JP2017076476A - 蓄電装置 - Google Patents

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孝二 岩田
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Abstract

【課題】電極組立体のしわやLi析出を抑制するとともに、蓄電装置の寿命を延ばす。【解決手段】蓄電装置(二次電池10)は、金属箔13上に正極活物質層14が形成された正極15と、負極活物質層16が形成された負極17とが、セパレータ18が間に存在する状態で積層された電極組立体12が、有底箱状のケース本体11aと、ケース本体11aの開口部を覆う蓋体11bとを有するケース11内に電解液Lとともに収容されている。そして、電極組立体12の少なくとも一方の側面12aと、ケース11の内面との間には、側面(一方の側面12a)の全面と当接する状態で弾性体30が設けられ、弾性体30は電解液Lに対して耐蝕性を有する高分子発泡体で形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、蓄電装置に関する。
二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。一般に、容量の大きな蓄電装置は電極組立体を収容するケースを備え、そのケース内に電極組立体が収容されている。そして、蓄電装置からの電力の取り出しは、電極組立体の正極及び負極に接続された電極端子を通して行われている。
ところで、振動が発生する状態で二次電池が使用される場合、電極組立体がケースに対して振動可能な状態で収容されていると、振動により電極組立体がケース内で移動するため好ましくない。
特許文献1には、積層型の電極群内部に溜まるガスを容易に排出できる構成の二次電池と、この二次電池を用いて、長期間に亘って安定した充放電容量を発揮する蓄電池システムが提案されている。
図5に示すように、特許文献1には、二次電池50として、外装ケース51と蓋部材52とで密閉構成される電池缶53内に、積層型の電極群54を収容し、所定の駆動力を受けて電極群54を押圧して電極群54の内部のガス抜きを行う機能を発揮する電極群押圧部材55を設けた二次電池50が開示されている。電極群押圧部材55は、電極群54をばねやゴム体などの伸縮性部材56を介して蓋部材52と接続されている。伸縮性部材56は、二次電池50を均一に押圧する所定の複数箇所に設けられている。
この二次電池50は、電極群54の内部にガスが溜まった頃を見計らって、電極群押圧部材55を図5の矢印D1方向に駆動してガス抜き操作を行う。電極群押圧部材55を矢印D1方向に駆動する駆動力として、例えば、振動力と遠心力を用いる。振動力は、所定の周波数範囲を強弱を付けて繰り返し振動することで付加することができる。また、遠心力は、有底円筒状の遠心力付加装置内に二次電池50を設置して、所定の周波数内で繰り返し回転駆動することで、所定の駆動力となる遠心力を付加することができる。
特開2013−157167号公報
リチウムイオン二次電池では、充放電サイクル寿命を長くするために、電極組立体のしわの発生や負極でのLi析出の抑制が重要である。本願発明者は、電極組立体の厚み、クリアランスの調整で、しわやLi析出を抑制することはできるが、寿命評価では、二次電池の使用時において電極組立体に加わる荷重が寿命に影響を与え、荷重が大きいと悪くなる傾向にあることを見出した。
特許文献1には、遠心力や振動力などの所定の駆動力を受けて、電極群押圧部材55が電極群54(電極組立体)を積層方向へ押圧する際に、電極群押圧部材55が変位せず、電極群54の上面(積層面)に対向して正しく当接させておくために、電極群押圧部材55を伸縮性部材56を介して蓋部材52に接続しておくことが記載されている。しかし、充電時における電極組立体の膨張時におけるしわやLi析出と電極組立体に加わる荷重との関連に関してはなんら記載されていない。
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極組立体のしわやLi析出を抑制するとともに、寿命を延ばすことができる蓄電装置を提供することにある。
上記課題を解決する蓄電装置は、金属箔上に活物質層が形成された正極と負極とが、セパレータが間に存在する状態で積層された電極組立体が、有底箱状のケース本体と、前記ケース本体の開口部を覆う蓋体とを有するケース内に電解液とともに収容された蓄電装置である。そして、前記電極組立体の少なくとも一方の側面と、前記ケースの内面との間には、前記側面の50%以上と当接する状態で弾性体が設けられ、前記弾性体は前記電解液に対して耐蝕性を有する高分子発泡体で形成されている。ここで、「側面」とは、電極組立体における正極、負極及びセパレータの積層方向の端面を意味する。但し、巻回型の電極組立体の場合は、電極組立体が扁平であることが前提で、その一対の平面部が側面となる。
この構成では、蓄電装置が、例えば、車両に搭載されて使用される場合、電極組立体の側面と、ケースの内面との間に弾性体が存在するため、電極組立体のケースに対する振動が抑制される。また、電極組立体は蓄電装置の充電時に電極及びセパレータの積層方向に膨張するため、電極組立体の膨張により電極組立体がケースの内面を押圧する力の反力が電極組立体に荷重として加わる。
電極組立体がケース内面と直接接触する状態やケース内面との間にスペーサ(厚み調整フィルム)が設けられた状態では、前記反力が直接電極組立体に作用する。そのため、電極組立体に加わる荷重が大きくなる。しかし、電極組立体の側面と、ケースの内面との間に弾性体が存在する場合は、弾性体が収縮することにより、電極組立体に加わる荷重が小さくなり、蓄電装置の寿命が延びる。したがって、しわやLi析出を抑制する状態で形成された電極組立体を使用することにより、電極組立体のしわやLi析出を抑制するとともに、寿命を延ばすことができる。
前記弾性体は、前記電極組立体の前記側面の全面に当接可能に形成されていることが好ましい。弾性体は、電極組立体の側面の50%以上と当接する状態で設けられていれば、蓄電装置の充電時に電極組立体の膨張に伴うケース内面からの反力により、電極組立体に加わる荷重の値が、蓄電装置の寿命に悪影響を与えることは抑制される。しかし、弾性体が電極組立体の側面の全面に当接する状態であれば、ケースの内面が電極組立体を押圧する押圧力が電極組立体に均一に分散された状態で加わるため好ましい。
前記高分子発泡体は、発泡EPDM又は発泡ポリオレフィンであることが好ましい。高分子発泡体の材料は、電解液に対する耐蝕性を有するものであればよいが、発泡EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)及び発泡ポリオレフィンは入手し易い。
前記ケースには、前記電極組立体の側面の少なくとも一方と対向する側壁の外面に外側弾性体が設けられていることが好ましい。
蓄電装置は、一般にケースの側壁外面において拘束された状態で使用される。例えば、車両に搭載されて走行用モータの電源や他の電気機器の電源として使用される場合は、組電池として複数の蓄電装置が電気的に接続された状態で使用される。そして、組電池は、搭載スペースが制限されることに加えて振動が発生する状態での使用が前提となることから、組電池を構成する多数の単電池を配列し且つ拘束した状態(即ち各単電池を相互に固定した状態)の組電池が構築される。その場合、ケースの側壁の外面に外側弾性体が設けられていれば、蓄電装置は外側弾性体を介して拘束されるため、蓄電装置に加わる荷重が外側弾性体により緩和される。
本発明によれば、電極組立体のしわやLi析出を抑制するとともに、蓄電装置の寿命を延ばすことができる。
(a)は第1の実施形態における二次電池の部分破断概略斜視図、(b)は二次電池を電極組立体の厚さ方向に切断した模式断面図。 (a)は充電時の作用を示す模式図、(b)は放電時の作用を示す模式図。 第2の実施形態における二次電池を電極組立体の厚さ方向に切断した模式断面図。 弾性体に加わる荷重と圧縮量との関係を示すグラフ。 従来技術の二次電池の概略断面図。
(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図1及び図2にしたがって説明する。
図1(a),(b)に示すように、蓄電装置としての二次電池10は、四角箱状のケース11内に積層型の電極組立体12及び電解液L(図1(b)に図示)が収容されている。ケース11は、ケース本体11a及びその開口部を覆う蓋体11bで構成され、ケース本体11aと蓋体11bとは溶接により接合されている。二次電池10は、リチウムイオン二次電池に具体化されている。
図1(b)に示すように、電極組立体12は、金属箔13の両面に正極活物質層14を有する複数の正極15と、金属箔13の両面に負極活物質層16を有する複数の負極17とが、両者の間にセパレータ18が存在する状態で積層されている。正極15及び負極17は、それぞれ正極活物質層14あるいは負極活物質層16が形成された部分が矩形状に形成されている。正極15は、正極活物質層14の一方の縁部から金属箔13が突出して形成された正極タブ15aを有し、負極17は、負極活物質層16の一方の縁部から金属箔13が突出して形成された負極タブ17aを有する。
図1(a)に示すように、電極端子としての正極端子20は、板状の導電部材20aを介して正極タブ15aに電気的に接続され、正極タブ15aは先端側が電極組立体12の上端面に沿って延びるように折り曲げられた状態で導電部材20aに溶接されている。
図1(a),(b)に示すように、電極端子としての負極端子22は、板状の導電部材22aを介して負極タブ17aに電気的に接続され、負極タブ17aは先端側が電極組立体12の上端面に沿って延びるように折り曲げられた状態で導電部材22aに溶接されている。負極端子22は、蓋体11bに形成された孔11cに嵌合する絶縁リング23を貫通する状態で蓋体11bに固定されている。同様に、正極端子20も蓋体11bに形成された孔11cに嵌合する絶縁リング23を貫通する状態で蓋体11bに固定されている。
図1(a),(b)に示すように、二次電池10は、電極組立体12の一方の側面12aと、ケース11の内面(この実施形態ではケース本体11aの内面)との間に、弾性体30が設けられている。弾性体30は、電極組立体12の一方の側面12aの全面に当接可能に形成されている。この実施形態では、弾性体30は、電極組立体12の一方の側面12aと対向する面の面積が一方の側面12aの面積より大きく形成されている。弾性体30は、電解液Lに対して耐蝕性を有する高分子発泡体で構成され、この実施形態では高分子発泡体として発泡ポリオレフィン、例えば、発泡ポリエチレンが使用されている。
発泡体には独立気泡体と連続気泡体とがあるが、独立発泡体が好ましい。また、独立気泡体であっても、加わる荷重と圧縮率との関係によって、電極組立体12にしわが発生する場合がある。弾性体30の厚みが2mm程度の場合、荷重が10〜20kNで圧縮率が30%以下が好ましい。
図1(b)に示すように、二次電池10は、電極組立体12の他方の側面12bと、ケースの内面との間には厚み調整フィルム(スペーサ)32が設けられている。厚み調整フィルム32は、電極組立体12の積層方向の長さが予め設定された値より短い場合、即ち、電極組立体12とケース11の内面との間に隙間が生じた場合、電極組立体12とケース11の内面との間に配置して隙間を埋めるものである。厚み調整フィルム32は、電解液Lに対して耐蝕性を有するフィルム、例えば、ポリエチレン製で厚みが150μm程度のものが使用され、隙間の大きさにより使用枚数が変更される。
次に前記のように構成された二次電池10の作用を説明する。
電極組立体12は、一方の側面12aに弾性体30が配置され、他方の側面12bに厚み調整フィルム32が配置された状態でケース本体11a内に収容されている。弾性体30の厚みは、放電により電極組立体12が最も収縮した状態においても、ケース本体11aの内面と弾性体30との間、弾性体30と電極組立体12との間、電極組立体12と厚み調整フィルム32との間及び厚み調整フィルム32とケース本体11aの内面との間に隙間が存在しないように設定されている。
二次電池10は、電極組立体12の一方の側面12aと直交する方向への移動が抑制された状態にケース11が拘束された状態で使用される。例えば、自動車等の車両に搭載される組電池として使用される場合は、組電池を構成する多数の二次電池10が、相互に固定された状態で組電池が構成される。
図2(a),(b)は、二次電池10の使用状態におけるケース11と、弾性体30と、電極組立体12との関係を示す模式図である。二次電池10は、電極組立体12の側面と対応するケース11の外面が拘束板34に拘束された状態に配置されている。なお、電解液L、蓋体11b及び厚み調整フィルム32の図示は省略している。
図2(a)に示すように、充電時には、電極組立体12は電極及びセパレータの積層方向、即ち、図2(a)の左右方向に膨張する。電極組立体12の膨張により、電極組立体12は矢印A方向に膨張力が発生し、電極組立体12の一方の側面12aは、弾性体30をケース本体11aの内面に押圧し、ケース本体11aの側壁11dは、拘束板34を押圧する。拘束板34は、押圧されても移動せず、ケース本体11aの側壁11dに拘束板34から矢印B方向の反力が作用する。そして、弾性体30は、電極組立体12の膨張量を吸収して収縮変形した状態で、拘束板34からの反力を電極組立体12に伝える。その結果、電極組立体12には、電極組立体12と側壁11dとの間に弾性体30が存在しない場合に比べて、小さな荷重が矢印B方向に加わる。
弾性体30が硬過ぎたり、薄過ぎたりすると、荷重を低減することができず、充電時に電極組立体12に対して過大な荷重が掛かる状態になる。
図2(b)に示すように、放電時には、電極組立体12は電極及びセパレータの積層方向、即ち、図2(b)の矢印C方向に収縮し、電極組立体12の膨張時に収縮変形した弾性体30は、収縮変形が解消される。電極組立体12が収縮した状態で、ケース本体11aの内面と弾性体30との間、弾性体30と電極組立体12との間、電極組立体12と厚み調整フィルム32との間及び厚み調整フィルム32とケース本体11aの内面との間のいずれかに隙間が生じると、電極組立体12がケース11に対して移動可能となるため、好ましくない。
弾性体30が厚くて柔らか過ぎると、充電時に電極組立体12の膨張に伴い圧縮された弾性体30は、放電時に電極組立体12からの押圧力が解除されても元の状態まで復帰できずに電極組立体12とケース本体11aとの間に隙間ができる。
弾性体30として発泡状態の異なる発泡ポリエチレン使用して荷重を変化させて、しわの発生の有無を調べる実験を行った。結果を表1に示す。
表1から、発泡体の圧縮率が、電極組立体12にしわが発生するか否かに影響を与えており、荷重が15〜20kNで、圧縮率が30%以下では、しわが発生し難いと思われる。また、圧縮率が50%以上では、荷重が10kNと小さくても、しわが発生し易いことが分かる。また、発泡体が連続気泡体の場合、圧縮率が10%と小さくて、荷重が5kNと小さくても、しわが発生した。したがって、弾性体30として使用される高分子発泡体は、独立気泡体の方が連続気泡体より好ましい。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)二次電池10は、金属箔13上に正極活物質層14が形成された正極15と、負極活物質層16が形成された負極17とが、セパレータ18が間に存在する状態で積層された電極組立体12が、有底箱状のケース本体11aと、ケース本体11aの開口部を覆う蓋体11bとを有するケース11内に電解液Lとともに収容された蓄電装置である。そして、電極組立体12の少なくとも一方の側面12aと、ケース11の内面との間には、側面(一方の側面12a)の全面と当接する状態で弾性体30が設けられ、弾性体30は電解液Lに対して耐蝕性を有する高分子発泡体で形成されている。
この構成では、二次電池10が、例えば、車両に搭載されて使用される場合、電極組立体12の側面12aと、ケース11の内面との間に弾性体30が存在するため、電極組立体12のケース11に対する振動が抑制される。また、電極組立体12は充電時に正極15、負極17及びセパレータ18の積層方向に膨張するため、電極組立体12の膨張により電極組立体12がケース11の内面を押圧する力の反力が電極組立体12に荷重として加わる。電極組立体12の側面12aと、ケース11の内面との間に弾性体30が存在する場合は、弾性体30が収縮することにより、電極組立体12に加わる荷重が小さくなり、二次電池10の寿命が延びる。したがって、しわやLi析出を抑制する状態で形成された電極組立体12を使用することにより、電極組立体12のしわやLi析出を抑制するとともに、寿命を延ばすことができる。
(2)高分子発泡体は、発泡ポリオレフィンである。高分子発泡体の材料は、電解液Lに対する耐蝕性を有するものであればよいが、発泡ポリオレフィンは入手し易い。
(3)二次電池10は、電極組立体12の他方の側面12bと、ケース11の内面との間に厚み調整フィルム(スペーサ)32が設けられている。電極組立体12は、正極15、負極17及びセパレータ18が多数積層されているため、電極組立体12の電極及びセパレータの積層方向の長さは、予め設定された値に対して変動する。そのため、電極組立体12の積層方向の長さをケース11の内面との間に隙間が生じする状態となるように、電極組立体12を構成し、隙間に厚み調整フィルム32を適切な枚数充填して、ケース11内に弾性体30と共に収容する。この場合、二次電池10の放電状態において、電極組立体12が収縮してもケース11の内面との間に隙間が生じて電極組立体12がケース11に対して振動することが抑制、防止される。
(第2の実施形態)
次に第2の実施形態を図3及び図4に従って説明する。なお、この実施形態は、ケース11の外側にも弾性体が設けられている点が前記第1の実施形態と異なり、他の構成は同じため、同様の部分については同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
図3に示すように、ケース11には、電極組立体12の側面12a,12bと対向する側壁11dの外面に外側弾性体36が設けられている。外側弾性体36は、各側壁11dの全面を覆う大きさに形成されている。外側弾性体36の材料は、電解液Lと接触する状態で使用される弾性体30と異なり、電解液Lに対する耐蝕性を有する必要はない。
二次電池10は、ケース11の側壁11d外面において拘束された状態で使用される。その場合、ケース11の側壁11dの外面に外側弾性体36が設けられていれば、二次電池10は、外側弾性体36を介して拘束されるため、二次電池10に加わる荷重が外側弾性体36により緩和される。
ポリウレタン及びEPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)を材料とした外側弾性体36を使用した二次電池10について、充放電を100回繰り返した場合の最大荷重と、抵抗(内部抵抗)の上昇率とを調べた。結果を表2に示す。また、各材量の荷重と圧縮量との関係を図4に示す。なお、表2の材料Aは株式会社イノアックコーポレーション製のウレタン防振材のBF−500、材料Bは同じくBF−300である。また、材料Cは、EPDMである。
図4から、材料Cは、圧縮の初期から圧縮量に比例して荷重が大きく増大することが分かる。一方、材料A及び材料Bは、圧縮量が小さな状態では、圧縮量に伴う荷重の増加量が少なく、ある程度圧縮された後、荷重の増加割合が急に大きくなる。弾性体30として厚さが3mmのものを使用した場合、圧縮量が0.5mmのときの荷重が3.94kN以上10kN以下で、圧縮量が1.0mmのときの荷重が7.4kN以上60kN以下が好ましい。したがって、図4から材料Cは、圧縮時の荷重増加の割合の点から、外側弾性体36の材料として適していないことが分かる。一方、材料A及び材料Bは、圧縮時の荷重増加の割合の点からは、外側弾性体36の材料として適している。
また、二次電池10の抵抗の上昇率は、材料Aが105.5%、材料Bが109.3%に対して、材料Cは119.8%と大きく、材料A及び材料Bが抵抗の点からも、外側弾性体36の材料として適していることが分かった。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 厚み調整フィルム32の位置は、電極組立体12を挟んで弾性体30が設けられる側と反対側に限らず、電極組立体12と弾性体30との間に設けてもよい。
○ 弾性体30は、電極組立体12の少なくとも一方の側面12aと、ケース11の内面との間に限らず、ケース11の内面と、電極組立体12の両側面12a,12bとの間に設けてもよい。
○ 弾性体30は、電極組立体12の側面の50%以上と当接する状態で設けられていれば、蓄電装置の充電時に電極組立体12の膨張に伴うケース11の内面からの反力により、電極組立体12に加わる荷重の値が、二次電池10の寿命に悪影響を与えることは抑制される。そのため、弾性体30は、電極組立体12の側面12a,12bの全面と当接する状態に限らず、少なくとも50%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上と当接する状態で設けられてもよい。しかし、弾性体30が電極組立体12の側面12aの全面に当接する状態であれば、ケース11の内面が電極組立体12を押圧する押圧力が電極組立体12に均一に分散された状態で加わるため好ましい。
○ 弾性体30は、ポリエチレン以外のポリオレフィン、例えば、ポリプロピレンの発泡体であってもよい。また、EPDMの発泡体を弾性体30に使用してもよい。但し、発泡体の発泡倍率はポリエチレンの場合に比べて大きくする必要がある。
○ 弾性体30は、電極組立体12の同じ側に複数枚設けられてもよい。
○ 積層型の電極組立体12に限らず、巻回型の電極組立体を有する二次電池10に適用してもよい。
○ 巻回型の電極組立体は、一般に帯状の正極の活物質非塗布部と、帯状の負極の活物質非塗布部とが電極組立体の巻回軸方向における反対側に位置するように設けられる。しかし、巻回型の電極組立体として、正極の活物質非塗布部と、負極の活物質非塗布部とが電極組立体の巻回軸方向における同じ側に位置するように、かつタブとして形成された構成であってもよい。
○ 積層型の電極組立体12においても、正極タブ15a及び負極タブ17aは、電極組立体12の同じ側の端面から突出する構成に限らず、異なる側の端面から突出してもよい。
○ ケース11の側壁11dの外面に設けられる外側弾性体36は、必ずしも対向する2個の側壁11dの両方に設ける必要はなく、いずれか一方の側壁11dの外側にのみ設けてもよい。
○ 二次電池10としてケース11内に弾性体30を設けず、電極組立体12の積層方向と直交するケース11の側壁11dの外面に外側弾性体36を設けてもよい。
○ 電極組立体12を収容するケース11は、ケース本体の開口部が電極組立体12の厚さ方向(正極、セパレータ及び負極の積層方向)と対応する位置に設けられており、電極端子(正極端子20、負極端子22)が突出する壁が、ケース本体11aの開口部を覆う蓋体以外の壁であってもよい。
○ 二次電池10は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等の他の二次電池であってもよい。
○ 蓄電装置は、二次電池10に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のようなキャパシタであってもよい。
L…電解液、11…ケース、11a…ケース本体、11b…蓋体、11d…側壁、12…電極組立体、12a,12b…側面、13…金属箔、15…正極、17…負極、18…セパレータ、30…弾性体、36…外側弾性体。

Claims (4)

  1. 金属箔上に活物質層が形成された正極と負極とが、セパレータが間に存在する状態で積層された電極組立体が、有底箱状のケース本体と、前記ケース本体の開口部を覆う蓋体とを有するケース内に電解液とともに収容された蓄電装置であって、
    前記電極組立体の少なくとも一方の側面と、前記ケースの内面との間には、前記側面の50%以上と当接する状態で弾性体が設けられ、前記弾性体は前記電解液に対して耐蝕性を有する高分子発泡体で形成されていることを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記弾性体は、前記電極組立体の前記側面の全面に当接可能に形成されている請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記高分子発泡体は、発泡EPDM又は発泡ポリオレフィンである請求項1又は請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記ケースには、前記電極組立体の側面の少なくとも一方と対向する側壁の外面に外側弾性体が設けられている請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の蓄電装置。
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