JP2006324143A

JP2006324143A - 二次電池

Info

Publication number: JP2006324143A
Application number: JP2005147043A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Ogami; 悦夫大上; Yuichi Hara; 佑一原; Takeshi Miyamoto; 丈司宮本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30
Also published as: US20060269840A1; US7754379B2

Abstract

【課題】電池の長寿命化を図ると共に、電極端子の耐振性の向上を図ることが可能な二次電池を提供する。
【解決手段】二次電池の正極端子１０４は、高純度アルミニウムから構成された第１の部分１０４ａと、第１の部分１０４ａを構成する高純度アルミニウムより高い強度を持つ導電性材料から構成された第２の部分１０４ｂと、を有し、第２の部分１０４ｂは、正極端子１０４における導出方向側の部位に配置されており、第１の部分１０４ａは、正極端子１０４において第２の部分１０４ｂより電池内側の部位に配置されている。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、セパレータを介して積層された電極板を外装部材の内部に収容して封止すると共に、電極板に接続された電極端子が外装部材から導出した二次電池に関する。

シート状部材から成る外装部材をその外周縁に沿って熱融着して電極板を内部に収容して封止すると共に、その電極板に接続された電極端子が外装部材の外周縁から導出した二次電池として、正極端子を純アルミニウムで構成したものが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような構成の正極端子は強度が低いため、電気自動車等に搭載した場合には、走行時に入力される振動により、金属疲労に伴う亀裂や破損が発生したり、複数の電池の端子同士を接続して組電池として使用する場合には、端子同士の接続強度が低下するという問題があった。
特開２００２−２０３５３４号公報

本発明は、電池の長寿命化を図ると共に、電極端子の耐振性の向上を図ることが可能な二次電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、セパレータを介して交互に積層された正極板及び負極板と、前記正極板及び前記負極板を内部に収容して封止する外装部材と、前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続され、前記外装部材の外周縁から外部に導出している板状の正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、前記正極端子は、高純度アルミニウムから構成された第１の部分と、前記第１の部分を構成する高純度アルミニウムより高い強度を持つ導電性材料から構成された第２の部分と、を有し、前記第２の部分は、前記正極端子における導出方向側の部位に配置されており、前記第１の部分の少なくとも一部は、前記正極端子において前記第２の部分より電池内側の部位に配置されている二次電池が提供される。

本発明では、二次電池の正極端子に、高純度アルミニウムから成る第１の部分と、当該高純度アルミニウムより高い強度を持つ導電性材料から成る第２の部分と、を具備させる。そして、正極端子において、第２の部分を導出方向側の部位に配置すると共に、第１の部分の少なくとも一部を第２の部分より電池内側の部位に配置する。

第１の部分を高純度アルミニウムで構成し、この第１の部分の少なくとも一部を、正極端子における電池内側の部位に設けることにより、電池内部への不純物の溶出が防止され、電池の長寿命化を図ることが出来る。

また、高強度材料から構成される第２の部分を、正極端子における導出方向側の部位に設けることにより、正極端子の強度を高めることが出来、電極端子の耐振性を向上させることが出来る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図、図３Ａは本発明の第１実施形態に係る薄型電池の正極端子を示す拡大平面図、図３Bは図３ＡのIIIB-IIIB線に沿った断面図である。

図１及び図２は一つの薄型電池１０（単位電池）を示し、この薄型電池１０を複数積層することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。

本発明の第１実施形態に係る薄型電池１０は、リチウム系の薄型の二次電池である。この薄型電池１０は、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されている。このうち、正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。

発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、この正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。

正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

正極層１０１ｂ、１０１ｃは、正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤等と、を混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等を挙げることが出来る。

発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、この負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。

この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

負極層１０３ｂ、１０３ｃは、上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。具体的な負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素又は黒鉛等を挙げることが出来る。

特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。

発電要素１０８のセパレータ１０２は、正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィンから構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

なお、本発明におけるセパレータは、ポリオレフィン等の単層膜のみに限定されず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このように、セパレータを複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。

発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、負極端子１０５にそれぞれ接続されている。

なお、発電要素を構成する正極板、セパレータ、及び、負極板の枚数は、本発明では上記の数に限定されない。例えば、１枚の正極板、３枚のセパレータ、及び、１枚の負極板でも発電要素を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。

本実施形態に係る薄型電池１０の正極端子１０４は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、高純度アルミニウムから成る第１の部分１０４ａと、第１の部分１０４ａよりも高強度な金属材料から成る第２の部分１０４ｂと、から構成されている。

第１の部分１０４ａを構成する高純度アルミニウムは、アルミニウム純度が９９．９％以上のアルミニウムであり、具体的には、Ａ１Ｎ９０（アルミニウム純度：９９．９０％以上）やＡ１Ｎ９９（アルミニウム純度：９９．９９％以上）等を挙げることが出来る。因みに、従来の正極端子を構成するアルミニウムには、例えば、Ａ１Ｎ３０（アルミニウム純度：９９．３０％以上）等が用いられる。

第２の部分１０４ｂは、第１の部分１０４ａを構成する高純度アルミニウムより高い強度を持つ金属材料から構成されている。この第２の部分１０４ｂを構成する金属材料としては、例えば、３０００系合金や５０００系合金等のアルミニウム合金や、銅、ニッケル鉄等を挙げることが出来る。この第２の部分１０４ｂを構成する高強度材料は、負極端子１０５を構成する金属材料と同一材料であることが好ましい。これにより複数の薄型電池１０を直列接続や並列接続する際に、電極端子１０４、１０５同士を容易に接合することが出来る。

この第２の部分１０４ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、正極端子１０４において導出方向側の部位に配置されている。これに対し、第１の部分１０４ａは、正極端子１０４において第２の部分１０４ｂより電池内側の部位に配置されている。なお、本実施形態において「導出方向」とは、外装部材１０６、１０７から正極端子１０４が導出している方向を指し、「電池内側」とは、二次電池１０の内部に向かった方向、即ち、導出方向に対して反対の方向を指す。

この正極端子１０４は、実質的に均一な厚さを有していることが好ましい。これにより、後述するように外装部材１０６、１０７を熱融着した際に、２種類の材料から構成される正極端子１０４に対して、外装部材１０６、１０７を良好に密着させることが出来るので、優れた封止性を確保することが出来る。

第１の部分１０４ａと第２の部分１０４ｂとは、図３Ｂに示すように、それらの端面同士を突き合わせた状態で、例えば摩擦攪拌接合（FSW：Friction Stir Welding）等の手法を用いて接合されている。

このように構成される正極端子１０４は、図３Ｂに示すように、第１の部分１０４ａと第２の部分１０４ｂとの境界１０４ｃが、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９（後述）の２枚の外装部材１０６、１０７間に位置した状態で、外装部材１０６、１０７に熱融着されている。これにより、正極端子１０４において振動入力時に特に強度が必要とされる部分の強度を高めることが出来る。また、正極端子１０４において第１の部分１０４ａのみが外装部材１０６、１０７の内部空間に突出することとなるので、その結果として、当該第１の部分１０４ａのみが電池内部の電解液に浸かることとなるため、電解液への不純物の溶出が防止される。

負極端子１０５は、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属材料で構成されている。

なお、本実施形態では、集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４、１０５まで延長することにより、電極板１０１、１０３を電極端子１０４、１０５に直接接続しているが、電極板１０１、１０３と電極端子１０４、１０５とを、集電体１０１ａ、１０３ａを構成する金属箔とは別の材料や部品により接続しても良い。

発電要素１０８は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、特に図示しないが、樹脂−金属薄膜ラミネート材等の柔軟なシート状の部材から構成されている。このシート状部材は、内側樹脂層、金属層、及び、外側樹脂層の３つの層が、薄型電池１０の内側から外側に向かって積層されて構成されている。

このシート状部材を構成する内側樹脂層は、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムで構成されている。また、金属層は、例えばアルミニウム等の金属箔等で構成されている。そして、外側樹脂層は、例えば、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている。

なお、図１及び図２に示すように、封止された外装部材１０６、１０７から電極端子１０４、１０５が導出するので、薄型電池１０内部の封止性を維持するために、電極端子１０４、１０５と外装部材１０６、１０７とが接触する部分に、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させても良い。このシールフィルムは、正極端子１０４及び負極端子１０５の何れにおいても、外装部材１０６、１０７の内側樹脂層を構成する合成樹脂材料と同系統のもので構成することが熱融着性の観点から好ましい。

これらの外装部材１０６、１０７によって、上述した発電要素１０８、正極端子１０４の一部、及び、負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウムやホウフッ化リチウム、六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、当該空間を真空状態とした後に、外装部材１０６、１０７の外周縁を熱プレスにより熱融着して熱融着部１０９を形成する。これにより、外装部材１０６、１０７の内部に発電要素１０８及び電極端子１０４、１０５の一部が収容されて封止される。

有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を挙げることが出来る。なお、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）やジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。

以上のように、本実施形態に係る薄型電池１０では、第１の部分１０４ａを高純度アルミニウムで構成し、この第１の部分１０４ａを、正極端子１０４における電池内側の部位に設けることにより、薄型電池１０の内部への不純物の溶出が防止され、電池の長寿命化を図ることが出来る。

また、高強度材料から構成される第２の部分１０４ｂを、正極端子１０４における導出方向側の部位に設けることにより、正極端子１０４の強度を高めることが出来、電極端子の耐振性を向上させることが出来る。

［第２実施形態］
図４Ａは本発明の第２実施形態に係る薄型電池の正極端子を示す拡大平面図、図４Ｂは図４ＡのIVB-IVB線に沿った断面図である。

本発明の第２実施形態に係る薄型電池は、正極端子１０４’の構造が、上述の第１実施形態に係る薄型電池１０と相違するが、それ以外は第１実施形態に係る薄型電池１０と同一である。以下に、第２実施形態に係る薄型電池について、第１実施形態に係る薄型電池１０との相違点のみを説明する。

本実施形態における正極端子１０４’は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１実施形態と同様に、高純度アルミニウムから成る第１の部分１０４ａと、第１の部分１０４ａよりも高強度な金属材料から成る第２の部分１０４ｂと、から構成されている。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、図４Ｂに示すように、電池内側の端部から導出方向側の端部まで正極端子１０４’全体に亘って第１の部分１０４ａが延在している。そして、その第１の部分１０４ａの導出方向側の部位の両主面に第２の部分１０４ｂが貼り付けてある。この正極端子１０４’では、第１の部分１０４ａの両主面に第２の部分１０４ｂを重ね合わせた状態でこれらを圧延することにより、第１の部分１０４ａに第２の部分１０４ｂが貼り付けられている。

本実施形態では、図４Ｂに示すように、第１の部分１０４ａと第２の部分１０４ｂとの境界のうち最も電池内側に位置する境界１０４ｃが、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９において、外装部材１０６、１０７に挟まれた状態で、正極端子１０４’が外装部材１０６、１０７に熱融着されている。これにより、正極端子１０４’において振動入力時に特に強度が必要とされる部分の強度を高めることが出来る。また、正極端子１０４’において第１の部分１０４ａのみが外装部材１０６、１０７の内部空間に突出することとなるので、その結果として、当該第１の部分１０４ａのみが電池内部の電解液に浸かることとなる。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、第１の部分１０４ａを高純度アルミニウムで構成し、この第１の部分１０４ａの一部を、正極端子１０４における電池内側の部位に設けることにより、薄型電池の内部への不純物の溶出が防止され、電池の長寿命化を図ることが出来る。

また、本実施形態では、高強度材料から構成される第２の部分１０４ｂを、正極端子１０４’における導出方向側の部位に設けることにより、正極端子１０４’の強度を高めることが出来、電極端子の耐振性を向上させることが出来る。

さらに、本実施形態では、第１の部分１０４ａの主面に第２の部分１０４ｂを重ね合わせた状態でこれらを圧延することにより、第１の部分１０４ａと第２の部分１０４ｂとを接合するので、正極端子１０４’を容易に製造することが出来る。しかも、正極端子１０４’の厚さを容易に均一にすることも出来る。

［第３実施形態］
図５Ａは本発明の第３実施形態に係る薄型電池の正極端子を示す拡大平面図、図５Ｂは図５ＡのVB-VB線に沿った断面図である。

本発明の第３実施形態に係る薄型電池は、正極端子１０４”の構造が、上述の第１実施形態に係る薄型電池１０と相違するが、それ以外は第１実施形態に係る薄型電池１０と同一である。以下に、第３実施形態に係る薄型電池について、第１実施形態に係る薄型電池１０との相違点のみを説明する。

本実施形態における正極端子１０４”は、第１実施形態と同様に、高純度アルミニウムから成る第１の部分１０４ａと、第１の部分１０４ａよりも高強度な金属材料から成る第２の部分１０４ｂと、から構成されている。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、図５Ｂに示すように、電池内側の端部から導出方向側の端部まで正極端子１０４”全体に亘って第１の部分１０４ａが延在している。そして、その第１の部分１０４ａの導出方向側の部位の下面に第２の部分１０４ｂが貼り付けてある。この正極端子１０４”では、第１の部分１０４ａの一方の主面に第２の部分１０４ｂを重ね合わせた状態でこれらを圧延することにより、第１の部分１０４ａに第２の部分１０４ｂが貼り付けられている。

本実施形態では、図５Ｂに示すように、第１の部分１０４ａと第２の部分１０４ｂとの境界のうち最も電池内側に位置する境界１０４ｃが、外装部材１０６、１０７の熱融着部１０９において、外装部材１０６、１０７に挟まれた状態で、正極端子１０４”が外装部材１０６、１０７に熱融着されている。これにより、正極端子１０４”において振動入力時に特に強度が必要とされる部分の強度を高めることが出来る。また、正極端子１０４”において第１の部分１０４ａのみが外装部材１０６、１０７の内部空間に突出することとなるので、その結果として、当該第１の部分１０４ａのみが電池内部の電解液に浸かることとなる。

本実施形態では、第１の部分１０４ａを高純度アルミニウムで構成し、この第１の部分１０４ａの一部を、正極端子１０４における電池内側の部位に設けることにより、薄型電池内部への不純物の溶出が防止され、電池の長寿命化を図ることが出来る。

また、高強度材料から構成される第２の部分１０４ｂを、正極端子１０４”における導出方向側の部位に設けることにより、正極端子１０４”の強度を高めることが出来、電極端子の耐振性を向上させることが出来る。

さらに、本実施形態では、第１の部分１０４ａの主面に第２の部分１０４ｂを重ね合わせた状態でこれらを圧延することにより、第１の部分１０４ａと第２の部分１０４ｂとを接合するので、正極端子１０４”を容易に製造することが出来る。しかも、正極端子１０４’の厚さを容易に均一にすることも出来る。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上述の第３実施形態において、第２の部分１０４ｂを正極端子１０４”の下面に設けるように説明したが、本発明においては特にこれに限定されず、第２の部分１０４ｂを正極端子１０４”の上面に設けても良い。

図１は、本発明の第１実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図である。図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。図３Ａは、本発明の第１実施形態に係る薄型電池の正極端子を示す拡大平面図である。図３Ｂは、図３ＡのIIIB-IIIB線に沿った断面図である。図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る薄型電池の正極端子を示す拡大平面図である。図４Ｂは、図４ＡのIVB-IVB線に沿った断面図である。図５Ａは、本発明の第３実施形態に係る薄型電池の正極端子を示す拡大平面図である。図５Ｂは、図５ＡのVB-VB線に沿った断面図である。

符号の説明

１０…薄型電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
１０４、１０４’、１０４”…正極端子
１０４ａ…第１の部分
１０４ｂ…第２の部分
１０４ｃ…境界
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０７…下部外装部材
１０８…発電要素
１０９…熱融着部

Claims

セパレータを介して交互に積層された正極板及び負極板と、
前記正極板及び前記負極板を内部に収容して封止する外装部材と、
前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続され、前記外装部材の外周縁から外部に導出している板状の正極端子及び負極端子と、を備えた二次電池であって、
前記正極端子は、
高純度アルミニウムから構成された第１の部分と、
前記第１の部分を構成する高純度アルミニウムより高い強度を持つ導電性材料から構成された第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記正極端子における導出方向側の部位に配置されており、
前記第１の部分の少なくとも一部は、前記正極端子において前記第２の部分より電池内側の部位に配置されている二次電池。
前記外装部材は、２枚のシート状部材をその外周縁に沿って熱融着して熱融着部を形成することにより、前記正極板及び前記負極板を内部に収容して封止すると共に、前記２枚のシート状部材間から前記正極端子及び前記負極端子が導出し、
前記第１の部分と前記第２の部分との境界の少なくとも一部は、前記熱融着部の２枚のシート状部材間に位置している請求項１記載の二次電池。
前記第１の部分と前記第２の部分との境界のうちの最も電池内側に位置する境界が、前記熱融着部の２枚のシート状部材間に位置している請求項２記載の二次電池。
前記第２の部分は、前記正極端子の少なくとも一方の主面に設けられている請求項１〜３の何れかに記載の二次電池。
前記正極端子は、実質的に均一な厚さを有する請求項１〜４の何れかに記載の二次電池。
前記第２の部分は、前記負極端子を構成する材料と同一の材料で構成されている請求項１〜５の何れかに記載の二次電池。
前記第２の部分を構成する導電性材料は、アルミニウム合金、銅、ニッケル又は鉄を含む請求項１〜６の何れかに記載の二次電池。