JP2014199782A - 蓄電素子及び圧接体 - Google Patents

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宏章 安房
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Abstract

【課題】 収納容器内にて電極体を安定して保持し、高い信頼性を獲得する。【解決手段】 電極体11a及び11bと、電解液と、電極体11a及び11b及び電解液を収納する容器本体10及び蓋部20から構成される収納容器と、電極体11a及び11bと収納容器の内底10yとの間に位置し、電解液に含浸された状態で弾性を発揮して電極体11a及び11bに圧接する凸列12xが形成された圧接体12とを備えた、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及びそれに用いられる圧接体に関する。
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
しかしながら、以上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、収納容器の外側に設けられた電極端子と電気的に接続された電極体は、収納容器内にて吊下げられるようにして固定されている。したがって、非水電解質二次電池に衝撃や振動が加えられた場合、電極体は収納容器内で揺動して、電極体の固定部分に応力が集中したり、電極体が収納容器の内壁に接触する等して、破損又は短絡を生ずるおそれがある。
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は、耐衝撃性や耐振動性に関して、改善の余地を有していた。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、収納容器内にて電極体を安定して保持することができる蓄電素子及びそれに用いられる圧接体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、
前記電極体及び前記電解液を収納する収納容器と、
前記電極体と前記収納容器の内壁との間に位置し、前記電解液に含浸された状態で弾性を発揮して前記電極体に圧接する起伏が形成された圧接体とを備えた、
蓄電素子である。
本発明の第2の側面は、
前記圧接体は、吸液性の素材により構成されており、
前記電解液を吸収していない状態において少なくとも前記起伏が形成された部分が平坦に変形しており、
前記電解液を吸収することにより前記起伏が復元される、
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、
前記圧接体の前記起伏は、前記電極体の外形に対応して全部又は一部が互いに異なる高さを有する、
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、
前記圧接体は、前記電解液に含浸された状態において、前記起伏を形成している面の裏面に前記起伏の反転形状としての起伏が形成されている、
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。
本発明の第5の側面は、
前記起伏は、前記電極体の表面に圧接して変形する複数の突起として形成されている、
本発明の第1から第6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、
前記複数の突起は、前記電極体の長手方向に沿って、同一高さを保ち延伸する複数の凸列として形成されている、
本発明の第7の側面の蓄電素子である。
本発明の第7の側面は、
電極体及び前記電極体及び電解液を収納する収納容器を有する蓄電素子の、前記電極体と前記収納容器の内壁との間に配置される圧接体であって、
前記電解液に含浸された状態で弾性を発揮して前記電極体に圧接する複数の突起を有し、
前記電解液を吸収していない状態において平板状の外形に変形しており、
前記電解液を吸収することにより前記突起が復元される、
圧接体である。
以上のような本発明は、蓄電素子において収納容器内に電極体を安定して保持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に係る非水電解質二次電池の圧接体の変形前の構成を示す斜視図(b)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の変形後の構成を示す斜視図 (a)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の変形前の構成を示す側面図(b)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の変形後の構成を示す側面図 本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の、圧接体を用いた作成状態を説明するための図 (a)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の他の構成例を示す斜視図(b)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の他の構成例を示す側面図 本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の他の構成例を示す斜視図 (a)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の他の構成例を示す斜視図(b)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の他の構成例を示す斜視図(c)本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池の圧接体の他の構成例を示す斜視図
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。
(1.非水電解質二次電池)
図1は、本発明の実施の形態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る。
図1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中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。
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11a及び11bが並列した状態で配置されている。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。
以下、各電極体の近傍の共通する構成について、電極体11a近傍を例に取り説明を行う。電極体11aの巻回軸の両端には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の一対の短側面側にそれぞれ位置している。なお、図中には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、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11a及び11b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11a及び11b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。
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24が設けられている。蓋部20は、電極体11a及び11bと結合された状態で、電極体11a及び11bを開口10xから挿入するようにして容器本体10と結合され、接合部分はレーザ溶接等により封止される。蓋部20と容器本体10の封止後に、電解液が注入口24を介して内部空間10zに注入され、電解液を注入した後の注入口24は封止栓25により封止される。
また、容器本体10の内底10yと電極体11との間には圧接体12が位置している。圧接体12は、図1及び図2に示すように、容器本体10の内底10yとほぼ等しい輪郭形状を有する、絶縁性材料により作成された部材であって、電極体11a及び11bの各巻回軸の伸びる方向に対応する内底10yの長辺に略平行に形成された、内底10yの短辺に平行な直線で切断した断面形状が略逆V字状、略三角形又は略楔形であって、電極体11に対向する頂角にRがついた凸列12xを複数有する。なお、図2においては、説明のため、容器本体10を、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た。
圧接体12は、電極体11と容器本体10との間に位置することによって、電極体11a及び11bと容器本体10との間の絶縁状態を確保するともに、蓋部20に固定された電極体11a及び11bを内底10y側から支えている。圧接体12は一定の弾性を有することにより、図3の側面図に示すように、複数の凸列12xの先端がそれぞれ電極体11a及び11bに圧接して変形し、帯状の接触面12a及び12bを形成して面接触する。なお、図3においても、説明のため、容器本体10を、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。
これにより、電極体11a及び11bは、蓋部20に機械的に固定され、且つ、内底10y側から圧接体12を介して弾性的に固定されることとなり、収納容器の内部空間10z内に安定的に保持される。したがって、非水電解質二次電池1が外部からの振動や衝撃を受けた場合であっても電極体11a及び11bの揺動は抑制され、耐振動性や耐衝撃性が向上する。その結果、非水電解質二次電池1の信頼性を向上させることができる。
次に、図4及び図5を参照して、圧接体12の構成について説明するとともに、これにより、本発明の圧接体の一実施の形態について説明を行う。
(2.圧接体)
図4(a)は、非水電解質二次電池1に組み込まれる前の圧接体12の状態を示す斜視図であり、図4(b)は、図1同様、非水電解質二次電池1内に組み込まれた後の圧接体12の仮想的な状態を示す斜視図であり、図5(a)(b)はそれぞれ図4(a)(b)に対応する側面図である。
圧接体12は、吸液性、絶縁性、耐腐食性、耐熱性を有する多孔質ポリマー材料により形成されることが望ましい。ポリマー材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリウレタン、ポリイミド、アクリル樹脂等を挙げることができる。特に電解液に対して良好な耐腐食性及び吸収性を有することが望ましい。
圧接体12は、大気中(1気圧下)では、図4(b)及び図5(b)に示すように、あらかじめ凸列12xを有した形態として作成される。また、図5(b)に示すように、圧接体12は全体として蛇腹状の断面形状を有する。
すなわち、電極体11a及び11bと対向する側は、凸列12xと、凸列12xの間に形成される、断面は頂角にRを有するV字状の凹溝12z1とが周期的に配列されており、容器本体10の内底10yとの対向面においては、これら凸列12xと凹溝12z1の反転形状として、凹溝12z2及び凸列12yが配列されている。
このような圧接体12は、乾燥圧縮することにより、図4(a)及び図5(a)に示す平板形状の素体120に形成される。素体120は、容器本体10の内底10yとほぼ同一であって開口10xの形状よりも小さい、矩形の主面121を有する。
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する。圧接体12及び素体120はそれぞれ本発明の圧接体に相当する。凸列12xは本発明の起伏、複数の突起、及び凸列に相当する。
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、凸列12xを有する圧接体12が、非水電解質二次電池1の内部空間10zに電解液が充填された状態において形成されるものであることを特徴とする。
すなわち、非水電解質二次電池1は、収納容器に電極体11及び圧接体12が収納され、電解液が封入された状態にて完成するが、容器本体10が蓋部20により封止され、内部空間10zに電解液が封入される直前の段階においては、圧接体12は素体120として収納容器に格納されており、蓋部20の注入口24から注入された電解液に含浸されることにより膨張して、圧接体12生来の形状が復元される。
これにより、内部空間10zにて事後的に形成された凸列12は、電解液に含浸された状態の圧力をもって電極体11a及び11bに接触し、図2及び図3に示す圧接状態を形成する。
図5(b)に示す圧接体12の全高hは、電極体11a及び11bと容器本体10の内底10yとの距離よりも大きいため、圧接体12は、そのままの形状で収入容器に封入した場合は、蓋部20と容器本体10との接合に際して干渉物となってしまい、電池作成の障害となってしまう。
これに対し、本実施の形態は、圧接体12を、電極体11a及び11bと容器本体10の内底10yとの距離よりも厚みの小さい平板状の素体120として収納容器内に組み込ませるようにしたことより、電池作成に悪影響を与えない。
また、素体120は、内底10yとほぼ同一形状の主面121を有する矩形状としたことにより、図6に示すように、容器本体10に簡便に収納させ、底面10y上にて位置ずれを生ずることなく配置させることができ、収納容器への配置を更に簡便とすることができる。
このとき、図5(a)(b)に示すように、素体120の短手方向の寸法W1は、開口10xの短手方向よりも小さくする一方、完成後の圧接体12の短手方向の寸法W2は、電解液の吸収による膨張を考慮して、寸法W1より大きくとることが望ましい。特に、寸法W2を底面10yの短辺の寸法より大きくとることにより、図3に示すように、圧接体12は収納容器の短辺側において内壁に圧接することができ、収納容器内で固定した状態で電極体11a及び11bの揺動を抑制することができる。
更に、電極体11a及び11bと圧接体12との接触は、圧接体12が電解液に含浸された状態でなされるため、接触面12a及び12bは、各電極体の表面形状に精度良く追従して形成されることとなり、圧接体12の電極体に対する保持力を向上させ、安定的な保持の効果を高めている。
更に、本実施の形態は、圧接体12の凸列12x及び凹溝12z1が、底面10yの長辺に略平行に延出して形成されることにより、注入口24から注入される電解液の流路として機能する。図1及び図2に示すように、注入口24は圧接体12のほぼ中央に重なるように位置し、蓋部から注入された電解液は、素体120から変形途上の圧接体12上を、凹溝12z1に沿って流動できる。
これにより、電解液は素体120上に満遍なく含浸され、圧接体12を良好に復元させるとともに、収納容器の内部空間10z内にムラ無く注入される。
更に、圧接体12は、蛇腹状の断面形状を有し、電極体11a及び11bと対向する側は断面V字状の凹溝12z1が周期的に配列され、容器本体10の内底10yと対向する側においては凹溝12z2が配列されている。これら凹溝により、図3に示すように、電極体11a及び11bと内底10yとの間には、電解液が流動可能な空隙10z1及び10z2が形成されることとなる。
このように、本実施の形態の非水電解質二次電池1によれば、電極体11a及び11bと容器本体10の内底10yとの間に位置する、電池の完成前においては平板状の素体120に変形している圧接体12を備えたことにより、電極体11a及び11bの揺動を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、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、圧接体12は、同一高さhの凸列12xが配列される構成として説明を行ったが、凸列の高さは、電極体又は収納容器の内部形状に応じて変化させるようにしてもよい。
一例として、図7(a)(b)に示す圧接体13は、高さh1を有する凸列13x及び高さh2を有する凸列13yの、2種類の凸列を備えたことを特徴とする。
一般に巻回型の電極体は、巻回軸に直交する断面形状が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。
このような電極体の表面形状に対応して、圧接体13においては、電極体11a及び11bの扁平度合いが最大になる中央部分に対向する凸列13yの高さh2を、周辺部分に対向する凸列13xの高さh1よりも小さくしている。なお、一様に平坦な面である内底10yに対向する凸列13zは、圧接体12同様、一様な高さを有する。
これにより、電極体の表面と各凸列との距離が平均化され、圧接体13は、電極体11a及び11bに対して均等な力で圧接することができ、電極体に対する保持力を更に向上させることが可能となる。
また、上記の説明においては、圧接体12は、蛇腹状の断面形状を有し、電極体及び収納容器の内底の双方に対して凸列を有するものとしたが、凸列は、電極体側に対向する側にのみ設けるようにしてもよい。
図8に示す圧接体14は、電極体11a及び11bとの対向面を、凸列12xと同一形状の凸列14xとし、容器本体10の内底10yとの対向面を、起伏を持たない平坦面14aとしたものである。この場合、平坦面14aと内底10yとは全面において面接触することとなり、電極体の揺動に圧接体が従動することを抑制して、電極体を収納容器内に安定的に保持することを可能とする。
また、上記の説明においては、凸列12xは、断面形状として、略逆Vの字状、略三角形状又は略楔形状であって、頂角にRを有するものとして説明を行ったが、断面形状は略逆Uの字状であってもよい。この場合、凸列12xと電極体11aとの接触面積を更に大きくとることができ、好適である。
また、上記の説明においては、本発明の突起は、内底10yの長辺に略平行に形成された凸列12xであるとして説明を行ったが、図9(a)の圧接体15に示すように、内底10yの短辺に略平行に形成される凸列15xとして実現されるものであってもよいし、図9(b)の圧接体16に示すように、平坦面16y上に形成された突起16xとして実現されるものであってもよい。
特に、圧接体16は、突起16xの平坦面16y上に於ける位置を、電極体11a及び11bの表面形状に対応させて、電極体11a及び11bの表面から突起16x及び平坦面16yのそれぞれまでの距離が等しくなるよう調整することにより、図7に示す構成例と同様、圧接体16の表面が電極体11a及び11bに対して均等な力で圧接して、電極体に対する保持力を更に向上させることが可能となる。
要するに、本発明の突起は、電極体の表面に圧接して変形することにより面接触するものであれば、その具体的な態様により限定されるものではない。
更に、上記の説明においては、本発明の起伏は、凸列又は突起として形成されるものとしたが、図9(c)の圧接体17に示すように、平坦な主面17b上に内底10yの長辺に略平行に形成される、輪郭が円弧状の凹溝17xとして実現されるものであってもよい。
圧接体17においては、凹溝17xと平面17bとの境界である縁17yが電極体11a及び11bに圧接され、変形する。これにより、上記の凸列12x又は各種突起と同様、電極体に複数箇所にて面接触して、安定的に保持することが可能となる。
要するに、本発明の圧接体は、電極体の表面に圧接して変形する起伏が、電極体と対向する主面上に形成されていればよく、その具体的な態様により限定されるものではない。又、上記の説明においては、圧接体15〜17はいずれも容器本体10の内底10yとの対向面が、起伏を持たない平坦面15a〜17aとしたが、圧接体12と同様、内底10yとの対向面は、凸列又は突起等を有する主面の反転形状としての起伏を有するものとしてもよい。この場合、内底10yと当該対向面との間には、電解液が充填される空隙を形成して、収納容器における電解液の容量を確保して、長寿命の電池を得ることができる。
なお、上記圧接体13〜14のいずれの圧接体においても、本発明においては共通の外形寸法を有する素体120として作成することができ、圧接体12の場合と同様、容器本体10に簡便に収納させ、底面10y上にて位置ずれを生ずることなく配置させることができ、収納容器への組込みを簡便とすることができる。
更に、圧接体12〜14は、いずれも収納容器に組み込む前は、平面形状が矩形の主面121を有する素体120に乾燥圧縮されているものとしたが、本発明の圧接体は、電解液に含浸される前の状態において、少なくとも起伏を生ずる部分が平坦な面に変形されていればよい。したがって、圧接体は、電解液に含浸した状態で起伏を生じさせる部分と、電解液に含浸される前後で形状が変化しない部分の多層構成としてもよい。
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。また、電極体の個数は単数であってもよいし、3つ以上であってもよい。
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。又、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11a及び11b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、圧接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。
したがって、電極体11a及び11bが容器本体10に接続された状態で蓋部に封止される構成であってもよく、電極端子等が容器本体10側に設けられた構成であるとしてもよい。このような収納容器を有する蓄電素子においては、圧接体が電極体と蓋部との間に位置する構成であっても本発明の範囲に含まれるものである。
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。又、形状は直方体としたが、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。
更に、圧接体12の形状は、図2に示すように、内底10yの平面形状に対応した矩形であって、これは電極体11a及び11bの長手方向と一致するものとしたが、収納容器の内底10y全面を覆うものとしてもよいし、電極体11a及び11bの一部と対向する程度の寸法であってもよい。なお、長手方向とは上記実施の形態においては電極体11a及び11bのそれぞれの巻回軸の伸びる方向であるが、電極体の巻回軸に直交する側の寸法のほうが大きい場合は、当該寸法を有する側に沿った方向であってもよい。
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、収納容器内にて電極体を安定して保持し、高い信頼性を得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
10x 開口
10y 底面
10z 内部空間
11a、11b 電極体
11a1 セパレータ
11a2 電極
11a3 集電体
11a4 挟持板
10z1、10z2 空隙
12 圧接体
12x、12y 凸列
12z1、12z2 凹溝
21 パッキン
22 中継板
23 電極端子
24 注入口
25 封止栓

Claims (7)

  1. 電極体と、
    電解液と、
    前記電極体及び前記電解液を収納する収納容器と、
    前記電極体と前記収納容器の内壁との間に位置し、前記電解液に含浸された状態で弾性を発揮して前記電極体に圧接する起伏が形成された圧接体とを備えた、
    蓄電素子。
  2. 前記圧接体は、吸液性の素材により構成されており、
    前記電解液を吸収していない状態において少なくとも前記起伏が形成された部分が平坦に変形しており、
    前記電解液を吸収することにより前記起伏が復元される、
    請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記圧接体の前記起伏は、前記電極体の外形に対応して全部又は一部が互いに異なる高さを有する、
    請求項1又は2に記載の蓄電素子。
  4. 前記圧接体は、前記電解液に含浸された状態において、前記起伏を形成している面の裏面に前記起伏の反転形状としての起伏が形成されている、
    請求項1から5のいずれかに記載の蓄電素子。
  5. 前記起伏は、前記電極体の表面に圧接して変形する複数の突起として形成されている、
    請求項1から6のいずれかに記載の蓄電素子。
  6. 前記複数の突起は、前記電極体の長手方向に沿って、同一高さを保ち延伸する複数の凸列として形成されている、
    請求項7に記載の蓄電素子。
  7. 電極体及び前記電極体及び電解液を収納する収納容器を有する蓄電素子の、前記電極体と前記収納容器の内壁との間に配置される圧接体であって、
    前記電解液に含浸された状態で弾性を発揮して前記電極体に圧接する複数の突起を有し、
    前記電解液を吸収していない状態において平板状の外形に変形しており、
    前記電解液を吸収することにより前記突起が復元される、
    圧接体。
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