることが好ましい。第2金属層は、電極組立体の正極から引き出された正極タブを接続することができる層であり、所定の電位がかかった際に、第1金属層の金属、例えばニッケルよりも腐食性が低い金属を用いることができる。第2金属層には、例えばアルミニウムを含んで成る層を用いることができる。2層からなる積層金属層の例としては、ニッケルとアルミニウムとの積層複合材(クラッド材ともいう)を用いることができる。このようなクラッド材では、ニッケル層の厚さは100μm以上150μm以下、アルミニウム層の厚さは100μm以上150μm以下である。また、3層以上の積層金属層の例としては、例えば、第1金属層と第2金属層との間に位置し得る1層以上の第3金属層を配置した例や、第2金属層と接し、絶縁材の反対側に位置し得る1層以上の第4金属層を配置する例を挙げることができる。加えて、第1金属層と絶縁材との接合界面には1μm以下の表面処理層を有していてもよい。例としては、第1金属層を100μm以上150μm以下のニッケル層、第2金属層を100μm以上150μm以下のアルミニウム層としてよく、例えばニッケル層と絶縁材との界面にその接合力を向上させるための表面処理材が具備された場合を挙げることができる。表面処理材は、例えばクロムを含む材料であり、接合界面の接合力の向上を目的に用いられるため、その厚みは上記の通り1μm以下でよい。また表面処理材の形成状態は層状に限らず、第1金属層と絶縁材との接合界面の第1金属層の表面にまばらに分布した状態でもよい。正極端子の形状は平板状であることが好ましい。なお、平板状とは、薄い板であればよく、湾曲していてもよく、また、一部の厚みが異なっていてもよい。また、本発明では、外装体が第2外部出力端子(負極端子)を兼ねていてよい。そのため、負極端子の端子部材は、上記のように、ステンレスやアルミニウムを用いることができる。
この実施形態では第1外部出力端子は正極端子であるが、第1外部出力端子は負極端子であってもよく、第2外部出力端子が正極端子であってもよい。
また、絶縁材(以下、「絶縁部材」または「シール部材」とも称される)は、外装体と端子部材との間に介在し、それらの間の“絶縁”に寄与することができる部材である。絶縁材は、“絶縁性”を呈するのであればその種類に特に制限はない。好ましくは、絶縁材は、“絶縁性”だけでなく、“融着性”(又は熱接着性)を有することが好ましい。本発明では、絶縁材は第1金属層の固定面を外装体の内壁に固定し得るように配置され得るとともに、第1金属層の固定面以外の面にも当接し得るように構成されていてよい。上記の通り、正極端子が平板形状を有する場合、固定面は正極端子の平板面に位置し、正極端子の固定面以外の面は正極端子の側面に位置していてよい。そのため、正極端子が平板形状を有する場合、絶縁材は、固定面以外の面として、正極端子の側面に当接してよい。例えば、絶縁材は、正極端子を露出させることができる孔部を有する中央部と、断面視で第1金属層の固定面または側面よりも外装体の収容空間側にせり出したせり出し部とを有し、せり出し部が第1金属層の側面外周に沿って延在するように構成され得る。ここで、せり出し部が第1金属層の側面外周に沿って延在することで、せり出し部が絶縁材と第1金属層との境界部分を少なくとも被覆することができる。これにより、境界部分の第1金属層のニッケルが電解液との接触により腐食することをさらに抑制でき、さらには、境界部分から浸み込んだ電解液により、絶縁材と接する第1金属層が腐食するのをさらに抑制できる。せり出し部は、絶縁材と第1金属層との境界部分を少なくとも被覆するように、第1金属層の側面外周に沿って延在するが、さらに第1金属層の側面の外周全面に沿って延在してもよく、さらに正極端子の側面の外周全面に沿って延在してもよい。これにより、第1金属層のニッケルの腐食をさらに抑制することが可能となる。なお、せり出し部のせり出し長さ(突出長さ)は特に限定されない。
絶縁材としては、例えば、樹脂材料またはエラストマー材料、ガラス材料を含んで成るものを用いることができる。
樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、好ましくは熱融着性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂、なかでも熱融着性樹脂としては、例えば、ポリエチレンおよび/またはポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、好ましくはポリプロピレンおよびその共重合体などを挙げることができる。絶縁材としては、例えば、熱可塑性樹脂、好ましくは熱融着性樹脂の単一層フィルムや、熱可塑性樹脂、好ましくは熱融着性樹脂を含む多層フィルムを用いることができる。多層フィルムの例としては、中間層となる高融点樹脂層の両面を低融点樹脂層(例えば、熱可塑性樹脂、好ましくは熱融着性樹脂層)でサンドイッチした多層熱可塑性フィルム、好ましくは多層熱融着性フィルムを挙げることができる。
また、エラストマー材料にはポリエステル系熱可塑性エラストマーなどを挙げることができる。
さらに、ガラス材料には、ホウ酸塩系、ケイ酸塩系、ゲルマネート系、バナデート系、リン酸塩系等の低融点の酸化物系ガラスを挙げることができる。
絶縁材はフィルム形態を有していてよい。つまり、絶縁材は膜形態、即ち、薄い形態を有していてよい。例えば、最終形状に近い形態を有するフィルム状の絶縁材前駆体を用いて絶縁材が設けられてもよい。
別の切り口で捉えると、絶縁材は、絶縁性を呈する接着剤の成分を含んでいてもよい。かかる接着剤としては、例えば、アクリル酸エステル共重合体等のアクリル系接着剤、天然ゴム等のゴム系接着剤、シリコーンゴム等のシリコーン系接着剤、ウレタン樹脂等のウレタン系接着剤、α-オレフィン系接着剤、エーテル系接着剤、エチレン-酢酸ビニル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、塩化ビニル樹脂系接着剤、クロロプレンゴム系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、水性高分子-イソシアネート系接着剤、スチレン-ブタジエンゴム系接着剤、ニトリルゴム系接着剤、ニトロセルロース系接着剤、反応性ホットメルト系接着剤、フェノール樹脂系接着剤、変性シリコーン系接着剤、ポリアミド樹脂系接着剤、ポリイミド系接着剤、ポリウレタン樹脂系接着剤、ポリオレフィン樹脂系接着剤、ポリ酢酸ビニル樹脂系接着剤、ポリスチレン樹脂溶剤系接着剤、ポリビニルアルコール系接着剤、ポリビニルピロリドン樹脂系接着剤、ポリビニルブチラール樹脂系接着剤、ポリベンズイミダソール系接着剤、ポリメタクリレート樹脂系接着剤、メラミン樹脂系接着剤、ユリア樹脂系接着剤、および/またはレゾルシノール系接着剤等を挙げることができる。
絶縁材の平面視形状に特に制限はなく、例えば円形または略円形であってよく、あるいは略四角形などを含む略矩形などの形状であってもよい。
絶縁材は、その平面視形状において、端子部材よりも大きな外形または面積を有していることが好ましい。
絶縁材は、開口部を有するが、その形状や寸法、配置、位置などに特に制限はない。絶縁部に設けられ得る開口部は、外装体に設けられ得る開口部よりもその寸法や面積が小さいことが好ましい。
また、絶縁材は、1層以上であればよく、その層数は特に限定されないが、外装材と端子部材との密着性および/または絶縁性を確保する観点から、多層構成とすることが好ましい。例えば、図4は、絶縁材に樹脂材料を用い、3層の多層フィルムを用いた例を示している。図4に示す絶縁材64は、高融点絶縁性樹脂層を介して2層の低融点樹脂層が積層された多層フィルムからなる。すなわち、外装材52側に配置され得る第1絶縁層64aと、正極端子62側に配置され得る第2絶縁層64bと、中間層として、第1絶縁層64aと第2絶縁層64bとの間に挟持され得る第3絶縁層64cとから構成されていてよい。第1絶縁層64aと第2絶縁層64bは、いずれも低融点樹脂層であってよく、第3絶縁層64cは高融点樹脂層であってよい。低融点樹脂層の融点は150℃以下、好ましくは60℃以上150℃以下である。また、高融点樹脂層の融点は、低融点樹脂層の融点よりも高ければよく、例えば155℃以上250℃以下、好ましくは160℃以上250℃以下である。第1絶縁層64aと第2絶縁層64bは、いずれも好ましくは熱融着性樹脂層であり、例えば、上記のように、ポリオレフィン系樹脂およびその共重合体を用いることができる。また、高融点樹脂層には、例えば、ナイロン等のポリアミド系樹脂を用いることができる。また、絶縁材に用いる多層フィルムの第1絶縁層64aと第2絶縁層64bの厚さは、同じでも異なっていてもよいが、それぞれ10μm以上100μm以下、好ましくは30μm以上50μm以下である。また、第3絶縁層64cの厚さは、10μm以上100μm以下、好ましくは30μm以上50μm以下である。
また、外部出力端子の形成方法は、特に限定されず、いずれの手法であってもよい。例えば、絶縁材として熱融着性樹脂を用いる場合、外装体に設けられた孔部の周囲に絶縁材を介して例えば正極端子を配した後、加熱処理することで外部出力端子を形成することができる。加熱処理で絶縁材を一旦溶融させることで、絶縁材を介して正極端子を外装体に貼り付けることができる。なお、予め溶融させておいた絶縁材を外装体に塗布しておき、その塗布された絶縁材に正極端子を配置することで外部出力端子を形成することもできる。
以下、図4を参照して、さらに詳しく説明する。外装体50のカップ状部材52と正極端子62との間に例えば多層フィルムからなる絶縁材64を配置する。絶縁材64は、加熱処理により、第1絶縁層64aがカップ状部材52の内面に融着し、第2絶縁層64bが正極端子62の第1金属層62aに融着することができる。その際、絶縁材64の中央部641は、正極端子62が上方にめり込むことで厚さが薄くなる一方、せり出し部642には、正極端子62がめり込むことはないので、せり出し部642は、中央部641よりは大きな厚さを維持しながら、正極端子62の第1金属層62aの側面外周に沿って延在することができる。ここで、せり出し部642を構成し得る第1絶縁層64aの融着後の厚みをB1とし、第2絶縁層64bの融着後の厚みをB2とした時、第1絶縁層64aと第2絶縁層64bの融着後の合計厚みB(=B1+B2)が、第1金属層62aの厚みA以上であることが好ましい。第1絶縁層64aと第2絶縁層64bは融着により融着前に比べてその厚さが減少するが、融着後において、第1絶縁層64aと第2絶縁層64bの合計厚みBが、第1金属層62aの厚みA以上であれば、せり出し部642が第1金属層62aの側面外周をより覆いやすくなるからである。これにより、電解液との接触による第1金属層62aの腐食をさらに抑制することができる。さらに、高融点樹脂からなる中間層を含む3層の多層フィルムを用いることで、融着時においても中間層は溶融しないので、絶縁材としての必要な厚みを確保しながら、正極端子を外装材に固定することができ、負極端子を兼ねる外装材との短絡を防ぐことができる。
次に、本実施の形態に係る二次電池を構成する他の部材について説明する。
[二次電池の基本構成]
正極は、少なくとも正極材層および必要に応じて正極集電体から構成されている。正極では例えば正極集電体の少なくとも片面に正極材層が設けられている。正極材層には電極活物質として正極活物質が含まれている。例えば、電極組立体における複数の正極は、それぞれ、正極集電体の両面に正極材層が設けられているものでよいし、あるいは、正極集電体の片面にのみ正極材層が設けられているものでもよい。例えば、正極集電体は、箔形態を有していてよい。つまり、金属箔から正極集電体が構成されていてよい。
負極は、少なくとも負極材層および必要に応じて負極集電体から構成されている。負極では例えば負極集電体の少なくとも片面に負極材層が設けられている。負極材層には電極活物質として負極活物質が含まれている。例えば、電極組立体における複数の負極は、それぞれ、負極集電体の両面に負極材層が設けられているものでよいし、あるいは、負極集電体の片面にのみ負極材層が設けられているものでもよい。例えば、負極集電体は、箔形態を有していてよい。つまり、金属箔から負極集電体が構成されていてよい。
正極材層および負極材層に含まれ得る電極活物質、即ち、正極活物質および負極活物質は、それぞれ、二次電池において電子の受け渡しに直接関与し得る物質であり、充放電、すなわち電池反応を担う正極および負極の主物質である。
より具体的には、「正極材層に含まれ得る正極活物質」および「負極材層に含まれ得る負極活物質」に起因して電解質にイオンがもたらされ得る。かかるイオンが正極と負極との間で移動して電子の受け渡しが行われて充電および/または放電がなされ得る。
正極材層および負極材層は特にリチウムイオンを吸蔵放出可能な層であってよい。つまり、本発明の一実施形態に係る二次電池は、非水電解質を介してリチウムイオンが正極と負極との間で移動して電池の充放電が行われ得る非水電解質二次電池となっていてよい。
充放電にリチウムイオンが関与する場合、本発明の一実施形態に係る二次電池は、いわゆる“リチウムイオン電池”に相当し得る。リチウムイオン電池は、正極および負極がリチウムイオンを吸蔵放出可能な層を有する。
正極材層の正極活物質は、例えば、粒状体から構成され得るところ、粒子同士のより十分な接触と形状保持のためにバインダーが正極材層に含まれていてよい。電池反応を推進する電子の伝達をより円滑にするために導電助剤が正極材層に含まれていてもよい。
負極材層の負極活物質は、例えば、粒状体から構成され得るところ、粒子同士のより十分な接触と形状保持のためにバインダーが負極材層に含まれていてよい。電池反応を推進する電子の伝達をより円滑にするために導電助剤が負極材層に含まれていてもよい。
このように、複数の成分が含有されて成る形態ゆえ、正極材層および負極材層はそれぞれ“正極合材層”および“負極合材層”などと称すこともできる。
正極活物質は、例えば、リチウムイオンの吸蔵放出に資する物質であってよい。かかる観点でいえば、正極活物質は、例えばリチウム含有複合酸化物であってよい。より具体的には、正極活物質は、リチウムと、コバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄から成る群から選択される少なくとも1種の遷移金属とを含むリチウム遷移金属複合酸化物であってよい。
つまり、本発明の一実施形態に係る二次電池の正極材層においては、そのようなリチウム遷移金属複合酸化物が正極活物質として含まれていてよい。例えば、正極活物質は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、または、それらの遷移金属の一部を別の金属で置き換えたものであってよい。
このような正極活物質は、単独種として含まれてよいものの、二種以上が組み合わされて含まれていてもよい。
正極材層に含まれ得るバインダーとしては、特に制限されるわけではないが、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド-テトラフルオロエチレン共重合体およびポリテトラフルオロエチレンなどから成る群から選択される少なくとも1種を挙げることができる。
正極材層に含まれ得る導電助剤としては、特に制限されるわけではないが、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックおよびアセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブおよび気相成長炭素繊維等の炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウムおよび銀等の金属粉末、ならびに、ポリフェニレン誘導体などから選択される少なくとも1種を挙げることができる。
正極材層の厚み寸法は、特に制限されるわけではないが、1μm以上300μm以下であってよく、例えば、5μm以上200μm以下である。正極材層の厚み寸法は二次電池内部での厚みであり、任意の10箇所における測定値の平均値を採用してよい。
負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵放出に資する物質であってよい。かかる観点でいえば、負極活物質は、例えば、各種の炭素材料、酸化物、および/または、リチウム合金、金属リチウムなどであってよい。
負極活物質の各種の炭素材料としては、黒鉛(具体的には天然黒鉛および/または人造黒鉛など)、ハードカーボン、ソフトカーボン、ならびに/またはダイヤモンド状炭素などを挙げることができる。特に、黒鉛は電子伝導性が高く、例えば負極集電体との接着性が優れる。
負極活物質の酸化物としては、酸化シリコン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化リチウムなどから成る群から選択される少なくとも1種を挙げることができる。
このような酸化物は、その構造形態としてアモルファスとなっていてよい。結晶粒界または欠陥といった不均一性に起因する劣化が引き起こされにくくなるからである。
負極活物質のリチウム合金は、リチウムと合金形成され得る金属の合金であればよく、例えば、Al、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、Laなどの金属とリチウムとの2元、3元またはそれ以上の合金であってよい。
このような合金は、その構造形態としてアモルファスとなっていてよい。結晶粒界または欠陥といった不均一性に起因する劣化が引き起こされにくくなるからである。
負極材層に含まれ得るバインダーとしては、特に制限されるわけではないが、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド系樹脂およびポリアミドイミド系樹脂から成る群から選択される少なくとも1種を挙げることができる。
負極材層に含まれ得る導電助剤としては、特に制限されるわけではないが、サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックおよびアセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブおよび気相成長炭素繊維等の炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウムおよび銀等の金属粉末、ならびに、ポリフェニレン誘導体などから選択される少なくとも1種を挙げることができる。
負極材層の厚み寸法は、特に制限されるわけではないが、1μm以上300μm以下であってよく、例えば、5μm以上200μm以下である。負極材層の厚み寸法は二次電池内部での厚みであり、任意の10箇所における測定値の平均値を採用してよい。
正極および負極に用いられ得る正極集電体および負極集電体は、電池反応に起因して電極活物質で発生した電子を集めたり供給したりすることができる部材である。このような電極集電体は、シート状の金属部材であってよい。また、このような電極集電体は、多孔または穿孔の形態を有していてよい。例えば、集電体は、プレート、金属箔、パンチングメタル、網またはエキスパンドメタル等であってよい。
正極に用いられ得る正極集電体は、アルミニウム、ステンレス(SUS)およびニッケル等から成る群から選択される少なくとも1種を含んだ金属箔から成るものであってよい。正極集電体は、例えば、アルミニウム箔であってよい。
負極に用いられ得る負極集電体は、銅、ステンレス(SUS)およびニッケル等から成る群から選択される少なくとも1種を含んだ金属箔から成るものであってよい。負極集電体は、例えば、銅箔であってよい。
本開示において、「ステンレス」(SUS)とは、例えば、「JIS G 0203 鉄鋼用語」に規定されているステンレス鋼のことを指しており、クロムまたはクロムとニッケルとを含有させた合金鋼であってよい。
正極集電体および負極集電体の各厚み寸法は、特に制限されるわけではないが、1μm以上100μm以下であってよく、例えば10μm以上70μm以下である。正極集電体および負極集電体の各厚み寸法は二次電池内部での厚みであり、任意の10箇所における測定値の平均値を採用してよい。
正極および負極に用いられ得るセパレータは、正極と負極との接触による短絡防止および電解質保持などの観点から設けられ得る部材である。換言すれば、セパレータは、正極と負極との間の電子的接触を防止しつつ、イオンを通過させることができる部材であるといえる。
例えば、セパレータは多孔性または微多孔性の絶縁性部材であり、その小さい厚みに起因して、膜形態を有していてよい。あくまでも例示にすぎないが、ポリオレフィン製の微多孔膜がセパレータとして用いられてよい。
セパレータとして用いられ得る微多孔膜は、例えば、ポリオレフィンとしてポリエチレン(PE)のみ又はポリプロピレン(PP)のみを含んだものであってよい。更にいえば、セパレータは、“PE製の微多孔膜”と“PP製の微多孔膜”とから構成され得る積層体であってもよい。セパレータの表面が無機粒子コート層および/または接着層等により覆われていてもよい。セパレータの表面が接着性を有していてもよい。
セパレータの厚み寸法は、特に制限されるわけではないが、1μm以上100μm以下であってよく、例えば2μm以上20μm以下である。セパレータの厚み寸法は二次電池内部での厚み(特に正極と負極との間での厚み)であり、任意の10箇所における測定値の平均値を採用してよい。
なお、本発明において、セパレータは、その名称によって特に拘泥されるべきでなく、同様の機能を有し得る固体電解質、ゲル状電解質、および/または絶縁性の無機粒子などであってもよい。
本発明の一実施形態に係る二次電池では、例えば、正極、負極およびセパレータを含む電極構成層を含んで成る電極組立体が電解質と共に外装体に封入されていてよい。電解質は電極(正極および/または負極)から放出された金属イオンの移動を助力することができる。電解質は有機電解質および/または有機溶媒などを含んで成る“非水系”の電解質であってよく、または水を含む“水系”の電解質であってもよい。
正極および負極が例えばリチウムイオンを吸蔵放出可能な層を有する場合、電解質は、例えば、リチウムイオン含有電解質または有機電解質および/または有機溶媒などを含んで成る“非水系”の電解質(以下、「非水電解質」と称する)であることが好ましい。すなわち、電解質が非水電解質となっていることが好ましい。電解質では電極(正極および/または負極)から放出された金属イオンが存在することになり、それゆえ、電解質は電池反応における金属イオンの移動を助力することができる。
本発明の一実施形態に係る二次電池は、電解質として“非水系”の溶媒と溶質とを含む“非水系”の電解質が用いられた非水電解質二次電池であることが好ましい。電解質は液体状またはゲル状などの形態を有していてよい(なお、本明細書において“液体状”の非水電解質は「非水電解質液」とも称される)。
非水電解質は、非水系の溶媒と溶質とを含む電解質であることが好ましい。具体的な非水電解質の溶媒としては、少なくともカーボネートを含んで成るものであってよい。かかるカーボネートは、環状カーボネート類および/または鎖状カーボネート類であってもよい。
特に制限されるわけではないが、環状カーボネート類としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)およびビニレンカーボネート(VC)から成る群から選択される少なくとも1種を挙げることができる。
鎖状カーボネート類としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジプロピルカーボネート(DPC)から成る群から選択される少なくも1種を挙げることができる。
あくまでも例示にすぎないが、本発明の1つの好適な実施形態では、非水電解質として、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組合せが用いられてよく、例えばエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合物、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合物などを用いてよい。具体的な非水電解質の溶質としては、例えば、LiPFおよび/またはLiBFなどのLi塩などが用いられてよい。
(外装体)
本開示において「外装体」とは、概して、正極、負極およびセパレータを含む電極構成層が積層された電極組立体を包み込む又は収納することができる部材を意味している。例えば、外装体は、ラミネート構造などを有するフレキシブルケースであっても、金属外装体などの非ラミネート構造を有するハードケースであってもよい。
外装体は、非ラミネート構成を有する金属外装体であってよい。かかる場合、外装体は、金属シート/融着層/保護層から成るようなラミネート部材となっていない。つまり、非ラミネート構成となっている。
非ラミネート構成を有する金属外装体は、金属単一部材から成る構成を有していてよい。例えば、かかる金属外装体は、ステンレス(SUS)および/またはアルミニウムなどの金属から成る単一部材であってよい。
尚、本開示における外装体は金属として合金を含んでいてよい。
本開示において「金属単一部材」とは、広義には、外装体がいわゆるラミネート構成を有さないことを意味しており、狭義には、外装体が実質的に金属のみから成る部材となることを意味している。したがって、実質的に金属のみから成る部材となるのであれば、金属外装体の表面に適当な表面処理がなされていてもよい。
例えば、そのような金属外装体をその厚み方向に切断した切断面においては、表面処理などが為されている部分を除き、単一の金属層を確認できる。
また、外装体に設けられ得る開口部の形状や寸法、配置、位置などに特に制限はない。
金属外装体は、比較的薄い厚さを有し得る。例えば、本発明における金属外装体は、その厚さ寸法が50μm以上300μm以下であってよく、例えば、75μm以上200μm以下、50μm以上180μm以下、あるいは、50μm以上170μm以下などであってよい。
このような薄い外装体を用いることで、二次電池の小型化やエネルギー密度の向上に寄与することができる。
外装体は、電気伝導性または導電性を有する外装体であってよく、金属外装体であることが好ましい。このような金属外装体は、カップ状部材と蓋状部材とから構成され得る2パーツ構成を有していてよい。
本開示において「カップ状部材」とは、胴部に相当する側面部とそれに連続する主面部(典型的な態様では、例えばカップの底部または底面)を有して成り、内側に中空部が形成されるような部材を意味している。
本開示において「蓋状部材」とは、そのようなカップ状部材に対して蓋をするように設けられる部材を意味している。蓋状部材は、例えば同一平面状に延在する単一部材(典型的には平板状の部材)であってよい。外装体においては、蓋状部材とカップ状部材の縁部分とが互いに係合または結合または嵌合するように蓋状部材とカップ状部材とが任意に組み合わされてよい。
「カップ状部材」と「蓋状部材」とが溶接処理によって繋ぎ合わされていてよく、それにより、電極組立体の比較的簡易な封入が可能となり得る。
図示する形態では、「カップ状部材」が上方に位置し、「蓋状部材」が下方に位置しているが、「蓋状部材」が上方に位置していてよく、「カップ状部材」が下方に位置していてもよい。その場合、「蓋状部材」に第1外部出力端子が形成されていてよく、「カップ状部材」に第2外部出力端子が形成されていてもよい。
(電極組立体)
「電極組立体」として、従来公知の電極組立体を使用することができ、例えば上記において説明したものを必要に応じて適宜使用すればよい。例えば、図2(A)に示す電極構成層5が平面状に積層した平面積層型構造の電極組立体や、図2(B)に示す電極構成層5が巻回状に巻かれた巻回積層型構造の電極組立体などを使用すればよい。
(タブ)
本開示において「タブ」とは、電極組立体の正極または負極と電気的に接続され得る導電性部材を意味し、電極組立体から突出又は延出している。かかるタブは、端子部材の内側主面に取り付けられることができ、当該端子部材と電極組立体の正極および負極のいずれか一方の電極層との間の電気的接続を担うことができる。このようなタブは、上記で説明した「集電体」(すなわち「正極集電体」および「負極集電体」)から延出していてよく、集電体と同じ材料から一体的に構成されることが好ましい。
本発明において、上記の構成は必要に応じて適宜変更または改変されてよい。
[作用・効果]
以上の通り、本発明の一実施形態に係る二次電池では、絶縁材がせり出し部を有し、せり出し部が、例えば正極端子の、ニッケルからなる第1金属層62aの側面外周に沿って延在し得るので、電解液との接触による第1金属層62aの腐食を抑制することができる。
また、本発明の一実施形態に係る二次電池は、例えば、正極端子を絶縁材を介して外装体の内壁に固定した比較的シンプルな構造であるので、外装缶の開口部を封口蓋でカシメ加工により封口する従来の二次電池に比べて、製造がより容易である。また、正極端子の封止に要するスペースも小さいので、電池小型化、そしてエネルギー密度のさらなる向上にも寄与することができる。また、外装体の内側に正極端子を設けることで、二次電池と接続され得る外部機器側の接続箇所が凸部を有する場合に好適となり、二次電池の設計自由度の向上に寄与することができる。
また、本発明の一実施形態に係る二次電池は、例えば、絶縁材に熱融着性の材料を用いることができるので、例えば正極端子を外装体により容易に貼り付けて固定することができ、正極端子の封止に際しては、端子部材が変形するほどの大きな力は不要である。これにより、正極端子が加圧変形を受けることがないので、正極端子の機械的強度の低下を抑制でき、また加圧変形した正極端子により絶縁材の厚みが薄くなったり、破断することがないので、絶縁安定性を確保することが可能となる。
また、本発明の一実施形態に係る二次電池は、外装体の内壁に例えば正極端子を固定し、外装体を負極端子としているので、二次電池の部品点数を減らすことができる。これにより、セル厚み方向において出力に必要なスペースを、上下面に外部出力端子を設ける場合と比べ半減させることが可能であるので、エネルギー密度のさらなる向上にも寄与することができる。
実施の形態2
図5は、本発明の実施の形態2に係る二次電池における第1外部出力端子の構造の一例を示す部分拡大模式断面図である。本実施の形態に係る二次電池においては、例えば正極端子の構造に関し、絶縁材64の第1絶縁層64aと第2絶縁層64bの厚みが異なり、かつ第2絶縁層64bの厚みB2を正極端子の第1金属層62aの厚みA以上としたこと以外は、実施の形態1と同様の構成を有することができる。本実施の形態では、第2絶縁層64bの厚みを第1金属層62aの厚みA以上とすることで、せり出し部642が第1金属層62aの側面外周をより覆いやすくすることができる。第2絶縁層64bの厚みB2は第1金属層62aの厚みA以上であればよいが、正極端子62の厚みと同じか、それよりも小さいことが好ましい。本実施の形態でも、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。
実施の形態3
図6は、本発明の実施の形態2に係る二次電池における第1外部出力端子の構造の一例を示す部分拡大模式断面図である。例えば正極端子62の外縁部が、絶縁材64から離れる方向に曲げられており、かつ絶縁材64が多層構造に限定されないこと以外は、実施の形態1と同様の構成を有することができる。正極端子62の外縁部が、絶縁材64から離れる方向に曲げられる又は湾曲することで、せり出し部642が第1金属層62aの側面外周をより覆いやすくすることができる。本実施の形態でも、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態は、積層複合材から打ち抜き加工により作製した正極端子を用いることでより好適に実施することができる。すなわち、打ち抜き加工を行うと、被加工物の外縁部が曲げられ、湾曲形状や屈曲形状等の曲げ形状をとり、いわゆるダレが発生する。本実施の形態では、このダレを有する正極端子と絶縁材を重ねることで、せり出し部が第1金属層の側面外周をより覆いやすくすることができる。なお、曲げ形状が、鋭利形状であってもよい。正極端子が絶縁材に食い込みやすくなり、アンカー効果により、正極端子と絶縁材との結合をより向上させることができる。
以上、本発明の一実施形態に係る実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の態様が考えられることを当業者は容易に理解されよう。
図7は、本発明の別の実施形態に係る二次電池の形状の別の例を示す模式斜視図であり、例えば正極端子の外表面にさらに金属部材67を設けた形状を示している。金属部材67を設けることで外部機器との接続がより容易となる。また、金属部材67の高さは、金属部材67の電極組立体側の面(又は上面)と、外装体50の上面(又はカップの底部または底面)とが概ね同一平面上に位置するように設定することが好ましい。外部機器との接続がより一層容易となる。また、金属部材67の材質は、正極端子と同じでも異なっていてもよい。
金属部材67は、正極端子などの端子部材と電気的に接続されていてよく、上記と同様の絶縁材などを介して外装体に取り付けられていてよい。
また、本発明の一実施形態に係る二次電池の形状は、ボタン形あるいはコイン形に限定されず、他の立体形状も可能である。図8は、その一例であり、いわゆる角形形状を有する二次電池の例を示している。また、角形形状は、平面視で、四角形状に限定されず、他の多角形状も可能である。また、角形形状を有する二次電池においても、図9に示すように、例えば正極端子の外表面にさらに金属部材67を設けてもよい。
本開示の二次電池は、その平面視形状が、円形または略円形や角形に限られず、任意の他の幾何学的形状を有していてもよい。同様にして、端子部材および金属部材の形状(特に平面視形状)なども円形や略円形などの形状に限られず、任意の幾何学的形状を有していてよい。
ここでいう「円形」または「略円形」とは、完全な円形(すなわち単に“円”または“真円”)であることに限らず、それから変更されつつも当業者の認識として“丸い形”に通常含まれ得る形状も含んでいる。例えば、円および真円のみならず、その円弧の曲率が局所的に異なるものであってよく、さらには例えば楕円などの円および真円から派生した形状であってもよい。典型的な例でいえば、このような平面視円形を有する電池は、いわゆるボタン形またはコイン形の電池に相当する。
また、上記では、電極組立体が特に平面積層型構造を有することを前提とした図を参照したが、本発明は必ずしも平面積層型構造の電極組立体に限定されない。つまり、平面積層型構造に固有な特徴でない限りは、本発明は巻回型構造の電極組立体が前提となるものであってよく、また、スタック・アンド・フォールディング型構造の電極組立体が前提となるものであってもよい。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の態様が考えられることを当業者は容易に理解されよう。
本開示の二次電池は、蓄電が想定され得る様々な分野に利用することができる。あくまでも例示にすぎないが、本発明の二次電池は、電気・電子機器などが使用され得る電気・情報・通信分野(例えば、携帯電話、スマートフォン、ノートパソコンおよびデジタルカメラ、活動量計、アームコンピューター、電子ペーパー、ウェアラブルデバイス、RFIDタグ、カード型電子マネー、スマートウォッチなどの小型電子機などを含む電気・電子機器分野あるいはモバイル機器分野)、家庭・小型産業用途(例えば、電動工具、ゴルフカート、家庭用・介護用・産業用ロボットの分野)、大型産業用途(例えば、フォークリフト、エレベーター、湾港クレーンの分野)、交通システム分野(例えば、ハイブリッド車、電気自動車、バス、電車、電動アシスト自転車、電動二輪車などの分野)、電力系統用途(例えば、各種発電、ロードコンディショナー、スマートグリッド、一般家庭設置型蓄電システムなどの分野)、医療用途(イヤホン補聴器などの医療用機器分野)、医薬用途(服用管理システムなどの分野)、ならびに、IoT分野、宇宙・深海用途(例えば、宇宙探査機、潜水調査船などの分野)などに利用することができる。
1 正極
2 負極
3 セパレータ
5 電極構成層
10 電極組立体
11 第1タブ
12 第2タブ
50 外装体
52 カップ状部材
54 蓋状部材
55 外装体の孔部
56 外装体の内壁
57 外装体の外壁
60 第1外部出力端子
62 正極端子
62a 第1金属層
62b 第2金属層
63 固定面
64 絶縁材
64a 第1絶縁層
64b 第2絶縁層
64c 第3絶縁層
641 中央部
642 せり出し部
641a 絶縁材の孔部
67 金属部材
100、110、120、130 二次電池

Claims (11)

  1. 電極組立体と、前記電極組立体を収納する収容空間を有する外装体と、前記外装体から露出した正極端子と、を備える二次電池であって、
    前記正極端子は、ニッケルからなる第1金属層とニッケル以外の金属からなる第2金属層とを有し、
    前記正極端子の前記第1金属層は前記外装体から露出しつつ、前記第1金属層は前記外装体の内壁に絶縁材を介して固定される固定面を有し、かつ、前記第1金属層の前記固定面以外の面にも前記絶縁材が当接し
    前記絶縁材は、高融点絶縁性樹脂層を介して2層の低融点樹脂層が積層された多層フィルムからなる、二次電池。
  2. 前記外装体側の前記低融点樹脂層は前記外装体に融着し、前記外装体の反対側に位置する前記低融点樹脂層は前記正極端子に融着している、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記2層の前記低融点樹脂層の合計厚みは、前記第1金属層の厚み以上となる、請求項1または2に記載の二次電池。
  4. 電極組立体と、前記電極組立体を収納する収容空間を有する外装体と、前記外装体から露出した正極端子と、を備える二次電池であって、
    前記正極端子は、ニッケルからなる第1金属層とニッケル以外の金属からなる第2金属層とを有し、
    前記正極端子の前記第1金属層は前記外装体から露出しつつ、前記第1金属層は前記外装体の内壁に絶縁材を介して固定される固定面を有し、かつ、前記第1金属層の前記固定面以外の面にも前記絶縁材が当接し
    前記正極端子は、前記固定面の反対側面に前記第2金属層を有し、前記第2金属層がアルミニウムを含んで成る、二次電池。
  5. 前記正極端子は平板状であり、
    前記正極端子の前記固定面は前記正極端子の平板面に位置し、前記正極端子の前記第1金属層の前記固定面以外の面は前記正極端子の側面に位置しており、
    前記絶縁材は、前記正極端子の前記固定面または前記側面よりも前記収容空間側にせり出したせり出し部を有し、前記せり出し部が前記第1金属層の側面の外周に沿って延在している、請求項1~4のいずれか1項に記載の二次電池。
  6. 前記せり出し部は前記第1金属層の前記側面の外周全面に沿って延在している、請求項記載の二次電池。
  7. 前記正極端子は、前記固定面の反対側面に前記第2金属層を有し、前記第2金属層がアルミニウムを含んで成る、請求項1~のいずれか1項に記載の二次電池。
  8. 前記正極端子の外縁部は、前記絶縁材から離れる方向に曲げられている、請求項1~7のいずれか1項に記載の二次電池。
  9. 前記外装体が金属外装体であり、前記金属外装体がカップ状部材および蓋状部材の2パーツ構成を有して成る、請求項1~8のいずれかに記載の二次電池。
  10. ボタン形またはコイン形の形状を有する、請求項1~9のいずれかに記載の二次電池。
  11. 前記電極組立体の電極として、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極および負極が含まれる、請求項1~10のいずれかに記載の二次電池。
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