JP2012142153A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】負極板と正極板の相対的な位置ずれを抑止（防止）することを可能にし、高性能で信頼性の高い電池を提供する。
【解決手段】略矩形状の第一電極板２と、第一電極板２を内包した袋状セパレータ４と、袋状セパレータ４に重ねて配設される略矩形状の第二電極板１とを備えるとともに、袋状セパレータ４と第二電極板１の互いに向かい合う対向面１ａ、４ａ同士に、係止し合って袋状セパレータ４と第二電極板１の位置ずれを防止する係止構造２０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された電池に関する。

実用上用いられる電池として、高出力なリチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池の形態としては、略矩形状の正極板と負極板とがセパレータを介して複数積層される積層型と、一対の帯状の正極板と負極板とがセパレータを介して積層された後に捲回される捲回型とに大別されている（以下、正極板と負極板を総称して「電極板」とも称する）。これらの電池を構成する正極板及び負極板は、アルミニウム箔や銅箔等の集電体に、それぞれ正極用、負極用の活物質が塗工されて互いに対向している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

そして、これらの電池では、互いに対向した面（対向面）間、すなわち負極板の面と正極板の面とで互いに積層方向において重なっている部分の面間でリチウムイオンの授受が主に行われる。

特許第４２９３２４７号公報 特開２００９−３０１７９８号公報

ところで、上記構成からなる従来の電池では、電池の使用時に不測の外力等によって、積層された正極板と負極板との相対位置がずれてしまうことがある。そして、相対位置のずれにより正極板の活物質の塗工面と負極板の活物質の塗工面とが積層方向において重なった部分の面積が減少すると、正極板と負極板の間でリチウムイオンの授受が好適に行えず、所望の電池性能が発揮されなくなってしまう。

また、正極板１と負極板２との相対位置がずれ、リチウムイオンの授受が好適に行えなくなることにより、図１３（ａ）に示すように、リチウム３が正極板１に析出して突起状に成長し、セパレータ４を突き破り、短絡を発生させるおそれが生じる。

さらに、図１３（ｂ）に示すように、集電材に塗工した活性物にバリ５が生じている場合があり、正極板１と負極板２との相対位置がずれるとともに、このバリ５がセパレータ４を突き破り、短絡を発生させるおそれが生じる。

本発明の電池は、略矩形状の第一電極板と、前記第一電極板を内包した袋状セパレータと、前記袋状セパレータに重ねて配設される略矩形状の第二電極板とを備えるとともに、前記袋状セパレータと前記第二電極板の互いに向かい合う対向面同士に、係止し合って前記袋状セパレータと前記第二電極板の位置ずれを防止する係止構造を備えていることを特徴とする。

この発明においては、袋状セパレータと第二電極板の互いに向かい合う対向面同士が係止構造によって係止され、この係止構造によって袋状セパレータと第二電極板を位置決めして保持することが可能になり、結果として第一電極板と第二電極板との相対的な位置ずれを抑止（防止）することが可能になる。

本発明の電池においては、袋状セパレータと第二電極板の互いに向かい合う対向面同士が係止構造によって係止されて、第一電極板と第二電極板との相対的な位置ずれを抑止（防止）できるため、第一電極板と第二電極板（正負の電極板）がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物やバリがセパレータを突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池を提供することが可能になる。

二次電池を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る電池（電池積層体）及び係止構造を示す側断面図である。 図２のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、正極板を示す正面図である。 図２のＸ２−Ｘ２線矢視図であり、負極板を内包したセパレータを示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係る電池（電池積層体）及び係止構造を示す側断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電池（電池積層体）及び係止構造を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る係止構造及び負極板を内包したセパレータを示す正面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池（電池積層体）及び係止構造を示す側断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池（電池積層体）を示す正面図である。 本発明の第３実施形態に係る電池（電池積層体）の変形例を示す正面図である。 本発明の第４実施形態に係る電池（電池積層体）を示す正面図である。 セパレータと正極板の対向面を高摩擦化処理する方法を示す図である。 リチウム析出物や活物質のバリがセパレータを突き破った状態を示す図である。

以下、図１から図４を参照し、本発明の第１実施形態に係る電池について説明する。なお、本実施形態では、電池がリチウムイオン二次電池であるものとして説明を行う。また、本実施形態では、本発明に係る第一電極板を負極板、第二電極板を正極板として説明を行うが、本発明は第一電極板が正極板、第二電極板が負極板であってもよい。

本実施形態の電池Ａは、図１に示すように、複数の正極板（第二電極板）１と、複数の負極板（第一電極板）２と、それぞれの正極板１とそれぞれの負極板２との間に配置されるセパレータ（複数の負極板２のそれぞれを覆う袋状セパレータ４）と、不図示の電解液と、これらを収納する電池缶６とを備えている。

正極板１は、アルミニウム箔を略矩形状に加工した集電体に、例えば３元系材料ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される正極活物質を塗工した正極板本体７と、この正極板本体の端部から伸びる正極タブ８とを備えている。

負極板２は、銅箔を略矩形状に加工した集電体に、例えばカーボン材料（人造黒鉛等）で構成される負極活物質を塗工した負極板本体９と、この負極板２の端部から伸びる負極タブ１０とを備えている。

正極板本体７と正極タブ８は、上記した正極活物質が正極板本体７に塗工された後に、打ち抜き型で打ち抜くことによって一体形成される。同様に、負極板本体９と負極タブ１０についても、上記した負極活物質が負極板本体９に塗工された後に、打ち抜き型で打ち抜くことによって一体形成される。なお、正極タブ８と負極タブ１０とを総称して、電極タブと称する。

セパレータ４は、多孔質のポリエチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂等で形成されている。また、本実施形態では、セパレータ４が、負極板本体９よりやや面積の大きい略矩形の形状の第一セパレータ１１と、第一セパレータ１１と実質的に同じ形状の第二セパレータ１２とで、負極板本体９を挟みこんだ上、第一および第二セパレータ１１、１２の４辺をヒートシーラーで融着（熱により溶融された後に、加圧により接着されること）することで形成される。これにより、負極板２の負極板本体９が袋状に形成されたセパレータ４に内包される。また、このとき、負極タブ１０の一部がセパレータ４から露出している。

そして、これら正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて複数積層することで、電極積層体１３が形成される。なお、図示は省略したが、電極積層体１３の両端の電極板は袋状のセパレータ４に内包された負極板２であり、電池缶６との短絡を防止している。

また、正極タブ８は、電池缶６の一面に固定されている正極端子１４とリード１５を介して電気的に接続され、負極板２の負極タブ１０は、電池缶６の上記一面に固定されている負極端子１６とリード１５を介して電気的に接続される。

一方、本実施形態の電池Ａは、上記のように正極板１と負極板２とセパレータ４と電解液と電池缶６を備えるとともに、図２から図４に示すように、正極板１とセパレータ４の互いに向かい合う対向面１ａ、４ａ同士に、係止し合って正極板１とセパレータ４の位置ずれを防止する係止構造２０を備えている。

また、本実施形態において、この係止構造２０は、セパレータ４の対向面４ａに一端を接続して突設された鉤状の第１係止片２０ａと、正極板１の対向面１ａに一端を接続して突設された鉤状の第２係止片２０ｂとで構成されている。これら第１及び第２係止片２０ａ、２０ｂは、正極板１とセパレータ４を互いの対向面１ａ、４ａが向き合う所定位置に配設するとともに互いにかみ合って係合するように、正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａの所定位置に設けられている。また、第１及び第２係止片２０ａ、２０ｂは、正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａにそれぞれ３つ（３箇所）以上設けられていることが好ましく、本実施形態では正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａにそれぞれ、４つずつ設けられている。

さらに、本実施形態では、第１係止片２０ａがセパレータ４と同じ材料を用いて形成され、第２係止片２０ｂが正極板１と同じ材料を用いて形成されている。また、第１係止片２０ａはセパレータ４に、第２係止片２０ｂは正極板１にそれぞれ、一端を超音波溶接などによって接続されている。

そして、このように構成した係止構造２０を備える本実施形態の電池Ａにおいては、セパレータ４の対向面４ａに設けられた第１係止片２０ａと、正極板１の対向面１ａに設けられた第２係止片２０ｂとが正極板１とセパレータ４を所定位置に配設するとともに係合し、正極板１とセパレータ４の互いに向かい合う対向面１ａ、４ａ同士が係止される。

これにより、正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて電極積層体１３を形成した際に、確実に隣り合うセパレータ４と正極板１を位置決め保持することが可能になり、結果として負極板２と正極板１の相対的な位置ずれを抑止（防止）することが可能になる。

したがって、従来のように負極板２と正極板１がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状のリチウム析出物３や活物質のバリ５がセパレータ４を突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池Ａを提供することが可能になる。

以上、本発明に係る電池の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本発明に係る係止構造２０の第１係止片２０ａと第２係止片２０ｂは、互いに係合可能な鉤状に形成されていればよく、図２から図４に示した形状に限定する必要はない。また、これら第１係止片２０ａと第２係止片２０ｂの数、設置位置、設置方法、材質等についても特に限定を必要としない。

また、本実施形態では、電池Ａがリチウムイオン二次電池であるものとして説明を行ったが、本発明は、リチウムイオン二次電池以外の他の二次電池や、一次電池など、セパレータ４を介して正極板１と負極板２とが積層されるあらゆる電池に適用可能である。

次に、図１、図５から図７を参照し、本発明の第２実施形態に係る電池について説明する。ここで、本実施形態では、第１実施形態に対し係止構造の構成のみが異なり、他の構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の係止構造２１は、図５から図７に示すように、セパレータ４及び負極板２（第一電極板）に貫通形成された第１貫通孔２２と、正極板１（第二電極板）に貫通形成された第２貫通孔２３と、例えば樹脂棒などの絶縁性を有する棒状の係止部材２４とで構成されている。

また、第１貫通孔２２と第２貫通孔２３は、正極板１とセパレータ４を互いの対向面１ａ、４ａが向き合う所定位置に配設した状態で連通するように、正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａの所定位置に開口形成されている。なお、第１貫通孔２２と第２貫通孔２３は、一つの極１、２に対して３箇所以上設けられていることが好ましく、本実施形態では、第１貫通孔２２と第２貫通孔２３がそれぞれ、正極板１とセパレータ４（及び負極板２）の対向面１ａ、４ａの各コーナー側に形成され、一つの極に対して４つずつ設けられている。

また、セパレータ４及び負極板２に貫通形成した第１貫通孔２２は、その内周縁を熱溶着して（すなわち、負極板２を挟んで両側のセパレータ４同士を熱溶着させて）、第１貫通孔２２を形成する負極板２の内周縁が露出しないよう処理されている。

そして、複数の正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて複数積層すると、各正極板１に形成された第２貫通孔２３と、各負極板２及びセパレータ４に形成された第１貫通孔２２とが連通する。また、この連通した第１貫通孔２２と第２貫通孔２３に係止部材２４を挿通する。

これにより、本実施形態の電極Ｂにおいては、係止部材２４で串刺しにした形で電極積層体１３が形成され、確実に正極板１とセパレータ４を係止部材２４によって位置決め保持することができ、正極板１と負極板２の相対的な位置ずれを抑止（防止）することが可能になる。

よって、第１実施形態と同様、従来のように負極板２と正極板１がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物３やバリ５がセパレータ４を突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池Ｂを提供することが可能になる。

また、本実施形態の電極Ｂにおいては、係止部材２４で串刺しにした形で電極積層体１３が形成されるため、電極積層体１３の強度を増大させることも可能になる。

以上、本発明に係る電池の第２実施形態について説明したが、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態の変更例を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本発明に係る係止構造２１の第１貫通孔２２と第２貫通孔２３は、互いに連通するように形成されていればよく、また、係止部材２４は互いに連通した第１貫通孔２２と第２貫通孔２３に挿通可能に形成されていればよく、第１貫通孔２２及び第２貫通孔２３と、係止部材２４の形状、数、設置位置等は特に限定を必要としない。

次に、図８及び図９を参照し、本発明の第３実施形態に係る電池について説明する。本実施形態では、第１及び第２実施形態に対して係止構造の構成のみが異なるため、第１及び第２実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の係止構造２５は、図８及び図９に示すように、セパレータ４の対向面４ａに形成された係止凸部２６と、正極板１の対向面１ａに形成された係止凹部２７とで構成されている。

そして、これら係止凸部２６と係止凹部２７は、正極板１とセパレータ４を互いの対向面１ａ、４ａが向き合う所定位置に配設するとともに互いに係合するように、正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａの所定位置に設けられている。また、係止凸部２６と係止凹部２７は、正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａにそれぞれ３つ（３箇所）以上設けられていることが好ましく、本実施形態では正極板１とセパレータ４の対向面１ａ、４ａにそれぞれ、４つずつ設けられている。

また、係止凸部２６は、セパレータ４と同じ材料（材質）であっても異なる材料であってもよく、例えばセパレータ４を熱で溶かしながら形成したり、突起体を熱溶着して形成すればよい。一方、係止凹部２７は、例えば正極板１をプレス加工して形成すればよい。

そして、このように構成した係止構造２５を備える本実施形態の電池Ｃにおいては、セパレータ４の対向面４ａに設けられた係止凸部２６と、正極板１の対向面１ａに設けられた係止凹部２７とが、セパレータ４と正極板１を所定位置に配設するとともに係合し、互いに係合した係止凸部２６と係止凹部２７によってセパレータ４と正極板１の互いに向かい合う対向面１ａ、４ａ同士が係止される。

これにより、正極板１と、負極板２を内包したセパレータ４とを重ねて電極積層体１３を形成した際に、確実に隣り合うセパレータ４と正極板１を位置決め保持することが可能になり、負極板２と正極板１の相対的な位置ずれを抑止（防止）することが可能になる。

したがって、第１及び第２実施形態と同様、従来のように負極板２と正極板１がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物３やバリ５がセパレータ４を突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池Ｃを提供することが可能になる。

以上、本発明に係る電池の第３実施形態について説明したが、本発明は上記の第３実施形態に限定されるものではなく、第１及び第２実施形態の変更例を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本発明に係る係止構造２５の係止凸部２６と係止凹部２７は、セパレータ４と正極板１を所定位置に配設するとともに係合して、セパレータ４と正極板１の互いに向かい合う対向面１ａ、４ａ同士を係止することが可能であれば、その形状、数、設置位置、材質等は特に限定を必要としない。例えば、負極タブ１０に係止凹部２７、正極タブ８に係止凸部２６を設けるようにしてもよい。

また、図１０に示すように、正極板１を切り欠きして係止凹部２７を形成し、この切り欠きの係止凹部２６にセパレータ４に形成した係止凸部２６が引っかかることで、セパレータ４と正極板１の互いに向かい合う対向面１ａ、４ａ同士を係止するように構成してもよい。

次に、図１１及び図１２を参照し、本発明の第４実施形態に係る電池について説明する。本実施形態は、第１から第３実施形態に対して係止構造の構成のみが異なるため、第１から第３実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態では、正極板１とセパレータ４を、互いの対向面１ａ、４ａ同士を接触させて積層して電極積層体１３が形成されている。そして、本実施形態の係止構造３０は、図１１及び図１２に示すように、セパレータ４と正極板１のそれぞれの対向面１ａ、４ａを凹凸状に形成し高摩擦化処理して構成されている。

ここで、本実施形態では、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、セパレータ４で内包された負極板２と正極板１をそれぞれ、ローラー面を凹凸状に形成した一対のローラー３１、３２の間に通すことによって、セパレータ４と正極板１のそれぞれの対向面１ａ、４ａに微細突起３３を形成し、セパレータ４と正極板１のそれぞれの対向面１ａ、４ａを凹凸状に形成して高摩擦化処理する。

そして、このように構成した係止構造３０を備える本実施形態の電池Ｄにおいては、セパレータ４と正極板１の互いに接触する対向面１ａ、４ａ同士が高摩擦化処理されていることによって、確実にセパレータ４と正極板１を摩擦力で位置決め保持することができ、負極板２と正極板１の相対的な位置ずれを抑止（防止）することが可能になる。

よって、本実施形態においても、従来のように負極板２と正極板１がずれて所望の電池性能が発揮されなくなったり、突起状の析出物３やバリ５がセパレータ４を突き破って、短絡が生じるおそれを解消することができ、高性能で信頼性の高い電池Ｄを提供することが可能になる。

以上、本発明に係る電池の第４実施形態について説明したが、本発明は上記の第４実施形態に限定されるものではなく、第１から第３実施形態の変更例を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、セパレータ４で内包された負極板２と正極板１をそれぞれ、ローラー面を凹凸状に形成した一対のローラー３１、３２の間に通すことによって、セパレータ４と正極板１の対向面１ａ、４ａを高摩擦化処理するものとしたが、適宜他の手法を用いてセパレータ４と正極板１のそれぞれの対向面１ａ、４ａを凹凸状に形成することで、高摩擦化処理を施すようにしてもよい。

１ 正極板（第二電極板）
１ａ 対向面
２ 負極板（第一電極板）
３ リチウムの析出物
４ セパレータ
４ａ 対向面
５ 活物質のバリ
６ 電池缶
７ 正極板本体
８ 正極タブ
９ 負極板本体
１０ 負極板タブ
１１ 第一セパレータ
１２ 第二セパレータ
１３ 電極積層体
１４ 正極端子
１５ リード
１６ 負極端子
２０ 係止構造
２０ａ 第１係止片
２０ｂ 第２係止片
２１ 係止構造
２２ 第１貫通孔
２３ 第２貫通孔
２４ 係止部材
２５ 係止構造
２６ 係止凸部
２７ 係止凹部
３０ 係止構造
３１ ローラー
３２ ローラー
３３ 微細突起
Ａ 電池
Ｂ 電池
Ｃ 電池
Ｄ 電池

Claims (5)

1. 略矩形状の第一電極板と、
   前記第一電極板を内包した袋状セパレータと、
   前記袋状セパレータに重ねて配設される略矩形状の第二電極板とを備えるとともに、
   前記袋状セパレータと前記第二電極板の互いに向かい合う対向面同士に、係止し合って前記袋状セパレータと前記第二電極板の位置ずれを防止する係止構造を備えていることを特徴とする電池。
2. 請求項１記載の電池において、
   前記係止構造が、前記袋状セパレータの対向面に一端を接続して突設された鉤状の第１係止片と、
   前記第二電極板の対向面に一端を接続して突設され、前記袋状セパレータと前記第二電極板を互いの対向面が向き合う所定位置に配設するとともに前記第１係止片に係合する鉤状の第２係止片とを備えてなることを特徴とする電池。
3. 請求項１記載の電池において、
   前記係止構造が、前記袋状セパレータ及び前記第一電極板に貫通形成された第１貫通孔と、
   前記第二電極板に貫通形成され、前記袋状セパレータと前記第二電極板を互いの対向面が向き合う所定位置に配設するとともに前記第１貫通孔に連通する第２貫通孔と、
   互いに連通した前記第１貫通孔と前記第２貫通孔に挿通して前記袋状セパレータと前記第二電極板の対向面同士を係止する絶縁性の係止部材とを備えてなることを特徴とする電池。
4. 請求項１記載の電池において、
   前記係止構造が、前記袋状セパレータの対向面と前記第二電極板の対向面に形成され、前記袋状セパレータと前記第二電極板を互いの対向面が向き合う所定位置に配設するとともに係合する係止凸部と係止凹部を備えてなることを特徴とする電池。
5. 請求項１記載の電池において、
   前記第二電極板が前記対向面同士を接触させて前記袋状セパレータに積層して配設され、
   前記係止構造が、前記袋状セパレータと前記第二電極板のそれぞれの対向面を凹凸状に形成し高摩擦化処理してなることを特徴とする電池。

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