JP7813633B2 - 円筒型電池およびバッテリモジュール - Google Patents

円筒型電池およびバッテリモジュール

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Description

本発明は、円筒型電池およびバッテリモジュールに関する。
近年、多くの人々が手頃で信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池の研究開発が実施されている。
特許文献１には、円筒状の電池外装缶と、正極芯体の両面に正極活物質合剤が塗布された正極極板と、負極芯体の両面に負極活物質合剤が塗布された負極極板とがセパレータを間に挟んで互いに絶縁された状態で巻回された巻回電極体と、を有し、巻回電極体が電池外装缶内に収容されている非水電解質二次電池が記載されている。ここで、巻回電極体は、最外周にはセパレータが配置され、セパレータが巻き止めテープで巻回電極体の最外周に固定されている。また、負極極板の最外周側には、負極活物質合剤層が形成されていない負極芯体が配置され、最外周側の負極芯体に負極タブが接続されている。さらに、巻き止めテープと、正極極板の巻き終り端部および負極芯体の巻き終り端部とが重なっていない。
特開２０１０－２１２０８６号公報
全固体二次電池では、固体電解質層および電極の界面抵抗を低くするために、固体電解質層を介して正極および負極が積層されている電極積層体を巻回して巻回電極群を製造する際に押圧するが、電極積層体を均一に押圧するためには、巻回電極群の巻回方向における段差を小さくすることが望まれている。
本発明は、巻回電極群の巻回方向における段差を小さくすることが可能な円筒型電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、円筒型電池において、軸心部材と、前記軸心部材の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群と、前記巻回電極群の巻回方向の前記軸心部材と接していない側の端部を固定している固定部材と、前記巻回電極群および前記固定部材を巻回している外装部材と、を備え、前記固定部材は、前記巻回方向の一方の端部が前記巻回電極群と重なり、前記巻回方向の他方の端部が前記外装部材と重なる。
前記固定部材は、絶縁体であり、前記固定部材の前記軸心部材の軸心方向の長さは、前記巻回電極群の前記軸心部材の軸心方向の長さよりも大きくてもよい。
前記固定部材は、両面テープであり、前記両面テープは、一方の面が前記巻回電極群を固定しており、他方の面が前記外装部材を固定していてもよい。
前記固定部材は、前記巻回方向の前記巻回電極群および前記外装部材の間の領域において、前記巻回電極群の側の厚みが前記外装部材の側の厚みよりも大きい傾斜が形成されていてもよい。
前記外装部材の厚みは、前記電極積層体の厚みよりも小さくてもよい。
前記外装部材の厚みは、前記電極積層体の厚みから前記正極または前記負極の厚みを除いた厚みよりも大きくてもよい。
前記電極積層体は、固体電解質層を介して前記正極および前記負極が積層されていてもよい。
本発明の他の一態様は、バッテリモジュールにおいて、上記の円筒型電池を複数備える。
本発明によれば、巻回電極群の巻回方向における段差を小さくすることが可能な円筒型電池を提供することができる。
本実施形態のバッテリモジュールの一例を示す一部切り欠き斜視断面図である。 図１の円筒型電池を示す断面図である。 図１の円筒型電池を示す断面図である。 図１の円筒型電池の外装部材が巻回される前の状態を示す側面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態のバッテリモジュールの一例を示す。また、図２および図３に、図１の円筒型電池を示す。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）の破線で囲まれている領域の部分拡大図である。
バッテリモジュール１００は、複数の円筒型電池１０を備える。ここで、円筒型電池１０は、軸心部材１１と、軸心部材１１の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群１２と、軸心部材１１の軸心方向の一方（上方）の端部に設けられている第１締結部としての、雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１軸心方向の他方（下方）の端部に設けられている第２締結部としての、雌ネジ部１３Ｂと、を有する。また、バッテリモジュール１００は、隣接する円筒型電池１０が、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結されている。
このとき、雄ネジ部１３Ａは、軸心部材１１と一体に成形されている。このため、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを締結する際の回転トルクに対する強度が向上する。また、雄ネジ部１３Ａは、正極および負極の一方と電気的に接続されており、雌ネジ部１３Ｂは、正極および負極の他方と電気的に接続されている。
なお、第１締結部を雌ネジ部とし、第２締結部を雄ネジ部としてもよい。
軸心部材１１は、軸心方向において、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂの間に絶縁部材１４が配置されており、絶縁部材１４は、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂと締結されている。これにより、後述する絶縁部材１７が圧縮されるため、円筒型電池１０の密閉性が向上する。ここで、第１導電部材１１ａは、軸心方向の下方の端部に雌ネジ部が設けられている。また、絶縁部材１４は、軸心方向の上方の端部に雄ネジ部が設けられており、軸心方向の下方の端部に雌ネジ部が設けられている。さらに、第２導電部材１１ｂは、軸心方向の上方の端部に雄ネジ部が設けられている。
第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。また、絶縁部材１４を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ等の樹脂が挙げられる。
電極積層体は、シート状であり、各電極は、電極集電体上に電極合材層が形成されている。すなわち、正極は、正極集電体上に正極合材層が形成されており、負極は、負極集電体上に負極合材層が形成されている。また、電解質は、特に限定されないが、例えば、一般的な樹脂多孔質膜（セパレータ）に含浸されている電解液や、ゲル電解質層、固体電解質層等に含まれていてもよい。
なお、電極積層体は、電解質を介して正極および負極が積層されていればよく、複数の正極および／または負極を有していてもよい。複数の正極および／または負極を有する電極積層体の積層構造としては、例えば、正極／電解質／負極／電解質／正極等が挙げられる。このとき、電極積層体は、例えば、ロールプレスすることにより製造することができる。
円筒型電池１０は、巻回電極群１２の巻回方向の軸心部材１１と接していない側の端部を固定している固定部材としての、両面テープＤと、巻回電極群１２および両面テープＤを巻回している外装部材１５と、をさらに有する。このとき、両面テープＤは、一方の面が巻回電極群１２を固定しており、他方の面が外装部材１５を固定している。また、両面テープＤは、巻回電極群１２の巻回方向の一方の端部が巻回電極群１２と重なり、巻回電極群１２の巻回方向の他方の端部が外装部材１５と重なる（図４参照）。このため、円筒型電池１０の巻回電極群１２の巻回方向における段差が小さくなる。なお、図４は、円筒型電池１０の外装部材１５が巻回される前の状態であり、説明の都合上、後述する延出部１８Ａおよび延出部１８Ｂの図示を省略した。また、両面テープＤの軸心部材１１の軸心方向の長さは、巻回電極群１２の軸心部材１１の軸心方向の長さよりも大きい。このとき、両面テープＤは、絶縁体であるため、巻回電極群１２および外装部材１５の絶縁が確保される。
両面テープＤの巻回電極群１２の巻回方向の長さは、特に限定されないが、例えば、固定する電極積層体の厚み（正極、電解質および負極の各厚みの和）の３倍以上、巻回電極群１２の周長の１／２以下であり、巻回電極群１２の周長の１０％以上３０％以下であることが好ましい。また、両面テープＤの厚みは、特に限定されないが、例えば、５μｍ以上１０μｍ以下である。
外装部材１５で巻回されている巻回電極群１２は、所定の張力を印加しながら、軸心部材１１の周りに電極積層体および外装部材１５を巻回することにより得られる。このとき、軸心部材１１の外側から押圧しながら、電極積層体および外装部材１５を巻回してもよい。これにより、両面テープＤは、圧縮され、巻回電極群１２の巻回方向の巻回電極群１２および外装部材１５の間の領域において、巻回電極群１２の側の厚みが外装部材１５の側の厚みよりも大きい傾斜（図３（ｂ）の破線部参照）が形成され、その結果、円筒型電池１０の巻回電極群１２の巻回方向における段差が小さくなる。ここで、傾斜は、傾斜平面であってもよいし、傾斜曲面であってもよい。
なお、固定部材は、両面テープＤに限定されず、例えば、粘着剤であってもよい。また、固定部材に段差を設け、固定部材に設けられた段差から外装部材１５を巻回してもよい。
外装部材１５は、シート状である。外装部材１５を構成する材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。
外装部材１５の厚みは、電極積層体の厚みよりも小さいため、巻回電極群１２および外装部材１５の間の隙間が小さくなり、巻回電極群１２を外装部材１５で保持しやすくなる。また、外装部材１５の厚みは、電極積層体の厚みから正極または負極の厚みを除いた厚みよりも大きいため、円筒型電池１０の巻回電極群１２の巻回方向における段差が小さくなる。
ここで、外装部材１５の厚みは、特に限定されないが、例えば、１００μｍ以上３００μｍ以下である。一方、電極積層体の厚みは、特に限定されないが、例えば、１１０μｍ以上３１０μｍ以下である。また、正極の厚みは、特に限定されないが、例えば、５０μｍ以上１５０μｍ以下である。さらに、負極の厚みは、特に限定されないが、例えば、６０μｍ以上１６０μｍ以下である。
円筒型電池１０は、軸心方向の一方（上方）の端部に配置されており、正極および負極の一方と電気的に接続されている第１蓋部材１６Ａと、軸心方向の他方（下方）の端部に配置されており、正極および負極の他方と電気的に接続されている第２蓋部材１６Ｂと、をさらに有する。ここで、第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂは、それぞれ、軸心部材１１に対して略対称に傾斜している傾斜領域を有し、外形が円錐体状である。また、外装部材１５および第１蓋部材１６Ａの間に、リング状の絶縁部材１７が配置されている。一方、第１蓋部材１６Ａは、雄ネジ部１３Ａと電気的に接続されており、第２蓋部材１６Ｂは、雌ネジ部１３Ｂおよび外装部材１５と電気的に接続されている。
第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂの傾斜領域における軸心部材１１に対する傾斜角度は、特に限定されない。第１蓋部材１６Ａの傾斜領域における軸心部材１１に対する傾斜角度は、巻回電極群１２の軸心部材１１の側に隣接する延出部１８Ａの高さと、巻回電極群１２の巻回数によって決定される幅から成る傾斜角度となる。また、第１蓋部材１６Ａの傾斜領域は、延出部１８Ａが格納される体積を有している。
第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂを構成する材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂを構成する材料は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、軸心部材１１の軸心方向の上方の端部に設けられている雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１の軸心方向の下方の端部に設けられている雌ネジ部１３Ｂが締結される締結力で絶縁部材１７が圧縮され、その結果、外装部材１５と第１蓋部材１６Ａとが固定され、封止される。一方、第２蓋部材１６Ｂは、外装部材１５との接触部が、レーザー溶接により接合され、封止されるとともに一体化される。
絶縁部材１７を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ等の樹脂が挙げられる。
正極集電体は、巻回電極群１２の軸心方向の一方（上方）の端部から延出している延出部１８Ａを有し、負極集電体は、巻回電極群１２の軸心方向の他方（下方）の端部から延出している延出部１８Ｂを有する。ここで、正極集電体の延出部１８Ａは、第１蓋部材１６Ａに集電し、負極集電体の延出部１８Ｂは、第２蓋部材１６Ｂに集電する。
このとき、外装部材１５に集電する延出部１８Ｂと電気的に接続されている第２蓋部材１６Ｂが、軸心部材１１に集電する延出部１８Ａと電気的に接続されている第１蓋部材１６Ａよりも、傾斜領域の傾斜角度が大きい。これにより、隣接する円筒型電池１０を、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結させやすくなる。
以下、本実施形態のバッテリモジュールを構成する円筒型電池が全固体リチウム二次電池である場合について説明する。
正極集電体としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム箔等が挙げられる。
正極合材層は、正極活物質を含み、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ（Ｎｉ５／１０Ｃｏ２／１０Ｍｎ３／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ６／１０Ｃｏ２／１０Ｍｎ２／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ８／１０Ｃｏ１／１０Ｍｎ１／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／６Ｃｏ４／６Ｍｎ１／６）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３）Ｏ２、ＬｉＣｏＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、硫化リチウム、硫黄等が挙げられる。
固体電解質層を構成する固体電解質としては、リチウムイオンを伝導することが可能な材料であれば、特に限定されないが、例えば、酸化物系電解質、硫化物系電解質等、有機物からなる結晶体に電解質が解離した分子結晶電解質等が挙げられる。
負極合材層は、負極活物質を含み、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、Ｓｉ、ＳｉＯ、炭素材料等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、人工黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。
負極集電体としては、特に限定されないが、例えば、銅箔等が挙げられる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
１０ 円筒型電池
１１ 軸心部材
１１ａ 第１導電部材
１１ｂ 第２導電部材
１２ 巻回電極群
１３Ａ 雄ネジ部
１３Ｂ 雌ネジ部
１４、１７ 絶縁部材
１５ 外装部材
１６Ａ 第１蓋部材
１６Ｂ 第２蓋部材
１８Ａ、１８Ｂ 延出部
１００ バッテリモジュール
Ｄ 両面テープ

Claims (8)

  1. 軸心部材と、
    前記軸心部材の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群と、
    前記巻回電極群の巻回方向の前記軸心部材と接していない側の端部を固定している固定部材と、
    前記巻回電極群および前記固定部材を巻回している外装部材と、を備え、
    前記固定部材は、前記巻回方向の一方の端部が前記巻回電極群の巻回方向の軸心部材と接していない側の端部と重なり、前記巻回方向の他方の端部が前記外装部材の巻回方向の前記固定部材の側の端部と重なる、円筒型電池。
  2. 前記固定部材は、絶縁体であり、
    前記固定部材の前記軸心部材の軸心方向の長さは、前記巻回電極群の前記軸心部材の軸心方向の長さよりも大きい、請求項１に記載の円筒型電池。
  3. 前記固定部材は、両面テープであり、
    前記両面テープは、一方の面が前記巻回電極群を固定しており、他方の面が前記外装部材を固定している、請求項１または２に記載の円筒型電池。
  4. 前記固定部材は、前記巻回方向の前記巻回電極群および前記外装部材の間の領域において、前記巻回電極群の側の厚みが前記外装部材の側の厚みよりも大きい傾斜が形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の円筒型電池。
  5. 前記外装部材の厚みは、前記電極積層体の厚みよりも小さい、請求項１から４のいずれか一項に記載の円筒型電池。
  6. 前記外装部材の厚みは、前記電極積層体の厚みから前記正極または前記負極の厚みを除いた厚みよりも大きい、請求項５に記載の円筒型電池。
  7. 前記電極積層体は、固体電解質層を介して前記正極および前記負極が積層されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の円筒型電池。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の円筒型電池を複数備える、バッテリモジュール。
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