JP2023094918A - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】二次電池の容量をより大きくできる技術を提供する。【解決手段】ここで開示される技術によると、第1電極と、該第1電極と異なる第2電極とが、セパレータを介して積層されて巻回された扁平状の巻回電極体を有する二次電池が提供される。この二次電池は、上記第1電極に接続された第1集電部材を有している。上記巻回電極体は、巻回軸方向における第1端部に、上記第1電極に接続された複数の第1電極タブを有している。上記第1電極タブは、10枚以上設けられている。複数の上記第1電極タブは積層されている。上記巻回電極体の厚み方向において、上記第1電極タブの積層数N1Aと上記第1電極の積層数N1Bとの比(N1A/N1B)が0.3~0.7を満たしている。複数の上記第1電極タブは、折り曲げられた状態で上記第1電極集電部材に接続されている。【選択図】図6

Description

本発明は、二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、例えば、車両駆動用の高出力電源等として用いられている。この種の二次電池は、発電要素として、例えば、第1電極と第2電極とが、セパレータを介して積層されて巻回された、いわゆる巻回電極体を備えている。特許文献1に開示された巻回電極体は、巻回軸方向における一の端部に複数の電極タブを備えている。かかる複数の電極タブは、巻回電極体の厚み方向に重ねられ、かつ、折り曲げられた状態で集電部材(電極端子)に接続されている。特許文献1では、電極タブを、巻回電極体の巻回軸を基準に半径方向に沿って一側に形成することが提案されている。
特許第5174840号公報
ところで、近年の二次電池の普及にともなって、二次電池の容量をより大きくすることに対する要求がますます高まっている。
ここで開示される技術によると、第1電極と、該第1電極と異なる第2電極とが、セパレータを介して積層されて巻回された扁平状の巻回電極体を有する二次電池が提供される。この二次電池は、上記第1電極に接続された第1集電部材を有している。上記巻回電極体は、巻回軸方向における第1端部に、上記第1電極に接続された複数の第1電極タブを有している。上記第1電極タブは、10枚以上設けられている。複数の上記第1電極タブは積層されている。上記巻回電極体の厚み方向において、上記第1電極タブの積層数N1Aと上記第1電極の積層数N1Bとの比(N1A/N1B)が0.3~0.7を満たしている。複数の上記第1電極タブは、折り曲げられた状態で上記第1電極集電部材に接続されている。
かかる構成の二次電池では、巻回電極体における第1電極タブの積層数、および、第1電極の積層数に対する第1電極タブの積層数の比率が上記範囲に設定されることによって、十分な出力を維持しつつ、第1電極タブ近傍の集電部のサイズを縮小することができる。このため、電極体本体部のサイズを大きくすることができ、二次電池の容量を大きくすることができる。
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記巻回電極体の巻回軸を通過し、かつ、該巻回電極体の厚み方向に対して垂直な面を第1面としたとき、該第1面と上記第1電極集電部材とが交差している。かかる構成によると、ここで開示される技術の効果をよりよく実現することができる。
ここで開示される二次電池の好ましい他の一態様では、該二次電池は、上記巻回電極体を内部に収容する電池ケースを備えている。上記電池ケースは、底部、開口、一対の第1側壁、および一対の第2側壁を有する外装体と、上記開口を封口する封口板と、を有している。ここで開示される技術の効果は、いわゆる角型二次電池において、より好ましく実現されうる。
ここで開示される二次電池の好ましい他の一態様では、上記巻回電極体は、該巻回電極体の厚み方向の両端部に、第1平坦外面と、第2平坦外面と、を有している。上記巻回電極体は、上記第1端部、または、上記巻回軸方向における上記第1端部と異なる第2端部に、上記第2電極に接続された複数の第2電極タブを有しており、該複数の第2電極タブは積層されている。上記巻回電極体において、上記第1面よりも上記第1平坦外面側の領域を第1領域とし、上記第1面よりも上記第2平坦外面側の領域を第2領域としたときに、上記第1領域において、上記第1電極の積層数に対する上記第1電極タブの積層数の割合Aは0.8以上であり、上記第2電極の積層数に対する上記第2電極タブの積層数の割合Bは0.2以下である。上記第2領域において、上記第1電極の積層数に対する上記第1電極タブの積層数の割合Cは0.2以下であり、上記第2電極の積層数に対する上記第2電極タブの積層数の割合Dは0.8以上である。かかる構成によると、上記効果に加えて、巻回電極体における電流密度の分布の偏りを抑制することができる。更に、以下の構成を有することが好ましい。複数の上記第1電極タブは、上記第1平坦外面側で束ねられており、複数の上記第2電極タブは、上記第1平坦外面側で束ねられている。また、複数の上記第1電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が上記第2平坦外面に向かうように折り曲げられ、複数の上記第2電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が上記第2平坦外面に向かうように折り曲げられている。
ここで開示される二次電池の好ましい他の一態様では、上記巻回電極体は、該巻回電極体の厚み方向の両端部に、第1平坦外面と、第2平坦外面と、を有している。上記巻回電極体は、上記第1端部、または、上記巻回軸方向における上記第1端部と異なる第2端部に、上記第2電極に接続された複数の第2電極タブを有しており、該複数の第2電極タブは積層されている。上記巻回電極体において、上記第1面よりも上記第1平坦外面側の領域を第1領域とし、上記第1面よりも上記第2平坦外面側の領域を第2領域としたときに、上記第1領域において、上記第1電極の積層数に対する上記第1電極タブの積層数の割合Aは0.8以上であり、上記第2電極の積層数に対する上記第2電極タブの積層数の割合Bは0.8以上である。上記第2領域において、上記第1電極の積層数に対する上記第1電極タブの積層数の割合Cは0.2以下であり、上記第2電極の積層数に対する上記第2電極タブの積層数の割合Dは0.8以上である。かかる構成によると、二次電池の容量を大きくする効果に加えて、巻回電極体における電流密度の分布の偏りを抑制することができる。更に、以下の構成を有することが好ましい。複数の上記第1電極タブは、上記第1平坦外面側で束ねられており、複数の上記第2電極タブは、上記第1平坦外面側で束ねられている。また、複数の上記第1電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が上記第2平坦外面に向かうように折り曲げられ、複数の上記第2電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が上記第2平坦外面に向かうように折り曲げられている。
第1実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。 図1のII-II断面図である。 封口板に取り付けられた巻回電極体を示す斜視図である。 第2集電部が取り付けられた巻回電極体を示す斜視図である。 巻回電極体の構成を説明する模式図である。 第1実施形態における巻回電極体の断面図である。 第1実施形態における電極タブの配置を説明する平面図である。 電極タブと電極集電部材との接続を説明する模式図である。 第2実施形態における巻回電極体の断面図である。 第2実施形態における電極タブの配置を説明する平面図である。 図11は、第3実施形態における巻回電極体の斜視図である。
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術のいくつかの好適な実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。また、同一の作用を奏する部材・部位には、適宜に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であってここで開示される技術の実施に必要な事柄(例えば、ここで開示される技術を特徴付けない二次電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される技術は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、本明細書において数値範囲を示す「A~B」の表記は、「A以上B以下」を意味するとともに、Aを上回りBを下回る場合をも包含する。
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池(化学電池)と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(物理電池)と、を包含する概念である。
本明細書において参照する図面における符号Xは「奥行方向」を示し、符号Yは「幅方向」を示し、符号Zは「高さ方向」を示す。また、奥行方向XにおけるFは「前」を示し、Rrは「後」を示す。幅方向YにおけるLは「左」を示し、Rは「右」を示す。そして、高さ方向ZにおけるUは「上」を示し、Dは「下」を示す。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、二次電池の設置形態、および組電池の設置形態を何ら限定するものではない。
《第1実施形態》
図1は、第1実施形態に係る二次電池を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のII-II断面図である。図1,2に示されているように、二次電池1は、電池ケース10と、巻回電極体20と、正極端子30と、負極端子40と、外部導電部材35,45と、正極集電部材50と、負極集電部材60と、インシュレーター70と、ガスケット90と、外部絶縁部材92と、を備えている。正極集電部材50は、「第1電極集電部材」の一例である。負極集電部材60は、「第2電極集電部材」の一例である。二次電池1は、この実施形態では、リチウムイオン二次電池である。図示は省略しているが、二次電池1は、例えば、電解液を備えている。電解液としては、この種のリチウムイオン二次電池の電解液として用いられている電解液を特に制限なく使用することができる。かかる電解液の組成は、ここで開示される技術を特徴づけるものではないため、ここでの詳細な説明を省略する。
電池ケース10は、この実施形態では、巻回電極体20および電解液を内部に収容する筐体である。電池ケース10は、ここでは扁平かつ有底の直方体形状(角形)の外形を有する。電池ケース10の材質は、従来から使用されているものと同じでよく、特に制限はない。電池ケース10は、金属製であることが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金等からなることがより好ましい。
電池ケース10は、この実施形態では、外装体12と、封口板(蓋)14と、を備えている。外装体12は、図1に示されているように、平面矩形の底部12aと、底部12aの対向する一対の辺から高さ方向Zに延びて相互に対向する一対の第1側壁12bと、底部12aの対向する一対の辺から高さ方向Zに延びて相互に対向する一対の第2側壁12cと、を備えている。この実施形態では、第1側壁12bは、底部12aの対向する一対の長辺から延びた長側壁である。また、第2側壁12cは、底部12aの対向する一対の短辺から延びた短側壁である。この実施形態では、第2側壁12cの面積は、第1側壁12bの面積よりも小さい。底部12aに対向し、一対の第1側壁12bと一対の第2側壁12cとに囲まれた部分は、開口部12hとなっている。封口板14は、外装体12の開口部12hを封口する部材である。封口板14は、外装体12の底部12aと対向している。封口板14は、平面視において略矩形状である。電池ケース10は、外装体12の開口部の周縁に封口板14が接合されることによって、一体化されている。上記接合手段は、例えば、レーザ溶接等の溶接である。電池ケース10は、気密に封止(密閉)されている。
封口板14には、注液孔15と、ガス排出弁17と、が設けられている。注液孔15は、外装体12に封口板14を組み付けた後に電解液を注液するためのものである。注液孔15は、封止部材16により封止されている。ガス排出弁17は、電池ケース10内の圧力が所定値以上になったときに破断して、電池ケース10内のガスを外部に排出するように構成された薄肉部である。
この実施形態では、正極端子30と負極端子40とが、封口板14に取り付けられている。この実施形態では、正極端子30は、封口板14の長辺方向Yの一方の端部(図1,2の左端部)に配置されている。この実施形態では、負極端子40は、封口板14の長辺方向Yの他方の端部(図1,2の右端部)に配置されている。
正極端子30は、図2に示されているように、外装体12の内部で正極集電部材50を介して巻回電極体20の正極22(図5参照)に電気的に接続されている。正極端子30は、例えば、端子引出孔18を挿通して封口板14の内部から外部へと引き出されている。正極端子30は、インシュレーター70およびガスケット90によって、封口板14と絶縁されている。正極端子30は、金属製であることが好ましく、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることがより好ましい。正極端子30の上には、外部導電部材35が固定されている。正極端子30は、外部導電部材35と接合されている。
負極端子40は、図2に示されているように、外装体12の内部で負極集電部材60を介して巻回電極体20の負極24(図5参照)に電気的に接続されている。負極端子40は、例えば、端子引出孔19を挿通して封口板14の内部から外部へと引き出されている。負極端子40は、インシュレーター70およびガスケット90によって、封口板14と絶縁されている。負極端子40は、金属製であることが好ましく、例えば銅または銅合金からなることがより好ましい。負極端子40の上には、外部導電部材45が固定されている。負極端子40は、外部導電部材45と接合されている。
正極集電部材50は、例えば、外装体12の内部において、正極22と正極端子30とを電気的に接続する部材である。図2に示されているように、正極集電部材50は、第1集電部51と、第2集電部52とを備えている。第1集電部51は、例えば、断面L字型に形成されている。第1集電部51は、例えば、ベース51aと、リード51bと、を有している。図2に示されているように、ベース51aは、封口板14の内側の面に沿って配置されている。リード51bは、例えば、ベース51aの幅方向Yの一方の端部から底部12aに向かって延びている。リード51bには、例えば、第2集電部52が接続される。
図3は、封口板に取り付けられた巻回電極体を示す斜視図である。図4は、第2集電部が取り付けられた巻回電極体を示す斜視図である。図2~4に示されているように、第2集電部52は、外装体12の底部12aに向かって延びている。この実施形態では、第2集電部52は、第1接続片52aと、第2接続片52bとを有している。第1接続片52aは、例えば、第1集電部51と電気的に接続される部位である。この実施形態では、第1接続片52aは、接続部分521を介して、第1集電部51と接続される。接続部分521は、例えば、薄肉部である。第1接続片52aは、例えば、上下方向Zに沿って延びている。第1接続片52aは、この実施形態では、各々の巻回電極体20の巻回軸WLに対して略垂直に配置されている。特に限定するものではないが、第1接続片52aに、ヒューズ部52fが形成されてもよい。ヒューズ部52fは、二次電池1に1000A以上の電流(例えば、短絡電流)が流れたとき溶断するように構成されている。
第2接続片52bは、例えば、正極タブ群23と接合される部位である。この実施形態では、第2接続片は、上下方向Zに沿って延びている。第2接続片52bは、各々の電極体20の巻回軸WLに対して略垂直に配置されている。第2接続片52bの複数の正極タブ22tと接続される面は、外装体12の第2側壁12cと略平行に配置される。第2接続片52bの幅を十分に確保して二次電池1の電池抵抗を低減させる観点から、第2接続片52bの複数の正極タブ22tと接続される面は、巻回電極体20の第1端部201に対向するように配置される。
負極集電部材60は、外装体12の内部において、負極24と負極端子40とを電気的に接続する部材である。負極集電部材60は、図2~4に示されているように、第1集電部61と、第2集電部62とを備えている。第1集電部61は、ベース61aと、リード61bと、を有している。第2集電部62は、第1接続片62aと、第2接続片62bとを有している。負極集電部材60の構成は、上述した正極集電部材50の構成と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。なお、負極集電部材60に関して、図4中の符号「621」は接続部分であり、符号「62f」はヒューズ部である。
図3に示されているように、二次電池1は、3個の巻回電極体20を備えている。図3,4に示されているように、正極集電部材50の第2集電部52が長辺方向Yの一方側(図3,4の左側)に配置され、負極集電部材60の第2集電部62が長辺方向Yの他方(図3,4の右側)に配置され、並列に接続されている。図2に示されているように、一つまたは複数の巻回電極体20は、ポリプロピレン(PP)等の樹脂製シートからなる電極体ホルダ29に覆われた状態で、外装体12の内部に配置されている。なお、二次電池1が収容する巻回電極体20の個数は特に限定されず、例えば、1個、2個、あるいは、4個以上であってもよい。
ところで、二次電池の容量を大きくする手段の一例として、電極体のサイズを大きくすることが挙げられる。ここで、本発明者は、電池ケース内で電極体以外(例えば電極体本体部以外)の部材の収容に要される体積に着目した。本発明者の検討により、巻回電極体の厚み方向における電極の積層数と同極の電極タブの積層数とのバランスを好適な範囲に設定することで、従来、電極タブが占めている体積を小さくして、巻回電極体のサイズを大きくし、延いては二次電池の容量を大きくすることができることがわかった。以下、ここで開示される技術に関して、「第1電極」を正極22、「第2電極」を負極24とした場合について、より詳細に説明する。
図5は、巻回電極体の構成を説明する模式図である。図5に示されているように、巻回電極体20は、正極22、負極24、および、正極22と負極24との間に配置されたセパレータ26、を含む。図5に示されているように、巻回電極体20は、正極22と負極24とが、セパレータ26を介して積層されて、巻回された電極体である。
図2~4に示されているように、巻回電極体20は、電極体本体部20aと、正極タブ群23と、負極タブ群25と、を備えている。電極体本体部20aは、正極22、負極24、およびセパレータ26が積層された部分であり、例えば、扁平形状である。
電極体本体部20aの幅は、例えば、20cm以上である。電極体本体部20aの幅は、例えば、25cm以上であってもよく、30cm以上であってもよい。電極体本体部20aの幅は、例えば、50cm以下であってもよく、40cm以下であってもよい。本明細書において「電極体本体部20aの幅」とは、例えば、正極22および負極24の短手方向(図5では、幅方向Y)における、電極体本体部20aの長さをいう。
図1,2,5に示されているように、巻回電極体20は、巻回軸WLが幅方向Yと平行になる向きで、外装体12の内部に配置されている。この実施形態では、巻回電極体20は、巻回軸WLが底部12aと平行になり、第2側壁12cと直交する向きで、外装体12の内部に配置されている。そして、巻回軸WLに沿った方向(以下、「巻回軸方向」ともいう。)における巻回電極体20の両端部は、外装体12の第2側壁12cと対向している。本明細書では、正極集電部材50に近接した側(図2,4中の幅方向Yの左側)の第2側壁12cと対向する巻回電極体20(例えば電極体本体部20a)の端部を「第1端部201」と称する。負極集電部材60に近接した側(図2,4中の幅方向Yの右側)の第2側壁12cと対向する電極体20(例えば電極体本体部20a)の端部を「第2端部202」と称する。
セパレータ26は、正極22の正極活物質層22aと、負極24の負極活物質層24aと、を絶縁する部材である。セパレータ26は、巻回電極体20の外表面を構成している。セパレータ26としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン樹脂からなる樹脂製の多孔性シートが用いられる。セパレータ26として、例えば、基材(上記樹脂製の多孔性シート)と、該基材上に設けられた接着層とを有するセパレータを使用してもよい。
正極22は、例えば、長尺な帯状の正極集電箔22c(例えばアルミニウム箔)と、正極集電箔22cの少なくとも一方の表面上に固着された正極活物質層22aとを有する、正極板である。特に限定するものではないが、正極22の幅方向Yにおける一方の側縁部には、必要に応じて、正極保護層22pが設けられていてもよい。なお、正極活物質層22aや正極保護層22pを構成する材料は、この種の二次電池(この実施形態では、リチウムイオン二次電池)において使用されるものを特に制限なく使用することができ、ここで開示される技術を特徴づけるものではないため、ここでの詳細な説明は省略する。
正極集電箔22cの幅方向Yの一方の端部(図5の左端部)には、複数の正極タブ22tが設けられている。複数の正極タブ22tは、それぞれ幅方向Yの一方側(図5の左側)に向かって突出している。複数の正極タブ22tは、正極22の長手方向に沿って間隔を置いて(間欠的に)設けられている。正極タブ22tは、正極集電箔22cの一部であり、正極集電箔22cの正極活物質層22aおよび正極保護層22pが形成されていない部分(集電箔露出部)である。この実施形態では、複数の正極タブ22tは、セパレータ26よりも幅方向Yに突出する。例えば、複数の正極タブ22tは幅方向Yの一方の端部(図5の左端部)で積層され、正極タブ群23を構成する(図2~4参照)。図2に示されているように、正極タブ群23には、正極集電部材50が接合される。図1~3に示されているように、正極集電部材50に接合された正極タブ群23は、正極タブ群23を構成する複数の正極タブ22tの先端が第2側壁12cに沿って配置されるように折り曲げられる。なお、図5では、相互に略同一な長さおよび形状の正極タブ22tが図示されているが、各々の正極タブ22tの長さおよび形状は相互に異なってもよい。
負極24は、例えば、長尺な帯状の負極集電箔24c(例えば銅箔)と、負極集電箔24cの少なくとも一方の表面上に固着された負極活物質層24aと、を有する、負極板である。なお、負極活物質層24aを構成する材料は、この種の二次電池(この実施形態では、リチウムイオン二次電池)において使用されるものを特に制限なく使用することができ、ここで開示される技術を特徴づけるものではないため、ここでの詳細な説明は省略する。
負極集電箔24cの幅方向Yの一方の端部(図5の右端部)には、複数の負極タブ24tが設けられている。複数の負極タブ24tは、幅方向Yの一方側(図5の右側)に向かって突出している。複数の負極タブ24tは、負極24の長手方向に沿って間隔を置いて(間欠的に)設けられている。負極タブ24tは、ここでは負極集電箔24cの一部であり、負極集電箔24cの負極活物質層24aが形成されていない部分(集電箔露出部)である。この実施形態では、負極タブ24tは、セパレータ26よりも幅方向Yに突出する。例えば、複数の負極タブ24tは、幅方向Yの一方の端部(図5の右端部)で積層され、負極タブ群25を構成する(図2~4参照)。図2に示されているように、負極タブ群25には、負極集電部材60が接合される。負極集電部材60に接合された負極タブ群25は、負極タブ群25を構成する複数の負極タブ24tの先端が第2側壁12cに沿って配置されるように折り曲げられる。なお、図5では、相互に略同一な長さおよび形状の負極タブ24tが図示されているが、各々の負極タブ24tの長さおよび形状は相互に異なってもよい。
正極タブ22tおよび負極タブ24tは、例えば、正極22と負極24とセパレータ26とを重ね合わせて巻回して作製された巻回電極体20において、後述する構成が実現するように設けられうる。図6は、第1実施形態における巻回電極体の断面図である。図7は、第1実施形態における電極タブの配置を説明する平面図である。
上記巻回を行うと、この実施形態では、巻回電極体20の厚み方向において、正極タブ22tの積層数N1Aと、正極22の積層数N1Bとの比(N1A/N1B)が、0.3~0.7を満たしている。上記比(N1A/N1B)は、0.4~0.6であることが好ましい。本明細書において「巻回電極体20の厚み方向」とは、例えば、図6に示されている、巻回電極体20の第1平坦外面2aと、第2平坦外面2bとの間において電極およびセパレータが積層された方向Tをいう。以下、同方向を単に「厚み方向T」とも称する。正極タブ22tの積層数N1Aは、例えば、厚み方向Tに沿って見たとき、重なっている正極タブ22tの枚数により、規定されうる。正極22の積層数N1Bは、例えば、厚み方向Tにおいて、巻回電極体20の第1平坦外面2aと第2平坦外面2bとの間に存在する正極本体部22mの層数により、規定されうる(図7参照)。正極本体部22mは、例えば、正極22のうち、正極タブ22tを除いた長尺な帯状の部分をいう。
特に限定するものではないが、巻回電極体20における正極22の積層数N1Bは、例えば20枚~50枚(好ましくは30枚~40枚)で適宜設定されうる。これに対して、正極タブ22tは、第1端部201(図2参照)において、例えば、10枚以上設けられている。正極タブ22tの積層数N1Aの上限は、比(N1A/N1B)が上記範囲を満たすように設定されうる。例えば、20枚以下の正極タブ22tが設けられる。
比(N1A/N1B)が上記範囲を満たすように設定するのに、例えば、n枚(nは、10≦n≦20を満たす整数である。)の正極タブ22tが設けられた正極22に関して、正極22の長手方向の長さLに対する複数の正極タブ22tの同方向の長さLの合計ΣL(すなわち、L+L+・・・+L)の割合を適宜変更することもできる。ここで、上記長さLは、正極22の長手方向における正極タブ22tの根元幅を示している。「正極タブ22tの根元」とは、例えば、正極タブ22tと、正極本体部22mとの境界部をいう。「正極タブ22tの根元幅」とは、例えば、上記境界部における、正極22の長手方向に沿った正極タブ22tの幅をいう。図7に示されているように、正極22の長手方向における第1端辺221から第2端辺222に向かってk番目(kは、1≦k≦nを満たす整数である。)の正極タブ22tの根元幅Lは、例えば、正極タブ22tの根元の一方の端点Pと他方の端点Qとの最短距離によって規定されうる。
この実施形態では、上記長さLと上記合計ΣLとの比(ΣL/L)は、0.1以上に設定されている。二次電池1の入出力性能の低下をより効果的に抑制しつつ容量をより大きなものとするため、比(ΣL/L)は、0.2以上であることがより好ましく、0.3以上であることがさらに好ましい。正極タブ22tの折り曲げ性を向上させることを考慮すると、比(ΣL/L)は、例えば0.8以下であることが好ましく、0.7以下であることがより好ましく、0.6以下であることがさらに好ましい。
図6に示されているように、巻回電極体20は、厚み方向Tの両端部に、第1平坦外面2aと、第2平坦外面2bと、を有している。巻回電極体20は、例えば、第1平坦外面2a側の第1領域Rと、第2平坦外面2b側の第2領域Sと、を有している。図6に示されているように、第1領域Rは、巻回電極体20において、第1面F1よりも第1平坦外面2a側の領域をいう。また、第2領域Sは、巻回電極体20において、第1面F1よりも第2平坦外面2b側の領域をいう。本明細書において「第1面F1」とは、巻回電極体20の巻回軸WLを通過し、かつ、該巻回電極体20の厚み方向Tに対して垂直な面をいう(図5,6参照)。
この実施形態では、第1領域Rにおいて、正極22の積層数NR1Bに対する正極タブ22tの積層数NR1Aの割合A(NR1A/NR1B)は、0.8以上である。上記割合A(NR1A/NR1B)は、0.9以上であることが好ましく、1.0に近いほど好ましい。また、この実施形態では、第2領域Sにおいて、正極22の積層数NS1Bに対する正極タブ22tの積層数NS1Aの割合C(NS1A/NS1B)は、0.2以下である。上記割合C(NS1A/NS1B)は、0.1以下であることが好ましく、0に近いほど好ましい。
負極24に関して、この実施形態では、上記各領域における負極タブ24tの積層数と負極24の積層数との割合が以下のように設定される。また、例えば、後述する負極集電部材60との接続の観点から、負極24の短手方向における負極タブ24tの長さを、同方向における正極タブ22tの長さよりも大きくすることが好ましい。それ以外は、負極側でも、正極側と同様の構成が採用されているため、重複する記載は省略する。
この実施形態では、第1領域Rにおいて、負極24の積層数NR2Bに対する負極タブ24tの積層数NR2Aの割合B(NR2A/NR2B)は、0.2以下である。上記割合B(NR2A/NR2B)は、0.1以下であることが好ましく、0に近いほど好ましい。また、この実施形態では、第2領域Sにおいて、負極24の積層数NS2Bに対する負極タブ24tの積層数NS2Aの割合D(NS2A/NS2B)は、0.8以上である。上記割合D(NS2A/NS2B)は、0.9以上であることが好ましく、1.0に近いほど好ましい。
図7に示されているように、正極22と負極24とがセパレータ26を介して重ね合わせられたときに、電極の短手方向において、複数の負極タブ24tは、正極タブ22tと重なっていない。このように電極タブが配置された状態で正極22と負極24とセパレータ26とを重ね合わせて巻回すると、図6に示された巻回電極体20の構成を実現することができる。
この実施形態では、負極タブ24tと、該負極タブ24tに隣接する2つの正極タブ22tとの位置関係が以下のように設定されることが好ましい。図7に示されているように、1つの負極タブ24tから該負極タブ24tに隣接する2つの正極タブ22tのうちより近い正極タブ22tまでの距離をW1とし、他方の正極タブ22tまでの距離をW2としたときに、距離W1と距離W2との比(W2/W1)は、例えば、1.0超過1.5以下である。ここで開示される技術の効果をよりよく実現する観点から、上記比(W2/W1)は、1.2以下であることが好ましく、1.1以下であることがより好ましい。なお、距離W1は、例えば、対象となる負極タブ24tの根元の中心点Mから上記より近い正極タブ22tの根元の中心点Nまでの距離である。距離W2は、例えば、中心点Mから上記他方の正極タブ22tの根元の中心点Nまでの距離である。中心点Mは、例えば、負極タブ24tの根元における一方の端点Iと他方の端点Jとの中心点である。「負極タブ24tの根元」とは、例えば、負極タブ24tと、負極本体部(図示なし)との境界部をいう。
図6に示されているように、複数の正極タブ22tは、第1面F1よりも第1平坦外面2a側で束ねられ、該束ねられた部分よりも先端側が第2平坦外面2bに向かうように折り曲げられている。この実施形態では、複数の正極タブ22tは、束ねられた部分よりも先端側で正極集電部材50の第2集電部52に接合されている。また、図6に示されているように、複数の負極タブ24tは、第1面F1よりも第1平坦外面2a側で束ねられ、該束ねられた部分よりも先端側が第2平坦外面2bに向かうように折り曲げられている。この実施形態では、複数の負極タブ24tは、束ねられた部分よりも先端側で負極集電部材60の第2集電部62に接合されている。
すなわち、図6,7に示された実施形態では、複数の正極タブ22tは主に第1領域Rに設けられており、複数の負極タブ24tは主に第2領域Sに設けられている。巻回電極体20において、複数の正極タブ22tが設けられた領域(第1領域R)と、複数の負極タブ24tが設けられた領域(第2領域S)と、を分けることで、例えば、最近接の正極タブ22tと負極タブ24tとの距離のばらつきが抑えられている。このため、この実施形態では、二次電池1の容量を大きくすることができるとともに、巻回電極体20における電流密度の分布に偏りが生じるのを抑制することができる。
特に限定するものではないが、正極タブ22tの先端は、第1面F1よりも第2平坦外面2b側に配置されているとよい。これによって、正極タブ22tに、十分な接合代を確保することができ、より安定した接合を達成することができる。また、図6に示されているように、負極タブ24tが束ねられた領域の少なくとも一部が第1面F1よりも第1平坦外面2a側に配置され、かつ、負極タブ24tの先端が、第1面F1よりも第2平坦外面2b側に配置されているとよい。これによって、負極タブ24tに十分な接合代を確保することができ、より安定した接合を達成することができる。
図5,6に示されているように、巻回軸方向における、電極体本体部20aの第1端部201と正極集電部材50との間の最短距離H1は、第2端部202と負極集電部材60との間の最短距離H2よりも短い。例えば、正極タブ22tの突出方向の長さが、負極タブ24tの同方向の長さよりも短いとき、正極タブ22tの集箔スペースを小さく設定することで、巻回電極体20のサイズを大きくすることができ、延いては、二次電池1の容量を大きくすることができる。
図8は、電極タブと電極集電部材との接続を説明する模式図である。図8に示されているように、巻回電極体20を作製した後、巻回電極体20と、正極集電部材50および負極集電部材60と、接続する。かかる接続では、例えば、まず、図示されない集箔治具を用いて、複数の正極タブ22tを第1平坦外面2a側で束ねる。次いで、束ねられた状態の複数の正極タブ22tと、正極集電部材50の第2集電部52とを重ね合わせる。次いで、重ね合わせられた状態の複数の正極タブ22tおよび第2集電部52を、重ね合わせ方向から接合プローブ3aと接合プローブ3bとで挟み込み、エネルギーを付与して接合(接続)する。負極側も同様にして、接合(接続)を行う。かかる接合は、超音波接合、レーザ溶接、抵抗溶接等の従来公知の手段により実現されうる。
後述する電極タブの折り曲げを考慮すると、上記接合は、束ねられた状態の複数の正極タブ22tの第2集電部52との接触面と、束ねられた状態の複数の負極タブ24tの第2集電部62との接触面と、が、略同一平面上に配置された状態で行われることが好ましい。また、かかる2つの接触面と、巻回電極体20の第1平坦外面2aと、が、略同一平面上に配置された状態での接合がさらに好ましい。かかる点を考慮することで、電極タブの長さが過剰となったり、あるいは、不足したりするのが抑制された、生産性の良い電極タブの長さを予め設計しておくことができる。
上記のように束ねられた複数の正極タブ22tが接合された後、複数の正極タブ22tが折り曲げられて、正極集電部材50の第2集電部52における正極タブ22tが接合された面と、巻回電極体20の第1端部201とが対向する。また、上記のように束ねられた複数の負極タブ24tが接合された後、複数の負極タブ24tが折り曲げられて、負極集電部材60の第2集電部62における負極タブ24tが接合された面と、巻回電極体20の第2端部202とが対向する。
二次電池1は、各種用途に利用可能であるが、例えば、乗用車、トラック等の車両に搭載されるモータ用の動力源(駆動用電源)として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、例えば、プラグインハイブリッド自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV))、ハイブリッド自動車(Hybrid Electric Vehicle (HEV))、電気自動車(Battery Electric Vehicle (BEV))等が挙げられる。
上記のとおり、ここで開示される技術によると、正極22と、負極24とが、セパレータ26を介して積層されて巻回された扁平状の巻回電極体20を有する二次電池1が提供される。二次電池1は、正極22に接続された正極集電部材50を有している。巻回電極体20は、巻回軸方向における第1端部201に、正極22に接続された複数の正極タブ22tを有している。正極タブ22tは、10枚以上設けられている。複数の正極タブ22tが積層されている。巻回電極体20の厚み方向Tにおいて、正極タブ22tの積層数N1Aと正極22の積層数N1Bとの比(N1A/N1B)が0.3~0.7を満たしている。複数の正極タブ22tは、折り曲げられた状態で正極集電部材50に接続されている。
換言すれば、二次電池1では、巻回電極体20における正極タブ22tの積層数が10枚以上とされ、正極22の積層数に対する正極タブ22tの積層数の比率が0.3~0.7に設定されることによって、十分な出力を維持しつつ、正極タブ22t近傍の集電部のサイズを縮小することができる。正極タブ群23と正極集電部材50との接続部近傍の省スペース化を実現することができる。このため、巻回電極体20のサイズを大きくすることができ、延いては、二次電池1の容量を大きくすることができる。
また、巻回電極体20の巻回軸WLを通過し、かつ、巻回電極体20の厚み方向Tに対して垂直な面を第1面F1としたとき、第1面F1と正極集電部材50とが交差している。複数の正極タブ22tが折り曲げられたことで、第1面F1と正極集電部材50とが交差している。このため、正極タブ群23と正極集電部材50との接続部近傍の省スペース化をよりよく実現することができ、延いては、二次電池1をより高容量化することができる。
この実施形態では、第1電極が正極22であり、第2電極が負極24である。すなわち、第1電極タブが正極タブ22tであり、第2電極タブが負極タブ24tである。例えば、正極タブ22tを構成する金属(アルミニウムまたはアルミニウム合金、あるいはステンレス等)は、負極タブ24tを構成する金属(銅または銅合金等)よりも抵抗が高い。そのため、例えば正極タブ22tを負極タブ24tよりも短くすることで、二次電池1の内部抵抗を低減することができる。
ただし、第1電極が負極24であり、第2電極が正極22であってもよい。すなわち、第1電極タブが負極タブ24tであり、第2電極タブが正極タブ22tであってもよい。例えば、正極タブ22tは、負極タブ24tよりも耐力が低い金属で構成されうる。そのため、振動衝撃等で巻回電極体20が電池ケース10内で動いたとき、座屈および伸展を繰り返し、破断するリスクは、正極タブ22tに関してより高いと考えられる。そのため、例えば正極タブ22tを負極タブ24tよりも短くすることで、電極タブが破断するリスクを低減することができる。
以上、ここで開示される技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下、ここで開示される技術の他の実施形態について説明する。なお、下記実施形態において上述した以外のことは、上記第1実施形態で説明したことと同様であるため、ここでの重複した説明は省略する。
《第2実施形態》
上記第1実施形態では、複数の正極タブ22tは主に巻回電極体20の第1領域Rに設けられており、複数の負極タブ24tは主に第2領域Sに設けられていた。しかし、これに限定されない。図9は、第2実施形態における巻回電極体の断面図である。図9では、巻回電極体220において、第1面F1を基準に厚み方向Tの第1平坦外面2a側を第1領域Rとし、第2平坦外面2b側を第2領域Sとしたことが示されている。
図9に示されているように、第1領域Rにおいて、正極22の積層数NR1Bに対する正極タブ22tの積層数NR1Aの割合A(NR1A/NR1B)は、0.8以上である。上記割合A(NR1A/NR1B)は、0.9以上であることが好ましく、1.0に近いほど好ましい。また、同領域において、負極24の積層数NR2Bに対する負極タブ24tの積層数NR2Aの割合B(NR2A/NR2B)は、0.8以上である。上記割合B(NR2A/NR2B)は、0.9以上であることが好ましく、1.0に近いほど好ましい。
また、図9に示されているように、第2領域Sにおいて、正極22の積層数NS1Bに対する正極タブ22tの積層数NS1Aの割合C(NS1A/NS1B)は、0.2以下である。上記割合C(NS1A/NS1B)は、0.1以下であることが好ましく、0に近いほど好ましい。また、同領域において、負極24の積層数NS2Bに対する負極タブ24tの積層数NS2Aの割合D(NS2A/NS2B)は、0.8以上である。上記割合D(NS2A/NS2B)は、0.9以上であることが好ましく、1.0に近いほど好ましい。
図10は、第2実施形態における電極タブの配置を説明する平面図である。図10に示されているように、正極22と負極24とがセパレータ26を介して重ね合わせられたときに、電極の短手方向において、複数の負極タブ24tのうちの一部が正極タブ22tと重なっており、他の負極タブ24tが正極タブ22tと重なっていない。このように電極タブが配置された状態で正極22と負極24とセパレータ26とを重ね合わせて巻回すると、図9に示された巻回電極体220の構成を実現することができる。
この実施形態では、複数の正極タブ22tは主に巻回電極体220の第1領域Rに設けられており、複数の負極タブ24tは第1領域Rおよび第2領域Sのいずれにも設けられている。この実施形態では、正極タブ22tの数が、負極タブ24tの数よりも小さい。かかる構成の巻回電極体220を用いることで、正極タブ群23と正極集電部材50との接合部位近傍の構造のサイズを小さくすることができ、延いては、二次電池1の容量を大きくすることができる。また、かかる効果に加えて、巻回電極体220における電流密度の分布に偏りが生じるのを抑制することができる。
《第3実施形態》
上記第1実施形態および上記第2実施形態では、巻回電極体20,220の第1端部201に複数の正極タブ22tが設けられ、第2端部202に複数の負極タブ24tが設けられている。しかし、これに限定されない。図11は、第3実施形態における巻回電極体の斜視図である。図11に示されているように、巻回電極体320では、第1端部201に複数の正極タブ22tおよび複数の負極タブ24tが設けられている。この実施形態では、複数の正極タブ22tが第1平坦外面2a側の第1領域Rに設けられており、複数の負極タブ24tが第2平坦外面2b側の第2領域Sに設けられている。巻回電極体としてこの実施形態の巻回電極体320を採用する場合、正極集電部材50および負極集電部材60は、封口板14の内表面に設けられうる。巻回電極体320を用いた場合であっても、ここで開示される技術の効果を実現することができる。なお、この実施形態でも、上記第2実施形態と同様、複数の正極タブ22tが主に巻回電極体320の第1領域Rに設けられ、複数の負極タブ24tが第1領域Rおよび第2領域Sのいずれにも設けられた構成を採用することができる。
《その他の実施形態》
上記実施形態では、電極集電部材に接合された電極タブの先端が、両極とも同じ方向(例えば、第2平坦外面2b側)を向いていた。しかし、これに限定されない。例えば、正極タブ22tの先端が第2平坦外面2b側になるように配置され、負極タブ24tの先端が第1平坦外面2a側になるように配置されてもよい。
1 二次電池
2a 第1平坦外面
2b 第2平坦外面
10 電池ケース
20,220,320 巻回電極体
22 正極
22a 正極活物質層
22c 正極集電箔
22p 正極保護層
22t 正極タブ
23 正極タブ群
24 負極
24a 負極活物質層
24c 負極集電箔
24t 負極タブ
25 負極タブ群
26 セパレータ
30 正極端子
35,45 外部導電部材
40 負極端子
50 正極集電部材
60 負極集電部材
70 インシュレーター
90 ガスケット
F1 第1面
R 第1領域
S 第2領域

Claims (7)

  1. 第1電極と、該第1電極と異なる第2電極とが、セパレータを介して積層されて巻回された扁平状の巻回電極体を有する二次電池であって、
    前記第1電極に接続された第1集電部材を有しており、
    前記巻回電極体は、巻回軸方向における第1端部に、前記第1電極に接続された複数の第1電極タブを有しており、
    前記第1電極タブは、10枚以上設けられており、
    複数の前記第1電極タブが積層されており、
    前記巻回電極体の厚み方向において、前記第1電極タブの積層数N1Aと前記第1電極の積層数N1Bとの比(N1A/N1B)が0.3~0.7を満たしており、
    複数の前記第1電極タブは、折り曲げられた状態で前記第1電極集電部材に接続されている、二次電池。
  2. 前記巻回電極体の巻回軸を通過し、かつ、該巻回電極体の厚み方向に対して垂直な面を第1面としたとき、該第1面と前記第1電極集電部材とが交差している、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記巻回電極体を内部に収容する電池ケースを備えており、
    前記電池ケースは、
    底部、開口、一対の第1側壁、および一対の第2側壁を有する外装体と、
    前記開口を封口する封口板と、
    を有している、請求項1または2に記載の二次電池。
  4. 前記巻回電極体は、該巻回電極体の厚み方向の両端部に、第1平坦外面と、第2平坦外面と、を有しており、
    前記巻回電極体は、前記第1端部、または、前記巻回軸方向における前記第1端部と異なる第2端部に、前記第2電極に接続された複数の第2電極タブを有しており、該複数の第2電極タブは積層されており、
    前記巻回電極体において、前記第1面よりも前記第1平坦外面側の領域を第1領域とし、前記第1面よりも前記第2平坦外面側の領域を第2領域としたときに、
    前記第1領域において、前記第1電極の積層数に対する前記第1電極タブの積層数の割合Aは0.8以上であり、前記第2電極の積層数に対する前記第2電極タブの積層数の割合Bは0.2以下であり、
    前記第2領域において、前記第1電極の積層数に対する前記第1電極タブの積層数の割合Cは0.2以下であり、前記第2電極の積層数に対する前記第2電極タブの積層数の割合Dは0.8以上であり、
    複数の前記第1電極タブは、前記第1平坦外面側で束ねられており、
    複数の前記第2電極タブは、前記第1平坦外面側で束ねられている、請求項1~3のいずれか一項に記載の二次電池。
  5. 複数の前記第1電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が前記第2平坦外面に向かうように折り曲げられており、
    複数の前記第2電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が前記第2平坦外面に向かうように折り曲げられている、請求項4に記載の二次電池。
  6. 前記巻回電極体は、該巻回電極体の厚み方向の両端部に、第1平坦外面と、第2平坦外面と、を有しており、
    前記巻回電極体は、前記第1端部、または、前記巻回軸方向における前記第1端部と異なる第2端部に、前記第2電極に接続された複数の第2電極タブを有しており、該複数の第2電極タブは積層されており、
    前記巻回電極体において、前記第1面よりも前記第1平坦外面側の領域を第1領域とし、前記第1面よりも前記第2平坦外面側の領域を第2領域としたときに、
    前記第1領域において、前記第1電極の積層数に対する前記第1電極タブの積層数の割合Aは0.8以上であり、前記第2電極の積層数に対する前記第2電極タブの積層数の割合Bは0.8以上であり、
    前記第2領域において、前記第1電極の積層数に対する前記第1電極タブの積層数の割合Cは0.2以下であり、前記第2電極の積層数に対する前記第2電極タブの積層数の割合Dは0.8以上であり、
    複数の前記第1電極タブは、前記第1平坦外面側で束ねられており、
    複数の前記第2電極タブは、前記第1平坦外面側で束ねられている、請求項1~3のいずれか一項に記載の二次電池。
  7. 複数の前記第1電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が前記第2平坦外面に向かうように折り曲げられており、
    複数の前記第2電極タブは、束ねられた部分よりも先端側が前記第2平坦外面に向かうように折り曲げられている、請求項6に記載の二次電池。
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