JP2014137971A - 蓄電装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱性の向上が図られた蓄電装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】
二次電池１０においては、電極組立体３０のコンディショニング処理後に、膨張方向Ｄにおいて電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間の介在する波状板バネ４０が、電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間で押圧されて平板状態となっていることで、発熱体である電極組立体３０の上面とその全面において接する。そのため、電極組立体３０の熱が、波状板バネ４０を介して、ケース２０に伝わりやすい状態となっており、二次電池１０においては、高い放熱性が実現されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蓄電装置およびその製造方法に関する。

従来から、蓄電装置の一種である二次電池としては、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などがよく知られている。このような二次電池は、蓄電要素である電極組立体がケースに収容された構成を有する。電極組立体は、アルミ箔等の金属箔に正極活物質を塗工してなる正極と、銅箔等の金属箔に負極活物質を塗工してなる負極とが、セパレータを介して交互に複数積層された積層体である。また、二次電池は、外部に電力を取り出すための一対の電極端子を備え、その正極端子に電極組立体の正極が導電部材を介して接続され、その負極端子に電極組立体の負極が導電部材を介して接続される。

二次電池を製造する際には、ケースに電極組立体を収容した後、活物質を活性化させる等の目的で電極組立体を初期充放電する処理（以下、コンディショニング処理と称す。）が施される。

このコンディショニング処理が施されると、電極組立体は、主にその積層方向に膨張する。そのため、電極組立体の外形寸法とケースの収容寸法とがほぼ同じである場合には、コンディショニング処理後に、膨張した電極組立体とケースとの間に大きな応力が生じ、電池寿命などの特性に悪影響を与える虞がある。そのため、電極組立体の膨張量を考慮して、ケースへの収容時には、ケースと電極組立体との間には所定のクリアランスを設けることが好ましい。

ただし、ケースと電極組立体との間のクリアランスがある場合、電極組立体を構成する正極と負極とが互いに離れやすく、正極と負極とが離れるにつれて反応が低下してしまう。そこで、ケースと電極組立体との間のクリアランスにバネを配置して、電極組立体の積層方向に付勢する技術が知られている（たとえば、下記特許文献１−４）。具体的には、電極組立体の積層方向に付勢するバネとして、特許文献１には電極押さえ用バネ（７７）、特許文献２には皿ばね（５）、特許文献３にはスプリングモジュール（３０）、特許文献４には皿ばね（８６）が開示されている。

特開２００２−３１３４３３７号公報 特開２００１−１６７７４５号公報 特開２００４−２８８６１８号公報 特開平１１−２３３１３２号公報

ここで、二次電池の使用時には電極組立体が発熱するが、その発熱をケース外に放熱するには、電極組立体とケースとの間に介在するバネに放熱性が求められる。しかしながら、上述した従来技術に係るバネは十分な放熱性を有しておらず、電池が過剰に高温になり、熱暴走等の不具合が生じる虞があった。

すなわち、本発明は、放熱性の向上が図られた蓄電装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電装置は、ケース内に電極組立体が収容されて構成された蓄電装置であって、電極組立体がコンディショニング処理された際に膨張する膨張方向において電極組立体とケースとの間に介在し、且つ、膨張方向に直交する方向に延在する波状板バネを備え、波状板バネが、電極組立体とケースとの間で押圧されて平板状態となっている。

この蓄電装置においては、ケースと電極組立体との間の介在する波状板バネが、電極組立体とケースとの間で押圧されて平板状態となっていることで、発熱体である電極組立体とその全面において接する。そのため、電極組立体と部分的にしか接しない従来のバネに比べて、熱がより伝わりやすい状態となっている。すなわち、本発明に係る蓄電装置においては、平板状の波状板バネにより、電極組立体の熱がケースに伝わりやすくなっているため、高い放熱性を実現することができる。

また、波状板バネと電極組立体との間に配置された平板状の荷重分散板をさらに備える態様であってもよい。この場合、荷重分散板が波状板バネから電極組立体への荷重を分散することで、波状板バネの電極組立体に対する圧力ムラが抑制され、それにより、圧力ムラに起因する反応ムラが抑制される。

また、波状板バネの延在方向に関し、平板状態の波状板バネの長さが、電極組立体の長さよりも長い態様であることが好ましい。この場合、平板状態の波状板バネの長さが、電極組立体の長さよりも短い場合よりも、高い放熱性を実現することができる。

本発明に係る蓄電装置は、ケース内に電極組立体が収容されて構成された蓄電装置であって、電極組立体がコンディショニング処理された際に膨張する膨張方向において電極組立体とケースとの間に介在し、且つ、膨張方向に関して厚さが伸縮可能な弾性体を備え、弾性体が、電極組立体とケースとの間で押圧されて圧縮状態となっている。

この蓄電装置においては、ケースと電極組立体との間の介在する弾性体が、電極組立体とケースとの間で押圧されて圧縮状態となっていることで、熱が伝わりやすい状態となっている。すなわち、本発明に係る蓄電装置においては、圧縮状態の弾性体により、電極組立体の熱がケースに伝わりやすくなっているため、高い放熱性を実現することができる。

本発明に係る蓄電装置の製造方法は、ケース内に電極組立体が収容されて構成された蓄電装置の製造方法であって、電極組立体をコンディショニング処理する前に、ケース内に電極組立体を収容するとともに、電極組立体がコンディショニング処理された際に膨張する膨張方向において電極組立体とケースとの間に介在し、且つ、膨張方向に直交する方向に延在するように波状板バネを配置する工程と、電極組立体をコンディショニング処理して、電極組立体を膨張方向に膨張させて、電極組立体とケースとの間で波状板バネを押圧して、波状板バネを平板状態にする工程とを有する。

この蓄電装置の製造方法においては、電極組立体をコンディショニング処理する前に、ケースと電極組立体との間の介在するように配置された波状板バネが、電極組立体のコンディショニング処理の際に、電極組立体とケースとの間で押圧されて平板状態になり、その結果、発熱体である電極組立体とその全面において接する。そのため、電極組立体と部分的にしか接しない従来のバネに比べて、熱がより伝わりやすい状態となる。したがって、本発明に係る蓄電装置の製造方法においては、平板状の波状板バネにより、電極組立体の熱がケースに伝わりやすくなるため、高い放熱性を有する蓄電装置を作製することができる。

なお、上記蓄電装置は二次電池であってもよい。

本発明によれば、放熱性の向上が図られた蓄電装置およびその製造方法が提供される。

図１は、本発明の第１実施形態に係る二次電池のコンディショニング処理前の状態を示した概略断面図である。 図２は、図１に示した二次電池のコンディショニング処理後の状態を示した図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る二次電池のコンディショニング処理前の状態を示した概略断面図である。 図４は、図３に示した二次電池のコンディショニング処理後の状態を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
（第１実施形態）

本発明の第１実施形態に係る蓄電装置である二次電池１０について、図１、２を参照しつつ説明する。図１、２において、二次電池１０の高さ方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する平面をＸ−Ｙ平面として示している。

二次電池１０は、ケース２０内に電極組立体３０が収容された構成を有している。なお、二次電池１０は、ケース２０および電極組立体３０の他に、電力を外部に取り出す電極端子やケース２０内に充填される電解液等を含むが、その説明および図示は省略する。

ケース２０は、ステンレスやアルミニウムなどの金属で構成されており、上部が開口された電池缶２２と、電池缶２２の開口を閉蓋する電池蓋２４とで構成されている。また、ケース２０は、設置面積（Ｘ−Ｙ面における面積）に比べて高さ寸法（Ｚ方向長さ）が小さい扁平状の外形および内部空間形状を有している。

なお、ケース２０の内部空間は、図２に示すように、Ｘ−Ｙ平面における一方向（図のＸ方向）においては、その寸法がＬ２となっている。

電極組立体３０は、複数の電極（負極および正極）が積層された積層体であり、ケース２０内に横置きで（すなわち、積層方向が二次電池の高さ方向（Ｚ方向）に沿うように）収容されている。電極組立体３０は、より詳しくは、複数の負極と複数の正極とが、セパレータを介して交互に積層されたものであり、互いに対面する負極と正極とが反応することで電力を蓄えたり供給したりするものである。

電極組立体３０は、ケース２０に収容された後に、初期充放電が施される。この初期充放電は、コンディショニング処理とも呼ばれ、このコンディショニング処理により、電極に塗工された活物質が活性化される。このとき、電極組立体３０においては、各電極に塗工された活物質が膨張し、その結果として、主に電極組立体３０の積層方向である厚さ方向（図の矢印Ｄ方向）に膨張する。なお、負極材料にＳｉＯを用いた場合には、この膨張が大きくなると言われている。

図１は、コンディショニング処理前の状態の電極組立体３０を示しており、電極組立体３０は、コンディショニング処理前の状態では、上面が電池蓋２４に達しないように、その高さが設計されている。そのため、二次電池の高さ方向（Ｚ方向）に関し、電極組立体３０とケース２０（電池蓋２４）との間には、所定厚さのクリアランスが設けられている。

なお、電極組立体３０は、図２に示すように、Ｘ−Ｙ平面における一方向（図のＸ方向）においては、その外形寸法がＬ３となっている。電極組立体３０の外形寸法Ｌ３は、電極組立体３０をケース２０に収容する際の容易性を考慮して、ケース２０の内形寸法Ｌ２よりも小さくなっている（Ｌ３＜Ｌ２）。そのため、Ｘ−Ｙ平面に関しても、電極組立体３０とケース２０との間には所定幅のクリアランスが設けられている。

二次電池１０は、ケース２０内に、波状板バネ４０および荷重分散板４２をさらに備えている。

波状板バネ４０は、二次電池１０の厚さ方向に直交するＸ−Ｙ平面内に延在するように、電極組立体３０の上面と電池蓋２４の下面との間に配置されている。

波状板バネ４０は、電極組立体３０のコンディショニング処理前においては、図１に示すように、電極組立体３０と電池蓋２４との間のクリアランス内に配置されている。波状板バネ４０の高さは、クリアランス厚さよりわずかに高く設計されており、電極組立体３０をその積層方向に比較的低い圧力（たとえば、０．１〜１．０ＭＰａ）で付勢している。このような付勢により、電極組立体３０の正極と負極とを互いに離間しないようにすることで、クリアランスがある場合であっても正極と負極との間の反応を保持することができる。

波状板バネ４０は、電極組立体３０のコンディショニング処理後においては、図２に示すように、Ｚ方向に膨張した電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間で押圧されて、あたかも一枚の平板のような状態（平板状態）となる。この状態のとき、波状板バネ４０は、Ｘ−Ｙ平面における一方向（図のＸ方向）における長さがＬ１となっている。長さＬ１は、上述した電極組立体３０の外形寸法Ｌ３より長く、かつ、ケース２０の内形寸法Ｌ２よりも短くなっている（Ｌ３＜Ｌ１＜Ｌ２）。そのため、平板状態の波状板バネ４０は、ケース２０の内面に当接することなく、電極組立体３０の上面全域に亘って延在することができる。

荷重分散板４２は、平板状の部材であり、ある程度の剛性を有している。荷重分散板４２は、波状板バネ４０同様、二次電池１０の厚さ方向に直交するＸ−Ｙ平面内に延在するように、電極組立体３０の上面と波状板バネ４０との間に配置されている。より具体的には、荷重分散板４２は、その上面において波状板バネ４０と接しており、その下面において電極組立体３０の上面全体と接している。

荷重分散板４２は、波状板バネ４０から電極組立体３０への荷重（付勢力）を分散する。すなわち、波状板バネ４０の荷重は、電極組立体３０に伝わる際、電極組立体３０側に凸状になっている箇所に集中しやすい。上述の荷重分散板４２を配置することで、その荷重を分散されて、波状板バネ４０の荷重が電極組立体３０の上面全体に均等に加わるようになるため、電極組立体３０に対する圧力ムラが抑制される。圧力ムラは、正極と負極との反応ムラにつながるため、荷重分散板４２を配置することで反応ムラを抑制することができる。

続いて、二次電池１０を作製する手順について説明する。

二次電池１０を作製する際には、まず、電極組立体３０をコンディショニング処理する前に、ケース２０の電池缶２２内に電極組立体３０を収容する。このとき、電極組立体３０の積層方向（すなわち、膨張方向Ｄ）がＺ方向となるように、電極組立体３０を横置きする。そして、電極組立体３０を収容した後、荷重分散板４２、波状板バネ４０の順に、ケース２０の電池缶２２内に、それぞれＸ−Ｙ平面内に延在するように、収容する。その後、電池缶２２の開口を電池蓋２４で閉じる。

次に、電極組立体３０に対して、コンディショニング処理を施す。このとき、電極組立体３０が、上方に伸びるようにＺ方向に膨張する。それにより、電極組立体３０の上側のクリアランス内に配置された波状板バネ４０が、電極組立体３０とケース２０との間で押圧されて平板状態となる。

以上により、コンディショニング処理が施された二次電池１０の作製が完了する。

本実施形態に係る二次電池１０においては、電極組立体３０のコンディショニング処理後に、膨張方向Ｄにおいて電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間の介在する波状板バネ４０が、電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間で押圧されて平板状態となっていることで、発熱体である電極組立体３０の上面とその全面において接する。そのため、電極組立体３０の熱が、波状板バネ４０を介して、ケース２０に伝わりやすい状態となっている。

一方、従来技術に係るバネは、電極組立体と部分的にしか接しておらず、電極組立体に接していない部分が伝熱にあまり寄与しなかったため、伝熱を十分におこなうことが難しかった。

つまり、上述した二次電池１０においては、平板状になった波状板バネ４０により、電極組立体３０の熱がケース２０に伝わりやすくなっていることで、高い放熱性が実現されている。

また、平板状の波状板バネ４０の長さＬ１が、電極組立体３０の外形寸法Ｌ３より長くなっているため（Ｌ３＜Ｌ１）、電極組立体３０の上面全域に亘って波状板バネ４０が延在し、平板状の波状板バネ４０の長さＬ１が電極組立体３０の外形寸法Ｌ３よりも短い場合に比べて、高い放熱性を実現することができる。

さらに、平板状の波状板バネ４０の長さＬ１が、ケース２０の内形寸法Ｌ２よりも短くなっているため（Ｌ１＜Ｌ２）、平板状態の波状板バネ４０はケース２０の内面に当接していない。それにより、平板状の波状板バネ４０の長さＬ１がケース２０の内形寸法Ｌ２よりも長い場合に生じうる、波状板バネ４０が意図しない形状に撓んだりケース２０が変形したりする事態が、効果的に回避されている。
（第２実施形態）

本発明の第２実施形態に係る蓄電装置である二次電池１０Ａについて、図３、４を参照しつつ説明する。図３、４において、二次電池１０Ａの高さ方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する平面をＸ−Ｙ平面として示している。

第２実施形態に係る二次電池１０Ａは、第１実施形態に係る二次電池１０とは、波状板バネ４０が弾性体４４になっている点で異なり、その他の点は同一である。そのため、以下では、弾性体４４についてのみ説明し、その他の二次電池の構成については説明を省略する。

弾性体４４は、板状の多孔質体（スポンジ）であり、たとえば、ゴムや合成樹脂を発泡処理した材料で構成されている。弾性体４４は、波状板バネ４０同様、二次電池１０Ａの厚さ方向に直交するＸ−Ｙ平面内に延在するように、電極組立体３０の上面と電池蓋２４の下面との間に配置されている。

弾性体４４は、電極組立体３０のコンディショニング処理前においては、図３に示すように、電極組立体３０と電池蓋２４との間のクリアランス内に配置されている。弾性体４４の高さは、クリアランス厚さよりわずかに高く設計されており、上述した波状板バネ４０同様、電極組立体３０をその積層方向に比較的低い圧力で付勢している。

なお、弾性体４４は、その下面において電極組立体３０の上面全体と接しているため、弾性体４４の荷重が電極組立体３０の上面全体に均等に加わる。そのため、第１実施形態の荷重分散板４２がなくとも、電極組立体３０に対する圧力ムラが生じにくく、反応ムラも生じにくい構成となっている。

弾性体４４は、電極組立体３０のコンディショニング処理後においては、図４に示すように、Ｚ方向に膨張した電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間で押圧されて、その高さ寸法が縮められた状態（圧縮状態）となる。

なお、弾性体４４は、圧縮状態になっても、その断面寸法（Ｘ−Ｙ断面の寸法）はほとんど変わらず、体積密度が高くなる（逆に、気孔率は低下する）だけである。そのため、上述した波状板バネ４０のようにコンディショニング処理後にケース２０の内面に当接する事態を考慮する必要がない。

続いて、二次電池１０Ａを作製する手順について説明する。

二次電池１０Ａを作製する際には、まず、電極組立体３０をコンディショニング処理する前に、ケース２０の電池缶２２内に電極組立体３０を収容する。このとき、電極組立体３０の積層方向（すなわち、膨張方向Ｄ）がＺ方向となるように、電極組立体３０を横置きする。そして、電極組立体３０を収容した後、弾性体４４をケース２０の電池缶２２内に、Ｘ−Ｙ平面内に延在するように収容する。その後、電池缶２２の開口を電池蓋２４で閉じる。

次に、電極組立体３０に対して、コンディショニング処理を施す。このとき、電極組立体３０が、上方に伸びるようにＺ方向に膨張する。それにより、電極組立体３０の上側のクリアランス内に配置された弾性体４４が、電極組立体３０とケース２０との間で押圧されて圧縮状態となる。

以上により、コンディショニング処理が施された二次電池１０Ａの作製が完了する。

本実施形態に係る二次電池１０Ａにおいては、電極組立体３０のコンディショニング処理後に、膨張方向Ｄにおいて電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間の介在する弾性体４４が、電極組立体３０とケース２０の電池蓋２４との間で押圧されて圧縮状態となっていることで体積密度が高くなり、電極組立体３０の熱が、弾性体４４を介して、ケース２０に伝わりやすい状態となっている。

つまり、上述した二次電池１０Ａにおいては、圧縮状態の弾性体４４により、電極組立体３０の熱がケース２０に伝わりやすくなっていることで、高い放熱性が実現されている。

なお、弾性体４４は、多孔質体ではなく、気孔を有しないゴム等の弾性材料で構成された中実体であってもよい。この場合にも、圧縮されることで弾性体４４の体積密度が高くなり、熱が伝わりやすい状態となり得る。なお、伝熱性の向上の観点から、ゴム等の弾性材料の中に、金属フィラーを含有させてもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。たとえば、蓄電装置は、リチウムイオン二次電池等の二次電池に限らず、その他の蓄電装置（たとえば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等）であってもよい。また、波状板バネや弾性体の位置は、電極組立体の上側（電極組立体と電池蓋との間）ではなく、電極組立体の下側（電極組立体と電池缶の底との間）であってもよい。さらに、ケース内に電極組立体を横置きした態様を示したが、ケース内に電極組立体を縦置きした態様であってもよい。この場合、電極組立体の膨張方向Ｄが（電池蓋方向ではなく）電池缶の側壁方向となるため、電極組立体と電池缶の側壁との間に波状板バネや弾性体を配置すればよい。

また、二次電池は、積層型に限らず、外形が扁平な捲回型であってもよい。さらに、ケースの断面形状は、四角状やコイン状など様々なタイプのものを選択することができる。なお、上述した第２実施形態のような弾性体を配置する場合には、外形が円筒状の捲回型であっても本発明を好適に実施することができる。

１０、１０Ａ…二次電池、２０…ケース、３０…電極組立体、４０…波状板バネ、４２…荷重分散板、４４…弾性体、Ｄ…膨張方向。

Claims (6)

1. ケース内に電極組立体が収容されて構成された蓄電装置であって、
   前記電極組立体がコンディショニング処理された際に膨張する膨張方向において電極組立体とケースとの間に介在し、且つ、前記膨張方向に直交する方向に延在する波状板バネを備え、
   前記波状板バネが、電極組立体とケースとの間で押圧されて平板状態となっている、蓄電装置。
2. 前記波状板バネと前記電極組立体との間に配置された平板状の荷重分散板をさらに備える、請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記波状板バネの延在方向に関し、前記平板状態の波状板バネの長さが、前記電極組立体の長さよりも長い、請求項１または２に記載の蓄電装置。
4. ケース内に電極組立体が収容されて構成された蓄電装置であって、
   前記電極組立体がコンディショニング処理された際に膨張する膨張方向において電極組立体とケースとの間に介在し、且つ、前記膨張方向に関して厚さが伸縮可能な前記弾性体を備え、
   前記弾性体が、電極組立体とケースとの間で押圧されて圧縮状態となっている、蓄電装置。
5. 前記蓄電装置が二次電池である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. ケース内に電極組立体が収容されて構成された蓄電装置の製造方法であって、
   前記電極組立体をコンディショニング処理する前に、前記ケース内に前記電極組立体を収容するとともに、前記電極組立体がコンディショニング処理された際に膨張する膨張方向において前記電極組立体と前記ケースとの間に介在し、且つ、前記膨張方向に直交する方向に延在するように波状板バネを配置する工程と、
   前記電極組立体をコンディショニング処理して、前記電極組立体を前記膨張方向に膨張させて、前記電極組立体と前記ケースとの間で前記波状板バネを押圧して、前記波状板バネを平板状態にする工程と
   を有する、蓄電装置の製造方法。

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