JP2019046592A - 蓄電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】極板が破断等損傷するのを抑制することができる蓄電素子を提供する。【解決手段】正極板430を有する電極体400を備える蓄電素子10であって、正極板430は、本体部432と、本体部432から第一方向に突出したタブ431とを有し、本体部432は、タブ431との接続部分において、第一方向とは反対方向に曲線形状に凹んだ凹部432aを有し、タブ431は、凹部432aに接続される基端部431aと、基端部431aよりも第一方向側の中央部431bとを有し、基端部431aは、第一方向とは反対方向に向かうほど、第一方向と交差する第二方向に広がり、かつ、広がる量が中央部431bよりも大きい。【選択図】図5
Description
本発明は、極板を有する電極体を備える蓄電素子に関する。
従来、極板を有する電極体を備える構成において、極板にタブが形成された蓄電素子が広く知られている。例えば、特許文献1には、電極部と電極部の上辺から突出するように形成されたタブとを有する極板において、電極部の上辺とタブの側辺が曲線により連続しており、当該曲線によりタブおよび電極部に凹部が形成されているように構成することで、極板の破断を抑制する捲回型電極電池(蓄電素子)が開示されている。
しかしながら、上記従来の構成の蓄電素子では、極板が破断等損傷するのを十分には抑制できていないという問題がある。つまり、上記特許文献1に開示された構成では、タブの根元に凹部が形成されて極板の破断を抑制しているが、本願発明者は、この場合でも、タブに荷重が加わると当該凹部に応力が集中して、極板が破断等損傷するおそれがあることを見出した。蓄電素子において、極板が破断等損傷すると、極板上の活物質が剥がれ落ちたり極板の位置がずれたりして短絡等の不具合を引き起こすおそれがある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、極板が破断等損傷するのを抑制することができる蓄電素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、極板を有する電極体を備える蓄電素子であって、前記極板は、本体部と、前記本体部から第一方向に突出したタブとを有し、前記本体部は、前記タブとの接続部分において、前記第一方向とは反対方向に曲線形状に凹んだ凹部を有し、前記タブは、前記凹部に接続される基端部と、前記基端部よりも前記第一方向側の中央部とを有し、前記基端部は、前記第一方向とは反対方向に向かうほど、前記第一方向と交差する第二方向に広がり、かつ、広がる量が前記中央部よりも大きい。
これによれば、蓄電素子において、極板の本体部は、タブとの接続部分において、曲線形状に凹んだ凹部を有し、タブは、当該凹部に接続される基端部が、中央部とは反対方向に向かうほど広がり、かつ、広がる量が中央部よりも大きい。つまり、タブの根元の凹部との接続箇所に、中央部よりも大きく広がる基端部を形成する。これにより、タブに荷重が加わった場合でも、タブの根元の凹部にかかる応力を基端部側に分散して、当該凹部に応力が集中するのを抑制することができるため、極板が破断等損傷するのを抑制することができる。
また、前記基端部は、曲率半径が前記凹部の曲率半径以上の曲線、及び、前記第一方向から傾斜した直線の少なくとも一方を含む外縁形状を有することにしてもよい。
これによれば、タブの基端部は、曲率半径がタブの根元の凹部の曲率半径以上の曲線、及び、傾斜した直線の少なくとも一方を含む外縁形状を有している。このように、タブの基端部の外縁形状を、凹部の曲率半径以上の曲線または傾斜した直線を含む形状にすることで、凹部に集中する応力を基端部側にさらに分散することができるため、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、前記基端部は、前記凹部と前記基端部との境界点から、前記境界点における前記凹部の接線方向に延びる前記曲線または前記直線を含む前記外縁形状を有することにしてもよい。
これによれば、タブの基端部は、タブの根元の凹部との境界点から、当該凹部の接線方向に延びる曲線または直線を含む外縁形状を有している。このように、タブの基端部の外縁が凹部の接線方向に延びる形状であることで、基端部と凹部との境界部分において応力が集中するのを抑制することができるため、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、前記基端部と前記中央部との境界部分の外縁形状は、曲線で形成されていることにしてもよい。
これによれば、タブの基端部と中央部との境界部分の外縁形状が曲線で形成されているため、当該境界部分において応力が集中するのを抑制することができ、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、前記凹部は、前記基端部に近い部分の曲率半径が、前記基端部から遠い部分の曲率半径以上の大きさとなる曲線で形成されていることにしてもよい。
これによれば、タブの根元の凹部が、タブの基端部に近い部分の曲率半径が遠い部分の曲率半径以上の大きさとなる曲線で形成されていることで、凹部の基端部側に応力がかかるのを抑制することができ、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、前記凹部及び前記基端部は、前記中央部に向かうほど曲率半径が大きくなる曲線を含む外縁形状を有することにしてもよい。
これによれば、タブの根元の凹部及びタブの基端部が、タブの中央部に向かうほど曲率半径が大きくなる曲線を含む外縁形状を有していることで、凹部及び基端部にかかる力を分散することができ、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
なお、本発明は、このような蓄電素子として実現することができるだけでなく、当該蓄電素子が備える電極体の極板としても実現することができる。
本発明に係る蓄電素子によれば、極板が破断等損傷するのを抑制することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る蓄電素子について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図において、寸法等は厳密に図示したものではない。
また、以下実施の形態での説明及び図面中において、蓄電素子が有する一対の電極端子の並び方向、一対の集電体の並び方向、または、容器の短側面の対向方向をX軸方向と定義する。また、容器の長側面の対向方向、容器の短側面の短手方向、容器の厚さ方向、または、電極体の極板の積層方向をY軸方向と定義する。また、蓄電素子の容器本体と蓋体との並び方向、容器の短側面の長手方向、電極体の巻回軸方向、または、上下方向をZ軸方向と定義する。これらX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに交差(本実施の形態では直交)する方向である。なお、使用態様によってはZ軸方向が上下方向にならない場合も考えられるが、以下では説明の便宜のため、Z軸方向を上下方向として説明する。また、以下の説明において、例えば、X軸方向プラス側とは、X軸の矢印方向側を示し、X軸方向マイナス側とは、X軸方向プラス側とは反対側を示す。Y軸方向やZ軸方向についても同様である。
(実施の形態)
[1 蓄電素子10の全般的な説明]
まず、図1及び図2を用いて、本実施の形態における蓄電素子10の全般的な説明を行う。図1は、本実施の形態に係る蓄電素子10の外観を示す斜視図である。また、図2は、本実施の形態に係る蓄電素子10の分解斜視図である。
[1 蓄電素子10の全般的な説明]
まず、図1及び図2を用いて、本実施の形態における蓄電素子10の全般的な説明を行う。図1は、本実施の形態に係る蓄電素子10の外観を示す斜視図である。また、図2は、本実施の形態に係る蓄電素子10の分解斜視図である。
蓄電素子10は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、具体的には、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。蓄電素子10は、例えば、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)またはプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等の自動車用電源や、電子機器用電源、電力貯蔵用電源などに使用される。なお、蓄電素子10は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。また、蓄電素子10は、二次電池ではなく、使用者が充電をしなくても蓄えられている電気を使用できる一次電池であってもよい。また、本実施の形態では、矩形状(角型)の蓄電素子10を図示しているが、蓄電素子10の形状は、矩形状には限定されず、円柱形状や長円柱形状等であってもよいし、ラミネート型の蓄電素子とすることもできる。
図1に示すように、蓄電素子10は、容器本体110及び蓋体120を有する容器100と、正極端子200と、負極端子300とを備えている。また、図2に示すように、容器100内方には、正極集電体130、負極集電体140及び電極体400等が収容されている。
なお、蓋体120と正極端子200及び負極端子300との間、並びに、蓋体120と正極集電体130及び負極集電体140との間には、絶縁性及び気密性を高めるためにガスケット等が配置されているが、同図では省略して図示している。また、容器100の内部には、電解液(非水電解質)が封入されているが、図示は省略する。なお、当該電解液としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく、様々なものを選択することができる。また、上記の構成要素の他、電極体400の側方や上方に配置されるスペーサ、容器100内の圧力が上昇したときに当該圧力を開放するためのガス排出弁、容器100内に電解液を注入するための注液部、または、電極体400等を包み込む絶縁フィルムなどが配置されていてもよい。
容器100は、矩形筒状で底を備える容器本体110と、容器本体110の開口を閉塞する板状部材である蓋体120とで構成された直方体形状(箱型)のケースである。また、容器100は、電極体400等を容器本体110の内方に収容後、蓋体120と容器本体110とが溶接等されることにより、内部を密封することができるものとなっている。なお、蓋体120及び容器本体110の材質は特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、メッキ鋼板など溶接可能な金属であるのが好ましい。
電極体400は、正極板と負極板とセパレータとを備え、電気を蓄えることができる発電要素である。具体的には、電極体400は、正極板と負極板との間にセパレータが挟み込まれるように層状に配置されたものが巻回されて形成されている。これにより、電極体400は、正極板のタブが積層されて形成されたタブ束410と、負極板のタブが積層されて形成されたタブ束420とを有する。なお、本実施の形態では、電極体400の断面形状として長円形状を図示しているが、楕円形状、円形状、多角形状などでもよい。この電極体400の構成の詳細な説明については、後述する。
正極端子200は、正極集電体130を介して、電極体400の正極板に電気的に接続された電極端子である。負極端子300は、負極集電体140を介して、電極体400の負極板に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子200及び負極端子300は、電極体400に蓄えられている電気を蓄電素子10の外部空間に導出し、また、電極体400に電気を蓄えるために蓄電素子10の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。正極端子200及び負極端子300は、蓋体120に取り付けられている。なお、正極端子200及び負極端子300は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成されている。
正極集電体130及び負極集電体140は、電極体400と蓋体120との間に配置され、電極体400と正極端子200及び負極端子300とを電気的に接続する側面視U字状の板状部材である。本実施の形態では、正極集電体130は、電極体400の正極側のタブ束410と溶接等により接合され、負極集電体140は、電極体400の負極側のタブ束420と溶接等により接合されている。また、正極集電体130は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成され、負極集電体140は、銅または銅合金などで形成されている。
[2 電極体400の構成の説明]
次に、電極体400の構成について、詳細に説明する。図3は、本実施の形態に係る電極体400の構成を示す斜視図である。なお、同図では、電極体400の巻回状態を一部展開して図示している。
次に、電極体400の構成について、詳細に説明する。図3は、本実施の形態に係る電極体400の構成を示す斜視図である。なお、同図では、電極体400の巻回状態を一部展開して図示している。
同図に示すように、電極体400は、正極板430及び負極板440と、セパレータ450a及び450bとが交互に積層されかつ巻回されることで形成されている。つまり、電極体400は、正極板430と、セパレータ450aと、負極板440と、セパレータ450bとがこの順に積層され、巻回されることで形成されている。
正極板430は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる長尺帯状の金属箔である正極基材層の表面に、正極活物質層が形成された極板(電極板)である。ここで、正極活物質層に用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、正極活物質として、LiMPO4、LiMSiO4、LiMBO3(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、LiMn2O4やLiMn1.5Ni0.5O4等のスピネル型リチウムマンガン酸化物、LiMO2(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
負極板440は、銅または銅合金などからなる長尺帯状の金属箔である負極基材層の表面に、負極活物質層が形成された極板(電極板)である。ここで、負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、負極活物質として、リチウム金属、リチウム合金(リチウム−ケイ素、リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、ケイ素酸化物、金属酸化物、リチウム金属酸化物(Li4Ti5O12等)、ポリリン酸化合物、あるいは、一般にコンバージョン負極と呼ばれる、Co3O4やFe2P等の、遷移金属と第14族乃至第16族元素との化合物などが挙げられる。
セパレータ450a及び450bは、樹脂からなる微多孔性のシートである。なお、セパレータ450a及び450bの素材としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければ、適宜公知の材料を使用できる。
ここで、正極板430は、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の矩形状のタブ431を有している。負極板440も同様に、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の矩形状のタブ441を有している。これら、複数のタブ431及び複数のタブ441は、活物質が塗工されず基材層が露出した部分(活物質未塗工部)である。なお、巻回軸とは、正極板430及び負極板440等を巻回する際の中心軸となる仮想的な軸であり、本実施の形態では、電極体400の中心を通るZ軸方向に平行な直線である。
そして、複数のタブ431と複数のタブ441とは、巻回軸方向の同一側の端(同図では、Z軸方向プラス側の端)に配置され、正極板430及び負極板440が積層されることにより、電極体400の所定の位置で積層される。その結果、電極体400には、複数のタブ431が積層されることで形成されたタブ束410と、複数のタブ441が積層されることで形成されたタブ束420とが形成される。タブ束410及び420は、例えば積層方向(Y軸方向)の中央に向かって寄せ集められて、正極集電体130及び負極集電体140と溶接等により接合される。
[3 正極板430及び負極板440の構成の説明]
次に、正極板430及び負極板440の構成について、さらに詳細に説明する。図4Aは、本実施の形態に係る正極板430の構成を示す平面図である。また、図4Bは、本実施の形態に係る負極板440の構成を示す平面図である。なお、図4Aは、図3における正極板430のタブ431の周辺を拡大して示す図であり、図4Bは、図3における負極板440のタブ441の周辺を拡大して示す図である。
次に、正極板430及び負極板440の構成について、さらに詳細に説明する。図4Aは、本実施の形態に係る正極板430の構成を示す平面図である。また、図4Bは、本実施の形態に係る負極板440の構成を示す平面図である。なお、図4Aは、図3における正極板430のタブ431の周辺を拡大して示す図であり、図4Bは、図3における負極板440のタブ441の周辺を拡大して示す図である。
まず、図4Aに示すように、正極板430は、本体部432と、本体部432からZ軸方向プラス側(以下、第一方向ともいう)に突出した上述のタブ431とを有している。つまり、本体部432の直線状の端縁を連ねた直線L0よりもZ軸方向マイナス側が本体部432であり、直線L0よりもZ軸方向プラス側がタブ431である。また、本体部432は、タブ431との接続部分において、Z軸方向マイナス側(第一方向とは反対方向)に曲線形状に凹んだ凹部432aを有している。具体的には、凹部432aは、直線L0から凹んだ部分であり、本体部432は、タブ431の両側(X軸方向両側)に、タブ431と隣接して配置される2つの凹部432aを有している。
また、本体部432の凹部432aよりもZ軸方向マイナス側には、正極活物質層433が形成されている。つまり、正極板430は、本体部432の正極活物質層433を除いた部分とタブ431とで上述の正極基材層を構成し、当該正極基材層に正極活物質層433が形成されている。このように、凹部432aは、正極活物質層433まで達しない程度の深さであり、凹部432aには正極活物質層433は形成されていないため、正極活物質層433の領域に凹部432aを形成することで正極活物質層433が剥がれ落ちるようなことを防ぐことができる。なお、正極活物質層433のZ軸方向プラス側には、凹部432aを覆う位置まで、絶縁性のエッジコート層が形成されていてもよい。
ここで、タブ431は、凹部432aに接続される基端部431aと、基端部431aよりもZ軸方向プラス側(第一方向側)の中央部431bと、中央部431bよりもZ軸方向プラス側の先端部431cとを有している。
基端部431aは、凹部432aに隣接して配置される、タブ431の本体部432側(Z軸方向マイナス側)の端部である。例えば、Z軸方向において、基端部431aは、タブ431の20%〜40%程度の領域である。また、基端部431aは、Z軸方向プラス側に向けてX軸方向の幅が狭くなる形状、つまりZ軸方向マイナス側に向けてX軸方向の幅が広くなる形状を有している。言い換えると、基端部431aは、Z軸方向マイナス側(第一方向とは反対方向)に向かうほど、X軸方向両側(第一方向と交差する第二方向)に広がる形状を有している。
中央部431bは、基端部431aに接続されて配置される、タブ431のZ軸方向中央部分の部位であって、X軸方向の幅が同じ形状(矩形状)を有している。先端部431cは、中央部431bに接続されて配置される、タブ431の本体部432とは反対側(Z軸方向プラス側)の端部であって、X軸方向の幅が同じ形状(矩形状)を有している。例えば、Z軸方向において、中央部431bは、タブ431の20%〜60%程度の領域であり、先端部431cは、タブ431の20%〜40%程度の領域である。
このように、先端部431c及び中央部431bは、Z軸方向に平行な連続した端縁を有している。これにより、基端部431aは、X軸方向へ広がる量が、先端部431c及び中央部431bよりも大きい。
また、図4Bに示すように、負極板440は、本体部442と、本体部442からZ軸方向プラス側(第一方向)に突出した上述のタブ441とを有している。また、本体部442は、タブ441との接続部分において、Z軸方向マイナス側(第一方向とは反対方向)に曲線形状に凹んだ凹部442aを有している。また、タブ441は、凹部442aに接続される基端部441aと、基端部441aよりもZ軸方向プラス側(第一方向側)の中央部441bと、中央部441bよりもZ軸方向プラス側の先端部441cとを有している。そして、基端部441aは、Z軸方向マイナス側に向かうほど、X軸方向両側に広がり、かつ、広がる量が、先端部441c及び中央部441bよりも大きい。
また、負極板440においても、正極板430と同様に、本体部442の凹部442aよりもZ軸方向マイナス側に、負極活物質層443が形成されている。詳細な構成については、正極板430と同様であるため省略するが、電極体400を形成したときに、負極活物質層443が正極活物質層433を覆う位置に配置されるように、負極活物質層443は、正極活物質層433よりも外側(図4BではZ軸方向プラス側)の位置まで形成されているのが好ましい。なお、負極活物質層443は、本体部442の凹部442aよりもZ軸方向プラス側まで形成されていてもよい。つまり、負極活物質層443は、タブ441の基端部441aの途中まで形成されていることにしてもよいし、中央部441bの途中まで形成されていることにしてもよい。また、その他の負極板440が有する各構成要素は、上述の正極板430が有する各構成要素と同様のため、詳細な説明は省略する。
[4 正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成の説明]
次に、正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成について、さらに詳細に説明する。図5は、本実施の形態に係る正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成を示す平面図である。具体的には、同図は、図4Aの正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成を拡大して示す図である。なお、上述の通り、負極板440の本体部442の凹部442a及びタブ441の構成については、正極板430の構成と同様のため、図示及びその説明は省略する。
次に、正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成について、さらに詳細に説明する。図5は、本実施の形態に係る正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成を示す平面図である。具体的には、同図は、図4Aの正極板430の本体部432の凹部432a及びタブ431の構成を拡大して示す図である。なお、上述の通り、負極板440の本体部442の凹部442a及びタブ441の構成については、正極板430の構成と同様のため、図示及びその説明は省略する。
[4.1 凹部432aの構成の説明]
図5に示すように、正極板430の本体部432には、本体部432の直線状の外縁L1からZ軸方向マイナス側に凹んだ凹部432aが形成されている。つまり、凹部432aは、外縁L1を含む直線L0からZ軸方向マイナス側に凹んだ凹部であり、外縁L1側の境界点P1から基端部431a側の境界点P2まで至る曲線形状の外縁を有している。
図5に示すように、正極板430の本体部432には、本体部432の直線状の外縁L1からZ軸方向マイナス側に凹んだ凹部432aが形成されている。つまり、凹部432aは、外縁L1を含む直線L0からZ軸方向マイナス側に凹んだ凹部であり、外縁L1側の境界点P1から基端部431a側の境界点P2まで至る曲線形状の外縁を有している。
具体的には、凹部432aは、基端部431aに近い部分の曲率半径が、基端部431aから遠い部分の曲率半径以上の大きさとなる曲線で形成されている。つまり、凹部432aは、基端部431aから遠い部分の外縁L2と基端部431aに近い部分の外縁L3とを有しており、外縁L3の曲率半径が、外縁L2の曲率半径以上の大きさとなっている。本実施の形態では、凹部432aは、基端部431aに近い部分の曲率半径と、基端部431aから遠い部分の曲率半径とが同じ大きさの曲線で形成されている。つまり、凹部432aは、外縁L2と外縁L3とが同じ曲率半径となる円弧状の外縁形状を有している。
例えば、凹部432aのX軸方向の幅(境界点P1と境界点P2との直線距離)は、タブ431のX軸方向の幅の20%〜30%程度(5mm程度)であり、凹部432aのZ軸方向の深さは、タブ431のZ軸方向の高さの2%〜5%程度(0.5mm〜1mm程度)である。ただし、凹部432aの外縁L2及び外縁L3の曲率半径を大きくするほど凹部432aにかかる応力集中をより緩和させることができるため、凹部432aは、上記の大きさにはかかわらず曲率半径を大きく形成するのが好ましい。
なお、凹部432aは、基端部431aに近い部分の曲率半径が、基端部431aから遠い部分の曲率半径よりも大きい曲線で形成されていてもよい。つまり、凹部432aは、外縁L3の曲率半径が、外縁L2の曲率半径よりも大きく形成されていてもよい。
また、凹部432aの外縁L1側の境界点P1における外縁形状は特に限定されないが、境界点P1においては、直線状の外縁L1と円弧状の外縁L2とが交差することになるため、尖った形状を有することとなる。このため、境界点P1における外縁形状を、曲線で形成するのが好ましい。これにより、正極板430が、凹部432aの境界点P1において、セパレータ450aまたは450bを損傷させるのを抑制することができる。また、負極板440においても同様である。なお、負極板440において、凹部442aを覆う位置に負極活物質層443が形成されている場合には、負極活物質層443が剥がれ落ちるのを抑制することもできる。
また、凹部432aの基端部431a側の境界点P2における外縁形状は、凹部432aの外縁L3と基端部431aの外縁L4とが滑らかに繋がる形状となっている。つまり、基端部431aは、凹部432aと基端部431aとの境界点P2から、境界点P2における凹部432aの接線方向に延びる曲線または直線を含む外縁形状を有している。本実施の形態では、基端部431aは、曲率半径が凹部432aの曲率半径と同じ円弧状の外縁L4を含む外縁形状を有している。つまり、基端部431aは、境界点P2から凹部432aの接線方向に延びる曲線状の外縁L4を有している。言い換えれば、凹部432aの外縁L2及びL3と基端部431aの外縁L4とで、円弧状の外縁を形成している。
[4.2 タブ431の構成の説明]
タブ431の基端部431aは、Z軸方向から傾斜した直線状の外縁L5を含む外縁形状を有している。つまり、基端部431aは、境界点P3から、境界点P3における外縁L4の接線方向に延びる直線状の外縁L5を有している。なお、外縁L5のZ軸方向からの傾斜角は特に限定されないが、15°以上45°以下であるのが好ましく、20°以上40°以下であるのがより好ましく、25°以上35°以下であるのがさらに好ましく、30°前後であるのがさらに好ましい。また、外縁L5のZ軸方向の高さは、タブ431のZ軸方向の高さの5%〜15%程度(2mm〜3mm程度)である。
タブ431の基端部431aは、Z軸方向から傾斜した直線状の外縁L5を含む外縁形状を有している。つまり、基端部431aは、境界点P3から、境界点P3における外縁L4の接線方向に延びる直線状の外縁L5を有している。なお、外縁L5のZ軸方向からの傾斜角は特に限定されないが、15°以上45°以下であるのが好ましく、20°以上40°以下であるのがより好ましく、25°以上35°以下であるのがさらに好ましく、30°前後であるのがさらに好ましい。また、外縁L5のZ軸方向の高さは、タブ431のZ軸方向の高さの5%〜15%程度(2mm〜3mm程度)である。
以上のように、基端部431aは、曲率半径が凹部432aの曲率半径以上の曲線、及び、Z軸方向プラス側(第一方向)から傾斜した直線の少なくとも一方(本実施の形態では双方)を含む外縁形状を有している。
なお、基端部431aは、凹部432aと基端部431aとの境界点P2から、境界点P2における凹部432aの接線方向に延びる直線を含む外縁形状を有していてもよい。つまり、基端部431aの外縁L4は、凹部432aの接線方向に延びる直線状の外縁であることにしてもよい。また、基端部431aの外縁L4は、曲率半径が凹部432aの曲率半径よりも大きい曲線状の外縁であることにしてもよい。また、基端部431aの外縁L5は、曲率半径が凹部432aの曲率半径以上の曲線状の外縁であることにしてもよい。
また、基端部431aの中央部431b側の境界点P4における外縁形状は、基端部431aの外縁L5と中央部431bの外縁L6とが滑らかに繋がる形状となっている。つまり、基端部431aと中央部431bとの境界部分の外縁形状は、曲線で形成されている。本実施の形態では、中央部431bの外縁L6は、Z軸方向に延びる直線状の外縁であるため、基端部431aの直線状の外縁L5との交差部分に凹んだ角が形成されないように、境界点P4における外縁形状が曲線形状となっている。
また、中央部431bの先端部431c側の境界点P5における外縁形状は、中央部431bの外縁L6と先端部431cの外縁L7とが滑らかに繋がる形状となっている。本実施の形態では、先端部431cの外縁L7は、中央部431bの外縁L6との境界点P5からZ軸方向に延びる直線状の外縁であるため、外縁L6と外縁L7とは、境界点P5で滑らかに繋がっている。
このような構成により、基端部431aは、Z軸方向マイナス側に向かうほど、X軸方向に広がり、かつ、広がる量が先端部431c及び中央部431bよりも大きい。なお、基端部431aのX軸方向へ広がる量が、先端部431c及び中央部431bよりも大きいのであれば、先端部431c及び中央部431bは、Z軸方向マイナス側に向かうほどX軸方向に広がる形状を有していてもよい。または、基端部431aのX軸方向へ広がる量が、中央部431bよりも大きいのであれば、先端部431cは、Z軸方向マイナス側に向かうほど基端部431aまたは中央部431bよりもX軸方向に広がる形状を有していてもよい。ただし、先端部431c及び中央部431bのX軸方向へ広がる量が大きいと、製造時において正極板430をプレスする際(ローラで圧縮する際)にタブ431が立ち上がってしまうので、当該広がる量は小さい方が好ましい。
[5 効果の説明]
次に、蓄電素子10が奏する効果について、詳細に説明する。図6A及び図6Bは、本実施の形態に係る蓄電素子10が奏する効果を説明するための図である。具体的には、図6Aは、極板510の本体部512に凹部512aが形成されているのみで、タブ511の基端部511aを中央部511bよりも大きく広がる形状にしていない場合の構成を示す図であり、図5に対応している。また、図6Bは、極板520の本体部522に凹部を形成せずに、タブ521の基端部521aを中央部521bよりも大きく広がる形状にした場合の構成を示す図であり、図5に対応している。
次に、蓄電素子10が奏する効果について、詳細に説明する。図6A及び図6Bは、本実施の形態に係る蓄電素子10が奏する効果を説明するための図である。具体的には、図6Aは、極板510の本体部512に凹部512aが形成されているのみで、タブ511の基端部511aを中央部511bよりも大きく広がる形状にしていない場合の構成を示す図であり、図5に対応している。また、図6Bは、極板520の本体部522に凹部を形成せずに、タブ521の基端部521aを中央部521bよりも大きく広がる形状にした場合の構成を示す図であり、図5に対応している。
まず、図6Aに示すように、極板510の本体部512に凹部512aが形成されていれば、凹部512aが形成されていない場合と比べて、タブ511に荷重が加わったときの応力集中は分散される。しかし、本願発明者は、この構成では、凹部512aの底部P10付近に応力が集中するために、凹部512aの底部P10を起点として極板が破断等損傷するおそれがあることを見出した。このため、この応力集中を避けるために、凹部512aを大きく形成する(凹部512aの外縁の曲率半径を大きくする)必要がある。しかし、凹部512aを大きく形成するためのスペースがなかったり、凹部512aを大きく形成できたとしても、本体部512に形成できる活物質層の面積が少なくなって蓄電素子の容量が減少したりするという問題が生じる。
また、図6Bに示すように、タブ521の基端部521aを中央部521bよりも大きく広がる形状にすれば、基端部521aを中央部521bよりも大きく広げない場合と比べて、タブ521に荷重が加わったときの応力集中は分散される。しかし、本願発明者は、この構成では、基端部521aと本体部522との境界点P20に応力が集中するために、境界点P20を起点として極板が破断等損傷するおそれがあることを見出した。このため、この応力集中を避けるために、基端部521aをさらに大きく広げる(基端部521aの外縁の曲率半径を大きくする)必要がある。しかし、基端部521aを大きく広げると、絶縁するのが困難になり、異極の極板との短絡が起こりやすくなるという問題が生じる。
これらのように、本願発明者は、図6Aに示す構成も、図6Bに示す構成も、問題を有していることに着目し、本発明の構成を見出すに至った。つまり、図6A及び図6Bに示す構成によって極板が破断等損傷するのを抑制する効果はあるため、従来は、これ以上に極板が破断等損傷するのを抑制しようというような発想はなかったが、本願発明者は、極板が破断等損傷するのをさらに抑制しようと考えた。そして、本願発明者は、図6Aの構成のように極板の本体部の凹部を大きく形成したり、図6Bの構成のようにタブの基端部をさらに大きく広げたりすることなく、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる蓄電素子10の構成を見出すに至った。
具体的には、本発明の実施の形態に係る蓄電素子10は、極板の本体部(正極板430の本体部432、負極板440の本体部442)は、タブ(正極板430のタブ431、負極板440のタブ441)との接続部分において、曲線形状に凹んだ凹部(凹部432a、凹部442a)を有している。そして、タブは、当該凹部に接続される基端部(基端部431a、基端部441a)が、中央部(中央部431b、中央部441b)とは反対方向に向かうほど広がり、かつ、広がる量が中央部よりも大きい。つまり、タブの根元の凹部との接続箇所に、中央部よりも大きく広がる基端部を形成する。これにより、タブに荷重が加わった場合でも、タブの根元の凹部にかかる応力を基端部側に分散して、当該凹部に応力が集中するのを抑制することができるため、極板が破断等損傷するのを抑制することができる。
また、タブの基端部は、曲率半径がタブの根元の凹部の曲率半径以上の曲線、及び、傾斜した直線の少なくとも一方を含む外縁形状を有している。このように、タブの基端部の外縁形状を、凹部の曲率半径以上の曲線または傾斜した直線を含む形状にすることで、凹部に集中する応力を基端部側にさらに分散することができるため、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、タブの基端部は、タブの根元の凹部との境界点から、当該凹部の接線方向に延びる曲線または直線を含む外縁形状を有している。このように、タブの基端部の外縁が凹部の接線方向に延びる形状であることで、基端部と凹部との境界部分において応力が集中するのを抑制することができるため、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、タブの基端部と中央部との境界部分の外縁形状が曲線で形成されているため、当該境界部分において応力が集中するのを抑制することができ、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
また、タブの根元の凹部が、タブの基端部に近い部分の曲率半径が遠い部分の曲率半径以上の大きさとなる曲線で形成されていることで、凹部の基端部側に応力がかかるのを抑制することができ、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。
なお、蓄電素子10において、極板が破断等損傷すると、極板上の活物質が剥がれ落ちたり極板の位置がずれたりして短絡等の不具合を引き起こすおそれがあるが、極板が破断等損傷するのを抑制することができれば、これらの不具合が生じるのを抑制することができる。特に、負極板440において、本体部442の凹部442aを覆う位置に負極活物質層443が形成されている場合には、凹部442aが破断等損傷するのを抑制することができているため、負極活物質層443が剥がれ落ちるのを抑制することができる。このため、極板が破断等損傷するのを抑制することで、蓄電素子特有の有益な効果を得ることができる。
[6 実施の形態の変形例の説明]
以上、本発明の実施の形態に係る蓄電素子10について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
以上、本発明の実施の形態に係る蓄電素子10について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記実施の形態では、電極体は、Z軸方向の巻回軸を有するいわゆる横巻きの巻回型形状であることとした。しかし、電極体は、例えば、X軸方向の巻回軸を有するいわゆる縦巻きの巻回型形状や、極板を蛇腹状に折り畳んだ形状であってもよい。また、図7に示すように、複数枚の平板状極板(正極板460及び負極板470)を積層したスタック型形状の電極体401であってもよい。つまり、正極板460及び負極板470の本体部及びタブに、上記実施の形態の構成を適用してもよい。図7は、本実施の形態の変形例に係る電極体401の構成を示す斜視図である。このように、上記実施の形態における構成は、タブを有する極板を備えたどのような電極体にも適用可能である。
また、上記実施の形態では、正極板及び負極板の両方が、上記構成を有していることとした。しかし、正極板または負極板が上記構成を有していないことにしてもよい。
また、上記実施の形態では、極板は、タブの両側において、上記構成の本体部の凹部及び広がる基端部を有していることとした。しかし、極板は、タブの片側のみにしか上記構成の本体部の凹部及び広がる基端部を有していないことにしてもよい。
また、極板の本体部の凹部及びタブの基端部の外縁形状は、上記実施の形態には限定されず、以下のようであってもよい。つまり、当該凹部は、基端部に近い部分の曲率半径が、基端部から遠い部分の曲率半径未満の大きさとなる曲線で形成されていてもよい。また、基端部は、凹部との境界点から凹部の接線方向に延びる外縁形状を有していなくてもよい。また、基端部は、曲率半径が凹部の曲率半径未満の曲線を含む外縁形状を有していてもよい。
また、極板の本体部の凹部及びタブの基端部は、タブの中央部に向かうほど曲率半径が大きくなる曲線を含む外縁形状を有していてもよい。この構成により、当該凹部及び基端部にかかる力を分散することができ、極板が破断等損傷するのをさらに抑制することができる。具体的には、当該凹部及び基端部の外縁形状は、例えば、緩和曲線に従って曲率が変化する曲線であってもよい。ここで、当該緩和曲線とは、クロソイド曲線、サイン半波長逓減曲線、マッコーネル曲線、レムニスケート曲線及び3次放物線のうちの少なくとも1つの曲線を含む曲線である。クロソイド曲線とは、曲線の長さに比例して曲率が変化する曲線であり、サイン半波長逓減曲線とは、曲線の長さに対して曲率がSin状に変化する曲線であり、主に道路や線路の設計などに利用され、また、マッコーネル曲線とは、主に自転車競技場などで自転車の走行経路の設計に利用される緩和曲線である。また、レムニスケート曲線とは、曲線の弦の長さに比例して曲率が変化する曲線であり、3次放物線とは、3次関数で定義される曲線である。なお、これらの緩和曲線については、従来、特定の分野で活用されている関数を使用できるため、詳細な説明は省略する。
また、上記実施の形態及びその変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
また、本発明は、このような蓄電素子10として実現することができるだけでなく、蓄電素子10が備える電極体の極板としても実現することができる。
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
10 蓄電素子
100 容器
110 容器本体
120 蓋体
130 正極集電体
140 負極集電体
200 正極端子
300 負極端子
400、401 電極体
410、420 タブ束
430、460 正極板
431、441、511、521 タブ
431a、441a、511a、521a 基端部
431b、441b、511b、521b 中央部
431c、441c 先端部
432、442、512、522 本体部
432a、442a、512a 凹部
433 正極活物質層
440、470 負極板
443 負極活物質層
450a、450b セパレータ
510、520 極板
100 容器
110 容器本体
120 蓋体
130 正極集電体
140 負極集電体
200 正極端子
300 負極端子
400、401 電極体
410、420 タブ束
430、460 正極板
431、441、511、521 タブ
431a、441a、511a、521a 基端部
431b、441b、511b、521b 中央部
431c、441c 先端部
432、442、512、522 本体部
432a、442a、512a 凹部
433 正極活物質層
440、470 負極板
443 負極活物質層
450a、450b セパレータ
510、520 極板
Claims (6)
- 極板を有する電極体を備える蓄電素子であって、
前記極板は、本体部と、前記本体部から第一方向に突出したタブとを有し、
前記本体部は、前記タブとの接続部分において、前記第一方向とは反対方向に曲線形状に凹んだ凹部を有し、
前記タブは、前記凹部に接続される基端部と、前記基端部よりも前記第一方向側の中央部とを有し、
前記基端部は、前記第一方向とは反対方向に向かうほど、前記第一方向と交差する第二方向に広がり、かつ、広がる量が前記中央部よりも大きい
蓄電素子。 - 前記基端部は、曲率半径が前記凹部の曲率半径以上の曲線、及び、前記第一方向から傾斜した直線の少なくとも一方を含む外縁形状を有する
請求項1に記載の蓄電素子。 - 前記基端部は、前記凹部と前記基端部との境界点から、前記境界点における前記凹部の接線方向に延びる前記曲線または前記直線を含む前記外縁形状を有する
請求項2に記載の蓄電素子。 - 前記基端部と前記中央部との境界部分の外縁形状は、曲線で形成されている
請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電素子。 - 前記凹部は、前記基端部に近い部分の曲率半径が、前記基端部から遠い部分の曲率半径以上の大きさとなる曲線で形成されている
請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電素子。 - 前記凹部及び前記基端部は、前記中央部に向かうほど曲率半径が大きくなる曲線を含む外縁形状を有する
請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電素子。
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Cited By (3)
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CN115458848A (zh) * | 2021-06-09 | 2022-12-09 | 泰星能源解决方案有限公司 | 具备固定构件的电池 |
JP2023511295A (ja) * | 2020-04-28 | 2023-03-17 | 寧徳新能源科技有限公司 | 電気化学装置及び該電気化学装置を備える電子装置 |
-
2017
- 2017-08-30 JP JP2017166156A patent/JP2019046592A/ja active Pending
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