WO2023127565A1 - 集電板および蓄電装置 - Google Patents

Abstract

板状の本体部（径方向延在部）と、前記本体部（径方向延在部）に径方向に延びて形成された縁から延びて、前記縁から延びる方向の一端のみで前記本体部と接続した片持ち構造となった舌部であって、前記本体部（径方向延在部）と接続した基部片と、前記基部片から折れ曲がった先端片とを含む舌部と、を備える。

Description

集電板および蓄電装置

　本開示は、円筒形電池の集電板の構成に関する。

　円筒形電池は、一般的に、巻回型の電極体と、電極体を収容する有底円筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口体とを備える。

　このような円筒形電池では、例えば、封口体が正極外部端子となり、外装缶が負極外部端子となる。特許文献１には、電極体の中の正極を上方に突出させ、この突出した部分について正極集電板を介し封口体に接続する構成が示されている。

特開２００６－２６１０８３号公報

　ここで、電極体は、電極を巻回して構成する。正極は正極活物質を含む正極合剤層、負極は負極活物質を含む負極合剤層を含み、これらは充放電によって伸縮する。従って、電極は充放電によって巻回方向および径方向に変位することになる。一方、電極は、電極集電板に溶接などによって固定される。電極集電板は、充放電による伸縮はないため、電極の動きに追従することができず電極に負荷が掛かる可能性がある。

　本開示に係る集電板は、板状の本体部と、前記本体部に径方向に延びて形成された縁から延びて、前記縁から延びる方向の一端のみで前記本体部と接続した片持ち構造となった舌部であって、前記本体部と接続した基部片と、前記基部片から折れ曲がった先端片とを含む舌部と、を備える。

　本開示によれば、集電板が電極の動きに追従することができ、電極に掛かる負荷を低減できる。

実施形態の一例である電池１の断面図である。 集電板の構成を示す図であり、下側集電板を軸方向の下側から見たときの底面図である。 集電板の構成を示す図であり、底面斜視図である。 舌部の構成を模式的に示した図である。 舌部に対する負極芯体露出部の接続状態を示す図であり、周方向から見た図である。 舌部に対する負極芯体露出部の接続状態を示す図であり、径方向から見た図である。 電極体の巻回状態を模式的に示した図である。 舌部の他の構成を模式的に示した図である。

　以下、図面を参照しながら、本開示に係る蓄電装置の実施形態の一例について詳細に説明する。なお、以下で説明する複数の実施形態および変形例を選択的に組み合わせてなる構成は本開示に含まれている。

　「全体構成」
　図１は、実施形態の蓄電装置の一例である電池１の断面図である。図１に示すように、電池１は、電極体１０と、筒部２１と筒部の一端を塞ぐ底部と、筒部の他端に形成された開口部とを有し、電極体１０を収容する外装缶２０と、外装缶２０の開口部を塞ぐ封口体２４とを備える。外装缶２０には、電極体１０と共に電解液が収容されている。電解液は水系電解液であってもよいが、本実施形態では非水電解液を用いるものとする。外装缶２０は筒部２１に形成された円環状の溝部２３を有し、封口体２４は溝部２３に支持されて外装缶２０の開口部を塞いでいる。以下では、説明の便宜上、電池１の封口体２４側を上、外装缶２０の底部２２側を下とする。

　電池１は、さらに、電極体１０の外周側において溝部２３と対向する位置から延出し、電極体１０を構成する第１電極と封口体２４の集電板２６を直接接続する電極リードと、電極体１０と封口体２４との間に配置された上部絶縁板３４とを備える。電極体１０は、第１電極と第２電極がセパレータを介して巻回された巻回型の電極体であって、本実施形態では、第１電極が正極、第２電極が負極であり、上記電極リードは正極リード１９である。

　正極リード１９が正極と封口体２４を電気的に接続する。また、負極は、後述するように、負極の突出部と負極集電板を接続し、負極集電板を外装缶２０に電気的に接続する。このため、封口体２４が正極外部端子として機能し、外装缶２０が負極端子として機能する。上部絶縁板３４は、正極および正極リード１９が外装缶２０に触れることを防止し、また正極リード１９が電極体１０の負極に触れることを防止する。なお、正極についても、正極板を軸方向に延出させて突出部を形成し、この突出部を集電板を介し、封口体２４に電気的に接続してもよい。

　電極体１０の、正極、負極、およびセパレータは、いずれも帯状の長尺体であって、渦巻状に巻回されることで電極体１０の径方向に交互に積層されている。負極の合材層は、リチウムの析出を防止するために、正極の合材層よりも一回り大きな寸法で形成される。即ち、負極の合材層は、正極の合材層よりも長手方向および幅方向（短手方向）に長く形成される。セパレータは、少なくとも正極よりも一回り大きな寸法で形成され、例えば、正極を挟むように２枚配置される。

　正極は、帯状の正極芯体と、当該芯体の少なくとも一方の面に形成された正極合剤層とを有する。正極芯体には、アルミニウム、アルミニウム合金など、正極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合剤層は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電剤、およびポリフッ化ビニリデン等の結着剤を含み、正極芯体の両面に形成されることが好ましい。正極活物質には、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。正極リード１９は、正極に接続されるが、溶接等により正極芯体に直接接合されていることが好ましい。

　負極は、帯状の負極芯体と、当該芯体の少なくとも一方の面に形成された負極合剤層とを有する。負極芯体には、銅、銅合金など、負極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルムなどを用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、およびスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の結着剤を含み、負極芯体の両面に形成されることが好ましい。負極活物質には、例えば黒鉛、シリコン含有化合物などが用いられる。なお、舌片状の負極リードを、溶接等により負極芯体に直接接合して集電板と接合してもよい。

　外装缶２０に収容される非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの２種以上の混合溶媒等が用いられる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。非水溶媒の一例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、およびこれらの混合溶媒等が挙げられる。電解質塩には、例えば、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。

　外装缶２０は、軸方向一端（上端）が開口した有底円筒形状の金属製容器であって、円筒状に形成された筒部２１と、底面視円形状の底部２２とを有する。外装缶２０は、一般的に、鉄を主成分とする金属で構成されるが、特に外装缶２０が正極と電気的に接続されるときは、アルミニウム等を主成分とする金属で構成されていてもよい。また、外装缶２０は、筒部２１の周方向に沿って形成された溝部２３を有する。溝部２３は、外装缶２０の開口部の近傍において、開口縁部（外装缶２０の上端）から所定長さ離れた位置に形成されている。所定長さは、例えば、外装缶２０の軸方向長さの１～２０％に相当する長さである。

　本実施形態では、外装缶２０の底部２２に、電池１の異常発生時に作動する安全弁機構が設けられている。他方、封口体２４には、安全弁機構は設けられていない。底部２２には、例えば、薄肉部が形成されている。電池１に異常が発生して内圧が上昇すると、この薄肉部が優先的に破断し、底部２２にはガスの排出口が形成される。

　溝部２３は、筒部２１の一部が外装缶２０の内側に張り出した部分であって、例えば、筒部２１を外側からスピニング加工して形成される。なお、溝部２３の形成位置において、外装缶２０は縮径し、筒部２１の外周面には細線状の溝が形成される。溝部２３は、断面略Ｕ字形状を有し、筒部２１の周方向全長にわたって環状に形成されることが好ましい。溝部２３は、外装缶２０内に電極体１０を収容した後、筒部２１を加工して形成される。

　溝部２３の形成位置における外装缶２０の内径は、例えば、外装缶２０の最大内径の８０～９９％である。外装缶２０の径方向に沿った溝部２３の長さの一例は、０．５～２．０ｍｍである。電極体１０の直径は外装缶２０の最大内径と同程度であるから、電極体１０と溝部２３は、電池１の上下方向に重なっている。本実施形態では、正極リード１９の下端が正極の上端に複数個所で接続され、他端が集電板２６を介しキャップ２５に接続されている。

　封口体２４は、キャップ２５と、集電板２６と、ガスケット３３とを有し、全体として円盤状に形成されている。封口体２４は、外装缶２０の溝部２３上に配置され、外装缶２０の開口部に固定されている。開口部の上端は、内側に折り曲げられ封口体２４に対してガスケット３３を介して加締められている。言い換えると、封口体２４は、外装缶２０の溝部２３と加締め部により、外装缶２０の上端部に固定され、外装缶２０の開口部を塞いでいる。加締め部は、外装缶２０の周方向に沿って環状に形成され、溝部２３と共に封口体２４を挟持している。

　キャップ２５は、円盤状の金属製部材であって、外装缶２０の外部に露出して電池１の天面を形成している。キャップ２５は、径方向中央部が電池１の外側に突出した形状（隆起部分）を有する。キャップ２５には、電池１をモジュール化して組電池を構成する際に配線材が接続される。このため、キャップ２５は、電池１の外部端子として機能し、外部端子又はトップカバーとも呼ばれる。本実施形態では、集電板２６に正極リード１９が接続され、キャップ２５が正極外部端子として機能する。

　集電板２６は、キャップ２５と同程度の直径を有する金属製部材であって、キャップ２５よりも電極体１０側に配置されている。集電板２６は、径方向中央部に開口部２６ａを有し、環状に形成されている。キャップ２５と集電板２６は溶接され、集電板２６は、例えば、キャップ２５の径方向中央よりも外周縁に近い位置に溶接されている。集電板２６には、後述する環状の凸部２６ｂが形成され、凸部２６ｂがキャップ２５との溶接部となる。集電板２６には、上述のように、電極体１０の正極につながった正極リード１９が接続されるので、集電板２６は正極集電板として機能する。

　ガスケット３３は、キャップ２５および集電板２６の積層体の外周部に設けられている。ガスケット３３は、キャップ２５および集電板２６と、外装缶２０との接触を防止して、外装缶２０と封口体２４の絶縁を確保するための環状の樹脂製部材又はゴム製部材である。ガスケット３３は、上記積層体の外周部において、キャップ２５の上面、キャップ２５および集電板２６の側面、および集電板２６の下面を覆っている。また、ガスケット３３は、外装缶２０と封口体２４の隙間を塞いで、電池１の内部を密閉している。

　ガスケット３３は、集電板２６の下面の大部分を覆うように形成され、集電板２６と上部絶縁板３４の間に介在している。ガスケット３３の径方向中央部には、集電板２６の開口部２６ａと上下方向に重なる開口部３３ａが形成されている。また、ガスケット３３には、集電板２６の下方に位置する部分に貫通孔３３ｂが形成されていてもよい。ガスケット３３の上面には電解液が溜まることが想定されるが、貫通孔３３ｂを設けることにより、かかる電解液を電極体１０側に効率良く戻すことができる。貫通孔３３ｂは、例えば、ガスケット３３の周方向に沿って複数形成されている。さらに、ガスケット３３は、キャップ２５の外周部分から内側に延出する内方延出部３３ｃを有する。

　外装缶２０の上端は、内側に向けて折れ曲がって縁部２１ａを形成して負極外部端子として利用されていてもよい。

　ここで、電極体１０は、長尺状の正極１１と長尺状の負極１２が長尺状の２枚のセパレータ１３を介して巻回された巻回構造を有する。負極１２は、正極１１及びセパレータ１３よりも下方に突出する。負極１２は、負極芯体４０において負極合剤層４２が設けられていない芯体露出部を負極の突出部として負極芯体露出部４１を長尺状の負極１２の長手方向の巻き始め側の端から巻き終わり側の端まで軸方向の下側端部に有する。このため、電極体１０の軸方向の下側端部は、負極芯体露出部４１で構成される。負極芯体露出部４１は径方向において中心に向かって倒れた状態で下側集電板１８と接合されていてもよい。

　電極体１０の上方側の正極芯体には、正極リード１９の一端が接続され、他端が集電板２６に接続される。

　電極体１０下方側には、ニッケルやニッケル合金等で構成される金属製の下側の集電板（下側集電板）１８が設けられ、電極体１０の負極芯体露出部４１が下側集電板１８に接合されている。下側集電板１８は、外装缶２０の底板部の内面に接合されており、外装缶２０が負極１２に接続される。

　「下側集電板１８の構成」
　図２Ａは、下側集電板１８を軸方向の下側から見たときの底面図、図２Ｂは、底面斜視図である。

　下側集電板１８は、基本的に板状の本体部５０からなる。そして、この本体部５０には、周囲に形成された円形の溝によって区画されて、底部２２と接合される円形の中央部分５３が形成されている。中央部分５３から、径方向に伸びる複数の径方向延在部５１が周方向に間隔をおいて設けられている。この例では、９０度ごと離れて４つの径方向延在部５１が中央部分５３から径方向に延在している。

　なお、径方向延在部５１は、四方向でなく、二方向、三方向や、五方向以上に広がるものでもよい。

　径方向延在部５１は、細長の板状であり、外周側が広がっている。そして、径方向延在部５１には、中央部分５３に近い部分から、外方端まで伸びる切り欠き５２が設けられ、これによって、周方向が切り離されている。なお、切り欠き５２ではなく軸方向にのびる貫通孔であってもよい。そして、径方向延在部５１の縁と一端のみで接続した片持ち構造となった舌部５５が設けられる。この舌部５５は、径方向延在部５１の周方向端部から山折りに折れ曲がり、電極体１０に向けて伸びる基部片５５ａと、基部片５５ａから谷折りに折れ曲がり、平坦面を有し、負極芯体露出部４１と接合される先端片５５ｂとを含む。舌部５５はこのように蛇行して折れ曲がって形成されている。なお、舌部５５は、切り欠き５２ではなく軸方向に開口がのびる貫通孔の内周縁から延びてもよい。

　また、この例では、１つの径方向延在部５１に対し、軸方向に並ぶように、径方向内側と、径方向外側の２つの舌部５５が形成されており、内側の舌部５５は、反時計回り、外側の舌部５５は、時計回りと、反対方向に伸びるように形成されている。なお、内側の舌部５５と外側の舌部５５が周方向において切り欠き５２の同じ側の縁から延びて、同じ方向に延びてもよい。内側の舌部５５と外側の舌部５５のうち一方が貫通孔の内周縁から延び、他方が切り欠きの縁から延びてもよい。舌部５５は径方向に３つ以上並んでいてもよい。

　図３は、舌部５５を模式的に示した図であり、このように舌部５５は階段状に折れ曲がり、先端が自由端であって、周方向断面（径方向から見た側面）がＳ字型またはＺ字型（基部片と先端片の境界が軸方向からみて本体部と重なる）を呈する。そして、先端片５５ｂは平坦面を有しており、先端片５５ｂの電極体１０に向いた面に負極１２の負極芯体露出部４１が接続される。舌部５５は、基部片５５ａが径方向延在部５１との折れ曲がり部を境にして揺動でき、また、先端片５５ｂが基部片５５ａとの折れ曲がり部を境にして揺動できる。

　従って、負極１２が膨張収縮して、負極１２が周方向に移動した場合に、舌部５５の先端片５５ｂがこの動きに追従することができ、負極１２に加わる荷重を軽減することができる。

　図４Ａ、図４Ｂは、舌部５５に対する、負極芯体露出部４１の接続状態を示す図であり、図４Ａは周方向から見た図、図４Ｂは径方向から見た図である。

　このように、負極芯体露出部４１が、径方向に傾斜して、その先端が舌部５５の先端片５５ｂに接続される。このように、負極芯体露出部４１は、径方向に傾斜して先端側が先端片５５ｂに固定される。このため、電極体１０の負極１２が移動した場合、負極芯体露出部４１が径方向の動きを吸収することが出来、電極体１０の径方向の膨張収縮による電極の動きに対する問題を解消することができる。舌部５５において延びる方向における寸法は、本体部５０の厚さ方向（軸方向）における舌部５５の寸法より長いと電極体の変位についてさらに追従性が高まる。

　なお、負極芯体露出部４１と舌部５５の先端片５５ｂの接続は、レーザ溶接などで行える。なお、レーザ溶接に限らず、電子ビーム溶接、ロウ付け、抵抗溶接、摩擦撹拌溶接、超音波溶接など各種の手段を採用することができる。

　図５は、電極体１０の巻回状態を模式的に示した図であり、正極１１と、負極１２を示し、セパレータ１３は省略してある。上述したように、正極１１および負極１２は、それぞれ正極合剤層、負極合剤層を有し、これらは充放電によって膨張収縮する。特に、初回充電の際には大きく膨張する。そして、初回充電の際には、電極体１０と外装缶２０の間には径方向の間隙があり、従って、電極体１０は径方向に広がる。そして、周方向の動きとしては、巻き始めおよび巻き終わり共に内側に向けて引っ込む方向の動きとなる。すなわち、内側と外側では周方向で反対方向に移動する。本実施形態では、舌部５５を径方向に２つ設けたため、２つの舌部５５が周方向の異なる方向の移動に追従することが可能となる。

　本実施形態では、舌部５５を径方向に２つ設けたため、２つの舌部５５が周方向の異なる方向の移動に追従することが可能となる。

　なお、電極体１０における電極の移動は、各種の条件により異なるため、電極体１０の構成に応じて、適切な下側集電板１８を形成するとよい。

　図６は、舌部５５の他の構成例を模式的に示す図である。この例では、径方向延在部５１に１つの舌部５５のみを設けている。この構成でも、舌部５５が電極の動きに追従することが可能になる。

　上述の実施形態では、負極１２の負極芯体露出部４１と接触する下側集電板１８について説明したが、この集電板の構成は、電極体１０の上側に配置する集電板でもよく、また正極集電板でもよい。

　１：電池、１０：電極体、１１：正極、１２：負極、１３：セパレータ、１８：下側集電板、１９：正極リード、２０：外装缶、２１：筒部２１ａ：縁部、２２：底部、２３：溝部、２４：封口体、２５：キャップ、２６：集電板、２６ａ：開口部、２６ｂ：凸部、３０：正極芯体、３１：正極芯体露出部、３２：正極合剤層、３３：ガスケット、３３ａ：開口部、３３ｂ：貫通孔、３３ｃ：内方延出部、３４：上部絶縁板、４０：負極芯体、４１：負極芯体露出部、４２：負極合剤層、５０：本体部、５１：径方向延在部、５２：切り欠き、５３：中央部分、５５：舌部、５５ａ：基部片、５５ｂ：先端片。

Claims (9)

1. 　板状の本体部と、
   　前記本体部に径方向に延びて形成された縁から延びて、前記縁から延びる方向の一端のみで前記本体部と接続した片持ち構造となった舌部であって、前記本体部と接続した基部片と、前記基部片から折れ曲がった先端片とを含む舌部と、を備えた、
   　集電板。
2. 　請求項１に記載の集電板であって、
   　前記舌部において、前記舌部が延びる方向の長さは、前記本体部の厚さ方向における前記舌部の寸法より長い、
   　集電板。
3. 　請求項１または２に記載の集電板であって、
   　前記舌部が蛇行するよう折れ上がって、
   　前記舌部は周方向の断面がＳ字又はＺ字である、
   　集電板。
4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の集電板であって、
   　前記本体部には、径方向に切り欠かれた切り欠き部が形成され、
   　前記縁は、前記切り欠き部の縁である、
   　集電板。
5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の集電板であって、
   　前記本体部には、貫通孔が形成され、
   　前記縁は、前記貫通孔の内周縁である、
   　集電板。
6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の集電板であって、
   　前記本体部は、中央部分と、中央部分から互いに径方向外側に伸びる少なくとも２つの径方向延在部を有し、
   　前記舌部は、前記径方向延在部の周方向の一端側から前記基部片が折り曲げられて形成されている、
   　集電板。
7. 　請求項６に記載の集電板であって、
   　前記舌部は、１つの前記径方向延在部に２つ形成され、前記２つの舌部は、径方向に並んだ、
   　集電板。
8. 　請求項７に記載の集電板であって、
   径方向において、前記２つの舌部のうち、内側の舌部と、外側の舌部は、周方向の一端側と他端側とから基部片が折り曲げられて形成される、
   　集電板。
9. 　正極と、負極とがセパレータを介し巻回して形成され、前記正極および前記負極のうちの一方の電極が前記電極の軸に沿った一端において突出した電極突出部を有する電極体と、
   　前記電極体を収容する外装缶と、
   　前記電極体における前記電極突出部が突出した部分と前記軸に沿って対向して接触することで、集電する集電板と、
   　を含み、
   　前記集電板は、
   　請求項１～８のいずれか１項に記載の集電板であり
   　前記先端片の前記電極体に向いた面に前記電極突出部が接続される、
   　蓄電装置。

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