JP2012124146A - 二次電池、バッテリユニットおよびバッテリモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二次電池は、電池素子と、電池素子を外装する外装材とを備える。電池素子は、正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとが0.5<(wc/Wc)≦1.0の関係を満たすように正極集電体上に正極活物質層が設けられている正極と、負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとが0.5<(wa/Wa)≦1.0の関係を満たすように負極集電体上に負極活物質層が設けられている負極と、交互に積層される正極と負極との間に介在するセパレータと、正極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された正極タブと、負極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された負極タブとを備える。
【選択図】図8
Description
厚さが3mm以上20mm以下であり、かつ、電池放電容量が3Ah以上50Ah以下である電池素子と、電池素子を外装する外装材とを備え、
電池素子は、
正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとが以下の式(1)を満たすように正極集電体上に正極活物質層が設けられている正極と、
負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとが以下の式(2)を満たすように負極集電体上に負極活物質層が設けられている負極と、
交互に積層される正極と負極との間に介在するセパレータと、
正極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された正極タブと、
負極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された負極タブと
を備える二次電池である。
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(1)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(2)
一組の二次電池と、
一組の二次電池の外周側面を囲う外周壁部が形成された支持体と
を備え、
一組の二次電池がそれぞれ、支持体の正面側および背面側から外周壁部内に挿入されており、
二次電池は、厚さが3mm以上20mm以下であり、かつ、電池放電容量が3Ah以上50Ah以下である電池素子と、電池素子を外装する外装材とを備え、
電池素子は、
正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとが以下の式(7)を満たすように正極集電体上に正極活物質層が設けられている正極と、
負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとが以下の式(8)を満たすように負極集電体上に負極活物質層が設けられている負極と、
交互に積層される正極と負極との間に介在するセパレータと、
正極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された正極タブと、
負極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された負極タブと
を備えるバッテリユニットである。
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(7)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(8)
複数のバッテリユニットを備え、
バッテリユニットは、
一組の二次電池と、
一組の二次電池の外周側面を囲う外周壁部が形成された支持体と
を備え、
一組の二次電池がそれぞれ、支持体の正面側および背面側から外周壁部内に挿入されており、
二次電池は、厚さが3mm以上20mm以下であり、かつ、電池放電容量が3Ah以上50Ah以下である電池素子と、電池素子を外装する外装材とを備え、
電池素子は、
正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとが以下の式(9)を満たすように正極集電体上に正極活物質層が設けられている正極と、
負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとが以下の式(10)を満たすように負極集電体上に負極活物質層が設けられている負極と、
交互に積層される正極と負極との間に介在するセパレータと、
正極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された正極タブと、
負極集電体露出部に電気的に接続され、外装材の外部へ導出された負極タブと
を備えるバッテリモジュールである。
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(9)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(10)
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(1)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(2)
1.第1の実施形態(枚葉のセパレータを介して正極および負極を積層した例)
2.第2の実施形態(つづら折りにより折り畳まれた一枚の帯状のセパレータを介して正極および負極を積層した例)
3.第3の実施形態(負極を挟んだ状態でつづら折りにより折り畳まれた一対のセパレータを介して正極および負極を積層した例)
4.第4の実施形態(正極タブおよび負極タブを同一の側面から導出した例)
5.第5の実施形態(二次電池を用いたバッテリユニットおよびバッテリモジュール)
(1−1)二次電池の構成
図1Aは、本発明の第1の実施形態に係る非水電解質電池(以下、二次電池1と適宜称する)の外観を示す略線図であり、図1Bは、二次電池1の構成を示す略線図である。なお、図1Bは、図1Aに示す二次電池1の底面および上面を反転させた場合の構成を示している。また、図1Cは、二次電池1の外観底面側を示す略線図である。二次電池1は、例えば、いわゆるリチウムイオン二次電池であり、電池素子2と外装材3とを備えるものである。図1Dは、外装材3により外装される電池素子2の側面図である。外装材3は、電池素子2を収容する第1外装部3Aと、電池素子2を覆う蓋として機能する第2外装部3Bとから構成されている。電池素子2の電池素子2の厚みは3mm以上20mm以下であり、放電容量は3Ah以上50Ah以下である。電池素子2の厚みが3mm未満であると、電池全体の体積中に電池素子2の占める割合が低下し、体積エネルギー密度が低下する。また、電池素子2の厚みが20mmを超えると、電池素子2の放熱性が低下し、充放電を繰り返すサイクル寿命が低下するおそれがある。放電容量が3Ah未満であると、上記の構造をとることなくレート特性が確保される。
図2Aおよび図2Bは、電池素子2を構成する正極4の構造を示す略線図である。図2Cおよび図2Dは、電池素子2を構成する負極5の構造を示す略線図である。正極4は、例えば、正極集電体4Aの両面に正極活物質層4Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体4Aの片面のみに正極活物質層4Bを設けるようにしてもよい。
0.5<(wc/Wc)≦1.0 ・・・(1)
0.02<(dc/Dc)≦0.40 ・・・(2)
(式中、M1は、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。f、g、h、jおよびkは、0.8≦f≦1.2、0<g<0.5、0≦h≦0.5、g+h<1、−0.1≦j≦0.2、0≦k≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、fの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M2は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。m、n、pおよびqは、0.8≦m≦1.2、0.005≦n≦0.5、−0.1≦p≦0.2、0≦q≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、mの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M3は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。r、s、tおよびuは、0.8≦r≦1.2、0≦s<0.5、−0.1≦t≦0.2、0≦u≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、rの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M4は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。v、w、xおよびyは、0.9≦v≦1.1、0≦w≦0.6、3.7≦x≦4.1、0≦y≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、vの値は完全放電状態における値を表している。)
(式中、M5は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。zは、0.9≦z≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、zの値は完全放電状態における値を表している。)
負極5は、例えば、負極集電体5Aの両面に負極活物質層5Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体5Aの片面のみに負極活物質層5Bを設けるようにしてもよい。負極集電体5Aは、例えば、銅箔などの金属箔により構成されている。
0.5<(wa/Wa)≦1.0 ・・・(3)
0.02<(da/Da)≦0.40 ・・・(4)
セパレータ6は、正極4と負極5とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ6としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜を単層で、またはそれらを複数積層したもの用いることができる。また、不織布やセルロースの多孔質膜を用いてもよい。特に、セパレータ6としては、ポリオレフィン製の多孔質膜が好ましい。ショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるからである。また、セパレータ6としては、ポリオレフィンなどの微多孔膜上に、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの多孔性の樹脂層を形成したものを用いてもよい。
図3は、この発明の第1の実施形態に係る二次電池1を構成する正極タブ7の外観を示す略線図である。なお、負極タブ8も同様の外観構成を有しているので負極タブ8についての図示は省略する。図3Aは、上面7−1および左側面7−2を示す斜視図であり、図3Bは、底面7−3および右側面7−4を示す斜視図であり、図3Cは、断面図である。
Hc≦Sc/Tc≦B・・・(5)
Ha≦Sa/Ta≦B・・・(6)
電解質は、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン、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)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は1種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合してもよい。
図6A〜図6Dは、シーラント10の構成を説明するための図である。図6Aは、二次電池1の外観を示す略線図であり、図6Bおよび図6Cは、図6AにおけるVI−VI断面図である。図6Dは、電池素子2の側面図である。
図7A〜図7Fは、インシュレータ11の構成について説明するための略線図である。インシュレータ11は、正極4および負極5がセパレータ6を介して積層されて構成された電池素子2と正極タブ7との間に設けられる平板状、シート状またはフィルム状の絶縁部材である。前述のように正極タブ7の折り曲げ部にシーラント10が設けられることで正極タブ7と負極5の接触による短絡は防止できるが、シーラント10が介在していない正極集電箔露出部4C(特に角部)と負極5との接触し内部短絡が発生するおそれがある。インシュレータ11が電池素子2と正極タブ7との間に介在することにより、電池素子2と正極集電箔露出部4Cとが直接接触することによる短絡を防止する。
外装材3の一例として用いるラミネートフィルムは、金属箔の両面にそれぞれ外側樹脂層と内側樹脂層とが形成された、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムからなる。外側樹脂層には、外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン(Ny)、またはポリエチレンテレフタレート(PET)が用いられる。金属箔は、水分、酸素、光の浸入を防ぎ、内容物である電池素子2を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム(Al)が最もよく使われる。内側樹脂層は、熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、ポリオレフィン系樹脂材料、例えば無延伸ポリプロピレン(CPP)が多用される。なお、外装材3は、ラミネートフィルムに代えてポリプロピレンなどの高分子フィルムまたは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
図8Aおよび図8Bは、正極4、負極5およびセパレータ6の積層構造を示す図である。図8Aは、外観斜視図であり、図8Bは、平面図である。第1の実施形態において電池素子2は、図8Aに示すように、正極4および負極5がセパレータ6を介して交互に、例えば、負極5、セパレータ6、正極4、セパレータ6、負極5・・・セパレータ6、負極5となるように重ね合わせて積層されることにより構成されている。
G<(dc/2) ・・・(7)
K<(da/2) ・・・(8)
上述のような二次電池1は、以下のような工程で作製することができる。
まず、例えば、正極活物質と、低結晶性炭素と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体4Aの両面に塗布する。なお、この塗布工程においては、正極合剤スラリーを正極集電体4Aの全面に塗布するのではなく、正極集電体4A上に正極活物質層4Bが存在しない正極集電体露出部4Cが形成されるように正極合剤スラリーを塗布する。そして、正極合剤スラリーを乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層4Bを形成する。そして、所定のサイズとなるようにカットすることにより正極4を作製する。
まず、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体5Aの両面に塗布する。なお、この塗布工程においては、上述した正極4と同様に、負極合剤スラリーを負極集電体5Aの全面に塗布するのではなく、負極集電体5A上に負極活物質層5Bが存在しない負極集電体露出部5Cが形成されるように負極合剤スラリーを塗布する。そして、負極合剤スラリーを乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層5Bを形成する。そして、所定のサイズとなるようにカットすることにより負極5を作製する。
次いで、正極4と負極5とを、セパレータ6を介して交互に、例えば、負極5、セパレータ6、正極4、セパレータ6、負極5・・・セパレータ6、負極5となるように重ね合わせて所定数の正極4および負極5を積層する。なお、本発明においては、図8Aに示すように、正極4と負極5とは正極集電体露出部4Cと負極集電体露出部5Cとが互いに反対の方向に向かうようにして積層される。すなわち、正極集電体露出部4Cと負極集電体露出部5Cとが同一方向へ向かうようには構成されていない。これにより、正極集電体露出部4Cに接続する正極タブ7、負極集電体露出部5Cに接続する負極タブ8の幅を最大で電池素子2の幅と略同一とすることが可能となり、大電流の入出力が可能となる。
次に、図9および図10を参照して積層工程以降の製造工程の概略について説明する。図9Aは、積層工程において正極4、負極5およびセパレータ6を積層することにより構成された電池素子2である。積層工程後はまず、第1のU字折り曲げ工程において図9Bに示すように、正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cの折り曲げがなされる。次に、集電体露出部切断工程において図9Cに示すように、折り曲げられた正極集電体露出部4Cの先端の余剰分を切断することにより先端を切り揃える。同様に、負極集電体露出部5Cの先端も切り揃える。
積層した正極4から引き出された複数の正極集電体露出部4Cおよび積層した負極5から引き出された複数の負極集電体露出部5Cを、断面略U字形状となるように折り曲げる。第1のU字曲げ工程は、予め正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cに最適なU字曲げ形状を持たせるための工程である。予め最適なU字曲げ形状を持たせることにより、後に正極タブ7および負極タブ8と接続後の正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cを折り曲げてU字曲げ部を形成する際に正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cに引張り応力などのストレスがかからないようにすることができる。
次に、U字曲げ部を形成した正極集電体露出部4C1乃至4C3の先端を切り揃える。集電体露出部切断工程では、予め最適な形状を有するU字曲げ部を形成し、そのU字曲げ形状に合わせて正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cの余剰分を切断する。図12は、正極集電体露出部4Cの切断工程を説明する側面図である。なお、負極集電体露出部5Cについても同様にして集電体露出部切断工程が行われる。
続いて、正極集電体露出部4C1乃至4C3と、正極タブ7との接続を行う。タブ接続工程では、第1のU字曲げ工程で形成した最適なU字曲げ形状を維持しながら正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cと、正極タブ7および負極タブ8を固着する。これにより、正極集電体露出部4Cおよび正極タブ7と、負極集電体露出部5Cおよび負極タブ8が電気的に接続される。図13は、正極集電体露出部4C1乃至4C3と、正極タブ7との接続工程を説明する側面図である。なお、図示はしないが、正極タブ7にはあらかじめシーラント10が設けられているものとする。負極集電体露出部5Cと負極タブ8についても同様にして接続工程が行われる。
次に、正極集電体露出部4C1乃至4C3と固着した正極タブ7を所定の形状に折り曲げる。図14A乃至図14Cは、正極タブ7のタブ折り曲げ工程を説明する側面図である。なお、図示はしないが、タブ折り曲げ工程においてはタブに設けられているシーラント10も一緒に折り曲げられる。また、負極集電体露出部5Cと負極タブ8についても同様にしてタブ折り曲げ工程が行われる。
続いて、図14Dに示すように、電池素子2と、後述する第2のU字曲げ工程で折り曲げられる正極集電体露出部4C1乃至4C3との間に介在するようにインシュレータ11を設置する。インシュレータ11は後述する第2のU字曲げ工程によって正極集電体露出部4C1乃至4C3が90°折り曲げられると、電池素子2と正極タブ7との間に介在することとなる。また、インシュレータ11の形状を略ロ字状、箱型とした場合には、電池素子2の全側面をインシュレータ11で覆うようにインシュレータ11を電池素子2に被せる。
続いて、図14Eに示すように、正極集電体露出部4C1乃至4C3と正極タブ7との接続部分を90°折り曲げ、電池素子2を作製する。第2のU字曲げ工程では、正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cに正極タブ7および負極タブ8がそれぞれ予め第1のU字曲げ工程で形成したU字曲げ形状に沿ってU字曲げ部を形成する。
上述のようにして作製された電池素子2は、図10B乃至図10Dに示すように、ラミネートフィルム等の外装材3で外装される。なお、上述したように外装材3が接触する正極タブ7および負極タブ8の各領域に、シーラント10が設けられている。
(2−1)二次電池の構成
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図15Aおよび図15Bは、第2の実施形態における正極4、負極5およびセパレータ12の積層の手法を説明する略線図である。図15Aは、積層状態の外観を示す斜視図であり、図15Bは、積層状態の略線側面図である。第2の実施形態において第1の実施形態と同一または対応する箇所には同一の符号を付す。第2の実施形態は、セパレータ12を長尺の帯状に形成してつづら折りにより折り畳む点、正極4および負極5を折り畳んだセパレータ12の間に挟み込むことにより積層して電池素子2を構成する点において、第1の実施形態と異なっている。なお、セパレータ12以外の二次電池1の構成は第1の実施形態と同様である。
セパレータ12は、正極4と負極5とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。第2の実施形態においては、セパレータ12は長尺の帯状に形成されている。そして、セパレータ12は、正極4および負極5の幅と略同一の間隔でつづら折り状に折り畳まれる。セパレータ12をつづら折り状に折りたたむことにより形成されるセパレータ12の各面の幅は正極4および負極5の幅と略同一となっている。セパレータ12は例えば、爪状の突起を折り目部分に当接させて引っ掛けることにより折り畳まれる。なお、セパレータ12は第1の実施形態と同様に、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜、または不織布やセルロースの多孔質膜を単層で、またはそれらを複数積層したもの用いることができる。特に、セパレータ12としては、ポリオレフィン製の多孔質膜が好ましい。また、セパレータ12としては、ポリオレフィンなどの微多孔膜上に、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの多孔性の樹脂層を形成したものを用いてもよい。
上述のようにつづら折りにより折畳まれたセパレータ12の間に、複数枚の正極4および負極5が1枚ずつ交互に挟み込まれて挟持されることにより電池素子2が構成されている。正極4は、正極集電体露出部4Cがセパレータ12の折り目方向に対して平行方向に向けてセパレータ12間から導出されるように挟み込まれている。負極5も同様にセパレータ12の折り目方向に対して平行方向に向けてセパレータ12間から導出されるように挟み込まれている。
第2の実施形態に係る二次電池1は、以下のような工程で作製することができる。なお、正極4の作製、負極5の作製工程は第1の実施形態と同様である。
正極4および負極5は、図15Aおよび図15Bに示すように、つづら折り状に折り畳まれたセパレータ12の間に挟み込まれることにより設けられる。これにより、正極4と負極5とを、セパレータ12を介して交互に、例えば、負極5、セパレータ12、正極4、セパレータ12、負極5・・・セパレータ12、負極5となるように重ね合わせて所定数の正極4および負極5を積層させることができる。
積層工程以降の工程は、第1の実施形態と同様である。すなわち、積層工程後はまず、第1のU字折り曲げ工程において、図9Bに示すように、正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部5Cの折り曲げがなされる。次に、集電体露出部切断工程において、図9Cに示すように、折り曲げられた正極集電体露出部4Cの先端の余剰分を切断することにより先端を切り揃える。同様に、負極集電体露出部5Cの先端も切り揃える。
(3−1)二次電池の構成
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図17A〜図17Cは、第3の実施形態における正極4、負極13およびセパレータの積層構造を説明する略線図である。図17Aは、第1セパレータ14、負極13および第2セパレータ15との積層構造を示す略線図であり、図17Bは、積層状態の外観を示す斜視図であり、図17Cは、積層状態の略線側面図である。第3の実施形態において第1の実施形態と同一または対応する箇所には同一の符号を付す。
負極13を構成する負極集電体13Aはセパレータと同様の長尺の帯状に形成されている。そして、負極集電体13Aの両面に短手方向に所定の寸法の奥行きを有する負極集電体露出部13Cが形成されるように、負極集電体13A上に負極活物質層13Bが設けられている。このようにして負極13は、図17Aに示すように、長尺の帯状に形成されている。第3の実施形態においても第1および第2の実施形態と同様に、負極集電体13Aの両面全面に負極活物質層13Bが設けられているのではない。負極13は長尺の帯状に形成されているため、負極集電体露出部13Cの幅と負極活物質層13Bの幅とは略同一となる。すなわち、負極集電体露出部13Cの幅wa(図17Aにおける長手方向の寸法)と負極活物質層13Bの幅Wa(図17Aにおける長手方向の寸法)とは以下の式(9)を満たすように構成されている。
(wa/Wa)=1.0 ・・・(9)
0.02<(da/Da)≦0.40 ・・・(10)
セパレータは、正極4と負極13とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。第3の実施形態においては2つのセパレータ、第1セパレータ14および第2セパレータ15を用いる。第1セパレータ14および第2セパレータ15は共に負極13と同様に長尺の帯状に形成されており、その寸法は略同一とされている。また、第1セパレータ14および第2セパレータ15は共に、図17Aに示すように、負極13に比べて短手方向の寸法が短く構成されている。これは、第1セパレータ14と第2セパレータ15とで負極13を挟持した状態において、第1セパレータ14と第2セパレータ15との間から負極集電体露出部13Cが導出されるようにするためである。
上述のように構成された第1セパレータ14と第2セパレータ15とで負極13を挟持することにより、第1セパレータ14、第2セパレータ15および負極13とを一体構成とする。以下、第1セパレータ14、第2セパレータ15で負極13を挟持した3層構造体を3層体16と称する。負極13は短手方向の寸法を第1セパレータ14および第2セパレータ15よりも大きく形成してあるので、3層体16の第1セパレータ14と第2セパレータ15との間からは負極集電体露出部13Cが導出される。
第3の実施形態に係る二次電池1は、以下のような工程で作製することができる。正極4の作製工程は第1の実施形態と同様である。
まず、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体13Aに塗布する。なお、この塗布工程においては、負極合剤スラリーを負極集電体13Aの全面に塗布するのではなく、負極集電体13A上に負極活物質層13Bが形成されてない負極集電体露出部13Cが形成されるように負極合剤スラリーを塗布する。そして、負極溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層13Bを形成する。以上の工程により負極13が作製される。なお、第3の実施形態においては、負極13を所定のサイズにカットする裁断工程を行う必要がないため、製造効率を高めることができる。
まず、第1セパレータ14と第2セパレータ15の間に負極13を挟み込むことにより3層体16を形成する。次に、3層体16をつづら折りにより複数回折り畳む。3層体16は例えば、爪状の突起を折り目部分に当接させて引っ掛けることにより折り畳まれる。そして、正極4は、図17Aおよび図17Bに示すように、つづら折り状に折り畳まれた3層体16を構成するセパレータの間に1枚ずつ挟み込まれることにより設けられる。これにより、正極4と負極13とを、セパレータを介して交互に、例えば、負極13、セパレータ、正極4、セパレータ、負極13・・・セパレータ、負極13となるように重ね合わせて所定数の正極4および負極13を積層させることができる。なお、第3の実施形態においても第1の実施形態と同様に、正極4と負極13とは正極集電体露出部4Cと負極集電体露出部13Cとが互いに反対の方向に向かうようにして積層される。すなわち、正極集電体露出部4Cと負極集電体露出部13Cとが同一方向へ向かうようには構成されていない。これにより、正極集電体露出部4Cに接続する正極タブ、負極集電体露出部13Cに接続する負極タブの幅を最大で電池素子の幅と略同一とすることが可能となり、大電流の入出力が可能となる。
積層工程以降の工程は、第1の実施形態と同様である。すなわち、積層工程後はまず、折り曲げ工程において、図9Bに示すように、正極集電体露出部4Cおよび負極集電体露出部13Cの折り曲げがなされる。次に、切断工程において、図9Cに示すように、折り曲げられた正極集電体露出部4Cの先端の余剰分を切断することにより先端を切り揃える。同様に、負極集電体露出部13Cの先端も切り揃える。
(4−1)二次電池の構成
図25Aは、本発明の第4の実施形態に係る二次電池の外観の一例を示す斜視図である。図25Aに示すように、第4の実施形態に係る二次電池は、正極タブ31および負極タブ41が同一の側面から導出されている点において、第1の実施形態とは異なっている。
図26Aは、正極タブの形状の一例を示す斜視図である。正極タブ31は、例えば、電池素子2の第1の側面S1および第3の側面S3に倣うように屈曲された屈曲部32と、第3の側面S3に対して鉛直方向に導出される導出部33とを有する。屈曲部32は、例えば、電池素子2の第2の側面S1および第3の側面S3に対向する裏面Saと、この裏面Saとは反対側の表面Sbとを有する。屈曲部32は、例えば、電池素子2の第1の主面A1の側から見ると、略L字状の形状を有している。より具体的には、屈曲部32は、正極集電体露出部4Cと接続される接続部32aと、この接続部32aの一端から、接続部32aの裏面Saに対して略鉛直方向に延在された延在部32bとを有する板状部材である。導出部33は、延在部32bの表面Saに対して略鉛直方向に立設されている。
図27A〜図28Cは、正極タブの第1〜第7の形状例を示す斜視図である。なお、正極タブ31と負極タブ41との形状は、対称な関係にあるため、以下では、正極タブ31の形状例のみについて説明し、負極タブ41の形状例についての説明は省略する。
正極タブ31および負極タブ41は、例えば、成型工程、プレス工程、屈折工程、および溶接工程などを適宜組み合わせて作製することができる。以下に、例として、正極タブ31の作製方法について説明する。
図29A〜図29Cは、正極タブの作製方法の第1の例を示す工程図である。まず、例えば打ち抜き加工などにより、金属片を加工する。これにより、図29Aに示すように、細長い矩形部36と、その長手方向の一端に設けられた幅広の矩形部37とからなる金属片が形成される。
図30A〜図30Cは、正極タブの作製方法の第2の例を示す工程図である。まず、例えば打ち抜き加工などにより、図30Aに示すように、矩形状の金属片を作製する。次に、金属片に対してL字加工を施す。これにより、図30Bに示すように、矩形状の金属の一辺側が立設されて、接合部38aを有する導出部33が形成される。次に、別工程にて作製された屈曲部32の延在部32bの表面Sbに対して、導出部33の接合部38aを接合する。接合方法としては、例えば、超音波溶接、抵抗溶接などを用いることができる。
正極タブ31および負極タブ41の少なくとも一方の表面が被覆層により被覆されていることが好ましく、正極タブ31および負極タブ41の両方の表面が被覆層により被覆されていることがより好ましい。被覆層としては、第1の実施形態と同様のものを用いることができる。
図31は、正極集電体露出部と正極タブとの接合部を拡大して表す斜視図である。正極集電体露出部4Cと正極タブ31との接合面積Scが、正極タブ31の有効断面積Ascと、正極集電体露出部幅wcと、電池素子2の厚みBと、以下の式(11)の関係を満たすことが好ましい。
Asc≦Sc≦wc×B ・・・(11)
Asa≦Sa≦wa×B ・・・(12)
正極タブ31および負極タブ41と電池素子2との間の少なくとも一部に、絶縁部材(以下インシュレータと適宜称する。)をさらに設けることが好ましい。より具体的には、正極タブ31の屈曲部32と、電池素子2の第1の側面S1および第3の側面S3の少なくとも一方の側面との間にインシュレータをさらに備えることが好ましい。また、負極タブ41の屈曲部42と、電池素子2の第2の側面S2および第3の側面S3の少なくとも一方の側面との間にインシュレータをさらに備えることが好ましい。電池素子2の最外層に正極4または負極5を設ける構成を採用した場合にも、正極4または負極5が、振動などにより正極タブ31または負極タブ41と接触し、内部短絡が発生することを抑制できる。すなわち、二次電池1の安全性を向上し、かつ、二次電池1の性能の低下を抑制できる。
インシュレータ51をさらに備える代わりに、セパレータ6の一部を正極タブ31および負極タブ41と電池素子2との間を絶縁する絶縁部材として使用するようにしてもよい。
正極タブ31および負極タブ41と外装材3との間の少なくとも一部に、絶縁部材(以下インシュレータと適宜称する。)52をさらに設けることが好ましい。二次電池1の使用中に振動摩擦などが原因で、正極タブ31および負極タブ41、特にそれらの端部が外装材3の表面の樹脂層を突き破り、外装材3のアルミ層などと電気的に接触して内部ショート(内部短絡)が発生することを抑制できる。
次に、図36A〜図37Cを参照しながら、二次電池の製造方法の一例について説明する。
[二次電池を用いたバッテリユニットおよびバッテリモジュール]
以下、図19乃至図24を参照しながら、本発明に係る二次電池を用いて構成されたバッテリユニットおよびバッテリモジュールについて説明する。
図19Aおよび図19Bは、本発明を適用したバッテリユニットの構成例を示す斜視図である。図19Aおよび図19Bには、それぞれ異なる側から見たバッテリユニット100が示されており、図19Aに主に示されている側をバッテリユニット100の正面側とし、図19Bに主に示されている側をバッテリユニット100の背面側とする。図19Aおよび図19Bに示すように、バッテリユニット100は、二次電池1−1および1−2、ブラケット110、並びに、バスバー120−1および120−2を備えて構成される。二次電池1−1および1−2は上述した第1乃至第4の実施形態のいずれかの構成を採用した二次電池である。
次に、図21乃至24を参照して、バッテリユニット100が組み合わされたバッテリモジュール200の構成例について説明する。バッテリモジュール200は、モジュールケース210、ゴムシート部220、二次電池部230、二次電池カバー240、固定シート部250、電気パーツ部260、およびボックスカバー270を備えて構成されている。
(正極作製)
正極は以下のように作製した。まず、リン酸鉄リチウム90質量部、ポリフッ化ビニリデン5質量部、カーボンブラック5質量部、分量外のN−メチルピロリドンをミキサーで混錬、さらに所望の粘度になるようにN−メチルピロリドン(NMP)を添加し分散させ、正極合剤スラリーを得た。次に、正極集電体露出部が形成されるように正極合剤スラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより正極活物質層を形成した。その後、矩形状に切断し、正極を得た。正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係が(wc/Wc)=1.0となるようにし、正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層の奥行きDcとの関係が(dc/Dc)=0.1となるようにした。
負極は以下のようにして作製した。まず、人造黒鉛94質量部、ポリフッ化ビニリデン5質量部、気相成長炭素繊維(VGCF)1質量部、分量外のN−メチルピロリドンを混錬し、負極合剤スラリーを得た。次に、負極集電体露出部が形成され、負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=1.0となるように、負極合剤スラリーを厚さ8μmの銅箔の両面に塗布、乾燥後、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより負極活物質層を形成した。その後、これを矩形状に切断し、負極を得た。負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係が(wa/Wa)=1.0となるようにし、負極集電体露出部の奥行きdaと負極活物質層の奥行きDaとの関係が(da/Da)=0.1となるようにした。
電池素子は以下のようにして作製した。まず、厚さ20μmのポリプロピレン製微多孔フィルムを図8に示す形状に切断し、これをセパレータとした。次に、上述のようにして得られた負極26枚、正極25枚、セパレータ50枚を、図8に示すように、負極、セパレータ、正極、・・・、正極、セパレータ、負極の順で積層した。なお、正極と負極とは正極集電体露出部と負極集電体露出部とが反対向きになるように積層した。電池素子の厚みは8mmとなるようにした。これにより、正極合剤層、セパレータおよび負極合剤層からなる基本積層単位を50層分内包する電池素子が得られた。なお、電池素子の上下最外層は負極合剤層となるが、これらの部分は正極と対向していないため電池反応には寄与するものではない。また、この積層に際しては、積層方向から見て、正極合剤層の投影面が負極合剤層の投影面の内側に収まるように、負極と正極の相対位置を調整した。
次に、正極集電体露出部25枚を同時にアルミ(Al)製の正極タブに超音波溶接により接続した。同様にして、負極集電体露出部26枚を同時にニッケル(Ni)製の負極タブに超音波溶接した。次に、外装材であるアルムラミネートフィルムとして、無延伸ポリプロピレン(CPP)からなる樹脂層、接着層、アルミ箔、接着層、ナイロンからなる樹脂層を順次積層した矩形状のものを2枚準備した。2枚のアルミラミネートフィルムの一方には電池素子を収容する凹部を形成した。次に、正極タブおよび負極タブの一端を外部に引き出すようにして電池素子を一方のアルミラミネートフィルムの凹部に収容した。次に、他方のアルムラミネートフィルムを電池素子を収容した凹部を覆うように一方のアルミラミネートフィルムに重ね合わせて、1辺を除く周縁部を熱融着して袋状とした。
以上により、目的とする二次電池が作製された。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.9とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.8とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.7とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.6とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.5とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.4とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.3とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.2とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=0.1とした以外は、実施例1−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の幅wcと正極活物質層の幅Wcとの関係を(wc/Wc)=1.0とし、負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.9として、実施例1−6の二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.8とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.7とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.6とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.5とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.4とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.3とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.2とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
負極集電体露出部の幅waと負極活物質層の幅Waとの関係を(wa/Wa)=0.1とした以外は、実施例1−6と同様にして、二次電池を作製した。
出力密度は充電深度(SOC:State of charge)50%の状態の電池に0.5C、1C、2C、3C、4Cの電流を10秒間印加して、それぞれの電流値における10秒目の電圧を測定し、電流−電圧特性から求めた。すなわち、出力(Po)は電池の放電終止電圧(Vd=2.0V)と電流−電圧特性の直線を、放電終止電圧まで外挿したときの電流値(Id)を用いて、式Po=Id×Vdより求めた。このときの出力(Po)を電池の重量で除することで出力密度とした。
<実施例2−1>
正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層の奥行きDcとの関係を(dc/Dc)=0.02とし、電池素子の厚みを6.3mmとし、電池放電容量を10Ahとした以外は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層4Bの奥行きDcとの関係を(dc/Dc)=0.10とし、電池素子2の厚みを6.8mmとした以外は、実施例2−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層の奥行きDcとの関係を(dc/Dc)=0.30とし、電池素子の厚みを8.7mmとした以外は、実施例2−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層の奥行きDcとの関係を(dc/Dc)=0.40とし、電池素子の厚みを10.0mmとした以外は、実施例2−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層の奥行きDcとの関係を(dc/Dc)=0.01とした以外は、実施例2−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極集電体露出部の奥行きdcと正極活物質層の奥行きDcとの関係を(dc/Dc)=0.42とし、電池素子の厚みを10.6mmとした以外は、実施例2−1と同様にして、二次電池を作製した。
放電容量維持率の測定試験を以下のようにして行なった。まず、10A、3.6Vの定電流定電圧充電で充電させた後、10Aで2.0Vまで放電し、1サイクル目の放電容量を求めた。次に、この1サイクル目の放電容量を測定した場合と同様の条件で充放電を繰り返し、1000サイクル目の放電容量を求めた。次に、1サイクル目の放電容量および1000サイクル目の放電容量を用いて、以下の式から1000サイクル後の放電容量維持率を求めた。
1000サイクル後の容量維持率[%]=(1000サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
<実施例3−1>
正極タブの材質はアルミニウム(Al)とし、導電率は60%IACSとした。また、負極タブの材質は銅(Cu)合金とし、導電率は90%IACSとした。正極タブおよび負極タブの厚みは共に50μmとした。また、負極タブはニッケル(Ni)により一端面面および他端面を除く上面、左側面、底面および右側面の合計4面を被覆した。ニッケル(Ni)による被覆層の厚さは1μmとした。上述の点以外は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを100μmとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを400μmとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みは共に200μmとし、負極タブの材質はアルミニウム(Al)とし、導電率を60%IACSとし、さらに、タブの被覆は行っていない点以外は実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの材質は銅(Cu)とし、導電率を100%IACSとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの材質は銅(Cu)合金とし、負極タブの導電率を70%IACSとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの導電率を80%IACSとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの導電率を100%IACSとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆材質をスズ(Sn)とした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆層の厚みを0.1μmにした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆層の厚みを3μmにした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを25μmとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを450μmとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの材質をニッケル(Ni)とし、負極タブの導電率を20%IACSとし、さらに、タブの被覆を行わなかった点以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの導電率を50%IACSとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、負極タブの導電率を30%IACSとした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆面を図3Dの斜線部に示すように上面および底面の2面とした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆面を図3Eの斜線部に示すように左側面および右側面とした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆層の厚みを0.05μmにした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブおよび負極タブの厚みを200μmとし、被覆層の厚みを4μmにした以外は、実施例3−1と同様にして、二次電池を作製した。
二次電池の膨れ量の測定試験は、1組の平行平板で電池を挟み、加重300gで押し当てたときの平板間の厚みを二次電池の厚みとして測定することにより行った。なお、二次電池の膨れ量の測定試験は、温度60℃、湿度RH90%の条件下、1ヶ月保存した後の膨れ量を測定することにより行った。
外部短絡試験は、正負極のタブをワイヤーハーネスで接続し、外部短絡させ、その後の電池の状態を観測することにより行った。
折り曲げ加工後の亀裂の有無の確認試験は、折り曲げ状態のタブを光学顕微鏡で観察し、亀裂の有無を判定することにより行った。
正極集電体露出部と正極タブとの接続は超音波溶接により行ない、接続面積/正極タブ幅=0.05とした以外は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
接続面積/正極タブ幅=0.2とした以外は、実施例4−1と同様にして、二次電池を作製した。
接続面積/正極タブ幅=7とした以外は、実施例4−1と同様にして、二次電池を作製した。
接続面積/正極タブ幅=10とした以外は、実施例4−1と同様にして、二次電池を作製した。
接続面積/正極タブ幅=0.025とした以外は、実施例4−1と同様にして、二次電池を作製した。
接続面積/正極タブ幅=11とした以外は、実施例4−1と同様にして、二次電池を作製した。
接続部分の引っ張り強度の測定試験は、接続された複数枚の集電箔とタブを1(mm/sec)で上下に引っ張り、単位長さあたりの強度(N/cm)の平均値を算出することにより行った。
外部短絡試験は、正負極のタブをワイヤーハーネスで接続し、外部短絡させ、その後の電池の状態を観測することにより行った。
正極タブの折り曲げ部にシーラントを設け、正極タブは正極集電体露出部と電池素子間において正極集電体露出部と接続した。また、正極タブと電池素子の最外周の負極との絶縁はインシュレータを設けることにより行った。インシュレータはポリプロピレン(PP)を用いて構成し、その厚みは0.4mmとし、高さは5.5mmとし、長さは負極の幅と略同一の寸法とした。また、形状は角丸矩形とし、パンチング加工は行わなかった。以上の点以外は実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
正極タブと電池素子の最外周負極との絶縁はインシュレータおよび最外層セパレータを設けることにより行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータにポリエチレンテレフタレート(PET)を用いて構成した以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータにポリエチレン(PE)を用いて構成した以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータにポリイミド(PI)を用いて構成した以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを0.2mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを0.75mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを1.0mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの高さを5.0mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの高さを6mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの高さを6.5mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの高さを7.0mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの幅をセパレータの幅と略同一の寸法とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの形状を矩形状とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータに不織布を用いて構成し、インシュレータの形状を矩形状とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの長さをセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を略コ字状とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの長さをセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を略ロ字状とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの長さをセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を箱型とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
パンチング加工を行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの形状を矩形状とし、高さを6mmとし、パンチング加工を行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを0.75mmとし、高さを6mmとし、インシュレータの幅をセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を略コ字状とし、パンチング加工を行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを0.75mmとし、高さを6mmとし、インシュレータの幅をセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を略ロ字状とし、パンチング加工を行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを0.75mmとし、高さを6mmとし、インシュレータの幅をセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を箱型とし、パンチング加工を行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータに不織布を用いて構成し、インシュレータの厚さを0.75mmとし、高さを6mmとし、インシュレータの幅をセパレータ幅(内寸)と略同一の寸法とし、インシュレータの形状を略コ字状とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの形状を略ロ字状とした以外は、実施例5−24と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの形状を箱型とした以外は、実施例5−24と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブの折り曲げ部にシーラントを設けていない以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブは正極集電体露出部と外装材との間において正極集電体露出部と接続した以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブと電池素子の最外周負極との絶縁はインシュレータを用いずに最外層セパレータを設けることにより行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
正極タブと電池素子の最外周負極との絶縁はインシュレータを用いずにポリプロピレン(PP)粘着テープ用いて行った以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを0.1mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの厚さを1.2mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの高さを4.5mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの高さを7.5mmとした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの長さを「負極の幅−1mm」とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
インシュレータの長さを「セパレータの幅+1mm」とした以外は、実施例5−1と同様にして、二次電池を作製した。
体積エネルギー密度測定試験を以下のようにして行なった。0.2C放電容量(Ah)と電池の平均放電電圧(V)から放電エネルギー量(Wh)を求め、これを電池の最大寸法体積(L)で除することで体積エネルギー密度とした(Wh/L)。
振動試験後のOCV測定試験は、振動加速度3G、振動数20Hzで電池に対して縦、横、高さに方向に各100回ずつ振動させたあと、その後のOCVを測定することにより行った。
注液完了時間測定試験は、シールがされていない開口部を上にして電解液をディスペンサーから注液し、液面が開口部以下になる時間を測定することにより行った。(外装凹部に液が大気圧中で自然降下する時間を測定した。)
2 電池素子
3 外装材
4 正極
4A 正極集電体
4B 正極活物質層
4C 正極集電体露出部
5、13 負極
5A 負極集電体
5B 負極活物質層
5C 負極集電体露出部
6 セパレータ
7 正極タブ
7A 接続部
7B 導出部
8 負極タブ
9 凹部
10 シーラント
11 インシュレータ
14 第1セパレータ
15 第2セパレータ
100 バッテリユニット
110 ブラケット
200 バッテリモジュール
Claims (15)
- 厚さが3mm以上20mm以下であり、かつ、電池放電容量が3Ah以上50Ah以下である電池素子と、上記電池素子を外装する外装材とを備え、
上記電池素子は、
正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、上記正極集電体露出部の幅wcと上記正極活物質層の幅Wcとが以下の式(1)を満たすように上記正極集電体上に上記正極活物質層が設けられている正極と、
負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、上記負極集電体露出部の幅waと上記負極活物質層の幅Waとが以下の式(2)を満たすように上記負極集電体上に上記負極活物質層が設けられている負極と、
交互に積層される上記正極と上記負極との間に介在するセパレータと、
上記正極集電体露出部に電気的に接続され、上記外装材の外部へ導出された正極タブと、
上記負極集電体露出部に電気的に接続され、上記外装材の外部へ導出された負極タブと
を備える二次電池。
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(1)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(2) - 上記正極は、上記正極集電体露出部の長さ奥行きdcと上記正極活物質層の長さ奥行きDcとが以下の式(3)を満たすように形成され、
上記負極は、上記負極集電体露出部の長さ奥行きdaと上記負極活物質層の長さ奥行きDaとが以下の式(4)を満たすように形成されている
請求項1に記載の二次電池。
0.02<(dc/Dc)≦0.40・・・(3)
0.02<(da/Da)≦0.40・・・(4) - 上記正極タブにおける上記正極集電体露出部との接合面積Scと、上記正極タブの幅Tcと、上記正極タブの厚みHcと、上記電池素子の厚みBとが下記の式(5)を満たすように形成されており、
上記負極タブにおける上記負極集電体露出部との接合面積Saと、上記負極タブの幅Taと、上記負極タブの厚みHaと、上記電池素子の厚みBとが下記の式(6)を満たすように形成されている請求項1に記載の二次電池。
Hc≦Sc/Tc≦B・・・(5)
Ha≦Sa/Ta≦B・・・(6) - 上記正極タブを被覆する正極側シーラントと、上記負極タブを被覆する負極側シーラントをさらに備え、
上記正極集電体露出部は上記正極および上記負極の面に対して略垂直な方向に折り曲げられ、
上記正極タブは上記正極集電体露出部に接続される正極側接続部と、上記外装材の外部へ導出される正極側導出部とを有し、上記正極側接続部は上記正極側シーラントと共に上記正極および上記負極の面に対して略垂直な方向に折り曲られており、
上記正極側接続部は折り曲げられた上記正極集電体露出部の上記電池素子と対向する側の面に接続されており、
上記負極集電体露出部は上記正極および上記負極の面に対して略垂直な方向に折り曲げられ、
上記負極タブは上記負極集電体露出部に接続される負極側接続部と、上記外装材の外部へ導出される負極側導出部とを有し、上記負極側接続部は上記負極側シーラントと共に上記正極および上記負極の面に対して略垂直な方向に折り曲られており、
上記負極側接続部は折り曲げられた上記負極集電体露出部の上記電池素子と対向する側の面に接続されている請求項1に記載の二次電池。 - 上記電池素子と、折り曲げられた上記正極タブの上記接続部との間に絶縁部材が設けられている請求項4に記載の二次電池。
- 上記正極および上記負極は、上記正極集電体露出部と上記負極集電体露出部とが異なる方向へ向くように積層されている請求項1に記載の二次電池。
- 上記セパレータは葛折りにより折り畳まれており、上記正極および上記負極は上記セパレータの間に挟み込まれている請求項1に記載の二次電池。
- 上記負極は一対の上記セパレータ間に挟み込まれており、上記負極と上記一対のセパレータは共に葛折りにより折り畳まれており、上記正極は折り畳まれた上記セパレータ間に挟み込まれている請求項7に記載の二次電池。
- 上記電池素子は、
対向する第1の主面および第2の主面と、
上記第1の主面および上記第2の主面の間に設けられた側面と
を有し、
上記側面は、
対向する第1の側面および第2の側面と、
上記第1の側面および第2の側面の間に設けられた第3の側面と
を有し、
上記正極集電体露出部は、上記第1の側面に設けられているのに対して、上記負極集電体露出部は、上記第2の側面に設けられており、
上記正極タブは、上記第1の側面の側で上記正極集電体露出部と接続されると共に、上記第3の側面の側から上記外装材の外に導出されており、
上記負極タブは、上記第2の側面の側で上記負極集電体露出部と接続されると共に、上記第3の側面の側から上記外装材の外に導出されている請求項1に記載の二次電池。 - 上記正極タブは、上記第1の側面および上記第3の側面に倣うように屈曲された屈曲部と、上記第3の側面に対して鉛直方向に導出された導出部とを有し、
上記負極タブは、上記第2の側面および上記第3の側面に倣うように屈曲された屈曲部と、上記第3の側面に対して鉛直方向に導出された導出部とを有する請求項9に記載の二次電池。 - 上記正極タブの屈曲部と、上記第1の側面および上記第3の側面の少なくとも一方の側面との間に絶縁部材をさらに備え、
上記負極タブの屈曲部と、上記第2の側面および上記第3の側面の少なくとも一方の側面との間に絶縁部材をさらに備える請求項10に記載の二次電池。 - 上記正極タブの屈曲部と上記外装材との間に絶縁部材をさらに備え、
上記負極タブの屈曲部と上記外装材との間に絶縁部材をさらに備える請求項10に記載の二次電池。 - 一組の二次電池と、
上記一組の二次電池の外周側面を囲う外周壁部が形成された支持体と
を備え、
上記一組の二次電池がそれぞれ、上記支持体の正面側および背面側から上記外周壁部内に挿入されており、
上記二次電池は、厚さが3mm以上20mm以下であり、かつ、電池放電容量が3Ah以上50Ah以下である電池素子と、上記電池素子を外装する外装材とを備え、
上記電池素子は、
正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、上記正極集電体露出部の幅wcと上記正極活物質層の幅Wcとが以下の式(7)を満たすように上記正極集電体上に上記正極活物質層が設けられている正極と、
負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、上記負極集電体露出部の幅waと上記負極活物質層の幅Waとが以下の式(8)を満たすように上記負極集電体上に上記負極活物質層が設けられている負極と、
交互に積層される上記正極と上記負極との間に介在するセパレータと、
上記正極集電体露出部に電気的に接続され、上記外装材の外部へ導出された正極タブと、
上記負極集電体露出部に電気的に接続され、上記外装材の外部へ導出された負極タブと
を備えるバッテリユニット。
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(7)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(8) - 上記外周壁部の内側面から内側に向かって伸びるリブ部がさらに形成され、
2個の上記二次電池が、上記支持体の正面側および背面側から上記外周壁部内に挿入され、上記リブ部の両面に対して装着されて構成される請求項13に記載のバッテリユニット。 - 複数のバッテリユニットを備え、
上記バッテリユニットは、
一組の二次電池と、
上記一組の二次電池の外周側面を囲う外周壁部が形成された支持体と
を備え、
上記一組の二次電池がそれぞれ、上記支持体の正面側および背面側から上記外周壁部内に挿入されており、
上記二次電池は、厚さが3mm以上20mm以下であり、かつ、電池放電容量が3Ah以上50Ah以下である電池素子と、上記電池素子を外装する外装材とを備え、
上記電池素子は、
正極集電体と、正極活物質層とを備え、正極集電体露出部が形成されるとともに、上記正極集電体露出部の幅wcと上記正極活物質層の幅Wcとが以下の式(9)を満たすように上記正極集電体上に上記正極活物質層が設けられている正極と、
負極集電体と、負極活物質層とを備え、負極集電体露出部が形成されるとともに、上記負極集電体露出部の幅waと上記負極活物質層の幅Waとが以下の式(10)を満たすように上記負極集電体上に上記負極活物質層が設けられている負極と、
交互に積層される上記正極と上記負極との間に介在するセパレータと、
上記正極集電体露出部に電気的に接続され、上記外装材の外部へ導出された正極タブと、
上記負極集電体露出部に電気的に接続され、上記外装材の外部へ導出された負極タブと
を備えるバッテリモジュール。
0.5<(wc/Wc)≦1.0・・・(9)
0.5<(wa/Wa)≦1.0・・・(10)
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