JP2016021349A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率の向上や製造コストの削減を図ることができる非水電解質二次電池を提供することである。【解決手段】実施形態の非水電解質二次電池は、外装容器と、電極群と、電極端子と、リードと、絶縁部材と、を持つ。外装容器は、非水電解液の注液口を有する。電極群は、外装容器内に収納される。電極端子は、外装容器に取り付けられて外部に露出する。リードは、外装容器内で電極群及び電極端子間を接続する。絶縁部材は、外装容器及びリードの間に配設される。そして、注液口は、絶縁部材に連設された栓部材によって開閉可能とされている。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、非水電解質二次電池に関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド自動車、電動自転車等の電源、各種電気機器の電源として、非水電解質二次電池が広く用いられている。非水電解質二次電池は、直方体形状や円筒形状等の外装容器内に電極群が非水電解液とともに収納されて構成されている。

ところで、上述した非水電解質二次電池では、外装容器内に注液口を通して非水電解液を注入した後、注液口を一時的に封止（以下、仮封止という）した状態で充電し、その後エージングを行う場合がある。この場合には、エージング後に注液口を開放して、エージングによって外装容器内で発生するガス（例えば、電極群や非水電解液から発生するガス）を外部に放出するガス抜きを行う。その後、外装容器に対して封止板を固着することで、注液口が再び封止（以下、本封止という）され、非水電解質二次電池が完成する。

しかしながら、上述した非水電解質二次電池においては、製造効率の向上や製造コストの削減を図る点で未だ改善の余地があった。

特開２０００−１２３８７５号公報 特開２０００−３５３５４７号公報 特開２００８−４１５４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、製造効率の向上や製造コストの削減を図ることができる非水電解質二次電池を提供することである。

実施形態の非水電解質二次電池は、外装容器と、電極群と、電極端子と、リードと、絶縁部材と、を持つ。外装容器は、非水電解液の注液口を有する。電極群は、外装容器内に収納される。電極端子は、外装容器に取り付けられて外部に露出する。リードは、外装容器内で電極群及び電極端子間を接続する。絶縁部材は、外装容器及びリードの間に配設される。そして、注液口は、絶縁部材に連設された栓部材によって開閉可能とされている。

実施形態における非水電解質二次電池の斜視図。 実施形態における非水電解質二次電池の分解斜視図。 実施形態における非水電解質二次電池の分解斜視図。 実施形態における電極群を一部展開した斜視図。 図１のＡ−Ａ線に相当する断面図。 図１のＡ−Ａ線に相当する断面図であって、注液前の状態を示す図。 図１のＡ−Ａ線に相当する断面図であって、栓部材の開動作を説明するための図。 図１のＡ−Ａ線に相当する断面図であって、栓部材の閉動作を説明するための図。 図１のＡ−Ａ線に相当する断面図であって、操作部を破断した状態を示す図。

以下、実施形態の非水電解質二次電池を、図面を参照して説明する。
図１〜図３に示すように、本実施形態の非水電解質二次電池１は、例えばリチウムイオン電池等の非水電解質二次電池である。具体的に、非水電解質二次電池１は、有底筒状のケース本体２と、非水電解液とともにケース本体２に収納された電極群３（図２参照）と、ケース本体２の開口部を封口する封口部材４と、を有している。

ケース本体２は、扁平な直方体形状を呈している。ケース本体２は、例えばアルミニウムや、アルミニウム合金、鉄、ニッケルめっきが施された鉄、ステンレス等により構成されている。なお、以下の説明では、ケース本体２の高さ方向を単に高さ方向といい、高さ方向に直交する面内方向を長手方向及び短手方向という場合がある。

図４に示すように、電極群３は、シート状の正極１１及び負極１２がセパレータ１３を挟んで巻回されてなり、ケース本体２の内形に合わせた扁平状を呈している。具体的に、電極群３は、正極１１及び負極１２が巻回軸に沿って互いにずらされるとともに、それらの重合部分にセパレータ１３を介在させた状態で巻回されて構成されている。したがって、電極群３のうち、正極１１、負極１２、及びセパレータ１３の重合部分は、外周面がセパレータ１３により構成されている。

電極群３の正極１１は、負極１２及びセパレータ１３との重合部分に位置する正極活物層１１ａと、重合部分に対して一方側に向けて突出する正極タブ１１ｂと、を有している。一方、電極群３の負極１２は、正極１１及びセパレータ１３との重合部分に位置する負極活物層１２ａと、重合部分に対して他方側に向けて突出する負極タブ１２ｂと、を有している。

なお、正極１１の材料としては、特に限定されるものではなく、種々の酸化物、例えばリチウム含有コバルト酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎＯ_２）、リチウム含有ニッケル酸化物（例えば、ＬｉＮｉＯ_２）、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．２Ｏ_２）、リチウム含有鉄酸化物、リチウム等を含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデン等を含むカルコゲン化合物等を用いることが可能である。
また、負極１２の材料についても、特に限定されるものではなく、例えば黒鉛質材料や、炭素質材料（例えば黒鉛や、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体等）、カルコゲン化合物（例えば二硫化チタンや、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ等）、軽金属（例えばアルミニウムや、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム、リチウム合金等）、リチウムチタン酸化物（例えばスピネル型のチタン酸リチウム）等を用いることが可能である。

さらに、セパレータ１３の材料としては、例えば微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータ１３を形成する材料としては、ポリエチレンや、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー、セルロース等を用いることが可能である。

図２に示すように、電極群３は、その巻回軸方向を長手方向に一致させた状態で、ケース本体２内に収容されている。したがって、電極群３は、ケース本体２内において、長手方向の一方側に正極タブ１１ｂが位置し、長手方向の他方側に負極タブ１２ｂが位置している。また、電極群３は、ケース本体２内において、非水電解液に含浸されている。なお、非水電解液としては、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製されたものである。

図２、図３に示すように、電極群３のうち、正極タブ１１ｂ及び負極タブ１２ｂには、アルミニウムやアルミニウム合金等からなるリード（正極リード１５及び負極リード１６）が各別に接続されている。

正極リード１５は、接続プレート１５ａと、接続プレート１５ａにおける長手方向の外側端部から二又に分岐する集電部１５ｂと、を有している。
接続プレート１５ａは、ケース本体２内における電極群３（正極タブ１１ｂ）よりも開口部側に位置し、厚さ方向を高さ方向に一致させた状態で延設されている。
集電部１５ｂは、高さ方向に沿って延在するとともに、正極タブ１１ｂを短手方向の両側から挟持している。

負極リード１６は、上述した正極リード１５と同様の構成からなり、接続プレート１６ａと、接続プレート１６ａにおける長手方向の外側端部から二又に分岐する集電部１６ｂと、を有している。
接続プレート１６ａは、ケース本体２内における電極群３（負極タブ１２ｂ）よりも開口部側に位置している。
集電部１６ｂは、高さ方向に沿って延在するとともに、負極タブ１２ｂを短手方向の両側から挟持している。

また、正極タブ１１ｂと正極リード１５の集電部１５ｂとの接続部分、及び負極タブ１２ｂと負極リード１６の集電部１６ｂとの接続部分は、絶縁材料からなる振動吸収部材２１により各別に被覆されている。これら振動吸収部材２１は、高さ方向で二つ折りにされた絶縁テープ２２によって各接続部分に固定されている。これにより、各接続部分とケース本体２との間の絶縁が図られている。

なお、振動吸収部材２１は、非水電解液に侵されにくい樹脂であればいかなる樹脂でも使用可能であるが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン酢酸ビニルアルコール共重合体、エチレン・アクリル酸共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体、エチレンメタクリルアクリレート共重合体、エチレン・メチルメタクリル酸共重合体、秋穂のマー、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフェニレンエーテル、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等を用いることができる。また、上述した樹脂は、単体で使用してもよく、複数の種類の混合で使用してもよい。中でも、ポリプロピレンまたはポリエチレンを用いることが好ましい。

封口部材４は、ケース本体２の開口部を閉塞する蓋体３１と、蓋体３１に取り付けられた端子（正極端子３２及び負極端子３３）と、蓋体３１の内面（ケース本体２側に位置する面）に配設された絶縁部材３４と、を備えている。なお、上述したケース本体２及び蓋体３１により、本実施形態の外装容器を構成している。

図３、図５に示すように、蓋体３１は、上述したケース本体２と同様の材料により構成された板状とされている。蓋体３１には、蓋体３１を高さ方向に貫通する注液口３６が形成されている。注液口３６は、非水電解質二次電池１内に非水電解液を注液するための貫通孔であって、非水電解液の注液後、蓋体３１の外側から封止板４１によって閉塞されている。なお、封止板４１は、レーザ溶接等によって蓋体３１に接合されている。

絶縁部材３４は、各接続プレート１５ａ，１６ａと蓋体３１との間に配設されたベース部４２と、ベース部４２の外周縁から高さ方向の内側に向けて立設された囲繞壁４３と、を有している。
囲繞壁４３は、接続プレート１５ａ，１６ａの周囲を各別に囲繞している。

各端子３２，３３は、蓋体３１における長手方向の両端部において、上述した接続プレート１５ａ，１６ａと高さ方向で重なる位置に、ガスケット４５を介して各別に取り付けられている。各端子３２，３３は、蓋体３１を貫通するとともに、高さ方向における一端部が蓋体３１の内面側（非水電解質二次電池１の内側）でリード１５，１６に電気的に接続されている。また、各端子３２，３３の高さ方向における他端部は、蓋体３１の外面側（非水電解質二次電池１の外側）に露出している。

具体的に、正極端子３２の高さ方向における一端部は、蓋体３１、絶縁部材３４（ベース部４２）、及び正極リード１５の接続プレート１５ａに対してかしめ固定されている。なお、正極端子３２と蓋体３１との接触部分、及び正極端子３２と接続プレート１５ａとの接触部分のうち、少なくとも一部が溶接されていても構わない。
また、負極端子３３の高さ方向における一端部は、蓋体３１、絶縁部材３４（ベース部４２）、及び負極リード１６の接続プレート１６ａに対してかしめ固定されている。なお、負極端子３３と蓋体３１との接触部分、及び負極端子３３と接続プレート１６ａとの接触部分のうち、少なくとも一部が溶接されていても構わない。

ここで、図５に示すように、上述した絶縁部材３４には、蓋体３１の注液口３６を非水電解質二次電池１の内側から開閉する栓部材５１が連設されている。すなわち、栓部材５１は、樹脂成型等により絶縁部材３４に一体的に形成されている。なお、絶縁部材３４及び栓部材５１は、上述した振動吸収部材２１と同様の材料により形成することが可能である。

栓部材５１は、注液口３６に嵌合される栓体５２と、栓体５２及び絶縁部材３４間を連結する連結部５３と、を有している。
連結部５３は、長手方向に沿って片持ち状に延設されるとともに、高さ方向に沿って弾性変形可能とされている。具体的に、連結部５３は、長手方向における一端部が一方の端子側（本実施形態では正極端子３２側）に位置する囲繞壁４３のうち、長手方向における内側端部に接続されている。そして、連結部５３は、蓋体３１の内面に対して高さ方向に隙間をあけた状態で延設されている。また、連結部５３の長手方向における他端部は、注液口３６と高さ方向で重なる位置まで延設されている。

栓体５２は、外周面形状が注液口３６の内面形状に合わせて形成され、連結部５３の他端部に連設されている。なお、栓体５２は、注液口３６内に嵌合された状態において、注液口３６における外側開口縁よりも高さ方向の内側に位置している。

また、図６に示すように、栓体５２には、後述する非水電解質二次電池１の製造工程のうち、上述した封止板４１が蓋体３１に接合される前段階において、栓体５２を開閉操作する操作部５５が連設される。具体的に、操作部５５は、高さ方向に沿って延設されるとともに、その一端部が薄肉部５６を介して栓体５２に破断可能に連結されている。また、操作部５５の他端部は、注液口３６を通して非水電解質二次電池１の外側に引き出されている。これにより、非水電解質二次電池１の外側から操作部５５を介して栓体５２の開閉操作が行えるようになっている。

次に、本実施形態の非水電解質二次電池１の作用として、非水電解質二次電池１の製造工程について簡単に説明する。以下の説明では、ケース本体２に対して封口部材４が取り付けられた後、非水電解液を注液する前段階から説明する。
まず、非水電解質二次電池１内に非水電解液を注液する。具体的には、図７に示すように、操作部５５を介して栓部材５１を高さ方向の内側に向けて押し込み、注液口３６を開放する。栓部材５１を押し込むと、連結部５３が一端部を起点にして高さ方向の内側に向けて弾性変形することで、栓体５２が注液口３６から離間する。この状態で、注液口３６を通してケース本体２内に非水電解液を注液する。

非水電解液の注液後、図８に示すように、非水電解質二次電池１の注液口３６を栓体５２によって仮封止する。すなわち、操作部５５を介して栓部材５１を高さ方向の外側に向けて引き上げる。すると、連結部５３が一端部を起点にして高さ方向の外側に向けて弾性変形することで、栓体５２が注液口３６に接近する。そして、操作部５５をさらに引き上げることで、栓体５２が注液口３６内に嵌合され、注液口３６が非水電解質二次電池１の内側から閉塞される。

次に、注液口３６を仮封止した状態で、非水電解質二次電池１を充電し、その後エージングを行う。すると、電極群３や非水電解液から発生するガスが、非水電解質二次電池１内に充満する。

エージングの終了後、注液口３６を一旦開放して、非水電解質二次電池１内に充満したガスのガス抜きを行う。具体的には、図７に示す開動作と同様に操作部５５を介して栓部材５１を高さ方向の内側に向けて押し込むことで、注液口３６が開放される。注液口３６が開放されると、エージングにより非水電解質二次電池１内に充満したガスが注液口３６を通して外部に放出される。

そして、ガス抜き後、再び注液口３６を閉塞する。具体的には、上述した閉動作と同様に操作部５５を介して栓部材５１を高さ方向の外側に向けて引き上げることで、注液口３６が栓体５２によって閉塞される。

その後、図９に示すように、薄肉部５６を介して操作部５５を栓体５２から破断する。
最後に、図５に示すように、注液口３６を本封止する。具体的には、蓋体３１に対して封止板４１をレーザ溶接等によって接合することで、注液口３６を本封止する。
以上により、上述した非水電解質二次電池１が完成する。

このように、本実施形態では、絶縁部材３４に一体的に連設された栓部材５１によって、エージング時における注液口３６の仮封止を行うことができる。これにより、例えば別体の栓部材により注液口３６を仮封止する場合に比べて製造効率の向上や製造コストの削減を図ることができる。

また、仮封止時において、栓部材５１が非水電解質二次電池１の内側から注液口３６を閉塞することで、エージング時に非水電解質二次電池１内で発生したガスによる非水電解質二次電池１の内圧上昇が栓体５２の閉方向に作用することになる。これにより、注液口３６をより確実に封止することができ、例えばエージング時において非水電解液の揮発や予期しないガスの放出を抑制できる。

しかも、栓部材５１を開閉操作する操作部５５が注液口３６を通して非水電解質二次電池１の外側に引き出されているため、栓部材５１の操作性を向上させることができ、製造効率の更なる向上を図ることができる。
さらに、操作部５５が栓部材５１に対して破断可能に連設されているため、本封止前に操作部５５を破断しておくことで、本封止時に操作部５５が蓋体３１の外側に突出することがない。そのため、操作部５５の追加による影響を受けずに、従来と同様の方法により本封止を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、栓部材５１が非水電解質二次電池１の内側から注液口３６を開閉する構成について説明したが、これに限らず、栓部材５１が非水電解質二次電池１の外側から注液口３６を開閉する構成であっても構わない。例えば、絶縁部材３４と栓体５２とを、注液口３６を通して連結部５３により連結する構成であっても構わない。この場合、栓体５２は、注液口３６内に挿入可能な大きさに形成されるとともに、注液口３６を通して非水電解質二次電池１の外側に引き出されている。また、栓体５２内には、圧入部材を収容可能な収容部が形成されている。なお、圧入部材は、栓体５２に一体で形成することが可能である。

このような構成において、非水電解質二次電池１を製造する場合には、栓体５２を非水電解質二次電池１の外側に引き上げ、注液口３６が開放された状態で、ケース本体２内に非水電解液を注液する。その後、注液口３６を仮封止する場合には、栓体５２を注液口３６内に挿入するとともに、栓体５２の収容部内に圧入部材を押し込む。すると、圧入部材が収容部内に圧入されることで、栓体５２が徐々に拡径され、栓体５２の外周面が注液口３６の内周面に密接する。これにより、注液口３６が仮封止される。

その後、上述した実施形態と同様にガス抜きを行う場合には、栓体５２の収容部から圧入部材を引き上げる。すると、栓体５２が徐々に縮径し、栓体５２の外周面が注液口３６の内周面から離間する。その後、栓体５２を引き上げることで、注液口３６が開放される。これにより、上述した実施形態と同様に、エージングにより非水電解質二次電池１内に充満したガスが注液口３６を通して外部に放出されることになる。

さらに、上述した実施形態では、絶縁部材３４のうち、正極端子３２側に位置する部分に栓部材５１が連設された構成について説明したが、これに限られない。絶縁部材３４と栓部材５１との連設箇所は、適宜設計変更が可能である。
また、上述した実施形態では、連結部５３が直線状に延設された構成について説明したが、曲線状等に延設されていても構わない。

また、上述した実施形態では、ガス抜き後、本封止前に注液口３６を栓体５２により再度封止する構成について説明したが、これに限られない。栓体５２は、少なくともエージング時に仮封止できれば、ガス抜き後は必ずしも注液口３６を閉塞しなくても構わない。
さらに、上述した実施形態では、ガス抜き後に栓体５２に対して操作部５５を破断する構成について説明したが、これに限られない。すなわち、エージング時において、注液口３６が絶縁部材３４に連設された栓部材５１によって開閉可能とされていれば、本封止する際に連結部５３に対して栓体５２を破断しても、絶縁部材３４に対して栓部材５１を破断しても構わない。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、絶縁部材に一体的に連設された栓部材によって、エージング時における注液口の仮封止を行うことができる。これにより、例えば別体の栓部材により注液口を仮封止する場合に比べて製造効率の向上や製造コストの削減を図ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…非水電解質二次電池、２…ケース本体（外装容器）、３…電極群、１５…正極リード（リード）、１６…負極リード（リード）、３１…蓋体（外装容器）、３２…正極端子（端子）、３３…負極端子（端子）、３４…絶縁部材、３６…注液口、５１…栓部材、５５…操作部

Claims (3)

1. 非水電解液の注液口を有する外装容器と、
   前記外装容器内に収納された電極群と、
   前記外装容器に取り付けられて外部に露出する電極端子と、
   前記外装容器内で前記電極群及び前記電極端子間を接続するリードと、
   前記外装容器及び前記リードの間に配設された絶縁部材と、を備え、
   前記注液口は、前記絶縁部材に連設された栓部材によって開閉可能とされている、
   非水電解質二次電池。
2. 前記栓部材は、前記外装容器の内側から前記注液口を開閉する、
   請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 前記栓部材には、前記注液口を通して前記外装容器の外側に向けて引き出された操作部が、前記栓部材に対して破断可能に連設されている、
   請求項２に記載の非水電解質二次電池。

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