JP2016021281A - 蓄電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】正極タブと負極電極との短絡を抑制することができる蓄電装置を提供すること。【解決手段】二次電池10は、正極電極21、負極電極24、及びセパレータ27を積層した電極組立体14を有する。負極電極24は、正極電極21より一回り大きい。二次電池10において、セパレータ27は、その第1の辺27cの一部から突出し、正極タブ31の根本を覆うタブ対向部27gを有する。負極電極24は、電極組立体14の積層方向において正極タブ31の根本と対峙する部分に、負極電極24の第1の辺25cから凹む短絡抑制部33を有する。【選択図】図2

Description

本発明は、正極電極、負極電極及びセパレータを積層した電極組立体を有する蓄電装置に関する。
EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug in Hybrid Vehicle)などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄える蓄電装置としての二次電池が搭載されている。二次電池としては、電極組立体がケース内に収容されているものがある。また、電極組立体は、シート状の正極電極と負極電極を、両者の間をセパレータで絶縁した状態で積層して構成されている。正極電極は、正極金属箔の両面に正極活物質層を有し、負極電極は、負極金属箔の両面に負極活物質層を有する。
また、ケース内では、正極電極の一辺の一部から突出する正極タブに、正極の電極端子が導電部材を介して電気的に接続されるとともに、負極電極の一辺の一部から突出する負極タブに、負極の電極端子が導電部材を介して電気的に接続されている。これら正極及び負極の電極端子は、一部がケースの壁部を貫通してケースの外へ突出している。
リチウムイオン電池のような二次電池では、充電時の電流の集中によって負極活物質層の表面への金属リチウムの析出を抑制するために、正極活物質層の面積に比べて負極活物質層の面積を大きくして、正極活物質層の全面にセパレータを介して負極活物質層を対向させている。このため、負極電極の平面視でのサイズは、正極電極の平面視でのサイズよりも一回り大きくなっている。
よって、電極組立体の積層方向において、正極タブの根本には負極電極が対向することになる。この正極タブの根本と負極電極との短絡を抑制するために、セパレータは正極タブの根本と負極電極との間に介在している。さらに、正極タブが倒れたり、積層ずれが生じたときでも、正極タブと負極電極の短絡を抑制できるように、セパレータは、負極電極の一辺よりもはみ出るように、平面視でのサイズが負極電極よりも大きくなっている。
さらには、正極タブと負極電極の短絡を抑制するため、セパレータの一辺の一部を突出させて正極タブの根本を覆う保護部を形成したもの、又は、負極電極において、正極タブの根本に対する対向部に切除部を形成したものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−252023号公報
ところが、セパレータの保護部、又は負極電極の切除部においては、その製造誤差や、積層ずれ等を原因として、正極タブと負極電極が短絡してしまう虞がある。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、正極タブと負極電極との短絡を抑制することができる蓄電装置を提供することにある。
上記問題点を解決するための蓄電装置は、一辺の一部から突出する正極タブを有する正極電極と、前記正極電極よりも平面視でのサイズが一回り大きく、一辺の一部から突出する負極タブを有する負極電極と、前記正極電極と前記負極電極の間を絶縁するセパレータと、前記正極電極、前記負極電極及び前記セパレータを積層した電極組立体と、を有する蓄電装置であって、前記セパレータは、該セパレータの一辺の一部から突出し、かつ前記正極タブの根本を覆うタブ対向部を有し、前記負極電極は、前記電極組立体の積層方向において前記正極タブの根本と対峙する部分に、該負極電極の一辺の一部から凹む短絡抑制部を有することを要旨とする。
これによれば、積層方向から電極組立体を見た場合、短絡抑制部が負極電極の一辺から凹んだ分だけ、負極電極において正極タブの根本に対峙する面積が減り、正極タブが倒れたりしても、負極電極に接触しにくくなる。さらに、セパレータにタブ対向部を突出させたため、セパレータにおいて、短絡抑制部の底縁からタブ対向部の突出端縁に至るまでの領域が正極タブの根本に対峙しており、短絡抑制部が無い場合と比べると、正極タブに対峙するセパレータの面積が広くなる。その結果として、短絡抑制部とタブ対向部を併用することで、正極タブと負極電極の短絡を抑制することができる。
また、蓄電装置について、前記セパレータは、互いに対峙する第1のセパレータ部材及び第2のセパレータ部材を熱溶着して形成されており、前記セパレータは、前記正極電極における正極タブを除いた部分を収納する収納部を有するとともに、前記収納部よりも第1のセパレータ部材及び第2のセパレータ部材の端縁側のはみ出し部において、前記正極タブの根本と対峙しない部分を熱溶着した溶着部を有している。
これによれば、第1のセパレータ部材と第2のセパレータ部材を熱溶着する際、正極タブと対峙するはみ出し部には熱を加えず、その他のはみ出し部に熱を加える。すると、熱の加えられたはみ出し部が収縮する一方で、熱の加えられなかったはみ出し部は収縮せず、熱の加えられなかったはみ出し部が相対的に突出する。この突出した部分にタブ対向部が形成される。しかし、熱によって収縮させることのできる量には限りがあり、はみ出し部での収縮量が少なく、タブ対向部の相対的な突出量が少なくなる場合がある。このような場合でも、短絡抑制部の凹みを加えることによって、正極タブの根本に対峙するセパレータの面積を確保して、正極タブと負極電極の短絡を抑制することができる。
また、蓄電装置について、前記負極タブを除いた前記負極電極の平面視でのサイズは、前記セパレータの平面視でのサイズと同じであるとよい。
これによれば、タブ対向部と短絡抑制部を有することで、負極電極の平面視でのサイズが正極電極より一回り大きくても、正極タブと負極電極の短絡を抑制できる。このため、セパレータに関しては、タブ対向部さえ有していればセパレータの平面視でのサイズが、負極タブを除いた負極電極の平面視でのサイズと同じでもよくなり、タブ対向部を除いたセパレータの平面形状と、負極タブを除いた負極電極の平面形状を一致させることができる。この場合には、電極組立体を製造する際、セパレータと負極電極をランダムに積層した後、セパレータと負極電極の縁を揃えるだけで、積層ずれのない電極組立体を製造することができ、電極組立体の製造が楽になる。
前記蓄電装置は二次電池である。
本発明によれば、正極タブと負極電極との短絡を抑制することができる。
実施形態の二次電池を示す分解斜視図。 実施形態の二次電池を示す縦断面図。 電極組立体の構成要素を示す分解斜視図。 短絡抑制部、タブ対向部及び正極タブを示す部分拡大図。
以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図1〜図4にしたがって説明する。
図1及び図2に示すように、二次電池10は、外郭を構成する金属製のケース11を備えている。ケース11は、一面に開口部12aを備える有底直方体状のケース本体12と、開口部12aを塞ぐ蓋体13とを備えている。ケース11には、電極組立体14及び電解質としての電解液(図示略)が収容されている。二次電池10はリチウムイオン電池である。
図3に示すように、電極組立体14は、複数の正極電極21と、複数の負極電極24とが、両者の間に樹脂製のセパレータ27が介在する状態で交互に積層された積層型の構成である。正極電極21は、矩形状の正極金属箔(本実施形態ではアルミニウム箔)22と、その正極金属箔22の両面に設けられた矩形状の正極活物質層23と、を有する。正極金属箔22の両面の正極活物質層23は、同じ平面形状及び同じ厚みであり、かつ正極金属箔22を挟んで互いに対向している。正極電極21は、その第1の辺22cに沿って、正極活物質層23が設けられず、正極金属箔22が露出した正極未塗工部22dを有する。
そして、正極電極21において、正極未塗工部22dの長辺(一辺)となる第1の辺22cの一部には、正極タブ31が突出する状態に設けられている。なお、正極タブ31は、正極未塗工部22dの第1の辺22cからの突出方向に沿って一定幅で延びている。正極電極21において、正極タブ31が設けられた第1の辺22cの対辺となる長辺を第2の辺22eとし、第1の辺22cと第2の辺22eを繋ぐ一対の短辺を第3の辺22fとする。
負極電極24は、矩形状の負極金属箔(本実施形態では銅箔)25と、その負極金属箔25の両面に設けられた矩形状の負極活物質層26と、を有する。負極金属箔25の両面の負極活物質層26は、同じ平面形状及び同じ厚みである。負極電極24は、その第1の辺25cに沿って、負極活物質層26が設けられず、負極金属箔25が露出した負極未塗工部25dを有する。
そして、負極電極24において、負極未塗工部25dの長辺(一辺)となる第1の辺25cの一部には、負極タブ32が突出する状態に設けられている。なお、負極タブ32は、負極未塗工部25dの第1の辺25cからの突出方向に沿って一定幅で延びている。負極電極24において、負極タブ32が設けられた第1の辺25cの対辺となる長辺を第2の辺25eとし、第1の辺25cと第2の辺25eを繋ぐ一対の短辺を第3の辺25fとする。
正極電極21は、袋状のセパレータ27に包まれている。セパレータ27において、正極電極21の第1の辺22cに沿って延びる長辺を、セパレータ27の一辺としての第1の辺27cとし、第1の辺27cの対辺で、かつ正極電極21の第2の辺22eに沿って延びる長辺を第2の辺27eとする。また、セパレータ27において、第1の辺27cと第2の辺27eを繋ぎ、かつ正極電極21の第3の辺22fに沿って延びる一対の短辺を第3の辺27fとする。
図1に示すように、正極電極21と、負極電極24と、セパレータ27は、正極タブ31が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ31と重ならない位置にて負極タブ32が積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。そして、電極組立体14は、負極金属箔25の第1の辺25c及びセパレータ27の第1の辺27cが寄せ集められて形成されたタブ側端面36を備え、このタブ側端面36では、正極タブ31及び負極タブ32は、電極組立体14における積層方向の一端から他端までの範囲内で集められた(束ねられた)状態で折り曲げられている。正極タブ31が重なっている箇所を溶接することによって正極タブ31が電気的に接続されるとともに、正極タブ31には正極導電部材41aが接続されている。
正極導電部材41aは、一枚の金属板、例えばアルミニウム板を屈曲させたものであり、クランク形状である。正極導電部材41aは、湾曲部分に対して長手方向一方側に正極タブ側溶接片41bを有し、この正極タブ側溶接片41bに、積層方向一端の正極タブ31が溶接によって接合されている。また、正極導電部材41aは、湾曲部分に対して長手方向他方側に端子側溶接片41cを有し、この端子側溶接片41cに正極端子43が溶接されている。
端子側溶接片41cに溶接された正極端子43は、板状の基部43aと、基部43aから突出した極柱部43bとを備える。正極端子43は、蓋体13に固定されるとともに、極柱部43bは蓋体13を貫通してケース11の外側に突出している。正極端子43は絶縁リング13bによって蓋体13から絶縁されている。また、端子側溶接片41cは、タブ側端面36での各第1の辺22c,25c,27cの延びる方向に沿って、正極タブ31と並んで配置されている。
同様に、各負極タブ32が重なっている箇所を溶接することによって各負極タブ32が電気的に接続されるとともに、負極タブ32には、電極組立体14から電気を取り出すための負極導電部材42aが接続されている。負極導電部材42aは、一枚の金属板、例えば銅板を屈曲させたものであり、クランク形状である。負極導電部材42aは、湾曲部分に対して長手方向一方側に負極タブ側溶接片42bを有し、この負極タブ側溶接片42bに、積層方向一端の負極タブ32が溶接によって接合されている。
また、負極導電部材42aは、湾曲部分に対して長手方向他方側に端子側溶接片42cを有し、この端子側溶接片42cに負極端子46が溶接されている。端子側溶接片42cに溶接された負極端子46は、板状の基部46aと、基部46aから突出した極柱部46bとを備える。負極端子46は、蓋体13に固定されるとともに、極柱部46bは蓋体13を貫通してケース11の外側に突出している。負極端子46は絶縁リング13bによって蓋体13から絶縁されている。端子側溶接片42cは、タブ側端面36での各第1の辺22c,25c,27cの延びる方向に沿って、負極タブ32と並んで配置されている。
ここで、図3に示すように、正極電極21及び負極電極24において、負極活物質層26の隣り合う2辺の各辺の長さ(長手方向の長さ及び短手方向の長さ)は、正極活物質層23の隣り合う2辺の各辺の長さ(長手方向の長さ及び短手方向の長さ)よりも長く設定されている。つまり、負極活物質層26は、正極活物質層23の全面を覆うことが可能な大きさに設定されている。また、負極電極24の第1の辺25c及び第2の辺25eの長さは、正極電極21の第1の辺22cと第2の辺22eの長さより長く設定されている。さらに、負極電極24の第3の辺25fの長さは、正極電極21の第3の辺22fの長さより長く設定されている。つまり、負極電極24の平面視でのサイズは、正極電極21の平面視でのサイズより一回り大きい。
このように形成された正極電極21と負極電極24は、二次電池10におけるエネルギー密度の低下を抑える観点から、正極活物質層23と負極活物質層26がセパレータ27を介して全面が対向するように積層されている。このように精度良く製造された電極組立体14に、積層方向や、各活物質層23,26の面に沿う方向へのずれが生じないようにするために、電極組立体14は保持テープ45で保持されている。
次に、セパレータ27について詳細に説明する。
図3に示すように、セパレータ27は、第1のセパレータ部材28と第2のセパレータ部材29を熱溶着して袋状に形成されている。第1のセパレータ部材28と第2のセパレータ部材29は、互いに対峙している。また、第1のセパレータ部材28と第2のセパレータ部材29は、正極電極21の両面を覆う大きさで、かつ同一の大きさの四角形状である。セパレータ27は、第1のセパレータ部材28と第2のセパレータ部材29で形成された収納部27aを有し、この収納部27aに正極電極21が収納されている。第1のセパレータ部材28及び第2のセパレータ部材29は、重ねた状態において、正極電極21の第1の辺22c、第2の辺22e及び第3の辺22fからはみ出すはみ出し部30を備える。そして、セパレータ27は、正極タブ31の根本と対峙する部分によって構成されたタブ対向部27gを備える。
セパレータ27は、タブ対向部27gを除いたはみ出し部30同士を熱溶着して形成される溶着部39を備える。溶着部39は、セパレータ27の第1の辺27c、第2の辺27e、及び第3の辺27fに沿って設けられ、セパレータ27の四辺に沿って設けられている。はみ出し部30同士を熱溶着する際、はみ出し部30において、正極タブ31の根本と対峙する部分には熱を加えず、熱による収縮を発生させないようにすることでタブ対向部27gを形成している。よって、第1の辺27cの溶着部39は、タブ対向部27gよりも低い位置にある。
このように構成されたセパレータ27において、第1の辺27c及び第2の辺27eの長さは、負極電極24の第1の辺25c及び第2の辺25eの長さと同じであり、第3の辺27fの長さは、負極電極24の第3の辺25fの長さと同じである。つまり、タブ対向部27gを除いたセパレータ27の平面視形状は、負極タブ32を除いた負極電極24の平面視形状と同じである。
次に、負極電極24について詳細に説明する。
図2及び図4に示すように、負極電極24は、第1の辺25cの一部に短絡抑制部33を有する。この短絡抑制部33は、第1の辺25cにおいて、正極タブ31の根本と対峙する部分を凹ませて形成されている。第1の辺25cに沿った短絡抑制部33の開口幅Wは、第1の辺25cに沿った正極タブ31の幅W1よりも長い。また、短絡抑制部33において、第3の辺25fに沿った深さFは、第3の辺25fに沿う方向での負極未塗工部25dの長さより短く、短絡抑制部33は、負極活物質層26には達していない。
また、短絡抑制部33の深さFのうち、製造公差の範囲に含まれる最も浅い場合での深さFは、タブ対向部27gの突出長さが、製造公差の範囲に含まれる最も短い場合であっても、短絡抑制部33の底縁と、タブ対向部27gの突出端縁との間に距離を確保できる値に設定されている。
図2に示すように、電極組立体14では、セパレータ27の収納部27aに収納された正極電極21と、負極電極24とは、正極活物質層23の全面がセパレータ27を介して負極活物質層26に対向している。また、セパレータ27の四辺(四つの側縁)と、負極タブ32を除いた負極電極24の四辺(四つの側縁)は一致しており、電極組立体14を積層方向に見た場合は、電極組立体14の四辺(四つの側縁)上には、セパレータ27及び負極電極24の四辺が位置している。
次に、二次電池10の作用を記載する。
二次電池10において、正極タブ31は、その根本がタブ対向部27gに挟まれている。また、負極電極24の短絡抑制部33は、正極タブ31の根本と対峙する部分で、第1の辺25cから凹んでいる。このため、正極タブ31と、負極未塗工部25dとが積層方向に対向していても、正極タブ31の根本は、その突出方向に沿った短絡抑制部33の底縁からタブ対向部27gの突出端縁までの領域で、セパレータ27によって負極未塗工部25dから絶縁されている。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)正極タブ31の根本に対峙するように、セパレータ27にタブ対向部27gを設け、負極電極24に短絡抑制部33を設けた。よって、セパレータ27において、正極タブ31の根本と対峙する領域は、タブ対向部27gだけでなく、タブ対向部27gよりも短絡抑制部33の深さFだけ凹んだ領域も含まれる。よって、短絡抑制部33が無く、タブ対向部27gだけで、正極タブ31の根本と負極電極24とを絶縁する場合と比べると、正極タブ31に対峙するセパレータ27の面積が増え、積層ずれ等が生じても、正極タブ31と負極電極24とを絶縁することができる。
(2)セパレータ27にタブ対向部27gを設け、負極電極24に短絡抑制部33を凹設することで、正極タブ31と負極電極24の短絡を抑制できる。よって、正極電極21よりもサイズの一回り大きな負極電極24を有する電極組立体14であっても、正極タブ31と負極電極24の短絡抑制のために、負極電極24の第1の辺25cよりも、セパレータ27をはみ出させる必要がなくなる。その結果として、積層方向から見て、セパレータ27の第1の辺27cと、負極電極24の第1の辺25cとを一致させることも可能になり、負極電極24とセパレータ27とを、タブ対向部27g及び負極タブ32を除いた四辺を一致させることが可能になる。すなわち、負極電極24の平面視形状と、セパレータ27の平面視形状を同じにすることが可能になる。
その結果、電極組立体14の製造において、負極電極24とセパレータ27をランダムに積層した後、四辺(四つの側縁)を揃えるだけで、積層ずれのない電極組立体14を製造することができ、電極組立体14の製造が楽になる。
また、セパレータ27の第1の辺27cを、負極電極24の第1の辺25cに一致させることができるため、セパレータ27において、負極電極24の第1の辺25cよりもはみ出ていた部分が無くなるだけ、タブ側端面36と蓋体13の裏面との間の空間を広げることができる。よって、タブ側端面36と蓋体13の裏面とのスペースに配置された基部43a,46aが、セパレータ27に干渉しにくくなり、この干渉を回避するために、セパレータ27が小さくなることがない。その結果として、セパレータ27に包まれた正極電極21も小さくなることがなく、二次電池10のエネルギー密度の低下がない。
(3)セパレータ27にタブ対向部27gを設けたため、負極電極24においては、短絡抑制部33が第1の辺27cから凹んでさえすれば、正極タブ31と負極電極24との短絡を抑制できる。セパレータ27において、タブ対向部27gは、はみ出し部30に熱を加えたことに伴う収縮によって形成されており、はみ出し部30での収縮量が少ない場合には、タブ対向部27gの突出量が少なくなる可能性がある。しかし、負極電極24は、金型による打ち抜きで形成できるため、短絡抑制部33を簡単に形成でき、しかも、短絡抑制部33の深さFも十分に確保できる。したがって、タブ対向部27gと短絡抑制部33を併用することで、正極タブ31と負極電極24の短絡を抑制することのできる構成を簡単に製造することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ タブ対向部27gは、正極タブ31と対峙するはみ出し部30に熱を加えず、その他のはみ出し部30に熱を加えることに伴う収縮を利用して形成した。しかし、タブ対向部27gの製造方法はこれに限らない。例えば、第1のセパレータ部材28及び第2のセパレータ部材29の製造時、正極タブ31の根本と対峙する部分だけ突出させておき、第1のセパレータ部材28と第2のセパレータ部材29を熱溶着以外の方法で溶着し、突出させておいた部分によってタブ対向部27gを形成してもよい。
○ 短絡抑制部33は、第1の辺27cに沿ったいずれの位置でも同じ深さFでなくてもよく、第1の辺27cに沿った位置で、深さFが異なっていてもよい。例えば、短絡抑制部33は、円弧状に第1の辺27cから凹んでいてもよい。
○ 短絡抑制部33は、負極未塗工部25dにおいて、第1の辺25cから負極活物質層26に至るまで凹んでいてもよい。すなわち、短絡抑制部33は、第1の辺25cから凹んでさえすれば、その深さFは適宜変更してもよい。
○ セパレータ27の第1の辺27cと、負極電極24の第1の辺25cとは積層方向に一致していなくてもよく、セパレータ27の第1の辺27cが、負極電極24の第1の辺25cよりもはみ出ていてもよい。さらに、セパレータ27と負極電極24は、第2の辺25e,27eや第3の辺25f,27fが一致していなくてもよく、セパレータ27の辺の方が、負極電極24の辺よりはみ出ていてもよい。
○ セパレータ27として、第1のセパレータ部材28と第2のセパレータ部材29を熱溶着した袋状のものにしたが、セパレータは袋状でなく、正極電極21と負極電極24の間に1枚ずつ介在するシート状でもよい。この場合、各セパレータにタブ対向部が形成される。
○ 電極組立体14を構成する正極電極21及び負極電極24の枚数は適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、負極電極24は、負極金属箔25の両面に負極活物質層26を有するとしたが、負極金属箔25の片面のみに負極活物質層26を有していてもよい。同様に、正極電極21は、正極金属箔22の両面に正極活物質層23を有するとしたが、正極金属箔22の片面のみに正極活物質層23を有していてもよい。
○ 蓄電装置としてのニッケル水素二次電池や、電気二重層キャパシタとして具体化してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
(イ)前記負極電極の一辺に沿った短絡抑制部の開口幅は、正極タブの幅より長い蓄電装置。
10…蓄電装置としての二次電池、14…電極組立体、21…正極電極、22c…一辺としての第1の辺、24…負極電極、25c…一辺としての第1の辺、27…セパレータ、27a…収納部、27c…一辺としての第1の辺、27g…タブ対向部、28…第1のセパレータ部材、29…第2のセパレータ部材、30…はみ出し部、31…正極タブ、32…負極タブ、33…短絡抑制部、39…溶着部。

Claims (4)

  1. 一辺の一部から突出する正極タブを有する正極電極と、
    前記正極電極よりも平面視でのサイズが一回り大きく、一辺の一部から突出する負極タブを有する負極電極と、
    前記正極電極と前記負極電極の間を絶縁するセパレータと、
    前記正極電極、前記負極電極及び前記セパレータを積層した電極組立体と、を有する蓄電装置であって、
    前記セパレータは、該セパレータの一辺の一部から突出し、かつ前記正極タブの根本を覆うタブ対向部を有し、
    前記負極電極は、前記電極組立体の積層方向において前記正極タブの根本と対峙する部分に、該負極電極の一辺の一部から凹む短絡抑制部を有することを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記セパレータは、互いに対峙する第1のセパレータ部材及び第2のセパレータ部材を熱溶着して形成されており、前記セパレータは、前記正極電極における正極タブを除いた部分を収納する収納部を有するとともに、前記収納部よりも第1のセパレータ部材及び第2のセパレータ部材の端縁側のはみ出し部において、前記正極タブの根本と対峙しない部分を熱溶着した溶着部を有している請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記負極タブを除いた前記負極電極の平面視でのサイズは、前記セパレータの平面視でのサイズと同じである請求項1又は請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記蓄電装置は二次電池である請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
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