JP2009037816A

JP2009037816A - 二次電池および車両

Info

Publication number: JP2009037816A
Application number: JP2007200251A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Ebine; 美明恵比根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】捲回型二次電池の信頼性を向上する。
【解決手段】この二次電池１００Ａにおいて、捲回電極体１０Ａは、両側の巻き口４６、４７を横に向けて電池ケース３１内に収容されている。この捲回電極体１０Ａは、巻き口４６、４７の少なくとも下端領域が接合されている。当該接合部分によって、放電および充電が繰り返し行われても、捲回電極体１０Ａ内に電解液の一部を留めることができ、二次電池として所望される機能を奏するのに適当な量の電荷担体となる化学種を捲回電極体１０Ａの内部に確保することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極と負極の間にセパレータを介在させて捲回された捲回電極体と電解液とを電池ケースに収容した二次電池、および、当該二次電池を備えた車両に関する。

捲回電極体は、帯状正極と、帯状負極とが帯状セパレータを介して積層し捲回されている。電池ケースには、当該捲回電極体が収容され、電解液が注入される。電解液は捲回電極体の内部と、捲回電極体の外側と電池ケースの内周面との隙間に充填されている。当該電池は、放電および充電が繰り返し行われる二次電池を構成することができる。当該二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池がある。同様の構造を有するリチウムイオン二次電池は、例えば、特開２００６−２１００３１号公報に開示されている。同公報では、捲回電極体内で発生したガスを速やかに外部へ排出できるように、帯状正極と帯状負極に透孔が形成された二次電池が開示されている。なお、当該技術は、捲回電極体内で発生したガスを速やかに外部へ排出することを目的としており、その特徴となる構成部分は本願の発明とは異なる。
特開２００６−２１００３１号公報

捲回電極体を電池ケースに収容した電池は、放電および充電を繰り返し行うと、電池の抵抗が上がり、出力が低下する事象によって、電池の寿命が通常よりも短くなる不具合が生じる場合がある。かかる不具合は、適当な時期に電池を交換すればよく、安全性には影響しないが、二次電池は出来る限り寿命が長いことが望ましく、二次電池の信頼性を向上させるべく、このような不具合が生じないことが望まれる。

本発明に係る二次電池は、捲回電極体と、電解液とを、電池ケースに収容した二次電池である。捲回電極体は、両側の巻き口（即ち捲回軸方向の両端である側縁部）を横に向けて（即ち捲回軸方向が水平方向に配置される）電池ケース（典型的には角型の電池ケース）内に収容されている。この場合において、当該捲回電極体の巻き口の少なくとも下端領域が接合されて閉じられている。なお、ここで「下端領域」とあるのは、電池ケース内で両側の巻き口を横に向けた捲回電極体の姿勢に対し、相対的に定められる位置である。
この二次電池によれば、捲回電極体の巻き口の下側となる下端領域が閉じられるように捲回体の巻き口を構成している相互に重なり合った電極体部分（側縁部）が互いに接合されているので、例えば電池の充放電時において電極体の収縮・膨張が生じたとしても当該電極体内部より（即ち捲回体を構成している電極の巻き口（側縁部）の隙間から）電解液が外部に漏出するのを防止し、捲回電極体の内部に電解液を保持できる。これにより、放電および充電を繰り返しても、電解液中の電荷担体となる化学種（例えばリチウムイオン電池におけるリチウムイオンのようなイオン）が捲回電極体の内部に留まり易く、徐々に電池の抵抗が上がり、出力が低下する事象が生じるのを抑制することができる。

ある実施形態において、捲回電極体は、帯状正極と帯状負極の間に帯状セパレータを介在させて長さ方向に扁平に捲かれている。そして、帯状正極と帯状負極は、幅方向片側の側縁部が、それぞれ帯状セパレータからはみ出るように幅方向にずらして重ねられている。当該帯状セパレータからはみ出た帯状正極と帯状負極の側縁部は、それぞれ正極活物質と負極活物質が塗布されていない非塗工部を形成している。このような場合において、捲回電極体は、当該非塗工部（側縁部）によって構成された巻き口の上記少なくとも下端領域が接合されて閉じられていてもよい。
かかる構成によれば、非塗工部が接合されているので、二次電池としての機能を奏する重要な部位である、帯状正極と帯状負極が帯状セパレータを介して重ねられた部分への影響を抑制できる。

また、接合は、例えば、溶接によって行うことができる。溶接は、化学的な反応が行われる二次電池内においても、経年的にも安定した接合状態を実現できる。

また、かかる二次電池（例えばリチウムイオン電池）は、例えば、車両（典型的には自動車、特に、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える車両）用の電源として利用可能である。

上述したように、二次電池は、放電および充電を繰り返し行うと、電池の抵抗が上がり、出力が低下するなど、二次電池の寿命が通常よりも短くなる不具合がある。かかる不具合の原因は従来解明されていなかった。本発明者は、かかる不具合を鋭意研究し、当該研究により得られた今まで知られていない独自の知見を得た。そして、当該知見を基に本発明を想起した。ここでは、本発明者の研究により得られた当該知見を説明する。

本発明者は、図１に示すように、帯状正極１１と帯状負極１２の間に帯状セパレータ１３、１４を介在させて捲回された捲回電極体１０と、電解液（図示省略）を、電池ケース３１に収容した典型的な二次電池（ここではリチウムイオン電池）１００を用いて研究した。電解液は、電池ケース３１内に充填されており、さらには、捲回電極体１０内の帯状セパレータ１３、１４にも含浸している。本発明者は、捲回電極体１０内と、捲回電極体１０の外側Ｓ（厳密には、捲回電極体１０の外側と電池ケース３１の内周面との隙間）とで、電解液中の電荷担体となる化学種（例えばリチウムイオン電池におけるリチウムイオンのようなイオン）の濃度を測定した。その結果、捲回電極体１０内の電解液中の上記化学種（ここではリチウムイオン）濃度が異常に低下し、捲回電極体１０の外側Ｓでは、捲回電極体１０内に比べて、電解液中の上記化学種（リチウムイオン）の濃度が異常に高くなる不具合を見つけた。本発明者は、かかる化学種の偏った分布によって、二次電池の寿命が通常よりも短くなると考えた。すなわち、捲回電極体１０内の電解液中の電荷担体となる化学種（ここではリチウムイオン）の濃度が異常に低くなる（即ち、帯状正極１１と帯状負極１２との間で導電性を発する電荷担体となる化学種（イオン）が不足する）ことによって、電池の出力が低下すると考えられる。

さらに、本発明者は、電解液中のイオン等の上記化学種（以下「イオン性物質」と総称する。）が上述したように偏った分布になる原因について、以下のように推察した。すなわち、捲回電極体１０は、放電および充電によって帯状正極１１、帯状負極１２の厚さが微妙に変化する。放電および充電が繰り返し行われると、捲回電極体１０内の電解液が入るスペースが狭くなったり、広くなったりする。このため、電解液は、捲回電極体１０内と、捲回電極体１０の外側Ｓを行き来すると考えられる。しかしながら、詳しい原因は分からないが、当該放電および充電の繰り返される際、捲回電極体１０内から、捲回電極体１０の外側Ｓへ出るイオン性物質の量に比べて、捲回電極体１０の外側Ｓから捲回電極体１０内へ入るイオン性物質の量が少ない。このため、捲回電極体１０内の電解液中のイオン性物質の濃度は徐々に低くなり、捲回電極体１０の外側Ｓの電解液中のイオン性物質の濃度は徐々に高くなる。このように、捲回電極体１０内の電解液中のイオン性物質の濃度が低くなると、電池の抵抗が上がり、出力が低下する。この事象によって、電池の寿命が通常よりも短くなる不具合が生じる場合があると推察される。

本発明は、斯かる知見を基に着想された。以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、同じ作用を奏する部材又は部位には、同じ符号を付している。また、下記の実施形態は本発明の実施の一形態を例示するに過ぎず、本発明は下記の実施形態には限定されない。

この実施形態では、電池１００Ａは、リチウムイオン二次電池であり、図２に示すように、電池ケース３１と、捲回電極体１０Ａと、電解液（図示省略）とを備えている。
電池ケース３１は、この実施形態では有底の扁平な角型の電池缶３１ａと、蓋３１ｂとで構成されている。電池ケース３１には、正極外部端子３２と負極外部端子３３が設けられている。正極外部端子３２は捲回電極体１０Ａの正極集電体４１（図３参照）と電気的に接続され、負極外部端子３３は捲回電極体１０Ａの負極集電体４２（図３参照）と電気的に接続される。なお、図示しないが、各単一の電池１００Ａの正極外部端子３２および負極外部端子３３を相互に直列に接続することによって所望する電圧の組電池を構築することができる。なお、これら電池ケース３１は、従来の単電池と同様に、安全弁３４や電解液注入孔３５等が設けられている。

この実施形態では、捲回電極体１０Ａは、図３に示すように、帯状正極１１と、帯状負極１２と、２枚の帯状セパレータ１３、１４で構成されている。
帯状正極１１は、この実施形態では、アルミニウム箔からなる正極集電体４１を有している。正極集電体４１は帯状に切断されており、幅方向片側の側縁部分を除いて正極活物質層４３が両面に形成されている。当該正極活物質層４３に含まれる好適な正極活物質として、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）などが挙げられる。
帯状負極１２は、この実施形態では、銅箔からなる負極集電体４２を有している。負極集電体４２は帯状に切断されており、幅方向片側の側縁部分を除いて負極活物質層４４が両面に形成されている。当該負極活物質層４４に含まれる好適な負極活物質として、グラファイト（Graphite）やアモルファスカーボン（Amorphous Carbon）などの炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等などが挙げられる。
帯状セパレータ１３、１４は、イオン性物質が透過可能な膜であり、この実施形態では、イオン透過性のポリプロピレン製の微多孔膜を用いている。該帯状セパレータ１３、１４には、電解液が含浸し得る。
電解液は、適当な電解質（例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩）を適当量含むジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒のような非水電解液で構成されている。

帯状正極１１と帯状負極１２は、図３に示すように、それぞれ正極活物質層４３又は負極活物質層４４が塗布・形成された塗工部１１ａ、１２ａに帯状セパレータ１３、１４が重ねられており、また、それぞれ正極活物質層４３又は負極活物質層４４が塗布・形成されていない非塗工部１１ｂ、１２ｂが、帯状セパレータ１３、１４からはみ出るように、帯状正極１１と帯状負極１２は幅方向の互い異なる方向にずらして重ねられている。すなわち、この捲回電極体１０Ａは、帯状正極１１と帯状負極１２の非塗工部１１ｂ、１２ｂが、それぞれ帯状セパレータ１３、１４からはみ出ている。
帯状正極１１と、帯状負極１２と帯状セパレータとは、上述した角型の電池ケース３１に収容可能なように扁平に巻かれている。なお、図示は省略するが、捲回電極体１０Ａは、上述したように帯状正極１１と帯状負極１２と帯状セパレータ１３、１４を重ね合わせ、渦巻状に捲き、捲回軸に直交する方向に圧縮し、扁平な形状にしている。

この実施形態では、当該扁平な捲回電極体１０Ａは、図２に示すように、両側の巻き口４６、４７を横に向け、かつ、扁平な捲回電極体１０Ａが電池ケース３１内で立つように、角型の電池ケース３１内に収容される。この二次電池１００Ａでは、当該捲回電極体１０Ａの扁平な巻き口４６、４７の下側が閉じられるように接合されている。
すなわち、この捲回電極体１０Ａは、扁平な巻き口４６、４７のうち、角型の電池ケース３１内に収容された際に下側になる部分が接合されている。この実施形態では、当該扁平な巻き口４６、４７のうち、帯状セパレータ１３、１４から幅方向両側にはみ出た帯状正極１１および帯状負極１２の非塗工部１１ｂ、１２ｂが接合されている。図２中において、符号Ｘが付された太い実線部分が当該接合部分を示している。この実施形態では、当該接合は溶接によって行なわれている。溶接は、例えば、レーザ溶接や、超音波溶接などの手法により行えばよい。図３に示すように、捲回電極体１０Ａは、扁平な巻き口の下側（角型の電池ケース３１に入れた際に、電池ケース３１の底側に配設される側）において、当該非塗工部１１ｂ、１２ｂを圧接し、巻き口４６、４７が閉じられるように接合されている。

また、帯状セパレータ１３、１４から幅方向両側にはみ出た帯状正極および帯状負極の非塗工部１１ｂ、１２ｂは、それぞれ内部端子５１、５２が取り付けられている。この実施形態では、内部端子５１、５２は、捲回電極体１０Ａを角型の電池ケース３１に収容したときに、電池ケース３１の上側に配設される部位に取り付けられている。当該内部端子５１、５２は、電池ケース３１の蓋３１ｂに取り付けられた正極外部端子３２と、負極外部端子３３に連結されている。

この二次電池１００Ａは、上述したように、角型の電池ケース３１に扁平な捲回電極体１０Ａを入れ、電池ケース３１に形成した電解液注入孔３５から電解液を入れる。次に、当該注入孔３５を封止し、初期充電および放電を行う。次に、電池ケース３１にガス排出孔３６を開け、当該充電により電池ケース３１内に発生したガスを排出する。その後、当該ガス排出孔３６を封止する。この実施形態では、二次電池１００Ａは、上述したようにリチウムイオン二次電池が構成されており、充電および放電を繰り返し行なうことができる。

この実施形態では、電池ケース３１は角型（即ち扁平形状電極体１０Ａの形状に対応した直方体形状）のケースであり、捲回電極体１０Ａは当該電池ケース３１に収容可能なように扁平に巻かれている。当該扁平な捲回電極体１０Ａは、図２に示すように、両側の巻き口４６、４７を横に向け、かつ、扁平な捲回電極体１０Ａが電池ケース３１内で立つように、角型の電池ケース３１内に収容されている。この捲回電極体１０Ａは、扁平な巻き口４６、４７のうち、角型電池ケース３１内に収容された際に下側になる部分（この収容状態で下端部を含む下端領域）が接合されている。電池ケース３１に電解液を注入する工程においては、電解液は、捲回電極体１０Ａの扁平な巻き口４６、４７の上側から捲回電極体１０Ａ内の帯状セパレータ１３、１４に含浸する。この二次電池１００Ａは、捲回電極体１０Ａの巻き口４６、４７が完全に閉じられていないので、電解液は、捲回電極体１０Ａ内と、捲回電極体１０Ａの外側Ｓとを行き来することができ、また、捲回電極体１０Ａ内でガスが発生しても、ガスが捲回電極体１０Ａの外へ排出される。

上述したように捲回電極体１０Ａは、放電および充電によって帯状正極１１、帯状負極１２の厚さが微妙に変化し得る。放電および充電が繰り返し行われると、捲回電極体１０Ａ内の電解液の入っているスペースが収縮したり、拡張したりする。この二次電池１００Ａは、捲回電極体１０Ａの扁平な巻き口４６、４７の下側が閉じられるように接合されているので、捲回電極体１０Ａ内の下側では電解液が留まり易い。すなわち、このため放電および充電が繰り返し行われても、捲回電極体１０Ａ内に電解液の一部を留めることができ、二次電池として所望される機能を奏するのに適当な量のイオン性物質を捲回電極体１０Ａの内部に確保することができる。これにより、電池の抵抗が上がり、出力が低下するなどにより、電池の寿命が通常よりも短くなる不具合が発生するのを抑制できる。これにより、二次電池の信頼性を向上させることができる。
なお、捲回電極体１０Ａの扁平な巻き口４６、４７を接合する長さは上述したように、適当な量のイオン性物質を捲回電極体１０Ａの内部に確保できるように、捲回電極体１０Ａの下端から適当な長さを設定すればよい。例えば、扁平な巻き口４６、４７の鉛直方向にわたる全長を１００％とした場合の捲回電極体１０Ａの下端（底部）から少なくとも１０％に相当する長さの領域を接合する（閉じる）ことが好ましく、少なくとも２０％に相当する長さの領域を接合する（閉じる）ことが更に好ましく、２０％〜６０％程度（例えば３０％〜５０％程度）が接合されていれば、上述した効果が得られ易いと期待できる。なお、捲回電極体１０Ａの下端から扁平な巻き口４６、４７を接合する長さは、かかる範囲に限定されず、適宜に変更可能である。

また、この二次電池１００Ａは、帯状正極１１と帯状負極１２の間に帯状セパレータ１３、１４を介在させて長さ方向に扁平に捲かれている。そして、帯状正極１１と帯状負極１２は、幅方向片側の側縁部が、それぞれ帯状セパレータ１３、１４からはみ出るように幅方向にずらして重ねられている。当該帯状セパレータ１３、１４からはみ出た帯状正極１１と帯状負極１２の側縁部１１ｂ、１２ｂは、それぞれ正極活物質層４３と負極活物質層４４が塗布されていない。そして、捲回電極体１０Ａは、当該非塗工部１１ｂ、１２ｂによって構成された扁平な巻き口４６、４７の下側が接合されて閉じられている。かかる構成によれば、非塗工部１１ｂ、１２ｂが接合されているので、二次電池１００Ａとしての機能を奏する重要な部位である、帯状正極１１と帯状負極１２が帯状セパレータ１３、１４を介して重ねられた部分への影響を抑制できる。

また、接合が溶接によって行われているので、化学的な反応が行われる二次電池内においても、経年的にも安定した接合状態を実現できる。

以上、本発明の一実施形態に係る二次電池を説明したが、本発明に係る二次電池は、上述した実施形態に限定されない。

例えば、帯状正極、帯状負極、帯状セパレータは、それぞれの機能し得るシート材を使用することができ、それぞれ変更が可能である。例えば、正極集電体や正極活物質、および、負極集電体や負極活物質は、それぞれ上述した材料に限定されず、二次電池の正極集電体や正極活物質、または、負極集電体や負極活物質として機能し得る種々の材料を用いることができる。また、電池ケースの材質や形状および構造、および、電解液についても、それぞれ二次電池に使用されるものであればよく、特に制限はない。

また、上述した実施形態では、捲回電極体は、扁平に巻かれた捲回電極体を例示し、また、電池ケースについても、当該扁平な捲回電極体が収容される角型の電池ケースを例示した。捲回電極体は、扁平に巻かれた形態に限定されず、電池ケースについても角型の電池ケースに限定されない。本発明においては、捲回電極体が両側の巻き口を横に向けて電池ケース内に収容されており、捲回電極体の巻き口の少なくとも下端領域が接合されて閉じられているとよい。これにより、放電および充電が繰り返し行われても、捲回電極体内に電解液の一部を留めることができ、二次電池として所望される機能を奏するのに適当な量のイオン性物質を捲回電極体の内部に確保することができる。

また、本発明は、上記のとおり、二次電池の寿命について信頼性を向上させる構造として優れている。かかる特性により、本発明に係る電池は、例えば、図４に模式的に示すように、自動車１等の車両に搭載されるモーター（電動機）用の電池１０００として好適に使用でき、具体的に一例を挙げれば、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車の電源（二次電池）として適用できる。

二次電池を示す図。本発明の一実施形態に係る二次電池を示す図。本発明の一実施形態に係る二次電池の捲回電極体を示す図。電池を備えた車両（自動車）を模式的に示す側面図。

符号の説明

１０Ａ捲回電極体
１１帯状正極
１１ａ、１２ａ塗工部
１１ｂ、１２ｂ非塗工部（側縁部）
１２帯状負極
１３帯状セパレータ
３１電池ケース
３１ａ電池缶
３１ｂ蓋
３２正極外部端子
３３負極外部端子
３４安全弁
３５電解液注入孔
３６ガス排出孔
４１正極集電体
４２負極集電体
４３正極活物質層
４４負極活物質層
４６、４７巻き口（側縁部）
５１、５２内部端子
１００Ａ二次電池
Ｘ溶接部位（接合部位）

Claims

正極と負極の間にセパレータを介在させて捲回された捲回電極体と、電解液とを、電池ケースに収容した二次電池であって、
前記捲回電極体は、両側の巻き口を横に向けて前記電池ケース内に収容されており、
前記捲回電極体の巻き口の少なくとも下端領域が接合されて閉じられている、二次電池。
前記捲回電極体は、帯状正極と帯状負極の間に帯状セパレータを介在させて長さ方向に扁平に捲かれており、
前記帯状正極と前記帯状負極は、幅方向片側の側縁部が、それぞれ前記帯状セパレータからはみ出るように幅方向にずらして重ねられており、
当該帯状セパレータからはみ出た帯状正極と帯状負極の側縁部は、それぞれ正極活物質と負極活物質が塗布されていない非塗工部を構成しており、当該非塗工部によって構成された巻き口の前記少なくとも下端領域が接合されて閉じられている、請求項１に記載の二次電池。
前記接合は溶接によって行われている、請求項１又は２に記載の二次電池。
請求項１から３の何れかに記載の二次電池を電源として備えた車両。