JP5194070B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

この発明は、二次電池に関する。
リチウム二次電池等に代表される円筒形二次電池においては、正極合剤が形成された正極電極と負極合剤が形成された負極電極とをセパレータを介して軸芯の周囲に捲回して電極群を構成する。正極合剤は正極シートの両面に形成され、正極シートの長手方向の一側縁部は正極合剤が形成されない正極合剤未処理部とされる。
正極合剤未処理部には、正極電極を正極集電部材に溶接するため、通常、タブと言われる正極リードがプレス等により、正極シートと一体に形成される。負極電極側においても同様で、負極合剤が負極シートの両面に形成され、負極シートの長手方向の一側縁部に設けられた負極合剤未処理部に、負極集電部材に溶接される負極リードがプレス等により、負極シートと一体に形成される
電極群における正極電極と負極電極とは、例えば、正極リードまたは負極リードをプレスにより形成する際に発生するバリ等がセパレータを突き破ることによって短絡することがある。このように正極電極と負極電極とがスポット的に短絡すると、必要な電圧が得られない等、電池性能が低下する。
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)。
特開2008−4476号公報
しかし、電極群を電池容器内に収容し、電池容器内に電解液を注入した後においても内部短絡が発生する。この現象の詳細は後述するが、要は、電解液中に混入した異物が原因となって正極電極側からイオンが発生し、セパレータを浸透して負極電極で成長する、すなわち負極電極に析出して堆積する、という現象によるものである。この結果、負極電極に生じた堆積物により正極と負極の内部短絡が生じる。
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。
本発明の二次電池は、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。
この発明の二次電池によれば、電池容器内に混入している異物を粘着層により捕集することができる。このため、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浸入することを防止することができる。
本発明に係る二次電池の一実施形態としての円筒形二次電池の拡大断面図。 図1に示された円筒形二次電池の分解斜視図。 図1の電極群の詳細を示し、一部を切断した状態の斜視図。 本発明に係る二次電池の実施形態1の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態2の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態3の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態4の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態5の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態6の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態7としての角形二次電池の斜視図。
(実施形態1)
−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。
有底円筒形の電池缶2には、その開口側である上端部側に電池缶2の内側に突き出した溝2aが形成されている。
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。
軸芯15は、中空円筒状を有し、軸芯15には、負極電極12、第1のセパレータ13、正極電極11および第2のセパレータ14が、この順に積層され、捲回されている。最内周の負極電極12の内側には第1のセパレータ13および第2のセパレータ14が数周(図3では、1周)捲回されている。また、最外周側は負極電極12およびその外周に捲回された第1のセパレータ13となっている。最外周の第1のセパレータ13が接着テープ19で止められる(図2参照)。
正極電極11は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状を有し、正極シート11aと、この正極シート11aの両面に正極合剤11bが塗布された正極処理部を有する。正極シート11aの長手方向に延在する上方側の側縁は、正極合剤11bが塗布されずアルミニウム箔が露出した正極合剤未処理部11cとなっている。この正極合剤未処理部11cには、軸芯15の軸に沿って上方に突き出す多数の正極リード16が等間隔に一体的に形成されている。
正極合剤11bは正極活物質と、正極導電材と、正極バインダとからなる。正極活物質はリチウム酸化物が好ましい。例として、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リチウム複合酸化物(コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる2種類以上を含むリチウム酸化物)等が挙げられる。正極導電材は、正極合剤中におけるリチウムの吸蔵放出反応で生じた電子の正極電極への伝達を補助できるものであれば制限は無い。しかし中でも上述の材料である、コバルト酸リチウムとマンガン酸リチウムとニッケル酸リチウムとからなるリチウム複合酸化物を使用することにより良好な特性がえられる。
正極バインダは、正極活物質と正極導電材を結着させ、また正極合剤と正極集電体を結着させることが可能であり、非水電解液5との接触により、大幅に劣化しなければ特に制限はない。正極バインダの例としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)やフッ素ゴムなどが挙げられる。正極合剤層の形成方法は、正極電極上に正極合剤が形成される方法であれば制限はない。正極合剤11bの形成方法の例として、正極合剤11bの構成物質の分散溶液を正極シート11a上に塗布する方法が挙げられる。このような方法で製造することにより特性の優れた正極合剤が得られる。
正極合剤11bを正極シート11aに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法、等が挙げられる。正極合剤11bに分散溶液の溶媒例として、N−メチルピロリドン(NMP)や水等を添加し、混練したスラリを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレスし、裁断する。正極合剤11bの塗布厚さの一例としては片側約40μmである。正極シート11aをプレスにより裁断する際、正極リード16を一体的に形成する。すべての正極リード16の長さは、ほぼ同じである。
負極電極12は、銅箔により形成され長尺な形状を有し、負極シート12aと、この負極シート12aの両面に負極合剤12bが塗布された負極処理部を有する。負極シート12aの長手方向に延在する下方側の側縁は、負極合剤12bが塗布されず銅箔が露出した負極合剤未処理部12cとなっている。この負極合剤未処理部12cには、軸芯15の軸に沿って正極リード16とは反対方向に延出された、多数の負極リード17が等間隔に一体的に形成されている。
負極合剤12bは、負極活物質と、負極バインダと、増粘剤とからなる。負極合剤12bは、アセチレンブラックなどの負極導電材を有しても良い。負極活物質としては、黒鉛炭素を用いること、特に人造黒鉛を使用することが好ましい。黒鉛炭素を用いることにより、大容量が要求されるプラグインハイブリッド自動車や電気自動車向けのリチウムイオン二次電池が作製できる。負極合剤12bの形成方法は、負極シート12a上に負極合剤12bが形成される方法であれば制限はない。しかしその中でも次に記載する方法により優れた特性の負極合剤が得られる。負極合剤12bを負極シート12aに塗布する方法の例として、負極合剤12bの構成物質の分散溶液を負極シート12a上に塗布する方法が挙げられる。塗布方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法等が挙げられる。
負極合剤12bを負極シート12aに塗布する方法の例として、負極合剤12bに分散溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンや水を添加し、混練したスラリを、厚さ10μmの圧延銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレスし、裁断する。負極合剤12bの塗布厚さの一例としては片側約40μmである。負極シート12aをプレスにより裁断する際、負極リード17を一体的に形成する。すべての負極リード17の長さは、ほぼ同じである。
第1のセパレータ13および第2のセパレータ14の幅をWS、負極シート12aに形成される負極合剤12bの幅をWC、正極シート11aに形成される正極合剤11bの幅をWAとした場合、下記の式を満足するように形成される。
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。
第1のセパレータ13および第2のセパレータ14は、それぞれ、例えば、厚さ40μmのポリエチレン製多孔膜で形成されている。
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。
正極シート11aの正極リード16は、すべて、正極集電部材27の上部筒部27cに溶接される。この場合、図2に図示されるように、正極リード16は、正極集電部材27の上部筒部27c上に重なり合って接合される。各正極リード16は大変薄いため、1つでは大電流を取りだすことができない。このため、軸芯15への巻き始めから巻き終わりまでの全長に亘り、多数の正極リード16が所定間隔に形成されている。
正極集電部材27は、電解液によって酸化されるので、アルミニウムで形成することにより信頼性を向上することができる。アルミニウムは、なんらかの加工により表面が露出すると、直ちに、表面に酸化アルミウム皮膜が形成され、この酸化アルミニウム皮膜により、電解液による酸化を防止することができる。
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。
正極集電部材27の上部筒部27cの外周には、正極シート11aの正極リード16およびリング状の押え部材28が溶接されている。多数の正極リード16は、正極集電部材27の上部筒部27cの外周に密着させておき、正極リード16の外周に押え部材28を巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。
軸芯15の下端部の外周には、外径が径小とされた段部15bが形成され、この段部15bに負極集電部材21が圧入されて固定されている。負極集電部材21は、例えば、銅により形成され、円盤状の基部21aに軸芯15の段部15bに圧入される開口部21bが形成され、外周縁に、電池缶2の底部側に向かって突き出す外周筒部21cが形成されている。
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。
負極集電部材21の外周筒部21cの外周には、負極シート12aの負極リード17およびリング状の押え部材22が溶接されている。多数の負極リード17は、負極集電部材21の外周筒部21cの外周に密着させておき、負極リード17の外周に押え部材22を巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。
負極集電部材21の下面には、銅製の負極通電リード23が溶接されている。負極通電リード23は、電池缶2の底部において、電池缶2に溶接されている。電池缶2は、例えば、0.5mmの厚さの炭素鋼で形成され、表面にニッケルメッキが施されている。このような材料を用いることにより、負極通電リード23は、電池缶2の底部内面2bに抵抗溶接等により溶接することができる。上記負極集電部材21と接続されている電池缶2は他の出力端として作用し、一方の出力端として作用する上記蓋3と他方の出力端として作用する上記電池缶2より蓄えられた電力を出力することが可能となる。
図4は、円筒形二次電池1の底部側の詳細を示す拡大断面図である。
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。
正極集電部材27の上部筒部27cの外周には、正極シート11aの正極リード16およびリング状の押え部材28が溶接されている。多数の正極リード16は、正極集電部材27の上部筒部27cの外周に密着させておき、正極リード16の外周に押え部材28を巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。
多数の正極リード16が正極集電部材27に溶接され、多数の負極リード17が負極集電部材21に溶接されることにより、正極集電部材27、負極集電部材21および電極群10が一体的にユニット化された発電ユニット20が構成される(図2参照)。但し、図2においては、図示の都合上、負極集電部材21、押え部材22および負極通電リード23は発電ユニット20から分離して図示されている。
また、正極集電部材27の基部27aの上面には、複数のアルミニウム箔が積層されて構成されたフレキシブルな接続部材45が、その一端部を溶接されて接合されている。接続部材45は、複数枚のアルミニウム箔を積層して一体化することにより、大電流を流すことが可能とされ、且つ、フレキシブル性を付与されている。つまり、大電流を流すには接続部材の厚さを大きくする必要があるが、1枚の金属板で形成すると剛性が大きくなり、フレキシブル性が損なわれる。そこで、板厚の小さな多数のアルミニウム箔を積層してフレキシブル性を持たせている。接続部材45の厚さは、例えば、0.5mm程度であり、厚さ0.1mmのアルミニウム箔を5枚積層して形成される。
正極集電部材27の上部筒部27c上には、蓋ユニット30が配置されている。蓋ユニット30は、リング形状をした絶縁板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。
絶縁板34は、開口部34a(図2参照)および下方に突出する側部34bを有している。絶縁材34の開口部34a内には接続板35が嵌合されている。接続板35の下面には、接続部材45の他端部が溶接されて接合されている。この場合、接続部材45は他端部側において半周程度湾曲されて、正極集電部材27に溶接された面と同じ面が接続板35に溶接されている。
接続板35は、アルミニウム合金で形成され、中央部を除くほぼ全体が均一でかつ、中央側が少々低い位置に撓んだ、ほぼ皿形状を有している。接続板35の厚さは、例えば、1mm程度である。接続板35の中心には、薄肉でドーム形状に形成された突起部35aが形成されており、突起部35aの周囲には、複数の開口部35b(図2参照))が形成されている。開口部35bは、電池内部に発生するガスを放出する機能を有している。
接続板35の突起部35aはダイアフラム37の中央部の底面に抵抗溶接または摩擦拡散接合により接合されている。ダイアフラム37はアルミニウム合金で形成され、ダイアフラム37の中心部を中心とする円形の切込み37aを有する。切込み37aはプレスにより上面側をV字形状に押し潰して、残部を薄肉にしたものである。ダイアフラム37は、電池の安全性確保のために設けられており、電池の内圧が上昇すると、第1段階として、上方に反り、接続板35の突起部35aとの接合を剥離して接続板35から離間し、接続板35との導通を絶つ。第2段階として、それでも内圧が上昇する場合は切込み37aにおいて開裂し、内部のガスを放出する機能を有する。
ダイアフラム37は周縁部において蓋3の周縁部を固定している。ダイアフラム37は図2に図示されるように、当初、周縁部に蓋3側に向かって垂直に起立する側部37bを有している。この側部37b内に蓋3を収容し、かしめ加工により、側部37bを蓋3の上面側に屈曲して固定する。
蓋3は、炭素鋼等の鉄で形成してニッケルめっきが施されており、ダイアフラム37に接触する円盤状の周縁部3aと、この周縁部3aから上方に突出す有頭無底の筒部3bを有するハット型を有する。筒部3bには開口部3cが形成されている。この開口部3cは、電池内部に発生するガス圧によりダイアフラム37が開裂した際、ガスを電池外部に放出するためのものである。蓋3は一方の電力出力端として作用し、蓋3から蓄電された電力を取り出すことができる。
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。
ダイアフラム37の側部37bと周縁部を覆ってガスケット43が設けられている。ガスケット43は、当初、図2に図示されるように、リング状の基部43aの周側縁に、上部方向に向けてほぼ垂直に起立して形成された外周壁部43bと、内周側に、基部43aから下方に向けてほぼ垂直に垂下して形成された筒部43cとを有する形状を有している。
そして、詳細は後述するが、プレス等により、電池缶2と共にガスケット43の外周壁部43bを折曲して基部43aと外周壁部43bにより、ダイアフラム37と蓋3を軸方向に圧接するようにかしめ加工される。これにより、蓋3とダイアフラム37とがガスケット43を介して電池缶2に固定される。
電池缶2の内部には、非水電解液5が所定量注入されている。非水電解液5の一例としては、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(LiPF)、フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、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。
しかして、上述した如く、正極電極11に形成された多数の正極リード16は、すべて、正極集電部材27の上部筒部27cの外周に超音波溶接等により溶接される。この場合、正極集電部材27の上部筒部27cの外周の全周囲に亘り、正極リード16をほぼ均等に配分して密着し、正極リード16の外周に押え部材28を巻き付ける。そして、超音波溶接等により、正極集電部材27に正極リード16および押え部材28を溶接する、という方法を用いている。
この方法による場合、正極集電部材27に溶接される各正極リード16が、正極集電部材27側に引っ張られる。このため、各正極リード16の基部に対応する正極シート11aの正極合剤未処理部11cの部位が各正極リード16と共に正極集電部材27側に寄せられる。これにより、正極合剤未処理部11cの各正極リード16に対応する部分と、その外側に隣接する第2のセパレータ14との間に隙間が生じる。
ところで、電池缶2の内部に注入された非水電解液5中には、多数の微小な導電性の異物が混在している。このような異物は、正極シート11および負極シート12の作製工程、電池缶2の加工工程、正極リード16の正極集電部材27への溶接工程等において発生し、非水電解液5中に混入する。そして、上記の如く、正極リード16と、その外側に隣接する第2のセパレータ14との間に隙間が生じると、この隙間から、上記各工程で発生し、非水電解液5中に混入した異物が正極電極11と第2のセパレータ14との間に入り込みやすい。また、正極電極11と第1のセパレータ13、または正極電極11と第2のセパレータ14との間に生じる他の隙間から、上記各工程等で発生し、非水電解液5中に混入した異物が入り込む場合もある。
正極電極11と負極電極12間には、所定の電位、例えば4.1Vがかかっているため、正極電極11と第1のセパレータ13との間に入り込んだ異物、または正極電極11と第2のセパレータ14との間に入り込んだ異物はイオン化され、セパレータを浸透して負極電極12側に流れる。そして、負極電極12で成長して析出し、堆積されていく。この堆積物により、正極と負極が短絡する現象が生じる。
そこで、本発明では、図4に図示されるように、電池容器内に混入する異物29を、粘着テープ51の粘着層53に付着して捕集するようにしたものである。これは、電池容器内の浮遊異物が製造工程で空気中を移動する異物を捕集したり、電解液の注液工程以降の液を介して移動する異物を捕集したりするようにしたものである。粘着テープ51は、ベースフィルム52と、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。ベースフィルム52は、耐溶剤性に優れた、例えば、ポリプロプレンにより形成されたフィルムである。また、粘着層53は、常温接着型で、例えば、アクリル系粘着剤で形成されている。粘着層53の膜厚は、30〜60μmである。粘着層53は、非水電解液5中においても、粘着力を保持している。
粘着テープ51は、電極群10を電池缶2内に収容する前に、電極群10の最外周、換言すれば、第1のセパレータ13の最外周の外周面に接着する。粘着テープ51の接着は、粘着層53を電極群10側に向け、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電極群10に接着する。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と、接着強度が大きくなるので好ましい。
粘着テープ51が接着された電極群10を電池缶2内に収容した後、電池缶2内に非水電解液5が注入される。非水電解液5は、電池缶2の全空間体積を必ずしも満たすまで注入されるわけではない。非水電解液5が注入されると、粘着テープ51は、粘着層53の電極群10の側部10aから突き出した部分が非水電解液5と接触する。
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。
この後、電池缶2の上部開口部に蓋ユニット30を、かしめ加工等により封口した後、二次電池1を移動したり、運搬したりする。このとき、二次電池1は、振動あるいは揺動する。このため、二次電池1の非水電解液5が振動し、あるいは揺れることにより、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。
次に、上記構成の二次電池の製造方法の一例を説明する。
--二次電池の製造方法--
〔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。
そして、図3に図示するように、軸芯15に、第1のセパレータ13、正極電極11、第2のセパレータ14、負極電極12を、この順に捲回して電極群10を作製する。この場合、第1のセパレータ13、正極電極11、第2のセパレータ14、負極電極12は最も内側の側縁部を軸芯15に溶接しておくと、捲回時に加える荷重に抗して捲回することが容易となる。電極群10の最外周のセパレータはテープ19により接着する(図2参照)。
〔発電ユニット作製〕
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。
次に、軸芯15の正極集電部材27の下部筒部27bを軸芯15の上端側に設けられた溝15aに嵌合する。そして、正極電極11の正極リード16を正極集電部材27の上部筒部27cの外面に密着させる。そして、正極リード16の外周に押え部材28を巻き付け、超音波溶接等により、正極集電部材27の上部筒部27cに正極リード16および押え部材28を溶接する。このようにして、発電ユニット20が構成される。
[粘着テープの取付]
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。
〔電池缶への収容〕
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。
〔負極溶接〕
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。
次に、電池缶2の上端部側の一部を絞り加工して内方に突出し、外面にほぼV字状の溝2aを形成する。
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。
〔電解液注入〕
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。
〔蓋ユニット作製〕
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。
蓋ユニット30を作製するには、先ず、ダイアフラム37に蓋3を固定する。ダイアフラム37と蓋3との固定は、かしめ等により行う。図2に図示される如く、当初、ダイアフラム37の側壁37bは基部37aに垂直に形成されているので、蓋3の周縁部3aをダイアフラム37の側壁37b内に配置する。そして、ダイアフラム37の側壁37bをプレス等により変形させて、蓋3の周縁部の上面および下面、および外周側面を覆って圧接する。
また、接続板35を絶縁板34の開口部34aに嵌合して取り付けておく。そして、接続板35の突起部35aを、蓋3が固定されたダイアフラム37の底面に溶接する。この場合の溶接方法は、抵抗溶接または摩擦拡散接合を用いることができる。接続板35とダイアフラム37を溶接することにより、接続板35が嵌合された絶縁板34およびダイアフラム37に固定された蓋3が一体化され、蓋ユニット30が作製される。
〔正極溶接〕
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。
〔封口〕
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。
次に、ガスケット43の筒部43c上に、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を配置する。詳細には、蓋ユニット30のダイアフラム37を、その周縁部をガスケット43の筒部43c上に対応させて載置する。この場合、絶縁板34の側部34bの外周に正極集電部材27の上部筒部27cが嵌合されるようにする。
この状態で、電池缶2の溝2aと上端面の間の部分をプレスにより圧縮する、いわゆる、かしめ加工により、ガスケット43と共にダイアフラム37を電池缶2に固定する。
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。
このようにして作製された円筒形二次電池1は、この後、移動あるいは運搬される。このとき、円筒形二次電池1は、振動あるいは揺動し、これに伴い、非水電解液5が振動し、あるいは揺れるため、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、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。
(実施形態2)
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。
このようにして電池容器4内に収容された粘着層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。
(実施形態3)
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。
粘着テープ51には、中央部に円形状の開口部54が形成されており、この開口部54内には、負極通電リード23が挿通される。このため、粘着テープ51は、非水電解液5中に浮き上がった場合でも、開口部54と負極通電リード23とのクリアランスの範囲以上には移動しない。従って、粘着テープ51を接着する必要はない。但し、粘着テープ51を電池缶2の底部内面2bに接着しても差し支えはない。
粘着テープ51は、発電ユニット20を電池缶2内に収容する前に電池缶2の底部内面2b上に配置しておいてもよいし、発電ユニット20に仮止めした状態で、発電ユニット20と共に電池缶2内に収容するようにしてもよい。
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、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に溶接する際にスパークが発生し、このスパークが電池缶2の底部内面2bに付着して短絡を起こすことがある。これを防止するために、電池缶2の底部内面2b上に絶縁フィルム(図示せず)が載置または接着されている場合がある。このような構造の場合、粘着テープ51は、絶縁フィルム上に形成すればよい。
(実施形態4)
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。
粘着テープ51には、中央部に円形状の開口部54が形成されており、この開口部54内には、負極通電リード23が挿通される。このため、粘着テープ51は、非水電解液5中に沈んだ場合でも、開口部54と負極通電リード23とのクリアランスの範囲以上には移動しない。このため、粘着テープ51を電池缶2の底部内面2bに接着する必要はない。但し、粘着テープ51を負極通電リード23に接着しても差し支えはない。
粘着テープ51は、発電ユニット20を電池缶2内に収容する前に負極通電リード23に仮止めした状態で、発電ユニット20と共に電池缶2内に収容する。
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。
(実施形態5)
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。
非水電解液5は、電池缶2の全空間体積を必ずしも満たすまで注入されるわけではない。しかし、円筒形二次電池1は、完成後、移動、運搬あるいは収納容器への収納時に、大きい角度に傾斜したり、横向き、あるいは逆向きとされたりする。このため、図8に図示されるように、電池容器4の上部側に収容された粘着テープ51の粘着層53に対しても、非水電解液5が接触し、非水電解液5中に混入されている異物29が粘着層53に付着し、捕集される。
図8に図示された円筒形二次電池1を作製するには、実施形態1の場合と同様な製造方法を用いればよい。すなわち、発電ユニット20を電池缶2内に収容する前に、粘着テープ51の幅方向の側部を、電極群10の最外周の上部側の側部10bから突き出した状態で、粘着テープ51を電極群10に接着しておけばよい。
(実施形態6)
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。
図9に図示された粘着テープ51は、粘着層53が非水電解液5側に向けて露出している。このため、完成後に円筒形二次電池1が、移動、運搬あるいは収納容器への収納する際に、大きい角度に傾斜したり、横向き、あるいは逆向きとされたりすることにより、非水電解液5が接触し、非水電解液5中に混入されている異物29が粘着層53に付着し、捕集される。また、粘着テープを使用することを実施例としたが、液状の粘着剤を正極集電板部材27、あるいはリング状の押さえ部材28や正極リード16、電池缶2の上側面、蓋ユニットの電池内面、ガスケットも含めて付着させ粘着層としてもよい。
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。
(実施形態7)
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。
リチウムイオン角形二次電池の正極合剤未処理部には、アルミニウム製の正極集電リード部61の接合部62が超音波溶接によって溶接されている。この場合、捲回された正極合剤未処理部は重合されて厚さ方向に溶接されている。正極合剤未処理部は、正極合剤処理部に比して厚さが薄いので、厚さ方向に溶接されると、図10に図示されるように、正極合剤処理部の表裏の上面から陥没する。図10では、捲回電極群60の裏面側は図示されていないが、正極合剤未処理部は、表面側と同様に、正極合剤処理部の表裏の上面から陥没している。
捲回電極群60の負極合剤未処理部には、銅の負極集電リード部63の接合部64が超音波溶接によって溶接されている。この場合、捲回された負極合剤未処理部は重合されて厚さ方向に溶接されている。負極合剤未処理部は、負極合剤処理部に比して厚さが薄いので、厚さ方向に溶接されると、図10に図示されるように、負極合剤処理部の表裏の上面から陥没する。捲回電極群60の裏面側は図示されていないが、負極合剤未処理部は、表面側と同様に、負極合剤処理部の表裏の上面から陥没している。
集電リード部61、63は、電池蓋73に装着された正極端子81および負極端子83にそれぞれ接続されており、これによって、捲回電極群60は、電池蓋73によって支持されるとともに、正極端子81および負極端子83からの充放電が可能となる。
電池蓋73には、電解液を注入するための注液口74が設けられ、さらに、内部圧力が基準値を超えて上昇した際に、圧力を抜くためのガス破裂弁75が設けられている。注液口74は電解液注入後にレーザ溶接によって塞がれる。レーザ溶接によって電池蓋73を電池缶72に溶接することにより、電池缶72が封止される。
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(LiPF)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。
正極電極の作製に際しては、正極活物質としてリチウム含有複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混合し、これに分散溶媒であるN−メチルピロリドン(NMP)を添加、混練したスラリを作成し、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布した。
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80mm、厚さ100μm、長さ4mの正極電極を得た。
負極電極の作製に際しては、負極活物質としての非晶質炭素粉末と、結着剤としてのPVDFを混練し、これに分散溶媒のNMPを添加して得られたスラリを、厚さ10μmの圧延銅箔の両面に塗布した。
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。
図10において、絶縁袋71は、一部が破断された状態で図示されている。絶縁袋71における捲回電極群60に対向する一面側には、側部の両側に粘着テープ51が配置されている。一方の粘着テープ51は、正極合剤未処理部に対向する位置に配置されている。他方の粘着テープ51は、負極合剤未処理部に対向する位置に配置されている。粘着テープ51は、それぞれ、実施形態1における粘着テープ51と同様に、ベースフィルムと粘着層53を備えている。この場合、各粘着テープ51は、ベースフィルムを絶縁袋71側に向け、粘着層53を捲回電極群60側に向けて配置されている。
注液口74より絶縁袋71内に注入される非水電解液は、全空間体積を必ずしも満たすまで注入されるわけではない。しかし、角形リチウム二次電池100は、完成後、移動、運搬あるいは収納容器への収納時に、大きい角度に傾斜したり、横向き、あるいは逆向きとされたりする。このため、粘着テープ51の粘着層53に非水電解液5が接触し、非水電解液中に混入されている異物が粘着層53に付着し、捕集される。
粘着テープ51は、絶縁袋71に接着してもよいが接着しなくてもよい。また、粘着テープ51を、粘着層53のみとしてもよい。粘着テープ51または粘着層53を配置する場所は、正極合剤未処理部または負極合剤未処理部に対応する位置に限られるものではない。
以上のように、本発明に係る二次電池は、粘着層を電解液に接触可能に露出して収容するので、この粘着層に電解液に混入された異物が付着し、捕集することができる。
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。
なお、上記実施形態では、リチウムイオン二次電池の場合で説明した。しかし、本発明は、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池、鉛蓄電池のように水溶性電解液を用いる二次電池にも適用が可能である。
その他、本発明の二次電池は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、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、少なくとも一部を電解液に接触可能に露出して収容されているものであればよい。
1 円筒形二次電池
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 請求項1乃至のいずれか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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