JP2014199780A - 蓄電素子 - Google Patents

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Takeshi Kitagawa
剛士 北川
健一郎 植木
Kenichiro Ueki
健一郎 植木
博志 田才
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Abstract

【課題】 収納容器内の電解液を無駄なく利用して蓄電素子の長寿命化を実現する。
【解決手段】 電極体11と、電解液と、電極体11及び電解液を収納する、蓋部20及び容器本体10とから構成される収納容器と、収納容器と電極体11との間に配置される介装体12とを備え、介装体12には、絶縁性及び前記電解液に対する透過性を有する第1の領域としての露出面12a1が設けられている、非水電解質二次電池1。
【選択図】 図1

Description

本発明は、例えば二次電池その他の電池等の蓄電素子に関する。
二次電池は、一次電池の置きかえ用途はもとより、携帯電話、IT機器などの電子機器の電源として広く普及している。とりわけ、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、高エネルギー密度であることから、電気自動車などの産業用大型電気機器への応用も進められている。
非水電解質二次電池は、一般に導電性を有する金属製の収納容器の内部に、微多孔膜のセパレータで離隔された正負の極板を積層又は巻回してなる電極体と電解液とが封入された構成を有する(例えば特許文献1、図1等を参照)。このような非水電解質二次電池は、高出力、大容量を得るために、複数の電池を配列したモジュール化が進められている。
特許第4296522号公報
このような従来の非水電解質二次電池においては、以下のような課題があった。すなわち、収納容器の内壁と接触して短絡することを防ぐため、電極体は、その表面が絶縁性のフィルムからなる介装体により被覆された状態で収納容器に収納されている。
しかしながら、絶縁性のフィルムによって、収納容器に充填された電解液と電極体とが離隔され、電極体における電池反応に関与できない電解液があった。特に収納容器の内底においては、絶縁性フィルムにより隔絶された電解液が、電池反応に寄与することなく滞留する場合があった。
このように、従来の非水電解質二次電池をはじめとする蓄電素子においては、収納容器内の電解液が有効に用いられないという課題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、収納容器内の電解液の、電池反応への利用効率を高めた蓄電素子を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面は、
電極体と、
電解液と、
前記電極体及び電解液を収納する収納容器と、
前記収納容器と前記電極体との間に配置される介装体とを備え、
前記介装体には、
絶縁性及び前記電解液に対する透過性を有する第1の領域が設けられている、
蓄電素子である。
本発明の第2の側面は、
前記介装体には、前記電解液に対する不透性を有する第2の領域が設けられている、
本発明の第1の側面の蓄電素子である。
本発明の第3の側面は、
前記介装体の前記第1の領域は、前記収納容器の内底に対向している、
本発明の第1又は第2の側面の蓄電素子である。
本発明の第4の側面は、
前記介装体の前記第1の領域は、前記収納容器の内壁と前記電極体との間隔が最も大きい箇所に位置している、
本発明の第1から第3のいずれかの側面の蓄電素子である。
本発明の第5の側面は、
前記介装体の前記第1の領域は、前記収納容器が載置される面に対応する内壁に対向している、
本発明の第1から第4のいずれかの側面の蓄電素子である。
本発明の第6の側面は、
前記介装体の前記第1の領域は、撓み又は皺を有する、
本発明の第1から第5のいずれかの側面の蓄電素子である。
以上のような本発明は、蓄電素子において収納容器内の電解液の、電池反応への利用効率を高めて、長寿命を獲得することが可能になるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の構成を示す分解斜視図 本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の構成を示す正面図 本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の構成を示す側面図 (a)本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の製造工程を説明するための図(b)本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の製造工程を説明するための図 本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の作用効果を説明するための図 本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の他の構成例を示す側面図 本発明の実施の形態2に係る非水電解質二次電池の構成を示す要部斜視図 本発明の実施の形態2に係る非水電解質二次電池の構成を示す側面図 本発明の非水電解質二次電池の他の構成例を示す要部斜視図 本発明の非水電解質二次電池の他の構成例を示す要部斜視図 本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池の他の構成例を示す側面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る非水電解質二次電池1の構成を、一部を分解した状態で模式的に示す斜視図であり、図2は非水電解質二次電池1の正面図、図3は同側面図である。
図1〜図3の各図に示すように、非水電解質二次電池1は、アルミニウム製の開口箱状の容器本体10と、容器本体10の開口10xを封止する、容器本体と同一材料製の板状の蓋部20とから構成される外形六面体状の収納容器を外装として備える。なお、非水電解質電池1の内部構成を説明するため、容器本体10は、図1においては破線により輪郭を示し、要部を透視図として示した。同様の理由により、容器本体10は、図2中においては、容器本体10自身の長側面に平行な面で切断した断面図として示し、図3中においては、容器本体10自身の短側面に平行な面で切断した断面図として示した。
容器本体10の内部空間10zには、帯状の電極である正極と負極を、間にセパレータを介して長円筒形に巻回した構成を有する電極体11が配置されている。なお、図1においては、説明のため、電極体11は蓋部20と組み合わされ、容器本体10から半ば抜き出された状態として示した。
電極体11においては、最外周に露出するセパレータ11a1を間に介し、巻回軸の両端に正負両極の金属箔が露出し、金属箔露出部として容器本体10の一対の短手側の側面にそれぞれ位置している。なお、図中には正極側の金属箔である正極側金属箔露出部11a2近傍の構成のみ符号を付して説明するが、負極側も同様である。
正極側金属箔露出部11a2は蓋部20に固定された集電体11a3に接続され、集電体11a3及び正極側金属箔露出部11a2は薄い金属板製の挟持板11a4に挟まれて溶接、固定される。集電体11a3は蓋部20上に位置する金属製の中継板22と、かしめや圧着等の周知の技術的手段により電気的、機械的に接続されており、更に中継板22は外部接続用の電極端子23と電気的に接続されている。これにより、電極体11から収納容器の外部に電気が取り出される。
電極端子23と電極体11とを結ぶ導電路は、絶縁体である合成樹脂製のパッキン21によって収納容器と絶縁されている。パッキン21は収納容器内部からの電解液の漏出を防ぐために導電路と収納容器との間の空間、隙間を密封する役割も果たす。
次に、電極体11の側面及び底面であって、容器本体10の、内底10yを含む内壁に対向する面は、絶縁性の被覆フィルム12a及び12bから構成される介装体12により被覆されている。すなわち、電極体11の側面及び底面と、容器本体10の内面との間には、電極体11と容器本体10とを絶縁するための介装体12が配置されている。なお、電極体11等を示す便宜上、図2においては、被覆フィルム12aは一点鎖線により輪郭のみ示した。同様に、被覆フィルム12bは点線により輪郭のみ示した。また、図3においては、被覆フィルム12a及び12bは介装体12の断面図として示した。
被覆フィルム12a及び12bはそれぞれ帯状の外形を有し、図4(a)(b)に模式的に示すように、被覆フィルム12aが、電極体11を、その巻回方向に沿って、容器本体10の正面及び背面に対応する主面、並びに内底10yに対向する底面を包んだ後、被覆フィルム12bが被覆フィルム12aごと電極体11の側面に引き回されることにより介装体12は完成する。なお、本実施形態においては、図3に示す被覆フィルム12a及び12bの境界12b1は密着され、これにより介装体12は一体化して開口12xを有する袋状に形成されている。ただし、境界12b1は密着させずに、被覆フィルム12aと被覆フィルム12bとの間に隙間が形成されていてもよい。
また、図4(a)においては、説明の便宜上、被覆フィルム12a以外の構成要素は点線にて示した。同様に、図4(b)において被覆フィルム12b以外の構成要素は点線にて示した。
また、蓋部20には、容器本体10がレーザ溶接等により封止された後に電解液を注入するための注入口24xが設けられており、電解液注入後は封止栓24により封止され、レーザ溶接等により封止栓24xの周囲を溶接することにより、非水電解質二次電池1は完成される。
以上の構成において、非水電解質二次電池1は本発明の蓄電素子に相当し、容器本体10と蓋部20の組合せは本発明の収納容器に相当し、容器本体10は本発明の容器本体に相当し、蓋部20は本発明の蓋部に相当する。また、介装体12は本発明の介装体に相当する。
このような構成を有する本実施の形態による非水電解質二次電池1は、介装体12において、容器本体10の内底10yと対向する面を有する被覆フィルム12aが電解液に対する透過性を有することを特徴とする。
すなわち、従来の非水電解質二次電池においては、電極体は、収納容器との絶縁状態を確保するために介装体により被覆されるが、電極体は収納容器内にて介装体を介した状態で電解液に含浸されることとなり、電解液の一部は介装体によって電極体から遮られた状態で収納容器内に滞留し、電池反応に関与することができなくなっていた。
これに対し、本実施の形態においては、介装体12を二つの被覆フィルム12a及び12bの組合せとして構成し、電極体11の側面に引き回されて容器本体の側面部に対向する被覆フィルム12bは従来例同様ポリエチレン、ポリプロピレン等の、絶縁性の合成樹脂製のフィルムにより作成する一方、容器本体10の内底10y及び長手方向の内壁10aに対向して露出する被覆フィルム12aは、絶縁性とともに、電解液に対する透過性、吸収性を有する多孔質の合成樹脂製のフィルム、織布又は不織布により作成する。
これにより、図3及び、図5の模式的透視図に示すように、容器本体10の内底10y近傍の内部空間10z1に滞留する電解液は、被覆フィルム12aを介して電極体11側へ往来することが可能となる。これにより、介装体12の外側の電解液を介装体12の内側に導入して、収納容器内の電解液の電池反応への利用効率を高めることができる。また、電解液の利用効率を高めることにより、非水電解質二次電池1の長寿命化を実現することも可能となる。ここで被覆フィルム12aの露出面12a1は、本発明の第1の領域に相当し、被覆フィルム12a及び被覆フィルム12bが重なり合った部分及び被覆フィルム12bが単体で露出した部分は、本発明の第2の領域に相当する。
なお、上記の説明においては、露出面12a1は、容器本体10の内底10y及び内壁10aに対向して設けられるものとしたが、容器本体10の内底10yに対向する側は省略して、容器本体10の内壁10aに対向する側にのみ設けるようにしてもよい。
これは以下の理由に基づく。すなわち、図1〜3等に示すように、蓋部20を鉛直上方に向け、容器本体10の底面を載置面として非水電解質二次電池1を用いる場合、収納容器の内部空間10zにおいて、電解液は容器本体10の内底10y近傍の内部空間10z1を常時満たすこととなるが、局所的に見て、収納容器の内部空間10z1において滞留する電解液の占める割合が最大となる箇所は、巻回軸に直交する断面が長円形である電極体11の外形に起因して、容器本体10と電極体11の間隔が最大となる、電極体11の湾曲した側端11Rと容器本体10の隅10bとの間となっており、内底10yと対向する部分においては逆に小さくなっている。
そこで、露出面12a1は、内部空間10z1において電解液が占める割合が最大となる、容器本体の隅10bに対向する面にのみ形成されるようにしてもよく、これにより直接的かつ速やかに電解液を電極体11へ導入させることができる。
要するに、本発明の第1の領域は、収納容器内において、少なくとも、電極体と収納容器の内壁との距離が最も大きくなる箇所であれば、任意の箇所に設けるようにしてもよく、これにより、収納容器及び電極体の形状に依存することなく、電解液の直接的かつ速やかな導入が実現できる。ただし、直方体状の容器本体10の内底10yは、電解液が滞留しやすい箇所であり、電解液の利用効率を確保するためには、これと対向する面に第1の領域を位置させることが好適である。
また、上記の説明においては、非水電解質二次電池1は、容器本体10の底面を載置した状態で用いられ、底面の裏面である内底10yに対向して露出面12a1が設けられるものとしたが、図11に示すように、容器本体10の長手方向の内壁10w1に対向して設けるようにしてもよい。この構成においては、鉛直下方を示す図中矢印Dに従って、容器本体10の内壁10w1の外側である側面10w2を載置面として、非電解質二次電池は言わば横倒しにして用いられる。この場合、電解液は、収納容器の内部空間10zにおいて内壁10w1の近傍の内部空間10z3を常時満たすこととなり、内壁10w1に対向する露出面12a1を介することで電極体11側に導入される。
このように、本発明の第1の領域は、蓄電素子としての非水電解質二次電池の使用状態において収納容器の載置面となる面の裏面に対応する内壁に対向する箇所であれば、任意の箇所に設けるようにしてもよい。電解液が常時に満たされている空間に第1の領域が確実に位置することとなり、電解液を電極体に導入させることができる。
また、上記の説明においては、被覆フィルム12aの露出面12a1は一様な面であるとして説明を行ったが、表面に皺、縮み、又は撓みを持たせるようにしてもよい。この場合、露出面12a1における電解液の吸収面積が増大することとなり、内部空間10zに滞留する電解液をさらに内部空間10z1側に凝集させて、電解液の利用効率を高めることが可能となる。
更に、露出面12a1の変形例としては、図6の模式的透視図に示すように、内底10yの長辺に略平行に沿って延びる複数の凸列121を有する露出面12c1を備えた構成としてもよい。凸列121は、被覆フィルム12a1を蛇腹状に折曲げて形成されたものである。
図1及び図2に示すように、注入口24は、蓋部20から見て露出面12c1のほぼ中央に位置することから、蓋部20から注入された電解液は、凸列121に沿って流動することとなり、収納容器内への電解液の注入をスムーズ且つムラ無く行うことができる。また、凸列121は内底10yと電極体11との間の緩衝材として機能し、非水電解質二次電池への衝撃により電極体11が内底10yに接触することを防ぐ効果を奏する。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2による非水電解質二次電池は、単一のフィルム材料により介装体を構成したものである。
図7は、非水電解質二次電池において、単一の被覆フィルムを袋状に形成してなる介装体13により電極体11を被覆した構成を示すものであり、電極体11の側面を被覆する側面被覆13bと、収納容器に収納された状態にて容器本体10の底面10yと対向する側を被覆する底面被覆13aとを有するものである。なお、図中には容器本体10は省略して示した。
図8の、電極体11の巻回軸に直交する断面図にて示すように、介装体13は、被覆フィルム12aと同様の絶縁性及び電解液に対する透過性、吸収性を有する中間層13b1と、中間層13b1の両面に張り合わされた、被覆フィルム12bと同様の絶縁性及び電解液に対する不透性を有する表面層13b2とから構成された積層フィルムにより作成される。
底面被覆13aは、積層フィルムから表面層13b2を除去して中間層13b1のみにより形成されたものである、側面被覆13bは未加工の積層フィルム、すなわち中間層13b1と一対の表面層13b2により形成されたものである。ここで底面被覆13aは本発明の第1の領域に相当し、側面被覆13bは本発明の第2の領域に相当する。
本実施の形態によれば、実施の形態1の効果に加えて、更に以下の効果が得られる。すなわち、個別の被覆フィルムを複数枚用いる実施の形態1に対して、フィルムの厚みを小さくとることができ、収納容器の裕度を大きくとって、電解液の収蔵量の増加を図ることができる。また、電極体11を容器本体10に組み込む際に、被覆フィルムが開口10xと接触して損傷、又は電極体11からの剥離を抑制することが可能となる。
なお、上記の説明においては、介装体13は、中間層b1と中間層b1の両面に張り合わされた表面層b2の3層構造であるとして説明を行ったが、表面層b2を一層のみ有する2層構造としてもよい。このとき、表面層13b2は電極体11に対向する側、容器本体10の内壁に対向する側のいずれに設けてもよいが、被覆フィルムが開口10xと接触することを考慮して、容器本体10の内壁に対向する側に設けるほうが好適である。
更に、積層フィルムにおいて、中間層13b1のような絶縁性及び電解液に対する透過性、吸収性を有する層、表面層13b2のような絶縁性及び電解液に対する不透性を有する層とは、完成後の介装体において本発明の第1の領域が形成されるものであれば、任意の層数であってもよい。
以上のように、本発明の各実施の形態の非水電解質二次電池によれば、電極体を被覆する被覆フィルムの一部において、電解液に対する透過性を与えるようにしたことにより、収納容器の内部空間10z1に滞留する電解液を、底面被覆13aを介して電極体11側へ往来させることが可能となり、これにより、収納容器内の電解液の、電極体11における電池反応への利用効率を高めることができる。さらには、非水電解質二次電池1の長寿命化を実現することができる。
しかしながら、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
上記の実施の形態においては、本発明の介装体は、電解液に対する透過性を有する第1の領域と、電解液に対する不透性を有する第2の領域とを有するものとしたが、第1の領域のみを有するものとしてもよい。
図9に示す構成例において、電極体11の正負両極の集電体及び挟持板並びに内底10yとの対向面を主に被覆する、籠形状の介装体14は、被覆フィルム12aと同様、絶縁性及び電解液に対する透過性、吸収性を有する多孔質の合成樹脂製のフィルム、織布又は不織布により作成される。したがって、介装体14は容器本体10の底面10yとの対向面となる底面被覆14aを含めた全ての壁面を介して電解液を電極体11側へ往来させることができる。なお、介装体14は、複数のフィルムを組み合わせることにより籠形状に形成されるものであってもよいし、単一のフィルムから構成されるものであってもよい。なお、図9においては、説明の便宜上、介装体14以外の構成要素は点線にて示した。
また、介装体の形状は、図9に示す籠形状のものの他、実施の形態1、2に示す袋状のものとしてもよい。更に、実施の形態1、2に示す介装体を、介装体14と同形のものとしてもよい。
また、上記の説明においては、本発明の電極体は巻回型であるとしたが、積層型の電極体としてもよい。
更に、上記の説明においては、電極体は単体であるとしたが、複数の電極体を有する構成としてもよい。図10には例示として、実施の形態1を、巻回軸を並列して配置される電極体11a及び11bに備えた非水電解質二次電池に対して適用した構成を示した。
特に巻回型の電極体を用いた場合、巻回軸に直交する断面形状は長円又は楕円状に変形しており、収納容器の内壁との距離は一様ではない。また、容器本体10への電極体の組込みを簡便且つ安全に行うため、介装体の形状を電極体に精度良く追従させた場合においては、特に、電極体11aと11bとの間隙である内部空間10z3に示すように、収納容器内に収納される電極体の個数が増加するにしたがって、介装体内に封入され、電池反応に利用される電解液量が減少する恐れがある。
このような電極体の構成に対して、本発明のように、介装体の収納容器の内底10yに対向する側を、電解液に対する透過性を有する露出面12a1として形成し、収納容器側から電解液の補充を行わせることにより、電池反応への電解液の利用効率を高めることができ、更には、電池の長寿命化を実現することができる。
また、上記の説明においては、本発明の蓄電素子は、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池1であるとしたが、電気化学反応により充放電可能な電池であれば、ニッケル水素電池その他各種の二次電池を用いてもよい。また、一次電池であってもよい。要するに、本発明の蓄電素子は電極体と電解液を収納容器内に封入してなる電気を蓄積可能な素子であれば、起電力を発生させるための具体的な方式によって限定されるものではない。
また、上記の説明においては、容器本体10及び蓋部20から構成される収納容器は、本発明の収納容器に相当するものであり、電極体11は蓋部20に接続され、電極端子23等は蓋部20側に設けられるものとしたが、本発明は、介装体が電極体と収納容器との間に位置していればよく、収納容器は蓋部と容器本体との組合せの具体的態様に限定されるものではない。
また、容器本体10はアルミニウム製であるとしたが、アルミニウム合金、ステンレスその他任意の金属又は金属化合物、樹脂、又はアルミニウムラミネートを材料とするものであってもよい。また、形状は外形六面体としたが、底面が三角形、又は五角形以上の多角形である角柱形状であるとしてもよい。更には円筒形状であってもよい。
また、上記の説明においては、単体の非水電解質二次電池1を例に取ったが、本発明は、複数の蓄電素子において少なくとも一つの蓄電素子に本発明の蓄電素子を含んでなる、電源モジュールとして実現してもよい。
要するに、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲内であれば、以上説明したものを含め、上記実施の形態に種々の変更を加えたものとして実施してもよい。
以上のような本発明は、蓄電素子において収納容器内の電解液の、電池反応への利用効率を高めることが可能になる効果を有し、例えば二次電池のような蓄電素子において有用である。
1 非水電解質二次電池
10 容器本体
10a 側壁
10b 隅
10x 開口
10y 底面
10z 内部空間
10z1 内部空間
11、11a、11b 電極体
11a1 セパレータ
11a2 電極
11a3 集電体
11a4 挟持板
11R 側端
10z1 空隙
12、13、14 介装体
12a、12b 被覆フィルム
12a1 露出面
21 パッキン
22 中継板
23 電極端子
24 注入口
25 封止栓

Claims (6)

  1. 電極体と、
    電解液と、
    前記電極体及び電解液を収納する収納容器と、
    前記収納容器と前記電極体との間に配置される介装体とを備え、
    前記介装体には、
    絶縁性及び前記電解液に対する透過性を有する第1の領域が設けられている、
    蓄電素子。
  2. 前記介装体には、前記電解液に対する不透性を有する第2の領域が設けられている、
    請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記介装体の前記第1の領域は、前記収納容器の内底に対向している、
    請求項1又は2に記載の蓄電素子。
  4. 前記介装体の前記第1の領域は、前記収納容器の内壁と前記電極体との間隔が最も大きい箇所に位置している、
    請求項1から3のいずれかに記載の蓄電素子。
  5. 前記介装体の前記第1の領域は、前記収納容器が載置される面に対応する内壁に対向している、
    請求項1から4のいずれかに記載の蓄電素子。
  6. 前記介装体の前記第1の領域は、撓み又は皺を有する、
    請求項1から5のいずれかに記載の蓄電素子。
JP2013075261A 2013-03-29 2013-03-29 蓄電素子 Pending JP2014199780A (ja)

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