JP5194070B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
このため、バリが発生しやすい正極シートにおける、正極リードが設けられた長手方向の一側辺と反対側の側辺を、隣接するセパレータを折り返して被覆するようにした構造とするものが知られている。このようにすれば、バリ等が2枚のセパレータを突き破る虞がなくなり、内部短絡を防止することができる、とされている(例えば、特許文献1参照)。
上述した先行文献に記載された発明では、この現象により生じる内部短絡は解決しない。
−二次電池の構造−
以下、この発明の二次電池を、リチウムイオン円筒形二次電池を一実施形態として図面と共に説明する。
図1は、この発明の円筒形二次電池の一実施形態を示す拡大断面図であり、図2は、図1に示された円筒形二次電池の分解斜視図である。
円筒形二次電池1は、例えば、外形40mmφ、高さ100mmの寸法を有する。この円筒形二次電池1は、上部が開口された有底円筒形の電池缶2および電池缶2の上部を封口するハット型の蓋3で構成される電池容器4の内部に、以下に説明する発電用の各構成部材が収容され、非水電解液5が注入されている。
10は、電極群であり、中央部に軸芯15を有し、軸芯15の周囲に正極電極および負極電極が捲回されている。図3は、電極群10の構造の詳細を示し、一部を切断した状態の斜視図である。図3に図示されるように、電極群10は、軸芯15の周囲に、正極電極11、負極電極12、および第1、第2のセパレータ13、14が捲回された構成を有する。
WS>WC>WA(図3参照)
すなわち、正極合剤11bの幅WAよりも、常に、負極合剤12bの幅WCが大きい。これは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透するが、負極側に負極活物質が形成されておらず負極シート12bが表出していると負極シート12aにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となるからである。
図1および図3において、中空な円筒形状の軸芯15は軸方向(図面の上下方向)の上端部の内面に径大の溝15aが形成され、この溝15aに正極集電部材27が圧入されている。正極集電部材27は、例えば、アルミニウムにより形成され、円盤状の基部27a、この基部27aの内周部において軸芯15側に向かって突出し、軸芯15の内面に圧入される下部筒部27b、および外周縁において蓋3側に突き出す上部筒部27cを有する。正極集電部材27の基部27aには、電池内部で発生するガスを放出するための開口部27d(図2参照)が形成されている。
また、正極集電部材27をアルミニウムで形成することにより、正極シート11aの正極リード16を超音波溶接またはスポット溶接等により溶接することが可能となる。
負極シート12aの負極リード17は、すべて、負極集電部材21の外周筒部21cに超音波溶接等により溶接される。各負極リード17は大変薄いため、大電流を取りだすために、軸芯15への巻き始めから巻き終わりまで全長にわたり、所定間隔で多数形成されている。
電極群10の最外周、すなわち、捲回された第1のセパレータ13の最外周の側面には、粘着テープ51が接着されている。粘着テープ51は、ベースフィルム52と、このベースフィルム52上に形成された粘着層53により構成されている。粘着テープ51は、粘着層53を電極群10側に向け、幅方向の側部が、電極群10の下部側の側部10aから突き出した状態で、粘着層53が電極群10に接着されている。この場合、粘着テープ51は、図2に図示されるように、電極群10の外周面に沿ってほぼ一周巻き付けられている。
粘着テープ51の詳細については後述する。
絶縁板34は、円形の開口部34aを有する絶縁性樹脂材料からなるリング形状を有し、正極集電部材27の上部筒部27c上に載置されている。
なお、蓋3が鉄で形成されている場合には、別の円筒形二次電池と直列に接合する際、鉄で形成された別の円筒形二次電池とスポット溶接により接合することが可能である。
前述したごとく、非水電解液5中には、正極シート11および負極シート12の作製工程に発生し発電ユニットに付着していた異物、電池缶2の加工工程中に発生し電池缶2内に付着した異物、内部構成部品に付着している異物、工程中に浮遊していて内部構成部品に付着した異物、この後、電池缶を封口する際に発生する異物等が混入している。
次に、上記構成の二次電池の製造方法の一例を説明する。
〔電極群作製〕
先ず、電極群10を作製する。
正極シート11aの両面に、正極合剤11bおよび正極合剤未処理部11cが形成され、また、多数の正極リード16が正極シート11aに一体に形成された正極電極11を作製する。また、負極シート12aの両面に負極合剤12bおよび負極処理部12cが形成され、多数の負極リード17が負極シート12aに一体に形成された負極電極12を作製する。
次に、粘着テープ51が取り付けられた電極群10を用いて、発電ユニット20を作製する。
電極群10の軸芯15の下部に負極集電部材21を取り付ける。負極集電部材21の取り付けは、負極集電部材21の開口部21bを軸芯15の下端部に設けられた段部15bに嵌入して行う。次に、負極集電部材21の外周筒部21cの外周の全周囲に亘り、負極リード17をほぼ均等に配分して密着し、負極リード17の外周に押え部材22を巻き付ける。そして、超音波溶接等により、負極集電部材21に負極リード17および押え部材22を溶接する。次に、軸芯15の下端面と負極集電部材21とに跨る負極通電リード23を負極集電部材21に溶接する。
この後、電極群10に粘着テープ51を取り付ける。
上述した如く、電極群10の最外周に、粘着層53を電極群10側に向け、粘着テープ51を、幅方向における粘着テープ51の一部、例えば、ほぼ半分程が電極群10の側部10aから突き出す位置で接着する。この場合、粘着テープ51は、図2に図示されるように、電極群10の外周面に沿ってほぼ一周巻き付けた状態で接着することが望ましい。
次に、発電ユニット20を電池缶2に収容する。
発電ユニット20を収容可能なサイズを有する金属製の有底円筒部材に、上述の工程を経て作製された発電ユニット20を収容する。有底円筒部材は、電池缶2となるものである。以下において、説明を簡素にして明瞭にするために、この有底円筒部材を電池缶2として説明する。
次に、発電ユニット20の負極側を電池缶2に溶接する。
電池缶2内に収納した発電ユニット20の負極通電リード23を、電池缶2の底部内面2bに抵抗溶接等により溶接する。この場合、図示はしないが、電池缶2の外部から、軸芯15の中空軸に電極棒を挿通し、電極棒により負極通電リード23を電池缶2の底部内面2bに押し付けて溶接する。
電池缶2の溝2aは、発電ユニット20の上端部、換言すれば、正極集電部材27の上端部近傍に位置するように形成する。なお、この工程において形成する溝2aは、後述する如く、最終的な形状またはサイズではなく、仮の形状またはサイズのものである。
次に、電池缶2の内部に、非水電解液5を所定量注入する。
非水電解液5の一例としては、前述した如く、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩の例として、フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、フッ化ホウ酸リチウム(LiBF6)、等が挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、或いは上記溶媒の1種類以上から選ばれる溶媒を混合したもの、が挙げられる。
一方、上記工程とは別に、蓋ユニット30を作製しておく。
蓋ユニット30は、前述した如く、絶縁板34、絶縁板34に設けられた開口部34aに嵌入された接続板35、接続板35に溶接されたダイアフラム37およびダイアフラム37にかしめにより固定された蓋3により構成されている。
次に、発電ユニット20の正極側と蓋ユニット30とを電気的に接続する。
正極集電部材27の基部27aに接続部材45の一端部を、例えば、超音波溶接等により溶接する。そして、蓋3、ダイアフラム37、接続板35および絶縁板34が一体化された蓋ユニット30を、接続部材45の他端部に近接して配置する。次に、接続部材45の他端部を接続板35の下面に、レーザ溶接により溶接する。この溶接は、接続部材45の他端部における接続板35との接合面が、正極集電部材27に溶接された接続部材45の一端部の接合面と同じ面となるようにして行う。
次に、電池缶2に収容された発電ユニット20の正極集電部材27に電気的に接続された蓋ユニット30を電池缶2に固定することにより電池缶2を封口する。
電池缶2の溝2aの上にガスケット43を収容する。この状態におけるガスケット43は、図2に図示するように、リング状の基部43aの上方に、基部43aに対して垂直な外周壁部43bを有する構造となっている。この構造で、ガスケット43は、電池缶2の溝2a上部の内側に留まっている。ガスケット43は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、1つの好ましい材料の例として、エチレンプロピレン共重合体(EPDM)をあげることができる。例えば、電池缶2は外径40mmφ、厚さ0.5mmの炭素鋼製、ガスケット43は厚さ1mmのEPDM製とした。
これにより、ダイアフラム37、蓋3、接続板35および絶縁板34が一体化された蓋ユニット30が、ガスケット43を介して電池缶2に固定され、また、正極集電部材27と蓋3が接続部材45、接続板35およびダイアフラム37を介して導電接続され、図1に図示された円筒形二次電池1が作製される。
なお、電池容器4内に粘着層53を収容する構造は、上述の方法に限られるものではない。以下に、電池容器4内に粘着層53を収容する構造の種々の実施形態を示す。
図5は、本発明に係る二次電池の実施形態2を示し、電池容器4内に収容される粘着層53の構造を示す断面図である。
実施形態2においては、粘着層53は、電池缶2の底部内面2b上に塗着されている。
この実施形態の場合、ベースフィルムは用いておらず、粘着層53が、直接、電池缶2の底部内面2b上に設けられている。粘着層53を電池缶2の底部内面2b上に設ける工程は、予め電池缶2に液状の粘着剤を垂らしてもよいが、電池ユニット20を電池缶2内に収容した後に行ってもよい。その場合は、予め、軸芯15の先端部に開口15cを形成しておき、発電ユニット20を電池缶2内に収容する。そして、軸芯15の上部より、軸芯15の中空部を介して液状の粘着剤を垂らし、電池缶2の底部内面2b上に延出する。延出された粘着剤により粘着層53が形成される。
図6は、本発明に係る二次電池の実施形態3を示し、電池容器4内に収容される粘着層53の構造を示す断面図である。
実施形態3においては、電池缶2の底部内面2b上に粘着テープ51が搭載されている。粘着テープ51は、ベースフィルム52上に粘着層53が形成された構成を有しており、ベースフィルム52を電池缶2の底部内面2b側に向け、粘着層53を電極群10側に向けた状態で電池缶2内に収容されている。
このようにして電池容器4内に収容された粘着テープ51の粘着層53に、非水電解液5が接触し、非水電解液5中に混入している異物29が粘着層53に付着し、捕集される。
図7は、本発明に係る二次電池の実施形態4を示し、電池容器4内に収容される粘着層53の構造を示す断面図である。
実施形態4においては、粘着テープ51は、負極通電リード23の周縁部における下面に配置されている。
粘着テープ51は、ベースフィルム52上に粘着層53が形成された構成を有しており、ベースフィルム52を負極通電リード23側に向け、粘着層53を電池缶2の底部内面2b側に向けた状態で電池缶2内に収容されている。
このようにして電池容器4内に収容された粘着テープ51の粘着層53に、非水電解液5が接触し、非水電解液5中に混入している異物29が粘着層53に付着し、捕集される。
なお、図6および図7において、粘着テープ51の開口部54には、負極通電リード23が挿通されるとして説明した。しかし、負極集電リード23を用いることなく、負極集電板部材21を、直接、電池缶2の底部内面2bに溶接する場合もある。したがって、粘着テープ51の開口部54には、軸芯15、または軸芯15の外周に配置される部材を挿通すればよい。
また、粘着テープを使用することを実施例としたが、液状の粘着剤を負極集電リード23や負極集電板部材21、あるいはリング状の押さえ部材22や負極リード17、電池缶2の底面だけでなく側面も含めて付着させて、粘着層としてもよい。
図8は、本発明に係る二次電池の実施形態35示し、電池容器4内に収容される粘着層53の構造を示す断面図である。
実施形態1〜4においては、粘着層53または粘着層53を有する粘着テープ51は、電池缶2の底部付近に収容された構造であった。実施形態5においては、粘着テープ51は、電池缶2の上部側に収容された構造を示す。
より詳細には、粘着テープ51は、粘着層53を電極群10側に向け、幅方向の側部が、電極群10の上部側の側部10bから突き出した状態で、粘着層53が電極群10に接着されている。この場合、実施形態1の場合と同様に、粘着テープ51は、ベースフィルム52と、このベースフィルム52上に形成された粘着層53により構成され、電極群10の外周面に沿ってほぼ一周巻き付けられている。
図9は、本発明に係る二次電池の実施形態6を示し、電池容器4内に収容される粘着層53の構造を示す断面図である。
実施形態6においては、粘着テープ51は、正極集電部材27の上部筒部27cに溶接された正極リード16に接合されたリング状の押え部材28の高さ方向の側面に沿ってほぼ一周巻き付けられている。この場合、粘着テープ51のベースフィルム52の外面を押え部材28の高さ方向の側面に沿わせて、換言すれば、粘着テープ51の幅方向を押え部材28の高さ方向に向けて、押え部材28の周囲に巻き付けられている。そして、一周巻き付けた端部において、終端側のベースフィルム52を始端側の粘着層52上に重合して粘着層53に接着し、リング状に形成されている。
実施形態1〜6は、本発明の二次電池を円筒形二次電池に適用した場合で説明した。しかし、本発明の二次電池は、角形二次電池にも適用が可能であり、次に、その一実施形態を示す。
図10は、本発明に係るリチウムイオン角形二次電池の分解外観斜視図である。
リチウムイオン角形二次電池100は、捲回電極群60を絶縁袋71で覆い、電池缶72に収納して作製される。捲回電極群60は、実施形態1と同様に、シート状の負極電極と、シート状の第1のセパレータと、シート状の正極電極、シート状の第2のセパレータとを順に積層して捲回して形成されている。しかし、実施形態1においては、軸芯15の周囲に捲回して円筒状に形成されているが、角形リチウム二次電池では、捲回電極群60の両端部に円弧部が形成されるように扁平形状に形成されている。
なお、非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で1:2の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。
その後、乾燥、プレス、裁断することにより活物質合剤層が配された部分の幅80mm、厚さ100μm、長さ4mの正極電極を得た。
その後、乾燥、プレス、裁断することにより活物質合剤層が配された部分の幅84mm、長さ4.4mの負極を得た。
これにより、電解液中に混入された異物により正極電極とセパレータの間から内部短絡を発生する原因となる異物が侵入することを防止することができる。
2 電池缶
3 蓋
4 電池容器
5 非水電解液
10 電極群
11 正極電極
12 負極電極
20 発電ユニット
21 負極集電部材
27 正極集電部材
29 異物
30 蓋ユニット
34 絶縁板
35 接続板
37 ダイアフラム
43 ガスケット
45 接続部材
51、51a、51b 粘着テープ
52 ベースフィルム
53 粘着層
60 捲回電極群
71 絶縁袋
100 角形二次電池
Claims (8)
- 電池容器内に、正極電極および負極電極を含む電極群と電解液とが外部から密封して収容された二次電池であって、電池容器内に混入している異物を捕集する粘着層が、少なくとも一部を前記電解液に接触可能に露出して収容されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項1に記載の二次電池において、前記電池容器内に収容された前記粘着層の少なくとも一部が前記電極群に接着されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項2に記載の二次電池において、前記電極群は前記正極電極と前記負極電極との間に介在するセパレータを含み、前記電池容器内に収容された前記粘着層は、最外周の前記セパレータに接着されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項1に記載の二次電池において、前記電極群は前記正極電極と前記負極電極が捲回される軸芯を有し、前記電池容器は前記軸芯の軸方向に対して垂直な底面を有し、前記電池容器内に収容された前記粘着層は、前記電極群の前記電池容器の底面に対向する側部と、前記電池容器の底面との間に収容されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項4に記載の二次電池において、前記粘着層は、前記軸芯が挿通される開口部を有することを特徴とする二次電池。
- 請求項1に記載の二次電池において、前記電池容器は、前記電極群を収容する電池缶と、前記電池缶の開口部に設けられた蓋ユニットを有し、前記電池容器内に収容された前記粘着層は、前記電極群における前記蓋ユニットに対向する側部と、前記蓋ユニットとの間に収容されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項1に記載の二次電池において、前記電極群を収容する絶縁袋を有し、前記電池容器内に収容された前記粘着層は、前記絶縁袋内に収容されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の二次電池において、前記電解液は非水電解液であることを特徴とするとする二次電池。
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