WO2021144929A1

WO2021144929A1 - 積層型蓄電素子

Info

Publication number: WO2021144929A1
Application number: PCT/JP2020/001341
Authority: WO
Inventors: 西村　和也
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-07-22
Also published as: JPWO2021144929A1; US20220351917A1

Abstract

互いに対向するように配置されたシート状の複数の正極体（３）と，複数の負極体（５）と、これらの間に介装されたセパレータ（７）とを積層してなる電極体（９）と、前記複数の正極体（３）に接続された複数の正極集電体（１３）と、前記複数の負極体（５）に接続された複数の負極集電体（１５）と、各正極集電体（１３）がそれぞれ接続された正極側端子（１７）と、各負極集電体（１５）がそれぞれ接続された負極側端子（１９）とを備える積層式蓄電素子（１）において、前記正極側端子（１７）および前記負極側端子（１９）の少なくとも一方の端子において、各集電体が接続される各接続箇所（Ｐ）が空間的に分散するように配置されている。

Description

積層型蓄電素子

　本発明は、積層型の電極体を有する積層型蓄電素子に関する。

　特許文献１には、シート状の正極体と負極体とをセパレータを介して多数積層した積層型の電極体を備えるものが開示される。特許文献１に開示の電極体は、多数のシート状の正極体（負極体）のそれぞれに集電体が接続される。これら多数の集電体が、まとめて重ねられた状態で、一箇所で正極側端子（負極側端子）に溶接等によって接続される構造が採用されている。

特開２０１４－２２９４３５号公報

　素子から電流を取り出す際に、素子の温度上昇が大きくなる場合がある。

　本発明の目的は、上記の課題を解決するために、温度上昇が抑制される積層式蓄電素子を提供することにある。

　前記した目的を達成するために、本発明に係る積層式蓄電素子は、
　互いに対向するように配置されたシート状の複数の正極体および複数の負極体と、各正極体と各負極体との間に介装されたセパレータとを積層してなる電極体と、
　前記複数の正極体のそれぞれに接続された複数の正極集電体と、
　前記複数の負極体のそれぞれに接続された複数の負極集電体と、
　各正極集電体がそれぞれ接続された正極側端子と、
　各負極集電体がそれぞれ接続された負極側端子と、
を備え、
　前記正極側端子および前記負極側端子の少なくとも一方の端子において、各集電体が接続される各接続箇所が、空間的に分散するように配置されている。

　この構成によれば、正極および／または負極の集電体と端子との複数の接続箇所が分散されることにより、接続箇所における電流の集中が回避される。その結果、素子内部における接続箇所となる、電気抵抗が高い局所的な部分を流れる電流の集中に起因する温度上昇を防ぐことができ、集電体から素子全体に伝わる温度上昇を抑制することができる。

　この積層式蓄電素子は、例えば、電気二重層が形成される電極を含むキャパシタとして構成された素子であってよい。この構成によれば、化学電池に比べて瞬間的に多くの電流を流すことができる。この場合であっても、上述する構成によって発熱の影響を抑えて、比較的大きい電流を流しやすくすることができる。

　なお、前記正極側端子および前記負極側端子のそれぞれにおいて、各集電体が接続される各接続箇所が空間的に分散するように配置されていることが、より大きな発熱抑制効果を得られるので好ましい。

　本発明の一実施形態に係る積層式蓄電素子において、絶縁性樹脂材料で形成されて、前記電極体、前記正極集電体および前記負極集電体を覆う当該電池の外装体を構成する貼り合わせ材を備え、前記正極側端子および前記負極側端子は、それぞれ、前記貼り合わせ材に覆われて前記正極集電体および前記負極集電体が接続される被覆部分と、前記貼り合わせ材から露出した露出部分とを有し、前記少なくとも一方の端子における各接続箇所は、前記電極体の積層方向に垂直な方向に分散していてもよい。この構成によれば、薄型構造に適した、いわゆるラミネート式の蓄電素子において、素子内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

　本発明の一実施形態に係る積層式蓄電素子において、各接続箇所は、前記被覆部分と前記露出部分とが並ぶ取出し方向に分散していてもよい。この構成によれば、正極側端子および負極側端子の前記取出し方向における発熱を抑制することができる。

　本発明の一実施形態に係る積層式蓄電素子において、前記少なくとも一方の端子は、前記被覆部分と、前記露出部分とが並ぶ取出し方向寸法に比べて、前記取出し方向および厚み方向に垂直な幅方向寸法が大きく形成されており、各接続箇所は、前記幅方向に分散していてもよい。この構成によれば、取出し方向の寸法増大を回避しながら接続箇所における発熱を抑制することができる。

　本発明の一実施形態に係る積層式蓄電素子において、前記正極集電体および前記負極集電体の少なくとも一方の集電体は、前記電極体に接続される基部と、前記基部から突出して前記正極側端子または前記負極側端子に接続される突出部とを有し、前記突出部の少なくとも前記基部に隣接する部分は、前記基部から離れるにしたがって、当該突出部の突出方向および厚み方向に垂直な幅方向の寸法が次第に小さくなるように形成されていてもよい。この構成によれば、集電体の基部から突出部への接続部分の角部において電流の集中が抑制されるので、この部分における発熱を抑制することができる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る積層式蓄電素子の概略構造を示す縦断面図である。図１の積層式蓄電素子の効果を説明するための図であり、比較例の接続構造を示す模式図である。図１の積層式蓄電素子の効果を説明するための図であり、実施例の接続構造を示す模式図である。図１の蓄電素子の一変形例を示す平面図である。図１の蓄電素子の正極集電体を拡大して示す平面図である。

　以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

　図１は、本発明の一実施形態に係る積層式蓄電素子（以下、単に「蓄電素子」という。）１の構造を模式的に示す断面図である。この蓄電素子１は、イオンの物理的な吸脱着により電気二重層が形成される材料（この例では活性炭）を主要な正極活物質とし、リチウムイオンを化学反応により吸蔵，脱離可能な材料（この例では黒鉛）を主要な負極活物質とし、非水溶液を電解液とするリチウムイオンキャパシタとして構成されている。

　蓄電素子１は、互いに対向するように配置されたシート状の複数の正極体３およびシート状の複数の負極体５と、各正極体３と各負極体５との間に介装されたシート状のセパレータ７とを積層してなる電極体９を有する。具体的には、本実施形態では、複数のセパレータが積層方向に並んで配置されており、これらセパレータ間に、正極体、負極体が積層方向に交互に並んで配置されている。セパレータ、正極体および負極体の各シートは、積層方向から見て矩形形状に形成されている。充電時には、負極においてはリチウムイオンが負極体に塗布された負極活物質に吸蔵され、正極においては電解液中のアニオンが正極体に塗布された正極活物質に吸着される。放電時には、負極において負極活物質からリチウムイオン脱離して電解液中に放出され、正極において正極活物質からアニオンが脱離して電解液中に放出される。

　電極体９は、電解液と共に外装体１１に収容されている。本実施形態では、外装体１１は、絶縁性樹脂材料で形成されて、後述する正極集電体１３および負極集電体１５を覆う貼り合わせ材１１ａ，１１ｂから構成されている。より具体的には、貼り合わせ材１１ａ，１１ｂは、アルミニウム箔の両面に合成樹脂フィルムを積層することによって形成したアルミラミネートフィルムから形成されている。

　本実施例では正極体３は、アルミニウムを主成分とする金属箔からなる基体に、上述の正極活物質を塗布することによりシート状に形成されている。本実施例では負極体５は、銅を主成分とする金属箔からなる基体に、上述の負極活物質を塗布することによりシート状に形成されている。

　複数の正極体３のそれぞれに、１つの正極集電体１３がそれぞれ電気的に接続されている。言い換えると、正極集電体１３は、正極体３ごとに設けられる。同様に、複数の負極体５のそれぞれに、１つの負極集電体１５がそれぞれ電気的に接続されている。言い換えると、負極集電体１５は、負極体５ごとに設けられる。

　正極集電体１３は、正極体３の基体に接続されており、負極集電体１５は、負極体５の基体に接続されている。正極集電体１３は、正極体３の矩形の一辺を形成する側縁部に接続されている。正極集電体１３は、この正極集電体１３が接続された基体にほぼ平行に、かつこの正極集電体１３が接続された側縁部にほぼ直交する方向に突出するように設けられている。また、複数の正極集電体１３は、正極集電体１３が接続された側縁部に沿ってほぼ等間隔に配置されている。負極集電体１５は、負極体５の矩形の一辺を形成する、正極集電体１３が接続された側縁部と平面視で反対側に位置する一側縁部に接続されている。負極集電体１５は、この負極集電体１５が接続された基体にほぼ平行に、かつこの負極集電体１５が接続された側縁部にほぼ直交する方向に突出するように設けられている。また、複数の負極種電体は、負極集電体１５が接続された側縁部に沿ってほぼ等間隔に配置されている。このように形成された正極集電体１３および負極集電体１５は、その全体が外装体１１の内部に収容されている。

　複数の正極集電体１３は、共通の正極側端子１７に電気的に接続されている。複数の負極集電体１５は、共通の負極側端子１９に電気的に接続されている。各正極集電体１３と正極側端子１７との接続、および各負極集電体１５と負極側端子１９との接続は、例えば超音波溶接によって行われている。もっとも各集電体１３，１５と端子１７，１９との接続は、他の方法、例えばレーザー溶接やスポット溶接等によって行ってもよい。

　正極側端子１７は、外装体１１の内部（以下、単に「素子内部」という場合がある。）において複数の正極集電体１３に接続されている。正極側端子１７は、各正極集電体１３との接続箇所Ｐから外装体１１の外部（以下、単に「素子外部」という場合がある。）へ延びている。同様に、負極側端子１９は、素子内部において複数の負極集電体１５に接続されている。負極側端子１９は、各負極側集電体との接続箇所Ｐから素子外部へ延びている。

　換言すれば、正極側端子１７および負極側端子１９は、それぞれ、貼り合わせ材に覆われて正極集電体１３および負極集電体１５が接続される被覆部分２１と、貼り合わせ材から露出した露出部分２３とを有している。本明細書では、前記被覆部分２１と露出部分２３とが並ぶ方向、すなわち正極側端子１７および負極側端子１９が素子内部から素子外部へ延出して取り出される方向を、「取出し方向Ｄ」と呼ぶ。また正極側と負極側とで取出し方向を区別して説明する場合、正極側，負極側の取出し方向Ｄを、各々「第１取出し方向Ｄ１」，「第２取出し方向Ｄ２」と呼ぶことがある。この取出し方向Ｄは、上述した集電体１３，１５の突出方向と同一の向きである。したがって、本実施形態では、第１取出し方向Ｄ１と第２取出し方向Ｄ２は、矩形の電極体の互いに反対側に位置する側縁部から互いに反対の方向となっている。

　以下、正極側端子１７と複数の正極集電体１３との接続構造、および負極側端子１９と複数の負極集電体１５との接続構造について説明する。もっとも、正極側と負極側とで、端子と集電体との接続構造はほぼ同様であるので、以下、代表として、主に正極側の接続構造について説明する。

　本実施形態では、正極側端子１７において、複数の正極集電体１３がそれぞれ接続される各接続箇所Ｐが、空間的に分散するように配置されている。換言すれば、複数の正極集電体１３が正極側端子１７に、すべての正極集電体１３が１箇所に重ならない配置で接続されている。図示の例では、各接続箇所Ｐは、電極体９の積層方向Ｓに垂直な方向に分散している。

　より具体的には、本実施例では、各接続箇所Ｐは、取出し方向Ｄに分散している。詳細には、複数の正極集電体１３は、正極側端子１７に近い位置の正極集電体１３から遠い位置の正極集電体１３の順で、取出し方向Ｄの寸法が長くなるように形成されている。このように形成された各正極集電体１３が、それぞれ、取出し方向Ｄに沿って、分散した各箇所Ｐにおいて正極側端子１７に接続されている。

　この構成によれば、正極側端子１７において同一箇所に複数の正極集電体１３が接続されている構成に比べて、接続箇所に電流が集中して流れることによる発熱が抑制されるので、正極集電体１３の取出し方向Ｄにおける発熱を抑制することができる。すなわち、複数の正極集電体１３は、正極側端子１７に同一箇所で接続された場合（比較例）と分散された箇所で接続された場合（実施例）とで、以下のように電力量すなわちジュール熱が異なる。

　＜比較例＞
　接続箇所では、接触に起因して電気抵抗が残余の部分に比べて大きい。図２Ａに示すように１つの接続箇所で複数の集電体１１３が一箇所で重ねて端子１１７に接続された場合には、１つの接続箇所に電流が集中して流れる。電力量Ｗは、Ｗ=ＲＩ^２であるので、１０Ａの電流がそれぞれ流れる５つの集電体１１３が、１つの接続箇所で合流すると、
　Ｗ＝Ｒ×（５０）^２=２５００Ｒ
となる。
＜実施例＞
　図２Ｂに示す実施例では、５つの集電体１３が５箇所に分散して端子１７に接続されているので、接続箇所を通過する電流が分散され、各箇所における電力量Ｗ’の合計である全体の電力量Ｗは、
　Ｗ＝５×Ｗ´＝５×（Ｒ×１０^２）＝５００Ｒ
となる。

　このようにして、接触箇所Ｐを流れる電流を分散させることで、接触箇所Ｐでの発熱を抑えることができる。これによって接触箇所Ｐから集電体を介して電極体９に伝わる熱が抑えられ、電極体９での発熱の影響を防ぐことができる。

　さらに、正極集電体１３ごとに異なる位置で正極側端子１７にそれぞれ接合することで、複数の集電体１３を一箇所で接合する場合に比べて、接合不良を防ぐことができる。これによって接続箇所Ｐの電気抵抗をさらに低減することができる。

　また、本実施形態では、正極側と負極側との両方で、接続箇所Ｐを分散させている。このように構成することで、正極側及び負極側での両方の接続箇所Ｐでの電流集中を防ぐことができ、さらに温度上昇を防ぐことができる。

　各接続箇所Ｐを、電極体９の積層方向Ｓに垂直な方向に分散させる態様は、上記の例に限定されない。例えば、図３に変形例として示すように、各接続箇所Ｐは、正極側端子１７の幅方向Ｗに分散していてもよい。ここで、正極側端子１７の「幅方向Ｂ」とは、取出し方向Ｄおよび積層方向Ｓに垂直な方向を指す。

　より詳細には、同図の例では、正極側端子１７は、幅方向Ｂの寸法が取出し方向Ｄの寸法よりも大きく設定されている。他方、複数の正極集電体１３のそれぞれは、幅方向Ｂにずれて、言い換えると幅方向Ｂ位置が重ならないように偏位した位置に形成されている。上述のように形成された正極側端子１７の、幅方向Ｂに沿って分散した各箇所において、各正極集電体１３が接続されている。この構成によれば、正極側端子１７が取り出し方向に延びることに起因する積層型蓄電素子１の取出し方向Ｄの寸法増大を回避しながら接続箇所Ｐにおける発熱を抑制することができる。

　また、図４に示すように、本実施形態では、正極集電体１３は、電極体９に接続される基部１３ａと、基部１３ａから突出して正極側端子１７に接続される突出部１３ｂとを有している。突出部１３ｂの基部１３ａに隣接する部分には、基部１３ａから離れるにしたがって、当該突出部１３ｂの幅方向Ｂの寸法が次第に小さくなるように形成されている。より具体的には、突出部１３ｂの幅方法寸法は基部１３ａの幅方向寸法よりも小さく、基部１３ａから突出部１３ｂへ連なる角部分１３ｂａがＲ形状に形成されている。

　このように構成することにより、正極集電体１３の基部１３ａから突出部１３ｂへの接続部分の角部分１３ｂａにおいて電流の集中が抑制されるので、この部分における発熱を抑制することができる。

　なお、突出部１３ｂの幅方向寸法が基部１３ａから離れるにしたがって次第に小さくなる形状は、少なくとも突出部１３ｂの基部１３ａに隣接する部分に形成されていればよいが、突出部１３ｂ全体に渡ってこのような形状であってもよい。また、このような形状は、正極集電体１３および負極集電体１５の少なくとも一方に設けられていることが好ましく、両方に設けられていることがより好ましい。なお、突出部１３ｂの基部１３ａに隣接する部分の形状は、ここで例示したＲ形状に限らず、例えば傾斜形状でもよいし、放物線形状でもよい。

　なお、以上説明したいずれの例でも、正極側端子１７の第１取出し方向Ｄ１と負極側端子１９の第２取出し方向Ｄ２が異なる構成を示した。このように構成することにより、幅方向Ｂに沿って接続領域を増やして、接続箇所Ｐの電気抵抗を低減させることが容易になる。もっとも、第１取出し方向Ｄ１と第２取出し方向Ｄ２は同一方向であってもよい。すなわち、正極集電体１３と負極集電体１５とを、矩形の電極体９の同一側縁部に、この側縁部に沿って互いに偏位した位置に設けたうえで、正極側端子１７および負極側端子１９を、それぞれの集電体１３，１５に対応した位置において各取出し方向Ｄ１，Ｄ２に突出させてもよい。

　また、上述のように、正極側および負極側の両方で接続位置Ｐを分散させることが好ましいが、正極側および負極側のいずれか一方のみで接続箇所Ｐを分散させてもよい。

　また、以上説明したいずれの例でも、各接続箇所Ｐにおいて１つの集電体が端子に接続されている構成を示したが、複数の集電体が少なくとも２つ以上の接続箇所Ｐに分散されていれば、本実施形態の接続構造の効果を得ることができる。すなわち、例えば４つの集電体が２つずつ、２つの接続箇所に分散して端子に接続された場合でも、４つの集電体の全部が１つの接続箇所において端子に接続されている場合に比べて発熱を抑えることができる。

　なお、本実施形態では、蓄電素子１がリチウムイオンキャパシタである例について説明したが、本実施形態の構成が適用される蓄電素子はリチウムイオンキャパシタ以外の電気二重層電極を利用して電荷を蓄えるキャパシタであってもよいし、化学電池（例えばリチウムイオン二次電池）であってもよい。

　また、本実施形態では、蓄電素子１の外装体１１がアルミラミネートフィルムである例について説明した。この構成によれば、薄型構造に適した、いわゆるラミネート式の蓄電素子１において、素子内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。もっとも、蓄電素子１の外装体１１はこれに限定されず、例えば金属製の缶であってもよい。

　以上説明したように、本実施形態に係る積層式蓄電素子１によれば、正極および／または負極の集電体１３，１５と端子１７，１９との複数の接続箇所Ｐが分散されることにより、接続箇所Ｐにおける電流の集中が回避される。その結果、素子内部における接続箇所となる、電気抵抗が高い局所的な部分を流れる電流の集中に起因する温度上昇を防ぐことができ、集電体１３，１５から蓄電素子１全体に伝わる温度上昇を抑制することができる。さらに、このように蓄電素子１内部の温度上昇を抑えることにより、蓄電素子１の出力性能や寿命が低下することを抑制することができる。

　なお、本実施形態に係る積層型蓄電素子は、携帯機器や電動車両などに用いられる。特には、比較的大きい瞬時電流が要求される電気機器に好適に用いられる。たとえば瞬間的な電流が要求される電気機器として、比較的大きな加減速走行が行われる鞍乗型車両、小型滑走艇用の電源として好適に用いられる。また複数のロータ用モータを個別に制御することで飛行制御されるマルチコプター、いわゆるドローン用の電源として好適に用いられる。もっとも、本実施形態に係る積層型蓄電素子の用途はこれらに限定されない。

　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１　積層型蓄電素子
３　正極体
５　負極体
７　セパレータ
９　電極体
１１　外装体
１１ａ，１１ｂ　貼り合わせ材
１３　正極集電体
１５　負極集電体
１７　正極側端子
１９　負極側端子
２１　被覆部分
２３　露出部分
Ｐ　接続箇所

Claims

　互いに対向するように配置されたシート状の複数の正極体および複数の負極体と、各正極体と各負極体との間に介装されたセパレータ７とを積層してなる電極体と、
　前記複数の正極体のそれぞれに接続された複数の正極集電体と、
　前記複数の負極体のそれぞれに接続された複数の負極集電体と、
　各正極集電体がそれぞれ接続された正極側端子と、
　各負極集電体がそれぞれ接続された負極側端子と、
を備え、
　前記正極側端子および前記負極側端子の少なくとも一方の端子において、各集電体が接続される各接続箇所が、空間的に分散するように配置されている、
積層型蓄電素子。
　請求項１に記載の積層型蓄電素子において、
　絶縁性樹脂材料で形成されて、前記電極体、前記正極集電体および前記負極集電体を覆う当該蓄電素子の外装体を構成する貼り合わせ材を備え、
　前記正極側端子および前記負極側端子は、それぞれ、前記貼り合わせ材に覆われて前記正極集電体および前記負極集電体が接続される被覆部分と、前記貼り合わせ材から露出した露出部分とを有し、
　前記少なくとも一方の端子における各接続箇所は、前記電極体の積層方向に垂直な方向に分散している、
積層型蓄電素子。
　請求項２に記載の積層型蓄電素子において、各接続箇所は、前記被覆部分と前記露出部分とが並ぶ取出し方向に分散している積層型蓄電素子。
　請求項２または３に記載の積層型蓄電素子において、前記少なくとも一方の端子は、前記被覆部分と、前記露出部分とが並ぶ取出し方向寸法に比べて、前記取出し方向および厚み方向に垂直な幅方向寸法が大きく形成されており、
　各接続箇所は、前記幅方向に分散している、積層型蓄電素子。
　請求項１から４のいずれか一項に記載の積層型蓄電素子において、電気二重層が形成される電極を含むキャパシタとして構成されている積層型蓄電素子。
　請求項１から５のいずれか一項に記載の積層型蓄電素子において、前記正極側端子および前記負極側端子のそれぞれにおいて、各集電体が接続される各接続箇所が、空間的に分散するように配置されている積層型蓄電素子。
　請求項１から６のいずれか一項に記載の積層型蓄電素子において、前記正極集電体および前記負極集電体の少なくとも一方の集電体は、前記電極体に接続される基部と、前記基部から突出して前記正極側端子または前記負極側端子に接続される突出部とを有し、前記突出部の少なくとも前記基部に隣接する部分は、前記基部から離れるにしたがって、当該突出部の突出方向および厚み方向に垂直な幅方向の寸法が次第に小さくなるように形成されている積層型蓄電素子。