JPWO2018100842A1 - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、切り欠き部に配置される基板との、振動などによる相互の位置ズレを防止する二次電池を提供する。本発明は、正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータを含む電極組立体および電解質が外装体に封入された二次電池100Aであって、前記二次電池が平面視において切り欠き部8Aを備えた形状を有し、前記二次電池は、該二次電池が有する平面視形状における周縁領域(91a〜91f)のうち、前記二次電池と前記切り欠き部との境界線7と接続する線分(71a、71b)を一辺として含む周縁部(91c、91f)にシール部を有し、該シール部が前記二次電池の厚み方向に折り曲げ可能となっており、前記シール部が折り曲げられたときに形成される折曲シール部における切り欠き部側の端部が、前記切り欠き部に配置される基板に対するストッパー部となる、二次電池に関する。

Description

本発明は二次電池に関する。
従来、種々の電子機器の電源として、二次電池が用いられている。二次電池は一般的に外装体(ケース)内に電極組立体(電極体)および電解質が収容された構造を有し、さらに二次電池の電気的接続を達成するための外部端子を具備している(例えば特許文献1)。
近年、電子機器の薄型化および小型化が進んでおり、それに伴い、二次電池の薄型化および小型化への要求が高まっている。また、二次電池は、基板、例えばプリント基板などの電子回路基板、シリコンウェハーなどの半導体基板、ディスプレイパネルなどのガラス基板とともに使用されるのが一般的である。特に保護回路基板は、リチウムイオン二次電池において、過充電、過放電および過電流の防止等を目的としてよく使用される。
このため、二次電池に切り欠き部を設け、そこに基板を配置する技術が報告されている(特許文献2)。詳しくは二次電池500は、例えば図8Aに示すように、切り欠き部508を備えた形状を有し、その周縁領域には外装体506内に電解質等を保持するためのシール部509a〜509fを有している。また、これらのシール部のうち、例えば切り欠き部508に隣接するシール部509a、509bには、切り欠き部508に向けて突出した2つの外部端子505が配置されている。また二次電池500の表面は外装体506から形成されている。このような二次電池500において一般的には、図8Bに示すように、基板600は、二次電池500の発熱による影響を低減する観点から、二次電池500の周縁部(シール部509a、509b)から所定の間隙xを介して、切り欠き部内に配置される。シール部は、外装体506が例えばラミネートフィルムからなるフレキシブルパウチのとき、ヒートシールにより形成される。
特開2015−518256号公報 特開2016−506606号公報
しかしながら、本発明の発明者等は、このような二次電池500では、以下の新たな問題が生じることを見い出した。
(1)二次電池500および切り欠き部に配置された基板600は、振動などによって、相互に位置ズレするため、二次電池500と基板600との電気的接続が失われたり、かつ/または二次電池500および基板600が相互に損傷を与え合うという問題があった。
(2)間隙xの確保により、外部端子505がその分だけ長くなり、二次電池のインピーダンスが増大するため、二次電池の発熱の影響を十分に低減できなかった。
(3)間隙xは二次電池にとってのデットスペースとなるため、二次電池の薄型化、小型化および高容量化には不利であった。
本発明は、切り欠き部に配置される基板との、振動などによる相互の位置ズレを防止する二次電池を提供することを目的とする。
本発明はまた、切り欠き部に配置される基板との、振動などによる相互の位置ズレを防止するとともに、二次電池のインピーダンスが十分に低減され、かつ薄型化(小型化)および高容量化が達成される二次電池を提供することを目的とする。
本発明は、
正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータを含む電極組立体および電解質が外装体に封入された二次電池であって、
前記二次電池が平面視において切り欠き部を備えた形状を有し、
前記二次電池は、該二次電池が有する平面視形状における周縁領域のうち、前記二次電池と前記切り欠き部との境界線と接続する線分を一辺として含む周縁部にシール部を有し、
該シール部が前記二次電池の厚み方向に折り曲げ可能となっており、
前記シール部が折り曲げられたときに形成される折曲シール部における切り欠き部側の端部が、前記切り欠き部に配置される基板に対するストッパー部となる、二次電池に関する。
本発明の二次電池は、切り欠き部に配置される基板との、振動などによる相互の位置ズレを防止する。その結果、二次電池と基板との電気的接続を維持することができ、また二次電池および基板の相互損傷を防止することができる。
本発明の第1実施態様に係る二次電池をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。 図1Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。 図1BのデバイスのP−P断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図1BのデバイスのQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図1BのデバイスのR−R断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図1BのデバイスのS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図1BのデバイスのT−T断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 本発明の第2実施態様に係る二次電池をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。 図2Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。 図2BのデバイスのP−P断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図2BのデバイスのQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図2BのデバイスのR−R断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図2BのデバイスのS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図2BのデバイスのT−T断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 本発明の第3実施態様に係る二次電池をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。 図3Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。 図3BのデバイスのP−P断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図3BのデバイスのQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図3BのデバイスのR−R断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図3BのデバイスのS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図3BのデバイスのT−T断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 本発明の第4実施態様に係る二次電池をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。 図4Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。 図4BのデバイスのP−P断面およびQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図4BのデバイスのR−R断面およびS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 図4BのデバイスのT−T断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。 本発明の第5実施態様に係る二次電池をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。 図5Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。 折曲シール部の折り返し形状と、折曲シール部が当該形状を有する場合における折曲シール部の高さh1および基板の高さh2とを説明するための模式的断面図である。 折曲シール部の折り返し形状と、折曲シール部が当該形状を有する場合における折曲シール部の高さh1および二次電池の高さh3とを説明するための模式的断面図である。 二次電池と基板との上下関係の一例および二次電池の構造を説明するためのデバイスの模式的断面図である。 二次電池と基板との上下関係の一例および二次電池の構造を説明するためのデバイスの模式的断面図である。 二次電池と基板との上下関係の一例および二次電池の構造を説明するためのデバイスの模式的断面図である。 従来技術に係る二次電池をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。 図8Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。
[二次電池およびその配置]
本発明は二次電池を提供する。本明細書中、「二次電池」という用語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。「二次電池」は、その名称に過度に拘泥されるものではなく、例えば、「蓄電デバイス」なども包含し得る。
本発明の二次電池は、後述する電極組立体および電解質が外装体に封入されており、平面視においてその周縁部には、外装体内部に電解質等を保持するためのシール部(封止部)が形成されている。平面視とは、二次電池を載置してその厚み(高さ)方向の真上から見たときの状態のことであり、平面図と同意である。載置は、例えば二次電池の最大面積の面を底面にした載置である。
以下、本発明の二次電池を、図面を用いて詳しく説明するが、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用いる“上下方向”、“左右方向”および“表裏方向”はそれぞれ、図中における上下方向、左右方向および表裏方向に対応した方向に相当する。特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材または同じ意味内容を示すものとする。
本発明の二次電池は、例えば図1A、図2A、図3A、図4Aおよび図5A(以下、図1A〜図5Aという)に示すように、平面視において切り欠き部8(8A、8B、8C、8Dおよび8Eを包含する)を備えた形状を有している。切り欠き部とは、初期の形状からその一部を意図的に欠損させた部分のことである。切り欠き部形成前の二次電池の初期の形状は通常、四角形状(例えば、矩形形状)である。矩形形状はいわゆる長方形および正方形を包含し、好ましくは長方形である。切り欠き部形成前の二次電池とは、切り欠き部がないと仮定した場合の二次電池のことである。図1A〜図5Aはいずれも本発明に係る二次電池の一例をその厚み方向からみたときの模式的平面図を示す。
二次電池100(100A、100B、100C、100Dおよび100Eを包含する)と切り欠き部8との境界線7は1つ以上の直線、1つ以上の曲線またはこれらの組み合わせを含んでよい。例えば、図1Aおよび図5Aにおいて境界線7は2つの直線を含む。また例えば、図2Aにおいて境界線7は1つの直線を含む。また例えば、図3Aにおいて境界線7は1つの直線および1つの曲線を含む。また例えば、図4Aにおいて境界線7は3つの直線を含む。曲線は、円弧状の曲線、放物線状の曲線、その他のあらゆる曲線、およびこれらの複数の曲線が連続して結合した曲線を包含する。
二次電池が有する切り欠き部8の配置は、基板の所望の配置に応じて適宜選択されればよく、特に限定されるものではない。切り欠き部8は、例えば、切り欠き部形成前の二次電池と1つ以上2つ以下の辺を共有するように配置されていてもよい。二次電池および基板からなるモジュールの小型化と二次電池の高容量化とのバランスの観点から好ましい切り欠き部8の配置は、当該切り欠き部8が切り欠き部形成前の二次電池と1つ以上2つ以下、特に2つの辺を共有するような配置である。
切り欠き部8が切り欠き部形成前の二次電池と2つの辺を共有するような配置とは、切り欠き部8が当該二次電池と共有する角部を1つ有するような配置のことであり、切り欠き部8が当該二次電池において角部を含む形状を有し、隅の配置にあることを意味する。このような切り欠き部8の形状としては、特に限定されないが、例えば、図1Aおよび図5Aに示す四角形状(特に矩形形状)、図2Aに示す三角形状、図3Aに示す略台形形状等が挙げられる。
切り欠き部8が切り欠き部形成前の二次電池と1つの辺を共有するような配置とは、切り欠き部8が当該二次電池と共有する辺を1つのみ有するような配置のことであり、切り欠き部8が当該二次電池において角部を含まない形状を有し、端部の配置にあることを意味する。このような切り欠き部8の形状としては、特に限定されないが、例えば、図4Aに示す四角形状(特に矩形形状)等が挙げられる。
本発明の二次電池100は、当該二次電池100が有する平面視形状を構成する輪郭線として、二次電池100と切り欠き部8との境界線7と接続する線分を有している。線分とは2点間の直線のことである。境界線7と接続する線分とは、上記二次電池100の平面視形状における輪郭線のうち、境界線7と結合した線分のことであり、通常は境界線7の一端と繋がった線分のことである。このような境界線7と接続する線分として、例えば、図1Aにおける線分71aおよび71b、図2Aにおける線分72aおよび72b、図3Aにおける線分73aおよび73b、図4Aにおける線分74aおよび74b、図5Aにおける線分75aおよび75bが挙げられる。
本発明においては、二次電池が有する平面視形状における周縁領域(例えば、図1Aにおける周縁部91a〜91fの全領域)のうち、上記のような境界線7と接続する線分を含む周縁部(以下、「周縁部I」ということがある)にシール部が形成されている。境界線7と接続する線分を含む周縁部(周縁部I)とは、二次電池100の平面視形状における周縁領域のうち、境界線7と接続する線分を一辺として含む略四角形状の周縁部のことである。四角形状とは4つの直線(線分)により囲まれた形状のことである。周縁部Iが曲線により囲まれた形状を有すると、当該周縁部Iのシール部を二次電池100の厚み方向に有効に折り曲げることができない。周縁部Iは通常、1つの二次電池あたり2つ存在する。そのような周縁部Iとして、例えば、図1Aにおける周縁部91cおよび91f(斜線領域)、図2Aにおける周縁部94bおよび94e(斜線領域)、図3Aにおける周縁部95bおよび95e(斜線領域)、図4Aにおける周縁部96dおよび96h(斜線領域)、図5Aにおける周縁部97cおよび97f(斜線領域)が挙げられる。
周縁部にシール部が形成されているとは、所定の周縁部においてシール(封止)が達成されているという意味である。シール部は通常、外装体内部の電極組立体および電解質等を外界から封止すべく外装体の外周縁に設けられる。シール部は外装体の重ね合わせ部分を結合することにより形成される。外装体が例えば、ラミネートフィルムから形成される場合、シール部はヒートシールにより形成される。本発明においては、このようなシール部は2つの周縁部Iのうち少なくとも一方の周縁部Iに形成されればよく、位置ズレのさらなる防止の観点からは両方の周縁部Iに形成されることが好ましい。シール部が2つの周縁部Iのうちの一方の周縁部Iに形成される場合、他方の周縁部Iにおいては通常、外装体としてのラミネートフィルムを折り返して連続的に用いる。本発明においては、このようにラミネートフィルムを折り返して連続的に用いる周縁部Iにおいても、位置ズレのさらなる防止の観点から、シール部を形成することが好ましい。
周縁部I以外の周縁部おいても、周縁部Iと同様に、通常はシール部が形成されている。シール部は外装体内部に電解質等が保持される限り、必ずしも外装体(二次電池)の全ての周縁部に形成されなければならないというわけではない。例えば、外装体がラミネートフィルムから形成され、かつ当該ラミネートフィルムを周縁部で折り返して連続的に用いる場合には当該周縁部でシール部は形成されなくてもよい。
本発明においては、周縁部Iのシール部は二次電池100の厚み方向に折り曲げ可能となっており、詳しくは当該厚み方向に略平行になるように折り曲げ可能である。外装体6は軟質シートから構成されるので、後述するように、折り曲げられたシール部を二次電池の本体部55(55A〜55Eを包含する)に結合すればよい。外装体6が特に可塑性シートから構成される場合、シール部が二次電池100の厚み方向に折り曲げられると、折り曲げられたままの形状を維持するので、本体部55への結合は必ずしも要さない。これらの結果、図1B、図2B、図3B、図4Bおよび図5B(以下、図1B〜図5Bという)に示すように、折り曲げられたシール部50(50a〜50iを包含する)(以下、「折曲シール部」ということがある)における切り欠き部側の端部51(51a〜51iを包含する)は、切り欠き部に配置される基板60(60A〜60Eを包含する)に対するストッパー部となる。すなわち、折曲シール部50は切り欠き部側の端部51において基板60の位置ズレを防止するストッパー作用を発揮する。具体的には、折曲シール部50における切り欠き部側の端部51は、図1B〜図5Bに示すように、切り欠き部8に向けて、出っ張って、突出している。このため、当該端部51は基板60の移動を制限し、ストッパー作用を発揮する。図1B〜図5Bはそれぞれ図1A〜図5Aの二次電池と基板との配置を表すデバイスの模式的平面図を示す。
折り曲げ方向は、折曲シール部50が切り欠き部側の端部51においてストッパー作用を発揮する限り特に限定されない。例えば、基板60が後述の図7Aに示すように二次電池100のシール部90の上に配置される場合、折曲シール部50の折り曲げ方向は、例えば後述の図1F、図2F、図3Fおよび図4Dに示すように、上方向である。また例えば、基板60が後述の図7Bに示すように二次電池100のシール部90の下に配置される場合、折曲シール部50の折り曲げ方向は下方向である。
本発明においては、例えば図1B、図2B、図3Bおよび図4Bに示すように、2つの周縁部Iのシール部のうち両方のシール部が二次電池100の厚み方向に折り曲げられているが、これに限定されるものではなく、例えば、図5Bに示すように片方のシール部のみが二次電池100の厚み方向に折り曲げられていてもよい。図5Bにおいては、図5Aに示す周縁部I(97c)のシール部に外部端子が設けられているため、周縁部I(97f)のシール部のみが二次電池100の厚み方向に折り曲げられている。位置ズレのさらなる防止の観点からは、2つの周縁部Iのシール部のうち両方のシール部が二次電池100の厚み方向に折り曲げられていることが好ましい。
ストッパー作用について、具体的には、例えば、図1Bおよび図1Cに示すように、折曲シール部50aは切り欠き部側の端部51aにおいて、基板60Aの上方向への位置ズレを防止する。図1Bおよび図1Dに示すように、折曲シール部50bは切り欠き部側の端部51bにおいて、基板60Aの左方向への位置ズレを防止する。図1Cおよび図1Dはそれぞれ図1BのデバイスのP−P断面およびQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。
また例えば、図2Bおよび図2Cに示すように、折曲シール部50cは切り欠き部側の端部51cにおいて、基板60Bの上方向への位置ズレを防止する。図2Bおよび図2Dに示すように、折曲シール部50dは切り欠き部側の端部51dにおいて、基板60Bの左方向への位置ズレを防止する。図2Cおよび図2Dはそれぞれ図2BのデバイスのP−P断面およびQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。
また例えば、図3Bおよび図3Cに示すように、折曲シール部50eは切り欠き部側の端部51eにおいて、基板60Cの上方向への位置ズレを防止する。図3Bおよび図3Dに示すように、折曲シール部50fは切り欠き部側の端部51fにおいて、基板60Cの左方向への位置ズレを防止する。図3Cおよび図3Dはそれぞれ図3BのデバイスのP−P断面およびQ−Q断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。
また例えば、図4Bおよび図4Cに示すように、折曲シール部50gは切り欠き部側の端部51gにおいて、基板60Dの左方向への位置ズレを防止する。折曲シール部50hは切り欠き部側の端部51hにおいて、折曲シール部50gの切り欠き部側の端部51gと同様に、基板60Dの左方向への位置ズレを防止する。図4Cは図4BのデバイスのP−P断面(Q−Q断面)を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。
また例えば、図5Bに示すように、折曲シール部50iは切り欠き部側の端部51iにおいて、基板60Eの上方向への位置ズレを防止する。
折曲シール部50(特に切り欠き部側の端部51)の高さh1(mm)は、当該端部において基板の位置ズレに対するストッパー作用を発揮する限り特に限定されない。例えば、当該高さh1は、位置ズレのさらなる防止の観点からは、基板60の高さh2(mm)および二次電池100の本体部55の高さh3(mm)との関係で、以下の関係式(1)を満たすことが好ましい。
h3≧h1≧h2 (1)
折曲シール部50の高さh1(mm)、基板60の高さh2(mm)および本体部55の高さh3(mm)はいずれも、二次電池を当該二次電池の最大面積の面を底面にして載置したときの、当該底面から各部材の上端(先端)までの高さであり、例えば、図1C、図2C、図3Cおよび図4C(以下、図1C〜図4Cという)に示す各高さh1、h2およびh3である。
折曲シール部50の折り曲げ形状は、例えば図1C〜図4Cに示すように、単に1回折り曲げただけの単一折曲形状を有しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図6Aおよび図6Bに示すように、1回折り曲げた後、1回以上折り返して成る折り返し形状を有していてもよい。折曲シール部50が折り返し形状を有する場合における折曲シール部50(特に切り欠き部側の端部51)の高さh1(mm)、基板60の高さh2(mm)、および二次電池100の高さh3(mm)を図6Aおよび図6Bに示す。図6Aは、折曲シール部50、特にその切り欠き部側端部51が基板のストッパー作用を発揮するときの折曲シール部近傍の模式的断面図である。図6Bは、二次電池の端部に折曲シール部50を有するときの折曲シール部近傍の模式的断面図である。
折曲シール部50は、二次電池の本体部55に結合されていなくてもよいが、位置ズレのさらなる防止の観点からは、少なくとも一部において、例えば図1E、図1F、図2E、図2F、図3E、図3Fおよび図4Dに示すように、接着剤、貼着テープ等の結合手段により、本体部55に結合されていることが好ましい。これらの図においては、結合手段として接着剤56が使用されている。図1Eおよび図1Fはそれぞれ図1BのデバイスのR−R断面およびS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。図2Eおよび図2Fはそれぞれ図2BのデバイスのR−R断面およびS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。図3Eおよび図3Fはそれぞれ図3BのデバイスのR−R断面およびS−S断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。図4Dは図4BのデバイスのR−R断面(S−S断面)を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。
折曲シール部50の切り欠き部側の端部51は、基板60に結合されていても、または結合されていなくてもよいが、位置ズレのさらなる防止の観点からは、少なくとも一部において、例えば図1C、図1D、図2C、図2D、図3C、図3Dおよび図4Cに示すように、基板60に結合されていることが好ましい。これらの図においても、結合手段として接着剤56が使用されている。
本発明の二次電池100は、位置ズレのさらなる防止の観点から、折曲シール部50の切り欠き部側の端部51よりもさらに切り欠き部側に、別部材として延長部材(図示せず)を有してもよい。このような延長部材を有することにより、基板の位置ズレをより一層、有効に防止することができる。延長部材を構成する材料としては、基板の位置ズレを防止できる程度の強度を有する材料であればあらゆる材料が使用可能であり、例えば、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリイミド等の有機ポリマーが挙げられる。延長部材は、折曲シール部を切り欠き部側に延長する部材であり、所定の長さよりも長い棒状または板状の部材を用意し、その一部を折曲シール部50と本体部55との間に挟み込み、これらを結合することにより、設けることができる。結合手段としては、上記した結合手段が使用可能である。
本発明においては、位置ズレのさらなる防止の観点から、二次電池が有する平面視形状における周縁領域のうち、二次電池100と切り欠き部8との境界線7を含む周縁部(以下、「周縁部II」ということがある)にシール部を有することが好ましい。二次電池100と切り欠き部8との境界線7を含む周縁部(周縁部II)とは、二次電池100の平面視形状における周縁領域のうち、境界線7を外縁の輪郭線として含む周縁部のことであり、換言すると、切り欠き部8(境界線7)に隣接する周縁部のことである。なお、周縁部IIは周縁部Iとの共通領域を含まない。このような周縁部IIとして、例えば図1Aにおけるシール部91aおよび91b、図2Aにおけるシール部94a、図3Aにおけるシール部95a、図4Aにおけるシール部96a、96bおよび96c、図5Aにおけるシール部97a、97bが挙げられる。
外部端子5はいずれのシール部から突出して設けられていてもよいが、周縁部IIのシール部から切り欠き部に向けて突出して設けられていることが好ましい。本発明の二次電池が周縁部IIのシール部に外部端子を有し、かつ切り欠き部に基板が配置されることにより、当該外部端子を短縮することができる。このため、二次電池のインピーダンスを低減でき、発熱を十分に防止できる。外部端子5は正極用外部端子および負極用外部端子を含む。
周縁部II以外の周縁部のシール部について、シール部の幅は外装体6が電解質等を保持可能な限り特に限定されない。周縁部II以外の周縁部において外部端子5が突出するシール部(例えば、図5A中の97c)の幅w11は通常、二次電池の高さ(厚み)h3(mm)に対して0.8×h3以上3×h3以下、特に1×h3以上2×h3以下である。周縁部II以外の周縁部において外部端子5が突出しないシール部(例えば、図1A中の91c〜91f、図2A中の94b〜94e、図3A中の95b〜95e、図4A中の96d〜96h、図5A中の97d〜97f)の幅w12は通常、二次電池の高さ(厚み)h3(mm)に対して0.5×h3以上2.5×h3以下、特に0.8×h3以上1.5×h3以下である。特に周縁部Iにおいて外部端子5が突出しないシール部(例えば、図1A中の91cおよび91f、図2A中の94bおよび94e、図3A中の95bおよび95e、図4A中の96dおよび96h、図5A中の97f)の幅w12は通常、上記した折曲シール部50(特に切り欠き部側の端部51)の高さh1に対応する。
周縁部IIのシール部について、シール部の幅は、位置ズレの防止特性とシール性の観点から決定される。周縁部IIにおいて外部端子5が突出するシール部(例えば、図1A中の91b、図2A中の94a、図3A中の95a、図4A中の96b)の幅w21は、二次電池の高さ(厚み)h3(mm)に対して3.5×h3以上6.0×h3以下、特に4.0×h3以上5.5×h3以下である。周縁部IIにおいて外部端子5が突出しないシール部(例えば、図1A中の91a、図4A中の96aおよび96c、図5A中の97a)の幅w22は通常、二次電池の高さ(厚み)h3(mm)に対して3.0×h3以上5.5×h3以下、特に3.5×h3以上5.0×h3以下である。周縁部IIのシール部の幅が小さすぎると、位置ズレを十分に防止することができない。
特に周縁部IIのシール部が平面視において図1Aに示すようにL字形状(91aおよび91b)を有する場合、2つの外部端子5(正極用外部端子および負極用外部端子)は、図1Aに示すように、共に当該L字形状シール部の一方の直線部(91bまたは91a)から突出してもよいし、またはそれぞれ当該L字形状シール部の一方の直線部(例えば91a)および他方の直線部(例えば91b)から突出してもよい。
本発明において、二次電池は、周縁部IIのシール部の少なくとも一部、好ましくは全部が基板の端部と重複するように配置されることが好ましい。周縁部IIのシール部の少なくとも一部が基板の端部と重複するとは、配置された二次電池および基板を平面視において透視したとき、二次電池の周縁部IIのシール部の少なくとも一部と基板の端部とは重なっているという意味である。例えば、図1B〜図5Bにおいては、二次電池100の周縁部IIのシール部の一部と基板60の端部とが重なっている。これにより、当該周縁部IIのシール部は基板60の図面紙上、裏面方向への位置ズレを防止する。また外部端子を短縮できるため、二次電池のインピーダンスを低減でき、発熱を十分に防止できる。また二次電池にとってのデットスペースの形成が回避され、スペースの有効利用が可能となるため、二次電池の薄型化および小型化を達成できるし、電池容量の増加も達成できる。
周縁部IIのシール部における基板による重複面積の割合は通常、50%以上であり、好ましくは60%以上、より好ましくは70%以上である。当該重複面積の割合は、周縁部IIのシール部の全面積に対する割合である。周縁部IIのシール部と当該周縁部IIのシール部以外のシール部(例えば周縁部Iのシール部)との共通部分の面積は周縁部IIのシール部の面積に含まれないものとする。
二次電池100と基板60とは、それらの接触部分の一部または全部において、相互に結合されていても、または結合されていなくてもよいが、位置ズレのさらなる防止の観点からは、例えば図1G、図2G、図3Gおよび図4Eに示すように、結合されていることが好ましい。これらの図において、結合手段として接着剤56が使用されている。これらの図においては、二次電池100の本体部55と基板60との結合が達成されているが、その代わりに、またはそれに加えて、二次電池100のシール部と基板60との間で結合が達成されてもよい。図1G、図2G、図3Gおよび図4Eはそれぞれ図1B〜図4BのデバイスのT−T断面を矢印方向でみたときのデバイスの模式的拡大断面図を示す。
図1B〜図5Bにおいては、二次電池100の周縁部IIのシール部と基板60との重複は、図7Aに示すように、周縁部IIのシール部90の上に基板60の端部が配置されることにより達成されている。当該重複は、図7Bに示すように、隣接シール部90の下に基板60の端部が配置されることにより達成されてもよい。図7Aおよび図7Bにおいて、二次電池100は、外装体6を構成する上側外装部材6aまたは下側外装部材6bの一方のみが厚みを有するカップ成形体であるが、これに限定されない。例えば、二次電池100は、当該二次電池内に収容される電極組立体の厚み(高さ)に応じて、図7Cに示すように、上側外装部材6aおよび下側外装部材6bの両方が厚みを有するカップ成形体であってもよい。
[二次電池の構成部材]
電極組立体は、例えば、図7A、図7Bおよび図7Cに示すように、正極1、負極2およびセパレータ3を含み、正極1と負極2とがセパレータ3を介して交互に配置されている。2つの外部端子は通常、集電リードを介して電極(正極または負極)に連結され、結果としてシール部から外部に導出されている。これらの図において、電極組立体は、正極1、負極2および正極1と負極2との間に配置されたセパレータ3を含む複数の電極ユニット(電極構成層)を平面状に積層した平面積層構造を有している。電極組立体の構造は平面積層構造に限定されず、例えば、正極1、負極2および正極1と負極2との間に配置されたセパレータ3を含む電極ユニット(電極構成層)をロール状に巻回した巻回構造(ジェリーロール型)を有していてもよい。また例えば、電極組立体は、正極、セパレータ、負極を長いフィルム上に積層してから折りたたんだ、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。
正極1は少なくとも正極材層および正極集電体(箔)から構成されており、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ればよい。例えば、正極1は、正極集電体の両面に正極材層が設けられていてもよいし、または正極集電体の片面に正極材層が設けられていてもよい。二次電池のさらなる高容量化の観点から好ましい正極1は正極集電体の両面に正極材層が設けられている。正極材層には正極活物質が含まれている。
負極2は少なくとも負極材層および負極集電体(箔)から構成されており、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ればよい。例えば、負極2は、負極集電体の両面に負極材層が設けられていてもよいし、または負極集電体の片面に負極材層が設けられていてもよい。二次電池のさらなる高容量化の観点から好ましい負極2は負極集電体の両面に負極材層が設けられている。負極材層には負極活物質が含まれている。
正極材層に含まれる正極活物質および負極材層に含まれる負極活物質は、二次電池において電子の受け渡しに直接関与する物質であり、充放電、すなわち電池反応を担う正負極の主物質である。より具体的には、「正極材層に含まれる正極活物質」および「負極材層に含まれる負極活物質」に起因して電解質にイオンがもたらされ、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放電がなされる。後述でも触れるが、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ることが好ましい。つまり、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る二次電池が好ましい。充放電にリチウムイオンが関与する場合、本実施態様に係る二次電池は、いわゆる“リチウムイオン電池”に相当する。
正極材層の正極活物質は例えば粒状体から成るところ、粒子同士の十分な接触と形状保持のためにバインダー(“結着材”とも称される)が正極材層に含まれていることが好ましい。更には、電池反応を推進する電子の伝達を円滑にするために導電助剤が正極材層に含まれていることも好ましい。同様にして、負極材層の負極活物質は例えば粒状体から成るところ、粒子同士の十分な接触と形状保持のためにバインダーが含まれることが好ましく、電池反応を推進する電子の伝達を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、リチウムイオンの吸蔵放出に資する物質であることが好ましい。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ることが好ましい。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ることが好ましい。つまり、本実施態様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好ましくは含まれている。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。より好適な態様では正極材層に含まれる正極活物質がコバルト酸リチウムとなっている。
正極材層に含まれる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、ポリフッ化ビリニデン、ビリニデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビリニデンフルオライド−テトラフルオロチレン共重合体およびポリテトラフルオロ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。正極材層に含まれる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。より好適な態様では正極材層のバインダーはポリフッ化ビニリデンであり、また、別のより好適な態様では正極材層の導電助剤はカーボンブラックである。さらに好適な態様では、正極材層のバインダーおよび導電助剤が、ポリフッ化ビニリデンとカーボンブラックとの組合せとなっている。
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ることが好ましい。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、または、リチウム合金などであることが好ましい。
負極活物質の各種の炭素材料としては、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、ハードカーボン、ソフトカーボン、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、負極集電体との接着性が優れる点などで好ましい。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。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。このような酸化物は、その構造形態としてアモルファスとなっていることが好ましい。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。より好適な態様では負極材層の負極活物質が人造黒鉛となっている。
負極材層に含まれる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。より好適な実施態様では負極材層に含まれるバインダーはスチレンブタジエンゴムとなっている。負極材層に含まれる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。なお、負極材層には、電池製造時に使用された増粘剤成分(例えばカルボキシルメチルセルロース)に起因する成分が含まれていてもよい。
さらに好適な態様では、負極材層における負極活物質およびバインダーが人造黒鉛とスチレンブタジエンゴムとの組合せとなっている。
正極および負極に用いられる正極集電体および負極集電体は電池反応に起因して活物質で発生した電子を集めたり供給したりするのに資する部材である。このような集電体は、シート状の金属部材であってよく、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。正極に用いられる正極集電体は、アルミニウム、ステンレス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が好ましく、例えばアルミニウム箔であってよい。一方、負極に用いられる負極集電体は、銅、ステンレス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が好ましく、例えば銅箔であってよい。
セパレータ3は、正負極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部材であるといえる。好ましくは、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る。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。この点、セパレータとして用いられる微多孔膜は、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”とから構成される積層体であってもよい。セパレータの表面は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。セパレータの表面は接着性を有していてもよい。
電解質は電極(正極・負極)から放出された金属イオンの移動を助力する。電解質は有機電解質および有機溶媒などの“非水系”の電解質であっても、または水を含む“水系”の電解質であってもよい。本発明の二次電池は、電解質として“非水系”の溶媒と、溶質とを含む電解質が用いられた非水電解質二次電池が好ましい。電解質は液体状またはゲル状などの形態を有し得る(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)。
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が好ましい。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。本発明の1つの好適な実施態様では、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、例えばエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物が用いられる。
具体的な非水電解質の溶質としては、例えば、LiPFおよびLiBFなどのLi塩が好ましく用いられる。
集電リードとしては、二次電池の分野で使用されているあらゆる集電リードが使用可能である。そのような集電リードは、電子の移動が達成され得る材料から構成されればよく、通常はアルミニウム、ニッケル、鉄、銅、ステンレスなどの導電性材料から構成される。集電リードの形態は特に限定されず、例えば、線状であってもよいし、または板状であってもよい。
外部端子5としては、二次電池の分野で使用されているあらゆる外部端子が使用可能である。そのような外部端子は、電子の移動が達成され得る材料から構成されればよく、通常はアルミニウム、ニッケル、鉄、銅、ステンレスなどの導電性材料から構成される。正極用外部端子はアルミニウムから構成されることが好ましく、負極用外部端子は銅から構成されることが好ましい。外部端子5の形態は特に限定されず、通常は板状である。外部端子5は、基板60と電気的かつ直接的に接続されてもよいし、または他のデバイスを介して基板60と電気的かつ間接的に接続されてもよい。
外装体6は軟質シートから構成されるフレキシブルパウチ(軟質袋体)である。軟質シートは、シール部の折り曲げを達成できる程度の軟質性を有していればよく、好ましく可塑性シートである。可塑性シートは、外力を付与した後、除去したとき、外力による変形が維持される特性を有するシートのことであり、例えば、いわゆるラミネートフィルムが使用できる。ラミネートフィルムからなるフレキシブルパウチは例えば、2枚のラミネートフィルムを重ね合わせ、その周縁部をヒートシールすることにより製造できる。ラミネートフィルムとしては、金属箔とポリマーフィルムを積層したフィルムが一般的であり、具体的には、外層ポリマーフィルム/金属箔/内層ポリマーフィルムから成る3層構成のものが例示される。外層ポリマーフィルムは水分等の透過および接触等による金属箔の損傷を防止するためのものであり、ポリアミドおよびポリエステル等のポリマーが好適に使用できる。金属箔は水分およびガスの透過を防止するためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。内層ポリマーフィルムは、内部に収納する電解質から金属箔を保護するとともに、ヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィンまたは酸変性ポリオレフィンが好適に使用できる。ラミネートフィルムの厚さは特に限定されず、例えば、1μm以上1mm以下が好ましい。
[基板]
基板60はいわゆるリジッド基板であってもよいし、またはフレキシブル基板であってもよい。好ましくはリジッド基板である。リジッド基板を用いた場合、デットスペースの形成や当該基板による二次電池の損傷が問題となりやすいところ、本発明においてリジッド基板を用いた場合においても、そのような問題を十分に回避できるためである。リジッド基板としては、二次電池とともに使用される基板の分野で使用されるあらゆるリジッド基板が使用可能であり、例えば、ガラス・エポキシ樹脂基板が挙げられる。
基板としては、プリント基板などの(電子)回路基板、シリコンウェハーなどの半導体基板、ディスプレイパネルなどのガラス基板等が挙げられる。
基板が、二次電池の過充電、過放電および過電流を防止するための、いわゆる保護回路基板であるとき、当該保護回路基板および上記二次電池より、二次電池パックが構成される。
本発明に係る二次電池は、蓄電が想定され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、本発明に係る二次電池、特に非水電解質二次電池は、モバイル機器などが使用される電気・情報・通信分野(例えば、携帯電話、スマートフォン、スマートウォッチ、ノートパソコンおよびデジタルカメラなどのモバイル機器分野)、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)、ならびに、宇宙・深海用途(例えば、宇宙探査機、潜水調査船などの分野)に利用することができる。
1:正極
2:負極
3:セパレータ
5:外部端子
6:外装体
6a:上側外装部材
6b:下側外装部材
7:二次電池(周縁領域)と切り欠き部との境界線
8:8A:B:8C:8D:8E:切り欠き部
50:50a:50b:50c:50d:50e:50f:50g:50h:50i:シール部が折り曲げられた折曲シール部
51:51a:51b:51c:51d:51e:51f:51g:51h:51i:折曲シール部における切り欠き部側の端部
55:55A:55B:55C:55D:55E:二次電池の本体部
56:接着剤
60:60A:60B:60C:60D:60E:基板
71a:71b:72a:72b:73a:73b:74a:74b:75a:75b:境界線と接続する線分
90:91a〜91f:94a〜94e:95a〜95e:96a〜96h:97a〜97f:シール部
100:100A:100B:100C:100D:100E:二次電池

Claims (19)

  1. 正極、負極および該正極と該負極との間に配置されたセパレータを含む電極組立体および電解質が外装体に封入された二次電池であって、
    前記二次電池が平面視において切り欠き部を備えた形状を有し、
    前記二次電池は、該二次電池が有する平面視形状における周縁領域のうち、前記二次電池と前記切り欠き部との境界線と接続する線分を一辺として含む周縁部にシール部を有し、
    該シール部が前記二次電池の厚み方向に折り曲げ可能となっており、
    前記シール部が折り曲げられたときに形成される折曲シール部における切り欠き部側の端部が、前記切り欠き部に配置される基板に対するストッパー部となる、二次電池。
  2. 前記折曲シール部における切り欠き部側の端部が切り欠き部に向けて突出している、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記折曲シール部の高さh1および前記基板の高さh2は以下の関係式を満たす、請求項1または2に記載の二次電池:
    h1≧h2。
  4. 前記折曲シール部が、前記切り欠き部側の端部において、前記基板と結合される、請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池。
  5. 前記外装体が可塑性シートから構成されている、請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池。
  6. 前記二次電池は、該二次電池が有する平面視形状における周縁領域のうち、前記二次電池と前記切り欠き部との境界線を含む周縁部にシール部を有し、
    前記二次電池は、前記境界線を含む周縁部のシール部の少なくとも一部が基板の端部と重複するように配置される、請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池。
  7. 前記境界線を含む周縁部のシール部における前記基板による重複面積の割合は50%以上である、請求項6に記載の二次電池。
  8. 前記境界線が1つ以上の直線、1つ以上の曲線またはこれらの組み合わせを含む、請求項1〜7のいずれかに記載の二次電池。
  9. 前記切り欠き部形成前の二次電池が四角形状を有し、
    前記切り欠き部が、前記切り欠き部形成前の二次電池と2つの辺を共有するように配置されている、請求項1〜8のいずれかに記載の二次電池。
  10. 前記二次電池が2つの外部端子をさらに備え、
    該2つの外部端子は基板と電気的に接続される、請求項1〜9のいずれかに記載の二次電池。
  11. 前記外部端子が前記境界線を含む周縁部のシール部から前記切り欠き部に向けて突出して設けられている、請求項10に記載の二次電池。
  12. 前記外装体がフレキシブルパウチである、請求項1〜11のいずれかに記載の二次電池。
  13. 前記電極組立体が、前記正極、前記負極および前記セパレータを含む複数の電極ユニットを平面状に積層した平面積層構造を有するか、または前記正極、前記負極および前記セパレータを含む電極ユニットをロール状に巻回した巻回構造を有する、請求項1〜12のいずれかに記載の二次電池。
  14. 前記基板がリジッド基板またはフレキシブル基板である、請求項1〜13のいずれかに記載の二次電池。
  15. 前記基板が保護回路基板である、請求項1〜14のいずれかに記載の二次電池。
  16. 前記正極および前記負極がリチウムイオンを吸蔵放出可能な層を有する、請求項1〜15のいずれかに記載の二次電池。
  17. 請求項1〜16のいずれかに記載の前記二次電池;および
    前記切り欠き部に配置された基板を含む、デバイス。
  18. 前記基板が保護回路基板であり、
    前記デバイスが二次電池パックである、請求項17に記載のデバイス。
  19. 前記デバイスがモバイル機器である、請求項17または18に記載のデバイス。
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